專利名稱：一種多波長(zhǎng)多孔透鏡的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種拓展多孔透鏡帶寬的設(shè)計(jì)方法，尤其是涉及一種多波長(zhǎng)多孔透鏡的設(shè) 計(jì)方法。
技術(shù)背景1871年，由瑞利制成的菲涅耳波帶片是最早的成像衍射元件，此元件其實(shí)是一種特殊 光闌，它能遮去偶數(shù)序或奇數(shù)序的半波帶，而使得另一序列的半波帶通過(guò)，通過(guò)的奇數(shù)序 (或偶數(shù)序)半波帶各自發(fā)出的次波到達(dá)觀察點(diǎn)的光程差為波長(zhǎng)的整數(shù)倍，各次波到達(dá)該 點(diǎn)時(shí)所引起的光振動(dòng)的位相相同，因而相互加強(qiáng)，故波帶片的作用就是使同位相的諸次波 在焦點(diǎn)處進(jìn)行振幅疊加，從而在焦點(diǎn)上獲得較大的光強(qiáng)，但該菲涅耳波帶片成像空間分辨 率直接與器件的最外層波帶寬度相當(dāng)，最小加工線寬決定了器件的空間成像分辨率。為了 克服特征尺寸對(duì)空間分辨率的限制作用，2001年，Kipp等提出了一類特殊的衍射光學(xué)器件，稱為多孔透鏡，它由一系列分布于波帶片上準(zhǔn)隨機(jī)分布的分離小孔代替對(duì)應(yīng)波帶組成，空 間分辨率不再受限于特征尺寸。多孔透鏡是基于波帶片為克服傳統(tǒng)衍射元件成像分辨率受特征尺寸限制發(fā)展而來(lái)的，它 相對(duì)于波帶片具有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如它突破了衍射元件空間分辨率受器件最小加工尺寸的 限制，且由于小孔密度徑向降低,從而可以抑制旁瓣，提高成像對(duì)比度。小孔在環(huán)向上是準(zhǔn)隨 機(jī)分布的，打破了周期性和對(duì)稱性，可以抑制高階衍射,相對(duì)于波帶片在軸上有多個(gè)焦點(diǎn)，多 孔透鏡近似可認(rèn)為只有一個(gè)實(shí)焦點(diǎn)。但其設(shè)計(jì)僅針對(duì)于單波長(zhǎng)的,數(shù)值孔徑越大，元件特性對(duì)波長(zhǎng)就越敏感， 單一波長(zhǎng)設(shè)計(jì)的透鏡在其他波段輸入光情況下工作，會(huì)引起色差，難以實(shí)現(xiàn)多種波長(zhǎng) 的色光成像。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題對(duì)于以往多孔透鏡只是針對(duì)單波長(zhǎng)設(shè)計(jì)，提出一種拓展帶寬 的多孔透鏡的設(shè)計(jì)方法，從而可以使得多孔透鏡能夠在多個(gè)波長(zhǎng)照明下具有相同的焦距和 成像質(zhì)量。本發(fā)明的技術(shù)解決方案 一種多波長(zhǎng)多孔透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特點(diǎn)在于步驟如下 (1)應(yīng)用菲涅爾波帶片進(jìn)行多孔透鏡的設(shè)計(jì)，菲涅爾波帶片其第一環(huán)帶半徑為
^-7^:,其中/為焦距，義為入射光的波長(zhǎng)，第it環(huán)帶半徑為A =7^01,相應(yīng)的菲涅爾環(huán)帶寬度v^-^-;v,,那么在設(shè)計(jì)波長(zhǎng)為;i、焦距為/的多孔透鏡時(shí)，小孔的中心位置(小孔中心到透鏡中心的距離)放置于對(duì)應(yīng)波帶(假設(shè)為第A個(gè)波帶)的中心，其中心半徑為 ^ "2,P;i2 ，為了使焦點(diǎn)處光強(qiáng)增強(qiáng),小孔半徑為該處菲涅爾環(huán)帶寬度^的3 4倍，(2) 對(duì)于某一特定焦距，采用步驟(1)的方法分別對(duì)M種不伺波長(zhǎng)的光進(jìn)行多孔透 鏡的設(shè)計(jì)，得到M塊多孔透鏡；(3) 采用分區(qū)設(shè)計(jì)的方法，將空白圓平面以中心為原點(diǎn)，等角度間隔的分割成N個(gè)區(qū) 域，N為M的若干整數(shù)倍，同時(shí)將M塊多孔透鏡也分割成N個(gè)區(qū)域；然后以M為周期輪 流在空白平面插入M塊多孔透鏡對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)部分，組合得到多波長(zhǎng)多孔透鏡。所述的多孔透鏡小孔在環(huán)向上是準(zhǔn)隨機(jī)分布的，從而打破了周期性和對(duì)稱性，可以抑 制高階衍射光造成的背景影響。所述的波長(zhǎng)種數(shù)M大于等于2種。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于這種多孔透鏡的設(shè)計(jì)是基于分區(qū)設(shè)計(jì)的，它應(yīng)用 設(shè)計(jì)的一塊透鏡就可以針對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)的光進(jìn)行聚焦和成像，并使其具有相同的焦距和成像 質(zhì)量。這打破了現(xiàn)有多孔透鏡只是針對(duì)于單波長(zhǎng)的限制，極大的拓展了多孔透鏡成像的帶 寬，并進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。


圖1為本發(fā)明的菲涅爾波帶片示意圖，圖中白色部分為透光區(qū)，黑色部分為非透光區(qū)； 圖2為本發(fā)明應(yīng)用菲涅爾波帶片設(shè)計(jì)多孔透鏡示意圖，圖中白色部分為透光區(qū)，黑色 部分為非透光區(qū)；圖3為針對(duì)波長(zhǎng);if488nm而設(shè)計(jì)所得的多孔透鏡示意圖，圖中白色部分為透光區(qū)，黑 色部分為非透光區(qū)；圖4為針對(duì)波長(zhǎng)義^532nm而設(shè)計(jì)所得的多孔透鏡示意圖，圖中白色部分為透光區(qū)，黑 色部分為非透光區(qū)；圖5為針對(duì)波長(zhǎng)義3-633nm而設(shè)計(jì)所得的多孔透鏡示意圖，圖中白色部分為透光區(qū)，黑 色部分為非透光區(qū)；圖6為將平面分成36份，然后將三種波長(zhǎng)設(shè)計(jì)所得多孔透鏡輪流插入后的所得的多波 長(zhǎng)多孔透鏡示意圖，圖中1為波長(zhǎng)義^488nm所對(duì)應(yīng)的透鏡部分，2為波長(zhǎng);i2=532nm所 對(duì)應(yīng)的透鏡部分，3為波長(zhǎng)A^633nm所對(duì)應(yīng)的透鏡部分。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
及附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限
于下列實(shí)施例，應(yīng)包括權(quán)利要求書中的全部?jī)?nèi)容。而且本領(lǐng)域技術(shù)人員從以下的一個(gè)實(shí)施 例即可實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中的全部?jī)?nèi)容。下面給出本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例通過(guò)本方法，設(shè)計(jì)一種針對(duì)；if488mn、 ;i2=532nm、 ；t3=633nm的三種波長(zhǎng)的多孔透鏡。本發(fā)明的具體實(shí)施步驟1、 應(yīng)用菲涅爾波帶片進(jìn)行多孔透鏡的設(shè)計(jì)，菲涅爾波帶片其第一環(huán)帶半徑為A-V^， 其中/為焦距，義為入射光的波長(zhǎng)，第A環(huán)帶半徑為A-VlA，相應(yīng)的菲涅爾環(huán)帶寬度， 在設(shè)計(jì)波長(zhǎng)為;i、焦距為/的多孔透鏡時(shí)，小孔的中心位置(小孔中心到透鏡中心的距離)放 置于對(duì)應(yīng)波帶(假設(shè)為第a:個(gè)波帶)的中心，其^=/^-a一，小孔中心半徑為/^"寧+ "2 '為了使焦點(diǎn)處光強(qiáng)增強(qiáng)，小孔中心半徑為該處菲涅爾環(huán)帶寬度^的3.5 倍，多孔透鏡小孔在環(huán)向上是準(zhǔn)隨機(jī)分布的；2、 對(duì)于口徑為20mm，焦距/為200mm的設(shè)計(jì)目標(biāo)，針對(duì)三種波長(zhǎng)A產(chǎn)488nm、義f532nm、 ；i3=633nm，采用步驟1的設(shè)計(jì)方法得到三塊多孔透鏡，如圖3、圖4、圖5所 示；3、 將步驟2所得的三塊多孔透鏡以圓心為中心，分成36個(gè)等角度間隔的子區(qū)域，編 號(hào)分別為1到36，同時(shí)將口徑20mm的空白圓平面以圓心為中心，等角度分割成36個(gè)子區(qū) 域，編號(hào)也為1到36，當(dāng)編號(hào)n=3k+l,k=0,l, 2…11時(shí),用入產(chǎn)488nm多孔透鏡中相同編號(hào) 的部分來(lái)填充；當(dāng)編號(hào)n=3k+2，k=0,l， 2…n時(shí)，用入2=532nm多孔透鏡中相同編號(hào)的部分 來(lái)填充；當(dāng)編號(hào)n-3k,k-l,2…12時(shí)，用A 3=633nm多孔透鏡中相同編號(hào)的部分來(lái)填充，組 合而成多波長(zhǎng)多孔透鏡，如圖6所示。
