一种望远镜结构及其制作方法

1.本发明涉及超构表面技术领域，尤其涉及一种采用超构透镜的望远镜结构及其制作方法。


背景技术：

2.望远镜是一种利用透镜或反射镜以及其他光学器件观测遥远物体的光学仪器。利用通过透镜的光束折射或光束被凹镜反射使之进入小孔并会聚成像，再经过一个放大目镜而被看到。
3.传统的望远镜结构一般采用由光学玻璃或者光学树脂制成的透镜。但是由于光学玻璃或者光学树脂材料的本身的特性，无法做出具有较低的焦经比(透镜的焦距与直径比)的透镜，因此传统的望远镜结构无法制作成薄型，从而其应用领域也比较有限。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
5.在本发明的一方面提供了一种望远镜结构，该望远镜结构包括透明基底，所述透明基底包括彼此相对的第一表面和第二表面，所述第一表面上直接设置有具有正屈光力的物镜超构透镜，所述第二表面上直接设置有具有正屈光力的目镜超构透镜，所述物镜超构透镜和所述目镜超构透镜分别包括周期性排布的超构表面阵列；其中，所述物镜超构透镜的位于面向所述目镜超构透镜侧的焦点与所述目镜超构透镜的位于面向所述物镜超构透镜侧的焦点在所述透明基底内部相互重叠。
6.优选地，所述超构表面阵列包括多个微结构单元，所述微结构单元由au、ag、al中的至少一种，或者tin和zrn中的至少一种，或者altin、alzrn、tizrn、timgn、tican中的至少一种，或者sio2、ta2o5、zro2、al2o3中的至少一种制成。
7.优选地，所述透明基底由光学玻璃或者光学树脂制成。
8.在本发明的另一方面提供了一种望远镜结构的制作方法，该述制作方法包括：
9.在基底的第一表面上直接形成周期性排布的第一超构表面阵列，以形成具有正屈光力的物镜超构透镜；
10.在所述基底的与所述第一表面彼此相对的第二表面上直接形成周期性排布的第二超构表面阵列，以形成具有正屈光力的目镜超构透镜；
11.其中，所述物镜超构透镜的位于面向所述目镜超构透镜侧的焦点与所述目镜超构透镜的位于面向所述物镜超构透镜侧的焦点在所述透明基底内部相互重叠。
12.优选地，形成所述第一超构表面阵列和所述第二超构表面阵列，包括：
13.在所述第一表面和所述第二表面上分别设置彼此对应的定位标记；
14.在所述第一表面上涂覆第一光刻胶层，并根据所述定位标记对所述第一光刻胶层进行曝光显影，以形成第一图案层；
15.在所述第一图案层上沉积金属材料后，剥离所述第一图案层，以形成所述第一超
构表面阵列；
16.在所述第二表面上涂覆第二光刻胶层，并根据所述定位标记对所述第二光刻胶层进行曝光显影，以形成第二图案层；
17.在所述第二图案层上沉积金属材料后，剥离所述第二图案层，以形成所述第二超构表面阵列。
18.优选地，对所述第一光刻胶层或所述第二光刻胶层进行曝光显影，包括：
19.通过数值模拟获得具有预设光学特性的所述第一超构表面阵列或所述第二超构表面阵列的图案信息；
20.根据所述第一超构表面阵列的图案信息对所述第一光刻胶层进行曝光，或者根据所述第二超构表面阵列的图案信息对所述第二光刻胶层进行曝光；
21.对曝光后的所述第一光刻胶层或所述第二光刻胶层进行显影，以形成所述第一图案层或所述第二图案层。
22.在本发明的又一方面提供了一种望远镜结构测试系统，包括：
23.图像生成装置，用于生成能够形成预设图像的光束；
24.图像压缩装置，用于缩小所述光束；
25.其中，所述望远镜结构测试系统还包括沿着缩小后的所述光束的光路依序设置的样品台和图像放大装置，所述样品台用于支撑待测望远镜结构，并使所述光束经过所述待测望远镜结构，所述图像放大装置用于放大经过所述待测望远镜结构的所述光束，并使所述光束成像后进行成像测量。
26.优选地，所述图像生成装置包括：激光器以及沿着所述激光器所生成的光束的光路依序设置的空间滤波器、usaf分辨率板、第一线偏振片和第一圆偏振片；其中，所述激光器生成的光束依序经过所述空间滤波器、所述usaf分辨率板、所述线偏振片和所述圆偏振片后形成所述预设图像。
27.优选地，所述图像压缩装置包括沿着所述光束的光路依序设置的第一凸透镜和第二凸透镜，所述第一凸透镜的焦距大于所述第二凸透镜的焦距；其中，所述第一凸透镜的位于面向所述第二凸透镜侧的焦点与所述第二凸透镜的位于面向所述第一凸透镜侧的焦点相互重叠。
28.优选地，所述图像放大装置包括沿着所述光束的光路依序设置的物镜、套筒透镜、第二圆偏振片、第二线偏振片和ccd相机，所述ccd相机用于对压缩后的所述光束经过所述待测望远镜结构前后的成像对比。
29.与传统的望远镜结构相比，由于本发明的望远镜结构采用了超构透镜，因此可以大幅度缩小透镜的焦经比(透镜的焦距与直径比)，因此有利于形成薄型望远镜结构，进而可用于结构复杂的军用头盔的瞄准系统中。
附图说明
30.图1是根据本发明的实施例的望远镜结构的结构示意图；
31.图2a至图2h是根据本发明的实施例的望远镜结构的制程图；
32.图3是根据本发明的实施例的望远镜结构测试系统的结构示意图。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
34.此外，当诸如层、膜、区域或基底等的元件被称作“在”另一元件或者另一元件的表面“上”时，该元件可以直接在所述另一元件上或者所述另一元件的表面上，或者也可以存在中间元件。可选择地，当元件被称作“直接在”另一元件或者另一元件的表面“上”时，不存在中间元件。
35.如背景技术中所述，采用由光学玻璃或者光学树脂制成的透镜的传统望远镜结构，由于其自身的限制无法制作成薄型。
36.针对上述的现有技术问题，根据本发明的实施例提供了一种望远镜结构以及该望远镜结构的制作方法。该望远镜结构采用了超构透镜(metalens)来代替了传统的透镜。超构透镜的焦距决定于相位分布，通过改变其超表面单元的排列方式，可以体现不同的光学特性。例如：可以制作具有正屈光力的超构透镜。由于超构透镜的焦距不决定于传统透镜中的材料折射率和曲率半径，而是决定于相位分布，所以焦径比可大幅缩小，因此有利于形成薄型望远镜结构。
37.实施例1
38.本实施例提供了一种望远镜结构，如图1所示，该望远镜结构包括透明基底1。所述透明基底1包括彼此相对的第一表面1a和第二表面1b。所述第一表面1a上直接设置有具有正屈光力的物镜超构透镜2，所述第二表面1b上直接设置有具有正屈光力的目镜超构透镜3。所述物镜超构透镜2和所述目镜超构透镜3分别包括周期性排布的超构表面阵列。其中，所述物镜超构透镜2的位于面向所述目镜超构透镜3侧的焦点与所述目镜超构透镜3的位于面向所述物镜超构透镜2侧的焦点在所述透明基底1内部相互重叠，以形成望远镜结构(具体是开普勒型望远镜结构)。
39.优选地，本实施例的所述超构表面阵列包括多个微结构单元a，所述微结构单元a形状为长方体(200nm
×
100nm
×
80nm)，单元周期为250nm，设计工作波长为632.8nm。相位调控方式采用单元旋转法(即几何相位)，通过将所述微结构单元a旋转180
°
，可以获得360
°
的相位调控范围，从而实现对入射波前的完全调控。其中，具体形成所述物镜超构透镜2和所述目镜超构透镜3之前，利用comsol或cst电磁数值仿真软件对超构表面单元进行数值仿真，仿真时使用平面波激励，设置为周期性边界条件，以模拟由所述微结构单元a构成的所述超构表面阵列的光学特性，以实现物镜超构透镜2的焦点和目镜超构透镜3的焦点在所述透明基底1内部相互重叠的目的。
40.通过上述设计来形成的超构表面阵列具有正屈光力(即为聚光作用)，因此可以作为凸透镜来使用。
41.进一步地，本实施例的所述微结构单元a的相位延迟满足如下公式：
42.43.其中，f指所述超构透镜焦点到所述超构透镜中心点的焦距，φ(x，y)指长方体结构对应位置处的相位延迟；φ(0，0)指超构透镜几何中心位置处所对应的相位；x指长方体结构对应位置处的x轴坐标，y指长方体结构对应位置处的y轴坐标，λ为入射波长，n为任意正整数。
44.本实施例的所述微结构单元a的尺寸为亚波长，在可见光波段一般设置为200nm～400nm。其中，所述微结构单元a长度和宽度存在差异，可在长度方向和宽度方向产生180
°
的透射相位差，从而满足应用几何相位(pancharatnam-berry phase)的条件。所述长方体的中心旋转角度为0
°
～180
°
。
45.更进一步地，本实施例的所述微结构单元a由au、ag、al中的至少一种，或者tin和zrn中的至少一种，或者altin、alzrn、tizrn、timgn、tican中的至少一种，或者sio2、ta2o5、zro2、al2o3中的至少一种制成。所述所述透明基底1由光学玻璃或者光学树脂制成。
46.实施例2
47.本实施例公开了实施例1的望远镜结构的制作方法。所示制作方法包括：
48.步骤s1、在基底的第一表面1a上直接形成周期性排布的第一超构表面阵列2a，以形成具有正屈光力的物镜超构透镜2。
49.步骤s2、在所述基底的与所述第一表面1a彼此相对的第二表面1b上直接形成周期性排布的第二超构表面阵列3a，以形成具有正屈光力的目镜超构透镜3。
50.其中，形成之后的所述物镜超构透镜2的位于面向所述目镜超构透镜3侧的焦点与所述目镜超构透镜3的位于面向所述物镜超构透镜2侧的焦点在所述透明基底1内部相互重叠，以形成望远镜结构。
51.具体地，如图2a至图2h所示，形成所述第一超构表面阵列2a和所述第二超构表面阵列3a的方法包括：
52.通过双面曝光定位技术在所述第一表面1a和所述第二表面1b上分别设置彼此对应的定位标记(图中未示出)，以确定所述第一超构表面阵列2a和所述第二超构表面阵列3a在所述第一表面1a和所述第二表面1b上的位置，使后续形成的物镜超构透镜2和目镜超构透镜3之间精确对准。
53.所述定位标记设置之后，在所述第一表面1a上涂覆第一光刻胶层1a'，并根据所述定位标记对所述第一光刻胶层1a'进行曝光显影，以形成第一图案层1a”；之后在所述第一图案层1a”上沉积金属材料b后，剥离所述第一图案层1a”以及所述第一图案层1a”上沉积的金属材料b，以形成所述第一超构表面阵列2a。
54.同理，在所述第二表面1b上涂覆第二光刻胶层1b'，并根据所述定位标记对所述第二光刻胶层1b'进行曝光显影，以形成第二图案层1b”；之后在所述第二图案层1b”上沉积金属材料b后，剥离所述第二图案层1b”以及所述第二图案层1b”上沉积的金属材料b，以形成所述第二超构表面阵列3a。
55.其中，本实施例中对所述第一光刻胶层1a'或所述第二光刻胶层1b'进行曝光显影的方法包括：
56.通过数值模拟获得具有预设光学特性的所述第一超构表面阵列2a或所述第二超构表面阵列3a的图案信息。
57.根据所述第一超构表面阵列2a的图案信息对所述第一光刻胶层1a'进行曝光，或
者根据所述第二超构表面阵列3a的图案信息对所述第二光刻胶层1b'进行曝光。
58.对曝光后的所述第一光刻胶层1a'或所述第二光刻胶层1b'进行显影，以形成所述第一图案层1a”或所述第二图案层1b”。
59.作为曝光显影的一种示例，光刻胶选用为pmmaa4光刻胶，使用匀胶机进行旋涂，旋涂速率为4000r/min 30秒。较佳地，在光刻胶表面溅射一层10nm厚度的cr，以增加导电性。使用电子束曝光机进行曝光后，先使用cr腐蚀液去除cr层。然后进行显影，在显影液中浸泡100秒。最后定影，在异丙醇溶液中浸泡30秒。使用电子束蒸发设备，蒸镀80nm厚度的金。最后，将样片放入丙酮中，完成剥离，完成第一表面1a的超构表面阵列。接着，将样片翻转过来，反复上述过程，以完成第二表面1b的超构表面阵列，获得所述望远镜结构。
60.优选地，本实施例的所述物镜超构透镜2的直径为600um，所述目镜超构透镜3的直径为400um。
61.实施例3
62.本实施例提供了用于测试实施例1的望远镜结构的测试系统，所述测试系统包括：图像生成装置，用于生成能够形成预设图像的光束；图像压缩装置，用于缩小所述光束。此外，本实施例的所述望远镜结构测试系统还包括沿着缩小后的所述光束的光路依序设置的样品台和图像放大装置。
63.其中，所述样品台用于支撑待测望远镜结构，并使所述光束经过所述待测望远镜结构，所述图像放大装置用于放大经过所述待测望远镜结构的所述光束，并使所述光束成像后进行成像测量。所述样品台支撑的待测望远镜结构c为实施例1的望远镜结构。
64.具体地，如图3所示(图中未示出样品台)，所述图像生成装置包括：激光器41以及沿着所述激光器41所生成的光束的光路依序设置的空间滤波器42、usaf分辨率板43、第一线偏振片44和第一圆偏振片45；其中，所述激光器41优选为氦氖激光器41，所述激光器41生成的光束经过光束准直系统的处理之后，产生幅度相位均匀的平面波，该平面波照射所述usaf分辨率板43，产生预设图像，该预设图像经过所述第一线偏振片44和第一圆偏振片45后，能够产生圆极化的所述预设图像。
65.由于待测望远镜结构c的面积较小，因此所述光束需要进行压缩。所述图像压缩装置包括沿着所述光束的光路依序设置的第一凸透镜51和第二凸透镜52，所述第一凸透镜51的焦距大于所述第二凸透镜52的焦距。其中，所述第一凸透镜51的位于面向所述第二凸透镜52侧的焦点与所述第二凸透镜52的位于面向所述第一凸透镜51侧的焦点相互重叠。所述光束经压缩之后照射在所述待测望远镜结构c上。
66.所述图像放大装置包括沿着所述光束的光路依序设置的物镜71、套筒透镜72、第二圆偏振片73、第二线偏振片74和ccd相机75。经过所述待测望远镜结构c的所述光束将照射在所述物镜71上，所述光束经所述物镜71的放大之后依序经过所述套筒透镜72、所述第二圆偏振片73和所述第二线偏振片74之后在所述ccd相机75上实现成像。所述ccd相机75用于对压缩后的所述光束经过所述待测望远镜结构c前后的成像对比。
67.在上述的过程中，当在所述ccd相机75上成像的图像为倒置的所述预设图像，而且照射在所述待测望远镜结构c时的所述光束所形成的图像尺寸和经过所述待测望远镜结构c后的所述光束所形成的图像尺寸之间的比值等于所述待测望远镜结构c的预设视角放大倍率时，就可以验证所述待测望远镜结构c的功能。
68.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
69.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。