專利名稱：傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)及體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及一種物光與參考光同光軸的傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，二維存儲(chǔ)技術(shù)如磁存儲(chǔ)、傳統(tǒng)光盤存儲(chǔ)和半導(dǎo)體存儲(chǔ)等仍在不斷地改進(jìn)以滿足對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)更大存儲(chǔ)容量和更快存取速度等要求，然而這些存儲(chǔ)手段正逐步接近其物理極限。目前，一種有別于傳統(tǒng)存儲(chǔ)方法的存儲(chǔ)技術(shù)——三維存儲(chǔ)技術(shù)，成為存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展新的研究方向。作為三維存儲(chǔ)技術(shù)的體全息存儲(chǔ)，由于具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度大、傳輸速率高和讀出時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，已成為存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。在體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)中，一般采用傅里葉變換(Fourier Transform，F(xiàn)T)光學(xué)系統(tǒng)存取數(shù)據(jù)。
典型的體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)包括一前組傅里葉變換鏡頭及一后組傅里葉變換鏡頭兩個(gè)鏡頭系統(tǒng)。輸入面，一般為空間光調(diào)制器(SpatialLight Modulator，SLM)，其置于前組傅里葉變換鏡頭的前焦面上，平行光入射到輸入面，衍射光經(jīng)前組傅里葉變換鏡頭成像在其后焦面上，后焦面也稱為頻譜面，為記錄介質(zhì)；頻譜面置于后組逆傅里葉變換鏡頭的前焦面上，頻譜面的頻譜像經(jīng)后組逆傅里葉變換鏡頭成像在其后焦面上，后焦面也稱為輸入面，輸入面為一探測(cè)器陣列，一般為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，CMOS)圖像傳感器或電荷耦合器件(ChargeCoupled Device，CCD)圖像傳感器。
在體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)中，前組傅里葉變換鏡頭與后組傅里葉變換鏡頭可采用不同的兩個(gè)鏡頭系統(tǒng)，也可采用同一個(gè)鏡頭系統(tǒng)。采用同一個(gè)鏡頭系統(tǒng)時(shí)，該鏡頭系統(tǒng)的正向光路結(jié)構(gòu)作為前組傅里葉變換鏡頭，逆向光路則作為后組傅里葉變換鏡頭，該逆向光路為其正向光路結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)。
傅里葉變換鏡頭對(duì)衍射光成像的特點(diǎn)，決定了鏡頭需滿足以下設(shè)計(jì)要求(1)對(duì)二對(duì)物像共軛位置控制像差第一對(duì)物像共軛位置滿足物在無(wú)窮遠(yuǎn)，光闌在前焦面，像在后焦面；第二對(duì)物像共軛位置滿足物在前焦面，光闌在后焦面，像在無(wú)窮遠(yuǎn)；(2)平行于光軸出射的主光線滿足正弦條件；(3)消除各種單色像差，達(dá)到衍射受限。
為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊及高密度信息存儲(chǔ)，要求傅里葉變換鏡頭具有較短焦距；為提高存儲(chǔ)密度，要求增大輸入面并減小衍射光成像面大小，即要求傅里葉變換鏡頭的逆向光路具有較大視場(chǎng)角。
然而，為滿足較短焦距和較大視場(chǎng)角的要求，目前的傅里葉變換鏡頭一般采用非對(duì)稱的5片以上球面透鏡結(jié)構(gòu)形式。為簡(jiǎn)化體全息存儲(chǔ)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使物光與參考光同光軸，現(xiàn)有的傅里葉變換鏡頭在應(yīng)用時(shí)進(jìn)一步將二塊散射板分別設(shè)置于輸入面的二側(cè)。這種參考光與物光同光軸的全息存儲(chǔ)光學(xué)系統(tǒng)較參考光與物光不同光軸的常規(guī)全息存儲(chǔ)光學(xué)系統(tǒng)，鏡頭的通光孔徑增大了近一倍。雖然不用校正參考光的像差，但鏡頭通光孔徑的增加，使得傅里葉變換鏡頭表面彎曲受到了限制，因而設(shè)計(jì)難度增大。
因此，有必要提供一種傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)較緊湊，且在物光與參考光同光軸時(shí)具有像質(zhì)較佳等優(yōu)點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容以下，將以若干實(shí)施例說(shuō)明一種傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)較緊湊，且在物光與參考光同光軸時(shí)具有像質(zhì)較佳等優(yōu)點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述內(nèi)容，提供一種傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，其從輸入面到頻譜面，依次包括一具有正光焦度的第一透鏡組，一具有正光焦度的第二透鏡組和一具有負(fù)光焦度的第三透鏡組，其中，該第一透鏡組包括凹面相對(duì)的一第一彎月型正透鏡和一第一彎月型負(fù)透鏡，該第一彎月型正透鏡的凸面朝向輸入面，該第一彎月型負(fù)透鏡的凸面朝向頻譜面；該第二透鏡組包括至少一雙凸透鏡；該第三透鏡組包括一第二彎月型正透鏡和一雙凹負(fù)透鏡，該第二彎月型正透鏡的凸面朝向輸入面。
