CN115963585A - 薄型平面光学元件和光学设备 - Google Patents
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Abstract
薄型平面光学元件和光学设备。本发明提供对光学透镜的体积、重量不造成影响、并且在量产工艺中能够实现高生产效率、低成本的薄型平面光学元件。本发明提出了一种具备平面的超透镜的薄型平面光学元件。超透镜具有二维立柱的阵列。超透镜具有将基板与设置在该基板上的一个立柱一体化而得到的构造体作为纳米单元。基板和立柱由相同的材料构成。
Description
技术领域
本发明涉及具备平面的超透镜的薄型平面光学元件，尤其是涉及这种光学元件的构造。
背景技术
通常，聚光透镜等以往的光学透镜为了降低在成像时产生的像差(像的模糊、失真等)的影响而需要使用多个透镜。因此，导致具备以往的光学透镜的装置变大。
近年来，作为用于开发小型的光学部件的有力的平台之一，出现了超表面。超表面是指通过将比原子大但相对于电磁波的波长为微小尺寸的构造体当作原子或分子进行排列，从而能够实现在自然界不存在的电磁的性质(介电常数、磁导率)的材料。超透镜是由在控制光的特性方面优异的超表面形成的透镜，在超透镜的平面构造内能够具有多种功能。
晶圆级光学(WLO)是以高生产效率、高精度、低成本大量生产光学元件的现代技术，如何以简洁且高效的工艺实现WLO成为重要的问题。因此，晶圆上的光学元件的解析和设计受到关注，划时代的极薄的平面的超透镜作为适合于WLO的制造的光学元件而被期待。
但是，现有的超透镜虽然在控制光的特性方面优异，但仍存在期望改善的方面。例如，专利文献1所记载的现有的超透镜公开了以下的内容：超透镜的基板材料是熔融石英、蓝宝石、硼硅酸玻璃或者稀土类氧化物玻璃，与超透镜的基板材料连接的立柱材料是二氧化钛。在专利文献1所记载的现有的超透镜中，对光学透镜的体积、重量造成了影响。另外，例如在专利文献2所记载的光学元件的制造方法中，生产效率不够。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2020-537193号公报
专利文献2：日本专利第4226061号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于，提供一种对光学透镜的体积、重量不造成影响、并且在量产工艺中能够实现高生产效率、低成本的薄型平面光学元件。
用于解决问题的手段
为了解决上述问题，本发明具有以下的方案。
本发明提出一种与以往相比能够降低制造超透镜的时间和成本的、具备新的超透镜的薄型平面光学元件。
根据本发明，提供了以下的薄型平面光学元件。
本发明的薄型平面光学元件是具备平面的超透镜的薄型平面光学元件，其中，所述超透镜具有二维立柱的阵列，所述超透镜具有将基板与设置在所述基板上的立柱一体化而得到的构造体作为纳米单元，所述基板和所述立柱由相同的材料构成。
所述超透镜可以包含配置为二维的阵列状的多个超透镜。
也可以是，所述纳米单元的配置的密度从所述超透镜的中心朝向所述超透镜的外缘而变大。
也可以是，所述立柱的半径随着从所述超透镜的中心朝向所述超透镜的外缘而越来越大。
也可以是，具有所述立柱的高度恒定且所述立柱的半径不同的多个所述纳米单元，在超透镜上，通过将多个所述纳米单元配置在不同的位置而使光相位变化。
所述材料也可以是树脂材料。
所述材料也可以是高耐热树脂材料。
所述材料也可以是光固化性树脂。
也可以是包含所述光学元件的光学设备。
发明效果
根据本发明，可提供对光学透镜的体积、重量不造成影响、并且在量产工艺中能够实现高生产效率、低成本的薄型平面光学元件。
附图说明
