CN108983337A - 超构表面主镜、辅镜及主镜、辅镜制备方法和光学系统 - Google Patents

超构表面主镜、辅镜及主镜、辅镜制备方法和光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超构表面主镜、辅镜及主镜、辅镜制备方法和光学系统，光学系统包括超构表面主镜和超构表面辅镜。超构表面主镜包括：透明衬底；位于透明衬底之上的主镜超构表面功能单元图案，主镜超构表面功能单元图案满足主镜相位分布，对经超构表面辅镜反射到超构表面主镜上的入射光进行反射聚焦。超构表面辅镜包括：透明衬底；位于透明衬底之上的辅镜超构表面功能单元图案，辅镜超构表面功能单元图案满足辅镜相位分布，将入射到超构表面辅镜的入射光反射到超构表面主镜上，并经超构表面主镜进行反射聚焦。本发明实现了基于反射式超构表面的平面透射式透镜，解决了传统反射型物镜工艺制备苛刻、质量重、体积大和难以小型化以及集成化的问题。

Description

超构表面主镜、辅镜及主镜、辅镜制备方法和光学系统
技术领域
本发明实施例涉及超构表面技术领域，尤其涉及一种超构表面主镜、辅镜及主镜、辅镜制备方法和光学系统。
背景技术
折射式透镜在聚焦与成像系统中占有不可替代的地位，多个反射镜构成的反射式透镜在显微镜、望远镜、相机和红外成像设备中亦有着必不可少的应用。为了更便利地观察和拍摄物体，往往要求物体与图像分别位于透镜的两侧。对于传统透镜而言，无论是反射型，折射型还是混合型，有效的相位调谐和波前整形都依赖于元件表面连续的几何曲率。要想获得高质量的透镜，需要苛刻的研磨抛光等制备工艺，因此，不可避免地导致传统透镜笨重且制备成本高昂，难以实现小型化、集成化和低成本地批量生产。
超构表面为此提供了一种有效的解决方案，它是由具有空间变化的亚波长超构表面功能单元构成的界面，通过精心地设计超构表面功能单元，可以在亚波长尺度下实现对电磁波的偏振、振幅和相位的有效调控。超构表面的二维属性使其能实现体积更紧凑，质量更轻，损耗更低的电磁功能元件。且超构表面的制备工艺与现有的互补金属氧化物半导体技术兼容，更容易集成到现有的光电技术中。基于超构表面设计的平面元件具有广泛的应用，例如实现全息成像、偏振转换、产生光的自旋轨道角动量和异常反射/折射等。在基于超构表面的精密光学元件中，最有吸引力和应用前景的例子要数平面透镜，它既可以作为单个透镜，也能构成透镜组，甚至组合成其它更复杂的光学系统。超构表面透镜使折射光学元件变得轻薄紧凑易于集成，可以在具有更先进功能的超小型光学设备中发挥更重要的作用。随着超构表面透镜的蓬勃发展趋势，几乎所有的注意力都集中在基于折射式超构表面的平面透射式透镜上，而基于反射式超构表面的平面透射式透镜却少有涉及。尽管反射型超构表面存在研究，但单个反射元件并不能形成有效的透射式透镜。对许多光学设备来说，基于反射式超构表面的平面透射式透镜与基于折射式超构表面的平面透射式透镜同等重要，而且在现代望远镜和大量红外系统中，反射型的透射式聚焦系统的设计是无法替代的。因此，设计轻薄紧凑的基于反射式超构表面的平面透射式透镜用于聚焦与成像系统，将对光电仪器工程中的许多领域带来革命性的变化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种超构表面主镜、辅镜及主镜、辅镜制备方法和光学系统，以实现反射式超构表面用于透射式透镜的设计，解决传统的反射型物镜工艺制备苛刻、质量重、体积大和难以小型化以及集成化的问题，利于大批量低成本地生产。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种超构表面主镜的制备方法，包括：
提供透明衬底；
在所述透明衬底之上形成满足主镜相位分布的主镜超构表面功能单元图案，以对经超构表面辅镜反射到所述超构表面主镜上的入射光进行反射聚焦。
第二方面，本发明实施例提供了一种超构表面主镜，采用上述第一方面的超构表面主镜的制备方法制备，包括：
透明衬底；
位于所述透明衬底之上的主镜超构表面功能单元图案，所述主镜超构表面功能单元图案满足主镜相位分布，以对经超构表面辅镜反射到所述超构表面主镜上的入射光进行反射聚焦。
第三方面，本发明实施例提供了一种超构表面辅镜的制备方法，包括：
提供透明衬底；
在所述透明衬底之上形成满足辅镜相位分布的辅镜超构表面功能单元图案，以将入射到所述超构表面辅镜的入射光反射到超构表面主镜上，并经所述超构表面主镜进行反射聚焦。第四方面，本发明实施例提供了一种超构表面辅镜，采用上述第三方面的超构表面辅镜的制备方法制备，包括：
透明衬底；
位于所述透明衬底之上的辅镜超构表面功能单元图案，所述辅镜超构表面功能单元图案满足辅镜相位分布，以将入射到所述超构表面辅镜的入射光反射到超构表面主镜上，并经所述超构表面主镜进行反射聚焦。
第五方面，本发明实施例提供了一种光学系统，包括上述第二方面的超构表面主镜和上述第四方面的超构表面辅镜。
