CN112505808A - 一种长波红外宽带消色差超表面透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长波红外宽带消色差超表面透镜，属于红外成像领域和微纳光子学领域，该超表面透镜中的超表面透镜单元按照四方晶格的形式周期性排列；超表面透镜单元由电介质衬底和位于电介质衬底中心的微结构组成，且微结构在电介质衬底上的投影图案是关于90°角旋转对称的图形；不同位置的微结构所引入的相位和相位色散满足

和

各位置处的微结构选取方式为：根据上述两个公式得到理论参数组合，通过带加权的一阶线性拟合得到各微结构所在单元的相位及对应的相位色散，记为实际参数组合，将各参数组合绘制在同一散点图中，选取与理论参数组合最接近的实际参数组合对应的微结构。本发明能够在长波红外波段内实现宽带消色差。

Description

一种长波红外宽带消色差超表面透镜

技术领域

本发明属于红外成像领域和微纳光子学领域，更具体地，涉及一种长波红外宽带消色差超表面透镜。

背景技术

在传统红外光学系统中，通常采用折射光学元件如玻璃透镜实现成像，这类透镜通过前后表面的折射作用实现对光的调控，实际工作区域体积与透镜整体体积相比，空间利用率低下，造成了光学系统微型化、小型化困难的问题。超表面作为一种新兴的亚波长人工材料，通过对于阵列单元的人为设计，可以实现对入射光的振幅、相位等多种光学特性的任意调控，从而产生一系列新颖的物理特性，例如负折射率材料，由此引出了一系列基于超表面结构的新型技术。作为超表面的一个重要应用方向，通过对超表面单元人为设计制成的超表面透镜(超透镜)，可以实现与传统玻璃透镜相同的聚焦成像功能，同时保留超表面作为微纳器件的超薄特性，可以将透镜厚度缩小到微米量级，为红外成像系统的设计提供了新方案。

如何消除色差是超透镜设计中的主要难点，对于未做消色差设计的超透镜，透镜会将对应波长下垂直入射的平行光汇聚到所设计的焦点上，而对于其他波长下的入射光，由于不完全满足相位调制的公式，会汇聚在光轴的其他位置上，同时光斑的质量也变差，由此产生一个轴向的色差；这一色差随着超透镜的工作带宽以及超透镜直径的增大会逐渐增大，使得超透镜无法正常聚焦，因此对于宽光谱的应用情景，消色差设计是必不可少的。

在申请公开号为CN109196387A的专利申请文件中，利用全介质超表面在可见光波段实现的近衍射极限聚焦，但是不同波长下的焦距沿轴向有较大漂移，成像效果严重受到色散的制约。EhsanArbabi等人利用粒子群算法的优化，实现了长波红外波段多个分立波长下的消色差成像，但在宽带光源下聚焦效率极低。SajanShrestha等人所提出的近红外波段的宽带消色差超透镜比较好地实现了偏振无关的成像，但是受制于色散补偿能力的限制，孔径受限，仅为30μm，且近红外波段的光学材料在8μm-12μm长波红外波段有较强的吸收，无法应用于红外超透镜。同时，在不同波长范围内，超表面结构的尺寸相差较大，微纳工艺具有较大差异。

现有的关于超透镜宽带消色差成像相关专利，都未能有效保证透镜聚焦时的高聚焦效率，发明专利CN109799611A利用多层超表面结构的相位补偿作用消除超透镜的色差，一方面由于采用多层透镜组合，总体透过率低下且结构复杂，同时该专利仅考虑整体的相位而未考虑超透镜实际相位分布与完美消色差公式间的匹配关系，无法实现近衍射极限的聚焦。

总体而言，超透镜为长波红外成像系统提供了一种超薄的平面透镜设计方案，然而其在消除色差上存在一定困难。在近红外、可见光波段实现的宽带消色差方案，比较好的消除了宽带光的色散，但孔径受限，且其设计方法及材料体系无法沿用至长波红外波段；而长波红外波段现有的超透镜设计，仅能实现多个波长下分立的消色差，无法应用于宽带光源成像系统。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种长波红外宽带消色差超表面透镜，其目的在于，解决现有的超表面透镜无法在长波红外波段消除宽带光的色差的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种长波红外宽带消色差超表面透镜，该超表面透镜中的超表面透镜单元按照四方晶格的形式周期性排列；超表面透镜单元由电介质衬底和位于电介质衬底中心的微结构组成，且微结构在电介质衬底上的投影图案是关于90°角旋转对称的图形；

