本發(fā)明涉及超構(gòu)透鏡，尤其是基于長(zhǎng)焦深光束的消色差超構(gòu)透鏡及成像方法。
背景技術(shù)：
1、透鏡的色差導(dǎo)致不同波長(zhǎng)的光不能聚焦在同一平面上，造成圖像模糊和色彩失真。在寬頻帶上校正色差是實(shí)現(xiàn)全彩成像的必要條件。然而，傳統(tǒng)的折射消色差元件(例如，膠合透鏡)通常體積大，成本高，并且難以高精度制造。超構(gòu)透鏡是由亞波長(zhǎng)單位結(jié)構(gòu)組成的新型衍射透鏡，其厚度在光學(xué)波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)上，具有輕、薄的優(yōu)點(diǎn)。它們提供更精確和高效的波前控制，為緊湊和輕便的消色差光學(xué)元件提供了解決方案。
2、但是目前的消色差超構(gòu)透鏡通常尺寸都很小，口徑在幾十-幾百微米，并且用來(lái)實(shí)現(xiàn)消色差功能的超構(gòu)單元結(jié)構(gòu)本身的色散調(diào)控能力不足，從原理上不具備構(gòu)建大口徑高效率消色差的能力，因此，現(xiàn)有的超構(gòu)透鏡消色差能力不足以用于全彩成像應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種基于長(zhǎng)焦深光束的消色差超構(gòu)透鏡及成像方法，解決現(xiàn)有消色差超構(gòu)透鏡色散調(diào)控能力差、圖形模糊、不適用于全彩遠(yuǎn)場(chǎng)成像的問(wèn)題。
2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的消色差的超構(gòu)透鏡，所述超構(gòu)透鏡為偏振復(fù)用的超構(gòu)透鏡，通過(guò)切換入射光的偏振狀態(tài)在相同焦平面的同一位置產(chǎn)生零階貝塞爾光束和高階貝塞爾光束的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；
3、所述零階貝塞爾光束的相位為：
4、所述高階貝塞爾光束的相位為：
5、其中x和y為平面內(nèi)坐標(biāo)，na為數(shù)值孔徑，λ為中心波長(zhǎng)；為產(chǎn)生高階貝塞爾光束的環(huán)形主瓣的螺旋相位項(xiàng)，為方位角，n(n≥1)為高階貝塞爾光束的階數(shù)。
6、進(jìn)一步地，采用幾何相位和傳播相位聯(lián)合調(diào)控或偏振敏感的傳播相位的方法設(shè)計(jì)偏振復(fù)用的超構(gòu)透鏡。
7、進(jìn)一步地，所述偏振復(fù)用的超構(gòu)透鏡選擇任意兩個(gè)可獨(dú)立調(diào)控的偏振通道。例如選擇正交圓偏振、正交線偏振或同偏振作為兩個(gè)偏振通道。
8、進(jìn)一步地，所述零階貝塞爾光束和高階貝塞爾光束的側(cè)瓣重合。
9、本發(fā)明所述的基于長(zhǎng)焦深光束的成像方法，包括如下步驟：
10、入射光照射待測(cè)物體后射入超構(gòu)透鏡，通過(guò)切換入射光的偏振狀態(tài)，得到零階貝塞爾光束成像的零階圖像和高階貝塞爾光束成像的高階圖像；
11、用零階圖像減去高階圖像，得到待測(cè)物體的消色差圖像。
12、進(jìn)一步地，所述待測(cè)物體為彩色物體。
13、進(jìn)一步地，所述入射光為非相干光。
14、本發(fā)明所述的另一種基于長(zhǎng)焦深光束的成像方法，包括如下步驟：
15、入射光照射待測(cè)物體后射入第一超構(gòu)透鏡，得到零階貝塞爾光束成像的零階圖像；記錄第一超構(gòu)透鏡的位置坐標(biāo)，切換第二超構(gòu)透鏡到相同的位置；入射光照射待測(cè)物體后射入第二超構(gòu)透鏡，得到高階貝塞爾光束成像的高階圖像；用零階圖像減去高階圖像，得到待測(cè)物體的消色差圖像；
16、所述第一超構(gòu)透鏡的相位為：
17、所述第二超構(gòu)透鏡的相位為：
