超表面透镜及其制造方法、设备和成像器件与流程

本发明涉及超表面透镜，特别涉及一种超表面透镜及其制造方法、设备和成像器件。

背景技术：

1、超表面透镜是一种人工设计的二维亚波长微纳结构阵列。这种阵列通过精心设计亚波长结构单元，可以在二维平面上同时对电磁波的相位、极化方式以及传播特性进行精确调控。与传统光学器件相比，超表面透镜不仅厚度薄、重量轻，而且由于其三维结构的简化，损耗也更小，这使得纳米光学器件更接近于集成化和小型化的设计目标。超表面透镜的核心原理是通过改变结构单元的结构和排列方式，在介质分界面上引入相位梯度，从而改变光的折射角和反射角，进而调控光的波长。相位调制的方法主要包括传输型相位调制、几何型相位调制和共振型相位调制。对超表面透镜来说，由于其超薄的平面结构以及亚波长级别的结构单元尺寸，在波长变化时同样产生色差导致图像失真。因此，如何在设计中消除色差是超表面透镜研发中的关键问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种超表面透镜及其制造方法、设备和成像器件，能够通过该超表面透镜结构消除成像时的色差。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种超表面透镜，包括：

3、基底，所述基底的上表面为圆形；

4、多个纳米结构单元，设置与所述基底的上表面；所有所述纳米结构单元呈环形排列在所述基底上，形成多个均匀分布的纳米单元环；每个所述纳米单元环中所有的所述纳米结构单元的旋转角度相同，不同的所述纳米单元环之间的所述纳米结构单元的所述旋转角度不同，所述旋转角度由所述纳米结构单元所处位置的所需相位分布确定；每个所述纳米结构单元包括的直角柱体，所述直角柱体的表面为由沿两条底边中长度较短的底边对称设置的两个梯形；所述梯形的底边长度根据所述超表面透镜的单元周期确定；所述纳米结构单元用于在不同入射光波长处提供相同的相位突变和实现覆盖0到2π的相位延迟，以消除所述超表面透镜的色差。

5、在本发明的一些实施例中，所述纳米结构单元均匀分布在所述基底上，每个所述纳米单元环中的所述纳米结构单元与相邻的所述纳米结构单元的间距相等；所述纳米单元环与相邻的所述纳米单元环的间距相等。

6、在本发明的一些实施例中，所述所需相位分布包括参考相位函数和相位补偿函数，所述参考相位函数获得的结果为所述旋转角度的两倍；所述相位补偿函数为：

7、

8、所述参考相位函数为：

9、

10、其中，r为每个所述纳米结构单元所处位置距离所述基底的圆心的半径大小，λmax为所述超表面透镜的目标波段处的最大波长,f为所述超表面透镜的焦距，λ表示目标波长。

11、在本发明的一些实施例中，所述单元周期小于照射入所述超表面透镜的入射光的波长。

12、在本发明的一些实施例中，所述单元周期的长度保持不变，所述梯形中长度较长的底边的长度为x1，x1的变化范围为所述单元周期的长度的十分之一至所述单元周期的长度的十分之九之间，所述梯形中长度较短的底边的长度为x2，x2的变化范围为所述单元周期的长度的十分之一至所述单元周期的长度的十分之五之间。

13、在本发明的一些实施例中，每个所述纳米结构单元的长度较长的底边的长度为x1的大小和长度较短的底边的长度为x2的大小沿所述基底的上表面的半径方向呈递增趋势。

14、在本发明的一些实施例中，所述基底的制造材料包括石英玻璃、氟化钙、氟化钡和红外琉系玻璃中任一项；所述纳米结构单元的制造材料包括氮化镓、二氧化铪、二氧化钛、氮化硅、硅或锗中任一项。

15、第二方面，本发明实施例提供了一种超表面透镜的制造方法，其所述制造方法用于制造上述方面实施例所述的超表面透镜；所述制造方法具体包括：

16、根据超表面透镜的所需焦距，确定所述超表面透镜的工作带宽内基底的上表面的所需相位分布和每个所述纳米结构单元的预设高度；

17、根据所述所需相位分布确定所有纳米单元环中纳米结构单元的旋转角度，根据所述超表面透镜的单元周期获取所有所述纳米结构单元的梯形底边的长度，根据所述旋转角度和所述梯形底边的长度获得每个纳米单元环的特征构型；

18、根据所述特征构型和所述预设高度，切割所述基底获得所述超表面透镜。

19、第三方面，本发明实施例提供了一种超表面透镜的制造设备，所述制造设备用于执行上述方面实施例所述的超表面透镜的制造方法。

20、第四方面，本发明实施例提供了一种成像器件，所述成像器件包括上述方面实施例所述的超表面透镜。

21、根据本发明实施例的超表面透镜，至少具有如下有益效果：超表面透镜由基底和多个纳米结构单元构成，纳米单元的剖面形状为由两个梯形对称拼接而成的特征型结构。本发明通过该结构基于几何相位调制与传输相位调制协同作用的方式，能够在目标工作波段宽带聚焦功能的同时，实现消色差的功能。

技术特征：

1.一种超表面透镜，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的超表面透镜，其特征在于，所述纳米结构单元均匀分布在所述基底上，每个所述纳米单元环中的所述纳米结构单元与相邻的所述纳米结构单元的间距相等；所述纳米单元环与相邻的所述纳米单元环的间距相等。

3.根据权利要求1所述的超表面透镜，其特征在于，所述所需相位分布包括参考相位函数和相位补偿函数，所述参考相位函数获得的结果为所述旋转角度的两倍；所述相位补偿函数为：，所述参考相位函数为：

4.根据权利要求1所述的超表面透镜，其特征在于，所述单元周期小于照射入所述超表面透镜的入射光的波长。

5.根据权利要求4所述的超表面透镜，其特征在于，所述单元周期的长度保持不变，所述梯形中长度较长的底边的长度为x1，x1的变化范围为所述单元周期的长度的十分之一至所述单元周期的长度的十分之九之间，所述梯形中长度较短的底边的长度为x2，x2的变化范围为所述单元周期的长度的十分之一至所述单元周期的长度的十分之五之间。

6.根据权利要求5所述的超表面透镜，其特征在于，每个所述纳米结构单元的长度较长的底边的长度为x1的大小和长度较短的底边的长度为x2的大小沿所述基底的上表面的半径方向呈递增趋势。

7.根据权利要求1所述的超表面透镜，其特征在于，所述基底的制造材料包括石英玻璃、氟化钙、氟化钡和红外琉系玻璃中任一项；所述纳米结构单元的制造材料包括氮化镓、二氧化铪、二氧化钛、氮化硅、硅或锗中任一项。

8.一种超表面透镜的制造方法，其特征在于，所述制造方法用于制造权利要求1-7任一项所述的超表面透镜；所述制造方法包括：

9.一种超表面透镜的制造设备，其特征在于，所述制造设备用于执行权利要求8所述的超表面透镜的制造方法。

10.一种成像器件，其特征在于，所述成像器件包括权利要求1-7任一项所述的超表面透镜。

技术总结本发明提出了一种超表面透镜及其制造方法、设备和成像器件，超表面透镜具体包括：基底；多个纳米结构单元，设置与基底的上表面；所有纳米结构单元呈环形排列在基底上，形成多个均匀分布的纳米单元环；每个纳米单元环中所有的纳米结构单元的旋转角度相同，不同的纳米单元环之间的纳米结构单元的旋转角度不同，旋转角度由纳米结构单元所处位置的所需相位分布确定；每个纳米结构单元包括的直角柱体，直角柱体的表面为由沿两条底边中长度较短的底边对称设置的两个梯形；梯形的底边长度根据超表面透镜的单元周期确定。本发明通过该结构能够在目标工作波段宽带聚焦功能的同时，实现消色差的功能。技术研发人员：夏良平,朱文青,张为国,王乡,涂红,兰晶田,杜春雷受保护的技术使用者：珠海迈时光电科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/17