基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构

技术领域

本公开涉及微纳光学技术领域，尤其涉及一种基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构。

背景技术

超表面是一种由亚波长单元构成的二维平面结构，能够实现对入射光的振幅、相位、偏振等灵活的调控，具有强大的光场操控能力，能够满足光学系统的集成化、小型化、轻量化，但是存在其二维平面结构克服超材料三维结构加工难度大等问题。

在成像设备中，色差的存在导致透镜无法将不同波长的光聚焦到同一平面上，进而出现成像模糊及颜色失真的现象，一直是困扰研究人员的一大问题，因此如何在显示应用中消除色差实现彩色成像至关重要。

最近几年，人们通过多种特殊的手段实现超透镜的消色差成像，例如通过利用垂直方向的自由度，通过双层超表面结构设计来实现RGB消色差超透镜；或者通过几何相位(P-B相位)和传输相位相结合的方式实现可见光波段宽度消色差聚集；或者通过空间分区或者空间交错来实现消色差成像等等。但是，上述实现超透镜的消色差成像的技术手段都是基于传输相位原理设计的，或者是传输相位原理与几何相位原理相结合设计的，至今未出现单独基于几何相位原理的红绿蓝(RGB)消色差超透镜。

目前，消色差超透镜的研究主要集中在传输相位原理，基于传输相位原理超透镜的单元结构尺寸差异大，结构尺寸变化类型多，需要采用复杂结构才能实现消色差，并且不同尺寸刻蚀速率不同使得阵列结构难以实现大面积，也难以保证阵列结构的工艺一致性。

而基于几何相位原理实现RGB消色差的超透镜，具有结构简单、工艺易于控制、利于大面积制造的优点，在实际应用中，结构简单和工艺易于控制对超透镜至关重要，因此研究基于几何相位原理的结构简单和工艺易于实现的消色差超透镜具有重要的科学意义以及实用价值，在数字成像系统、虚拟现实显示、高分辨率显微镜等领域具有应用前景。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构，以解决现有基于传输相位原理的消色差超透镜结构复杂、工艺难度大和难以实现大面积的问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构，包括：支撑基底；形成于该支撑基底上的隔离层；以及形成于该隔离层上的超透镜结构材料层；其中，该超透镜结构材料层分布有由多个空间交错小型阵列单元以周期性排布形式构成的超透镜空间交错复用阵列，每个空间交错小型阵列单元包括三种基于空间交错复用并满足几何相位原理的纳米结构单元小阵列，这三种基于空间交错复用并满足几何相位原理的纳米结构单元小阵列的焦距或焦点一致，能够实现对入射光束的消色差聚焦。

上述方案中，在这三种基于空间交错复用并满足几何相位原理的纳米结构单元小阵列中，第一种纳米结构单元小阵列满足几何相位原理，用于对RGB入射光中的蓝光B进行聚焦，且将蓝光B聚焦到设计焦距位置；第二种纳米结构单元小阵列也满足几何相位原理，用于对RGB入射光中的绿光G进行聚焦，且将绿光G聚焦到设计焦距位置；第三种纳米结构单元小阵列也满足几何相位原理，用于对RGB入射光中的红光R进行聚焦，且将红光R聚焦到设计焦距位置；当RGB入射光入射该RGB消色差超透镜结构时，这三种纳米结构单元小阵列的出射焦斑的焦距f均相同，从而实现RGB消色差功能，并且由于这三种纳米结构单元小阵列在空间交错小型阵列单元中是交错排布的，在该RGB消色差超透镜结构的各个空间交错小型阵列单元内也能实现消色差功能。

上述方案中，该RGB消色差超透镜结构的相位分布满足以下条件：

其中，

上述方案中，所述第一种纳米结构单元小阵列、所述第二种纳米结构单元小阵列和所述第三种纳米结构单元小阵列组成所述空间交错小型阵列单元，再由多个所述空间交错小型阵列单元以周期性排布形式构成所述超透镜空间交错复用阵列，所述空间交错小型阵列单元和所述超透镜空间交错复用阵列都满足几何相位原理，而且所述空间交错小型阵列单元内部结构满足焦距f相同，各个不同位置空间交错小型阵列单元也满足焦距f相同，因此各空间交错小型阵列单元构成的所述超透镜空间交错复用阵列的三种RGB波长的焦距f也相同，因此该RGB消色差超透镜结构能够实现消色差聚焦。