為確保系統(tǒng)合理的光焦度分配，同時(shí)有利于球差、正弦差及軸外像差的校正，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)滿足約束條件(1)～(4)0.8＜f2/f＜1.4......(1)-1.3＜R12F/f＜-0.7......(2)0.35＜R31F/f＜0.75......(3)0.3＜R32R/f＜0.7......(4)
式中，f傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的焦距；f2第二透鏡組的焦距；R12F第一透鏡組中的第一彎月型負(fù)透鏡的凹面曲率半徑；R31F第三透鏡組中的第二彎月型正透鏡的凸面曲率半徑；R32R第三透鏡組中的雙凹負(fù)透鏡的朝向頻譜面的凹面曲率半徑。
其中，第二透鏡組的焦距f2大于條件(1)的上限，第二透鏡組分擔(dān)的正光焦度過(guò)小，逆向光路的軸外像差難以校正；當(dāng)?shù)诙哥R組的焦距f2小于條件(1)的下限，第二透鏡組分擔(dān)的正光焦度過(guò)大，透鏡表面彎曲過(guò)大，球差和正弦差難以校正。
當(dāng)R12F大于條件(2)的上限時(shí)，正向光路的球差、正弦差朝正方向過(guò)分增大，逆向光路的場(chǎng)曲朝負(fù)方向過(guò)分增大。當(dāng)R12F小于條件(2)的下限時(shí)，正向光路的球差、正弦差朝負(fù)方向過(guò)分增大，逆向光路的場(chǎng)曲朝正方向過(guò)分增大。
當(dāng)R31F滿足條件(3)時(shí)，第三透鏡組中凸面朝向輸入面的彎月型正透鏡的凸面在正向光路和逆向光路對(duì)球差和正弦差的貢獻(xiàn)都較小。當(dāng)R31F大于條件(3)的上限時(shí)，正向光路的球差和正弦差朝正方向過(guò)分增大，逆向光路的球差和正弦差朝負(fù)方向過(guò)分增大，而正向光路和逆向光路的場(chǎng)曲朝正方向過(guò)分增大。當(dāng)R31F小于條件(3)的下限時(shí)，正向光路的球差和正弦差朝負(fù)方向過(guò)分增大，逆向光路的球差和正弦差朝正方向過(guò)分增大，而正向光路和逆向光路的場(chǎng)曲朝負(fù)方向過(guò)分增大。
當(dāng)R32R滿足條件(4)時(shí)，第三透鏡組中雙凹負(fù)透鏡朝向頻譜面的凹面在正向光路和逆向光路對(duì)球差和正弦差的貢獻(xiàn)都較小；當(dāng)R32R大于條件(4)的上限時(shí)，正向光路的球差和正弦差朝正方向過(guò)分增大；逆向光路的球差朝正方向過(guò)分增大，正弦差朝負(fù)方向過(guò)分增大；而正向光路和逆向光路的場(chǎng)曲均朝正方向過(guò)分增大。當(dāng)R32R小于條件(4)的下限時(shí)，正向光路的球差和正弦差朝負(fù)方向過(guò)分增大；逆向光路的球差朝負(fù)方向過(guò)分增大，正弦差朝正方向過(guò)分增大；而正向光路和逆向光路的場(chǎng)曲均朝負(fù)方向過(guò)分增大。
因此，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)滿足約束條件(1)～(4)時(shí)，其正向光路具有較大數(shù)值孔經(jīng)及較小視場(chǎng)角，其逆向光路具有較小數(shù)值孔徑及較大視場(chǎng)角。
優(yōu)選的，為更好地校正場(chǎng)曲，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)還應(yīng)滿足以下約束條件n2＞1.7......(5)n2-n12＞0.13......(6)式中，n2為第二透鏡組材料的折射率；n12為第一透鏡組中的彎月型負(fù)透鏡材料的折射率。
其中，當(dāng)?shù)诙哥R組材料折射率n2小于條件(5)的下限，并且與第一透鏡組中凸面朝向頻譜面的彎月型負(fù)透鏡材料折射率n12之差小于條件(6)的下限時(shí)，逆向光路的場(chǎng)曲難以校正。當(dāng)?shù)诙哥R組材料折射率n2大于條件(5)的下限，并且與第一透鏡組中凸面朝向頻譜面的彎月型負(fù)透鏡材料折射率n12之差大于條件(6)的下限時(shí)，也有利于各種像差的校正。
以及提供一種體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，包括一前組傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)和一后組逆傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，該前組傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)從輸入面到頻譜面依次包括一具有正光焦度的第一透鏡組，一具有正光焦度的第二透鏡組和一具有負(fù)光焦度的第三透鏡組，其中，該第一透鏡組包括凹面相對(duì)的一第一彎月型正透鏡和一第一彎月型負(fù)透鏡，該第一彎月型正透鏡的凸面朝向輸入面，該第一彎月型負(fù)透鏡的凸面朝向頻譜面；該第二透鏡組包括至少一雙凸透鏡；該第三透鏡組包括一第二彎月型正透鏡和一雙凹負(fù)透鏡，該第二彎月型正透鏡的凸面朝向輸入面；該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)滿足約束條件(1)～(4)0.8＜f2/f＜1.4......(1)-1.3＜R12F/f＜-0.7......(2)0.35＜R31F/f＜0.75......(3)0.3＜R32R/f＜0.7......(4)式中，f前組傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的焦距；f2第二透鏡組的焦距；R12F第一透鏡組中的第一彎月型負(fù)透鏡的凹面曲率半徑；R31F第三透鏡組中的第二彎月型正透鏡的凸面曲率半徑；R32R第三透鏡組中的雙凹負(fù)透鏡的朝向頻譜面的凹面曲率半徑。