CN115136035A

CN115136035A - 单纳米结构集成超镜头

Info

Publication number: CN115136035A
Application number: CN202280002164.0A
Authority: CN
Inventors: 来云鹤; 白皓元; 杨清乙; 蒋金波
Original assignee: Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Current assignee: Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute ASTRI
Priority date: 2022-05-17
Filing date: 2022-05-26
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2042-05-26
Also published as: CN115136035B

Abstract

描述了提供实现投影和光整形功能的单片集成纳米结构的超透镜配置的系统和方法。单片集成纳米结构的超透镜包括光学衬底，其具有预先绘制的图案的集成纳米结构，提供用于调制电磁波行为的超表面，以实现薄而平的透镜。针对特定的单片集成纳米结构的超透镜配置，可以选取纳米结构的周期距离、纳米结构的高度和纳米结构的量化横向尺寸。可以针对结构光生成而计算第一相位图，可以针对光准直而计算第二相位图，其中这些相位图的融合可用于定义单片集成纳米结构的超透镜实施的纳米结构的预绘制的图案。第一相位图的相位分布可以被逆向设计，例如使用逆相位设计技术。

Description

单纳米结构集成超镜头

技术领域

本发明涉及光学镜头，特别涉及单纳米结构集成的超透镜(metalens)配置。

背景技术

各种形式的光学传感器，如用于成像、测距、深度检测等，已经进入了相当广泛的应用。例如，使用基于半导体的传感器阵列的光学传感器已越来越多地用于移动设备。移动设备，如智能手机、平板设备、笔记本电脑、甚至智能手表，通常包括一个或多个摄像头形式的基于半导体的光学传感器装置。此外，此类移动设备通常包括某种形式的基于半导体的光学传感器装置，用于光检测和测距(例如，使用光检测和测距(LiDAR)进行面部扫描和/或其他深度映射任务)。

实施基于半导体的光学传感器装置的目标通常是小型化，尤其是在针对移动设备实施时。然而，减小光学传感器装置的厚度是困难的。例如，传统上光学传感器装置中包括光学透镜，其中透镜的曲率控制着光学传感器装置的光学性能。透镜的折射力随着透镜的曲率半径减少而增加，相应地，透镜的折射力随着曲率半径的减小而增加。这是因为透镜在光轴方向上的厚度随着曲率半径的减小而增加。因此，对于使用这种透镜的光学传感器装置的小型化，要受制于透镜的厚度以提供必要的光学性能。

近年来，衍射光学元件(diffractive optical element，DOE)，其中微结构表面浮雕图案引起光衍射，已开始被用于光学传感器装置(例如，用于为光学传感器装置提供结构光生成)。DOE由一个薄板组成，该薄板上的微光学衍射结构(micro-optic diffractivestructure)以预定的映射方式布置，被配置为对入射光束施加一定的光学相位变化的空间图案。DOE的微光学衍射结构随着结构的高度改变入射光的相位(例如，形成微光学衍射结构的材料越厚，该微光学衍射结构提供的相位旋转就越大)。DOE实施的这一方面导致了高成本(例如，需要多个制造步骤来实现不同的结构高度)以实现更高的相位水平。

超透镜配置，其中超表面调制电磁波的行为，并通过纳米结构的光学共振增加有效光路，已经开始在光学传感器装置方面受到关注。然而，这种超透镜配置通常需要除超透镜之外的准直透镜，这增加了光学传感器装置的整体厚度，对小型化造成了限制。一些超透镜配置利用镜子来扩展光路，不仅增加了尺寸，而且还增加了光学照明设备实施的成本和复杂性，这进一步加剧了它们对小型化的适用性。考虑用于光学照明装置的超透镜配置通常提供其中纳米结构容易损坏的配置，例如通过它们暴露于透镜系统的外部。此外，由于其设计上的限制，许多超透镜设计仅限于特定形式的结构光或伪随机图案。

在美国专利公开US20210311379中描述了为结构光投影提出的超透镜配置的一个例子。在US20210311379的超透镜实施例中，具有不同尺寸的纳米结构提供一个子单元的相位变化，其中不同的子单元用于形成一个超级单元。一个超级单元产生一个结构光图案(例如，点)，在超透镜上复制超级单元，以提供最终的伪随机投影图案。相位偏移的自由度受到超级单元结构的限制，从而限制了投影图案的设计。此外，配置提供了面向外的纳米结构，从而降低了所产生的超透镜的耐用性。

发明内容

本发明涉及提供单片集成纳米结构的超透镜配置的系统和方法。根据本发明的实施例，单个超透镜提供投影和光整形功能。例如，一些示例的单个超透镜可以同时提供光准直功能和结构光投影功能。

实施例的单片集成纳米结构的超透镜配置包括光学衬底，该衬底具有预先绘制的图案的集成纳米结构，提供用于调制电磁波行为的超表面，以实现薄而平的透镜。根据一些例子，单片集成纳米结构的超透镜配置可以提供任意图案和相对宽的视野。本发明实施例的单片集成纳米结构的超透镜的实施非常适合用于各种光学传感器装置。例如，根据本文概念的单片集成纳米结构的超透镜可用于投影仪/光整形器实施，例如为各种深度映射任务提供结构光。根据实施例，单片集成纳米结构的超透镜配置可以用作三维(3D)传感装置的投影仪和光整形器。

