CN114325885A - 超表面光学器件、光学设备及制作超表面光学器件的方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种超表面光学器件、光学设备及制作超表面光学器件的方法。超表面光学器件包括：衬底；纳米结构层，位于衬底的一侧并且包括多个第一纳米结构单元；以及，至少一个色差调整层，每个色差调整层与衬底的材料不同并且具有阶梯状结构。本公开实施例技术方案可以调整超表面光学器件的色差，从而改善超表面光学器件的光学性能。
Description
技术领域
本公开涉及超表面技术领域，特别是涉及一种超表面光学器件、光学设备及制作超表面光学器件的方法。
背景技术
超表面是指一种结构尺寸小于波长的人工二维材料。超表面光学器件的基本结构单元为纳米结构单元，其尺寸小于工作波长，处于纳米量级。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。
超表面具有超轻超薄的性质，基于超表面制作的超表面光学器件，相比于传统光学器件，具有光学性能优异，体积小、可集成度高等优势，在未来的便携式小型化设备例如增强现实穿戴设备、虚拟现实穿戴设备、移动终端镜头等应用上前景广阔。
如何改善超表面光学器件的光学性能，是本领域技术人员致力研发的重要方向。
发明内容
本公开实施例提供了一种超表面光学器件、光学设备及制作超表面光学器件的方法，以改善超表面光学器件的光学性能。
根据本公开的一个方面，提供一种超表面光学器件，包括：衬底；纳米结构层，位于衬底的一侧并且包括多个第一纳米结构单元；以及，至少一个色差调整层，每个色差调整层与衬底的材料不同并且具有阶梯状结构。
根据本公开的另一个方面，提供一种光学设备，包括前述的超表面光学器件。
根据本公开的又一个方面，提供一种制作超表面光学器件的方法，包括：在衬底的一侧形成纳米结构层，纳米结构层包括多个第一纳米结构单元；以及，在衬底的背离纳米结构层的一侧和/或纳米结构层的背离衬底的一侧对应形成色差调整层，其中，色差调整层与衬底的材料不同，并且具有阶梯状结构。
在本公开实施例中，在衬底的一侧或两侧设置了色差调整层，该色差调整层具有阶梯状结构，基于色差调整层的设计可以调整由纳米结构层引起的色差，例如可以设计减小色差，可以设计增大色差，还可以结合色差调整进行一些其它功能的设计，例如光的汇聚和发散，偏转等，从而改善超表面光学器件的光学性能。
根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。
附图说明
在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：
图1是使用传统透镜成像产生色差的原理示意图；
图2是使用超表面光学器件成像产生色差的原理示意图；
图3A是本公开一些实施例的超表面光学器件的截面结构示意图；
图3B是本公开另一些实施例的超表面光学器件的截面结构示意图；
图4A是本公开又一些实施例的超表面光学器件的截面结构示意图；
图4B是本公开再一些实施例的超表面光学器件的截面结构示意图；
图5是本公开再一些实施例的超表面光学器件的截面结构示意图；
图6是本公开再一些实施例的超表面光学器件的截面结构示意图；
图7A是不同色光经过本公开一对比例的超表面光学器件后，电场强度平方值随光轴变化的曲线图；
图7B是不同色光经过本公开一实施例的超表面光学器件后，电场强度平方值随光轴变化的曲线图；
图7C是不同色光经过本公开另一实施例的超表面光学器件后，电场强度平方值随光轴变化的曲线图；
图8是本公开一些实施例的光学设备的结构框图；
图9是本公开一些实施例的制作超表面光学器件的方法流程图；
图10A是本公开一些实施例的制作超表面光学器件的方法的其中一个步骤的示意图；
图10B是本公开一些实施例的制作超表面光学器件的方法的另一个步骤的示意图；以及
图10C是本公开一些实施例的制作超表面光学器件的方法的其中一个步骤的示意图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
将理解的是，尽管术语第一、第二、第三等等在本文中可以用来描述各种元件、部件、区、层和/或部分，但是这些元件、部件、区、层和/或部分不应当由这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分相区分。因此，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可以被称为第二元件、部件、区、层或部分而不偏离本公开的教导。
