CN114341674A - 超宽视场平面光学器件 - Google Patents
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Abstract
广角光学功能对于成像和图像投射装置是有益的。常规上，通过光学元件的复杂组装来实现广角操作。最近的进展已经实现了超表面透镜或超透镜，它们是具有控制光的相位、振幅和/或偏振的纳米触角的超薄平面透镜。这里，我们给出了能够在前所未有的>170°角视场(FOV)上实现衍射受限聚焦和成像的超透镜。透镜集成在单件平坦衬底上，并且包括在一侧上的孔口和在另一侧上的单个超表面。超表面校正三阶赛德尔像差，包括彗差、像散和像场弯曲。超透镜具有平面焦平面，其使得能够大大简化用于成像和投射的系统架构。该超透镜设计是通用的，并且可以容易地适应不同的超原子几何形状和波长范围，以满足多样化的应用需求。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2019年9月9日提交的美国申请号62/897,452和2019年8月8日提交的美国申请号62/884,645的优先权权益，所述申请中的每一个通过引用全文并入本文中。
政府支持
本发明是在美国国防高级研究计划局(DARPA)授予的第HR0011-1-72-0029号资助下在政府支持下进行的。政府对本发明拥有某些权利。
背景技术
广角光学系统对于高性能成像、检测以及图像或光束投射至关重要。广角光学系统的最早示例之一是Thomas Sutton在1858年发明的全景相机。这种全景相机包括单个充满水的球面透镜，其在覆盖有反应性乳液的弯曲玻璃板上产生图像。由于弯曲板的制造和处理存在明显困难，这种方法很快就被放弃了，但揭示了实现宽视场成像的基本挑战。自那时起，全景摄影就一直沿着平面检测器平面的路径发展，同时依靠通常称为鱼眼透镜的复合透镜组件来减少大场角下的光学像差。然而，这种多透镜架构增加了光学系统的大小、重量和组装复杂性。
超表面透镜或超透镜是能够利用亚波长结构的阵列控制传播光的相位、振幅和/或偏振的装置。超透镜给出了一种有前景的解决方案，可实现平坦且紧凑的个体光学部件。已经实现了超透镜设计，以减轻几种类型的像差，特别是球差和色差。然而，设计没有与角度有关的彗差、像场弯曲和像散的超透镜仍然具有挑战性。这些像差限制了单元件超透镜的有用性。
用于设计单元件超透镜的主流方法利用双曲相位轮廓来实现球面波前：
其中，λ是入射光的波长，x和y是超原子的坐标，并且f是超透镜的焦距。此相位轮廓对于以法向入射的平面波前在焦平面处产生零球差，但对于斜向入射光束并非最优。当光束以倾斜入射角(θin_x,θin_y)入射超表面时，所需相位轮廓变为：
不同入射角(AOI)的两种分布之间的偏差导致三阶(赛德尔)像差(third-order(Seidel)aberration)，例如彗差、像散和像场弯曲。这些像差限制了超透镜的视场。例如，假设基线超透镜设计具有1mm直径和2mm焦距，在5.2μm波长下操作，则常规的双曲相位轮廓有效地抑制了球差，并且在法向入射时以统一斯特列尔比(Strehl ratio)实现衍射受限聚焦。然而，在大于约7°的AOI处，彗差变为主导，从而使斯特列尔比降低到0.8以下，并且从衍射极限快速地劣化超透镜的性能。小视角显著限制了单个超透镜在成像和图像投射中的使用。
已经实现了几种超透镜设计来抑制彗差并扩增衍射受限FOV。一种方法涉及在球形表面上雕刻超表面，但这具有挑战性。另一种方法涉及基于传统批量光学系统设计原理级联多个超表面。在这种双合超透镜设计中，聚焦功能主要由一个双合超表面执行，而另一超表面用于校正离轴像差。这种类型的双合可以实现高达大约56°的衍射受限FOV。相比之下，常规单层超透镜的FOV通常限于约30°，由于渐晕、6–20％的低光学效率以及对组装未对准的敏感性，具有较大的衍射受限光斑大小。迄今尚未实现广角性能可与其传统折射型对应物匹敌的超透镜。
发明内容
这里，我们给出了可以在例如120°、130°、140°、150°、160°、170°或甚至接近180°的极宽视场(WFOV)上执行衍射受限成像或光束/图像投射的超透镜。示例性超透镜单片集成在单件平坦衬底上，并且包括在一侧上的孔口和在另一侧上的单个超表面。超表面校正一个或多个三阶赛德尔像差，包括彗差、像散和像场弯曲。超透镜的其他特征在于平面焦平面，其使得能够大大简化系统架构。这种超透镜可以用于成像、成像/图案投射、显示、增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、三维(3D)感测、全息、LIDAR、傅里叶变换光学器件等。该超透镜可以容易地适应不同的亚波长结构和衍射光学元件(DOE)以及波长范围，以满足多样化的应用需求。
本发明的超透镜上的超表面可以包括光学意义上薄的(例如，0.1个波长至10个波长厚)、亚波长阵列式纳米触角(也称为超原子)的阵列，其可以提供对入射光波前的相位、振幅和/或偏振的任意控制。对于成像应用而言，按需波前操纵方法允许使用少很多的透镜和其它光学元件来消除图像像差。因此，与由传统光学部件制成的系统相比，基于本发明的超透镜的光学系统可以具有显著的尺寸、重量、性能和成本(SWaP-C)优势。
本发明的光学部件可以包括(透明)衬底、在衬底的第一侧上的不透明层，以及在与第一侧相对的衬底的第二侧上的超表面。不透明层限定孔口以在至少120°(例如，130°、140°、150°、160°、170°或更高)的视场上透射光。并且超表面聚焦由孔口透射通过衬底的光。
衬底可以是平面的或弯曲的，具有厚度tsub和在光的波长处的折射率nsub。孔口可以具有直径Din，在这种情况下，超表面具有直径Dmeta＝Din+tsubtan[sin-1(1/nsub)]。
超表面可以被构造成将入射到整个视场上的光聚焦到平行于衬底的第二侧的焦平面。在这种情况下，光学部件还可以包括在焦平面中的检测器阵列，以检测由焦平面中的超表面或光源阵列聚焦的光，在这种情况下，超表面可以准直或聚焦由光源阵列发射的光束。孔口可以被构造成发射这种准直或聚焦光束。
超表面可以以至少80％的斯特列尔比聚焦入射到整个视场上的光。它可以包括至少1000×1000个超原子的阵列。它可以具有不同但连续的部分，其被构造成捕获不同入射角的输入光束。并且它可以校正至少一个三阶赛德尔像差。
该光学部件还可以包括第二超表面，该第二超表面设置在孔口的至少一部分中，以过滤或调制由孔口透射的光。例如，第二超表面可以被构造成过滤由孔口透射的光或调制由孔口透射的光的相位、振幅、偏振和/或波长。第二超表面可以被构造成生成2D或3D光学图案、图像、点阵列、全息图等。由第二超表面赋予的调制可以取决于入射光束的特性(例如，角、空间、偏振、频谱特性等)。第二超表面还可以被构造成例如使用非线性效应改变由孔口透射的光的偏振或由孔口透射的光的波长。具有可定制或可重新配置的空间、角、偏振和/或频谱特性的照明图案可以与和此类模式相关联的物体重建算法结合，以有效地提取场景的特性。
