一种具有角放大功能的超分辨成像透镜制造技术

本发明专利技术提供一种具有角放大功能的超分辨成像透镜，包括透明介质透镜基底以及其两面形成的前透镜面和后透镜面。透镜基底厚度为t

【技术实现步骤摘要】
一种具有角放大功能的超分辨成像透镜


[0001]本专利技术属于微纳光学、光学聚焦、衍射光学和成像光学等领域，具体涉及超分辨成像透镜。

技术介绍

[0002]对于传统光学透镜，当透镜半径为R、焦距为f时，其角分辨率理论极限为Δθ
min
=0.61λ/(NA
×
ftan(θ))，其中λ为波长、NA=nsin(atan(R
r
/f))为透镜的数值孔径、f为透镜焦距、tan()为反正切函数、sin()为正弦函数、n为出射介质折射率。当NA较小，同时θ较小时，该角分辨率的理论极限可以简化为Δθ
min
=1.22λ/D，其中D为透镜直径。
[0003]目前尚未有具有角度放大功能的超分辨成像透镜的相关报道。
[0004]目前的超分辨透镜，是通过聚焦光斑尺寸小于0.61λ/NA来实现分辨率的提升，然而，均不具备角放大功能，且存在较大的旁瓣，极大地限制了成像质量、成像效率和视场范围。
[0005]相关文献有：lZ.Li,C.Wang,Y.Wang,X.Lu,Y.Guo,XLi,X.Ma,M.Pu,X.G.Luo,“Super
‑
oscillatorymetasurfacedoubletforsub
‑
diffractionfocusingwithalargeincidentangle,”OpticsExpress29(7),9991
‑
9999(2021).lYuAnping,ChenGang,ZhangZhihai,WenZhongquan,DaiLuru,ZhangKun,JiangSenlin,WuZhixiang,YuyanLi,ChangtaoWangandXiangangLuo,“CreationofSub
‑
diffractionLongitudinallyPolarizedSpotbyFocusingRadiallyPolarizedLightwithBinaryPhaseLens”,ScientificReports,Vol.6,pp38859(2016）lE.T.Rogers,S.Savo,J.Lindberg,T.Roy,M.R.Dennis,N.I.Zheludev,“Superoscillatoryopticalneedle”.Appl.Phys.Lett.,Vol.102,031108(2013).lK.Huang,H.Ye,J.Teng,S.P.Yeo,B.Lukyanchuk,C.Qiu,“Optimization
‑
freesuperoscillatorylensusingphaseandamplitudemasks”.LaserPhotonicsRev.Vol.8,pp152
‑
157(2014).lG.Yuan,E.T.F.Rogers,T.Roy,G.Adamo,Z.Shen,N.I.Zheludev,“Planarsuperoscillatorylensforsub
‑
diffractionopticalneedlesatvioletwavelengths”.Sci.Rep.Vol.4,pp6333
‑
6333(2015).lR.Zuo,W.Liu,H.Cheng,S.Chen,J.Tian,“BreakingtheDiffractionLimitwithRadiallyPolarizedLightBasedonDielectricMetalenses”.Adv.Opt.Mater.Vol.6,pp1800795(2018)。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现有技术的不足，提供一种具有角放大功能的超分辨成像透镜，通过对透镜结构、相位分布进行设计，使其具有角度放大功能，出射主光线与光轴的夹角为β=Kθ，K为大于1的常数；并且结合焦斑半高全宽大小和角度放大，使透镜具有超分辨成像功能，其角分辨率优于传统光学透镜的角分辨率理论极限Δθ
min
=0.61λ/(NA
×
ftan(θ))，能实现Δθ
min
/K的角分辨率。
[0007]本专利技术通过以下技术方案来加以实现：本专利技术提出一种具有角放大功能的超分辨成像透镜，所述透镜包括基底和两个功能面。
[0008]所述基底是中心厚度为t
sub、
前后两个面平行、折射率为n
sub、
在工作波长λ下具有低吸收率（即吸收系数小于0.01）的透明介质材料S。
[0009]所述两个功能面分别为前透镜面和后透镜面，分别制作在基底前后两侧面，且两个透镜面的中心与光轴重合，两个透镜面在光轴上交点处的切面与光轴垂直。所述前透镜面与后透镜面的半径分别为R
