[发明专利]一种超级复消色差超表面复合微透镜

说明书

本发明公开了一种超级复消色差超表面复合微透镜，包括第一透镜与第二透镜，所述第一透镜为具有负色散性质的正光焦度超表面透镜，其具体结构为具有宽光谱响应的纳米天线阵列，所述第二透镜为具有正色散性质的正光焦度球面折射微透镜，其具体结构为平凸球面微型透镜；所述第一透镜包括纳米天线阵列的上下两个表面；所述第二透镜包括第二透镜平面侧以及第二透镜曲面，第一透镜的下表面与第二透镜的平面侧相互叠合，第一透镜的纳米天线阵列内嵌在所述第二透镜曲面内部。本发明既解决正折射率材料矫正色差需要复杂的光学系统的技术问题，又解决超表面材料为了矫正色差需要牺牲带宽和数值孔径的技术问题。本发明具有结构简单，可微型化的技术优势。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种超级复消色差超表面复合微透镜。

背景技术

色差矫正长期以来都是传统光学设计中的关键点之一，传统的光学元件大都是折射光学元件，遗憾的是折射光学元件光学材料的折射率不但与材料本身的物理性质有关，还与光线的波长有关。同一种光学材料，波长越短、折射率越高，对不同色光的偏折程度不同从而产生色散。不同光学材料也往往有不同的色散。正是因为光学材料色散的存在无可避免的导致了色差，而传统的光学设计完全矫正色差需要极其复杂的光学系统，且对光学材料要求苛刻且加工难度大。即使如此，传统光学设计也只能在特定的几个波长处完全消除色差。

1996年，有研究者发现金属棒状结构的超材料可以实现负介电常数。而将这种棒状结构应用于光学器件表面，可以实现负折射率的超表面器件。然而，尽管超表面器件的材料折射率引起的色散很小，但是由于超表面器件是通过金属棒状结构对光产生作用，因此对不同波长的光，也会产生不同程度的色散，从而导致色差。因此，消除超表面器件的色差同样成为了一个应用难题。现有技术中对超表面器件消除色差的技术手段主要通过优化结构单元的形状、宽度、间距及高度，来实现将不同的色光聚焦到同一焦点。也有通过基于双光子吸收效应的飞秒激光加工的微透镜组合来尝试消除色差。但是在现有加工技术条件下，超表面的结构单元所提供的参数，很难同时满足消色差透镜所需的超宽带和高数值孔径。即，现有技术必须以牺牲带宽和数值孔径的代价，来换取超表面材料的色差消除。

超表面器件的这种结构色散，实际上是由于无色差器件要求的相位随波长变化产生的色散。在传统的光学定义中，将这种由结构差异引起的色散和折射光学中的色散定义进行比较，这种色散其实是相反的，因此可以将超表面的这种色散称为“异常色散”或“负色散”。理论上利用超表面器件的负色散和传统折射光学器件的正色散相抵消，可以完全矫正光学系统的色差。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种超级复消色差超表面复合微透镜，将超表面器件与传统的正折射率材料透镜相结合。既解决正折射率材料矫正色差需要复杂的光学系统的技术问题，又解决超表面材料为了矫正色差需要牺牲带宽和数值孔径的技术问题。本发明具有结构简单，可微型化的技术优势。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何得到一种结构简单，并可以在不牺牲带宽和数值孔径的前提下，实现消除色差的光学器件。

为实现上述目的，本发明提供了一种超级复消色差超表面复合微透镜，包括第一透镜与第二透镜，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜相互叠合，所述第一透镜为具有负色散性质的正光焦度超表面透镜，其具体结构为具有宽光谱响应的纳米天线阵列，所述第二透镜为具有正色散性质的正光焦度球面折射微透镜，其具体结构为平凸球面微型透镜；所述第一透镜包括第一透镜平面侧以及纳米天线阵列；所述第二透镜包括第二透镜平面侧以及第二透镜曲面。

进一步地，所述第一透镜与所述第二透镜具有相同的孔径尺寸，并且同轴放置。

进一步地，所述第一透镜平面侧与所述第二透镜平面侧紧密无间隙贴合，所述第一透镜的纳米天线阵列内嵌在所述第二透镜曲面内部。

进一步地，所述第一透镜的材料为硅或者二氧化钛或者氮化钾，由电子束刻蚀或者纳米压印技术加工获得。