CN116125568A - 一种双焦消色差超构透镜及其设计制备方法与应用的成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双焦消色差超构透镜，包括介质衬底、电介质纳米柱结构单元阵列，所述电介质纳米柱结构单元阵列设置在介质衬底上，所述电介质纳米柱结构单元阵列包括若干不同形状的电介质纳米柱结构单元。本发明通过设计超构透镜阵列的相位分布以及结构匹配优化，获得正交偏振双通道的消色差超构透镜阵列，通过调节入射光的线偏振状态，实现具有三种不同的聚焦模式的光场成像，能对不同景深范围进行光场成像，从而实现景深扩展。

Description

一种双焦消色差超构透镜及其设计制备方法与应用的成像装置

技术领域

本发明涉及光学透镜技术领域，具体为实现宽带消色差成像的超构透镜，尤其是双焦消色差超构透镜及其设计制备方法与应用的成像装置。

背景技术

传统的光场成像***是通过在光路中加入微透镜阵列，同时获得二维强度信息和二维方向信息，传统微透镜阵列具有局限性，例如受到衍射极限的影响，微透镜直径无法做得太小，无法获得接近昆虫天然复眼的景深范围以及存在球面像差影响成像质量。这些局限性导致传统光场成像光学***复杂，加工困难，体积笨重且器件难以集成。

随着智能设备的发展，光学***的各类器件都向着微型化、集成化、多功能、高性能的方向发展。超构表面是一种新型的基于广义斯涅耳定律的平面光学调控元件，通过对散射体的形状、大小、位置和方向进行调整，可以实现任意调控电磁波参量，包括光的相位、振幅﹑偏振和频率。超构表面用于成像，实现轻薄化、平面化且多功能集成的新型元件，称为超构透镜，有望为减小光学***复杂性给出新方案，具有广阔的应用前景。

并且，传统的光场成像的景深有限，传统的方法是使用不同焦距的微透镜交错排布，实现扩展景深，但是这样会导致空间分辨率的降低，所以需要在空间、角度和景深之间进行权衡折中。微透镜的焦距根据特定场合设计后无法进行实时调控，而超构透镜的偏振调控功能，能实现在不同偏振通道下实现焦距的切换，能实现在不降低空间分辨率和视角的基础上，实现拓展景深的功能，且目前大多数偏振复用的超构透镜只能实现在单波长或者离散波长下进行成像，无法满足可见光宽带消色差成像，因此急需研制能在多个偏振通道下实现宽带消色差成像的超构透镜，拓宽其应用。

发明内容

本发明的目的在于设计了双焦消色差超构透镜及其设计制备方法与应用其的成像装置，以解决背景技术中所提出的问题，通过调控各个位置的纳米结构的面内角度，可实现三个独立的偏振通道的双焦超构透镜的编码，通过调节入射光和出射光的偏振以及波段范围，实现的不同焦距的模式下的光场成像深度分辨率增强，具有可调谐、集成度高、多功能等优点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：双焦消色差超构透镜，包括光源、主透镜、线偏振片、偏振转换片、第一物镜、双焦消色差超构透镜阵列、第二物镜、光学传感器，所述光源、主透镜、线偏振片、偏振转换片、第一物镜、双焦消色差超构透镜阵列、第二物镜、光学传感器依次构成光路连接，所述双焦消色差超构透镜阵列由多个超构透镜排布组成。超构透镜包括介质衬底、电介质纳米柱结构单元阵列，所述电介质纳米柱结构单元阵列设置在介质衬底上，所述电介质纳米柱结构单元阵列包括若干不同形状的电介质纳米柱结构单元。所述电介质纳米柱单元阵列采用琼斯矩阵来表示，所述琼斯矩阵包含两个独立的相位信息，分别对应不同偏振状态的球面聚焦相位剖面，设计所述相位剖面通过两个不同正交线偏振进行独立重构。

作为本发明的一种优选实施方式，所述介质衬底的制作材质采用氧化铟锡导电玻璃，石英衬底、氧化硅衬底、硅衬底或金刚石衬底。

作为本发明的一种优选实施方式，所述电介质纳米柱单元的制作材质采用TiO2、HfO₂、ZrO₂、GaN、Si₂N₃、Si、GaAs、ZnS或AlN。

作为本发明的一种优选实施方式，所述电介质纳米柱结构单元的形状为矩形、v型、不对称十字形或工字形。

作为本发明的一种优选实施方式，所述电介质纳米柱结构单元的高度范围为200nm-1500nm，所述电介质纳米柱结构单元在所述介质衬底表面的尺寸为20nm-1000nm，所述电介质纳米柱结构单元在所述的介质衬底上的分布大小可任意调控，所述电介质纳米柱结构单元在所述介质衬底表面任意设置。

