CN110412761A - 一种基于超表面材料的多档静态变焦透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超表面材料的多档静态变焦透镜，该变焦透镜由透镜1和透镜2以及变档遮光片组成，并在激光束入射的方向依次设有起偏器和1/4波片。透镜1和透镜2由在透明基底两侧刻蚀纳米砖阵列的超表面透镜构成，纳米砖的朝向角根据其距离透镜圆心的距离而确定。透镜表面被平均分为多个档的区域，分别具有不同的焦距值，该变焦透镜仅需转动变档遮光片即可实现多档变焦功能，并能够实现变焦后的像面位置不变。这种多档静态变焦透镜具有变焦简单、体积小、重量轻、高度集成、加工便捷等优势。

Description

一种基于超表面材料的多档静态变焦透镜

技术领域

本发明属于微纳光学变焦透镜技术领域，尤其涉及一种基于超表面材料的多档静态变焦透镜。

背景技术

变焦光学系统的原理是焦距在一定范围内变化，但其像面保持不变。光学系统的总焦距由透镜组及其主平面间的距离所决定。传统光学中，很难实现单个透镜的焦距按一定规律变化，因此只能使光学系统中的某些间隔变化从而达到变焦目的。传统的方法有机械补偿法和光学补偿法：机械补偿法的变焦组由变倍组和补偿组组成，变倍组作线性运动，补偿组作非线性运动，通过凸轮、非线性螺纹等机构来保持像面不变；光学补偿法用两组以上的透镜同步移动来实现焦距的改变和像面的补偿。传统变焦方法需要复杂的光学设计，繁重的透镜组以及精密的机械机构的配合，不仅使系统设计和制造困难而且变焦透镜本身体积重量都比较大不利于小型化、微型化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于超表面材料的多档静态变焦透镜，只需转动变档部件就实现多档变焦功能，且保持像面位置不变。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于超表面材料的多档静态变焦透镜，沿激光束入射方向依次设有起偏器、1/4波片、透镜1、透镜2、变档遮光片，起偏器用于将入射光转化为线偏光；1/4波片用于将线偏光转化为圆偏光；透镜1和透镜2构成聚焦组合透镜，透镜1和透镜2均采用透明基底两侧刻蚀纳米砖阵列的超表面透镜，透镜1和透镜2的超表面透镜平均分为多个区域，每两个对称的扇形区域为一个变焦档，每个变焦档设定有相应的焦距；变档遮光片采用遮光材料制成，并留有一档区域面积大小的透光区，用于多档变焦区域的转换。

按上述技术方案，纳米砖阵列中各纳米砖尺寸相同，且相邻纳米砖的中心间隔相同，透镜1和透镜2的相位调制功能由纳米砖的转向实现，纳米砖的转向角φ(r)由下式决定：

其中，r为纳米砖中心到其所在透镜的透镜中心的距离，f′为该透镜的焦距，λ为入射光波长，为入射光的相位改变。φ(r)为纳米砖长轴与x轴的夹角。

按上述技术方案，透镜1和透镜2的透明基底为石英玻璃基底，纳米砖为无定型硅薄膜材料。

按上述技术方案，所述的纳米砖的长、宽、高尺寸均为纳米级别。

1、按上述技术方案，聚焦组合透镜满足：

其中f₁′和f₂′分别为透镜1、透镜2的焦距，d为透镜1、透镜2的间距，f_b′为后截距，f′为透镜1、透镜2的组合焦距，f′(n)为透镜1、透镜2的第n档组合焦距，f′(1)为透镜1、透镜2的第1档的组合焦距，a为相邻两变焦档间的变焦比，a＞1。

本发明产生的有益效果是：第一，本发明所设计的纳米砖多档静态变焦透镜光学结构及机械结构简单，仅需一片双面刻蚀纳米砖阵列的透镜、变档遮光片旋转到不同区域就可实现多档变焦功能。第二，不同于传统变焦透镜，基于超表面材料的多档静态变焦透镜，在透明基底表面采用微电子光刻工艺刻蚀纳米砖阵列，通过纳米砖阵列对入射光位相调制的原理可以使同一片变焦透镜上具有多个不同焦距值的区域，从而使光学系统设计、加工制造、批量生产等方面更为简单、节约成本。第三，纳米砖尺寸均为亚波长级，因此以纳米砖阵列为基础的多档静态变焦透镜体积小、重量轻、可高度集成，更适应未来光学系统小型化、微型化的发展。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例基于超表面材料的多档静态变焦透镜中纳米砖单元结构立体图。

