由具有不同取向的纳米梁的超表面形成的衍射光栅的制作方法

由具有不同取向的纳米梁的超表面形成的衍射光栅
1.本技术是国际申请号为pct/us2018/015324、国际申请日为2018年 01月25日、中国国家申请号为201880021414.9、标题为“由具有不同取向 的纳米梁的超表面形成的衍射光栅”的专利申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术要求于2017年1月27日提交的美国临时申请号62/451,608和 于2017年1月27日提交的美国临时申请号62/451,615的在35 u.s.c.
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119(e)下的优先权的权益。这些优先权文件中的每一个的整体公开内容通 过引用并入本文。
4.本技术通过引用并入以下专利申请中的每一个的整体：美国申请号 14/331,218；美国申请号14/641,376；美国临时申请号62/012,273；美国临 时申请号62/005,807；美国临时申请号62/333,067；以及美国专利申请号 15/342,033。
技术领域
5.本公开涉及显示系统，并且更特别地涉及增强现实显示系统。


背景技术：

6.现代计算和显示技术已经利于所谓的“虚拟现实”或者“增强现实
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体验的系统的发展，其中，数字再现图像或其部分以其看起来真实或者可 以被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或者“vr”场景典型地涉及 数字或者虚拟图像信息的呈现，而对于其他实际现实世界视觉输入不透明； 增强现实或者“ar”场景典型地涉及将数字或者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。混合现实或者“mr”场景是一种类 型的ar场景并且典型地涉及被集成到自然界中并且响应于自然界的虚拟 对象。例如，mr场景可以包括看起来由现实世界中的对象阻挡或以其他 方式被感知为与现实世界中的对象相互作用的ar图像内容。
7.参考图1，描绘了增强现实场景10。ar技术的用户看到以背景中的 人、树、建筑为特征的现实世界公园般的设置20，以及混凝土平台30。用 户还感知到他“看到”“虚拟内容”，诸如站在现实世界平台1120上的机 器人雕像40，以及飞行的卡通式的化身人物50，其似乎是大黄蜂的拟人化。 这些元素50、40是不存在于现实世界中的“虚拟的”。由于人类视觉感知 系统是复杂的，因而产生利于其他虚拟或现实世界影像元素中的虚拟图像 元素的舒适的、自然感觉的、丰富呈现的ar技术是具挑战性的。
8.本文所公开的系统和方法解决与ar和vr技术有关的各种挑战。


技术实现要素：

9.根据一些实施例，一种光学系统包括被配置为衍射具有波长的可见光 的超表面。所述超表面包括多个重复晶胞(unit cell)，其中，每个晶胞包 括两至四组纳米梁。第一组纳米梁由一个或多个第一纳米梁形成并且第二 组纳米梁由邻近所述一个或多个第一纳米梁设置并且彼此分离亚波长间隔 的多个第二纳米梁形成。所述一个或多个第一纳米梁和
所述多个第二纳米 梁在不同取向方向上伸长。所述晶胞以小于或等于约10nm至1μm的周 期重复。
10.根据一些其他实施例，一种光学系统包括被配置为传播可见光的波导， 其中，所述波导包括在其上具有上文所描述的光学系统的超表面的衬底， 其中，所述一个或多个第一纳米梁和所述第二纳米梁被布置为以相对于入 射光的方向的衍射角衍射光，并且使得所述衍射光在所述衬底中在全内反 射下传播。
11.根据一些实施例，一种头戴式显示设备被配置为将光投影到用户的眼 睛以显示增强现实图像内容，其中，所述头戴式显示设备包括被配置为支 撑在所述用户的头部上的框架。所述显示设备另外包括设置在所述框架上 的显示器。所述显示器的至少一部分包括一个或多个波导，其中，所述一 个或多个波导是透明的并且当所述用户佩戴所述头戴式显示设备时设置在 所述用户的眼睛前面的位置处，使得所述透明部分将光从在所述用户前面 的环境的一部分透射到所述用户的眼睛，以提供在用户前面的环境的一部 分的视图。所述显示设备另外包括一个或多个光源。所述显示设备还包括 至少一个衍射光栅，其被配置为将来自所述光源的光耦合到所述一个或多 个波导中或者将光耦出所述一个或多个波导，其中，所述衍射光栅包括上 文所描述的光学系统的超表面。
12.根据又一其他实施例，一种制造光学系统的方法，包括：提供衬底； 以及在所述衬底上形成包括多个晶胞的超表面。形成所述超表面包括形成 包括两至四组纳米梁的晶胞。形成所述晶胞包括形成包括一个或多个第一 纳米梁的第一组纳米梁和形成邻近所述一个或多个第一纳米梁的第二组纳 米梁。形成所述第二组纳米梁包括形成彼此分离亚波长间隔的多个第二纳 米梁。一个或多个第一纳米梁和多个第二纳米梁在不同取向方向上伸长。 晶胞以小于或等于约10nm至1μm的周期重复。
13.根据一些实施例，一种光学系统包括被配置为衍射具有波长的可见光 的超表面，其中，所述超表面包括多个重复晶胞。每个晶胞包括第一组纳 米梁，其中，所述第一纳米梁中的两个或两个以上具有不同宽度。每个晶 胞另外包括第二组纳米梁，其中，所述第二纳米梁中的两个或两个以上具 有不同宽度。所述第二纳米梁邻近所述第一纳米梁设置并且彼此分离亚波 长间隔。此外，所述晶胞的第一纳米梁和第二纳米梁具有不同取向。
14.根据其他实施例，头戴式显示设备被配置为将光投影到用户的眼睛以 显示增强现实图像内容，其中，所述头戴式显示设备包括被配置为支撑在 所述用户的头部上的框架。所述显示设备另外包括设置在所述框架上的显 示器。所述显示器的至少一部分包括一个或多个波导，其中，所述一个或 多个波导是透明的并且当所述用户佩戴所述头戴式显示设备时设置在所述 用户的眼睛前面的位置处，使得所述透明部分将光透射到所述用户的眼睛， 以提供在所述用户前面的环境的一部分的视图。所述显示设备另外包括一 个或多个光源。所述显示设备还包括至少一个衍射光栅，其被配置为将来 自所述光源的光耦合到所述一个或多个波导中或者将光耦出所述一个或多 个波导，其中，所述衍射光栅包括根据上文所描述的光学系统的超表面。
15.根据又一其他实施例，一种制造超表面的方法，包括：提供衬底。所 述方法另外包括在所述衬底上形成具有多个晶胞的超表面。形成所述超表 面包括形成包括具有不同宽度的两个或两个以上第一纳米梁的第一组纳米 梁。形成所述超表面另外包括形成包括具有不同宽度的两个或两个以上第 二纳米梁的第二组纳米梁，其中，所述第二纳米梁邻近所
述第一纳米梁设 置并且彼此分离亚波长间隔。所述第一纳米梁和所述第二纳米梁具有不同 取向。
16.下文提供了各种其他实施例的示例：
17.1.一种光学系统，包括：
18.被配置为衍射具有波长的可见光的超表面，所述超表面包括：
19.多个重复晶胞，每个晶胞包括两至四组纳米梁，其中：
20.第一组纳米梁由一个或多个第一纳米梁形成；以及
21.第二组纳米梁由邻近所述一个或多个第一纳米梁设置并且彼此分 离亚波长间隔的多个第二纳米梁形成，
22.其中，所述一个或多个第一纳米梁和所述多个第二纳米梁在不同取向 方向上伸长，以及
23.其中，所述晶胞以小于或等于约10nm至1μm的周期重复。
24.2.根据实施例1所述的光学系统，其中，所述一个或多个第一纳米梁 和所述第二纳米梁以相对于彼此的角度取向，以引起由所述一个或多个第 一纳米梁衍射的所述可见光与由所述第二纳米梁衍射的所述可见光之间的 相位差。
25.3.根据实施例2所述的光学系统，其中，所述相位差是所述角度的两 倍。
26.4.根据实施例1-3中的任一项所述的光学系统，其中，所述可见光谱 中的所述波长对应于蓝光、绿光或红光。
27.5.根据实施例1-4中的任一项所述的光学系统，其中，所述一个或多 个第一纳米梁和所述第二纳米梁在相对于彼此旋转约90度的取向方向上 取向。
28.6.根据实施例1-5中的任一项所述的光学系统，其中，所述第一纳米 梁中的每一个具有相同宽度。
29.7.根据实施例1-6中的任一项所述的光学系统，其中，所述第二纳米 梁中的每一个具有相同宽度。
30.8.根据实施例1-7中的任一项所述的光学系统，其中，所述第二纳米 梁中的每一个所述第一纳米梁中的每一个在所述第一和第二纳米梁的个体 纳米梁之间具有相同间隔。
31.9.根据实施例1-7中的任一项所述的光学系统，其中，所述晶胞以小 于或等于所述波长的周期重复，其中，所述波长在所述可见光谱内。
32.10.根据实施例1-9中的任一项所述的光学系统，其中，所述一个或 多个第一纳米梁和所述第二纳米梁具有小于所述波长的高度。
33.11.根据实施例1-10中的任一项所述的光学系统，其中，所述一个或 多个第一纳米梁和所述第二纳米梁由其体折射率在所述波长处高于2.0的 材料形成。
34.12.根据实施例1-11中的任一项所述的光学系统，其中，所述一个或 多个第一纳米梁和所述第二纳米梁由半导体材料或者绝缘材料形成。
35.13.根据实施例1-12中的任一项所述的光学系统，其中，所述一个或 多个第一纳米梁和所述第二纳米梁由具有硅的材料形成。
36.14.根据实施例1-13中的任一项所述的光学系统，其中，所述一个或 多个第一纳米梁和所述第二纳米梁由选自包括以下各项的组的材料形成： 多晶硅、非晶硅、碳化硅和
氮化硅。
37.15.根据实施例1-14中的任一项所述的光学系统，其中，所述一个或 多个第一纳米梁和所述第二纳米梁被配置为以相对于表面法线平面的大于 50度的衍射角以大于10％的衍射效率衍射所述可见光。
38.16.根据实施例15所述的光学系统，其中，所述一个或多个第一纳米 梁和所述第二纳米梁被配置为以针对具有超过40度的入射角范围的入射 光的所述衍射效率衍射光。
39.17.根据实施例16所述的光学系统，其中，所述表面法线平面在第一 取向方向上延伸。
40.18.根据实施例17所述的光学系统，其中，所述一个或多个第一纳米 梁和所述第二纳米梁被配置为在透射模式中衍射光，其中，与作为所述光 入射侧的所述一个或多个第一纳米梁和所述第二纳米梁的相同侧的衍射光 的强度相比，作为光入射侧的所述一个或多个第一纳米梁和所述第二纳米 梁的相对侧的衍射光的强度更大。
41.19.根据实施例17所述的光学系统，其中，所述一个或多个第一纳米 梁和所述第二纳米梁被配置为在反射模式中衍射光，其中，与作为所述光 入射侧的所述一个或多个第一纳米梁和所述第二纳米梁的相对侧的衍射光 的强度相比，作为光入射侧的所述一个或多个第一纳米梁和所述第二纳米 梁的相同侧的衍射光的强度更大。
42.20.根据实施例1-19中的任一项所述的光学系统，其中，所述一个或 多个第一纳米梁和所述第二纳米梁形成在衬底上并且由其体折射率比所述 衬底的折射率大至少0.5的材料形成。
43.21.根据实施例20所述的光学系统，其中，所述衬底具有大于1.5的 折射率。
44.22.根据实施例20-21中的任一项所述的光学系统，其中，所述衬底 被配置为使得由所述一个或多个第一纳米梁和所述第二纳米梁衍射的光在 全内反射下在第二方向上传播。
45.23.根据实施例1-22中的任一项所述的光学系统，其中，所述一个或 多个第一纳米梁和所述第二纳米梁具有基本上矩形截面形状。
46.24.根据实施例1-23中的任一项所述的光学系统，其中，所述一个或 多个第一纳米梁包括一对第一纳米梁。
47.25.根据实施例24所述的光学系统，其中，所述一个或多个第一纳米 梁直接邻近所述一对纳米梁，使得所述第二纳米梁直接插入相邻对第一纳 米梁之间。
48.26.根据实施例1-23中的任一项所述的光学系统，其中，所述一个或 多个第一纳米梁包括一个第一纳米梁。
49.27.根据实施例1-24和26中的任一项所述的光学系统，还包括由多 个第三纳米梁形成的第三组纳米梁，其中，所述多个第三纳米梁相对于所 述第一一个或多个第一纳米梁和所述多个第二纳米梁在不同取向上伸长， 所述第三纳米梁插入在所述一个或多个第一纳米梁与所述第二纳米梁之 间。
50.28.根据实施例27所述的光学系统，其中，所述第三纳米梁具有相同 长度，使得所述第三纳米梁共同终止。
51.29.根据实施例27-28中的任一项所述的光学系统，其中，所述第三 纳米梁中的相邻第三纳米梁在所述第一取向方向上分离恒定空间。
52.30.根据实施例27-29中的任一项所述的光学系统，其中，所述一个 或多个第一纳米梁在对应于多个第三纳米梁的第一取向方向上横跨一段距 离。
