一種大視場超分辨成像器件的制作方法

本發明涉及成像技術研究領域，尤其涉及一種大視場超分辨成像器件。

背景技術：

大自然是人類學習的源泉，人類創新的源泉，更是人類智慧的源泉。很多具有復眼的動物擁有很大的視角，可達360°。這一特征是這些動物視覺系統中最引人注目的光學特性之一，因此引起了學術界極大的興趣。由此啟發人們通過模仿動物眼睛制造出一些擁有大視場的透鏡，如：魚眼透鏡，人工復眼透鏡等。由于原理上的局限，導致這些透鏡在集成化系統中的制造和實施難度很大。

理論上，視場的概念可以通過對稱理論解釋，對于各種光學問題，如超對稱，各向異性，手性及布儒斯特效應等都很重要。眾所周知，傳統的龍伯透鏡(視角可達180°)和復眼透鏡(視角可達360°)有球形對稱的折射率分布，因此不同方位角的光線可以聚焦到預定的球形面上。但因受到球面對稱性的限制，其厚度與結構徑幾乎相等，導致透鏡體積大且笨重。此外，由于無法突破衍射極限，傳統透鏡的分辨率還有待提高。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在于，針對現有技術的不足，提出一種大視場超分辨成像器件，利用光與物質相互作用的對稱性，在平面透鏡中引入了光場的平移對稱，實現了從旋轉對稱到平移對稱的完美轉換，最終實現大視場超分辨成像。

本發明解決其技術問題采用的技術方案是：提供一種大視場超分辨成像器件，包括自下而上依次排布的基底，超表面，其中所述的超表面由連續排列的各向異性的納米結構陣列組成；所述各向異性納米結構是在超薄金屬或介質上刻蝕而成，所述各向異性納米結構長軸l和短軸w不相等且均小于波長；所述納米結構陣列的晶格常數p的取值范圍為：0<p<λ/4(λ為入射光波長)；所述的超薄金屬厚度Tg的取值范圍為：δ<Tg<λ/5(λ為入射光波長，δ為金屬的趨膚深度，真空磁導率μ₀＝4π×10^-7H/m，ω為圓頻率，σ為金屬的電導率)； 所述超薄介質厚度小于入射光波長。

其中，所述的各向異性納米結構包括孔或其互補結構。

其中，所述的各向異性納米結構幾何圖案包括：矩形、橢圓形、十字形、工字形、多邊形等。

其中，所述的納米結構的各個單元結構可相互連接,排列方式可以為正方晶格，六方晶格。

其中，所述的納米結構可以在平面或曲面目標上制作。

其中，若所述納米結構制作在金屬上，所述基底材料為在工作波段透明的材料，選為硅、二氧化硅等半導體以及氟化物；所述金屬包括：金、銀、銅、金合金、銀合金或銅合金。

其中，若所述納米結構制作在介質上，則基底選擇折射率小于1.7的低折射率材料，介質選擇折射率大于2.5的高折射率材料。

其中，所述的大視場超分辨成像器件可通過尺寸縮放，改變結構參數及選擇合適的材料用于可見光，紅外、太赫茲、微波等波段。

其中，所述的大視場超分辨成像器件中的平面透鏡的視場可達180°，若采用曲面或多平面組合，可實現360°大視場成像；所述的大視場超分辨成像器件也可設計為反射鏡。

與現有技術相比，本發明的有益效果在于：本發明便于制造和實施，擁有比普通平板透鏡更大的視角、更長的焦深，并且突破了衍射極限，具有高的分辨率。此外，由于本發明器件的厚度在深亞波長尺度下，相比于傳統大視場透鏡更輕薄。

附圖說明

圖1為本發明透鏡的聚焦示意圖；

圖2為本發明的樣品設計圖；

圖3為本發明一實施例的仿真結果圖；

圖4為本發明的結構示意圖；

圖5為本發明的樣品掃描電鏡圖；

圖6為本發明一實施例的實驗結果圖；

圖7為本發明與普通透鏡聚焦對比圖。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施方式對本發明進行詳細說明，但本發明的保護范圍并不僅限于下面實施例，應包括權利要求書中的全部內容。而且本領域技術人員從以下的一個實施例即可實現權利要求中的全部內容。

本發明一種大視場超分辨成像器件設計及制作的具體方法如下：

(一)設計。

首先在超表面上預定義相位如式(1)所示：

$\mathrm{\&Phi;}\left(r\right)=k_0\frac{r^2}{2f},---\left(1\right)$

其中，k₀為真空波數，f為焦距，r_∈[0,R]代表到中心的徑向距離。

基于上述公式，為了在深亞波長尺度更好地對相位進行調控以及提高能量效率，本實施例將超表面設計為形成六角點陣的連續橢圓納米結構陣列(如圖2所示，其中橢圓納米結構的長軸和短軸分別為l＝180nm和w＝60nm，陣列晶格常數p＝150nm)，利用納米結構的自旋-軌道相互作用來獲得空間變化的相位分布。

由于電磁場的干涉，在不同聚焦點焦斑不同，本發明通過超振蕩實現超衍射聚焦成像，衍射光斑小于傳統衍射極限。

(二)數值仿真。

利用矢量衍射理論對上述設計的樣品性能進行數值仿真。將4個不同方向(θ＝-80°，-32°，0°和45°)波長λ＝632nm平面波同時入射在樣品上，設定焦距為8.407μm。如圖3a所示的仿真結果顯示，對于不同平面波的光場都相應地平移了Δ＝fsinθ。θ＝-32°，45°和-80°對應的Δ值分別為4.4，5.9和8.3μm，與理論值相同。如圖3b所示，最大強度位置移動到z＝7.5μm處。

(三)實驗驗證。

為了進一步驗證上述理論和仿真結果，接下來進行實驗研究。如圖4所示，首先，利用磁控濺射法在1mm的石英基底1上鍍了一層100nm厚的金薄膜2，然后用聚焦離子束法在金薄膜上制備納米結構3，橢圓納米結構的長軸和短軸分別為180nm和60nm，六角點陣晶格常數p＝150nm(如圖2，圖4所示)。圖5為樣品的掃描電鏡圖。使用兩個氦氖激光(λ＝632nm)器和一個自制的顯微鏡，測量樣品的聚焦性能。將一束激光垂直入射在樣品上，另一束激光將入射角依次調節為-32°和-80°入射至樣品。實驗結果(圖6a,b)與仿真結果(圖3a,b)吻合良好。

如圖7所示本發明的透鏡與普通透鏡所形成的焦斑不同。普通透鏡的焦斑為一個點，而本發明的透鏡焦斑為一針尖，這說明本發明的透鏡還具有長焦深。

因此，上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式，上述的實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的。本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式， 這些均屬于本發明的保護之內。本發明未詳細闡述部分屬于本領域技術人員的公知技術。