图2为本发明实施例中纳米砖单元结构俯视图。

图3为本发明实施例中超表面透镜坐标建立示意图。

图4为本发明实施例中基于超表面材料的多档静态变焦透镜的纳米砖阵列透镜示意图。

图5为本发明实施例中基于超表面材料的多档静态变焦系统的结构示意图。

图6为本发明实施例中基于超表面材料的多档静态变焦系统1档变焦结构左视图。

图7为本发明实施例中基于超表面材料的多档静态变焦系统2档变焦结构左视图。

图8为本发明实施例中基于超表面材料的多档静态变焦系统3档变焦结构左视图。

图9为本发明实施例中基于超表面材料的多档静态变焦系统4档变焦结构左视图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，为了实现与传统透镜相同的相位调制功能，首先，以单个纳米砖结构为例，如图2，超表面材料由底层的透明基底和纳米砖构成，以纳米砖中心为原点建立xoy坐标系，把纳米砖的长边作为长轴，短边作为短轴，长轴与x轴的夹角作为纳米砖的转向角φ，如图3。纳米砖工作时可等效为半波片，则其琼斯矩阵可表示为：以圆偏光入射(左旋圆偏光或右旋圆偏光的琼斯矢量为)，经纳米砖出射后光矢量可表示为:

由(1)式可知，出射光仍为圆偏光但旋向相反，同时经历了2φ的相位延迟。因此可以通过改变纳米砖转向角φ的大小就可以调节和控制出射光的相位，从而实现相位调制功能。

根据纳米砖的相位调节原理以及透镜的聚焦原理，透镜上不同位置的纳米砖调节的相位改变为：

其中，r为纳米砖中心到透镜中心的距离，f′为透镜的焦距，λ为入射光波长，为入射光的相位改变，φ(r)为纳米砖长轴与x轴的夹角。这样就可以通过纳米砖的朝向角的不同来对其响应的波长进行相位调节，从而实现透镜的相位调节功能。

为实现可小型化的多档静态变焦透镜，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于超表面材料的多档静态变焦透镜，以激光束入射的方向为正方向，依次由四个部分构成：1)起偏器：用于将入射的激光束转化为线偏光；2)1/4波片：用于将前面器件投射来的线偏光转化为圆偏光；3)透镜1和透镜2：透镜1及透镜2均为由纳米砖阵列构成的超表面成像聚焦透镜，两片透镜以一定距离间隔构成组合透镜；4)变档遮光片：用于多档变焦区域的转换。

纳米砖为无定形薄膜材料(即非晶硅材料)，并沉积在熔融石英玻璃基底表面(即透明基底为二氧化硅材料)。纳米砖为长方体，其尺寸均为亚波长级，如图2，其中，纳米砖2采用非晶硅材料；衬底1采用二氧化硅材料；L为纳米砖长度，W为纳米砖宽度，H为纳米砖高度，C为纳米砖单元大小，φ为纳米砖朝向角。如图3，透镜中心为原点，光由z轴方向传播，f′为平面纳米砖透镜的焦距，r为纳米砖距透镜中心的距离，φ(r)为距透镜中心为r的纳米砖的朝向角。纳米砖阵列中单个纳米砖的尺寸均相同，且相邻的纳米砖的中心间隔相同。

透镜1和透镜2，如图4，由一片材料为石英玻璃的透明基底，在其正反两面分别刻蚀与透镜1和透镜2有相同聚焦功能的纳米砖阵列而构成。与传统透镜不同，超表面透镜可以通过其上纳米砖阵列的朝向角排布来设计其焦距，因此将透镜1和透镜2所构成的超表面透镜平均分为多个区域如图3，每两个对称的扇形区域为一个变焦档，每个变焦档都设定有相应的焦距，根据公式(2)可以计算出不同焦距所对应的纳米砖的朝向角。根据上述技术方案可实现一片透镜上同时具有多个不同焦距。

变档遮光片，采用遮光材料构成，形状大小同由透镜1和透镜2构成的超表面组合透镜相同，遮光片上留有一个变焦当区域大小的透光区，当某一变焦档工作时可以将其他非工作变焦档区域遮挡只允许工作变焦档区域的光透过，变焦时只需转动变档遮光片使透光区转动到所需变焦档区域，从而实现多档变焦区域转换的功能。

