CN101014884A - 扩展焦深的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了扩展焦深的方法和系统。提供了一种用于扩展焦深的成像装置和方法。该成像装置包括具有特定有效孔径的成像透镜以及与所述成像透镜相关联的光学元件。该光学元件被构造为用于限定空间低频相位转换的影响相位的、非衍射光学元件。该光学元件与该成像透镜限定由不同光学特性的间隔开的基本光学透明特征形成的预定图案。至少通过所述有效孔径的尺寸来确定所述成像透镜平面内的光学元件的至少一个相位转换区域的位置。

Description

扩展焦深的方法和系统

技术领域

本发明总体上涉及成像系统的领域，并且涉及具有增加的焦深(depthof focus)的成像透镜装置。

背景技术

扩展成像系统的焦深是使成像系统可以结合到各种应用中的非常重要的核心技术，所述各种应用尤其包括：与医学相关的应用，在这些应用中，将诸如照相机的单元插入到体内以观察和检测有问题的组织；以及眼科行业，包括眼镜的镜片、接触式透镜、眼内透镜或者用外科手术插入到眼中的其他透镜。对于用于工业、医学、监视或消费者应用的诸如显微镜或照相机的光学设备也需要扩展焦深的方案，在这些光学设备中，需要对光进行聚焦并且目前的聚焦是通过多个透镜来实现的，并且需要通过手动或电子驱动的机械运动使聚焦装置与图像和/或对象平面之间产生相对位移。

为了获得光学系统的扩展焦深，已经开发出各种方法。在WO03/076984中公开了由本发明的发明人开发的一种已知方法。该技术提供了场成像的全光学扩展焦深。成像系统产生位于距该成像系统各种的距离处的对象的可接受质量的图像。成像系统的优选实施例包括对象、辅助透镜、复合相位光罩(phase mask)以及沿光轴设置的传感器。辅助透镜与复合相位光罩一起对来自对象的光进行聚焦，产生入射到检测器上的图像。该技术基于：将在空间上高解析的相位元件设置在透镜孔径的顶部，以产生焦距的连续设置。

例如在以下出版物中公开了另一方法：US6,069,738；US6,097,856；WO99/57599；WO03/052492。根据该方法，在孔径平面中使用立方体相位光罩，并且需要数字后处理来实现聚焦图像。更具体地说：

US6,069,738公开了一种用于扩展图像投影系统的焦深的装置和方法。在投影表面上提供焦点对准的(in-focus)、扩展焦深的图像的光学系统包括：编码光罩和光编码器，用于使光包括对象信息(或等价地包括与所期望图像有关的信息)；以及扩展焦深(EDF)光罩，用于扩展投影系统的焦深。除了包括对象信息之外，编码光罩还对来自光源的光进行编码以在扩展焦深时考虑由EDF光罩引入的变化，从而不需要后处理。

US6,097,856公开了一种用于减小具有扩展焦深的成像系统中的成像误差的装置和方法。一种改进的光电成像系统适于与被非相干地照明的对象一起使用，并且其产生具有减少的成像错误内容的最终图像。该成像系统包括：光学组件，用于形成待成像对象的中间图像；图像传感器，用于接收该中间图像并产生中间图像信号；和处理装置，用于对该中间图像信号进行处理以产生具有减少的成像错误内容的最终图像。成像错误内容的减少是部分地通过在光学组件中包括以下部分来实现的：相位光罩，用于使光学组件的OTF在工作距离的范围内相对不变；以及幅值光罩，其具有作为距其中心的距离的函数而连续减小的透光率。成像错误内容的减少还是部分地通过在该处理装置中包括以下部分而实现的：改进的通用(generalized)恢复功能，该功能根据在大致最佳聚焦的情况下的光学组件的至少不理想的计算IOTF而变化。

WO99/57599公开了一种增加焦深并降低非相干光学系统的波长灵敏度的光学系统。该系统将专用光掩模结合到非相干系统中。该光掩模被设计成使光传递函数在距焦点对准的位置的一定范围内保持基本恒定。对所得到的中间图像进行的信号处理消除了掩模的光传递修改效果，从而在增加了的焦深内得到焦点对准的图像。通常将掩模设置在孔径光阑(aperture stop)或者光学系统的孔径光阑的图像处或附近。优选的是，该掩模仅改变了光的相位而不改变光的幅值，尽管可以通过相关联的滤光器等来改变幅值。可以使用该掩模来增加被动测距系统的使用范围。

WO03/052492公开了一种通过修正接触式透镜、眼内植入物或眼睛自身的表面来向人眼提供扩展的焦深的技术。这是通过将所选择的相位变化施加到所关心的光学元件(例如，通过改变表面厚度)而实现的。该相位变化对波阵面进行EDF编码，并使光传递函数在距焦点对准的位置的一定范围内保持基本恒定。这提供了视网膜上的编码图像。人脑对该编码图像进行解码，从而在增加了的焦深内得到焦点对准的图像。

例如在US6,554,424(以及美国专利申请公报20040114103、20040114102和20030142268)和US4,955,904中公开的其他方法利用了孔径平面的变迹(apodization)。更具体地说：

US6,554,424描述了一种用于增加人眼的焦深的系统和方法。该系统包括：透镜体，该透镜体中的镜片被构造用来产生光干涉；和基本上位于所述镜片中心的针孔状光孔径。该镜片可被构造用来产生光散射，或者由光反射材料组成。另选的是，该镜片可以通过光干涉、光散射、光反射和/或光吸收的组合来增加焦深。还可以将该镜片构造为一系列同心圆、交织、颗粒图案或曲率图案。一种方法涉及利用透镜中的针孔筛选装置来为病人筛选眼用透镜以增加病人的焦深。另一种方法包括用外科手术将掩模植入到病人的眼睛中以增加焦深。

US4,955,904描述了一种用于植入到人眼中的掩模眼内透镜。仅挡住部分晶状体的该掩模与眼睛的瞳孔一起在瞳孔收缩时限定了眼睛中的小孔径，从而增加了焦深，就像针孔照相机所做的那样。当眼睛的瞳孔扩大时，额外的光可以穿过该掩模周围的瞳孔并到达视网膜，从而使人可以在暗光的条件下视物。在一个实施例中，该掩模限定了小的圆孔径以及大的外环带；小的圆孔径具有位于远视和近视所需焦度(power)之间的附加焦度。还提供了一种对具有白内障的病人进行治疗的方法，该方法包括使用该掩模眼内透镜来代替病人的晶状体。

在下面的专利出版物中公开了一些其他的视力提高技术：

美国专利第5,748,371号公开了扩展焦深光学系统。用于增加焦深并降低波长灵敏度以及非相干光学系统的透镜的散焦产生像差效果的系统将专用光掩模结合到该非相干系统中。该光掩模被设计成使光传递函数在距焦点对准的位置的一定范围内保持基本恒定。对所得到的中间图像进行的信号处理消除了掩模的光传递改变效果，从而在增加了的焦深内得到焦点对准的图像。通常将掩模设置在主平面或光学系统的主平面的图像处。优选的是，该掩模只改变光的相位而不改变光的幅值。可使用该掩模来增加被动测距系统的使用范围。

WO01/35880公开了多焦点非球面透镜、一种用于矫正远视眼的接近人的瞳孔的光学表面、一种用于获得该光学表面的方法以及一种执行该方法的激光手术系统。该光学表面包括第一视力区、包围该第一区的第二视力区、以及包围第二视力区的第三视力区，第一视力区具有第一基本单焦度，第二视力区具有一定范围的焦度，第三视力区具有与第一单焦度不同的第二基本单焦度，第一、第二和第三视力区中的至少一个具有非球面表面，其他区具有球面表面。该方法包括对角膜进行整形以获得该光学表面。可以通过切除或胶原质收缩而在前表面或下表面上对角膜进行整形，其中通过应用受激准分子激光、外科激光、水切割、流体切割、液体切割或气体切割技术来进行切除。该方法还包括通过将具有期望光学特性的接触式透镜设置在角膜上来获得该光学表面。该激光手术系统包括激光束产生器和激光束控制器，激光束控制器对到达角膜的光束进行调节，以利用烧蚀照射将选定体积的角膜组织从角膜的光学区中的区域中去除，从而形成具有重新修整了轮廓的区域，该区域包括第一视力区、包围第一区的第二视力区以及包围第二视力区的第三视力区。

