一种无衍射光大景深成像光学系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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，本发明专利技术的光学系统可以实现大景深物体的同时清晰成像。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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1F=1L+1L′--------(1)]]>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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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θ=2.4048λπ(n-1)px]]>其中，px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D1M≥D2f2]]>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。按照本专利技术，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。由于在本专利技术的光学系统中，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，本专利技术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为本专利技术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。具体实施例方式下面结合附图和实例对本专利技术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，本专利技术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=π2(n-1)2θ2zλJ02-------(4)]]>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ρ=2.4048λ2π(n-1)θ-------(5)]]>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。本专利技术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D1M≥D2f2---------(6)本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：θ＝２．４０４８λ／π（ｎ－１）ｐ↓［ｘ］（Ⅰ）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）θＬ↓［２］（Ⅱ）其中，Ｌ↓［２］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：Ｄ１／Ｍ≥Ｄ２／ｆ↓［２］（Ⅲ）其中，ｆ↓［２］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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵斌，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[]