一种超构透镜阵列器件

1.本发明涉及一种超构透镜阵列器件，属于纳米光学领域。


背景技术：

2.传统的偏振成像系统和光场成像系统是分开的，而且其光学系统往往很复杂，加工精度要求高导致加工困难，笨重的体积使得器件难以集成。而随着智能设备的发展，光学系统的各类器件都向着微型化、集成化、多功能、高性能的方向发展。近年来，一种由亚波长尺寸和间隔的结构在二维平面内排列而成的超构表面被提出用来调控电磁波参量，通过合理地设计结构的形状、尺寸、位置和方向，超构表面可以实现光的相位、振幅、偏振和频率所有参量的任意调控，再加上超构表面超薄、超平的特点，将传统光学元件重新设计成轻薄化、多功能的新型元件，有望为减小光学系统复杂性给出新方案。
3.目前国内外学者针对超构表面用于偏振成像做了一些探索，其中有利用几何相位的共轭特性实现圆偏振光以及利用各向异性的传播相位实现线偏振光的探测，以及同时利用这两种相位的实现全斯托克斯参量的偏振测量。但是，目前研究中偏振探测和成像中都是将超构表面作为单独元件，仍需要较大的空间光路，并未体现出超薄的特点。此外，目前的偏振探测成像功能单一，无法获得额外信息。事实上，超构表面的主要优势之一就是对于偏振的亚波长调控，利用这一特点不仅能将超构表面设计成全斯托克斯偏振通道的成像，还能将超构表面设计的更复杂，做出透镜阵列用于光场成像，获得更多的物体信息。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种基于超构表面的偏振检测与偏振光场集成成像器件及实现方法。
5.该器件由透明电介质基底和一层电介质纳米柱结构阵列组成的超构表面，并与cmos感光器件集成而成。该器件主要依赖于超构表面的设计及制造。超构表面为超构透镜阵列，用来光场成像，而每个超构透镜在横向有四个焦点，分别对四种偏振光敏感用来偏振检测及成像。之后将设计制造好的超构表面与cmos感光芯片集成，经过cmos处理器的处理得到偏振检测及偏振光场成像的效果。
6.本发明的目的是提供一种基于超构表面的偏振检测与偏振光场集成成像的器件及实现方法，通过将四焦点超构透镜、四偏振通道超构透镜阵列后与cmos感光芯片集成，利用成像算法从而实现偏振成像与光场成像。
7.一种超构透镜阵列器件，cmos图像处理器的电路板1、感光元件2、oca光学胶3、超构表面4、氧化铟锡5和氧化硅透明基底6顺次连接，连接方式靠的是分子之间的附着力，除了oca光学胶3没有连接结构。所述的超构表面4为电介质纳米结构阵列。
8.进一步地，cmos图像处理器的电路板1及感光元件2，所采用的cmos图像处理器型号不限，实验中使用的为thorlab公司的dmm 27uj003
‑
ml相机图像处理器，像素大小1.67μm，像素数3856
×
2764。
9.进一步地，oca光学胶3为电阻式，厚度50μm，透光率大于99％的双面胶。
10.进一步地，超构表面4结构材料、尺寸下面已有说明，幅面尺寸根据cmos图像处理器制作以覆盖cmos图像处理器的感光区域。
11.进一步地，氧化铟锡5为透明电极材料。厚度几十nm。
12.进一步地，氧化硅透明基底6制作成与cmos封装玻璃一样大，厚度300微米。
13.技术方案主要包括两大部分：超构表面的设计方法和制造并与cmos图像处理器的集成方法，其具体流程如图1所示。
14.超构表面设计以及偏振多通道的实现方法：为实现线偏振敏感选择长方形、椭圆或者其他各向异性的形状作为纳米柱的横截面。使用计算机fdtd软件仿真出高度一定，长轴与短轴尺寸在20nm到500nm范围内的纳米柱在特定波长的入射光下产生的相位变化，从而组建出数据库。设计中需要的相位是入射光偏振方向的相位，而另一方向的相位则采用随机的相位，之后使纳米柱包含设计相位的轴的方向始终与偏振方向一致，从而使纳米柱实现单偏振敏感的功能。对于圆偏振光，采用几何相位即使用具有半波片功能的纳米结构，其角度的二倍即为设计的相位。
