CN111316138B - 色散工程化介电超表面的宽带消色差平坦光学部件 - Google Patents

色散工程化介电超表面的宽带消色差平坦光学部件 Download PDF

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Abstract

提供了用于创建用基于超表面的衍射平面部件来替代光学元件的技术。在一个示例中，提供了一种基本平坦的光学部件，用于将具有至少一个波长和第一相位的传入电磁辐射透镜化为具有第二相位的传出电磁辐射。

Description

色散工程化介电超表面的宽带消色差平坦光学部件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年5月24日提交的美国临时申请序列No.62/510670的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。
政府支持声明
本发明是在政府支持下根据由国防高级研究计划局授予的合同编号HR0011-17-2-0017和由空军科学研究多学科大学研究院的合同编号FA9550-14-1-0389完成的。政府拥有本发明的某些权利。
背景技术
用衍射平面部件代替体光学元件可以解决光学设备的某些重量和尺寸限制。某些光学设备会因透镜色散而产生大的色差。超表面(metasurfaces)可以控制光学波前，因此可以用于实现平坦的超表面透镜。这样的透镜可以减小某些成像系统的尺寸和复杂性，并且实现新的成像模态。尽管超表面制造技术取得了进步，但由超表面透镜制成的某些光学设备仅在多个或选择的波长下工作。
一个挑战可能是形成在宽波长范围内产生相同焦距的消色差元透镜(achromaticmetalenses)。第二个挑战可能是形成在透射模式下工作于具有任意偏振态的入射光波的宽带消色差元透镜。另一个挑战可能是形成可以校正导致成像质量下降的单色像差的元透镜。仍然需要针对超表面透镜的改进的技术和系统，这样的技术和系统可以在宽波长范围内校正色差和单色像差、可以控制具有任意偏振态的光，并且可以在反射或透射任一种模式下工作。
发明内容
所公开的主题提供了一种用于用基于超表面的平面部件来代替体光学元件的技术。
在某些实施例中，提供了一种基本平坦的光学部件，用于将具有至少一个波长和第一相位分布的传入电磁辐射透镜化为具有第二相位分布的传出电磁辐射。在某些示例中，该光学部件由基板和至少一个超表面制成。在某些示例中，该光学部件由若干基板和若干超表面制成。超表面可以由多个元单元(meta-units)制成。每个元单元可以被定位成与至少一个不同的光学元单元的距离小于波长。
根据所公开的主题的一些实施例，该多个元单元中的每个元单元可以具有特定形状以衍射地散射电磁辐射。该多个元单元可以被配置为向宽带消色差超表面透镜提供光学相位和相位色散的范围。
在某些实施例中，该多个元单元可以由介电材料制成。该介电材料可以是例如硅、氮化硅、氮化镓或二氧化钛。在某些实施例中，该多个元单元可以由金属材料制成。该金属材料可以是例如铝、铜、银或金。
根据所公开的主题的另一个实施例，超表面由构图的膜层制成。膜层的厚度可以在100至10,000nm之间。可以用与互补金属氧化物半导体(CMOS)制造设施兼容的机械和技术来制造超表面。
根据所公开的主题的实施例，元单元可以部分或完全嵌入在基板中。元单元的高度可以变化。元单元可以沿着高度方向改变形状(例如，呈蘑菇形)。
所公开的主题还提供了用于实现上述技术的制造方法。制作用于将具有至少一个波长和第一相位分布的传入电磁辐射透镜化为具有第二相位分布的传出电磁辐射的基本平坦的光学部件的示例方法包括定位基板并在基板上形成至少一个超表面。制作基本平坦的光学部件的另一个示例方法包括在若干个基板上构图若干个超表面并将它们组装到堆叠中。
在一些实施例中，制造方法可以包括形成基板层和在基板层上厚度在100nm与10,000nm之间的构图的膜层。构图可以使用电子束光刻、光刻、深紫外线光刻或压印光刻。制造方法还可以包括将元单元部分或完全嵌入基板中。
附图说明
从以下结合附图进行的详细描述，本公开的其它特征和优点将变得显而易见，附图示出了本公开的说明性实施例，其中：
图1(a)示出了会聚透镜所需的相位图，图1(b)示出了(a)中标记的四个位置处的所需相位与波长的关系图，并且图1(c)示出了四个介电元单元的典型的相位与波长响应的关系图。
图2是构建消色差超表面透镜所需的相位色散曲线图。
