基于超透镜阵列的平面人工复眼研究（英文）

为了实现轻量化、集成化与大视场的光学成像系统,提出了一种基于超透镜阵列的平面化人工复眼结构。该结构使用基于几何相位原理的不同取向二氧化钛纳米柱结构来实现电磁波调控,使得超透镜阵列面与复眼的像面均为平面,不需要传统曲面复眼所需要的非球面加工。在传统超透镜聚焦相位的基础上叠加倾斜相位,能够较好地抵消光学系统非近轴区域光线离轴照明对成像质量的影响,实现大视场复眼的效果。所设计的复眼主要由一个11×11的超透镜阵列组成,总体尺寸仅为165μm×165μm,总体高度为18.6μm,视场角可达140°×140°。仿真结果表明:光线以较大离轴角(50°)照明的情况下,所提出的复眼结构仍能实现较好的成像效果。     

介质超透镜自动设计技术及软件研究

由于超透镜在光场相位调控、多功能复合、微纳集成等方面具备传统透镜无法比拟的优势,故其在许多领域具备极大的应用潜力。但是,超透镜的设计需要专业人员具备专业知识及丰富的经验,这使得非专业人员无法快速掌握,为此阻碍了超透镜的规模化制备。通过MATLAB和时域有限差分法(FDTD)的混合编程,研究了不依赖于预设物理模型的超透镜的设计过程,实现了介质超透镜的自动化设计。通过在MATLAB编写的软件界面上输入所需的超透镜参数,后台调用FDTD设计仿真程序来构建纳米结构,可以计算出结构的尺寸与相位和透过率的关系。根据所需的相位分布来构建超透镜,最后对超透镜进行数值模拟仿真及性能评估。所述的设计流程及软件能极大地方便非专业人员进行超透镜的设计。     

基于电磁超表面的透镜成像技术研究进展

电磁超表面属于超材料的一种,是由许多亚波长纳米结构单元组成的二维功能性平面结构.根据惠更斯原理,超表面阵列可以任意调控光波的相位、振幅和偏振.与传统器件相比,基于这种超材料设计的光学功能器件最大的优势是其具有极薄的厚度.本文首先介绍了广义斯涅耳定律以及纳米单元结构调控相位的基本原理,重点归纳了电磁超表面在透镜成像技术方面的研究进展,包括等离子体超表面、全介质超表面以及金属/介质混合式超表面在成像方面的应用,最后指出了超表面在成像方面尚未解决的前沿问题以及与实际应用接轨的重要问题,希望能为以后的深入研究提供一定的参考和借鉴.     

大视场曲面复眼光学系统设计

本文通过结构性设计解决了曲面复眼光学系统边缘视场像质难以提高的问题.该光学系统由7个相互独立的子复眼光学系统组成,各子复眼光学系统相互独立,其光线相互交叉.在系统中引入自由曲面透镜,自由曲面透镜相当于棱镜将微透镜阵列光线偏折,使同一子系统的微透镜成像于平的像面上.每个子系统包括一层微透镜阵列,一个自由曲面透镜,一光阑阵列和后续像差校正镜.相比较于传统的复眼系统,该结构对复眼边缘视场的像差校正能力更强,能很大程度地提高边缘视场的像质.该系统的理论视场可达180°,制造精密要求不高且适用性强.本文最后通过光学软件zemax对光学系统进行了模拟验证,证明其可实现性.     

高性能近红外聚合物超透镜的逆向设计

传统的光学透镜存在体积较大、聚焦效率低、焦点半峰全宽较大以及在高数值孔径的透镜中性能表现不佳等问题。而光学超表面凭借其自身的亚波长结构,具有强大的操控光相位的能力。相比于传统透镜,超透镜具有尺寸小、厚度薄以及聚焦性能好等优点。本文提出一种基于目标优先算法的逆向设计方法,设计了一种基于低折射率聚合物材料的超透镜结构。其在传播方向上的厚度仅为3.2μm,在1550 nm的工作波长下,数值孔径为0.82,聚焦效率为72%。较传统设计方法而言,该方法具有计算复杂度低和设计效率高等优点。设计的器件可采用高精度微纳打印技术实现批量化的快速制造。考虑到超透镜在制备过程中存在制造容差,进一步讨论了超透镜轮廓偏移以及三维旋转操作对所设计的二维超透镜的影响。     

近红外偏振无关超透镜研究

基于微纳结构对光波调控实现聚焦与成像的超透镜是目前国际上竞相发展的前沿技术。本文针对目前已报道的近红外超透镜偏振相关、系统复杂以及透过率低等难题,提出了一种偏振无关的近红外超透镜。以低折射率材料SiO₂为基底,高折射率材料Si圆形柱为相位调控单元,设计波长为1.31 μm。利用时域有限差分方法分析了近红外超透镜构建单元的光波调控特性,构建了构建单元的相位延迟特性曲线,探究了构建单元周期对光波透过率的影响规律,实现了构建单元的优化设计,并基于波前重构方程,设计出偏振无关的近红外超透镜。数值仿真结果表明:相位调控单元的相位延迟与透过率不仅取决于Si圆形柱半径、高度,而且与单元周期密切相关;基于分析的构建单元光波调控特性,设计的近红外偏振无关超透镜焦距仿真值为19 μm,与设计值较好吻合,透镜透过率达到65%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻,而且为平面透镜,因此易于光学系统集成,在激光雷达、激光夜视等技术中展现出广阔的应用前景。     

长红外双波长共聚焦超透镜设计研究

本文提出并设计了一种由简单微元结构组成的超透镜,可同时实现长红外双波长共聚焦功能.基于广义斯涅耳定律和传输相位调制机理,通过建立科学评价函数选取最优的微元结构排列组成超透镜.设计结果表明,该超透镜实现了波长为10.6和9.3μm的双波长共聚焦,且具有较高聚焦效率、聚焦光斑接近于衍射极限,并定量分析了超透镜微元结构参数冗余度,得到其对聚焦效率的影响趋势.本文设计的超透镜有望满足长红外光学共聚焦系统集成化、微型化的需求,在激光外科手术、工业切割焊接等领域有着重要的应用价值.     

基于液晶的U波段电控移相超材料

基于液晶材料(LC)的双折射特性提出了一种基于液晶材料的短十字型阵列电控超材料,超材料包括了上层石英板,金属结构阵,中间液晶介质层,金属地板以及下层石英板。相比于传统的阵列天线设计,运用了新的相位补偿方法,即通过加电改变反射阵列单元的介质基板液晶的介电常数得到的相位曲线实现0~250°的相位补偿,使得超材料实现在U波段的相位变化。仿真结果表明,通过将偏压从0增加到14 V,超材料在52 GHz时呈现250°的相移。此外,此超材料的谐振频率可从53.6 GHz连续可逆地转移到49.9 GHz。通过调节超材料液晶激励区域的介电常数即改变阵列单元的谐振特性,实现了相位补偿,为平面反射阵列天线的设计提供了一种新思路。     

光盘上集成的液体微透镜阵列与可重构超分辨成像

微透镜辅助显微镜实现超分辨成像观测,具有免标记、无损伤、实时、定域和环境兼容性好等优势.液体微透镜阵列具有均一、易操控的特性,可实现无复杂机械扫描与驱动的超分辨成像.然而,简单高效地精确控制成像距离是微透镜实现超分辨成像的关键技术挑战.本文利用紫外曝光技术,实现了光盘上光刻胶微孔深度的均一性.结合液体自组装技术,在微孔中填充甘油液滴,保证微透镜辅助超分辨的成像距离.在光学显微镜下实现了对226 nm光栅栅线的可重构超分辨观测与1.59倍成像放大.本文从液体微透镜的阿贝显微成像原理出发,通过理论与模拟解释了液体微透镜的成像放大与超分辨特性.由此可见,光盘上集成的液体微透镜阵列在光学纳米测量与传感等器件中展现了巨大的应用潜力.     

微小型静态傅里叶变换红外光谱仪中复眼缩束系统的光学设计及仿真研究

在以多级微反射镜为核心器件的静态傅里叶变换红外光谱仪中,基于传统单孔径透镜组结构的缩束系统由于口径较大、透镜数量较多和整体尺寸较长等原因,其体积和重量在整个光谱仪中占有很大的比重,严重制约了光谱仪的微小型化和轻量化进程。而复眼系统以其结构紧凑、体积小、重量轻等优点有助于解决这一问题。根据三维矩阵光学理论计算了由3个微透镜阵列组成的复眼缩束系统的初始结构参数,设计了消杂光光阑阵列,并使用光学设计软件对初始结构进行了优化。最后,借助光学分析软件,对光谱仪系统进行了干涉图和光谱复原理论分析,结果显示所设计的复眼缩束系统能满足光谱仪系统的应用要求。     

仿生复眼成像系统设计与制作的研究进展

基于仿生复眼光学成像系统体积小、重量轻、视场大、灵敏度高等优点,对其研究现状和发展前景进行了综述。简要介绍了生物复眼的结构与分类;分别从平面型和曲面型仿生复眼成像系统的设计概述了仿生复眼的研究进展,给出了国内外典型复眼成像系统的结构、模型和成像功能;总结了仿生复眼成像系统应用于不同领域的特点和优势。最后,分析了目前仿生复眼的工艺现状,指出仿生复眼的功能主要受微器件制作工艺的限制,而超精密加工技术是一种革新的、综合的微细加工方法,具有制作更高精度透镜阵列,提高人工仿生复眼应用能力的潜力。     

飞秒激光和酸刻蚀方法制作凹面微透镜阵列

基于飞秒激光光刻技术和氢氟酸对光学玻璃的刻蚀,在K9光学玻璃表面制作了凹面微透镜阵列,并且可以以此为模板实现凸微透镜阵列的大量复制.用相位对比显微镜和扫描电子显微镜分析了微透镜阵列的表面轮廓,测试了微透镜阵列的光学衍射特征.该方法简单、透镜参量可控,制作的微透镜阵列能够用于分光、光束匀化、并行光刻等强激光领域.     

飞秒激光和酸刻蚀方法制作凹面微透镜阵列

基于飞秒激光光刻技术和氢氟酸对光学玻璃的刻蚀,在K9光学玻璃表面制作了凹面微透镜阵列,并且可以以此为模板实现凸微透镜阵列的大量复制.用相位对比显微镜和扫描电子显微镜分析了微透镜阵列的表面轮廓,测试了微透镜阵列的光学衍射特征.该方法简单、透镜参量可控,制作的微透镜阵列能够用于分光、光束匀化、并行光刻等强激光领域.     

超表面透镜的像差分析和成像技术研究

传统光学透镜及光学系统基于光传播效应实现电磁波调控功能,其体积较大、不易集成.而超表面是由人工亚波长尺度单元构成的二维平面结构,由于其相对于传统透镜具有超薄的优势,并且可以实现对光场的任意调控,近年来在光学成像领域得到广泛研究和应用.本文阐述了超表面透镜的工作原理,分析了超表面成像透镜的单色像差和色像差成因以及对应的像...     

复眼透镜阵列应用于均匀照明系统的特性研究

研究了复眼透镜阵列实现均匀照明的原理,模拟分析了复眼透镜的列数、入射光发散角、光源尺寸对照明效果的影响。仿真表明,入射光的发散角越小,光源尺寸越小,照明效果越好,而且适当地选取复眼透镜的列数能提高照明效果。     

基于表面等离子体激元耦合相位板超聚焦透镜结构的优化设计

基于银板超透镜和多带相位二元光学衍射理论,提出一种超聚焦透镜结构.利用时域有限差分和标量衍射理论数值分析显示,这种超透镜在可见光范围,具有单一焦点,焦斑尺寸约0.36 λ,聚焦位置和焦深可达10 λ以上,在近场光学扫描显微镜和超分辨成像及光刻等系统中有潜在应用前景.     

近红外超透镜的设计与制备

超透镜是基于超表面的成像器件，能够精确调控光的相位、偏振、振幅，具有轻薄、易集成、平面化的优点。针对近红外成像器件的小型化、集成化发展趋势，基于非晶硅材料设计制备了近红外偏振不敏感超透镜。针对超透镜的基元结构选择问题，对比了采用8阶、6阶基元设计的超透镜聚焦效率；为提高加工容差和降低加工难度，采用了最大深宽比为6的8阶基元设计超透镜；针对超透镜仿真与加工之间跨度大的问题，利用化学气相沉积的方法生长了600 nm厚度的多晶硅，利用电子束刻蚀等工艺制备了超透镜样品。测试结果表明:超透镜形貌结构良好，聚集效率为65%。     

激光显示照明光路中复眼透镜的设计

设计激光投影机光学系统需要从如何减小光学系统的体积和提高激光光源的光效两个方面考虑。研究了激光显示照明系统中的复眼透镜,并对设计的复眼小透镜矩形单元进行了优化,发现在复眼透镜整体尺寸和单颗复眼小透镜焦距一定的情况下,整个复眼透镜上的阵列越多,即复眼透镜上蜂窝的数量越多,其匀光效果就越好,且此时投影机系统的体积也较小。为了提高激光光源的光效,设计中对复眼透镜在不同数值孔径照明光束下的匀光效果进行了讨论。并对优化设计后的复眼透镜进行40 000条光线追迹,实验显示其光线透过率可以达到92.5%,且几乎无杂散光。     

单层超薄高效圆极化超表面透镜

针对超表面在透镜方面的应用, 本文设计了一种交叉极化透射聚焦超表面, 实现了将圆极化波转化为交叉极化波的同时聚焦电磁波的功能. 设计了一款旋转型单元, 单元为一层且厚度仅为1.5 mm, 分析了旋转型单元提供不同相移的原理并设计了相邻单元相移差为60°的相位梯度超表面, 在中心频率f=15 GHz附近发生奇异折射, 折射角与理论计算结果一致, 验证了设计单元的有效性, 基于该单元设计了尺寸为90 m mm×90 mm、单元数为15×15 的透射型聚焦超表面, 在中心频率f=15 GHz附近, 左旋圆极化平面波照射时, 透射波聚焦于L=40 mm 的实焦点且透射波为照射波的交叉极化波. 该超表面透镜效率高、厚度薄且为单层, 易于加工, 相对于传统透镜, 优势明显, 在操控电磁波、改善透镜性能方面有潜在应用价值.     

基于波面分割及多平面相位恢复的定量相位成像技术

提出了一种基于微透镜阵列分割波前及多平面相位恢复的定量相位成像技术。针对大动态范围的相位物体实现定量相位成像,该技术同时施加了横向波面分割、轴向多衍射平面和多波长照明三种约束。该技术记录了两种不同波长照明下,微透镜阵列焦面附近不同衍射距离的强度分布图,采用多平面相位恢复算法提取透过相位物体的数字复振幅光场,通过双波长数字复振幅光场相位提取算法,实现了大动态范围下的相位物体成像。数字仿真实验中,在640 nm和685 nm的照明下,对相位变化范围大、结构复杂的相位物体进行了模拟仿真,结果表明,该技术可以高效、便捷地实现高精度相位成像。