專利名稱：光學成像系統和方法以及孔徑光闌組合和孔徑元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學成像系統和方法，以及可用于該光學成像系統中的孔徑光闌組合和孔徑元件。
背景技術：
作為無損檢測(non-destructive evaluation, NDE)裝置的一種，諸如內窺鏡(borescope)、視頻內窺鏡(videoscope),光纖內窺鏡(fiberscope),以及醫療內窺鏡(endoscope)等光學檢測裝置已在工業和醫療領域得到廣泛應用。通常，此種光學檢測裝置用來對難以接近的地方進行探測以確定元件是否被恰當的制造或者組裝。在作光學檢測時，由于被測的位置可能處于黑暗的環境，光學檢測裝置通常會通過一個連接有光纖的外部光源或者直接安裝在探頭末端的光源發射光線來照亮待測對象。在待測對象被照亮后，光學檢測裝置中的光學成像系統即可以通過圖像感測器等成像裝置對待測對象進行光學成像，并將獲取的圖像顯示在顯示裝置或者視頻的屏幕上以供視覺檢測。為了在具有較大場景范圍內對待測對象進行檢測，具有固定焦距的光學檢測裝置的光學成像系統需要進行一定的光學設計，以獲得較大的景深(Cbpth of field，D0F)。然而，大景深的透鏡系統通常要求較小孔徑的光闌(也即較小的透光量)，這樣會導致圖像變暗，而使得圖像的分析變得困難，進一步會導致檢測失敗或者困難。為了解決此問題，一種方案是在光學檢測裝置中采用多組光學檢測探頭(tips)，其中一些探頭特別用來對近距離物體進行檢測，而另外一些探頭特別用來對中遠距離的物體進行檢測。然而，重復在這些探頭之間切換一方面比較耗時，另一方面也會降低檢測的精度，也不方便用戶使用。因此，有必要提供一種光學成像系統和方法來解決上述的技術問題。

發明內容
現在歸納本發明的一個或多個方面以便于本發明的基本理解，其中該歸納并不是本發明的擴展性縱覽，且并非旨在標識本發明的某些要素，也并非旨在劃出其范圍。相反，該歸納的主要目的是在下文呈現更詳細的描述之前用簡化形式呈現本發明的一些概念。本發明的一個方面在于提供一種光學成像系統，包括雙折射兀件，用于將非偏振光以不同的折射率分解成一第一線偏振光及一第二線偏振光，以分別形成該光學成像系統的第一焦距模式及第二焦距模式；旋光元件，用于在控制信號的作用下調整該第一及第二線偏振光的偏振態；及偏光元件，用于濾除偏振態調整后的該第一及第二線偏振光之一，以形成單一成像。本發明的另一個方面在于提供一種光學成像方法，包括將待測對象反射或散射的非偏振光以不同的折射率分解成一第一線偏振光及一第二線偏振光，以分別形成一光學成像系統的第一焦距模式及第二焦距模式；調整該第一及第二線偏振光的偏振態；及
濾除偏振態調整后的該第一及第二線偏振光之一，以形成單一成像。本發明的再一個方面在于提供一種孔徑光闌組合，包括孔徑元件，包括一偏光部及開設在該偏光部中心的開孔部，該偏光部用于濾除具有一第一固定偏振態的線偏振光；旋光元件，用于在控制信號的作用下調整線偏振光的偏振態；及偏光兀件，用于濾除具有一第二固定偏振態的線偏振光；該旋光元件位于該孔徑元件與該偏光元件之間。本發明的再一個方面還在于提供一種孔徑元件，該孔徑元件包括一偏光部及在該偏光部中心開設的開孔部，該偏光部用于濾除具有一固定偏振態的線偏振光。本發明的光學成像系統及檢測方法，通過控制信號例如電壓信號切換不同的工作模式以分別對不同位置的待測對象進行光學成像，至少避免了傳統的光學檢測裝置切換不同光學探頭而引起的耗時等技術問題，可以快速的實現變焦的技術效果。另外，在更進一步的改良下，通過使用該孔徑光闌組合可避免機械切換動作，可以消除傳統的機械驅動機構所帶來的諸多不良影響，還可以將光學成像系統的結構設計得更加緊湊。


通過結合附圖對于本發明的實施方式進行描述，可以更好地理解本發明，在附圖中圖1為一種光學檢測裝置的一種實施方式的模塊示意圖。圖2為本發明光學成像系統的第一較佳實施方式結合圖像感測器分別在兩種狀態下的比對示意圖。圖3為本發明光學成像系統的第二較佳實施方式結合圖像感測器分別在兩種狀態下的比對示意圖。圖4為本發明光學成像系統的第三較佳實施方式結合圖像感測器分別在兩種狀態下的比對示意圖。圖5及圖6分別為本發明孔徑光闌組合的第一較佳實施方式在兩種狀態下的示意圖。圖7及圖8分別為本發明孔徑光闌組合的第二較佳實施方式在兩種狀態下的示意圖。圖9為用于控制本發明孔徑光闌組合中的旋光元件的控制電路的較佳實施方式的線路連接示意圖。圖10至圖13分別為本發明孔徑光闌組合中的孔徑元件的四種較佳排列方式的示意圖。圖14至圖16為本發明孔徑光闌組合中的元件與透明基板之間的三種較佳組合關系的不意圖。圖17至圖19分別為本發明孔徑光闌組合中的孔徑元件的三種較佳實施方式的正面示意圖。圖20及圖21為本發明孔徑光闌組合的兩種較佳實施方式分別應用于兩種透鏡群組時的示意圖。
