CN217765235U - 一种近远场共光路结构和光学探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开近远场共光路结构和光学探测系统，涉及光学探测领域，包括：第一透镜单元，固定的前组透镜结构；第二透镜单元，位置可变的后组透镜结构；近场位置，第二透镜单元的实现近场成像的位置，第一透镜单元折射出的像在通过近场位置的第二透镜单元折射后，在光电成像器件实现近场成像；远场位置，第二透镜单元的实现远场成像的位置，第一透镜单元折射出的像在通过远场位置的第二透镜单元折射后，在光电成像器件实现远场成像。本系统通过基于透射式成像原理通过调整后组光学系统位置实现近远场图像测量两种功能。

Description

一种近远场共光路结构和光学探测系统

技术领域

本实用新型涉及一种光学结构，尤其涉及一种近远场共光路光学探测系统。

背景技术

随着硅光集成芯片的迅速发展，光束调向技术成为社会潮流，并可应用于光无线通信，生物成像，激光雷达(LiDAR)等领域。实现光束调向的方式有很多，如微机电系统(MEMS)，可移动反射镜，固态光学相控阵(SOPA)等，故为了实现并分析所需的光束调向角度以及近场光场分布信息，良好的近远场光学测量系统必不可少。通过分析近场图样，可以观察芯片中的精细结构单元，进行调控，保证远场的性能；通过分析远场图样，可以获取芯片的光束调向参数(远场调向角，角分辨率及调向速率)，更好的反馈芯片结构的特性，故近远场光学测量系统对光束调向性能分析具有重大意义。现有的近远场光学测量系统存在需要更换光学系统或实验装置来分别实现近远场成像，采取人工定位方式的问题。

传统方案主要存在以下缺点：由于采用两组光学结构分别对近远场进行测量，并采取人工定位方式，使得机械稳定性降低，从而导致探测器容易出现成像漂移，光学系统失准等问题。此外，对于采用单光路进行近远场测量的装置而言，均采用二次反射成像的方式得到远场像，实际测量时需要对每个光学子系统进行镀膜设计，增加设计复杂度。

发明内容

本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种近远场共光路结构和光学探测系统。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种近远场共光路结构，包括：第一透镜单元、第二透镜单元、近场位置和远场位置，第二透镜单元位于近场位置或远场位置；

第一透镜单元，固定的前组透镜结构，接收来自光源端发射的光束；

第二透镜单元，位置可变的后组透镜结构；

近场位置，第二透镜单元的实现近场成像的位置，第一透镜单元折射出的像在通过近场位置的第二透镜单元折射后，至光电成像器件实现近场成像；

远场位置，第二透镜单元的实现远场成像的位置，第一透镜单元折射出的像在通过远场位置的第二透镜单元折射后，至光电成像器件实现远场成像。

优选的，所述第二透镜单元尺寸大于所述第一透镜单元；第二透镜单元远场位置位于第二透镜单元近场位置的前方。

优选的，所述第二透镜单元在近场位置，所述第一透镜单元与第二透镜单元的焦距呈近场倍率关系M1。

优选的，所述第二透镜单元在远场位置，所述第一透镜单元的后焦平面到第二透镜单元，第二透镜单元到光电成像器的两段距离呈远场放大关系M2，所述第二透镜单元在近场位置或在远场位置，所述近远场共光路结构的总光路长度均不变。

优选的，所述光路结构的波像差容限≤0.25λ，分辨率MTF≥0.2，其中，λ为光波长。

优选的，近场放大倍率M1＝4，远场放大倍率M2＝0.25。

优选的，近远场共光路结构为可见光波段下NA＝0.24以内的近远场共光路结构。

进一步，基于上述光路结构，公开一种近远场共光路光学探测系统，包括上述的近远场共光路结构，还包括：光源输出端和光电成像器件，

光源输出端位于近远场共光路结构前端，光束输出至第一透镜单元；

光电成像器件位于第二透镜单元的后端，接收光束并成像。

1)近远场共光路光学探测装置基于透射式成像原理通过调整后组光学系统位置实现近远场图像测量两种功能，从而提高了系统测量时的机械稳定性以及性能的可调控性，降低实验过程的复杂度，减少探测器成像漂移及光学系统失准。

2)近远场成像均采用透射成像方式，对不同条件的物光源成像时无需对透镜进行镀膜加工处理，实际测量时可以提高光学子系统对位置或者镀膜时产生误差的容忍度。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是近远场共光路光学探测系统示意图；