图1是示出实施方式所述的晶圆级透镜阵列的图。
图2是示出实施方式所述的超透镜的图。
图3是图2的主要部分放大图。
图4是示出超透镜的基本构成(纳米单元)的立体图。
图5是示出超透镜的基本构成(纳米单元)的俯视图。
图6是示出超透镜的基本构成(纳米单元)的侧视图。
图7是示出光传播面(x-z)内的不同的立柱半径的光强度分布的图。
图8是示出光传播面(x-z)内的不同的立柱半径的光强度分布的图。
图9是示出光传播面(x-z)内的不同的立柱半径的光强度分布的图。
图10是相对于立柱半径而示出相移的图。
图11是相对于立柱位置而示出相移的图。
图12是示出聚光位置处的强度分布的图。
具体实施方式
以下，对本发明的一实施方式详细进行说明。本发明不限定于以下记载的实施方式，在不阻碍本发明的效果的范围内能够适当加以变更来实施。在针对本发明的一实施方式记载的特定的说明也适用于其他实施方式的情况下，在其他实施方式中有时省略该说明。在本说明书中，表示数值范围的“X～Y”这一表现是指“X以上且Y以下”。
只要没有特别定义，则本说明书所使用的全部的用语(包含技术用语和科学用语)具有与由本发明所属的技术领域的本领域技术人员通常理解的含义相同的含义。此外，在通常使用的字典中定义的用语应被解释为具有与在相关技术的上下文中的含义一致的含义，除非在本说明书中明确定义，否则不会以理想化或过于形式的含义来解释。
[实施例]
以下示出实施例来更加具体地说明本发明，但不通过这些实施例来限定本发明的解释。例如，本发明被应用于晶圆级透镜阵列，但不限于此。能够将本发明应用于单独的超透镜。
图1是示出本发明的实施方式所述的晶圆级透镜阵列(具有薄型平面的光学元件)的图。在图1中，示出了在基板上展开的超透镜的二维阵列，但应注意的是，为了简洁起见，有时省略几个构成要素。
晶圆级透镜阵列具备基板1、和排列在基板1上的多个超透镜10的二维阵列。晶圆级透镜阵列由多个平面的超透镜10构成。在图1中，以圆形示出了各个超透镜10，但不限定于圆形的形状。本发明的实施方式所述的晶圆透镜阵列的大小非限定地为8英寸或12英寸。作为本发明的实施方式的一例，多个超透镜10的二维阵列排列成格子状，但不限于此。
图2是将多个超透镜10中的任意一个放大后的图，是示出本发明的实施方式所述的超透镜10的图。图2所示的虚线21与虚线22的交点11是超透镜10的中心11。
图3是将图2的虚线20的部分放大后的图。超透镜10具有二维立柱的阵列。超透镜10具有使基板1和设置在基板1上的一个立柱一体化而得到的构造体作为纳米单元30(基本构成)。因此，超透镜10具有二维的纳米单元30的阵列。在示出实施方式的一例的图3中，纳米单元30的二维阵列以格子状排列在超透镜10上，但不限于此。
如图3所示，各个纳米单元30的半径根据超透镜10上的纳米单元的位置而不同。具体而言，纳米单元30的半径随着从超透镜10的中心11(参照图2)朝向超透镜10的外缘而越来越大。随着纳米单元30的半径变大，超透镜10上的纳米单元30的密度也变大。即，越是接近超透镜10的中心11，在各纳米单元30之间越存在间隙，但越是远离超透镜10的中心11，各纳米单元30之间的间隙越消失。超透镜10上的纳米单元30的密度能够通过超透镜10的每单位面积的立柱的截面面积的比例来进行评价。
图4是示出作为超透镜10的基本构成的、纳米单元30的立体图。对于超透镜10而言，图4所示的作为基本构成的纳米单元30沿着X轴方向和Y轴方向以格子状周期性地进行排列。作为一例，纳米单元30在从Z轴方向观察时为正方形的形状，但不限于正方形的形状。纳米单元30形成有一个柱状的立柱31。作为本发明的实施方式的一例，立柱31设为圆柱状，但立柱31的形状不限于圆柱状。
