CN113484939A - 基于平面透镜的宽视角成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于平面透镜的宽视角成像方法，由至少两个子透镜组成透镜阵列，子透镜为平面透镜；用超构表面等材料制备透镜阵列，每个子透镜对宽视角区域成像得到子图像，通过设计子透镜表面的相位分布使得设计角度入射的平行光线聚焦于焦平面内的设计焦点，将所有子透镜对其设计角度附近一定角度范围的成像结果图像拼接得到透镜阵列的全视角图像；本发明能实现平面透镜的宽视角清晰成像，可根据成像质量和视角范围要求设计子透镜个数和投影函数，用于实现高集成度的广角成像器件，减小设备体积和制造成本，易于推广。

Description

基于平面透镜的宽视角成像方法
技术领域
本发明涉及一种宽视角成像方法，尤其是基于平面透镜的宽视角成像方法。
背景技术
在传统的成像系统中，通常是利用多个折射透镜组成的透镜组来消除大角度入射的光线产生的像差，以此实现同时对多个角度的清晰成像，但大曲率入射透镜与后续的透镜组体积庞大，制造精度要求高，且最终的成像结果中图像存在严重畸变，成像结果相比真实物体失真严重；另一种方法是将单个的成像结构单元的整体或部分通过旋转复制为多个，实现对不同角度的清晰成像，但却成倍增加了整个广角成像系统的体积和成本，同时在一些情况下还需要曲面的光电探测器，增加了制造的难度。现有的方法都由复杂的光学系统组成，使得广角成像装置变得越来越复杂、笨重和昂贵，极大地限制了广角成像装置的推广和应用。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够用平面透镜阵列实现对宽视角范围的清晰成像，降低设备体积和制造成本，便于集成。
技术方案：本发明所述的基于平面透镜的宽视角成像方法，首先由若干个子透镜组成透镜阵列，所述子透镜为平面透镜；每个所述子透镜对宽视角区域成像得到子图像，将所有子透镜对其设计角度附近一定角度范围的成像结果图像拼接得到所述透镜阵列的全视角图像。
子透镜为平面透镜，可以灵活设计相位分布，透镜阵列中至少有两个子透镜，相同视角范围，子透镜越多成像质量越高。
子透镜的相位由倾斜角相位和聚焦相位组成，倾斜角相位补偿入射光斜入射产生的相位差，聚焦相位调控设计角度入射的平行光在设计焦点聚焦。
得到全视角图像的方法具体为：对每个子透镜的成像结果添加蒙版函数处理得到权重子图像，蒙版函数的数值满足在设计焦点处取得最大值1，对每个子图像添加蒙版函数处理得到权重子图像，所有权重子图像和所有蒙版函数分别叠加后相除得到全视角图像。
有益效果：本发明的宽视角成像方法与现有技术相比，实现了用超薄超轻并且易于与平面光电传感器集成的透镜阵列对宽视角清晰成像，通过设计子透镜表面的相位分布使得子透镜在平面内接收不同角度入射的光线，通过改变子透镜的投影函数表达式，改变子透镜成像位置，增加设计灵活度。
附图说明
图1为本发明的一维透镜阵列相位分布；
图2为本发明的子透镜的坐标规定；
图3为本发明设计角度为48°的子透镜外观图；
图4为本发明的一维透镜阵列局部结构形貌图；
图5为传统双曲相位透镜与本发明的一维透镜阵列的不同角度聚焦对比图；
图6为传统双曲相位透镜与本发明的一维透镜阵列的调制传递函数对比图；
图7为本发明的一维透镜阵列成像结果；
图8为本发明的一维透镜阵列成像处理过程及结果；
图9为本发明的二维透镜阵列相位分布；
图10为本发明的二维透镜阵列成像处理过程及结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
