[发明专利]一种大焦深消色差微透镜的设计与制备方法

说明书

本发明公开了一种大焦深消色差微透镜的设计与制备方法，所述微透镜设置在透明基底上，所述方法包括：确定所述微透镜的焦距及工作波段；确定所述透明基底选用的材料，使所述透明基底的色散低于预设值；设置所述微透镜表面面型轮廓的几何参数，所述微透镜表面面型轮廓包括中心部分的球面和外侧部分的切面，所述球面与所述切面构成平滑表面；根据所述几何参数，在所述透明基底表面上制作形成所述微透镜。本发明通过采用球面透镜和轴棱镜相结合的方式，克服了传统透镜和超构透镜的弊端，能够在可见光波段实现高效率、大焦深、消色差聚焦等功能，且具有设计原理简单、无需大量计算、加工成本低廉、制备效率高、周期短等显著优势。

技术领域

本发明涉及光学透镜技术领域，特别涉及一种大焦深消色差微透镜的设计与制备方法。

背景技术

光学透镜在现代人类生活中应用十分广泛，可用于手机、相机、显微镜、光刻机等。然而，传统光学球面透镜面临着球差、慧差、像散、色差等一系列问题。尤其，色差的存在会严重降低成像质量。为实现消色差聚焦，传统消色差透镜往往只针对几种固定波长，采用多片透镜方式来构建透镜组，不仅体积大、重量重、应用场景受限，且无法做到真正意义上地连续消色差。

近年来，消色差超构透镜的出现为实现宽频、消色差聚焦提供了一种有效途径。基于亚波长纳米结构单元的谐振效应，超构透镜可实现对不同波长入射光的消色差聚焦，具有体积小、质量轻、易集成等的优点；然而在设计过程中，需要对纳米结构阵列进行大量的构型和仿真模拟，设计复杂、计算量大、且制作效率低。另一方面，由于超构透镜采用等效连续原理，因此不可避免地存在散射效应，降低消色差聚焦效率；此外，大部分超构透镜都采用各项异性结构单元，对入射光的偏振敏感，进一步降低了其应用范围。不仅如此，在加工制备方面，消色差超构透镜的亚波长精细结构(大深宽比)需要采用电子束曝光、原子层沉积等高精度微纳制备工艺，加工周期长、工艺复杂、价格昂贵，无法大尺寸制备，截止目前无法适用于大规模生产。

发明内容

针对当前传统透镜和超构透镜存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种大焦深消色差微透镜的设计与制备方法，通过采用低色散透明光学材料，并基于球面透镜与轴棱镜相结合的方法，实现高透射、大焦深、宽频带、消色差聚焦功能；与现有技术相比，本发明设计原理简单、加工制备便捷、性能稳定、成本低廉；此外，可以通过简单的改变球面与切面的结构参数来实现焦距、焦深的变化。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

一种大焦深消色差微透镜的设计与制备方法，所述微透镜设置在透明基底上，所述方法包括以下步骤：

S1、确定所述微透镜的焦距及工作波段；

S2、确定所述透明基底选用的材料，使所述透明基底的色散低于预设值；

S3、设置所述微透镜表面面型轮廓的几何参数，所述微透镜表面面型轮廓包括中心部分的球面和外侧部分的切面，所述球面与所述切面构成平滑表面；

S4、根据所述几何参数，在所述透明基底表面上制作形成所述微透镜。

优选地，所述透明基底选用在可见光波段的低色散透明材料，折射率大于1.4，折射率虚部0.01，在工作波段内色散0.1，所述透明基底选用的材料包括二氧化硅、氟化钙、BK7玻璃。

优选地，所述微透镜的表面面型轮廓直接在所述透明基底上切割而成。

优选地，所述中心部分的球面面型由下述公式描述：

R₀＝f(n-1)

其中，R₀为球面曲率半径，f为透镜焦距，n为透明基底材料在工作波段中心波长的折射率实部。

优选地，所述微透镜底面直径与中心厚度的关系由下述公式描述: