CN108241208A - 基于超构透镜利用波长调控的光学变焦方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现光学变焦的方法，即基于超构透镜利用波长调控的光学变焦方法，基于(1)光源探头，(2)线偏振片，(3)四分之一波片，(4)超构(色差)透镜；所述超构色差透镜(4)置于线偏振片和四分之一波片的两种组合的中间，设有感光器(5)置于成像面上用于接受图像；利用不同波长的入射光通过超构(色差)透镜后成像在不同的像距位置进行变焦。应用场景可以有两种：一是像距固定，调节照明波长和物距获得成像像的大小的改变；二是物距固定，调节照明波长和像距获得成像大小的改变。本发明采用超构表面的设计原理，色差由相位匹配调控，并可在一定成像区间内进行球差和彗差矫正。
Description
技术领域
本发明属于光学变焦的技术领域，涉及到一种基于超薄体积的大色差超构透镜的新方法。尤其是基于超构透镜利用波长调控的无机械光学变焦方法。
背景技术
光学变焦是数码相机性能的重要指标之一。光学变焦能力是用光学变焦倍数来衡量的，即长焦端的最大焦距与广角端的最小焦距之比。数码相机通过改变镜头组中各镜片的相对位置来改变焦距，从而改变视角。一般要实现五倍以上的光学变焦，数码相机的体积需要相对增大，留出更多的空间给镜片和感光器的移动。目前具体实现光学变焦的方法包括外伸缩式，内伸缩式，潜望式，双摄像头算法变焦，MEMS变焦和DynaOptics变焦。在这些方法中，除外伸缩式，其余都是可以植入到手机中的。Iphone7plus就是利用双摄像头实现了1×和2×的光学变焦，OPPO则利用潜望式双摄实现了3倍的光学变焦(5倍的宣传是因为结合了高精度的图像融合技术)。但是这些光学变焦仍然都是利用的传统光学透镜的组合，局限于光程的积累来改变相位，在超薄体积的实现上无法取得根本性的突破。
超构表面是通过一薄层亚波长结构单元去局域地调控光场的光学设计。超构透镜就是一类典型的超构表面应用。关于超构透镜的研究各大科学自然杂志一直在持续不断地报导，包括分辨率，数值孔径，色差等方面。2016年6月的Science封面文章(Science 352,1190(2016))就是报导的哈佛大学研究组做出的在可见光波段实现亚波长分辨成像的超构透镜。而关于超构透镜的色差部分，国际上各研究组都致力于消色差的研究，对于如何有效得利用色差还无人提及。
发明内容
本发明目的是，基于超构透镜利用波长调控的光学变焦方法，通过引入超构表面设计原理，利用波长透过超构透镜产生的色差进行光学变焦方法，为实现超薄体积的光学变焦提供了新方法。
本发明的技术方案是，一种实现光学变焦的方法，即基于超构透镜利用波长调控的光学变焦方法，基于如下结构：(1)光源探头，(2)线偏振片，(3)四分之一波片，(4)专门设计超构(色差)透镜；所述超构色差透镜(4)置于线偏振片和四分之一波片的两种组合的中间，设有感光器(5)置于成像面上用于接受图像；利用不同波长的入射光通过超构(色差)透镜后成像在不同的像距位置进行变焦，尤其是非光学变焦。
本发明在变焦时无机械传动，光学变焦的实现是基于波长维度来实现的，不同波长的入射光的波长范围根据所需光学变焦倍数自行选择。
超构色差透镜是基于超构表面的几何相位原理而设计，体积超薄，焦距范围可自行选择。基于大色差的超构透镜，可以在波长维度上实现光学变焦的具体实现为：1)像距固定，照射波长增大时，能清晰成像的物距随之变短，像的大小也随之减小；或者是指当能清晰成像的物距变短，随之增加入射光的波长，能够清晰成像在相同的像距上；2)物距固定，照射波长增大时，像距随之减小，并且像的大小也随之减小。
按照具体原理的不同超构表面可分为几何相位超构表面、共振型超构表面。针对不同的功能设计，超构表面需要实现不同的强度或相位分布，为了提供足够范围的相位调制以实现任意的相位梯度，理想的超构表面结构单元需要提供0-2π的相位变化。
不同的原理对应不同的单元结构变化来实现所需的相位分布。以几何相位超构表面为例，它是指仅利用一种天线结构，一般以细长的棒状结构为主，改变结构角度来实现全范围的相位调制的超构表面。可将棒状结构的辐射场等价为一个偶极子，是偶极子在x-y平面上与x轴所成的夹角，入射光则是在x-z平面内以θ角入射的圆偏振光，则入射电场可以表示为：
