非偏振光响应空分超构透镜的设计方法及立体成像系统

本发明涉及透镜成像，更具体地，涉及一种非偏振光响应空分超构透镜的设计方法及立体成像系统。

背景技术：

1、超构透镜由特殊的微纳散射单元组成，可调控局部电磁场的幅度、相位、偏振等参数，实现聚焦成像的功能。经过多年的发展，超构透镜不仅已具备良好的光学聚焦性能，并且易于微型化系统集成，在成像应用中体现出其优势。在显微成像领域，超构透镜存在广泛的应用，通过设计具有倾斜对称双光轴的超构透镜，可以以此为核心搭建光学成像系统实现立体显微成像。

2、传统的体视显微镜基于双目立体视觉原理，能实现立体显微成像；但由于其具有两组独立的透镜组，内部空间拥挤导致透镜尺寸受限，同时又需要保持固定的体视角，因此物镜的放大率和数值孔径较低，在成像时放大率和分辨率不足。

3、现有技术公开了一种空分超构透镜的设计方法及其立体成像系统，能够实现两路具有合适双目视差的成像光路的空分超构透镜，并且由于左、右超构透镜重合区域的存在，使得数值孔径的设计不受限制，因此可以实现高分辨率成像，显著提高成像性能。该方案的缺陷是，无法工作在非偏振光条件下。

4、为此，结合以上需求和现有技术缺陷，本申请提出了一种非偏振光响应空分超构透镜的设计方法及立体成像系统。

技术实现思路

1、本发明提供了一种非偏振光响应空分超构透镜的设计方法及立体成像系统，可工作在非偏振光下，实现非偏振光响应下高分辨率成像。

2、本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

3、本发明第一方面提供了一种非偏振光响应空分超构透镜的设计方法，本方法包括以下步骤：

4、s1、设置纳米单元自由度的变化范围与变化间隔，根据预设的入射光工作波长，扫描获取不同自由度的纳米单元组合成的纳米单元形状，并获取组合的透射率数据库和相位数据库。

5、s2、计算空分超构透镜的理论相位分布，采用所述相位数据库匹配理论相位分布，得到在预设阈值内透射率最高的尺寸组合。

6、s3、将尺寸组合中每个尺寸映射为一个采样坐标，在采样坐标上设置纳米单元，得到非偏振光响应空分超构透镜。

7、进一步地，所述非偏振光响应空分超构透镜包括左超构透镜和右超构透镜，所述左超构透镜和右超构透镜在空间位置上间隔分布，左超构透镜以及右超构透镜的相位中心和倾斜光轴对称，所述空分超构透镜用于生成两个位置对称并带有视差的图像。

8、进一步地，所述纳米单元设置在衬底上，所述纳米单元的外围包覆有介质，纳米单元的形状根据需求设置，纳米单元之间的间隔、折射率、材质、旋向和尺寸根据需求设置，所述介质的种类根据需求设置。

9、进一步地，所述空分超构透镜的理论相位分布通过先验知识及以下公式计算：

10、

11、

12、其中，和分别表示左超构透镜和右超构透镜的相位曲线，(x,y)表示二维平面上采样点的坐标位置，λ0表示是空气中的波长，λsub表示衬底中的波长，s表示物距，v表示像距，θ表示物方光轴的倾斜角度，ξ表示像方光轴的倾斜角度，l表示像点距离中间z轴的水平距离，im表示取虚部。

13、进一步地，所述步骤s1具体为：预设目标纳米单元的自由度集；预设目标自由度的变化值和入射光的工作波长，根据预设目标自由度的变化值和入射光的工作波长后的纳米单元组合集，结合数值仿真处理，确定所述目标纳米单元组合集的相位数据库和透射率数据库；所述目标纳米单元包括非偏振光响应具有可变纳米单元。

14、进一步地，所述目标纳米单元的自由度集包括重复周期的间隔值、重复周期的形状、重复周期中的纳米单元的形状、纳米单元的长度和纳米单元的宽度。

15、进一步地，所述组合的透射率数据库和相位数据库的获取过程为：采用数值仿真处理，获取所述纳米单元组合集中各纳米单元组合分别在水平线偏振光入射和垂直线偏振光入射的出射相位和透过率；根据所述出射相位和所述透过率，确定所述目标纳米单元组合集的相位数据库。

16、本发明第二方面提供了一种立体成像系统，该系统采用了所述的一种非偏振光响应空分超构透镜的设计方法得到的非偏振光响应空分超构透镜，其特征在于，包括有：光源、非偏振光响应空分超构透镜、电荷耦合器件和处理单元，所述光源设置在非偏振光响应空分超构透镜中轴线上并与之保持设定距离，待测样品设置在光源和非偏振光响应空分超构透镜之间，所述待测样品通过空分超构透镜形成图像，所述电荷耦合器件采集图像并输入至处理单元。

