[发明专利]具有用于重定向光的非对称光栅的超表面及其制造方法

说明书

一种光学系统包括光学透射基板，光学透射基板包括超表面，超表面包括光栅，光栅包括多个单位基元。每个单位基元包括具有第一宽度的横向伸长的第一纳米梁；以及与第一纳米梁隔开一间隙的横向伸长的第二纳米梁，第二纳米梁具有大于第一宽度的第二宽度。单位基元的间距为10nm至1μm。第一和第二纳米梁的高度为：在基板的透射率大于3.3的情况下，10nm至450nm；以及在所述折射率为3.3或更小的情况下，10nm至1μm。

优先权声明

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2016年5月6日提交的美国临时申请No.62/333,067以及2017年3月21日提交的美国专利申请No.62/474,432的优先权益。这些优先权文献中的每一者的整个公开内容通过引用并入本文中。

通过引用的并入

本申请还通过引用并入以下每个专利公开的全部内容：美国公开No.2015/0016777；美国公开No.2015/0178939；以及美国公开No.2015/0346490。

技术领域

本公开涉及光学设备，其包括增强现实成像和可视化系统。

背景技术

现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中，数字再现的图像或其部分以它们看起来是真实的或感觉为真实的方式被呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现而对其它实际的真实世界视觉输入不透明；增强现实或“AR”场景通常涉及将数字或虚拟图像信息呈现为对用户周围的实际世界的可视化的增强。混合现实或“MR”场景是“AR”类型的场景，并且通常涉及被整合到自然世界中且响应于自然世界的虚拟对象。例如，MR场景可以包括看起来被真实世界中的对象阻挡或者被感知为与真实世界中的对象交互的AR图像内容。

参考图1，描绘了增强现实场景10。AR技术的用户看到以人、树木、背景中的建筑物和混凝土平台30为特征的真实世界的公园状设置20。用户还感知他/她“看到”站在真实世界平台30上的机器人雕像40，以及看起来是大黄蜂的化身的正在飞行的卡通式的化身角色50。这些元素50、40是“虚拟的”，因为它们在真实世界中不存在。因为人类的视觉感知系统是复杂的，所以产生促进除其他虚拟或真实世界图像元素之外的虚拟图像元素的舒适的、感觉自然的、丰富的呈现的AR技术是具有挑战性的。

本文公开的系统和方法解决了关于AR和VR技术的各种挑战。

发明内容

在一些实施例中，一种光学系统包括光学透射基板，所述光学透射基板包括超表面(metasurface)，所述超表面包括包含多个单位基元(unit cell)的光栅。每个单位基元包括：具有第一宽度的横向伸长的(laterally-elongated)第一纳米梁；以及与所述第一纳米梁隔开一间隙的横向伸长的第二纳米梁，所述第二纳米梁具有大于所述第一宽度的第二宽度。所述第一纳米梁和所述第二纳米梁的高度为：在所述基板的折射率大于3.3的情况下，10nm至450nm；以及在所述折射率为3.3或更小的情况下，10nm至1μm。

在一些其它实施例中，一种光学系统包括光学透射基板，所述光学透射基板包括超表面，所述超表面包括包含多个单位基元的光栅。每个单位基元包括：具有第一宽度的横向伸长的第一纳米梁；以及与所述第一纳米梁隔开一间隙的横向伸长的第二纳米梁。所述第二纳米梁具有大于所述第一宽度的第二宽度。所述光学系统还包括反射器。所述反射器和所述基板位于所述光栅的相反两侧。