CN116027467B - 超透镜及十字线激光仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超透镜及十字线激光仪，其中，该超透镜包括：基底、多个第一纳米结构和多个第二纳米结构；多个所述第一纳米结构以第一轴线为对称轴，对称分布在所述基底的第一区域；多个所述第二纳米结构以第二轴线为对称轴，对称分布在所述基底的第二区域；所述第一轴线与所述第二轴线垂直；所述第一纳米结构与所述第一轴线之间的距离，与所述第一纳米结构的相位之间的关系具有单调性；所述第二纳米结构与所述第二轴线之间的距离，与所述第二纳米结构的相位之间的关系具有单调性。本发明实施例提供的超透镜及十字线激光仪，结构简单，且具有轻薄、可小型化、易集成的优势。

Description

超透镜及十字线激光仪

技术领域

本发明涉及光束生成技术领域，具体而言，涉及一种超透镜及十字线激光仪。

背景技术

十字线激光是一种能够提供垂直关系的线结构光，其在建筑、装修定位、军事、医疗瞄准等场合的定准中有重要应用。

目前，生成十字线激光的主流方案可分为单光路和双光路两种方法。其中单光路方法由于无需额外分束及合束操作，从而避免了复杂光路设计在实际应用中可能存在的不稳定性，是一种较好的方式。现有的单光路生成十字线激光的方案也主要有两种。

一种方案是：基于双柱透镜生成十字线激光，该方案中使用的调制元件是由一长一短两个相互垂直且独立的柱透镜组成的透镜组，长柱透镜偏心放置，短柱透镜与长柱透镜处于同一平面，经过透镜聚焦后的点状光斑按比例分配到两个柱面镜上，形成十字线激光光束。另一种方案是：利用有两个透镜垂直拼接生成的复合透镜生成十字线激光。

双柱透镜的方案对制造装配的要求较高，需要设计精密的机械校准装置，否则容易因功率分配不均而引起线质亮暗不均，结构较复杂，不易于维护和小型化。而复合透镜的方案需要使用具有复杂自由曲面的透镜，对透镜的制作要求较高，成本较大；并且，部分方案中为了实现对入射光束的扩束，复合透镜自身的结构尺寸较大，结构较复杂，不利于光学系统小型化。

发明内容

为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种超透镜及十字线激光仪。

第一方面，本发明实施例提供了一种超透镜，包括：基底、多个第一纳米结构和多个第二纳米结构；

多个所述第一纳米结构以第一轴线为对称轴，对称分布在所述基底的第一区域；多个所述第二纳米结构以第二轴线为对称轴，对称分布在所述基底的第二区域；所述第一轴线与所述第二轴线垂直；