具體實施例方式以下將描述本發明的具體實施方式
，需要指出的是，在這些實施方式的具體描述過程中，為了進行簡明扼要的描述，本說明書不可能對實際的實施方式的所有特征均作詳盡的描述。應當可以理解的是，在任意一種實施方式的實際實施過程中，正如在任意一個工程項目或者設計項目的過程中，為了實現開發者的具體目標，為了滿足系統相關的或者商業相關的限制，常常會做出各種各樣的具體決策，而這也會從一種實施方式到另一種實施方式之間發生改變。此外，還可以理解的是，雖然這種開發過程中所作出的努力可能是復雜并且冗長的，然而對于與本發明公開的內容相關的本領域的普通技術人員而言，在本公開揭露的技術內容的基礎上進行的一些設計，制造或者生產等變更只是常規的技術手段，不應當理解為本公開的內容不充分。除非另作定義，權利要求書和說明書中使用的技術術語或者科學術語應當為本發明所屬技術領域內具有一般技能的人士所理解的通常意義。本發明專利申請說明書以及權利要求書中使用的“第一”、“第二”以及類似的詞語并不表示任何順序、數量或者重要性，而只是用來區分不同的組成部分。“一個”或者“一”等類似詞語并不表示數量限制，而是表示存在至少一個。“包括”或者“包含”等類似的詞語意指出現在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵蓋出現在“包括”或者“包含”后面列舉的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“連接”或者“相連”等類似的詞語并非限定于物理的或者機械的連接，而是可以包括電氣的連接，不管是直接的還是間接的。圖1所示為本發明一種實施方式的光學檢測裝置10的模塊示意圖。該光學檢測裝置IO可以包括諸如內窺鏡、視頻內窺鏡、光纖內窺鏡、醫療內窺鏡、醫療顯微鏡(healthcare microscope)、手機攝像機(cellphone camera)、計算機視覺攝像機(machinevision camera)及安全監控攝像機(security monitoring camera)等光學檢測裝置，并被應用到工業或者醫療領域。在一種實施方式中，該光學檢測裝置10可以用來對難以接近的區域進行無損視覺檢測(remote visual inspection)。通過該光學檢測裝置10獲取的數據可以監控和探測邊緣損壞(edge breaks),劃痕(scratches)以及表面處理凹坑(surfacefinish pits)等。請參閱圖1，該光學檢測裝置10可以包括一個延長的探測器100。該探測器100包括一個插入管110以及安裝至插入管110遠端的頭部組件120。該插入管110可以是彎曲的并具有管狀截面的結構。該插入管110可供頭部組件120和探測器電路140之間的連接線路通過。該探測器100也可以包括一個光學成像系統130 (或者稱作探頭)。該光學成像系統130可以導引從待測對象表面反射或者散射的光線，并將光線匯聚到圖像感測器124。從待測對象表面反射或者散射的光線可以由一個光源144發出并通過光纖束202傳播。光源144可以包括白光光源，也可以包括用于探測器的任何合適的光源，例如水銀燈、金屬齒化弧光燈、齒素燈、激光/螢光燈等，或者基于發光二極管的光源等。該圖像感測器124可以包括形成在多行和多列的像素單元。由于像素單元自身的光電特性，這些像素單元可以產生代表入射到每個像素單元的光線強度的模擬電壓圖像信號。在一種實施方式中，這些圖像信號通過圖像混合器(imager hybrid) 126傳送到圖像線路(imager harness) 112。圖像混合器126包括對圖像信號進行緩沖處理和調節的電路。圖像線路112控制在圖像混合器126和圖像接口電路142之間傳遞的圖像信號。