CN113189783A - 光学系统及液晶莫尔透镜 - Google Patents

光学系统及液晶莫尔透镜 Download PDF

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CN113189783A CN202110400537.7A CN202110400537A CN113189783A CN 113189783 A CN113189783 A CN 113189783A CN 202110400537 A CN202110400537 A CN 202110400537A CN 113189783 A CN113189783 A CN 113189783A
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代林茂
黄晖辉
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Abstract

本发明涉及光学技术领域，公开一种光学系统及液晶莫尔透镜，以实现对物体边缘轮廓的快速成像并调节轮廓的显示宽度。本发明系统包括：第一器件，用于从外部入射光中过滤出第一偏振方向的线性偏振光，第二器件采用与偏振态相关并能调焦的液晶莫尔透镜，用于将入射的第一偏振方向的线性偏振光分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光并输出到第三器件，且输出的左旋和右旋两种圆偏振光中，一种基于自身的实焦点会聚，一种基于自身的虚焦点发散；对左旋圆偏振光与右旋圆偏振光重叠的中间区域光束进行拦截、并对边缘非重叠区域的左旋或右旋圆偏振光进行透光的第三器件；被测对象位于第一器件与第二器件之间，其轮廓区域具有透光性，其他区域不具有透光性。

Description

光学系统及液晶莫尔透镜
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种液晶莫尔透镜及用于物体轮廓信息处理的光学系统。
背景技术
传统边缘成像方法是通过物理手段先拍摄物体整体图像，再通过算法对整体图像进行处理，提取物体边缘的像信息。
发明内容
本发明目的在于公开一种光学系统，以实现对物体边缘轮廓的快速成像并调节轮廓的显示宽度。
为达上述目的，本发明公开一种光学系统，包括：
第一器件，用于从外部入射光中过滤出第一偏振方向的线性偏振光，并将第一偏振方向的线性偏振光输出到第二器件；
所述第二器件，采用与偏振态相关并通过控制材料分子的周期性排布实现光束衍射及偏转的液晶莫尔透镜，用于将入射的第一偏振方向的线性偏振光分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光并输出到第三器件，且输出的左旋和右旋两种圆偏振光中，一种基于自身的实焦点会聚，一种基于自身的虚焦点发散；
所述第三器件，至少具有一种工作状态以对左旋圆偏振光与右旋圆偏振光重叠的中间区域光束进行拦截、并对边缘非重叠区域的左旋或右旋圆偏振光进行透光；
位于所述第一器件与所述第二器件之间的被测对象，所述被测对象的轮廓区域具有透光性，其他区域不具有透光性；
其中，所述液晶莫尔透镜包括具有相同的衍射偏转性能的两片平行排布的圆形液晶衍射片，以及还包括对所述两片液晶衍射片之间的相对角度以圆心为旋转轴进行调节的旋转机构，以通过改变所述相对角度来来改变所述液晶莫尔透镜的焦距，进而改变所述被测对象在所述第二器件之后所显示轮廓的宽度。
优选地，在所述被测对象与所述第二器件之间还设有聚焦用的第一透镜，且所述液晶摩尔透镜中两片液晶衍射片之间的中点位置能覆盖所述第一透镜的焦点。
优选地，在所述第三器件与显示轮廓信息的显示屏之间还设有聚焦用的第二透镜，且所述液晶摩尔透镜中两片液晶衍射片之间的中点位置能覆盖所述第二透镜的焦点。
优选地，所述被测对象与所述第一透镜之间的距离为所述第一透镜的焦距大小。
优选地，所述显示屏与所述第二透镜之间的距离为所述第二透镜的焦距大小。
优选地，所述液晶摩尔透镜中两片液晶衍射片之间的中点位置与所述第二透镜的焦点和所述第一透镜的焦点重合。
优选地，所述第三器件具有至少一对应所述第一器件的特定位置以拦截第一偏振方向的线性偏振光；其中，在左旋圆偏振光与右旋圆偏振光重叠的中间区域，左旋圆偏振光与右旋圆偏振光发生干涉以复原出第一偏振方向的线性偏振光。具体可例如：所述第一器件为第一偏振方向的线性偏振器，所述第三器件为第二偏振方向的线性偏振器，且第二偏振方向垂直于第一偏振方向。
优选地，在所述液晶莫尔透镜中，第一片液晶衍射片的透射公式为