不同位置的微结构所引入的相位

和相位色散

满足如下公式所示的条件：

其中，r为微结构中心与超表面透镜中心的距离，ω为工作波长对应的角频率，R为超表面透镜的半径，f为超表面透镜的焦距，c表示光速；ω₁和ω₂分别表示目标波段的最小波长和最大波长所对应的角频率，目标波段位于长波红外波段。

上述公式(1)为超透镜的聚焦成像公式，以平行光正入射为例，入射光的波前为一平面波，平面内各个位置的相位相等；经由超透镜，根据超透镜表面各个微结构单元对入射光的相位的调控作用，会在入射光相位的基础上附加一个取决于微结构自身特性的附加相位

通过满足公式(1)分布的超透镜，会将入射的平面波调制成一个球面波，从而汇聚至超透镜的焦点位置，实现对入射平行光的聚焦。本发明所提供的长波红外宽带消色差超表面透镜，其中微结构所引入的相位满足上述公式(1)，保证了聚焦特性。

由上述公式(1)的变量可知，不同波长下，将入射光调制成所需的球面波须满足的相位不同，其一阶色差近似为最大波长和最小波长下的相位之差；本发明所提供的长波红外宽带消色差超表面透镜，其中微结构的相位色散同时满足上述公式(2)，即其相位色散为最大波长和最小波长下的相位之差，能够有效补偿不同波长下引入的色差，使超透镜能将不同波长的光汇聚于同一焦点，因此，本发明所提供的超透镜能够在长波红外波段消除宽带光的色差。

本发明所提供的长波红外宽带消色差超表面透镜，其中的超表面单位均为对称结构，使得超透镜对光源的偏振态不敏感，能够在非偏振的光源下成像。

进一步地，不同位置的微结构选取方式为：

按照公式(1)和公式(2)计算相位及对应相位色散，记为理论参数组合；

对于不同特征尺寸的微结构，通过带加权的一阶线性拟合得到各微结构所在超表面透镜单元的相位关于角频率的变化曲线，并从中提取各微结构所在超表面透镜单元的相位及对应的相位色散，记为实际参数组合；

在同一幅图中绘制所有的理论参数组合和实际参数组合，得到以相位为横坐标、以相位色散为纵坐标的散点图，选取散点图中与理论参数组合最接近的实际参数组合所对应的微结构作为超表面透镜中相应位置处的微结构。

本发明基于理论公式计算相位和相位色散的理论参数组合，并通过带加权的一阶线性拟合的方式得到不同特征尺寸的微结构所在超表面透镜单元的相位和相位色散的实际参数组合，绘制散点图后，将最接近理论参数组合的实际相位参数组合对应的微结构作为相应位置处的微结构，由此保证所选取的微结构贴合理论公式，有效保证消色差的效果；由于微结构投影图案的尺寸的变化引起单元相位-色散参数的变化，上述选取微结构的方法，在保证消色差效果的同时，有效简化了微结构的选取过程。

进一步地，选取散点图中与理论参数组合最接近的实际参数组合所对应的微结构作为超表面透镜中相应位置出的微结构时，优先选取具有更高的拟合优度值或者相位关于角频率的二阶导数更低的微结构。

在基于散点图选取与理论参数组合最接近的实际参数组合时，可能得到多个结果，而带加权的一阶线性拟合的拟合优度值、相位关于角频率的二阶导数反映了实际微结构消色差效果与理论理想值之间的匹配关系，本发明优先选取具有更高的拟合优度值或者相位关于角频率的二阶导数更低的微结构，能够进一步保证微结构在整个带宽下随波长连续性色散补偿的能力，进而提高超透镜整体的聚焦效率。

进一步地，通过带加权的一阶线性拟合得到微结构所在超表面透镜单元的相位关于角频率的变化曲线，并从中提取微结构所在超表面透镜单元的相位及对应的相位色散，其方式包括：

通过仿真得到不同工作波长所对应的角频率下，微结构所在超表面透镜单元所引入的相位，从而得到微结构所在超表面透镜单元的相位关于角频率的散点分布，以相位为因变量，以角频率为自变量，以各频率下微结构所在超表面透镜单元的透过率为权重，进行带加权的一阶线性拟合，得到微结构所在超表面透镜单元的相位关于角频率的变化曲线；

