CN113189835B - 针孔高清晰成像器件及针孔成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针孔高清晰成像器件，包括具有针孔区域的基板，针孔区域的直径为10～100微米，针孔区域内具有以非对称方式分布的微纳小孔，微纳小孔的孔径为百纳米量级。通过在针孔内类随机分布大量的微纳小孔，可以抑制针孔的衍射，使其最终的成像分辨率在一定限度内近似于几何光学的描述。与相同孔径的针孔成像对比，本发明突破了衍射对针孔孔径的限制，可以将针孔做的更小，使最终的成像分辨率更高。与传统的针孔成像相比，大量的微纳小孔降低了系统的衍射效率，具有中性滤片的作用，可以在不改变入射光光谱信息的前提下削弱入射光的光强以保护成像设备。本发明还公开了具有上述针孔高清晰成像器件的针孔成像系统。

Description

针孔高清晰成像器件及针孔成像系统

技术领域

本发明涉及针孔成像技术领域，具体涉及一种针孔高清晰成像器件及针孔成像系统。

背景技术

惯性约束聚变有望成为未来清洁利用聚变能源的有效途径，无论在民生经济还是军事领域均具有重要的研究价值，美国、中国、俄罗斯等大国围绕着激光惯性约束聚变开展了一系列深入的研究。

在激光惯性约束聚变研究中，为了研究实验中的物理现象，针孔成像是一种常用的x光成像手段，基于针孔成像原理的针孔相机和分幅相机大量应用于激光聚变研究中，因此，提高针孔成像的分辨率有着重要的意义。

当x射线能量很强时，为了保护成像设备不被损坏，通常需要在成像设备的前方添加金属滤片，但该方法会破坏入射光的光谱信息，导致记录的信息失真。

针孔成像(小孔成像)是一种经典的光学成像方法，其分辨率与入射光的波长、入射角、物距、像距、小孔尺寸等因素有关，当波长、入射角、物距、像距确定时，影响小孔分辨率的因素主要是小孔的孔径。当小孔孔径较大，即小孔孔径远大于入射光的波长时，几何光学对分辨率的影响占主要地位，此时小孔孔径越小，分辨率越高，且分辨率最大时接近于小孔的孔径；而当孔径较小的时候，即小孔孔径与入射光波长大小接近时，主要的限制因素则为衍射，小孔孔径越小，衍射越明显，分辨率越低。

因此，对于特定波长的入射光来说，小孔成像存在一个最优的孔径大小，此时的成像分辨率最高，而想通过将小孔孔径做的更小从而提高小孔成像的分辨率，需要解决的关键问题在于要突破衍射的限制。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个目的是提供一种针孔高清晰成像器件，能够抑制针孔衍射，从而突破衍射的限制，进而可以将针孔设计得更小，以提高最终针孔成像的分辨率。

为实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种针孔高清晰成像器件，包括基板，该基板上具有针孔区域，所述针孔区域的直径为10～100微米，其关键在于：所述针孔区域内具有以非对称方式分布的微纳小孔，所述微纳小孔的孔径为百纳米量级。

采用上述结构，在针孔内分布大量孔径更小的微纳小孔，由于这些微纳小孔的分布是非对称性的，通过这些微纳小孔之间衍射效应的相互抑制，可以突破衍射对孔径的限制，使最终针孔成像的像质在一定程度内接近符合几何光学的规律，提高成像的分辨率。同时，由于大量微纳小孔降低了衍射效率，该器件还具有中性滤片的作用，可以在不破坏入射光光谱信息的情况下保护成像设备。

所述针孔区域内的微纳小孔数量优选为1000～10000个，且各微纳小孔的大小均相同，以提高对衍射的抑制效果。

为满足使用需要，所述基板优选为不透光的金属材料。

在本发明的其中一个实施例中，所述微纳小孔以随机方式分布，以确保微纳小孔分布的非对称性，并且能够很好地抑制高级次衍射。

在本发明的另一个实施例中，所述微纳小孔的分布满足一定的窗口函数关系如汉宁窗口、三角窗口或高斯窗口函数等，这样可以起到抑制衍射次级大的作用。

有益效果：

采用以上技术方案的针孔高清晰成像器件，通过在针孔内类随机分布大量的微纳小孔，可以抑制针孔的衍射，使其最终的成像分辨率在一定限度内近似于几何光学的描述。与相同孔径的针孔成像对比，本发明突破了衍射对针孔孔径的限制，可以将针孔做的更小，使最终的成像分辨率更高。此外，与传统的针孔成像相比，大量的微纳小孔降低了系统的衍射效率，具有中性滤片的作用，可以在不改变入射光光谱信息的前提下削弱入射光的光强以保护成像设备。

本发明还提供了一种针孔成像系统，由于采用了上述针孔高清晰成像器件，因此具备上述的全部技术效果。

作为优选，针孔高清晰成像器件可以整体替代传统针孔成像系统中原有针孔板，或者嵌设于原针孔板的针孔中。

附图说明

图1为本发明中针孔高清晰成像器件的结构示意图；

图2为针孔成像几何光学原理图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1所示的针孔高清晰成像器件，应用于针孔成像领域，为便于描述，下文中将该成像器件称为“针孔筛”。

