專利名稱：提供非單調(diào)的波前相位輪廓和擴(kuò)展景深的圓對(duì)稱的非球面光學(xué)器件的制作方法
提供非單調(diào)的波前相位輪廓和擴(kuò)展景深的圓對(duì)稱的非球面
光學(xué)器件相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2008年2月15日提交的題為“提供非單調(diào)的波前相位輪廓和擴(kuò) 展景深的圓對(duì)稱的非球面光學(xué)器件(CIRCULARLY SYMMETRIC ASPHERIC LENS HAVING N0N-M0N0T0NIC PHASE DEVIATION AND EXTENDED DEPTH OF FIELD) ” 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng) 第61/029，263號(hào)的優(yōu)先權(quán)，上述申請(qǐng)以引用方式整體并入本文。美國(guó)專利第5，748，371、 6，940，649,7, 115，849,7, 218，448、以及7，649，302號(hào)也以引用方式整體并入本文。
背景技術(shù)：
受限的景深是成像領(lǐng)域中的常見問題。眾所周知，攝像者縮小成像設(shè)備(例如，照 相機(jī))的光圈能夠增大景深，但是這種技術(shù)減少了成像設(shè)備可用的光。某些成像設(shè)備通過 利用圓形非對(duì)稱的光學(xué)器件修改相位來增加景深，但是由于需要在設(shè)備中對(duì)準(zhǔn)非對(duì)稱的光 學(xué)器件，所以這種設(shè)備很難制造或制造成本很高。

發(fā)明內(nèi)容
結(jié)合系統(tǒng)、工具和方法描述并示出了下面的實(shí)施方式及其各方面，所述實(shí)施方式 及其各方面是示例性和解釋性的，而不用于限制范圍。在各種實(shí)施方式中，解決了與上述系 統(tǒng)和方法相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)限制，而另外的實(shí)施方式針對(duì)其他改進(jìn)。在實(shí)施方式中，成像光學(xué)器件包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件，所述光學(xué)元件用于修改 入射到其上的電磁能量的波前。通過穿過所述光學(xué)元件的傳輸而被修改的所述波前顯示出 非單調(diào)的波前相位輪廓。所述成像光學(xué)器件由在散焦范圍內(nèi)基本不變的調(diào)制傳遞函數(shù)表 征。在實(shí)施方式中，光學(xué)成像系統(tǒng)包括光學(xué)成像器件，用于修改電磁能量的波前，使得 通過穿過所述光學(xué)元件傳輸而被修改的所述波前形成非單調(diào)的波前相位輪廓。所述成像光 學(xué)器件由在散焦范圍內(nèi)基本不變的調(diào)制傳遞函數(shù)(“MTF”)表征。該系統(tǒng)還包括探測(cè)器，用 于接收來自所述成像光學(xué)器件的所述電磁能量。在實(shí)施方式中，優(yōu)化光學(xué)成像系統(tǒng)以擴(kuò)展所述系統(tǒng)景深的基于計(jì)算機(jī)的方法包 括在基于計(jì)算機(jī)的模擬工具中提供所述光學(xué)成像系統(tǒng)的初始模型，并求算所述初始模型 的景深。所述方法還包括通過將非球面光學(xué)器件的設(shè)計(jì)參數(shù)的初步估算增加到所述初始模 型中產(chǎn)生所述光學(xué)成像系統(tǒng)的修改的模型，并在所述模擬工具中建立景深目標(biāo)，所述景深 目標(biāo)超過了所述初始模型的景深。所述方法操作所述模擬工具的優(yōu)化器以改變所述設(shè)計(jì)參 數(shù)，直至所述優(yōu)化器收斂于所述非球面光學(xué)器件的最終設(shè)計(jì)參數(shù)，使得所述系統(tǒng)形成非單 調(diào)的波前相位輪廓。包括所述最終設(shè)計(jì)參數(shù)的所述光學(xué)成像系統(tǒng)的最終模型滿足或超過所 述景深目標(biāo)。
在實(shí)施方式中，優(yōu)化光學(xué)表面以擴(kuò)展光學(xué)成像系統(tǒng)景深的基于計(jì)算機(jī)的方法包 括在基于計(jì)算機(jī)的模擬工具中提供不具有所述光學(xué)表面的所述光學(xué)成像系統(tǒng)的初始模型，并求算所述初始模型的景深。所述方法還包括通過將所述光學(xué)表面的設(shè)計(jì)參數(shù)的初步估算增加到所述初始模型中產(chǎn)生所述光學(xué)器件的修改的模型，所述初步估算包括與球面的 單調(diào)相位偏離，所述方法還包括在所述模擬工具中建立景深目標(biāo)，所述景深目標(biāo)超過了不 具有所述光學(xué)表面的所述光學(xué)成像系統(tǒng)的景深。模擬工具的優(yōu)化器改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)，直至所 述優(yōu)化器收斂于包括非單調(diào)相位偏離的所述光學(xué)表面的最終設(shè)計(jì)參數(shù)，而且包括所述光學(xué) 表面的所述光學(xué)器件的最終模型滿足或超過所述景深目標(biāo)。在實(shí)施方式中，在光學(xué)成像系統(tǒng)中，在散焦范圍內(nèi)保持調(diào)制傳遞不變性的方法包 括修改入射到所述光學(xué)成像系統(tǒng)的電磁能量的波前，使得所述波前顯示出非單調(diào)的波前 相位輪廓并具有在散焦范圍內(nèi)基本不變的調(diào)制傳遞函數(shù)。


