CN113655549A - 一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统，该系统由X偏振、Y偏振、45°偏振以及圆偏振对应的超构透镜组成，其中每个超构透镜包含基底和电介质纳米单元超构表面层。本发明构造众多各向异性结构，包括单个矩形与多个矩形耦合结构。本发明在传统透镜公式的基础上增加了r0和C0两个变量，设计自由度高，将相位折叠进2π并结合算法后可以高效准确地设计出理想的超构透镜，提出了一种全新的偏振消色差设计方案。针对不同的偏振光提出了不同的消色差设计方案，保证了偏振成像系统的高效率。本发明针对不同的波段可以选择多种材料，选择光学响应优良的材料可以保证成像效率。

Description

一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统
技术领域
本发明涉及一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统，属于超构表面应用技术领域。
背景技术
光的偏振作为电磁波的重要固有特性之一，表现为振动方向相对于传播方向的不对称性，这种特性导致不同偏振态的光具有不同的光学响应，因此对自然光进行过滤后得到对应的偏振光有利于捕获所需的信息，进而广泛应用到自然探索、生物检测以及医疗诊断等各个研究领域。而面对复合波长情况下的应用场合，色差也是需要考虑的重要因素，它表现为不同波长的光透过棱镜时折射率大相径庭，导致不同颜色的光束沿着各异的方向传播，通过光学系统后并非汇聚到一点而是形成弥散斑，最终无法真实地反映物体的形状，导致成像质量的下降，这极大地限制了偏振成像的应用范围，因此消除偏振成像系统中的色差尤为重要。
目前实现偏振消色差成像的常用方法大多是通过组合例如透镜、检偏器等传统光学元件，通过设计复杂的光路最终构建所需的光学系统，但是这种以传统光学元件为主的光学系统体积较大、灵活度较低，同时面临着价格昂贵的问题，随着以光学镜头、显示设备等元件为核心的各类电子产品与光学设备呈现微型化与集成化的发展趋势，传统的光学系统很难满足应用需求，因此亟待开发出新一类轻薄的光学元件实现特定功能。
近年来超构表面作为一种二维新型光学元件被提出并实现了实现了很多重大突破，它是由众多亚波长单元周期排列组成的二维平面结构，通过设计亚波长单元的尺寸、位置与排列等参数可以在一定范围内实现对电磁波振幅、相位和偏振等特性的任意调控，具有很好的设计自由度，并且结合前沿的微纳加工技术便于实现量产，因此有望采用超构表面代替传统光学系统以实现轻量化、微型化与经济化的设计目标，最终建立一套完整的偏振消色差光学成像系统。
现有技术设计了一种消色差叠层超构透镜，该透镜由3层紧密排列的金属超构表面组成，每个超构表面的材料分别为金、银和铝，对应的波长分别为650、550和450纳米，通过设计每层超构表面的光学响应可以在一定范围内提高聚焦效率，优化层与层的间距可以获得极小的串扰，获得类似于菲涅尔波带片的效果，最终实现离散波长下的消色差功能。由于金属材料固有欧姆损耗的限制，这种基于表面等离激元的超构表面透镜的效率不高，很难应用在实际场合，其次多层表面的耦合在增大了设备体积的同时也存在着对准精度的问题，同时该方案只能实现几个离散波长情况下的消色差功能，与实际复色光情况相悖。
现有技术设计了一种单层偏振无关消色差超构透镜，该方案使用TiO2作为材料实现470-670纳米范围内针对圆偏振光的消色差功能，效率约为20％，数值孔径约为0.02，具有优秀的消色差带宽，实现了理想的消色差效果。该方案采用几何相位作为设计手段，其中存在着从一种圆偏振态到另一种圆偏振态的转换效率问题，导致针对线偏振光时成像效率更低，限制了其应用范围。
现有方案采用金属材料欧姆损耗大，透镜效率低；针对几个离散波长的消色差设计方案无法满足实际需求；现有的偏振设计局限于单圆偏振、单线偏振或偏振无关的情况，偏振成像自由度不高。
发明内容
本发明旨在利用全介质超构表面克服材料损耗大的问题，并且通过改变透镜参数灵活构造透镜相位，在统一X偏振光、Y偏振光、45°线偏振光与圆偏振光这4种偏振光对应的透镜参数的情况下，利用粒子群算法以极高的效率实现了连续波长情况下的消色差设计。复杂的偏振状态提供了偏振成像的灵活性，优秀的消色差效果保证了偏振的成像质量，最终提出一种偏振消色差光学系统的设计方案。
