CN111474611B - 超透镜组、超成像装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种超透镜组。该超透镜组沿着入射光的方向依序包括：第一超透镜、第二超透镜和第三超透镜，其中，所述入射光包括第一手性偏振光和与所述第一手性偏振光正交的第二手性偏振光，所述第一超透镜、所述第二超透镜和所述第三超透镜中的每一个的表面上具有多个相位补偿结构，其中，所述第一超透镜和所述第三超透镜的相位补偿结构分别对所述第一手性偏振光和所述第二手性偏振光补偿相同的相位；以及所述第二超透镜的相位补偿结构对所述第一手性偏振光和所述第二手性偏振光补偿不同的相位。

Description

超透镜组、超成像装置

技术领域

本申请涉及光学元件领域，更具体地，涉及一种超透镜组以及超成像装置。

背景技术

现有摄像领域中用于成像、透射等的镜头均是采用由树脂、塑料、玻璃等透明体材料制成镜片。由于此类镜片需通过透过厚度的渐变来引入光程差，从而使得光线产生聚焦或发散的效果，因此一般需要具有较大的尺寸。2016年6月Capasso等人在Science杂志352卷期号6290上发表了超表面的论文，并由此引发了全世界对于超透镜的研究。

超表面光学元件是近年来被提出并得到广泛关注的一种新型平面光学元件，超表面光学元件一般包括平面衬底，以及衬底上所布置的微纳结构阵列。超透镜采用由微纳米尺度结构引入的、与形状相关的Pancharatnam-Berry相位差，以使得被散射的入射光的相位可以被任意调制，并产生如聚焦、散焦、折光等多种几何光学中常见的效果。由于超表面光学元件的尺寸可以小于几何光学中的宏观光学元件的数个数量级，因此，在构建适合于集成化、超薄、超小型的光学元件方面具有广泛的应用前景。

虽然，由于加工能力和尺寸的限制，超透镜的当前性能与传统的玻璃或者塑料透镜相比具有差距，但由于其所基于的物理原理异于传统透镜，因此超透镜具有足够的潜力避免传统透镜中无法避免的像差或者杂光等顽固问题。

发明内容

本申请一方面提供了这样一种超透镜组。所述超透镜组沿着入射光的方向依序包括：第一超透镜、第二超透镜和第三超透镜，其中，所述入射光包括第一手性偏振光和与所述第一手性偏振光正交的第二手性偏振光。所述第一超透镜、所述第二超透镜和所述第三超透镜中的每一个的表面上具有多个相位补偿结构，其中，所述第一超透镜和所述第三超透镜的相位补偿结构分别对所述第一手性偏振光和所述第二手性偏振光补偿相同的相位；以及所述第二超透镜的相位补偿结构对所述第一手性偏振光和所述第二手性偏振光补偿不同的相位。在一个实施方式中，所述相位补偿结构是纳米子结构。

在一个实施方式中，所述第一超透镜的多个相位补偿结构旋转第一角度后与所述第三超透镜的多个相位补偿结构在所述入射光的方向上重叠。

在一个实施方式中，所述第一手性偏振光是左旋圆偏振光；所述第二手性偏振光是右旋圆偏振光。

在一个实施方式中，所述第一超透镜的不同位置的相位补偿结构对所述第一手性偏振光和所述第二手性偏振光补偿不同的相位。

在一个实施方式中，所述第三超透镜的不同位置的相位补偿结构对所述第一手性偏振光和所述第二手性偏振光补偿不同的相位。

在一个实施方式中，所述第二超透镜的不同位置的相位补偿结构对所述第一手性偏振光和所述第二手性偏振光补偿相同的相位。

在一个实施方式中，所述第一角度为π/8。

在一个实施方式中，所述第一超透镜、所述第二超透镜和所述第三超透镜还包括透明衬底，其中，所述相位补偿结构在所述透明衬底上通过电介质材料形成。

在一个实施方式中，形成所述相位补偿结构的所述电介质材料为无机电介质材料，所述无机电介质材料的折射率与形成所述透明衬底的材料的折射率不同。

在一个实施方式中，所述无机电介质材料的折射率大于形成所述透明衬底的材料的折射率。

在一个实施方式中，所述无机电介质材料包括硫化锌、氟化镁、二氧化钛、氧化锆、氢化硅、晶体硅、氮化硅、非晶硅、氮化镓、磷化镓、砷化镓中的至少一种。

在一个实施方式中，形成所述相位补偿结构的所述电介质材料为有机玻璃。

在一个实施方式中，所述相位补偿结构被形成为长方体翅片。

在一个实施方式中，所述相位补偿结构是高200nm-800nm、长和宽均在30nm-500nm的长方体翅片。

在一个实施方式中，所述纳米子结构的长或宽为50nm-2000nm。

在一个实施方式中，所述相位补偿结构被形成为长方体、柱体或半球体的实心微纳结构。

在一个实施方式中，所述实心微纳结构上进一步形成有长方体、柱体或半球体的空心结构。

本申请另一方面提供了一种超成像装置，该超成像装置包括：所述的超透镜组；以及成像传感器，将经所述超透镜组后的光转换为与所述光的信号成比例的电信号。

附图说明

结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：

图1是根据本申请实施方式的超透镜的示意图；

图2是根据本申请实施方式的相位补偿结构的示意图；

图3是根据本申请另一实施方式的相位补偿结构的示意图；

图4是根据本申请实施方式的超透镜组的示意图；

图5是根据本申请实施方式的正向入射的光束在超透镜组中的相位补偿结构示意图；以及

图6是根据本申请实施方式的背向反射的光束在超透镜组中的相位补偿结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。

应注意，在本说明书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一超透镜也可被称作第二超透镜。反之亦然。

在附图中，为了便于说明，已稍微调整了部件的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。如在本文中使用的，用语“大致”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。

还应理解的是，诸如“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”等表述在本说明书中是开放性而非封闭性的表述，其表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合的存在。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，其修饰整列特征，而非仅仅修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

除非另外限定，否则本文中使用的所有措辞(包括工程术语和科技术语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，除非本申请中有明确的说明，否则在常用词典中定义的词语应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化或过于形式化的意义解释。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

以下对本申请的特征、原理和其它方面进行详细描述。

图1是根据本申请实施方式的超透镜的示意图，图2是根据本申请实施方式的相位补偿结构的示意图，以及图3是根据本申请另一实施方式的相位补偿结构的示意图

超透镜100可包括衬底110和衬底110上的多个相位补偿结构，如101、102、103和104等。衬底110可以是透明衬底。多个相位补偿结构可以是纳米子结构。多个纳米子结构可以对入射至超透镜100的光束进行偏折处理，从而对光束进行相位补偿。入射光将通过超透镜100上的相位补偿结构引入一个与相位补偿结构的形状等相关的Pancharatnam-Berry(PB)相位差，从而对入射光的相位进行补偿以改变其传播的波前形状。如图1中的不同位置处的入射光111、112、113和114分别经过相应的相位补偿结构101、102、103和104后，其传播方向均发生改变，如入射光111变为光束121，入射光112变为光束122，入射光113变为光束123以及入射光114变为光束124。

相位补偿结构101、102、103和104在透明衬底110上通过电介质材料形成。形成相位补偿结构101、102、103和104的电介质材料可以是无机电介质材料，主要包括硫化锌、氟化镁、二氧化钛、氧化锆、氢化硅、晶体硅、氮化硅、非晶硅、氮化镓、磷化镓、砷化镓等无机介电材料中的至少一种材料，但也可以包括有机玻璃(PMMA)等有机物材料。形成相位补偿结构101、102、103和104的材料的折射率与形成衬底110的材料的折射率不同，一般要求形成相位补偿结构101、102、103和104的材料的折射率较高。单个相位补偿结构101、102、103或104的尺度与光的波长相似或更小，视工作波段的不同，其最大长度或高度可例如在50nm至2000nm的范围内。在超透镜100中，虽然将多个上述相位补偿结构101、102、103和104布置在透明衬底110上，由于相位补偿结构101、102、103和104的尺度相比于衬底110要小多个数量级，因此仍然可以认为超透镜100是平面的光学器件，即，超透镜100是近似平坦的。

相位补偿结构101、102、103和104可为长方体翅片。每个长方体翅片的高可以根据材料种类设置在200nm-800nm范围内，每个长方体翅片的长和宽可以根据材料种类设置在30nm-500nm的范围内，从而以尽可能多地在超透镜100上布置相位补偿结构。本领域技术人员应该理解，这种长方体翅片对于圆偏振的入射光可以近似于半波片起到调整相位的效果，使得旋转翅片旋转角度α的入射左旋或者右旋圆偏振光分别出射为旋转2α或者-2α的右旋或左旋偏振光。由此，使得长方体翅片的旋转角度各不相同而在不同的位置引入不同的PB相位差。

本领域技术人员还将知晓每个单个的相位补偿结构101、102、103或104并不限于长方体翅片，而是可以采用长方体、柱体、半球体等实心微纳结构，或者进一步在其上具有长方体、柱体、半球体的凹陷或者孔洞的空心或者部分空心微纳结构来实现相位的进一步微调，以达成消除色差、偏振敏感度等进一步的效果。尤其应当注意的是，相位补偿结构可以由多个不同尺寸的上述实心或者空心微纳结构的组合来组成一个单独的相位补偿单元，并利用多个相位补偿单元的组合达成消除色差、偏振敏感度等进一步的效果。非翅片形状的较复杂相位补偿结构提供的相位补偿还会响应波长的变化而产生变化，因此可以配置成相对于波长的变化产生根据需要变化的相位补偿，从而在一个较宽的光谱范围内实现近似相同的相位补偿。也就是说，超透镜100上的相位补偿结构101、102、103和104的大小、间距和旋转角度可以各不相同，而不限于彼此一致的情况。如果使用此类复杂相位补偿结构，则难以以解析形式计算所需的相位补偿结构的大小、间距和旋转角度等，而需要使用FDTD(时域有限差分)、有限元FEM等数值模拟方法进行分析。

如图1所示的超透镜100为了实现平面波形式的入射光的任意角度偏折，可以满足以下公式(1)所示的相位补偿：

其中，±表示对于左旋和右旋圆偏振光，λ为波长，r为相位补偿结构所处的位置坐标，θ为所需的折射角度。

在示例性实施方式中，如图2所示，考虑到多个相位补偿结构201可能为最简单的长方体翅片的情况，则将各位置处翅片的角度旋转Δφ/2即可将两种圆偏振光分开。

在示例性实施方式中，如图1所示的超透镜100还可以实现以下公式(2)所示的相位补偿：

其中，±表示对于左旋和右旋圆偏振光。如图3所示，在多个相位补偿结构301为长方体翅片时，不管r为多少都旋转相同的角度以便产生相同的相移。c可以根据情况自由选取，例如，c＝π/8或c＝3π/4。还可以对于分离后的左旋和右旋偏振光设置各自的区域，以减少两种偏振光所对应的相位补偿结构的重叠。

图4是根据本申请实施方式的超透镜组的示意图，图5是根据本申请实施方式的正向入射的光束在超透镜组中的相位补偿结构示意图；以及图6是根据本申请实施方式的背向反射的光束在超透镜组中的相位补偿结构示意图。

超透镜组1000可包括第一超透镜400、第二超透镜500和第三超透镜600。

第一超透镜400、第二超透镜500和第三超透镜600沿着入射光的方向即z轴依序设置。入射光可包括第一手性偏振光和与第一手性偏振光正交的第二手性偏振光。第一超透镜400、第二超透镜500和第三超透镜600均中的每一个的表面上均具有多个相位补偿结构，如图2或图3所示的。多个相位补偿结构对经过第一超透镜400、第二超透镜500和第三超透镜600的光束进行偏折处理以对其进行相位补偿。本申请提供的超透镜组1000具有防止背向反射的作用。第一、第二和第三并不表示对先后次序的限定，而只是为了区分入射光和反射光的方向。而在沿光轴传播的方向上，第一、第二和第三用于区分不同的超透镜。超透镜组1000可以包括但不限于三枚透镜，如多于三枚超透镜。在这种情况下，可将其中三枚超透镜用于防止背向反射的目的，而不必须使用更多的超透镜用于该目的。

