柱状透镜设计方法、柱状透镜及柱状透镜阵列与流程

本申请属于光学成像，具体提供一种柱状透镜设计方法、柱状透镜及柱状透镜阵列。

背景技术：

1、自聚焦透镜又被称为梯度变折射率柱状透镜，是接触式图像传感器(cis)的核心成像元件，一般具有圆柱状结构，利用径向渐变折射率的方式实现沿轴向入射光线的连续折射，最终使出射光线汇聚到一点，实现与透镜相同的聚焦和成像的功能。目前利用该种柱状透镜阵列进行成像的cis已广泛应用传真机、扫描仪、纸币鉴伪领域。

2、传统的采用cis成像的扫描仪等产品，大多对图像分辨率要求不高，1200dpi以下即可满足要求，但随着芯片的发展和cis应用的扩展，目前各种扫描仪、验钞仪等产品对分辨率的要求越来越高，尤其在防伪鉴别、机器视觉等领域，需要同时满足设备小型化以及在f光(486nm)、d光(587nm)、c光(0.656)光等多种波长的光线下扫描的高清晰度、低色差要求。

3、然而，目前仍未有柱状透镜能够同时实现较短的工作距离下，对fdc光的高分辨率(2400dpi时的mtf大于30％)及低色差(小于0.005mm)的成像能力。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术存在的问题，本申请通过实施例提供一种柱状透镜设计方法，以满足短距离fdc光条件下的高分辨率、低色差成像需求，该设计方法包括以下步骤：

2、s1，基于柱状透镜的集成度指标、成像效果指标及亮度指标确定柱状透镜的开口角约束条件，其中，所述集成度指标包括柱状透镜的高度范围、物距范围及共轭距范围，所述成像效果指标包括柱状透镜在指定分辨率下的mtf指标以及重叠度指标；

3、s2，基于柱状透镜的集成度指标、成像效果指标及开口角约束条件确定柱状透镜的半径；

4、s3，基于柱状透镜的集成度指标、成像效果指标、开口角约束条件、半径及色差指标确定柱状透镜的折射率参数。

5、进一步地，所述集成度指标具体为：所述柱状透镜的高度范围为5.05～5.15mm，物距范围为2.6～2.7mm，共轭距范围为10.3～10.5mm。

6、进一步地，所述柱状透镜在指定分辨率下的mtf指标具体为：所述柱状透镜在2400dpi分辨率下的mtf值大于等于40％。

7、进一步地，所述重叠度指标具体为：所述柱状透镜线性阵列后的重叠度大于1.5。

8、进一步地，所述亮度指标具体为：所述柱状透镜的光圈小于4.8，以及所述柱状透镜线性阵列后的光圈小于3.0。

9、进一步地，所述柱状透镜折射率参数包括柱状透镜的中心轴线和边缘的折射率n0、na以及折射率分布曲线的聚焦常数所述折射率分布曲线具体为：

10、

11、其中，nr为柱状透镜内部距中心轴r处的折射率。

12、进一步地，所述色差指标具体为：所述柱状透镜在f光、d光、c光下的色差δp的绝对值|δp|小于0.005mm，其中，f光、d光、c光的波长分别为486nm、587nm、656nm。

13、优选地，步骤s3进一步包括以下步骤：

14、s31，基于柱状透镜的集成度指标、成像效果指标确定n0；

15、s32，基于柱状透镜的开口角约束条件及色差指标确定na；

16、s33，基于柱状透镜的半径a及n0、na确定

17、进一步地，步骤s33以后还包括以下步骤：

18、s34，评估根据所述折射率参数进行柱状透镜制备所需的制造工艺的难度，并根据评估结果确定是否返回步骤s1或步骤s31。

19、优选地，所述色差指标具体为：所述柱状透镜在f光、d光、c光下的色差δp的绝对值|δp|小于0.0033mm。

20、本申请通过实施例还提供一种柱状透镜，该柱状透镜具有自中心轴线至边缘逐渐减小的折射率，其高度、半径及折射率参数通过前述的柱状透镜设计方法确定。

21、本申请通过实施例还提供一种柱状透镜阵列，包括多个前述的柱状透镜，以及用于夹持柱状透镜的两个侧板，其中，各个柱状透镜沿预设方向阵列排列，其中心轴线互相平行且共面设置。

