CN102681060A - 一种复合型波带片光子筛 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合型波带片光子筛，包括透光衬底和镀在其上的不透光的金属薄膜，所述不透光的金属薄膜上分布有一系列透光环带和若干透光小孔。本发明所用的复合型波带片光子筛其透光小孔的直径为相应波带片环带宽度的1.5倍，相对于波带片，这些位置随机分布的透光小孔使得衍射光之间相互干涉从而能够有效地抑制旁瓣效应和高级衍射，提高分辨率，得到更为锐利的焦斑。本发明所采用的复合型波带片光子筛将普通光子筛的中间2/3部分嵌入波带环，从而增加了透过率，提高了衍射效率，使成像对比度得到了提升。
Description
技术领域
本发明涉及衍射光学元件技术领域，具体涉及一种复合型波带片光子筛。
背景技术
光子筛是基于菲涅耳波带片的一种新型的衍射光学元件，它将菲涅耳波带片上亮环对应的区域用大量随机分布的透光小孔来代替，小孔的直径为相应波带片环带宽度的1.5倍。这些位置随机分布的透光小孔使得衍射光之间相互干涉，从而能够有效地抑制旁瓣效应和高级衍射，提高分辨率，得到更为锐利的焦斑。
传统波带片在成像领域的分辨率取决于它的最外环宽度，该尺寸受到加工工艺的限制因而分辨率难以得到进一步的提高。光子筛由于其最外环小孔直径为对应波带片环宽的1.5倍，因此可以放宽对加工工艺的要求，进而制作更大口径的光子筛，提高了数值孔径，从而提高成像的分辨率。
光子筛的重量比相同参数的波带片更轻，因而在航天望远镜领域有着更加广阔的前景。光子筛的这些特性使得它在高分辨率成像、亚波长光刻、显微镜技术方面有着非常好的应用前景。
虽然大口径光子筛在紫外望远镜成像领域有着广阔的应用前景，但是其仍存在衍射效率低，成像对比度不好的缺点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了提高光子筛的衍射效率，改善成像对比度，本发明的主要目的在于提供一种复合型波带片光子筛。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种复合型波带片光子筛，包括：透光衬底和镀在其上的不透光的金属薄膜，所述不透光的金属薄膜上分布有一系列透光环带和若干透光小孔。
上述方案中，所述透光衬底的材料为透光材料，所述透光材料为熔融石英、普通玻璃或有机玻璃。
上述方案中，所述不透光的金属薄膜的材料为铬、金、铝或铜，所述不透光的金属薄膜的厚度大于80nm。
上述方案中，所述一系列透光环带为平面式环带，每一透光环带的中心半径为rn，宽度为wn，其中rn 2＝2nfλ+n2λ2，wn＝λ/2rn，其中n为自然数，λ为波长，f为焦距。
上述方案中，所述若干透光小孔为随机分布的平面式透光小孔，其分布在中心半径为rn，宽度为wn的环带上，所述平面式透光小孔之间不重叠；所述平面式透光小孔的圆心分布在环带中心半径rn上，其中rn 2＝2nfλ+n2λ2，对应rn上的平面式透光小孔的直径为：dm＝wm＝λ/2rm，其中m、n为自然数，λ为波长，f为焦距。
上述方案中，所述复合型波带片光子筛由若干环位置随机分布的透光小孔组成，并且在其内部2/3部分嵌入一系列透光环带。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明技术方案产生的有益效果为：
1、本发明所用的复合型波带片光子筛其透光小孔的直径为相应波带片环带宽度的1.5倍，相对于波带片，这些位置随机分布的透光小孔使得衍射光之间相互干涉从而能够有效地抑制旁瓣效应和高级衍射，提高分辨率，得到更为锐利的焦斑。
2、本发明所采用的复合型波带片光子筛将普通光子筛的中间2/3部分嵌入波带环，从而增加了透过率，提高了衍射效率，使成像对比度得到了提升。
附图说明
图1为本发明实施例中为了对比所采用的复合型波带片光子筛的结构示意图；其中，图1(a)为波带片示意图，其中白色部分为透光圆环，其余部分为不透光区域；图1(b)为光子筛示意图，其中白色部分为透光圆孔，其余部分为不透光区域；图1(c)为复合型波带片光子筛示意图，其中白色部分为透光区域，黑色部分为不透光区域。
图2为本发明实施例中复合型波带片光子筛与传统光子筛的聚焦特性仿真图。其中，图2(a)是聚焦光强分布图，图2(b)是归一化聚焦光强指数分布图；