诸如“在…下面”、“在…之下”、“较下”、“在…下方”、“在…之上”、“较上”等等之类的空间相对术语在本文中可以为了便于描述而用来描述如图中所图示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征的关系。将理解的是，这些空间相对术语意图涵盖除了图中描绘的取向之外在使用或操作中的器件的不同取向。例如，如果翻转图中的器件，那么被描述为“在其它元件或特征之下”或“在其它元件或特征下面”或“在其它元件或特征下方”的元件将取向为“在其它元件或特征之上”。因此，示例性术语“在…之下”和“在…下方”可以涵盖在…之上和在…之下的取向两者。诸如“在…之前”或“在…前”和“在…之后”或“接着是”之类的术语可以类似地例如用来指示光穿过元件所依的次序。器件可以取向为其它方式(旋转90度或以其它取向)并且相应地解释本文中使用的空间相对描述符。另外，还将理解的是，当层被称为“在两个层之间”时，其可以是在该两个层之间的唯一的层，或者也可以存在一个或多个中间层。
本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不意图限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一个”、“一”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定所述及特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意和全部组合，并且短语“A和B中的至少一个”是指仅A、仅B、或A和B两者。
将理解的是，当元件或层被称为“在另一个元件或层上”、“连接到另一个元件或层”、“耦合到另一个元件或层”或“邻近另一个元件或层”时，其可以直接在另一个元件或层上、直接连接到另一个元件或层、直接耦合到另一个元件或层或者直接邻近另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接连接到另一个元件或层”、“直接耦合到另一个元件或层”、“直接邻近另一个元件或层”时，没有中间元件或层存在。然而，在任何情况下“在…上”或“直接在…上”都不应当被解释为要求一个层完全覆盖下面的层。
本文中参考本公开的理想化实施例的示意性图示(以及中间结构)描述本公开的实施例。正因为如此，应预期例如作为制造技术和/或公差的结果而对于图示形状的变化。因此，本公开的实施例不应当被解释为限于本文中图示的区的特定形状，而应包括例如由于制造导致的形状偏差。因此，图中图示的区本质上是示意性的，并且其形状不意图图示器件的区的实际形状并且不意图限制本公开的范围。
除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是，诸如那些在通常使用的字典中定义的之类的术语应当被解释为具有与其在相关领域和/或本说明书上下文中的含义相一致的含义，并且将不在理想化或过于正式的意义上进行解释，除非本文中明确地如此定义。
如本文使用的，术语“衬底”可以表示经切割的晶圆的衬底，或者可以指示未经切割的晶圆的衬底。类似地，术语芯片和裸片(die)可以互换使用，除非这种互换会引起冲突。应当理解，术语“层”包括薄膜，除非另有说明，否则不应当解释为指示垂直或水平厚度。
材料的折射率随入射光频率的改变而改变的性质，称为“色散”。如一细束白光可被棱镜分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光。这是由于棱角对于复色光中的各种色光具有不同的折射率。当它们通过棱镜时，传播方向有不同程度的偏折，因而在离开棱镜则便各自分散。
图1所示为使用传统透镜成像产生色差的原理示意图100。当使用透镜110成像时，不同色光(如图中所示的红光102、绿光103、蓝光104)形成色散。由于不同色光的光程差别和折射角度差别引起的像差，称为色差，其中，光程可理解为在相同时间内光线在真空中传播的距离，等于介质折射率乘以光在介质中传播的路程。色差因性质不同而分为位置色差和倍率色差，其中，位置色差描述不同色光在光轴120上成像位置方面的差异(如图1所示)，倍率色差描述因不同色光成像的高度(也即倍率)不同而造成的像大小的差异。色差严重影响光学系统的成像性质，因此，需要针对色差进行校正，例如采用汇聚透镜和发散透镜适当组合来减小色差。
图2所示为使用超表面光学器件成像产生色差的原理示意图200。超表面光学器件210包括衬底211和纳米结构层212，纳米结构层212包括多个呈柱状的纳米结构单元。超表面光学器件210具有与图1中所示透镜110基本等效的光汇聚效果，也存在类似于图1中所示的色差。如图2所示，当使用超表面光学器件210成像时，不同色光(如图中所示的红光202、绿光203、蓝光204)在光轴220上形成位置色差。