本发明的超透镜可以用于传感器和其它装置中。例如，本发明的传感器可以包括衬底、由衬底的第一部分支撑的光源阵列、第一超透镜、第二超透镜，以及由衬底的第二部分支撑的检测器阵列。第一超透镜和第二超透镜包括相应的平面衬底(或相同平面衬底的相应部分)。每个超透镜在其平面衬底(部分)的第一侧上具有对应的超表面，并且在其平面衬底(部分)的面向物体的第二侧上具有对应的孔口。在操作中，光源阵列发射光，该光由第一超透镜在至少约120°(例如，130°、140°、150°、160°、170°或更高)的视场上朝向物体投射。第二超透镜在至少约120°(例如，130°、140°、150°、160°、170°或更高)的视场上收集由物体散射和/或反射的光。并且检测器阵列检测由第二超透镜收集的光。
前述概念和下文更详细地论述的附加概念的所有组合(前提是此类概念不是相互不一致的)是本文中公开的发明主题的一部分。具体而言，在本公开结尾处出现的所要求保护的主题的所有组合是本文公开的发明主题的一部分。本文所用的也可以出现在以引用方式并入的任何公开内容中的术语应被赋予与本文所公开的特定概念最一致的意义。
附图说明
技术人员将理解，附图主要用于说明性目的，并且不意图限制本文所述的发明主题的范围。附图不一定按比例绘制；在一些情况下，本文中所公开的发明主题的各个方面可以在附图中被夸大或放大地示出，以便于理解不同特征。在附图中，相似的参考字符通常指代相似的特征(例如，功能上和/或结构上相似的元件)。
图1A和1B分别示出了WFOV超透镜的透视图和轮廓视图。
图2A示出了用于WFOV超透镜的矩形超原子的透视图。
图2B示出了用于WFOV超透镜的H形超原子的透视图。
图2C是由八个不同的PbTe超原子制成的WFOV超透镜在法向入射下的透射率和相移的图，每个PbTe超原子的厚度为650nm，并且沿着x轴和y轴的点阵常数P为2.5μm。(在此图下方示出了超原子。)
图2D是由超原子赋予的与角度有关的相位延迟的图：超原子被设计为对入射角几乎不敏感。45.6°的角度与空气和氟化钙之间的界面处的全内反射角度一致。入射光是TM偏振的。
图2E是超透镜相位分布的图，其中在图的中心处的黑色虚线圆圈指示孔口在衬底的相对侧上的位置。
图2F是WFOV超透镜在不同入射角(AOI)下的焦斑和由与模拟的WFOV超透镜具有相同数值孔径(NA)的完美透镜形成的焦斑的模拟横截面强度分布的图。
图3是y＝0处的WFOV超透镜的相位轮廓的图。2D相位图是旋转对称的。
图4是WFOV超表面的中心1mm直径区域的与角度有关的相位轮廓的图。
图5A示出了线偏振光沿y-z平面入射的H形超原子。
图5B示出了线偏振光沿45°平面入射的H形超原子。
图5C示出了线偏振光沿x-z平面入射(TM偏振光)的H形超原子。
图5D–5F示出了针对图5A–5C中的不同线偏振的超原子角响应。
图6A示出了被设计成操作940nm波长的WFOV超透镜的轮廓。该插图示出了超原子配置。
图6B示出了随来自图6A的WFOV超透镜的入射角变化的模拟斯特列尔比(右轴)和聚焦效率(左轴)。
图6C示出了图6A的WFOV超透镜和具有相同NA的完美透镜在不同AOI处的模拟调制传递函数(MTF)。
图6D示出了图6A的WFOV超透镜在不同AOI处的焦斑。
图7A示出了成像模拟设置，其中源图像定位在距WFOV超透镜无限远距离处(未按比例绘制)。
图7B示出了针对图7A的成像模拟设置的覆盖180°水平FOV的单色源图像。
图7C示出了图7A的成像模拟设置中的由WFOV超透镜形成的模拟全景图像。
图8示出了所制造的超透镜样本的照片(左下方)和扫描电子显微镜(SEM)图像(左上方和右侧)。
图9A是用于对由WFOV超透镜以各种入射角产生的焦斑成像的实验设置的示意图。
图9B–9G示出了由图9A的设置中的FPA相机在0°(9B)、10°(9C)、30°(9D)、50°(9E)、70°(9F)和85°(9G)拍摄的WFOV超透镜的焦斑强度图像。
图9H是WFOV超透镜的斯特列尔比相比于入射角的图。该插图示出了测得的数据(实线)和具有相同NA的无像差透镜的理论结果(虚线)在0°、70°和85°入射角处的焦斑截面。
图9I是测得的WFOV超透镜聚焦效率相比于入射角的图。
图10A是WFOV超透镜的成像设置的示意图，其中物体由激光束照明。光路中的一对单侧抛光硅片减小了照明的空间相干性，由此减小了斑点。由物体散射的光由超透镜收集，并且用附接的复合透镜重新定向到FPA相机。
图10B示出了在图10A的设置中测量的在不同角度下线宽度为15.6μm的1951USAF分辨率测试目标的投影图像。
图11A和11B示出了使用WFOV超透镜基于结构化光的3D感测。
图12示出了WFOV的超紧凑的超显示器。
图13A和13B示出了第二超表面在孔口的至少一部分中或限定孔口的至少一部分的WFOV超透镜的轮廓视图。
具体实施方式
本发明的宽视场(WFOV)超透镜具有简单且易于制造的构造，其中单个超表面层和孔口集成在单个薄衬底的相对侧上。它可以具有超过170°的衍射受限FOV和平面焦平面，这大大简化了相关联的检测器(用于成像和检测)或光发射器(用于图像/光束投射、显示等)阵列设计。它可以在宽范围的波长(例如，从可见光到红外线(IR))下操作，这取决于超表面的设计以及衬底和超表面的材料。超表面可以被设计成在电磁频谱的从微波到紫外(UV)区域的任何波长下操作，带宽跨越高达倍频程(octave)。
此外，本文中所公开的WFOV超透镜设计原理是通用的，并且适用于任意的超原子构造和波长范围，以满足各种应用需求。利用适当的超表面，超透镜可以是具有宽带操作和偏振分集的全景超透镜。作为另一示例，纳米棒或纳米柱可以用于偏振不敏感设计。可以选择多种超表面材料体系以用于所需波长范围，包括例如PbTe和CaF2，以及a-Si和Al2O3。
WFOV超透镜可以使用具有超薄超原子轮廓的惠更斯超表面(Huygens meta-surface)来实现。惠更斯超表面可以容易地制造，但可以约束对波长和偏振的敏感度。在任何情况下，本文所述的WFOV设计是通用的，并且适用于任意的超原子构造。通过适当选择超原子，超透镜可以在具有偏振分集的宽带上执行全景成像(例如，FOV超过170°)。
得益于其极WFOV、平面表面和平坦焦平面，本发明的超透镜特别适合于感测、图像投射、光达、成像、光学投影、增强现实/虚拟现实、光束转向和3D感测应用。例如，当光发射器被逐个调制或打开和关闭以使输出光束转向、开关或调谐输出光束以进行广角照明时，本发明装置的光束投射功能可以用于光达系统。相同WFOV超透镜可以在检测模块中用于广角信号收集。
宽视场(WFOV)超透镜
图1A和1B分别示出了示例性WFOV超透镜100的透视图和轮廓视图。超透镜100包括单个衬底110，所述单个衬底具有定位在一个表面112上的输入孔口130和定位在另一表面114上的超表面120。衬底110具有折射率nsub和厚度tsub。以不同入射角θin入射到直径为Din的输入孔口130上的光束被折射到总直径为Dmeta的背侧超表面120，并且被聚焦到平面焦平面141上。
