本發(fā)明涉及成像技術(shù)研究領(lǐng)域，尤其涉及一種大視場超分辨成像器件。

背景技術(shù)：

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

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

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種大視場超分辨成像器件，利用光與物質(zhì)相互作用的對(duì)稱性，在平面透鏡中引入了光場的平移對(duì)稱，實(shí)現(xiàn)了從旋轉(zhuǎn)對(duì)稱到平移對(duì)稱的完美轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)大視場超分辨成像。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)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(xù)排列的各向異性的納米結(jié)構(gòu)陣列組成；所述各向異性納米結(jié)構(gòu)是在超薄金屬或介質(zhì)上刻蝕而成，所述各向異性納米結(jié)構(gòu)長軸l和短軸w不相等且均小于波長；所述納米結(jié)構(gòu)陣列的晶格常數(shù)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(dǎo)率μ₀＝4π×10^-7H/m，ω為圓頻率，σ為金屬的電導(dǎo)率)； 所述超薄介質(zhì)厚度小于入射光波長。

其中，所述的各向異性納米結(jié)構(gòu)包括孔或其互補(bǔ)結(jié)構(gòu)。

其中，所述的各向異性納米結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的各個(gè)單元結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可以在平面或曲面目標(biāo)上制作。

其中，若所述納米結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)制作在介質(zhì)上，則基底選擇折射率小于1.7的低折射率材料，介質(zhì)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(jié)構(gòu)參數(shù)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(dá)180°，若采用曲面或多平面組合，可實(shí)現(xiàn)360°大視場成像；所述的大視場超分辨成像器件也可設(shè)計(jì)為反射鏡。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明便于制造和實(shí)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(fā)明器件的厚度在深亞波長尺度下，相比于傳統(tǒng)大視場透鏡更輕薄。

附圖說明

圖1為本發(fā)明透鏡的聚焦示意圖；

圖2為本發(fā)明的樣品設(shè)計(jì)圖；

圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的仿真結(jié)果圖；

圖4為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的樣品掃描電鏡圖；

圖6為本發(fā)明一實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖；

圖7為本發(fā)明與普通透鏡聚焦對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于下面實(shí)施例，應(yīng)包括權(quán)利要求書中的全部內(nèi)容。而且本領(lǐng)域技術(shù)人員從以下的一個(gè)實(shí)施例即可實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中的全部內(nèi)容。

本發(fā)明一種大視場超分辨成像器件設(shè)計(jì)及制作的具體方法如下：

(一)設(shè)計(jì)。

首先在超表面上預(yù)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(shù)，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(duì)相位進(jìn)行調(diào)控以及提高能量效率，本實(shí)施例將超表面設(shè)計(jì)為形成六角點(diǎn)陣的連續(xù)橢圓納米結(jié)構(gòu)陣列(如圖2所示，其中橢圓納米結(jié)構(gòu)的長軸和短軸分別為l＝180nm和w＝60nm，陣列晶格常數(shù)p＝150nm)，利用納米結(jié)構(gòu)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(diǎn)焦斑不同，本發(fā)明通過超振蕩實(shí)現(xiàn)超衍射聚焦成像，衍射光斑小于傳統(tǒng)衍射極限。

(二)數(shù)值仿真。

利用矢量衍射理論對(duì)上述設(shè)計(jì)的樣品性能進(jìn)行數(shù)值仿真。將4個(gè)不同方向(θ＝-80°，-32°，0°和45°)波長λ＝632nm平面波同時(shí)入射在樣品上，設(shè)定焦距為8.407μm。如圖3a所示的仿真結(jié)果顯示，對(duì)于不同平面波的光場都相應(yīng)地平移了Δ＝fsinθ。θ＝-32°，45°和-80°對(duì)應(yīng)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(qiáng)度位置移動(dòng)到z＝7.5μm處。

(三)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述理論和仿真結(jié)果，接下來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)3，橢圓納米結(jié)構(gòu)的長軸和短軸分別為180nm和60nm，六角點(diǎn)陣晶格常數(shù)p＝150nm(如圖2，圖4所示)。圖5為樣品的掃描電鏡圖。使用兩個(gè)氦氖激光(λ＝632nm)器和一個(gè)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(diào)節(jié)為-32°和-80°入射至樣品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖6a,b)與仿真結(jié)果(圖3a,b)吻合良好。

如圖7所示本發(fā)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(gè)點(diǎn)，而本發(fā)明的透鏡焦斑為一針尖，這說明本發(fā)明的透鏡還具有長焦深。

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