一种像素结构、超表面及控制像素结构的方法与流程

1.本发明涉及光学元件技术领域，具体而言，涉及一种像素结构、超表面及控制像素结构的方法。


背景技术：

2.超表面的光学性能主要由两个因素决定：
①
结构单元的几何形状与尺寸；
②
材料的介电常数。当超表面器件制备后，其结构的几何形状与尺寸就难以改变，因此可以通过改变材料的介电常数以实现器件光学性能的调控或重构。相变材料在外加激励(如热、激光、外加电压等)下能够改变物质内部的晶格，可以大幅度地改变介电常数。
3.相变材料能够在晶态与非晶态之间相互转换，不同状态的相变材料能够实现不同的调制效果。例如，一束光线入射至相变材料，当相变材料位于非晶态时，出射左旋光向右侧偏转；相变材料位于晶态时，出射光向左侧偏转，实现二值调制。此外，部分方案利用相变材料能够部分晶化的特点，使得非晶态到晶态是一个逐渐变化的过程，从而实现反射相位可连续调控。
4.现有的成熟策略是在相变材料的晶态与非晶态之间切换，但其仅为二值调制(仅有两个调控态，也可称为相变态)，应用有限。另一方面，虽然部分晶化解决了传统相变材料只有两个调控态的问题，但晶化度很难控制，精准度低且方案不成熟，不能很好地实现稳定的相位连续可调。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种像素结构、超表面及控制像素结构的方法。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种像素结构，包括：多个结构相同的相变单元，且多个所述相变单元以阵列形式排列；
7.所述相变单元包括激励元件和相变元件，所述激励元件用于向所述相变元件施加独立的激励，以改变所述相变元件的相变态；
8.所述相变元件包括至少一个由相变材料制作的纳米结构；
9.所述相变元件的相变态包括晶态和非晶态；所述像素结构的相变态与所述像素结构中所述相变单元的相变态数量之间为一一对应关系，所述相变态数量包括晶态相变单元的数量和/或非晶态相变单元的数量。
10.在一种可能的实现方式中，所述相变单元的数量不超过25个。
11.在一种可能的实现方式中，每个所述相变单元的所述激励元件均包括间隔设置的第一电极和第二电极；所述第一电极与所述第二电极通过所述相变单元的中间件实现电连接；
12.所述第一电极与所述第二电极之间能够形成电势差，利用电热转换改变位于所述第一电极与所述第二电极之间的所述中间件的温度，以能够改变所述相变元件的温度。
13.在一种可能的实现方式中，所述中间件包括第一金属反射层；
14.所述相变元件位于所述第一金属反射层的反光侧；
15.所述第一电极与所述第二电极分别与所述第一金属反射层电连接，并位于所述相变元件的两侧。
16.在一种可能的实现方式中，所述相变单元还包括：第一介质层；
17.所述第一介质层位于所述第一金属反射层与所述相变元件之间，并抵接所述第一金属反射层和所述相变元件。
18.在一种可能的实现方式中，所述相变单元还包括：第一绝缘层；
19.所述第一绝缘层位于所述第一金属反射层的一侧，所述相变元件、所述第一电极和所述第二电极均位于所述第一金属反射层远离所述第一绝缘层的一侧。
20.在一种可能的实现方式中，所述相变单元还包括：填充物，所述填充物在工作波段透明；
21.所述填充物填充在所述相变元件的纳米结构之间。
22.在一种可能的实现方式中，所述中间件包括所述相变元件；
23.所述第一电极与所述相变元件的一侧电连接，所述第二电极与所述相变元件的另一侧电连接。
24.在一种可能的实现方式中，所述第一电极为层状结构，且所述第一电极在工作波段透明；
25.所述相变元件位于所述第一电极的一侧；所述第二电极与所述相变元件远离所述第一电极的一侧电连接。
26.在一种可能的实现方式中，所述激励元件还包括：连接层，且所述连接层在工作波段透明；
27.所述连接层位于所述相变元件远离所述第一电极的一侧，并与所述相变元件电连接；
28.所述第二电极位于所述第一电极与所述连接层之间，并与所述连接层电连接。
29.在一种可能的实现方式中，多个所述相变单元的所述第一电极共面，且为一体式结构。
30.在一种可能的实现方式中，所述相变单元还包括：第二绝缘层；
31.所述第二绝缘层位于所述第一电极与所述第二电极之间，并抵接所述第一电极、所述第二电极。
32.在一种可能的实现方式中，像素结构还包括：基底；所述基底在工作波段透明；
33.多个所述相变单元位于所述基底的至少一侧。
34.在一种可能的实现方式中，所述相变单元还包括：第二金属反射层；
