CN109343217A - 一种基于超构透镜阵列的消色差光场相机系统及消色差方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于超构透镜阵列的消色差光场相机系统，包括线偏振片、四分之一波片、物镜、消色差超构透镜阵列、感光器；所述消色差超构透镜阵列置于依次排列的线偏振片、四分之一波片和物镜两种组合的中间，感光器构成了后部感光平面用于接收图像。消色差超构透镜阵列是由超构透镜在平面上排列组合成的二维光学器件，利用消色差超构透镜阵列，在感光探测器上能精确记录同时包含二维位置和二维方向的四维参数化光场信息；实现可见光波段消色差光场相机的设计，消色差超构透镜阵列是由超构透镜在平面上排列组合成的二维光学器件，利用消色差超构透镜阵列，在感光探测器上能精确记录同时包含二维位置和二维方向的四维参数化光场信息。
Description
技术领域
本发明属于光学成像的技术领域，尤其涉及一种基于超构透镜阵列的消色差光场相机设计及消色差方法。
背景技术
视觉是自然界最重要的感知系统，生物可以通过视觉系统捕捉处理环境中的光场信息。相比较于人眼，由多个小眼排列组成的昆虫复眼系统，具有更大的视野和更高的空间分辨能力。通过模拟复眼结构，可以设计出许多性能优良的光学视觉系统，例如光场相机。相比较于只能记录二维平面光场强度的传统相机，光场相机能捕捉同时包含光传播方向、位置的四维参数信息。通过光学设计，光场相机主镜头的光线聚焦后再次穿过阵列中的每个微透镜，记录下不同光线的方向、位置信息，使成像结果在后期更加可调节，达到先拍照、后聚焦的效果。微透镜阵列是光场相机中用于捕捉四维光场信息的光学器件。传统透镜通过设计复杂曲面和粘合不同色散率的透镜实现消色差功能。限于微加工水平，在微小尺度下加工复杂曲面和粘合不同色散微透镜具有极大难度。相比较于实现可见光波段几个孤立波长的消色差，完成宽带连续消色差功能的微透镜对复杂曲面参数和不同色散率的透镜粘合具有更高要求。因此传统的光场相机无法解决宽带消色差的问题，现有的微透镜阵列也限制了光场相机设备的便携化、轻量化和高精度成像。
超构表面是通过平面上的亚波长超构单元灵活调控光场相位、偏振及强度等分布的光学设计，超构透镜是一类典型的超构表面应用。消色差超构透镜是能够实现宽波段连续消色差聚焦的一种超构透镜，它体积微小，聚焦功能良好，能够很好的应用于消色差光场相机的设计中。
本申请发明人已经就超构透镜作出了若干工作：如CN201810128031.3基于超构透镜利用波长调控的光学变焦方法，即基于超构透镜利用波长调控的光学变焦方法，基于(1)光源探头，(2)线偏振片，(3)四分之一波片，(4)超构(色差)透镜；所述超构色差透镜(4)置于线偏振片和四分之一波片的两种组合的中间，设有感光器(5)置于成像面上用于接受图像；利用不同波长的入射光通过超构(色差)透镜后成像在不同的像距位置进行变焦。应用场景可以有两种：一是像距固定，调节照明波长和物距获得成像像的大小的改变；二是物距固定，调节照明波长和像距获得成像大小的改变。本发明采用超构表面的设计原理，色差由相位匹配调控，并可在一定成像区间内进行球差和彗差矫正。
又如CN201510333216一种采用超构表面实现平面波聚焦的平板透镜，采用超构表面实现平面波聚焦的平板透镜，采用超构表面实现平面波完美聚焦的平板透镜，通过对8种V字型聚焦结构在平面的圆的径向进行周期排列，每组V字型聚焦结构的圆环上均匀排列，在圆的径向从内至外周期排列的8组V字型聚焦结构的相位。
发明内容
本发明目的是，基于超构透镜阵列实现可见光波段消色差光场相机设计及消色差方法。通过引入超构表面的设计原理，在可见光波段实现宽带连续消色差。利用消色差超构透镜组成超构透镜阵列，实现可见光范围内消色差成像，为设计便携式、高分辨的消色差光场相机提供了新方法。
