[发明专利]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

说明书

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 NON-MONOTONIC 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。

附图说明

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；