图2是第二透镜单元在近场位置的系统示意图；

图3是第二透镜单元在远场位置的系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

一种近远场共光路光学探测系统(下称“系统”)，如图1，包括光源输出端S1、光电成像器件，以及

光源输出端位于近远场共光路光学结构前端，光束输出至第一透镜单元；

光电成像器件位于第二透镜单元的后端，接收光束并成像。

第一透镜单元L1，固定的前组透镜结构；

第二透镜单元L2，位置可变的后组透镜结构；

近场位置，第二透镜单元的实现近场成像的位置，第一透镜单元折射出的像在通过近场位置的第二透镜单元折射后，在光电成像器件实现近场成像；

远场位置，第二透镜单元的实现远场成像的位置，第一透镜单元折射出的像在通过远场位置的第二透镜单元折射后，在光电成像器件实现远场成像。

第二透镜单元尺寸大于第一透镜单元；第二透镜单元远场位置位于第二透镜单元近场位置的前方。

第二透镜单元在近场位置或在远场位置，近远场共光路光学结构的总光路长度均不变。

具体结构由图2和图3所示，第一透镜单元2的物方焦距为f1，第一透镜单元2的像方焦距为f1’，第二透镜单元3的物方焦距为f2，第二透镜单元3的像方焦距为f2’。其中从芯片出射物平面1经过一定传播距离后再到第一透镜单元2物方主平面的距离为f1，第一透镜单元2的像方主平面到第一透镜单元2的后焦平面所在的频谱面的距离为f1’，第一透镜单元2后焦平面到第二透镜单元3的物方主平面的距离为d1(d2)，第二透镜单元3的像方主平面到光电成像器件4的距离为f2’(d3)。即芯片出射物平面位于第一透镜单元2的物方焦点处，当分别进行近场，远场成像时，光电成像器件4分别位于第二透镜单元3的像方焦点处，第二透镜单元3的远场像平面处。故理论上本系统总长为2f1+d1+f2’，f1’＝f1。

即当第二透镜单元3处于近场位置时，即第二透镜单元3与后焦平面、光电成像器件4的距离分别为d1、f2时可实现近场测量，随后通过调节方式将第二透镜单元3移动至远场位置，即第二透镜单元与后焦平面FP、光电成像器件4的距离分别为d2、d3时可实现远场测量。

其中，需要说明的是，虽然图2和图3为两个图，但是实际方案是一套光路，同一第二透镜单元3，为了区分其位置在近场位置和远场位置的差异，以及分别在近场位置和远场位置的工作差异而进行示意。其中第一透镜单元2包括：第一透镜21，第二透镜22，第三透镜23，第四透镜24，第二透镜单元3包括：第五透镜31，第六透镜32，第七透镜33，第八透镜34，第九透镜35。

所以，配置上述的近远场共光路光学探测系统需要先确定该系统的初始参数，包括：图1中的f1，f2，d1，d2，d3。

第二透镜单元在近场位置，第一透镜单元与第二透镜单元的焦距呈近场倍率关系M1。第二透镜单元在远场位置，第一透镜单元的后焦平面到第二透镜单元，第二透镜单元到光电成像器的两段距离呈远场放大关系M2。则基于该要求，可以实现上述初始参数的计算，具体包括：

确定满足渐晕条件和正弦条件的第一透镜单元的参数以及以及第一透镜单元的后焦平面距离，为第一后焦距f1；根据近场成像分辨率MTF_near要求选择近场放大倍率M1。

根据近场放大倍率M1和第一后焦距f1，计算出近场位置的第二透镜单元后表面到光电成像器的距离，为第二后焦距f2。

根据共光路的约束要求：根据远场成像分辨率MTF_far选择远场放大倍率M2；根据高斯成像公式、已知的远场放大倍率M2和近场放大倍率M1，计算得到远场成像位置下的第二透镜单元后表面到光电成像器的距离，为第二透镜单元的远场像距d3，以及第一透镜单元后焦平面FP到第二透镜单元前表面的距离，为远场透镜距离d2。

根据近远场共光路光学探测系统总长，计算得到近场位置下的第二透镜单元前表面到第一透镜单元的后焦平面的距离，为近场透镜距离d1；其中，近场位置参数包括近场透镜距离d1和第二后焦距f2，远场位置参数包括远场透镜距离d2和远场像距d3。

其中，具体计算方案为：

所述第二后焦距f2的计算方法为：根据近场放大倍率公式计算：M1＝f2/f1；

所述远场像距d3和近场透镜距离d2的计算方法为：根据高斯成像公式：1/d2+1/d3＝1/f2，以及远场放大倍率公式：M2＝d3/d2，代入已知参数远场放大倍率和第二后焦距计算得到；