一些相关技术为了对超表面光学器件的色差进行校正，所采用的方案为：在超表面光学器的衬底的背侧，也就是衬底的背向纳米结构单元的一侧，贴合一个或多个传统透镜，以期获得减小色差的效果。然而，这样的解决方案对透镜贴合工艺的精度要求非常高。而且，受限于传统透镜的表面形状和厚度，导致整体结构较为复杂、厚度增加较多，也不利于与其它结构组装。
本公开实施例提供了一种超表面光学器件、包括该超表面光学器件的光学设备及制作该超表面光学器件的方法，以改善超表面光学器件的光学性能。
在本公开实施例中，超表面光学器件包括衬底、纳米结构层和至少一个色差调整层，其中，纳米结构层位于衬底的一侧并且包括多个第一纳米结构单元，至少一个色差调整层位于衬底的一侧或两侧，每个色差调整层与衬底的材料不同并且具有阶梯状结构。基于色差调整层的设计，可以调整由纳米结构层引起的色差，例如可以减小色差，或者甚至可以增大色差。还可以结合色差调整进行一些其它功能的设计，例如光的汇聚，发散，偏转等，从而改善超表面光学器件的光学性能。
在本公开实施例中，包括超表面光学器件的光学设备的具体产品类型不限，例如可以为增强现实穿戴设备、虚拟现实穿戴设备、移动终端等的镜头，或者光谱仪、显微镜、望远镜等等。
如图3A所示，本公开一些实施例提供的超表面光学器件300，包括衬底310、纳米结构层320和色差调整层330。纳米结构层320位于衬底310的一侧，其中，纳米结构层320包括多个第一纳米结构单元321。该实施例超表面光学器件包括一个色差调整层330，该色差调整层330位于衬底310的背离纳米结构层320的一侧，色差调整层330与衬底310的材料不同，并且具有阶梯状结构331。
在一些实施例中，超表面光学器件300的设置纳米结构层320的一侧作为超表面光学器件300的入光侧，超表面光学器件300的另一侧作为超表面光学器件300的出光侧。在本公开的另一些实施例中，也可以是，超表面光学器件300的未设置纳米结构层320的一侧作为超表面光学器件300的入光侧，超表面光学器件300的设置纳米结构层320的一侧作为超表面光学器件300的出光侧。
在本公开实施例中，衬底310的材料类型不限，例如，可以包括诸如玻璃、石英、聚合物及塑料中的任意一种或其中多种的组合。
纳米结构层310的材料类型不限，例如，可以包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、碳化硅、二氧化钛、氮化硅，锗及III-V族化合物半导体中的至少一种。其中，III-V族化合物是元素周期表中III族的硼，铝，镓，铟和V族的氮，磷，砷，锑形成的化合物，例如磷化镓、氮化镓、砷化镓、磷化铟等。
如图3A所示，纳米结构层320包括多个第一纳米结构单元321，相邻第一纳米结构单元321之间存在间隔。第一纳米结构单元321作为纳米结构层320中控制光的最小单元，其结构尺寸小于工作波长，通常处于纳米量级。多个第一纳米结构单元321呈二维排列，例如至少一些第一纳米结构单元321参照直角坐标系或者极坐标系排列。
在本公开一些实施例中，多个第一纳米结构单元321可以为纳米柱单元，即如图3A所示的凸出于衬底310的柱形结构。在本公开一些实施例中，多个第一纳米结构单元还可以为纳米孔单元，即在纳米结构层中形成的多个孔结构。纳米柱或纳米孔的形状不限，例如可以为圆柱形，方柱形，矩形柱形，同心圆柱形，星状柱形等。
图3A所示实施例中，由于第一纳米结构单元321具有与相邻第一纳米结构单元321之间的间隔中的介质不同(间隔中的介质例如为空气)的材料，因此，它们的折射率也不同。光在分别经过第一纳米结构单元321和间隔后的相位也不同。不同第一纳米结构单元321的形状、大小、高度、周期，排列方式、材料等至少一项参数可以有所不同，导致光在分别经过不同第一纳米结构单元321后的相位也不同。例如，光在经过第一纳米结构单元321后产生相位的延迟。通过设计多个第一纳米结构单元321中每个第一纳米结构单元导致的相位延迟程度，可以使超表面光学器件300实现相应的光学功能，例如实现类似于传统汇聚透镜、发散透镜或者光栅的功能。
在本公开实施例中，色差调整层330用于调整由纳米结构层320引起的色差。色差调整层330与衬底310的材料不同，通过制作工艺形成在衬底310的背侧。例如，色差调整层330可以采用冕牌玻璃或者隧石玻璃，衬底310采用熔融硅石。通常把色散系数(即阿贝数)大于50的光学玻璃称为冕牌玻璃，用“K”来表示，把色散系数小于50的光学玻璃称为燧石玻璃，用“F”来表示。
