[发明专利]一种消像差的液体介质超透镜

说明书

本发明公开了一种消像差的液体介质超透镜，属于微纳光学成像领域。该超透镜包括：从上至下依次设置的上层超表面阵列、下表面镀有ITO导电层的上层超透镜石英基底、高分子聚合物层、上表面镀有ITO导电层的下层超透镜石英基底、下层超表面阵列；高分子聚合物层上附着有低介电常数液体介质，且高分子聚合物层与上层超透镜石英基底之间充满高介电常数液体介质。本发明上层超表面阵列调节入射光波前，经过填充两种液体介质的间隙，形成聚焦所需的球面波，再由下层超表面阵列消除干扰波的影响并输出能够聚焦的透射光。通过外加电压的改变最终控制透射波的波前相位，弥补超表面原有不足，达到消像差的效果，构造了具有广泛应用前景与价值的超透镜光学系统。

技术领域

本发明属于微纳光学成像领域，特别涉及到超透镜结合液体介质消像差的技术方法。

背景技术

由于超透镜具有轻薄、易于调控等诸多优点，其用于成像时将大大优化各项指标，例如光学系统的质量减轻、焦距调节范围扩大、透镜设计的可重复性提高，以及平面化与轻量级程度增加等等。又因为其具有基于广义Snell折反射定律的奇异特点，易于对波前相位进行合理控制，从而可以获得优于现有透镜的性能，是未来透镜光学镜头设计、制造与生产的热门选择。

在一个光学系统投入正式使用之前，往往需要进行通过光学聚焦进行各类像差的评估。超透镜在具体设计过程中，可以针对轴上平行光进行阵列单元对称结构的合理设计，构造出射光波前相位为球面，但却无法同理克服慧差(轴外光源产生)、像散(大视场造成的子午以及弧矢方向偏差)、畸变(大视场造成的图像比例失调)等高阶像差带来的成像困难。不能实时控制波前相位使之达到聚焦要求，或因阵列结构对称化导致产生较大高阶像差，是困扰平面化单一超透镜达到更完美成像效果的技术瓶颈。

结合某些高精度成像领域的实际诉求，例如生物剖面分析中要求的小焦距聚焦，以及化学物质分析等工业领域要求的大视场或高分辨率要求，超透镜若想获得更大的使用价值，就必须改变现有超透镜的单一平面系统结构，进行相关系统的重新设计与改造。

发明内容

本发明针对超透镜的实际应用，提出了一种消像差的液体介质超透镜。

在以往超透镜平面单元阵列的设计中，往往根据实际应用场景，先预设对称成像情形，通过结合最终球面波波前的参数要求，来计算超透镜平面上相应径向坐标对应的相位梯度，结合介质等效折射率理论选取介质单元放置在对应位置，达到聚焦效果。换言之，高阶像差的产生与在聚焦过程中的放大，在技术方案上是由于预设的对称情形造成的。

为了从技术层面消除像差，就需要设计非对称甚至自适应的光学系统。本发明通过外加电压的改变最终控制透射波的波前相位，从而弥补超表面原有不足，达到消像差的效果，进而构造了具有更广泛应用前景与价值的超透镜光学系统。

本发明采用以下的技术方案实现：一种消像差的液体介质超透镜，包括：从上至下依次设置的上层超表面阵列、上层超透镜石英基底、高分子聚合物层、下层超透镜石英基底、下层超表面阵列。

所述上层超表面阵列，用于调控入射光波前，是传统超透镜的核心单元，将入射光的波前按照需求焦距值进行相位调控，形成带像差的类球面波。

所述上层超透镜石英基底，用于作为上层超表面阵列的依附模块；所述上层超透镜石英基底下表面镀有第一ITO导电层(indium tin oxide，铟锡氧化物层)，用于传导电荷形成液体介质间的电势差。

所述下层超透镜石英基底上表面镀有第二ITO导电层，第二ITO导电层上设置有高分子聚合物层。

所述高分子聚合物层上表面附着有低介电常数液体介质，从而能够更稳定调控相位，低介电常数液体介质与高分子聚合物层上表面切角为θ,通过改变θ大小来调控相应空间位置的波前相位；高分子聚合物层与上层超透镜石英基底之间充满高介电常数液体介质，高介电常数液体介质与低介电常数液体介质不相溶。