(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210394455.0 (22)申请日 2022.04.14 (71)申请人 北京理工大 学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 (72)发明人 李昕　黄玲玲　周宏强　王涌天　 李晓炜　 (74)专利代理 机构 北京正阳理工知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11639 专利代理师 张利萍 (51)Int.Cl. G01N 21/21(2006.01) G01N 21/01(2006.01) G03H 1/08(2006.01) (54)发明名称 基于各向异性超表面的相位复原方法 (57)摘要 本发明涉及基于各向异性超表面的相位复 原方法， 属于相位成像领域。 通过沿界面应用梯 度相位， 三个具有衍射相位差的图像被传播在成 像平面上。 由于超表面的共轭Pancharatnam ‑ Berry(PB)相位调制， 这三个图像传播确定的衍 射距离。 通过单次捕获同时记录物体的强度图 像。 然后使用强度传递方程算法对记录的图像进 行计算和后处理， 以获得物体的相位。 与传统的 强度传输方程光学系统相比， 本发 明提出的方法 不需要机械调谐， 也不需要偏振或电控制器切 换。 因此， 该方法可 以快速单次获取三个不同聚 焦的图像。 这显着提高了实验的时间效率。 本发 明的方法可以应用在如光学显微镜、 流体测量、 片上集成等领域。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 114894718 A 2022.08.12 CN 114894718 A 1.基于各向异性超表面的相位复原方法， 其特 征在于： 包括如下步骤： 步骤一、 物光波变换到频域由双折射超表面调制并转换到成像平面； 同时捕获三个强 度图像； 物光波变换到频域由双折 射超表面调制并转换到成像平面： 其中， I(x,y)是图像平面中的总强度； 和 是二维傅里叶变换和逆运算； U(x0,y0) 表示空间域中的物体波分布； M(fx,fy)表示超表面的相位分布； 利用具有共轭相位关系的 Pancharatnam ‑Berry(PB)相位超表面对于 不同的入射圆偏振光， M(fx,fy)相位表示如下： 如 附图3； 其中(fx,fy)是频率坐标； k是波矢量； λ为波长； σ 表示入射光的螺旋度， σ ＝+1, ‑1分别对 应左右圆偏振(LCP、 RCP)； Δd是预设的传播距离， 使得不同的相位调制到不同的螺旋度； j 是虚数单位； α 是具有不同螺旋度分量的每幅图像的梯度相位沿x轴的倾斜角， 进一步描述 为： α ＝arcsi n( η λ·px)                              (3) 其中η是与成像平面中 ±1衍射级和0级之间的中心距 离有关的系数； px表示频域中的采 样大小； 对应于中心0级的图像即为原图的像， 因为由于0级是由相反的圆偏振分量的抵消， 没 有来自超表面的调制； 因此 方程(1)进一 步扩展为 三个衍射级次如下： 其中I±1和I0表示分别为 正负一级和零级衍 射像； 通过在同一像平面上捕 获三幅图像， ±1衍射图像具有共轭相位关系， 并且相对于零级 分别表现出Δd和 ‑Δd的离焦距离； 步骤二、 得到 离焦距离产生的空间差异， 为相位复原准备原 始数据； 为了设计各向异性几何超表面， 根据公式(2)计算相位分布； 将梯度相位与传播相位因 子整合在一起以生成最终的相位分布， 由于PB相位调制， ±1衍射图像将偏离光轴； 并且 ±1 衍射图像将出现在中心 光斑的对称侧； 因为入射的线偏振光能够分解成等量的左旋和右旋 圆偏振光， 且传播距离已知， 因此在探测器上采集的三幅图像之间的空间差异能够准确计 算； 所述空间差异是由离焦距离产生的； 步骤三、 通过步骤二得到的空间差异， 采用基于三重强度传递方程进行相位复原； 基于三重强度传递方程： 其中， I是记录的图像； k是波数2π/λ； 是二维梯度微分算子； z表示两个图像之间的传权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114894718 A 2播距离； 为待求解相位； I+1和I‑1表示相对于0级离焦到不同平面 的±1衍射图像。 2.采用如权利要求1所述的相位复原方法加工超表面器件的方法， 其特 征在于： 步骤1、 根据本发明的方法构建加工文件； 使用严格耦合波分析方法扫描各向异性纳米天线； 需保证+1或 ‑1级图像的能量应是零 级未调制图像的一半； 所选纳米天线的偏振转换效率应为未转换效率的一半； 几何相位调 制与纳米天线的旋转角度有关； 光波产生的相移等于纳米天线旋转角的两倍； 根据设计的 相位分布和纳米天线结构生成加工文件； 步骤2、 根据步骤1生成的加工文件加工超表面样品在玻璃基底上的。 3.对如权利要求2所述方法制备的超表面器件进行实验的方法， 其特征在于： 光学实 验； 将加工的样品放置于光路中； 实验中可利用空间光调制 器或者相位型器件作为相位物 体产生器； 物体光的频域信息被传输到超表面； 调制后的物光波的傅里叶逆变换 由探测器 记录。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114894718 A 3