CN110161676A - 一种基于双层介质超表面的光学变焦系统 - Google Patents

一种基于双层介质超表面的光学变焦系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于双层介质超表面的光学变焦系统，包括：第一层介质超表面和第二层介质超表面，二者平行排列；两层介质超表面均由多个基础单元拼接构成，每个基础单元包括基板和设于基板上的圆柱介质柱，每层介质超表面的圆柱介质柱的直径与其距离介质超表面中心的距离和其角度存在映射关系；入射光入射依次经过两层介质超表面；两层介质超表面依次对入射光进行两次相位调制，实现对入射光的聚焦效果；当第一层介质超表面和第二层介质超表面的相对旋转角相对初始状态发生改变时，两层介质超表面对应的聚焦焦距发生改变，两层介质超表面对所述入射光的聚焦效果发生变化。本发明提供的变焦系统根据旋转角的大小实现变焦，且均可实现大范围变焦。

Description

一种基于双层介质超表面的光学变焦系统
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，更具体地，涉及一种基于双层介质超表面的光学变焦系统。
背景技术
光学变焦系统在光学成像领域的应用十分广泛。目前在光学领域，主要依靠于使用透镜组产生聚焦效果，并通过改变透镜组中各个透镜间的距离，从而实现变焦。目前主要的变焦系统为直线型的透镜组变焦系统，即在入射光方向的直线上对其进行聚焦与变焦操作。如单反相机镜头等。这类变焦系统通常需要占用较大的空间，同时对工作空间的需求也非常大，不利于集成。较为新的潜望镜式变焦系统，将入射光线的方向首先进行改变，从而可以在另外的方向上安置复杂的透镜组实现变焦，该方式已经运用在少量种类的手机上；然而，并没有从根本上解决变焦系统的高复杂度、高空间需求以及低集成度。与此同时，一组透镜组往往由很多个透镜组成，用于消除像差等，更加增添了光学变焦成像系统的复杂度。这些原因使得光学变焦系统难以运用在高集成度的成像器件内，如手机等。目前，大多数手机不得不使用数码变焦代替光学变焦，但难以取得一个理想的成像效果。部分手机采用多摄像头的组合来逼近光学变焦，但效果仍不太理想。
最近，随着超表面的发展，光学变焦系统的集成度等方面重新具有了改进的机会。2016年，Seyedeh Mahsa Kamali等人利用一种能够拉伸的材料作为超表面的基底，通过拉伸超表面改变相位调制的间距，成功地获得了两倍以上的光学变焦(Seyedeh MahsaKamali等.“Highly tunable elastic dielectric metasurface lenses”,LaserPhotonics Rev.10,No.6,1002-1008(2016))；然而对底座的拉伸不可避免地增加了工作空间，且用于拉伸底座的机械机构增加了系统的复杂度，对集成造成了一定影响。2018年，Ehsan Arbabi等人利用静电驱动，从而改变两片超表面的距离，实现了能够应用微机电系统的变焦系统(Ehsan Arbabi等，“MEMS-tunable dielectric metasurface lens”,NatureCommunications(2018)9:182)；该系统在两片超表面周围增加了一圈金属材料，通过外加电压调整它们之间的静电力，从而改变两层超表面的间距；然而变焦范围较小，仅实现了不到2倍的变焦效果。同年，Shane Colburn等人利用两层超表面重现了Aarez Lens的相位调制，从而实现了基于横向移动的大范围变焦(Shane Colburn等，“Varifocal zoom imagingwith large area focal length adjustable metalenses”,Optica 2334-2536(2018))；该系统使用两片矩形超表面，当光波通过两片超表面的共同调制后，即可实现聚焦效果，当两片超表面产生不同相互错位时，即可改变共同调制的效果，实现不同焦距；然而，该系统仍然需要横向移动，并没有解决对额外工作空间的需求的问题，且导致两层超表面错位时部分结构无法参与成像，降低了结构利用率。此外，使用矩形超表面，与传统光学器件中存在较多的圆形通光孔径并不能兼容；而横向移动所需要的复杂机械结构也导致了集成度的下降。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有超表面光学变焦系统复杂度高、变焦范围较小、需要横向移动变焦对工作空间有额外需求等的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种基于双层介质超表面的光学变焦系统，包括：第一层介质超表面和第二层介质超表面，二者平行排列；