美国专利第5,965,330号公开了制造具有衍射减少边缘的环形掩模透镜的方法。根据该技术，该透镜体具有环形掩模，该环形掩模通过从中心孔径到环形掩模区域径向地逐渐降低透光率而形成“软边缘”。该方法将变化级别的着色剂(例如染料)引入到透镜的特定部分中。

WO03/012528描述了一种产生具有扩展焦深的光束的装置。该装置包括：二元相位掩模，其产生包括亮主环和两个旁瓣环的衍射图案；环形孔掩模，其仅让部分衍射图案通过；和透镜，其使光穿过环形孔以朝向光轴会聚并与光轴相交。在会聚光与光轴相交的地方，发生结构干涉，产生具有扩展焦深的光束。

美国专利第5,786,883号；第5,245,367号和第5,757,458号描述了一种被设计成利用人瞳孔的正常功能进行工作的环形掩模接触式透镜。环形掩模在接触式透镜上形成小的针孔状孔径，使得能够进行持续的焦点校正。环形掩模的外直径使得佩带者可以随着亮度级别的降低而使更多的光能透过瞳孔。该接触式透镜可由两个独立且不同的光学校正部分构成，这两个光学校正部分都位于小孔径区域处并且位于环形掩模之外的区域中。由此，在范围较宽的观看距离上，对于亮光和暗光两者都实现了功能成像。

美国专利第5,260,727号公开了宽焦深的眼内透镜和接触式透镜。根据该技术，透镜焦度可以是恒定的，但是通过瞳孔孔径的波的幅值和相位是可变的。可以通过根据数学函数(例如，高斯分布或贝塞耳函数)按预定的几何形状(例如，同心、平行或放射状)对透镜的区域进行遮蔽来构造该透镜。该透镜可以具有单焦度或多焦度，例如是双焦点型。

美国专利第5,905,561号公开了一种用于视力矫正的具有衍射减少边缘的环形掩模透镜。该透镜体具有环形掩模，该环形掩模通过从中心孔径到环形掩模区域径向地逐渐减小透光率而形成“软边缘”。

美国专利第5,980,040号描述了一种针孔透镜和接触式透镜。该接触式透镜包括具有凹表面的光学透明的透镜体，该凹表面适于病人眼睛的曲率和凸表面。该透镜具有三个区域：(1)第一光学焦度的环形区域；(2)位于所述环形区域(其也位于所述透镜的光学中心处)的中心处的大致针孔状的孔径；和(3)在第一环形区域外部的第二较大环形区域。

美国专利第5,662,706号公开了一种用于治疗光学像差(例如，夜间近视、球面像差、无虹膜症、圆锥形角膜、角膜创伤、穿透角膜成形术和后折射手术并发症)的透光率可变的环形掩模透镜。该透镜的环形掩模具有比传统针孔接触式透镜大的孔径。该孔径具有“软”的内边缘，并且该掩模的透光率朝着该掩模的外边缘径向地逐渐增加。

美国专利第5,225,858号描述了适于植入眼中或者放置在角膜上或角膜中的多焦点眼用透镜。该透镜具有光轴、中心区和与该中心区外切的多个环形区。这些环形区中的两个具有：第一区域，其具有远视矫正焦度；和第二区域，其具有近视矫正焦度。在IOL实施例中，远和近之间的视力校正焦度是渐进的，并且各个第二区域都具有主段，在该主段中近视矫正焦度基本恒定。在中心区的焦度是变化的。

美国专利第6,554,859号公开了一种用于植入病人眼中的眼内透境。该透镜包括多焦点镜片和移动组件。该镜片的最大添加焦度小于人工晶状体眼(pseudophakic eye)的完全近视所需的添加焦度。该移动组件连接到所述镜片并且适于与病人的眼睛协作，以实现镜片在眼中的调节性移动。还提供了包括两个镜片和两个移动组件的透镜系统。该眼内透镜和透镜系统在去除自然晶状体之后被植入到病人眼中时特别有用。

美国专利第6,576,012号和第6,537,317号公开了一种用于提高病人的视力的双眼透镜系统。该系统包括第一和第二眼用透镜。这些透镜中的每一个都适于植入眼中或放置在角膜上或角膜中。第一透镜具有用于远视矫正的第一基线屈光度焦度，而第二眼用透镜具有用于远视矫正之外的第二基线屈光度焦度。这些眼用透镜可以是在具有自然晶状体的情况下或者在去除自然晶状体之后被植入病人眼中的眼内透镜。

美国专利第6,474,814号公开了一种具有引发(induced)孔径的多焦点眼用透镜。该多焦点透镜由非圆锥非球面光学表面限定。各种另选表面形状提供了由光阶(optical step)包围的中心远视区域。该光阶具有沿径向迅速增加的焦度，这产生了引发孔径，通过该引发孔径来引导视觉系统的皮层元素以使其集中。引发孔径导致远视的清晰度增加。限定非圆锥非球面光学表面以产生期望的光焦度分布。为了简化在计算机驱动的用于对接触式透镜进行成形的车床中的应用，还以多项式级数的形式提供这些表面函数。该技术涉及接触式透镜、巩膜透镜(scleral lens)、眼内透镜以及在角膜组织内压印或手术成形的透镜。

美国专利第6527389号公开了一种改进的多焦点眼用透镜，其具有多个交替的焦度区域并且从一个区域转换到另一区域，各个区域内的焦度连续变化。换言之，提供了多个(至少两个)同心区域，其中从远视矫正到近视矫正(即，从近矫正焦度到远矫正焦度，然后回到近，并再次回到远，或者相反)的变化是连续的。该变化是连续的(渐进的)，而没有任何突然的矫正变化或“边缘”。公开了该技术的两个版本。在第一个版本中，通过连续改变透镜后表面的曲率来实现连续、交替的焦度变化，从而改变了光线到达眼睛的角度。在第二个版本中，通过创建不均匀的表面特征(材料折射率沿透镜径向方向(从光轴向外)连续变化)来实现连续、交替的焦度变化。

美国专利第5,715,031号公开了同心非球面多焦点透镜设计，该设计利用非球面前表面(其导致像差减小和对比度视力增强)与同心多焦点后表面的组合来产生透镜设计，该透镜设计提供远处以及近处的清楚视力，而不会损失对比度(这通常在现有技术的同时视力、同心多焦点透镜设计中是典型的)。非球面表面改进了透镜眼睛组合的调制传递函数(MTF)，这改善了远图像和近图像两者的焦点和对比度。该设计形式对于接触式透镜和眼内透镜有效。

美国专利第6,024,447号公开了一种用于提供具有增强的焦深的单焦点视力矫正焦度的增强单焦点眼用透镜。该透镜适于植入眼睛、放置在眼睛上、和设置在眼睛的角膜中。该眼用透镜包括用于远视矫正的基线屈光度焦度、具有第一视力矫正焦度的第一区以及具有第二视力矫正焦度的第二区。第二区在径向上位于第一区之外。第一区包括近视矫正焦度，第二区包括远视矫正焦度。第一区的最大屈光度值大约高于基线屈光度0.7屈光度，第二区的最小屈光度值大约低于基线屈光度焦度0.5屈光度。第一区适于将光聚焦在距用户视网膜第一预定距离处，第二区适于将光聚焦在距用户视网膜第二预定距离处。第二预定距离大约等于第一预定距离并与第一预定距离相反。与第一区基本相似的第三区在轴向上位于第二区之外，与第二区基本相似的第四区在轴向上位于第三区之外。第三区的第三视力矫正焦度与第一区的第一视力矫正焦度基本相同，第四区的第四视力矫正焦度与第二区的第二视力矫正焦度基本相同。

美国专利第6,451,056号描述了一种增加了焦深的眼内透镜。该眼内透镜利用比自然晶状体薄得多的镜片提供充分增加的焦深，以用于精确的近视和远视，该透镜坚硬，向后拱起并适于定位在晶状体囊袋(capsularbag)后面。该镜片被定位为距角膜比距自然晶状体远得多，从而离开该镜片而到达视网膜的光锥比来自自然晶状体的光锥小得多。通常，该镜片可以为约1.0mm厚，并且其距角膜的距离为7.0-8.0mm。

WO03/032825公开了一种设计用于向病人提供远视眼矫正的接触式透镜或其他矫正的方法。该方法依赖于波阵面像差测量数据来提供最佳形式的矫正。优选的是，该矫正的形式为多焦点变换型交替视力接触式透镜或同时视力型矫正透镜。一种设计用于提高人的视力的矫正的方法旨在按如下方式对高次像差进行矫正：使高次旋转对称像差的残余量大于矫正后的高次旋转非对称像差的残余量。该设计方法旨在矫正由具有残余球面像差的多焦点接触式透镜(其提供增加的焦深)的偏心而引发的非对称高次像差。

