CN108375418A - 一种基于介质超表面的紧凑光学测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介质超表面的紧凑光学测量仪，包括介质超表面和探测器阵列，探测器阵列位于介质超表面的焦距处；介质超表面包括多个基本模块，相邻的基本模块相互接触；每个基本模块独立工作以获取入射到该基本模块表面的待测光的偏振态；每个基本模块包括第一平面聚焦镜、第二平面聚焦镜、第三平面聚焦镜和第四平面聚焦镜，四块平面聚焦镜按照从左至右、从上自下的顺序构成“田”字形平面结构；这四个平面聚焦镜的焦距一致。本发明提供的紧凑光学测量仪可以探测入射光的偏振态和波前，在可见光波段损耗较小，在近红外到红外波段几乎没有损耗，极大降低了光损耗，提高了探测的灵敏度。
Description
本申请要求于2017年3月27日提交中国国家知识产权局专利局、申请号为201710187581.8、发明名称为“一种基于介质超表面的紧凑偏振态测量仪”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明属于光学器件技术领域，更具体地，涉及一种基于介质超表面的紧凑光学测量仪。
背景技术
光学偏振测量仪、光学波前测量仪在光通信、偏振成像、自适应光学、天文学、生物医学、材料科学等领域得到了令人瞩目的应用。目前在光学领域，主要有两类偏振态测量方法：一类是利用四分之一波片和线偏振片不同旋向的组合对入射光进行多次测量，利用测得的数据计算出入射光的斯托克斯参量，这种方法的缺点是要进行多次测量，无法对瞬间的偏振态进行判断；另一类是将待测光分成几路，每一路的待测光用已固定好旋向的四分之一波片以及线偏振片进行探测，这种方法实现了瞬态的数据采集，但是系统庞大、复杂并且成本高。目前，光学波前探测也主要分为两类：一类是直接式波前探测，即对待测波前分布的直接探测，例如剪切干涉仪、曲率传感器、哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)传感器等。另一类是间接式波前探测，即对待测波前在后续光路的某个或某些特征面(焦面上或附近)的光强分布，逆向求解待测波前分布，例如相位恢复(Phase retrieval)法、相位差法等。这些波前探测方法的主要缺点是系统复杂、成本高且集成化水平低。
近年来，一种二维的超表面材料被用在调控光的强度、相位以及偏振态，其为新型光学信息测量提供了新的思路。2015年，Anders Pors等人利用一种具有双折射性质的间隙表面等离子体的超表面结构引入对不同偏振态分量的入射光的相位梯度调制，成功将入射光中的偏振态分量分离到不同的出射方向，通过实时探测各个方向衍射光的强度，计算出瞬态的斯托克斯参量，从而唯一确定入射光的偏振态，(Anders Pors等.“Plasmonicmetagratings for simultaneous determination of Stokes parameters,”Optica 2,716-723(2015))；其所采用的器件材料为金和二氧化硅，是在一层较厚的金层上覆盖一层纳米尺度厚的二氧化硅、再在其上沉积一层在空间尺度上不断变化的纳米金块阵列所形成的结构；由于在使用透射光来进行探测时，纳米金块阵列对于入射光有较大的损耗，在保留纳米金属块对入射光相位调制能力的同时，利用一种间隙表面等离子体的结构增大对于入射光的反射率，减小对入射光的损耗，并利用反射光进行探测；然而，由于使用了金属元素，不可避免存在较大的光损耗；另外，由于是利用反射光进行探测，难以实现近场的探测，系统需要使用多个光学透镜将衍射到不同方向的光聚焦到探测器表面，增加了系统的复杂度，限制了器件的集成度。此外，该系统只能对光的偏振态进行测量，对波前无法进行探测。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于介质超表面的紧凑光学测量仪，其目的在于提高光学测量器件的探测灵敏度，提高器件集成度，实现光学偏振态与波前的多功能探测。
为实现上述目的，本发明提供一种基于介质超表面的紧凑光学测量仪，包括介质超表面和探测器阵列，探测器阵列位于介质超表面的焦距处；
其中，介质超表面包括多个基本模块，相邻的基本模块相互接触，多个基本模块共同构成具有厚度的平面结构；每个基本模块独立工作以获取入射到该基本模块表面的待测光的偏振态和波前；
每个基本模块包括第一平面聚焦镜、第二平面聚焦镜、第三平面聚焦镜和第四平面聚焦镜，相邻两块平面聚焦镜相互接触；第一平面聚焦镜、第二平面聚焦镜、第三平面聚焦镜和第四平面聚焦镜按照从左至右、从上自下的顺序构成“田”字形平面结构；上述四个平面聚焦镜的焦距相同；
其中，第一平面聚焦镜用于将入射光中的水平线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；第二平面聚焦镜用于将入射光中的垂直线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；第三平面聚焦镜用于将入射光中的45度线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；第四平面聚焦镜用于将入射光中的左旋圆偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；这四个平面聚焦镜对于入射光中上述四种偏振分量之外的其余偏振分量起透射作用，但没有聚焦作用，其余偏振分量的透过光散布在探测器阵列表面作为背景光。
具体地，入射光通过四个平面聚焦镜在所述探测器阵列表面形成的四个光斑的强度可用于确定入射光的偏振态，以及四个光斑的位置可用于确定入射光的波前；四个平面聚焦镜均由多个基础单元拼接构成，每个基础单元包括长方体状的石英基板和设于基板上的截面为椭圆的介质柱。
具体地，设于基板上的截面为椭圆的介质柱采用的介质材料可以为硅、锗、二氧化钛或硫化锌。
优选的，上述的紧凑光学测量仪，其第一平面聚焦镜包括多个基础单元，相邻基础单元的基板相互接触，排列形成第一平面聚焦镜；
其中，各基础单元对透射光的透过率高，在米氏共振峰附近对相位的调控范围大，通过调整介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱截面椭圆的长、短轴，对入射光实现在2π范围内的相位调制。
优选的，上述的紧凑光学测量仪，其第一平面聚焦镜的基础单元的介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱截面椭圆的逆时针旋向角固定为0。
优选的，上述的紧凑光学测量仪，其第一平面聚焦镜的基础单元的介质(如：硅、锗、二氧化钛、氮化硅)柱截面椭圆的长轴和短轴满足以下关系：
其中，Dx第一平面聚焦镜的基础单元介质(如：硅、锗、二氧化钛、氮化硅)柱截面椭圆的长轴大小、Dy为第一平面聚焦镜的基础单元介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱截面椭圆的短轴大小，长轴在水平方向，短轴在垂直方向；λ1为第一平面聚焦镜的工作波长，(x，y)是第一平面聚焦镜上任意一点的坐标，f1为第一平面聚焦镜的焦距大小，const为常数；
根据时域有限差分(FDTD)算法，以(0，0)为焦点位置在平面聚焦镜上的投影坐标，将介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱截面椭圆的长轴、短轴大小映射到其对水平线偏振入射光所引入的相位调制上，获得映射关系F；F-1是映射关系F的逆映射，是将对水平偏振入射光的相位调制映射到相应的介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱截面椭圆的长轴、短轴大小上获得的映射关系；
其中，FDTD算法是指将麦克斯韦方程中两个旋度的方程在空间和时间上用中心差分格式进行离散，从而获得一组递推方程，并且在一定的边界条件下来求解麦克斯韦方程组的算法；中心差分格式能够保证FDTD的解具有二阶精度，并且在满足Courant条件时其结果是稳定的。
优选的，上述的紧凑光学测量仪，其第二平面聚焦镜通过将第一平面聚焦镜的基础单元的介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱以轴向为中心统一沿顺时针或逆时针方向旋转90度获得。
优选的，上述的紧凑光学测量仪，其第三平面聚焦镜通过将第一平面聚焦镜的基础单元的介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱以轴向为中心统一沿逆时针方向旋转45度获得。
优选的，上述的紧凑光学测量仪，其第四平面聚焦镜基础单元介质(如：硅、锗、二氧化钛、氮化硅)柱的逆时针旋向角；
其中，(x,y)是第四平面聚焦镜上任意一点的坐标，θ(x,y)为点(x,y)位置处基础单元介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱的逆时针旋向角，λ2为第四平面聚焦镜的工作波长，f2为第四平面聚焦镜的焦距大小，const为常数；当第四平面聚焦镜基础单元介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱的旋向覆盖0～π时，第四平面聚焦镜对圆偏振光的相位调制可以覆盖0～2π。
优选的，上述的紧凑光学测量仪，其第四平面聚焦镜的基础单元的介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱截面椭圆的长轴与短轴大小固定，满足如下关系：
F(Bx,By)+F(By,Bx)＝0；
