超构透镜的大视场消色差与变焦技术研究进展（封面文章）

超构透镜是一种基于超构表面的先进平面光学器件,可以灵活地操控入射光的振幅、相位和偏振度以满足应用需求。通过设计超构透镜中的单元结构可以实现聚焦、像差消除等多种功能。介绍了超构透镜的发展过程、基本原理和应用;根据其相位调控方式归纳为共振相位、传输相位、几何相位;根据其功能性归纳为大视场型、消色差型、变焦型;并总结了这些超构透镜的性能参数,最后讨论了超构透镜领域面临的挑战,展望了超构透镜的发展趋势。主要目的是让读者全面了解超构透镜的调控机理和具体功能,并为性能优异和功能多样化的超构透镜的设计与研究提供一定的参考。     

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。     

超构表面：设计原理与应用挑战（特邀）

作为一种二维形式的超构材料,超构表面允许以前所未有的自由度对光的振幅、相位、偏振等维度进行灵活高效的调控,有望突破传统光学的限制,实现低成本、高性能、超轻超薄、功能新颖的新型光学元件,近年来引起了学术界和产业界越来越浓厚的研究兴趣。从物理机理、相位调控到正向设计方法,系统回顾了超构表面的设计原理。介绍了这些机理如何用于实现丰富的应用,包括功能复用、宽带宽、大视场、多层级联、非局域超构表面等,涵盖了最主要和最新的发展方向。最后,讨论了超构表面在走向实用化的道路上所面临的器件设计和加工制造上的挑战,并对领域未来的发展进行展望。     

太赫兹大视场宽带消色差超构透镜北大核心CSCD

基于超构透镜的太赫兹成像系统因紧凑的体积受到广泛关注。现有太赫兹超构透镜仅能实现消色差或大视场成像,需要大视场宽带消色差超构透镜来进一步提升太赫兹系统的成像质量。文中介绍了一种工作在0.3～0.5THz,数值孔径0.707,直径10mm,视场100°的太赫兹大视场消色差硅基超构透镜。该超构透镜采用了二次非球面型相位剖面,减小了轴外像差,实现了大视场;选取了相位和色散满足要求的单元进行布阵,消除了色差。因此,它有望被广泛应用在生物检测、太赫兹成像等领域。     

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。     

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。     

中红外波长超构透镜最优焦距的研究

本文拟设计一种工作在中红外波长偏振不敏感的透射式超构透镜。该设计使用二氧化硅作为衬底,硅作为介质材料,超构透镜半径为100μm,最优焦距为302μm,聚焦效率为7072,其仿真焦距与理论计算仅有00013的误差。同时以焦距误差最小值为参考,设计了多个不同半径的超构透镜,并得到了最优焦距、数值孔径、聚焦效率等数据,提高了后续基于相同结构设计超构透镜的效率。其设计方法为计算中红外超构透镜最优焦距提供了思路,为提高中红外超构透镜效率提供了技术支持。     

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。     

无透镜编码叠层显微成像原理及研究进展（特邀）

叠层成像技术是近年来发展快速的相干衍射成像方法,目前已经成为世界上大多数X射线同步加速器和国家实验室不可或缺的成像工具。光学叠层成像是叠层成像技术在可见光波段的应用,分为基于透镜的傅里叶叠层成像与基于无透镜的编码叠层成像。编码叠层成像作为一种新型无透镜片上显微成像技术,具有大视场、高分辨率、无像差、无标记、便携式,以及缓变相位成像等诸多技术优点。本文介绍无透镜编码叠层显微成像的基本原理及最新研究进展,分析了其成像性能,重点介绍了其在生物医学方面的相关应用,并讨论了编码叠层成像技术未来的发展方向。