CN117806052A - 元光学设备和包括该元光学设备的电子设备 - Google Patents

Abstract

一种用于通过调制具有预设波长的入射光来形成结构光的元光学设备，包括多个超晶胞，每个超晶胞包括多个形状尺寸小于预设波长的纳米结构，并且多个纳米结构的形状和布置被设计为将结构光形成为在水平和垂直方向上具有大于160°视角的点图案。

Description

元光学设备和包括该元光学设备的电子设备

相关申请的交叉引用

本申请基于35U.S.C.§119并要求在韩国知识产权局于2022年9月30日提交的韩国专利申请10-2022-0125818和于2023年4月26日提交的韩国专利申请10-2023-0055011的优先权，其公开内容通过引用整体结合于本文。

技术领域

本发明概念涉及一种元光学设备(meta optical device)和包括该元光学设备的电子设备。

背景技术

本发明由三星电子的三星研究基金和孵化中心资助，项目号为SRFC-IT1901-52。

近来，已使用三维感测技术来执行对人和其他对象的对象识别，三维感测技术使用结构光来通过深度识别进行精确的三维形状识别。

结构光是具有特定预设图案的光，当图案的光从三维对象反射时，发生图案变化。关于结构光照射到的对象的深度信息可以从这种图案变化获得。

为了产生结构光，通常使用衍射光学元件(DOE)，但是DOE的衍射效率随着衍射角的增加而降低。因此，使用DOE作为发射器的深度识别***难以具有宽的视角。相应地，需要各种方式来形成具有宽的视角的结构光。

发明内容

本发明概念提供了一种元光学设备和包括该元光学设备的电子设备。

根据本发明概念的一方面，提供了一种用于通过调制具有预设波长的入射光来形成结构光的元光学设备，元光学设备包括多个超晶胞，每个超晶胞包括多个纳米结构，每个纳米结构具有小于预设波长的形状尺寸，其中多个纳米结构的形状和布置配置为将结构光形成为在水平和垂直方向上具有大于160°视角的点图案。

在示例实施例中，多个纳米结构的形状和布置可以被设计为使得第m级衍射光的强度相对于第一级衍射光的强度的比率大于约50％。在本文中，m可以表示小于(n*P/λ)的整数的最大数，纳米结构可以在单个超晶胞中布置为n×n的矩阵，P可以表示每个超晶胞中纳米结构的布置间距。

由多个超晶胞中的每个生成的相位轮廓可以表示为通过在空间频域中定义的第一函数的迭代傅立叶变换获得的第二函数，并且第一函数可以被定义为在半径为1/λ的圆内具有值1，在由满足条件1/(2P)≤fx≤1/(2P)，1/(2P)≤fy≤1/(2P)的(fx，fy)定义的空间频域中的剩余空间中具有值0，其中P表示纳米结构的布置间距，λ表示预设波长。

多个纳米结构的布置间距可以小于或等于λ/2(λ是预设波长)。

多个纳米结构中的每个可以成形为具有由长轴和短轴限定的横截面的柱状，并且多个纳米结构中的每个的长轴方向可以由多个超晶胞中的每个中的纳米结构的相对位置来确定。

元光学设备可以进一步包括支撑多个纳米结构的支撑层。

多个纳米结构中的每个可以包括具有树脂材料和分散在树脂材料中的纳米颗粒的纳米复合材料。

元光学设备可以通过使用具有多个纳米结构的形状的反转图案的软模具来制造。

支撑层可以包括具有弯曲形状的透明塑料材料。

根据本发明概念的另一方面，提供了一种包括多个超晶胞的元光学设备，每个超晶胞包括多个纳米结构并周期性布置，其中由多个超晶胞中的每个生成的相位轮廓被表示为通过在空间频域中定义的第一函数的迭代傅立叶变换获得的第二函数，并且第一函数可以被定义为在半径为(sinω)/λ的圆内具有值1，并且在由满足条件1/(2P)≤fx≤1/(2P)，1/(2P)≤fy≤1/(2P)的(fx，fy)定义的空间频域中的剩余空间中具有值0，其中ω表示小于或等于π/2的值，P表示纳米结构的布置间距，λ表示预设波长。

ω可以是π/2弧度。

多个纳米结构的布置间距可以小于或等于λ/2。

多个纳米结构中的每个可以成形为具有由长轴和短轴限定的横截面的柱状，并且多个纳米结构中的每个的长轴方向可以由多个超晶胞中的每个中的纳米结构的相对位置来确定。

元光学设备可以进一步包括支撑多个纳米结构的支撑层。

多个纳米结构中的每个可以包括具有树脂材料和分散在树脂材料中的纳米颗粒的纳米复合材料。

支撑层可以包括具有弯曲形状的透明塑料材料。

根据本发明概念的另一方面，提供了一种包括多个超晶胞的元光学设备，每个超晶胞包括周期性布置的多个纳米结构，其中由多个超晶胞中的每个生成的相位轮廓被表示为通过在空间频域中定义的第一函数的迭代傅立叶变换获得的第二函数，并且第一函数可以被定义为在半径为(sinω₁)/λ的圆内具有值1，在内径为(sinω₂)/λ且外径为(sinω₃)/λ的至少圆环中具有值1，并且在由满足条件1/(2P)≤fx≤1/(2P)、1/(2P)≤fy≤1/(2P)的(fx，fy)定义的空间频域中的剩余空间中具有值0，其中ω₁、ω₂和ω₃具有ω₁<ω₂<ω₃≤π/2的关系，P表示纳米结构的布置间距，λ表示预设波长。

根据本发明概念的另一方面，提供了一种电子装置，包括：光源，生成源光；上述元光学设备中的任一个，配置为从源光形成结构光并照射对象；第一传感器和第二传感器，彼此间隔开，元光学设备位于其间，第一传感器和第二传感器配置为检测从对象反射的光；以及处理器，配置为分析从第一传感器和传感器检测到的信号并计算关于对象的深度信息。

电子装置还可以包括显示图像的图像显示单元，其中处理器还配置为从深度信息生成深度图像，生成与深度图像相关的额外的图像，并控制图像显示单元显示深度图像和额外的图像。

电子装置可以包括眼睛可佩戴设备。

附图说明

从以下结合附图的详细描述中，将更清楚地理解实施例，其中：

图1是根据实施例的元光学设备设计方法的流程图；

图2是在根据实施例的元光学设备设计方法中为具有高视角的结构光设定相位轮廓的详细过程的流程图；

图3A是示出根据元光学设备设计方法的实施例的在空间频域中定义的第一函数的视图；

图3B是示出根据元光学设备设计方法的实施例，通过在空间频域中对第一函数进行傅立叶变换而获得的第二函数的视图；

图3C是示出根据实施例的定义在元光学设备设计方法中使用的超晶胞阵列的函数的视图；

图3D是示出根据元光学设备设计方法的实施例的用于生成待应用于整个空间域的相位轮廓的操作的视图；

图3E是示出根据元光学设备设计方法的实施例生成的相位轮廓的视图；

图4是示出根据元光学设备设计方法的实施例，应用于元光学设备的纳米结构的形状参数和根据形状参数的效率的视图；

图5A和5B分别是示出根据实施例的元光学设备的示意性结构的平面图和截面图；

图6是示出通过根据实施例的元光学设备设计方法制造的元光学设备的显微图；

图7是示出根据实施例的元光学设备中的纳米结构的每个布置间距处的衍射光强度与衍射级的关系的曲线图；

图8是示出在根据实施例的元光学设备中超晶胞的数量不同的每种情况下空间频域中的结构光的多个分布图的视图；

图9是示出根据元光学设备设计方法的实施例的在空间频域中定义的第一函数的另一示例的视图；

图10是示出根据元光学设备设计方法的实施例的在空间频域中定义的第一函数的另一示例的视图；

图11A至11D是示出根据实施例的制造元光学设备的方法的视图；

图12是示出根据实施例的基于弯曲塑料实现的元光学设备的照片；

图13是示出根据实施例的电子装置的示意性结构的视图；

图14是示出根据实施例的使用元光学设备的经验深度识别***的结构的视图；

图15A和15B是从正面和侧面示出在图14所示的深度识别***中形成的结构光的照片；

图16是示出由图14所示的深度识别***获得的两个对象深度的深度图；和

图17是示出根据另一实施例的电子装置的示意性结构的视图。

具体实施方式

在下文中，参照附图详细描述本发明构思的各种实施例。所描述的实施例仅仅是示例性的，并且实施例的各种修改是可能的。在下面的附图中，相同的附图标记表示相同的部件，并且为了解释的清楚和方便，附图中每个部件的尺寸可能被放大。

在下文中，被描述为“上”或“上方”的不仅可以包括直接接触的上方，还可以包括非接触的上方。

诸如第一和第二的术语可用于描述各种部件，但仅用于将一个部件与另一个部件区分开的目的。这些术语并不限制部件的材料或结构的差异。

单数表达可以包括复数表达，除非上下文另有明确规定。此外，当某个部分“包括”任何部件时，这意味着可以进一步包括其他部件，而不是排除其他部件，除非另有说明。

此外，说明书中描述的术语“...部分”和“模块”指的是处理至少一个功能或操作的单元，其可以被实现为硬件或软件或者硬件和软件的组合。

术语“以上”和类似指示性术语的使用可以对应于单数和复数。

构成该方法的操作可以以适当的顺序执行，除非明确提到操作应该以所描述的顺序执行。此外，所有示例性术语(例如，等等)的使用)仅是详细解释技术思想，权利的范围不受这些术语的限制，除非受到权利要求的限制。

图1是根据实施例的元光学设备设计方法的流程图。

元光学设备可以是包括具有亚波长尺寸的纳米结构的衍射设备。亚波长指的是小于待调制的入射光的波长的值，或者小于入射光的波长带的中心波长的值。元光学设备中纳米结构的形状和布置可以被设定为将入射光调制成期望的形状。亚波长纳米结构也可以被称为元原子，并且其中布置有纳米结构的阵列也可以被称为元表面。