53.31.根据实施例27-30中的任一项所述的光学系统，其中，所述第三 纳米梁中的每一个具有相同宽度，并且其中，所述第三纳米梁中的个体第 三纳米梁之间的间隔具有相同宽度。
54.32.根据实施例27-31中的任一项所述的光学系统，其中，所述第三 纳米梁在第三取向方向上延伸，当观察入射光的传播方向时，所述第三取 向方向在相对于所述一个或多个第一纳米梁的逆时针方向上旋转小于所述 第二纳米梁相对于所述一个或多个第一纳米梁的逆时针方向上的最小旋转 角的角度。
55.33.根据实施例27-32中的任一项所述的光学系统，还包括由多个第 四纳米梁形成的第四组纳米梁，其中，所述多个第四纳米梁在相对于所述 第一一个或多个第一纳米梁、所述多个第二纳米梁和所述多个第三纳米梁 的不同取向上伸长，所述第四纳米梁设置在第二取向方向上的与所述第三 纳米梁设置的一侧相对的第二纳米梁的一侧。
56.34.根据实施例33中的任一项所述的光学系统，其中，所述第四纳米 梁在第四取向方向上延伸，当观察入射光的传播方向时，所述第四取向方 向在相对于所述一个或多个第一纳米梁的逆时针方向上旋转大于所述第二 纳米梁在相对于所述一个或多个第一纳米梁的逆时针方向上的最小旋转角 的角度。
57.35.根据实施例34所述的光学系统，其中，所述第四取向方向和所述 第三取向方向相对于彼此旋转约90度。
58.36.根据实施例1-35中的任一项所述的光学系统，其中，所述一个或 多个第一纳米梁和所述第二纳米梁包括双层，所述双层包括具有第一折射 率的下层和具有低于所述第一折射率的第二折射率的上层。
59.37.根据实施例36所述的光学系统，其中，所述上层由具有低于约2.0 的折射率的材料形成。
60.38.根据实施例36-37中的任一项所述的光学系统，其中，所述上层 包含硅或碳。
61.39.根据实施例1-38中的任一项所述的光学系统，其中，所述一个或 多个第一纳米梁和所述第二纳米梁埋入透明间隔层中。
62.40.根据实施例39所述的光学系统，其中，所述透明间隔层具有小于 一个或多个第一纳米梁和所述第二纳米梁的体材料的折射率的折射率。
63.41.根据实施例1-38中的任一项所述的光学系统，其中，金属反射层 形成在所述一个或多个第一纳米梁和所述第二纳米梁上。
64.42.一种光学系统，包括：
65.被配置为传播可见光的波导，所述波导包括：
66.在其上具有根据实施例1-41中的任一项所述的超表面的衬底，其 中，所述一个或多个第一纳米梁和所述第二纳米梁被布置为以相对于入射 光的方向的衍射角衍射光并且使得所述衍射光在所述衬底中在全内反射下 传播。
67.43.根据实施例42所述的波导，其中，所述衬底由其折射率小于形成 所述一个或多个纳米梁和所述第二纳米梁的材料的体折射率的材料形成， 从而使得所述衍射光在所述衬底中在全内反射下传播。
68.44.根据实施例42-43中的任一项所述的波导，其中，所述衍射角超 过50度。
69.45.根据实施例42-44中的任一项所述的波导，其中，所述衬底由其 折射率小于形成所述一个或多个纳米梁和所述第二纳米梁的材料的体折射 率至少0.5的材料形成。
70.46.根据实施例42-45中的任一项所述的波导，其中，所述衬底具有 大于1.5的折射率。
71.47.一种被配置为将光投影到用户的眼睛以显示增强现实图像内容的 头戴式显示设备，所述头戴式显示设备包括：
72.被配置为支撑在所述用户的头部上的框架；
73.设置在所述框架上的显示器，所述显示器的至少一部分包括：
74.一个或多个波导，所述一个或多个波导是透明的并且当所述用户 佩戴所述头戴式显示设备时设置在所述用户的眼睛前面的位置处，使得所 述透明部分将光从所述用户前面的环境的一部分透射到所述用户的眼睛， 以提供在所述用户前面的环境的一部分的视图；
75.一个或多个光源；以及
76.至少一个衍射光栅，其被配置为将来自所述光源的光耦合到所述 一个或多个波导中或者将光耦出所述一个或多个波导，所述衍射光栅包括 根据实施例1-41中的任一项所述的超表面。
77.48.根据实施例47所述的设备，其中，所述一个或多个光源包括光纤 扫描投影仪。
78.49.根据实施例47-48中的任一项所述的设备，所述显示器被配置为 将光投影到所述用户的眼睛，以便在多个深度平面上将图像内容呈现给所 述用户。
79.50.一种制造光学系统的方法，包括：
80.提供衬底；
81.在所述衬底上形成包括多个晶胞的超表面，所述晶胞包括两至四组纳 米梁，其中，形成所述晶胞包括：
82.形成包括一个或多个第一纳米梁的第一组纳米梁；以及
83.邻近所述一个或多个第一纳米梁形成第二组纳米梁，所述第二组 纳米梁包括彼此分离亚波长间隔的多个第二纳米梁，
84.其中，所述一个或多个第一纳米梁和所述多个第二纳米梁在不同 取向方向上伸长，以及
85.其中，所述晶胞以小于或等于约10nm至1μm的周期重复。
86.51.根据实施例50所述的方法，其中，形成所述一个或多个第一纳米 梁和形成所述第二纳米梁包括光刻限定所述第一和第二纳米梁。
87.52.根据实施例50所述的方法，其中，形成所述一个或多个第一纳米 梁和形成所述第二纳米梁包括通过纳米压印形成所述第一和第二纳米梁。
88.53.根据实施例50-52中的任一项所述的方法，其中，形成所述一个 或多个第一纳米梁和形成所述第二纳米梁同时执行。
89.54.根据实施例50-53中的任一项所述的方法，其中，所述一个或多 个第一纳米梁具有相同宽度。
90.55.根据实施例50-54中的任一项所述的方法，其中，每个晶胞的第 二纳米梁具有
相同宽度。
91.56.根据实施例50-55中的任一项所述的方法，其中，所述晶胞具有 小于或等于所述可见光谱内的波长的周期。
92.57.一种光学系统，包括：
93.被配置为衍射具有波长的可见光的超表面，所述超表面包括：
94.多个重复晶胞，每个晶胞包括：
95.由一个或多个第一纳米梁形成的第一组纳米梁；以及
96.由邻近所述一个或多个第一纳米梁设置并且彼此分离亚波长 间隔的多个第二纳米梁形成的第二组纳米梁，
97.其中，所述一个或多个第一纳米梁和所述多个第二纳米梁在 不同取向方向上伸长，以及
98.其中，所述晶胞以小于或等于所述波长的周期重复。
99.58.根据实施例57所述的光学系统，还包括被配置为向所述超表面发 射所述波长的光的光源。
100.59.根据实施例58所述的光学系统，还包括空间光调制器，其被配置 为调制来自所述光源的光并且向所述超表面输出所述调制的光。
101.60.根据实施例57-59中的任一项所述的光学系统，其中，所述波长 对应于蓝光、绿光或红光。
102.61.一种光学系统，包括：
103.被配置为衍射具有波长的可见光的超表面，所述超表面包括：
104.多个重复晶胞，每个晶胞包括：
105.第一组纳米梁，其中，所述第一纳米梁中的两个或两个以上 具有不同宽度；以及
106.第二组纳米梁，其中，所述第二纳米梁中的两个或两个以上 具有不同宽度，所述第二纳米梁邻近所述第一纳米梁设置并且彼此分离亚 波长间隔，
107.其中，所述第一纳米梁和所述第二纳米梁具有不同取向。
108.62.根据实施例61所述的光学系统，还包括被配置为向所述超表面发 射所述波长的光的光源。
109.63.根据实施例62所述的光学系统，还包括空间光调制器，其被配置 为调制来自所述光源的光并且向所述超表面输出所述调制光。
110.64.根据实施例61-63中的任一项所述的光学系统，其中，所述波长 对应于蓝光、绿光或红光。
111.65.根据实施例61所述的光学系统，其中，所述第一组纳米梁和所述 第二组纳米梁被布置为使得所述超表面被配置为将可见光衍射成单级衍射 光。
112.66.根据实施例61-65中的任一项所述的光学系统，其中，所述第一 组纳米梁包括分别具有第一宽度和第二宽度的一对第一纳米梁，并且其中， 所述第二组纳米梁包括具有第三宽度和第四宽度的交替的第二纳米梁。
113.67.根据实施例61-66中的任一项所述的光学系统，其中，所述晶胞 以小于或等于约10nm至1μm的周期重复。
114.68.根据实施例61-68中的任一项所述的光学系统，其中，所述晶胞 以小于或等于
所述波长的周期重复，其中，所述波长在所述可见光谱内。
115.69.根据实施例61-68中的任一项所述的光学系统，其中，所述第一 纳米梁和所述第二纳米梁以相对于彼此的取向角取向，以引起由所述第一 组纳米梁衍射的可见光与由所述第二组纳米梁衍射的可见光之间的相位 差。
116.70.根据实施例69所述的光学系统，其中，所述相位差是所述角度的 两倍。
117.71.根据实施例69-70中的任一项所述的光学系统，其中，所述取向 角是约90度。
118.72.根据实施例61-67中的任一项所述的光学系统，其中，所述第一 纳米梁和所述第二纳米梁具有小于所述波长的高度。
119.73.根据实施例61-72中的任一项所述的光学系统，其中，所述第一 纳米梁和所述第二纳米梁由其体折射率在所述波长处高于2.0的材料形成。
120.74.根据实施例61-73中的任一项所述的光学系统，其中，所述第一 纳米梁和所述第二纳米梁由半导体材料或者绝缘材料形成。
121.75.根据实施例61-74中的任一项所述的光学系统，其中，所述第一 纳米梁和所述第二纳米梁由二氧化钛形成。
122.76.根据实施例61-75中的任一项所述的光学系统，其中，所述第一 纳米梁和所述第二纳米梁由含硅材料形成。
123.77.根据实施例61-76中的任一项所述的光学系统，其中，所述第一 纳米梁和所述第二纳米梁由选自包括以下各项的组的材料形成：单晶硅、 多晶硅、非晶硅、碳化硅和氮化硅。
124.78.根据实施例61-77中的任一项所述的光学系统，其中，所述第一 纳米梁和所述第二纳米梁被配置为以相对于表面法线平面大于50度的衍 射角以大于10％的衍射效率衍射所述可见光。
125.79.根据实施例78所述的光学系统，其中，所述第一纳米梁和所述第 二纳米梁被配置为以具有超过40度的入射角范围的入射光的衍射效率衍 射光。
126.80.根据实施例79所述的光学系统，其中，所述表面法线平面在第一 取向方向上延伸。
127.81.根据实施例80所述的光学系统，其中，所述第一纳米梁和所述第 二纳米梁被配置为在透射模式中衍射光，其中，与作为所述光入射侧的所 述第一纳米梁和所述第二纳米梁的相同侧的衍射光的强度相比较，作为光 入射侧的所述第一纳米梁和所述第二纳米梁的相对侧的衍射光的强度更 大。
128.82.根据实施例80所述的光学系统，其中，所述第一纳米梁和所述第 二纳米梁被配置为在反射模式中衍射光，其中，与作为所述光入射侧的所 述第一纳米梁和所述第二纳米梁的相对侧的衍射光的强度相比较，作为光 入射侧的所述第一纳米梁和所述第二纳米梁的相同侧的衍射光的强度更 大。
129.83.根据实施例61-82中的任一项所述的光学系统，其中，所述第一 纳米梁和所述第二纳米梁在衬底上形成并且由其体折射率比所述衬底的折 射率大至少0.5的材料形成。
130.84.根据实施例83所述的光学系统，其中，所述衬底具有大于1.5的 折射率。
131.85.根据实施例83-84中的任一项所述的光学系统，其中，所述衬底 被配置为使得由所述第一纳米梁和所述第二纳米梁衍射的光在全内反射下 在第二方向上传播。
132.86.根据实施例61-85中的任一项所述的光学系统，其中，所述第一 纳米梁和所述第二纳米梁具有基本上矩形截面形状。
133.87.根据实施例61-85中的任一项所述的光学系统，其中，所述第一 纳米梁直接邻近一对纳米梁，使得所述第二纳米梁直接地插入相邻对第一 纳米梁之间。
134.88.根据实施例61-87中的任一项所述的光学系统，还包括被配置为 传播可见光的波导，其中，所述超表面设置在所述波导上，其中，所述超 表面包括所述第一纳米梁和所述第二纳米梁，其被布置为以相对于光的入 射方向的衍射角衍射光并且使得所述衍射光在所述衬底中在全内反射下传 播。
135.89.根据实施例61-88中的任一项所述的光学系统，其中，所述衬底 由其折射率小于形成所述第一纳米梁和所述第二纳米梁的材料的体折射率 至少0.5的材料形成。
136.90.一种被配置为将光投影到用户的眼睛以显示增强现实图像内容的 头戴式显示设备，所述头戴式显示设备包括：
137.被配置为支撑在所述用户的头部上的框架；
138.设置在所述框架上的显示器，所述显示器的至少一部分包括：
139.一个或多个波导，所述一个或多个波导是透明的并且当所述用户 佩戴所述头戴式显示设备时设置在所述用户的眼睛前面的位置处，使得所 述透明部分将光透射到所述用户的眼睛，以提供在所述用户前面的环境的 一部分的视图；
140.一个或多个光源；以及