仅保留透过率高于预设的第一阈值的超表面透镜单元；对于所保留的超表面透镜单元，将其相位关于角频率的变化曲线中，目标波段最大波长对应的角频率处的相位取值作为微结构所在超表面透镜单元的相位；将变化曲线中，目标波段最大波长和最小波长对应的角频率处的相位取值之差，作为微结构所在超表面透镜单元的相位色散，从而得到微结构所在超表面透镜单元的相位及对应的相位色散。

本发明通过仿真的方法实现带加权的一阶线性拟合，使得微结构内谐振引入的低透过率和错误相位在加权拟合中被排除，能够进一步保证超透镜消色差的效果。

进一步地，超表面透镜被不同半径的同心圆划分为一个圆形区域，以及一个或多个圆环区域，同一个区域内的微结构单元相同。

本发明对超表明透镜进行分区，并在不同分区内采用统一类型的微结构，排除其他不同类型的结构，能够使单个分区内结构变化趋于平滑，相邻微结构单元模式变化的速率大大降低，有效抑制了单元间的散射效应，从而保证了相位的平滑、连续变化，进一步优化了超表面透镜的透过率和聚焦效率。

进一步地，超表面透镜单元中，微结构在电介质衬底上的投影图案为圆形、圆环、同心的圆环内嵌套圆形、正方形、方框、或者同心的方框内嵌套正方形。

进一步地，目标波段为8μm-12μm。

硅材料为常用的电介质材料，其在8μm-12μm波段范围具有较大透过率，本发明具体设定目标波段为8μm-12μm，使得超表面透镜可以基于硅材料实现。

进一步地，所有微结构单元中的微结构高度相同，且高度为2μm-12μm；微结构单元的周期为2μm-8μm。

进一步地，微结构高度为5μm-7μm，且微结构单元的周期为4μm-6μm；

或者，微结构高度为7.5μm-12μm，且微结构单元的周期为2.5μm-4μm。

进一步地，微结构材料在目标波段内的透过率高于预设的第二阈值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供的长波红外宽带消色差超表面透镜，其中不同位置处的微结构引入的相位

满足

相位色散

满足

使得微结构满足聚焦特性的同时，有效补偿了不同波长下引入的色差，使超透镜能将不同波长的光汇聚于同一焦点，因此，本发明所提供的超透镜能够在长波红外波段消除宽带光的色差。

(2)本发明基于理论公式计算相位和相位色散的理论参数组合，并通过带加权的一阶线性拟合的方式得到不同特征尺寸的微结构的相位和相位色散的实际参数组合，绘制散点图后，将最接近理论参数组合的实际相位参数组合对应的微结构作为相应位置处的微结构，由此保证所选取的微结构贴合理论公式，有效保证消色差的效果，同时，有效简化了微结构的选取过程。

(3)本发明在选取各位置处的微结构时，结合拟合优度值或相位关于角频率的二阶导数择优选取，能够进一步保证微结构在整个带宽下随波长连续性色散补偿的能力，进而提高超透镜整体的聚焦效率。

(4)本发明对超表明透镜进行分区，并在不同分区内采用统一类型的微结构，排除其他不同类型的结构，能够使单个分区内结构变化趋于平滑，相邻微结构单元模式变化的速率大大降低，有效抑制了单元间的散射效应，从而保证了相位的平滑、连续变化，使得超表面透镜具有极高的透过率和聚焦效率。

(5)本发明所提供的长波红外宽带消色差超表面透镜，其中的超表面单位均为对称结构，使得超透镜对光源的偏振态不敏感，能够在非偏振的光源下成像。

(6)本发明所提供的长波红外宽带消色差超表面透镜，在目标波段范围内的任意波长下均可实现近衍射极限聚焦，轴向色差极小，有效消除超透镜的一阶以及二阶色差。

附图说明

图1为本发明实施例提供的长波红外宽带消色差超表面透镜的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的长波红外宽带消色差超表面透镜在垂直截面上的二维结构示意图；

