CN110244388A - 一种基于超表面的电可调卡塞格林反射系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超表面的电可调卡塞格林反射系统，包括主镜和辅镜；辅镜包括：柔性振膜、第一金属反射层和电极；第一金属反射层位于柔性振膜上方，用于将经主镜反射到所述辅镜上的入射光进行反射聚焦；电极连接在辅镜的柔性振膜与主镜之间；柔性振膜在电极间电压的调节下弯曲，通过改变辅镜与主镜间的的距离调整聚焦点位置；主镜包括第二金属反射层、介质层和主镜超表面功能单元图案；主镜超表面功能单元图案满足主镜相位分布，以将外来的入射光反射到反射系统辅镜上，并经反射系统辅镜进行反射聚焦；本发明通过第一金属反射层上下移动，改变反射光经发射式超表面主镜上的透光孔后的聚焦位置，使卡塞格林反射系统的装调更加灵活。

Description

一种基于超表面的电可调卡塞格林反射系统

技术领域

本发明属于卡塞格林反射系统领域，更具体地，涉及一种基于超表面的电可调卡塞格林反射系统。

背景技术

卡塞格林系统由一个透镜、两个反射镜组成，有着大口径、长焦距、多波段的特点。在卡塞格林望远镜焦点处可以安置较大的终端设备，并不挡光。对于一个兼具有主焦点系统、卡塞格林系统和折轴系统的望远镜，卡塞格林望远镜的相对口径是中等的，它适用于作中等光力、较大比例尺的照相和其他工作，如较大的分光观测、直接照相、像增强照相、红外观测以及多传感光电系统光轴的校正等。本发明提供了一种基于超表面的电可调卡塞格林反射系统，其可通过调节电压来改变卡塞格林系统的焦距，大大方便了实际应用。

传统的系统由主镜和辅镜构成，外界光依次经过主镜和辅镜的反射后可实现聚焦于成像。传统的卡塞格林反射式望远镜主镜为凹面反射镜，辅镜为凸面反射镜。传统的卡塞格林反射式望远镜的成功实施需要精心地设计其中的曲面反射镜，通过曲面反射镜表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，获得高质量的两反射系统对镜面的研磨、抛光等制备工艺要求十分严格，加工速度慢且成本高昂。此外，用于天文观测的望远镜，其性能与口径尺寸密切相关，大口径望远镜能更好地收集来自遥远星体传来的微弱信号，这进一步加大了制备成本与难度。另一方面，传统卡塞格林反射式望远镜主镜与辅镜焦距固定，这限制了望远镜的放大倍数，加大了装调难度，为实际观测带来了不便。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于超表面的电可调卡塞格林反射系统，旨在解决传统的卡塞格林反射式望远镜系统的焦距不可调导致装调不方便的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于超表面的电可调卡塞格林反射系统，包括主镜和辅镜，辅镜位于主镜反射光传播方向的正上方，辅镜包括：柔性振膜、第一金属反射层和电极；第一金属反射层位于柔性振膜上方，用于将经主镜反射到所述辅镜上的入射光进行反射聚焦；电极连接在辅镜的柔性振膜与主镜之间；柔性振膜在电极间电压的调节下弯曲，通过改变辅镜与主镜间的的距离调整聚焦点位置。

优选地，柔性振膜为氮化硅；第一金属反射层为Au。

主镜包括第二金属反射层、介质层和主镜超表面功能单元图案；

介质层位于第二金属反射层上方，介质层上设置有主镜超表面功能单元图案；主镜超表面功能单元图案满足主镜相位分布，以将外来的入射光反射到反射系统辅镜上，并经反射系统辅镜进行反射聚焦；

主镜超表面功能结构位于设定环形区域内，其包括多个主镜超表面功能单元，主镜超表面功能单元包括各向异性的主镜亚波长结构，主镜亚波长结构引入的相位满足所述主镜相位分布；设定环形区域围成一透光孔，经反射系统辅镜反射的光透所述透光孔进行聚焦。