对于单片集成纳米结构的超透镜配置，可以选取关于纳米结构的各种实体方面。例如，可以选取一种形式的纳米结构(例如，一种或多种形式的纳米结构，如纳米立方体、纳米长方体、纳米圆柱体、纳米椭圆柱体等)，用于特定的单片集成纳米结构的超透镜。另外或替代地，对于特定的单片集成纳米结构的超透镜配置，可选择纳米结构的周期距离(例如，相邻纳米结构的中心距离，使相邻纳米结构根据周期距离隔开)、纳米结构的高度和纳米结构的横向尺寸。根据一些例子，周期距离可以至少部分地基于单片集成纳米结构的超透镜的工作波长区域的光的波长来选择。另外根据一些例子，纳米结构的周期距离可以基于诸如相位设计的灵活性、视野、制造难度等因素来选择。根据一些实施例，纳米结构的高度可以至少部分地基于单片集成纳米结构的超透镜的工作波长区域的光的波长来选择，其中单片集成纳米结构的超透镜实施的所有纳米结构具有相同的高度。实施例的纳米结构的横向尺寸可以选取为纳米结构的多个量化横向尺寸(例如，2、4、6、8、12、16等不同的横向尺寸，对应于要实施的相位数量)，其中一些例子的纳米结构的周期距离提供了纳米结构横向尺寸的上边界。

单片集成纳米结构的超透镜的实施例使用多个相位图的融合，来定义单片集成纳米结构的超透镜的纳米结构的预绘制的图案，从而提供对于入射光的光学相位变化的期望空间图案。例如，第一相位图可以针对单片集成纳米结构的超透镜产生的结构光来计算，第二相位图可以针对单片集成纳米结构的超透镜的光准直来计算。根据一些例子，第一相位图可以使用逆相位设计技术针对生成的结构光进行计算。根据一些例子，第二相位图可以使用相位聚焦设计技术针对光准直进行计算。可以使用卷积函数来进行第一和第二相位图的融合，以计算单片集成纳米结构的超透镜的纳米结构的预绘制的图案，用于提供实施例的光准直功能和结构光投影功能。

实施例的单片集成纳米结构的超透镜配置可以在多种光学传感器装置中实施。根据一些例子，投影仪/光整形器实施可以包括具有单片集成纳米结构的超透镜的装置，用于投影结构光，例如点图案(例如，在近红外区域投影光的点图案)。单片集成纳米结构的超透镜的相位分布可以被逆向设计，例如使用逆相位设计技术，有利于结构光的自由形式相位设计。实施例的单片集成纳米结构的超透镜被配置为产生结构光，其中准直功能被集成到单片集成纳米结构的超透镜中。因此，实施例可以不使用与单片集成纳米结构的超透镜相关联的额外的光学元件(例如，单独的准直器、反射镜等)，有利于缩短装置的总轨道长度，降低装置中组件的数量和成本。例如，装置可以包括在同一平面上具有多个光发射源(例如，100个或更多个光发射源)并且具有相同波长(例如，λ_c)的光发射器件。装置可以包括筒状或其他透镜支撑结构，以将单片集成纳米结构的超透镜固定在光发射平面上方所需的、预定的位置(例如，在光发射平面上方1.1至1.7mm的范围内)。实施例的装置的单片集成纳米结构的超透镜配置有集成在光学衬底上的纳米结构，以将由光发射器件发射的光传输到所需的方向，其中光学衬底的至少一个侧面沉积有纳米结构，面向装置的内侧。因此，单片集成纳米结构的超透镜的实施例的纳米结构可以设置在装置内部，例如用于提供关于纳米结构的保护。

前面已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解下面对本发明的详细描述。下面将描述构成本发明权利要求主题的本发明的其他特征和优点。本领域技术人员应该理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本发明的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应该认识到，这样的等效构造并不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的精神和范围。当结合附图考虑时，从以下描述可以更好地理解被认为是本发明特点的新颖特征(无论是其组织和操作方法)以及其他目的和优点。然而，应该明确理解的是，每个附图只是为了说明和描述的目的而提供的，并不打算作为本发明的限制的定义。

附图说明

为了更完整地理解本发明，现在参考以下结合附图的描述，其中：

图1A是本发明实施例的包括单片集成纳米结构的超透镜配置的投影仪设备；

图1B是本发明实施例的单片集成纳米结构的超透镜实施的等距视图；

图2是本发明实施例的关于配置单片集成纳米结构的超透镜的实施例实施的操作流程图；

图3A是本发明实施例的单片集成纳米结构的超透镜实施的平面图；

图3B是本发明实施例的单片集成纳米结构的超透镜实施的侧视图；

图4A是本发明实施例的用于计算由单片集成纳米结构的超透镜产生结构光的第一相位图的逆向计算迭代傅里叶变换算法(IFTA)的流程图；

图4B是本发明实施例的一个示例性目标图像；

图4C是本发明实施例的一个示例性光源分布；

图5A显示本发明实施例的光发射器件的单个光源实施的柱状光功能；

图5B显示本发明实施例的光发射器件的多光源实施的柱状光功能。

具体实施方式

图1A显示本发明概念的单片集成纳米结构的超透镜配置的一个示例性实施例。特别是，图1A图示了一个示例性实施例的投影设备100包括单片集成纳米结构的超透镜110、光发射器件120和支撑结构130。例如，包括所示的光发射器件120和并列的单片集成纳米结构的超透镜110的投影设备100，可以作为各种光学传感器装置中的光投影装置使用，例如为三维(3D)或深度传感提供结构光。

