CN113867070B - 电致变焦超透镜及其制备方法和调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电致变焦超透镜及其制备方法和调制方法，电致变焦超透镜包括衬底及设置于所述衬底上的若干个同心环，每个所述同心环包括相变材料层及分别设置于所述相变材料层的两面的第一电极层和第二电极层，通过调节所述第一电极层和所述第二电极层的电压调节所述同心环的相移以调节所述电致变焦超透镜的焦距。本发明实施例结构简单、易于调节且便于集成化应用，可广泛应用于透镜技术领域。

Description

电致变焦超透镜及其制备方法和调制方法

技术领域

本发明涉及透镜技术领域，尤其涉及一种电致变焦超透镜及其制备方法和调制方法。

背景技术

可变焦距在光学成像系统中非常重要，而常规的变焦方案通常是采用多片传统透镜联级，通过调整传统透镜间的距离来实现变焦。传统透镜通过改变光的相位和偏振实现聚焦，由于天然材料的折射率有限，一旦器件尺寸进一步缩小到亚波长尺度，就很难积累足够的相位变化，这使得变焦系统庞大且复杂，大大降低了其集成度，限制了其在便携式和可穿戴设备等中的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种电致变焦超透镜及其制备方法和调制方法，该电致变焦超透镜结构简单、易于调节且便于集成化应用。

第一方面，本发明实施例提供了一种电致变焦超透镜，包括衬底及设置于所述衬底上的若干个同心环，每个所述同心环包括相变材料层及分别设置于所述相变材料层的两面的第一电极层和第二电极层，通过调节所述第一电极层和所述第二电极层的电压调节所述同心环的相移以调节所述电致变焦超透镜的焦距。

可选地，所述同心环之间的间距相等。

可选地，所述衬底的材料包括二氧化硅。

可选地，所述第一电极层和所述第二电极层的材料相同。

可选地，所述第一电极层和所述第二电极层的材料包括氧化铟锡。

第二方面，本发明实施例提供了一种电致变焦超透镜的制备方法，所述电致变焦超透镜包括衬底及设置于所述衬底上的若干个同心环，所述制备方法包括：

提供衬底；

在所述衬底上依次制备第一电极层、相变材料层及第二电极层；

在所述第二电极层的表面通过光刻和刻蚀制备若干个同心环；每个所述同心环包括相变材料层及分别设置于所述相变材料层的两面的第一电极层和第二电极层。

可选地，所述通过化学气相沉积在所述衬底上依次制备第一电极层、相变材料层及第二电极层。

第三方面，本发明实施例提供了一种电致变焦超透镜的调制方法，所述电致变焦超透镜包括衬底及设置于所述衬底上的若干个同心环，每个所述同心环包括相变材料层及分别设置于所述相变材料层的两面的第一电极层和第二电极层，所述调制方法包括：

获取电致变焦超透镜待调节的焦距；

根据所述待调节的焦距及预设的第一对应关系确定所述同心环的相移；所述第一对应关系包括同心环的相移与焦距之间的计算公式；

根据所述相移及预设的第二对应关系确定所述第一电极层和所述第二电极层的电压。

可选地，所述计算公式包括：

其中，表示坐标为(x,y)的同心环的相移，λ表示入射光的波长，f表示焦距。

实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中的电致变焦超透镜包括衬底及设置于所述衬底上的若干个同心环，每个所述同心环包括相变材料层及分别设置于所述相变材料层的两面的第一电极层和第二电极层，通过调节所述第一电极层和所述第二电极层的电压调节所述同心环的相移以调节所述电致变焦超透镜的焦距；只需一个超透镜即可实现精确变焦，超透镜体积小、结构简单，便于制作和集成化应用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种电致变焦超透镜的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种电致变焦超透镜中同心环的相移和透射率与折射率的仿真图；

图3是本发明实施例提供的一种焦距为50um、60um及70um的电致变焦超透镜在不同半径处的相位需求以及该相位所对应的折射率的仿真图；

图4是本发明实施例提供的一种焦距为50um、60um及70um的电致变焦超透镜沿z轴方向的光强的仿真图；

图5是本发明实施例提供的一种电致变焦超透镜的制备方法的步骤流程示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种电致变焦超透镜的制备方法的步骤流程示意图；

图7是本发明实施例提供的一种电致变焦超透镜的调制方法的步骤流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

为了满足器件小型化和系统集成的日益增长的需求，超表面成为波前整形的通用平台。超表面是一种由二维周期性亚波长结构阵列组成的人工材料，具有高度灵活的光响应能力。通过设计合适的亚波长结构能对实现对入射光的相位、振幅或偏振态进行任意控制。作为超表面的一种重要应用，超透镜的基本概念是：通过沿其横向轴引入不同的相移，将入射平面波转换为球面波。与传统透镜相比，超透镜具有尺寸小、可集成以及离轴聚焦等特性，在光学成像领域具有极大潜力。

