一种基于微纳结构的平面光学元件阵列及其高效制备方法

本发明涉及平面光学元件，具体涉及一种基于微纳结构的平面光学元件阵列及其高效制备方法。

背景技术：

1、目前大多数成像系统还是采用传统的折射型透镜，通过光程积累来实现对光的相位调控，从而达到聚焦、成像等光学功能。但由于成像原理的限制、介质色散、光波长范围等因素，折射型透镜存在较为严重的色差问题，通过透镜胶合、折衍混合等技术实现的消色差透镜组会不可避免地导致成像系统体积庞大、重量沉重，与现代光学元件轻量化、小型化的发展理念背道而驰。

2、随二元光学的发展，基于微纳结构的平面光学元件为突破上述瓶颈带来了新的曙光。早期的菲涅尔透镜通过压缩折射透镜冗余的2π相位实现了平面化、质量轻、制造成本低的优势，但其缺点也较为明显，其特殊的结构导致了较为严重的色散，难以做到真正意义上的平面成像。近年来，依托光学与微电子加工技术的相互交融，犹他大学的wang peng等人通过标量衍射理论与优化算法结合设计出一种由若干个同心圆环(每个圆环宽度相等但高度不同)组成的平面光学元件，在实现平面轻量化特性的同时兼顾宽波段消色差能力，与此同时，该文章中采用灰度光刻技术对同心圆环透镜进行有效的制备。同心圆环透镜相比于传统折射透镜优势明显(轻薄化、一体化、宽波段消色差等)，但其也有明显的缺点，1、就透镜本身而言，同心圆环透镜的尺寸(透镜厚度、透镜口径)与透镜效率存在一定的制约关系(肖行健,祝世宁,李涛.宽带消色差平面透镜的设计与参量分析[j].红外与激光工程,2020,49(9):53-60)，在大透镜口径前提下透镜的厚度会大幅度增加，且效率会大幅度损失；2、同心圆环透镜由微纳结构组成，由于加工技术的限制，大深宽比、大口径的同心圆环透镜会存在较为明显的制备误差，导致透镜效率再次受损，同心圆环透镜的效率低于理论设计值。

3、综上所述，不断优化微纳结构的平面光学元件阵列的制备方法，成为本领域科研人员的重点研究方向。

技术实现思路

1、本发明要提出一种基于微纳结构平面光学元件阵列及其高效制备及其高效制备方法，以克服现有技术存在的制备过程中由于透镜尺寸与透镜效率之间制约关系导致透镜效率较低、加工技术受限导致同心圆环透镜的效率低于理论设计值的问题。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种基于微纳结构的平面光学元件阵列，包括基底，在基底上设置有微纳结构平面光学元件构成的阵列结构2，所述阵列结构由若干个相同的第一微纳结构平面光学元件单体组成的，所述第一微纳结构平面光学元件单体由多组环宽相等但高度不同的第一同心圆环组成，其特征在于：所述阵列结构为六边形蜂窝状阵列结构，多个第一微纳结构平面光学元件单体相切空缺处分别设置有焦距相等但口径不同的第二微纳结构平面光学元件单体，所述第二微纳结构平面光学元件单体由多组环宽相等但高度不同的第二同心圆环组成。

3、一种基于微纳结构的平面光学元件阵列的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤一、对设计的第一微纳结构平面光学元件单体及第二微纳结构平面光学元件单体进行高精度灰度光刻制造，分别制造出母版件；

5、步骤二、对第一微纳结构平面光学元件单体及第二微纳结构平面光学元件单体的母版件进行pdms翻模，分别获取模具；

6、步骤三、根据灰度光刻制造技术制备出的第一微纳结构平面光学元件单体及第二微纳结构平面光学元件单体的母版模具在基底上进行纳米压印技术复制制造，按照顺序依次压印第一微纳结构平面光学元件单体及第二微纳结构平面光学元件单体；

7、步骤四、对于压印完毕的图案进行转移步骤，即采用c4f8、sf6、o2混合气体的电感耦合等离子体刻蚀技术实现光刻胶与氧化硅(同心圆环透镜材料)的等速刻蚀，实现图案的转移，即微纳结构平面光学元件阵列的制备。

8、与现有技术相比，本发明的优点是：

9、1.本发明中微纳结构平面光学元件阵列结构由第一微纳结构平面光学元件单体与第二微纳结构平面光学元件单体组成，圆环微纳结构平面光学元件的常规设计思路采用直接二进制搜索法(dbs)进行环高的优化设计，相对于大口径微纳结构平面光学元件的设计，dbs等其他优化算法易陷入环高分布与透镜效率之间的局部最优解，其优化设计难度高于小口径微纳结构平面光学元件的设计，本发明通过多个小口径微纳结构平面光学元件组成阵列替代大口径微纳结构平面光学元件，大幅度降低设计难度。

10、2.本发明制备方法简单，用高精度灰度光刻技术制备两种单体的母版，经pdms翻模获取模具，再采用纳米压印技术按阵列顺序依次压印两种单体，其复制过程便捷，成功率极高，极大程度上缩减了微纳结构平面光学元件的制造成本，同时小口径透镜的复制制造有着高的容差特性。

11、3.本发明采用六边形蜂窝状排列的阵列结构，使得第一微纳结构平面光学元件单体在基底上有较大的填充系数(k＝0.670)，而在第一微纳结构平面光学元件单体之间的空缺处外切放置的第二微纳结构平面光学元件单体，可以进一步提升阵列结构的空间利用率(k＝0.684)。

12、4.采用本发明所设计的微纳结构平面光学元件阵列所拍摄的图像，经图像分割、合并重组等流程后，能够有效提升原始图像的分辨率。

技术特征：

1.一种基于微纳结构的平面光学元件阵列，包括基底（1），在基底（1）上设置有微纳结构平面光学元件构成的阵列结构（2），所述阵列结构（2）由若干个相同的第一微纳结构平面光学元件单体（3）组成的，所述第一微纳结构平面光学元件单体（3）由多组环宽相等但高度不同的第一同心圆环（5）组成，其特征在于：所述阵列结构（2）为六边形蜂窝状阵列结构，多个第一微纳结构平面光学元件单体（3）相切空缺处分别设置有焦距相等但口径不同的第二微纳结构平面光学元件单体（4），所述第二微纳结构平面光学元件单体（4）由多组环宽相等但高度不同的第二同心圆环（6）组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于微纳结构的平面光学元件阵列的高效制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及平面光学元件技术领域，具体涉及一种基于微纳结构的平面光学元件阵列及其高效制备方法。一种基于微纳结构的平面光学元件阵列，包括基底，在基底上设置有阵列结构，所述阵列结构通过多个小口径微纳结构平面光学元件单体组成，所述阵列结构为六边形蜂窝状阵列结构，微纳结构平面光学元件单体由多组环宽相等但高度不同的同心圆环组成。本发明用高精度灰度光刻技术制备两种单体的母版，经PDMS翻模获取模具，再采用纳米压印技术按阵列顺序依次压印两种单体。本发明制备方法简单，制造成本低，小口径透镜的复制制造有着高的容差特性；本发明进一步提升阵列结构的空间利用率（K=0.684）；能够有效提升原始图像的分辨率。

技术研发人员：孙泽华,沈陆俊,刘卫国,葛少博,罗吉英,李昊宇,王书怡,赵鑫宇,李俊彦
受保护的技术使用者：西安工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15