在附圖的參考圖中示出了示例性的實(shí)施方式。需要注意的是，本文所公開的實(shí)施 方式和圖是說明性的而不是限制性的。圖1示出了根據(jù)實(shí)施方式，提供非單調(diào)的波前相位輪廓并具有擴(kuò)展景深的成像系 統(tǒng)；圖2示出了根據(jù)實(shí)施方式，表示由等式1所描述的圓對(duì)稱的非球面透鏡表面的標(biāo) 繪圖；圖3示出了表示圖2所示的非球面的橫截面的標(biāo)繪圖；圖4示出了由包括圖2所示的非球面的成像系統(tǒng)所產(chǎn)生的調(diào)制傳遞函數(shù)(“MTF”) 的標(biāo)繪圖；圖5示出了由不包括圖2所示的非球面的成像系統(tǒng)所產(chǎn)生的MTF的標(biāo)繪圖；圖6示出了對(duì)于包括和不包括圖2所示的非球面的成像系統(tǒng)，在單個(gè)歸一化空間 頻率為0. 4時(shí)，調(diào)制與離焦關(guān)系的貫穿焦點(diǎn)(thru-focus)標(biāo)繪圖；圖7示出了根據(jù)實(shí)施方式，由等式2所限定的光學(xué)表面垂度的非球面部件的標(biāo)繪 圖；圖8示出了由成像系統(tǒng)產(chǎn)生的非單調(diào)波前的標(biāo)繪圖，所述成像系統(tǒng)包括具有由等 式2所限定的光學(xué)表面垂度的非球面光學(xué)元件；圖9示出了包括具有由等式2限定的光學(xué)表面垂度的非球面元件并聚焦于無窮遠(yuǎn) 處的光學(xué)系統(tǒng)的性能與沒有應(yīng)用非球面元件的等效系統(tǒng)的性能相比的標(biāo)繪圖；圖10示出了包括具有由等式2限定的光學(xué)表面垂度的非球面元件并聚焦于35cm 處的光學(xué)系統(tǒng)的性能與沒有應(yīng)用非球面元件的等效系統(tǒng)的性能相比的標(biāo)繪圖；圖11示出了包括具有由等式2限定的光學(xué)表面垂度的非球面元件并聚焦于25cm 處的光學(xué)系統(tǒng)的性能與沒有應(yīng)用非球面元件的等效系統(tǒng)的性能相比的標(biāo)繪圖；圖12示出了根據(jù)實(shí)施方式，穿過成像系統(tǒng)的電磁能量的光線圖；圖13示出了圖12所示區(qū)域的詳細(xì)視圖；圖14是示出根據(jù)實(shí)施方式，優(yōu)化光學(xué)成像系統(tǒng)以擴(kuò)展系統(tǒng)景深的方法的流程圖； 以及圖15是示出根據(jù)實(shí)施方式，優(yōu)化光學(xué)成像系統(tǒng)以包括表示某些空間頻帶的電磁 能量的指定分布的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式呈現(xiàn)下面的描述以使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠制造并使用本文的實(shí)施方式，并且 下面的描述是在專利應(yīng)用及其要求方面提供的。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，對(duì)所描述的實(shí)施 方式的各種修改是顯而易見的，并且本文的原理可適用于其他實(shí)施方式。因此，本公開不 是旨在限制所示出的實(shí)施方式，而是旨在給予其與本文所描述的原理和特征一致的最大范 圍。在附圖中，盡量用相同的參考數(shù)字表示相同的部件。需要注意的是，為說明清楚起見， 附圖中的某些元件不是成比例繪制的。圖1示出了提供非單調(diào)波前相位輪廓并且具有擴(kuò)展的景深的成像系統(tǒng)10。電磁能 量的波前7從場(chǎng)景5向成像系統(tǒng)10 (例如，沿著從波前7向外指的箭頭方向)發(fā)射。形成波 前7的電磁能量可以是，例如，可見光、紫外線、紅外線、微波或射頻輻射中的任意一個(gè)。成 像系統(tǒng)10利用光學(xué)器件20修改波前以形成非單調(diào)波前相位輪廓40。電磁能量在探測(cè)器 50處形成圖像，該探測(cè)器50根據(jù)圖像產(chǎn)生圖像數(shù)據(jù)60。成像系統(tǒng)10可選擇地包括圖像處 理器70，其產(chǎn)生已處理的圖像數(shù)據(jù)80，例如通過過濾圖像數(shù)據(jù)60。通過使用至少近似地反 轉(zhuǎn)光學(xué)器件20的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的濾波器核心來卷積圖像數(shù)據(jù)80，以執(zhí)行過濾。等式1表示描述圓對(duì)稱的非球面透鏡的表面垂度(surface sag) sag(r)的等式的
一個(gè)示例，其提供了非單調(diào)波前相位輪廓和擴(kuò)展的景深(“EDoF”)，其中‘r’的單位是mm: 6 10
