一种基于超表面的偏振成像透镜、设计方法及检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于超表面的偏振成像透镜、设计方法及检测系统，属于偏振成像与偏振探测领域。通过将纳米柱阵列分为三组，每组对应x/y，45

【技术实现步骤摘要】
一种基于超表面的偏振成像透镜、设计方法及检测系统


[0001]本专利技术属于偏振成像与偏振探测领域，更具体地，涉及一种基于超表面的偏振成像透镜、设计方法及检测系统。

技术介绍

[0002]独立于光的强度、相位和频率，偏振描述了光的振动方向。由于物体的各向异性，光与物质发生相互作用后，散射光为部分偏振光，通过探测散射光的偏振态就能得到物体与偏振相关的特征信息，如物体表面的纹理、形貌等。因此，偏振的探测以及偏振成像在生物医学、军事、矿物探测、航天遥感等诸多领域有着极为广泛的应用。
[0003]光的偏振可以使用斯托克斯参量来描述，即：因此任何偏振探测和成像的方法都必须获取光的四个斯托克斯参量，以完成对入射光偏振信息的探测。然而，传统的相机仅能感知光的强度，无法采集入射光的偏振信息，因此开发新型偏振成像器件实现对物体偏振信息的记录具有重要意义。
[0004]目前对偏振探测和成像的方法主要分为三种：将光束分开并通过不同的偏振元件，提取不同的偏振信息的分振幅偏振探测系统，该系统光路复杂，并且多路的探测器数据处理使得数据处理的准确性和实时性受到影响；或者在探测器不同的像元前添加不同的偏振元件，过滤出不同偏振态分量的分焦面偏振探测系统，该系统在一定程度上压缩了光路的体积，然而其效率和分辨率会下降；或者是以一定时间间隔调整放置在探测器前的偏振元件以获得物体偏振信息的分时偏振探测系统，该系统虽然解决了以上两种方法的问题，但是无法做到实时探测偏振信息，严重限制了其使用场景。更重要的是，现有技术中的对偏振探测和成像的方法均不能实现实时的高分辨率偏振探测和成像。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于超表面的偏振成像透镜、设计方法及检测系统，其目的在于同时实现高分辨率、实时、紧凑的偏振探测和成像。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于超表面的偏振成像透镜设计方法，所述偏振成像透镜包括衬底及设置在衬底上的纳米柱阵列，所述方法包括：
[0007]将所述纳米柱阵列分三组纳米柱单元，所述三组纳米柱单元中的纳米柱高度相等，且周期性的交替间隔分布；
[0008]所述三组纳米柱单元为三对正交的偏振态提供离轴聚焦相位，所述三对正交的偏振态包括x/y，45
°
/
‑
45
°
以及左/右旋圆偏振分量；
[0009]基于所述离轴聚焦相位与纳米柱沿长度和宽度方向的透射相位满足的关系，计算每组纳米柱单元沿长度和宽度方向的透射相位；
[0010]以缩小所述透射相位与纳米柱单元库中的纳米柱相位之间的差异为目标，以所述三组纳米柱单元的旋转角为约束，采用优化算法，得到每组纳米柱单元中纳米柱的长度和宽度；
[0011]其中，所述三组纳米柱单元满足：经过物体的散射光入射至所述三组纳米柱单元，在相应的离轴聚焦相位作用下，所述三对正交的偏振态的分量分别同时在同一像面的不同位置处成像，形成六个带有不同偏振态的像。
[0012]进一步地，所述三组纳米柱单元的旋转角分别满足：α1＝0
°
，α2＝45
°
，0
°
≤α3≤180
°
，且其中，α1、α2、α3分别表示三组纳米柱单元中的旋转角，分别表示第三组纳米柱单元提供的正交圆偏振态的离轴聚焦相位。
[0013]进一步地，所述三组纳米柱单元的离轴聚焦相位分布为：
[0014][0015][0016][0017]其中，分别表示x、y、45
°
、
‑
45
°
、左旋、右旋圆偏振态的离轴聚焦相位，f为所述偏振成像透镜的焦距，λ为工作波长，(x,y)表示纳米柱的中心坐标，(x1，y1)、(x2，y2)、
……
(x6，y6)分别表示六个带有不同偏振态的像中心坐标。
[0018]进一步地，所述三组纳米柱单元还满足，以所述六个带有不同偏振态的像中心为顶点围成正六边形。
[0019]进一步地，所述离轴聚焦相位与纳米柱沿长度和宽度方向的透射相位满足关系：
[0020][0021][0022][0023]其中，分别表示纳米柱沿长度和宽度方向的透射相位，分别表示纳米柱沿长度和宽度方向的透射相位，分别表示x、y、45
°
、
‑
45
°
