一种可见光波段宽带连续消色差微透镜及其制备方法

摘要

本发明公开一种可见光波段宽带连续消色差微透镜，包括自下而上布置的衬底层、导电层和微透镜层；所述衬底层为在可见光波段透明的材料，所述导电层为在可见光波段透明的导电薄膜，所述微透镜层为具有环形高度场分布的介质材料且关于微透镜层的中心轴线具有旋转对称性；所述介质材料环形高度场径向分布满足特定的公式。进一步，本发明还公开一种制备可见光波段宽带连续消色差微透镜的方法。本发明所公开的消色差微透镜结构简单、加工方便、效率较高、对入射光偏振态无依赖性且具有在可见光波段宽带连续消色差的性质，可以被广泛使用在高效光学成像、光学传感器件、光学探测器件等领域中。

权利要求

1.一种可见光波段宽带连续消色差微透镜，包括自下而上布置的衬底层、导电层和微透镜层；所述衬底层为在可见光波段透明的材料，所述导电层为在可见光波段透明的导电薄膜，所述微透镜层为具有环形高度场分布的介质材料且关于微透镜层的中心轴线具有旋转对称性；

所述介质材料环形高度场径向分布满足公式(1)：

式中，d(r)为介质材料在距离微透镜层中心轴线不同空间位置处的高度，d0为微透镜层中心轴线位置的介质材料高度，r为相对于微透镜层中心轴线的径向坐标，f为微透镜的焦距，n为介质材料的折射率。

2.如权利要求1所述的宽带连续消色差微透镜，其特征在于，所述介质材料为树脂材料、聚甲基丙烯酸甲酯材料或1,6‑己二醇二丙烯酸酯材料。

3.如权利要求2所述的宽带连续消色差微透镜，其特征在于，所述介质材料为树脂材料。

4.如权利要求1所述的宽带连续消色差微透镜，其特征在于，所述导电层的材料为氧化铟锡薄膜或铝掺杂氧化锌薄膜。

5.如权利要求1所述的宽带连续消色差微透镜，其特征在于，所述衬底层可以是玻璃衬底、石英衬底、蓝宝石衬底和云母衬底中的任意一种。

6.一种用于制备权利要求1至5任意一项所述的可见光波段宽带连续消色差微透镜的方法，包括：在覆盖有导电薄膜的衬底上旋涂具有感光性的介质材料，形成介质材料薄膜；利用电子束刻蚀技术对介质材料薄膜进行灰度曝光，曝光过程中精确控制电子束在不同空间位置处的曝光剂量；

将曝光后的介质材料薄膜放置于显影液中显影；

清洗显影后的介质材料薄膜后得到微透镜层；

至此，获得一种可见光波段宽带连续消色差微透镜。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，利用电子束刻蚀技术对具有感光性的介质材料薄膜进行灰度曝光的过程中，电子束的线曝光剂量范围为0～100μC/cm。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，将曝光后的介质材料薄膜放置于显影液中显影，显影液的型号为AR 300‑47，显影时间为90～180s。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，将显影后的介质材料薄膜浸泡于去离子水中进行清洗，浸泡时间为30～90s。

说明书

一种可见光波段宽带连续消色差微透镜及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于光学及光学透镜器件技术领域，尤其涉及一种宽带连续消色差微透镜器件及其制备方法。

背景技术

[0002] 在过去的几十年中，微透镜和微透镜阵列已被广泛应用于集成光学系统，例如电荷耦合器件(CCD)、照相机或传感器等。为了实现聚焦和成像等功能，微透镜通常利用球面来折射光。由于这样的球形微透镜表面光滑且连续，因此可以抑制散射损失，实现高的工作效率。但是球面也会给光学成像系统带来额外的球差。为了校准这些畸变，更复杂的设计例如非球面结构需要被考虑。但是，传统的自组装(self‑organized)加工工艺，例如真空熔融淬火和掩模辅助刻蚀，都不能精确控制微透镜的三维形态。因此，想要精确地实现特定的非球面结构是非常困难的。

[0003] 最近，作为超构表面(metasurface)的一项重要应用，超构透镜(metalens)已经被证实能够实现和传统微透镜相同尺度的透镜。通过选择合适的共振单元，超构透镜能够精准地控制波前的相位分布，因此能够在尺寸和重量大大减轻的同时，实现和传统微透镜相同甚至是更优异的性能。但是，由于相位调制通常依赖于亚波长微结构的共振效应，这样的共振会有一定的色散，所以会给聚焦和成像系统带来一定的色差。为了校准色差，人们提出可以将共振相位和Pancharatnam–Berry相位(以下简称PB相位)相结合的方式，这样的宽带消色差超构透镜在近红外和可见光波段都已经在实验上被证实。但是，由于引入的PB相位的限制，这样的器件仅仅能工作在圆偏振光入射的情况下，限制了其应用场景。最近，具有复杂几何截面的共振单元被报道能够在特定波段提供消色差透镜所需要的相位补偿，同时能够工作在任意偏振态下。但是，由于复杂的结构会引入额外的散射损耗，这样的器件工作效率还比较低。因此，想要实现宽带高效且能工作在任意入射光偏振态下的消色差透镜，目前仍存在着很大的困难。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是：如何得到一种结构简单、加工方便、效率较高、对入射光偏振态无依赖性且具有在可见光波段宽带连续消色差的微透镜光学器件，以及利用电子束刻蚀技术(Electron‑beam Lithographic System)制备该微透镜器件的方法。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供一种宽带连续消色差微透镜器件及其制备方法，具体技术方案包括：

