CN108363125B - 一种透镜及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种透镜，其特征在于，包括基底材料和折射率可变材料，所述折射率可变材料覆盖于所述基底材料上；所述基底材料的折射率n和调制相位Φ满足如果所述基底材料的折射率n≠1，所述透镜的厚度h满足如果所述基底材料的折射率n＝1，所述透镜的厚度h满足利用折射率可变材料制作的透镜，能够不改变透镜结构，通过改变折射率可变材料的折射率，实现透镜对光波相位调制的可调节。

Description

一种透镜及其制作方法
技术领域
本申请涉及光学领域，特别涉及一种透镜及其制作方法。
背景技术
透镜是用透明物质制成的表面为曲面一部分的光学元件，透镜可广泛应用于安防、车戴、数码相机、激光、光学仪器等各个领域。目前透镜的种类很多，根据透镜的焦距正负不同，我们一般把透镜分成凸透镜和凹透镜。凸透镜是中央较厚，边缘较薄的透镜，而凹透镜镜片的中央薄，周边厚，呈凹形。
在应用光学里，我们把透镜对光波的调制作用归结为光波在透镜表面发生折射现象。而从波动光学的角度解释透镜光波进行调制作用的话，那是因为制成透镜的玻璃或者其他透明物质的折射率大于周围的空气。光波通过透镜的不同位置产生不同的位相变化，其大小与透镜的厚度成比例。对于凸透镜，通过透镜中间的光波的相位变化大，通过两边的光波的相位变化小。对于凹透镜则相反。如果一条光线以任意方向通过透镜只有相位变化，而横向唯一可以忽略，那么该透镜称为薄透镜。
然而，传统的透镜的形状都是固定的，因此其对所透射的光波的相位调制也是固定的，很难满足人们对光学系统的不同要求。
发明内容
本申请提供一种透镜及其制作方法，至少解决现有技术中存在的至少一个问题。
为解决上述问题，第一方面，本申请实施例提供一种透镜，包括：基底材料和折射率可变材料，所述折射率可变材料覆盖于所述基底材料上；
所述基底材料的折射率n和调制相位Φ满足
如果所述基底材料的折射率n≠1，所述透镜的厚度h满足所述折射率可变材料的厚度满足
如果所述基底材料的折射率n＝1，所述透镜的厚度h满足
其中，Φ1和Φ2为目标相位调制曲线对应的调制相位，n1和n2为所述折射率可变材料对应的不同折射率，λ为光波长，m,k和t为整数。
进一步，所述目标相位调制曲线相交，且交点两侧的所述目标相位调制曲线的调制相位大小关系不同，各个非交点位置的斜率比值为相等的常数。
进一步，所述常数为-1，所述折射率可变材料对应所述交点两侧的所述相位调制曲线的折射率不同。
进一步，所述常数为非-1，所述基底材料包括第一基底材料和所述第二基底材料，所述第一基底材料对应所述交点一侧的相位调制曲线，所述第二基底材料对应所述交点另一侧的相位调制曲线。
进一步，所述透镜包括菲涅尔透镜。
进一步，所述基底材料的折射率为1，所述菲涅尔透镜为二值化结构的菲涅尔透镜。
进一步，所述折射率可变材料包括Ge3Sb2Te6。
进一步，所述n1和n2为所述折射率可变材料稳定状态对应的折射率。
另一方面，本申请实施例提供一种透镜的制作方法，所述透镜包括基底材料和折射率可变材料，包括：
根据所述基底材料和目标相位调制曲线计算所述透镜的厚度，其中所述基底材料的折射率n和调制相位Φ满足
如果所述基底材料的折射率n≠1，通过计算得到所述透镜的厚度h，通过计算得到所述折射率可变材料的厚度h1；
如果所述基底材料的折射率n＝1，通过计算得到所述透镜的厚度h；其中，Φ1和Φ2为目标相位调制曲线对应的调制相位，n1和n2为所述折射率可变材料对应的不同折射率，λ为光波长，m,k和t为整数；
根据所述基底材料和所述透镜的厚度h制作所述透镜。
进一步，通过调节温度或电压调节所述折射率可变材料的折射率。
通过上述实施例的技术方案，利用基底材料和折射率可变材料制作的透镜，在不改变已制作完成的透镜形状的情况下，通过改变折射率可变材料的折射率，实现透镜对光波相位调制的可调节。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本申请的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本申请进行任何限制，在附图中：
图1为本申请实施例一的透镜结构示意图；
图2为本申请实施例一的透镜所对应目标相位调制曲线；
图3(a)(b)分别为本申请实施例二的透镜结构示意图和对应的目标相位调制曲线；
图4(a)(b)分别为本申请实施例三的透镜结构示意图和对应的目标相位调制曲线；
图5为本申请实施例四的透镜结构示意图；
图6为本申请实施例五的透镜结构示意图；
图7为本申请实施例五透镜中矩形结构单元的透镜结构示意图和对应的目标相位调制曲线；
图8为本申请实施例六的透镜结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
本申请实施例一公开了一种透镜，如图1所述，包括基底材料101和折射率可变材料201，所述折射率可变材料201覆盖于所述基底材料101上。
所述基底材料的折射率n和调制相位Φ满足如图2所示的目标相位调制曲线，Φ1为所述目标相位调制曲线中虚线对应的调制相位或实线对应的调制相位，Φ2为所述目标相位调制曲线中实线对应的调制相位或虚线对应的调制相位，n1和n2为折射率可变材料201对应的不同折射率。
优选的，所述n1和n2为所述折射率可变材料在稳定状态下对应的两种不同的折射率。
如果所述基底材料的折射率n≠1，所述透镜的厚度h满足且所述折射率可变材料的厚度满足其中，所述λ为光波长，所谓基底材料的折射率n≠1为所述基底材料不为空气。
如果所述基底材料的折射率n＝1，所述透镜的厚度h满足所谓基底材料的折射率n＝1为所述基底材料为空气，即整个透镜的厚度即为所述折射率可变材料的厚度。
现有技术中，传统的透镜的形状都是固定的，因此其对所透射的光波的相位调制也是固定的，很难满足人们对光学系统的不同要求。本申请实施例所公开的透镜，在不改变已制作完成的透镜形状的情况下，通过改变折射率可变材料的折射率，实现透镜对光波相位调制的可调节。
实施例二
如图3所示，图3(b)为目标相位调制曲线，所述相位调制曲线相交，而且交点两侧的相位调制曲线的调制相位大小是不同的，而且各个非交点位置的斜率比值为常数，本实施例中所述常数为-1，即所述斜率在各个位置处互为反数。
对应图3(b)目标相位调制曲线的透镜结构，如图3(a)所示，包括基底材料102和折射率可变材料202、203，其中所述折射率可变材料202、203为同一种材料，但是折射率可变材料202和折射率可变材料203部分的折射率是不同的。
具体地，常数为-1时，对应图3(b)的两个交点中间部分的调制曲线，对应折射率可变材料203部分，两个交点两侧的调制曲线，对应折射率可变材料202部分，各个部分的透镜厚度满足实施例一所述的公式，在此不再赘述。
举例说明，基于图3(a)所示的透镜，通过调整温度或电压来使折射率可变材料的折射率进行调整，此处优选地所述折射率可变材料为Ge3Sb2Te6，该材料在稳定状态下对应的折射率分别为n1＝3.5，n2＝6.5，因为所述目标相位调制曲线的斜率互为相反数，所述可以选择折射率为n＝(3.5+6.5)÷2＝5的材料作为基底材料，调制相位Φ为目标相位调制曲线对应的调制相位Φ1和Φ2的平均值，计算得到透镜各个位置处折射率可变材料的厚度。
本实施例所示的透镜，当需要结构表现出图3(b)中虚线对应的调制曲线时，通过调节折射率可变材料的温度或电压，使203部分的折射率表现出高折射率n2＝6.5，使202部分的折射率表现出低折射率n1＝3.5；同样地，当需要结构表现出图3(b)中实线对应的调制曲线时，通过调节折射率可变材料的温度或电压，使202部分的折射率表现出高折射率n2＝6.5，使203部分的折射率表现出低折射率n1＝3.5。
实施例公开了基于目标相位调制曲线有相交的情况下对应的透镜结构，在不改变已制作完成的透镜形状的情况下，通过改变折射率可变材料的折射率，实现透镜对光波相位调制的可调节。
实施例三
如图4所示，图4(b)为目标相位调制曲线，所述相位调制曲线相交，而且交点两侧的相位调制曲线的调制相位大小是不同的，而且各个非交点位置的斜率比值为常数，本实施例中所述常数为非-1，具体本实施例中常数为-2。
