CN217639611U - 超透镜组件、超透镜和成像系统 - Google Patents

Abstract

提供一种超透镜组件、超透镜和成像系统，所述超透镜组件包括：聚焦透镜，用于将同一位置的物点发出的光束转换为平行光束；超衍射聚焦超透镜，包括基底，以及排布于所述基底上的多个纳米结构，且所述多个纳米结构使得所述超衍射聚焦超透镜具有圆锥面相位分布，所述超衍射聚焦超透镜用于对所述聚焦透镜转换的光束进行超衍射聚焦。根据本实用新型技术方案，基于平面超透镜产生贝塞尔光束规避了传统锥轴透镜加工难度大这一技术劣势。基于贝塞尔光束的成像系统结构简单，且能够实现更高的成像分辨率。

Description

超透镜组件、超透镜和成像系统

技术领域

本公开涉及光学超透镜的技术领域，具体地，本公开涉及用于激光雷达的发射器和激光雷达。

背景技术

贝塞尔光束具有无衍射特性，因此可以随着距离增加直径保持不变，光环的宽度得以保持，且在通过障碍物后能够复原，广泛用于科研、测量、校准、精密加工、医疗，尤其用于显微镜、光镊和眼睛的激光手术。在成像领域，传统的远场贝塞尔光束超分辨成像系统需要双器件(传统透镜和锥轴透镜)级联使用，这增加了系统复杂度，难以进行集成化设计；将双器件融合的单光学器件为奇异曲面(锥轴透镜是奇异曲面)，传统光学加工手段难以加工。

目前基于超表面的贝塞尔透镜得到越来越多的研究，其利用超表面来产生贝塞尔光束。但目前关于超表面型贝塞尔透镜的研究仅涉及太赫兹波段，鲜有用于成像领域。

实用新型内容

鉴于以上问题，做出本实用新型。

根据本实用新型一方面，提供一种超透镜组件，包括：聚焦透镜，用于将同一位置的物点发出的光束转换为平行光束；超衍射聚焦超透镜，包括基底，以及排布于基底上的多个纳米结构，且所述多个纳米结构使得所述超衍射聚焦超透镜具有圆锥面相位分布，所述超衍射聚焦超透镜用于对所述聚焦透镜转换的光束进行超衍射聚焦。

根据本实用新型另一方面，提供一种超透镜，包括：基底，以及排布于基底上的多个纳米结构，且所述多个纳米结构使得所述超透镜具有圆锥面相位分布。

根据本实用新型另一方面，提供一种成像系统，包括：照明光源；上述超透镜组件，用于对照明光源发出的光线进行超衍射聚焦；探测器，用于接收所述超透镜组件对照明光源发出的光线进行超衍射聚焦后形成的光线。

根据本实用新型技术方案，基于平面超透镜产生贝塞尔光束规避了传统锥轴透镜加工难度大这一技术劣势。基于贝塞尔光束的成像系统结构简单，且能够实现更高的成像分辨率。

附图说明

本实用新型可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本实用新型的优选实施方式和解释本实用新型的原理和优点。其中：

图1示出根据传统锥轴透镜得到的圆锥面相位分布示意图。

图2给出根据本实用新型实施方式可以采用的正六边形、正方形的超表面结构单元排布图。

图3示出纳米结构单元的示意图。

图4示出根据本实用新型实施方式的超透镜组件的示意性图。

图5示出根据本实用新型实施方式的超分辨成像系统的示意性框图。

图6示出在一具体实现示例中，当波长为532nm的光通过超透镜后光强分布的图示。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本实用新型实施方式的理解。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为比其它实施方式更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本申请，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本申请。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本申请的描述变得晦涩。因此，本申请并非旨在限于所示的实施方式，而是与符合本申请所公开的原理和特征的最广范围相一致。

根据本实用新型实施方式，提供一种超透镜。该超透镜能够通过调控其上的微纳结构获得与传统锥轴透镜相同的相位分布。为了实现该相位分布，可以根据所需相位在纳米数据库中寻找合适的结构设计。该超透镜能够取代现有技术中的锥轴透镜，且克服了传统锥轴透镜带来的不易集成、加工难度大等问题。

