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Meta提出用于超高分辨率相位延迟和波前成形的超透镜

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平面透镜/超透镜光学元件制造方法

映维网Nweon 2023年10月12日)制造具有曲面的微透镜十分困难,难以使用传统制造技术制造的曲面,并且由于特定几何限制,其可能具有有限的效率和/或偏转角度。

所以在名为“Multilayer flat lens for ultra-high resolution phase delay and wavefront reshaping”的专利申请中,Meta提出了一种用于超高分辨率相位延迟和波前成形的多层平面透镜(超透镜),以及相关制造方法。其中,每个纳米结构的平面层中的晶格可以具有相对较大的间距,因此使用现有的光刻技术可以相对容易地制造平面光学器件的每个平面层。

为了提高所述平面光学器件的效率,所述平面光学器件的多个平面层的每一平面层的晶格相对于其他平面层的晶格可以移位,从而可以减小所述平面光学器件的有效节距,并且可以提高理想相位延迟剖面离散化的分辨率。

例如,如果平面光学器件包括两层纳米结构,并且第二层的分段相对于第一层在每个方向上每层分段的节距p的一半移位,则平面光学器件分段的有效节距可以在每个方向上减小到p/2。

同时,所述两层平面光学器件的每个所得分段的有效尺寸可以减小到单层中每个分段尺寸的四分之一。这样,可以显著提高平面光学器件的效率。

所述平面光学器件可以具有任意相位延迟剖面,从而可以任意修改入射光束的波前以实现任何所需的功能或功能组合。

例如,准直和偏转功能可以通过单个超元件的不同设计和/或超元件的不同排列实现。超表面同时可以设计成对红、绿、蓝波分段具有相同或相似的性能,因此可以消色差。平面光学器件可以具有亚微米厚度,因此可以允许大范围的入射角。

图7示出了发明所述的平面透镜702(又称超透镜)实现折射透镜700的相位延迟剖面。如图所示,为了通过传播相位实现相位延迟剖面,可以将透镜按照x-y平面上的特定晶格或网格离散为有限数量的分段710。

在每个分段710中,可在分段中放置包含高折射率材料并具有设计几何形状的超元件722,以提供所需的有效折射率n,从而实现所需的相位延迟。其中,延迟可通过在分段上的折射率透镜700的相应元件720来实现。

超元件722可以形成在衬底705之上,所述衬底705可以包括透明材料,诸如玻璃、石英、塑料、晶体、陶瓷等。平面透镜702可以包括超元件,其设计成以不同方式修改入射光在不同分段的相位,使得准直入射光可以通过平面透镜702聚焦到同一点上。

可能有几个因素会影响光学超表面的性能,例如每个部分的大小和每个部分的形状。对于不同偏振态的光,每一分段的形状会影响其有效折射率。

平面光学器件的空间离散化或分割的实例可以包括正方形离散化和六边形空间离散化。其它离散化方案也可用于将平面光学器件划分为均匀分段或非均匀分段。

图8A示出了包括均匀方形分段810的平面光学器件800。所述均匀方形分段810可按二维点阵图或网格图排列。每个分段810可包括超元件820,超元件820可具有用于实现所需有效折射率和相位延迟的所需形状和尺寸,从而具有所需填充因子。

由于超元件820在不同分段810中的非均匀几何形状和排列方式不同,分段810对于不同偏振方向的光可能具有不同的有效折射率。

图8B示出了包括六角形分段812的平面光学器件802。每个分段812可包括超元件822,超元件822可具有用于实现所需有效折射率和相位延迟的所需形状和尺寸,以及因此所需填充因子。

六角形分段812中的超元件822可能具有不均匀的几何和排列,因此对于不同偏振方向的光,六角形分段812处的有效折射率可能不同。

在图8C中,平面光学器件804可以是平面光学器件800或802的截面视图。在所示的实施例中,平面光学器件804可包括衬底805和在其上形成的纳米结构。如上所述,衬底805可以包括任何合适的衬底。

在一个示例中,衬底805可包括具有在其上制造的Micro LED的2-D阵列的Micro LED晶圆。所述纳米结构可以具有均匀的厚度h。平面光学器件804的x-y平面可以划分成按照二维晶格或网格排列的分段814,例如如图8Ah和8B所示。在图8C所示的示例中,二维网格在x方向和/或y方向上可以具有节距p。

每个分段814可以包括一个或多个超元件824。超元件824可包括对入射光具有高折射率和低吸收的材料。高折射率材料可以实现小间距尺寸和低厚度,同时实现相位延迟覆盖。超元件824可以具有规则的、不规则的或任意的形状。

