CN109031477A - 一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法，包括以下步骤：选择工作波长；选择介质衬底材料和介质超表面材料；确定周期排列方式和柱状结构几何形状，得到柱状单元结构；确定广角平面镜头的焦距、视场角、各超表面的半径以及超表面之间的间距；计算每个超表面所需的相位调制分布；进行周期性取样，得到多个取样点，进而得到各超表面上每一取样点所对应的柱状单元结构；在介质衬底上下面各形成超表面；将两个超表面级联，得到全介质超表面级联的广角平面镜头。本发明提供的广角平面镜头制作方法，形成的广角平面镜头具备微米级别薄的物理厚度且拥有接近衍射极限的聚焦能力，实现了高分辨率广角成像。

Description

一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法
技术领域
本发明涉及光学设计以及微纳光学技术领域，更具体的，涉及一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法。
背景技术
现代光学设计中，广角镜头常用于大视场高分辨率的光学成像系统，在工业生产和生物医疗等至关重要。现有的广角镜头，是以级联透镜组的方式来校正像差，其结构比较复杂。尽管非球面镜的技术也被应用于镜头设计，但是受限于有限的材料参数，需要依赖透镜表面的形状和天然的光学材料，导致广角镜头的设计自由度小、质量和体积大，不利于光电系统的集成化、轻量化和微型化的需求。
发明内容
本发明为克服上述现有的广角镜头存在自由度小、质量和体积大，不利于光电系统的集成化、轻量化和微型化的需求的技术问题，提供一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法，包括以下步骤：
S1：在400～900nm的波段范围内选择工作波长；
S2：根据选择的工作波长，选择介质衬底材料和介质超表面材料；
S3：确定周期排列方式和柱状结构几何形状，计算每种柱状结构所对应的相位调制，得到一组具有高透射效率且相位调制范围覆盖0到2π的柱状单元结构；
S4：确定广角平面镜头的焦距、视场角FOV、各超表面的半径R以及超表面之间的间距S；
S5：计算每个超表面所需的相位调制分布；
S6：对各超表面上半径R的圆形区域进行周期性取样，得到多个取样点，并根据超表面的相位调制分布与柱状单元结构对应的相位调制比对，得到各超表面上每一取样点所对应的柱状单元结构；
S7：根据得到的每一取样点所对应的柱状单元结构排布，在介质衬底上通过确定周期排列方式排列柱状单元结构形成各超表面；
S8：将各超表面根据空间间距S级联，得到全介质超表面级联的广角平面镜头。
其中，在步骤S2中，所述的介质超表面由介质柱状单元结构构成。
其中，在步骤S3中，所述介质超表面柱状单元结构制作在介质衬底上，其材料包括氮化硅、二氧化钛、二氧化硅、氮化镓多种材料。
其中，所述的介质超表面柱状单元结构包括但不限于圆柱，方柱或环形柱。
其中，所述步骤S5中，相位调制分布的计算多项式具体为：
其中，ρ是超表面的径向坐标，R是超表面的半径，an是多项式系数；通过光线追迹算法，经过迭代得到优化之后的an，从而得到满足高分辨的广角平面镜头中每个超表面的相位调制分布。
其中，在步骤S8中，所述广角平面镜头由两个或两个以上超表面级联而成。
其中，所述的广角平面镜头将不同入射角度的光在同一焦平面上聚焦和成像。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供的一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法，通过级联的方式在石英衬底两面分别制备介质超表面，形成广角平面镜头，其具备微米级别薄的物理厚度且拥有接近衍射极限的聚焦能力，实现了高分辨率广角成像。
附图说明
图1为一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法流程图。
图2为本发明实例广角镜头对离轴光的聚焦示意图。
图3为本发明实例周期性柱状单元结构示意图。
图4为本发明实例周期性柱状单元结构俯视图。
图5为本发明实例单元结构在不同直径下的振幅和相位调制结果。
图6为本发明实例广角镜头在工作波长为532nm下光线追迹示意图。
图7为本发明实例模拟得到的焦平面上不同角度和不同偏振下的焦斑仿真结果。
图8为本发明实例模拟的MTF曲线结果。
其中：1、介质超表面；2、介质超表面；3、介质衬底；4、焦平面。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法，包括以下步骤：
S1：在400～900nm的波段范围内选择工作波长；
S2：根据选择的工作波长，选择介质衬底材料和介质超表面材料；
S3：确定周期排列方式和柱状结构几何形状，计算每种柱状结构所对应的相位调制，得到一组具有高透射效率且相位调制范围覆盖0到2π的柱状单元结构；
S4：确定广角平面镜头的焦距、视场角FOV、各超表面的半径R以及超表面之间的间距S；
S5：计算每个超表面所需的相位调制分布；
S6：对各超表面上半径R的圆形区域进行周期性取样，得到多个取样点，并根据超表面的相位调制分布与柱状单元结构对应的相位调制比对，得到各超表面上每一取样点所对应的柱状单元结构；
S7：根据得到的每一取样点所对应的柱状单元结构排布，在介质衬底上通过确定周期排列方式排列柱状单元结构形成各超表面；
S8：将各超表面根据空间间距S级联，得到全介质超表面级联的广角平面镜头。
更具体的，在步骤S2中，所述的介质超表面由介质柱状单元结构构成，其特征尺寸小于波长，排列间距小于半波长，厚度略大于波长。