支撑结构130提供结构性支持，以将单片集成纳米结构的超透镜110与光发射器件120的光平面保持期望的预定关系。单片集成纳米结构的超透镜与光发射器件的光平面保持的距离可以有各种平衡的考虑。例如，较短的距离可能会增加投影图案的失真，而较长的距离会导致超透镜的面积较大，因此可能会增加形状尺寸和成本。单片集成纳米结构的超透镜110的实施例的支撑结构130可以被配置为将单片集成纳米结构的超透镜110的透镜平面与光发射器件120的光平面的距离选定为足够大，以促进产生所需的结构光(例如，超透镜的一个或多个方面的焦距)，并且足够小以支持小型设备。根据一些实施例，支撑结构130可以将单片集成纳米结构的超透镜110的透镜平面定位在距离光发射器件120的光平面1.1到4.5mm的范围内(例如，根据一些实施例，距离为1.1到1.7mm的范围内)。

支撑结构130的实施例可以包括筒状物(例如，两端开口的圆筒或椭圆筒壁)、盒状物(例如，两端开口的方形或矩形壁)、或提供具有允许足够的光通过的内腔的机械装置的其他配置，并被配置为支撑单片集成纳米结构的超透镜110与光发射器件120。根据一些例子，支撑结构130被配置为在选择的光学衬底的外围(例如，在光学衬底的周边，在紧邻光学衬底周边的光学衬底的表面的外边缘等)与单片集成纳米结构的超透镜110的光学衬底接合，以避免损坏集成在光学衬底表面上的面向光发射器件120的超结构。

光发射器件120可以包括一个或多个光源。例如，光发射器件120可以包括单个光源，如发光二极管(LED)、电致发光(EL)灯等的单个实例。具有一个光源的实施方式可以用于产生一种设计图案，如下文进一步详细描述的。根据一些实施例，光发射器件120可以包括多个光源，如LED阵列。具有多个光源的实施方式可以用来复制远场中的小偏移的图案，如下文进一步详细描述的。实施例的光发射器件120的光源可以发射所需波长的光(例如，近红外区域的光)，例如通过发射单一频率的光、中心波长(λ_c)在所需波长处的相对窄带的光(例如，100nm波段或更小)等，用于提供入射光到单片集成纳米结构的超透镜110。

实施例的单片集成纳米结构的超透镜110提供了一种薄而平的透镜配置，适于投射结构光，例如点状图案(例如，投射近红外区域的光的点状图案)。单片集成纳米结构的超透镜110包括光学衬底(例如，一个透明衬底，其透明光谱范围至少为50nm，对应于相关光源工作波长的中心波长，例如以光发射器件120的中心频率为中心的50nm或更大的透明光谱范围)，例如可以包括光学玻璃、石英、熔融石英、塑料等。实施例的单片集成纳米结构的超透镜110的光学衬底具有集成在其上的集成纳米结构(例如，不同的、量化的横向尺寸的纳米立方体、纳米长方体、纳米圆柱体、纳米椭圆体等)的预配置图。纳米结构可以由各种材料组成，如电介质材料(例如，硅(Si)、氮化硅(SiN)、氮化镓(GaN)、二氧化钛(TiO2)等)、等离激元金属材料(例如，包括金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)和/或钯(Pd))，和/或其他提供光学特性以调节电磁波行为的材料。根据单片集成纳米结构的超透镜110的实施例，光学衬底的方向是这样的，即其上设置有纳米结构的光学衬底的那个表面面对光发射器件120(例如，具有集成纳米结构的光学衬底的那个表面被封闭在支撑结构130的内腔内，为该表面的纳米结构提供保护)。

图1B显示单片集成纳米结构的超透镜110的一个示例性实施例，其包括光学衬底111，光学衬底表面上集成有纳米结构112(显示为具有8个不同量化横向尺寸的纳米结构112a-112h，对应于在所示示例中实施的8个相位，布置成一个预定映射，其被配置为对入射光施加一定的光学相位变化空间图案)。应当理解，虽然图1B的例子显示了布置在光学衬底111一侧的表面上的纳米结构，但在本发明的一些实施例中，以相同或不同的预定映射方式布置的相同或不同配置的纳米结构可以另外布置在光学衬底111的另一侧表面上。

从图1A的图示中可以理解，投影设备100的实施例包括单片集成纳米结构的超透镜110作为唯一的光学元件。也就是说，在所示实施例的光发射器件120和单片集成纳米结构的超透镜110之间的光路中没有提供光学元件(例如准直器、聚光器、反射镜等)，这有助于缩短投影设备100的总轨道长度。在根据本发明的实施例的操作中，单片集成纳米结构的超透镜110提供投影和光整形功能，例如提供光准直功能和结构光投影功能(例如，准直功能与光整形功能集成在单片集成纳米结构的超透镜配置中)。例如，如下文进一步详细描述的，根据本发明的实施例，选择和/或配置关于纳米结构112的映射和实体方面(例如，纳米结构材料、纳米结构的形式、纳米结构的周期距离、纳米结构的高度和/或纳米结构的横向尺寸)，以实现所需的投影和光整形功能。根据一些例子，单片集成纳米结构的超透镜110的配置可以提供任意的图案和相对宽的视场(例如，60°或更大的视场)。在根据实施例的操作中，单片集成纳米结构的超透镜110可用于投影/光整形实施，例如为各种深度映射任务提供结构光(例如，作为三维(3D)传感装置的投影仪和光整形器)。

