具有用于重定向光的非对称光栅的超表面及其制造方法与流程

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。

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。

技术实现要素：

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(unitcell)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。

在另外的实施例中，一种形成超表面的方法包括提供光学透射基板；在所述基板之上设置光学透射层；以及图案化(pattern)所述光学透射层以限定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，一种形成超表面的方法包括提供光学透射基板以及形成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。所述方法还包括在所述间隙中和所述单位基元之间设置反射材料层。

在一些其它实施例中，一种形成超表面的方法包括提供光学透射基板以及形成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。所述方法进一步包括在所述间隙中和所述单位基元之间沉积光学透射间隔材料层；以及在所述间隔材料层上沉积反射层，其中所述间隔材料将所述光栅与所述反射层隔开。

在另外的实施例中，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。所述单位基元的间距为10nm至1μm。

在一些其它实施例中，一种形成超表面的方法包括：提供光学透射基板；在所述基板之上设置光学透射层；以及图案化所述光学透射层以限定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。所述单位基元的间距为10nm至1μm。

在另外的实施例中，一种光学系统包括光学透射基板，所述光学透射基板包括多层级(multilevel)超表面。所述多层级超表面包括包含多个多层级单位基元的光栅。每个单位基元包括位于所述单位基元的最下层级上的具有第一宽度的横向伸长的第一最下层级纳米梁；以及具有第二宽度的横向伸长的第二最下层级纳米梁，其中所述第二宽度大于所述第一宽度。在所述单位基元的最上层级上是位于所述第一最下层级纳米梁上方的横向伸长的第一最上层级纳米梁；以及位于所述第二最下层级纳米梁上方的横向伸长的第二最上层级纳米梁。

在一些其它实施例中，一种形成超表面的方法包括：提供光学透射基板；在所述基板之上设置光学透射层；以及图案化所述光学透射层以限定多个重复单元。每个重复单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。所述方法还包括在所述第一纳米梁和所述第二纳米梁上以及所述纳米梁之间的间隙中沉积光学透射材料，以在所述纳米梁上方形成间隔开的所述光学透射材料的平台(plateaus)。

下面提供了其它示例实施例。

1.一种光学系统，包括：

光学透射基板，其包括超表面，如在俯视图中所见，所述超表面包括：

光栅，其包括多个单位基元，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，

其中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。

2.根据实施例1所述的光学系统，其中所述单位基元横向伸长并且彼此平行。

3.根据实施例1所述的光学系统，其中所述超表面被配置为将可见波长的入射光衍射成第一衍射级。

4.根据实施例1所述的光学系统，其中所述第二宽度为10nm至1μm。

5.根据实施例4所述的光学系统，其中所述第二宽度为10nm至300nm。

6.根据实施例1所述的光学系统，其中所述单位基元的间距为10nm至1μm。

7.根据实施例6所述的光学系统，其中所述单位基元的间距为10nm至500nm。

8.根据实施例1所述的光学系统，其中所述第一纳米梁和所述第二纳米梁间隔10nm至1μm的间隙。

9.根据实施例8所述的光学系统，其中所述间隙为10nm至300nm宽。

10.根据实施例1所述的光学系统，其中所述光学透射基板包括玻璃。

11.根据实施例1所述的光学系统，其中所述第一纳米梁和所述第二纳米梁包括硅。

12.根据实施例11所述的光学系统，其中所述第一纳米梁和所述第二纳米梁包括氮化硅。

13.根据实施例1所述的光学系统，其中所述光学透射基板和所述超表面形成偏振分束器。

14.根据实施例1所述的光学系统，其中所述光学透射基板是波导板。

15.根据实施例14所述的光学系统，进一步包括所述光学透射基板的堆叠，其中所述单位基元的特征的尺寸在所述基板之间变化。

16.根据实施例1所述的光学系统，其中所述超表面是耦入(incoupling)光学元件，进一步包括图像注入装置，所述图像注入装置被配置为将光投射到所述耦入光学元件，其中所述超表面被配置为重定向所述光以使所述光通过全内反射而传播通过所述基板。

17.根据实施例1所述的光学系统，其中所述超表面是耦出(outcoupling)光学元件，其中所述超表面被配置为从所述基板提取光。

18.一种光学系统，包括：

光学透射基板，其包括超表面，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，如在俯视图中所见：

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；以及

反射器，其中所述反射器和所述基板位于所述光栅的相反两侧。

19.根据实施例18所述的光学系统，其中所述反射器与所述光栅间隔开。

20.根据实施例19所述的光学系统，其中所述光栅被嵌入在光学透射材料中。

21.根据实施例20所述的光学系统，其中所述光学透射材料将所述反射器与所述光栅隔开。

22.根据实施例18所述的光学系统，其中所述基板包括：

第二超表面，其位于所述基板的与所述超表面相对的一侧，所述第二超表面包括：

第二光栅，其包括多个第二单位基元，每个第二单位基元包括，如在俯视图中所见：

横向伸长的第三纳米梁；以及

横向伸长的第四纳米梁，其与所述第三纳米梁隔开一间隙，

其中所述第四纳米梁比所述第三纳米梁宽。

23.根据实施例18所述的光学系统，其中所述单位基元横向伸长并且彼此平行。

24.根据实施例18所述的光学系统，其中所述超表面被配置为将可见波长的入射光衍射成第一衍射级。

25.根据实施例18所述的光学系统，其中所述第二宽度为10nm至1μm。

26.根据实施例25所述的光学系统，其中所述第二宽度为10nm至300nm。

27.根据实施例18所述的光学系统，其中所述单位基元的间距为10nm至1μm。

28.根据实施例27所述的光学系统，其中所述单位基元的间距为10nm至500nm。

29.根据实施例18所述的光学系统，其中所述第一纳米梁和所述第二纳米梁间隔10nm至1μm的间隙。

30.根据实施例29所述的光学系统，其中所述间隙为10nm至300nm宽。

31.根据实施例18所述的光学系统，其中所述光学透射基板包括玻璃。

32.根据实施例18所述的光学系统，其中所述第一纳米梁和所述第二纳米梁包括硅。

33.根据实施例32所述的光学系统，其中所述第一纳米梁和所述第二纳米梁包括氮化硅。

34.根据实施例18所述的光学系统，其中所述光学透射基板和所述超表面形成偏振分束器。

35.根据实施例27所述的光学系统，其中所述光学透射基板是波导板。

36.根据实施例35所述的光学系统，进一步包括所述光学透射基板的堆叠，其中所述单位基元的特征的尺寸在所述基板之间变化。

37.根据实施例18所述的光学系统，其中所述超表面是耦入光学元件，进一步包括图像注入装置，所述图像注入装置被配置为将光投射到所述耦入光学元件，其中所述超表面被配置为重定向所述光以使所述光通过全内反射传播通过所述基板。

38.根据实施例18所述的光学系统，其中所述超表面是耦出光学元件，其中所述超表面被配置为从所述基板提取光。

39.一种形成超表面的方法，所述方法包括：

提供光学透射基板；

在所述基板之上设置光学透射层；以及

图案化所述光学透射层以限定包含多个单位基元的光栅，每个单位基元包括，如在俯视图中所见：

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，

其中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。

40.根据实施例39所述的方法，其中图案化所述光学透射层包括：

在所述光学透射层之上设置抗蚀剂层；

在所述抗蚀剂层中限定图案；以及

将所述图案从所述抗蚀剂层转印到所述光学透射层。

41.根据实施例40所述的方法，进一步包括在所述光栅之间和所述光栅之上沉积光学透射材料。

42.根据实施例41所述的方法，进一步包括在所述光学透射材料上形成反射层。

43.根据实施例40所述的方法，其中所述转印包括执行各向异性蚀刻。

44.一种形成超表面的方法，所述方法包括：

提供光学透射基板；

形成包含多个单位基元的光栅，每个单位基元包括，如在俯视图中所见：

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；以及

在所述间隙中和所述单位基元之间设置反射材料层。

45.根据实施例44所述的方法，其中设置所述反射材料层包括在所述第一纳米梁和所述第二纳米梁之间和之上沉积反射材料。

46.根据实施例45所述的方法，其中所述反射材料包括铝。

47.根据实施例44所述的方法，其中形成所述光栅包括：

在所述基板之上沉积光学透射层；以及

图案化所述光学透射层以限定所述光栅。

48.根据实施例47所述的方法，其中图案化所述光学透射层包括：

在所述光学透射层之上设置抗蚀剂层；

在所述抗蚀剂层中限定图案；以及

将所述图案从所述抗蚀剂层转印到所述光学透射层。

49.一种形成超表面的方法，所述方法包括：

提供光学透射基板；

形成包含多个单位基元的光栅，每个单位基元包括，如在俯视图中所见：

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；

在所述间隙中和所述单位基元之间沉积光学透射间隔材料层；以及

在所述间隔材料层上沉积反射层，其中所述间隔材料将所述光栅与所述反射层隔开。

50.根据实施例49所述的方法，其中所述间隔材料具有1至2的折射率。

51.一种光学系统，包括：

光学透射基板，其包括超表面，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，如在俯视图中所见：

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，

其中所述单位基元的间距为10nm至1μm。

52.根据实施例51所述的系统，其中所述间距为300nm至500nm。

53.根据实施例51所述的系统，其中所述超表面被配置为将可见波长的入射光衍射成第一衍射级。

54.根据实施例51所述的光学系统，其中所述单位基元横向伸长并且彼此平行。

55.根据实施例51所述的光学系统，其中所述第二宽度为10nm至1μm。

56.根据实施例55所述的光学系统，其中所述第二宽度为10nm至300nm。

57.根据实施例51所述的光学系统，其中所述单位基元的间距为10nm至1μm。

58.根据实施例57所述的光学系统，其中所述单位基元的间距为10nm至500nm。

59.根据实施例51所述的光学系统，其中所述第一纳米梁和所述第二纳米梁间隔10nm至1μm的间隙。

60.根据实施例59所述的光学系统，其中所述间隙为10nm至300nm宽。

61.根据实施例51所述的光学系统，其中所述光学透射基板包括玻璃。

62.根据实施例51所述的光学系统，其中所述第一纳米梁和所述第二纳米梁包括硅。

63.根据实施例62所述的光学系统，其中所述第一纳米梁和所述第二纳米梁包括氮化硅。

64.根据实施例51所述的光学系统，其中所述光学透射基板和所述超表面形成偏振分束器。

65.根据实施例51所述的光学系统，其中所述光学透射基板是波导板。

66.根据实施例65所述的光学系统，进一步包括所述光学透射基板的堆叠，其中所述单位基元的特征的尺寸在所述基板之间变化。

67.根据实施例51所述的光学系统，其中所述超表面是耦入光学元件，进一步包括图像注入装置，所述图像注入装置被配置为将光投射到所述耦入光学元件，其中所述超表面被配置为重定向所述光以使所述光通过全内反射传播通过所述基板。

