擴展焦深的方法和系統的製作方法

2023-04-29 21:10:26

專利名稱：擴展焦深的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及成像系統的領域，並且涉及具有增加的焦深(depthof focus)的成像透鏡裝置。
背景技術：
擴展成像系統的焦深是使成像系統可以結合到各種應用中的非常重要的核心技術，所述各種應用尤其包括與醫學相關的應用，在這些應用中，將諸如照相機的單元插入到體內以觀察和檢測有問題的組織；以及眼科行業，包括眼鏡的鏡片、接觸式透鏡、眼內透鏡或者用外科手術插入到眼中的其他透鏡。對於用於工業、醫學、監視或消費者應用的諸如顯微鏡或照相機的光學設備也需要擴展焦深的方案，在這些光學設備中，需要對光進行聚焦並且目前的聚焦是通過多個透鏡來實現的，並且需要通過手動或電子驅動的機械運動使聚焦裝置與圖像和/或對象平面之間產生相對位移。
為了獲得光學系統的擴展焦深，已經開發出各種方法。在WO03/076984中公開了由本發明的發明人開發的一種已知方法。該技術提供了場成像的全光學擴展焦深。成像系統產生位於距該成像系統各種的距離處的對象的可接受質量的圖像。成像系統的優選實施例包括對象、輔助透鏡、複合相位光罩(phase mask)以及沿光軸設置的傳感器。輔助透鏡與複合相位光罩一起對來自對象的光進行聚焦，產生入射到檢測器上的圖像。該技術基於將在空間上高解析的相位元件設置在透鏡孔徑的頂部，以產生焦距的連續設置。
例如在以下出版物中公開了另一方法US6,069,738；US6,097,856；WO99/57599；WO03/052492。根據該方法，在孔徑平面中使用立方體相位光罩，並且需要數字後處理來實現聚焦圖像。更具體地說
US6,069,738公開了一種用於擴展圖像投影系統的焦深的裝置和方法。在投影表面上提供焦點對準的(in-focus)、擴展焦深的圖像的光學系統包括編碼光罩和光編碼器，用於使光包括對象信息(或等價地包括與所期望圖像有關的信息)；以及擴展焦深(EDF)光罩，用於擴展投影系統的焦深。除了包括對象信息之外，編碼光罩還對來自光源的光進行編碼以在擴展焦深時考慮由EDF光罩引入的變化，從而不需要後處理。
US6,097,856公開了一種用於減小具有擴展焦深的成像系統中的成像誤差的裝置和方法。一種改進的光電成像系統適於與被非相干地照明的對象一起使用，並且其產生具有減少的成像錯誤內容的最終圖像。該成像系統包括光學組件，用於形成待成像對象的中間圖像；圖像傳感器，用於接收該中間圖像並產生中間圖像信號；和處理裝置，用於對該中間圖像信號進行處理以產生具有減少的成像錯誤內容的最終圖像。成像錯誤內容的減少是部分地通過在光學組件中包括以下部分來實現的相位光罩，用於使光學組件的OTF在工作距離的範圍內相對不變；以及幅值光罩，其具有作為距其中心的距離的函數而連續減小的透光率。成像錯誤內容的減少還是部分地通過在該處理裝置中包括以下部分而實現的改進的通用(generalized)恢復功能，該功能根據在大致最佳聚焦的情況下的光學組件的至少不理想的計算IOTF而變化。
WO99/57599公開了一種增加焦深並降低非相干光學系統的波長靈敏度的光學系統。該系統將專用光掩模結合到非相干系統中。該光掩模被設計成使光傳遞函數在距焦點對準的位置的一定範圍內保持基本恆定。對所得到的中間圖像進行的信號處理消除了掩模的光傳遞修改效果，從而在增加了的焦深內得到焦點對準的圖像。通常將掩模設置在孔徑光闌(aperture stop)或者光學系統的孔徑光闌的圖像處或附近。優選的是，該掩模僅改變了光的相位而不改變光的幅值，儘管可以通過相關聯的濾光器等來改變幅值。可以使用該掩模來增加被動測距系統的使用範圍。
WO03/052492公開了一種通過修正接觸式透鏡、眼內植入物或眼睛自身的表面來向人眼提供擴展的焦深的技術。這是通過將所選擇的相位變化施加到所關心的光學元件(例如，通過改變表面厚度)而實現的。該相位變化對波陣面進行EDF編碼，並使光傳遞函數在距焦點對準的位置的一定範圍內保持基本恆定。這提供了視網膜上的編碼圖像。人腦對該編碼圖像進行解碼，從而在增加了的焦深內得到焦點對準的圖像。
例如在US6,554,424(以及美國專利申請公報20040114103、20040114102和20030142268)和US4,955,904中公開的其他方法利用了孔徑平面的變跡(apodization)。更具體地說US6,554,424描述了一種用於增加人眼的焦深的系統和方法。該系統包括透鏡體，該透鏡體中的鏡片被構造用來產生光幹涉；和基本上位於所述鏡片中心的針孔狀光孔徑。該鏡片可被構造用來產生光散射，或者由光反射材料組成。另選的是，該鏡片可以通過光幹涉、光散射、光反射和/或光吸收的組合來增加焦深。還可以將該鏡片構造為一系列同心圓、交織、顆粒圖案或曲率圖案。一種方法涉及利用透鏡中的針孔篩選裝置來為病人篩選眼用透鏡以增加病人的焦深。另一種方法包括用外科手術將掩模植入到病人的眼睛中以增加焦深。
US4,955,904描述了一種用於植入到人眼中的掩模眼內透鏡。僅擋住部分晶狀體的該掩模與眼睛的瞳孔一起在瞳孔收縮時限定了眼睛中的小孔徑，從而增加了焦深，就像針孔照相機所做的那樣。當眼睛的瞳孔擴大時，額外的光可以穿過該掩模周圍的瞳孔併到達視網膜，從而使人可以在暗光的條件下視物。在一個實施例中，該掩模限定了小的圓孔徑以及大的外環帶；小的圓孔徑具有位於遠視和近視所需焦度(power)之間的附加焦度。還提供了一種對具有白內障的病人進行治療的方法，該方法包括使用該掩模眼內透鏡來代替病人的晶狀體。
在下面的專利出版物中公開了一些其他的視力提高技術美國專利第5,748,371號公開了擴展焦深光學系統。用於增加焦深並降低波長靈敏度以及非相干光學系統的透鏡的散焦產生像差效果的系統將專用光掩模結合到該非相干系統中。該光掩模被設計成使光傳遞函數在距焦點對準的位置的一定範圍內保持基本恆定。對所得到的中間圖像進行的信號處理消除了掩模的光傳遞改變效果，從而在增加了的焦深內得到焦點對準的圖像。通常將掩模設置在主平面或光學系統的主平面的圖像處。優選的是，該掩模只改變光的相位而不改變光的幅值。可使用該掩模來增加被動測距系統的使用範圍。
WO01/35880公開了多焦點非球面透鏡、一種用於矯正遠視眼的接近人的瞳孔的光學表面、一種用於獲得該光學表面的方法以及一種執行該方法的雷射手術系統。該光學表面包括第一視力區、包圍該第一區的第二視力區、以及包圍第二視力區的第三視力區，第一視力區具有第一基本單焦度，第二視力區具有一定範圍的焦度，第三視力區具有與第一單焦度不同的第二基本單焦度，第一、第二和第三視力區中的至少一個具有非球面表面，其他區具有球面表面。該方法包括對角膜進行整形以獲得該光學表面。可以通過切除或膠原質收縮而在前表面或下表面上對角膜進行整形，其中通過應用受激準分子雷射、外科雷射、水切割、流體切割、液體切割或氣體切割技術來進行切除。該方法還包括通過將具有期望光學特性的接觸式透鏡設置在角膜上來獲得該光學表面。該雷射手術系統包括雷射束產生器和雷射束控制器，雷射束控制器對到達角膜的光束進行調節，以利用燒蝕照射將選定體積的角膜組織從角膜的光學區中的區域中去除，從而形成具有重新修整了輪廓的區域，該區域包括第一視力區、包圍第一區的第二視力區以及包圍第二視力區的第三視力區。