本发明的有益效果是：本发明提供的超构表面主镜、辅镜及主镜、辅镜制备方法和光学系统，在超构表面主镜的透明衬底上形成满足主镜相位分布的主镜超构表面功能单元图案，在超构表面辅镜的透明衬底上形成满足辅镜相位分布的辅镜超构表面功能单元图案，使得入射光经超构表面辅镜反射到超构表面主镜上后，可由超构表面主镜进行反射聚焦，由此通过上述超构表面主镜和超构表面辅镜的组合设计，实现了基于反射式超构表面的平面透射式透镜的设计，解决了传统的反射型物镜工艺制备苛刻、质量重、体积大和难以小型化以及集成化的问题。本发明利用平面反射式超构表面来替代传统的曲面反射镜，具有轻薄紧致和便于集成的优点，且超构表面的制备工艺也大大降低了传统曲面的反射式物镜的制备难度，有利于实现反射式物镜大批量低成本地生产。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中：
图1是传统的反射式物镜的侧视图；
图2是本发明实施例提供的平面的超构表面反射镜反射入射光的示意图；
图3是本发明实施例提供的超构表面功能单元的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的平面反射式超构表面物镜的侧视图；
图5是本发明实施例提供的超构表面主镜的俯视图；
图6是本发明实施例提供的超构表面辅镜的俯视图；
图7是本发明实施例提供的超构表面主镜的制备方法的流程示意图；
图8是本发明实施例提供的另一种超构表面主镜的制备方法的流程示意图；
图9-图13是图8的超构表面主镜的制备方法的各流程对应的超构表面主镜的侧视图；
图14是本发明实施例提供的超构表面辅镜的制备方法的流程示意图；
图15是本发明实施例提供的另一种超构表面辅镜的制备方法的流程示意图；
图16-图21是图15的超构表面辅镜的制备方法的各流程对应的超构表面辅镜的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例
图1是传统的反射式物镜的侧视图。如图1所示，该反射式物镜包括曲面主镜10和曲面辅镜20，该反射式物镜通常为史瓦兹德反射式物镜，即曲面主镜10和曲面辅镜20是共球心的球面反射镜，曲面辅镜20与曲面主镜10上的开孔相对准，入射光100经曲面主镜10上的开孔入射至曲面辅镜20的反射面上，入射光100经曲面辅镜20反射分两部分分别到达曲面主镜10的反射面，最后经曲面主镜10反射聚焦至A点。然而，该传统的反射式物镜需要通过曲面主镜10和曲面辅镜20反射面连续的几何曲率变化来实现理想的相位调谐和波前整形，因此，要想获得高质量的反射式聚焦，需要苛刻的研磨和抛光等制备工艺，使得传统的反射式物镜体积大、质量重且制备成本高昂，难以实现小型化、集成化和低成本的批量生产。
针对上述技术问题，本发明利用平面的反射式超构表面实现了平面透射式超构表面透镜的设计，使得反射式透镜具有轻薄紧致和便于集成的优点，且超构表面的制备工艺也大大降低了传统曲面的反射式物镜的制备难度，有利于实现反射式物镜大批量低成本地生产及装配。
图2是本发明实施例提供的平面的超构表面反射镜反射入射光的示意图；
图3是本发明实施例提供的超构表面功能单元的结构示意图。如图2所示，超构表面反射镜30是根据广义的反射定律设计的，其中，广义的反射定律可理解为反射光沿反射界面方向的波矢分量等于入射光沿反射界面方向的波矢分量与反射面上引入的额外相位梯度的矢量和。示例性的，该超构表面反射镜30具有梯度相位超构表面，图2中虚线箭头表示水平镜面反射光，实线箭头表示该超构表面反射镜30实现的梯度相位超构表面反射光，显然，梯度相位超构表面反射光相对于水平镜面反射光反射光发生了偏转，这正是由于超构表面引入的额外相位梯度引起的。
具体的，如图3所示，该超构表面反射镜包括多个超构表面功能单元31，每个超构表面功能单元31至少包括具有各向异性的亚波长结构311。由贝里几何相位原理，即圆偏振光与各向异性的亚波长结构相互作用，可以使入射圆偏振光的圆偏振态发生反转同时引入几何相位因子其中σ＝±1代表入射光的圆偏振态；是各向异性纳米结构在平面上的方位角，可以看出，通过简单改变各向异性的亚波长结构的方位角可实现对入射光相位从0-2π的连续调控，而入射光不同的相位可以引起反射光不同角度的偏转，进而可以通过设置亚波长结构311的方位角来调节反射光的偏转角度。可选的，上述超构表面功能单元31可以为反射金属层313、介质层312和亚波长结构311的叠层结构，也可以为亚波长结构311的单层结构，亚波长结构311可以为金属亚波长结构或介质亚波长结构，亚波长结构311可以为棒状或椭圆状，以实现较高的圆偏振光转换效率。