[0006] 方案一：一种可见光波段宽带连续消色差微透镜，包括自下而上布置的衬底层、导电层和微透镜层；所述衬底层为在可见光波段透明的材料，所述导电层为在可见光波段透明的导电薄膜，所述微透镜层为具有环形高度场分布的介质材料且关于微透镜层的中心轴线具有旋转对称性；

[0007] 所述介质材料环形高度场径向分布满足公式(1)：

[0008]

[0009] 式中，d(r)为介质材料在距离微透镜层中心轴线不同空间位置处的高度，d0为微透镜层中心轴线位置的介质材料高度，r为相对于微透镜层中心轴线的径向坐标，f为微透镜的焦距，n为介质材料的折射率。

[0010] 作为一种优选方案，所述介质材料为树脂材料、聚甲基丙烯酸甲酯材料或1,6‑己二醇二丙烯酸酯材料。更优选的，所述介质材料为树脂材料。

[0011] 作为一种优选方案，所述导电层的材料为氧化铟锡薄膜或铝掺杂氧化锌薄膜。

[0012] 作为一种优选方案，所述衬底层可以是玻璃衬底、石英衬底、蓝宝石衬底和云母衬底中的任意一种。

[0013] 方案二：一种用于制备方案一及其优选方案中任意一种所述的可见光波段宽带连续消色差微透镜的方法，包括：

[0014] 在覆盖有导电薄膜的衬底上旋涂具有感光性的介质材料，形成介质材料薄膜；

[0015] 利用电子束刻蚀技术对介质材料薄膜进行灰度曝光，曝光过程中精确控制电子束在不同空间位置处的曝光剂量；

[0016] 将曝光后的介质材料薄膜放置于显影液中显影；

[0017] 清洗显影后的介质材料薄膜后得到微透镜层；

[0018] 至此，获得一种可见光波段宽带连续消色差微透镜。

[0019] 作为一种优选方案，利用电子束刻蚀技术对具有感光性的介质材料薄膜进行灰度曝光的过程中，电子束的线曝光剂量范围为0～100μC/cm。

[0020] 作为一种优选方案，将曝光后的介质材料薄膜放置于显影液中显影，显影液的型号为AR 300‑47，显影时间为90～180s。

[0021] 作为一种优选方案，将显影后的介质材料薄膜浸泡于去离子水中进行清洗，浸泡时间为30～90s。

[0022] 本发明具有以下有益效果：

[0023] (1)相较于超构透镜和传统微透镜，本发明创新性地利用精确控制的特殊高度场分布，同时满足透镜的聚焦条件以及透镜焦距与入射光波长无关的条件，实现了可见光波段内(425～700nm)的宽带连续消色差微透镜；同时，该设计思想是一个普适的理论，可用于各种宽带连续消色差微透镜的设计需求。

[0024] (2)本发明利用同心环结构作为实现高度场的基本组成单元，相对于微透镜层中心轴线具有旋转对称性，因此，其能够工作在任意偏振态的入射光下，具有广泛的应用场景和较高的应用价值。

[0025] (3)本发明所实现的宽带连续消色差微透镜的结构较为简单，表面较为光滑，因此能够避免复杂结构带来的额外散射损耗；同时，优选的树脂材料在可见光波段的折射率虚部很小，所带来的吸收损耗同样较小；因此，能够实现较高的聚焦效率(入射光波长为700nm时，聚焦效率接近80％)，具有很高的应用价值。

[0026] (4)本发明优选使用的介质材料为树脂材料，是一种有机高分子材料，不仅具有高折射率、高稳定性等特点，而且相较于超构表面中使用的贵金属(如金、银等)，价格较为低廉，有利于大规模生产。

[0027] (5)通过选用覆盖有导电薄膜的衬底，能有效减少电子束灰度刻蚀过程中的电荷积累效应，有利于提高微透镜的加工精度。

[0028] (6)相较于传统基于自组装加工工艺来制备微透镜，本发明创新性地引入了电子束灰度曝光技术，来实现对于三维非球面的精准加工，远高于采用传统的自组装工艺加工微透镜的加工精度，具有良好的表面光滑度。

