CN113917574A - 阶梯状基底超表面及相关设计方法、加工方法和光学透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种阶梯状基底超表面及相关设计方法、加工方法和光学透镜，其中，阶梯状基底超表面包括：阶梯状基底和纳米结构；阶梯状基底，包括：多个对入射光线的相位进行改变的相位设计位置，多个相位设计位置中相邻的相位设计位置之间的高度不同；相位设计位置的高度与阶梯状基底超表面实现的功能相关；纳米结构分别设置在多个相位设计位置中的各相位设计位置上。从而设计出比曲面基底超表面实现相同功能但厚度更薄的阶梯状基底超表面，但阶梯状基底超表面的阶梯状基底中的高度不同的对入射光线的相位进行改变的相位设计位置是不同高度的平面，所以可以使用现有的半导体平面加工工艺对阶梯状基底超表面进行加工，加工工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及基底超表面仿真设计领域，具体而言，涉及一种阶梯状基底超表面及相关设计方法、加工方法和光学透镜。
背景技术
目前，阶梯状基底超表面成为超表面学术与产业界的研究趋势。现有的阶梯状基底超表面必须基于曲面基底进行加工，而曲面加工与现有的半导体工艺并不兼容，相比平面加工更为复杂，不适合批量生产。
发明内容
为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种阶梯状基底超表面及相关设计方法、加工方法和光学透镜。
第一方面，本发明实施例提供了一种阶梯状基底超表面，包括：阶梯状基底和纳米结构；
所述阶梯状基底，包括：多个对入射光线的相位进行改变的相位设计位置，多个相位设计位置中相邻的相位设计位置之间的高度不同；所述相位设计位置的高度与所述阶梯状基底超表面实现的功能相关；
所述纳米结构分别设置在多个相位设计位置中的各相位设计位置上。
第二方面，本发明实施例还提供了一种阶梯状基底超表面加工方法，用于对上述第一方向所述的阶梯状基底超表面进行加工，所述加工方法包括：
对平面基底进行灰度曝光刻蚀得到所述阶梯状基底超表面的阶梯状基底；
利用侧壁沉积厚度与底面沉积厚度小于1/5的沉积方式在所述阶梯状基底上沉积结构层；
在所述结构层上涂覆光刻胶；
在所述光刻胶上曝光形成设置在所述阶梯状基底上的纳米结构；
刻蚀并去除剩余光刻胶，加工得到所述阶梯状基底超表面。
第三方面，本发明实施例还提供了一种阶梯状基底超表面的设计方法，包括：
获取生成光学透镜的阶梯状基底超表面的工作波段，并根据所述工作波段，确定出形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，并从所述工作波段中选择任一波长作为所述工作波段的主波长；
基于得到的所述工作波段的主波长，计算形成所述基底的基底形状和尺寸，并确定出形成所述阶梯状基底超表面的纳米结构；
按照形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，计算得到的所述基底的基底形状和尺寸、以及纳米结构的形状和尺寸，形成所述阶梯状基底超表面；
对形成的所述阶梯状基底超表面进行全光谱仿真，得到仿真结果；
当得到的仿真结果能够实现所述阶梯状基底超表面所要生成的所述光学透镜能够实现的功能时，确定设计得到的所述阶梯状基底超表面满足光学透镜的功能要求。
第四方面，本发明实施例还提供了一种阶梯状基底超表面的设计装置，包括：
获取模块，用于获取生成光学透镜的阶梯状基底超表面的工作波段，并根据所述工作波段，确定出形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，并从所述工作波段中选择任一波长作为所述工作波段的主波长；
确定模块，用于基于得到的所述工作波段的主波长，计算形成所述基底的基底形状和尺寸，并确定出形成所述阶梯状基底超表面的纳米结构；
处理模块，用于按照形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，计算得到的所述基底的基底形状和尺寸、以及纳米结构的形状和尺寸，形成所述阶梯状基底超表面；
仿真模块，用于对形成的所述阶梯状基底超表面进行全光谱仿真，得到仿真结果；
设计确认模块，用于当得到的仿真结果能够实现所述阶梯状基底超表面所要生成的所述光学透镜能够实现的功能时，确定设计得到的所述阶梯状基底超表面满足光学透镜的功能要求。
第五方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述第三方面所述的方法的步骤。
第六方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，所述电子设备包括有存储器，处理器以及一个或者一个以上的程序，其中所述一个或者一个以上程序存储于所述存储器中，且经配置以由所述处理器执行上述第三方面所述的方法的步骤。
第七方面，本发明实施例还提供了一种光学透镜，包括上述第一方面所述的阶梯状基底超表面。
本发明实施例上述第一方面、第二方面和第七方面提供的方案中，设计一种具有阶梯状基底和纳米结构的阶梯状基底超表面，该阶梯状基底包括多个高度不同的对入射光线的相位进行改变的相位设计位置，该纳米结构分别设置在多个相位设计位置中的各相位设计位置上，从而设计出比曲面基底超表面实现相同功能但厚度更薄的阶梯状基底超表面，但阶梯状基底超表面的阶梯状基底中的高度不同的对入射光线的相位进行改变的相位设计位置是不同高度的平面，所以可以使用现有的半导体平面加工工艺对阶梯状基底超表面进行加工，使得阶梯状基底超表面的加工工艺比曲面基底超表面的加工工艺更简单，更易于量产和推广，通过阶梯状基底超表面加工方法得到的超表面与设计的超表面形态差距较小。
本发明实施例上述第三方面至第六方面提供的方案中，获取生成光学透镜的阶梯状基底超表面的工作波段，并根据所述工作波段，确定出形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，并从所述工作波段中选择任一波长作为所述工作波段的主波长；基于得到的所述工作波段的主波长，得到形成所述基底的基底形状和尺寸，以及形成所述阶梯状基底超表面的纳米结构；按照得到的所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料、所述基底的基底形状和尺寸、以及纳米结构的形状和尺寸，形成所述阶梯状基底超表面；并当得到的仿真结果能够实现所述阶梯状基底超表面所要生成的所述光学透镜能够实现的功能时，确定设计得到的所述阶梯状基底超表面满足光学透镜的功能要求，从而可以根据光学透镜的功能要求得到能够实现目标效果的阶梯状基底超表面；而且，阶梯状基底超表面可以近似于由多个平面基底机构组成，所以可以采用现有的半导体工艺加工，适合批量生产。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了曲面基底超表面的结构示意图；
图2示出了本发明实施例1所提供的阶梯状基底超表面的第一种实现方式的结构示意图；
图3a示出了本发明实施例1所提供的阶梯状基底超表面的第二种实现方式的结构示意图；
图3b示出了本发明实施例1所提供的阶梯状基底超表面的第三种实现方式的结构示意图；
图4a示出了本发明实施例1所提供的阶梯状基底超表面中圆柱体的纳米结构的结构示意图；
图4b示出了本发明实施例1所提供的阶梯状基底超表面中长方柱体的纳米结构的结构示意图；
图4c示出了本发明实施例1所提供的阶梯状基底超表面中中空圆柱体的纳米结构的结构示意图；
图4d示出了本发明实施例1所提供的阶梯状基底超表面中方形中空柱体的纳米结构的结构示意图；
图4e示出了本发明实施例1所提供的阶梯状基底超表面中正四棱柱形状的腔体结构的纳米结构的结构示意图；
图4f示出了本发明实施例1所提供的阶梯状基底超表面中圆柱形状的腔体结构的纳米结构的结构示意图；
图5示出了本发明实施例2所提供的一种阶梯状基底超表面加工方法的流程图；
图6示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法的流程图；
图7示出了本发明实施例4所提供的一种阶梯状基底超表面的设计装置的结构示意图；
图8示出了本发明实施例5所提供的一种电子设备的结构示意图；
图9示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计的汇聚透镜的基底高度和对应基底在不同波长下的相位的示意图；
图10a示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计的汇聚透镜的主波长在8μm时所需相位和纳米结构实际相位图的示意图；
图10b示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计的汇聚透镜的主波长在10μm时所需相位和纳米结构实际相位图的示意图；
图10c示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计的汇聚透镜的主波长在12μm时所需相位和纳米结构实际相位图的示意图；
图11示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计得到的无色差无球差发散透镜的基底高度示意图；
图12a示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计得到的无色差无球差发散透镜的主波长在8μm时色差相位的示意图；
图12b示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计得到的无色差无球差发散透镜的主波长在10μm时色差相位的示意图；
图12c示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计得到的无色差无球差发散透镜的主波长在12μm时色差相位的示意图；
图13a示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计的无色差无球差发散透镜的主波长在8μm时所需相位和纳米结构实际相位图的示意图；
图13b示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计的无色差无球差发散透镜的主波长在10μm时所需相位和纳米结构实际相位图的示意图；
图13c示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计的无色差无球差发散透镜的主波长在12μm时所需相位和纳米结构实际相位图的示意图；
图14示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计的折射-超透镜光学系统相位矫正板所在的折射-超透镜光学系统的结构示意图；
图15示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计的折射-超透镜光学系统相位矫正板基底高度的示意图；
图16a示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计得到的折射-超透镜光学系统相位矫正板的主波长在8μm时色差相位的示意图；
图16b示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计得到的折射-超透镜光学系统相位矫正板的主波长在10μm时色差相位的示意图；
图16c示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计得到的折射-超透镜光学系统相位矫正板的主波长在12μm时色差相位的示意图；
图17a示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计的折射-超透镜光学系统相位矫正板的主波长在8μm时所需相位和纳米结构实际相位图的示意图；
图17b示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计的折射-超透镜光学系统相位矫正板的主波长在10μm时所需相位和纳米结构实际相位图的示意图；
图17c示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，按照阶梯状基底超表面的设计方法设计的折射-超透镜光学系统相位矫正板的主波长在12μm时所需相位和纳米结构实际相位图的示意图；
图18a示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，一种纳米结构数据库的示意图；
图18b示出了本发明实施例3所提供的一种阶梯状基底超表面的设计方法中，一种纳米结构数据库的示意图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
目前，阶梯状基底超表面成为超表面学术与产业界的研究趋势。现有的阶梯状基底超表面必须基于曲面基底进行加工，而曲面加工与现有的半导体工艺并不兼容，相比平面加工更为复杂，不适合批量生产。
相关技术中，参见图1所示的曲面基底超表面的结构示意图，其中，纳米结构102设置在曲面基底超表面的曲面基底10上；所述曲面基底超表面具有难加工、厚度大等缺陷。
基于此，本申请各实施例提出一种阶梯状基底超表面及相关设计方法、加工方法和光学透镜，设计一种具有阶梯状基底和纳米结构的阶梯状基底超表面，该阶梯状基底包括多个高度不同的对入射光线的相位进行改变的相位设计位置，该纳米结构分别设置在多个相位设计位置中的各相位设计位置上，使得阶梯状基底超表面的结构与曲面基底超表面的结构类似，并能够起到与曲面基底超表面类似的作用，但阶梯状基底超表面的阶梯状基底中的高度不同的对入射光线的相位进行改变的相位设计位置是不同高度的平面，所以阶梯状基底超表面的平面加工工艺比曲面基底超表面的加工工艺更简单，更易于量产和推广；而且，与能够实现相同效果的曲面基底超表面相比，阶梯状基底超表面的厚度更薄。