EP0369561公开了一种用于制造衍射接触式透镜和眼内透镜的系统和工艺。该光学系统包括在沿着光轴的光学对准中的以下主要元件(用于实现该工艺的指定步骤)：激光器，用于沿着光轴发射紫外光；区域板块掩模，位于该激光器的照射路径上；和成像透镜，利用来自激光器的照射将该掩模的图像投影到与该光学系统的图像表面一致地安装的眼睛透镜的凹入内表面上，从而消除了该掩模的眼睛透镜图像化，以在眼睛透镜上产生相位区域板块。激光束扫描该区域板块掩模，以在图像表面上产生复合图像。另选的是，在图像表面处的在玻璃坯(blank)的凹入表面上产生相位区域板块，以形成一工具，通过该工具可以复制模具，进而复制透镜。光源是以193nm发光的氩氟化物受激准分子激光器。该透镜是投影该掩模的各种大小的图像来根据需要产生各种焦度的区域板块的可变放大率透镜。

然而，这些公知技术有以下缺点：例如相当大部分的能量不可避免地朝向系统的视场的外部区域散射；需要数字后处理；损害空间频率传输以及能量效率。

发明内容

因此，本领域需要一种全光学扩展焦深的技术。

本发明通过提供利用光学元件的成像装置来解决以上问题，该光学元件与所述成像装置相邻、安装在所述成像装置的表面上、或者结合在所述成像装置的有效孔径内。应该注意，在此使用的术语“成像装置的有效孔径”表示光收集孔径，其根据情况可以是成像透镜自身或者该成像透镜前面的孔径的实际大小，例如在眼科应用中是眼睛瞳孔的实际大小。还应该注意，本发明的成像装置可以使用透镜的阵列(透镜(lenslet)阵列)，在这种情况下使用光学元件的阵列，每一个光学元件都与这些透镜中的对应的一个透镜相关联。

本发明的光学元件被构造为影响相位的、非衍射的、薄层光学元件，其对透镜孔径进行编码以提供扩展焦深的全光学效果。该光学元件可被构造为仅针对相位的元件或者影响相位和幅值的元件。在此使用的术语“全光学”表示不需要图像处理或者至少显著降低了对图像处理的需要。

因此，该光学元件对波长和多色照明不敏感，不会使能量朝向视场的外部区域散射，从而在所关注区域提供了非常高的能量效率(接近100％)，并且不需要变迹。重要的是要注意，即使衍射光学元件是仅针对相位的元件，也无法通过该衍射光学元件来实现这种高效率，这是因为光被分散到不期望的衍射阶次。因为本发明的技术不需要数字后处理，所以其适合眼科应用或其他“非计算机”应用。

本发明的光学元件被构造为限定空间低频转换的掩模(优选地为二元掩模)。这实际上可以通过以下方式来实现：将光学元件设计为在成像透镜平面内将至少一个转换区域(例如，线或圆)限定为被成像透镜区域包围。所述光学元件的该至少一个区域与成像透镜区域一起限定由不同光学特性(即，对穿过成像透镜装置的光的相位具有不同影响)的间隔开的光学透明特征形成的预定图案。

至少考虑成像透镜的有效孔径大小来选择成像透镜平面(即，有效孔径平面)内的光学元件的一个或多个转换区域的位置。适当地选择这些位置以产生穿过透镜装置中的与不同特征的图案相对应的不同区域的光部分之间的适当相位干涉关系，从而使得能够减小由离开所述成像透镜的焦点的光导致的二次相位因子，并因此使所述成像透镜装置的散焦光传递函数(OTF)最大化。

如上所述，为了设计用于光学元件的扩展焦深(EDOF)的最佳结构，考虑所述成像透镜的有效孔径。还可以考虑成像透镜的光学焦度分布和/或焦距：因为EDOF没有光学焦度，所以可以将其添加到成像透镜以在某给定光学角度附近移动扩展焦深的范围。

使用优化算法(基于数值或分析方法，得到空间低频全光学扩展焦深)来确定EDOF元件(即，至少一个转换区域)的最佳几何形状和尺寸，该算法确定给定成像透镜内(即，对于给定的有效孔径大小)的元件的一个或多个转换区域的N个位置。

考虑眼科应用，其中可以由大多数病人共有的某相对窄范围的值来限定透镜(眼睛瞳孔、或接触式透镜、或眼镜的透镜)的有效孔径，本发明的EDOF被设计为对于大量病人通用。这种通用EDOF被构造为对于2-3mm的有效孔径使得焦深区域相当于5屈光度。对于在近视和远视之间具有较高差异的较小比例的病人，对EDOF元件的设计考虑了该元件所关联的成像透镜的光学焦度。

在自相关运算下，转换(其为针对特定波长的pi相位转换，针对该特定波长而设计了EDOF)的位置产生对二次相位失真(其与成像透镜的CTF相乘，与离开焦点的效果相对应)的恒定性。由于(由EDOF和成像透镜形成的)孔径掩模是根据空间低频转换而建立的这一事实，其不会将能量从零次衍射扩展开，其能量效率接近于100％。

应该注意，进行CTF的自相关来计算成像系统的光传递函数(OTF)。可以使用迭代算法来计算EDOF转换的位置，在该迭代算法中，在一组焦点未对准位置中检查M个位置，并最终从它们当中选择提供OTF的最大对比度的位置。OTF的对比度优化(最大化)的意义实际上是将焦点未对准OTF限制得尽可能远离零。

本发明的扩展焦深(EDOF)元件被构造为产生适当的相位干涉关系，该相位干涉关系允许由于离开焦点而获得的二次相位因子的显著去除。该EDOF元件是影响相位的元件(例如，仅针对相位的二元掩模元件)，其既不是折射元件也不是衍射元件。与折射元件相比，与用于传统衍射光学元件的制造方法相似，本发明的EDOF滤光器可被制造为以低成本的光刻技术构成的薄相位层，该相位层的厚度仅为一个波长(例如，在环境光照明的情况下为大约0.5微米)。另一方面，与衍射光学元件相比，本发明的EDOF具有频率非常低的空间特征。该元件仅包含非常有限数量的特征以及低空间频率的周期(大约1,000个波长的周期)。本发明的光学元件的特性使得可以获得真正的能量效率高的EDOF，因为不仅所有能量穿过元件自身(其基本上是仅针对相位的)，而且所有能量还集中在所关注的适当横向和纵向区域(与在多个纵向焦平面之间或在横向衍射阶次之间具有能量分割的衍射元件相反)。

因此，本发明的光学元件的高能量效率(接近于100％)提供了扩展焦深，这与基于使用衍射光学元件的方法相反，这些元件在多个衍射阶次/焦平面之间分割能量并且基本上相当于较小的透镜孔径(还具有较大的焦深)。此外，所发明的方法的低空间频率消除了其对波长和多色照明的灵敏度，而该灵敏度是衍射光学元件的主要问题。此外，重要的是要注意，所发明的方法是一种不需要数值计算的全光学技术，并且当将该方法用于眼科应用时，没有假定基于大脑的解码或自适应处理，因为扩展焦深图像与对象自身的图像相同。

因此根据本发明的一个广义方面提供了一种成像装置，该成像装置包括：成像透镜组件，其包括具有特定有效孔径的至少一个透镜；以及至少一个光学元件，所述光学元件与所述至少一个透镜相关联并被构造为提供所述成像装置的扩展焦深，所述光学元件被构造为用于限定空间低频相位转换的影响相位的、非衍射光学元件，所述光学元件与其相关透镜一起限定由不同光学特性的间隔开的光学透明特征形成的预定图案，至少通过所述有效孔径的尺寸来确定所述透镜平面内的光学元件的至少一个相位转换区域的位置。

根据本发明的另一广义方面，提供了一种成像装置，该成像装置包括：成像透镜组件，其包括具有特定有效孔径的至少一个透镜；以及至少一个光学元件，所述光学元件与所述至少一个透镜相关联并被构造为提供所述成像装置的扩展焦深，所述光学元件被构造为用于限定空间低频相位转换的影响相位的、非衍射二元掩模，所述光学元件与其相关透镜一起限定由不同光特性的间隔开的光学透明特征形成的预定图案，至少通过所述有效孔径的尺寸来确定所述透镜平面内的光学元件的至少一个相位转换区域的位置。