衬底110可以由在超透镜的操作波长下透射光的任何合适材料制成。衬底110可以是刚性的、柔性的或可拉伸的。取决于应用，衬底在两侧上都可以是平坦的/平面的，如图1A和1B所示，或者是翘曲的、弯曲的或弯折的。合适的衬底材料包括但不限于卤化物晶体、蓝宝石和其它氧化物晶体、石英、硫族化物晶体、玻璃(例如，氧化物、硫族化物以及其它类型的玻璃)、塑料或半导体材料。
超表面120包括亚波长光学结构(也称为超原子；如下文所述和所示)的阵列，其改变传入波前的振幅、相位和/或偏振。这些超原子可以具有相同或不同的形状、大小和取向。例如，它们可以是矩形、圆柱形、H形或L形的。它们以小于或等于超透镜100的操作波长的间距在点阵上排列。点阵可以具有任何合适的周期和形状(例如，正方形、矩形或六边形)。点阵也可以是非周期性的，例如，具有由相邻超原子之间的间隙(例如恒定间隙距离)限定的间距，或具有随机定位的超原子，其被图案化以在整个超表面120上提供期望的相位轮廓。
超原子由透明材料(例如，与衬底110相同的材料，其中超原子通过对衬底110的一侧进行图案化来形成)制成。可以选择超原子的形状、大小和布局，使得超表面的光谱响应不会随AOI而改变—在其设计中自动考虑了由超原子随着变化的AOI赋予的光学相位/振幅变化。超表面120还可以被设计成用于旋转不对称聚焦(例如，在一些AOI处聚焦而在其它AOI处不聚焦)。
(替代地，超表面120可以由提供相同或相似有效相位轮廓的超材料、多层超表面或衍射光学元件(DOE)代替。例如，DOE可以被实施为特征大小大于透镜的操作波长的二进制或多级灰度级DOE。类似地，整个透镜架构适用于衍射光学透镜。)
孔径光阑130由衬底110的上表面112上的不透明(例如，吸收或反射)材料层132限定。上表面112还可以限定超表面(未示出)或部分或完全覆盖有超表面，所述超表面调制入射光的强度和/或相位以形成有效孔径光阑。(替代地，这种超表面可以由超材料、多层超表面或DOE代替。)孔径光阑130可以是圆形的，其直径由下式给出：
Din＝Dmeta-2tsubtan|sin-1(1/nsub)]
该直径可以在数微米到数毫米的范围内，其中数值孔径(NA)在0到1的范围内。如果超透镜浸入油或其它高折射率材料中，数值孔径可以更高(例如，1.5)。
孔口也可以是正方形、椭圆形、六边形、矩形或任何其它合适的形状。替代地，孔口可以包括一个或多个子区域、贴片或阵列，其被构造成在频谱、相位、振幅、偏振等方面调制或编码输入光。例如，孔口130的至少一部分可以用另一超表面134图案化，所述超表面过滤穿过孔口130的光。如果需要，孔径光阑130的边缘可以例如用高斯或超高斯切趾进行切趾，以减少有害的边缘效应。
通过在将超表面120和孔径光阑130定位在相同衬底上的同时对它们进行空间解耦，例如，通过针对考虑多个AOI下的聚焦质量的品质因数进行优化，超透镜100可以在超表面120的不同但连续的部分上捕获不同入射角(AOI)的输入光束，从而促进相位轮廓的局部优化。超表面相位轮廓被设计成使得来自输入孔口上方的理想球形波前的均方根(RMS)波前误差始终小于0.0745个波长。这确保了超透镜100在其整个视场内具有超过80％的斯特列尔比，所述整个视场对于平坦衬底可为120°、130°、140°、150°、160°、170°、175°、179°或接近180°，从而在各种光照明条件下实现衍射受限性能。对于具有弯曲、弯折或翘曲衬底的超透镜，视场甚至可以大于180°。类似于平坦表面的情况，入射光从输入孔口折射(或使用超表面衍射)到背侧超表面。常规鱼眼透镜使用大致弯曲的前透镜实现了FOV>180°。
超透镜100可以在各种波长中的任一种下操作，这取决于其尺寸、超表面设计和衬底材料。例如，被设计成在5.2μm的波长下操作的超透镜100可以具有2mm厚的氟化钙(CaF2)平面衬底110(在5.2μm下，nsub＝1.4)，该平面衬底具有1mm直径的圆形孔口130和5.2mm×5.2mm的超表面120。该超表面120可以含有由PbTe制成的2,000×2,000个惠更斯超原子的阵列，正方形点阵常数为2.5μm。超表面120可以具有2mm的恒定焦距，对应于0.24的有效数值孔径(NA)。在接近90°的入射角处，衬底内部的光传播的最大角度为45.7°。如下文所示，组成超表面120的超原子的相位响应仅微弱地取决于超透镜的WFOV内的光束入射角。
超透镜100与设计有分离的角通道的超透镜以不同的方式操作，其中超表面上的非重叠区域专用于不同AOI下的光束。由于其具有专用的非重叠区域，具有分离的角通道的超透镜只能针对入射角的离散集合实现高质量聚焦。在本发明的超透镜100中，明智设计的超表面相位轮廓和超透镜架构允许在衬底110的超表面侧114上对具有连续变化的入射角的光束和相互重叠的光束轮廓进行衍射受限聚焦。因此，超透镜100可以实现无像差的光束聚焦或光束准直，并且因此实现从前半球上的任何点或到前半球上的任何点的任何光方向的图像投射。
除了校正诸如彗差和像散的像差之外，超透镜100的特征还在于整个FOV上的平面焦平面141。通过促进标准平面检测器或发射器阵列集成，消除Petzval像场弯曲在包括成像和图像投射的广泛应用中是有益的。例如，图1B示出了焦平面141中的光源140的阵列，其用于利用超透镜以不同角度投射准直光束。阵列中的光源140可以是发光二极管(LED)、激光器或任何其它(有孔的)光源。光源140的阵列可以包括在不同波长下发光的不同光源。取决于应用，光源140还可以包括宽带或波长可调谐光源。(对于成像应用而言，光源140可以由焦平面141中的平面检测器阵列，例如CMOS或CCD阵列替换。)
超透镜超表面设计和建模
超透镜可以利用全波模拟(例如有限元方法(FEM)、时域有限差分(FDTD)方法和有限积分技术(FIT))和基尔霍夫衍射积分(Kirchhoff diffraction integral)的分层组合来设计。在亚波长尺度，全波模拟可以用于设计和建模超表面中的超原子以获得所需的光学响应。在宏观系统层面，结合全波模拟结果的衍射积分方法使得能够在计算上高效率地验证整个超透镜的聚焦特性，并且可以用于优化超表面的相位轮廓。
图2A–2F示出了在5.2μm波长下操作的超透镜的一侧上的超表面的惠更斯超原子的设计和建模。每个惠更斯超原子包括由分别位于如图2A和2B中所示的CaF2衬底上的PbTe构成的矩形块或H形块。选择PbTe和CaF2的组合以利用这些材料在中IR光谱范围中的低光学损耗和巨大折射率对比度，从而使得超表面能够在透射模式下操作，同时支持电偶极子(ED)和磁偶极子(MD)谐振。它们的形状被设计成在操作波长处获得光谱重叠的ED和MD谐振，有利于利用Kerker效应实现全360°(2π)相位覆盖，并具有接近统一透射率。超原子库包括覆盖360°相位空间的八个不同超原子，其中对于在5.2μm波长处的线性TM偏振光，离散步长为45°。
图2C示出了超原子库中的八个超原子中的每一个在法向入射下的模拟振幅和相位响应。超原子在图2C中的图下方示出，并且包括三个H形超原子和五个矩形原子。表1(下文)中列出了超原子尺寸。