图3为本发明实施例提供的超表面透镜单元示意图；

图4为本发明实施例提供的超表面透镜单元中微结构在电介质衬底上的投影图案示意图；其中，(a)为圆形投影图案，(b)为圆环投影图案，(c)为同心的圆环内嵌套圆形投影图案，(d)为正方形投影图案，(e)方框投影图案，(f)同心的方框内嵌套正方形投影图案；

图5为本发明实施例提供的参数组合散点图；

图6为本发明实施例提供的带加权的一阶线性拟合示意图；

图7为本发明实施例提供的超表面透镜成像光路示意图；

图8为本发明实施例提供的超表面单元阵列向基底表面的投影图案；

图9为本发明实施例提供的分区后，各区域内的微结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

针对现有的超表面透镜无法在长波红外波段消除宽带光的色差的技术问题，本发明提供了一种长波红外宽带消色差超表面透镜，其整体思路在于：基于超表面透镜中色差产生的原理，确定各位置处的微结构的相位色散所应满足的条件，并基于此确定各位置处的微结构，使得超透镜单元能够很好地贴近成像和消色差的理论公式，保证了微结构在整个带宽下随波长连续性色散补偿的能力。

本发明提供的长波红外宽带消色差超表面透镜，如图1和图2所示，由下层的电介质基底和上层的二维人工微结构构成，一个微结构及其下的部分电介质衬底构成一个超表面单元，该超表面透镜中的超表面透镜单元按照四方晶格的形式周期性排列；如图3所示，超表面透镜单元由电介质衬底和位于电介质衬底中心的微结构组成，且微结构在电介质衬底上的投影图案是关于90°角旋转对称的图形；

不同位置的微结构所引入的相位

和相位色散

满足如下公式所示的条件：

其中，r为微结构中心与超表面透镜中心的距离，ω为工作波长对应的角频率，R为超表面透镜的半径，f为超表面透镜的焦距，c表示光速；ω₁和ω₂分别表示目标波段的最小波长和最大波长所对应的角频率，目标波段位于长波红外波段。

在一些可选的实施例中，不同位置的微结构选取方式为：

按照公式(1)和公式(2)计算相位及对应相位色散，记为理论参数组合；

对于不同特征尺寸的微结构，通过带加权的一阶线性拟合得到各微结构所在超表面透镜单元的相位关于角频率的变化曲线，并从中提取各微结构所在超表面透镜单元的相位及对应的相位色散，记为实际参数组合；

在同一幅图中绘制所有的理论参数组合和实际参数组合，得到以相位为横坐标、以相位色散为纵坐标的散点图，选取散点图中与理论参数组合最接近的实际参数组合所对应的微结构作为超表面透镜中相应位置出的微结构；

在一些可选的实施例中，选取散点图中与理论参数组合最接近的实际参数组合所对应的微结构作为超表面透镜中相应位置出的微结构时，优先选取具有更高的拟合优度值或者相位关于角频率的二阶导数更低的微结构；

在一些可选的实施例中，通过带加权的一阶线性拟合得到微结构所在超表面透镜单元的相位关于角频率的变化曲线，并从中提取微结构所在超表面透镜单元的相位及对应的相位色散，其方式包括：

通过仿真得到不同工作波长所对应的角频率下，微结构所在超表面透镜单元所引入的相位，从而得到微结构所在超表面透镜单元的相位关于角频率的散点分布，以相位为因变量，以角频率为自变量，以各频率下微结构所在超表面透镜单元的透过率为权重，进行带加权的一阶线性拟合，得到微结构所在超表面透镜单元的相位关于角频率的变化曲线；

仅保留透过率高于预设的第一阈值的超表面透镜单元，对于所保留的超表面透镜单元，将其相位关于角频率的变化曲线中，目标波段最大波长对应的角频率处的相位取值作为微结构所在超表面透镜单元的相位；将变化曲线中，目标波段最大波长和最小波长对应的角频率处的相位取值之差，作为微结构其相位关于角频率的相位色散，从而得到微结构其相位关于角频率的的相位及对应的相位色散；