上述方案中，在所述第一种纳米结构单元小阵列、所述第二种纳米结构单元小阵列和所述第三种纳米结构单元小阵列中，各纳米结构单元的剖面采用长方形纳米柱、椭圆形纳米柱、长方形纳米孔或椭圆形纳米孔中的至少一种。

上述方案中，所述各纳米结构单元中纳米柱采用的材料或纳米孔的外部材料是采用可见光材料，所述可见光材料包括高折射率介质材料、高介电常数的可见光波段介质材料或半导体材料。可选地，所述高折射率介质材料采用Si、SiN、SiO

上述方案中，所述第一种纳米结构单元小阵列、所述第二种纳米结构单元小阵列和所述第三种纳米结构单元小阵列中的纳米结构单元采用的形状或尺寸相同或不同，通过改变纳米柱或纳米孔的方向来改变纳米结构单元相位的几何相位原理实现消色差聚焦。

上述方案中，所述第一种纳米结构单元小阵列、所述第二种纳米结构单元小阵列和所述第三种纳米结构单元小阵列中的纳米结构单元是通过满足各自相位旋转方向的几何相位原理对入射光的相位进行调制，使焦距或焦点一致，从而实现对入射光束的消色差聚焦。

上述方案中，所述支撑基底系采用介质材料，包括Si、GaAs、透明玻璃、石英玻璃或蓝宝石。

上述方案中，所述隔离层系采用氧化铝、氮化镓、二氧化铪或二氧化钛。

根据本公开的另一个方面，提供了一种电子设备，包括所述的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构。

根据本公开的再一个方面，提供了所述的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构在数字成像系统、虚拟现实显示和高分辨率显微镜中的应用。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构，至少具有以下有益效果：

1、本公开提供的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构，在超透镜结构材料层分布有由多个空间交错小型阵列单元以周期性排布形式构成的超透镜空间交错复用阵列，每个空间交错小型阵列单元包括三种基于空间交错复用并满足几何相位原理的纳米结构单元小阵列，这三种基于空间交错复用并满足几何相位原理的纳米结构单元小阵列的焦距或焦点一致，能够实现对RGB入射光束的消色差聚焦，进而实现对入射光束的消色差聚焦，具有工艺简单、设计简单、利于大面积制造的优点，解决了现有基于传输相位原理的消色差超透镜结构复杂、工艺难度大和难以实现大面积的问题。

2、本公开提供的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构，第一种纳米结构单元小阵列、第二种纳米结构单元小阵列和第三种纳米结构单元小阵列组成空间交错小型阵列单元，再由多个空间交错小型阵列单元以周期性排布形式构成超透镜空间交错复用阵列，所述空间交错小型阵列单元和所述超透镜空间交错复用阵列都满足几何相位原理，而且所述空间交错小型阵列单元内部结构满足焦距f相同，各个不同位置空间交错小型阵列单元也满足焦距f相同，因此各空间交错小型阵列单元构成的所述超透镜空间交错复用阵列的三种RGB波长的焦距f也相同，因此该RGB消色差超透镜结构能够实现消色差聚焦。

3、本公开提供的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构，由于采用的原理是几何相位原理，超透镜结构具有透过率一致、结构尺寸一致的特点，因此能够实现较大的相位改变，简化了超透镜的结构，具有易于加工制备的优点，解决了仅使用几何相位原理不能实现消色差的问题，有利于实现高性能、工艺兼容性较佳的消色差超透镜。

4、本公开提供的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构，是基于几何相位原理的空间交错复用纳米孔阵列超透镜结构，能够以透射方式实现RGB消色差聚焦，有利于实现P-B相位原理的光透射聚焦，有利于器件与集成光学系统的结合。

