含单层衍射元件的可见宽波段光数联合物镜

1.本发明涉及光学技术领域，具体涉及含单层衍射元件的可见宽波段光数联合物镜。


背景技术：

2.衍射光学元件具有特殊色散特性、温度特性，将其应用于传统折射成像系统中可以简化系统结构、减轻系统重量，实现传统系统较难实现的性能指标。单层衍射光学元件具有结构简单、易加工、成本低的特点，但是单层衍射光学元件在入射波长远离中心波长后衍射效率明显下降。将单层衍射元件应用于光学系统可以有效简化系统结构，但低衍射效率将严重影响成像质量。
3.美国专利号为“us4863251”专利名称为“double gauss lens for a raster input scanner:”，公开一种物镜镜头，其结构相对复杂，采用了6片镜片，镜头总长为64mm，焦距为50mm，总长与焦距的比值为1.28，使用波段为486nm-656nm。此物镜使用的镜片较多，应用波段范围较窄，无法将其应用于可见光宽波段。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有技术存在的使用镜片数量较多，应用波段范围较窄，无法应用于可见光宽波段问题，提供一种含单层衍射元件的可见宽波段光数联合物镜。
5.为实现上述目的，本发明解决技术问题的技术方案是：
6.含单层衍射元件的可见宽波段光数联合物镜，其特征是，其包含光学单元和计算成像单元两部份；所述光学单元包括沿光轴从物面到像面方向排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，还包括设置在第二透镜与第三透镜之间的光阑；所述第一透镜是光焦度为正的球面镜片，且其物面侧为凸面、像面侧为凹面；所述第二透镜是光焦度为负的球面透镜，且其物面侧为凸面、像面侧为凹面；所述第三透镜是光焦度为正的球面透镜，且其物面侧为凹面、像面侧为凸面；所述第四透镜是光焦度为正的非球衍射透镜，且所述第四透镜物面侧为凸面、像面侧为凸面；所述计算成像单元包括图像拆分模块、去卷积模块以及图像重组模块；所述图像拆分模块将光学单元中所得彩色图像拆分成r、g、b三通道灰度图；去卷积模块将所得灰度图与受衍射效率影响的点扩散函数模型进行去卷积运算，得到r、g、b三通道复原后的灰度图像；图像重组模块将三幅复原后的图像进行重组，得到消除衍射效率影响的彩色图像。
7.本发明的有益效果是：本发明通过光学单元和计算成像单元的联合，在简化系统结构的同时得到可见宽波段范围的高质量彩色图像。本发明光学单元引入具有特殊色散特性的单层衍射光学元件，将其作为第四透镜，减少了折射镜片数量，降低了镜头的体积和重量，实现了该物镜的轻量化、小型化。然而，单层衍射光学元件即第四透镜的衍射效率随着波段范围的增加而迅速下降，降低了图像质量。本发明计算成像单元通过复原受衍射效率影响的r、g、b三通道图像，重构了可见宽波段彩色图像，消除了第四透镜的低衍射效率对图
像质量的影响，扩展了镜头的应用波段范围，提高了镜头的整体性能。
附图说明
8.图1为本发明含单层衍射元件的可见宽波段光数联合物镜的示意图。
9.图2为本发明所述物镜在400nm-800nm下的mtf曲线图。
10.图3为本发明所述计算成像复原前后的彩色图像对比图。(a)为彩色图像复原前；(b)为r通道图像复原后
11.图4为本发明所述计算成像复原前后的r通道图像对比图。(a)为r通道灰度图复原前；(b)为r通道灰度图复原后。
12.图5为本发明所述计算成像复原前后的g通道图像对比图。(a)为g通道灰度图复原前；(b)为g通道灰度图复原后。
13.图6为本发明所述计算成像复原前后的b通道图像对比图。(a)为b通道灰度图复原前；(b)为b通道灰度图复原后。
具体实施方式
14.以下结合附图对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。
15.如图1所示，含单层衍射元件的可见宽波段光数联合物镜，包括光学单元和计算成像单元两部分。
16.所述光学单元包括沿光轴从物面到像面方向排列的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4，还包括设置在所述第二透镜2与第三透镜3之间的光阑。所述第一透镜1是光焦度为正的球面镜片，且其物面侧为凸面、像面侧为凹面；第二透镜2是光焦度为负的球面透镜，且其物面侧为凸面、像面侧为凹面；第三透镜3是光焦度为正的球面透镜，且其物面侧为凹面、像面侧为凸面；第四透镜4是光焦度为正的非球衍射透镜，且所述第四透镜物面侧为凸面、像面侧为凸面。
