一种连续变焦透镜及光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种连续变焦透镜及光学系统，涉及微纳光学技术领域。连续变焦透镜包括两块并列的相位板，其中心纵轴为连续变焦透镜的光轴，每块相位板均包括透明基底和排列在透明基底上的纳米单元阵列，两块相位板的纳米单元阵列相对，用于改变入射圆偏振光的位相；连续变焦透镜的传输函数T为：T＝T1·T2＝exp[iaθr

A Continuous Zoom Lens and Optical System

The invention discloses a continuous zoom lens and an optical system, which relates to the technical field of micro- and nano-optics. The continuous zoom lens consists of two parallel phase plates, the central longitudinal axis of which is the optical axis of the continuous zoom lens. Each phase plate consists of a transparent substrate and a nano-cell array arranged on the transparent substrate. The two phase plates are relative to each other and are used to change the phase of the incident circularly polarized light. The transmission function of the continuous zoom lens is T=T1.T2=exp[iatheta r].

【技术实现步骤摘要】
一种连续变焦透镜及光学系统
本专利技术涉及微纳光学
，具体是涉及一种连续变焦透镜及光学系统。
技术介绍
很多光学仪器都要求其光学系统的放大倍率能够变化，使得使用同一光学仪器既可以观察到低倍率的大视场，又可以观察到高倍率的小视场。更换光学系统的镜头或者多档变焦的方法会使成像大小突然变化，而为了使成像大小连续变化只能使用连续变焦的光学系统。传统的光学系统通常使用凸轮、非线性螺纹等机械装置来改变透镜组间的相对位置，从而实现变焦。但是，这种光学系统需要精密的机械结构配合实现透镜组的移动，因此不仅造成光学系统设计和制造成本增加，而且光学系统的体积和重量都较大，繁重的透镜组和机械传动装置容易受到外力而损伤，造成故障且响应时间较长，给实际应用带来诸多不便。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种连续变焦透镜及光学系统，只需要使至少一个相位板绕光轴转动以改变两块相位板的相对旋转角度，就可以实现连续变焦。本专利技术提供一种连续变焦透镜，其包括：两块并列的相位板，其中心纵轴为所述连续变焦透镜的光轴，每块相位板均包括透明基底和排列在透明基底上的纳米单元阵列，纳米单元阵列包括多个纳米单元，两块相位板的纳米单元阵列相对，用于改变入射圆偏振光的位相；所述连续变焦透镜的传输函数T为：T＝T1·T2＝exp[iaθr2]，焦距f为：其中，T1和T2分别为两块所述相位板的传输函数，a为常数系数，λ为入射圆偏振光的波长，θ为两块所述相位板绕所述连续变焦透镜的光轴的相对旋转角度，-π≤θ≤π。在上述技术方案的基础上，两块所述相位板的传输函数T1和T2互为复共轭函数，其中，为每块所述相位板的相位函数，以所述相位板的中心为原点建立极坐标系，r为所述纳米单元到所述相位板的中心的距离，为r位置的极角，两块所述相位板的中心均位于所述连续变焦透镜的光轴上；当θ＝0时，两块所述相位板上所述纳米单元的结构参数相同，且所述纳米单元阵列相对于两块所述相位板之间的中间平面镜像对称。在上述技术方案的基础上，所述透明基底划分为多个单元结构，每个单元结构的工作面为边长为C的正方形，正方形的两条直角边分别平行于所述连续变焦透镜的x轴和y轴，x轴、y轴和所述连续变焦透镜的光轴z构成三维坐标系；每个工作面上均设有一个所述纳米单元，所述纳米单元为电介质纳米砖，电介质纳米砖的长L、宽W和高H均为亚波长级，是根据选定的所述入射圆偏振光的波长，通过电磁仿真法对所述入射圆偏振光的交叉偏振透过率进行优化得到的，φ为电介质纳米砖的长边相对于x轴的转角，在上述技术方案的基础上，rmax为所述连续变焦透镜的半径。在上述技术方案的基础上，两块所述相位板之间的间隙d为：LTalbot为泰伯距离，在上述技术方案的基础上，当λ＝633nm时，C＝300nm，L＝140nm，W＝70nm，H＝350nm。在上述技术方案的基础上，所述透明基底为熔融石英，所述纳米单元为无定型薄膜材料。在上述技术方案的基础上，所述入射圆偏振光为左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光。在上述技术方案的基础上，当所述入射圆偏振光的旋向相反时，所述连续变焦透镜的焦距f的符号相反。本专利技术还提供一种光学系统，其包括上述的连续变焦透镜。与现有技术相比，本专利技术实施例通过连续变焦透镜的两块并列的相位板，其中心纵轴为连续变焦透镜的光轴，每块相位板均包括透明基底和排列在透明基底上的纳米单元阵列，两块相位板的纳米单元阵列相对，用于改变入射圆偏振光的位相；连续变焦透镜的传输函数T为：T＝T1·T2＝exp[iaθr2]，焦距f为：其中，T1和T2分别为两块相位板的传输函数，a为常数系数，λ为入射圆偏振光的波长，θ为两块相位板绕连续变焦透镜的光轴的相对旋转角度，-π≤θ≤π。只需要使至少一个相位板绕光轴转动以改变两块相位板的相对旋转角度，就可以实现连续变焦。附图说明图1是本专利技术实施例左旋圆偏振光入射的连续变焦透镜示意图；图2是本专利技术实施例中单元结构的侧视图；图3是本专利技术实施例中单元结构的俯视图；图4是本专利技术实施例连续变焦透镜的极坐标和xoy坐标示意图；图5为本专利技术实施例连续变焦透镜相对旋转角度为-75°的示意图；图6为本专利技术实施例连续变焦透镜相对旋转角度为-45°的示意图；图7为本专利技术实施例连续变焦透镜相对旋转角度为-30°的示意图；图8为本专利技术实施例中连续变焦透镜相对旋转角度为-75°时电场强度图；图9为本专利技术实施例中连续变焦透镜相对旋转角度为-45°时的电场强度图；图10为本专利技术实施例中连续变焦透镜相对旋转角度为-30°时的电场强度图；图11是以右旋圆偏振光入射图2中的连续变焦透镜的示意图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步的详细描述。本专利技术实施例提供一种连续变焦透镜，连续变焦透镜包括两块并列的相位板，两块相位板的中心纵轴为连续变焦透镜的光轴，每块相位板均包括透明基底和排列在透明基底上的纳米单元阵列，纳米单元阵列包括多个纳米单元，两块相位板的纳米单元阵列相对，用于改变入射圆偏振光的位相。每块相位板都以超表面材料(metamaterials)为基础，超表面的表面结构的尺寸低于入射光的波长，表面结构在衬底的(理想情况下平坦的)表面上形成，通常使用光刻和蚀刻工艺来制造。超表面通过改变入射到其上的光的相位对光场进行调控，因此，利用超表面构造透镜，通过超表面的相位调控可以在透镜的像方区域中构造新的波前。更具体而言，参见图1所示，每块相位板包括透明基底和排列在透明基底上的多个纳米单元，其中，纳米单元按行列排列组合形成纳米单元阵列，且两块相位板的纳米单元阵列相对。每块相位板均有设计好的相位分布，通过超表面的相位调控可以在透镜的像方区域中构造新的波前。每块相位板均构造为圆形超材料器件，两块并列的相位板具有透镜的性质，两块相位板的中心纵轴为连续变焦透镜的光轴。为了便于说明，在图1中将两块相位板分为相位板1和相位板2，透明基底具有工作面和底面，纳米单元阵列刻蚀于工作面上。入射圆偏振光从相位板1的透明基底的底面入射，经纳米单元阵列透射，然后入射到相位板2的纳米单元阵列，从透明基底的底面出射。例如，正入射圆偏振光为平面波，相位板1和相位板2使入射圆偏振光的相位改变，当焦距为正时，将入射光汇聚在连续变焦透镜的焦平面上。连续变焦透镜的传输函数T为：T＝T1·T2＝exp[iaθr2](1)，焦距f为：其中，T1和T2分别为两块相位板的传输函数，a为常数系数，λ为入射圆偏振光的波长，θ为两块相位板绕连续变焦透镜的光轴的相对旋转角度，-π≤θ≤π。在图1中，两块相位板的相对旋转角度θ可以通过固定相位板1，并旋转相位板2实现。在其他实施方式中，还可以通过固定相位板2，并旋转相位板1实现；或者，同时旋转两相位板实现，不作限定。传输函数表明透镜的入射光与透射光之间的关系，换而言之，在本实施例中，该传输函数表示连续变焦透镜对入射圆偏振光的操作。入射圆偏振光为左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光。例如，对于焦距为f的透镜，其传输函数可写作：其中，r为到透镜中心的距离。根据公式(1)和公式(3)，可得到公式(2)，即一个理想透镜的焦距为：本实施例连续变焦透镜基于超表面，仅需两块相位板相对转动就可实现连续变焦功能。无需精密的机械结构配合，避免由于外力损伤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种连续变焦透镜，其特征在于，其包括：两块并列的相位板，其中心纵轴为所述连续变焦透镜的光轴，每块相位板均包括透明基底和排列在透明基底上的纳米单元阵列，纳米单元阵列包括多个纳米单元，两块相位板的纳米单元阵列相对，用于改变入射圆偏振光的位相；所述连续变焦透镜的传输函数T为：T＝T1·T2＝exp[iaθr