圖像接口電路142可以包括電源、用于生成圖像時鐘信號的時序發生器、用于數字化視頻輸出信號的模擬前端以及用于將數字化的視頻數據處理成更有用的格式的數字信號處理器。圖像接口電路142也可以選擇性地包括在探測器電路140中。該探測器電路140可以被配置成給光學檢測裝置10提供多種功能。該探測器電路140可以包括一個用于為探測器100存儲校準數據的校準存儲器148。該探測器電路140還可以包括一個微控制器146，以用于與圖像接口電路142通信以確定和設定增益和曝光值，存儲數據到或者讀取數據自校準存儲器148，控制傳輸到待測對象的光的亮度，以及與光學檢測裝置10中的中央處理器150進行通信。除了與微控制器146進行通信外，圖像接口電路142還可以與一個或者多個視頻處理器160進行通信。該視頻處理器160可以從圖像接口電路142接收視頻信號并輸出信號到諸如集成顯示裝置170或者外接顯示器172等顯示設備。在一種實施方式中，該集成顯示裝置170可以包括設置在光學檢測裝置10內的液晶顯示屏。該液晶顯示屏可以向檢測者顯示各種圖像或者數據，例如，待測對象或者物體的圖像、菜單項、指針、測量結果等。該外接顯示器172可以包括與光學檢測裝置10連接的視頻監視器或者計算機監視器，也用于顯示各種圖像或者數據。視頻處理器160可以從中央處理器150接收或者向中央處理器150輸出指、命令、狀態信息、視頻流、靜態圖像以及圖形覆蓋等。視頻處理器160可以包括現場可編程門陣列(FPGA)、數字信號處理器(DSP)或者任何其它可以提供圖像捕獲、圖像增強、圖形覆蓋合并、失真修正、幀平均、光學縮放、數字縮放、重疊、合并、剪輯、運動檢測以及視頻格式轉換和壓縮等的處理元件。除了提供諸如圖像、視頻以及音頻的存儲和回放，縮放和聚焦控制，系統控制以及測量等功能以外，中央處理器150還可以通過接收搖桿180、按鈕182、以及按鍵184輸入的指令來管理用戶界面。用戶或者檢測者可以通過操控搖桿180執行菜單選擇操作、指針移動、滾動條滑動、探測器100轉動控制等。搖桿180還可以包括按壓按鈕。按鈕182以及按鍵184也可以被用來進行菜單選擇操作并向中央處理器150提供用戶命令，例如凍結或者保存靜態視頻圖像。圖2顯示圖1中光學成像系統130的第一較佳實施方式結合圖像感測器124分別在兩種狀態下的比對示意圖。需要說明的是，該光學成像系統130在圖1光學檢測裝置10中的應用僅僅是給出一個具體的例子，以方便說明該光學成像系統130的作用，本領域技術人員可以理解，可以將該光學成像系統130應用于其他任何適合的光學儀器中。在一種實施方式中，該光學成像系統130包括由可變孔徑光闌元件136及雙折射元件132組成的透鏡群組、旋光元件134及偏光元件135。在一種實施方式中，作為非限制性的例子，該可變孔徑光闌元件136、雙折射元件132、旋光元件134及偏光元件135可以分立元件的方式配置于光學成像系統130中。在其他實施方式中，兩個或者兩個以上的光學元件可以集成在一起，從而形成一個單一的或者復合的光學元件。舉例而言，在一些實施方式中，偏光元件135和旋光元件134可以復合在一起。該可變孔徑光闌元件136、雙折射元件132、旋光元件134及偏光元件135被安排成基本與同一光軸垂直。在一些實施方式中，可以有一個或者多個的用于實現特定功能的光學元件被進一步設置在該可變孔徑光闌元件136和雙折射元件132之間，或該雙折射元件132和旋光元件134之間。在一種實施方式中，該光學成像系統130可以可拆卸地安裝到頭部組件120 (請參閱圖1)的末端。在其他實施方式中，該光學成像系統130也可以固定安裝到頭部組件120。當待測對象20的位置發生變化時，該光學成像系統130可以開關的方式切換不同的焦距來聚焦從待測對象20反射的或者散射的光線。由于光學成像系統130的焦距隨著光學成像系統130中的雙折射元件因為對不同偏振態光線的可變折射率特性而產生改變，因此，換言之，該光學成像系統130也可以切換不同的屈光度(refractive power)來匯聚光線。根據待測對象20的位置和通過匯聚光線而形成的圖像的品質，該光學成像系統130的焦距或者屈光度可以手動方式或者自動方式進行焦距的切換，從而既可以使近場物體成清晰的像，也可以使遠場物體成清晰的像。在這里所謂的“近場”是指待測對象相對光學成像系統之間的距離比較短的位置范圍。在一種實施方式中，作為非限制性的例子，近場可以涵蓋的范圍從7毫米到35毫米。