CN113325502A - 超颖光学器件和包括该超颖光学器件的电子装置 - Google Patents

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CN113325502A CN202110181041.5A CN202110181041A CN113325502A CN 113325502 A CN113325502 A CN 113325502A CN 202110181041 A CN202110181041 A CN 202110181041A CN 113325502 A CN113325502 A CN 113325502A
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Abstract

提供了一种超颖光学器件，包括：第一层，包括多个第一纳米结构和第一材料，第一材料被设置为与多个第一纳米结构相邻；第二层，设置在第一层上，第二层包括多个第二纳米结构和第二材料；第二材料被设置为与多个第二纳米结构相邻，其中，第一层和第二层包括在第一方向上的有效折射率变化率的符号彼此相反的区域，以及其中，超颖光学器件被配置为获得相对于预定波段的入射光的目标相位延迟分布。

Description

超颖光学器件和包括该超颖光学器件的电子装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年2月28日在美国专利商标局递交的美国临时申请62/982,892的优先权，并且要求于2020年8月25日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请10-2020-0107402的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文中。
技术领域
本公开的示例实施例涉及一种超颖光学器件和包括该超颖光学器件的电子装置。
背景技术
利用超颖结构的平面衍射器件可以表现出现有技术的折射器件无法实现的各种光学效果，并且可以实现薄的光学系统，使得在许多领域中对平面衍射器件的兴趣正在增加。
超颖结构具有其中小于入射光的波长的数值被应用于形状、周期等的纳米结构，并且该纳米结构被设计为相对于期望的波段的光满足针对每个位置设置的相位延迟分布(phase delay profile)，从而实现期望的光学性能。当在相位延迟分布中出现不连续性时，光衍射会发生在意想不到的方向，这会降低光效率。
发明内容
一个或多个示例实施例提供了一种作用在宽带上并展现出高效率的超颖光学器件。
一个或多个示例实施例还提供了一种利用超颖光学器件的电子装置。
附加方面部分地将在接下来的描述中进行阐述，且部分地将通过该描述而变得清楚明白，或者可以通过实践本公开的示例实施例而获知。
根据示例实施例的一方面，提供了一种超颖光学器件，包括：第一层，包括多个第一纳米结构和第一材料，第一材料被设置为与多个第一纳米结构相邻；第二层，设置在第一层上，第二层包括多个第二纳米结构和第二材料，第二材料被设置为与多个第二纳米结构相邻，其中，第一层和第二层包括在第一方向上的有效折射率变化率的符号彼此相反的区域，以及其中，超颖光学器件被配置为获得相对于预定波段的入射光的目标相位延迟分布。
第一层的在第一方向上的色散变化率与有效折射率变化率的第一比率可以不同于第二层的在第一方向上的色散变化率与有效折射率变化率的第二比率。
目标相位延迟分布相对于预定波段的波长可以具有为0的色散。
第一层的相位延迟分布和目标相位延迟分布可以在第一方向上具有相同符号的变化率。
第二层的在第一方向上的色散变化率与有效折射率变化率的第二比率可以大于第一层的在第一方向上的色散变化率与有效折射率变化率的第一比率。
第二层中包括的材料可以具有比第一层中包括的材料大的色散。
第一层的第一相位延迟分布和第二层的第二相位延迟分布可以在第一方向上具有与位置变化相对应的相反符号的变化率。
目标相位延迟分布可以是在预定波段中相对于超颖光学器件的位置的连续函数。
多个第一纳米结构和多个第二纳米结构可以为柱状。
多个第一纳米结构和多个第二纳米结构可以具有大于2的高宽比。
多个第一纳米结构的第一高度和多个第二纳米结构的第二高度可以大于预定波段的中心波长。
多个第一纳米结构可以具有比第一材料高的折射率，其中，多个第二纳米结构可以具有比第二材料高的折射率，并且多个第一纳米结构的宽度的变化图案和多个第二纳米结构的宽度的变化图案可以沿远离超颖光学器件的中心的方向彼此相反。
多个第一纳米结构可以具有比第一材料低的折射率，其中，多个第二纳米结构具有比第二材料高的折射率，并且多个第一纳米结构的宽度的变化图案和多个第二纳米结构的宽度的变化图案可以沿远离超颖光学器件的中心的方向相同。
多个第一纳米结构可以具有内柱和壳柱，其中壳柱与内柱相邻。
内柱的折射率可以低于壳柱的折射率。
壳柱的折射率可以高于第一材料的折射率。
多个第二纳米结构可以具有比第二材料高的折射率。
多个第一纳米结构的宽度的变化图案和多个第二纳米结构的宽度的变化图案可以沿远离超颖光学器件的中心的方向彼此相反。
多个第二纳米结构可以具有比第二材料低的折射率。
多个第一纳米结构的宽度的变化图案和多个第二纳米结构的宽度的变化图案可以沿远离超颖光学器件的中心的方向彼此相同。
多个第一纳米结构可以是多个孔。
多个第二纳米结构可以具有比第二材料高的折射率。
多个第一纳米结构的多个孔的宽度的变化图案和多个第二纳米结构的多个孔的宽度的变化图案可以沿远离超颖光学器件的中心的方向彼此相同。
多个第二纳米结构可以具有比第二材料低的折射率。
多个第一纳米结构的多个孔的宽度的变化图案和多个第二纳米结构的多个孔的宽度的变化图案可以沿远离超颖光学器件的中心的方向彼此相反。
超颖光学器件还可以包括：支撑层，被配置为支撑第一层和第二层。
超颖光学器件还可以包括：在第一层与第二层之间的间隔层。
目标相位延迟分布相对于预定波段中的光的波长可以具有小于0的色散。
目标相位延迟分布相对于预定波段中的光的波长可以具有大于0的色散。
超颖光学器件可以是镜头。
超颖光学器件可以是光束偏转器。
超颖光学器件可以是光束整形器。
预定波段可以在400nm至700m的范围内。
超颖光学器件的区域在第一方向上的长度与该超颖光学器件在第一方向上的总长度的比率可以大于或等于80％。
超颖光学器件的衍射效率相对于预定波段中的光可以大于或等于0.8。
根据示例实施例的另一方面，提供了一种电子装置，包括：成像镜头组件，包括至少一个折射镜头和超颖光学器件，超颖光学器件包括：第一层，包括多个第一纳米结构和第一材料，第一材料被设置为与多个第一纳米结构相邻；第二层，设置在第一层上，第二层包括多个第二纳米结构和第二材料，第二材料被设置为与多个第二纳米结构相邻，其中，第一层和第二层包括在第一方向上的有效折射率变化率的符号彼此相反的区域，以及其中，超颖光学器件被配置为获得相对于预定波段的入射光的目标相位延迟分布；以及图像传感器，被配置为将由成像镜头组件形成的光学图像转换成电信号。
根据示例实施例的另一方面，提供了一种电子装置，包括：光源；超颖光学器件，被配置为对来自光源的光进行调制并将其传输到对象，超颖光学器件包括：第一层，包括多个第一纳米结构和第一材料，第一材料被设置为与多个第一纳米结构相邻；第二层，设置在第一层上，第二层包括多个第二纳米结构和第二材料，第二材料被设置为与多个第二纳米结构相邻，其中，第一层和第二层包括在第一方向上的有效折射率变化率的符号彼此相反的区域，以及其中，超颖光学器件被配置为获得相对于预定波段的入射光的目标相位延迟分布；以及光检测器，被配置为感测从对象反射的光，对象被来自超颖光学器件的调制光照射。
根据示例实施例的另一方面，提供了一种超颖光学器件，包括：第一层，包括多个第一纳米结构和第一材料，第一材料被设置为与多个第一纳米结构相邻；第二层，设置在第一层上，第二层包括多个第二纳米结构和第二材料，第二材料被设置为与多个第二纳米结构相邻，其中，第一层和第二层包括在第一方向上的有效折射率变化率的符号彼此相反的区域，以及其中，多个第一纳米结构的宽度的变化图案和多个第二纳米结构的宽度的变化图案在远离超颖光学器件的中心的方向上彼此相同或相反。
附图说明
根据以下结合附图的描述，示例实施例的的上述和/或其它方面、特征以及优点将更清楚，在附图中：
图1是示出了根据示例实施例的超颖光学器件的示意性结构和功能的概念图；
图2是示出了构成根据示例实施例的超颖光学器件的多个层的示意性配置的平面图；
图3是示出了设置在图1的超颖光学器件中的相位延迟层针对每个波长和位置的有效折射率和色散的曲线图；
图4是示出了设置在图1的超颖光学二器件中的色散调整层针对每个波长和位置的有效折射率和色散的曲线图；
图5是示出了图1的超颖光学器件的每个波长的相位延迟分布的曲线图；
图6是示出了根据示例实施例的超颖光学器件的示意性结构的横截面图；
图7A和图7B是示出了可以在图6的超颖光学器件中采用的纳米结构的形状的透视图；
图8是示出了根据另一示例实施例的超颖光学器件的示意性结构的横截面图；
图9是示出了根据另一示例实施例的超颖光学器件的示意性结构的横截面图；
图10A和图10B是示出了可以在图9的超颖光学器件的第一层中采用的第一纳米结构的形状的平面图；
图11是示出了根据构成图9的超颖光学器件的第一层的第一纳米结构的详细尺寸的相位延迟的曲线图；
图12和图13是示出了图9的超颖光学器件的衍射效率的曲线图；
图14是示出了根据另一示例实施例的超颖光学器件的示意性结构的横截面图；
图15是示出了根据另一示例实施例的超颖光学器件的示意性结构的横截面图；
图16是示出了根据构成图15的超颖光学器件的第一层的第一纳米结构的详细尺寸的相位延迟的曲线图；
图17是示出了图15的超颖光学器件的衍射效率的曲线图；
图18是示出了根据另一示例实施例的超颖光学器件的示意性结构的横截面图；
图19是示出了根据另一示例实施例的超颖光学器件的每个波长的相位延迟分布的曲线图；
图20是示出了根据另一示例实施例的超颖光学器件的每个波长的相位延迟分布的曲线图；
图21是示出了根据示例实施例的电子装置的示意性结构的框图；
图22是示出了包括在图21的电子装置中的相机模块的示意性配置的框图；以及
图23是示出了包括在图21的电子装置中的三维(3D)传感器的示意性配置的框图。
具体实施方式
