[發明專利]一種多臺階衍射透鏡及其制作方法

有效

• 申請號: 202010020695.5
• 申請日: 2020-01-09
• 公開（公告）號: CN113093321B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 陳成;黃文彬;劉艷花;陳林森
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G02B5/18
• 分類號: G02B5/18
• 代理公司: 蘇州華博知識產權代理有限公司 32232
• 代理人: 黃珩

本發明公開了一種用于設計寬波段消色差多臺階衍射透鏡的二分搜索算法和使用光場3D技術制作寬波段消色差多臺階衍射透鏡負向互補模具的工藝流程、以及制備的多臺階衍射透鏡，本發明通過使用多臺階衍射透鏡負向互補模具以及模具注塑光固化成型工藝實現多臺階衍射透鏡的一體化成型，具有便捷高效、低成本和減少環境污染等優點。

技術領域

本發明涉及光學儀器領域，尤其涉及一種多臺階衍射透鏡及其制作方法。

背景技術

光學透鏡在成像、精密測量以及光通信等領域中作為基本元件起著至關重要的作用。傳統幾何光學透鏡需要經過切割材料、打磨表面、精密拋光以及鍍膜等繁瑣工序制作而成，而且由于幾何光學透鏡具有體積大、笨重等缺陷使其在許多應用領域受限，尤其在器件逐漸趨于微型化和集成化的科技潮流中，使得幾何透鏡的劣勢越發明顯；同時由亞波長單元構成的超透鏡雖然克服了以上幾何光學透鏡的缺陷，但是其對結構尺寸和形狀要求嚴格，且受限于其使用電子束光刻或聚焦離子束光刻工藝，導致整個超透鏡尺寸通常為百微米；菲涅爾透鏡雖然制作工藝簡單，但是其存在嚴重的色差。

現有技術存在以下缺點：1)超透鏡對其亞波長單元的幾何尺寸和形狀有著嚴格的要求，而且能構成超透鏡的單元幾何形狀較少；2)超透鏡對光源的偏振有著嚴格的要求，使其能量利用率較低；3)超透鏡設計繁瑣，尤其針對寬波段消色差的超透鏡設計更加繁瑣；4)超透鏡制作工藝繁瑣，通常采用電子束光刻和聚焦離子束光刻，且制作幅面較小；5)菲涅爾透鏡存在較大的色散。

因此，亟待一種結構緊湊簡單且具備消除色差功能的透鏡。

發明內容

為了解決現有技術的問題，本發明利用不同內外半徑的空心圓柱優化出最優高度分布，使得該結構能夠在寬波段內對光實現消色差聚焦。

一方面，本發明公開了一種多臺階衍射透鏡，包括幾何中心及圍繞所述幾何中心設置的多環結構，所述多環結構的環高不完全一致，形成多級臺階；所述多環結構垂直于所述幾何中心的截面為圓環形或多環帶嵌套的矩形。

作為本發明實施方式的進一步改進，所述多級臺階分為至少一個組，每組臺階形成一個光柵單元，每個所述光柵單元包括至少一個臺階。

作為本發明實施方式的進一步改進，相鄰兩個所述臺階的相位差為2π/n； n為每個所述光柵單元中包含的所述臺階的數量。

另一方面，本發明還公開了上述多臺階衍射透鏡算法流程，針對上述的多臺階衍射透鏡的參數，應用算法獲得優化臺階高度分布信息和品質因數FoM；其中，多臺階衍射透鏡參數包括焦距、數值孔徑、直徑、工作波長范圍。

作為本發明實施方式的進一步改進，所述品質因數FoM的計算公式為：

其中N為針對消色差設計的頻率數目，ω為每個頻率的權重，

I_i為算法仿真的光強分布，T_i為目標光強分布。

作為本發明實施方式的進一步改進，所述多臺階衍射透鏡算法流程具體包括以下步驟：

S1、初始化高度分布和FoM；

S2、開始迭代；

S3、隨機生成環帶序列；

S4、按序列號選擇環帶；

S5、對環帶施加正擾動；

S6、判斷FoM是否增加，如果FoM增加，執行步驟S7；如果FoM沒有增加，執行步驟S8；

S7、所有環帶遍歷結果，并判斷是否符合截止條件，如果不符合截止條件，重復執行步驟S2；如果符合截止條件，執行步驟S9；