[发明专利]一种连续变焦透镜及光学系统

说明书

本发明公开了一种连续变焦透镜及光学系统，涉及微纳光学技术领域。连续变焦透镜包括两块并列的相位板，其中心纵轴为连续变焦透镜的光轴，每块相位板均包括透明基底和排列在透明基底上的纳米单元阵列，两块相位板的纳米单元阵列相对，用于改变入射圆偏振光的位相；连续变焦透镜的传输函数T为：T＝T₁·T₂＝exp[iaθr²]，焦距f为：其中，T₁和T₂分别为两块相位板的传输函数，a为常数系数，λ为入射圆偏振光的波长，θ为两块相位板绕连续变焦透镜的光轴的相对旋转角度，‑π≤θ≤π。本发明只需要使至少一个相位板绕光轴转动以改变两块相位板的相对旋转角度，可以实现连续变焦。

技术领域

本发明涉及微纳光学技术领域，具体是涉及一种连续变焦透镜及光学系统。

背景技术

很多光学仪器都要求其光学系统的放大倍率能够变化，使得使用同一光学仪器既可以观察到低倍率的大视场，又可以观察到高倍率的小视场。更换光学系统的镜头或者多档变焦的方法会使成像大小突然变化，而为了使成像大小连续变化只能使用连续变焦的光学系统。传统的光学系统通常使用凸轮、非线性螺纹等机械装置来改变透镜组间的相对位置，从而实现变焦。但是，这种光学系统需要精密的机械结构配合实现透镜组的移动，因此不仅造成光学系统设计和制造成本增加，而且光学系统的体积和重量都较大，繁重的透镜组和机械传动装置容易受到外力而损伤，造成故障且响应时间较长，给实际应用带来诸多不便。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种连续变焦透镜及光学系统，只需要使至少一个相位板绕光轴转动以改变两块相位板的相对旋转角度，就可以实现连续变焦。

本发明提供一种连续变焦透镜，其包括：

两块并列的相位板，其中心纵轴为所述连续变焦透镜的光轴，每块相位板均包括透明基底和排列在透明基底上的纳米单元阵列，纳米单元阵列包括多个纳米单元，两块相位板的纳米单元阵列相对，用于改变入射圆偏振光的位相；

所述连续变焦透镜的传输函数T为：T＝T₁·T₂＝exp[iaθr²]，焦距f为：其中，T₁和T₂分别为两块所述相位板的传输函数，a为常数系数，λ为入射圆偏振光的波长，θ为两块所述相位板绕所述连续变焦透镜的光轴的相对旋转角度，-π≤θ≤π。

在上述技术方案的基础上，两块所述相位板的传输函数T₁和T₂互为复共轭函数，其中，为每块所述相位板的相位函数，以所述相位板的中心为原点建立极坐标系，r为所述纳米单元到所述相位板的中心的距离，为r位置的极角，两块所述相位板的中心均位于所述连续变焦透镜的光轴上；

当θ＝0时，两块所述相位板上所述纳米单元的结构参数相同，且所述纳米单元阵列相对于两块所述相位板之间的中间平面镜像对称。

在上述技术方案的基础上，所述透明基底划分为多个单元结构，每个单元结构的工作面为边长为C的正方形，正方形的两条直角边分别平行于所述连续变焦透镜的x轴和y轴，x轴、y轴和所述连续变焦透镜的光轴z构成三维坐标系；

每个工作面上均设有一个所述纳米单元，所述纳米单元为电介质纳米砖，电介质纳米砖的长L、宽W和高H均为亚波长级，是根据选定的所述入射圆偏振光的波长，通过电磁仿真法对所述入射圆偏振光的交叉偏振透过率进行优化得到的，φ为电介质纳米砖的长边相对于x轴的转角，

在上述技术方案的基础上，r_max为所述连续变焦透镜的半径。

在上述技术方案的基础上，两块所述相位板之间的间隙d为：L_Talbot为泰伯距离，