[发明专利]一种多光谱、大带宽光子筛

说明书

本发明公开了一种多光谱、大带宽光子筛，光子筛上设有环带状分布的通光小孔，所述通过小孔的位置分布满足：，其中为设计焦距，m为通光环带的环带序号，P为谐衍射参数（P为大于1的整数），α为三次位相编码系数，为波数，λ₀为设计波长，R为光子筛的半径，和是第m环上第n个小孔的位置，。本发明提出了新的多光谱、大带宽光子筛，使得光子筛可有效工作在可见光范围内的4个波段，使得单片光子筛实现多光谱、大带宽消色差成像。

技术领域

本发明涉及一种多光谱、大带宽光子筛，属于光学技术领域。

背景技术

现有技术中，光子筛作为一种基于光的衍射原理的新型聚焦成像光学元件，在现代光学系统中扮演着越来越重要的角色。它是基于传统的菲涅尔波带片，用大量随机分布互不重叠的透光小孔去替代波带片的透光环带而形成的一种衍射光学元件(DOE)。然而，光子筛作为一种典型的DOE，对波长具有很强的依赖性，只能工作在设计的带宽极窄的单波长。当工作在多个波长或者是宽光谱时，就会产生严重的色差问题，极大地限制了光子筛在成像系统中的使用。目前，通过在光子筛前加入一块特殊设计的三次位相编码板，或者直接将三次波前编码项引入到传统光子筛中，通过改变小孔的位置分布来达到宽波段消色差的目的。波前编码光子筛可以在28nm带宽实现消色差成像。但是相对于可见光谱范围，28nm依然是一段比较窄的带宽。并且，只能实现一个波段的消色差成像，当工作在多个波段时，依然会产生较大的色差问题。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种多光谱、大带宽光子筛，实现多光谱、大带宽消色差的光子筛成像，谐衍射使多个波长的不同衍射级次实现了共焦，波前编码技术通过调控小孔的空间分布，同时拓展多波长的工作带宽。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种多光谱、大带宽光子筛，所述光子筛上设有环带状分布的通光小孔，所述通过小孔的位置分布满足：其中f为设计焦距，m为通光环带的环带序号，P为谐衍射参数，P为大于1的整数，α为三次位相编码系数，为波数，λ0为设计波长，R为光子筛的半径，xn和yn是第m环上第n个小孔的位置， n＝1,2,3...。

传统光子筛(CPS)第m环上第n个小孔的分布公式为：

由公式(1.1)可以看出，相邻环带的光程差为λ₀，因此，引入谐衍射参数P，使得光子筛相邻环带的光程差为Pλ₀。则可以推导出谐衍射光子筛(HDPS)第m环上第n个小孔的分布公式为：

在公式(1.2)中，可以将Pλ₀看成是一个整体，令Pλ₀＝C(C为常数)。

则可以得到多个离散的波长为：

其中，k为对应波长λ的衍射级次。满足公式(1.3)的波长λ，也满足公式(1.2)，即相邻环带的光程差可以被认为是设计波长λ₀的P倍，也可以被认为是波长λ的k倍。波长λ的第k级衍射光在设计焦距f处实现了聚焦。称之为光子筛的谐衍射波。

三次位相编码板的面型公式：

其中，Z为矢高。当平行光入射到三次位相编码板的表面时，任一点与中心的光程差可以表示为：

现在可以去除三次位相板，把三次位相板引入的光程差直接放入光子筛公式中，重新调控小孔的分布，推导出多光谱、大带宽光子筛(HDWFCPS)第m环上第n个小孔的分布公式为：

其中，α为三次位相编码系数，为波数，λ₀为设计波长，R为多光谱、大带宽光子筛的半径大小。