消单色像差大视场双级联变焦透镜及其设计方法技术

本发明专利技术提供提供一种消单色像差大视场双级联变焦透镜及其设计方法，能够有效消除大视场下的单色像差。本发明专利技术所涉及的消单色像差的大视场双级联变焦透镜，其特征在于，包括：石英玻璃；第一纳米砖阵列结构，形成在该石英玻璃的一侧表面，用以校正透镜在大视场下的像差；以及第二纳米砖阵列结构，形成在该石英玻璃的另一侧表面，用以实现平行光束的聚焦，其中，第一纳米砖阵列结构和第二纳米砖阵列结构均由纳米砖单元周期性排列形成，并且纳米砖为长方体形，长宽高均为亚波长尺寸。本发明专利技术所提供的大视场双级联变焦透镜，具有体积小、成本低、重量小、设计思路简单的优点，非常适宜于在微型光电体系中应用。

【技术实现步骤摘要】
消单色像差大视场双级联变焦透镜及其设计方法
本专利技术属于微纳光学和偏振光学领域，具体涉及一种消单色像差大视场双级联变焦透镜及其设计方法。
技术介绍
变焦透镜组在军事侦察、红外探测成像、或手机单反摄影等领域有着举足轻重的作用。相比于连续变焦光学系统，双档变焦系统的轴向尺寸更小、透过率更高、装调更容易，在某些应用中已替换了连续变焦系统。双档变焦光学系统的变焦方式分为切入式变焦方式和透镜组轴向移动变焦两种，这两种方式都是通过透镜组的机械移动来实现补偿式的光学变焦。因此，这样的双档变焦光学系统，需要精密的光学设计，且需要较大的光学体系来给像差补偿提供条件，限制了变焦光学系统在微型光电体系中的应用。基于圆偏光控制的超表面双档变焦透镜，较好的解决了传统双档变焦透镜的弊端，然而因为其中的每一块超表面阵列都只针对一种特定的入射情况设计，因而不能很好的消除轴外像差。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种消单色像差大视场双级联变焦透镜及其设计方法。本专利技术为了实现上述目的，采用了以下方案：<透镜>本专利技术提供一种消单色像差的大视场双级联变焦透镜，其特征在于，包括：石英玻璃；第一纳米砖阵列结构，形成在该石英玻璃的一侧表面，用以校正透镜在大视场下的像差；以及第二纳米砖阵列结构，形成在该石英玻璃的另一侧表面，用以实现平行光束的聚焦，其中，第一纳米砖阵列结构和第二纳米砖阵列结构均由纳米砖周期性排列形成，并且纳米砖为长方体形，长宽高均为亚波长尺寸。优选地，本专利技术提供的消单色像差的大视场双级联变焦透镜，还可以具有以下特征：纳米砖为硅纳米砖。优选地，本专利技术提供的消单色像差的大视场双级联变焦透镜，还可以具有以下特征：第一纳米砖阵列结构和第二纳米砖阵列结构上纳米砖的相位分布是基于优化扫描后的偶次多项式的各项系数选取：设定透镜的相关参数，然后基于光线追迹的方法经由优化扫描得到偶次多项式的各项系数，优化的目标是寻找使得该超表面透镜在大角度入射下的光斑直径最小的最优解，根据优化得到的各项系数，设计第一纳米砖阵列结构和第二纳米砖阵列结构的相位分布。<设计方法>本专利技术还提供一种消单色像差的大视场双级联变焦透镜的设计方法，其特征在于，包括：根据所设定的透镜的相关参数，和寻找使得该透镜在大角度入射下光斑直径最小的最优解的优化目标，基于光线追迹的方法经由优化扫描得到偶次多项式的各项系数，根据优化得到的各项系数，设计位于石英玻璃两侧面上的第一纳米砖阵列结构和第二纳米砖阵列结构的相位分布。进一步地，本专利技术提供的消单色像差的大视场双级联变焦透镜的设计方法，还可以具有以下特征：相关参数包含：焦距、入射波长，基底厚度、基底材料、评价函数以及入射角范围。专利技术的作用与效果(1)与单一超表面阵列双档变焦透镜相比，本专利技术具有能够消除大视场下的单色像差的优点；(2)与传统双档变焦光学系统相比，本专利技术不需要复杂的光学设计，更加适宜于在微型光电体系中的应用，具有体积小、成本低、重量小、设计思路简单的优点；(3)本专利技术仅需要改变入射线偏光的偏振方向就能实现光学变焦，且在变焦前后能保持透镜的焦面位置不变，结构参数的微调对本专利技术影响较小；(4)本专利技术具有紧凑的尺寸结构，可广泛用于微型光电系统；(5)纳米砖阵列结构可沿用标准光刻工艺加工，工艺简单。附图说明图1为本专利技术实施例涉及的消单色像差的大视场双级联变焦透镜的结构示意图；图2为本专利技术实施例涉及的不同角度平行光通过消单色像差的大视场双级联变焦透镜后被聚焦的结构示意图，其中(a)为X方向偏振，(b)为Y方向偏振；图3为本专利技术实施例涉及的消单色像差的大视场双级联变焦透镜在不同角度平行光下的具体聚焦情况示意图，其中(a)为X方向偏振，(b)为Y方向偏振。具体实施方式以下结合附图对本专利技术涉及的消单色像差大视场双级联变焦透镜及其设计方法的具体实施方案进行详细地说明。<实施例>如图1和2所示，本实施例所提供的消单色像差的大视场双级联变焦透镜10包括三层结构，从左至右依次为第一纳米砖阵列结构11、石英玻璃12、第二纳米砖阵列结构13。