在实际应用中，第一阈值可根据实际使用的材料相应确定，例如，对于全硅材料，通常设置为50％；如果镀反射膜或者选用硅+BaF2，则设置为70％；

在一些可选的实施例中，超表面透镜被不同半径的同心圆划分为一个圆形区域，以及一个或多个圆环区域，同一个区域内的微结构单元相同。

本发明中，超表面透镜单元中，微结构在电介质衬底上的投影图案可以为任意一种关于超表面透镜单元排列的四方晶格的两个主轴对称的图形；在一些可选的实施例中，该投影图案为圆形，如图4中的(a)所示；在一些可选的实施例中，该投影图案为圆环，如图4中的(b)所示；在一些可选的实施例中，该投影图案为同心的圆环内嵌套圆形，如图4中的(c)所示；在一些可选的实施例中，该投影图案为正方形，如图4中的(d)所示；在一些可选的实施例中，该投影图案为方框，如图4中的(e)所示；在一些可选的实施方式中，该投影图案为同心的方框内嵌套正方形，如图4中的(f)所示；应当说明的是，此处所列投影图案，仅为示例性的描述，不应理解为对本发明的唯一限定，更多的示例，在此将不作一一列举。

在一些可选的实施例中，目标波段为8μm-12μm；应当说明的是，若不考虑基底材料的限制，本发明也可以直接在整个长波红外波段，即8μm-14μm波段，实现宽带消色差；

在8μm-12μm波段下，超表面透镜中所有微结构单元中的微结构高度相同，且高度为2μm-12μm；微结构单元的周期为2μm-8μm；在一些可选的实施例中，微结构高度为5μm-7μm，且微结构单元的周期为4μm-6μm；在一些可选的实施例中，微结构高度为7.5μm-12μm，且微结构单元的周期为2.5μm-4μm。

在一些可选的实施例中，微结构材料在目标波段内的透过率高于预设的第二阈值，第二阈值可根据所选用的材料相应设定，例如，设定为50％，具体可采用非晶硅、锗等作为微结构材料；

在一些可选的实施例中，微结构材料的折射率高于预设的第三阈值(例如2.4)；

在一些可选的实施例中，电介质衬底的材料在目标波段内的透过率高于预设的第四阈值(例如50％)，具体可采用BaF2、非晶硅、锗等；电介质衬底的材料折射率低于或等于微结构材料的折射率。

以下为实施例。

实施例1：

一种长波红外宽带消色差超表面透镜，其直径为240μm，数值孔径为0.5，在8-12μm工作波长范围内的任意波长下实现近衍射极限聚焦的高效率消色差。本实施例中，透镜后焦距平均值208μm，轴向最大焦距漂移小于4％，超透镜的三维示意图如图1所示，超透镜垂直截面上的二维结构示意图如图2所示。

本实施例中，本实施例中，其中一种超表面透镜单元的结构如图3所示，其中的微结构为硅材料制成的硅柱，微结构在电介质衬底上的投影图案是如图4中的(c)所示的同心的圆环内嵌套圆形的图案；本实施例中，电介质衬底的材料为BaF2，在实际应用中，通过在BaF2衬底上沉积一层硅，然后通过电子束曝光、刻蚀等步骤制成硅柱阵列。在这些硅柱组成的阵列中，单元按照四方晶格的形式周期性排列，硅柱处于单元的中心位置，且高度一致。通过扫描具有不同单元周期与硅柱高度参数组合的单元，找出其中具有高透过率的组合，称之为高透过率窗口。在本实例中，选用单元周期5μm，高度为6μm硅柱参数组合处的高透过率窗口。

