[发明专利]一种基于消球差的超构透镜的层析成像方法

说明书

本发明公开了基于消球差的超构透镜的层析成像方法，即基于超构消球差透镜利用波长编码的层析成像技术，基于(1)光源探头，(2)消球差的超构透镜；(3)线偏振片和(4)四分之一波片可作为辅助光学元件插入成像系统中用于直接提高信噪比，设有感光器(5)置于成像面上用于接受图像；通过相对连续的不同波长的照射，获取波长编码的像面信息，再通过相应算法处理得到物体的层析图像信息。本发明采用超构表面的设计原理，利用相位实现对色差的调控和球差的矫正。

技术领域

本发明属于层析成像的技术领域，涉及到一种基于超薄体积的消球差的大色差超构透镜的新方法。

背景技术

层析成像技术在生物医学研究中有着不可或缺的作用。层析成像是一种获取生物体的断层信息，观测其内部三维结构的技术手段。目前主流的层析成像技术包括X射线计算机层析成像、核磁共振成像、超声层析成像、光学投影层析成像、激光扫描共聚焦显微术、光学相干层析成像、单光子发射层析成像和正电子发射层析成像等。

其中，光学层析成像相较其它类型的层析成像而言，具有对组织的干扰度小，分辨水平高、可离体或活体实时成像等优点。光学投影层析成像是根据某一断层在不同角度下投影的数据通过算法重建出此断层的二维图像，再将所有断层汇总叠加得到整体的三维结构。分辨率达微米量级，成像深度达到毫米量级。激光扫描共聚焦显微术是在传统光学显微镜的基础上，利用共轭聚焦原理，通过不同的调焦深度，获取样品不同深度的光学切片图样。光学相干层析成像是将低相干干涉仪和激光扫描共聚焦显微术结合的一种层析技术。分辨率达微米量级，探测深度也远超传统共聚焦显微镜，对于透明组织，可达厘米量级。光学相干层析成像是一种前景广阔的高分辨无损实时成像技术，但是其利用的是共聚焦技术逐点扫描成像，成像速度受到制约，机械移动的成像方法也不利于稳定的光学系统的集成。

超构表面是通过一薄层亚波长结构单元去局域地调控光场的光学设计。超构透镜就是其中一种典型的超构表面器件应用。关于超构透镜的研究各大科学自然杂志一直在持续不断地报导，包括分辨率，数值孔径，色差，像差等方面。2016年6月的Science封面文章(Science 352,1190(2016))就是报导的哈佛大学研究组做出的在可见光波段实现亚波长分辨成像的超构透镜。而关于超构透镜的色差部分，国际上各研究组都致力于消色差的研究，对于如何有效得利用色差还鲜有提及。而关于超构透镜的显微成像过程的球差问题在这儿之前也未曾得到解决。

发明内容

本发明目的是，提出一种基于消球差的超构透镜利用波长编码的层析成像方法，通过引入超构表面设计原理，利用不同波长透过消球差的超构透镜产生的不同切面的像进行数据处理，为实现层析成像提供了新方法。

本发明的技术方案是，一种基于消球差的超构透镜的层析成像方法，即基于超构消球差透镜利用波长编码的层析成像技术，基于(1)光源探头，(2)消球差的超构透镜；(3)线偏振片和(4)四分之一波片可作为辅助光学元件插入成像系统中用于直接提高信噪比，设有感光器(5)置于成像面上用于接受图像；通过相对连续的不同波长的照射，获取波长编码的像面信息，再通过相应算法处理得到物体的层析图像信息。本发明采用超构表面的设计原理，利用相位实现对色差的调控和球差的矫正。根据超构透镜的极大的色差效应，我们进一步设计了消球差的超构色差透镜的相位分布：

其中，f表示焦距，s表示物距，R代表到中心的径向距离，λ为中心波长。

以4f的成像过程为例，即物距s选取为2f，则相位分布具体变为：

相对一般无消球差设计的超构透镜来说，这类相位分布的引入极大得改善了像的质量，在设计的成像范围内达到了球差的完全消除。

所述的消球差超构透镜包含针对任意物距或像距的设计。

所述的消球差超构透镜包含平面、曲面、多个面组合，阵列或交叉拼接的用于扩大视场的设计。