CN106907987B - 一种干涉成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干涉成像光学系统，包括第一透镜组、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第二透镜组和光电转换元件阵列；第一透镜组用于接收物光并形成目标物的像；像光进入分光镜，分光镜透射部分像光形成一路透射光，并反射部分像光形成另一路反射光；由分光镜透射出的光和反射出的光经两个反射镜后，重新进入分光镜，分光镜将两束光汇合并发生干涉，经过第二透镜组汇聚到光电转换元件阵列进行接收和记录；第一反射镜和第二反射镜的任意一个到分光镜的距离固定，另外一个可沿其光轴方向平行移动。本发明干涉成像光学系统，能够成像获得携带目标物形貌信息的干涉图像，通过后期的应用转换，能够为获得物体显微的二维形貌和光谱信息等提供数据基础。

Description

一种干涉成像光学系统

技术领域

本发明涉及干涉测量应用技术领域，特别是涉及一种干涉成像光学系统。

背景技术

现有技术中，普通的成像系统由成像物镜组和光电转换器件阵列构成，物体光进入成像物镜组，形成的像由光电转换器件阵列接收，从而得到物体图像，通过成像系统可实时记录和观测物体形貌。

光波干涉是一种基本的光学物理现象，光学干涉测量是通过产生相干的两路光，一路作为参考光，一路作为测量光，参考光照射到位置固定的参考反射镜，测量光照射到被测对象，由参考反射镜反射回的参考光与被测对象反射回的物光光波叠加发生干涉，干涉条纹反映两路光光程差信息，从而根据干涉条纹的变化获得被测对象的特征信息。光学干涉测量技术不仅可测量长度、位移，还可获得物体显微的三维形貌、表面粗糙度、光谱信息等多种特性信息。

因此，如何能将干涉测量技术应用到成像系统中，能实时记录和观测携带物体形貌信息的干涉图像，可以为获得物体的二维形貌和光谱信息等提供数据基础。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种干涉成像光学系统，能够成像获得携带目标物形貌信息的干涉图像。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种干涉成像光学系统，包括第一透镜组、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第二透镜组和光电转换元件阵列；

所述第一透镜组用于接收物光并形成目标物的像；

所述分光镜位于所述第一透镜组的像空间，所述分光镜透射部分像光形成一路透射光，并反射部分像光形成另一路反射光，透射光照射到所述第一反射镜，反射后返回到所述分光镜被反射出，另一路反射光照射到所述第二反射镜，反射后返回到所述分光镜被透射出；

由所述分光镜反射出的光和透射出的光汇合发生干涉，所述第二透镜组将干涉光汇聚到所述光电转换元件阵列，由所述光电转换元件阵列对干涉光进行接收和记录；

其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的任意一个到所述分光镜的距离固定，另外一个可沿其光轴方向平行移动。

可选地，在所述第一透镜组的物方一侧设置有具有预设带通范围的滤光片，或者在分光镜的分光膜系前镜组中镀制具有预设带通范围的滤光膜系。

可选地，所述分光镜为分光棱镜；

所述分光镜朝向所述第一透镜组一面的通光孔径大于所述第一透镜组像方一侧的通光孔径；

所述分光镜朝向所述第二透镜组一面的通光孔径大于所述第二透镜组朝向所述分光镜一侧的通光孔径。

可选地，所述分光镜为分光棱镜，所述分光棱镜的第一表面垂直于所述第一透镜组的光轴方向，第二表面垂直于照射在所述第一反射镜的透射光的光路方向，第三表面垂直于照射在所述第二反射镜的反射光的光路方向，第四表面垂直于所述第二透镜组的光轴方向；

