一种基于方形小孔阵列与微透镜阵列的光学图像耦合方法与流程

本发明具体涉及一种基于方形小孔阵列与微透镜阵列的光学图像耦合方法，属于光电技术领域。

背景技术：

近距离光学图像耦合在光电成像、图像传输等领域具有重要的应用。目前，近距离光学图像耦合通常采用光学透镜组合和光纤传像元件实现。

常规光学透镜组合对近距离物体成像将产生一定的像差，从而导致图像失真。同时，光学透镜组合的体积相对较大，影响了使用的便利性。

光纤传像元件是一种通过光纤束直接传递光学图像的光纤器件，它通过将大量光纤束固定在一起，通过光纤逐点将光学图像由一端传至另一端。光纤传像元件的主要缺点包括：受光纤束的集成工艺限制，难以实现大面积的光学图像耦合；分辨率受光纤直径的限制；随元件尺寸的增加，成本也会逐步提高；光纤束中光纤被折断会使输出像面上存在盲点；输入、输出端的排列形状易变形，从而导致图像失真。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种基于方形小孔阵列与微透镜阵列的光学图像耦合方法，可实现大面阵、低失真的微距光学图像耦合。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

基于方形小孔阵列与微透镜阵列的光学图像耦合方法，通过一级方形微透镜阵列、一级方形小孔阵列、二级方形小孔阵列、二级方形微透镜阵列、光电探测器等实现。

本发明所述的微透镜阵列均由多个平凸透镜按行列紧密整齐排列而成。同级微透镜阵列中微透镜的几何参数、材料完全相同。不同级微透镜阵列中的透镜口径相同，曲率半径不同。每一透镜的形状均为正方形，其填充因子可达100％。

本发明所述的一、二级小孔阵列均采用吸光材料制成。所有小孔均为正方形，同一级小孔阵列中小孔的边长相同。一级小孔阵列中小孔的边长大于二级小孔阵列中小孔的边长。

为使光学图像耦合区域相互对应，所述的一、二级小孔阵列中每一小孔的中心点均位于一级、二级微透镜阵列中所对应微透镜的光轴上。

有益效果

(1)大面阵。本发明所提出的方法可通过设计大面阵的微透镜阵列、小孔阵列实现大面阵的光学图像耦合。

(2)微小型化。微透镜阵列中微透镜的口径、厚度可在微米量级，单片微透镜的焦距可设计得非常短。同时，一、二级小孔阵列采用微米量级的超薄结构。因此，可实现系统的微小型化。

(3)低失真。本发明采用两级小孔阵列。其中，一级方形小孔阵列吸收和阻挡非对应物面区域的入射光，尽可能只让对应物面区域的光通过；二级方形小孔阵列位于一级方形微透镜阵列的焦平面上，可最大限度地吸收和阻挡通过一级小孔阵列的非对应物面区域的入射光，从而避免了不同微透镜入射光信号的重叠，可实现低失真度光学图像耦合。

附图说明

图1为基于方形小孔阵列与微透镜阵列的短距离、大面阵光学图像耦合方法的示意图。本发明所提出的透镜阵列和小孔阵列可设计为大面阵，为便于理解，附图中的透镜阵列和小孔阵列仅采用3×3模板进行说明。

其中：1-1为物平面，1-2为一级方形微透镜阵列，1-3为一级方形小孔阵列，1-4为二级方形小孔阵列，1-5为二级方形微透镜阵列，1-6为光电探测器。

图2为一级方形微透镜阵列的结构示意图。

图3为一级方形小孔阵列的结构示意图。

图4为二级方形小孔阵列的结构示意图。

图5为二级方形微透镜阵列的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

本发明提出了一种基于方形小孔阵列与微透镜阵列的光学图像耦合方法，如图1所示。用于实现所提出方法的装置按从上至下的顺序由物平面1-1、一级方形微透镜阵列1-2、一级方形小孔阵列1-3、二级方形小孔阵列1-4、二级方形微透镜阵列1-5及光电探测器1-6组成。