两层介质超表面均由多个基础单元拼接构成，每个基础单元包括基板和设于基板上的圆柱介质柱，每层介质超表面的圆柱介质柱的直径与其距离该层介质超表面中心的距离和其对应该层介质超表面中心的角度存在映射关系；
入射光入射依次经过第一介质超表面和第二介质超表面；第一层介质超表面和第二层介质超表面依次对入射光进行两次相位调制，实现对入射光的聚焦效果；
当第一层介质超表面和第二层介质超表面的相对旋转角相对初始状态发生改变时，两层介质超表面对应的聚焦焦距发生改变，两层介质超表面对所述入射光的聚焦效果发生变化。
可选地，该光学变焦系统焦距与两层介质超表面的相对旋转角满足如下关系式：
其中，f(Δθ)为两层介质超表面相对旋转角为Δθ时的焦距，且Δθ∈(-π,π]，f0为Δθ＝π时的焦距。f的变化范围为：f∈(-∞,-f0]∪[+f0,+∞)。
可选地，所述第一层介质超表面的圆柱介质柱满足以下条件：
其中，D(r,θ)为处在(r,θ)处的圆柱介质柱的直径；round为四舍五入取整量化；λ为工作波长，r为圆柱介质柱距第一层介质超表面中心的距离；θ为圆柱介质柱所在位置与第一层介质超表面中心的连线与x轴的夹角，且θ∈(0,2π]；s为量化阶调整常数；C(r)为与θ无关的任意函数；F-1为圆柱介质柱截面参数与其对正入射光所引入的相位调制之间映射关系F的逆映射。
可选地，所述第二层介质超表面的圆柱介质柱满足以下条件：
其中，D(r,θ)为处在(r,θ)处的圆柱介质柱的直径；round为四舍五入取整量化；λ为工作波长；f0为Δθ＝π时的焦距；r为圆柱介质柱距第二层介质超表面中心的距离；θ为圆柱介质柱所在位置与第二层介质超表面中心的连线与x轴的夹角，且θ∈(0,2π]；s为量化阶调整常数；C(r)为与θ无关的任意函数；F-1为圆柱介质柱截面参数与其对正入射光所引入的相位调制之间映射关系F的逆映射。
可选地，平面波正入射到第一层介质超表面后的相位分布为：
可选地，平面波正入射到第二层介质超表面后的相位分布为：
可选地，所述圆柱介质柱采用的介质材料为硅、氮化硅、锗、二氧化钛、硫化锌或氮化铝。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统，可通过旋转两层超表面从而达到变焦的目的，避免了额外工作空间的需求；且两层超表面的厚度以及整个系统的长度极小，大大提高了系统的集成度。
(2)本发明提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统，理论变焦范围为[f0,+∞)∪(-∞,-f0]，实际变焦范围受到两层介质超表面的大小的影响；与现有光学变焦系统相比，具有更加优秀的光学变焦能力。
(3)本发明提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统，可在正焦距与负焦距间切换，且均具有大范围的光学变焦能力，与现有变焦系统相比，实现了会聚与发散的复用。
(4)本发明提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统，系统各点厚度相同，可以减小传统曲面透镜厚度不一致所带来的像差，提高成像质量。
(5)本发明提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统，采用圆形超表面构成，具有圆形的通光孔径，可兼容现有光学成像系统的各种器件，且整个结构均可参与聚焦，结构利用率高。
(6)本发明提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统，使用旋转机构驱动，相比需要平移驱动的现有光学变焦系统相比，驱动结构更加简单，更易于集成。
