CN103292910B - 基于超材料的哈特曼波前传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于超材料的哈特曼波前传感器，其包括超材料以及CCD面阵，所述超材料被划分为多个折射率分布相同的子超材料，所述子超材料聚焦光线于所述CCD面阵上；所述子超材料包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构，所述子超材料的折射率呈圆形分布，圆心为所述子超材料中心点，圆心处的折射率最大，相同半径处的折射率相同，随着半径增大，折射率减小。本发明利用超材料原理制备子超材料阵列以汇聚光线，代替了传统哈特曼波前传感器的微透镜阵列。其电磁参数调节简单且汇聚焦点可控，能大大简化哈特曼波前传感器整体设计。同时超材料为平板状，其制备工艺简单、成本较低且耐磨性较传统透镜更好，使用寿命更长。

Description

基于超材料的哈特曼波前传感器

技术领域

本发明涉及一种哈特曼波前传感器，尤其涉及一种基于超材料的哈特曼波前传感器。

背景技术

哈特曼波前传感器是一种以波前斜率测量为基础的波前测试仪器。它通过测试光的近场波面相位分布和其随时间变化的关系，进而得出系统的各项光学特性参数，例如各阶泽尼克系数、点扩散函数、传递函数、调制传递函数、环境能量等。

如图1所示，图1为现有的哈特曼波前传感器的工作原理图。现有的哈特曼波前传感器利用微透镜阵列将入射电磁波波面分割成多个子波面，使得有像差的波面在每一子波面上均可以近视为平面波。该微透镜阵列包括阵列排布的子孔径以及位于子孔径内的子透镜。

每个子孔径内的子透镜将辐射到其上的光聚焦到位于焦平面的二维CCD(Charge-coupled Device)面阵上，该些聚焦的光点形成子孔径光斑阵列，探测被测波前的子孔径光斑相对标定光的偏移量就能测出子孔径光斑阵列上各个子孔径内波前在X和Y方向上的局部波前斜率，根据这些斜率数据重构例如被测光束近场相位分布和远场焦斑信息等信息。

现有哈特曼波前传感器中的透镜尺寸小，对透镜自身的曲面加工精度要求很高，使得其造价较高；并且透镜采用玻璃或者树脂材料制成，容易磨损，不利于保存。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种加工精度要求低、成本低、强度高的基于超材料的哈特曼波前传感器。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是提出一种基于超材料的哈特曼波前传感器，其包括超材料以及CCD面阵，所述超材料被划分为多个折射率分布相同的子超材料，所述子超材料聚焦光线于所述CCD面阵上；所述子超材料包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构，所述子超材料的折射率呈圆形分布，圆心为所述子超材料中心点，圆心处的折射率最大，相同半径处的折射率相同，随着半径增大，折射率减小。

进一步地，所述子超材料上以其中心点为圆心，半径为r处的折射率为：

其中，n_max为子超材料所具有的折射率最大值，n_min为子超材料所具有的折射率最小值，ss为所述CCD面阵距超材料垂直距离，为子超材料长度。

进一步地，所述子超材料的厚度d为：

其中，λ为可见光波长，n_max为子超材料所具有的折射率最大值，n_min为子超材料所具有的折射率最小值。

进一步地，所述多个人造金属微结构拓扑图案相同，所述多个人造金属微结构在所述子超材料上呈圆形分布，圆心为子超材料的中心点，圆心处的人造金属微结构尺寸最大，相同半径处的人造金属微结构尺寸相同，随着半径的增大，人造金属微结构尺寸减小。

进一步地，所述人造金属微结构为“工”字形，包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

进一步地，所述人造金属微结构还包括位于所述第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。

进一步地，所述人造金属微结构为平面雪花型，包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

进一步地，所述人造金属微结构的材质为银。

进一步地，所述人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻或斜角沉积法附着于所述基材上。

进一步地，所述基材材质为高分子材料、陶瓷材料、贴点材料、铁氧材料或铁磁材料。

本发明利用超材料原理制备子超材料阵列以汇聚光线，代替了传统哈特曼波前传感器的微透镜阵列。其电磁参数调节简单且汇聚焦点可控，能大大简化哈特曼波前传感器整体设计。同时超材料为平板状，其制备工艺简单、成本较低且耐磨性较传统透镜更好，使用寿命更长。

