折/衍混合長焦深成像透鏡的消色差方法
2023-10-17 21:06:39 1
專利名稱：折/衍混合長焦深成像透鏡的消色差方法
技術領域：
本發明屬於光學系統設計領域，具體涉及一種折/衍混合長焦深成像透鏡在 可見光波段內消色差的方法。
背景技術：
當光電成像系統處在各種複雜環境下，同時還要求其在較大的範圍內都能得 到清晰的圖像，如何不增加調焦系統複雜性，如何降低光學系統隨環境變化所產 生的不可測的量對圖像恢復造成的難度，是在光電探測的實際應用中尚待解決的 問題。而擴展焦深技術是解決這一問題的有效手段。常規增大焦深的方法是通常採用縮小光學系統相對孔徑的方法，該方法在增 大焦深的同時也減小了系統的橫向解析度和系統的通光量。1954年麥克裡奧德(McLeod)提出圓錐透鏡(axiccm)的概念，通過適當的選擇 圓錐透鏡的半徑i 和錐角0，可以靈活控制錐面波的傳播距離，並使其很容易超 出普通透鏡的焦深範圍。但是，圓錐透鏡的這種特性並不滿足許多實際應用中沿 軸向焦深範圍內均勻光強分布且光束直徑變化不大的要求，而且圓錐透鏡的焦深 範圍是從錐點算起，'這不滿足許多應用中要求焦深在軸向某一段的要求；並且， 圓錐透鏡的能量利用率低，只能將輸入的一小部分能量聚集到軸上。1982年，美國的M.D丄evenson等人在IEEE的電子設備通訊上發表了提高 光刻解析度的相移掩模(PSM)方法。這種方法採用相移掩模的方法提高雷射光刻 中的解析度，同時並不減少焦深範圍，從而相對傳統方法來說變相地提高了焦深。 但這種方法對焦深的真正拉長並不起作用，應用範圍有一定的局限性。1992年壽查基(Sochacki)和加羅斯維茲(Jaroszewicz)等人利用幾何光學 方法，根據前人在光學元件聚能方面研究的基礎上，提出了能量守恆法設計對數 光錐來擴展焦深。可以方便地實現長焦深，但是元件的加工相當困難。在1998年國防工業出版社出版的由金國藩、嚴瑛白、鄔敏賢等編著的《二 元光學》 一書中(p241-250)提出一種折銜混合實現對數光錐結構的設計方案，其
實質是由折射器件(如平凸透鏡)承擔主要的光焦度，而衍射器件的位相僅用以擴 展焦深，改善光強分布。這種方法有效的解決了器件難以加工的問題，但是並沒 有考慮其應用於成像系統中的色差。1995年美國Colorado大學成像系統實驗室提出一種波前編碼(Wavefront Coding)技術，即用波前編碼技術製作一種相當於非球面的掩模板，物目標經過 加了掩模板的光學系統後形成一個對離焦不敏感的模糊的中間像，再對中間像進 行數字圖像處理從而得到清晰聚焦的圖像，從而達到擴大焦深的目的。這種方法 實際上是光學技術與圖像處理相結合的一種擴大焦深的技術方法，需要額外的圖 像處理時間，不適於應用在要求快速成像的場合。2004年美國Miami大學的Angel Flores等人在OSA的Applied Optics上發表文章(Achromatic hybrid refractive-diffractive lens with extended depth of focus)中提到一種消色差長焦深透鏡，其衍射元件的位相函數是通過分配光焦度及焦深 兩步獲得的對數光錐形式，設計過程複雜，且很難直接判斷其軸向光強分布隨波 長變化的趨勢。本發明的目的在於克服上述已有設計方案的不足，特別是針對其中國內未考 慮到的長焦深透鏡初級色差校正，以及國外提出的方案存在設計、分析過程複雜 的問題，提出一種改進的折/衍混合長焦深成像透鏡在可見光波段內消色差的方 法，該方法只需進行一次光焦度分配而無需分配焦深。由於位相重新分配後，折 射元件、衍射元件功能明確，其設計、分析過程簡單，並且既能確保焦深範圍設 計的靈活性又能夠在可見光波段內消色差。本發明是通過以下的技術方案實現的折/衍混合長焦深成像透鏡的消色差方法，包含從物方至像方按順序由折射 透鏡L1、衍射透鏡L2組成的結構，混合長焦深成像透鏡的整體位相函數A(r)以及折射透鏡L1、衍射透鏡L2相應的光焦度]/C 、 ，其中formula see original document page 5