实施例1
参见图2和图3所示的具有不同形状的阶梯状基底超表面的结构示意图，本实施例提出一种阶梯状基底超表面，包括：阶梯状基底100和纳米结构102。
所述阶梯状基底100，包括：多个对入射光线的相位进行改变的相位设计位置104，多个相位设计位置中相邻的相位设计位置之间的高度不同；所述相位设计位置的高度与所述阶梯状基底超表面实现的功能相关。
所述纳米结构102分别设置在多个相位设计位置中的各相位设计位置上。
如图2所示的阶梯状基底超表面，本实施例提出的阶梯状基底超表面可以形成远红外波段(8μm至12μm)的汇聚透镜。所述汇聚透镜在形状上与凸透镜的形状类似。
如图3a所示的阶梯状基底超表面，本实施例提出的阶梯状基底超表面可以形成消色差负透镜。所述消色差负透镜在形状上与凹透镜的形状类似。
如图3b所示的阶梯状基底超表面，本实施例提出的阶梯状基底超表面可以形成折射-超透镜混合光学系统的相位补偿板。所述相位补偿板的形状为阶梯形状。
在一个实施方式中，所述纳米结构为柱体结构或者腔体结构。
所述纳米结构，用于对入射光的相位进行调制，所述纳米结构，包括：偏振相关纳米结构和偏振无关纳米结构。
参见图4a所示的纳米结构的结构示意图，所述纳米结构为圆柱体。所述圆柱体为偏振无关纳米结构。
参见图4b所示的纳米结构的结构示意图，所述纳米结构为长方柱体。所述长方柱体为偏振相关纳米结构。
参见图4c所示的纳米结构的结构示意图，所述纳米结构为中空圆柱体。所述中空圆柱体为偏振无关纳米结构。
参见图4d所示的纳米结构的结构示意图，所述纳米结构为方形中空柱体。其中，中空结构为四棱柱。所述方形中空柱体为偏振无关纳米结构。
参见图4e所示的纳米结构的结构示意图，纳米结构为正四棱柱形状的腔体结构。或者，进一步地，该正四棱柱形状的腔体结构内设有圆柱或具有4n个侧棱的正棱柱。所述正四棱柱形状的腔体结构为偏振无关纳米结构。
参见图4f所示的纳米结构的结构示意图，纳米结构为圆柱形状的腔体结构。或者，进一步地，该圆柱形状的腔体结构内设有圆柱或具有4n个侧棱的正棱柱。所述圆柱形状的腔体结构为偏振无关纳米结构。
进一步地，本实施例提出的阶梯状基底超表面，还包括：填充材料。
所述填充材料，用于在通过填充材料填平的表面上镀膜。
所述填充材料，包括但不限于：有机玻璃和聚碳酸酯。
所述填充材料覆盖在阶梯状基底超表面上，使得覆盖有所述填充材料的阶梯状基底超表面的底面与所述填充材料的顶面平行。
进一步地，本实施例提出的阶梯状基底超表面，还包括：增透膜和/或者保护层。
所述增透膜，是一种沉积在光学镜片表面的薄膜，其原理是使反射光干涉相消，从而达到减反/增透的效果。
所述增透膜，包括但不限于：氟化镁增透膜、氧化钛增透膜、硫化铅增透膜、硒化铅增透膜、陶瓷红外光红外增透膜、乙烯基倍半硅氧烷杂化膜。
所述保护层，覆盖在所述阶梯状基底超表面上，用于对所述阶梯状基底超表面起到保护作用。
所述保护层，可以采用由有机玻璃制成的钢化膜。
所述增透膜和/或者保护层设置在所述填充材料上。
当所述阶梯状基底超表面包括：增透膜和保护层时，所述增透膜设置在所述填充材料上，所述保护层设置在所述增透膜上。
图2所示的阶梯状基底超表面可以起到图1所示的曲面基底超表面相同的光线汇聚作用，而且，可以使用现有的半导体平面加工工艺进行加工，与曲面基底超表面相比，大大降低了加工难度，而且，阶梯状基底超表面的厚度与起到相同作用的曲面基底超表面的厚度相比，可以设计的更薄，使得梯状基底超表面的应用场景更加广泛。
本实施例提出一种光学透镜，包括上述的阶梯状基底超表面。
综上所述，本实施例提出一种阶梯状基底超表面和光学透镜，设计一种具有阶梯状基底和纳米结构的阶梯状基底超表面，该阶梯状基底包括多个高度不同的对入射光线的相位进行改变的相位设计位置，该纳米结构分别设置在多个相位设计位置中的各相位设计位置上，从而设计出比曲面基底超表面实现相同功能但厚度更薄的阶梯状基底超表面，阶梯状基底超表面的阶梯状基底中的高度不同的对入射光线的相位进行改变的相位设计位置是不同高度的平面，所以可以使用现有的半导体平面加工工艺对阶梯状基底超表面进行加工，使得阶梯状基底超表面的加工工艺比曲面基底超表面的加工工艺更简单，更易于量产和推广。
实施例2
参见图5所示的阶梯状基底超表面加工方法的流程图，本实施例提出一种阶梯状基底超表面加工方法，用于对上述实施例1提出的所述阶梯状基底超表面进行加工，所述加工方法包括以下具体步骤：
步骤500、对平面基底进行灰度曝光刻蚀得到所述阶梯状基底超表面的阶梯状基底。
步骤502、利用侧壁沉积厚度与底面沉积厚度小于1/5的沉积方式在所述阶梯状基底上沉积结构层。
在上述步骤502中，使用侧壁沉积厚度与底面沉积厚度小于1/5的沉积方式在所述阶梯状基底上沉积结构层，可以在所述阶梯状基底中各相位设计位置处沉积结构层，而不会在阶梯状基底的侧壁上沉积结构层。从而通过简单的方式就可以得到沉积层。
其中，所述侧壁沉积厚度与底面沉积厚度小于1/5的沉积方式，包括但不限于：电子束蒸镀沉积方式以及化学气相沉积PECVD的沉积方式。
可选地，在利用侧壁沉积厚度与底面沉积厚度小于1/5的沉积方式的方式在所述阶梯状基底上沉积结构层步骤后，还可以执行以下步骤：
利用侧壁沉积厚度与底面沉积厚度小于1/5的沉积方式在所述结构层上沉积硬掩膜层。
步骤504、在所述结构层上涂覆光刻胶。
在上述步骤504中，利用喷头喷涂的方式，在所述结构层上涂覆光刻胶。使得光刻胶可以均匀的涂覆在结构层上。
在一个实施方式中，当在利用侧壁沉积厚度与底面沉积厚度小于1/5的沉积方式在所述结构层上沉积硬掩膜层后，可以利用喷头喷涂的方式，在所述硬掩膜层上涂覆光刻胶。
由于传统甩胶工艺难以实现在离散化阶梯基底上均匀涂胶，本步骤504采用喷头来喷涂光刻胶。由于离散化阶梯基底各相位设计位置均为平面且高度差距较小(几μm)，因此喷头在喷涂光刻胶时，无需精准保证喷头和基底高度一致也无需旋转角度，使喷头垂直向下喷涂整个基底即可。
步骤506、在所述光刻胶上曝光形成设置在所述阶梯状基底上的纳米结构。
步骤508、刻蚀并去除剩余光刻胶，加工得到所述阶梯状基底超表面。
综上所述，本实施例提出的一种阶梯状基底超表面加工方法，由于阶梯状基底超表面的阶梯状基底中的高度不同的对入射光线的相位进行改变的相位设计位置是不同高度的平面，所以可以使用现有的半导体平面加工工艺对阶梯状基底超表面进行加工，使得阶梯状基底超表面的加工工艺比曲面基底超表面的加工工艺更简单，更易于量产和推广。
实施例3
本实施例提出的阶梯状基底超表面的设计方法的执行主体是服务器。
所述服务器可以采用现有技术中任何能够执行上述阶梯状基底超表面的设计方法的计算设备，这里不再一一赘述。
在进行本实施例提出的阶梯状基底超表面的设计方法前，需要先执行以下步骤的内容：