纳米结构可以具有不同于周围材料的折射率，并且折射率分布可以由纳米结构的形状和布置形成。波前的形状是通过连接光路中具有相同相位的点而定义的表面，在经历折射率分布之前和之后，波前的形状是不同的，也就是说，光穿过元光学设备之后的光的相位可能不同于光入射到元光学设备上之前的光的相位。光的相位差被表示为相位延迟，并且可以被显示为具有取决于位置的分布的相位延迟轮廓。在下文中，元光学设备的相位指的是相位延迟，即，相对于在入射光入射到元光学设备上之前入射光的相位的相对相位，并且相位和相位延迟可以互换使用。例如相位、相位延迟、相位延迟轮廓、相位轮廓、相位分布函数等可以一起使用，具有相同的含义。

元光学设备可以根据由元光学设备指示的相位轮廓表现各种光学性能。在实施例中，元光学设备可以被设计为具有能够形成高视角的结构光的相位轮廓。相位轮廓可以实现在垂直方向和水平方向上大约-90°到大约90°范围内的大约180°的视角。然而，本发明概念不限于此，并且相位轮廓可以被设计为实现期望视角的结构光。

在根据实施例的元光学设备设计方法中，可以首先设定相位轮廓以形成具有高视角的结构光(S100)。

然后，为了通过使用纳米结构生成设定的相位轮廓，可以根据纳米结构的各种形状参数分析相位延迟值和相位延迟效率(S200)。可以通过使用具有亚波长的形状尺寸的纳米结构来生成设定的相位分布。换句话说，经过纳米结构的光的相位延迟程度可以通过调整纳米结构的形状参数来控制。纳米结构的形状参数也可以根据需要与延迟相位的效率相关。根据参数数据，可以确定待应用于元光学设备的纳米结构的细节。

然后，具有适合于特定相位的形状的纳米结构可以布置在对应于相位轮廓的每个位置(S300)。

参照图2至图4描述关于元光学设备设计方法的详细描述。

图2是在根据实施例的元光学设备设计方法中为具有高视角的结构光设定相位轮廓的详细过程的流程图。

首先，可以在空间频域中定义和设定第一函数(S110)。图3A是示出根据元光学设备设计方法的实施例的在空间频域中定义的第一函数的视图。第一函数是在空间频率域中设定的函数，使得能够传播的各种衍射级的光可以具有均匀的强度。第一函数可以被定义为在半径为1/λ的圆内具有值1，并且在最大可分辨空间频域的剩余空间中具有值0，最大可分辨空间频域是由满足条件1/(2P)≤fx≤1/(2P)，1/(2P)≤fy≤1/(2P)的(fx，fy)定义的空间频域。这里，希腊字母λ表示入射光的波长，大写字母P表示空间域的像素间距，像素间距对应于待在空间域中布置的纳米结构的布置间距。

接下来，可以通过傅立叶变换来变换第一函数，从而设定作为单位相位分布的第二函数(S120)。单位相位分布是指作为在空间域中重复布置的基本单元的超晶胞的相位轮廓。图3B是示出根据元光学设备设计方法的实施例的通过在空间频域中对第一函数进行傅立叶变换而获得的第二函数的视图。迭代傅立叶变换算法(IFTA)可以用于上述傅立叶变换。参考图3B，假设单个超晶胞由以像素间距P布置在n×n矩阵中的多个像素组成，可以在大约0到大约2π的范围内在对应于超晶胞的空间域的每个位置分配多个相位值。

然后，通过第二函数和超晶胞布置函数的卷积，可以生成应用于整个空间域的相位轮廓(S140)。

图3C是示出了定义当执行根据实施例的元光学设备设计方法时使用的超晶胞阵列的函数的视图，而图3D是示出了根据元光学设备设计方法的实施例的用于生成待应用于整个空间域的相位轮廓的操作的视图。图3E是示出根据元光学设备设计方法的实施例生成的相位轮廓的视图。

图3C所示的超晶胞布置函数可以用2D狄拉克梳状函数来表示。参考图3C，超晶胞布置函数可以由以布置间距nP布置成N×N矩阵的多个超晶胞来表示。图3E所示的相位轮廓可以通过图3D所示的卷积操作生成。可以根据生成的相位轮廓设定将在整个空间域上，即在元表面的每个位置上实现的多个相位值。

图3E所示的相位轮廓可以以各种形式的元表面实现，即纳米结构的形状和布置。在下文中，提供了其元表面由相位轮廓实现的元光学设备，但是根据实施例的元光学设备不限于所示的结构。换句话说，除了下面示出的纳米结构的形状和布置之外，图3E所示的相位轮廓可以以各种方式实现。

图4是示出根据元光学设备设计方法的实施例的待应用于元光学设备的纳米结构的形状参数和根据形状参数的效率的视图。

有一种方法称为几何相位或Pancharatnam-Berry(PB)相位，其中构成元表面的元原子控制相位。根据该方法，经过元原子的光的相位可以被调整元原子的旋转角度θ的两倍。

在这种情况下，由于当圆偏振光从左到右(或从右到左)转换时发生相位调整，所以圆偏振光的转换效率(CE)越高，实现期望的相位调整的效率越高。为了提高效率，可以通过严格耦合波分析(RCWA)来使用寻找L和W的方法，使得项(t_l-t_s)/2最大化，其中t_l和t_s分别表示元原子的长轴和短轴方向上的复透射系数。例如，当P＝300nm纳米、H＝475nm纳米、L＝250nm纳米和W＝110nm纳米时，可以获得0.88的高转换效率。然而，数值是示例性的，并且用于增加转换效率的详细参数可以根据元原子的详细形状以及元原子和周围材料之间的关系而改变。

如上所述，用于设定形状参数的纳米结构的布置角度θ可以被调整为Φ(x，y)＝2θ(x，y)的关系，然后，纳米结构可以被定位在空间域上。

尽管在图4中纳米结构被成形为矩形平行管，但是纳米结构不限于此，并且可以具有各种纳米柱的横截面形状，例如椭圆柱，只要限定了长轴和短轴。

图5A和5B分别是示出根据实施例的元光学设备的示意性结构的平面图和截面图。

参考图5A和5B，根据实施例的元光学设备100可以包括多个超晶胞SC，并且每个超晶胞SC可以包括多个纳米结构NS。多个纳米结构NS可以以这样的配置提供，使得纳米结构由支撑层SU支撑。在图中可以示出多个纳米结构NS中的一些，并且可以省略整个纳米结构。位于任意位置Q(x，y)处的纳米结构NS可以具有长方体形状，其中宽度、长度和高度被限定，并且具有预设的转换效率，并且可以被布置成这样的配置，使得根据待在位置Q(x，y)处实现的相位值Φ(x，y)，截面纳米结构的长轴的布置角θ为Φ(x，y)/2。

纳米结构NS的布置间距P，即相邻纳米结构NS的中心之间的距离，可以被设定为λ/2或更小。

纳米结构NS可以是折射率不同于周围材料的材料，并且可以由例如折射率高于周围材料的材料形成。例如，纳米结构NS可以包括晶体硅(c-Si)、多晶硅(p-Si)、非晶硅(a-Si)和III-V族化合物半导体(例如，磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)等)、碳化硅(SiC)、氧化钛(TiO2)、氮化硅(SiN)和/或它们的组合。

纳米结构NS可以包括纳米复合材料，纳米复合材料包括树脂材料和分散在树脂材料中的纳米颗粒。树脂材料可以包括紫外线(UV)可固化树脂，并且纳米颗粒可以包括硅(Si)纳米颗粒、氧化钛(TiO2)纳米颗粒和由上述各种材料制成的其他纳米颗粒。因此，元光学设备可以通过使用纳米复合材料的软模具来制造。在这种情况下，纳米结构NS可以很好地形成在各种形状和材料的支撑层上，例如，以期望的形状和布置形成在弯曲的塑料层上。

纳米结构NS周围的材料可以包括具有不同于纳米结构NS的折射率(例如，低于纳米结构NS的折射率)的介电材料。例如，周围的材料可以包括氧化硅(SiO2)或空气。

支撑层SU可以包括玻璃(熔融石英、BK7等)、石英、聚合物(聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、SU-8等)、塑料和半导体衬底中的任何一种。支撑层SU可以包括折射率低于纳米结构NS的材料。然而，支撑层SU不限于此。

根据实施例的元光学设备100中的纳米结构NS的材料、形状和布置可以被设定为适于形成宽视角的结构光的相位轮廓。例如，如上所述，空间频域中的第一函数可以被定义为使得从具有不同衍射级的光衍射的各种传播光束具有均匀的强度，并且由从第一函数计算的相位轮廓实现的结构光可以在水平和垂直方向上具有大约180°的视角。然而，用于相位轮廓的纳米结构NS的相位调整效率可能不是100％，因此元光学设备100可以具有小于或等于大约180°的视角。元光学设备100可以生成例如在水平和垂直方向上视角大于或等于约160°的结构光。

元光学设备100中生成的结构光可以具有规则的点图案。然而，本发明概念不限于此，在修改的实施例中，结构光可以被修改为具有预设的点图案。

元光学设备100可以生成第1至第m级衍射光。在本文中，当纳米结构NS在单个超晶胞SC中以布置间距P布置成n×n矩阵时，小写字母m表示小于(n*P/λ)的整数中的最大数。

由于应用于元光学设备100的设计的相位轮廓以这样的方式设定，使得从具有不同衍射级的光衍射的各种光束具有如上所述的均匀强度，所以由元光学设备100从具有所有衍射级的光衍射的所有光束理论上可以具有均匀的强度。然而，当已经设定的相位轮廓被实施到纳米结构NS中时，相位轮廓的实施可能不能以100％的精度执行，因此，纳米结构NS可能具有设计误差或制造误差。当光在元光学设备100中衍射时，最高级衍射光(例如，第m级衍射光)的强度相对于第一级衍射光的强度的比率可以是20％或更高、30％或更高、40％或更高、或50％或更高。