68.根据实施例51所述的光学系统，其中所述超表面是耦出光学元件，其中所述超表面被配置为从所述基板提取光。

69.一种形成超表面的方法，所述方法包括：

提供光学透射基板；

在所述基板之上设置光学透射层；以及

图案化所述光学透射层以限定包含多个单位基元的光栅，每个单位基元包括，如在俯视图中所见：

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，

其中所述单位基元的间距为10nm至1μm。

70.根据实施例69所述的方法，其中所述间距为300nm至500nm。

根据实施例51所述的方法，其中所述超表面被配置为将可见波长的入射光衍射成第一衍射级。

71.一种光学系统，包括：

光学透射基板，其包括多层级超表面，所述多层级超表面包括：

包含多个多层级单位基元的光栅，每个单位基元包括，如在俯视图中所见：

在所述单位基元的最下层级上：

具有第一宽度的横向伸长的第一最下层级纳米梁；以及

具有第二宽度的横向伸长的第二最下层级纳米梁，其中所述第二宽度大于所述第一宽度；以及

在所述单位基元的最上层级上：

位于所述第一最下层级纳米梁上方的横向伸长的第一最上层级纳米梁；以及

位于所述第二最下层级纳米梁上方的横向伸长的第二最上层级纳米梁。

72.根据实施例71所述的光学系统，其中所述第一最上层级纳米梁和所述第二最上层级纳米梁包括与所述第一最下层级纳米梁和所述第二最下层级纳米梁不同的材料。

73.根据实施例71所述的光学系统，其中所述第一最下层级纳米梁和所述第二最下层级纳米梁包括光致抗蚀剂。

74.根据实施例73所述的光学系统，其中所述第一最下层级纳米梁和所述第二最下层级纳米梁包括硅。

75.根据实施例74所述的光学系统，其中所述第一最下层级纳米梁和所述第二最下层级纳米梁包括氮化硅。

76.根据实施例73所述的光学系统，其中所述第一最下层级纳米梁和所述第二最下层级纳米梁包括氧化物。

77.根据实施例76所述的光学系统，其中所述第一最下层级纳米梁和所述第二最下层级纳米梁包括氧化钛。

78.根据实施例71所述的光学系统，其中所述多个单位基元的所述第一最下层级纳米梁和所述第二最下层级纳米梁彼此平行地延伸。

79.根据实施例71所述的光学系统，其中所述第一宽度为10nm至250nm。

80.根据实施例79所述的光学系统，其中所述第二宽度为10nm至300nm。

81.根据实施例71所述的光学系统，其中所述单位基元的间距为300nm至500nm。

82.根据实施例71所述的光学系统，其中所述第一纳米梁和所述第二纳米梁间隔10nm至300nm的间隙。

83.根据实施例71所述的光学系统，其中所述光学透射基板和所述超表面形成偏振分束器。

84.根据实施例71所述的光学系统，其中所述光学透射基板是波导板。

85.根据实施例71所述的光学系统，其中所述超表面形成耦入光学元件，进一步包括图像注入装置，所述图像注入装置被配置为将光投射到所述耦入光学元件，其中所述超表面被配置为重定向所述光以使所述光通过全内反射传播通过所述基板。

86.根据实施例84所述的光学系统，进一步包括所述光学透射基板的堆叠，其中所述单位基元的特征的尺寸在所述基板之间变化，其中所述超表面是耦入光学元件，进一步包括图像注入装置，所述图像注入装置被配置为将光投射到所述耦入光学元件，其中所述超表面被配置为重定向所述光以使所述光通过全内反射传播通过所述基板。

87.根据实施例71所述的光学系统，其中所述超表面是耦出光学元件，其中所述超表面被配置为从所述基板提取光。

88.根据实施例71所述的光学系统，其中所述光栅被嵌入在光学透射材料中。

89.一种形成超表面的方法，所述方法包括：

提供光学透射基板；

在所述基板之上设置光学透射层；以及

图案化所述光学透射层以限定多个重复单元，每个重复单元包括，如在俯视图中所见：

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；以及

在所述第一纳米梁和所述第二纳米梁上以及所述纳米梁之间的间隙中沉积光学透射材料，以在所述纳米梁上方形成间隔开的所述光学透射材料的平台。

90.根据实施例89所述的方法，其中所述光学透射材料具有比所述图案化抗蚀剂或所述基板高的折射率。

91.根据实施例89所述的方法，其中图案化所述光学透射层包括图案化抗蚀剂。

92.根据实施例91所述的方法，其中图案化所述抗蚀剂包括将所述图案压印到所述抗蚀剂中。

93.根据实施例91所述的方法，其中沉积所述光学透射材料包括在图案化的抗蚀剂上旋涂所述光学透射材料。

94.根据实施例91所述的方法，其中沉积所述光学透射材料包括执行所述光学透射材料的保形沉积或定向沉积。

95.根据实施例94所述的方法，其中所述保形沉积包括所述光学透射材料的化学气相沉积或原子层沉积。

96.根据实施例95所述的方法，其中所述定向沉积包括蒸发或溅射所述光学透射材料。

97.根据实施例89所述的方法，其中所述第一宽度为10nm至250nm。

98.根据实施例97所述的方法，其中所述第二宽度为10nm至300nm。

99.根据实施例89所述的方法，其中所述单位基元的间距为300nm至500nm。

100.根据实施例89所述的光学系统，其中所述第一纳米梁和所述第二纳米梁间隔10nm至300nm的间隙。

101.根据实施例89所述的方法，其中所述光学透射基板是波导。

本发明的附加以及其它目的、特征和优点在具体实施方式、附图和权利要求书中描述。

附图说明

图1示出了用户通过增强现实(ar)设备的ar视图。

图2示出了用于为用户模拟三维图像的常规显示系统。

图3a至3c示出了曲率半径与焦半径之间的关系。

图4a示出了人类视觉系统的调节-聚散(accommodation-vergence)响应的表示。

图4b示出了用户的一双眼睛的不同调节状态和聚散状态的示例。

图4c示出了用户经由显示系统观看内容的俯视图的表示的示例。

图4d示出了用户经由显示系统观看内容的俯视图的表示的另一示例。

图5示出了用于通过修改波前发散模拟三维图像的方法的方面。

图6示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。

图7示出了由波导输出的出射光束的示例。

图8示出了堆叠波导组件的示例，其中，每个深度平面包括使用多种不同组分颜色形成的图像。

图9a示出了堆叠波导组的示例的横截面侧视图，每个堆叠波导包括耦入光学元件。

图9b示出了图9a的多个堆叠波导的示例的透视图。

图9c示出了图9a和图9b的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。

图9d示出了可穿戴显示系统的示例。

图10a和10b分别示出了超表面的横截面侧视图和俯视图。

图11a示出了被配置为以反射模式工作的超表面的横截面侧视图的示例。

图11b示出了在图11a的平面11b上观察的图11a的超表面的横截面俯视图的示例。

图12示出了被配置为以反射模式工作的另一超表面的横截面侧视图的示例。

图13示出了在图12的平面13上观察的图12的超表面的横截面俯视图的示例。

图14a示出了既具有透射超表面也具有反射超表面的基板的横截面侧视图的示例。

图14b示出了图14a的超表面的俯视图的示例。

图14c示出了在图14a的平面14c上观察的图14a的超表面的俯视图的示例。

图15a至15e示出了用于形成超表面的工艺流程的示例。

图16a和16b示出了超表面的扫描电子显微照片。

图17示出了显示透射超表面的衍射效率与光入射角的关系的曲线图的示例。

图18a至18c示出了显示反射超表面的衍射效率与光入射角的关系的曲线图的示例。入射光的波长对于图18a至18c中的每一者是不同的。

图19a和19b示出了显示图10a和10b的超表面的偏振灵敏度的曲线图的示例。

图20示出了图10a和10b的超表面的幅度和相移与纳米梁宽度的关系的曲线图。

图21a示出了多层级超表面的横截面侧视图的示例。

图21b示出了具有图21a所示的一般结构的光学结构的随着光入射角而变化的透射和反射的曲线图的示例。

图22a示出了多层级超表面的横截面侧视图的示例。

图22b示出了具有图22a所示的一般结构的光学结构的随着光入射角而变化的透射和反射的曲线图的示例。

图23a至23d示出了用于形成多层级超表面的工艺流程的示例。

提供附图是为了说明本文描述的示例实施例，并且不旨在限制本公开的范围。应当理解，附图是示意性的，并不一定按比例绘制。

具体实施方式

与几何光学元件相比，超表面、超材料表面提供了在小很多的尺度上实现几乎平坦、无像差的光学元件的机会。不受理论的限制，在一些实施例中，超表面包括用作共振光学天线的表面结构的密集布置。光表面结构相互作用的共振特性提供了操纵光学波前的能力。在一些情况下，超表面可以允许用通过简单的图案化工艺形成的薄的平面元件来替换庞大或难以制造的光学部件。

一种类型的传统光学元件是闪耀光栅，一些应用中可能需要这种光栅以便在重定向光时具有高选择性。然而，这些光栅通常具有倾斜表面并且可能难以制造。有利地，在一些实施例中，公开了超表面，其能够与闪耀光栅类似地使光在可见范围内重定向，同时在宽范围的入射角上具有相对平坦的响应，并且同时提供更容易制造的结构。

超表面可以采用由多个重复单位基元形成的非对称光栅的形式。每个单位基元包括两个横向伸长的突起，所述突起也可以被称为纳米梁或纳米线，其中一个突起比另一个宽。如本文所用，突起、纳米梁或纳米线是细长材料体，例如基本均匀的单一材料。应当理解，这些细长结构不限于任何特定的横截面形状。在一些实施例中，横截面形状为矩形。优选地，纳米梁具有亚波长宽度且彼此之间存在间隔。例如，纳米梁的宽度可以小于超表面被配置为重定向的光的波长。在一些实施例中，由纳米梁形成的单位基元可以在光学透射基板(例如波导)的表面上或附近。

在一些实施例中，超表面可以以透射模式工作，在透射模式中，光从超表面的第一侧入射到超表面上，传播通过超表面，接着在超表面的相反侧从超表面传播离开。光沿着与第一侧上的光入射方向不同的方向传播离开超表面。

在一些其它实施例中，超表面可以以反射模式工作，在反射模式中，光从超表面的第一侧入射，并且在该第一侧上被反射回来而传播离开超表面。在反射模式中，超表面可包括被嵌入在反射层内的纳米梁。在一些其它实施例中，纳米梁可以被嵌入在间隔层内，并且反射层可以被直接设置在间隔层上，位于超表面的与第一侧相反的一侧上。

优选地，形成超表面的特征被配置为重定向光，例如通过衍射来重定向光。在一些实施例中，光是波长在350nm至800nm范围内的可见光。在一些实施例中，超表面被配置为将可见波长的入射光衍射成第一衍射级。

在一些实施例中，形成单位基元的纳米梁的宽度在10nm至1μm的范围内，包括10nm至300nm或10nm至250nm。纳米梁可以被一间隙隔开，该间隙在5nm至1μm宽的范围内，包括10nm至1μm宽或10nm至300nm宽。单位基元的间距(即，直接相邻的单位基元中的相同点之间的距离)可以在10nm至1μm的范围内，包括10nm至500nm，或300nm至500nm。在一些实施例中，纳米梁的高度可以在10nm至1μm的范围内，包括10nm至500nm或10nm至450nm。

已经发现，单位基元的特征的尺寸可以根据用于形成超表面的材料的特性而变化。例如，纳米梁的高度可以根据用于这些纳米梁的材料的折射率而变化。在一些实施例中，在材料的折射率大于3.3的情况下，纳米梁的高度可以是10nm至450nm；在折射率为3.3或更小的情况下，纳米梁的高度可以是10nm至1μm。作为另一示例，在纳米梁由硅(例如，非晶硅或多晶硅)形成的情况下，纳米梁的高度可以是10nm至450nm。

在一些实施例中，超表面是多层级(例如，双层级)结构，该结构具有单位基元，所述单位基元具有位于最下层级上的上述相对窄的纳米梁和相对宽的纳米梁，以及位于最下层级上的纳米梁之间的第二光学透射材料。该超表面还可以包括由设置在纳米梁的顶面上的第二光学透射材料形成的第二层。第二层上的材料可以集中于纳米梁的顶面上，并且可以形成间隔开的材料平台，如沿着与纳米梁的长度轴正交的平面截取的横截面图所示。在一些实施例中，第二层上材料的高度可以在10nm至1μm的范围内，包括10nm至600nm。

应当理解，在一些实施例中，超表面选择性地重定向某些波长的光，同时透射其它波长的光。这样的特性通常被设计为具有微米级结构(例如，在光子晶体光纤或分布式布拉格反射器中)，而本文的各种实施例包括纳米级几何形状(例如，小了10至100倍的尺度)，并且提供电磁波谱的可见部分的光的选择性重定向。在一些实施例中，纳米梁可以在基板表面上形成单层，从而提供易于制造的结构。有利地，可以使用图案化和沉积工艺(例如，光刻和化学蚀刻)来形成超表面。在一些实施例中，可以使用纳米压印来图案化超表面，从而避免昂贵的光刻和蚀刻工艺。

