本发明涉及折衍混合结构技术领域，具体涉及一种二元波带片形式的衍射轴锥镜系统及其长焦深成像方法。
背景技术：
焦深是指特定光学系统允许的焦面或像面位置的变化范围，在众多光学调焦系统中占有极为重要的位置。近年来，在激光打孔，激光切割等应用场景中，对聚焦光束的焦深要求越来越高，在聚焦状态下，所需的焦深越深越好。
面对此类要求，产生长焦深的方法有多种，例如相移掩膜法，光学切趾法，波前编码法等，然而这些方法都有各自的缺点，有的不易控制焦深范围，有的不易控制焦深范围内的光场振幅，有的光能利用率低。1954年，传统的轴锥镜被提出，作为可实现长焦深功能的元件，不断受到大家的广泛关注，但是传统的轴锥镜因其加工难度一直未受到推广。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种二元波带片形式的衍射轴锥镜系统及其长焦深成像方法，实现了小焦斑长焦深的目的。
为实现上述目的，本发明的技术方案为
本发明实施例提供了一种二元波带片形式的衍射轴锥镜系统，包括：共轴设置的衍射轴锥镜和聚焦镜；
所述衍射轴锥镜上刻蚀多个台阶。
在本发明第一方面的一个或多个实施例中，衍射轴锥镜的楔角α为：
其中λ为入射激光的波长，n为所述衍射轴锥镜在波长λ下的折射率，d为所述入射激光经衍射轴锥镜之后形成的中心无衍射亮斑的尺寸；
在本发明第一方面的一个或多个实施例中，入射激光经衍射轴锥镜之后形成的中心无衍射亮斑的尺寸d为：
其中m2为所述入射激光的光束质量，f为所述聚焦镜的焦距，zf为预先设置的系统焦深。
在本发明第一方面的一个或多个实施例中，台阶的刻蚀线宽为d，刻蚀深度为h，则h＝λ/2(n-1)，tanα＝h/d。
第二方面，本发明实施例还提供了一种二元波带片形式的衍射轴锥镜长焦深成像方法，包括如下步骤：
采用波长为λ的激光作为入射激光，入射至衍射轴锥镜。
在所述衍射轴锥镜上刻蚀多个台阶。
所述入射激光经所述衍射轴锥镜之后经聚焦镜进行聚焦成像。
在本发明第二方面的一个或多个实施例中，还包括：
设置所述衍射轴锥镜的楔角α为：
其中λ为入射激光的波长，n为所述衍射轴锥镜在波长λ下的折射率，d为所述入射激光经衍射轴锥镜之后形成的中心无衍射亮斑的尺寸。
在本发明第二方面的一个或多个实施例中，入射激光经衍射轴锥镜之后形成的中心无衍射亮斑的尺寸d为：
其中m2为所述入射激光的光束质量，f为所述聚焦镜的焦距，zf为预先设置的系统焦深。
在本发明第二方面的一个或多个实施例中，台阶的刻蚀线宽为d，刻蚀深度为h，则h＝λ/2(n-1)，tanα＝h/d。
本发明具有如下优点：
本发明结合轴锥镜和二元光学的方法，实现小焦斑长焦深的目的，简化了轴锥镜的加工过程，此小焦斑长焦深元件，具有结构简单，光能利用率高，焦深深度可控的优点。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的二元波带片形式的衍射轴锥镜系统结构图。
图2为本发明实施例所提供的刻蚀有台阶的衍射轴锥镜结构示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
一种利用二元光学波带片形式设计的衍射轴锥镜系统，具有焦深可设计的优点，其光路结构沿激光传播方向依次包括衍射轴锥镜元件和聚焦镜。结构如附图1。其中，衍射轴锥镜上刻蚀多个台阶。
本发明实施例中，衍射轴锥镜如图2所示,的楔角α为：
其中λ为入射激光的波长，n为所述衍射轴锥镜在波长λ下的折射率，d为所述入射激光经衍射轴锥镜之后形成的中心无衍射亮斑的尺寸。
本发明实施例中，入射激光经衍射轴锥镜之后形成的中心无衍射亮斑的尺寸d为：
其中m2为所述入射激光的光束质量，f为所述聚焦镜的焦距，zf为预先设置的系统焦深。
本发明实施例中，台阶的刻蚀线宽为d，刻蚀深度为h，则h＝λ/2(n-1)，tanα＝h/d。
实施例2
对于波长λ的激光光源，假设聚焦镜的焦距为f。
第一步：根据系统所需得到的焦深zf，结合聚焦镜的焦距f，求出衍射轴锥镜之后的中心无衍射亮斑的大小d；
第二步：根据第一步所求的无衍射光斑大小d，结合入射光波长λ，算出轴锥镜应有的楔角α；
第三步：对于楔角为α的轴锥镜，采用二元光学的多台阶形式对其相位面进行拟合，计算出每次刻蚀的线宽d和刻蚀深度h，保持tanα＝h/d，元件示意图如附图2；
第四步：按照设计方案搭建光路，得到长焦深的设计目的。
实施例3
衍射轴锥镜配合聚焦镜。具体实施包括：
1、根据入射光参数(波长)，聚焦镜参数(焦距)和所需要得到的焦深长度，设计出符合要求的衍射轴锥镜元件。
2、按照设计方案调试光路，在适当工作距离处得到对应的焦深效果。
实例效果
在入射光波长λ＝1064nm，聚焦镜的焦距f＝10mm的情况下，希望得到的焦深长度为zf＝1mm。
第一步：有焦距f＝10mm和焦深zf＝1mm，波长λ＝1064nm，推出轴锥镜和聚焦镜之间的无衍射光斑大小d＝0.52mm；
第二步：根据无衍射光斑大小，结合波长，求出所涉及的轴锥镜的楔角α＝1.74x10-3rad；
第三步：根据α＝1.74x10-3rad，得出衍射轴锥镜元件每个台阶的高度h＝295.5nm，宽度d＝169um；
第四步：模拟验证上述轴向能量分布和焦深长度。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明(或实用新型)作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。