[發明專利]超表面透鏡的構造方法、超表面透鏡

在審

• 申請號: 202310376890.5
• 申請日: 2023-04-10
• 公開（公告）號: CN116520463A
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 岳嵩;劉宇欣;王然;侯煜;李曼;石海燕;張昆鵬;張紫辰;竇同輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: G02B3/00
• 分類號: G02B3/00;G02B1/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 吳夢圓

一種超表面透鏡的構造方法、超表面透鏡，超表面透鏡的構造方法，包括：建立結構單元庫；根據超表面透鏡的表面的空間位置和光譜相位的理想分布關系確定理想狀態下工作于目標波段和目標焦距的超表面透鏡的表面任意空間位置處的最低頻相位和相位色散；對結構單元庫中的每個結構單元進行仿真，并提取得到每個結構單元所能提供的最低頻相位和相位色散；遍歷超表面透鏡的表面每個空間位置，根據每個結構單元能提供的最低頻相位和相位色散對結構單元庫中的結構單元進行篩選，以確定空間位置的目標結構單元；將所有目標結構單元各自擺放至對應的空間位置上，完成超表面透鏡的構造，構造出的超表面透鏡在目標波段實現連續消色差。

技術領域

本發明涉及光學透鏡技術領域，特別涉及超表面透鏡的構造方法、超表面透鏡。

背景技術

紅外線在大氣中有三個波段區間內具有很高的透過率，被稱為“大氣窗口”，分別為：短波紅外區的1-3μm波段，中波紅外區3-5μm波段和長波紅外區8-14μm。工作在中波紅外波段和長波紅外波段的熱成像設備，在工業、醫療、科研等多個領域發揮著重要作用，因此中波紅外以及長波紅外成像系統的研發具有重要實用價值。

在成像系統中，由于色散現象，不同波長的光不能同時聚焦在成像面上，造成圖形模糊、成像質量下降，這種效應被稱為色差，色差是影響透鏡成像質量的重要因素。成像系統中的聚焦元件大都具有色散效應，傳統的折射透鏡具有正色散(較高的頻率具有較小的焦距)特性，而衍射聚焦元件(例如菲涅耳波帶片)具有負色散特性。基于超表面的平面光學器件跟衍射光學元件類似，具有比較明顯的負色散。色散及其帶來的色差效應成為了制約超表面透鏡技術進一步發展的關鍵瓶頸。

傳統的折射透鏡可以通過兩種相反色散屬性的材料級聯來消除色散。利用多片透鏡實現的消色差透鏡被成為雙膠合或三膠合透鏡，其體積、重量較大，不利于集成。衍射器件的色差不能通過不同材料級聯的方式消除，因為衍射器件色散的起因與材料屬性無關，而是與周期性晶格產生的色散、光場限制等因素有關，現有的技術比較難以消除衍射器件的色差。

與衍射器件類似，以超透鏡為代表的典型超表面器件也可以看作一種特殊的衍射器件，具有比較明顯的負色散。對于不做特殊設計的超透鏡而言，因為色散效應的存在，其工作帶寬一般比較窄，不同波長的入射光不能聚焦到同一焦點位置處，造成成像質量降低。超表面透鏡的色差消除具有較大的技術難度，特別是，為了避免多個超透鏡級聯所帶來的厚度、體積、重量增大等不利因素，僅僅利用單層超表面器件的精巧設計，實現寬帶的消色差聚焦，這是具有相當的技術難度的。

現有技術中，一種方法是通過多個非消色差的單波長超表面的疊加，構建工作在幾個離散波長的超表面透鏡組，在幾個分立波長上實現一定程度的消色差。但是這種方法也依賴于級聯，會增大系統的厚度、體積和重量，不利于集成，而且帶寬窄、消色差帶寬不連續。另一種技術方案是利用具有正色散的折射透鏡和負色散的超表面透鏡粘合的方法來消色差，這種技術方案也需要將兩塊光學元件級聯，也存在尺寸重量增大的缺點，同時兩塊器件粘合時的對準技術難度較高。

發明內容

鑒于上述問題，本發明提供一種超表面透鏡的構造方法、超表面透鏡，以期解決上述問題的至少之一，上述方法包括：

建立結構單元庫，結構單元庫包括多種結構單元，結構單元包括襯底和柱狀結構，柱狀結構的橫截面的圖形具有90°角旋轉對稱性，任意兩個結構單元的橫截面的形狀和尺寸不同；

根據超表面透鏡的表面的空間位置和光譜相位的理想分布關系確定理想狀態下工作于目標波段和目標焦距的超表面透鏡的表面任意空間位置處的最低頻相位和相位色散，其中，目標波段的入射光聚焦在目標焦距處，超表面透鏡的表面為二維平面；

對結構單元庫中的每個結構單元進行仿真，并提取得到每個結構單元所能提供的最低頻相位和相位色散；