基于上述超构表面反射镜的结构及原理，本发明可通过设置超构表面反射镜各超构表面功能单元的亚波长结构的方位角，使整个超构表面反射镜满足特定的相位分布，利用至少两个超构表面反射镜组合成平面反射式超构表面透镜。示例性的，图4是本发明实施例提供的平面反射式超构表面透镜的侧视图，如图4所示，该平面反射式超构表面透镜包括相对设置的超构表面主镜1和超构表面辅镜2，超构表面主镜1和超构表面辅镜2之间具有一定间距，同时结合图5和图6，超构表面主镜1包括环形的主镜超构表面功能结构11和主镜超构表面功能结构11所述围绕的圆形的透光孔12，主镜超构表面功能结构11包括多个主镜超构表面功能单元(图5中未示出，可参考图3的超构表面功能单元的结构)，主镜超构表面功能单元包括主镜亚波长结构111，主镜亚波长结构111以特定的方位角排布于主镜超构表面功能结构11上；超构表面辅镜2包括圆盘状的辅镜超构表面功能结构21，辅镜超构表面功能结构21包括多个辅镜超构表面功能单元(图6中未示出，可参考图3的超构表面功能单元的结构)，辅镜超构表面功能单元包括辅镜亚波长结构211，辅镜亚波长结构211以特定的方位角排布于辅镜超构表面功能结构21上，其中，超构表面辅镜2的辅镜超构表面功能结构21与超构表面主镜1的透光孔12相对准，以使入射光100透过透光孔12入射至辅镜超构表面功能结构21上，到达辅镜超构表面功能结构21的入射光100由于辅镜亚波长结构211引入的额外相位梯度而向特定的方向反射，并到达主镜超构表面功能结构11，再由主镜亚波长结构111引入的额外相位梯度使得经超构表面主镜1反射形成的反射光聚焦于B点。由此，本发明可通过超构表面主镜1和超构表面辅镜2组合，实现平面反射式超构表面透镜的设计。
具体的，本发明实施例分别提供了超构表面主镜的制备方法、超构表面主镜、超构表面辅镜的制备方法和超构表面辅镜。
图7是本发明实施例提供的超构表面主镜的制备方法的流程示意图。如图7所示，该超构表面主镜的制备方法包括：
步骤110、提供透明衬底。
示例性的，根据透明衬底之上的主镜超构表面功能单元图案的材料，选择相应工作波段内的透明衬底，以适应不同工作波段的入射光。
步骤120、在透明衬底之上形成满足主镜相位分布的主镜超构表面功能单元图案，以对经超构表面辅镜反射到超构表面主镜上的入射光进行反射聚焦。
其中，主镜相位分布可根据设定参数结合射线光学及广义的反射定律确定，其中，设定参数包括系统的焦距、超构表面主镜和超构表面辅镜的口径、超构表面主镜和超构表面辅镜的间距、系统的工作波长和入射光到达超构表面辅镜上的位置及超构表面辅镜反射入射光至超构表面主镜上的位置的映射关系。本实施例可根据上述设定参数，确定入射光进入系统后的光路，再结合射线光学及广义的反射定律，确定超构表面主镜各个位置需要引入的额外相位梯度，由此可确定整个超构表面主镜的主镜相位分布。
主镜相位分布也可根据设定的曲面反射式物镜中曲面主镜的几何形状确定，其中，曲面反射式物镜包括曲面主镜和曲面辅镜，曲面主镜用于将经曲面辅镜反射到曲面主镜上的入射光进行反射聚焦。设定的曲面反射式物镜可以为已有的任一曲面反射式物镜或根据需求设置的曲面反射式物镜，本实施例可根据设定的曲面反射式物镜中曲面主镜对光的相位调谐作用，确定本申请的超构表面主镜上对应位置的相位，从而确定整个超构表面主镜的主镜相位分布。示例性的，曲面反射式物镜可以为史瓦兹德反射式物镜，可以根据平行光正入射到曲面主镜上各位置处反射光线的方向角，并结合广义的反射定律确定超构表面主镜上所需引入的相位分布。
本发明通过上述反射式超构表面主镜的制备方法，可制备出与光学系统(包括平面反射式超构表面透镜)中的超构表面辅镜相匹配的超构表面主镜，从而实现了基于反射式超构表面的平面透射反射式透镜的设计，解决了传统的反射型物镜工艺制备苛刻、质量重、体积大和难以小型化以及集成化的问题。本发明利用平面反射式超构表面来替代传统的曲面反射镜，具有轻薄紧致和便于集成的优点，且超构表面的制备工艺也大大降低了传统曲面的反射式物镜的制备难度，有利于实现反射式透镜大批量低成本地生产。
可选的，在透明衬底之上形成满足主镜相位分布的主镜超构表面功能单元图案，包括：
在透明衬底之上的设定环形区域形成主镜超构表面功能结构，其中，主镜超构表面功能结构包括多个主镜超构表面功能单元，主镜超构表面功能单元包括主镜亚波长结构，主镜亚波长结构引入的相位满足主镜相位分布，入射光透过透光孔到达超构表面辅镜，环形的主镜超构表面功能结构所围绕的中间区域形成透光孔。可选的，主镜超构表面功能单元包括反射金属层、介质层和金属亚波长结构的叠层结构；或者，主镜超构表面功能单元包括反射金属层及金属主镜亚波长结构或反射金属层及介质主镜亚波长结构的叠层结构；主镜亚波长结构呈棒状和/或椭圆形。
进一步的，在透明衬底之上的设定环形区域形成主镜超构表面功能结构，包括：
采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在透明衬底之上依次蒸镀叠层的反射金属层和介质层；在介质层上旋涂电子胶或光刻胶，基于贝里几何相位原理，采用电子束曝光或光罩曝光工艺对电子胶或光刻胶位于设定环形区域的部分进行图案化，以使图案化的电子胶或光刻胶满足主镜相位分布的超构表面功能单元图案；采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在介质层表面和残留的电子胶或光刻胶表面蒸镀金属层，并去除残留的电子胶或光刻胶，以保留介质层表面的金属层，形成主镜亚波长结构；采用焦离子束刻蚀工艺、反应离子束刻蚀工艺、感应耦合等离子体刻蚀工艺、离子减薄工艺、光刻工艺或激光工艺去除设定环形区域所围绕的反射金属层和介质层，形成圆形平整的透光孔。
