[發明專利]一種大焦深消色差微透鏡的設計與制備方法

有效

• 申請號: 202110541365.5
• 申請日: 2021-05-18
• 公開（公告）號: CN113325569B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 白洋;王學倩;劉傳寶
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B3/00
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波;鄧琳

本發明公開了一種大焦深消色差微透鏡的設計與制備方法，所述微透鏡設置在透明基底上，所述方法包括：確定所述微透鏡的焦距及工作波段；確定所述透明基底選用的材料，使所述透明基底的色散低于預設值；設置所述微透鏡表面面型輪廓的幾何參數，所述微透鏡表面面型輪廓包括中心部分的球面和外側部分的切面，所述球面與所述切面構成平滑表面；根據所述幾何參數，在所述透明基底表面上制作形成所述微透鏡。本發明通過采用球面透鏡和軸棱鏡相結合的方式，克服了傳統透鏡和超構透鏡的弊端，能夠在可見光波段實現高效率、大焦深、消色差聚焦等功能，且具有設計原理簡單、無需大量計算、加工成本低廉、制備效率高、周期短等顯著優勢。

技術領域

本發明涉及光學透鏡技術領域，特別涉及一種大焦深消色差微透鏡的設計與制備方法。

背景技術

光學透鏡在現代人類生活中應用十分廣泛，可用于手機、相機、顯微鏡、光刻機等。然而，傳統光學球面透鏡面臨著球差、慧差、像散、色差等一系列問題。尤其，色差的存在會嚴重降低成像質量。為實現消色差聚焦，傳統消色差透鏡往往只針對幾種固定波長，采用多片透鏡方式來構建透鏡組，不僅體積大、重量重、應用場景受限，且無法做到真正意義上地連續消色差。

近年來，消色差超構透鏡的出現為實現寬頻、消色差聚焦提供了一種有效途徑。基于亞波長納米結構單元的諧振效應，超構透鏡可實現對不同波長入射光的消色差聚焦，具有體積小、質量輕、易集成等的優點；然而在設計過程中，需要對納米結構陣列進行大量的構型和仿真模擬，設計復雜、計算量大、且制作效率低。另一方面，由于超構透鏡采用等效連續原理，因此不可避免地存在散射效應，降低消色差聚焦效率；此外，大部分超構透鏡都采用各項異性結構單元，對入射光的偏振敏感，進一步降低了其應用范圍。不僅如此，在加工制備方面，消色差超構透鏡的亞波長精細結構(大深寬比)需要采用電子束曝光、原子層沉積等高精度微納制備工藝，加工周期長、工藝復雜、價格昂貴，無法大尺寸制備，截止目前無法適用于大規模生產。

發明內容

針對當前傳統透鏡和超構透鏡存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種大焦深消色差微透鏡的設計與制備方法，通過采用低色散透明光學材料，并基于球面透鏡與軸棱鏡相結合的方法，實現高透射、大焦深、寬頻帶、消色差聚焦功能；與現有技術相比，本發明設計原理簡單、加工制備便捷、性能穩定、成本低廉；此外，可以通過簡單的改變球面與切面的結構參數來實現焦距、焦深的變化。

為解決上述技術問題，本發明的實施例提供如下方案：

一種大焦深消色差微透鏡的設計與制備方法，所述微透鏡設置在透明基底上，所述方法包括以下步驟：

S1、確定所述微透鏡的焦距及工作波段；

S2、確定所述透明基底選用的材料，使所述透明基底的色散低于預設值；

S3、設置所述微透鏡表面面型輪廓的幾何參數，所述微透鏡表面面型輪廓包括中心部分的球面和外側部分的切面，所述球面與所述切面構成平滑表面；

S4、根據所述幾何參數，在所述透明基底表面上制作形成所述微透鏡。

優選地，所述透明基底選用在可見光波段的低色散透明材料，折射率大于1.4，折射率虛部0.01，在工作波段內色散0.1，所述透明基底選用的材料包括二氧化硅、氟化鈣、BK7玻璃。

優選地，所述微透鏡的表面面型輪廓直接在所述透明基底上切割而成。

優選地，所述中心部分的球面面型由下述公式描述：

R₀＝f(n-1)

其中，R₀為球面曲率半徑，f為透鏡焦距，n為透明基底材料在工作波段中心波長的折射率實部。

優選地，所述微透鏡底面直徑與中心厚度的關系由下述公式描述: