一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造超薄彩色光學(xué)透鏡的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造超薄彩色光學(xué)透鏡的方法。本發(fā)明步驟：(1)根據(jù)所需要出射的聚焦點(diǎn)的位置，計(jì)算人工微結(jié)構(gòu)超表面上相位分布；(2)對(duì)每種中心波長(zhǎng)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的周期性結(jié)構(gòu)，結(jié)合相位梯度分布確定具體相位值；(3)設(shè)計(jì)確定高度的柱狀結(jié)構(gòu)作為人工微結(jié)構(gòu)超表面的基本單元，再設(shè)計(jì)相應(yīng)具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)；(4)將整個(gè)透鏡分成的N部分區(qū)域隨機(jī)分為m份，并按需求保證每份中區(qū)域個(gè)數(shù)大致相同或根據(jù)特定需要保證某種比例；(5)將選中的m份區(qū)域分別帶入到(3)中的對(duì)應(yīng)的m個(gè)透鏡中，形成新透鏡；(6)根據(jù)每個(gè)區(qū)域的特定波長(zhǎng)，在透鏡對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)的濾光片形成濾光片陣列。本發(fā)明具有超薄、雙平面性和易于集成等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造超薄彩色光學(xué)透鏡的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于幾何光學(xué)及微納光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造 超薄彩色光學(xué)透鏡的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)透鏡是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫墓鈱W(xué)元件，包括攝像頭，顯微鏡等，同時(shí)在工業(yè) 生產(chǎn)和國(guó)防領(lǐng)域也有重要作用。通常使用的透鏡體積較大，且至少有一面是曲面。然而，隨 著科技的發(fā)展，人類制造的設(shè)備功能越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的光學(xué)透鏡體積大，曲面設(shè)計(jì)已經(jīng)無(wú) 法滿足日益提高的集成化要求。怎樣有效的結(jié)合現(xiàn)有的成熟半導(dǎo)體工藝解決以上問(wèn)題變得 十分重要。
[0003] 通過(guò)微納光學(xué)技術(shù)，在微米和納米量級(jí)操控電磁波的傳播已經(jīng)成為目前熱門(mén)的科 研發(fā)展方向。通過(guò)微納加工技術(shù)，我們可以制作出微納光學(xué)透鏡，它不僅體積小，兩個(gè)面都 是平面，同時(shí)重量輕，厚度只有微米量級(jí)，完美兼容現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝，非常適合集成在復(fù) 雜的光機(jī)電系統(tǒng)中。目前的人工微結(jié)構(gòu)超表面透鏡技術(shù)色差極大，只適合工作在單一波長(zhǎng)。 可以參考設(shè)計(jì)在單一工作波長(zhǎng)的人工微結(jié)構(gòu)透鏡（專利申請(qǐng)?zhí)枺?01610038050.8)。對(duì)于彩 色成像、顯示等方面都無(wú)能為力。因此一種能對(duì)紅綠藍(lán)三色光具有相同焦距的透鏡顯得尤 為重要。美國(guó)科學(xué)家拜耳(Bryce Bayer)于1976年發(fā)明了拜耳濾光片，成功的解決了數(shù)碼相 機(jī)CCD的彩色成像問(wèn)題(US patent 3971065,1976-07-20)。受此方法啟發(fā)，組合式人工微結(jié) 構(gòu)超表面透鏡為目前面臨的問(wèn)題提供了有效的解決方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造超薄彩色光學(xué)透鏡的方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下：
[0006] 步驟（1).在380nm~780nm的可見(jiàn)光范圍內(nèi)，選擇三種或以上需要的中心波長(zhǎng)，中 心波長(zhǎng)的計(jì)數(shù)為m。對(duì)于每種波長(zhǎng)的入射光，垂直照射人工微結(jié)構(gòu)超表面，根據(jù)所需要出射 的聚焦點(diǎn)的位置或特殊出射波形的需要，計(jì)算人工微結(jié)構(gòu)超表面上的相位梯度分布。