表1：超光学装置中使用的超原子的尺寸。
图2D示出了每个超原子在(衬底内部的)倾斜AOI下的模拟相移。入射光是TM偏振的。结果表明，超原子响应仅微弱地取决于入射角，因为超原子被设计为对入射角几乎不敏感。45.6°的角度与空气和氟化钙之间的界面处的全内反射角度一致。这种全电介质惠更斯超表面平台是WFOV超透镜的高性能的基础。
图2E示出了具有用于超表面的2000×2000超原子阵列的超透镜的相位分布。在图的中心处的黑色虚线圆圈指示孔口在衬底的与超表面相对的一侧上的位置。
图2F示出了不同AOI下的焦斑和由具有相同NA的完美透镜形成的焦斑的模拟横截面强度分布。由于倾斜AOI的缘故，强度分布是不对称的。峰值振幅随着AOI的增大而减小，在旁瓣中出现越来越多的光。在所有AOI值(等式2)下，与理想相位轮廓相比，RMS相位误差始终小于0.0745个波长，确保了斯特列尔比优于0.8。因此，当与具有相同NA和焦距的完美透镜相比时，该超透镜设计在整个FOV上实现了衍射受限聚焦和成像性能。图6中的模拟焦斑的调制传递函数(MTF)进一步支持此结论。
图2A–2F中所示的超原子模拟是利用商用软件包CST Microwave Studio中的频域解析器执行的。对于每个超原子而言，在负和正x和y方向上均采用晶胞边界条件，而沿着z轴设定开放边界条件。从衬底侧照亮每个超原子，其中x偏振平面波指向正z方向。图2C中所示的结果是在位于每个超原子顶部和底部的两个开放端口之间导出的复透射系数的相位和振幅。
WFOV超透镜的聚焦和成像行为是按照基尔霍夫衍射积分建模的，基尔霍夫衍射积分是惠更斯－菲涅耳原理(Huygens–Fresnel principle)的物理严格形式。该模型从计算光学系统的惠更斯点扩散函数开始。它在超表面处并入了与角度有关的相位轮廓，并将从每个超原子发射的具有对应振幅和相位的波前传播到图像平面，在该图像平面处导出其复振幅。波前穿过空间的衍射由来自惠更斯源的波前的干涉或相干和给出。图像平面上每个点处的强度是所得的复振幅和的平方。
可以使用
(Zemax，LLC)设计超透镜的初始光学结构和相位轮廓。基于基尔霍夫衍射积分的分析模型随后可以用于分析不同AOI下的整个超表面性能。该分析模型并入了遵循从全波模拟获得的不同AOI下各个超原子响应的与角度有关的相位掩模(例如，如在图5A–5F中，如下文所述)。相位轮廓优化过程涉及
和基尔霍夫衍射积分模型之间的对焦斑质量的迭代评估，即不同AOI下的斯特列尔比(SRAOI(i))。使用数值优化来最大化以下品质函数(品质因数，FOM)：
其中wAOI(i)给出不同AOI下的加权因子。这种形式的FOM同时检查整个FOV上的多个光束。对于示范性设计，相邻光束之间的ΔAOI＝5°的初始角间隔足以对整个FOV连续地进行采样。在图2E中示出了优化的超透镜相位轮廓。在所有AOI值下，与理想的相位轮廓相比，设计的相位轮廓使得斯特列尔比优于0.8。因此，当与具有相同NA和焦距的完美透镜相比时，超透镜在整个FOV上实现了衍射受限聚焦和成像性能，如图2F所示。
商用的光学设计软件Zemax OpticStudio可以用于在理想条件下获得超表面的初始相位轮廓。旋转对称的相位轮廓以多项式形式表示：
其中φ(ρ)是特定超原子的期望相位响应，其中
an是非球面系数，并且R是归一化半径。(下面的)表1和2分别示出了例如中IR和NIR WFOV超透镜的归一化半径和非球面系数：
表1：中IR WFOV超透镜的相位轮廓设计系数
| R(mm) | a1 | a2 | a3 | a4 | a5 | a6 | a7 |
| 2.219e-3 | -1492.12 | 232.31 | -916.34 | 2179.49 | -2829.43 | 1837.91 | -467.25 |
表2：NIR WFOV超透镜的相位轮廓设计系数
| R(mm) | a1 | a2 | a3 | a4 | a5 | a6 | a7 | a8 | a9 | a10 |
| 2.25e-3 | -6708.07 | 63.55 | -175.6 | 290.48 | -264.77 | 106.33 | 16.11 | -34.28 | 12.98 | -1.69 |
优化以在小的AOI范围内符合光学系统规范(例如，焦距和f/#)的标准双曲相位轮廓作为初始输入开始。一旦初始优化循环针对起始AOI范围收敛，就将结果用作具有扩展AOI范围的下一优化迭代循环的输入。该过程继续直到最终结果在目标AOI范围(例如，±90°)上收敛。
更具体地，实施使用莱文贝格-马夸特算法(Levenberg–Marquardt algorithm，也称为阻尼最小二乘法)的数值优化以最大化每个优化循环中的品质函数(例如，上文定义的FOM)。基尔霍夫衍射积分用于以数值方式计算每个场角的斯特列尔比以及FOM。还并入了每个超原子的与角度有关的响应，以在初始相位轮廓的空间和相位离散化/映射之后生成与角度有关的相位掩模。在每个优化循环中，最初使用并最大化对于该范围内的所有AOI具有相等权重的FOM。在某些场角下，最大化这种相等权重的FOM有时可导致斯特列尔比小于0.8。在这种情况下，用调整后的加权因子重复优化，直到对于目标范围内的所有AOI，斯特列尔比都高于0.8。利用所述程序获得的图3中所示的最终相位轮廓对于连续变化的高达±90°的入射角实现了衍射受限的聚焦性能。相位轮廓设计系数汇总在表1中。图4示出了基于超表面的中心1mm直径区域的各个超原子的相移的与角度有关的相位轮廓。
图5A–5F示出了在倾斜入射下，超原子对不同线偏振的角响应。图5A–5C示出了关于H形超原子的不同线偏振取向，其中图5A示出了y-z偏振，图5B示出了在y-z与x-z之间旋转45°，且图5C示出了x-z(TM)偏振。电场y分量等于零。图5D–5F示出了对于这些偏振状态中的每一个的随角入射变化的超原子的角响应。
图6A–6D示出了被设计成在940nm波长下工作的WFOV超透镜600及其性能。WFOV超透镜600包括厚度为3.9mm的平面蓝宝石衬底、在一侧上的直径为1mm的圆形孔口630和在另一侧上的超表面620。超表面620包括作为超原子的非晶硅柱阵列622，并且将光聚焦到距超表面620 2.5mm处的平面焦平面。
图6B示出了随WFOV超透镜600的目标半角变化的模拟斯特列尔比(右轴)和聚焦效率(左轴)。斯特列尔比始终超过0.8，指示在为约180°的整个FOV上的衍射受限聚焦。图6C示出了WFOV超透镜600在不同AOI和不同入射平面的模拟调制传递函数(MTF)以及具有相同NA的衍射受限透镜的MTF。MTF指示WFOV超透镜600在不同AOI处具有衍射受限焦斑。
图7A–7C示出了利用WFOV超透镜的模拟全景成像。图7A示出了成像模拟设置，其中源图像定位在距超透镜无限远距离处(未按比例绘制)。图7B示出了覆盖180°水平FOV的(这里是巴黎天空的)单色源图像。图7C示出了由超宽FOV超透镜形成的模拟全景图像，其充分考虑了像差和衍射效应。当与由微显示器替代的图像传感器一起使用时，相同的超光学设置可以容易地用于将图像投射到具有超宽FOV的远场。
