CN106199997A - 一种大视场超分辨成像器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大视场超分辨成像器件，包括自下而上依次排布的基底、超表面。其中，所述的超表面是由超薄金属或介质膜上连续排列的纳米单元结构阵列组成，所述纳米单元结构为深亚波长结构。本发明利用纳米结构上的几何相位来控制电磁波的对称性，将电磁波由旋转对称转换为平移对称，得到接近180°的大视场完美聚焦，若采用曲面或多平面组合，可实现360°大视场成像。本发明工作带宽可覆盖整个电磁频谱，分辨率接近甚至突破衍射极限，在大视场超分辨成像领域具有广泛的应用前景。

Description

一种大视场超分辨成像器件

技术领域

本发明涉及成像技术研究领域，尤其涉及一种大视场超分辨成像器件。

背景技术

大自然是人类学习的源泉，人类创新的源泉，更是人类智慧的源泉。很多具有复眼的动物拥有很大的视角，可达360°。这一特征是这些动物视觉系统中最引人注目的光学特性之一，因此引起了学术界极大的兴趣。由此启发人们通过模仿动物眼睛制造出一些拥有大视场的透镜，如：鱼眼透镜，人工复眼透镜等。由于原理上的局限，导致这些透镜在集成化系统中的制造和实施难度很大。

理论上，视场的概念可以通过对称理论解释，对于各种光学问题，如超对称，各向异性，手性及布儒斯特效应等都很重要。众所周知，传统的龙伯透镜(视角可达180°)和复眼透镜(视角可达360°)有球形对称的折射率分布，因此不同方位角的光线可以聚焦到预定的球形面上。但因受到球面对称性的限制，其厚度与结构径几乎相等，导致透镜体积大且笨重。此外，由于无法突破衍射极限，传统透镜的分辨率还有待提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提出一种大视场超分辨成像器件，利用光与物质相互作用的对称性，在平面透镜中引入了光场的平移对称，实现了从旋转对称到平移对称的完美转换，最终实现大视场超分辨成像。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：提供一种大视场超分辨成像器件，包括自下而上依次排布的基底，超表面，其中所述的超表面由连续排列的各向异性的纳米结构阵列组成；所述各向异性纳米结构是在超薄金属或介质上刻蚀而成，所述各向异性纳米结构长轴l和短轴w不相等且均小于波长；所述纳米结构阵列的晶格常数p的取值范围为：0<p<λ/4(λ为入射光波长)；所述的超薄金属厚度Tg的取值范围为：δ<Tg<λ/5(λ为入射光波长，δ为金属的趋肤深度，真空磁导率μ₀＝4π×10^-7H/m，ω为圆频率，σ为金属的电导率)； 所述超薄介质厚度小于入射光波长。

其中，所述的各向异性纳米结构包括孔或其互补结构。

其中，所述的各向异性纳米结构几何图案包括：矩形、椭圆形、十字形、工字形、多边形等。

其中，所述的纳米结构的各个单元结构可相互连接,排列方式可以为正方晶格，六方晶格。

其中，所述的纳米结构可以在平面或曲面目标上制作。

其中，若所述纳米结构制作在金属上，所述基底材料为在工作波段透明的材料，选为硅、二氧化硅等半导体以及氟化物；所述金属包括：金、银、铜、金合金、银合金或铜合金。

其中，若所述纳米结构制作在介质上，则基底选择折射率小于1.7的低折射率材料，介质选择折射率大于2.5的高折射率材料。

其中，所述的大视场超分辨成像器件可通过尺寸缩放，改变结构参数及选择合适的材料用于可见光，红外、太赫兹、微波等波段。

其中，所述的大视场超分辨成像器件中的平面透镜的视场可达180°，若采用曲面或多平面组合，可实现360°大视场成像；所述的大视场超分辨成像器件也可设计为反射镜。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明便于制造和实施，拥有比普通平板透镜更大的视角、更长的焦深，并且突破了衍射极限，具有高的分辨率。此外，由于本发明器件的厚度在深亚波长尺度下，相比于传统大视场透镜更轻薄。

附图说明

图1为本发明透镜的聚焦示意图；

图2为本发明的样品设计图；

图3为本发明一实施例的仿真结果图；

图4为本发明的结构示意图；

图5为本发明的样品扫描电镜图；

图6为本发明一实施例的实验结果图；

图7为本发明与普通透镜聚焦对比图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。

本发明一种大视场超分辨成像器件设计及制作的具体方法如下：

(一)设计。

首先在超表面上预定义相位如式(1)所示：

$\mathrm{\&Phi;}\left(r\right)=k_0\frac{r^2}{2f},---\left(1\right)$

其中，k₀为真空波数，f为焦距，r_∈[0,R]代表到中心的径向距离。

基于上述公式，为了在深亚波长尺度更好地对相位进行调控以及提高能量效率，本实施例将超表面设计为形成六角点阵的连续椭圆纳米结构阵列(如图2所示，其中椭圆纳米结构的长轴和短轴分别为l＝180nm和w＝60nm，阵列晶格常数p＝150nm)，利用纳米结构的自旋-轨道相互作用来获得空间变化的相位分布。