[0007] 這里主要利用了惠更斯原理(Huygens principle)，主要內(nèi)容是:行進(jìn)中的波陣面 上任一點(diǎn)都能夠看作是新的次波源，從波陣面上各點(diǎn)發(fā)出的許多次波所形成的包絡(luò)面，在 一定時(shí)間內(nèi)所傳播一定距離形成新波面。當(dāng)平面波穿過(guò)人工微結(jié)構(gòu)超表面時(shí)，由于不同位 置的結(jié)構(gòu)單元對(duì)平面波的相位延遲不同，使得透射波的次波所形成的包絡(luò)面發(fā)生變化，這 種變化能夠人為調(diào)制。因此，這里可以根據(jù)需要分別設(shè)計(jì)每一個(gè)工作波長(zhǎng)的波前性質(zhì)，對(duì)于 m種工作波長(zhǎng)，設(shè)計(jì)的原則在于它們相互之間不能合成。
[0008] 設(shè)人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造的超薄彩色光學(xué)透鏡的焦距為f，某工作波長(zhǎng)為λ，在人 工微結(jié)構(gòu)超表面的周期性結(jié)構(gòu)上，選中的位置距離人工微結(jié)構(gòu)超表面中心距離為s。則此選 中位置到焦點(diǎn)的距離d s能夠計(jì)算得到：
[0010] ds就是入射光照射到選中位置發(fā)出的次波到焦點(diǎn)的距離。次波到焦點(diǎn)的相位變化 表不為Ws:
[0012] 通過(guò)確定每一個(gè)不同位置的相位變化Ψ3就來(lái)確定人工微結(jié)構(gòu)超表面上的相位分 布。依次類推，改變工作波長(zhǎng)λ，分別針對(duì)每一個(gè)工作波長(zhǎng)確定透鏡的相位分布。
[0013] 步驟(2).對(duì)于每種中心波長(zhǎng)，以需要的周期設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的周期性結(jié)構(gòu)，將得到 的相位梯度分布結(jié)合人工微結(jié)構(gòu)超表面的周期性結(jié)構(gòu)，確定周期性結(jié)構(gòu)所在位置的相位 值。
[0014] 所述的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的周期性結(jié)構(gòu)包括但不限于四邊形、六邊形、圓形等一系列旋轉(zhuǎn) 對(duì)稱圖案。
[0015] 對(duì)于每一種工作波長(zhǎng)λ，選取合適的周期Ρ，確定每一個(gè)周期性結(jié)構(gòu)的位置，其距離 人工微結(jié)構(gòu)超表面中心距離為s 1。
[0016] 因此，距離人工微結(jié)構(gòu)超表面中心距離為si的點(diǎn)到達(dá)焦點(diǎn)處的電磁波的電場(chǎng)分量 描述為：
[0017] E = i4exp (j * k * ds) (3)
[0018] 其中k表示工作波長(zhǎng)的波數(shù)，有1^=231八。(15可由公式（1)計(jì)算得到。取(3)式中的相 位值能夠得到和(2)式相同的結(jié)果，這樣就得到了該周期性結(jié)構(gòu)處的相位值。根據(jù)以上原理 和計(jì)算公式，確定焦距和周期后計(jì)算出人工微結(jié)構(gòu)超表面上所有結(jié)構(gòu)單元的相位值。
[0019] 步驟(3).設(shè)計(jì)確定高度的柱狀結(jié)構(gòu)作為人工微結(jié)構(gòu)超表面的基本單元，根據(jù)每個(gè) 基本單元的相位要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，具體的：
[0020] 根據(jù)步驟(1)設(shè)計(jì)m種透鏡，透鏡內(nèi)周期性結(jié)構(gòu)周圍有光學(xué)透明介質(zhì)包圍。
[0021] 根據(jù)步驟(2)中計(jì)算得到的相位值，選取合適的柱狀結(jié)構(gòu)作為人工微結(jié)構(gòu)超表面 的基本單元，根據(jù)每個(gè)基本單元的相位要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，最終形成人工微結(jié) 構(gòu)超表面超薄透鏡。針對(duì)選取的柱狀結(jié)構(gòu)的材料，主要考察因素為在工作波段介電常數(shù)高 且損耗低，因此其材料包括但不限于氮化硅硅(Si 3N4)、磷化鎵(GaP)、二氧化鈦(Ti02)等一 系列符合要求的材料。其柱狀結(jié)構(gòu)也包含四邊柱狀、六邊柱狀、圓柱狀在內(nèi)的一系列結(jié)構(gòu)。