如图1所示，本发明实施例提供了一种电致变焦超透镜，包括衬底及设置于所述衬底上的若干个同心环，每个所述同心环包括相变材料层及分别设置于所述相变材料层的两面的第一电极层和第二电极层，通过调节所述第一电极层和所述第二电极层的电压调节所述同心环的相移以调节所述电致变焦超透镜的焦距。图1(a)表示电致变焦超透镜的俯视图，图1(b)表示电致变焦超透镜的侧视剖面图。

需要说明的是，相变材料是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质；转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。本实施例中通过调节第一电极层和第二电极层的电压来调节相变材料层的折射率，不同的折射率对应不同的相位和透射率，再根据相移与焦距之间的对应关系调节焦距。

当平面波垂直入射到超透镜时，需要使入射光在超透镜的特定位置偏转一个角度。它可以用公式表示为：

其中，表示坐标为(x,y)的同心环的相移，单位为rad；λ表示入射光的波长，单位为m；f表示焦距，单位为m；x、y为以超透镜中心点为坐标原点建立的平面坐标系中的坐标点，单位为m。

根据上述公式可知，假设入射光的波长和超透镜的焦距是常数，入射光的相移是超构透镜坐标的函数。不同半径的同心环间相位是不相同的，但一个同心环上任意点的相位是相同的；因此，可以通过在电极上施加电压，使得不同圆环的折射率改变，从而满足上述公式的相位需求。

根据相变材料的折射率变化，通过FDTD仿真出在不同折射率下该结构的相位和透射率，仿真结果如图2所示，其中，入射波长为580nm；从图2可知，相变材料的相移与折射率呈正相关，相变材料的透射率随折射率的增大呈周期性变化。

具体地，根据上述公式，计算出入射波长为580nm时焦距为50um、60um、70um的超透镜在透镜不同半径处的相位需求以及该相位所对应的折射率，结果如图3所示。通过对不同圆环折射率的设定，用FDTD模拟仿真了所设定焦距为50um、60um、70um的超透镜沿z轴方向的光强，如图4所示。图4所示的光强曲线的顶点即焦点的位置，因此仿真出来的焦点分别是50um、58um、67um，与所设定的焦距非常接近。因此，可以通过对不同焦距超透镜的相位计算，在不同圆环上施加对应的电压来改变相变材料的折射率，达到对超透镜焦距的人为控制的目的。

可选地，所述同心环之间的间距相等。

本领域技术人员可以理解的是，同心环之间的间距相等更便于连接。

可选地，所述衬底的材料包括二氧化硅。

需要说明的是，二氧化硅是常规衬底材料，方便获取。

可选地，所述第一电极层和所述第二电极层的材料相同。

可选地，所述第一电极层和所述第二电极层的材料包括氧化铟锡。

本领域技术人员可以理解的是，第一电极层和第二电极层的材料相同便于调节，另外氧化铟锡导电性好。

实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中的电致变焦超透镜包括衬底及设置于所述衬底上的若干个同心环，每个所述同心环包括相变材料层及分别设置于所述相变材料层的两面的第一电极层和第二电极层，通过调节所述第一电极层和所述第二电极层的电压调节所述同心环的相移以调节所述电致变焦超透镜的焦距；只需一个超透镜即可实现精确变焦，超透镜体积小、结构简单，便于制作和集成化应用。

本发明实施例中的电致变焦超透镜，只需要对不同圆环电极上施加对应的电压就能实现目标焦距的聚焦功能，通过调节电压大小就可以调节焦距。只需要单层透镜便可实现可调焦距，大大提高了集成度。因此，可以把这个超透镜集成到电路芯片中，作为一个可变焦的镜头集成到手机、相机等各种成像设备中；同时，可变焦距的功能可以应用到全息投影、VR眼镜中，实现三维立体的成像等。

如图5所示，本发明实施例提供了一种电致变焦超透镜的制备方法，所述电致变焦超透镜包括衬底及设置于所述衬底上的若干个同心环，所述制备方法包括：

S1、提供衬底；

S2、在所述衬底上依次制备第一电极层、相变材料层及第二电极层；

S3、在所述第二电极层的表面通过光刻和刻蚀制备若干个同心环；每个所述同心环包括相变材料层及分别设置于所述相变材料层的两面的第一电极层和第二电极层。

可选地，所述通过化学气相沉积在所述衬底上依次制备第一电极层、相变材料层及第二电极层。化学气相沉积方法操作简单，设备成本相对较低。

具体地，参阅图6，第一步：选择符合要求的衬底，在衬底上采用化学气相沉积的方法依次沉积第一ITO(Indium tin oxide，氧化铟锡)层、相变材料层及第二ITO层；第二步：在第二ITO层表面涂覆光刻胶，并光刻出同心环结构；第三步：根据光刻的同心环结构进行刻蚀得到电致变焦超透镜的同心环；第四步：进行去胶操作；第五步：去胶后得到本发明实施例的电致变焦超透镜。