下面首先描述贝塞尔光束的数理模型，进而描述如何从其性能出发推导出该超透镜所需的相位分布。

贝塞尔光束在自由空间中的波动方程可表示为：

其中，E为贝塞尔光束的场分布。满足公式1的沿z轴传播的一组解为：

公式2中，x²+y²＝r²，

Jm是贝塞尔函数，在此使用第一类零阶贝塞尔函数J₀，w是光波的角频率，k_r指的是波矢的横向分量，k_z则是波矢的纵向分量。

从公式2可以看出，传播距离z只对相位项exp[i(k_zz-wt)]有影响，而不会影响光场的强度分布。换而言之，对于贝塞尔光束来说，不同传播距离上横截面的光场分布保持不变，这满足光束无衍射的性质。

其中，光束中心为一个强度最高的实心光斑，围绕中心光斑的是一系列同心圆环，这些同心圆环是贝塞尔光束光场的旁瓣结构。理论上，每个环状旁瓣的能量都与主光斑能量是一致的，因此随着旁瓣环直径的增大，环带光强的峰值逐渐减小。另外，贝塞尔光束在物理学中本质上是一种干涉场，参与干涉的平面子波振幅相等，且都与z轴有着相同的夹角。因此贝塞尔光束的子波分布在一个圆锥面上产生贝塞尔光束就是通过光学器件产生圆锥面的相位分布,如图1所示。

在尝试用超透镜实现圆锥面的相位分布时，理论上，超透镜的相位分布与样品上任一点距中心的径向距离r呈正相关。严格来说，超透镜并没有固定的焦点。平面波入射到超透镜时，不同口径位置的光场汇聚于不同的传播距离处，所以超透镜的聚焦的焦斑很长。我们假设在超透镜最大口径R处对应的焦点位置为f。因此图1中对应的角度为：

圆锥面相位分布超透镜的相位分布为：

其中，

代表光波的波矢。

设计出满足公式4所示相位分布的平面透镜，即可实现传统锥轴透镜的功能。为了实现该相位分布，可以根据所需相位在纳米数据库中寻找合适的结构设计，排布该纳米结构以形成所需超透镜。

超透镜的构成

超透镜是一种超表面。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面结构单元来调制入射光。其中超表面结构单元包含全介质或等离子的纳米结构，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。在本实用新型实施方式中，纳米结构是全介质结构单元，在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。其中纳米结构单元呈阵列排布，所述超表面结构单元为正六边形和/或正方形，每个超表面结构单元的中心位置，或者每个超表面结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。图2给出正六边形、正方形的超表面结构单元排布图。

超表面的工作波段为可见光和近红外波段。图3示出了一个超表面结构单元或纳米结构单元的示意图。如图3所示，超透镜包括基底310、设于基底上的纳米结构320-1和320-2。其中，纳米结构320-1为纳米柱，纳米结构320-2位纳米鳍。纳米结构之间可以是空气填充或者填充有其他工作波段透明或半透明的材料，需要注意的是，此材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。

纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。

上述纳米结构是一种亚波长结构，也就是说，纳米结构小于或等于该超透镜的工作波长。可选地，纳米结构的特征尺寸可以略大于该超透镜的工作波长。纳米结构的特征尺寸包括高度、横截面直径、横截面周期、相邻纳米结构之间的距离等等。

示例性地，纳米结构的最大深宽比，即纳米结构的高度与纳米结构最小直径的比值，小于或等于20，如此才能在保证纳米结构光学性能的同时确保纳米结构的机械性能。纳米结构在不同位置处的横截面直径相同，或部分相同，或互不相同。示例性地，结构单元不同位置处的纳米结构周期可以相同、也可以不同。纳米结构的光相位与纳米结构横截面直径相关。

根据本公开的实施方式，结构单元可以为正方形、正六边形或扇形。如图2从左至右依次示出了六边形、正方形的示例。

当所述结构单元为正六边形时，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，所述结构单元为正方形时，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。