现在详细参考示例实施例，在附图中示出了实施例的示例，其中，贯穿附图相似的附图标记表示相似的元件。在这点上，示例实施例可以具有不同的形式，并且不应当被解释为受限于本文中阐明的描述。因此，下面仅通过参考附图描述示例实施例，以解释各个方面。本文中所使用的术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或多个的任意和所有组合。称为“......中的至少一个”之类的表述在元件列表之后时修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单独元件。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应被理解为仅包括a、仅包括b、仅包括c、a和b两者、a和c两者、b和c两者、或者a、b和c中的所有。
在下文中，将参考附图来详细描述示例实施例。所描述的示例实施例仅仅是示例性的，并且可以根据这些示例实施例进行各种修改。在下面的附图中，为了清楚起见和便于说明，附图中每个组件的大小可能会被放大。
在下文中，被描述为“上”或“在......上”不仅可以包括直接在......之上，而且可以包括在......上方而不接触。
诸如“第一”和“第二”之类的术语可用于描述各种组件，但仅用于将一个组件与其他组件区区分开来的目的。这些术语不限制组件的材料或结构上的差异。
除非另外指定，否则单数形式的术语可以包括复数形式。而且，当部件“包括”组件时，这意味着，除非另外特别说明，否则它还可以包括其他组件而不是排除其他组件。
另外，说明书中所描述的术语“部件”、“模块”等是指用于处理至少一个功能或操作的单元，并且该单元可以被实现成硬件或软件或者硬件与软件的组合。
术语“在......上方”和类似的指示术语的使用可以对应于单数和复数两者。
除非明确声明应按照所描述的顺序完成，否则组成方法的步骤可以以适当的顺序完成。另外，所有示例性术语(例如，等等)的使用仅用于详细地描述技术思想，并且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是示出了根据示例实施例的超颖光学器件100的示意性结构和功能的概念图。图2是示出了构成根据示例实施例的超颖光学器件100的多个层的示意性配置的平面图。
超颖光学器件100是包括具有亚波长的形状尺寸的纳米结构的衍射器件，并且其详细结构被设置为相对于预定波段的入射光L表现出预定目标相位延迟分布。在此，亚波长是指小于预定波段的中心波长λ0的形状尺寸。
入射光L通过超颖光学器件100，并且作为具有针对与超颖光学器件100相对应的每个位置调制的相位的调制光Lm被发射。当光入射到超颖光学器件100并通过超颖光学器件100时，光通过折射指数与围绕材料的折射指数不同的多个纳米结构NS1和NS2的布置而遭遇折射率分布。在光的行进路径中具有相同相位的波前连接点的形状在通过第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2的布置而进行折射率分布之前和之后是不同的，这被表示为相位延迟。相位延迟的程度根据作为折射率分布变量的每个位置而不同。在沿Z方向入射的入射光L刚通过超颖光学器件100之后的位置处，相位延迟的程度取决于与光的行进方向(Z方向)垂直的平面上的x和y坐标而变化。如上，通过超颖光学器件100之后的光的相位表示与入射时的相位不同的相位。由调制光Lm表示的目标相位延迟分布
Figure BDA0002941044060000081
表示相对于入射光L相位的相位。目标相位延迟分布
Figure BDA0002941044060000082
表示在通过超颖光学器件100之后根据每个位置的相位延迟，同时该相位延迟还取决于入射光L的波长λ。目标相位延迟分布
Figure BDA0002941044060000083
因此被表示为位置和波长的函数
Figure BDA0002941044060000084
(r，λ)。
根据目标相位延迟分布
Figure BDA0002941044060000085
来确定超颖光学器件100的光学性能，例如，作为镜头、反射镜、光束偏转器或光束整形器的功能。
超颖光学器件100包括第一层120和第二层160。第一层120具有基于第一纳米结构NS1的结构，并且被配置为用作相位延迟层。第二层160具有基于第二纳米结构NS2的结构，并且被配置为用作色散调整层。
被配置为用作相位延迟层的第一层120和被配置为用作色散调整层的第二层160可以根据它们的位置而具有相反符号的有效折射率变化率。例如，当第一纳米结构NS1的材料和形状被设置为使得第一层120的有效折射率在预定第一方向上逐渐增大时，第二纳米结构NS2的材料和形状可以被设置为使得第二层160的有效折射率在第一方向上逐渐减小。
该多层结构实现了超颖光学器件100所期望的目标相位延迟分布
Figure BDA0002941044060000086
但是使目标相位延迟分布
Figure BDA0002941044060000087
的根据位置的相位不连续性最小化，从而提高了光学效率。
在一般的光学材料中，色散在可见波段中具有负值，并且，随着折射率增大，色散的大小趋于增大。因此，难以对一种类型的材料的结构进行图案化以实现没有不连续性的相位延迟分布。例如，第一层120的相位延迟分布和第二层160的相位延迟分布可以具有不连续性。相位不连续性可能主要出现在图2中所示的多个区域(2π分区)R1、...、Rk、....RN的边界处。然而，从调整折射率和色散的变化的观点来看，示例实施例的超颖光学器件100可以细分第一层120和第二层160的功能，并且得到针对单元组件UE的每个位置进行优化的结构，在该结构中，各种类型的材料和形状被组合在一起，以具有在第一层120与第二层160组合的配置中几乎没有不连续性的相位延迟分布。
根据示例实施例的超颖光学器件100包括：指示具有与目标相位延迟分布
Figure BDA0002941044060000091
相同的趋势(即，图案)的相位延迟分布的层；以及指示相反的相位延迟分布的层。例如，第一层120和第二层160可以表现出不同的相位延迟分布。第一纳米结构NS1的形状和布置可以被设置为使得被配置为用作相位延迟层的第一层120表现出具有与目标相位延迟分布
Figure BDA0002941044060000092
相同的图案的相位延迟分布。第二纳米结构NS2的形状和布置可以被设置为使得被配置为用作色散调整层的第二层160表现出具有与目标相位延迟分布
Figure BDA0002941044060000093
不同的图案的相位延迟分布并具有根据波长来调整折射率的色散的主要功能。
在此，第一层120的相位延迟分布可以是相对于当光入射在第一层120的第一纳米结构NS1中的光刚通过第一纳米结构NS1之后的位置处的相位的相位分布。另外，第二层160的相位延迟分布可以是相对于当光入射在第二层160的第二纳米结构NS2中的光刚通过第二纳米结构NS2之后的位置处的相位的相位分布。
第一层120和第二层160的位置可以彼此切换。在图1中，入射光L首先通过第一层120，然后入射在第二层160上，但是实施例不限于此。第一层120和第二层160的顺序可以相对于入射光L颠倒。另外，为了方便起见，将描述第一层120用作相位延迟层且第二层160用作色散调整层。然而，实施例不限于此，并且第一层120可以用作色散调整层而第二层可以用作相位延迟层。
设置在每一层中的第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2的形状可以通过多个第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2中的每一个的位置的函数进行确定。例如，设置在第一层120中的第一纳米结构NS1可以通过布置有第一纳米结构NS1的表面S1上的坐标(x，y)的函数进行确定。坐标(x，y)可以通过距平面S1与超颖光学器件100的中心轴C相交的点的距离、以及对应位置的半径向量与x轴之间的角度θ的函数来确定。设置在第二层160中的第二纳米结构NS2可以通过布置有第二纳米结构NS2的表面S2上的坐标(x，y)的函数来确定。坐标(x，y)可以通过距平面S2与超颖光学器件100的中心轴C相交的点的距离、以及对应位置的半径向量与x轴之间的角度θ的函数来确定。设置在第一层120中的第一纳米结构NS1和设置在第二层160中的第二纳米结构NS2均可以通过仅取决于距其中心的距离的极性对称函数来确定。
在示例实施例中，第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2的形状和布置可以被设置为使得上述有效折射率变化和相位延迟分布可以在与分别布置有第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2的表面S1和S2上所限定的中心远离的径向上实现。
第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2的形状可以遵循预定规则，并且可以根据该规则来划分构成超颖光学器件100的第一层120和第二层160。如图2中所示，第一层120和第二层160的区域被划分为中心部分的圆以及围绕该中心的环形区域R1、R2、...、RN。在每一层中，同一区域内的第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2可以通过同一规则进行布置。
区域R1、...、Rk、...RN是展现相位延迟的预定范围的区域，并且第二区域R2至第N区域RN的相位调制范围可以相同。相位调制范围可以是2π弧度。第一区域R1的相位调制范围可以等于或小于2π弧度，但是第一区域R1至第N区域RN可以被称为2π分区。
每个区域的功能、区域的数量N或宽度W1、...Wk、...WN可以是超颖光学器件100的性能的主要变量。
为了使超颖光学器件100用作镜头，区域内的规则被设置为使得每个区域的宽度不是恒定的，并且入射光在每个区域中的衍射方向略有不同。区域的数量N与屈光力的幅度(绝对值)有关，并且可以根据每个区域内的规则来确定屈光力的符号。例如，可以通过第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2的大小在每个区域中沿径向减小的规则的布置来实现正屈光力，并且可以通过第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2的大小沿径向增大的规则的布置来实现负屈光力。
