CN109143426A - 一种位相编码菲涅尔透镜 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学领域，为解决传统菲涅尔透镜用于成像时色差严重的技术问题，公开了一种位相编码菲涅尔透镜，将位相编码技术引入菲涅尔透镜领域，将位相编码元件的面形与会聚透镜的面形集成后，再进行塌陷，使每个环带的最高点与最低点的矢高差为最终得到位相编码菲涅尔透镜的面形，其中λ为设计波长，n为基底材料的折射率；这种位相编码的菲涅尔透镜不仅具有传统衍射成像透镜的聚焦功能，还具有位相编码元件的位相编码功能；用这种方法设计出来的菲涅尔透镜能够对入射的光线进行位相编码，拓宽了焦深，降低了菲涅尔透镜对波长的敏感性，在不降低菲涅尔透镜成像分辨率的情况下，拓宽了菲涅尔透镜的带宽。

Description

一种位相编码菲涅尔透镜

技术领域

本发明属于光学领域，具体涉及一种菲涅尔透镜。

背景技术

菲涅尔透镜是由法国著名物理学家菲涅尔发明的一类新型光学元件。他在1822年最初设计这种透镜，用于建立一个灯塔透镜，透过它发射的光线可以在20英里以外看到。菲涅尔透镜由一系列同心棱形槽构成，亦称螺纹透镜。菲涅尔透镜的本质是一种衍射光学元件，根据光调制的不同，可以分为振幅型菲涅尔透镜和位相型菲涅尔透。菲涅尔波带片即属于振幅型菲涅尔透镜，在制造菲涅尔透镜时，除了采用遮挡偶数波带或者奇数波带的办法，还可以通过位相补偿的办法实现，即位相型菲涅尔透镜。通过减小或者增加波带的厚度，使光通过偶数波带相对于奇数波带产生π的相位变化，于是通过偶数波带的光与通过奇数波带的光在设计焦点处变成同相位，相互加强，可以实现聚焦和成像。

然而，菲涅尔透镜作为一种衍射光学元件，具有很大的色差。一般而言，对于一个焦距为f的菲涅尔透镜，只对设计波长λ清晰成像。因此，当入射光波长为λ+Δλ时，将聚焦到f+Δf位置，在原始焦平面的位置产生背景噪声，影响成像的分辨率。

发明内容

发明要解决传统菲涅尔透镜用于成像时色差严重的问题。为此采用的技术方案是：一种位相编码菲涅尔透镜，其表面的面形为会聚透镜面形和位相编码元件面形的集成，所述的位相编码菲涅尔透镜上每个环带的最高点与最低点的矢高差为其中λ为设计波长，n为位相编码菲涅尔透镜基底材料的折射率。将位相编码技术引入传统的菲涅尔透镜中，物体经过位相编码菲涅尔透镜的相位调制，使物体的信息得以保留，通过图像复原技术将模糊图像复原成清晰的图像。

所述会聚透镜包括普通球面会聚透镜和非球面会聚透镜，位相编码元件包括三次位相编码板、四次位相编码板、对数位相编码板、正弦位相编码板、指数位相编码板。用此方法设计的位相编码菲涅尔透镜能够对入射的光线进行位相编码和聚焦。优选的方案如下：

所述会聚透镜为普通球面透镜，其面形为位相编码元件为三次位相编码板，其面形为则位相编码菲涅尔透镜的表面浮雕结构的面形方程为 且Z≥0，m＝1，2，3…，式中，x_m，y_m为第m环带内位相编码菲涅尔透镜底部坐标，f为位相编码菲涅尔透镜的焦距，m为环带序数，α为位相编码系数，R为位相编码菲涅尔透镜的半径，λ为设计波长，n为基底材料的折射率。

三次位相编码系数α的范围为5π至50π。随着三次位相编码系数α的增大，光学系统的MTF降低，意味着在图像滤波复原处理过程会引入更多的噪音，造成信噪比的下降。随着三次位相编码系数a的减小，位相编码程度减小，拓宽带宽的效果降低。所以必须选取合适的三次位相编码系数a，以便在拓宽带宽和可接受的信噪比之间做出权衡。

所述位相编码元件面形方程为:Z＝sgn(x)·(α₁·x²·(ln(|x|)+β₁))+sgn(y)·(α₁·y²·(ln(|y|)+β₁))，式中α₁>0，β₁>0。