此外，在這里所謂的“遠場”是指待測對象相對光學成像系統之間的距離比較長的位置范圍。在一種實施方式中，作為非限制性的例子，遠場可以涵蓋的范圍從35毫米到450毫米。請再參閱圖2，在一種實施方式中，該雙折射元件132被配置成用來匯聚光線到圖像感測器124，以使得可以通過匯聚的光線來獲得待測對象20的圖像。在一種實施方式中，該雙折射兀件132可以包括一片或者多片具有雙折射功能的雙折射透鏡。該雙折射透鏡對以不同偏振態入射的線偏振光具有不同的折射率系數。在一種實施方式中，該雙折射功能的透鏡可以使用釩酸釔晶體(YV04)。釩酸釔晶體是一種典型的雙折射材料，其可以對不同偏振態的入射光具有不同的折射率系數。例如，一束非偏振的光線入射到釩酸釔晶體后，被分解成非尋常光(e光)和尋常光(O光)。在其他實施方式中，該雙折射功能的透鏡還可以使用其他材料，例如方解石(Calcite)、偏硼酸鋇晶體(BaB204)、銀酸鋰(LithiumNiobate)、石英(Quartz)或者上述材料的組合。在其他實施方式中，該雙折射元件132可以是將不同偏振態入射的線偏振光以不同折射角度發散出去的任意類型的器件，例如通過一個或多個偏光分光棱鏡來實現將不同偏振態入射的線偏振光以不同折射角度發散出去的功能。請繼續參閱圖2，該旋光元件134用于在控制信號的作用下調整或者改變線偏振光的偏振態。在一種實施方式中，該旋光兀件134可以包括液晶。當線偏振光通過該旋光兀件134時，該線偏振光的偏振態可以通過改變旋光元件134中液晶的驅動電壓來改變。舉例而言，入射到旋光元件134的光線可以為垂直線偏振光。當液晶的驅動電壓為O伏特時，垂直線偏振光的偏振方向被旋轉90度，因此從旋光兀件134出射的光線成為水平線偏振光。而當液晶的驅動電壓大于一閾值電壓時如5伏特,從旋光兀件134出射的光線依然為垂直線偏振光。在其他實施方式中，旋光兀件134可以不限于液晶。舉例而言,法拉第旋光器、光電晶體、波片可以作為替換的光學元件來旋轉入射到旋光元件134的線偏振光的偏振態。請繼續參閱圖2，該偏光元件135可以包括光學起偏器或者光學偏振片等光學元件，其用于濾除具有一種固定偏振態的線偏振光，例如水平線偏振光。在一種實施方式中，該偏光元件135可以基于光學反射機制過濾線偏振光。在此實施方式下，該偏光元件135可以從下面各種兀件構成的群組中選擇一者，例如，光柵偏光兀件、格蘭-泰勒偏光兀件、格蘭-湯普森偏光兀件以及片堆偏光兀件。在另外一種實施方式中，該偏光兀件135也可以基于光學折射機制過濾線偏振光。在此實施方式下，該偏光元件135可以下面各種元件構成的群組中選擇一者，例如，洛匈偏光兀件以及沃拉斯頓偏光兀件。在又一種實施方式中，該偏光元件135也可以基于光學吸收機制過濾線偏振光。在此實施方式下，該偏光元件135可以包括例如聚合物偏光薄膜。請具體參考圖2的上半部分(第一狀態)，在具體運作時，該光學成像系統130可以被操作成獲取在遠場內的待測對象20的圖像。在此種情形下，該光學成像系統130可以被切換成工作在具有第一焦距的第一聚焦狀態。如圖1所示的光源被開啟并向待測對象20發射光線，通過光纖傳播，以照亮待測對象20。從該待測對象20反射的或者散射的光線通過可變孔徑光闌元件136的適當調整傳播至該雙折射元件132，隨后被該雙折射元件132分解成兩個線偏振光e光和ο光，且該e光和ο光分別具有不同的聚焦點01及02。在此狀態時，該圖像感測器124剛好位于該聚焦點02處。在其他實施方式中，被該雙折射元件132分解成的兩個線偏振光也可以不是e光和ο光，只要該兩個線偏振光具有不同的聚焦點即可。在一種實施方式中，從該雙折射兀件132出射的ο光為垂直線偏振光,而出射的e光為水平線偏振光。為了形象地說明，在圖中垂直線偏振光以豎直的雙箭頭“I”表示，而水平線偏振光以傾斜的雙箭頭“ /，，表示。在此狀態下，該旋光元件134被控制為不調整線偏振光的偏振態，例如加5伏特電壓驅動。如此，通過旋光兀件134的ο光和e光均未變化。該偏光兀件135用于濾除水平線偏振光,如此ο光將通過偏光兀件135,而e光則被偏光兀件135濾除掉了，又因為此時ο光的聚焦點02剛好位于該圖像感測器124處，從而可以獲得該待測對象20在遠場內的圖像。請具體參考圖2的下半部分(第二部分)，與上半部分相反，該光學成像系統130可以被操作成獲取在近場內的待測對象20的圖像。