图6是显示通过根据实施例的元光学设备设计方法制造的元光学设备的显微图。

图6中的显微图证实了元光学设备实现视角约为180°的结构光，其衍射效率约为60％或更高。

图7是示出根据实施例的元光学设备中的纳米结构的每个布置间距处的衍射光强度与衍射级的关系的曲线图。

图7中的曲线图显示了当像素间距，即纳米结构的布置间距P为300nm、400nm、500nm、600nm或700nm时，衍射光的强度与衍射级的关系。在这种情况下，纳米结构布置在每个超晶胞中的n×n矩阵的整数n可以被设定为12、9、7、6和5，使得在n的每种情况下最高衍射级可以与±5相同。曲线图显示，随着布置间距P增加，更高级衍射光的强度迅速降低。当布置间距P为小于λ/2的300nm时，显示第五级衍射光相对于第一级衍射光的强度比最高。

图8是示出在根据实施例的元光学设备中，在超晶胞的数量彼此不同的每种情况下，空间频域中的结构光的多个分布图的视图。

在图8中，在分别由a、b、c和d表示的每种情况下，其中布置超晶胞的N×N矩阵的整数N分别是2、3、4和5，像素间距是300nm，并且在每种情况下的单个超晶胞中纳米结构的数量是10×10。虽然纳米结构的数量和像素间距与衍射角相关，但是超晶胞的数量可以与衍射光束的直径(即，角锥)相关，并且可以对衍射角没有影响。随着整数N的增加，衍射光束的直径减小，并且结构光的分布均匀。

图9是示出根据元光学设备设计方法的实施例的在空间频域中定义的第一函数的另一示例的视图。

图3A中所示的第一函数被提供用于推导用于实现180°视角的相位轮廓，但是该实施例中的第一函数的另一示例被提供用于实现2ω的任意视角。

图9中所示的第一函数可以被定义为在半径为(sinω)/λ的圆内具有值1，并且在由满足条件1/(2P)≤fx≤1/(2P)，1/(2P)≤fy≤1/(2P)的(fx，fy)定义的空间频域中的剩余空间中具有值0。在本文中，大写字母P表示纳米结构的布置间距，希腊字母λ表示待调制的入射光的波长，希腊字母ω表示小于或等于π/2(弧度)的任意值。

在以这种方式设定第一函数之后，可以以参考图3B至图4描述的相同方式推导待应用于空间域(元表面域)的相位轮廓，并且可以布置适合于每个位置的多个纳米结构，从而实现能够表示期望的2ω视角的元光学设备。

图10是示出根据元光学设备设计方法的实施例的在空间频域中定义的第一函数的另一示例的视图。

该实施例中的第一函数可以被提供用于推导表示任意形状的视角的相位轮廓。如图10所示，第一函数可以被设定为在半径为r1的圆内具有值1，在内径为r2且外径为r3的圆环中具有值1，在内径为r4且外径为r5的圆环中具有值1，并且在由满足条件1/(2P)≤fx≤1/(2P)，1/(2P)≤fy≤1/(2P)的(fx，fy)定义的空间频域中的剩余空间中具有值0。在那种情况下，r1可以是(sinω₁)/λ，r2可以是(sinω₂)/λ，r3可以是(sinω₃)/λ，r4可以是(sinω₄)/λ，r5可以是(sinω₅)/λ。此外，ω₁至ω₅满足ω₁<ω₂<ω₃<ω₄<ω₅≤π/2的条件，大写字母P表示纳米结构的布置间距，希腊字母λ表示待调制的入射光的波长。

可以通过使用第一函数来设计元光学设备，使得在垂直和水平方向上在视角-ω₁～+ω₁、-ω₂～-ω₃、+ω₂～+ω₃、-ω₄～-ω₅、+ω₄～+ω₅的范围内形成结构光。

其中第一函数被设定为具有值1的值-1区域被提供为单个圆和两个圆环，但是不限于此，例如，值-1区域被修改为单个圆和单个环。

图11A至11D是示出根据实施例的制造元光学设备的方法的视图。

图11A示出了通过复制形成在主印模410上的图案410a来形成软模具的过程。模压或雕刻在主印模410上的图案410a可以具有与待制造的元光学设备的纳米结构的形状和布置相对应的形状。可以根据纳米结构的形状和布置来形成主印模410，纳米结构被设定为形成期望的相位轮廓，即宽视角的结构光。主印模410的图案410a可以通过例如电子束光刻工艺等形成。具有软材料的模制材料层可以被压缩在主印模410上。模制材料层可以包括第一层420和第二层430。与主印模410的图案410a直接接触的第二层430可以包括比第一层420具有更低粘度和更高机械刚度的材料。例如，第一层420可以包括硬聚二甲基硅氧烷(PDMS)，第二层430可以包括硬聚二甲基硅氧烷(h-PDMS)。然而，这是模制材料层的示例，并且模制材料层可以包括单层柔性材料。模制材料层可以放置在主印模410上，然后，可以对模制材料层施加热量或压力，从而将主印模410的图案410a压印到第二层430上。