所述第一纳米结构与所述第一轴线之间的距离，与所述第一纳米结构的相位之间的关系具有单调性；

所述第二纳米结构与所述第二轴线之间的距离，与所述第二纳米结构的相位之间的关系具有单调性。

在一种可能的实现方式中，与所述第一轴线之间距离相同的多个所述第一纳米结构，具有相同的相位梯度；

与所述第二轴线之间距离相同的多个所述第二纳米结构，具有相同的相位梯度。

在一种可能的实现方式中，所述第一区域的相位分布满足：

，或者，/>

；

所述第二区域的相位分布满足：

，或者，/>

；

其中，

表示波长，/>

表示所述第一纳米结构与所述第二轴线之间的距离，/>

表示所述第一纳米结构与所述第一轴线之间的距离，/>

表示所述第一纳米结构的相位，/>

表示所述第一区域的焦距；/>

表示所述第二纳米结构与所述第二轴线之间的距离，/>

表示所述第二纳米结构与所述第一轴线之间的距离，/>

表示所述第二纳米结构的相位，/>

表示所述第二区域的焦距。

在一种可能的实现方式中，

。

在一种可能的实现方式中，所述第一区域与所述第二区域之间的分界线，与所述第一轴线或所述第二轴线之间的夹角在30°至60°之间。

在一种可能的实现方式中，所述第一轴线与所述第二轴线的交点位于所述基底的中间位置，且所述第一区域与所述第二区域之间的分界线经过所述交点。

在一种可能的实现方式中，所述第一区域和所述第二区域是被一条分界线划分出的两个区域；

或者，所述第一区域和所述第二区域是被两条分界线划分出的两个区域，所述第一区域和所述第二区域均包含两个不相邻的区域；所述两条分界线相互垂直。

在一种可能的实现方式中，所述基底为方形，且所述基底的对角线为所述第一区域与所述第二区域之间的分界线。

在一种可能的实现方式中，所述分界线与所述第一轴线之间的夹角为45°或所述分界线与所述第二轴线之间的夹角为45°。

第二方面，本发明实施例还提供了一种十字线激光仪，其特征在于，包括：激光源和如上所述的超透镜；所述超透镜位于所述激光源的出光侧；

所述激光源用于向所述超透镜发出光斑，入射至所述超透镜的光斑覆盖至少部分第一区域以及至少部分第二区域。

在一种可能的实现方式中，十字线激光仪还包括：光束整形器；

所述光束整形器设置在所述激光源与所述超透镜之间，所述光束整形器用于将所述激光源发出的光束整形为基模高斯光束。

在一种可能的实现方式中，所述光束整形器还用于对所述激光源发出的光束进行准直；

或者，所述光束整形器还用于对所述激光源发出的光束进行扩束，且扩束后的光束所对应的等效光源位于所述超透镜的前焦面。

本发明实施例上述第一方面提供的方案中，超透镜划分有第一区域和第二区域，且两个区域内的纳米结构分别沿相互垂直的轴线对称分布，使得第一区域和第二区域的相位分布关于垂直的轴线对称，第一区域和第二区域可以为入射光束提供不同方向的光焦度，使得入射光束实现不同方向的偏折，从而形成不同方向的一字线光束，进而可以叠加形成十字线光束。该超透镜为单片式结构，结构简单，不需要传统双光路或双柱透镜方案中复杂的分光、合束操作，不存在多器件组合的装配问题，能够避免复杂的机械结构，降低了十字线生成装置的复杂度；且超透镜本身具有轻薄、可小型化、易集成的优势，此外，超透镜的相位分布可以只在一个方向上变化，相位设计简单，易于实现。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的超透镜的一种侧视示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的超透镜的第一结构示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的超透镜的第二结构示意图；

图4示出了本发明实施例所提供的超透镜的第三结构示意图；

图5示出了本发明实施例所提供的超透镜的第四结构示意图；

图6示出了图3所示超透镜的相位分布以及十字线光束的示意图；

图7示出了图4所示超透镜的相位分布以及十字线光束的示意图；

图8示出了图4所示超透镜的相位分布的三维示意图；

图9示出了图5所示超透镜的相位分布以及十字线光束的示意图；

图10示出了本发明实施例所提供的超透镜的第五结构示意图；

图11示出了图10所示超透镜的相位分布以及十字线光束的示意图；

图12示出了本发明实施例所提供的超透镜的第六结构示意图；

图13示出了图12所示超透镜的相位分布以及十字线光束的示意图；

图14示出了图12所示超透镜的相位分布的三维示意图；

图15示出了本发明实施例所提供的超透镜的第七结构示意图；

图16示出了图15所示超透镜的相位分布以及十字线光束的示意图；

图17示出了本发明实施例所提供的十字线激光仪的第一结构示意图；

图18示出了本发明实施例所提供的十字线激光仪的第二结构示意图；

图19示出了本发明实施例所提供的十字线激光仪的第三结构示意图。

附图标记说明：

100、第一纳米结构；200、第二纳米结构；300、基底；10、第一区域；20、第二区域；101、第一轴线；201、第二轴线；301、分界线；1、激光源；2、超透镜；3、光束整形器。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种超透镜，该超透镜被划分出两个区域，即下述的第一区域10和第二区域20，两个区域具有不同的相位分布，使得该超透镜可以将入射的光斑调整为十字线光束。参见图1和图2所示，该超透镜包括：基底300、多个第一纳米结构100和多个第二纳米结构200；第一纳米结构100和第二纳米结构200均设置在基底300的侧面。图1为该超透镜的侧视示意图，图2为该超透镜的主视示意图；其中，图1主要示意性示出了该超透镜可以被某条分界线（图1中间位置的虚线）分为两个区域，第一纳米结构100和第二纳米结构200分别设置在相应的区域内。第一纳米结构100和第二纳米结构200可选地材料包括：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。

如图2所示，多个第一纳米结构100以第一轴线101为对称轴，对称分布在基底300的第一区域10；多个第二纳米结构200以第二轴线201为对称轴，对称分布在基底300的第二区域20；第一轴线101与第二轴线201垂直。第一纳米结构100与第一轴线101之间的距离，与第一纳米结构100的相位之间的关系具有单调性；第二纳米结构200与第二轴线201之间的距离，与第二纳米结构200的相位之间的关系具有单调性。其中，为方便区分第一纳米结构100和第二纳米结构200，图1和图2中均以灰色的纳米结构表示第一纳米结构100，以白色的纳米结构表示第二纳米结构200。

本发明实施例中，基底300能够被划分出第一区域10和第二区域20，如图2所示，基底300可以被倾斜的分界线301分为两个区域，右下部分的区域为第一区域10，左上部分的区域为第二区域20；本领域技术人员可以理解，第一区域10和第二区域20是人为划分出来的两个区域，但这两个区域仍然是一体式的结构，即该基底300仍然是一个整体。第一纳米结构100分布在第一区域10内，第二纳米结构200分布在第二区域20内，第一纳米结构100和第二纳米结构200均对称分布，但二者的对称轴不同。如图2所示，多个第一纳米结构100以第一轴线101为对称轴对称分布，多个第二纳米结构200以第二轴线201为对称轴对称分布。并且，为了能够生成十字状的光束，第一轴线101与第二轴线201垂直。其中，分界线301处也可设置纳米结构，位于分界线301处的纳米结构可以为第一纳米结构100，也可以为第二纳米结构200。

本发明实施例中，纳米结构对称分布，指的是对称轴两侧的纳米结构所调制的相位相同，例如，对称轴两侧的纳米结构的尺寸相同。通过对称设置纳米结构，使得第一区域10、第二区域20的相位分布可以是对称的，即第一区域10的相位分布可以关于第一轴线101对称，第二区域20的相位分布可以关于第二轴线201对称。为方便描述每个纳米结构的位置，如图2所示，将第一轴线101作为

轴，将第二轴线201作为/>

轴建立直角坐标系，以

表示第一区域10内第一纳米结构100的位置坐标，则/>

处的第一纳米结构100与/>

处的另一个第一纳米结构100关于第一轴线101（即/>

轴）对称，二者的相位相同，即/>

，其中，/>

表示/>

处的第一纳米结构100的相位，/>

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处的第一纳米结构100的相位。类似地，以/>

表示第二区域20内第二纳米结构200的位置坐标，则/>

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处的另一个第二纳米结构200关于第二轴线201（即/>

轴）对称，二者的相位相同，即/>

，其中，/>

表示/>

处的第二纳米结构200的相位，/>

表示/>

处的第二纳米结构200的相位。

并且，第一区域10和第二区域20在对称轴一侧的相位分布均具有单调性。具体地，第一纳米结构100与第一轴线101之间的距离，与第一纳米结构100的相位之间的关系具有单调性。仍然以图2所示为例，

处的第一纳米结构100与第一轴线101（即/>

轴）之间的距离为/>

，第一纳米结构100的相位/>

与/>

之间的关系具有单调性。例如，二者之间的关系是单调递增的，即第一纳米结构100与第一轴线101之间的距离/>

越大，该第一纳米结构100的相位/>

越大；或者，二者之间的关系是单调递减的，即第一纳米结构100与第一轴线101之间的距离/>

越大，该第一纳米结构100的相位/>

越小。图2以纳米结构的截面为圆形为例示出，且不同相位的纳米结构，其具有不同的尺寸；如图2所示，多个第一纳米结构100关于第一轴线101对称，使得多个第一纳米结构100所形成的相位分布（即第一区域10的相位分布）关于该第一轴线101对称，且在该第一轴线101的任一侧（如图2的上侧或下侧），第一纳米结构100的相位逐渐增大或者逐渐减小。

