CN104865627A - 一种基于波前编码技术的宽带光子筛 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于波前编码技术的宽带光子筛，其特征在于：具有一位相编码板，所述位相编码板的一个表面为位相编码面，另一个表面为平面，所述平面后紧贴有光子筛，所述位相编码面选自三次编码面、对数编码面、正弦编码面中的一种，所述光子筛对透过所述位相编码面的光线衍射成像。本发明创造性地将波前编码技术引入光子筛领域，在光子筛之前设置了位相编码板，对进入光子筛的光线进行波前编码，减少了光子筛对波长的敏感性，达到了拓展带宽的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学元件，具体涉及一种光子筛，尤其是应用了波前编码技术的宽带光子筛。
背景技术
光子筛是由Kipp在2001年提出的一种衍射光学元件，和菲涅耳波带片相似，都是使奇数或偶数菲涅耳波带透光，而使相邻的波带不透光。光子筛将透光的波带设计成透光的微孔，微孔位于波带上，光波通过各微孔中心到达焦点的距离与通过光轴到达焦点的距离之差为波长的整数倍，可以实现聚焦和成像，用于高分辨率显微镜，光谱成像，X射线成像，UV光刻等。
作为衍射光学元件，光子筛具有很大的色差。一般而言，对于一个焦距f的光子筛，只对设计波长λ清晰成像。因此，当入射光波长为λ+Δλ时，将聚焦到f+Δf位置，在原始焦平面位置产生背景噪音。
为解决上述问题，Gimenez等在文献“F. Giménez, J. A. Monsoriu, W. D. Furlan, and A. Pons, “Fractal photon sieve,” Opt. Express 14(25), 11958–11963 (2006)”中提出了一种分形光子筛去拓展焦深并且减小色差。但是，该光子筛是以降低设计波长在对焦位置的分辨率为代价的。Andersen等人在文献“G. Andersen, and D. Tullson, “Broadband antihole photon sieve telescope,” Appl. Opt. 46(18), 3706–3708 (2007)”中提出了一种由光子筛作为主镜的望远系统。在系统中，另一个衍射光学元件被设计去补偿光子筛的色差特性，达到了一定的宽光谱成像效果。这种方式结构相对复杂。周等人在文献“C. X. Zhou, X. C. Dong, L. F. Shi, C. T. Wang, and C.L. Du, “Experimental study of a multiwavelength photon sieve designed by random-area-divided approach,” Appl. Opt. 48(8), 1619–1623 (2009)”中设计并加工了一块三波长光子筛。该光子筛的设计对于三个不同的波长分别设计三套不重叠的孔，用于对三个波长成像。但是，其具有较低的衍射效率并且只对设计的三个波长成像。
因此，需要对光子筛系统的结构进行改进以拓展光子筛的光谱。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种基于波前编码技术的宽带光子筛，在不影响光子筛的分辨率的前提下，拓展光子筛的带宽。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种基于波前编码技术的宽带光子筛，具有一位相编码板，所述位相编码板的一个表面为位相编码面，另一个表面为平面，所述平面后紧贴有光子筛，所述位相编码面选自三次编码面、对数编码面、指数编码面中的一种，所述光子筛对透过所述位相编码面的光线衍射成像。
进一步的技术方案，所述位相编码面为三次编码面，三次编码面的面形函数为 ，式中，R为三次编码板的半径，(x,y)是以直角坐标表示的位置，，α为三次编码系数，α＞20。
优选地，所述三次编码面的三次编码系数α为20π。
或者，所述位相编码面为对数编码面，对数编码面的面形函数为，式中，。
或者，所述位相编码面为指数编码面，指数编码面的面形函数为，式中，，，。
上述技术方案中，可以根据不同口径、焦距指标的光子筛和需要拓展带宽的实际需求进行优化，以取得最佳α和β取值。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