例如,每个超元件824的特征可以是矩形、正方形、多边形、圆形、椭圆形、环形、带孔多边形或不规则形状的横截面形状。

可以将每个超元件824的大小设计为在每个分段中具有所需的填充因子F,以实现所需的相位延迟。填充因子F表示被高折射率材料填充的周期的百分比。

如图9A所示,超元件的相位延迟ke’yi近似地随超元件的大小或超元件在分段中的填充因子线性变化。如上所述,超元件材料的折射率可能需要很高,以便实现低厚度的小间距超表面的相位延迟覆盖。

为了提高光学超表面的效率,需要最小化由空间离散化引起的相位延迟离散化的影响。理想情况下,为了减少空间离散化的影响,每个分段的尺寸可能需要尽可能小,这样光学超表面的相位延迟剖面可能在没有离散化的情况下尽可能接近理想的相位延迟剖面。

当分段间距较小时,每个分段可以接近一个点,并且可以逐渐改变分段的填充因子,使有效折射率逐渐改变为点,从而获得如上所述的基本光滑的透镜相位剖面。一般来说,节距越小,光学超表面的性能越好。

如图9B所示,随着超透镜分段间距的增加,超透镜的聚焦效率会降低。为了实现可见光的相对较高的聚焦效率,超透镜的节距可能需要小于约500 nm、小于约400 nm、小于约350 nm、小于约300 nm、小于约250 nm、小于约200 nm或更小。

另外,为了实现衍射极限聚焦,分段尺寸可能需要小于阿比衍射极限λ/(2NA),其中NA为透镜的数值孔径。为了制造具有高数值孔径的元透镜,分段的间距可能需要是波长的一小部分,例如小于约500 nm,小于约400 nm,小于约350 nm,小于约300 nm,小于约250 nm,小于约200 nm,或小于可见光。

然而,超表面中超元件的节距和特征尺寸可能受到现有纳米加工技术的限制。例如,用于可见光的元透镜的特征尺寸可能在约20至约40纳米之间,这可能难以实现,因为光刻的分辨率可能受到光刻工具的衍射极限的限制。

制作节间距小于约500nm的单层超表面同样可能是困难的。诸如电子束光刻等技术可以获得更好的分辨率,但与光刻方法相比,它们可能会显著增加处理时间。另外,当超元件材料的折射率不够高时,超元件可能需要具有更高的高度或厚度以达到所需的有效折射率,这可能导致高纵横比超元件,并可能增加制造难度。

图10A示出包括单层纳米结构的平面光学器件1000的示例。在所示的实施例中,平面光学器件1000可包括衬底1010和在衬底1010上形成的纳米结构1012层。

所述纳米结构1012层可包括位于分段1014阵列中的超元件1016。在一个实施例中,每个分段1014可以包括一个超元件1016。每个超元件1016可位于各自分段1014的中心。分段1014在x方向上的间距为p。纳米结构1012层中的超元件1016可能具有相同的高度。

如上所述,超元件1016可以包括高折射率材料,并且可以具有所需的形状、尺寸和方向,以在平面光学器件1000的不同位置实现所需的相位延迟。即

图10B示出的平面光学器件1002包括根具有相对移位分段的两层纳米结构。在所示的实施例中,平面光学器件1002可包括衬底1020和在衬底1020上形成的两层纳米结构。

在衬底1020上形成的两层纳米结构可包括第一层纳米结构1022和第二层纳米结构1028。纳米结构1022的第一层可以包括位于分段1024中的超元件1026。每个分段1024可以包括一个超元件1026。每个超元件1026可位于各自分段1024的中心。分段1024在x方向上的间距为p。

纳米结构1022的第一层超元件1026可能具有相同的高度。第二层纳米结构1028可以包括位于分段1030数组中的超元件1032。第二层纳米结构1028中的超元件1032可能与第一层纳米结构1022中的超元件1026具有相同或不同的高度。

在图10B所示的示例中,相对于第一层纳米结构1022中的分段1024阵列,第二层纳米结构1028中的分段1030阵列可以在x方向和/或y方向上移动p/2。第二层纳米结构1028的至少一个超元件1032可在x维或y方向上与第一层纳米结构1022的两个相邻超元件1026的每个超元件1026的至少一部分重叠。

由于分段1030阵列相对于分段1024阵列的移位,所得到的平面光学器件1002的分段在x方向和/或y方向上的有效节距可以是p/2。超元件1026和超元件1032可以包括如上所述的高折射率材料,并且可以具有所需的形状、尺寸和方向,使得在平面光学器件1002的合成分段中超元件1026的至少一部分和超元件1032的至少一部分的组合可以在相应的分段上引起所需的相位延迟。