对应图4(b)目标相位调制曲线的透镜结构，如图4(a)所示，基底材料包括第一基底材料103和第二基底材料104，折射率可变材料204、205，其中所述折射率可变材料204、205为同一种材料，但是折射率可变材料204和折射率可变材料205部分的折射率是不同的。
具体地，对应图4(b)的两个交点中间部分的调制曲线，对应折射率可变材料205部分，两个交点两侧的调制曲线，对应折射率可变材料204部分，各个部分的透镜厚度满足实施例一所述的公式，在此不再赘述。
举例说明，基于图4(a)所示的透镜，通过调整温度或电压来使折射率可变材料的折射率进行调整，此处优选地所述折射率可变材料为Ge3Sb2Te6，该材料在稳定状态下对应的折射率分别为n1＝3.5，n2＝6.5，因为所述目标相位调制曲线的斜率比值为非-1，所述需要选择两种不同折射率的材料作为基底，本实施例选择折射率为n01＝5.5的材料作为第一基底材料，选择折射率为n02＝4.5的材料作为第二基底材料，所诉折射率n01和n02均对应实施例一中的折射率n。
本实施例所示的透镜，当需要结构表现出图4(b)中虚线对应的调制曲线时，通过调节折射率可变材料的温度或电压，使205部分的折射率表现出高折射率n2＝6.5，使204部分的折射率表现出低折射率n1＝3.5；同样地，当需要结构表现出图4(b)中实线对应的调制曲线时，通过调节折射率可变材料的温度或电压，使204部分的折射率表现出高折射率n2＝6.5，使205部分的折射率表现出低折射率n1＝3.5。
实施例公开了基于目标相位调制曲线有相交的情况下，且目标相位调制曲线在非交点位置处斜率比值为非-1对应的透镜结构，在不改变已制作完成的透镜形状的情况下，通过改变折射率可变材料的折射率，实现透镜对光波相位调制的可调节。
实施例四
实施例三中公开了基于目标相位调制曲线有相交的情况下，且目标相位调制曲线在非交点位置处斜率比值为非-1对应的透镜结构，且基底材料包括第一基底材料和第二基底材料。其实，实现图4(b)的目标相位调制曲线，基底材料可以只选择一种。
如图5所示，此处选择折射率n＝5的材料作为基底材料，以图4(b)中的目标相位调制曲线的平均值计算，求出所述透镜在不同位置处的高度，然后根据其中一条相位调制曲线和这两条相位曲线的平均值的差值来计算折射率可变材料的厚度。
本实施例所示的透镜，当需要结构表现出图4(b)中虚线对应的调制曲线时，通过调节折射率可变材料的温度或电压，使207部分的折射率表现出高折射率n2＝6.5，使206部分的折射率表现出低折射率n1＝3.5；同样地，当需要结构表现出图4(b)中实线对应的调制曲线时，通过调节折射率可变材料的温度或电压，使206部分的折射率表现出高折射率n2＝6.5，使207部分的折射率表现出低折射率n1＝3.5。
需要说明的是，本实施例所公开的透镜跟其他实施例公开的透镜的不同点在于，本实施例公开的透镜形状为非矩形。
实施例公开了基于目标相位调制曲线有相交且目标相位调制曲线在非交点位置处斜率比值为非-1对应的透镜结构，在不增加基底材料种类的基础上，不改变已制作完成的透镜形状，通过改变折射率可变材料的折射率，实现透镜对光波相位调制的可调节。
实施例五
如图6所示，本公开实施例公开了一种透镜，所述透镜为菲涅尔透镜，图6即为菲涅尔透镜的结构示意图，其中，虚线上方为折射率可变材料，虚线下方为基底材料。对于菲涅尔透镜的矩形结构单元，其结构均与前述实施例相同，此处不做赘述。
具体菲涅尔透镜的每个矩形结构单元可参考图7，其中图7(a)为基于图7(b)所示的目标相位调制曲线制作的透镜，其中106为基底材料，208、209为折射率可变材料。
实施例六
如图8所示，本公开实施例公开了一种菲涅尔透镜的二值化结构，此菲涅尔透镜结构对应的基底材料的折射率为1，即整个透镜由折射率可变材料构成。在图6的基础上，将每个矩形结构单元的左右两部分分成高低部分，所述透镜厚度h满足本公开实施例中调制相位指的是，光波通过一定厚度材料的相位变化量减去光波通过相同厚度空气层后的相位变化量。因此，当基底材料为空气，即n＝1时，调制相位Φ＝0。
该二值化结构在实际中容易加工，而且整个结构在使用的时候只需要对整体结构进行改变外界物理，使构成整个透镜的材料具有相同的折射率，这样的控制效果容易实现，不需要精确调控。此外，不需要其他材料作为基底材料，保证了该透镜在实际加工中的精确度，和折射率控制的方便程度。