(7)本发明提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统，其基础单元结构基底是氧化铝、石英或硅，圆柱的材料为介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌、氮化铝)，利用介质材料对入射光进行调制，氧化铝、氮化铝在紫外波段损耗很小，二氧化钛、硫化锌在可见光波段损耗很小，硅、锗在近红外到红外波段几乎没有损耗，大大降低了光损耗，提高了成像质量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的整体结构示意图；
图2是实施例提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的结构示意图；
图3是实施例提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统俯视图；
图4是实施例1提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第一层介质超平面结构示意图；
图5是实施例1提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第二层介质超平面结构示意图；
图6是实施例1中光束正入射时各平面透镜的光强分布示意图；图6中(a)对应两个超表面相对旋转角为+180度时聚焦焦点位置，对应1f0；(b)对应两个超表面相对旋转角为+90度时聚焦焦点位置，对应2f0；(c)对应两个超表面相对旋转角为+60度时聚焦焦点位置，对应3f0；(d)对应两个超表面相对旋转角为+45度时聚焦焦点位置，对应4f0；(e)对应两个超表面相对旋转角为+36度时聚焦焦点位置，对应5f0；
图7是实施例2提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第一层介质超平面结构示意图；
图8是实施例2提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第二层介质超平面结构示意图；
图9是实施例2中光束正入射时各平面透镜的光强分布示意图；图9中(a)对应两个超表面相对旋转角为+180度时聚焦焦点位置，对应1f0；(b)对应两个超表面相对旋转角为+90度时聚焦焦点位置，对应2f0；(c)对应两个超表面相对旋转角为+60度时聚焦焦点位置，对应3f0；(d)对应两个超表面相对旋转角为+45度时聚焦焦点位置，对应4f0；(e)对应两个超表面相对旋转角为+36度时聚焦焦点位置，对应5f0；
图10是实施例3提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第一层介质超平面结构示意图；
图11是实施例3提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第二层介质超平面结构示意图；
图12是实施例3中光束正入射时各平面透镜的光强分布示意图；图12中(a)对应两个超表面相对旋转角为+180度时聚焦焦点位置，对应1f0；(b)对应两个超表面相对旋转角为+90度时聚焦焦点位置，对应2f0；(c)对应两个超表面相对旋转角为+60度时聚焦焦点位置，对应3f0；(d)对应两个超表面相对旋转角为+45度时聚焦焦点位置，对应4f0；(e)对应两个超表面相对旋转角为+36度时聚焦焦点位置，对应5f0；
图13是实施例4提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第一层介质超平面结构示意图；
图14是实施例4提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第二层介质超平面结构示意图；
图15是实施例4中光束正入射时各平面透镜的光强分布示意图；图15中(a)对应两个超表面相对旋转角为+180度时聚焦焦点位置，对应1f0；(b)对应两个超表面相对旋转角为+90度时聚焦焦点位置，对应2f0；(c)对应两个超表面相对旋转角为+60度时聚焦焦点位置，对应3f0；(d)对应两个超表面相对旋转角为+45度时聚焦焦点位置，对应4f0；(e)对应两个超表面相对旋转角为+36度时聚焦焦点位置，对应5f0；