相应的，本实施例以主镜超构表面功能单元包括反射金属层、介质层和金属亚波长结构的叠层结构为例进行说明。图8是本发明实施例提供的另一种超构表面主镜的制备方法的流程示意图。如图8所示，该超构表面主镜的制备方法包括：
步骤210、提供透明衬底。
步骤220、采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在透明衬底之上依次蒸镀叠层的反射金属层和介质层。
示例性的，参考图9，可先采用电子束蒸镀工艺在透明衬底200之上蒸镀反射金属层112，再采用热蒸镀工艺在反射金属层112上蒸镀介质层113。其中，反射金属层112和介质层113的材料可根据系统的工作波段进行选择，例如，在可见近红外波段，反射金属层112的材料可以为金、银或铝等金属材料，介质层113的材料可以为二氧化硅或二氧化钛；在红外波段，反射金属层112的材料可以为金、银、铝、二氧化硅或二氧化钛，介质层113的材料可以为CaF2、MgF2、Ge、聚四氟乙烯等介质；在微波波段，反射金属层112的材料可以为金、银或铝等金属材料，介质层113的材料可以为透明陶瓷等。
步骤230、在介质层上旋涂电子胶或光刻胶，采用电子束曝光或光罩曝光工艺对电子胶或光刻胶位于设定环形区域的部分进行图案化，以使图案化的电子胶或光刻胶满足主镜相位分布的超构表面功能单元图案。
示例性的，参考图10，在介质层113上旋涂光刻胶114，采用电子束曝光或光罩曝光工艺对光刻胶114位于设定环形区域的部分进行图案化(也可全部进行图案化，仅位于设定环形区域的图案化的光刻胶满足主镜相位分布)，以使图案化的光刻胶满足主镜相位分布。其中，设定环形区域是围绕透光孔的区域，环形区域的内孔径大小可根据设定的超构表面辅镜的大小进行设计。
本实施例中，电子胶应采用电子束光刻进行图案化，光刻胶应采用紫外光刻进行图案化。对于不同的工作波段，后续形成的主镜亚波长结构的尺寸会有所不同，进而该步骤采用的光刻工艺也会不同，例如，在可见光波段，多采用电子束光刻；在红外波段，可选择紫外光刻。另外，在微波波段，可采用印刷电路板技术。
步骤240、采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在介质层表面和残留的电子胶或光刻胶表面蒸镀金属层，并去除残留的电子胶或光刻胶，以保留介质层表面的金属层，形成主镜亚波长结构的图案。
示例性的，参考图11，可采用电子束蒸镀工艺在介质层113表面和残留的光刻胶114(图案化的光刻胶)表面蒸镀金属层115，其中，残留的光刻胶114的开口限定出了形成于介质层113表面的主镜亚波长结构的形状、尺寸及方位角。参考图12，利用相应的去胶液去除残留的光刻胶114，进而同时剥离掉形成于残留的光刻胶114表面的金属层115，保留介质层113表面的金属层，从而形成主镜亚波长结构111。
步骤250、采用聚焦离子束刻蚀工艺、反应离子束刻蚀工艺、感应耦合等离子体刻蚀工艺、离子减薄工艺、光刻工艺或激光工艺去除设定环形区域所围绕的反射金属层和介质层，形成圆形平整的透光孔。
示例性的，参考图13，可采用聚焦离子束刻蚀工艺、反应离子束刻蚀工艺、感应耦合等离子体刻蚀工艺、离子减薄工艺、光刻工艺或激光工艺中的任一种工艺去除待形成的透光孔所对应区域的反射金属层112和介质层113，形成圆形平整的透光孔12，同时形成环形的主镜超构表面功能结构，完成超构表面主镜的制备。
进一步的，采用光刻工艺对电子胶或光刻胶位于设定环形区域的部分进行图案化，还包括：
基于表面等离激元共振或者纳米结构散射理论，采用电子束曝光或光罩曝光工艺对电子胶或光刻胶位于设定环形区域的部分进行图案化。
通过调整后续形成的主镜亚波长结构的几何尺寸，在所需的工作波段实现高的光学反射效率，进而提高入射光的利用率，减少入射光的损失，对于聚焦与成像系统，可提高成像的质量。
相应的，本发明实施例提供了一种超构表面主镜，可采用本发明任一实施例提供的超构表面主镜的制备方法制备。该超构表面主镜包括：透明衬底；位于透明衬底之上的主镜超构表面功能单元图案，主镜超构表面功能单元图案满足主镜相位分布，以对经超构表面辅镜反射到超构表面主镜上的入射光进行反射聚焦。
示例性的，可参考图5和图13，主镜超构表面功能单元图案包括位于设定环形区域内的主镜超构表面功能结构11，主镜超构表面功能结构11包括多个主镜超构表面功能单元，主镜超构表面功能单元包括各向异性的主镜亚波长结构111，主镜亚波长结构111引入的相位满足主镜相位分布；超构表面主镜还包括环形的主镜超构表面功能结构11所围成的透光孔12，入射光透过透光孔12到达超构表面辅镜。
可选的，主镜超构表面功能单元包括反射金属层112、介质层113和金属亚波长结构111的叠层结构；或者，主镜超构表面功能单元包括反射金属层、金属主镜亚波长结构或介质主镜亚波长结构的单层结构。