附图说明

图1为现有哈特曼波前传感器的结构示意图；

图2为构成超材料的基本单元的立体结构示意图；

图3为本发明基于超材料的哈特曼波前传感器的结构示意图；

图4为本发明中超材料的结构示意图；

图5为本发明中子超材料的结构示意图；

图6为能对电磁波产生响应以改变子超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案；

图6a为图6中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案；

图7为能对电磁波产生响应以改变子超材料基本单元折射率的第二较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案；

图7a为图7中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案。

具体实施方式

如图2所示，图2为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构2以及该人造微结构附着的基材1。本发明中，人造微结构为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸为入射电磁波的十分之一至五分之一，优选为入射电磁波的十分之一。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构周期排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述我们人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。本发明中，基材可选用高分子材料、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料或者铁磁材料等，其中高分子材料优选为FR-4或F4B。人造金属微结构可通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等工艺周期排布于所述基材上。

由于可见光也是一种电磁波，因此超材料可应用于可见光领域，当其对可见光响应以达到汇聚、发散可见光等功能时即可代替传统的凸透镜或凹透镜。本发明即利用超材料原理，制备能汇聚可见光的超材料，其能代替现有哈特曼波前传感器中的微透镜阵列。由于超材料采用金属微结构和平板基材构成，其制备工艺较透镜的制备工艺更为简单，通过设计超材料折射率分布的方法代替了传统的镜片加工工艺，且金属微结构和平板基材相比玻璃或树脂更为耐磨、耐用。

如图3至图5所示，图3为本发明基于超材料的哈特曼波前传感器的结构示意图、图4为本发明中超材料的结构示意图、图5为本发明中子超材料的结构示意图。基于超材料的哈特曼波前传感器其包括超材料20以及二维CCD面阵10。超材料被划分为多块子超材料30，以形成子超材料阵列。每一子超材料的结构和折射率分布都相同，都具有汇聚辐射到其表面电磁波的功能。二维CCD面阵上对应每一子超材料的部分距子超材料的垂直距离为ss，子超材料的长度为，厚度为d。超材料被划分为子超材料的划分方式可根据实际需要划分，对每一子超材料的尺寸无特殊要求。

每一子超材料30同样被划分为多个超材料单元，每一超材料单元的尺寸为光的波长的十分之一至五分之一，优选为光的波长的十分之一。每一超材料单元的立体结构仍如图1所示。每一子超材料30包括基材301以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构302，多个人造金属微结构302在子超材料上呈圆形分布，圆心为子超材料的中心点，圆心处的人造金属微结构尺寸最大，相同半径处的人造金属微结构尺寸相同，随着半径的增大，人造金属微结构尺寸减小。

根据图4和图5可知，子超材料为平板状，平板状的子超材料若对光汇聚，则必然使得子超材料各点处的折射率不尽相同。通过设计子超材料的折射率分布以达到汇聚光的效果。

根据光程近似原理，即假定光在超材料中是沿直线传播，可得知子超材料上，以其中心点为圆心，半径为r处的折射率分布为：

其中，n_max为子超材料所具有的折射率最大值，n_min为子超材料所具有的折射率最小值，ss为二维CCD面阵距超材料垂直距离，为子超材料长度。

优选地，子超材料的厚度可为：

其中，λ为可见光波长，n_max为子超材料所具有的折射率最大值，n_min为子超材料所具有的折射率最小值。

由上述可知，本发明超材料电磁参数调节简单、其汇聚焦点可控，能大大简化哈特曼波前传感器整体设计。

满足上述子超材料折射率分布要求的人造金属微结构的几何形状有多种，但基本都为能对入射电磁波产生响应的几何形状。下面详细描述几种人造金属微结构几何形状。子超材料可根据其需要的最大折射率和最小折射率调整人造金属微结构的尺寸以使其满足要求，调整的方式可通过计算机仿真亦可通过手工计算。

