一种基于归一化频谱压缩的长焦深聚焦透镜及设计方法

专利类型：发明专利 

语 言：中文 

申 请 号：CN201710970923.3 

申 请 日：20171018 

发 明 人：陈刚温中泉武志翔张硕张智海 

申 请 人：重庆大学 

申请人地址：400030 重庆市沙坪坝区沙正街174号 

公 开 日：20180116 

公 开 号：CN107589543A 

代 理 人：康海燕 

代理机构：重庆华科专利事务所 50123 

摘　　要：一种基于归一化频谱压缩的长焦深聚焦透镜，其是通过对聚焦器件的傅里叶频谱相对于空间截止频率的压缩，来实现超长焦深的聚焦焦斑。透镜具有圆环形金属?介质结构，通过求取辅助设计波长和辅助设计焦距，对透镜的振幅分布和相位分布进行优化，实现超长焦深的超衍射聚焦，在焦深大于100倍波长的范围内实现焦斑的横向尺寸小于衍射极限。本发明极大地降低了超长焦深超衍射透镜的设计复杂度和计算量，解决常规透镜设计方法难以实现超长焦深超衍射焦斑的难题。这种聚焦透镜在粒子操控、超分辨光学显微、高密度数据存储等方面应用前景。本发明还可以拓展到电磁波的其他波段，不仅限于光学波段，因此，可以广泛应用在电磁波功能器件的设计和实现上。 

主 权 项：一种基于归一化频谱压缩的长焦深聚焦透镜设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)设定目标参数：工作波长λ、透镜半径R、透镜焦距f、透镜焦深DOF、焦斑尺寸半高全宽FWHM，FWHM小于衍射极限0.5λ/NA，其中实心焦斑对应的为峰值半高全宽，空心焦斑对应的为空心环内径的半高全宽；设定设计变量，包括辅助设计波长λ₀、辅助设计焦距f₀；(2)利用目标参数，根据公式(1)、公式(2)、公式(3)，在透镜半径范围内0<r<R，通过扫描方式，改变f₀和λ₀，使得F(λ)＝f，且F(R)＝f+DOF，求解辅助设计波长λ₀、辅助设计焦距f₀$\begin{array}{c}F\left(r\right)=r·{\left[1-{\sin }^2\theta \left(r\right)\right]}^{1/2}/\sin \theta \left(r\right)\\ =\frac{r·{\left\{1-{\left[\lambda /d\left(r\right)\right]}^2\right\}}^{1/2}}{\left[\lambda /d\left(r\right)\right]},\end{array}---\left(1\right)$d(r)＝λ₀/sinθ′(r),??(2)θ′(r)＝atan(r/f₀).??(3)其中，r为极坐标中的径向坐标，d为等效局域光栅，λ为工作波长；(3)根据已获得的辅助设计波长λ₀、辅助设计焦距f₀，采用最优化算法，对于入射波长为λ₀、半径为R、焦距为f₀的透镜的振幅分布A(r_i)和相位分布ψ(r_i)进行优化，使得透镜在辅助设计波长λ₀作为入射波长时，汇聚成实心焦斑或空心焦斑；通过采用小于辅助设计波长λ₀的工作波长λ入射时，实现对透镜透射函数傅里叶频谱相对于光场远场传播截止频率1/λ的压缩，透镜在工作波长λ下，能量沿传播光轴重新分布，形成超长焦深的实心焦斑或空心焦斑，且焦斑尺寸为FWHM；(4)根据优化后的振幅分布A(r_i)和相位分布ψ(r_i)，依据透镜的介质圆环和金属圆环的厚度确定方法，针对工作波长λ，求解出各介质圆环和金属圆环的厚度，从而完成工作波长为λ、焦距为f、焦深为DOF的超长焦深聚焦透镜设计。 

关 键 词：聚焦透镜;分布;焦斑;应用;归一化频谱压缩;设计方法;辅助设计;电磁波;长焦深;金属;波长;波段;计算;优化;前景;焦距;粒子;小于;大于;衍射; 

法律状态：公开 

IPC专利分类号：G02B27/00(2006.01)I,G02B3/08(2006.01)I