微纳结构元件、广角器件及成像显示设备

1.本技术涉及光学技术领域，尤其涉及一种微纳结构元件、广角器件及成像显示设备。


背景技术：

2.近年来，超构表面(metasurface)的出现引起了广泛的关注。超构表面是一种亚波长结构，其能对入射的光产生相位变化。超构表面能按照人们的意愿来对光场的各个参量，如振幅、相位、偏振等进行任意的调控。超构表面构成的器件具备体积小、易于集成、光场调控灵活等优点。因此，超构表面的研究已经应用到了各个领域。相关技术中，基于超构表面的结构的器件，一般情况下只关注微纳结构单元在正入射下的响应，其在正入射条件下满足预设的相位，对入射光场进行相应的调控，因而能较为理想的实现功能。但在斜入条件下，由于微纳结构单元响应不同，可能会出现谐振现象，导致引入相位突变以及透射率骤降，不能实现相应器件的功能，出现光斑质量下降、效率下降的问题。


技术实现要素：

3.本技术提供一种能提高透射率、反射率和成像质量的微纳结构元件、广角器件及成像显示设备。
4.本技术提供一种微纳结构元件，包括：
5.基底；及
6.微纳结构组，设于所述基底，且包括多个周期排布的不同的微纳结构单元；所述微纳结构组预设的相位响应配置为入射至该微纳结构组的不同角度的入射光，其经过该微纳结构组后，具有相同的相位调制趋势。
7.可选的，所述微纳结构单元包括至少两个微纳结构子单元，所述至少两个微纳结构子单元相交设置；或间隔设置；或重叠设置。
8.可选的，所述至少两个微纳结构子单元的尺寸相同或者不同。
9.可选的，所述微纳结构子单元包括长方体结构、柱状结构、锥状结构、台状结构中的至少一种。
10.可选的，所述微纳结构子单元为连续结构、断续结构、条形结构、曲面结构中的至少一种。
11.可选的，所述微纳结构单元对于不同角度的所述入射光的透射率或者反射率至少大于0.5。
12.可选的，所述微纳结构单元包括透射型结构。
13.可选的，所述微纳结构单元的材料为透明材料。
14.可选的，所述微纳结构单元包括反射型结构。
15.可选的，所述微纳结构单元包括金属-介质-金属的组合结构，或介质-介质-金属的组合结构。
16.可选的，所述介质包括第iv族材料、第iv族化合物、氧化物、s基化合物、se基化合物、相变材料、iii-v族化合物和氮化物中的任意一种或多种。
17.本技术还提供一种广角器件，包括：如上述实施例中任一项所述的微纳结构元件。
18.可选的，所述广角器件包括广角闪耀光栅。
19.可选的，所述广角闪耀光栅包括光栅结构组，所述光栅结构组包括多个周期排布的光栅结构单元；其中所述光栅结构单元预设的相位响应配置为对不同角度的入射光，具有相同的相位调制趋势，且该相位调制趋势为线性。
20.可选的，所述光栅结构单元包括多个光栅结构；每个所述光栅结构单元的所述多个光栅结构在一个周期内，根据所述光栅结构的相位进行排布，所述一个周期的相位跨度为0～2π。
21.可选的，多个所述光栅结构单元在第一方向和第二方向上周期排布；其中所述第一方向和所述第二方向相交设置且位于同一平面内。
22.可选的，相邻两个所述光栅结构单元的间隔距离相同或不同。
23.可选的，所述广角闪耀光栅包括多个光栅结构组；所述广角闪耀光栅的工作场景配置为一种或多种工作波长；所述一种或多种工作波长的所述入射光射入该多个光栅结构组。
24.可选的，所述广角器件包括广角透镜。
25.可选的，所述广角透镜预设的相位响应配置为入射至所述广角透镜的不同角度的入射光，其经过该所述广角透镜后，具有相同的相位调制趋势，且该相位调制趋势为曲线。
26.可选的，所述广角透镜包括单片透镜或者多片透镜。
27.可选的，所述广角透镜包括广角收光透镜。
28.可选的，所述广角收光透镜包括排布的多个环带，所述多个环带的相位响应配置为入射至所述多个环带的不同角度的入射光，其经过该多个环带后交汇于同一收光位置，且每个所述环带的相位响应配置为入射至对应的每个所述环带的不同角度的入射光，其经过对应的每个该环带后，具有相同的调制趋势。
29.本技术还提供一种成像显示设备，包括：如上述实施例中任一项所述的广角器件。
30.可选的，所述成像显示设备包括夜视仪、行车记录仪、激光雷达、视频会议设备、安防设备、智能家居设备、显微成像设备、ar设备、vr设备、mr设备中的其中一种。