其中，Bx为第四平面聚焦镜的基础单元的介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱截面椭圆长轴大小、By为第四平面聚焦镜的基础单元的介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱截面椭圆短轴大小，当第四平面聚焦镜的基础单元的介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱截面椭圆旋转角θ为0时，长轴在水平方向，短轴在垂直方向，F是指将第四平面聚焦镜介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱截面椭圆的长、短轴大小映射到其对水平线偏振入射光所引入的调制相位上所得到映射关系。
优选的，上述的紧凑光学测量仪，基础单元的基板为矩形石英基板，其横向截面的长度和宽度在λ3与0.5λ3之间取值，以减小衍射效应并达到水平偏振态以及垂直偏振态的入射光在基础单元的介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱中形成米氏共振；其中，λ3为入射光波长。
进一步优选的，上述的紧凑光学测量仪，石英基板长、宽相等，介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱的高度小于入射光波长，且介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱的长轴为0.1×基底长度～0.9×基底长度，短轴为0.1×基底宽度～0.9×基底宽度，以降低制备难度并减小相邻椭圆状介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱之间相互耦合影响。
进一步优选的，上述的紧凑光学测量仪，其第四平面聚焦镜通过将第一平面聚焦镜的基础单元的介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱以轴向为中心统一沿顺时针或逆时针方向旋转0～180度获得，使其对圆偏振的相位调制达到0～360度；
进一步优选的，上述的紧凑光学测量仪，其探测器阵列采用CCD阵列。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪，其基础单元结构基底是石英，椭圆柱的材料为介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)，利用介质材料对入射光进行调制，二氧化钛、硫化锌在可见光波段损耗很小，硅、锗在近红外到红外波段几乎没有损耗，与现有金属材质的超表面相比，大大降低了光损耗，提高了探测的灵敏度。
(2)本发明提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪，其介质超表面具有透射和聚焦的功能，利用透射光来进行探测，使得近场探测成为可能，与现有金属材质的超表面相比，无需其他的光学透镜就能将探测光汇聚到探测器表面，并且无需设置多个探测器在不同位置进行同时探测，大大提高了系统的集成度。
(3)本发明提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪，其介质超表面中每个基本模块都能实现对不同偏振光的聚焦功能，这使得该发明不仅能实现对偏振态的实时探测，同时也可以实现对波前的实时探测。
附图说明
图1是为本发明实施例提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的整体结构示意图；
图2是实施例提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的基本模块的结构示意图；
图3是实施例提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的基础单元的结构示意图；
图4是实施例提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的基础单元的俯视图；
图5是实施例1提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的基本模块的结构俯视图；
图6是实施例1中各平面透镜的光强分布示意图；
图7是实施例1中光束斜入射时各平面透镜的光强分布示意图；
图8是实施例2提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的基本模块的结构俯视图；
图9是实施例2中各平面透镜的光强分布示意图；
图10是实施例2中光束斜入射时各平面透镜的光强分布示意图；
图11是实施例3提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的基本模块的结构俯视图；
图12是实施例3中各平面透镜的光强分布示意图；
图13是实施例3中光束斜入射时各平面透镜的光强分布示意图；
图14是实施例4提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的基本模块的结构俯视图；
图15是实施例4中各平面透镜的光强分布示意图；
图16是实施例4中光束斜入射时各平面透镜的光强分布示意图；
图17是实施例5提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的基本模块的结构俯视图；
图18是实施例5中各平面透镜的光强分布示意图；
图19是实施例5中光束斜入射时各平面透镜的光强分布示意图；
图20是实施例6提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的基本模块的结构俯视图；
图21是实施例6中各平面透镜的光强分布示意图；
图22是实施例6中光束斜入射时各平面透镜的光强分布示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为介质超表面、2为CCD阵列、3为单元结构石英基底、4为单元结构椭圆柱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
通过在长方体石英基板上沉积一个截面为椭圆状的介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱制成；
图1所示是实施例提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的整体结构示意图，CCD阵列2集成在介质超表面1后的焦距处；介质超表面包括多个基本模块，每个基本模块独立工作以获得入射在该基本模块表面的入射光偏振态信息；图1中，实线矩形示意的是基本模块，基本模块内的4个虚线矩形分别示意了水平线偏振敏感平面聚焦镜、垂直线偏振敏感平面聚焦镜、45度线偏振敏感平面聚焦镜和左旋圆偏振敏感平面聚焦镜虚线矩形；虚线圆柱与圆锥示意的是入射光线，介质超表面与CCD阵列之间的虚线圆锥示意的是介质超表面汇聚的光线。
图2是实施例提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的基本模块的结构示意图；实施例中，每个基本模块包括水平线偏振敏感平面聚焦镜，垂直线偏振敏感平面聚焦镜，45度线偏振敏感平面聚焦镜，左旋圆偏振敏感平面聚焦镜；
上述这四个平面聚焦镜的焦距一致，分别将入射光中水平线偏振分量、垂直线偏振分量、45度线偏振分量以及左旋圆偏振分量汇聚到CCD阵列上；上述四个偏振态分量在CCD阵列上形成四个聚焦光斑；图2中，基本模块与CCD阵列之间的4个虚线圆锥示意了被这4个平面透镜所汇聚后的出射光线。
图3是实施例提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的基础单元的结构示意图，图4是对应的俯视图；本实施例中，基础单元包括长方体状的石英基板3与设于基板上的截面为椭圆的介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱4，介质柱在基板上沉积形成；多个基础单元拼接构成平面透镜，4种平面透镜组拼接构成田字形成基本模块；
基础单元的石英基板横向截面的长度与宽度在λ与0.5λ之间取值以达到米氏共振的尺度并减小衍射效应，其中，λ为入射光波长；本实施例中，基础单元的石英基板横向截面的长度与宽度相等；椭圆介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱的高度小于入射光波长的长度；介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱截面椭圆的长轴范围为0.1×基底长度～0.9×基底长度，短轴范围为0.1×基底宽度～0.9×基底宽度；图4中，θ角即为左旋圆偏振敏感平面聚焦镜的介质(如：硅、锗、二氧化钛、氮化硅)柱的逆时针旋向角，在0～180度之间取值，使左旋圆偏振敏感平面聚焦镜对圆偏振的相位调制达到0～360度。本发明中，逆时针旋向角是指如图4中θ所示意的介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)柱的椭圆截面的旋转角，其旋转方向如图4的虚线箭头所示，旋转大小为θ。
用时域有限差分(FDTD)算法分别模拟不同偏振光的入射情况，可以看出，不同偏振光入射时，在CCD阵列表面四个焦点位置处的光强分布不同；这四个光强大小与入射光的斯托克斯参量成线性关系，它们之间的关系由以下公式所描述：
(s0 s1 s2 s3)T＝M4×4(Ix Iy I45 ILC)T
其中，(S0S1S2S3)T是斯托克斯参量，Ix是水平线偏振态分量强度，Iy是垂直线偏振态分量强度，I45是45度线偏振态分量强度、ILC是左旋圆偏振态分量强度；M4×4用来联系4个光强分量与4个斯托克斯参量的4×4的矩阵，可以通过实验标定；利用该矩阵，可以通过所探测的四个光强分量计算出入射光的斯托克斯参量，从而唯一确定入射光的偏振态。