图2显示关于根据本发明概念配置单片集成纳米结构的超透镜而实施的操作流程图。特别是，流程200提供了可用于配置单片集成纳米结构的超透镜110的示例性操作，以根据本发明实施例提供光准直功能和结构光投影功能。

例如，流程200的操作可以由一个或多个基于处理器的系统执行，该系统在指令集(例如，计算机执行逻辑，如软件、固件等)的控制下运行，以提供本文所述的操作。这种基于处理器的系统可以包括一个或多个处理器，例如CORE或PENTIUM处理器；必需的计算机/处理器可读存储器，如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存、磁盘存储器、固态盘(SSD)存储器、光学存储器等；和输入/输出组件，如显示器、网络接口卡(NIC)、键盘、数字指针、打印机等；通过数据总线连与一个或多个处理器中的处理器连接并可操作以提供本文所述功能。

图2中所示流程200的步骤210提供了用于选择或以其他方式确定与单片集成纳米结构的超透镜110的特定配置的纳米结构相关的实体方面的操作。例如，在所示实施例的步骤211，确定纳米结构的周期距离(例如，相邻纳米结构的中心距离)。在所示实施例的步骤212，确定纳米结构的尺寸(例如，高度和横向尺寸)。在实施例的步骤210，可以选取或以其他方式确定除上述之外或替代上述的形体方面，如纳米结构的形式(例如，一种或多种形式的纳米结构，例如纳米立方体、纳米长方体、纳米圆柱体、纳米椭圆柱等)、纳米结构材料(例如，特定的电介质、等离激元金属材料和/或提供特定折射率的材料)等。根据本发明的实施例，对于单片集成纳米结构的超透镜的工作波长范围的光，可以选取具有不小于1.5折射率(例如，n≥1.5)的纳米结构材料(例如，在使用波长为940nm的光的近红外实施例中，可以选择提供3.5-3.75折射率的硅作为实施的纳米结构材料)。

示例中使用的周期距离(P)是相邻纳米结构112的行到行和列到列(例如，垂直的第一和第二轴)的中心距离，如图3A和3B所示。在根据本发明实施例的步骤211的操作中，至少部分地基于关于单片集成纳米结构的超透镜110的工作波长区域的光的波长，来确定纳米结构的周期距离。例如，周期距离的选择可以与单片集成纳米结构的超透镜的工作波长区域的中心波长(λ_c)相对应(例如，在一个示例性近红外实施中，λ_c＝940nm)。根据本发明的一些例子，周期距离可以选择落在由单片集成纳米结构的超透镜的工作波长区域的中心波长定义的范围内(例如，((λ_c*1.2)/2)≥P≥(λ_c/2)或((λ_c*1.2)/2)≥P≥((λ_c*0.8)/2))。例如，在为3D或深度传感提供结构光的一些例子中，周期距离可以在400-550nm的范围内(例如，在上述近红外实施中，其中中心波长λ_c为940nm，周期距离P可以选择为500nm)。例如，上述范围内的周期距离的特定值，可以根据单片集成纳米结构的超透镜110的配置的考虑如相位设计的灵活性、视野、制造难度等一些例子来选择。根据本发明的实施例，对于单片集成纳米结构的超透镜110的纳米结构的特定映射(例如，光学衬底的第一表面上的所有纳米结构)的每个纳米结构所使用的周期距离是相等的，无论相邻纳米结构的横向尺寸如何。因此，实施例的周期距离提供了这些纳米结构的横向尺寸的上限。

如图3B所示，纳米结构的高度(H)是示例的纳米结构的制造深度。在根据本发明实施例的步骤212的操作中，确定纳米结构的尺寸可以包括：至少部分地基于单片集成纳米结构的超透镜110的工作波长区域的光的波长来确定纳米结构的高度。例如，高度的选择可以与单片集成纳米结构的超透镜的工作波长区域的中心波长(λ_c)相对应(例如，在上述示例性近红外实施中，λ_c＝940nm)。根据本发明的一些例子，高度可以选择落在由单片集成纳米结构的超透镜的工作波长区域的中心波长定义的范围内(例如，(λ_c/10)≥H≥λ_c)。例如，在为3D或深度传感提供结构光的一些例子中，高度可以在100-800nm的范围内(例如，在上述中心波长λ_c为940nm的近红外实施示例中，高度H可以选择为490nm)。例如，高度的特定值，可以根据一些示例基于诸如单片集成纳米结构的超透镜110的所需或可接受的性能、单片集成纳米结构的超透镜的制造难易度等考虑来选择。根据本发明的实施例，无论相邻纳米结构的横向尺寸如何，对于单片集成纳米结构的超透镜110的纳米结构的特定映射(例如，光学衬底的第一表面上的所有纳米结构)的每个纳米结构所使用的高度是相等的。

