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Oct 30, 2023

Bifokales Flachglas mit unterschiedlichen Abbildungseigenschaften für ein Dual

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 18996 (2022) Diesen Artikel zitieren 785 Zugriffe 1 Altmetric Metrics-Details Bilder mit großem Sichtfeld (FOV) und vergrößerte Bilder können gleichzeitig aufgenommen werden

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 18996 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Bilder mit großem Sichtfeld (FOV) und vergrößerte Bilder können mit Dual-Sensor-Bildgebungssystemen gleichzeitig aufgenommen werden. Hier schlagen wir einen Ansatz zur Schaffung einer bifokalen Flachlinse mit unterschiedlichen Abbildungseigenschaften ihrer beiden Brennpunkte vor, wodurch Dual-Sensor-Bildgebungssysteme integrierter und miniaturisierter werden. Das heißt, zwei spezielle Teile aus zwei unterschiedlichen konventionellen ZP werden extrahiert und dann die beiden Elemente auf eine bestimmte Weise kombiniert. Damit es entlang der optischen Achse zwei Brennpunkte mit unterschiedlichen Eigenschaften gibt, ist einer ein langer Brennpunkt mit höherer Auflösung, der andere ein kurzer Brennpunkt mit langer Tiefenschärfe (DOF). Im Rahmen des vorgeschlagenen Ansatzes wird eine dünne und leichte bifokale diffraktive Linse (BDL) mit einer Dicke von 0,6 μm entwickelt. Die langen und kurzen Brennweiten des BDL betragen ~ 81 mm bzw. ~ 27 mm bei einem Durchmesser von 6 mm. Wir haben experimentell gezeigt, dass der lange Fokus des BDL in der Lage ist, hochauflösende vergrößerte Bilder aufzunehmen, und dass seine Auflösung bis zu 21,90 Zoll beträgt. Der kurze Fokus ermöglicht die Aufnahme eines weiten Sichtfelds mit langen DOF-Bildern, und zwei Objekte mit einem Abstand von 2880 mm können klar abgebildet werden. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass alle diese Kennzahlen besser sind als die einer herkömmlichen refraktiven Linse.

Bei Bildgebungssystemen sind Vergrößerungsbildgebung und Bildgebung mit weitem Sichtfeld (FOV) sehr wichtig, um mehr Informationen zu erhalten1. Anwendungen, die Vergrößerungsbildgebung und Bildgebung mit großem Sichtfeld erfordern, reichen von Überwachung2 und Medizin3,4,5 bis hin zu künstlicher Intelligenz6,7. Da bei einem herkömmlichen Bildgebungssystem nur ein Fokus erforderlich ist, ist ein Zoom erforderlich, um vergrößerte Bilder und Bilder mit großem Sichtfeld aufzunehmen. Das bedeutet, dass vergrößerte Bilder und Bilder mit weitem Sichtfeld mit herkömmlichen Zoom-Bildgebungssystemen nicht gleichzeitig aufgenommen werden können. Darüber hinaus sind Zoom-Bildgebungssysteme sehr dick und sperrig, und der Zoomvorgang ist zeitaufwändig und es ist schwierig, ein breites Sichtfeld und eine hohe Auflösung gut in Einklang zu bringen. Um diese Probleme zu lösen, wurden viele Ansätze vorgeschlagen, wie z. B. die Linsenarray-Bildgebung8,9,10,11,12,13,14 und die foveierte Bildgebung15,16,17,18 sowie ein Dual-Kamera-System19 und ein Dual-Sensor-Bildgebungssystem20. Die Nachteile dieser Ansätze sind jedoch, dass sie sehr sperrig und kompliziert sind, da mehr als eine Linse vorhanden ist, was ihre Anwendung in weiten Feldern einschränkt.

