專利名稱：一種無衍射光大景深成像光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種成像光學(xué)系統(tǒng)，具體地說，是一種無衍射光大景深成像光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
普通成像光學(xué)系統(tǒng)是由普通透鏡構(gòu)成的，普通透鏡的成像特性是一個(gè)物點(diǎn)光源發(fā)出的入射球面光波經(jīng)過透鏡后變換成另一個(gè)球面光波，即出射球面光波，出射球面光波的球心就是像點(diǎn)，它與物點(diǎn)光源是不重合的，它們的位置滿足成像定律1F=1L+1L′--------(1)]]>式中F是普通透鏡的焦距，L是物點(diǎn)光源到透鏡的距離，L′是像點(diǎn)到透鏡的距離。
普通透鏡的表面通常是球面，為了矯正像差，也有非球面的表面，但其成像特性都是滿足成像定律(1)的。
普通成像光學(xué)系統(tǒng)是由一系列不同焦距、分布在沿光軸不同位置處的普通透鏡構(gòu)成的，系統(tǒng)的總的成像特性仍是滿足上述成像定律的。
在光學(xué)系統(tǒng)滿足上述成像定律的條件下，具有下面的特性當(dāng)在像方空間的像點(diǎn)處放置一個(gè)與光軸垂直的屏面時(shí)，出射球面波將在其上形成一個(gè)最小的衍射光斑，根據(jù)物理光學(xué)中的衍射理論，光斑的大小ρ由出射球面波的匯聚角決定 式中λ是光的波長(zhǎng)。
當(dāng)屏面不在像方空間的像點(diǎn)處時(shí)，出射球面波將在其上形成一個(gè)較大光斑，根據(jù)幾何光學(xué)，光斑的大小ρ為
ρ＝ΔL· (3)式中ΔL為屏面與像點(diǎn)間的距離，也就是離焦量。
從(3)式可以看出，對(duì)于一個(gè)單發(fā)光點(diǎn)的成像，屏面的離焦量ΔL越大，出射光束在屏面上形成的光斑就越大。而對(duì)于一般的面發(fā)光物體的成像，因?yàn)橐粋€(gè)發(fā)光面是由大量發(fā)光點(diǎn)所構(gòu)成的，所以，每一個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的像光斑都會(huì)隨著離焦量ΔL的增大而增大，因此，面發(fā)光物體的像就會(huì)隨著離焦量的增大而模糊。
這就是普通光學(xué)成像系統(tǒng)的成像特性，即像會(huì)隨著離焦而變模糊。因此，如果像屏面固定，則只存在一個(gè)景深處的物平面能夠成清晰的像，其它景深位置的物體所成的像一定是模糊的。如果普通光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)分布在較大景深范圍的若干個(gè)物體同時(shí)成像，則這些物體不可能在同一個(gè)屏面上形成同時(shí)清晰的像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無衍射光大景深成像光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了上述離焦模糊的問題，使得大景深范圍的全部物體都可以在同一個(gè)像屏面上形成同時(shí)清晰的像。
本發(fā)明提供的一種無衍射光大景深成像光學(xué)系統(tǒng)，包括依次位于同一光路上的物鏡、準(zhǔn)直鏡和像屏面，其特征在于在準(zhǔn)直鏡和像屏面之間設(shè)置有圓錐透鏡，其中，圓錐透鏡的錐角θ按下式計(jì)算θ=2.4048λπ(n-1)px]]>其中，px為要求的成像分辨率，n為圓錐透鏡的折射率；圓錐透鏡的孔徑D3滿足下式要求D3＞4(n-1)θL2其中，L2為像屏面到圓錐透鏡的距離；準(zhǔn)直鏡的孔徑D2大于圓錐透鏡的孔徑D3；物鏡用于將近景物體成像到準(zhǔn)直鏡的前焦面上，物鏡的孔徑D1滿足下式要求D1M≥D2f2]]>其中，f2為準(zhǔn)直鏡的焦距，M為物鏡到準(zhǔn)直鏡的前焦面T的距離。
