CN111338156B - 基于偏振态调控实现超透镜变焦的装置、变焦方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于偏振态调控实现超透镜变焦的装置，所述装置包括：光源、线偏振片、四分之一波片、偏振调控超透镜和感光相机；其中，所述偏振调控超透镜置于所述线偏振片和四分之一波片之后，旋转四分之一波片得到不同偏振态的入射光聚在像方空间的不同位置实现变焦。还提供了其变焦方法和应用。本发明装置结构简单，体积小，与半导体工艺兼容，易于集成和大规模生产。本发明为对圆偏振光敏感的生物医学检测、材料分析、手性演化研究等提供了一种新的手段和方法。

Description

基于偏振态调控实现超透镜变焦的装置、变焦方法和应用

技术领域

本发明属于光学领域，具体涉及一种基于偏振态调控实现超透镜变焦的装置、变焦方法和应用。

背景技术

光学变焦是目前各类数码设备，如手机、相机、投影仪等评价性能的重要指标。通常光学变焦用变倍比(倍率)来反应变焦能力，即长焦位置与短焦位置的比值。单个透镜的焦距很难有规律的变化，所以需要调整整个透镜组之间的位置来协调整个系统的焦距。而如需获得较大变焦倍数较大，需要有更大的内部空间来装在镜片以及增加移动空间。目前，变焦系统分为光学补偿型、机械补偿型、双组联动型和全动型四种。大多数数码相机的光学变焦倍数在2至5倍之间，早期的三星手机将镜头做成伸缩式实现10倍变焦，但提机身非常大。而后来通过潜望式结构将长焦镜头横放的形式让变焦倍数也达到了5倍，但归根到底，都是通过多组镜片的光程相位以及相互补偿、共同协作实现的变焦功能，无法在集成化的道路上有跳跃式的突破。

超透镜是超表面的一种非常有前景的应用，它是一种纳米结构单元组成、亚波长厚度的二维阵列，其平面化结构以及与常规半导体兼容的制备工艺更有利于构建高度集成的功能化光学系统。它能够通过亚波长结构产生突变相位来实现对所需光场的调控。自广义斯涅耳定律发现以来，超透镜引起了广泛的关注。目前对超透镜的研究主要包括数值孔径、超分辨、多功能以及色差、球差。2019年6月Maxwell等人提出了利用入射光的线偏振态调控超透镜焦距的设计思想，并通过调控线偏振光实现了变焦功能，现有技术还提出了一种利用入射光的波长调控变焦的方法，该方法基于材料的色散关系，其变焦范围受材料本身的色散能力和入射光的波段范围限制。同时手性是自然界的一种属性，手性结构、材料、物体的分析、探测与演化研究亟待对圆偏振光敏感的偏振调控变焦超透镜，但基于圆偏振光的偏振调控超透镜变焦方式还没人提出。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种基于偏振态调控实现超透镜变焦的装置、变焦方法和应用。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种基于偏振态调控实现超透镜变焦的装置，所述装置包括：光源、线偏振片、四分之一波片、偏振调控超透镜和感光相机；其中，所述偏振调控超透镜置于所述线偏振片和四分之一波片之后，旋转四分之一波片得到不同偏振态的入射光聚在像方空间的不同位置实现变焦。

根据本发明第一方面的装置，其中，所述偏振调控超透镜的基本结构单元包括基底和纳米结构单元；

优选地，所述基底材料选自以下一种或多种：石英玻璃、二氧化硅、聚酰亚胺(PI)；和/或所述纳米结构单元材料选自以下一种或多种：二氧化钛、氮化硅、氮化镓、非晶硅、纳晶硅。

根据本发明第一方面的装置，其中，所述纳米结构单元的调控精度和转化效率均大于70％。

本发明的第二方面提供了一种基于偏振态调控实现超透镜变焦的方法，所述方法利用第一方面所述的基于偏振态调控实现超透镜变焦的装置，通过旋转四分之一波片在偏振态的维度实现光学变焦。

根据本发明第二方面的方法，其中，所述方法包括：利用所述偏振调控超透镜的纳米结构单元的传播相位和几何相位的协同作用，同时调控左旋偏振光和右旋偏振光，通过改变入射光偏振态的变化，焦距会在左旋偏振光预设计的焦距和右旋偏振光预设计的焦距之间变化，实现光学变焦；

其中，根据等光程差要求得到超透镜所需的相位分布如式(5)所示：

其中，ω为频率，c为光速，f为超透镜的设计焦距，x与y为超透镜平面空间的位置坐标，式(8)为中间偏振态p、焦距为f_p的相位分布，是左旋和右旋偏振光预设计的焦距f₁和f₂的函数，式(9)为焦距与偏振态、以及与预设圆偏振态对应的焦距之间的关系。

根据本发明第二方面的方法，其中，所述方法包括以下步骤：固定物距以及入射波长，入射偏振态从左旋圆偏振态调节至右旋圆偏振态时，焦点从设计的近焦点处移至远焦点处或者从远焦点处移至近焦点处，从而实现光学变焦。

本发明的第三方面提供了一种层析成像方法，其特征在于，所述方法按照第二方面所述方法将具有不同偏振态的物体成像在不同的像平面内实现层析成像。

本发明的第四方面提供了一种光学变焦系统，所述光学变焦系统包括第一方面所述的基于偏振态调控实现超透镜变焦的装置；

优选地，所述光学变焦系统为非机械式光学变焦系统。

本发明的第五方面提供了一种手性结构分析方法，其特征在于，所述方法利用第一方面所述的基于偏振态调控实现超透镜变焦的装置进行手性结构分析和/或按照第二方面所述方法进行手性结构分析。

本发明的第六方面提供了第一方面所述的基于偏振态调控实现超透镜变焦的装置在制备生物医学检测、材料分析和/或手性演化仪器中的应用。

本发明属于光学变焦的技术领域，涉及到这一种二维纳米结构构成的超透镜的光学变焦方法和器件。尤其是基于超透镜利用入射偏振态调控的非机械式的光学变焦方法和器件。

本发明公开了一种基于二维纳米结构构成的超透镜的光学变焦方法与器件，即基于如下结构：光源，线偏振片，四分之一波片，偏振调控变焦超透镜；所述偏振调控超透镜放置于线偏振片和四分之一波片组合之后，聚焦焦点图像由感光相机接收；利用偏振超透镜对入射光偏振态敏感的特性，将旋转四分之一波片得到不同偏振态的入射光会聚在像方空间的不同位置实现变焦。应用场景包括：一固定像距，调节入射光偏振态和物距获得物体成像的大小变化；二通过不同手性结构对入射光偏振态的变化，实现对手性结构、材料的分析、成像，甚至层析成像等。本发明装置结构简单，体积小，与半导体工艺兼容，易于集成和大规模生产。本发明为对圆偏振光敏感的生物医学检测、材料分析、手性演化研究等提供了一种新的手段和方法。

本发明的目的在于，弥补当前技术的不足，在超透镜的理论设计基础上利用入射光偏振态的变化调控光学变焦，利用不同偏振态产生的不同相位分布实现光学变焦的方法，为实现平面化集成光学系统提供一种新型的光学变焦方法。

本发明的技术方案是，一种基于偏振态调控实现超透镜变焦的方法和器件，基于如下结构：光源，线偏振片，四分之一波片，偏振调控超透镜；所述偏振调控变焦超透镜放置于线偏振片和四分之一波片组合之后，聚焦焦点图像由感光相机接收；利用偏振超透镜对入射光偏振态敏感的特性，将旋转四分之一波片得到不同偏振态的入射光会聚在像方空间的不同位置实现变焦。

本发明为非机械式变焦，光学变焦的实现是基于入射光的偏振态维度来实现的，不同偏振态的改变范围需要根据光学变焦倍数选择。

偏振调控变焦超透镜是利用传播相位和几何相位协同作用的原理设计，尺度在亚波长范围，焦距范围需要提前自行根据两圆偏振光设计最远与最近焦点。具体实现为：固定物距以及入射波长，入射偏振态从左旋圆偏振态调节至右旋圆偏振态时，焦点从设计的近焦点处移至远焦点处或者从远焦点处移至近焦点处。

偏振调控变焦超透镜的相位调控方式是传播相位与几何相位协同作用，为了给两种圆偏振光提供足够范围的相位调制以实现任意的相位梯度，实现偏振调控高效聚焦，需要整体相位均能至少实现0至2π的相位变化，而每个纳米结构也需要满足0到2π的相位变化。组成超透镜的每个纳米结构单元能够调控的相位包括传播相位和几何相位

