CN114859446A - 复合超透镜及其形成方法和点阵投影系统 - Google Patents

复合超透镜及其形成方法和点阵投影系统 Download PDF

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CN114859446A CN202210669744.7A CN202210669744A CN114859446A CN 114859446 A CN114859446 A CN 114859446A CN 202210669744 A CN202210669744 A CN 202210669744A CN 114859446 A CN114859446 A CN 114859446A
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Abstract

本申请涉及一种复合超透镜及其形成方法和点阵投影系统。其中的复合超透镜包括基底和阵列排布的结构单元，所述结构单元由所述基底表面周期性排布的纳米结构组成；所述纳米结构设置成，使得所述复合超透镜的相位
Figure DDA0003694373790000011
满足：
Figure DDA0003694373790000012
其中，
Figure DDA0003694373790000013
为准直超表面光相位、
Figure DDA0003694373790000014
为衍射超表面光相位。本申请利用超表面可以对波前进行连续调控的特性，将准直器、图样生成器/衍射光学元件(DOE)和进一步包括的复制器/衍射分束器(BS)集合到一个超表面上，达到一个复合超透镜替换传统多个器件的效果。由于超表面具有结构简、重量轻、成本低等优势，故此方案适用于低成本、紧凑轻巧型点阵投影系统。

Description

复合超透镜及其形成方法和点阵投影系统
技术领域
本申请属于光学设备领域，具体而言涉及一种复合超透镜及其形成方法和点阵投影系统。
背景技术
现有技术中的点阵投影系统由光源、准直透镜组与衍射光学元件(DiffractiveOptical Element,DOE)构成。其中的衍射光学元件(DOE)效率较低，能耗高，导致点阵投影系统的投影距离难以提升。
另一方面，上述现有的点阵投影系统至少需要三片光学元器件，即至少两片准直透镜加上一片DOE构成，难以满足消费者对于搭载其的设备更加轻薄的需求及设备制造商降低成本的需要。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本申请提供一种复合超透镜及其形成方法，以及包括所述复合超透镜的点阵投影系统。
本申请第一方面涉及一种复合超透镜，所述复合超透镜具有准直和衍射的功能并且包括基底和阵列排布的结构单元，所述结构单元由所述基底表面周期性排布的纳米结构组成；以及
所述纳米结构设置成，使得所述复合超透镜的相位
Figure BDA0003694373770000012
满足：
Figure BDA0003694373770000011
其中，
Figure BDA0003694373770000013
为准直超表面光相位、
Figure BDA0003694373770000014
为衍射超表面光相位。
可选的，所述复合超透镜具有准直、衍射和分束的功能；所述纳米结构设置成，使得所述复合超透镜的相位
Figure BDA0003694373770000015
满足：
Figure BDA0003694373770000021
其中，
Figure BDA0003694373770000022
为准直超表面光相位、
Figure BDA0003694373770000023
为衍射超表面光相位、
Figure BDA0003694373770000024
为分束超表面光相位。
可选的，所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。
可选的，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。
可选的，所述结构单元为扇形，所述扇形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。
可选的，所述纳米结构为鳍状柱、椭圆柱、圆柱、方柱、圆环柱、方环柱、圆孔或方孔。
本申请第二方面涉及了一种点阵投影系统，这种系统包括：
辐射源；
如本申请第一方面技术方案或其任一项可选方案所述的复合超透镜，用于将来自所述辐射源的辐射基于预设点阵和/或阵列排布投影至目标表面。
可选的，所述辐射源包括单点激光器或单点激光器的阵列。
可选的，所述辐射源与所述复合超透镜以晶圆级封装的形式构成。
本申请第三方面涉及了一种复合超透镜的形成方法，所述方法用于形成如本申请第一方面技术方案或其任一项可选方案所述的复合超透镜；
所述方法包括：