[0022] 同時(shí)，透鏡內(nèi)結(jié)構(gòu)單元周圍的光學(xué)透明介質(zhì)起到支持、保護(hù)和封裝結(jié)構(gòu)的作用，光 學(xué)透明介質(zhì)采用光學(xué)波段低折射率材料，如特氟龍(Teflon)AF系列材料。
[0023]步驟(4).將每一個(gè)透鏡都分為N部分區(qū)域(N為正整數(shù)），將每一個(gè)透鏡的N部分區(qū) 域以相同的隨機(jī)分法分為m份(m為步驟（1)中選擇的中心波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)），并按需求保證每份 中區(qū)域個(gè)數(shù)大致相同或根據(jù)特定需要保證某種比例。每份區(qū)域的形狀可以是矩形、六邊形 等密集排列的形狀。劃分N部分區(qū)域時(shí)不能具有某種明顯的順序排列，有序排列將會(huì)導(dǎo)致衍 射效應(yīng)的產(chǎn)生。m份區(qū)域互不重疊，整體組合覆蓋完整透鏡范圍。對(duì)于紅綠藍(lán)三色光，其比例 優(yōu)選為1:1:1，或1:2:1等比例。
[0024]步驟(5).將選中的m份區(qū)域分別帶入到步驟(3)中的對(duì)應(yīng)的m個(gè)透鏡中。將區(qū)域選 中的透鏡內(nèi)的周期性結(jié)構(gòu)組合在一起，形成一個(gè)新的透鏡。其中每個(gè)區(qū)域內(nèi)都包含特定數(shù) 量的周期性結(jié)構(gòu)，在一個(gè)區(qū)域中，周期性結(jié)構(gòu)的周期相同，不同區(qū)域的周期性結(jié)構(gòu)周期可能 相同或不同，取決于步驟(2)(3)中關(guān)于每個(gè)工作波長(zhǎng)的透鏡的結(jié)構(gòu)單元的周期設(shè)計(jì)。
[0025] 步驟(6)，根據(jù)每個(gè)區(qū)域的特定波長(zhǎng)，在透鏡上表面或雙面覆蓋對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)的濾 光片，每種濾光片在設(shè)計(jì)波長(zhǎng)處透射率較高，在遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)波長(zhǎng)處透射率較低，形成覆蓋整個(gè) 透鏡的濾光片陣列。
[0026] 所述的濾光片陣列不能距離人工微結(jié)構(gòu)超表面單元過(guò)遠(yuǎn)，以減小濾光片區(qū)域的衍 射效應(yīng)。并應(yīng)盡可能采用低折射率材料，以減小濾光片和透鏡內(nèi)周期性結(jié)構(gòu)之間的耦合響 應(yīng)。
[0027]本發(fā)明有益效果如下：
[0028]本發(fā)明采用了在工作波段損耗低的二氧化鈦、特氟龍AF2400等材料，具有透過(guò)率 高、損耗低等特點(diǎn)。同時(shí)相比傳統(tǒng)光學(xué)透鏡，具有超薄，雙平面性，易于集成等優(yōu)點(diǎn)。
[0029] 本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)人工微結(jié)構(gòu)超表面，將入射的復(fù)色光調(diào)制，在焦平面上匯聚，實(shí)現(xiàn) 彩色光學(xué)透鏡的聚焦效果。相比于單波長(zhǎng)人工微結(jié)構(gòu)透鏡，本設(shè)計(jì)可以工作在多個(gè)設(shè)計(jì)波 長(zhǎng)，對(duì)基于可見(jiàn)光波段的彩色成像提供了實(shí)際的解決方案。同時(shí)有效降低了整個(gè)可見(jiàn)光波 段的焦距變化范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為利用人工微結(jié)構(gòu)超表面實(shí)現(xiàn)對(duì)平行入射復(fù)色光聚焦示意圖。
[0031] 圖2為人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)構(gòu)造超薄彩色光學(xué)透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖3(a)為人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)單元的透視圖。
[0033] 圖3(b)為人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)單元的主視圖。
[0034] 圖3(c)為人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)單元的俯視圖。
[0035]圖4(a)為入射光波長(zhǎng)為420nm藍(lán)光時(shí)，人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單元在不同厚 度特氟龍AF2400包裹下的透射率結(jié)果。
[0036]圖4(b)為入射光波長(zhǎng)為420nm藍(lán)光時(shí)，人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單元在不同厚 度特氟龍AF2400包裹下的透射相位結(jié)果。
[0037]圖5(a)為入射光波長(zhǎng)為550nm綠光時(shí)，人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單元在不同厚 度特氟龍AF2400包裹下的透射率結(jié)果。
[0038]圖5(b)為入射光波長(zhǎng)為550nm綠光時(shí)，人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單元在不同厚 度特氟龍AF2400包裹下的透射相位結(jié)果。
[0039]圖6(a)為入射光波長(zhǎng)為700nm紅光時(shí)，人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單元在不同厚 度特氟龍AF2400包裹下的透射率結(jié)果。
[0040] 圖6(b)為入射光波長(zhǎng)為700nm紅光時(shí)，人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單元在不同厚 度特氟龍AF2400包裹下的透射相位結(jié)果。
[0041] 圖7為設(shè)計(jì)的將透鏡所在的正方形區(qū)域針對(duì)紅綠藍(lán)三種工作波長(zhǎng)隨機(jī)分為三等分 總計(jì)50*50塊區(qū)域的濾光片結(jié)構(gòu)不意圖。
[0042]圖8(a)為入射光波長(zhǎng)為420nm藍(lán)光時(shí)，人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單元彩色透鏡 在焦距處的強(qiáng)度分布。
[0043]圖8(b)為入射光波長(zhǎng)為550nm綠光時(shí)，人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單兀彩色透鏡 在焦距處的強(qiáng)度分布。
[0044]圖8(c)為入射光波長(zhǎng)為700nm紅光時(shí)，人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單元彩色透鏡 在焦距處的強(qiáng)度分布。
[0045]圖9為在可見(jiàn)光波段380nm~780nm范圍內(nèi)，人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單元彩色 透鏡的焦距與設(shè)計(jì)焦距的偏離值。
【具體實(shí)施方式】 [0046] 2
[0047] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0048] -種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造超薄彩色光學(xué)透鏡的方法，具體包括以下步驟： [0049] 步驟（1).在380nm~780nm的可見(jiàn)光范圍內(nèi)，選擇三種或以上需要的中心波長(zhǎng)，中 心波長(zhǎng)的計(jì)數(shù)為m。對(duì)于每種波長(zhǎng)的入射光，垂直照射人工微結(jié)構(gòu)超表面，根據(jù)所需要出射 的聚焦點(diǎn)的位置或特殊出射波形的需要，計(jì)算人工微結(jié)構(gòu)超表面上的相位梯度分布。如圖1 所示，入射復(fù)色平面光沿z軸正方向傳播，垂直照射到人工微結(jié)構(gòu)超表面上。經(jīng)過(guò)人工微結(jié) 構(gòu)超表面上各個(gè)結(jié)構(gòu)單元的相位調(diào)制，出射光的波前變?yōu)閰R聚的球面波，最終匯聚在焦平 面上。人工微結(jié)構(gòu)超表面如圖2所示。透鏡被分成了許多部分，每部分都有一些根據(jù)相位要 求設(shè)定好的結(jié)構(gòu)。其中1區(qū)域的圓形結(jié)構(gòu)由點(diǎn)畫(huà)線表示，此方形區(qū)域內(nèi)的設(shè)計(jì)工作波長(zhǎng)為 700nm的紅光；2區(qū)域的圓形結(jié)構(gòu)由虛線表示，此方形區(qū)域內(nèi)的設(shè)計(jì)工作波長(zhǎng)為550nm的綠 光;3區(qū)域的圓形結(jié)構(gòu)由實(shí)線表示，此方形區(qū)域內(nèi)的設(shè)計(jì)工作波長(zhǎng)為420nm的藍(lán)光。由這三種 工作波長(zhǎng)的區(qū)域組合成整個(gè)透鏡。
[0050]關(guān)于人工微結(jié)構(gòu)超表面上各個(gè)點(diǎn)的相位計(jì)算如下：