为了使超颖光学器件100用作光束偏转器，区域内的规则可以被设置为使得区域R1、...、Rk、...、RN的宽度W1、...、Wk、...、WN是恒定的，并且入射光L分别在区域R1、...、Rk、...、RN中沿预定恒定方向衍射。
除了镜头或光束偏转器之外，超颖光学器件100还可以用作对于每个位置都具有任意分布的光束整形器。为了使上述功能通过超颖光学器件100在期望的波段内有效地执行，尽可能地在与功能有关的目标相位延迟分布中减小或防止根据位置的不连续性应。当目标相位延迟分布
Figure BDA0002941044060000111
具有相位不连续性时，通过超颖光学器件100的光的一部分在除了期望的衍射方向以外的方向上衍射，这使衍射效率劣化。衍射效率可以被表示为在透射过超颖光学器件100的光之中的在预期方向上衍射的光的能量比。第一层120的第一纳米结构NS1和第二层160的第二纳米结构NS2的形状、布置和材料可以被设置为使得示例实施例的源光学器件100在期望的波段中具有0.8或更高的衍射效率，例如，在400nm至700nm的宽带中具有0.8或更高的衍射效率。
第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2可以包括的材料的折射率与围绕材料的折射率不同。例如，材料可以具有与围绕材料的折射率相差0.5或更大的高折射率或具有相差0.5或更小的低折射率。第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2中的一个的折射率可以比围绕材料的折射率高，而另一个的折射率可以比围绕材料的折射率低。
当第一纳米结构NS1或第二纳米结构NS2包括的材料的折射率比围绕材料的折射率高时，第一纳米结构NS1或第二纳米结构NS2可以包括c-Si、p-Si、a-Si III-V化合物半导体(砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)等)、碳化硅(SiC)、氧化钛(TiO2)、氮化硅(SiN)或其组合中的至少一种，并且低折射率的围绕材料可以包括SU-8、PMMA等的聚合物材料、氧化硅(SiO2)或SOG。
当第一纳米结构NS1或第二纳米结构NS2包括的材料的折射率比围绕材料的折射率低时，第一纳米结构NS1或第二纳米结构NS2可以包括SiO2或空气，并且高折射率的围绕材料可以包括c-Si、p-Si、a-Si III-V化合物半导体(GaAs、GaP、GaN等)、SiC、TiO2、SiN或其组合中的至少一种。
图3是示出了设置在图1的超颖光学器件100中的相位延迟层针对每个波长和位置的有效折射率和色散的曲线图，以及图4是示出了设置在图1的超颖光学器件100中的色散调整层针对每个波长和位置的有效折射率和色散的曲线图。
有效折射率是假设超颖光学器件100的单元组件UE可以被视为均匀介质的概念。当具有不同折射指数的介质被包括在单元组件UE中时，有效折射率的概念可以暗示不同介质的分布。
折射率的色散可以是折射率取决于波长而不同的程度
Figure BDA0002941044060000121
并且可以是包括具有不同折射率的介质的结构中的有效折射率的色散。在下文中，折射率的色散可以被称为色散。
一起参考图3和图4，相位延迟层和色散调整层在预定第一方向上的有效折射率变化具有相反图案。在曲线图中，有效折射率变化的图案沿径向r。相位延迟层可以根据位置而表现出与目标相位延迟分布相同图案的有效折射率变化。
根据有效折射率变化的图案，由相位延迟层指示的相位延迟分布和目标相位延迟分布具有根据位置的相同符号的变化率，并且由色散调整层指示的相位延迟分布和目标相位延迟分布具有根据位置的相反符号的变化率。例如，由相位延迟层指示的相位延迟分布和由色散调整层指示的相位延迟分布可以具有根据位置的相反符号的变化率。
相位延迟层和色散调整层可以具有根据位置的色散变化率
Figure BDA0002941044060000122
与根据位置的有效折射率变化率
Figure BDA0002941044060000123
的不同比。
如图3的曲线图中所示，在相位延迟层的情况下的根据位置的有效折射率变化大于如图4中所示的色散调整层的根据位置的有效折射率变化。相反，相位延迟层中的色散(即，有效折射率根据波长而不同的程度)小于色散调整层中的色散。因此，与相位延迟层的情况相比，在色散调整层的情况下的根据位置的色散变化率与有效折射率变化率之比具有更大的值。为此，包括在色散调整层中的材料可以具有比包括在相位延迟层中的材料大的色散。可以使用例如硅(Si)或TiO2作为具有高色散的材料，并且可以使用例如SiO2或氮化硅(Si3N4)作为具有低色散的材料。然而，实施例不限于此。根据位置的色散变化率与有效折射率变化率之比与介质的色散、折射率和形状分布密切相关。例如，当构成纳米结构的材料的折射率小于围绕纳米结构的材料的折射率时，其根据位置的色散变化率小于当纳米结构的材料的折射率大于围绕纳米结构的材料的折射率时的根据位置的色散变化率。因此，可以通过与上述示例不同的材料和形状的组合来调整根据位置的色散变化率与有效折射率变化率之比。
图3和图4的曲线图的具体细节是根据位置的有效折射率变化的图案以及色散变化率与有效折射率变化率之比在两个层中彼此不同的示例，但是不限于此。另外，尽管示出了在区域R1、R2、...、Rk中的每一个的所有位置出现了上述恒定图案，这仅指示在大多数区域中出现的总体图案。例如，在一些位置，第一层和第二层的有效折射率变化可以具有相同图案。原因在于，由于纳米结构工艺中的错误而在确定的位置处没有实现确定的高度或宽度。伴随有效折射率的急剧变化的边界区域(即，作为2π分区的区域R1、R2、...、Rk彼此相邻的边界区域)可以表现出与预期图案不同的有效折射率变化的图案。在示例实施例中，两个层中具有有效折射率变化的相反图案的区域可以是整个区域的至少50％或更多或者80％或更多。在此，该比率基于预定第一方向(例如，径向)上的长度，其指示有效折射率的变化。该比率是两个层在第一方向上具有有效折射率变化的相反趋势的长度与在第一方向上指示有效折射率的变化的总长度之比。
图5是示出了图1的超颖光学器件100的每个波长的相位延迟分布的曲线图。
将表现出诸如图3和图4的曲线图的属性之类的属性的两个层组合在一起的超颖光学器件100可以表现出没有根据位置的不连续性的相位延迟分布。
同时，在图5的曲线图中，关于三个波长的相位延迟分布仅偏移恒定值且具有相同的形式，这对应于色散为零的情况。然而，这是示例性的，并且可以根据相位延迟层和色散调整层中的详细色散分布来实现色散大于0或小于0的相位延迟分布。
在下文中，将描述用于实现根据位置而与波长无关的相位不连续性较小的相位延迟分布。
为了实现相对于预定波段的光的不连续性较小的相位延迟分布，在超颖光学器件100中可以使用具有不同的相位延迟大小和色散量的单元组件UE。
可以通过如方程式(1)中所示的线性近似来表示通过超颖光学器件100的单元组件UE的光的相位延迟。
Figure BDA0002941044060000141
在此，ω为2π/λ，ω0为2π/k0，λ为波长，λ0为预定波段的中心波长，A为相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000142
的幅度，B为中心波长处的相位延迟的幅度
Figure BDA0002941044060000143
并且
Figure BDA0002941044060000144
为参考相位分布。
为了使根据超颖光学器件100的位置的相位延迟分布连续，需要具有方程式(2)和方程式(3)中所示的以下范围内的值A和B的一组单元组件UE。单元组件UE可以是具有比亚波长(即，中心波长)小的形状尺寸的光学结构。
A0≤A＜A1 方程式(2)
B0≤B＜B1 方程式(3)
A的所需范围取决于超颖光学器件100的色差而变化，并且当超颖光学器件100是镜头时，A的所需范围随着镜头直径和数值孔径的增大而变宽。当根据工作波长范围内的位置的相位延迟分布相同时，A＝0。作为B的所需范围的B1-B0需要大于2π。
假设超颖光学器件100的单元组件UE是能够表示有效折射率的均匀介质，则通过单元组件UE的光的相位延迟可以被表示为如方程式(4)中所示的那样。
Figure BDA0002941044060000145
在此，n为有效折射率且h为单元组件UE的高度。
在将方程式(4)代入方程式(1)，并且参考频率分布被设置为根据频率而线性增加以简化方程式
Figure BDA0002941044060000151
时，实现不连续性较小的相位延迟分布所需的单元组件UE的有效折射率可以被表示为如方程式(5)和方程式(6)中所示的那样。
Figure BDA0002941044060000152
或者
Figure BDA0002941044060000153
如方程式(5)和方程式(6)中所示的那样，可以通过单元组件UE来实现具有各种大小和色散的有效折射率，以便实现不连续性较小的相位延迟分布。
例如，在最简单的情况下，在A＝0的条件下，随着中心波长处的相位延迟增大，需要有效折射率色散的变化为正值的单元组件UE。该条件在中心波长处被表示为如方程式(7a)和方程式(7b)中所示的那样。
Figure BDA0002941044060000154
Figure BDA0002941044060000155
在此，n为中心波长λ0处的有效折射率。
即，随着中心波长处的有效折射率增大，有效折射率的色散的幅度的变化可能需要为正值。
然而，存在于自然中的大多数光学材料在光频率处的色散为负值，并且折射率越大，色散的幅度越大。因此，难以用对根据相关技术的一种材料进行图案化的方法来满足方程式(7a)和方程式(7b)。
由于非谐振单元元件的有效折射率通常具有如以下方程式(8)中所示的特性，所以难以满足方程式(7a)和方程式(7b)。
Figure BDA0002941044060000156
则
Figure BDA0002941044060000157
