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CN110275232A - 一种基于希腊梯子光子筛的变焦成像方法 - Google Patents

一种基于希腊梯子光子筛的变焦成像方法 Download PDF

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徐守英
张军勇
周申蕾
林尊琪
朱健强
冀胜哲
张偲敏
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Abstract

一种基于希腊梯子光子筛的变焦成像方法，变焦成像的主要器件是希腊梯子光子筛，所述的希腊梯子光子筛是一种能够实现三维阵列成像的衍射光学元件。本发明可以实现相干光场下从x射线到太赫兹波段的固定系统离散化变焦，通过设计光子筛可以实现离轴成像，增加了光路设计的自由度。这种器件将很可能应用于变焦系统、人工晶状体、x射线显微技术、太赫兹成像和光学捕获等领域。

Description

一种基于希腊梯子光子筛的变焦成像方法
技术领域
本发明涉及相干光场的衍射成像，具体地说是一种能够实现相干光场变焦成像的方法。
背景技术
变焦在相机、手机、内窥镜系统、显微成像、细胞分选、光学捕获操纵微粒、眼科光学和目标瞄准等众多光学系统中起着重要的应用，但是传统的变焦系统多应用在可见光波段，在x射线和极紫外波段由于材料的强吸收致使其折射系统无法实现聚焦成像。菲涅尔波带片作为一种衍射光学元件，可以实现x射线和极紫外波段的聚集成像。在波带片的基础上，2001年L.Kipp[L.Kipp,M.Skibowski,R.Johnson,R.Berndt,R.Adelung,S.Harm,andR.Seemann,Sharper images by focusing soft X-rays with photon sieves,Nature414,184-188(2001)]首次提出光子筛的概念，光子筛相对波带片可以实现更高的分辨率，但是波带片和光子筛都只有一个主焦点。2015年我们将古希腊梯子序列引入到纳米结构中，产生了一种能够实现等强度分布的三维阵列衍射成像器件[Zhang J.Three-dimensional array diffraction-limited foci from Greek ladders to generalizedFibonacci sequences[J].Opt.Express,2015,23(23):30308-30317]。
我们将此器件应用到光学变焦技术中，可以实现相干条件下从软x射线到太赫兹波段的固定光路系统下的离散化变焦。这种新型的变焦成像技术可以应用于相干光源x射线和极紫外波段的变焦系统和成像，比如生物细胞成像、x射线显微技术和阵列成像。此外，在太赫兹成像、人工晶状体等研究领域，变焦技术也有重要应用价值。
发明内容
本发明需要解决的技术问题在于提供一种基于希腊梯子光子筛的变焦成像方法，实现在相干光场x射线到太赫兹波段的变焦成像。该变焦成像方法在不需要移动成像器件的情况下，就能实现固定系统的离散化变焦。除此之外，还可以实现离轴成像，提高光路设计的自由度。
本发明的技术方案如下：
一种基于希腊梯子光子筛的变焦成像方法，其特点在于变焦光路是由希腊梯子光子筛构成，在不改变光学系统参数的情况下就可以实现变焦；所述的希腊梯子光子筛能够产生三维阵列焦点，以m×n×p表示产生的阵列焦点个数，其中m×n表示同一平面上成像的个数，p表示像面数。希腊梯子序列满足以下递归关系：
所述变焦光路包括He-Ne激光器、空间针孔滤波器、透镜、成像物体、希腊梯子光子筛、光电耦合探测器CCD和数据处理终端；
进一步地，所述He-Ne激光器产生632.8nm的激光，置于变焦光路的最前端；
进一步地，所述空间针孔滤波器置于He-Ne激光器后，产生点光源，提高光束质量；
进一步地，所述透镜与空间针孔滤波器配合作用产生分布均匀的平行光；
进一步地，所述成像物体作为变焦光路的输入物，用透镜和空间针孔滤波器产生的平行光照明，在某些离散物距时，均可以得到成像结果；
进一步地，所述希腊梯子光子筛置于成像物体后一段距离，用于变焦光路的变焦成像；
进一步地，所述光电耦合探测器CCD置于希腊梯子光子筛后，调节光电耦合探测器CCD的位置置于像面上，用于检测变焦光路产生的像，得到不同焦距的成像；
进一步地，所述数据处理终端用于记录、显示光电耦合探测器CCD的探测结果；
