CN111061070A - 基于超表面结构的多功能阵列元件及多功能实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超表面结构的多功能阵列元件，所述多功能阵列元件由光学透明衬底、第一反射层、第一超表面结构层、第二反射层和第二超表面结构层组成；所述第一超表面结构层和第二超表面结构层具有相同的高度，且所述第一超表面结构层为等效介质层，所述第二超表面层为相位调控层。本发明实施例提供的基于超表面结构的多功能阵列元件及多功能实现方法通过采用具有等高度的第一超表面结构层代替传统FP滤光阵列中的不同腔长高度的介质层，同时采用具有灵活相位调控功能的第二超表面结构阵列，实现了各阵列单元多波长滤波和灵活的聚焦以及其他相位调控等功能，具有制造工艺相对简单，且兼容CMOS工艺，并易于与成像探测器集成的优点。

Description

基于超表面结构的多功能阵列元件及多功能实现方法

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种基于超表面结构的多功能阵列元件及多功能实现方法。

背景技术

在成像探测器上集成滤光片阵列和微透镜阵列是构成彩色成像探测器以及多/超光谱成像探测器的常用技术。常用的微型窄带滤光片阵列是由两个高反射层及其夹在中间的介质层组成的FP腔谐振结构阵列。调节介质层厚度(腔长)可以得到不同的窄带透射波长光谱，因此含有不同高度的介质层的滤波器阵列可以在空间上同时实现多通道窄带光谱透射。多高度的介质层制作一般采用多次沉积或刻蚀工艺来实现，需要多次套刻和多次刻蚀，制造工艺复杂。另外，由大量像素组成的成像探测器由于读出电路的缘故，像素的填充因子较低，光能的利用率低，一般在像素上集成微透镜阵列，提高填充因子，增加光能的收集能力。现有的微透镜阵列技术主要是采用热熔成形技术制作折射微透镜阵列，或者采用二元光学技术制作多台阶衍射微透镜阵列，折射微透镜阵列的光学效率高但面型控制难，而多台阶衍射微透镜同样需要多次套刻多次刻蚀，制作工艺复杂，光学效率受套刻精度影响大。另外，在生物组织的成像中越来越多地使用高通量的3D成像，即同时对不同深度的组织结构成像，这需要探测器的探测像元具有同时探测不同深度焦平面的能力，现有的焦平面成像探测器难以实现此功能。因此在宽谱成像探测器上集成易于制造的多功能阵列光学元件十分必要。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于超表面结构的多功能阵列元件及其多功能实现方法，解决现有技术中阵列元件制造工艺复杂、功能单一且不易集成的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

本发明提供一种基于超表面结构的多功能阵列元件，所述多功能阵列元件由光学透明衬底、第一反射层、第一超表面结构层、第二反射层和第二超表面结构层组成；

所述第一超表面结构层和第二超表面结构层具有相同的高度，且所述第一超表面结构层为等效介质层，所述第二超表面层为相位调控层。

优选的，所述第一反射层和第二反射层均是由若干组高折射介质材料和低折射率介质材料相间镀制而成。

优选的，所述高折射率介质材料为T iO₂，所述低折射率介质材料为MgF₂。

优选的，所述第一超表面结构层包括但不限于由折射率大于2的介质材料组成的具有周期性排列的纳米圆柱/纳米线/纳米锥阵列。

优选的，所述第一超表面结构层还包括位于所述周期性排列的纳米圆柱/纳米线/纳米锥周围的折射率小于2的填充介质材料。

优选的，所述第二超表面结构层包括但不限于由折射率介质材料大于2组成的具有聚焦功能的纳米圆柱/纳米线/纳米锥阵列。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种基于超表面结构的多功能阵列元件的多功能实现方法，所述多功能至少包括滤波和相位调控，所述实现滤波的方法包括：