15.超构表面的设计，偏振与光场集成成像的实现方法：为了偏振成像并测得全stokes参量，选择了四种偏振通道：水平方向、竖直方向、45度方向线偏振光和左圆圆偏振光通道，将对应这四种偏振的四种纳米结构组合为一个像素单元，按照各个像素单元的位置计算并摆放所需的结构，组成四焦点超构透镜，再进行阵列n*n个最终得到超构表面。
16.器件制作方法：选择表面沉积有氧化铟锡透明电极ito的透明电介质基底(没有ito层亦可)，然后在基底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，加热烘干，使用电子束曝光再经过显影定影，得到所设计的结构图案。然后使用原子层沉积技术沉淀电介质材料将所得图案填充满，用离子束刻蚀掉沉积高出的一层，再用化学方法去掉剩余的聚甲基丙烯酸甲酯得到最终的超构表面。将超构表面有结构的一侧面向cmos感光芯片，利用光学胶将超构表面粘在cmos感光芯片上即得到该器件。
17.可选的，所述电介质纳米结构阵列的纳米柱结构的材料包括tio2、hfo2、zro2、gan、si2n3、si、gaas、zns或aln。
18.可选的，所述电介质纳米结构阵列的纳米柱结构的高度范围为200nm
‑
1500nm，所述纳米柱结构在所述电介质衬底表面的尺寸为20nm
‑
1000nm，所述纳米柱结构在所述电介质衬底表面任意设置。
19.本发明提出的超紧凑偏振与光场集成成像相机采用阵列的超构透镜与cmos集成，可同时实现全斯托克斯的偏振探测、偏振成像、光场成像三种功能，具有超紧凑、集成度高、多功能等优点。相比于现有的偏振相机和光场相机，本发明具有集成度高、多功能、易加工等优点，可同时实现偏振检测、偏振成像、光场成像三种功能。tiabc＝(四焦点or四偏振通道)and tiab＝(超构透镜or超透镜or超表面or超材料or超构表面)。
20.本发明相对于现有的技术具有如下的优点及效果：
21.1.本发明可以实现全斯托克斯的偏振检测，因为超构透镜可以同时获得四种偏振的强度，可以作为哈德曼传感器使用。
22.2.本发明将四焦点透镜进行阵列，可进行不同的偏振光场成像，体现了多功能的优点。
23.3.本发明将超构表面做的透镜的成像距离设计为胶的厚度加cmos封装层与感光芯片距离之和，可以直接将超构表面集成在cmos感光芯片上，cmos可以直接提取光强信息，大大缩小了系统空间体积，体现了超紧凑的特点。
附图说明
24.图1为本发明方法实施的流程图。
25.图2为基于超构表面的多功能可调谐微纳集成器件的组成示意图。
26.图3为超构表面排列示意图。
27.图4为超构透镜阵列工作示意图
28.图5为超构透镜焦点图，分别为a、0度偏振光；b、90度偏振光；c、135度偏振光；d、右旋偏振光。
具体实施方式
29.为了使本发明方案的原理及优点更加清楚明白，以单纯设计长方形截面的纳米柱超构表面为案例，对本发明进行进一步详细的说明。应当理解，此处描述仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.图2为本发明基于超构表面的多功能可调谐微纳集成器件的组成示意图。其中，1为cmos相机的电路板，2为cmos感光元件，3为光学胶，4为电电介质纳米柱超构表面层，5为一层ito(可以没有)用于导电防止曝光时电子束偏转，6为顶层透明电介质衬底。
31.图3为超构表面结构排列示意图。左图显示了超构表面是由n*n个正方形单元构成，其中每个单元都由四焦点超构透镜组成，其中每个焦点分别为不同的偏振光，如图中箭头所示，分别代表水平方向、竖直方向、45度方向的线偏振光和左圆偏振光，中间图显示了纳米结构排列示意图，纳米柱在周期尺寸的单元格中排列，每个单元中由四个纳米柱组成，其尺寸和角度各不相同，四个结构分别对四种偏振敏感。右侧图为超构表面单个纳米结构示意图。