根据所使用的光源参数和远场点阵参数确定所需复合的功能对应器件的尺寸；
获取各所述功能对应的相位分布；
根据：
Figure BDA0003694373770000031
进行相位融合，获取复合超透镜的相位
Figure BDA0003694373770000033
其中，
Figure BDA0003694373770000034
为准直超表面光相位，
Figure BDA0003694373770000035
为衍射超表面光相位；
基于所述相位
Figure BDA0003694373770000036
和工作波段，确定所述复合超透镜的纳米结构的加工数据。
可选的，所述方法用于形成具备准直、衍射和分束功能的复合超透镜；
所述相位融合的步骤包括：根据：
Figure BDA0003694373770000032
进行相位融合，获取复合超透镜的相位
Figure BDA0003694373770000037
其中，
Figure BDA0003694373770000038
为准直超表面光相位，
Figure BDA00036943737700000310
为衍射超表面光相位，
Figure BDA0003694373770000039
为分束超表面光相位。
可选的，所述光源参数包括发散角和尺寸。
可选的，所述远场点阵参数包括点阵的角方向分布。
可选的，基于焦距和口径获取准直超表面光相位；基于迭代傅里叶变换算法或G-S算法获取衍射超表面光相位。
可选的，基于迭代傅里叶变换算法或G-S算法获取分束超表面光相位。
本申请技术方案至少具备如下的优点和效果：
采用基于复合功能超透镜的光学器件，能够对入射光做连续相位调制，其投影效率理论上可以达到100％，从而实现降低能耗，提高远场点阵信噪比，以及增加投影距离的技术效果。
将现有技术中的镜组、DOE全部替换为超表面光学元件，并将多种光学功能复合于一片基底的表面，通过一片超表面光学元件，替代现有技术中复数个镜片，具备结构简单紧凑，重量轻及低成本的效果。
利用超表面可以对波前进行连续调控的特性，将准直器、图样生成器/衍射光学元件(DOE)和复制器/衍射分束器(BS)集合到一个超表面上，达到一个复合超透镜替换传统三个器件的效果。由于超表面具有结构简、重量轻、成本低等优势，故此方案适用于低成本、紧凑轻巧型点阵投影系统。
附图说明
图1为现有技术中传统折返光路点阵投影系统原理示意图；
图2为现有技术中传统直投式点阵投影系统原理示意图；
图3为现有技术中包含衍射分束器的点阵投影系统原理；
图4为现有技术中多个超表面级联形成点阵投影的原理结构图；
图5为本申请中基于复合超透镜的点阵投影系统结构原理图；
图6为本申请中复合超透镜设计流程图；
图7为本申请中超透镜结构单元排布图；
图8为纳米结构单元示意图；
图9为940nm下纳米柱直径与相位和透过率的关系图；
图10为第一实施例的准直器相位；
图11为第一实施例的DOE相位；
图12为第一实施例的分束器相位；
图13为第一实施例的复合超透镜相位；
图14为第一实施例的远场点阵投影图；
图15为第二实施例的准直器相位；
图16为第二实施例的DOE相位；
图17为第二实施例的复合超透镜相位；
图18为第二实施例的远场点阵投影图。
附图标记：
1辐射源，2复合超透镜，3目标表面，4准直透镜组，5衍射光学元件；
21准直超表面，22衍射超表面，23分束超表面。
具体实施方式
将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。
本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。
除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。
“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。
本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。
如图1所示，现有技术中的一种方案是采用准直镜组4对光进行两次反射且准直后由衍射光学元件5(DOE，Diffractive Optical Elements)产生远场点阵；如图2所示，现有技术中的另一种方案是采用准直镜组4准直后由DOE 5产生远场点阵；这两种技术方案都至少有三片光学元器件(至少两片凸透镜组成的准直镜组4加上一片DOE 5)构成，其很难同时紧凑、轻便、高性能和低成本这四个要求。
如图3示出了现有技术中一种包含衍射分束器的点阵投影系统原理。如图4示出的是现有技术中多个超表面级联形成点阵投影的原理结构图。图4中多个具有不同功能的超表面级联，涉及到复杂的对准和套刻等工艺，从而降低了量产一致性和良品率。
此外，应理解的是绝大多数传统DOE器件为二阶衍射光学元件，仅有两个相位(通常是0，π)，从而导致衍射效率很难超过50％，这也形成了现有技术中能耗高，投影距离难以提升的缺陷。