根据本发明的另一方面，提供了一种成像装置，该成像装置包括：成像透镜组件，其包括具有特定有效孔径的至少一个透镜；以及至少一个光学元件，所述光学元件与所述至少一个透镜相关联并被构造为提供所述成像装置的扩展焦深，所述光学元件被构造为用于限定空间低频相位转换的影响相位的、非衍射光学元件，所述光学元件与其相关透镜一起限定由不同光学特性的间隔开的光学透明特征形成的预定图案，至少通过所述有效孔径的尺寸来确定所述透镜平面内的光学元件的至少一个相位转换区域的位置，以使所述光学元件产生穿过所述成像装置中的与不同特征的图案相对应的不同区域的光部分之间的适当相位干涉关系，从而减小由于离开所述成像透镜的焦点的光而导致的二次相位因子，并通过提供尽可能远离零的焦点未对准光传递函数(OTF)而使所述成像透镜装置的散焦OTF最大化。

根据本发明的另一广义方面，提供了一种成像装置，该成像装置包括：成像透镜组件，其包括具有特定有效孔径的至少一个透镜；以及至少一个光学元件，所述光学元件与所述至少一个成像透镜相关联并被构造为提供所述成像装置的扩展焦深，所述光学元件被构造为用于限定所述成像透镜的平面内的空间低频相位转换的特定图案的影响相位的、非衍射元件，以使所述光学元件与其相关成像透镜一起确定由对穿过所述成像装置的光的相位有不同影响的间隔开的光学透明特征形成的预定图案，至少通过所述有效孔径的尺寸来确定所述成像透镜平面内的光学元件的相位转换的位置，以降低所述成像装置对所述成像透镜在离开焦点时的相干传递函数(CTF)的移动的灵敏度。

根据本发明的另一广义方面，提供了一种成像装置，该成像装置包括：透镜的阵列，各个透镜具有特定的有效孔径；以及光学元件的阵列，各个光学元件与所述透镜阵列中的一个透镜相关联并被构造为提供所述成像装置的扩展焦深，所述光学元件被构造为用于限定空间低频相位转换的影响相位的、非衍射光学元件，所述光学元件与其相关透镜一起限定由不同光学特性的间隔开的光学透明特征形成的预定图案，至少通过所述有效孔径的尺寸来确定所述透镜平面内的光学元件的至少一个相位转换区域的位置。

根据本发明的另一方面，提供了一种在病人的眼镜中使用的成像透镜，该成像透镜被构造为限定特定的有效孔径并带有被构造为提供扩展焦深的光学元件，所述光学元件被构造为用于限定空间低频相位转换的影响相位的、非衍射光学元件，所述光学元件与其相关透镜一起限定由不同光学特性的间隔开的光学透明特征形成的预定图案，至少通过所述有效孔径的尺寸来确定所述透镜平面内的光学元件的至少一个相位转换区域的位置。

根据本发明的另一方面，提供了一种带有成像装置的显示装置，所述成像装置包括：成像透镜的阵列，各个成像透镜具有特定的有效孔径；以及光学元件的阵列，各个光学元件与所述透镜中的对应的一个透镜相关联并被构造为提供扩展焦深，所述光学元件被构造为用于限定空间低频相位转换的影响相位的、非衍射光学元件，所述光学元件与其相关透镜一起限定由不同光学特性的间隔开的光学透明特征形成的预定图案，至少通过所述有效孔径的尺寸来确定所述透镜平面内的光学元件的至少一个相位转换区域的位置。

应该理解，这种显示装置可以是与电子装置(例如移动电话)一起使用或者作为电子装置的一部分的动态型装置，或者可以是静态显示装置。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于在检测器平面上创建对象的图像的系统，该系统包括成像透镜装置，该成像透镜装置由成像透镜组件以及被构造为提供所述成像装置的扩展焦深的至少一个光学元件形成，该成像透镜组件包括具有特定的有效孔径的至少一个透镜，所述光学元件被构造为用于限定空间低频相位转换的影响相位的、非衍射元件，所述光学元件与其相关成像透镜一起限定由不同光学特性的间隔开的光学透明特征形成的预定图案，至少通过所述有效孔径的尺寸来确定所述成像透镜平面内的光学元件的至少一个相位转换区域的位置，以使所述光学元件产生穿过所述成像装置中的与不同特征的图案相对应的不同区域的光部分之间的适当相位干涉关系，从而使得能够减小由于离开所述成像透镜的焦点的光而导致的二次相位因子，并使所述成像装置的散焦光传递函数(OTF)最大化。

根据本发明的另一方面，提供了一种与成像透镜一起使用的用于扩展成像的焦深的光学元件，所述光学元件被构造为用于限定空间低频相位转换的预定图案的影响相位的、非衍射光学元件，所述图案由给定成像透镜的有效孔径限定。

根据本发明的另一方面，提供了一种与成像透镜一起使用的用于扩展成像的焦深的光学元件，所述光学元件被构造为用于限定空间低频相位转换的预定图案的仅针对相位的、非衍射二元元件，所述图案由给定成像透镜的有效孔径限定。根据本发明的另一方面，提供了一种用于扩展成像的焦深的光学元件，所述光学元件被构造为用于限定空间低频相位转换的影响相位的、非衍射光学元件。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于扩展成像的焦深的光学元件，所述光学元件被构造为用于限定空间低频相位转换的影响相位的、非衍射光学元件，所述光学元件限定相位转换区域的预定图案，根据给定成像透镜(针对该给定成像透镜来设计所述光学元件)的有效孔径来设置所述转换区域，以在成像透镜平面中的预定位置内提供所述光学元件的所述转换区域，以提供通过具有所述光学元件的成像透镜传播的光场的横向相位形状的周期性副本。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于扩展成像的焦深的光学元件，所述光学元件被构造为用于限定空间低频相位转换的仅针对相位的、非衍射二元元件，所述光学元件限定相位转换区域的预定图案，根据给定成像透镜(针对该给定成像透镜来设计所述光学元件)的有效孔径来设置所述转换区域，以在成像透镜平面中的预定位置内提供所述光学元件的所述转换区域，以提供传播通过具有所述光学元件的成像透镜的光场的横向相位形状的周期性副本。

根据本发明的另一方面，提供了一种提供成像系统的特定扩展焦深的方法，该方法包括通过以下步骤对具有特定有效孔径的成像透镜应用孔径编码：对所述成像透镜应用影响相位的非衍射光学元件，该光学元件被构造为限定空间低频相位转换结构，从而在成像透镜平面内提供不同光学特性的间隔开的基本光学透明特征的预定图案，从而产生穿过所述透镜装置中的与所述不同特征的图案相对应的不同区域的光部分之间的相位干涉关系，以减小由于离开所述成像透镜的焦点的光而导致的二次相位因子并使所述成像透镜装置的散焦光传递函数(OTF)最大化。

根据本发明的另一方面，提供了一种提供成像系统的特定扩展焦深的方法，所述方法包括设计与具有特定有效孔径的成像透镜一起使用的影响相位的非衍射光学元件，所述设计包括：在一组焦点未对准位置中，选择所述成像透镜有效孔径内的用于相位转换的N个位置作为提供所述成像系统的光传递函数(OTF)的最大对比度的位置，从而提供尽可能远离零的焦点未对准OTF。

附图说明

为了理解本发明并了解在实践中如何实施本发明，现在将参照附图仅通过非限制性示例的方式来描述优选实施例，在附图中：

图1A是利用根据本发明而构造的成像透镜装置的成像系统的示例的示意图；

图1B示意性地示出了本发明的成像透镜装置的另一示例；

图1C示意性地示出了本发明的成像透镜装置的适于与显示装置一起使用的另一示例；

图1D和1E分别示出了与成像透镜实现为一体的本发明的光学元件的两个示例；

图2A至2C分别示出了适于在成像透镜装置中使用的本发明的光学元件的轮廓的三个示例；

图3A至3D示出了本发明与传统方法相比的效果；

图4A至4I例示了对于使用本发明的光学元件的情况，在焦点未对准参数4ψ/D²以0.05的步长从-0.2(图4A)变化到0.2(图4I)的情况下所获得的脸部图像；

图5A至5I例示了对于没有使用本发明的光学元件的情况，在焦点未对准参数4ψ/D²以0.05的步长从-0.2(图5A)变化到0.2(图5I)的情况下所获得的脸部图像；

