[發明專利]一種多光譜、大帶寬光子篩

在審

• 申請號: 201810476042.0
• 申請日: 2018-05-17
• 公開（公告）號: CN110501768A
• 公開（公告）日: 2019-11-26
• 發明（設計）人: 王欽華;李運祥;許峰;曲宏;趙效楠;王川
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G02B5/18
• 分類號: G02B5/18;G02B27/42;G02B27/44
• 代理公司: 32103 蘇州創元專利商標事務所有限公司
• 代理人: 陶海鋒<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發明公開了一種多光譜、大帶寬光子篩，光子篩上設有環帶狀分布的通光小孔，所述通過小孔的位置分布滿足：，其中為設計焦距，m為通光環帶的環帶序號，P為諧衍射參數（P為大于1的整數），α為三次位相編碼系數，為波數，λ₀為設計波長，R為光子篩的半徑，和是第m環上第n個小孔的位置，。本發明提出了新的多光譜、大帶寬光子篩，使得光子篩可有效工作在可見光范圍內的4個波段，使得單片光子篩實現多光譜、大帶寬消色差成像。

技術領域

本發明涉及一種多光譜、大帶寬光子篩，屬于光學技術領域。

背景技術

現有技術中，光子篩作為一種基于光的衍射原理的新型聚焦成像光學元件，在現代光學系統中扮演著越來越重要的角色。它是基于傳統的菲涅爾波帶片，用大量隨機分布互不重疊的透光小孔去替代波帶片的透光環帶而形成的一種衍射光學元件(DOE)。然而，光子篩作為一種典型的DOE，對波長具有很強的依賴性，只能工作在設計的帶寬極窄的單波長。當工作在多個波長或者是寬光譜時，就會產生嚴重的色差問題，極大地限制了光子篩在成像系統中的使用。目前，通過在光子篩前加入一塊特殊設計的三次位相編碼板，或者直接將三次波前編碼項引入到傳統光子篩中，通過改變小孔的位置分布來達到寬波段消色差的目的。波前編碼光子篩可以在28nm帶寬實現消色差成像。但是相對于可見光譜范圍，28nm依然是一段比較窄的帶寬。并且，只能實現一個波段的消色差成像，當工作在多個波段時，依然會產生較大的色差問題。

發明內容

本發明的發明目的是提供一種多光譜、大帶寬光子篩，實現多光譜、大帶寬消色差的光子篩成像，諧衍射使多個波長的不同衍射級次實現了共焦，波前編碼技術通過調控小孔的空間分布，同時拓展多波長的工作帶寬。

為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是：一種多光譜、大帶寬光子篩，所述光子篩上設有環帶狀分布的通光小孔，所述通過小孔的位置分布滿足：其中f為設計焦距，m為通光環帶的環帶序號，P為諧衍射參數，P為大于1的整數，α為三次位相編碼系數，為波數，λ0為設計波長，R為光子篩的半徑，xn和yn是第m環上第n個小孔的位置， n＝1,2,3...。

傳統光子篩(CPS)第m環上第n個小孔的分布公式為：

由公式(1.1)可以看出，相鄰環帶的光程差為λ₀，因此，引入諧衍射參數P，使得光子篩相鄰環帶的光程差為Pλ₀。則可以推導出諧衍射光子篩(HDPS)第m環上第n個小孔的分布公式為：

在公式(1.2)中，可以將Pλ₀看成是一個整體，令Pλ₀＝C(C為常數)。

則可以得到多個離散的波長為：

其中，k為對應波長λ的衍射級次。滿足公式(1.3)的波長λ，也滿足公式(1.2)，即相鄰環帶的光程差可以被認為是設計波長λ₀的P倍，也可以被認為是波長λ的k倍。波長λ的第k級衍射光在設計焦距f處實現了聚焦。稱之為光子篩的諧衍射波。

三次位相編碼板的面型公式：

其中，Z為矢高。當平行光入射到三次位相編碼板的表面時，任一點與中心的光程差可以表示為：

現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篩公式中，重新調控小孔的分布，推導出多光譜、大帶寬光子篩(HDWFCPS)第m環上第n個小孔的分布公式為：

其中，α為三次位相編碼系數，為波數，λ₀為設計波長，R為多光譜、大帶寬光子篩的半徑大小。