31.本技术实施例的微纳结构元件、广角器件及成像显示设备。微纳结构元件包括基底和微纳结构组，微纳结构组设于基底，且包括多个周期排布的微纳结构单元。微纳结构组预设的相位响应配置为入射至该微纳结构组的不同角度的入射光，其经过该微纳结构组的微纳结构单元后，具有相同的相位调制趋势。如此设置，不同角度的光入射下，经过上述微纳结构组的具有高透射率或反射率的不同的微纳结构单元后，具有相同的相位调制趋势，实现了广角高效的调制。
附图说明
32.图1所示为本技术的微纳结构元件的一个实施例的结构示意图。
33.图2所示为图1所示的微纳结构元件的微纳结构组的微纳结构单元的一个实施例的结构示意图。
34.图3所示为图1所示的微纳结构元件的微纳结构组的微纳结构单元的又一个实施例的结构示意图。
35.图4所示为图1所示的微纳结构元件的微纳结构组的微纳结构单元的其他一个实施例的结构示意图。
36.图5所示为图1所示的微纳结构元件的微纳结构组的微纳结构单元的另一个实施例的结构示意图。
37.图6所示为图1所示的微纳结构元件的微纳结构组的微纳结构单元的其他一个实施例的结构示意图。
38.图7所示为图1所示的微纳结构元件的微纳结构组的微纳结构单元的又一个实施例的结构示意图。
39.图8所示为图1所示的微纳结构元件的微纳结构组的微纳结构单元的另一个实施例的结构示意图。
40.图9所示为本技术的广角器件的广角闪耀光栅的光栅结构组的一个实施例的结构示意图。
41.图10所示为图9所示的广角器件的广角闪耀光栅的光栅结构组的相位曲线图。
42.图11所示为图9所示的广角器件的广角闪耀光栅的光栅结构组的光栅结构单元的光栅结构在不同角度下的相位响应图。
43.图12所示为图9所示的广角器件的广角闪耀光栅的光栅结构组的光栅结构单元的光栅结构在不同角度下的透过率图。
44.图13所示为图9所示的广角器件的广角闪耀光栅在-85
°
、-45
°
、15
°
、45
°
入射角度下光场分布图。
45.图14所示为图9所示的广角器件的广角闪耀光栅与相关技术中光栅在不同角度入射下闪耀效率曲线。
46.图15所示为图9所示的广角器件的广角闪耀光栅的光栅结构组的光栅结构单元的光栅结构在波长为1.45μm下的透射率图。
47.图16所示为图9所示的广角器件的广角闪耀光栅的光栅结构组的光栅结构单元的光栅结构在波长为1.45μm下的相位响应图。
48.图17所示为图9所示的广角器件的广角闪耀光栅在宽普下的闪耀效率图。
49.图18所示为本技术的广角器件的广角透镜的曲线相位图。
50.图19所示为本技术的广角器件的广角收光透镜的一个实施例的结构示意图。
51.图20所示为图19所示的广角器件的广角收光透镜的独立环带相位曲线图。
52.图21所示为图19所示的广角器件的广角收光透镜的独立曲线首尾相连曲线图。
53.图22所示为图19所示的广角器件的广角收光透镜的拟合连续相位曲线图。
54.图23所示为图19所示的广角期间的广角收光透镜在不同环带下的孔径光阑所处平面的场分布以及传播方向的场分布图。
具体实施方式
55.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技术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、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
56.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。除非另作定义，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示至少两个。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
57.在本技术说明书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。
58.本技术提供一种微纳结构元件、广角器件及成像显示设备。微纳结构元件包括基底及微纳结构组。微纳结构组设于基底，且包括多个周期排布的微纳结构单元；微纳结构组预设的相位响应配置为入射至该微纳结构组的不同角度的入射光，其经过该微纳结构组后，具有相同的相位调制趋势。