美國專利第5,965,330號公開了製造具有衍射減少邊緣的環形掩模透鏡的方法。根據該技術，該透鏡體具有環形掩模，該環形掩模通過從中心孔逕到環形掩模區域徑向地逐漸降低透光率而形成「軟邊緣」。該方法將變化級別的著色劑(例如染料)引入到透鏡的特定部分中。
WO03/012528描述了一種產生具有擴展焦深的光束的裝置。該裝置包括二元相位掩模，其產生包括亮主環和兩個旁瓣環的衍射圖案；環形孔掩模，其僅讓部分衍射圖案通過；和透鏡，其使光穿過環形孔以朝向光軸會聚並與光軸相交。在會聚光與光軸相交的地方，發生結構幹涉，產生具有擴展焦深的光束。
美國專利第5,786,883號；第5,245,367號和第5,757,458號描述了一種被設計成利用人瞳孔的正常功能進行工作的環形掩模接觸式透鏡。環形掩模在接觸式透鏡上形成小的針孔狀孔徑，使得能夠進行持續的焦點校正。環形掩模的外直徑使得佩帶者可以隨著亮度級別的降低而使更多的光能透過瞳孔。該接觸式透鏡可由兩個獨立且不同的光學校正部分構成，這兩個光學校正部分都位於小孔徑區域處並且位於環形掩模之外的區域中。由此，在範圍較寬的觀看距離上，對於亮光和暗光兩者都實現了功能成像。
美國專利第5,260,727號公開了寬焦深的眼內透鏡和接觸式透鏡。根據該技術，透鏡焦度可以是恆定的，但是通過瞳孔孔徑的波的幅值和相位是可變的。可以通過根據數學函數(例如，高斯分布或貝塞耳函數)按預定的幾何形狀(例如，同心、平行或放射狀)對透鏡的區域進行遮蔽來構造該透鏡。該透鏡可以具有單焦度或多焦度，例如是雙焦點型。
美國專利第5,905,561號公開了一種用於視力矯正的具有衍射減少邊緣的環形掩模透鏡。該透鏡體具有環形掩模，該環形掩模通過從中心孔逕到環形掩模區域徑向地逐漸減小透光率而形成「軟邊緣」。
美國專利第5,980,040號描述了一種針孔透鏡和接觸式透鏡。該接觸式透鏡包括具有凹表面的光學透明的透鏡體，該凹表面適於病人眼睛的曲率和凸表面。該透鏡具有三個區域(1)第一光學焦度的環形區域；(2)位於所述環形區域(其也位於所述透鏡的光學中心處)的中心處的大致針孔狀的孔徑；和(3)在第一環形區域外部的第二較大環形區域。
美國專利第5,662,706號公開了一種用於治療光學像差(例如，夜間近視、球面像差、無虹膜症、圓錐形角膜、角膜創傷、穿透角膜成形術和後折射手術併發症)的透光率可變的環形掩模透鏡。該透鏡的環形掩模具有比傳統針孔接觸式透鏡大的孔徑。該孔徑具有「軟」的內邊緣，並且該掩模的透光率朝著該掩模的外邊緣徑向地逐漸增加。
美國專利第5,225,858號描述了適於植入眼中或者放置在角膜上或角膜中的多焦點眼用透鏡。該透鏡具有光軸、中心區和與該中心區外切的多個環形區。這些環形區中的兩個具有第一區域，其具有遠視矯正焦度；和第二區域，其具有近視矯正焦度。在IOL實施例中，遠和近之間的視力校正焦度是漸進的，並且各個第二區域都具有主段，在該主段中近視矯正焦度基本恆定。在中心區的焦度是變化的。
美國專利第6,554,859號公開了一種用於植入病人眼中的眼內透境。該透鏡包括多焦點鏡片和移動組件。該鏡片的最大添加焦度小於人工晶狀體眼(pseudophakic eye)的完全近視所需的添加焦度。該移動組件連接到所述鏡片並且適於與病人的眼睛協作，以實現鏡片在眼中的調節性移動。還提供了包括兩個鏡片和兩個移動組件的透鏡系統。該眼內透鏡和透鏡系統在去除自然晶狀體之後被植入到病人眼中時特別有用。
美國專利第6,576,012號和第6,537,317號公開了一種用於提高病人的視力的雙眼透鏡系統。該系統包括第一和第二眼用透鏡。這些透鏡中的每一個都適於植入眼中或放置在角膜上或角膜中。第一透鏡具有用於遠視矯正的第一基線屈光度焦度，而第二眼用透鏡具有用於遠視矯正之外的第二基線屈光度焦度。這些眼用透鏡可以是在具有自然晶狀體的情況下或者在去除自然晶狀體之後被植入病人眼中的眼內透鏡。
美國專利第6,474,814號公開了一種具有引發(induced)孔徑的多焦點眼用透鏡。該多焦點透鏡由非圓錐非球面光學表面限定。各種另選表面形狀提供了由光階(optical step)包圍的中心遠視區域。該光階具有沿徑向迅速增加的焦度，這產生了引發孔徑，通過該引發孔徑來引導視覺系統的皮層元素以使其集中。引發孔徑導致遠視的清晰度增加。限定非圓錐非球面光學表面以產生期望的光焦度分布。為了簡化在計算機驅動的用於對接觸式透鏡進行成形的車床中的應用，還以多項式級數的形式提供這些表面函數。該技術涉及接觸式透鏡、鞏膜透鏡(scleral lens)、眼內透鏡以及在角膜組織內壓印或手術成形的透鏡。
美國專利第6527389號公開了一種改進的多焦點眼用透鏡，其具有多個交替的焦度區域並且從一個區域轉換到另一區域，各個區域內的焦度連續變化。換言之，提供了多個(至少兩個)同心區域，其中從遠視矯正到近視矯正(即，從近矯正焦度到遠矯正焦度，然後回到近，並再次回到遠，或者相反)的變化是連續的。該變化是連續的(漸進的)，而沒有任何突然的矯正變化或「邊緣」。公開了該技術的兩個版本。在第一個版本中，通過連續改變透鏡後表面的曲率來實現連續、交替的焦度變化，從而改變了光線到達眼睛的角度。在第二個版本中，通過創建不均勻的表面特徵(材料折射率沿透鏡徑向方向(從光軸向外)連續變化)來實現連續、交替的焦度變化。
美國專利第5,715,031號公開了同心非球面多焦點透鏡設計，該設計利用非球面前表面(其導致像差減小和對比度視力增強)與同心多焦點後表面的組合來產生透鏡設計，該透鏡設計提供遠處以及近處的清楚視力，而不會損失對比度(這通常在現有技術的同時視力、同心多焦點透鏡設計中是典型的)。非球面表面改進了透鏡眼睛組合的調製傳遞函數(MTF)，這改善了遠圖像和近圖像兩者的焦點和對比度。該設計形式對於接觸式透鏡和眼內透鏡有效。
美國專利第6,024,447號公開了一種用於提供具有增強的焦深的單焦點視力矯正焦度的增強單焦點眼用透鏡。該透鏡適於植入眼睛、放置在眼睛上、和設置在眼睛的角膜中。該眼用透鏡包括用於遠視矯正的基線屈光度焦度、具有第一視力矯正焦度的第一區以及具有第二視力矯正焦度的第二區。第二區在徑向上位於第一區之外。第一區包括近視矯正焦度，第二區包括遠視矯正焦度。第一區的最大屈光度值大約高於基線屈光度0.7屈光度，第二區的最小屈光度值大約低於基線屈光度焦度0.5屈光度。第一區適於將光聚焦在距用戶視網膜第一預定距離處，第二區適於將光聚焦在距用戶視網膜第二預定距離處。第二預定距離大約等於第一預定距離並與第一預定距離相反。與第一區基本相似的第三區在軸向上位於第二區之外，與第二區基本相似的第四區在軸向上位於第三區之外。第三區的第三視力矯正焦度與第一區的第一視力矯正焦度基本相同，第四區的第四視力矯正焦度與第二區的第二視力矯正焦度基本相同。
美國專利第6,451,056號描述了一種增加了焦深的眼內透鏡。該眼內透鏡利用比自然晶狀體薄得多的鏡片提供充分增加的焦深，以用於精確的近視和遠視，該透鏡堅硬，向後拱起並適於定位在晶狀體囊袋(capsularbag)後面。該鏡片被定位為距角膜比距自然晶狀體遠得多，從而離開該鏡片而到達視網膜的光錐比來自自然晶狀體的光錐小得多。通常，該鏡片可以為約1.0mm厚，並且其距角膜的距離為7.0-8.0mm。
WO03/032825公開了一種設計用於向病人提供遠視眼矯正的接觸式透鏡或其他矯正的方法。該方法依賴于波陣面像差測量數據來提供最佳形式的矯正。優選的是，該矯正的形式為多焦點變換型交替視力接觸式透鏡或同時視力型矯正透鏡。一種設計用於提高人的視力的矯正的方法旨在按如下方式對高次像差進行矯正使高次旋轉對稱像差的殘餘量大於矯正後的高次旋轉非對稱像差的殘餘量。該設計方法旨在矯正由具有殘餘球面像差的多焦點接觸式透鏡(其提供增加的焦深)的偏心而引發的非對稱高次像差。