如图6所示，图6为能对电磁波产生响应以改变子超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案。图6中，人造金属微结构呈“工”字形，包括竖直的第一金属分支1021以及分别垂直该第一金属分支1021且位于第一金属分支两端的第二金属分支1022，图6a为图6中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案，其不仅包括第一金属分支1021、第二金属分支1022，每条第二金属分支两端还垂直设置有第三金属分支1023。

图7为能对电磁波产生响应以改变子超材料基本单元折射率的第二较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案。图7中，人造金属微结构呈平面雪花型，包括相互垂直的第一金属分支1021’以及两条第一金属分支1021’两端均垂直设置有第二金属分支1022’；图7a为图7所示人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案，其不仅包括两条第一金属分支1021’、四条第二金属分支1022’，四条第二金属分支两端还垂直设置有第三金属分支1023’。优选地，第一金属分支1021’长度相等且垂直于中点相交，第二金属分支1022’长度相等且中点位于第一金属分支端点，第三金属分支1023’长度相等且中点位于第二金属分支端点；上述金属分支的设置使得人造金属微结构呈各向同性，即在人造金属微结构所属平面内任意方向旋转人造金属微结构90°都能与原人造金属微结构重合。采用各向同性的人造金属微结构能简化设计、减少干扰。

另外，本发明中，金属微结构的材质优选为银，因为银在可见光范围的折射率在0.2-0.4之间，且具有很好的透光性，非常适合可见光范围内的超材料设计。银可通过斜角沉积法制备得到超材料。斜角沉积法是指在真空中先以电子轰击将银气化，再以倾斜角度将银蒸汽沉积在基材上，通过调整基材的倾斜角度，让银生长成所需要的结构。

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 (10)

1.一种基于超材料的哈特曼波前传感器，其特征在于：包括超材料以及CCD面阵，所述超材料被划分为多个折射率分布相同的子超材料，所述子超材料聚焦光线于所述CCD面阵上；所述子超材料包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构，所述子超材料的折射率呈圆形分布，圆心为所述子超材料中心点，圆心处的折射率最大，相同半径处的折射率相同，随着半径增大，折射率减小；所述子超材料的尺寸为入射电磁波的十分之一至五分之一，对入射电磁波的响应形成连续响应。

2.如权利要求1所述的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述子超材料上以其中心点为圆心，半径为r处的折射率为：

$n\left(r\right)=n_{max}-\frac{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+r^2}-ss}{\sqrt{{\mathrm{ss}}^2+l^2}-ss}*(n_{max}-n_{min});$

其中，n_max为子超材料所具有的折射率最大值，n_min为子超材料所具有的折射率最小值，ss为所述CCD面阵距超材料垂直距离，l为子超材料长度。

3.如权利要求1或2所述的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述子超材料的厚度d为：

$d=\frac{\mathrm{\λ}}{n_{max}-n_{min}};$

其中，λ为可见光波长，n_max为子超材料所具有的折射率最大值，n_min为子超材料所具有的折射率最小值。

4.如权利要求2所述的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述多个人造金属微结构拓扑图案相同，所述多个人造金属微结构在所述子超材料上呈圆形分布，圆心为子超材料的中心点，圆心处的人造金属微结构尺寸最大，相同半径处的人造金属微结构尺寸相同，随着半径的增大，人造金属微结构尺寸减小。

5.如权利要求1或4所述的哈特曼波前传感器，其特征在于，所述人造金属微结构为“工”字形，包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

6.如权利要求5所述的哈特曼波前传感器，其特征在于，所述人造金属微结构还包括位于所述第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。

7.如权利要求1或4所述的哈特曼波前传感器，其特征在于，所述人造金属微结构为平面雪花型，包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

8.如权利要求1所述的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述人造金属微结构的材质为银。

9.如权利要求1所述的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻或斜角沉积法附着于所述基材上。

10.如权利要求1所述的哈特曼波前传感器，其特征在于：所述基材材质为高分子材料、陶瓷材料、贴点材料、铁氧材料或铁磁材料。