CN112326031A - 一种广义哈德曼传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及微纳光学及光学检测领域，特别涉及一种广义哈德曼传感器。本发明实施例提供一种广义哈德曼传感器，包括第一超构表面元件和第二超构表面元件，第一超构表面元件和第二超构表面元件均包括：介质衬底以及至少一个周期的电介质纳米结构阵列，电介质纳米结构阵列设置在介质衬底上，电介质纳米结构阵列包含至少一个电介质纳米柱，第一超构表面元件用于将入射光聚焦到第二超构表面元件，第二超构表面元件用于显示入射光带有偏振态信息的图像，当入射光经过该广义哈德曼传感器后，可以通过光斑偏移检测入射光的波前相位，以及通过出射光图案来检测入射光的偏振态信息。
Description
技术领域
本发明实施例涉及微纳光学及光学检测领域，特别涉及一种广义哈德曼传感器。
背景技术
超构表面光学元件允许人们在二维平面上对光的相位，幅值，偏振等进行任意调控，从而形成拥有各类功能的光学元件，光学传感器便是其中的应用之一。哈德曼传感器是光学传感器的典型应用之一，被广泛运用在自适应光学系统中，以校正波前像差。传统的基于cmos和微透镜阵列的传统的哈德曼传感器只能检测波前相位，不能对入射光的偏振状态进行检测，而光的偏振态的检测对于偏振成像、矢量光场检测都有很重要的意义。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例主要解决的技术问题是提供一种广义哈德曼传感器，能够检测入射光的波前相位信息和偏振态。
本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种广义哈德曼传感器，包括：第一超构表面元件和第二超构表面元件；所述第一超构表面元件用于将入射光聚焦到所述第二超构表面元件，所述第二超构表面元件用于显示所述入射光带有偏振态信息的图像；所述第一超构表面元件和所述第二超构表面元件均包括：介质衬底以及至少一个周期的电介质纳米结构阵列；
所述至少一个周期的电介质纳米结构阵列设置在所述介质衬底上，所述至少一个周期的电介质纳米结构阵列包含至少一个电介质纳米柱。
在一些实施例中，所述第一超构表面元件电介质纳米结构阵列的数量与所述第二超构表面元件电介质纳米结构阵列的数量一致，所述第一超构表面元件电介质纳米结构阵列的大小与所述第二超构表面元件电介质纳米结构阵列的大小一致。
在一些实施例中，所述第二超构表面元件的电介质纳米结构阵列内有两个电介质纳米柱；其中，所述两个电介质纳米柱的长轴尺寸不一致，所述两个电介质纳米柱的短轴尺寸不一致，所述两个电介质纳米柱在所述介质衬底表面的面内角度不一致。
在一些实施例中，所述第二超构表面元件的电介质纳米结构阵列包括第一电介质纳米柱、第二电介质纳米柱、第三电介质纳米柱和第四电介质纳米柱；
其中，所述第一电介质纳米柱、所述第二电介质纳米柱以及所述第三电介质纳米柱的长轴尺寸一致，所述第一电介质纳米柱、所述第二电介质纳米柱以及所述第三电介质纳米柱的短轴尺寸一致，所述第一电介质纳米柱、所述第二电介质纳米柱以及所述第三电介质纳米柱在所述介质衬底表面的面内角度均不一致，所述第一电介质纳米柱和所述第四电介质纳米柱的长轴尺寸不一致，所述第一电介质纳米柱和所述第四电介质纳米柱的短轴尺寸不一致。
在一些实施例中，所述介质衬底的厚度为0.2cm-5cm。
在一些实施例中，所述电介质纳米柱的高度为200nm-300nm。
在一些实施例中，所述介质衬底为氧化铟锡导电玻璃、石英衬底、氧化硅衬底、硅衬底、金刚石衬底和氮化硅衬底中的至少一种。
在一些实施例中，所述电介质纳米柱的结构为矩形纳米结构、v性纳米结构、非对称十字纳米结构、圆形与矩形组合纳米结构和曲线型纳米结构的至少一种。
在一些实施例中，所述电介质纳米柱的材料为氧化钛、氧化铪、氧化硅、硅、金属银、金属金和氮化硅中的至少一种。
在一些实施例中，所述第一超构表面元件和所述第二超构表面元件由光刻工艺、lift-off工艺、套刻工艺以及封装工艺集成。