入射至该超透镜的光斑，经该超透镜第一纳米结构100和第二纳米结构200进行相位调制后，可以生成十字线光束；如图1所示，高斯光束的光斑入射至该超透镜后，该超透镜可以将该高斯光束转换为十字线光束，图1示出了高斯光束和十字线光束截面的光强分布。其中，入射至超透镜2的光斑覆盖至少部分第一区域10和至少部分第二区域20，第一区域10能够将所入射的光斑转换为某个方向的一字光线，第二区域20能够将所入射的光斑转换至为另一个方向的一字光线，两个一字光线方向垂直，从而叠加形成十字线光束。

为方便解释，以入射至超透镜的光斑是平行光为例，该超透镜的工作原理具体如下：

平行的光束入射至超透镜，其中一部分光束入射至第一区域10，另一部分光束入射至第二区域20。对于入射至第一区域10的光束，由于第一区域10的相位分布关于第一轴线101（

轴）对称，且具有单调性，则在/>

轴方向上，第一纳米结构100的相位呈先增大后减小（或者，先减小后增大）的趋势，这种相位梯度可以为光束提供/>

轴方向上的偏折，使得平行的光束偏折为沿/>

轴分布的光束；例如，在/>

轴方向上，平行的光束经过第一区域10后，可以被调整为扩束的光束，或者被调整为先聚焦后扩束的光束，从而在/>

轴方向上被扩束。而在/>

轴方向上，第一区域10对光束的调制效果较弱，经过第一区域10后的光束在/>

轴方向上仍然为平行光。因此，平行的光束经过第一区域10后，可以被调制为沿/>

轴方向的一字线光束，即该一字线光束平行于/>

轴。类似地，平行的光束经过第二区域20后，可以被调制为沿/>

轴方向的一字线光束，即该一字线光束平行于/>

轴，两个一字线光束叠加即可形成十字线光束。

本发明实施例提供的一种超透镜，划分有第一区域10和第二区域20，且两个区域内的纳米结构分别沿相互垂直的轴线对称分布，使得第一区域10和第二区域20的相位分布关于垂直的轴线对称，第一区域10和第二区域20可以为入射光束提供不同方向的光焦度，使得入射光束实现不同方向的偏折，从而形成不同方向的一字线光束，进而可以叠加形成十字线光束。该超透镜为单片式结构，结构简单，不需要传统双光路或双柱透镜方案中复杂的分光、合束操作，不存在多器件组合的装配问题，能够避免复杂的机械结构，降低了十字线生成装置的复杂度；且超透镜本身具有轻薄、可小型化、易集成的优势，此外，超透镜的相位分布可以只在一个方向上变化，相位设计简单，易于实现。

可选地，如图2所示，第一区域10与第二区域20之间存在分界线301，利用分界线301将基底300划分出第一区域10与第二区域20。为了能够生成比较均匀的十字线光束，该分界线301与第一轴线101或第二轴线201之间具有一定的夹角，本发明实施例中，该夹角在30°至60°之间。可选地，如图2所示，该夹角为45°。在这种情况下，第一区域10与第二区域20整体的相位分布（例如，超透镜整体的相位分布）可以看作是关于分界线301对称的；而向超透镜入射关于分界线301对称的光斑，这是比较容易实现的，此时，第一区域10和第二区域20对光束的调制程度基本相似，所生成的十字线光束比较均匀。

可选地，第一轴线101与第二轴线201的交点位于基底300的中间位置，且第一区域10与第二区域20之间的分界线301经过该交点。即，第一轴线101、第二轴线201、分界线301三者共交点，且该交点位于基底300的中间位置。例如，如图2所示，若超透镜为圆形，三者的交点可以为圆心。在向该超透镜入射光束时，所投射的光束的中心可以与该超透镜的中心重叠；或者，也可基于实际情况确定所投射光束的中心位置，例如，若超透镜的相位分布如图2所示，且以圆形光斑照射该超透镜，为能够形成比较均匀的十字线光束，该圆形光斑的圆心可以设置在分界线301（即对角线）上，且位于该分界线301的偏左下位置，即该圆形光斑的圆心向左下方偏离该超透镜圆心一定距离，该距离大小与该圆形光斑的半径有关。

其中，本发明实施例对超透镜的形状不做限定。例如，如图2所示，该超透镜可以为圆形；或者，如图3所示，该超透镜也可以为方形。可选地，如图3所示，若基底300为方形，可以将基底300的对角线作为第一区域10与第二区域20之间的分界线301。

