CN113325569B - 一种大焦深消色差微透镜的设计与制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大焦深消色差微透镜的设计与制备方法，所述微透镜设置在透明基底上，所述方法包括：确定所述微透镜的焦距及工作波段；确定所述透明基底选用的材料，使所述透明基底的色散低于预设值；设置所述微透镜表面面型轮廓的几何参数，所述微透镜表面面型轮廓包括中心部分的球面和外侧部分的切面，所述球面与所述切面构成平滑表面；根据所述几何参数，在所述透明基底表面上制作形成所述微透镜。本发明通过采用球面透镜和轴棱镜相结合的方式，克服了传统透镜和超构透镜的弊端，能够在可见光波段实现高效率、大焦深、消色差聚焦等功能，且具有设计原理简单、无需大量计算、加工成本低廉、制备效率高、周期短等显著优势。

Description

一种大焦深消色差微透镜的设计与制备方法

技术领域

本发明涉及光学透镜技术领域，特别涉及一种大焦深消色差微透镜的设计与制备方法。

背景技术

光学透镜在现代人类生活中应用十分广泛，可用于手机、相机、显微镜、光刻机等。然而，传统光学球面透镜面临着球差、慧差、像散、色差等一系列问题。尤其，色差的存在会严重降低成像质量。为实现消色差聚焦，传统消色差透镜往往只针对几种固定波长，采用多片透镜方式来构建透镜组，不仅体积大、重量重、应用场景受限，且无法做到真正意义上地连续消色差。

近年来，消色差超构透镜的出现为实现宽频、消色差聚焦提供了一种有效途径。基于亚波长纳米结构单元的谐振效应，超构透镜可实现对不同波长入射光的消色差聚焦，具有体积小、质量轻、易集成等的优点；然而在设计过程中，需要对纳米结构阵列进行大量的构型和仿真模拟，设计复杂、计算量大、且制作效率低。另一方面，由于超构透镜采用等效连续原理，因此不可避免地存在散射效应，降低消色差聚焦效率；此外，大部分超构透镜都采用各项异性结构单元，对入射光的偏振敏感，进一步降低了其应用范围。不仅如此，在加工制备方面，消色差超构透镜的亚波长精细结构(大深宽比)需要采用电子束曝光、原子层沉积等高精度微纳制备工艺，加工周期长、工艺复杂、价格昂贵，无法大尺寸制备，截止目前无法适用于大规模生产。

发明内容

针对当前传统透镜和超构透镜存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种大焦深消色差微透镜的设计与制备方法，通过采用低色散透明光学材料，并基于球面透镜与轴棱镜相结合的方法，实现高透射、大焦深、宽频带、消色差聚焦功能；与现有技术相比，本发明设计原理简单、加工制备便捷、性能稳定、成本低廉；此外，可以通过简单的改变球面与切面的结构参数来实现焦距、焦深的变化。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

一种大焦深消色差微透镜的设计与制备方法，所述微透镜设置在透明基底上，所述方法包括以下步骤：

S1、确定所述微透镜的焦距及工作波段；

S2、确定所述透明基底选用的材料，使所述透明基底的色散低于预设值；

S3、设置所述微透镜表面面型轮廓的几何参数，所述微透镜表面面型轮廓包括中心部分的球面和外侧部分的切面，所述球面与所述切面构成平滑表面；

S4、根据所述几何参数，在所述透明基底表面上制作形成所述微透镜。

优选地，所述透明基底选用在可见光波段的低色散透明材料，折射率大于>1.4，折射率虚部<0.01，在工作波段内色散<0.1，所述透明基底选用的材料包括二氧化硅、氟化钙、BK7玻璃。

优选地，所述微透镜的表面面型轮廓直接在所述透明基底上切割而成。

优选地，所述中心部分的球面面型由下述公式描述：

R₀＝f(n-1)

其中，R₀为球面曲率半径，f为透镜焦距，n为透明基底材料在工作波段中心波长的折射率实部。

优选地，所述微透镜底面直径与中心厚度的关系由下述公式描述:

其中，d为中心厚度，D为底面直径。

优选地，所述外侧部分的切面面型由下述公式描述：

其中，θ为切面与透明基底之间的夹角，L为球面与切面的交界位置在微透镜底面的投影到微透镜底面中心的距离。

优选地，所述方法还包括：

采用有限元电磁仿真软件进行模拟，通过模拟可见光的垂直入射以获得入射光经过微透镜调制后的光场分布及相关信息，具体包括光强分布、焦距、焦深、透射率。

优选地，所述微透镜的表面面型采用聚焦离子束、电子束曝光、纳米压印或者灰度光刻的方式进行加工制备。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

(1)本发明通过采用球面透镜和轴棱镜相结合的方式，克服了传统透镜和超构透镜的弊端，能够在可见光波段实现高效率、大焦深、消色差聚焦等功能，且具有设计原理简单、无需大量计算、加工成本低廉、制备效率高、周期短等显著优势。