首先确定基底和纳米结构材料，其次根据生成光学透镜的阶梯状基底超表面的工作波段的最小波长λmin和最大波长λmax确定纳米结构数据库的周期范围在P＝[0.5λmin,1.5λmax]和纳米结构的高度范围H＝[0.1λmin,10λmax]。当可达到制程为最小可加工大小(Critical dimension，CD)时，周期确定为P＝P0(其中，P0的取值范围是[0.5λmin,1.5λmax])时，则纳米结构的变化范围Var_D＝[CD,P0-CD]。分别对周期P和此周期下的纳米结构及其高度进行参数扫描技术此周期和高度下纳米结构参数下的不同波长的相位Phase(λ)和透过率Transmittance(λ)。对周期P、高度H和Var_D进行穷举扫描，周期和纳米结构变化量的扫描步数均不小于10，从而建立一个纳米结构数据库。参见图18a和图18b所示的纳米结构数据库的示意图，该纳米结构数据库记录有各纳米结构的周期(P)、结构方式、材料、高度、透过率、相位等信息。
其中，所述结构方式，包括但不限于：纳米柱、纳米方柱、纳米环柱和纳米方环柱。
当工作波段是可见光的波长范围时，所述纳米结构可以选择的材料，包括但不限于：氮化硅、氧化钛、氮化镓、磷化镓、氢化非晶硅、蓝宝石和氧化硅。
当工作波段是远红外(8-12μm)光的波长范围时，纳米结构可选用的材料包括但不限于：晶体硅和晶体锗。
示例地，硅纳米结构-硅基底，P＝3μm，H＝10μm，直径从0.5μm到2.5μm的无色差无球差汇聚透镜。选用主波长10μm，基底材料选用硅。纳米结构数据库选用硅纳米结构-硅基底，P＝3μm，H＝10μm的纳米圆柱、纳米圆孔、纳米环柱，纳米环孔结构数据库，各个数据库相位见之前的相位图。
当工作波段是可见光的波长范围时，基底可选用的材料，是可见光透明材料，包括但不限于：熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃以及蓝宝石。
当工作波段是远红外(8μm-12μm)光的波长范围时，基底可选用的材料，包括但不限于：硫系玻璃、硫化锌、硒化锌、晶体锗和晶体硅。
在建立纳米结构数据库后，可以继续执行以下的阶梯状基底超表面的设计方法，参见图6所示的一种阶梯状基底超表面的设计方法的结构示意图，本实施例提出一种阶梯状基底超表面的设计方法，包括以下具体步骤：
步骤600、获取生成光学透镜的阶梯状基底超表面的工作波段，并根据所述工作波段，确定出形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，并从所述工作波段中选择任一波长作为所述工作波段的主波长。
在上述步骤600中，服务器中预先存储有工作波段与纳米结构所使用材料的对应关系；以及工作波段与基底所使用材料的对应关系。那么，根据所述工作波段，在工作波段与纳米结构所使用材料的对应关系；以及工作波段与基底所使用材料的对应关系中进行查询，就可以确定出形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料。
当需要设计的阶梯状基底超表面用作一个远红外波段(8-12μm)的汇聚透镜时，由于工作波段是8-12μm，那么此时服务器可以选择8-12μm中的任意波长(如：10μm)作为主波长。
针对阶梯状基底超表面生成的光学透镜，服务器中还存储有该光学透镜的焦距和折射率等参数。
除了上述阶梯状基底超表面生成的光学透镜的参数之外，服务器中还存储有：不同材料的基底对具有不同波长的光线的折射率。
其中，不同材料的基底对具有不同波长的光线的折射率的表现方式可以是：基底的材料、光线的波长范围、以及折射率的对应关系。
步骤602、基于得到的所述工作波段的主波长，计算形成所述基底的基底形状和尺寸，并确定出形成所述阶梯状基底超表面的纳米结构。
在上述步骤602中，为了基于得到的所述工作波段的主波长，计算形成所述基底的基底形状和尺寸，可以执行以下步骤(1)至步骤(4)：
(1)对所述工作波段的主波长所需的相位进行计算；
(2)根据得到的所述主波长所需的相位，对具有所述主波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位进行计算；
(3)获取所述基底对具有所述主波长的光线的折射率，并基于所述基底对具有所述主波长的光线的折射率、具有主波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位、以及工作波段的主波长，计算所述基底中相位设计位置的基底高度；其中，所述基底中相邻相位设计位置的基底高度不同，从而形成所述阶梯状基底超表面；
(4)获取所述工作波段中的其他波长和所述基底对所述工作波段中所述其他波长的光线的折射率，并基于所述工作波段中的其他波长、所述基底对所述工作波段中所述其他波长的光线的折射率和所述基底中相位设计位置的基底高度，对所述工作波段中所述其他波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位进行计算。
在上述步骤(1)中，对所述工作波段的主波长所需的相位进行计算，包括以下步骤(11)至步骤(12)：
(11)获取所述阶梯状基底超表面所生成光学透镜的焦距；
(12)根据所述工作波段的主波长以及所述阶梯状基底超表面所生成光学透镜的焦距，对所述工作波段的主波长所需的相位进行计算；
通过以下的公式对工作波段的主波长所需的相位φdesign(x,y)进行计算：
其中，f表示所述阶梯状基底超表面所生成光学透镜的焦距；λc表示所述工作波段的主波长。
当然，也可以采用其他任何现有的相位计算方式，对所述工作波段的主波长所需的相位进行计算，这里不再赘述。
在上述步骤(2)中，为了对具有所述主波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位进行计算：
通过以下公式对具有所述主波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位进行计算：
φc(x,y)＝mod(φdesign(x,y),2π)
其中，φc(x,y)表示具有所述主波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位。
在上述步骤(3)中，为了获取所述基底对具有所述主波长的光线的折射率，服务器可以利用确定出的基底的材料以及确定出的所述工作波段的主波长，在该服务器中存储的不同材料的基底对具有不同波长的光线的折射率中进行遍历，从而获取到所述基底对具有所述主波长的光线的折射率。
在获取到所述基底对具有所述主波长的光线的折射率之后，服务器可以继续通过以下公式对所述基底中相位设计位置的基底高度进行计算：
其中，h(x,y)表示所述基底中相位设计位置的基底高度；φc(x,y)表示具有所述主波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位；nc表示基底对具有所述主波长的光线的折射率。
在上述步骤(4)中，所述工作波段中的其他波长，是指所述工作波段内中除被选择为主波长的波长之外剩余的波长。
获取所述基底的材料，并根据所述基底的材料、所述工作波段中的其他波长的大小，在该服务器中存储的不同材料的基底对具有不同波长的光线的折射率中进行遍历，从而获取到所述基底对所述工作波段中所述其他波长的光线的折射率。