因此,可以将平面光学器件1002的每一分段的有效尺寸减小到x-y平面上每一分段1024或1030的四分之一,从而可以将离散化的分辨率提高3倍,从而可以显著提高平面光学器件1002的效率。

图10C示出的平面光学器件1004包括具有相对移位分段的三层纳米结构。在所示的实施例中,平面光学器件1004可包括衬底1040和在衬底1040上形成的三层纳米结构。

在衬底1020上形成的三层纳米结构可包括第一层纳米结构1042、第二层纳米结构1048和第三层纳米结构1054。纳米结构1042的第一层可以包括位于分段1044中的超元件1046。分段1044在x方向或y方向上的间距为p。纳米结构1042的第一层超元件1046可能具有相同的高度。

第二层纳米结构1048可包括位于分段1050中的超元件1052。分段1050在x方向或y方向上的间距为p。纳米结构1048第二层超元件1052可能具有相同的高度,可能与纳米结构1042第一层超元件1046的高度相同或不同。

第三层纳米结构1054可以包括位于分段1056中的超元件1058。分段1056在x方向或y方向的间距为p。纳米结构1054的第三层超元件1058可能具有相同的高度,可能与纳米结构1042的第一层超元件1046的高度相同或不同,也可能与纳米结构1048的第二层超元件1052的高度不同。

在图10C所示的实例中,第二纳米结构层1048中的分段1050可以相对于第一纳米结构层104中的分段1044在x方向和/或y方向上偏移p/2,并且第三纳米结构层1054中的分段1056可以相对于第二纳米结构层1048中的分段1050在x方向和/或y方向上偏移p/4。

第二纳米结构层1048的至少一个超元件1052可以在x维度或y方向上与第一纳米结构层的两个相邻超元件1046的每个超元件1044的至少一部分重叠。由于分段1050相对于分段1044的偏移,以及分段1056相对于分段1050的偏移,平面光学器件1004的所得分段的有效节距在x方向和/或y方向上可以是p/4。

超元件1046、超元件1052和超元件1058可以包括如上所述的高折射率材料,并且可以具有所需的形状、尺寸和方向,使得平面光学器件1004的一分段中超元件1046的至少一部分、超元件1052的至少一部分和超元件1058的至少一部分的组合可以在相应的分段上引起所需的相位延迟。

因此,可以将平面光学器件1004的每个所得分段的尺寸减小到x-y平面上1044、1050或1056各分段尺寸的1/16,从而可以将离散化的分辨率提高15倍,从而可以显著提高平面光学器件1002的效率。

图10D示出的平面光学器件1006包括根据具有相对移位分段和不同厚度的三层纳米结构。在所示的实施例中,平面光学器件1006可包括衬底1060和在衬底1060上形成的三层纳米结构。

在衬底1060上形成的三层纳米结构可包括第一层纳米结构1070、第二层纳米结构1080和第三层纳米结构1090。第一层纳米结构1070可包括位于分段中的超元件,其中所述分段在x方向或y方向上的节距为p。第一层纳米结构1070中的超元件可具有相同的高度。

第二层纳米结构1080可以包括位于分段中的超元件,其中所述分段在x方向或y方向上的节距为p。第二层纳米结构1080中的超元件可以具有相同的高度,并可以与第一层纳米结构1070中的超元件的高度不同。

第三层纳米结构1090可以包括位于分段中的超元件,其中所述分段在x方向或y方向上的节距为p。第三层纳米结构1090中的超元件可以具有相同的高度,并可以与第一层纳米结构1070和第二层纳米结构1080中的超元件的高度不同。

图10E示出的平面光学器件1008包括具有相对移位分段的三层纳米结构。在所示的实施例中,平面光学器件1008可包括衬底1062和在衬底1062上形成的三层纳米结构。

在衬底1062上形成的三层纳米结构可以包括纳米结构1072的第一层、纳米结构1082的第二层和纳米结构1092的第三层。

第一层纳米结构1072可包括位于分段中的超元件,其中分段在x方向或y方向上的节距为p。第一层纳米结构1072中的超元件可具有相同的高度。

第二层纳米结构1082可以包括位于分段中的超元件,其中分段在x方向或y方向上的节距为p。第二层纳米结构1082中的超元件可以具有相同的高度,其高度可以与第一层纳米结构1072中的超元件相同或不同。

第三层纳米结构1090可以包括位于分段中的超元件,其中所述分段在x方向或y方向上的节距为p。第三层纳米结构1090中的超元件可以具有相同的高度,并可以与第一层纳米结构1070和第二层纳米结构1080中的超元件的高度相同或不同。

