TWM673033U - 超穎透鏡 - Google Patents

Abstract

一種超穎透鏡，包括一基板及多個超穎原子。這些超穎原子分布於基板上，每一超穎原子包括在平行於基板的方向上交叉的兩個相位延遲結構，其中這些超穎原子具有不完全相同的節距與不完全相同的焦距。

Description

超穎透鏡

本新型創作是有關於一種光學元件，且特別是有關於一種超穎透鏡（metalens）。

在過去的幾十年裡，光學透鏡一直是光學系統中不可或缺的元件，其可用於成像、焦聚和調焦等應用。然而，傳統透鏡存在著一些限制，例如厚度和形狀對於成像品質的限制，以及存在對於光場的折射、散射等干擾，這種干擾例如是產生雜光或成像上的鬼影。這些限制導致了在一些應用中的局限性。

隨後，超穎透鏡便被發展出來。然而，一般採用圓形超穎原子（meta-atom）的超穎透鏡所產生的成像的調制轉換函數（modulation transfer function, MTF）仍有改善的空間。

本新型創作提供一種超穎透鏡，其能夠有效提升調制轉換函數值與成像品質。

本新型創作的一實施例提出一種超穎透鏡，包括一基板及多個超穎原子。這些超穎原子分布於基板上，每一超穎原子包括在平行於基板的方向上交叉的兩個相位延遲結構，其中這些超穎原子具有不完全相同的節距（pitch）與不完全相同的焦距。

在本新型創作的實施例的超穎透鏡中，每一超穎原子包括在平行於基板的方向上交叉的兩個相位延遲結構，且這些超穎原子具有不完全相同的節距與不完全相同的焦距。因此，本新型創作的實施例的超穎透鏡相較於採用圓形超穎原子的超穎透鏡能夠達到更高的調制轉換函數值，進而有效提升超穎透鏡的成像品質。

圖1A為本新型創作的一實施例的超穎透鏡的正視示意圖，圖1B為圖1A的區域M1的局部放大示意圖，圖2A為圖1A中的一個超穎原子的正視示意圖，圖2B為圖1A中的一個超穎原子的立體示意圖，而圖3為圖1A的超穎透鏡的光學系統的剖面示意圖。請參照圖1A、圖1B、圖2A、圖2B及圖3，本實施例的超穎透鏡100包括一基板110及多個超穎原子200。這些超穎原子200分布於基板110上，每一超穎原子200包括在平行於基板110的方向上交叉的兩個相位延遲結構210及220，其中這些超穎原子200具有不完全相同的節距（pitch）P與不完全相同的焦距。在本實施例中，這些超穎原子200的設計符合巴比內原理（Babinet’s principle）。

在本實施例中，兩個相位延遲結構210與220呈90度交叉。在本實施例中，兩個相位延遲結構210與220的每一者呈矩形柱狀。也就是說，在本實施例中，兩個交叉的相位延遲結構210與220形成十字柱狀，其平行於基板110的截面為十字形。

此外，在本實施例中，每一超穎原子200更包括位於兩個相位延遲結構210與220的交叉處旁的多個填角結構（fillet structure）230（圖2A是以4個填角結構230為例）。在本實施例中，這些填角結構230的側面232與兩個相位延遲結構210及220相鄰的側面212及222的夾角θ1及θ2例如皆為135度。

在本實施例中，這些超穎原子200分布於基板110的相對兩表面112及114（如圖3所示出）。此外，在本實施例中，位於表面112上的這些超穎原子200與位於表面114上的這些超穎原子200相對於基板110為鏡像對稱。在本實施例中，這些超穎原子200的材料例如為二氧化鈦，且基板110的材料例如為氮化鎵，但本新型創作不以此為限。在本實施例中，圖3的表面114及其上的超穎原子200的左方例如是空氣，且圖3的表面112及其上的超穎原子200的右方例如是空氣，而空氣的折射率例如為1，且相位延遲結構210及220的「相位延遲」是指其材料相對於空氣有較大的相位延遲效果，而填角結構230的材料與相位延遲結構210及220的材料可以是相同的，且填角結構230與相位延遲結構210及220例如是一體成型。另外，在本實施例中，基板110例如是圓形基板，且這些超穎原子200在基板110上呈陣列排列。