然后，服务器通过以下公式对所述工作波段中其他波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位进行计算：
其中，h(x,y)表示所述基底中相位设计位置的基底高度；n(λ)表示所述基底对所述工作波段中所述其他波长的光线的折射率；λ表示所述工作波段中的其他波长；φsubstrate(x,y,λ)表示所述工作波段中所述其他波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位。
在基于得到的所述工作波段的主波长，计算形成所述基底的基底形状和尺寸后，可以继续执行以下步骤(41)至(42)，基于得到的所述工作波段的主波长，确定出形成所述阶梯状基底超表面的纳米结构：
(41)获取所述阶梯状基底超表面的设计色差相位，并根据所述工作波段中其他波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位和获取到的所述设计色差相位，对纳米结构所需相位进行计算；
(42)从纳米结构数据库中查询出纳米结构相位与所述纳米结构所需相位最接近的纳米结构，其中，所述纳米结构数据库中存储有纳米结构与纳米结构相位的对应关系。
在上述步骤(41)中，所述阶梯状基底超表面的设计色差相位，与所设计的光学透镜的所实现的功能相对应。
所述服务器中，预先存储有阶梯状基底超表面的设计色差相位与阶梯状基底超表面的所形成的光学透镜的对应关系。
在一个实施方式中，阶梯状基底超表面的设计色差相位与阶梯状基底超表面的所形成的光学透镜的对应关系，可以如下表示：
阶梯状基底超表面的设计色差相位1消色差汇聚(正)透镜；
阶梯状基底超表面的设计色差相位2消色差发散(负)透镜；
阶梯状基底超表面的设计色差相位3折射-超透镜混合光学系统的相位补偿板。
所以，服务器可以根据所述阶梯状基底超表面所要形成的光学透镜，就可以查询出与所要形成的光学透镜对应的阶梯状基底超表面的设计色差相位。
可选地，所述阶梯状基底超表面的设计色差相位，也可以通过人工输入服务器的方式，而使得服务器得到所述阶梯状基底超表面的设计色差相位。
为了对纳米结构所需相位进行计算，通过以下公式对纳米结构所需的相位进行计算：
φtotal(x,y,λ)＝mod(φsubstrate(x,y,λ)+φnanostructure(x,y,λ),2π)
其中，φtotal(x,y,λ)表示设计色差相位；φnanostructure(x,y,λ)表示纳米结构所需的相位。
在上述步骤(42)中，为了从纳米结构数据库中查询出纳米结构相位与所述纳米结构所需相位最接近的纳米结构，可以执行以下步骤(421)至步骤(422)：
(421)从纳米结构数据库中查询出各纳米结构相位；
(422)计算各纳米结构相位与所述纳米结构所需相位的差值，并将与所述纳米结构所需相位差值最小的纳米结构相位对应的纳米结构，确定为所述纳米结构相位与所述纳米结构所需相位最接近的纳米结构。
在上述步骤(422)中，计算各纳米结构相位与所述纳米结构所需相位的差值时，在一个实施方式中，可以直接计算各纳米结构相位与所述纳米结构所需相位的差值，即：纳米结构相位减去纳米结构所需相位，得到纳米结构相位与所述纳米结构所需相位的差值。
在另一个实施方式中，寻找纳米结构可选用最小化加权误差的优化算法，可用如下的公式表示其原理：
其中，Δ(x,y)表示各纳米结构相位与所述纳米结构所需相位的差值，
(x,y,λi)表示波长为λi情况下纳米结构所需的相位，
(x,y,λi)表示纳米结构数据库中各纳米结构相位中第j个纳米结构在波长λi下的纳米结构相位，ci表示波长λi时的权重系数，通常权重系数为1。
步骤604、按照形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，计算得到的所述基底的基底形状和尺寸、以及纳米结构的形状和尺寸，形成所述阶梯状基底超表面。
步骤606、对形成的所述阶梯状基底超表面进行全光谱仿真，得到仿真结果。
具体地，对设计得到的阶梯状基底超表面进行全光谱仿真，通过采用所述阶梯状基底超表面所生成的光学透镜的所述工作波段中的最小波长λmin到最大波长λmax间隔波长不小于(λmax-λmin)/10做光场传播，然后将所有光场加权叠加得到全光谱仿真结果。
其中，将所有光场加权叠加时使用的加权值为所述工作波段各个波长相对幅值(即：光的强度比值的平方根)，一般来说，所有加权系数均为1。例如，当将得到的阶梯状基底超表面设计成一个宽谱汇聚透镜时，判断经过该阶梯状基底超表面的光线是否较好地汇聚于同一点作为此设计是否满足要求的条件。
具体地，汇聚条件是光焦点沿光轴方向的半宽度小于等于两倍的衍射极限限定的半宽度，即
其中，
是入射到阶梯状基底超表面的光线平均波长，NA是由离散化基底和基底上纳米结构构成的整体为一个光学系统的数值孔径，FWHMreal用于表示光焦点沿光轴方向的半宽度。
步骤608、当得到的仿真结果能够实现所述阶梯状基底超表面所要生成的所述光学透镜能够实现的功能时，确定设计得到的所述阶梯状基底超表面满足光学透镜的功能要求。
否则，当得到的仿真结果未能够实现所述阶梯状基底超表面所要生成的所述光学透镜能够实现的功能时，则返回步骤600，尝试使用其他波长作为主波长进行阶梯状基底超表面的设计，直到确定设计得到的所述阶梯状基底超表面满足光学透镜的功能要求。
示例地，可以应用本实施例提出的阶梯状基底超表面的设计方法，对如下透镜进行设计：
1)、需要超表面用作一个远红外波段(8-12μm)的焦距为15mm，口径为5mm的无色差无球差汇聚透镜。选用主波长10μm，基底材料选用硅。纳米结构数据库选用硅纳米结构-硅基底，P＝3μm，H＝10μm的纳米圆柱、纳米圆孔、纳米环柱，纳米环孔结构数据库，各个数据库相位见之前的相位图。
根据上述对所述基底中相位设计位置的基底高度进行计算的公式得到基底高度和对应的基底在不同波长下的相位。基底高度和对应的基底在不同波长下的相位如图9所示。
然后，根据上述对纳米结构所需的相位进行计算的公式以及上述寻找纳米结构可选用最小化加权误差的优化算法的公式，得到图10a至图10c所示的8μm、10μm、12μm的所需相位和纳米结构实际相位图的示意图。
全光谱仿真图给出了在8μm-12μm全光谱下(波长间距0.08μm)的聚焦效果图，沿光轴方向的光强半高宽小于2倍衍射极限限定的半高宽，证明聚焦效果良好。
同时给出单独使用离散化阶梯基底和纳米结构的在8μm、10μm、12μm的聚焦效果图，可知此设计思路是根据不同纳米结构和基底色散相结合无色差无球差聚焦。
2)、需要超表面用作一个远红外波段(8-12μm)的焦距为-15mm，口径为5mm的无色差无球差发散透镜。选用主波长10μm，基底材料选用硅。纳米结构数据库选用硅纳米结构-硅基底，P＝3μm，H＝10μm的纳米圆柱、纳米圆孔、纳米环柱，纳米环孔结构数据库，各个数据库相位见原交底书的相位图。
根据以下公式Eq-1至Eq-3，可得对应基底高度如图11。此基底高度对应的在8μm、10μm与12μm的色差相位由公式Eq-4得到，参考图12a、图12b和图12c。
根据工作波段的主波长所需的相位φdesign，进而计算出基底形状(x,y,h)。基底上坐标为(x,y)的点完成中心波长λc所需相位φc如公式Eq-1所示：
φc(x,y)＝mod(φdesign(x,y),2π) (Eq-1)
当所需相位是汇聚透镜(焦距f)时,设计相位如公式Eq-2，所示：
式中，mod(，2π)为具体数值取2π的余数公式。根据具有所述主波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位φc(x,y)和公式Eq-3可确定基底坐标为(x,y)处的高度h(x,y)：
式中，nc为基底材料在主波长的折射率。根据基底的厚度h(x,y)可算出基底对其他波长λ的相位调制，公式如Eq-4：
式中，n(λ)为基底材料在波长λ时的折射率。
为了矫正8μm-12μm的色差，纳米结构的相位需满足上述对纳米结构所需的相位进行计算的公式。进一步地，根据上述对纳米结构所需的相位进行计算的公式，可得整个负焦距离散化基底平面透镜不同设计位置的纳米结构单元，相位离散化可参考上述寻找纳米结构可选用最小化加权误差的优化算法的公式。
图13a至图13c分别示出了8μm、10μm和12μm三种不同主波长下纳米结构所需的相位。
3)折射-超透镜光学系统相位矫正板
折射-超透镜光学系统相位矫正板由一片超透镜+一片锗折射透镜构成，工作波段8-12μm，视场角40°，F数1.1，后焦距3mm。此系统构成如图14所示，其中，超透镜位于图14的左侧；折射透镜位于图14的右侧；折射-超透镜光学系统相位矫正板的离散化基底相位矫正板的基底相位如公式Eq-5所示(其中主波长λc)，
其中，a1、a2、a3分别表示优化系数；r表示折射-超透镜光学系统相位矫正板沿半径方向坐标。
根据上述公式Eq-1、Eq-3、Eq-4、以及上述对纳米结构所需的相位进行计算的公式，可得矫正板基底高度如图15所示，色散相位如图16a至图16c所示。根据上述寻找纳米结构可选用最小化加权误差的优化算法的公式，可得纳米结构的相位在8μm、10μm和12μm的理论相位图如图17a至17c所示。
综上所述，本实施例提出一种阶梯状基底超表面的设计方法，获取生成光学透镜的阶梯状基底超表面的工作波段，并根据所述工作波段，确定出形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，并从所述工作波段中选择任一波长作为所述工作波段的主波长；基于得到的所述工作波段的主波长，得到形成所述基底的基底形状和尺寸，以及形成所述阶梯状基底超表面的纳米结构；按照得到的所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料、所述基底的基底形状和尺寸、以及纳米结构的形状和尺寸，形成所述阶梯状基底超表面；并当得到的仿真结果能够实现所述阶梯状基底超表面所要生成的所述光学透镜能够实现的功能时，确定设计得到的所述阶梯状基底超表面满足光学透镜的功能要求，从而可以根据光学透镜的功能要求得到能够实现目标效果的阶梯状基底超表面；而且，阶梯状基底超表面可以近似于由多个平面基底机构组成，所以可以采用现有的半导体平面工艺加工，适合批量生产。
实施例4
本实施例提出的一种阶梯状基底超表面的设计装置，用于执行上述实施例3提出的阶梯状基底超表面的设计方法。
参见图7所示的一种阶梯状基底超表面的设计装置，本实施例提出一种阶梯状基底超表面的设计装置，包括：
获取模块700，用于获取生成光学透镜的阶梯状基底超表面的工作波段，并根据所述工作波段，确定出形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，并从所述工作波段中选择任一波长作为所述工作波段的主波长；
确定模块702，用于基于得到的所述工作波段的主波长，计算形成所述基底的基底形状和尺寸，并确定出形成所述阶梯状基底超表面的纳米结构；
处理模块704，用于按照形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，计算得到的所述基底的基底形状和尺寸、以及纳米结构的形状和尺寸，形成所述阶梯状基底超表面；
仿真模块706，用于对形成的所述阶梯状基底超表面进行全光谱仿真，得到仿真结果；
设计确认模块708，用于当得到的仿真结果能够实现所述阶梯状基底超表面所要生成的所述光学透镜能够实现的功能时，确定设计得到的所述阶梯状基底超表面满足光学透镜的功能要求。
综上所述，本实施例提出一种阶梯状基底超表面的设计装置，获取生成光学透镜的阶梯状基底超表面的工作波段，并根据所述工作波段，确定出形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，并从所述工作波段中选择任一波长作为所述工作波段的主波长；基于得到的所述工作波段的主波长，得到形成所述基底的基底形状和尺寸，以及形成所述阶梯状基底超表面的纳米结构；按照得到的所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料、所述基底的基底形状和尺寸、以及纳米结构的形状和尺寸，形成所述阶梯状基底超表面；并当得到的仿真结果能够实现所述阶梯状基底超表面所要生成的所述光学透镜能够实现的功能时，确定设计得到的所述阶梯状基底超表面满足光学透镜的功能要求，从而可以根据光学透镜的功能要求得到能够实现目标效果的阶梯状基底超表面；而且，阶梯状基底超表面可以近似于由多个平面基底机构组成，所以可以采用现有的半导体平面工艺加工，适合批量生产。
实施例5
本实施例提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述实施例3描述的阶梯状基底超表面的设计方法的步骤。具体实现可参见方法实施例1，在此不再赘述。
此外，参见图8所示的一种电子设备的结构示意图，本实施例还提出一种电子设备，上述电子设备包括总线51、处理器52、收发机53、总线接口54、存储器55和用户接口56。上述电子设备包括有存储器55。
本实施例中，上述电子设备还包括：存储在存储器55上并可在处理器52上运行的一个或者一个以上的程序，经配置以由上述处理器执行上述一个或者一个以上程序用于进行以下步骤(1)至步骤(5)：
(1)获取生成光学透镜的阶梯状基底超表面的工作波段，并根据所述工作波段，确定出形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，并从所述工作波段中选择任一波长作为所述工作波段的主波长；
(2)基于得到的所述工作波段的主波长，计算形成所述基底的基底形状和尺寸，并确定出形成所述阶梯状基底超表面的纳米结构；
(3)按照形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，计算得到的所述基底的基底形状和尺寸、以及纳米结构的形状和尺寸，形成所述阶梯状基底超表面；