59.本技术实施例的微纳结构元件、广角器件及成像显示设备。微纳结构元件包括基底和微纳结构组，微纳结构组设于基底，且包括多个周期排布的不同的微纳结构单元。微纳结构组预设的相位响应配置为入射至该微纳结构组的不同角度的入射光，其经过该微纳结构组后，具有相同的相位调制趋势。如此设置，不同角度的光入射下，经过上述微纳结构组的具有高透射率或反射率的不同的微纳结构单元后，具有相同的相位调制趋势，实现了广角高效的调制。
60.本技术提供一种实现广角高效的的微纳结构元件、广角器件及成像显示设备。下面结合附图，对本技术的广角高效微纳结构元件、广角器件及成像显示设备进行详细说明。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。
61.图1所示为本技术的微纳结构元件1的一个实施例的结构示意图。如图1所示，微纳结构元件1包括基底101和微纳结构组102，微纳结构组102设于基底101。基底101作为载体，用于承载微纳结构组102。在一些实施例中，基底101可以是单层，也可以是多层。在图1所示的实施例中，基底101是单层。微纳结构组102包括多个周期排布的不同的微纳结构单元103。微纳结构组102预设的相位响应配置为入射至该微纳结构组102的不同角度的入射光，其经过该微纳结构组102后，具有相同的相位调制趋势。如此设置，光入射下，经过上述微纳结构组的具有高透射率或反射率的不同的微纳结构单元后，具有相同的相位调制趋势，实现了广角高效的调制。
62.在图1所示的实施例中，微纳结构单元103包括至少两个微纳结构子单元104。微纳结构单元103包括两个或两个以上微纳结构子单元104。在本实施例中，微纳结构单元103包括两个微纳结构子单元104，但不仅限于此。在一些实施例中，至少两个微纳结构子单元104
相交设置；或间隔设置；或重叠设置。在本实施例中，至少两个微纳结构子单元104间隔设置。在另一些实施例中，至少两个微纳结构子单元104相交设置。在其他一些实施例中，至少两个微纳结构子单元104重叠设置。在本实施例中，不同角度的光入射至微纳结构组102具有相同的相位调制趋势，实现不同角度的入射光下广角高效的调制。
63.需要说明的是，本实施例中，微纳结构组102包括多个微纳结构单元103，每个微纳结构单元103包括至少两个微纳结构子单元104。在图1中仅示出部分的几个微纳结构单元103和部分的微纳结构子单元104，其余未作标示，但不仅限于此，在此不再赘述。
64.在一些实施例中，至少两个微纳结构子单元104的尺寸相同或者不同。在图1所示的实施例中，每个微纳结构单元103的至少两个微纳结构子单元104的尺寸相同。在其他一些实施例中，每个微纳结构单元103的至少两个微纳结构子单元104的尺寸不同。
65.在一些实施例中，微纳结构子单元104包括长方体结构、柱状结构、锥状结构、台状结构中的至少一种。在图1所示的实施例中，微纳结构子单元104包括长方体结构。在其他一些实施例中，微纳结构子单元104包括柱状结构。在又一些实施例中，微纳结构子单元104包括锥状结构。在另一些实施例中，微纳结构子单元104包括台状结构。
66.在一些实施例中，微纳结构子单元104为连续结构、断续结构、条形结构、曲面结构中的至少一种。在图1所示的实施例中，微纳结构子单元104为连续结构。在另一些实施例中，微纳结构子单元104为断续结构。在一些实施例中，微纳结构子单元104为曲面结构。在其他一些实施例中，微纳结构子单元104为条形结构。
67.图2所示为图1所示的微纳结构元件1的微纳结构组102的微纳结构单元103的一个实施例的结构示意图。在图2所示的实施例中，基底101设置为双层，可以工作于反射模式。微纳结构单元103包括两个微纳结构子单元104。两个微纳结构子单元104的尺寸相同。微纳结构子单元104的结构为长方体结构。微纳结构子单元104为连续结构。图3所示为图1所示的微纳结构元件1的微纳结构组102的微纳结构单元103的又一个实施例的结构示意图。在图3所示的实施例与图2所示的实施例相似，主要区别为，基底101设置为单层。
