一种调节光学成像系统相干性的方法

1.本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种调节光学成像系统相干性的方法。


背景技术：

2.光学成像系统是一种利用光学元件对物体进行非接触、非破坏性成像的技术，广泛应用于科学、工业和医疗等领域。然而，由于光的波动性质和成像系统的设计，图像的分辨率和质量往往受到光场相干性的限制。调节光学成像系统相干性是提高成像质量的重要一步。
3.一种常用的方法是使用干涉仪。干涉仪是一种能够检测两个光波之间相对相位差异的仪器。通过调整干涉仪中的元件，可以改变光的相对相位，从而调节成像系统的相干性。另外，还可以使用调制器来调节光学成像系统的相干性。调制器可以改变光波的振幅、相位或偏振状态，从而影响成像系统的相干性。例如，使用调制器可以产生空间光调制，从而减少系统的相干性，提高分辨率和清晰度。但这两种仪器用来调节系统相关性时精度要求非常高，操作复杂、不便于实施。专利申请号为201710426728.4，名称为“相干度随时间可控变化的部分相干光束的产生装置及方法”的文件中，提出在反射式位相空间光调制器上加载随机度随时间变化的动态随机相位来获取相干度随时间可控变化的部分相干度光束，该方法可实时调控光场相干度的变化，但其光路复杂，相干度调节受到空间光调制器性能限制，对仪器设备要求高，使用环境要求高。还有一种产生部分相干光的装置，如专利申请号为201320027095.7，名称为“一种部分相干艾里光束的产生装置”的文件中，通过旋转毛玻璃将激光强相干性减弱，获得部分相干高斯光束，最后又利用空间光调制器进行位相调节获得部分相干艾里光束。该方法结构简单，易于实现，但利用旋转毛玻璃的随机性过大，难以控制光场的相干性，需要不断调试，系统才能达到所需的相干条件，使用环境要求高，难以在水下等一些恶劣环境实施。
4.综上所述，为满足市场需求，不断优化调节光学成像系统相干性的方法，成为本领域科研人员的重点研究方向。