(4)对形成的所述阶梯状基底超表面进行全光谱仿真，得到仿真结果；
(5)当得到的仿真结果能够实现所述阶梯状基底超表面所要生成的所述光学透镜能够实现的功能时，确定设计得到的所述阶梯状基底超表面满足光学透镜的功能要求。
收发机53，用于在处理器52的控制下接收和发送数据。
其中，总线架构(用总线51来代表)，总线51可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线51将包括由处理器52代表的一个或多个处理器和存储器55代表的存储器的各种电路链接在一起。总线51还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路链接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本实施例不再对其进行进一步描述。总线接口54在总线51和收发机53之间提供接口。收发机53可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。例如：收发机53从其他设备接收外部数据。收发机53用于将处理器52处理后的数据发送给其他设备。取决于计算系统的性质，还可以提供用户接口56，例如小键盘、显示器、扬声器、麦克风、操纵杆。
处理器52负责管理总线51和通常的处理，如前述上述运行通用操作系统。而存储器55可以被用于存储处理器52在执行操作时所使用的数据。
可选的，处理器52可以是但不限于：中央处理器、单片机、微处理器或者可编程逻辑器件。
可以理解，本发明实施例中的存储器55可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double Data RateSDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambus RAM，DRRAM)。本实施例描述的系统和方法的存储器55旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在一些实施方式中，存储器55存储了如下的元素，可执行模块或者数据结构，或者它们的子集，或者它们的扩展集：操作系统551和应用程序552。
其中，操作系统551，包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序552，包含各种应用程序，例如媒体播放器(Media Player)、浏览器(Browser)等，用于实现各种应用业务。实现本发明实施例方法的程序可以包含在应用程序552中。
综上所述，本实施例提出一种计算机可读存储介质和电子设备，获取生成光学透镜的阶梯状基底超表面的工作波段，并根据所述工作波段，确定出形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，并从所述工作波段中选择任一波长作为所述工作波段的主波长；基于得到的所述工作波段的主波长，得到形成所述基底的基底形状和尺寸，以及形成所述阶梯状基底超表面的纳米结构；按照得到的所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料、所述基底的基底形状和尺寸、以及纳米结构的形状和尺寸，形成所述阶梯状基底超表面；并当得到的仿真结果能够实现所述阶梯状基底超表面所要生成的所述光学透镜能够实现的功能时，确定设计得到的所述阶梯状基底超表面满足光学透镜的功能要求，从而可以根据光学透镜的功能要求得到能够实现目标效果的阶梯状基底超表面；而且，阶梯状基底超表面可以近似于由多个平面基底机构组成，所以可以采用现有的半导体平面工艺加工，适合批量生产。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (20)
1.一种阶梯状基底超表面，其特征在于，包括：阶梯状基底和纳米结构；
所述阶梯状基底，包括：多个对入射光线的相位进行改变的相位设计位置，多个相位设计位置中相邻的相位设计位置之间的高度不同；所述相位设计位置的高度与所述阶梯状基底超表面实现的功能相关；
所述纳米结构分别设置在多个相位设计位置中的各相位设计位置上。
2.根据权利要求1所述的阶梯状基底超表面，其特征在于，所述纳米结构，用于对入射光的相位进行调制，所述纳米结构，包括：偏振相关纳米结构和偏振无关纳米结构。
3.根据权利要求1所述的阶梯状基底超表面，其特征在于，还包括：填充材料；
所述填充材料覆盖在阶梯状基底超表面上，使得覆盖有所述填充材料的阶梯状基底超表面的底面与所述填充材料的顶面平行。
4.根据权利要求1所述的阶梯状基底超表面，其特征在于，还包括：增透膜和/或者保护层；
所述增透膜和/或者保护层设置在所述填充材料上。
5.一种阶梯状基底超表面加工方法，用于对权利要求1-4任一项所述的阶梯状基底超表面进行加工，所述加工方法包括：
对平面基底进行灰度曝光刻蚀得到所述阶梯状基底超表面的阶梯状基底；
利用侧壁沉积厚度与底面沉积厚度小于1/5的沉积方式在所述阶梯状基底上沉积结构层；
在所述结构层上涂覆光刻胶；
在所述光刻胶上曝光形成设置在所述阶梯状基底上的纳米结构；
刻蚀并去除剩余光刻胶，加工得到所述阶梯状基底超表面。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述结构层上涂覆光刻胶，包括：
利用喷头喷涂的方式，在所述结构层上涂覆光刻胶。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述利用侧壁沉积厚度与底面沉积厚度小于1/5的沉积方式在所述阶梯状基底上沉积结构层步骤之后，还包括：
利用侧壁沉积厚度与底面沉积厚度小于1/5的沉积的方式在所述结构层上沉积硬掩膜层。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述硬掩膜层上涂覆光刻胶。
9.一种阶梯状基底超表面的设计方法，其特征在于，包括：
获取生成光学透镜的阶梯状基底超表面的工作波段，并根据所述工作波段，确定出形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，并从所述工作波段中选择任一波长作为所述工作波段的主波长；
基于得到的所述工作波段的主波长，计算形成所述基底的基底形状和尺寸，并确定出形成所述阶梯状基底超表面的纳米结构；
按照形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，计算得到的所述基底的基底形状和尺寸、以及纳米结构的形状和尺寸，形成所述阶梯状基底超表面；
对形成的所述阶梯状基底超表面进行全光谱仿真，得到仿真结果；