(2)本发明通过改变球面与切面的结构几何参数即可实现焦距、焦深的变化，对于不同材料、尺寸、数值孔径的透镜设计具有较广的普适性，不仅可实现大尺寸、高数值孔径消色差透镜，并且可进一步推进与半导体工艺的相结合。

(3)本发明所述的微透镜对入射光的偏振无要求，设计更加合理。

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是本发明实施例提供的大焦深消色差微透镜的设计与制备方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的大焦深消色差微透镜的三维结构示意图；

图3是本发明实施例提供的大焦深消色差微透镜的二维剖面示意图；

图4是本发明实施例一中入射光经微透镜调制后的光强分布图；

图5是本发明实施例一中微透镜在可见光波段内的轴向距离-光强函数关系图；

图6是本发明实施例一中入射光经微透镜调制后的聚焦效率-波长关系图；

图7为本发明实施例二中入射光经微透镜调制后的光强分布图；

图8为本发明实施例二中微透镜在可见光波段内的轴向距离-光强函数关系图；

图9为本发明实施例二中入射光经微透镜调制后的聚焦效率-波长关系图。

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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明的实施例提供了一种大焦深消色差微透镜的设计与制备方法，所述微透镜设置在透明基底上，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

S1、确定所述微透镜的焦距及工作波段；

S2、确定所述透明基底选用的材料，使所述透明基底的色散低于预设值；

S3、设置所述微透镜表面面型轮廓的几何参数，所述微透镜表面面型轮廓包括中心部分的球面和外侧部分的切面，所述球面与所述切面构成平滑表面；

S4、根据所述几何参数，在所述透明基底表面上制作形成所述微透镜。

本发明通过采用球面透镜和轴棱镜相结合的方式，克服了传统透镜和超构透镜的弊端，能够在可见光波段实现高效率、大焦深、消色差聚焦等功能，且具有设计原理简单、无需大量计算、加工成本低廉、制备效率高、周期短等显著优势。本发明通过改变球面与切面的结构几何参数即可实现焦距、焦深的变化，对于不同材料、尺寸、数值孔径的透镜设计具有较广的普适性，不仅可实现大尺寸、高数值孔径消色差透镜，并且可进一步推进与半导体工艺的相结合。此外，本发明所述的微透镜对入射光的偏振无要求，设计更加合理。

进一步地，所述透明基底选用在可见光波段的低色散透明材料，折射率大于>1.4，折射率虚部<0.01，在工作波段内色散<0.1，所述透明基底选用的材料包括但不限于二氧化硅、氟化钙、BK7玻璃等。

进一步地，所述微透镜的表面面型轮廓直接在所述透明基底上切割而成，可以通过采用聚焦离子束、电子束曝光、纳米压印或者灰度光刻等方式进行加工制备。

进一步地，所述中心部分的球面面型由下述公式描述：

R₀＝f(n-1)

其中，R₀为球面曲率半径，f为透镜焦距，n为透明基底材料在工作波段中心波长的折射率实部。

进一步地，所述微透镜底面直径与中心厚度的关系由下述公式描述:

其中，d为中心厚度，D为底面直径。

进一步地，所述外侧部分的切面面型由下述公式描述：

其中，θ为切面与透明基底之间的夹角，L为球面与切面的交界位置在微透镜底面的投影到微透镜底面中心的距离。

进一步地，所述方法还包括：

采用有限元电磁仿真软件进行模拟，通过模拟可见光的垂直入射以获得入射光经过微透镜调制后的光场分布及相关信息，具体包括光强分布、焦距、焦深、透射率等。

下面通过两个具体的实施例对本发明的实施方式进行详细的阐述。

实施例一

一种大焦深消色差微透镜的设计与制备方法，如图2和3所示，所述微透镜包括低色散透明基底以及在基底表面上切割出的非球面微透镜；所述的非球面微透镜包括由中心部分的球面和外侧部分的切面构成的平滑表面，所述方法包括以下步骤：

A1、本实施例是针对入射波段在可见光范围400～667nm，以中心波长532nm为例进行设计，焦距设定为75μm，实现大焦深消色差微透镜，微透镜表面面型由两部分构成：中心部分的球面和外侧部分的切面，切面为距微透镜中心径向距离L处的中心球面的切面；

A2、透明基底材料选用厚度为100μm的熔融石英材料(SiO₂)，折射率n＝1.47，折射率虚部k<0.01，在工作带宽内色散Δn＝0.015；

A3、在微透镜表面设置微透镜面型轮廓的几何参数，设置微透镜直径D为20.89μm，其表面面型轮廓包括中心部分的球面和外侧部分的切面，几何参数设置如下：

中心部分的球面面型，由下述公式描述：

R₀＝f(n-1)

透镜底面直径与透镜中心厚度关系，由下述公式描述:

透镜外侧部分的切面与基底之间的夹角，由下述公式描述：

所得面型数值如下：R₀＝35.0μm，d＝1.6μm，θ＝11.7°，L＝7.1μm，D＝20.89μm。

之后，采用有限元电磁仿真软件进行模拟。通过模拟可见光的垂直入射可获得入射光经过微透镜的调制后光场分布及相关信息，具体包括光强分布、焦距、焦深、透射率等。

本发明采用有限元电磁仿真软件，对上述参数微透镜进行建模；并采用束腰半径7.95μm的高斯光束作为激励源，模拟得到垂直入射条件下可见光范围内光强分布图。图4所示为入射光经过微透镜调制后的光强分布，显示了该微透镜具有较大的焦深。

