CN111025671B - 一种多功能超透镜阵列及光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学领域，尤其是一种超透镜，具体为一种多功能超透镜阵列及其光学系统。所述多功能超透镜阵列包括形成于同一基板上的n个紧密排列的超透镜单元，n为大于1的正整数，每一所述超透镜单元具有离轴菲涅尔透镜结构和平面超透镜结构，所述平面超透镜结构用于将入射光波进行聚焦，所述离轴菲涅尔透镜结构用于实现不同波长光波的分光；光学系统包括多功能超透镜阵列、光子集成回路和探测器阵列。本发明将离轴菲涅尔透镜和平面超透镜结合在一起，将二者的的功能加以融合，从而在平面超透镜上引入分光位相，使之既可实现光波聚焦，还可实现不同波长光波的分光，构成具有色散分光和聚焦光谱的多功能超透镜。

Description

一种多功能超透镜阵列及光学系统

技术领域

本发明涉及光学领域，具体为一种多功能超透镜阵列及光学系统。

背景技术

超透镜是一种衍射光学元件，可实现纯光学的远场超衍射极限聚焦和成像。与传统的光学透镜相比，平面超透镜具有聚焦能力强，结构紧凑，设计灵活，方便集成等优点，而超透镜所实现的功能可超越传统透镜，可使用一片超透镜取代传统相机中的透镜组，超透镜作为一种有望颠覆传统光学的新兴技术在光学系统小型化和轻量化方面有这巨大的潜在应用。

近年来，基于干涉成像原理的探测技术已成为当前国际上的一个前沿研究领域，而将超透镜在干涉成像系统中可发挥重要作用。

目前，在干涉成像系统中，为使光线满足干涉条件，通常需使用多个透镜与分离光元件进行光线聚焦和分色，而后端分离光元件(准直和收集曲面镜、衍射光栅)的使用会导致后端集成难度大、能量损耗高、价格昂贵。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种多功能超透镜阵列，同时具有分色和聚焦功能，从而简化干涉成像系统的结构，提高系统集成度并降低能量损耗和成本，

本发明是这样实现的：

提供一种多功能超透镜阵列，所述多功能超透镜阵列包括形成于同一基板上的n个紧密排列的超透镜单元，n为大于1的正整数，每一所述超透镜单元具有离轴菲涅尔透镜结构和平面超透镜结构，所述平面超透镜结构用于将入射光波进行聚焦，所述离轴菲涅尔透镜结构用于实现不同波长光波的分光。

更进一步的，所述离轴菲涅尔透镜结构是在轴对称型菲涅尔透镜上偏离中心截取一部分，使不同波长光束的的轴线分开，相互分离地聚焦在原光轴上不同的点。

更进一步的，所述多功能超透镜阵列是采用离子蚀刻机在基板上进行蚀刻形成N个均包含离轴菲涅尔透镜结构和平面超透镜结构的超透镜单元。

更进一步的，所述超透镜单元的透过率为以下关系：

u(x,y)＝f(x,y)g(x,y)；

其中，f(x,y)为所述离轴菲涅尔透镜的透过率，所述g(x,y)为平面超透镜的透过率；

其中，x和y分别为入射光的x轴坐标值和y轴坐标值，r为径向坐标，exp()为欧拉函数，i为欧拉函数中的固定用法，N为离轴菲涅尔透镜的台阶总数，L为离轴菲涅尔透镜的位相台阶总数，k表示离轴菲涅尔透镜的第k个台阶，且k≤L，r_f为位相分布周期，rect()是矩形函数，

为光波周期，f₀为离轴菲涅尔透镜的主焦距，m为衍射级次，λ是入射光的波长。

更进一步的，超透镜单元的光强分布为以下关系：

I(0,0,z)＝|u_-1(0,0,z)|²

其中，z为平面坐标，u_-1为-1级衍射光复振幅；

其中，A_-1为-1级衍射光光强，x'、y'为入射光在光轴外的坐标，erf()是误差函数，

a为所述多功能超透镜单元的半宽度，q为离轴菲涅尔透镜的离轴量。

本发明还提供了一种光学系统，包括多功能超透镜阵列、光子集成回路和探测器阵列，所述多功能超透镜阵列为如上任一项所述的多功能超透镜阵列，所述多功能超透镜阵列用于收集光信息获取目标光学信息，入射光通过每一超透镜单元后分成多个窄波段光束，光子集成回路用于聚焦耦合窄波段光束以及对其进行相位调整使来自不同超透镜单元的同一波长的两束光成为满足干涉条件的相干光，探测器阵列获取相干光信息并进行图像复原获得高分辨率图像。

更进一步的，所述光子集成回路包括波导阵列和相位延迟器，所述多个窄波段光束聚焦耦合进波导阵列中后通过相位延迟器实现相位调整使来自不同超透镜单元的同一波长的两束光满足干涉条件。

上述方案的有益效果：

本发明将离轴菲涅尔透镜结构和平面超透镜结构结合在一起，将二者的功能加以融合，从而在平面超透镜上引入分光位相，使之既可实现将入射光波聚焦，还可利用离轴菲涅尔透镜结构实现不同波长光波的分光，构成具有色散分光和聚焦光谱的多功能超透镜阵列。