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明可以在不改变光学系统参数的情况下实现变焦，这种变焦器件是一种振幅型衍射元件，可以实现相干条件下从软x射线到太赫兹波段的聚焦和成像。此外，这类变焦器件能够产生等强度分布的三维阵列聚焦和成像，实现离轴成像，这样可以在光路中加入探测或处理元件而不影响后续光路成像，提高了设计的自由度。可以应用于相干光源x射线和极紫外波段的变焦系统和成像。
附图说明
图1为本发明变焦成像光路原理示意图；
图2为本发明希腊梯子光子筛1×1×2器件的结构示意图；
图3为本发明希腊梯子光子筛1×1×2变焦输入图，其中(a)物距为-290.8mm，(b)物距为-868.8mm，(c)物距为-231.7mm，(d)物距为-493.0mm，(e)物距为-188.2mm，(f)物距为-330.6；
图4为本发明希腊梯子光子筛1×1×2变焦成像结果图；
图5为本发明希腊梯子光子筛2×2×2变焦输入图,其中(a)物距为-373.8mm,(b)物距为-804.4mm；
图6为本发明希腊梯子光子筛2×2×2变焦成像结果图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例1
如图1、图2所示，本发明提供一种基于希腊梯子光子筛的变焦成像方法，由衍射透镜-希腊梯子光子筛实现的，在单色平行波照明下，能够产生等强度分布的三维阵列焦点，实现从x射线到太赫兹波段固定系统下的离散化变焦。
所述希腊梯子光子筛能够产生衍射受限的三维阵列焦点m×n×p，其中m×n表示同一平面上成像的个数，p表示像面数。以设计1×1×2的希腊梯子光子筛为例，具体说明设计过程，设计结果如图2所示。关于希腊梯子，其可描述为：
1 3 7 19 41...
1 2 5 12 29... (2)
第一行梯子的第n个数定义为Gn，第二行梯子的第n个数定义为Fn，Gn与Fn的比值渐近于对希腊梯子进行编码映射，将希腊梯子数列编码成序列，将序列投影到平方根曲线下，对应的0和1分别为不透明和透明环带，得到希腊梯子条，将条围成环带，得到希腊梯子环带，环带上透明区域换成小孔即得到希腊梯子光子筛，构造出了轴上双焦点的希腊梯子光子筛，光学结构如图1所示，该结构共有99个亮环和140个暗环。激光的入射波长632.8nm，轴上双焦点的两个焦点分别出现在128.014mm和181.093mm处，光学焦距比的期望值等于与序列的极限比值接近。光子筛筛孔的直径和对应波带片环带的宽度比值叫做孔环比，孔环比与两个焦平面的光强大小有关，为了得到两个焦平面的光强相等，同时考虑筛孔的重叠情况取孔环比为1.16，得到等强度分布的焦点。两个焦平面上的光场分布对应的半值全宽(FWHM)分别为8.74um和12.36um，焦斑全宽度的比值为12.36/8.74＝1.4142，接近于光学焦距比的期望值。综上，我们得到了能够实现强度相等、分辨率不同的衍射受限三维阵列成像器件。
所述变焦光路原理图如图1所示，变焦光路包括He-Ne激光器1、空间针孔滤波器、透镜、输入物体2和输入物体3、希腊梯子光子筛4、光电耦合探测器CCD5和数据处理终端6。以不同大小的美国空军分辨率板USAF1951作为变焦光路的输入物体；
进一步地，所述He-Ne激光器1产生632.8nm的激光，置于变焦光路的最前端，作为变焦光路的光源，通过针孔直径为10μm的空间针孔滤波器和焦距为175mm透镜产生平行光，即点光源置于透镜的前焦面那么透镜后产生分布均匀的平行光；
进一步地，所述变焦成像光路的输入物是不同大小的美国空军分辨率板USAF1951，用透镜和空间针孔滤波器产生的平行光照明，在不同物距下得到对应的变焦成像结果；
进一步地，所述希腊梯子光子筛4置于美国空军分辨率USAF1951(2)和(3)后一段距离，在不改变光学系统参数的情况下在同一像面上成像，实现固定系统的离散化变焦。以1×1×2希腊梯子光子筛为例，焦距分别为128.014mm和181.093mm，用f11和f12分别表示对应的短焦和长焦。当物距为290.8mm和868.8mm，分别通过短焦和长焦的聚焦成像，在像距为228.6mm时得到相同大小的变焦结果。当把变焦系统的成像接收器件放置于其他像距时，同样可以对应两个物距下的物体变焦。以充分利用成像接收器的接收大小为目标，即变焦像面大小都相等为2.694mm时，对应成像物体实现离散化物距变焦。如下表1所示，是在不同物距下进行的变焦；
表1：不同物距下变焦成像情况