或者，所述分光镜为分光平片，所述分光平片以法线与所述第一透镜的光轴成45度设置。

可选地，可沿其所在光路方向移动的反射镜由直线驱动器连接，所述直线驱动器用于带动该反射镜沿其所在光路方向移动。

可选地，到所述分光镜的距离固定的反射镜的镜面面积大于由所述第一透镜组和所述分光镜组成的光学系统在该反射镜镜面上形成的投影面面积。

可选地，所述光电转换元件阵列位于所述第二透镜组的像方焦平面上。

可选地，所述光电转换元件阵列包括CCD元件阵列、CMOS元件阵列或者APD元件阵列。

可选地，所述第一反射镜到所述分光镜的距离固定，所述第二反射镜可沿其所在光路方向移动。

可选地，所述第一透镜组的后截距l满足以下关系式：

l≥a+d+w；

其中，a表示所述分光镜沿所述第一透镜组光轴方向的宽度，d表示可移动反射镜的移动行程d，w表示所述干涉成像光学系统的机械装配空间w。

由上述技术方案可知，本发明所提供的干涉成像光学系统，包括第一透镜组、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第二透镜组以及光电转换元件阵列。由第一透镜组接收目标物发出的光并形成目标物的像，像光经过分光镜，一部分透射一部分反射，透射光照射到第一反射镜，反射后返回到分光镜被反射出，反射光照射到第二反射镜，反射后返回到分光镜被透射出，第一反射镜和第二反射镜中的任意一个到分光镜的距离固定，另外一个可沿其光轴方向平行移动，通过可移动反射镜调整两路光之间的光程差；由分光镜反射出的光和透射出的光汇合发生干涉，经第二透镜组将干涉光汇聚到光电转换元件阵列，由光电转换元件阵列接收和记录，从而成像获得目标物的干涉图像。

本发明干涉成像光学系统，能成像获得携带目标物形貌信息的干涉图像，能实时记录和观测目标物的干涉图像，从而为获得物体的二维形貌和光谱信息等提供数据基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种干涉成像光学系统的示意图；

图2为本发明又一实施例提供的一种干涉成像光学系统的示意图；

图3为本发明又一实施例提供的一种干涉成像光学系统的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种干涉成像光学系统，包括第一透镜组、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第二透镜组和光电转换元件阵列；

所述第一透镜组用于接收物光并形成目标物的像；

所述分光镜位于所述第一透镜组的像空间，所述分光镜透射部分像光形成一路透射光，并反射部分像光形成另一路反射光，透射光照射到所述第一反射镜，反射后返回到所述分光镜被反射出，另一路反射光照射到所述第二反射镜，反射后返回到所述分光镜被透射出；

由所述分光镜反射出的光和透射出的光汇合发生干涉，所述第二透镜组将干涉光汇聚到所述光电转换元件阵列，由所述光电转换元件阵列对干涉光进行接收和记录；

其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的任意一个到所述分光镜的距离固定，另外一个可沿其光轴方向平行移动。

第一透镜组和第二透镜组指由透镜组成的光学组件，其中，第一透镜组用于接收物光并形成目标物的像。分光镜位于第一透镜组的像空间。第一反射镜位于由第一透镜组和分光镜组成的光学系统光透射一侧的焦平面附近，第二反射镜位于由第一透镜组和分光镜组成的光学系统光反射一侧的焦平面附近，

使像光中透射的部分光和反射的部分光分别照射到第一反射镜和第二反射镜。

本实施例干涉成像光学系统中，由第一透镜组接收目标物发出的光并形成目标物的像，像光经过分光镜，一部分透射一部分反射，透射光照射到第一反射镜，反射后返回到分光镜被反射出；反射光照射到第二反射镜，反射后返回到分光镜被透射出，第一反射镜和第二反射镜中的任意一个到分光镜的距离固定，另外一个可沿其光轴方向平行移动，通过可移动反射镜调整两路光之间的光程差；由分光镜反射出的光和透射出的光汇合发生干涉，经第二透镜组将干涉光汇聚到光电转换元件阵列，由光电转换元件阵列接收和记录，从而成像获得目标物的干涉图像。