取决于光学设备对超表面光学器件300的色散需求，色差调整层330的设计可以用来减小超表面光学器件300的色差或者增大超表面光学器件300的色差。例如，对于成像镜头，可以通过色差调整层330的设计来减小色差，从而提升成像品质。又例如，对于光谱仪，可以通过色差调整层330的设计来增大色差，从而提升分光效果，提高光谱仪的分辨率。
色差调整层330用于调整超表面光学器件300色差的原理为：不同色光因折射率不同而在纳米结构层320中的传播存在光程差，如果不对此进行补偿校正，将会产生像差，即色差。在本公开实施例中，可以通过色差调整层330的设计来减小色差或者增大色差。例如，为了减小色差，色差调整层330通过其阶梯状结构的形状设计来补偿光在纳米结构层320中的光程差，使在纳米结构层320中经历较长路程的色光在色差调整层330中经历较短的路程，使在纳米结构层320中经历较短路程的色光在色差调整层330中经历较长的路程，从而减小不同色光在射出超表面光学器件300时的光程差，进而减小色差。又例如，为了增大色差，色差调整层330通过其阶梯状结构331的形状设计来进一步增大光在纳米结构层320中的光程差，使在纳米结构层320中经历较长路程的色光在色差调整层330中也经历较长的路程，使在纳米结构层320中经历较短路程的色光在色差调整层330中也经历较短的路程，从而增大不同色光在射出超表面光学器件300时的光程差，进而增大色差。
在本公开实施例中，可以根据超表面光学器件300所应用的光学设备(例如成像镜头或光谱仪)，对超表面光学器件300的色差调整层330进行相应地设计，从而获得减小色差或者增大色差的效果，提升超表面光学器件300及光学设备的光学性能。
需要说明的是，对于任何光学器件，色差是无法被绝对消除的。由于人眼和所有其它光能接收器均存在一定的敏感范围，只要色差处于容许的限度，那么，从实用意义来说，便可认为是理想的。
与在超表面光学器件的衬底背侧贴合传统透镜的解决方案相比，本公开实施例中，色差调整层330的厚度较薄且呈平板化，因此，更加有利于器件的小型化、超薄化设计。此外，相比贴合传统透镜的工艺，本公开实施例对色差调整层330的制作工艺要求相对较低，有利于降低生产的成本。
在本公开的一些实施例中，纳米结构层的材料为正常色散材料，前述至少一个色差调整层的材料为反常色散材料；或者，纳米结构层的材料为反常色散材料，前述至少一个色差调整层的材料为正常色散材料。
例如图3A中，纳米结构层320和色差调整层330中的一个的材料为正常色散材料，并且纳米结构层320和色差调整层330中的另一个的材料为反常色散材料。其中，正常色散材料的折射率和色散率随着光的波长增加而减小。例如，石英属于正常色散材料。反常色散材料的折射率与波长的关系则不同于正常色散材料的上述规律，例如，萤石属于反常色散材料，其折射率和色散率随着光的波长增加而增加。
基于色差调整层330的结构设计，结合上述材料的选择，可以使超表面光学器件300的色差显著增加，并且尺寸可以做到更薄，透光率更高。
在本公开的一些实施例中，纳米结构层和前述的至少一个色差调整层的材料为正常色散材料，或者，纳米结构层和前述的至少一个色差调整层的材料为反常色散材料。例如图3A中，纳米结构层320和色差调整层330的材料均为正常色散材料，或者均为反常色散材料。基于色差调整层330的结构设计，结合该材料的选择，可以使超表面光学器件300获得更加优异的消色差效果，其尺寸可以做到更薄，透光率更高。
在本公开实施例中，如图3A所示，阶梯状结构331可以只包括一级阶梯，即色差调整层330整体呈平板状并且相对衬底310的背离纳米结构层320的表面凸起，从而形成一级阶梯。如图3A所示，色差调整层330内部为曝露出衬底310的中空区域，中空区域的边缘形成了阶梯状结构331的一级阶梯。色差调整层330的形状、尺寸、厚度等可以结合其材料选择以及纳米结构层320所需达到的具体光学参数等来进行相应设计，本公开对此不做具体限定。
色差调整层330的材料选择与结构设计调整了超表面光学器件300的光学结构，色差调整层330与纳米结构层320共同决定了超表面光学器件300的光学性能。
例如，在一些实施例中，超表面光学器件300的纳米结构层320等效为汇聚透镜，色差调整层330采用图3A所示的结构设计，色差调整层330内部为曝露出衬底310的中空区域，中空区域的边缘形成了阶梯状结构331的一级阶梯，这样设计的超表面光学器件300可以获得进一步调整增大色差的效果。
又例如，在一些实施例中，超表面光学器件的纳米结构层等效为汇聚透镜，色差调整层的阶梯状结构包括一级阶梯并且位于色差调整层的边缘，这样的设计可以使超表面光学器件的色差相比相关技术有所减少。