權(quán)利要求
1、 一種多波長(zhǎng)多孔透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟如下(1) 應(yīng)用菲涅爾波帶片進(jìn)行多孔透鏡的設(shè)計(jì)，菲涅爾波帶片的第&環(huán)帶半徑為A-V^A,相應(yīng)的菲涅爾環(huán)帶寬度^-A-A-M其中/為焦距，A為入射光的波長(zhǎng)，A-V7^為第一環(huán)帶 半徑，多孔透鏡小孔的中心位置，即小孔中心到透鏡中心的距離放置于對(duì)應(yīng)的第A個(gè)波帶的中心，小孔中心半徑為^ =7寧+ "2;(2) 對(duì)于某一特定焦距，采用步驟(1)的方法分別對(duì)M種不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行多孔透鏡的 設(shè)計(jì)，得到M塊多孔透鏡；(3) 采用分區(qū)設(shè)計(jì)的方法，將空白圓平面以中心為原點(diǎn)，等角度間隔的分割成N個(gè)區(qū)域,N 為M的整數(shù)倍，同時(shí)將M塊多孔透鏡也分割成N個(gè)區(qū)域；然后以M為周期輪流在空白平面插 入M塊多孔透鏡對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)部分,組合得到多波長(zhǎng)多孔透鏡。
2、 權(quán)利要求I所述的多波長(zhǎng)多孔透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的多孔透鏡小孔在環(huán) 向上是準(zhǔn)隨機(jī)分布的，打破了周期性和對(duì)稱性，可以抑制高階衍射。
3、 權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)多孔透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的波長(zhǎng)種數(shù)M大于等 于2種。
4、 權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)多孔透鏡的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:為了使焦點(diǎn)處光強(qiáng)增強(qiáng)，所 述的小孔中心半徑為該處菲涅爾環(huán)帶寬度w t的3 4倍。
全文摘要
一種多波長(zhǎng)多孔透鏡的設(shè)計(jì)方法(1)應(yīng)用菲涅爾波帶片進(jìn)行多孔透鏡的設(shè)計(jì)，菲涅爾波帶片的第k環(huán)帶半徑為ρ_k=kρ₁，相應(yīng)的菲涅爾環(huán)帶寬度w_k＝ρ_k-ρ_k-1，ρ₁=fλ為第一環(huán)帶半徑，其中f為焦距，λ為入射光的波長(zhǎng)，多孔透鏡小孔的中心位置，即小孔中心到透鏡中心的距離放置于對(duì)應(yīng)的第k個(gè)波帶的中心，小孔中心半徑為r_k=2kfλ+k²λ²；(2)對(duì)于某焦距，采用步驟(1)的方法分別對(duì)M種不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行多孔透鏡的設(shè)計(jì)，得到M塊多孔透鏡；(3)采用分區(qū)設(shè)計(jì)的方法，將空白圓平面以中心為原點(diǎn)，等角度間隔的分割成N個(gè)區(qū)域，N為M的整數(shù)倍，同時(shí)將M塊多孔透鏡也分割成N個(gè)區(qū)域；再以M為周期輪流在空白平面插入M塊多孔透鏡對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)部分，組合得到多波長(zhǎng)多孔透鏡。本發(fā)明使多孔透鏡能夠在多個(gè)波長(zhǎng)照明下具有相同的焦距和成像質(zhì)量，極大的拓展了多孔透鏡成像帶寬，并進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)G02B27/00GK101144908SQ20071017601
公開日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2007年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月17日
發(fā)明者史立芳, 周崇喜, 杜春雷, 羅先剛, 董小春 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所