例如，作为在相关方法中使用的方法，在用纳米柱的宽度来改变中心波长处的相位延迟的情况下，增大纳米柱的宽度会增大有效折射率，但是负折射率色散的幅度由于电场在波导模式下的聚焦而导致的色散也增大，即，获得了与方程式(7a)和方程式(7b)相反的色散变化。
在上面描述中，以最简单的条件A＝0为例，而当A不为0时，因为需要具有由更多样的折射率色散和折射率的幅度构成的组合的单元组件UE，所以更加难以基于现有技术在宽波长范围内实现高效源光学器件。
提出了根据示例实施例的超颖光学器件100，其具有如下结构，该结构能够通过使用被划分为有效折射率的根据位置和波长而具有不同属性的多个层的单元组件UE来更精确地调整色散。
类似于方程式(6)，被划分为多个层的单元组件UE的有效折射率与连续相位分布的条件之间的关系式可以被表示为如方程式(9)中所示的那样。
Figure BDA0002941044060000161
在此，ni为第i层的有效折射率，并且hi是第i层的单元组件UE的高度。
类似于方程式(7a)和方程式(7b)，在最简单的条件A＝0时，在中心波长处能够使得相位延迟分布没有不连续性的条件被表示为如方程式(10a)和方程式(10b)中所示。
Figure BDA0002941044060000162
Figure BDA0002941044060000163
假设构成超颖光学器件100的每一层的有效折射率满足方程式8，则为了满足方程式10a和方程式10b，在中心波长处，至少一层的有效折射率根据相位延迟的幅度B的变化必须具有负变化，如方程式(11)中所示。
Figure BDA0002941044060000164
则
Figure BDA0002941044060000165
在此，nj是第j层的中心波长处的有效折射率。考虑到天然材料的特性，即，当折射率较高时色散较高，第j层的有效折射率色散的变化相对于B具有色散增加的正值。
因为第j层的有效折射率色散相对于B的变化为正值而不是负值，所以根据特定条件可以满足方程式10a和方程式10b。
例如，当超颖光学器件100包括两个层时，每一层的高度h1和h2如方程式(12a)和方程式(12b)中所示。
Figure BDA0002941044060000171
Figure BDA0002941044060000172
在此，为了使高度h1和h2为正值，需要满足以下方程式(13a)、方程式(13b)和方程式(13c)中的条件。
Figure BDA0002941044060000173
Figure BDA0002941044060000174
Figure BDA0002941044060000175
假设每一层满足方程式8，则方程式13b和方程式13c可以如被表示为如方程式(14)中所示。
Figure BDA0002941044060000176
且
Figure BDA0002941044060000177
即，当在所需中心波长处第i层的根据相位延迟的幅度B的变化的有效折射率变化率
Figure BDA0002941044060000178
为正时，第j层的根据幅度B的变化的有效折射率变化率
Figure BDA0002941044060000179
为负(方程式14)，并且色散变化率
Figure BDA00029410440600001710
的幅度与第j层的根据幅度B的变化的有效折射率变化率
Figure BDA00029410440600001711
相比大于第i层(方程式13a)，可以通过满足方程式(7)来实现在工作波长范围内不连续性较小的相位延迟分布。
通过将具有不同的折射率和色散的材料用于每一层的单元组件并针对每一层使用不同的设计参数空间，可以满足上面的条件。
在上面的描述中，通过基于单元组件固定位置来将n、
Figure BDA00029410440600001712
A、B等描述为波长的函数，但是n、
Figure BDA00029410440600001713
A、B等都是被表示为位置的函数的概念。因此，在超颖光学器件100的每一层中，通过调整根据位置的有效折射率变化
Figure BDA0002941044060000181
和根据位置的色散变化
Figure BDA0002941044060000182
可以满足上面的条件。
图6是示出了根据示例实施例的超颖光学器件101的示意性结构的横截面图，图7A和图7B是示出了可以在图6的超颖光学器件101中采用的纳米结构的形状的透视图。
超颖光学器件101可以包括第一层121和第二层161，并且还包括用于支撑第一层121和第二层161的基板SU。
第一层121包括多个第一纳米结构NS1以及围绕第一纳米结构NS1的第一围绕材料EN11。第一纳米结构NS1可以具有根据位置所确定的宽度d1和高度h1。如图所示，第一纳米结构NS1的高度h1可以相同，但是不限于此。
第二层161包括多个第二纳米结构NS2以及围绕第二纳米结构NS2的第二围绕材料EN21。第二纳米结构NS2可以具有根据位置所确定的宽度d2和高度h2。如图所示，第二纳米结构NS2的高度h2可以相同，但是不限于此。
基板SU相对于超颖光学器件101的工作波段中的光具有透明属性，并且可以包括玻璃(熔融英、BK7等)、石英、聚合物(PMMA、SU-8等)、以及其他透明塑料中的任意一种。
第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2的纵横比可以大于1，以避免结构内部的光学共振。例如，h1/d1和h2/d2可以大于1，例如，可以大于2。
第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2可以在彼此面对的位置处形成重复的单元组件UE。包括在单元组件UE中的详细形状，即，第一纳米结构NS1的宽度d1和高度h1、第二纳米结构NS2的宽度d2和高度h2、以及单元组件UE的布置周期p被设置为适合于在每个位置处所需的相位延迟值。
宽度d1、宽度d2和周期p可以是亚波长的尺寸。即，宽度d1、宽度d2和周期p可以小于超颖光学器件101的工作波段的中心波长λ0。高度h1和高度h2可以大于λ0。高度h1和高度h2可以大于λ0且小于10λ0。
间隔层140可以设置在第一层121与第二层161之间。间隔层140的折射率可以低于第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2的折射率。间隔层140可以是与第一围绕材料EN11相同的材料，或者可以是与第二围绕材料EN21相同的材料。间隔层140的厚度s可以为400nm或更小。可以省略间隔层140。换言之，间隔层140的厚度s可以为0。
第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2可以是呈柱状的结构。例如，第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2可以具有如图7A中所示的方柱形状或如图7B中所示的圆柱形状。在图7A和图7B中，宽度D可以对应于d1或d2，高度H可以对应于h1或h2。另外，可以将具有矩形、十字形、多边形或椭圆形的横截面形状的各种柱形状应用于第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2。
在示例实施例中，第一纳米结构NS1可以具有比第一围绕材料EN11高的折射率，并且第二纳米结构NS2可以具有比第二围绕材料EN21高的折射率。根据该折射率布置，第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2可以被没置为使得宽度d1和d2沿远离超颖光学器件101的中心的一个方向变化的图案彼此相反。因此，第一层121和第二层161可以具有根据位置的相反符号的有效折射率变化率。另外，可以根据位置来设置包括在单元组件UE中的材料、形状尺寸等，使得第一层121和第二层161具有不同的色散变化率与有效折射率变化率之比。
第一层121和第二层161中的任一层可以是相位延迟层，该相位延迟层表示图案与要由超颖光学器件101实现的目标相位分布的图案相同的相位分布。例如，第一层121和第二层161中的任一层可以具有图案与根据位置的目标相位分布相同的有效折射率变化率，并且另一层可以是色散调整层，该色散调整层表示图案与目标相位分布的图案相反的有效折射率变化率。
可以将作为色散调整层的层设置为具有材料和宽度的变化图案，使得色散变化率与有效折射率变化率之比大于另一层的色散变化率与有效折射率变化率之比。
在示例实施例中，第一纳米结构NS1可以具有比第一围绕材料EN11小的折射率，并且第二纳米结构NS2可以具有比第二围绕材料EN21小的折射率。
在下文中，将描述根据各种示例实施例的超颖光学器件101。在示例实施例的以下描述中，将主要描述与图6的超颖光学器件101的差异，并且上面的描述可以适用于未描述的组件。
图8是示出了根据另一示例实施例的超颖光学器件102的示意性结构的横截面图。
超颖光学器件102包括第一层122、第二层162、以及支撑第一层122和第二层162的基板SU。第一层122包括多个第一纳米结构NS1以及围绕第一纳米结构NS1的第一围绕材料EN12。第二层162包括多个第二纳米结构NS2以及围绕第二纳米结构NS2的第二围绕材料EN22。
在示例实施例中，与图6的超颖光学器件101不同，第一纳米结构NS1可以具有比第一围绕材料EN12低的折射率。第二纳米结构NS2可以具有比第二围绕材料EN22高的折射率。
在这种折射率布置中，第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2可以被设置为使得宽度d1和d2沿远离超颖光学器件102的中心的一个方向变化的图案彼此相同。因此，第一层122和第二层162具有根据位置的相反符号的有效折射率变化率。另外，包括在第一层122和第二层162中的每一层中的材料以及宽度变化的图案程度可以被设置为使得第一层122和第二层162具有不同的色散变化率与有效折射率变化率之比。
在示例实施例中，第一纳米结构NS1可以被修改为具有比第一围绕材料EN12高的折射率，并且第二纳米结构NS2可以被修改为具有比第二围绕材料EN22低的折射率。
图9是示出了根据另一示例实施例的超颖光学器件103的示意性结构的横截面图。图10A和图10B是示出了可以在图9的超颖光学器件103的第一层123中采用的第一纳米结构NS1的形状的平面图。
