亚波长光子筛复眼

摘要

本发明涉及一种光学成像装置，具体为亚波长光子筛复眼，包括入射光源、M个亚波长光子筛、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M个亚波长光子筛分布在金属层上，所述的入射光源的入射光线分别从每个亚波长光子筛垂直入射，入射光线同时被聚焦在焦面上。本发明提供的亚波长光子筛复眼，既具有高分辨力，又可以提高能量利用率，扩大感光范围，对其在高分辨力显微镜、轻质天文望远镜、武器视觉等领域的实用化起推动作用，具有广泛的应用前景。

权利要求

1.亚波长光子筛复眼，其特征在于：包括入射光源(1)、M个亚波长光子筛(2)、金属层(3)、衬底(4)、焦面(5)；所述的衬底(4)形成一个半球体，所述的衬底(4)外附有金属层(3)，所述的焦面(5)位于衬底(4)半球体的球心，所述的M个亚波长光子筛(2)分布在金属层(3)上，所述的入射光源(1)的入射光线分别从每个亚波长光子筛(2)垂直入射，入射光线同时被聚焦在焦面(5)上，相邻亚波长光子筛入射光线相互之间不能重叠，相邻亚波长光子筛之间的区域是不透光的；

亚波长光子筛的结构参数经优化方法为：

(1)根据设计需要，确定亚波长光子筛复眼大小及衬底所在半球体的球面半径，球面半径即亚波长光子筛的焦距f；

(2)根据相邻亚波长光子筛之间相互不重叠的原则，确定亚波长光子筛的数量M及入瞳口径D；

(3)由设计中心波长λ、入瞳口径D、焦距f，确定亚波长光子筛结构参数，计算亚波长光子筛环带数N：选择适当的窗函数，优化确定亚波长光子筛每个环带上分布透光小孔的数量及孔径大小。

说明书

亚波长光子筛复眼

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光学成像装置，具体为亚波长光子筛复眼。

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。

[0003] 但是，仅分布在透光环带上的小孔对焦点能量起积极影响，而其它区域，如不透光环带、透光环带上小孔之间的区域等的存在将会削弱焦点能量，产生消极影响，从而造成衍射效率或能量利用率的急剧下降，光源的绝大部分能量被浪费。根据国外文献报道及理论分析可知，即使在完全理想状况下，普通型光子筛的能量利用率也仅10％左右，这是它难以实用化的致命之处。

[0004] 为了克服这个问题，国内外学者提出了多波长光子筛和混合型光子筛结构。如：1)美国佛罗里达大学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，削弱了光子筛对入射光的波长敏感性，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。与此同时，由于不同区域内光子筛的结构不同，给制造工艺带来不小的困难；2)中国科学院微电子研究所的谢常青课题组，中国科学院光电技术研究所的胡松课题组，等提出混合型光子筛，综合了菲涅尔波带片和光子筛的结构，仅在部分透光环带上设计透光小孔，并非全部透光环带都分布透光小孔，经过优化设计，该结构在一定程度上提高了能量利用率，但并不明显。

[0005] 现有的光子筛结构很难大幅度提高能量利用率，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感光角范围宽等优点，已成为业界急需解决的关键问题。

发明内容

[0006] 针对上述技术问题，本发明提供一种亚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感光角范围宽等优点，具体的技术方案为：

[0007] 亚波长光子筛复眼，包括入射光源、M个亚波长光子筛、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M个亚波长光子筛分布在金属层上，所述的入射光源的入射光线分别从每个亚波长光子筛垂直入射，入射光线同时被聚焦在焦面上。

[0008] 每个亚波长光子筛相当于一个小眼，M个亚波长光子筛组成一个复眼结构。

[0009] 相邻亚波长光子筛入射光线之间的夹角为依次为θ1、θ2、……、θM-1，亚波长光子筛复眼接受的入射光线范围为θ＝θ1+θ2+……+θM-1。相邻亚波长光子筛入射光线之间的夹角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，但相互之间不能重叠。