如图3A和3B所示，纳米结构的横向尺寸(S)是光学衬底平面上各纳米结构的尺寸(纳米结构集成在光学衬底平面上)。例如，实施例的纳米结构的横向尺寸可各自包括纳米结构的多个量化横向尺寸(例如，2、4、6、8、12、16等不同横向尺寸)。也就是说，具有不同横向尺寸的纳米结构以不同的相移水平值修改入射光。根据实施例，纳米结构的多个量化横向尺寸的横向尺寸的数量对应于单片集成纳米结构的超透镜110要实施的相位水平的数量。也就是说，纳米结构可以以选定数量(例如，2、4、6、8、12、16等)的量化横向尺寸对应于相同数量的相变水平。例如，在图3A和3B的例子中，横向尺寸的数量是8，提供横向尺寸S₁(例如，纳米结构112a))、横向尺寸S₂(例如，纳米结构112b)、横向尺寸S₃(例如，纳米结构112c)、横向尺寸S₄(例如纳米结构112d)、横向尺寸S₅(例如纳米结构112e)、横向尺寸S₆(例如纳米结构112f)、横向尺寸S₇(例如纳米结构112g)和横向尺寸S₈(例如纳米结构112h)，其中横向尺寸S₁-S₈中的每一个都对应于相应纳米结构的横向尺寸，用于改变入射光的相位的所需量(例如，S₁→π/4,S₂→π/2,S₃→3π/4,S₄→π,S₅→5π/4,S₆→3π/2,S₇→7π/4,和S₈→2π)。根据另一个例子，横向尺寸的数量可以是4，提供横向尺寸S1、S2、S3和S4，其中横向尺寸S1-S4中的每一个都对应于相应纳米结构的横向尺寸，用于改变入射光相位的所需量(例如，S₁→π/2,S₂→π,S₃→3π/2,和S₄→2π)。应当理解，为提供所需的相位水平修改而实施的特定尺寸，可以基于特定纳米结构实施的各个方面而变化，例如用于纳米结构的材料、高度等(例如，折射率)。根据本发明的一些例子，横向尺寸可以选择落在由单片集成纳米结构的超透镜的周期距离定义的范围内(例如，P≥S_x>0)。例如，在为3D或深度传感提供结构光的一些例子中，横向尺寸可以在100-400nm的范围内。例如，横向尺寸的特定值可以根据一些例子基于诸如单片集成纳米结构的超透镜110的所需或可接受的性能、单片集成纳米结构的超透镜的制造的难易度等考虑来选择。根据本发明的实施例，纳米结构被配置为在x轴和y轴上具有相同的空间分辨率。

图2所示流程200的步骤220提供了用于选择或以其他方式确定集成纳米结构的映射的操作，通过单片集成纳米结构的超透镜110实现投影和光整形功能，以提供一种或多个期望的光图案。例如，在所示实施例的步骤221，确定用于由单片集成纳米结构的超透镜110产生结构光的相位图(例如，第一相位图)。在所示实施例的步骤222，确定用于光的集中和/或准直的相位图(例如，第二相位图)。在所示实施例的步骤223，融合在步骤221和222提供的相位图(例如，分别为结构光相位图和准直光相位图)，以定义用于单片集成纳米结构的超透镜110的纳米结构的预绘制的图案，从而提供所需的对于入射光的光学相位变化(例如相位旋转或偏移)的空间图案。

根据示例使用的第一相位图(Φ₁(x,y))是一个相位分布，如可以使用纳米结构112实现，用于提供由单片集成纳米结构的超透镜110生成的所需的或目标图像的结构光。在根据本发明实施例的步骤221的操作中，相位分布被逆向设计(例如，逆向设计的相位分布)，例如使用逆计算迭代傅里叶变换算法(IFTA)。图4A显示了实施逆向计算IFTA的流程图，用于计算根据本发明一些实施例的由单片集成纳米结构的超透镜110产生结构化光的第一相位图。特别是，图4A的流程400提供了可在流程200的步骤221使用的示例性运算，以确定由单片集成纳米结构的超透镜110产生结构光的相位图。在根据流程400的示例的操作中，对于所需的或目标图像，例如图4B的目标图像410，实施逆向相位设计技术，以计算实施例的第一相位图。

在图4B的例子中，目标图像410包括一个预定的或所需的点图案(例如，近红外区域的投射光的点图案)，将由单片集成纳米结构的超透镜110产生。点图案可以使用各种变量来定义，如距离、偏移等。例如，距离变量d_x可以定义同一行中相邻点之间的距离，距离变量d_y可以定义列中相邻点之间的距离，偏移距离f_m(例如，1和-1之间的值)可以定义交替行(例如，偶数行或奇数行)的横向偏移f_m*d_x。在图4B所示的目标图像410的例子中，d_x＝60cm，d_y＝40cm，f_m＝0.0。应当理解，上述距离变量是示例性的，本发明的实施例可以使用不同值的d_x和/或d_y(例如，在一些为3D或深度传感提供结构光的例子中，d_x和d_y可以各自是1-60cm范围内的任何值)。图4C显示了具有类似参数组a_x和a_y的光源分布的一个例子，具有非零偏移距离(例如，f_m＝0.5)。根据实施例，关于这种目标图像的信息可以作为输入提供给流程400，用于计算关于单片集成纳米结构的超透镜110的纳米结构112的第一相位图(Φ₁(x,y))。