[0051]此位置到焦點(diǎn)的距離ds可以用勾股定理計(jì)算得到：
[0053] 入射復(fù)色平面光照射到此選中位置發(fā)出的次波到焦點(diǎn)經(jīng)過(guò)距離ds。其相位變化可 以表示為Ψ5:
[0055] 確定每一個(gè)不同位置的相位變化就確定了出人工微結(jié)構(gòu)超表面上的相位分 布。
[0056] 步驟(2).對(duì)于每種中心波長(zhǎng)，以一定的周期設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的周期性結(jié)構(gòu)，將得到 的相位梯度分布結(jié)合表面上的周期性結(jié)構(gòu)單元確定具體的相位值。這種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的周期性 結(jié)構(gòu)包括但不限于四邊形，六邊形，圓形等一系列旋轉(zhuǎn)對(duì)稱圖案。對(duì)于每一種工作波長(zhǎng)λ，選 取合適的周期Ρ，確定每一個(gè)結(jié)構(gòu)單元的位置，其距離人工微結(jié)構(gòu)超表面中心距離為si。
[0057] 因此，距離人工微結(jié)構(gòu)超表面中心距離為si的點(diǎn)到達(dá)焦點(diǎn)處的電磁波的電場(chǎng)分量 可以描述為：
[0058] E - /lexp (j * k * ds) (3 )
[0059] 其中k表示工作波長(zhǎng)的波數(shù)，有1^ = 231八。(15可由公式（1)計(jì)算得到。取(3)式中的相 位可以得到和(2)式相同的結(jié)果，這樣就得到了該結(jié)構(gòu)單元處的相位值。根據(jù)以上原理和計(jì) 算公式，確定焦距和周期后計(jì)算出人工微結(jié)構(gòu)超表面上所有結(jié)構(gòu)單元的相位值。此例中，我 們?cè)O(shè)計(jì)透鏡的直徑為1.12mm，焦距為0.42mm，數(shù)值孔徑為0.8。
[0060] 步驟(3).選擇確定高度的柱狀結(jié)構(gòu)作為人工微結(jié)構(gòu)超表面的基本單元，根據(jù)每個(gè) 基本單元的相位要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，根據(jù)步驟(1)的設(shè)計(jì)，共完成m種透鏡結(jié)構(gòu)， 透鏡內(nèi)結(jié)構(gòu)單元周圍有光學(xué)透明介質(zhì)包圍。根據(jù)步驟(2)中計(jì)算得到的相位值，選取合適的 柱狀結(jié)構(gòu)作為人工微結(jié)構(gòu)超表面的基本單元，根據(jù)每個(gè)基本單元的相位要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的具 體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，最終形成人工微結(jié)構(gòu)超表面超薄透鏡。在選取的柱狀材料中，主要考察因素為 在工作波段介電常數(shù)高且損耗低，因此其材料包括但不限于氮化硅硅（Si 3N4)，磷化鎵 (GaP)，二氧化鈦(Ti02)等一系列符合要求的材料。同時(shí)，其柱狀結(jié)構(gòu)也包含四邊柱狀，五邊 柱狀，圓柱狀，橢圓柱狀在內(nèi)的一系列結(jié)構(gòu)。同時(shí)，結(jié)構(gòu)周圍的光學(xué)透明介質(zhì)起到支持、保護(hù) 和封裝結(jié)構(gòu)的作用，采用光學(xué)波段低折射率材料，如特氟龍AF系列材料。圖3(a)是人工微結(jié) 構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)單元的透視圖，為四邊旋轉(zhuǎn)對(duì)稱圖形，其單元結(jié)構(gòu)為圓柱形，這樣的圖形對(duì)于 入射光偏振不敏感。圖3(b)是人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)單元的主視圖，結(jié)構(gòu)單元的高度如圖 中高度1所示，結(jié)構(gòu)距離環(huán)境介質(zhì)上下表面的距離分別為高度2和高度3,這里取高度2和高 度3相等。圖3(c)是人工微結(jié)構(gòu)超表面結(jié)構(gòu)單元的俯視圖，單元的周期和直徑在圖中標(biāo)出， 通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)的直徑，可以改變透射光的相位變化。圖4展示了在420nm入射光情況下，高度 2分別為Onm，lOOnm直到無(wú)限大（Inf)情況下的透射率（圖4a)和透射相位（圖4b)情況。環(huán)境 介質(zhì)的不同高度對(duì)透射率的影響較小，對(duì)于透射相位基本無(wú)影響，說(shuō)明結(jié)構(gòu)單元響應(yīng)對(duì)周 圍低折射率介質(zhì)的厚度不敏感。同樣，圖5和圖6分別為550nm和700nm入射光的情況，其結(jié)果 與420nm入射光具有一致性。