参考图11B，纳米复合材料450可以涂覆在软模具440上。纳米复合材料450可以包括树脂材料451和分散在树脂材料451中的纳米颗粒453。软模具440可以包括第一层420和图案化的第二层431。主印模410的图案410a可以压印在第二层431上，使得压印图案431a可以形成在第二层431上。尽管压印图案431a的详细形状未在图11B中示出，但是压印图案431a可以是待制造的元光学设备的纳米结构的形状和布置的反转图案。纳米复合材料450中的树脂材料451可以包括UV可固化树脂，其以未硬化液体的形式填充压印图案431a的雕刻区域的内部。

参照图11C，支撑层SU可以形成在图11B所示的结构上，然后，紫外线UV可以照射到软模具440上。如果需要，压力也可以与紫外线一起施加到软模具440。因此，纳米复合材料450的树脂材料451可以被硬化。支撑层SU可以包括平坦的基底或者可以具有弯曲的形状。

此后，当移除软模具440时，如图11D所示，提供了元光学设备100，元光学设备100在支撑层SU上具有纳米结构NS，纳米结构由包括树脂材料451和分散在树脂材料451中的纳米颗粒453的纳米复合材料450形成，并且具有期望的形状和布置。

根据上述制造方法，软模具440可以重复用于制造元光学设备100，这有利于元光学设备100的大规模生产。例如，通过使用电子束光刻工艺制造元光学设备100的方法通常花费很长时间，并且对于大规模生产非常不利。然而，在根据实施例的制造方法中，可以通过电子束光刻工艺形成单个主印模410，可以在主印模410上形成模制材料层，并且可以硬化模制材料层，从而在短时间内形成软模具440。

此外，根据上述制造方法，由于软模具440可以用于形成纳米结构NS，即使在具有所需形状和布置的弯曲形状的支撑层SU上可以容易地形成纳米结构。换句话说，由于软模具440的柔性特性，纳米结构NS可以很好地形成在支撑层SU上，而不管支撑层SU的表面形状。

图12是示出根据实施例的基于弯曲塑料实现的元光学设备的照片。

如图12所示，可以在作为眼镜镜片提供的弯曲透明塑料上实现元表面。因此，根据实施例的元光学设备100可以容易地用于眼睛可佩戴的电子装置中。

根据实施例的元光学设备100可以形成在各种曲面塑料和曲面玻璃上。例如，元光学设备100可以形成在车辆的挡风玻璃或侧视镜上。

根据实施例的元光学设备100可以与光源一起形成结构光投影仪。结构光投影仪可以与传感器一起应用于深度识别装置。深度识别装置可以用于各种电子装置中，例如，诸如车辆、自主车辆、机器人和无人机的自动驾驶设备、智能电话、智能手表、移动电话、个人数字助理(PDA)、笔记本电脑、个人计算机(PC)、各种可穿戴设备、虚拟现实(VR)设备、增强现实(AR)设备、其他移动或非移动计算设备和物联网(IoT)设备等。

图13是示出根据实施例的电子装置的示意性结构的视图。

电子装置1000可以包括基于主动立体视觉的深度识别装置。电子装置1000可以包括辐射结构光的结构光投影仪500、检测光的第一传感器610和第二传感器620、以及分析由第一传感器610和第二传感器620检测的光的处理器700。

结构光投影仪500可以包括用于生成源光的光源510和将源光调制成结构光的元光学设备520。光源510可以包括发光二极管(LED)、发射激光的激光二极管和垂直腔面发射激光器(VCSEL)。光源510可以发射源光，例如近红外光、红外光和可见光波长带中的光。从光源510发射的源光的波长可以不受特别限制，并且可以被设定为发射适合于利用结构光的应用的波长带中的光。元光学设备520可以包括上述元光学设备100，并且可以被配置为根据上述设计方法形成宽视角(FOV)的结构光。结构光投影仪500的视角在水平和垂直方向上可以在例如大约160°到大约180°的范围内。然而，本发明概念不限于此，并且结构光可以具有各种形式的视角，如图9和图10所示。相应地，结构光投影仪500可以同时照射布置在视角内的多个对象OBJ1、OBJ2和OBJ3。

第一传感器610和第二传感器620可以包括检测光并生成电信号的光电检测器。第一传感器610和第二传感器620中的每个可以包括光检测元件阵列。第一传感器610和第二传感器620可以接收照射到对象OBJ1、OBJ2和OBJ3的结构光的反射光。可以提供第一传感器610和第二传感器620以从对象OBJ1、OBJ2和OBJ3处的不同视点获得信息。第一传感器610和第二传感器620可以位于结构光投影仪500的彼此相对的两侧。第一传感器610、结构光投射仪500和第二传感器620可以成串布置，并且彼此以适当的距离间隔开。在图中，结构光投影仪500被示出位于第一传感器610和第二传感器620之间，但是这仅是示例。第一传感器610可以位于第二传感器620和结构光投影仪500之间，或者可以改变成不同的布置。

