[發明專利]提供非單調的波前相位輪廓和擴展景深的圓對稱的非球面光學器件

有效

• 申請號: 200980112946.4
• 申請日: 2009-02-17
• 公開（公告）號: CN102007440A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發明（設計）人: 羅布·貝茨
• 申請（專利權）人: 全視CDM光學有限公司
• 主分類號: G02B13/18
• 分類號: G02B13/18;G02B27/00
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產權代理有限責任公司 11204
• 代理人: 余朦;王艷春

相關申請的交叉引用

本申請要求2008年2月15日提交的題為“提供非單調的波前相位輪廓和擴展景深的圓對稱的非球面光學器件(CIRCULARLY?SYMMETRIC?ASPHERIC?LENS?HAVING?NON-MONOTONIC?PHASE?DEVIATION?AND?EXTENDED?DEPTH?OF?FIELD)”的美國臨時專利申請第61/029,263號的優先權，上述申請以引用方式整體并入本文。美國專利第5,748,371、6,940,649、7,115,849、7,218,448、以及7,649,302號也以引用方式整體并入本文。

背景技術

受限的景深是成像領域中的常見問題。眾所周知，攝像者縮小成像設備(例如，照相機)的光圈能夠增大景深，但是這種技術減少了成像設備可用的光。某些成像設備通過利用圓形非對稱的光學器件修改相位來增加景深，但是由于需要在設備中對準非對稱的光學器件，所以這種設備很難制造或制造成本很高。

發明內容

結合系統、工具和方法描述并示出了下面的實施方式及其各方面，所述實施方式及其各方面是示例性和解釋性的，而不用于限制范圍。在各種實施方式中，解決了與上述系統和方法相關聯的一個或多個限制，而另外的實施方式針對其他改進。

在實施方式中，成像光學器件包括一個或多個光學元件，所述光學元件用于修改入射到其上的電磁能量的波前。通過穿過所述光學元件的傳輸而被修改的所述波前顯示出非單調的波前相位輪廓。所述成像光學器件由在散焦范圍內基本不變的調制傳遞函數表征。

在實施方式中，光學成像系統包括光學成像器件，用于修改電磁能量的波前，使得通過穿過所述光學元件傳輸而被修改的所述波前形成非單調的波前相位輪廓。所述成像光學器件由在散焦范圍內基本不變的調制傳遞函數(“MTF”)表征。該系統還包括探測器，用于接收來自所述成像光學器件的所述電磁能量。

在實施方式中，優化光學成像系統以擴展所述系統景深的基于計算機的方法包括：在基于計算機的模擬工具中提供所述光學成像系統的初始模型，并求算所述初始模型的景深。所述方法還包括通過將非球面光學器件的設計參數的初步估算增加到所述初始模型中產生所述光學成像系統的修改的模型，并在所述模擬工具中建立景深目標，所述景深目標超過了所述初始模型的景深。所述方法操作所述模擬工具的優化器以改變所述設計參數，直至所述優化器收斂于所述非球面光學器件的最終設計參數，使得所述系統形成非單調的波前相位輪廓。包括所述最終設計參數的所述光學成像系統的最終模型滿足或超過所述景深目標。

在實施方式中，優化光學表面以擴展光學成像系統景深的基于計算機的方法包括：在基于計算機的模擬工具中提供不具有所述光學表面的所述光學成像系統的初始模型，并求算所述初始模型的景深。所述方法還包括通過將所述光學表面的設計參數的初步估算增加到所述初始模型中產生所述光學器件的修改的模型，所述初步估算包括與球面的單調相位偏離，所述方法還包括在所述模擬工具中建立景深目標，所述景深目標超過了不具有所述光學表面的所述光學成像系統的景深。模擬工具的優化器改變設計參數，直至所述優化器收斂于包括非單調相位偏離的所述光學表面的最終設計參數，而且包括所述光學表面的所述光學器件的最終模型滿足或超過所述景深目標。

在實施方式中，在光學成像系統中，在散焦范圍內保持調制傳遞不變性的方法包括：修改入射到所述光學成像系統的電磁能量的波前，使得所述波前顯示出非單調的波前相位輪廓并具有在散焦范圍內基本不變的調制傳遞函數。

附圖說明

在附圖的參考圖中示出了示例性的實施方式。需要注意的是，本文所公開的實施方式和圖是說明性的而不是限制性的。

圖1示出了根據實施方式，提供非單調的波前相位輪廓并具有擴展景深的成像系統；

圖2示出了根據實施方式，表示由等式1所描述的圓對稱的非球面透鏡表面的標繪圖；

圖3示出了表示圖2所示的非球面的橫截面的標繪圖；

圖4示出了由包括圖2所示的非球面的成像系統所產生的調制傳遞函數(“MTF”)的標繪圖；

圖5示出了由不包括圖2所示的非球面的成像系統所產生的MTF的標繪圖；

圖6示出了對于包括和不包括圖2所示的非球面的成像系統，在單個歸一化空間頻率為0.4時，調制與離焦關系的貫穿焦點(thru-focus)標繪圖；

圖7示出了根據實施方式，由等式2所限定的光學表面垂度的非球面部件的標繪圖；