图6示出了检查光学元件对波长变化的灵敏度的结果；

图7A至7D示出了在具有和没有本发明的EDOF元件的情况下对圆花饰(Rosette)进行成像的实验结果：图7A对应于在没有EDOF元件的情况下圆花饰的焦点对准位置；图7B对应于在具有EDOF元件的情况下的焦点对准位置；图7C对应于在没有EDOF元件的情况下圆花饰的焦点未对准位置；而图7D对应于在具有EDOF的情况下的焦点未对准位置；

图8A至8D以及图9A至9H示出了本发明的扩展焦深技术对于多色空间非相干照明的实验验证；

图10A示出了对于将光学元件安装在接触式透镜上的情况，本发明的眼科焦深应用的性能；以及

图10B示出了对于在具有和没有本发明的光学元件的情况下获得焦点的最小范围，本发明的眼科焦深应用的性能。

具体实施方式

参照图1A，示意性地示出了利用本发明的成像透镜装置12的成像系统10。该成像系统10由待成像的对象13、成像透镜装置12和光检测器单元16形成。成像透镜装置12包括：特定数量的透镜12A(通常为至少一个透镜，在本示例中示出了单个透镜)，其具有特定的有效孔径D(其在本示例中为透镜直径)；和特定数量的光学元件12B(在本示例中为单个元件)，其与透镜12A相关联。这种光学元件12B被配置并可作为扩展焦深(EDOF)元件进行工作。

根据透镜12A的参数(即其有效孔径，并且可选地还可以是光学焦度分布和/或焦距)来配置光学元件12B。将光学元件12B配置为影响相位的非衍射掩模。优选的是，如本示例所示，掩模12B与透镜实现为一体，即，实现为透镜表面上的图案。

通常，掩模12B可以是安装在透镜上或位于其附近的独立元件。这在图1B中示出，图1B示出了利用透镜装置112的成像系统100，透镜装置112包括透镜12A和在透镜前方位于透镜附近的影响相位的非衍射光学元件12B。

图1C示意性地示出了根据本发明的另一示例的成像系统200。这里，成像透镜装置212包括：透镜阵列12A，其在本示例中由四个这种透镜L₁、L₂、L₃和L₄形成；和光学元件OE₁、OE₂、OE₃和OE₄的阵列12B，各个光学元件与透镜(1enslet)阵列中的对应透镜相关联。

这种系统200例如可以与显示板或屏幕13(构成对象)一起使用，旨在帮助(例如，移动电话设备的)显示器/屏幕针对具有近视问题的人成像。成像装置212容纳在距显示板13的表面13’较小距离(几厘米)处。此外，在本示例中，光学元件的阵列12B相对于从对象13朝向光检测器16(病人的眼睛)的光传播而位于透镜阵列12A的下游。使用这种透镜阵列和EDOF元件的阵列可以使成像装置212的最近焦平面FP尽可能地靠近对象13的平面，从而具有近视问题的人以及具有正常视力的人将能够看到屏幕。此外，使最近焦平面更靠近对象平面降低了待聚焦的对象的缩小倍率。

优选的是，将光学元件12B配置为仅针对相位的二元掩模。然而应该注意，通常可以将元件12B配置为相位和幅值掩模。

将光学元件12B配置为限定至少一个空间低频率转换区域，该区域与透镜12A的区域一起限定被隔开的基本光学透明特性的预定图案，该预定图案对穿过它的光的相位有不同的影响。因此，由在成像透镜平面内被透镜区域隔开的光学元件的一个或更多个转换区域形成该图案。这些转换区域是用于特定波长(掩模12B是针对该波长而设计的)的pi相位转换。根据给定成像透镜12A的有效孔径(还可能根据透镜的光学焦度)来确定这些转换区域的排列(在透镜12A的平面内的位置)，以使整个成像装置的散焦OTF最大化。为此，该图案用于产生穿过该透镜装置的不同区域的光部分之间的正确相位干涉关系，从而使得能够减小由离开成像透镜的焦点的光所引起的二次相位因子。

如图1D和1E所示，可以将光学元件实现为成像透镜上的表面起伏(relief)(图1D)，即，可变透镜厚度的隔开区域R₁和R₂的图案；或者可以将光学元件实现为由具有不同折射率n₁和n₂的材料制成的透镜区域R′₁和R′₂的图案(图1E)。在不同折射率材料的情况下，可以将折射率与透镜的折射率不同的特定的光学透明材料涂布在透镜表面的选择性隔开的区域上。

图2A至2C分别示出了光学元件12B的轮廓的两个具体但非限制性的示例。在图2A的示例中，掩模12B被设计成环形转换区域14(通常，有至少一个这种区域；也可以使用同心环阵列)。在图2B的示例中，掩模被设计成由两对互相垂直的条(线)B₁-B′₁和B₂-B′₂形成的栅格。在图2C的示例中，元件12B是由基本栅格元件BE的二维阵列形成的掩模。例如，沿着条状线的转换区域是pi相位转换，垂直条之间的相交区域是零相位转换。对算法进行求解而获得光学元件的优化轮廓，这将在下面进一步描述。

应该注意，掩模(图案)可以相对于透镜中心对称，也可以不对称。在这种结构中，例如，在图2A中示出的四个π相位条(两个垂直(沿着Y轴)条和两个水平(沿着X轴)条)可以沿着x-y平面横向移动，从而不以透镜中心为中心。

虽然没有具体示出，但是还应该注意的是，该图案可被配置为限定相位转换区域内部(例如，图2A的pi相位转换环内部)的微结构，即，各个相位转换区域可以是可变空间低频的相位转换，例如π/2，π，...。

本发明提供了成像透镜12A的有效孔径内的N段掩模形式的EDOF元件12B。应该理解，本发明提供了基本上仅针对相位的、非衍射掩模12B(其根据段而为1或(-1))，而不是具有在某些段中阻挡能量而在其他段中透射能量的掩模。

如上所述，掩模12B被设计成通过产生二次相位因子(当图像散焦并与成像透镜的CTF相乘时产生该因子)的恒定性而使成像系统的散焦OTF最大化。为此，为了最佳地设计掩模12B，搜索将获得(-1)的透射值的段，从而OTF由于焦点未对准(out of focus)失真而被限制为尽可能远离零。因为掩模12B是二元相位掩模，所以不考虑能量效率(透光率为100％)。遵从这些标准，针对孔径编码掩模的所有可能性和组合进行搜索。通过将孔径与下式相乘而对焦点未对准失真进行建模：

$\tilde{D}\left(v\right)=\exp \left(\frac{i4\mathrm{\Ψ}{v}^2}{D^2}\right)---\left(1\right)$

其中，

是与被成像的对象的焦点未对准位置相对应的成像透镜12A的CTF，D是成像透镜12A的直径(通常为透镜的有效孔径)，v是(CTF平面内的)透镜的孔径的坐标，ψ是表示偏离焦点的量的相位因子：

$\mathrm{\Ψ}=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4\mathrm{\λ}}(\frac{1}{u}+\frac{1}{v}-\frac{1}{F})---\left(2\right)$

其中，λ是波长，u是成像透镜12A和对象13之间的距离，v是成像透镜12A和传感器16(检测器)之间的距离，F是成像透镜的焦距。应该注意，术语“成像透镜”在这里指的是其有效孔径。

当满足成像条件：

$\frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{F}---\left(3\right)$

时，失真相位因子ψ等于零。

通过使CTF与其自身自相关来计算OTF：

OTF(v)＝CTF(v)CTF(v)    (4)

自相关运算包括分别将两个CTF函数移动到相反方向，然后相乘并将对结果求和。这样获得的OTF与对应于移动量的空间频率相关。在高频(较大移动)时，在焦点未对准的情况下，该相乘以及求和被平均为零。因此，当图像散焦时，OTF不透射高频。

本发明的相位掩模(例如，环)旨在降低在CTF的较大移动时的高频去除(OTF是CTF的自相关)。为此，将掩模配置为使在被平均为零之前(即，没有EDOF矫正的纯透镜)的光场的一部分的符号相反(这就是OTF不透射高空间频率的原因)。

