本實用新型涉及一種位相編碼折衍射元件，屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

2001 年，德國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)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，隨機(jī)分布的小孔能有效地抑制次級和高級衍射，從而提高成像的對比度和分辨力，甚至可以打破傳統(tǒng)衍射成像理論，實現(xiàn)超分辨力成像。此后，光子篩被國內(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、航空拍攝、武器視覺等領(lǐng)域。

光子篩可以用直徑大于對應(yīng)波帶片環(huán)帶寬度的小孔來代替，放寬了現(xiàn)有最小加工尺寸的限制，在相同最小加工尺寸的情況下，光子篩能夠?qū)崿F(xiàn)更高的分別率；并且光子篩上隨機(jī)分布的小孔，能有效地抑制旁瓣效應(yīng)和高階衍射，改善成像質(zhì)量。

光子篩是一種衍射光學(xué)元件，因而對波長變化敏感，普通光子篩不適用于寬光譜成像，因此，開發(fā)一種新的衍射光學(xué)元件，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在二級光譜，消色差帶寬小等問題，顯然是有必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的發(fā)明目的是提供一種位相編碼折衍射元件，消除二級光譜，實現(xiàn)超寬帶消色差清晰成像。

為達(dá)到上述發(fā)明目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是：一種位相編碼折衍射元件，包括折衍射元件本體，所述折衍射元件本體為平凸透鏡結(jié)構(gòu)，所述平凸透鏡結(jié)構(gòu)的平面一側(cè)鍍有寬帶光子篩，所述寬帶光子篩為不透光金屬薄膜，

所述不透光金屬薄膜上設(shè)有環(huán)帶狀分布的通光小孔，所述通光小孔的位置分布滿足方程，式中，f為傳統(tǒng)光子篩的焦距，n為通光環(huán)帶的環(huán)帶序號，λ為光子篩的工作波長，R為寬帶光子篩的半徑，a為編碼系數(shù)，k為波數(shù)，xm和ym是光子篩第m個小孔的中心位置，m=1,2,3?num，其中，，。

優(yōu)選地，a=10π。

優(yōu)選地，所述平凸透鏡結(jié)構(gòu)的焦距為466mm，口徑為50mm。

優(yōu)選地，所述折衍射元件的基底為玻璃材質(zhì)。

進(jìn)一步技術(shù)方案中，所述折衍射元件的基底材質(zhì)為BK7材料，在波長632.8nm的折射率為1.515，阿貝數(shù)為28.9627。

優(yōu)選地，所述折衍射元件的入射波長為400～700nm。

本實用新型的原理如下：衍射光學(xué)元件在短的波長具有比長波更長的焦距。然而，折射光學(xué)元件的聚焦情況與之相反。因此，可以結(jié)合折射和衍射兩種光學(xué)元件這種相反的特性在某一個波長范圍內(nèi)消色差。在同一塊光學(xué)元件相反的兩個表面上，其中一面加工出平凸表面實現(xiàn)折射成像，另一面加工出光子篩實現(xiàn)衍射成像。衍射光學(xué)元件若選用傳統(tǒng)光子篩，兩個邊緣波長可以被設(shè)計成聚焦到同一位置。但是，在中心波長和邊緣波長之間仍然存在著焦距差（二級光譜），說明該系統(tǒng)仍然存在很大的色差。光譜范圍越寬，這種二級色差越明顯。

本實用新型中：衍射元件的有效阿貝數(shù)：

折射透鏡的阿貝數(shù)：

邊緣波長消色差下的衍射元件和折射透鏡的焦距分配：

其中，f _{DOE_2}是衍射元件在中心波長的焦距，f _{ref_2}是折射鏡在中心波長的焦距，f是折衍射元件在中心波長的焦距。

由于上述技術(shù)方案運用，本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點：

在相同尺寸和焦距下，本實用新型的折衍射元件的有效工作光譜范圍較傳統(tǒng)折衍射元件提高15倍左右，可在超寬帶寬范圍內(nèi)消除二級光譜，實現(xiàn)清晰成像。

附圖說明

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實用新型實施例一的實驗裝置圖。

圖3是實施例一中傳統(tǒng)折衍射元件的消色差光線示意圖。

圖4是實施例一中傳統(tǒng)折衍射元件在不同波長沿光軸光強分布圖。

圖5是實施例一中傳統(tǒng)折衍射元件和位相編碼折衍射元件的點擴(kuò)散函數(shù)（PSF）圖。

圖6是實施例一中傳統(tǒng)折衍射元件和位相編碼折衍射元件在不同波長下的MTF曲線示意圖。

圖7是實施例一中傳統(tǒng)折衍射元件和位相編碼折衍射元件在波長范圍400nm到700nm的仿真成像情況對比圖。

圖8是實施例一中傳統(tǒng)折衍射元件和位相編碼折衍射元件在不同帶寬下的PSF和成像對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進(jìn)一步描述：

實施例一：參見圖1所示，一種位相編碼折衍射元件，包括折衍射元件本體，折衍射元件本體為平凸透鏡結(jié)構(gòu)，平凸透鏡結(jié)構(gòu)的平面一側(cè)鍍有寬帶光子篩，寬帶光子篩為不透光金屬薄膜，

不透光金屬薄膜1上設(shè)有環(huán)帶狀分布的通光小孔，通光小孔的位置分布滿足方程，式中，f為傳統(tǒng)光子篩的焦距，n為通光環(huán)帶的環(huán)帶序號，λ為光子篩的工作波長，R為寬帶光子篩的半徑，a為編碼系數(shù)，k為波數(shù)，xm和ym是光子篩第m個小孔的中心位置，m=1,2,3?num，其中，，。