有鉴于此，本申请的技术思想在于利用超表面可以对波前进行连续调控的特性，将准直器、图样生成器/衍射光学元件(DOE)和复制器/衍射分束器(BS，Beam Splitter)集合到一个超表面上，达到一个复合超透镜替换传统三个器件的效果。由于超表面具有结构简、重量轻、成本低等优势，故此方案适用于低成本、紧凑轻巧型点阵投影系统。
在下文中，将参照附图描述根据本申请的示例性实施方式。
本申请实施例提供一种复合超透镜，其包括基底和阵列排布的结构单元，所述结构单元由所述基底表面周期性排布的纳米结构组成；所述复合超透镜具有准直、衍射和分束的功能；以及
基于所述纳米结构的排布，所述复合超透镜的相位
Figure BDA0003694373770000073
满足：
Figure BDA0003694373770000071
其中，
Figure BDA0003694373770000074
为准直超表面光相位、
Figure BDA0003694373770000075
为衍射超表面光相位、
Figure BDA0003694373770000076
为分束超表面光相位。
在另一种实施方式中，提供另一种形式的复合超透镜,所述复合超透镜具有准直和衍射的功能；包括基底和阵列排布的结构单元，所述结构单元由所述基底表面周期性排布的纳米结构组成；以及
基于所述纳米结构的排布，所述复合超透镜的相位
Figure BDA0003694373770000077
满足：
Figure BDA0003694373770000072
其中，
Figure BDA0003694373770000078
为准直超表面光相位、
Figure BDA0003694373770000079
为衍射超表面光相位。
上述两种实施方式分别为复合了三种功能(准直、衍射、分束)和复合了两种功能(准直、衍射)的复合超透镜。
值得注意的是，相较于将具有准直、衍射两种功能的超表面形成在同一基底的一侧或者两侧，如本申请实施例上述两种实施例中任一所提供的复合超透镜，通过上述的求余函数设计复合超透镜的相位，具有更高的集成度。
也就是说，相较于分别将准直透镜、衍射光学元件超表面化并以单层超表面的形式分别设置在透明基底的不同侧或以两层超表面的形式设置在透明基底的任意一侧，本申请实施例提供的复合超透镜能够将准直透镜、衍射光学元件和/或分束光器合并成为一个单层复合超表面置于透明基底上，更有利于点云投影光学系统的集成，极大地降低了多层超表面加工过程中对准和套刻等方面的工艺难度。因此，本申请实施例提供的复合超透镜具有结构简单、工艺难度低的优点。也因此，具有优秀的量产一致性和良品率。
如图5所示，在图5的系统中应用了上述两种复合超透镜，分别为复合了准直超表面21、衍射超表面22的一种复合超透镜；以及额外复合了分束超表面23的另一种复合超透镜。
其中，上述任一种复合后的超透镜是一种基于超表面的光学器件，所述的超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面结构单元来调制入射光。其中超表面结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。本申请实施例中，纳米结构是全介质结构单元，在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅等。其中纳米结构单元呈阵列排布，所述超表面结构单元为各种密堆图形，每个超表面结构单元的中心位置，或者每个超表面结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构。
上述纳米结构之间及顶部，可是空气填充或者其他对于目标波段透明的材料，需要注意的是，此材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。该用于填充的材料对目标波段的消光系数小于0.01。
在优选实施例中，所述纳米结构之间和/或顶部可以填充相变材料，调节其上加载的电压可以使相变材料的折射率发生变化，可以对复合超透镜所能实现的功能进行动态的控制。
上述纳米结构可以为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。图9示例性地给出了工作在940nm下石英基底纳米结构为非晶硅(周期400nm纳米柱高度500nm)的纳米柱直径与透过率、相位响应的关系图。
上述纳米结构是一种亚波长结构，也就是说，纳米结构小于或等于该超透镜的工作波长。可选地，纳米结构的特征尺寸可以略大于该超透镜的工作波长。纳米结构的特征尺寸包括高度、横截面直径、横截面周期、相邻纳米结构之间的距离等等。
示例性地，纳米结构的最大深宽比，即纳米结构的高度与纳米结构最小直径的比值，小于或等于20，如此才能在保证纳米结构光学性能的同时确保纳米结构的机械性能。纳米结构在不同位置处的横截面直径相同，或部分相同，或互不相同。示例性地，超结构单元不同位置处的纳米结构周期可以相同、也可以不同。纳米结构的光相位与纳米结构横截面直径相关。
