CN116804776A - 一种折射光学元件与超表面复合构型的光学器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，光学器件由折射光学元件和超表面级联构成，折射光学元件在目标工作波段内的至少一个波长上的相位分布满足光学器件的成像要求，超表面的相位分布使超表面对折射光学元件在目标工作波段内的色差进行校正，使得在目标工作波段内的不同波长下的电磁波通过光学器件后的相位分布同时满足光学器件的成像要求。本发明的光学器件将折射光学元件与超表面级联成一体，从而实现光学系统的轻量化、集成化要求，同时突破口径与带宽相互制约的瓶颈，能满足实际应用中的口径和带宽要求。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学器件、光学成像等领域，是一种折射光学元件与超表面复合构型的光学器件。
背景技术
光学成像在国计民生和国防科技中发挥了重要作用。实现高质量的光学成像的关键是光学系统。在当前的光学系统中，采用的是传统折射式透镜，其相位调控建立在几何光学的基础之上，往往体积大、重量大；此外，为了优化光学系统的成像质量，往往采用多个透镜级联而成的复杂透镜组来校正色差像差，更进一步地增大了光学系统的体积和重量。传统的折射式透镜由于其相位调控原理的根本性限制，无法满足光学系统的轻量化、集成化的发展要求。
超表面是一种新型的人工微纳结构，是由特征尺寸为亚波长的光学散射结构在界面上构成的二维阵列。超表面具有平面构型易集成、设计自由度较高以及振幅、相位和偏振的调控较为灵活等优势。
已有人提出利用超表面实现透镜功能。然而，由于微纳加工工艺极限限制，超表面的光学散射结构的尺寸参数范围有限，使得单个超表面透镜可实现的聚焦和成像的效果存在口径与带宽制约现象。在微纳工艺能力限制下，当超表面透镜的带宽(百nm至μm量级)覆盖所需的工作波段时，其口径仅能达到百μm量级，无法满足实际应用的光学系统对超表面透镜口径的要求；而当超表面透镜的口径达到应用所需的mm至cm量级时，带宽仅能达到nm至10nm量级，无法满足实际应用的光学系统对带宽的需求。
因此，有必要提供一种折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，以满足光学系统的轻量化、集成化的要求，同时突破口径与带宽相互制约的瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，以满足光学系统的轻量化、集成化的要求，同时突破口径与带宽相互制约的瓶颈。
为了实现上述目的，本发明提供一种折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，其特征在于，所述折射光学元件与超表面复合构型的光学器件由折射光学元件和超表面级联构成，所述折射光学元件在目标工作波段内的至少一个波长上的相位分布满足光学器件的成像要求，所述超表面的相位分布设置为使超表面对折射光学元件在目标工作波段内的色差进行校正，使得在目标工作波段内的不同波长下的电磁波通过光学器件后的相位分布同时满足光学器件的成像要求。
所述超表面由衬底和微纳结构构成，所述微纳结构由二维排布的微纳结构单元的周期性阵列组成，所述微纳结构单元具有可变的指向角度，不同的微纳结构单元的指向角度不同，而其余几何参数均相同；各微纳结构单元的指向角度根据所需的电磁波通过各微纳结构单元的相位调控量、以及电磁波通过微纳结构单元的相位调控量与微纳结构单元的指向角度的对应关系相应确定；电磁波通过各微纳结构单元的相位调控量满足超表面的相位分布。
所述周期性阵列为正方晶格阵列或六角晶格阵列，周期性阵列的周期U为0.2λ至λ，且所述微纳结构单元是椭圆柱或矩形柱，λ为目标工作波段内的指定波长。
所述微纳结构单元的指向角度在0至π之间，所述微纳结构单元的高度H为0.5λ至1.5λ。
所述微纳结构单元是矩形柱，矩形长边L和矩形短边W为0.1U至0.9U，U为周期性阵列的周期。
所述折射光学元件的其中一面是平面，另一面是曲面，所述折射光学元件的曲面面向入射光的传播方向且平面背离入射光的传播方向，并且超表面通过其衬底与折射光学元件的平面紧密贴合。
折射光学元件具有聚焦功能，所述超表面与折射光学元件的口径的比值为0.7-0.99。
所述折射光学元件采用平凸镜的构型，满足光学器件的成像要求指的是折射光学元件以一预设焦距聚焦至焦平面。
所述超表面的相位分布为：
其中，B为第二柯西色散系数，λ0为目标工作波段的中心波长，R为平凸镜的曲率半径，r为超表面的径向坐标，c为常数。