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本技術(shù)方案所提供的傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)其一，結(jié)構(gòu)緊湊，且該光學(xué)系統(tǒng)的正向光路具有較大數(shù)值孔徑及較小視場(chǎng)角，其逆向光路具有較小數(shù)值孔徑及較大視場(chǎng)角；其二，正向光路及逆向光路的球差、軸外像差及場(chǎng)曲等各種單色像差均能被較好的校正；其三，當(dāng)物光與參考光同光軸時(shí)，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)成像較好。因此，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的正向光路可用作傅里葉變換，逆向光路可用作逆傅里葉變換；其可滿足物光與參考光同光軸的體全息存儲(chǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊像質(zhì)較佳的傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的需求。
圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的正向光路正弦差示意圖。
圖3是本發(fā)明第一實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的正向光路光程差示意圖。
圖4是本發(fā)明第一實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的逆向光路正弦差示意圖。
圖5是本發(fā)明第一實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的逆向光路光程差示意圖。
圖6是本發(fā)明第二實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本發(fā)明第二實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的正向光路正弦差示意圖。
圖8是本發(fā)明第二實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的正向光路光程差示意圖。
圖9是本發(fā)明第二實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的逆向光路正弦差示意圖。
圖10是本發(fā)明第二實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的逆向光路光程差示意圖。
圖11是本發(fā)明第三實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12是本發(fā)明第三實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的正向光路正弦差示意圖。
圖13是本發(fā)明第三實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的正向光路光程差示意圖。
圖14是本發(fā)明第三實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的逆向光路正弦差示意圖。
圖15是本發(fā)明第三實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的逆向光路光程差示意圖。
圖16是本發(fā)明第四實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖17是本發(fā)明第四實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的正向光路正弦差示意圖。
圖18是本發(fā)明第四實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的正向光路光程差示意圖。
圖19是本發(fā)明第四實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的逆向光路正弦差示意圖。
圖20是本發(fā)明第四實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的逆向光路光程差示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
第一實(shí)施例請(qǐng)參閱圖1，一傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)10，用作體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的前組傅里葉變換鏡頭，其從輸入面11到頻譜面15依次包括一具有正光焦度的第一透鏡組12，一具有正光焦度的第二透鏡組13和一具有負(fù)光焦度的第三透鏡組14，其中，該第一透鏡組12包括凹面相對(duì)的一彎月型正透鏡121和一彎月型負(fù)透鏡122，該彎月型正透鏡121的凸面朝向輸入面，該彎月型負(fù)透鏡122的凸面朝向頻譜面；該第二透鏡組13包括兩個(gè)雙凸透鏡131和132；該第三透鏡組14包括一彎月型正透鏡141和一雙凹負(fù)透鏡142，該彎月型正透鏡141的凸面朝向輸入面。本實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)10用作體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的前組傅里葉變換鏡頭時(shí)進(jìn)一步在該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)10的輸入面11和第一透鏡組12中間設(shè)置一分束器16。
本實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)10的焦距f＝33mm。物光正向光路的F數(shù)F/#＝1.7，視場(chǎng)角2ω＝5.2°，逆向光路的F數(shù)F/#＝11，視場(chǎng)角2ω＝33.8°，波長(zhǎng)λ＝0.532μm。參考光光路物空間數(shù)值孔徑為0.0875，物高為17.5mm。