实施例七
本申请实施例还公开了一种透镜的制作方法，所述透镜包括基底材料和折射率可变材料，所述方法包括：
根据所述基底材料和目标相位调制曲线计算所述透镜的厚度，其中所述基底材料的折射率n和调制相位Φ满足
具体的，获取目标相位调制曲线，反向计算获取透镜的结构，使得所述透镜能够表现出所述目标相位调制曲线的功能。
如果所述基底材料的折射率n≠1，通过计算得到所述透镜的厚度h；
如果所述基底材料的折射率n＝1，通过计算得到所述透镜的厚度h；其中，Φ1和Φ2为目标相位调制曲线对应的调制相位，n1和n2为所述折射率可变材料对应的不同折射率，λ为光波长，m,k和t为整数；
根据所述基底材料和所述透镜的厚度h制作所述透镜。
优选的，通过调节温度或电压调节所述折射率可变材料的折射率。
通过本实施例所公开的透镜制作方法制作的透镜，区别于现有技术中透镜，解决传统透镜对所透射的光波的相位调制固定所带来的不足，在不改变已制作完成的透镜形状的情况下，通过改变折射率可变材料的折射率，实现透镜对光波相位调制的可调节。
在本申请中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种透镜，其特征在于，包括：
基底材料和折射率可变材料，所述折射率可变材料覆盖于所述基底材料上；
所述基底材料的折射率n和调制相位Φ满足
如果所述基底材料的折射率n≠1，所述透镜的厚度h满足所述折射率可变材料的厚度满足
如果所述基底材料的折射率n＝1，所述透镜的厚度h满足
其中，Φ1和Φ2为两条目标相位调制曲线对应的调制相位，n1和n2为所述折射率可变材料在不同状态下所对应的折射率，λ为光波长,m,k和t分别为任意整数。
2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，两条所述目标相位调制曲线相交，且交点两侧的所述目标相位调制曲线的调制相位大小关系不同，各个非交点位置的斜率比值为相等的常数。
3.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于，所述常数为-1，所述折射率可变材料对应所述交点两侧的所述目标相位调制曲线的折射率不同。
4.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于，所述常数为非-1，所述基底材料包括第一基底材料和第二基底材料，所述第一基底材料和所述第二基底材料为折射率不同的材料，所述第一基底材料位于对应所述交点一侧，所述第二基底材料位于对应所述交点另一侧；所述折射率可变材料对应所述交点两侧的所述目标相位调制曲线的折射率不同。
5.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于，所述透镜包括菲涅尔透镜。
6.根据权利要求5所述的透镜，其特征在于，所述基底材料的折射率为1，所述菲涅尔透镜为二值化结构的菲涅尔透镜。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的透镜，其特征在于，所述折射率可变材料包括Ge3Sb2Te6。
8.一种透镜的制作方法，其特征在于，所述透镜包括基底材料和折射率可变材料，所述方法包括：
根据所述基底材料和目标相位调制曲线计算所述透镜的厚度，其中所述基底材料的折射率n和调制相位Φ满足
如果所述基底材料的折射率n≠1，通过计算得到所述透镜的厚度h，通过计算得到所述折射率可变材料的厚度h1；
如果所述基底材料的折射率n＝1，通过计算得到所述透镜的厚度h；其中，Φ1和Φ2为两条目标相位调制曲线对应的调制相位，n1和n2为所述折射率可变材料在不同状态下所对应的折射率，λ为光波长，m,k和t分别为任意整数；
根据所述基底材料和所述透镜的厚度h制作所述透镜。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过调节温度或电压调节所述折射率可变材料的状态。
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