EP0369561公開了一種用於製造衍射接觸式透鏡和眼內透鏡的系統和工藝。該光學系統包括在沿著光軸的光學對準中的以下主要元件(用於實現該工藝的指定步驟)雷射器，用於沿著光軸發射紫外光；區域板塊掩模，位於該雷射器的照射路徑上；和成像透鏡，利用來自雷射器的照射將該掩模的圖像投影到與該光學系統的圖像表面一致地安裝的眼睛透鏡的凹入內表面上，從而消除了該掩模的眼睛透鏡圖像化，以在眼睛透鏡上產生相位區域板塊。雷射束掃描該區域板塊掩模，以在圖像表面上產生複合圖像。另選的是，在圖像表面處的在玻璃坯(blank)的凹入表面上產生相位區域板塊，以形成一工具，通過該工具可以複製模具，進而複製透鏡。光源是以193nm發光的氬氟化物受激準分子雷射器。該透鏡是投影該掩模的各種大小的圖像來根據需要產生各種焦度的區域板塊的可變放大率透鏡。
然而，這些公知技術有以下缺點例如相當大部分的能量不可避免地朝向系統的視場的外部區域散射；需要數字後處理；損害空間頻率傳輸以及能量效率。

發明內容
因此，本領域需要一種全光學擴展焦深的技術。
本發明通過提供利用光學元件的成像裝置來解決以上問題，該光學元件與所述成像裝置相鄰、安裝在所述成像裝置的表面上、或者結合在所述成像裝置的有效孔徑內。應該注意，在此使用的術語「成像裝置的有效孔徑」表示光收集孔徑，其根據情況可以是成像透鏡自身或者該成像透鏡前面的孔徑的實際大小，例如在眼科應用中是眼睛瞳孔的實際大小。還應該注意，本發明的成像裝置可以使用透鏡的陣列(透鏡(lenslet)陣列)，在這種情況下使用光學元件的陣列，每一個光學元件都與這些透鏡中的對應的一個透鏡相關聯。
本發明的光學元件被構造為影響相位的、非衍射的、薄層光學元件，其對透鏡孔徑進行編碼以提供擴展焦深的全光學效果。該光學元件可被構造為僅針對相位的元件或者影響相位和幅值的元件。在此使用的術語「全光學」表示不需要圖像處理或者至少顯著降低了對圖像處理的需要。
因此，該光學元件對波長和多色照明不敏感，不會使能量朝向視場的外部區域散射，從而在所關注區域提供了非常高的能量效率(接近100％)，並且不需要變跡。重要的是要注意，即使衍射光學元件是僅針對相位的元件，也無法通過該衍射光學元件來實現這種高效率，這是因為光被分散到不期望的衍射階次。因為本發明的技術不需要數字後處理，所以其適合眼科應用或其他「非計算機」應用。
本發明的光學元件被構造為限定空間低頻轉換的掩模(優選地為二元掩模)。這實際上可以通過以下方式來實現將光學元件設計為在成像透鏡平面內將至少一個轉換區域(例如，線或圓)限定為被成像透鏡區域包圍。所述光學元件的該至少一個區域與成像透鏡區域一起限定由不同光學特性(即，對穿過成像透鏡裝置的光的相位具有不同影響)的間隔開的光學透明特徵形成的預定圖案。
至少考慮成像透鏡的有效孔徑大小來選擇成像透鏡平面(即，有效孔徑平面)內的光學元件的一個或多個轉換區域的位置。適當地選擇這些位置以產生穿過透鏡裝置中的與不同特徵的圖案相對應的不同區域的光部分之間的適當相位幹涉關係，從而使得能夠減小由離開所述成像透鏡的焦點的光導致的二次相位因子，並因此使所述成像透鏡裝置的散焦光傳遞函數(OTF)最大化。
如上所述，為了設計用於光學元件的擴展焦深(EDOF)的最佳結構，考慮所述成像透鏡的有效孔徑。還可以考慮成像透鏡的光學焦度分布和/或焦距因為EDOF沒有光學焦度，所以可以將其添加到成像透鏡以在某給定光學角度附近移動擴展焦深的範圍。
使用優化算法(基於數值或分析方法，得到空間低頻全光學擴展焦深)來確定EDOF元件(即，至少一個轉換區域)的最佳幾何形狀和尺寸，該算法確定給定成像透鏡內(即，對於給定的有效孔徑大小)的元件的一個或多個轉換區域的N個位置。
考慮眼科應用，其中可以由大多數病人共有的某相對窄範圍的值來限定透鏡(眼睛瞳孔、或接觸式透鏡、或眼鏡的透鏡)的有效孔徑，本發明的EDOF被設計為對於大量病人通用。這種通用EDOF被構造為對於2-3mm的有效孔徑使得焦深區域相當於5屈光度。對於在近視和遠視之間具有較高差異的較小比例的病人，對EDOF元件的設計考慮了該元件所關聯的成像透鏡的光學焦度。
在自相關運算下，轉換(其為針對特定波長的pi相位轉換，針對該特定波長而設計了EDOF)的位置產生對二次相位失真(其與成像透鏡的CTF相乘，與離開焦點的效果相對應)的恆定性。由於(由EDOF和成像透鏡形成的)孔徑掩模是根據空間低頻轉換而建立的這一事實，其不會將能量從零次衍射擴展開，其能量效率接近於100％。
應該注意，進行CTF的自相關來計算成像系統的光傳遞函數(OTF)。可以使用迭代算法來計算EDOF轉換的位置，在該迭代算法中，在一組焦點未對準位置中檢查M個位置，並最終從它們當中選擇提供OTF的最大對比度的位置。OTF的對比度優化(最大化)的意義實際上是將焦點未對準OTF限制得儘可能遠離零。
本發明的擴展焦深(EDOF)元件被構造為產生適當的相位幹涉關係，該相位幹涉關係允許由於離開焦點而獲得的二次相位因子的顯著去除。該EDOF元件是影響相位的元件(例如，僅針對相位的二元掩模元件)，其既不是折射元件也不是衍射元件。與折射元件相比，與用於傳統衍射光學元件的製造方法相似，本發明的EDOF濾光器可被製造為以低成本的光刻技術構成的薄相位層，該相位層的厚度僅為一個波長(例如，在環境光照明的情況下為大約0.5微米)。另一方面，與衍射光學元件相比，本發明的EDOF具有頻率非常低的空間特徵。該元件僅包含非常有限數量的特徵以及低空間頻率的周期(大約1,000個波長的周期)。本發明的光學元件的特性使得可以獲得真正的能量效率高的EDOF，因為不僅所有能量穿過元件自身(其基本上是僅針對相位的)，而且所有能量還集中在所關注的適當橫向和縱向區域(與在多個縱向焦平面之間或在橫向衍射階次之間具有能量分割的衍射元件相反)。
因此，本發明的光學元件的高能量效率(接近於100％)提供了擴展焦深，這與基於使用衍射光學元件的方法相反，這些元件在多個衍射階次/焦平面之間分割能量並且基本上相當於較小的透鏡孔徑(還具有較大的焦深)。此外，所發明的方法的低空間頻率消除了其對波長和多色照明的靈敏度，而該靈敏度是衍射光學元件的主要問題。此外，重要的是要注意，所發明的方法是一種不需要數值計算的全光學技術，並且當將該方法用於眼科應用時，沒有假定基於大腦的解碼或自適應處理，因為擴展焦深圖像與對象自身的圖像相同。
因此根據本發明的一個廣義方面提供了一種成像裝置，該成像裝置包括成像透鏡組件，其包括具有特定有效孔徑的至少一個透鏡；以及至少一個光學元件，所述光學元件與所述至少一個透鏡相關聯並被構造為提供所述成像裝置的擴展焦深，所述光學元件被構造為用於限定空間低頻相位轉換的影響相位的、非衍射光學元件，所述光學元件與其相關透鏡一起限定由不同光學特性的間隔開的光學透明特徵形成的預定圖案，至少通過所述有效孔徑的尺寸來確定所述透鏡平面內的光學元件的至少一個相位轉換區域的位置。
根據本發明的另一廣義方面，提供了一種成像裝置，該成像裝置包括成像透鏡組件，其包括具有特定有效孔徑的至少一個透鏡；以及至少一個光學元件，所述光學元件與所述至少一個透鏡相關聯並被構造為提供所述成像裝置的擴展焦深，所述光學元件被構造為用於限定空間低頻相位轉換的影響相位的、非衍射二元掩模，所述光學元件與其相關透鏡一起限定由不同光特性的間隔開的光學透明特徵形成的預定圖案，至少通過所述有效孔徑的尺寸來確定所述透鏡平面內的光學元件的至少一個相位轉換區域的位置。