68.图4所示为图1所示的微纳结构元件1的微纳结构组102的微纳结构单元103的其他一个实施例的结构示意图。在图4所示的实施例与图2所示的实施例相似，主要区别为，微纳结构单元103包括三个微纳结构子单元104。三个微纳结构子单元104的尺寸相同。图5所示为图1所示的微纳结构元件1的微纳结构组102的微纳结构单元103的另一个实施例的结构示意图。在图5所示的实施例中与图4所示的实施例相似，主要区别为，基底101设置为单层。
69.图6所示为图1所示的微纳结构元件1的微纳结构组102的微纳结构单元103的其他一个实施例的结构示意图。在图6所示的实施例中，基底101设置为单层。微纳结构单元103包括两个微纳结构子单元104。两个微纳结构子单元104的尺寸不同。微纳结构子单元104的结构为长方体结构。微纳结构子单元104为连续结构。
70.图7所示为图1所示的微纳结构元件1的微纳结构组102的微纳结构单元103的又一个实施例的结构示意图。在图7所示的实施例中，微纳结构单元103包括两个微纳结构子单元104。两个微纳结构子单元104的尺寸相同。微纳结构子单元104为断续结构。图8所示为图1所示的微纳结构元件1的微纳结构组102的微纳结构单元103的另一个实施例的结构示意图。在图8所示的实施例中，基底101设置为单层。微纳结构单元103包括两个微纳结构子单元104。两个微纳结构子单元104的尺寸相同。微纳结构子单元104为曲面结构。
71.在图1所示的实施例中，微纳结构单元103对于不同角度的入射光的透射率或者反射率至少大于0.5。在本实施例中，不同角度的入射光经过微纳结构组102的微纳结构单元103的透射率或者反射率至少大于0.5，表示超过一半的入射光能够成功传输到目标区域，效率高，相应地损耗小，如此保证损耗较小，实现高的透射率。
72.在图1至图8所示的实施例中，微纳结构单元103包括透射型结构。在一些实施例中，微纳结构单元103的材料为透明材料。将微纳结构单元103设置为透射型结构，且将材料设置为透明材料，可提高微纳结构单元103的透射率。
73.在图1至图8所示的实施例中，微纳结构单元103包括反射型结构。在一些实施例中，微纳结构单元103包括金属-介质-金属的组合结构，或介质-介质-金属的组合结构。将微纳结构单元103设置为反射型结构，且将微纳结构单元103设置为金属-介质-金属的组合结构，或介质-介质-金属的组合结构。在一些实施例中，介质包括第iv族材料、第iv族化合物、氧化物、s基化合物、se基化合物、相变材料、iii-v族化合物和氮化物中的任意一种或多种。可以根据实际需求设置，在本技术中不作限定。
74.本技术还提供一种广角器件，包括上述图1至图8实施例所示的微纳结构元件1。在本实施例中，广角器件包括广角闪耀光栅。广角闪耀光栅能够在更宽的入射角度范围内保持高闪耀效率。
75.图9所示为本技术的广角器件的广角闪耀光栅的光栅结构组201的一个实施例的俯视结构示意图。图10所示为图9所示的广角器件的广角闪耀光栅的光栅结构组201的相位曲线图。如图9至图10所示，广角闪耀光栅包括基底(未图示)和多个光栅结构组201。多个光栅结构组201设于基底，多个光栅结构组201可以相同或者不同。光栅结构组201包括多个周期排布的光栅结构单元202。其中光栅结构单元202预设的相位响应配置为对不同角度的入射光，具有相同的相位调制趋势，且该相位调制趋势为线性(如图10所示)。如此可实现高的闪耀效率。
76.在图9所示的实施例中，多个光栅结构单元202在第一方向x和第二方向y上周期排布。其中第一方向x和第二方向y相交设置且位于同一平面内。在图9所示的实施例中，多个光栅结构单元202在第一方向x和第二方向y上周期排布。在一些实施例中，相邻两个光栅结构单元202的间隔距离相同或不同。在图9所示的实施例中，相邻两个光栅结构单元202的间隔距离相同。在其他一些实施例中，相邻两个光栅结构单元202的间隔距离不同。可以根据需求设计。
77.在图9所示的实施例中，光栅结构单元202包括多个光栅结构203。每个光栅结构单元202的多个光栅结构203在一个周期内，根据其相位进行排布，其中一个周期的相位跨度为0～2π。结合图9和图10所示，在每个光栅结构单元202中，多个光栅结构单元202所处的位置不同，相位不同。
78.在一些实施例中，广角闪耀光栅包括多个光栅结构组。广角闪耀光栅的工作场景配置为一种或多种工作波长。一种或多种工作波长的入射光射入该多个光栅结构组。在本实施例中，广角闪耀光栅包括第一光栅结构组和第二光栅结构组，第一光栅结构组工作于第一种工作波长的入射光。第二光栅结构组工作于第二种工作波长的入射光。可以根据自己需求，设计不同工作波长的入射光分别入射至不同的光栅结构组。
79.图11所示为图9所示的广角器件的广角闪耀光栅的光栅结构组201的光栅结构单
元202的光栅结构203在不同角度下的相位响应图。图12所示为图9所示的广角器件的广角闪耀光栅的光栅结构组201的光栅结构单元202的光栅结构203在不同角度下的透过率图。图13所示为图9所示的广角器件的广角闪耀光栅在-85
°
、-45
°
、15
°
、45
°
入射角度下光场分布图。图14所示为图9所示的广角器件的广角闪耀光栅与相关技术中的光栅在不同角度入射下闪耀效率曲线。图15所示为图9所示的广角器件的广角闪耀光栅的光栅结构组201的光栅结构单元202的光栅结构203在波长为1.45μm下的透射率图。图16所示为图9所示的广角器件的广角闪耀光栅的光栅结构组201的光栅结构单元202的光栅结构203在波长为1.45μm下的相位响应图。图17所示为图9所示的广角器件的在宽普下的闪耀效率图。
80.在图9至图17所示的实施例中，光栅结构组201的光栅结构单元202存在某种设定条件下的响应，对于光栅结构单元202，能实现对入射光场0-2π的相位调控。在改变角度的情况下，每一组光栅结构组201的光栅结构单元202对光场引起的相位变化存在相同的线性变化趋势。其中，用来覆盖/模拟一个2π周期内的相位变化的不同的光栅结构单元202的光栅结构203的数量是可以任意选择的。例如，在图9所示的实施例中，可以采用八种不同尺寸的光栅结构203来覆盖2π的相位，也可以采取更多或者更少的光栅结构203来对2π进行覆盖，例如16种、32种或3种等等。在本技术中不受限制。
81.在本实施例中，光栅结构组201可以采用透射式的光栅结构单元202的光栅结构203，包括但不限于常见的结构。也可采用反射式的光栅结构单元202的光栅结构203，此种结构可以为金属-电介质-金属组合形式，也可以为电介质-电介质-金属形式，从而实现对入射光的高反射，从而实现对入射光场的相位调控作用。在一些实施例中，光栅结构203常选但不限于如硅(si)、氮化硅(sin)、锗(ge)、二氧化钛(tio2)、石英玻璃(sio2)等电介质材料，金(au)、银(ag)、铜(cu)等贵金属，以及液晶、氧化铟锡(ito)、铌酸锂等可调谐材料中的至少一种。
82.根据满足预设相位条件的光栅结构组201的光栅结构单元202的光栅结构203的形状不同，使得设计的广角器件具有或不具有偏振选择性。当采用横截面为诸如长方形、椭圆形等常见结构时，由于结构各向异性，所以只对特定方向上偏振的入射光产生相位调制，从而实现相位调制的偏振选择性。相反，当满足对不同入射偏振态引入的相位变化相同，各个方向上偏振的光都实现相位调控。
83.在基于上述设计的光栅结构组201的光栅结构单元202的光栅结构203的情况下，所设计的广角闪耀光栅有以下特征，广角闪耀光栅的光栅结构组201的光栅结构单元202需要对不同角度入射下的光响应存在相同的变化趋势，因而光栅结构组201的光栅结构单元202的光栅结构203对于入射光在不同角度入射下实现线性的相位调制，实现广角特性。所设计的广角闪耀光栅需满足的相位可以通过理论计算得到或者通过模型计算得到。
84.根据广义的斯涅耳定律，对于两个界面引入相位梯度的时候，入射光与出射光满足如下表达式：
[0085][0086]
其中，k0为自由空间波矢量；ni、n
t
为入射面两侧的折射率；θi、θ
t
为入射角度与折射角度；dφ为超表面引起的相位突变。
[0087]
在本实施例中，在组成广角闪耀光栅的光栅结构组201的光栅结构单元202的多个
光栅结构203为透射型或者反射型的情况下，能实现0～2π的相位调制，且每一组光栅结构组201的光栅结构单元202的光栅结构203的相位响应随入射角度的变化有相同的线性变化趋势同时有高的透射率或者反射率，此时满足dφ/dx在不同角度入射下都为常数下，因而能实现器件的广角特性。由等式可知对不同角度入射光有不同的出射角度，如图1所示。