根据本申请的实施方式，超结构单元可以为正方形、正六边形或扇形。如图7从左至右依次示出了六边形、正方形以及扇形的示例。
当所述超结构单元为正六边形时，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，所述超结构单元为正方形时，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。
应理解的是，在理想状态下，结构单元应为六边形定点及中心排布的纳米结构，或者为正方形定点及中心排布的纳米结构，但是，实际产品可能因超表面元件形状的限制，在超表面元件边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图7所示，所述超结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个结构单元成阵列排布形成超表面结构。
如图7左示出的一个实施例，包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米结构，各周边纳米结构圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。
如图7中示出的一个实施例，为一个中枢纳米结构，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米结构，组成正方形。
超结构单元及其密堆/阵列的形式也可以是圆周排列的扇形，如图7右示出的，包括两个弧形边的扇形，也可以是一个弧形边的扇形，如图7右中的左下角区域。在扇形的各边交点以及中心设置有纳米结构。
示例性的，基底的厚度可以大于等于0.1mm(毫米)并小于2mm，例如，基底的厚度可以为0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等等。
在优选实施例中,所述纳米结构为鳍状柱、椭圆柱、圆柱、方柱、圆环柱、方环柱、圆孔或方孔。
图8示例性地示出了纳米方柱(左)和纳米圆柱(右)的结构。
本申请第二方面实施例提供一种点阵投影系统，如图5所示，包括：
辐射源1；
如前述实施例提供的复合超透镜2，用于将来自所述辐射源1的辐射基于预设点阵和/或阵列排布投影至目标表面3。
如图5所示，其中激光器发出的激光经过复合超透镜2后，按照预先设定的点阵方式和/或排列阵列方式排布后投影到物体表面。其中复合超透镜2等效于传统点阵投影系统中的准直器+DOE+衍射分束器(在另一实施例中为准直器+DOE)(需要注意的是现有技术中的有些虽然没有准直器直接对发散光做定制，其实定制的过程中，准直器设计是被加到DOE里的)。
根据本申请的实施方式，激光器可以是垂直腔面发射激光器(VCSE L，VerticalCavity Surface Emitting Laser)，并设置有依预设规则排列或随机排列的多个的发光点。应理解的是，本申请并不限于此，根据本申请的实施方式，辐射源1也可以选用法珀(Fabry-Perot)激光器、分布反馈式(Distributed Feedback)半导体激光器、分布布拉格反射(Distrib uted Bragg reflector)激光器和外腔调谐半导体激光器等。以及，辐射源1可以用于产生可见光或不可见光，如远红外、近红外、中红外、各种波长的紫外光等。根据本申请的优选实施方式，辐射源1用于产生可见光波段，优选400nm至700nm波长的光线，或者其中至少一个范围区间的波段。
在优选实施例中，所述辐射源1包括单点激光器或单点激光器的阵列。前述单点激光器的阵列至少包括单点激光器的二维阵列，即面光源。
在优选实施例中，辐射源1，尤其是VCSEL垂直腔面发射激光器与所述复合超表面可以是以晶圆级封装的形式构成；由于超表面的生产兼容半导体的生产工艺，可使用晶圆级加工，在晶圆上，加工出复合超表面，并与同样晶圆级加工的VCSEL进行晶圆级键合封装，依照使用场景对封装后的晶圆进行切割，即可得到符合大小、形状需求的点阵投影系统。
在优选实施例中，所述辐射源1至所述复合超透镜2的距离为2.5mm至5mm。
本申请第三方面提供一种如前述复合超透镜的形成方法，基于如图6所示出的流程，包括：
基于光源参数和远场点阵参数确定所需复合的功能和每个功能对应器件的尺寸；
基于所述功能获取各功能对应的相位分布；
进行相位复合，获取复合超透镜的相位
Figure BDA0003694373770000111
基于所述相位
Figure BDA0003694373770000112
和工作波段，确定纳米结构的加工数据，并于基底加工以形成纳米结构及其组成的结构单元。
在优选实施例中，所述光源参数包括发散角和尺寸。
在优选实施例中，所述远场点阵参数包括点阵的角方向分布。