根據本發明的另一方面，提供了一種成像裝置，該成像裝置包括成像透鏡組件，其包括具有特定有效孔徑的至少一個透鏡；以及至少一個光學元件，所述光學元件與所述至少一個透鏡相關聯並被構造為提供所述成像裝置的擴展焦深，所述光學元件被構造為用於限定空間低頻相位轉換的影響相位的、非衍射光學元件，所述光學元件與其相關透鏡一起限定由不同光學特性的間隔開的光學透明特徵形成的預定圖案，至少通過所述有效孔徑的尺寸來確定所述透鏡平面內的光學元件的至少一個相位轉換區域的位置，以使所述光學元件產生穿過所述成像裝置中的與不同特徵的圖案相對應的不同區域的光部分之間的適當相位幹涉關係，從而減小由於離開所述成像透鏡的焦點的光而導致的二次相位因子，並通過提供儘可能遠離零的焦點未對準光傳遞函數(OTF)而使所述成像透鏡裝置的散焦OTF最大化。
根據本發明的另一廣義方面，提供了一種成像裝置，該成像裝置包括成像透鏡組件，其包括具有特定有效孔徑的至少一個透鏡；以及至少一個光學元件，所述光學元件與所述至少一個成像透鏡相關聯並被構造為提供所述成像裝置的擴展焦深，所述光學元件被構造為用於限定所述成像透鏡的平面內的空間低頻相位轉換的特定圖案的影響相位的、非衍射元件，以使所述光學元件與其相關成像透鏡一起確定由對穿過所述成像裝置的光的相位有不同影響的間隔開的光學透明特徵形成的預定圖案，至少通過所述有效孔徑的尺寸來確定所述成像透鏡平面內的光學元件的相位轉換的位置，以降低所述成像裝置對所述成像透鏡在離開焦點時的相干傳遞函數(CTF)的移動的靈敏度。
根據本發明的另一廣義方面，提供了一種成像裝置，該成像裝置包括透鏡的陣列，各個透鏡具有特定的有效孔徑；以及光學元件的陣列，各個光學元件與所述透鏡陣列中的一個透鏡相關聯並被構造為提供所述成像裝置的擴展焦深，所述光學元件被構造為用於限定空間低頻相位轉換的影響相位的、非衍射光學元件，所述光學元件與其相關透鏡一起限定由不同光學特性的間隔開的光學透明特徵形成的預定圖案，至少通過所述有效孔徑的尺寸來確定所述透鏡平面內的光學元件的至少一個相位轉換區域的位置。
根據本發明的另一方面，提供了一種在病人的眼鏡中使用的成像透鏡，該成像透鏡被構造為限定特定的有效孔徑並帶有被構造為提供擴展焦深的光學元件，所述光學元件被構造為用於限定空間低頻相位轉換的影響相位的、非衍射光學元件，所述光學元件與其相關透鏡一起限定由不同光學特性的間隔開的光學透明特徵形成的預定圖案，至少通過所述有效孔徑的尺寸來確定所述透鏡平面內的光學元件的至少一個相位轉換區域的位置。
根據本發明的另一方面，提供了一種帶有成像裝置的顯示裝置，所述成像裝置包括成像透鏡的陣列，各個成像透鏡具有特定的有效孔徑；以及光學元件的陣列，各個光學元件與所述透鏡中的對應的一個透鏡相關聯並被構造為提供擴展焦深，所述光學元件被構造為用於限定空間低頻相位轉換的影響相位的、非衍射光學元件，所述光學元件與其相關透鏡一起限定由不同光學特性的間隔開的光學透明特徵形成的預定圖案，至少通過所述有效孔徑的尺寸來確定所述透鏡平面內的光學元件的至少一個相位轉換區域的位置。
應該理解，這種顯示裝置可以是與電子裝置(例如行動電話)一起使用或者作為電子裝置的一部分的動態型裝置，或者可以是靜態顯示裝置。
根據本發明的另一方面，提供了一種用於在檢測器平面上創建對象的圖像的系統，該系統包括成像透鏡裝置，該成像透鏡裝置由成像透鏡組件以及被構造為提供所述成像裝置的擴展焦深的至少一個光學元件形成，該成像透鏡組件包括具有特定的有效孔徑的至少一個透鏡，所述光學元件被構造為用於限定空間低頻相位轉換的影響相位的、非衍射元件，所述光學元件與其相關成像透鏡一起限定由不同光學特性的間隔開的光學透明特徵形成的預定圖案，至少通過所述有效孔徑的尺寸來確定所述成像透鏡平面內的光學元件的至少一個相位轉換區域的位置，以使所述光學元件產生穿過所述成像裝置中的與不同特徵的圖案相對應的不同區域的光部分之間的適當相位幹涉關係，從而使得能夠減小由於離開所述成像透鏡的焦點的光而導致的二次相位因子，並使所述成像裝置的散焦光傳遞函數(OTF)最大化。
根據本發明的另一方面，提供了一種與成像透鏡一起使用的用於擴展成像的焦深的光學元件，所述光學元件被構造為用於限定空間低頻相位轉換的預定圖案的影響相位的、非衍射光學元件，所述圖案由給定成像透鏡的有效孔徑限定。
根據本發明的另一方面，提供了一種與成像透鏡一起使用的用於擴展成像的焦深的光學元件，所述光學元件被構造為用於限定空間低頻相位轉換的預定圖案的僅針對相位的、非衍射二元元件，所述圖案由給定成像透鏡的有效孔徑限定。根據本發明的另一方面，提供了一種用於擴展成像的焦深的光學元件，所述光學元件被構造為用於限定空間低頻相位轉換的影響相位的、非衍射光學元件。
根據本發明的另一方面，提供了一種用於擴展成像的焦深的光學元件，所述光學元件被構造為用於限定空間低頻相位轉換的影響相位的、非衍射光學元件，所述光學元件限定相位轉換區域的預定圖案，根據給定成像透鏡(針對該給定成像透鏡來設計所述光學元件)的有效孔徑來設置所述轉換區域，以在成像透鏡平面中的預定位置內提供所述光學元件的所述轉換區域，以提供通過具有所述光學元件的成像透鏡傳播的光場的橫向相位形狀的周期性副本。
根據本發明的另一方面，提供了一種用於擴展成像的焦深的光學元件，所述光學元件被構造為用於限定空間低頻相位轉換的僅針對相位的、非衍射二元元件，所述光學元件限定相位轉換區域的預定圖案，根據給定成像透鏡(針對該給定成像透鏡來設計所述光學元件)的有效孔徑來設置所述轉換區域，以在成像透鏡平面中的預定位置內提供所述光學元件的所述轉換區域，以提供傳播通過具有所述光學元件的成像透鏡的光場的橫向相位形狀的周期性副本。
根據本發明的另一方面，提供了一種提供成像系統的特定擴展焦深的方法，該方法包括通過以下步驟對具有特定有效孔徑的成像透鏡應用孔徑編碼對所述成像透鏡應用影響相位的非衍射光學元件，該光學元件被構造為限定空間低頻相位轉換結構，從而在成像透鏡平面內提供不同光學特性的間隔開的基本光學透明特徵的預定圖案，從而產生穿過所述透鏡裝置中的與所述不同特徵的圖案相對應的不同區域的光部分之間的相位幹涉關係，以減小由於離開所述成像透鏡的焦點的光而導致的二次相位因子並使所述成像透鏡裝置的散焦光傳遞函數(OTF)最大化。
根據本發明的另一方面，提供了一種提供成像系統的特定擴展焦深的方法，所述方法包括設計與具有特定有效孔徑的成像透鏡一起使用的影響相位的非衍射光學元件，所述設計包括在一組焦點未對準位置中，選擇所述成像透鏡有效孔徑內的用於相位轉換的N個位置作為提供所述成像系統的光傳遞函數(OTF)的最大對比度的位置，從而提供儘可能遠離零的焦點未對準OTF。


為了理解本發明並了解在實踐中如何實施本發明，現在將參照附圖僅通過非限制性示例的方式來描述優選實施例，在附圖中圖1A是利用根據本發明而構造的成像透鏡裝置的成像系統的示例的示意圖；圖1B示意性地示出了本發明的成像透鏡裝置的另一示例；圖1C示意性地示出了本發明的成像透鏡裝置的適於與顯示裝置一起使用的另一示例；圖1D和1E分別示出了與成像透鏡實現為一體的本發明的光學元件的兩個示例；圖2A至2C分別示出了適於在成像透鏡裝置中使用的本發明的光學元件的輪廓的三個示例；圖3A至3D示出了本發明與傳統方法相比的效果；圖4A至4I例示了對於使用本發明的光學元件的情況，在焦點未對準參數4ψ/D2以0.05的步長從-0.2(圖4A)變化到0.2(圖4I)的情況下所獲得的臉部圖像；