波前编码技术通常用于使成像光学系统获得较大的景深，与数字图像处理技术结合，用于摄影镜头、红外成像系统、虹膜识别等场合。本发明创造性地将波前编码技术引入光子筛领域，在光子筛之前设置了位相编码板，对进入光子筛的光线进行波前编码，减少了光子筛对波长的敏感性，达到了拓展带宽的目的。
附图说明
图1是实施例一中的宽带光子筛结构示意图；
图2是图1中的光子筛示意图；
图3是测试常规光子筛的性能的装置示意图；
图4是常规光子筛在设计波长632.8nm的实验测试结果；
图5是测试宽带光子筛的性能的装置示意图；
图6是图5中带通滤光片的透过率曲线；
图7是常规光子筛在宽带光源下的成像结果；
图8是宽带光子筛在宽带光源下的成像结果；
图9是实施例一中常规光子筛和宽带光子筛（α=20π）的PSF对比图；
图10是常规光子筛和宽带光子筛在不同波长下的MTF曲线；
图11是常规光子筛在不同波长λ=625.8～639.8nm下的成像结果；
图12是宽带光子筛的中间模糊图像；
图13是宽带光子筛的最终复原图像。
其中：1、位相编码面；2、光子筛；3、波长为632.8nm的激光器；4、显微物镜；5、滤波器；6、散射转盘；7、平行光管；8、常规光子筛；9、CCD；10、显示器；11、宽带光源；12、带通滤光片；13、宽带光子筛。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见附图1所示，一种基于波前编码技术的宽带光子筛，具有一位相编码板，所述位相编码板的一个表面为位相编码面1，另一个表面为平面，所述平面后有光子筛2，所述位相编码面1为三次编码面，所述光子筛对透过所述三次编码面的光线衍射成像。
位相编码板材料可以选用PMMA有机玻璃，后面紧贴光子筛面。光子筛如附图2所示，假设入射光为平行光，入射光首先透过位相编码面，然后经光子筛面衍射成像。
成像原理如下：
光子筛的衍射场是由所有微纳小孔的衍射场叠加而成，与一般的衍射光学元件成像不尽相同，根据光子筛衍射成像模型，光子筛场的复振幅分布为：
（1）
式中k=2π/λ，Am为实振幅常数，j为虚数单位，Lm为光程函数，q为像面到光子筛面的距离，am为小孔半径，，，xm和ym是针孔的中心位置，，，，是一阶贝塞尔函数。
三次位相编码的透过率函数为：
（2）
其中，R为三次位相板半径，λ为入射光波长，n为材料折射率，α为三次编码系数。
入射平行光复振幅为E0(x,y)，根据编码面的透射率函数，可以得出入射光波经过编码面后的复振幅为：
（3）
忽略振幅常数E0(x,y)，光程函数：
（4）
（5）
（6）
将光程函数代入（1）式得出光波经过光子筛面场的复振幅分布。
在上述公开内容的基础上，设计具体的光子筛。
位相编码板的位相编码面为三次编码面，其三次编码系数α为20π，利用单点金刚石车削技术加工获得。
如图2所示，设计一个焦距为500mm，直径为50mm，入射光波长为632.8nm的常规光子筛，全部环带数量987，最小的针孔尺寸3.1641μm；使用UV光刻技术加工。
将该常规光子筛复合在三次编码板的平面一侧，即得到一宽带光子筛。
对上述获得的常规光子筛和宽带光子筛分别进行性能测试。
光子筛的设计波长为632.8nm。
作为对比，图3是测试常规光子筛的性能的装置示意图。波长为632.8nm的激光器3发出的入射激光束通过显微物镜4聚焦到滤波器5上的小孔进行滤波，经过小孔滤波后的激光束通过散射转盘6消除块，使用一个焦距550mm，口径55mm的平行光管7照射常规光子筛8，用像元大小为4.54μm（AVT Prosilica GX2750C）的CCD 9进行成像测试，在显示器10上进行显示。
图4给出了常规光子筛在设计波长632.8nm的实验测试结果。图中，（a）为PSF特性，（b）为分辨率耙测试结果，（c）为测试结果（b）的中心区域的放大。仔细检查后，光子筛的分辨率极限约为50.8lp/mm。
图5是测试宽带光子筛的性能的装置示意图。宽带光源11发出的光束通过中心波长632.8nm，FWHM10nm的带通滤光片12（THORLABS company FL632.8-10），使用相同的平行光管7照射宽带光子筛13，用CCD 9进行成像测试，在显示器10上进行显示。图6是图5中带通滤光片的透过率曲线。
用常规光子筛替换图5中的宽带光子筛，在宽带光源下的成像结果如图7所示。显然，常规光子筛具有很大的色差。当中心波长632.8nm，FWHM10nm的带宽入射时，使得常规光子筛在成像平面产生了很强的背景噪音。
