基于微尺寸结构优化的多子镜阵列成像元件设计方法技术

本发明专利技术提供了一种基于微尺寸结构优化的多子镜阵列成像元件设计，目的是解决基于几何相位原理的超透镜存在转换效率低，优化设计耗时等问题。该元件包括多个子镜，每个子镜包括多个硅椭圆柱和氟化钙基底，其基本内容为结合几何相位原理和等效介质理论设计出了一种能够在中红外波段实现优良聚焦性能的超透镜阵列成像元件，运用模拟退火算法对微纳结构进行微尺寸优化，光斑的中心场强提高了约8%。本发明专利技术有助于实现光学透镜的微型化，对光学系统的小型化发展具有重要的应用价值。小型化发展具有重要的应用价值。小型化发展具有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于微尺寸结构优化的多子镜阵列成像元件设计方法


[0001]本专利技术涉及超透镜设计领域，具体涉及一种基于微尺寸结构优化的多子镜阵列成像元件设计方法。

技术介绍

[0002]传统透镜使用高折射率的介质材料，在透镜法线方向上通过改变介质的厚度来控制在入射平面不同的累计相位分布，实现电磁波的精确控制。受限于调制机理和材料属性，传统的光学元件具有较大的尺寸和重量，难以满足光学器件集成化的需求。同时，为了实现一些复杂功能，需要将多个传统镜头组合使用，这不可避免地增加了成像系统的体积和复杂性，也在一定程度上限制了成像系统的分辨率和应用范围。传统透镜的这些缺点与现代光学系统的小型化和智能化的发展趋势不符。
[0003]超透镜是由亚波长结构组成的二维功能性平面材料，可以通过突变、离散的相位变化，高效率地精确控制入射光的振幅、相位和偏振，具有厚度薄、易于集成、调控自由度高、损耗低等优点。超透镜的发展为光学波前重构提供了一种新的选择。许多研究者利用超透镜的新颖光学性能，进行了大量关于超分辨聚焦成像透镜、高性能宽谱消色差透镜等方面的研究，相关成果在包括手机摄像头、行车记录仪、VR镜头、红外成像在内的众多领域内都有潜在的应用价值。
[0004]超透镜的特征尺寸小于工作波长，它的反射率、透射率、偏振特性和光谱特性等都显示出与传统光学元件截然不同的特征。同时，尽管目前超透镜己经被大量研究，也取得了众多喜人的成果，但相关技术仍存在很多问题：1、基于几何相位原理的超透镜被广泛地研究，然而却存在转换效率低，对光源要求比较苛刻等问题；2、工作波长大都集中在可见光波段，在中红外波段的研究相对较少，而中红外波段是热辐射的主要频段，在热成像、导航、天文观测等方面有重要应用价值；3、超透镜在优化设计上对计算机硬件要求较高，会消耗大量的时间成本，从而在一定程度上限制了其实用性。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于微尺寸结构优化的多子镜阵列成像元件设计方法，有效提高了所设计超透镜结构的光学聚焦性能。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于微尺寸结构优化设计的多子镜阵列成像元件制备方法，所述元件包括基底和椭圆柱，具体包括以下步骤：
[0008]步骤S1:在基底上将椭圆柱进行正方形阵列排布，获取每一个椭圆柱的初始尺寸，并基于几何相位原理旋转预设的角度用于调制波长λ
d
为入射光的相位；
[0009]步骤S2:基于等效介质理论，对于每一个椭圆柱的尺寸通过迭代的方式进行以模拟退火算法为基础的深度寻优；
[0010]步骤S3:基于步骤S2获取的椭圆柱最优尺寸，生成正方形区域子镜，再对该子镜进
行阵列变换，得到总体上为N
×
N排列的超透镜阵列元件。
[0011]进一步的，所述基底采用在中红外波段具有可忽略本征损耗且折射率(n＝1.41)在设计波长4μm处接近空气的折射率，以降低菲涅尔反射损耗的氟化钙CaF2，椭圆柱材料选取在中红外波段损耗较低，满足器件与空气之间的阻抗匹配，同时具有较好的光调控能力的硅Si。
[0012]进一步的，所述入射光的相位，由公式(1)确定:
[0013][0014]其中σ(x,y)为超透镜的相位分布，λ
d
为设计波长，f为焦距，x和y是超透镜上每一个椭圆柱的坐标。
[0015]进一步的，所述步骤S1具体为：
[0016]将所述基底的一个侧面划分成正方形单元网格，在正方形单元网格放置尺寸相同的椭圆柱；
[0017]根据几何相位原理，椭圆柱旋转角由公式(1)确定，长轴2a和短轴2b分别设定在1800～2800nm和300～1300nm之间，以步长100nm进行初步寻优；
[0018]根据寻优结果，将长轴2a和短轴2b限制在2000～2700nm和700～1200nm之间，以步长50nm再次精细寻优，通过远场投射计算焦点处场强，找出场强最大值所对应椭圆柱的尺寸，最终确定每一个椭圆柱初始结构尺寸。
