一種亞波長(zhǎng)光子篩色散補(bǔ)償裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種亞波長(zhǎng)光子篩色散補(bǔ)償裝置，包括折射透鏡一、折射透鏡二和亞波長(zhǎng)光子篩組成，折射透鏡一、折射透鏡二構(gòu)成混合復(fù)消色差透鏡組，所述折射透鏡二置于折射透鏡一和亞波長(zhǎng)光子篩之間；所述亞波長(zhǎng)光子篩是膜層結(jié)構(gòu)；所述折射透鏡一為負(fù)透鏡，通常采用火石玻璃；所述折射透鏡二為正透鏡，通常采用冕玻璃。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)是：克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，不僅可校正F光、C光，還可校正D光，且具有二級(jí)光譜校正能力；進(jìn)一步提高了亞波長(zhǎng)光子篩的光譜成像范圍，為其在寬光譜成像領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)；因光子篩屬新型衍射光學(xué)元件，故具有衍射光學(xué)元件的所有固有優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種亞波長(zhǎng)光子篩色散補(bǔ)償裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種亞波長(zhǎng)光子篩色散補(bǔ)償裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 2001年，德國(guó)L. Kipp教授在Nature期刊上發(fā)表文章，首次提出photon sieves的 概念，后被譯成"光子篩"，是一種衍射光學(xué)成像器件，它是用隨機(jī)分布在透光環(huán)帶上的小孔 代替菲涅爾結(jié)構(gòu)的透光環(huán)帶而形成的。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，隨機(jī)分布的小孔能有效地抑制次 級(jí)和高級(jí)衍射，從而提高成像的對(duì)比度和分辨力，甚至可以打破傳統(tǒng)衍射成像理論，實(shí)現(xiàn)超 分辨力成像。此后，光子篩被國(guó)內(nèi)、外學(xué)者大量研究，可廣泛地應(yīng)用于納米光刻、天文觀測(cè)、 航空拍攝、武器視覺(jué)等領(lǐng)域。
[0003] 但光子篩屬衍射光學(xué)元件，對(duì)波長(zhǎng)變化敏感，只適合單波長(zhǎng)成像。如將光子篩用于 可見(jiàn)光寬光譜成像，將會(huì)有嚴(yán)重的色散。Chung等人設(shè)計(jì)了雙波長(zhǎng)和多波長(zhǎng)光子篩，將傳統(tǒng) 的光子篩進(jìn)行區(qū)域分割，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)波長(zhǎng)，這種結(jié)構(gòu)的光子篩對(duì)波長(zhǎng)的敏感性有所 下降，但由于區(qū)域的分割，使得能量透過(guò)率本來(lái)就很低的光子篩更進(jìn)一步損失能量，同時(shí)由 于不同區(qū)域內(nèi)光子篩的結(jié)構(gòu)完全不同，給制造工藝帶來(lái)不小的困難?？紤]到衍射結(jié)構(gòu)和折 射結(jié)構(gòu)色散性能的差異，國(guó)內(nèi)外有人對(duì)二元光學(xué)元件進(jìn)行了折衍混合設(shè)計(jì)，以達(dá)到消除色 差的目的，但一直未見(jiàn)有人用于亞波長(zhǎng)光子篩的消色差。直到2012年，中國(guó)科學(xué)院光電技 術(shù)研究所的何渝等人發(fā)表論文，提出了光子篩與普通折射透鏡相結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行光 子篩的消色差設(shè)計(jì)。
