一种超级复消色差超表面复合微透镜制造技术

本发明专利技术公开了一种超级复消色差超表面复合微透镜，包括第一透镜与第二透镜，所述第一透镜为具有负色散性质的正光焦度超表面透镜，其具体结构为具有宽光谱响应的纳米天线阵列，所述第二透镜为具有正色散性质的正光焦度球面折射微透镜，其具体结构为平凸球面微型透镜；所述第一透镜包括纳米天线阵列的上下两个表面；所述第二透镜包括第二透镜平面侧以及第二透镜曲面，第一透镜的下表面与第二透镜的平面侧相互叠合，第一透镜的纳米天线阵列内嵌在所述第二透镜曲面内部。本发明专利技术既解决正折射率材料矫正色差需要复杂的光学系统的技术问题，又解决超表面材料为了矫正色差需要牺牲带宽和数值孔径的技术问题。本发明专利技术具有结构简单，可微型化的技术优势。

【技术实现步骤摘要】
一种超级复消色差超表面复合微透镜
本专利技术涉及光学
，尤其涉及一种超级复消色差超表面复合微透镜。
技术介绍
色差矫正长期以来都是传统光学设计中的关键点之一，传统的光学元件大都是折射光学元件，遗憾的是折射光学元件光学材料的折射率不但与材料本身的物理性质有关，还与光线的波长有关。同一种光学材料，波长越短、折射率越高，对不同色光的偏折程度不同从而产生色散。不同光学材料也往往有不同的色散。正是因为光学材料色散的存在无可避免的导致了色差，而传统的光学设计完全矫正色差需要极其复杂的光学系统，且对光学材料要求苛刻且加工难度大。即使如此，传统光学设计也只能在特定的几个波长处完全消除色差。1996年，有研究者发现金属棒状结构的超材料可以实现负介电常数。而将这种棒状结构应用于光学器件表面，可以实现负折射率的超表面器件。然而，尽管超表面器件的材料折射率引起的色散很小，但是由于超表面器件是通过金属棒状结构对光产生作用，因此对不同波长的光，也会产生不同程度的色散，从而导致色差。因此，消除超表面器件的色差同样成为了一个应用难题。现有技术中对超表面器件消除色差的技术手段主要通过优化结构单元的形状、宽度、间距及高度，来实现将不同的色光聚焦到同一焦点。也有通过基于双光子吸收效应的飞秒激光加工的微透镜组合来尝试消除色差。但是在现有加工技术条件下，超表面的结构单元所提供的参数，很难同时满足消色差透镜所需的超宽带和高数值孔径。即，现有技术必须以牺牲带宽和数值孔径的代价，来换取超表面材料的色差消除。超表面器件的这种结构色散，实际上是由于无色差器件要求的相位随波长变化产生的色散。在传统的光学定义中，将这种由结构差异引起的色散和折射光学中的色散定义进行比较，这种色散其实是相反的，因此可以将超表面的这种色散称为“异常色散”或“负色散”。理论上利用超表面器件的负色散和传统折射光学器件的正色散相抵消，可以完全矫正光学系统的色差。因此，本领域的技术人员致力于开发一种超级复消色差超表面复合微透镜，将超表面器件与传统的正折射率材料透镜相结合。既解决正折射率材料矫正色差需要复杂的光学系统的技术问题，又解决超表面材料为了矫正色差需要牺牲带宽和数值孔径的技术问题。本专利技术具有结构简单，可微型化的技术优势。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是如何得到一种结构简单，并可以在不牺牲带宽和数值孔径的前提下，实现消除色差的光学器件。为实现上述目的，本专利技术提供了一种超级复消色差超表面复合微透镜，包括第一透镜与第二透镜，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜相互叠合，所述第一透镜为具有负色散性质的正光焦度超表面透镜，其具体结构为具有宽光谱响应的纳米天线阵列，所述第二透镜为具有正色散性质的正光焦度球面折射微透镜，其具体结构为平凸球面微型透镜；所述第一透镜包括第一透镜平面侧以及纳米天线阵列；所述第二透镜包括第二透镜平面侧以及第二透镜曲面。进一步地，所述第一透镜与所述第二透镜具有相同的孔径尺寸，并且同轴放置。进一步地，所述第一透镜平面侧与所述第二透镜平面侧紧密无间隙贴合，所述第一透镜的纳米天线阵列内嵌在所述第二透镜曲面内部。进一步地，所述第一透镜的材料为硅或者二氧化钛或者氮化钾，由电子束刻蚀或者纳米压印技术加工获得。进一步地，所述第二透镜的材料为聚焦激光固化光刻胶或者打磨玻璃，并使用基于双光子吸收效应的聚焦飞秒激光加工工艺，提高所述第二透镜的加工精度。进一步地，所述第一透镜的纳米天线阵列的单元形状为长方体柱、圆柱、六边形柱或者其组合。进一步地，所述第一透镜的相位分布满足以下公式：其中，为相位，λd为设计中心波长，r为所述第一透镜半径，f为所述第一透镜焦距。进一步地，所述第一透镜在其工作波长范围内的结构色散满足以下公式：其中，为结构色散，λd为设计中心波长，λi为工作波长，r为所述第一透镜半径，f为所述第一透镜焦距。进一步地，可以通过调节所述第一透镜的纳米天线阵列长轴和短轴的比例，优化圆极化波正交偏振态转换效率。本专利技术与现有技术相比较，解决了传统光学设计中为了矫正色差而导致的结构复杂、体积庞大的技术问题。同时也解决了为了矫正超表面材料的色差而导致的带宽减小、数值孔径减小的技术问题。