一种近红外成像测量用光学系统

1.本实用新型属于光学技术领域，更具体地，涉及一种近红外成像测量用光学系统。


背景技术：

2.现有市场上已有此类产品，市场现有产品主要基于4f光学系统或可实现物象共轭关系的成像系统，如专利cn201983854u，公开日为2011.09.21，公开了一种激光近场分辨率测量用4f光学系统，基于4f光学系统，从成像原理上看其基于显微二次成像，即通过两次傅里叶变换近似传播过程得到近场分布像，从而测量近场分辨率；从结构上看在1.053μm波段利用单片式，双片式或多片式结构实现激光近场分辨率测量，所得结构简单，成本低，精度高；但是其主要针对可见光波段或1μm波段进行设计，无法针对近红外波段1.55μm近场成像。


技术实现要素：

3.本实用新型为克服上述现有技术中的至少一个缺陷，提供一种近红外成像测量用光学系统，实现在近红外1.55μm波段下得到满足成像条件的近场成像。
4.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种近红外成像测量用光学系统，包括用于发射光束的芯片平面、用于对芯片出射光起准直作用的准直光学元件、用于对准直光束起滤波作用、保证芯片上每一点都具有相近的空间分辨率的孔径光阑、用于对准直光起会聚作用的会聚光学元件、以及在相机平面中实现图像获取的探测器；所述的芯片平面、准直光学元件、孔径光阑、会聚光学元件以及探测器依次设置在同一光轴上。本实用新型主要对芯片出射光进行近场分布测量，包括其成像质量以及分辨率。本实用新型用于光子集成芯片中的光学相控阵，激光雷达，激光扫描仪等领域。对于像集成在光子芯片上的光学相控阵结构，近场成像可以有效反映光学相控阵的衍射效率，进而将参数信息反馈出来，方便及时进行相控阵结构上的调整及优化。
5.在其中一个实施例中，所述的准直光学元件为单片式透镜或双片式透镜；所述的会聚光学元件为单片式透镜或双片式透镜。
6.在其中一个实施例中，当所述的准直光学元件为单片式透镜时，所述的准直光学元件为双凸透镜、平凸透镜、弯月透镜或非球面透镜。
7.在其中一个实施例中，当所述的会聚光学元件为单片式透镜时，所述的会聚光学元件为双凸透镜、平凸透镜或弯月透镜。
8.在其中一个实施例中，当所述的准直光学元件为双片式透镜时，包括第一透镜和第二透镜；所述的第一透镜为弯月透镜，所述的第二透镜为双凸透镜，且所述的第一透镜和第二透镜设在同一光轴上。
9.在其中一个实施例中，当所述的会聚光学元件为双片式透镜，包括第三透镜和第四透镜；所述的第三透镜为双凸透镜，所述的第四透镜为弯月透镜，且所述的第三透镜和第四透镜设在同一光轴上。
10.在其中一个实施例中，所述的准直光学元件与会聚光学元件均为单片式透镜，或均为双片式透镜。
11.在其中一个实施例中，当所述的准直光学元件和会聚光学元件均为双片式透镜时，所述的第一透镜和第二透镜的排列顺序与所述的第三透镜和第四透镜的排列顺序相同。
12.在其中一个实施例中，所述的第一透镜为弯月形负透镜，所述的第二透镜为双凸形正透镜；所述的第三透镜为双凸形正透镜，所述的第四透镜为弯月形正透镜；自芯片平面至探测器的方向，排列顺序依次为弯月形负透镜、双凸形正透镜、双凸形正透镜、弯月形正透镜。
13.在其中一个实施例中，所述的孔径光阑为圆形光阑；所述的探测器为ccd或者cmos。
14.与现有技术相比，有益效果是：本实用新型提供的一种近红外成像测量用光学系统，结构简单，成本低，提供了在近红外1.55μm波段下能够得到满足成像条件的近场成像系统。
附图说明
15.图1是本实用新型整体结构示意图。
16.附图标记：1、芯片平面；2、准直光学元件；21、第一透镜；22、第二透镜；3、孔径光阑；4、会聚光学元件；41、第三透镜；42、第四透镜；5、相机平面。
具体实施方式
17.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。
18.如图1所示，一种近红外成像测量用光学系统，包括用于发射光束的芯片平面1、用于对芯片出射光起准直作用的准直光学元件2、用于对准直光束起滤波作用、保证芯片上每一点都具有相近的空间分辨率的孔径光阑3、用于对准直光起会聚作用的会聚光学元件4、以及在相机平面5中实现图像获取的探测器；所述的芯片平面1、准直光学元件2、孔径光阑3、会聚光学元件4以及探测器依次设置在同一光轴上。本实用新型主要对芯片出射光进行近场分布测量，包括其成像质量以及分辨率。本实用新型用于光子集成芯片中的光学相控阵，激光雷达，激光扫描仪等领域。对于像集成在光子芯片上的光学相控阵结构，近场成像可以有效反映光学相控阵的衍射效率，进而将参数信息反馈出来，方便及时进行相控阵结构上的调整及优化。
19.在其中一个实施例中，所述的准直光学元件2为单片式透镜或双片式透镜；所述的会聚光学元件4为单片式透镜或双片式透镜。
20.在一些实施例中，当所述的准直光学元件2为单片式透镜时，所述的准直光学元件2为双凸透镜、平凸透镜、弯月透镜或非球面透镜。
21.在一些实施例中，当所述的会聚光学元件4为单片式透镜时，所述的会聚光学元件
4为双凸透镜、平凸透镜或弯月透镜。
22.在其中一个实施例中，当所述的准直光学元件2为双片式透镜时，包括第一透镜21和第二透镜22；所述的第一透镜21为弯月透镜，所述的第二透镜22为双凸透镜，且所述的第一透镜21和第二透镜22设在同一光轴上。
23.在其中一个实施例中，当所述的会聚光学元件4为双片式透镜，包括第三透镜41和第四透镜42；所述的第三透镜41为双凸透镜，所述的第四透镜42为弯月透镜，且所述的第三透镜41和第四透镜42设在同一光轴上。
24.在一些实施例中，所述的准直光学元件2与会聚光学元件4均为单片式透镜，或均为双片式透镜。
25.在另一个实施例中，当所述的准直光学元件2和会聚光学元件4均为双片式透镜时，所述的第一透镜21和第二透镜22的排列顺序与所述的第三透镜41和第四透镜42的排列顺序相同。
26.在其中一个实施例中，所述的第一透镜21为弯月形负透镜，所述的第二透镜22为双凸形正透镜；所述的第三透镜41为双凸形正透镜，所述的第四透镜42为弯月形正透镜；自芯片平面至探测器的方向，排列顺序依次为弯月形负透镜、双凸形正透镜、双凸形正透镜、弯月形正透镜。
27.在一些实施例中，所述的孔径光阑3为圆形光阑；所述的探测器为ccd或者cmos。
28.红外近场成像原理如图1所示，其中芯片平面1和相机平面5位置为一对共轭位置点，通过准直光学元件2、孔径光阑3、会聚光学元件4三组光学元件完成对芯片出射光近场光场分布的测量，由此判断芯片出射光近场光场分布的成像质量以及分辨率。本系统的近场成像原理可以非常严谨地通过傅里叶光学来解释。
29.步骤一：初始光场分布t(x,y)从芯片平面1发射机经过准直光学元件2传播到其后焦平面(孔径光阑3)e(x^',y^')的这一段传播过程可以用严格的傅里叶变换来表示，即初始光场分布利用傅里叶算子f进行变换，再乘上传播过程中引入的常数相位项c_1，即可得到孔径光阑3上的光场分布。其中初始光场分布t(x,y)经过这一传播过程后，在孔径光阑3所在平面，亦称频谱面形成频谱像，即远场分布像e(x^',y^')。
30.步骤二：远场分布像e(x^',y^')需要通过准直光学元件2传播到其后焦平面(相机平面5)成原初始光场的倒像，即为近场分布像e(x_1,y_1)。其传播过程可通过非严格的傅里叶变换近似式来表示，即对远场分布像e(x^',y^')利用傅里叶算子f进行变换，再乘上传播过程中引入的常数相位项c_2，即可得到相机平面5上的光场分布e(x_1,y_1)。当然由于传播过程中引入相位项c_2，且系统并非近轴透镜组，容易产生相位误差，故可以通过离焦进行光学系统优化补偿。
31.值得注意的是第二次傅里叶变换f可以看作是一次逆傅里叶变换f^(-1)，即两次正的傅里叶变换等于一次正的傅里叶变换与一次逆的傅里叶变换后坐标系反转的情况。
32.本实用新型装置采用物方远心光路结构进行设计，即孔径光阑3放置于准直光学元件2的后焦面(频谱面)上，该物方远心光路结构如图1所示，确保芯片发光面上每一点的物方数值孔径na都近似相同，而空间分辨率与物方数值孔径na有关，故利用物方远心光路结构可保证芯片发光面上每一点拥有相同的空间分辨率。
33.本实施例还提供了一种基于商用软件进行像差补偿优化的方法。其优化流程如下
所示：
34.步骤一：根据初始条件进行准直光学元件2的初始结构选取，并依据相关参数选取适合的玻璃对，对准直光学元件2进行焦距缩放。
35.步骤二：利用光学技术手册一书中提供的四步法对准直光学元件2的结构进行相应优化，准直光学元件2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，保持不变。
