一种基于归一化频谱压缩的长焦深聚焦透镜及设计方法技术

一种基于归一化频谱压缩的长焦深聚焦透镜，其是通过对聚焦器件的傅里叶频谱相对于空间截止频率的压缩，来实现超长焦深的聚焦焦斑。透镜具有圆环形金属‑介质结构，通过求取辅助设计波长和辅助设计焦距，对透镜的振幅分布和相位分布进行优化，实现超长焦深的超衍射聚焦，在焦深大于100倍波长的范围内实现焦斑的横向尺寸小于衍射极限。本发明专利技术极大地降低了超长焦深超衍射透镜的设计复杂度和计算量，解决常规透镜设计方法难以实现超长焦深超衍射焦斑的难题。这种聚焦透镜在粒子操控、超分辨光学显微、高密度数据存储等方面应用前景。本发明专利技术还可以拓展到电磁波的其他波段，不仅限于光学波段，因此，可以广泛应用在电磁波功能器件的设计和实现上。

A long focal deep focus lens based on normalized spectrum compression and its design method

A focal length lens based on normalized spectral compression is realized by focusing the Fourier spectrum of the focusing device with the compression of the spatial cut-off frequency to achieve the focus of long focal depth. The lens has ring metal dielectric structure, through calculating the wavelength aided design and computer aided design focus, optimize the amplitude and phase distribution of the diffraction lens, super focusing long focal depth, the focal spot horizontal scale is less than the diffraction limit in the range of focal depth is 100 times larger than the wavelength in the. The invention greatly reduces the design complexity and computation amount of the super long Jiao Shenchao diffraction lens, and solves the difficult problem of the conventional lens design method for realizing the ultra long Jiao Shenchao diffraction focal spot. The focusing lens can be used in the field of particle manipulation, super-resolution optical microscopy and high density data storage. The invention can also extend to other wavelengths of electromagnetic waves, and is not only limited to optical wavebands, so it can be widely applied to the design and implementation of electromagnetic wave function devices.

【技术实现步骤摘要】
一种基于归一化频谱压缩的长焦深聚焦透镜及设计方法
本专利技术属于光聚焦、光成像、光场调控领域，特别是涉及超长焦深超衍射聚焦透镜。
技术介绍
对于常规的超衍射透镜而言，通常难以实现100λ焦深的超衍射实心焦斑或超衍射空心焦斑，这种超长的超衍射实心焦斑或超衍射空心焦斑在超分辨光学显微、粒子操控、高密度数据存储、超分辨光刻等方面有着重要的应用价值。同时，传统的长焦深超衍射实心焦斑或超衍射空心焦斑透镜设计的计算量极大，其通常是对沿光传播光轴上，给定的焦深范围内取N个点(N为整数)，对每个点进行优化设计，其计算量随焦深增加呈线性增长(相当于进行N个透镜的优化设计)，难以根据目标参数(工作波长λ、透镜半径R、透镜焦距f、透镜焦深DOF、焦斑尺寸FWHM)，实现大于20λ焦深的超衍射焦斑(或超衍射空心焦斑)的超衍射透镜设计。(1)采用粒子群优化算法，沿光轴对焦深进行逐点设计的长焦深超衍射器件报道，焦深均小于20λ，以及相关设计方法：相关文献如：YuAnping,ChenGang,ZhangZhihai,WenZhongquan,DaiLuru,ZhangKun,JiangSenlin,WuZhix本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于归一化频谱压缩的长焦深聚焦透镜设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)设定目标参数：工作波长λ、透镜半径R、透镜焦距f、透镜焦深DOF、焦斑尺寸半高全宽FWHM，FWHM小于衍射极限0.5λ/NA，其中实心焦斑对应的为峰值半高全宽，空心焦斑对应的为空心环内径的半高全宽；设定设计变量，包括辅助设计波长λ0、辅助设计焦距f0；(2)利用目标参数，根据公式(1)、公式(2)、公式(3)，在透镜半径范围内0<r<R，通过扫描方式，改变f0和λ0，使得F(λ)＝f，且F(R)＝f+DOF，求解辅助设计波长λ0、辅助设计焦距f0

【技术特征摘要】
1.一种基于归一化频谱压缩的长焦深聚焦透镜设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)设定目标参数：工作波长λ、透镜半径R、透镜焦距f、透镜焦深DOF、焦斑尺寸半高全宽FWHM，FWHM小于衍射极限0.5λ/NA，其中实心焦斑对应的为峰值半高全宽，空心焦斑对应的为空心环内径的半高全宽；设定设计变量，包括辅助设计波长λ0、辅助设计焦距f0；(2)利用目标参数，根据公式(1)、公式(2)、公式(3)，在透镜半径范围内0&lt;r&lt;R，通过扫描方式，改变f0和λ0，使得F(λ)＝f，且F(R)＝f+DOF，求解辅助设计波长λ0、辅助设计焦距f0d(r)＝λ0/sinθ′(r),(2)θ′(r)＝atan(r/f0).(3)其中，r为极坐标中的径向坐标，d为等效局域光栅，λ为工作波长；(3)根据已获得的辅助设计波长λ0、辅助设计焦距f0，采用最优化算法，对于入射波长为λ0、半径为R、焦距为f0的透镜的振幅分布A(ri)和相位分布ψ(ri)进行优化，使得透镜在辅助设计波长λ0作为入射波长时，汇聚成实心焦斑或空心焦斑；通过采用小于辅助设计波长λ0的工作波长λ入射时，实现对透镜透射函数傅里叶频谱相对于光场远场传播截止频率1/λ的压缩，透镜在工作波长λ下，能量沿传播光轴重新分布，形成超长焦深的实心焦斑或空心焦斑，且焦斑尺寸为FWHM；(4)根据优化后的振幅分布A(ri)和相位分布ψ(ri)，依据透镜的介质圆环和金属圆环的厚度确定方法，针对工作波长λ，求解出各介质圆环和金属圆环的厚度，从而完成工作波长为λ、焦距为f、焦深为DOF的超长焦深聚焦透镜设计。2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，获得的聚焦透镜的焦深大于100λ。3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述最优化算法可选择粒子群算法、基因算法、退火算法等。4.一种采用权利要求1-3所述方法设计的长焦深聚焦透镜，包括基底(1)、介质圆环结构单元(2)、金属圆环结构单元(3)；其特征在于：所述基底(1)是厚度为h的介质材料，对入射光波长λ透明，上下表面平行；所述介质圆环结构单元(2)是位于基底上的中心半径为ri、宽度为w、厚度为t的圆环形介质结构，对入射光波长λ透明，其中i表示从中心向外第i个同心环；介质圆环结构单元(2)在基底上同心分布N个，对于给定的入射光波长λ，通过不同的介质圆环厚度t来获得不同的出射光相位其中，可以有一个介质圆环的厚度t为0，即在基底此位置不设置介质圆环结构单元(2)；所述金属圆环结构单元(3)是位于介质圆环结构单元上方并紧贴介质圆环、中心半径为ri、宽度为w、厚度为δ的金属膜；对于给定的入射光波长λ，金属膜不透光，其对入射光的振幅透射率为a(δ)，通过在不同的介质圆环结构单元上设置厚度为Δ的金属膜和不设置金属膜，分别实现入射光透射率为0和1两种情形；两个紧贴的介质圆环结构单元(2)和金属圆环结构单元(3)构成一个介质-金属圆环单元结构，N个同心的介质-金属圆环单元结构构成同心圆环结构阵列，其中N为整数，第i...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈刚，温中泉，武志翔，张硕，张智海，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50