[发明专利]多波长光子筛复眼

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学成像装置，具体为多波长光子筛复眼。

背景技术

2001年，德国L.Kipp教授在Nature期刊上发表文章，首次提出photon sieves概念，后被译作“光子筛”。光子筛是一种新型衍射光学成像器件，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，小孔直径大于对应透光环带宽度，对焦点能量起积极影响。经过优化设计，它可以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极限，实现超分辨力成像。

但光子筛属衍射光学元件，对入射光源的波长变化敏感，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。为了克服这个问题，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，使得能量利用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，中国科学院光电技术研究所胡松课题组发表论文、西华大学蒋文波课题组申请国家发明专利，提出利用光子筛与折射透镜相结合的混合结构来实现光子筛的消色差设计。与单光子筛相比，该混合结构的成像光谱范围有所增大，但这种结构仍无法解决光子筛能量利用率低的问题。

现有的光子筛结构显然不能同时满足高分辨力、高能量利用率、宽光谱成像的苛刻要求。如何设计出一种新型光子筛结构，在保留高分辨力的同时，还具有能量利用率高和成像光谱范围宽等优点，为其在可见光范围内宽光谱成像领域的实用化奠定坚实的基础，已成为业界急需解决的关键问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种多波长光子筛复眼结构，在保留高分辨力的同时，还具有能量利用率高和成像光谱范围宽的优点，具体的技术方案为：

多波长光子筛复眼，包括多组入射光源、多组亚波长光子筛、金属层、衬底、焦面；所述的衬底形成一个半球体，所述的衬底外附有金属层，所述的焦面位于衬底半球体的球心；所述的多组亚波长光子筛分布在金属层外球面上，所述的多组入射光源的入射光线分别从每组对应的亚波长光子筛上垂直入射，入射光线同时被聚焦并叠加在同一焦面上。

所述的每组亚波长光子筛包括第一亚波长光子筛、第二亚波长光子筛、第三亚波长光子筛；所述的每组入射光源包括第一入射光源、第二入射光源、第三入射光源；第一入射光源从第一亚波长光子筛上垂直入射，第二入射光源从第二亚波长光子筛上垂直入射，第三入射光源从第三亚波长光子筛上垂直入射。

每个亚波长光子筛相当于一个小眼，相邻3个小眼组成一组小眼；每个亚波长光子筛分别对垂直入射在其外表面的入射光源独立成像，为把多组不同方向、每组内三种不同波长的入射光聚焦并叠加于同一焦面处，所有的亚波长光子筛具有相同的焦距；

设计有3M个亚波长光子筛组成，可分为M组。相邻两个亚波长光子筛的入射光线之间的夹角依次为θ₁，θ₂，…，θ_3M-1，可根据实际需要进行设定，可以取相同角度，也可以取不同角度，但相邻亚波长光子筛之间不能重叠；相邻两个亚波长光子筛之间的区域是不透光的，对焦点能量起消极影响，故在保证相邻亚波长光子筛不重叠的前提下，亚波长光子筛之间间隙应尽可能小。

亚波长光子筛是膜层结构，紧贴于衬底形成的一个半球体的球面上，近似与球面相切；

金属层材料为不透光材料，一般为铬、金、铝、铜，等；衬底材料为透光材料，一般为普通石英玻璃、有机玻璃、熔融石英等。

亚波长光子筛的结构参数经优化后确定，优化过程如下：

(1)根据实际需要，确定多波长光子筛复眼大小及球面半径，球面半径即亚波长光子筛焦距f_i；

(2)在保证亚波长光子筛相互之间不重叠的情况下，确定其数量P_i及入瞳口径D_i；

(3)根据亚波长光子筛设计原理，由设计中心波长λ_i、入瞳口径D_i、焦距f_i，确定亚波长光子筛结构参数；

a.计算亚波长光子筛环带数：

其中，N_i为亚波长光子筛环带数，λ_i为设计中心波长(i＝1，2，3)，不同设计中心波长对应于不同的亚波长光子筛结构；