另外，用FDTD算法分别模拟不同波前的光入射情况，可以看出，不同波前的光入射时，在CCD阵列表面的四个焦点位置将会与中心位置产生不同的偏移，这个偏移量与波前的相位梯度之间由以下公式所描述：
其中，Φx、Φy分别为波前沿水平方向、垂直方向的相位梯度；dx、dy为焦点位置与中心位置的水平方向、垂直方向的偏移量；f为聚焦镜的焦距，λ为光波长。利用这两个关系式，可以通过所探测的水平方向、垂直方向的偏移量dx、dy计算出该区域光波的相位梯度，从而确定入射光波前。
以下结合具体实施例来进一步阐述本发明提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪。需要说明的是，以下以近红外入射光波长为1000nm、1310nm以及1550nm为例，以可见光波长为600nm为例，以红外入射光波长为5μm为例进行说明。
实施例1：
图5是实施例1提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的基本模块的结构俯视图；对于偏振态的探测，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为1000nm，其偏振态分别设为水平线偏振光，垂直线偏振光，45度线偏振光，-45度线偏振光，右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，并且正入射于介质超表面，探测器阵列位于介质超表面的平面透镜的共同焦距处。
对于波前的探测，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为1000nm，其偏振态45度线偏振光，波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角分别为(10度，0度)、(0度，10度)和(10度，10度)，探测器阵列位于介质超表面的平面透镜的共同焦距处。
实施例1中，基础单元的石英基底横向截面的长度Λx为500纳米，横向截面的宽度Λy为500纳米，介质硅柱的高度H为600纳米，椭圆状介质硅柱截面椭圆的长轴Dx为50～450纳米，截面椭圆的短轴Dy为50～450纳米，椭圆状介质硅柱的旋向θ为0～180度，CCD探测器阵列距离基本模块4.2微米；基本模块中的四个平面透镜的焦距都为4.2微米。
为了阐述介质硅柱截面椭圆的长、短轴大小对水平线偏振态入射光的透过光的振幅、相位的影响，以波长为1000nm入射光为对象进行了多次仿真；将入射光的偏振态设为水平线偏振态，从基础单元基板的正下方正入射于基础单元，在该基础单元的四周使用周期性(Periodic)的边界条件，在基础单元上、下方使用完美吸收体(PML)的边界条件，在基础单元的正上方放置一个点探测器，改变介质硅柱椭圆截面的长短轴大小进行多次仿真，在介质硅柱截面椭圆多个不同的长、短轴参数下获得对于水平线偏振入射光的透过光的振幅以及相位信息，进而获得映射关系F；仿真结果表明，各基础单元对透射光的透过率高，在米氏共振峰附近对相位的调控范围大；通过调整介质硅柱截面椭圆的长、短轴可实现对入射光在2π范围内的相位调制。
图5所示的俯视图中，左上部分对应水平线偏振敏感平面聚焦镜，右上部分对应垂直线偏振敏感平面聚焦镜，左下部分对应45度线偏振敏感平面聚焦镜，右下部分对应左旋圆偏振敏感平面聚焦镜。
图6所示为实施例1中光波正入射时各平面透镜的光强分布示意图；图6中虚线所构成的4个交点分别代表了4个透镜中心垂直映射到CCD表面的位置。其中，图6(a)对应入射光为水平线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.1，45度线偏振态分量的聚焦点1.2，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.3；从图中可以看出，水平线偏振态分量强度最大，垂直线偏振态分量强度最小，45度线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图6(b)对应入射光为垂直线偏振光时的4个光强分布，包括入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.4，45度线偏振态分量的聚焦点1.5，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.6；从图中可以看出，垂直线偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量强度最小，45度线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图6(c)对应入射光为45度线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.7，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.8，45度线偏振态分量的聚焦点1.9，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.10；从图中可以看出，45度线偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图6(d)对应入射光为-45度线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.11，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.12，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.13；从图中可以看出，45度线偏振态分量强度最小，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图6(e)对应入射光为右旋圆偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.14，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.15，45度线偏振态分量的聚焦点1.16；从图中可以看出，左旋圆偏振态分量强度最小，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和45度线偏振态分量也存在。
图6(f)对应入射光为左旋圆偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.17，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.18，45度线偏振态分量的聚焦点1.19，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.20；从图中可以看出，左旋圆偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和45度线偏振态分量也存在。
利用处在4个平面透镜共同焦面上的探测器所探测得到的4个焦点光强分量，结合4个斯托克斯参量与水平线偏振态分量、垂直线偏振态分量、45度线偏振态分量、左旋圆偏振态分量强度之间的线性关系可求出入射光的斯托克斯参量，从而唯一确定入射光的偏振态信息。
图7所示为实施例1中45度线偏振入射光波波前的法线方向与水平方向、垂直方向存在夹角时各平面透镜的光强分布示意图；图中虚线所构成的4个交点分别代表了4个透镜中心垂直映射到CCD表面的位置。其中，图7(a)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(10度，0度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.21，垂直线偏振态分量的聚焦点1.22，45度线偏振态分量的聚焦点1.23，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.24；从图中可以看出，当波前的法线方向与水平方向存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生水平偏移量。
图7(b)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(0度，10度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.25，垂直线偏振态分量的聚焦点1.26，45度线偏振态分量的聚焦点1.27，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.28；从图中可以看出，当波前的法线方向与垂直方向存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生垂直偏移量。
图7(c)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(10度，10度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.29，垂直线偏振态分量的聚焦点1.30，45度线偏振态分量的聚焦点1.31，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.32；从图中可以看出，当波前的法线方向与水平、垂直方向都存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生水平、垂直两个偏移量。
