CN108469674A - 高分辨相位调制非线性双层微光学元件 - Google Patents
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Abstract
一种对光学成像系统的色差以及像差具有矫正能力从而能实现光学系统超高分辨率成像的透镜。该光学元件由两个个不同焦距的非线性波带片构成。非线性波带片能够产生与传统光学元件相反的色散性质，通过与光学系统的色差相互补偿从而达到消除色差的目的。该元件体积较小，位于望远镜的共焦处，当光在光学系统传播的过程中，通过将两个非线性波带片进行组合来实现波前各点上的相位进行调制。从而达到矫正像差的作用。并提升系统的分辨率，达到超高分辨成像的作用。本发明可在军事、医疗、天文、日常生活等涉及成像光学系统诸多领域的有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于光学和光电技术领域，涉及纳米光电、纳米聚焦和光学成像，特别是一种能够提升光学系统成像分辨率的高分辨相位调制非线性双层微光学元件。
背景技术
成像是光学仪器重要的作用之一，在军事探测，天文探索，日常生活等方方面面都发挥着重要的作用。由于传统光学仪器的制作离不开折射光学元件，而折射光学元件因为其自身的光学特性会产生各类像差影响成像质量，并且由于折射元件对光束波前的调制通常依赖其表面的曲率，因此具有体积大，质量大等特点。近年来，光学设计师们通过改变成像系统的结构和透镜参数实现了许多高成像质量的系统，但是由于光学元件的自身特性很难在保持系统分辨率的情况下进一步减少元件数目及精度。而高分辨相位调制非线性双层微光学元件所属的衍射光学元件是一种基于标量衍射理论对光束进行调控的光学元件。其独特的色散特性以及任意可控的形状为进一步提高光学成像系统的分辨率提供了一种有效的解决办法。
发明内容
本发明目的是为改善光学成像系统的像差特性，提高光学系统的成像分辨率从而设计的波前相位调制。为了对波前各个位置的光束进行波长量级的相位调制而设计的一种由两个非线性衍射透镜所组成的高分辨相位调制非线性双层微光学元件。
本发明高分辨相位调制非线性双层微光学元件具有和传统透镜相反的色散特性，因此对光学系统的色差具有一定的补偿作用。
本发明提供能够调整光学成像系统波前的像差及色差的高分辨相位调制非线性双层微光学元件，由两个非线性表面线性叠加。其厚度在0到之间变化。当入射光入射高分辨相位调制非线性双层微光学元件并通过该之后，光线的色散以及像差得到了补偿，对波前的相位进行了波长量级的整形。该元件在不同半径上的相位调制能Φ(r)及厚度Z(r)由下式决定：
其中：Ai是高分辨相位调制非线性双层微光学元件的结构参数，r为结构的归一化半径，N为高分辨相位调制非线性双层微光学元件的面型计算精度，N越大面型精度越高。λ是入射光波长，n是介质材料折射率，Z(r)的最大值为属于微米量级。
所述的高分辨相位调制非线性双层微光学元件为具有微纳米特征尺寸以近似于入射光束宽度为半径的圆为底面，以取余后的高阶偶次多项式为厚度的锯齿状排列构成的。
改变表面面型的面型计算精度N可以对光学成像系统的高阶色差及像差进行修正。
本发明的优点和积极效果：
本发明可以改善光学成像系统的像差特性，从而提高光学系统的成像分辨率可以对波前各个位置的光束进行波长量级的相位调制从而提高波前的质量。
本发明高分辨相位调制非线性双层微光学元件的具有和传统透镜相反的色散特性，因此对光学系统的色差具有一定的补偿作用。
本发明可在显微镜、望远镜、相机、传感器等各类光学成像系统中提高成像分辨率。本发明在军事探测、航天探测、工业技术等诸多领域有重要应用价值。
在无损、无标记、快速、多通道、高空间分辨和高灵敏度小分子检测、活体细胞成像及遥远目标探测等技术领域具有重要的潜在应用价值。
附图说明
图1高分辨相位调制非线性双层微光学元件的三视结构示意图。其中(a)为该元件的主视图，(b)为该元件的侧视图，(c)为该元件的俯视图。图2为已经实际生产实用的非线性轴锥面的主视剖面图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，发明可以改善光学成像系统的像差特性，从而提高光学系统的成像分辨率可以对波前各个位置的光束进行波长量级的相位调制从而提高波前的质量。由两个非线性轴锥表面构成。该元件在不同半径上的相位调制能Φ(r)及厚度Z(r)由下式决定：