如图3B所示，在本公开的一些实施例中，超表面光学器件300包括衬底310、纳米结构层320、第一色差调整层330a和第二色差调整层330b(即超表面光学器件300包括两个色差调整层)。第一色差调整层330a位于衬底310的背离纳米结构层320的一侧，第二色差调整层330b位于纳米结构层320的背离衬底310的一侧，此外，超表面光学器件300还包括位于纳米结构层320与第二色差调整层330b之间的第一平坦化层340或第一保护层(图中示意为包括第一平坦化层的情形)。
第一色差调整层330a和第二色差调整层330b的结构、材料、光学功能可以相同或者不相同。结合第一色差调整层330a和第二色差调整层330b的设计，可以调整由纳米结构层320引起的色差，例如可以减小色差，或者甚至可以增大色差。还可以结合色差调整进行一些其它功能的设计，例如光的汇聚，发散，偏转等，从而改善超表面光学器件的光学性能。
在该实施例中，第一色差调整层330a与图3A所示实施例的色差调整层330类似，都是设置在衬底310的背离纳米结构层320的一侧。在本公开的另一些实施例中，超表面光学器件300也可以包括第二色差调整层330b而不包括第一色差调整层330a。
本公开实施例对于超表面光学器件所包含色差调整层的数量不做具体限定，例如还可以包括三个或者更多数量的色差调整层，可以根据设计需要设置在衬底的一侧或两侧，各个色差调整层用于实现各自相应的功能，并且结合设计可以有效改善超表面光学器件的光学性能或者使超表面光学器件实现一些预期达到的光学功能。
在本公开的一些实施例中，上述的至少一个色差调整层为分立的组装结构层，即，该至少一个色差调整层分别形成，各自为独立部件，与超表面光学器件的其它部件通过组装的方式相对固定在一起，例如，将色差调整层贴设于衬底的背离纳米结构层的一侧。
在本公开的另一些实施例中，上述的至少一个色差调整层还可以为工艺制作层。即，通过工艺制作的方式，形成在一些结构层的表面并依附于该表面。例如，通过构图工艺在衬底的背离纳米结构层的一侧形成一定结构的色差调整层，色差调整层形成后与衬底紧密连接，不容易分离。
在一些实施例中，上述的至少一个色差调整层中至少有一个色差调整层的阶梯状结构包括至少两级阶梯。如图4A所示，在该实施例中，超表面光学器件400包括衬底410、纳米结构层420和色差调整层430。色差调整层430的阶梯状结构431包括至少两级阶梯。该至少两级阶梯可以位于色差调整层430的边缘，也可以位于色差调整层430的中空区域的边缘。图4A所示实施例中，色差调整层430在衬底410上的正投影边缘落入衬底410的边缘的内侧，色差调整层430的边缘形成了阶梯状结构431的三级阶梯。色差调整层430的设计同样可以使超表面光学器件400获得减小色差或者增大色差的效果。此外，至少两级阶梯的设计，相当于将透镜的平滑曲面锯齿化、离散化，这样，不但可以获得与汇聚透镜或发散透镜相类似的效果，还能使光在设置了色差调整层430的区域的光程和在未设置色差调整层430的区域的光程得到缓和过渡。
图4A所示实施例中，色差调整层430的至少两级阶梯位于色差调整层430的边缘。色差调整层430的中心区域的厚度大于色差调整层430的边缘区域的厚度，以使得色差调整层430具有光汇聚能力。这样，色差调整层430等效为汇聚透镜，当纳米结构层420也等效为汇聚透镜时，可以减小光在射出超表面光学器件400后产生的色差。
在一些实施例中，上述的至少一个色差调整层中至少有一个色差调整层包括：沿背离衬底的方向依次排列、并且构成所述至少两级阶梯的至少两个子层。如图4A所示，在该实施例中，色差调整层430包括至少两个子层(图中所示为3个，仅用于示意，实际应用中可以包括更多个)，该至少两个子层沿背离衬底410的方向依次排列并且构成至少两级阶梯。该至少两个子层的材料可以全部相同，或者不完全相同。该至少两个子层的厚度可以全部相同，或者不完全相同。通过合理选择各个子层的材料和厚度，结合阶梯状结构431的设计，可以获得更加精细化的色差调整效果、获得更高的透光率，以及使超表面光学器件400获得更加超薄的尺寸。
在本公开的一些实施例中，如图4A所示，色差调整层430的至少两个子层中至少有一个子层为光栅子层432。在色差调整层430中设置光栅子层432可以使超表面光学器件400集成光栅功能设计。例如，光栅子层432为透射光栅子层、反射光栅子层、衍射光栅子层、全息光栅子层、正交光栅子层、相光栅子层、闪耀光栅子层、阶梯光栅子层、裸眼3D光栅子层等。光栅子层432的色散可以为正常色散或反常色散，可以起到减少或增加器件色散的作用。
