CN219891430U - 超表面光学器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超表面光学器件，其特征在于，所述超表面光学器件包括：基板上的柱子阵列，包括彼此直径不同的柱子；每个柱子都有最接近所述基板的近端和最远离所述基板的远端；和位于所述柱子的所述远端的外涂层，所述外涂层跨越所述柱子之间的间隙，所述外涂层是透明的和固体的，或者是所述柱子之间的填充材料，填充所述柱子之间的间隙，所述填充材料是透明的和固体的。

Description

超表面光学器件

技术领域

本实用新型涉及光学超表面。

背景技术

光学超表面可以在没有传统透镜的情况下操纵光波前。它们可以包括在基板上或基板中的结构，例如具有亚波长尺寸的柱子、肋或孔。

这些结构在基板的表面上的大小、形状和间距可以不同。每种结构大小、形状和间距都可以提供独特的电磁响应。超表面可以在没有传统透镜厚度的情况下提供所需的光波前操纵(相位、偏振和振幅)。超表面可以克服传统透镜的像差问题。

大小与光波长可比的超表面结构可以衍射入射光。这些结构可以具有纳米尺寸。光学超表面不像传统透镜那样依赖于曲率，而是依赖于结构的尺寸和图案来将光衍射成所需的图案。衍射光波可以相互干涉，形成所需的、被改变的波前。

超表面可以聚焦光、准直光、衍射光、漫射光、改变光的偏振，或将白光分成多种不同的颜色。超表面可以用于微型化和提高光学***的质量。超表面可以减少***中光学元件的数量。与传统透镜相比，超表面可以适应更广泛的需求。超表面可用于检测光强度、深度感测、成像、光敏电子学、显微光谱仪、安全和密码学。

发明内容

超表面光学器件可以包括基板上的柱子阵列，包括彼此直径不同的柱子。每个柱子可以具有最接近基板的近端和最远离基板的远端。外涂层可以位于柱子的远端，或者填充材料可以位于柱子之间。外涂层可以跨越柱子之间的间隙。填充材料可以填充柱子之间的间隙。外涂层或填充材料可以是透明的和固体的。

本实用新型的第一方面涉及一种超表面光学器件，其特征在于，所述超表面光学器件包括：基板上的柱子阵列，包括彼此直径不同的柱子；每个柱子都有最接近所述基板的近端和最远离所述基板的远端；和位于所述柱子的所述远端的外涂层，所述外涂层跨越所述柱子之间的间隙，所述外涂层是透明的和固体的，或者是所述柱子之间的填充材料，填充所述柱子之间的间隙，所述填充材料是透明的和固体的。

在一实施例中，所述超表面光学器件包括所述外涂层但不包括所述填充材料。

优选地，所述超表面光学器件还包括所述阵列的最小直径柱子与最接近相邻的最小直径的两个柱子之间的节距小于所述阵列的最大直径柱子与最接近相邻的最大直径的两个柱子之间的节距。

优选地，所述外涂层沿所述柱子的侧壁向下延伸，且所述外涂层在所述器件上沿所述侧壁向下延伸的距离变化与沿所述侧壁延伸的所述外涂层的平均距离相差+/-10％。

优选地，所述外涂层以沿所述柱子的侧壁向下延伸一段从所述远端至所述近端的≥5％且≤90％的距离。

在一实施例中，D5/D1≥2，其中D5为最大直径柱子的直径，D1为最小直径柱子的直径，直径D5和直径D1都在所述近端与所述远端之间的中点测量；和G1/G5≤1.5，其中G1是所述阵列的所述最小直径柱子与最接近相邻柱子之间的间隙，G5是所述阵列的所述最大直径柱子与最接近相邻柱子之间的间隙,间隙G1和间隙G5都在所述近端与所述远端之间的中点测量。优选地，D5/D1≥3且G1/G5≤1.2。

在一实施例中，相邻的小柱子之间的节距小于相邻的大柱子之间的节距，其中，所述小柱子的直径小于所述大柱子的直径。

在一实施例中，P55/P11≥1.5，其中P55是彼此邻近的两个所述最大柱子之间的节距且P11是彼此邻近的两个所述最小柱子之间的节距。

在一实施例中，邻近的柱子之间的间隙大小均匀。

附图说明

图1是超表面光学器件10的俯视图，超表面光学器件10具有在基板11上的柱子P的阵列。柱子P可以具有与彼此不同的直径。邻近的柱子P之间的间隙G可以是均匀的。节距可以不同。

