CN110632684A - 超表面稀疏孔径透镜 - Google Patents

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Abstract

超表面稀疏孔径透镜包括多个按照一定序列排布的子透镜，每个子透镜包括多个微结构和支撑该微结构的基底，所有子透镜共同构成超表面稀疏孔径透镜。所述的超表面稀疏孔径透镜所对应的相位信息可以由入射光波长、透镜焦距确定。利用稀疏孔径技术，本发明可以通过子透镜阵列系统获取与大孔径光学系统相同的空间分辨率，从而降低大孔径超透镜的制备难度和加工成本。本发明在显微成像系统和内窥成像系统的小型化和集成化等方面具有很高的应用价值。

Description

超表面稀疏孔径透镜
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其涉及超表面稀疏孔径透镜。
背景技术
超表面透镜是一种基于亚波长微结构组成的超薄二维阵列平面，是一种二维衍射光学元件，因其具备对电磁波振幅、相位、偏振态的有效调控，具有平面集成、消色差、超越衍射极限等潜力，使其成为当前衍射光学和纳米光子学领域的研究热点，然而超表面透镜仍然存在孔径较小，无法实现大孔径装备制造等问题。
发明内容
本发明的目的是提出超表面的稀疏孔径透镜，该装置解决了现有超表面透镜无法实现大孔径装备制造的问题，降低大孔径超透镜的制备难度，减轻载荷体积和重量，同时，子透镜阵列可以获取与大孔径相同的空间分辨率，在提高超表面光学透镜系统分辨率以及提高超表面透镜的制备效率等方面有很高的应用价值。为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
超表面的稀疏孔径透镜，其特征在于，由多个结构相同的超表面子透镜按照一定空间位置排列在基底上而成，每个超表面子透镜由多个结构相同的微结构像素单元排列而成。
所述的微结构像素单元由长方体以及包围该长方体的长方体环状结构构成，该长方体环状结构为刻蚀的微结构，长方体为保留的微结构。
所述的超表面的稀疏孔径透镜，其特征在于，所述的一定空间位置包括Annulus、Double、Golay3、Ring6、Golay6或Tri-arm7。
所述的超表面的稀疏孔径透镜，其特征在于，所述的微结构像素单元为能够调控相位变化的金属超表面微结构或介质超表面微结构。
所述的超表面的稀疏孔径透镜，其特征在于，所述的基底由二氧化硅、氧化铝或其他透光自支撑介质制备而成。
所述的超表面的稀疏孔径透镜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)设计一定空间位置的子透镜阵列；
2)计算子透镜的相位分布，并生成相位图谱，公式如下：
其中
Figure BDA0002241256060000022
为微结构像素单元长方体中心所对应的相位，x为微结构像素单元长方体中心横向坐标，y为x为微结构像素单元长方体中心纵向坐标，m为任意整数，f为超表面子透镜所对应的焦距，λ为入射光波长；
3)对不同结构参数微结构像素单元进行仿真获得所述不同参数微结构单元的相位调控曲线和透过率曲线，对所述微结构的结构参数进行优化，使得微结构的能够达到0-2π的相位调控能力，同时保证透过率具有一致性；
4)根据需求对所生成的相位图谱进行等比例离散化，并选取对应的微结构像素单元尺寸，生成微结构尺寸图谱文件；
5)利用电子束曝光或激光直写曝光和刻蚀工艺实现微结构的曝光和转移，得到所需的超表面稀疏孔径透镜。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
本发明可以通过子透镜阵列系统获取与大孔径光学系统相同的空间分辨率，从而降低大孔径超透镜的制备难度和加工成本。本发明在显微成像系统和内窥成像系统的小型化和集成化等方面具有很高的应用价值。
附图说明
图1为本发明超表面稀疏孔径透镜结构三维示意图；
图2为本发明微结构像素单元示意图；
图3为本发明超表面子透镜结构图；
图4为本发明超表面子透镜聚焦光斑在横向截面和纵向截面光强分布图，其中a为横向截面光强分布，b为纵向截面光强分布；
图5为本发明超表面稀疏孔径透镜结构图(以Golay3结构为例)；
图6超表面稀疏孔径透镜成像示意图；
图7原始物图；
图8采用超表面稀疏孔径透镜的成像仿真分析图。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，超表面的稀疏孔径透镜101是由多个结构完全相同的超表面子透镜102按照一定空间位置排列组合而成的阵列结构，超表面子透镜由分立的微结构像素单元103在基底排列104而成,基底材质为二氧化硅。
以一种金属超表面微结构像素单元为例，如图2所示，微结构像素单元103为长方体结构，微结构材料为铝，设置长宽(A和B)均为0.6微米，设置高度(C)为0.8微米。微结构像素单元103由长方体201以及包围该长方体201的长方体环状结构202构成，该长方体环状结构202为刻蚀的微结构，长方体201为保留的微结构。
超表面稀疏孔径透镜的生成方法包括以下步骤：
1)设计一定空间位置的子透镜102阵列；
2)根据计算公式：计算子透镜的相位分布，并生成相位图谱，其中
Figure BDA0002241256060000032
为微结构像素单元103长方体201中心所对应的相位，x为微结构像素单元长方体中心横向坐标，y为x为微结构像素单元长方体中心纵向坐标，m为任意整数，f为超表面子透镜所对应的焦距，λ为入射光波长；
3)对不同结构参数微结构像素单元进行仿真获得所述不同参数微结构单元的相位调控曲线和透过率曲线，对所述微结构的结构参数进行优化，使得微结构的能够达到0-2π的相位调控能力，同时保证透过率具有一致性；
4)根据需求对所生成的相位图谱进行等比例离散化，并选取对应的微结构像素单元尺寸，生成微结构尺寸图谱文件；
5)利用电子束曝光或激光直写曝光和刻蚀工艺实现微结构的曝光和转移，得到所需的超表面稀疏孔径透镜。
经过曝光或者转移所得到的超表面子透镜结构图如图3所示，微结构在横纵两个方向均为27个，共计729个的阵列型周期排布，微结构周期为0.8微米。对超表面子透镜的光学性能进行仿真分析，所述的经过超表面透镜的聚焦光斑在横向截面和纵向截面的光强分布，如图4a、4b所示，其中横向截面的半高全宽为1.08微米，横向截面的半高全宽为1.782微米。
超表面子透镜结构通过一定序列的空间位置排列即可得到所述的超表面稀疏孔径透镜，所述的一定空间位置排列组合包括Annulus、Double、Golay3、Ring6、Golay6、Tri-arm7等结构。本实施例，Golay3超表面稀疏孔径透镜结构图如图5所示，包含三个结构完全相同的超表面子透镜102，并采用Golay3阵列型排布。三个子透镜共同构成稀疏透镜的孔径，其所能产生的等效孔径为Golay3阵列外切圆孔径501。
超表面稀疏孔径透镜的成像过程由实施例1详细说明。
实施例1：
以图6的成像光路为例，所述的原始物601为一张512*512的分辨率板图片，如图7所示，超表面稀疏孔径透镜101采用Golay3结构排布。电荷耦合器件701在成像面对物体进行成像，并传输到计算机702，其中原始物601到透镜101的距离d1为1500微米，像701到透镜101的距离d2为10.067微米。
其成像步骤为：
1)将超表面稀疏孔径透镜101加入光路，并对物体成像；
2)对所采集图像利用计算机702对图像进行恢复，得到最终的恢复图像，如图8所示，可以看出超表面稀疏孔径透镜可以获取与大孔径相同的成像结果。