本发明的技术方案是，一种基于超构透镜阵列的消色差光场相机系统，即一种实现光场相机的方法，是一种基于超构透镜阵列实现可见光范围消色差光场相机的方法，基于如下结构：(1)线偏振片 (2)四分之一波片 (3)物镜 (4)消色差超构透镜阵列 (5)感光器；所述消色差超构透镜阵列(4)，置于依次排列的线偏振片(1)、四分之一波片(2)和物镜(3)之后且感光器之前，感光器(5)用于接收图像。感光器构成了感光平面用于接收图像，消色差超构透镜阵列是由超构透镜在平面上排列组合成的二维光学器件，利用消色差超构透镜阵列，在感光探测器上可以精确记录同时包含二维位置和二维方向的四维参数化光场信息；
基于紧凑的平面超构透镜阵列，实现可见光波段消色差光场相机的设计：环境光线经过线偏振片、四分之一波片调节形成圆偏振光，主透镜对入射光线进行聚焦成虚拟相，消色差超构透镜阵列将同时包含光的传播方向、位置的四维光场信息以图像形式精确捕捉记录，结合数字图像算法重聚焦形成消色差的清晰图像。消色差超构透镜是基于超构表面的几何相位和共振相位原理相结合设计而成的，透镜体积超薄，能实现宽波段连续消色差。
进一步，消色差超构透镜阵列是由消色差超构透镜在平面上按一定规律排列组合而成。
消色差超构透镜是一种结合相位分解方法，将相位分解为频率无关的基础相位和频率相关的补偿相位，利用超构表面特殊设计，实现宽波段连续消色差的平面透镜。
根据超构透镜消色差功能的要求，超构透镜的相位分解的公式如式(1)所示：
即得到相位和任意入射波长的函数关系式，r是任意点到透镜中心的距离，f是超构透镜的设计焦距，λ是入射波长，是增加的相位差；公式将相位分解为频率无关的基础相位和频率相关的补偿相位，结合超构表面几何相位和共振相位的原理共同设计，在透镜任意位置实现宽带连续消色差。
实现透射型消色差超构透镜的方式，通过旋转超构单元的角度实现单一波长聚焦需要的基础相位分布；通过选取不同大小共振结构实现可见光范围内不同频率的色差补偿，两种设计结合实现宽波段连续消色差聚焦。
本发明所述的消色差方法，按照具体的原理不同，超构表面可以分为几何超构表面和共振型超构表面。针对不同的功能设计，超构表面要实现不同的强度或者相位分布。
以几何相位超构表面为例，它是指仅利用一种天线结构，一般以细长的棒状结构或者长方体的结构为主，通过改变角度来实现全范围的相位调制的超构表面。几何相位是在光偏振中的一种Pancharatnam-Berry相位。超构单元转动角度θ，由于出射光的两个线偏振光产生π的相位延时，左旋圆偏振光变成右旋圆偏振光，与入射光相比产生了的相位差。因此只要在0-π内转动超构单元，就可以得到0-2π的全相位调制。
以共振型超构表面为例，通过共振相位可以实现对全光范围色差的补偿。色差补偿的公式为：
不同大小的结构单元，提供的相位补偿是不同的。通过筛选合适的超构单元，可以消除透镜不同位置处的宽波段色散。
实现超构透镜的宽波段消色差，消色差超构透镜需要同时结合几何相位原理和共振相位原理进行设计。将透镜聚焦所需要的相位分解成两部分，即：频率无关的基础相位和频率相关的补偿相位。通过旋转超构单元的角度实现最大波长处的相位调控，即利用几何相位实现单一波长的光学聚焦；通过选取不同大小共振结构实现不同波长之间的相位调控，即利用共振相位补偿可见光范围内的色差，两种设计结合从而实现宽波段消色差聚焦。
根据理论设计，以拥有60*60超构透镜阵列的消色差光场相机为例，在可见光范围内可实现消色差光场成像。通过超构透镜阵列对同时包含方向、位置的四维光场信息的精确捕捉，计算机重聚焦处理能形成更加清晰完整的光学照片。基于深度估计的重聚焦图像光学色差被消除，光场相机整体硬件性能得到提升。
消色差光场相机在低光及影像高速移动的情况下，仍能准确对焦拍出无色差的清晰的光学图像。环境光线经过线偏振片、四分之一波片调节形成圆偏振光，物镜对入射光线进行一次聚焦成虚拟相。消色差超构透镜阵列将同时包含光的传播方向、位置的四维光场信息以图像形式精确的捕捉记录。利用数字成像技术，分割提取基于深度估计的不同大小信息图像单元，通过图像处理得到能聚焦于不同深度的消色差的清晰的光场图像。