17、进一步地，所述光源为透射式照射光源，在所述光源和待测样品之间还设置有光束调节和聚焦系统，用于将光源发射出的发散光束聚焦至待测样品。

18、进一步地，所述图像为两个位置对称并带有视差的图像。

19、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

20、本发明提供了一种非偏振光响应空分超构透镜的设计方法及立体成像系统，设计了具有双目视差的非偏振光响应空分超构透镜，通过空分超构透镜在空间上间隔排布实现两路具有合适双目视差的成像光路的非偏振光响应空分超构透镜立体成像系统，能够实现非偏振光响应下高分辨率成像，具有体积小、系统结构简单的优势。

技术特征：

1.一种非偏振光响应空分超构透镜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种非偏振光响应空分超构透镜的设计方法，其特征在于，所述非偏振光响应空分超构透镜包括左超构透镜和右超构透镜，所述左超构透镜和右超构透镜在空间位置上间隔分布，左超构透镜以及右超构透镜的相位中心和倾斜光轴对称，所述空分超构透镜用于生成两个位置对称并带有视差的图像。

3.根据权利要求2所述的一种非偏振光响应空分超构透镜的设计方法，其特征在于，所述纳米单元设置在衬底上，所述纳米单元的外围包覆有介质，纳米单元的形状根据需求设置，纳米单元之间的间隔、折射率、材质、旋向和尺寸根据需求设置，所述介质的种类根据需求设置。

4.根据权利要求3所述的一种非偏振光响应空分超构透镜的设计方法，其特征在于，所述空分超构透镜的理论相位分布通过先验知识及以下公式计算：

5.根据权利要求1所述的一种非偏振光响应空分超构透镜的设计方法，其特征在于，所述步骤s1具体为：预设目标纳米单元的自由度集；预设目标自由度的变化值和入射光的工作波长，根据预设目标自由度的变化值和入射光的工作波长后的纳米单元组合集，结合数值仿真处理，确定所述目标纳米单元组合集的相位数据库和透射率数据库；所述目标纳米单元包括非偏振光响应具有可变纳米单元。

6.根据权利要求5所述的一种非偏振光响应空分超构透镜的设计方法，其特征在于，所述目标纳米单元的自由度集包括重复周期的间隔值、重复周期的形状、重复周期中的纳米单元的形状、纳米单元的长度和纳米单元的宽度。

7.根据权利要求6所述的一种非偏振光响应空分超构透镜的设计方法，其特征在于，所述组合的透射率数据库和相位数据库的获取过程为：采用数值仿真处理，获取所述纳米单元组合集中各纳米单元组合分别在水平线偏振光入射和垂直线偏振光入射的出射相位和透过率；根据所述出射相位和所述透过率，确定所述目标纳米单元组合集的相位数据库。

8.一种立体成像系统，该系统采用了通过权利要求1-7任一项所述的一种非偏振光响应空分超构透镜的设计方法得到的非偏振光响应空分超构透镜，其特征在于，包括有：光源(14)、非偏振光响应空分超构透镜(16)、电荷耦合器件(18)和处理单元(19)，所述光源(14)设置在非偏振光响应空分超构透镜(16)中轴线上并与之保持设定距离，待测样品(15)设置在光源(14)和非偏振光响应空分超构透镜(16)之间，所述待测样品(15)通过空分超构透镜形成图像(17)，所述电荷耦合器件(18)采集图像(17)并输入至处理单元(19)。

9.根据权利要求8所述的一种立体成像系统，其特征在于，所述光源(14)为透射式照射光源，在所述光源(14)和待测样品(15)之间还设置有光束调节和聚焦系统，用于将光源(14)发射出的发散光束聚焦至待测样品(15)。

10.根据权利要求8所述的一种立体成像系统，其特征在于，所述图像(17)为两个位置对称并带有视差的图像。

技术总结本发明公开了一种非偏振光响应空分超构透镜的设计方法及立体成像系统，包括以下步骤：S1、设置纳米单元自由度的变化范围与变化间隔，根据预设的入射光工作波长，扫描获取不同自由度的纳米单元组合成的纳米单元形状，并获取组合的透射率数据库和相位数据库；S2、计算空分超构透镜的理论相位分布，采用所述相位数据库匹配理论相位分布，得到在预设阈值内透射率最高的尺寸组合；S3、将尺寸组合中每个尺寸映射为一个采样坐标，在采样坐标上设置纳米单元，得到非偏振光响应空分超构透镜。本申请与传统技术相比，能够实现非偏振光响应下高分辨率成像，具有体积小、系统结构简单的优势。技术研发人员：李俊韬,梁浩文,焉力恒,刘忆琨,周建英受保护的技术使用者：中山大学技术研发日：技术公布日：2024/5/12