[发明专利]一种基于轴棱锥-透镜组合的光学空间滤波系统及其工作方法

说明书

本发明涉及一种基于轴棱锥‑透镜组合的光学空间滤波系统及其工作方法，该系统包括沿光轴方向依次设置的相干光源、扩束准直器、输入物体、第一轴棱锥、第一傅里叶变换透镜、空间滤波器、第二傅里叶变换透镜、第二轴棱锥及输出图像接收器；相干光源出射相干光束，经过扩束准直器后照射输入物体，依次经过第一轴棱锥、第一傅里叶变换透镜；经过空间滤波器对空间频谱进行滤波；再经过第二傅里叶变换透镜和第二轴棱锥，由输出图像接收器接收输出图像。本发明结合了轴棱锥和透镜的光波变换特性，在频谱面上形成环形线圆对称频谱分布，根据此频谱分布特性，可以在频谱面上对物面上不同区域的物体实施不同类型的滤波操作和功能。

技术领域

本发明涉及一种基于轴棱锥-透镜组合的光学空间滤波系统及其工作方法，属于光学信息处理技术领域。

背景技术

阿贝(Abbe)成像理论是现代成像光学和光学信息处理技术的基础。该理论认为：光学成像过程分为两步，第一步是从物面到频谱面，物光波中所包含的不同空间频率的信息成分对应于不同传播方向的平面波，这些平面波会聚于频谱面上的不同点形成空间频谱；第二步是从频谱面到像面，频谱面上的每一点作为次波源发出的次级球面波在像面叠加形成物体的像。光学空间滤波是在频谱面上通过施加滤波器改造频谱从而达到改造输出像的操作或过程。

传统光学空间滤波基于阿贝成像理论和透镜的傅里叶变换特性，最常用最典型的光学空间滤波系统是光学4f系统，在4f系统中，当采用沿光轴传播、波长为λ的单位振幅相干平面波波照明物体时，频谱面上空间频率坐标(f_x,f_y)与空间坐标(x,y)之间的对应关系为和其中λ是光波波长、f是透镜焦距；由此可见，在频谱面上，空间频率越高离坐标原点(轴上点)越远，零频成分(直流项)位于坐标原点，整体频谱分布呈现中心点对称分布；采用圆孔、圆屏及环形孔滤波器可以分别实现低通、高通及带通滤波，采用其它复杂形式的滤波器可以实现相应形式的滤波操作，如方向滤波、微分滤波、相衬滤波及复滤波等。

1987年，J.Durnin指出波动方程存在一组精确解，该精确解的垂轴光强分布不随传播距离而变化，从而首次提出无衍射(Non-diffracting)光束的概念[Durnin J.Exactsolutions for nondiffracting beams.I.The scalar theory.Journal of the opticalsociety of America A,1987,4(4):651-654.]，其中最简单的无衍射光束是零阶贝塞尔光束(Zero-order Bessel)，并随后提出采用环形狭缝和透镜组合产生零阶贝塞尔光束的方法[Durnin J,Miceli J J,Eberly J H.Diffraction-free beams.Physical ReviewLetters,1987,58(15):1499-1501.]。1992年，G.Scott提出采用轴棱锥(Axicon)产生贝塞尔光束的方法[G.Scott,N.McArdie.Efficient generation of nearly diffraction-free beams using an axicon.Opt.Eng.1992,31(12),2640-2643]。在物理本质上，零阶贝塞尔光束可以看作是锥面波(与光轴夹角相同、方位角在0-2π连续取值的无穷多个平面光波)叠加干涉的结果。2000年，S.Chavez-Cerda由锥面波叠加干涉理论分析了零阶贝塞尔光束经过透镜聚焦的性质[S Chávez-Cerda,New G H C.Evolution of focused Hankelwaves and Bessel beams[J].Optics Communications,2000,181(4-6):369-377.]。三十年多来，研究者们相继提出了多种产生贝塞尔光束的方法，其中一种方法是将轴棱锥的相位分布进行编码显示在空间光调制器上代替实际的轴棱锥；有关轴棱锥-透镜组合系统的成像特性也已经有很多文献研究，如文献[Jaroszewicz Z,Morales J.Lens axicons:Systems composed of a diverging aberrated lens and a perfect converginglens.Journal of the Optical Society of America A,1998,15(9)]；[翟中生.基于无衍射光的大景深成像技术研究[D].华中科技大学,2008.]。空间滤波的目的是通过改变光场的频谱结构，使该系统的像按照我们所希望的得到一定的改善，但是由于传统光学空间滤波系统所产生的频谱为中心点对称分布，这就使得我们不能对物面上不同区域的物体实施不同类型的滤波操作和功能。