[发明专利]基于超透镜的小F数大景深镜头的设计方法及应用

说明书

本发明公开了基于超透镜的小F数大景深镜头的设计方法及应用。镜头为平面结构，包括上下两部分，上部分由遵循成像相位规律的亚波长周期性规则排布的纳米介质柱构成；下部分为介质基底；上层的折射率大于下层；周期性规则排布的纳米介质柱中，每个周期单元形状一致，尺寸在亚波长量级；透镜采用超焦距的成像方式；可以利用纳米压印进行大面积加工。本发明在小F数下，由于焦距压缩，景深范围大大提高，可以对超大范围内的物体进行高分辨成像，具有加工简单，成本低，且具有改变单元结构尺寸调节焦距的优势。

技术领域

本发明涉及基于超透镜的小F数大景深镜头的设计方法及应用。

背景技术

监控系统中采用的透镜往往要求具有尽量高的成像分辨率和尽量大的景深，通常情况下，高分辨率的透镜一般具有较小F数，大的景深又要求焦距较短。但是利用传统透镜的制作方法，大光圈下实现较短的焦距会使得大口径透镜的曲率半径非常小，且球差较难消除，加工起来十分困难且昂贵。

发明内容

为了解决上述问题，我们提出了基于超透镜的小F数大景深镜头的设计方法及应用，使用周期性规则排布的纳米介质柱的平面透镜来代替传统的大曲率透镜，在保证成像分辨率的同时使得景深大大增加，并且不存在球差，同时这种超表面透镜可以利用成熟的紫外光刻，纳米压印等方式大规模加工，较为方便且成本较低，并且可以简单的改变单元结构的结构尺寸来实现焦距的变化。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于超透镜的小F数大景深镜头的设计方法，镜头为平面结构，包括上下两部分，上部分由遵循成像相位规律的亚波长周期性规则排布的纳米介质柱构成；下部分为介质基底；纳米介质柱的折射率大于介质基底的折射率；所述周期性规则排布的纳米介质柱，其周期为p，p的尺寸在亚波长量级，即小于设计波长λ，纳米介质柱的直径为d，改变介质柱的直径d可改变周期性单元结构的远场振幅和相位；增大介质柱高度t，使得介质柱直径d在小于周期p内变化的过程中，在远场实现0～2π的相位分布。

进一步地，为了实现无球差聚焦和成像效果，所述镜头远场的相位分布满足：

其中，x，y为超透镜单元在超透镜上相对于超透镜中心的位置坐标，f为超透镜的焦距，λ为超透镜的设计波长。

设计时，通过数值仿真算法计算不同介质柱直径d下的远场振幅E和相位φ，根据公式(1)，对于超透镜上每一个离散的位置(x,y)选取一个单元尺寸，使得其远场振幅≈1，相位≈φ(x,y)。

所述数值仿真算法包括有限元算法，有限时域差分。

所述的设计方法，镜头的景深通过下述公式描述：

其中，Δl为景深，Δl₁为前景深(超焦距点到镜头之间的景深)，Δl₂为后景深(超焦距点到无限远之间的景深)，l为物距，f为物镜焦距，F物镜的光圈数，δ为像面处允许的弥散圆直径。

所述镜头成像时将物距调至超焦距点处，此时后景深为无穷大，其中超焦距点为：

其中，l为物距，f为物镜焦距，F为物镜的光圈数(即F数)，δ为像面处允许的弥散圆直径，此时前景深为l/2。

所述纳米介质柱的材料在工作波段的折射率≥2，折射率虚部＜0.01，其包括但不限于二氧化钛(TiO2)、氮化硅(SiNx)、氮化镓(GaN)材料。

所述介质基底的材料在工作波段的折射率折射率2，折射率虚部0.01，其包括但不限于二氧化硅(SiO2)材料。

所述的基于超透镜的小F数大景深镜头，可以适用于监控系统，同时实现高分辨率和大景深。