进一步地，所述光电耦合探测器CCD5对应的分辨率为5.5μm×5.5μm，像素点为3296×2472。将光电耦合探测器CCD5置于希腊梯子光子筛后，调节光电耦合探测器CCD5的位置并置于像面上，用于检测变焦成像光路产生的像，数据处理终端6显示最终的成像结果。对应的输入物如图3所示，当光点探测耦合器CCD5置于228.6mm时，可以实现物距为-290.8mm输入物3(a)和-868.8mm输入物3(b)的变焦。图3(c)、3(d)通过变焦得到像距为286mm的成像，图3(e)、3(f)变焦得到像距为400mm的成像，变焦成像结果如图4。由此，在不同物距下，实现不同焦距的变焦，且成像规律符合传统透镜成像的高斯公式：
其中Si表示不同的物距，fi表示不同焦距，S’表示像距。
实施例2
所述希腊梯子光子筛m×n×p中m、n、p均可大于1，利用希腊梯子光子筛可以离轴聚集和成像，重复实施例1，可以得到离轴变焦结果。以美国空军分辨率板USAF1951的0-1级作为输入物，图5(a)和图5(b)包含了每个平面可以离轴成像输入物的个数和位置，输入物可以为每个平面中的任一个。物距分别为-373.8mm和-804.4mm时，在像距为453mm处得到同样大小的成像结果，成像结果如图6，实现了不同物距大小输入物的离轴变焦成像。
利用希腊梯子光子筛实现了同一光路不同物距下的同轴或离轴变焦成像，同时还可以通过设计变焦成像元件的焦点个数以增加变焦范围。离轴变焦成像光路可以在光学探测或光学处理元件加入光路后而不影响后续光路，提高了设计的自由度。
本发明未阐述的内容为本领域技术人员的公知常识。
以上所述的具体实施实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施案例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于希腊梯子光子筛的变焦成像方法，该方法包括以下步骤：(1)设计能够产生等强度分布的衍射受限三维阵列的希腊梯子光子筛器件；(2)构建变焦成像光路；
2.根据权利要求1所述的基于希腊梯子光子筛的变焦成像方法，其特征在于：所述的希腊梯子光子筛的设计包括如下步骤：希腊梯子序列表述为
将序列编码映射到菲涅尔波带片的环带上，按序列编码成非周期的透明和不透明的环带，再用大量随机分布的筛孔代替透明环带得到能够产生三维阵列成像的器件；
3.根据权利要求1所述的基于希腊梯子光子筛的变焦成像方法，其特征在于：变焦成像光路由He-Ne激光器(1)作为照明光源，沿该He-Ne激光器输出光方向依次放置空间针孔滤波器、透镜、输入物体(2)、输入物体(3)、希腊梯子光子筛(4)和光电耦合探测器(5)，构建成变焦成像光路，所述的光电耦合探测器(5)与数据处理终端(6)相连；
4.根据权利要求1或2所述的基于希腊梯子光子筛的变焦成像方法，其特征在于：所述He-Ne激光器产生632.8nm的激光，置于变焦光路的最前端，所述空间针孔滤波器与透镜配合作用产生光束均匀的平行光；
所述输入物是位于不同物距下的不同大小的美国空军分辨率板USAF1951，用透镜和空间针孔滤波器产生的平行光照明输入物；
所述希腊梯子光子筛置于美国空军分辨率板USAF1951后一段距离，用于变焦光路的变焦成像；
所述光电耦合探测器CCD置于希腊梯子光子筛后，调节光电耦合探测器CCD的位置置于像面上，用于检测采集变焦光路产生的像；
所述数据处理终端连接光电耦合探测器CCD，用来记录、显示成像结果。
5.根据权利要求1或2所述的基于希腊梯子光子筛的变焦成像方法，其特征在于，所述的希腊梯子光子筛是一种衍射光学元件，可以实现相关光场下从x射线到太赫兹波段的聚焦和成像。
6.根据权利要求1或2所述的基于希腊梯子光子筛能够产生三维阵列焦点，以m×n×p表示产生的阵列焦点个数，其中m×n表示同一平面上成像的个数，p表示像面数；其特征在于，所述的希腊梯子光子筛m、n、p均可大于等于2，实现离轴变焦成像。
7.根据权利要求1或2所述的基于希腊梯子光子筛的变焦成像方法，其特征在于，所述的变焦成像光路应用到变焦系统、眼科、微粒捕获、生物细胞成像、x射线显微技术、太赫兹成像和人工晶状体研究领域。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114326353A (zh) * 2020-09-30 2022-04-12 通用汽车环球科技运作有限责任公司 包括具有不同光波长的光束的尺寸校正和对准的全息投影仪