图5显示了在工作波段内微透镜的焦距，在中心波长下焦深为45μm，是相同数值孔径传统球面透镜的2倍，不同波长下焦距均在75μm左右；图6所示为入射光经过微透镜调制后的聚焦效率，平均效率高达76％，实现了高效率的宽带消色差效果。

根据所述结构构型，通过聚焦离子束加工得到所述大焦深消色差微透镜。

实施例二

一种大焦深消色差微透镜的设计与制备方法，如图2和3所示，所述微透镜包括低色散透明基底以及在基底表面上切割出的非球面微透镜；所述的非球面微透镜包括由中心部分的球面和外侧部分的切面构成的平滑表面，所述方法包括以下步骤：

B1、本实施例是针对入射波段在可见光范围400～667nm，以中心波长532nm为例进行设计，焦距设定为75μm，实现大景深消色差微透镜，微透镜表面面型由两部分构成：中心部分的球面和外侧部分的切面，切面为距微透镜中心径向距离L处的中心球面的切面；

B2、透明基底材料选用厚度为100μm的氟化钙材料(CaF₂)，折射率n＝1.44，折射率虚部k<0.01，在工作带宽内色散Δn＝0.01；

B3、在微透镜表面设置微透镜面型轮廓的几何参数，设置透镜直径D为20.89μm，其表面面型轮廓包括中心部分的球面和外侧部分的切面，几何参数设置如下：

中心部分的球面面型，由下述公式描述：

R₀＝f(n-1)

透镜底面直径与透镜中心厚度关系，由下述公式描述:

透镜外侧部分的切面与基底之间的夹角，由下述公式描述：

所得面型数值如下：R₀＝35.0μm，d＝1.6μm，θ＝8.7°，L＝5.3μm，D＝20.89μm。

之后，采用有限元电磁仿真软件进行模拟。通过模拟可见光的垂直入射可获得入射光经过微透镜的调制后光场分布及相关信息，具体包括光强分布、焦距、焦深、透射率等。

本发明采用有限元电磁仿真软件，对上述参数微透镜进行建模；并采用束腰半径7.95μm的高斯光束作为激励源，模拟得到垂直入射条件下可见光范围内光强分布图。图7所示为入射光经过微透镜调制后的光强分布，显示了该微透镜具有较大的焦深。

图8显示了在工作波段内微透镜的焦距，在中心波长下焦深为76μm，是相同数值孔径传统球面透镜的5.7倍，不同波长下焦距均在75μm左右；图9所示为入射光经过微透镜调制后的聚焦效率，平均效率高达90％，实现了高效率的宽带消色差效果。

根据所述结构构型，通过聚焦离子束加工得到所述大焦深消色差微透镜。

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 (4)

1.一种大焦深消色差微透镜的设计与制备方法，其特征在于，所述微透镜设置在透明基底上，所述方法包括以下步骤：

S1、确定所述微透镜的焦距及工作波段；

S2、确定所述透明基底选用的材料，使所述透明基底的色散低于预设值；

S3、设置所述微透镜表面面型轮廓的几何参数，所述微透镜表面面型轮廓包括中心部分的球面和外侧部分的切面，所述球面与所述切面构成平滑表面；

S4、根据所述几何参数，在所述透明基底表面上制作形成所述微透镜；

所述微透镜的表面面型轮廓直接在所述透明基底上切割而成；

所述中心部分的球面面型由下述公式描述：

R₀＝f(n-1)

其中，R₀为球面曲率半径，f为透镜焦距，n为透明基底材料在工作波段中心波长的折射率实部；

所述微透镜底面直径与中心厚度的关系由下述公式描述:

其中，d为中心厚度，D为底面直径；

所述外侧部分的切面面型由下述公式描述：

其中，θ为切面与透明基底之间的夹角，L为球面与切面的交界位置在微透镜底面的投影到微透镜底面中心的距离。

2.根据权利要求1所述的大焦深消色差微透镜的设计与制备方法，其特征在于，所述透明基底选用在可见光波段的低色散透明材料，折射率大于>1.4，折射率虚部<0.01，在工作波段内色散<0.1，所述透明基底选用的材料包括二氧化硅、氟化钙或BK7玻璃。

3.根据权利要求1所述的大焦深消色差微透镜的设计与制备方法，其特征在于，所述方法还包括：

采用有限元电磁仿真软件进行模拟，通过模拟可见光的垂直入射以获得入射光经过微透镜调制后的光场分布及相关信息，具体包括光强分布、焦距、焦深、透射率。

4.根据权利要求1所述的大焦深消色差微透镜的设计与制备方法，其特征在于，所述微透镜的表面面型采用聚焦离子束、电子束曝光、纳米压印或者灰度光刻的方式进行加工制备。

Images