[0061] 步驟(4).將每一個(gè)透鏡都分為N部分區(qū)域(N為正整數(shù)），將每一個(gè)透鏡的N部分區(qū) 域以相同的隨機(jī)分法分為m份(m為步驟（1)中選擇的中心波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)），并按需求保證每份 中區(qū)域個(gè)數(shù)大致相同或根據(jù)特定需要保證某種比例。每份區(qū)域的形狀可以是矩形，六邊形 等密集排列的形狀。劃分N部分區(qū)域時(shí)不能具有某種明顯的順序排列，有序排列將會(huì)導(dǎo)致衍 射效應(yīng)的產(chǎn)生。m份區(qū)域互不重疊，整體組合覆蓋完整透鏡范圍。對(duì)于紅綠藍(lán)三色光，其比例 可以為1:1:1，或1: 2:1等比例。我們將透鏡所在的正方形區(qū)域分為50*50個(gè)小區(qū)域。并將其 大致按1:1:1的比例分為三等份。如圖7所示，分別為紅綠藍(lán)三色區(qū)域。每個(gè)小區(qū)域的邊長(zhǎng)為 22.4um，遠(yuǎn)大于工作波長(zhǎng)。黑色區(qū)域?yàn)閳A形透鏡外區(qū)域。
[0062] 步驟(5).將選中的m份區(qū)域分別帶入到步驟(3)中的對(duì)應(yīng)的m個(gè)透鏡中。將區(qū)域選 中的具體結(jié)構(gòu)組合在一起，形成一個(gè)新的透鏡。其中每個(gè)區(qū)域內(nèi)都包含特定數(shù)量的結(jié)構(gòu)單 元，在一個(gè)區(qū)域中，結(jié)構(gòu)單元的周期相同，不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)單元周期可能相同或不同，取決 于步驟(2) (3)中關(guān)于每個(gè)工作波長(zhǎng)的透鏡的結(jié)構(gòu)單元的周期設(shè)計(jì)。
[0063] 步驟(6).根據(jù)每個(gè)區(qū)域的特定波長(zhǎng)，在透鏡上表面或雙面覆蓋對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)的濾 光片，每種濾光片在設(shè)計(jì)波長(zhǎng)處透射率較高，在遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)波長(zhǎng)處透射率較低，形成覆蓋整個(gè) 透鏡的濾光片陣列。濾光片的陣列不能距離人工微結(jié)構(gòu)超表面單元過(guò)遠(yuǎn)，以減小濾光片區(qū) 域的衍射效應(yīng)。并應(yīng)盡可能采用低折射率材料，以減小濾光片和透鏡結(jié)構(gòu)單元之間的耦合 響應(yīng)。
[0064] 實(shí)施例1
[0065] 人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造超彩色薄光學(xué)透鏡的效果。
[0066] 根據(jù)上述設(shè)計(jì)方法，設(shè)id塊工作波長(zhǎng)在420nm、550nm、700nm，對(duì)偏振不敏感的彩 色超薄光學(xué)透鏡，其直徑為1.12mm，焦距為0.42mm，數(shù)值孔徑為0.8,并進(jìn)行相關(guān)仿真驗(yàn)證。 [0067]圖3中設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)均為圓形，圓柱采用材料為T(mén)i02,高度為600nm。周圍介質(zhì)為特 氟龍AF4200，在可見(jiàn)光波段的折射率為1.29，高度為800nm，即圖3(b)中高度2和高度3均為 lOOnm。對(duì)于420nm工作波長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)周期為200nm;對(duì)于550nm工作波長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)周期為350nm;對(duì) 于700nm工作波長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)周期為400nm。從圖4、5、6中可以看出隨著圓柱半徑逐漸增大，相位 延遲(灰色曲線）隨半徑增大而逐漸減小，在各自的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)完成2π的相位變化，而平均 透射率保持在80%以上。