应理解的是，在理想状态下，结构单元应为六边形定点及中心排布的纳米结构，或者为正方形定点及中心排布的纳米结构，但是，实际产品可能因超表面元件形状的限制，在超表面元件边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图2所示，所述结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个结构单元成阵列排布形成超表面结构。

如图2左示出的一个实施例，包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米结构，各周边纳米结构圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。

如图2中示出的一个实施例，为一个中枢纳米结构，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米结构，组成正方形。

结构单元及其密堆/阵列的形式也可以是圆周排列的扇形，如包括两个弧形边的扇形，也可以是一个弧形边的扇形，在扇形的各边交点以及中心设置有纳米结构。

根据本申请的实施方式，聚焦透镜和超衍射聚焦超透镜可以以晶圆级封装的形式构成。这是由于超表面的生产兼容半导体的生产工艺，可使用晶圆级加工，并可以将同样是晶圆级加工得到的两片或更多片超透镜进行晶圆级键合封装，依照使用场景对封装后的晶圆进行切割，即可得到符合大小、形状需求的光学系统。

在一种可选的实施方式中，本申请中的聚焦超透镜，其相位至少满足如下式：

其中，r为所述超透镜中心到任一所述纳米结构中心的距离；λ为工作波长，φ0为任意与所述工作波长相关的相位，x,y为超透镜镜面坐标，f为所述超透镜的焦距。超透镜的相位可以通过高次多项式表达，其中高次多项式包括偶次多项式和奇次多项式。本申请实施例中，相比式(1)、(2)、(3)、(7)、(8)和(9)，式(4)、(5)和(6)不仅能够对满足偶次多项式的相位进行优化，还能够对满足奇次多项式的相位进行优化且不破坏超透镜相位的旋转对称性，显著地提高了超透镜的优化自由度。需要注意的是，式(1)、(2)、(3)、(7)、(8)和(9)中，a1小于零；而式(4)、(5)和(6)中，a2小于零。

以上描述了根据本实用新型实施方式提供的超透镜，可以通过选择合适的纳米结构设计来使该超透镜具备圆锥面相位分布。

如果希望将上述锥面相位分布的超透镜用于成像，需要在该超透镜前方放置一个用于聚焦的透镜，以与上述超透镜级联使用。排布方式如图4所示：目标成像物体位于聚焦用的透镜410的前焦面。通过用于聚焦用的透镜(称为聚焦透镜)将物体发出的光线转化为一系列不同方向的平行光束。在图4中，不同位置的物点的光以不同线条来表示。然后通过超分辨聚焦超衍射聚焦超透镜420(即上述超透镜)将这一系列平行光束进行超分辨聚焦，从而达到超分辨成像的效果。

因此，根据本实用新型实施方式，提供一种超透镜组件。如图4所示，该超透镜组件通过两个透镜级联而成，主要用于取代现有技术中聚焦透镜和锥轴透镜的组合。如图4所示，该超透镜组件包括：

聚焦透镜410，用于将同一位置的物点发出的光束转换为平行光束。超衍射聚焦超透镜420，包括基底，以及排布于基底上的多个纳米结构，且所述多个纳米结构使得所述超透镜具有圆锥面相位分布，所述超衍射聚焦超透镜420用于对所述聚焦透镜410转换的光束进行超衍射聚焦。

根据本实用新型实施方式的超透镜组实现超分辨成像，是将现有的不易加工和级联的锥轴透镜通过还原相位设计替换成了超衍射聚焦超透镜420，成像原理与锥轴透镜是相似的。图4所示的超衍射聚焦超透镜420能够满足公式4的相位分布，实现传统锥轴透镜的功能，且避免了传统锥轴透镜带来的难以集成化设计、难以加工等问题。

贝塞尔光束超分辨成像技术是利用超衍射聚焦超透镜420这种光学相位器件对点扩散函数进行调制实现的。在聚焦光斑主级半高全宽(聚焦光斑光强的一半位置对应的光谱宽度)减小的同时，光斑的次级旁瓣的强度随之提高，像点会产生水波纹状的强度分布。但在主级光斑强度明显强于次级旁瓣的情况下，旁瓣不会影响正常的分辨与成像。