如图4所示，第一超透镜400和第三超透镜600可均用于提供例如上述公式(1)所示的随r变化的相位补偿，从而产生将左旋和右旋偏振光成分分开折射的效果。即第一超透镜400和第三超透镜600上不同位置处的相位补偿结构补偿的相位可不同。第二超透镜500则可用于提供例如上述公式(2)所示的不随r变化的相位补偿(或者说至少不随r连续变化)。即第二超透镜500上不同位置处的相位补偿结构补偿的相位可相同。由于任何入射光均可被分解为左旋和右旋偏振光的组合，本申请的这种配置方式有利于去除偏振依赖性，从而不仅限于一般超透镜所依赖的单一手性偏振。第一超透镜400和第三超透镜600的相位补偿结构可相同也可不同，优选地，第一超透镜400和第三超透镜600的相位补偿结构彼此相同。第三超透镜600的相位补偿结构可以是相对于第一超透镜400的各个位置处的相位补偿结构进行旋转得到的。优选地，可以使第一超透镜400和第三超透镜600上的相位补偿结构是相同的，仅相对于彼此旋转即可。如，第一超透镜400上的相位补偿结构旋转第一角度后与第三超透镜600上的相位补偿结构在入射光的方向上重叠，优选地，第一角度为π/8。而第二超透镜500的相位补偿结构与第一超透镜400和第三超透镜600的相位补偿结构并不相同。在相位补偿结构为长方体翅片的情况下，第二超透镜500的相位补偿结构相对于不同手性的偏振光可在相应的区域旋转±c/2即可。如图4所示，第一超透镜400上的沿Y轴方向的光束410经过第二超透镜500时，由于第二超透镜500的相位补偿结构与第一超透镜400的相位补偿结构不同，光束410可偏转一定角度α形成与Y轴成α角度的光束510。由于第三超透镜600的相位补偿结构可以是相对于第一超透镜400的各个位置处的相位补偿结构进行旋转得到的，因此，光束510在经过第三超透镜600时，没有再次被偏转，仍然与Y轴成α角度，即光束510变为光束610。

如图5所示，正向入射的光束在超透镜组1000中的传播路径，即入射光沿着光轴由物侧依序经过第一超透镜400、第二超透镜500以及第三超透镜600，并最终射出。入射光中第一手性偏振光420如左旋光束和第二手性偏振光430如右旋光束。优选地，第一手性偏振光420是左旋圆偏振光；第二手性偏振光430是右旋圆偏振光。第一超透镜400对第一手性偏振光420和第二手性偏振光430具有不同的相位补偿。第一手性偏振光420和第二手性偏振光430在经过第一超透镜400时将分别按照各自的旋转角度Δφ偏转，其中，第一手性与第二手性正交。可将其中一个光束的传播方向设置为z轴，如将光束430的传播方向设置为z轴。光束420和光束430在经过第一超透镜400时，光束430变为光束431，而光束420则变为光束421并向Y方向上偏移。光束421和光束431经过第二超透镜500时，第二超透镜500对光束421和光束431可具有相同的相位补偿，则光束431和光束421的相位可被以相同的旋转角度分别向相反的方向旋转形成光束432和光束422，即光束431变为光束432，光束421变为光束422。光束432和光束422在经过第三超透镜600时，第三超透镜600对光束432和光束422可具有不同的相位补偿，即光束432和光束422再次发生偏转，此时，光束432变为光束433，光束433射出超透镜组后形成光束434，光束434可继续沿z轴到达传感器等。但光束422则进一步偏转为光束423，光束423射出超透镜组后形成光束424，此时，光束424以偏离z轴较远，从而可避免到达后面的传感器。