如果目标工作波段在可见光波段，则折射光学元件和衬底的材料选择二氧化硅，微纳结构的材料选择二氧化钛、氮化镓、和氮化硅中的一种；如果目标工作波段在中红外波段，则折射光学元件、衬底和微纳结构的材料选择硅；如果目标工作波段在长波红外波段，则折射光学元件、衬底和微纳结构材料选择锗。
本发明的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件采用复合构型，将折射光学元件与超表面级联成一体，形成复合光学器件，从而实现光学系统的轻量化、集成化要求，采用一个复合光学器件即可实现光学成像，使得光学系统的体积小、重量小，同时突破口径与带宽相互制约的瓶颈，能满足实际应用中的口径和带宽要求。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件的结构示意图。
图2是本发明实施例的超表面的俯视示意图。
图3是本发明实施例的超表面微纳结构单元的俯视示意图。
图4是本发明实施例的超表面微纳结构单元的侧视示意图。
图5A是本发明的第一实施例的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件的硅平凸镜的后截距随波长的变化关系图。
图5B是本发明的第一实施例的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件的复合光学器件的后截距随波长的变化关系图。
图6A是本发明的第二实施例的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件的硅平凸镜的后截距随波长的变化关系图。
图6B是本发明的第二实施例的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件的复合光学器件的后截距随波长的变化关系图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
如图1所示为根据本发明的一个实施例的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件。如图1所示，所述折射光学元件与超表面复合构型的光学器件由折射光学元件1和超表面2、3级联构成，超表面2、3由衬底2和微纳结构3构成。其中，折射光学元件与超表面复合构型的光学器件设置为接收一入射光，折射光学元件1具有一个平面和一个曲面，折射光学元件1的曲面面向入射光的传播方向且平面背离入射光的传播方向。超表面2、3设置在折射光学元件1的平面一侧，超表面通过其衬底2与折射光学元件1的平面紧密贴合，使得折射光学元件1和超表面两者级联形成复合光学器件。所述折射光学元件在目标工作波段内的至少一个波长上的相位分布满足光学器件的成像要求，超表面的相位分布设置为使超表面对折射光学元件1在目标工作波段内的色差进行校正，，使得折射光学元件1和超表面两者级联形成的复合光学器件实现宽带消色差聚焦功能，即使得在目标工作波段内的不同波长下的电磁波(即宽带平行的入射光)通过本发明的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件后的相位分布同时满足光学器件的成像要求。
下面给出本发明的两个不同实施例，以详细说明本发明的光学器件的结构和工作原理。
在本发明的两个实施例中，折射光学元件1采用平凸镜构型。
但是，在其他实施例中，折射光学元件1也适用其它折射元件构型，但同样需要其中一面是平面，另一面是曲面，折射光学元件1的曲面面向入射光的传播方向且平面背离入射光的传播方向，并且超表面通过其衬底2与折射光学元件1的平面紧密贴合，以便与超表面级联。其它折射元件构型下超表面的相位分布公式需要根据折射元件的面型和复合光学器件要实现的功能来推导。
由于本发明的两个实施例中，折射光学元件1采用平凸镜构型，平凸镜对平行光起到聚焦的作用，满足光学器件的成像要求指的是折射光学元件以一预设焦距聚焦至焦平面。由于平凸镜的材料色散，不同波长光的焦距不同，即存在色散问题，超表面的相位分布设置为使超表面对折射光学元件1在目标工作波段内的色差进行校正，使得折射光学元件1和超表面两者级联形成的复合光学器件实现宽带消色差聚焦功能，即使得宽带平行的入射光(包含工作波段内各波长的入射光)经本发明的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件后以所述的预设焦距聚焦至焦平面4。
由于如上文所述，折射光学元件1在目标工作波段内的至少一个波长上的相位分布满足光学器件的成像要求，因此，折射光学元件1的预设焦距可以在目标工作波段内的至少一个波长上满足要求，具体可以在目标工作波段的中心波长下满足要求，或者在偏离于目标工作波段的中心波长的目标工作波段内满足要求。