利用处在4个平面透镜共同焦面上的探测器所探测得到的4个焦点的水平、垂直偏移量，结合波前水平方向、垂直方向的相位梯度与焦点的水平、垂直偏移量关系可求出入射光波前水平方向、垂直方向的相位梯度，从而确定入射光的波前信息。
实施例2
图8是实施例2提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的基本模块的结构俯视图；对于偏振态的探测，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为1310nm，其偏振态分别设为水平线偏振光，垂直线偏振光，45度线偏振光，-45度线偏振光，右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，并且正入射于介质超表面，探测器阵列位于介质超表面的平面透镜的共同焦距处。
对于波前的探测，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为1310nm，其偏振态45度线偏振光，波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角分别为(10度，0度)、(0度，10度)和(10度，10度)，探测器阵列位于介质超表面的平面透镜的共同焦距处。
实施例2中，基础单元的石英基底横向截面的长度Λx为800纳米，横向截面的宽度Λy为800纳米，硅柱的高度H为470纳米，硅柱截面椭圆的长轴Dx为80～720纳米，短轴Dy为80～720纳米；硅柱的旋向θ为0～180度，CCD探测器阵列距离基本模块8微米；基本模块中的四个平面透镜的焦距均为8微米。
在本实施例中，以波长为1310nm的入射光为对象进行了仿真测试；将入射光的偏振态设为水平线偏振态，从基础单元基板的正下方正入射于基础单元，在该基础单元的四周使用周期性的边界条件，在基础单元上、下方使用完美吸收体的边界条件，在基础单元的正上方放置一个探测器，改变硅柱椭圆截面的长、短轴大小进行多次仿真，在硅柱截面椭圆多个不同的长、短轴参数下获得对于水平线偏振入射光的透过光的振幅以及相位信息，进而获得映射关系F；仿真结果表明，各基础单元对透射光的透过率高，在米氏共振峰附近对相位的调控范围大；通过调整硅柱截面椭圆的长、短轴可实现对入射光在2π范围内的相位调制。
图8中左上部分对应水平线偏振敏感平面聚焦镜，右上部分对应垂直线偏振敏感平面聚焦镜，左下部分对应45度线偏振敏感平面聚焦镜，右下部分对应左旋圆偏振敏感平面聚焦镜。
图9所示为实施例2中光波正入射时各平面透镜的光强分布示意图；图中虚线所构成的4个交点分别代表了4个透镜中心垂直映射到CCD表面的位置。其中，图9(a)对应入射光为水平线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.1，45度线偏振态分量的聚焦点1.2，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.3；从图中可以看出，水平线偏振态分量强度最大，垂直线偏振态分量强度最小，45度线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图9(b)对应入射光为垂直线偏振光时的4个光强分布，包括入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.4，45度线偏振态分量的聚焦点1.5，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.6；从图中可以看出，垂直线偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量强度最小，45度线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图9(c)对应入射光为45度线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.7，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.8，45度线偏振态分量的聚焦点1.9，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.10；从图中可以看出，45度线偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图9(d)对应入射光为-45度线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.11，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.12，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.13；从图中可以看出，45度线偏振态分量强度最小，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图9(e)对应入射光为右旋圆偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.14，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.15，45度线偏振态分量的聚焦点1.16；从图中可以看出，左旋圆偏振态分量强度最小，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和45度线偏振态分量也存在。
图9(f)对应入射光为左旋圆偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.17，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.18，45度线偏振态分量的聚焦点1.19，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.20；从图中可以看出，左旋圆偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和45度线偏振态分量也存在。
利用处在4个平面透镜共同焦面上的探测器所探测得到的4个焦点光强分量，结合4个斯托克斯参量与水平线偏振态分量、垂直线偏振态分量、45度线偏振态分量、左旋圆偏振态分量强度之间的线性关系可求出入射光的斯托克斯参量，从而唯一确定入射光的偏振态信息。
图10所示为实施例2中45度线偏振入射光波波前的法线方向与水平方向、垂直方向存在夹角时各平面透镜的光强分布示意图；图中虚线所构成的4个交点分别代表了4个透镜中心垂直映射到CCD表面的位置。
其中，图10(a)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(10度，0度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.21，垂直线偏振态分量的聚焦点1.22，45度线偏振态分量的聚焦点1.23，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.24；从图中可以看出，当波前的法线方向与水平方向存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生水平偏移量。
图10(b)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(0度，10度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.25，垂直线偏振态分量的聚焦点1.26，45度线偏振态分量的聚焦点1.27，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.28；从图中可以看出，当波前的法线方向与垂直方向存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生垂直偏移量。
图10(c)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(10度，10度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.29，垂直线偏振态分量的聚焦点1.30，45度线偏振态分量的聚焦点1.31，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.32；从图中可以看出，当波前的法线方向与水平、垂直方向都存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生水平、垂直两个偏移量。
利用处在4个平面透镜共同焦面上的探测器所探测得到的4个焦点的水平、垂直偏移量，结合波前水平方向、垂直方向的相位梯度与焦点的水平、垂直偏移量关系可求出入射光波前水平方向、垂直方向的相位梯度，从而确定入射光的波前信息。
实施例3
图11是实施例3提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的基本模块的结构俯视图；对于偏振态的探测，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为1550nm，其偏振态分别设为水平线偏振光，垂直线偏振光，45度线偏振光，-45度线偏振光，右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，正入射于介质超表面，CCD探测器阵列处于介质超表面各平面透镜的共同焦距处。