上述各部分的主要结构及作用如下：

(1)物平面1-1为输入光学图像信号。

(2)一级方形微透镜阵列1-2的结构示意图如图2所示。一级方形微透镜阵列1-2中的微透镜为正方形、平凸结构；每个方形微透镜的边长、曲率半径相同，彼此紧密排列；一级方形微透镜阵列1-2与物平面1-1的整体尺寸相等，通过微透镜将物平面1-1分割。

(3)一级方形小孔阵列1-3的结构示意图如图3所示。相关描述如下：

结构：一级方形小孔阵列1-3由若干方形区域构成，其数量与一级方形微透镜阵列1-2中的微透镜数量相等；每一方形区域对应一级方形微透镜阵列1-2中的一片方形微透镜，两者面积相等；每个方形区域中心位置设置一个具有一定边长的方形小孔，小孔阵列中所有小孔的边长相等；方形小孔阵列由吸光材料制成。

位置：一级方形小孔阵列1-3位于一级方形微透镜阵列1-2与二级方形小孔阵列1-4之间；与一级方形微透镜阵列1-2、二级方形小孔阵列1-4互相平行。

作用：一级方形小孔阵列1-3主要用于吸收和阻挡非对应物面区域的入射光。通过控制方形小孔边长、一级方形微透镜阵列1-2与一级方形小孔阵列1-3之间的距离等参数，尽可能地只让每一方形区域对应物面区域的光通过，同时吸收和阻挡非对应物面区域的入射光。

(4)二级方形小孔阵列1-4的结构示意图如图4所示。相关描述如下：

结构：二级方形小孔阵列1-4与一级方形小孔阵列1-3的结构、材料相同；其边长小于一级方形小孔阵列1-3的小孔边长。

位置：二级方形小孔阵列1-4位于一级方形小孔阵列1-3与二级方形微透镜阵列阵列1-5之间；二级方形小孔阵列位于一级方形微透镜阵列1-2的焦平面上，与一级方形小孔阵列1-3、二级方形微透镜阵列1-5互相平行。

作用：二级方形小孔阵列1-4主要通过控制自身方形小孔边长、自身与二级方形微透镜阵列1-5之间的距离等参数，最大限度地吸收和阻挡非对应物面区域的入射光，尽可能地只让每一方形区域对应物面区域的光通过。

(5)二级方形微透镜阵列1-5的结构示意图如图5所示。二级方形微透镜阵列1-5中的微透镜同样采用平凸结构，其口径、材料与一级方形微透镜阵列1-2中的微透镜相同；其曲率半径小于一级方形微透镜阵列1-2中的微透镜，以缩短焦距，降低系统的体积；由几何光学理论可知，一级方形微透镜阵列1-2中每一透镜的会聚光为微透镜对应物面区域的倒立像，经过二级方形微透镜阵列1-5会聚后，可得到该物面区域的正立像。

(6)光电探测器1-6的主要作用是对二级方形微透镜阵列1-5的会聚光进行光电转换，得到输入光学图像信号的模拟或数字图像。本发明中的光电探测器可通过CCD、CMOS图像传感器实现。

本发明的具体工作过程如下：

第一步：通过一级方形微透镜阵列1-2对物平面1-1(输入光学图像信号)进行分割，实现入射光的会聚。

第二步：通过一级方形小孔阵列1-3、二级方形小孔阵列1-4，吸收和阻挡非对应物面区域的入射光，同时尽可能地只让每一方形区域对应物面区域的光通过。

第三步：通过二级方形微透镜阵列1-5对通过两级小孔阵列的光进行会聚，可得物平面1-1的正立像。

第四步：基于光电探测器1-6对二级方形微透镜阵列1-5的会聚光进行光电转换，得到输入光学图像信号的模拟或数字图像。

综上所述，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。