[發(fā)明專利]一種長波紅外寬帶消色差超表面透鏡

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011448569.6
• 申請日: 2020-12-09
• 公開（公告）號: CN112505808B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 易飛;鄔灝;侯銘銘
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G02B3/00
• 分類號: G02B3/00;G02B1/00
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發(fā)明公開了一種長波紅外寬帶消色差超表面透鏡，屬于紅外成像領(lǐng)域和微納光子學(xué)領(lǐng)域，該超表面透鏡中的超表面透鏡單元按照四方晶格的形式周期性排列；超表面透鏡單元由電介質(zhì)襯底和位于電介質(zhì)襯底中心的微結(jié)構(gòu)組成，且微結(jié)構(gòu)在電介質(zhì)襯底上的投影圖案是關(guān)于90°角旋轉(zhuǎn)對稱的圖形；不同位置的微結(jié)構(gòu)所引入的相位和相位色散滿足和各位置處的微結(jié)構(gòu)選取方式為：根據(jù)上述兩個公式得到理論參數(shù)組合，通過帶加權(quán)的一階線性擬合得到各微結(jié)構(gòu)所在單元的相位及對應(yīng)的相位色散，記為實際參數(shù)組合，將各參數(shù)組合繪制在同一散點圖中，選取與理論參數(shù)組合最接近的實際參數(shù)組合對應(yīng)的微結(jié)構(gòu)。本發(fā)明能夠在長波紅外波段內(nèi)實現(xiàn)寬帶消色差。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于紅外成像領(lǐng)域和微納光子學(xué)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種長波紅外寬帶消色差超表面透鏡。

背景技術(shù)

在傳統(tǒng)紅外光學(xué)系統(tǒng)中，通常采用折射光學(xué)元件如玻璃透鏡實現(xiàn)成像，這類透鏡通過前后表面的折射作用實現(xiàn)對光的調(diào)控，實際工作區(qū)域體積與透鏡整體體積相比，空間利用率低下，造成了光學(xué)系統(tǒng)微型化、小型化困難的問題。超表面作為一種新興的亞波長人工材料，通過對于陣列單元的人為設(shè)計，可以實現(xiàn)對入射光的振幅、相位等多種光學(xué)特性的任意調(diào)控，從而產(chǎn)生一系列新穎的物理特性，例如負(fù)折射率材料，由此引出了一系列基于超表面結(jié)構(gòu)的新型技術(shù)。作為超表面的一個重要應(yīng)用方向，通過對超表面單元人為設(shè)計制成的超表面透鏡(超透鏡)，可以實現(xiàn)與傳統(tǒng)玻璃透鏡相同的聚焦成像功能，同時保留超表面作為微納器件的超薄特性，可以將透鏡厚度縮小到微米量級，為紅外成像系統(tǒng)的設(shè)計提供了新方案。

如何消除色差是超透鏡設(shè)計中的主要難點，對于未做消色差設(shè)計的超透鏡，透鏡會將對應(yīng)波長下垂直入射的平行光匯聚到所設(shè)計的焦點上，而對于其他波長下的入射光，由于不完全滿足相位調(diào)制的公式，會匯聚在光軸的其他位置上，同時光斑的質(zhì)量也變差，由此產(chǎn)生一個軸向的色差；這一色差隨著超透鏡的工作帶寬以及超透鏡直徑的增大會逐漸增大，使得超透鏡無法正常聚焦，因此對于寬光譜的應(yīng)用情景，消色差設(shè)計是必不可少的。

在申請公開號為CN109196387A的專利申請文件中，利用全介質(zhì)超表面在可見光波段實現(xiàn)的近衍射極限聚焦，但是不同波長下的焦距沿軸向有較大漂移，成像效果嚴(yán)重受到色散的制約。EhsanArbabi等人利用粒子群算法的優(yōu)化，實現(xiàn)了長波紅外波段多個分立波長下的消色差成像，但在寬帶光源下聚焦效率極低。SajanShrestha等人所提出的近紅外波段的寬帶消色差超透鏡比較好地實現(xiàn)了偏振無關(guān)的成像，但是受制于色散補償能力的限制，孔徑受限，僅為30μm，且近紅外波段的光學(xué)材料在8μm-12μm長波紅外波段有較強的吸收，無法應(yīng)用于紅外超透鏡。同時，在不同波長范圍內(nèi)，超表面結(jié)構(gòu)的尺寸相差較大，微納工藝具有較大差異。

現(xiàn)有的關(guān)于超透鏡寬帶消色差成像相關(guān)專利，都未能有效保證透鏡聚焦時的高聚焦效率，發(fā)明專利CN109799611A利用多層超表面結(jié)構(gòu)的相位補償作用消除超透鏡的色差，一方面由于采用多層透鏡組合，總體透過率低下且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時該專利僅考慮整體的相位而未考慮超透鏡實際相位分布與完美消色差公式間的匹配關(guān)系，無法實現(xiàn)近衍射極限的聚焦。

總體而言，超透鏡為長波紅外成像系統(tǒng)提供了一種超薄的平面透鏡設(shè)計方案，然而其在消除色差上存在一定困難。在近紅外、可見光波段實現(xiàn)的寬帶消色差方案，比較好的消除了寬帶光的色散，但孔徑受限，且其設(shè)計方法及材料體系無法沿用至長波紅外波段；而長波紅外波段現(xiàn)有的超透鏡設(shè)計，僅能實現(xiàn)多個波長下分立的消色差，無法應(yīng)用于寬帶光源成像系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和改進需求，本發(fā)明提供了一種長波紅外寬帶消色差超表面透鏡，其目的在于，解決現(xiàn)有的超表面透鏡無法在長波紅外波段消除寬帶光的色差的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種長波紅外寬帶消色差超表面透鏡，該超表面透鏡中的超表面透鏡單元按照四方晶格的形式周期性排列；超表面透鏡單元由電介質(zhì)襯底和位于電介質(zhì)襯底中心的微結(jié)構(gòu)組成，且微結(jié)構(gòu)在電介質(zhì)襯底上的投影圖案是關(guān)于90°角旋轉(zhuǎn)對稱的圖形；