CN108873121A - 一种超级复消色差超表面复合微透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超级复消色差超表面复合微透镜，包括第一透镜与第二透镜，所述第一透镜为具有负色散性质的正光焦度超表面透镜，其具体结构为具有宽光谱响应的纳米天线阵列，所述第二透镜为具有正色散性质的正光焦度球面折射微透镜，其具体结构为平凸球面微型透镜；所述第一透镜包括纳米天线阵列的上下两个表面；所述第二透镜包括第二透镜平面侧以及第二透镜曲面，第一透镜的下表面与第二透镜的平面侧相互叠合，第一透镜的纳米天线阵列内嵌在所述第二透镜曲面内部。本发明既解决正折射率材料矫正色差需要复杂的光学系统的技术问题，又解决超表面材料为了矫正色差需要牺牲带宽和数值孔径的技术问题。本发明具有结构简单，可微型化的技术优势。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种超级复消色差超表面复合微透镜。
背景技术
色差矫正长期以来都是传统光学设计中的关键点之一，传统的光学元件大都是折射光学元件，遗憾的是折射光学元件光学材料的折射率不但与材料本身的物理性质有关，还与光线的波长有关。同一种光学材料，波长越短、折射率越高，对不同色光的偏折程度不同从而产生色散。不同光学材料也往往有不同的色散。正是因为光学材料色散的存在无可避免的导致了色差，而传统的光学设计完全矫正色差需要极其复杂的光学系统，且对光学材料要求苛刻且加工难度大。即使如此，传统光学设计也只能在特定的几个波长处完全消除色差。
1996年，有研究者发现金属棒状结构的超材料可以实现负介电常数。而将这种棒状结构应用于光学器件表面，可以实现负折射率的超表面器件。然而，尽管超表面器件的材料折射率引起的色散很小，但是由于超表面器件是通过金属棒状结构对光产生作用，因此对不同波长的光，也会产生不同程度的色散，从而导致色差。因此，消除超表面器件的色差同样成为了一个应用难题。现有技术中对超表面器件消除色差的技术手段主要通过优化结构单元的形状、宽度、间距及高度，来实现将不同的色光聚焦到同一焦点。也有通过基于双光子吸收效应的飞秒激光加工的微透镜组合来尝试消除色差。但是在现有加工技术条件下，超表面的结构单元所提供的参数，很难同时满足消色差透镜所需的超宽带和高数值孔径。即，现有技术必须以牺牲带宽和数值孔径的代价，来换取超表面材料的色差消除。
超表面器件的这种结构色散，实际上是由于无色差器件要求的相位随波长变化产生的色散。在传统的光学定义中，将这种由结构差异引起的色散和折射光学中的色散定义进行比较，这种色散其实是相反的，因此可以将超表面的这种色散称为“异常色散”或“负色散”。理论上利用超表面器件的负色散和传统折射光学器件的正色散相抵消，可以完全矫正光学系统的色差。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种超级复消色差超表面复合微透镜，将超表面器件与传统的正折射率材料透镜相结合。既解决正折射率材料矫正色差需要复杂的光学系统的技术问题，又解决超表面材料为了矫正色差需要牺牲带宽和数值孔径的技术问题。本发明具有结构简单，可微型化的技术优势。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何得到一种结构简单，并可以在不牺牲带宽和数值孔径的前提下，实现消除色差的光学器件。
为实现上述目的，本发明提供了一种超级复消色差超表面复合微透镜，包括第一透镜与第二透镜，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜相互叠合，所述第一透镜为具有负色散性质的正光焦度超表面透镜，其具体结构为具有宽光谱响应的纳米天线阵列，所述第二透镜为具有正色散性质的正光焦度球面折射微透镜，其具体结构为平凸球面微型透镜；所述第一透镜包括第一透镜平面侧以及纳米天线阵列；所述第二透镜包括第二透镜平面侧以及第二透镜曲面。
进一步地，所述第一透镜与所述第二透镜具有相同的孔径尺寸，并且同轴放置。
进一步地，所述第一透镜平面侧与所述第二透镜平面侧紧密无间隙贴合，所述第一透镜的纳米天线阵列内嵌在所述第二透镜曲面内部。
进一步地，所述第一透镜的材料为硅或者二氧化钛或者氮化钾，由电子束刻蚀或者纳米压印技术加工获得。
进一步地，所述第二透镜的材料为聚焦激光固化光刻胶或者打磨玻璃，并使用基于双光子吸收效应的聚焦飞秒激光加工工艺，提高所述第二透镜的加工精度。