色差超构透镜组成超构透镜阵列，在可见光范围内准确捕捉同时包含光传播的二维方向和二维位置信息的四维光场信息。感光探测器以图像形式记录光场的方向、位置、强度信息，结合数字图像处理重聚焦得到消色差的清晰图像。发明解决了传统光场相机无法实现的宽带连续消色差问题，实现了在可见光波段具有连续消色差功能的新型光场相机设计。
使用相位分解的思想，利用超构表面特殊设计，实现超构透镜宽波段连续消色差。消色差超构透镜组成超构透镜阵列，在可见光范围内准确捕捉同时包含光传播的二维方向和二维位置信息的四维光场信息。感光探测器以图像形式记录光场的方向、位置、强度信息，结合数字图像处理重聚焦得到消色差的清晰图像。发明解决了传统光场相机无法实现的宽带连续消色差问题，实现了在可见光波段具有连续消色差功能的新型光场相机设计。
消色差超构透镜阵列是由超构透镜在平面上排列组合成的二维光学器件，利用消色差超构透镜阵列，在感光探测器上能精确记录同时包含二维位置和二维方向的四维参数化光场信息；使用相位分解的思想，利用超构表面特殊设计，实现超构透镜宽波段连续消色差。消色差超构透镜组成超构透镜阵列，在可见光范围内准确捕捉包含光传播的二维方向和二维位置信息的四维光场信息。感光探测器以图像形式记录光场的方向、位置、强度信息，结合数字图像处理重聚焦得到消色差的清晰图像。发明解决了传统光场相机无法实现的宽带连续消色差问题，实现了在可见光波段具有连续消色差功能的新型光场相机设计。本发明装置简单，体积小巧，具有高集成度和高精度，能广泛的应用于微型机器人探测、三维光学重构、汽车激光雷达成像等方面，透镜体积超薄，与微电子制备工艺兼容，适合大规模生产，平板超薄结构便于与成像CCD芯片集成。
有益效果，本发明基于超构透镜阵列实现在可见光范围连续消色差的光场相机设计。在大大缩小光场相机所需体积的情况下，能够拍照得到宽波段连续消色差的光场图像，在实际场景的应用中具有极大的优势。在机器人探测，微型无人机侦察，虚拟现实设备，汽车激光雷达集成等方面都具有广阔的应用前景。本发明所需的超构透镜阵列属于平面透镜，无需通过加工复杂曲面和粘合不同色散透镜来实现，工艺复杂度低，工序简单，成本也更加低廉。
本发明装置简单，体积小巧，具有高集成度和高精度，能广泛的应用于微型机器人探测、三维光学重构、汽车激光雷达成像等方面，透镜体积超薄，与微电子制备工艺兼容，适合大规模生产，平板超薄结构便于与成像CCD芯片集成。
附图说明
图1为本发明的消色差超构透镜对不同波长可见光聚焦图；(a)图是消色差超构透镜在可见光波段不同波长(图中有标示)光入射时的聚焦图。(b)、(c)、(d)图分别是在不同的波长下焦距位置、透射效率和半高宽FWHM。
图2为本发明的消色差超构透镜阵列图和消色差超构透镜SEM图；(a)图是整个消色差超构透镜阵列的平面图，一共由60*60个消色差超构透镜排列形成。(b)、(c)图是单个消色差超构透镜的光学图像和SEM图像。
图3为本发明的光路图；
图4为本发明的分辨率测试表的原始光场图和重聚焦图；(a)是原始光场图，每个消色差超构透镜以图像的形式捕捉记录不同光线的二维位置信息和二维方向信息。(b)是光场基于深度估计重聚焦处理后的图像。
图5为本发明不同的长宽比例的GaN长方形纳米柱结构示意图。(a)为逆的GaN结构图，LB和WB分别是逆纳米柱结构中空长方体的长和宽；(b)为正的GaN结构图，LP和WP是纳米柱结构的长和宽。
具体实施方式
实施例：每个超构透镜的焦距是49um，直径是21.65um，数值孔径NA值为0.2157，超构透镜的结构：具有不同大小、长宽比例的GaN长方形纳米柱结构，转动相应角度，在平面上集成排列，构成超构透镜，一个透镜上面排布有上万个这样的纳米柱单元。实施例中一共使用了17种GaN的纳米长方柱结构包括逆构的GaN结构。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，(a)图是消色差超构透镜在可见光波段不同波长光入射时的聚焦图。白色虚线是设定的焦点位置，透镜数值孔径NA＝0.2157，焦距f＝49um。随着波长变化，聚焦的位置几乎不发生改变，消色差超构透镜实现宽波段消色差聚焦。(b)(c)(d)图是在不同的波长下焦距位置、透射效率和半高宽FWHM。