Figure BDA0003020081030000021
Figure BDA0003020081030000022
第二片液晶衍射片的透射公式为
Figure BDA0003020081030000023
当第二片液晶衍射片旋转一个角度θ之后，整个莫尔透镜的透射公式为：
Figure BDA0003020081030000024
Figure BDA0003020081030000025
f-1＝aθλ/π；
式中，T为透过率函数；
Figure BDA0003020081030000026
为极坐标系中的极径和极角，a为常数，round()为向上取整的函数，i为虚数单位；exp()为以e为底的指数函数；f为焦距；θ为两片液晶衍射片之间转动的角度。
为达上述目的，本发明还公开一种液晶莫尔透镜，包括具有相同的衍射偏转性能的两片平行排布的圆形液晶衍射片，以及还包括对所述两片液晶衍射片之间的相对角度以圆心为旋转轴进行调节的旋转机构，以通过改变所述相对角度来改变所述液晶莫尔透镜的焦距；
其中，所述液晶莫尔透镜用于将入射的第一偏振方向的线性偏振光分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光并输出，且输出的左旋和右旋两种圆偏振光中，一种基于自身的实焦点会聚，一种基于自身的虚焦点发散。
本发明具有以下有益效果：
采用通过旋转变焦的液晶摩尔透镜，可以通过变焦来调被测对象在第二器件之后所显示轮廓的宽度，便于被相关的图像处理设备采集并提取相关的轮廓信息。藉此，本发明可以直接对物体边缘轮廓成像，具有直接响应、快速响应的优点，在图像处理、高对比显微成像、物体表面缺陷或颗粒检测等方面具有广泛的应用前景。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例的光学系统结构框图。
图2是本发明实施例液晶莫尔透镜两片液晶衍射片不同夹角所对应的被测对象不同宽度的轮廓图像示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本实施例公开一种光学系统，如图1和图2所示，包括：
第一器件1，用于从外部入射光中过滤出第一偏振方向的线性偏振光，并将第一偏振方向的线性偏振光输出到第二器件。
所述第二器件，采用与偏振态相关并通过控制材料分子的周期性排布实现光束衍射及偏转的液晶莫尔透镜4，用于将入射的第一偏振方向的线性偏振光分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光并输出到第三器件，且输出的左旋和右旋两种圆偏振光中，一种基于自身的实焦点会聚，一种基于自身的虚焦点发散。
所述第三器件5，至少具有一种工作状态以对左旋圆偏振光与右旋圆偏振光重叠的中间区域光束进行拦截、并对边缘非重叠区域的左旋或右旋圆偏振光进行透光。
位于所述第一器件与所述第二器件之间的被测对象2，所述被测对象的轮廓区域具有透光性，其他区域不具有透光性。
其中，所述液晶莫尔透镜包括具有相同的衍射偏转性能的两片平行排布的圆形液晶衍射片，以及还包括对所述两片液晶衍射片之间的相对角度以圆心为旋转轴进行调节的旋转机构，以通过改变所述相对角度来来改变所述液晶莫尔透镜的焦距，进而改变所述被测对象在所述第二器件之后所显示轮廓的宽度。
通常，液晶莫尔透镜两片液晶衍射片之间的间距很小，为狭小的空腔。当液晶莫尔透镜之间的焦距足够大时，会聚和发散角很小，在像方会聚的左旋圆偏振光和发散的右旋圆偏振光有一个光强重叠区域。在光强重叠区域，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光发生干涉，变成线偏振光，且干涉后的线偏振光的偏振方向与入射的线偏振光振动方向相同。而从非重叠区域透出的左旋和右旋圆偏振光会在显示屏上显示具有一定宽度的轮廓图像，根据该轮廓图像的内边界线和外边界线并结合光学系统的参数特征可以准确计算实际轮廓线的形状和坐标信息。
本实施例中，所述第三器件具有至少一对应所述第一器件的特定位置以拦截第一偏振方向的线性偏振光。优选地：所述第一器件为第一偏振方向的线性偏振器，所述第三器件为第二偏振方向的线性偏振器，且第二偏振方向垂直于第一偏振方向。
优选地，本实施例液晶莫尔透镜中，第一片液晶衍射片的透射公式为
Figure BDA0003020081030000041
Figure BDA0003020081030000042
第二片液晶衍射片的透射公式为
Figure BDA0003020081030000043
当第二片液晶衍射片旋转一个角度θ之后，整个莫尔透镜的透射公式为：