[0068]根據(jù)上面提到的計(jì)算方法，確定焦距和周期后可以計(jì)算得到每個(gè)結(jié)構(gòu)單元需要的 相位。通過(guò)相位值唯一的在圖4、5、6中選出合適的圓柱的半徑值。確定最終的人工微結(jié)構(gòu)超 表面的實(shí)際結(jié)構(gòu)。
[0069]通過(guò)數(shù)值仿真模擬聚焦情況，在焦點(diǎn)處X方向的強(qiáng)度分布如圖8所示。在420nm， 550nm，700nm三個(gè)設(shè)計(jì)波長(zhǎng)處均取得了接近衍射極限的聚焦效果。
[0070]同時(shí)，分別模擬了在380nm~780nm范圍內(nèi)，在三個(gè)設(shè)計(jì)波長(zhǎng)周圍其他波長(zhǎng)的入射 光的透射焦距，如圖9所示，灰色線表示設(shè)計(jì)焦距位置。將藍(lán)色濾光片的透光范圍設(shè)置在 380nm~490nm，綠色濾光片的透光范圍設(shè)置在480nm~630nm，紅色濾光片的透光范圍設(shè)置 在620nm~780nm，則這種組合式的人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造超彩色薄光學(xué)透鏡相比于單波長(zhǎng) 人工微結(jié)構(gòu)超表面透鏡具有一定的色差矯正效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造超薄彩色光學(xué)透鏡的方法，其特征在包括如下步 驟： 步驟（1).在380nm~780nm的可見(jiàn)光范圍內(nèi)，選擇Ξ種或W上需要的中屯、波長(zhǎng)，中屯、波 長(zhǎng)的計(jì)數(shù)為m;對(duì)于每種波長(zhǎng)的入射光，垂直照射人工微結(jié)構(gòu)超表面，根據(jù)所需要出射的聚 焦點(diǎn)的位置或特殊出射波形的需要，計(jì)算人工微結(jié)構(gòu)超表面上的相位梯度分布； 步驟(2).對(duì)于每種中屯、波長(zhǎng)，W需要的周期設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的周期性結(jié)構(gòu)，將得到的相 位梯度分布結(jié)合人工微結(jié)構(gòu)超表面的周期性結(jié)構(gòu)，確定周期性結(jié)構(gòu)所在位置的相位值； 步驟(3)設(shè)計(jì)確定高度的柱狀結(jié)構(gòu)作為人工微結(jié)構(gòu)超表面的基本單元，根據(jù)每個(gè)基本 單元的相位要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)； 步驟(4).將每一個(gè)透鏡都分為N部分區(qū)域，N為正整數(shù);將每一個(gè)透鏡的N部分區(qū)域W相 同的隨機(jī)分法分為m份，m為步驟(1)中選擇的中屯、波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)，并按需求保證每份中區(qū)域個(gè) 數(shù)大致相同或根據(jù)特定需要保證某種比例； 步驟(5).將選中的m份區(qū)域分別帶入到步驟(3)中的對(duì)應(yīng)的m個(gè)透鏡中；將區(qū)域選中的 透鏡內(nèi)的周期性結(jié)構(gòu)組合在一起，形成一個(gè)新的透鏡； 步驟(6).根據(jù)每個(gè)區(qū)域的特定波長(zhǎng)，在透鏡上表面或雙面覆蓋對(duì)應(yīng)工作波長(zhǎng)的濾光 片，每種濾光片在設(shè)計(jì)波長(zhǎng)處透射率較高，在遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)波長(zhǎng)處透射率較低，形成覆蓋整個(gè)透 鏡的濾光片陣列。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造超薄彩色光學(xué)透鏡的方法，其 特征在于所述的步驟（1)中運(yùn)用了惠更斯原理，設(shè)人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造的超薄彩色光學(xué) 透鏡的焦距為f，某工作波長(zhǎng)為λ，在人工微結(jié)構(gòu)超表面的周期性結(jié)構(gòu)上，選中的位置距離人 工微結(jié)構(gòu)超表面中屯、距離為S;則此選中位置到焦點(diǎn)的距離cU能夠計(jì)算得到：r ds就是平面波照射到此周期結(jié)構(gòu)后發(fā)出的次波到焦點(diǎn)的距離;其相位變化可W表示為 Ws:確定每一個(gè)不同位置的相位變化Ws就確定了出人工微結(jié)構(gòu)超表面上的相位分布;依次 類推，改變工作波長(zhǎng)λ，分別針對(duì)每一個(gè)工作波長(zhǎng)確定透鏡的相位分布。