CN200986618Y - 一种无衍射光大景深成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无衍射光大景深成像光学系统，包括依次位于同一光路上的物镜、准直镜、圆锥透镜和像屏面；物体经物镜成像形成中间像，中间像再经准直镜和圆锥透镜后形成近似无衍射光束，该光束在沿光轴任一位置处的屏面上的投影都是一个同样大小的同心环衍射斑，其中心焦斑的直径基本由圆锥透镜的锥角决定，不存在普通成像系统的在不同位置处焦斑大小会变化的离焦模糊问题，于是在所需景深范围内，任一位置处的物体所成的像都有基本同样的清晰度。本实用新型中远景物体和近景物体之间的距离可以很大，远景物体甚至可以在无限远，因此，本实用新型的光学系统可以实现大景深物体的同时清晰成像。

Description

一种无衍射光大景深成像光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种成像光学系统，具体地说，是一种无衍射光大景深成像光学系统。

背景技术

普通成像光学系统是由普通透镜构成的，普通透镜的成像特性是：一个物点光源发出的入射球面光波经过透镜后变换成另一个球面光波，即出射球面光波，出射球面光波的球心就是像点，它与物点光源是不重合的，它们的位置满足成像定律：

$\frac{1}{F}=\frac{1}{L}+\frac{1}{L^{\′}}---\left(1\right)$

式中F是普通透镜的焦距，L是物点光源到透镜的距离，L′是像点到透镜的距离。

普通透镜的表面通常是球面，为了矫正像差，也有非球面的表面，但其成像特性都是满足成像定律(1)的。

普通成像光学系统是由一系列不同焦距、分布在沿光轴不同位置处的普通透镜构成的，系统的总的成像特性仍是满足上述成像定律的。

在光学系统满足上述成像定律的条件下，具有下面的特性：

当在像方空间的像点处放置一个与光轴垂直的屏面时，出射球面波将在其上形成一个最小的衍射光斑，根据物理光学中的衍射理论，光斑的大小ρ由出射球面波的汇聚角决定：

式中λ是光的波长。

当屏面不在像方空间的像点处时，出射球面波将在其上形成一个较大光斑，根据几何光学，光斑的大小ρ为：

ρ＝ΔL·    (3)

式中ΔL为屏面与像点间的距离，也就是离焦量。

从(3)式可以看出，对于一个单发光点的成像，屏面的离焦量ΔL越大，出射光束在屏面上形成的光斑就越大。而对于一般的面发光物体的成像，因为一个发光面是由大量发光点所构成的，所以，每一个点所对应的像光斑都会随着离焦量ΔL的增大而增大，因此，面发光物体的像就会随着离焦量的增大而模糊。

这就是普通光学成像系统的成像特性，即像会随着离焦而变模糊。因此，如果像屏面固定，则只存在一个景深处的物平面能够成清晰的像，其它景深位置的物体所成的像一定是模糊的。如果普通光学成像系统对分布在较大景深范围的若干个物体同时成像，则这些物体不可能在同一个屏面上形成同时清晰的像。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种无衍射光大景深成像光学系统，该系统克服了上述离焦模糊的问题，使得大景深范围的全部物体都可以在同一个像屏面上形成同时清晰的像。

本实用新型提供的一种无衍射光大景深成像光学系统，包括依次位于同一光路上的物镜、准直镜和像屏面，其特征在于：在准直镜和像屏面之间设置有圆锥透镜，其中，

圆锥透镜的锥角θ按下式计算：

$\mathrm{\θ}=2.4048\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}(n-1)p_x}$

其中，p_x为要求的成像分辨率，n为圆锥透镜的折射率；

圆锥透镜的孔径D3满足下式要求：

D3＞4(n-1)θL₂

其中，L₂为像屏面到圆锥透镜的距离；

准直镜的孔径D2大于圆锥透镜的孔径D3；

物镜用于将近景物体成像到准直镜的前焦面上，物镜的孔径D1满足下式要求：

$\frac{D1}{M}\≥\frac{D2}{f_2}$

其中，f₂为准直镜的焦距，M为物镜到准直镜的前焦面T的距离。

按照本实用新型，将一个圆锥透镜插在像屏面和普通成像系统之间，同时，使得在所需景深范围内任意一个点所发出的光束经圆锥透镜前面的全部普通透镜成像系统后，出射的光束为平行光或曲率半径很大的球面波，然后，这些光束再经圆锥透镜变换成为近似无衍射光，而近似无衍射光在沿光轴任一位置处的屏面上的投影都是一个同样大小的同心环衍射斑，其中心焦斑的直径基本由圆锥透镜的锥角决定，不存在普通成像系统的在不同位置处焦斑大小会变化的离焦模糊问题，于是在所需景深范围内，任一位置处的物体所成的像都有基本同样的清晰度。由于在本实用新型的光学系统中，远景物体和近景物体之间的距离可以很大，远景物体甚至可以在无限远，因此，本实用新型的光学系统可以实现大景深物体的同时清晰成像。

附图说明

图1为本实用新型光学系统结构与成像原理示意图；

图2为圆锥透镜的结构示意图；

图3为成像系统的光学参数示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型光学系统的结构与成像原理作进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型的光学系统的具体成像过程如下：远景物体A和近景物体B距物镜1的距离不等，远景物体A经物镜1成像到中间像A1，A1再经准直镜2和圆锥透镜3后形成近似无衍射光束，该光束在像屏面4上的投影为像A2，称之为远景物投影像；近景物体B经物镜1成像到中间像B1，B1再经准直镜2和圆锥透镜3后也形成近似无衍射光束，该光束在像屏面4上的投影为像B2，称之为近景物投影像。

由于远景物体A和近景物体B所发出的光，经物镜1后，先在准直镜2的前焦面T附近形成中间像——像A1和像B1，根据透镜焦平面的性质，中间像上每一点发出的光束，经准直镜2折射后成为平面波或曲率半径很大的球面波。而根据衍射光学的理论，一束平面光或曲率半径很大的球面波，经圆锥透镜折射后，在像空间将形成近似无衍射光。无衍射光是一种光束横截面光强分布不随光的传播距离的变化而变化的特殊光束。理想无衍射光的传播距离是无限远，近似无衍射光的传播距离是有限的。入射平面光的方向决定出射无衍射光的中心轴的方向。因此，远景物体A和近景物体B上任一几何点所发出的光，最终都变成中心轴方向不同的近似无衍射光，它们在像屏面4上的投影，形成两组同心衍射环，同心衍射环的中心就是出射近似无衍射光的中心轴与像屏面4的交点，且若以各自环的中心为坐标原点，每组环的光强分布都服从：

$I=\frac{{\mathrm{\π}}^2{(n-1)}^2{\mathrm{\θ}}^{2}z}{\mathrm{\λ}}{J}_0^2[(n-1)\mathrm{\θr}2\mathrm{\π}/\mathrm{\λ}]---\left(4\right)$

其中J₀为贝塞尔函数，n为圆锥透镜的折射率，θ为圆锥透镜的锥角(如图2所示，θ也就是圆锥的母线H与圆锥底面N的夹角)，λ是光波长，r是光强计算点到该组同心圆环中心的距离，z为圆锥透镜顶点到像屏面4的距离。从上式可看出，衍射环斑的光强分布由z和r决定，在任意一个与像屏面4平行的平面上(即z为任意值)，光强随r的相对变化规律是完全一样的，即都符合贝塞尔函数，而衍射环上任一点的光强都随z值线性增大，也就是说，当像屏沿着光轴移动时，衍射环光斑的大小、形状、强度相对分布是不变的。远景物体A和近景物体B所形成的贝塞尔衍射圆环基本相同，只要θ足够大，它们的第一个暗环半径ρ就都会足够小，且近似为

$\mathrm{\ρ}=2.4048\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}(n-1)\mathrm{\θ}}---\left(5\right)$

因此，远景物体A和近景物体B上任一几何点所发出的光，最终都在像屏面4上形成一组中心亮斑半径大小基本相同的环光斑。远景物体A和近景物体B上全部发光点都将在像屏面4上形成自己对应的环光斑，这些环光斑迭加在一起就构成了远景物体A和近景物体B的投影像A2和B2。由于远景物体A和近景物体B上每一几何点所成环光斑的中心斑半径大小基本相同，因此，尽管远景物体B和近景物体A至镜头的距离不同，但它们在像屏面4上所形成的投影像的分辨率是基本相同的。也就是说，它们在像屏面4上形成了同样清晰度的像。

本实用新型的光学系统包括依次位于同一光路上的物镜1、准直镜2、圆锥透镜3和像屏面4，它们的相互关系和参数如图3所示。

物镜1的焦距值的确定方法是，按照将近景物体B成像到准直镜2的前焦面T上的要求，根据普通透镜成像公式(1)确定；物镜1的孔径D1和准直镜2的孔径D2要满足以下关系

$\frac{D1}{M}\≥\frac{D2}{f_2}---\left(6\right)$

其中，f₂为准直镜2的焦距，M为物镜1到准直镜2的前焦面T的距离。

准直镜2的孔径D2要大于圆锥透镜3的孔径D3；准直镜2的焦距与孔径也要满足关系式(6)。

圆锥透镜3的孔径D3满足公式(7)：

D3＞4(n-1)θL₂    (7)