Claims (6)

1.超表面的稀疏孔径透镜(101)，其特征在于，由多个结构相同的超表面子透镜(102)按照一定空间位置排列在基底(104)上而成，每个超表面子透镜(102)由多个结构相同的微结构像素单元(103)排列而成。
2.根据权利要求1所述的超表面的稀疏孔径透镜，其特征在于，所述的微结构像素单元(103)由长方体(201)以及包围该长方体(201)的长方体环状结构(202)构成，该长方体环状结构(202)为刻蚀的微结构，长方体(201)为保留的微结构。
3.根据权利要求1所述的超表面的稀疏孔径透镜，其特征在于，所述的一定空间位置包括Annulus、Double、Golay3、Ring6、Golay6或Tri-arm7。
4.根据权利要求1所述的超表面的稀疏孔径透镜，其特征在于，所述的微结构像素单元(103)为能够调控相位变化的金属超表面微结构或介质超表面微结构。
5.根据权利要求1所述的超表面的稀疏孔径透镜，其特征在于，所述的基底(104)由二氧化硅、氧化铝或其他透光自支撑介质制备而成。
6.权利要求1-5任一所述的超表面的稀疏孔径透镜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)设计一定空间位置的子透镜(102)阵列；
2)计算子透镜的相位分布，并生成相位图谱，公式如下：
Figure FDA0002241256050000011
其中为微结构像素单元(103)长方体(201)中心所对应的相位，x为微结构像素单元长方体中心横向坐标，y为x为微结构像素单元长方体中心纵向坐标，m为任意整数，f为超表面子透镜所对应的焦距，λ为入射光波长；
3)对不同结构参数微结构像素单元进行仿真获得所述不同参数微结构单元的相位调控曲线和透过率曲线，对所述微结构的结构参数进行优化，使得微结构的能够达到0-2π的相位调控能力，同时保证透过率具有一致性；
4)根据需求对所生成的相位图谱进行等比例离散化，并选取对应的微结构像素单元尺寸，生成微结构尺寸图谱文件；
5)利用电子束曝光或激光直写曝光和刻蚀工艺实现微结构的曝光和转移，得到所需的超表面稀疏孔径透镜。
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