CN1116720A - 光学成象系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一个具有简单的遮光滤光片用以减少各种象差的光学成象系统。该光学成象系统包括一个或者多个透镜，一个设置在透镜之间的光阑，和一个用于减少轴外象差的遮光滤光片。所说遮光滤光片是一个渐变遮光滤光片，其透光率从中心向周边部分逐渐降低。该光学成象系统的结构是简单的，而其功能是有效的。此外，容易制造，而且制造成本低廉。

Description

光学成象系统
本发明涉及一个光学成象系统。更具体地说，本发明涉及一种能够减小轴外象差的光学成象系统。
在各种光学系统中完全消除象差是困难的。如果某一种象差被去掉了，另一种象差就会增加，所以，很难完全消除象差。在已有技术中，大多数试图消除象差的方法都是在改变透镜曲率或者组合各种透镜方面下功夫的，以努力减小象差。这些尝试的结果就使非球面透镜和可变焦透镜得到了发展。
作为一种与上述方法不同的方法，美国专利No.5,013,133公开了一种技术，其中采用衍射光学成象透镜系统来减少光学成象透镜系统中的象差。图1中示意性表示了公开在上述的美国专利中的传统衍射光学成象透镜系统。这种现有的衍射光学成象透镜系统包括一个波带片型衍射透镜10，并通过设置一个孔径光阑12使得由衍射光学透镜形成的图象中的象差被减少。
上述专利中的方法的运用及效果将在下文中简要介绍。
衍射透镜10由半径为r1的中央圆形区和在半径r1、r2和r3之间形成的环形带区构成。因此衍射透镜10带有若干平行设置的衍射带，所以，衍射透镜10具有变形镜结构。衍射透镜的光轴在最长的共轭距离方向上穿过与衍射透镜分开设置的孔径光阑12。该方向最好向与目标物体远远分开的衍射透镜10的前焦平面延伸。在物体远离的傍轴光线情况下(换句话说，在无限远距离)，彗形象差、象散、畸变和象场曲度都减为零。就是说，如在上述专利中所说的，对于一个位于无限远距离的物体，其象场的慧形象差、象散及象场曲度都变为零。此外，孔径光阑12带有一个相校正片14(例如，非球面校正片)以校正球面象差。
从傍轴光线向外发出的光线在穿过衍射透镜10时傍轴光线产生相差。所以，为了校正这个相差，在孔径光阑12中设置了相校正片14。相校正片14是一个施密特(Schmidt)相机型的非球面校正片。相校正片14经过适宜的设计以校正由通常的设计技术所产生的球面象差。在用相校正片14校正球面象差的情况下，与傍轴光线分开的入射光线产生一个相对于傍轴光线的相差，但是这个相差在通过衍射透镜10以后消失。
另一方面，在有限共轭光线情况下，使孔径光阑12具有足够的带间距并调节其距离，从而可以得到无慧差珀兹法曲度和有限共轭。
在传统的方法基础上消除象差时，必须满足一个固定的参数，所以在设计光学系统时就受到了限制。此外，由于在一个透镜上有不同曲度的多个曲面，所以透镜的制造也很困难。在这之中最重要的是，它仅仅可应用于单色系统，因此它只能用于激光扫描器或者类似装置。所以仍需要能够广泛应用并用于一般光学领域中的光学系统。
本发明试图克服已有技术中的上述缺陷。
所以，本发明的一个目的是提供一种光学成象系统，其中包括其它象差在内的轴外象差被减少。
本发明的另一个目的是提供一种光学成象系统，其中装配了一个简单的渐变透光率的滤光片，从而构成一个简单的光学成象系统。
为实现上述目的，本发明的光学成象系统包括：
镜面朝向目标物体的第一透镜和镜面朝向焦平面的第二透镜；
安装在所说第一和第二透镜之间的一个光阑；及