超颖光学器件103包括第一层123、第二层163、以及支撑第一层123和第二层163的基板SU。
第一层123包括多个第一纳米结构NS1以及围绕第一纳米结构NS1的第一围绕材料EN13。第二层163包括多个第二纳米结构NS2以及围绕第二纳米结构NS2的第二围绕材料EN23。
第一纳米结构NS1可以具有包括具有宽度dc1的内柱10以及围绕内柱10的具有宽度d1的壳柱20的形状。内柱10的折射率可以低于壳柱20的折射率，并且壳柱20的折射率可以高于第一围绕材料EN13的折射率。
第二纳米结构NS2可以具有比第二围绕材料EN23高的折射率。
在这种折射率布置中，第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2可以被设置为使得一个方向的宽度沿远离超颖光学器件103的中心的一个方向变化的图案彼此相反。因此，第一层123和第二层163具有根据位置的相反符号的有效折射率变化率。另外，单元组件UE的细节可以被设置为使得第一层123和第二层163具有不同的色散变化率与有效折射率变化率之比。
第一层123和第二层163中的任一层可以是相位延迟层，该相位延迟层指示其中图案与要由超颖光学器件103实现的目标相位分布相同的相位分布，并且另一层可以是色散调整层。
同时，当设置在第一层123中的第一纳米结构NS1被高折射率的壳柱20中的低折射率的内柱10填充时，有效折射率随着第一纳米结构NS1的宽度d1增加而迅速增加的现象可以被缓解，并且有利的是使根据位置的色散变化最小化。在这方面，有利的是将第一层123用作相位延迟层，该相位延迟层表示其中图案与要由超颖光学器件103实现的目标相位分布相同的相位分布。第二层163是色散调整层，并且可以被详细地设置为具有材料和宽度的变化图案，使得第二层163的色散变化率与有效折射率变化率之比大于第一层123的色散变化率与有效折射率变化率之比。
图11是示出了图9的超颖光学器件103的单元组件的详细尺寸与相位延迟之间的关系的曲线图。
该曲线图涉及第一纳米结构NS1被设置为具有如图10A中所示的形状并且第二纳米结构NS2被设置为具有如图7A中所示的形状的情况。在该曲线图中，第一纳米结构NS1的高度和第二纳米结构NS2的高度h1和h2被固定为恒定值。第一纳米结构NS1的宽度d1、第二纳米结构NS2的宽度d2、包括在第二纳米结构NS2中的内柱10的宽度dc1、单元组件UE的布置周期p改变，并且示出了透射通过单元组件UE的光的相位延迟。
可以根据该曲线图来设置适于所需相位延迟值的单元组件UE的详细尺寸。另外，还可以获得不同值的h1和h2的曲线图，并且根据这些曲线图，可以设置每个位置的单元组件UE的详细尺寸以适于要实现的目标相位分布。
图12和图13是示出了图9的超颖光学器件103的衍射效率的曲线图。
图12和图13分别示出了在横向电场(TE)模式和横向磁场(TM)模式下，在光的入射角为0°、30°和60°的情况下的400nm至700nm的波段中的衍射效率。
衍射效率表示在透射过超颖光学器件103的光中沿预期衍射方向衍射的光的能量比。如图所示，期望波段中的衍射效率具有0.8或更大且几乎0.9或更大的高值。这种高衍射效率可以归因于如下事实：超颖光学器件103被设计为实现波段中的相位不连续性很小的目标相位延迟分布。
图14是示出了根据另一示例实施例的超颖光学器件104的示意性结构的横截面图。
超颖光学器件104的第一层124包括多个第一纳米结构NS1以及围绕第一纳米结构NS1的第一围绕材料EN14。超颖光学器件104的第二层164包括多个第二纳米结构NS2以及围绕第二纳米结构NS2的第二环绕材料EN24。
第一纳米结构NS1可以具有包括具有宽度dc1的内柱10以及围绕内柱10的具有宽度d1的壳柱20的形状。内柱10的折射率可以低于壳柱20的折射率，并且壳柱20的折射率可以高于第一围绕材料EN14的折射率。
与图9的超颖光学器件103不同，在根据图14的示例实施例的超颖光学器件104中，第二纳米结构NS2可以具有比第二围绕材料EN24低的折射率。
在这种折射率布置中，第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2可以被设置为使得一个方向的宽度沿远离超颖光学器件104的中心的一个方向变化的图案彼此相同。因此，第一层124和第二层164具有根据位置的相反符号的有效折射率变化率。另外，包括在第一层124和第二层164中的每一层中的材料以及宽度变化的图案程度可以被设置为使得第一层124和第二层164具有不同的色散变化率与有效折射率变化率之比。
第一层124可以是相位延迟层，该相位延迟层表示其中图案与要由超颖光学器件104的目标相位分布相同的相位分布，并且第二层164可以是色散调整层，并且其可以被设置为具有每个位置的单元组件UE的细节，使得第二层164的色散变化率与有效折射率变化率之比大于第一层124的色散变化率与有效折射率变化率之比。
图15是示出了根据另一示例实施例的超颖光学器件105的示意性结构的横截面图。
超颖光学器件105的第一层125包括多个第一纳米结构NS1以及围绕第一纳米结构NS1的第一围绕材料EN15。超颖光学器件105的第二层165包括多个第二纳米结构NS2以及围绕第二纳米结构NS2的第二围绕材料EN25。
第一纳米结构NS1具有被第一围绕材料EN15围绕的孔形状，并且孔的内部具有空(即，填充有空气)的结构。第一纳米结构NS1的折射率为1，并且其折射率比第一围绕材料EN15的折射率低。
第二纳米结构NS2具有比第二围绕材料EN25高的折射率。
针对每个位置设置单元组件UE的详细值，使得第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2的孔被设置为使得一个方向的宽度沿远离超颖光学器件105的中心的一个方向变化的图案彼此相同。因此，第一层125和第二层165具有根据位置的相反符号的有效折射率变化率。另外，包括在第一层125和第二层165中的材料以及宽度变化的图案程度可以被设置为使得第一层125和第二层165具有不同的色散变化率与有效折射率变化率之比。
第一层125可以是相位延迟层，该相位延迟层指示其中图案与要由超颖光学器件105实现的目标相位分布相同的相位分布。第二层165可以是色散调整层，并且可以被设置为具有每个位置的单元组件UE的细节，使得第二层165的色散变化率与有效折射率变化率之比大于第一层125的色散变化率与有效折射率变化率之比。
图16是示出了根据构成图15的超颖光学器件105的第一层的第一纳米结构NS1的详细尺寸的相位延迟的曲线图。
该曲线图示出了第一纳米结构NS1的孔具有正方形横截面，并且第二纳米结构NS2被设置为如图7A中所示的形状。在该曲线图中，第一纳米结构NS1的高度和第二纳米结构NS2的高度是固定的，第一纳米结构NS1的宽度d1、第二纳米结构NS2的宽度d2、以及单元组件UE的布置周期p是变化的，并且相应地示出了相位延迟。
可以根据该曲线图来设置适于所需相位延迟值的单元组件UE的详细尺寸。另外，还可以获得不同值的高度h1和h2的曲线图，并且根据这些曲线图，可以设置每个位置的单元组件UE的详细尺寸以适于要实现的目标相位分布。
图17是示出了图15的超颖光学器件105的衍射效率的曲线图。
该曲线图涉及入射角为0°的入射光，其示出了在400nm至700nm的波长范围内的0.9或更高的高值，并且在大多数波段中衍射效率接近1。
分析该结果，其衍射效率高于根据图9的示例实施例的超颖光学器件103的衍射效率，在根据图9的实施例的超颖光学器件103中，第一纳米结构NS1的形状具有折射率较低的内柱10以及包围内柱10的折射率较高的壳柱20。基于使用中空孔结构，可以更容易地进行期望的分散的调节。
图18是示出了根据另一示例实施例的超颖光学器件106的示意性结构的横截面图。
超颖光学器件106的第一层126包括多个第一纳米结构NS1以及围绕第一纳米结构NS1的第一围绕材料EN16。超颖光学器件106的第二层166包括多个第二纳米结构NS2以及围绕第二纳米结构NS2的第二环绕材料EN26。
第一纳米结构NS1具有被第一围绕材料EN16围绕的孔形状，并且孔的内部具有空(即，填充有空气)的结构。第一纳米结构NS1的折射率为1，并且其折射率比第一围绕材料EN16的折射率低。
与图15的超颖光学器件105不同，在根据图18的示例实施例的超颖光学器件106中，第二纳米结构NS2具有比第二围绕材料EN26低的折射率。
针对每个位置设置单元组件UE的详细值，使得第一纳米结构NS1和第二纳米结构NS2的孔被设置为使得一个方向的宽度沿远离超颖光学器件106的中心的一个方向变化的图案彼此相反。因此，第一层126和第二层166具有根据位置的相反符号的有效折射率变化率。另外，包括在第一层126和第二层166中的材料以及宽度变化的图案程度可以被设置为使得第一层126和第二层166具有不同的色散变化率与有效折射率变化率之比。
第一层126可以是相位延迟层，该相位延迟层指示其中图案与要由超颖光学器件106实现的目标相位分布相同的相位分布。第二层166可以是色散调整层，并且可以被设置为具有每个位置的单元组件UE的细节，使得第二层165的色散变化率与有效折射率变化率之比大于第一层126的色散变化率与有效折射率变化率之比。
描述了在图9、图14、图15和图18的超颖光学器件103、104、105和106中，第一层123、124、125和126可以用作表示有效折射率变化(和相位延迟分布)的图案与目标相位延迟分布相同的层(相位延迟层)，第二层163、164、165和166可以用作表示有效折射率变化(和相位延迟分布)的图案与目标相位延迟分布相反的层(色散调整层)，但是实施例不限于此。示例实施例描述了如下优点：具有孔形状或包括内柱和壳柱的形状的纳米结构被用作相位延迟层，并且还可以将该结构用作根据折射率分布的色散调整层的纳米结构。
上述超颖光学器件可以表现出各种光学功能，诸如镜头、光束偏转器和光束整形器的功能，并且可以通过与一般光学元件组合来表现出各种光学功能。例如，当相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000261