图16是实施例5提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第一层介质超平面结构示意图；
图17是实施例5提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第二层介质超平面结构示意图；
图18是实施例5中光束正入射时各平面透镜的光强分布示意图；图18中(a)对应两个超表面相对旋转角为+180度时聚焦焦点位置，对应1f0；(b)对应两个超表面相对旋转角为+90度时聚焦焦点位置，对应2f0；(c)对应两个超表面相对旋转角为+60度时聚焦焦点位置，对应3f0；(d)对应两个超表面相对旋转角为+45度时聚焦焦点位置，对应4f0；(e)对应两个超表面相对旋转角为+36度时聚焦焦点位置，对应5f0。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于双层介质超表面的光学变焦系统，其目的极大地提高器件集成度，同时提供高倍数光学变焦。
具体地，本发明提供一种基于双层介质超表面的光学变焦系统，包括第一层介质超表面和第二层介质超表面，二者平行排列；
其中，第一层介质超表面对入射光波进行一次波前相位调制，该一次调制波前经过第二层介质超表面的二次相位调制后，所形成的最终输出波前将导致出射光的聚焦，该聚焦效果导致对应焦距。
具体地，上述二次相位调制受到两层超表面的相对旋转角的影响；一次相位调制波前上的每一点将受到第二层超表面上相应位置的上的结构的相位调制；当两层超表面的相对旋转角相对于初始状态改变时，对于同一个一次相位调制波前上的点，其相应的第二层超表面上的位置不变，但在该位置上的结构将改变，从而产生与初始状态不同的调制效果。
具体地，上述最终输出波前受到两层超表面的相对旋转角的控制；当两层超表面相对初始状态产生一相对旋转角时，一次调制波前与初始状态相同，但二次相位调制将与初始状态时不同，从而导致最终输出波前的改变。
具体地，焦距受到两层超表面的相对旋转角的控制；当两层超表面相对初始状态产生一相对旋转角时，最终输出波前相应变化，导致聚焦效果的变化；聚焦效果的变化导致焦距的改变。
具体地，上述两层介质超表面均由多个基础单元拼接构成，每个基础单元包括长方体状的石英基板和设于基板上的圆柱介质柱。
优选的，上述的光学变焦系统，其第一层介质超表面包括多个基础单元，相邻基础单元的基板相互接触，排列形成第一层超表面；
其中，各基础单元对透射光的透过率高，在米氏共振峰附近对相位的调控范围大，通过调整介质柱圆柱的直径，对入射光实现在2π范围内的相位调制。
优选的，上述的光学变焦系统，其第一层超表面的基础单元的圆柱介质柱直径满足以下关系式：
其中，D(r,θ)为处在(r,θ)处的圆柱介质柱的直径；round为四舍五入取整量化；λ为工作波长；f0为Δθ＝π时的焦距；r为圆柱介质柱距离；θ为圆柱介质柱所在位置与第一层超表面中心的连线与x轴的夹角，且θ∈(0,2π]；s为量化阶调整常数，且s∈(-0.5,0.5]；C(r)为与θ无关的任意函数。
根据时域有限差分(FDTD)算法，以(0，0)为焦点位置在平面聚焦镜上的投影坐标，将介质柱截面椭圆的长轴、短轴大小映射到其对水平线偏振入射光所引入的相位调制上，获得映射关系F；F-1是映射关系F的逆映射，是将对水平偏振入射光的相位调制映射到相应的介质(如：硅、锗、二氧化钛、硫化锌、氮化铝)柱截面椭圆的长轴、短轴大小上获得的映射关系；
其中，FDTD算法是指将麦克斯韦方程中两个旋度的方程在空间和时间上用中心差分格式进行离散，从而获得一组递推方程，并且在一定的边界条件下来求解麦克斯韦方程组的算法；中心差分格式能够保证FDTD的解具有二阶精度，并且在满足Courant条件时其结果是稳定的。
优选的，上述的光学变焦系统，其第二层超表面的基础单元的圆柱介质柱直径满足以下关系式：