5、本公开提供的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构，具有工艺简单、设计简单、利于大面积制造的优点，可广泛应用于材料科学、彩色成像和纳米技术等领域，在数字成像系统、虚拟现实显示和高分辨率显微镜中那样广泛的应用。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本公开以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本公开的一部分，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定，在附图中：

图1为依照本公开实施例的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构的俯视示意图；

图2为依照本公开实施例的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构的光路图；

图3a是依照本公开实施例的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构中第一种纳米结构单元小阵列针对488nm蓝光聚焦的超透镜单元结构相位随角度变化关系图；

图3b是依照本公开实施例的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构中第二种纳米结构单元小阵列针对532nm绿光聚焦的超透镜单元结构相位随角度变化关系图；

图3c是依照本公开实施例的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构中第二种纳米结构单元小阵列针对633nm红光聚焦的超透镜单元结构相位随角度变化关系图；

图4为依照本公开实施例的在RGB波长光入射下基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构归一化的聚焦焦斑图，其中a是488纳米波长光入射下超透镜归一化的聚焦焦斑图，b是532纳米波长光入射下超透镜归一化的聚焦焦斑图，c是633纳米波长光入射下超透镜归一化的聚焦焦斑图，白色虚线表示设计焦距f＝50μm。

附图标记：

1.第一种纳米结构单元小阵列；2.第二种纳米结构单元小阵列；3.第三种纳米结构单元小阵列；

4.隔离层；5.未刻蚀的超透镜结构材料层；6.RGB消色差超透镜中空间交错小型阵列单元；7.支撑基底；

8.RGB入射光，9.出射蓝光；10.出射绿光；11.出射红光；12.聚焦平面。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包括”或“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”并不排除存在多个这样的元件。

为了解决现有基于传输相位原理的消色差超透镜结构复杂、工艺难度大和难以实现大面积的问题，本公开提供了一种基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构，如图1和图2所示，图1为依照本公开实施例的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构的俯视示意图，图2为依照本公开实施例的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构的光路图，该RGB消色差超透镜结构包括：支撑基底7；形成于该支撑基底7上的隔离层4；以及形成于该隔离层4上的超透镜结构材料层；其中，该超透镜结构材料层分布有由多个空间交错小型阵列单元6以周期性排布形式构成的超透镜空间交错复用阵列，每个空间交错小型阵列单元6包括三种基于空间交错复用并满足几何相位原理的纳米结构单元小阵列，这三种基于空间交错复用并满足几何相位原理的纳米结构单元小阵列的焦距或焦点一致，能够实现对RGB入射光8的消色差聚焦。

根据本公开实施例，如图1和图2所示，在这三种基于空间交错复用并满足几何相位原理的纳米结构单元小阵列中，第一种纳米结构单元小阵列1满足几何相位原理，用于对RGB入射光8中的蓝光B进行聚焦，且将蓝光B聚焦到设计焦距位置；第二种纳米结构单元小阵列2也满足几何相位原理，用于对RGB入射光8中的绿光G进行聚焦，且将绿光G聚焦到设计焦距位置；第三种纳米结构单元小阵列3也满足几何相位原理，用于对RGB入射光8中的红光R进行聚焦，且将红光R聚焦到设计焦距位置；当RGB入射光8入射该RGB消色差超透镜结构时，这三种纳米结构单元小阵列的出射焦斑的焦距f均相同，即出射蓝光9、出射绿光10和出射红光11的焦距f均位于聚焦平面12，从而实现RGB消色差功能，并且由于这三种纳米结构单元小阵列在空间交错小型阵列单元6中是交错排布的，在该RGB消色差超透镜结构的各个空间交错小型阵列单元6内也能实现消色差功能。

根据本公开实施例，如图1和图2所示，该RGB消色差超透镜结构的相位分布满足以下条件：

其中，

根据本公开实施例，如图1和图2所示，所述第一种纳米结构单元小阵列1、所述第二种纳米结构单元小阵列2和所述第三种纳米结构单元小阵列3组成所述空间交错小型阵列单元6，再由多个所述空间交错小型阵列单元6以周期性排布形式构成所述超透镜空间交错复用阵列，所述空间交错小型阵列单元6和所述超透镜空间交错复用阵列都满足几何相位原理，而且所述空间交错小型阵列单元6内部结构满足焦距f相同，各个不同位置空间交错小型阵列单元6也满足焦距f相同，因此各空间交错小型阵列单元6构成的所述超透镜空间交错复用阵列的三种RGB波长的焦距f也相同，因此该RGB消色差超透镜结构能够实现消色差聚焦。