本专利技术具有在工作波长范围内完全消除色差的技术效果，并且结构简单，可以微型化的技术优势，可以满足各领域对大数值孔径消色差透镜的需求。以下将结合附图对本专利技术的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本专利技术的目的、特征和效果。附图说明图1是本专利技术的一个较佳实施例的微透镜结构示意图；图2是本专利技术的一个较佳实施例的第一透镜纳米天线阵列单元圆极化波正交偏振态转换效率随波长变化曲线图；图3是本专利技术的一个较佳实施例的微透镜聚焦效率随波长变化曲线图；图4是本专利技术的一个较佳实施例的微透镜色差随波长变化曲线图；图5是本专利技术的一个较佳实施例的微透镜调制传递函数(MTF)随空间频率变化曲线图；图6是本专利技术的另一个较佳实施例的微透镜结构示意图；图7是本专利技术的另一个较佳实施例的微透镜色差随波长曲线图。具体实施方式以下参考说明书附图介绍本专利技术的多个优选实施例，使其
技术实现思路
更加清楚和便于理解。本专利技术可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本专利技术的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本专利技术并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。实施例一：普通超表面复合微透镜。如图1所示，为本实施例提供的一种超级复消色差超表面复合微透镜的结构图。本实施例由第一透镜、第二透镜组成，第一透镜为正光焦度超表面透镜，第二透镜为正光焦折射微透镜。其中正光焦度超表面透镜具有负色散性质产生负色差，正光焦度球面折射微透镜具有正色散性质产生正色差，通过数值仿真软件FDTD优化正光焦度超表面透镜的数值孔径和正光焦度球面折射透镜的折射球面曲率，使上述两个透镜在设计的工作波段所有波长产生大小相等符号相反的色差，从而达到系统超级复消色差的目的。上述折射微透镜不仅限于平凸球面透镜，也可以为其他形状微型透镜。本实施例孔径大小为50um，第一透镜焦距120um，系统总焦距37.7um，工作波长580nm-780nm，数值孔径(NA)为0.553，能够在工作波长580nm-780nm范围内实现无色差聚焦，二级光谱小于0.5um。图1中，第一透镜的纳米天线阵列2被内嵌于第二透镜的曲面3之内，第一透镜的下表面与第二透镜的平面均无缝地与石英基底1贴合，第一透镜与第二透镜具有相同的孔径尺寸，并且同轴放置。在本实施实例中，将超表面透镜的结构单元，即纳米天线柱的三维尺寸针对工作波长580nm-780nm进行优化，使得整个工作波段内单个单元都具有较高的圆极化波正交偏振态转换效率，将优化的单个单元结构尺寸按照聚焦透镜相位分布的规律进行排列，实现超表面透镜最大的聚焦效率。在本实施实例中，优化得到的第一透镜的纳米天线柱的三维尺寸为高380nm，长210nm，宽95nm，本实施例在其工作波长范围内，纳米天线柱的圆极化波正交偏振态转换效率如图2所示；本实施例在工作波长范围内的聚焦效率如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超级复消色差超表面复合微透镜，包括第一透镜与第二透镜，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜相互叠合，所述第一透镜为具有负色散性质的正光焦度超表面透镜，其具体结构为具有宽光谱响应的纳米天线阵列，所述第二透镜为具有正色散性质的正光焦度球面折射微透镜，其具体结构为平凸球面微型透镜；所述第一透镜包括纳米天线阵列的上下两个表面；所述第二透镜包括第二透镜平面侧以及第二透镜曲面。

【技术特征摘要】
1.一种超级复消色差超表面复合微透镜，包括第一透镜与第二透镜，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜相互叠合，所述第一透镜为具有负色散性质的正光焦度超表面透镜，其具体结构为具有宽光谱响应的纳米天线阵列，所述第二透镜为具有正色散性质的正光焦度球面折射微透镜，其具体结构为平凸球面微型透镜；所述第一透镜包括纳米天线阵列的上下两个表面；所述第二透镜包括第二透镜平面侧以及第二透镜曲面。2.如权利要求1所述的超级复消色差超表面复合微透镜，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜具有相同的孔径尺寸，并且同轴放置。3.如权利要求2所述的超级复消色差超表面复合微透镜，其特征在于，所述第一透镜下表面与所述第二透镜平面侧紧密无间隙贴合，所述第一透镜的纳米天线阵列内嵌在所述第二透镜曲面内部。4.如权利要求3所述的超级复消色差超表面复合微透镜，其特征在于，所述第一透镜的材料为硅或者二氧化钛或者氮化钾，由电子束刻蚀或者纳米压印技术加工获得。5.如权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：文静，刘仕良，张大伟，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31