其中，D(r,θ)为处在(r,θ)处的圆柱介质柱的直径；round为四舍五入取整量化；λ为工作波长；f0为Δθ＝π时的焦距；r为圆柱介质柱距离；θ为圆柱介质柱所在位置与第二层超表面中心的连线与x轴的夹角，且θ∈(0,2π]；s为量化阶调整常数，且s∈(-0.5,0.5]；C(r)为与θ无关的任意函数；F-1为上述映射关系F的逆映射。
通过上述映射关系构成的两层超表面，将使得平面波分别正入射到两层超表面后的相位分布分别为：
其中，为平面波正入射到第一层超表面后的相位分布，为平面波正入射得到第二层超表面后的相位分布。当两层超表面距离很近(微米量级)时，平面波连续经过两层超表面后的相位分布可视为平面波分别经过两层超表面后的相位分布之和，即：
其中，为平面波正入射连续经过两层超表面后的相位分布。令第二层超表面相对初始位置旋转Δθ，可得到平面波正入射连续经过两层超表面的相位分布为：
结合二元光学相关理论，相位分布的量化对主焦点的位置并无影响，于是对于主焦点，上式的最终结果可化为：
上式的最终结果中，第一项为与半径r相关项，对焦距起作用，第二项对于半径r为常数项，对焦距无影响。结合比较平面波正入射理想薄透镜后的相位分布：
可得到上述的光学变焦系统的焦距和两层超表面的相对旋转角满足以下关系：
其中，f(Δθ)为两层超表面相对旋转角为Δθ时的焦距，且Δθ∈(-π,π]，f0为Δθ＝π时的焦距。f的变化范围为：
f∈(-∞,-f0]∪[+f0,+∞)。
图1所示是实施例提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的整体结构示意图，两层超表面平行排列，光线通过两层超表面后将在焦平面上聚焦，当旋转某一表面产生相对角度差后焦距以及焦平面将随之变化；其中，100表示正入射光；200表示第一层介质超表面，其中实线代表初始状态角度，虚线代表相对初始状态旋转一定角度；300表示第二层介质超表面；400表示初始状态下系统的焦面位置；500表示两层介质超表面相对初始状态产生一定相对旋转角度后系统的焦面位置。
图2是实施例提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的基础单元的结构示意图，其中，1表示基板，2表示圆柱介质柱，L表示基板的边长，H表示圆柱介质柱的高度。
图3是对应的俯视图；本实施例中，基础单元包括长方体状的基板3与设于基板上的圆柱介质柱4，介质柱在基板上沉积形成；多个基础单元拼接构成介质超表面，L表示基板的边长，D表示圆柱介质柱的直径。
用时域有限差分(FDTD)算法分别模拟当两层超表面具有不同相对旋转角时，对于同一束光的聚焦行为，可以看出，当相对旋转角改变时，焦斑位置也会相应改变，对应焦距的改变；焦距与相对旋转角的关系满足下式：
其中，f(Δθ)为两层超表面相对旋转角为Δθ时的焦距，且Δθ∈(-π,π]，f0为Δθ＝π时的焦距。f的变化范围为：f∈(-∞,-f0]∪[+f0,+∞)。
以下结合具体实施例来进一步阐述本发明提供的基于介质超表面的紧凑光学测量仪。需要说明的是，以下以紫外入射波长254nm、可见光入射波长为532nm、近红外入射光波长1550nm、中红外波长4um、远红外波长10um为例进行说明。
实施例1：
图4是实施例1提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第一层超表面的结构俯视图；图5是实施例1提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第二层超表面的结构俯视图；对入射光的聚焦行为，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为254nm，入射光为线偏振平面波。
实施例1中，基础单元的氧化铝基底宽度L为100nm，氮化铝介质柱的高度H为250nm，圆柱介质柱的直径为10～100nm。
首先对圆柱介质柱对入射光的相位和振幅的调控进行考察。使用时域有限差分法(FDTD)进行仿真实验，将仿真区域的四个侧向设为周期边界(Periodic)，将垂直方向设为完美边界(PML)，在基础单元的正上方放置一个点探测器记录与入射光偏振方向相同的电场信息，一个法线方向为Z轴的面探测器记录透射率，改变圆柱介质柱直径进行多次仿真，获得介质柱多个不同直径下透射光的相位、透过率的改变量，获得映射关系F；仿真结果表明，每个基础单元对透射光具有高透射率，且通过对圆柱介质柱的调整可以获得2π范围内的相位调制。
