CN113093321A

CN113093321A - 一种多台阶衍射透镜及其制作方法

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Publication number: CN113093321A
Application number: CN202010020695.5A
Authority: CN
Inventors: 陈成; 黄文彬; 刘艳花; 陈林森
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2040-01-09
Also published as: CN113093321B

Abstract

本发明公开了一种用于设计宽波段消色差多台阶衍射透镜的二分搜索算法和使用光场3D技术制作宽波段消色差多台阶衍射透镜负向互补模具的工艺流程、以及制备的多台阶衍射透镜，本发明通过使用多台阶衍射透镜负向互补模具以及模具注塑光固化成型工艺实现多台阶衍射透镜的一体化成型，具有便捷高效、低成本和减少环境污染等优点。

Description

一种多台阶衍射透镜及其制作方法

技术领域

本发明涉及光学仪器领域，尤其涉及一种多台阶衍射透镜及其制作方法。

背景技术

光学透镜在成像、精密测量以及光通信等领域中作为基本元件起着至关重要的作用。传统几何光学透镜需要经过切割材料、打磨表面、精密抛光以及镀膜等繁琐工序制作而成，而且由于几何光学透镜具有体积大、笨重等缺陷使其在许多应用领域受限，尤其在器件逐渐趋于微型化和集成化的科技潮流中，使得几何透镜的劣势越发明显；同时由亚波长单元构成的超透镜虽然克服了以上几何光学透镜的缺陷，但是其对结构尺寸和形状要求严格，且受限于其使用电子束光刻或聚焦离子束光刻工艺，导致整个超透镜尺寸通常为百微米；菲涅尔透镜虽然制作工艺简单，但是其存在严重的色差。

现有技术存在以下缺点：1)超透镜对其亚波长单元的几何尺寸和形状有着严格的要求，而且能构成超透镜的单元几何形状较少；2)超透镜对光源的偏振有着严格的要求，使其能量利用率较低；3)超透镜设计繁琐，尤其针对宽波段消色差的超透镜设计更加繁琐；4)超透镜制作工艺繁琐，通常采用电子束光刻和聚焦离子束光刻，且制作幅面较小；5)菲涅尔透镜存在较大的色散。

因此，亟待一种结构紧凑简单且具备消除色差功能的透镜。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明利用不同内外半径的空心圆柱优化出最优高度分布，使得该结构能够在宽波段内对光实现消色差聚焦。

一方面，本发明公开了一种多台阶衍射透镜，包括几何中心及围绕所述几何中心设置的多环结构，所述多环结构的环高不完全一致，形成多级台阶；所述多环结构垂直于所述几何中心的截面为圆环形或多环带嵌套的矩形。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述多级台阶分为至少一个组，每组台阶形成一个光栅单元，每个所述光栅单元包括至少一个台阶。

作为本发明实施方式的进一步改进，相邻两个所述台阶的相位差为2π/n； n为每个所述光栅单元中包含的所述台阶的数量。

另一方面，本发明还公开了上述多台阶衍射透镜算法流程，针对上述的多台阶衍射透镜的参数，应用算法获得优化台阶高度分布信息和品质因数FoM；其中，多台阶衍射透镜参数包括焦距、数值孔径、直径、工作波长范围。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述品质因数FoM的计算公式为：

其中N为针对消色差设计的频率数目，ω为每个频率的权重，

I_i为算法仿真的光强分布，T_i为目标光强分布。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述多台阶衍射透镜算法流程具体包括以下步骤：

S1、初始化高度分布和FoM；

S2、开始迭代；

S3、随机生成环带序列；

S4、按序列号选择环带；

S5、对环带施加正扰动；

S6、判断FoM是否增加，如果FoM增加，执行步骤S7；如果FoM没有增加，执行步骤S8；

S7、所有环带遍历结果，并判断是否符合截止条件，如果不符合截止条件，重复执行步骤S2；如果符合截止条件，执行步骤S9；

S8、对环带施加负扰动，并再次判断FoM是否增加；如果FoM增加，重复执行步骤S7；如果FoM没有增加，舍弃对环带施加负扰动的操作，执行步骤 S7；

S9、输出优化高度分布信息。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤S5中正扰动定义为给环增加预定高度，所述步骤S8的负扰动定义为给环降低预定高度。

再一方面，本发明进一步公开了上述多台阶衍射透镜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

Sa、根据上述的多台阶衍射透镜的算法流程获取优化台阶高度分布信息和品质因数FoM，使用光场3D打印匹配的多台阶衍射透镜负向互补模具；

Sb、使用磁控溅射等低温镀膜方式给多台阶衍射透镜负向互补模具镀一层 200到500纳米的金属膜；

Sc、将多台阶衍射透镜负向互补模具垂直浸入光敏树脂溶胶中，然后垂直取出，抽真空排气泡，切除多余的树脂；

Sd、将注入光敏树脂的模具置于紫外光下进行光固化成型；

Se、脱模。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述多台阶衍射透镜负向互补模具比设计的多台阶衍射透镜的环数多一环，且最外环的环高大于所述设计的最大环高。

作为本发明实施方式的进一步改进，所述步骤Se具体包括将光固化后的模具置于有机溶剂中进行超声，使得多台阶衍射透镜从模具中脱落。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明实施例涉及的多台阶衍射透镜可在宽波段内实现消色差；

2、本发明实施例涉及的算法在用于设计宽波段消色差多台阶衍射透镜的二分搜索算法具有通用性，只需根据透镜参数不同进行简单修改，便可以优化出不同特性透镜的台阶高度分布；

3、本发明实施例涉及的制备方法中的光场3D打印技术属于增材制造，可控性更好，能够制造出精度更高的多台阶衍射透镜负向互补模具；且光场3D打印技术制作流程简单，不存在涂胶，显影等工艺，即打即用；

4、本发明实施例采用模具注塑光固化成型的方式实现多台阶衍射透镜的一体化成型，具有高效、低成本和减少环境污染等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1涉及的多台阶衍射透镜截面结构示意图；

图2为本发明实施例2涉及的设计多台阶衍射透镜的算法流程图；

图3是本发明具体例中初始环带台阶高度分布图；

图4是本发明具体例中算法优化后环带台阶高度分布图；

图5是本发明具体例涉及的沿光轴方向的场强分布示意图；

图6是本发明具体例涉及的焦平面处x方向的光强度分布图；

图7是本发明具体例涉及的焦平面处y方向的光强度分布图；

图8是本发明具体例涉及的焦平面处光强二维分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明公开了一种多台阶衍射透镜，包括几何中心及围绕该几何中心设置的多环结构，多环结构的环高不完全一致，形成多级台阶；多环结构的垂直于几何中心的截面为圆环形或多环带嵌套的矩形。图1为多台阶衍射透镜的截面结构示意图，图中不同的灰度表示不同的高度，它是由不同高度，不同内外半径的空心圆柱构成。

在可选的实施方式中，多级台阶分为至少一个组，每组台阶形成一个光栅单元，每个光栅单元包括至少一个台阶。

相邻两个所述台阶的相位差为2π/n；n为每个光栅单元中包含的台阶的数量。

实施例2

本发明还公开了用于设计上述多台阶衍射透镜算法流程，针对上述的多台阶衍射透镜的参数，应用算法获得优化台阶高度分布信息和品质因数FoM；其中，多台阶衍射透镜参数包括焦距、数值孔径、直径、工作波长范围。

具体地，品质因数FoM的计算公式为：

其中N为针对消色差设计的频率数目，ω为每个频率的权重，

I_i为算法仿真的光强分布，T_i为目标光强分布。

图2为本发明实施例2涉及的设计多台阶衍射透镜的算法流程图，本算法的主要目的是针对不同内外半径的空心圆柱优化出最优高度分布，使得该结构能够在宽波段内对光实现消色差聚焦。

具体地，多台阶衍射透镜算法流程具体包括以下步骤：

S1、初始化高度分布和FoM；

S2、开始迭代；

S3、随机生成环带序列；

S4、按序列号选择环带；

S5、对环带施加正扰动；

S9、输出优化高度分布信息。

其中，步骤S5中正扰动定义为给环增加预定高度，所述步骤S8的负扰动定义为给环降低预定高度。

实施例3

本发明实施例进一步公开了上述多台阶衍射透镜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

Sb、使用磁控溅射等低温镀膜方式给多台阶衍射透镜负向互补模具镀一层 200到500纳米的金属膜，以便于后期光固化成型的多台阶衍射透镜从模具中脱落；

Sc、将多台阶衍射透镜负向互补模具垂直浸入光敏树脂溶胶中，然后垂直取出，将其置于真空箱空，抽真空进行排气泡，取出后用刀片在模具顶端水平划过，切除多余的树脂；

Sd、将注入光敏树脂的模具置于紫外光下进行光固化成型；

Se、脱模，包括将光固化后的模具置于有机溶剂中进行超声，使得多台阶衍射透镜从模具中脱落，获得的多台阶衍射透镜的截面如图3所示。

其中，多台阶衍射透镜负向互补模具比设计的多台阶衍射透镜的环数多一环，以便于后期的光敏树脂溶胶注入成型；且最外环的环高大于设计的最大环高。

具体例

使用本发明实施例2的算法针对中红外波段3到5微米设计一个多台阶衍射透镜，参数具体如下：设计环带数为50，每一个环带的内外半径之差都为5 微米，最大环高为270微米，最小环高为20微米，光场3D打印单次打印的厚度为5微米，线宽为5微米，规定算法中的正负扰动为5微米，所设计平面透镜的直径为0.5毫米，焦距f为2.8毫米，数值孔径NA为0.88。