在此種情形下，該光學成像系統130可以被切換成工作在具有第二焦距的第二聚焦狀態。從該待測對象20反射的或者散射的光線通過可變孔徑光闌元件136的適當調整傳播至該雙折射元件132，隨后被該雙折射元件132分解成兩個線偏振光e光和ο光，且該e光和ο光分別具有不同的聚焦點03及04。在此狀態時，該圖像感測器124剛好位于該聚焦點03處(即與聚焦點02重合)。在此狀態下，該旋光元件134被控制為調整線偏振光的偏振態90度，例如加O伏特電壓驅動。如此，通過旋光兀件134的ο光和e光分別被旋轉90度，即ο光由垂直線偏振光變為水平線偏振光，而e光由水平線偏振光變為垂直線偏振光。該偏光兀件135用于濾除水平線偏振光,如此e光將通過偏光元件135，而ο光則被偏光元件135濾除掉了，又因為此時e光的聚焦點03剛好位于該圖像感測器124處，從而可以獲得該待測對象20在近場內的圖像。其他實施方式中，該偏光元件135也可根據需要濾除其它固定偏振態的線偏振光，例如垂直線偏振光等。 如上所述，該光學成像系統130可以手動方式或者自動方式在第一聚焦狀態和第二聚焦狀態之間切換。對于自動將該光學成像系統130在雙聚焦模式下進行切換而言，在一種實施方式中，可以采用一個檢測裝置測量待測對象20相對光學成像系統的位置。當待測對象20的位置被測量并被確定處于遠場時，該光學檢測裝置10可以發送控制信號并將光學成像系統130切換到第一聚焦模式，以利用較長的焦距來匯聚光線并獲得待測對象在遠場內的圖像。當待測對象20的位置被測量并被確定處于近場時，該光學檢測裝置10可以進一步發送控制信號并將該光學成像系統130切換到第二聚焦模式，以利用較短的焦距來匯聚光線并獲得待測對象在近場內的圖像。也即，在操作具有可切換焦距的光學成像系統130的光學檢測裝置時，可以比較方便地檢測置于遠場和近場內的待測對象。與傳統的光學檢測裝置相比，通過發送控制信號例如電壓信號來切換光學成像系統130的聚焦模式即可實現快速成像，而無需在兩個探頭之間切換，從而提高了效率及檢測的精度，也方便了用戶使用。在其他實施方式中，根據該光學成像系統130所對應的光學成像方法還可以設計出其他具有相同功能的光學成像系統130，不拘泥于本實施方式給出的例子。在圖2的實施方式中，該可變孔徑光闌元件136的孔徑尺寸可以由一個機械機構來控制，例如通過馬達進行控制。不過，應用馬達等機械機構來進行控制可能會帶來以下不良效果第一，可能在變換孔徑尺寸的過程中會產生影響成像品質的振動；第二，從一種孔徑尺寸變換成另一種孔徑尺寸的時間相對較長，不利于提高工作效率；第三，該機械機構還會占據額外的空間，不利于縮小產品體積，且還會增加成本。因此，為了解決上述問題，進一步提高性能，后續段落會進一步給出該光學成像系統130的另外兩個較佳實施方式(圖3及圖4)，該兩個實施方式提供了一個無需機械機構控制的孔徑元件133來代替該可變孔徑光闌元件136，以達到進一步改良圖2實施方式的目的。請參考圖3，為本發明光學成像系統130的第二較佳實施方式結合圖像感測器124分別在兩種狀態下的比對示意圖。該第二較佳實施方式與第一較佳實施方式的區別在于該第二較佳實施方式應用了一個孔徑元件133來代替該可變孔徑光闌元件136，以解決上述提到的機械機構方面的問題。在一個實施方式中，該孔徑元件133包括一個偏光部1333及在該偏光部1333中心開設有一開孔部1332，該開孔部1332作為第一孔徑，而整個孔徑元件133則作為第二孔徑。明顯的，該第二孔徑133的尺寸大于第一孔徑1333的尺寸。在另一個實施方式中，還可增加一個具有固定孔徑尺寸的孔徑光闌元件137，此時該孔徑光闌元件137可作為該第二孔徑，該孔徑光闌元件137的尺寸大于該開孔部1332的尺寸而小于該整個孔徑元件133的尺寸。該孔徑光闌元件137可以位于該孔徑元件133與該雙折射元件132之間，也可位于該光學成像系統130中其他兩個元件之間或者不設置該光闌元件137。該孔徑兀件133的偏光部1333用于濾除具有一固定偏振態的線偏振光,例如水平偏振光。該偏光部1333的材料可以根據該偏光元件135的材料進行選擇，這里不再贅述。請具體參考圖3的上半部分(第一狀態)，在具體運作時，該光學成像系統130可以被操作成獲取在遠場內的待測對象20的圖像。在此種情形下，該光學成像系統130可以被切換成工作在具有如圖2上半部分的第一焦距的第一聚焦狀態。