按照本發(fā)明，將一個(gè)圓錐透鏡插在像屏面和普通成像系統(tǒng)之間，同時(shí)，使得在所需景深范圍內(nèi)任意一個(gè)點(diǎn)所發(fā)出的光束經(jīng)圓錐透鏡前面的全部普通透鏡成像系統(tǒng)后，出射的光束為平行光或曲率半徑很大的球面波，然后，這些光束再經(jīng)圓錐透鏡變換成為近似無衍射光，而近似無衍射光在沿光軸任一位置處的屏面上的投影都是一個(gè)同樣大小的同心環(huán)衍射斑，其中心焦斑的直徑基本由圓錐透鏡的錐角決定，不存在普通成像系統(tǒng)的在不同位置處焦斑大小會(huì)變化的離焦模糊問題，于是在所需景深范圍內(nèi)，任一位置處的物體所成的像都有基本同樣的清晰度。由于在本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)中，遠(yuǎn)景物體和近景物體之間的距離可以很大，遠(yuǎn)景物體甚至可以在無限遠(yuǎn)，因此，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大景深物體的同時(shí)清晰成像。


圖1為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與成像原理示意圖；圖2為圓錐透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為成像系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成像原理作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
如圖1所示，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的具體成像過程如下遠(yuǎn)景物體A和近景物體B距物鏡1的距離不等，遠(yuǎn)景物體A經(jīng)物鏡1成像到中間像A1，A1再經(jīng)準(zhǔn)直鏡2和圓錐透鏡3后形成近似無衍射光束，該光束在像屏面4上的投影為像A2，稱之為遠(yuǎn)景物投影像；近景物體B經(jīng)物鏡1成像到中間像B1，B1再經(jīng)準(zhǔn)直鏡2和圓錐透鏡3后也形成近似無衍射光束，該光束在像屏面4上的投影為像B2，稱之為近景物投影像。
由于遠(yuǎn)景物體A和近景物體B所發(fā)出的光，經(jīng)物鏡1后，先在準(zhǔn)直鏡2的前焦面T附近形成中間像——像A1和像B1，根據(jù)透鏡焦平面的性質(zhì)，中間像上每一點(diǎn)發(fā)出的光束，經(jīng)準(zhǔn)直鏡2折射后成為平面波或曲率半徑很大的球面波。而根據(jù)衍射光學(xué)的理論，一束平面光或曲率半徑很大的球面波，經(jīng)圓錐透鏡折射后，在像空間將形成近似無衍射光。無衍射光是一種光束橫截面光強(qiáng)分布不隨光的傳播距離的變化而變化的特殊光束。理想無衍射光的傳播距離是無限遠(yuǎn)，近似無衍射光的傳播距離是有限的。入射平面光的方向決定出射無衍射光的中心軸的方向。因此，遠(yuǎn)景物體A和近景物體B上任一幾何點(diǎn)所發(fā)出的光，最終都變成中心軸方向不同的近似無衍射光，它們?cè)谙衿撩?上的投影，形成兩組同心衍射環(huán)，同心衍射環(huán)的中心就是出射近似無衍射光的中心軸與像屏面4的交點(diǎn)，且若以各自環(huán)的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，每組環(huán)的光強(qiáng)分布都服從I=π2(n-1)2θ2zλJ02[(n-1)θr2π/λ]-------(4)]]>其中J0為貝塞爾函數(shù)，n為圓錐透鏡的折射率，θ為圓錐透鏡的錐角(如圖2所示，θ也就是圓錐的母線H與圓錐底面N的夾角)，λ是光波長(zhǎng)，r是光強(qiáng)計(jì)算點(diǎn)到該組同心圓環(huán)中心的距離，z為圓錐透鏡頂點(diǎn)到像屏面4的距離。