如图4所示，立柱31从基板1的上表面2突出以成为凸状的形状。如后所述，立柱31与基板1由相同的材料构成，不是使不同的部件连接而得的，而是立柱31与基板1一体化。通过将立柱31与基板1一体化，从而能够减少量产工艺的工序数量，因此，与如现有的超透镜那样由不同的材料构成立柱和基板的情况相比，能够提高生产效率。超透镜10由以格子状周期性地排列的多个立柱31构成。
图5是示出作为超透镜10的基本构成的、纳米单元30的俯视图。如图5所示，立柱31在纳米单元30的上表面2的中央部从基板1的上表面2突出。
构成本发明的实施方式所述的纳米单元30的基板1和立柱31由相同的材料构成。优选的是，相同的材料是相同的树脂材料。树脂材料是有机无机混合的特殊树脂或者一般的树脂。例如，是甲基丙烯酸类树脂(PMMA)、ABS树脂(ABS)、聚苯乙烯/苯乙烯树脂(PS)等。虽然可以是任何种类的树脂材料，但优选为折射率是1.5～1.9左右的树脂材料。
另外，优选的是，相同的材料是高耐热树脂材料。高耐热树脂材料是有机无机混合的特殊树脂或者一般的高耐热树脂。例如是聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)等。
另外，优选的是，相同的材料是光固化性树脂。光固化性树脂是由有机无机混合的特殊树脂或者一般的光固化性树脂、单体、低聚物、光聚合引发剂、各种添加剂(稳定剂、填料、颜料等)构成的组合物。
图6是示出作为超透镜的基本构成的纳米单元的侧视图。本发明的实施方式所述的立柱31的高度h被设定为恒定值。例如，高度h被设定为从0.8μm～1.5μm的范围内选择出的恒定值。这样将高度保持为恒定值是为了维持超透镜10的平面性。另外，通过将高度保持为恒定值，能够提高生产效率。
立柱31的半径r根据超透镜10上的配置纳米单元30的位置而不同。这样，通过使立柱31的半径r根据超透镜10上的配置纳米单元30的位置而不同，从而能够在每个纳米单元30的位置控制相位变化。即，在超透镜10上，通过使具有高度h恒定且半径r不同的立柱31的、多个纳米单元30的配置不同，从而能够最优地控制超透镜10产生的总的相位变化。
图7是示出光传播面(x-z)内的不同的立柱半径的光强度分布的图。图7的纵轴是光的传播方向，负值是指与光的传播方向相反的方向。图7中的超透镜10的立柱31的半径是0.05μm(50nm)。立柱的高度h是恒定值。超透镜10的基板1与立柱31被一体化，并且由相同的材料构成。在图7中，由虚线40包围的部分是在传播方向上示出最大光强度的位置。
图8是示出光传播面(x-z)内的不同的立柱半径的光强度分布的图。图8的纵轴是光的传播方向，负值是指与光的传播方向相反的方向。图8中的超透镜10的立柱31的半径是0.15μm(150nm)。立柱的高度h是恒定值。超透镜10的基板1与立柱31被一体化，并且由相同的材料构成。在图8中，由虚线41包围的部分是在传播方向上示出最大光强度的位置。
图9是示出光传播面(x-z)内的不同的立柱半径的光强度分布的图。图9的纵轴是光的传播方向，负值是指与光的传播方向相反的方向。图9中的超透镜10的立柱31的半径是0.25μm(250nm)。立柱的高度h是恒定值。超透镜10的基板1与立柱31被一体化，并且由相同的材料构成。在图9中，由虚线42包围的部分是在传播方向上示出最大光强度的位置。
根据图7～图9所示的模拟结果可知，即使超透镜10的基板1与立柱31被一体化且由相同的材料构成，在立柱31的半径r达到0.25μm(250nm)之前，也在传播方向上示出最大光强度。但是，立柱31的半径r的值不限于这些值。