在优选实施例中，所述所需复合的功能包括准直、图案产生和分束。
在优选实施例中，基于所述功能获取各功能对应的相位分布，包括：准直超表面光相位
Figure BDA0003694373770000123
衍射超表面光相位
Figure BDA0003694373770000124
分束超表面光相位
Figure BDA0003694373770000125
以及
基于：
Figure BDA0003694373770000121
进行相位复合，获取复合超透镜的相位
Figure BDA0003694373770000126
在优选实施例中，基于所述功能获取各功能对应的相位分布，包括：准直超表面光相位
Figure BDA0003694373770000127
和衍射超表面光相位
Figure BDA0003694373770000128
以及
基于：
Figure BDA0003694373770000122
进行相位复合，获取复合超透镜的相位
Figure BDA0003694373770000129
在优选实施例中，基于焦距和口径获取准直超表面光相位；基于迭代傅里叶变换算法或G-S算法获取衍射超表面光相位或分束超表面光相位。
在优选实施例中，根据图6示出的复合超表面融合准直器+DOE+衍射分束器(准直器+DOE)的设计流程图。本申请实施例提供的复合超透镜的形成方法至少包括如下设计步骤。
Step 1、根据光源参数(发散角、尺寸)和远场点阵参数(点阵的角方向分布)确定所需复合的功能(包括：准直、图案产生、分束)和每个功能对应器件的尺寸。
Step 2、根据Step 1中确定的功能计算出每个功能对应的相位分布
Figure BDA0003694373770000133
可选地，其中准直器相位由焦距和口径确定，DOE相位由迭代傅里叶变换算法或者G-S算法确定，衍射分束器相位由迭代傅里叶变换算法或者G-S算法确定。
Step 3、根据公式Eq-1做相位复合，得到复合超表面的相位
Figure BDA0003694373770000132
Figure BDA0003694373770000131
式中，mod()为求余函数。
Step 4、根据相位融合后的
Figure BDA0003694373770000134
和工作波段的数据库(例如图9所示)确定超表面上纳米结构的加工数据。前述纳米结构的加工数据至少包括纳米结构的特征尺寸(如截面形状、直径或外接圆直径、高度、排列周期等)、相位以及透过率等。
在优选实施例中，复合超表面可以形成于平面或者曲面基底上。
在优选实施例中，多个不同的复合超表面可以形成于同一基底的不同区域。
在优选实施例中，多个复合超表面可以形成于同一基底的不同平面，如两侧，或呈夹角的不同表面。
实例1
本例是根据图6所示的流程图得到的将准直器(Collimator)、图案产生器(DOE)和衍射分束器(BS)融合成一个复合超表面的实施例。其中，激光器为单点激光器，全发射角(Full-FOV)为23°；激光器发光面到复合超表面的距离为2.85mm。复合超表面为边长为1.16mm的正方形，其中纳米结构按照图9所示选择。图10给出了复合超表面所需准直器的相位图，图11给出了复合超表面所需图像产生器(DOE)的相位图，图12给出了复合超表面所需衍射分束器(BS)的相位图，图13给出了复合超表面的实际相位图。图14给出了实施例1在远场的点阵投影图，H(水平)、V(竖直)、D(对角线)方向的视场角分别为40°、40°、54.5°。
实例2
本例是是根据图6所示流程图得到的将准直器(Collimator)和图案产生器(DOE)融合成一个复合表面的实施例。其中，激光器为单点激光器，全发射角(Full-FOV)为23°；激光器发光面到复合超表面的距离为4.92mm。复合超表面为边长为2mm的正方形，其中纳米结构按照图9所示选择。图15给出了复合超表面所需准直器的相位图，图16给出了复合超表面所需图像产生器(DOE)的相位图，图17给出了复合超表面的实际相位图。图18给出了实施例2在远场的点阵投影图，H、V、D方向的视场角分别为40°、40°、54.5°。
综上所述，本申请提供的一种复合超表面，包括这种复合超表面的点阵投影系统，这种复合超表面的形成方法。利用超表面可以对波前进行连续调控的特性，将准直器、图样生成器/衍射光学元件(DOE)和复制器/衍射分束器(BS)集合到一个超表面上，达到一个复合超表面替换传统三个器件的效果。由于超表面具有结构简、重量轻、成本低等优势，故此方案适用于低成本、紧凑轻巧型点阵投影系统。进一步地，避免了衍射光学元件引发的高阶衍射以及高阶衍射引起的杂散干扰，从而提高了点云投影系统的光能利用率以及该系统产生点云的信噪比。该系统产生点云的信噪比提高，进而增加了远场点云的传播距离，比传统点云投影系统更适用于远距离投影。采用VCSEL阵列作为点阵光源，与兼容半导体加工工艺的超表面元件可以实现晶圆级封装，具备极高的装配精度，进一步减少了整体体积，优化了生产工艺。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例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申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种复合超透镜，其特征在于,所述复合超透镜具有准直和衍射的功能并且包括基底和阵列排布的结构单元，所述结构单元由所述基底表面周期性排布的纳米结构组成；以及