令所述第一超表面结构层形成第一亚波长介质光栅；

计算所述第一亚波长介质光栅的有效折射率；

调整所述第一亚波长介质光栅的有效折射率在最大值和最小值之间改变，从而实现滤波。

优选的，所述计算所述第一亚波长介质光栅的有效折射率，调整所述第一亚波长介质光栅的有效折射率在最大值和最小值之间改变，从而实现滤波，具体包括：

计算所述第一亚波长介质光栅在TE、TM偏振模式下的二阶有效折射率

和

其中，n_s和n_i分别是所述亚波长光栅介质和光栅介质之间的填充介质的折射率，P是光栅周期，λ是光源波长，f＝w/P表示填充因子，w代表光栅宽度；

计算所述第一亚波长介质光栅在TE、TM偏振模式下的一阶有效折射率

调整所述光栅宽度w和波长λ的大小，则所述第一亚波长介质光栅的有效折射率在最大值和最小值之间改变，从而实现滤波。

优选的，所述相位调控包括：

令所述第二超表面结构层形成第二亚波长介质光栅；

建立所述第二亚波长介质光栅的光栅宽度与相位的对应关系；

根据所述光栅宽度与相位的对应关系，并选取不同空间点上所需相位对应的亚波长光栅宽度，从而可以获得所需的相位分布，进而根据相位分布进行相位调控。

优选的，所述第二亚波长介质光栅的光栅宽度与相位的对应关系为：

其中，k是透镜的焦长，x表示距离透镜中心点的距离，m(0,±1,±2…)代表环带数。

相较于现有技术，本发明实施例提供的基于超表面结构的多功能阵列元件及多功能实现方法通过采用具有等高度的第一超表面结构层代替传统FP滤光阵列中的不同腔长高度的介质层，同时采用具有灵活相位调控功能的第二超表面结构阵列，实现了各阵列单元多波长滤波和灵活的聚焦以及其他相位调控等功能，具有制造工艺相对简单，且兼容CMOS工艺，并易于与成像探测器集成的优点。

附图说明

图1为本发明提供的基于超表面结构的多功能阵列元件一实施方式的结构示意图；

图2(a)为第一亚波长介质光栅结构示意图；

图2(b)为第一亚波长介质光栅在特定波长下的有效折射率图；

图2(c)为不同宽度的第一亚波长光栅在波长为0.551μm时的效折射率变化曲线；

图2(d)为具体周期、长度和宽度的第一亚波长光栅在特定波长范围内的透过率图；

图2(e)为具体周期、长度和宽度的第一亚波长光栅在特定波长范围内的另一实施例的透过率图；

图2(f)为具体周期、长度和宽度的第一亚波长光栅在特定波长范围内的相位变化曲线图；

图3(a)为沿x方向光栅阵列的宽度分布图；

图3(b)为沿x方向理想连续型和实际离散型相位分布图；

图4(a)为第一超表面结构层的透射谱图；

图4(b)为电磁波的电场密度分布图；

图5为具有6个滤波波长的阵列元件的出射电磁波的强度分布图；

图6为本发明提供的基于超表面结构的多功能阵列元件与探测器阵列单元集成构成光谱集成探测器的原理图；

图7为含有三个本发明提供的基于超表面结构的多功能阵列元件的扫描电镜照片；

图8为含有三个本发明提供的基于超表面结构的多功能阵列元件在不同的距离处的能量密度分布图。

具体实施方式

本发明提供一种提供的基于超表面结构的多功能阵列元件及多功能实现方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1，其为本发明提供的基于超表面结构的多功能阵列元件一实施方式的结构示意图。

在本实施方式中，本发明提供的基于超表面结构的多功能阵列元件为等焦距阵列。该基于超表面结构的多功能阵列元件由光学透明衬底1、第一反射层2、第一超表面结构层3、第二反射层4和第二超表面结构层5组成。其中，所述第一超表面结构层3和第二超表面结构层5具有相同的高度，且所述第一超表面结构层3为等效介质层，所述第二超表面层5为相位调控层。

作为优选实施例，所述第一反射层2可以是第一布拉格反射层(DBR)，所述第二反射层4可以是第二布拉格反射层(DBR)，也就是说，所述第一反射层2是由若干组高折射率介质材料21和低折射率介质材料22相间镀制而成的分布布拉格反射层，所述第二反射层4也是由若干组高折射率介质材料21和低折射率介质材料22相间镀制而成的分布布拉格反射层，一般而言，所述高折射率介质材料21为TiO₂，所述低折射率介质材料22为MgF₂，MgF₂和TiO₂层的厚度分别为h₁＝0.1μm和h₂＝0.056μm，是根据高反射率多层膜的设计公式h_1,2＝λ_c/4n_1,2计算得到，其中λ_c＝0.55μm是设计的中心波长，n₁＝1.38和n₂＝2.436分别为MgF₂及TiO₂在中心波长的折射率。

作为优选实施例，所述第一布拉格反射层(DBR)与第二布拉格反射层(DBR)由高折射率材料层和低折射率材料层交替排布组成，如图1中选择了4组交替排布，即第一布拉格反射层和第二布拉格反射层均由4组高低折射率材料交替排布组成。当然，所述第一布拉格反射层(DBR)与第二布拉格反射层(DBR)也可以选择其他数量组的高低折射率材料层交替排布，以便产生不同的反射率，从而产生不同的滤波带宽。在此不一一赘述。