該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)10的結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見(jiàn)表1。其中R為從輸入面數(shù)起各透鏡表面的曲率半徑，d為從輸入面數(shù)起各透鏡表面的光軸上間距，D為從輸入面數(shù)起各透鏡表面的孔徑，n為從輸入面數(shù)起各透鏡材料對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λ＝0.532μm的折射率。
為確保系統(tǒng)合理的光焦度分配，同時(shí)有利于球差、正弦差及軸外像差的校正，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)10應(yīng)滿足以下約束條件0.8＜f2/f＜1.4......(1)-1.3＜R12F/f＜-0.7......(2)0.35＜R31F/f＜0.75......(3)0.3＜R32R/f＜0.7......(4)式中，f為傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的焦距；f2為第二透鏡組的焦距；R12F為第一透鏡組中的彎月型負(fù)透鏡的凹面曲率半徑；R31F為第三透鏡組中的彎月型正透鏡的凸面曲率半徑；R32R為第三透鏡組中的雙凹負(fù)透鏡的朝向頻譜面的凹面曲率半徑。
本實(shí)施例中，f＝33mm；f2/f＝1.24；R12F/f＝-1.19；R31F/f＝0.59；R32R/f＝0.50，其滿足條件(1)～(4)。
優(yōu)選的，為更好地校正場(chǎng)曲，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)10還應(yīng)滿足以下約束條件n2＞1.7......(5)n2-n12＞0.13......(6)式中，n2為第二透鏡組材料的折射率；n12為第一透鏡組中的彎月型負(fù)透鏡材料的折射率。
本實(shí)施例中，n2＝1.76430945；n2-n12＝0.14786654，其滿足條件(5)～(6)。
圖2、圖3分別為正向光路正弦差和光程差；圖4、圖5分別為逆向光路正弦差和光程差。從圖2和圖4可以看到無(wú)論是正向光路還是逆向光路正弦差都很小，滿足正弦條件。從圖3和圖5可以看到無(wú)論是正向光路還是逆向光路光程差都很小，達(dá)到衍射受限要求。
表1
由上可知，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)10的正向光路和逆向光路同時(shí)滿足正弦條件，且達(dá)到衍射受限要求。因此，其正向光路可作傅里葉變換，其逆向光路可作逆傅里葉變換；且該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)10的正向光路結(jié)構(gòu)及逆向光路結(jié)構(gòu)可分別用作體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的前組傅里葉變換鏡頭及后組逆傅里葉變換鏡頭。
第二實(shí)施例請(qǐng)參閱圖6，一傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)20，用作體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的后組傅里葉變換鏡頭，其從輸出面21到頻譜面25依次包括一具有正光焦度的第一透鏡組22，一具有正光焦度的第二透鏡組23和一具有負(fù)光焦度的第三透鏡組24，其中，該第一透鏡組22包括凹面相對(duì)的一彎月型正透鏡221和一彎月型負(fù)透鏡222，該彎月型正透鏡221的凸面朝向輸入面，該彎月型負(fù)透鏡222的凸面朝向頻譜面；該第二透鏡組23包括兩個(gè)雙凸透鏡231和232；該第三透鏡組24包括一彎月型正透鏡241和一雙凹負(fù)透鏡242，該彎月型正透鏡241的凸面朝向輸入面。該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)20的焦距f＝30mm。物光正向光路的F數(shù)F/#＝1.67，視場(chǎng)角2ω＝5.72°，逆向光路的F數(shù)F/#＝10，視場(chǎng)角2ω＝34°，波長(zhǎng)λ＝0.532μm。參考光光路物空間數(shù)值孔徑為0.0875，物高為17.5mm。該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)20的結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見(jiàn)表2。其中R為從輸入面數(shù)起各透鏡表面的曲率半徑，d為從輸入面數(shù)起各透鏡表面的光軸上間距，D為從輸入面數(shù)起各透鏡表面的孔徑，n為從輸入面數(shù)起各透鏡材料對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λ＝0.532μm的折射率。
為確保系統(tǒng)合理的光焦度分配，同時(shí)有利于球差、正弦差及軸外像差的校正，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)20應(yīng)滿足以下約束條件0.8＜f2/f＜1.4......(1)-1.3＜R12F/f＜-0.7......(2)0.35＜R31F/f＜0.75......(3)0.3＜R32R/f＜0.7......(4)式中，f為傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的焦距；f2為第二透鏡組的焦距；R12F為第一透鏡組中的彎月型負(fù)透鏡的凹面曲率半徑；R31F為第三透鏡組中的彎月型正透鏡的凸面曲率半徑；R32R為第三透鏡組中的雙凹負(fù)透鏡的朝向頻譜面的凹面曲率半徑。
本實(shí)施例中，f＝30mm；f2/f＝1.14；R12F/f＝-1.09；R31F/f＝0.65；R32R/f＝0.50，其滿足條件(1)～(4)。
優(yōu)選的，為更好地校正場(chǎng)曲，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)20還應(yīng)滿足以下約束條件n2＞1.7......(5)n2-n12＞0.13......(6)式中，n2為第二透鏡組材料的折射率；n12為第一透鏡組中的彎月型負(fù)透鏡材料的折射率。