图3是示出用于产生具有100μm的焦距、50μm的半径和0.9-1.6μm的工作波长范围的彩色超表面的相位偏移和相位色散的图。
图4图示了三个示例元单元库以及它们可以覆盖的相应相位偏移-色散空间。
图5(a)是示出样品元单元的角相位响应与波长的关系的全波模拟的示图。图5(b)是示出样品元单元的角相位响应与波长的关系的全波模拟的示图。图5(c)是示出样品元单元的角相位响应与波长的关系的全波模拟的示图。图5(d)是示出样品元单元的角相位响应与波长的关系的全波模拟的示图。
图6示出了直径为100μm且数值孔径(NA)为0.24的聚焦超表面透镜的测得的远场强度分布，其中(a)是纵向平面上的光强度分布与波长的关系图，并且(b)是焦平面上的光强度分布与波长的关系图。
图7示出了直径为200μm且数值孔径(NA)为0.12的聚焦超表面透镜的测得的远场强度分布，其中(a)是纵向平面上的光强度分布与波长的关系图，并且(b)是焦平面上的光强度分布与波长的关系图。
图8示出了直径为100μm且数值孔径(NA)为0.85的聚焦超表面透镜的测得的远场强度分布，其中(a)是纵向平面上的光强度分布与波长的关系图，并且(b)是焦平面上的光强度分布与波长的关系图。
图9示出了基于1400nm高的元单元的直径为100μm、焦距为100μm且数值孔径(NA)为0.44的聚焦超表面透镜的模拟远场强度分布，其中(a)是顶部面板中的焦平面上的光强度分布与波长的关系图，以及底部面板中的纵平面上的光强度分布与波长的关系图，并且(b)示出了沿着超表面透镜的轴线的光强度的线扫描与波长的关系。
图10示出了基于1400nm高的元单元的直径为100μm、焦距为20μm且数值孔径(NA)为0.93的聚焦超表面透镜的模拟远场强度分布，其中(a)是顶部面板中的焦平面上的光强度分布与波长的关系图，以及底部面板中的纵平面上的光强度分布与波长的关系图，并且(b)示出沿着超表面透镜的轴线的光强度的线扫描与波长的关系。
图11示出了直径为100μm、焦距为50μm且数值孔径(NA)为0.7的发散形超表面透镜的测得的远场强度分布，其中(a)是纵向平面上的光强度分布与波长的关系图，并且(b)是焦平面上的光强度分布与波长的关系图。
图12(a)示出了在选择的波长下直径为100μm且NA＝0.24的超表面透镜的焦平面强度分布(比例尺：5μm)，并且(b)示出了与理想的艾里(Airy)斑(虚曲线)相比的跨(a)中的对应测得焦斑的水平和垂直切口(实曲线)。
图13图示了对于四个实验演示的超表面透镜，焦距与波长的函数关系。
图14示出了三种实验演示的元透镜的聚焦效率。
图15(a)示出了对于四个实验演示的超表面透镜，提取的焦斑的半极大处全宽度(FWHM)，并且(b)示出了对于三个实验演示的超表面透镜，计算出的斯特列尔(Strehl)比。
图16示出了在近IR下工作的示例制造的超表面透镜的光学和SEM图像。
图17是在近IR下工作的示例超表面透镜的小区域的SEM图像。
图18是在近IR下工作的示例超表面透镜的小区域的SEM图像。
图19是在近IR下工作的示例超表面透镜的小区域的SEM图像。
图20是在近IR下工作的示例超表面透镜的小区域的SEM图像。
图21是在近IR下工作的示例超表面透镜的小区域的SEM图像。
图22是在近IR下工作的超表面透镜实例的小区域的SEM图像。
图23是在近IR下工作的示例超表面透镜的小区域的SEM图像。
图24是在近IR下工作的示例超表面透镜的小区域的SEM图像。
图25是在近IR下工作的示例超表面透镜的小区域的SEM图像。
图26是在近IR下工作的示例超表面透镜的小区域的SEM图像。
图27是示例芯片的光学显微镜图像，该芯片具有在石英基板上构图的多个非晶硅近IR超表面透镜。
图28是在石英基板上构图的示例近IR超表面透镜的光学显微镜图像。
图29(a)图示了用于校正由三个单独的元透镜组成的元透镜三元组中的色差和单色像差的示例技术，并且(b)示出了示例元透镜三元组。
图30示出了射线追踪结果，该结果表明图29中的元透镜三元组既可以校正色差又可以校正单色像差。
图31(a)-(c)是示例元透镜三元组的元件的光学图像。
图32是用于成像的示例组装的元透镜三元组。
图33示出了图32中所示的元透镜三元组的测得的远场强度分布，其中(a)是焦平面上的光强度分布与波长的关系图，并且(b)是纵平面上的光强度分布与波长的关系图。
图34示出了图32中示出的元透镜三元组在不同波长和几个入射角下在焦平面上的测得的强度分布。
图35示出了与衍射极限斑(虚曲线)相比，图34中示出的测得的强度分布的线扫描(实曲线)。