作为优选实施例，所述第一超表面结构层3包括但不限于由折射率大于2的介质材料组成的具有周期性排列的纳米圆柱/纳米线/纳米锥阵列，另外，所述第一超表面结构层3还包括位于所述周期性排列的纳米圆柱/纳米线/纳米锥阵列周围的折射率小于2的填充介质材料。

作为优选实施例，所述第二超表面结构层5包括但不限于由折射率介质材料大于2组成的具有聚焦功能的纳米圆柱/纳米线/纳米锥阵列。

为了进一步说明本实施提供的基于超表面结构的多功能阵列元件的各个层块的功能，以及多功能阵列元件如何实现滤波、相位调控等多功能，请具体参阅图2-图8。

具体来说，参阅图2(a)为第一亚波长介质光栅结构示意图。具体来说，第一超表面结构层3与第二超表面结构层5均由图2(a)中所示的第一亚波长光栅阵列组成。其中TiO₂材料作为高折射率的介质光栅材料，MgF₂和空气分别作为第一超表面结构层3和第二超表面结构层5的填充介质。本实施例中第一表面结构层3相当于一个等效介质层，通过联合上下DBR反射层(即第一反射层2和第二反射层4)可以构成一个法布里-珀罗结构(FP腔)，从而实现对入射电磁波波长的选择，第二超表面结构层5被设计为一个相位调控器，能够对出射电磁波的波前进行有效调控。

图2(b)展示了当光栅结构参数为周期P₁＝0.2μm、高度L₁＝0.15μm、宽度范围w₁＝0～0.2μm且MgF₂作为介质材料时，介质光栅在波长范围0.5～0.65μm的有效折射率图。从图中可以看出，光栅宽度w₁和波长λ是有效折射率重要的影响因素，在不同光栅宽度和波长条件下，有效折射率将在1.38～2.48范围内变化。

图2(c)展示了当波长为单一波长λ＝0.551μm时，不同宽度亚波长光栅的有效折射率分布曲线。具体表现为有效折射率随光栅宽度的增大而增大，呈现正相关特性。因此当其它结构参数不变的情况下，只需增加光栅宽度即可获得较大的有效折射率。

对于第二表面超表面结构5而言，通过仿真计算，图2(d)(e)分别给出了当光栅结构参数为周期P₂＝0.45μm、高度L₂＝0.5μm、宽度范围w₂＝0.08～0.3μm且空气作为介质材料时，介质光栅在波长范围0.5～0.65μm的透过率图和相位分布图。虽然在某些特定波长和宽度由于共振而具有较低的透射率，但其平均透射率可以达到一个较高的值。并且随着宽度的增加，相位发生了迅速的变化。不仅仅在单一波长而是在波长范围0.5～0.619μm内，相位变化量可以达到2π，这意味着通过设置不同宽度的光栅阵列，可以完全控制在该光谱范围内的电磁波波前。

图2(f)具体展示了当波长为单一波长λ＝0.551μm时，不同宽度的光栅所对应的透过率和相位分布曲线。可以发现每个光栅宽度对应一个相位，并且随着光栅宽度从0.08μm增大到0.3μm，相位也从0增大到2π。虽然在光栅宽度为w₂＝0.11μm和w₂＝0.195μm，透过率曲线由于共振的产生出现了急速下降，但是整体透过率仍然可以高达94％。因此所设计的介质光栅结构单元具有较好的相位调控和透过率特性。

图3(a)中展示了所设计光栅阵列的宽度分布图，包含有45个不同宽度的亚波长光栅。图3(b)则给出了实现焦长为k＝20μm、工作波长为λ＝0.551μm聚焦透镜的理想连续型相位分布图，但是实际设计上是通过在沿x方向设置具有特定宽度的光栅阵列而获取离散型的相位分布。

图3(b)绘制出了这45个亚波长光栅所对应的相位分布。可以发现所设计的离散型的相位分布能够很好地拟合理想连续型相位分布，因此所设计光栅阵列结构能够获得聚焦透镜所需的相位分布。

当电磁波入射阵列元件时，大部分处于DBR反射谱波段的入射电磁波将被反射，只有满足FP腔共振条件的特定波长电磁波才能顺利通过所设计的结构。并且出射的电磁波还将受到第二超表面结构层5的调制，从而获取特定的相位分布。采用时域有限差分法对所设计的结构进行仿真。

