【技术实现步骤摘要】
本公开可被应用于光学形貌测量、自适应光学和定量相位成像等领域，具体涉及一种基于超构透镜的复振幅成像系统和成像方法。
技术介绍
1、光场的复振幅包括光强和相位信息，由普通镜头组成的传统相机成像仅能获取光强信息。相位信息在自适应光学、激光通信、生物定量相位显微成像、光学形貌测量等领域有着广泛的应用。
2、传统相位测量技术通常需要庞大的装置、多帧测量或目标场景的先验信息，难以满足众多实际应用需求，尤其是对于空间受限的场景。例如基于离轴全息或移相的干涉方法能够以高空间分辨率和高精度测量复振幅光场，但所要求的光路需要大量的光学元件，同时对环境微扰异常敏感；传统的相位波前传感器如shack-hartmann(夏克-哈特曼)波前传感器需要搭配额外的成像单元进行相位波前测量，同时其空间分辨率和动态范围较低，仅能够测量缓变的相位分布。
3、近年来，超构表面因为其灵活的对光的操控能力而引起广泛的关注和研究。由亚波长尺度的微结构组成的超构表面可以对入射电磁波的相位、偏振等进行灵活的调控以实现空间、偏振复用成像，为紧凑型小型化的复振幅成像设备提供了可能性。然而目前由超构表面辅助的光学成像系统仅能够捕捉一维相位梯度，不能够完全重建光场的复振幅分布。
技术实现思路
1、本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
2、为此，本公开第一方面实施例提出一种小型化集成化的对光场的复振幅信息实时高精度捕获的快照式复振幅成像系统，包括沿光传播方向依次设置的待测复振幅光场、
3、所述超构透镜，具有独立调控左旋和右旋圆偏振光透射相位的能力，要求所述超构透镜包含两对在xy平面内沿正交方向剪切的点扩散函数，每对剪切点扩散函数用于将待测复振幅光场分解为左旋和右旋圆偏振光分量并分别成像；
4、所述偏振光电探测单元，用于探测待测复振幅光场被所述超构透镜成像后在像面上沿0°、45°、90°、135°线偏振方向的偏振光强。
5、在一些实施例中，所述超构透镜包括基底和以二维阵列形式分布于所述基底表面的若干光学天线，所述光学天线的折射率大于所述基底的折射率。
6、在一些实施例中，所述光学天线的横截面几何形状选用具有c2对称性的形状，所述光学天线的高度不超过所述复振幅成像系统的一个工作波长。
7、在一些实施例中，所述超构透镜的相位分布包含透镜汇聚相位，图像分离相位和剪切干涉相位。
8、在一些实施例中，设所述超构透镜对左旋和右旋圆偏振光的相位调制分别为φlcp，φrcp，则具有两对剪切干涉点扩散函数的超构透镜的相位分布由下式给出：
9、
10、
11、式中，f为超构透镜的焦距，d为x和y剪切干涉图像分离的距离，δs为左旋和右旋圆偏振光图像之间的剪切干涉距离，k0为入射光波矢，i为虚数。
12、在一些实施例中，两对点扩散函数相距不超过所述偏振光电探测单元的幅面尺寸的二分之一，左旋和右旋圆偏振光图像之间在xy平面内的剪切距离大于所述偏振光电探测单元的单位像元尺寸的二倍。
13、在一些实施例中，所述待测复振幅光场设置于所述超构透镜的物平面，所述待测复振幅光场由光束通过透明介质、生物细胞或金属表面产生。
14、在一些实施例中，所述偏振光电探测单元设置于所述超构透镜的像平面，所述偏振光电探测单元采用偏振相机和具有偏振分光功能的光电探测器，线偏振通道包括0°、45°、90°、135°线偏振方向。
15、在一些实施例中，所述复振幅成像系统通过四个偏振通道的图像计算两个正交方向的相位梯度，结合偏振相移并按照下式计算x和y方向的波前相位梯度：
16、
17、式中，为x或y方向的相位梯度，δs为左旋和右旋圆偏振光图像之间的剪切干涉距离，i0°，i45°，i90°，i135°为偏振光电探测单元测量的沿0°、45°、90°、135°线偏振方向的偏振光强。
18、本公开第二方面实施例提供的基于超构透镜的复振幅成像方法，包括：
19、构建由x轴、y轴和z轴构成的右手坐标系，其中，将光传播方向定义为z轴，将待测复振幅光场所在平面定义为xy平面；
20、设计具有独立调控左旋和右旋圆偏振光透射相位能力的超构透镜，且要求所述超构透镜包含两对在xy平面内沿正交方向剪切的点扩散函数，每对剪切点扩散函数用于将待测复振幅光场分解为左旋和右旋圆偏振光分量并分别成像；