Aus Gründen des Leichtgewichts, der Integration und der Miniaturisierung bieten flache Linsen mit zwei Brennpunkten eine Lösung für ein Dual-Sensor-Bildgebungssystem, was bedeutet, dass der lange Fokus eine Abbildung mit hochauflösender Vergrößerung ermöglicht, während der kurze Fokus gleichzeitig ein breites Sichtfeld und eine Bildgebung mit langem DOF ermöglicht. Flache Linsen umfassen Metalllinsen und diffraktive optische Elemente (DOEs), und beide sind in der Lage, die Lichtphase frei zu manipulieren. Darüber hinaus kann die Manipulation der Polarisation durch Metallsensoren erreicht werden21. Metalenses sind neuartige optische Geräte, die in den letzten Jahren vorgeschlagen wurden22,23, und sie können die entworfene Wellenfront erreichen, indem diese Einheiten sorgfältig angeordnet werden, einschließlich Achromatismus24,25 und Polarisationsbildgebung26. Nichtsdestotrotz handelt es sich in dieser Arbeit um ein Phasenkontrollproblem anstelle einer Polarisationskontrolle, und es stellt eine große Herausforderung dar, eine Metalllinse mit größeren Bestandteilsmerkmalen im Vergleich zu DOEs27 zu entwerfen und herzustellen. Daher sind die DOEs besser geeignet, diese Anforderungen zu erfüllen, und ihre Herstellung ist dank der Entwicklung der Fotolithographie-Technologie viel einfacher, wodurch sie für eine kostengünstige, großflächige Massenfertigung zugänglich werden. Es gibt zwei gängige Ansätze zum Entwurf eines multifokalen DOE, einschließlich der Optimierung einer gegebenen Intensitätsverteilung28,29,30,31 und des Entwurfs von Beugungsordnungen32,33,34. Beim ersten Ansatz werden einige Algorithmen zur Optimierung optischer Elemente verwendet, um eine bestimmte Intensitätsverteilung entlang der optischen Achse zu bilden. Beim zweiten Ansatz handelt es sich um eine Binarisierung einer gewöhnlichen Linse, das heißt, es erscheinen zusätzliche Beugungsordnungen entlang der optischen Achse. Beide sind seit langem erforscht und bekannt. Der Nachteil des ersten Ansatzes besteht jedoch darin, dass ein Optimierungsalgorithmus erforderlich ist, um die gegebene Intensitätsverteilung entlang der optischen Achse zu optimieren, was zeitaufwändig ist und die Herstellung großer multifokaler DOEs schwierig macht. Der Nachteil des zweiten Ansatzes besteht darin, dass eine Reihe zusätzlicher Brennpunkte auf der optischen Achse erscheinen, was die Qualität der benötigten Primärfokusabbildung verringert. Außerdem ist es schwierig, die erwarteten Fokuseigenschaften entlang der optischen Achse durch Binärisierung einer gewöhnlichen Linse zu erreichen, um zusätzliche Brennpunkte zu erzeugen.

Um diese Probleme zu lösen, schlagen wir einen Ansatz zur Schaffung einer bifokalen Flachlinse mit unterschiedlichen Abbildungseigenschaften ihrer beiden Brennpunkte vor, der für das hier vorliegende Anwendungsszenario besonders geeignet ist. Die bifokale Flachlinse ist eigentlich ein diffraktives Element mit zwei Bereichen, das auf der Fresnel-Zonenplatte (FZP) basiert. Das FZP wurde in vielen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in der optischen Bildgebung und Röntgenbildgebung. Aufgrund der großen chromatischen Aberration des FZP aufgrund seines Arbeitsprinzips wird es jedoch normalerweise in der Einzelwellenlängen-Bildgebung anstelle der Breitband-Bildgebung eingesetzt, was durch mehrstufige diffraktive Linsen (MDL)35,36 erreicht werden könnte. Daher eignet sich die vorgeschlagene bifokale Flachlinse für den Einsatz in der Einzelwellenlängen-Bildgebung. Jeder Bereich entspricht einem Teil einer Zonenplatte mit einer bestimmten Brennweite. Durch eine gezielte Kombination dieser beiden Elemente können besondere Abbildungseigenschaften der Brennflecke erreicht werden. Daher ermöglicht der vorgeschlagene Ansatz zur Schaffung einer bifokalen Flachlinse die Herstellung großer Größen und eine qualitativ hochwertige Bildgebung, indem eine Algorithmusoptimierung oder die Erzeugung einer Reihe zusätzlicher Brennpunkte vermieden wird.

Hier schlagen wir einen Ansatz zum Entwurf einer dünnen und leichten bifokalen diffraktiven Linse (BDL) vor, die über ihre beiden Brennpunkte gleichzeitig direkt ein hochauflösendes vergrößertes Bild und ein Bild mit großem Sichtfeld und großer Tiefenschärfe (DOF) gleichzeitig aufnehmen kann. Durch die Gestaltung von zwei hochintensiven Brennflecken entlang der optischen Achse des BDL können zwei hochwertige Bilder gleichzeitig aufgenommen werden, darunter ein vergrößertes Bild und ein Bild mit großem Sichtfeld. Darüber hinaus wird die lange DOF-Eigenschaft des kurzen Fokus durch den vorgeschlagenen Designansatz einer bifokalen Flachlinse erreicht, während gleichzeitig die hochauflösende Eigenschaft des langen Fokus ebenfalls erreicht wird. Daher ist der BDL in der Lage, durch die beiden speziell entwickelten Brennpunkte gleichzeitig ein hochauflösendes, vergrößertes Bild und ein weites FOV mit langem DOF-Bild aufzunehmen, wodurch das Dual-Sensor-Bildgebungssystem integrierter und miniaturisierter wird.

Unser Design ist von einem herkömmlichen multifokalen DOE inspiriert, der Fresnel-Zonenplatte (FZP)37. Abbildung 1a zeigt die Beugungsordnungsschwerpunkte des FZP. Wenn ein paralleler Lichtstrahl auf das FZP fällt, befinden sich die Fokusse der Beugungsordnung +1 und +2 sowie die Fokusse der Beugungsordnung −1 und −2 auf beiden Seiten der Linse, und die Beugungsordnung null spielt eine Rolle als Hintergrundrauschen. Die Abbildungsqualität des Brennflecks erster Ordnung des FZP ist aufgrund der Fokussierung mit hoher Intensität ausgezeichnet, während die Abbildungsqualität anderer Brennpunkte schlecht wird. Offensichtlich können die hier benötigten Fokussierungseigenschaften durch Kombination dieser Beugungsordnungen erreicht werden, wie in Abb. 1b gezeigt. Aus der Abbildung wird deutlich, dass das Problem der Kombination dieser Beugungsordnungen durch die Kombination zweier herkömmlicher ZPs gelöst werden kann. Ein herkömmlicher ZP ist ein ZP mit langer Brennweite für die erste Ordnung mit hohlem Inneren, der als äußerer ZP bezeichnet wird. Die andere ist eine kurze Brennweite ZP für die erste Ordnung, die als innere ZP bezeichnet wird. Die kurze Brennweite beträgt 1/3 der langen Brennweite, sodass der Fokus zweiter Ordnung des äußeren ZP mit dem Fokus erster Ordnung des inneren ZP zusammenfällt. Durch diese besondere Kombination gibt es entlang der optischen Achse zwei Brennflecke hoher Intensität (erster Ordnung), was bedeutet, dass mit den beiden Brennpunkten zwei unterschiedliche Bilder mit hoher Qualität aufgenommen werden können. Das eine ist ein vergrößertes Bild, das mit dem langen Fokus aufgenommen wurde, und das andere ist ein Bild mit großem Sichtfeld, das mit dem kurzen Fokus aufgenommen wurde. Darüber hinaus kann durch diese spezielle Kombination der lange Fokus Bilder mit höherer Auflösung durch die Verwendung einer Komponente mittlerer bis hoher räumlicher Frequenz aufnehmen, und der kurze Fokus kann durch die Erzeugung eines Brennflecks mit hoher Intensität Bilder mit langem DOF aufnehmen. Obwohl es viele Beispiele für die Verbesserung des DOF38,39,40,41 gibt, kann der von uns vorgeschlagene Ansatz den DOF direkt verbessern, ohne dass eine umfangreiche Nachbearbeitung erforderlich ist oder mehrere Elemente ziemlich dick sein müssen. Somit kann die Verbundlinse, die als bifokale diffraktive Linse (BDL) bezeichnet wird, durch ihre beiden speziell entwickelten Brennpunkte direkt ein hochauflösendes, vergrößertes Bild und gleichzeitig ein Bild mit weitem FOV und langem DOF aufnehmen.

(a) Beugungsordnungsschwerpunkte des FZP. (b) Schematische Darstellung des Entwurfsprozesses der BDL-Beugungsordnungen. (c) Schematische Darstellung der Struktur des BDL. (d) Diagramm des Funktionsprinzips des BDL.

Abbildung 1c zeigt die Struktur des vorgeschlagenen BDL. Die äußeren Ringe stellen die Komponente des äußeren ZP dar und seine Brennweite erster Ordnung ist die lange Brennweite. Die inneren Ringe stellen die Komponente des inneren ZP dar und seine Brennweite erster Ordnung ist die kurze Brennweite. Abbildung 1d zeigt das Diagramm des Funktionsprinzips des BDL.

Da der BDL auf Basis des konventionellen ZP entworfen wird, werden mathematisch gesehen die entworfenen Radien Rinner und Fräser für die Innenringe und Außenringe wie folgt berechnet:

Dabei ist f die Brennweite erster Ordnung (kurze Brennweite) der Innenringe, λ die vorgesehene Betriebswellenlänge und S die Anzahl der Ringe. Transformieren Sie Gleichungen. (1) und (2) in die Transmissionsfunktion qinner(ζ) bzw. qouter(ξ). Es ist zu beachten, dass der BDL eine Kombination dieser beiden Ringtypen ist, sodass die Transmissionsfunktion q(ς) des BDL ausgedrückt werden kann als

Schließlich kann mit der Fresnel-Näherung die axiale Bestrahlungsstärke durch die paraxiale Beugung as42 berechnet werden

wobei u = a2/(2λz) die reduzierte axiale Koordinate ist, a der Radius des BDL. λ und z sind die vorgesehene Betriebswellenlänge bzw. der axiale Abstand.

In diesem Artikel betragen die langen und kurzen Brennweiten unseres entwickelten BDL 81 mm bzw. 27 mm. Der Durchmesser des inneren ZP beträgt 3 mm und die Breite des äußeren ZP beträgt 1,5 mm. Das heißt, der innere ZP und der äußere ZP nehmen jeweils die Hälfte des gesamten Radius des entworfenen BDL ein. Außerdem beträgt die vorgesehene Betriebswellenlänge 532 nm.

Um die Fokussierungseigenschaften des BDL zu analysieren, wird die axiale Beugungssimulation des BDL basierend auf Gleichung (1) durchgeführt. (4). Die Ergebnisse sind in Abb. 2 dargestellt. Zum Vergleich wurde auch mit dem herkömmlichen diffraktiven optischen Element FZP eine axiale Beugungssimulation durchgeführt. Die vollständigen axialen Intensitätsverteilungen von BDL und FZP sind in Abb. 2a, n dargestellt. Aus den Abbildungen geht hervor, dass es drei unterschiedliche Brennpunkte beider Linsen gibt, und alle wurden extrahiert, um sie klar und einfach vergleichen zu können, wie in Abb. 2b–d und k–m dargestellt. Gleichzeitig werden auch die entsprechenden Brennpunkte extrahiert, wie in Abb. 2e – j dargestellt. Abbildung 2b, k sind axiale Intensitätsverteilungen der dritten Brennpunkte des BDL bzw. FZP und sie sind die redundanten Brennpunkte und als Hintergrundrauschen für andere Brennpunkte. Es ist ersichtlich, dass der Durchmesser und die Intensität des dritten Brennflecks des BDL kleiner sind als die von FZP, was bedeutet, dass die Wirkung auf andere Brennpunkte geringer ist als bei FZP.

Fokussierende Eigenschaften von BDL und FZP. (a) Axiale Intensitätsverteilung des BDL. (b) Axiale Intensitätsverteilung des dritten Fokus des BDL. (c,d) Axiale Intensitätsverteilung der kurzen und langen Brennpunkte des BDL. (e–g) Die Intensitäten der entsprechenden Brennpunkte des BDL. (h–j) Die Intensitäten der entsprechenden Brennpunkte des FZP. (k) Axiale Intensitätsverteilung des dritten Fokus des FZP. (l,m) Axiale Intensitätsverteilung der kurzen und langen Brennpunkte des FZP. (n) Axiale Intensitätsverteilung des FZP. (o) Vergleich des Kurzfokus von BDL und FZP. (p) Vergleich des langen Fokus von BDL und FZP.

Abbildung 2c, l sind axiale Intensitätsverteilungen von kurzen Brennflecken des BDL bzw. FZP. Das Vergleichsergebnis ist in Abb. 2o dargestellt. Es ist klar, dass die Länge und Intensität des kurzen Brennflecks des BDL größer ist als die des FZP, was bedeutet, dass mit dem kurzen Brennfleck des BDL ein weites Sichtfeld mit langem DOF-Bild erfasst werden kann.

Abbildung 2g, j sind lange Brennpunkte des BDL bzw. des FZP, und beide werden in Abb. 2p verglichen. Es ist offensichtlich, dass der Durchmesser des langen Brennflecks abnimmt, was bedeutet, dass der lange Brennfleck des BDL eine bessere Fokussierungsleistung und eine höhere Auflösung erreicht, obwohl auch die Intensität des langen Fokus abnimmt. Somit kann durch den langen Fokus des BDL ein hochauflösendes, vergrößertes Bild aufgenommen werden. Bemerkenswert ist, dass die Wirkungsgrade des BDL bei f = 81 mm und f = 27 mm 13,11 % bzw. 6,45 % betragen. Für das FZP bei f = 81 mm und f = 27 mm betragen sie 18,78 % bzw. 2,21 %.

Die entworfene BDL wird durch Fotolithographie auf einem negativen Fotolack hergestellt. Abbildung 3a zeigt den Fotolithographieprozess. Über dem Glassubstrat (Siliziumdioxid) befindet sich eine Schicht aus negativem Fotolack (SU-8, Microchem). Durch Platzieren der entworfenen Maske zwischen der fotolithografischen Objektivlinse und dem mit negativem Fotolack beschichteten Substrat verfestigt ultraviolettes Licht den belichteten Fotolack, indem die Lichtquelle des Lithografiegeräts eingeschaltet wird. Anschließend wird mit der Entwicklung das endgültige gesamte BDL hergestellt, wie in Abb. 3b dargestellt. Abbildung 3c,d sind Mikroaufnahmen des hergestellten BDL. Die Gesamtgröße des Substrats beträgt 12 mm (Länge) × 12 mm (Breite). Der Durchmesser des gefertigten BDL beträgt 6 mm. Darüber hinaus beträgt die Höhe dieser Ringe 0,6 μm und die Breite des schmalsten Rings 3 μm. Wie geplant beträgt der Durchmesser des inneren ZP des hergestellten BDL 3 mm und die Breite des äußeren ZP 1,5 mm. Die vorgesehene Betriebswellenlänge beträgt 532 nm.

(a) Flussdiagramm des fotolithografischen Prozesses. (b) Die hergestellte BDL. (c,d) Mikroaufnahmen des hergestellten BDL.

Um die Abbildungseigenschaften des langen und kurzen Fokus des BDL zu demonstrieren, werden zwei Arten von Experimenten mit dem langen und kurzen Fokus des BDL durchgeführt, darunter Auflösungszieltests und Tests zur Abbildung tatsächlicher Objekte. Die schematischen Diagramme der entsprechenden zwei Arten von Versuchsaufbauten sind in Abb. 4a, b dargestellt. Zur Prüfung des Auflösungsziels wird eine Kollimatorröhre (FPG-7, Huazhong Precision Instruments Co., Ltd., China) mit einer weißen Lichtquelle und einem optischen Filter (GCC-202105, Daheng Optics Co., Ltd., China) verwendet im Auflösungszieltestexperiment. Der BDL befindet sich zwischen dem Kollimatorrohr und dem CMOS-Sensor (FT-GS500C, Fangte Technology Co., Ltd., China). Die Größe des CMOS-Sensors beträgt 1/2,5″ und die Pixelgröße und Auflösung betragen 2,2 µm × 2,2 µm bzw. 2592 × 1944 Pixel. Die Bilder werden durch axiales Verschieben der Position des CMOS-Sensors aufgenommen. Bemerkenswert ist, dass die Abstände zwischen dem BDL und dem CMOS-Sensor für die Messungen etwa 27 mm und 81 mm betragen, was ungefähr den entsprechenden Brennweiten des langen Fokus bzw. des kurzen Fokus des BDL entspricht, da es sich bei den Messungen um unendliche Entfernungen handelt Bildgebung durch das Kollimatorrohr.

Diagramm der Versuchsaufbauten. (a) Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus für Auflösungstests. (b) Schematische Darstellung des tatsächlichen Aufbaus des Experiments zur Abbildung von Objekten.

Bei der Bildprüfung tatsächlicher Objekte werden ebenfalls derselbe optische Filter und COMS-Sensor verwendet. Insbesondere wird das abgebildete Objekt von einem Auflösungsziel in tatsächliche Objekte geändert. Ebenso werden die Bilder durch axiales Verschieben der Position des CMOS-Sensors aufgenommen. Bei allen Objektabbildungsexperimenten werden die Objektivabstände im Vergleich zu den Brennweiten des BDL bewusst auf einen größeren Abstand ausgelegt. Aus diesem Grund ist der Bildabstand (der Abstand zwischen BDL und CMOS-Sensor) v = 1/(1/f – 1/u) ≈ 1/1/f = f. Daher kann es als Bildgebung mit unendlicher Entfernung betrachtet werden, was bedeutet, dass die Abstände zwischen dem BDL- und dem CMOS-Sensor ungefähr den entsprechenden Brennweiten des kurzen bzw. langen Fokus (27 mm bzw. 81 mm) entsprechen.

Die hohe Auflösung, die für den langen Fokus des BDL charakteristisch ist, wird demonstriert. Um die Auflösungsleistung des langen Fokus zu zeigen, werden zum Vergleich die BDL und die herkömmliche refraktive Linse (gleiche Brennweite und Durchmesser wie die BDL) zusammen gemessen. Das Auflösungsziel wird zum Testen der Auflösung des langen Fokus von BDL und FZP verwendet, wie in Abb. 4a dargestellt. Die Messergebnisse der herkömmlichen refraktiven Linse und der BDL sind in Abb. 5a bzw. b dargestellt. Für das Ziel mit einer Auflösung von 9 lp/mm ist klar, dass die Linien des Auflösungstestziels vom BDL unterschieden werden können, wohingegen die refraktive Linse diese Linien nicht unterscheiden kann. Um das Ergebnis deutlicher zu machen, werden die Graustufen-Visualisierungskurven kleinerer Zielbilder aufgezeichnet, wie in Abb. 5c dargestellt. Im Vergleich zur herkömmlichen refraktiven Linse schwankt die Kurve der BDL noch stärker. Obwohl das Bild aufgrund des Verlusts der niedrigen Ortsfrequenz scharf und ungleichmäßig erscheint, hat dies keinen Einfluss auf die Eigenschaft der hochauflösenden Detailvergrößerung. Durch das Experiment beträgt die Auflösung der herkömmlichen refraktiven Linse 24,60″, während die Auflösung des langen Fokus des BDL bis zu 21,90″ beträgt, was bedeutet, dass das BDL eine höhere Auflösungsleistung aufweist. Kurz gesagt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der lange Fokus des BDL durch die Verwendung mittlerer bis hoher Ortsfrequenz eine Bildgebung mit höherer Auflösung ermöglicht.

Auflösungstest des langen Fokus. (a) Von der refraktiven Linse aufgenommenes Auflösungsbild. (b) Vom BDL aufgenommenes Auflösungsbild. (c) Graustufen-Visualisierungskurven der kleinen Zielbilder (A: BDL, B: Refraktive Linse).

Um die qualitativ hochwertige Abbildung des kurzen Fokus des BDL zu demonstrieren, wird die Auflösung des kurzen Fokus des BDL durch Abbildung desselben Auflösungsziels gemessen. Das vorgeschlagene BDL wurde auf der Grundlage des FZP entwickelt, und der kurze Fokus (Fokus zweiter Ordnung) des FZP konnte, wie bereits erwähnt, keine Bildgebung durchführen. Daher wurden die spezifischen Auflösungswerte aufgelistet, um die quantisierte Verbesserung zu zeigen. Um die Ergebnisse deutlich zu machen, vergleichen wir den kurzen Fokus des BDL mit dem entsprechenden kurzen Fokus des FZP (gleiche Brennweite und Durchmesser wie der BDL). Die Messergebnisse sind in Abb. 6a,b dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Bildqualität des Kurzfokus im BDL deutlich verbessert wurde. Den experimentellen Ergebnissen zufolge beträgt die Auflösung des Kurzfokus des FZP nur 1′ 06″, die Auflösung des Kurzfokus des BDL beträgt jedoch bis zu 44,14″. Die Brennpunkte von FZP und BDL in kurzen Brennebenen sind zum Vergleich auch in Abb. 6c, d aufgezeichnet, und es ist klar, dass BDL besser fokussiert als FZP. Bei der Kurzfokus-Bildgebung gehen zwar einige Details des Bildes aufgrund des Verlusts der hohen Ortsfrequenz verloren, die Abbildung von Objekten im weiten Sichtfeld wird jedoch nicht wesentlich beeinträchtigt.