在本发明的两个不同实施例中，两款平凸镜的参数分别如表1所示。
表1：本发明实施例中的两款平凸镜参数
折射光学元件的材料可选二氧化硅(石英)、硅和锗，超表面的衬底材料可选二氧化硅(石英)、硅和锗，超表面的微纳结构材料可选二氧化钛、氮化镓、氮化硅、硅和锗，具体材料取决于目标工作波段。在可见光波段，二氧化硅(石英)和二氧化钛、氮化镓、氮化硅具有高透过率；在中红外波段，硅具有高透过率；在长波红外波段，锗具有高透过率。
因此，如果目标工作波段在可见光波段，折射光学元件1的材料选择二氧化硅(石英)，超表面的衬底材料选择二氧化硅(石英)，微纳结构材料可选二氧化钛、氮化镓、氮化硅。
如果目标工作波段在中红外波段，折射光学元件1的材料选择硅，超表面的衬底和微纳结构的材料选择硅。
如果目标工作波段在长波红外波段，折射光学元件1的材料选择锗，超表面的衬底和微纳结构材料选择锗。本发明的两个实施例的目标工作波段为中红外波段，因此折射光学元件、超表面的衬底和微纳结构3的材料均选择硅。
所述超表面的结构为：超表面由衬底2和微纳结构3构成。所述超表面的微纳结构3由二维排布的微纳结构单元31的周期性阵列组成。所述超表面的口径设置与折射光学元件1的口径一致或略小于折射光学元件1的口径，在本发明的两个实施例中，超表面的口径设置为略小于折射光学元件口径，这是因为实施例中的折射光学元件是聚焦功能，光束经折射光学元件后已发生汇聚，传播至超表面时光束直径已小于入射时的直径，光束直径缩小的程度取决于折射光学元件的口径、焦距、厚度等几何参数，超表面与折射光学元件的口径的比值可取0.7-0.99倍。
图2为本发明的实施例的超表面的俯视示意图。如图2所示，所述微纳结构单元31的周期性阵列的构型可以是正方晶格阵列或六角晶格阵列，如图3所示的周期性阵列是正方晶格阵列(即，所有的微纳结构单元31的中心位置形成了正方晶格阵列)。周期性阵列的周期U可取0.2λ至λ(λ为目标工作波段内的指定波长)。在所述周期性阵列中，所述微纳结构单元31可以是椭圆柱或矩形柱。如图3和图4所示，在本实施例中，所述微纳结构单元31的构型为矩形柱。所述微纳结构单元31具有多种几何参数，如高度、指向角度、横截面尺寸等。所述微纳结构单元31具有一个可变几何参数，不同的微纳结构单元31的可变几何参数不同，而其余几何参数均相同。
根据超表面的几何相位调控原理，电磁波通过具有完全相同的尺寸(即相同的高度和横截面尺寸)和不同的指向角度的微纳结构单元31的相位调控量与波长无关，仅与微纳结构单元31的指向角度有关，该相位调控量是指向角度的两倍。根据超表面的动力相位调控原理，电磁波通过具有不同尺寸(比如不同的横截面尺寸)的微纳结构单元31的相位调控量与波长相关。在本发明中，考虑到超表面在该复合光学器件中起到校正折射光学元件的色差的作用，超表面本身如果引入色差，则复合光学器件中，虽然折射光学元件1的色差被校正了，但又多了超表面带来的色差，那么色差问题仍然没有得到解决，复合光学器件仍然没有实现宽带消色差聚焦功能，因此超表面本身不应引入额外色散，为了使超表面本身不引入色散，可变几何参数只能是指向角度，高度和横截面尺寸等其余几何参数需设置为相同。即，电磁波通过微纳结构单元31的相位调控量应与波长无关，因此微纳结构单元31的高度、横截面尺寸等几何参数设置为不可变，仅设置指向角度作为可变几何参数。各微纳结构单元31的指向角度根据所需的电磁波通过各微纳结构单元31的相位调控量以及电磁波通过微纳结构单元31的相位调控量与微纳结构单元31的可变几何参数的对应关系相应确定。在本发明的两个实施例中，微纳结构单元31的可变几何参数为指向角度，各微纳结构单元具有完全相同的尺寸(即相同的高度和横截面尺寸)和不同的指向角度，其中，高度H可取0.5λ至1.5λ，所述微纳结构单元31的横截面为矩形，横截面尺寸L(矩形长边)和W(矩形短边)可取0.1U至0.9U(U为周期性阵列的周期)，指向角度α可取0至π，各微纳结构单元31的指向角度α根据所需的电磁波通过各微纳结构单元31后的相位调控量以及电磁波通过微纳结构单元31后的相位调控量与微纳结构单元31的指向角度的对应关系相应确定，该相位调控量是微纳结构单元31的指向角度的两倍。电磁波通过各微纳结构单元31后的相位调控量应满足上述的超表面的相位分布。
在本实施例中，所述折射光学元件采用平凸镜构型，所述超表面的设计方法为：复合光学器件中，折射光学元件由于材料色散使得工作波段内不同波长电磁波的焦距不同，通过超表面进行色差校正，两者级联形成的复合光学器件在工作波段内各波长电磁波的焦距相同，即实现宽带消色差聚焦功能。材料的折射率随波长的变化可由柯西色散公式给出：