作为本发明的一种优选实施方式，制备双焦消色差超构透镜，包括以下步骤：

进行相位的设计；

然后通过数值仿真获得不同尺寸和结构的纳米单元在不同波长下的传播相位响应，并构建成数据库；

将电介质纳米柱单元按照特定的大小周期性分布在所述介质衬底上形成相位响应与透镜相位分布进行匹配；

生成版图单元；

生成版图阵列；

生成所述的超构透镜；

选择透明介质衬底，在表面涂布光刻胶；

烘烤，使用电子束光刻技术曝光显影；

在透明介质衬底上制作出与电介质纳米柱结构阵列互补的孔洞结构，然后使用原子层沉积技术沉积电介质材料填补孔洞得到电介质纳米结构阵列和一层附带的电介质膜层；

然后使用离子束刻蚀技术去除电介质膜层；

最后使用反应离子刻蚀技术去除光刻胶，释放电介质纳米结构阵列，去除金属掩膜，完成超构透镜的制备。

作为本发明的一种优选实施方式，所述电介质纳米柱单元阵列包含多个相同或者不同大小的纳米尺寸的电介质纳米柱结构单元，采用琼斯矩阵来表示，所述琼斯矩阵包含两个独立的相位信息，分别对应不同偏振状态的球面聚焦相位剖面，设计所述相位剖面可通过两个不同正交线偏振进行独立重构。

与现有技术相比，本发明提供了双焦消色差超构透镜及其设计制备方法与应用其的成像装置，具备以下有益效果：

本发明通过调控各个位置的纳米结构的面内角度，可实现三个独立的偏振通道的双焦超构透镜的编码。

本发明通过调节入射光和出射光的偏振以及波段范围，实现具有三种不同的聚焦模式的光场成像，能对不同景深范围进行光场成像，从而实现景深扩展。

本发明通过结构相位匹配合理的设计了超构透镜的相位分布，实现偏振双通道消色差超构透镜，能在不同的焦距进行消色差聚焦，构成了双焦的消色差超构透镜阵列，填充率可达100％。

本发明的成像装置，采用双焦消色差超构透镜可对不同景深范围进行光场成像，解决光场成像中景深范围与空间分辨率和视角的制约问题，在不降低空间分辨率和视角范围的情况下，扩展光场成像的景深范围。

本发明的双焦消色差超构透镜可在可见光宽带范围内使用，通过选择不同的材料和结构，可在更宽波段下使用，并且可以在紫外波段和红外波段等其他波段使用。

本发明双焦消色差超构透镜阵列超轻薄易集成的优势，可与传感器芯片等进行集成，实现超紧凑的光场成像设备。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明应用双焦消色差超构透镜的成像装置的光路结构图。

其中，1为光源，2为主透镜，3为线偏振片，4为偏振转换片，5为第一物镜，6为双焦消色差超构透镜阵列，7为第二物镜，8为光学传感器；

图2为本发明的双焦消色差超构透镜阵列的阵列排列示意图；

图3为本发明的双焦消色差超构透镜阵列三种模式下的光线聚焦示意图；

图4为本发明的双焦消色差超构透镜在不同偏振状态下的焦距光学表征图；

图5为本发明的双焦消色差超构透镜设计流程和制备流程示意图；

图6为本发明实施例中的光场景深扩展功能示意图。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明双焦消色差超构透镜及其设计制备方法与应用其的成像装置做进一步详细的描述。

双焦消色差超构透镜，包括介质衬底、不同形状的电介质纳米柱结构单元阵列，所述不同形状的电介质纳米柱结构单元阵列设置在介质衬底上。

进一步的，所述介质衬底的制作材质采用氧化铟锡导电玻璃，石英衬底、氧化硅衬底、硅衬底或金刚石衬底。

进一步的，所述电介质纳米柱单元的制作材质采用TiO2、HfO2、ZrO2、GaN、Si2N3、Si、GaAs、ZnS或AlN。

进一步的，所述电介质纳米柱结构单元的形状为矩形、v型、不对称十字形或工字形。

进一步的，所述电介质纳米柱结构单元的高度范围为200nm-1500nm，所述电介质纳米柱结构单元在所述介质衬底表面的尺寸为20nm-1000nm，所述电介质纳米柱结构单元在所述的介质衬底上的分布大小可任意调控，所述电介质纳米柱结构单元在所述介质衬底表面任意设置。