根据本公开实施例，在所述第一种纳米结构单元小阵列1、所述第二种纳米结构单元小阵列2和所述第三种纳米结构单元小阵列3中，各纳米结构单元的剖面采用长方形纳米柱、椭圆形纳米柱、长方形纳米孔或椭圆形纳米孔中的至少一种，其中纳米柱采用的材料或纳米孔的外部材料是采用可见光材料，可见光材料包括高折射率介质材料、高介电常数的可见光波段介质材料或半导体材料。可选地，高折射率介质材料可以采用Si、SiN、SiO

根据本公开实施例，所述第一种纳米结构单元小阵列1、所述第二种纳米结构单元小阵列2和所述第三种纳米结构单元小阵列3中的纳米结构单元，采用的形状或尺寸可以相同，也可以不同。

根据本公开实施例，所述第一种纳米结构单元小阵列1、所述第二种纳米结构单元小阵列2和所述第三种纳米结构单元小阵列3中的纳米结构单元，是通过满足各自相位旋转方向的几何相位原理对入射光的相位进行调制，使焦距或焦点一致，即出射蓝光9、出射绿光10和出射红光11的焦距f均位于聚焦平面12，从而实现对RGB入射光8的消色差聚焦。

根据本公开实施例，所述支撑基底是采用介质材料，该介质材料可以是Si、GaAs、透明玻璃、石英玻璃或蓝宝石等。

根据本公开实施例，所述隔离层是采用氧化铝、氮化镓、二氧化铪或二氧化钛等。

在本公开一个实施例中，以石英玻璃为支撑基底，氧化铝(Al

具体地，在选择针对蓝光488nm，绿光532nm，红光633nm作为超透镜工作的波长，根据实际需求设置整个超透镜的焦距f，本实施例中超透镜的焦距设置为50μm。根据纳米孔结构单元阵列的聚焦要求，本实施例提供的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构的相位分布满足以下条件：

在公式1中，

在本实施例中，第一种纳米结构单元小阵列1、第二种纳米结构单元小阵列2和第三种纳米结构单元小阵列3的位置起始坐标均设置为原点，即x

本实施例提供的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构，通过调节纳米结构单元的方向可以实现相位变化。纳米结构单元的剖面是满足几何相位原理的纳米结构，例如长方形纳米柱或长方形纳米孔、椭圆形纳米柱或椭圆形纳米孔等。

在本实施例提供的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构中，支撑基底7可以采用介质材料，该介质材料例如是Si、GaAs、透明玻璃、石英玻璃和蓝宝石等。

在本实施例提供的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构中，超透镜结构材料层中纳米柱采用的材料或纳米孔的外部材料可以采用可见光材料，该可见光材料包括高折射率介质材料、高介电常数的可见光波段介质材料或半导体材料。可选地，高折射率介质材料是采用Si、SiN、SiO

在本实施例提供的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构中，纳米结构单元是采用纳米柱，纳米柱的剖面为长方形SiN纳米柱，该RGB消色差超透镜结构的俯视图如图1所示，整个超透镜结构由交错的三种纳米结构单元组成，其中第一种长方形纳米柱单元针对蓝光进行聚焦，第二种长方形纳米柱单元针对绿光进行聚焦，第三种长方形纳米柱单元针对红光进行聚焦。9个小纳米结构组成RGB消色差超透镜的空间交错小型阵列单元。在图1中，1.第一种长方形纳米柱单元小阵列，2.第二种长方形纳米柱单元小阵列，3.第三种长方形纳米柱单元小阵列，4.隔离层(例如氧化铝)，5.未刻蚀的超透镜结构材料层(例如氮化硅)，6.RGB消色差超透镜中空间交错小型阵列单元。

