[发明专利]折/衍混合长焦深成像透镜的消色差方法

说明书

技术领域

本发明属于光学系统设计领域，具体涉及一种折/衍混合长焦深成像透镜在可见光波段内消色差的方法。

背景技术

当光电成像系统处在各种复杂环境下，同时还要求其在较大的范围内都能得到清晰的图像，如何不增加调焦系统复杂性，如何降低光学系统随环境变化所产生的不可测的量对图像恢复造成的难度，是在光电探测的实际应用中尚待解决的问题。而扩展焦深技术是解决这一问题的有效手段。

常规增大焦深的方法是通常采用缩小光学系统相对孔径的方法，该方法在增大焦深的同时也减小了系统的横向分辨率和系统的通光量。

1954年麦克里奥德(McLeod)提出圆锥透镜(axicon)的概念，通过适当的选择圆锥透镜的半径R和锥角θ，可以灵活控制锥面波的传播距离，并使其很容易超出普通透镜的焦深范围。但是，圆锥透镜的这种特性并不满足许多实际应用中沿轴向焦深范围内均匀光强分布且光束直径变化不大的要求，而且圆锥透镜的焦深范围是从锥点算起，这不满足许多应用中要求焦深在轴向某一段的要求；并且，圆锥透镜的能量利用率低，只能将输入的一小部分能量聚集到轴上。

1982年，美国的M.D.Levenson等人在IEEE的电子设备通讯上发表了提高光刻分辨率的相移掩模(PSM)方法。这种方法采用相移掩模的方法提高激光光刻中的分辨率，同时并不减少焦深范围，从而相对传统方法来说变相地提高了焦深。但这种方法对焦深的真正拉长并不起作用，应用范围有一定的局限性。

1992年寿查基(Sochacki)和加罗斯维兹(Jaroszewicz)等人利用几何光学方法，根据前人在光学元件聚能方面研究的基础上，提出了能量守恒法设计对数光锥来扩展焦深。可以方便地实现长焦深，但是元件的加工相当困难。

在1998年国防工业出版社出版的由金国藩、严瑛白、邬敏贤等编著的《二元光学》一书中(p241-250)提出一种折/衍混合实现对数光锥结构的设计方案，其实质是由折射器件(如平凸透镜)承担主要的光焦度，而衍射器件的位相仅用以扩展焦深，改善光强分布。这种方法有效的解决了器件难以加工的问题，但是并没有考虑其应用于成像系统中的色差。

1995年美国Colorado大学成像系统实验室提出一种波前编码(WavefrontCoding)技术，即用波前编码技术制作一种相当于非球面的掩模板，物目标经过加了掩模板的光学系统后形成一个对离焦不敏感的模糊的中间像，再对中间像进行数字图像处理从而得到清晰聚焦的图像，从而达到扩大焦深的目的。这种方法实际上是光学技术与图像处理相结合的一种扩大焦深的技术方法，需要额外的图像处理时间，不适于应用在要求快速成像的场合。

2004年美国Miami大学的Angel Flores等人在OSA的Applied Optics上发表文章(Achromatic hybrid refractive-diffractive lens with extended depth of focus)中提到一种消色差长焦深透镜，其衍射元件的位相函数是通过分配光焦度及焦深两步获得的对数光锥形式，设计过程复杂，且很难直接判断其轴向光强分布随波长变化的趋势。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有设计方案的不足，特别是针对其中国内未考虑到的长焦深透镜初级色差校正，以及国外提出的方案存在设计、分析过程复杂的问题，提出一种改进的折/衍混合长焦深成像透镜在可见光波段内消色差的方法，该方法只需进行一次光焦度分配而无需分配焦深。由于位相重新分配后，折射元件、衍射元件功能明确，其设计、分析过程简单，并且既能确保焦深范围设计的灵活性又能够在可见光波段内消色差。

本发明是通过以下的技术方案实现的：

折/衍混合长焦深成像透镜的消色差方法，包含从物方至像方按顺序由折射透镜L1、衍射透镜L2组成的结构，混合长焦深成像透镜的整体位相函数φh(r)以及折射透镜L1、衍射透镜L2相应的光焦度1/f_r、1/f_d，其中