、左旋、右旋圆偏振态的离轴聚焦相位。
[0024]进一步地，所述纳米柱单元库中的构建包括：
[0025]使所述纳米柱阵列中纳米柱的旋转角为0
°
，入射单频光，改变所述纳米柱的长度和宽度，使x和y偏振光的相位突变覆盖0～360
°
。
[0026]进一步地，所述周期性的交替间隔分布包括：横向、纵向、45
°
斜向及
‑
45
°
斜向周期性的交替间隔分布。
[0027]按照本专利技术的第二个方面，提供了一种基于超表面的偏振成像透镜，其特征在于，所述偏振成像透镜根据第一方面任意一项所述的设计方法得到。
[0028]按照本专利技术的第三个方面，提供了一种基于超表面的偏振检测系统，包括偏振成像透镜阵列及面阵相机，所述面阵相机的靶面位于所述偏振成像透镜阵列的焦面或与焦面共轭的平面上，所述偏振成像透镜阵列包括多个如第二方面所述的偏振成像透镜。
[0029]进一步地，所述偏振成像透镜阵列为四角点阵，且所述四角点阵的周期与每个所述偏振成像透镜的边长相等。
[0030]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0031](1)本专利技术通过将纳米柱阵列分为三组，三组纳米柱单元之间的纳米柱周期性的交替间隔分布，基于相应的离轴聚焦相位，以缩小透射相位与纳米柱单元库中的纳米柱相位之间的差异为目标，以三组纳米柱单元的旋转角为约束条件，采用优化算法得到设计好的三组纳米柱单元，使得经过物体的散射光入射至三组纳米柱单元时，每组对应x/y，45
°
/
‑
45
°
以及左/右旋圆偏振分量，并且同时在同一像面的不同位置处呈现出这六种不同状态对应的像。即本专利技术实现了对物体的实时偏振成像；同时，由于三组纳米柱单元之间采用的是周期性的交替间隔分布，六个带有不同偏振态的像的半高全宽基本一致，接近衍射极限，因而，本专利技术设计的透镜可以将物体不同偏振态的散射光进行分离，同时具有实时、高分辨偏振成像的特点。
[0032](2)本专利技术的三组纳米柱单元之间的这种周期性的交替间隔分布，使得本专利技术的透镜在针对不同位置处的物体成像时，成的六个像引入的像差基本一致。
[0033](3)本专利技术的偏振成像透镜，由于超表面具有小型化、集成程度高的特点，结合本专利技术的纳米柱单元之间的这种周期性的交替间隔分布的方式，能够更有效的利用超表面的空间面积，在同等条件下，设计的透镜尺寸更小，易于集成。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面的偏振成像透镜设计方法，所述偏振成像透镜包括衬底及设置在衬底上的纳米柱阵列，其特征在于，所述方法包括：将所述纳米柱阵列分三组纳米柱单元，所述三组纳米柱单元中的纳米柱高度相等，且周期性的交替间隔分布；所述三组纳米柱单元为三对正交的偏振态提供离轴聚焦相位，所述三对正交的偏振态包括x/y，45
°
/
‑
45
°
以及左/右旋圆偏振分量；基于所述离轴聚焦相位与纳米柱沿长度和宽度方向的透射相位满足的关系，计算每组纳米柱单元沿长度和宽度方向的透射相位；以缩小所述透射相位与纳米柱单元库中的纳米柱相位之间的差异为目标，以所述三组纳米柱单元的旋转角为约束，采用优化算法，得到每组纳米柱单元中纳米柱的长度和宽度；其中，所述三组纳米柱单元满足：经过物体的散射光入射至所述三组纳米柱单元，在相应的离轴聚焦相位作用下，所述三对正交的偏振态的分量分别同时在同一像面的不同位置处成像，形成六个带有不同偏振态的像。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三组纳米柱单元的旋转角分别满足：α1＝0
°
，α2＝45
°
，0
°
≤α3≤180
°
，且其中，α1、α2、α3分别表示三组纳米柱单元中的旋转角，分别表示第三组纳米柱单元提供的正交圆偏振态的离轴聚焦相位。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述三组纳米柱单元的离轴聚焦相位分布为：为：其中，分别表示x、y、45
°
、
‑
45
°
、左旋、右旋圆偏振态的离轴聚焦相位，f为所述偏振成像透镜的焦距，λ为工作波长，(x,y)表示纳米柱的中心坐标，(x1，y1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈林，黄昭锐，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：