传播相位的大小取决于光在纳米结构中行走的光程，与纳米结构单元的材料和几何尺寸有关。可表示为：

其中λ为入射波长，n_eff为有效折射率，h为纳米结构的高度。

其中s为纳米结构在周期内的占空比，n₁为纳米结构的折射率，n₂为周期内其他材料的折射率。

几何相位只与纳米结构的面内旋角有关，通过将纳米结构在周期单元内旋转获取与波长无关的相位，用来调制光的波前。入射为圆偏振光时，经过纳米结构调制的透射光场表达式为：

其中t_x和t_y为纳米结构的长轴和短轴的透射系数，σ＝±1代表左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，θ为纳米结构的面内旋角，当纳米结构在周期内面内旋转0至π角度时，会获得0至2π的相位变化。

透镜要实现聚焦功能，根据等光程差要求，可以得到超透镜所需的相位分布如式(5)所示

为实现圆偏振态调控超透镜光学变焦的功能，设计左旋圆偏振光(LCP)和右旋偏振光(RCP)入射情况下的焦距分别为f₁和f₂，相应的波前相位分别如式(6)和(7)所示

介于LCP和RCP之间偏振态的入射光波前相位是LCP和RCP波前相位的函数，焦距介于f₁和f₂之间

由此得到焦距与偏振态、以及与预设圆偏振态对应的焦距之间的关系式(9)，其中ω为入射光圆频率，c为光速，f为超透镜的设计焦距，x与y为超透镜平面空间的位置坐标。式(8)为中间偏振态p、焦距为f_p的相位分布，是左旋和右旋偏振光预设计的焦距f₁和f₂的函数，由此得到焦距与偏振态、以及与预设圆偏振态对应的焦距之间的关系式(9)。通过结构单元设计，利用纳米结构单元的传播相位和几何相位的协同作用，同时调控左旋偏振光和右旋偏振光。通过改变入射光偏振态的变化，焦距会在f₁和f₂之间变化，实现光学变焦。现有技术基于材料的色散关系利用波长变化进行变焦，其变焦范围受材料本身的色散能力和入射光的波段范围限制，而本发明的变焦范围(f₁-f₂)可以预设计，可以获得更大的变焦能力。

超透镜工作的类型为透射型，为提高聚焦效率，需要让纳米结构的自身属性拥有高转化效率，高透过率，同时需要依照等光程所需的相位分布进行有序的排列。

本发明是一种基于超透镜的非机械式变焦新方法，通过设计对圆偏振光敏感的超透镜，可以利用入射光的偏振态变化实现非机械式光学变焦。应用场景包括：一固定像距，调节入射光偏振态和物距获得物体成像的大小变化；二通过不同手性结构对入射光偏振态的变化，实现对手性结构、材料的分析、成像，甚至层析成像等。

本发明的基于偏振态调控实现超透镜变焦的装置可以具有但不限于以下有益效果：

1、本发明基于超表面设计基本原理，利用单个亚波长纳米结构单元同时调控左旋和右旋两个圆偏振态的光，实现偏振调控超透镜的变焦功能。

2、在亚波长厚度实现的光学变焦倍数可设计，在光学变焦透镜设计技术方案上具有明显优势。

3、本发明设计简单，仅涉及一个偏振调控超透镜，无需复杂透镜组，轻巧，灵便。

4、本发明使用的偏振调控超透镜基于平面工艺制备，工艺简单，制备误差更小，成本相对低廉。

5、本发明装置结构简单，体积小，与半导体工艺兼容，易于集成和大规模生产。

6、本发明为对圆偏振光敏感的生物医学检测、材料分析、手性演化研究等提供了一种新的手段和方法。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1示出了本发明的光学变焦示意图。偏振调控超透镜分别将左旋偏振光(LCP)和右旋偏振光(RCP)分别聚焦在F₁和F₂处，对于其他偏振态的入射光聚焦在F₁和F₂之间，实现透镜焦距在f₁和f₂之间变化。