在根据由流程400的运算实现的逆相位设计技术的操作中，使用一个初始或种子相位函数，从重复IFTA的计算循环中收敛到第一相位图。因此，在所示示例的步骤401，生成一个均匀或随机相位函数(例如，0-2π的相位的随机或均匀分布)，以用于流程400的步骤402-407的计算循环。

在步骤402，启动包括步骤402-407的计算循环的第一次迭代，以计算关于单片集成纳米结构的超透镜110的纳米结构112的第一相位图(Φ₁(x,y))。在根据所示实施例的步骤402的操作中，从目标图像的图像平面幅度函数(例如，A_IMG)和初始或种子相位函数(例如，在IFTA计算循环的第一次迭代时Φx,y＝种子相位函数)计算出新的波函数。因此，在步骤402，输入初始或种子相位函数(例如，Φx,y)和目标图像的图像平面幅度函数(A_IMG)，其中种子相位函数仅在初始输入(例如，计算循环的第一次迭代的输入)。实施例的目标图像平面幅度函数410a包括目标图像410的图像平面中光幅度的映射。例如，新的波函数可以被计算为目标图像平面幅度函数410a和种子相位函数的乘积(例如，新的波函数＝A_IMG*Φx,y)。

在步骤403，对在所示实施例的步骤402计算的新的波函数进行快速傅立叶变换。使用来自步骤403的快速傅立叶变换的结果，在步骤404计算相位函数(例如，只包括相位分布的相位函数Φx,y)。

在根据所示实施例的步骤405的操作中，从目标图像的衍射平面幅度函数(例如，ADIF)和相位函数(例如，在步骤404计算的Φx,y)计算新的波函数。因此，在步骤405输入目标图像的衍射平面幅度函数(ADIF)。实施例的目标衍射平面幅度函数410b包括在目标图像410的衍射平面中的光幅度的映射。例如，新的波函数可以被计算为目标衍射平面幅度函数410b和相位函数的乘积(例如，新的波函数＝ADIF*Φx,y)。

在步骤406，对在所示实施例的步骤405计算的新的波函数进行快速傅立叶变换。使用来自步骤406的快速傅立叶变换的结果，在步骤407计算相位函数(例如，只包括相位分布的相位函数Φx,y)。

在根据步骤402-407的计算循环的示例实施的操作中，计算循环运行多次(例如，50到100次)以将相位函数(Φx,y)收敛到第一相位图(Φ₁(x,y))。例如，根据本发明的一些实施例，Φ₁(x,y)＝计算循环的最后一次迭代的Φx,y(例如，在步骤407计算的Φx,y)。因此，在流程400的例子的操作中，计算循环的步骤402的下一次迭代操作在所示实施例的步骤407的相位函数的计算之后。在步骤402的后续迭代中，从目标图像的图像平面幅度函数(例如，A_IMG)和相位函数(例如，在步骤407计算的Φx,y)计算出新的波函数。因此，在步骤402再次提供目标图像的图像平面幅度函数(A_IMG)，可以再次将新的波函数计算为目标图像平面幅度函数410a和相位函数的乘积(例如，新的波函数＝A_DIF*Φx,y)。类似地，在步骤405的后续迭代中，从目标图像的衍射平面幅度函数(例如，A_DIF)和相位函数(例如，在步骤404计算的Φx,y)计算出新的波函数。因此，在步骤405再次提供目标图像的衍射平面幅度函数(A_DIF)，并且新的波函数可以再次被计算为目标衍射平面幅度函数410b和相位函数的乘积(例如，新的波函数＝A_DIF*Φx,y)。

在流程400中IFTA的计算循环的多次运行完成之后，第一相位图(Φ₁(x,y))被量化并提供给单个纳米结构集成炒透镜110。例如，量化可以应用于相位图的相位数量(例如，2、4、6、8、12、16等)，以使相位映射适应纳米结构的不同横向尺寸。特别是，通过实施例的流程400的操作确定的第一相位图(Φ₁(x,y))可以提供关于纳米结构112的相位分布，用于提供由单片集成纳米结构的超透镜产生的目标图像410的结构光110。

示例使用的第二相位图(Φ₂(x,y))是一个相位分布，可以使用纳米结构112实施，用于通过单片集成纳米结构的超透镜110提供光的集中和/或准直。光源，如光发射器件120的一个或多个光源，通常发出发散光。因此，单片集成纳米结构的超透镜110的实施例被配置为提供准直/聚光功能，用于将倾斜的光相位聚焦到单片集成纳米结构的超透镜的纳米结构层。例如，根据实施例的第二相位图的相位分布，可以提供关于光发射器件120的单个光源实施的柱状光功能(例如图5A的柱状500a)。类似地，例如，根据实施例的第二相位分布，可以提供关于光发射器件120的多光源实施的柱状光功能(例如，图5A的柱状500b)。在根据本发明实施例的步骤222的操作中，根据一些例子，可以使用相位聚焦设计技术(例如，衍射相位函数)来计算关于光准直的第二相位图(Φ₂(x,y))。例如，将光相位聚焦到单个纳米结构集成透镜的纳米结构层的计算可以是二元衍射设计，例如基于Binary2透镜相位函数