formula see original document page 6折射透鏡Ll的位相函數設計為AO",A)，衍射透鏡L2的位相函數設計為-部分是消色差項-formula see original document page 6A(r，義)，且衍射透鏡的位相函數由兩部分組成 另一部分是擴展焦深項^"r)，其中式中，A(O為長焦深成像透鏡的整體位相函數；A"為透鏡的徑向坐標；d,為透鏡的前焦點；&/為折/衍混合長焦深成像透鏡的焦深設計值；7 為透鏡的最大半口 徑；/為混合透鏡的焦距；乂、力分別為折射透鏡、衍射透鏡的焦距；K、 ^分別 為折射透鏡、衍射透鏡的等效阿貝數；義、^分別為透鏡的工作波長及設計的中 心波長；"(義)、"分別是波長為義、^時折射透鏡材料的折射率；/"A)、 /乂A)分別是波長為義時折射透鏡、衍射透鏡的焦距；A(r，勾為折射透鏡的位相函數； A(r,;i)為衍射透鏡的位相函數；為衍射透鏡的擴展焦深項。本發明顯著區別於現有技術的創新之處在於1.區別於2004年美國Miami大學的Angel Flores等人提出的折/衍混合消 色差長焦深元件設計方案中衍射元件的位相函數通過分配光焦度及焦深兩歩獲 得對數光錐形式，在本發明的折/衍混合長焦深成像透鏡的消色差方法中，根據 期望焦深得到折/衍混合結構整體的對數光錐位相結構，進而利用折、衍混合消 色差條件， 一次分配折射元件與衍射元件的光焦度，即可獲得各自的位相函數， 達到折/衍混合元件焦深範圍作為整體參數易於設計、分析的目的，這是區別子 現有技術的創新點之一；2.區別於1998年由金國藩、嚴瑛白、鄔敏賢等在《二元光學》 一書中 (p241-250)提出的折/衍混合長焦深元件設計方案中由折射透鏡承擔全部光焦度， 而衍射元件只承擔擴展焦深功能，在本發明的折/衍混合長焦深成像透鏡的消色 差方法中，衍射元件在承擔擴展焦深功能的同時承擔了部分光焦度，而折射元件 也只承擔部分光焦度，既能確保焦深範圍設計的靈活性又能夠在可見光波段內消 色差，同時可以避免折射透鏡光焦度過大而導致的單色象差增大，這是區別於現 有技術點的創新點之二。採用上述技術後，本發明具有如下顯著特點1. 使用本發明的折/衍混合長焦深成像透鏡的消色差方法有效的解決了成 像系統在焦深擴展同時消g差的問題。焦深範圍作為整體參數，設計、製作過程簡單，且焦深範圍靈活可控，軸向光強分布隨波長變化的趨勢易於直接判斷；2. 使用本發明的折/衍混合長焦深成像透鏡的消色差方法，在保證焦深擴展、消色差的同時，有效地降低折射元件的負擔，可確保成像解析度滿足應用要 求。
圖1為折/衍混合消色差長焦深透鏡示意圖；圖2為實施例一中折/衍混合消色差長焦深透鏡軸向光強分布仿真圖 圖3為實施例二中折/衍混合消色差長焦深透鏡軸向光強分布仿真圖。
具體實施方式
實施例一依據本發明的折/衍混合長焦深成像透鏡的消色差方法，設計折/衍混合消色 差長焦深透鏡(如附圖1所示)其技術參數如下1. 透鏡材料折、衍透鏡均為K9玻璃；2. 工作波段486 656nm;3. /弁,； 4. 混合透鏡焦距戶l7.5mm;5. 焦深do戶lmm。可見光波段的典型波長及K9玻璃在典型波長處的折射率分別為:=formula see original document page 8折射透鏡的阿貝數為 衍射元件的等效阿貝數為:formula see original document page 8設義d為設計中心波長，&、、為消色差波長，則消色差條件為:formula see original document page 8根據消色差條件可得到消色差混合透鏡的光焦度分配公式:formula see original document page 8其中，/為混合透鏡的焦距；/"力分別為折射透鏡、衍射透鏡的焦距設計值; K、 ^分別為折射透鏡、衍射透鏡的等效阿貝數。通過計算可以得到 /產18.4432mm， 342.1944rnrn。混合長焦深透鏡的整體位相結構可由能量守恆法設計為: formula>formula see original document page 9其中cfo戶lmm，是長焦深透鏡的設計焦深值；《=/-ctoy72=17mm，是透鏡的甜 焦點；及=/2/#=2.1875mrn，是透鏡的最大半口徑。折/衍混合長焦深透鏡中折射透鏡LI的位相函數由其分配到的光焦度確定為而衍射透鏡L2的位相函數設計為formula see original document page 9該位相函數由兩部分組成:-一部分是消色差項，該項由根據消色差條件得到的/"A) 來確定；第二部分是擴展焦深項^^)，該用以擴展焦深，改善光強分布。