图4为第一个超表面，图5为第二个超表面。
图6(a)对应两个超表面相对旋转角为+180度时聚焦焦点位置，对应1f0。
图6(b)对应两个超表面相对旋转角为+90度时聚焦焦点位置，对应2f0。
图6(c)对应两个超表面相对旋转角为+60度时聚焦焦点位置，对应3f0。
图6(d)对应两个超表面相对旋转角为+45度时聚焦焦点位置，对应4f0。
图6(e)对应两个超表面相对旋转角为+36度时聚焦焦点位置，对应5f0。
其中，+180度、+90度、+60度、+45度、+36度分别对应弧度制角度+πrad，+π/2rad，+π/3rad，+π/4rad，+π/5rad，代入所述焦距与旋转角的关系式：
可得，上述五个旋转角度分别对应的焦距为1f0、2f0、3f0、4f0、5f0，与仿真结果相符，证明所述基于双层介质超表面的光学变焦系统确实具有所述变焦效果，且基本符合预期。
实施例2：
图7是实施例2提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第一层超表面的结构俯视图；图8是实施例2提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第二层超表面的结构俯视图；对入射光的聚焦行为，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为532nm，入射光为线偏振平面波。
实施例1中，基础单元的二氧化硅基底宽度L为350nm，氮化硅介质柱的高度H为700纳米，圆柱介质柱的直径为40-320nm。
首先对圆柱介质柱对入射光的相位和振幅的调控进行考察。使用时域有限差分法(FDTD)进行仿真实验，将仿真区域的四个侧向设为周期边界(Periodic)，将垂直方向设为完美边界(PML)，在基础单元的正上方放置一个点探测器记录与入射光偏振方向相同的电场信息，一个法线方向为Z轴的面探测器记录透射率，改变圆柱介质柱直径进行多次仿真，获得介质柱多个不同直径下透射光的相位、透过率的改变量，获得映射关系F；仿真结果表明，个基础单元对透射光具有高透射率，且通过对圆柱介质柱的调整可以获得2π范围内的相位调制。
图7为第一个超表面，图8为第二个超表面。
图9(a)对应两个超表面相对旋转角为+180度时聚焦焦点位置，对应1f0。
图9(b)对应两个超表面相对旋转角为+90度时聚焦焦点位置，对应2f0。
图9(c)对应两个超表面相对旋转角为+60度时聚焦焦点位置，对应3f0。
图9(d)对应两个超表面相对旋转角为+45度时聚焦焦点位置，对应4f0。
图9(e)对应两个超表面相对旋转角为+36度时聚焦焦点位置，对应5f0。
其中，+180度、+90度、+60度、+45度、+36度分别对应弧度制角度+πrad，+π/2rad，+π/3rad，+π/4rad，+π/5rad，代入所述焦距与旋转角的关系式：
可得，上述五个旋转角度分别对应的焦距为1f0、2f0、3f0、4f0、5f0，与仿真结果相符，证明所述基于双层介质超表面的光学变焦系统确实具有所述变焦效果，且基本符合预期。
实施例3：
图10是实施例3提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第一层超表面的结构俯视图；图11是实施例3提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第二层超表面的结构俯视图；对入射光的聚焦行为，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为1550nm，入射光为线偏振平面波。
实施例3中，基础单元的二氧化硅基底宽度L为600nm，氮化硅介质柱的高度H为700纳米，圆柱介质柱的直径为80-520nm。