图2是超表面光学器件20的横截面侧视图，包括超表面光学器件10上的外涂层21。超表面光学器件10的横截面侧视图沿图1中的线2-2截取。

图3是超表面光学器件30的俯视图，超表面光学器件30具有在基板11上的柱子P的阵列。柱子P可以具有与彼此不同的直径。相邻的柱子P之间的节距可以是均匀的。间隙大小可以不同。

图4是超表面光学器件40的横截面侧视图，包括超表面光学器件30上的外涂层21。超表面光学器件30的横截面侧视图沿图3中的线4-4截取。

图5是超表面光学器件50的横截面侧视图，包括填充超表面光学器件10的柱子P之间的间隙G的填充材料51。超表面光学器件10的横截面侧视图沿图1中的线2-2截取。

图6是超表面光学器件60的横截面侧视图，包括填充超表面光学器件30的柱子P之间的大部分间隙G的填充材料51。超表面光学器件30的横截面侧视图沿图3中的线4-4截取。

附图中的附图标记

超表面光学器件10、20、30、40、50和60

基板11

外涂层21

填充材料51

外涂层21沿侧壁向下延伸的距离D

远端DE

远端平面DP

间隙G

最小直径柱子P1和最接近相邻柱子P之间的间隙G1

最大直径柱子P5和最接近相邻柱子P之间的间隙G5

柱子P

直径分别为D1、D2、D3、D4和D5的柱子P1、P2、P3、P4和P5

两个最小的柱子P1之间的节距P11

柱子P1和邻近的柱子P2之间的节距P12

柱子P1和邻近的柱子P5之间的节距P15

两个最大的柱子P5之间的节距P55

近端PE

近端平面PP

柱子P的厚度Th

外涂层21的厚度T21

如本文所用，短语“间隔相等”是指间隔完全相等；在正常制造公差范围内间隔相等；或间隔几乎完全相等，这样使得任何与间隔完全相等的偏差的影响对于器件的正常使用来说都可以忽略不计。

如本文所用，均匀间隙意味着完全均匀；在正常制造公差范围内的均匀；或几乎完全均匀，这样使得任何与完全均匀的偏差的影响对于器件的正常使用来说都可以忽略不计。

如本文所用，术语“在”，“位…之上”，“位于”，和“位于上方”意指直接位于或位于其间具有一些其他固体材料的上方。术语“直接位于”和“邻接”意指直接和紧邻的接触。

具体实施方式

如图1-6所示，超表面光学器件10、20、30、40、50和60包括在基板11上的柱子P的阵列。以下两段总结了这些不同器件之间的比较优势，随后是它们的说明细节。

超表面光学器件10和20优于光学器件30和40，因为光学器件10和20具有可变节距，以便在柱子P之间实现更均匀的间隙G。因此，外涂层21可以在超表面光学器件20中沿着柱子P的侧壁向下延伸一致的距离。

超表面光学器件50优于超表面光学器件60，因为超表面光学器件50具有可变节距，以便在柱子P之间实现更均匀的间隙G。这可以使填充材料51更均匀地填充超表面光学器件50的柱子P之间的间隙G。请注意，超表面光学器件60可以在间隔较近的柱子P之间具有不理想的气穴。

每个柱子P可以具有最接近基板11的近端PE和最远离基板11的远端DE。如图2所示，柱子P在阵列中可以具有均匀的厚度Th，该厚度Th在近端PE和远端DE之间测量。柱子P的近端PE可以位于近端平面PP中，柱子P的远端DE可以位于远端平面DP中。

柱子P的阵列可以包括彼此直径不同的不同柱子P。示出了分别具有不同的直径D1、D2、D3、D4和D5的五个不同的柱子P1、P2、P3、P4和P5。本实用新型可以包括任意数量的直径不同的不同柱子P。例如，可以有≥2、≥3、≥4或≥5个彼此直径不同的不同柱子P。直径不同的柱子P可以与入射光相互作用以提供独特的电磁响应，例如光准直、成像、光像差校正以及分别聚焦光的每个偏振。

不同的直径可以与彼此非常不同以实现期望的光学效果。以下是最大直径柱子P5的直径D5和最小直径柱子P1的直径D1之间的示例关系，以实现上述目的：D5/D1≥1.5，D5/D1≥2，D5/D1≥3，或D5/D1≥4；和D5/D1≤6、D5/D1≤10或D5/D1≤25。每个应用和波长范围将具有不同的柱子P关系。直径D5和D1都是在近端PE和远端DE之间的中点测量的。如果柱子P不是圆形的(平行于基板11的表面)，则直径是从柱子P的一个边缘到柱子P的相对边缘的最小距离。