根据近远场共光路光学探测系统总长相等(d1+f2＝d2+d3)，计算近场透镜距离d1。

基于上述方法，可以在构建近远场共光路光学探测系统之前确定一组初始系统参数：f1，f2，d1，d2，d3，该组初始系统参数在系统优化过程中将会进行微调和更新。

以具体参数描述为：以可见光波段下NA＝0.24以内的光学探测系统，设计波像差容限≤0.25λ，分辨率MTF≥0.2，其中，λ为光波长。根据分辨率和波像差容限可以选择近场放大倍率M1＝4，远场放大倍率M2＝0.25。进一步根据上述公式求得具体的f1，f2，d1，d2，d3数值，并根据参数要求调整第一透镜单元和第二透镜单元的具体结构。

实施例2：

本实施例还提供一种具体的系统设计方案，具体包括步骤：

选取第一透镜单元初始结构，获取第一透镜单元的第一后焦距；

优化第一透镜单元使得第一透镜单元的波像差优化至第一容限值；具体可以利用光学技术手册一书中提供的光学设计四步优化法对第一透镜单元的结构进行相应优化，第一透镜单元的波像差优化至1-2λ以下即可。注意此时玻璃对材料与初始结构一致。

根据第一透镜单元的后焦距以及近场成像要求计算第二透镜单元的第二后焦距；根据近远场共光路原理计算第二透镜单元的近场位置和远场位置；

对优化后的第一透镜单元结构进行翻转、缩放操作，制备符合近场成像的第二透镜单元；合并第一透镜单元和第二透镜单元，根据近场位置和远场位置要求得到第一光学结构；

其中，第一光学结构已经能基本满足共光路成像的要求，但是仍然容易产生较大的像差，为了达到更好的效果，对第一光学结构进行优化，使得优化后的第一光学结构波像差成像容限优化至第二阈值，形成最终的光学结构；其中，第二容限值小于第一容限值。本实施例公开的第一容限值可以为1-2λ(根据实际调制结果确定)，第二容限值为0.25λ。

优化步骤主要包括以下几步：

1)优化第一透镜单元，降低第一透镜单元的波像差；

2)合并1)中优化的第一透镜单元与第二透镜单元，对合并后的整体进行优化；

3)对2)优化后的第一透镜单元和第二透镜单元再次分别优化，使得合并后整体波像差靠近第二容限值；

4)对3)优化后的整体进行优化，并对近场位置的参数进行长离焦处理，得到波像差满足第二容限值的光学结构。

其中，优化第一透镜单元，降低第一透镜单元的波像差，具体包括：

第二透镜单元固定不变，优化第一透镜单元，通过像差图分析，以对像差影响大的透镜参数为变量进行优化，降低第一透镜单元的波像差；

更具体的，例如某些透镜的曲率半径、中心及边缘厚度、玻璃材料对像差影响较大，则将这些参数当作变量进行优化，其余固定不变，如透镜的理论焦距、近远场放大倍率以及剩余透镜参数。

完成1)的优化后，2)将优化后的第一透镜单元与第二透镜单元合并形成近远场共光路光学探测系统，对近远场共光路光学探测系统整体通过光学设计四步优化法优化得到第二光学结构。即通过对像差影响较大的结构参数及玻璃材料，利用ZEMAX软件中的目标评价函数(spot radius)进行优化得到第二光学结构。

3)对第二光学结构中的第一透镜单元和第二透镜单元进行进一步优化优化，包括步骤：

以第一透镜单元与第二透镜单元中对像差影响大的参数作为变量(如曲率半径、厚度等)，分别将第一透镜单元的像差和第二透镜单元的像差优化至第三容限值，再将第一透镜单元与第二透镜单元重新进行合并，得到第三光学结构。

本实施例中，公开的是采用ZEMAX软件中的目标评价函数(wavefront)将两透镜单元分别优化至波像差容限±0.1λ处(第三容限值)。此时，合并后的第三光学结构所对应的光学探测系统接近波像差成像容限0.25λ(第二容限值)。

4)对第三光学结构进行整体优化，包括步骤：

将第三光学结构中对像差有影响的透镜参数(透镜厚度、玻璃材料、曲率半径、半直径)进行光学设计四步优化法，得到更加接近第二容限值的第四光学结构；

以此时第二透镜单元的参数(d2，d3与d1)计算更新近场位置参数和远场位置参数，分别代入第四光学结构，得到第四光学结构的实际光路尺寸参数，使得波像差容限至第二容限值以内。

