[发明专利]一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统

说明书

本发明公开了一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统，该系统由X偏振、Y偏振、45°偏振以及圆偏振对应的超构透镜组成，其中每个超构透镜包含基底和电介质纳米单元超构表面层。本发明构造众多各向异性结构，包括单个矩形与多个矩形耦合结构。本发明在传统透镜公式的基础上增加了r₀和C₀两个变量，设计自由度高，将相位折叠进2π并结合算法后可以高效准确地设计出理想的超构透镜，提出了一种全新的偏振消色差设计方案。针对不同的偏振光提出了不同的消色差设计方案，保证了偏振成像系统的高效率。本发明针对不同的波段可以选择多种材料，选择光学响应优良的材料可以保证成像效率。

技术领域

本发明涉及一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统，属于超构表面应用技术领域。

背景技术

光的偏振作为电磁波的重要固有特性之一，表现为振动方向相对于传播方向的不对称性，这种特性导致不同偏振态的光具有不同的光学响应，因此对自然光进行过滤后得到对应的偏振光有利于捕获所需的信息，进而广泛应用到自然探索、生物检测以及医疗诊断等各个研究领域。而面对复合波长情况下的应用场合，色差也是需要考虑的重要因素，它表现为不同波长的光透过棱镜时折射率大相径庭，导致不同颜色的光束沿着各异的方向传播，通过光学系统后并非汇聚到一点而是形成弥散斑，最终无法真实地反映物体的形状，导致成像质量的下降，这极大地限制了偏振成像的应用范围，因此消除偏振成像系统中的色差尤为重要。

目前实现偏振消色差成像的常用方法大多是通过组合例如透镜、检偏器等传统光学元件，通过设计复杂的光路最终构建所需的光学系统，但是这种以传统光学元件为主的光学系统体积较大、灵活度较低，同时面临着价格昂贵的问题，随着以光学镜头、显示设备等元件为核心的各类电子产品与光学设备呈现微型化与集成化的发展趋势，传统的光学系统很难满足应用需求，因此亟待开发出新一类轻薄的光学元件实现特定功能。

近年来超构表面作为一种二维新型光学元件被提出并实现了实现了很多重大突破，它是由众多亚波长单元周期排列组成的二维平面结构，通过设计亚波长单元的尺寸、位置与排列等参数可以在一定范围内实现对电磁波振幅、相位和偏振等特性的任意调控，具有很好的设计自由度，并且结合前沿的微纳加工技术便于实现量产，因此有望采用超构表面代替传统光学系统以实现轻量化、微型化与经济化的设计目标，最终建立一套完整的偏振消色差光学成像系统。

现有技术设计了一种消色差叠层超构透镜，该透镜由3层紧密排列的金属超构表面组成，每个超构表面的材料分别为金、银和铝，对应的波长分别为650、550和450纳米，通过设计每层超构表面的光学响应可以在一定范围内提高聚焦效率，优化层与层的间距可以获得极小的串扰，获得类似于菲涅尔波带片的效果，最终实现离散波长下的消色差功能。由于金属材料固有欧姆损耗的限制，这种基于表面等离激元的超构表面透镜的效率不高，很难应用在实际场合，其次多层表面的耦合在增大了设备体积的同时也存在着对准精度的问题，同时该方案只能实现几个离散波长情况下的消色差功能，与实际复色光情况相悖。

现有技术设计了一种单层偏振无关消色差超构透镜，该方案使用TiO₂作为材料实现470-670纳米范围内针对圆偏振光的消色差功能，效率约为20％，数值孔径约为0.02，具有优秀的消色差带宽，实现了理想的消色差效果。该方案采用几何相位作为设计手段，其中存在着从一种圆偏振态到另一种圆偏振态的转换效率问题，导致针对线偏振光时成像效率更低，限制了其应用范围。

现有方案采用金属材料欧姆损耗大，透镜效率低；针对几个离散波长的消色差设计方案无法满足实际需求；现有的偏振设计局限于单圆偏振、单线偏振或偏振无关的情况，偏振成像自由度不高。

发明内容