第一传感器610和第二传感器620可以位于与结构光投影仪500相对不同的位置，使得从对象OBJ1、OBJ2和OBJ3检测到的反射光的细节存在差异。

处理器700可以通过分析从第一传感器610接收的反射光和从第二传感器620接收的反射光来计算对象OBJ1、OBJ2和OBJ3的深度信息。例如，从第一对象OBJ1的相同位置反射的反射光可以由第一传感器610和第二传感器620单独检测，并且可以比较在第一传感器610和第二传感器620的每个像平面上检测的坐标值，从而通过三角测量方法计算相应位置上的深度信息。然而，这仅是示例实施例，可以使用各种方法来计算对象OBJ1、OBJ2和OBJ3的深度信息。

电子装置1000被示出为包括第一传感器610和第二传感器620，但是本发明构思不限于此，并且电子装置1000可以被配置为根据由结构光投影仪500形成的结构光的图案仅通过单个传感器来获得深度信息。具有预先设计的预设图案的结构光可以照射到对象OBJ1、OBJ2和OBJ3，并且当结构光从对象OBJ1、OBJ2和OBJ3反射时发生的图案变化可以被追踪，从而提取对象OBJ1、OBJ2和OBJ3的深度信息。

电子装置1000可以通过仅使用第一传感器610和第二传感器620中的一个来获得对象OBJ1、OBJ2和OBJ3的深度信息。除此以外，通过使用第一传感器610和第二传感器620，可以以更高的精度获得对象OBJ1、OBJ2和OBJ3的深度信息。

此外，处理器700可以控制电子装置1000的整体操作，例如，第一传感器610和第二传感器620的操作以及结构光投影仪500中提供的光源510的操作。

电子装置1000可以进一步包括存储器。编程的操作模块和操作所需的其他数据可以存储在存储器中，使得处理器700可以执行如上所述的用于提取关于对象OBJ1、OBJ2和OBJ3的三维信息的操作。

多个光学设备可以进一步布置在结构光投射器500和对象OBJ1、OBJ2和OBJ3之间，因此，从结构光投射器500发射的结构光可以被控制为指向对象OBJ1、OBJ2和OBJ3，或者可以被光学设备进一步调制。此外，可以在第一传感器610和第二传感器620中的每个上进一步布置诸如透镜的额外的光学设备，从而收集从对象OBJ1、OBJ2和OBJ3反射的反射光。

图14是示出使用根据实施例的元光学设备的经验深度识别***的结构的视图，图15A和15B是从正面和侧面示出在图14所示的深度识别***中形成的结构光的照片，图16是示出由图14所示的深度识别***获得的两个对象深度的深度图。

图15A和15B示出激光通过元表面形成具有大约180°视角的点图案的结构光。结构光照射两个对象(对象1和对象2)，两个对象(对象1和对象2)的图像形成在两个相机上，然后从图像中获得对象(对象1和对象2)的深度信息。用于在每个相机的图像中寻找相同点的立体匹配方法使用相干点漂移(CPD)算法来随机获得最佳匹配条件。图16示出了作为在上述条件下进行的实验的结果而获得的两个对象(对象1和对象2)的深度图。

实验证实了位于宽视角中的两个对象(对象1和对象2)的三维图像可以通过使用根据实施例的元光学设备的深度识别***很好地获得。

图17是示出根据另一实施例的电子装置的示意性结构的视图。

根据另一实施例的电子装置2000可以包括增强现实设备。电子装置2000可以包括辐射结构光的结构光投影仪500、检测光的第一传感器610和第二传感器620、以及分析由第一传感器610和第二传感器620检测的光的处理器800。电子装置2000还可以包括其上显示图像的图像显示单元900。

图像显示单元900可以包括各种传统的显示设备，例如，硅上液晶(LCoS)设备、液晶显示(LCD)设备、有机发光二极管(OLED)显示设备、数字微镜设备(DMD)以及诸如微型LED、量子点(QD)LED等的下一代显示设备。

类似于图13所示的电子装置1000的处理器700，处理器800可以处理由第一传感器610和第二传感器620检测的光学信号，以获得关于对象OBJ1、OBJ2和OBJ3的深度信息。此外，处理器800可以控制图像显示单元900将为对象OBJ1、OBJ2和OBJ3获得的深度信息处理为深度图像，并在图像显示单元900上显示深度图像，并且还可以控制图像显示单元900在图像显示单元900上显示与获得的深度图像相关的额外的图像。

作为增强现实设备的电子装置2000可以被实现为诸如眼镜型、头戴型、护目镜型等的可穿戴设备。电子装置2000可以实现为不可穿戴的设备，或者可以设置在诸如车辆的驾驶装置中。例如，增强现实设备可以应用于车辆的前玻璃，以将驾驶员视野中的周围环境重建为深度图像，即三维图像，并向驾驶员提供相关的额外的图像。除此以外，增强现实设备的结构部分，例如结构光投影仪500，可以设置在其他位置，例如车辆的侧表面、后表面等，可以获得驾驶员盲点中周围环境的深度信息，然后，可以将深度信息重建为深度图像，与相关的额外的图像一起提供给驾驶员。

已参照附图中所示的实施例描述了元光学设备、其设计方法、其制造方法以及包括元光学设备的电子装置，但是这仅是示例，本领域技术人员可以从中做出各种修改和其他等效实施例。因此，应该从解释的角度而非限制的角度来考虑所公开的实施例。本说明书的范围在权利要求的范围中示出，而不是在上述描述中示出，并且等效范围内的所有差异应当被解释为包括在内。

