一种基于偏振复用超构透镜的折叠成像系统及方法

本发明涉及一种折叠成像系统及方法，尤其是基于偏振复用超构透镜的折叠成像系统及方法。

背景技术：

1、在经典的商用光学望远镜中，屋脊棱镜或保罗棱镜等被用来折叠光路以减小整个成像系统的长度，但是这种设计对工作距离的压缩有限，且棱镜的使用无疑不加重了整个系统的重量。在天文望远镜之类的设计中，采用了卡塞格林等系统，其利用不少于两片的反射镜来折叠光路，尽管这样的设计可以有效地降低工作距离，但是次镜的存在不可避免阻挡了一部分光线，降低了整个系统的有效孔径，也限制了成像的视场角。综上，现有的成像系统均存在体积较大、工作距离较长、重量较重等缺陷。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种能够折叠光程、压缩工作距离的超轻超薄的折叠成像系统；本发明的第二目的是提供一种折叠成像系统方法。

2、技术方案：本发明所述的基于偏振复用超构透镜的折叠成像系统，包括超构透镜及反射镜，所述反射镜中心开孔；入射光依次经过所述超构透镜透射到所述反射镜，反射到所述超构透镜的背面，反射到所述反射镜开孔的中心进行聚焦成像；超构透镜(1)在第一圆偏振光入射时进行透射并聚焦，同时进行正交偏振转换；所述超构透镜(1)在第二圆偏振光入射时进行反射并保持偏振态不变，所述第一圆偏振光和所述第二圆偏振光的偏振态正交。

3、进一步地，所述超构透镜由若干个超胞单元组成，每个所述超胞单元包括两个或四个超构原子。

4、进一步地，所述超构透镜与所述反射镜相互平行放置或封装。

5、进一步地，所述超构透镜在第一圆偏振光入射下的相位分布为：

6、

7、其中x、y为每个纳米结构的位置坐标，h为所述超构透镜(1)与所述反射镜(2)之间的距离，λ为波长，r0为光线从正面入射到所述超构透镜(1)的孔径半径，r2为光线从背面入射到所述超构透镜(1)的孔径半径，c为任意常数。

8、进一步地，所述超构透镜在第二圆偏振光入射下的相位分布为：

9、

10、进一步地，还包括用于圆偏振光的起偏和/或检偏的光学元件。

11、进一步地，还包括用于接收所述反射镜(2)的开孔中心聚焦的光线并进行成像的图像传感器(3)。

12、本发明所述的基于偏振复用超构透镜的折叠成像方法，第一圆偏振光入射到超构透镜后进行透射，并进行正交调制转化为第二圆偏振光；所述第二圆偏振光经过反射镜的反射转化为第一圆偏振光，入射到所述超构透镜的背面进行反射并保持偏振态不变，在反射镜中心的开口处聚焦成像。

13、所述超构透镜在第一圆偏振光入射下的相位分布为：

14、

15、所述超构透镜在第二圆偏振光入射下的相位分布为：

16、

17、有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：通过将圆偏振依赖的具有双面功能的超构透镜与一片平行的开孔反射镜结合，利用超构透镜替代传统的折射元件，将传统成像元件和工作距离同时进行了压缩，相比于普通的透镜成像系统，其成像距离可以极大缩减，系统体积大大压缩，显著提升了成像系统的集成度，同时不影响成像倍率及性能，实现超集成与小型化的光学成像。

技术特征：

1.一种基于偏振复用超构透镜的折叠成像系统，其特征在于，包括超构透镜(1)及反射镜(2)，所述反射镜(2)中心开孔；入射光依次经过所述超构透镜(1)透射到所述反射镜(2)，反射到所述超构透镜(1)的背面，反射到所述反射镜(2)开孔的中心进行聚焦成像；所述超构透镜(1)在第一圆偏振光入射时进行透射并聚焦，同时进行正交偏振转换；所述超构透镜(1)在第二圆偏振光入射时进行反射并保持偏振态不变，所述第一圆偏振光和所述第二圆偏振光的偏振态正交。

2.根据权利要求1所述的基于偏振复用超构透镜的折叠成像系统，其特征在于，所述超构透镜(1)由若干个超胞单元组成，每个所述超胞单元包括两个或四个超构原子。

3.根据权利要求1所述的基于偏振复用超构透镜的折叠成像系统，其特征在于，所述超构透镜(1)与所述反射镜(2)相互平行放置或封装。

4.根据权利要求1所述的基于偏振复用超构透镜的折叠成像系统，其特征在于，所述超构透镜(1)在第一圆偏振光入射下的相位分布为：

5.根据权利要求1所述的基于偏振复用超构透镜的折叠成像系统，其特征在于，所述超构透镜(1)在第二圆偏振光入射下的相位分布为：

6.根据权利要求1所述的基于偏振复用超构透镜的折叠成像系统，其特征在于，还包括用于圆偏振光的起偏和/或检偏的光学元件。

7.根据权利要求1所述的基于偏振复用超构透镜的折叠成像系统，其特征在于，还包括用于接收所述反射镜(2)的开孔中心聚焦的光线并进行成像的图像传感器(3)。

8.一种基于偏振复用超构透镜的折叠成像方法，其特征在于，第一圆偏振光入射到超构透镜(1)后进行透射，并进行正交调制转化为第二圆偏振光；所述第二圆偏振光经过反射镜(2)的反射转化为第一圆偏振光，入射到所述超构透镜(1)的背面进行反射并保持偏振态不变，在反射镜(2)中心的开口处聚焦成像。

9.根据权利要求8所述的基于偏振复用超构透镜的折叠成像系统，其特征在于，所述超构透镜(1)在第一圆偏振光入射下的相位分布为：

10.根据权利要求8所述的基于偏振复用超构透镜的折叠成像系统，其特征在于，所述超构透镜(1)在第二圆偏振光入射下的相位分布为：

技术总结本发明公开了一种基于偏振复用超构透镜的折叠成像系统及方法，包括超构透镜及反射镜，反射镜中心开孔，入射光依次经过所述超构透镜透射到所述反射镜，反射到所述超构透镜的背面，反射到所述反射镜开孔的中心进行聚焦成像；超构透镜在第一圆偏振光入射时进行透射并聚焦，同时进行正交偏振转换，超构透镜在第二圆偏振光入射时进行反射并保持偏振态不变；本发明通过将圆偏振依赖的具有双面功能的超构透镜与平行的开孔反射镜结合，将成像元件和工作距离同时进行了压缩，相比于普通的透镜成像系统，其成像距离可以极大缩减，系统体积大大压缩，显著提升了成像系统的集成度。技术研发人员：陈晨,李涛,祝世宁受保护的技术使用者：南京大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27