可选的，基于贝里几何相位原理设计的超构表面主镜，不同相位对应的主镜亚波长结构的方位角不同，即根据所需相位分布设置不同位置处的主镜亚波长结构的方位角，以实现超构表面主镜对光的反射聚焦。
可选的，主镜亚波长结构呈棒状和/或椭圆形，以实现较高的圆偏振光转换效率。示例性的，主镜超构表面功能单元包括反射金属层112、介质层113和金属亚波长结构111的叠层结构时，反射金属层112和金属亚波长结构111的材料为金，介质层113的材料为二氧化硅，金属亚波长结构111呈棒状时，在近红外波段，圆偏振光转换效率可高达80％。
本发明实施例提供的超构表面主镜和本发明实施例提供的超构表面主镜的制备方法属于一个总的发明构思，具备相同的功能和有益效果，未在本发明的超构表面主镜中详尽描述的内容请参考本发明的超构表面主镜的制备方法，此处不再赘述。
同时，本发明实施例还提供了一种超构表面辅镜的制备方法，图14是本发明实施例提供的超构表面辅镜的制备方法的流程示意图。如图14所示，该超构表面辅镜的制备方法包括：
步骤310、提供透明衬底。
示例性的，根据透明衬底之上的辅镜超构表面功能单元图案的材料，选择相应工作波段内的透明衬底，以适应不同工作波段的入射光。
步骤320、在透明衬底之上形成满足辅镜相位分布的辅镜超构表面功能单元图案，以将入射到超构表面辅镜的入射光反射到超构表面主镜上，并经超构表面主镜进行反射聚焦。
类似的，辅镜相位分布可根据设定参数结合射线光学及广义的反射定律确定，其中，设定参数包括系统的焦距、超构表面主镜和超构表面辅镜的口径、超构表面主镜和超构表面辅镜的间距、系统的工作波长和入射光到达超构表面辅镜上的位置及超构表面辅镜反射入射光至超构表面主镜上的位置的映射关系；本实施例可根据上述设定参数，确定入射光进入系统后的光路，再结合射线光学及广义的反射定律，确定超构表面辅镜各个位置需要引入的额外相位梯度，由此可确定整个超构表面辅镜的辅镜相位分布。
辅镜相位分布也可根据设定的曲面反射式物镜中曲面辅镜的几何形状确定，其中，曲面反射式物镜包括曲面主镜和曲面辅镜，曲面辅镜用于将入射光反射到曲面主镜上，以经曲面主镜进行反射聚焦。本实施例可根据设定的曲面反射式物镜中曲面辅镜对光的相位调谐作用，确定本申请的超构表面辅镜上对应位置的相位，从而确定整个超构表面辅镜的辅镜相位分布。示例性的，曲面反射式物镜可以为史瓦兹德反射式物镜，可以根据平行光正入射到曲面辅镜上各位置处反射光线的方向角，并结合广义的反射定律确定超构表面辅镜上所需引入的相位分布。
本发明通过上述超构表面辅镜的制备方法，可制备出与光学系统(包括平面反射式超构表面透镜)中的超构表面主镜相匹配的超构表面辅镜，从而实现了基于反射式超构表面的平面透射式透镜的设计，解决了传统的反射型物镜工艺制备苛刻、质量重、体积大和难以小型化以及集成化的问题。本发明利用平面反射式超构表面来替代传统的曲面反射镜，具有轻薄紧致和便于集成的优点，且超构表面的制备工艺也大大降低了传统曲面的反射式物镜的制备难度，有利于实现反射式透镜大批量低成本地生产。
可选的，在透明衬底之上形成满足辅镜相位分布的辅镜超构表面功能单元图案，包括：
在透明衬底之上的设定圆形区域形成辅镜超构表面功能结构，其中，辅镜超构表面功能结构包括多个辅镜超构表面功能单元，辅镜超构表面功能单元包括辅镜亚波长结构，辅镜亚波长结构引入的相位满足辅镜相位分布，设定圆形区域与超构表面主镜的透光孔相对准，以使入射光透过透光孔到达超构表面辅镜。可选的，辅镜超构表面功能单元包括反射金属层、介质层和金属亚波长结构的叠层结构；或者，辅镜超构表面功能单元包括反射金属层及金属主镜亚波长结构或反射金属层及介质主镜亚波长结构的叠层结构；辅镜亚波长结构呈棒状和/或椭圆形。
进一步的，在透明衬底之上的设定圆形区域形成辅镜超构表面功能结构，包括：
在透明衬底之上旋涂光刻胶，并去除光刻胶位于设定圆形区域的部分；采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在透明衬底表面及残留的光刻胶表面依次蒸镀叠层的反射金属层和介质层，并去除残留的光刻胶；在介质层及暴露的透明衬底上旋涂电子胶或光刻胶，基于贝里几何相位原理，采用电子束曝光或光罩曝光工艺对位于介质层上的电子胶或光刻胶进行图案化，以使图案化的电子胶或光刻胶满足辅镜相位分布的超构表面功能单元图案；采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在介质层表面和残留的电子胶或光刻胶表面蒸镀金属层，并去除残留的电子胶或光刻胶，以保留介质层表面的金属层，形成辅镜亚波长结构的图案。
相应的，本实施例以辅镜超构表面功能单元包括反射金属层、介质层和金属亚波长结构的叠层结构为例进行说明。图15是本发明实施例提供的另一种超构表面辅镜的制备方法的流程示意图。如图15所示，该超构表面主镜的制备方法包括：
步骤410、提供透明衬底。
步骤420、在透明衬底之上旋涂光刻胶，并去除光刻胶位于设定圆形区域的部分。