进一步地，所述第一透镜的纳米天线阵列的单元形状为长方体柱、圆柱、六边形柱或者其组合。
进一步地，所述第一透镜的相位分布满足以下公式：
其中，为相位，λd为设计中心波长，r为所述第一透镜半径，f为所述第一透镜焦距。
进一步地，所述第一透镜在其工作波长范围内的结构色散满足以下公式：
其中，为结构色散，λd为设计中心波长，λi为工作波长，r为所述第一透镜半径，f为所述第一透镜焦距。
进一步地，可以通过调节所述第一透镜的纳米天线阵列长轴和短轴的比例，优化圆极化波正交偏振态转换效率。
本发明与现有技术相比较，解决了传统光学设计中为了矫正色差而导致的结构复杂、体积庞大的技术问题。同时也解决了为了矫正超表面材料的色差而导致的带宽减小、数值孔径减小的技术问题。本发明具有在工作波长范围内完全消除色差的技术效果，并且结构简单，可以微型化的技术优势，可以满足各领域对大数值孔径消色差透镜的需求。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的微透镜结构示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的第一透镜纳米天线阵列单元圆极化波正交偏振态转换效率随波长变化曲线图；
图3是本发明的一个较佳实施例的微透镜聚焦效率随波长变化曲线图；
图4是本发明的一个较佳实施例的微透镜色差随波长变化曲线图；
图5是本发明的一个较佳实施例的微透镜调制传递函数(MTF)随空间频率变化曲线图；
图6是本发明的另一个较佳实施例的微透镜结构示意图；
图7是本发明的另一个较佳实施例的微透镜色差随波长曲线图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
实施例一：普通超表面复合微透镜。
如图1所示，为本实施例提供的一种超级复消色差超表面复合微透镜的结构图。本实施例由第一透镜、第二透镜组成，第一透镜为正光焦度超表面透镜，第二透镜为正光焦折射微透镜。其中正光焦度超表面透镜具有负色散性质产生负色差，正光焦度球面折射微透镜具有正色散性质产生正色差，通过数值仿真软件FDTD优化正光焦度超表面透镜的数值孔径和正光焦度球面折射透镜的折射球面曲率，使上述两个透镜在设计的工作波段所有波长产生大小相等符号相反的色差，从而达到系统超级复消色差的目的。上述折射微透镜不仅限于平凸球面透镜，也可以为其他形状微型透镜。本实施例孔径大小为50um，第一透镜焦距120um，系统总焦距37.7um，工作波长580nm-780nm，数值孔径(NA)为0.553，能够在工作波长580nm-780nm范围内实现无色差聚焦，二级光谱小于0.5um。图1中，第一透镜的纳米天线阵列2被内嵌于第二透镜的曲面3之内，第一透镜的下表面与第二透镜的平面均无缝地与石英基底1贴合，第一透镜与第二透镜具有相同的孔径尺寸，并且同轴放置。
在本实施实例中，将超表面透镜的结构单元，即纳米天线柱的三维尺寸针对工作波长580nm-780nm进行优化，使得整个工作波段内单个单元都具有较高的圆极化波正交偏振态转换效率，将优化的单个单元结构尺寸按照聚焦透镜相位分布的规律进行排列，实现超表面透镜最大的聚焦效率。
在本实施实例中，优化得到的第一透镜的纳米天线柱的三维尺寸为高380nm，长210nm，宽95nm，本实施例在其工作波长范围内，纳米天线柱的圆极化波正交偏振态转换效率如图2所示；本实施例在工作波长范围内的聚焦效率如图3所示。第一透镜的设计波长为780nm，焦距为120um，材料为硅，其结构色散为：
其中为结构色散，λi为工作波长。产生负色差焦移量为-13um。
第一透镜的材料还可以是二氧化钛或者氮化钾或者其他在可见光具有高折射率的介电质材料。
在本实施例中，第二透镜的材料选用美国microchem公司SU-82005光刻胶，在580nm和780nm的折射率分别为1.59945和1.58771。第二透镜的材料选择不限于该光刻胶，也可以是玻璃或是其它可见光透明介质。在生产过程中，使用基于双光子吸收效应的聚焦飞秒激光加工工艺，提高第二透镜的加工精度。第二透镜的曲面曲率半径通过FDTD数值仿真软件优化，使得第二透镜产生与第一透镜产生大小相等、符号相反的色差，以此实现超级复消色差的目的。优化得到的第二透镜曲率半径为30um，中心高度为13.4um。
图4为本实施例的系统色差曲线图，图5为本实施例的调制传递函数曲线图。由图可知，本实施例具有较好的成像质量，消除色差效果很好。
实施例二：色差部分矫正的超表面复合微透镜。
本实施例提供的一种色差部分矫正的超级复消色差超表面复合微透镜。系统孔径大小为50um，系统总焦距为30.3um，工作波长范围为580nm-780nm，数值孔径(NA)为0.635，能在工作波长范围内实现无色差聚焦，二级光谱小于1um。其结构图如图6所示。
对于本发明来说，如果第一透镜产生的负色差，超出了第二透镜产生的色差补偿能力，则第一透镜的纳米天线阵列本身可以设计为部分矫正色差的结构，同样可以实现系统高数值孔径情况下无色差聚焦。
在本实施例中，第一透镜的设计波长为780nm，焦距为50um，材料为硅；通过相位补偿的方法来抑制第一透镜的结构色散，以达到部分矫正第一透镜色差的目的。相位补偿的目的是为了矫正超出第二透镜色差补偿能力之外的系统剩余色差。相位补偿的手段是通过调整矩形柱纳米天线柱的长轴、短轴的长度比例，来控制不同波长透射光的相位，将出射光的相位统一补偿到超表面的设计波长所对应的聚焦相位曲线上。。经过优化的纳米天线结构阵列，使得出射光的相位统一补偿到超表面的设计波长所对应的聚焦相位曲线上，但是其在工作波长范围内的聚焦效率不低于10％。
在本实施例中，第一透镜的焦距为50um，第二透镜的曲率半径为30um时，仍然会存在系统剩余色差。为补偿该系统剩余色差，在系统的孔径大小为50微米时需要补偿的相位差为95度，其中，纳米天线结构阵列单个单元补偿相位最大值为410度，最小值为315度，对于高度为380nm的矩形纳米天线柱，其不同的长轴短轴的相位补偿能力如下表：
在本实施实例中，剩余色差矫正后系统的色差曲线如图7所示。相较于图4普通超表面复合微透镜的色差曲线，本实施例在系统具有相同孔径下减小了焦距，提高了系统的数值孔径，实现了在更高数值孔径下的无色差聚焦。这说明，进一步利用目前矫正超表面透镜色差的方法，结合本发明可以实现更高数值孔径和更宽的波段范围内的无色差聚焦。
尽管上述两个实施例中的工作波段均为580nm-780nm，但如果针对可见光、近红外以及微波波长进行结构和参数优化，也可使得超表面透镜在整个波段具有较大的的圆极化波正交偏振态转换效率。即，通过本发明的方法优化第一透镜的数值孔径和第二透镜的曲率半径，也可以实现在可见光，近红外甚至微波波段的无色差聚焦。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种超级复消色差超表面复合微透镜，包括第一透镜与第二透镜，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜相互叠合，所述第一透镜为具有负色散性质的正光焦度超表面透镜，其具体结构为具有宽光谱响应的纳米天线阵列，所述第二透镜为具有正色散性质的正光焦度球面折射微透镜，其具体结构为平凸球面微型透镜；所述第一透镜包括纳米天线阵列的上下两个表面；所述第二透镜包括第二透镜平面侧以及第二透镜曲面。
2.如权利要求1所述的超级复消色差超表面复合微透镜，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜具有相同的孔径尺寸，并且同轴放置。
3.如权利要求2所述的超级复消色差超表面复合微透镜，其特征在于，所述第一透镜下表面与所述第二透镜平面侧紧密无间隙贴合，所述第一透镜的纳米天线阵列内嵌在所述第二透镜曲面内部。
4.如权利要求3所述的超级复消色差超表面复合微透镜，其特征在于，所述第一透镜的材料为硅或者二氧化钛或者氮化钾，由电子束刻蚀或者纳米压印技术加工获得。
5.如权利要求4所述的超级复消色差超表面复合微透镜，其特征在于，所述第二透镜的材料为聚焦激光固化光刻胶或者打磨玻璃，并使用基于双光子吸收效应的聚焦飞秒激光加工工艺，提高所述第二透镜的加工精度。
6.如权利要求5所述的超级复消色差超表面复合微透镜，其特征在于，所述第一透镜的纳米天线阵列的单元形状为长方体柱、圆柱、六边形柱或者其组合。
7.如权利要求6所述的超表面复合微透镜，其特征在于，所述第一透镜的相位分布满足以下公式：
其中，为相位，λd为设计中心波长，r为所述第一透镜半径，f为所述第一透镜焦距。
8.如权利要求6所述的超级复消色差超表面复合微透镜，其特征在于，所述第一透镜在其工作波长范围内的结构色散满足以下公式：
其中，为结构色散，λd为设计中心波长，λi为工作波长，r为所述第一透镜半径，f为所述第一透镜焦距。
9.如权利要求6所述的超级复消色差超表面复合微透镜，其特征在于，可以通过调节所述第一透镜的纳米天线阵列长轴和短轴的比例，优化圆极化波正交偏振态转换效率。
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