[发明专利]基于超表面结构的多功能阵列元件及多功能实现方法

说明书

本发明公开了一种基于超表面结构的多功能阵列元件，所述多功能阵列元件由光学透明衬底、第一反射层、第一超表面结构层、第二反射层和第二超表面结构层组成；所述第一超表面结构层和第二超表面结构层具有相同的高度，且所述第一超表面结构层为等效介质层，所述第二超表面层为相位调控层。本发明实施例提供的基于超表面结构的多功能阵列元件及多功能实现方法通过采用具有等高度的第一超表面结构层代替传统FP滤光阵列中的不同腔长高度的介质层，同时采用具有灵活相位调控功能的第二超表面结构阵列，实现了各阵列单元多波长滤波和灵活的聚焦以及其他相位调控等功能，具有制造工艺相对简单，且兼容CMOS工艺，并易于与成像探测器集成的优点。

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，特别涉及一种基于超表面结构的多功能阵列元件及多功能实现方法。

背景技术

在成像探测器上集成滤光片阵列和微透镜阵列是构成彩色成像探测器以及多/超光谱成像探测器的常用技术。常用的微型窄带滤光片阵列是由两个高反射层及其夹在中间的介质层组成的FP腔谐振结构阵列。调节介质层厚度(腔长)可以得到不同的窄带透射波长光谱，因此含有不同高度的介质层的滤波器阵列可以在空间上同时实现多通道窄带光谱透射。多高度的介质层制作一般采用多次沉积或刻蚀工艺来实现，需要多次套刻和多次刻蚀，制造工艺复杂。另外，由大量像素组成的成像探测器由于读出电路的缘故，像素的填充因子较低，光能的利用率低，一般在像素上集成微透镜阵列，提高填充因子，增加光能的收集能力。现有的微透镜阵列技术主要是采用热熔成形技术制作折射微透镜阵列，或者采用二元光学技术制作多台阶衍射微透镜阵列，折射微透镜阵列的光学效率高但面型控制难，而多台阶衍射微透镜同样需要多次套刻多次刻蚀，制作工艺复杂，光学效率受套刻精度影响大。另外，在生物组织的成像中越来越多地使用高通量的3D成像，即同时对不同深度的组织结构成像，这需要探测器的探测像元具有同时探测不同深度焦平面的能力，现有的焦平面成像探测器难以实现此功能。因此在宽谱成像探测器上集成易于制造的多功能阵列光学元件十分必要。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于超表面结构的多功能阵列元件及其多功能实现方法，解决现有技术中阵列元件制造工艺复杂、功能单一且不易集成的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

本发明提供一种基于超表面结构的多功能阵列元件，所述多功能阵列元件由光学透明衬底、第一反射层、第一超表面结构层、第二反射层和第二超表面结构层组成；

所述第一超表面结构层和第二超表面结构层具有相同的高度，且所述第一超表面结构层为等效介质层，所述第二超表面层为相位调控层。

优选的，所述第一反射层和第二反射层均是由若干组高折射介质材料和低折射率介质材料相间镀制而成。

优选的，所述高折射率介质材料为T iO₂，所述低折射率介质材料为MgF₂。

优选的，所述第一超表面结构层包括但不限于由折射率大于2的介质材料组成的具有周期性排列的纳米圆柱/纳米线/纳米锥阵列。

优选的，所述第一超表面结构层还包括位于所述周期性排列的纳米圆柱/纳米线/纳米锥周围的折射率小于2的填充介质材料。

优选的，所述第二超表面结构层包括但不限于由折射率介质材料大于2组成的具有聚焦功能的纳米圆柱/纳米线/纳米锥阵列。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种基于超表面结构的多功能阵列元件的多功能实现方法，所述多功能至少包括滤波和相位调控，所述实现滤波的方法包括：

令所述第一超表面结构层形成第一亚波长介质光栅；

计算所述第一亚波长介质光栅的有效折射率；

调整所述第一亚波长介质光栅的有效折射率在最大值和最小值之间改变，从而实现滤波。