示例性的，参考图16，在透明衬底200之上旋涂光刻胶212，采用开口与设定圆形区域相同的掩膜板对光刻胶212进行曝光，并在显影液中显影，去除光刻胶212位于设定圆形区域的部分。其中，设定圆形区域与超构表面主镜的透光孔相对应。
步骤430、采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在透明衬底表面及残留的光刻胶表面依次蒸镀叠层的反射金属层和介质层，并去除残留的光刻胶。
示例性的，参考图17，可先采用电子束蒸镀工艺在透明衬底200表面及残留的光刻胶212表面蒸镀反射金属层213，再采用热蒸镀工艺在反射金属层213表面蒸镀介质层214。其中，反射金属层213和介质层214的材料可根据系统的工作波段进行选择，例如，在可见近红外波段，反射金属层213的材料可以为金、银或铝等金属材料，介质层214的材料可以为二氧化硅或二氧化钛；在红外波段，反射金属层213的材料可以为金、银、铝、二氧化硅或二氧化钛，介质层214的材料可以为CaF2、MgF2、Ge、聚四氟乙烯等介质；在微波波段，反射金属层213的材料可以为金、银或铝等金属材料，介质层214的材料可以为透明陶瓷等。之后，参考图18，利用相应的去胶液去除残留的光刻胶212，在设定圆形区域内形成反射金属层213和介质层214的叠层结构。
步骤440、在介质层及透明衬底上旋涂电子胶或光刻胶，基于贝里几何相位原理，采用电子束曝光或光罩曝光工艺对位于介质层上的电子胶或光刻胶进行图案化，以使图案化的电子胶或光刻胶满足辅镜相位分布的超构表面功能单元图案。
示例性的，参考图19，在介质层214及暴露的透明衬底200上旋涂光刻胶215，基于贝里几何相位原理，采用光刻工艺对光刻胶215位于设定圆形区域的部分进行图案化，以使图案化的光刻胶215满足辅镜相位分布。
本实施例中，电子胶应采用电子束光刻进行图案化，光刻胶应采用紫外光刻进行图案化。对于不同的工作波段，后续形成的主镜亚波长结构的尺寸会有所不同，进而该步骤采用的光刻工艺也会不同，例如，在可见光波段，多采用电子束光刻；在红外波段，可选择紫外光刻。另外，在微波波段，可采用印刷电路板技术。
步骤450、采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在介质层表面和残留的电子胶或光刻胶表面蒸镀金属层，并去除残留的电子胶或光刻胶，以保留介质层表面的金属层，形成辅镜亚波长结构的图案。
示例性的，参考图20，可采用电子束蒸镀工艺在介质层214表面和残留的光刻胶215(图案化的光刻胶)表面蒸镀金属层216，其中，残留的光刻胶215的开口限定出了形成于介质层214表面的辅镜亚波长结构的形状、尺寸及方位角。参考图21，利用相应的去胶液去除残留的光刻胶215，进而同时剥离掉形成于残留的光刻胶114表面的金属层216，保留介质层113表面的金属层，从而形成辅镜亚波长结构211，完成超构表面辅镜的制备。
进一步的，采用光刻工艺对位于介质层上的电子胶或光刻胶进行图案化，还包括：
基于表面等离激元共振或者纳米结构散射理论，采用光刻工艺对位于介质层上的电子胶或光刻胶进行图案化。
可调整后续形成的辅镜亚波长结构的几何尺寸，在所需的工作波段实现高的光学反射效率，进而提高入射光的利用率，减少入射光的损失，对于聚焦与成像系统，可提高成像的质量。
相应的，本发明实施例提供了一种超构表面辅镜，可采用本发明任一实施例提供的超构表面辅镜的制备方法制备。该超构表面辅镜包括：透明衬底；位于透明衬底之上的辅镜超构表面功能单元图案，辅镜超构表面功能单元图案满足辅镜相位分布，以将入射到超构表面辅镜的入射光反射到超构表面主镜上，并经超构表面主镜进行反射聚焦。
示例性的，参考图6和图21，辅镜超构表面功能单元图案包括位于设定圆形区域内的辅镜超构表面功能结构21，辅镜超构表面功能结构21包括多个辅镜超构表面功能单元，辅镜超构表面功能单元包括各向异性的辅镜亚波长结构211，辅镜亚波长结构211引入的相位满足辅镜相位分布；圆盘状的辅镜超构表面功能结构21与超构表面主镜的圆形的透光孔相对准，入射光透过透光孔到达辅镜超构表面功能结构。
可选的，辅镜超构表面功能单元包括反射金属层213、介质层214和金属亚波长结构211的叠层结构；或者，辅镜超构表面功能单元包括反射金属层213、金属亚波长结构或介质亚波长结构的单层结构。
可选的，基于贝里几何相位原理设计的超构表面辅镜，不同相位对应的辅镜亚波长结构的方位角不同，即根据所需相位分布设置不同位置处的辅镜亚波长结构的方位角，以使入射光反射至超构表面主镜对应的位置。
可选的，辅镜亚波长结构呈棒状和/或椭圆形，以实现较高的圆偏振光转换效率。
本发明实施例提供的超构表面主镜和本发明实施例提供的超构表面主镜的制备方法属于一个总的发明构思，具备相同的功能和有益效果，未在本发明的超构表面主镜中详尽描述的内容请参考本发明的超构表面主镜的制备方法，此处不再赘述。
