CN217279003U - 基于超表面的频域滤波器及光学4f系统及光学模组 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种基于超表面的频域滤波器及光学4f系统及光学模组，包括阵列设置的多个工作单元，所述工作单元包括基板和超表面结构；所述超表面结构包括至少一个结构单元，所述结构单元包括设置在基板表面的纳米结构。其中的光学4f系统及其晶圆封装模组，包括物方超表面阵列，靠近光学系统中的物方设置；像方超表面阵列，靠近光学系统中的像方设置；基于超表面的频域滤波器，设置在所述物方超表面阵列和像方超表面阵列之间。用超表面实现的频域滤波器体积小，响应快；基于全超表面的光学4f系统可以做成阵列，解决传统4f系统色差大的问题且可以对输入图像同时进行不同的图像处理；晶圆级封装的对准精度高，校准难度小。
Description
技术领域
本申请涉及一种基于超表面的频域滤波器，及设置有这种频域滤波器的光学4f系统及光学模组。
背景技术
光学4f系统是一种特殊的，应用较广的光学系统，当输入两束相干的偏振光时，经过特殊的光学装置，余弦光栅，变换平面等，使输入的光在屏幕上产生衍射谱。精密的横向移动余弦光栅，可以连续的改变两束光的衍射级数的相位差，达到衍射光强相减或相加的目的。两个焦距为f的透镜相距2f，物距和像距均为f，故称之为4f系统。现有光学镜片通过厚度的渐变来引入光程差，厚度、重量大，对准的难度高，校准复杂，很难做成阵列，不易集成。
实用新型内容
针对上述技术问题，本申请第一方面提供了一种基于超表面的频域滤波器，包括如下技术方案：
基板；
在所述基板上设置的至少一个工作单元，所述工作单元包括超表面结构；
所述超表面结构包括至少一个结构单元，所述结构单元包括设置在基板表面的纳米结构，通过所述结构单元的相应的排布，所述频域滤波器能够实现针对不同频率的滤波。
优选地，所述基板上设置有多个工作单元，并且所述多个工作单元阵列排布。
优选地，所述多个工作单元相同地构成。
优选地，所述多个工作单元不同地构成。
优选地，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。
优选地，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。
优选地，所述纳米结构为偏振相关结构或偏振无关结构；
其中，所述偏振相关结构包括纳米鳍或纳米椭圆柱，所述偏振无关结构包括纳米圆柱或纳米方柱。
本申请第二方面提供一种基于超表面的光学4f系统，包括：
物方超透镜，靠近光学系统中的物方设置并且包括至少一个物方工作单元；
像方超透镜，靠近光学系统中的像方设置并且包括至少一个像方工作单元；
如本申请第一方面任一项所述的基于超表面的频域滤波器，设置在所述物方超透镜和像方超透镜之间；
其中，所述物方工作单元和像方工作单元均包括超表面结构，所述超表面结构包括至少一个结构单元，所述结构单元包括设置在基板表面的纳米结构。
优选地，所述物方与物方超透镜的距离、物方超透镜与所述基于超表面的频域滤波器之间的距离、所述基于超表面的频域滤波器与像方超透镜之间的距离、像方超透镜与像方的距离相等。
优选地，所述物方超透镜包括多个物方工作单元，所述像方超透镜包括多个像方工作单元；
其中，所述基于超表面的频域滤波器的工作单元、物方工作单元、像方工作单元一一对应，分别组成各自的光学4f系统。
优选地，所述物方超透镜通过其上结构单元的相应的排布，能够实现对物方图像信息的平面波进行傅里叶变换；所述像方超透镜通过其上结构单元的相应的排布，能够实现逆傅里叶变换以还原处理过的物方图像清晰的像。
优选地，所述物方超透镜与基于超表面的频域滤波器之间
和/或
所述像方超透镜与基于超表面的频域滤波器之间为间隔层；
所述间隔层填充空气或对工作波段透明的物质。
本申请第三方面提供一种晶圆级封装的光学模组，包括如前述任一项所述的基于超表面的光学4f系统。
本申请技术方案的有益效果是：用超表面实现的频域滤波器体积小，响应快，基于半导体工艺制作的超表面相比传统透镜对中精度更高；基于全超表面的光学4f系统可以做成阵列，解决传统4f系统色差大的问题且可以对输入图像同时进行不同的图像处理；晶圆级封装的对准精度高，校准难度小。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
图1为现有技术中的光学4f系统简图；
图2为现有技术中基于渐变折射率材料的4f系统示意图；
图3为本申请技术方案中基于超表面的光学4f系统示意图；
图4为本申请技术方案中基于超表面的频域滤波器中各工作单元分布图；
图5A、图5B、图5C和图5D为本申请技术方案中超表面结构单元示意图，其中：
图5A为正六边形的结构单元示意图；
图5B为正方形的结构单元示意图；
图5C结构单元中纳米柱示意图；
图5D结构单元中纳米鳍示意图；
图6为本申请技术方案中光学4f系统晶圆封装结构示意图；
图7为本申请中频域滤波器处的分布图；
图8A和图8B为本申请一个实施例中的输入、输出图像，其中：
图8A为物方输入图像；
图8B为像方输出图像。