制备所述的双焦消色差超构透镜，具体包括以下步骤：

进行相位的设计；

然后通过数值仿真获得不同尺寸和结构的纳米单元在不同波长下的传播相位响应，并构建成数据库；

将电介质纳米柱单元按照特定的大小周期性分布在所述介质衬底上形成相位响应与透镜相位分布进行匹配；

生成版图单元；

生成版图阵列；

生成所述的超构透镜；

选择透明介质衬底，在表面涂布聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；

烘烤，使用电子束光刻技术曝光显影；

在透明介质衬底上制作出与电介质纳米柱结构阵列互补的孔洞结构，然后使用原子层沉积技术沉积电介质材料填补孔洞得到电介质纳米结构阵列和一层附带的电介质膜层；

然后使用离子束刻蚀技术去除电介质膜层；

最后使用反应离子刻蚀技术去除PMMA，释放电介质纳米结构阵列，去除金属掩膜，完成超构透镜的制备。

进一步的，所述电介质纳米柱单元阵列包含多个相同或者不同大小的纳米尺寸的电介质纳米柱结构单元，可采用琼斯矩阵来表示，所述琼斯矩阵包含两个独立的相位信息，分别对应不同偏振状态的球面聚焦相位剖面，设计所述相位剖面可通过两个不同正交线偏振进行独立重构。

应用双焦消色差超构透镜的成像装置，采用所述的双焦消色差超构透镜，包括光源1、主透镜2、线偏振片3、偏振转换片4、第一物镜5、双焦消色差超构透镜阵列6、第二物镜7、光学传感器8，所述光源1、主透镜2、线偏振片3、偏振转换片4、第一物镜5、双焦消色差超构透镜阵列6、第二物镜7、光学传感器8依次构成光路连接，所述双焦消色差超构透镜阵列6由多个超构透镜排布组成；

使用时，通过线偏振片3进行起偏产生线偏振光，在x线偏振入射时，双焦消色差超构透镜的焦距为fx，在光场成像装置中，对近景范围进行光场成像，光场景深为DOFx；在y线偏振入射时，双焦消色差超构透镜的焦距为fy，对远景范围进行光场成像，光场景深为DOFy；在45°偏振光入射时，对近景范围和远景范围同时进行光场成像，光场景深范围为DOFx+DOFy，实现在不同模式下进行景深扩展光场成像。

其中，每一个电介质纳米柱结构单元看成一个线性双折射单元，则电介质纳米柱结构单元可以用琼斯矩阵进行表达：

其中，和分别是线偏振入射光沿纳米结构单元的长轴和短轴的相位延迟由纳米结构单元的长轴和短轴的结构参数决定，通过适当结构参数尺寸大小，出射光相位即可覆盖0-2π的范围。

为实现透镜聚焦功能，超构表面的相位分布应遵循球面透镜相位公式：

其中，λ为设计波长，x,y为纳米结构单元的位置坐标，f为聚焦焦距。

为实现偏振双焦超构透镜，通过改变入射光的偏振状态实现超构透镜焦距的切换。对于不同偏振通道的超构透镜的相位，设计相位剖面来控制x偏振光入射的相位分布，在z方向距离f₁处聚焦；设计相位剖面来控制y偏振光入射时的相位分布，在z方向距离f₂处聚焦。

超构表面相位调控的设计采用传输相位，每个纳米柱结构波导效应传播的相位响应可以表示为：

其中，n_eff为纳米柱的有效折射率，该折射率与纳米柱的本征折射率和截面形状有关；λ为波长，H是纳米柱结构高度。

挑选四种不同横截面的结构作为超构表面的结构单元，如图2所示，通过FDTD数值仿真获得不同尺寸参数分别在x偏振光和y偏振光入射时，不同波长下的相位响应数据库。

为了实现宽带消色差聚焦的球面透镜功能，超构表面的相位应满足公式：

其中，λ为设计波长，x,y为纳米结构单元的位置坐标，f为聚焦焦距，r_λ为引入的一个与波长相关的值。在纳米结构单元位置与中心距离小于r_λ时，透镜相位响应与波数(2π/λ)的关系转换为正相关，因此可以通过纳米结构单元提供相位匹配，并且r_λ与波长相关，然后通过构建任意位置的相位色散关系，以精确匹配结构色散。通过粒子群优化算法PSO对不同波长的r_λ值进行优化，找出最合适的r_λ值，使得x和y两个偏振通道下的透镜相位与结构相位匹配误差最小。最终，x和y偏振通道的双焦宽带消色差透镜的相位剖面被编码到单一超构表面上，分别在左旋x线偏振光和y线偏振光入射下进行切换。如图4所示为本发明的双焦消色差超构透镜在不同偏振入射下的焦距光学表征图。

