CN115185032B - 一种超构透镜、相位物体边缘信息提取装置及使用方法 - Google Patents

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CN115185032B CN202211095214.2A CN202211095214A CN115185032B CN 115185032 B CN115185032 B CN 115185032B CN 202211095214 A CN202211095214 A CN 202211095214A CN 115185032 B CN115185032 B CN 115185032B
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Abstract

本申请属于纳米光学技术领域，公开了一种超构透镜、相位物体边缘信息提取装置及使用方法，通过超构透镜把两个圆偏振光分量分别分解为保持原本旋向的原偏振分量和转换成相反旋向的转换偏振分量，在同一成像平面内，每个相同旋向的原偏振分量和转换偏振分量形成两个大小和相位均有差别的像面光场，其中较小的像面光场全部位于较大的像面光场内，在重叠区域由于干涉效应而导致重叠区域的光强减弱或增强，从而使非重叠区域与重叠区域的光强具有明显区别，进而凸显非重叠区域，该非重叠区域即为物体边缘的图像，因此，无需使用检偏器件即可实现对相位物体的边缘信息提取，结构简单，有利于简化用于提取相位物体的边缘信息的光学运算系统的结构。

Description

一种超构透镜、相位物体边缘信息提取装置及使用方法
技术领域
本申请涉及纳米光学技术领域，具体而言，涉及一种超构透镜、相位物体边缘信息提取装置及使用方法。
背景技术
边缘信息是物体的基本特征之一，能清晰地勾勒出物体的轮廓和纹理，从而传达物体的重要信息，在显微镜成像、人脸识别、智能驾驶等领域均有使用。传统的边缘检测技术包括物体成像、数据导入和运算处理等过程，步骤繁琐且处理速度慢，对所处理数据的大小也有限制，且不适用于相位物体的成像应用。与之相比，利用光学系统实现的对相位物体的边缘信息提取，具有显著的速度优势，但是，传统的光学运算系统包含大量透镜和滤波元件，笨重而复杂。
目前，有一些基于超构表面的光学运算系统，将超构表面与光学透镜级联使用，利用超构表面可通过改变微纳结构的结构参数以提供高自由度的像面光场调控的特性，使这种光学运算系统相对比传统的光学运算系统更加紧凑，但为了实现对相位物体的边缘信息提取，这种光学运算系统一般需要加入检偏器件，使得光学运算系统的整体结构依然比较复杂，且面临精确对准等难题，不利于系统的微型化。
发明内容
本申请的目的在于提供一种超构透镜、相位物体边缘信息提取装置及使用方法，可实现对相位物体的边缘信息提取，且结构简单。
第一方面，本申请提供了一种超构透镜，包括衬底和设置在所述衬底上的多个微纳凸起物，其特征在于，所有所述微纳凸起物呈阵列排布组成微纳结构组，对于包含非圆偏振光的入射光，所述微纳结构组可使组成所述非圆偏振光的两个圆偏振光分量各自分解为保持原本旋向的原偏振分量和转换成相反旋向的转换偏振分量，并分别聚焦在不同的焦平面处，以使每个旋向的聚焦出射光均包含分别由两个所述圆偏振光分量分解得到的所述原偏振分量和所述转换偏振分量，相同旋向的所述原偏振分量和所述转换偏振分量在同一成像平面内形成两个大小和相位均有差别的像面光场，其中较小的所述像面光场全部位于较大的所述像面光场内，令两个所述像面光场的非重叠部分与重叠部分的光强不同；
所述原偏振分量和所述转换偏振分量均为圆偏振出射光。
当入射光包含非圆偏振光时，该非圆偏振光实质上可视为由左旋圆偏振光和右旋圆偏振光叠加而成，因此非圆偏振光实际上包含两个圆偏振光分量，该超构透镜通过把两个圆偏振光分量分别分解为保持原本旋向的原偏振分量和转换成相反旋向的转换偏振分量（从而总共得到两个原偏振分量和两个转换偏振分量，两个原偏振分量的旋向相反，两个转换偏振分量的旋向相反），在同一成像平面内，每个相同旋向的原偏振分量和转换偏振分量形成两个大小和相位均有差别的像面光场，其中较小的像面光场全部位于较大的像面光场内，在重叠区域由于干涉效应而导致重叠区域的光强减弱或增强，从而使非重叠区域与重叠区域的光强具有明显区别，进而凸显非重叠区域，该非重叠区域即为物体边缘的图像，因此，无需使用检偏器件即可实现对相位物体的边缘信息提取，结构简单，有利于简化用于提取相位物体的边缘信息的光学运算系统的结构。
优选地，所述微纳凸起物为具备镜面对称性的各向异性纳米棒。
优选地，所述超构透镜对于各出射光的出射波面为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
分别为所述超构透镜表面位置点的两个坐标，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
为入射光的波长，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
位置点处的左旋的所述圆偏振光分量经过分解得到的所述转换偏振分量的相位延迟，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