图中标注：1基于超表面的频域滤波器，2物方超透镜，3像方超透镜， 4物方，5像方。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
下面将结合附图和示例性实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1
本实施例提供一种基于超表面的频域滤波器，包括：
阵列设置的多个工作单元，所述工作单元包括基板和超表面结构；
所述超表面结构包括至少一个结构单元，所述结构单元包括设置在基板表面的纳米结构。这种频域滤波器的作用是在光学4f系统中对光波进行如下式的滤波变换：
式中，λ为工作波长，f为焦距。
与现有技术相比，用超表面实现的频域滤波器体积更小，响应更快。
具体的，如图5A，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。
具体的，如图5B，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。
具体的，所述纳米结构可以为偏振相关结构或偏振无关结构；
其中，如图5C和图5D,所述偏振相关结构包括纳米鳍或纳米椭圆柱，所述偏振无关结构包括纳米圆柱或纳米方柱。
实施例2
本实施例提供一种基于超表面的光学4f系统，包括：
物方超透镜，靠近光学系统中的物方设置；
像方超透镜，靠近光学系统中的像方设置；
如前述实施例及其任一项优选实施方式中所述的基于超表面的频域滤波器，设置在所述物方超透镜和像方超透镜之间。
具体的，所述物方与物方超透镜的距离、物方超透镜与所述基于超表面的频域滤波器之间的距离、所述基于超表面的频域滤波器与像方超透镜之间的距离、像方超透镜与像方的距离均相等，上述距离均为f，f为物方超透镜或像方超透镜的焦距。
所述基于超表面的频域滤波器中的超表面结构朝向物方，也可以朝向像方。
具体的，所述物方超透镜和像方超透镜均设置有多个工作单元；其中，所述基于超表面的频域滤波器的工作单元、物方超透镜的工作单元、像方超透镜的工作单元一一对应，组成多组光学4f系统，所述物方超透镜能够对光波进行傅里叶变换，所述像方超透镜能够对光波进行逆傅里叶变换。
具体的，所述物方超透镜与基于超表面的频域滤波器之间和/或所述像方超透镜与基于超表面的频域滤波器之间，设置有间隔层；所述间隔层填充空气或对工作波段透明的物质。本实施例中，该系统的工作波段为可见光 (380～760nm)、近红外、远红外、太赫兹。
具体的，所述物方超透镜和/或像方超透镜包括：基板和基板表面的超表面结构；所述超表面结构包括阵列排布的结构单元；所述结构单元包括多个纳米结构；其中，所述超表面结构设置在所述物方超透镜朝向像方的表面，所述超表面结构设置在所述像方超透镜朝向物方的表面。总之，物方和像方的超表面结构均朝向整体的内侧，其作用是保护其上的超表面结构。
本实施例的工作原理是：
记录物方图像信息的平面波在物方超透镜后方的焦平面(即频域滤波器) 处进行傅里叶变换，经过频域滤波器后，在像方超透镜后方的焦平面(即像方)位置逆傅里叶变换，还原处理过的物方图像清晰的像。
数学上：
经过物方超透镜后f(t)＝F(jw) (Eq-1)
经过频域滤波器后G(w)·F(jw) (Eq-2)
经过像方超透镜后f1(t)＝F-1{G(w)·F(jw)} (Eq-3)
若输出光场信号正比于输入光场信号的微分(用于边缘检测)，即：
一阶微分的傅里叶变换：
对应的逆傅里叶变换：
对比Eq-3和Eq-6可得频域滤波器的滤波函数应为：
式中，λ为工作波长，f为焦距。
对于本实施例的补充说明：
对于物、像方超透镜，及频域滤波器，均可设置不同的多组工作单元，如图4所示，进一步的说，形成多组光学4f系统。可以作为阵列形式，因其加工工艺的特点，适合集成到晶圆中。
本实施例中，各工作单元，包括物、像方超透镜，及频域滤波器，都包含有超表面结构，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。根据纳米结构在不同波长下所需的相位，可在纳米结构数据库中查找相位最接近的纳米结构。实施例中，纳米结构是全介质结构单元，在工作波段具有高透过率，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、非晶硅、晶体硅和氢化非晶硅等。其中纳米结构单元呈阵列排布，所述超表面结构单元为正六边形和/或正方形，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。图5A、图5B、图5C和图5D给出正六边形、正方形的超表面结构单元排布图和纳米结构单元示意图。纳米结构可为偏振相关的结构，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正无关结构，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。
实施例3