本发明采用的技术方案为一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统，该系统由X偏振、Y偏振、45°偏振以及圆偏振对应的超构透镜组成，其中每个超构透镜包含基底和电介质纳米单元超构表面层。电介质纳米单元超构表面层的形状为矩形及矩形衍生形，如图2所示的所有形状。图中为用于可见光波段的偏振消色差光学系统，基底为氧化铟锡(ITO)，结构材料为TiO2。该系统若用于红外波段，可将结构更改为Si；若用于紫外波段，可将结构更改为HfO2。结构尺寸也应根据适用的光学波段进行相应的调整。
该系统的实施方法一般包含如下几个步骤：
S1建立包含矩形及矩形衍生形结构形状相位数据库，数据库越大结果越好；
S2针对线偏振和圆偏振采用不同的设计方法以获得高效率的透镜，从数据库中选取特定的结构设计超构透镜。采用粒子群算法对r0和C0同时进行优化，以极高的精度与效率实现超构透镜的设计；
S3用设计好的超构透镜结构生成版图进行加工；
S4对偏振消色差光学系统进行表征。
与现有技术相比较，本发明构造了众多各向异性结构，包括单个矩形与多个矩形耦合结构。
本发明在传统透镜公式的基础上增加了r0和C0两个变量，设计自由度高，将相位折叠进2π并结合算法后可以高效准确地设计出理想的超构透镜，提出了一种全新的偏振消色差设计方案。
本发明针对不同的偏振光提出了不同的消色差设计方案，保证了偏振成像系统的高效率。
本发明方案在任意波段均适用，针对不同的波段可以选择多种材料，选择光学响应优良的材料可以保证成像效率。
本发明使用单层全介质超构表面即可获得高效率偏振消色差超构透镜；提出了一种灵活度极高的方案设计偏振消色差超构透镜的相位曲线，结合算法后可以高效地获得性能优良的超构透镜；针对不同的偏振光均提出了相应的消色差设计方案，相对于仅有单种偏振态的设计方案，本发明不仅在偏振角度更具灵活性，而且在不同偏振状态下均能获得较高的成像效率；本发明方案针对不同的波长范围可以选择不同的材料，适用范围广。
附图说明
图1为技术方案流程图。
图2为纳米单元的形状(矩形及矩形衍生形)。
图3为传统透镜与超构透镜消色差时相位参考点的区别。
图4为传统透镜与超构透镜消色差时相位分布的区别。
图5为不同方向线偏振状态下的纳米单元转角。
图6为消色差验证结果示意图。
图7为GDS版图示意图。
图8为偏振消色差光学表征示意图。
图9为偏振消色差光学成像系统图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明的技术方案流程图如图1所示，主要包括四个部分：建立相位数据库、超构透镜的设计、超构透镜的制备、偏振消色差光学成像系统的表征。
建立相位数据库
首先针对不同的光学波段需要选择不同的材料，在可见光波段常用二氧化钛、氮化镓等，红外波段常用硅，紫外波段常用氧化铪；其次由于微纳单元的形状与相位之间的数值关系并不明确，因此需要针对各种形状的纳米单元扫描不同尺寸的结构，数据库中结构的形状如图2所示，而例如改变矩形的长宽，多个耦合矩形的间距等参数即为结构的扫描过程，计算的结构越多数据库则越大，越有利于减少设计时产生的误差。要注意针对各种偏振状态时为了获取不同的相位，纳米单元的形状应为非中心对称的结构。进而使用数值仿真软件FDTD计算它们在X偏振光与圆偏振光情况下产生的相位值，整合不同偏振、结构与波长情况下产生的相位信息即可生成相位数据库。
超构透镜的设计
传统透镜设计时波前的相位分布遵循式(1)：
Figure BDA0003155029430000041
其中λ为波长，r为透镜上纳米单元距离透镜中心的距离，f为焦距值，透镜相位为φ1时的参考点选取为透镜中心，参考波前如图3左所示。此时透镜中心所需相位最小，随着半径的增大所需相位补偿也越大，而随着波数(1/λ)的增大所需相位补偿减小，即相位与波数呈现负相关关系，如图4左所示。而实际纳米单元提供的相位与波数呈正相关，难以与传统透镜相位相匹配，因此将式(1)中的相位分布改写为式(2)：
Figure BDA0003155029430000042