所述位相编码元件面形方程为：Z＝α₂·x·exp(β₂·x²)+α₂·y·exp(β₂·y²)，式中α₂≥30，1≤β₂≤3。

所述会聚透镜面形方程为：式中，c为非球面的基准面或者辅助球面的曲率，k为锥面度，a₂，a₄，a₆…为多次项系数。

所述会聚透镜面形方程为：式中，c为非球面的基准面或者辅助球面的曲率，k为锥面度，a₁，a₂，a₃，a₄，a₅…为多次项系数。

基于上述位相编码菲涅尔透镜的一种位相编码菲涅尔透镜的成像方法，其特征在于：物体经过上述位相编码菲涅尔透镜的相位调制，使物体的信息得以保留，通过图像复原技术将模糊图像复原成清晰的图像。

基于上述位相编码菲涅尔透镜的一种位相编码菲涅尔透镜制备方法，将相同口径的会聚透镜的面形和位相编码元件的面形集成后，再进行塌陷，使每个环带的最高点与最低点的矢高差为最终得到位相编码菲涅尔透镜的面形，其中λ为设计波长，n为基底材料的折射率。

由于上述技术方案的运用，与现有技术相比具有下列优点：

将位相编码技术引入传统的菲涅尔透镜中，增加了焦深，降低了菲涅尔透镜对光波的敏感性，拓宽了菲涅尔透镜的带宽，同时不影响成像分辨率。

附图说明

图1是位相编码菲涅尔透镜表面轮廓示意图；

图2是传统菲涅尔透镜表面轮廓示意图；

图3是传统菲涅尔透镜在不同入射光照射下的点扩散函数；

图4是三次位相编码菲涅尔透镜在不同入射光照射下的点扩散函数；

图5是传统菲涅尔透镜和三次位相编码菲涅尔透镜在不同波长下的MTF；

图6是传统菲涅尔透镜在不同波长λ＝630nm～670nm下的成像结果；

图7是三次位相编码菲涅尔透镜在不同波长λ＝630nm～670nm下的中间模糊图像；

图8是三次位相编码菲涅尔透镜在不同波长下(630nm～670nm)的最终复原图像。

具体实施方式

为了更清楚地说明发明，下面结合附图及实施例作进一步描述：

实施例一：

一种位相编码菲涅尔透镜，如图1所示，其表面的面形为会聚透镜面形和位相编码元件面形的集成，所述的位相编码菲涅尔透镜上每个环带的最高点与最低点的矢高差为其中λ为设计波长，n为位相编码菲涅尔透镜基底材料的折射率。

实施例二：

一种位相编码菲涅尔透镜的成像方法，其特征在于：物体经过上述位相编码菲涅尔透镜的相位调制，使物体的信息得以保留，通过图像复原技术将模糊图像复原成清晰的图像。具体的选用普通球面透镜作为会聚透镜，其面形为选用三次位相编码板为位相编码元件，其面形为选用的球面透镜和三次位相板的口径应相同。将面形Z₁与面形Z₂进行集成，得到集成面形将集成面形进行塌陷，使每个环带的最高点与最低点的矢高差为最终得到三次位相编码菲涅尔透镜面形，其方程为且Z≥0，m＝1，2，3…，式中，x_m，y_m为第m环带内位相编码菲涅尔透镜底部坐标，f为位相编码菲涅尔透镜的焦距，m为环带序数，α为位相编码系数，R为位相编码菲涅尔透镜的半径，λ为设计波长，n为基底材料的折射率。

选用石英作为基底，通过光刻技术将上述面形刻蚀在基底上。设计了一个口径为10mm，焦距为100mm的位相编码菲涅尔透镜。设计波长为650mm，基底折射率n为1.541976，三次位相编码系数α为30π。图2是传统菲涅尔透镜的示意图。通过对比可以发现，传统菲涅尔透镜表面的微结构是关于中心轴旋转对称的，三次位相编码菲涅尔透镜是关于y＝x对称的。三次位相编码项的引入改变了菲涅尔透镜表面轮廓的分布。