【技术特征摘要】
1.一种连续变焦透镜，其特征在于，其包括：两块并列的相位板，其中心纵轴为所述连续变焦透镜的光轴，每块相位板均包括透明基底和排列在透明基底上的纳米单元阵列，纳米单元阵列包括多个纳米单元，两块相位板的纳米单元阵列相对，用于改变入射圆偏振光的位相；所述连续变焦透镜的传输函数T为：T＝T1·T2＝exp[iaθr2]，焦距f为：其中，T1和T2分别为两块所述相位板的传输函数，a为常数系数，λ为入射圆偏振光的波长，θ为两块所述相位板绕所述连续变焦透镜的光轴的相对旋转角度，-π≤θ≤π。2.如权利要求1所述的连续变焦透镜，其特征在于：两块所述相位板的传输函数T1和T2互为复共轭函数，其中，为每块所述相位板的相位函数，以所述相位板的中心为原点建立极坐标系，r为所述纳米单元到所述相位板中心的距离，为r位置的极角，两块所述相位板的中心均位于所述连续变焦透镜的光轴上；当θ＝0时，两块所述相位板上所述纳米单元的结构参数相同，且所述纳米单元阵列相对于两块所述相位板之间的中间平面镜像对称。3.如权利要求2所述的连续变焦透镜，其特征在于：所述透明基底划分为多个单元结构，每个单元结构的工作面为边长为C的正方形，正方形的两条直角边分别平行于所述连续...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑国兴，崔圆，陶金，武霖，刘子晨，肖希，余少华，
申请(专利权)人：武汉邮电科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42