圖5A至5I例示了對於沒有使用本發明的光學元件的情況，在焦點未對準參數4ψ/D2以0.05的步長從-0.2(圖5A)變化到0.2(圖5I)的情況下所獲得的臉部圖像；圖6示出了檢查光學元件對波長變化的靈敏度的結果；圖7A至7D示出了在具有和沒有本發明的EDOF元件的情況下對圓花飾(Rosette)進行成像的實驗結果圖7A對應於在沒有EDOF元件的情況下圓花飾的焦點對準位置；圖7B對應於在具有EDOF元件的情況下的焦點對準位置；圖7C對應於在沒有EDOF元件的情況下圓花飾的焦點未對準位置；而圖7D對應於在具有EDOF的情況下的焦點未對準位置；圖8A至8D以及圖9A至9H示出了本發明的擴展焦深技術對於多色空間非相干照明的實驗驗證；圖10A示出了對於將光學元件安裝在接觸式透鏡上的情況，本發明的眼科焦深應用的性能；以及圖10B示出了對於在具有和沒有本發明的光學元件的情況下獲得焦點的最小範圍，本發明的眼科焦深應用的性能。
具體實施例方式
參照圖1A，示意性地示出了利用本發明的成像透鏡裝置12的成像系統10。該成像系統10由待成像的對象13、成像透鏡裝置12和光檢測器單元16形成。成像透鏡裝置12包括特定數量的透鏡12A(通常為至少一個透鏡，在本示例中示出了單個透鏡)，其具有特定的有效孔徑D(其在本示例中為透鏡直徑)；和特定數量的光學元件12B(在本示例中為單個元件)，其與透鏡12A相關聯。這種光學元件12B被配置並可作為擴展焦深(EDOF)元件進行工作。
根據透鏡12A的參數(即其有效孔徑，並且可選地還可以是光學焦度分布和/或焦距)來配置光學元件12B。將光學元件12B配置為影響相位的非衍射掩模。優選的是，如本示例所示，掩模12B與透鏡實現為一體，即，實現為透鏡表面上的圖案。
通常，掩模12B可以是安裝在透鏡上或位於其附近的獨立元件。這在圖1B中示出，圖1B示出了利用透鏡裝置112的成像系統100，透鏡裝置112包括透鏡12A和在透鏡前方位於透鏡附近的影響相位的非衍射光學元件12B。
圖1C示意性地示出了根據本發明的另一示例的成像系統200。這裡，成像透鏡裝置212包括透鏡陣列12A，其在本示例中由四個這種透鏡L1、L2、L3和L4形成；和光學元件OE1、OE2、OE3和OE4的陣列12B，各個光學元件與透鏡(1enslet)陣列中的對應透鏡相關聯。
這種系統200例如可以與顯示板或屏幕13(構成對象)一起使用，旨在幫助(例如，行動電話設備的)顯示器/屏幕針對具有近視問題的人成像。成像裝置212容納在距顯示板13的表面13』較小距離(幾釐米)處。此外，在本示例中，光學元件的陣列12B相對於從對象13朝向光檢測器16(病人的眼睛)的光傳播而位於透鏡陣列12A的下遊。使用這種透鏡陣列和EDOF元件的陣列可以使成像裝置212的最近焦平面FP儘可能地靠近對象13的平面，從而具有近視問題的人以及具有正常視力的人將能夠看到屏幕。此外，使最近焦平面更靠近對象平面降低了待聚焦的對象的縮小倍率。
優選的是，將光學元件12B配置為僅針對相位的二元掩模。然而應該注意，通常可以將元件12B配置為相位和幅值掩模。
將光學元件12B配置為限定至少一個空間低頻率轉換區域，該區域與透鏡12A的區域一起限定被隔開的基本光學透明特性的預定圖案，該預定圖案對穿過它的光的相位有不同的影響。因此，由在成像透鏡平面內被透鏡區域隔開的光學元件的一個或更多個轉換區域形成該圖案。這些轉換區域是用於特定波長(掩模12B是針對該波長而設計的)的pi相位轉換。根據給定成像透鏡12A的有效孔徑(還可能根據透鏡的光學焦度)來確定這些轉換區域的排列(在透鏡12A的平面內的位置)，以使整個成像裝置的散焦OTF最大化。為此，該圖案用於產生穿過該透鏡裝置的不同區域的光部分之間的正確相位幹涉關係，從而使得能夠減小由離開成像透鏡的焦點的光所引起的二次相位因子。
如圖1D和1E所示，可以將光學元件實現為成像透鏡上的表面起伏(relief)(圖1D)，即，可變透鏡厚度的隔開區域R1和R2的圖案；或者可以將光學元件實現為由具有不同折射率n1和n2的材料製成的透鏡區域R′1和R′2的圖案(圖1E)。在不同折射率材料的情況下，可以將折射率與透鏡的折射率不同的特定的光學透明材料塗布在透鏡表面的選擇性隔開的區域上。
圖2A至2C分別示出了光學元件12B的輪廓的兩個具體但非限制性的示例。在圖2A的示例中，掩模12B被設計成環形轉換區域14(通常，有至少一個這種區域；也可以使用同心環陣列)。在圖2B的示例中，掩模被設計成由兩對互相垂直的條(線)B1-B′1和B2-B′2形成的柵格。在圖2C的示例中，元件12B是由基本柵格元件BE的二維陣列形成的掩模。例如，沿著條狀線的轉換區域是pi相位轉換，垂直條之間的相交區域是零相位轉換。對算法進行求解而獲得光學元件的優化輪廓，這將在下面進一步描述。
應該注意，掩模(圖案)可以相對於透鏡中心對稱，也可以不對稱。在這種結構中，例如，在圖2A中示出的四個π相位條(兩個垂直(沿著Y軸)條和兩個水平(沿著X軸)條)可以沿著x-y平面橫向移動，從而不以透鏡中心為中心。
雖然沒有具體示出，但是還應該注意的是，該圖案可被配置為限定相位轉換區域內部(例如，圖2A的pi相位轉換環內部)的微結構，即，各個相位轉換區域可以是可變空間低頻的相位轉換，例如π/2，π，...。
本發明提供了成像透鏡12A的有效孔徑內的N段掩模形式的EDOF元件12B。應該理解，本發明提供了基本上僅針對相位的、非衍射掩模12B(其根據段而為1或(-1))，而不是具有在某些段中阻擋能量而在其他段中透射能量的掩模。
如上所述，掩模12B被設計成通過產生二次相位因子(當圖像散焦並與成像透鏡的CTF相乘時產生該因子)的恆定性而使成像系統的散焦OTF最大化。為此，為了最佳地設計掩模12B，搜索將獲得(-1)的透射值的段，從而OTF由於焦點未對準(out of focus)失真而被限制為儘可能遠離零。因為掩模12B是二元相位掩模，所以不考慮能量效率(透光率為100％)。遵從這些標準，針對孔徑編碼掩模的所有可能性和組合進行搜索。通過將孔徑與下式相乘而對焦點未對準失真進行建模D~(v)=exp(i4v2D2)---(1)]]>其中， 是與被成像的對象的焦點未對準位置相對應的成像透鏡12A的CTF，D是成像透鏡12A的直徑(通常為透鏡的有效孔徑)，v是(CTF平面內的)透鏡的孔徑的坐標，ψ是表示偏離焦點的量的相位因子=D24(1u+1v-1F)---(2)]]>其中，λ是波長，u是成像透鏡12A和對象13之間的距離，v是成像透鏡12A和傳感器16(檢測器)之間的距離，F是成像透鏡的焦距。應該注意，術語「成像透鏡」在這裡指的是其有效孔徑。
當滿足成像條件1u+1v=1F---(3)]]>時，失真相位因子ψ等於零。
通過使CTF與其自身自相關來計算OTFOTF(v)＝CTF(v)CTF(v)(4)自相關運算包括分別將兩個CTF函數移動到相反方向，然後相乘並將對結果求和。這樣獲得的OTF與對應於移動量的空間頻率相關。在高頻(較大移動)時，在焦點未對準的情況下，該相乘以及求和被平均為零。因此，當圖像散焦時，OTF不透射高頻。
本發明的相位掩模(例如，環)旨在降低在CTF的較大移動時的高頻去除(OTF是CTF的自相關)。為此，將掩模配置為使在被平均為零之前(即，沒有EDOF矯正的純透鏡)的光場的一部分的符號相反(這就是OTF不透射高空間頻率的原因)。
