免偏振敏感消色差超构镜设计研究

超构透镜作为一种灵活调控空间光场相位、振幅及偏振的有效选择,在超分显微成像中受到了广泛的关注。为了提高多波长显微成像的分辨率,解决传统光学系统结构厚重、设计复杂等问题,基于相位补偿理论,运用传输相位法以及粒子群优化算法,设计了一种基于二氧化钛纳米单元柱的反射式消色差超构透镜,在500~550 nm之间实现了恒定聚焦,且该透镜具有偏振不敏感的特性。与数值孔径相同但有色散的超构透镜的对比结果有效证实了该超构透镜的消色差功能。所设计的透镜可应用于多波长显微成像系统中并提高成像的分辨率。此外,该消色差透镜在数码相机和光学仪器等领域中也有较好的应用价值。     

基于波前编码的消色差稀疏孔径超构透镜

光学稀疏孔径技术以其所具有的降低透镜加工面积、增大数值孔径和提升分辨率的能力被应用到超构透镜的设计和优化中。然而,目前稀疏孔径超构透镜的研究仅限于单波长,通常难以应用到宽波段成像领域。笔者基于波前编码和稀疏孔径技术设计了一种消色差稀疏孔径超构透镜。该消色差稀疏孔径超构透镜在加工面积降低至全孔径超构透镜25%的情况下,在可见光波段（400～700 nm）可实现与理想透镜一致的分辨率。该消色差稀疏孔径超构透镜既实现了对可见光波段的消色差,又解决了大孔径超构透镜的加工难题,具有加工成本低、消色差范围大、成像清晰等特点,在图像采集领域具有重要的应用价值。     

宽带消色差红外光学超构透镜研究进展（特邀）

超构透镜是由亚波长散射单元结构排列而成的具有聚焦功能的平面二维超构表面。超构表面能够在亚波长尺度上操控光场的振幅、相位、色散和偏振态,是近年来迅速发展起来的新型光场调控载体。亚波长共振纳米结构使得高阶衍射被抑制,入射光场可以完美地被调制到设计的衍射级次上,从而确保了超构表面器件具有高的光子调控效率。同时,超构单元在设计上的灵活性及其特定的电磁响应使得超构表面可以实现对光场多个维度的定制化操控。不同于传统光学透镜依赖光传播的相位累积效应,宽带消色差超构透镜通过对光场相位和相位色散的同时独立调控解决了传统通过级联多个透镜修正色差造成的光学系统复杂和体积庞大限制,为发展小型化片上集成光学提供了全新的思路。文中围绕超构透镜的相关研究,首先介绍了超构表面调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理,在此基础上,重点回顾了近年来关于超透镜的研究发展,包括通过单一参量调控的单波长超透镜的实现,以及通过对光场偏振、相位及相位色散的多参量联合调控的多功能宽带消色差超构透镜的发展现状,最后讨论其进一步发展的可能挑战与应用前景。     

宽带消色差平面透镜的设计与参量分析

大尺寸、大数值孔径、宽波段的消色差平面透镜设计是成像技术的一个瓶颈性问题，也是近年来超构透镜研究领域的一个重要挑战，主要原因是透镜的各个参量之间存在内禀的制约关系。文中结合消色差透镜的群时延理论及透镜的相位分布，通过理论分析给出各参量之间的半定量制约关系。同时，分别通过拓扑优化和直接二值搜索的方法，设计了不同参量下的消色差超构透镜和多阶衍射透镜，发现在保持效率80%左右的前提下，透镜尺寸增加了一倍，数值孔径或波段宽度减少了一半，而透镜厚度则随尺寸成线性增长。该结果表明，这两类平面透镜具有相同的內禀参数依赖关系，即透镜尺寸与数值孔径和波段宽度呈现反相关、与透镜厚度呈现正相关的关系，这与理论预测基本一致。     

动态可调的太赫兹超构表面

近年来,采用人工设计金属阵列的超构表面以实现对太赫兹波的调制受到越来越广泛的关注。设计了2种互补的亚波长金结构阵列超构表面,正、反结构2个超构表面对太赫兹波均有共振响应。利用光泵浦太赫兹时域透射光谱系统,通过控制泵浦光实现对太赫兹波的谱调制。仅需28 mW的外加泵浦光,反结构超构表面在0.91 THz处的振幅调制深度可达到95%。利用该反结构超构表面对太赫兹波的开关作用,进一步设计了太赫兹振幅全息图,希望利用该结构实现太赫兹波前的动态调控。初步的理论模拟验证了这一方法的可行性,可较好地实现对太赫兹波的动态调控。     

