一种相位补偿的大视场角超透镜及其设计方法

1.本发明属于光学技术领域，具体为一种相位补偿的大视场角超透镜及其设计方法，适用于焦平面阵列成像系统。


背景技术：

2.红外焦平面阵列探测器具备分辨率高、抗电磁干扰能力强、可全天候工作的优势，可应用于遥感遥测、自动驾驶、虚拟现实等场景。随着焦平面阵列朝着高效能、高集成、高速度、智能化、小型化等方向发展，焦平面阵列的感光像元区域越来越小。为了保证焦平面阵列对入射光的收集效率，需要在焦平面阵列上集成微透镜阵列，保证入射光能够有效地聚焦在感光像元区域内。然而，现有的微透镜阵列主要采用折射型的半圆状透镜，存在对入射光收集角度小的问题。当入射光角度较大时，微透镜的焦点会偏离到感光像元区域外，严重限制了焦平面阵列的探测效率。
3.近年来，随着超表面技术的发展，超透镜具有较高的设计自由度，能够根据特定的入射光场，设计出兼备大视场角和高聚焦效率的超透镜，且具备尺寸小、易集成的特点；基于二维亚波长结构的超透镜已被广泛的研究，如宽带消色差超透镜、大视场角超透镜等。现有大视场角超透镜采用光阑限制入射光角度区域，但是依然对入射光的利用率低，聚焦效率和分辨率不高，探测效率低。


技术实现要素：

4.针对上述存在问题或不足，为解决现有微透镜阵列对入射光收集角度小导致焦平面阵列探测效率低的问题，本发明提供了一种大视场角超透镜及其设计方法，可适用于焦平面阵列成像系统。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
6.一种相位补偿的大视场角超透镜，由透明衬底和亚波长微纳结构组成。
7.所述透明衬底用于透射入射光，并对设置在透明衬底一侧的亚波长微纳结构起支撑作用。
8.所述亚波长微纳结构是由n种纳米介质柱构成的m
×
m的正方形矩阵，n为2、4、8或16；对于纳米介质柱构成的m
×
m正方形矩阵，矩阵的边长为d，每个矩阵单元(纳米介质柱的正方形底座)的边长为p，p
×
m＝d。
9.纳米介质柱为高度h，半径r的圆柱体，通过改变纳米介质柱的半径r获取n种纳米介质柱，实现对透射相位的调控，并通过在m
×
m正方形矩阵排布后使得选择的n种纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π，同时满足对入射角大小响应不敏感、对入射光偏振响应不敏感，用于对入射大角度锥形光束进行相位调控，满足相位补偿超透镜相位分布，实现焦点无偏移聚焦。
10.根据广义斯涅尔定律其中折射角θr与入
射角θi可由确定，代入求解微分方程后即可得到各纳米介质柱的相位补偿超透镜相位分布公式：
[0011][0012]
以超透镜表面作为xoy平面，其中心点为坐标原点，x、y为坐标位置，为不同位置处纳米柱需满足的透射相位，λ为入射光波长，公式第一项为等效凸型超透镜相位分布，f为等效凸型超透镜的焦距，公式第二项为等效凹型超透镜的相位分布，f1为等效凹型超透镜的负焦距，r为纳米介质柱中心距离坐标原点的距离
[0013]
当入射光锥角为θ，单个超透镜边长为d时，等效凹型超透镜的焦距f1有入射光锥角θ根据成像透镜的通光孔径和焦距计算获得。等效凹型超透镜可以补偿入射光场带来的额外相位变化，从而获得等效的平行光入射。等效凸型超透镜的焦距等于超透镜到感光像元的距离(实际工作距离)，目的是将等效的平行光聚焦到感光像元区域。
[0014]
进一步地，所述纳米介质柱的材料为氮化硅、二氧化钛、非晶硅、硅或氮化镓。
[0015]
进一步地，所述透明衬底为可见光、近红外、中远红外透明基片，在红外波段的透射率大于95％的材料，如二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁、氟化钡、氟化钙、硫化锌或硒化锌。
[0016]
进一步地，所述透明衬底无微纳结构一侧设置有减反膜，以减少反射，镀膜材料为氟化镁或氟化钙材料。
[0017]
进一步地，将上述相位补偿的大视场角超透镜排布成阵列的方式，作为焦平面阵列成像系统的超透镜阵列，将入射光更佳的聚焦在感光像元区域内，使得焦平面阵列的探测效率提升。
[0018]
上述相位补偿的大视场角超透镜的设计方法，包括以下步骤：
[0019]
步骤1、根据焦平面阵列成像系统中，成像透镜的通光孔径和焦距计算获得入射光锥角θ大小。
[0020]
步骤2：根据步骤1计算得到的入射光锥角θ，结合需设计的单个超透镜边长d，根据公式：计算得到所需等效凹型超透镜的负焦距。
[0021]
步骤3、根据焦平面阵列成像系统中超透镜与感光像元间的距离确定所需等效凸型超透镜的焦距。
[0022]
步骤4、使用电磁仿真软件计算不同尺寸纳米介质柱的透过率和透过相位，选择纳米介质柱尺寸时满足透过率大于90％，不同尺寸纳米介质柱的透过相位覆盖0～2π。
[0023]
步骤5、根据步骤2，3确定的焦距，由相位补偿超透镜相位分布公式，获得目标超透镜的相位分布与纳米介质柱排布。
[0024][0025]
综上所述，本发明提供的超透镜针对焦平面阵列成像系统中特定的大角度锥形光场，采用相位补偿设计原理，通过引入一个凹型超透镜相位来补偿入射锥形光场的相位，从而将入射光场等效成平行光入射，再通过等效凸型超透镜将光场聚焦于焦平面阵列感光像
元内；从而解决了微透镜对入射光收集角度小的问题，提升了焦平面阵列成像系统的探测效率，为现有微透镜阵列面临的视场角难题提供了有效解决办法。
附图说明
[0026]
图1为焦平面阵列成像系统示意图。
[0027]
图2(a)为实施例设计的晶胞结构图，(b)为超透镜整体结构示意图。
[0028]
图3为实施例纳米介质柱在1064nm波长下透射率与透射相位随纳米柱半径变化分布图。
[0029]
图4为实施例超透镜在1064nm波长下径向相位分布函数的拟合图。
[0030]
图5为实施例超透镜的结构图和聚焦情况图。
[0031]
图6为实施超透镜阵列的理论聚焦性能分析图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0033]
本实施例提供了一种应用于焦平面阵列成像系统的相位补偿的大视场角超透镜阵列。
[0034]
如图1所示，在焦平面阵列成像系统中，平行入射光经过成像透镜入射到超透镜阵列表面时成为一束锥形光束，超透镜阵列需将每个锥形光束有效地聚焦于焦平面阵列的感光像元内。
[0035]
图2(a)为本实施例设计的晶胞结构图，(b)为单个超透镜整体结构示意图；图中h为纳米介质柱的高度，r为纳米介质柱的半径，p为结构周期，即每个纳米介质柱对应到透明衬底上的正方形结构周期底座的边长。
[0036]
本实施例单个大视场超透镜的尺寸为：d＝100μm，h＝800nm，p＝500nm，半径r在80nm到146nm之间，不同半径尺寸纳米柱的透射率与透射相位如图3所示。
[0037]
本实施例选取8种基本单元，使其满足0～2π相位变化，同时透过率均大于92％。按照凸型超透镜焦距f＝100μm，凹型超透镜焦距f1＝208.26μm得到目标超透镜相位分布。根据目标相位分布，选择对应相位分布的纳米柱尺寸进行排布，获得最终的大视场角超透镜。
[0038]
图4为超透镜在1064nm波长下径向相位分布函数的拟合图，可以看出8种结构单元满足所需相位分布，无需选择16种不同的结构单元。图5(a)为本实施例大视场角超透镜阵列在显微镜下的结构图，(b)为单个超透镜的显微镜下的结构图，(c)为超透镜阵列在1064nm波长的平行光入射下的聚焦情况，聚焦效果明显，(d)为超透镜阵列在1064nm波长的大角度光入射下的聚焦情况，大角度光下仍可以保持很高的聚焦能力。
[0039]
如图6所示，为本实施超透镜阵列的理论聚焦性能分析，以超透镜表面为xoy平面，以超透镜中心为坐标原点，以超透镜法线方向为z方向，其中入射光锥角为
±
20
°
，(a)、(b)、(c)分别为器件在1064nm波长的x-y平面聚焦光强分布、x-z平面聚焦光强分布，以及x轴方向的一维点扩散函数，(d)为图(b)虚线处的光强一维分布剖面图，计算结果可见：器件的聚焦效率可以达到84.54％，焦斑直径为8μm，焦距为100μm。
[0040]
通过以上实施例可见，本发明提供的超透镜针对焦平面阵列成像系统中特定的大角度锥形光场，采用相位补偿设计原理，通过引入一个凹型超透镜相位来补偿入射锥形光
场的相位，从而将入射光场等效成平行光入射，再通过等效凸型超透镜将光场聚焦于焦平面阵列感光像元内；从而解决了微透镜对入射光收集角度小的问题，提升了焦平面阵列成像系统的探测效率，为现有微透镜阵列面临的视场角难题提供了有效解决办法。

