[发明专利]一种超构透镜阵列器件

权利要求书

1.一种超构透镜阵列器件，其特征在于：CMOS图像处理器的电路板、感光元件、OCA光学胶、超构表面、氧化铟锡和氧化硅透明基底顺次连接，连接方式靠的是分子之间的附着力，除了OCA光学胶没有连接结构；所述的超构表面为电介质纳米结构阵列。

2.根据权利要求1所述的一种超构透镜阵列器件，其特征在于：OCA光学胶为电阻式，厚度50μm，透光率大于99％的双面胶。

3.根据权利要求1所述的一种超构透镜阵列器件，其特征在于：超构表面的幅面尺寸根据CMOS图像处理器制作以覆盖CMOS图像处理器的感光区域。

4.根据权利要求1所述的一种超构透镜阵列器件，其特征在于：氧化铟锡为透明电极材料。

5.根据权利要求1所述的一种超构透镜阵列器件，其特征在于：氧化硅透明基底制作成与CMOS封装玻璃相同外形尺寸，厚度300微米。

6.根据权利要求1所述的一种超构透镜阵列器件，其特征在于：超构表面的设计方法和制造并与CMOS图像处理器的集成方法，其具体流程如下：

超构表面设计以及偏振多通道的实现方法：为实现线偏振敏感选择长方形、椭圆或者其他各向异性的形状作为纳米柱的横截面；使用计算机FDTD软件仿真出高度一定，长轴与短轴尺寸在一定范围内的纳米柱在特定波长的入射光下产生的相位变化，从而组建出数据库；设计中需要的相位是入射光偏振方向的相位，而另一方向的相位则采用随机的相位，之后使纳米柱包含设计相位的轴的方向始终与偏振方向一致，从而使纳米柱实现单偏振敏感的功能；对于圆偏振光，采用几何相位即使用具有半波片功能的纳米结构，其角度的二倍即为设计的相位；

超构表面的设计，偏振与光场集成成像的实现方法：为了偏振成像并测得全stokes参量，选择了四种偏振通道：水平方向、竖直方向、45度方向线偏振光和左圆圆偏振光通道，将对应这四种偏振的四种纳米结构组合为一个像素单元，按照各个像素单元的位置计算并摆放所需的结构，组成四焦点超构透镜，再进行阵列N*N个最终得到超构表面；

选择表面沉积有氧化铟锡透明电极ITO的透明电介质基底，然后在基底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯，加热烘干，使用电子束曝光再经过显影定影，得到所设计的结构图案；然后使用原子层沉积技术沉淀电介质材料将所得图案填充满，用离子束刻蚀掉沉积高出的一层，再用化学方法去掉剩余的聚甲基丙烯酸甲酯得到最终的超构表面；将超构表面有结构的一侧面向CMOS感光芯片，利用光学胶将超构表面粘在CMOS感光芯片上即得到该器件。

7.根据权利要求1所述的一种超构透镜阵列器件，其特征在于：所述电介质纳米结构阵列的纳米柱结构的材料包括TiO₂、HfO₂、ZrO₂、GaN、Si₂N₃、Si、GaAs、ZnS或AlN。

8.根据权利要求1所述的一种超构透镜阵列器件，其特征在于：所述电介质纳米结构阵列的纳米柱结构的高度范围为200nm-1500nm，所述纳米柱结构在所述电介质衬底表面的尺寸为20nm-1000nm，所述纳米柱结构在所述电介质衬底表面任意设置。

9.根据权利要求1所述的一种超构透镜阵列器件，其特征在于：每个超构透镜都起着聚焦光束的作用，其中超构透镜的相位分布公式为：

其中，λ为光的波长，r为透镜上纳米柱位置与中心的距离，f为每个透镜的焦距，就是纳米柱所形成的相位延迟，产生的相位与波长有关，C是常数；

每个纳米柱结构看成一个线性双折射单元，入射光和出射光之间通过琼斯矩阵来变换，则面内角度为θ的纳米柱结构用琼斯矩阵进行表达：

其中，θ为纳米柱长轴方向与偏振光所在振动面方向的夹角，φ_x和φ_y分别是入射光沿纳米结构长轴和短轴的相位延迟即数据库中不同尺寸下两个方向的相位值，T₀为角度θ为零的琼斯矩阵，R(θ)为旋转矩阵；

对于线偏振光，只要将结构的方向角和线偏振光的方向角一致即没有旋转矩阵，即可通过结构的尺寸来获得所需要的相位延迟；

对于圆偏振光，会产生与纳米柱结构面内角度θ相关的附加相位，推导出出射场的表达式为：

其中E_i和E_o分别表示入射电场和出射电场，e为自然指数，i表示复数中的虚部，是物理光学中将光波的三角函数表达转变成复指数形式的常见表达方式；其中±分别对应于左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，式中右侧的第一项表示与入射光具有相同旋向的圆偏振光束，第二项表示具有相反旋向的圆偏振光束，附加的几何相位为2θ，解释了前述中结构角二倍就是产生的相位；所以保持纳米柱结构的尺寸不变，面内角度从0°旋转到180°，出射光相位即可覆盖0-2π的范围。