自旋依赖强度可调谐的相变超构透镜

超表面是一种基于亚波长各向异性单元结构的超薄平面光学器件,能够在微观尺度下调制电磁波相位、偏振和振幅等,从而实现波前的任意调控。超构透镜作为超表面走向实用化的重要代表,凭借其超强的光波操控能力、超紧凑结构、多功能性及与半导体工艺兼容等突出优点,引起了研究学者的极大兴趣。然而,已报道的超构透镜受限于相位分布设计,难以同时实现偏振复用及强度可调谐聚焦功能;且结构一旦确定,其电磁性能就被锁定,在灵活调制电磁波方面受到很大限制。为此,文中从各向异性单元结构的设计和优化入手,协同PB相位和传输相位,设计了两种能够在不同空间取向（横向和纵向）上实现自旋分裂的Ge₂Sb₂Se₄Te₁ (GSST) 相变超构透镜。通过改变入射圆偏振光的椭偏度,两超构透镜均可实现强度可调谐聚焦性能;通过调控相变材料Ge₂Sb₂Se₄Te₁从非晶态逐渐转变为结晶态,两超构透镜均可实现聚焦性能的连续调谐并最终达到“ON”和“OFF”的动态切换。所设计的自旋依赖强度可调谐相变超构透镜有望在多成像系统、机器视觉和显微成像等领域发挥重要作用。     

基于拓扑优化的光纤束端面超构透镜研究

超构透镜作为目前纳米光学领域的研究热点,与光纤束集成可充分体现其轻薄的特点,二者的结合有利于推动成像系统的小型化。本文利用拓扑优化方法设计了一种新型的同心环结构超构透镜,并利用纳米3D打印技术完成超构透镜与光纤传像束的集成。该超构透镜直径为3047μm,数值孔径(NA)为08,使用白光LED光源进行成像实验,结果表明该超构透镜具有良好的成像性能。本文提出的超构透镜与光纤束集成的小型化成像系统可应用于医疗、工业、军事等多个领域。     

大视场太赫兹光学成像系统设计

太赫兹（THz）波具有较高的透过性和时空分辨率等特性，在空间观测领域具有广阔的应用前景。对比于扫描成像，凝视成像具有成像性能高、速度快、结构简单等优点，而大视场成像是凝视型光学系统所必需的。因此，设计大视场凝视型THz光学系统具有重要的工程应用价值。采用反远距结构，利用Zemax设计了一款相对孔径为1、全视场角为60°的大视场THz光学成像系统。该系统采用4片式反远距共轴结构，由2片球面透镜和2片非球面透镜组成，同时透镜材料采用聚甲基戊烯（TPX）材料，整个系统具有结构紧凑、质量轻等优点。优化结果显示，各视场内的弥散斑均方根半径均小于艾里斑半径，在空间频率为12.5 lp/mm处全视场的调制传递函数（MTF）值高于0.3，表明该系统具有良好的成像质量。此外，公差分析结果表明，该系统具有较好的稳健性，加工工艺水准易于实现，符合设计要求。本设计对于THz空间大视场高分辨探测具有重要参考价值。     

超表面透镜的宽带消色差成像（特邀）

超透镜是一种由二维亚波长阵列结构表面所设计的透镜,其对光场中振幅、相位和偏振的调控能力较灵活,同时具有低损耗、易集成、超轻薄等优点,近些年引起了科研人员广泛的研究兴趣。然而在大多数情况下,针对特定波长设计的超透镜会遭受较大的色差,从而限制了其在多波长或宽带应用中的成像作用。超透镜因其二维平面结构引入了新的自由度,在对色差的消除上体现了新的潜力。文中报道了多种不同的消色差超透镜设计及其消色差调控机理,并对现有的消色差超透镜从调制波段类型进行了分类,如对离散波长的和对连续波长的消色差超表面透镜,后者又可从工作模式上分类为透射型和反射型,最后介绍了超透镜阵列在成像上的应用以及其在大景深宽带消色差器件上的前景。     