本发明实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例提供一种广义哈德曼传感器，包括第一超构表面元件和第二超构表面元件，第一超构表面元件和第二超构表面元件均包括：介质衬底以及至少一个周期的电介质纳米结构阵列，电介质纳米结构阵列设置在介质衬底上，电介质纳米结构阵列包含至少一个电介质纳米柱，第一超构表面元件用于将入射光聚焦到第二超构表面元件，第二超构表面元件用于显示入射光带有偏振态信息的图像，当入射光经过该广义哈德曼传感器后，可以通过光斑偏移检测入射光的波前相位，以及通过出射光图案来检测入射光的偏振态信息。
附图说明
一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的一种广义哈德曼传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种超构表面元件的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种电介质纳米柱的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种广义哈德曼传感器的集成结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。
本发明实施例提供了一种广义哈德曼传感器100，请参阅图1和图 2，包括：第一超构表面元件10和第二超构表面元件20，第一超构表面元件10用于将入射光A聚焦到第二超构表面元件20，第二超构表面元件20用于显示入射光A带有偏振态信息的图像，第一超构表面元件10 和第二超构表面元件20均包括：介质衬底1以及至少一个周期的电介质纳米结构阵列2，其中，所述至少一个周期的电介质纳米结构阵列2 设置在介质衬底1上，所述至少一个周期的电介质纳米结构阵列2包含至少一个电介质纳米柱3。
该广义哈德曼传感器100可以用于检测入射光的波前相位信息，以及检测入射光的偏振态信息。当入射光A从第一超构表面元件10的介质衬底一侧射入，经过该广义哈德曼传感器100的第一超构表面元件10 后，此时，第一超构表面元件10的每一个电介质纳米结构阵列相当于一个光学透镜的作用，光斑会聚焦至第二超构表面元件20，接着可通过图像识别的方式，识别第一超构表面元件10的每一个电介质纳米结构阵列的轮廓，并以第一超构表面元件10的电介质纳米阵列的中心为原点建立二维坐标系，通过探测聚焦的光斑在x轴和y轴的偏移量，并结合第一超构表面元件10的焦距，计算出所述光斑与所述第一超构表面元件10的偏离角，最后通过算法可以得到波前相位信息；接着所述入射光A从第二超构表面元件20的电介质纳米结构阵列一侧射出，经过第二超构表面元件20后，不同偏振态的入射光会显示不同的图案，因此通过设计第二超构表面元件20的结构参数，分别利用接收屏30获取水平偏振，垂直偏振，45度斜偏振以及圆偏振下的光强大小获得斯托克斯四个参量值反推出入射光的偏振态。在其中一些实施例中，接收屏30 可以采用CCD器件或者CMOS器件，用于采集光强大小，在实际应用中，接收屏30可按实际需要进行设置，不需要拘泥于本发明实施例中的限定。
为了保证广义哈德曼传感器100能同时检测入射光波前相位信息以及偏振态信息，在其中一些实施例中，第一超构表面元件10电介质纳米结构阵列的数量与第二超构表面元件20电介质纳米结构阵列的数量一致，同时，第一超构表面元件10电介质纳米结构阵列的大小与第二超构表面元件20电介质纳米结构阵列的大小一致。其中，电介质纳米结构阵列的大小是指该电介质纳米结构阵列所占的介质衬底的面积大小。
请参阅图3，一个电介质纳米柱3有三个自由度，分别为长轴D1，短轴D2和面内角度θ，其中，电介质纳米柱3在介质衬底1表面的面内角度为电介质纳米柱3短轴D2的对称轴与以介质衬底1的水平(X轴) 正方向所成的夹角，且以逆时针旋转方向为正。由于此电介质纳米柱3 的长轴D1和短轴D2两个横截面的长度不同，因此沿两个方向的等效折射率也不同，因此，每个电介质纳米柱3可以看作双折射单元，其可以在正交偏振上产生不同的相位。
