基于超表面结构的多功能阵列元件及多功能实现方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超表面结构的多功能阵列元件，所述多功能阵列元件由光学透明衬底、第一反射层、第一超表面结构层、第二反射层和第二超表面结构层组成；所述第一超表面结构层和第二超表面结构层具有相同的高度，且所述第一超表面结构层为等效介质层，所述第二超表面层为相位调控层。本发明专利技术实施例提供的基于超表面结构的多功能阵列元件及多功能实现方法通过采用具有等高度的第一超表面结构层代替传统FP滤光阵列中的不同腔长高度的介质层，同时采用具有灵活相位调控功能的第二超表面结构阵列，实现了各阵列单元多波长滤波和灵活的聚焦以及其他相位调控等功能，具有制造工艺相对简单，且兼容CMOS工艺，并易于与成像探测器集成的优点。

The multi-functional array elements based on super surface structure and the method of multi-functional implementation

【技术实现步骤摘要】
基于超表面结构的多功能阵列元件及多功能实现方法
本专利技术涉及光学成像
，特别涉及一种基于超表面结构的多功能阵列元件及多功能实现方法。
技术介绍
在成像探测器上集成滤光片阵列和微透镜阵列是构成彩色成像探测器以及多/超光谱成像探测器的常用技术。常用的微型窄带滤光片阵列是由两个高反射层及其夹在中间的介质层组成的FP腔谐振结构阵列。调节介质层厚度(腔长)可以得到不同的窄带透射波长光谱，因此含有不同高度的介质层的滤波器阵列可以在空间上同时实现多通道窄带光谱透射。多高度的介质层制作一般采用多次沉积或刻蚀工艺来实现，需要多次套刻和多次刻蚀，制造工艺复杂。另外，由大量像素组成的成像探测器由于读出电路的缘故，像素的填充因子较低，光能的利用率低，一般在像素上集成微透镜阵列，提高填充因子，增加光能的收集能力。现有的微透镜阵列技术主要是采用热熔成形技术制作折射微透镜阵列，或者采用二元光学技术制作多台阶衍射微透镜阵列，折射微透镜阵列的光学效率高但面型控制难，而多台阶衍射微透镜同样需要多次套刻多次刻蚀，制作工艺复杂，光学效率受套刻精度影响大。另外，在生物组织的成像中越来越多地使用高通量的3D成像，即同时对不同深度的组织结构成像，这需要探测器的探测像元具有同时探测不同深度焦平面的能力，现有的焦平面成像探测器难以实现此功能。因此在宽谱成像探测器上集成易于制造的多功能阵列光学元件十分必要。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足之处，本专利技术的目的在于提供一种基于超表面结构的多功能阵列元件及其多功能实现方法，解决现有技术中阵列元件制造工艺复杂、功能单一且不易集成的技术问题。为了达到上述目的，本专利技术采取了以下技术方案：本专利技术提供一种基于超表面结构的多功能阵列元件，所述多功能阵列元件由光学透明衬底、第一反射层、第一超表面结构层、第二反射层和第二超表面结构层组成；所述第一超表面结构层和第二超表面结构层具有相同的高度，且所述第一超表面结构层为等效介质层，所述第二超表面层为相位调控层。优选的，所述第一反射层和第二反射层均是由若干组高折射介质材料和低折射率介质材料相间镀制而成。优选的，所述高折射率介质材料为TiO2，所述低折射率介质材料为MgF2。优选的，所述第一超表面结构层包括但不限于由折射率大于2的介质材料组成的具有周期性排列的纳米圆柱/纳米线/纳米锥阵列。优选的，所述第一超表面结构层还包括位于所述周期性排列的纳米圆柱/纳米线/纳米锥周围的折射率小于2的填充介质材料。优选的，所述第二超表面结构层包括但不限于由折射率介质材料大于2组成的具有聚焦功能的纳米圆柱/纳米线/纳米锥阵列。为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种基于超表面结构的多功能阵列元件的多功能实现方法，所述多功能至少包括滤波和相位调控，所述实现滤波的方法包括：令所述第一超表面结构层形成第一亚波长介质光栅；计算所述第一亚波长介质光栅的有效折射率；调整所述第一亚波长介质光栅的有效折射率在最大值和最小值之间改变，从而实现滤波。优选的，所述计算所述第一亚波长介质光栅的有效折射率，调整所述第一亚波长介质光栅的有效折射率在最大值和最小值之间改变，从而实现滤波，具体包括：计算所述第一亚波长介质光栅在TE、TM偏振模式下的二阶有效折射率和其中，ns和ni分别是所述亚波长光栅介质和光栅介质之间的填充介质的折射率，P是光栅周期，λ是光源波长，f＝w/P表示填充因子，w代表光栅宽度；计算所述第一亚波长介质光栅在TE、TM偏振模式下的一阶有效折射率调整所述光栅宽度w和波长λ的大小，则所述第一亚波长介质光栅的有效折射率在最大值和最小值之间改变，从而实现滤波。优选的，所述相位调控包括：令所述第二超表面结构层形成第二亚波长介质光栅；建立所述第二亚波长介质光栅的光栅宽度与相位的对应关系；根据所述光栅宽度与相位的对应关系，并选取不同空间点上所需相位对应的亚波长光栅宽度，从而可以获得所需的相位分布，进而根据相位分布进行相位调控。优选的，所述第二亚波长介质光栅的光栅宽度与相位的对应关系为：其中，k是透镜的焦长，x表示距离透镜中心点的距离，m(0,±1,±2…)代表环带数。相较于现有技术，本专利技术实施例提供的基于超表面结构的多功能阵列元件及多功能实现方法通过采用具有等高度的第一超表面结构层代替传统FP滤光阵列中的不同腔长高度的介质层，同时采用具有灵活相位调控功能的第二超表面结构阵列，实现了各阵列单元多波长滤波和灵活的聚焦以及其他相位调控等功能，具有制造工艺相对简单，且兼容CMOS工艺，并易于与成像探测器集成的优点。附图说明图1为本专利技术提供的基于超表面结构的多功能阵列元件一实施方式的结构示意图；图2(a)为第一亚波长介质光栅结构示意图；图2(b)为第一亚波长介质光栅在特定波长下的有效折射率图；图2(c)为不同宽度的第一亚波长光栅在波长为0.551μm时的效折射率变化曲线；图2(d)为具体周期、长度和宽度的第一亚波长光栅在特定波长范围内的透过率图；图2(e)为具体周期、长度和宽度的第一亚波长光栅在特定波长范围内的另一实施例的透过率图；图2(f)为具体周期、长度和宽度的第一亚波长光栅在特定波长范围内的相位变化曲线图；图3(a)为沿x方向光栅阵列的宽度分布图；图3(b)为沿x方向理想连续型和实际离散型相位分布图；图4(a)为第一超表面结构层的透射谱图；图4(b)为电磁波的电场密度分布图；图5为具有6个滤波波长的阵列元件的出射电磁波的强度分布图；图6为本专利技术提供的基于超表面结构的多功能阵列元件与探测器阵列单元集成构成光谱集成探测器的原理图；图7为含有三个本专利技术提供的基于超表面结构的多功能阵列元件的扫描电镜照片；图8为含有三个本专利技术提供的基于超表面结构的多功能阵列元件在不同的距离处的能量密度分布图。具体实施方式本专利技术提供一种提供的基于超表面结构的多功能阵列元件及多功能实现方法，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。实施例1请参阅图1，其为本专利技术提供的基于超表面结构的多功能阵列元件一实施方式的结构示意图。在本实施方式中，本专利技术提供的基于超表面结构的多功能阵列元件为等焦距阵列。该基于超表面结构的多功能阵列元件由光学透明衬底1、第一反射层2、第一超表面结构层3、第二反射层4和第二超表面结构层5组成。其中，所述第一超表面结构层3和第二超表面结构层5具有相同的高度，且所述第一超表面结构层3为等效介质层，所述第二超表面层5为相位调控层。作为优选实施例，所述第一反射层2可以是第一布拉格反射层(DBR)，所述第二反射层4可以是第二布拉格反射层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超表面结构的多功能阵列元件，其特征在于，所述多功能阵列元件由光学透明衬底、第一反射层、第一超表面结构层、第二反射层和第二超表面结构层组成；/n所述第一超表面结构层和第二超表面结构层具有相同的高度，且所述第一超表面结构层为等效介质层，所述第二超表面层为相位调控层。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面结构的多功能阵列元件，其特征在于，所述多功能阵列元件由光学透明衬底、第一反射层、第一超表面结构层、第二反射层和第二超表面结构层组成；
所述第一超表面结构层和第二超表面结构层具有相同的高度，且所述第一超表面结构层为等效介质层，所述第二超表面层为相位调控层。


