CN104849787A - 多波长光子筛复眼 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学成像装置，具体为多波长光子筛复眼，包括多组入射光源、多组亚波长光子筛、金属层、衬底、焦面；所述的衬底形成一个半球体，所述的衬底外附有金属层，所述的焦面位于衬底半球体的球心；所述的多组亚波长光子筛分布在金属层外球面上，所述的多组入射光源的入射光线分别从每组对应的亚波长光子筛上垂直入射，入射光线同时被聚焦并叠加在同一焦面上。本发明提供的多波长光子筛复眼，同时具有昆虫复眼结构和多波长光子筛的优点，在保留高分辨力的同时，还具有能量利用率高和成像光谱范围宽等优点，为其在可见光范围内宽光谱成像领域的实用化起推动作用，可用于高分辨力彩色打印、高分辨力彩色显示、轻质天文望远镜等。

Description

多波长光子筛复眼

技术领域

本发明涉及一种光学成像装置，具体为多波长光子筛复眼。

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概念，后被译作“光子筛”。光子筛是一种新型衍射光学成像器件，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，小孔直径大于对应透光环带宽度，对焦点能量起积极影响。经过优化设计，它可以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极限，实现超分辨力成像。

但光子筛属衍射光学元件，对入射光源的波长变化敏感，只适合单波长成像。如将光子筛用于可见光宽光谱成像，将会有严重的色散。为了克服这个问题，Chung等人设计了双波长和多波长光子筛，将传统的光子筛进行区域分割，每个区域对应一个波长，这种结构的光子筛对波长的敏感性有所下降，但由于区域的分割，使得能量利用率本来就很低的光子筛更进一步损失能量，同时由于不同区域内光子筛的结构完全不同，给制造工艺带来不小的困难。考虑到衍射结构和折射结构色散性能的差异，中国科学院光电技术研究所胡松课题组发表论文、西华大学蒋文波课题组申请国家发明专利，提出利用光子筛与折射透镜相结合的混合结构来实现光子筛的消色差设计。与单光子筛相比，该混合结构的成像光谱范围有所增大，但这种结构仍无法解决光子筛能量利用率低的问题。

现有的光子筛结构显然不能同时满足高分辨力、高能量利用率、宽光谱成像的苛刻要求。如何设计出一种新型光子筛结构，在保留高分辨力的同时，还具有能量利用率高和成像光谱范围宽等优点，为其在可见光范围内宽光谱成像领域的实用化奠定坚实的基础，已成为业界急需解决的关键问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种多波长光子筛复眼结构，在保留高分辨力的同时，还具有能量利用率高和成像光谱范围宽的优点，具体的技术方案为：

多波长光子筛复眼，包括多组入射光源、多组亚波长光子筛、金属层、衬底、 焦面；所述的衬底形成一个半球体，所述的衬底外附有金属层，所述的焦面位于衬底半球体的球心；所述的多组亚波长光子筛分布在金属层外球面上，所述的多组入射光源的入射光线分别从每组对应的亚波长光子筛上垂直入射，入射光线同时被聚焦并叠加在同一焦面上。

所述的每组亚波长光子筛包括第一亚波长光子筛、第二亚波长光子筛、第三亚波长光子筛；所述的每组入射光源包括第一入射光源、第二入射光源、第三入射光源；第一入射光源从第一亚波长光子筛上垂直入射，第二入射光源从第二亚波长光子筛上垂直入射，第三入射光源从第三亚波长光子筛上垂直入射。

每个亚波长光子筛相当于一个小眼，相邻3个小眼组成一组小眼；每个亚波长光子筛分别对垂直入射在其外表面的入射光源独立成像，为把多组不同方向、每组内三种不同波长的入射光聚焦并叠加于同一焦面处，所有的亚波长光子筛具有相同的焦距；

设计有3M个亚波长光子筛组成，可分为M组。相邻两个亚波长光子筛的入射光线之间的夹角依次为θ₁，θ₂，…，θ_3M-1，可根据实际需要进行设定，可以取相同角度，也可以取不同角度，但相邻亚波长光子筛之间不能重叠；相邻两个亚波长光子筛之间的区域是不透光的，对焦点能量起消极影响，故在保证相邻亚波长光子筛不重叠的前提下，亚波长光子筛之间间隙应尽可能小。