在实际应用中，由于杂光等问题是由光束的背向反射造成的，如图6所示，上述正向入射的光束被反射后在超透镜组1000中的传播路径。此时，反射光中第一手性偏振光530和第二手性偏振光520在入射至第三超透镜600后，光束520在Y方向被偏转，变为光束521，光束530未被偏转而保持在z轴方向上变为光束531，光束521和光束531在经过第二超透镜500时，光束531变为光束532，光束521变为光束522。光束522和光束532在经过第一超透镜400时，再次发生偏转，此时，光束532在Y方向被偏转，变为光束533，光束522变为光束523。光束523和光束533在经过第一超透镜400后，形成的光束524和光束534均偏离了z轴。这样可以通过在z轴以外的方向上布置光吸收结构，如镀膜、粗糙表面等来吸收反射的光束，以避免反射光的进一步反射。这样就可以通过超透镜组来实现集成的单向传播机制，用于降低各种光传输条件下的背向反射。

本申请还提供了一种超成像装置。该超成像装置可包括：超透镜组；以及图像传感器。图像传感器可以将经超透镜组后的光转换为与光的信号成比例的电信号，以实现成像效果。

以上描述仅为本申请的实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的保护范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述技术构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (17)

1.一种超透镜组，沿着入射光的方向依序包括：第一超透镜、第二超透镜和第三超透镜，其中，所述入射光包括第一手性偏振光和与所述第一手性偏振光正交的第二手性偏振光，

其特征在于，

所述第一超透镜、所述第二超透镜和所述第三超透镜包括透明衬底；

所述第一超透镜、所述第二超透镜和所述第三超透镜中的每一个的表面上具有多个纳米子结构的相位补偿结构，其中所述相位补偿结构在所述透明衬底上通过电介质材料形成，

其中，所述第一超透镜和所述第三超透镜的相位补偿结构分别对所述第一手性偏振光和所述第二手性偏振光补偿相同的相位；以及

所述第二超透镜的相位补偿结构对所述第一手性偏振光和所述第二手性偏振光补偿不同的相位。

2.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，所述第一超透镜的多个相位补偿结构旋转第一角度后与所述第三超透镜的多个相位补偿结构在所述入射光的方向上重叠。

3.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，所述第一手性偏振光是左旋圆偏振光；所述第二手性偏振光是右旋圆偏振光。

4.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，所述第一超透镜的不同位置的相位补偿结构对所述第一手性偏振光和所述第二手性偏振光补偿不同的相位。

5.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，所述第三超透镜的不同位置的相位补偿结构对所述第一手性偏振光和所述第二手性偏振光补偿不同的相位。

6.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，所述第二超透镜的不同位置的相位补偿结构对所述第一手性偏振光和所述第二手性偏振光补偿相同的相位。

7.根据权利要求2所述的超透镜组，其特征在于，所述第一角度为π/8。

8.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，形成所述相位补偿结构的所述电介质材料为无机电介质材料，所述无机电介质材料的折射率与形成所述透明衬底的材料的折射率不同。

9.根据权利要求8所述的超透镜组，其特征在于，所述无机电介质材料的折射率大于形成所述透明衬底的材料的折射率。

10.根据权利要求8所述的超透镜组，其特征在于，所述无机电介质材料包括硫化锌、氟化镁、二氧化钛、氧化锆、氢化硅、晶体硅、氮化硅、非晶硅、氮化镓、磷化镓、砷化镓中的至少一种。

11.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，形成所述相位补偿结构的所述电介质材料为有机玻璃。

12.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，所述相位补偿结构被形成为长方体翅片。

13. 根据权利要求12所述的超透镜组，其特征在于，所述相位补偿结构是高200 nm-800 nm、长和宽均在30 nm-500 nm的长方体翅片。

14. 根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，所述纳米子结构的长或宽为50 nm-2000 nm。

15.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，所述相位补偿结构被形成为长方体、柱体或半球体的实心微纳结构。

16.根据权利要求15所述的超透镜组，其特征在于，所述实心微纳结构上进一步形成有长方体、柱体或半球体的空心结构。

17. 一种超成像装置，其特征在于，所述超成像装置包括：

权利要求1-16中任一项所述的超透镜组；以及

成像传感器，将经所述超透镜组后的光转换为与所述光的信号成比例的电信号。