OTF是强度点扩散函数的傅立叶变换，当施加不相干照明时，使用OTF来表示强度的空间频率透射函数。因此，使OTF最大化的数学公式如下：

$\underset{a_n}{\max }\left\{\min \right\{\left[\tilde{D}\left(v\right)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\mathrm{rect}\left(\frac{v-\mathrm{n\Δv}}{\mathrm{\Δv}}\right)\right]\⊗\left[\tilde{D}\left(v\right)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\mathrm{rect}\left(\frac{v-\mathrm{n\Δv}}{\mathrm{\Δv}}\right)\right]\left\}\right\}---\left(5\right)$

即，找到提供自相关表达式的最小值中的最大值的a_n值，其中，a_n＝(1，-1)(其等于1或-1)。

应该注意，上述迭代数值算法是特定的，但不是用于限定EDOF元件结构的限制性示例。也可以使用其他技术，例如基于熵最小化或最大似然的数值方法、或其他数值或分析方法，来得到空间低频的全光学扩展焦深。

图3A至3D示出了本发明的效果。针对不同的相位因子值：在图3A中ψ＝1.6；在图3B中ψ＝4.8；在图3C中ψ＝9.8；在图3D中ψ＝12.8获得的OTF的绝对值(称为调制传递函数MTF)的三个示例。在这些图中的每一个中，曲线C₁对应于焦点对准状态下的MTF，曲线C₂对应于在没有使用本发明的矫正光学元件(EDOF元件，图1中的掩模12B)的情况下成像系统的散焦MTF，曲线C₃对应于具有矫正元件的系统的散焦MTF。

利用产生相位形状的周期性副本(即相位形状的横向副本)的相位元件可以获得横向恒定性。返回到例示了由基本元件BE的二维阵列形成的掩模的图2C，当较大横向移动(高频)把部分相位形状排除在外时，从掩模的另一空间周期插入补充(complimentary)部分，从而通过副本产生相位周期。因此，(基本元件BE的)转换的基本周期的副本降低了对横向移动的灵敏度。如下获得纵向恒定性：给定相位元件和传感器(成像透镜平面或有效孔径平面)之间的纵向距离，在眼科应用的情况下该传感器是人眼的晶状体，考虑掩模函数对于该距离的自由空间传播。结果是相位和幅值分布。丢弃幅值，仅留下相位的轮廓。在许多情况下，对相位函数的二元化也可以足够好的结果。该二元化实现了更易于制造的空间掩模。

参照图4A至4I以及图5A至5I，其示出了当散焦参数4ψ/D²以0.05的步长从-0.2(图4A和5A)变化到0.2(图4I和5I)时脸部图像的样子。图4A至4I示出了使用本发明的(最优设计的)掩模的情况，图5A至5I示出了没有使用这种孔径编码掩模的情况。在本示例中，使用了被配置为与图2B的EDOF元件相似的EDOF元件。从图中可清楚地看到，由于本发明的孔径编码掩模，图4A至4I以及图5A至5I的图像之间的失真存在差异。

图6示出了检查本发明的编码掩模(EDOF元件)对波长变化的灵敏度的结果。在本示例中，使用波长λ1＝0.8λ₀照射成像透镜装置(具有编码掩模的成像透镜)，其中λ₀是针对其设计并制造掩模以表现出pi相位转换的波长，并且使用4ψ/D²＝0.15的散焦参数。可以看到，由于使用掩模而获得的焦点未对准失真仍然非常低，尽管不再对掩模进行优化(因为掩模图案特征是针对λ₀而不是针对λ₁的pi相位转换)。

图7A至7D示出了对圆花饰(Rosette)进行成像而获得的另一试验结果。这里，图7A示出了与在没有本发明的EDOF元件的情况下获得的圆花饰的焦点对准位置相对应的图像；图7B示出了利用EDOF元件获得的焦点对准图像；图7C对应于在没有EDOF元件的情况下圆花饰的焦点未对准位置；而图7D示出了利用本发明的EDOF改进获得的焦点未对准圆花饰的图像。在本示例中，使用被配置为与图2A的EDOF元件相似的EDOF元件。如所示出的，使用本发明的EDOF元件提供了对空间高频的改进以及对系统焦点对准时的输入的影响。

应该注意，在示出了焦深的充分扩展的图4A至4I、5A至5I、6以及7A至7D中所示的所有图像中，没有应用数字后处理。应用这种处理可以进一步改善所获得的结果。

发明人针对多色空间非相干照明(普通照明)进行了扩展焦深方法的实验性验证。实验条件如下：成像透镜的焦距F＝90mm，成像透镜和对象之间的距离v＝215.9mm，成像透镜和检测器(CCD)之间的距离u＝154.3mm，成像透镜的孔径D＝16mm。因此，对于将对象从焦平面移动1.5mm的距离的情况，相位失真的测量结果ψ等于13；对于将对象移动2mm的距离的情况，ψ＝17。根据上面的式2并且使用光学系统中的透镜的距离和直径(透镜的有效孔径)来计算相位因子ψ的值。图8A至8D以及图9A至9H示出了在这些条件下的实验结果。在本示例中，使用与图2A的EDOF元件相似的EDOF元件。

这里，图8A对应于在没有使用本发明的光学元件的情况下的焦点对准位置；图8B对应于在利用这种元件的情况下的焦点对准；图8C对应于在ψ＝13(+1.5mm)时在没有该光学元件的情况下的散焦位置；图8D对应于在ψ＝13(+1.5mm)时在利用该光学元件的情况下的散焦位置。

图9A示出了在没有该光学元件的情况下获得的聚焦图象；图9B示出了在没有该元件的情况下在ψ＝13(+1.5mm)时的散焦图像；图9C示出了在没有该元件的情况下在ψ＝17(+2mm)时的散焦图像；图9D至9F对应于图9A至9C，但是具有该光学元件；图9G示出了利用多色照明在没有该元件的情况下获得的ψ＝13(+1.5mm)时的散焦图像；图9H示出了对于多色照明利用该光学元件而获得的ψ＝13(+1.5mm)时的散焦图像。

如上所述，可以将本发明的成像透镜装置用于眼科应用。为了使得可以将该成像透镜装置插入到眼睛中，透镜装置的表面要平坦。适于制造这种成像透镜装置(即，平坦构图的成像透镜)的制造技术例如包括：进行蚀刻(湿或干)或激光钻孔或车床磨削以获得期望的空间结构(表面起伏)，然后使用折射率与透镜的折射率不同的材料来填充被排空的体积，提供使掩模的外部区域平坦的折射率差，同时产生缓冲相位区域所需的期望相位差，该缓冲相位区域针对干涉效应在透镜孔径的区域之间产生适当的均衡。另一实现可以通过散射或光聚合，该光聚合不包括聚合材料的显影或去除。与眼睛手术有关的另一方法可以通过植入人造组织，该人造组织与眼睛的现有组织相比具有折射率差。将本发明的EDOF元件(没有光焦度)添加到要获得的特定透镜的焦度(focal power)。例如，如果病人需要-1屈光度的镜片和3屈光度的镜片用于近视和远视，则可以将本发明的EDOF元件适当地设计成用在这些镜片中的任一个上，根据相应的透镜孔径进行配置以使得焦深区域等于5屈光度。实际上，在该具体示例中，可以使用具有本发明的EDOF元件的1屈光度镜片，其中，该EDOF元件在透镜的光焦度(1屈光度)周围工作并提供从-1.5到3.5屈光度的焦深区域。因此，病人可以仅使用一对屈光度为1的镜片。将镜片(成像透镜)的该焦度加到EDOF元件。这种EDOF元件通过产生穿过透镜的不同区域的光部分之间的适当相位干涉关系而使透镜装置的散焦OTF最大化(对各镜片的成像透镜的CTF概况进行适当调制)，以减小由于离开成像透镜的焦点的光而导致的二次相位因子。发明人发现：对于大多数病人，可以使用共同的EDOF元件结构，优选地为图2C的结构。返回到图2C，(基本元件BE的)基本周期为约3mm，两个相邻条之间的距离为约1.875mm，并且条厚度为约0.375mm。

如果将具有其焦深范围的EDOF元件用在眼科应用的透镜(例如接触式透镜)的顶部，则可将其转换为屈光度范围。根据照明条件，眼睛晶状体的直径(成像透镜的有效孔径)从2mm到6-7mm变化。该光学元件产生一屈光度范围，在该屈光度范围内使图像焦点对准。发明人发现：对于在眼瞳孔的直径为2mm的照明环境下得到的相位因子ψ的范围(大约达到17)，所获得的屈光度范围P大于5(从-2.5到2.5)。该仿真遵循公式：