從該待測對象20反射的或者散射的光線通過該孔徑元件133的開孔部1332而僅有垂直線偏振光通過該孔徑元件133的偏光部1333。隨后通過孔徑元件133的開孔部1332的光被該雙折射元件132分解成兩個線偏振光e光和ο光，而通過孔徑元件133的偏光部1333的光經過該雙折射元件132只有ο光，且該e光和ο光分別具有不同的聚焦點01及02。在此狀態時，該圖像感測器124剛好位于該聚焦點02處。后面則如同圖2上半部分一樣，ο光將通過偏光元件135，而e光則被偏光元件135濾除掉了，又因為此時ο光的聚焦點02剛好位于該圖像感測器124處，從而可以獲得該待測對象20在遠場內的圖像。另外，由于該孔徑元件133的偏光部1333僅使ο光可以通過，則該孔徑元件133實質上作為孔徑尺寸相對較大的第二孔徑來使用。在本實施方式中，該孔徑元件133的偏光部1333與該偏光元件135所濾除的線偏振光的偏振態相同，在其他實施方式中也可以不同，例如兩者正交。請具體參考圖3的下半部分(第二狀態)，與上半部分相反，該光學成像系統130可以被操作成獲取在近場內的待測對象20的圖像。在此種情形下，該光學成像系統130可以被切換成工作在具有如圖2下半部分的第二焦距的第二聚焦狀態。從該待測對象20反射的或者散射的光線通過該孔徑元件133的開孔部1332而僅有垂直線偏振光通過該孔徑元件133的偏光部1333。隨后通過孔徑元件133的開孔部1332的光被該雙折射元件132分解成兩個線偏振光e光和ο光，而通過孔徑元件133的偏光部1333的光經過該雙折射元件132只有ο光，且該e光和ο光分別具有不同的聚焦點03及04。在此狀態時，該圖像感測器124剛好位于該聚焦點03處(即與聚焦點02重合)。后面則如同圖2下半部分一樣，e光將通過偏光兀件135,而ο光則被偏光兀件135濾除掉了，又因為此時e光的聚焦點03剛好位于該圖像感測器124處，從而可以獲得該待測對象20在近場內的圖像。另外，由于該孔徑元件133的偏光部1333僅使ο光可以通過，則該孔徑元件133實質上作為孔徑尺寸相對較小的第一孔徑來使用，如此，該孔徑元件133可通過對旋光元件134的控制自動地在兩種不同孔徑尺寸的第一及第二孔徑之間切換，而無需機械機構來控制，進而消除了上述提到的機械機構方面的問題。請參考圖4，為本發明光學成像系統130的第三較佳實施方式結合圖像感測器124分別在兩種狀態下的比對示意圖。該第三較佳實施方式與第二較佳實施方式的區別在于該孔徑元件133與該雙折射元件132的位置進行了互換。很容易理解，該第三較佳實施方式的具體運作過程與第二較佳實施方式相似，此處不再贅述。這里，該第三實施方式要說明的是，該孔徑元件133的位置可根據需要進行相應的調整。因此，根據上面給出的多組實施方式可以得出，該光學成像系統130中的各個元件的位置可以靈活調整，不拘泥于某一種實施方式。另一方面，該孔徑兀件133、該旋光兀件134及該偏光兀件135可以單獨作為一個孔徑光闌組合而應用于任何合適的透鏡群組中，以實現非機械機構控制的兩孔徑尺寸模式的孔徑光闌元件的功能。圖5及圖6分別示意出了本發明孔徑光闌組合的較佳實施方式在入射光朝向該孔徑元件133時的兩種不同的工作狀態，圖7及圖8分別示意出了本發明孔徑光闌組合的較佳實施方式在入射光朝向該偏光兀件135時的兩種不同的工作狀態。在說明上述工作狀態之前，為方便說明，在圖5至圖8中定義了一個虛線圓A，該虛線圓A為該孔徑元件133的開孔部1332的圓周的延伸部分，這里將該虛線圓A內部的入射光線定義為22，而將該虛線圓A外部的入射光線定義為21。請繼續參考圖5 (第一狀態)，根據光學原理，非偏振光可以被分解為一個垂直線偏振光和一個水平線偏振光，在圖5狀態下的一種實施方式中，該孔徑兀件133的偏光部1333用于濾除水平線偏振光,該旋光兀件134被控制成不旋轉線偏振光的偏振態,該偏光元件135用于濾除水平偏振光。如此，根據上述理論可知，入射光線21及22經過孔徑光闌組合后全部以垂直線偏振光的形式發射 出去，也就是說，此時該孔徑光闌組合以孔徑元件133作為孔徑尺寸相對較大的第二孔徑來使用。請繼續參考圖6 (第二狀態)，在一種實施方式中，該孔徑元件133的偏光部1333用于濾除水平線偏振光，該旋光7Π件134被控制為旋轉線偏振光的偏振態90度,該偏光兀件135用于濾除水平偏振光。