根据各种实施例形成的超表面提供以下一个或多个优点。例如，超表面可以具有相对大的角度带宽，在该带宽内超表面可以重定向或衍射光。此外，超表面可以在该带宽内具有良好的衍射效率。例如，在(从法线到表面测得的)40°或50°的角度带宽(fwhm)内，衍射效率可以是25％或更大，30％或更大，或40％或更大。而且，该角度带宽内的衍射效率可以有利地是平坦的，例如，在角度带宽内变化小于25％、20％、15％或10％。超表面也可以具有大偏转角，该偏转角可以通过重定向光以使其以适合于全内反射(tir)的角度传播来有利地被应用于该角度带宽内的耦入光，此外，上述优点可以在与用于形成图像的不同组分颜色对应的多种波长的光中实现。例如，波长可以对应于红色、绿色和蓝色(例如，波长为455nm、520nm和638nm)。在反射模式中，超表面可以提供具有高消光比(例如，5或更大，10或更大，20或更大)的颜色选择性梁成形。在一些实施例中，超表面呈现强烈的偏振依赖性并且可以用作偏振分束器。例如，对于不同偏振的光，超表面可以呈现5或更大，7或更大，或9或更大的消光比。

在一些实施例中，支撑超表面的波导可以形成直接观看显示设备或近眼式显示设备，其中波导被配置为接收输入图像信息并且基于输入图像信息来生成输出图像。在一些实施例中，这些设备可以是可穿戴的并构成眼镜。由波导接收的输入图像信息可被编码在被耦入到一个或多个波导中的不同波长(例如，红光、绿光和蓝光)的多路复用光流中。由于全内反射，耦入光可以传播通过波导。耦入光可以通过一个或多个耦出光学元件从波导耦出(或输出)。

在一些实施例中，超表面是耦入和/或耦出光学元件。超表面的紧凑性和平面性允许实现紧凑的波导，并且允许实现紧凑的波导堆叠(其中多个波导形成堆叠)。此外，超表面的高波长选择性允许实现耦入光和/或耦出光中的高精度，这可以在光包含图像信息的应用中提供高图像质量。例如，高选择性可以减少通过同时输出不同颜色或波长的光来形成全色图像的配置中的通道串扰。

现在将参考附图，其中在所有附图中，相同的参考标号表示相同的特征。

示例显示系统

本文公开的各种实施例可以在光学设备中实现以操纵或重定向光，并且可以特别有利地用作显示系统的部分。在一些实施例中，显示系统采取眼镜的形式(例如，它们是可穿戴的)，这可以有利地提供高度沉浸式的vr或ar体验。例如，包含用于显示多个深度平面的波导(例如波导堆叠(每个深度平面一个波导或一组波导))的显示器可以被配置为被穿戴定位在用户或观看者的眼睛前方。在一些实施例中，可以利用多个波导(例如，两个波导堆叠，每个堆叠用于观看者的一只眼睛)，以向每只眼睛提供不同的图像。

图2示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示系统。将理解，用户的眼睛是间隔开的，并且当观看空间中的真实对象时，每只眼睛具有稍微不同的对象视图，并且可以在每只眼睛的视网膜上的不同位置处形成对象的图像。这可以被称为双眼视差，并且可以被人类视觉系统用于提供深度感。传统的显示系统通过呈现具有对同一虚拟对象的略微不同的视图的两个不同图像190、200(每只眼睛210、220对应一个图像)来模拟双目视差，这些图像对应于将被每只眼睛看成所需深度处的真实对象的虚拟对象的视图。这些图像提供双眼线索，用户的视觉系统可以解释该双眼线索以获得深度感。

继续参考图2，图像190、200与眼睛210、220在z轴上间隔开一距离230。z轴平行于眼睛注视观看者正前方的光学无限远处的对象的观看者的光轴。图像190、200是平坦的并且与眼睛210、220保持固定距离。基于分别呈现给眼睛210、220的图像中的虚拟对象的略微不同的视图，眼睛可以自然地旋转，以使得对象的图像落在每只眼睛的视网膜上的相应点上，以保持单一双眼视觉。该旋转可以使得每只眼睛210、220的视线会聚到虚拟对象被感知存在于的空间点上。因此，提供三维图像通常涉及提供双眼线索，这些线索可以操纵用户眼睛210、220的聚散度，并且被人类视觉系统解释以提供深度感。

然而，产生逼真且舒适的深度感是具有挑战性的。应当理解，来自与眼睛相距不同距离的对象的光具有发散量不同的波前。图3a至3c示出了距离与光线发散之间的关系。对象和眼睛210之间的距离按照距离减小的顺序r1、r2和r3表示。如图3a至3c所示，随着到对象的距离减小，光线变得更加发散。相反，随着距离的增加，光线变得更加准直。换言之，可以说，由点(对象或对象的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，其是该点离用户眼睛多远的函数。曲率随着对象和眼睛210之间的距离的减小而增大。虽然为了清楚地说明在图3a至3c和本文的其它图中仅示出了单只眼睛210，但是关于眼睛210的讨论可应用于观看者的双眼210和220。

继续参考图3a至3c，来自观看者的眼睛所注视的对象的光可以具有不同程度的波前发散。由于波前发散量不同，光可以通过眼睛的晶状体不同地聚焦，这反过来可能需要晶状体呈现不同的形状以在眼睛的视网膜上形成聚焦图像。在视网膜上没有形成聚焦图像的情况下，所产生的视网膜模糊充当调节线索，该调节引起眼睛晶状体形状的改变，直到在视网膜上形成聚焦图像。例如，调节线索可以触发眼睛晶状体周围的睫状肌放松或收缩，从而调节施加到保持晶状体的悬韧带的力，由此使眼睛晶状体的形状改变，直到消除或最小化视网膜模糊，从而在眼睛的视网膜/中央凹形成注视的对象的聚焦图像。眼睛的晶状体改变形状的过程可以被称为调节，并且可以将在眼睛的视网膜/中央凹上形成注视的对象的聚焦图像所需的眼睛晶状体形状称为调节状态。

现在参考图4a，示出了人类视觉系统的调节-聚散响应的表示。眼睛移动以注视对象导致眼睛接收来自对象的光，其中光在眼睛的每个视网膜上形成图像。在视网膜上形成的图像中视网膜模糊的存在可以提供调节线索，并且视网膜上的图像的相对位置可以提供聚散线索。调节线索导致调节发生，从而导致眼睛的晶状体各自呈现特定的调节状态，该状态在眼睛的视网膜/中央凹上形成对象的聚焦图像。另一方面，聚散线索导致聚散运动(眼睛旋转)发生，使得在每只眼睛的每个视网膜上形成的图像处于保持单个双眼视觉的相应视网膜点处。在这些位置中，可以说，眼睛已经呈现特定的聚散状态。继续参考图4a，调节可以被理解为眼睛实现特定调节状态的过程，并且聚散可以被理解为眼睛实现特定聚散状态的过程。如图4a所示，如果用户注视另一对象，则眼睛的调节和聚散状态可以改变。例如，如果用户注视z轴上的不同深度处的新对象，则调节状态可以改变。

不受理论的限制，可以认为对象的观看者可能由于聚散和调节的组合而将对象感知为“三维的”。如上所述，两只眼睛相对于彼此的聚散运动(例如，眼睛旋转以使得瞳孔朝向或远离彼此移动以使眼睛的视线会聚而注视对象)与眼睛晶状体的调节紧密相关。在正常情况下，根据被称为“调节-聚散反射”的关系，改变眼睛晶状体形状以将焦点从一个对象改变到不同距离处的另一对象将自动导致到同一距离的匹配聚散变化。同样，在正常情况下，聚散的变化将触发晶状体形状的匹配变化。

现在参考图4b，示出了眼睛的不同调节和聚散状态的示例。一双眼睛222a注视光学无限远处的对象，而一双眼睛222b注视小于光学无限远处的对象221。值得注意的是，每双眼睛的聚散状态是不同的，其中一双眼睛222a望向正前方，而一双眼睛222会聚在对象221上。形成每双眼睛222a和222b的眼睛的调节状态也是不同的，如晶状体210a、220a的不同形状所示。

不期望地，传统“3d”显示系统的许多用户发现，这样的传统系统由于这些显示器中调节和聚散状态之间的失配而令人感到不舒服或者可能根本不能感知深度感。如上所述，许多立体或“3d”显示系统通过向每只眼睛提供略微不同的图像来显示场景。这样的系统对于许多观看者来说是不舒服的，因为除了其他之外，这样的系统仅提供场景的不同呈现并且引起眼睛聚散状态的改变，但是这些眼睛的调节状态未发生相应的变化。相反，图像由相对于眼睛处于固定距离处的显示器示出，使得眼睛在单个调节状态下查看所有图像信息。这种安排通过在调节状态未发生匹配变化的情况下引起聚散状态改变来应对“调节-聚散反射”。这种失配被认为会引起观看者的不适。在调节和聚散之间提供更好匹配的显示系统可以形成更逼真和舒适的三维图像模拟。

不受理论的限制，可以认为人眼通常可以解释有限数量的深度平面以提供深度感。因此，可以通过向眼睛提供与这些有限数量的深度平面中的每一者相对应的不同图像呈现来实现高度可信的感知深度模拟。在一些实施例中，不同的呈现可以同时提供聚散线索和匹配的调节线索，从而提供生理上正确的调节-聚散匹配。

继续参考图4b，示出了两个深度平面240，这两个深度平面对应于相对于眼睛210、220的不同空间距离。对于给定深度平面240，可以通过为每只眼睛210、220显示具有适当不同的透视的图像来提供聚散线索。此外，对于给定深度平面240，形成提供给每只眼睛210、220的图像的光可以具有与由该深度平面240的距离处的点所产生的光场对应的波前发散。

在所示实施例中，包含点221的深度平面240沿z轴的距离是1米。如本文所使用的，可以利用位于用户眼睛出射光瞳处的零点来测量沿z轴的距离或深度。因此，位于1米深度处的深度平面240对应于用户眼睛的光轴上的距离用户眼睛的出射光瞳1米的距离。作为近似，沿z轴的深度或距离可以从用户眼睛前方的显示器(例如，从波导的表面)测量，加上该设备与用户眼睛出射光瞳之间的距离的值。该值可以被称为出瞳距离并且对应于用户眼睛出射光瞳与用户在眼睛前方穿戴的显示器之间的距离。在实践中，出瞳距离的值可以是对于所有观看者通用的标准化值。例如，可以假设出瞳距离是20mm，并且处于1米深度处的深度平面可以在显示器前面980mm的距离处。

现在参考图4c和4d，分别示出了匹配的调节-聚散距离和失配的调节-聚散距离的示例。如图4c所示，显示系统可以向每只眼睛210、220提供虚拟对象的图像。这些图像可以使眼睛210、220呈现一聚散状态，在该聚散状态下，眼睛会聚在深度平面240上的点15处。此外，图像可以由具有与该深度平面240处的真实对象相对应的波前曲率的光形成。结果，眼睛210、220呈现一调节状态，在该调节状态下，图像聚焦在这些眼睛的视网膜上。因此，用户可以将虚拟对象感知为位于深度平面240上的点15处。

应当理解，眼睛210、220的调节和聚散状态中的每一者与z轴上的特定距离相关联。例如，距眼睛210、220特定距离处的对象使得这些眼睛基于对象的距离呈现特定调节状态。与特定调节状态相关联的距离可以被称为调节距离ad。类似地，存在与特定聚散状态相关联的特定聚散距离vd或相对于彼此的位置。在调节距离和聚散距离匹配的情况下，可以说调节和聚散之间的关系在生理学上是正确的。这被认为是对于观看者最舒适的场景。

然而，在立体显示器中，调节距离和聚散距离可能不总是匹配。例如，如图4d所示，显示给眼睛210、220的图像可以以对应于深度平面240的波前发散被显示，并且眼睛210、220可以呈现特定调节状态，在该调节状态下，该深度平面上的点15a、15b焦点对准。然而，显示给眼睛210、220的图像可以提供聚散线索，此线索导致眼睛210、220会聚在不位于深度平面240上的点15处。因此，在一些实施例中，调节距离对应于从眼睛210、220的出射光瞳到深度平面240的距离，而聚散距离对应于从眼睛210、220的出射光瞳到点15的更大距离。调节距离不同于聚散距离。因此，存在调节-聚散失配。这种失配被认为是不合需要的并且可能引起用户的不适。应当理解，失配对应于距离(例如，vd-ad)并且可以使用屈光度来表征。

不受理论限制，认为在调节-聚散失配本身不导致明显不适的情况下，用户仍然可以将最高为0.25屈光度，最高为0.33屈光度和最高为约0.5屈光度的调节-聚散失配感知为在生理上正确的。在一些实施例中，本文公开的显示系统(例如，图6中的显示系统250)被配置为使用具有波前发散的光和具有提供0.5屈光度或更小的调节-聚散失配的双眼线索的图像向观看者呈现图像。在一些其它实施例中，显示系统被配置为使用具有波前发散的光和具有提供0.33屈光度或更小的调节-聚散失配的双眼线索的图像向观看者呈现图像。在另外的实施例中，显示系统被配置为使用具有波前发散的光和具有提供0.25屈光度或更小(包括约0.1屈光度或更小)的调节-聚散失配的双眼线索的图像向观看者呈现图像。

在一些实施例中，应当理解，可以使用除眼睛210、220的出射光瞳之外的参考点来确定距离，只要相同的参考点被用于调节距离和聚散距离即可。例如，可以测量从角膜到深度平面，从视网膜到深度平面，从目镜(例如，显示设备的波导)到深度平面的距离等等。

图5示出了用于通过修改波前发散来模拟三维图像的方法的各方面。该显示系统包括波导270，该波导270被配置为接收用图像信息编码的光770，并将该光输出到用户的眼睛210。波导270可以输出具有限定量的波前发散的光650，该波前发散与所需深度平面240上的点产生的光场的波前发散对应。在一些实施例中，为在该深度平面上呈现的所有对象提供相同的波前发散量。另外，将说明可以向用户的另一只眼睛提供来自类似波导的图像信息。

在一些实施例中，单个波导可以被配置为输出具有与单个或有限数量的深度平面对应的设定量的波前发散的光，和/或波导可以被配置为输出有限波长范围的光。因此，在一些实施例中，可以利用多个波导或波导堆叠来为不同深度平面提供不同的波前发散量和/或输出不同波长范围的光。

图6示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。显示系统250包括波导堆叠或堆叠的波导组件260，波导组件260可被用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知。应当理解，在一些实施例中，显示系统250可以被视为是光场显示器。此外，波导组件260也可以被称为目镜。

在一些实施例中，显示系统250可以被配置为提供基本连续的聚散线索和多个离散的调节线索。聚散线索可以通过向用户的每只眼睛显示不同的图像来提供，调节线索可以通过输出具有离散的波前发散量的用于形成图像的光来提供。在一些实施例中，波前发散的每个离散级别对应于特定深度平面，并且可以由波导270、280、290、300、310中的特定一者提供。

继续参考图6，波导组件260还可包括波导之间的多个特征320、330、340、350。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以是一个或多个透镜。波导270、280、290、300、310和/或多个透镜320、330、340、350可被配置为以各种级别的波前曲率或光线发散向眼睛发送图像信息。每个波导级别可以与特定深度平面相关联，并且可被配置为输出与该深度平面相对应的图像信息。图像注入装置360、370、380、390、400可以用作波导的光源，并且可以被用于将图像信息注入到波导270、280、290、300、310中，如本文所述，每个波导可以被配置为使入射光分布跨过每个相应的波导，以朝向眼睛210输出。光从图像注入装置360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450出射，并且被注入到波导270、280、290、300、310的对应的输入表面460、470、480、490、500中。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每一者可以是对应波导的边缘，或者可以是对应波导的主表面的部分(即，直接面向世界510或观看者眼睛210的波导表面中的一者)。在一些实施例中，可以将单个光束(例如，准直光束)注入到每个波导中以输出克隆的准直光束的整个场，所述克隆的准直光束以特定角度(和发散量)被导向眼睛210，所述特定角度(和发散量)对应于与特定波导相关联的深度平面。在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400中的单个可与波导270、280、290、300、310中的多个(例如，三个)相关联并将光注入其中。

在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是离散显示器，每个离散显示器分别产生用于注入到对应的波导270、280、290、300、310中的图像信息。在一些其他实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是单个多路复用显示器的输出端，例如，该多路复用显示器可以经由一个或多个光学导管(例如，光纤光缆)将图像信息通过管道传输到图像注入装置360、370、380、390、400中的每一者。应当理解，由图像注入装置360、370、380、390、400提供的图像信息可以包括不同波长或颜色的光(例如，如本文所讨论的不同的组分颜色)。

在一些实施例中，注入到波导270、280、290、300、310中的光由光投射器系统520提供，光投射器系统520包括光模块530，光模块530可包括光发射器，例如发光二极管(led)。来自光模块530的光可以经由分束器550被光调制器540(例如，空间光调制器)引导和修改。光调制器540可以被配置为改变注入到波导270、280、290、300、310中的光的感知强度以用图像信息对光进行编码。空间光调制器的示例包括液晶显示器(lcd)，lcd包括硅上液晶(lcos)显示器。应当理解，图像注入装置360、370、380、390、400被示意性地示出，并且在一些实施例中，这些图像注入装置可以表示公共投射系统中的不同光路和位置，该公共投射系统被配置为将光输出到波导270、280、290、300、310中的关联的波导中。在一些实施例中，波导组件260中的波导可以用作理想透镜，同时将注入到波导中的光中继输出到用户的眼睛。在该概念中，对象可以是空间光调制器540，并且图像可以是深度平面上的图像。

在一些实施例中，显示系统250可以是扫描光纤显示器，扫描光纤显示器包括一个或多个扫描光纤，一个或多个扫描光纤被配置为以各种图案(例如，光栅扫描、螺旋扫描、利萨如(lissajous)图案等)将光投射到一个或多个波导270、280、290、300、310中，并且最终投射到观看者的眼睛210。在一些实施例中，所示的图像注入装置360、370、380、390、400可示意性地表示单个扫描光纤或扫描光纤束，单个扫描光纤或扫描光纤束被配置为将光注入到一个或多个波导270、280、290、300、310中。在一些其他实施例中，所示的图像注入装置360、370、380、390、400可以示意性地表示多个扫描光纤或多个扫描光纤束，多个扫描光纤或多个扫描光纤束中的每一者被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中的关联波导中。应当理解，一个或多个光纤可以被配置为将光从光模块530传输到一个或多个波导270、280、290、300、310。应当理解，可以在一个或多个扫描光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间设置一个或多个居间光学结构，以例如将从扫描光纤出射的光重定向到一个或多个波导270、280、290、300、310中。

控制器560控制堆叠波导组件260中的一个或多个的操作，包括图像注入装置360、370、380、390、400、光源530和光调制器540的操作。在一些实施例中，控制器560是本地数据处理模块140的部分。控制器560包括编程(例如，非暂时性介质中的指令)，该编程根据例如本文公开的各种方案中的任何方案，调节定时和向波导270、280、290、300、310提供图像信息。在一些实施例中，控制器可以是单个整体设备，或者是通过有线或无线通信信道连接的分布式系统。在一些实施例中，控制器560可以是处理模块140或150(图9d)的部分。

继续参考图6，波导270、280、290、300、310可以被配置为通过全内反射(tir)在每个相应的波导内传播光。波导270、280、290、300、310可以各自是平面的或具有另一种形状(例如，弯曲的)，具有顶部主表面和底部主表面以及在这些顶部主表面和底部主表面之间延伸的边缘。在所示的配置中，波导270、280、290、300、310可各自包括耦出光学元件570、580、590、600、610，耦出光学元件570、580、590、600、610被配置为通过重定向光来从波导中提取光，在各自对应的波导内部传播，从波导出射以将图像信息输出到眼睛210。所提取的光也可以被称为耦出光，而耦出光学元件光也可以被称为光提取光学元件。所提取的光束可以在波导中传播的光照射到光提取光学元件的位置处由波导输出。如本文进一步讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610可以例如是光栅，光栅包括衍射光学特征。虽然被示出为设置在波导270、280、290、300、310的底部主表面处，但是为了便于描述和绘制清楚，在一些实施例中，如本文进一步讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被设置在顶部和/或底部主表面处，和/或可以被直接设置在波导270、280、290、300、310的体积内。在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在附接到透明基板的材料层中，以形成波导270、280、290、300、310。在一些其他实施例中，波导270、280、290、300、310可以是单片材料，并且耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在该片材料的表面上和/或内部中。

继续参考图6，如本文所讨论的，每个波导270、280、290、300、310被配置为输出光以形成与特定深度平面对应的图像。例如，最靠近眼睛的波导270可以被配置为将准直光(其被注入到这样的波导270中)传递到眼睛210。该准直光可以代表光学无限远焦平面。下一上行波导280可以被配置为发出准直光，该准直光在可以到达眼睛210之前传输通过第一透镜350(例如，负透镜)；这样的第一透镜350可以被配置为产生轻微凸起的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自该下一上行波导280的光解释为来自从光学无限远向内更靠近眼睛210的第一焦平面。类似地，第三上行波导290使其输出光在到达眼睛210之前传输通过第一透镜350和第二透镜340两者；第一透镜350和第二透镜340的组合光焦度可以被配置为产生波前曲率的另一增量，使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为来自从光学无限远向内比来自向下一上行波导280的光进一步更靠近人的第二焦平面。

其它波导层300、310和透镜330、320被类似地配置，其中堆叠中的最高波导310通过其与眼睛之间的所有透镜发送其输出，以获得代表与人最接近的焦平面的总焦度。为了在观察/解释来自堆叠波导组件260的另一侧上的世界510的光时补偿透镜堆叠320、330、340、350，可以在堆叠的顶部设置补偿透镜层620以补偿下面的透镜堆叠320、330、340、350的总焦度。这种配置提供与可用的波导/透镜配对一样多的感知焦平面。波导的耦出光学元件和透镜的聚焦方面都可以是静态的(即，不是动态的或电活性的)。在一些备选实施例中，通过使用电活性特征，它们中的一者或全部两者可以是动态的。

在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或更多个可具有相同的关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以被配置为将图像集输出到相同深度平面，或者波导270、280、290、300、310中的多个子集可以被配置为将图像集输出到相同的多个深度平面，每个深度平面一个集。这可以为形成平铺图像提供优势，以在那些深度平面处提供扩展的视野。

继续参考图6，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被配置为既将光重定向到它们相应的波导之外，也为与该波导相关联的特定深度平面输出具有适当的发散量或准直量的该光。结果，具有不同的关联深度平面的波导可以具有不同配置的耦出光学元件570、580、590、600、610，不同配置的耦出光学元件570、580、590、600、610根据关联的深度平面输出具有不同发散量的光。在一些实施例中，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积特征或表面特征，其可以被配置为以特定角度输出光。例如，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积全息、表面全息和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以不是透镜；相反，它们可以简单地是间隔物(例如，包层和/或用于形成气隙的结构)。

在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610是形成衍射图案的衍射特征，或“衍射光学元件”(在本文中也称为“doe”)。优选地，doe具有足够低的衍射效率，使得只有一部分光束借助doe的每个交叉点向眼睛210偏转，而其余部分经由tir继续前进通过波导。因此，携带图像信息的光被分成多个相关的出射光束，这些出射光束在多个位置处从波导出射，并且对于在波导内弹跳的此特定准直光束，结果是向眼睛210出射的相当均匀的图案。

在一些实施例中，一个或多个doe可以在它们活跃地衍射的“开启”状态和它们不显著衍射的“关闭”状态之间可切换。例如，可切换的doe可以包括聚合物分散液晶层，其中，微滴包括处于主体介质中的衍射图案，并且微滴的折射率可以被切换为基本匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不会显著地衍射入射光)或者微滴可以被切换为与主体介质的折射率失配的折射率(在这种情况下，图案活跃地衍射入射光)。

