CN113050203A - 一种非常规超表面稀疏孔径透镜 - Google Patents

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Abstract

一种非常规超表面稀疏孔径透镜，由透光基底和超表面微结构层构成。超表面微结构单元分布在四个扇环区域内，构成稀疏孔径的子孔径。通过控制超表面微结构单元的参数可以实现对特定波长的入射光聚焦。该超表面稀疏孔径透镜的超表面结构相位调制准确，可以实现‑pi到pi之间的相位调制，调制间隔小于0.3。并且通过稀疏孔径技术，可以实现超过子孔径大小的分辨率成像，显著降低透镜加工面积，降低加工难度，减少工艺成本。此发明在显微成像系统中有很大的应用价值。

Description

一种非常规超表面稀疏孔径透镜
技术领域
本发明涉及一种光学器件，具体涉及一种超表面稀疏孔径透镜。
背景技术
超表面是一种特殊的光学器件，利用周期性排列的微结构，实现在亚波长尺度对入射光进行相位振幅偏振等参数进行调制，可以实现光束的聚焦、整形、分束、检测等功能。具有体积小、重量轻、效率高等，便于集成。但是随着面积的增大，加工难度和加工时间和材料成本急剧增大，超表面透镜无法实现大孔径设备的制作。
稀疏孔径技术是通过多个子孔径排列的方案实现增大光学元件的有效孔径，可以有效的降低光学元件的加工面积，从而实现超表面透镜的大口径化，提高成像分辨率。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种非常规表面稀疏孔径透镜，可以实现对入射光相位进行调制，实现对特定波长的入射光进行聚焦，并通过使用稀疏孔径技术以及图像恢复，大大增加了此透镜的有效数值孔径，提高了透镜的分辨率。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种非常规超表面稀疏孔径透镜，其特点在于，在透光基底上划分有四个面积相同的同心扇环区域，即稀疏孔径的子孔径；在每个子孔径内分布有多个周期为P的超表面微结构单元阵列，每个超表面微结构单元为中空的正方形，该正方形的边长为L，且正方形内设有半径为R中空圆形。
通过调节所述圆形半径R的大小，从而实现对入射光相位的调制，达到聚焦效果。
所述四个扇环的弧度、母线相等，极坐标方位间隔相等。扇环的内半径为r1,外半径为r2,张角为θ。
所述四个扇环分别位于同心圆中心的0°、90°、180°和270°方向。
所述每个超表面微结构单元的高度一致。
所述的透光基底材料为二氧化硅，所述的超表面微结构单元的材料为硅或铝。
超表面稀疏孔径透镜的透光基底材料为二氧化硅。所述的超表面亚波长微结构材料为硅、铝等材料。
相对于现有技术，本发明具有下列优点：
1.本发明原料为二氧化硅和硅，材料来源广泛、价格便宜。在加工方面，工艺成熟，精度高，误差小，制备简单，良品率高，可以进行大规模批量生产。
2.本发明相位调制准确，可以实现从-pi到pi之间相位调制，并且间隔均匀。
3.本发明结构为简单的二维结构，不需要复杂的套刻，相对于其他发明，此发明加工过程大大缩短，并且结构稳定。
附图说明
图1为本发明超表面圆稀疏孔径透镜的示意图；其中：1、透明基底；2、超表面微结构单元。
图2为本发明稀疏孔径参数示意图，孔径扇环的内半径为r1，外半径为r2，张角为θ。
图3为超表面微结构单元示意图，周期为P，矩形边长为L，圆形的半径为R。
图4为实施例一仿真成像原图。
图5为实施例一等面积孔径成像结果；
图6为实施例一稀疏孔径成像结果。
具体实施方式
下面结合实施例、附图对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例一
请参见图1所示，本发明超表面圆稀疏孔径由透光基底和超表面微结构单元构成。其中透光基底材料为二氧化硅，超表面为结构单元材料为硅。所述超表面微结构单元在四个同心扇环区域内，构成稀疏孔径的子孔径。四个扇环位于同一个圆中，并且弧度、母线相等，极坐标方位间隔相等。分别位于中心0°、90°、180°、270°方向。扇环的内半径r1为50um,外半径为r2为250um,张角为θ＝30°。
超表面微结构单元为中空的矩形阵列，矩形阵列边长L＝0.3μm，周期P＝0.4μm，矩形的高度H＝0.7μm。矩形内中空图形为圆形，半径R按照下表1相位对应，满足为超透镜的焦距为900μm。并放入物距和相距为2f的非相干成像系统中。
Figure BDA0002973623710000031
Figure BDA0002973623710000041
表格1相位和半径R对照表
图4为物体原图，尺寸为0.2mm，图5为与稀疏孔径等面积大小的透镜在此光学系统中的非相干成像仿真结果。图6为此稀疏孔径成像并恢复结果。此发明不仅可以实现透镜微型化、轻量化，还利用稀疏孔径技术降低了加工面积，降低工艺成本，提高成像质量。

Claims (6)

1.一种非常规超表面稀疏孔径透镜，其特征在于，在透光基底上划分有四个面积相同的同心扇环区域，即稀疏孔径的子孔径；在每个子孔径内分布有多个周期为P的超表面微结构单元阵列，每个超表面微结构单元为中空的正方形，该正方形的边长为L，且正方形内设有半径为R中空圆形。
2.根据权利要求1所述的超表面稀疏孔径透镜，其特征在于，通过调节所述圆形半径R的大小，从而实现对入射光相位的调制，达到聚焦效果。
3.根据权利要求1或2所述的超表面稀疏孔径透镜，其特征在于，所述四个扇环的弧度、母线相等，极坐标方位间隔相等。
4.根据权利要求3所述的超表面稀疏孔径透镜，其特征在于，所述四个扇环分别位于同心圆中心的0°、90°、180°和270°方向。
5.根据权利要求1或2所述的超表面稀疏孔径透镜，其特征在于，所述每个超表面微结构单元的高度一致。
6.根据权利要求1或2所述的超表面稀疏孔径透镜，其特征在于，所述的透光基底材料为二氧化硅，所述的超表面微结构单元的材料为硅或铝。
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