從上式可看出，衍射環(huán)斑的光強(qiáng)分布由z和r決定，在任意一個(gè)與像屏面4平行的平面上(即z為任意值)，光強(qiáng)隨r的相對(duì)變化規(guī)律是完全一樣的，即都符合貝塞爾函數(shù)，而衍射環(huán)上任一點(diǎn)的光強(qiáng)都隨z值線性增大，也就是說，當(dāng)像屏沿著光軸移動(dòng)時(shí)，衍射環(huán)光斑的大小、形狀、強(qiáng)度相對(duì)分布是不變的。遠(yuǎn)景物體A和近景物體B所形成的貝塞爾衍射圓環(huán)基本相同，只要θ足夠大，它們的第一個(gè)暗環(huán)半徑ρ就都會(huì)足夠小，且近似為ρ=2.4048λ2π(n-1)θ-------(5)]]>因此，遠(yuǎn)景物體A和近景物體B上任一幾何點(diǎn)所發(fā)出的光，最終都在像屏面4上形成一組中心亮斑半徑大小基本相同的環(huán)光斑。遠(yuǎn)景物體A和近景物體B上全部發(fā)光點(diǎn)都將在像屏面4上形成自己對(duì)應(yīng)的環(huán)光斑，這些環(huán)光斑迭加在一起就構(gòu)成了遠(yuǎn)景物體A和近景物體B的投影像A2和B2。由于遠(yuǎn)景物體A和近景物體B上每一幾何點(diǎn)所成環(huán)光斑的中心斑半徑大小基本相同，因此，盡管遠(yuǎn)景物體B和近景物體A至鏡頭的距離不同，但它們?cè)谙衿撩?上所形成的投影像的分辨率是基本相同的。也就是說，它們?cè)谙衿撩?上形成了同樣清晰度的像。
本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)包括依次位于同一光路上的物鏡1、準(zhǔn)直鏡2、圓錐透鏡3和像屏面4，它們的相互關(guān)系和參數(shù)如圖3所示。
物鏡1的焦距值的確定方法是，按照將近景物體B成像到準(zhǔn)直鏡2的前焦面T上的要求，根據(jù)普通透鏡成像公式(1)確定；物鏡1的孔徑D1和準(zhǔn)直鏡2的孔徑D2要滿足以下關(guān)系D1M≥D2f2---------(6)]]>其中，f2為準(zhǔn)直鏡2的焦距，M為物鏡1到準(zhǔn)直鏡2的前焦面T的距離。
準(zhǔn)直鏡2的孔徑D2要大于圓錐透鏡3的孔徑D3；準(zhǔn)直鏡2的焦距與孔徑也要滿足關(guān)系式(6)。
圓錐透鏡3的孔徑D3滿足公式(7)D3＞4(n-1)θL2(7)其中，L2是像屏面4到圓錐透鏡3的距離；圓錐透鏡3的錐角θ的計(jì)算方法為θ=2.4048λπ(n-1)px--------(8)]]>其中，px是要求的成像分辨率。
為了結(jié)構(gòu)緊湊，準(zhǔn)直鏡2與圓錐透鏡3盡可能靠近，但不能接觸。
物鏡1也可以是由若干片球面透鏡組成的透鏡組，準(zhǔn)直鏡2也可以是由若干片球面透鏡組成的透鏡組。
本發(fā)明的光學(xué)成像系統(tǒng)的近景最近清晰成像位置的物距Lp1為L(zhǎng)p1=Mf1M+f1----------(8)]]>遠(yuǎn)景最遠(yuǎn)清晰成像位置的物距Lp2的計(jì)算式為L(zhǎng)p2＝∞ (9)可見，只要景物與物鏡之間的距離超過Lp1，像就都是同樣清晰的。
如圖3所示，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)處于物鏡1前、距離L1處物體O的成像放大倍數(shù)β為β=Lp3(L1-Lp3)×L2(M+f2)-----------(10)]]>
其中Lp3=(M+f2)f1M+f2-f1---------(11)]]>本發(fā)明的光學(xué)成像系統(tǒng)也可以不設(shè)置物鏡1，而將物體直接置于準(zhǔn)直透鏡2的前焦面T前，在這種情況下，前景最近清晰成像位置就是前焦面T，而后景最遠(yuǎn)清晰成像位置Lp2為L(zhǎng)p2=2f2·L22·L2-f2-------(12)]]>放大倍數(shù)β為β=L2L1+f2-----------(13)]]>式中L1為物體到準(zhǔn)直透鏡2的距離。