如图2和图4所示，外涂层21可以位于柱子P的远端DE。外涂层21可以跨越柱子P之间的间隙G。在紫外光谱，可见光谱、红外光谱或其组合范围内，外涂层21可以是透明的。外涂层21可以是固体的。外涂层21可以保护柱子P。

外涂层21可以通过溅射沉积形成。由于小间隙G，只有可忽略的外涂层21的量或没有外涂层21可到达柱子P之间的基板11。

外涂层21可以沿柱子P的侧壁部分地向下延伸。例如，外涂层21可以沿柱子P的侧壁向下延伸一段距离D，该距离D为≥5％，≥10％，≥25％，

≥50％，或≥75％的柱子P的厚度Th。作为另一个例子，外涂层21可以沿柱子P的侧壁向下延伸一段距离D，该距离D为≤25％、≤50％、≤75％或≤90％的柱子P的厚度Th。外涂层21沿超表面光学器件20的柱子P的侧壁向下延伸的距离D约为柱子P的厚度Th的20％，含可忽略不计的变化。

超表面光学器件40的缺点是外涂层21沿柱子P的侧壁向下延伸的距离D可能有很大的变化。这是超表面光学器件30中均匀的节距和大小可变间隙G的结果。侧壁上的外涂层21的距离D的这种大的变化会导致器件上的间隙G中的折射率的变化。这些变化会干扰期望的光学效果。

在超表面光学器件40上，外涂层21沿柱子P的侧壁向下延伸的平均距离D是柱子P的厚度Th的38％。外涂层21沿柱子P的侧壁向下延伸的距离D的变化是从3％到78％。

相比之下，外涂层21沿超表面光学器件20的柱子P的侧壁向下延伸的距离D的变化可忽略不计。侧壁上的外涂层21的这种可忽略的变化导致器件上的间隙G中填充外涂层的比例一致。这样可以更好地达到期望的光学效果。

距离D的可忽略变化是超表面光学器件10中大小均匀的间隙G和可变节距的结果。因此，在光学器件10和20中，对于每个柱子P之间的间隙G和最接近相邻柱子P(即最近的邻近柱子P)，柱子阵列是均匀的。

因此，通过设计均匀大小的间隙G，外涂层21可以沿柱子P的侧壁向下延伸一致的距离。例如，沿侧壁向下的外涂层21的该距离在器件上的变化，可以与沿侧壁向下的外涂层21的平均距离D相差+/-3％,+/-5％,+/-10％,或+/-15％。

因此，优选具有彼此间隔相等的柱子P的超表面光学器件10。可以实现外涂层21沿柱子P的侧壁向下延伸的距离D的最小变化的好处，然而，柱子P间距有一些小的变化。

以下是用于实现距离D的这种最小变化的示例间隙G关系：G1/G5≤1.2、G1/G5≤1.5、G1/G5≤2或G1/G5≤5；及G5/G1≤1.2,G5/G1≤1.5,G5/G1≤2,或G5/G1≤5。G1是最小直径的柱子P1和与P1最接近相邻柱子P之间的间隙。G5是最大直径的柱子P5和与P5最接近相邻柱子P之间的间隙。G1和G5被测量为在近端PE和远端DE之间的中点到最接近相邻柱子的最小直线路径。对于超表面光学器件10和20，G1/G5约等于1。对于超表面光学器件30和40，G1/G5约等于15。

外涂层21覆盖侧壁的距离D的减小变化可以通过调整柱子P之间的节距来实现。

超表面光学器件30和超表面光学器件40中的柱子P之间的节距大约相等。例如，柱子P1和邻近的柱子P2之间的节距P12与柱子P1和邻近的柱子P5之间的节距P15大致相同。超表面光学器件40由于均匀节距、可变间隙G而具有外涂层21沿着侧壁向下的距离D可变的缺点。

相比之下，在超表面光学器件10和20中，节距变化以实现外涂层21沿着侧壁向下的一致的距离D。相邻的较小柱子P之间的节距可以小于相邻的较大柱子P之间的节距。例如，P55/P11＝1.9，其中P55是两个最大柱子P5之间的节距，及P11是两个最小的柱子P1之间的节距。因此，两个最大柱子之间的节距P55可以比两个最小柱子之间的节距P11大至少1.2、至少1.5或至少2倍。