在一些实施例中，可提供相机组件630(例如，数码相机，包括可见光相机和红外光相机)以捕获眼睛210和/或眼睛210周围的组织的图像，以例如检测用户输入和/或监视用户的生理状态。如此处所使用的，相机可以是任何图像捕获设备。在一些实施例中，相机组件630可以包括图像捕获设备和光源，以将光(例如，红外光)投射到眼睛，然后光可以被眼睛反射并被图像捕获设备检测。在一些实施例中，相机组件630可以被附接到框架80(图9d)并且可以与处理模块140和/或处理模块150电连通，处理模块140和/或处理模块150可以处理来自相机组件630的图像信息。在一些实施例中，每个眼睛可以使用一个摄像机组件630，以分别监视每只眼睛。

现在参考图7，示出了由波导输出的出射光束的示例。示出了一个波导，但应当理解，波导组件260(图6)中的其他波导可以类似地起作用，其中，波导组件260包括多个波导。光640在波导270的输入表面460处被注入波导270，并通过tir在波导270内传播。在光640照射在doe570上的点处，一部分光作为出射光束650从波导出射。出射光束650被示为基本平行，但是如本文所讨论的，它们也可以被重定向以一角度(例如，形成发散的出射光束)传播到眼睛210，该角度取决于与波导270相关联的深度平面。应当理解，基本上平行的出射光束可以指示具有耦出光学元件的波导，耦出光学元件耦出光以形成看起来设置在距离眼睛210的远距离处(例如，光学无穷远)的深度平面上的图像。其他波导或耦出光学元件的其他集合可以输出更加发散的出射光束图案，这将要求眼睛210适应更近的距离以使更加发散的出射光束图案聚焦在视网膜上并且将被大脑解释为来自比光学无限远更靠近眼睛210的距离处的光。

在一些实施例中，可以通过在组分颜色(例如，三种或更多种组分颜色)中的每一者中叠加图像来在每个深度平面处形成全色图像。图8示出了堆叠波导组件的示例，其中，每个深度平面包括使用多种不同组分颜色形成的图像。所示的实施例示出了深度平面240a-240f，但也可以预期更多或更少的深度。每个深度平面可以具有与其相关联的三个或更多个组分颜色图像，包括：第一颜色g的第一图像；第二颜色r的第二图像；以及第三颜色b的第三图像。对于字母g，r和b之后的屈光度(dpt)，在图中通过不同的数字表示不同的深度平面。仅作为示例，这些字母中的每一者后面的数字表示屈光度(1/m)，或该深度平面距观看者的距离倒数，并且图中的每个框表示单独的组分颜色图像。在一些实施例中，为了考虑眼睛对不同波长的光的聚焦的差异，不同组分颜色的深度平面的精确放置可以变化。例如，给定深度平面的不同组分颜色图像可以被放置在与距用户不同距离相对应的深度平面上。这样的布置可以增加视敏度和用户舒适度，和/或可以减少色差。

在一些实施例中，每种组分颜色的光可以由单个专用波导输出，因此，每个深度平面可以具有与其相关联的多个波导。在这样的实施例中，图中包括字母g、r或b的每个框可以被理解为表示单独的波导，并且每个深度平面可以提供三个波导，其中，每个深度平面提供三个组分颜色图像。尽管为了便于描述，在此图中与每个深度平面相关联的波导被示出为邻近彼此，但应当理解，在物理设备中，波导可以全部布置为每层一个波导的堆叠形式。在一些其他实施例中，多个组分颜色可以由相同的波导输出，使得例如每个深度平面可以仅提供单个波导。

继续参考图8，在一些实施例中，g是绿色，r是红色，b是蓝色。在一些其他实施例中，除了红色、绿色或蓝色之外，可以使用与其他波长的光(包括品红色和青色)相关联的其他颜色，或者这些其他颜色可以替代红色，绿色或蓝色中的一种或多种。

应当理解，贯穿本公开对给定颜色的光的提及将被理解为包括在被观看者感知为具有该给定颜色的光的波长范围内的一个或多个波长的光。例如，红光可以包括在约620-780nm范围内的一个或多个波长的光，绿光可以包括在约492-577nm范围内的一个或多个波长的光，并且蓝光可以包括在约435-493nm范围内的一个或多个波长的光。

在一些实施例中，光源530(图6)可以被配置为发射观看者的视觉感知范围之外的一个或多个波长的光，例如红外和/或紫外波长的光。此外，显示器250的波导的耦入、耦出和其他光重定向结构可以被配置为引导此光并使此光从显示器出射朝向用户的眼睛210，例如，用于成像和/或用户刺激应用。

现在参考图9a，在一些实施例中，可能需要将照射在波导上的光重定向以将该光耦入到波导中。可以使用耦入光学元件将光重定向并且耦入到其对应的波导中。图9a示出了多个堆叠波导或堆叠波导组660的示例的横截面侧视图，每个堆叠波导包括耦入光学元件。波导可以被各自配置为输出一个或多个不同波长的光，或一个或多个不同波长范围的光。应当理解，堆叠660可以对应于堆叠260(图6)，并且除了来自一个或多个图像注入装置360、370、380、390、400的光从需要光被重定向以耦入的位置被注入波导中之外，堆叠660的所示波导可以与多个波导270、280、290、300、310中的部分对应。

图示的堆叠波导组660包括波导670、680和690。每个波导包括关联的耦入光学元件(其也可以被称为波导上的光输入区域)，其中例如耦入光学元件700被设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上，耦入光学元件710被设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上，耦入光学元件720被设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720中的一个或多个可以被设置在相应波导670、680、690的底部主表面上(特别是在一个或多个耦入光学元件是反射性的偏转光学元件的情况下)。如图所示，耦入光学元件700、710、720可以被设置在它们相应的波导670、680、690(或下一下行波导的顶部)的顶部主表面上，特别是在那些耦入光学元件的是透射性的偏转光学元件的情况下。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在相应的波导670、680、690的体中。在一些实施例中，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720是波长选择性的，使得它们选择性地重定向一个或多个波长的光，同时透射其他波长的光。尽管在它们相应的波导670、680、690的一侧或角上示出，但是应当理解，在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在它们相应的波导670、680、690的其他区域中。

如图所示，耦入光学元件700、710、720可以被彼此横向偏移。在一些实施例中，每个耦入光学元件可以被偏移，使得耦入光学元件接收光，而光无需传输通过另一耦入光学元件。例如，如图6所示，每个耦入光学元件700、710、720可以被配置为从不同的图像注入装置360、370、380、390和400接收光，并且可以从其他耦入光学元件700、710、720分开(例如，横向间隔开)，使得该耦入光学元件基本上不接收来自耦入光学元件700、710、720中的其他耦入光学元件的光。

每个波导还包括关联的光分布元件，其中，例如，光分布元件730被设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上，光分布元件740被设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上，光分布元件750被设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联的波导670、680、690的底部主表面上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联的波导670、680、690的顶部主表面上和底部主表面上；或者光分布元件730、740、750可以被分别设置在不同的关联的波导670、680、690中的顶部主表面和底部主表面中的不同主表面上。

波导670、680、690可以被例如气体、液体和/或固体材料层间隔开并分隔开。例如，如图所示，层760a可以使波导670和波导680分隔开；并且层760b可以使波导680和波导690分隔开。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(即，具有比形成紧邻的波导670、680、690中的一个波导的材料的折射率低的材料)形成。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率与形成波导670、680、690的材料的折射率相差0.05或更大，或0.10或更小。有利地，较低折射率层760a、760b可以作为包层，包层促进通过波导670、680、690的光的全内反射(tir)(例如，在每个波导的顶部主表面与底部主表面之间的tir)。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。尽管未示出，但应当理解，所示波导组660的顶部和底部可包括紧邻的包层。

优选地，为了便于制造和其他考虑，形成波导670、680、690的材料相似或相同，并且形成层760a、760b的材料相似或相同。在一些实施例中，形成波导670、680、690的材料在一个或多个波导之间可以是不同的，和/或形成层760a、760b的材料可以是不同的，同时仍然保持上述各种折射率关系。

继续参考图9a，光线770、780、790入射在波导组660上。应当理解，光线770、780、790可以通过一个或多个图像注入装置360、370、380、390、400(图6)注入到波导670、680、690中。

在一些实施例中，光线770、780、790具有不同的特性，例如，对应于不同的颜色的不同的波长或不同的波长范围。耦入光学元件700、710、720各自使入射光偏转，使得光通过tir传播通过波导670、680、690中的相应的一个。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720各自选择性地使一个或多个特定波长的光偏转，同时将其他波长透射到下面的波导和关联的耦入光学元件。

例如，耦入光学元件700可以被配置为使具有第一波长或第一波长范围的光线770偏转，同时分别透射具有不同的第二波长或第二波长范围的光线780和具有第三波长或第三波长范围的光线790。透射光线780照射在耦入光学元件710上并被耦入光学元件710偏转，该耦入光学元件710被配置为使第二波长或第二波长范围的光偏转。光线790被耦入光学元件720偏转，该耦入光学元件720被配置为选择性地使第三波长或第三波长范围的光偏转。

继续参考图9a，偏转的光线770、780、790被偏转为使得光线770、780、790传播通过对应的波导670、680、690；也就是说，每个波导的耦入光学元件700、710、720将光偏转到该对应的波导670、680、690中，以将光耦入到该对应的波导中。光线770、780、790以一定角度被偏转，该角度使光通过tir传播通过相应的波导670、680、690。光线770、780、790通过tir传播通过相应的波导670、680、690，直到照射到波导的对应的光分布元件730、740、750上。

现在参考图9b，示出了图9a的多个堆叠波导的示例的透视图。如上所述，耦入的光线770、780、790分别被耦入光学元件700、710、720偏转，然后分别在波导670、680、690内通过tir传播。然后，光线770、780、790分别照射在光分布元件730、740、750上。光分布元件730、740、750使光线770、780、790偏转，使得光线770、780、790分别朝向耦出光学元件800、810、820传播。

在一些实施例中，光分布元件730、740、750是正交光瞳扩展器(ope)。在一些实施例中，ope将光偏转或分布到耦出光学元件800、810、820，并且在一些实施例中，还可以在光向耦出光学元件传播时增加此光的光束或光斑尺寸。在一些实施例中，可以省略光分配元件730、740、750，并且耦入光学元件700、710、720可以被配置为将光直接偏转到耦出光学元件800、810、820。例如。参考图9a，光分布元件730、740、750可分别被耦出光学元件800、810、820代替。在一些实施例中，耦出光学元件800、810、820是出射光瞳(ep)或出射光瞳扩展器(epe)，其将光导入观看者的眼睛210(图7)。应当理解，ope可以被配置为在至少一个轴上增大眼框(eyebox)的尺寸，并且epe可以在与ope的轴相交(例如正交)的轴上增大眼框。例如，每个ope可以被配置为将到达ope的光的一部分重定向到同一波导的epe，同时允许光的剩余部分继续沿波导传播。在再次照射到ope上时，剩余光的另一部分被重定向到epe，并且该部分的剩余部分继续沿波导进一步传播，依此类推。类似地，在到达epe时，照射光的一部分被朝向用户导出波导，并且该光的剩余部分继续传播通过波导，直到它再次到达epe，此时照射光的另一部分被导出波导，依此类推。因此，每当单束耦入光的一部分被ope或epe重定向时，该光可以“被复制”，从而形成克隆光束的场，如图6所示。在一些实施例中，ope和/或epe可以被配置为修改光束的尺寸。

因此，参考图9a和图9b，在一些实施例中，波导组660包括：波导670、680、690；耦入光学元件700、710、720；光分布元件(例如，ope)730、740、750；以及耦出光学元件(例如，ep)800、810、820，用于每种组分颜色。波导670、680、690可以被堆叠有每个波导之间的气隙/包层。耦入光学元件700、710、720将入射光(其中不同耦入光学元件接收不同波长的光)重定向或偏转到其波导中。然后光以一角度传播，该角度将导致相应波导670、680、690内的tir。在所示的示例中，光线770(例如，蓝光)被第一耦入光学元件700偏转，然后继续沿波导反弹，以先前描述的方式与光分布元件(例如，ope)730和耦出光学元件(例如，ep)800相互作用。光线780和光线790(例如，分别为绿光和红光)将传输通过波导670，其中光线780照射在耦入光学元件710上并被其偏转。然后，光线780经由tir沿波导680反弹，前进到其光分配元件(例如，ope)740，然后前进到耦出光学元件(例如，ep)810。最后，光线790(例如，红光)传输通过波导690而照射在波导690的光耦入光学元件720上。光耦入光学元件720使光线790偏转为使得该光线通过tir传播到光分布元件(例如，ope)750，然后通过tir传播到耦出光学元件(例如，ep)820。然后，耦出光学元件820最终将光线790耦出到观看者，观看者还从其他波导670、680接收耦出光。