OTF是強度點擴散函數的傅立葉變換，當施加不相干照明時，使用OTF來表示強度的空間頻率透射函數。因此，使OTF最大化的數學公式如下maxan{min{[D~(v)n=1Nanrect(v-nvv)][D~(v)n=1Nanrect(v-nvv)]}}---(5)]]>
即，找到提供自相關表達式的最小值中的最大值的an值，其中，an＝(1，-1)(其等於1或-1)。
應該注意，上述迭代數值算法是特定的，但不是用於限定EDOF元件結構的限制性示例。也可以使用其他技術，例如基於熵最小化或最大似然的數值方法、或其他數值或分析方法，來得到空間低頻的全光學擴展焦深。
圖3A至3D示出了本發明的效果。針對不同的相位因子值在圖3A中ψ＝1.6；在圖3B中ψ＝4.8；在圖3C中ψ＝9.8；在圖3D中ψ＝12.8獲得的OTF的絕對值(稱為調製傳遞函數MTF)的三個示例。在這些圖中的每一個中，曲線C1對應於焦點對準狀態下的MTF，曲線C2對應於在沒有使用本發明的矯正光學元件(EDOF元件，圖1中的掩模12B)的情況下成像系統的散焦MTF，曲線C3對應於具有矯正元件的系統的散焦MTF。
利用產生相位形狀的周期性副本(即相位形狀的橫向副本)的相位元件可以獲得橫向恆定性。返回到例示了由基本元件BE的二維陣列形成的掩模的圖2C，當較大橫向移動(高頻)把部分相位形狀排除在外時，從掩模的另一空間周期插入補充(complimentary)部分，從而通過副本產生相位周期。因此，(基本元件BE的)轉換的基本周期的副本降低了對橫向移動的靈敏度。如下獲得縱向恆定性給定相位元件和傳感器(成像透鏡平面或有效孔徑平面)之間的縱向距離，在眼科應用的情況下該傳感器是人眼的晶狀體，考慮掩模函數對於該距離的自由空間傳播。結果是相位和幅值分布。丟棄幅值，僅留下相位的輪廓。在許多情況下，對相位函數的二元化也可以足夠好的結果。該二元化實現了更易於製造的空間掩模。
參照圖4A至4I以及圖5A至5I，其示出了當散焦參數4ψ/D2以0.05的步長從-0.2(圖4A和5A)變化到0.2(圖4I和5I)時臉部圖像的樣子。圖4A至4I示出了使用本發明的(最優設計的)掩模的情況，圖5A至5I示出了沒有使用這種孔徑編碼掩模的情況。在本示例中，使用了被配置為與圖2B的EDOF元件相似的EDOF元件。從圖中可清楚地看到，由於本發明的孔徑編碼掩模，圖4A至4I以及圖5A至5I的圖像之間的失真存在差異。
圖6示出了檢查本發明的編碼掩模(EDOF元件)對波長變化的靈敏度的結果。在本示例中，使用波長λ1＝0.8λ0照射成像透鏡裝置(具有編碼掩模的成像透鏡)，其中λ0是針對其設計並製造掩模以表現出pi相位轉換的波長，並且使用4ψ/D2＝0.15的散焦參數。可以看到，由於使用掩模而獲得的焦點未對準失真仍然非常低，儘管不再對掩模進行優化(因為掩模圖案特徵是針對λ0而不是針對λ1的pi相位轉換)。
圖7A至7D示出了對圓花飾(Rosette)進行成像而獲得的另一試驗結果。這裡，圖7A示出了與在沒有本發明的EDOF元件的情況下獲得的圓花飾的焦點對準位置相對應的圖像；圖7B示出了利用EDOF元件獲得的焦點對準圖像；圖7C對應於在沒有EDOF元件的情況下圓花飾的焦點未對準位置；而圖7D示出了利用本發明的EDOF改進獲得的焦點未對準圓花飾的圖像。在本示例中，使用被配置為與圖2A的EDOF元件相似的EDOF元件。如所示出的，使用本發明的EDOF元件提供了對空間高頻的改進以及對系統焦點對準時的輸入的影響。
應該注意，在示出了焦深的充分擴展的圖4A至4I、5A至5I、6以及7A至7D中所示的所有圖像中，沒有應用數字後處理。應用這種處理可以進一步改善所獲得的結果。
發明人針對多色空間非相干照明(普通照明)進行了擴展焦深方法的實驗性驗證。實驗條件如下成像透鏡的焦距F＝90mm，成像透鏡和對象之間的距離v＝215.9mm，成像透鏡和檢測器(CCD)之間的距離u＝154.3mm，成像透鏡的孔徑D＝16mm。因此，對於將對象從焦平面移動1.5mm的距離的情況，相位失真的測量結果ψ等於13；對於將對象移動2mm的距離的情況，ψ＝17。根據上面的式2並且使用光學系統中的透鏡的距離和直徑(透鏡的有效孔徑)來計算相位因子ψ的值。圖8A至8D以及圖9A至9H示出了在這些條件下的實驗結果。在本示例中，使用與圖2A的EDOF元件相似的EDOF元件。
這裡，圖8A對應於在沒有使用本發明的光學元件的情況下的焦點對準位置；圖8B對應於在利用這種元件的情況下的焦點對準；圖8C對應於在ψ＝13(+1.5mm)時在沒有該光學元件的情況下的散焦位置；圖8D對應於在ψ＝13(+1.5mm)時在利用該光學元件的情況下的散焦位置。
圖9A示出了在沒有該光學元件的情況下獲得的聚焦圖象；圖9B示出了在沒有該元件的情況下在ψ＝13(+1.5mm)時的散焦圖像；圖9C示出了在沒有該元件的情況下在ψ＝17(+2mm)時的散焦圖像；圖9D至9F對應於圖9A至9C，但是具有該光學元件；圖9G示出了利用多色照明在沒有該元件的情況下獲得的ψ＝13(+1.5mm)時的散焦圖像；圖9H示出了對於多色照明利用該光學元件而獲得的ψ＝13(+1.5mm)時的散焦圖像。
如上所述，可以將本發明的成像透鏡裝置用於眼科應用。為了使得可以將該成像透鏡裝置插入到眼睛中，透鏡裝置的表面要平坦。適於製造這種成像透鏡裝置(即，平坦構圖的成像透鏡)的製造技術例如包括進行蝕刻(溼或幹)或雷射鑽孔或車床磨削以獲得期望的空間結構(表面起伏)，然後使用折射率與透鏡的折射率不同的材料來填充被排空的體積，提供使掩模的外部區域平坦的折射率差，同時產生緩衝相位區域所需的期望相位差，該緩衝相位區域針對幹涉效應在透鏡孔徑的區域之間產生適當的均衡。另一實現可以通過散射或光聚合，該光聚合不包括聚合材料的顯影或去除。與眼睛手術有關的另一方法可以通過植入人造組織，該人造組織與眼睛的現有組織相比具有折射率差。將本發明的EDOF元件(沒有光焦度)添加到要獲得的特定透鏡的焦度(focal power)。例如，如果病人需要-1屈光度的鏡片和3屈光度的鏡片用於近視和遠視，則可以將本發明的EDOF元件適當地設計成用在這些鏡片中的任一個上，根據相應的透鏡孔徑進行配置以使得焦深區域等於5屈光度。實際上，在該具體示例中，可以使用具有本發明的EDOF元件的1屈光度鏡片，其中，該EDOF元件在透鏡的光焦度(1屈光度)周圍工作並提供從-1.5到3.5屈光度的焦深區域。因此，病人可以僅使用一對屈光度為1的鏡片。將鏡片(成像透鏡)的該焦度加到EDOF元件。這種EDOF元件通過產生穿過透鏡的不同區域的光部分之間的適當相位幹涉關係而使透鏡裝置的散焦OTF最大化(對各鏡片的成像透鏡的CTF概況進行適當調製)，以減小由於離開成像透鏡的焦點的光而導致的二次相位因子。發明人發現對於大多數病人，可以使用共同的EDOF元件結構，優選地為圖2C的結構。返回到圖2C，(基本元件BE的)基本周期為約3mm，兩個相鄰條之間的距離為約1.875mm，並且條厚度為約0.375mm。