图3为初始环带台阶高度分布图，图4为算法优化后环带台阶高度分布，将优化后环带台阶高度分布导入FDTD软件中，几何结构材料设置为光敏树脂，折射率为1.5。

使用平面波照射，获得沿光轴方向的场强分布，如图5所示，最大光强在 2.8毫米附近，与设计的平面透镜焦距f几乎相等，图6和图7分别为焦平面处 x方向和y方向的光强度分布，半高宽大约为25微米，图8为焦平面处光强的二维分布。

具体制作过程如下：

使用光场3D打印多台阶衍射透镜负向互补模具，其中模具圆环数为51环，且最外环高度设定为280微米，以便于后期的光敏树脂溶胶注入成型；

使用磁控溅射等低温镀膜方式给多台阶衍射透镜负向互补模具镀一层200 到500纳米的金膜，以便于后期光固化成型的多台阶衍射透镜从模具中脱落；

将多台阶衍射透镜负向互补模具垂直浸入光敏树脂溶胶中，然后垂直取出，将其置于真空箱空，抽真空进行排气泡，取出后用刀片在模具顶端水平划过，切除多余的树脂；

将注入光敏树脂的模具置于紫外光下进行光固化成型；紫外光的波长为 355，位于光敏树脂最大感光处，将光固化后的模具置于乙醇中进行超声，使得多台阶衍射透镜从模具中脱落。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本发明的可选实施例，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多台阶衍射透镜，其特征在于，包括几何中心及围绕所述几何中心设置的多环结构，所述多环结构的环高不完全一致，形成多级台阶；所述多环结构垂直于所述几何中心的截面为圆环形或多环带嵌套的矩形。

2.根据权利要求2所述的多台阶衍射透镜，其特征在于，所述多级台阶分为至少一个组，每组台阶形成一个光栅单元，每个所述光栅单元包括至少一个台阶。

3.根据权利要求2所述的多台阶衍射透镜，其特征在于，相邻两个所述台阶的相位差为2π/n；n为每个所述光栅单元中包含的所述台阶的数量。

4.一种多台阶衍射透镜算法流程，其特征在于，

针对权利要求1所述的多台阶衍射透镜的参数，应用算法获得优化台阶高度分布信息和品质因数FoM；所述多台阶衍射透镜参数包括焦距、数值孔径、直径、工作波长范围。

5.根据权利要求4所述的多台阶衍射透镜算法流程，其特征在于，所述品质因数FoM的计算公式为：

其中N为针对消色差设计的频率数目，ω为每个频率的权重，

I_i为算法仿真的光强分布，T_i为目标光强分布。

6.根据权利要求4所述的多台阶衍射透镜算法流程，其特征在于，所述多台阶衍射透镜算法流程具体包括以下步骤：

S1、初始化高度分布和FoM；

S2、开始迭代；

S3、随机生成环带序列；

S4、按序列号选择环带；

S5、对环带施加正扰动；

S8、对环带施加负扰动，并再次判断FoM是否增加；如果FoM增加，重复执行步骤S7；如果FoM没有增加，舍弃对环带施加负扰动的操作，执行步骤S7；

S9、输出优化高度分布信息。

7.根据权利要求4所述的多台阶衍射透镜算法流程，其特征在于，所述步骤S5中正扰动定义为给环增加预定高度，所述步骤S8的负扰动定义为给环降低预定高度。

8.一种多台阶衍射透镜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

Sa、根据权利要求4所述的多台阶衍射透镜的算法流程获取优化台阶高度分布信息和品质因数FoM，使用光场3D打印匹配的多台阶衍射透镜负向互补模具；

Sb、使用磁控溅射等低温镀膜方式给多台阶衍射透镜负向互补模具镀一层200到500纳米的金属膜；

Sd、将注入光敏树脂的模具置于紫外光下进行光固化成型；

Se、脱模。

9.根据权利要求8所述的多台阶衍射透镜的制备方法，其特征在于，所述多台阶衍射透镜负向互补模具比设计的多台阶衍射透镜的环数多一环，且最外环的环高大于所述设计的最大环高。

10.根据权利要求8所述的多台阶衍射透镜的制备方法，其特征在于，所述步骤Se具体包括将光固化后的模具置于有机溶剂中进行超声，使得多台阶衍射透镜从模具中脱落。