本实施例干涉成像光学系统，能够成像获得携带目标物形貌信息的干涉图像，能实时记录和观测目标物的干涉图像，能够为获得物体显微的二维形貌和光谱信息等提供数据基础。

下面结合附图，对本实施例干涉成像光学系统进行详细说明。

请参考图1，为本实施例提供的一种干涉成像光学系统的示意图。本实施例干涉成像光学系统包括第一透镜组10、分光镜11、第一反射镜12、第二反射镜13、第二透镜组14以及光电转换元件阵列15。

所述第一透镜组10用于接收物光并形成目标物的像。第一透镜组10由透镜组成，应用中可以根据具体的使用需求，相应设计第一透镜组的相关结构参数。

优选的，在本实施例干涉成像光学系统的一种具体实施方式中，可在第一透镜组10的物方一侧设置具有预设带通范围的滤光片16。可参考图2；或者，在分光镜11的分光膜系前镜组中镀制具有预设带通范围的滤光膜系，以通过滤光片16或者滤光膜控制目标物光通过的波段范围。

在应用中，可以根据具体使用需求设置滤光片16或者滤光膜系的带通范围。本实施例中所述滤光片或者滤光膜系的带通范围可以涵盖紫外光谱段、可见光谱段、红外光谱段等全谱段范围。并且优选的，滤光片16或者镀制的滤光膜在其带通范围内具有较高的光学透过率，可以减少光能损失。

分光镜11位于第一透镜组10的像空间。所述分光镜11透射部分像光形成一路透射光，并反射部分像光形成另一路反射光。请参考图1所示，本实施例描述中以分光镜11的中心为原点建立三维直角坐标系，以经分光镜11透射光的光轴方向为Z轴方向，以像光经分光镜11反射光的光轴方向为X轴方向。

第一反射镜12位于Z轴上，其镜面垂直于Z轴。像光中经分光镜11透射的部分光照射到第一反射镜12，被反射后返回到分光镜11。其中第一反射镜12位于由第一透镜组10和分光镜11组成的光学系统的焦平面附近，使将目标物成像在第一反射镜12上。第一反射镜位置与焦平面的范围偏差为“正负10％f”，其中f为反射镜前置光学系统的有效焦距。

第二反射镜13位于X轴上，其镜面垂直于X轴。像光中经分光镜11反射的部分光照射到第二反射镜13，被反射后返回到分光镜11，第二反射镜13位于由第一透镜组10和分光镜11组成的光学系统的焦平面上，使目标物成像在第二反射镜13上。第二反射镜位置与焦平面的范围偏差为“正负10％f”，其中f为反射镜前置光学系统的有效焦距。

本实施例中，优选为分光镜11对光的透过率和反射率的比值近似于1:1，使分成两路光光强度均匀一致，使形成的干涉图像清晰，对比度高。由于本光学系统对一定光谱带宽内的光进行处理，因此所述分光镜要求在本光学系统的整个光谱带宽内具有较好的分光特性，能达到1:1分光特性。

可选的，所述分光镜11可采用分光棱镜。优选的，所述分光镜11朝向所述第一透镜组10一面的通光孔径大于所述第一透镜组10像方一侧的通光孔径，使第一透镜组11的出射光能够全部进入分光镜11。

所述分光镜11朝向所述第二透镜组14一面的通光孔径大于所述第二透镜组14朝向所述分光镜11一侧的通光孔径。由分光镜11反射出的光和透射出的光汇合发生干涉，干涉光经第二透镜组14汇聚到光电转换元件阵列15。分光镜11朝向第二透镜组14一面的通光孔径大于第二透镜组14朝向分光镜11一侧的通光孔径，可以使干涉光全部通过第二透镜组14，减小系统的光通量损失。

所述分光镜11采用分光棱镜，分光棱镜的中心位于第一透镜组10的光轴上，所述分光棱镜的第一表面垂直于所述第一透镜组10的光轴方向，第二表面垂直于照射在所述第一反射镜12的透射光的传播方向，第三表面垂直于照射在所述第二反射镜13的反射光的传播方向，第四表面垂直于所述第二透镜组14的光轴方向。