如果將具有其焦深範圍的EDOF元件用在眼科應用的透鏡(例如接觸式透鏡)的頂部，則可將其轉換為屈光度範圍。根據照明條件，眼睛晶狀體的直徑(成像透鏡的有效孔徑)從2mm到6-7mm變化。該光學元件產生一屈光度範圍，在該屈光度範圍內使圖像焦點對準。發明人發現對於在眼瞳孔的直徑為2mm的照明環境下得到的相位因子ψ的範圍(大約達到17)，所獲得的屈光度範圍P大於5(從-2.5到2.5)。該仿真遵循公式P=4D2---(6)]]>圖10A至10B示出了使本發明的眼科焦深應用的性能可視化的仿真結果。圖10A的仿真對應於由於將EDOF元件安裝在接觸式透鏡上的事實而獲得的總體屈光度範圍。根據照明條件，眼晶狀體的直徑從2mm到6-7mm變化。該仿真遵循上面的式6。
在圖10B的仿真中，使用具有固定焦距的成像透鏡。如果透鏡和傳感器之間的距離等於其焦距(v＝F)，則圖像將從特定距離umin開始直到無窮遠地焦點對準，其中，距離umin被確定為umin=14D2+1F-1v=D24---(7)]]>並且對於v＝F，可以獲得umin=D24---(8)]]>圖10B描繪了具有和沒有本發明的EDOF元件時的umin的圖。可以看到，當使用所發明的元件時，最小距離要小得多。因此，聚焦的總個範圍大得多。應該注意，對於人眼，v＝15mm。
返回到圖1C，圖1C例示了由透鏡陣列和EDOF元件陣列形成的本發明的成像裝置(適於與顯示板或屏幕一起使用)，可以如下估計該成像裝置所需的參數假設屏幕13與透鏡陣列12A之間的距離u為約2mm；屏幕13與最近的焦平面FP之間的距離v為40cm；以及眼睛16與最近的焦平面FP之間的距離R為約1m。由屏幕或行動電話的顯示器構成對象13。基本上，透鏡陣列12A將對象平面13成像在最近的焦平面FP上，即1u-1v=1f]]>f=uvv-u]]>這給出f＝2.01mm。
散焦參數被定義為=D24(1u+1v-1f)]]>其中λ是波長。
通過使用EDOF，該參數的值可達到15，並且在沒有EDOF元件的情況下，該參數的值可達到2-3，而不會使圖像質量失真。可以將透鏡陣列中的透鏡的直徑D設置為使得屏幕13與最近的焦平面FP之間的距離的最小值(vmin)非常接近於對象平面13，以具有最小縮小倍率。該縮小倍率因子為MT=vminu]]>為了使vmin＝u＝2mm，需要D=f]]>這得到D=150.5m2.01mm=70m]]>應該注意，在沒有EDOF元件的情況下，最小距離v將是vmin=11u-1f-maxD2=112mm-12.01mm-20.5m(70m)2=16mm]]>這意味著縮小倍率因子為8(16mm/2mm)。這種縮小倍率將無法使得能夠看到顯示器中的字符。
將透鏡陣列12A安裝在屏幕上而降低了可視解析度。這種成像系統的解析度受以下因素的限制x=1.22fD=1.220.5m2.01mm70m=17.5mm]]>因為出現在屏幕上的細節比它更大，成像透鏡陣列沒有損害解析度。
根據上述的計算，將其眼睛聚焦到屏幕上(或者位於屏幕後面2mm的平面上)的具有正常視力的人也將會看到焦點對準的圖像。
本發明的技術對大量的應用而言將是突破，這些應用包括但不限於以下應用包含攝像機的傳統辦公設備，例如可攜式攝像機、掃描儀(例如條形碼掃描儀)和網絡攝像頭；傳統的成像系統，其包括攝像機和檢測器，即蜂窩攝像機、汽車攝像機、監視攝像機、機器視覺、攝影、HDTV、視頻會議、雷達成像系統(通常有散焦問題)、內窺鏡和被動生物醫學檢查、斷層攝影、顯示板等。在內窺鏡和被動生物醫學檢查中使用本發明的焦深擴展元件使得能夠進行體內成像以看到焦點對準的器官，否則看不到焦點對準的器官，因為沒有對醫療裝置的確切位置進行控制。本發明的一些其他可能的應用包括在各種光學系統中(例如，在光通信中)校正色差；與利用光反射或螢光的信息載體(例如，傳統的DVD)或多層信息載體一起使用的介質讀取器/寫入器。
還可以將本發明用於眼科應用，例如接觸式透鏡、眼鏡透鏡、眼內透鏡、或者在眼睛的任何部分周圍使用或插入到眼睛的任何部分中的任何其他透鏡。一個明顯的例子是使用本發明對視域短(近視)的人的好處，這些人因為他們的自然眼睛晶狀體的年齡相關的變化而發展為遠視眼，從而需要閱讀用的眼鏡。在這種應用中，那些人可以使用單個透鏡作為眼鏡透鏡、接觸式透鏡、角膜內透鏡、晶狀體眼內透鏡或非晶狀體眼內透鏡、或插入眼內其他地方的透鏡。通過這種方式，他們將使用一個透鏡來觀看任何距離(近或遠)。本發明的另一明顯的應用為眼內透鏡、在去除了白內障之後植入眼睛的人造透鏡。目前，常規的人造透鏡只有單個焦點，從而其眼中植入了透鏡的人的焦深非常有限，並且必須使用針對多數距離的眼鏡。將本發明結合到植入式透鏡中將向病人提供所有距離的聚焦視力。眼科應用的另一示例是作為多焦點(漸進式)眼鏡透鏡的替代，該多焦點眼鏡透鏡傳統上被設計成使透鏡表面的每一個段具有不同的焦點，因而病人必須移動他的眼鏡來聚焦位於不同距離的對象。將本發明結合到眼鏡或接觸式透鏡中將使得遠視眼鏡佩帶者能夠通過透鏡的任何部分看到位於所有距離的焦點對準的對象。
與多焦點接觸式透鏡或眼內透鏡相比的區別在於，在本發明的包括以上示例在內的所有應用中，位於不同距離的對象的圖像被聚焦在視網膜(或傳感器)上而不會明顯損失能量。
本領域的技術人員將容易理解，在不脫離在所附權利要求中限定並由所附權利要求限定的本發明的範圍的情況下，可以對前述本發明的實施例進行各種變型和改變。
權利要求
1.一種成像裝置，該成像裝置包括成像透鏡組件，其包括具有特定有效孔徑的至少一個透鏡；以及至少一個光學元件，其與所述至少一個透鏡相關聯並被構造為提供所述成像裝置的擴展焦深，所述光學元件被構造為用於限定空間低頻相位轉換的影響相位的、非衍射光學元件，所述光學元件與其相關透鏡一起限定由不同光學特性的間隔開的光學透明特徵形成的預定圖案，至少通過所述有效孔徑的尺寸來確定所述透鏡平面內的光學元件的至少一個相位轉換區域的位置。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述透鏡組件包括與單個光學元件相關聯的單個透鏡。
3.根據權利要求1所述的裝置，該裝置包括包含透鏡陣列的透鏡組件和光學元件的陣列，各個光學元件與所述透鏡中的對應的一個透鏡相關聯。
4.根據前述權利要求中的任意一項所述的裝置，其中，所述光學元件被構造為僅針對相位的元件。
5.根據權利要求4所述的裝置，其中，所述光學元件被構造為二元掩模。
6.根據權利要求1至3中的任意一項所述的裝置，其中，所述光學元件被構造為影響相位和幅值的元件。
7.根據前述權利要求中的任意一項所述的裝置，其中，所述光學元件被構造為通過提供儘可能遠離零的焦點未對準光傳遞函數而使所述成像裝置的散焦光傳遞函數最大化。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中，所述光學元件被構造為產生穿過所述成像裝置的與所述圖案的不同特徵相對應的不同區域的光部分之間的適當相位幹涉關係，從而減小由於離開所述成像透鏡的焦點的光而導致的二次相位因子。
9.根據前述權利要求中的任意一項所述的裝置，其中，所述至少一個轉換區域被構造為針對特定波長的pi相位轉換，所述光學元件是針對該特定波長進行設計的。
10.根據前述權利要求中的任意一項所述的裝置，其中，通過所述成像透鏡的光學焦度來確定所述至少一個轉換區域相對於所述成像透鏡的位置。
11.根據權利要求7至10中的任意一項所述的裝置，其中，所述光學元件的N個轉換區域在成像透鏡平面內的使光傳遞函數最大化的位置被確定為maxan{min{[D~(v)n=1Nanrect(v-nvv)][D~(v)n=1Nanrect(v-nvv)]}}]]>an的值提供所述成像透鏡的相干傳遞函數的自相關表達式的最小值中的最大值，其中an等於1或-1， 是與被成像的對象的焦點未對準位置相對應的成像透鏡的相干傳遞函數並被確定為D~(v)=exp(i4v2D2),]]>其中D是有效孔徑尺寸，v是有效孔徑在相干傳遞函數平面中的坐標，ψ是表示離開焦點的程度的相位因子。