其中σ＝±1分别代表左旋光和右旋光，分别表示x、y、z轴的单位向量。经过推导可以得到辐射电场：
其中αe为偶极子的电极化率，r是观察点离偶极子的距离，k是波矢，c是真空中的光速。
根据推导，可以看出当入射光为圆偏振光时，经过偶极子的散射后，散射光分为两部分，一部分是与入射光同偏振的正常折射的分量；另一部分是叠加了额外相位与入射光偏振正交的分量。由此，只要在0-π内转到棒状结构的方向，探测时采集与原偏振正交的光场就可以得到2π的全相位调制。
要达到可成像的透镜功能，根据到达透镜焦点所需的光程差要求，可以得到超构透镜所需的相位分布如式(3)所示：
f＝g-1(λ) (5)
即得到超构透镜与入射波长的函数关系，λ是入射波长，f是设计的超构透镜的焦距，R是到透镜中心的距离。
要实现透射型的超构色差透镜，以几何相位超构表面为例，首先选取高透射率的亚波长棒状单元结构，然后将棒状结构按照所需的相位分布进行转角的排布。
由于转角不同的排布的超构元件而产生的相位分布是无色散的，即相位是一个常量，与波长λ无关的。因此可写成式(4)的关系或式(5)的关系，即λ变化时，f也会发生变化，构成了基本的超构元件色差透镜。由于亚波长单元的衍射效应，该超构元件的色差相比传统透镜由于材料色散导致的色差要大一个数量级。当我们改变入射波长时，焦距会发生大幅变化，从而获得光学变焦功能。本发明可以有意设计的超构元件的大色差。
根据理论设计，在可见光波段光学变焦倍数可以达到2倍，与iPhone手机双摄像头的光学变焦倍数相当；而在近红外波段，超构色差透镜的光学变焦倍数达到3倍之余，比肩OPPO潜望式双摄的光学变焦。针对实际应用时像距固定的特点，我们优化了超构色差透镜的结构排布，达到消球差和减小彗差的目的，且具有宽带效应。提出像距设置在两倍焦距时，像的放大缩小最为显著，可见光波段，像的放大缩小可达3-4倍，近红外波段，像的放大缩小可达7-8倍。
本发明是一种无机械光学变焦的新方法，通过设计具有超色差性质的超构表面透镜，利用不同波长下超构透镜焦距的变化，实现无机械光学变焦。应用场景可以有两种：一是像距固定，调节照明波长和物距获得成像像的大小的改变；二是物距固定，调节照明波长和像距获得成像大小的改变。
有益效果：本发明采用超构表面器件的基本原理，利用亚波长结构实现色差透镜的功能。在半毫米厚度范围内就可以达到2倍甚至3倍的光学变焦倍数。在超薄体积上具有极大的优势。本发明的设计简单，仅涉及一块超构色差透镜，无需对多块透镜进行组合考虑，且无机械传动。本发明使用的超构色差透镜属于平板透镜，工艺复杂度低，工序简单，成本也相较更为低廉。本发明色差由相位匹配调控，并可在一定成像区间内进行球差和彗差矫正。本发明装置简单，体积超薄，与微电子制备工艺兼容，适合大规模生产，平板超薄结构便于与成像CCD芯片集成。
附图说明
图1为本发明的光学变焦示意图；图1(a)像距固定，照射波长增大时，能清晰成像的物距随之变短，像的大小也随之减小；图1(b)右图显示的物距固定清晰成像图；
图2为本发明的色差表现与传统玻璃透镜色差表现的对比图；图2(a)是数值孔径为0.23的BK7玻璃透镜色差较小的聚焦效果，深色蓝线代表的是400nm的波长，绿线代表的是532nm的波长，红线代表的800nm的波长。图2(b)是BK7玻璃透镜的点源成像的光线追迹图，色差小。图2(c)是设计的超构色差透镜的聚焦效果，数值孔径0.43，色差相较传统玻璃透镜而言提升一个数量级。图2(d)是本发明超构色差透镜点源成像的光线追迹图，色差更大。
图3为本发明所用的亚波长单元结构图和电磁仿真软件模拟的焦距变化图；图3(a)所示为其基本的亚波长单元结构图，图3(c)、图3(d)、图3(e)分别是用电磁仿真软件模拟不同波长下超构透镜的聚焦效果。