图36(a)-(e)示出了示例元透镜三元组的调制传递函数(MTF)。
图37(a)-(c)图示了在具有不同带宽的照射源下使用示例元透镜三元组对USAF分辨率目标的成像。
图38(a)-(b)示出了带有示例元透镜三元组的西门子星形和同心环的成像。
图39(a)-(c)示出了使用示例元透镜三元组对用宽带卤素灯照射的反射型物体进行成像。
图40示出了非晶硅(a-Si)超表面透镜的示例制造流程。
图41示出了半嵌入在电子束抗蚀剂PMMA中的TiO2元单元的示例制造流程。
图42是用于超表面透镜的蘑菇形超单元的示例制造流程。
图43是在单个光刻工艺中具有可变高度的TiO2元单元的示例制造流程。
图44是使用电子束敏感的TiO2溶胶-凝胶的TiO2元单元的示例制造流程。
图45是基于TiO2溶胶-凝胶的直接电子束刻写的示例制造的TiO2元单元的SEM图像。
图46是基于TiO2溶胶-凝胶的直接电子束刻写的示例制造的TiO2元单元的SEM图像。
图47是基于TiO2溶胶-凝胶的直接电子束刻写的示例制造的TiO2元单元的SEM图像。
图48是描绘示例光学设置的示意图。
应该理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例性的，并且旨在提供对所公开主题的进一步解释。
具体实施方式
本文描述的系统和方法提供了平坦的光学部件，以执行透镜的功能，而在连续和宽波长范围内没有色差，并且在光的入射角的特定范围内没有单色像差。所公开的主题可以包括超表面设备。在一些实施例中，所公开的主题可以具有薄的，即，具有接近或小于工作波长的厚度的表面，该表面由以亚波长距离间隔开的光学纳米散射体(“元单元”)构成。在某些实施例中，所公开的主题的形状和位置可以被设计为将传入光衍射地散射为期望的输出。
所公开的主题可以改变传出光波的相位。例如，可以将相位的空间分布设计为执行特定功能，并且超表面可以被工程化以提供该功能所需的相位。元单元可以由介电材料制成，诸如硅和二氧化钛，它们可以具有大的折射率但零或低的光学损耗。
图1(a)提供了会聚透镜所需的相位随距离透镜的中心的径向距离而变化的曲线图。对于由所提供的等式给出的自由参数C(λ)，绘制了三个波长：最短波长101(在顶部)、中间波长102(在中间)和最长波长103(在底部)。对于所有波长，r0处所需的相位可以为零。图1(b)提供了沿着透镜的半径在四个位置(图1(a)所示)处的所需相位与波长的关系图。最高曲线104具有最大的相位色散，第二高曲线105具有第二高的相位色散，第三高曲线106具有第三高的相位色散，并且最低曲线107具有最低的相位色散。利用这种对自由参数C(λ)的选择，位置#1-3的色散分布可以随着波长的增加而减小，这可以与由元单元提供的相位分布相匹配(如图1(c)所示))。最高曲线108具有最大的相位色散，第二高曲线109具有第二高的相位色散，第三高曲线110具有第三高的相位色散，并且最低曲线111具有最低的相位色散。下面的等式给出了宽带超表面透镜所需的相位分布：
Figure BDA0002365513150000081
Figure BDA0002365513150000082
在一些实施例中，可以修改用于超表面透镜的控制等式(其光学相位分布)内的自由度C(λ)，使得根据控制等式所需的相位色散可以与可由元单元自然实现的相位色散匹配。在一些实施例中，可以执行包括选择元单元和选择控制方程两者的误差最小化，以减少理想和可实现的超表面透镜之间的振幅和相位失配。例如，通过允许在元单元和控制方程两者之间进行可变选择，可以减小或最小化可实现的元单元与所选择的超表面透镜控制方程之间的误差。
图2图示了沿着示例性消色差超表面透镜的半径在四个位置处的相位色散分布200的图。最高曲线201具有最大的相位色散，第二高曲线202具有第二高的相位色散，第三高曲线203具有第三高的相位色散，并且最低曲线204具有最低的相位色散。线性分布可以通过相位偏移项(Φ0)和表示相位色散项的斜率
Figure BDA0002365513150000085
进行参数化。
图3出于图示而非限制的目的提供了焦距为100μm且半径为50μm且数值孔径(NA)为0.44的超表面透镜的相位偏移-色散要求空间图(由点覆盖的区域表示)。相位偏移可以包围在0-2π间隔内。自由参数C(ω)由给定方程给出，其中r0＝50μm。
Figure BDA0002365513150000083
Figure BDA0002365513150000084