当得到的仿真结果能够实现所述阶梯状基底超表面所要生成的所述光学透镜能够实现的功能时，确定设计得到的所述阶梯状基底超表面满足光学透镜的功能要求。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，基于得到的所述工作波段的主波长，计算形成所述基底的基底形状和尺寸，包括：
对所述工作波段的主波长所需的相位进行计算；
根据得到的所述主波长所需的相位，对具有所述主波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位进行计算；
获取所述基底对具有所述主波长的光线的折射率，并基于所述基底对具有所述主波长的光线的折射率、具有主波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位、以及工作波段的主波长，计算所述基底中相位设计位置的基底高度；其中，所述基底中相邻相位设计位置的基底高度不同，从而形成所述阶梯状基底超表面；
获取所述工作波段中的其他波长和所述基底对所述工作波段中所述其他波长的光线的折射率，并基于所述工作波段中的其他波长、所述基底对所述工作波段中所述其他波长的光线的折射率和所述基底中相位设计位置的基底高度，对所述工作波段中所述其他波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位进行计算。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，根据得到的所述主波长所需的相位，对具有所述主波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位进行计算，包括：
通过以下公式对具有所述主波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位进行计算：
φc(x,y)＝mod(φdesign(x,y),2π)
其中，φc(x,y)表示具有所述主波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，基于所述基底对具有所述主波长的光线的折射率、具有主波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位、以及工作波段的主波长，计算所述基底中相位设计位置的基底高度，包括：
通过以下公式对所述基底中相位设计位置的基底高度进行计算：
其中，h(x,y)表示所述基底中相位设计位置的基底高度；φc(x,y)表示具有所述主波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位；nc表示基底对具有所述主波长的光线的折射率。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，基于所述工作波段中的其他波长、所述基底对所述工作波段中所述其他波长的光线的折射率和所述基底中相位设计位置的基底高度，对所述工作波段中所述其他波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位进行计算，包括：
通过以下公式对所述工作波段中其他波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位进行计算：
其中，h(x,y)表示所述基底中相位设计位置的基底高度；n(λ)表示所述基底对所述工作波段中所述其他波长的光线的折射率；λ表示所述工作波段中的其他波长；φsubstrate(x,y,λ)表示所述工作波段中所述其他波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，基于得到的所述工作波段的主波长，确定出形成所述阶梯状基底超表面的纳米结构，包括：
获取所述阶梯状基底超表面的设计色差相位，并根据所述工作波段中其他波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位和获取到的所述设计色差相位，对纳米结构所需相位进行计算；
从纳米结构数据库中查询出纳米结构相位与所述纳米结构所需相位最接近的纳米结构，其中，所述纳米结构数据库中存储有纳米结构与纳米结构相位的对应关系。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，根据所述工作波段中其他波长的光线通过基底中相位设计位置时所需的相位和获取到的设计色差相位，对纳米结构所需的相位进行计算，包括：
通过以下公式对纳米结构所需的相位进行计算：
φtotal(x,y,λ)＝mod(φsubstrate(x,y,λ)+φnanostructure(x,y,λ),2π)
其中，φtotal(x,y,λ)表示设计色差相位；φnanostructure(x,y,λ)表示纳米结构所需的相位。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，从纳米结构数据库中查询出纳米结构相位与所述纳米结构所需相位最接近的纳米结构，包括：
从纳米结构数据库中查询出各纳米结构相位；
计算各纳米结构相位与所述纳米结构所需相位的差值，并将与所述纳米结构所需相位差值最小的纳米结构相位对应的纳米结构，确定为所述纳米结构相位与所述纳米结构所需相位最接近的纳米结构。
17.一种阶梯状基底超表面的设计装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取生成光学透镜的阶梯状基底超表面的工作波段，并根据所述工作波段，确定出形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，并从所述工作波段中选择任一波长作为所述工作波段的主波长；
确定模块，用于基于得到的所述工作波段的主波长，计算形成所述基底的基底形状和尺寸，并确定出形成所述阶梯状基底超表面的纳米结构；
处理模块，用于按照形成所述阶梯状基底超表面的基底和纳米结构使用的材料，计算得到的所述基底的基底形状和尺寸、以及纳米结构的形状和尺寸，形成所述阶梯状基底超表面；
仿真模块，用于对形成的所述阶梯状基底超表面进行全光谱仿真，得到仿真结果；
设计确认模块，用于当得到的仿真结果能够实现所述阶梯状基底超表面所要生成的所述光学透镜能够实现的功能时，确定设计得到的所述阶梯状基底超表面满足光学透镜的功能要求。
18.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行上述权利要求9-16任一项所述的方法的步骤。
19.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括有存储器，处理器以及一个或者一个以上的程序，其中所述一个或者一个以上程序存储于所述存储器中，且经配置以由所述处理器执行权利要求9-16任一项所述的方法的步骤。
20.一种光学透镜，其特征在于，包括上述权利要求1-4任一项所述的阶梯状基底超表面。
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