CN205787191U - 一种位相编码折衍射元件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种位相编码折衍射元件，包括折衍射元件本体，所述折衍射元件本体为平凸透镜结构，所述平凸透镜结构的平面一侧镀有宽带光子筛，所述宽带光子筛为不透光金属薄膜，所述不透光金属薄膜上设有环带状分布的通光小孔，所述通光小孔的位置分布满足方程。在相同尺寸和焦距下，本实用新型的折衍射元件的有效工作光谱范围较传统折衍射元件提高15倍左右，可在超宽带宽范围内消除二级光谱，实现清晰成像。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种位相编码折衍射元件，属于光学技术领域。
背景技术
2001 年，德国L.Kipp教授在Nature 期刊上发表文章，首次提出photon sieves的概念，后被译成“光子筛”，是一种衍射光学成像器件，它是用随机分布在透光环带上的小孔代替菲涅尔结构的透光环带而形成的。经过结构优化后，随机分布的小孔能有效地抑制次级和高级衍射，从而提高成像的对比度和分辨力，甚至可以打破传统衍射成像理论，实现超分辨力成像。此后，光子筛被国内、外学者大量研究，可广泛地应用于纳米光刻、天文观测、航空拍摄、武器视觉等领域。
光子筛可以用直径大于对应波带片环带宽度的小孔来代替，放宽了现有最小加工尺寸的限制，在相同最小加工尺寸的情况下，光子筛能够实现更高的分别率；并且光子筛上随机分布的小孔，能有效地抑制旁瓣效应和高阶衍射，改善成像质量。
光子筛是一种衍射光学元件，因而对波长变化敏感，普通光子筛不适用于宽光谱成像，因此，开发一种新的衍射光学元件，解决现有技术中存在二级光谱，消色差带宽小等问题，显然是有必要的。
发明内容
本实用新型的发明目的是提供一种位相编码折衍射元件，消除二级光谱，实现超宽带消色差清晰成像。
为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：一种位相编码折衍射元件，包括折衍射元件本体，所述折衍射元件本体为平凸透镜结构，所述平凸透镜结构的平面一侧镀有宽带光子筛，所述宽带光子筛为不透光金属薄膜，
所述不透光金属薄膜上设有环带状分布的通光小孔，所述通光小孔的位置分布满足方程，式中，f为传统光子筛的焦距，n为通光环带的环带序号，λ为光子筛的工作波长，R为宽带光子筛的半径，a为编码系数，k为波数，xm和ym是光子筛第m个小孔的中心位置，m=1,2,3¼num，其中，，。
优选地，a=10π。
优选地，所述平凸透镜结构的焦距为466mm，口径为50mm。
优选地，所述折衍射元件的基底为玻璃材质。
进一步技术方案中，所述折衍射元件的基底材质为BK7材料，在波长632.8nm的折射率为1.515，阿贝数为28.9627。
优选地，所述折衍射元件的入射波长为400～700nm。
本实用新型的原理如下：衍射光学元件在短的波长具有比长波更长的焦距。然而，折射光学元件的聚焦情况与之相反。因此，可以结合折射和衍射两种光学元件这种相反的特性在某一个波长范围内消色差。在同一块光学元件相反的两个表面上，其中一面加工出平凸表面实现折射成像，另一面加工出光子筛实现衍射成像。衍射光学元件若选用传统光子筛，两个边缘波长可以被设计成聚焦到同一位置。但是，在中心波长和边缘波长之间仍然存在着焦距差（二级光谱），说明该***仍然存在很大的色差。光谱范围越宽，这种二级色差越明显。
本实用新型中：衍射元件的有效阿贝数：
折射透镜的阿贝数：
边缘波长消色差下的衍射元件和折射透镜的焦距分配：
其中，f DOE_2 是衍射元件在中心波长的焦距，f ref_2 是折射镜在中心波长的焦距，f是折衍射元件在中心波长的焦距。
由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：
在相同尺寸和焦距下，本实用新型的折衍射元件的有效工作光谱范围较传统折衍射元件提高15倍左右，可在超宽带宽范围内消除二级光谱，实现清晰成像。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是本实用新型实施例一的实验装置图。
图3是实施例一中传统折衍射元件的消色差光线示意图。
图4是实施例一中传统折衍射元件在不同波长沿光轴光强分布图。
图5是实施例一中传统折衍射元件和位相编码折衍射元件的点扩散函数（PSF）图。
图6是实施例一中传统折衍射元件和位相编码折衍射元件在不同波长下的MTF曲线示意图。
图7是实施例一中传统折衍射元件和位相编码折衍射元件在波长范围400nm到700nm的仿真成像情况对比图。
图8是实施例一中传统折衍射元件和位相编码折衍射元件在不同带宽下的PSF和成像对比图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：
实施例一：参见图1所示，一种位相编码折衍射元件，包括折衍射元件本体，折衍射元件本体为平凸透镜结构，平凸透镜结构的平面一侧镀有宽带光子筛，宽带光子筛为不透光金属薄膜，
不透光金属薄膜1上设有环带状分布的通光小孔，通光小孔的位置分布满足方程，式中，f为传统光子筛的焦距，n为通光环带的环带序号，λ为光子筛的工作波长，R为宽带光子筛的半径，a为编码系数，k为波数，xm和ym是光子筛第m个小孔的中心位置，m=1,2,3¼num，其中，，。
