一种近远场共光路光学探测系统、构建方法和成像方法技术方案

本发明专利技术公开一种近远场共光路光学探测系统、构建方法和成像方法，设计光学探测技术，采用两组透镜单元构建一个近远场共光路系统，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；根据第一透镜单元的第一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。本方案通过一套光学结构实现近远场图像测量两种功能。一套光学结构实现近远场图像测量两种功能。一套光学结构实现近远场图像测量两种功能。

【技术实现步骤摘要】
一种近远场共光路光学探测系统、构建方法和成像方法


[0001]本专利技术涉及光学设备、光学设备的构建方法以及光学设备的成像方法，尤其涉及一种近远场共光路光学探测系统、构建方法和成像方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术中的缺点，提供了一种近远场共光路光学探测系统、构建方法和成像方法。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术通过下述技术方案得以解决：
[0006]一种近远场共光路的光学探测系统的构建方法，采用两组透镜单元构建一个近远场共光路系统，包括以下步骤：
[0007]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；
[0008]根据第一透镜单元的第一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；
[0009]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；
[0010]优化第一光学结构，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。
[0011]优选的，优化第一光学结构，包括步骤：
[0012]1)优化第一透镜单元，降低第一透镜单元的波像差；
[0013]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；
[0014]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；
[0015]4)对3)优化后的整体进行优化，并对近场位置的参数进行离焦处理，得到波像差满足第二容限值的光学结构。
[0016]3.根据权利要求1或2所述的近远场共光路的光学探测系统的构建方法，其特征在于，优化第一光学结构，包括步骤：
[0017]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；
[0018]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。
[0019]优选的，对第二光学结构进行优化，包括步骤：
[0020]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，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。
[0021]优选的，对第三光学结构进行优化，包括步骤：
[0022]将第三光学结构中对像差有影响的透镜参数进行光学设计四步优化法，得到靠近第二容限值的第四光学结构；
[0023]以此时第二透镜单元的参数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；然后对近场位置参数进行离焦处理。
[0024]优选的，其中，第二容限值为0.25λ。
[0025]优选的，计算近远场共光路光学探测系统参数的方法包括：
[0026]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；
[0027]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件的距离，为第二后焦距f2；
[0028]根据共光路的约束要求：
[0029]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件的距离，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，为远场透镜物距d2；
[0030]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；
[0031]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。
[0032]优选的，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；
[0033]所述远场像距d3和远场透镜距离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，代入一直参数远场放大倍率和第二后焦距计
算得到；
[0034]根据近远场共光路光学探测系统总长相等，计算近场透镜距离d1。
[0035]进一步公开一种近远场共光路光学探测系统，包括光源输出端、光电成像器件，以及
[0036]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；
[0037]光电成像器件位于第二透镜单元的后端，接收光束并成像；
[0038]第一透镜单元，固定的前组透镜结构；
[0039]第二透镜单元，位置可变的后组透镜结构；
[0040]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；
[0041]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；
[0042]其中，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。
[0043]进一步公开一种近远场共光路光学探测系统的成像本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种近远场共光路的光学探测系统的构建方法，其特征在于，采用两组透镜单元构建一个近远场共光路系统，包括以下步骤：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；根据第一透镜单元的第一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；优化第一光学结构，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。2.根据权利要求1所述的近远场共光路的光学探测系统的构建方法，其特征在于，优化第一光学结构，包括步骤：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离焦处理，得到波像差满足第二容限值的光学结构。3.根据权利要求1或2所述的近远场共光路的光学探测系统的构建方法，其特征在于，优化第一光学结构，包括步骤：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；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。4.根据权利要求3所述的近远场共光路的光学探测系统的构建方法，其特征在于，对第二光学结构进行优化，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，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。5.根据权利要求4所述的近远场共光路的光学探测系统的构建方法，其特征在于，对第三光学结构进行优化，包括步骤：将第三光学结构中对像差有影响的透镜参数进行光学设计四步优化法，得到靠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；然后对近场位置参数进行离焦处理。6.根据权利要求1或2或4或5所述的近远场共光路的光学探测系统的构建方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张璟，
申请(专利权)人：长沙思木锐信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：