专利名称：提供非单调的波前相位轮廓和扩展景深的圆对称的非球面光学器件的制作方法
提供非单调的波前相位轮廓和扩展景深的圆对称的非球面
光学器件相关申请的交叉引用本申请要求2008年2月15日提交的题为“提供非单调的波前相位轮廓和扩 展景深的圆对称的非球面光学器件(CIRCULARLY SYMMETRIC ASPHERIC LENS HAVING N0N-M0N0T0NIC PHASE DEVIATION AND EXTENDED DEPTH OF FIELD) ” 的美国临时专利申请 第61/029，263号的优先权，上述申请以引用方式整体并入本文。美国专利第5，748，371、 6，940，649,7, 115，849,7, 218，448、以及7，649，302号也以引用方式整体并入本文。
背景技术：
受限的景深是成像领域中的常见问题。众所周知，摄像者缩小成像设备(例如，照 相机)的光圈能够增大景深，但是这种技术减少了成像设备可用的光。某些成像设备通过 利用圆形非对称的光学器件修改相位来增加景深，但是由于需要在设备中对准非对称的光 学器件，所以这种设备很难制造或制造成本很高。
发明内容
结合系统、工具和方法描述并示出了下面的实施方式及其各方面，所述实施方式 及其各方面是示例性和解释性的，而不用于限制范围。在各种实施方式中，解决了与上述系 统和方法相关联的一个或多个限制，而另外的实施方式针对其他改进。在实施方式中，成像光学器件包括一个或多个光学元件，所述光学元件用于修改 入射到其上的电磁能量的波前。通过穿过所述光学元件的传输而被修改的所述波前显示出 非单调的波前相位轮廓。所述成像光学器件由在散焦范围内基本不变的调制传递函数表 征。在实施方式中，光学成像系统包括光学成像器件，用于修改电磁能量的波前，使得 通过穿过所述光学元件传输而被修改的所述波前形成非单调的波前相位轮廓。所述成像光 学器件由在散焦范围内基本不变的调制传递函数(“MTF”)表征。该系统还包括探测器，用 于接收来自所述成像光学器件的所述电磁能量。在实施方式中，优化光学成像系统以扩展所述系统景深的基于计算机的方法包 括在基于计算机的模拟工具中提供所述光学成像系统的初始模型，并求算所述初始模型 的景深。所述方法还包括通过将非球面光学器件的设计参数的初步估算增加到所述初始模 型中产生所述光学成像系统的修改的模型，并在所述模拟工具中建立景深目标，所述景深 目标超过了所述初始模型的景深。所述方法操作所述模拟工具的优化器以改变所述设计参 数，直至所述优化器收敛于所述非球面光学器件的最终设计参数，使得所述系统形成非单 调的波前相位轮廓。包括所述最终设计参数的所述光学成像系统的最终模型满足或超过所 述景深目标。
在实施方式中，优化光学表面以扩展光学成像系统景深的基于计算机的方法包 括在基于计算机的模拟工具中提供不具有所述光学表面的所述光学成像系统的初始模型，并求算所述初始模型的景深。所述方法还包括通过将所述光学表面的设计参数的初步估算增加到所述初始模型中产生所述光学器件的修改的模型，所述初步估算包括与球面的 单调相位偏离，所述方法还包括在所述模拟工具中建立景深目标，所述景深目标超过了不 具有所述光学表面的所述光学成像系统的景深。模拟工具的优化器改变设计参数，直至所 述优化器收敛于包括非单调相位偏离的所述光学表面的最终设计参数，而且包括所述光学 表面的所述光学器件的最终模型满足或超过所述景深目标。在实施方式中，在光学成像系统中，在散焦范围内保持调制传递不变性的方法包 括修改入射到所述光学成像系统的电磁能量的波前，使得所述波前显示出非单调的波前 相位轮廓并具有在散焦范围内基本不变的调制传递函数。