可选地，第一区域10和第二区域20可以是被一条分界线301划分出的两个区域。如图2和图3所示，超表面被一条分界线301划分为两个区域，其中一个区域作为第一区域10，另一个区域作为第二区域20。

或者，第一区域10和第二区域20是被两条分界线301划分出的区域，且第一区域10和第二区域20均包含两个不相邻的区域；两条分界线301相互垂直。如图4和图5所示，超表面被两条分界线301划分为四个区域，其中两个不相邻区域作为第一区域10，另外两个不相邻的区域作为第二区域20。

本发明实施例中，用于划分超表面的两条分界线301也均经过第一轴线101与第二轴线201的交点；例如，参见图4和图5所示，在基底300为方形的情况下，可以将两条对角线均作为分界线301。为方便描述，在图4和图5中，仍然将水平的第一轴线101作为

轴，将竖直的第二轴线201作为/>

轴。

如图4所示，超透镜被两条分界线301分为上下左右四个区域，左右两个不相邻的区域为第一区域10，上下两个不相邻的区域为第二区域20。如图4所示，左右两个区域均关于第一轴线101（即

轴）对称，上下两个区域均关于第二轴线201（即/>

轴）对称，四个区域中的每个区域中纳米结构的相位分布均呈先增大后减小（或者，先减小后增大）的趋势。

如图5所示，超透镜被两条分界线301分为上下左右四个区域，上下两个不相邻的区域为第一区域10，左右两个不相邻的区域为第二区域20。如图5所示，上下两个区域整体关于第一轴线101（即

轴）对称，左右两个区域整体关于第二轴线201（即/>

轴）对称，四个区域中的每个区域中纳米结构的相位分布均是单调的；例如，上区域中的第一纳米结构100，其距离第一轴线101越远，相位越大（或越小）。

本发明实施例中，第一纳米结构100的相位随第一纳米结构100到第一轴线101的距离的变化率（例如，相位梯度），大于第一纳米结构100的相位随第一纳米结构100到第二轴线201的距离的变化率（例如，相位梯度）；例如，随着第一纳米结构100到第二轴线201的距离发生变化，第一纳米结构100的相位梯度不变，即与第一轴线101之间距离相同的多个第一纳米结构100，具有相同的相位梯度。类似地，第二纳米结构200的相位随第二纳米结构200到第二轴线201的距离的变化率（例如，相位梯度），大于第二纳米结构200的相位随第二纳米结构200到第一轴线101的距离的变化率（例如，相位梯度）；例如，随着第二纳米结构200到第一轴线101的距离发生变化，第二纳米结构200的相位梯度不变，即与第二轴线201之间距离相同的多个第二纳米结构200，具有相同的相位梯度。

如图2至图5所示，本发明实施例中，与第一轴线101之间距离相同的第一纳米结构100，其

轴坐标相同，即图2中水平方向排列的一排第一纳米结构100，其相位梯度是相同的，例如，一排第一纳米结构100的相位是相同的。与第二轴线201之间距离相同的多个第二纳米结构200，其/>

轴坐标相同，即图2中竖直方向排列的一列第二纳米结构200，其相位梯度也是相同的，例如，一列第二纳米结构200的相位是相同的。在这种情况下，第一区域10对入射的光束在/>

轴方向上基本没有调制效果，而在/>

轴方向上可以提供光焦度，利用两个方向上不同的调制效果，从而可以生成一字线光束，且所生成的一字线光束比较均匀；同样地，第二区域20也可以比较均匀地生成另一个方向的一字线光束，最终叠加形成十字线光束。

可选地，在第一轴线101的两侧，第一区域10的相位分布可以是单调递减的，该第一区域10的相位分布可以满足：

（1）

或者，在第一轴线101的两侧，第一区域10的相位分布可以是单调递增的，该第一区域10的相位分布可以满足：

（2）

类似地，在第二轴线201的两侧，第二区域20的相位分布可以是单调递减的，该第二区域20的相位分布可以满足：

（3）

或者，在第二轴线201的两侧，第二区域20的相位分布可以是单调递增的，该第二区域20的相位分布可以满足：

（4）

其中，

表示波长，例如超透镜需要调制的入射光束的波长；/>

表示第一纳米结构100与第二轴线201之间的距离，/>

表示第一纳米结构100与第一轴线101之间的距离，/>

表示第一纳米结构100的相位，/>

表示第一区域10的焦距；/>

表示第二纳米结构200与第二轴线201之间的距离，/>

表示第二纳米结构200与第一轴线101之间的距离，/>

表示第二纳米结构200的相位，/>

表示第二区域20的焦距。一般情况下，第一区域10与第二区域20的焦距可以是相同的，即/>

。

本发明实施例中，第一区域10的相位分布可以满足上式（1）或上式（2），第二区域20的相位分布可以满足上式（3）或上式（4）；并且，一般情况下，第一区域10和第二区域20可以具有相似的变化趋势，即，第一区域10的相位分布满足上式（1）、且第二区域20的相位分布可以满足上式（3），或者，第一区域10的相位分布满足上式（2）、且第二区域20的相位分布可以满足上式（4）。

需要说明的是，本发明实施例中“相同的相位梯度”指的是基本相同的相位梯度，即，若多个纳米结构的相位梯度相似或完全相同，均可认为它们具有“相同的相位梯度”。例如，以图2为例，图2中水平方向排列的一排第一纳米结构100的相位是完全相同的，这一排第一纳米结构100的相位梯度（相位差÷位置差）也是完全相同的，均为零，第一区域10的相位分布可以是上式（1）或者上式（2）；或者，图2中水平方向排列的一排第一纳米结构100的相位是相似的，即这一排第一纳米结构100的相位梯度是相似的，该相位梯度接近于零（也可看作此时的相位梯度为零），此时也可形成十字线光束。第二区域20的第二纳米结构200的相位梯度与此相似，此处不做赘述。

本发明实施例提供两种超透镜，一种超透镜的相位分布满足上式（1）至式（4），如下述的第一个至第三个超透镜，另一种超透镜的相位分布与上式（1）至式（4）近似，如下述的第四个至第六个超透镜。

第一个超透镜的相位分布与图3基本一致，且符合上式（1）和上式（3），该超透镜的相位分布情况具体可参见图6中的(a)所示，图6中的(a)示出了边长为0.4mm的方形超透镜的相位分布，以不同的灰度表示相位大小，例如，灰度越浅，相位越大，即距离轴线越近的纳米结构，其相位越大。图6中的(b)示出了该超透镜生成的十字线光束的光强分布图，如图6中的(b)所示，该超透镜可以生成长度约为2米的十字线光束，十字线光束的长度指的是十字线光束中两个相对的端点（例如，左右两个端点，或者上下两个端点）之间的距离。图6中，(a)的横纵坐标为超透镜所在平面的坐标，单位为μm；(b)的横纵坐标为十字线光束所在平面的坐标，单位为m。

第二个超透镜的相位分布与图4基本一致，且符合上式（1）和上式（3），该超透镜的相位分布情况具体可参见图7中的(a)所示，图7中的(a)示出了边长为0.4mm的方形超透镜的相位分布。图7中的(b)示出了该超透镜生成的十字线光束的光强分布图，如图7中的(b)所示，该超透镜可以生成长度约为3米的十字线光束。并且，图8以立体的形式示出了该超透镜的相位分布，该相位分布的形状为十字架形。图7中，(a)的横纵坐标为超透镜所在平面的坐标，单位为μm；(b)的横纵坐标为十字线光束所在平面的坐标，单位为m；图8中的

、/>

轴坐标为超透镜所在平面的坐标，单位为μm，图8中竖直的坐标表示相位值。

第三个超透镜的相位分布与图5基本一致，且符合上式（1）和上式（3），该超透镜的相位分布情况具体可参见图9中的(a)所示，图9中的(a)示出了边长为0.4mm的方形超透镜的相位分布，该相位分布的形状为金字塔形。图9中的(b)示出了该超透镜生成的十字线光束的光强分布图，如图9中的(b)所示，该超透镜可以生成长度约为1米的十字线光束。图9中，(a)的横纵坐标为超透镜所在平面的坐标，单位为μm；(b)的横纵坐标为十字线光束所在平面的坐标，单位为m。

第四个超透镜被一条分界线分为两个区域，其相位分布的示意图可参见图10所示，该超透镜的相位分布情况具体可参见图11中的(a)所示，图11中的(a)示出了边长为0.4mm的方形超透镜的相位分布。图11中的(b)示出了该超透镜生成的十字线光束的光强分布图，如图11中的(b)所示，该超透镜可以生成长度约为1.2米的十字线光束。图11中，(a)的横纵坐标为超透镜所在平面的坐标，单位为μm；(b)的横纵坐标为十字线光束所在平面的坐标，单位为mm。

第五个超透镜被两条分界线分为四个区域，其相位分布的示意图可参见图12所示，该超透镜的相位分布情况具体可参见图13中的(a)所示，图13中的(a)示出了边长为0.4mm的方形超透镜的相位分布。图13中的(b)示出了该超透镜生成的十字线光束的光强分布局部图，如图13中的(b)所示，该超透镜可以生成局部长度为1.6米的十字线光束，该十字线光束的长度至少为1.6米。并且，图14以立体的形式示出了该超透镜的相位分布，该相位分布的形状近似为倒金字塔形。图13中，(a)的横纵坐标为超透镜所在平面的坐标，单位为μm；(b)的横纵坐标为十字线光束所在平面的坐标，单位为mm；图14中的

、/>

轴坐标为超透镜所在平面的坐标，单位为μm，图14中竖直的坐标表示相位值。

第六个超透镜被两条分界线分为四个区域，其相位分布的示意图可参见图15所示，该超透镜的相位分布情况具体可参见图16中的(a)所示，图16中的(a)示出了边长为0.4mm的方形超透镜的相位分布，该相位分布的形状近似为十字架形。图16中的(b)示出了该超透镜生成的十字线光束的光强分布图，如图16中的(b)所示，该超透镜可以生成长度约为0.5米的十字线光束。图16中，(a)的横纵坐标为超透镜所在平面的坐标，单位为μm；(b)的横纵坐标为十字线光束所在平面的坐标，单位为mm。

本发明实施例还提供一种十字线激光仪，参见图17所示，该十字线激光仪包括：激光源1和如上任一实施例提供的超透镜2；该超透镜2位于激光源1的出光侧；激光源1用于向超透镜2发出光斑，入射至超透镜2的光斑覆盖至少部分第一区域以及至少部分第二区域。

如图17所示，激光源1发射的光束（例如，高斯光束）可以直接入射至超透镜2的表面，在超透镜2的作用下，光束穿过超透镜2后可以产生一束十字线光束，即十字线激光。其中，该激光源1可以放置在超透镜2的前焦面附近，光束经过超透镜2后，可以产生宽度基本不变的十字线光束。该激光源1可以是固体激光器、气体激光器或光纤激光器等。

可选地，部分激光器发出的光束的光强分布较差，例如，发光二极管、VCSEL阵列等发出的高斯光束是高阶高斯光束，其光强截面具体表现为类似于“甜甜圈”状，高阶高斯光束的相位波前比较复杂，利用单片超透镜2对入射激光相位波前进行调制的难度相对较大。本发明实施例中，如图18所示，该十字线激光仪，还包括：光束整形器3；光束整形器3设置在激光源1与超透镜2之间，光束整形器3用于将激光源1发出的光束整形为基模高斯光束。在光束整形器3的作用下，入射至超透镜2的光束为基模高斯光束，可以有效降低对入射激光相位波前的调制难度。

可选地，如图18所示，该光束整形器3还用于对激光源1发出的光束进行准直；入射至超透镜2的光束为平行的基模高斯光束，此时超透镜2可以生成宽度基本不变的十字线光束。

或者，如图19所示，该光束整形器3还用于对激光源1发出的光束进行扩束，且扩束后的光束所对应的等效光源位于超透镜2的前焦面。本发明实施例中，经光束整形器3进行扩束的基模高斯光束，可视为由一个理想点光源发出的球面波，通过将这一等效点光源放置在超透镜2的前焦面，可以使得超透镜2的某个区域（例如第一区域10或第二区域20）对一个方向的光束进行准直，对另一个方向的光束进行扩束，从而形成一字线光束，且两个区域（第一区域10和第二区域20）可以形成十字线光束，该十字线光束的宽度也可保持不变。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种超透镜，其特征在于，所述超透镜用于生成十字线光束；所述超透镜包括：基底（300）、多个第一纳米结构（100）和多个第二纳米结构（200）；

多个所述第一纳米结构（100）以第一轴线（101）为对称轴，对称分布在所述基底（300）的第一区域（10）；多个所述第二纳米结构（200）以第二轴线（201）为对称轴，对称分布在所述基底（300）的第二区域（20）；所述第一轴线（101）与所述第二轴线（201）垂直；

所述第一纳米结构（100）与所述第一轴线（101）之间的距离，与所述第一纳米结构（100）的相位之间的关系具有单调性；

所述第二纳米结构（200）与所述第二轴线（201）之间的距离，与所述第二纳米结构（200）的相位之间的关系具有单调性；

与所述第一轴线（101）之间距离相同的全部所述第一纳米结构（100），具有相同的相位梯度；与所述第二轴线（201）之间距离相同的全部所述第二纳米结构（200），具有相同的相位梯度；

所述第一区域（10）用于为入射光束提供第一方向的光焦度，所述第二区域（20）用于为入射光束提供与所述第一方向垂直的第二方向的光焦度。

2.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于，

所述第一区域（10）的相位分布满足：

，或者，/>

；

所述第二区域（20）的相位分布满足：

，或者，/>

；

其中，

表示波长，/>

表示所述第一纳米结构（100）与所述第二轴线（201）之间的距离，

表示所述第一纳米结构（100）与所述第一轴线（101）之间的距离，/>

(/>

)表示所述第一纳米结构（100）的相位，/>

表示所述第一区域（10）的焦距；/>

表示所述第二纳米结构（200）与所述第二轴线（201）之间的距离，/>

表示所述第二纳米结构（200）与所述第一轴线（101）之间的距离，/>

表示所述第二纳米结构（200）的相位，/>

表示所述第二区域（20）的焦距。

3.根据权利要求2所述的超透镜，其特征在于，

。

4.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于，所述第一区域（10）与所述第二区域（20）之间的分界线（301），与所述第一轴线（101）或所述第二轴线（201）之间的夹角在30°至60°之间。

5.根据权利要求4所述的超透镜，其特征在于，所述第一轴线（101）与所述第二轴线（201）的交点位于所述基底（300）的中间位置，且所述第一区域（10）与所述第二区域（20）之间的分界线（301）经过所述交点。

6.根据权利要求5所述的超透镜，其特征在于，

所述第一区域（10）和所述第二区域（20）是被一条分界线（301）划分出的两个区域；

或者，所述第一区域（10）和所述第二区域（20）是被两条分界线（301）划分出的两个区域，所述第一区域（10）和所述第二区域（20）均包含两个不相邻的区域；所述两条分界线（301）相互垂直。

7.根据权利要求5所述的超透镜，其特征在于，所述基底（300）为方形，且所述基底（300）的对角线为所述第一区域（10）与所述第二区域（20）之间的分界线（301）。

8.根据权利要求4所述的超透镜，其特征在于，所述分界线（301）与所述第一轴线（101）之间的夹角为45°或所述分界线（301）与所述第二轴线（201）之间的夹角为45°。

9.一种十字线激光仪，其特征在于，包括：激光源（1）和如权利要求1至8任意一项所述的超透镜（2）；所述超透镜（2）位于所述激光源（1）的出光侧；

所述激光源（1）用于向所述超透镜（2）发出光斑，入射至所述超透镜（2）的光斑覆盖至少部分第一区域以及至少部分第二区域。

10.根据权利要求9所述的十字线激光仪，其特征在于，还包括：光束整形器（3）；

所述光束整形器（3）设置在所述激光源（1）与所述超透镜（2）之间，所述光束整形器（3）用于将所述激光源（1）发出的光束整形为基模高斯光束。

11.根据权利要求10所述的十字线激光仪，其特征在于，所述光束整形器（3）还用于对所述激光源（1）发出的光束进行准直；

或者，所述光束整形器（3）还用于对所述激光源（1）发出的光束进行扩束，且扩束后的光束所对应的等效光源位于所述超透镜（2）的前焦面。

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