对于波前的探测，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为1550nm，其偏振态45度线偏振光，波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角分别为(10度，0度)、(0度，10度)和(10度，10度)，探测器阵列位于介质超表面的平面透镜的共同焦距处。
实施例3中基础单元的石英基底横向截面的长度Λx为1500纳米，横向截面的宽度Λy为1500纳米，硅柱的高度H为340纳米，硅柱截面椭圆的长轴Dx为150～1350纳米，短轴Dy为150～1350纳米，硅柱的旋向θ为0～180度，CCD探测器阵列距离基本模块12微米；基本模块中的四个平面透镜的焦距均为12微米。
在本实施例中，以波长为1550nm的入射光为对象进行了仿真测试；将入射光的偏振态设为水平线偏振态，从基础单元基板的正下方正入射于基础单元，在该基础单元的四周使用周期性的边界条件，在基础单元上、下方使用完美吸收体的边界条件，在基础单元的正上方放置一个探测器，改变硅柱椭圆截面的长、短轴大小进行多次仿真，在硅柱截面椭圆多个不同的长、短轴参数下获得对于水平线偏振入射光的透过光的振幅以及相位信息，进而获得映射关系F；仿真结果表明，各基础单元对透射光的透过率高，在米氏共振峰附近对相位的调控范围大；通过调整硅柱截面椭圆的长、短轴可实现对入射光在2π范围内的相位调制。
图11中左上部分对应水平线偏振敏感平面聚焦镜、右上部分对应垂直线偏振敏感平面聚焦镜、左下部分对应45度线偏振敏感平面聚焦镜、右下部分对应左旋圆偏振敏感平面聚焦镜。
图12所示为实施例3中各平面透镜的光强分布示意图；图中虚线所构成的4个交点分别代表了4个透镜中心垂直映射到CCD表面的位置。其中，图10(a)对应入射光为水平线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.1，45度线偏振态分量的聚焦点1.2，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.3；从图中可以看出，水平线偏振态分量强度最大，垂直线偏振态分量强度最小，45度线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图12(b)对应入射光为垂直线偏振光时的4个光强分布，包括入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.4，45度线偏振态分量的聚焦点1.5，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.6；从图中可以看出，垂直线偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量强度最小，45度线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图12(c)对应入射光为45度线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.7，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.8，45度线偏振态分量的聚焦点1.9，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.10；从图中可以看出，45度线偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图12(d)对应入射光为-45度线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.11，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.12，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.13；从图中可以看出，45度线偏振态分量强度最小，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图12(e)对应入射光为右旋圆偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.14，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.15，45度线偏振态分量的聚焦点1.16；从图中可以看出，左旋圆偏振态分量强度最小，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和45度线偏振态分量也存在。
图12(f)对应入射光为左旋圆偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.17，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.18，45度线偏振态分量的聚焦点1.19，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.20；从图中可以看出，左旋圆偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和45度线偏振态分量也存在。
利用处在4个平面透镜共同焦面上的探测器所探测得到的4个焦点光强分量，结合4个斯托克斯参量与水平线偏振态分量、垂直线偏振态分量、45度线偏振态分量、左旋圆偏振态分量强度之间的线性关系可求出入射光的斯托克斯参量，从而唯一确定入射光的偏振态信息。
图13所示为实施例3中45度线偏振入射光波波前的法线方向与水平方向、垂直方向存在夹角时各平面透镜的光强分布示意图；图中虚线所构成的4个交点分别代表了4个透镜中心垂直映射到CCD表面的位置。其中，图13(a)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(10度，0度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.21，垂直线偏振态分量的聚焦点1.22，45度线偏振态分量的聚焦点1.23，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.24；从图中可以看出，当波前的法线方向与水平方向存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生水平偏移量。
图13(b)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(0度，10度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.25，垂直线偏振态分量的聚焦点1.26，45度线偏振态分量的聚焦点1.27，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.28；从图中可以看出，当波前的法线方向与垂直方向存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生垂直偏移量。
图13(c)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(10度，10度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.29，垂直线偏振态分量的聚焦点1.30，45度线偏振态分量的聚焦点1.31，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.32；从图中可以看出，当波前的法线方向与水平、垂直方向都存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生水平、垂直两个偏移量。
利用处在4个平面透镜共同焦面上的探测器所探测得到的4个焦点的水平、垂直偏移量，结合波前水平方向、垂直方向的相位梯度与焦点的水平、垂直偏移量关系可求出入射光波前水平方向、垂直方向的相位梯度，从而确定入射光的波前信息。
实施例4
图14是实施例4提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪的基本模块的结构俯视图；
对于偏振态的探测，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为600nm，其偏振态分别设为水平线偏振光，垂直线偏振光，45度线偏振光，-45度线偏振光，右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，并且正入射于介质超表面，探测器阵列位于介质超表面的平面透镜的共同焦距处。
对于波前的探测，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为600nm，其偏振态45度线偏振光，波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角分别为(10度，0度)、(0度，10度)和(10度，10度)，探测器阵列位于介质超表面的平面透镜的共同焦距处。
实施例4中，基础单元的石英基底横向截面的长度Λx为500纳米，横向截面的宽度Λy为500纳米，二氧化钛椭圆柱的高度H为600纳米，二氧化钛椭圆柱截面椭圆的长轴Dx为50～450纳米，短轴Dy为50～450纳米，二氧化钛椭圆柱的旋向θ为0～180度，CCD探测器阵列距离基本模块5微米；基本模块中的四个平面透镜的焦距均为5微米。
