[發(fā)明專利]一種基于超構(gòu)透鏡陣列的超緊湊型光譜光場相機(jī)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010047021.4
• 申請(qǐng)日: 2020-01-16
• 公開（公告）號(hào): CN111426381B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王漱明;鄒秀娟;華夏;曹汛;王振林;祝世寧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): G01J3/28
• 分類號(hào): G01J3/28;G01J3/02;G01B11/24;G01N21/01;G01N21/25;G02B3/00
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

1.一種基于超構(gòu)透鏡陣列的超緊湊型光譜光場相機(jī)系統(tǒng)，其特征是，系統(tǒng)包括依次排列的平行光源鏡頭(1)，線偏振片(2、7)，四分之一波片(3、8)、物鏡(4、9)，超消色差超構(gòu)透鏡陣列(5)，單色相機(jī)(6)；所述的超消色差超構(gòu)透鏡陣列(5)置于兩對(duì)依次排列的線偏振片(2、7)、四分之一波片(3、8)和物鏡(4、9)組成結(jié)構(gòu)之間，且主透鏡像平面到超構(gòu)透鏡陣列的距離a、超構(gòu)透鏡陣列到再成像平面的距離b與超構(gòu)透鏡的焦距f滿足一定的關(guān)系，單色相機(jī)(6)置于像面上用于接受圖像，實(shí)現(xiàn)相機(jī)單次曝光同時(shí)記錄場景的三維位置信息和光譜信息；

超消色差超構(gòu)透鏡陣是由超消色差超構(gòu)透鏡在平面上按一定規(guī)律排列而成的二維透鏡陣列平面；所述的超構(gòu)透鏡是利用相位拆分原理，即將相位分解為波長無關(guān)的基礎(chǔ)相位和隨波長變化的補(bǔ)償相位，分別稱為幾何相位和共振相位；利用超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同波長對(duì)應(yīng)于焦平面上不同聚焦位置的消色差平面透鏡；

根據(jù)超構(gòu)透鏡離軸聚焦的要求，波長為λ的平面波，斜入射角θ，角度定義從x軸右下方入射為正，f是單個(gè)超構(gòu)透鏡的焦距，聚焦在任意位置(x',y',f)，平面透鏡上某一位置(x,y,0)需要補(bǔ)償?shù)南辔粸槿缡?1)所示：

設(shè)紅光聚焦在(x_r,0,f)，藍(lán)光聚焦在(x_b,0,f)，其余波長的焦點(diǎn)分布在這兩點(diǎn)之間；根據(jù)式(1)可以得到紅光和藍(lán)光的相位差如式(2)所示：

上式中和分別是藍(lán)光和紅光的補(bǔ)償相位，由共振的納米結(jié)構(gòu)提供，來實(shí)現(xiàn)藍(lán)光到紅光的正值相位補(bǔ)償；將任意波長下產(chǎn)生的相位利用相位拆分原理得到式(3)所示的兩部分：

式(3)中第一項(xiàng)利用超構(gòu)表面單元的幾何相位實(shí)現(xiàn)，第二項(xiàng)利用共振相位實(shí)現(xiàn)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超構(gòu)透鏡陣列的超緊湊型光譜光場相機(jī)系統(tǒng)，其特征是，超構(gòu)透鏡陣列是由單個(gè)波長相關(guān)的側(cè)向離軸聚焦超構(gòu)透鏡按一定規(guī)律排列即直接規(guī)則排列而成；側(cè)向離軸聚焦的超構(gòu)透鏡是根據(jù)超構(gòu)表面的相位拆分的設(shè)計(jì)原理實(shí)現(xiàn)的。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超構(gòu)透鏡陣列的超緊湊型光譜光場相機(jī)系統(tǒng)，其特征是，超構(gòu)透鏡陣列由40-200*40-200個(gè)超構(gòu)透鏡排列形成；每個(gè)超構(gòu)透鏡由六角形柱狀或者凹槽狀結(jié)構(gòu)按照相位要求排列構(gòu)成，六角形柱狀或者凹槽狀結(jié)構(gòu)的周期是330nm，高度是800nm；超構(gòu)透鏡的焦距是165±100um，直徑是30±10um，數(shù)值孔徑NA值為0.09；此處超構(gòu)透鏡的設(shè)計(jì)針對(duì)的是斜入射光，入射角度為16°左右，實(shí)現(xiàn)可見光范圍內(nèi)不同波長在焦平面上色散的最大距離為25um；對(duì)可見光波段選擇二氧化鈦、氮化鎵、氮化硅材料；對(duì)于近紅外波段，選擇硅作為材料。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超構(gòu)透鏡陣列的超緊湊型光譜光場相機(jī)系統(tǒng)，其特征是，側(cè)向離軸聚焦的超構(gòu)透鏡實(shí)現(xiàn)的是不同波長下光在同一焦平面上的側(cè)向離軸聚焦，離軸聚焦的目的是將不同波長的光色散開；不同頻率的入射光以一個(gè)角度入射到超構(gòu)透鏡上產(chǎn)生的離軸聚焦圖；且不同頻率的光的焦平面相同，與超構(gòu)透鏡陣列平面的距離都相同。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于超構(gòu)透鏡陣列的超緊湊型光譜光場相機(jī)系統(tǒng)，其特征是，所述超構(gòu)透鏡陣列：利用電子束光刻與反應(yīng)離子刻蝕相結(jié)合制備的按照規(guī)律排列的48×48個(gè)二氧化鈦超構(gòu)透鏡陣列。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超構(gòu)透鏡陣列的超緊湊型光譜光場相機(jī)系統(tǒng)，其特征是，利用超色差超構(gòu)透鏡陣列，實(shí)現(xiàn)光場多光軸成像特性的光譜重建算法如下：首先，根據(jù)色散模型解開色散混疊，從而獲得對(duì)齊的多波長圖像，式(4)所示：

式(4)中S是待求解的清晰圖像，D是相機(jī)捕獲的色散圖像，φ是色散矩陣。式(4)中第一項(xiàng)是成像模型的數(shù)據(jù)殘差項(xiàng)，第二項(xiàng)是約束圖像數(shù)據(jù)分塊平滑項(xiàng)，第三項(xiàng)是光譜平滑約束項(xiàng)。

利用式(4)求解出無色散的清晰圖像后，使用此圖像信息來重建高光譜圖像，如式(5)所示：

式(5)中第一項(xiàng)依然是成像模型的數(shù)據(jù)殘差項(xiàng)，第二項(xiàng)是模糊差分約束項(xiàng)，第三項(xiàng)是光譜先驗(yàn)約束項(xiàng)； M是子圖像的邊緣掩模板。