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62159101A (ja) * 1986-01-07 1987-07-15 Seiko Epson Corp 焦点距離可変フレネルレンズ
GB2252843A (en) * 1991-01-17 1992-08-19 Atomic Energy Authority Uk Diffractive focussing means
US20050068632A1 (en) * 2003-09-25 2005-03-31 Holloway Paul H. High resolution multi-lens imaging device
CN1816855A (zh) * 2003-07-09 2006-08-09 皇家飞利浦电子股份有限公司 光学装置
CN1982949A (zh) * 2005-12-16 2007-06-20 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 液晶透镜系统及液晶透镜形成方法
US20070194254A1 (en) * 2006-02-17 2007-08-23 Asml Netherlands B.V. Photon sieve for optical systems in micro-lithography
CN101430428A (zh) * 2008-11-25 2009-05-13 中国科学院微电子研究所 超分辨菲涅耳波带片
CN101430427A (zh) * 2008-11-25 2009-05-13 中国科学院微电子研究所 超分辨光子筛
CN102478767A (zh) * 2010-11-30 2012-05-30 中国科学院微电子研究所 无掩膜光刻装置
CN103278919A (zh) * 2013-05-28 2013-09-04 上海理工大学 一种彩色立体区域共焦显微成像方法
CN104034517A (zh) * 2014-07-04 2014-09-10 西华大学 一种亚波长光子筛聚焦性能检测方法
CN104898194A (zh) * 2015-05-04 2015-09-09 中国科学院上海光学精密机械研究所 双焦光子筛及其设计方法
CN106932357A (zh) * 2017-03-09 2017-07-07 南开大学 一种超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62159101A (ja) * 1986-01-07 1987-07-15 Seiko Epson Corp 焦点距離可変フレネルレンズ
GB2252843A (en) * 1991-01-17 1992-08-19 Atomic Energy Authority Uk Diffractive focussing means
CN1816855A (zh) * 2003-07-09 2006-08-09 皇家飞利浦电子股份有限公司 光学装置
US20050068632A1 (en) * 2003-09-25 2005-03-31 Holloway Paul H. High resolution multi-lens imaging device
CN1982949A (zh) * 2005-12-16 2007-06-20 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 液晶透镜系统及液晶透镜形成方法
US20070194254A1 (en) * 2006-02-17 2007-08-23 Asml Netherlands B.V. Photon sieve for optical systems in micro-lithography
CN101430428A (zh) * 2008-11-25 2009-05-13 中国科学院微电子研究所 超分辨菲涅耳波带片
CN101430427A (zh) * 2008-11-25 2009-05-13 中国科学院微电子研究所 超分辨光子筛
CN102478767A (zh) * 2010-11-30 2012-05-30 中国科学院微电子研究所 无掩膜光刻装置
CN103278919A (zh) * 2013-05-28 2013-09-04 上海理工大学 一种彩色立体区域共焦显微成像方法
CN104034517A (zh) * 2014-07-04 2014-09-10 西华大学 一种亚波长光子筛聚焦性能检测方法
CN104898194A (zh) * 2015-05-04 2015-09-09 中国科学院上海光学精密机械研究所 双焦光子筛及其设计方法
CN106932357A (zh) * 2017-03-09 2017-07-07 南开大学 一种超衍射分辨极限太赫兹光谱成像系统

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JUNYONG ZHANG: "Three-dimensional array diffraction-limited foci from Greek ladders to generalized Fibonacci sequences", 《OPTICS EXPRESS》 *
KIPP.L ET,AL: "Sharper images by focusing soft X-rays with photon sieves", 《NATURE》 *
SHOUYING XU ET,AL: "Multiplanar imaging properties of Theon sieves", 《APPLIED OPTICS》 *
THOMAS J.OSLER ET,AL: "Theon’s ladder for any root", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF MATHEMATICAL EDUCATION IN SCIENCE AND TECHNOLOGY》 *
何渝 等: "光子筛成像技术研究进展", 《激光与光电子学进展》 *
柯杰等: "斐波那契光子筛的聚焦成像特性", 《光学学报》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114326353A (zh) * 2020-09-30 2022-04-12 通用汽车环球科技运作有限责任公司 包括具有不同光波长的光束的尺寸校正和对准的全息投影仪
CN114326353B (zh) * 2020-09-30 2025-03-21 通用汽车环球科技运作有限责任公司 包括具有不同光波长的光束的尺寸校正和对准的全息投影仪

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