[发明专利]费马螺旋希腊梯子光子筛的设计方法及其成像光路

说明书

点扩散函数决定光学系统的成像性质，不同的点扩散函数可以实现不同的成像结果。通过将费马螺旋线引入到希腊梯子光子筛中，费马螺旋线调制希腊梯子光子筛中筛孔的分布位置得到费马螺旋希腊梯子光子筛。通过基于费马螺旋希腊梯子光子筛的成像光路产生轴向多个焦点，实现了单一器件多焦面不同点扩散函数的功能，包括各向异性的艾里斑和涡旋焦点，能够应用于相干光场下从X射线到太赫兹波段的聚焦和成像。其中第一个、第三个焦点是各向异性的艾里斑，对输入物体能够实现不同方向不同分辨率，有助于提高物体感兴趣方向的分辨率；第二个焦点是涡旋焦点，涡旋焦点可以用于光学捕获，此外用于成像时基于螺旋相位滤波还能够实现径向希尔伯特变换，实现振幅和相位物体的边缘增强。

技术领域

本发明涉及衍射光学元件，具体地说是一种在相干光场下能够实现多焦面不同点扩散函数的费马螺旋希腊梯子光子筛的设计方法及其成像光路。

背景技术

X射线由于强大的穿透能力，被广泛应用于生物医学成像、工业生产、材料科学等领域的内部结构的无损成像和检测。但是由于可见光段的光学器件材料的强吸收和弱折射效应，使可见光波段器件无法在短波长波段使用。光子筛作为一种衍射光学元件，通过对光波前的振幅和相位调制能够实现X射线波段的聚焦和成像。光子筛是在菲涅尔波带片的基础上发展起来的，除了具有波带片相关的性质外，它相对于波带片具有更高的成像分辨率，更多的设计自由度，质量轻等优点。目前光子筛已经被应用于高分辨率显微镜、光学望远镜、X射线样品检测和光刻等领域。

但是波带片和光子筛是一种轴向单焦点的衍射光学元件，即只存在单一点扩散函数。由于光学系统的成像结果由光源函数与点扩散函数的卷积得到，点扩散函数由成像系统的光学元件决定，不同点扩散函数决定光学系统的不同成像性质。所以，波带片和光子筛只能实现一种成像结果。2015年我们将希腊梯子序列引入到光子筛中得到三维阵列衍射光学元件-希腊梯子光子筛[参见Zhang J.Three-dimensional array diffraction-limitedfoci from Greek ladders to generalized Fibonacci sequences[J].Opt.Express,2015,23(23):30308-30317]，其中不同焦平面的光强强度可以调制实现等强度分布，且每个焦平面的点扩散函数相同，属于同一种数学变换。

发明内容

本发明需要解决的问题在于提供一种多焦面不同点扩散函数的光学元件的设计方法及其成像光路。该成像光路能够实现在相干光场下从X射线到太赫兹波段的振幅型和相位型物体高分辨的聚焦和成像。

本发明的技术方案如下：

一种多焦面不同点扩散函数的衍射光学元件-费马螺旋希腊梯子光子筛，其设计是通过将费马螺旋线引入到希腊梯子光子筛中，调制希腊梯子光子筛中筛孔的分布，实现单一器件多个焦点，且每个焦点的点扩散函数不同，包括各向异性的艾里斑和涡旋光场。

所述的费马螺旋线方程为R＝a×θ^1/2,其中R为极化坐标下的半径，a为调整系数,θ表示极化坐标下的角度；

所述费马螺旋希腊梯子光子筛是用费马螺旋线调制已有的希腊梯子光子筛中筛孔的分布，即将费马螺旋线和希腊梯子光子筛进行空间上的中心重叠，希腊梯子光子筛径向相位变化π时，费马螺旋线旋转一周，费马螺旋线经过的筛孔区域保留，得到费马螺旋希腊梯子光子筛；