为0时，被实现为镜头的超颖光学器件可以表现出预定色差，该色差是波长与焦距成反比的负色差。该色差具有与一般折射镜头表现出的并指示焦距与波长成正比的正色差相反的图案。这种属性也可以被表示为负阿贝数。因此，超颖光学器件可以通过与一般折射镜头组合而表现出预定屈光力，并且可以被配置为校正折射镜头的色差。
示例实施例是基于图5中所示的相位延迟分布的，即，根据波长的相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000262
为0。然而，通过采用折射率变化与目标相位延迟分布具有相同图案的层以及折射率变化与目标相位延迟分布具有相反图案的层，并且根据位置来调整每一层的折射率变化率与有效折射率变化率之比，可以实现相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000263
不为零(即A＞0或A＜0)、且表现出相位不连续性很小的相位滞后分布的超颖光学器件。
图19是示出了根据另一示例实施例的光学超颖光学器件的每个波长的相位延迟分布的曲线图。在此，R、G和B可以分别是相对较长的波长、中波长和短波长。例如，R可以是700nm，G可以是550nm，并且B可以是400nm。
相位延迟分布包括如下区域中的全部：相对于波长的相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000264
小于0的所有区域、相对于波长的相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000265
为0的区域、以及相对于波长的相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000266
大于0的区域。假设r0是相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000267
为0的位置(基准相位分布的倾斜度与相位延迟色散相同的位置)，则位置r小于r0的区域中的相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000268
小于0，并且位置r大于r0的区域中的相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000269
大于0。
当目标相位延迟分布被配置为使得相对于波长的色散具有如图19中所示的这种形式时，可以表现出色差比一般光学元件的色差大的光学性能。该色差是表示焦距与波长成反比的负色差，其可以大于相位延迟色散
Figure BDA00029410440600002610
为0的超透镜的色差，并且比一般折射透镜的色差大得多。由于该属性是使色差变大的相位延迟分布，因此可以用于基于波长来分离入射光的功能。例如，当用目标相位延迟分布来实现光束偏转器时，入射光可以根据波长在不同的方向上偏转。另外，目标相位延迟分布可以用在基于波长发散入射光的显微光谱仪中。另外，当用目标相位延迟分布来实现光束整形器时，可以根据入射光的波长形成不同的光束分布。
图20是示出了根据另一示例实施例的光学超颖光学器件的每个波长的相位延迟分布的曲线图。在此，R、G和B分别可以是长波长、中波长和短波长。例如，R可以是700nm，G可以是550nm，并且B可以是400nm。
相位延迟分布包括如下区域：相对于波长的相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000271
小于0的所有区域、相对于波长的相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000272
为0的区域、以及相对于波长的相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000273
大于0的区域。当r0是相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000274
为0的位置(基准相位分布的倾斜度与相位延迟色散相同的位置)时，位置r小于r0的区域中的相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000275
大于0，并且位置r大于r0的区域中的相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000276
小于0。
当目标相位延迟分布被配置为使得相对于波长的色散具有如图20中所示的这种形式时，超颖光学器件可表现出消色差光学性能。例如，当超颖光学器件是镜头时，入射光被聚焦而不存在根据波长的偏差。例如，当这种超颖光学器件是光束偏转器时，入射光表现出恒定的偏转角而不存在根据波长的变化。例如，当超颖光学器件是光束整形器时，入射光具有预定图案的光束分布而不存在根据波长的变化。
通过根据期望波段中的光学性能来设置目标相位分布，上述超颖光学器件可以表现出各种光学功能。另外，因为可以使相位不连续性最小化，所以指示上述光学功能的光效率可以提高。另外，由于根据波长的相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000277
的符号可以被调整为0、大于0或小于0，因此可以实现各种类型的性能。
上述超颖光学器件可以应用于各种电子装置。例如，超颖光学器件可以安装在电子装置上，诸如智能电话、可穿戴器件、物联网(IoT)设备、家用电器、平板电脑、个人计算机(PC)、个人数字助理(PDA)、便携式多媒体播放器(PMP)、导航设备、无人机、机器人、无人驾驶车辆、自动驾驶车辆、高级驾驶员辅助系统(ADAS)等。
图21是示出了根据示例实施例的电子装置2201的示意性配置的框图。
参考图21，在网络环境2200中，电子装置2201可以通过第一网络2298(短程无线通信网络等)与另一电子装置2202通信或通过第二网络2299(远程无线通信网络等)与另一电子装置2204和/或服务器2208通信。电子装置2201可以通过服务器2208与电子装置2204通信。电子装置2201可以包括处理器2220、存储器2230、输入装置2250、音频输出装置2255、显示装置2260、音频模块2270、传感器模块2210、接口2277、触觉模块2279、相机模块2280、电力管理模块2288、电池2289、通信模块2290、订户识别模块2296和/或天线模块2297。电子装置2201可以不包括这些组件中的一些(显示装置2260等)，或者还包括其他组件。这些组件中的一些可以被实现为一个集成电路。例如，可以通过嵌入在显示装置2260(例如，显示器等)中来实现传感器模块2210的指纹传感器2211、虹膜传感器、照度传感器等。
处理器2220可以执行软件(程序2240等)以控制电子装置2201的连接到处理器2220的一个或多个其他组件(硬件和软件组件等)，并且执行各种数据处理或操作。作为数据处理或操作的一部分，处理器2220可以将从其他组件(传感器模块2210、通信模块2290等)接收到的命令和/或数据加载到易失性存储器2232，处理存储在易失性存储器2232中的命令和/或数据，并且将结果数据存储在非易失性存储器2234中。处理器2220可以包括可以独立运行或一起运行的主处理器2221(中央处理单元、应用处理器等)和辅助处理器2223(图形处理单元、图像信号处理器、传感器集线器处理器、通信处理器等)。辅助处理器2223可以使用的电力比主处理器2221少，并且可以执行专门的功能。
辅助处理器2223可以在主处理器2221处于非活动状态(睡眠状态)时代替主处理器2221，或者在主处理器2221处于活动状态(应用程序执行状态)时与处理器2221一起，控制与电子装置2201的组件中的一些(显示装置2260、传感器模块2210、通信模块2290等)有关的功能和/或状态。辅助处理器2223(图像信号处理器、通信处理器等)可以被实现为其他功能相关组件(相机模块2280、通信模块2290等)的一部分。
存储器2230可以存储电子装置2201的组件(处理器2220、传感器模块2276等)所需的各种数据。这些数据可以包括例如关于软件(程序2240等)的输入数据和/或输出数据以及与该软件有关的命令。存储器2230可以包括易失性存储器2232和/或非易失性存储器2234。
程序2240可以作为软件存储在存储器2230中，并且可以包括操作系统2242、中间件2244和/或应用2246。
输入装置2250可以从电子装置2201的外部(用户等)接收要用于电子装置2201的组件(处理器2220等)的命令和/或数据。输入装置2250可以包括麦克风、鼠标、键盘和/或数字笔(手写笔等)。
音频输出装置2255可以将音频信号输出到电子装置2201的外部。音频输出装置2255可以包括扬声器和/或接收器。扬声器可以用于诸如多媒体播放或录音播放之类的一般目的，并且接收器可以用于接收来电。接收器可以被组合为扬声器的一部分，并且可以被实现为独立的单独器件。
显示装置2260可以可视地向电子装置2201的外部提供信息。显示装置2260可以包括显示器、全息器件或投影仪以及用于控制对应器件的控制电路。显示装置2260可以包括被设置为感测触摸的触摸电路、和/或被设置为测量由触摸产生的力的强度的传感器电路(压力传感器等)。
音频模块2270可以将声音转换成电信号，反之亦然。音频模块2270可以通过输入装置2250获得声音，或者通过声音输出装置2255和/或直接或无线连接到电子装置2201的另一电子装置(电子装置2102等)的扬声器和/或耳机输出声音。
传感器模块2210可以检测电子装置2201的操作状态(电力、温度等)或外部环境状态(用户状态等)，并且产生与检测到的状态相对应的电信号和/或数据值。传感器模块2210可以包括指纹传感器2211、加速度传感器2212、位置传感器2213、3D传感器2214等。另外，传感器模块2210可以包括虹膜传感器、陀螺仪传感器、气压传感器、磁性传感器、握持传感器、接近传感器、颜色传感器、红外(IR)传感器、生物传感器、温度传感器、湿度传感器和/或照度传感器。
3D传感器2214可以将预定光照射到对象上并分析来自对象的反射光以感测对象的形状和运动，并且3D传感器2214可以包括超颖光学器件100、101、102、103、104、105和106中的任意一种。