为
Figure 427009DEST_PATH_IMAGE006
位置点处的右旋的所述圆偏振光分量分解得到的所述转换偏振分量的相位延迟，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
为
Figure 577368DEST_PATH_IMAGE006
位置点处的左旋的所述圆偏振光分量分解得到的所述原偏振分量的相位延迟，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
为
Figure 109980DEST_PATH_IMAGE006
位置点处的右旋的所述圆偏振光分量分解得到的所述原偏振分量的相位延迟，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
为由左旋的所述圆偏振光分量分解得到的所述转换偏振分量的焦距，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
为由右旋的所述圆偏振光分量分解得到的所述转换偏振分量的焦距，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
为所述原偏振分量的焦距，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
为环境折射率。
对于同一个圆偏振光分量，其分解得到的转换偏振分量伴随有大小为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
的额外相位，而分解得到的原偏振分量没有伴随大小为
Figure 233181DEST_PATH_IMAGE014
的额外相位，使不同圆偏振光分量分解得到的两个同旋向的出射光在同一成像平面处的像面光场的重叠区域有明显的干涉效应而使该重叠区域的光强明显比非重叠区域的光强小，更能凸显相位物体的边缘信息。
优选地，所述微纳凸起物具有以下特性：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
；
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
为所述微纳凸起物对进入所述微纳凸起物的光波分解的x方向线偏振分量的相位延迟，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
为所述微纳凸起物对进入所述微纳凸起物的光波分解的x方向线偏振分量的有效折射率，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
为所述微纳凸起物对进入所述微纳凸起物的光波分解的y方向线偏振分量的相位延迟，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为所述微纳凸起物对进入所述微纳凸起物的光波分解的y方向线偏振分的有效折射率。
从而保证对于同一个圆偏振光分量，其分解得到的转换偏振分量伴随有大小为
Figure 89011DEST_PATH_IMAGE014
的额外相位，而分解得到的原偏振分量没有伴随大小为
Figure 816795DEST_PATH_IMAGE014
的额外相位，进而更能凸显相位物体的边缘信息。
优选地，所述微纳凸起物由TiO2、Si、GaN 、Si3N4、Ge，PbTe，ZnSe或CaF制成。
第二方面，本申请提供了一种相位物体边缘信息提取装置，包括前文所述的超构透镜和图像传感器，所述图像传感器平行地设置在所述超构透镜设置有微纳凸起物的一侧。
该相位物体边缘信息提取装置可对相位物体的边缘信息提取，且结构简单。
优选地，所述的相位物体边缘信息提取装置，还包括位移调节器，所述位移调节器用于调节所述图像传感器与所述超构透镜之间的距离。
优选地，所述位移调节器包括设置在所述超构透镜的边缘与所述图像传感器的边缘之间的压电陶瓷件。
优选地，所述压电陶瓷件与所述超构透镜之间以及所述压电陶瓷件与所述图像传感器之间通过光学胶连接。
第三方面，本申请提供了一种相位物体边缘信息提取装置使用方法，基于前文所述的相位物体边缘信息提取装置；
所述相位物体边缘信息提取装置使用方法包括：利用包含非圆偏振光的光线照射被测相位物体，以使所述被测相位物体反射所述光线形成包含非圆偏振光的入射光；根据所述被测相位物体与所述超构透镜之间的物距，把所述图像传感器的位置调节至原偏振分量的成像共轭面处；
所述原偏振分量为：组成所述入射光中的非圆偏振光的圆偏振光分量经所述超构透镜分解得到的保持原本旋向的圆偏振出射光。
有益效果：
本申请提供的超构透镜、相位物体边缘信息提取装置及使用方法，把两个圆偏振光分量分别分解为保持原本旋向的原偏振分量和转换成相反旋向的转换偏振分量，在同一成像平面内，每个相同旋向的原偏振分量和转换偏振分量形成两个大小和相位均有差别的像面光场，其中较小的像面光场全部位于较大的像面光场内，在重叠区域由于干涉效应而导致重叠区域的光强减弱或增强，从而使非重叠区域与重叠区域的光强具有明显区别，进而凸显非重叠区域，该非重叠区域即为物体边缘的图像，因此，无需使用检偏器件即可实现对相位物体的边缘信息提取，结构简单，有利于简化用于提取相位物体的边缘信息的光学运算系统的结构。