在其中一些实施例中，第二超构表面元件30的电介质纳米结构阵列内有两个电介质纳米柱3；其中，两个电介质纳米柱3的长轴D1尺寸不一致，两个电介质纳米柱3的短轴D2尺寸不一致，两个电介质纳米柱3在所述介质衬底1表面的面内角度θ不一致。此时，对于该电介质纳米结构阵列有6个自由度，即有6个设计参数可以自由设置，这6个设计参数分别为两个电介质纳米柱3的长轴D1尺寸、两个电介质纳米柱3的短轴D2尺寸以及两个电介质纳米柱3在所述介质衬底1表面的面内角度θ，对此，可以先依据算法获得左旋圆偏振光、右旋圆偏振光、水平偏振、垂直偏振、左斜45°偏振、右斜45°偏振的六套相位信息，然后再根据六套相位信息得到电介质纳米结构阵列对应的六个自由度的参数。
在一些实施例中，请参阅图2，第二超构表面元件20的电介质纳米结构阵列2包括第一电介质纳米柱31、第二电介质纳米柱32、第三电介质纳米柱33和第四电介质纳米柱34；其中，第一电介质纳米柱31、第二电介质纳米柱32以及第三电介质纳米柱33的长轴尺寸一致，第一电介质纳米柱31、第二电介质纳米柱32以及第三电介质纳米柱33的短轴尺寸一致，第一电介质纳米柱31、第二电介质纳米柱32以及第三电介质纳米柱33在介质衬底1表面的面内角度均不一致，第一电介质纳米柱31和第四电介质纳米柱34的长轴尺寸不一致，第一电介质纳米柱 31和第四电介质纳米柱34的短轴尺寸不一致。
例如，请继续参阅图2，在设计该电介质纳米结构阵列2时，可以将第一电介质纳米柱31的面内角度设置为90°，第四电介质纳米柱34 的面内角度为45°，因此第一电介质纳米柱的长轴尺寸lx和短轴尺寸ly，第四电介质纳米柱的长轴尺寸lx和短轴尺寸ly，第二电介质纳米柱在介质衬底表面的面内角度θr和第二电介质纳米柱在介质衬底表面的面内角度θl均可自由设置，此时第一电介质纳米柱31、第二电介质纳米柱32 和第三电介质纳米柱33的长轴尺寸lx以及短轴尺寸ly一致、面内角度各不相同，同时第四电介质纳米柱34的面内角度固定，尺寸未定，因此在该电介质纳米结构阵列2中，一共有6个设计参数可以自由设置，对此，可以先依据算法获得左旋圆偏振光、右旋圆偏振光、水平偏振、垂直偏振、左斜45°偏振、右斜45°偏振的六套相位信息，然后再得到电介质纳米结构阵列对应的六个自由度的参数。在实际应用中，电介质纳米结构阵列的电介质纳米柱的数量、以及结构均可按实际需要进行设置，不需要拘泥于本发明实施例中的限定。
在其中一些实施例中，介质衬底1的厚度为0.2cm-5cm，在实际应用中，介质衬底1的厚度可以按照实际需要进行设置，不需要拘泥于本发明实施例中的限定。
在其中一些实施例中，请参阅图3，所述电介质纳米柱3的高度H 为200nm-300nm，电介质纳米柱3的结构为矩形纳米结构、v性纳米结构、非对称十字纳米结构、圆形与矩形组合纳米结构和曲线型纳米结构的至少一种。在实际应用中，电介质纳米柱3的高度以及结构均可按照实际需要在介质衬底表面任意设置，不需要拘泥于本发明实施例中的限定。
为了能让广义哈德曼传感器100能够在不同波长范围内使用，在其中一些实施例中，介质衬底1为氧化铟锡导电玻璃、石英衬底、氧化硅衬底、硅衬底、金刚石衬底和氮化硅衬底中的至少一种，电介质纳米柱 3的材料为氧化钛、氧化铪、氧化硅、硅、金属银、金属金和氮化硅中的至少一种，通过选择超构表面元件的不同材料，可以让广义哈德曼传感器100在紫外波段、可见光波段和红外波段使用，即可以在一定波长范围内使用。在实际应用中，超构表面元件的介质衬底材料和电介质纳米柱材料均可按照实际需要进行设定，不需要拘泥于本发明实施例中的限定。
在其中一些实施例中，所述第一超构表面元件10和所述第二超构表面元件20由光刻工艺、lift-off工艺、套刻工艺以及封装工艺集成。例如，请参阅图4，先在第一超构表面元件10和第二超构表面元件20 的介质衬底1上用lift-off工艺制作mark30，mark30用于对准第一超构表面元件10和第二超构表面元件20，然后分别在第一超构表面元件 10的介质衬底和第二超构表面元件20的介质衬底上加工超构表面，接着再用光刻工艺制作边框40，其中，边框40的高度与第一超构表面元件10的焦点一致，最后再将第一超构表面元件10和第二超构表面元件 20对准封装。在实际应用中，第一超构表面元件10和第二超构表面元件20的集成工艺可按实际需要进行集成，不需要拘泥于本发明实施例中的限定。