141.至少一个衍射光栅，其被配置为将来自所述光源的光耦合到所述 一个或多个波导中或者将光耦出所述一个或多个波导，所述衍射光栅包括 根据实施例61-87中的任一项所述的超表面。
142.91.根据实施例90所述的显示设备，其中，所述一个或多个光源包括 光纤扫描投影仪。
143.92.根据实施例90-91中的任一项所述的显示设备，所述显示器被配 置为将光投影到所述用户的眼睛以便在多个深度平面上将图像内容呈现给 所述用户。
144.93.一种制造超表面的方法，包括：
145.提供衬底；
146.在所述衬底上形成具有多个晶胞的超表面，形成所述超表面包括：
147.形成包括具有不同宽度的两个或两个以上第一纳米梁的第一组纳 米梁；以及
148.形成包括具有不同宽度的两个或两个以上第二纳米梁的第二组纳 米梁，其中，所述第二纳米梁邻近所述第一纳米梁设置并且彼此分离亚波 长间隔，
149.其中，所述第一纳米梁和所述第二纳米梁具有不同取向。
150.94.根据实施例93所述的方法，其中，形成所述第一纳米梁和形成所 述第二纳米梁包括同时光刻限定所述第一和第二纳米梁。
151.95.根据实施例93所述的方法，其中，形成所述第一纳米梁和形成所 述第二纳米梁包括通过纳米压印形成所述第一和第二纳米梁。
152.96.根据实施例93-95中的任一项所述的方法，其中，形成所述第一 纳米梁和形成所述第二纳米梁同时执行。
153.97.根据实施例93-96中的任一项所述的方法，其中，所述晶胞具有 小于或等于所
述可见光谱内的波长的周期性。
附图说明
154.图1图示了通过ar设备的增强现实(ar)的用户的视图。
155.图2图示了可穿戴显示系统的示例。
156.图3图示了用于为用户模拟三维影像的常规显示系统。
157.图4图示了用于使用多个深度平面模拟三维影像的方法的方面。
158.图5a-5c图示了曲率半径与焦半径之间的关系。
159.图6图示了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。
160.图7图示了由波导输出的出射束的示例。
161.图8图示了每个深度平面包括使用多个不同的分量颜色形成的图像的 堆叠波导组件的示例。
162.图9a图示了各自包括耦入光学元件的一组堆叠波导的示例的剖面侧 视图。
163.图9b图示了图9a的多个堆叠波导的示例的透视图。
164.图9c图示了图9a和图9b的多个堆叠波导的示例的自上而下平面图。
165.图10a示意性地图示了作为常规光学元件的示例的轴棱镜的剖视图。
166.图10b示意性地图示了作为由超表面形成的光学元件的示例的基于超 表面的轴棱镜的剖视图。
167.图10c图示了当图10b的基于超表面的轴棱镜用准直的高斯左旋圆偏 振(lcp)光束照射时产生的透射束轮廓。
168.图11a图示了在由具有横电(te)偏振和正交横磁(tm)偏振的入 射光的自顶而下的照射下的由包括多个纳米梁的超表面形成的示例波片。
169.图11b图示了由参考图11a图示的示例波片造成的模拟相位波前。
170.图11c图示了tm偏振光相对于由图11a的示例波片造成的te偏振 光束的模拟相位延迟。
171.图11d图示了图11a的示例波片的对应于图11c中所图示的模拟相 位延迟的模拟吸收光谱。
172.图12a-12h分别图示了对应于波片的快轴分别以0、π/4、π/2、3π /4、π、5π/4、3π/2和7π/4的角度θ的旋转的入射光的偏振矢量的改变。
173.图13a和13b分别图示了根据一些实施例的衍射光栅的剖面侧视图和 自顶而下视图，其中，衍射光栅包括具有2相位等级(level)几何相位光 学元件的超表面。
174.图14图示了对于参考图13a和13b所描述的示例性衍射光栅的模拟 衍射效率对入射角(α)。
175.图15a和15b图示了在透射通过参考图13a和13b所描述的衍射光 栅时te偏振光的相位波前的二维模拟。
176.图16a图示了根据一些实施例的衍射光栅的剖面侧视图，衍射光栅包 括具有根据一些实施例的掩模层留下的几何相位光学元件的超表面。
177.图16b图示了对于图16a中所图示的示例性衍射光栅的模拟衍射效率 (η)对掩模层的厚度。
178.图16c图示了根据一些实施例的留下掩模层是20nm厚的图16a中 所图示的示例性衍射光栅的模拟衍射效率(η)对入射角(α)。
179.图16d图示了根据一些实施例的留下掩模层是40nm厚的图16a中 所图示的示例性衍射光栅的模拟衍射效率(η)对入射角(α)。
180.图17a和17b分别图示了根据一些实施例的由非晶硅形成的示例性衍 射光栅对te和tm偏振绿光的模拟衍射效率(η)对入射角(α)。
181.图18图示了根据一些实施例的对于由多晶硅形成并且被配置为衍射 绿光的示例性衍射光栅的模拟衍射效率(η)对入射角(α)。
182.图19图示了根据一些实施例的对于由碳化硅形成并且被配置为衍射 绿光的示例性衍射光栅的模拟衍射效率(η)对入射角(α)。
183.图20图示了根据一些实施例的对于由氮化硅(si3n4)形成并且被配 置为衍射绿光的示例性衍射光栅的模拟衍射效率(η)对入射角(α)。
184.图21图示了根据一些实施例的对于由多晶硅形成并且被配置为衍射 蓝光的示例性衍射光栅的模拟衍射效率(η)对入射角(α)。
185.图22图示了根据一些实施例的对于由非晶硅形成并且被配置为衍射 蓝光的示例性衍射光栅的模拟衍射效率(η)对入射角(α)。
186.图23图示了根据一些实施例的对于由碳化硅形成并且被配置为衍射 蓝光的示例性衍射光栅的模拟衍射效率(η)对入射角(α)。
187.图24图示了根据一些实施例的对于由氮化硅(si3n4)形成并且被配 置为衍射蓝光的示例性衍射光栅的模拟衍射效率(η)对入射角(α)。
188.图25图示了根据一些实施例的包括具有4相位等级几何相位光学元件 的超表面的衍射光栅的自顶而下视图。
189.图26图示了根据一些实施例的包括具有被配置为在反射模式中衍射 的几何相位光学元件的超表面的衍射光栅的剖视图。
190.图27图示了对于图26中所图示的示例性衍射的模拟衍射效率(η) 对入射角(α)。
191.图28a-28d是根据一些实施例的包括具有几何相位光学元件的超表面 的衍射光栅的制造的各种阶段处的中间结构的剖视图。
192.图29a-29d是根据一些其他实施例的包括具有几何相位光学元件的超 表面的衍射光栅的制造的各种阶段处的中间结构的剖视图。
193.图30a和30b分别图示了根据一些实施例的包括具有2相位等级非对 称几何相位光学元件的超表面的衍射光栅的剖面侧视图和自顶而下视图。
194.图31a和31b分别图示了根据一些实施例的由多晶硅形成的示例性衍 射光栅对te和tm偏振绿光的模拟衍射效率(η)对入射角(α)。
195.图32a和32b分别图示了根据一些实施例的由非晶硅形成的示例性衍 射光栅对te和tm偏振绿光的模拟衍射效率(η)对入射角(α)。
196.图33a和33b分别图示了根据一些实施例的由非晶硅形成的示例性衍 射光栅对于te和tm偏振绿光的模拟衍射效率(η)对入射角(α)。
具体实施方式
197.光学系统(诸如显示系统)常常利用光学元件控制光的传播。在一些 应用中，由于对于紧凑光学元件的需求，常规光学元件可能不再适合。
198.与几何光学器件相比，超表面(超材料表面)提供实现在小得多的规 模上基本上平坦的无像差光学器件的机会。在不由理论限制的情况下，在 一些实施例中，超表面包括用作谐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谐振性质提供操纵光学波前的能力。在一些情况下， 超表面可以允许笨重或者难以制造具有由简单图案化过程形成的薄的相对 平面元件的光学部件的替换物。
199.在一些实施例中，公开了用于形成衍射光栅的超表面。超表面可以采 取由多个重复晶胞形成的光栅的形式。每个晶胞可以包括在交叉方向上延 伸的两组或两组以上纳米梁：在第一方向上延伸的一个或多个第一纳米梁； 以及在与第一方向不同的第二方向上延伸的多个第二纳米梁。例如，如在 自顶而下视图中看到的，第一方向通常可以沿着y轴，并且第二方向通常 可以沿着x轴。在一些实施例中，晶胞可以包括四组纳米梁：在第一方向 上延伸的一个或多个第一纳米梁、在第二方向上延伸的多个第二纳米梁、 在第三方向上延伸的多个第三纳米梁、和在第四方向上延伸的多个第四纳 米梁。作为示例，第一和第二方向可以相对于彼此形成第一角度(例如， 90
°
)，并且第一和第三方向以及第一和第四方向可以相对于彼此形成相 对角。在一些实施例中，在存在多个第一纳米梁的情况下，在第一纳米梁 中的每一个具有相同宽度的意义上，超表面可以是对称的。在一些其他实 施例中，在存在多个第一纳米梁的情况下，在晶胞中的第一纳米梁中的至 少一个纳米梁具有与第一纳米梁中的至少一个其他纳米梁不同宽度的意义 上，超表面可以被描述为是非对称的。在一些实施例中，对称或非对称超 表面的晶胞具有10nm至1μm(包括10nm至500nm或300nm至500nm) 的范围内的周期性，并且可以小于超表面被配置为衍射的或被引导到超表 面用于例如耦入或耦出波导的光的波长。有利地，如已经发现，本文所公 开的超表面提供在宽入射角范围上和对于具有圆偏振的入射光具有高衍射 角和高衍射效率的光的衍射。特别地，在一些实施例中，非对称超表面可 以将衍射光操控(steer)到多个衍射级中的一个，同时降低多个衍射级中 的另另外衍射级(一个或多个)。另外，在一些实施例中，超表面衍射具 有高波长选择性的光。
200.在一些实施例中，超表面可以用于可穿戴显示系统中以提供紧凑光学 元件。ar系统可以将虚拟内容显示给用户或观察者，同时仍然允许用户 看到其周围的世界。优选地，该内容被显示在头戴式显示器(例如，作为 眼镜的一部分)上，该头戴式显示器将图像信息投影到用户的眼睛。另外， 显示器还可以将来自周围环境的光透射到用户的眼睛，以允许该周围环境 的视图。如本文所使用的，将理解到，“头戴式”显示器是可以安装在观 察者的头部上的显示器。
201.现在将对附图进行参考，其中，相似附图标记自始至终指代相似部件。
202.示例显示系统
203.图2图示了可穿戴显示系统60的示例。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 以被耦合到框架80，该框架80是可由显示系统用户或观察者90穿戴的， 并且该框架80被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛的前面。在一些 实施例中，显示器70可以被认为是眼镜。在一些实施例中，扬声器
100 被耦合到框架80并且被配置为邻近用户90的耳道定位(在一些实施例中， 未示出的另一扬声器可以可选地邻近用户的另一耳道定位以提供立体/可 成形声音控制)。显示系统还可以包括一个或多个麦克风110或者检测声 音的其他设备。在一些实施例中，麦克风被配置为允许用户向系统60提供 输入或者命令(例如，语音菜单命令、自然语言问题等的选择)，和/或可 以允许与其他人(例如，与类似显示系统的其他用户)的音频通信。麦克 风还可以被配置为采集音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)的外 围传感器。在一些实施例中，显示系统还可以包括外围传感器120a，该外 围传感器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、肢体等上)。在一些实施例中，外围传感器120a 可以被配置为采集表征用户90的生理状态的数据。例如，传感器120a可 以是电极。
204.继续参考图2，显示器70通过通信链路130(诸如通过有线导线或无 线连接)操作性地耦合到本地数据处理模块140，其可以安装在各种配置 中，诸如固定地附接到框架80、固定地附接到由用户穿戴的头盔或帽子、 被嵌入在耳机中、或者以其他方式可移除地附接到用户90(例如，在背包 型配置中、在腰带耦合型配置中)。类似地，传感器120a可以由通信链路 120b(例如，有线导线或无线连接)操作性地耦合到本地处理器和数据模 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)，其二者可以用于辅助 数据的处理、高速缓存和存储。数据包括以下数据：a)从传感器(其可以 例如操作性地耦合到框架80或以其他方式附接到用户90)采集的数据， 诸如图像采集设备(诸如照相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、 指南针、gps单元、无线电设备、陀螺仪和/或本文所公开的其他传感器； 和/或b)使用远程处理模块150和/或远程数据存储库160采集和/或处理 的数据(包括与虚拟内容有关的数据)，可能地用于在这样的处理或者检 索之后传送到显示器70。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)操作性地耦合到远程处理模块150 和远程数据存储库160，使得这些远程模块150、160操作性地耦合到彼此 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可以包括以下各项中的一项或多项：图像采集设备、麦克 风、惯性测量单元、加速度计、指南针、gps单元、无线电设备和/或陀螺 仪。在一些其他实施例中，这些传感器中的一个或多个可以附接到框架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14通信的独 立结构。
205.继续参考图2，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。在一些实施例中， 远程数据存储库160可以包括数字数据存储设施，该数字数据存储设施可 以是通过因特网或“云”资源配置中的其他网络配置可得的。在一些实施 例中，远程数据存储库160可以包括一个或多个远程服务器，该一个或多 个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，所有数据被 存储并且所有计算在本地处理和数据模块中执行，这允许从远程模块的完 全自主使用。
206.现在参考图3，将图像感知为“三维”或“3-d”可以通过向观察者的 每只眼睛提供图像的稍微不同的呈现来实现。图3图示了用于为用户模拟 三维影像的常规显示系统。两个不同的图像190、200—一个用于一只眼睛 210、220—输出给用户。图像190、200沿着平行于观察者的视线的光轴或 z轴与眼睛210、220隔开距离230。图像190、200是平的，并且眼睛
210、 220可以通过假定单个调节状态聚焦于图像上。这样的3-d显示系统依赖 于人类视觉系统来组合图像190、200，以为组合图像提供深度和/或标度 感知。
207.然而，将理解到，人类视觉系统是更复杂的，并且提供现实深度感知 更具挑战性。例如，常规“3-d”显示系统的许多观察者发现这样的系统 是不舒适的或者可能根本感知不到深度感觉。在不由理论限制的情况下， 人们相信对象的观察者可以由于辐辏(vergence)和调节的组合将对象感 知为“三维的”。两只眼睛相对于彼此的辐辏运动(即，眼睛的旋转，使 得瞳孔朝向或远离彼此移动以将眼睛的视线会聚以固定在对象上)与眼睛 的晶状体和瞳孔的聚焦(或“调节”)紧密相关。在正常情况下，在被称 为“调节-辐辏反射”以及瞳孔扩张或者收缩的关系下，改变眼睛的晶状体 的焦点或者调节眼睛以将焦点从一个对象改变到不同的距离处的另一对象 将自动引起对于相同距离的辐辏的匹配改变。同样地，在正常情况下，辐 辏的改变将触发晶状体形状和瞳孔大小的调节的匹配改变。如本文指出的， 许多立体或者“3-d”显示系统使用对每只眼睛稍微不同的呈现(并且因 此，稍微不同的图像)显示场景，使得三维视角由人类视觉系统感知。然 而，这样的系统对于许多观察者是不舒适的，因为除了其他方面，其简单 地提供场景的不同呈现，但是其中，眼睛在单个调节状态处观察所有图像 信息，并且与“调节-辐辏反射”相违背。提供调节与辐辏之间的更好匹配 的显示系统可以形成三维影像的更现实并且舒适的模拟。
208.图4图示了用于使用多个深度平面模拟三维影像的方法的方面。参考 图4，在z轴上距眼睛210、220各种距离处的对象由眼睛210、220调节， 使得那些对象合焦。眼睛210、220采取特定调节状态以将对象对焦在沿着 z轴的不同距离处。因此，特定调节状态可以被说成与深度平面240中的 特定一个相关联，并且具有相关联的焦距，使得当眼睛在针对该深度平面 的调节状态中时特定深度平面中的对象或者对象的一部分合焦。在一些实 施例中，三维影像可以通过为眼睛210、220中的每一个提供图像的不同呈 现并且还通过提供对应于深度平面中的每一个的图像的不同呈现来模拟。 虽然为了说明清晰起见被示出为分离的，但是将理解到，例如，随着沿着 z轴的距离增加，眼睛210、220的视场可以重叠。另外，虽然为了便于说 明起见被示出为平的，但是将理解到，深度平面的轮廓在物理空间中可以 是弯曲的，使得深度平面中的所有特征与特定调节状态中与眼睛合焦。
209.对象与眼睛210或220之间的距离还可以改变如由该眼睛观察的来自 该对象的光的发散量。图5a-5c图示了距离与光线的发散之间的关系。对 象与眼睛210之间的距离以减小的距离的次序由r1、r2和r3表示。如 在图5a-5c中所示，当到对象的距离减小时，光线变得更发散。当距离增 加时，光线变得更准直。换句话说，可以说由点(对象或者对象的一部分) 产生的光场具有球面波前曲率，该球面波前曲率是该点距用户的眼睛多么 远的函数。曲率随着减小对象与眼睛210之间的距离而增加。因此，在不 同的深度平面处，光线的发散度也是不同的，其中，发散度随着深度平面 与观察者的眼睛210之间减小的距离而增加。虽然在图5a-5c和本文中的 其他附图中为了说明清晰起见，仅图示单只眼睛210，但是将理解到，关 于眼睛210的讨论可以适用于观察者的两只眼睛210和220。
210.在不由理论限制的情况下，人们相信人眼通常可以解释有限数目的深 度平面以提供深度感知。因此，感知深度的高度可信模拟可以通过向眼睛 提供对应于这些有限数目的深度平面中的每一个的图像的不同呈现来实 现。不同呈现可以由观察者的眼睛单独聚焦，从而有助于基于眼睛的调节 和/或基于观察离焦的不同深度平面上的不同图像特征来
给用户提供深度 线索，其中，该眼睛的调节是使针对位于不同的深度平面的场景的不同的 图像特征对焦所要求的。
211.图6图示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 包括波导的堆叠或者堆叠波导组件260，该波导的堆叠或者堆叠波导组件 260可以用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三 维感知。在一些实施例中，显示系统250是图2的系统60，并且图6示意 性地更详细地示出该系统60的一些部分。例如，波导组件260可以是图2 的显示器70的一部分。将理解到，在一些实施例中，显示系统250可以被 认为是光场显示器。
212.继续参考图6，波导组件260还可以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 可以被配置为向眼睛发送具有不同水平的波前曲率或者光线发散的图像信 息。每个波导水平可以与特定深度平面相关联并且可以被配置为输出对应 于该深度平面的图像信息。图像注入设备360、370、380、390、400可以 用作用于波导的光源并且可以用于将图像信息注入波导270、280、290、 300、310中，如本文所描述的，其中的每一个波导可以被配置为跨每个相 应波导分布入射光，用于朝向眼睛210输出。光离开图像注入设备360、 370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450并且注入波导 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中的每一个可 以是对应的波导的边缘，或者可以是对应的波导的主要表面的一部分(即， 直接面对世界510或者观察者的眼睛210的波导表面之一)。在一些实施 例中，单个光束(例如，准直束)可以被注入每个波导中以输出克隆的准 直束的整个场，该克隆的准直束以对应于与特定波导相关联的深度平面的 特定角(和发散量)朝向眼睛210引导。在一些实施例中，图像注入设备 360、370、380、390、400中的单独一个可以与多个(例如，三个)波导 270、280、290、300、310相关联并且将光注入多个(例如，三个)波导 270、280、290、300、310中。
213.在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是分立显 示器，该分立显示器各自产生用于分别注入对应的波导270、280、290、 300、310中的图像信息。在一些其他实施例中，图像注入设备360、370、 380、390、400是单个复用显示器的输出端，该单个复用显示器的输出端 可以例如经由一个或多个光学导管(诸如光纤光缆)将图像信息输送到图 像注入设备360、370、380、390、400中的每一个。将理解到，由图像注 入设备360、370、380、390、400提供的图像信息可以包括不同的波长或 者颜色(例如，不同的分量颜色，如本文所讨论的)的光。
214.在一些实施例中，注入波导270、280、290、300、310中的光由光投 影仪系统520提供，该光投影仪系统520包括光模块530，该光模块530 可以包括光发射器，诸如发光二极管(led)。来自光模块530的光可以 经由分束器550引导到光调制器540(例如，空间光调制器)并由光调制 器540修改。光调制器540可以被配置为改变注入波导270、280、290、 300、310中的光的感知强度。空间光调制器的示例包括液晶显示器(lcd)， 其包括硅上液晶(lcos)显示器。
215.在一些实施例中，显示系统250可以是扫描光纤显示器，包括被配置 为以各种图案(例如，光栅扫描、螺旋扫描、李沙育(lissajous)图案等) 将光投影到一个或多个波导
270、280、290、300、310中并且最终到观察 者的眼睛310的一个或多个扫描光纤。在一些实施例中，所图示的图像注 入设备360、370、380、390、400可以示意性地表示被配置为将光注入一 个或多个波导270、280、290、300、310中的单个扫描光纤或一束扫描光 纤。在一些其他实施例中，所图示的图像注入设备360、370、380、390、 400可以示意性地表示多个扫描光纤或多束扫描光纤，其中的每一个被配 置为将光注入波导270、280、290、300、310中的相关联的一个。将理解 到，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。将理解到，一个或多个中间光学结构可以 在扫描光纤或光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间提供， 以例如将离开扫描光纤的光重定向到一个或多个波导270、280、290、300、 310。
216.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 注入设备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的一部分。控制器 560包括根据例如本文所公开的各种方案中的任一个调控到波导270、280、 290、300、310的图像信息的时序和提供的编程(例如，非暂态介质中的 指令)。在一些实施例中，控制器可以是单个积分设备，或者由有线或无 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2a)的一部分。
217.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)在每个相应波导内传播光。波导270、280、290、300、310 可以各自是平面的或者具有另外的形状(例如，弯曲的)，其具有主顶面 和主底面以及在那些主顶面与主底面之间延伸的边缘。在所图示的配置中， 波导270、280、290、300、310可以各自包括耦出光学元件570、580、590、 600、610，该耦出光学元件570、580、590、600、610被配置为通过将在 每个相应波导内传播的光重定向出波导来将光提取出波导，以向眼睛210 输出图像信息。提取的光还可以称为耦出光，并且耦出光学元件光还可以 称为光提取光学元件。所提取的光束可以由波导在波导中传播的光撞击光 提取光学元件的位置处输出。耦出光学元件570、580、590、600、610可 以例如是包括衍射光学特征的光栅，如本文进一步讨论的。虽然图示被设 置在波导270、280、290、300、310的底主表面处以便于描述和附图清晰， 但是在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可以设置 在顶和/或底主表面处，和/或可以直接设置在波导270、280、290、300、 310的体积中，如本文进一步讨论的。在一些实施例中，耦出光学元件570、 580、590、600、610可以在附接到透明衬底以形成波导270、280、290、 300、310的材料层中形成。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 可以在该片材料的表面上和/或内部中形成。