附图说明
图1为本申请实施例提供的相位物体边缘提取装置的结构示意图。
图2为本申请实施例提供的超构透镜的正视图。
图3为本申请实施例提供的超构透镜的侧视图。
图4为本申请实施例提供的超构透镜的边缘信息提取原理图。
图5为示例性的成像效果对比图。
标号说明：1、衬底；2、微纳凸起物；90、相位物体；100、超构透镜；200、图像传感器；300、位移调节器；301、压电陶瓷件；302、光学胶。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参照图2-图3，本申请一些实施例中的一种超构透镜，包括衬底1和设置在衬底1上的多个微纳凸起物2，其特征在于，所有微纳凸起物2呈阵列排布组成微纳结构组，对于包含非圆偏振光的入射光，微纳结构组可使组成非圆偏振光的两个圆偏振光分量（分别为左旋的圆偏振光分量和右旋的圆偏振光分量）各自分解为保持原本旋向的原偏振分量和转换成相反旋向的转换偏振分量（对于左旋的圆偏振光分量，分解得到的原偏振分量为左旋的圆偏振出射光，转换偏振分量为右旋的圆偏振出射光；对于右旋的圆偏振光分量，分解得到的原偏振分量为右旋的圆偏振出射光，转换偏振分量为左旋的圆偏振出射光），并分别聚焦在不同的焦平面处，以使每个旋向的聚焦出射光均包含分别由两个圆偏振光分量分解得到的原偏振分量和转换偏振分量，相同旋向的原偏振分量和转换偏振分量在同一成像平面内形成两个大小和相位均有差别的像面光场，其中较小的像面光场全部位于较大的像面光场内，令两个像面光场的非重叠部分与重叠部分的光强不同；
原偏振分量和转换偏振分量均为圆偏振出射光。
在实际应用中，当入射光包含非圆偏振光时，该非圆偏振光实质上可视为由左旋圆偏振光和右旋圆偏振光叠加而成（非圆偏振光由左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的加权和），因此非圆偏振光实际上可视为包含两个圆偏振光分量，该两个圆偏振光分量各自被分解为原偏振分量和转换偏振分量并出射，分解出的原偏振分量与对应的圆偏振光分量的旋向相同，转换偏振分量与对应的圆偏振光分量的旋向相反。
该超构透镜通过把两个圆偏振光分量分别分解为保持原本旋向的原偏振分量和转换成相反旋向的转换偏振分量（从而总共得到两个原偏振分量和两个转换偏振分量，两个原偏振分量的旋向相反，两个转换偏振分量的旋向相反），在同一成像平面内，每个相同旋向的原偏振分量和转换偏振分量形成两个大小和相位均有差别的像面光场，其中较小的像面光场全部位于较大的像面光场内，在重叠区域由于干涉效应而导致重叠区域的光强减弱或增强，从而使非重叠区域与重叠区域的光强具有明显区别，进而凸显非重叠区域，该非重叠区域即为物体边缘的图像，因此，无需使用检偏器件即可实现对相位物体的边缘信息提取，结构简单，有利于简化用于提取相位物体的边缘信息的光学运算系统的结构。
例如图4中，相位物体90射向超构透镜100的入射光包含非圆偏振光，该非圆偏振光由左旋的圆偏振光分量和右旋的圆偏振光分量组成，其中左旋的圆偏振光分量被分解为第一原偏振分量LL和第一转换偏振分量LR，右旋的圆偏振光分量被分解为第二转换偏振分量RL和第二原偏振分量RR，第一原偏振分量LL和第二原偏振分量RR被聚焦于第一焦平面a，第一转换偏振分量LR被聚焦于第二焦平面b，第二转换偏振分量RL被聚焦于第三焦平面c，在同一成像平面处，第一转换偏振分量LR的像面光场的分布范围为第一范围A，第一原偏振分量LL和第二原偏振分量RR的像面光场的分布范围均为第二范围B，第二转换偏振分量RL的像面光场的分布范围为第三范围C，其中，第二范围B全部位于第一范围A内，且全部位于第三范围C内，第一原偏振分量LL和第二转换偏振分量RL之间由于干涉效应而导致第二范围B内的光强下降或增强从而凸显第三范围C除第二范围B以外的边缘区域的图像（以下称之为第一边缘图像），第一转换偏振分量LR和第二原偏振分量RR的像面光场之间由于干涉效应而导致第二范围B内的光强下降或增强从而凸显第一范围A除第二范围B以外的边缘区域的图像（以下称之为第二边缘图像），第一边缘图像和第二边缘图像叠加可进一步增强边缘轮廓。
进一步地，微纳凸起物2为具备镜面对称性的各向异性纳米棒（例如矩型的各向异性纳米棒、椭圆型的各向异性纳米棒，但不限于此）。利用具备镜面对称性的各向异性纳米棒的传播相位和结构相位（即Pancharatnam-Berry相位）同时实现对同一圆偏振光分量的同旋向的圆偏振出射光及旋向相反的圆偏振出射光的波面聚焦。
其中，微纳凸起物2的琼斯矩阵为：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
（1）；
Figure 899021DEST_PATH_IMAGE016
；
Figure 167191DEST_PATH_IMAGE017
；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
；
Figure DEST_PATH_IMAGE024