Figure BDA0003020081030000044
Figure BDA0003020081030000045
f-1＝aθλ/π；式中，T为透过率函数；
Figure BDA0003020081030000046
为极坐标系中的极径和极角，a为常数，round()为向上取整的函数，i为虚数单位；exp()为以e为底的指数函数；f为焦距；θ为两片液晶衍射片之间转动的角度。藉此，通过调节旋转角度θ可以调节莫尔透镜的焦距。其中，当θ取值为零时，两片液晶衍射片可视为一片液晶衍射片为另一液晶衍射片沿狭小空腔平移的复制体。
作为对比，传统莫尔透镜的基材通常采用熔融石英，偏振性与入射光相同，即传统的可变焦莫尔透镜的性能与偏振无关，无法得以在需要考虑偏振的光路中有效应用。
优选地，在所述被测对象与所述第二器件之间还设有聚焦用的第一透镜3，且所述液晶摩尔透镜中两片液晶衍射片之间的中点位置能覆盖所述第一透镜的焦点。进一步地，在所述第三器件与显示轮廓信息的显示屏7之间还设有聚焦用的第二透镜6，且所述液晶摩尔透镜中两片液晶衍射片之间的中点位置能覆盖所述第二透镜的焦点。更优地，所述被测对象与所述第一透镜之间的距离为所述第一透镜的焦距大小，所述显示屏与所述第二透镜之间的距离也为所述第二透镜的焦距大小。藉此，通过将所述液晶摩尔透镜中两片液晶衍射片之间的中点位置与所述第二透镜的焦点和所述第一透镜的焦点重合即可构造出一个4F系统。
在上述4F系统中，可视为：第一透镜起到将物空间的信息变换到焦点处的频谱空间信息；然后再将液晶摩尔透镜放置在该焦点处对物体的信息进行滤波，将边缘与非边缘信息分离出来；最后利用第三器件将非边缘信息过滤，只留下边缘信息，达到边缘检测的效果。在第一透镜的作用下，可以将对被测轮廓区域大小的光斑缩束到一个很小的范围；若省略该第一透镜，直接以平行光入射，则往往照射到莫尔透镜的光斑面积太大，光斑中间相位不统一，容易导致后续的第三器件过滤不掉中间的光斑而无法达成边缘检测并显示的效果。在实际的使用场景中，通常很难搭建理想的4F系统导致成像位置会有一定的变化，若成像不清晰，则可对上述组件之间的间距做微调以达成所要的效果。
综上，本实施例具有以下有益效果：
采用通过旋转变焦的液晶摩尔透镜，可以通过变焦来调被测对象在第二器件之后所显示轮廓的宽度，便于被相关的图像处理设备采集并提取相关的轮廓信息。藉此，本实施例可以直接对物体边缘轮廓成像，具有直接响应、快速响应的优点，在图像处理、高对比显微成像、物体表面缺陷或颗粒检测等方面具有广泛的应用前景。
实施例2
本实施例公开一种液晶莫尔透镜，包括具有相同的衍射偏转性能的两片平行排布的圆形液晶衍射片，以及还包括对所述两片液晶衍射片之间的相对角度以圆心为旋转轴进行调节的旋转机构，以通过改变所述相对角度来改变所述液晶莫尔透镜的焦距；其中，所述液晶莫尔透镜用于将入射的第一偏振方向的线性偏振光分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光并输出，且输出的左旋和右旋两种圆偏振光中，一种基于自身的实焦点会聚，一种基于自身的虚焦点发散。
同理，在所述液晶莫尔透镜中，第一片液晶衍射片的透射公式为
Figure BDA0003020081030000051
第二片液晶衍射片的透射公式为
Figure BDA0003020081030000052
当第二片液晶衍射片旋转一个角度θ之后，整个莫尔透镜的透射公式为：
Figure BDA0003020081030000053
f-1＝aθλ/π；
式中，T为透过率函数；
Figure BDA0003020081030000054
为极坐标系中的极径和极角，a为常数，round()为向上取整的函数，i为虚数单位；exp()为以e为底的指数函数；f为焦距；θ为两片液晶衍射片之间转动的角度。
本实施例所公开的液晶莫尔透镜，可以作为元器件广泛应用于与偏振相关的特种应用场景中，并实现包括但不限于上述轮廓成像等诸多功能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：
第一器件，用于从外部入射光中过滤出第一偏振方向的线性偏振光，并将第一偏振方向的线性偏振光输出到第二器件；
所述第二器件，采用与偏振态相关并通过控制材料分子的周期性排布实现光束衍射及偏转的液晶莫尔透镜，用于将入射的第一偏振方向的线性偏振光分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光并输出到第三器件，且输出的左旋和右旋两种圆偏振光中，一种基于自身的实焦点会聚，一种基于自身的虚焦点发散；