where r0＝50μm (7)
图4(a)示出了三个元单元库以及它们可以覆盖的相位偏移-色散空间。每个库都包含几个元单元原型，每个原型表示由原型的基本形状组成的元单元的子类，但具有不同的平面内几何参数。假定这些元单元由非晶硅制成，并在石英基板上进行构图。在相位偏移-色散空间中，对于所选择的带宽Δω(即，λ＝1.2-1.6μm)，x轴是最低频率(或最大波长，λ＝1.6μm)的相位，并且y轴是相位色散，ΔΦ＝dφ/dω×Δω。元单元库1包含单一(singular)柱、环形柱和同心环。元单元的高度为800nm。注意的是，与仅采用常规选择的单一柱相比，相位色散空间的大覆盖范围。元单元库2具有与元单元库1相同的三个元单元原型，但元单元的高度增加到1,400nm。所实现的色散的范围几乎加倍。元单元库3保持与元单元库2相同的高度，但切换为具有四重对称而非旋转对称的原型。这种切换将原型的数量扩展到包括十字架和内刻的十字架。相位-色散空间的覆盖范围进一步提高。图4(b)示出了具有非常不同的光学相位色散的五个示例性元单元。元单元是有效的截短波导。图4(b)的第一行中示出的第一个元单元是最分散的元单元类型：变短的波长与作为具有中等半径的杆的元单元重叠非常好，而最长的波长没有那么好的重叠。这产生了非常分散的相位响应。图4(b)的第五行中示出的最后一个元单元是色散最小的元单元：所有波长都与小的圆形环的元单元横截面具有类似的模态重叠。
所公开的主题可以引入一系列新颖的元单元结构，并且可以利用它们来提供宽带功能所需的相位色散。在一些实施例中，元单元可以位于超表面透镜的中心的远侧，并且以大角度对焦斑做出贡献。
图5示出了几个示例性元单元的角相位响应。可以通过平面波在垂直于基板的表面的方向上激发元单元。可以在以元单元为中心的半圆处监视前向散射光的相位，并且该圆的半径可以是波长的许多倍(远场模式)。可以用θ来指示不同的观察角度。每个角响应图都示出了由元单元散射的光的波前不是球形形状的：沿着基板法线方向(θ＝0)的相位响应可能不同于沿着θ＝45度方向的相位响应。可以根据它们在超表面透镜上的位置及其角相位响应来选择元单元。
所公开的主题可以包括多角度超表面。对于不同的入射角，多角度超表面可以具有不同的超表面响应。在一些实施例中，可以利用所公开的主题来去除焦平面像差，以将太阳光线聚集到一个斑块或捕获小占位面积的芯片上检测器的所有入射角。
图6为了图示而非限制示出了直径为100μm且数值孔径(NA)为0.24的聚焦超表面透镜的测得的远场强度分布。图6(a)是纵向平面上测得的光强度分布，其示出了在宽波长范围内的消色差聚焦。图6(b)是在焦平面上测得的光强度分布，其示出了在宽波长范围内获得衍射受限的焦斑。
图7示出了直径为200μm且数值孔径(NA)为0.12的聚焦超表面透镜的远场强度分布。图7(a)是纵向平面上测得的光强度分布，其示出了宽波长范围内的消色差聚焦。图7(b)是在焦平面上测得的光强度分布，其示出了在宽波长范围内获得衍射受限的焦斑。
图8示出了直径为100μm且数值孔径(NA)为0.85的聚焦超表面透镜的测得的远场强度分布。图8(a)是纵向平面上测得的光强度分布，其示出了在λ＝1,200-1,400nm波长范围内的消色差聚焦。图8(b)是焦平面上测得的光强度分布，其示出了在λ＝1,200-1,400nm波长范围内获得衍射受限的焦斑。
图9示出了基于1400nm高的元单元的直径为100μm、焦距为100μm且数值孔径(NA)为0.44的聚焦超表面透镜的模拟远场强度分布。模拟是用时域有限差分技术进行的。图9(a)的顶部面板是焦平面上的模拟光强度分布，其示出了在宽范围波长范围内获得衍射受限的焦斑。图9(a)的底部面板是在纵向平面上的模拟光强度分布，其示出了在宽波长范围内的消色差聚焦。图9(b)是沿着超表面透镜的轴线的光强度的线扫描，其示出了在宽波长范围内的消色差聚焦。
图10示出了基于1400nm高的元单元的直径为100μm、焦距为20μm且数值孔径(NA)为0.93的聚焦超表面透镜的模拟远场强度分布。图10(a)的顶部面板中的焦平面上的模拟光强度分布，其示出了在宽波长范围内获得衍射受限的焦斑。图10(a)的底部面板是纵向平面上的模拟光强度分布，其示出了在宽波长范围内的消色差聚焦。图10(b)是沿着超表面透镜的轴线的光强度的线扫描，其示出了在宽波长范围内的消色差聚焦。