图4为本发明的光路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，基于大色差的超构透镜，可以在波长维度上实现光学变焦。图1左图显示的是类型一，即像距固定，照射波长增大时，能清晰成像的物距随之变短，像的大小也随之减小。图1右图显示的是类型二，即物距固定，照射波长增大时，像距随之减小，并且像的大小也随之减小。
图2展示的是Zemax模拟的传统玻璃透镜与超构色差透镜的聚焦和成像的对比。(a)图是数值孔径为0.23的BK7玻璃透镜的聚焦效果，蓝线代表的是400nm的波长，绿线代表的是532nm的波长，红线代表的800nm的波长，色差较小。(b)图是BK7玻璃透镜的点源成像的光线追迹图，色差依然较小。(c)图是设计的超构色差透镜的聚焦效果，数值孔径0.43，色差相较传统玻璃透镜而言提升一个数量级。(d)图是超构色差透镜点源成像的光线追迹图，其中我们进行了消球差的优化，在微距成像及光学变焦方面有着不可替代的优势。
对于可见光波段的光学变焦，本发明实现透射型的超构色差透镜的方式，首先选取高透射率的亚波长棒状单元结构，然后将棒状结构按照所需的相位分布进行转角的排布构成超构色差透镜。可以选择氮化镓、氮化硅材料，在可见光波段损耗低，透过率高；对于近红外波段的光学变焦，可以选择硅作为材料，在近红外波段透过率高，损耗低。图3(a)所示为其基本的亚波长单元结构图，衬底可为蓝宝石或二氧化硅等，如以蓝宝石为衬底的氮化镓为例，单元结构周期可为240nm，长200nm，宽100nm，纳米柱高度800nm，(c)(d)(e)是我们用电磁仿真软件模拟不同波长下超构透镜的聚焦效果,(b)图则是软件模拟计算的超构透镜与玻璃透镜焦距变化的对比示意图，两者焦距变化相差一个数量级以上。
用GaN材料做的metalens，衬底为蓝宝石，其单元尺度、长宽和高度还可以根据实用的要求和现有技术来制备。
图4所示为本发明的光路图，超构色差透镜之前需要线偏振片和1/4波片调节入射光为圆偏振光，感光器CCD之前需要1/4波片和线偏振片获取调制过后的圆偏振光，提高信噪比。改变照明探头照射波长，在无机械传动的情况下，物体可快速高效地实现光学变焦。所述超构透镜(4)置于线偏振片和四分之一波片的两种组合的中间，感光器(5)置于像面上用于接受图像。
本发明无机械传动，光学变焦是基于波长维度来实现的，波长范围可根据所需光学变焦倍数自行选择。超构色差透镜是基于超构表面的几何相位原理而设计，体积超薄，焦距范围可自行选择。
Claims (4)
1.一种实现光学变焦的方法，即基于超构透镜利用波长调控的光学变焦方法，其特征是基于如下结构：(1)光源探头，(2)线偏振片，(3)四分之一波片，(4)超构(色差)透镜；所述超构色差透镜(4)置于线偏振片和四分之一波片的两种组合的中间，设有感光器(5)置于成像面上用于接受图像；利用不同波长的入射光通过超构(色差)透镜后成像在不同的像距位置进行变焦。
2.根据权利要求1所述的一种实现光学变焦的方法，其特征在于：基于大色差的超构透镜，在波长维度上实现光学变焦的实现为：1)像距固定，照射波长增大时，能清晰成像的物距随之变短，像的大小也随之减小；或者是指当能清晰成像的物距变短，随之增加入射光的波长，能够清晰成像在相同的像距上；2)物距固定，照射波长增大时，像距随之减小，并且像的大小也随之减小。
3.根据权利要求1所述的一种实现光学变焦的方法，其特征在于：根据到达透镜焦点所需的光程差要求，得到超构透镜所需的相位分布如式(3)所示：
f＝g-1(λ) (5)
即得到超构透镜与入射波长的函数关系，λ是入射波长，f是设计的超构透镜的焦距，R是到超构透镜中心的距离；由于转角不同的排布的超构元件而产生的相位分布是无色散的，即相位是一个常量，与波长λ无关的；因此写成式(4)的关系或式(5)的关系，即λ变化时，f也会发生变化，构成了基本的超构元件色差透镜；当改变入射波长时，焦距会发生大幅变化，从而获得光学变焦功能。
4.根据权利要求1所述的一种实现光学变焦的方法，其特征在于：实现透射型的超构色差透镜的方式，首先选取高透射率的亚波长棒状单元结构，然后将棒状结构按照所需的相位分布进行转角的排布构成超构色差透镜。
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