另外，本发明实施例还提供了一种光学系统，包括本发明任一实施例提供的超构表面主镜和本发明任一实施例提供的超构表面辅镜。其中，超构表面主镜和超构表面辅镜相对设置，且超构表面主镜和超构表面辅镜之间具有设定间距，以使入射到超构表面辅镜的入射光反射到超构表面主镜上，并经超构表面主镜进行反射聚焦。
可选的，上述光学系统可以为基于反射式超构表面的平面透射式聚焦与成像系统，包括显微镜、望远镜、相机和红外成像设备等。
本发明在完成光学系统的设计后，利用matlab软件模拟光线经过系统的光路，变化入射光的波长Δλ，观察系统的焦距变化Δf。利用Δf/Δλ的绝对值大小衡量系统的色散强弱，其中，正负反应系统是正色散还是负色散。经模拟验证，与传统的史瓦兹德反射式物镜相比，由本发明实施例的超构表面主镜和超构表面辅镜组成的光学系统，其系统的色散大大降低。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (22)

1.一种超构表面主镜的制备方法，其特征在于，包括：
提供透明衬底；
在所述透明衬底之上形成满足主镜相位分布的主镜超构表面功能单元图案，以对经超构表面辅镜反射到所述超构表面主镜上的入射光进行反射聚焦。
2.根据权利要求1所述的超构表面主镜的制备方法，其特征在于，所述主镜相位分布根据设定参数结合射线光学及广义的反射定律确定，其中，所述设定参数包括系统的焦距、超构表面主镜和超构表面辅镜的口径、超构表面主镜和超构表面辅镜的间距、系统的工作波长和入射光到达所述超构表面辅镜上的位置及所述超构表面辅镜反射所述入射光至所述超构表面主镜上的位置的映射关系；或者，
所述主镜相位分布根据设定的曲面反射式物镜中曲面主镜的几何形状确定，其中，所述曲面反射式物镜包括曲面主镜和曲面辅镜，所述曲面主镜用于将经所述曲面辅镜反射到所述曲面主镜上的入射光进行反射聚焦。
3.根据权利要求1所述的超构表面主镜的制备方法，其特征在于，在所述透明衬底之上形成满足主镜相位分布的主镜超构表面功能单元图案，包括：
在所述透明衬底之上的设定环形区域形成主镜超构表面功能结构，其中，所述主镜超构表面功能结构包括多个主镜超构表面功能单元，所述主镜超构表面功能单元包括主镜亚波长结构，所述主镜亚波长结构引入的相位满足所述主镜相位分布，所述入射光透过透光孔到达所述超构表面辅镜，所述环形的所述主镜超构表面功能结构所围绕的中间区域形成所述透光孔。
4.根据权利要求3所述的超构表面主镜的制备方法，其特征在于，在所述透明衬底之上的设定环形区域形成主镜超构表面功能结构，包括：
采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在所述透明衬底之上依次蒸镀叠层的反射金属层和介质层；
在所述介质层上旋涂电子胶或光刻胶，基于贝里几何相位原理，采用电子束曝光或光罩曝光工艺对所述电子胶或所述光刻胶位于所述设定环形区域的部分进行图案化，以使图案化的所述电子胶或所述光刻胶满足所述主镜相位分布的超构表面功能单元图案；
采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在所述介质层表面和残留的所述电子胶或所述光刻胶表面蒸镀金属层，并去除残留的所述电子胶或所述光刻胶，以保留所述介质层表面的金属层，形成所述主镜亚波长结构的图案；
采用聚焦离子束刻蚀工艺、反应离子束刻蚀工艺、感应耦合等离子体刻蚀工艺、离子减薄工艺、光刻工艺或激光工艺去除所述设定环形区域所围绕的反射金属层和介质层，形成圆形平整的所述透光孔。
5.根据权利要求4所述的超构表面主镜的制备方法，其特征在于，采用电子束曝光或光罩曝光工艺对所述电子胶或所述光刻胶位于所述设定环形区域的部分进行图案化，还包括：
基于表面等离激元共振或者纳米结构散射理论，采用电子束曝光或光罩曝光工艺对所述电子胶或所述光刻胶位于所述设定环形区域的部分进行图案化。
6.一种超构表面主镜，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的超构表面主镜的制备方法制备，包括：
透明衬底；
位于所述透明衬底之上的主镜超构表面功能单元图案，所述主镜超构表面功能单元图案满足主镜相位分布，以对经超构表面辅镜反射到所述超构表面主镜上的入射光进行反射聚焦。
7.根据权利要求6所述的超构表面主镜，其特征在于，所述主镜超构表面功能单元图案包括位于设定环形区域内的主镜超构表面功能结构，所述主镜超构表面功能结构包括多个主镜超构表面功能单元，所述主镜超构表面功能单元包括各向异性的主镜亚波长结构，所述主镜亚波长结构引入的相位满足所述主镜相位分布；
所述超构表面主镜还包括环形的所述主镜超构表面功能结构所围成的透光孔，所述入射光透过所述透光孔到达所述超构表面辅镜。
8.根据权利要求7所述的超构表面主镜，其特征在于，所述主镜超构表面功能单元包括反射金属层、介质层和金属亚波长结构的叠层结构；或者，
所述主镜超构表面功能单元包括反射金属层及金属主镜亚波长结构或反射金属层及介质主镜亚波长结构的叠层结构。