如图3所示为本发明的双焦消色差超构透镜阵列三种模式下的光线聚焦示意图，在x偏振光入射下，双焦消色差超构透镜在距离f_x的焦距下进行聚焦，为模式1；在y线偏振光入射下，双焦消色差超构透镜在距离f_y的焦距下进行聚焦，为模式2；在45°线偏振光入射下，双焦消色差超构透镜在距离f_x和距离f_y的焦距下进行同时聚焦，为模式3。

如图6所示为本发明光场景深扩展功能示意图，在处于模式1时，对距离为ax的近景进行光场成像，景深范围为DOFx，在模式2时，对距离为ay远景进行光场成像，景深范围为DOFy，当处于模式3时，对距离为ax近景和距离为ay远景同时进行光场成像，景深范围为DOFx+DOFy。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种双焦消色差超构透镜，其特征在于：包括光源、主透镜、线偏振片、偏振转换片、第一物镜、双焦消色差超构透镜阵列、第二物镜、光学传感器，所述光源、主透镜、线偏振片、偏振转换片、第一物镜、双焦消色差超构透镜阵列、第二物镜、光学传感器依次构成光路连接，所述双焦消色差超构透镜阵列由多个超构透镜排布组成；超构透镜包括介质衬底、电介质纳米柱结构单元阵列，所述电介质纳米柱结构单元阵列设置在介质衬底上，所述电介质纳米柱结构单元阵列包括若干不同形状的电介质纳米柱结构单元；所述电介质纳米柱单元阵列采用琼斯矩阵来表示，所述琼斯矩阵包含两个独立的相位信息，分别对应不同偏振状态的球面聚焦相位剖面，设计所述相位剖面通过两个不同正交线偏振进行独立重构。

2.根据权利要求1所述的双焦消色差超构透镜，其特征在于：所述介质衬底的制作材质采用氧化铟锡导电玻璃，石英衬底、氧化硅衬底、硅衬底或金刚石衬底。

3.根据权利要求2所述的双焦消色差超构透镜，其特征在于：所述电介质纳米柱单元的制作材质采用TiO₂、HfO₂、ZrO₂、GaN、Si₂N₃、Si、GaAs、ZnS或AlN。

4.根据权利要求1或3所述的双焦消色差超构透镜，其特征在于：所述电介质纳米柱单元为各向异性结构。

5.根据权利要求4所述的双焦消色差超构透镜，其特征在于：所述电介质纳米柱结构单元的形状为矩形、v型、不对称十字形或工字形。

6.根据权利要求5所述的双焦消色差超构透镜，其特征在于：所述电介质纳米柱结构单元的高度范围为200nm-1500nm，所述电介质纳米柱结构单元在所述介质衬底表面的尺寸为20nm-1000nm，所述电介质纳米柱结构单元在所述的介质衬底上的分布大小可任意调控，所述电介质纳米柱结构单元在所述介质衬底表面可任意设置。

7.双焦消色差超构透镜的设计制备方法，制备如权利要求1-6任一项所述的双焦消色差超构透镜，其特征在于：包括以下步骤：

设计：

进行相位的设计；

然后通过数值仿真获得不同尺寸和结构的纳米单元在不同波长下的传播相位响应，并构建成数据库；

将电介质纳米柱单元按照特定的大小周期性分布在所述介质衬底上形成相位响应与透镜相位分布进行匹配；

生成版图单元；

生成版图阵列；

生成所述的超构透镜；

制备：

选择透明介质衬底，在表面涂布光刻胶；

烘烤，使用电子束光刻技术曝光显影；

在透明介质衬底上制作出与电介质纳米柱结构阵列互补的孔洞结构，然后使用原子层沉积技术沉积电介质材料填补孔洞得到电介质纳米结构阵列和一层附带的电介质膜层；

然后使用离子束刻蚀技术去除电介质膜层；

最后使用反应离子刻蚀技术去除光刻胶，释放电介质纳米结构阵列，去除金属掩膜，完成超构透镜的制备。

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