一种近远场共光路光学探测系统、构建方法和成像方法与流程

1.本发明涉及光学设备、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。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.本发明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。
5.为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
6.一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：
7.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；
8.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；
9.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；
10.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。
11.优选的，优化第一光学结构，包括步骤：
12.1)优化第一透镜单元，降低第一透镜单元的波像差；
13.2)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；
14.3)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；
15.4)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。
16.3.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：
17.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；
18.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。
19.优选的，对第二光学结构进行优化，包括步骤：
20.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。
21.优选的，对第三光学结构进行优化，包括步骤：
22.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；
23.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。
24.优选的，其中，第二容限值为0.25λ。
25.优选的，计算近远场共光路光学探测系统参数的方法包括：
26.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；
27.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；
28.根据共光路的约束要求：
29.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；
30.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；
31.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。
32.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；
33.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；
34.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。
35.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
36.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；
37.光电成像器件位于第二透镜单元的后端，接收光束并成像；
38.第一透镜单元，固定的前组透镜结构；
39.第二透镜单元，位置可变的后组透镜结构；
40.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；
41.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；
42.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。
43.进一步公开一种近远场共光路光学探测系统的成像方法，包括上述的一种近远场共光路光学探测系统，其近场成像和远场的成像方法包括，通过在远场位置和近场位置移动第二透镜单元分别实现近场成像和远场成像。
44.本发明的有益效果：
45.本发明公开的近远场共光路光学探测系统包括近远场共光路光学系统与光电成像器件。通过一套光学结构实现近远场图像测量两种功能，从而提高了系统测量时的机械稳定性，降低实验过程的复杂度，减少探测器成像漂移及光学系统失准。
46.本发明公开的近远场共光路均采用透射成像方式，成像无需进行透镜反射率计算及镀膜加工设计，降低实际设计复杂度。
附图说明
47.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
48.图1近远场共光路的光学探测系统的构建方法流程图；
49.图2光路结构的优化方法流程图；
50.图3是近远场共光路光学探测系统示意图。
具体实施方式
51.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
52.一种近远场共光路光学探测系统，如图1，包括光源输出端、光电成像器件，
53.以及，
54.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；
55.光电成像器件位于第二透镜单元的后端，接收光束并成像。
56.第一透镜单元，固定的前组透镜结构；
57.第二透镜单元，位置可变的后组透镜结构；
58.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；
59.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。
60.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。
61.第二透镜单元在近场位置，所述第一透镜单元与第二透镜单元的焦距满足近场倍率关系m1。第二透镜单元在远场位置，所述第一透镜单元的后焦平面到第二透镜单元，第二透镜单元到光电成像器件的两段距离满足远场放大关系m2。且所述第二透镜单元在近场位置或在远场位置，所述近远场共光路光学结构的总光路长度均不变。
62.基于该近远场共光路光学探测系统，先设计近场成像结构，基于以下近场成像原理：
63.(1)将s1处的近场光场分布通过第一透镜单元2成像到其后焦平面的过程可以用严格的傅里叶变换近似来表示，即对从s1的近场光场分布利用傅里叶算子f进行变换，再乘上光束传播时引入的常数项传播相位因子c1，即可得到第一透镜单元2后焦平面的光场分布，该光场分布即远场光场分布。
64.(2)随后对该远场光场分布通过第二透镜单元3成像到光电成像器件4。近场第二步的传播过程由于从第一透镜单元2后焦平面到第二透镜单元3前表面的距离为计算所得，故该传播过程为带传播相位项c2的傅里叶变换，即不严格的傅里叶变换近似，此时在光电成像器件4上得到s1的近场放大像，即第一透镜单元2与第二透镜单元3的焦距成近场倍率关系m1。其中，第二次傅里叶变换f可看作是一次逆傅里叶变换f^(-1)传播过程，即两次正傅里叶变换等于一次正的傅里叶变换与一次逆傅里叶变换后坐标系反转的情况。
65.远场成像原理：