218.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对应于特定深度平面的图像。例如，最靠近眼睛的 波导270可以被配置为将准直光(其被注入这样的波导270中)递送给眼 睛210。准直光可以表示光学无限远焦平面。下一向上波导280可以被配 置为发送出准直光，该准直光在其可以到达眼睛210之前穿过第一透镜350 (例如，负透镜)；这样的第一透镜350可以被配置为产生轻微的凸波前 曲率，使得眼睛/大脑将来自该下一向上波导280的光解释为来自从光学无 限远朝向眼睛210向内更接近的第一焦平面。类似地，第三向上波导290 使其输出光在到达眼睛210之前穿过第一透镜350和第二透镜340；第一 透镜350和第二透镜340的组合屈光力可以被配置为产生波前曲
率的另一 增加量，使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为来自第二焦平面， 该第二焦平面比来自下一向上波导280的光从光学无限远朝向人向内更加 接近。
219.其他波导层300、310和透镜330、320类似地配置，其中，该堆叠中 的最高波导310发送其输出通过其与眼睛之间的所有透镜，用于表示距人 最近的焦平面的总光焦度。为了补偿当观看/解释来自堆叠波导组件260的 另一侧的世界510的光时透镜320、330、340、350的堆叠，补偿透镜层 620可以被设置在堆叠的顶部以补偿下面透镜堆叠320、330、340、350的 总光焦度。这样的配置提供与存在可用的波导/透镜配对一样多的焦平面。 波导的耦出光学元件和透镜的聚焦方面二者可以是静态的(即，非动态或 电活性的)。在一些可选实施例中，一者或二者可以使用电活性特征是动 态的。
220.在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或两个以 上可以具有相同的相关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、 310可以被配置为将图像集输出给相同的深度平面，或者波导270、280、 290、300、310的多个子集可以被配置为将图像集输出给相同的多个深度 平面，其中，针对每个深度平面具有一个集。这可以提供用于形成拼接图 像以在那些深度平面处提供扩展视场的优点。
221.继续参考图6，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被配置 为将光重定向到其相应波导之外并且以针对与波导相关联的特定深度平面 的适当的发散或准直量输出该光。因此，具有不同的相关联的深度平面的 波导可以具有耦出光学元件570、580、590、600、610的不同配置，其取 决于相关联的深度平面输出具有不同的发散量的光。在一些实施例中，光 提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积或者表面特征，其可 以被配置为以特定角输出光。例如，光提取光学元件570、580、590、600、 610可以是体积全息图、表面全息图和/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器(例 如，包层和/或用于形成空隙的结构)。
222.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，或者“衍射光学元件”(在本文中还被称为“doe”)。 优选地，doe具有足够低的衍射效率，使得光束的仅一部分用doe的每 个交点朝向眼睛210偏转离开，而剩余部分继续经由tir移动通过波导。 携带图像信息的光因此被分成在许多位置处离开波导的许多相关出射束， 并且结果是针对在波导内到处反弹的该特定准直束的朝向眼睛210的出射 发射的相当均匀的图案。
223.在一些实施例中，一个或多个doe可以在其主动地衍射的“开启
”ꢀ
状态与其不显著地衍射的“关闭”状态之间切换。例如，可切换doe可 以包括聚合物分散液晶层，其中，微滴包括主介质中的衍射图案，并且微 滴的折射率可以被切换以基本上匹配主材料的折射率(在该情况下，图案 未明显地衍射入射光)或者微滴可以被切换到不匹配主介质的折射率的折 射率(在该情况下，图案主动地衍射入射光)。
224.在一些实施例中，照相机组件630(例如，数字照相机，包括可见光 和红外光照相机)可以被提供以采集眼睛210和/或眼睛210周围的组织的 图像，以例如检测用户输入和/或监测用户的生理状态。如本文所使用的， 照相机可以是任何图像采集设备。在一些实施例中，照相机组件630可以 包括图像采集设备和向眼睛投影光(例如，红外光)的光源，该光然后可 以由眼睛反射并且由图像采集设备检测。在一些实施例中，照相机组件630 可以附接到框架80(图2)并且可以与处理模块140和/或150电气通信， 该处理模块140和/或150可
以处理来自照相机组件630的图像信息。在一 些实施例中，可以针对每只眼睛利用一个照相机组件630，以单独监测每 只眼睛。
225.现在参考图7，示出了由波导输出的出射束的示例。图示了一个波导， 但是将理解到，在波导组件260包括多个波导的情况下，波导组件260(图 6)中的其他波导可以类似地运行。光640在波导270的输入表面460处被 注入波导270中并且通过tir在波导270内传播。在光640入射在doe 570 上的点处，光的一部分离开波导作为出射束650。出射束650被图示为基 本上平行的，但是如本文所讨论的，其还可以被重定向为以某个角度传播 到眼睛210(例如，形成发散出射束)，这取决于与波导270相关联的深 度平面。将理解到，基本上平行出射束可以指示具有耦出光学元件的波导， 该耦出光学元件耦出光以形成看起来设定在距眼睛210大距离(例如，光 学无限远)的深度平面上的图像。其他波导或者其他耦出光学元件集可以 输出更发散的出射束图案，该出射束图案将要求眼睛210调节到更近的距 离以使其对焦于视网膜并且将由大脑解释为来自比光学无限远更接近于眼 睛210的距离的光。
226.在一些实施例中，全色图像可以通过重叠分量颜色(例如，三种或更 多种分量颜色)中的每一种的图像在每个深度平面处形成。图8图示了每 个深度平面包括使用多种不同的分量颜色形成的图像的堆叠波导组件的示 例。所图示的实施例示出深度平面240a
–
240f，但是还预期了更多或更 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分量颜色图 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。通过字母g、r和b之后的针对屈光度(dpt)的不同 的数字在附图中指示不同的深度平面。仅作为示例，这些字母中的每一个 之后的数字指示屈光度(1/m)，或者深度平面距观察者的反距离，并且 附图中的每个框表示单个分量颜色图像。在一些实施例中，为了解释不同 的波长的光的眼睛聚焦的差异，用于不同的颜色分量的深度平面的确切定 位可以变化。例如，对于给定深度平面的不同的分量颜色图像可以被放置 在对应于距用户不同距离的深度平面上。这样的布置可以增加视觉灵敏度 和用户舒适和/或可以减小色差。
227.在一些实施例中，每种分量颜色的光可以由单个专用波导输出，并且 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， 包括字母g、r或b的图中的每个框可以被理解为表示单独波导，并且每 深度平面可以提供三个波导，其中，每深度平面提供三种分量颜色图像。 虽然与每个深度平面相关联的波导在该附图中被示出为彼此邻近，但是将 理解到，在物理设备中，波导可以全部布置在堆叠中，其中，每层具有一 个波导。在一些其他实施例中，多种分量颜色可以由相同波导输出，使得 例如，每深度平面可以仅提供单个波导。
228.继续参考图8，在一些实施例中，g是绿色，r是红色，并且b是蓝 色。在一些其他实施例中，与光的其他波长相关联的其他颜色(包括品红 和青色)可以另外使用或者可以替换红、绿或蓝中的一个或多个。
229.将理解到，贯穿本公开对于给定的光颜色的引用将被理解为涵盖由观 察者感知为具有该给定颜色的光的波长的范围内的一个或多个波长的光。 例如，红光可以包括大约620
–
780nm的范围内的一个或多个波长的光， 绿光可以包括大约492
–
577nm的范围内的一个或多个波长的光，并且蓝 光可以包括大约435
–
493nm的范围内的一个或多个波长的光。
230.在一些实施例中，光源530(图6)可以被配置为发射观察者的视觉感 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。另外，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朝向用户 的眼睛210将该光引导并且发射到显示器之外，例如，用于成像和/或用户 刺激应用。
231.现在参考图9a，在一些实施例中，入射在波导上的光可能需要重定向 以将该光耦入到波导中。耦入光学元件可以用于将光重定向并且耦入到其 对应的波导中。图9a图示了各自包括耦入光学元件的多个堆叠波导或堆 叠波导集660的示例的剖面侧视图。波导可以各自被配置为输出一个或多 个不同波长或者一个或多个不同波长范围的光。将理解到，堆叠660可以 对应于堆叠260(图6)，并且堆叠660的所图示的波导可以对应于多个波 导270、280、290、300、310的一部分，例外的是，来自图像注入设备360、 370、380、390、400中的一个或多个的光从要求光重定向以耦入的位置被 注入到波导中。
232.所图示的堆叠波导集660包括波导670、680和690。每个波导包括相 关联的耦入光学元件(其还可以被称为波导上的光输入区)，其中例如， 在波导670的主表面(例如，上主表面)上设置的耦入光学元件700、在 波导680的主表面(例如，上主表面)上设置的耦入光学元件710，以及 在波导690的主表面(例如，上主表面)上设置的耦入光学元件720。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设置在 相应波导670、680、690的底主表面上(特别地其中，一个或多个耦入光 学元件是反射偏转光学元件)。如所图示的，耦入光学元件700、710、720 可以被设置在其相应波导670、680、690的上主表面上(或在下一个较低 波导的顶部)，特别地其中，那些耦入光学元件是透射偏转光学元件。在 一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在相应波导670、 680、690的本体中。在一些实施例中，如本文所讨论的，耦入光学元件700、 710、720是波长选择的，使得其选择性地重定向光的一个或多个波长，同 时透射光的其他波长。虽然图示在其相应波导670、680、690的一个边或 角上，但是将理解到，在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可 以设置在其相应波导670、680、690的其他区域中。
233.如所图示的，耦入光学元件700、710、720可以彼此横向偏移。在一 些实施例中，每个耦入光学元件可以偏移，使得其在该光不穿过另一耦入 光学元件的情况下接收光。例如，每个耦入光学元件700、710、720可以 被配置为从如图6中所示的不同图像注入设备360、370、380、390和400 接收光，并且可以与其他耦入光学元件700、710、720分离(例如，横向 地隔开)，使得其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。
234.每个波导还包括相关联的光分布元件，例如，在波导670的主表面(例 如，顶主表面)上设置的光分布元件730、在波导680的主表面(例如， 顶主表面)上设置的光分布元件740，以及在波导690的主表面(例如， 顶主表面)上设置的光分布元件750。在一些其他实施例中，光分布元件 730、740、750可以分别设置在相关联的波导670、680、690的底主表面 上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以分别设置在相 关联的波导670、680、690的顶主表面和底主表面上；或者光分布元件730、 740、750可以分别设置在不同的相关联的波导670、680、690中的顶主表 面和底主表面中的不同的主表面上。