用于减少包含在中心光线周围的轴外光线中的轴外象差的一个遮光滤光片。
遮光滤光片最好是一个渐变遮光滤光片，其特征应如此，即其透光率从中央部分到周边部分逐渐降低。
根据本发明的一个实施例，该渐变遮光滤光片是圆形的。
根据本发明的又一个实施例，该渐变遮光滤光片由两个分开的半圆形构成。
根据本发明的再一个实施例，该渐变遮光滤光片可以直接贴在透镜的表面上。
本发明的光学成象系统在结构上是简单的，所以其制造也是容易的，因而节省了制造成本。而且，能够很容易地根据所需要的象差消除等级进行改进。此外，不需要大量的透镜来消除象差，并且有可能构成效果极佳的光学成象系统。另外，还可能通过光阑的调节来调节渐变遮光滤光片。
本发明的上述目的和其它优点通过以下结合附图对本发明的优选实施例所作的详细说明将会变得更加明显，在这些附图中：
图1是使用一个衍射透镜来消除象差的已有技术的光学成象系统的示意图；
图2A和2B为用于本发明的光学成象系统中减小象差的渐变遮光滤光片的平面图；
图3为本发明第一实施例的示意图；
图4为本发明第二实施例的示意图；
图5为本发明第三实施例的示意图。
本发明的光学成象系统将参照附图加以描述。
实施例1
图2A和2B为用于本发明的光学成象系统中减小象差的渐变遮光滤光片的平面图。
如图2A所示，本发明的光学成象系统包括由两个分开的半圆形件22A和22B组成的一个渐变遮光滤光片。半圆形遮光件22A和22B由分割的圆形构成，其被分成两个圆弧部分，每段圆弧从圆的直径的一端开始，又在圆的直径的另一端结束。遮光件22A和22B包括区域A、B、C，透光率随着向周边的靠近而减小。例如，区域A的透光率为70到90％，区域B的透光率为50到70％，区域C的透光率为20到50％。渐变遮光滤光片分割成三部分仅仅是一个例子，遮光滤光片可以分成更多个区域。渐变遮光滤光片可以贴到光阑20的两端20A和20B。所以，根据对光阑20的调节，就可以改变渐变遮光滤光片的开口22C。
在图2B中所示的渐变遮光滤光片30是图2A中所示的遮光滤光片的一种改进。如图中所示，盘形的渐变遮光滤光片30是径向分割的，因而它包括一组具有不同半径的环形部分。就是说，渐变遮光滤光片30包括区域A、B、C、D和E，其中从渐变遮光滤光片的中心区域到周边区域透光率逐渐降低。例如，区域A的透光率为100％，而区域B、C、D和E则分别具有80％、60、40％和20％的透光率。
上述遮光滤光片可以具有许多其它改进的结构。
图3表示了本发明的第一实施例，其中可以使用渐变遮光滤光片22和30。在图中使用了圆形的遮光滤光片30，但也可以使用半圆形遮光滤光片22。如图3所示，光线从物体的一点出发，这些光线包括中心光线CR和轴外光线a、b、c、d等等。第一透镜100和第二透镜110沿轴X设置，同时在第一和第二透镜100和110之间设置了光阑120。然后物体的象Q′就形成在第二透镜110的焦平面160上。
在图3中，标号140表示作为光阑120的虚象的出射光孔，其可以通过第二透镜110观察到。标号150表示作为光阑120的虚象的入射光孔，其可以通过第一透镜100观察到。在本实施例中，渐变遮光滤光片130设置在出射光孔140的位置处。通常入射光孔150和出射光孔140与光阑120的实际开口孔径相比显得放大了。
在本发明的学光成象系统的本实施例中，从位于光轴X之上的物体现的一点Q′上发出的光线包括中心光线CR和许多围绕着中心光线的轴外光线a、b、c、d等等。中心光线指的是穿过入射光孔150的孔中心OC的光线。首先，从物体上的一点Q发出的中心光线CR穿过入射光孔150和光阑120，然后穿过出射光孔140，最后到达焦平面160。