被动太赫兹成像二维扫描技术

太赫兹成像受探测器像元数少和无法进行大规模面阵集成的限制,大视场成像不可避免地要用到二维扫描。45°镜具有尺寸小,稳定性好,幅宽大等特点,可以用来实现被动太赫兹二维扫描成像。详细分析了45°镜扫描成像的工作原理和扫描方式,提出了绕Z轴摆动实现水平扫描,绕Y轴摆动实现垂直步进的扫描方案,计算了扫描轨迹,边沿视场成像畸变约3.2%,并通过成像实验对扫描方案进行了验证,得到了大视场下的被动太赫兹二维扫描图像。     

基于超构表面的三维成像技术

三维成像技术具有强大的精细化空间数据描述能力，在消费电子、自动驾驶、机器视觉和虚拟现实等领域已成为最关键的传感技术之一。现有的三维成像技术受到传统折射元件和衍射元件的物理机制限制，难以满足设备小型化、集成化、多功能、大视场、大数值孔径、高分辨等性能要求。超构表面作为由亚波长纳米天线阵列构成的智能表面，能够实现对光场的振幅、相位、偏振等参量的人为调控，具有体积小、高空间带宽积、高效率、多功能、大视场等优势，有望成为新一代光学元件服务于三维成像技术。本文综述了基于超构表面的三维成像技术进展，在超构表面的物理机制和应用优势的分析基础上，详细介绍了超构表面在三维成像技术例如结构光技术、飞行时间法、光场成像和点扩散函数工程中的应用和表现，总结和展望了基于超构表面的三维成像技术面临的挑战和未来发展方向。     

采用两个全息透镜的白光成像

近来，采用全息光学元件实现白光成像的兴趣正在日益增长,Latta通过将彩色像差和单色像差分开处理的方法来分析全息成像，其结果表明各记录参量可以独立最优化地来减小单色像差。Weingartner和Eosenbrucli证明具有两个元件的系统,其特性类似于消色差透镜，而具有三个元件的系统，其特性类似于一个复消色差透镜。     

消色差复合宽带太赫兹波片的优化设计

采用模拟退火算法设计了0.2～2.0THz和0.2～3.0THz两个波段下的消色差复合太赫兹λ/4波片,在0.2～2.0THz波段内实现了波片相位延迟偏差小于2%,在0.2～3.0THz波段内波片相位延迟偏差小于4%。系统分析了不同石英玻片个数对消色差复合太赫兹波片的消色差性能以及厚度和损耗等关键参量的影响。分析表明,随着石英玻片个数的增加,波片的消色差性能也会变好,在相应太赫兹波段相位延迟失谐量也随之减小;但同时,波片的厚度也随之增加,导致对太赫兹波的损耗增加。在0.2～2.0THz和0.2～3.0THz范围内,太赫兹λ/4波片采用5个玻片为最佳,此时可以获得较好的消色差性能,同时波片的厚度和损耗也在可实际应用范围内。     

基于径向梯度折射率透镜的消色差光学系统的设计

提出了一种基于径向梯度折射率(gradient index, GRIN)的消色差透镜,有效抑制了光学系统的色差效应。首先,利用径向GRIN透镜较低的球差和像差以及更优良的聚焦成像、更高的光学耦合效率的优势,实现了径向GRIN透镜的消色差光学系统的设计,消除了高阶像差。其次,通过对ZEMAX操作数POWR和SPHA的控制,分别对光学系统的光焦度和球差进行了优化设计。最后,推导并建立了径向GRIN透镜消色差光学系统的光焦度和色散模型,进行了径向GRIN透镜与常规胶合透镜的消色差效果对比实验。实验结果表明,径向GRIN透镜可以实现在波长范围486—656 nm良好的消色差功能,且消色差效果明显优于常规胶合透镜。径向GRIN透镜的弥散斑在艾里斑内,镜头聚焦情况良好,像差基本矫正且达到衍射极限,符合消色差透镜的良好成像要求。     