在附图的参考图中示出了示例性的实施方式。需要注意的是，本文所公开的实施 方式和图是说明性的而不是限制性的。图1示出了根据实施方式，提供非单调的波前相位轮廓并具有扩展景深的成像系 统；图2示出了根据实施方式，表示由等式1所描述的圆对称的非球面透镜表面的标 绘图；图3示出了表示图2所示的非球面的横截面的标绘图；图4示出了由包括图2所示的非球面的成像系统所产生的调制传递函数(“MTF”) 的标绘图；图5示出了由不包括图2所示的非球面的成像系统所产生的MTF的标绘图；图6示出了对于包括和不包括图2所示的非球面的成像系统，在单个归一化空间 频率为0. 4时，调制与离焦关系的贯穿焦点(thru-focus)标绘图；图7示出了根据实施方式，由等式2所限定的光学表面垂度的非球面部件的标绘 图；图8示出了由成像系统产生的非单调波前的标绘图，所述成像系统包括具有由等 式2所限定的光学表面垂度的非球面光学元件；图9示出了包括具有由等式2限定的光学表面垂度的非球面元件并聚焦于无穷远 处的光学系统的性能与没有应用非球面元件的等效系统的性能相比的标绘图；图10示出了包括具有由等式2限定的光学表面垂度的非球面元件并聚焦于35cm 处的光学系统的性能与没有应用非球面元件的等效系统的性能相比的标绘图；图11示出了包括具有由等式2限定的光学表面垂度的非球面元件并聚焦于25cm 处的光学系统的性能与没有应用非球面元件的等效系统的性能相比的标绘图；图12示出了根据实施方式，穿过成像系统的电磁能量的光线图；图13示出了图12所示区域的详细视图；图14是示出根据实施方式，优化光学成像系统以扩展系统景深的方法的流程图； 以及图15是示出根据实施方式，优化光学成像系统以包括表示某些空间频带的电磁 能量的指定分布的方法的流程图。
具体实施例方式呈现下面的描述以使本领域普通技术人员能够制造并使用本文的实施方式，并且 下面的描述是在专利应用及其要求方面提供的。对本领域技术人员来说，对所描述的实施 方式的各种修改是显而易见的，并且本文的原理可适用于其他实施方式。因此，本公开不 是旨在限制所示出的实施方式，而是旨在给予其与本文所描述的原理和特征一致的最大范 围。在附图中，尽量用相同的参考数字表示相同的部件。需要注意的是，为说明清楚起见， 附图中的某些元件不是成比例绘制的。图1示出了提供非单调波前相位轮廓并且具有扩展的景深的成像系统10。电磁能 量的波前7从场景5向成像系统10 (例如，沿着从波前7向外指的箭头方向)发射。形成波 前7的电磁能量可以是，例如，可见光、紫外线、红外线、微波或射频辐射中的任意一个。成 像系统10利用光学器件20修改波前以形成非单调波前相位轮廓40。电磁能量在探测器 50处形成图像，该探测器50根据图像产生图像数据60。成像系统10可选择地包括图像处 理器70，其产生已处理的图像数据80，例如通过过滤图像数据60。通过使用至少近似地反 转光学器件20的点扩散函数的滤波器核心来卷积图像数据80，以执行过滤。等式1表示描述圆对称的非球面透镜的表面垂度(surface sag) sag(r)的等式的
一个示例，其提供了非单调波前相位轮廓和扩展的景深(“EDoF”)，其中‘r’的单位是mm: 6 10
权利要求
1.成像光学器件，包括一个或多个光学元件，所述光学元件用于修改入射到其上的电 磁能量的波前，使得通过穿过所述光学元件的传输而被修改的所述波前显示出非单调的波 前相位轮廓，所述成像光学器件由在散焦范围内基本不变的调制传递函数来表征。
2.根据权利要求1所述的成像光学器件，其中，所述一个或多个光学元件中的至少一 个是圆对称的。
3.根据权利要求2所述的成像光学器件，其中，所述至少一个圆对称的光学元件具有 非单调的表面垂度。
4.根据权利要求3所述的成像光学器件，其中，所述至少一个圆对称的光学元件具有由下式描述的表面垂度 6 10
5.根据权利要求2所述的成像光学器件，其中，所述至少一个圆对称的光学元件具有 单调的表面垂度。
6.根据权利要求5所述的成像光学器件，其中，所述至少一个圆对称的光学元件具有由下式描述的表面垂度
7.根据权利要求1所述的成像光学器件，其中，所述电磁能量的第一部分和第二部分 分别表示空间频率的第一频带和第二频带，并且所述电磁能量的所述第一部分相比于所述 电磁能量的所述第二部分，不同地分布在图像捕获容积之中。
8.一种光学成像系统，包括光学成像器件，用于修改电磁能量的波前，使得通过穿过所述光学元件传输而被修改 的所述波前形成非单调的波前相位轮廓，其中所述成像光学器件由在散焦范围内基本不变 的MTF来表征；以及探测器，用于接收来自所述成像光学器件的所述电磁能量。
9.根据权利要求8所述的光学成像系统，其中，所述一个或多个光学元件中的至少一 个是圆对称的。