针孔筛包括一个根据需要设定为不透光的金属或非金属材料的基板1，基板1上具有圆形的针孔区域2，针孔区域2的直径为十微米量级，即10～100微米区间，在针孔区域2内分布有大量的微纳小孔3，并且微纳小孔3的孔径基本一致，范围在百纳米量级，数量优选1000～10000个，以基本覆盖针孔区域2。

微纳小孔3在针孔区域2采用类随机分布，使其分布具有非对称性，可以是随机方式分布，或者以满足一定的窗口函数(如：汉宁窗口、三角窗口、高斯窗口等)的方式分布。

采用针孔筛的针孔成像系统，可以是将针孔设置成上述针孔筛的结构，也可以通过将合适尺寸的针孔筛嵌设到原有针孔中的方式，使针孔内分布众多微纳小孔3，这样可以使各微纳小孔3之间衍射效应相互抑制，突破衍射对孔径的限制，使最终针孔成像的像质在一定程度内接近符合几何光学的规律，提高成像的分辨率。

以下对针孔筛高清晰成像原理进行说明：

针孔筛的远场光强分布函数U(P)为各个小孔场分布U_i(P)的叠加，设P(x,y)为像面上任意一点，i为微纳小孔的编号，即：

因此，求针孔筛的光强分布关键在与求出其中每个微纳小孔3的光强分布。小孔Σ上任意一点Q处的光波复振幅记作U(Q)，在Q附近取面积元dΣ，设法线方向为n，从Q点指向P点的矢量为r，θ表示n与r的夹角，称为衍射角。根据惠更斯菲涅耳单色平面波衍射积分公式，可以求出P(x,y)点的光波复振幅为：

式中，C＝-j/λ＝exp(jπ/2)/λ，K(θ)＝cosθ为倾斜因子，U(Q)＝u₀exp(jkx₀sinα)为平行光在Σ面上Q点的光波复振幅。式中u₀为振幅常数，k＝2π/λ，α为入射角。

h为小孔到衍射屏的距离，故P点的光波复振幅为：

在单个小孔衍射分析的基础上，考虑相邻小孔衍射的影响就可以得到针孔筛的数学模型，结合式(3)和式(1)可以得到如下表达式：

式中，i表示微纳小孔的编号，l_0i表示相邻小孔到中心孔的距离。由式(4)可以看出对于固定波长的平行光，与衍射光强分布有关的参量除了影响单个小孔衍射光强分布的有关参数外，还与相邻小孔的间距即微纳小孔3的分布有关。

根据以上公式可以归纳出针孔筛高清晰成像的原理：当衍射光学器件具有一定的对称性的时候，将会有较强的高级次衍射，而针孔筛通过微纳小孔3的类随机分布很好的抑制了高级次衍射；此外，当微纳小孔3的分布满足一定的窗口函数(如：汉宁窗口、三角窗口、高斯窗口等)时，可以起到抑制衍射次级大的作用。

另一方面，由于大量类随机分布的微纳小孔3的存在，大大降低了衍射效率，使得针孔筛可以起到中性滤片的作用，即可以在不改变入射光光谱信息的前提下衰减入射光的光强，起到保护成像设备的作用。

综合以上效果，相比于同样大小孔径的针孔成像来说，针孔筛具有更高的成像分辨率和更低的衍射效率，其成像分辨率可以在一定限度内达到近几何光学的描述。

针孔成像的几何光学原理是光的直线传播特性。如图2所示，Y₀为物的大小，Y_s为像的大小，Z₀为物距，Z_s为像距，d为针孔的大小，针孔成像系统的放大倍数为：

针孔成像的空间分辨率是指在像平面上可以识别的两个像点所对应的物空间中两个物点的最小距离R，其表达式为：

由式(6)可知，当放大率M很大时，即Z_s＞＞Z₀时，针孔成像的分辨率最高，接近于针孔的孔径。

针孔筛的最终成像分辨率接近式(6)的描述，因此，由于针孔筛对针孔衍射的抑制作用，通过针孔加装针孔筛可以突破衍射的限制，可以将针孔的孔径设计的更小，使最终针孔成像的分辨率更高。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种针孔高清晰成像器件，包括基板(1)，该基板(1)上具有针孔区域(2)，所述针孔区域(2)的直径为10～100微米，其特征在于：所述针孔区域(2)内分布有微纳小孔(3)，微纳小孔(3)的孔径为百纳米量级，所述微纳小孔(3)以随机方式分布，或微纳小孔(3)的分布满足汉宁窗口、三角窗口或高斯窗口函数关系。

2.根据权利要求1所述的针孔高清晰成像器件，其特征在于：所述针孔区域(2)内的微纳小孔(3)数量为1000～10000个，且各微纳小孔(3)的大小均相同。

3.根据权利要求1所述的针孔高清晰成像器件，其特征在于：所述基板(1)为不透光的金属材料。

4.一种针孔成像系统，其特征在于：包括权利要求1至3中任一项所述的针孔高清晰成像器件。

5.根据权利要求4所述的针孔成像系统，其特征在于：所述针孔高清晰成像器件嵌设于该针孔成像系统的针孔中。

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