接口2277可以支持可以用于使电子装置2201直接或无线地与另一电子装置(电子装置2102等)连接的一个或多个指定协议。接口2277可以包括高清晰度多媒体接口(HDMI)、通用串行总线(USB)接口、SD卡接口和/或音频接口。
连接端子2278可以包括连接器，电子装置2201可以通过该连接器物理地连接到另一电子装置(电子装置2102等)。连接端子2278可以包括HDMI连接器、USB连接器、SD卡连接器和/或音频连接器(耳机连接器等)。
触觉模块2279可以将电信号转换成用户可以通过触觉或运动感官感知的机械刺激(振动、运动等)或电刺激。触觉模块2279可以包括电机、压电元件和/或电刺激器件。
相机模块2280可以捕获静态图像和运动图像。相机模块2280可以包括镜头组件，该镜头组件包括一个或多个镜头、图像传感器、图像信号处理器和/或闪光灯。包括在相机模块2280中的镜头组件可以收集从作为图像捕获的目标的对象发射出的光，并且这种镜头组件可以包括根据上述示例实施例的超颖光学器件100、101、102、103、104、105和106中的任意一种。
电力管理模块2288可以管理供应给电子装置2201的电力。电力管理模块2288可以被实现为电力管理集成电路(PMIC)的一部分。
电池2289可以向电子装置2201的组件供电。电池2289可以包括不可充电的一次电池、可充电的二次电池和/或燃料电池。
通信模块2290可以在电子装置2201与其他电子装置(电子装置2102、电子装置2104、服务器2108等)之间建立直接(有线)通信信道和/或无线通信信道，并且支持通过已建立的通信信道执行通信。通信模块2290可以独立于处理器2220(应用处理器等)操作，并且可以包括支持直接通信和/或无线通信的一个或多个通信处理器。通信模块2290可以包括无线通信模块2292(蜂窝通信模块、短程无线通信模块、全球导航卫星系统(GNSS)通信模块等)和/或有线通信模块2294(本地局域网(LAN)通信模块、电力线通信模块等)。在这些通信模块之中，对应的通信模块可以通过第一网络2298(诸如蓝牙、WiFi直接或红外数据协会(IrDA)之类的短程通信网络)或第二网络2299(诸如蜂窝网络、互联网或计算机网络(LAN、WAN等)之类的电信网络)与其他电子装置进行通信。这些各种类型的通信模块可以集成到一个组件(单个芯片等)中，或者可以被实现为多个单独组件(多个芯片)。无线通信模块2292可以使用存储在订户识别模块2296中的订户信息(国际移动订户标识符(IMSI)等)来识别和认证诸如第一网络2298和/或第二通信网络2299之类的通信网络内的电子装置2201。
天线模块2297可以向或从外部(其他电子装置等)发送或接收信号和/或电力。天线可以包括形成在基板(PCB等)上的导电图案中的辐射器。天线模块2297可以包括一个或多个天线。当天线模块2297包括多个天线时，通信模块2290可以从多个天线之中选择适于在诸如第一网络2298和/或第二网络2299之类的通信网络中使用的通信方法的天线。信号和/或电力可以通过所选天线在通信模块2290与另一电子装置之间发送或接收。除了天线之外，其他组件(RFIC等)也可以作为天线模块2297的一部分被包括在内。
组件中的一些可以在外围器件之间通过通信方法(总线、通用输入和输出(GPIO)、串行外围接口(SPI)、移动工业处理器接口(MIPI)等)彼此连接，并且交换信号(命令、数据等)。
可以通过连接到第二网络2299的服务器2108在电子装置2201与外部电子装置2204之间发送或接收命令或数据。其他电子装置2202和2204可以是与电子装置2201相同的类型或不同的类型。由电子装置2201执行的所有操作或一些操作可以由其他电子装置2202、2204和2208中的一个或多个执行。例如，当电子装置2201需要执行功能或服务时，代替自身执行功能或服务，电子装置2201可以请求一个或多个其他电子装置执行该功能或服务的一部分或全部。已接收到该请求的一个或多个其他电子装置可以执行与该请求有关的附加功能或服务，并且将执行结果发送给电子装置2201。为此，可以使用云计算、分布式计算和/或客户端-服务器计算技术。
图22是示出了包括在图21的电子装置2201中的相机模块2208的示意性配置的框图。
参考图23，相机模块2280可以包括镜头组件2310、闪光灯2320、图像传感器2330、图像稳定器2340、存储器2350(缓冲存储器等)和/或图像信号处理器2360。镜头组件2310可以收集从作为图像捕获目标的对象发出的光，并且可以包括上述超颖光学器件100、101、102、103、104、105和106中的任意一种。镜头组件2310可以包括一个或多个折射镜头和超颖光学器件。其中所设置的超颖光学器件可以被设计为具有目标相位延迟分布的镜头，该目标相位延迟分布表示适于预定像差校正和预定折射率的色散。包括这种超颖光学器件的镜头组件2310可以实现期望的光学性能，并且可以具有短光学长度。
相机模块2280还可以包括致动器。致动器可以驱动构成镜头组件2310的镜头元件的位置以进行变焦和/或自动聚焦(AF)，并且调整镜头元件之间的间隔距离。
相机模块2280可以包括多个镜头组件2310，并且在这种情况下，相机模块2280可以是双相机、360度相机或球形相机。多个镜头组件2310中的一些可以具有相同的镜头属性(视角、焦距、AF、F数、光学变焦等)，或者可以具有不同的镜头属性。镜头组件2310可以包括广角镜头或远摄镜头。
闪光灯2320可以发射光，用于增强从对象发射或反射的光。闪光灯2320可以包括一个或多个发光二极管(红绿蓝(RGB)LED、白LED、红外LED、紫外LED等)和/或氙气灯。图像传感器2330可以是图1、图5和图7中所描述的图像传感器1200，并且可以通过将从对象发射或反射并透射过镜头组件2310的光转换成电信号来获得与对象相对应的图像。图像传感器2330可以包括从具有不同属性的图像传感器中选择的一个或多个传感器，诸如RGB传感器、黑白(BW)传感器、IR传感器或UV传感器。包括在图像传感器2330中的传感器中的每一个可以被实现为电荷耦合器件(CCD)传感器和/或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。
图像稳定器2340可以响应于相机模块2280或包括相机模块2280的电子装置2301的移动而在特定方向上移动包括在镜头组件2310中的一个或多个镜头或图像传感器2330，或者控制图像传感器2330的操作特征(调整读出定时等)以补偿由于移动而导致的负面影响。图像稳定器2340可以使用设置在相机模块2280内部或外部的陀螺仪传感器或加速度传感器来检测相机模块2280或电子装置2301的运动。可以光学地实现图像稳定器2340。
存储器2350可以存储通过图像传感器2330获得的图像的部分或全部数据，以用于下一图像处理操作。例如，当高速获得多个图像时，获得的原始数据(拜耳图案数据、高分辨率数据等)可以存储在存储器2350中，可以仅显示低分辨率图像，然后可以将选择(用户选择等)的图像的原始数据发送到图像信号处理器2360。存储器2350可以集成到电子装置2201的存储器2230中，或者可以被配置为独立操作的单独存储器。
图像信号处理器2360可以对通过图像传感器2330获得的图像或存储在存储器2350中的图像数据执行一个或多个图像处理操作。一个或多个图像处理可以包括深度图产生、3D建模、全景图产生、特征点提取、图像合成和/或图像补偿(降噪、分辨率调整、亮度调整、模糊、锐化、柔化等)。图像信号处理器2360可以执行对包括在相机模块2280中的组件(图像传感器2330等)的控制(曝光时间控制、读出定时控制等)。由图像信号处理器2360处理的图像可以再次存储在存储器2350中以用于进一步处理，或者可以提供给相机模块2280的外部组件(存储器2230、显示装置2260、电子装置2202、电子装置2204、服务器2208等)。图像信号处理器2360可以集成到处理器2220中，或者可以被配置为独立于处理器2220操作的单独处理器。当图像信号处理器2360被配置为与处理器2220分离的处理器时，由图像信号处理器2360处理的图像可以由处理器2220进行附加图像处理，然后通过显示装置2260进行显示。
电子装置2201可以包括具有不同属性或功能的多个相机模块2280。在这种情况下，多个相机模块2280中的一个可以是广角相机，而另一个可以是远摄相机。类似地，多个相机模块2280中的一个可以是前置相机，而另一个可以是后置相机。
图23是示出了包括在图21的电子装置2201中的3D传感器2214的示意性配置的框图。
3D传感器2214将预定光照射到对象上，接收并分析从对象反射的光，并且感测对象的形状和运动。3D传感器2214包括光源2420、超颖光学器件2410、光检测器2430、信号处理器2440和存储器2450。作为超颖光学器件2410，可以采用根据上述示例实施例的超颖光学器件100、101、102、103、104、105和106中的任意一种，并且可以将目标相位延迟分布设置为用作光束偏转器或光束整形器。
光源2420辐射要用于分析对象的形状或位置的光。光源2420可以包括产生并辐射小波长的光的光源。光源2420可以包括诸如激光二极管(LD)、发光二极管(LED)、超发光二极管(SLD)等的光源，这些光源产生并辐射适于分析对象的位置和形状的波段中的光，例如，红外波段中的光。光源2420可以是可调谐激光二极管。光源2420可以产生并辐射多个不同波段的光。光源2420可以产生并辐射脉冲光或连续光。
超颖光学器件2410对从光源1100辐射出的光进行调制，并且将该光发送到对象。当超颖光学器件2410是光束偏转器时，超颖光学器件2410可以使入射光在预定方向上偏转，以将入射光引向对象。当超颖光学器件2410是光束整形器时，超颖光学器件2410对入射光进行调制，使得入射光具有包括预定图案的分布。超颖光学器件2410可以形成适于3D形状分析的结构光。
如上，超颖光学器件2410可以将相位延迟色散
Figure BDA0002941044060000341
设置为0、正数或负数，并且实现连续的相位延迟分布。因此，超颖光学器件2410可以根据波长来执行消色差光学调制。超颖光学器件2410可以根据波长来加大偏差，使得偏转方向可以对于每个波长是不同的，或者可以针对每个波长形成不同的光束图案以将光辐射到对象。