亚波长光子筛是膜层结构，紧贴于衬底形成的一个半球体的球面上，近似与球面相切；

金属层材料为不透光材料，一般为铬、金、铝、铜，等；衬底材料为透光材料，一般为普通石英玻璃、有机玻璃、熔融石英等。

亚波长光子筛的结构参数经优化后确定，优化过程如下：

(1)根据实际需要，确定多波长光子筛复眼大小及球面半径，球面半径即亚波长光子筛焦距f_i；

(2)在保证亚波长光子筛相互之间不重叠的情况下，确定其数量P_i及入瞳口径D_i；

(3)根据亚波长光子筛设计原理，由设计中心波长λ_i、入瞳口径D_i、焦距f_i，确定亚波长光子筛结构参数；

a.计算亚波长光子筛环带数：

$N_i\≈\frac{{D_i}^2}{4{\mathrm{\λ}}_i{f}_i}$

其中，N_i为亚波长光子筛环带数，λ_i为设计中心波长(i＝1，2，3)，不同设计中心波长对应于不同的亚波长光子筛结构；

b.选择适当的窗函数，优化确定亚波长光子筛各个透光环带上分布小孔的数量及孔径大小。

本发明提供的多波长光子筛复眼，同时具有昆虫复眼结构和多波长光子筛的优点，在保留高分辨力的同时，还具有能量利用率高和成像光谱范围宽的优点，为其在可见光范围内宽光谱成像领域的实用化起推动作用，可用于高分辨力彩色打印、高分辨力彩色显示、轻质天文望远镜等。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的多波长光子筛复眼对三种不同波长的入射光的聚焦性能；

图3是本发明的多波长光子筛复眼与普通光子筛性能比较。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式，如图1所示：多波长光子筛复眼，包括多组入射光源、多组亚波长光子筛、金属层3、衬底4、焦面5；所述的衬底4形成一个半球体，所述的衬底4外附有金属层3，所述的焦面5位于衬底4半球体的球心；所述的多组亚波长光子筛分布在金属层3外球面上，所述的多组入射光源的入射光线分别从每组对应的亚波长光子筛上垂直入射，入射光线同时被聚焦并叠加在焦面5上。

所述的每组亚波长光子筛包括第一亚波长光子筛11、第二亚波长光子筛12、第三亚波长光子筛13；所述的每组入射光源包括第一入射光源21、第二入射光源22、第三入射光源23；第一入射光源21从第一亚波长光子筛11上垂直入射，第二入射光源22从第二亚波长光子筛12上垂直入射，第三入射光源23从第三亚波长光子筛13上垂直入射。

该实施例的设计要求为：

在实施例中，复眼为半球形状，球半径r＝200mm，组数M＝4，小眼总个数3M＝12，相邻两个小眼之间的夹角取相同数值，θ₁＝θ₂＝…＝θ_3M-1＝12°；

在实施例中，θ₀＝θ_3M＝24°，即可接受入射光的角度范围θ＝132°；

在实施例中，衬底透光材料为石英玻璃，金属材料为铬；

亚波长光子筛的参数为：设计中心波长λ₁＝488nm(蓝光)，λ₂＝532nm(绿光)，λ₃＝633nm(红光)；焦距f₁＝f₂＝f₃＝f＝200mm，入瞳口径D₁＝D₂＝D₃＝D＝50mm；

在实施例中，选择Connes窗函数优化各个透光环带上小孔的数量及孔径大小。

为考察多波长光子筛复眼对不同波长入射光的聚焦性能，给出了焦面上归一化强度分布，三种不同线型代表其对三个不同波长入射光的聚焦情况，纵坐标为归一化强度(无量纲)，横坐标为X方向距离(单位：μm)。如图2所示，多波长光子筛复眼对三种不同波长的入射光都能聚焦在焦面附近，误差在合理范围内，聚焦性能良好。而单波长光子筛，只能对特定波长的单色光进行聚焦，无法同时聚焦波长相差如此之大的三种入射光。

为了对多波长光子筛复眼与普通光子筛的聚焦性能及能量利用率进行详细的对比分析，图3给出了焦面上径向光强的归一化分布图，虚线代表普通光子筛，实线代表多波长光子筛复眼，其中实线是叠加了蓝、绿、红三种不同入射波长之后的总归一化光强，并非单一波长。

图3中，纵坐标为归一化强度(无量纲)，横坐标为径向距离(单位：μm)。

从图3可以看出，多波长光子筛复眼和普通光子筛的聚焦性能并无明显区别，但多波长光子筛复眼的归一化强度明显大于普通光子筛，这是因为多波长光子筛复眼拓宽了成像光谱范围，叠加了12个小眼的能量，提高了能量利用率。

Claims (2)

1.多波长光子筛复眼，其特征在于：包括多组入射光源、多组亚波长光子筛、金属层(3)、衬底(4)、焦面(5)；所述的衬底(4)形成一个半球体，所述的衬底(4)外附有金属层(3)，所述的焦面(5)位于衬底(4)半球体的球心；所述的多组亚波长光子筛分布在金属层(3)外球面上，所述的多组入射光源的入射光线分别从每组对应的亚波长光子筛上垂直入射，入射光线同时被聚焦并叠加在焦面(5)上。

2.根据权利要求1所述的多波长光子筛复眼，其特征在于：所述的每组亚波长光子筛包括第一亚波长光子筛(11)、第二亚波长光子筛(12)、第三亚波长光子筛(13)；所述的每组入射光源包括第一入射光源(21)、第二入射光源(22)、第三入射光源(23)；第一入射光源(21)从第一亚波长光子筛(11)上垂直入射，第二入射光源(22)从第二亚波长光子筛(12)上垂直入射，第三入射光源(23)从第三亚波长光子筛(13)上垂直入射。