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为微纳凸起物2的琼斯矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为微纳凸起物2的面内取向角（由微纳凸起物2的设置角度决定），
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为第一旋转矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为第二旋转矩阵，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为微纳凸起物2对进入该微纳凸起物2的光波分解的x方向线偏振分量的相位延迟（由于微纳凸起物2为具备镜面对称性的各向异性纳米棒，进入其中的光波会被分解为x方向线偏振分量和y方向线偏振分量分别进行传输，x方向和y方向为超构透镜平面坐标系的两个坐标轴方向），
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为所述微纳凸起物对进入所述微纳凸起物的光波分解的x方向线偏振分量的有效折射率，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为所述微纳凸起物对进入所述微纳凸起物的光波分解的y方向线偏振分量的相位延迟，
Figure 411615DEST_PATH_IMAGE021
为所述微纳凸起物对进入所述微纳凸起物的光波分解的y方向线偏振分的有效折射率。其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure 107039DEST_PATH_IMAGE021
由微纳凸起物2的材料和形状尺寸等参数共同决定，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为虚数符号。
优选地，超构透镜对于各出射光的出射波面为：
Figure 676560DEST_PATH_IMAGE001
（2）；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure DEST_PATH_IMAGE035
分别为超构透镜表面位置点的两个坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为入射光的波长，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为
Figure DEST_PATH_IMAGE038
位置点处的左旋的圆偏振光分量分解得到的转换偏振分量的相位延迟，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为
Figure 607476DEST_PATH_IMAGE038
位置点处的右旋的圆偏振光分量分解得到的转换偏振分量的相位延迟，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为
Figure 516526DEST_PATH_IMAGE038
位置点处的左旋的圆偏振光分量分解得到的原偏振分量的相位延迟，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为
Figure 179589DEST_PATH_IMAGE038
位置点处的右旋的圆偏振光分量分解得到的原偏振分量的相位延迟，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为由左旋的圆偏振光分量分解得到的转换偏振分量的焦距，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为由右旋的圆偏振光分量分解得到的转换偏振分量的焦距，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为原偏振分量的焦距（两个旋向的原偏振分量的焦距相同），
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为环境折射率（例如在空气中使用时，环境折射率为空气的折射率）。
对于同一个圆偏振光分量，其分解得到的转换偏振分量伴随有大小为
Figure DEST_PATH_IMAGE046
的额外相位，而分解得到的原偏振分量没有伴随大小为
Figure 770495DEST_PATH_IMAGE046
的额外相位，使不同圆偏振光分量分解得到的两个同旋向的出射光在同一成像平面处的像面光场的重叠区域有明显的干涉效应而使该重叠区域的光强明显比非重叠区域的光强小，更能凸显相位物体的边缘信息。
进一步地，微纳凸起物2具有以下特性：
Figure DEST_PATH_IMAGE047
（3）。
从而保证对于同一个圆偏振光分量，其分解得到的转换偏振分量伴随有大小为
Figure 177205DEST_PATH_IMAGE046
的额外相位，而分解得到的原偏振分量没有伴随大小为
Figure 409604DEST_PATH_IMAGE046
的额外相位，进而更能凸显相位物体的边缘信息。