图10是相对于立柱的半径而示出相移的图。示出具有相位分布函数(r)的超透镜10的相位变化的特性，所述相位分布函数(r)将立柱31的高度h设为恒定值且将立柱31的半径r设为变量。示出立柱31的半径r的变化对相位变化的特性造成影响。这里的立柱31的高度h是1.3μm。另外，超透镜10的基板1与立柱31被一体化且由相同的材料构成。
图11是相对于立柱的位置而示出相移的图。立柱的位置是指超透镜10上的具有立柱31的纳米单元30的位置。图11示出超透镜10上的纳米单元30的位置的变化对相位变化的特性造成影响。这里的立柱31的高度h是1.3μm。另外，超透镜10的基板1与立柱31被一体化且由相同的材料构成。
图12是示出本发明的实施方式中的聚光位置处的强度分布的图。图12示出超透镜10的成像面上的光强度分布。根据该模拟结果可知，即使超透镜10的基板1与立柱31被一体化且由相同的材料构成，在视野的中心也得到最大光强度。根据本发明的实施方式所述的超透镜10的相位变化，也能够如通常的透镜那样得到在成像面的聚光效果。由此，在使用了通常的3D折射透镜的光学系统中，也能够利用极薄的2D的平面的超透镜。而且，在各种微小空间中也能够实现多功能光学系统。
本发明的实施方式所述的光学元件例如能够应用于超薄型光学系统、医疗内窥镜、点投影光学系统、智能手机用的面部认证传感器用透镜、距离检测用LiDAR、自动驾驶用LiDAR、微小型相机用透镜等这样的光学设备。
根据以上，本发明的实施方式所述的光学元件通过由相同的材料构成构成超透镜的纳米单元的基板和立柱，从而对光学透镜的体积、重量不造成影响，并且在量产工艺中能够实现高生产效率、低成本。
根据本申请发明人的发现，能够通过应用日本专利第4226061号公报所记载的技术(Casting Process)来制作本发明的薄型平面光学元件。
以上完成了详细的说明，但所说明的实施方式只不过是例示，本领域技术人员自然能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变更、变形。
附图标记说明
1 基板；
2 上表面；
10 超透镜；
11 超透镜的中心；
20 虚线；
21 虚线；
22 虚线；
30 纳米单元构造体；
31 立柱；
40 虚线；
41 虚线；
42 虚线；
h 高度；
r 半径。
Claims (9)
1.一种薄型平面光学元件，其具备平面的超透镜，其中，
所述超透镜具有二维立柱的阵列，
所述超透镜具有将基板与设置在所述基板上的立柱一体化而得到的构造体作为纳米单元，
所述基板和所述立柱由相同的材料构成。
2.根据权利要求1所述的薄型平面光学元件，其中，
所述超透镜是配置为二维的阵列状的多个超透镜。
3.根据权利要求1所述的薄型平面光学元件，其中，
所述纳米单元的配置的密度从所述超透镜的中心朝向所述超透镜的外缘而变大。
4.根据权利要求1所述的薄型平面光学元件，其中，
所述立柱的半径随着从所述超透镜的中心朝向所述超透镜的外缘而越来越大。
5.根据权利要求1所述的薄型平面光学元件，其中，
所述薄型平面光学元件具有所述立柱的高度恒定且所述立柱的半径不同的多个所述纳米单元，
在所述超透镜上，通过将多个所述纳米单元配置在不同的位置而使光相位变化。
6.根据权利要求1所述的薄型平面光学元件，其中，
所述材料是树脂材料。
7.根据权利要求1所述的薄型平面光学元件，其中，
所述材料是高耐热树脂材料。
8.根据权利要求1所述的薄型平面光学元件，其中，
所述材料是光固化性树脂。
9.一种光学设备，其包含权利要求1至8中任一项所述的薄型平面光学元件。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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