分光棱镜在其对角面上设置多层分光膜层，通过分光膜层实现对入射光的分光作用。所述分光棱镜可采用消偏振分光棱镜或者偏振分光棱镜。

优选的，所述分光镜11分别朝向两个反射镜的两个表面的面型精度要尽可能高，两个表面具有较高的面型精度，可以提高干涉图像的相位精度，提高系统的测量精度。

可选的，请参考图3，所述分光镜11也可采用分光平片，分光平片以法线与所述第一透镜的光轴成45度设置。所述分光平片设置有多层分光膜层，通过分光膜层实现对入射光的分光作用。所述分光平片可采用消偏振分光平片或者偏振分光平片。

本实施例中，在第一反射镜12和第二反射镜13中，可沿光轴方向移动的反射镜由直线驱动器连接，直线驱动器用于带动该反射镜沿其所在光路方向移动。可参考图2所示，图2所示干涉成像光学系统中，以第一反射镜12到所述分光镜11的距离固定，第二反射镜13可沿其光轴方向平行移动，第二反射镜13由直线驱动器17连接。优选的，要保证直线驱动器17与移动反射镜刚性连接，并且连接后不能破坏该反射镜的面型。并且优选采用高精度直线驱动器，使移动反射镜的移动位移精度高，提高干涉图像的相位差精度，提高系统的测量精度。

具体的，所述直线驱动器17可以是产生高精度位移的各种光机电机构，可以是单轴压电陶瓷器件、多轴压电陶瓷器件、高精度直线导轨、高精度电机等器件。

本实施例中，到分光镜11距离固定的反射镜，可以是独立设置的反射镜，或者也可以是与分光镜11集成一体，成为分光镜的一个内反射表面。该固定反射镜的镜面要具有较高面形精度，避免为干涉图像引入相位误差，其面形精度最好优于直线驱动器的位移精度。进一步的，该固定反射镜的平均反射率要尽可能高，以保证光学系统的光通量损失较小。

本实施例中，到分光镜11距离固定的反射镜的镜面面积大于由所述第一透镜组10和所述分光镜11组成的光学系统形成的出射光在该反射镜镜面上形成的投影面面积，保证使目标物像完整成像到该反射镜上。

进一步的，该固定反射镜的反射带通范围大于本光学系统的光谱段范围Δλ(即滤光片16的带通范围)，使得像光中全光谱波段光都能被反射。

由分光镜11反射出的光和透射出的光汇合发生干涉，干涉光经第二透镜组14汇聚到所述光电转换元件阵列15。所述光电转换元件阵列15位于所述第二透镜组14的像方焦平面上，使干涉图像成像到光电转换元件阵列上，保证获得干涉图像清晰。

第二透镜组透射光光谱带宽应大于Δλ，光电转换元件阵列15的光谱带宽应大于Δλ。另外，光电转换元件阵列的频率应根据系统的实际应用要求而定，一般的要大于20Hz。所述光电转换元件阵列15可以是CCD元件阵列、CMOS元件阵列或者APD(雪崩二极管)元件阵列，其构型可以为线阵探测器、面阵探测器或者单点探测器等形式。可以理解的是，也可采用其它类型的光电转换器件。

在图2所示干涉成像光学系统中，第一反射镜12到所述分光镜11的距离固定，所述第二反射镜13可沿其所在光路方向移动，即第一反射镜12为固定反射镜，第二反射镜13为可移动反射镜。其中优选的，所述第一透镜组12的后截距l满足以下关系式：

l≥a+d+w；

其中，a表示所述分光镜沿所述第一透镜组光轴方向的宽度，d表示可移动反射镜的移动行程，w表示所述干涉成像光学系统的机械装配空间，这样保证第一透镜组的后截距足够，能够满足移动反射镜的移动范围。

本实施例干涉成像光学系统，第一透镜组10可以是纯透射式、纯反射式或透返结合式光学透镜组。可以为单孔径透镜组或多孔径透镜组，可以是普通透镜组、像方远心透镜组、物方远心透镜组、像方物方双远心透镜组等结构形式。

