用于由入射电磁波在近区形成至少一个倾斜聚焦束的设备制造技术

一种用于由入射在设备上的电磁波在近场区中形成至少一个聚焦束的设备，其特征在于它包括：至少部分地包括至少一个腔的至少一个介电材料层，该至少一个腔填充有折射指数小于介电材料的折射指数的介质。该至少一个腔的目标为圆柱形或锥形，并且包括相对于电磁波的到达方向限定的至少一个底表面和至少一个侧表面。该至少一个底表面由具有新月形状的底边缘线描绘，该底边缘线包括凹底边缘线段和凸底边缘线段，该底边缘线形状和/或取向和/或该至少一个底表面与该至少一个侧面之间的相关联的底角控制至少一个聚焦束在与电磁波的到达方向正交并且包括至少一个底表面的至少一部分的平面上的投影的角位置，其称为方位角。

Equipment for forming at least one tilted focusing beam in the near region by incident electromagnetic waves

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于由入射电磁波在近区形成至少一个倾斜聚焦束的设备
本公开总体上涉及用于从其中包含可见光的电磁波形成场强图案的技术。更具体地但非排他地，本公开涉及用于近区(nearzone)中的近场聚焦和波束形成的技术，其可以用于广泛的设备(例如，包括用于AR(增强现实)和VR(虚拟现实)眼镜的眼镜电子设备和头戴式显示器的显示器，用于照片/视频/光场照相机的光学传感器，包括芯片实验室传感器的生物/化学传感器，显微镜，光谱学和计量系统等)。近区在此且贯穿本文是指根据本公开的设备周围的区域，其尺寸可以在主体介质中从波长的一部分延伸到约10个波长。它可能不明显限于非辐射(反应)区域，但也可以包括菲涅耳辐射、过渡区域和部分远场区域，这取决于设备的尺寸。
技术介绍
该部分旨在向读者介绍本领域的各个方面，其可能与下面描述和/或要求保护的本专利技术的各个方面相关。相信本讨论有助于向读者提供背景信息以便于更好地理解本专利技术的各个方面。因此，应该理解，这些陈述要从这个角度来阅读，而不是作为现有技术的承认。在下文中，提出了在近区中聚焦和波束形成的背景下描述的问题。然而，本技术也可用于引导电磁波的更广泛的背景中。电磁波的聚焦和准直(即波束形成)是一种既定方式，可以局部地增加电场的大小，并且以这种方式提高传感器的效率，例如其工作原理依赖于将以电磁波形式在空间中传播的能量转换成输出电压或电流的电光传感器。后者传感器(例如CMOS成像传感器或光电二极管)是由Lytro、Raytrix和Nokia生产的设备的核心，如文献US8,953,064中所述。在不同波长范围的各种其他应用中使用相同的局部场增强现象。在光学领域，当今技术水平使得能够制造具有接近或者甚至小于可见光波长的纳米级尺寸的结构元件的高度集成的部件(例如，芯片和光学传感器)(例如，参见H.Mukawa等人发表于《ProceedingsofSID》(2009年第17卷第3期第185-193页)中的文章“使用具有反射体积全息图的平面波导的全彩色眼镜显示器(Afull-coloreyeweardisplayusingplanarwaveguideswithreflectionvolumeholograms)”，或者S.Nishiwaki等人发表于《NaturePhotonics》(2013年第7卷第240-246页)的文章“用于高像素密度图像传感器的高效分色器(Efficientcoloursplittersforhigh-pixeldensityimagesensors)”，或者专利文献US2014/0111677，或H.Wong和B.Javadi的发表于《Opt.Express》(2014年第22卷13484)的文章“3D积分成像光学透视头戴式显示器(A3Dintegralimagingopticalsee-throughhead-mounteddisplay)”)。与现有技术相比，以相同精度水平操纵光的可能性将成为重大突破。传统聚焦设备(例如电介质和金属-电介质透镜)的空间分辨率受到阿贝衍射极限的限制，并且通常在主体介质中不超过一个波长。同时，有许多应用需要亚波长分辨率或可以从亚波长分辨率中受益(例如参见A.Heifetz等人发表在《JournalofComputationalTheoryNanoscience》(2009年第6卷第1979-1992页)的文章“光子纳米喷射(Photonicnanojets)”。这解释了对能够实现亚波长分辨率的聚焦部件越来越感兴趣。与当今的移动和可穿戴技术相关的另一个关键挑战在于需要进一步小型化这种设备。传统透镜的操作原理防止其尺寸减小超过一定限度(～10个波长)，这构成了该领域未来发展的瓶颈。特别地，这种约束可能与光检测器的封装密度有关，因此可能妨碍图像分辨率的进一步改善。最后，传统透镜的操作原理要求透镜和主体介质材料之间具有一定的指数比。指数比越高，可以实现的透镜聚焦能力就越高。因此，在大多数情况下，透镜被气隙分开，这需要额外的空间并且在空间和对准中给透镜固定带来一定的困难。完全集成的系统可以帮助避免这些问题(参见前面提到的文章“高像素密度图像传感器的高效分色器(Efficientcoloursplittersforhigh-pixeldensityimagesensors)”)。然而，由于光学透明材料的技术难度和折射指数变化的有限范围(光学范围内的典型指数值n<2)，具有不同折射指数的几种介电材料的组合相当困难并且不总是可行的。因此，需要替代的设计概念。利用聚焦设备产生的另一个问题在于控制聚焦束的仰角和方位角。实际上，对于需要精确的近场图案化和/或入射电磁波(例如可见光)传播方向的偏离的许多应用来说，控制束方向是最令人感兴趣的。存在许多光学设备，其包括能够实现光聚焦和偏离功能的部件。其中包括用于各种照相/摄像机的数字图像传感器、用于增强现实/虚拟现实眼镜的光学组合器、以及作为各种光捕获和光处理设备的基本部分的光导系统。原则上，这两个功能可以使用诸如镜子和棱镜(用于偏离)以及折射或衍射透镜(用于聚焦)的两个(或更多个)独立部件来分离和实现。该方法提供了对入射波和透射波的波前形状的精确控制，但可能需要独立部件的精确对准，这可能该设备的制造和组装的带来一定的困难。还有能够同时执行聚焦和偏离功能的一些部件，例如非对称折射透镜(参见图1(a))、非对称衍射透镜(参见图1(b))和衍射光栅(参见图1(c))。嵌入非对称折射透镜的设备(参见图1(a))依赖于光线传播通过介电材料2所经历的相位延迟，该介电材料2的折射指数n2高于主体介质1的折射指数(n1)。透射光线聚焦于焦平面FP。这种部件的光学功率取决于透镜边界处的折射指数比，以及其凸表面的曲率。其有效性取决于透镜表面的尺寸、表面质量和制造公差。对于尺寸远大于波长的大尺寸透镜(这对于光学应用是典型的)，可以非常容易地实现所需的制造精度。相反，制造具有波长尺寸的非对称微透镜(这对于纳米光子应用而言是典型的)是困难的，因为透镜轮廓的曲线形状并不总是与现有的微米和纳米制造技术兼容。在集成聚焦系统中使用折射透镜也可能面临某些困难，因为其操作原理要求折射指数n1小于透镜材料2的折射指数的主体介质1，例如空气。这可能给透镜在空间中的固定以及它们相对于其他聚焦元件的对准带来一些困难。嵌入非对称衍射透镜的设备(参见图1(b))依赖于衍射现象。特别地，这种透镜可以采用具有可变凹槽宽度的分区介电板的形式，其可以被优化以提供所需的光功率和光偏离角。与非对称折射透镜的情况类似，通过破坏结构的对称性来实现光偏离功能。衍射透镜具有很适合光学和纳米光子应用的平面技术。它还与现有的微米级和纳米级制造技术(例如光刻)兼容。然而，衍射透镜本质上强烈的色差，这对于某些应用可能是不可接受的。最后，衍射光栅3可以产生倾斜的聚焦束(参见图1(c))。这种光栅可以以周期性凹槽或条带的形式实现，其周期限定了对于第一和更高衍射级观察到的光偏离角。这种光栅易于实现，这使得它们对于光学和光子应用都具有吸引力。然而，像衍射透镜一样，它们固有地受到色差的影响。此外，光栅总是产生与不同衍射级相关联的多个束，这对于某些应用可能是不可接受的。此外，如上所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于由电磁波在近场区中形成至少一个倾斜聚焦束的设备，该电磁波入射在所述设备上，所述设备的特征在于包括至少一个介电材料层，该至少一个介电材料层至少部分地包括至少一个腔，所述至少一个腔填充有折射指数小于所述介电材料的折射指数的介质，其中，所述至少一个腔近似为圆柱形或锥形，并且包括至少一个底表面和至少一个侧表面，该至少一个底表面相对于所述电磁波的到达方向限定，并且其中，所述至少一个底表面由具有新月形状的底边缘线描绘，该底边缘线包括凹底边缘线段和凸底边缘线段，底边缘线形状和/或取向和/或所述至少一个底表面与所述至少一个侧面之间的相关联的底角控制所述至少一个聚焦束在与所述电磁波的所述到达方向正交并且包括所述至少一个底表面的至少一部分的平面上的投影的角位置，该角位置称为方位角，并且其中所述倾斜聚焦束由于源自所述凹底边缘线的不同部分的纳米喷射束的重新组合而形成，并且其中所述倾斜聚焦束的方向与所述入射电磁波的方向不同。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.21 EP 16306387.81.一种用于由电磁波在近场区中形成至少一个倾斜聚焦束的设备，该电磁波入射在所述设备上，所述设备的特征在于包括至少一个介电材料层，该至少一个介电材料层至少部分地包括至少一个腔，所述至少一个腔填充有折射指数小于所述介电材料的折射指数的介质，其中，所述至少一个腔近似为圆柱形或锥形，并且包括至少一个底表面和至少一个侧表面，该至少一个底表面相对于所述电磁波的到达方向限定，并且其中，所述至少一个底表面由具有新月形状的底边缘线描绘，该底边缘线包括凹底边缘线段和凸底边缘线段，底边缘线形状和/或取向和/或所述至少一个底表面与所述至少一个侧面之间的相关联的底角控制所述至少一个聚焦束在与所述电磁波的所述到达方向正交并且包括所述至少一个底表面的至少一部分的平面上的投影的角位置，该角位置称为方位角，并且其中所述倾斜聚焦束由于源自所述凹底边缘线的不同部分的纳米喷射束的重新组合而形成，并且其中所述倾斜聚焦束的方向与所述入射电磁波的方向不同。2.根据权利要求1所述的用于在近场区中形成至少一个倾斜聚焦束的设备，其中，填充所述至少一个腔的所述介质的所述折射指数与所述介电材料的所述折射指数之间的比率有助于控制所述至少一个聚焦束在垂直平面中的投影的角位置，该角位置称为仰角。3.根据权利要求1和2中任一项所述的用于在近场区中形成至少一个倾斜聚焦束的设备，其中，所述至少一个腔属于至少两个腔的至少一个集合。4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于在近场区中形成至少一个倾斜聚焦束的设备，...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿提姆·鲍里斯金，沃特尔·德拉茨克，劳伦·布朗德，
申请(专利权)人：汤姆逊许可公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR