[发明专利]一种多焦点光学元件及其设计方法

说明书

本发明公开了一种多焦点光学元件及其设计方法，首先确定多焦点光学元件包含的焦点数量、中心焦点的焦距以及各个非中心焦点与中心焦点的间距，然后根据预设公式、焦点数量和各个焦点的焦距确定出用于描述光学元件的分光作用的第一相位函数Φ₁(ξ)和用于描述光学元件的聚焦光束作用的第二相位函数Φ₂(ξ)，从而确定出入射光通过多焦点光学元件后透射光的复振幅的表达式即多焦点光学元件的相位函数，进一步计算获得多焦点光学元件各个台阶的高度，从而设计得到多焦点光学元件。通过本发明方法获得的多焦点光学元件使用一片光学衍射元件即可实现多焦点汇聚，并且对焦点数量和焦距可以调控，设计自由度高。

技术领域

本发明涉及光学元件技术领域，特别是涉及一种多焦点光学元件设计方法。本发明还涉及一种多焦点光学元件。

背景技术

随着探测器技术和计算光学的发展，如何通过小型乃至微型的光学系统获取信息、识别物体已经成为一个热点研究话题，比如可以将微型成像光学系统集成在银行卡上来保障资金安全，或者将微型成像光学系统集成在可穿戴设备上来获取更多的环境信息。对于传统的单口径光学系统而言，由于受限于光学衍射极限，其很难在空间上进一步压缩。仿生复眼结构由于其具有视场大、结构紧凑、对运动物体具有极高的敏感度等特殊属性，为微型光学系统提供了另一种实现方式。

近些年来，为了使仿生复眼结构能够获得更大的视场和更高的图像质量，从仿生复眼光学系统的结构形式到后期的图像重构算法都受到了广泛研究，其中，如何进一步扩大仿生复眼光学系统的观测范围也成为大家重点研究的方向。比如液体透镜被应用在复眼结构中，其工作原理是通过改变加在透镜两端的电压来改变液体透镜的曲率，从而改变其焦距。这种方式固然能够扩大复眼光学系统的观测范围，但是其缺点也很显著：从需要改变焦距到发出电信号，再到液体透镜完成对应形变这一过程需要一定的反应时间，当复眼结构对快速运动的物体进行识别跟踪时，较长的反应时间很大程度上限制了其应用；除此之外，由于电控系统和一些电子元件的存在也很难使得复眼结构的填充因子很高。

为了解决上述难点，多焦点光学元件被应用到仿生复眼结构中，传统的多焦点实现方式主要有如下几种：

(1)曲率拼接式的折射透镜

透镜被分割成若干环形区域，每个区域对应一种曲率半径，以此能够在光轴方向实现多个焦点的汇聚。这种实现方式的多焦点光学元件的缺点是，由于透镜的每个焦点只对应某一环形区域，导致其点扩散函数相对于单焦点透镜下降很多，即在成像分辨率上会有较大牺牲。

(2)非周期性的衍射元件

一些非周期性的衍射元件不需要借助传统透镜也能对入射光实现多焦点的汇聚，例如Fibonacci波带片、Walsh波带片等。这类衍射元件也有其固有的缺点，即不能对焦点个数和焦距进行有效的调控。以Fibonacci波带片为例，其只能对入射光实现双焦点的汇聚，并且两个焦距只能以黄金分割的比例分布，这也极大限制了这类光学元件的应用。

(3)折射透镜+菲涅尔波带片

菲涅尔波带片是一种周期性的衍射光学元件，通过改变菲涅尔波带片的周期台阶数和刻蚀深度，可以将入射光的能量分布到所需的衍射级次中，再通过后端折射透镜的汇聚，可以实现一束平行光在轴向上的多焦点汇聚。与上述两种方式相比，这种方式能够克服点扩散函数下降以及不能调控焦点个数和焦距的缺点，但是这种方式的缺点是必须使用两片光学元件才能实现多焦点汇聚，结构不够紧凑，另外对于复眼这种阵列式结构，对两片光学元件加工精度的一致性以及后期的光路调节提出了更高的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种多焦点光学元件及其设计方法，使用一片光学衍射元件即可实现多焦点汇聚，并且对焦点数量和焦距可以调控，设计自由度高。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：