WFOV超透镜制造
图8示出了通过双抗蚀剂层剥离方法在2mm厚的CaF2平面衬底上使用电子束光刻法制造的WFOV超透镜。该WFOV超透镜中的超原子(在左上方示出)由热蒸镀的纳米晶体PbTe制成，并且具有650nm的均匀厚度。由使用标准UV光刻法的金属锡层限定前侧孔口。
更具体地，在直径为15mm且厚度为2mm的圆形CaF2衬底(Edmund Optics)上制造图8中的超透镜。考虑到超表面布局的对称性，仅需要和制造2mm×3.6mm的超表面区段来验证WFOV性能。在制造之前，顺序地在丙酮和异丙醇(IPA)超声处理浴中清洁基板表面各3分钟。随后，将样本在190℃下烘烤5分钟，以完全蒸发其表面上的溶剂和吸附的水分。然后用氧等离子体(150W，1分钟，压力0.8托)处理衬底以去除有机残留污染物。
用由PMGI(800nm厚)和ZEP 520A(400nm厚)组成的双层光致抗蚀剂覆盖样本的一侧。PMGI层以2400转/分钟(rpm)旋涂1分钟，然后在190℃下烘烤3分钟。烘烤步骤对于确保PMGI层的机械稳定性至关重要。将ZEP层以4000rpm旋涂1分钟，并在190℃下烘烤2分钟。为了防止在进行电子束(e束)光刻时的充电效应，样本覆盖有水溶性导电聚合物(ESpacer300Z，Showa Denko America，Inc.)，并在衬底顶部放置导电夹具。
在125kV电压、10μA电流和基础剂量为380μC/cm2的接近效应校正(PEC)下用电子束光刻系统(Elionix ELS F-125)写入超表面图案(图8，右)。通过将样本浸入水、ZEDN50和IPA中各1分钟来对ZEP层显影。随后用以1：1的比率用水稀释的RD6显影液部分地溶解PMGI层。应当小心地进行这种部分溶解，以便在不破坏图案的情况下实现底切。
在光致抗蚀剂显影之后，通过热蒸镀(定制设计的系统，PVD Products，Inc.)以
的速率和10-6托的基础压力沉积650nm厚的PbTe膜。在沉积之前，用氧等离子体预清洁样本以提高膜的粘附力。之后，通过整夜浸泡在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中，来剥离光致抗蚀剂顶部的材料，从而转移超表面图案。
样本的另一侧用直径为1mm的圆形孔口进行图案化。在孔口制造期间，用PbTe超表面进行图案化的一侧受到干膜光致抗蚀剂(DuPont MX5000系列)的保护。为了制造孔口，用氧等离子体清洁表面，并且以1500rpm旋涂负性光致抗蚀剂NR1000PY(Futurrex，Inc.)1分钟。然后，样本在115℃下进行软烘烤，通过掩模暴露于UV光40秒，并且在155℃下进行硬烘烤。曝光的光致抗蚀剂随后在RD6中显影10秒，并且随后用水冲洗。然后通过热蒸镀来沉积200nm的锡层，并且通过用丙酮去除光致抗蚀剂来剥离该锡层。最后，通过整夜的NMP处理去除覆盖超表面侧的干膜光致抗蚀剂。
WFOV超透镜表征
图9A–9I示出了图7中的WFOV超透镜700在各种AOI下的焦斑质量的实验表征。图9A示出了测量设置900，其中WFOV超透镜700由来自5.2μm波长激光器910的准直线偏振激光束从孔口侧照明。激光器910安装在圆形轨道912上，从而允许AOI从0°变化到85°。85°的最大AOI受到实验设置900的几何约束而不是透镜性能的限制。使用一对校准放大率为120±3的中IR透镜920放大焦斑图像，并将其投射到液氮冷却的InSb焦平面阵列(FPA)相机930上。
图9B–9G示出了用FPA相机930测量的焦斑图像的示例。图9H的插图示出了0°、70°和85°入射角的焦斑的横截面光学强度轮廓以及来自具有相同NA的无像差透镜的模拟理想焦斑轮廓以供比较。图9H还示出了测得的斯特列尔比。对于所有入射角，斯特列尔比都保持在0.8以上，表明来自超透镜700的衍射受限聚焦性能。
图9I是对于线偏振光，超透镜的聚焦效率相比于AOI的图。聚焦效率被定义为焦斑处约束的功率与超透镜的超表面上入射的功率之间的比值。图9I中的数据表明与AOI的相对微弱的相关性，随着AOI从0°变化到85°，聚焦效率从45％变化到32％。这种相对平坦的角响应是在由超透镜形成的整个图像上提供几乎均匀的照明的有用特征。
由超透镜聚焦的功率Pms,foc(θi)可以用通过前侧孔口(例如，1mm圆形孔口)透射的总入射功率P0、超透镜聚焦效率f(θi)以及考虑空气和衬底(例如，CaF2)之间的界面处的反射损失的菲涅尔透射因子Tp(θi)来表达：
Pms,foc(θi)＝P0·TP(θi)f(θi)。 (3)
总入射功率P0可以进一步写为P0＝P0(0)·cos(θi)，其中P0(0)是以法向入射(θi＝0°)时通过孔口的总入射功率。余弦因子的出现是因为当相同准直激光束(具有远大于孔径大小的光束直径)倾斜地入射在超透镜上时，功率密度由于几何投影而下降cos(θi)的倍数。
在图9A–9I中，测量值是(θi)—超透镜聚焦的功率与总透射功率的比值、Pms,trans(θi)—超透镜透射的功率，以及Pref(θi)—通过参考样本(具有相同厚度和1mm孔口但不具有背侧超表面的CaF2衬底)透射的功率。根据这些定义：
η(θi)＝Pms,foc(θi)/Pms,trans(θi) (4)
Pref(θi)＝P0TP 2(θi)＝P0(0)cos(θi)TP 2(θi) (5)
在等式(5)中，Tp(θi)因子是平方的，因为存在具有相同透射率的两个CaF2—空气界面。最后，聚焦效率的值f(θi)由下式给出：
使用大面积检测器测量P0、Pms,trans(θi)和Pref(θi)以捕获所有透射功率。然后根据等式(5)从P0和Pref(θi)计算Tp(θi)。通过测量入射到集成有200μm直径的针孔的检测器上的透射功率P孔(θi)来量化Pms,foc(θi)。FPA相机在200μm直径的区域上对焦斑周围的焦平面进行成像。对来自FPA相机的光学强度值逐像素地进行积分，获得聚集在焦斑处的功率占通过针孔透射的总功率的比例，即，Pms,foc(θi)/P孔(θi)。经由P孔(θi)×Pms,foc(θi)/P孔(θi)提取Pms,foc(θi)。(不幸的是，FPA相机没有给出光功率读数，而是仅指定以计数为单位的相对光学强度。)
利用WFOV超透镜成像
图10A和10B示出了WFOV超透镜700的广角成像能力。图10A示出了测量设置1000，其中激光器1010通过漫射器1012照射物体1014。超透镜700收集由物体1014散射的光，并且通过中IR透镜1020将其投射到InSb FPA相机1030上。在实验中，物体1014与超透镜700之间的距离固定为2mm，以与透镜焦平面的平面几何形状一致。中IR透镜1020和相机1030安装在半圆形轨道1032上，使得它们可以围绕穿过超透镜700延伸并且垂直于超透镜700的光轴的轴线旋转。物体1014包括复制USAF分辨率测试图的金属锡图案。所选的测试目标图案(组5，元件1)包含三个条纹，每个条纹15.6μm宽，接近透镜的理想的衍射受限分辨率(13.2μm)。
