CN102683884B - 一种超材料变焦透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超材料变焦透镜，所述超材料变焦透镜包括基材以及附着在基材上的多个金属微结构，所述的每一金属微结构上均设置有半导体元件，所述超材料变焦透镜为每个金属微结构预留有外部接口，外部的电压信号可通过所述外部接口加载在所述每个半导体元件上。根据本发明的超材料变焦透镜，外部的电压信号通过外部接口加载到金属微结构上的半导体元件后，改变了整个超材料的电磁参数分布(也可以说是折射率分布)，从而改变了超材料变焦透镜的焦距，实现焦距可调。

Description

一种超材料变焦透镜

技术领域

本发明属于超材料领域，具体地涉及一种超材料变焦透镜。

背景技术

在光学中，利用透镜能使放在透镜焦点上的点光源辐射出的球面波，经过透镜折射后变为平面波，反之也能把平面波汇聚在焦点上。而光学中的变焦透镜通常是由透镜组实现的，改变透镜组中各个透镜的相对位置就能改变整个透镜组的焦距。在电磁(射频微波等等)领域，透镜天线通常也是由大块的电介质加工成凸透镜的形状制成的，而焦距可变还未见相关技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种灵活调节焦距的超材料变焦透镜。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：一种超材料变焦透镜，所述超材料变焦透镜包括基材以及附着在基材上的多个金属微结构，所述的每一金属微结构上均设置有半导体元件，所述超材料变焦透镜为每个金属微结构预留有外部接口，外部的电压信号可通过所述外部接口加载在所述每个半导体元件上。

进一步地，所述外部的电压信号通过导线传输加载到所述每个半导体元件上，所述导线穿过所述的外部接口。

进一步地，所述外部的电压信号分一路或多路加载在每个半导体元件上。

进一步地，所述半导体元件为电阻、电感或电容。

进一步地，所述半导体元件贴附在金属微结构上。

进一步地，所述半导体元件为贴附在金属微结构上的贴片式可变电容。

进一步地，所述基材由多个相互平行的片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个金属微结构。

进一步地，所述片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

进一步地，所述每一金属微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线。

进一步地，所述金属微结构为单开口矩形环，所述半导体元件贴附在所述单开口矩形环的开口处并连接开口的两端。

根据本发明的超材料变焦透镜，外部的电压信号通过外部接口加载到金属微结构上的半导体元件后，改变了半导体元件的电子特性(如电阻值、电感值和电容值一种或者其组合)，从而改变了整个超材料的电磁参数分布(也可以说是折射率分布)，从而改变了超材料变焦透镜的焦距，通过调节外部电压信号的电压大小，即可实现超材料变焦透镜焦距可调。并且相对于现有的球面透镜，本发明提供的超材料变焦透镜可以做成平板状，加工更加简单。

附图说明

图1是S1电压信号所对应的超材料变焦透镜的整体折射率的分布曲线；

图2是S2电压信号所对应的超材料变焦透镜的整体折射率的分布曲线；

图3所示为本发明中一个实施例中金属微结构与半导体元件的连接示意图；

图4为本发明所提供的超材料变焦透镜的结构示意图。

具体实施方式

“超材料″是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。

“超材料″重要的三个重要特征：

(1)“超材料″通常是具有新奇人工结构的复合材料；

(2)“超材料″具有超常的物理性质(往往是自然界的材料中所不具备的)；

(3)“超材料″性质由构成材料的本征性质及其中的人造微结构共同决定。

如图3至4所示，根据本发明的超材料变焦透镜，包括基材1以及附着在基材1上的多个金属微结构2，所述的每一金属微结构2上均设置有半导体元件3，所述超材料变焦透镜为每个金属微结构2预留有外部接口，外部的电压信号可通过所述外部接口加载在所述每个半导体元件3上。

本实施例中，所述外部的电压信号通过导线4传输加载到所述每个半导体元件3上，所述导线4穿过所述的外部接口。所述外部的电压信号分一路或多路加载在每个金属微结构2上的半导体元件3上。优选地，所述外部的电压信号分多路加载在每个半导体元件3上。外部的电压信号通过外部接口加载到金属微结构上的半导体元件3后，改变了半导体元件的电子特性(如电阻值、电感值和电容值一种或者其组合)，从而改变了整个超材料的电磁参数分布(也可以说是折射率分布)，从而改变了超材料变焦透镜的焦距，通过调节外部电压信号的电压大小，即可实现超材料变焦透镜焦距可调。并且相对于现有的球面透镜，本发明提供的超材料变焦透镜可以做成平板状，加工更加简单。