235.波导670、680、690可以通过例如气体、液体和/或固体材料层隔开并 且分离。例如，如所图示的，层760a可以将波导670和680分离；并且层760b可以将波导680和690分离。在一些实施例中，层760a和760b由低 折射率材料(即，具有比形成波导670、680、690中的直
接相邻的一个波 导的材料更低的折射率的材料)形成。优选地，形成层760a、760b的材 料的折射率小于形成波导670、680、690的材料的折射率0.05或更多，或 者0.10或更少。有利地，较低折射率层760a、760b可以用作包层，该包 层利于通过波导670、680、690的光的全内反射(tir)(例如，每个波 导的顶主表面与底主表面之间的tir)。在一些实施例中，层760a、760b 由空气形成。虽然未图示，但是将理解到，所图示的波导集660的顶部和 底部可以包括直接邻近的包层。
236.优选地，为了便于制造和其他考虑，形成波导670、680、690的材料 类似或者相同，并且形成层760a、760b的材料类似或者相同。在一些实 施例中，形成波导670、680、690的材料可以在一个或多个波导之间是不 同的，和/或形成层760a、760b的材料可以是不同的，同时仍然保持上文 指出的各种折射率关系。
237.继续参考图9a，光线770、780、790入射在波导集660上。将理解到， 可以通过一个或多个图像注入设备360、370、380、390、400将光线770、 780、790注入到波导670、680、690中(图6)。
238.在一些实施例中，光线770、780、790具有不同性质，例如，不同波 长或不同波长范围，该不同波长或不同波长范围可以对应于不同颜色。耦 入光学元件700、710、720各自偏转入射光，使得光通过tir传播通过波 导670、680、690中的相应一个。在一些实施例中，耦入光学元件700、 710、720各自选择性地偏转光的一个或多个特定波长，同时将其他波长透 射到底层波导和相关联的耦入光学元件。
239.例如，耦入光学元件700可以被配置为使具有第一波长或波长范围的 光线770偏转，同时透射分别具有不同的第二和第三波长或波长范围的光 线1242和1244。透射光线780入射在耦入光学元件710上并且由耦入光 学元件710偏转，该耦入光学元件710被配置为偏转第二波长或波长范围 的光。光线790由耦入光学元件720偏转，该耦入光学元件720被配置为 选择性地偏转第三波长或波长范围的光。
240.继续参考图9a，偏转光线770、780、790被偏转，使得其传播通过对 应的波导670、680、690；即，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以使光通过tir传播通过相应波导670、680、690的 角度偏转。光线770、780、790通过tir传播通过相应波导670、680、690， 直到入射在波导的对应的光分布元件730、740、750上。
241.现在参考图9b，图示了图9a的多个堆叠波导的示例的透视图。如上 所述，耦入光线770、780、790分别由耦入光学元件700、710、720偏转， 并且然后通过tir分别在波导670、680、690内传播。光线770、780、790 然后分别入射在光分布元件730、740、750上。光分布元件730、740、750 使光线770、780、790偏转，使得其分别朝向耦出光学元件800、810、820 传播。
242.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使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随着该光传播到耦出光学元件还可以增加该光束或斑 尺寸。在一些实施例中，光分布元件730、740、750可以省略并且耦入光 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可以分别用耦出 光学元件800、810、820替换。在一些实施例中，耦出光学元件800、810、 820是将光定向到观察者的眼睛
210中的出射光瞳(ep)或出射光瞳扩展 器(epe)(图7)。将理解到，ope可以被配置为在至少一个轴上增加 眼盒的尺寸，并且epe可以在跨越(例如，正交于)ope的轴的轴上增 加眼盒。例如，每个ope可以被配置为将入射ope的光的一部分重定向 到相同波导的epe，同时允许光的剩余部分继续沿着波导向下传播。在再 次入射在ope上时，剩余光的另一部分被重定向到epe，并且该部分的 剩余部分继续沿着波导进一步向下传播等等。类似地，在入射epe时，入 射光的一部分朝向用户引导离开波导，并且该光的剩余部分继续传播通过 波导，直到其再次入射ep，在那时，入射光的另一部分引导离开波导等 等。因此，耦入光的单光束可以每次在该光的一部分由ope或epe重定 向时“复制”，从而形成克隆光束的场，如图6中所示。在一些实施例中， ope和/或epe可以被配置为修改光束的尺寸。
243.因此，参考图9a和9b，在一些实施例中，波导集660包括用于每个 分量颜色的波导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，epe)800、 810、820。波导670、680、690可以以在每一个之间具有空隙/包层来堆叠。 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)重定向或者偏转到其相应波导中。光然后以将导致相应波导 670、680、690内的tir的角度传播。在示出的示例中，光线770(例如， 蓝光)以先前所描述的方式由第一耦入光学元件700偏转，并且然后继续 沿波导向下反弹，与光分布元件(例如，ope)730并且然后耦出光学元 件(例如，ep)800相互作用。光线780和790(例如，分别为绿光和红 光)将穿过波导670，其中，光线780入射在耦入光学元件710上并且由 耦入光学元件710偏转。光线780然后经由tir沿波导680向下反弹，继 续到其光分布元件(例如，ope)740并且然后耦出光学元件(例如，ep) 810。最后，光线790(例如，红光)穿过波导690以入射在波导690的光 耦入光学元件720中。光耦入光学元件720偏转光线790，使得光线通过 tir传播到光分布元件(例如，ope)750，并且然后通过tir传播到耦 出光学元件(例如，ep)820。然后，耦出光学元件820最后将光线790 耦出到观察者，该观察者还从其他波导670、680接收耦出光。
244.图9c图示了图9a和图9b的多个堆叠波导的示例的自上而下平面图。 如所图示的，波导670、680、690连同每个波导的相关联的光分布元件730、 740、750和相关联的耦出光学元件800、810、820可以垂直地对准。然而， 如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720未垂直对准；相反，耦入 光学元件优选非重叠(例如，横向隔开，如在自上而下视图中看到的)。 如本文进一步讨论的，该非重叠空间布置利于在一对一基础上将来自不同 的资源的光注入到不同的波导中，从而允许特定光源唯一地耦合到特定波 导。在一些实施例中，包括非重叠的空间分离的耦入光学元件的布置可以 称为偏移光瞳系统，并且这些布置内的耦入光学元件可以对应于子光瞳。
245.超表面和基于超表面的光学元件
246.显示系统可以采用用于控制光的传播的各种光学元件。然而，在一些 背景中，诸如包括头戴式显示设备的显示系统(例如，上述参考图2所描 述的显示系统80)，常规光学元件可能不期望或不适合，这由于其相对重 的重量、大的尺寸、制造挑战和/或光学性质的缺陷，诸如衍射角和/或衍 射效率。
247.例如，如上文参考图9a-9c所描述的，根据各种实施例的显示系统可 以包括光学元件(例如，耦入光学元件、光分布元件和耦出光学元件)， 这些光学元件可以包括衍射光栅。而且，如上文参考图9a-9c进一步描述 的，耦入对应的波导的光优选通过全内反射
(tir)在波导内传播。为了 实现tir，对于衍射光栅具有相对于表面法线的相对高衍射角是可以期望 的。另外，高衍射效率对于提供好的光强度和图像亮度是期望的。然而， 能够实现对于可见光的高衍射角和高衍射效率的衍射光栅保持挑战。为了 解决这些和其他需要，本文所公开的光学元件(例如，衍射光栅)的实施 例利用超表面。
248.超表面可以包括可以局部修改反射或透射中的光的偏振、相位和/或幅 度的表面结构。超表面可以包括亚波长尺寸和/或亚波长间隔的相移元件阵 列，其图案被配置为控制光的波前，使得可以从其导出各种光学功能，包 括波束成形、透镜作用、波束弯曲和偏振分离。可以用于制造光的波前的 因素包括表面结构的材料、尺寸、几何形状和取向。通过布置具有表面上 的不同散射特性的表面结构，可以生成空间不同的超表面，贯穿该空间不 同的超表面，可以基本上操控光学波前。
249.在常规光学元件(诸如透镜和波片)中，波前经由以比波长厚得多的 介质中的传播相位控制。不同于常规光学元件，超表面相反使用亚波长尺 寸的谐振器作为相移元件引起光的相位改变。由于超表面由厚度相对薄且 均匀的特征形成，因而其可以使用薄膜处理技术(诸如半导体处理技术以 及直接打印技术(诸如纳米压印技术))跨表面图案化。参考图10a-10c 图示了用超表面替换常规光学元件的一个示例。图10a示意性地图示了常 规光学元件(例如，玻璃轴棱镜1102)的剖视图。如所图示的，典型常规 光学元件(诸如由例如玻璃透镜形成的玻璃轴棱镜)可以是几毫米的厚度。 相反，图10b示意性地图示了可以由金属或半导体超表面形成并且设置在 衬底(例如，石英衬底)上的光学元件(例如，超表面轴棱镜1104)的剖 视图。与常规轴棱镜1102相比，超表面轴棱镜1104可以是约几十至几百 纳米厚，这使它们适于要求紧凑光学元件的光学系统，诸如头戴式显示设 备。图10c图示了当超表面轴棱镜1104用550-nm波长处的准直的高斯左 旋圆偏振(lcp)光束照射时产生的透射的非衍射贝塞尔束轮廓1106。如 所图示的，可以使用超表面轴棱镜实现期望的束轮廓1106，超表面轴棱镜 可以是与常规轴棱镜相比更薄的数量级。可以对于各种其他光学元件(诸 如光栅)获得类似结果。
250.基于几何相位超表面的波片
251.在不受任何理论约束的情况下，当在光的偏振状态的空间中沿着闭合 周期取得光束时，其可以从累积路径长度以及从几何相位获得动态相位。 从几何相位获得的动态相位是由于偏振的局部改变。基于几何相位以形成 期望相前的一些光学元件可以被称为潘查拉特南-贝里 (pancharatnam-berry)相位光学元件(pboe)。可以从波片元件构建 pboe，对于波片元件，快轴的取向取决于波片元件的空间位置。
252.在不由理论限制的情况下，通过形成具有由几何相位光学元件(例如， pboe)形成的半波片的超表面，其中，其快轴根据函数θ(x,y)取向， 入射圆偏振光束可以完全转换为具有等于φg(x,y)＝+/-2θ(x,y)的几 何相位的相反螺旋性的束。通过控制在0与π之间的波片元件的快轴的局 部取向，可以实现覆盖全部0到2π范围的相位拾取/延迟，同时保持跨整 个光学元件的相对高并且均匀的传输振幅，从而提供期望的波前。
253.参考图11a-11d图示了基于几何相位的波片的示例和产生的相位拾 取/延迟和吸收。图11a图示了在由在横电(te)偏振(具有垂直于结构 的长度偏振的电场)和正交横磁(tm)偏振的入射光1108自顶而下照射 下的由包括多个纳米梁的超表面形成的示例波片1100。与入射光1104的 自由空间波长相比，谐振结构的厚度可以是小的。在所图示的示例
中，纳 米梁1104在x方向上是120nm宽并且在z方向上是100nm厚。在所图 示的示例中，纳米梁1104由si形成，si已经发现支持如参考图11b-11d 所描述的感兴趣波长范围内的相对强的谐振。
254.图11b图示了由上文参考图11a所图示的波片1100造成的模拟相位 波前。与入射波前的有限元素模拟1112相比，有限元素模拟1116示出了 550nm处的te偏振光束的波长延迟0.14π。波前的模拟1120显示了tm 偏振光的波前更进一步延迟1.15π。因此，两个正交偏振之间的相位延迟 是约π，并且束阵列用作半波片。
255.图11c图示了tm偏振光相对于由类似于上文参考图11a所描述的 波片的波片造成的te偏振光束的相位延迟的模拟光谱。通过扫描从490 至700nm的波长，波片的相位延迟从约0.4π至1.2π变化。模拟光谱1128、 1132和1136分别图示了对于100nm的纳米梁1104的标称厚度的包括具 有100nm、120nm、140nm的束宽度的纳米梁阵列的闪耀光栅的相位延 迟。为了比较，模拟光谱1140示出了用于方解石(自然双折射晶体)的 100-nm厚膜的0.063π的比较小的相位延迟。正方形符号图示了对于 120-nm束的阵列的实验测量结果，显示出与模拟吻合良好。插图示出了实 际上制造的闪耀光栅1100的sem图像。
256.图11d分别图示了在tm和te照射下对应于图11c的相位延迟光谱 1132的包括具有120nm的束宽度的纳米梁阵列的波片的模拟吸收光谱 1144和1148。插图1152和1156分别图示了600nm的波长处的te照射 的磁场分布|hy|和tm照射的电场分布|ey|。
257.参考图11c和11d，在不受任何理论约束的情况下，如例如由相位延 迟光谱1132所图示的相位延迟中的大幅度摆动可以归因于如由吸收光谱 1148所指示的在te照射下的相对强的谐振和如由吸收光谱1144所指示 的相对弱的二级tm谐振。谐振的级由纳米梁内的场最大值的数量确定(图 11d，插图)。如所图示的，如由例如吸收光谱1148所图示的阵列的te 吸收谐振和如由例如相位延迟光谱1132所图示的相位延迟中的相关联的 摆动可以通过改变纳米梁1104的特征尺寸(包括宽度)来部分光谱调谐。
258.在以下中，参考图12a-12h，描述了基于几何旋转波片元件的几何pb 相位的构造1200。特别地，描述了配置为具有π的相位延迟的半波片的 pb相位。八个半波片元件可以被布置为是等间隔的并且以邻近波片之间 的恒定取向角差δθ为特征。出于说明性目的，底行示意性地描绘了具有 左圆偏振的入射光束的偏振矢量的旋转，即，|lcp》状态。中间行图示了 由类似于参考图11a-11d所描述的纳米梁阵列的纳米梁阵列构建的半波 片元件，其中，它们的快轴以相对于垂直轴的不同角度θ取向。顶行示意 性地图示了透射通过波片元件后的光的对应的偏振矢量。从光源的视点定 义波片的快轴的逆时针取向角和圆偏振。
259.仍然参考图12a-12h，入射光束可以通过在x和y方向上分别具有相 等幅度的偏振矢量1204和1208和偏振矢量之间的π/2的相位延迟1212 来描述。在操作中，半波片通过将两个垂直偏振之间的相位偏移π的相位 工作。该动作的净结果是翻转沿着慢轴引导的电场并且维持沿着快轴的电 场。该动作也可以被视为以快轴作为镜子将原始偏振矢量翻转到其镜像图 像的动作。当考虑及时旋转的偏振矢量的螺旋形入射状态时，人们可以看 到波片的动作是将螺旋形从|lcp》切换到|rcp》，或者反之亦然。
260.参考图12a的底行，入射|lcp》束的电场在初始时间t＝t0处在正y 轴向上引导，如由矢量1204所指示的。光学周期的四分之一之后(即，π /2)，光沿着负y方向引导，如由矢量1208所表示的。图12a的中行中的 波片的动作是在放置在快轴和光的传播方向的平面内的
镜子中对矢量 1204和1208进行镜像。该镜子的动作是将矢量1204翻转到正x方向并且 将矢量1208保持在原始方向上。因此，|lcp》束被转换为|rcp》束。
261.图12b-12h分别图示了当波片的快轴旋转π/4、π/2、3π/4、5π/4、 3π/2和7π/4的角度θ时|lcp》束的偏振矢量如何改变。独立于旋转角， 产生|rcp》输出束。然而，参考图12a，产生的矢量1204和1208的相位 延迟由φg＝2θ给出。例如，当如在图12e中示出的θ＝π/2时，波片 的动作是将矢量1204保持在相同方向上，同时将矢量1208从负y方向翻 转到正y方向中。这产生对于lcp的入射光延迟φg＝2θ＝π的|rcp》 束。如此，对于所图示的半波片，其将在到达图12a中示出的状态之前花 费光学周期的一半更长。
262.因此，作为说明性示例，在穿过等间隔并且以恒定取向角差(例如， 在邻居之间的δθ＝π/8)为特征的八个半波片元件之后，透射的rcp 波显示邻近波片之间的恒定相位差δφg＝π/4。通过使用具有在0与π之 间变化的快轴取向的八个波片元件，可以实现覆盖全部0-2π范围的相位 延迟/拾取。然而，制造具有用于可见光的高衍射角的半波片元件可能具挑 战性。这是因为除了其他方面，衍射角取决于周期性重复的波片元件的周 期的长度，并且在相对小长度的周期内形成相对高数目的半波片元件可能 由于空间约束是困难的。在以下中，可以以相对高衍射角和衍射效率以及 跨相对宽入射角的衍射效率的均匀性实现覆盖全部0-2π范围的相位延迟/ 拾取的衍射光栅的实施例。
263.基于几何相位超表面的衍射光栅
264.除了各种其他应用，包括pboe的超表面的应用包括衍射光栅(例如， 闪耀光栅)、聚焦透镜和轴棱镜。如本文所描述的，闪耀光栅能够将光束 操控到数个衍射级。闪耀光栅可以被配置为实现一个或多个衍射级(例如， +1和/或-1衍射级)中的高光栅效率，因此导致光功率集中在期望的(一 个或多个)衍射级中，同时其他级(例如，零级)中的剩余功率是低的。 在本公开中，描述了包括配置为衍射光栅的pboe的超表面的各种实施例。 根据各种实施例的衍射光栅具有期望的光学性质的组合，期望的光学性质 包括高衍射角、高衍射效率、接受角的宽范围和接受角的范围内的高度均 匀衍射效率中的一个或多个。这些期望的光学性质可以从各种发明方面的 组合产生，包括超表面的元件的材料、尺寸和几何配置。
265.如本文所描述的，可见光可以包括具有各种颜色范围(包括红色、绿 色和蓝色范围)内的一个或多个波长的光。如本文所描述的，红光可以包 括大约620
–
780nm的范围内的一个或多个波长的光，绿光可以包括大约 492
–
577nm的范围内的一个或多个波长的光，并且蓝光可以包括大约435
ꢀ–
493nm的范围内的一个或多个波长的光。因此，可见光可以包括约435 nm-780nm的范围内的一个或多个波长的光。
266.如本文所描述的，平行、名义上平行或基本上平行的特征(例如，作 为纳米梁、线、线段或晶胞)是指具有在伸长方向上不同小于约10％、小 于约5％或小于约3％的伸长方向的特征。另外，垂直、名义上垂直或基本 上垂直的特征是指具有在延伸方向上偏离90度小于约10％、小于约5％或 小于约3％的延伸方向的特征。
267.如本文所描述的，配置为衍射光的结构(诸如衍射光栅)可以在透射 模式和/或反射模式中衍射光。如本文所描述的，配置为在透射模式中衍射 光的结构是指这样的结构：与在结构的与光入射侧相同的一侧的衍射光的 强度相比，结构的与光入射侧相对的一侧的衍射光的强度更大，例如，大 至少10％、大至少20％或大30％。相反地，配置为在反射模式中衍射光 的结构是指这样的结构：与在结构的与光入射侧相对的一侧的衍射光的强 度
相比，结构的与光入射侧相同的一侧的衍射光的强度更大，例如，大至 少10％、大至少20％或大30％。
268.如本文所描述的，线(还称为束或纳米梁)是具有体积的伸长结构。 将理解到，该线不限于任何特定截面形状。在一些实施例中，截面形状是 矩形的。
269.图13a和13b分别图示了根据一些实施例的包括具有几何相位光学元 件的超表面的衍射光栅1300的剖面侧视图和自顶而下视图。衍射光栅1300 包括2等级几何相位超表面。参考图13a所图示的剖面侧视图是图13b中 所图示的剖面aa'的剖面侧视图。衍射光栅1300包括衬底1304，该衬底1304具有其上形成被配置为衍射具有可见光谱内的波长的光的超表面的 表面。超表面1308包括具有第一取向并且通常在第一横向方向(例如，y 方向)上延伸的一个或多个第一线或纳米梁1312和具有通常在第二方向 (例如，x方向)上延伸的第二取向的多个第二线或纳米梁1316。第一线 或纳米梁1312可以被认为是形成第一组纳米梁，并且第二线或纳米梁1316 可以被认为是形成第二组纳米梁。一个或多个第一线1312和第二线1316 在第二方向上邻近彼此设置，并且第一线1312和第二线1316以小于超表 面被配置为衍射的光的波长的周期在第二方向上交替地重复。
270.优选地，第一线1312各自具有相同宽度。在一些实施例中，第二线 1316在一个或多个第一线1312的邻近对之间在y方向上横向堆叠。在不 由理论限制的情况下，一个或多个第一线1312和第二线1316以相对于彼 此的角度取向以优选地引起由一个或多个第一线1312衍射的可见光与由 第二线1316衍射的可见光之间的相位差，其中，由一个或多个第一线1312 衍射的可见光与由第二线1316衍射的可见光之间的相位差是该角度的两 倍。
271.在一些实施例中，类似于上文参考图12a-12h所图示的波片的组合， 可以在0与π之间变化的由一个或多个第一线1312相对于第二线1316的 相对取向引起的相位差，可以实现覆盖全部0-2π范围的相位拾取/延迟。 在一些实施例中，当一个或多个第一线1312和第二线1316中的一个相对 于另一个(例如，垂直于彼此)旋转π时，可以在一个或多个第一线1312 与第二线1316之间实现2π的相位拾取/延迟。即，不同于图12a-12h， 根据一些实施例，基于具有仅在两个不同方向上取向的线的2等级几何相 位超表面，可以实现覆盖全部0-2π范围的相位拾取/延迟。有利地，不同 于图12a-12h，参考图12a-12h所图示的波片的组合，由所图示的超表面 1308占用的足印是更紧凑的，并且具有小于或等于可见光谱内的波长的周 期，其进而使能衍射束1338、1342的相对高衍射角θ。
272.第一线1312和第二线1316由光学透射材料形成。如本文并且贯穿说 明书所描述的，“透射”或“透明”结构(例如，透射衬底)可以允许入 射光中的至少一些(例如，至少20、30、50、70或90％)穿过。因此， 在一些实施例中，透明衬底可以是玻璃、蓝宝石或聚合衬底。“反射”结 构(例如，反射衬底)可以反射入射光中的至少一些(例如，至少20、30、 50、70、90％或更多)以从其反射。
273.一个或多个第一线1312和第二线1316可以被描述为从页面当中突出、 沿着页面延伸并且具有宽度的突出、脊线折痕或纳米线。另外或者可替代 地，相邻第一线1312和/或相邻第二线1316之间的分开的区域可以被描述 为凹进页面中并且具有间隔的洼地、凹槽、凹陷或者沟槽。在一些实施例 中，第一线1312和第二线1316是具有y-z平面内的基本上矩形截面形状 的伸长的矩形结构。然而，其他实施例是可能的，其中，第一线1312和第 二线1316具有可以采取圆形、椭圆形、三角形、平行四边形、菱形、梯形、 五角形或任何适合的形
状的截面形状。
274.在以下中，描述了包括一个或多个第一线1312和第二线1316的尺寸 和几何布置的各种配置，其组合效果是基于具有本文中所描述的期望的光 学性质的几何相位光学元件产生光栅，期望的光学性质包括相对高衍射角、 相对高衍射效率、相对宽范围的接受角和接受角的范围内的相对均匀效率 中的一种或多种。
275.仍然参考图13a和13b，在操作中，当入射光束1330(例如，可见光) 以相对于垂直于表面1304s并且在平行于第一线1312的方向上延伸的平 面(例如，y-z平面)测量的入射角α入射在超表面1308上时，光栅1300 部分地透射入射光作为透射光束1334并且部分地衍射入射光作为在衍射 角θ1处的+1级的衍射光束1342和在衍射角θ2处的-1级的衍射光束1338， 其中，衍射角相对于用于测量α的相同平面(例如，y-z平面)来测量。 当衍射光束1338和1342中的一者或两者以超过在被配置为波导的衬底 1304中的全内反射的发生的临界角θ
tir
的衍射角衍射时，衍射光束1338 和1342在全内反射下在沿着x轴的其相应相反方向上传播，直到光束到达 ope/epe 1346，该ope/epe 1346可以对应于光分布元件730、740、750 和耦出光学元件800、810、820(图9b)。