實施例二依據本發明的折/衍混合長焦深成像透鏡的消色差方法，設計折/衍混合消色 差長焦深透鏡(如附圖1所示)其技術參數如下1. 透鏡材料折射透鏡為K9玻璃，衍射透鏡為石英玻璃；2. 工作波段4867656nm;3. 透鏡的最大半口徑R: 4.75mm;4. 折射透鏡焦距/產40mm;5. 焦深dof=0.4mm。可見光波段的典型波長及K9玻璃在典型波長處的折射率分別為formula see original document page 9折射透鏡的阿貝數為 衍射元件的等效阿貝數為:formula see original document page 10設&為設計中心波長，義F、義c為消色差波長，-3.452則消色差條件為:formula see original document page 10式中formula see original document page 10根據消色差條件可得到消色差混合透鏡的光焦度分配公式:formula see original document page 10其中，/為混合透鏡的焦距；A、力分別為折射透鏡、衍射透鏡的焦距設計值; R、 J^分別為折射透鏡、衍射透鏡的等效阿貝數。通過計算可以得到戶37.9545mm， /f742.1952mm。混合長焦深透鏡的整體位相結構可由能量守恆法設計為formula see original document page 10其中cfo戶0.4mm，是長焦深透鏡的設計焦深值；A =/-&;72=37.7545mm，是透鏡的前焦點。折/衍混合長焦深透鏡中折射透鏡Ll的位相函數由其分配到的光焦度確定
為formula see original document page 11而衍射透鏡L2的位相函數設計為:formula see original document page 11該位相函數由兩部分組成一部分是消色差項，該項由根據消色差條件得到的/乂義) 來確定；第二部分是擴展焦深項^"r)，該用以擴展焦深，改善光強分布。在實施例一、實施例二中，折/衍混合長焦深透鏡的實際合成位相函數為formula see original document page 11且formula see original document page 11即在中心波長Ad時混合透鏡的位相函數等於設計的對數光錐；在消色差波 長4、 Ac時，混合透鏡的位相函數相等。折/衍混合長焦深透鏡的軸向光強分布可以通過菲涅耳衍射公式分析，由於 位相函數為圓對稱型函數，故菲涅耳衍射公式可簡化為如下式所示的一重積分形 式formula see original document page 11式中，Z為傳播距離；A為工作波長；^為孔徑平面的徑向坐標。附圖2為 實施例一中依據本發明的折/衍混合長焦深透鏡的消色差方法獲得的折/衍混合消 色差長焦深透鏡在波長分別為義d、 &、義c時的軸向光強分布曲線，附圖3為實施 例二中依據本發明的折/衍混合長焦深透鏡的消色差方法獲得的折/衍混合消色差長焦深透鏡在波長分別為義d、義F、 Ac時的軸向光強分布曲線，由圖中可以看出依 據本發明的折/衍混合長焦深透鏡的消色差方法獲得的透鏡對波長^、 ^是消色 差的。
權利要求
1、一種折/衍混合長焦深成像透鏡的消色差方法，包含從物方至像方按順序由折射透鏡L1、衍射透鏡L2組成的結構，長焦深成像透鏡的整體位相函數φh(r)以及折射透鏡L1、衍射透鏡L2相應的光焦度1/fr、1/fd，其中
全文摘要
本發明屬於光學系統設計領域，本折/衍混合長焦深成像透鏡消色差方法是以對數光錐為混合透鏡的整體位相結構，依據折/衍混合消色差原理，通過一次分配光焦度確定長焦深成像物鏡中折射元件與衍射元件位相函數分配的方法；位相函數重新分配後，折、衍元件功能明確折射元件只承擔部分光焦度；衍射元件的位相函數由擴展焦深項及消色差項組成，不僅用於擴展焦深，改善光強分布，還依據消色差條件分擔了部分光焦度，其設計、分析過程簡單，既能確保焦深範圍設計的靈活性，又能夠在可見光波段內消色差，同時可以避免折射透鏡光焦度過大而導致的單色象差增大。
文檔編號G02B27/00GK101118315SQ20071007259
公開日2008年2月6日 申請日期2007年8月1日 優先權日2007年8月1日
發明者慧 張, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業大學