如图4A所示，色差调整层430的子层可以为均匀材料的子层，其整体呈平板形。
如图4B所示，在本公开的一些实施例中，色差调整层430的至少两个子层中至少有一个子层为包括多个第二纳米结构单元4330的纳米结构子层433。该实施例仅示意了色差调整层430包括两个纳米结构子层433的结构，在本公开的其它实施例中，色差调整层430的各个子层也可以均为纳米结构子层433。
第二纳米结构单元4330与前述第一纳米结构单元的工作原理类似，在此不再详细赘述。通过设计多个第二纳米结构单元4330中每个第二纳米结构单元导致的相位延迟程度，可以使子层实现相应的光学功能，从而使得色差调整层430的例如色差调整，光的汇聚、发散、偏转等光学功能更容易实现并且效果更加突出。
当色差调整层430包括两个或两个以上的纳米结构子层433时，各个纳米结构子层433的第二纳米结构单元4330的尺寸、排列、材料等参数可以相同，也可以有所不同。例如图4B所示，在一个实施例中，色差调整层430的两个纳米结构子层433的第二纳米结构单元4330在垂直于衬底410的方向上相错开并且尺寸和排列不同。在另一个实施例中，色差调整层的其中两个纳米结构子层的第二纳米结构单元至少有一些在垂直于衬底的方向上是相重叠的。
在一些实施例中，色差调整层包括多个子层，上述的至少一个色差调整层中至少有一个色差调整层等效为菲尼尔透镜，其阶梯状结构等效为菲涅尔透镜的锯齿结构。菲涅尔透镜是一种应用十分广泛的光学元件，在这些实施例中，阶梯状结构等效为菲涅尔透镜的锯齿结构，可以使色差调整层实现菲尼尔透镜的效果。其中，每个子层可以为均匀材料的子层，或者采用与图4B所示纳米结构子层类似的设计。
如图5所示，在本公开的一些实施例中，超表面光学器件500包括衬底510、纳米结构层520和色差调整层530。色差调整层530的阶梯状结构531位于色差调整层530的中空区域的边缘，色差调整层530的中心区域的厚度小于色差调整层530的边缘区域的厚度(色差调整层530的中心区域的厚度例如为零)，以使得色差调整层530具有光发散能力。这样，色差调整层530等效为发散透镜，当纳米结构层520等效为汇聚透镜时，色差调整层530的设计可以调整增大光在射出超表面光学器件500后产生的色差。
如图5所示，在本公开的一些实施例中，超表面光学器件500还包括：位于色差调整层520的背离衬底510的一侧的第二平坦化层540，其中，第二平坦化层540覆盖色差调整层530的阶梯状结构531。
第二平坦化层540可以填补阶梯状结构531形成的凹陷。这样，不但可以保护色差调整层530的结构免受破坏，而且可以与色差调整层530形成一平坦表面，从而方便与其它结构贴合或组装。第二平坦化层540可以采用透光率较高的材料，例如碳化硅、氮化硅或者树脂等材料。
如图6所示，在本公开的一些实施例中，超表面光学器件600除包括衬底610、纳米结构层620以及色差调整层630外，还包括位于色差调整层630的背离衬底610的一侧的第二保护层650。第二保护层650被形成为使得第二保护层650与阶梯状结构631之间提供空腔。
第二保护层650可以保护色差调整层630的结构免受破坏，而且方便与其它结构贴合或组装。第二保护层650可以采用透光率较高的材料，例如碳化硅、氮化硅或者树脂等材料。
在本公开实施例中，超表面光学器件除以上描述的各层外，还可以包括一些传统的光学结构层，例如，在一些实施例中，超表面光学器件还可以包括传统的菲涅尔透镜层或者光栅层等，这些光学结构层与第一纳米结构层位于衬底的同一侧，或者分别位于衬底的两侧。
图7A是不同色光经过本公开一对比例的超表面光学器件后，电场强度平方值随光轴变化的曲线图。超表面光学器件未采用任何色差补偿设计，可以看出，两种色光(波长分别为950nm和1000nm)的曲线波峰沿光轴方向偏移8.3微米，呈现出明显色差。
图7B是不同色光经过本公开一实施例的超表面光学器件后，电场强度平方值随光轴变化的曲线图。该实施例超表面光学器件包括一个色差调整层，该色差调整层位于衬底的背离纳米结构层的一侧且包括两级阶梯，两级阶梯位于色差调整层的中空区域的边缘。可以看出，两种色光(波长分别为950nm和1000nm)的曲线波峰沿光轴方向偏移14.5微米，色差相比图7A进一步增加。
图7C是不同色光经过本公开一实施例的超表面光学器件后，电场强度平方值随光轴变化的曲线图。该实施例超表面光学器件包括一个色差调整层，该色差调整层位于衬底的背离纳米结构层的一侧且包括两级阶梯，两级阶梯位于色差调整层的边缘。可以看出，两种色光(波长分别为950nm和1000nm)的曲线波峰沿光轴方向偏移5.7微米，色差相比图7A明显减少。