本发明提供的光学系统为干涉成像系统，本系统将具有色散分光和聚焦光谱的多功能超透镜应用于干涉成像系统中，入射光线通过多功能超透镜后即可实现分色聚焦，使光线满足干涉条件，无需再增加光纤波导及后端分离光元件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明提供的超透镜单元工作示意图；

图2是本发明提供的光学系统结构示意图。

其中：

1-超透镜单元；11-多功能超透镜阵列；

2-光子集成回路；21-波导阵列；22-相位延迟器；

3-探测器阵列。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参阅图1和图2，其中，图1为本发明多功能超透镜单元1实现光线聚焦和分光的示意图，入射光线通过具有色散分光和聚焦光谱的多功能超透镜后即可实现分色聚焦，使光线满足干涉条件，无需再增加光纤波导及后端分离光元件。

多功能超透镜阵列11，包括形成于同一基板上的n个紧密排列的超透镜单元1，n为大于1的正整数，每一超透镜单元1具有离轴菲涅尔透镜结构和平面超透镜结构，平面超透镜结构用于将入射光波进行聚焦，离轴菲涅尔透镜结构用于实现不同波长光波的分光，将平面超透镜和离轴菲涅耳透镜集成在一起，制备出可应用于光学成像系统的具有分色和聚焦复合功能的超透镜阵列。

在本实施例中，离轴菲涅尔透镜结构是在轴对称型菲涅尔透镜上偏离中心截取一部分，使不同波长光束的的轴线分开，相互分离地聚焦在原光轴上不同的点；而平面超透镜是一种利用纳米光学结构对光进行控制的衍射光学元件，具有超衍射极限的聚焦能力。

本实施例中将两个元件的功能加以融合，通过将离轴菲涅耳透镜结构和平面超透镜结构制作在同一块模板上，从而在平面超透镜上引入分光位相，使之既可实现光波聚焦，还可实现不同波长光波的分光，构成具有色散分光和聚焦光谱的多功能超透镜单元1。

在本实施例中，多功能超透镜阵列11是采用离子蚀刻机在基板上进行蚀刻形成N个均包含离轴菲涅尔透镜结构和平面超透镜结构的超透镜单元1。

参阅图1可知，多功能超透镜单元1将入射的两组光中不同波长的光波进行分光，即分为了λ1、λ2和λ3即三原色，并且还将两组光中相同的波长的分光后的光波实现了光波的聚焦。

多功能超透镜阵列对入射光进行分色和聚焦的数学模型如下：

超透镜单元的透过率为以下关系：

u(x,y)＝f(x,y)g(x,y)；

其中，f(x,y)为菲涅尔透镜的透过率，g(x,y)为平面超透镜的透过率；

式中，x和y分别为入射光的x轴坐标值和y轴坐标值，r为径向坐标，exp()为欧拉函数，i为欧拉函数中的固定用法，N为离轴菲涅尔透镜的台阶总数，L为离轴菲涅尔透镜的位相台阶总数，k表示离轴菲涅尔透镜的第k个台阶，且k≤L，r_f为位相分布周期，rect()是矩形函数，

为光波周期，f₀为离轴菲涅尔透镜的主焦距，m为衍射级次，λ是入射光的波长。其中，每个台阶是位相相同的同心圆环，相邻两个台阶的位相差为2π/L。

将离轴菲涅尔透镜和平面超透镜组合起来，制作在同一块模板上，可构成同时具有色散分光和聚焦光谱功能的分色聚焦型平面超透镜，也即本实施例中的超透镜单元1，超透镜单元1的光强分布为以下关系：

I(0,0,z)＝|u_-1(0,0,z)|²

其中，z为平面坐标，u_-1为-1级衍射光复振幅。

在本实施例中，将组合元件置于z＝0平面上，并用平面光波照明，则在z>0的任意平面上的衍射光的复振幅可由菲涅尔积分求得：

略去光强较小的高级次衍射，-1级衍射光的复振幅为：

因而，在z轴上，

其中，A_-1为-1级衍射光光强，x'、y'为入射光在光轴外的坐标，erf()是误差函数，

a为多功能超透镜单元的半宽度，q为离轴菲涅尔透镜的离轴量。

得出，z轴上的光强分布为：

I(0,0,z)＝|u_-1(0,0,z)|²。

本实施例将离轴菲涅尔透镜和平面超透镜结合在一起，将二者的的功能加以融合，从而在平面超透镜上引入分光位相，使之既可实现将入射光波聚焦，还可利用离轴菲涅尔透镜结构实现不同波长光波的分光，构成具有色散分光和聚焦光谱的多功能超透镜。

实施例2

请继续参阅图1和图2，图2为多功能超透镜阵列在光学系统中的应用示意图，光学系统包括多功能超透镜阵11、光子集成回路2和探测器阵列3，多功能超透镜阵列为实施例1提出的多功能超透镜阵列11，多功能超透镜阵列11用于收集光信息获取目标光学信息，入射光通过每一超透镜单元1后分成多个窄波段光束，光子集成回路2用于聚焦耦合窄波段光束以及对其进行相位调整使来自不同超透镜单元1的同一波长的两束光成为满足干涉条件的相干光，探测器阵列3获取相干光信息并进行图像复原获得高分辨率图像。