本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)中除圓錐透鏡3的其它部分，是傳統(tǒng)的光學(xué)透鏡系統(tǒng)，其中物鏡的設(shè)計(jì)原則是將需要成像的最近物體成像到準(zhǔn)直鏡的前焦面T，并且滿足放大倍率的要求；而準(zhǔn)直鏡的設(shè)計(jì)原則是在確保通光孔徑大于圓錐透鏡3的情況下，盡可能減小焦距f2。
如果不要物鏡，直接將物體置于前焦面T，則應(yīng)根據(jù)公式(13)的系統(tǒng)放大倍率β來設(shè)計(jì)f2。
此外，物鏡和準(zhǔn)直鏡還應(yīng)滿足像差最小的要求。
實(shí)施例設(shè)計(jì)條件px＝14μm，n＝1.5，λ＝0.65μm，L2＝100mm；光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果圓錐透鏡參數(shù)θ＝0.07弧度；D＝14mm；厚度＝5mm，材料折射率n＝1.5準(zhǔn)直透鏡參數(shù)焦距f2＝192.9mm，前表面曲率半徑為∞，后表面曲率半徑為100mm，厚度為5mm，材料折射率n＝1.5168。
圓錐透鏡與準(zhǔn)直透鏡之間距離為5mm。
物鏡參數(shù)焦距f1＝97.3mm，前表面曲率半徑為100mm，后表面曲率半徑為100mm，厚度為5mm，材料折射率n＝1.5168。
物鏡與準(zhǔn)直透鏡之間距離M＝106mm。
本實(shí)施例光學(xué)系統(tǒng)的前景位置Lp1＝1000mm，后景位置為無窮遠(yuǎn)。
權(quán)利要求
1.一種無衍射光大景深成像光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括依次位于同一光路上的物鏡(1)、準(zhǔn)直鏡(2)和像屏面(4)，其特征在于在準(zhǔn)直鏡(2)和像屏面(4)之間設(shè)置有圓錐透鏡(3)，其中，圓錐透鏡(3)的錐角θ按式(I)計(jì)算θ=2.4048λπ(N-1)px---(I)]]>其中，px為要求的成像分辨率，n為圓錐透鏡的折射率；圓錐透鏡(3)的孔徑D3滿足式(II)要求D3＞4(n-1)θL2(II)其中，L2為像屏面(4)到圓錐透鏡(3)的距離；準(zhǔn)直鏡(2)的孔徑D2大于圓錐透鏡(3)的孔徑D3；物鏡(1)用于將近景物體(B)成像到準(zhǔn)直鏡(2)的前焦面(T)上，物鏡(1)的孔徑D1滿足式(III)要求D1M≥D2f2---(III)]]>其中，f2為準(zhǔn)直鏡(2)的焦距，M為物鏡(1)到準(zhǔn)直鏡(2)的前焦面T的距離。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無衍射光大景深成像光學(xué)系統(tǒng)，包括依次位于同一光路上的物鏡、準(zhǔn)直鏡、圓錐透鏡和像屏面；物體經(jīng)物鏡成像形成中間像，中間像再經(jīng)準(zhǔn)直鏡和圓錐透鏡后形成近似無衍射光束，該光束在沿光軸任一位置處的屏面上的投影都是一個(gè)同樣大小的同心環(huán)衍射斑，其中心焦斑的直徑基本由圓錐透鏡的錐角決定，不存在普通成像系統(tǒng)的在不同位置處焦斑大小會(huì)變化的離焦模糊問題，于是在所需景深范圍內(nèi)，任一位置處的物體所成的像都有基本同樣的清晰度。本發(fā)明中遠(yuǎn)景物體和近景物體之間的距離可以很大，遠(yuǎn)景物體甚至可以在無限遠(yuǎn)，因此，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大景深物體的同時(shí)清晰成像。
文檔編號(hào)G02B27/00GK1949024SQ20061012488
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2006年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月30日
發(fā)明者趙斌 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)