优选地，主镜相位分布根据第二设定参数和射线光学及广义的反射定律确定。

优选地，主镜相位分布不同对应主镜亚波长结构的方位角不同。

优选地，电极的正电极连接主镜的介电层，其负电极连接辅镜的柔性振膜；

或电极的正电极连接辅镜的柔性振膜，其负电极连接主镜的介电层。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下

有益效果：

(1)本发明在卡塞格林发射系统的主镜和辅镜上分别接入电极，通过调节电极间的电压，驱动柔性振膜的上下振动，带动辅镜柔性振膜上方的第一金属反射层上下移动，从而改变反射光经发射式超表面主镜上的透光孔后的聚焦位置，使卡塞格林反射系统的装调更加灵活，为实际观测带来了极大的便利。

(2)本发明提供的超表面的电可调卡塞格林反射系统，在平面的反射式超表面主镜的介质层上形成满足主镜相位分布的环形主镜超表面功能结构，并在平面的反射式超表面辅镜的柔性振膜上形成金属圆盘，使得入射光经主镜超表面功能结构反射到辅镜上后，可由辅镜柔性振膜之上的金属圆盘再次反射，经反射式超表面主镜上的透光孔后聚焦，相比于传统的为获得高质量的两反射系统对镜面的研磨、抛光等制备工艺，本发明解决了传统卡塞格林反射式望远镜系统制备难度高、加工速度慢、成本高等问题。

附图说明

图1是传统卡塞格林反射式望远镜系统的侧视图；

图2是提供的基于超表面的电可调卡塞格林反射系统侧视图；

图3是本发明提供的系统主镜超表面功能单元示意图；

图4是本发明提供的基于超表面的主镜制备流程；

图5是本发明提供的主镜衬底上蒸镀金属层和介质层的示意图；

图6是本发明提供的主镜的介质层上旋涂光刻胶的示意图；

图7是本发明提供的图6中光刻胶上蒸镀金属层的示意图；

图8是本发明提供的图7中的金属剥离的示意图；

图9是本发明提供的基于超表面的辅镜制备流程；

图10是本发明提供的在亚波长结构上蒸镀支撑层的示意图；

图11是本发明提供的在支撑层上蒸镀柔性振膜的示意图；

图12是本发明提供的柔性振膜上蒸镀金属层的示意图；

图13是本发明提供的在支撑层形成透光孔的示意图；

图14是本发明提供的形成透光孔的流程示意图；

图15是本发明提供的在主镜介质层和金属层形成透光孔的示意图；

图16是本发明提供的在主镜与辅镜间设置电极的示意图；

图17是本发明提供的基于超表面的电可调卡塞格林反射系统爆炸图。

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。

图1是传统的卡塞格林反射式望远镜系统的侧视图。如图1所示，卡塞格林反射系统包括曲面主镜10和曲面辅镜20，曲面辅镜20与主镜10上的开孔相对准，入射光经曲面主镜10的反射至曲面辅镜20的反射面上，再经曲面辅镜20反射并透过曲面主镜10的开孔至A点。传统的卡塞格林反射式系统需要通过曲面主镜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，加工速度慢且成本高昂。同时，传统的卡塞格林式反射系统一旦制备出来，其焦距不可改变，这给实际观测与装调带来了一定的麻烦。

超表面由具有空间变化的亚波长结构表面功能单元构成的界面，通过设计超表面功能单元，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。超表面的二维属性可实现更轻的质量和更低的损耗。柔性振膜为焦距的改变提供了一种有效的解决方案，它利用主镜电极与辅镜电极之间电压的静电驱动可以调节卡塞格林反射系统的焦距。

本发明利用平面的反射式超表面实现了卡塞格林反射式系统的设计，同时利用柔性振膜在静电力作用下的上下振动实现了卡塞格林反射式系统焦距可调的功能。本发明使得卡塞格林反射式系统具有了质轻、便于集成、易于大规模制造、成本低、焦距可调、易于装调等优点。