图9c示出了图9a和图9b的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。如图所示，波导670、680、690以及每个波导的关联的光分配元件730、740、750和关联的耦出光学元件800、810、820可以垂直对准。然而，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720不是垂直对准的；相反，耦入光学元件优选地是不重叠的(例如，当在俯视图中观看时横向间隔开)。如本文进一步讨论的，此不重叠的空间布置有助于将来自不同资源的光一对一地注入到不同波导中，从而允许特定光源被唯一地耦合到特定波导。在一些实施例中，包括不重叠的空间分离的耦入光学元件的布置可以被称为移位的光瞳系统，并且这些布置内的耦入光学元件可以与子光瞳对应。

图9d示出了可穿戴显示系统60的示例，本文公开的各种波导和相关系统可以被整合到该可穿戴显示系统60中。在一些实施例中，显示系统60是图6的系统250，其中图6示意性地更详细示出该系统60的某些部件。例如，图6的波导组件260可以是显示器70的一部分。

继续参考图9d，显示系统60包括显示器70，以及支持该显示器70的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器70可以被耦接到框架80，该框架80是可由显示系统用户或观看者90佩戴的，并且该框架80被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛的前方。在一些实施例中，显示器70可以被视为是眼镜。在一些实施例中，扬声器100被耦接到框架80并且被配置为位于邻近用户90的耳道(在一些实施例中，另一个扬声器(未示出)可以可选地位于邻近用户的另一个耳道，以提供立体/可塑形声音控制)。显示系统60还可以包括一个或多个麦克风110或其他设备以检测声音。在一些实施例中，麦克风被配置为允许用户向系统60提供输入或命令(例如，语音菜单命令的选择、自然语言问题等)，和/或可以允许与其他人(例如，与类似的显示系统的其他用户)的音频通信。麦克风可以进一步被配置为外围传感器以收集音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)。在一些实施例中，显示系统还可以包括外围传感器120a，该传感器120a可以与框架80分离，并且被附接到用户90的身体(例如，在用户90的头部、躯干、四肢等上)。在一些实施例中，外围传感器120a可以被配置为获取表征用户90的生理状态的数据。例如，传感器120a可以是电极。

继续参考图9d，显示器70通过通信链路130(例如，通过有线引线或无线连接)可操作地耦接到本地数据处理模块140，本地数据处理模块140可以以各种配置来安装，诸如固定地附接到框架80，固定地附接到由用户佩戴的头盔或帽子，嵌入耳机中，或以其他方式(例如，以背包式配置、以腰带耦接式配置)可移除地附接到用户90。类似地，传感器120a可以通过通信链路120b(例如，有线引线或无线连接)可操作地耦接到本地处理和数据模块140。本地处理和数据模块140可以包括硬件处理器以及数字存储器，诸如非易失性存储器(例如，闪存或硬盘驱动器)，两者都可被用于辅助数据的处理、缓存和存储。可选地，本地处理和数据模块140可以包括一个或多个中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、专用处理硬件等等。数据可以包括a)从传感器(其可以例如可操作地耦接到框架80或以其他方式附接到用户90)捕获的数据，传感器诸如为图像捕获设备(诸如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速计、指南针、gps单元、无线电设备、陀螺仪和/或本文公开的其他传感器；和/或b)使用远程处理模块150和/或远程数据储存库160(包括与虚拟内容有关的数据)获取和/或处理的数据，可能用于在这样的处理或检索之后向显示器70传送。本地处理和数据模块140可以通过通信链路170、180诸如经由有线或无线通信链路可操作地耦接到远程处理模块150和远程数据储存库160，使得这些远程模块150、160可操作地彼此耦接，并且可用作本地处理和数据模块140的资源。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可以包括图像捕获设备、麦克风、惯性测量单元、加速计、指南针、gps单元、无线电设备和/或陀螺仪中的一者或多者。在一些其他实施例中，这些传感器中的一者或多者可以被附接到框架80，或者可以是通过有线或无线通信路径与本地处理和数据模块140通信的独立结构。

继续参考图9d，在一些实施例中，远程处理模块150可以包括被配置为分析和处理数据和/或图像信息的一个或多个处理器，例如，包括一个或多个中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、专用处理硬件等等。在一些实施例中，远程数据储存库160可以包括数字数据存储设施，其可以通过因特网或“云”资源配置中的其他网络配置获得。在一些实施例中，远程数据储存库160可以包括一个或多个远程服务器，所述远程服务器向本地处理和数据模块140和/或远程处理模块150提供信息，例如，用于生成增强现实内容的信息。在一些实施例中，在本地处理和数据模块中存储所有数据，并且执行所有计算，允许从远程模块完全自主地使用。可选地，包括cpu、gpu等的外部系统(例如，一个或多个处理器、一个或多个计算机的系统)可以执行至少一部分处理器(例如，生成图像信息，处理数据)，并且例如经由无线或有线连接向模块140、150、160提供信息，以及从这些模块接收信息。

超表面

图10a和10b分别示出了根据一些实施例的超表面2002的横截面侧视图和俯视图的示例。基板2000具有表面2000a，在表面2000a上设置有包括多个超表面单位基元2010的超表面2002。每个单位基元包括多个由光学透射材料形成的纳米梁2020a、2020b。纳米梁2020a、2020b可以是脊(或纳米线)，其横向伸长进入和离开页面并限定相邻纳米梁之间的沟槽。在一些实施例中，纳米梁2020a、2020b可以是线性的。优选地，纳米梁2020a、2020b沿其长度是连续的，这可以具有提供高衍射效率的益处。在一些其它实施例中，纳米梁2020a、2020b可以沿其长度不连续，例如，纳米梁2020a、2020b中的每一个可以各自沿一条线延伸，其中在沿着这些线的纳米梁2020a、2020b之间存在间隙。

单位基元2010可以跨表面2000a以规则间隔重复，并且可以彼此平行，使得纳米梁2020a、2020b也彼此平行。单位基元2010可以具有宽度p，宽度p是直接相邻的单位基元2010的相同点之间的距离。在一些实施例中，p可以在10nm至1μm的范围内，包括10nm至500nm、或300nm至500nm。应当理解，p可以被认为是单位基元2010的间距，并且可以跨由这些单位基元形成的光栅基本恒定。在一些其它实施例中，p可以跨表面2000a变化。

优选地，形成纳米梁2020a、2020b的材料的折射率高于基板2000的折射率。在一些实施例中，基板2000可以是波导，并且可以对应于波导270、280、290、300、310(图6)和/或波导670、680和690(图9a)。在这样的应用中，基板优选地具有相对高的折射率，例如1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或更高，这可以提供增加显示器视场的益处，该显示器通过输出来自基板2000的光来形成图像。用于形成基板2000的材料的示例包括玻璃(例如，掺杂玻璃)、铌酸锂、塑料、聚合物、蓝宝石或其它光学透射材料。在一些实施例中，形成纳米梁2020a、2020b的材料的折射率可以是2.0或更高，2.5或更高，3.0或更高，3.3或更高，或3.5或更高。用于形成纳米梁2020a、2020b的材料的示例包括含硅材料(例如，非晶硅或多晶硅和氮化硅)、氧化物和磷化镓。氧化物的示例包括氧化钛、氧化锆和氧化锌。优选地，形成纳米梁2020a、2020b的材料是相同的，这具有简化超表面2002的制造的优点。

继续参考图10a和10b，纳米梁2020b中的一个具有宽度nw2，该宽度nw2大于所示的另一纳米梁2020a的宽度nw1。在一些实施例中，宽度nw1和nw2分别在10nm至1μm的范围内，包括10nm至300nm，其中如上所述，nw1大于nw2。如图所示，纳米梁2020a、2020b可以分隔开一间隙，该间隙在10nm至1μm宽的范围内，包括10nm至300nm宽。另外如图所示，纳米梁2020a、2020b具有高度hnw，该高度可以在10nm至1μm的范围内，包括10nm至450nm。优选地，纳米梁2020a、2020b的高度基本相等。

如本文所公开的，单位基元2010的特征和纳米梁2020a、2020b的各种尺寸可以根据用于形成超表面2002的材料的特性和周围结构(例如基板2000)的特性而变化。在一些实施例中，纳米梁2020a、2020b的高度hnw可以根据用于这些纳米梁的材料的折射率而变化。在一些实施例中，纳米梁的高度可以是：在该材料的折射率大于3.3的情况下，10nm至450nm；以及在折射率为3.3或更小的情况下，10nm至1μm。作为另一示例，在纳米梁由硅(例如，非晶或多晶硅)形成的情况下，纳米梁的高度可以是10nm至450nm。

继续参考图10a和10b，这些图中所示的超表面2002以透射模式工作。光线2021a、2021b在传播通过由纳米梁2020a、2020b形成的超表面2002时被重定向。如图所示，光线2021a以相对于表面2000a的法线的角度α入射在表面2002上。优选地，角度α在超表面2002的角度带宽内，以使得光线2021a被超表面2002重定向，以在基板2000内以便于该基板2000内的全内反射的角度传播。如图所示，光线2021b被重定向，使得它与表面2000a的法线形成角度θtir。优选地，角度θtir在便于基板2000内的全内反射的角度范围内。如本文所公开的，在一些实施例中，超表面2002可以被用作耦入光学元件(例如，作为耦入光学元件700、710、720(图9a)中的一者或多者)来耦入入射光，使得该光经由全内反射传播通过基板2000。

超表面2002还将使从基板2000内照射在其上的光偏转。利用该功能，在一些实施例中，本文公开的超表面可被用于形成耦出光学元件，例如耦出光学元件570、580、590、600、610(图6)或800、810、820(图9b)中的一者或多者，作为在表面2000a上的不同位置处形成耦入光学元件的补充或替代。在不同波导具有不同的关联组分颜色的情况下，应当理解，与每个波导相关联的耦出光学元件和/或耦入光学元件具有对于波导被配置传播的光的波长或颜色而言特定的几何尺寸和/或周期。因此，不同波导可包含具有不同几何尺寸和/或周期的超表面。作为示例，用于耦入或耦出红光、绿光或蓝光的超表面可以具有被配置为重定向或衍射波长分别为例如638nm、520nm和455nm的光的几何尺寸和/或周期(间距)。在一些实施例中，纳米梁2020a、2020b和单位基元2010的几何尺寸和周期随着波长变长而增加，并且纳米梁2020a、2020b中的一者或全部两者的高度或厚度也随着波长变长而增加。

在其中超表面是2002被用作耦出光学元件的一些实施例中，超表面2002可以具有使得超表面将光焦度赋予被衍射的光的几何尺寸和/或间距。例如，超表面可以被配置为使光沿着发散或会聚方向离开超表面。超表面的不同部分可以具有不同的间距，这导致不同的光线沿不同方向偏转，例如以使得光线发散或会聚。

在一些其它实施例中，超表面2002可以重定向光，使得光作为准直光线从超表面2002传播离开。例如，在准直光以相似的角度照射在超表面2002上时，超表面2002可以跨整个超表面2002上具有一致的几何尺寸和一致的间距，以便以相似的角度重定向光。

现在参考图11a至11b，超表面2002可以以“反射模式”使光偏转，在此模式下，被重定向的光在照射在超表面上之前和之后保留在超表面2002的同一侧。图11a示出了被配置为以反射模式工作的超表面的横截面侧视图的示例，图11b示出了在平面11b上观看的图11a的超表面的横截面俯视图的示例。如图所示，超表面2002的纳米梁2020a、2020b可以被嵌入在反射层2100中。反射层2100可以由反射材料形成，例如诸如铝、银、金和铜之类的金属。优选地，形成反射层2100的材料填充纳米梁2020a、2020b之间和单位基元2010之间的空间。此外，反射层2100的高度或厚度hr可以大于纳米梁2020a、2020b的高度hnw。在一些实施例中，高度hr可以是150nm或更厚，或1μm或更厚。优选地，反射层2100足够厚以阻挡入射光，其中hr大于层2100的光学深度。应当理解，形成单位基元2010的各种特征的尺寸范围类似于这里针对图10a和10b所讨论的。

现在参考图12至13，示出了反射模式超表面的另一示例。图12示出了被配置为以反射模式工作的超表面2002的横截面侧视图的示例，图13示出了在图13的平面13上观看的图12的超表面的横截面俯视图的示例。如图所示，纳米梁2020a、2020b被嵌入在光学透射间隔层2110中。在这些实施例中，反射层2100被直接设置在间隔层2110的与基板2000相对的表面上。间隔层2110的高度或厚度hsl比纳米梁2020a、2020b的高度高hs，从而使得纳米梁2020a、2020b与反射层2100隔开等于hs的距离。在一些实施例中，高度hs可以在5nm至1μm的范围内，包括10nm至300nm。应当理解，用于间隔层2100的合适材料的示例可包括能够通过旋涂沉积的材料，其中包括聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、旋涂玻璃、电子束抗蚀剂或光致抗蚀剂以及聚合物。在一些实施例中，间隔层具有1至2的折射率。

在一些实施例中，基板2000可以既具有透射超表面也具有反射超表面。图14a示出了分别具有透射和反射超表面2002a、2002b的基板2000的横截面侧视图的示例。在一些实施例中，透射和反射超表面2002a、2002b可以位于基板的相反两侧上。图14b示出了图14a的超表面2002a的俯视图的示例。图14c示出了在图14a的平面14c上观看的图14a的超表面2002b的俯视图的示例。

参考图14a，超表面2002a包括多个单位基元2010a，这些单位基元包括纳米梁2020a、2020b。类似地，超表面2002b包括多个单位基元2010b，这些单位基元包括纳米梁2020c、2020d。与纳米梁2020a、2020b一样，纳米梁2020c、2020d中的一个比另一个宽。如本文所公开的，单位基元2010a、2010b的特征的尺寸可以基于超表面被配置用来重定向的光的波长以及期望的重定向程度来选择。在超表面被配置为重定向不同波长的光的情况下，纳米梁2020a和2020c的宽度可以彼此不同，和/或纳米梁2020b和2020d的宽度可以彼此不同。例如，超表面2002a可以被配置为重定向对应于绿色的光，而超表面2002b可以被配置为重定向对应于红色的光。在一些实施例中，这种将每个超表面配置为重定向不同波长范围的光的布置可以有利地减小波导堆叠(其中不同的波导被用于传播不同波长的光)的尺寸。有利地，超表面2002a、2002b可以被用作耦入光学元件和/或耦出光学元件，以允许单个波导被用于引导对应于不同组分颜色的光，从而避免使用一个波导。

如图所示，超表面2002a以透射模式工作并且选择性地重定向光线2040a，同时允许光线2040b传播通过超表面而不被重定向。然后光线2040b照射在反射模式超表面2002b上，该反射模式超表面2002b反射光线2040b，使得该光线沿期望的方向传播(该方向不同于镜面反射器的预期方向)。

现在参考图15a至15e，示出了用于形成透射超表面的工艺流程的示例。参考图15a，用于形成纳米梁2020a、2020b的光学透射材料层2020被沉积在基板2000上。可以使用例如气相沉积工艺(例如化学气相沉积(cvd)，包括等离子体增强化学气相沉积)来实现沉积。接着，参考图15b，在层2022上沉积可选择性地限定的材料，例如抗蚀剂(例如纳米压印抗蚀剂)。可以通过喷射涂覆(例如，喷墨印刷)沉积抗蚀剂2022，这可以提供形成极薄层以及具有变化的组成和/或厚度的层的优点。

参考图15c，使压印模板或母版2024与抗蚀剂2022接触以图案化该抗蚀剂。在一些其它实施例中，压印模板2024中的图案可以通过例如光刻形成，包括电子束光刻或euv光刻。

参考图15d，在抗蚀剂层2022中形成的图案被转印到光学透射层2020。应当理解，该图案转印可以使用相对于其它曝光材料对形成光学透射层2020的材料有选择性的蚀刻来实现。在一些实施例中，图案转印蚀刻可以是各向异性蚀刻，例如反应离子蚀刻。随后，在一些实施例中，可以使用例如灰化工艺去除抗蚀剂层2022。

现在参考图15e，形成包括纳米梁2020a、2020b的多个单位基元2010。应当理解，虽然为了便于说明而示意性地示出为具有相似的宽度，但是如本文所公开的，纳米梁2020a、2020b具有不同的宽度。

图16a和16b示出了超表面的扫描电子显微镜图像。通常如关于图15a至15e描述的那样形成超表面，其中抗蚀剂通过电子束光刻图案化。有利地，形成对应于纳米梁2020a、2020b的高度均匀的材料排。如图16b所示，每个纳米梁具有基本均匀的横截面形状，如所示的侧视图示出的。

尽管未示出，但应理解，可通过图15e中所示结构的额外处理来形成反射模式超表面。例如，反射材料可以被沉积在纳米梁2020a、2020b之间的开放体积中以及这些纳米梁之上，以形成图11a和11b中所示的结构。在一些其它实施例中，纳米梁2020a、2020b可以通过蚀刻反射层中的沟槽并随后用纳米梁2020a、2020b的材料填充该沟槽来形成。

作为另一示例，可以通过在纳米梁2020a、2020b之上和之间沉积光学透射间隔材料层来形成图12所示的结构。随后可以将反射层沉积在间隔层上。在一些实施例中，沉积可以使用气相沉积工艺实现，例如化学气相沉积(cvd)工艺和/或物理气相沉积(pvd)工艺。

如本文所讨论的，根据各种实施例的超表面在宽的入射角范围内提供高度均匀的衍射效率。图17示出了透射超表面的衍射效率与光入射角之间的关系的曲线图的示例。有利地，在大约50°的角度跨度上的衍射效率是高度均匀的。

反射超表面的各种实施例也提供高度均匀性。图18a至18c示出了反射超表面的衍射效率与光入射角之间的关系的曲线图的示例。入射光的波长对于图18a至18c中的每一者是不同的。有利地，这些曲线图在大的入射角范围上是高度平坦的。另外，这些曲线图有利地对于与红色、绿色和蓝色对应的不同波长是相似的。这种均匀性可以有益地应用于使用不同组分颜色的显示系统。衍射的均匀性可以有助于形成具有高色彩精度的高质量图像。

还发现，超表面的衍射效率高度依赖于瞬时光的偏振。图19a和19b示出了显示图10a和10b的透射超表面的偏振灵敏度的示例。如图19a所示，对于偏振平行于形成非对称光栅的纳米梁的入射光，衍射效率高。然而，偏振垂直于纳米梁的光具有低衍射效率。鉴于这种对偏振的敏感性，如本文所述，超表面可以有利地被用作偏振分束器。优选地，对于不同偏振的光，超表面提供5或更大，7或更大，或9或更大的消光比。

如本文所讨论的，由本文公开的超表面重定向的光的幅度和相位取决于形成金属表面的纳米梁的宽度。图20示出了图10a和10b的超表面的幅度和相移与纳米梁宽度的关系的曲线图。如曲线图所示，纳米梁或纳米线的宽度可被调节以操纵重定向的光的幅度和相位。

现在参考图21a，在一些实施例中，超表面可包括多层级非对称光栅。图21a示出了包括多层级光学透射材料的多层级超表面2008的横截面侧视图的示例。应当理解，该横截面侧视图是在与所示纳米梁2020a、2020b的纵长轴正交的平面上截取的。纳米梁2020a、2020b被形成在基板2000的表面2000a上。如图所示，在一些实施例中，超表面2008是分别具有最下层级和最上层级2012、2014的双层级结构。最下层级2012包括由第一光学透射材料形成的纳米梁2020a、2020b，以及位于纳米梁2020a、2020b之间的第二光学透射材料的块2030c。最上层级2014可以直接垂直地邻近纳米梁2020a、2020b，并且包括直接形成在纳米梁2020a上的第二光学透射材料的最上层级纳米梁2030a，以及直接形成在纳米梁2020b上的第二光学透射材料的最上层级纳米梁2030b。应当理解，第二光学透射材料的最上层级纳米梁2030a、2030b可以接触纳米梁2020a、2020b。如图所示，在最上层级2014上，第二光学透射材料的纳米梁2030a、2030b可以局域在纳米梁2020a、2020b的表面上，形成与第二光学透射材料的其它局域沉积物(或平台)间隔开的材料平台。

继续参考图21a，优选地，形成纳米梁2030a、2030b和块2030c的第二光学透射材料的折射率高于形成纳米梁2020a、2020b的第一光学透射材料和形成基板2000的材料的折射率，在一些实施例中，形成纳米梁2020a、2020b的第一光学透射材料的折射率低于或类似于形成基板2000的材料的折射率。

继续参考图21a，纳米梁2020a、2020b的第一光学透射材料优选地是可以例如通过光刻和蚀刻工艺图案化的材料。更优选地，第一光学透射材料是可以通过纳米压印来图案化的纳米压印抗蚀剂。如本文所讨论的，形成纳米梁2030a、2030b和块2030c的第二光学透射材料可以具有比纳米梁2020a、2020b的第一光学透射材料和形成基板2000的材料二者都高的折射率。在一些实施例中，第二光学透射材料的折射率高于1.6、1.7、1.8或1.9。用于第二光学透射材料的材料的示例包括半导体材料，其中包括含硅材料和氧化物。含硅材料的示例包括氮化硅和碳化硅。氧化物的示例包括氧化钛、氧化锆和氧化锌。在一些实施例中，第二光学透射材料可具有比这些氧化物低的光学透明度。例如，第二光学透射材料可以是硅或其衍生物。在一些实施例中，第一和第二光学透射材料是非晶体固态材料或晶体固态材料。不受理论的限制，在一些应用中可能需要非晶体材料，因为与某些晶体材料相比，非晶体材料可以在较低的温度下、以较宽的表面范围形成。在一些实施例中，形成特征2020a、2020b、2030a、2030b、2030c的第一和第二光学透射材料中的每一者可以是非晶或晶体半导体材料中的一种。

如上所述，在一些实施例中，形成单位基元2010的纳米梁2020a、2020b的宽度nw1、nw2可以分别在10nm至1μm的范围内，包括10nm至300nm或10nm至250nm。单位基元2010的纳米梁2020a、2020b可以相隔一间隙，该间隙在5nm至1μm宽的范围内，包括10nm至1μm宽或10nm至300nm宽。单位基元2010的间距p可以在10nm至1μm的范围内，包括10nm至500nm，或300nm至500nm。在一些实施例中，纳米梁2020a、2020b的高度hnw可以在10nm至1μm的范围内，包括10nm至500nm或10nm至450nm。块2030c的高度hm可以在10nm至1μm的范围内，包括10nm至600nm。优选地，纳米梁2030a、2030b和块2030c的高度基本相同。

已经发现，单位基元的特征尺寸可以根据用于形成超表面的材料的特性而变化。例如，纳米梁的高度可以根据用于这些纳米梁的材料的折射率而变化。在一些实施例中，纳米梁的高度可以是：在材料的折射率大于3.3的情况下，10nm至450nm；以及在折射率为3.3或更小的情况下，10nm至1μm。作为另一示例，在纳米梁由硅(例如，非晶或多晶硅)形成的情况下，纳米梁的高度可以是10nm至450nm。在一些实施例中，纳米梁2030a、2030b和块2030c的材料的高度可以在10nm至1μm的范围内，包括10nm至600nm。

在上述尺寸范围内，应当理解，在一些实施例中，根据适当尺寸选择以及特征2030a、2030b、2030c的材料，超表面可以主要以反射模式或主要以透射模式工作。例如，对于给定波长的光，以反射模式工作的超表面2008的特征2030a、2030b、2030c的厚度可以低于以透射模式工作的超表面的特征2030a、2030b、2030c的厚度。另外，在透射或反射模式中，将较高折射率材料用于特征2030a、2030b、2030c可以允许这些特征的厚度的减小，同时实现类似的光重定向特性。

