[发明专利]利用超表面相位调制的高对比度望远镜

说明书

一种利用超表面相位调制的高对比度望远镜。将超表面作为位相掩模板加入到天文望远镜系统中，其中超表面由沿径向排列的纳米柱单元以及衬底组成，每个纳米柱的旋转角度由径向旋转角以及轴向旋转角两部分构成，利用几何相位原理对入射在衬底上的圆偏光实现相位调制产生能量集中在光束外围的涡旋光束，并通过在成像透镜前的里奥光阑遮挡作用实现消除该部分能量的目的，同时该超表面位相掩模板则不会对斜入射的光产生影响。从而能够在消除正入射的恒星光的同时很好地对斜入射的行星光进行成像，实现高对比度的望远镜系统。本发明在行星的观测和分辨、空间目标观测、望远镜的小型化和紧凑化以及超表面的应用等方面具有重要价值。

技术领域

本发明属于微纳米光学和天文观测领域，涉及微光学器件、望远镜系统，特别是一种利用超表面相位调制的高对比度望远镜。

背景技术

传统的望远镜无法对系外行星和空间中能量远低于恒星的目标进行直接探测成像，最主要的原因在于其光强要远远小于恒星光的光强。在望远镜成像中，行星光和空间目标的聚焦光斑往往会落于恒星光的聚焦光斑旁瓣中而导致行星光不能被直接观测到。因此如何消除中心高亮度的恒星，并对旁边较暗的目标进行成像，即获得高对比度的成像图，这成为直接观测空见目标的最大难题。目前用于空见目标观测的望远镜多用传统的螺旋位相板、四分位相板等作为掩模，而利用超表面作为位相掩模板具有体积小、重量轻以及利于集成化的优点。

发明内容

本发明目的是为了消除中心高亮度的恒星，并对旁边较暗的空间目标进行成像，即获得高对比度的成像图。因此将由不同旋转角度α的纳米柱及衬底构成的超表面作为位相掩模板加入到望远镜系统中，改变正入射的恒星光的能量分布，实现高对比度的望远镜系统。

本发明技术方案

利用超表面相位调制的高对比度望远镜系统，由在物镜的焦面上放置合适透过率函数的超表面相位调制器件，通过改变正入射光位相的空间分布，并结合透镜系统的傅里叶变换性质，达到对正入射光能量转移的目的。因此，作为相位掩模板的超表面上各个单元的纳米柱应满足的相位需求为：

其中：λ是入射光波长，f是预设计的焦距，x、y分别为每个纳米柱在直角坐标系下位置的横纵坐标，m是涡旋光的拓扑荷。而每个点需求的相位通过控制纳米柱旋转的角度，利用几何相位调制的原理实现。因此正入射恒星光的能量在受到超表面的相位调制后能量分布在外围，并被成像系统前的里奥光阑所挡住，完成高对比度成像的目的。

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的利用超表面相位调制的高对比度望远镜，利用超表面作为相位掩模板实现了对正入射的恒星光的相位调制，并通过精确控制目镜前的里奥光阑的孔径完成削弱该部分能量的目的，于此同时能对斜入射的能量远不及恒星光的空间目标成像。本发明提供的望远镜系统在高对比度，结构简单，成像质量高，超高的角分辨率的基础上，更拥有小型化和紧凑化的优点，更利于携带至外太空进行天文观测。

附图说明

图1是利用超表面相位调制的高对比度望远镜的工作原理示意图。

图2是由介质纳米柱和基底构成的作为相位掩模板的超表面示意图。其中：图(a)是超表面相位掩模板的俯视图。图(b)是超表面相位掩模板的基本单元主视图。图(c)是超表面相位掩模板的基本单元俯视图。

图3是正入射经过望远镜系统的物镜和作为相位掩模板的超表面后的光场分布示意图，其中图3(a)是x＝0时，yz平面的光场强度分布图。图3(b)y＝0时，xz平面的光场强度分布示意图。图3(c)是z＝8.95μm时，xy平面的光场强度分布示意图。