本发明可通过设置超表面反射镜各超表面功能单元的亚波长结构的方位角，使整个超表面反射镜满足特定的相位分布，利用超表面主镜和置于柔性振膜之上的反射辅镜组合成卡塞格林反射系统，主镜与辅镜之间施加电压以达到焦距可调的目的。图2是本发明提供的一种电可调卡塞格林反射系统的侧视图，如图2所示，超表面主镜1和反射式辅镜2之间有一定间距，卡塞格林反射系统主镜1包括环形的主镜超表面功能结构13和主镜超表面功能结构13所述围绕的圆形透光孔12，主镜超表面功能结构13包括多个主镜超表面功能单元，如图3所示，主镜超表面功能单元结构包括圆盘、圆环，分别以特定的方位角排布于主镜超表面功能结构13上；反射式辅镜2是金属圆盘，置于柔性振膜之上，使经超表面主镜1反射形成的反射光透过光孔12聚焦于B点；柔性振膜在静电力驱动下上下振动，从而带动辅镜2上下移动，使得经超表面主镜1反射形成的反射光透过光孔12形成的焦点也上下移动，实现卡塞格林反射系统焦距可调的目标。

图2所示，本发明提供了一种基于超表面的电可调卡塞格林反射系统，包括主镜和辅镜，辅镜位于主镜反射光传播方向的正上方；

主镜包括第二金属反射层、Si介质层和主镜超表面功能单元图案；Si介质层位于第二金属反射层上方，Si介质层上设置有主镜超表面功能单元图案；主镜超表面功能单元图案满足主镜相位分布，以将外来的入射光反射到反射系统辅镜上，并经所述反射系统辅镜进行反射聚焦；

从图3可知，主镜超表面功能结构位于设定环形区域内，其包括多个主镜超表面功能单元，主镜超表面功能单元包括各向异性的主镜亚波长结构，主镜亚波长结构引入的相位满足所述主镜相位分布；设定环形区域围成一透光孔，经反射系统辅镜反射的光透过透光孔进行聚焦。

根据卡塞格林反射式望远镜系统设计的反射式超表面主镜，主镜相位分布根据第二设定参数结合射线光学及广义的反射定律确定，其中，第二设定参数包括主镜口径、主镜焦比、系统焦比、系统的焦点到主镜的距离、系统工作波长和入射光到达反射式超表面主镜上的位置及反射式超表面主镜反射入射光至反射式超表面辅镜上的位置的映射关系。本发明可根据上述第二设定参数，确定入射光进入望远镜系统后的光路，再结合射线光学及广义的反射定律，确定反射式超表面主镜各个位置需要引入的额外相位梯度，由此可确定整个反射式超表面主镜的主镜相位分布；

主镜超表面功能单元包括第二金属反射层、介质层和各向异性的金属亚波长结构的叠层结构。

根据贝里几何相位原理设计的反射式超表面主镜，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，以使入射光经反射式超表面主镜反射至反射式超表面辅镜对应的位置；

主镜亚波长结构呈圆盘和/或圆环形，以实现较高的圆偏振光转换效率。具体的，主镜超表面功能单元包括第二金属反射层、介质层和金属亚波长结构的叠层结构时，第二金属反射层和金属亚波长结构的材料为金，介质层的材料为硅，金属亚波长结构呈圆盘和/或圆环形时，在近红外波段，圆偏振光转换效率可高达80％以上；

辅镜包括：柔性振膜、第一金属反射层和电极；第一金属反射层位于柔性振膜上方，用于将经主镜反射到辅镜上的入射光进行反射聚焦；电极连接在辅镜的柔性振膜与主镜之间；柔性振膜在电极间电压的调节下弯曲，通过改变辅镜与主镜间的的距离调整聚焦点位置。

其中，柔性振膜为氮化硅；第一金属反射层为Au。

优选地，电极的正电极连接主镜的介电层，其负电极连接辅镜的柔性振膜；

或电极的正电极连接辅镜的柔性振膜，其负电极连接主镜的介电层。

调节反射系统主镜之上电极与反射系统辅镜之上电极之间的电压，通过静电驱动使柔性振膜弯曲，从而改变反射系统辅镜与反射系统主镜之间的距离，通过透光孔的聚焦点位置也随着改变。