如此，根據上述理論可知，入射光線21無法穿過孔徑光闌組合，而入射光線22則經過孔徑光闌組合后以垂直線偏振光的形式發射出去，也就是說，此時該孔徑光闌組合以孔徑元件133作為孔徑尺寸相對較小的第一孔徑來使用。請繼續參考圖7 (第一狀態)，在一種實施方式中，該孔徑元件133的偏光部1333用于濾除水平線偏振光，該旋光元件134被控制為不旋轉線偏振光的偏振態，該偏光元件135用于濾除水平偏振光。如此，根據上述理論可知，入射光線21及22經過孔徑光闌組合后全部以垂直線偏振光的形式發射出去，也就是說，此時該孔徑光闌組合以孔徑元件133作為孔徑尺寸相對較大的第二孔徑來使用。請繼續參考圖8 (第二狀態)，在一種實施方式中，該孔徑元件133的偏光部1333用于濾除水平線偏振光，該旋光7Π件134被控制為旋轉線偏振光的偏振態90度,該偏光兀件135用于濾除水平偏振光。如此，根據上述理論可知，入射光線21無法穿過孔徑光闌組合，而入射光線22則經過孔徑光闌組合后以水平線偏振光的形式發射出去，也就是說，此時該孔徑光闌組合以孔徑元件133作為孔徑尺寸相對較小的第一孔徑來使用。綜合圖5-圖8所示實施方式可以看出，由該孔徑元件133、該旋光元件134及該偏光元件135組成的孔徑光闌組合可以通過控制旋光元件134的狀態來實現兩種不同孔徑尺寸的孔徑光闌功能，而無需通過如馬達等的機械機構來實現，如此解決了圖2實施方式提及的機械機構所帶來的問題。請參考圖9，在一種實施方式中，該旋光元件134可以為液晶，且通過兩端的電極1342及1344加電壓來驅動。該兩電極1342及1344可分別連接至一交流電源30的兩端，并通過串聯的一開關K來實現不同電壓驅動。例如，當閉合該開關K時，該兩電極1342及1344之間加入5伏特的電壓差，以用于驅動該旋光元件134處于第一狀態(如圖5及圖7)。當打開該開關K時，該兩電極1342及1344之間未加入電壓差，以用于驅動該旋光元件134處于第二狀態(如圖6及圖8)。在其他實施方式中，該旋光元件134還可通過其他控制電路來實現驅動，例如直流電源、可編程邏輯器件、微控制器等。在非限定的實施方式中，該孔徑元件133、旋光元件134及偏光元件135可以分別獨立的設置在一光學成像系統中，也可以兩相鄰元件集成為一個元件，或者三個元件集成為一個元件設置。例如，圖10至圖13則給出了四種不同的設置方式。為了配合制造、安裝或其他合理的原因，可以增加一個或多個透明基材138貼敷在該孔徑光闌組合的合適位置，例如，圖14至圖16給出了三種不同的透明基材138的配置方式，但這僅僅是舉例說明，還可根據需要設置成其他配置方式。該透明基材138可以由任意合適的透明材料做成，例如透明玻璃材料。請參考圖17，在一個實施方式中，該孔徑元件133的開孔部1332的形狀為圓形。在其他實施方式中，該孔徑元件133的開孔部1332的形狀也可以設計成其他的形狀，例如正方形或正三角形(參考圖18及圖19)。
由該孔徑元件133、該旋光元件134及該偏光元件135組成的孔徑光闌組合可以被用在任何合適的光學成像系統中，不局限于本發明給出的實施方式。例如，在圖20中，該孔徑光闌組合被應用在一透鏡群組中，該透鏡群組還包括一平凹透鏡81及兩個雙凸透鏡82、83。該孔徑光闌組合可以被設置成兩個部分該孔徑元件133及由該旋光元件134及偏光元件135集成的一整體。該透鏡81、透鏡82、孔徑元件133、一個固定孔徑光闌元件137、透鏡83、由該旋光元件134及偏光元件135集成的整體可依次并排設置。又例如，在圖21中，該孔徑光闌組合被應用在另一透鏡群組中，該透鏡群組還包括兩平凹透鏡91及93、兩個雙凸透鏡92及94、一雙凹透鏡95、一平凸透鏡96。該孔徑光闌組合可以被設置成集成的一整體。該透鏡91、透鏡92、透鏡93、一個固定孔徑光闌元件137、該孔徑光闌組合、透鏡94、透鏡95、透鏡96可依次并排設置。需要說明的是，以上兩個例子圖20及圖21僅僅是舉例說明該孔徑光闌組合可以應用于不同的光學成像系統中，而具體應用的光學成像系統不局限于上述實施方式給出的例子。另外，圖20及圖21中的固定孔徑光闌元件137是為了輔助該孔徑光闌組合以提供的一個固定的孔徑光闌支持，也可以根據需要省去。雖然結合特定的實施方式對本發明進行了說明，但本領域的技術人員可以理解，對本發明可以作出許多修改和變型。因此，要認識到，權利要求書的意圖在于覆蓋在本發明真正構思和范圍內的所有這些修改和變型。