35.所述第二金属反射层位于所述第一电极远离所述相变元件的一侧，或者，位于所述第一电极与所述相变元件之间；
36.所述第二金属反射层靠近所述相变元件的一侧为反光侧。
37.在一种可能的实现方式中，所述第一电极包括第三金属反射层；
38.所述相变元件位于所述第三金属反射层的反光侧；所述第二电极与所述相变元件远离所述第三金属反射层的一侧电连接。
39.在一种可能的实现方式中，多个所述相变单元的所述第三金属反射层共面，且为一体式结构。
40.在一种可能的实现方式中，所述相变单元还包括：第三绝缘层；
41.所述第三绝缘层位于所述第三金属反射层与所述第二电极之间，并抵接所述第三金属反射层、所述第二电极。
42.在一种可能的实现方式中，所述相变单元还包括：能够导电的第二介质层；
43.所述第二介质层位于所述第三金属反射层与所述相变元件之间，并抵接所述第三金属反射层和所述相变元件。
44.在一种可能的实现方式中，所述第一电极与所述第二电极中的一个具有固定电势。
45.在一种可能的实现方式中，具有所述固定电势的电极接地。
46.在一种可能的实现方式中，所述纳米结构为偏振不相关结构。
47.在一种可能的实现方式中，所述纳米结构包括：纳米圆柱结构、中空纳米柱结构、纳米圆孔结构、纳米环孔结构、纳米方柱结构、纳米方孔结构、纳米方环结构、纳米方环孔结构中的至少一种。
48.第二方面，本发明实施例还提供了一种超表面，包括多个如上所述的像素结构，多个所述像素结构以阵列形式排列。
49.第三方面，发明实施例还提供了一种控制如上述的像素结构的方法，包括：
50.预先确定所述像素结构中相变单元的相变态数量与所述像素结构的相变态之间的一一对应关系；
51.确定当前调控相位所对应的像素结构的相变态，并根据所述对应关系确定与所述当前调控相位所对应的相变单元的目标相变态数量；
52.单独调控至少部分相变单元的电极，以改变所述至少部分相变单元的相变态，且调控后相变单元的相变态数量与所述目标相变态数量相一致。
53.本发明实施例上述第一方面提供的方案中，像素结构包括多个结构相同的相变单元，每个相变单元设有独立的激励元件，能够独立地激励由相变材料制作的纳米结构，从而能够独立地调控改变每个相变单元的相变态，进而调整像素结构整体上的相变态；并且，所有相变单元的结构是相同的，相变单元调控传播相位，其对光的偏振方向不敏感，像素结构整体上的等效折射率只与不同相变态的相变单元的个数有关，与排列方式无关，故通过调整像素结构不同位置处相变单元的相变态，可以在只关注数量的情况下实现调整像素结构的相变态，在相变单元的相变态种类有限的情况下，也可以方便地实现像素结构的准连续可调；并且，激励元件能够快速准确地控制相变单元在有限的相变态之间切换，从而能够实现对像素结构快速准确地进行调控。
54.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
55.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
56.图1示出了本发明实施例所提供的像素结构的一种结构示意图；
57.图2示出了本发明实施例所提供的2
×
2像素结构的相变态示意图；
58.图3示出了本发明实施例所提供的3
×
3像素结构的相变态示意图；
59.图4示出了本发明实施例所提供的像素结构一种相变态所对应的多种排列方式示意图；
60.图5示出了本发明实施例所提供的像素结构的控制布线示意图；
61.图6示出了本发明实施例所提供的相变单元的第一结构示意图；
62.图7a示出了本发明实施例所提供的相变单元的第二结构示意图；
63.图7b示出了本发明实施例所提供的相变单元的第三结构示意图；
64.图8a示出了本发明实施例所提供的相变单元的第四结构示意图；
65.图8b示出了本发明实施例所提供的相变单元的第五结构示意图；
66.图8c示出了本发明实施例所提供的相变单元的第六结构示意图；
67.图9a示出了本发明实施例所提供的相变单元的第七结构示意图；
68.图9b示出了本发明实施例所提供的相变单元的第八结构示意图；
69.图10示出了本发明实施例所提供的像素结构的相位调制示意图。
70.图标：
71.1-相变单元、1a-非晶态的相变单元、1c-晶态的相变单元、10-激励元件、101-第一电极、102-第二电极、103连接层、20-相变元件、201-纳米结构、301-第一金属反射层、302-第二金属反射层、303-第三金属反射层、401-第一介质层、402-第二介质层、501-第一绝缘层、502-第二绝缘层、503-第三绝缘层、504-第四绝缘层、60-填充物、70-基底。
