[发明专利]部分刻蚀的相变光学元件

说明书

优先权声明

本申请基于由Thomas W.Mossberg，Christoph M.Greiner和Dmitri Iazikov于2015年4月15日提交的名为“Partially etched phase-transforming optical element(部分刻蚀的相变光学元件)”的第14/687,882号美国非临时申请，并要求享有其优先权，该美国非临时申请通过引用合并到本文，如同在本文中做了充分地阐述。

技术领域

本发明的领域涉及相变光学元件。具体地，在本文中公开了光学元件以及用于制造和使用该光学元件的方法，该光学元件和方法采用经透射或经反射的光信号的依赖于位置的相变。

发明内容

发明的光学元件包括透射层，该透射层包括第一光学介质和第二光学介质。该第一光学介质和第二光学介质在包括设计真空波长λ₀的工作波长范围上是基本透明的，并且该第一光学介质和第二光学介质分别由不同的依赖于波长的第一体积折射率n₁(λ)和第二体积折射率n₂(λ)来表征。第一光学介质包括基本是固体的材料。第一光学介质和第二光学介质被布置在层中作为连续多个离散块(discrete volume)，该连续多个离散块包括具有约小于λ₀的最大横向尺寸的多个块的子集，其中，每个离散块包括第一光学介质或第二光学介质，但不同时包括这两个。将连续多个离散块布置成使得(i)透射层中任何给定的单连通的样本块仅包括第一光学介质，仅包括第二光学介质，或者包括两个或两个以上的离散块的至少一部分的第一光学介质和第二光学介质两者，该样本块具有约等于λ₀的横向尺寸并且穿过透射层从第一表面延伸至透射层的第二表面，以及(ii)从透射层的第一表面基本上垂直延伸至透射层的第二表面的任何直线路径仅穿过第一光学介质，仅穿过第二光学介质，或者仅穿过每一第一光学介质和第二光学介质的一个离散块。多个离散块分布在透射层上，使得在沿着透射层的第一表面具有最大横向尺寸约等于λ₀的采样区域上取平均的、随沿着透射层的第一表面的二维位置坐轴x和y变化的(2π/λ₀)·(n₁(λ₀)·d₁(x,y)+n₂(λ₀)·d₂(x,y))对于透射式光学元件而言基本等于指定的依赖于位置的有效相变函数或者对于反射式光学元件而言基本等于其中，(i)d₁(x,y)和d₂(x,y)分别是沿着经过给定位置(x,y)的直线路径穿过第一光学介质和第二光学介质的局部距离，以及随x和y而变化。光学元件在结构上被布置成接收入射到透射区域第一表面的光信号，并且透射或反射至少一部分的入射光信号，该至少一部分的入射光信号基本上根据有效相变函数来变换。

一种使用发明的光学元件的方法，包括：(i)将光信号引导到光学元件的透射层的第一表面上，以及(ii)使至少一部分光信号透射通过所述光学元件或者从所述光学元件反射，该至少一部分光信号基本上根据有效相变函数来变换。一种用于制造该发明的光学元件的方法，包括：在空间上选择性地对包括有第一光学介质的层进行处理，以在该层选定的离散块中用第二光学介质代替第一光学介质，从而形成光学元件的透射层。

关于相变光学元件的目的和优势将在参照在附图中所阐述的以及在以下书面描述或附属权利要求书中所公开的示例性实施例后而变得明显。

本发明内容提供以一种简单的形式介绍一些概念，进一步的说明将在具体实施方式中描述。本发明内容不旨在识别所要求保护主题的重要特征或基本特征，也不旨在被用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

附图说明

图1A和图1B分别示意性地示出了示例性透射式光学元件的透射层和示例性反射式光学元件的透射层。

图2示意性地示出了示例性透射式光学元件的透射层。

图3至图8以及图11至图16示意性地示出了透射式光学元件的各种示例。

图9、图10、图17和图18示意性地示出了反射式光学元件的各种示例。

图19和图20示意性地示出了用于透射层的两种示例性单元格布置。

图21和图22是两种示例性相位函数和其取2π模数的等价函数的绘图。

图23和图24示意性地示出了被布置作为透镜的透射层的离散块元件的密度分布。