一种折射光学元件与超表面复合构型的光学器件制造技术

本发明专利技术提供一种折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，光学器件由折射光学元件和超表面级联构成，折射光学元件在目标工作波段内的至少一个波长上的相位分布满足光学器件的成像要求，超表面的相位分布使超表面对折射光学元件在目标工作波段内的色差进行校正，使得在目标工作波段内的不同波长下的电磁波通过光学器件后的相位分布同时满足光学器件的成像要求。本发明专利技术的光学器件将折射光学元件与超表面级联成一体，从而实现光学系统的轻量化、集成化要求，同时突破口径与带宽相互制约的瓶颈，能满足实际应用中的口径和带宽要求。能满足实际应用中的口径和带宽要求。能满足实际应用中的口径和带宽要求。

【技术实现步骤摘要】
一种折射光学元件与超表面复合构型的光学器件


[0001]本专利技术涉及微纳光学器件、光学成像等领域，是一种折射光学元件与超表面复合构型的光学器件。

技术介绍

[0002]光学成像在国计民生和国防科技中发挥了重要作用。实现高质量的光学成像的关键是光学系统。在当前的光学系统中，采用的是传统折射式透镜，其相位调控建立在几何光学的基础之上，往往体积大、重量大；此外，为了优化光学系统的成像质量，往往采用多个透镜级联而成的复杂透镜组来校正色差像差，更进一步地增大了光学系统的体积和重量。传统的折射式透镜由于其相位调控原理的根本性限制，无法满足光学系统的轻量化、集成化的发展要求。
[0003]超表面是一种新型的人工微纳结构，是由特征尺寸为亚波长的光学散射结构在界面上构成的二维阵列。超表面具有平面构型易集成、设计自由度较高以及振幅、相位和偏振的调控较为灵活等优势。
[0004]已有人提出利用超表面实现透镜功能。然而，由于微纳加工工艺极限限制，超表面的光学散射结构的尺寸参数范围有限，使得单个超表面透镜可实现的聚焦和成像的效果存在口径与带宽制约现象。在微纳工艺能力限制下，当超表面透镜的带宽(百nm至μm量级)覆盖所需的工作波段时，其口径仅能达到百μm量级，无法满足实际应用的光学系统对超表面透镜口径的要求；而当超表面透镜的口径达到应用所需的mm至cm量级时，带宽仅能达到nm至10nm量级，无法满足实际应用的光学系统对带宽的需求。
[0005]因此，有必要提供一种折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，以满足光学系统的轻量化、集成化的要求，同时突破口径与带宽相互制约的瓶颈。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，以满足光学系统的轻量化、集成化的要求，同时突破口径与带宽相互制约的瓶颈。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供一种折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，其特征在于，所述折射光学元件与超表面复合构型的光学器件由折射光学元件和超表面级联构成，所述折射光学元件在目标工作波段内的至少一个波长上的相位分布满足光学器件的成像要求，所述超表面的相位分布设置为使超表面对折射光学元件在目标工作波段内的色差进行校正，使得在目标工作波段内的不同波长下的电磁波通过光学器件后的相位分布同时满足光学器件的成像要求。
[0008]所述超表面由衬底和微纳结构构成，所述微纳结构由二维排布的微纳结构单元的周期性阵列组成，所述微纳结构单元具有可变的指向角度，不同的微纳结构单元的指向角度不同，而其余几何参数均相同；各微纳结构单元的指向角度根据所需的电磁波通过各微纳结构单元的相位调控量、以及电磁波通过微纳结构单元的相位调控量与微纳结构单元的
指向角度的对应关系相应确定；电磁波通过各微纳结构单元的相位调控量满足超表面的相位分布。
[0009]所述周期性阵列为正方晶格阵列或六角晶格阵列，周期性阵列的周期U为0.2λ至λ，且所述微纳结构单元是椭圆柱或矩形柱，λ为目标工作波段内的指定波长。
[0010]所述微纳结构单元的指向角度在0至π之间，所述微纳结构单元的高度H为0.5λ至1.5λ。
[0011]所述微纳结构单元是矩形柱，矩形长边L和矩形短边W为0.1U至0.9U，U为周期性阵列的周期。
[0012]所述折射光学元件的其中一面是平面，另一面是曲面，所述折射光学元件的曲面面向入射光的传播方向且平面背离入射光的传播方向，并且超表面通过其衬底与折射光学元件的平面紧密贴合。
[0013]折射光学元件具有聚焦功能，所述超表面与折射光学元件的口径的比值为0.7
‑
0.99。
[0014]所述折射光学元件采用平凸镜的构型，满足光学器件的成像要求指的是折射光学元件以一预设焦距聚焦至焦平面。
[0015]所述超表面的相位分布为：
[0016][0017]其中，B为第二柯西色散系数，λ0为目标工作波段的中心波长，R为平凸镜的曲率半径，r为超表面的径向坐标，c为常数。
[0018]如果目标工作波段在可见光波段，则折射光学元件和衬底的材料选择二氧化硅，微纳结构的材料选择二氧化钛、氮化镓、和氮化硅中的一种；如果目标工作波段在中红外波段，则折射光学元件、衬底和微纳结构的材料选择硅；如果目标工作波段在长波红外波段，则折射光学元件、衬底和微纳结构材料选择锗。