[0088]
根据本实施例，如果针对波长为1550nm的入射光来设计具有偏振选择性的广角闪耀光栅，仅作为示例而非限制性地，光栅结构组201的光栅结构单元202的光栅结构203可以采用由硅材料形成的横截面为长方形的柱体，光栅结构组201内每一个周期的光栅结构单元202的光栅结构203上存在两个具有一定间隔尺寸相同的柱体，柱体的高度均为1100nm，光栅结构组201的光栅结构单元202的光栅结构203的横截面边长变化以及两个光栅结构组201的光栅结构单元202的光栅结构203的间距的改变实现对相位的调控。若实现介质表面相位梯度为线性，此时需要满足的相位曲线如图10所示。
[0089]
通过相位表达式，将本实施例中光栅结构组201的光栅结构单元202采用的八个光栅结构203根据对光场调控相位的大小顺序排布得到可重复单元如图9所示。图9展示了构成广角闪耀光栅的光栅结构组201的光栅结构单元202周期排布的俯视图，其中将可重复单元沿着x轴以及y轴进行周期性排列，相邻的光栅结构单元202的光栅结构203的之间的距离为800nm(即沿x方向和沿y方向具有相同的800nm的排布周期)。其中可重复单元(光栅结构单元202)采用八种不同尺寸的光栅结构203覆盖/模拟一个2π周期内的相位变化，每一个光栅结构单元202对在不同角度下的相位响应如图11所示，同时图12展示了在不同角度下光栅结构单元202的透过率。如图13所示给出在不同角度下即-85
°
、-45
°
、15
°
、45
°
时波前场分布图，由图13中的波前图分布展示出入射光整体都闪耀到预定的方向。同时，图14示出在不同角度入射下光栅结构组201的光栅结构单元202的闪耀效率，此处广角闪耀光栅的效率为闪耀到预设方向的功率与光源功率之比。与图11至图12所示的实施例相比，在图15至图16所示的实施例中，在其他波长的入射光下，光栅结构组201的光栅结构单元202对于不同角度的入射光下也具有相似的线性相位调制，可实现宽普广角特性，且具有较高的闪耀效率。
[0090]
图18所示为本技术的广角器件的广角透镜的曲线相位图。在图18所示的实施例中，广角透镜预设的相位响应配置为入射至广角透镜的不同角度的入射光，其经过该广角透镜后，具有相同的相位调制趋势，且该相位调制趋势为曲线。曲线相位调制趋势指广角透镜在不同位置上对入射光的相位进行调制的函数关系。如此设置，不同角度的入射光下，经过上述广角透镜后，具有相同的相位调制趋势，实现广角高效的调制。
[0091]
在一些实施例中，广角透镜包括单片透镜或者多片透镜。在一些实施例中，广角透镜包括单片透镜。在另一些实施例中，广角透镜包括多片透镜。不同角度的入射至上述单片的或多片的广角透镜，并经过单片的或多片的广角透镜后，具有相同的相位调制趋势，实现广角高效的调制。
[0092]
图19所示为本技术的广角器件的广角收光透镜3的一个实施例的结构示意图。在图19所示的实施例中，广角透镜包括广角收光透镜3。广角收光透镜3包括多个环带301。在本实施例中，多个环带301的相位响应配置为入射至多个环带301的不同角度的入射光，其经过该多个环带301后交汇于同一收光位置，且每个环带301的相位响应配置为入射至对应的每个环带301的不同角度的入射光，其经过对应的每个环带301后，具有相同的调制趋势。在本实施例中，环带设置为三个，可以用301a、301b和301c表示。入射至三个环带301a、301b
和301c的不同角度的入射光，其经过该三个环带301a、301b和301c后交汇于同一收光位置，该收光位置可以设置孔径光阑302。其中，每个环带301a或301b或301c的相位响应配置为入射至对应的每个环带301a或301b或301c的不同角度的入射光，其经过对应的每个环带301a或301b或301c后，具有相同的调制趋势。如此设置，不同角度的入射光下，经过上述具有多个环带301的广角收光透镜3后，实现广角高效的调制，提高收光效果。
[0093]