21、将位于所述超构透镜物面处的待测复振幅光场成像到位于所述超构透镜像面处的偏振光电探测单元，沿x和y方向剪切的图像位于偏振光电探测单元的不同位置；
22、利用偏振光电探测单元探测待测复振幅光场被所述超构透镜成像后在像面上沿0°、45°、90°、135°线偏振方向的偏振光强；
23、根据捕获的偏振光强分布解码得到待测复振幅光场的复振幅分布信息。
24、本公开实施例提供的基于超构透镜的复振幅成像系统和成像方法，具有以下特点及有益效果：
25、本公开的核心部件为由两种具有折射率差的材料构成的单层超构透镜。通过合理的设计，目标场景的待测复振幅光场被成像偏振光电探测单元捕捉，通过空间、偏振复用，可直接从捕捉的四个偏振通道的图像中重建复振幅光场，因此支持快照式的实时二维复振幅光场测量。相比传统的复振幅测量技术，本公开系统极为紧凑和小型化，仅需一个超构透镜和一个偏振光电探测单元如一台偏振相机，因此可以被用在空间受限的工作场景。并且由于采用基于偏振相移的剪切干涉的相位探测方法，相比于传统的干涉方法本公开具有更高的鲁棒性并继承了高的测量精度。超构透镜的加工兼容于互补金属氧化物半导体加工工艺，能够与各种微纳光学平台相结合，具有高的兼容性和拓展性。
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1.一种基于超构透镜的复振幅成像系统，其特征在于，包括沿光传播方向依次设置的待测复振幅光场、超构透镜和偏振光电探测单元，构建由x轴、y轴和z轴构成的右手坐标系，其中，将所述光传播方向定义为z轴，将所述待测复振幅光场所在平面定义为xy平面；
2.根据权利要求1所述的复振幅成像系统，其特征在于，所述超构透镜包括基底和以二维阵列形式分布于所述基底表面的若干光学天线，所述光学天线的折射率大于所述基底的折射率。
3.根据权利要求2所述的复振幅成像系统，其特征在于，所述光学天线的横截面几何形状选用具有C2对称性的形状，所述光学天线的高度不超过所述复振幅成像系统的一个工作波长。
4.根据权利要求1所述的复振幅成像系统，其特征在于，所述超构透镜的相位分布包含透镜汇聚相位，图像分离相位和剪切干涉相位。
5.根据权利要求1所述的复振幅成像系统，其特征在于，设所述超构透镜对左旋和右旋圆偏振光的相位调制分别为φLCP，φRCP，则具有两对剪切干涉点扩散函数的超构透镜的相位分布由下式给出：
6.根据权利要求1所述的复振幅成像系统，其特征在于，两对
7.根据权利要求1所述的复振幅成像系统，其特征在于，所述待测复振幅光场设置于所述超构透镜的物平面，所述待测复振幅光场由光束通过透明介质、生物细胞或金属表面产生。
8.根据权利要求1所述的复振幅成像系统，其特征在于，所述偏振光电探测单元设置于所述超构透镜的像平面，所述偏振光电探测单元采用偏振相机和具有偏振分光功能的光电探测器，线偏振通道包括0°、45°、90°、135°线偏振方向。
9.根据权利要求1所述的复振幅成像系统，其特征在于，所述复振幅成像系统通过四个偏振通道的图像计算两个正交方向的相位梯度，结合偏振相移并按照下式计算x和y方向的波前相位梯度：
10.一种基于超构透镜的复振幅成像方法，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于超构透镜的复振幅成像系统，其特征在于，包括沿光传播方向依次设置的待测复振幅光场、超构透镜和偏振光电探测单元，构建由x轴、y轴和z轴构成的右手坐标系，其中，将所述光传播方向定义为z轴，将所述待测复振幅光场所在平面定义为xy平面；
2.根据权利要求1所述的复振幅成像系统，其特征在于，所述超构透镜包括基底和以二维阵列形式分布于所述基底表面的若干光学天线，所述光学天线的折射率大于所述基底的折射率。
3.根据权利要求2所述的复振幅成像系统，其特征在于，所述光学天线的横截面几何形状选用具有c2对称性的形状，所述光学天线的高度不超过所述复振幅成像系统的一个工作波长。
4.根据权利要求1所述的复振幅成像系统，其特征在于，所述超构透镜的相位分布包含透镜汇聚相位，图像分离相位和剪切干涉相位。
5.根据权利要求1所述的复振幅成像系统，其特征在于，设所述超构透镜对左旋和右旋圆偏振光的相位调制分别为φlcp，φrcp，则具有两对剪切干涉点扩散函数的超构透镜的相位...
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