对近场位置参数进行离焦处理，再根据式(1)中的等长条件对d1，f2进行离焦处理，代入光学结构3的近场结构中，最终近远场光学探测系统均满足成像容限(≤0.25λ)、分辨率要求(MTF≥0.2)及系统成像要求，则使得优化后的实际M1，M2值和理论值(目标值)相近；

d1+f2＝d2+d3 (1)。

即所述第二透镜单元在近场位置或在远场位置，所述近远场共光路光学结构的总光路长度均不变。

根据上述优化方法产生的光学探测系统无需通过算法补偿光线通过单组元式结构时产生的像差。

本近远场共光路光学探测系统在可见光波段下对近远场光学结构进行更新设计，得到基于多组元式结构的中等数值孔径NA＝0.24的近远场共光路光学系统，通过结构设计优化弥补了因光线通过结构时产生的像差导致的成像质量下降。

下面提供一种具体实验参数说明本方案达到的效果优势：

以物方NA＝0.24，物方视场为1x1mm，单个CMOS像素尺寸大小3.75微米，CMOS感光芯片尺寸4.8x3.6mm，近场放大倍率M1＝4，远场放大倍率M2＝0.25，在可见光587.6nm±10nm区间为初始条件对本方案公开的近远场光学探测系统进行验证。

经仿真软件所得近场放大4.07倍，远场放大0.25倍，满足近远场共光路光学探测系统放大倍率要求，成像充分覆盖CMOS感光尺寸。当物方NA＝0.24，物方视场为1x1mm时，最大视场下的近场与远场波像差分别为0.24λ，0.2λ，此时近远场的斯特列尔比均大于0.8，即实际近远场像点中心强度占高斯理想像点中心强度的80％以上，满足光学设计最大视场下波像差成像容限0.25λ以内的要求。最后，近远场光学探测系统的调制传递函数(MTF)值均大于0.2，即系统的截止频率要大于探测器的奈奎斯特频率，在探测器的奈奎斯特频率下仍有能够分辨图案的最小光强，从而满足探测器的分辨率要求。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种近远场共光路结构，其特征在于，包括：第一透镜单元、第二透镜单元、近场位置和远场位置，第二透镜单元位于近场位置或远场位置；

第一透镜单元，固定的前组透镜结构，接收来自光源端发射的光束；

第二透镜单元，位置可变的后组透镜结构；

近场位置，第二透镜单元的实现近场成像的位置，第一透镜单元折射出的像在通过近场位置的第二透镜单元折射后，至光电成像器件实现近场成像；

远场位置，第二透镜单元的实现远场成像的位置，第一透镜单元折射出的像在通过远场位置的第二透镜单元折射后，至光电成像器件实现远场成像。

2.根据权利要求1所述的一种近远场共光路结构，其特征在于，所述第二透镜单元尺寸大于所述第一透镜单元；第二透镜单元远场位置位于第二透镜单元近场位置的前方。

3.根据权利要求1所述的一种近远场共光路结构，其特征在于，第二透镜单元在近场位置，所述第一透镜单元与第二透镜单元的焦距呈近场倍率关系M1。

4.根据权利要求1或3所述的一种近远场共光路结构，其特征在于，第二透镜单元在远场位置，所述第一透镜单元的后焦平面到第二透镜单元，第二透镜单元到光电成像器的两段距离呈远场放大关系M2。

5.根据权利要求1所述的一种近远场共光路结构，其特征在于，所述第二透镜单元在近场位置或在远场位置，所述近远场共光路结构的总光路长度均不变。

6.根据权利要求1所述的一种近远场共光路结构，其特征在于，所述光路结构的波像差容限≤0.25λ，分辨率MTF≥0.2，其中，λ为光波长。

7.根据权利要求3所述的一种近远场共光路结构，其特征在于，近场放大倍率M1＝4。

8.根据权利要求4所述的一种近远场共光路结构，其特征在于，远场放大倍率M2＝0.25。

9.根据权利要求1所述的一种近远场共光路结构，其特征在于，近远场共光路结构为可见光波段下NA＝0.24以内的近远场共光路结构。

10.一种近远场共光路光学探测系统，其特征在于，包括权利要求1至9任一所述的近远场共光路结构，还包括：光源输出端和光电成像器件，

光源输出端位于近远场共光路结构前端，光束输出至第一透镜单元；

光电成像器件位于第二透镜单元的后端，接收光束并成像。

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