多档静态变焦透镜系统，如图5、6，以一束激光束入射，经过起偏器将激光束转变为线偏振光，使其偏振方向与1/4波片的快轴方向成45°角，经由1/4波片出射出一束平行的圆偏振光，此圆偏光经过超表面组合透镜某一变焦档后，由组合光学系统的组合焦距公式：

其中，f₁′和f₂′分别为透镜1及透镜2的焦距，d为两透镜的间距，f′为组合焦距。组合光学系统的工作距，即透镜2后表面到焦面的距离为：

多档变焦的光学系统，需保证系统的焦面位置不变，即系统的后截距f_b′保持不变。为简化设计，我们把相邻两变焦档之间的变焦比设为a(a＞1),并令这个变焦比恒定，则在变焦范围内，各变焦档的组合焦距间的关系有：

f′(n)＝f′(1)·a^n-1 (5)

其中，f′(n)为第n档组合焦距，f′(1)为第1档的组合焦距。由于工作距f_b′和两透镜间的距离d保持不变，因此由式(3)、(4)可计算出每一变焦档所需要的透镜1和透镜2的焦距f₁′、f₂′。

针对基于超表面材料的多档静态变焦透镜的焦距计算设计，以matlab为计算平台，编写具体的计算程序。作为实施例，选取变焦范围为5mm～20mm，系统后截距取3mm，透镜1与透镜2的间隔(即变焦透镜透明基底厚度)取0.5mm，则第一档的组合焦距为5mm，最后一档的组合焦距为20mm，将变焦档数定为4档，如图6、7、8、9，由式(5)可计算出变焦比为1.58，并结合式(3)、(4)、(5)可分别计算出：第一档，组合焦距为5.00mm，透镜1焦距为2.50mm，透镜2焦距为4.00mm；第二档，组合焦距为7.94mm，透镜1焦距为1.61mm，透镜2焦距为1.39mm；第三档，组合焦距为12.60mm，透镜1焦距为1.31mm，透镜2焦距为0.91mm；第四档，组合焦距为20.00mm，透镜1焦距为1.18mm，透镜2焦距为0.72mm。此计算程序可计算出任意档数的情况下，组合透镜以及透镜1和透镜2的焦距，并可根据此计算结果，来对基于超表面材料的组合透镜上各变焦档的纳米砖阵列进行计算排布，从而实现多档变焦的功能。

因此，可以说明此基于超表面材料的多档变焦系统可以在不改变系统后截距的情况下，实现多档变焦的功能，此外此变焦系统不同于传统变焦系统，体积小、重量轻、易于实现小型化、微型化的要求。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于超表面材料的多档静态变焦透镜，其特征在于，沿激光束入射方向依次设有起偏器、1/4波片、透镜1、透镜2、变档遮光片，起偏器用于将入射光转化为线偏光；1/4波片用于将线偏光转化为圆偏光；透镜1和透镜2构成聚焦组合透镜，透镜1和透镜2均采用透明基底两侧刻蚀纳米砖阵列的超表面透镜，透镜1和透镜2的超表面透镜平均分为多个区域，每两个对称的扇形区域为一个变焦档，每个变焦档设定有相应的焦距；变档遮光片采用遮光材料制成，并留有一档区域面积大小的透光区，用于多档变焦区域的转换。

2.根据权利要求1所述的基于超表面材料的多档静态变焦透镜，其特征在于，纳米砖阵列中各纳米砖尺寸相同，且相邻纳米砖的中心间隔相同，透镜1和透镜2的相位调制功能由纳米砖的转向实现，纳米砖的转向角φ(r)由下式决定：

其中，r为纳米砖中心到其所在透镜的透镜中心的距离，f′为该透镜的焦距，λ为入射光波长，为入射光的相位改变。

3.根据权利要求1或2所述的基于超表面材料的多档静态变焦透镜，其特征在于，透镜1和透镜2的透明基底为石英玻璃基底，纳米砖为无定型硅薄膜材料。

4.根据权利要求1或2所述的基于超表面材料的多档静态变焦透镜，其特征在于，所述的纳米砖的长、宽、高尺寸均为纳米级别。

5.根据权利要求1或2所述的基于超表面材料的多档静态变焦透镜，其特征在于，聚焦组合透镜满足：

其中f₁′和f₂′分别为透镜1、透镜2的焦距，d为透镜1、透镜2的间距，f_b′为后截距，f′为透镜1、透镜2的组合焦距，f′(n)为透镜1、透镜2的第n档组合焦距，f′(1)为透镜1、透镜2的第1档的组合焦距，a为相邻两变焦档间的变焦比，a＞1。