所述纳米结构设置成，使得所述复合超透镜的相位
Figure FDA0003694373760000011
满足：
Figure FDA0003694373760000012
其中，
Figure FDA0003694373760000013
为准直超表面光相位、
Figure FDA0003694373760000014
为衍射超表面光相位。
2.根据权利要求1所述的复合超透镜，其特征在于，所述复合超透镜具有准直、衍射和分束的功能；所述纳米结构设置成，使得所述复合超透镜的相位
Figure FDA0003694373760000015
满足：
Figure FDA0003694373760000016
其中，
Figure FDA0003694373760000017
为准直超表面光相位、
Figure FDA0003694373760000018
为衍射超表面光相位、
Figure FDA0003694373760000019
为分束超表面光相位。
3.根据权利要求1所述的复合超透镜，其特征在于,所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。
4.根据权利要求1所述的复合超透镜,其特征在于，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。
5.根据权利要求1所述的复合超透镜,其特征在于，所述结构单元为扇形，所述扇形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。
6.根据权利要求1所述的复合超透镜,其特征在于，所述纳米结构为鳍状柱、椭圆柱、圆柱、方柱、圆环柱、方环柱、圆孔或方孔。
7.一种点阵投影系统，其特征在于，包括：
辐射源；
如权利要求1至6任一项所述的复合超透镜，用于将来自所述辐射源的辐射基于预设点阵和/或阵列排布投影至目标表面。
8.根据权利要求7所述的点阵投影系统,其特征在于，所述辐射源包括单点激光器或单点激光器的阵列。
9.根据权利要求7所述的点阵投影系统,其特征在于，所述辐射源与所述复合超透镜以晶圆级封装的形式构成。
10.一种复合超透镜的形成方法，其特征在于，所述方法用于形成如权利要求1至6任一项所述的复合超透镜；
所述方法包括：
根据所使用的光源参数和远场点阵参数确定所需复合的功能对应器件的尺寸；
获取各所述功能对应的相位分布；
根据：
Figure FDA0003694373760000021
进行相位融合，获取复合超透镜的相位
Figure FDA0003694373760000022
其中，
Figure FDA0003694373760000023
为准直超表面光相位，
Figure FDA0003694373760000024
为衍射超表面光相位；
基于所述相位
Figure FDA0003694373760000025
和工作波段，确定所述复合超透镜的纳米结构的加工数据。
11.根据权利要求10所述的复合超透镜的形成方法，其特征在于，所述方法用于形成具备准直、衍射和分束功能的复合超透镜；
所述相位融合的步骤包括：根据：
Figure FDA0003694373760000026
进行相位融合，获取复合超透镜的相位
Figure FDA0003694373760000027
其中，
Figure FDA0003694373760000028
为准直超表面光相位，
Figure FDA0003694373760000029
为衍射超表面光相位，
Figure FDA00036943737600000210
为分束超表面光相位。
12.根据权利要求10所述的复合超透镜的形成方法，其特征在于，所述光源参数包括发散角和尺寸。
13.根据权利要求10所述的复合超透镜的形成方法，其特征在于，所述远场点阵参数包括点阵的角方向分布。
14.根据权利要求10所述的复合超透镜的形成方法，其特征在于，基于焦距和口径获取准直超表面光相位；基于迭代傅里叶变换算法或G-S算法获取衍射超表面光相位。
15.根据权利要求10所述的复合超透镜的形成方法，其特征在于，基于迭代傅里叶变换算法或G-S算法获取分束超表面光相位。
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