图10B示出了在图10A中的实验设置1000的完整角范围内记录的图案的清晰分辨的图像。该角范围是从0°到82°，并且由实验设置1000的几何约束限定。图10B中的图像确认了在极宽角范围内超透镜的衍射受限成像性能。
光束/图像投射
当光发射器阵列定位在焦平面处时，WFOV超透镜系统可以用于具有大投射角的光束或图像投射。在图1B中，例如，从光源阵列140(例如，微型LED显示器)中的每个光源(像素)发射的光由衬底110的一侧上的超表面120准直，并且指向位于衬底110的另一侧上的孔口130，并且指向不同方向或朝向不同方向投射。输出光束或图像被耦合到另一介质，例如自由空间，或其它光学元件或波导结构中。超表面的相位轮廓被工程设计成使得可以在空气中近180°的FOV上实现衍射受限聚焦或准直性能，该FOV对应于在操作波长处折射率为1.5的衬底110内部约例如大约42°的最大折射角。这与现有的超光学系统形成鲜明对比，现有超光学系统使用多个超表面维持大入射角下的成像质量。
WFOV超透镜100可以用于将从发射器阵列140生成的光束阵列投射到宽范围的角度，以用于例如3D感测、检测、测距、通信等应用。WFOV超透镜100还可以用于将从发射器阵列140(例如，微型显示器)生成的图像投射到宽范围的角度，以用于例如显示、全息、AR/VR等应用。下面解释一些示例。
利用WFOV超透镜的3D感测
基于结构化光(SL)、飞行时间(TOF)或主动立体技术的现有3D深度传感器受到小FOV(通常小于70°)的限制，分辨率通常限于约1,000×1,000个可分辨光斑或角度。一种不同但相关的技术是基于视觉的同步定位和测绘(V-SLAM)。Intel的RealSenseTMTrackingCamera T265使用V-SLAM提供高达163°的令人印象深刻的拼接FOV，但是它具有两个鱼眼成像单元，并且由于与标准相机光学器件相比，尤其是在大场角度下，鱼眼透镜的成像质量较低，因此存在分辨率较低的问题。
图11A和11B示出了具有两个WFOV超透镜1112和1122的3D传感器1100。这种3D传感器1100利用超宽FOV、衍射受限性能、平面焦平面和WFOV超透镜1112和1122的简单性用于3D感测应用，例如光学触摸界面、手势控制、面部识别、物体检测/跟踪、3D扫描、导航等。
3D传感器1100包括具有第一WFOV超透镜1112和光发射器阵列1114(例如，微LED或竖直腔面发射激光器(VCSEL)阵列)的图案投射模块1110，以及具有第二WFOV超透镜1122和光检测器阵列1124的相机模块1120。(对于立体感测而言，光发射器阵列1114可以由第二光检测器阵列代替，从而将图案投射模块1110变成另一相机模块。)图案投射模块1110和相机模块1120安装在衬底1102上，该衬底可以是一件柔性或刚性塑料、玻璃或其它合适的材料。整个传感器1100可以小于7mm厚(例如，3mm或较薄)，并且可以使用商用光发射器和光检测器阵列制造。
图案投射模块1110将图案(例如点或条纹阵列)投射到具有大的角范围1111(例如，120°、130°、140°、150°、160°、170°或更大)的自由空间中，并且投射到物体1101(例如，手或指尖)上。由图案投射器1110照明的物体1101的图像由相机模块1120在同等宽且重叠的FOV 1121上捕获。耦合到图案投射模块1110和相机模块1120的处理器(未示出)分析由相机模块1120捕获的图像以生成关于物体1101的3D信息。
超宽光束投射和检测角度1111和1121允许在大的空间和角范围上进行3D感测。超透镜1112和1122的衍射受限性能允许进行高质量图案生成和高分辨率成像。简单的光学模块配置有助于紧密集成到移动装置，例如智能手机和平板电脑中，并且有助于承受组装的未对准。用于结构化光投射和成像的视场可以接近180°，具有衍射受限空间分辨率，以提供精确的近表面3D感测/成像。
例如，使用图6A中所示的NIR超透镜600(在940nm下操作，孔径为1mm)的传感器1100由于衍射受限聚焦/准直可以在整个180°FOV上以0.1°的平均角分辨率操作。因此，传感器光学器件可以支持大约1,800×1,800的分辨率，代表了相对于现有3D传感器的重大改进，其中仅通过增大孔径就有可能实现进一步的性能改进。
图11A和11B中的传感器1100可以具有厚度小于7mm的超紧凑的薄型轮廓，并且与微LED阵列(现在可提供<3μm间距，与超透镜的2.9μm衍射受限空间分辨率相称)和成像器传感器的集成兼容。尽管此传感器1100将源阵列1114上的每个单元像素配准到远场中的点，但第一WFOV超透镜1112的前孔可以与被工程设计成进一步修改发射的光束图案(例如，相位、振幅、偏振)以及波长、偏振和/或与角度有关的响应的另一超表面(例如，图1A中的任选超表面134)集成。该另一超表面可以在衬底的透明部分孔口或另一部分中或上，并且可以进一步增强超透镜1112的功能，并且在180°FOV上增大投射图案的复杂性和信息密度。该第二超表面可以被构造成过滤或改变由孔口透射的光的偏振。替代地，第二超表面可以被构造成例如通过在超表面中诱导的非线性效应来改变由孔口透射的光的波长。
超透镜1112的孔口侧上的超表面也可以通过调制其相位、振幅、频谱和/或偏振响应的分布以形成有效孔口而“包含”孔口。例如，这种孔口侧超表面可以调制入射光的相位分布，使得有效孔口区域内的光被透射或进一步调制以朝向背侧超表面传播，而孔口外的入射光被散射或偏转远离用于进行WFOV成像或感测的区域。有效孔口外的超表面区域还可以被设计成具有最小透射功率(例如，通过对超表面的反射或吸收特性进行工程设计)。有效孔口外的超表面区域还可以被设计成具有频谱或偏振过滤特性以遮挡具有特定波长或偏振的光。
与现有技术的3D感测相比，利用WFOV超透镜的3D感测具有许多优点：(1)它普遍适用于SL、TOF和主动立体3D深度感测；(2)它同时解决与照明和光接收(相机)光学器件相关联的FOV限制；(3)超表面光学器件的衍射受限成像和图像投射能力能够在整个FOV上实现精细空间分辨率而没有像差；(4)由于光学器件被设计成在单个NIR波长(例如，用于VCSEL照明)下或在窄带(例如，用于微型LED阵列照明)上操作，因此可以实现极高(例如，接近统一)的光学效率；(5)超紧凑形状因子和最小元件数；以及(6)在超表面的不同部分与不同AOI下的光相互作用时，超原子可以被局部构造成拒绝操作波长外的环境光。传统光学滤波器的通带随着AOI发生频谱偏移，因此不能在大的角范围内使用，与之不同的是，超表面的独特的超广角光学滤波能力可以显著地提高信噪比(SNR)和动态范围。
图11A和11B中的高分辨率全景3D传感器1100的应用涵盖消费电子产品、机器人、增强/融合现实、汽车和无人机(UAV)等。例如，宽感测FOV使得能够使用单点传感器进行近表面手势识别和控制，这对于当前3D感测方法是不可能的。在增强和虚拟现实中，精细传感器分辨率和大FOV(与人类视觉匹配)允许快速且精确地重建周围环境，以创建沉浸式用户体验。