在这种条件下，中心光线穿过设置在出射光孔140处的渐变遮光滤光片的高透射区域B。如从图3中可看到的，中心光线CR同时穿过出射光孔140。
它们还穿过第一透镜100、光阑120、入射光孔150和第二透镜110最终到达焦平面160。
另一方面，围绕着中心光线CR的轴外光线a、b、c、d等通过与中心光线CR不同的路径到达焦平面。例如，第一轴外光线a从物体上的一点发出，穿过渐变遮光滤光片130的区域E，其透光率为约20％。已经穿过渐变遮光滤光片130的某一部分的第一轴外光线a穿过第一透镜100、光阑120、出射光孔150和第二透镜110最后如同中心光线CR一样到达位于焦平面160上的物体的象Q′。
第二外轴光线b穿过渐变遮光滤光片130的低透光率区域C，但由于它被光阑120所遮挡而不能到达物体在焦平面160的象Q′处。
但是，与中心光线CR不同，轴外光线a、b、c、d等具有很大的象差，但是如果这些轴外光线不通过渐变遮光滤光片130到达焦平面160，将降低物体图象的质量。然而，根据如上所述的本发明，具有很大象差的轴外光线穿过渐变遮光滤光片中具有低的透光率(在本实施例为约20％)的部分，从而只有约20％的光线通过。因此，这些轴外光线对于图象的形成贡献很小，所以由于象差造成的图象质量的降低被大大减少了。
实施例2
图4为表示本发明的第二实施例的示意图。在图4所示的本实施例中，渐变遮光滤光片230被设置在入射光孔250的位置上，即，在第二透镜210的前面。所以，沿光轴X以这样的顺序安排的，一个物体、一个出射光孔240、一个第一透镜200、一个光阑220、渐变遮光滤光片230(入射光孔250)、第二透镜210和焦平面260。
入射光孔250和出射光孔240指的是从焦平面260向透镜200和210看去所观察到的光阑220的虚象。这个实施例与实施例1不同的还有，中心光线CR和轴外光线a、b、c、d等在它们到达渐变遮光滤光片230之前不经过局部的遮蔽。但是当到达设置在入射光孔处的渐变遮光滤光片230时，中心光线CR和轴外光线a、b、c、d等分别穿过遮光滤光片230的不同区域。
例如，如图4所示，由于光阑220的遮蔽，使第一轴外光线a对于形成图象没有贡献。而且，第二轴外光线b穿过具有低透光率的渐变遮光滤光片230的D区后，对于图象形成的贡献是很小的。
但是，中心光线CR通过入射光孔250的中心，所以它们穿过具有较高透光率的渐变遮光滤光片230的孔A或渐变遮光滤光片230的区域B，结果，对于形成图象贡献最大的是中心光线CR。
实施例3
在上述第一和第二实施例中，渐变遮光滤光片是与透镜分开的，但是在本实施例中，渐变遮光滤光片330是以薄膜的形式提供的，所以它能贴在第二透镜310上。
图5示意性地表示了本发明的第三实施例。在本实施例中，沿着第一和第二透镜300和310的光轴X是以这样顺序安排的：物体上的一点Q、出射光孔340、第一透镜300、光阑320、入射孔350，贴着渐变遮光薄膜330的第二透镜310和焦平面360。
在本实施例中，与第一和第二实施例不同，渐变遮光薄膜不是设置在出射光孔或者入射光孔的位置处。换句话说，渐变遮光薄膜330是贴在第二透镜310与物体相近的表面上的。所以，渐变遮光薄膜330位于入射孔350和第二透镜310之间。
所以，中心光线CR和轴外光线a、b、c、d等被第一透镜300折射，并当通过入射光孔350、光阑320和出射光孔340时被部分遮蔽。没有被入射光孔350、光阑320和出射光孔340遮蔽的中心光线CR和轴外光线到达薄膜型渐变遮光滤光片330。到达渐变遮光滤光片330的光线行为就象在第一和第二实施例中一样。就是说，由于中心光线CR大部分都通过了渐变遮光滤光片330，所以它们对图象的形成贡献极大。而围绕着中心光线CR的轴外光线a、b、c、d等由于只有一小部分通过了渐变遮光滤光片330，所以它们对图象的形成贡献也相对较小。由于被遮蔽的光线大部分是产生象差的那部分光线，所以，可以有足够的光线保证光学成象，因此能够得到明亮而清晰的图象。
根据如上所述的本发明，提供了一个简单的渐变遮光滤光片，其结果是明显地减小了象差。轴外象差，诸如慧形象差、象散、球面象差都无需采用传统的复杂的精密衍射透镜即可减少。所以，整个光学成象系统被简化了，并且减少了部件的数目，结果是节省了制造成本。如果使用半圆形渐变遮光滤光片，它可以固定在光阑上，从而遮光滤光片可以和光阑一道以简单的方式加以调节。此外，在轴外光线具有大的象差情况下，仅有少量的光线穿过遮光滤光片(在本实施例中约为20％)，所以，它们对图象的形成贡献很小。因此对图象形成贡献最大的是中心光线。而且，被遮蔽的光线主要是具有较大象差的轴外光线，所以，能够保证有足够的光线用于形成图象。于是可以得到明亮、清晰的图象。
以上在具体实施例的基础上描述了本发明，但是对于那些本领域的普通技术人员来说，在不脱离由所附的权利要求来限定的本发明的范围前提下，还能够作出各种改进和变化。

Claims (11)

1、一种光学成象系统，它包括：
朝向目标物体的第一透镜和朝向焦平面的第二透镜；
设置在所说第一透镜和所说第二透镜之间的光阑；和
用于减少轴外象差的遮光滤光片，所说象差包含在中心光线周围的轴外光线中。
2、如权利要求1所述的光学成象系统，其特征在于：所说的遮光滤光片被分成许多具有不同透光率的区域，所说透光率从中心部分到周边区域逐渐降低。
3、如权利要求2所述的光学成象系统，其特征在于：所说遮光滤光片包括两个分离的半圆形部分，这些部分被分割成圆弧的形状，所说圆弧始于圆的直径的第一端，终止于直径的第二端。
4、如权利要求2所述的光学成象系统，其特征在于：所说遮光滤光片是盘形的，并分成许多具有不同半径的环形区域。
5、如权利要求1所述的光学成象系统，其特征在于：所说遮光滤光片设置在出射光孔的位置处，以减少轴外象差。
6、如权利要求1所述的光学成象系统，其特征在于：所说遮光滤光片设置在入射光孔的位置处，以减少轴外象差。
7、如权利要求2所述的光学成象系统，其特征在于：所说遮光滤光片是薄膜型滤光片，其贴附在所说第二透镜的表面上以减少轴外象差。
8、一种光学成象系统，包括：
朝向目标物体的第一透镜和朝向焦平面的第二透镜；
一个设置在所说第一透镜和所说第二透镜之间的光阑；和
一个渐变遮光滤光片，其安装在出射光孔或者入射光孔的位置处以减少包含在中心光线周围的轴外光线中的轴外象差。
9、如权利要求8所述的光学成象系统，其特征在于：所说遮光滤光片包括两个分开的半圆部分，它们被分割成始于圆的直径的第一端而终止于直径的第二端的圆弧形状。
10、如权利要求8所述的光学成象系统，其特征在于：所说遮光滤光片是盘形的，并分成许多具有不同半径的环形区域。
11、一种光学成象系统，包括：
朝向目标物体的第一透镜和朝向焦平面的第二透镜；
一个设置在所说第一透镜和所说第二透镜之间的光阑；和
一个薄膜型渐变遮光滤光片，其贴附在所说透镜的表面，以减少包含在中心光线周围的轴外光线中的轴外象差。
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