[0004] 如圖1所示，光子篩與普通折射透鏡組合的色差補(bǔ)償方案如圖1所示，由（a)、(b)、 (c)組成。其中，圖（a)由入射光源（1-1)和亞波長(zhǎng)光子篩（1-2)組成，對(duì)C光和F光的聚 焦情況分別如圖（1-3)和（1-4)所示，亞波長(zhǎng)光子篩的色散只與入射光源（1-1)的波長(zhǎng)有 關(guān)；圖（b)由入射光源（1-1)和普通折射透鏡（1-5)組成，對(duì)C和F光的聚焦情況分別如圖 (1-3)和（1-4)所示，普通折射透鏡的色散與玻璃材料有關(guān)；圖（c)由入射光源（1-1)和亞 波長(zhǎng)光子篩與普通折射透鏡組合（1-6)組成，對(duì)C光和F光聚焦在同一點(diǎn)，如圖（1-7)所示。 由于亞波長(zhǎng)光子篩（1-2)是一種膜層結(jié)構(gòu)的衍射光學(xué)元件，故可將其密接在普通平凸折射 透鏡（1-5)的一側(cè)，在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)，亞波長(zhǎng)光子篩的等效阿貝數(shù)為負(fù)數(shù)，而普通折射透 鏡的阿貝數(shù)為正數(shù)，即亞波長(zhǎng)光子篩與普通折射透鏡具有相反的色散特性，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)， 可達(dá)到色散補(bǔ)償?shù)哪康摹?br> [0005] 與單光子篩相比，亞波長(zhǎng)光子篩與普通折射透鏡組合而成的混合結(jié)構(gòu)的成像光譜 范圍有所增大，色散校正范圍仍然有限，這種結(jié)構(gòu)只能對(duì)F光和C光進(jìn)行校正，無(wú)法對(duì)D光 進(jìn)行色散校正，且二級(jí)光譜校正能力有限。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明是為了解決上述不足，提供了 一種亞波長(zhǎng)光子篩色散補(bǔ)償裝置及方法。
[0007] 本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種亞波長(zhǎng)光子篩色散補(bǔ)償裝 置，其特征在于：包括折射透鏡一、折射透鏡二和亞波長(zhǎng)光子篩組成，折射透鏡一、折射透鏡 二構(gòu)成混合復(fù)消色差透鏡組，所述折射透鏡二置于折射透鏡一和亞波長(zhǎng)光子篩之間；所述 亞波長(zhǎng)光子篩是膜層結(jié)構(gòu)；所述折射透鏡一為負(fù)透鏡，通常采用火石玻璃；所述折射透鏡 二為正透鏡，通常采用冕玻璃。
[0008] -種亞波長(zhǎng)光子篩色散補(bǔ)償方法：包括以下步驟：
[0009] A、根據(jù)復(fù)消色差條件確定折射透鏡一、折射透鏡二和亞波長(zhǎng)光子篩的光焦度（焦 距）；
[0010] 復(fù)消色差條件為

【權(quán)利要求】
1. 一種亞波長(zhǎng)光子篩色散補(bǔ)償裝置，其特征在于：包括折射透鏡一、折射透鏡二和亞 波長(zhǎng)光子篩組成，折射透鏡一、折射透鏡二構(gòu)成混合復(fù)消色差透鏡組，所述折射透鏡二置于 折射透鏡一和亞波長(zhǎng)光子篩之間；所述亞波長(zhǎng)光子篩是膜層結(jié)構(gòu)；所述折射透鏡一為負(fù)透 鏡，通常采用火石玻璃；所述折射透鏡二為正透鏡，通常采用冕玻璃。
2. -種亞波長(zhǎng)光子篩色散補(bǔ)償方法，其特征在于：包括以下步驟： A、根據(jù)復(fù)消色差條件確定折射透鏡一、折射透鏡二和亞波長(zhǎng)光子篩的光焦度（焦距）； 復(fù)消色差條件為
求解方程組，得光焦度表達(dá)式。 其中：（1)式為光焦度條件，（2)式為初級(jí)色差條件，（3)式為二級(jí)光譜條件； 上述條件中，Φρ Φ2、Φ3分別表示折射透鏡一、折射透鏡二和亞波長(zhǎng)光子篩的光焦 度； 力、ν2、ν3分別表示折射透鏡一、折射透鏡二和亞波長(zhǎng)光子篩的阿貝數(shù)； Pi、Ρ2、Ρ3分別表示折射透鏡一、折射透鏡二和亞波長(zhǎng)光子篩的相對(duì)部分色散； Β、根據(jù)亞波長(zhǎng)光子篩設(shè)計(jì)原理，由設(shè)計(jì)中心波長(zhǎng)、入瞳口徑、焦距等參數(shù)，確定亞波長(zhǎng) 光子篩結(jié)構(gòu)參數(shù)； 光子篩環(huán)帶數(shù)計(jì)算公式：
，其中Ν為亞波長(zhǎng)光子篩環(huán)帶數(shù)，D為入瞳口徑，λ 為設(shè)計(jì)中心波長(zhǎng)，f3為經(jīng)步驟Α優(yōu)化計(jì)算后的焦距，跟Φ3有關(guān)。 C、 選擇折射透鏡一和折射透鏡二的玻璃材料，通過(guò)查表確定其參數(shù)，代入步驟Α求得 的表達(dá)式中，計(jì)算得到折射透鏡初始結(jié)構(gòu)的曲率半徑R ; D、 將以上數(shù)據(jù)輸入ZEMAX光學(xué)仿真軟件，進(jìn)行復(fù)消色差優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。
【文檔編號(hào)】G02B27/42GK104090318SQ201410354303
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】蔣文波 申請(qǐng)人:西華大學(xué)