參見圖2所示，為本實施例的實驗裝置圖，寬帶光源通過帶通濾光片，一個300nm帶寬的光譜由長波通濾光片（大于400nm）和短波通濾光片（小于700nm）組合而成，使用一個焦距550mm，口徑55mm的平行光管和像元大小為4.54μm（AVT Prosilica GX2750C）的CCD進(jìn)行成像測試。

本實施例中，編碼系數(shù)a=10p。

本實施例設(shè)計一個編碼系數(shù)a=10p位相編碼折衍射元件，焦距466mm，直徑50mm，中心波長為632.8nm，邊緣波長為400nm和700nm，即l1=400nm，l2=632.8nm，l3=700nm。玻璃基底選用BK7材料，其在波長632.8nm的折射率為1.515，阿貝數(shù)為28.9627。

作為對比，設(shè)計一個傳統(tǒng)的折衍射混合元件，將傳統(tǒng)光子篩和折射鏡相集成，整個元件的總體參數(shù)為焦距466mm，口徑50mm，l1=400nm，l2=632.8nm，l3=700nm。玻璃基底選用BK7材料（在波長632.8nm的折射率為1.515，阿貝數(shù)為28.9627）。在中心波長632.8nm，傳統(tǒng)光子篩焦距6864.8nm，折射鏡焦距499.954nm。最終設(shè)計元件在波長l1=400nm，l2=632.8nm和l3=700nm的焦距分別為464.36nm，466nm和464.36nm。參見圖3所示，顯然，在邊緣波長l1和l3具有相同的焦距值，是消色差的。參見圖4所示，為傳統(tǒng)折衍射元件在不同波長沿光軸光強分布圖，可見在中心波長l2和邊緣波長l1和l3之間仍然存在著1.64mm的焦距差，即傳統(tǒng)折衍射元件不能在400nm到700nm波長范圍內(nèi)（即帶寬300nm）達(dá)到有效消色差的目的。傳統(tǒng)折衍射元件的焦深為，對應(yīng)波長622.8nm和642.8nm，即該傳統(tǒng)折衍射元件的有效工作帶寬約為20nm。

參見圖5所示，其給出了傳統(tǒng)折衍射元件和位相編碼折衍射元件的點擴(kuò)散函數(shù)（PSF）圖。如圖5（a）所示，傳統(tǒng)折衍射元件在波長范圍622.8nm到642.8nm范圍內(nèi)（帶寬20nm）PSF接近衍射極限。但當(dāng)帶寬超出20nm時，PSF變得彌散，尤其是在邊緣波長400nm和700nm的時候。如圖5（b）所示，本實施例中的位相編碼折衍射元件在波長400nm到700nm范圍內(nèi)，位相編碼折衍射元件的PSF具有很好的一致性。

參見圖6所示，為傳統(tǒng)折衍射元件和位相編碼折衍射元件在不同波長下的MTF曲線示意圖，可以清晰地看到，當(dāng)傳統(tǒng)折衍射元件的波長偏離于中心波長632.8nm時，MTF急劇下降且有零點出現(xiàn)，信息丟失。然而，位相編碼折衍射元件的MTF在波長范圍400nm到700nm范圍內(nèi)都具有很好的一致性。表明位相編碼折衍射元件在超寬帶范圍內(nèi)消色差的可行性。

圖7給出了傳統(tǒng)折衍射元件和位相編碼折衍射元件在波長范圍400nm到700nm的仿真成像情況對比圖。當(dāng)傳統(tǒng)折衍射元件的入射波長偏離于中心波長632.8nm時，成像變得模糊，如圖7中（a）所示。圖7中（b）、（c）分別給出了位相編碼折衍射元件的中間模糊圖像和對應(yīng)的復(fù)原圖像?？梢钥吹?，本實施例中的位相編碼折衍射元件可以在整個可見光波段400nm到700nm清晰成像，具有和傳統(tǒng)折衍射元件在中心波長632.8nm幾乎相同的分辨率。值得注意的是，在權(quán)衡有效工作帶寬，圖像分辨率和圖像信噪比的過程中，位相編碼參數(shù)a可以進(jìn)一步優(yōu)化，從而得到更合適的帶寬拓展范圍。

參見圖8所示，為傳統(tǒng)折衍射元件和位相編碼折衍射元件的不同帶寬下的PSF和成像對比圖。首先評價加工的傳統(tǒng)折衍射元件在帶寬28nm和帶寬300nm（400nm到700nm）的成像性能。圖8中（a）、(b)給出了傳統(tǒng)折衍射元件在28nm帶寬下的PSF和成像圖，成像結(jié)果可以接受（本實施例中設(shè)計的傳統(tǒng)折衍射元件的有效工作帶寬為20nm）。圖8中（c）、（d）給出了傳統(tǒng)折衍射元件在300nm帶寬下的PSF和成像圖，由于在大的帶寬下存在二級光譜，所以最終成像模糊。作為對比，圖8中（e）、（f）和（g）給出了位相編碼折衍射元件在寬帶300nm（400nm到700nm）照明下的PSF和成像結(jié)果圖。從圖中可以清晰地看出位相編碼折衍射元件（a=10p）在300nm帶寬可以清晰成像，相同尺寸和焦距下有效工作光譜范圍約為傳統(tǒng)折衍射元件（20nm）的15倍左右。