本发明实施例的折射光学元件采用硅材料，根据硅的折射率的测量数据，按照柯西色散公式进行拟合，波长单位设置为μm的情况下，拟合得到的硅在中红外波段的柯西色散系数为：第一柯西色散系数A＝3.4164，第二柯西色散系数B＝0.1441。
所述折射光学元件采用平凸镜构型，为了校正色差(即为了使得目标工作波段内的不同波长下的电磁波通过光学器件后的相位分布同时满足光学器件的成像要求)，则需满足的超表面的相位分布为：
其中，B为第二柯西色散系数，λ0为目标工作波段的中心波长，R为平凸镜曲率半径，r为超表面的径向坐标(超表面上的任意位置到超表面中心的距离)，c为常数。其中，目标工作波段的中心波长是工作波段的最小波长λmin和最大波长λmax的均值，即λ0＝(λmin+λmax)/2。
在不同的波长下，超表面需满足的相位分布均相同。由此，通过设计超表面各微纳结构单元的指向角度α，使得电磁波通过各微纳结构单元后的相位调控量满足上述相位分布，则超表面通过其相位分布，能够起到色差校正的作用。
在本发明的第一实施例中，折射光学元件为表1中的第一个平凸镜，采用的是Thorlabs公司现成的硅平凸镜产品，其口径为25.4mm，波长4.0μm时的焦距为50.0mm，波长4.0μm的后截距为48.8mm，曲率半径为121.3mm，材料为硅。由于平凸镜起到会聚作用，超表面的口径设置为稍小于平凸镜口径，为20mm。光学器件的目标工作波段为3.9-4.7μm，目标工作波段的中心波长为4.3μm。将硅的柯西色散系数、复合光学器件的中心波长、平凸镜的曲率半径等参数代入上述超表面的相位分布的公式得到所需的超表面的相位分布。通过光线追迹方法仿真验证复合光学器件的宽频消色差聚焦功能。
图5A和图5B是本发明的第一实施例的硅平凸镜的后截距随波长的变化关系图以及复合光学器件的后截距随波长的变化关系图。其中，后截距是光学器件的最后一个面到焦平面的距离。后截距随波长变化大说明光学器件的色差大，后截距随波长变化小说明光学器件的色差小。硅平凸镜在3.9-4.7μm波段(以0.2μm为波长间隔)的后截距随波长的变化关系如图5A所示，后截距差(或称为焦距差)为0.061mm。复合光学器件在3.9-4.7μm波段(以0.2μm为波长间隔)的后截距随波长的变化关系如图5B所示，后截距差(焦距差)仅为0.005mm，仅为硅平凸镜的后截距差(焦距差)的1/12。这一结果验证了超表面在复合光学器件中的色差校正作用，也验证了复合光学器件的宽频消色差聚焦功能。
在本发明的第二实施例中，折射光学元件为表1中的第二个平凸镜，采用的是Thorlabs公司现成的硅平凸镜产品，其口径为25.4mm，波长4.0μm的焦距为100.0mm，波长4.0μm的后截距为98.8mm，曲率半径为242.5mm，材料为硅。由于平凸镜起到会聚作用，超表面的口径设置为稍小于平凸镜口径，为20mm。复合光学器件的工作波段为3.9-4.7μm，中心波长为4.3μm。将硅的柯西色散系数、复合光学器件的中心波长、平凸镜的曲率半径等参数代入上述超表面的相位分布的公式得到所需的超表面相位分布。通过光线追迹方法仿真验证复合光学器件的宽频消色差聚焦功能。
图6A和图6B是本发明的第二实施例的硅平凸镜的后截距随波长的变化关系图以及复合光学器件的后截距随波长的变化关系图。硅平凸镜在3.9-4.7μm波段(以0.2μm为波长间隔)的后截距随波长的变化关系如图6A所示，后截距差(或称为焦距差)为0.121mm。复合光学器件在3.9-4.7μm波段(以0.2μm为波长间隔)的后截距随波长的变化关系如图6B所示，后截距差(焦距差)仅为0.01mm，仅为硅平凸镜的后截距差(焦距差)的1/12。这一结果再次验证了超表面在复合光学器件中的色差校正作用，也再次验证了复合光学器件的宽频消色差聚焦功能。
由于在本发明的两个实施例中，折射光学元件1均采用焦距为波长4.0μm的焦距，因为采用的是Thorlabs公司两款现成的硅平凸镜产品，这两款产品是针对3-5μm的中波红外波段的，给出的是中心波长4.0μm下的焦距和后截距。在本发明中，在利用超表面的相位分布去校正色差时，考虑到目标工作波段是3.9-4.7μm，所以将目标工作波段的中心波长4.3μm作为超表面的相位分布公式中的λ0，并不需要设置为硅平凸镜产品参数里给的4.0μm波长(也就是说，满足光学器件的成像要求指的是折射光学元件1的预设焦距为固定值，光学折射元件1本身的预设焦距所对应的工作波长可以偏离于目标工作波段的中心波长)。在加上超表面之后，复合光学器件在每个波长下的焦距或后截距相对于单个折射光学元件在对应波长下的焦距或后截距是有差别的，加上超表面的效果是使焦距或后截距随波长的变化显著减小。