技术特征：
1.一种相位补偿的大视场角超透镜，其特征在于：由透明衬底和亚波长微纳结构组成；所述透明衬底用于透射入射光，并对设置在透明衬底一侧的亚波长微纳结构起支撑作用；所述亚波长微纳结构是由n种纳米介质柱构成的m
×
m的正方形矩阵，n为2、4、8或16；对于纳米介质柱构成的m
×
m正方形矩阵，矩阵的边长为d，每个矩阵单元的边长为p，p
×
m＝d；纳米介质柱为高度h，半径r的圆柱体，通过改变纳米介质柱的半径r获取n种纳米介质柱，并通过在m
×
m正方形矩阵排布后使得选择的n种纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π，同时满足对入射角大小响应不敏感、对入射光偏振响应不敏感，用于对入射大角度锥形光束进行相位调控，满足相位补偿超透镜相位分布，实现焦点无偏移聚焦；各纳米介质柱的相位补偿超透镜相位分布公式：以超透镜表面作为xoy平面，其中心点为坐标原点，x、y为坐标位置，为不同位置处纳米柱需满足的透射相位，λ为入射光波长，公式第一项为等效凸型超透镜相位分布，f为等效凸型超透镜的焦距，公式第二项为等效凹型超透镜的相位分布，f1为等效凹型超透镜的负焦距；等效凹型超透镜的焦距f1有根据成像透镜的通光孔径和焦距计算获得入射光锥角θ，再结合需设计的单个超透镜边长d计算获得，以补偿入射光场的相位，获得等效的平行光入射；等效凸型超透镜的焦距等于超透镜到感光像元的距离。2.如权利要求1所述相位补偿的大视场角超透镜，其特征在于：所述纳米介质柱的材料为氮化硅、二氧化钛、非晶硅、硅或氮化镓。3.如权利要求1所述相位补偿的大视场角超透镜，其特征在于：所述透明衬底为可见光、近红外、中远红外透明基片，在红外波段的透射率大于95％。4.如权利要求3所述相位补偿的大视场角超透镜，其特征在于：所述透明衬底的材料为二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁、氟化钡、氟化钙、硫化锌或硒化锌。5.如权利要求1所述相位补偿的大视场角超透镜，其特征在于：所述透明衬底无微结构一侧设置有减反膜。6.如权利要求5所述相位补偿的大视场角超透镜，其特征在于：所述减反膜的材料为氟化镁或氟化钙材料。7.如权利要求1所述相位补偿的大视场角超透镜，其特征在于：将相位补偿的大视场角超透镜排布成陈列的方式，作为焦平面阵列成像系统的超透镜阵列，将入射光聚焦在感光像元区域内。8.如权利要求1所述相位补偿的大视场角超透镜，其特征在于：所述超透镜尺寸为d＝20μm～1mm，m＝8～512，p＝300nm～5μm，h＝500nm～1.5μm，r＝50nm～5μm，λ＝500nm～14μm。9.如权利要求1所述相位补偿的大视场角超透镜的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据焦平面阵列成像系统中，成像透镜的通光孔径和焦距计算获得入射光锥角
θ大小；步骤2、根据步骤1计算得到的入射光锥角θ，结合需设计的单个超透镜边长d，根据公式计算得到所需等效凹型超透镜的负焦距；步骤3、根据焦平面阵列成像系统中超透镜与感光像元间的距离确定所需等效凸型超透镜的焦距。步骤4、使用电磁仿真软件计算不同尺寸纳米介质柱的透过率和透过相位，选择纳米介质柱尺寸时满足透过率大于90％，不同尺寸纳米介质柱的透过相位覆盖0～2π；步骤5、根据步骤2，3确定的焦距，由相位补偿超透镜相位分布公式，获得目标超透镜的相位分布与纳米介质柱排布；

技术总结
本发明属于光学技术领域，具体为一种相位补偿的大视场角超透镜及其设计方法，适用于焦平面阵列成像系统。本发明提供的超透镜针对焦平面阵列成像系统中特定的大角度锥形光场，采用相位补偿设计原理，通过引入一个凹型超透镜相位来补偿入射锥形光场的相位，从而将入射光场等效成平行光入射，再通过等效凸型超透镜将光场聚焦于焦平面阵列感光像元内；从而解决了微透镜对入射光收集角度小的问题，提升了焦平面阵列成像系统的探测效率，为现有微透镜阵列面临的视场角难题提供了有效解决办法。面临的视场角难题提供了有效解决办法。面临的视场角难题提供了有效解决办法。


技术研发人员：秦俊 马小哨 罗晴 毕磊 邓龙江
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/9/5