超透镜的设计方法、超透镜、整形合束装置及显示装置与流程

本公开涉及光学，具体地，本公开涉及一种超透镜的设计方法、超透镜、整形合束装置和显示装置。

背景技术：

1、在激光加工或激光照明等领域中，单个激光器的输出能量可能不够，故需要将多束激光进行合束，如采用多阶激光合束系统。

2、通常，从激光器输出的光束都是高斯光束；例如固体激光器、气体激光器和光纤激光器输出的激光光束，在任意位置截面的光强分布均为高斯分布，如果直接将上述高斯分布的激光合束，会使输出的激光束光强分布不均匀，上述合束后的激光光束如果应用在激光加工的领域，可能会导致被加工表面粗糙，而如果用在照明则会出现照明光斑不均匀的现象。

3、为了解决上述问题，现有技术中往往在激光合束系统的输出端额外增设光束整形元件，这样会增加较大的光学长度，不便于整个系统的小型化。

4、此外，在彩色投影领域，一般将rgb三色激光进行紧密排布以显示彩色，但在仔细观察下各色激光仍能够被分辨，各色激光的光强分布仍呈现为不均匀的高斯分布，影响了显色质量。

技术实现思路

1、至少为了解决现有技术中存在的高斯光束光强分布不均匀且合束效果不佳的问题，本公开实施例第一方面提供了一种超透镜的设计方法，所述超透镜被配置为经过其的多束高斯光束被整形为平顶光束且所述平顶光束投射向目标平面的目标位置；

2、所述设计方法包括：

3、确定入射参数，包括所述多束高斯光束的波长和半径；

4、确定出射参数，包括所述平顶光束的宽度；

5、在所述超透镜上设置与所述多束高斯光束一一对应的多个超透镜单元，确定各超透镜单元的位置；

6、基于所述入射参数、所述出射参数和所述各超透镜单元的位置计算各超透镜单元的调控相位分布；

7、基于所述调控相位分布，排布各超透镜单元的纳米结构单元，以获得所述超透镜。

8、本公开实施例第二方面提供一种超透镜，采用前述设计方法设计，所述超透镜包括与入射的多束高斯光束一一对应设置的多个超透镜单元，所述多个超透镜单元分别被配置为经过其的高斯光束被整形为平顶光束且所述平顶光束投射向目标平面的目标位置；其中，

9、所述多个超透镜单元包括整形偏折超透镜单元，所述整形偏折超透镜单元的相位分布为向x方向的偏移位置生成所述平顶光束的相位分布与向y方向的偏移位置生成所述平顶光束的相位分布的结合；或

10、所述多个超透镜单元包括整形超透镜单元和整形偏折超透镜单元，所述整形超透镜单元被配置为具有整形相位分布使得所述高斯光束整形为所述平顶光束，所述整形偏折超透镜单元被配置为在所述整形超透镜单元的基础上，进一步地具有偏折相位分布使得所述平顶光束偏折至所述目标位置。

11、上述方案通过分单元配置超透镜，对入射的多束光同时实现光强的匀化和合束。可以形成光强均匀性较好的光斑，而且，超透镜是利用亚波长单元结构进行光调控的二维平面透镜，能够尽可能地减少现有技术中添加额外光学元件造成的光学长度急剧增大的问题。

12、可选的，多个超透镜单元的工作波长不一致，用于接收多束波长不一致的高斯光束；具体的，超透镜单元可以包括在其工作波长中相位覆盖0至2π的纳米结构单元。

13、在上述基于多波长的设计中，可进行不同波长的相位调控，特别适合rgb彩色投影中针对不同波长光束的调控，可以形成混色效果较好的光斑，解决了现有技术中彩色投影领域显色质量较差的技术问题。

14、另一可选方案中，多个超透镜单元的工作波长一致，多个超透镜单元的相位分布与工作波长相关。

15、可选的，多个超透镜单元中的纳米结构单元设置于同一基底表面的不同区域。在加工制作的过程中，所有超透镜单元的纳米结构单元都排布在同一个光刻版图上，而且在实际制造时进行整体制作，最终将整合在同一片超透镜上，使用时各光束对准对应的超透镜单元即可。上述分区设计相较于多超透镜拼接的优势在于避免了拼接公差。

16、本公开实施例第三方面提供一种整形合束装置，包括如前所描述的超透镜和输入端；其中，输入端设于所述超透镜的光路上游，用于输入多束高斯光束，超透镜中的多个超透镜单元分别对准来自输入端的多束高斯光束中的一束，并且多个超透镜单元分别被配置为经过其的高斯光束被整形为平顶光束且所述平顶光束投射向目标平面的目标位置。