[0029] (7)本发明使用的电子束灰度曝光技术，相较于传统的制备超构表面所使用的掩模曝光工艺，其流程较为简单；且不需要额外的剥离(lift‑off)工艺，显著减少了加工时间。

附图说明

[0030] 图1中：(a)为本发明实施例1提供的宽带连续消色差微透镜的结构示意图；(b)为本发明实施例1提供的直径为10μm的宽带连续消色差微透镜器件的扫描电子显微(SEM)图，图中标尺代表2μm；(c)为本发明实施例1提供的直径为10μm的宽带连续消色差微透镜器件的原子力显微(AFM)图；(d)为本发明实施例1提供的直径为10μm的宽带连续消色差微透镜沿其径向的高度分布曲线。

[0031] 附图标注：1‑衬底层，2‑导电层，3‑微透镜层。

[0032] 图2中：(a)为本发明实施例1提供的直径为10μm的宽带连续消色差微透镜器件在可见光波段不同波长入射光入射时的聚焦图(上图)和焦平面处的聚焦光斑(下图)，图中标尺代表2μm；(b)～(d)为本发明实施例1提供的直径为10μm的宽带连续消色差微透镜器件在可见光波段不同入射光波长下的焦距、聚焦光斑半峰全宽(FWHM)和聚焦效率实验测量结果。

[0033] 图3中：(a)为本发明实施例2提供的三种消色差微透镜在不同入射光波长下焦距的实验测量结果；(b)本发明实施例2提供的三种消色差微透镜在不同入射光波长下的聚焦光斑半峰全宽(FWHM)的实验测量结果；(c)本发明实施例2提供的三种消色差微透镜在不同入射光波长下的聚焦效率的实验测量结果。具体实施例

[0034] 本发明公开一种宽带连续消色差微透镜器件(简称微透镜)，包括自下而上布置的衬底层、导电层和微透镜层。衬底层为在可见光波段透明的材料，可以是玻璃衬底、石英衬底、蓝宝石衬底或云母衬底的其中一种。导电层为具有导电性且在可见光波段透明的光学薄膜，例如，氧化铟锡薄膜、铝掺杂氧化锌薄膜。微透镜层为具有精确环形高度场分布的介质材料，介质材料可以是树脂材料、聚甲基丙烯酸甲酯材料或者1,6‑己二醇二丙烯酸酯材料；整体结构近似一个半椭球形，其在可见光波段(425nm～700nm)具有透过率高、损耗低的特点。

[0035] 介质材料相对于微透镜层的中心轴线具有旋转对称性，其相对于中心轴线的径向高度分布满足以下公式：

[0036]

[0037] 其中，d(r)为微透镜层在距离透镜中心不同空间位置处的介质材料的高度，d0为透镜中心位置的介质材料高度，r为相对于微透镜层中心位置的径向坐标，f为透镜的焦距，n为介质材料的折射率。

[0038] 根据上述公式设计的介质材料环形高度场分布得到的微透镜层，可同时满足透镜的聚焦条件以及透镜焦距与入射光波长无关的条件，从而可实现宽带连续消色差的微透镜光学器件。

[0039] 本发明还公开一种上述消色差微透镜的制备方法，主要包括以下步骤：

[0040] 步骤一：在覆盖有导电薄膜的衬底上旋涂具有感光性的介质材料，形成介质材料薄膜；介质材料的化学成分可以是树脂材料；旋涂厚度大于等于公式(1)中的d0值。

[0041] 采用覆盖有导电薄膜的衬底，其目的在于减少电子束灰度刻蚀过程中的电荷积累效应，有利于提高微透镜的加工精度。在实际制备过程中，可以直接购买表面覆盖有导电薄膜的衬底，当然也可以通过电子束蒸发镀膜等技术在衬底上制备导电薄膜。导电薄膜的材料可以是氧化铟锡薄膜或铝掺杂氧化锌薄膜，但也不限于这两种材料，只要求具有导电性且在可见光波段透明的薄膜材料即可。

[0042] 步骤二：利用电子束刻蚀技术对介质材料薄膜进行灰度曝光，曝光过程中精确控制电子束在不同空间位置处的曝光剂量，电子束线曝光剂量的范围为0～100μC/cm。

[0043] 步骤三：将曝光后的样品放置于显影液中显影；显影时间约为90～180s。

[0044] 步骤四：将显影后的样品放置于去离子水中进行清洁，以去除多余的介质材料和残留的显影液；浸泡时间约为30～90s。

[0045] 下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0046] 如图1所示，实施例1公开一种宽带连续消色差微透镜，包括自下而上布置的衬底层1、导电层2和微透镜层3；衬底层1为玻璃片；导电层2为氧化铟锡薄膜；微透镜层3的材料为树脂材料。