图11示出了直径为100μm、焦距为50μm且数值孔径(NA)为0.7的发散形超表面透镜的测得的远场强度分布。测得的焦斑是波前起源的超表面之后的虚拟斑块。图11(a)是纵向平面上测得的光强度分布，其示出了在宽波长范围内的消色差性能。图11(b)是焦平面上测得的光强度分布，其示出了在宽波长范围内获得衍射受限的虚拟焦斑。
图12(a)示出了在选择的波长下直径为100μm且NA＝0.24的超表面透镜的测量的焦平面强度分布。图12(b)是与理想的艾里斑相比，图12(a)中测得的焦斑上的水平和垂直切口，其示出了焦斑是衍射受限的。
图13是对于四个实验演示的超表面透镜，焦距与波长的函数关系，其示出了在整个设计带宽内，平均焦距的最大偏移被限制为2％至5％，并且指示超表面透镜能够校正色差。第一曲线1301具有最大的Z值，第二曲线1302具有第二大的Z值，第三曲线1303具有第三大的Z值，并且第四曲线1304具有最低的Z值。
图14是三种实验演示的元透镜的测得的聚焦效率。第一曲线1401具有最大的聚焦效率，第二曲线1402具有第二大的峰值聚焦效率，并且第三曲线1403具有最低的峰值聚焦效率。在一些实施例中，可以量化透射效率和聚焦效率。超表面透镜的透射效率可以被定义为
Figure BDA0002365513150000111
因此，确定投射效率涉及测量通过超表面透镜(即，被硅超表面结构覆盖的石英基板)的区域投射的光功率和仅通过与超表面透镜相同面积的石英基板投射的光功率。
在一些实施例中，超表面透镜的聚焦效率可以被定义为：
Figure BDA0002365513150000121
因此，确定聚焦效率涉及测量集中在具有大约焦斑的FWHM的三倍的直径的焦平面上的圆形光圈上的光功率，以及通过超表面透镜的区域透射的光功率。
图15(a)是对于四个实验演示的超表面透镜，提取的焦斑的半极大处全宽度(FWHM)。直线表示理论上的FWHM。图15(a)包含三条曲线。第一曲线1501具有最大的FWHM值，第二曲线1502具有第二大的FWHM值，并且第三曲线1503具有第三大的FWHM值。图15(b)包含三条曲线。第一曲线1504具有最大的斯特列尔比，第二曲线1505具有第二大的斯特列尔比，并且第三曲线1506具有第三大的斯特列尔比。图15(b)是三个实验演示的超表面透镜的计算出的斯特列尔比。对于所有波长，该值都在0.8左右或以上，满足衍射受限的焦斑的条件。
图16(a)是在近IR下工作的示例制造的超表面透镜的光学图像。图16(b)-(d)是在近IR下工作的示例超表面透镜的区域的扫描电子显微镜(SEM)图像。图17是在近IR下工作的示例超表面透镜的区域的SEM图像。图18-21是在近IR下工作的示例超表面透镜的区域的SEM图像。图22、23是在近IR中工作的示例超表面透镜的区域的SEM图像。图24-26是在近IR下工作的示例超表面透镜的区域的SEM图像。所有这些示例性超表面透镜均由在石英基板上构图的非晶硅制成。
图27提供了示例芯片的光学显微镜图像，该芯片具有在石英基板上构图的多个非晶硅近IR超表面透镜。透镜的直径均为300μm。图28提供了在石英基板上构图的非晶硅近IR超表面透镜的光学显微镜图像。
图29(a)示出了用于校正由三个单独的元透镜组成的元透镜三元组中的色差和单色像差的优化方案。光线追踪方法用于优化元透镜三元组。优化的目标是在各种入射角和波长下将焦平面处的光斑尺寸最小化。每个超表面的相位分布由具有5个参数的偶数阶多项式指定，因此总共使用15个参数进行优化。以下等式描述了相位分布：
Figure BDA0002365513150000131
图29(b)示出了元透镜三元组的一种特定实现的三个超表面的相位分布。第一相位分布由大的U形曲线2901给出，第二相位分布由小的倒U形曲线2902给出，并且第三相位分布由大的倒U形曲线2903给出。该特定实现的参数在图下方列出。
图30是射线追踪结果，其示出了在三个示例性入射角和三个操作波长下元透镜三元组的良好性能。具有操作波长1.2μm3000的最左侧图形包含树状示例性入射角。最高的3001为25度；中间的3002为0度；并且最低的3003为18度。具有操作波长1.4μm 3004的中间图形包含树状示例性入射角。最高的3005为25度；中间的3006为0度；并且最低的3007为18度。具有操作波长1.6μm3008的最左侧图形包含树状示例性入射角。最高的3009为25度；中间的3010为0度；并且最低的3011为18度。图31(a)-(c)是使用电子束光刻制造的超表面三元组的三个元件的光学图像，并且图32是组装的三元组的光学图像。