技术实现要素：

5.本发明提供一种调节光学成像系统相干性的方法，以解决现有技术中存在的操作复杂、实施难度较大的问题。
6.为了达到本发明的目的，本发明采用的技术方案是：一种调节光学成像系统相干性的方法，所采用系统包括非相干扩展光源路上设置的会聚透镜、物体、成像透镜和cmos相机，其中非相干扩展光源、会聚透镜和物体属于照明光学系统，可计算出照明光学系统中会聚透镜的数值孔径大小；成像透镜以及cmos相机属于成像系统，可得到成像系统中成像透镜的数值孔径大小；通过改变照明光学系统数值孔径和成像系统数值孔径的比值调控系统相干性的大小。
7.进一步的，上述方法，包括以下步骤：
8.步骤一：根据所需光学成像系统的相干性要求获取从物方观察的照明光学系统数值孔径和成像系统数值孔径的比值大小，表示为：
[0009][0010]
其中nao为照明光学系统数值孔径，nai为成像系统数值孔径；
[0011]
步骤二：根据比值大小，得到所需照明光学系统数值孔径大小和成像系统数值孔径大小，数值孔径的计算为：
[0012]
na＝n sinθ
[0013]
其中n为折射率，θ为孔径角；
[0014]
步骤三：计算照明光学系统的会聚透镜的半径以及物体和会聚透镜距离为：
[0015][0016]
β是会聚透镜的半径，zo是像与成像透镜距离；
[0017]
计算成像系统的成像透镜的半径以及像和成像透镜距离为：
[0018][0019]
α是成像透镜的半径，zi是像与成像透镜距离；
[0020]
步骤四：按照计算得出的参数搭建光学成像系统，所述参数为会聚透镜的半径、物体和会聚透镜距离、成像透镜的半径以及像和成像透镜距离。
[0021]
与现有技术相比，本发明的优点是：
[0022]
1、调控方法简单易操作，通过控制照明光学系统数值孔径和成像系统数值孔径的比值来调控系统相干性的大小，解决了成像系统相干性难以调控的问题。
[0023]
2、本发明可以实现光学成像系统相干性的灵活调节，从完全相干到完全非相干，或者介于两者之间的任意相干状态，以适应不同的成像需求和条件。
[0024]
3、本发明调节光学成像系统结构简单，易操作，对部件精度要求不高，且系统确定后，相干性不易发生变化，对使用环境要求也不高。可以在水下等一些恶劣环境实施。
[0025]
4、扩展光源实现部分相干光照明比降低激光相干性获取部分相干光照明的原理更复杂，扩展光源实现部分相干光照明是基于范西特泽尼克定理求得光场的互强度分布，最终得到可由系统中会聚透镜的数值孔径大小与成像透镜的数值孔径大小比值来确定系统的相干性，但扩展光源实现部分相干光照明的光学成像系统比降低激光相干性获取部分相干光照明的光学成像系统结构简单，适用于更多应用领域及复杂环境，且调控精度高。
附图说明
[0026]
图1是调节光学成像系统相干性的系统结构示意图；
[0027]
图2是具体实施例中参数σ＝1的部分相干照明光栅系统结果图；
[0028]
图3是具体实施例中参数σ＝3的部分相干照明光栅系统结果图；
[0029]
图中1—非相干光源；2—会聚透镜；3—物体；4—成像透镜；5—cmos相机。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细介绍。
[0031]
参见图1，本发明提供的一种调节光学成像系统相干性的系统，包括非相干扩展光源1、会聚透镜2、物体3、成像透镜4以及cmos相机5。非相干扩展光源1发出的非相干光经过会聚透镜2照射在物体3上，可将透镜孔径本身当作非相干照明光源，由范西特泽尼克定理可求得照射在物体表面上的光场互强度；照明物体的光场互强度经过成像透镜4由cmos相机5接收最终获得像面光场的互强度。
[0032]
本发明提出的方法基于上述的系统，其中非相干扩展光源1、会聚透镜2和物体3属于照明光学系统，可计算出照明光学系统中会聚透镜的数值孔径大小；成像透镜4以及cmos相机5属于成像系统，可计算得到成像系统中成像透镜的数值孔径大小。当照明光学系统数值孔径和成像系统数值孔径的比值为0时，此时系统中有效光源尺寸已经减小到0，为完全相干光学成像系统；当照明光学系统数值孔径和成像系统数值孔径的比值远大于1时，此时为完全非相干的光学成像系统，且该比值越小则系统的相干性越强，该比值越大则系统的相干性越弱。通过改变系统中照明光学系统数值孔径和成像系统数值孔径的比值就可以调控系统相干性的大小。
[0033]
一种调节光学成像系统相干性的方法，包括以下具体步骤：
[0034]
步骤一：根据所需光学成像系统的相干性要求获取从物方观察的照明光学系统数值孔径和成像系统数值孔径的比值大小，可表示为：
[0035][0036]
其中nao为照明光学系统数值孔径，nai为成像系统数值孔径；
[0037]
步骤二：由步骤一所确定的比值大小，得到所需照明光学系统数值孔径大小和成像系统数值孔径大小，数值孔径的计算为：
[0038]
na＝n sinθ
[0039]
其中n为折射率，θ为孔径角；
[0040]
步骤三：计算照明光学系统的会聚透镜的半径以及物体和会聚透镜距离为：
[0041][0042]
β是会聚透镜的半径，zo是像与成像透镜距离；
[0043]
计算成像系统的成像透镜的半径以及像和成像透镜距离为：
[0044][0045]
α是成像透镜的半径，zi是像与成像透镜距离；
[0046]
步骤四：按照计算得出的相关参数搭建光学成像系统，所述参数为会聚透镜的半径、物体和会聚透镜距离、成像透镜的半径以及像和成像透镜距离。
[0047]
每次更改系统相干性的要求后需从步骤一开始重新搭建。
[0048]
上述实施例中：非相干光源1选用thorlabs的光纤耦合光源，仪器采用150w功率，色温为3200k的卤素灯泡，所产生的波长范围是400nm-1600nm；会聚透镜2选用直径大小为
25.4mm，焦距为50mm的正透镜，物体3选用线密度为10l/mm的振幅光栅，成像透镜选用直径大小为25.4mm，焦距为50mm的正透镜，cmos相机选用flir公司型号为gs3-u3-23s6m-c的黑白相机。实施例中分别获取参数σ＝1和σ＝3两种部分相干照明光栅系统结果图，如图2和图3所示。
[0049]
参数σ＝1时，非相干光源1和会聚透镜2间距为100mm，会聚透镜2和光栅物体3间距为125mm，成像透镜4位于光栅物体后一倍焦距处，cmos相机与成像透镜间距为125mm。此时获取光栅物体像的结果如图2所示。
[0050]
参数σ＝3时，非相干光源1和会聚透镜2间距为100mm，会聚透镜2和光栅物体3间距为50mm，成像透镜4位于光栅物体后一倍焦距处，cmos相机与成像透镜间距为150mm。此时获取光栅物体像的结果如图3所示。
[0051]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属本发明技术方案的保护范围。