使用光学设计程序(例如ZEMAX)。

所示实施例流程的200提供了多个相位图的融合，以定义单片集成纳米结构的超透镜110的纳米结构的预绘制的图案，从而提供对于入射光的光学相位变化的所需空间图案。在根据本发明实施例的步骤223的操作中，在步骤221确定的第一相位图((Φ₁(x,y))和在步骤222确定的第二相位图((Φ₂(x,y))被融合以计算或以其他方式确定单片集成纳米结构的超透镜110的纳米结构的预绘制的图案((Φ(x,y))。根据一些例子，相位图的融合包括基于第一和第二相位映射的结构光和准直的两个函数的组合。例如，可以通过表面函数的卷积进行组合A(x,y)e^{iΦ(x y)}＝A₁(x,y)e^iΦ ₁ ^(x,y)*A₂(x,y)^eiΦ ₂ ^(x,y)。可以看出，第一和第二相位图都在上述表面函数的指数分量中。因此，乘法可以改为加法，使得Φ(x,y)＝Φ₁(x,y)+Φ₂(x,y)。

流程200的上述示例性操作提供了确定关于纳米结构的实体方面和相位图(Φ(x,y))，以提供根据本发明实施例配置为提供光准直功能和结构光投影功能(例如，对应于目标图像410)的单片集成纳米结构的超透镜110的实施。例如，确定的相位图可以用于将具有确定的实体方面的纳米结构集成在光学衬底上，以提供根据本文概念的单片集成纳米结构的超透镜110。例如，可使用诸如光刻、软光刻、激光烧蚀、化学自组装、卷对卷纳米压印等技术，将纳米结构(该纳米结构根据确定的相位图提供相位分布，并具有确定的实体方面)与光学衬底集成，以提供单片集成纳米结构的超透镜110的实例。作为具有近红外中心波长(例如，λc＝940nm)的光的结构光投射的一个具体例子，由硅(例如，n＝3.71)组成的纳米结构可以根据关于目标图像410确定的相位图(例如，(Φ(x,y))的相位分布集成在光学玻璃衬底上，具有490nm的高度(例如，H＝490nm))，相邻的纳米结构保持500nm的周期距离(例如，P＝500nm)，并实施4个量化横向尺寸(例如，S₁→π/2,S₂→π,S₃→3π/2,和S₄→2π)，用于单片集成纳米结构的超透镜，配置为3D传感设备的投影仪和光整形器使用。

使用根据流程200的实施例的操作确定的实体方面和相位图来提供光准直功能和结构光投影功能(例如，对应于目标图像410)的单片集成纳米结构的超透镜110的实例，例如，可用于提供实施根据本发明概念的投影仪设备100。例如，单片集成纳米结构的超透镜110的实例的方向是，集成在光学衬底111一侧上的纳米结构112面向光发射器件120，支撑结构130将单片集成纳米结构的超透镜110的透镜平面与光发射器件120的光平面之间的距离对应于焦距(例如，1.1nm)，以提供超透镜的光集中和/或准直功能(例如，第二相位图((Φ₂(x,y))的焦距，提供关于单片集成纳米结构的超透镜的光的集中和/或准直)。例如，在其中光发射器件120包括一个光源的实施方式中，所得实例的投影设备100可以用于生成与目标图像410对应的一个图案(例如，点图案)。类似地，在其中光发射器件120包括多个光源的实施方式中，所得实例的投影设备100可用于生成与目标图像410对应的多个实例图案(例如，具有与光源相对放置相对应的远场偏移的点图案的多个实例)。

尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是应当理解，在不脱离所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在此进行各种改变、替换和变更。而且，本申请的范围并不旨在局限说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员从本发明公开内容中很容易理解的那样，根据本发明，可以利用目前存在或以后开发的与本文所述相应实施例具有基本相同功能或达到基本相同结果的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求书旨在在其范围内包括这样的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。

此外，本申请的范围并不打算局限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。

Claims

1.一种超透镜，包括：

光学衬底，其透明光谱范围至少为50nm，与所述超透镜一起使用的光发射器件的工作波长相对应；

多个纳米结构，其按照相位映射的相位分布集成在所述光学衬底的至少一个表面上，所述相位映射被配置为提供光准直功能和结构光投影功能，其中所述纳米结构有至少4个量化横向尺寸，并根据周期距离(P)隔开，其中P在(λ_c*0.8)/2至(λ_c*1.2)/2的范围内，其中λ_c是所述超透镜的工作波长区域。

2.根据权利要求1所述的超透镜，其中，所述多个纳米结构中的每个纳米结构都具有相同的高度H，其中H从λ_c/10到λ_c的范围内。

3.根据权利要求1所述的超透镜，其中，所述多个纳米结构的材料的折射率关于所述超透镜的工作波长区域不小于1.5。

4.根据权利要求1所述的超透镜，其中所述多个纳米结构包括等离激元金属材料。

5.根据权利要求1所述的超透镜，其中所述相位映射至少部分是由基于目标图像的逆向计算迭代傅里叶变换算法IFTA提供的，所述相位映射至少部分是基于对光的聚焦所需相位计算而提供的，所述相位将光聚焦到所述多个纳米结构的一个纳米结构层。

6.根据权利要求5所述的超透镜，其中所述基于目标图像的逆向计算IFTA，是利用所述目标图像的平面的第一轴(d_x)上的相邻点之间的距离、所述目标图像的平面的第二轴(d_y)上的相邻点之间的距离、以及所述目标图像的交替行的点之间的横向偏移的偏移距离(fm)，其中所述第一轴和所述第二轴是垂直的。

7.根据权利要求1所述的超透镜，其中所述纳米结构以4或8个量化横向尺寸提供。

8.根据权利要求7所述的超透镜，其中所述纳米结构以4个量化横向尺寸提供，对应于4级相位变化，其中所述4级相位相对应于π/2、π,、3π/2、和2π的相位变化，其中所述纳米结构被配置为在x和y轴上具有相同的空间分辨率。

9.根据权利要求1所述的超透镜，其中，所述超透镜被设置在投影仪装置的支撑结构中，所述投影仪装置包括所述光发射器件、所述支撑结构和所述超透镜，其中所述超透镜在所述支撑结构中的方向是：在所述光学衬底的至少一个集成有所述多个纳米结构的表面的第一表面面向所述光发射器件。

10.一种提供超透镜的方法，所述超透镜被配置为提供光准直功能和结构光投影功能，所示方法包括：

确定关于纳米结构的形体方面，用于包含所述超透镜的单片集成纳米结构的超透镜的特定配置，其中所述形体方面包括所述纳米结构的周期距离(P)和所述纳米结构的尺寸，其中所述周期距离是相邻的所述纳米结构的行到行和列到列的中心距离，其中所述尺寸为所述纳米结构提供至少4个量化横向尺寸，对应于将由所述纳米结构实施的相位变化水平；

确定所述纳米结构的映射，用于集成到所述超透镜的光学衬底的表面上，以实施包含所述超透镜的单片集成纳米结构的超透镜的投影和光整形功能，其中确定所述纳米结构的映射包括：

使用基于目标图像的逆向设计相位分布，确定结构光相位图；

使用相位聚焦设计技术，确定准直光相位图；和

融合所述结构光相位图和所述准直光相位图，为所述单片集成纳米结构的超透镜提供所述纳米结构的预绘制的图案，根据所述纳米结构的所述映射提供所需的光学相位变化空间图案；和

根据所述映射将具有所述形体方面的所述纳米结构集成在所述光学衬底上，以提供所述超透镜，用于所述单片集成纳米结构的超透镜。

11.根据权利要求10所述的方法，其中P在(λ_c*0.8)/2到(λ_c*1.2)/2的范围内，其中λ_c是所述超透镜的工作波长区域。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：

确定所述纳米结构的高度H，其中H在λ_c/10到λ_c的范围内，每个所述纳米结构的高度是相同的H值。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，确定所述结构光相位图使用基于所述目标图像的逆向计算迭代傅里叶变换算法IFTA。

14.根据权利要求13所述的方法，其中确定所述准直光相位图使用Binary2相位函数。

15.根据权利要求14所述的方法，其中融合所述结构光相位图和所述准直光相位图使用表面函数的卷积。

16.根据权利要求10所述的方法，还包括：

将所述超透镜设置在投影仪装置的支撑结构中，所述投影仪装置包括光发射器件、所述支撑结构和所述超透镜，其中所述超透镜在所述支撑结构中的方向是，使得其上集成有所述纳米结构的所述光学衬底的第一表面面向所述光发射器件。

17.一种光投影仪设备，包括：

单片集成纳米结构的超透镜，其中所述单片集成纳米结构的超透镜包括：

光学衬底，其光谱范围至少为50nm，对应于与所述单片集成纳米结构的超透镜一起使用的光发射器件的工作波长；和

多个纳米结构，其按照相位映射的相位分布集成在所述光学衬底的至少一个表面上，所述相位映射被配置为提供光准直功能和结构光投影功能，其中所述纳米结构以至少4个量化横向尺寸提供，并根据周期距离(P)间隔开，其中P在(λ_c*0.8)/2至(λ_c*1.2)/2的范围内，其中λ_c为所述单片集成纳米结构的超透镜的工作波长区域；

所述光发射器件，其具有一个或多个光源，所述光源被配置为在所述光发射器件的发光平面内提供光发射，其中所述一个或多个光源发射的光的中心波长为λ_c；和

支撑结构，其被配置为将所述单片集成纳米结构的超透镜保持在与所述光发射器件的发光平面的所需预定关系中，其中所述支撑结构被配置为固定所述单片集成纳米结构的超透镜在支撑结构中的方向，使得其上集成有所述多个纳米结构的所述光学衬底的第一表面面向所述光发射器件。

18.根据权利要求17所述的光投影仪设备，其中，所述光发射器件具有至少100个以上的多个光源。

19.根据权利要求17所述的光投影仪设备，其中，所述支撑结构保持所述单片集成纳米结构的超透镜与所述光发射器件的发光平面的所需预定关系是在所述发光平面上方1.1至1.7mm的范围内。

20.根据权利要求17所述的光投影仪设备，其中，所述相位映射至少部分地由基于目标图像的逆向计算迭代傅里叶变换算法IFTA提供，所述相位映射至少部分是基于对聚焦所需相位计算而提供的，所述相位将光聚焦到所述多个纳米结构的纳米结构层，其中基于目标图像的逆向计算IFTA是利用所述目标图像的平面的第一轴(d_x)上相邻点之间的距离、所述目标图像的平面的第二轴(d_y)上相邻点之间的距离、以及所述目标图像的交替行的点之间的横向偏移的偏移距离(f_m)，其中所述第一轴和所述第二轴垂直。