本方案的成像方法包括如下步骤：
(1)建立透镜阵列
如图1所示，由17个子透镜组成1*17排布的一维透镜阵列，子透镜为平面透镜，本实施例中的子透镜为超构表面材料，在实际应用中可用其他可以灵活设计相位分布的透镜，如多级衍射透镜等。子透镜的厚度约为800nm～1200nm，所有子透镜处于同一平面，该平面称为透镜平面。
如图2所示为子透镜的坐标规定，坐标轴的原点为子透镜中心，xOy平面为透镜平面，z轴过子透镜中心并垂直于透镜平面，xOz平面为z轴和过子透镜中心的入射光线所构成的平面，θ是过子透镜中心的入射光与z轴所成夹角，即子透镜的设计角度。焦平面为过设计焦点与透镜平面平行的平面，焦平面与透镜平面距离为f，子透镜的设计焦点为沿着子透镜的设计角度入射的平行光在焦平面上聚焦的点，F(θ)称为投影函数，是设计焦点与透镜中心在x方向上的相对位置，其值可以为负值，本实施例中F(θ)＝-fθ，在实际应用中F(θ)也可选择其他关于θ的单调函数。17个子透镜的设计角度θ分别为0°、±19°、±27°、±33°、±38°、±43°、±48°、±53°和±57.5°。
每个子透镜的相位由倾斜角相位和聚焦相位组成，倾斜角相位用于补偿平行光斜入射产生的相位差，聚焦相位调控以设计角度入射的平行光在设计焦点处聚焦。
子透镜(x,y)处的结构单元的倾斜角相位φt(x,y,θ)满足：
Figure BDA0003106082130000031
子透镜上点(x,y)的聚焦相位φf(x,y,θ)满足：
Figure BDA0003106082130000032
子透镜上点(x,y)的总相位满足：
Figure BDA0003106082130000033
在本实施例中，每个子透镜的焦距f设为450μm；λ为子透镜成像时的工作波长。
(2)制备透镜阵列
根据步骤(1)中设计的一维透镜阵列相位分布，利用电子束曝光和干法刻蚀加工制备一维透镜阵列，如图3所示是光学显微镜拍摄的设计角度为48°的子透镜的外观图，如图4所示是电子显微镜拍摄的一维透镜阵列的结构形貌图局部。
分别使用入射角为0°、19°、38°和57.5°的平行光照射传统双曲相位透镜和一维透镜阵列，获取焦平面上的聚焦情况，聚焦结果如图5所示，其中图5(a)为传统双曲相位透镜的聚焦图，图5(b)为一维透镜阵列的聚焦图，一维透镜阵列相较传统双曲相位透镜具有更好的聚焦效果。计算各个入射角下传统双曲相位透镜和一维透镜阵列的调制传递函数，结果如图6所示，其中图6(a)为传统双曲相位透镜的调制传递函数，图6(b)为一维透镜阵列的调制函数传递图，实线和虚线分别表示子午面和弧矢面内的调制传递函数，从图6中可以看出对于相同角度的入射光，一维透镜阵列具有更高的分辨率，因此其成像性能优于传统双曲相位透镜。
(3)分割透镜阵列的成像结果
用本实施例中的一维透镜阵列对第一宽视角物体成像，如图7所示为一维透镜阵列的成像结果。将一维透镜阵列的成像结果分别分割为每个子透镜的子图像，分割的子图像如图8(a)所示。
(4)对子图像进行图像处理得到全视角图像
给每个子图像添加蒙版函数处理，得到权重子图像。如图8(b)所示，蒙版函数与单个子图像尺寸相同，其数值满足在在设计焦点处取得最大值1，其他点的数值随r的增大而减小且为正数，r是该点与设计焦点在x方向上的距离。将尺寸相同的原始图像和蒙版函数图像逐像素相乘，得到权重子图像，权重子图像如图8(c)所示。
将所有权重子图像叠加，如图8(d)所示；将所有蒙版函数叠加，如图8(e)所示；将子图像的叠加图像与蒙版函数的叠加图像逐像素相除可以得到全视角图像，如图8(f)所示即为得到的全视角图像。
