本發(fā)明屬于光學(xué)元件領(lǐng)域，特別涉及一種勻光超透鏡及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、在安防照明、機(jī)器視覺、顯示器背光等領(lǐng)域，常常需要對光源發(fā)出的光線進(jìn)行勻化處理。通?；谠诨谖⑼哥R陣列的方案需要多片透鏡的透鏡組來實現(xiàn)勻光功能，整體系統(tǒng)體積和重量大；基于自由曲面的方法設(shè)計過程復(fù)雜，同時對加工條件有較高的要求。這些劣勢限制了基于折射鏡片的勻光系統(tǒng)的應(yīng)用場景。

2、超透鏡由于其靈活的光束調(diào)控能力，為集成化的勻光系統(tǒng)提供了可能。然而當(dāng)前基于超透鏡的勻光系統(tǒng)依舊存在問題，例如基于超透鏡陣列勻光的相位難以穩(wěn)定生成，基于相位恢復(fù)方法的勻光超透鏡由于相位奇點(diǎn)會產(chǎn)生散斑現(xiàn)象，影響均勻性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請?zhí)峁┝艘环N勻光超透鏡及其設(shè)計方法，以至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的以上技術(shù)問題。

2、本申請實施例一方面提供一種超透鏡勻光裝置，所述勻光超透鏡由不同的超原子以特定排布構(gòu)成，所述超原子由襯底和微結(jié)構(gòu)組成；所述設(shè)計方法如下：

3、s1、對整個超透鏡及目標(biāo)光場進(jìn)行區(qū)域劃分，將兩者劃分為相同數(shù)量不同大小的區(qū)域；

4、s2、根據(jù)邊緣光線原理及能量守恒原理建立超透鏡各區(qū)域與目標(biāo)光場的映射關(guān)系；

5、s3、針對光源位置計算得到超透鏡各入射角對應(yīng)的光線位置，并根據(jù)s2中的映射關(guān)系計算得到超透鏡各區(qū)域所需的光線出射角；

6、s4、根據(jù)廣義斯涅爾定律計算超透鏡各位置所需的相位梯度；

7、s5、根據(jù)相位梯度的分布情況，對其進(jìn)行分段積分，得到一個分區(qū)的超透鏡相位分布；

8、s6、根據(jù)相位分布情況選取適當(dāng)?shù)某哥R周期，建立超原子庫，即不同微結(jié)構(gòu)尺寸與相位延遲的關(guān)系；

9、s7、將s5中得到的相位分布與s6中的超原子庫進(jìn)行匹配，即得到了所需勻光超透鏡。

10、在一可實施方式中，劃分方法為等光通量劃分或者等面積劃分。

11、在一可實施方式中，s3中光線位置通過如下公式計算：

12、x0＝z·tanθin

13、x0為光源入射到超透鏡襯底的位置，z為光源到超透鏡的距離，θin為入射光線的角度。

14、在一可實施方式中，光線進(jìn)入超透鏡襯底后會發(fā)生折射，用如下折射定律描述該過程：

15、nmid?sin(θmid)-nin?sin(θin)＝0

16、其中，nmid與nin分別為超透鏡襯底折射率與物方折射率，θmid則為在超透鏡襯底中傳播的角度。

17、在一可實施方式中，根據(jù)已經(jīng)計算出的超表面上光線的入射角θmid及所需的出射角θout，利用廣義斯涅爾定律計算超透鏡各位置所需的相位梯度，計算公式為：

18、

19、其中nout為像空間折射率，k0為光線在真空中的波矢，則為x位置的相位梯度。

20、在一可實施方式中，s7中匹配關(guān)系用如下公式表示，將每個相位差值最小的點(diǎn)進(jìn)行拼接即可得到整個超透鏡結(jié)構(gòu)：

21、

22、為s5中積分得到的相位，為s6中原子庫可以提供的相位延遲。

23、本申請實施例另一方面提供了一種勻光超透鏡，所述勻光超透鏡由不同的超原子以特定排布構(gòu)成，所述超原子由襯底和微結(jié)構(gòu)組成；所述勻光超透鏡由上述任一種設(shè)計方法設(shè)計得到。

24、在一可實施方式中，所述襯底的材料為針對所設(shè)計波段透明的材料。

25、在一可實施方式中，所設(shè)計波段為可見光、近紅外或中紅外；在可見光或近紅外波段，襯底材料為pmma，二氧化硅或氮化硅；在中紅外波段，襯底材料為氟化物玻璃，硫系化合物玻璃，鍺硅玻璃。

26、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請具有如下優(yōu)點(diǎn)：

27、1、傳統(tǒng)基于折射透鏡的方法實現(xiàn)光束勻化效果所需體積大，同時設(shè)計和加工過程復(fù)雜；而本申請利用超透鏡實現(xiàn)光束勻化，大大降低了所需體積，且設(shè)計和加工過程簡單。

28、2、本申請利用能量守恒的光線映射方法建立了超透鏡各位置所需的相位梯度的關(guān)系。

29、3、當(dāng)前基于超透鏡陣列勻光的相位難以穩(wěn)定生成，且基于相位恢復(fù)方法的勻光超透鏡由于相位奇點(diǎn)會產(chǎn)生散斑現(xiàn)象，影響均勻性；本申請基于分區(qū)域設(shè)計的方法得到了整個超透鏡的相位分布，最終可實現(xiàn)對光源出射光的勻化功能。

技術(shù)特征：

1.一種勻光超透鏡的設(shè)計方法，其特征在于：所述勻光超透鏡由不同的超原子以特定排布構(gòu)成，所述超原子由襯底和微結(jié)構(gòu)組成；所述設(shè)計方法如下：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于：劃分方法為等光通量劃分或者等面積劃分。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于，s3中光線位置通過如下公式計算：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)計方法，其特征在于，光線進(jìn)入超透鏡襯底后會發(fā)生折射，用如下折射定律描述該過程：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)計方法，其特征在于，根據(jù)已經(jīng)計算出的超表面上光線的入射角θmid及所需的出射角θout，利用廣義斯涅爾定律計算超透鏡各位置所需的相位梯度，計算公式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于，s7中匹配關(guān)系用如下公式表示，將每個相位差值最小的點(diǎn)進(jìn)行拼接即可得到整個超透鏡結(jié)構(gòu)：

7.一種勻光超透鏡，其特征在于：所述勻光超透鏡由不同的超原子以特定排布構(gòu)成，所述超原子由襯底和微結(jié)構(gòu)組成；所述勻光超透鏡由權(quán)利要求1-6任一種設(shè)計方法設(shè)計得到。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的勻光超透鏡，其特征在于：所述襯底的材料為針對所設(shè)計波段透明的材料。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的勻光超透鏡，其特征在于：所設(shè)計波段為可見光、近紅外或中紅外；

技術(shù)總結(jié)
本申請涉及一種勻光超透鏡及其設(shè)計方法，屬于光學(xué)元件領(lǐng)域，其設(shè)計方法如下：對整個超透鏡及目標(biāo)光場進(jìn)行區(qū)域劃分，建立超透鏡各區(qū)域與目標(biāo)光場的映射關(guān)系；針對光源位置計算得到超透鏡各入射角對應(yīng)的光線位置，并根據(jù)映射關(guān)系計算得到超透鏡各區(qū)域所需的光線出射角；根據(jù)廣義斯涅爾定律計算超透鏡各位置所需的相位梯度；根據(jù)相位梯度的分布情況，對其進(jìn)行分段積分，得到一個分區(qū)的超透鏡相位分布；根據(jù)相位分布情況選取適當(dāng)?shù)某哥R周期，建立超原子庫，即不同微結(jié)構(gòu)尺寸與相位延遲的關(guān)系；相位分布與超原子庫進(jìn)行匹配，即得到了所需勻光超透鏡。本申請基于分區(qū)域設(shè)計的方法得到了整個超透鏡的相位分布，最終可實現(xiàn)對光源出射光的勻化功能。

技術(shù)研發(fā)人員：邢圓圓,李星儀,施興凱,龔永興
受保護(hù)的技術(shù)使用者：杭州納境科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2