为了验证该方法设计的三次位相编码菲涅尔透镜的宽带性能，分别用不同波长(630nm～670nm)的平行光照明传统菲涅尔透镜和三次位相编码菲涅尔透镜，得到各自的点扩散函数。图3是传统菲涅尔透镜的点扩散函数，图4是三次位相编码菲涅尔透镜的点扩散函数。从图3可以看出，在设计波长650nm处，传统菲涅尔透镜具有较强的聚焦能力，然而随着入射波长偏离设计波长，聚焦光斑逐渐变大，不能清晰成像。对于经过三次位相编码的菲涅尔透镜，其点扩散函数在波长630nm～670nm内保持了高度的一致性。

图5给出了传统菲涅尔透镜和三次位相编码菲涅尔透镜在不同波长(630nm～670nm)下的MTF。从图中可以看出，随着入射波长偏离设计波长(650nm)，传统菲涅尔透镜的MTF曲线迅速下降，并出现零点，造成空间频率的缺失。然而三次位相编码菲涅尔透镜的MTF在波长λ＝630nm～670nm这一波段内保持了很好的一致性，并且从高频到低频没有出现零点，图像信息没有缺失，可以通过数字图像复原技术将图像复原清晰。

图6给出了传统菲涅尔透镜在不同波长λ＝630nm～670nm下的成像结果。随着入射波长偏离设计波长(650nm)，所成的像逐渐模糊。图7给出了三次位相编码菲涅尔透镜在不同波长λ＝630nm～670nm下的中间模糊图像。所有的图像在不同波长照射下具有几乎相同的模糊特性。图8给出了三次位相编码菲涅尔透镜在不同波长下(630nm～670nm)的最终复原图像。所有波长下的中间模糊图像都能被复原，具有和传统菲涅尔透镜在设计波长下基本相同的分辨率。

本技术方案未详细说明部分属于本领域公知技术。

Claims (10)

1.一种位相编码菲涅尔透镜，其表面的面形为会聚透镜面形和位相编码元件面形的集成，所述的位相编码菲涅尔透镜上每个环带的最高点与最低点的矢高差为其中λ为设计波长，n为位相编码菲涅尔透镜基底材料的折射率。

2.根据权利要求1所述的位相编码菲涅尔透镜，其特征在于：所述会聚透镜面形为位相编码元件面形为所述位相编码菲涅尔透镜面形方程为 其中Z≥0，m＝1，2，3...，式中x_m，y_m为第m环带内位相编码菲涅尔透镜底部坐标，f为位相编码菲涅尔透镜的焦距，m为环带序数，α为位相编码系数，R为位相编码菲涅尔透镜的半径。

3.根据权利要求2所述的位相编码菲涅尔透镜，其特征在于：所述三次位相编码系数α的范围为5π至50π。

4.根据权利要求1所述的位相编码菲涅尔透镜，其特征在于：所述位相编码元件面形方程为：Z＝sgn(x)·(α₁·x²·(ln(|x|)+β₁))+sgn(y)·(α₁·y²·(ln(|y|)+β₁))，式中α₁＞0，β₁＞0。

5.根据权利要求1所述的位相编码菲涅尔透镜，其特征在于：所述位相编码元件面形方程为：Z＝α₂·x·exp(β₂·x²)+α₂·y·exp(β₂·y²)，式中α₂≥30，1≤β₂≤3。

6.根据权利要求1所述的位相编码菲涅尔透镜，特征在于：所述会聚透镜面形方程为：式中，c为非球面的基准面或者辅助球面的曲率，k为锥面度，a₂，a₄，a₆...为多次项系数。

7.根据权利要求1所述的位相编码菲涅尔透镜，特征在于：所述会聚透镜面形方程为：式中，c为非球面的基准面或者辅助球面的曲率，k为锥面度，a₁，a₂，a₃，a₄，a₅...为多次项系数。

8.一种位相编码菲涅尔透镜的成像方法，其特征在于：所述的位相编码菲涅尔透镜如权利要求1～7之一所述；物体经过位相编码菲涅尔透镜的相位调制，使物体的信息得以保留，通过图像复原技术将模糊图像复原成清晰的图像。

9.一种位相编码菲涅尔透镜制备方法，将相同口径的会聚透镜的面形和位相编码元件的面形集成后，再进行塌陷，使每个环带的最高点与最低点的矢高差为最终得到位相编码菲涅尔透镜的面形，其中λ为设计波长，n为基底材料的折射率。

10.根据权利要求9所述的位相编码菲涅尔透镜制备方法，其特征在于：所述位相编码元件面形方程如权利要求2～7之一所述。