權(quán)利要求
1.成像光學(xué)器件，包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件，所述光學(xué)元件用于修改入射到其上的電 磁能量的波前，使得通過穿過所述光學(xué)元件的傳輸而被修改的所述波前顯示出非單調(diào)的波 前相位輪廓，所述成像光學(xué)器件由在散焦范圍內(nèi)基本不變的調(diào)制傳遞函數(shù)來表征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像光學(xué)器件，其中，所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件中的至少一 個(gè)是圓對(duì)稱的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像光學(xué)器件，其中，所述至少一個(gè)圓對(duì)稱的光學(xué)元件具有 非單調(diào)的表面垂度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的成像光學(xué)器件，其中，所述至少一個(gè)圓對(duì)稱的光學(xué)元件具有由下式描述的表面垂度 6 10
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像光學(xué)器件，其中，所述至少一個(gè)圓對(duì)稱的光學(xué)元件具有 單調(diào)的表面垂度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的成像光學(xué)器件，其中，所述至少一個(gè)圓對(duì)稱的光學(xué)元件具有由下式描述的表面垂度
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像光學(xué)器件，其中，所述電磁能量的第一部分和第二部分 分別表示空間頻率的第一頻帶和第二頻帶，并且所述電磁能量的所述第一部分相比于所述 電磁能量的所述第二部分，不同地分布在圖像捕獲容積之中。
8.一種光學(xué)成像系統(tǒng)，包括光學(xué)成像器件，用于修改電磁能量的波前，使得通過穿過所述光學(xué)元件傳輸而被修改 的所述波前形成非單調(diào)的波前相位輪廓，其中所述成像光學(xué)器件由在散焦范圍內(nèi)基本不變 的MTF來表征；以及探測(cè)器，用于接收來自所述成像光學(xué)器件的所述電磁能量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)成像系統(tǒng)，其中，所述一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件中的至少一 個(gè)是圓對(duì)稱的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)成像系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)圓對(duì)稱的光學(xué)元件具有非單調(diào)的表面垂度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)成像系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)圓對(duì)稱的光學(xué)元件具有由下式描述的表面垂度 6 10 sag(r) = ^aiPi -l· K^bjdpj
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)成像系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)圓對(duì)稱的光學(xué)元件具有 單調(diào)的表面垂度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光學(xué)成像系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)圓對(duì)稱的光學(xué)元件具 有由下式描述的表面垂度
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)成像系統(tǒng)，所述探測(cè)器響應(yīng)于在所述探測(cè)器上成像的 所述電磁能量產(chǎn)生電子圖像數(shù)據(jù)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括后處理器，所述后處理器通過利用 至少近似地反轉(zhuǎn)所述成像光學(xué)器件的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的濾波器核心卷積圖像數(shù)據(jù)，以銳化所述 探測(cè)器所產(chǎn)生的圖像。