图8给出了宽带光子筛（α=20π）在中心波长632.8nm，FWHM10nm的带宽入射下成像测试结果。实验结果中，图8（a）表明，实验室测得的PSF具有“L”形特征。图8（b）给出了宽带光子筛的中间模糊图像。图8（c）为最终复原图像。图8（d）为复原图像（c）的中心区域的放大。中间模糊图像通过适当的滤波函数复原成清晰图像，达到和常规光子筛在设计波长632.8nm基本相同的分辨率。在中心波长632.8nm，FWHM10nm照明下，宽带光子筛的分辨率约为50.8lp/mm。
为进一步验证本发明获得的光子筛的宽带性能，分别在不同波长照明长对本实施例的常规光子筛和宽带光子筛进行对比，对比采用计算机模拟仿真进行，结果如下：
图9显示了在不同波长照明下（λ=625.8～639.8nm）常规光子筛和宽带光子筛（α=20π）的PSF（点扩散函散，point spread function）情况，其中，左半图为常规光子筛的PSF，右半图为宽带光子筛的PSF。从图中可以看出，常规光子筛在设计波长λ=632.8nm 处具有较强的聚焦能力，但随着波长的偏离，聚焦能力大大减弱，不能清晰成像。然而，宽带光子筛的PSF在波长λ=625.8nm～639.8nm范围内保持了很好的一致性。
图10分别展示了常规光子筛和宽带光子筛在不同波长下的MTF（PSF的傅里叶变换）曲线。随着波长偏离于设计波长，常规光子筛的MTF曲线迅速下降，并出现零点，造成空间频率丧失。相反，宽带光子筛在波长λ=627.8～637.8nm范围内保持很好的一致性，当λ＜627.8nm和λ＞637.8nm时略微降低。由于MTF在不同波长具有很好的一致性，并且从高频到低频没有出现零点，所以，可以通过设计适当的滤波器将中间模糊图像复原。因此，三次位相板能够很大程度上减小光子筛对波长的敏感性，达到拓展带宽的目的。
图11给出了常规光子筛在不同波长λ=625.8～639.8nm下的成像结果。随着波长偏离于设计波长632.8nm，成像模糊加剧。常规光子筛的带宽为。
图12给出了宽带光子筛的中间模糊图像，所有图像在不同的波长下具有几乎相同的模糊特性。
图13给出了宽带光子筛的最终复原图像。所有波长下的中间模糊图像都能够得到很好的复原，具有和常规光子筛在设计波长基本相同的分辨率。对于口径50mm，焦距500mm，编码系数α=20π的宽带光子筛的带宽约为14nm，约为常规光子筛的88倍。
实施例二：一种基于波前编码技术的宽带光子筛，具有一位相编码板，所述位相编码板的一个表面为位相编码面，另一个表面为平面，所述平面后紧贴有光子筛，所述位相编码面为对数编码面，对数编码面的面形函数为，式中，，α为40π，β为0.4，所述光子筛对透过所述位相编码面的光线衍射成像。
以口径50mm，焦距500mm制备本实施例的宽带光子筛，经测试，其带宽约为14nm。
实施例三：一种基于波前编码技术的宽带光子筛，具有一位相编码板，所述位相编码板的一个表面为位相编码面，另一个表面为平面，所述平面后紧贴有光子筛，所述位相编码面为指数编码面，指数编码面的面形函数为，式中，，α为10π，β为1.2，所述光子筛对透过所述位相编码面的光线衍射成像。
以口径50mm，焦距500mm制备本实施例的宽带光子筛，经测试，其带宽约为14nm。
Claims (5)
1.一种基于波前编码技术的宽带光子筛，其特征在于：具有一位相编码板，所述位相编码板的一个表面为位相编码面，另一个表面为平面，所述平面后紧贴有光子筛，所述位相编码面选自三次编码面、对数编码面、指数编码面中的一种，所述光子筛对透过所述位相编码面的光线衍射成像。
2.根据权利要求1所述的基于波前编码技术的宽带光子筛，其特征在于：所述位相编码面为三次编码面，三次编码面的面形函数为 ，式中，R为三次编码板的半径，(x,y)是以直角坐标表示的位置，，α为三次编码系数，α＞20。
3.根据权利要求2所述的基于波前编码技术的宽带光子筛，其特征在于：所述三次编码面的三次编码系数α为20π。
4.根据权利要求1所述的基于波前编码技术的宽带光子筛，其特征在于：所述位相编码面为对数编码面，对数编码面的面形函数为，式中，。
5.根据权利要求1所述的基于波前编码技术的宽带光子筛，其特征在于：所述位相编码面为指数编码面，指数编码面的面形函数为，式中，，，。
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