本发明提供的基于超表面的电可调卡塞格林反射系统，在平面的反射式超表面主镜的Si介电层上形成满足主镜相位分布的环形主镜超表面功能结构，并在平面的反射式超表面辅镜的柔性振膜上形成金属圆盘，使得入射光经主镜超表面功能结构反射到辅镜上后，可由辅镜柔性振膜之上的金属圆盘再次反射，经反射式超表面主镜上的透光孔后聚焦。同时，该卡塞格林反射系统的主镜和辅镜上分别接入电极，通过调节电压来驱动柔性振膜上下振动，带动辅镜柔性振膜之上的金属圆盘上下移动，从而改变反射光经反射式超表面主镜上的透光孔后的聚焦位置。由此通过上述基于超表面的电可调节卡塞格林反射系统，实现了基于平面反射式超表面的卡塞格林反射系统的设计，解决了传统卡塞格林反射式望远镜系统制备难度高、加工速度慢、成本高等问题。本发明利用静电力驱动柔性振膜运动从而调节改变卡塞格林反射系统的焦距，使卡塞格林反射系统的装调更加灵活，为实际观测带来了极大的便利。

本发明提供了电可调卡塞格林反射系统的制备方法，图4是本发明提供的一种基于超表面的电可调卡塞格林反射系统主镜的制备方法流程示意图；如图4所示，该主镜的制备方法包括：

S210：提供二氧化硅衬底；

S220：采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在二氧化硅衬底上依次蒸镀第二金属反射层和介质层；

如图5所示，采用电子束蒸镀工艺在二氧化硅衬底之上蒸镀第二金属反射层111，再采用热蒸镀工艺在第二金属反射层111上蒸镀介质层112；其中，第二金属反射层和介质层的材料可根据系统的工作波段进行选择，例如，在近红外波段，第二金属反射层111的材料可以为金，介质层112的材料可以为硅；

S230：在介质层上旋涂光刻胶，采用电子束曝光(EBL)工艺对光刻胶位于设定环形区域的部分进行图案化，以使图案化的光刻胶满足主镜相位分布的超表面功能单元图案；

如图6所示，在介质层112上旋涂光刻胶113，采用电子束曝光工艺对光刻胶113位于设定环形区域的部分进行图案化，以使图案化的光刻胶满足主镜的相位分布；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卡塞格林反射系统辅镜的大小进行设计；

S240：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光刻胶表面蒸镀金属层，并去除残留的光刻胶，以保留介质层介质层表面的金属层，形成亚波长结构图案；

如图7所示，采用电子束蒸镀工艺在介电层112表面和残留的光刻胶113(图案化的光刻胶)表面蒸镀金属层114；如图8所示，利用相应的去胶液去除残留的光刻胶113，进而同时剥离掉形成于残留的光刻胶113表面的金属层114，保留介质层112表面的金属层，从而形成主镜亚波长结构115；完成电可调卡塞格林反射系统主镜的制备；

优选地，主镜亚波长结构包括柱状和/或圆形。

图9是本发明提供的一种基于超表面的电可调卡塞格林反射系统辅镜的制备方法流程示意图；如图9所示，反射式超表面辅镜的制备方法包括：

S410：采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在亚波长结构上蒸镀支撑层；

如图10所示，采用电子束蒸镀工艺在亚波长结构115之上蒸镀支撑层116，图10中选择支撑层材料为硅；

S420：采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在支撑层上蒸镀柔性振膜；

如图11所示，采用电子束蒸镀工艺在支撑层116之上蒸镀柔性振膜117，柔性振膜材料为氮化硅，同时，在柔性振膜四角部分留有小孔；

S430：采用电子束蒸镀工艺或热蒸镀工艺在柔性振膜上蒸镀第一金属反射层；

如图12，采用电子束蒸镀工艺在柔性振膜117上蒸镀第一金属反射层118，且第一金属反射层位于柔性振膜中部，通常第一金属反射层材料为Au；

S440：从柔性振膜小孔通入氟化氙(XeF₂)气体，腐蚀支撑层中部区域；

如图13所示，支撑层被腐蚀出空白区域13，完成电可调卡塞格林反射系统辅镜的制备；

图14为本发明提供的一种基于超表面的电可调卡塞格林反射系统的透光孔电极的制备方法，具体包括：

S310：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第二金属反射层和介质层，形成圆形平整的透光孔；