本实施例提供一种晶圆级封装的光学模组，包括如前述实施例及其任一项优选实施方式中任一项所述的基于超表面的光学4f系统。该光学4f系统阵列依次包括一层超透镜阵列(物方超透镜)；间隔层(填充介质)；一层频域滤波阵列；间隔层(填充介质)；一层超透镜阵列(像方超透镜)。其中：三层超透镜中的工作单元一一对应，每组构成一个光学4f系统；每个频域滤波单元可以执行不同的功能，基于此的每个光学4f系统可以执行不同的功能，将其做成阵列后可以对物方输入图像同时进行不同的图像处理功能。
实施例4
本实施例提供一个基于超表面的光学4f系统进行图像边缘提取的实施例，下文中，所述第一超表面和第三超表面分别对应其他实施例中的物方超透镜和像方超透镜，第二超表面对应频域滤波阵列或频域滤波器。
第一超表面和第三超表面的焦距相同f＝10mm，边长为2mm。第一超表面使用石英基底，非晶硅纳米柱结构，单元按照正六边形排布，周期为450nm，纳米柱高度600nm。第三超表面使用石英基底，非晶硅纳米柱结构，单元按照正五边形排布，周期为500nm，纳米柱高度550nm。第二超表面频域滤波器边长为2mm。第二超表面使用石英基底，非晶硅纳米柱结构，单元按照正六边形排布，周期为450nm，纳米柱高度500nm。填充介质为空气。物方位于第一超表面前10mm处，像方位于第三超表面后10mm处。工作波段为940nm 的近红外光，将波长和焦距代入Eq-7与Eq-2结合得到频域滤波超表面处的分布如图7所示，当物方输入图像为图8A时，像方的输出图像为图8B。
上述各实施例中，用超表面实现的频域滤波器体积小，响应快；基于全超表面的光学4f系统可以做成阵列，解决传统4f系统色差大的问题且可以对输入图像同时进行不同的图像处理；晶圆级封装的对准精度高，校准难度小。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (13)
1.一种基于超表面的频域滤波器，其特征在于，包括：
基板；
在所述基板上设置的至少一个工作单元，所述工作单元包括超表面结构；
所述超表面结构包括至少一个结构单元，所述结构单元包括设置在基板表面的纳米结构，通过所述结构单元的相应的排布，所述频域滤波器能够实现针对不同频率的滤波。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的频域滤波器，其特征在于，所述基板上设置有多个工作单元，并且所述多个工作单元阵列排布。
3.根据权利要求2所述的基于超表面的频域滤波器，其特征在于，所述多个工作单元相同地构成。
4.根据权利要求2所述的基于超表面的频域滤波器，其特征在于，所述多个工作单元不同地构成。
5.根据权利要求1所述的基于超表面的频域滤波器，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。
6.根据权利要求1所述的基于超表面的频域滤波器，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。
7.根据权利要求1所述的基于超表面的频域滤波器，其特征在于，所述纳米结构为偏振相关结构或偏振无关结构；
其中，所述偏振相关结构包括纳米鳍或纳米椭圆柱，所述偏振无关结构包括纳米圆柱或纳米方柱。
8.一种基于超表面的光学4f系统，其特征在于，包括：
物方超透镜，靠近光学系统中的物方设置并且包括至少一个物方工作单元；
像方超透镜，靠近光学系统中的像方设置并且包括至少一个像方工作单元；
如权利要求1至7中任一项所述的基于超表面的频域滤波器，设置在所述物方超透镜和像方超透镜之间；
其中，所述物方工作单元和像方工作单元均包括超表面结构，所述超表面结构包括至少一个结构单元，所述结构单元包括设置在基板表面的纳米结构。
9.根据权利要求8所述的基于超表面的光学4f系统，其特征在于，所述物方与物方超透镜的距离、物方超透镜与所述基于超表面的频域滤波器之间的距离、所述基于超表面的频域滤波器与像方超透镜之间的距离、像方超透镜与像方的距离相等。
10.根据权利要求8所述的基于超表面的光学4f系统，其特征在于，所述物方超透镜包括多个物方工作单元，所述像方超透镜包括多个像方工作单元；
其中，所述基于超表面的频域滤波器的工作单元、物方工作单元、像方工作单元一一对应，分别组成各自的光学4f系统。
11.根据权利要求8所述的基于超表面的光学4f系统，其特征在于，所述物方超透镜通过其上结构单元的相应的排布，能够实现对物方图像信息的平面波进行傅里叶变换；所述像方超透镜通过其上结构单元的相应的排布，能够实现逆傅里叶变换以还原处理过的物方图像。
12.根据权利要求8所述的基于超表面的光学4f系统，其特征在于，所述物方超透镜与基于超表面的频域滤波器之间
和/或
所述像方超透镜与基于超表面的频域滤波器之间为间隔层；
所述间隔层填充空气或对工作波段透明的物质。
13.一种晶圆级封装的光学模组，其特征在于，包括如权利要求8～12中任一项所述的基于超表面的光学4f系统。
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2022
- 2022-01-27 CN CN202220230244.9U patent/CN217279003U/zh active Active
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