式(2)在式(1)的基础上增加了r0项和C0项，针对不同的波长可以选择不同的r0和C0值，其中r0作用是将参考点从透镜中心沿纵向平移到了另一位置，C0的作用则是将参考波前的相位进行了整体的平移，对应的参考点和参考波前如图3右所示，实际上这种相位的改变并不影响透镜各个位置的相对相位值，因此同样能保证聚焦效果。通过不断地调整优化波长下的r0和C0使得透镜的相位与纳米单元提供的相位关系(正相关关系)相匹配，如图4右所示，进而设计出理想的消色差超构透镜。要注意在匹配过程中将相位折叠进了2π从而减小计算量，增加计算效率。
实际上为了实现偏振消色差成像功能，所需的X偏振光、Y偏振光、45°线偏振光与圆偏振光可以等效为线偏振光和圆偏振光的消色差。
线偏振光中，以X偏振光为例：设计过程中提到通过改变r0项和C0将透镜相位与波长的关系近似拟合成为纳米单元相位与波长的关系，因此将r0项和C0作为优化参数，以超构透镜的理想相位减去数据库相位的绝对值为目标函数，进而通过粒子群算法不断调整r0项和C0的值并在数据库中选择相应的结构构造消色差透镜，周而复始地重复上述过程，直到目标函数达到最优值时，即可从数据库中选出一组与理想相位差值最小的数据参数作为消色差透镜的结构。
而对于Y偏振光，仅需将纳米单元面内旋转90°就可以等效于X偏振光的入射效果；同理对于45°线偏振光，将纳米单元面内旋转45°从而得到等效于X偏振光的入射效果。如图5所示以实现三种线偏振光入射情况下消色差功能的设计。
圆偏振光中，圆偏振光的消色差设计与线偏振不同，为了方便设计过程，首先将透镜相位φ2分为两部分，其中一部分与波长无关，作为基础相位部分，另一部分与波长有关，作为相位差部分，如式(3)与式(4)所示：
Figure BDA0003155029430000051
Figure BDA0003155029430000052
圆偏振光的消色差设计依赖于几何相位理论：
每个纳米单元都可以看作一个双折射晶体，根据琼斯矩阵理论，当纳米单元旋转角度θ时，其琼斯矩阵可以表示为：
Figure BDA0003155029430000053
其中J(0)为旋转角度θ等于0时的琼斯矩阵，R(θ)为旋转矩阵，
Figure BDA0003155029430000054
和
Figure BDA0003155029430000055
分别为入射光沿着纳米单元正交方向时的相位延迟，当入射光为圆偏振光时，可以推导出出射光的表达式为：
Figure BDA0003155029430000056
其中Ei和Eo分别表示入射和出射电场，±表示圆偏振光的旋向为左旋和右旋，右式中的第一项表示与入射光旋向相同的圆偏振光，第二项表示与入射光旋向相反的圆偏振光，这里附加了2倍θ角的相位，称其为几何相位。因此一个纳米单元旋转角度从0°到180°时就可以使相反旋向圆偏振出射光附加一个0到2π的相位范围。
因此在设计圆偏振光消色差时，特意将透镜理想相位分为了波长无关与波长有关两部分，易知几何相位通过旋转角控制，是与波长无关的参量，进而通过旋转基础相位的一半角度来设计透镜相位的基础相位部分，而利用与线偏振光相同的设计算法，从数据库中寻找合适的纳米单元以匹配透镜相位的相位差部分，最终实现圆偏振光入射时消色差的设计。
通过仿真验证消色差效果如图6所示。
超构透镜的制备
制备前要将仿真设计的不同偏振的超构透镜结构生成GDS版图文件如图7所示，接着开始制备流程：首先在沉积有氧化铟锡(ITO)的电介质衬底上旋涂光刻胶(聚甲基丙烯酸甲酯)，对光刻胶进行烘烤，采用电子束曝光进行光刻，之后显影定影，用原子层沉积对曝光区域进行填充，最用用反应离子束进行刻蚀并用化学溶剂去除残胶，得到所设计的超构透镜。
偏振消色差光学成像系统的表征
如图8所示，将不同偏振的消色差透镜拼接起来即可进行相关测试实验：对超构透镜前的成像系统进行处理使得不同偏振态的复色光通过对应的超构透镜，通过超构透镜后成像在CMOS等图像传感器上，借助相关算法对获取的图像处理后即可重构出入射光的相关信息，实现偏振消色差光学系统的功能。

Claims (9)

1.一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统，其特征在于：该系统由X偏振、Y偏振、45°偏振以及圆偏振对应的超构透镜组成，其中每个超构透镜包含基底和电介质纳米单元超构表面层；电介质纳米单元超构表面层的形状为矩形及矩形衍生形。