如图8所示，本公开实施例还提供一种光学设备800，包括前述任一实施例的超表面光学器件810。光学设备800的具体产品类型不限，例如可以为增强现实穿戴设备、虚拟现实穿戴设备、移动终端等的镜头，或者光谱仪、显微镜、望远镜等等。由于超表面光学器件810的光学性能得到改善，因此，光学设备800也具有较佳的光学性能。
本公开实施例还提供一种制作超表面光学器件的方法，包括以下步骤：
在衬底的一侧形成纳米结构层，纳米结构层包括多个第一纳米结构单元；以及
在衬底的背离纳米结构层的一侧和/或纳米结构层的背离衬底的一侧对应形成色差调整层，其中，色差调整层与衬底的材料不同，并且具有阶梯状结构。
可以在衬底的一侧或两侧对应设置色差调整层。色差调整层的设计，可以调整由纳米结构层引起的色差，例如可以减小色差，或者甚至可以增大色差。还可以结合色差调整进行一些其它功能的设计，例如光的汇聚，发散，偏转等，从而改善超表面光学器件的光学性能。
此外，由于色差调整层的厚度可以通过上述方法制作得较薄，因此，有利于器件的小型化、超薄化设计。相比贴合传统透镜的工艺，本公开实施例对色差调整层的制作工艺要求相对较低，有利于降低生产的成本。
如图9所示，在本公开一些实施例的方法中，是在衬底的背离纳米结构层的一侧形成色差调整层，该方法包括以下步骤S901和步骤S902。
在步骤S901，在衬底的一侧形成纳米结构层，纳米结构层包括多个第一纳米结构单元。
在步骤S902，在衬底的背离纳米结构层的一侧形成色差调整层，色差调整层与衬底的材料不同，并且具有阶梯状结构，以便补偿由纳米结构层引起的色差。
步骤S901和步骤S902的顺序可以互换，例如，先在衬底的一侧形成色差调整层，再在衬底的另一侧形成纳米结构层。
在一些实施例中，形成色差调整层包括：在衬底的背离纳米结构层的一侧形成色差调整材料层；以及对色差调整材料层进行刻蚀(例如光刻)，形成具有阶梯状结构的色差调整层。
例如，在一些实施例中，形成图5所示色差调整层的过程包括：首先，在衬底的背离纳米结构层的一侧形成色差调整材料层；之后，在色差调整材料层的背离纳米结构层的一侧形成第一感光层；之后，使用第一掩膜版对第一感光层进行曝光；之后，对曝光后的第一感光层进行显影，显影后留在色差调整材料层表面的第一感光层作为第一保护掩膜；之后，如图10A所示的步骤100A，通过第一保护掩膜10011对色差调整材料层10010进行刻蚀，然后剥离掉第一保护掩膜，从而形成色差调整材料层的第一图案；之后，在色差调整材料层的背离纳米结构层的一侧形成第二感光层；之后，使用第二掩膜版对第二感光层进行曝光；之后，对曝光后的第二感光层进行显影，显影后留在色差调整材料层表面的第二感光层作为第二保护掩膜；之后，如图10B所示的步骤100B，通过第二保护掩膜10012对色差调整材料层10010进行刻蚀，然后剥离掉第二保护掩膜，从而形成色差调整材料层的第二图案，即形成色差调整层。
在一些实施例中，形成色差调整层包括：在衬底的背离纳米结构层的一侧形成色差调整材料层；以及对色差调整材料层进行压印，形成具有阶梯状结构的色差调整层。
例如，在一些实施例中，形成图5所示色差调整层的过程包括：首先，在衬底的背离纳米结构层的一侧形成色差调整材料层；之后，如图10C所示的步骤100C，使用压印凸模10013对色差调整材料层10010进行挤压，压印凸模10013具有与阶梯状结构相对应的凸凹结构；待色差调整材料层的图案固化后，将压印凸模移走，即在衬底的背侧形成色差调整层。
在本公开一些实施例的方法中，是在纳米结构层的背离衬底的一侧形成色差调整层，该方法包括：
在纳米结构层的背离衬底的一侧形成第一平坦化层或第一保护层；
在第一平坦化层或第一保护层的背离衬底的一侧形成色差调整层。
当需要在衬底的两侧均设置色差调整层时，可以参照前述一些实施例的方法，先完成一侧色差调整层的制作，再完成另一侧色差调整层的制作。
在本公开的一些实施例中，制作超表面光学器件的方法还包括：在色差调整层的背离衬底的一侧形成第二平坦化层，其中，第二平坦化层覆盖阶梯状结构。第二平坦化层不但可以保护色差调整层的结构免受破坏，而且可以与色差调整层形成一平坦表面，从而方便与其它结构贴合或组装。第二平坦化层可以采用透光率较高的材料，例如碳化硅、氮化硅或者树脂等材料。
在一些实施例中，制作超表面光学器件的方法还包括：在色差调整层的背离衬底的一侧形成第二保护层，其中，第二保护层被形成为使得第二保护层与阶梯状结构之间提供空腔。第二保护层可以保护色差调整层的结构免受破坏，而且方便与其它结构贴合或组装。第二保护层可以采用透光率较高的材料，例如碳化硅、氮化硅或者树脂等材料。