图3为本发明实施例中成像实验结果图。其中，图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为波带片、传统光子筛和复合型波带片光子筛对分辨率版所成的像，图3(d)为三种器件所成的像中10μm线条的光强剖面分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种复合型波带片光子筛，包括透光衬底和镀在其上的不透光的金属薄膜，所述不透光的金属薄膜上分布有一系列透光环带和若干透光小孔。通过在传统光子筛的中间2/3部分嵌入波带环，这样设计得到的复合型波带片光子筛在保持传统光子筛良好的聚焦特性的基础上提高了70％的衍射效率，改善了成像对比度。
在该复合型波带片光子筛中，透光衬底的材料还可以为普通玻璃或有机玻璃等透光材料，不透光的金属薄膜的材料还可以为金、铝或铜等不透光金属。
所述不透光的金属铬薄膜上分布一系列透光环带和若干透光小孔；所述石英衬底的直径为10cm，光子筛直径为17.75mm，环带数为370环，波长为355nm，焦距为0.3m，最外层环带上的透光小孔直径为9μm。其中，在第1-165环(即中间2/3部分)嵌入透光环带。
该复合型波带片光子筛透光环带为平面式环带，每一透光环带的中心半径为rn，宽度为wn，其中：
rn 2＝2nfλ+n2λ2，
wn＝λ/2rn，n＝1～165，
其中λ为波长，f为焦距。
随机分布的透光小孔为平面式透光小孔，其分布在中心半径为rn，宽度为wn的环带上，所述平面式透光小孔之间不重叠；所述平面式透光小孔的圆心分布在环带中心半径rn上，其中rn 2＝2nfλ+n2λ2，对应rn上的平面式透光小孔的直径为：dn＝wn＝λ/2rn，n＝1～370，其中λ为波长，f为焦距。
参见图1，图1为本发明复合型波带片光子筛示意图。其中白色圆孔为随机分布的透光小孔，白色环带为透光环带，黑色部分为不透光区域。
复合型波带片光子筛上包括随机分布的透光小孔，以及内部2/3部分的透光环带组成。我们采取这样设计的原因是：在传统光子筛半径的内部2/3部分嵌入的透光环带，其宽度为相应环带透光小孔直径的2/3。该部分最细透光环带的加工尺寸与整个光子筛的最外环透光小孔直径相同。在保持具有相同的最小加工尺寸的前提下，外部1/3部分的透光小孔则不能被替换为更细的透光环带。因此，我们设计的复合型波带片光子筛采用在传统光子筛的内部2/3部分嵌入透光环带。
如图2所示，图2为复合型波带片光子筛和传统光子筛的聚焦特性仿真图。其中，图2(a)是聚焦光强分布图，图2(b)是归一化聚焦光强指数分布图。
如图3所示，图3为本发明实施例中成像实验结果图。其中，图3(a)，图3(b)分别为传统光子筛和复合型波带片光子筛对分辨率版所成的像。图3(c)为两种器件所成的像中10μm线条的光强剖面分布图。
本发明的复合型波带片光子筛是在传统光子筛的内部2/3部分嵌入透光环带，这些透光环带使得入射光的透过率得到增强，提高了衍射效率，从而得到更高的成像对比度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种复合型波带片光子筛，其特征在于，包括：透光衬底和镀在其上的不透光的金属薄膜，所述不透光的金属薄膜上分布有一系列透光环带和若干透光小孔。
2.如权利要求1所述的复合型波带片光子筛，其特征在于，所述透光衬底的材料为透光材料，所述透光材料为熔融石英、普通玻璃或有机玻璃。
3.如权利要求1所述的复合型波带片光子筛，其特征在于，所述不透光的金属薄膜的材料为铬、金、铝或铜，所述不透光的金属薄膜的厚度大于80nm。
4.如权利要求1所述的复合型波带片光子筛，其特征在于，所述一系列透光环带为平面式环带，每一透光环带的中心半径为rn，宽度为wn，其中rn 2＝2nfλ+n2λ2，wn＝λ/2rn，其中n为自然数，λ为波长，f为焦距。
5.如权利要求1所述的复合型波带片光子筛，其特征在于，所述若干透光小孔为随机分布的平面式透光小孔，其分布在中心半径为rn，宽度为wn的环带上，所述平面式透光小孔之间不重叠；所述平面式透光小孔的圆心分布在环带中心半径rn上，其中rn 2＝2nfλ+n2λ2，对应rn上的平面式透光小孔的直径为：dm＝wm＝λ/2rm，其中m、n为自然数，λ为波长，f为焦距。
6.如权利要求4或5所述的复合型波带片光子筛，其特征在于，所述复合型波带片光子筛由若干环位置随机分布的透光小孔组成，并且在其内部2/3部分嵌入一系列透光环带。
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