Prüfung der Bildqualität des Kurzfokus. (a) Vom FZP aufgenommenes Auflösungsbild. (b) Vom BDL aufgenommenes Auflösungsbild. (c) Brennfleck in der kurzen Brennebene des FZP. (d) Brennfleck in der kurzen Brennebene des BDL. (e) Tatsächliches Objektbild, aufgenommen von FZP. (f) Tatsächliches, vom BDL aufgenommenes Objektbild.

Darüber hinaus wird auch ein tatsächliches Objektabbildungsexperiment durchgeführt, um dessen tatsächliche Abbildungsleistung zu zeigen. Im Experiment wird ein iPad (iPad-2018, APPLE Co., Ltd., USA) als Objekt verwendet und die Bildschirmgröße des iPad beträgt 9,7 Zoll. Auf dem iPad-Bildschirm gibt es acht Muster, und jedes Muster besteht aus Linien unterschiedlicher Dicke. Der Abstand zwischen dem iPad und dem BDL beträgt 2150 mm. Die Messergebnisse von FZP und BDL sind in Abb. 6e,f dargestellt. Offensichtlich verfügt der BDL über eine bessere Bildgebungsfähigkeit als der FZP und kann mehr Linien unterscheiden.

Die Schärfentiefe (DOF) des kurzen Fokus des BDL wird gemessen. Als Vergleich wird die herkömmliche refraktive Linse verwendet, um die Ergebnisse intuitiver zu gestalten. Als Messobjekte dienen zwei iPads an unterschiedlichen Positionen. Auf dem Bildschirm sind vier Muster zu sehen, die alle aus gleich dicken Linien bestehen. Die Breite der Linien auf dem Bildschirm des iPad beträgt 1,0 mm und der Abstand zwischen den Linien beträgt 0,9 mm. Eines der iPads wird 2150 mm vor dem BDL platziert, und ein weiteres iPad wird 5030 mm vor dem BDL platziert. Somit beträgt der Abstand zwischen diesen beiden iPads 2880 mm. Die Messergebnisse der herkömmlichen refraktiven Linse und der BDL sind in Abb. 7a bzw. b dargestellt. Es zeigt, dass sowohl das BDL als auch die refraktive Linse klare Bilder vom näheren iPad aufnehmen können. Allerdings kann der BDL auch ein klares Bild vom entfernten iPad aufnehmen, die refraktive Linse jedoch nicht. Bei der herkömmlichen refraktiven Linse wird eine erhebliche Verzerrung beobachtet, während bei der BDL keine offensichtliche Verzerrung beobachtet werden kann. Wie erwartet zeigt das experimentelle Ergebnis, dass der BDL durch seinen kurzen Fokus ein Bild mit langem DOF ohne offensichtliche Verzerrung aufnehmen kann. Die Länge des DOF ​​für Kurzfokus beträgt gemäß dem Experimentergebnis ~ 200 μm.

Lange DOF-Bildgebung durch den kurzen Fokus. (a) Von der Brechungslinse aufgenommenes Bild. (b) Vom BDL aufgenommenes Bild. Der Abstand zwischen zwei Objekten beträgt 2880 mm.

Der BDL eignet sich für den Einsatz in einem Dual-Sensor-Bildgebungssystem. Der Versuchsaufbau ist in Abb. 8a dargestellt. Das Bildgebungssystem besteht aus dem BDL und dem optischen Filter. Als Messobjekt wird ein Bildschirm (P2415Q, DELL Co., Ltd., USA) verwendet. Die Größe des Bildschirms beträgt 530 mm × 300 mm. Auf dem Bildschirm sind acht Muster zu sehen, die alle aus unterschiedlich dicken Linien bestehen. Die Breite der schmalsten Linien beträgt 1,8 mm und der kürzeste Abstand zwischen diesen Linien beträgt 0,65 mm. Alle Muster auf dem Bildschirm werden vom BDL durch seinen kurzen Fokus aufgezeichnet, wie in Abb. 8b gezeigt, was zeigt, dass durch den kurzen Fokus des BDL ein Bild mit großem Sichtfeld aufgezeichnet werden kann. Abbildung 8c zeigt ein vergrößertes Muster, das mit dem langen Fokus des BDL aufgezeichnet wurde, und diese Linien sind deutlich zu unterscheiden. Das Ergebnis zeigt, dass das detaillierte Bild eines Teils eines weiten Sichtfelds durch den langen Fokus des BDL aufgezeichnet werden kann. Es ist offensichtlich, dass die beiden Bilder mit unterschiedlichen Eigenschaften gleichzeitig vom BDL aufgenommen werden. Der Winkel des FOV für Kurzfokus beträgt gemäß den experimentellen Ergebnissen ~ 12°. Bemerkenswert ist, dass das weite Sichtfeld (~ 12°) nur mit dem langen Fokus des BDL (~ 4°) verglichen wird. Die MTF der langen (f = 81 mm) und kurzen Brennflecke (f = 27 mm) des BDL wurden anhand der Auflösungszielbildgebung berechnet und in einem Diagramm dargestellt, wie in Abb. 8d dargestellt.