图2示出了本发明所用的超透镜单元的结构示意图及相位调控；其中，图2(a)示出了亚波长纳米结构单元，图2(b)示出了左右旋聚焦所需的波前相位分布和纳米结构单元的传播相位调控，图2(c)示出了纳米结构单元的传播相位和几何相位的协同作用下对左右旋偏振光的调控。

图3示出了本发明超透镜利用仿真软件在632nm波长下从左旋偏振态至右旋偏振态的聚焦效果图；其中，图3(a)、图3(b)、图3(c)分别示出了入射偏振态为左旋，中间偏振态，右旋的聚焦效果。

图4示出了本发明的光路图。

附图标记说明：

1、光源；2、线偏振片；3、四分之一波片；4、偏振调控超透镜；5、感光相机。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

以下实施例中使用的材料和仪器如下：

材料：

石英玻璃购自衢州金格兰石英有限公司；低吸收纳晶硅材料是利用本实验室基于低温等离子体增强化学气相镀膜设备(ICPECVD)开发的工艺制备；正性电子束抗蚀剂ZEP520A购自日本ZEON公司；显影液乙酸正戊酯和定影液异丙醇购自北京化工厂；工艺气体硅烷和溴化氢购自香港特种气体有限公司。

仪器：

镀膜设备，型号为德国Sentech公司SENTECH SI 500D；电子束曝光设备(EBL)，型号为德国Raith公司Vistech EBPG 5000+ES；等离子体刻蚀设备(ICP)，型号为德国Sentech公司SENTECH PTSA ICP-RIE ETCHER SI500。

实施例1

本实施例用于说明本发明的偏振调控超透镜的结构。

利用亚波长纳米结构具有调控波前自由度大的优势，可以设计超透镜实现对左旋偏振光和右旋偏振光分别聚焦在光轴的不同位置，如图1所示。本发明涉及的偏振调控超透镜是透射型元件，左旋光聚焦在F₁处，右旋光聚焦在F₂处。其他偏振态的入射光，聚焦在F₁在F₂之间，实现基于偏振调控超透镜的光学变焦。

偏振调控超透镜的基本单元为衬底上亚波长尺寸的超原子单元，如图2(a)所示。本发明提出的设计适用于各个波段，为说明的方便，本实施例仅以可见光波段的设计描述。对于可见光波段的光学变焦，透射型超透镜选取透过率高的石英玻璃等作为衬底，纳米结构单元可以选择二氧化钛、氮化硅、氮化镓等低吸收材料，本发明选用本发明人通过优化工艺制备的高折射率、低吸收纳晶硅作为亚波长结构单元材料。偏振调控超透镜的制备核心工艺包括三步：(1)利用ICPECVD在2cm×2cm大小、厚度500μm的石英玻璃衬底上镀360nm厚纳晶硅膜，薄膜生长工艺参数：功率600W、压强5Pa、硅烷流量100sccm、衬底温度200℃；(2)利用EBL在正性胶ZEP 520A上曝光超透镜纳米结构图案，并通过显影和定影过程在ZEP520A上形成所需纳米结构图案，具体曝光和显影条件：加速电压100KV、曝光剂量230μC/cm²、显影时间60sec、定影时间30sec；(3)利用ICP将ZEP250A胶上的纳米结构图案通过刻蚀工艺转移到纳晶硅膜上，形成偏振调控超透镜，刻蚀工艺参数：上功率700W、下功率100W、溴化氢100sccm、压强1Pa衬底温度100℃。超透镜单元结构周期为300nm，高度为420nm，工作波长以532nm波长为例，纳晶硅膜在532nm波长的折射率实部和虚部分别为：n＝3.93，k＝0.087。

为保证超透镜的聚焦效率，设计纳米结构单元尺寸时除了要保证单元对相位的调控精度，还需要保证单元要具有比较高的转化效率(均大于70％)。表1是优化选择的单元尺寸和传播相位调控情况。

表1选择的单元尺寸及传播相位调制

表中l_x和l_y为超原子单元的长和宽，

为理论所需相位，

为实际纳米结构的相位，S₁值S₁₂为纳米结构的序号。

选取好单元后，将其按所需相位分布进行排布构成偏振调控超透镜。以f₁＝10μm,f₂＝30μm透镜直径Φ＝14μm为例，利用选择的纳米结构单元的传输相位以及与几何相位协同作用对LCP和RCP的波前调控效果如图2(b)(c)所示。如图3示出了偏振调控超透镜利用仿真软件在532nm波长下从左旋偏振态至右旋偏振态的聚焦效果图。图3(a)、图3(b)、图3(c)分别是入射偏振态为左旋，中间偏振态，右旋的聚焦效果，验证了偏振调控变焦的设计思想。

