[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?zhí)枺?/td>: 202010047021.4
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: 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（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: 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

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)，包括依次排列的平行光源鏡頭，線偏振片，四分之一波片、物鏡、超消色差超構(gòu)透鏡陣列、單色相機(jī)；所述的超消色差超構(gòu)透鏡陣列置于兩對依次排列的線偏振片、四分之一波片和物鏡組成結(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，相機(jī)置于像面上用于接受圖像；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，設(shè)計(jì)具有離軸聚焦性質(zhì)的超消色差超構(gòu)透鏡，利用不同波長下超構(gòu)透鏡聚焦位置的變化，實(shí)現(xiàn)光譜的色散。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)成像的技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種基于超構(gòu)透鏡陣列的光譜光場相機(jī)系統(tǒng)及斜入射的離軸聚焦的相位設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

自然界的生物具有很多高度特殊的視覺系統(tǒng)，比如皮皮蝦的眼睛可以感知到從紫外到紅外的12種波長通道的電磁波，且視網(wǎng)膜具有16種光學(xué)接受器，既可以感知光譜信息還可以感知到深度信息。受到自然界生物的啟發(fā)，如今已經(jīng)研究出能夠記錄更多信息的成像系統(tǒng)，如光場相機(jī)、光譜相機(jī)。光場相機(jī)除了記錄場景二維平面上的強(qiáng)度信息，還包含場景的深度信息。光譜相機(jī)除了記錄二維空間信息，還記錄了場景的一維光譜曲線。為了實(shí)現(xiàn)完整的全光函數(shù)，計(jì)算光學(xué)領(lǐng)域利用一些傳統(tǒng)的光學(xué)元件如光柵、棱鏡、掩模板、微透鏡陣列等添加到成像光路中來獲取光譜和光場信息。但是，基于這些傳統(tǒng)的光學(xué)元件組成的系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)小型化的輕量成像系統(tǒng)；同時(shí)限于微加工水平，在微小尺度下加工復(fù)雜的曲面微透鏡陣列具有很大的難度。目前為止，提出的光譜光場成像系統(tǒng)在實(shí)際使用中受到非常多的限制，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光譜分辨率和通光量不高。

超構(gòu)表面在系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)上顯示出極大的優(yōu)勢。超構(gòu)表面由密集的亞波長超構(gòu)單元排列組成，具有精確控制相位、強(qiáng)度、極化、軌道角動量和入射光頻率的能力。超構(gòu)透鏡是超構(gòu)表面的最主要的光學(xué)應(yīng)用。通過調(diào)制亞波長超構(gòu)單元的幾何尺寸和轉(zhuǎn)角，設(shè)計(jì)的超構(gòu)透鏡可以實(shí)現(xiàn)與商用透鏡相當(dāng)甚至更好的成像效果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是，基于超構(gòu)透鏡陣列設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可見光波段的光譜光場相機(jī)系統(tǒng)。通過引入超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)原理，在可將光波段實(shí)現(xiàn)斜入射情況下波長相關(guān)的側(cè)向離軸聚焦。利用波長相關(guān)的側(cè)向離軸聚焦，實(shí)現(xiàn)了超薄的色散透鏡。將該色散透鏡貼在CMOS相機(jī)的鏡頭上，可以獲得色散模糊的圖像，從色散模糊的圖像能夠重現(xiàn)出3D空間信息和光譜信息，從而實(shí)現(xiàn)光譜光場成像的功能。所述的光譜光場相機(jī)系統(tǒng)獲得的光譜信息與光譜儀獲得的光譜信息基本吻合，可應(yīng)用于材質(zhì)鑒別上。

本發(fā)明的技術(shù)方案是，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)，同時(shí)獲取場景的三維位置信息和光譜信息。該相機(jī)系統(tǒng)包括(1)平行光源鏡頭，(2)線偏振片，(3)四分之一波片、(4)物鏡，(5)超消色差超構(gòu)透鏡陣列，(6)單色相機(jī)；所述的超消色差超構(gòu)透鏡陣(5)列置于兩個(gè)依次排列的線偏振片(2)、四分之一波片(3)和物鏡(4)組成結(jié)構(gòu)之間，相機(jī)(6)置于像面上用于接受圖像，實(shí)現(xiàn)相機(jī)單次曝光可同時(shí)記錄場景的三維位置信息和光譜信息，并且具有很高的光通量。

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)表面的特殊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同波長對應(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)透鏡離軸聚焦的功能要求，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)，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，f是單個(gè)超構(gòu)透鏡的焦距：