2.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统，其特征在于：用于可见光波段的偏振消色差光学系统，基底为氧化铟锡(ITO)，结构材料为TiO2。
3.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统，其特征在于：若用于红外波段，将电介质纳米单元超构表面层更改为Si。
4.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统，其特征在于：若用于紫外波段，将电介质纳米单元超构表面层更改为HfO2。
5.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统，其特征在于：该系统的实施方法包含如下步骤：
S1建立包含矩形及矩形衍生形结构形状相位数据库，数据库越大结果越好；
S2针对线偏振和圆偏振采用不同的设计方法以获得高效率的透镜，从数据库中选取特定的结构设计超构透镜；采用粒子群算法对r0和C0同时进行优化，以极高的精度与效率实现超构透镜的设计；
S3用设计好的超构透镜结构生成版图进行加工；
S4对偏振消色差光学系统进行表征。
6.根据权利要求5所述的一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统，其特征在于：S1中，首先针对不同的光学波段需要选择不同的材料；其次，由于微纳单元的形状与相位之间的数值关系并不明确，针对各种形状的纳米单元扫描不同尺寸的结构；改变矩形的长宽、多个耦合矩形的间距参数即为结构的扫描过程，计算的结构越多数据库则越大，越有利于减少设计时产生的误差；针对各种偏振状态时为了获取不同的相位，纳米单元的形状应为非中心对称的结构；使用数值仿真软件FDTD计算在X偏振光与圆偏振光情况下产生的相位值，整合不同偏振、结构与波长情况下产生的相位信息即可生成相位数据库。
7.根据权利要求5所述的一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统，其特征在于：S2中，透镜设计时波前的相位分布遵循式(1)：
Figure FDA0003155029420000021
其中λ为波长，r为透镜上纳米单元距离透镜中心的距离，f为焦距值，透镜相位为φ1时的参考点选取为透镜中心；将式(1)中的相位分布改写为式(2)：
Figure FDA0003155029420000022
式(2)在式(1)的基础上增加了r0项和C0项，针对不同的波长选择不同的r0和C0值，其中r0作用是将参考点从透镜中心沿纵向平移到了另一位置，C0的作用则是将参考波前的相位进行了整体的平移；通过不断地调整优化波长下的r0和C0使得透镜的相位与纳米单元提供的相位关系相匹配；
为了实现偏振消色差成像功能，所需的X偏振光、Y偏振光、45°线偏振光与圆偏振光等效为线偏振光和圆偏振光的消色差；
每个纳米单元都看作一个双折射晶体；将透镜理想相位分为了波长无关与波长有关两部分，通过旋转基础相位的一半角度来设计透镜相位的基础相位部分，而利用与线偏振光相同的设计算法，从数据库中寻找合适的纳米单元以匹配透镜相位的相位差部分，最终实现圆偏振光入射时消色差的设计。
8.根据权利要求5所述的一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统，其特征在于：S3中，制备前要将仿真设计的不同偏振的超构透镜结构生成GDS版图文件，接着开始制备流程：首先在沉积有氧化铟锡的电介质衬底上旋涂光刻胶，对光刻胶进行烘烤，采用电子束曝光进行光刻，之后显影定影，用原子层沉积对曝光区域进行填充，最用用反应离子束进行刻蚀并用化学溶剂去除残胶，得到所设计的超构透镜。
9.根据权利要求5所述的一种基于超构表面的偏振消色差光学成像系统，其特征在于：S4中，将不同偏振的消色差透镜拼接起来即可进行相关测试实验：对超构透镜前的成像系统进行处理使得不同偏振态的复色光通过对应的超构透镜，通过超构透镜后成像在CMOS图像传感器上，借助算法对获取的图像处理后即可重构出入射光的相关信息，实现偏振消色差光学系统的功能。
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