图4为本发明的光路图，偏振调控超透镜4的入射光偏振态需要通过线偏振片2和四分之一波片3的组合调节。旋转四分之一波片3，可以将入射光偏振态从左旋偏振逐渐调节到右旋偏振，在不需要多透镜组合的情况下，可以实现连续光学变焦，感光相机5接受焦点图像。

本发明为非机械式，通过入射光偏振态变化实现光学变焦功能，光学变焦的倍率可以通过理论预先设计。偏振调控超透镜是基于超表面理论的传播相位和几何相位协同作用设计，焦距范围可自行设计，变焦倍率为最大焦距与最小焦距比值，本发明灵活的设计可以理论可以实现任意高的变焦倍率，本专利以3倍变焦为例说明。

尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims (12)

1.一种基于偏振态调控实现超透镜变焦的装置，其特征在于，所述装置包括：光源、线偏振片、四分之一波片、偏振调控超透镜和感光相机；其中，所述偏振调控超透镜置于所述线偏振片和四分之一波片之后，旋转四分之一波片得到不同偏振态的入射光聚在像方空间的不同位置实现变焦；并且，所述实现变焦的方法包括：利用所述偏振调控超透镜的纳米结构单元的传播相位和几何相位的协同作用，同时调控左旋偏振光和右旋偏振光，通过改变入射光偏振态的变化，焦距会在左旋偏振光预设计的焦距和右旋偏振光预设计的焦距之间变化，实现光学变焦。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏振调控超透镜的基本结构单元包括基底和纳米结构单元。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，

所述基底材料选自以下一种或多种：石英玻璃、二氧化硅、聚酰亚胺；和/或

所述纳米结构单元材料选自以下一种或多种：二氧化钛、氮化硅、氮化镓、非晶硅、纳晶硅。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述纳米结构单元的调控精度和转化效率均大于70％。

5.一种基于偏振态调控实现超透镜变焦的方法，其特征在于，所述方法利用权利要求1至4中任一项所述的基于偏振态调控实现超透镜变焦的装置，通过旋转四分之一波片在偏振态的维度实现光学变焦。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法包括：利用所述偏振调控超透镜的纳米结构单元的传播相位和几何相位的协同作用，同时调控左旋偏振光和右旋偏振光，通过改变入射光偏振态的变化，焦距会在左旋偏振光预设计的焦距和右旋偏振光预设计的焦距之间变化，实现光学变焦；

其中，根据等光程差要求得到超透镜所需的相位分布如式(5)所示：

其中，ω为频率，c为光速，f为超透镜的设计焦距，x与y为超透镜平面空间的位置坐标，式(8)为中间偏振态p、焦距为f_p的相位分布，是左旋和右旋偏振光预设计的焦距f₁和f₂的函数，式(9)为焦距与偏振态、以及与预设圆偏振态对应的焦距之间的关系。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：固定物距以及入射波长，入射偏振态从左旋圆偏振态调节至右旋圆偏振态时，焦点从设计的近焦点处移至远焦点处或者从远焦点处移至近焦点处，从而实现光学变焦。

8.一种层析成像方法，其特征在于，所述方法按照权利要求5至7中任一项所述方法将具有不同偏振态的物体成像在不同的像平面内实现层析成像。

9.一种光学变焦系统，其特征在于，所述光学变焦系统包括如权利要求1至4中任一项所述的基于偏振态调控实现超透镜变焦的装置。

10.根据权利要求9所述的光学变焦系统，其特征在于，所述光学变焦系统为非机械式光学变焦系统。

11.一种手性结构分析方法，其特征在于，所述方法利用权利要求1至4中任一项所述的基于偏振态调控实现超透镜变焦的装置进行手性结构分析和/或按照权利要求5至7中任一项所述方法进行手性结构分析。

12.权利要求1至4中任一项所述的基于偏振态调控实现超透镜变焦的装置在制备生物医学检测、材料分析和/或手性演化仪器中的应用。

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