根据超透镜宽带聚焦需要满足的方程，可以由上述公式(1)和公式(2)导出本实例中超透镜各单元相位和色散的理论值，在此，将相位及对应的相位色散记为理论参数组合；

根据以上相位-色散关系绘制的散点图如图5中“·”所示，表示理想消色差时应满足的散点分布。

在本实例中，硅柱的投影结构由图5所示六种微结构组成。投影图形的尺寸的变化引起单元相位-色散参数的变化，其中硅柱图案的特征尺寸为200nm；各个结构的相位-色散参数特性由对单元几何尺寸做扫描并对各个单元的相位参数关于角频率做线性拟合得到。其中，仿真得到投影面图案不同的各个微结构的相位关于角频率(波长)的散点分布，以各角频率下微结构的透过率为权重，做相位关于频率带加权的线性拟合。所得拟合曲线为图6中直线，微结构内谐振引入的低透过率和错误相位在加权拟合中被排除，取目标波段最大波长(λ＝12μm)对应的角频率ω＝0.0833rad·s-1处的相位作为微结构引入的相位，根据曲线斜率计算得到微结构的平均色散情况。微结构所在单元的透过率高于第一阈值，本实施例中，第一阈值具体设置为70％，保证所有的单元均具有足够高的透过率。根据公式(2)，所得拟合曲线完全贴合理论公式，代表当微结构完美消除色差时，各个波长下应对应的相位，因此取各个微结构拟合优度R2与相位关于角频率的二阶导数一同作为各个单元效率的判据，共同反映实际微结构的相位调制作用及一阶、二阶色差补偿效果与理想情况之间的匹配情况。由上述结构构成的相位-相位色散的参数组合的散点分布如图5中“+”所示。根据以上对于微结构单元相位的拟合及筛选，超透镜的效率显著提高，聚焦效率在8μm-12μm波长范围内均高于45％。

本实例中超透镜的聚集情况及聚焦效率由数值仿真软件FDTD构建并优化得到，数值仿真中构建的超透镜对平行光聚焦的光路模型如图7所示；仿真得到的焦平面上光斑的场分布情况及光沿传播方向上的场分布均由FDTD仿真得到。微结构单元阵列在透镜上的分布由MATLAB优化得到，如图8所示；各个微结构相位-色散参数的线性拟合以及微结构数据库的导出也由MATLAB实现微结构单元相位关于频率变化的原始数据根据严格耦合波理论仿真得到。本实例中超透镜的色差基本完全消除，轴向的焦距的漂移基本可以忽略，同时聚焦光斑尺寸接近衍射极限。

本实例提供的长波红外宽带消色差超表面投影可采用常规的制备工艺制备，可选地，首先用化学气相沉积法在基底上沉积硅薄膜，在薄膜上方旋涂200nmARP6200光刻胶，经过电子束曝光(或光刻)、显影工艺，获得微结构图案；之后，用电子束蒸发法沉积50nm铬作为掩膜，经剥离工艺去除多余的铬和光刻胶；最后用干法刻蚀向下刻蚀6μm，获得硅柱结构，用腐蚀剂去除50nm的铬掩膜，完成制备。

实施例2：

一种长波红外宽带消色差超表面透镜，其直径为1mm，数值孔径为0.15。本实施例中，超透镜的衬底和微结构阵列均选用硅，通过全硅设计简化超透镜的制备工艺，缩短超透镜的制备周期以及成本。设计上，通过扫描具有不同单元周期与硅柱高度参数组合的单元得到全硅材料下超透镜单元的高透过率窗口，选取单元周期3.5μm，高度8μm高透过率尺寸组合。根据直径1mm，数值孔径0.15参数下的相位及色散公式，得到超透镜表面相位-色散的理论分布。

本实例中微结构的相位-色散参数的仿真、优化方法可参考上述实施例1中的描述。其中，微结构所在单元的透过率高于第一阈值，本实施例中，第一阈值设定为50％，保证所有的单元均具有足够高的透过率。

在本实例中，由于超透镜的直径较大而数值孔径较小，相邻单元间微结构相位的变化梯度小，结构形状变化缓慢，因此将超透镜按照半径分为三个区域，如图9所示：将超透镜由外向内分用两个同心圆分为外圈的两个圆环区域和中心的圆形区域，在最外圈选用色散较小的圆环套圆柱结构进行排布，排除其他结构；在夹在中间的内圈圆环区域选用色散适中的圆环结构进行排布，排除其他结构；在中心的圆形区域选用色散最大的圆柱结构进行排布，排除其他结构。通过在不同分区内采用同一类型的结构，排除其他不同类结构，使单个分区内结构变化趋于平滑，相邻单元内模式变化的速率大大降低，从而有效抑制单元间的散射效应，使得超透镜在8μm-12μm波长范围内的聚焦效率均高于35％。

可选地，本实施例可采用如下制备工艺制备：直接在基底上旋涂200nmARP6200光刻胶，经过电子束曝光(或光刻)、显影工艺，获得微结构图案。之后，用电子束蒸发法沉积50nm铬作为掩膜，经剥离工艺去除多余的铬和光刻胶。最后用干法刻蚀向下刻蚀8μm，获得硅柱结构，用腐蚀剂去除50nm的铬掩膜，完成制备。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种长波红外宽带消色差超表面透镜，其特征在于，