在本實施例的超穎透鏡100中，每一超穎原子200包括在平行於基板110的方向上交叉的兩個相位延遲結構210與220，且這些超穎原子200具有不完全相同的節距P與不完全相同的焦距。因此，本實施例的超穎透鏡100相較於採用圓形超穎原子的超穎透鏡能夠達到更高的調制轉換函數值，進而有效提升超穎透鏡100的成像品質。舉例而言，對於波長為520奈米的入射光，在相同的等效焦距（effective focal length）下且在視場角為0至20度的範圍內的情況下，相較於採用圓形超穎原子的一般超穎透鏡，本實施例的超穎透鏡100能夠達到更高的調制轉換函數值。此外，相較於一般傳統的屈光透鏡，本實施例的超穎透鏡100的厚度可以較薄，且較不受光場的折射、散射等干擾，因而較不會產生雜光或成像上的鬼影。

在本實施例中，這些超穎透鏡100符合：0.25微米 ＜ P ＜ 0.5微米，其中P為這些超穎原子200的節距。

在本實施例中，超穎透鏡100的每一超穎原子200符合：0.25微米 ＜ W ＜ 0.5微米；以及0.25微米 ＜ H ＜ 0.5微米，其中W為兩個相位延遲結構210與220之一（如相位延遲結構210）在平行於基板110的方向上的長度，且H為兩個相位延遲結構210與220之另一（如相位延遲結構220）在平行於基板110的方向上的長度。

在本實施例中，超穎透鏡100的每一超穎原子200符合：0.5微米 ＜ L ＜ 1微米，其中L為超穎原子200在垂直於基板110的方向上的高度。

圖4A為圖1A的超穎透鏡將垂直入射的平行光會聚於成像面上的光能量在Y=0的直線上的光能量分布曲線圖，而圖4B為圖1A的超穎透鏡將垂直入射的平行光會聚於成像面上的光能量在X=0的直線上的光能量分布曲線圖。其中，圖1A中的X方向與Y方向皆平行於基板110，Z方向垂直於基板110，且X方向、Y方向及Z方向彼此垂直。由圖4A與圖4B可知，光能量分布集中，而超穎透鏡100具有良好的成像品質。

圖5A為圖1A的超穎透鏡的另一實施例將垂直入射的平行光會聚於成像面上的光能量在Y=0的直線上的光能量分布曲線圖，而圖5B為圖1A的超穎透鏡的另一實施例將垂直入射的平行光會聚於成像面上的光能量在X=10微米的直線上的光能量分布曲線圖。請參照圖5A與圖5B，本實施例的超穎透鏡100透過不完全相同的節距P的適當分布的設計，使從超穎透鏡100出射的光在X方向上偏向20度的視場角。如圖5A與圖5B所繪示，在出射的光偏向20度的視場角的狀況下，光能量的分布仍然是集中的，因而在此情況下的超穎透鏡100仍具有良好的成像品質。

圖6為圖4A與圖4B的光能量在成像面上所形成的影像於X=0的直線上與Y=0的直線上的調制轉換函數的曲線圖，且圖7為圖5A與圖5B的光能量在成像面上所形成的影像於X=10微米的直線上與Y=0的直線上的調制轉換函數的曲線圖。圖8為圖4A與圖4B的光能量在成像面上所形成的影像的調制轉換函數與採用圓形超穎原子的傳統超穎透鏡在視角為0度處的調制轉換函數的曲線圖，且這兩個調制轉換函數在圖8中分別以「本實施例」與「傳統超穎透鏡」來標示。圖9為圖5A與圖5B的光能量在成像面上所形成的影像的調制轉換函數與採用圓形超穎原子的傳統超穎透鏡在視角為20度處的調制轉換函數的曲線圖，且這兩個調制轉換函數在圖9中分別以「本實施例」與「傳統超穎透鏡」來標示。由圖6至圖9可知，在相同的等效焦距（effective focal length）下且在視場角為0至20度的範圍內的情況下，相較於採用圓形超穎原子的一般超穎透鏡，本實施例的超穎透鏡100能夠達到更高的調制轉換函數值。

圖10A為圖1A的超穎透鏡中的單一個超穎原子於Y方向上的折射率的分布圖，圖10B為圖1A的超穎透鏡中的單一個超穎原子於X方向上的折射率的分布圖，而圖11為圖1A的超穎透鏡中的單一個超穎原子在可見光波段的總穿透率與總反射率在不同的出光角度的分布圖。請參照圖10A、圖10B及圖11，圖10A與圖10B示出了超穎透鏡100於X方向上及Y方向上的不同位置的折射率分布情形，且由圖11可看出本實施例的超穎原子200具有良好的穿透率，其中繞射效率高時表示穿透率高。