参见图2所示，为本实施例的实验装置图，宽带光源通过带通滤光片，一个300nm带宽的光谱由长波通滤光片（大于400nm）和短波通滤光片（小于700nm）组合而成，使用一个焦距550mm，口径55mm的平行光管和像元大小为4.54μm（AVT Prosilica GX2750C）的CCD进行成像测试。
本实施例中，编码系数a=10p。
本实施例设计一个编码系数a=10p位相编码折衍射元件，焦距466mm，直径50mm，中心波长为632.8nm，边缘波长为400nm和700nm，即l1=400nm，l2=632.8nm，l3=700nm。玻璃基底选用BK7材料，其在波长632.8nm的折射率为1.515，阿贝数为28.9627。
作为对比，设计一个传统的折衍射混合元件，将传统光子筛和折射镜相集成，整个元件的总体参数为焦距466mm，口径50mm，l1=400nm，l2=632.8nm，l3=700nm。玻璃基底选用BK7材料（在波长632.8nm的折射率为1.515，阿贝数为28.9627）。在中心波长632.8nm，传统光子筛焦距6864.8nm，折射镜焦距499.954nm。最终设计元件在波长l1=400nm，l2=632.8nm和l3=700nm的焦距分别为464.36nm，466nm和464.36nm。参见图3所示，显然，在边缘波长l1和l3具有相同的焦距值，是消色差的。参见图4所示，为传统折衍射元件在不同波长沿光轴光强分布图，可见在中心波长l2和边缘波长l1和l3之间仍然存在着1.64mm的焦距差，即传统折衍射元件不能在400nm到700nm波长范围内（即带宽300nm）达到有效消色差的目的。传统折衍射元件的焦深为，对应波长622.8nm和642.8nm，即该传统折衍射元件的有效工作带宽约为20nm。
参见图5所示，其给出了传统折衍射元件和位相编码折衍射元件的点扩散函数（PSF）图。如图5（a）所示，传统折衍射元件在波长范围622.8nm到642.8nm范围内（带宽20nm）PSF接近衍射极限。但当带宽超出20nm时，PSF变得弥散，尤其是在边缘波长400nm和700nm的时候。如图5（b）所示，本实施例中的位相编码折衍射元件在波长400nm到700nm范围内，位相编码折衍射元件的PSF具有很好的一致性。
参见图6所示，为传统折衍射元件和位相编码折衍射元件在不同波长下的MTF曲线示意图，可以清晰地看到，当传统折衍射元件的波长偏离于中心波长632.8nm时，MTF急剧下降且有零点出现，信息丢失。然而，位相编码折衍射元件的MTF在波长范围400nm到700nm范围内都具有很好的一致性。表明位相编码折衍射元件在超宽带范围内消色差的可行性。
图7给出了传统折衍射元件和位相编码折衍射元件在波长范围400nm到700nm的仿真成像情况对比图。当传统折衍射元件的入射波长偏离于中心波长632.8nm时，成像变得模糊，如图7中（a）所示。图7中（b）、（c）分别给出了位相编码折衍射元件的中间模糊图像和对应的复原图像。可以看到，本实施例中的位相编码折衍射元件可以在整个可见光波段400nm到700nm清晰成像，具有和传统折衍射元件在中心波长632.8nm几乎相同的分辨率。值得注意的是，在权衡有效工作带宽，图像分辨率和图像信噪比的过程中，位相编码参数a可以进一步优化，从而得到更合适的带宽拓展范围。
参见图8所示，为传统折衍射元件和位相编码折衍射元件的不同带宽下的PSF和成像对比图。首先评价加工的传统折衍射元件在带宽28nm和带宽300nm（400nm到700nm）的成像性能。图8中（a）、(b)给出了传统折衍射元件在28nm带宽下的PSF和成像图，成像结果可以接受（本实施例中设计的传统折衍射元件的有效工作带宽为20nm）。图8中（c）、（d）给出了传统折衍射元件在300nm带宽下的PSF和成像图，由于在大的带宽下存在二级光谱，所以最终成像模糊。作为对比，图8中（e）、（f）和（g）给出了位相编码折衍射元件在宽带300nm（400nm到700nm）照明下的PSF和成像结果图。从图中可以清晰地看出位相编码折衍射元件（a=10p）在300nm带宽可以清晰成像，相同尺寸和焦距下有效工作光谱范围约为传统折衍射元件（20nm）的15倍左右。
Claims (6)
1.一种位相编码折衍射元件，其特征在于：包括折衍射元件本体，所述折衍射元件本体为平凸透镜结构，所述平凸透镜结构的平面一侧镀有宽带光子筛，所述宽带光子筛为不透光金属薄膜，
所述不透光金属薄膜上设有环带状分布的通光小孔，所述通光小孔的位置分布满足方程，式中，f为传统光子筛的焦距，n为通光环带的环带序号，λ为光子筛的工作波长，R为宽带光子筛的半径，a为编码系数，k为波数，xm和ym是光子筛第m个小孔的中心位置，m=1,2,3¼num，其中，，。
2.根据权利要求1所述的位相编码折衍射元件，其特征在于：a=10π。
3.根据权利要求1所述的位相编码折衍射元件，其特征在于：所述平凸透镜结构的焦距为466mm，口径为50mm。
4.根据权利要求1所述的位相编码折衍射元件，其特征在于：所述折衍射元件的基底为玻璃材质。
5.根据权利要求1或4所述的位相编码折衍射元件，其特征在于：所述折衍射元件的基底材质为BK7材料，在波长632.8nm的折射率为1.515，阿贝数为28.9627。
6.根据权利要求1所述的位相编码折衍射元件，其特征在于：所述折衍射元件的入射波长为400～700nm。
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