一种亚波长光子筛色散补偿装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种亚波长光子筛色散补偿装置，包括折射透镜一、折射透镜二和亚波长光子筛组成，折射透镜一、折射透镜二构成混合复消色差透镜组，所述折射透镜二置于折射透镜一和亚波长光子筛之间；所述亚波长光子筛是膜层结构；所述折射透镜一为负透镜，通常采用火石玻璃；所述折射透镜二为正透镜，通常采用冕玻璃。本发明与现有技术相比的优点是：克服了现有技术的缺点，不仅可校正F光、C光，还可校正D光，且具有二级光谱校正能力；进一步提高了亚波长光子筛的光谱成像范围，为其在宽光谱成像领域的应用奠定了理论和实验基础；因光子筛属新型衍射光学元件，故具有衍射光学元件的所有固有优点。
【专利说明】一种亚波长光子筛色散补偿装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学【技术领域】，尤其涉及一种亚波长光子筛色散补偿装置及方法。
【背景技术】
[0002] 2001年，德国L. Kipp教授在Nature期刊上发表文章，首次提出photon sieves的 概念，后被译成"光子筛"，是一种衍射光学成像器件，它是用随机分布在透光环带上的小孔 代替菲涅尔结构的透光环带而形成的。经过结构优化后，随机分布的小孔能有效地抑制次 级和高级衍射，从而提高成像的对比度和分辨力，甚至可以打破传统衍射成像理论，实现超 分辨力成像。此后，光子筛被国内、外学者大量研究，可广泛地应用于纳米光刻、天文观测、 航空拍摄、武器视觉等领域。
[0003] 但光子筛属衍射光学元件，对波长变化敏感，只适合单波长成像。如将光子筛用于 可见光宽光谱成像，将会有严重的色散。Chung等人设计了双波长和多波长光子筛，将传统 的光子筛进行区域分割，每个区域对应一个波长，这种结构的光子筛对波长的敏感性有所 下降，但由于区域的分割，使得能量透过率本来就很低的光子筛更进一步损失能量，同时由 于不同区域内光子筛的结构完全不同，给制造工艺带来不小的困难。考虑到衍射结构和折 射结构色散性能的差异，国内外有人对二元光学元件进行了折衍混合设计，以达到消除色 差的目的，但一直未见有人用于亚波长光子筛的消色差。直到2012年，中国科学院光电技 术研究所的何渝等人发表论文，提出了光子筛与普通折射透镜相结合的混合结构来进行光 子筛的消色差设计。
[0004] 如图1所示，光子筛与普通折射透镜组合的色差补偿方案如图1所示，由（a)、(b)、 (c)组成。其中，图（a)由入射光源（1-1)和亚波长光子筛（1-2)组成，对C光和F光的聚 焦情况分别如图（1-3)和（1-4)所示，亚波长光子筛的色散只与入射光源（1-1)的波长有 关；图（b)由入射光源（1-1)和普通折射透镜（1-5)组成，对C和F光的聚焦情况分别如图 (1-3)和（1-4)所示，普通折射透镜的色散与玻璃材料有关；图（c)由入射光源（1-1)和亚 波长光子筛与普通折射透镜组合（1-6)组成，对C光和F光聚焦在同一点，如图（1-7)所示。 由于亚波长光子筛（1-2)是一种膜层结构的衍射光学元件，故可将其密接在普通平凸折射 透镜（1-5)的一侧，在可见光谱范围内，亚波长光子筛的等效阿贝数为负数，而普通折射透 镜的阿贝数为正数，即亚波长光子筛与普通折射透镜具有相反的色散特性，通过优化结构， 可达到色散补偿的目的。
[0005] 与单光子筛相比，亚波长光子筛与普通折射透镜组合而成的混合结构的成像光谱 范围有所增大，色散校正范围仍然有限，这种结构只能对F光和C光进行校正，无法对D光 进行色散校正，且二级光谱校正能力有限。
【发明内容】
[0006] 本发明是为了解决上述不足，提供了 一种亚波长光子筛色散补偿装置及方法。
[0007] 本发明的上述目的通过以下的技术方案来实现：一种亚波长光子筛色散补偿装 置，其特征在于：包括折射透镜一、折射透镜二和亚波长光子筛组成，折射透镜一、折射透镜 二构成混合复消色差透镜组，所述折射透镜二置于折射透镜一和亚波长光子筛之间；所述 亚波长光子筛是膜层结构；所述折射透镜一为负透镜，通常采用火石玻璃；所述折射透镜 二为正透镜，通常采用冕玻璃。
[0008] -种亚波长光子筛色散补偿方法：包括以下步骤：
[0009] A、根据复消色差条件确定折射透镜一、折射透镜二和亚波长光子筛的光焦度（焦 距）；
[0010] 复消色差条件为
【权利要求】
1. 一种亚波长光子筛色散补偿装置，其特征在于：包括折射透镜一、折射透镜二和亚 波长光子筛组成，折射透镜一、折射透镜二构成混合复消色差透镜组，所述折射透镜二置于 折射透镜一和亚波长光子筛之间；所述亚波长光子筛是膜层结构；所述折射透镜一为负透 镜，通常采用火石玻璃；所述折射透镜二为正透镜，通常采用冕玻璃。
2. -种亚波长光子筛色散补偿方法，其特征在于：包括以下步骤： A、根据复消色差条件确定折射透镜一、折射透镜二和亚波长光子筛的光焦度（焦距）； 复消色差条件为
求解方程组，得光焦度表达式。 其中：（1)式为光焦度条件，（2)式为初级色差条件，（3)式为二级光谱条件； 上述条件中，Φρ Φ2、Φ3分别表示折射透镜一、折射透镜二和亚波长光子筛的光焦 度； 力、ν2、ν3分别表示折射透镜一、折射透镜二和亚波长光子筛的阿贝数； Pi、Ρ2、Ρ3分别表示折射透镜一、折射透镜二和亚波长光子筛的相对部分色散； Β、根据亚波长光子筛设计原理，由设计中心波长、入瞳口径、焦距等参数，确定亚波长 光子筛结构参数； 光子筛环带数计算公式：
，其中Ν为亚波长光子筛环带数，D为入瞳口径，λ 为设计中心波长，f3为经步骤Α优化计算后的焦距，跟Φ3有关。 C、 选择折射透镜一和折射透镜二的玻璃材料，通过查表确定其参数，代入步骤Α求得 的表达式中，计算得到折射透镜初始结构的曲率半径R ; D、 将以上数据输入ZEMAX光学仿真软件，进行复消色差优化设计，最终确定结构参数。
【文档编号】G02B27/42GK104090318SQ201410354303
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】蒋文波 申请人:西华大学