具体实施方式
72.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
73.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
74.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
75.本发明实施例提供一种像素结构，参见图1所示，该像素结构包括：多个结构相同
的相变单元1，且多个相变单元1以阵列形式排列。图1中，该像素结构包括四个相变单元1，且按照2
×
2的阵列形式排列。
76.如图1所示，该相变单元1包括激励元件10和相变元件20，例如，激励元件10和相变元件20设置在基底70上。激励元件10用于向相变元件20施加独立的激励，以改变相变元件20的相变态；相变元件20的相变态包括晶态和非晶态；其中，相变元件20包括至少一个由相变材料制作的纳米结构201。
77.本发明实施例中，该像素结构为包括多个相变单元1的超级像素，每个相变单元1可以独立调控。具体地，如图1所示，该相变单元1为超表面结构，其包含至少一个由相变材料制作的纳米结构201，当激励元件10向纳米结构201施加激励时，利用相变材料在激励下能够改变其相变态的特性，可以控制改变该纳米结构201的相变态，即可以改变该相变单元1的相变态。并且，每个相变单元1中的激励元件10用于独立地向相变元件20(如纳米结构201)施加激励，即每个相变单元1是独立施加激励的，从而可以独立调控每个相变单元1。图1中在纳米结构201旁以球形示意性示出了激励元件10，但图1仅为该像素结构的一种示意图，并不用于限定激励元件10、纳米结构201的位置和形状。
78.本发明实施例中，每个相变单元1均具有多个能够调控的相变的状态，简称为相变态；并且，每个相变单元1的相变态均是可精确调控的相变态。例如，由于可以精确调控相变材料的晶态(crystalline)和非晶态(amorphous)，本实施例中将该晶态和非晶态均设为相变单元1的相变态，通过控制激励元件10向相变元件20所施加的激励的大小或者是否施加激励等，可以调控像素结构中每个相变单元1的相变态，使得像素结构整体上具有不同的相变态。例如，在激励与案件10的作用下，每个相变单元1可以在晶态与非晶态之间切换，对于包含n个相变单元1的像素结构，其具有n+1个相变态，每个相变态对应一个相位。即，在相变单元1为二值调控(其只具有晶态和非晶态)的情况下，像素结构也能够具有更多个相变态，从而实现对像素结构的多态可调，本实施例将此称为“准连续可调”。随着像素结构所包含的相变单元1的数量增大，像素结构所具有的相变态也越多。
79.例如，参见图2所示，像素结构包括四个相变单元1，且按照2
×
2的形式排列。每个相变单元1具有晶态(crystalline)和非晶态(amorphous)两种，通过控制各自的激励元件10能够在晶态与非晶态之间切换。本发明实施例中，以1c表示晶态的相变单元，以1a表示非晶态的相变单元。该像素结构的相变态共包括相变态a、b、c、d、e五种，图2以及下述的图3-图5均已白色框表示非晶态的相变单元1a、以灰色框表示晶态的相变单元1c。如图2所示，像素结构的四个相变单元1均为晶态时，该像素结构的相变态为相变态a，本实施例以晶态、非晶态的相变单元个数来表示像素结构的相变态；例如，图2所示的该像素结构的五种相变态a、b、c、d、e分别为：0a4c、1a3c、2a2c、3a1c和4a0c，其中a代表非晶态，c代表晶态。
80.例如，参见图3所示，像素结构包括九个相变单元1，且按照3
×
3的形式排列。每个相变单元1具有晶态(crystalline)和非晶态(amorphous)两种。图3示出了该像素结构的10种相变态，依次为：0a9c、1a8c、2a7c、3a6c、4a5c、5a4c、6a3c、7a2c、8a1c和9a0c。
81.本发明实施例中，像素结构的相变态与其所包含的不同相变态的相变单元的数量有关，例如，与其中晶态相变单元的数量、非晶态相变单元的数量有关；为方便描述，本实施例将“晶态相变单元的数量和/或非晶态相变单元的数量”称为“相变态数量”；例如，该相变态数量可以为晶态相变单元的数量，或者，也可以为非晶态相变单元的数量，或者，也可以