[0019]本专利技术的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件采用复合构型，将折射光学元件与超表面级联成一体，形成复合光学器件，从而实现光学系统的轻量化、集成化要求，采用一个复合光学器件即可实现光学成像，使得光学系统的体积小、重量小，同时突破口径与带宽相互制约的瓶颈，能满足实际应用中的口径和带宽要求。
附图说明
[0020]图1是根据本专利技术的一个实施例的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件的结构示意图。
[0021]图2是本专利技术实施例的超表面的俯视示意图。
[0022]图3是本专利技术实施例的超表面微纳结构单元的俯视示意图。
[0023]图4是本专利技术实施例的超表面微纳结构单元的侧视示意图。
[0024]图5A是本专利技术的第一实施例的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件的硅平凸镜的后截距随波长的变化关系图。
[0025]图5B是本专利技术的第一实施例的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件的复合光学器件的后截距随波长的变化关系图。
[0026]图6A是本专利技术的第二实施例的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件的硅平凸镜的后截距随波长的变化关系图。
[0027]图6B是本专利技术的第二实施例的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件的复合光学器件的后截距随波长的变化关系图。
具体实施方式
[0028]以下结合具体实施例，对本专利技术做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本专利技术而非用于限制本专利技术的范围。
[0029]如图1所示为根据本专利技术的一个实施例的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件。如图1所示，所述折射光学元件与超表面复合构型的光学器件由折射光学元件1和超表面2、3级联构成，超表面2、3由衬底2和微纳结构3构成。其中，折射光学元件与超表面复合构型的光学器件设置为接收一入射光，折射光学元件1具有一个平面和一个曲面，折射光学元件1的曲面面向入射光的传播方向且平面背离入射光的传播方向。超表面2、3设置在折射光学元件1的平面一侧，超表面通过其衬底2与折射光学元件1的平面紧密贴合，使得折射光学元件1和超表面两者级联形成复合光学器件。所述折射光学元件在目标工作波段内的至少一个波长上的相位分布满足光学器件的成像要求，超表面的相位分布设置为使超表面对折射光学元件1在目标工作波段内的色差进行校正，，使得折射光学元件1和超表面两者级联形成的复合光学器件实现宽带消色差聚焦功能，即使得在目标工作波段内的不同波长下的电磁波(即宽带平行的入射光)通过本专利技术的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件后的相位分布同时满足光学器件的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，其特征在于，所述折射光学元件与超表面复合构型的光学器件由折射光学元件和超表面级联构成，所述折射光学元件在目标工作波段内的至少一个波长上的相位分布满足光学器件的成像要求，所述超表面的相位分布设置为使超表面对折射光学元件在目标工作波段内的色差进行校正，使得在目标工作波段内的不同波长下的电磁波通过光学器件后的相位分布同时满足光学器件的成像要求。2.根据权利要求1所述的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，其特征在于，所述超表面由衬底和微纳结构构成，所述微纳结构由二维排布的微纳结构单元的周期性阵列组成，所述微纳结构单元具有可变的指向角度，不同的微纳结构单元的指向角度不同，而其余几何参数均相同；各微纳结构单元的指向角度根据所需的电磁波通过各微纳结构单元的相位调控量、以及电磁波通过微纳结构单元的相位调控量与微纳结构单元的指向角度的对应关系相应确定；电磁波通过各微纳结构单元的相位调控量满足超表面的相位分布。3.根据权利要求2所述的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，其特征在于，所述周期性阵列为正方晶格阵列或六角晶格阵列，周期性阵列的周期U为0.2λ至λ，且所述微纳结构单元是椭圆柱或矩形柱，λ为目标工作波段内的指定波长。4.根据权利要求3所述的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，其特征在于，所述微纳结构单元的指向角度在0至π之间，所述微纳结构单元的高度H为0.5λ至1.5λ。5.根据权利要求3所述的折射光学元件与超表面复合构型的光学器件，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，周易，甘峰源，黄海阳，商祥烁，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：