權利要求
1.一種光學成像系統，其特征在于，該光學成像系統包括 雙折射兀件，用于將非偏振光以不同的折射率分解成一第一線偏振光及一第二線偏振光，以分別形成該光學成像系統的第一焦距模式及第二焦距模式； 旋光元件，用于在控制信號的作用下調整該第一及第二線偏振光的偏振態；及 偏光元件，用于濾除偏振態調整后的該第一及第二線偏振光之一，以形成單一成像。
2.如權利要求1所述的光學成像系統，其中該光學成像系統還包括一個可變孔徑光闌元件，該可變孔徑光闌元件至少具有第一孔徑尺寸和第二孔徑尺寸，該第一孔徑尺寸與該光學成像系統的第一聚焦模式對應，該第二孔徑尺寸與該光學成像系統的第二聚焦模式對應。
3.如權利要求1所述的光學成像系統，其中該旋光元件分別在兩種狀態下調整該第一及第二線偏振光的偏振態90度及0度。
4.如權利要求1所述的光學成像系統，其中該雙折射元件包括雙折射透鏡或偏光分光棱鏡。
5.如權利要求1所述的光學成像系統，其中該旋光元件選自于下述各種元件組成的群組中的一種法拉第旋光器、光電晶體、波片及液晶。
6.如權利要求1所述的光學成像系統，其中該偏光元件選自于下述各種元件組成的群組中的一種光柵偏光兀件、格蘭-泰勒偏光兀件、格蘭-湯普森偏光兀件、片堆偏光兀件、洛匈偏光元件、沃拉斯頓偏光元件、以及聚合物偏光薄膜。
7.如權利要求1所述的光學成像系統，其中該光學成像系統還包括一個孔徑元件，該孔徑兀件包括一偏光部及在該偏光部中心開設的開孔部，該偏光部用于濾除具有一固定偏振態的線偏振光，該孔徑元件設置于一待測對象與該雙折射元件之間或者設置于該旋光元件與偏光元件之間。
8.如權利要求7所述的光學成像系統，其中該孔徑元件的材料選自于下述各種元件組成的群組中的一種光柵偏光兀件、格蘭-泰勒偏光兀件、格蘭-湯普森偏光兀件、片堆偏光元件、洛匈偏光元件、沃拉斯頓偏光元件、以及聚合物偏光薄膜。
9.一種光學成像方法，其特征在于，該方法包括 將待測對象反射或散射的非偏振光以不同的折射率分解成一第一線偏振光及一第二線偏振光，以分別形成一光學成像系統的第一焦距模式及第二焦距模式； 調整該第一及第二線偏振光的偏振態；及 濾除偏振態調整后的該第一及第二線偏振光之一，以形成單一成像。
10.如權利要求9所述的光學成像方法，其中調整該第一及第二線偏振光的偏振態的步驟包括 在第一狀態調整該第一及第二線偏振光的偏振態90度；及 在第二狀態調整該第一及第二線偏振光的偏振態0度。
11.一種孔徑光闌組合，其特征在于，該孔徑光闌組合包括 孔徑兀件，包括一偏光部及開設在該偏光部中心的開孔部，該偏光部用于濾除具有一第一固定偏振態的線偏振光； 旋光元件，用于在控制信號的作用下調整線偏振光的偏振態；及 偏光元件，用于濾除具有一第二固定偏振態的線偏振光；該旋光元件位于該孔徑元件與該偏光元件之間。
12.如權利要求11所述的孔徑光闌組合，其中該旋光元件分別在兩種狀態下調整該線偏振光的偏振態90度及0度。
13.如權利要求11所述的孔徑光闌組合，其中該第一固定偏振態及第二固定偏振態相同或正交。
14.如權利要求11所述的孔徑光闌組合，其中該孔徑元件、旋光元件、偏光元件中的兩相鄰元件集成為一體，或者該孔徑元件、旋光元件、偏光元件集成為一體。
15.如權利要求11所述的孔徑光闌組合，其中該孔徑光闌組合還包括一固定孔徑光闌元件。
16.一種孔徑元件，其特征在于，該孔徑元件包括一偏光部及在該偏光部中心開設的開孔部，該偏光部用于濾除具有一固定偏振態的線偏振光。
17.如權利要求16所述的孔徑元件，其中該孔徑元件還包括一固定孔徑光闌元件，且該固定孔徑光闌元件的孔徑尺寸大于該開孔部的孔徑尺寸。
全文摘要
本發明涉及一種光學成像系統和方法以及孔徑光闌組合和孔徑元件，該光學成像系統包括雙折射元件，用于將非偏振光以不同的折射率分解成一第一線偏振光及一第二線偏振光，以分別形成該光學成像系統的第一焦距模式及第二焦距模式；旋光元件，用于在控制信號的作用下調整該第一及第二線偏振光的偏振態；偏光元件，用于濾除偏振態調整后的該第一及第二線偏振光之一，以形成單一成像。
文檔編號G02B27/28GK103033942SQ20111029345
公開日2013年4月10日 申請日期2011年9月29日 優先權日2011年9月29日
發明者凱文.G.哈丁, 宋桂菊, 陶立, 楊東民, 韓杰, 翟梓融 申請人:通用電氣公司