如图5-6所示，超表面光学器件50和60可以包括柱子P之间的填充材料51，该填充材料51可以填充柱子P之间的间隙G。在预期用途的波长范围内，例如紫外光谱、可见光谱、红外光谱或其组合范围内，填充材料51可以是透明的。填充材料51可以是固体。该填充材料51可以提供比外涂层21对柱子P更好的保护；但与外涂层21相比，填充材料51可能会损害器件的性能。

超表面光学器件50优于超表面光学器件60。超表面光学器件50在柱子P之间具有相等的间距。这可以导致柱子P之间的间隙G被填充的更均匀。间隙G可以被填充材料51完全填充。上述用于超表面光学器件20的柱子P的间距特性可以用于超表面光学器件50。

超表面光学器件60在邻近的柱子P之间具有相等的节距，但有不相等的间隙G。因此，可能存在缺少填充材料51的气隙/空隙61。原因是难以调整填充材料51的应用来填充宽的和窄的间隙G。

本段包括此处描述的超表面光学器件的组件的示例尺寸。每个柱子P可具有厚度Th≥100nm且≤2μm(见图2)。每个柱子P可具有≥25nm且≤750nm的直径D1、D2、D3、D4或D5(见图1和图3)。相邻柱子P的节距P11、P12、P15或P55可以≥75nm且≤2μm(见图1和图4)。外涂层21可以具有≥50nm且≤750nm的厚度T21(参见图2)。厚度Th和T21垂直于基板11测量。

本段包括此处描述的超表面光学器件的组件的示例材料。对于透明超表面光学器件，基板11可以包括玻璃、硅或两者。对于反射的超表面光学器件，基板11可以是金属的。例如，基板11可以包括铝。柱子P可以由与基板相同的材料制成，也可以由不同的材料制成。柱子P通常在使用的波长范围内是透明的。柱子P可以包括氧化铌、硅、玻璃、氮化硅、氧化钛或其组合。外涂层21通常在使用的波长范围内是透明的。外涂层21可以包括二氧化硅。

Claims (10)

1.一种超表面光学器件，其特征在于，所述超表面光学器件包括：

基板上的柱子阵列，包括彼此直径不同的柱子;

每个柱子都有最接近所述基板的近端和最远离所述基板的远端；和

位于所述柱子的所述远端的外涂层，所述外涂层跨越所述柱子之间的间隙，所述外涂层是透明的和固体的，或者是所述柱子之间的填充材料，填充所述柱子之间的间隙，所述填充材料是透明的和固体的。

2.根据权利要求1所述的超表面光学器件，所述超表面光学器件包括所述外涂层但不包括所述填充材料。

3.根据权利要求2所述的超表面光学器件，其中所述柱子阵列的最小直径的柱子与最接近相邻的柱子之间的节距小于所述柱子阵列的最大直径的柱子与最接近相邻的柱子之间的节距。

4.根据权利要求2所述的超表面光学器件，其特征在于，所述外涂层沿所述柱子的侧壁向下延伸，且所述外涂层在所述器件上沿所述侧壁向下延伸的距离变化与沿所述侧壁延伸的所述外涂层的平均距离相差+/-10％。

5.根据权利要求2所述的超表面光学器件，其特征在于，所述外涂层以沿所述柱子的侧壁向下延伸一段从所述远端至所述近端的≥5％且≤90％的距离。

6. 根据权利要求2所述的超表面光学器件，其特征在于：

D5/D1≥2，其中D5为最大直径柱子的直径，D1为最小直径柱子的直径，直径D5和直径D1都在所述近端与所述远端之间的中点测量；和

G1/G5≤1.5，其中G1是所述阵列的所述最小直径柱子与最接近相邻柱子之间的间隙，G5是所述阵列的所述最大直径柱子与最接近相邻柱子之间的间隙,间隙G1和间隙G5都在所述近端与所述远端之间的中点测量。

7.根据权利要求6所述的超表面光学器件，其特征在于，D5/D1≥3且G1/G5≤1.2。

8.根据权利要求2所述的超表面光学器件，其特征在于，相邻的最小柱子之间的节距小于相邻的最大柱子之间的节距。

9.根据权利要求2所述的超表面光学器件，其特征在于，P55/P11≥1.5，其中P55是彼此邻近的两个最大柱子之间的节距且P11是彼此邻近的两个最小柱子之间的节距。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的超表面光学器件，其特征在于，邻近的柱子之间的间隙大小均匀。