9.根据权利要求7所述的超构表面主镜，其特征在于，根据贝里几何相位原理设计的所述超构表面主镜，不同相位对应的所述主镜亚波长结构的方位角不同。
10.根据权利要求7所述的超构表面主镜，其特征在于，根据贝里几何相位原理设计的所述超构表面主镜，所述主镜亚波长结构为各项异性结构，包括棒状和/或椭圆形。
11.一种超构表面辅镜的制备方法，其特征在于，包括：
提供透明衬底；
在所述透明衬底之上形成满足辅镜相位分布的辅镜超构表面功能单元图案，以将入射到所述超构表面辅镜的入射光反射到超构表面主镜上，并经所述超构表面主镜进行反射聚焦。
12.根据权利要求11所述的超构表面辅镜的制备方法，其特征在于，所述辅镜相位分布根据设定参数结合射线光学及广义的反射定律确定，其中，所述设定参数包括系统的焦距、超构表面主镜和超构表面辅镜的口径、超构表面主镜和超构表面辅镜的间距、系统的工作波长和入射光到达所述超构表面辅镜上的位置及所述超构表面辅镜反射所述入射光至所述超构表面主镜上的位置的映射关系；或者，
所述辅镜相位分布根据设定的曲面反射式物镜中曲面辅镜的几何形状确定，其中，所述曲面反射式物镜包括曲面主镜和曲面辅镜，所述曲面辅镜用于将入射光反射到所述曲面主镜上，以经所述曲面主镜进行反射聚焦。
13.根据权利要求11所述的超构表面辅镜的制备方法，其特征在于，在所述透明衬底之上形成满足辅镜相位分布的辅镜超构表面功能单元图案，包括：
在所述透明衬底之上的设定圆形区域形成辅镜超构表面功能结构，其中，所述辅镜超构表面功能结构包括多个辅镜超构表面功能单元，所述辅镜超构表面功能单元包括辅镜亚波长结构，所述辅镜亚波长结构引入的相位满足所述辅镜相位分布，所述设定圆形区域与所述超构表面主镜的透光孔相对准，以使入射光透过所述透光孔到达所述超构表面辅镜。
14.根据权利要求13所述的超构表面辅镜的制备方法，其特征在于，在所述透明衬底之上的设定圆形区域形成辅镜超构表面功能结构，包括：
在所述透明衬底之上旋涂光刻胶，并去除光刻胶位于所述设定圆形区域的部分；
采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在所述透明衬底表面及残留的光刻胶表面依次蒸镀叠层的反射金属层和介质层，并去除残留的光刻胶；
在所述介质层及透明衬底上旋涂电子胶或光刻胶，基于贝里几何相位原理，采用电子束曝光或光罩曝光工艺对位于所述介质层上的电子胶或光刻胶进行图案化，以使图案化的所述电子胶或所述光刻胶满足所述辅镜相位分布的超构表面功能单元图案；
采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在所述介质层表面和残留的电子胶或光刻胶表面蒸镀金属层，并去除残留的电子胶或光刻胶，以保留所述介质层表面的金属层，形成所述辅镜亚波长结构的图案。
15.根据权利要求14所述的超构表面辅镜的制备方法，其特征在于，采用电子束曝光或光罩曝光工艺对位于所述介质层上的电子胶或光刻胶进行图案化，还包括：
基于表面等离激元共振或者纳米结构散射理论，采用电子束曝光或光罩曝光工艺对位于所述介质层上的电子胶或光刻胶进行图案化。
16.一种超构表面辅镜，其特征在于，采用如权利要求11-15任一项所述的超构表面辅镜的制备方法制备，包括：
透明衬底；
位于所述透明衬底之上的辅镜超构表面功能单元图案，所述辅镜超构表面功能单元图案满足辅镜相位分布，以将入射到所述超构表面辅镜的入射光反射到超构表面主镜上，并经所述超构表面主镜进行反射聚焦。
17.根据权利要求16所述的超构表面辅镜，其特征在于，所述辅镜超构表面功能单元图案包括位于设定圆形区域内的辅镜超构表面功能结构，所述辅镜超构表面功能结构包括多个辅镜超构表面功能单元，所述辅镜超构表面功能单元包括辅镜亚波长结构，所述辅镜亚波长结构引入的相位满足所述辅镜相位分布；
圆盘状的所述辅镜超构表面功能结构与所述超构表面主镜的圆形透光孔相对准，所述入射光透过所述透光孔到达所述辅镜超构表面功能结构。
18.根据权利要求17所述的超构表面辅镜，其特征在于，所述辅镜超构表面功能单元包括反射金属层、介质层和金属亚波长结构的叠层结构；或者，
所述辅镜超构表面功能单元包括反射金属层及金属亚波长结构或反射金属层及介质亚波长结构的叠层结构。
19.根据权利要求17所述的超构表面辅镜，其特征在于，基于贝里几何相位原理设计的所述超构表面辅镜，不同相位对应的所述辅镜亚波长结构的方位角不同。
20.根据权利要求17所述的超构表面辅镜，其特征在于，基于贝里几何相位原理设计的所述辅镜亚波长结构为各向异性结构，包括棒状和/或椭圆形。
21.一种光学系统，其特征在于，包括权利要求6-10任一项所述的超构表面主镜和权利要求16-20任一项所述的超构表面辅镜。
22.根据权利要求21所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统为基于反射式超构表面的平面透射式聚焦与成像系统。
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