其中，L₂是像屏面4到圆锥透镜3的距离；圆锥透镜3的锥角θ的计算方法为：

$\mathrm{\θ}=2.4048\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}(n-1)p_x}---\left(8\right)$

其中，p_x是要求的成像分辨率。

为了结构紧凑，准直镜2与圆锥透镜3尽可能靠近，但不能接触。

物镜1也可以是由若干片球面透镜组成的透镜组，准直镜2也可以是由若干片球面透镜组成的透镜组。

本实用新型的光学成像系统的近景最近清晰成像位置的物距Lp1为：

$\mathrm{Lp}1=\frac{M{f}_1}{M+f_1}---\left(8\right)$

远景最远清晰成像位置的物距Lp2的计算式为

Lp2＝∞                (9)

可见，只要景物与物镜之间的距离超过Lp1，像就都是同样清晰的。

如图3所示，本实用新型的光学系统对处于物镜1前、距离L₁处物体O的成像放大倍数β为：

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{Lp}3}{(L_1-\mathrm{Lp}3)}\×\frac{L_2}{(M+f_2)}---\left(10\right)$

其中：

$\mathrm{Lp}3=\frac{(M+f_2)f_1}{M+f_2-f_1}---\left(11\right)$

本实用新型的光学成像系统也可以不设置物镜1，而将物体直接置于准直透镜2的前焦面T前，在这种情况下，前景最近清晰成像位置就是前焦面T，而后景最远清晰成像位置Lp2为

$\mathrm{Lp}2=\frac{2f_2\·L_2}{2\·L_2-f_2}---\left(12\right)$

放大倍数β为

$\mathrm{\β}=\frac{L_2}{L_1+f_2}---\left(13\right)$

式中L₁为物体到准直透镜2的距离。

本实用新型的光学系统中除圆锥透镜3的其它部分，是传统的光学透镜系统，其中物镜的设计原则是将需要成像的最近物体成像到准直镜的前焦面T，并且满足放大倍率的要求；而准直镜的设计原则是在确保通光孔径大于圆锥透镜3的情况下，尽可能减小焦距f₂。

如果不要物镜，直接将物体置于前焦面T，则应根据公式(13)的系统放大倍率β来设计f₂。

此外，物镜和准直镜还应满足像差最小的要求。

实施例：

设计条件：p_x＝14μm，n＝1.5，λ＝0.65μm，L₂＝100mm；

光学系统参数计算结果：

圆锥透镜参数：θ＝0.07弧度；D＝14mm；厚度＝5mm，材料折射率n＝1.5

准直透镜参数：焦距f₂＝192.9mm，前表面曲率半径为∞，后表面曲率半径为100mm，厚度为5mm，材料折射率n＝1.5168。

圆锥透镜与准直透镜之间距离为5mm。

物镜参数：焦距f₁＝97.3mm，前表面曲率半径为100mm，后表面曲率半径为100mm，厚度为5mm，材料折射率n＝1.5168。

物镜与准直透镜之间距离M＝106mm。

本实施例光学系统的前景位置Lp1＝1000mm，后景位置为无穷远。

Claims (1)

1、一种无衍射光大景深成像光学系统，该系统包括依次位于同一光路上的物镜(1)、准直镜(2)和像屏面(4)，其特征在于：在准直镜(2)和像屏面(4)之间设置有圆锥透镜(3)，其中，

圆锥透镜(3)的锥角θ按式(I)计算：

$\mathrm{\θ}=2.4048\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}(n-1)p_x}---\left(I\right)$

其中，p_x为要求的成像分辨率，n为圆锥透镜的折射率；

圆锥透镜(3)的孔径D3满足式(II)要求：

D3＞4(n-1)θL₂        (II)

其中，L₂为像屏面(4)到圆锥透镜(3)的距离；

准直镜(2)的孔径D2大于圆锥透镜(3)的孔径D3；

物镜(1)用于将近景物体(B)成像到准直镜(2)的前焦面(T)上，物镜(1)的孔径D1满足式(III)要求：

$\frac{D1}{M}\≥\frac{D2}{f_2}---\left(\mathrm{III}\right)$

其中，f₂为准直镜(2)的焦距，M为物镜(1)到准直镜(2)的前焦面T的距离。