f
和R
r
，其相位分布分别为
ϕ
f
(r)和
ϕ
r
(r)，其中变量r为径向坐标。在前透镜面上半径R
f
区域外，即r>R
f
的区域外，透射率为0。在后透镜面上半径R
r
区域外，即r>R
r
的区域外，透射率为0。
[0010]所述具有角放大功能的超分辨成像透镜，光束从前透镜面入射，从后透镜面出射。对于任意给定的工作波长λ和任意给定的大于1的常数K，通过设计前透镜面和后透镜面的相位分布
ϕ
f
(r)和 ϕ
r
(r)以及R
f
，当入射角θ在给定[
‑
θ
m
, +θ
m
]角度范围内时，在距离后透镜面z=f的焦平面上均可汇聚成为实心焦斑，其焦斑尺寸小于0.61λ(K/NA)。出射主光线（即后透镜面中心与焦平面上焦点连线）与光轴的夹角为β=Kθ，且K为大于1的常数，即该透镜有角度放大功能。在焦平面上的焦斑半高全宽小于Kλ/(2n2sin(θ
na
))，其中n2为出射介质的折射率、θ
na
=atan(R
f
/f)。
[0011]进一步，所述的前透镜面位于透镜基底的前表面上，其为一相位调控面，半径为R
f
，在该半径范围内对应的相位分布为
ϕ
f
(r)，该相位分布有三种情况：(a)在半径R
f
范围内，相位分布
ϕ
f
(r)为一常数，且R
f
为一常数；(b)在半径R
f
范围内，相位分布
ϕ
f
(r)为一常数，且R
f
待优化；(c)在半径R
f
范围内，相位分布
ϕ
f
(r)为一函数，即
ϕ
f
(r)为待优化函数，且R...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有角放大功能的超分辨成像透镜，其特征在于，所述透镜包括基底（1）和两个功能面；所述基底（1）是前后表面平行的透明介质材料S，其中心厚度为t
sub
、折射率为n
sub
、在工作波长λ下吸收系数小于0.01；所述两个功能面分别为前透镜（2）和后透镜面（3），分别制作在基底（1）前后两侧，且两个功能面的中心与光轴重合，两个功能面在光轴上交点处的切面与光轴垂直；所述前透镜面（2）与后透镜面（3）的半径分别为R
f
和R
r
，其相位分布分别为
ϕ
f
(r)和
ϕ
r
(r)，其中变量r为径向坐标；在所述前透镜面（2）上半径R
f
区域外，即r>R
f
的区域外，透射率为0；在所述后透镜面（3）上半径R
r
区域外，即r>R
r
的区域外，透射率为0；所述透镜在给定的工作波长λ，当入射角θ在给定的[
‑
θ
m
, +θ
m
]角度范围内时，在距离后透镜面z=f的焦平面上均可汇聚成为实心焦斑，其焦距f与工作波长λ有关，其焦斑强度分布半高全宽FWHM小于0.61λ(K/NA)，在焦平面上的焦斑半高全宽小于Kλ/(2n2sin(θ
na
))，其中n2为出射端介质的折射率，θ
na
=atan(R
f
/f)， NA=n2sin(atan(R
r
/f))为透镜的数值孔径，f为透镜焦距，tan()为反正切函数，sin()为正弦函数；出射主光线与光轴的夹角为β=Kθ，其中K为角放大倍率，K为常数，且K>1，即所述透镜具有角度放大功能。2.根据权利要求1所述具有角放大功能的超分辨成像透镜，其特征在于，在给定的入射角度范围[
‑
θ
m
, +θ
m
]内时，对于入射角为θ的入射平面波，出射端介质折射率为n2，其角分辨率小于传统透镜角分辨率的理论极限Δθ
min
=0.61λ/(NA
×
ftan(θ))；当NA较小，同时θ较小时，该角分辨率的理论极限简化为Δθ
min
=1.22λ/D，其中D为透镜直径；所述聚焦角放大功能的超分辨成像透镜，角分辨率可以达到Δθ
min
/K，K为常数，且K>1，因此透镜具有超分辨成像功能，像平面位即为焦平面。3.根据权利要求1或2所述具有角放大功能的超分辨成像透镜，其特征在于，所述前透镜面（2）为一相位调控面，相位分布有三种情况：(a)在半径R
f
范围内，相位分布
ϕ
f
(r)为一常数，且R
f
为一常数；(b)在半径R
f
范围内，相位分布
ϕ
f
(r)为一常数；(c)在半径R
f
范围内，相位分布
ϕ
f
(r)为一函数。4.根据权利要求1或2所述具有角放大功能的超分辨成像透镜，其特征在于，所述后透镜面（3）为一相位调控面，其相位分布
ϕ
f
(r)为一函数。5.根据权利要求3或4所述的具有角放大功能的超分辨成像透镜，其特征在于，对于给定的工作波长λ、入射角度范围[
‑
θ
m
, +θ
m
]、焦斑强度分布半高全宽FWHM、透镜焦距f和角放大倍率K，相位分布
ϕ
f
(r)和
ϕ
r
(r)、半径R
f
的确定通过采用矢量角谱理论衍射计...

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