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Nov 20, 2023

Lente plana bifocal com diferentes características de imagem para uma dupla

Relatórios Científicos volume 12, Número do artigo: 18996 (2022) Citar este artigo 765 Acessos 1 Detalhes de métricas altmétricas Imagens de amplo campo de visão (FOV) e imagens ampliadas podem ser obtidas simultaneamente

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 18996 (2022) Citar este artigo

765 acessos

1 Altmétrico

Detalhes das métricas

Imagens de amplo campo de visão (FOV) e imagens ampliadas podem ser obtidas simultaneamente por sistemas de imagem de sensor duplo. Aqui, propomos uma abordagem para a criação de uma lente plana bifocal com diferentes características de imagem de seus dois focos, o que torna os sistemas de imagem com sensor duplo mais integrados e miniaturizados. Ou seja, são extraídas duas partes especiais de dois ZP convencionais diferentes e depois combinados os dois elementos de uma forma específica. Para que existam dois focos com características diferentes ao longo do eixo óptico, um é o foco longo com maior resolução, o outro é o foco curto com longa profundidade de foco (DOF). Sob a abordagem proposta, é desenvolvida uma lente difrativa bifocal (BDL) fina e leve com espessura de 0,6 μm. As distâncias focais longa e curta do BDL são ~ 81 mm e ~ 27 mm, respectivamente, com diâmetro de 6 mm. Demonstramos experimentalmente que o foco longo do BDL é capaz de capturar imagens ampliadas de alta resolução, e sua resolução é de até 21,90″. O foco curto é capaz de capturar FOV amplo com imagens DOF ​​longas, e dois objetos separados por 2.880 mm podem ser visualizados com clareza. Os resultados do experimento demonstram que todas essas métricas são melhores do que as de uma lente refrativa convencional.

No sistema de imagem, imagens de ampliação e imagens de amplo campo de visão (FOV) são muito importantes para obter mais informações1. As aplicações que exigem imagens de ampliação e imagens de amplo FOV variam desde vigilância2 e medicina3,4,5 até inteligência artificial6,7. Como com apenas um foco em um sistema de imagem convencional, é necessário zoom para obter imagens ampliadas e imagens amplas de FOV, o que significa que imagens ampliadas e imagens amplas de FOV não podem ser obtidas simultaneamente pelos sistemas convencionais de imagem com zoom. Além disso, os sistemas de imagem com zoom são muito espessos e volumosos, e o processo de zoom é demorado e difícil de equilibrar bem o FOV amplo e a alta resolução. Para resolver esses problemas, muitas abordagens foram propostas, como imagens de conjunto de lentes8,9,10,11,12,13,14 e imagens foveadas15,16,17,18 e sistema de câmera dupla19 e sistema de imagem com sensor duplo20. No entanto, as desvantagens destas abordagens são muito volumosas e complicadas devido a mais de uma lente, o que limita a sua aplicação em campos amplos.

Para fins leves, de integração e miniaturização, as lentes planas com dois focos fornecem uma solução para o sistema de imagem com sensor duplo, o que significa que o foco longo permite imagens de ampliação de alta resolução, enquanto o foco curto permite FOV amplo com imagens DOF ​​longas, simultaneamente. As lentes planas incluem metalenses e elementos ópticos difrativos (DOEs), e ambos são capazes de manipular livremente a fase da luz. Além disso, a manipulação da polarização pode ser conseguida por metalenses21. Metalenses são novos dispositivos ópticos propostos nos últimos anos22,23, e podem atingir a frente de onda projetada organizando cuidadosamente essas unidades, incluindo acromatismo24,25 e imagens de polarização26. No entanto, este é um problema de controle de fase neste artigo, em vez de controle de polarização, e é um grande desafio projetar e fabricar metalens com características constituintes maiores em comparação com DOEs . Portanto, as DOEs são mais adequadas para atender a esses requisitos e são muito mais simples de fabricar graças ao desenvolvimento da tecnologia de fotolitografia, tornando-as acessíveis para fabricação de grandes volumes e baixo custo. Existem duas abordagens comuns para projetar um DOE multifocal, incluindo a otimização de determinada distribuição de intensidade e o projeto de ordens de difração . Para a primeira abordagem, ou seja, alguns algoritmos são utilizados para otimizar elementos ópticos para formar uma determinada distribuição de intensidade ao longo do eixo óptico. Para a segunda abordagem, trata-se de uma binarização de uma lente comum, ou seja, ordens de difração adicionais aparecem ao longo do eixo óptico. Ambos são estudados há muito tempo e são bem conhecidos. No entanto, a desvantagem da primeira abordagem é que eles exigem algoritmo de otimização para otimizar determinada distribuição de intensidade ao longo do eixo óptico, o que é demorado e difícil de fabricar grandes DOEs multifocais. A desvantagem da segunda abordagem é que uma série de pontos focais extras aparecem no eixo óptico, reduzindo a qualidade da imagem de foco primário que precisamos. Além disso, é difícil alcançar as características focais esperadas ao longo do eixo óptico através da binarização de uma lente comum para produzir focos adicionais.