第二透镜组14可以是纯透射式、纯反射式或透返结合式光学透镜组。可以为单孔径透镜组或多孔径透镜组。

所述第一反射镜12或者所述第二反射镜13可以应用平面反射镜、角锥反射镜等各种类型。

本实施例干涉成像光学系统，能成像获得携带目标物形貌信息的干涉图像，能实时记录和观测目标物的干涉图像，其光学视场角大，光通量高，整体系统简单，可靠性高，构建成本低。可以为获得物体显微的二维形貌和光谱信息等提供数据基础。

另外，本实施例干涉成像光学系统也可应用于观测微观物体的三维形貌，在观测微观物体的三维形貌应用方面，将被观测物体放置于反射镜上，通过对干涉图像的解算，可以获取被观测物体的三维形貌信息。

以上对本发明所提供的一种干涉成像光学系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种干涉成像光学系统，其特征在于，包括第一透镜组、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第二透镜组和光电转换元件阵列；

所述第一透镜组用于接收物光并形成目标物的像；

所述分光镜位于所述第一透镜组的像空间，所述分光镜透射部分像光形成一路透射光，并反射部分像光形成另一路反射光，透射光照射到所述第一反射镜，反射后返回到所述分光镜被反射出，另一路反射光照射到所述第二反射镜，反射后返回到所述分光镜被透射出；

由所述分光镜反射出的光和透射出的光汇合发生干涉，所述第二透镜组将干涉光汇聚到所述光电转换元件阵列，由所述光电转换元件阵列对干涉光进行接收和记录；

其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜中的任意一个到所述分光镜的距离固定，另外一个可沿其光轴方向平行移动。

2.根据权利要求1所述的干涉成像光学系统，其特征在于，在所述第一透镜组的物方一侧设置有具有预设带通范围的滤光片，或者在分光镜的分光膜系前镜组中镀制具有预设带通范围的滤光膜系。

3.根据权利要求1所述的干涉成像光学系统，其特征在于，所述分光镜为分光棱镜；

所述分光镜朝向所述第一透镜组一面的通光孔径大于所述第一透镜组像方一侧的通光孔径；

所述分光镜朝向所述第二透镜组一面的通光孔径大于所述第二透镜组朝向所述分光镜一侧的通光孔径。

4.根据权利要求1所述的干涉成像光学系统，其特征在于，所述分光镜为分光棱镜，所述分光棱镜的第一表面垂直于所述第一透镜组的光轴方向，第二表面垂直于照射在所述第一反射镜的透射光的传播方向，第三表面垂直于照射在所述第二反射镜的反射光的传播方向，第四表面垂直于所述第二透镜组的光轴方向；

或者，所述分光镜为分光平片，所述分光平片以法线与所述第一透镜的光轴成45度设置。

5.根据权利要求1所述的干涉成像光学系统，其特征在于，可沿其所在光路方向移动的反射镜由直线驱动器连接，所述直线驱动器用于带动该反射镜沿其所在光路方向移动。

6.根据权利要求1-5任一项所述的干涉成像光学系统，其特征在于，到所述分光镜距离固定的反射镜的镜面面积大于由所述第一透镜组和所述分光镜组成的光学系统形成的出射光在该反射镜镜面上形成的投影面面积。

7.根据权利要求1-5任一项所述的干涉成像光学系统，其特征在于，所述光电转换元件阵列位于所述第二透镜组的像方焦平面上。

8.根据权利要求1-5任一项所述的干涉成像光学系统，其特征在于，所述光电转换元件阵列包括CCD元件阵列、CMOS元件阵列或者APD元件阵列。

9.根据权利要求1所述的干涉成像光学系统，其特征在于，所述第一反射镜到所述分光镜的距离固定，所述第二反射镜可沿其所在光路方向移动。

10.根据权利要求9所述的干涉成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜组的后截距l满足以下关系式：

l≥a+d+w；

其中，a表示所述分光镜沿第一透镜组光轴方向的宽度，d表示可移动反射镜的移动行程，w表示所述干涉成像光学系统的机械装配空间w。