32.图4为本发明功能实现示意图。每个超构透镜都起着聚焦光束的作用，其中超构透镜的相位分布公式为：
[0033][0034]
其中，λ为光的波长，r为透镜上纳米柱位置与中心的距离，f为每个透镜的焦距，就是纳米柱所形成的相位延迟，产生的相位与波长有关，c是常数。
[0035]
每个纳米柱结构看成一个线性双折射单元，入射光和出射光之间通过琼斯矩阵来变换，则面内角度为θ的纳米柱结构可以用琼斯矩阵进行表达：
[0036][0037]
其中，θ为纳米柱长轴方向与偏振光所在振动面方向的夹角，φ
x
和φ
y
分别是入射光沿纳米结构长轴和短轴的相位延迟即数据库中不同尺寸下两个方向的相位值，t0为角度θ为零的琼斯矩阵，r(θ)为旋转矩阵。
[0038][0039]
对于线偏振光，只要将结构的方向角和线偏振光的方向角一致即没有旋转矩阵，即可通过结构的尺寸来获得所需要的相位延迟。
[0040]
对于圆偏振光，会产生与纳米柱结构面内角度θ相关的附加相位，推导出出射场的表达式为：
[0041][0042]
其中e
i
和e
o
分别表示入射电场和出射电场，e为自然指数，i表示复数中的虚部，是物理光学中将光波的三角函数表达转变成复指数形式的常见表达方式。其中
±
分别对应于左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，式中右侧的第一项表示与入射光具有相同旋向的圆偏振光束，第二项表示具有相反旋向的圆偏振光束，附加的几何相位为2θ，解释了前述中结构角二倍就是产生的相位。所以保持纳米柱结构的尺寸不变，面内角度从0
°
旋转到180
°
，出射光相位即可覆盖0
‑
2π的范围。
[0043]
以上介绍了超构表面的设计、制造及功能原理，以下为集成方法：将光学胶剪成方形环状，中间的空间留给超构表面的纳米结构，光学胶的作用之一为将超构表面与cmos感光芯片集成，作用之二为控制超构表面与感光芯片的距离，即图4中的b。
[0044]
实例1哈德曼传感器
[0045]
对于偏振检测功能，即获取前述中的四种偏振分量的光强，此时图4中b的大小接近于f，因为偏振检测就是获得偏振stokes的四个参数，其参数的表达式为：
[0046][0047]
而获得光强信息表达式为：
[0048][0049][0050][0051][0052]
其中i为光强，δ为光在两个正交方向之间的相位差，通过简单的线性变换就可以计算出偏振状态，而常见的几种偏振光的分布可以根据透镜焦斑的分布来得出，如图5所示。这是因为超构透镜四个焦点分别对四种偏振光敏感，从左到右从上倒下分别是0度偏振光、90度偏振光、45度偏振光、左旋偏振光，当与其正交成分的偏振光入射时，对应位置将不会出现焦点，此外焦点的位置还可以反应入射光的相位，根据哈德曼传感器的使用方法实现偏振状态和相位的同时检测。
[0053]
实例2偏振光场相机
[0054]
图4中的焦距f则接近为二者距离，具体距离取决于所设计的图像大小。而图像大小取决于物距a与像距b，其成像公式为：
[0055][0056]
其中a为主镜头某一像面到透镜阵列的距离，不同的a代表了不同的深度，最终得到的图像大小也不一样，所以通过选择在cmos感光芯片上不同大小的子图像块，就可以选择不同深度物体的成像。为了获取光场信息及子图像之间不重叠也要保证图像缩小两倍以上，即a大于b的二倍，针对常见的开普勒和伽利略两种成像模式可得到f与b之间的关系,
[0057]
f/2<b<f或f<b<3f/2
[0058]
经过感光芯片对光强信息的获取，选择不同偏振光所对应的图像块，经过计算机对图像的矫正、重构渲染即可得到不同偏振光的光场的像。