更具体的，在步骤S3中，所述介质超表面柱状单元结构制作在介质衬底上，其材料包括氮化硅、二氧化钛、二氧化硅、氮化镓多种材料。
更具体的，所述的介质超表面柱状单元结构包括但不限于圆柱，方柱或环形柱。
更具体的，所述步骤S5中，相位调制分布的计算多项式具体为：
其中，ρ是超表面的径向坐标，R是超表面的半径，an是多项式系数；通过光线追迹算法，经过迭代得到优化之后的an，从而得到满足高分辨的广角平面镜头中每个超表面的相位调制分布。
更具体的，在步骤S8中，所述广角平面镜头由两个或两个以上超表面级联而成。
更具体的，所述的广角平面镜头将不同入射角度的光在同一焦平面上聚焦和成像。
在具体实施过程中，如图2所示，全介质超表面级联的广角镜头包括自下而上依次排布的介质超表面、介质衬底和介质超表面。不同角度的入射光入射到该广角平面镜头时，都可以无像差地聚焦与同一个焦平面。选择工作波长为532nm，介质衬底材料为二氧化硅，其折射率为1.45，介质超表面材料为氮化硅，其折射率为2。
在具体实施过程中，如图3、图4、图5所示，选定介质超表面的柱状单元结构排列方式为六角排列，选定周期性晶格常数为400nm，以及柱状单元结构的高度为650nm；通过仿真计算周期性介质柱状单元结构的振幅和相位调制，在本实施例中，选择了16种不同直径的柱状纳米单元结构。
具体实施过程中，确定广角镜头的焦距为47μm，视场角大小为80°，超表面1半径为20μm，超表面2半径为60μm，介质衬底厚度为63μm。
在具体实施过程中，假设各超表面对入射光波只起到相位调制作用。在光学设计软件中利用优化算法，以焦平面上的光斑大小作为优化的目标函数，以多项式系数an作为优化变量，经过多次迭代优化后，得到两组优化后的变量，分别对应于超表面a和超表面b的相位响应多项式系数an。优化之后的an如表1所示：
表1 an优化相位调制分布结果表
多项式系数 a1 a2 a3 a4 a5
超表面1 0.528 2.374 0.202 0.037 0.001
超表面2 -455.736 -8.648 13.881 -4.638 -0.634
根据优化相位调制分布结果，对应的光线追迹计算结果如图6所示，不同角度的入射光都能无像差地会聚于焦平面上的一点。
将计算得到的采样点所需要的相位调制分布与仿真计算出的柱状单元结构的相位调制对比，即可得到每一个采样点的柱状单元结构，并分别排布在衬底的两个表面，构成所述的全介质超表面级联的广角平面镜头。
更具体的，采用三维时域有限差分方法和矢量衍射理论对该广角透镜的性能进行仿真，仿真计算结果如图7和图8所示。三个方向上均采用完美匹配层边界条件。不同角度的入射光从超表面1入射，在玻璃基底中传播后，从超表面2出射，先后经过两次超表面的相位调制后，在焦平面处得到一个接近衍射极限的焦斑。TE和TM偏振的光经广角透镜聚焦后均有圆对称性的焦斑图样说明该广角平面镜头是偏振无关的。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在400～900nm的波段范围内选择工作波长；
S2：根据选择的工作波长，选择介质衬底材料和介质超表面材料；
S3：确定周期排列方式和柱状结构几何形状，计算每种柱状结构所对应的相位调制，得到一组具有高透射效率且相位调制范围覆盖0到2π的柱状单元结构；
S4：确定广角平面镜头的焦距、视场角FOV、各超表面的半径R以及超表面之间的间距S；
S5：计算每个超表面所需的相位调制分布；
S6：对各超表面上半径R的圆形区域进行周期性取样，得到多个取样点，并根据超表面的相位调制分布与柱状单元结构对应的相位调制比对，得到各超表面上每一取样点所对应的柱状单元结构；
S7：根据得到的每一取样点所对应的柱状单元结构排布，在介质衬底上通过确定周期排列方式排列柱状单元结构形成各超表面；
S8：将各超表面根据空间间距S级联，得到全介质超表面级联的广角平面镜头。
2.根据权利要求1所述的一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法，其特征在于：在步骤S2中，所述的介质超表面由介质柱状单元结构构成。
3.根据权利要求1或2所述的一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法，其特征在于：在步骤S3中，所述介质超表面柱状单元结构制作在介质衬底上，其材料包括氮化硅、二氧化钛、二氧化硅、氮化镓多种材料。
4.根据权利要求1或2所述的一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法，其特征在于：所述的介质超表面柱状单元结构包括但不限于圆柱，方柱或环形柱。
5.根据权利要求1所述的一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法，其特征在于：所述步骤S5中，相位调制分布的计算多项式具体为：
其中，ρ是超表面的径向坐标，R是超表面的半径，an是多项式系数；通过光线追迹算法，经过迭代得到优化之后的an，从而得到满足高分辨的广角平面镜头中每个超表面的相位调制分布。
6.根据权利要求1所述的一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法，其特征在于：在步骤S8中，所述广角平面镜头由两个或两个以上超表面级联而成。
7.根据权利要求1或6所述的一种全介质超表面级联的广角平面镜头制作方法，其特征在于：所述的广角平面镜头将不同入射角度的光在同一焦平面上聚焦和成像。
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