图33示出了图32中示出的元透镜三元组的测量的远场强度分布。焦平面上测得的光强度分布显示在顶部面板中，其示出了焦斑在宽波长范围内是衍射受限的。纵向平面上测得的光强度显示在底部面板中，其示出了在λ＝1.3-1.6μm的波长上的焦距约为5mm。图34是图32中所示的元透镜三元组在不同波长和几个入射角下在焦平面上测得的强度分布。结果显示，高达20度的入射角，焦斑几乎没有变形，这表明很好地抑制了单色像差。当入射角增加到25度时，对于最短的波长，焦斑开始显示变形。图35中所示的焦斑的线扫描示出了相同的情况。可以通过对所测量的焦斑进行傅里叶变换来计算元透镜三元组的调制传递函数(MTF)，结果在图36中示出。图36(a)-(d)是在四个波长下计算的MTF。图36(e)是在若干个入射角下在1.3至1.6μm波长范围内积分的MTF。与入射角度增加的衍射受限情况的MTF相比，MTF曲线不会显著降低，这表明单色像差得到了抑制。
图37(a)-(b)示出了使用元透镜三元组对USAF分辨率目标成像的结果。图37(a)是在目标用具有约λ＝1550nm的非常窄线宽的二极管激光器照射时拍摄的图像。图37(b)是在目标用宽带卤素灯照射时拍摄的图像，该宽带卤素灯发射从λ＝700nm至1700nm的宽带近IR辐射。对这两个图像的比较显示，用二极管激光器拍摄的图像更清晰，但是使用卤素灯时的降级并不明显。这表明元透镜三元组可以校正色差。图37(c)是实验设置的示意图。该设置包括光纤耦合器3701、所得图像3702、三元组3703、后焦平面3704、10x物镜3705和在近IR3706中操作的相机。
图38示出了使用元透镜三元组对西门子星形和同心环成像的结果。图38(a)是在目标用λ＝1550nm处发射的二极管激光器照射时拍摄的图像。图38(b)是在目标用宽带卤素灯照射时拍摄的图像。当使用卤素灯时图像的降级不明显，其表明元透镜三元组可以校正色差。图39(a)-(b)示出了使用元透镜三元组对用宽带卤素灯照射的反射型物体成像的结果。图39(a)是在A4纸上打印的ColumbiaEngineering徽标的图像。视场约为±15度。图39(b)是在A4纸上打印的USAF分辨率目标的图像。视场也约为±15度。图像的清晰特征表明单色像差已被抑制。图39(c)是实验设置的示意图。该设置包括所得图像3901、光纤耦合器3902、三元组3903、后焦平面3904、10x物镜3905和在近IR3906中操作的相机。
图40图示了基于非晶硅(a-Si)并在近IR下操作的超表面透镜4000的示例制造流程。可以利用与互补金属氧化物半导体(CMOS)制造设施兼容的工艺来进行制造。使用的材料可以包括在所期望的带宽内操作的任何CMOS兼容低损耗介电材料。这可以选择位于二氧化硅基板上的非晶硅纳米结构。在4001处，可以通过化学气相沉积将a-Si膜生长在二氧化硅基板上至100到10,000nm的高度。在4002处，电子束光刻(可泛化为光学光刻、深UV光刻或纳米压印光刻)可以用于将设计的超表面图案构图在可通过标准的旋转沉积技术沉积到a-Si层顶部的抗蚀剂层(聚(甲基丙烯酸甲酯)或PMMA)中。在4003处，可以通过在0至10摄氏度之间的温度下浸入到异丙醇和蒸馏水(比例为3:1至6:4)的显影溶液中达1至3分钟的时间来显影图案。在4004处，可以通过物理气相沉积将诸如氧化铝或二氧化硅的蚀刻掩模材料沉积至10至50nm之间的厚度。在4005处，可以通过将剩余的抗蚀剂层在诸如丙酮或N-甲基-2-吡咯烷酮的有机溶剂中在25至90摄氏度之间的温度下溶解达1-12小时之间的时间来剥离图案。在4006处，保留在a-Si层顶上的材料可以是通过电子束光刻确定的蚀刻掩模。可以通过反应性离子蚀刻将该图案转移到a-Si层中，从而在通过湿化学工艺去除蚀刻掩模层的可选工艺之后，产生由二氧化硅基板上的硅超表面组成的最终设备。
在一些实施例中，公开了元单元的制造。图41提供了用于超表面透镜的TiO2元单元(紫色)的示例制造流程。在4101处，旋涂一层电子束抗蚀剂，例如，PMMA950k。接下来4102处，施加电子束曝光以限定超表面透镜图案。在4103处，使用原子层沉积(ALD)沉积TiO2。在4104处，使用蚀刻来平坦化设备的表面。在4105处，使用部分氧等离子体蚀刻来去除PMMA层。由于部分地嵌入PMMA抗蚀剂层中以获得机械稳定性，因此在该方案中可以允许更高的纵横比TiO2元单元。暴露于空气的元单元的部分可以具有大的折射率对比度，从而与纯嵌入在PMMA抗蚀剂中的元单元相比，在相移-色散空间中产生大的覆盖范围。具有部分嵌入的元单元可以允许整体上更高的结构，从而与完全去除抗蚀剂相比，在相移-色散空间中产生更大的覆盖范围。