作为优选的实施例，首先第一超表面层结构参数设定为周期P₁＝0.2μm、长度为L₁＝0.15μm、w₁＝0.1μm，图4(a)绘制出了在该结构参数条件下的透射谱图。在0.5～0.65μm波长范围内，洛伦兹线型的FP腔共振透射峰出现在波长为0.551μm处，其半高全宽仅仅只有2.7nm。并且从电磁波的电场密度分布图4(b)可以看出，出射的电磁波被有效地聚焦在一起，距中间超表面层中心20.75μm处形成高电场密度点。并且焦斑直径接近衍射极限(d＝1.22λ/NA,数值孔径NA＝0.45)，且而其衍射效率可达到82.7％。

为了实现具有相同焦距的阵列元件，必须同时构建第一超表面层和第二超表面层，使第一超表面层的工作波长和第二超表面层的共振波长相一致。根据这种思想，设计了一个具有6个共振波长的阵列元件，这6个波长分别为0.51μm、0.521μm、0.54μm、0.562μm、0.585μm和0.617μm。图5显示了该阵列的出射电磁波强度分布图，从中可以发现每个阵列单元都有相同的焦距，这就意味着不同波长的电磁波都能够被聚焦到同一焦平面，而其能量将被探测器最大化地接收。

光学滤波器阵列与探测器阵列的集成是实现小型化和低成本光谱仪的有效途径，通过分析探测器阵列所探测得到的电磁波能量，便可以有效地获取光谱信息。与传统的非聚焦滤波探测器阵列相比，所设计的超表面结构同时具有窄带滤波和聚焦双重功能，在实现滤波的基础上可以采集更多的电磁波能量，提高检测灵敏度，从而可以用来构建高灵敏度、高分辨率的光谱仪。图6给出了通过超表面滤波聚焦透镜阵列构建光谱探测***的原理图。其工作过程如下，当复色电磁波入射到超表面滤波聚焦透镜阵列时，不同的超表面滤波聚焦透镜只能够允许特定波长的电磁波通过，从而促使复色光分解成离散的单色光。随后透射的电磁波将被聚焦到探测器平面上，实现高灵敏度的能量探测。最终入射电磁波的光谱信息能够通过各个探测单元所探测到的能量信息计算得到。

实施例2

本实施例提供的基于超表面结构的多功能阵列元件为不等焦距阵列，该基于超表面结构的多功能阵列元件与实施例1中的基本相同，在此不再赘述，其中的不同主要在于：

控制阵列微透镜中每个透镜的焦距，在传统折射微透镜阵列中需要控制每个折射微透镜的曲率半径，难以在一步工艺中实现，但是在超表面透镜阵列中可以通过表面光栅结构的设计调控每个微透镜的焦距。

图7给出了在玻璃衬底上制作的多功能阵列元件的扫描电镜图片，其第二超表面结构由三个亚波长光栅阵列组成(阵列1、阵列2、阵列3)，分别被设计为对应中心波长0.617μm及焦距为500μm、700μm、900μm(即不等焦距)的超表面透镜。

采用基于光学显微镜及CCD图像探测器的光学特性测试***，对该元件进行了测试，得到可见光源经过亚波长光栅阵列1、阵列2及阵列3聚焦后在距元件表面三个距离处的光强分布，如图8所示。可见在不同焦平面上电磁波的能量密度分布有所不同，表明所构建的亚波长光栅阵列能够实现电磁波在所设计的焦平面上进行聚焦的效果。

本发明给出的以上实施例说明了通过第二超表面可以实现等焦距聚焦以及不等焦距聚焦，实际上通过相位调控，还可以实现其他功能，比如偏离中心轴的聚焦或出射光束的偏折等。另外，本发明的方法和结构除了应用于可见光波段，还可以推广到红外和THz波段。