其中，聚焦透镜410的相位分布为：

本实用新型实施方式的超透镜组可用于远场超分辨成像，在这种情况下，假设透镜样品半径为R，当f＞＞R时，对公式5进行泰勒展开，可以将其简化为：

其中，

代表光波的波矢。

超衍射聚焦超透镜420的相位分布可以简化为：

聚焦透镜和超透镜的相位分布都是由一系列同心环组成。其中，聚焦透镜的同心环会呈现中心疏、边缘密集的现象，而超透镜的相位分布是一系列等距的同心环。

相比于传统透镜，根据本实用新型实施方式的超透镜以及包含该超透镜的超透镜组合具备“轻”、“薄”、“简”、“廉”以及产能高的优势。基于平面超透镜产生贝塞尔光束规避了传统锥轴透镜加工难度大这一技术劣势。

聚焦透镜410可以采用传统透镜，也可以采用超透镜来实现，或者采用传统透镜和超透镜的组合这一形式。超衍射聚焦超透镜420可以采用单个的超透镜，也可以采用多个超透镜级联的形式。在采用多个超透镜级联的情况下，可以从纳米结构数据库中选取合适的纳米结构设计，使得综合形成的相位满足圆锥面相位分布。

聚焦透镜410和超衍射聚焦超透镜420的焦距可以相同(比如都为f)，二者之间的间距可以为焦距f，也可以为焦距之外的其他值，比如大于或小于焦距。

在聚焦透镜410采用超透镜来实现的情况下，聚焦透镜410的基底和超衍射聚焦超透镜420的基底可以为同一个基底，且聚焦透镜410和超衍射聚焦超透镜420形成在基底的两侧，以形成双侧超透镜，其中，聚焦透镜410设于所述同一基底靠近物面的一侧，所述超衍射聚焦超透镜420设于所述同一基底靠近像面的一侧。此时，该组合式双侧超透镜的实际焦距为f/2，靠近物方一侧的相位满足Φ，靠近像方一侧的相位满足Φ_B。这样，将聚焦透镜410和超衍射聚焦超透镜420集成在基底的两面，可以将两个功能集中在一个光学元件中，可有效减小超透镜组件以及相应成像系统的体积。

另外，除了双侧超透镜之外，聚焦透镜和超衍射聚焦超透镜还可以形成在各自基底上，且二者的基底无间距地接合在一起，所述聚焦透镜朝向物面，所述超衍射聚焦超透镜朝向像面。

此外，在聚焦透镜410的基底和超衍射聚焦超透镜420的基底为同一基底的情况下，聚焦透镜410和超衍射聚焦超透镜420可以形成在所述同一基底的同一侧，此时超透镜组件的相位为聚焦透镜410的相位和超衍射聚焦超透镜420的相位之和，即该相位同时满足Φ和Φ_B。为设计出满足该相位的超透镜，可以直接从数据库中寻找相位分布满足Φ+Φ_B的纳米结构数据。这样，基于贝塞尔光束的超分辨成像透镜组可以选用单个超透镜，规避了传统透镜的对准问题，更有利于光学系统的集成化设计。

根据本实用新型实施方式，还提供一种成像系统。图5示出该超分辨成像系统的示意性框图。如图5所示，该成像系统包括：照明光源510，上述超透镜组件520，用于对照明光源发出的光线进行超衍射聚焦；探测器530，用于接收超透镜组件对照明光源发出的光线进行超衍射聚焦后形成的光线，探测器可以是CCD或CMOS等。

相比于其他超分辨成像系统，基于贝塞尔光束的成像系统结构简单，且能够实现更高的成像分辨率。成像系统的一个重要参数即是成像分辨率。传统的成像系统的极限分辨率为：

根据本实用新型实施方式的贝塞尔光束成像系统，可以达到的分辨率为：

其中，NA是数值孔径。从以上公式可看出，成像分辨率提高了约三分之一。

具体实现示例

在该具体示例中，超衍射聚焦超透镜420的相位分布满足公式7，纳米结构选取纳米圆柱，材料为氮化硅，纳米柱的直径为180nm，排布方式为正六边形，周期为500nm。超透镜大小为4mm*4mm，焦距为100mm。当波长为532nm的光通过此超透镜后，光强分布如图6所示。从图6可看出，根据本实用新型实施方式的超透镜组合能够产生贝塞尔光束。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施方式的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本实用新型的思路下，以上实施方式或者不同实施方式中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素或组件的存在或附加。涉及序数的术语“第一”，“第二”等并不表示这些术语所限定的特征、要素、步骤或组件的实施顺序或者重要性程度，而仅仅是为了描述清楚起见而用于在这些特征、要素、步骤或组件之间进行标识。