在本实施例中，光子集成回路2包括波导阵列21和相位延迟器22，多个窄波段光束聚焦耦合进波导阵列21中后通过相位延迟器22实现相位调整使来自不同超透镜单元1的同一波长的两束光满足干涉条件。

在本实施例中，多功能超透镜阵列11由4个超透镜单元1组成得到，相位延迟器22的数量为6，本实施例中对入射的两组光中不同波长的光波进行分光，即分为了λ1、λ2和λ3即三原色，所以相位延迟器与超透镜单元1的数量关系并非是1:1的关系。

而在其他实施例中，分光结果不是三原色，相位延迟器22与超透镜单元1的数量关系可以是1:1，当然相位延迟器22与超透镜单元1的数量关系也不局限于1:1的数量关系，可以根据分光的结果进行设置。

在本实施例中，探测器阵列3包括多个探测器，多个探测器共同组成探测器阵列3，单个探测器与单个相位延迟器22对应设置。

本实施例提供的光学系统的工作过程为：多功能超透镜阵列11用于收集光信息获取目标光学信息，对应的光波通过超透镜后分成多个窄波段光束并聚焦耦合进波导阵列21中。耦合进波导阵列21中的光束通过相位延迟器22实现相位调整，使两束光满足干涉条件，再将相干光输入到探测器阵列3中，在本实施例中，探测器阵列3中设置有信息处理模块，信息处理模块对图像进行复原获得高分辨率图像。

本实施例提供的光学系统，运用具有色散分光和聚焦光谱的多功能超透镜阵列11，入射光线通过多功能超透镜阵列11后即可实现分色聚焦，使光线满足干涉条件，无需再增加光纤波导及后端分离光元件。本发明在光学系统中采用具有分色聚焦复合功能的超透镜取代传统透镜和后端分离光元件，简化了干涉成像系统结构，提高了系统集成度；使用简化了的光学系统结构，缩短了波导传输距离，使得光子传输效率和能量利用率得以提升；缩短波导传输距离，避免分离光元件的制备与加工，从而减小光学系统的尺寸重量和功耗。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多功能超透镜阵列，其特征在于，所述多功能超透镜阵列包括形成于同一基板上的n个紧密排列的超透镜单元，n为大于1的正整数，每一所述超透镜单元具有离轴菲涅尔透镜结构和平面超透镜结构，所述平面超透镜结构用于将入射光波进行聚焦，所述离轴菲涅尔透镜结构用于实现不同波长光波的分光；所述离轴菲涅尔透镜结构是在轴对称型菲涅尔透镜上偏离中心截取一部分，使不同波长光束的的轴线分开，相互分离地聚焦在原光轴上不同的点；所述多功能超透镜阵列是采用离子蚀刻机在基板上进行蚀刻形成N个均包含离轴菲涅尔透镜结构和平面超透镜结构的超透镜单元。

2.根据权利要求1所述的多功能超透镜阵列，其特征在于，所述超透镜单元的透过率为以下关系：

u(x,y)＝f(x,y)g(x,y)；

其中，f(x,y)为离轴菲涅尔透镜的透过率，所述g(x,y)为平面超透镜的透过率；

其中，x和y分别为入射光的x轴坐标值和y轴坐标值，r为径向坐标，exp()为欧拉函数，i为欧拉函数中的固定用法，N为离轴菲涅尔透镜的台阶总数，L为离轴菲涅尔透镜的位相台阶总数，k表示离轴菲涅尔透镜的第k个台阶，且k≤L，r_f为位相分布周期，rect()是矩形函数，

为光波周期，f₀为离轴菲涅尔透镜的主焦距，m为衍射级次，λ是入射光的波长。

3.根据权利要求2所述的多功能超透镜阵列，其特征在于，所述超透镜单元的光强分布为以下关系：

I(0,0,z)＝|u_-1(0,0,z)|²

其中，z为平面坐标，u_-1为-1级衍射光复振幅；

其中，A_-1为-1级衍射光光强，x'、y'为入射光在光轴外的坐标，erf()是误差函数，

a为所述多功能超透镜单元的半宽度，q为所述离轴菲涅尔透镜的离轴量。

4.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括多功能超透镜阵列、光子集成回路和探测器阵列，所述多功能超透镜阵列为如权利要求1-3任一项所述的多功能超透镜阵列，所述多功能超透镜阵列用于收集光信息获取目标光学信息，入射光通过每一超透镜单元后分成多个窄波段光束，光子集成回路用于聚焦耦合窄波段光束以及对其进行相位调整使来自不同超透镜单元的同一波长的两束光成为满足干涉条件的相干光，探测器阵列获取相干光信息并进行图像复原获得高分辨率图像。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述光子集成回路包括波导阵列和相位延迟器，所述多个窄波段光束聚焦耦合进波导阵列中后通过相位延迟器实现相位调整使来自不同超透镜单元的同一波长的两束光满足干涉条件。

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