实际上，对于同一个圆偏振光分量，其穿过微纳凸起物2后的出射像面光场为：
Figure DEST_PATH_IMAGE048
（4）；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE049
为表征出射光旋向的旋向参数，对于左旋圆偏振出射光，
Figure 40305DEST_PATH_IMAGE049
为-1，对于右旋圆偏振出射光，
Figure 725364DEST_PATH_IMAGE049
为1，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为对应
Figure 935766DEST_PATH_IMAGE049
的出射光的出射像面光场，
Figure 819408DEST_PATH_IMAGE033
为虚数符号，
Figure DEST_PATH_IMAGE051
为该圆偏振光分量的权值（为了便于描述，把该圆偏振光分量记为目标圆偏振光分量，该目标圆偏振光分量为非圆偏振光的其中一个圆偏振分量，该目标圆偏振光分量与一个旋向相反的圆偏振光分量加权叠加形成该非圆偏振光，则
Figure 27536DEST_PATH_IMAGE051
为该目标圆偏振分量对应的叠加权值）。
根据上述公式（1），该公式（4）变为：
Figure DEST_PATH_IMAGE052
（5）。
当公式（3）成立时，该公式（5）变为：
Figure DEST_PATH_IMAGE053
（6）；
该公式（6）中等号右侧的大括号中的第一项为原偏振分量的复振幅数据，第二项为与转换偏振分量的复振幅数据，第二项携带的额外相位
Figure DEST_PATH_IMAGE054
便是结构相位，且第二项伴随有大小为
Figure DEST_PATH_IMAGE055
的额外相位。可见，对于转换偏振分量，其伴随有大小为
Figure 855683DEST_PATH_IMAGE055
的额外相位，而原偏振分量没有额外相位，从而公式（2）中
Figure DEST_PATH_IMAGE056
和
Figure DEST_PATH_IMAGE057
的计算公式中需要加
Figure 329828DEST_PATH_IMAGE055
，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure DEST_PATH_IMAGE059
的计算公式中无需加
Figure 599135DEST_PATH_IMAGE055
。
其中，通过调节微纳凸起物2的形状尺寸和朝向，即可使上述公式（3）成立，进而使公式（2）成立。其中，微纳凸起物2的高度可根据入射光的波长进行调整，一般地，微纳凸起物2的高度接近或大于入射光在材料中的波长。
优选地，微纳凸起物由TiO2、Si、GaN 、Si3N4、Ge，PbTe，ZnSe或CaF制成，但不限于此。
其中，微纳凸起物2的材料选用在目标波长（目标波长为使用时要求的入射光的标准波长）具备高折射率和低损耗的介质材料，从而有利于提高超构透镜的聚焦效率；当目标波长在可见光波段时，微纳凸起物2可由TiO2、Si、GaN或Si3N4等制成，当目标波长在红外波段时，微纳凸起物2可由Si、Ge、PbTe、ZnSe或CaF等制成。
图5为一种示例性的成像效果对比图，其中，左侧图像中虚线表示相位物体的形状，中间图像为使用普通透镜对该相位物体进行成像的成像结果，右侧图像为使用本文的超构透镜进行成像的成像结果，从图中可以看出，采用普通透镜对相位物体进行成像时，无法观测到相位物体，使用本文的超构透镜可得到相位物体的边缘图像。
参考图1，本申请提供了一种相位物体边缘信息提取装置，包括超构透镜100和图像传感器200，图像传感器200平行地设置在超构透镜100设置有微纳凸起物的一侧，该超构透镜100为前文的超构透镜。
该相位物体边缘信息提取装置可对相位物体的边缘信息提取，且无需使用检偏器件，结构简单。
在一些优选实施方式中，该相位物体边缘信息提取装置，还包括位移调节器300，该位移调节器300用于调节图像传感器200与超构透镜100之间的距离。从而，可根据被测的相位物体与超构透镜100之间的物距来调节超构透镜100与图像传感器200之间的距离，以使图像传感器200处能够接收到清晰的边缘图像。
其中，位移调节器300可以使用现有的位移调节机构（例如丝杆调节机构、齿轮齿条调节机构等）。
在一些实施方式中，见图1，该位移调节器300包括设置在超构透镜100的边缘与图像传感器200的边缘之间的压电陶瓷件301。从而，只选用调节输入到该压电陶瓷件301的电压，即可实现超构透镜100与图像传感器200的距离调节，且调节精度高。
其中，压电陶瓷件301与超构透镜100之间以及压电陶瓷件301与图像传感器200之间可通过光学胶302连接。通过光学胶连接，超构透镜100不会因为受到螺钉或其他连接件的作用力而产生变形，使装配后的超构透镜100的形状尺寸保持不变，提高检测精度。
本申请还提供了一种相位物体边缘信息提取装置使用方法，基于前文的相位物体边缘信息提取装置；