在本实施例提供的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构中，第一种纳米结构单元小阵列1、第二种纳米结构单元小阵列2和第三种纳米结构单元小阵列3，可以采用相同结构参数的单元结构，也可采用不同结构参数的单元结构。本实施例中，RGB消色差超透镜中蓝光聚焦阵列由旋转的长度为L1＝220nm，宽度为W1＝140nm，高度为H＝400nm的长方形纳米柱组成，其相位随着旋转角θ的变化关系如图3a所示。RGB消色差超透镜中绿光聚焦阵列由旋转的长度为L2＝240nm，宽度为W2＝110nm，高度为H＝400nm的长方形纳米柱组成，其相位随着旋转角θ的变化关系如图3b所示。RGB消色差超透镜中红光聚焦区域由旋转的长度为L3＝250nm，宽度为W3＝140nm，高度为H＝400nm的长方形纳米柱组成，其相位随着旋转角θ的变化关系如图3c所示。

图3a、图3b、图3c中三种长方形纳米柱结构的相位与旋转角均满足：相位是旋转角的二倍关系，所选取的三种长方形纳米柱均满足几何相位原理。

在本实施例中，基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构应满足的相位公式(即公式1)与图3a-图3c所示相位和氮化硅柱单元旋转角的对应关系，通过matlab等数据处理软件，进行理想相位和氮化硅柱单元能提供的实际相位进行匹配，并通过氮化硅柱单元的相位和旋转角对应关系(图3a-图3c所示)，进一步可以确定基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构上氮化硅柱阵列中每一个纳米柱单元结构中心在超表面层结构上的位置坐标和旋转角，完成如图1所示的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构的氮化硅阵列排布。

根据上述理论设计的仿真分析，本实施例提供的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构，在RGB波长光入射下，超透镜归一化的聚焦焦斑图如图4所示。其中图中白色虚线表示设计焦距f＝50μm。在(a)蓝光488nm，(b)绿光532nm，(c)红光633nm入射下，超透镜均能将光聚焦到设计焦距处(设计焦距f＝50μm)，即图4中白色虚线所示位置，进一步验证了本实施例超透镜具有RGB三波长消色差能力。

由此可见，本公开实施例提供的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构，在超透镜结构材料层分布有由多个空间交错小型阵列单元以周期性排布形式构成的超透镜空间交错复用阵列，每个空间交错小型阵列单元包括三种基于空间交错复用并满足几何相位原理的纳米结构单元小阵列，这三种基于空间交错复用并满足几何相位原理的纳米结构单元小阵列的焦距或焦点一致，能够实现对入射光束的消色差聚焦，进而实现对入射光束的消色差聚焦，具有工艺简单、设计简单、利于大面积制造的优点，解决了现有基于传输相位原理的消色差超透镜结构复杂、工艺难度大和难以实现大面积的问题。

本公开实施例提供的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构，第一种纳米结构单元小阵列、第二种纳米结构单元小阵列和第三种纳米结构单元小阵列组成空间交错小型阵列单元，再由多个空间交错小型阵列单元以周期性排布形式构成超透镜空间交错复用阵列，所述空间交错小型阵列单元和所述超透镜空间交错复用阵列都满足几何相位原理，而且所述空间交错小型阵列单元内部结构满足焦距f相同，各个不同位置空间交错小型阵列单元也满足焦距f相同，因此各空间交错小型阵列单元构成的所述超透镜空间交错复用阵列的三种RGB波长的焦距f也相同，因此该RGB消色差超透镜结构能够实现消色差聚焦。

本公开的另一方面提供了一种电子设备，包括所述的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构。该电子设备可以是数字成像系统、虚拟现实显示和高分辨率显微镜领域的成像电子设备、显示电子设备等，具体可以为相机、显微镜、望远镜和VR/AR等成像或显示设备，具有大视场高质量成像效果，同时可以兼有集成化、小型化、轻量化和稳定的结构性能。

进一步地，依照本公开实施例的基于空间交错复用几何相位原理的RGB消色差超透镜结构，具有工艺简单、设计简单、利于大面积制造的优点，可广泛应用于数字成像系统、虚拟现实显示和高分辨率显微镜等领域中。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。