22、优选地，所述柱状透镜的柱面涂覆有减反射膜。

23、优选地，所述侧板朝向柱状透镜的一面为黑色材质和/或所述柱状透镜与所述侧板之间的缝隙填充有黑色树脂胶。

24、本申请的实施例提供的柱状透镜设计方法，在对梯度变折射率柱状透镜的规格参数进行优化的过程中，综合考虑集成度、成像效果、亮度及色差等多种技术指标之间的相互影响与制约关系，并在此基础上设计合理的优化步骤，以使不同参数调整对各个技术指标产生的影响保持均衡，通过该设计方法设计得到的柱状透镜及其柱状透镜阵列，能够同时满足短工作距离、高分辨率、低色差清晰成像的要求。

技术特征：

1.一种柱状透镜设计方法，用于设计高分辨率低色差的柱状透镜，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的柱状透镜设计方法，其特征在于，所述集成度指标具体为：所述柱状透镜的高度范围为5.05～5.15mm，物距范围为2.6～2.7mm，共轭距范围为10.3～10.5mm。

3.根据权利要求2所述的柱状透镜设计方法，其特征在于，所述柱状透镜在指定分辨率下的mtf指标具体为：所述柱状透镜在2400dpi分辨率下的mtf值大于等于40％。

4.根据权利要求2所述的柱状透镜设计方法，其特征在于，所述重叠度指标具体为：所述柱状透镜线性阵列后的重叠度大于1.5。

5.根据权利要求2所述的柱状透镜设计方法，其特征在于，所述亮度指标具体为：所述柱状透镜的光圈小于4.8，以及所述柱状透镜线性阵列后的光圈小于3.0。

6.根据权利要求1所述的柱状透镜设计方法，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的柱状透镜设计方法，其特征在于，所述色差指标具体为：所述柱状透镜在f光、d光、c光下的色差δp的绝对值|δp|小于0.005mm，其中，f光、d光、c光的波长分别为486nm、587nm、656nm。

8.根据权利要求7所述的柱状透镜设计方法，其特征在于，步骤s3进一步包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的柱状透镜设计方法，其特征在于，步骤s33以后还包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的柱状透镜设计方法，其特征在于，所述色差指标具体为：所述柱状透镜在f光、d光、c光下的色差δp的绝对值|δp|小于0.0033mm。

11.一种柱状透镜，具有自中心轴线至边缘逐渐减小的折射率，其特征在于：

12.一种柱状透镜阵列，其特征在于：

13.根据权利要求12所述的柱状透镜阵列，其特征在于：

14.根据权利要求12所述的柱状透镜阵列，其特征在于：

技术总结本申请提供一种柱状透镜设计方法、柱状透镜及柱状透镜阵列，所述设计方法用于设计高分辨率低色差的柱状透镜，包括以下步骤：S1，基于柱状透镜的集成度指标、成像效果指标及亮度指标确定柱状透镜的开口角约束条件，其中，所述集成度指标包括柱状透镜的高度范围、物距范围及共轭距范围，所述成像效果指标包括柱状透镜在指定分辨率下的MTF指标以及重叠度指标；S2，基于柱状透镜的集成度指标、成像效果指标及开口角约束条件确定柱状透镜的半径；S3，基于柱状透镜的集成度指标、成像效果指标、半径及色差指标确定柱状透镜的折射率参数。通过本申请技术方案设计的柱状透镜能够满足较短工作距离及FDC光下的高分辨率低色差成像需要。技术研发人员：于超,刘振翔受保护的技术使用者：威海华菱光电股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/11