技术特征：
1.一种调节光学成像系统相干性的方法，其特征在于：所述系统包括非相干扩展光源(1)光路上设置的会聚透镜(2)、物体(3)、成像透镜(4)和cmos相机(5)，其中非相干扩展光源(1)、会聚透镜(2)和物体(3)属于照明光学系统，可计算出照明光学系统中会聚透镜的数值孔径大小；成像透镜(4)以及cmos相机(5)属于成像系统，可得到成像系统中成像透镜的数值孔径大小；通过改变照明光学系统数值孔径和成像系统数值孔径的比值调控系统相干性的大小。2.如权利要求1所述的一种调节光学成像系统相干性的方法，其特征在于：包括以下步骤步骤一：根据所需光学成像系统的相干性要求获取从物方观察的照明光学系统数值孔径和成像系统数值孔径的比值大小，表示为：其中na
o
为照明光学系统数值孔径，na
i
为成像系统数值孔径；步骤二：根据比值大小，得到所需照明光学系统数值孔径大小和成像系统数值孔径大小，数值孔径的计算为：na＝nsinθ其中n为折射率，θ为孔径角；步骤三：计算照明光学系统的会聚透镜的半径以及物体和会聚透镜距离为：β是会聚透镜的半径，z
o
是像与成像透镜距离；计算成像系统的成像透镜的半径以及像和成像透镜距离为：α是成像透镜的半径，z
i
是像与成像透镜距离；步骤四：按照计算得出的参数搭建光学成像系统，所述参数为会聚透镜的半径、物体和会聚透镜距离、成像透镜的半径以及像和成像透镜距离。

技术总结
本发明涉及一种调节光学成像系统相干性的方法，所用装置具体分为照明光学系统和成像系统两部分，照明光学系统包括非相干扩展光源、会聚透镜和物体；成像系统包括成像透镜以及CMOS相机。本发明提供的方法中，照明光学系统数值孔径和成像系统数值孔径的比值决定系统相干性的大小，可通过改变从物方观察的照明光学系统数值孔径和成像系统数值孔径的比值调控系统相干性的大小。本发明调节光学成像系统相干性的方法简单、易操作，且系统确定后，相干性不易发生变化。干性不易发生变化。干性不易发生变化。


技术研发人员：胡小英 李昊 刘爽 景心怡 孙雪平 刘卫国 王炜
受保护的技术使用者：西安工业大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/23