[0047] 实施例1所述的微透镜的具体制备步骤如下：

[0048] 第一步：使用滴管在覆盖有氧化铟锡导电薄膜的玻璃衬底上滴上具有感光性的树脂材料，并放置于匀胶机中进行旋涂，旋涂后烘干即得到厚度均匀的树脂材料薄膜。

[0049] 第二步：利用电子束刻蚀技术对树脂材料薄膜进行灰度曝光，曝光过程中精确控制电子束在直径为10μm的圆形区域中移动，同时根据设计的微透镜层厚度值精确调整电子束在圆形区域中不同位置处的曝光剂量；在本实施例中，电子束线曝光剂量最小值为0μC/cm，最大值为63μC/cm。

[0050] 第三步：将曝光后的样品放置于型号为AR 300‑47的显影液中；浸泡时间约为120s，之后将样品取出。

[0051] 第四步：将从显影液中取出的样品迅速浸泡于去离子水中，去除多余的树脂材料和残留的显影液，浸泡时间约为40s；之后将样品取出并用洁净氮气吹干。

[0052] 图1(a)给出了按照上述方法制备的消色差微透镜的结构示意图。图1(b)和图1(c)分别给出了消色差微透镜的扫描电子显微(SEM)照片和原子力显微(AFM)照片。图1(d)给出了树脂材料沿微透镜径向的高度分布曲线；其在消色差微透镜中心位置处最厚；其在消色差微透镜边缘位置处最薄。如图1(d)所示，该微透镜层的树脂材料沿微透镜径向的高度场分布近似满足公式(1)，从而可同时满足透镜的聚焦条件以及透镜焦距与入射光波长无关的条件，即实现了宽带连续消色差的微透镜光学器件。

[0053] 如图2(a)上方所示为实验测量的该消色差微透镜在可见光波段不同波长入射光入射时的聚焦图，图2(a)下方所示为实验测量的该消色差微透镜在可见光波段不同波长入射光入射时的焦平面聚焦光斑。图2(a)中白色虚线为设定的焦点位置；可以看到，在不同波长的入射光入射时，消色差微透镜的聚焦位置几乎不发生改变。图2(b)、(c)、(d)分别给出了该消色差微透镜在不同入射光波长下的焦距、聚焦光斑半峰全宽(FWHM)和聚焦效率实验测量结果。

[0054] 实施例1中的实验结果说明了该消色差微透镜在不同入射光波长下的焦距值几乎为定值，说明了该消色差微透镜具有在可见光波段宽带连续消色差的能力；且该消色差微透镜在不同入射光波长下的聚焦光斑半峰全宽都接近于衍射极限；且该消色差微透镜的聚焦效率值最高可达到约80％(在波长为700nm的入射光入射时)，具有较高的效率。同时需要说明的是，由于该消色差微透镜相对于其中心轴线具有旋转对称性，其宽带连续消色差的聚焦功能对入射光的偏振态不具有依赖性，能够工作在任意偏振态的入射光下。

[0055] 实施例2中给出三个具有不同参数的消色差微透镜，其直径分别为10μm、30μm和50μm；其他的结构、参数及制备方法与实施例1中相同。

[0056] 基于实施例1的结果已经说明本发明中的消色差微透镜在可见光波段具有宽带连续消色差的功能，且具有较高的聚焦效率。本实施例表征了具有不同几何参数和光学参数的消色差微透镜的宽带消色差聚焦性能。

[0057] 图3(a)、(b)、(c)分别给出了三种消色差微透镜在不同入射光波长下的焦距、聚焦光斑半峰全宽(FWHM)和聚焦效率实验测量结果。通过图3(a)的实验结果可以看到，三个不同的消色差微透镜在不同入射光波长下的焦距几乎为定值，且与设计焦距值相符。通过图3(b)的实验结果可以看到，三个消色差微透镜在不同入射光波长下的聚焦光斑半峰全宽都接近于衍射极限。通过图3(c)的实验结果可以看到三个消色差微透镜在不同入射光波长下均具有较高的聚焦效率，且最高均可达到近80％(在波长为700nm的入射光入射时)。

[0058] 实施例2的结果说明了具有不同几何参数和光学参数的消色差微透镜均可实现在可见光波段宽带连续消色差的功能，且均具有较高的聚焦效率。同样地，由于这些消色差微透镜相对于其中轴线均具有旋转对称性，其宽带连续消色差的聚焦功能对入射光的偏振态均不具有依赖性，说明其均能够工作在任意偏振态的入射光下。

[0059] 综上，本发明公开了一种结构简单、加工方便、效率较高、对入射光偏振态无依赖性且具有在可见光波段宽带连续消色差性质的微透镜光学器件及其制备方法；并且，该微透镜光学器件可以被广泛使用在高效光学成像、光学传感器件、光学探测器件等领域中。

[0060] 最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。