所述超表面透镜中的超表面透镜单元按照四方晶格的形式周期性排列；所述超表面透镜单元由电介质衬底和位于所述电介质衬底中心的微结构组成，且所述微结构在所述电介质衬底上的投影图案是关于90°角旋转对称的图形；

不同位置的微结构所引入的相位

和相位色散

满足如下公式所示的条件：

其中，r为所述微结构中心与所述超表面透镜中心的距离，ω为工作波长对应的角频率，R为所述超表面透镜的半径，f为所述超表面透镜的焦距，c表示光速；ω₁和ω₂分别表示目标波段的最小波长和最大波长所对应的角频率，所述目标波段位于长波红外波段。

2.如权利要求1所述的长波红外宽带消色差超表面透镜，其特征在于，不同位置的微结构选取方式为：

按照所述公式(1)和所述公式(2)计算相位及对应相位色散，记为理论参数组合；

对于不同特征尺寸的微结构，通过带加权的一阶线性拟合得到各微结构所在超表面透镜单元的相位关于角频率的变化曲线，并从中提取各微结构所在超表面透镜单元的相位及对应的相位色散，记为实际参数组合；

在同一幅图中绘制所有的理论参数组合和实际参数组合，得到以相位为横坐标、以相位色散为纵坐标的散点图，选取所述散点图中与理论参数组合最接近的实际参数组合所对应的微结构作为所述超表面透镜中相应位置处的微结构。

3.如权利要求2所述的长波红外宽带消色差超表面透镜，其特征在于，选取所述散点图中与理论参数组合最接近的实际参数组合所对应的微结构作为所述超表面透镜中相应位置处的微结构时，优先选取具有更高的拟合优度值或者相位关于角频率的二阶导数更低的微结构。

4.如权利要求2所述的长波红外宽带消色差超表面透镜，其特征在于，通过带加权的一阶线性拟合得到微结构所在超表面透镜单元的相位关于角频率的变化曲线，并从中提取微结构所在超表面透镜单元的相位及对应的相位色散，其方式包括：

通过仿真得到不同工作波长所对应的角频率下，微结构所在超表面透镜单元所引入的相位，从而得到微结构所在超表面透镜单元的相位关于角频率的散点分布，以相位为因变量，以角频率为自变量，以各频率下微结构所在超表面透镜单元的透过率为权重，进行带加权的一阶线性拟合，得到微结构所在超表面透镜单元的相位关于角频率的变化曲线；

仅保留透过率高于预设的第一阈值的超表面透镜单元，对于所保留的超表面透镜单元，将其相位关于角频率的变化曲线中，所述目标波段最大波长对应的角频率处的相位取值作为微结构所在超表面透镜单元的相位；将所述变化曲线中，所述目标波段最大波长和最小波长对应的角频率处的相位取值之差，作为微结构所在超表面透镜单元的相位色散，从而得到微结构所在超表面透镜单元的相位及对应的相位色散。

5.如权利要求1-4任一项所述的长波红外宽带消色差超表面透镜，其特征在于，所述超表面透镜被不同半径的同心圆划分为一个圆形区域，以及一个或多个圆环区域，同一个区域内的微结构单元相同。

6.如权利要求1-4任一项所述的长波红外宽带消色差超表面透镜，其特征在于，所述超表面透镜单元中，微结构在电介质衬底上的投影图案为圆形、圆环、同心的圆环内嵌套圆形、正方形、方框、或者同心的方框内嵌套正方形。

7.如权利要求1-4任一项所述的长波红外宽带消色差超表面透镜，其特征在于，所述目标波段为8μm-12μm。

8.如权利要求7所述的长波红外宽带消色差超表面透镜，其特征在于，所有微结构单元中的微结构高度相同，且高度为2μm-12μm；所述微结构单元的周期为2μm-8μm。

9.如权利要求8所述的长波红外宽带消色差超表面透镜，其特征在于，微结构高度为5μm-7μm，且所述微结构单元的周期为4μm-6μm；

或者，微结构高度为7.5μm-12μm，且所述微结构单元的周期为2.5μm-4μm。

10.如权利要求1-4任一项所述的长波红外宽带消色差超表面透镜，其特征在于，所述微结构的材料的透过率在所述目标波段内高于预设的第二阈值。

Images