首先对圆柱介质柱对入射光的相位和振幅的调控进行考察。使用时域有限差分法(FDTD)进行仿真实验，将仿真区域的四个侧向设为周期边界(Periodic)，将垂直方向设为完美边界(PML)，在基础单元的正上方放置一个点探测器记录与入射光偏振方向相同的电场信息，一个法线方向为Z轴的面探测器记录透射率，改变圆柱介质柱直径进行多次仿真，获得介质柱多个不同直径下透射光的相位、透过率的改变量，获得映射关系F；仿真结果表明，每个基础单元对透射光具有高透射率，且通过对圆柱介质柱的调整可以获得2π范围内的相位调制。
图10为第一个超表面，图11为第二个超表面。
图12(a)对应两个超表面相对旋转角为+180度时聚焦焦点位置，对应1f0。
图12(b)对应两个超表面相对旋转角为+90度时聚焦焦点位置，对应2f0。
图12(c)对应两个超表面相对旋转角为+60度时聚焦焦点位置，对应3f0。
图12(d)对应两个超表面相对旋转角为+45度时聚焦焦点位置，对应4f0。
图12(e)对应两个超表面相对旋转角为+36度时聚焦焦点位置，对应5f0。
其中，+180度、+90度、+60度、+45度、+36度分别对应弧度制角度+πrad，+π/2rad，+π/3rad，+π/4rad，+π/5rad，代入所述焦距与旋转角的关系式：
可得，上述五个旋转角度分别对应的焦距为1f0、2f0、3f0、4f0、5f0，与仿真结果相符，证明所述基于双层介质超表面的光学变焦系统确实具有所述变焦效果，且基本符合预期。
实施例4：
图13是实施例4提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第一层超表面的结构俯视图；图14是实施例4提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第二层超表面的结构俯视图；对入射光的聚焦行为，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为4um，入射光为线偏振平面波。
实施例4中，基础单元的二氧化硅基底宽度L为1200nm，锗介质柱的高度H为2000nm，圆柱介质柱的直径为200-1000nm。
首先对圆柱介质柱对入射光的相位和振幅的调控进行考察。使用时域有限差分法(FDTD)进行仿真实验，将仿真区域的四个侧向设为周期边界(Periodic)，将垂直方向设为完美边界(PML)，在基础单元的正上方放置一个点探测器记录与入射光偏振方向相同的电场信息，一个法线方向为Z轴的面探测器记录透射率，改变圆柱介质柱直径进行多次仿真，获得介质柱多个不同直径下透射光的相位、透过率的改变量，获得映射关系F；仿真结果表明，每个基础单元对透射光具有高透射率，且通过对圆柱介质柱的调整可以获得2π范围内的相位调制。
图13为第一个超表面，图14为第二个超表面。
图15(a)对应两个超表面相对旋转角为+180度时聚焦焦点位置，对应1f0。
图15(b)对应两个超表面相对旋转角为+90度时聚焦焦点位置，对应2f0。
图15(c)对应两个超表面相对旋转角为+60度时聚焦焦点位置，对应3f0。
图15(d)对应两个超表面相对旋转角为+45度时聚焦焦点位置，对应4f0。
图15(e)对应两个超表面相对旋转角为+36度时聚焦焦点位置，对应5f0。
其中，+180度、+90度、+60度、+45度、+36度分别对应弧度制角度+πrad，+π/2rad，+π/3rad，+π/4rad，+π/5rad，代入所述焦距与旋转角的关系式：
可得，上述五个旋转角度分别对应的焦距为1f0、2f0、3f0、4f0、5f0，与仿真结果相符，证明所述基于双层介质超表面的光学变焦系统确实具有所述变焦效果，且基本符合预期。
实施例5：
图16是实施例5提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第一层超表面的结构俯视图；图17是实施例5提供的基于双层介质超表面的光学变焦系统的第二层超表面的结构俯视图；对入射光的聚焦行为，用FDTD算法进行仿真模拟，设定入射光的波长为10um，入射光为线偏振平面波。
实施例5中，基础单元的硅基底宽度L为3000nm，锗介质柱的高度H为4000nm，圆柱介质柱的直径为400-3000nm。