36.步骤三：对优化后的准直光学元件2进行翻转，焦距缩放处理得到会聚光学元件4。随后将会聚光学元件4加入准直光学元件2所在系统中一同处理，引入初始条件进行倒序设计。倒序设计主要是为了让mtf曲线更为平滑，让系统能处理的空间分辨率显得更高，故将芯片平面1与相机平面5翻转设计。
37.步骤四：对整合后的结构进行四步法优化，其中需要对玻璃材料进行替换，利用玻璃替换模板进行优化，可获取相应的性价比高，常用的玻璃材料。
38.步骤五：优化完玻璃材料后，对玻璃材料进行固定。根据实际物理含义先将准直光学元件2固定。
39.步骤六：对会聚光学元件4到相机平面5的距离进行离焦优化。若此时仍然不满足成像条件，则应返回步骤四，对准直光学元件2，会聚光学元件4进行结构再优化。
40.如图1所示，红外近场成像光学系统的仿真结构示意图，令准直光学元件2的物方焦距为f，准直光学元件2的像方焦距为f’，会聚光学元件4的物方焦距为f，会聚光学元件4的像方焦距为f’。其中从芯片平面1经过一定传播距离后再到准直光学元件2物方主平面的距离为f，准直光学元件2的像方主平面到孔径光阑3所在的频谱面的距离为f’，孔径光阑3到会聚光学元件4的物方主平面的距离为d1，会聚光学元件4的像方主平面到相机平面5的距离为f’。即芯片平面1位于准直光学元件2的物方焦点处，相机平面5位于会聚光学元件4的像方焦点处，故理论上本装置总长为3f+d1。
41.表1给出了本实例透镜的具体设计值，正的半径值表示球心在球面的右边，负的半径值代表球心在球面的左边。光学元件厚度或两个光学元件之间的空气间隙即到下一表面的轴上距离。表中所有尺寸单位都是毫米。注：表1中设计值为倒序设计，即对从芯片平面1到相机平面5中所含光学元件进行翻转，本实例中如图1所描述的光学元件形状均以正序设计进行解释说明。
42.表1中，“surf”表示表面编号，“standard”表示标准面，“obj”表示物平面，“ima”表示像平面，“stop”表示孔径光阑3，“inf”表示空气间隙无穷大。其中厚度一项中未带括号的表示离焦系统，带括号的表示准焦系统；坐标断点作为辅助平面，其没有相应的曲率半径输入项；玻璃材料中括号说明的(p)表示优选的玻璃材料，其成本低；括号说明的(s)表示标准的玻璃材料。
43.表1
[0044][0045]
本实用新型以物方数值孔径na＝0.25，物方视场为0.7
×
0.7mm，单个ccd像素大小30μm，ccd感光芯片尺寸9.6
×
7.8mm，对芯片出射光进行〖10〗^x放大这些初始条件为例进行验证，仿真基于倒序设计，即芯片出射平面和像平面位置互换。
[0046]
则当物方视场(探测器上像斑尺寸)为7mm，物方na＝0.025时，其通过离焦补偿后最大物方视场下的像方na＝0.243，近轴放大倍率为10.02倍，波像差pv＝0.0464λ，斯特列尔比s.r》0.8，优于成像质量较好时的波像差容限pv＝0.25λ；而在理论焦面上成像时像方na＝0.2309，近轴放大倍率为9.52倍，波像差pv＝4.7854λ，远高于波像差最低容限；故从上述数据对比中可以知道本实用新型在离焦补偿后成像质量良好。且通过离焦补偿后最大物方视场下的奈奎斯特频率为166.7lp/mm，其奈奎斯特频率下的对比度为mtf＝0.3309》0.3。对于只影响光束形状的畸变像差，其畸变值小于0.01％满足一般要求。基于上述数据可以说明该实用新型再满足物理含义的条件下成像质量较优。不同的系统成像质量可以根据所需分辨率要求，视场大小通过改变不同的结构参数进行修正。
[0047]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0048]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两
个、三个等，除非另有明确具体的限定。
[0049]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0050]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0051]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0052]
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
[0053]
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。