17、上述方案所提供的整形合束装置可以应用于激光加工或者激光照明的领域，具有较小的光学长度、较小的整体尺寸，能够显著解决现有技术中合束端面的光强分布不均匀的问题。

18、本公开实施例第四方面提供一种显示装置，包括如前所描述的超透镜、输入端和输出端；其中，输入端用于输入多束不同颜色的单色高斯光束，超透镜能够将多束不同颜色的单色高斯光束混光，并形成预设颜色的平顶光束从输出端输出。

19、多个超透镜单元能够对平顶光束进行会聚或扩束。如设置为扩束的，可以将rgb三束光形成一个尺寸与三束光斑尺寸之和接近的光斑(一个像素)以进行彩色显示/投影。

20、上述方案将所述超透镜应用于rgb彩色投影中，针对不同波长光束的调控，可以形成光强均匀性和混色效果较好的光斑，显色质量较好。

21、综上所述，本公开中的上述各方面技术方案，旨在通过分单元(可选分波长)设计超透镜，进而形成由多个超透镜单元组成的超透镜阵列，可进行多束波长的同时调控，也可以拓展到多波长光束的调控。

22、当多束光同时经过超透镜时，既实现整形又同时合束，可在限定的投射单元内形成能量大且均匀或显色效果较好的光斑。而且超表面是利用亚波长单元结构进行光调控的二维平面透镜，体积微小，携带轻便，避免了传统使用透镜组的占用空间较大的问题。另外由于超表面兼容半导体工艺，使其材料主要为硅等耐热材料，相位调控随温度变化极小，可在较大功率光束下仍保持较高性能，且可承受较大功率的入射光。

技术特征：

1.一种超透镜(100)的设计方法，其特征在于，所述超透镜(100)被配置为经过其的多束高斯光束(2)被整形为平顶光束(3)且所述平顶光束(3)投射向目标平面(4)的目标位置(41)；

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在各高斯光束的波长均相同的情况下，所述计算各超透镜单元(1)的调控相位分布包括：

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在各高斯光束的波长不一致的情况下，所述计算各超透镜单元(1)的调控相位分布包括：

4.根据权利要求2或3所述的设计方法，其特征在于，所述各超透镜单元(1)的调控相位分布满足：

5.根据权利要求2或3所述的设计方法，其特征在于，所述计算各超透镜单元(1)的调控相位分布包括：

6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述整形调制相位分布满足：

7.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述偏折相位分布满足：

8.根据权利要求2或3所述的设计方法，其特征在于，所述计算各超透镜单元(1)的调控相位分布，具体包括：

9.一种超透镜(100)，其特征在于，采用如权利要求1-8任一所述的设计方法设计，所述超透镜(100)包括与入射的多束高斯光束(2)一一对应设置的多个超透镜单元(1)，所述多个超透镜单元(1)分别被配置为经过其的高斯光束被整形为平顶光束(3)且所述平顶光束(3)投射向目标平面(4)的目标位置(41)；

10.一种整形合束装置，其特征在于，包括如权利要求9所述的超透镜(100)和输入端；其中，所述输入端设于所述超透镜(100)的光路上游，用于输入所述多束高斯光束，所述超透镜(100)中的多个超透镜单元(1)分别对准来自输入端的多束高斯光束中的一束，并分别被配置为经过其的高斯光束被整形为平顶光束(3)且所述平顶光束(3)投射向目标平面(4)的目标位置(41)。

11.一种显示装置，其特征在于，包括如权利要求9所述的超透镜(100)、输入端和输出端；其中，所述输入端用于输入多束不同颜色的单色高斯光束，所述超透镜(100)能够将所述多束不同颜色的单色高斯光束混光，并形成预设颜色的平顶光束从所述输出端输出；所述超透镜(100)中的多个超透镜单元(1)能够对所述平顶光束进行扩束。

技术总结
本公开涉及一种超透镜的设计方法、超透镜、整形合束装置和显示装置。所述超透镜被配置为经过其的多束高斯光束被整形为平顶光束且所述平顶光束投射向目标平面的目标位置。所述设计方法包括确定入射和出射参数；设置与所述多束高斯光束一一对应的多个超透镜单元并确定各超透镜单元位置；计算各超透镜单元的调控相位分布；排布各超透镜单元的纳米结构单元，以获得所述超透镜。本公开中的技术方案通过分单元配置超透镜，对入射的多束光同时实现光强的匀化和合束。可以形成光强均匀性较好的光斑，而且，超透镜是利用亚波长单元结构进行光调控的二维平面透镜，能够尽可能地减少现有技术中添加额外光学元件造成的光学长度急剧增大的问题。

技术研发人员：陈建发,郝成龙,谭凤泽,朱健
受保护的技术使用者：深圳迈塔兰斯科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15