为晶态相变单元的数量和非晶态相变单元的数量，即相变态数量包含两种相变态相变单元的数量。其中，晶态相变单元指的是当前为晶态的相变单元，非晶态相变单元指的是当前为非晶态的相变单元。
82.其中，相变单元的相变态数量与像素结构的相变态之间是一一对应的，二者之间的对应关系为一一对应关系，即，不同的相变态数量对应像素结构不同的相变态；由于相变态数量可以为多种，使得像素结构能够具有更多的相变态，能够实现准连续可调。
83.具体地，本发明实施例中，每个相变单元1用于调控光的传播相位，相变单元1(或者，像素结构)对光的偏振方向不敏感；并且，该像素结构所包含的多个相变单元1的结构相同，故该像素结构的相变态只与其所包含的不同相变态相变单元1的数量有关，与不同相变态相变单元1的排列方式无关。可选地，该纳米结构201为偏振不相关结构，以能够调控光的传播相位。例如，纳米结构201包括：纳米圆柱结构、中空纳米柱结构、纳米圆孔结构、纳米环孔结构、纳米方柱结构、纳米方孔结构、纳米方环结构、纳米方环孔结构中的至少一种。
84.例如，以图3所示的像素结构为例，若该像素结构的相变态为3a6c，其此时包含3个非晶态的相变单元1a和6个晶态的相变单元1c，该像素结构共能形成c(9,3)＝84种排列方式，由于部分排列方式通过旋转或镜像后对应同一种排列方式，在本发明实施例中，这些排列方式本质上是等价。本发明实施例中，参见图4所示，相变态为3a6c对应的排列方式共14种，这14种排列方式虽然互不相同，但其所对应的像素结构的相变态是相同的，均为3a6c。
85.本发明实施例中，在需要调控像素结构的相变态时，分别控制每个相变单元1中的激励元件10向相变元件20施加激励(若激励元件10不工作，相当于施加的激励为零)，从而可以按照需要调整该像素结构中不同相变态的相变单元1的数量，进而实现对该像素结构的相变态的调整。由于可以快速准确地调控相变单元1的相变态，从而能够快速准确地调控整个像素结构的相变态；且该像素结构的相变态的数量较多，能够实现准连续可调。例如，该像素结构适用于高速、高效率光波前调控，在全固态激光雷达等方面有着重大潜在应用。
86.在一些实施例中，制作纳米结构201的相变材料可以为锗锑碲化物(ge
x
sbytez)，碲化锗(ge
x
tey)，碲化锑(sb
x
tey)，银锑碲化物(ag
x
sbytez)等。例如，该相变材料为gst(ge2sb2te5)。一般情况下，gst为非晶态；在向gst施加激励后(例如加热等)，非晶态的gst会相变为晶态，实现非晶态
→
晶态的快速转换。并且，晶态的gst被加热超过熔点后，经急速冷却可再次转换为非晶态，整个冷却过程能够在10ns内急速完成，从而也可以实现晶态
→
非晶态的快速转换。本发明实施例中，若以gst制作纳米结构201，通过激励元件10改变纳米结构201的温度，从而可以实现晶态非晶态之间地快速转换，进而能够快速调控像素结构的相变态。
87.本发明实施例提供的像素结构，包括多个结构相同的相变单元1，每个相变单元设有独立的激励元件10，能够独立地激励由相变材料制作的纳米结构201，从而能够独立地调控改变每个相变单元1的相变态，进而调整像素结构整体上的相变态；并且，所有相变单元1的结构是相同的，相变单元1调控传播相位，其对光的偏振方向不敏感，像素结构整体上的等效折射率只与不同相变态的相变单元1的个数有关，与排列方式无关，故通过调整像素结构不同位置处相变单元1的相变态，可以在只关注数量的情况下实现调整像素结构的相变态，在相变单元1的相变态种类有限的情况下，也可以方便地实现像素结构的准连续可调；并且，激励元件10能够快速准确地控制相变单元1在有限的相变态之间切换，从而能够实现
对像素结构快速准确地进行调控。
88.可选地，若像素结构包含较多的相变单元1，如上所述，该像素结构中间可调相变态的数量也较多，更加接近连续可调；但是，相变单元1数量较多，会导致像素结构的周期变大(例如，半径变大等)，入射光入射到大像素结构上时容易产生高阶衍射，从而导致像素结构效率过低而不能使用。本发明实施例中，为有效避免产生高阶衍射，像素结构所包含的相变单元1的数量不超过25个。例如，相变单元1的数量为4个(2
×
2阵列)或9个(3
×
3阵列)等。