超材料中的金属微结构不同的设计，其对电磁场有不同的响应，但是超材料中的金属微结构一旦选定，则其对电磁场的响应是特定的。本发明中，所述超材料变焦透镜为每个金属微结构2预留有外部接口，外部的电压信号可通过所述外部接口加载在所述每个半导体元件3上。加载的外部电压信号能够改变每一金属微结构所处位置的电磁参数，从而使得超材料变焦透镜的整体电磁参数分布发生改变，相应地其整体的折射率分布将发生改变。整体的折射率分布决定了超材料变焦透镜的焦距，也就是说焦距发生了改变。因此，我们可以通过调节加载在半导体元件3上的电压信号，来调节超材料变焦透镜的焦距，实现超材料变焦透镜的焦距可调。图1与图2为两个例子，图1中超材料变焦透镜的整体折射率的分布对应的电压信号S1，图2中超材料变焦透镜的整体折射率的分布对应的电压信号S2，从图中我们可以看出，电压信号S1与S2不同，得到的两个折射率分布的曲线也不同。而电压信号是可以调节的，因此，超材料变焦透镜可以有不同的整体折射率的分布曲线，实现不同的焦距调节。

本发明中的所述半导体元件3可以贴附在金属微结构2上，也可以嵌入金属微结构2中。

作为本发明的一个实施例，所述基材1由多个相互平行的片状基板11堆叠形成，每个片状基板11上均附着有多个金属微结构2。实际做产品的时候，还可以对其进行封装，使得从外部看不到金属微结构，封装的材料与基材相同。

本发明的所述片状基板11可以由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。作为一个实施例，选用聚四氟乙烯来制成片状基板。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为金属微结构附着的基材是很好的选择。

本实施例中，所述的每个金属微结构2为一具有图案的附着在片状基板11上的金属线。

作为一个实施例，所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在片状基板11上。当然，也可以是三维激光加工等其它可行的加工方法。

作为一个实施例，所述金属线为铜线或银线。铜与银的导电性能好，对电场的响应更加灵敏。

图3所示为本发明中金属微结构的一个优选实施例，所述金属微结构2为单开口矩形环，所述半导体元件3，贴附在所述单开口矩形环的开口处并连接开口的两端，上述的半导休元件3为电阻、电感或电容中的一种或其组合。优先选地所述半导体元件3为贴附在金属微结构上的贴片式可变电容，加载在贴片式可变电容两端的电压信号的大小不一样，电容值会跟着发生改变。电容值的改变，则改变了与贴片式可变电容相对应的那一金属微结构所处位置的电磁参数(电容改变对应的是介电常数的改变)，通过调节多路电压信号可以对所有的金属微结构所处位置的电磁参数进行调节，从而实现了超材料变焦透镜整体的电磁参数分布可调(即折射率可调)，进而实现了本发明的超材料变焦透镜的集距可调。

图4是图3所示的结构在片状基板11上的的排布图，应当理解的是，这只是一个示意，金属微结构2的形状、数量以及空间排布并不限于此。其中，垂直于纸面的方向即为片状基板的堆叠方向。另外图4中，为了方便画图，省略了导线4。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种超材料变焦透镜，所述超材料变焦透镜包括基材以及附着在基材上的多个金属微结构，其特征在于，所述的每一金属微结构上均设置有半导体元件，所述超材料变焦透镜为每个金属微结构预留有外部接口，外部的电压信号可通过所述外部接口加载在所述每个半导体元件上，所述金属微结构为单开口矩形环，所述半导体元件贴附在所述单开口矩形环的开口处并连接开口的两端，所述外部的电压信号通过导线传输加载到所述每个半导体元件上，所述导线穿过所述矩形环的开口的两端，加载的外部电压信号改变每一金属微结构所处位置的电磁参数，从而使得超材料变焦透镜的整体电磁参数分布发生改变。

2.根据权利要求1所述的超材料变焦透镜，其特征在于，所述外部的电压信号分一路或多路加载在每个半导体元件上。

3.根据权利要求1或2所述的超材料变焦透镜，其特征在于，所述半导体元件为电阻、电感或电容。

4.根据权利要求1或2所述的超材料变焦透镜，其特征在于，所述半导体元件贴附在金属微结构上。

5.根据权利要求4所述的超材料变焦透镜，其特征在于，所述半导体元件为贴附在金属微结构上的贴片式可变电容。

6.根据权利要求1所述的超材料变焦透镜，其特征在于，所述基材由多个相互平行的片状基板堆叠形成，每个片状基板上均附着有多个金属微结构。

7.根据权利要求6所述的超材料变焦透镜，其特征在于，所述片状基板由陶瓷材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

8.根据权利要求6所述的超材料变焦透镜，其特征在于，所述每一金属微结构为一具有图案的附着在片状基板上的金属线。