在本实施例中，以波长为600nm的入射光为对象进行了仿真测试；将入射光的偏振态设为水平线偏振态，从基础单元基板的正下方正入射于基础单元，在该基础单元的四周使用周期性的边界条件，在基础单元上、下方使用完美吸收体的边界条件，在基础单元的正上方放置一个探测器，改变二氧化钛椭圆柱截面的长、短轴大小进行多次仿真，在二氧化钛椭圆柱截面椭圆多个不同的长、短轴参数下获得对于水平线偏振入射光的透过光的振幅以及相位信息，进而获得映射关系F；仿真结果表明，各基础单元对透射光的透过率高，在米氏共振峰附近对相位的调控范围大；通过调整二氧化钛椭圆柱椭圆的长、短轴可实现对入射光在2π范围内的相位调制。
图14中左上部分对应水平线偏振敏感平面聚焦镜、右上部分对应垂直线偏振敏感平面聚焦镜、左下部分对应45度线偏振敏感平面聚焦镜、右下部分对应左旋圆偏振敏感平面聚焦镜。
图15所示为实施例4中各平面透镜的光强分布示意图；图中虚线所构成的4个交点分别代表了4个透镜中心垂直映射到CCD表面的位置。其中，图15(a)对应入射光为水平线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.1，45度线偏振态分量的聚焦点1.2，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.3；从图中可以看出，水平线偏振态分量强度最大，垂直线偏振态分量强度最小，45度线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图15(b)对应入射光为垂直线偏振光时的4个光强分布，包括入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.4，45度线偏振态分量的聚焦点1.5，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.6；从图中可以看出，垂直线偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量强度最小，45度线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图15(c)对应入射光为45度线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.7，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.8，45度线偏振态分量的聚焦点1.9，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.10；从图中可以看出，45度线偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图15(d)对应入射光为-45度线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.11，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.12，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.13；从图中可以看出，45度线偏振态分量强度最小，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图15(e)对应入射光为右旋圆偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.14，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.15，45度线偏振态分量的聚焦点1.16；从图中可以看出，左旋圆偏振态分量强度最小，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和45度线偏振态分量也存在。
图15(f)对应入射光为左旋圆偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.17，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.18，45度线偏振态分量的聚焦点1.19，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.20；从图中可以看出，左旋圆偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和45度线偏振态分量也存在。
利用处在4个平面透镜共同焦面上的探测器所探测得到的4个焦点光强分量，结合4个斯托克斯参量与水平线偏振态分量、垂直线偏振态分量、45度线偏振态分量、左旋圆偏振态分量强度之间的线性关系可求出入射光的斯托克斯参量，从而唯一确定入射光的偏振态信息。
图16所示为实施例4中45度线偏振入射光波波前的法线方向与水平方向、垂直方向存在夹角时各平面透镜的光强分布示意图；图中虚线所构成的4个交点分别代表了4个透镜中心垂直映射到CCD表面的位置。其中，图16(a)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(10度，0度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.21，垂直线偏振态分量的聚焦点1.22，45度线偏振态分量的聚焦点1.23，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.24；从图中可以看出，当波前的法线方向与水平方向存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生水平偏移量。
图16(b)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(0度，10度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.25，垂直线偏振态分量的聚焦点1.26，45度线偏振态分量的聚焦点1.27，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.28；从图中可以看出，当波前的法线方向与垂直方向存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生垂直偏移量。
图16(c)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(10度，10度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.29，垂直线偏振态分量的聚焦点1.30，45度线偏振态分量的聚焦点1.31，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.32；从图中可以看出，当波前的法线方向与水平、垂直方向都存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生水平、垂直两个偏移量。
利用处在4个平面透镜共同焦面上的探测器所探测得到的4个焦点的水平、垂直偏移量，结合波前水平方向、垂直方向的相位梯度与焦点的水平、垂直偏移量关系可求出入射光波前水平方向、垂直方向的相位梯度，从而确定入射光的波前信息。
实施例5
图17是实施例5提供的基于介质超表面的紧凑偏振态测量仪的基本模块的结构俯视图；对于偏振态的探测，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为600nm，其偏振态分别设为水平线偏振光，垂直线偏振光，45度线偏振光，-45度线偏振光，右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，并且正入射于介质超表面，探测器阵列位于介质超表面的平面透镜的共同焦距处。
对于波前的探测，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为600nm，其偏振态45度线偏振光，波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角分别为(10度，0度)、(0度，10度)和(10度，10度)，探测器阵列位于介质超表面的平面透镜的共同焦距处。
实施例5中，基础单元的石英基底横向截面的长度Λx为500纳米，横向截面的宽度Λy为500纳米，硫化锌椭圆柱的高度H为600纳米，硫化锌椭圆柱截面椭圆的长轴Dx为50～450纳米，短轴Dy为50～450纳米，硫化锌椭圆柱的旋向θ为0～180度，CCD探测器阵列距离基本模块15微米；基本模块中的四个平面透镜的焦距均为15微米。
在本实施例中，以波长为600nm的入射光为对象进行了仿真测试；将入射光的偏振态设为水平线偏振态，从基础单元基板的正下方正入射于基础单元，在该基础单元的四周使用周期性的边界条件，在基础单元上、下方使用完美吸收体的边界条件，在基础单元的正上方放置一个探测器，改变硫化锌椭圆柱截面的长、短轴大小进行多次仿真，在硫化锌椭圆柱截面椭圆多个不同的长、短轴参数下获得对于水平线偏振入射光的透过光的振幅以及相位信息，进而获得映射关系F；仿真结果表明，各基础单元对透射光的透过率高，在米氏共振峰附近对相位的调控范围大；通过调整硫化锌椭圆柱椭圆的长、短轴可实现对入射光在2π范围内的相位调制。
图17中左上部分对应水平线偏振敏感平面聚焦镜、右上部分对应垂直线偏振敏感平面聚焦镜、左下部分对应45度线偏振敏感平面聚焦镜、右下部分对应左旋圆偏振敏感平面聚焦镜。