光检测器2430通过超颖光学器件2410接收辐射到对象的光的反射光。光检测器2430可以包括感测光的多个传感器的阵列，或者可以仅包括一个传感器。
信号处理器2440可以通过处理光检测器2430感测到的信号来分析对象的形状。信号处理器2440可以分析包括对象的深度位置的3D形状。
对于3D形状分析，可以执行用于测量光飞行时间的操作。可以使用各种计算方法来测量光飞行时间。例如，直接时间测量方法通过将脉冲光投射到对象上并使用计时器测量光从对象反射并返回的时间来获得距离。相关方法将脉冲光投射到对象上并根据从对象反射并返回的反射光的亮度测量距离。相位延迟测量方法是一种将诸如正弦波的连续波光投射到对象上、检测反射并返回的反射光的相位差、并且将该相位差转换为距离的方法。
当结构光辐射在对象上时，可以根据从对象反射的结构光的图案变化(即，与入射的结构光图案进行比较的结果)来计算对象的深度位置。可以通过针对每个坐标跟踪从对象反射的结构光的图案变化来提取对象的深度信息，并且可以从深度信息中提取与对象的形状和运动有关的3D信息。
存储器2450可以存储信号处理器2440的操作所需的程序和其他数据。
可以将信号处理器2440的操作结果(即，与对象的形状和位置有关的信息)发送到电子装置2200中的另一单元或另一电子装置。例如，该信息可以用于存储在存储器2230中的应用2246中。结果被发送到的其他电子装置可以是输出结果的显示装置或打印机。另外，其他电子装置可以包括自动驾驶设备(诸如，无人驾驶汽车、自动驾驶汽车、机器人、无人机等)、智能电话、智能手表、移动电话、个人数字助理(PDA)、膝上型计算机、PC和各种可穿戴设备、其他的移动或非移动计算设备、以及物联网设备，但是不限于此。
上述超颖光学器件可以利用布置在多层结构中的纳米结构并控制每一层的折射率变化和色散变化，来实现不连续性很小的相位延迟分布。
上述超颖光学器件可以表现出相对于宽波段中的光的高衍射效率。
上述超颖光学器件可以用作镜头、光束偏转器、光束整形器等，并且可以用在利用镜头、光束偏转器和光束整形器的各种电子设备中。
应当理解的是，应仅以描述性意义而不是限制性目的来考虑本文中描述的示例实施例。对每个示例实施例中的特征或方面的描述一般应当被看作可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。虽然已参考附图描述了一个或多个示例实施例，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的多种改变。

Claims (38)

1.一种超颖光学器件，包括：
第一层，包括多个第一纳米结构和第一材料，所述第一材料被设置为与所述多个第一纳米结构相邻；
第二层，设置在所述第一层上，所述第二层包括多个第二纳米结构和第二材料，所述第二材料被设置为与所述多个第二纳米结构相邻，
其中，所述第一层和所述第二层包括在第一方向上的有效折射率变化率的符号彼此相反的区域，以及
其中，所述超颖光学器件被配置为获得相对于预定波段的入射光的目标相位延迟分布。
2.根据权利要求1所述的超颖光学器件，其中，所述第一层的在所述第一方向上的色散变化率与有效折射率变化率的第一比率不同于所述第二层的在所述第一方向上的色散变化率与有效折射率变化率的第二比率。
3.根据权利要求1所述的超颖光学器件，其中，所述目标相位延迟分布相对于所述预定波段的波长具有为0的色散。
4.根据权利要求1所述的超颖光学器件，其中，所述第一层的相位延迟分布和所述目标相位延迟分布在所述第一方向上具有相同符号的变化率。
5.根据权利要求4所述的超颖光学器件，其中，所述第二层的在所述第一方向上的色散变化率与有效折射率变化率的第二比率大于所述第一层的在所述第一方向上的色散变化率与有效折射率变化率的第一比率。
6.根据权利要求5所述的超颖光学器件，其中，所述第二层中包括的材料具有比所述第一层中包括的材料大的色散。
7.根据权利要求1所述的超颖光学器件，其中，所述第一层的第一相位延迟分布和所述第二层的第二相位延迟分布在所述第一方向上具有与位置变化相对应的相反符号的变化率。
8.根据权利要求1所述的超颖光学器件，其中，所述目标相位延迟分布是在所述预定波段中相对于所述超颖光学器件的位置的连续函数。
9.根据权利要求1所述的超颖光学器件，其中，所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构为柱状。
10.根据权利要求9所述的超颖光学器件，其中，所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构具有大于2的高宽比。
11.根据权利要求9所述的超颖光学器件，其中，所述多个第一纳米结构的第一高度和所述多个第二纳米结构的第二高度大于所述预定波段的中心波长。
12.根据权利要求9所述的超颖光学器件，其中，所述多个第一纳米结构具有比所述第一材料高的折射率，
其中，所述多个第二纳米结构具有比所述第二材料高的折射率，以及
其中，所述多个第一纳米结构的宽度的变化图案和所述多个第二纳米结构的宽度的变化图案沿远离所述超颖光学器件的中心的方向彼此相反。
13.根据权利要求9所述的超颖光学器件，其中，所述多个第一纳米结构具有比所述第一材料低的折射率，
其中，所述多个第二纳米结构具有比所述第二材料高的折射率，以及
其中，所述多个第一纳米结构的宽度的变化图案和所述多个第二纳米结构的宽度的变化图案沿远离所述超颖光学器件的中心的方向相同。
14.根据权利要求9所述的超颖光学器件，其中，所述多个第一纳米结构具有内柱和壳柱，所述壳柱被设置为与所述内柱相邻。
15.根据权利要求14所述的超颖光学器件，其中，所述内柱的折射率低于所述壳柱的折射率。
16.根据权利要求15所述的超颖光学器件，其中，所述壳柱的折射率高于所述第一材料的折射率。
17.根据权利要求16所述的超颖光学器件，其中，所述多个第二纳米结构具有比所述第二材料高的折射率。
18.根据权利要求17所述的超颖光学器件，其中，所述多个第一纳米结构的宽度的变化图案和所述多个第二纳米结构的宽度的变化图案沿远离所述超颖光学器件的中心的方向彼此相反。
19.根据权利要求16所述的超颖光学器件，其中，所述多个第二纳米结构具有比所述第二材料低的折射率。
20.根据权利要求19所述的超颖光学器件，其中，所述多个第一纳米结构的宽度的变化图案和所述多个第二纳米结构的宽度的变化图案沿远离所述超颖光学器件的中心的方向彼此相同。
21.根据权利要求9所述的超颖光学器件，其中，所述多个第一纳米结构是多个孔。
22.根据权利要求21所述的超颖光学器件，其中，所述多个第二纳米结构具有比所述第二材料高的折射率。
23.根据权利要求22所述的超颖光学器件，其中，所述多个第一纳米结构的所述多个孔的宽度的变化图案和所述多个第二纳米结构的多个孔的宽度的变化图案沿远离所述超颖光学器件的中心的方向彼此相同。
24.根据权利要求21所述的超颖光学器件，其中，所述多个第二纳米结构具有比所述第二材料低的折射率。
25.根据权利要求24所述的超颖光学器件，其中，所述多个第一纳米结构的所述多个孔的宽度的变化图案和所述多个第二纳米结构的多个孔的宽度的变化图案沿远离所述超颖光学器件的中心的方向彼此相反。
26.根据权利要求1所述的超颖光学器件，还包括：
支撑层，被配置为支撑所述第一层和所述第二层。
27.根据权利要求1所述的超颖光学器件，还包括：
在所述第一层与所述第二层之间的间隔层。
28.根据权利要求1所述的超颖光学器件，其中，所述目标相位延迟分布相对于所述预定波段中的光的波长具有小于0的色散。
29.根据权利要求1所述的超颖光学器件，其中，所述目标相位延迟分布相对于所述预定波段中的光的波长具有大于0的色散。
30.根据权利要求1所述的超颖光学器件，其中，所述超颖光学器件是镜头。
31.根据权利要求1所述的超颖光学器件，其中，所述超颖光学器件是光束偏转器。
32.根据权利要求1所述的超颖光学器件，其中，所述超颖光学器件是光束整形器。
33.根据权利要求1所述的超颖光学器件，其中，所述预定波段在400nm至700m的范围内。
34.根据权利要求1所述的超颖光学器件，其中，所述超颖光学器件的所述区域在所述第一方向上的长度与所述超颖光学器件在所述第一方向上的总长度的比率大于或等于80％。
35.根据权利要求1所述的超颖光学器件，其中，所述超颖光学器件的衍射效率相对于所述预定波段中的光大于或等于0.8。
36.一种电子装置，包括：
成像镜头组件，包括至少一个折射镜头和超颖光学器件，所述超颖光学器件包括：
第一层，包括多个第一纳米结构和第一材料，所述第一材料被设置为与所述多个第一纳米结构相邻；
第二层，设置在所述第一层上，所述第二层包括多个第二纳米结构和第二材料，所述第二材料被设置为与所述多个第二纳米结构相邻，
其中，所述第一层和所述第二层包括在第一方向上的有效折射率变化率的符号彼此相反的区域，以及
其中，所述超颖光学器件被配置为获得相对于预定波段的入射光的目标相位延迟分布；以及
图像传感器，被配置为将由所述成像镜头组件形成的光学图像转换成电信号。
37.一种电子装置，包括：
光源；
超颖光学器件，被配置为对来自所述光源的光进行调制并将其传输到对象，所述超颖光学器件包括：
第一层，包括多个第一纳米结构和第一材料，所述第一材料被设置为与所述多个第一纳米结构相邻；
第二层，设置在所述第一层上，所述第二层包括多个第二纳米结构和第二材料，所述第二材料被设置为与所述多个第二纳米结构相邻，
其中，所述第一层和所述第二层包括在第一方向上的有效折射率变化率的符号彼此相反的区域，以及
其中，所述超颖光学器件被配置为获得相对于预定波段的入射光的目标相位延迟分布；以及
光检测器，被配置为感测从所述对象反射的光，所述对象被来自所述超颖光学器件的调制光照射。
38.一种超颖光学器件，包括：
第一层，包括多个第一纳米结构和第一材料，所述第一材料被设置为与所述多个第一纳米结构相邻；
第二层，设置在所述第一层上，所述第二层包括多个第二纳米结构和第二材料，所述第二材料被设置为与所述多个第二纳米结构相邻，
其中，所述第一层和所述第二层包括在第一方向上的有效折射率变化率的符号彼此相反的区域，以及
其中，所述多个第一纳米结构的宽度的变化图案和所述多个第二纳米结构的宽度的变化图案在远离所述超颖光学器件的中心的方向上彼此相同或相反。
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