所述折射光学元件1的结构为：折射光学元件1的口径可取10mm至15cm，焦距可取10mm至100cm，面型可选球面、非球面等。在本发明的两个实施例中的折射光学元件1采用平凸镜构型，曲面在前，平面在后，曲面为球面。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (10)
1.一种折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，其特征在于，所述折射光学元件与超表面复合构型的光学器件由折射光学元件和超表面级联构成，所述折射光学元件在目标工作波段内的至少一个波长上的相位分布满足光学器件的成像要求，所述超表面的相位分布设置为使超表面对折射光学元件在目标工作波段内的色差进行校正，使得在目标工作波段内的不同波长下的电磁波通过光学器件后的相位分布同时满足光学器件的成像要求。
2.根据权利要求1所述的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，其特征在于，所述超表面由衬底和微纳结构构成，所述微纳结构由二维排布的微纳结构单元的周期性阵列组成，所述微纳结构单元具有可变的指向角度，不同的微纳结构单元的指向角度不同，而其余几何参数均相同；
各微纳结构单元的指向角度根据所需的电磁波通过各微纳结构单元的相位调控量、以及电磁波通过微纳结构单元的相位调控量与微纳结构单元的指向角度的对应关系相应确定；电磁波通过各微纳结构单元的相位调控量满足超表面的相位分布。
3.根据权利要求2所述的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，其特征在于，所述周期性阵列为正方晶格阵列或六角晶格阵列，周期性阵列的周期U为0.2λ至λ，且所述微纳结构单元是椭圆柱或矩形柱，λ为目标工作波段内的指定波长。
4.根据权利要求3所述的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，其特征在于，所述微纳结构单元的指向角度在0至π之间，所述微纳结构单元的高度H为0.5λ至1.5λ。
5.根据权利要求3所述的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，其特征在于，所述微纳结构单元是矩形柱，矩形长边L和矩形短边W为0.1U至0.9U，U为周期性阵列的周期。
6.根据权利要求2所述的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，其特征在于，所述折射光学元件的其中一面是平面，另一面是曲面，所述折射光学元件的曲面面向入射光的传播方向且平面背离入射光的传播方向，并且超表面通过其衬底与折射光学元件的平面紧密贴合。
7.根据权利要求1所述的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，其特征在于，折射光学元件具有聚焦功能，所述超表面与折射光学元件的口径的比值为0.7-0.99。
8.根据权利要求1所述的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，其特征在于，所述折射光学元件采用平凸镜的构型，满足光学器件的成像要求指的是折射光学元件以一预设焦距聚焦至焦平面。
9.根据权利要求8所述的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，其特征在于，所述超表面的相位分布为：
其中，B为第二柯西色散系数，λ0为目标工作波段的中心波长，R为平凸镜的曲率半径，r为超表面的径向坐标，c为常数。
10.根据权利要求2所述的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，其特征在于，如果目标工作波段在可见光波段，则折射光学元件和衬底的材料选择二氧化硅，微纳结构的材料选择二氧化钛、氮化镓、和氮化硅中的一种；
如果目标工作波段在中红外波段，则折射光学元件、衬底和微纳结构的材料选择硅；
如果目标工作波段在长波红外波段，则折射光学元件、衬底和微纳结构材料选择锗。
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| CN202310521559.8A CN116804776A (zh) | 2023-05-10 | 2023-05-10 | 一种折射光学元件与超表面复合构型的光学器件 |
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