实施例3

本发明还提供一种基于超表面结构的多功能阵列元件的多功能实现方法，所述多功能至少包括滤波和相位调控，所述实现滤波的方法包括：

令所述第一超表面结构层形成第一亚波长介质光栅；

计算所述第一亚波长介质光栅的有效折射率；

调整所述第一亚波长介质光栅的有效折射率在最大值和最小值之间改变，从而实现滤波。

优选的，所述计算所述第一亚波长介质光栅的有效折射率，调整所述第一亚波长介质光栅的有效折射率在最大值和最小值之间改变，从而实现滤波，具体包括：

计算所述第一亚波长介质光栅在TE、TM偏振模式下的二阶有效折射率

和

其中，n_s和n_i分别是所述亚波长光栅介质和光栅介质之间的填充介质的折射率，P是光栅周期，λ是光源波长，f＝w/P表示填充因子，w代表光栅宽度；

计算所述第一亚波长介质光栅在TE、TM偏振模式下的一阶有效折射率

调整所述光栅宽度w和波长λ的大小，则所述第一亚波长介质光栅的有效折射率在最大值和最小值之间改变，从而实现滤波。

优选的，所述相位调控包括：

令所述第二超表面结构层形成第二亚波长介质光栅；

建立所述第二亚波长介质光栅的光栅宽度与相位的对应关系；

根据所述光栅宽度与相位的对应关系，并选取不同空间点上与所需相位对应的亚波长光栅宽度，从而可以获得所需的相位分布，进而根据相位分布进行相位调控。

优选的，所述第二亚波长介质光栅的光栅宽度与相位的对应关系为：

其中，k是透镜的焦长，x表示距离透镜中心点的距离，m(0,±1,±2…)代表环带数。

本发明实施例提供的基于超表面结构的多功能阵列元件及多功能实现方法通过采用具有等高度的第一超表面结构层代替传统FP滤光阵列中的不同腔长高度的介质层，同时采用具有灵活相位调控功能的第二超表面结构阵列，实现了各阵列单元多波长滤波和灵活的聚焦以及其他相位调控等功能，具有制造工艺相对简单，且兼容CMOS工艺，并易于与成像探测器集成的优点。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于超表面结构的多功能阵列元件，其特征在于，所述多功能阵列元件由光学透明衬底、第一反射层、第一超表面结构层、第二反射层和第二超表面结构层组成；

所述第一超表面结构层和第二超表面结构层具有相同的高度，且所述第一超表面结构层为等效介质层，所述第二超表面层为相位调控层。

2.根据权利要求1所述的基于超表面结构的多功能阵列元件，其特征在于：

所述第一反射层和第二反射层均是由若干组高折射率介质材料和低折射率介质材料相间镀制而成。

3.根据权利要求2所述的基于超表面结构的多功能阵列元件，其特征在于：

所述高折射率介质材料为TiO₂，所述低折射率介质材料为MgF₂。

4.根据权利要求1所述的基于超表面结构的多功能阵列元件，其特征在于：

所述第一超表面结构层包括但不限于由折射率大于2的介质材料组成的具有周期性排列的纳米圆柱/纳米线/纳米锥阵列。

5.根据权利要求4所述的基于超表面结构的多功能阵列元件，其特征在于：

所述第一超表面结构层还包括位于所述周期性排列的纳米圆柱/纳米线/纳米锥周围的折射率小于2的填充介质材料。

6.根据权利要求1所述的基于超表面结构的多功能阵列元件，其特征在于：

所述第二超表面结构层包括但不限于由折射率介质材料大于2组成的具有聚焦功能的纳米圆柱/纳米线/纳米锥阵列。

7.一种根据权利要求1-6任一项所述的基于超表面结构的多功能阵列元件的多功能实现方法，其特征在于，所述多功能至少包括滤波和相位调控，所述实现滤波的方法包括：

令所述第一超表面结构层形成第一亚波长介质光栅；

计算所述第一亚波长介质光栅的有效折射率；

调整所述第一亚波长介质光栅的有效折射率在最大值和最小值之间改变，从而实现滤波。

8.根据权利要求7所述的基于超表面结构的多功能阵列元件的多功能实现方法，其特征在于，所述计算所述第一亚波长介质光栅的有效折射率，调整所述第一亚波长介质光栅的有效折射率在最大值和最小值之间改变，从而实现滤波，具体包括：

计算所述第一亚波长介质光栅在TE、TM偏振模式下的二阶有效折射率

其中，n_s和n_i分别是所述亚波长光栅介质和光栅介质之间的填充介质的折射率，P是光栅周期，λ是光源波长，f＝w/P表示填充因子，w代表光栅宽度；

计算所述第一亚波长介质光栅在TE、TM偏振模式下的一阶有效折射率

和

调整所述光栅宽度w和波长λ的大小，则所述第一亚波长介质光栅的有效折射率在最大值和最小值之间改变，从而实现滤波。

9.根据权利要求7所述的基于超表面结构的多功能阵列元件的多功能实现方法，其特征在于，所述相位调控包括：

令所述第二超表面结构层形成第二亚波长介质光栅；

建立所述第二亚波长介质光栅的光栅宽度与相位的对应关系；

根据所述光栅宽度与相位的对应关系，并选取不同空间点上所需相位对应的亚波长光栅宽度，从而可以获得所需的相位分布，进而根据相位分布进行相位调控。

10.根据权利要求9所述的基于超表面结构的多功能阵列元件的多功能实现方法，其特征在于，所述第二亚波长介质光栅的光栅宽度与相位的对应关系为：

其中，k是透镜的焦长，x表示距离透镜中心点的距离，m(0,±1,±2…)代表环带数。

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