3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造超薄彩色光學(xué)透鏡的方法，其 特征在于所述的步驟(2)中對(duì)于每一種工作波長(zhǎng)λ，選取合適的周期Ρ，確定每一個(gè)周期性結(jié) 構(gòu)的位置，其距離人工微結(jié)構(gòu)超表面中屯、距離為si; 因此，距離人工微結(jié)構(gòu)超表面中屯、距離為si的點(diǎn)到達(dá)焦點(diǎn)處的電磁波的電場(chǎng)分量描述 為：其中k表示工作波長(zhǎng)的波數(shù)，有k = 23iA;cU可由公式（1)計(jì)算得到;取(3)式中的相位值 能夠得到和(2)式相同的結(jié)果，運(yùn)樣就得到了該周期性結(jié)構(gòu)處的相位值;根據(jù)W上原理和計(jì) 算公式，確定焦距和周期后計(jì)算出人工微結(jié)構(gòu)超表面上所有結(jié)構(gòu)單元的相位值。4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造超薄彩色光學(xué)透鏡的方法，其 特征在于所述的步驟(2)中所述的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的周期性結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱圖案，包括Ξ角形、四 邊形、六邊形和圓形。5. 如權(quán)利要求1所述的一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造超薄彩色光學(xué)透鏡的方法，其 特征在于所述的步驟(3)的具體實(shí)現(xiàn)如下： 首先根據(jù)步驟(1)設(shè)計(jì)m種透鏡，透鏡內(nèi)周期性結(jié)構(gòu)周圍有光學(xué)透明介質(zhì)包圍； 其次根據(jù)步驟(2)中計(jì)算得到的相位值，選取合適的柱狀結(jié)構(gòu)作為人工微結(jié)構(gòu)超表面 的基本單元，根據(jù)每個(gè)基本單元的相位要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，最終形成人工微結(jié) 構(gòu)超表面超薄透鏡。6. 如權(quán)利要求5所述的一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造超薄彩色光學(xué)透鏡的方法，其 特征在于所述的選取的柱狀結(jié)構(gòu)的材料特征為:在工作波段介電常數(shù)高且損耗低;包括氮 化娃娃(Si3N4)、憐化嫁(GaP)、二氧化鐵(Ti〇2)。7. 如權(quán)利要求5所述的一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造超薄彩色光學(xué)透鏡的方法，其 特征在于所述的柱狀結(jié)構(gòu)包括Ξ角柱狀、四邊柱狀、五邊柱狀、圓柱狀、楠圓柱狀。8. 如權(quán)利要求1所述的一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造超薄彩色光學(xué)透鏡的方法，其 特征在于所述的步驟(4)中所述的每份區(qū)域的形狀為密集排列的形狀，包括矩形、六邊形； 且劃分N部分區(qū)域時(shí)不能具有某種明顯的順序排列，有序排列將會(huì)導(dǎo)致衍射效應(yīng)的產(chǎn)生;m 份區(qū)域互不重疊，整體組合覆蓋完整透鏡范圍；對(duì)于紅綠藍(lán)Ξ色光，其比例為1:1:1或1:2: 1〇9. 如權(quán)利要求1所述的一種基于人工微結(jié)構(gòu)超表面構(gòu)造超薄彩色光學(xué)透鏡的方法，其 特征在于所述的步驟(5)中每個(gè)區(qū)域內(nèi)都包含特定數(shù)量的周期性結(jié)構(gòu)，在一個(gè)區(qū)域中，周期 性結(jié)構(gòu)的周期相同，不同區(qū)域的周期性結(jié)構(gòu)周期可能相同或不同，取決于步驟(2)(3)中關(guān) 于每個(gè)工作波長(zhǎng)的透鏡的結(jié)構(gòu)單元的周期設(shè)計(jì)。
【文檔編號(hào)】G02B3/00GK106094066SQ201610630007
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月4日 公開(kāi)號(hào)201610630007.0, CN 106094066 A, CN 106094066A, CN 201610630007, CN-A-106094066, CN106094066 A, CN106094066A, CN201610630007, CN201610630007.0
【發(fā)明人】馬云貴, 元軍
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)