子透镜的个数与成像视角范围以及对成像质量的要求有关，数量至少为2个，相同的视角范围，子透镜越多，每个子透镜负责的成像角度范围就越小，成像质量越高，拼接的最终成像质量也越高。
对比例1
用传统双曲相位透镜对第一宽视角物体成像，成像结果如图8(g)所示，通过对比图8(f)和图8(g)可知本发明的一维透镜阵列可对宽视角物体成清晰的像，且相比传统双曲相位透镜可以在更大的视场角范围内清晰成像。
实施例2
如图9所示，由49个子透镜组成7*7排布的二维透镜阵列，所有透镜处于同一平面，该平面称为透镜平面。子透镜的坐标规定实施例1相同，49个子透镜的设计角度分别为x和y方向上的24°，-16°，-8°，0°，8°，16°和24°，49个子透镜的设计角度θ满足
Figure BDA0003106082130000041
其中θx是子透镜设计角度平行光在xOz平面内的投影与z轴所成的夹角，θy是子超构透镜设计角度光线在yOz平面内的投影与z轴所成的夹角。
本实施例中取投影函数F(θ)＝-ftanθ，每个子透镜的焦距f设为450μm，按照公式(1)和公式(2)分别计算子透镜上点(x,y)的倾斜角相位和聚焦相位，子透镜的总相位满足：
Figure BDA0003106082130000042
制备透镜阵列、分割透镜阵列的成像结果和对子图像进行图像处理得到全视角图像的方法与实施例1相同，二维透镜阵列对第二宽视角物体的成像结果及图像处理得到全视角图像的结果如图10(a)～(g)所示。
对比例2
用传统双曲相位透镜对第二宽视角物体成像，成像结果如图10(h)所示，通过对比图10(g)和图10(h)可知本发明的二维透镜阵列可对宽视角物体成清晰的像，且相比传统双曲相位透镜可以在更大的视场角范围内清晰成像。

Claims (7)

1.一种基于平面透镜的宽视角成像方法，其特征在于，由若干个子透镜组成透镜阵列，所述子透镜为平面透镜；每个所述子透镜对宽视角区域成像得到子图像，将所有子透镜对其设计角度θ附近一定角度范围的成像结果图像拼接得到所述透镜阵列的全视角图像。
2.根据权利要求1所述的基于平面透镜的宽视角成像方法，其特征在于，所述子透镜的相位由倾斜角相位和聚焦相位组成，所述倾斜角相位补偿入射光斜入射产生的相位差，所述聚焦相位调控沿所述设计角度入射的平行光在设计焦点聚焦。
3.根据权利要求1所述的基于平面透镜的宽视角成像方法，其特征在于，所述子透镜的数量至少为2个。
4.根据权利要求2所述的基于平面透镜的宽视角成像方法，其特征在于，所述倾斜相位的计算公式为：
Figure FDA0003106082120000011
其中(x,y)为子透镜上任意一点，λ为子透镜成像时的工作波长。
5.根据权利要求2所述的基于平面透镜的宽视角成像方法，其特征在于，所述聚焦相位的计算公式为：
Figure FDA0003106082120000012
其中f为所述子透镜的焦距，F(θ)为子透镜中心在焦平面上的垂直投影与设计焦点的距离。
6.根据权利要求1所述的基于平面透镜的宽视角成像方法，其特征在于，所述得到全视角图像的方法具体为：对每个子图像添加蒙版函数处理得到权重子图像，所有权重子图像和所有蒙版函数分别叠加后相除得到全视角图像。
7.根据权利要求6所述的基于平面透镜的宽视角成像方法，其特征在于，所述蒙版函数在设计焦点处取得最大值1，其他点的数值随r的增大而减小且为正数，r是该点到设计焦点的距离。
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