Ein Bildgebungssystem mit zwei Sensoren, das das BDL nutzt. (a) Einrichtung des Bildgebungssystems. (b) Bild mit großem Sichtfeld, aufgenommen vom CMOS-Sensor 1. (c) Hochauflösendes, vergrößertes Bild, aufgenommen vom CMOS-Sensor 2. (d) Die MTF der langen und kurzen Brennflecke des BDL.

Die Ergebnisse des Experiments zeigen, dass mit CMOS-Sensor 1 ein weites FOV mit langem DOF-Bild aufgezeichnet werden kann und mit CMOS-Sensor 2 ein vergrößertes Bild mit hoher Auflösung aufgezeichnet werden kann. Somit ermöglicht das Bildgebungssystem, das den BDL verwendet, gleichzeitige hochauflösende Bilder. Auflösungsvergrößerungsbildgebung und weites Sichtfeld mit langer DOF-Bildgebung, wodurch ein Bildgebungssystem mit zwei Sensoren stärker integriert und miniaturisiert werden kann, wodurch Gewicht, Kosten und die damit verbundene Komplexität reduziert werden.

Zusammenfassend schlagen wir einen Ansatz zur Entwicklung einer bifokalen Beugungslinse vor und demonstrieren eine dünne und leichte bifokale Beugungslinse mit unterschiedlichen Abbildungseigenschaften ihrer beiden Brennpunkte. Der BDL ist durch seine speziell entwickelten zwei Brennpunkte in der Lage, direkt zwei hochwertige Bilder mit unterschiedlichen Eigenschaften gleichzeitig aufzunehmen. Eines ist das hochauflösende vergrößerte Bild, das mit dem langen Fokus (f = 81 mm) des BDL aufgenommen wird und dessen Auflösung bis zu 21,90″ beträgt. Das andere ist das Bild mit großem FOV (~ 12°) und langem DOF (~ 200 μm), das mit dem kurzen Fokus (f = 27 mm) des BDL aufgenommen wird und zwei Objekte, die 2880 mm voneinander entfernt sind, deutlich abbilden kann durch den kurzen Fokus. Somit werden vom BDL gleichzeitig ein hochauflösendes, vergrößertes Bild und ein weites Sichtfeld mit langem DOF mit zwei speziell entwickelten Brennpunkten aufgenommen. Das im Rahmen des vorgeschlagenen Designansatzes vorgeschlagene BDL eignet sich sehr gut für den Einsatz in einem Bildgebungssystem mit zwei Sensoren, wodurch es stärker integriert und miniaturisiert wird, um dadurch Gewicht, Kosten und die damit verbundene Komplexität zu reduzieren.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel (und seinen ergänzenden Informationsdateien) enthalten.

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Fakultät für Elektronik und Informationstechnik, Sichuan-Universität, Chengdu, 610065, China

Yin Zhou, Feng-Lin Kuang, Rui Li und Lei Li

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YZ, FL.K., RL und LL haben den Haupttext geschrieben. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Lei Li.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhou, Y., Kuang, FL., Li, R. et al. Bifokale Flachlinse mit unterschiedlichen Abbildungseigenschaften für ein Dual-Sensor-Bildgebungssystem. Sci Rep 12, 18996 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22103-5

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Eingegangen: 26. Mai 2022

Angenommen: 10. Oktober 2022

Veröffentlicht: 08. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22103-5

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