图18所示，为实施例5中各平面透镜的光强分布示意图；图中虚线所构成的4个交点分别代表了4个透镜中心垂直映射到CCD表面的位置。其中，图18(a)对应入射光为水平线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.1，45度线偏振态分量的聚焦点1.2，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.3；从图中可以看出，水平线偏振态分量强度最大，垂直线偏振态分量强度最小，45度线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图18(b)对应入射光为垂直线偏振光时的4个光强分布，包括入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.4，45度线偏振态分量的聚焦点1.5，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.6；从图中可以看出，垂直线偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量强度最小，45度线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图18(c)对应入射光为45度线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.7，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.8，45度线偏振态分量的聚焦点1.9，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.10；从图中可以看出，45度线偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图18(d)对应入射光为-45度线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.11，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.12，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.13；从图中可以看出，45度线偏振态分量强度最小，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图18(e)对应入射光为右旋圆偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.14，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.15，45度线偏振态分量的聚焦点1.16；从图中可以看出，左旋圆偏振态分量强度最小，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和45度线偏振态分量也存在。
图18(f)对应入射光为左旋圆偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.17，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.18，45度线偏振态分量的聚焦点1.19，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.20；从图中可以看出，左旋圆偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和45度线偏振态分量也存在。
利用处在4个平面透镜共同焦面上的探测器所探测得到的4个焦点光强分量，结合4个斯托克斯参量与水平线偏振态分量、垂直线偏振态分量、45度线偏振态分量、左旋圆偏振态分量强度之间的线性关系可求出入射光的斯托克斯参量，从而唯一确定入射光的偏振态信息。
图19所示为实施例5中45度线偏振入射光波波前的法线方向与水平方向、垂直方向存在夹角时各平面透镜的光强分布示意图；其中，图19(a)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(10度，0度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.21，垂直线偏振态分量的聚焦点1.22，45度线偏振态分量的聚焦点1.23，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.24；从图中可以看出，当波前的法线方向与水平方向存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生水平偏移量。
图19(b)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(0度，10度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.25，垂直线偏振态分量的聚焦点1.26，45度线偏振态分量的聚焦点1.27，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.28；从图中可以看出，当波前的法线方向与垂直方向存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生垂直偏移量。
图19(c)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(10度，10度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.29，垂直线偏振态分量的聚焦点1.30，45度线偏振态分量的聚焦点1.31，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.32；从图中可以看出，当波前的法线方向与水平、垂直方向都存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生水平、垂直两个偏移量。
利用处在4个平面透镜共同焦面上的探测器所探测得到的4个焦点的水平、垂直偏移量，结合波前水平方向、垂直方向的相位梯度与焦点的水平、垂直偏移量关系可求出入射光波前水平方向、垂直方向的相位梯度，从而确定入射光的波前信息。
实施例6
图20是实施例6提供的基于介质超表面的紧凑偏振态测量仪的基本模块的结构俯视图；对于偏振态的探测，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为5μm，其偏振态分别设为水平线偏振光，垂直线偏振光，45度线偏振光，-45度线偏振光，右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，并且正入射于介质超表面，探测器阵列位于介质超表面的平面透镜的共同焦距处。
对于波前的探测，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为5微米，其偏振态45度线偏振光，波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角分别为(10度，0度)、(0度，10度)和(10度，10度)，探测器阵列位于介质超表面的平面透镜的共同焦距处。
实施例6中，基础单元的石英基底横向截面的长度Λx为3微米，横向截面的宽度Λy为3微米，锗柱的高度H为2微米，出于加工工艺的考虑，在锗柱和石英基底之间加入了厚度为340nm的硅层，锗柱截面椭圆的长轴Dx为0.3～2.7微米，短轴Dy为0.3～2.7微米，锗柱的旋向θ为0～180度，CCD探测器阵列距离基本模块50微米；基本模块中的四个平面透镜的焦距均为50微米。
在本实施例中，以波长为5微米的入射光为对象进行了仿真测试；将入射光的偏振态设为水平线偏振态，从基础单元基板的正下方正入射于基础单元，在该基础单元的四周使用周期性的边界条件，在基础单元上、下方使用完美吸收体的边界条件，在基础单元的正上方放置一个探测器，改变锗柱截面的长、短轴大小进行多次仿真，在锗柱截面椭圆多个不同的长、短轴参数下获得对于水平线偏振入射光的透过光的振幅以及相位信息，进而获得映射关系F；仿真结果表明，各基础单元对透射光的透过率高，在米氏共振峰附近对相位的调控范围大；通过调整锗柱椭圆的长、短轴可实现对入射光在2π范围内的相位调制。
图20中左上部分对应水平线偏振敏感平面聚焦镜、右上部分对应垂直线偏振敏感平面聚焦镜、左下部分对应45度线偏振敏感平面聚焦镜、右下部分对应左旋圆偏振敏感平面聚焦镜。
图21所示，为实施例6中各平面透镜的光强分布示意图；图中虚线所构成的4个交点分别代表了4个透镜中心垂直映射到CCD表面的位置。其中，图21(a)对应入射光为水平线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.1，45度线偏振态分量的聚焦点1.2，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.3；从图中可以看出，水平线偏振态分量强度最大，垂直线偏振态分量强度最小，45度线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图21(b)对应入射光为垂直线偏振光时的4个光强分布，包括入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.4，45度线偏振态分量的聚焦点1.5，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.6；从图中可以看出，垂直线偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量强度最小，45度线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图21(c)对应入射光为45度线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.7，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.8，45度线偏振态分量的聚焦点1.9，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.10；从图中可以看出，45度线偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图21(d)对应入射光为-45度线偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.11，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.12，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.13；从图中可以看出，45度线偏振态分量强度最小，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和左旋圆偏振态分量也存在。