首先对圆柱介质柱对入射光的相位和振幅的调控进行考察。使用时域有限差分法(FDTD)进行仿真实验，将仿真区域的四个侧向设为周期边界(Periodic)，将垂直方向设为完美边界(PML)，在基础单元的正上方放置一个点探测器记录与入射光偏振方向相同的电场信息，一个法线方向为Z轴的面探测器记录透射率，改变圆柱介质柱直径进行多次仿真，获得介质柱多个不同直径下透射光的相位、透过率的改变量，获得映射关系F；仿真结果表明，个基础单元对透射光具有高透射率，且通过对圆柱介质柱的调整可以获得2π范围内的相位调制。
图16为第一个超表面，图17为第二个超表面。
图18(a)对应两个超表面相对旋转角为+180度时聚焦焦点位置，对应1f0。
图18(b)对应两个超表面相对旋转角为+90度时聚焦焦点位置，对应2f0。
图18(c)对应两个超表面相对旋转角为+60度时聚焦焦点位置，对应3f0。
图18(d)对应两个超表面相对旋转角为+45度时聚焦焦点位置，对应4f0。
图18(e)对应两个超表面相对旋转角为+36度时聚焦焦点位置，对应5f0。
其中，+180度、+90度、+60度、+45度、+36度分别对应弧度制角度+πrad，+π/2rad，+π/3rad，+π/4rad，+π/5rad，代入所述焦距与旋转角的关系式：
可得，上述五个旋转角度分别对应的焦距为1f0、2f0、3f0、4f0、5f0，与仿真结果相符，证明所述基于双层介质超表面的光学变焦系统确实具有所述变焦效果，且基本符合预期。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于双层介质超表面的光学变焦系统，其特征在于，包括：第一层介质超表面和第二层介质超表面，二者平行排列；
两层介质超表面均由多个基础单元拼接构成，每个基础单元包括基板和设于基板上的圆柱介质柱，每层介质超表面的圆柱介质柱的直径与其距离该层介质超表面中心的距离和其对应该层介质超表面中心的角度存在映射关系；
入射光入射依次经过第一介质超表面和第二介质超表面；第一层介质超表面和第二层介质超表面依次对入射光进行两次相位调制，实现对入射光的聚焦效果；
当第一层介质超表面和第二层介质超表面的相对旋转角相对初始状态发生改变时，两层介质超表面对应的聚焦焦距发生改变，两层介质超表面对所述入射光的聚焦效果发生变化。
2.如权利要求1所述的基于双层介质超表面的光学变焦系统，其特征在于，所述光学变焦系统焦距与两层介质超表面的相对旋转角满足如下关系式：
其中，f(Δθ)为两层介质超表面相对旋转角为Δθ时的焦距，且Δθ∈(-π,π]，f0为Δθ＝π时的焦距，f的变化范围为：f∈(-∞,-f0]∪[+f0,+∞)。
3.如权利要求1或2所述的基于双层介质超表面的光学变焦系统，其特征在于，所述第一层介质超表面的圆柱介质柱满足以下条件：
其中，D(r,θ)为处在(r,θ)处的圆柱介质柱的直径；round为四舍五入取整量化；λ为工作波长，r为圆柱介质柱距第一层介质超表面中心的距离；θ为圆柱介质柱所在位置与第一层介质超表面中心的连线与x轴的夹角，且θ∈(0,2π]；s为量化阶调整常数；C(r)为与θ无关的任意函数；F-1为圆柱介质柱截面参数与其对正入射光所引入的相位调制之间映射关系F的逆映射。
4.如权利要求1或2所述的基于双层介质超表面的光学变焦系统，其特征在于，所述第二层介质超表面的圆柱介质柱满足以下条件：
其中，D(r,θ)为处在(r,θ)处的圆柱介质柱的直径；round为四舍五入取整量化；λ为工作波长；f0为Δθ＝π时的焦距；r为圆柱介质柱距第二层介质超表面中心的距离；θ为圆柱介质柱所在位置与第二层介质超表面中心的连线与x轴的夹角，且θ∈(0,2π]；s为量化阶调整常数；C(r)为与θ无关的任意函数；F-1为圆柱介质柱截面参数与其对正入射光所引入的相位调制之间映射关系F的逆映射。
5.如权利要求3所述的基于双层介质超表面的光学变焦系统，其特征在于，平面波正入射到第一层介质超表面后的相位分布为：
6.如权利要求4所述的基于双层介质超表面的光学变焦系统，其特征在于，平面波正入射到第二层介质超表面后的相位分布为：
7.如权利要求1或2所述的基于双层介质超表面的光学变焦系统，其特征在于，所述圆柱介质柱采用的介质材料为硅、氮化硅、锗、二氧化钛、硫化锌或氮化铝。
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