尽管根据有限数量的实施方式描述了本实用新型，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本实用新型的范围内，可以设想其它实施方式。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本实用新型的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本实用新型的范围，对本实用新型所做的公开是说明性的，而非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求书限定。

Claims (14)

1.一种超透镜组件，其特征在于，包括：

聚焦透镜，用于将同一位置的物点发出的光束转换为平行光束；

超衍射聚焦超透镜，包括基底，以及阵列排布于所述基底表面的结构单元，所述结构单元包括多个纳米结构；

且所述多个纳米结构使得所述超衍射聚焦超透镜具有圆锥面相位分布，所述超衍射聚焦超透镜用于对所述聚焦透镜转换的光束进行超衍射聚焦。

2.根据权利要求1所述的超透镜组件，其特征在于，聚焦透镜与超衍射聚焦超透镜焦距相同，且聚焦透镜与超衍射聚焦超透镜之间的间距等于焦距。

3.根据权利要求1所述的超透镜组件，其特征在于，所述聚焦透镜为超透镜。

4.根据权利要求3所述的超透镜组件，其特征在于，所述聚焦透镜的基底和所述超衍射聚焦超透镜的基底为同一基底，且所述聚焦透镜设于所述同一基底靠近物面的一侧，所述超衍射聚焦超透镜设于所述同一基底靠近像面的一侧。

5.根据权利要求3所述的超透镜组件，其特征在于，所述聚焦透镜的基底和所述超衍射聚焦超透镜的基底无间距地接合在一起，所述聚焦透镜朝向物面，所述超衍射聚焦超透镜朝向像面。

6.根据权利要求3所述的超透镜组件，其特征在于，所述聚焦透镜的基底和所述超衍射聚焦超透镜的基底为同一基底，且所述聚焦透镜和所述超衍射聚焦超透镜形成在所述同一基底的同一侧，所述超透镜组件的相位为所述聚焦透镜的相位与所述超衍射聚焦超透镜的相位之和。

7.根据权利要求1所述的超透镜组件，其特征在于，所述超衍射聚焦超透镜包括至少两个级联在一起的超衍射聚焦超透镜。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的超透镜组件，其特征在于，所述超衍射聚焦超透镜的相位分布为：

其中，Φ_B是所述超衍射聚焦超透镜的相位分布，r是所述超衍射聚焦超透镜上任一点距中心的径向距离，

是光波的波矢，R为所述超衍射聚焦超透镜的最大口径，f为所述最大口径对应的焦点位置。

9.根据权利要求1或3所述的超透镜组件，其特征在于，所述结构单元为可密堆积图形，所述可密堆积图形的顶点和/或中心位置设置有纳米结构。

10.根据权利要求9所述的超透镜组件，其特征在于，所述结构单元为正方形、正六边形或扇形。

11.根据权利要求1或3所述的超透镜组件，其特征在于，所述纳米结构选自如下中的一种或多种：圆柱、方柱、鳍状柱、椭圆柱。

12.根据权利要求5所述的超透镜组件，其特征在于，所述聚焦透镜和所述超衍射聚焦超透镜以晶圆级封装的形式构成。

13.一种超透镜，其特征在于，包括：基底，以及排布于基底上的多个纳米结构，且所述多个纳米结构使得所述超透镜具有圆锥面相位分布。

14.一种成像系统，其特征在于，包括：

照明光源；

根据权利要求1-12中任一项所述的超透镜组件，用于对照明光源发出的光线进行超衍射聚焦；

探测器，用于接收所述超透镜组件对照明光源发出的光线进行超衍射聚焦后形成的光线。

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