17.所述计算成像单元包括图像拆分模块、去卷积模块以及图像重组模块。所述计算成像单元包括图像拆分模块、去卷积模块以及图像重组模块；所述图像拆分模块将光学单元中所得彩色图像拆分成r、g、b三通道灰度图；去卷积模块将所得灰度图与受衍射效率影响的点扩散函数模型进行去卷积运算，得到r、g、b三通道复原后的灰度图像；图像重组模块将三幅复原后的图像进行重组，得到消除衍射效率影响的彩色图像。
18.所述第一透镜1的折射率为1.85＜nd＜1.95、阿贝数为30＜ab＜40；
19.所述第二透镜2的折射率为1.65＜nd＜1.75、阿贝数为25＜ab＜35；
20.所述第三透镜3的折射率为1.85＜nd＜1.95、阿贝数为35＜ab＜45；
21.所述第四透镜4的折射率为1.45＜nd＜1.55、阿贝数为50＜ab＜60。
22.入射光束经过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4的折射和衍射后在像面聚焦成像，得到可见宽波段彩色图像。第四透镜4在可见宽波段具有低衍射效率，因此像面得到的彩色图像对比度低。采用计算成像单元中的图像拆分模块、去卷积模块和图像重组模块对低对比度彩色图像进行复原，得到消除单层衍射光学元件低衍射效率影响的可见宽波段彩色图像。
23.实施例：
24.本实例中镜头焦距为50mm，总长为64mm，物距550mm，物高为169.4785mm，使用波段为400nm-800nm。
25.本具体实施例的详细光学数据如表1所示。
26.表1：
27.表面曲率半径厚度折射率阿贝数物面无限550
ꢀꢀ
1(球面)13.80831.09051.910835.28242(球面)27.64502.0073
ꢀꢀ
3(球面)11827.20.70761.728328.31884(球面)13.34310.6965
ꢀꢀ
5(光阑)infinity1.0979
ꢀꢀ
6(球面)-8.595621.64001.883040.84747(球面)-9.608520.1000
ꢀꢀ
8(球面)30.650951.80001.491757.44089(非球面)-26.805954.6338
ꢀꢀ
像面无限
ꢀꢀꢀ
28.本实施例中，所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3均为玻璃球面透镜，第四透镜4为光学塑料折衍射混合透镜，是为以非球面为基底的衍射面。
29.高次非球面的面型由以下公式决定。
[0030][0031]
式中，z为高次非球面矢高，c为高次非球面顶点处的基本曲率，r为高次非球面上点的径向坐标，k为圆锥曲线常数，a、b、c、d、
…
为非球面系数；所述各个高次非球面的顶点均位于成像系统光轴上。
[0032]
本实例中第9面的非球面系数如表2所示。
[0033]
表2：
[0034]
abcd-0.02221.8995e-0071.2838e-008-1.0685e-009
[0035]
衍射镜面9的衍射位相方程为:
[0036]
φ(r)＝2π(a1r2+a2r4+a3r6+a4r8+a5r
10
+
…
)
[0037]
式中：φ(r)为衍射位相，a1、a2、a3、
…
为衍射位相系数，r是折衍射镜面的径向坐标。本次实例中a1＝-0.0002。
[0038]
所述光学系统的调制传递函数曲线如图2所示,在奈奎斯特频率100线对/毫米处的mtf值大于0.36，如图2所示；
[0039]
由于常用的光学软件在计算衍射元件时忽略了衍射效率，因此将单层衍射元件应用于宽波段，需要考虑衍射效率对成像的影响。
[0040]
本实例中采用计算成像的方法来消除衍射效率的影响。
[0041]
将所述光学系统所得彩色图像，拆分称r、g、b三通道的灰度图。将三通道灰度图分别与受衍射效率影响的psf进行去卷积运算，得到三幅复原后的灰度图像。之后，将三幅复原后的灰度图进行重建得到消除了衍射效率影响的彩色图像。
[0042]
本次实例中采用的去卷积模块为richardson-lucy算法。
[0043]
计算成像复原前后的彩色图像对比图如图3所示。
[0044]
计算成像复原前后的r通道图像对比图如图4所示。
[0045]
计算成像复原前后的g通道图像对比图如图5所示。
[0046]
计算成像复原前后的g通道图像对比图如图6所示。
[0047]
对计算成像复原后的图像采用无参考两级框架评价函数(biqi)和平均灰度梯度函数(gmg)进行客观评价，其客观评价结果如表3所示。
[0048]
表3：
[0049]