[0019]进一步的，所述以模拟退火算法为基础的深度寻优，具体为：
[0020](1)预设聚焦性能评判指标即中心场强作为优化目标函数E，设置初始温度T0、椭圆柱初始尺寸2a和2b包含在初始解集X0＝{2a,2b}中、温度T
i+1
＝α
×
T
i
，(i＝0,1,2,3
···
)、温度衰减系数α以及每个温度值T下的迭代次数L；
[0021](2)在温度值T下，进行步骤(3)至步骤(5)；
[0022](3)基于当前解产生新解集X1，计算新解与旧解的目标函数值；
[0023](4)根据Metropolis抽样准则，确定新解是否被接受，若被接受当前解被新解替换，否则保持原值；
[0024](5)判断是否满足终止条件，如满足输出当前解作为最优解，并结束程序，否则继续在本温度下迭代，直到达到设定的迭代次数L；
[0025](6)进行温度衰减，即T的取值逐步减小，然后从步骤(2)继续迭代；
[0026](7)判断是否达到最低温度，如达到输出当前解作为最优解并结束程序。
[0027]进一步的，所述Metropolis准则以概率来接受新状态，而不是使用完全确定的规则，其中，接受新解的概率p由以下规则确定：
[0028][0029]其中E(n)为当前温度T下的能量值，E(n+1)为新解在当前温度T下的能量值。
[0030]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：
[0031]1)本专利技术在中红外波段以几何相位原理为基础，结合了等效介质理论进行微尺寸结构优化，突破了几何相位原理本身的一些限制，有效提高了所设计超透镜结构的光学聚
焦性能。
[0032]2)利用了模拟退火算法，节省了设计的时间，提高了效率。
[0033]3)同时，本专利技术是由亚波长结构的椭圆柱组成的多个子镜同时聚焦的超透镜，该透镜能够应用于多镜头扫描成像，对于平行光束聚焦产生多焦斑，集成度高，尺寸小于0.1毫米，厚度薄质量轻，像差和色差要好于现有的高质量物镜，特别适用于快速定位与扫描的小型化设备系统。
附图说明
[0034]图1为本专利技术中超透镜阵列的整体结构俯视图，可划分为区域Ⅰ，区域Ⅱ，区域Ⅲ，区域Ⅳ；
[0035]图2为本专利技术一实施例中超透镜整体示意图，其中A为超透镜的光线聚焦示意图，B示意了Si微纳单元结构模型，其中上半部分为CaF2基底，下半部分为Si椭圆柱，C和D示意了以S
×
S为单元结构的x
‑
z和x
‑
y平面投影图，E为根据几何相位，所需要的相位由椭圆柱的旋转角β来传递；
[0036]图3为本专利技术一实施例中由几何相位原理所得投射场在y
‑
z平面上的截平面图；
[0037]图4为本专利技术一实施例中由几何相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微尺寸结构优化的多子镜阵列成像元件设计方法，其特征在于，所述元件包括基底和椭圆柱，具体包括以下步骤：步骤S1:在基底上将椭圆柱进行正方形阵列排布，获取每一个椭圆柱的初始尺寸，并基于几何相位原理旋转预设的角度用于调制波长为λ
d
的入射光相位；步骤S2:基于等效介质理论，对于每一个椭圆柱的尺寸通过迭代的方式进行以模拟退火算法为基础的深度寻优；步骤S3:基于步骤S2获取的椭圆柱最优尺寸，生成正方形区域子镜，再对该子镜进行阵列变换，得到总体上为N
×
N排列的超透镜阵列元件。2.根据权利要求1所述的基于微尺寸结构优化的多子镜阵列成像元件设计方法，其特征在于，所述基底采用氟化钙CaF2，椭圆柱材料硅Si。3.根据权利要求1所述的基于微尺寸结构优化的多子镜阵列成像元件设计方法，其特征在于，所述入射光的相位，由公式(1)确定:其中σ(x,y)为超透镜的相位分布，λ
d
为设计波长，f为焦距，x和y是超透镜上每一个椭圆柱的坐标。4.根据权利要求3所述的基于微尺寸结构优化的多子镜阵列成像元件设计方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：将所述基底的一个侧面划分成正方形单元网格，在正方形单元网格放置尺寸相同的椭圆柱；根据几何相位原理，椭圆柱旋转角由公式(1)确定，长轴2a和短轴2b分别设定在1800～2800nm和300～1300nm之间，以步长100nm进行初步寻优；根据寻优结果，将长轴2a和短轴2b限制在2000～2700nm和700～1200nm之间，以步长50...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾天奇，高翔，郭子明，蔡航斌，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：