本實(shí)施例中，n2＝1.76430945；n2-n12＝0.14786654，其滿足條件(5)～(6)。
圖7、圖8分別為正向光路正弦差和光程差；圖9、圖10分別為逆向光路正弦差和光程差。從圖7和圖9可以看到無(wú)論是正向光路還是逆向光路正弦差都很小，滿足正弦條件。從圖8和圖10可以看到無(wú)論是正向光路還是逆向光路光程差都很小，達(dá)到衍射受限要求。
表2
由上可知，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)20的正向光路和逆向光路同時(shí)滿足正弦條件，且達(dá)到衍射受限要求。因此，其正向光路可作傅里葉變換，其逆向光路可作逆傅里葉變換；且該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)20的正向光路結(jié)構(gòu)及逆向光路結(jié)構(gòu)可分別用作體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的前組傅里葉變換鏡頭及后組逆傅里葉變換鏡頭。
第三實(shí)施例請(qǐng)參閱圖11，一傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)30，用作體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的前組傅里葉變換鏡頭，其從輸入面31到頻譜面35依次包括一具有正光焦度的第一透鏡組32，一具有正光焦度的第二透鏡組33和一具有負(fù)光焦度的第三透鏡組34，其中，該第一透鏡組32包括凹面相對(duì)的一彎月型正透鏡321和一彎月型負(fù)透鏡322，該彎月型正透鏡321的凸面朝向輸入面，該彎月型負(fù)透鏡322的凸面朝向頻譜面；該第二透鏡組33包括一雙凸透鏡331；該第三透鏡組34包括一彎月型正透鏡341和一雙凹負(fù)透鏡342，該彎月型正透鏡341的凸面朝向輸入面。本實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)30用作體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的前組傅里葉變換鏡頭時(shí)進(jìn)一步在該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)30的輸入面31和第一透鏡組32中間設(shè)置一分束器36。
本實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)30的焦距f＝44mm。物光正向光路的F數(shù)F/#＝2.2，視場(chǎng)角2ω＝5.2°，逆向光路的F數(shù)F/#＝11，視場(chǎng)角2ω＝25.6°，波長(zhǎng)λ＝0.532μm。參考光光路物空間數(shù)值孔徑為0.0875，物高為17.5mm。該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)30的結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見(jiàn)表3。其中R為從輸入面數(shù)起各透鏡表面的曲率半徑，d為從輸入面數(shù)起各透鏡表面的光軸上間距，D為從輸入面數(shù)起各透鏡表面的孔徑，n為從輸入面數(shù)起各透鏡材料對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λ＝0.532μm的折射率。
為確保系統(tǒng)合理的光焦度分配，同時(shí)有利于球差、正弦差及軸外像差的校正，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)30應(yīng)滿足以下約束條件0.8＜f2/f＜1.4......(1)-1.3＜R12F/f＜-0.7......(2)0.35＜R31F/f＜0.75......(3)0.3＜R32R/f＜0.7......(4)式中，f為傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的焦距；f2為第二透鏡組的焦距；R12F為第一透鏡組中的彎月型負(fù)透鏡的凹面曲率半徑；R31F為第三透鏡組中的彎月型正透鏡的凸面曲率半徑；R32R為第三透鏡組中的雙凹負(fù)透鏡的朝向頻譜面的凹面曲率半徑。
本實(shí)施例中，f＝44mm；f2/f＝1.11；R12F/f＝-0.90；R31F/f＝0.64；R32R/f＝0.52，其滿足條件(1)～(4)。
優(yōu)選的，為更好地校正場(chǎng)曲，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)30還應(yīng)滿足以下約束條件n2＞1.7......(5)n2-n12＞0.13......(6)式中，n2為第二透鏡組材料的折射率；n12為第一透鏡組中的彎月型負(fù)透鏡材料的折射率。
本實(shí)施例中，n2＝1.76430945；n2-n12＝0.24483687，其滿足條件(5)～(6)。
圖12、圖13分別為正向光路正弦差和光程差；圖14、圖15分別為逆向光路正弦差和光程差。從圖12和圖14可以看到無(wú)論是正向光路還是逆向光路正弦差都很小，滿足正弦條件。從圖13和圖15可以看到無(wú)論是正向光路還是逆向光路光程差都很小，達(dá)到衍射受限要求。
表3
由上可知，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)30的正向光路和逆向光路同時(shí)滿足正弦條件，且達(dá)到衍射受限要求。因此，其正向光路可作傅里葉變換，其逆向光路可作逆傅里葉變換；且該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)30的正向光路結(jié)構(gòu)及逆向光路結(jié)構(gòu)可分別用作體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的前組傅里葉變換鏡頭及后組逆傅里葉變換鏡頭。
