[发明专利]超表面透镜的构造方法、超表面透镜

说明书

一种超表面透镜的构造方法、超表面透镜，超表面透镜的构造方法，包括：建立结构单元库；根据超表面透镜的表面的空间位置和光谱相位的理想分布关系确定理想状态下工作于目标波段和目标焦距的超表面透镜的表面任意空间位置处的最低频相位和相位色散；对结构单元库中的每个结构单元进行仿真，并提取得到每个结构单元所能提供的最低频相位和相位色散；遍历超表面透镜的表面每个空间位置，根据每个结构单元能提供的最低频相位和相位色散对结构单元库中的结构单元进行筛选，以确定空间位置的目标结构单元；将所有目标结构单元各自摆放至对应的空间位置上，完成超表面透镜的构造，构造出的超表面透镜在目标波段实现连续消色差。

技术领域

本发明涉及光学透镜技术领域，特别涉及超表面透镜的构造方法、超表面透镜。

背景技术

红外线在大气中有三个波段区间内具有很高的透过率，被称为“大气窗口”，分别为：短波红外区的1-3μm波段，中波红外区3-5μm波段和长波红外区8-14μm。工作在中波红外波段和长波红外波段的热成像设备，在工业、医疗、科研等多个领域发挥着重要作用，因此中波红外以及长波红外成像系统的研发具有重要实用价值。

在成像系统中，由于色散现象，不同波长的光不能同时聚焦在成像面上，造成图形模糊、成像质量下降，这种效应被称为色差，色差是影响透镜成像质量的重要因素。成像系统中的聚焦元件大都具有色散效应，传统的折射透镜具有正色散(较高的频率具有较小的焦距)特性，而衍射聚焦元件(例如菲涅耳波带片)具有负色散特性。基于超表面的平面光学器件跟衍射光学元件类似，具有比较明显的负色散。色散及其带来的色差效应成为了制约超表面透镜技术进一步发展的关键瓶颈。

传统的折射透镜可以通过两种相反色散属性的材料级联来消除色散。利用多片透镜实现的消色差透镜被成为双胶合或三胶合透镜，其体积、重量较大，不利于集成。衍射器件的色差不能通过不同材料级联的方式消除，因为衍射器件色散的起因与材料属性无关，而是与周期性晶格产生的色散、光场限制等因素有关，现有的技术比较难以消除衍射器件的色差。

与衍射器件类似，以超透镜为代表的典型超表面器件也可以看作一种特殊的衍射器件，具有比较明显的负色散。对于不做特殊设计的超透镜而言，因为色散效应的存在，其工作带宽一般比较窄，不同波长的入射光不能聚焦到同一焦点位置处，造成成像质量降低。超表面透镜的色差消除具有较大的技术难度，特别是，为了避免多个超透镜级联所带来的厚度、体积、重量增大等不利因素，仅仅利用单层超表面器件的精巧设计，实现宽带的消色差聚焦，这是具有相当的技术难度的。

现有技术中，一种方法是通过多个非消色差的单波长超表面的叠加，构建工作在几个离散波长的超表面透镜组，在几个分立波长上实现一定程度的消色差。但是这种方法也依赖于级联，会增大系统的厚度、体积和重量，不利于集成，而且带宽窄、消色差带宽不连续。另一种技术方案是利用具有正色散的折射透镜和负色散的超表面透镜粘合的方法来消色差，这种技术方案也需要将两块光学元件级联，也存在尺寸重量增大的缺点，同时两块器件粘合时的对准技术难度较高。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种超表面透镜的构造方法、超表面透镜，以期解决上述问题的至少之一，上述方法包括：

建立结构单元库，结构单元库包括多种结构单元，结构单元包括衬底和柱状结构，柱状结构的横截面的图形具有90°角旋转对称性，任意两个结构单元的横截面的形状和尺寸不同；

根据超表面透镜的表面的空间位置和光谱相位的理想分布关系确定理想状态下工作于目标波段和目标焦距的超表面透镜的表面任意空间位置处的最低频相位和相位色散，其中，目标波段的入射光聚焦在目标焦距处，超表面透镜的表面为二维平面；

对结构单元库中的每个结构单元进行仿真，并提取得到每个结构单元所能提供的最低频相位和相位色散；