$P=\frac{4\mathrm{\Ψ\λ}}{\mathrm{\π}{D}^2}---\left(6\right)$

图10A至10B示出了使本发明的眼科焦深应用的性能可视化的仿真结果。图10A的仿真对应于由于将EDOF元件安装在接触式透镜上的事实而获得的总体屈光度范围。根据照明条件，眼晶状体的直径从2mm到6-7mm变化。该仿真遵循上面的式6。

在图10B的仿真中，使用具有固定焦距的成像透镜。如果透镜和传感器之间的距离等于其焦距(v＝F)，则图像将从特定距离u_min开始直到无穷远地焦点对准，其中，距离u_min被确定为：

$u_{\min }=\frac{1}{\frac{4\mathrm{\λ\Ψ}}{\mathrm{\π}{D}^2}+\frac{1}{F}-\frac{1}{v}}=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4\mathrm{\λ\Ψ}}---\left(7\right)$

并且对于v＝F，可以获得：

$u_{\min }=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4\mathrm{\λ\Ψ}}---\left(8\right)$

图10B描绘了具有和没有本发明的EDOF元件时的u_min的图。可以看到，当使用所发明的元件时，最小距离要小得多。因此，聚焦的总个范围大得多。应该注意，对于人眼，v＝15mm。

返回到图1C，图1C例示了由透镜阵列和EDOF元件阵列形成的本发明的成像装置(适于与显示板或屏幕一起使用)，可以如下估计该成像装置所需的参数：

假设：屏幕13与透镜阵列12A之间的距离u为约2mm；屏幕13与最近的焦平面FP之间的距离v为40cm；以及眼睛16与最近的焦平面FP之间的距离R为约1m。由屏幕或移动电话的显示器构成对象13。基本上，透镜阵列12A将对象平面13成像在最近的焦平面FP上，即：

$\frac{1}{u}-\frac{1}{v}=\frac{1}{f}$

$f=\frac{\mathrm{uv}}{v-u}$

这给出f＝2.01mm。

散焦参数被定义为：

$\mathrm{\Ψ}=\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4\mathrm{\λ}}(\frac{1}{u}+\frac{1}{v}-\frac{1}{f})$

其中λ是波长。

通过使用EDOF，该参数的值可达到15，并且在没有EDOF元件的情况下，该参数的值可达到2-3，而不会使图像质量失真。可以将透镜阵列中的透镜的直径D设置为使得屏幕13与最近的焦平面FP之间的距离的最小值(v_min)非常接近于对象平面13，以具有最小缩小倍率。该缩小倍率因子为：

$M_T=\frac{v_{\min }}{u}$

为了使v_min＝u＝2mm，需要：

$D=\sqrt{\frac{\mathrm{\Ψ\λf}}{\mathrm{\π}}}$

这得到：

$D=\sqrt{\frac{15\·0.5\mathrm{\μm}\·2.01\mathrm{mm}}{\mathrm{\π}}}=70\mathrm{\μm}$

应该注意，在没有EDOF元件的情况下，最小距离v将是：

$v_{\min }=\frac{1}{\frac{1}{u}-\frac{1}{f}-\frac{{\mathrm{\Ψ}}_{\max }\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{D}^2}}=\frac{1}{\frac{1}{2\mathrm{mm}}-\frac{1}{2.01\mathrm{mm}}-\frac{2\·0.5\mathrm{\μm}}{\mathrm{\π}\·{\left(70\mathrm{\μm}\right)}^2}}=16\mathrm{mm}$

这意味着缩小倍率因子为8(16mm/2mm)。这种缩小倍率将无法使得能够看到显示器中的字符。

将透镜阵列12A安装在屏幕上而降低了可视分辨率。这种成像系统的分辨率受以下因素的限制：

$\mathrm{\δx}=1.22\·\mathrm{\λ}\frac{f}{D}=1.22\·0.5\mathrm{\μm}\frac{2.01\mathrm{mm}}{70\mathrm{\μm}}=17.5\mathrm{mm}$

因为出现在屏幕上的细节比它更大，成像透镜阵列没有损害分辨率。

根据上述的计算，将其眼睛聚焦到屏幕上(或者位于屏幕后面2mm的平面上)的具有正常视力的人也将会看到焦点对准的图像。

本发明的技术对大量的应用而言将是突破，这些应用包括但不限于以下应用：包含摄像机的传统办公设备，例如便携式摄像机、扫描仪(例如条形码扫描仪)和网络摄像头；传统的成像系统，其包括摄像机和检测器，即蜂窝摄像机、汽车摄像机、监视摄像机、机器视觉、摄影、HDTV、视频会议、雷达成像系统(通常有散焦问题)、内窥镜和被动生物医学检查、断层摄影、显示板等。在内窥镜和被动生物医学检查中使用本发明的焦深扩展元件使得能够进行体内成像以看到焦点对准的器官，否则看不到焦点对准的器官，因为没有对医疗装置的确切位置进行控制。本发明的一些其他可能的应用包括：在各种光学系统中(例如，在光通信中)校正色差；与利用光反射或荧光的信息载体(例如，传统的DVD)或多层信息载体一起使用的介质读取器/写入器。

还可以将本发明用于眼科应用，例如接触式透镜、眼镜透镜、眼内透镜、或者在眼睛的任何部分周围使用或插入到眼睛的任何部分中的任何其他透镜。一个明显的例子是使用本发明对视域短(近视)的人的好处，这些人因为他们的自然眼睛晶状体的年龄相关的变化而发展为远视眼，从而需要阅读用的眼镜。在这种应用中，那些人可以使用单个透镜作为眼镜透镜、接触式透镜、角膜内透镜、晶状体眼内透镜或非晶状体眼内透镜、或插入眼内其他地方的透镜。通过这种方式，他们将使用一个透镜来观看任何距离(近或远)。本发明的另一明显的应用为眼内透镜、在去除了白内障之后植入眼睛的人造透镜。目前，常规的人造透镜只有单个焦点，从而其眼中植入了透镜的人的焦深非常有限，并且必须使用针对多数距离的眼镜。将本发明结合到植入式透镜中将向病人提供所有距离的聚焦视力。眼科应用的另一示例是作为多焦点(渐进式)眼镜透镜的替代，该多焦点眼镜透镜传统上被设计成使透镜表面的每一个段具有不同的焦点，因而病人必须移动他的眼镜来聚焦位于不同距离的对象。将本发明结合到眼镜或接触式透镜中将使得远视眼镜佩带者能够通过透镜的任何部分看到位于所有距离的焦点对准的对象。

与多焦点接触式透镜或眼内透镜相比的区别在于，在本发明的包括以上示例在内的所有应用中，位于不同距离的对象的图像被聚焦在视网膜(或传感器)上而不会明显损失能量。

本领域的技术人员将容易理解，在不脱离在所附权利要求中限定并由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对前述本发明的实施例进行各种变型和改变。

Claims (42)

1、一种成像装置，该成像装置包括：成像透镜组件，其包括具有特定有效孔径的至少一个透镜；以及至少一个光学元件，其与所述至少一个透镜相关联并被构造为提供所述成像装置的扩展焦深，所述光学元件被构造为用于限定空间低频相位转换的影响相位的、非衍射光学元件，所述光学元件与其相关透镜一起限定由不同光学特性的间隔开的光学透明特征形成的预定图案，至少通过所述有效孔径的尺寸来确定所述透镜平面内的光学元件的至少一个相位转换区域的位置。

2、根据权利要求1所述的装置，其中，所述透镜组件包括与单个光学元件相关联的单个透镜。

3、根据权利要求1所述的装置，该装置包括包含透镜阵列的透镜组件和光学元件的阵列，各个光学元件与所述透镜中的对应的一个透镜相关联。

4、根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光学元件被构造为仅针对相位的元件。

5、根据权利要求4所述的装置，其中，所述光学元件被构造为二元掩模。

6、根据权利要求1至3中的任意一项所述的装置，其中，所述光学元件被构造为影响相位和幅值的元件。

7、根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光学元件被构造为通过提供尽可能远离零的焦点未对准光传递函数而使所述成像装置的散焦光传递函数最大化。

8、根据权利要求7所述的装置，其中，所述光学元件被构造为产生穿过所述成像装置的与所述图案的不同特征相对应的不同区域的光部分之间的适当相位干涉关系，从而减小由于离开所述成像透镜的焦点的光而导致的二次相位因子。

9、根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述至少一个转换区域被构造为针对特定波长的pi相位转换，所述光学元件是针对该特定波长进行设计的。

10、根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，通过所述成像透镜的光学焦度来确定所述至少一个转换区域相对于所述成像透镜的位置。

11、根据权利要求7至10中的任意一项所述的装置，其中，所述光学元件的N个转换区域在成像透镜平面内的使光传递函数最大化的位置被确定为：

$\underset{a_n}{\max }\left\{\min \right\{[\tilde{D}\left(v\right)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\mathrm{rect}\left(\frac{v-\mathrm{n\Δv}}{\mathrm{\Δv}}\right)]\⊗[\tilde{D}\left(v\right)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\mathrm{rect}\left(\frac{v-\mathrm{n\Δv}}{\mathrm{\Δv}}\right)\left]\right\}\}$

a_n的值提供所述成像透镜的相干传递函数的自相关表达式的最小值中的最大值，其中a_n等于1或-1，

是与被成像的对象的焦点未对准位置相对应的成像透镜的相干传递函数并被确定为 $\tilde{D}\left(v\right)=\exp \left(\frac{i4\mathrm{\Ψ}{v}^2}{D^2}\right),$ 其中D是有效孔径尺寸，v是有效孔径在相干传递函数平面中的坐标，ψ是表示离开焦点的程度的相位因子。

12、根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述至少一个转换区域具有由可变相位转换子区域的阵列形成的子图案。

13、根据权利要求9至11中的任意一项所述的装置，其中，所述至少一个pi相位转换区域具有由可变pi相位转换子区域的阵列形成的子图案。

14、根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光学元件被构造为至少一个环形转换区域。

15、根据权利要求1至14中的任意一项所述的装置，其中，所述光学元件被构造为栅格。

16、根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光学元件沿着所述成像透镜的光轴与所述成像透镜间隔开。

17、根据权利要求1至15中的任意一项所述的装置，其中，所述光学元件安装在所述成像透镜上。

18、根据权利要求1至15中的任意一项所述的装置，其中，所述光学元件被制造为与所述成像透镜成为一体。

19、根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，其中，所述光学元件被构造为由所述转换区域的阵列形成的掩模，所述转换区域以被所述成像透镜的光学透明区域隔开的间隔开的关系设置在所述成像透镜平面内。

20、根据权利要求18所述的装置，其中，所述至少一个转换区域被形成为所述成像透镜表面上的表面起伏，将所述至少一个区域内的透镜厚度限定为与所述透镜的其他区域内的透镜厚度不同。

21、根据权利要求18或20所述的装置，其中，所述至少一个转换区域由折射率与所述成像透镜材料的折射率不同的材料形成。

22、根据权利要求18或21所述的装置，其中，所述光学元件被构造为由相位转换区域的阵列形成的掩模，所述相位转换区域由折射率与所述成像透镜材料的折射率不同的材料形成。

23、根据权利要求7至22中的任意一项所述的装置，其中，所述光学元件被构造为通过减少所述成像透镜的相干传递函数在较大移动时的高频去除而使所述光传递函数最大化。

24、根据权利要求7至23中的任意一项所述的装置，其中，所述光学元件被构造为通过减少所述透镜装置对所述成像透镜在离开焦点时的相干传递函数的移动的灵敏度而使所述光传递函数最大化。

25、根据权利要求24所述的装置，其中，所述光学元件被构造为产生通过所述成像透镜传播的光场的横向相位形状的周期性副本。

26、根据权利要求24所述的装置，其中，针对所述光学元件和所述成像透镜平面之间的距离，根据所述光学元件函数的自由空间传播来构造所述光学元件。

27、根据前述权利要求中的任意一项所述的装置，该装置在病人的眼镜中使用。

28、一种与前述权利要求中的任意一项所述的成像装置的成像透镜一起使用的用于扩展成像的焦深的光学元件，该光学元件被构造为用于限定空间低频相位转换的预定图案的影响相位的、非衍射光学元件，所述图案由给定成像透镜的有效孔径限定。

29、一种用于在检测器平面上创建对象的图像的系统，该系统包括权利要求1至26中的任意一项所述的成像透镜装置。

30、根据权利要求28所述的系统，其中，所述对象是显示装置的屏幕，该屏幕在构成所述检测器平面的眼睛视网膜上成像。

31、一种带有前述权利要求中的任意一项所述的成像装置的显示装置。

32、一种提供成像系统的特定扩展焦深的方法，该方法包括通过以下步骤对具有特定有效孔径的成像透镜应用孔径编码：对所述成像透镜应用影响相位的非衍射光学元件，该光学元件被构造为限定空间低频相位转换装置，从而在成像透镜平面内提供不同光学特性的间隔开的基本上光学透明特征的预定图案，由此产生穿过所述透镜装置的与所述图案的不同特征相对应的不同区域的光部分之间的相位干涉关系，以减小由离开所述成像透镜的焦点的光导致的二次相位因子并使所述成像透镜装置的散焦光传递函数最大化。

33、一种用于设计权利要求27所述的光学元件的方法，所述设计包括：选择所述成像透镜有效孔径内的用于相位转换的N个位置作为在一组焦点未对准位置中提供所述成像系统的光传递函数的最大对比度的那些位置，从而提供尽可能远离零的焦点未对准光传递函数。

34、根据权利要求33所述的方法，其中，所述光学元件的所述N个转换区域在成像透镜平面内的使所述光传递函数最大化的位置被确定为：

$\underset{a_n}{\max }\left\{\min \right\{[\tilde{D}\left(v\right)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\mathrm{rect}\left(\frac{v-\mathrm{n\Δv}}{\mathrm{\Δv}}\right)]\⊗[\tilde{D}\left(v\right)\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\mathrm{rect}\left(\frac{v-\mathrm{n\Δv}}{\mathrm{\Δv}}\right)\left]\right\}\}$

a_n的值提供所述成像透镜的相干传递函数的自相关表达式的最小值中的最大值，其中a_n等于1或-1，

是与被成像的对象的焦点未对准位置相对应的成像透镜的相干传递函数并被确定为 $\tilde{D}\left(v\right)=\exp \left(\frac{i4\mathrm{\Ψ}{v}^2}{D^2}\right),$ 其中D是有效孔径尺寸，v是有效孔径在相干传递函数平面中的坐标，ψ是表示离开焦点的程度的相位因子。

35、根据权利要求33或34所述的方法，该方法包括制造由根据所述选择的N个位置彼此间隔开的N个转换的排列形成的掩模。

36、根据权利要求35所述的方法，该方法包括将所述掩模安装在所述成像透镜孔径的表面。

37、根据权利要求33所述的方法，该方法包括对所述成像透镜孔径的表面进行构图以形成根据所述选择的N个位置彼此间隔开的N个转换的掩模。

38、根据权利要求36或37所述的方法，该方法包括使所述表面基本平坦，从而使得可以将经构图的成像透镜插入到病人的眼睛中。

39、根据权利要求33至38中的任意一项所述的方法，其中，所述光学元件的设计包括产生穿过所述N个区域以及它们之间的空间的光部分之间的相位干涉关系，从而减小由离开所述成像透镜的焦点的光导致的二次相位因子，并使由所述成像透镜和所述光学元件形成的装置的散焦光传递函数最大化。

40、根据权利要求37所述的方法，其中，所述构图包括在所述N个位置内对透镜区域进行材料去除，并使用折射率与透镜的折射率不同的材料填充已去除了透镜材料的区域，以提供折射率差，从而使经构图的透镜的外部区域平坦并提供不同材料区域之间的适当均衡，以产生穿过不同材料区域的光部分之间的相位干涉关系，从而减小由离开所述成像透镜的焦点的光导致的二次相位因子，并使所述经构图的成像透镜的散焦光传递函数最大化。

41、根据权利要求37所述的方法，其中，所述构图包括对所述N个位置内的透镜区域进行漫射或光聚合，以提供所述N个区域以及它们之间的空间之间的折射率差，从而使经构图的透镜的外部区域平坦并提供不同材料区域之间的适当均衡，以产生穿过不同材料区域的光部分之间的相位干涉关系，从而减小由离开所述成像透镜的焦点的光导致的二次相位因子，并使所述经构图的成像透镜的散焦光传递函数最大化。

42、根据权利要求33所述的方法，该方法包括在所述选择的N个位置内将人造组织植入到病人的眼睛组织中，所述人造组织的折射率与所述眼睛组织的折射率不同。

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