第四實(shí)施例請(qǐng)參閱圖16，一傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)40，用作體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的后組傅里葉變換鏡頭，其從輸出面41到頻譜面45依次包括一具有正光焦度的第一透鏡組42，一具有正光焦度的第二透鏡組43和一具有負(fù)光焦度的第三透鏡組44，其中，該第一透鏡組42包括凹面相對(duì)的一彎月型正透鏡421和一彎月型負(fù)透鏡422，該彎月型正透鏡421的凸面朝向輸入面，該彎月型負(fù)透鏡422的凸面朝向頻譜面；該第二透鏡組43包括一雙凸透鏡431；該第三透鏡組44包括一彎月型正透鏡441和一雙凹負(fù)透鏡442，該彎月型正透鏡441的凸面朝向輸入面。該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)40的焦距f＝40mm。物光正向光路的F數(shù)F/#＝2.25，視場(chǎng)角2ω＝5.72°，逆向光路的F數(shù)F/#＝10，視場(chǎng)角2ω＝26°，波長(zhǎng)λ＝0.532μm。參考光光路物空間數(shù)值孔徑為0.0875，物高為17.5mm。該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)40的結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見(jiàn)表4。其中R為從輸入面數(shù)起各透鏡表面的曲率半徑，d為從輸入面數(shù)起各透鏡表面的光軸上間距，D為從輸入面數(shù)起各透鏡表面的孔徑，n為從輸入面數(shù)起各透鏡材料對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λ＝0.532μm的折射率。
為確保系統(tǒng)合理的光焦度分配，同時(shí)有利于球差、正弦差及軸外像差的校正，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)40應(yīng)滿足以下約束條件
0.8＜f2/f＜1.4......(1)-1.3＜R12F/f＜-0.7......(2)0.35＜R31F/f＜0.75......(3)0.3＜R32R/f＜0.7......(4)式中，f為傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的焦距；f2為第二透鏡組的焦距；R12F為第一透鏡組中的彎月型負(fù)透鏡的凹面曲率半徑；R31F為第三透鏡組中的彎月型正透鏡的凸面曲率半徑；R32R為第三透鏡組中的雙凹負(fù)透鏡的朝向頻譜面的凹面曲率半徑。
本實(shí)施例中，f＝40mm；f2/f＝1.04；R12F/f＝-0.94；R31F/f＝0.63；R32R/f＝0.51，其滿足條件(1)～(4)。
優(yōu)選的，為更好地校正場(chǎng)曲，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)40還應(yīng)滿足以下約束條件n2＞1.7......(5)n2-n12＞0.13......(6)式中，n2為第二透鏡組材料的折射率；n12為第一透鏡組中的彎月型負(fù)透鏡材料的折射率。
本實(shí)施例中，n2＝1.76430945；n2-n12＝0.24483687，其滿足條件(5)～(6)。
圖17、圖18分別為正向光路正弦差和光程差；圖19、圖20分別為逆向光路正弦差和光程差。從圖17和圖19可以看到無(wú)論是正向光路還是逆向光路正弦差都很小，滿足正弦條件。從圖18和圖20可以看到無(wú)論是正向光路還是逆向光路光程差都很小，達(dá)到衍射受限要求。
表4
由上可知，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)40的正向光路和逆向光路同時(shí)滿足正弦條件，且達(dá)到衍射受限要求。因此，其正向光路可作傅里葉變換，其逆向光路可作逆傅里葉變換；且該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)40的正向光路結(jié)構(gòu)及逆向光路結(jié)構(gòu)可分別用作體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的前組傅里葉變換鏡頭及后組逆傅里葉變換鏡頭。
另外，表5是以上4個(gè)實(shí)施例對(duì)應(yīng)的光學(xué)特性，包括物光孔徑(F/#)、視場(chǎng)角(2ω)；參考光光路的物空間數(shù)值孔徑(NA)、物高；系統(tǒng)焦距f；以及與前面各個(gè)條件式對(duì)應(yīng)的數(shù)值。
表5
對(duì)于第一、第二、第三和第四實(shí)施例中的各個(gè)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，可采用其正向光路結(jié)構(gòu)與逆向光路結(jié)構(gòu)的不同組合以形成一體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)如采用第一實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的正向光路結(jié)構(gòu)作為前組傅里葉變換鏡頭，且采用第二實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的逆向光路結(jié)構(gòu)作為其后組逆傅里葉變換鏡頭；或采用第三實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的正向光路結(jié)構(gòu)作為前組傅里葉變換鏡頭，且采用第四實(shí)施例傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的逆向光路結(jié)構(gòu)作為其后組逆傅里葉變換鏡頭等組合。
本技術(shù)方案傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)?shù)诙哥R組的焦距f2大于條件(1)的上限，第二透鏡組分擔(dān)的正光焦度過(guò)小，逆向光路的軸外像差難以校正；當(dāng)?shù)诙哥R組的焦距f2小于條件(1)的下限，第二透鏡組分擔(dān)的正光焦度過(guò)大，透鏡表面彎曲過(guò)大，球差和正弦差難以校正。