本发明实施例提供一种广义哈德曼传感器，包括第一超构表面元件和第二超构表面元件，第一超构表面元件和第二超构表面元件均包括：介质衬底以及至少一个周期的电介质纳米结构阵列，电介质纳米结构阵列设置在介质衬底上，电介质纳米结构阵列包含至少一个电介质纳米柱，第一超构表面元件用于将入射光聚焦到第二超构表面元件，第二超构表面元件用于显示入射光带有偏振态信息的图像，当入射光经过该广义哈德曼传感器后，可以通过光斑偏移检测入射光的波前相位，以及通过出射光图案来检测入射光的偏振态信息。
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种广义哈德曼传感器，其特征在于，包括：第一超构表面元件和第二超构表面元件；所述第一超构表面元件用于将入射光聚焦到所述第二超构表面元件，所述第二超构表面元件用于显示所述入射光带有偏振态信息的图像；所述第一超构表面元件和所述第二超构表面元件均包括：介质衬底以及至少一个周期的电介质纳米结构阵列；
所述至少一个周期的电介质纳米结构阵列设置在所述介质衬底上，所述至少一个周期的电介质纳米结构阵列包含至少一个电介质纳米柱。
2.根据权利要求1所述的广义哈德曼传感器，其特征在于，所述第一超构表面元件电介质纳米结构阵列的数量与所述第二超构表面元件电介质纳米结构阵列的数量一致，所述第一超构表面元件电介质纳米结构阵列的大小与所述第二超构表面元件电介质纳米结构阵列的大小一致。
3.根据权利要求2所述的广义哈德曼传感器，其特征在于，所述第二超构表面元件的电介质纳米结构阵列内有两个电介质纳米柱；其中，所述两个电介质纳米柱的长轴尺寸不一致，所述两个电介质纳米柱的短轴尺寸不一致，所述两个电介质纳米柱在所述介质衬底表面的面内角度不一致。
4.根据权利要求2所述的广义哈德曼传感器，其特征在于，所述第二超构表面元件的电介质纳米结构阵列包括第一电介质纳米柱、第二电介质纳米柱、第三电介质纳米柱和第四电介质纳米柱；
其中，所述第一电介质纳米柱、所述第二电介质纳米柱以及所述第三电介质纳米柱的长轴尺寸一致，所述第一电介质纳米柱、所述第二电介质纳米柱以及所述第三电介质纳米柱的短轴尺寸一致，所述第一电介质纳米柱、所述第二电介质纳米柱以及所述第三电介质纳米柱在所述介质衬底表面的面内角度均不一致，所述第一电介质纳米柱和所述第四电介质纳米柱的长轴尺寸不一致，所述第一电介质纳米柱和所述第四电介质纳米柱的短轴尺寸不一致。
5.根据权利要求1-4任一项所述的广义哈德曼传感器，其特征在于，所述介质衬底的厚度为0.2cm-5cm。
6.根据权利要求1-4任一项所述的广义哈德曼传感器，其特征在于，所述电介质纳米柱的高度为200nm-300nm。
7.根据权利要求1-4任一项所述的广义哈德曼传感器，其特征在于，所述介质衬底为氧化铟锡导电玻璃、石英衬底、氧化硅衬底、硅衬底、金刚石衬底和氮化硅衬底中的至少一种。
8.根据权利要求1-4任一项所述的广义哈德曼传感器，其特征在于，所述电介质纳米柱的结构为矩形纳米结构、v性纳米结构、非对称十字纳米结构、圆形与矩形组合纳米结构和曲线型纳米结构的至少一种。
9.根据权利要求1-4任一项所述的广义哈德曼传感器，其特征在于，所述电介质纳米柱的材料为氧化钛、氧化铪、氧化硅、硅、金属银、金属金和氮化硅中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的广义哈德曼传感器，其特征在于，所述第一超构表面元件和所述第二超构表面元件由光刻工艺、lift-off工艺、套刻工艺以及封装工艺集成。
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