其中：Ai是高分辨相位调制非线性双层微光学元件的结构参数，r为结构的归一化半径，N为高分辨相位调制非线性双层微光学元件的面型计算精度，N越大面型精度越高。是入射光波长，是介质材料折射率，Z(r)的最大值为λ/((n-1))属于微米量级。
本发明中高分辨相位调制非线性双层微光学元件的制作可采用金刚石切削的技术来实现。其具体步骤如下：
(1)通过软件导入该的表面结构图。
(2)实用金刚石切削机床根据的表面结构图对表面进行加工。
具体应用实例1
已生产的复合非线性轴锥经的具体参数以如下为例：
材料为PMMA，入射波长λinc＝550nm，此时其折射率n＝1.5，高分辨相位调制非线性双层微光学元件的厚度最大值即为Z＝λ/(n-1)，实用在望远成像系统中，添加至两个透镜的共焦位置附近。此时光斑半径为2.014mm，故取高分辨相位调制非线性双层微光学元件的半径大小也为2.014mm
根据光线追迹软件算出添加复合非线性轴锥面的波前相位，取面型计算精度N为3.再通过最小二乘法将系统色差及像差的补偿相位用两个6次多项式进行拟合，得到结构参数Ai为[-359.240669 370.961366 -1.545825]。带入公式(1)中可得到沿半径方向的相位分布，将得到的相位分布带入公式(2)可以得到厚度分布。
当入射光入射高分辨相位调制非线性双层微光学元件并通过该之后，光线的色散以及像差得到了补偿，对波前的相位进行了波长量级的整形。如果进一步提升面型计算精度N可以进一步对光学成像系统的高阶色差及像差进行修正。
Claims (3)
1.一种通过对光学成像系统的波前相位进行调制从而对色差以及像差具有矫正能力并能实现光学系统超高分辨率成像的透镜，该元件其特征为由两个个不同焦距的非线性波带片构成。非线性波带片能够产生与传统光学元件相反的色散性质，通过与光学系统的色差相互补偿从而达到消除色差的目的，该元件为圆台结构，不同半径上的相位调制能力为Φ，不同半径上的厚度为Z，结构的半径大小取决于所放置的光学系统的光束宽度。
2.根据权利要求1所述的高分辨相位调制非线性双层微光学元件，其特征在于在介质材料和结构参数确定的条件下，当入射光入射高分辨相位调制非线性双层微光学元件并通过该元件之后，光线的色散以及像差得到了补偿，对波前的相位进行了波长量级的整形。该元件在不同半径上的相位调制能Φ(r)及厚度Z(r)由下式决定：
其中：Ai是高分辨相位调制非线性双层微光学元件的结构参数，其值由具体的光学系统决定，r为结构的归一化半径，N为高分辨相位调制非线性双层微光学元件的面型计算精度，N越大面型精度越高。λ是入射光波长，n是介质材料折射率，Z(r)的最大值为属于微米量级。
3.根据权利要求1或2所述的高分辨相位调制非线性双层微光学元件，其特征在于在外部的光学系统结构及光路确定的情况下，在系统的共焦位置处可以通过算法计算出唯一对应的高分辨相位调制非线性双层微光学元件结构参数。由于共焦位置较小，因此对器件的加工要求也较低。共焦位置处波前携带的波像差通过高分辨相位调制非线性双层微光学元件结构后对波前的相位进行了波长量级的调整，从而消除了光学系统中波前的像差。另外，由于高分辨相位调制非线性双层微光学元件的色散特性与传统光学的色散特性相反，具有色散的光束通过该高分辨相位调制非线性双层微光学元件后发生反向色散与原光学系统中的正向色散相互补偿，从而改善入射波前的色散特性。并且通过改变高分辨相位调制非线性双层微光学元件阵列的计算精度N可以对高阶像差特性进行补偿，从而进一步提高系统的分辨率。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN109143426A (zh) * | 2018-09-19 | 2019-01-04 | 苏州大学 | 一种位相编码菲涅尔透镜 |
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