继续参考图21a，超表面2008以反射模式工作，其中入射光线2200照射在超表面2008上并且通过衍射以一角度被重定向，使得该光线通过全内反射传播通过基板2000。在一些实施例中，特征2030a、2030b、2030c的高度可以低于纳米梁2020a、2020b的高度，如图所示。应当理解，光可以被理解为两次穿过以反射模式工作的超表面(一次是当入射光照射在超表面上时，第二次是当光被反射通过并离开该超表面时)，从而允许特征2030a、2030b、2030c和纳米梁2020a、2020b的高度低于以透射模式工作的具有类似光重定向能力的超表面。

现在参考图21b，示出了具有图21a所示的一般结构的超表面的透射和反射随光入射角而变化的曲线图的示例。被透射和反射的光的各种衍射级分别由“t”和“r”表示。在该示例中，纳米梁2020a、2020b由光学透射抗蚀剂形成，并且特征2030a、2030b、2030c由氧化钛形成。氧化钛具有2.6的有利的高折射率，这可以促进相对于较低折射率材料，特征2030a、2030b、2030c和纳米梁2020a、2020b的厚度或高度的减小。对于每个单位基元，纳米梁2020a的宽度为50nm；纳米梁2020b的宽度为110nm；纳米梁2020a和2020b之间的间隙为40nm；纳米梁2020a、2020b的高度为100nm；特征2030a、2030b、2030c的高度为50nm；并且单位基元2010的间距为382nm。

继续参考图22b，对于0°的入射角，入射在超表面2008上的被反射并被一阶衍射(r1)成适合于tir的角度的光的百分比为约25％，并且对于从约-10°至约10°的入射角，上述百分比在25％至42％之间变化。如图所示，零阶反射有利地低。在使用反射空间光调制器的显示设备(例如图6的显示系统250)中利用超表面2008的情况下，零阶反射可能不期望地导致光反射回到空间光调制器，空间光调制器然后将光反射回到观看者，从而导致不希望的图像伪影，例如鬼影。因此，在这种应用中可能需要低量零阶反射。另外，如图所示，一部分入射光被透射(t0)，并且另一部分入射光经历负一阶衍射(r-1)。

现在参考图22a，示出了以透射模式工作的超表面2008。值得注意的是，在该实施例中，除了特征2030a、2030b、2030c的高度以及可选地形成这些特征2030a、2030b、2030c的材料之外，超表面2008类似于图21a中所示的超表面。如图所示，在一些实施例中，块2030c的高度(以及纳米梁2030a、2030b的对应高度)可以大于纳米梁2020a、2020b的高度。在所示实施例中，光线2200传播通过超表面2008并被衍射成一角度，使得该光线通过全内反射传播通过基板2000。

现在参考图22b，示出了具有图22a所示的一般结构的超表面的透射和反射随光入射角而变化的曲线图的示例。如上所述，被透射和反射的光的衍射级分别由“t”和“r”表示。对于每个单位基元，纳米梁2020a的宽度为50nm；纳米梁2020b的宽度为110nm；纳米梁2020a和2020b之间的间隙为50nm；纳米梁2020a、2020b的高度为150nm；特征2030a、2030b、2030c的高度为190nm；并且单位基元2010的间距为382nm。在该示例中，纳米梁2020a、2020b由光学透射抗蚀剂形成，并且特征2030a、2030b、2030c由具有2.0的折射率的氮化硅形成。

继续参考图22b，对于0°的入射角，入射在超表面上的被透射并被负一阶衍射(t-1)成适合于tir的角度的光的百分比为约35％，并且对于从约-10°至约10°的入射角，上述百分比在35％至56％之间变化。零阶反射有利地保持为低的。还如图所示，一部分入射光被透射(t0)而没有被重定向，并且另一部分入射光经历正一阶衍射(t1)。

现在参考图23a至23d，示出了用于形成超表面2008的工艺流程的示例。参考图14a，第一材料(例如，抗蚀剂(如纳米压印抗蚀剂))层2020被沉积在基板2000上。层2020优选地是光学透射的并且可以通过例如旋涂来沉积。在一些实施例中，层2020可以通过喷射涂覆(例如，喷墨印刷)来沉积，这可以提供形成极薄层以及具有变化的组成和/或厚度的层的优点。

参考图23b，使压印模板或母版2024与抗蚀剂层2020接触以图案化该层。应当理解，压印模板2024中的图案可以是要形成的超表面的纳米梁图案的负图案。压印模板2024中的图案可以通过例如光刻形成，包括电子束光刻或euv光刻。有利地，可以重复使用同一模板2024来在多个基板上图案化抗蚀剂，从而降低最终形成的超表面的每单位制造成本。

在接触压印模板2024之后，抗蚀剂2020呈现由模板2024中的开口限定的图案。在一些实施例中，抗蚀剂2020可以被固化(例如通过暴露于光(例如uv光)和/或加热)以使抗蚀剂固定。然后可以抽回模板2024，留下具有纳米梁2020a、2020b的图案化的抗蚀剂，如图23c所示。在一些其它实施例中，抗蚀剂层中的图案可以被转印到下面的材料层(例如，如图15a至15e所示)并且可以去除抗蚀剂，从而在下面的材料层中形成纳米梁2020a、2020b。

现在参考图23d，随后将第二材料沉积在纳米梁2020a、2020b上以形成纳米梁2030a、2030b。用于第二材料的材料的示例包括半导体材料，其中包括含硅材料，例如硅、氮化硅、碳化硅；氧化物，其中包括氧化锆、氧化锌和氧化钛；以及光学透射抗蚀剂。如本文所公开的，第二材料2030优选地是光学透射材料。第二材料2030可以通过各种工艺沉积，包括毯式沉积、定向沉积和旋涂或喷涂。毯式沉积的示例包括：化学气相沉积(cvd)，其中抗蚀剂被暴露于同时存在于包含基板2000的沉积室中的相互反应的前体；以及原子层沉积(ald)，其中抗蚀剂交替地被暴露于前体。ald可以提供在需要高精度的情况下精确控制沉积层厚度以及在低温下沉积材料的优点。定向沉积的示例包括蒸发和溅射，以将第二材料优先输送到纳米梁2020a、2020b和基板2000的顶面上。

应当理解，具有根据本文公开的各种实施例的超表面的基板2000可被用于形成显示系统，例如本文公开的系统1000(图6)。例如，如本文所述，超表面可以被用作耦入和/或耦出光学元件。在一些实施例中，在制造超表面之后，波导2000可以被光学耦合到光导管，例如用于将图像信息注入到波导中的光导管。在一些实施例中，光导管可以是光纤。光导管的示例包括图像注入装置200、202、204、206、208(图6)和扫描光纤。在一些实施例中，可以提供多个波导，每个波导具有超表面2010，并且这些波导中的每一者可以被光学耦合到一个或多个图像注入装置。

本文描述了本发明的各种示例实施例。以非限制性的方式参考这些示例。提供它们是为了说明本发明的更广泛适用的方面。在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对所描述的发明进行各种改变并且可以替换等同物。

例如，虽然有利地与跨多个深度平面提供图像的ar显示器一起使用，但是本文公开的增强现实内容还可以由在单个深度平面上提供图像的系统来和/或利用虚拟现实显示器来显示。在将多路复用图像信息(例如，不同颜色的光)引导到波导中的一些实施例中，可以在波导上设置多个超表面，例如对于每种颜色的光有一个超表面起作用(active)。在一些实施例中，形成超表面的纳米梁的间距或周期和/或几何尺寸可以跨超表面变化。这种超表面可在重定向不同波长的光时起作用，这取决于光入射到超表面上的位置处的几何形状和间距。在一些其他实施例中，超表面特征的几何形状和间距被配置为变化，使得即使具有相似波长的偏转光线以不同角度传播远离超表面。还应当理解，可以跨基板表面设置多个分离的超表面，在一些实施例中每个超表面具有相同的几何形状和间距，或者在一些其他实施例中至少一些超表面具有与其他超表面不同的几何形状和/或间距。

本文使用指定取向的各种术语。例如，纳米梁可以被描述为位于基板上或之上，并且可以被描述为具有高度(或厚度)。应当理解，这些术语涉及以参考取向被放置的纳米梁和基板，在该参考取向中基板位于纳米梁的垂直下方。在这样的取向中，高度描述垂直尺寸，而间隙、间距或宽度描述横向尺寸，例如，在面向(例如，基本上平行于)其上设置有纳米梁的基板的表面的平面中延伸。然而，应当理解，纳米梁和基板的相对取向不受限制，并且可以以相对于彼此的其它取向被定位。

另外，虽然有利地被应用于诸如可穿戴式显示器的显示器，但是可以将该超表面应用于其中需要紧凑、型面高度不大的(low-profile)光重定向元件的各种其他设备。例如，金属表面通常可以被用于形成光学板(例如，玻璃板)、光纤、显微镜、传感器、手表、相机和图像投影设备的光重定向部分。

此外，可以进行很多修改以适应针对本发明的目的、精神或范围的特定情况、材料、物质的组成、过程、过程动作或步骤。进一步地，如本领域的技术人员将理解的，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本文描述和示出的每个单独的变型例具有独立的组件和特征，这些组件和特征可容易地与其他若干实施例的任意一个的特征分离或组合。所有这些修改意在处于与本公开相关的权利要求的范围之内。

本发明包括可使用主题设备执行的方法。所述方法可包括提供这种合适的设备的动作。这种提供可由用户执行。换言之，“提供”动作仅需要用户的获得、访问、处理、定位、设置、激活、通电或其它动作，以在主题方法中提供必要的设备。本文所述的方法可按逻辑上可能的所述事件的任何顺序以及以所述的事件顺序来执行。

以上已经阐述了本发明的示例方面以及关于材料选择和制造的细节。对于本发明的其它细节，可结合以上参考的专利和出版物以及本领域的技术人员通常知道或理解的来理解。这在关于如通常或逻辑上采用的附加动作的方面，关于本发明的基于方法的方面同样成立。

为了便于描述，本文使用指示特征的相对位置的各种词语。例如，各种特征可被描述为位于其他特征“上”、“之上”、其某“一侧”、“较高”或“较低”。也可以使用其他相对位置的词语。用于描述目的，相对位置的所有这些词语都假定由特征形成的集合结构或系统作为参考点作为整体处于某个方位，但是应该理解的是，在使用中，该结构可以侧向放置、翻转或处于任何数量的其他方位。

此外，虽然已经参考可选地包括各种特征的若干示例描述了本发明，但是本发明并不限于被描述或表示为针对本发明的每个变型例所预期的。在不脱离本发明的实际精神和范围的情况下，可以对所描述的本发明进行各种变化，并且可用等同物(无论是本文所陈述的还是为了简洁的目的而未被包括的)来代替。此外，如果提供值的范围，则应当理解，在该范围的上限和下限之间的每个中间值和或者在所述范围中的任何其它中间值被包括在本发明之内。

此外，可预期的是，所描述的发明变型例的任何可选特征可独立或结合本文描述的任何一个或多个特征来陈述和要求权利。引用单数项包括可能存在相同项的复数。更具体地，如在此和在相关的权利要求中所使用的，只要不具体说明，单数形式“一”、“所述”和“该”包括复数对象。换言之，在以上描述以及与本公开相关的权利要求中，冠词的使用允许“至少一个”主题项。还需要注意的是，可将这种权利要求撰写为排除任何可选元件。因此，该声明意在结合权利要求要素的表述而用作使用如“单独”、“仅”等这种排他性术语的先行基础，或者使用“否定”限制。

在不使用这种排他性术语的情况下，在与本公开相关的权利要求中的术语“包括”应允许包括任何其它要素，而不考虑给定数量的要素是否列举在这种权利要求中，或者添加特征可被视为变换在权利要求中所述的要素的性质。除了本文特别定义之外，本文所使用的全部科技术语应在维持权利要求有效的同时被提供尽可能宽的通常理解的含义。

本发明的广度并不限于所提供的示例和/或本说明书，而是仅由与本公开相关的权利要求语言的范围限定。