用于增强现实(AR)和虚拟现实(VR)的WFOV超透镜
用于增强和虚拟现实应用的微型显示器由于其在下一代显示技术中的广泛实施空间，如今正在吸引大量的研发工作。在光学架构方面，AR/VR显示器可以分为两个主要组：基于体光学器件和基于波导的系统。近年来，基于波导的系统由于其紧凑形状因子以及易于与眼镜和其他装置集成而越来越受关注。现有技术的基于波导的显示器在分辨率和FOV方面仍然有限。例如，现有的商用波导AR/VR系统的FOV通常小于45°×45°，远小于人类视觉的范围。为了改善显示质量，常规光学引擎使用复杂的多元件光学系统，这增加了系统尺寸和重量。
图12示出了具有光学引擎1210的AR/VR系统1200，所述光学引擎由微型LED阵列1212和高分辨率WFOV投影超透镜1214组成。WFOV投影超透镜1214通过光学耦合结构1220耦合到波导1230，该光学耦合结构是例如3D自由形态耦合结构(如在图12中)、亚波长光学结构或衍射光学元件。波导1222还耦合到或包括波导外耦合结构1224，例如另一3D自由形态耦合结构、亚波长光学结构或衍射光学元件。微型显示器1212发射光束，所述光束由WFOV超表面投影光学器件1214准直并且随后经由光学耦合结构1220耦合到波导1230中。波导1222将光引导到波导外耦合结构1224，其中图像在大FOV(例如，接近180°)下面外直接投射到眼睛1201中。
假设孔径为2mm，由于其无像差成像性能，WFOV超表面投影光学器件1214的角分辨率在550nm的波长处为0.34mRad，非常接近人眼的分辨率(例如，约0.3mRad)。给定180°FOV，这在每个RGB波长下产生超过9000×9000个可分辨光斑的分辨率并在微型显示器上产生大约9mm×9mmFOV。超光学系统的总厚度仅为几毫米。
具有超表面孔口的超透镜
图13A和13B分别示出了超透镜1300和1302，其调制由光发射器阵列1340中的发射器(例如，LED或VCSEL)1342a–1342c投射的光束。在图13A中，光发射器阵列1340在超透镜1300的平面焦平面中，该超透镜包括透明衬底1310，透明衬底在一侧上具有第一超表面1320，在另一侧上具有第二超表面1334。第一超表面1320准直由光发射器1342发射的光束，所述光发射器可跨越120°或更大的FOV。准直光束通过衬底1310传播到第二超表面1334，所述第二超表面跨越小于第一超表面1310的面积的面积。第二超表面1334调制准直光束的相位、振幅、偏振和/或频谱特性以生成具有不同偏振和/或频谱特性的2D或3D光学图案、点阵列/云、图像、全息图或图案。第一超表面1320还可以被构造成生成基于入射光束的入射角、波长、偏振等变化的2D或3D图案。
图13B示出了类似的超透镜1302。不同之处在于第二超表面1336被构造成生成随入射角变化的图案。在这种情况下，来自发射器1342a的光在正方形点阵上产生点阵列，而来自发射器1342b和1342c的光产生不同的稀疏点阵列。第二超表面1336还可以被构造成根据包括空间、偏振和/或频谱特性的其它光束特性来调制入射光束。例如，第二超表面1336还可以被构造成生成与波长或偏振有关的图案，使得来自光发射器阵列1340的具有不同波长或偏振特性的发射光产生可定制的图案。可以组合方式利用第一超表面1320和第二超表面1336的与入射光束特性有关的响应。替代地，DOE可以代替或与第二超表面1334/1336组合使用。具有可定制或可重新配置的空间、角、偏振和/或频谱特性的照明图案可以与和此类模式相关联的物体重建算法结合，以有效地提取场景的特性。
结论
虽然本文已经描述和示出了各种发明实施例，但是本领域的普通技术人员将容易地设想用于执行功能和/或获得结果和/或本文所述的优点中的一个或多个的各种其它装置和/或结构，并且此类变型和/或修改中的每一个被视为在本文所述发明实施例的范围内。更一般地，本领域的技术人员将容易地理解，本文所述的所有参数、尺寸、材料和构造都旨在为示范性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于发明性教导所用于的具体应用。本领域的技术人员将认识到或能够仅使用常规实验来确定本文所述的具体发明实施例的许多等同物。因此，应当理解，前述实施例仅以举例的方式呈现，并且在所附权利要求书及其等同物的范围内，发明实施例可以通过除具体描述和要求保护之外的其它方式实践。本公开的发明实施例涉及本文所述的每个个体特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。另外，如果此类特征、系统、制品、材料、套件和/或方法并非相互不一致，则两个或更多个此类特征、系统、制品、材料、套件和/或方法的任何组合包括在本公开的发明范围内。
而且，各种发明概念可以体现为一种或多种方法，已经提供了其示例。作为所述方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造其中动作以不同于所示顺序执行的实施例，这可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施例中被示为顺序动作。
如本文定义和使用的所有定义应被理解为相对于字典定义、以引用的方式并入的文件中的定义和/或所定义术语的通常含义处于控制性地位。
除非明确做出相反指示，否则如本文在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一(a)”和“一(an)”应被理解为意指“至少一个”。
如本文在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应理解为意指如此结合的元件中的“任一个或两个”，即在一些情况下同时存在(conjunctively present)且在其他情况下单独存在(disjunctively present)的元件。用“和/或”列出的多个元件应以相同方式解释，即，如此结合的元件中的“一个或多个”。除了由“和/或”从句特别标识的元件之外，可以任选地存在其它元件，无论与特别标识的那些元件相关还是无关。因此，作为非限制性示例，当与诸如“包括”的开放式语言结合使用时，对“A和/或B”的提及可以在一个实施例中仅指A(任选地包括B以外的元件)；在另一实施例中，仅指B(任选地包括A以外的元件)；在又一实施例中，指A和B两者(任选地包括其它元件)；等等。
如本文在说明书和权利要求书中使用的，“或”应理解为具有与上文定义的“和/或”相同的含义。例如，当分隔列表中的项目时，“或”或“和/或”应被解释为包含性的，即，包括若干元件或元件列表中的至少一个(但还包括多于一个)以及任选地附加的未列出项目。只有明确指示为相反的术语，例如“仅……中的一个”或“恰好……中的一个”，或当在权利要求书中使用时，“由……组成”将指恰好包括若干元件或元件列表中的一个元件。一般来说，仅当前面有诸如“任一”、“……中的一个”、“仅……中的一个”或“恰好……中的一个”的排他性术语时，本文所用的术语“或”应被解释为指示排他性替代方案(即，“一个或另一个，但并非两者”)。当在权利要求书中使用时，“基本上由……组成”应当具有其在专利法领域中使用的普通含义。