在图10E所示的示例中,相对于第一层纳米结构1072中的分段,第二层纳米结构1082中的分段可以以p/3的方式移动,并且相对于第二层纳米结构1082中的分段,第三层纳米结构1092中的分段可以以p/3的方式移动。

由于三层纳米结构中分段阵列的相对位移,所得平面光学器件1008在x方向和/或y方向上的有效分段可以为p/3。超元件可以包括如上所述的高折射率材料,并且可以具有所需的形状、尺寸和方向,使得在平面光学器件1008的一分段中的超元件的组合可以在相应的分段上引起所需的相位延迟。

因此,可以将平板光学器件1008的每个所得分段的尺寸减小到x-y平面上单层每分段尺寸的1/9,从而将离散化的分辨率提高8倍,从而可以显著提高平板光学器件1008的效率。

图11A示出包括单层纳米结构的平面微透镜示例的相位延迟图1100。在所示的例子中,由于现有纳米制造技术的限制,平面微透镜可以分为5×5分段阵列,每个分段都有一个超元件,可以引起入射光的相应相位延迟。

如图所示,由于分段比较大,平面微透镜的大部分区域可能具有相同的相位延迟,相邻分段之间可能存在较大的相位延迟差。

因此,相位延迟图1100与微透镜的理想相位延迟图之间可能存在较大的差异。所以,制作的平面微透镜的效率可能较低。

图11B示出包括根据某些实施例具有相对移位分段的三层纳米结构的平面微透镜的实施例的相位延迟图1102。图11B的平面微透镜在x-y平面上可以与图11A的平面微透镜具有相同的孔径大小。

在所示的示例中,三层纳米结构的每一层中的分段可以相对于其他层进行移位。因此,可以有效地存在一个18×18分段阵列,每个分段具有可引起入射光各自相位延迟的超元件的组合。如图所示,具有相同相位延迟的平面微透镜的面积可能要小得多,相邻分段之间的相位延迟差也可能要小得多。

因此,相位延迟图1102可能比相位延迟图1100更接近于微透镜的理想相位延迟图。所以,制作的平面微透镜的效率很高。

图12A-12K举例说明了制造包括具有移位分段的多层纳米结构的平面光学器件的过程例。

图12A示出了衬底1210的示例。图12B显示,可以在衬底1210上沉积高折射率材料层1220。图12C显示,可以使用例如化学机械抛光技术对高折射率材料层1220进行抛光或平面化,以平面化和薄化高折射率材料层1220,使得高折射率材料层1220的剩余部分1222可以是平坦的,并且可以具有第一纳米结构层所需的厚度。

图12D显示,高折射率材料层1220的剩余部分1222可以使用各种光刻技术和各种湿法或干法蚀刻技术进行图图化,以形成所需形状、尺寸和方向的超元件1224。

如图12E所示,超元件1224上可沉积低折射率介电层1230。低折射率介电层1230可以填补超元件1224之间的空隙,也可以位于超元件1224之上。

图12F显示,可以将低折射率介电层1230抛光或平化,以形成包括超元件1224和超元件1224之间区域1232中的低折射率介电材料的平坦第一纳米结构层。

如图12G所示,可在平面第一纳米结构层上沉积高折射率材料层1240。图12H显示,可以使用例如CMP技术对高折射率材料层1240进行抛光或平面化,使高折射率材料层1240平面化和薄化,使得高折射率材料层1240的剩余部分1242可以是平坦的,并且可以具有第二纳米结构层所需的厚度。

图12I显示,高折射率材料层1240的剩余部分1242可以使用各种光刻技术和各种湿法或干法蚀刻技术进行图图化,以形成所需形状、尺寸和方向的超元件1244。

如图12I所示,第二纳米结构层的分段可以相对于第一纳米结构层的分段移位,因此超元件1244可以相对于超元件1224移位。至少一个超元件1244可以在x维或y方向上与两个相邻超元件1224的每个超元件1224的至少一部分重叠。

从图12J可以看出,超元件1244上可以沉积低折射率介电层1250。低折射率介电层1250可以填补超元件1244之间的空隙,也可以位于超元件1244之上。

图12K显示,可以将低折射率介电层1250抛光或平化,以形成平坦的第二纳米结构层,该第二纳米结构层包括超元件1244,其低折射率介电材料位于超元件1224之间的1252区域。另外的平面纳米结构层可以使用上述工艺在第二纳米结构层制造。

相关专利Meta Patent | Multilayer flat lens for ultra-high resolution phase delay and wavefront reshaping

名为“Multilayer flat lens for ultra-high resolution phase delay and wavefront reshaping”的Meta专利申请最初在2022年3月提交,并在日前由美国专利商标局公布。

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