[发明专利]棱镜增强的透镜和使用棱镜增强的透镜的方法

说明书

本申请涉及棱镜增强的透镜和使用棱镜增强的透镜的方法。给出了一种利用表面起伏结构和电活性材料的电活性透镜，其中折射率的改变促进光学性质的改变。模制结构和液晶被用于形成衍射透镜。除了利用衍射光学器件和多个菲涅耳区形成透镜的经典方法之外，还在菲涅耳区之间放置另外的结构，以便提高跨可见光谱的衍射效率，并且减少色差。

本申请是基于申请号为201780009140.7、申请日为2017年1月31日、发明名称为“棱镜增强的透镜和使用棱镜增强的透镜的方法”的专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年4月13日提交的标题为“Prism-Enhanced Lenses”的美国申请No.62/321,893和2016年2月1日提交的标题为“Enhanced Surface Relief Lenses”的美国申请No.62/289,512的根据35U.S.C.119的优先权权益，这些申请中的每一个通过其整体引用并入本文。

背景技术

基于衍射的透镜的基本限制是其固有的波长依赖性，这导致在透镜的指定的设计波长之外降低的衍射效率。这起因于在透镜的焦点处的相长干涉的要求，这一般仅可以对于可见区域中的单个波长的光进行优化。

如本领域技术人员所理解的，传统的衍射透镜包括一个或多个相位卷绕(wrap)或相位复位(reset)。相位卷绕(相位复位)是透镜的相位延迟(retardation)轮廓的锯齿状调制，其中每个齿或“卷绕”具有近似等于整数个波长的光程长度。这允许设备更薄，其中光焦度经由通过衍射而不是跨整个透镜的折射在焦点处的相长干涉引起。

与整数个波长对应的相位复位产生完美的相长干涉，并且被认为具有100％的衍射效率。然而，当相位复位不是整数个波长时，由于在焦点处缺乏完美的相长干涉，透镜的性能降低，这导致衍射效率的降低。衍射效率随着与相位复位相关联的光程差偏离整数个波长而降低。当相位复位与半数波长对应(其中相位复位与相消干涉对应)时，出现最小衍射效率。

由于跨可见光谱的波长的变化，对于单个波长(该单个波长被定义为设计波长λ₀)，传统衍射透镜中的相位复位仅与整数n个波长的相位延迟对应。对于光的其它波长，相位复位可能与非整数个波长对应；当波长变得大于或小于设计波长时，相位复位处的相位差偏离整数个波长。这使透镜的性能远离设计波长降级。

基于相位的衍射透镜的衍射效率(η)可以使用以下等式来定量地描述：

其中λ是光的波长，λ₀是透镜的设计波长，并且k是衍射级数。(在衍射透镜的情况下，为了正确的操作，衍射级数是第一级，k＝1。)这个函数不包括与用于制作透镜的材料相关联的光学色散的影响。材料色散可以进一步在远离设计波长的波长处进一步降低衍射效率。

下面对于具有550nm的设计波长(λ₀)的衍射透镜示出了一些示例计算：

表1