基于超构表面的太赫兹广角反射器

随着太赫兹技术的发展以及全球对6G通信的研究和期望，太赫兹通信技术获得了广泛的关注。但是太赫兹波具有很强的方向性，常常进行端对端的传播，且传播过程中容易被障碍物阻挡，太赫兹通信中的广角和定向传播成为技术难点。设计一种新的广角反射超构表面，其可将入射角为5°～45°的太赫兹波反射聚焦在同一位置，该位置距离样品600 mm，方向为13°。采用共振相位调制原理设计单元结构，利用透镜聚焦原理和相位补偿原理对单元结构进行排布并进行加工。在220 GHz工作频率下进行实验验证，实验结果证实了该器件的功能。所提方案为解决太赫兹6G通信难题提供了一个有效途径，具有一定的应用前景。     

太赫兹超分辨率成像评述II:实时成像

为提升成像速度和分辨率,实时太赫兹超分辨率成像方法近年来受到了越多越多的关注。基于此种成像手段构建的超透镜能突破衍射极限,在单次照射下得到微纳米级别分辨率的图像,推动了太赫兹成像的应用拓展。文中介绍了实时超分辨率成像的发展历程,总结了两种太赫兹频段实时超分辨率成像方法的基本原理、研究进展和存在的问题,包括基于金属周期结构和基于石墨烯结构的方法,最后对实时太赫兹超分辨率成像的发展作出展望。     

共形光学系统消色差设计

设计了一个红外波段消色差共形光学系统.共形整流罩采用流线型几何外表面,能够有效减少空气阻力,提高导弹飞行性能.但是上述表面破坏了球形整流罩的点对称几何特性,使该系统具有大倾斜、大偏心光学特性,引入依赖于目标视场和瞬时视场的动态像差特性.已报道的文献都是针对单色像差校正问题,而对于大目标视场下单色像差与色差校正难点一直没有相关研究报道.基于实际光线追迹结果、通过衍射元件色散特性和构建适当的光学系统结构,克服了导引头内部有限的空间限制,实现了系统消色差设计.最后设计实例结果表明,系统在整个目标视场范围内均得到较好的成像质量.     

50~100 μm太赫兹成像物镜设计

根据太赫兹探测成像用户的需求,设计了一种适用于太赫兹波段的光学系统。其焦距为50 mm,F数为1,工作波段为50~100μm,接收器为非致冷型IRM160A红外探测器,全视场角为11.9°。该系统采用共轴式结构,由3片球面透镜和1片CCD保护玻璃组成,并使用了Topas COC新型材料。另外还引入了1个非球面,以实现系统结构简单、重量轻和成本低的目标。设计结果表明,当截止频率为10 cy/mm时,该光学系统的调制传递函数接近衍射极限,各个视场的点列图均方根半径均远小于艾里斑半径,并具有良好的成像质量,因此能够满足太赫兹光学系统的总体设计要求。     

太赫兹大孔径折射透镜的焦移特性研究（英文）

研究了利用大孔径折射透镜对太赫兹波进行聚焦时产生的焦移效应。焦移效应所引起的焦点位置偏差会对太赫兹系统的成像或测量质量产生不利影响。通过理论计算和有限元分析仿真,研究并讨论了与透镜孔径、焦距和工作频率有关的焦移参考值。当使用商用透镜时,实际焦点位置需要通过焦移效应来确定,以保证太赫兹系统的工作效率。对于定制透镜的设计,焦移需要根据工作频率,在焦距的设计中进行补偿。这两个途径可以保障太赫兹系统的良好性能。     

用于运动目标探测的球面复眼透镜的结构设计

提出了一种球面复眼成像系统的结构设计方案.基于电场操控液滴透镜面形可实现变焦的技术,在球壳基底上制作非球面液滴透镜并用电场改变其焦距以满足不同视场角的成像要求,通过折转透镜将不同视场角的入射光聚焦在平面CCD的不同位置,从而在获得大视场的同时改善了边缘光线的成像质量.讨论了非球面液滴透镜的制备过程,设计了球面复眼透镜系统的结构,并利用ZEMAX软件进行光学建模,分析了单个通道的成像性质以及各个通道在成像平面上的位置关系.结果表明:该结构在±45°视场角内对边缘光线的成像质量有明显的改善作用,在大视场成像的同时保持了低像差,可以满足运动目标检测的应用要求.