如图2所示，(a)图是整个消色差超构透镜阵列的平面图，一共由60*60个消色差超构透镜排列形成。(b)(c)图是单个消色差超构透镜的光学图像和SEM图像。每个消色差超构透镜的焦距是49um，直径是21.65um，数值孔径NA值为0.2157。对可见光波段可以选择氮化镓，氮化硅材料；对于近红外波段，可以选择硅作为材料；上述材料在对应波段都具有透过率高，损耗低的特点。
如图3所示为本发明的光路图，1是光源、2是偏振片、3是四分之一波片、4是物镜、5是分辨率测试图、6是消色差超构透镜阵列、7是CCD探测器。物面放置的是1951年美国空军分辨率测试图，由卤素灯发出的宽波段非相干光源经过准直后照射在分辨率测试图上。经过消色差超构透镜之前需要线偏振光和1/4波片调节入射光为圆偏振光，经过感光元件CCD之前需要1/4波片和线偏振片获取调制后的圆偏振光，提高信噪比。消色差光场相机记录的图像信息，通过数字图像处理可成无色差的清晰图像。
如图4所示，(a)是原始光场图，每个消色差超构透镜以图像的形式捕捉记录不同光线的二维位置信息和二维方向信息。(b)是光场基于深度估计重聚焦处理后的图像，最小的可分辨物体特征线宽为1.95μm，说明光场相机的成像具有很高的分辨
如图5所示，是单个GaN纳米柱的结构图，(a)为逆的GaN结构图，LB和WB分别是逆纳米柱结构中空长方体的长和宽；(b)为正的GaN结构图，LP和WP是纳米柱结构的长和宽。p为周期性衬底结构的边长。
Claims (5)
1.一种基于超构透镜阵列的消色差光场相机系统，其特征是，包括线偏振片、四分之一波片、物镜、消色差超构透镜阵列、感光器；所述消色差超构透镜阵列置于依次排列的线偏振片、四分之一波片和物镜两种组合的中间，感光器构成了后部感光平面用于接收图像。消色差超构透镜阵列是由超构透镜在平面上排列组合成的二维光学器件，利用消色差超构透镜阵列，在感光探测器上能精确记录同时包含二维位置和二维方向的四维参数化光场信息；
基于紧凑的平面超构透镜阵列，实现可见光波段消色差光场相机的设计：环境光线经过线偏振片、四分之一波片调节形成圆偏振光，主透镜物镜对入射光线进行聚焦成虚拟相，消色差超构透镜阵列将同时包含光的传播方向、位置的四维光场信息以图像形式精确捕捉记录，结合数字图像算法重聚焦在感光平面，形成消色差的清晰图像；消色差超构透镜是基于超构表面的几何相位和共振相位相结合设计而成的，透镜体积超薄，能实现宽波段连续消色差。
2.根据权利要求1所述的基于超构透镜阵列的消色差光场相机系统，其特征是，消色差超构透镜阵列是由消色差超构透镜在平面上按一定规律排列组合而成：消色差超构透镜是一种结合相位分解方法，将相位分解为频率无关的基础相位和频率相关的补偿相位、即几何相位和共振相位，利用超构表面特殊设计，实现宽波段连续消色差的平面透镜；
根据超构透镜消色差功能的要求，超构透镜的相位分解的公式如式(1)所示：
即得到相位和任意入射波长的函数关系式，r是任意点到透镜中心的距离，f是超构透镜的设计焦距，λ是入射波长，是增加的相位差；公式将相位分解为频率无关的基础相位和频率相关的补偿相位，结合超构表面几何相位和共振相位的原理共同设计，在透镜任意位置实现宽带连续消色差。
3.根据权利要求1所述的基于超构透镜阵列的消色差光场相机系统，其特征是，每个超构透镜的焦距是49um，直径是21.65um，数值孔径NA值为0.2157。
4.根据权利要求1所述的基于超构透镜阵列的消色差光场相机系统，其特征是，超构透镜的结构：具有不同大小、长宽比例的GaN长方形纳米柱结构，转动相应角度，在平面上集成排列，构成超构透镜。
5.根据权利要求1-3之一所述的基于超构透镜阵列的消色差光场相机系统的消色差方法，其特征是，实现透射型消色差超构透镜的方式，通过旋转超构单元的角度实现单一波长聚焦需要的基础相位分布；通过选取不同大小共振结构实现可见光范围内不同频率的色差补偿，两种设计结合实现宽波段连续消色差聚焦。
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