其中，第一纳米砖阵列结构11和第二纳米砖阵列结构13均由硅纳米砖周期性排列构成，硅纳米砖为长方体形，旋向和尺寸相同，且其长宽高均为亚波长尺寸。第一纳米砖阵列结构11用以校正透镜10在大视场下的像差，第二纳米砖阵列结构13用以实现平行光束的聚焦。下面对上述消单色像差的大视场双级联变焦透镜10的具体设计方法进行说明，该方法包括如下步骤：步骤1.为了优化得出纳米砖的最佳结构，对纳米砖在x方向和y方向上的宽度Lx与Ly进行了从40nm到200nm、步进为5nm的扫描；在扫描的过程中，保持相邻的纳米砖中心间隔C为250nm，纳米砖的高度H为310nm。经过数据的筛选，对0～2π的相位变化范围分成四台阶，即选取相位延迟为0、π/2、π、3π/2，并对两种不同的正交线偏振光选择了4×4＝16种不同的纳米砖结构参数，在保证透过率基本一致的前提下实现所需要的相位变化。纳米砖详细的几何参数如下表1所示：表1硅纳米砖对应相位变化的几何参数表Lx(nm)5545601701101009585135115110100165140135120Ly(nm)10517016512585110125170751051201657595110140X-Phase0000π/2π/2π/2π/2ππππ3π/23π/23π/23π/2X-T(％)96969573727477835555555667666965Y-Phase0π/2π3π/20π/2π3π/20π/2π3π/20π/2π3π/2Y-T(％)92656074916256739362577792715574步骤2.设定透镜10的相关参数，包括：焦距、入射波长、基底厚度、基底材料、评价函数以及入射角范围，本实施例中设置入射波长为658nm，入射角度范围为0～30°；然后将这些参数输入ZEMAX软件中，由ZEMAX软件基于光线追迹的方法经由优化扫描得到偶次多项式的各项系数an，优化的目标是寻找使得该超表面透镜10在大角度入射下的光斑直径(RMS直径)最小的最优解。这里提到的偶次多项式与变焦有关，因此如下表2和3所示，在x和y方向偏振情况下，它的各项系数an(表中a1～a8)均为两组参数，分别与第一纳米砖阵列结构11(校正超表面)和第二纳米砖阵列结构13(聚焦超表面)相关。表2透镜在x方向偏振光下的相位系数表超表面阵列a1a2a3a4a5a6a7a8校正超表面-71.8657.99.621.30.66000聚焦超表面-3285.68-31.8833.77-8.411.51000表3透镜在y方向偏振光下的相位系数表超表面阵列a1a2a3a4a5a6a7a8校正超表面135.53-59.41128.5-102.321.06-1.3260.454.80聚焦超表面-1490-221.9618.3-709188.9180120.57-209.5步骤3.根据优化得到的各项系数an，确定需要的相位调节量，然后与步骤1扫描得到的相位延迟进行比较，选取匹配区域的纳米砖的结构参数，基于这些结构参数设计好与第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种消单色像差的大视场双级联变焦透镜，其特征在于，包括：石英玻璃；第一纳米砖阵列结构，形成在所述石英玻璃的一侧表面，用以校正透镜在大视场下的像差；以及第二纳米砖阵列结构，形成在所述石英玻璃的另一侧表面，用以实现平行光束的聚焦，其中，所述第一纳米砖阵列结构和所述第二纳米砖阵列结构均由纳米砖周期性排列形成，并且所述纳米砖为长方体形，长宽高均为亚波长尺寸。

【技术特征摘要】
1.一种消单色像差的大视场双级联变焦透镜，其特征在于，包括：石英玻璃；第一纳米砖阵列结构，形成在所述石英玻璃的一侧表面，用以校正透镜在大视场下的像差；以及第二纳米砖阵列结构，形成在所述石英玻璃的另一侧表面，用以实现平行光束的聚焦，其中，所述第一纳米砖阵列结构和所述第二纳米砖阵列结构均由纳米砖周期性排列形成，并且所述纳米砖为长方体形，长宽高均为亚波长尺寸。2.根据权利要求1所述的消单色像差的大视场双级联变焦透镜，其特征在于：其中，所述纳米砖为硅纳米砖。3.根据权利要求1所述的消单色像差的大视场双级联变焦透镜，其特征在于：其中，所述第一纳米砖阵列结构和所述第二纳米砖阵列结构上纳米砖的相位分布是基于优化扫描后的偶次多项式的各项系数选取：设定透镜的相关参数，然后基于光线追迹的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑国兴，李嘉鑫，邓娟，邓联贵，李子乐，陶金，武霖，刘子晨，吴伟标，毛庆洲，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42