綜上所述，在本新型創作的實施例的超穎透鏡中，每一超穎原子包括在平行於基板的方向上交叉的兩個相位延遲結構，且這些超穎原子具有不完全相同的節距與不完全相同的焦距。因此，本新型創作的實施例的超穎透鏡相較於採用圓形超穎原子的超穎透鏡能夠達到更高的調制轉換函數值，進而有效提升超穎透鏡的成像品質。

100:超穎透鏡110:基板112、114:表面200:超穎原子210、220:相位延遲結構212、222、232:側面230:填角結構H、W:長度L:高度P:節距X、Y、Z:方向θ1、θ2:夾角

圖1A為本新型創作的一實施例的超穎透鏡的正視示意圖。圖1B為圖1A的區域M1的局部放大示意圖。圖2A為圖1A中的一個超穎原子的正視示意圖。圖2B為圖1A中的一個超穎原子的立體示意圖。圖3為圖1A的超穎透鏡的光學系統的剖面示意圖。圖4A為圖1A的超穎透鏡將垂直入射的平行光會聚於成像面上的光能量在Y=0的直線上的光能量分布曲線圖。圖4B為圖1A的超穎透鏡將垂直入射的平行光會聚於成像面上的光能量在X=0的直線上的光能量分布曲線圖。圖5A為圖1A的超穎透鏡的另一實施例將垂直入射的平行光會聚於成像面上的光能量在Y=0的直線上的光能量分布曲線圖。圖5B為圖1A的超穎透鏡的另一實施例將垂直入射的平行光會聚於成像面上的光能量在X=10微米的直線上的光能量分布曲線圖。圖6為圖4A與圖4B的光能量在成像面上所形成的影像於X=0的直線上與Y=0的直線上的調制轉換函數的曲線圖。圖7為圖5A與圖5B的光能量在成像面上所形成的影像於X=10微米的直線上與Y=0的直線上的調制轉換函數的曲線圖。圖8為圖4A與圖4B的光能量在成像面上所形成的影像的調制轉換函數與採用圓形超穎原子的傳統超穎透鏡在視角為0度處的調制轉換函數的曲線圖。圖9為圖5A與圖5B的光能量在成像面上所形成的影像的調制轉換函數與採用圓形超穎原子的傳統超穎透鏡在視角為20度處的調制轉換函數的曲線圖。圖10A為圖1A的超穎透鏡中的單一個超穎原子於Y方向上的橫向指數的分布圖。圖10B為圖1A的超穎透鏡中的單一個超穎原子於X方向上的橫向指數的分布圖。圖11為圖1A的超穎透鏡中的單一個超穎原子在可見光波段的總穿透率與總反射率在不同的出光角度的分布圖。

110:基板

112:表面

200:超穎原子

210、220:相位延遲結構

212、222、232:側面

230:填角結構

L:高度

Claims (10)

1. 一種超穎透鏡，包括：一基板；以及多個超穎原子，分布於該基板上，每一超穎原子包括在平行於該基板的方向上交叉的兩個相位延遲結構，其中該些超穎原子具有不完全相同的節距與不完全相同的焦距。
2. 如請求項1所述的超穎透鏡，其中每一超穎原子更包括位於該兩個相位延遲結構的交叉處旁的多個填角結構。
3. 如請求項2所述的超穎透鏡，其中該些填角結構的側面與該兩個相位延遲結構相鄰的側面夾135度角。
4. 如請求項3所述的超穎透鏡，其中該兩個相位延遲結構呈90度交叉。
5. 如請求項4所述的超穎透鏡，其中該兩個相位延遲結構的每一者呈矩形柱狀。
6. 如請求項1所述的超穎透鏡，其中該些超穎原子的材料為二氧化鈦，且該基板的材料為氮化鎵。
7. 如請求項1所述的超穎透鏡，其中該些超穎透鏡符合：0.25微米 ＜ P ＜ 0.5微米，其中P為該些超穎原子的該節距。
8. 如請求項1所述的超穎透鏡，其中該超穎透鏡的每一超穎原子符合：0.25微米 ＜ W ＜ 0.5微米；以及0.25微米 ＜ H ＜ 0.5微米，其中W為該兩個相位延遲結構之一在平行於該基板的方向上的長度，且H為該兩個相位延遲結構之另一在平行於該基板的方向上的長度。
9. 如請求項1所述的超穎透鏡，其中該超穎透鏡的每一超穎原子符合：0.5微米 ＜ L ＜ 1微米，其中L為該超穎原子在垂直於該基板的方向上的高度。
10. 如請求項1所述的超穎透鏡，其中該些超穎原子分布於該基板的相對兩表面。