如本文中在说明书和权利要求书中使用的，关于一个或多个元件的列表的短语“至少一个”应被理解为意指选自元件列表中的任何一个或多个元件的至少一个元件，但不一定包括元件列表中具体列出的每个元件中的至少一个，并且不排除元件列表中的元件的任何组合。该定义还允许任选地存在除该短语“至少一个”指代的元件列表内特别标识的元件之外的元件，无论与特别标识的那些元件相关还是无关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或，等效地，“A或B中的至少一个”，或等效地，“A和/或B中的至少一个”)在一个实施例中可以指至少一个(任选地包括超过一个)A而不存在B(且任选地包括除B之外的元件)；在另一实施例中，可以指至少一个(任选地包括超过一个)B而不存在A(且任选地包括除A之外的元件)；在又一实施例中，可以指至少一个(任选地包括超过一个)A和至少一个(任选地包括超过一个)B(且任选地包括其他元件)；等等。
在权利要求书中并且在上文说明书中，所有过渡性短语，例如“包括(comprising)”、“包含(including)”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”、“由……组成”等，应理解为是开放式的，即，表示包括但不限于。仅过渡性短语“由……组成”和“基本上由……组成”应分别是封闭或半封闭的过渡性短语，如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节中所述。
Claims (23)
1.一种光学部件，包括：
衬底；
在所述衬底的第一侧上的不透明层，所述不透明层限定孔口以在至少120°的视场上透射光；以及
在所述衬底的与所述第一侧相对的第二侧上的超表面，以聚焦由所述孔口透射通过所述衬底的光。
2.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述衬底是平面的。
3.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述衬底是弯曲的。
4.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述衬底具有厚度tsub和在所述光的波长下的折射率nsub，所述孔口具有直径Din，并且所述超表面具有直径Dmeta＝Din+tsubtan[sin-1(1/nsub)]。
5.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述超表面被构造成将入射到整个视场上的光聚焦到平行于所述衬底的第二侧的焦平面。
6.根据权利要求5所述的光学部件，还包括：
在所述焦平面中的检测器阵列，以检测由所述超表面聚焦的光。
7.根据权利要求5所述的光学部件，还包括：
在所述焦平面中的光源阵列，并且
其中，所述超表面被构造成准直由所述光源阵列发射的光束，并且所述孔口被构造成发射所述光束。
8.根据权利要求7所述的光学部件，其中，所述超表面和/或所述孔口被进一步构造成调制由所述光源阵列发射的光束。
9.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述超表面被构造成以至少80％的斯特列尔比聚焦入射到整个视场上的光。
10.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述超表面包括至少1000×1000个超原子的阵列。
11.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述超表面具有不同但连续的部分，所述不同但连续的部分被构造成捕获不同入射角的输入光束。
12.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述超表面被构造成校正至少一个三阶赛德尔像差。
13.根据权利要求1所述的光学部件，其中，所述超表面是第一超表面，并且所述光学部件还包括：
第二超表面，所述第二超表面设置在所述孔口的至少一部分中，以调制和/或过滤由所述孔口透射的光。
14.根据权利要求13所述的光学部件，其中，所述第二超表面被构造成使用取决于由所述孔口透射的光的入射角的空间调制图案调制由所述孔口透射的光。
15.一种方法，包括：
在至少120°的视场上通过形成在衬底的第一侧上的孔口透射光；以及
利用所述衬底的与所述第一侧相对的第二侧上的超表面聚焦所述光。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，聚焦所述光包括将入射到整个视场上的光聚焦到平行于所述衬底的第二侧的焦平面。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
利用所述焦平面中的检测器阵列检测由所述超表面聚焦的光。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：
利用所述超表面准直由所述焦平面中的光源阵列发射的光束；以及
通过所述孔口发射所述光束。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，聚焦所述光包括以至少80％的斯特列尔比聚焦入射到整个视场上的光。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，聚焦所述光包括校正至少一个三阶赛德尔像差。
21.根据权利要求15所述的方法，还包括：
基于由所述孔口透射的光的入射角，利用设置在所述孔口的至少一部分中的另一超表面来调制由所述孔口透射的光的相位、振幅、偏振或波长中的至少一者。
22.根据权利要求15所述的方法，还包括：
利用设置在所述孔口的至少一部分中的另一超表面过滤由所述孔口透射的光。
23.一种传感器，包括：
衬底；
光源阵列，所述光源阵列由所述衬底的第一部分支撑，以发射光；
第一超透镜，所述第一超透镜与所述光源阵列光学连通，以将由所述光源阵列发射的光朝向至少约120°的视场上的物体投射，所述第一超透镜包括第一平面衬底，所述第一平面衬底在面向所述光源阵列的第一侧上具有第一超表面，并且在第二侧上具有第一孔口；
第二超透镜，所述第二超透镜与所述物体光学连通，以收集由至少约120°的视场上的物体散射和/或反射的光，所述第二超透镜包括第二平面衬底，所述第二平面衬底在面向所述物体的第一侧上具有第二孔口，并且在第二侧上具有第二超表面；以及
检测器阵列，所述检测器阵列由所述衬底的第二部分支撑并且与所述第二超透镜光学连通，以检测由所述第二超透镜收集的光。
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