由于电磁场的干涉，在不同聚焦点焦斑不同，本发明通过超振荡实现超衍射聚焦成像，衍射光斑小于传统衍射极限。

(二)数值仿真。

利用矢量衍射理论对上述设计的样品性能进行数值仿真。将4个不同方向(θ＝-80°，-32°，0°和45°)波长λ＝632nm平面波同时入射在样品上，设定焦距为8.407μm。如图3a所示的仿真结果显示，对于不同平面波的光场都相应地平移了Δ＝fsinθ。θ＝-32°，45°和-80°对应的Δ值分别为4.4，5.9和8.3μm，与理论值相同。如图3b所示，最大强度位置移动到z＝7.5μm处。

(三)实验验证。

为了进一步验证上述理论和仿真结果，接下来进行实验研究。如图4所示，首先，利用磁控溅射法在1mm的石英基底1上镀了一层100nm厚的金薄膜2，然后用聚焦离子束法在金薄膜上制备纳米结构3，椭圆纳米结构的长轴和短轴分别为180nm和60nm，六角点阵晶格常数p＝150nm(如图2，图4所示)。图5为样品的扫描电镜图。使用两个氦氖激光(λ＝632nm)器和一个自制的显微镜，测量样品的聚焦性能。将一束激光垂直入射在样品上，另一束激光将入射角依次调节为-32°和-80°入射至样品。实验结果(图6a,b)与仿真结果(图3a,b)吻合良好。

如图7所示本发明的透镜与普通透镜所形成的焦斑不同。普通透镜的焦斑为一个点，而本发明的透镜焦斑为一针尖，这说明本发明的透镜还具有长焦深。

因此，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。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种大视场超分辨成像器件，其特征在于：包括自下而上依次排布的基底，超表面，其中所述的超表面由连续排列的各向异性的纳米结构阵列组成；所述各向异性纳米结构是在超薄金属或介质上刻蚀而成，所述各向异性纳米结构的长轴l和短轴w不相等且均小于波长；所述纳米结构阵列的晶格常数p的取值范围为：0<p<λ/4，λ为入射光波长；所述的超薄金属的厚度Tg的取值范围为：δ<Tg<λ/5，λ为入射光波长，δ为金属的趋肤深度，真空磁导率μ₀＝4π×10^-7H/m，ω为圆频率，σ为金属的电导率；所述超薄介质厚度小于入射光波长。

2.根据权利要求1所述的一种大视场超分辨成像器件，其特征在于：所述的各向异性纳米结构还包括孔或孔的互补结构。

3.根据权利要求1所述的一种大视场超分辨成像器件，其特征在于：所述的各向异性纳米结构几何图案包括：矩形、椭圆形、十字形、工字形或多边形。

4.根据权利要求1所述的一种大视场超分辨成像器件，其特征在于：所述的纳米结构的各个单元结构可相互连接,排列方式可以为正方晶格或六方晶格。

5.根据权利要求1所述的一种大视场超分辨成像器件，其特征在于：所述的纳米结构可以在平面或曲面目标上制作。

6.根据权利要求1所述的一种大视场超分辨成像器件，其特征在于：若所述纳米结构制作在金属上，所述基底材料为在工作波段透明的材料，选为硅或二氧化硅半导体材料或者氟化物材料；所述金属包括：金、银、铜、金合金、银合金或铜合金。

7.根据权利要求1所述的一种大视场超分辨成像器件，其特征在于：若所述纳米结构制作在介质上，则基底选择折射率小于1.7的低折射率材料，介质选择折射率大于2.5的高折射率材料。

8.根据权利要求1所述的一种大视场超分辨成像器件，其特征在于：所述的大视场超分辨成像器件可通过尺寸缩放，改变结构参数及选择合适的材料用于可见光，红外、太赫兹或微波波段。

9.根据权利要求1所述的一种大视场超分辨成像器件，其特征在于：所述的大视场超分辨成像器件中的平面透镜的视场可达180°，若采用曲面或多平面组合，可实现360°大视场成像；所述的大视场超分辨成像器件也可设计为反射式的。