[0010] 相邻亚波长光子筛之间的区域是不透光的，故在保证相邻亚波长光子筛不重叠的前提下，相邻亚波长光子筛之间间隙应尽可能小。

[0011] 所有亚波长光子筛采用的入射光源是同波长光源，可通过简单的几何光路实现。

[0012] 亚波长光子筛是由一系列透光小孔组成，亚波长光子筛分布在金属层上，金属层镀在衬底上，金属层厚度约为几十微米，亚波长光子筛紧贴于衬底及金属层形成的球面上，近似与球面相切，球面半径即亚波长光子筛的焦距。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。

[0013] 亚波长光子筛的结构参数经优化方法为：

[0014] (1)根据设计需要，确定亚波长光子筛复眼大小及衬底所在半球体的球面半径，球面半径即亚波长光子筛的焦距f；

[0015] (2)根据相邻亚波长光子筛之间相互不重叠的原则，确定亚波长光子筛的数量M及入瞳口径D；

[0016] (3)由设计中心波长λ、入瞳口径D、焦距f，确定亚波长光子筛结构参数，计算亚波长光子筛环带数N：

[0017]

[0018] 选择适当的窗函数，优化确定亚波长光子筛每个环带上分布透光小孔的数量及孔径大小。

[0019] 本发明提供的亚波长光子筛复眼，受复眼昆虫视觉系统的启发，复眼昆虫的视觉系统由多个独立的小眼组成，数量从几个到几万个不等，每个小眼独立感光和成像，极大地提高了感光范围，甚至可以立体成像，如：苍蝇、蜻蜓等。类似于昆虫复眼，本发明设计的亚波长光子筛复眼，既具有高分辨力，又可以提高能量利用率，扩大感光范围，对其在高分辨力显微镜、轻质天文望远镜、武器视觉等领域的实用化起推动作用，具有广泛的应用前景。

附图说明

[0020] 图1是本发明的结构示意图；

[0021] 图2是光子筛复眼与普通光子筛性能比较。

具体实施方式

[0022] 结合附图说明本发明的具体实施方式，如图1所示：亚波长光子筛复眼，包括入射光源1、M个亚波长光子筛2、金属层3、衬底4、焦面5；所述的衬底4形成一个半球体，所述的衬底4外附有金属层3，所述的焦面5位于衬底4半球体的球心，所述的M个亚波长光子筛2分布在金属层3上，所述的入射光源1的入射光线分别从每个亚波长光子筛2垂直入射，入射光线同时被聚焦在焦面5上。

[0023] 该实施例的设计要求为：复眼为半球形状，球半径r＝200mm，亚波长光子筛2的数量M＝5，相邻亚波长光子筛2入射光线之间的夹角取相同数值，θ0＝θ1＝θ2＝θ3＝θ4＝θ5＝30°，即可接受光的角度范围θ＝θ1+θ2+θ3+θ4＝120°。

[0024] 衬底4透光材料为石英玻璃，金属层3材料为铬；

[0025] 亚波长光子筛的参数为：设计中心波长λ＝635nm，焦距f＝200mm，入瞳口径D＝50mm；

[0026] 由设计中心波长λ、入瞳口径D、焦距f，确定亚波长光子筛2结构参数，计算亚波长光子筛环带数N：

[0027]

[0028] 选择Connes窗函数优化每个环带上透光小孔的数量及孔径大小。

[0029] 为了对亚波长光子筛复眼与普通光子筛的聚焦性能及能量利用率进行详细 的对比分析，图2为焦面上径向光强的归一化分布图，虚线代表普通光子筛，实线代表光子筛复眼，纵坐标为归一化强度，无量纲，横坐标为径向距离，单位为μm。从图2可以看出，光子筛复眼和普通光子筛的聚焦性能并无明显区别，但光子筛复眼的归一化强度明显大于普通光子筛，这是因为光子筛复眼拓宽了感光角范围，可接受更大角度范围的入射光，叠加了5个子眼的能量，提高了能量利用率。