本说明书提供了能够用于实现本公开的许多不同的实施方式或例子。应当理解的是，这些不同的实施方式或例子完全是示例性的，并且不用于以任何方式限制本公开的保护范围。本领域技术人员在本公开的说明书的公开内容的基础上，能够想到各种变化或替换，这些都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所附权利要求所限定的保护范围为准。
Claims (19)
1.一种超表面光学器件，包括：
衬底；
纳米结构层，位于衬底的一侧并且包括多个第一纳米结构单元；以及
至少一个色差调整层，每个色差调整层与衬底的材料不同并且具有阶梯状结构。
2.根据权利要求1所述的超表面光学器件，其中，所述至少一个色差调整层包括：
第一色差调整层，位于衬底的背离纳米结构层的一侧；和/或
第二色差调整层，位于纳米结构层的背离衬底的一侧，其中，超表面光学器件还包括位于纳米结构层与第二色差调整层之间的第一平坦化层或第一保护层。
3.根据权利要求1所述的超表面光学器件，其中，
所述至少一个色差调整层为分立的组装结构层；或者
所述至少一个色差调整层为工艺制作层。
4.根据权利要求1所述的超表面光学器件，其中，所述至少一个色差调整层中至少有一个色差调整层的阶梯状结构包括至少两级阶梯。
5.根据权利要求4所述的超表面光学器件，其中，所述至少一个色差调整层中至少有一个色差调整层包括：沿背离衬底的方向依次排列、并且构成所述至少两级阶梯的至少两个子层。
6.根据权利要求5所述的超表面光学器件，其中，
所述至少两个子层中至少有两个子层的材料和/或厚度不同。
7.根据权利要求5所述的超表面光学器件，其中，所述至少两个子层中至少有一个子层为光栅子层。
8.根据权利要求5所述的超表面光学器件，其中，所述至少两个子层中至少有一个子层为包括多个第二纳米结构单元的纳米结构子层。
9.根据权利要求4所述的超表面光学器件，其中，所述至少一个色差调整层中至少有一个色差调整层等效为菲尼尔透镜，其阶梯状结构等效为菲涅尔透镜的锯齿结构。
10.根据权利要求1所述的超表面光学器件，其中，所述至少一个色差调整层中至少有一个色差调整层具有光汇聚能力，其中心区域的厚度大于边缘区域的厚度。
11.根据权利要求1所述的超表面光学器件，其中，所述至少一个色差调整层中至少有一个色差调整层具有光发散能力，其中心区域的厚度小于色差调整层的边缘区域的厚度。
12.根据权利要求1所述的超表面光学器件，其中，
纳米结构层的材料为正常色散材料，所述至少一个色差调整层的材料为反常色散材料；或者
纳米结构层的材料为反常色散材料，所述至少一个色差调整层的材料为正常色散材料。
13.根据权利要求1所述的超表面光学器件，其中，
纳米结构层和所述至少一个色差调整层的材料为正常色散材料，或者
纳米结构层和所述至少一个色差调整层的材料为反常色散材料。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的超表面光学器件，还包括：
位于每个色差调整层的背离衬底的一侧的第二平坦化层，其中，第二平坦化层覆盖阶梯状结构；或者
位于每个色差调整层的背离衬底的一侧的第二保护层，其中，第二保护层被形成为使得第二保护层与阶梯状结构之间提供空腔。
15.一种光学设备，包括：根据权利要求1至14中任一项所述的超表面光学器件。
16.一种制作超表面光学器件的方法，包括：
在衬底的一侧形成纳米结构层，纳米结构层包括多个第一纳米结构单元；以及
在衬底的背离纳米结构层的一侧和/或纳米结构层的背离衬底的一侧对应形成色差调整层，其中，色差调整层与衬底的材料不同，并且具有阶梯状结构。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，形成色差调整层包括：
形成色差调整材料层；以及
对色差调整材料层进行刻蚀或压印，形成具有阶梯状结构的色差调整层。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：
在纳米结构层的背离衬底的一侧形成第一平坦化层或第一保护层；
其中，所述在纳米结构层的背离衬底的一侧形成色差调整层，包括：在所述第一平坦化层或第一保护层的背离衬底的一侧形成色差调整层。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，还包括：
在色差调整层的背离衬底的一侧形成第二平坦化层，其中，第二平坦化层覆盖阶梯状结构；或者
在色差调整层的背离衬底的一侧形成第二保护层，其中，第二保护层被形成为使得第二保护层与阶梯状结构之间提供空腔。
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