Блог

Oct 30, 2023

Бифокальная плоская линза с различными характеристиками изображения для двойного

Scientific Reports, том 12, номер статьи: 18996 (2022) Цитировать эту статью 785 Доступов 1 Подробности об альтметрических метриках Изображения с широким полем зрения (FOV) и увеличенные изображения можно делать одновременно

Том 12 научных докладов, номер статьи: 18996 (2022) Цитировать эту статью

785 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Изображения с широким полем зрения (FOV) и увеличенные изображения могут быть получены одновременно с помощью систем обработки изображений с двумя датчиками. Здесь мы предлагаем подход к созданию бифокальной плоской линзы с различными характеристиками изображения двух фокусов, что делает системы визуализации с двумя датчиками более интегрированными и миниатюрными. То есть две специальные части двух разных условных ЗП извлекаются и затем определенным образом объединяются в два элемента. Таким образом, вдоль оптической оси имеется два фокуса с разными характеристиками: один — длинный фокус с более высоким разрешением, другой — короткий фокус с большой глубиной резкости (ГРИП). В рамках предложенного подхода разработана тонкая и легкая бифокальная дифракционная линза (БДЛ) толщиной 0,6 мкм. Длинное и короткое фокусное расстояние БДЛ составляют ~81 мм и ~27 мм соответственно при диаметре 6 мм. Экспериментально продемонстрировано, что длинный фокус БДЛ способен снимать увеличенные изображения с высоким разрешением, а его разрешение составляет до 21,90 дюйма. Короткий фокус позволяет получить широкое поле зрения с изображениями с большой глубиной резкости, а два объекта, расположенные на расстоянии 2880 мм друг от друга, могут быть четко изображены. Результаты эксперимента показывают, что все эти показатели лучше, чем у обычной преломляющей линзы.

В системе визуализации изображения с увеличением и широкое поле зрения (FOV) очень важны для получения дополнительной информации1. Приложения, требующие увеличения изображения и широкого диапазона изображений: от наблюдения2 и медицины3,4,5 до искусственного интеллекта6,7. Поскольку в обычной системе формирования изображений имеется только один фокус, для получения увеличенных изображений и изображений с широким полем зрения требуется увеличение, а это означает, что увеличенные изображения и изображения с широким полем обзора не могут быть получены обычными системами формирования изображения с увеличением одновременно. Кроме того, системы масштабирования изображения очень толстые и громоздкие, а процесс масштабирования занимает много времени, а также сложно сбалансировать широкий угол обзора и высокое разрешение. Для решения этих проблем было предложено множество подходов, таких как визуализация с помощью линзовой матрицы8,9,10,11,12,13,14 и фовеатная визуализация15,16,17,18, а также система с двумя камерами19 и система визуализации с двумя датчиками20. Однако недостатками этих подходов являются очень громоздкость и сложность из-за наличия более чем одной линзы, что ограничивает их применение в широких областях.

В целях облегчения, интеграции и миниатюризации плоские линзы с двумя фокусами представляют собой решение для системы формирования изображения с двумя датчиками, что означает, что длинный фокус обеспечивает изображение с увеличением высокого разрешения, а короткий фокус обеспечивает одновременно широкое поле зрения и большую глубину резкости. Плоские линзы включают в себя металинзы и дифракционные оптические элементы (ДОЭ), и оба они способны свободно манипулировать фазой света. Кроме того, манипулирование поляризацией может быть достигнуто с помощью металинз21. Металинзы — это новые оптические устройства, предложенные в последние годы22,23, которые позволяют достичь заданного волнового фронта за счет тщательного расположения этих устройств, включая ахроматизм24,25 и поляризационную визуализацию26. Тем не менее, в данной статье речь идет о проблеме управления фазой, а не о контроле поляризации, и спроектировать и изготовить металинзу с более крупными составляющими характеристиками по сравнению с ДОЭ27 представляет собой серьезную задачу. Таким образом, ДОЭ больше подходят для удовлетворения этих требований, и их гораздо проще производить благодаря развитию технологии фотолитографии, что делает их доступными для недорогого крупносерийного производства. Существует два распространенных подхода к проектированию мультифокального ДОЭ, включая оптимизацию заданного распределения интенсивности28,29,30,31 и создание порядков дифракции32,33,34. Для первого подхода, то есть используются некоторые алгоритмы оптимизации оптических элементов для формирования заданного распределения интенсивности вдоль оптической оси. Для второго подхода это бинаризация обычной линзы, т. е. появление дополнительных порядков дифракции вдоль оптической оси. Оба они давно изучены и хорошо известны. Однако недостатком первого подхода является то, что он требует алгоритма оптимизации для оптимизации заданного распределения интенсивности вдоль оптической оси, что требует много времени и затруднено в изготовлении больших мультифокальных ДОЭ. Недостаток второго подхода заключается в том, что на оптической оси появляется ряд дополнительных фокальных пятен, что снижает качество необходимого нам изображения первичного фокуса. Кроме того, путем бинаризации обычной линзы для создания дополнительных фокусов сложно добиться ожидаемых фокусных характеристик вдоль оптической оси.