當(dāng)R12F大于條件(2)的上限時(shí)，正向光路的球差、正弦差朝正方向過(guò)分增大，逆向光路的場(chǎng)曲朝負(fù)方向過(guò)分增大。當(dāng)R12F小于條件(2)的下限時(shí)，正向光路的球差、正弦差朝負(fù)方向過(guò)分增大，逆向光路的場(chǎng)曲朝正方向過(guò)分增大。
當(dāng)R31F滿足條件(3)時(shí)，第三透鏡組中凸面朝向輸入面的彎月型正透鏡的凸面在正向光路和逆向光路對(duì)球差和正弦差的貢獻(xiàn)都較小。當(dāng)R31F大于條件(3)的上限時(shí)，正向光路的球差和正弦差朝正方向過(guò)分增大，逆向光路的球差和正弦差朝負(fù)方向過(guò)分增大，而正向光路和逆向光路的場(chǎng)曲朝正方向過(guò)分增大。當(dāng)R31F小于條件(3)的下限時(shí)，正向光路的球差和正弦差朝負(fù)方向過(guò)分增大，逆向光路的球差和正弦差朝正方向過(guò)分增大，而正向光路和逆向光路的場(chǎng)曲朝負(fù)方向過(guò)分增大。
當(dāng)R32R滿足條件(4)時(shí)，第三透鏡組中雙凹負(fù)透鏡朝向頻譜面的凹面在正向光路和逆向光路對(duì)球差和正弦差的貢獻(xiàn)都較??；當(dāng)R32R大于條件(4)的上限時(shí)，正向光路的球差和正弦差朝正方向過(guò)分增大；逆向光路的球差朝正方向過(guò)分增大，正弦差朝負(fù)方向過(guò)分增大；而正向光路和逆向光路的場(chǎng)曲均朝正方向過(guò)分增大。當(dāng)R32R小于條件(4)的下限時(shí)，正向光路的球差和正弦差朝負(fù)方向過(guò)分增大；逆向光路的球差朝負(fù)方向過(guò)分增大，正弦差朝正方向過(guò)分增大；而正向光路和逆向光路的場(chǎng)曲均朝負(fù)方向過(guò)分增大。
因此，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)滿足約束條件(1)～(4)時(shí)，其正向光路具有較大數(shù)值孔經(jīng)及較小視場(chǎng)角，其逆向光路具有較小數(shù)值孔徑及較大視場(chǎng)角。
優(yōu)選的，為更好地校正場(chǎng)曲，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)還應(yīng)滿足以下約束條件n2＞1.7......(5)n2-n12＞0.13......(6)式中，n2為第二透鏡組材料的折射率；n12為第一透鏡組中的彎月型負(fù)透鏡材料的折射率。
其中，當(dāng)?shù)诙哥R組材料折射率n2小于條件(5)的下限，并且與第一透鏡組中凸面朝向頻譜面的彎月型負(fù)透鏡材料折射率n12之差小于條件(6)的下限時(shí)，逆向光路的場(chǎng)曲難以校正。當(dāng)?shù)诙哥R組材料折射率n2大于條件(5)的下限，并且與第一透鏡組中凸面朝向頻譜面的彎月型負(fù)透鏡材料折射率n12之差大于條件(6)的下限時(shí)，也有利于各種像差的校正。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白，本技術(shù)方案提供的傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)及體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)除可適用于物光與參考光同光軸的體全息存儲(chǔ)光學(xué)系統(tǒng)中以外，其亦可適用于普通的物光與參考光不同光軸的體全息存儲(chǔ)光學(xué)系統(tǒng)，并可取得較佳的成像效果。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本技術(shù)方案所提供的傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)其一，結(jié)構(gòu)緊湊，且該光學(xué)系統(tǒng)的正向光路具有較大數(shù)值孔徑及較小視場(chǎng)角，其逆向光路具有較小數(shù)值孔徑及較大視場(chǎng)角；其二，正向光路及逆向光路的球差、軸外像差及場(chǎng)曲等各種單色像差均能被較好的校正；其三，當(dāng)物光與參考光同光軸時(shí)，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)成像較好。因此，該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的正向光路可用作傅里葉變換，逆向光路可用作逆傅里葉變換；其可滿足物光與參考光同光軸的體全息存儲(chǔ)對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊像質(zhì)較佳的傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的需求。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，如適當(dāng)變更傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，只要其不偏離本發(fā)明的技術(shù)效果均可。這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，其從輸入面到頻譜面，依次包括一具有正光焦度的第一透鏡組，一具有正光焦度的第二透鏡組和一具有負(fù)光焦度的第三透鏡組，其中，該第一透鏡組包括凹面相對(duì)的一第一彎月型正透鏡和一第一彎月型負(fù)透鏡，該第一彎月型正透鏡的凸面朝向輸入面，該第一彎月型負(fù)透鏡的凸面朝向頻譜面；該第二透鏡組包括至少一雙凸透鏡；該第三透鏡組包括一第二彎月型正透鏡和一雙凹負(fù)透鏡，該第二彎月型正透鏡的凸面朝向輸入面；該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)滿足約束條件(1)～(4)0.8＜f2/f＜1.4……(1)-1.3＜R12F/f＜-0.7……(2)0.35＜R31F/f＜0.75……(3)0.3＜R32R/f＜0.7……(4)式中，f傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的焦距；f2第二透鏡組的焦距；R12F第一透鏡組中的第一彎月型負(fù)透鏡的凹面曲率半徑；R31F第三透鏡組中的第二彎月型正透鏡的凸面曲率半徑；R32R第三透鏡組中的雙凹負(fù)透鏡的朝向頻譜面的凹面曲率半徑。