图21(e)对应入射光为右旋圆偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.14，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.15，45度线偏振态分量的聚焦点1.16；从图中可以看出，左旋圆偏振态分量强度最小，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和45度线偏振态分量也存在。
图21(f)对应入射光为左旋圆偏振光时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.17，入射光垂直线偏振态分量的聚焦点1.18，45度线偏振态分量的聚焦点1.19，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.20；从图中可以看出，左旋圆偏振态分量强度最大，水平线偏振态分量，垂直线偏振态和45度线偏振态分量也存在。
利用处在4个平面透镜共同焦面上的探测器所探测得到的4个焦点光强分量，结合4个斯托克斯参量与水平线偏振态分量、垂直线偏振态分量、45度线偏振态分量、左旋圆偏振态分量强度之间的线性关系可求出入射光的斯托克斯参量，从而唯一确定入射光的偏振态信息。
图22所示，为实施例5中45度线偏振入射光波波前的法线方向与水平方向、垂直方向存在夹角时各平面透镜的光强分布示意图；其中，图22(a)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(10度，0度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.21，垂直线偏振态分量的聚焦点1.22，45度线偏振态分量的聚焦点1.23，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.24；从图中可以看出，当波前的法线方向与水平方向存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生水平偏移量。
图22(b)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(0度，10度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.25，垂直线偏振态分量的聚焦点1.26，45度线偏振态分量的聚焦点1.27，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.28；从图中可以看出，当波前的法线方向与垂直方向存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生垂直偏移量。
图22(c)对应入射光波前的法线方向与水平方向、垂直方向的夹角为(10度，10度)时的4个光强分布，包括入射光水平线偏振态分量的聚焦点1.29，垂直线偏振态分量的聚焦点1.30，45度线偏振态分量的聚焦点1.31，左旋圆偏振态分量的聚焦点1.32；从图中可以看出，当波前的法线方向与水平、垂直方向都存在夹角时，聚焦点的位置与中心点产生水平、垂直两个偏移量。
利用处在4个平面透镜共同焦面上的探测器所探测得到的4个焦点的水平、垂直偏移量，结合波前水平方向、垂直方向的相位梯度与焦点的水平、垂直偏移量关系可求出入射光波前水平方向、垂直方向的相位梯度，从而确定入射光的波前信息。
本发明的基于介质超表面的紧凑光学测量仪，其介质超表面可通过以下方法制备获得：
(1)在石英基底上利用化学气相沉积法或原子层沉积法或电子束蒸发法沉积介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)；
(2)在介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)表面旋涂光刻胶，通过光刻蚀或者电子束刻蚀在光刻胶上刻出预设的结构；
(3)通过电子束沉积，在光刻胶以及露出介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)的表面沉积一层铝，并利用正胶剥离去除掉残余的光刻胶，留下一层金属铝掩模版；
(4)利用感应耦合等离子体刻蚀的方法将不属于结构部分的介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌)刻蚀掉，洗去最上层残留的金属铝掩模版，获得介质超表面。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于介质超表面的紧凑光学测量仪，其特征在于，包括介质超表面和探测器阵列，所述探测器阵列位于介质超表面的焦距处；
所述介质超表面包括多个基本模块，相邻的基本模块相互接触；每个基本模块独立工作以获取入射到所述基本模块表面的待测光的偏振态和波前；
每个所述基本模块包括焦距相同的第一平面聚焦镜、第二平面聚焦镜、第三平面聚焦镜和第四平面聚焦镜；所述第一平面聚焦镜、第二平面聚焦镜、第三平面聚焦镜和第四平面聚焦镜按照从左至右、从上自下的顺序构成“田”字形平面结构；
所述第一平面聚焦镜用于将入射光中的水平线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；所述第二平面聚焦镜用于将入射光中的垂直线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；所述第三平面聚焦镜用于将入射光中的45度线偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑；所述第四平面聚焦镜用于将入射光中的左旋圆偏振分量汇聚到探测器阵列表面形成光斑，所述入射光通过四个平面聚焦镜在所述探测器阵列表面形成的四个光斑的强度可用于确定入射光的偏振态，以及所述四个光斑的位置可用于确定入射光的波前；
所述四个平面聚焦镜均由多个基础单元拼接构成，每个基础单元包括长方体状的石英基板和设于基板上的截面为椭圆的介质柱。
2.如权利要求1所述的紧凑光学测量仪，其特征在于，所述第一平面聚焦镜包括多个基础单元，相邻基础单元的基板相互接触，排列形成第一平面聚焦镜。
3.如权利要求2所述的紧凑光学测量仪，其特征在于，所述设于基板上的截面为椭圆的介质柱采用的介质材料为硅、锗、二氧化钛或硫化锌。
4.如权利要求3所述的紧凑光学测量仪，其特征在于，所述第一平面聚焦镜的基础单元的介质柱截面椭圆的逆时针旋向角固定为0度。
5.如权利要求3所述的紧凑光学测量仪，其特征在于，所述第四平面聚焦镜的基础单元的介质柱截面椭圆的长轴与短轴大小满足如下关系：
F(Bx,By)+F(By,Bx)＝0；
其中，Bx为第四平面聚焦镜的基础单元的介质柱截面椭圆长轴大小、By为第四平面聚焦镜的基础单元的介质柱截面椭圆短轴大小，F是指将第四平面聚焦镜介质柱截面椭圆的长、短轴大小映射到其对水平线偏振入射光所引入的调制相位上所得到映射关系。
6.如权利要求3所述的紧凑光学测量仪，其特征在于，所述第二平面聚焦镜通过将第一平面聚焦镜的基础单元的介质柱以轴向为中心沿顺时针或逆时针方向旋转90度获得。
7.如权利要求3所述的紧凑光学测量仪，其特征在于，所述第三平面聚焦镜通过将第一平面聚焦镜的基础单元的介质柱以轴向为中心沿逆时针方向旋转45度获得。
8.如权利要求3所述的紧凑光学测量仪，其特征在于，所述第四平面聚焦镜基础单元介质柱截面椭圆的逆时针旋向角满足：
其中，(x,y)是第四平面聚焦镜上任意一点的坐标，θ(x,y)为点(x,y)位置处基础单元介质柱的逆时针旋向角，λ2为第四平面聚焦镜的工作波长，f2为第四平面聚焦镜的焦距大小，const为常数。
9.如权利要求5所述的紧凑光学测量仪，其特征在于，所述第一平面聚焦镜的基础单元的介质柱截面椭圆的长轴和短轴满足以下关系：
其中，Dx第一平面聚焦镜的基础单元介质柱截面椭圆的长轴大小、Dy为第一平面聚焦镜的基础单元介质柱截面椭圆的短轴大小，长轴在水平方向，短轴在垂直方向；λ1为第一平面聚焦镜的工作波长，(x，y)是第一平面聚焦镜上任意一点的坐标，f1为第一平面聚焦镜的焦距大小，const为常数，F-1是所述映射关系F的逆映射。
10.如权利要求3所述的紧凑光学测量仪，其特征在于，所述第四平面聚焦镜通过将第一平面聚焦镜的基础单元的介质柱以轴向为中心沿顺时针或逆时针方向旋转0～180度获得。
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