图42提供了用于超表面透镜的蘑菇形TiO2元单元(紫色)4200的示例制造流程。单个电子束写入过程可以与提供正交显影化学物质的两个电子束抗蚀剂层一起使用。在4201处，旋涂由PMMA950k和ZEP组成的双层电子束抗蚀剂。在4202处，用不同的剂量在具有不同大小的两个区域上施加二进制电子束曝光。在4203处，使用MIBK和IPA去除部分电子束抗蚀剂。在4204处，沉积TiO2，并且将设备的表面平坦化。在4205处，化学去除ZEP。在一些实施例中，MIBK/IPA的显影剂比率可以为1:3，其中顶层(ZEP)可以以比底层(PMMA)所需的剂量低的剂量显影。这可以允许在单个光刻工艺中制造3D形状，并且在每层中具有可变的横截面(受约束，使得顶层的横截面大于底层的横截面)。
图43图示了在单个光刻过程中具有可变高度的TiO2元单元的示例制造流程。在4301处，提供石英基板。在4302处，旋涂单层电子束抗蚀剂PMMA，并烘烤该层。在4303处，使用采用超表面透镜图案的电子束曝光的过程。在4304处，使用在IPA/去离子水中的显影工艺来去除暴露的电子抗蚀剂。在4305处，使用原子层沉积(ALD)来沉积TiO2层。在4306处，连续沉积TiO2并导致设备的表面的平坦化。可以应用“灰度”光刻方法来实现具有可变深度的抗蚀剂(在这种情况下为PMMA)的模具。这可以允许以类似于图42中所示的蘑菇形元单元的方式的垂直自由度。
图44提供了使用电子束敏感的TiO2溶胶-凝胶的TiO2元单元的示例制造流程。在4401处，提供石英基板。接下来4402处，旋涂并烘烤单层TiO2溶胶凝胶。在4403处，使用采用超表面透镜的电子束曝光的过程。在4404处，使用丙酮/IPA中的显影工艺。在4405处，使设备退火以去除有机成分。溶胶-凝胶的行为类似于负性抗蚀剂，其中电子束暴露的区域变得不溶于丙酮。显影后退火可导致形成TiO2纳米结构。退火工艺会由于有机化学物质的蒸发而导致纳米结构的收缩。对于该制造工艺，可以避免沉积或蚀刻。
在一些实施例中，可以通过在室温和低湿度的环境下在乙醇溶剂中混合等摩尔比的金属醇盐前体钛(IV)正丁醇钛Ti(OBun)4与β-二酮1-苯甲酰基丙酮(BzAc)来合成电子束敏感的TiO2溶胶-凝胶。BzAc可以稳定Ti(OBun)4，从而降低其水解反应性并与其形成螯合环。当螯合环由于暴露于电子束而破裂时，可使溶胶-凝胶不溶于丙酮等有机溶剂。通过在300℃至500℃的温度范围内退火，可以将所得的溶胶-凝胶纳米结构转化为纯TiO2。其它合成方法可以包括向先前的溶液中添加冰醋酸以防止在老化工艺中沉淀。
图45提供了基于TiO2溶胶-凝胶的直接电子束刻写的示例制造的TiO2元单元的SEM图像。在硅基板上制造具有2μm臂和2μm高程(period)的十字形结构。该图像于2017年4月30日下午2:59:17拍摄，并且具有以下值：HV＝10.00kV；斑块＝2,0；det＝TLD；模式＝SE；mag＝20,000x；6.35μm；WD＝5.1mm。
图46提供了基于TiO2溶胶-凝胶的直接电子束刻写的制造的TiO2元单元的SEM图像。在硅基板上制造以30°观察时具有2μm臂和2μm高程的十字形结构。该图像于2017年4月30日下午3:20:13PM拍摄，并且具有以下值：HV＝10.00kV；斑块＝2,0；det＝TLD；模式＝SE；mag＝20,000x；6.35μm；WD＝5.3mm。
图47提供了基于TiO2溶胶-凝胶的直接电子束刻写的制造的TiO2的元单元的SEM图像。每个元单元是我们的元单元库的独特元件。该图像于2017年5月11日下午19:02:36拍摄，并且具有以下值：EHT＝15.00kV；信号A＝InLens；WD＝3.1mm；Mag＝20.01KX；Vac状态＝就绪；喷枪真空度＝7.53e-010mbar；并且系统真空度＝3.14e-006mbar。
在所公开主题的示例性实施例中，提供了用于描绘光学设置的示意图。参考图48，出于图示而非限制的目的，设置4800可以包括NIR相机4801、光圈4802、管透镜4803、翻转镜4804、透镜4805和功率计4806，所有这些均已安装到电动台4807上。也可以包括元透镜4808和光纤耦合器4809。在一些实施例中，NIR相机4801吸收必须首先穿过光纤耦合器4809，然后穿过元透镜4808，然后穿过管透镜4803，最后穿过光圈4802的光。在一些实施例中，翻转镜4804允许将来自透镜4805的光传递到功率计4806，以进行效率测量。