12.根據前述權利要求中的任意一項所述的裝置，其中，所述至少一個轉換區域具有由可變相位轉換子區域的陣列形成的子圖案。
13.根據權利要求9至11中的任意一項所述的裝置，其中，所述至少一個pi相位轉換區域具有由可變pi相位轉換子區域的陣列形成的子圖案。
14.根據前述權利要求中的任意一項所述的裝置，其中，所述光學元件被構造為至少一個環形轉換區域。
15.根據權利要求1至14中的任意一項所述的裝置，其中，所述光學元件被構造為柵格。
16.根據前述權利要求中的任意一項所述的裝置，其中，所述光學元件沿著所述成像透鏡的光軸與所述成像透鏡間隔開。
17.根據權利要求1至15中的任意一項所述的裝置，其中，所述光學元件安裝在所述成像透鏡上。
18.根據權利要求1至15中的任意一項所述的裝置，其中，所述光學元件被製造為與所述成像透鏡成為一體。
19.根據前述權利要求中的任意一項所述的裝置，其中，所述光學元件被構造為由所述轉換區域的陣列形成的掩模，所述轉換區域以被所述成像透鏡的光學透明區域隔開的間隔開的關係設置在所述成像透鏡平面內。
20.根據權利要求18所述的裝置，其中，所述至少一個轉換區域被形成為所述成像透鏡表面上的表面起伏，將所述至少一個區域內的透鏡厚度限定為與所述透鏡的其他區域內的透鏡厚度不同。
21.根據權利要求18或20所述的裝置，其中，所述至少一個轉換區域由折射率與所述成像透鏡材料的折射率不同的材料形成。
22.根據權利要求18或21所述的裝置，其中，所述光學元件被構造為由相位轉換區域的陣列形成的掩模，所述相位轉換區域由折射率與所述成像透鏡材料的折射率不同的材料形成。
23.根據權利要求7至22中的任意一項所述的裝置，其中，所述光學元件被構造為通過減少所述成像透鏡的相干傳遞函數在較大移動時的高頻去除而使所述光傳遞函數最大化。
24.根據權利要求7至23中的任意一項所述的裝置，其中，所述光學元件被構造為通過減少所述透鏡裝置對所述成像透鏡在離開焦點時的相干傳遞函數的移動的靈敏度而使所述光傳遞函數最大化。
25.根據權利要求24所述的裝置，其中，所述光學元件被構造為產生通過所述成像透鏡傳播的光場的橫向相位形狀的周期性副本。
26.根據權利要求24所述的裝置，其中，針對所述光學元件和所述成像透鏡平面之間的距離，根據所述光學元件函數的自由空間傳播來構造所述光學元件。
27.根據前述權利要求中的任意一項所述的裝置，該裝置在病人的眼鏡中使用。
28.一種與前述權利要求中的任意一項所述的成像裝置的成像透鏡一起使用的用於擴展成像的焦深的光學元件，該光學元件被構造為用於限定空間低頻相位轉換的預定圖案的影響相位的、非衍射光學元件，所述圖案由給定成像透鏡的有效孔徑限定。
29.一種用於在檢測器平面上創建對象的圖像的系統，該系統包括權利要求1至26中的任意一項所述的成像透鏡裝置。
30.根據權利要求28所述的系統，其中，所述對象是顯示裝置的屏幕，該屏幕在構成所述檢測器平面的眼睛視網膜上成像。
31.一種帶有前述權利要求中的任意一項所述的成像裝置的顯示裝置。
32.一種提供成像系統的特定擴展焦深的方法，該方法包括通過以下步驟對具有特定有效孔徑的成像透鏡應用孔徑編碼對所述成像透鏡應用影響相位的非衍射光學元件，該光學元件被構造為限定空間低頻相位轉換裝置，從而在成像透鏡平面內提供不同光學特性的間隔開的基本上光學透明特徵的預定圖案，由此產生穿過所述透鏡裝置的與所述圖案的不同特徵相對應的不同區域的光部分之間的相位幹涉關係，以減小由離開所述成像透鏡的焦點的光導致的二次相位因子並使所述成像透鏡裝置的散焦光傳遞函數最大化。
33.一種用於設計權利要求27所述的光學元件的方法，所述設計包括選擇所述成像透鏡有效孔徑內的用於相位轉換的N個位置作為在一組焦點未對準位置中提供所述成像系統的光傳遞函數的最大對比度的那些位置，從而提供儘可能遠離零的焦點未對準光傳遞函數。
34.根據權利要求33所述的方法，其中，所述光學元件的所述N個轉換區域在成像透鏡平面內的使所述光傳遞函數最大化的位置被確定為maxan{min{[D~(v)n=1Nanrect(v-nvv)][D~(v)n=1Nanrect(v-nvv)]}}]]>an的值提供所述成像透鏡的相干傳遞函數的自相關表達式的最小值中的最大值，其中an等於1或-1， 是與被成像的對象的焦點未對準位置相對應的成像透鏡的相干傳遞函數並被確定為D~(v)=exp(i4v2D2),]]>其中D是有效孔徑尺寸，v是有效孔徑在相干傳遞函數平面中的坐標，ψ是表示離開焦點的程度的相位因子。
35.根據權利要求33或34所述的方法，該方法包括製造由根據所述選擇的N個位置彼此間隔開的N個轉換的排列形成的掩模。
36.根據權利要求35所述的方法，該方法包括將所述掩模安裝在所述成像透鏡孔徑的表面。
37.根據權利要求33所述的方法，該方法包括對所述成像透鏡孔徑的表面進行構圖以形成根據所述選擇的N個位置彼此間隔開的N個轉換的掩模。
38.根據權利要求36或37所述的方法，該方法包括使所述表面基本平坦，從而使得可以將經構圖的成像透鏡插入到病人的眼睛中。
39.根據權利要求33至38中的任意一項所述的方法，其中，所述光學元件的設計包括產生穿過所述N個區域以及它們之間的空間的光部分之間的相位幹涉關係，從而減小由離開所述成像透鏡的焦點的光導致的二次相位因子，並使由所述成像透鏡和所述光學元件形成的裝置的散焦光傳遞函數最大化。
40.根據權利要求37所述的方法，其中，所述構圖包括在所述N個位置內對透鏡區域進行材料去除，並使用折射率與透鏡的折射率不同的材料填充已去除了透鏡材料的區域，以提供折射率差，從而使經構圖的透鏡的外部區域平坦並提供不同材料區域之間的適當均衡，以產生穿過不同材料區域的光部分之間的相位幹涉關係，從而減小由離開所述成像透鏡的焦點的光導致的二次相位因子，並使所述經構圖的成像透鏡的散焦光傳遞函數最大化。
41.根據權利要求37所述的方法，其中，所述構圖包括對所述N個位置內的透鏡區域進行漫射或光聚合，以提供所述N個區域以及它們之間的空間之間的折射率差，從而使經構圖的透鏡的外部區域平坦並提供不同材料區域之間的適當均衡，以產生穿過不同材料區域的光部分之間的相位幹涉關係，從而減小由離開所述成像透鏡的焦點的光導致的二次相位因子，並使所述經構圖的成像透鏡的散焦光傳遞函數最大化。
42.根據權利要求33所述的方法，該方法包括在所述選擇的N個位置內將人造組織植入到病人的眼睛組織中，所述人造組織的折射率與所述眼睛組織的折射率不同。
全文摘要
本發明提供了擴展焦深的方法和系統。提供了一種用於擴展焦深的成像裝置和方法。該成像裝置包括具有特定有效孔徑的成像透鏡以及與所述成像透鏡相關聯的光學元件。該光學元件被構造為用於限定空間低頻相位轉換的影響相位的、非衍射光學元件。該光學元件與該成像透鏡限定由不同光學特性的間隔開的基本光學透明特徵形成的預定圖案。至少通過所述有效孔徑的尺寸來確定所述成像透鏡平面內的光學元件的至少一個相位轉換區域的位置。
文檔編號A61F2/16GK101014884SQ200580027819
公開日2007年8月8日 申請日期2005年8月11日 優先權日2004年8月16日
發明者澤夫·扎萊夫斯基 申請人:艾科悉德成像有限公司