如图15所示，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的第二金属反射层111和介质层112，形成圆形平整的透光孔14；

S320：分别在主镜的介电层和辅镜的柔性振膜上接入正负电极，并接通电压；

如图16所示，分别在主镜的介电层112和辅镜的柔性振膜117上接入正负电极，并接通电压，完成基于超表面的电可调卡塞格林反射系统的制备。图17为基于超表面的电可调卡塞格林反射系统爆炸图，从上至下依次为：辅镜第一金属反射层以及正(负)电极501，四角有通孔的柔性薄膜502，支撑层503，主镜亚波长结构以及负(正)电极504，介质层505，第二金属反射层506，衬底507。

基于结合本发明提出的基于超表面的电可调卡塞格林反射系统的制备方法可知，首先将入射光沿(100)方向垂直入射到第二金属反射层111后经过满足主镜相位分布的环形主镜超表面功能结构13反射进入辅镜的柔性振膜的第一金属反射层118，再次经过反射，在反射式超表面主镜上的透光孔114后聚焦；再设定施加在主镜的介电层112和辅镜的柔性振膜117间的电压大小，柔性振膜静电力驱动第一金属反射层118下上下振动，从而带动辅镜2上下移动，使得经超表面主镜1反射形成的反射光透过光孔12形成的焦点也上下移动。

分析基于超表面的电可调卡塞格林反射系统的制备方法可知，采用基于平面反射式超表面的卡塞尔反射系统的设计，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相比于传统的卡塞格林反射式望远镜系统，本发明没有非常严格地要求主镜和辅镜的几何曲率变化，采用沉积与金属剥离等常规工艺手段进行即可；在主镜1的介电层112和辅镜2的柔性振膜117间通过调节电压大小调节主镜1与辅镜2间的距离，进而实现焦距可调。

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)

1.一种基于超表面的电可调卡塞格林反射系统，包括主镜和辅镜；辅镜位于主镜反射光传播方向的正上方，其特征在于，所述辅镜包括：柔性振膜、第一金属反射层和电极；所述第一金属反射层位于柔性振膜上方，用于将经主镜反射到所述辅镜上的入射光进行反射聚焦；所述电极连接在辅镜的柔性振膜与主镜之间；所述柔性振膜在电极间电压的调节下弯曲，通过改变辅镜与主镜间的的距离调整聚焦点位置。

2.如权利要求1所述的电可调卡塞格林反射系统，其特征在于，所述柔性振膜为氮化硅；所述第一金属反射层为Au。

3.如权利要求1或2所述的电可调卡塞格林反射系统，其特征在于，所述主镜包括第二金属反射层、介质层和主镜超表面功能单元图案；

所述介质层位于第二金属反射层上方，所述介质层上设置有主镜超表面功能单元图案；所述主镜超表面功能单元图案满足主镜相位分布，以将外来的入射光反射到反射系统辅镜上，并经所述反射系统辅镜进行反射聚焦；

所述主镜超表面功能结构位于设定环形区域内，其包括多个主镜超表面功能单元，所述主镜超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；所述设定环形区域围成一透光孔，经所述反射系统辅镜反射的光透过所述透光孔进行聚焦。

4.如权利要求3所述的电可调卡塞格林反射系统，其特征在于，所述电极的正电极连接主镜的介电层，其负电极连接辅镜的柔性振膜；

或所述电极的正电极连接辅镜的柔性振膜，其负电极连接主镜的介电层。

5.如权利要求3或4所述的电可调卡塞格林反射系统，其特征在于，所述主镜相位分布根据第二设定参数和射线光学及广义的反射定律确定。

6.如权利要求5所述的电可调卡塞格林反射系统，其特征在于，所述主镜相位分布不同对应主镜亚波长结构的方位角不同。

7.如权利要求6所述的电可调卡塞格林反射系统，其特征在于，所述主镜亚波长结构包括柱状和/或圆形。