所述第三器件，至少具有一种工作状态以对左旋圆偏振光与右旋圆偏振光重叠的中间区域光束进行拦截、并对边缘非重叠区域的左旋或右旋圆偏振光进行透光；
位于所述第一器件与所述第二器件之间的被测对象，所述被测对象的轮廓区域具有透光性，其他区域不具有透光性；
其中，所述液晶莫尔透镜包括具有相同的衍射偏转性能的两片平行排布的圆形液晶衍射片，以及还包括对所述两片液晶衍射片之间的相对角度以圆心为旋转轴进行调节的旋转机构，以通过改变所述相对角度来来改变所述液晶莫尔透镜的焦距，进而改变所述被测对象在所述第二器件之后所显示轮廓的宽度。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，在所述被测对象与所述第二器件之间还设有聚焦用的第一透镜，且所述液晶摩尔透镜中两片液晶衍射片之间的中点位置能覆盖所述第一透镜的焦点。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，在所述第三器件与显示轮廓信息的显示屏之间还设有聚焦用的第二透镜，且所述液晶摩尔透镜中两片液晶衍射片之间的中点位置能覆盖所述第二透镜的焦点。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述被测对象与所述第一透镜之间的距离为所述第一透镜的焦距大小。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述显示屏与所述第二透镜之间的距离为所述第二透镜的焦距大小。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，所述液晶摩尔透镜中两片液晶衍射片之间的中点位置与所述第二透镜的焦点和所述第一透镜的焦点重合。
7.根据权利要求1至6任一所述的光学系统，其特征在于，所述第三器件具有至少一对应所述第一器件的特定位置以拦截第一偏振方向的线性偏振光；
其中，在左旋圆偏振光与右旋圆偏振光重叠的中间区域，左旋圆偏振光与右旋圆偏振光发生干涉以复原出第一偏振方向的线性偏振光；
所述第一器件为第一偏振方向的线性偏振器，所述第三器件为第二偏振方向的线性偏振器，且第二偏振方向垂直于第一偏振方向。
8.根据权利要求1至6任一所述的光学系统，其特征在于，在所述液晶莫尔透镜中，第一片液晶衍射片的透射公式为
Figure FDA0003020081020000021
第二片液晶衍射片的透射公式为
Figure FDA0003020081020000022
Figure FDA0003020081020000023
当第二片液晶衍射片旋转一个角度θ之后，整个莫尔透镜的透射公式为：
Figure FDA0003020081020000024
f-1＝aθλ/π；
式中，T为透过率函数；
Figure FDA0003020081020000025
为极坐标系中的极径和极角，a为常数，round()为向上取整的函数，i为虚数单位；exp()为以e为底的指数函数；f为焦距；θ为两片液晶衍射片之间转动的角度。
9.一种液晶莫尔透镜，其特征在于，包括具有相同的衍射偏转性能的两片平行排布的圆形液晶衍射片，以及还包括对所述两片液晶衍射片之间的相对角度以圆心为旋转轴进行调节的旋转机构，以通过改变所述相对角度来改变所述液晶莫尔透镜的焦距；
其中，所述液晶莫尔透镜用于将入射的第一偏振方向的线性偏振光分解成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光并输出，且输出的左旋和右旋两种圆偏振光中，一种基于自身的实焦点会聚，一种基于自身的虚焦点发散。
10.根据权利要求9所述的液晶莫尔透镜，其特征在于，在所述液晶莫尔透镜中，第一片液晶衍射片的透射公式为
Figure FDA0003020081020000026
第二片液晶衍射片的透射公式为
Figure FDA0003020081020000027
Figure FDA0003020081020000028
当第二片液晶衍射片旋转一个角度θ之后，整个莫尔透镜的透射公式为：
Figure FDA0003020081020000029
f-1＝aθλ/π；
式中，T为透过率函数；
Figure FDA00030200810200000210
为极坐标系中的极径和极角，a为常数，round()为向上取整的函数，i为虚数单位；exp()为以e为底的指数函数；f为焦距；θ为两片液晶衍射片之间转动的角度。
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