15.一種優(yōu)化光學(xué)成像系統(tǒng)以擴(kuò)展所述系統(tǒng)的景深的基于計(jì)算機(jī)的方法，包括 在基于計(jì)算機(jī)的模擬工具中提供所述光學(xué)成像系統(tǒng)的初始模型；求算所述初始模型的景深；通過將非球面光學(xué)器件的設(shè)計(jì)參數(shù)的初步估算增加到所述初始模型中產(chǎn)生所述光學(xué) 成像系統(tǒng)的修改的模型；在所述模擬工具中建立景深目標(biāo)，所述景深目標(biāo)超過了所述初始模型的所述景深；以及操作所述模擬工具的優(yōu)化器以改變所述設(shè)計(jì)參數(shù)，直至所述優(yōu)化器收斂于所述非球面 光學(xué)器件的最終設(shè)計(jì)參數(shù)，使得所述系統(tǒng)形成非單調(diào)的波前相位輪廓，并使得包括所述最 終設(shè)計(jì)參數(shù)的所述光學(xué)成像系統(tǒng)的最終模型滿足或超過所述景深目標(biāo)。
16.一種優(yōu)化光學(xué)表面以擴(kuò)展光學(xué)成像系統(tǒng)的景深的基于計(jì)算機(jī)的方法，包括 在基于計(jì)算機(jī)的模擬工具中提供不具有所述光學(xué)表面的所述光學(xué)成像系統(tǒng)的初始模型；求算所述初始模型的景深；通過將所述光學(xué)表面的設(shè)計(jì)參數(shù)的初步估算增加到所述初始模型中產(chǎn)生所述光學(xué)器 件的修改的模型，所述初步估算包括與球面的單調(diào)相位偏離；在所述模擬工具中建立景深目標(biāo)，所述景深目標(biāo)超過了不具有所述光學(xué)表面的所述光 學(xué)成像系統(tǒng)的景深；以及操作改變所述設(shè)計(jì)參數(shù)的所述模擬工具的優(yōu)化器，直至所述優(yōu)化器收斂于包括非單調(diào) 相位偏離的所述光學(xué)表面的最終設(shè)計(jì)參數(shù)，而且包括所述光學(xué)表面的所述光學(xué)器件的最終 模型滿足或超過所述景深目標(biāo)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的基于計(jì)算機(jī)的方法，其中，提供所述初始模型包括指定所述光學(xué)成像系統(tǒng)的后聚焦面的位置，以及 操作所述優(yōu)化器包括允許所述優(yōu)化器改變所述后聚焦面的所述位置。
18.在光學(xué)成像系統(tǒng)中，在散焦范圍內(nèi)保持調(diào)制傳遞不變性的方法，包括修改入射到所述光學(xué)成像系統(tǒng)的電磁能量的波前，使得所述波前顯示出非單調(diào)的波前 相位輪廓并且具有在所述散焦范圍內(nèi)基本不變的調(diào)制傳遞函數(shù)。
19.一種優(yōu)化光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以擴(kuò)展所述系統(tǒng)的景深的基于計(jì)算機(jī)的方法，包括在基于計(jì)算機(jī)的模擬工具中提供所述光學(xué)成像系統(tǒng)的初始模型； 針對(duì)所述初始模型，求算表示空間頻帶的電磁能量在所述系統(tǒng)的整個(gè)圖像捕獲容積中 的分布；通過將非球面光學(xué)器件的設(shè)計(jì)參數(shù)的初步估算增加到所述初始模型中產(chǎn)生所述光學(xué) 成像系統(tǒng)的修改的模型；建立表示空間頻帶的電磁能量在所述整個(gè)圖像捕獲容積中的期望分布，作為所述模擬 工具中的設(shè)計(jì)目標(biāo)；以及操作所述模擬工具的優(yōu)化器以改變所述設(shè)計(jì)參數(shù)，直至所述優(yōu)化器收斂于所述非球面 光學(xué)器件的最終設(shè)計(jì)參數(shù)，使得所述系統(tǒng)形成非單調(diào)的波前相位輪廓，并使得包括所述最 終設(shè)計(jì)參數(shù)的所述光學(xué)成像系統(tǒng)的最終模型滿足電磁能量在整個(gè)圖像捕獲容積設(shè)計(jì)目標(biāo) 中的分布。
全文摘要
系統(tǒng)和方法包括成像光學(xué)器件，所述成像光學(xué)器件包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件，用于修改入射到其上的電磁能量的波前。通過穿過所述光學(xué)元件的傳輸被修改的所述波前顯示出非單調(diào)的波前相位輪廓。所述成像光學(xué)器件由在散焦范圍內(nèi)基本不變的調(diào)制傳遞函數(shù)表征。所述系統(tǒng)可選地包括探測(cè)器，用于接收來自所述成像光學(xué)器件的電磁能量。在光學(xué)成像系統(tǒng)中，在散焦范圍內(nèi)保持調(diào)制傳遞不變性的方法包括修改入射到所述光學(xué)成像系統(tǒng)的電磁能量的波前，使得所述波前顯示出非單調(diào)的波前相位輪廓并且具有在散焦范圍內(nèi)基本不變的調(diào)制傳遞函數(shù)。
文檔編號(hào)G02B13/18GK102007440SQ200980112946
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2009年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月15日
發(fā)明者羅布·貝茨 申請(qǐng)人:全視Cdm光學(xué)有限公司