本文的描述仅图示了所公开主题的原理。根据本文的教导，对所描述的实施例的各种修改和变更对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本文的公开旨在是说明性的而非限制所公开主题的范围。

Claims (20)

1.一种基本平坦的光学部件系统，用于将具有至少一个波长和第一相位的传入电磁辐射透镜化为具有第二相位的传出电磁辐射，所述光学部件包括：
基板；以及
至少一个超表面，耦合到所述基板，所述至少一个超表面包括多个光学元单元以将至少所述第一相位改变为所述第二相位，其中所述多个光学元单元包括单一柱、环形柱和同心环的混合；
其中所述多个光学元单元中的每个光学元单元被定位成与至少不同的光学元单元的距离小于所述波长；
其中所述平坦的光学部件适于跨所述波长校正色差和单色像差两者。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述多个元单元中的每个元单元包括具有用于衍射地散射所述电磁辐射的形状的元单元。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述形状包括具有一个或多个变化的几何参数的原型形状。
4.如权利要求2所述的系统，其中所述多个元单元中的每个元单元被配置为向宽带消色差超表面透镜提供一定范围的光学相位偏移和相位色散。
5.如权利要求2所述的系统，其中所述多个元单元中的每个元单元被配置为向宽带消色差超表面透镜提供一定范围的散射振幅。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述多个元单元中的每个元单元包括介电材料。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述介电材料选自包括硅、氮化硅、氮化镓和二氧化钛的组。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个超表面包括两个或更多个超表面。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述两个或更多个超表面适于校正单色像差。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个超表面包括第一层和第二层。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述第一层包括第一几何形状和第一材料，并且所述第二层包括第二几何形状和/或第二材料。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个超表面的特征在于变化的厚度。
13.一种制造基本平坦的光学部件的方法，所述光学部件用于将具有至少一个波长和第一相位的传入电磁辐射透镜化为具有第二相位的传出电磁辐射，所述方法包括：
定位基板；以及
在包括多个光学元单元的所述基板上形成至少一个超表面，以将至少所述第一相位改变为所述第二相位，其中所述多个光学元单元包括单一柱、环形柱和同心环的混合；
其中所述多个光学元单元中的每个光学元单元被定位成与至少不同的光学元单元的距离小于所述波长；
其中所述平坦的光学部件适于跨所述波长校正色差和单色像差两者。
14.如权利要求13所述的方法，其中该形成包括形成基板层和在所述基板层上形成厚度在100nm与100,000nm之间的构图的膜层。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述构图选自包括使用电子束光刻、光学光刻、深紫外线光刻和压印光刻的组。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述形成包括堆叠两个或更多个构图的膜层。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述元单元选自包括硅、氮化硅、氮化镓或二氧化钛的组。
18.如权利要求13所述的方法，其中该形成还包括将所述元单元部分地嵌入在所述基板中。
19.如权利要求13所述的方法，其中所述元单元包括沿着至少高度方向具有变化的形状的元单元。
20.如权利要求13所述的方法，其中所述元单元的高度变化。
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