相位物体边缘信息提取装置使用方法包括：利用包含非圆偏振光的光线照射被测相位物体，以使被测相位物体反射光线形成包含非圆偏振光的入射光；根据被测相位物体与超构透镜100之间的物距，把图像传感器200的位置调节至原偏振分量的成像共轭面处；
原偏振分量为：组成入射光中的非圆偏振光的圆偏振光分量经超构透镜分解得到的保持原本旋向的圆偏振出射光。
其中，该成像共轭面与超构透镜100的距离和该物距存在以下关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE060
（7）；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
为物距，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
为成像共轭面与超构透镜100的距离。
其中，在进行相位物体边缘信息提取时，可使用目标波长的光线照射被测的相位物体，从而相位物体反射该光线形成的入射光的波长为该目标波长。从而
Figure DEST_PATH_IMAGE063
为该目标波长对应的焦距。
Figure DEST_PATH_IMAGE064
（8）；
Figure DEST_PATH_IMAGE065
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure DEST_PATH_IMAGE067
为成像面处的位置点的两个坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE068
为成像面像面光场（
Figure DEST_PATH_IMAGE069
为成像面处的
Figure DEST_PATH_IMAGE070
位置点处的光强），
Figure DEST_PATH_IMAGE071
为相位物体的物面处的位置点的两个坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE072
为相位物体的物面像面光场（
Figure DEST_PATH_IMAGE073
为物面处的
Figure DEST_PATH_IMAGE074
位置点处的光强），
Figure DEST_PATH_IMAGE075
为物面像面光场
Figure 883224DEST_PATH_IMAGE072
经过长度为
Figure 542875DEST_PATH_IMAGE061
的传播距离后的菲涅尔变换，其中，
Figure 301271DEST_PATH_IMAGE049
为表征出射光旋向的旋向参数，对于左旋圆偏振出射光，
Figure 159506DEST_PATH_IMAGE049
为-1，对于右旋圆偏振出射光，
Figure 178278DEST_PATH_IMAGE049
为1，
Figure 121963DEST_PATH_IMAGE050
为对应
Figure 946699DEST_PATH_IMAGE049
的出射光的出射像面光场，
Figure 659440DEST_PATH_IMAGE033
为虚数符号，
Figure 583534DEST_PATH_IMAGE051
为该圆偏振光分量的权值。
Figure DEST_PATH_IMAGE076
为原偏振分量的出射像面光场相位分布(
Figure DEST_PATH_IMAGE077
为原偏振分量在
Figure DEST_PATH_IMAGE078
位置点处的出射光强)，
Figure DEST_PATH_IMAGE079
为转换偏振分量与原偏振分量在透镜出射面各位置的相位差（
Figure DEST_PATH_IMAGE080
为转换偏振分量与原偏振分量在透镜出射面的
Figure 404728DEST_PATH_IMAGE078
位置点处的相位差），
Figure DEST_PATH_IMAGE081
为偏振转换分量聚焦出射波面对应的焦距。
从公式（8）可见，同一个圆偏振光分量的出射光包含具备固定相位差的两个分量，因此不同圆偏振光分量的分解得到的两个同旋向的出射光在传播过程伴随着光波干涉，从而提取相位物体的边缘信息，对于由两种旋向的圆偏振光分量组成的非圆偏振光，两种旋向的圆偏振光分量的出射光两两干涉实现了边缘成像，由于两种旋向光波是正交关系，即使像面光场叠加之后也可清晰探测相位物体的轮廓。
需要说明的是，由于相位物体不改变像面光场振幅，普通单透镜无法对其进行成像测量，而使用本文的超构透镜100可清晰得到其边缘轮廓。
综上所述，该超构透镜、相位物体边缘信息提取装置及使用方法具有以下优点：
1.可实现对相位物体的边缘信息的实时提取；
2.仅通过单一孔径的超构透镜即可实现光束的分离和聚焦干涉，结构简单，可减少元件对准工艺，从而较小硬件带来的误差；
3.无需检偏器件，与图像传感器集成可实现超轻薄的全光微分计算器件。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超构透镜，包括衬底和设置在所述衬底上的多个微纳凸起物，其特征在于，所有所述微纳凸起物呈阵列排布组成微纳结构组，对于包含非圆偏振光的入射光，所述微纳结构组可使组成所述非圆偏振光的两个圆偏振光分量各自分解为保持原本旋向的原偏振分量和转换成相反旋向的转换偏振分量，并分别聚焦在不同的焦平面处，以使每个旋向的聚焦出射光均包含分别由两个所述圆偏振光分量分解得到的所述原偏振分量和所述转换偏振分量，相同旋向的所述原偏振分量和所述转换偏振分量在同一成像平面内形成两个大小和相位均有差别的像面光场，其中较小的所述像面光场全部位于较大的所述像面光场内，令两个所述像面光场的非重叠部分与重叠部分的光强不同；
所述原偏振分量和所述转换偏振分量均为圆偏振出射光；
所述微纳凸起物为具备镜面对称性的各向异性纳米棒；
所述微纳凸起物具有以下特性：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为所述微纳凸起物对进入所述微纳凸起物的光波分解的x方向线偏振分量的相位延迟，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为所述微纳凸起物对进入所述微纳凸起物的光波分解的x方向线偏振分量的有效折射率，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为所述微纳凸起物对进入所述微纳凸起物的光波分解的y方向线偏振分量的相位延迟，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为所述微纳凸起物对进入所述微纳凸起物的光波分解的y方向线偏振分的有效折射率，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为入射光的波长。
2.根据权利要求1所述的超构透镜，其特征在于，所述超构透镜对于各出射光的出射波面为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure DEST_PATH_IMAGE011
分别为所述超构透镜表面位置点的两个坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
位置点处的左旋的所述圆偏振光分量分解得到的所述转换偏振分量的相位延迟，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为
Figure 511482DEST_PATH_IMAGE013
位置点处的右旋的所述圆偏振光分量分解得到的所述转换偏振分量的相位延迟，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为
Figure 619115DEST_PATH_IMAGE013
位置点处的左旋的所述圆偏振光分量分解得到的所述原偏振分量的相位延迟，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为
Figure 279904DEST_PATH_IMAGE013
位置点处的右旋的所述圆偏振光分量分解得到的所述原偏振分量的相位延迟，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为由左旋的所述圆偏振光分量分解得到的所述转换偏振分量的焦距，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为由右旋的所述圆偏振光分量分解得到的所述转换偏振分量的焦距，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为所述原偏振分量的焦距，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为环境折射率。
3.根据权利要求1所述的超构透镜，其特征在于，所述微纳凸起物由TiO2、Si、GaN 、Si3N4、Ge，PbTe，ZnSe或CaF制成。
4.一种相位物体边缘信息提取装置，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的超构透镜和图像传感器，所述图像传感器平行地设置在所述超构透镜设置有微纳凸起物的一侧。
5.根据权利要求4所述的相位物体边缘信息提取装置，其特征在于，还包括位移调节器，所述位移调节器用于调节所述图像传感器与所述超构透镜之间的距离。
6.根据权利要求5所述的相位物体边缘信息提取装置，其特征在于，所述位移调节器包括设置在所述超构透镜的边缘与所述图像传感器的边缘之间的压电陶瓷件。
7.根据权利要求6所述的相位物体边缘信息提取装置，其特征在于，所述压电陶瓷件与所述超构透镜之间以及所述压电陶瓷件与所述图像传感器之间通过光学胶连接。
8.一种相位物体边缘信息提取装置使用方法，其特征在于，基于权利要求4-7任一项所述的相位物体边缘信息提取装置；
所述相位物体边缘信息提取装置使用方法包括：利用包含非圆偏振光的光线照射被测相位物体，以使所述被测相位物体反射所述光线形成包含非圆偏振光的入射光；根据所述被测相位物体与所述超构透镜之间的物距，把所述图像传感器的位置调节至原偏振分量的成像共轭面处；
所述原偏振分量为：组成所述入射光中的非圆偏振光的圆偏振光分量经所述超构透镜分解得到的保持原本旋向的圆偏振出射光。
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