10.根据权利要求9所述的光学成像系统，其中，所述至少一个圆对称的光学元件具有非单调的表面垂度。
11.根据权利要求10所述的光学成像系统，其中，所述至少一个圆对称的光学元件具有由下式描述的表面垂度 6 10 sag(r) = ^aiPi -l· K^bjdpj
12.根据权利要求9所述的光学成像系统，其中，所述至少一个圆对称的光学元件具有 单调的表面垂度。
13.根据权利要求12所述的光学成像系统，其中，所述至少一个圆对称的光学元件具 有由下式描述的表面垂度
14.根据权利要求8所述的光学成像系统，所述探测器响应于在所述探测器上成像的 所述电磁能量产生电子图像数据，所述系统进一步包括后处理器，所述后处理器通过利用 至少近似地反转所述成像光学器件的点扩散函数的滤波器核心卷积图像数据，以锐化所述 探测器所产生的图像。
15.一种优化光学成像系统以扩展所述系统的景深的基于计算机的方法，包括 在基于计算机的模拟工具中提供所述光学成像系统的初始模型；求算所述初始模型的景深；通过将非球面光学器件的设计参数的初步估算增加到所述初始模型中产生所述光学 成像系统的修改的模型；在所述模拟工具中建立景深目标，所述景深目标超过了所述初始模型的所述景深；以及操作所述模拟工具的优化器以改变所述设计参数，直至所述优化器收敛于所述非球面 光学器件的最终设计参数，使得所述系统形成非单调的波前相位轮廓，并使得包括所述最 终设计参数的所述光学成像系统的最终模型满足或超过所述景深目标。
16.一种优化光学表面以扩展光学成像系统的景深的基于计算机的方法，包括 在基于计算机的模拟工具中提供不具有所述光学表面的所述光学成像系统的初始模型；求算所述初始模型的景深；通过将所述光学表面的设计参数的初步估算增加到所述初始模型中产生所述光学器 件的修改的模型，所述初步估算包括与球面的单调相位偏离；在所述模拟工具中建立景深目标，所述景深目标超过了不具有所述光学表面的所述光 学成像系统的景深；以及操作改变所述设计参数的所述模拟工具的优化器，直至所述优化器收敛于包括非单调 相位偏离的所述光学表面的最终设计参数，而且包括所述光学表面的所述光学器件的最终 模型满足或超过所述景深目标。
17.根据权利要求16所述的基于计算机的方法，其中，提供所述初始模型包括指定所述光学成像系统的后聚焦面的位置，以及 操作所述优化器包括允许所述优化器改变所述后聚焦面的所述位置。
18.在光学成像系统中，在散焦范围内保持调制传递不变性的方法，包括修改入射到所述光学成像系统的电磁能量的波前，使得所述波前显示出非单调的波前 相位轮廓并且具有在所述散焦范围内基本不变的调制传递函数。
19.一种优化光学成像系统的设计以扩展所述系统的景深的基于计算机的方法，包括在基于计算机的模拟工具中提供所述光学成像系统的初始模型； 针对所述初始模型，求算表示空间频带的电磁能量在所述系统的整个图像捕获容积中 的分布；通过将非球面光学器件的设计参数的初步估算增加到所述初始模型中产生所述光学 成像系统的修改的模型；建立表示空间频带的电磁能量在所述整个图像捕获容积中的期望分布，作为所述模拟 工具中的设计目标；以及操作所述模拟工具的优化器以改变所述设计参数，直至所述优化器收敛于所述非球面 光学器件的最终设计参数，使得所述系统形成非单调的波前相位轮廓，并使得包括所述最 终设计参数的所述光学成像系统的最终模型满足电磁能量在整个图像捕获容积设计目标 中的分布。
全文摘要
系统和方法包括成像光学器件，所述成像光学器件包括一个或多个光学元件，用于修改入射到其上的电磁能量的波前。通过穿过所述光学元件的传输被修改的所述波前显示出非单调的波前相位轮廓。所述成像光学器件由在散焦范围内基本不变的调制传递函数表征。所述系统可选地包括探测器，用于接收来自所述成像光学器件的电磁能量。在光学成像系统中，在散焦范围内保持调制传递不变性的方法包括修改入射到所述光学成像系统的电磁能量的波前，使得所述波前显示出非单调的波前相位轮廓并且具有在散焦范围内基本不变的调制传递函数。
文档编号G02B13/18GK102007440SQ200980112946
公开日2011年4月6日 申请日期2009年2月17日 优先权日2008年2月15日
发明者罗布·贝茨 申请人:全视Cdm光学有限公司