89.在一些实施例中，激励元件10采用电控的方式对相变元件20施加激励，通过电热转换对相变元件20进行加热，从而改变相变元件20的温度。具体地，图6示出了相变单元1的一种结构示意图。相变单元1包含用于导电并加热的中间件，其中，每个相变单元1的激励元件10均包括间隔设置的第一电极101和第二电极102，即第一电极101与第二电极102不直接电连接，避免短路。第一电极101与第二电极102通过相变单元1的中间件实现电连接；第一电极101与第二电极102之间能够形成电势差，利用电热转换改变位于第一电极101与第二电极102之间的中间件的温度，以能够改变相变元件20的温度。其中，不同相变单元1中至少一个电极(第一电极101或第二电极102)是独立被控的，以能够分别向不同的相变单元1施加激励。
90.本发明实施例中，相变单元1中设有能够导电并加热的中间件，该中间件位于第一电极101与第二电极102之间，并与两个电极(即第一电极101与第二电极102)电连接。并且，通过向第一电极101与第二电极102施加不同的电压，使得二者之间产生电势差，电流流过该中间件，并进行电热转换，进而可以改变该相变单元1中的相变元件20的温度。其中，由于相变材料本身也可导电，故可以直接将相变元件20作为该中间件；或者，也可借助其他的中间件实现导电，为能够有效地加热该相变元件20，该中间件与相变元件20抵接。
91.例如，参见图6所示，相变元件20为中间件。第一电极101和第二电极102分别设置在相变元件20的纳米结构201的两侧(如图6中的上下两侧)。第一电极101的电压为v1，第二电极的电压为v2，二者可形成电势差δv＝v1-v2，电流流过该纳米结构201，纳米结构201自发热，从而改变自身的温度，能够实现晶态非晶态之间地快速转换。并且，相变单元1可以为透射式，也可以为反射式，本实施例对此不做限定。图6示出的是一种透射式相变单元，入射的光线a经该相变单元1调制后，出射调制后的光线b，该光线b为透射的光线。
92.可选地，为方便布线，第一电极101与第二电极102中的一个具有固定电势。即，只需要控制第一电极101与第二电极102中的另一个的电压大小，即可控制二者之间的电势差，从而可以控制激励的大小。例如，第一电极101的电势是固定的，此时只需要控制第二电极102的大小即可。可选地，所有相变单元1所对应的该固定电势是相同的；例如，具有固定电势的电极接地，以方便布线。
93.例如，像素结构的一种布线方式可参见图5所示；图5中，该像素结构包括3
×
3排列的9个相变单元1，每个相变单元1中的一个电极(例如第一电极101)接地，另一个电极(例如第二电极102)接入控制线，从而可以控制该电极的电压。其中，具有相同固定电势的电极可以为一体式结构，以方便加工制作。
94.在一种可能的实现方式中，该相变单元1为反射式的相变单元，即其用于反射光线；本发明实施例中，可以基于金属反射层实现对光线的反射，并且，由于金属反射层是由能够导电的金属制作的，可以将该金属反射层作为中间件；例如，金属反射层为金、银、铜、
铝或者其合金制作而成。参见图7a所述，相变单元1的中间件包括第一金属反射层301。相变元件20位于第一金属反射层301的反光侧；第一电极101与第二电极102分别与第一金属反射层301电连接，并位于相变元件20的两侧。
95.本发明实施例中，第一金属反射层301具有能够反光的反光侧，相变元件20位于该反光侧，实现对反射光的调制。其中，相变元件20可以包含一个纳米结构201，或者，如图2和图6所示，相变元件20也可包含多个纳米结构201，多个纳米结构201周期性排列，为方便描述，本实施例以该相变元件20包含一个纳米结构201为例说明，图7a以纳米结构201表示相变元件20。与第一金属反射层301电连接的第一电极101、第二电极102分别位于相变元件20的两侧，使得第一金属反射层301通电后，与纳米结构201距离最近的部分能够产生热量，进而有效地加热该纳米结构201。
96.为避免相变单元1漏电，如图7a所示，该相变单元1还包括：第一绝缘层501。第一绝缘层501位于第一金属反射层301的一侧，相变元件20、第一电极101和第二电极102均位于第一金属反射层301远离第一绝缘层501的一侧。
97.可选地，纳米结构201可以直接设置在第一金属反射层301上，即二者抵接。或者，参见图7a所示，该相变单元1还包括：第一介质层401；第一介质层401位于第一金属反射层301与相变元件20之间，并抵接第一金属反射层301和相变元件20。该第一介质层401与纳米结构201抵接，该第一介质层401的折射率与纳米结构201的折射率(或者，纳米结构201的等效折射率)之间的差值小于或等于预设阈值，例如，该预设阈值为1或者0.5等，使纳米结构201的折射率与第一介质层401折射率相匹配，从而能够提高纳米结构201的透过率。例如，金属反射层(例如，第一金属反射层301)的厚度可以为100nm～100μm，该第一介质层401的厚度可以为30nm～1000nm。
98.其中，该第一介质层401在工作波段透明，例如能够透过可见光、红外光等。例如，该第一介质层401的材料可以为石英玻璃；或者，该第一介质层401的材料可以为能够导电且透明的材料，例如氧化铟锡(ito)；此时，该第一介质层401也可与两个电极相连接，即第一介质层401也可通电发热，其结构可参见图7b所示。
99.可选地，参见图7b所示，该相变单元1还包括：填充物60，该填充物60在工作波段透明；填充物60填充在相变元件20的纳米结构201之间。本发明实施例中，在纳米结构201周围填充有透明材料，即填充物60；该填充物60在工作波段具有较高的透过率，并且，填充物60的折射率与相变材料的折射率相比，二者之间的差值不小于0.5，以能够保证纳米结构201的调制效果。
100.本发明实施例中，若纳米结构201的初始状态为非晶态，光线a入射到该反射式的相变单元1后，纳米结构201能够对光线a进行相位调制，且制后反射出射；若电极对第一金属反射层301施加电压激励，第一金属反射层301导通加热，并将热量传导至纳米结构201，使得相变材料发生相变，由非晶态变为晶态，此时，入射的光线a经纳米结构201调制后，其相位该变量为从而实现不同的调制效果。本领域技术人员可以理解，上述仅以一个相变单元1的工作原理为例示出，对于包含多个相变单元1的像素结构，其工作原理相似，此处不做赘述。
101.在一种可能的实现方式中，可以直接利用相变元件20实现导电并加热，即该中间件包括相变元件20。参见图6或图8a所示，该第一电极101与相变元件20的一侧电连接，第二
电极102与相变元件20的另一侧电连接。如图6和图8a所示，该第一电极101与纳米结构201的下侧电连接，第二电极102与纳米结构201的上侧电连接。在两个电极的作用下，由相变材料制成的纳米结构201直接导电发热，实现相变态的改变。
102.可选地，如图8a所示，该第一电极101为层状结构，使得相变元件20能够直接设置在第一电极101的一侧；第一电极101在工作波段透明，避免降低光线的透过率；第二电极102与相变元件20远离第一电极101的一侧电连接，例如，如图8a所示，第二电极102与纳米结构201的上侧电连接。
103.其中，该第二电极102可以直接与纳米结构201电连接；或者，如图8a所示，该激励元件10还包括：连接层103，且连接层103在工作波段透明。该连接层103位于相变元件20远离第一电极101的一侧，并与相变元件20电连接；第二电极102位于第一电极101与连接层103之间，并与连接层103电连接。本发明实施例中，该层状的第一电极101和连接层103均采用导电且透明的材料，例如，可以使用ito制作而成。
104.例如，为了避免间隔设置的第一电极101与第二电极102之间漏电，参见图8a所示，该相变单元1还包括：第二绝缘层502；第二绝缘层502位于第一电极101与第二电极102之间，并抵接第一电极101、第二电极102。可选地，该相变单元1还可包括与纳米结构201并列设置的第四绝缘层504，在能够支撑部分电极的情况下，也可实现绝缘。如图8a所示，该第四绝缘层504可以起到支撑连接层103的作用。
105.可选地，在第一电极101为层状结构的情况下，可以将该第一电极101设为具有固定电势的电极。本发明实施例中，多个相变单元1的第一电极101共面，且为一体式结构，即，多个相变单元1的第一电极101为整体式的电极层，方便加工。例如，该一体式结构的第一电极101接地。
106.此外可选地，与上述图7b所示的相变单元相似，参见图8b所示，该相变单元1也可以包括：填充物60，该填充物60在工作波段透明；填充物60填充在相变元件20的纳米结构201之间。本发明实施例中，在纳米结构201周围填充有透明材料，即填充物60；该填充物60在工作波段具有较高的透过率，并且，填充物60的折射率与相变材料的折射率相比，二者之间的差值不小于0.5，以能够保证纳米结构201的调制效果。
107.在电极对相变元件20通电的情况下，该相变单元1可以是透射式的相变单元。如图8a和图8b所示，光线a射入至相变单元1，该相变单元1对光线a进行相位调制，并出射调制后的光线b，该光线b为透射光。或者，也可为该相变单元1设置金属反射层，形成反射式的相变单元。
108.可选地，参见图8c所示，该相变单元1还包括：第二金属反射层302。第二金属反射层302位于第一电极101远离相变元件20的一侧，或者，位于第一电极101与相变元件20之间；第二金属反射层302靠近相变元件20的一侧为反光侧。
109.本发明实施例中，设置与第一电极101相抵接的第二金属反射层302，从而实现反射光线。其中，如图8c所示，该第二金属反射层302位于第一电极101远离相变元件20的一侧，即第二金属反射层302与相变元件20分别位于第一电极101的两侧。或者，该第二金属反射层302也可以位于第一电极101与相变元件20之间，且与第一电极101相抵接，利用金属导电的特性，也可实现为纳米结构201供电。
110.或者，可选地，对于图8c所示的实施例，由于第二金属反射层302与第一电极101均
可实现导电，故在去掉图8c中的第一电极101的情况下，也可实现能够反射光线的相变单元，即直接将第二金属反射层302作为第一电极101。因此，可以直接将金属反射层作为其中一个电极。参见图9a所示，第一电极101包括第三金属反射层303，图9a中以该第三金属反射层303代替表示第一电极101。相变元件20位于第三金属反射层303的反光侧；第二电极102与相变元件20远离第三金属反射层303的一侧电连接。
111.本发明实施例中，该相变单元1的工作原理与上述图8c所示的相变单元1的原理相同。其中，第三金属反射层303与上述图8c所示实施例中的第二金属反射层302本质相同。例如，二者与第一金属反射层301相似，都可以是由金、银等金属制作的层状结构。
112.可选地，与上述图7a所示的相变单元包括第一绝缘层501相似，参见图9a所示，该相变单元1还包括：第三绝缘层503；第三绝缘层503位于第三金属反射层303与第二电极102之间，并抵接第三金属反射层303、第二电极102。通过设置该第三绝缘层503，可以有效防止漏电。
113.可选地，与上述图7a所示的相变单元包括第一介质层401相似，参见图9a所示，该相变单元1还包括：能够导电的第二介质层402；第二介质层402位于第三金属反射层303与相变元件20之间，并抵接第三金属反射层303和相变元件20。其中，该第二介质层402在工作波段透明，例如能够透过可见光、红外光等。例如，该第二介质层402的材料可以为石英玻璃；或者，该第二介质层402的材料可以为能够导电且透明的材料，例如氧化铟锡(ito)。
114.可选地，与上述图8a所示的相变单元包括第二绝缘层502、第四绝缘层504相似，参见图9a所示，该相变单元也可以包括第二绝缘层502、第四绝缘层504，有效避免第一电极101与第二电极102之间漏电。
115.可选地，由于第三金属反射层303为层状结构，可以将该第三金属反射层303设为固定电势，例如，第三金属反射层303接地。此时，多个相变单元1的第三金属反射层303共面，且为一体式结构，方便整体制作加工像素结构。
116.可选地，参见图9b所示，该相变单元1还包括：填充物60，该填充物60在工作波段透明；填充物60填充在相变元件20的纳米结构201之间。本发明实施例中，在纳米结构201周围填充有透明材料，即填充物60；该填充物60在工作波段具有较高的透过率，并且，填充物60的折射率与相变材料的折射率相比，二者之间的差值不小于0.5，以能够保证纳米结构201的调制效果。
117.在上述实施例的基础上，如图1所示，该像素结构还包括基底70。其中，所有的相变单元1可以共用同一个基底70，即多个相变单元1阵列式地排列在基底70的一侧。其中，该基底70位于相变单元1的最外侧；如图6所示，第一电极101的下侧、第二电极102的上侧均为该相变单元1的最外侧，该基底70可以设置在第一电极101的下侧(如图6所示)，也可以设置在第二电极102的上侧。
118.可选地，为了避免基底70影响对射入相变单元1的光线的调制作用，该基底70在工作波段透明。例如，若相变单元1为透射式的相变单元，或者基底70位于纳米结构201远离金属反射层的一侧，该基底70需要选用透明基底；例如，该基底70可以由硅、石英或其他玻璃材料等制作而成。
119.下面通过一个实施例详细介绍该像素结构的调制效果。
120.本发明实施例中，像素结构包含2
×
2排列的四个相变单元1，每个相变单元1为透
射式，且其包含1个纳米结构201，该纳米结构201为柱状结构，可简称为纳米柱；纳米结构201的周期为500nm，纳米结构201的高度为1200nm。对于不同直径的纳米结构201，像素结构所调制的相位也存在区别，不同晶态非晶态相变单元1组合下的像素结构的相位调制(rad)与纳米结构201的直径(nm)之间的关系参见图10所示。图10中，以0a4c、1a3c、2a2c、3a1c、4a0c分别表示该像素结构的五种相变态，其对应的相位调制如图10所示。2