2.如權(quán)利要求1所述的傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)滿足約束條件(5)～(6)n2＞1.7……(5)n2-n12＞0.13……(6)式中，n2第二透鏡組材料的折射率；n12第一透鏡組中的第一彎月型負(fù)透鏡材料的折射率。
3.如權(quán)利要求1所述的傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該第二透鏡組包括一雙凸正透鏡。
4.如權(quán)利要求1所述的傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該第二透鏡組包括兩個(gè)雙凸正透鏡。
5.如權(quán)利要求1所述的傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)用于前組傅里葉變換鏡頭時(shí)可進(jìn)一步在第一透鏡組前設(shè)置一分束器。
6.一種體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，包括一前組傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)和一后組逆傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，該前組傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)從輸入面到頻譜面依次包括一具有正光焦度的第一透鏡組，一具有正光焦度的第二透鏡組和一具有負(fù)光焦度的第三透鏡組，其中，該第一透鏡組包括凹面相對(duì)的一第一彎月型正透鏡和一第一彎月型負(fù)透鏡，該第一彎月型正透鏡的凸面朝向輸入面，該第一彎月型負(fù)透鏡的凸面朝向頻譜面；該第二透鏡組包括至少一雙凸透鏡；該第三透鏡組包括一第二彎月型正透鏡和一雙凹負(fù)透鏡，該第二彎月型正透鏡的凸面朝向輸入面；該傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)滿足約束條件(1)～(4)0.8＜f2/f＜1.4……(1)-1.3＜R12F/f＜-0.7……(2)0.35＜R31F/f＜0.75……(3)0.3＜R32R/f＜0.7……(4)式中，f前組傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的焦距；f2第二透鏡組的焦距；R12F第一透鏡組中的第一彎月型負(fù)透鏡的凹面曲率半徑；R31F第三透鏡組中的第二彎月型正透鏡的凸面曲率半徑；R32R第三透鏡組中的雙凹負(fù)透鏡的朝向頻譜面的凹面曲率半徑。
7.如權(quán)利要求6所述的體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述前組傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)滿足約束條件(5)～(6)n2＞1.7……(5)n2-n12＞0.13……(6)式中，n2第二透鏡組材料的折射率；n12第一透鏡組中的第一彎月型負(fù)透鏡材料的折射率。
8.如權(quán)利要求6所述的體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該第二透鏡組包括一雙凸正透鏡。
9.如權(quán)利要求6所述的體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該第二透鏡組包括兩個(gè)雙凸正透鏡。
10.如權(quán)利要求6～9任一項(xiàng)所述的體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述后組逆傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)為該前組傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求6所述的體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該前組傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)在輸入面與第一透鏡組中間可進(jìn)一步設(shè)置一分束器。
全文摘要
一種傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，其從輸入面到頻譜面，依次包括一具有正光焦度的第一透鏡組，一具有正光焦度的第二透鏡組和一具有負(fù)光焦度的第三透鏡組，其中，該第一透鏡組包括凹面相對(duì)的一第一彎月型正透鏡和一第一彎月型負(fù)透鏡，該第一彎月型正透鏡的凸面朝向輸入面，該第一彎月型負(fù)透鏡的凸面朝向頻譜面；該第二透鏡組包括至少一雙凸透鏡；該第三透鏡組包括一第二彎月型正透鏡和一雙凹負(fù)透鏡，該第二彎月型正透鏡的凸面朝向輸入面。本發(fā)明還提供采用上述傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)的體全息存儲(chǔ)傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)，其包括一前組傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)和一后組逆傅里葉變換光學(xué)系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G03H1/16GK1866077SQ20051003475
公開(kāi)日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2005年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者曾吉勇, 金國(guó)藩, 王民強(qiáng), 嚴(yán)瑛白 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司