18、其中x和y為平面內(nèi)坐標(biāo)，na為數(shù)值孔徑，λ為中心波長(zhǎng)；為產(chǎn)生高階貝塞爾光束的環(huán)形主瓣的螺旋相位項(xiàng)，為方位角，n(n≥1)為高階貝塞爾光束的階數(shù)。
19、進(jìn)一步地，所述第一超構(gòu)透鏡和第二超構(gòu)透鏡由幾何相位或傳播相位進(jìn)行調(diào)控，其中基于幾何相位的第一超構(gòu)透鏡中超構(gòu)原子的旋轉(zhuǎn)角度滿足：基于幾何相位第二超構(gòu)透鏡中超構(gòu)原子的旋轉(zhuǎn)角度滿足：
20、進(jìn)一步地，所述待測(cè)物體為彩色物體；所述入射光為非相干光。
21、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)本發(fā)明通過(guò)長(zhǎng)焦深的貝塞爾光束，實(shí)現(xiàn)了可見光波段的消色差成像，其成像原理不同于傳統(tǒng)消色差超構(gòu)透鏡基于單元色散的調(diào)控，而是通過(guò)錐型相位來(lái)獲得大聚焦景深，然后利用寬波段內(nèi)焦深重疊區(qū)域來(lái)獲得寬帶成像，解決了傳統(tǒng)聚焦超構(gòu)透鏡由于衍射效應(yīng)帶來(lái)的色差問(wèn)題；同時(shí)本發(fā)明透鏡尺寸不受限制，面積可以達(dá)到厘米級(jí)別以上。(2)本發(fā)明針對(duì)長(zhǎng)焦深相位側(cè)瓣的影響，將零階和高階貝塞爾相位所構(gòu)成的透鏡用于圖像減法，有效消除側(cè)瓣帶來(lái)的圖像模糊，顯著提高了成像的清晰度和對(duì)比度。
1.一種基于長(zhǎng)焦深光束的消色差超構(gòu)透鏡，其特征在于，所述超構(gòu)透鏡為偏振復(fù)用的超構(gòu)透鏡，通過(guò)切換入射光的偏振狀態(tài)在焦平面同一位置產(chǎn)生零階貝塞爾光束和高階貝塞爾光束的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于長(zhǎng)焦深光束的消色差超構(gòu)透鏡，其特征在于，采用幾何相位和傳播相位聯(lián)合調(diào)控或偏振敏感的傳播相位的方法設(shè)計(jì)偏振復(fù)用的超構(gòu)透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于長(zhǎng)焦深光束的消色差超構(gòu)透鏡，其特征在于，所述超構(gòu)透鏡選擇任意兩個(gè)可獨(dú)立調(diào)控的偏振通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于長(zhǎng)焦深光束的消色差超構(gòu)透鏡，其特征在于，所述零階貝塞爾光束和高階貝塞爾光束的側(cè)瓣重合。
5.一種基于權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述超構(gòu)透鏡的基于長(zhǎng)焦深光束的成像方法，其特征在于，包括如下步驟：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的成像方法，其特征在于，所述待測(cè)物體為彩色物體。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的成像方法，其特征在于，所述入射光為非相干光。
8.一種基于長(zhǎng)焦深光束的成像方法，其特征在于，包括如下步驟：
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的成像方法，其特征在于，所述第一超構(gòu)透鏡和第二超構(gòu)透鏡由偏振敏感的幾何相位或偏振不敏感的傳播相位進(jìn)行調(diào)控，其中基于幾何相位的第一超構(gòu)透鏡中超構(gòu)原子的旋轉(zhuǎn)角度滿足：基于幾何相位的第二超構(gòu)透鏡中超構(gòu)原子的旋轉(zhuǎn)角度滿足：
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的成像方法，其特征在于，所述待測(cè)物體為彩色物體；所述入射光為非相干光。