图20所示为图19所示的广角器件的广角收光透镜3的独立环带相位曲线图。图21所示为图19所示的广角器件的广角收光透镜3的独立曲线首尾相连曲线图。图22所示为图19所示的广角器件的广角收光透镜3的拟合连续相位曲线图。在图20至图22所示的实施例中，横坐标为位置，纵坐标为相位。图23所示为图19所示的广角器件的广角收光透镜3在不同环带301下的孔径光阑302所处平面的场分布(a-d)以及传播方向的场分布(e-f)。在图19至图23所示的实施例中，将广角收光镜301分成不同的环带301(例如包括301a、301b和301c)，不同环带301负责将不同入射角度的光偏折到孔径光阑302的中心。通过广义的斯涅尔定律，可计算得到每一个环带301上需要满足的相位分布，进而根据相位分布来排布微纳结构元件1。
[0094]
在本实施例中，将每一个环带301尺寸取19.2μm，相邻的两个环带301对入射角变化量为5
°
，可接收的最大角度为
±
80
°
，此时超透镜分成17个尺寸相同的环带301，孔径光阑302的位置在z＝450μm处，孔径光阑的尺寸为100μm。可以把每一个环带301看作闪耀光栅，每一个环带301对应一个线性的相位曲线，不同环带301将不同角度入射光闪耀到孔径光阑302的位置，此时这些独立的环带301能实现高的效率。根据相对位置关系以及广义斯涅耳定律，可得每一个环带301需要满足的相位。因此，我们将图20中的获得的离散间断相位进行首尾相连，如图21所示。通过多项式拟合得到一个连续的相位表达式，拟合多项式形式为：
[0095][0096]
其中，ai为多项式系数，r为结构单元中心位置与透镜中心的距离。
[0097]
在获得相位表达式后，我们在电磁场仿真软件中采用优化结构单元来构建广角收光透镜3，如图22所示。为了节省内存我们建立一个柱透镜，即结构在y方向周期性排布。此时上述表达式中r取x，相位只在x方向变化。当在此条件下得到了较好的收光效果，可将设计好的结构排布以原点为参考点进行中心旋转，最终可以得到广角收光超透镜。
[0098]
图23中示出几个离散环带301的场分布，其中(a-d)展示了孔径光阑平面(x-y平面)的场分布，(e-h)展示了传播方向(x-z平面)的场分布图。在图23所示的实施例中，(a)和(e)为15
°
对应的环带301，(b)和(f)为30
°
，(c)和(g)为60
°
，(d)和(h)为80
°
。如图23所示，孔径光阑302的位置平面光场都在x＝0附近(即孔径光阑302的中心)。因此，本实施例的广角收光透镜3能将不同角度的入射光较好的偏折至孔径光阑302的中心的位置，实现了其收光效果。
[0099]
在本实施例中，对每一个环带301的效率进行评估，效率可以为孔径光阑302的出射功率与入射功率的比值。下表为广角收光透镜3在不同角度的入射光下的效率：
[0100]
入射角度效率
15
°
0.8335
°
0.8160
°
0.8080
°
0.75
[0101]
由上表可知，广角收光透镜3在小于80
°
的不同角度的入射光下的闪耀效率均达75％以上，闪耀效率较高。如此设置，广角收光透镜3可以收集从宽广入射角范围内的光线提高收光效率。
[0102]
上述方案中，基于微纳结构元件1的实现的广角高效的器件，一方面可以制作广角闪耀光栅，实现广角高效的闪耀，以改善广角闪耀光栅在大角度的入射光下效率低的不足的问题。另一方面也可以制作广角透镜，实现广角的高质量成像及高效的收光效率。
[0103]
成像显示设备包括如上述图9至图23实施例所示的广角器件。在一些实施例中，成像显示设备包括夜视仪、行车记录仪、激光雷达、视频会议设备、安防设备、智能家居设备、显微成像设备、ar设备、vr设备、mr设备中的其中一种。成像显示设备通过设置上述广角器件，可扩大成像显示设备的视场角，可观察到更广的景象。
[0104]
以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术保护的范围之内。

技术特征：
1.一种微纳结构元件，其特征在于，包括：基底；及微纳结构组，设于所述基底，且包括多个周期排布的不同的微纳结构单元；所述微纳结构组预设的相位响应配置为入射至该微纳结构组的不同角度的入射光，其经过该微纳结构组后，具有相同的相位调制趋势。2.根据权利要求1所述的微纳结构元件，其特征在于，所述微纳结构单元包括至少两个微纳结构子单元，所述至少两个微纳结构子单元相交设置；或间隔设置；或重叠设置。3.根据权利要求2所述的微纳结构元件，其特征在于，所述至少两个微纳结构子单元的尺寸相同或者不同。4.根据权利要求2所述的微纳结构元件，其特征在于，所述微纳结构子单元包括长方体结构、柱状结构、锥状结构、台状结构中的至少一种。5.根据权利要求2所述的微纳结构元件，其特征在于，所述微纳结构子单元为连续结构、断续结构、条形结构、曲面结构中的至少一种。6.根据权利要求2所述的微纳结构元件，其特征在于，所述微纳结构单元对于不同角度的所述入射光的透射率或者反射率至少大于0.5。7.根据权利要求1所述的微纳结构元件，其特征在于，所述微纳结构单元包括透射型结构。8.根据权利要求7所述的微纳结构元件，其特征在于，所述微纳结构单元的材料为透明材料。9.根据权利要求1所述的微纳结构元件，其特征在于，所述微纳结构单元包括反射型结构。10.根据权利要求9所述的微纳结构元件，其特征在于，所述微纳结构单元包括金属-介质-金属的组合结构，或介质-介质-金属的组合结构。11.根据权利要求10所述的微纳结构元件，其特征在于，所述介质包括第iv族材料、第iv族化合物、氧化物、s基化合物、se基化合物、相变材料、iii-v族化合物和氮化物中的任意一种或多种。12.一种广角器件，其特征在于，包括：如权利要求1至11中任一项所述的微纳结构元件。13.根据权利要求12所述的广角器件，其特征在于，所述广角器件包括广角闪耀光栅。14.根据权利要求13所述的广角器件，其特征在于，所述广角闪耀光栅包括光栅结构组，所述光栅结构组包括多个周期排布的光栅结构单元；其中所述光栅结构单元预设的相位响应配置为对不同角度的入射光，具有相同的相位调制趋势，且该相位调制趋势为线性。15.根据权利要求14所述的广角器件，其特征在于，所述光栅结构单元包括多个光栅结构；每个所述多个光栅结构单元的所述多个光栅结构在一个周期内，根据所述光栅结构的相位进行排布，所述一个周期的相位跨度为0～2π。16.根据权利要求14所述的广角器件，其特征在于，多个所述光栅结构单元在第一方向和第二方向上周期排布；其中所述第一方向和所述第二方向相交设置且位于同一平面内；和/或相邻两个所述光栅结构单元的间隔距离相同或不同。
17.根据权利要求14所述的广角器件，其特征在于，所述广角闪耀光栅包括多个光栅结构组；所述广角闪耀光栅的工作场景配置为一种或多种工作波长；所述一种或多种工作波长的所述入射光射入该多个光栅结构组。18.根据权利要求12所述的广角器件，其特征在于，所述广角器件包括广角透镜。19.根据权利要求18所述的广角器件，其特征在于，所述广角透镜预设的相位响应配置为入射至所述广角透镜的不同角度的入射光，其经过该所述广角透镜后，具有相同的相位调制趋势，且该相位调制趋势为曲线。20.根据权利要求18所述的广角器件，其特征在于，所述广角透镜包括单片透镜或者多片透镜。21.根据权利要求18所述的广角器件，其特征在于，所述广角透镜包括广角收光透镜。22.根据权利要求21所述的广角器件，其特征在于，所述广角收光透镜包括排布的多个环带，所述多个环带的相位响应配置为入射至所述多个环带的不同角度的入射光，其经过该多个环带后交汇于同一收光位置，且每个所述环带的相位响应配置为入射至对应的每个所述环带的不同角度的入射光，其经过对应的每个该环带后，具有相同的调制趋势。23.一种成像显示设备，其特征在于，包括：如权利要求12至22中任一项所述的广角器件。24.根据权利要求23所述的成像显示设备，其特征在于，所述成像显示设备包括夜视仪、行车记录仪、激光雷达、视频会议设备、安防设备、智能家居设备、显微成像设备、ar设备、vr设备、mr设备中的其中一种。

技术总结
本申请提供一种微纳结构元件、广角器件及成像显示设备。微纳结构元件包括基底及微纳结构组。微纳结构组设于基底，且包括多个周期排布的不同的微纳结构单元；微纳结构组预设的相位响应配置为入射至该微纳结构组的不同角度的入射光，其经过该微纳结构组后，具有相同的相位调制趋势。不同角度的光入射下，经过上述微纳结构组的具有高透射率或反射率的不同的微纳结构单元后，具有相同的相位调制趋势，实现了广角高效的调制。现了广角高效的调制。现了广角高效的调制。


技术研发人员：张林 李春树
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/19