×
2的像素结构能够调制5种相位，且由图10可知，该像素结构具有最大1.5π的相位调制能力。
121.基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种超表面，其包括多个如上述任一实施例提供的像素结构，且多个像素结构按照阵列形式排列。该超表面中的每个像素结构可以实现多态的准连续可调，可以应用到多个场景。例如，该超表面可应用于全固态激光雷达、色彩显示器、波前矫正器、空间光调制器、波束整形器等。
122.本发明实施例还提供一种用于控制如上任一实施例提供的像素结构的方法，该方法包括：
123.步骤a1：预先确定像素结构中相变单元的相变态数量与像素结构的相变态之间的一一对应关系。
124.如上所述，本发明实施例中，相变单元的相变态数量与像素结构的相变态之间是一一对应关系，即，不同的相变态数量对应像素结构不同的相变态，使得像素结构具有更多的相变态，能够实现准连续可调。并且，该对应关系是可以预先确定。例如，在确定相变单元的结构后，通过理论推导或仿真等方式即可确定不同的相变态数量所对应的像素结构的相变态。例如，以图10所示的实施例为例，相变单元中纳米结构的直径是确定的，基于图10即可确定不同相变态数量所对应的像素结构的相变态，即该像素结构能够调制的相位。
125.步骤a2：确定当前调控相位所对应的像素结构的相变态，并根据对应关系确定与当前调控相位所对应的相变单元的目标相变态数量。
126.本发明实施例中，当前调控相位指的是在当前时刻像素结构需要调制的相位，在不同时刻，像素结构需要调制的相位可能不同。基于该当前调控相位，可以确定最该调控相位最接近的像素结构的相变态，可以将该像素结构的相变态作为当前调控相位所对应的像素结构的相变态。例如，像素结构的相变态包括-2、-1、0、1、2(其单位为：rad)；若当前调控相位为1.2，则可将1rad对应的像素结构的相变态作为与该当前调控相位对应的像素结构的相变态。
127.并且，基于像素结构的相变态与相变单元的相变态数量之间的对应关系，即可确定与该当前调控相位所对应的相变单元的相变态数量，为方便描述，本实施例将与该当前调控相位所对应的相变单元的相变态数量称为“目标相变态数量”，即可以确定当前所需的晶态相变单元的数量和/或非晶态相变单元的数量。
128.步骤a3：单独调控至少部分相变单元的电极，以改变至少部分相变单元的相变态，且调控后相变单元的相变态数量与目标相变态数量相一致。
129.本发明实施例中，像素结构中的每个相变单元包含可以单独调控的电极(第一电极101、第二电极102)，在确定目标相变态数量之后，即可通过单独控制相变单元电极的方式，改变至少部分相变单元的相变态，以使得调控后相变单元的相变态数量与该目标相变态数量相一致，使得调控后的像素结构能够按照当前调控相位进行相位调制。
130.例如，该像素结构包括4个相变单元，每个相变单元能够在晶态与非晶态之间切
换，该像素结构共有5种相变态：0a4c、1a3c、2a2c、3a1c和4a0c，且这5种相变态对应的相位分别为：-2、-1、0、1、2；其中a代表非晶态，c代表晶态。若该像素结构当前的相变态为1a3c(1个非晶态相变单元和3个晶态相变单元)，即其用于实现相位为-1的调制效果；若之后需要该像素结构调制的相位为1.3，即当前调控相位为1.3，则需要将该像素结构的相变态调整为3a1c，其对应的目标相变态数量为：3个非晶态相变单元和1个晶态相变单元。此时，通过控制原本3个晶态相变单元中的两个，将这两个相变单元由晶态变为非晶态，即可将像素结构的相变态调整为3a1c，实现调控后相变单元的相变态数量与目标相变态数量相同。
131.本发明实施例提供的控制像素结构的方法，以电控的方式控制至少部分相变单元的电极，可以实现整个像素结构相变态的准连续可调；并且，相变单元能够快速响应电控激励，能够快速实现晶态与非晶态之间的切换，从而实现对像素结构相变态的快速切换；并且，像素结构的相变态只与相变单元的相变态数量有关，在能够精确控制相变单元相变态的情况下，也可以精确控制像素结构的相变态，能够实现高速、精准的准连续相位调制效果。
132.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。