66.(1)将s1处的近场光场分布通过第一透镜单元2的l1成像到其后焦平面的过程可以用严格的傅里叶变换近似来表示，即对从s1的近场光场分布利用傅里叶算子f进行变换，再乘上光束传播时引入的常数项传播相位因子c1，即可得到第一透镜单元2后焦平面的光场分布，该光场分布即远场光场分布。
67.(2)基于显微二次成像原理，对远场光场分布通过第二透镜单元3成远场放大的像至光电成像器件4中，此时从第一透镜单元2后焦平面到光电成像器件4的这两段距离成远场放大关系m2，且满足高斯公式。在远场成像结构中，第二透镜单元与近场成像中的第二透镜单元结构相同，但位置不同，基于同一套光学结构的方式，远场成像的第二透镜单元的位置更靠近第一透镜单元。
68.即本方案公开的近远场共光路成像原理：近远场采用同一套光路以及光学结构方式，通过移动第二透镜单元的位置分别实现近远场测量。
69.根据上述原理，在构建该近远场共光路光学探测系统之前需要计算和确定相应的初始系统参数，如图3所示包括：f1，f2，d1，d2，d3，以及近场放大倍率m1和远场放大倍率m2。
70.具体流程为：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；
71.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；
72.根据共光路的约束要求：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，为近场透镜距离d2；
73.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；
74.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。
75.其中，具体计算方案为：
76.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；
77.所述远场像距d3和近场透镜距离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，代入已知参数远场放大倍率和第二后焦距计算得到；
78.根据近远场共光路光学探测系统总长相等(d1 f2＝d2 d3)，计算近场透镜距离d1。
79.基于上述方法，可以在构建近远场共光路光学探测系统之前确定一组初始系统参数：f1，f2，d1，d2，d3，该组初始系统参数在系统优化过程中将会进行微调和更新。
80.基于上述初始系统参数，进一步公开一种近远场共光路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，预设所述系统波像差容限≤0.25λ，近场成像分辨率和远场成像分辨率均是mtf≥0.2，其中，λ为光波长。包括以下步骤：
81.如图1所示，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；
82.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；具体可以利用光学技术手册一书中提供的四步法对第一透镜单元的结构进行相应优化，第一透镜单元的波像差优化至1-2λ以下即可。注意此时玻璃对材料与初始结构一致。
83.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；
84.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；
85.其中，第一光学结构已经能基本满足共光路成像的要求，但是仍然容易产生较大的像差，为了达到更好的效果，对第一光学结构进行优化，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。本实施例公开的第一容限值可以为1-2λ(根据实际调制结果确定)，第二容限值为0.25λ。
86.优化步骤主要包括以下几步，如图2：
87.1)优化第一透镜单元，降低第一透镜单元的波像差；
88.2)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；
89.3)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；
90.4)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。
91.其中，优化第一透镜单元，降低第一透镜单元的波像差，具体包括：
92.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；
93.更具体的，例如某些透镜的曲率半径、中心及边缘厚度、玻璃材料对像差影响较大，则将这些参数当作变量进行优化，其余固定不变，如透镜的理论焦距、近远场放大倍率以及剩余透镜参数。
94.完成1)的优化后，2)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。即通过对像差影响较大的结构参数及玻璃材料，利用zemax软件中的目标评价函数(spot radius)进行优化得到第二光学结构。
95.3)对第二光学结构中的第一透镜单元和第二透镜单元进行进一步优化优化，包括步骤：
96.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(如曲率半径、厚度等)，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。
97.本实施例中，公开的是采用zemax软件中的目标评价函数(wavefront)将两透镜单元分别优化至波像差容限
±
0.1λ处(第三容限值)。此时，合并后的第三光学结构所对应的光学探测系统接近波像差成像容限0.25λ。
98.4)对第三光学结构进行整体优化，包括步骤：
99.将第三光学结构中对像差有影响的透镜参数(透镜厚度、玻璃材料、曲率半径、半直径)进行光学设计四步优化法，得到更加接近第二容限值的第四光学结构；
100.以此时第二透镜单元的参数(d2，d3与d1)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；
101.对近场位置参数进行离焦处理，再根据式(1)中的等长条件对d1，f2进行离焦处理，代入光学结构3的近场结构中，最终近远场光学探测系统均满足成像容限(≤0.25λ)、分辨率要求(mtf≥0.2)及系统成像要求，则使得优化后的实际m1，m2值和理论值(目标值)相近。
102.d1 f2＝d2 d3
ꢀꢀ
(1)
103.即所述第二透镜单元在近场位置或在远场位置，所述近远场共光路光学结构的总光路长度均不变。
104.根据上述优化方法产生的光学探测系统无需通过算法补偿光线通过单组元式结构时产生的像差。
105.本近远场共光路光学探测系统在可见光波段下对近远场光学结构进行更新设计，得到基于多组元式结构的中等数值孔径na＝0.24的近远场共光路光学系统，通过结构设计优化弥补了因光线通过结构时产生的像差导致的成像质量下降。
106.下面提供一种具体实验参数说明本方案达到的效果优势：
107.以物方na＝0.24，物方视场为1x1mm，单个cmos像素尺寸大小3.75微米，cmos感光芯片尺寸4.8x3.6mm，近场放大倍率m1＝4，远场放大倍率m2＝0.25，在可见光587.6nm
±
10nm区间为初始条件对本方案公开的近远场光学探测系统进行验证。
108.经仿真软件所得近场放大4.07倍，远场放大0.25倍，满足近远场共光路光学探测系统放大倍率要求，成像充分覆盖cmos感光尺寸。当物方na＝0.24，物方视场为1x1mm时，最大视场下的近场与远场波像差分别为0.24λ，0.2λ，此时近远场的斯特列尔比均大于0.8，即实际近远场像点中心强度占高斯理想像点中心强度的80％以上，满足光学设计最大视场下波像差成像容限0.25λ以内的要求。最后，近远场光学系统的调制传递函数(mtf)值均大于0.2，即光学系统的截止频率要大于探测器的奈奎斯特频率，在探测器的奈奎斯特频率下仍有能够分辨图案的最小光强，从而满足探测器的分辨率要求。
109.此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。