2.根据权利要求1所述的基于超表面结构的多功能阵列元件，其特征在于：
所述第一反射层和第二反射层均是由若干组高折射率介质材料和低折射率介质材料相间镀制而成。


3.根据权利要求2所述的基于超表面结构的多功能阵列元件，其特征在于：
所述高折射率介质材料为TiO2，所述低折射率介质材料为MgF2。


4.根据权利要求1所述的基于超表面结构的多功能阵列元件，其特征在于：
所述第一超表面结构层包括但不限于由折射率大于2的介质材料组成的具有周期性排列的纳米圆柱/纳米线/纳米锥阵列。


5.根据权利要求4所述的基于超表面结构的多功能阵列元件，其特征在于：
所述第一超表面结构层还包括位于所述周期性排列的纳米圆柱/纳米线/纳米锥周围的折射率小于2的填充介质材料。


6.根据权利要求1所述的基于超表面结构的多功能阵列元件，其特征在于：
所述第二超表面结构层包括但不限于由折射率介质材料大于2组成的具有聚焦功能的纳米圆柱/纳米线/纳米锥阵列。


7.一种根据权利要求1-6任一项所述的基于超表面结构的多功能阵列元件的多功能实现方法，其特征在于，所述多功能至少包括滤波和相位调控，所述实现滤波的方法包括：
令所述第一超表面结构层形成第一亚波长介质光栅；
计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖建军，汪绍武，
申请(专利权)人：华中科技大学鄂州工业技术研究院，华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42