虽然已经参照本发明的实施例具体示出和描述了本发明的概念，但是应当理解，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (15)

1.一种元光学设备，用于通过调制具有预设波长的入射光来形成结构光，所述元光学设备包括：

多个超晶胞，每个超晶胞包括多个纳米结构，每个纳米结构具有小于所述预设波长的形状尺寸，

其中所述多个纳米结构的形状和布置被配置为形成在水平和垂直方向上具有大于160°视角的点图案的结构光。

2.根据权利要求1所述的元光学设备，其中

所述多个纳米结构的形状和布置被设计为使得第m级衍射光的强度相对于第一级衍射光的强度的比率大于50％，

其中，m表示小于(n*P/λ)的整数的最大数，n表示每个所述超晶胞中纳米结构的数量，P表示每个所述超晶胞中纳米结构的布置间距，λ表示所述预设波长。

3.根据权利要求1所述的元光学设备，其中

由所述多个超晶胞中的每个生成的相位轮廓被表示为第二函数，所述第二函数通过第一函数的迭代傅立叶变换获得，所述第一函数在空间频域中定义，并且

所述第一函数被定义为在半径为1/λ的圆内取值为1，在由满足条件1/(2P)≤fx≤1/(2P)，1/(2P)≤fy≤1/(2P)的(fx，fy)定义的空间频域中的剩余空间取值为0，

其中P表示所述纳米结构的布置间距，λ表示所述预设波长。

4.根据权利要求1所述的元光学设备，其中

所述多个纳米结构的布置间距小于或等于λ/2(λ表示所述预设波长)。

5.根据权利要求1所述的元光学设备，其中

所述多个纳米结构中的每个被成形为具有由长轴和短轴限定的横截面的柱状，并且

所述多个纳米结构中的每个的长轴的方向由所述多个超晶胞中的每个中的纳米结构的相对位置确定。

6.根据权利要求1所述的元光学设备，进一步包括

支撑层，支撑所述多个纳米结构。

7.根据权利要求6所述的元光学设备，其中

所述多个纳米结构中的每个包括：

纳米复合材料，具有树脂材料和分散在所述树脂材料中的纳米颗粒。

8.根据权利要求7所述的元光学设备，其中

所述元光学设备通过使用软模具来制造，所述软模具具有所述多个纳米结构的形状的反转图案。

9.根据权利要求7所述的元光学设备，其中

所述支撑层包括具有弯曲形状的透明塑料材料。

10.一种元光学设备，包括：

多个超晶胞，每个超晶胞包括周期性布置的多个纳米结构，

其中由所述多个超晶胞中的每个生成的相位轮廓被表示为第二函数，所述第二函数通过第一函数的迭代傅立叶变换获得，所述第一函数在空间频域中定义，并且

所述第一函数被定义为在半径为(sinω)/λ的圆内取值为1，并且在由满足条件1/(2P)≤fx≤1/(2P)，1/(2P)≤fy≤1/(2P)的(fx，fy)定义的空间频域中的剩余空间中取值为0，其中ω表示小于或等于π/2的值，P表示所述纳米结构的布置间距，λ表示所述预设波长。

11.根据权利要求10所述的元光学设备，其中

ω是π/2(弧度)。

12.一种元光学设备，包括：

多个超晶胞，每个超晶胞包括周期性布置的多个纳米结构，

其中由所述多个超晶胞中的每个生成的相位轮廓被表示为第二函数，所述第二函数通过第一函数的迭代傅立叶变换获得，所述第一函数在空间频域中定义，并且

所述第一函数被定义为在半径为(sinω₁)/λ的圆内取值为1，在内径为(sinω₂)/λ且外径为(sinω₃)/λ的至少圆环中取值为1，并且在由满足条件1/(2P)≤fx≤1/(2P)、1/(2P)≤fy≤1/(2P)的(fx，fy)定义的空间频域中的剩余空间中取值为0，其中ω₁、ω₂和ω₃具有ω₁<ω₂<ω₃≤π/2的关系，P表示所述纳米结构的布置间距，λ表示所述预设波长。

13.一种电子装置，包括：

光源，生成源光；

根据权利要求1所述的元光学设备，配置为从所述源光形成结构光并照射对象；

第一传感器和第二传感器，所述第一传感器和所述第二传感器彼此间隔开，所述元光学设备位于所述第一传感器和所述第二传感器之间，并且所述第一传感器和所述第二传感器配置为检测从所述对象反射的光；和

处理器，配置为分析从所述第一传感器和所述第二传感器检测到的信号，并计算关于所述对象的深度信息。

14.根据权利要求13所述的电子装置，进一步包括

图像显示单元，显示图像，

其中所述处理器进一步配置为：

从所述深度信息生成深度图像，

生成与所述深度图像相关的额外图像，以及

控制所述图像显示单元显示所述深度图像和所述额外图像。

15.根据权利要求13所述的电子装置，其中

所述电子装置包括眼睛可佩戴的设备。