实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中的电致变焦超透镜包括衬底及设置于所述衬底上的若干个同心环，每个所述同心环包括相变材料层及分别设置于所述相变材料层的两面的第一电极层和第二电极层，通过调节所述第一电极层和所述第二电极层的电压调节所述同心环的相移以调节所述电致变焦超透镜的焦距；只需一个超透镜即可实现精确变焦，超透镜体积小、结构简单，便于制作和集成化应用。

如图7所示，本发明实施例提供了一种电致变焦超透镜的调制方法，所述电致变焦超透镜包括衬底及设置于所述衬底上的若干个同心环，每个所述同心环包括相变材料层及分别设置于所述相变材料层的两面的第一电极层和第二电极层，所述调制方法包括：

S4、获取电致变焦超透镜待调节的焦距；

S5、根据所述待调节的焦距及预设的第一对应关系确定所述同心环的相移；所述第一对应关系包括同心环的相移与焦距之间的计算公式；

S6、根据所述相移及预设的第二对应关系确定所述第一电极层和所述第二电极层的电压。

可选地，所述计算公式包括：

其中，表示坐标为(x,y)的同心环的相移，单位为rad；λ表示入射光的波长，单位为m；f表示焦距，单位为m；x、y为以超透镜中心点为坐标原点建立的平面坐标系中的坐标点，单位为m。

本实施例中电致变焦超透镜的调制方法的过程如下：首先获取电致变焦超透镜需要调节的焦距，然后根据需要调节的焦距、焦距与相移的关系确定需要调节的相移，最后根据需要调节的相移、相移与相变材料的折射率关系、相变材料的折射率与电压的关系等确定调节的电压。

实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中的电致变焦超透镜包括衬底及设置于所述衬底上的若干个同心环，每个所述同心环包括相变材料层及分别设置于所述相变材料层的两面的第一电极层和第二电极层，通过调节所述第一电极层和所述第二电极层的电压调节所述同心环的相移以调节所述电致变焦超透镜的焦距；只需一个超透镜即可实现精确变焦，超透镜体积小、结构简单，便于制作和集成化应用。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种电致变焦超透镜，其特征在于，包括衬底及设置于所述衬底上的若干个同心环，每个所述同心环包括相变材料层及分别设置于所述相变材料层的两面的第一电极层和第二电极层，通过调节所述第一电极层和所述第二电极层的电压调节所述同心环的相移以调节所述电致变焦超透镜的焦距。

2.根据权利要求1所述的电致变焦超透镜，其特征在于，所述同心环之间的间距相等。

3.根据权利要求1所述的电致变焦超透镜，其特征在于，所述衬底的材料包括二氧化硅。

4.根据权利要求1所述的电致变焦超透镜，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层的材料相同。

5.根据权利要求1所述的电致变焦超透镜，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层的材料包括氧化铟锡。

6.一种电致变焦超透镜的制备方法，其特征在于，所述电致变焦超透镜包括衬底及设置于所述衬底上的若干个同心环，所述制备方法包括：

提供衬底；

在所述衬底上依次制备第一电极层、相变材料层及第二电极层；

在所述第二电极层的表面通过光刻和刻蚀制备若干个同心环；每个所述同心环包括相变材料层及分别设置于所述相变材料层的两面的第一电极层和第二电极层。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，通过化学气相沉积在所述衬底上依次制备第一电极层、相变材料层及第二电极层。

8.一种电致变焦超透镜的调制方法，其特征在于，所述电致变焦超透镜包括衬底及设置于所述衬底上的若干个同心环，每个所述同心环包括相变材料层及分别设置于所述相变材料层的两面的第一电极层和第二电极层，所述调制方法包括：

获取电致变焦超透镜待调节的焦距；

根据所述待调节的焦距及预设的第一对应关系确定所述同心环的相移；所述第一对应关系包括同心环的相移与焦距之间的计算公式；

根据所述相移及预设的第二对应关系确定所述第一电极层和所述第二电极层的电压。

9.根据权利要求8所述的调制方法，其特征在于，所述计算公式包括：

其中，表示坐标为(x,y)的同心环的相移，λ表示入射光的波长，f表示焦距。