276.根据各种实施例，一个或多个第一线1312和第二线1316由提供光子 的低欧姆损失的材料形成，使得衍射效率在高等级。在不受任何理论约束 的情况下，除了其他方面，光子的欧姆损失可以取决于第一线1312和/或 第二线1316是否由金属对半导体或绝缘的材料形成。如本文所描述的，材 料是金属的、半导体的还是绝缘的可以取决于能量波矢量空间或者e-k空 间中材料的电子能带结构。电子能带结构可以被描述为具有最高占据分子 轨道(homo)(其也可以称为价带)，以及最低未占拒分子轨道(lumo) (其也可以称为导带)。绝缘体具有homo与lumo之间的基本上超过 对应于超表面被配置为衍射的波长范围的能量的能量差。半导体具有 homo与lumo之间的基本上可与对应于超表面被配置为衍射的波长范 围的能量相比较的能量差。如本文所描述的，金属具有homo与lumo 之间的零或负的能量差。因此，金属具有大量浓度的自由或离域电子。自 由或离域电子可以共同地与光相互作用以生成等离激元，该等离激元是指 产生自由电子的等离子体振荡的量化的准粒子。当尺寸中的至少一个(例 如，第一线1312和第二线1316的宽度)足够小(例如，小于入射光的波 长)时，等离激元可以变得被限制到表面并且与光强烈地相互作用，这导 致表面等离激元。在一些情况下，当入射光子的频率与逆于正原子核的恢 复力振荡的表面电子的自然频率匹配时，表面等离激元谐振(spr)可能 发生，这导致导电电子的谐振振荡。
277.在不受任何理论约束的情况下，当一个或多个第一线1312和/或第二 线1316由金属形成时，光子的欧姆损失可能至少部分地由等离激元谐振造 成，该等离激元谐振可能在spr波长处或附近发生。因此，在一些实施例 中，一个或多个第一线1312和第二线1316中的每一个由非金属材料(例 如，半导体或者绝缘体)形成，在该非金属材料中，根据一些实施例，自 由电子的浓度例如小于约1x10
19
/cm3、小于约1x10
18
/cm3、小于约 1x10
17
/cm3、或小于约1x10
16
/cm3。然而，实施例不限于此，并且在一些实 施例中，第一线1312和第二线1316中的一者或两者可以由金属形成。
278.仍然参考图13a、13b，发明人已经发现，在一些实施例中，使用半 导体或者绝缘体形成第一线1312和第二线1316可能是有利的，其可以提 供由等离激元生成引起的低等级的欧姆损失和相应地增加的衍射效率。产 生的第一线1312和第二线1316将偏振相关相移
施加在透射光上并且修改 其相位和偏振二者。在不受任何理论约束的情况下，当由半导体或者绝缘 体形成时，一个或多个第一线1312和第二线1316中的每一个可以被认为 是操作为fabry
–
p
é
rot谐振器的波导，fabry
–
p
é
rot谐振器具有有效折 射率并将偏振相关相移施加在透射光上。为了减少由等离激元生成引起的 欧姆损失并且为了增加衍射效率，一个或多个第一线1312和第二线1316 由具有某些材料性质的材料形成，包括相对低自由电子浓度、相对高体折 射率，如本文所讨论的。
279.如上文所讨论的，为了提供高衍射效率，除了实现其他优点之外，使 第一线1312和/或第二线1316由具有相对低浓度的自由电子的材料形成是 可以期望的。因此，当由半导体或者绝缘体形成时，在各种实施例下，第 一线1312和第二线1316中的每一个未故意掺杂有自由电子生成掺杂物， 或者，根据各种实施例，当故意掺杂时，它们以小于小于约1x10
19
/cm3、 小于约1x10
18
/cm3、小于约1x10
17
/cm3、或小于约1x10
16
/cm3的浓度掺杂有 掺杂物，例如，n型掺杂物。在不受任何理论约束的情况下，除了其他优 点，相对低掺杂物浓度可能是有利的，例如，在减少由等离激元生成和/ 或表面等离激元谐振引起的欧姆损失方面。
280.在不受任何理论约束的情况下，当第一线1312和/或第二线1316由半 导体或者绝缘体形成时，尽管可以减少由等离激元的吸收引起的欧姆损失， 一些欧姆损失仍然被认为是从由光子吸收电子跃迁(包括弹性和非弹性电 子跃迁)引起的光学吸收而发生。例如，光学吸收可以在具有大于半导体 或者绝缘体的homo与lumo之间的带隙的能量的光子被吸收时发生， 这导致电子-空穴对的生成。因此，减少由光子吸收电子跃迁引起的光学吸 收可能是有利的。因此，在一些实施例中，第一线1312和/或第二线1316 可以由对于具有可见光谱内的波长的入射光吸收系数值小于约5x105/cm、 小于约1x105/cm、小于5x104/cm或小于1x104/cm、小于约5x103/cm、小 于约1x103/cm、小于约5x102/cm的材料形成，或者由吸收系数值在由以上 值中的任一个限定的范围内的材料形成。
281.在不受任何理论约束的情况下，当具有亚波长特征尺寸的第一线1312 和第二线1316支持漏模共振时，它们可以限制光，从而引起在te和tm 照射下产生的散射光波中的相位延迟。已经发现，一个或多个第一线1312 和第二线1316中的光的限制的有效性可以由被配置为操作为共振器的波 导引起，并且除了其他因素，产生的衍射效率可以取决于第一线1312和第 二线1316的材料的折射率和亚波长尺寸。
282.因此，在一些实施例中，具有由具有体折射率(n
1 bulk
)的材料形成的 第一线1312和/或第二线1316是可以期望的，该基体折射率(n
1 bulk
)具 有高于2.0、高于2.5、高于3.0、高于3.3、高于3.5的值或者任何这些值 之间的范围内的值。在一些实施例中，在衍射光栅1300被配置为衍射的波 长(例如，可见波长)处测量n
1 bulk
。
283.除了其他优点，相对高折射率可以通过使用某些半导体材料形成第一 线1312和/或第二线1316来实现。在一些实施例中，当由半导体材料形成 时，第一线1312和/或第二线1316可以由以下材料形成：元素iv族材料 (例如，si、ge、c或sn)或由iv族材料形成的合金(例如，sige、sigec、 sic、sisn、sisnc、gesn等)；iii-v族化合物半导体材料(例如，gap、 gaas、gan、inas等)或由iii-v族材料形成的合金；ii-vi族半导体材 料(cdse、cds、znse等)或由ii-vi族材料形成的合金。这些材料中的 每一种可以是晶体、单晶或多晶的。
284.在一些实施例中，第一线1312和/或第二线1316由硅(例如，硅、非 晶硅或多晶硅)形成。当由硅形成时，其可以使用硅处理技术更容易制造 或集成。
285.除了其他优点，相对高折射率还可以通过使用某些绝缘体形成第一线 1312和/或第二线1316来实现。当由绝缘体形成时，一个或多个第一线1312 和/或第二线1316可以由氧化物形成，该氧化物包括过渡金属，例如，钛、 钽、铪、锆等，根据一些实施例，包括它们的化学计量和亚化学计量形式。 这样的氧化物的示例包括例如氧化钛、氧化锆和氧化锌。
286.第一线1312和/或第二线1316还可以由iv族元素(例如，硅)的氧 化物、氮化物或氮氧化物形成，根据一些其他实施例，包括它们的化学计 量和亚化学计量形式。这样的绝缘体的示例包括例如氧化硅(sio
x
)、氮 化硅(sin
x
)和氮氧化硅(sio
x
ny)。
287.在一些实施例中，第一线1312和第二线1316可以由相同半导体或绝 缘体材料形成，这可以利于简化超表面1308的制造。然而，各种实施例不 限于此，并且在一些实施例中，第一线1312和第二线1316可以由不同的 半导体或绝缘材料形成。
288.继续参考图13a和13b，除了由上文所描述的各种材料形成之外，一 个或多个第一线1312和第二线1316具有尺寸的特定组合以用作诱导光的 相移的亚波长尺寸的谐振器。
289.在各种实施例中，第一线1312的w
nano1
和第二线1316的w
nano2
中的 每一个小于超表面1308被配置为衍射的光的波长，并且优选地小于可见光 谱内的波长。在一些实施例中，w
nano1
和w
nano2
中的每一个在10nm至1μ m、10nm至500nm、10nm至300nm、10nm至100nm或10nm至50 nm的范围内，例如30nm。根据一些实施例中，一个或多个第一线1312 中的每一个具有相同宽度w
nano1
。根据一些实施例，第二线1316中的每一 个具有相同宽度w
nano2
。根据一些实施例，一个或多个第一线1312和第二 线1316具有相同宽度，即，w
nano1
＝w
nano2
。然而，在一些其他实施例中， w
nano1
和wnano2可以基本上不同。此外，在一些实施例中，一个或多个 第一线1312中的不同第一线1312和/或第二线1316中的不同第二线1316 可以具有不同宽度。
290.根据一些实施例，在第二方向上的一个或多个第一线1312的直接相邻 的第一线1312由恒定间隔s1分离。另外，在第二方向上彼此直接相邻的 一个或多个第一线1312之一和第二线1316之一由恒定间隔s2分离。根据 一些实施例，s1和s2中的一者或两者小于超表面1308被配置为衍射的波长。 另外，第一线1312和第二线1316分别具有高度h
nano1
和h
nano2
。可以选择 间隔s1、s2和高度h
nano1
和h
nano2
的特定组合，使得获得入射角α的期望范 围(δα)，有时称为接受角范围或视场(fov)。如本文所描述的，期 望范围(δα)可以通过跨越α的负值和正值的角度的范围描述，在该范 围之外，衍射效率相对于α＝0处的衍射效率下降超过10％、25％、超过 50％、或超过75％。具有衍射效率相对平坦的δα是可以期望的，例如， 其中，衍射光的均匀强度在δα内是期望的。返回参考图13a，入射光束 1330以相对于表面法线(例如，y-z平面)的角度α入射在超表面1308和 波导1304的表面上。根据一些实施例，如上文所描述的，δα与超表面 1308的角带宽相关联，使得δα内的光束1330由超表面1308以相对于表 面法线(例如，y-z平面)的衍射角θ高效地衍射。特别地，当θ是或超 过θ
tir
时，衍射光在衬底1304内在全内反射(tir)下传播。
291.已经发现，δα可以取决于由在第二方向上的一个或多个第一线1312 中的相邻第一线1312和在第一方向上的第二线1316中的直接相邻的第二 线1316产生的阴影效应。即，当入射光束1330以大于某个值的入射角α 入射时，朝向特征引导的入射光束可以由直接相邻的特征阻挡。例如，δ α可以与s1/h
nano1
、s2/h
nano1
和/或s2/h
nano1
的反正切相关联。在各种实施例 中，选择比率s1/h
nano1
、s2/h
nano1
和/或s2/h
nano1
，使得δα超过20度(例 如，+/-10度)、30度(例如，+/-15度)、40度(例如，+/-20度)或 50度(例如，+/-25度)，或者在由任何这些值
限定的角范围内。可以实 现期望比率s1/h
nano1
、s2/h
nano1
和/或s2/h
nano1
，其中，例如，s1和s2中的每 一个在10nm至1μm、10nm至300nm、10nm至100nm或10nm至 50nm的范围内，例如30nm。当然，可以实现s1和s2的相对较低值，其 中，h
nano1
和h
nano2
具有对应地相对较低值。
292.有利地，根据一些实施例的一个或多个第一线1312和/或第二线1316 的材料的相对高折射率(n1)允许相对小厚度或者高度。因此，在各种实 施例中，第一线1312和第二线1316具有h
nano1
和h
nano2
，该h
nano1
和h
nano2
可以在10nm至1μm、10nm至500nm、10nm至300nm、10nm至 100nm和10nm至50nm的范围内，例如107nm，根据一些实施例，这 取决于n1。例如，h
nano1
和h
nano2
在n1大于3.3的情况下可以是10nm至450 nm，以及在n1是3.3或更小的情况下10nm至1μm。作为另一示例， 第一线1312和第二线1316的高度在纳米梁由硅(例如，非晶或多晶硅) 形成的情况下可以是10nm至450nm。
293.根据各种实施例，可以选择s1和w
nano1
的组合，使得定义为s1和w
nano1
的和的一个或多个第一线1312的节距(p
nano1
)具有由w
nano1
和s1的和获 得的值，其中，w
nano1
选自10nm至1μm、10nm至500nm、10nm至 300nm、10nm至100nm或10nm至50nm的范围，并且s1选自10nm 至1μm、10nm至300nm、10nm至100nm或10nm至50nm的范围， 例如，p
nano1
＝95.5nm。
294.当然，可以实现s1和s2的相对小值，并且h
nano1
和h
nano2
具有对应地相 对小值。有利地，使用具有相对高折射率n1的材料形成一个或多个第一线 1312和/或第二线1316，可以获得s1、s2、h
nano1
和h
nano2
的相对小值。这是 因为，如发明人已经发现，h
nano1
和h
nano2
可以与形成第一线1312和第二线 1316的材料的体折射率成反比。因此，在各种实施例中，对于具有2.0-2.5、 2.5-3.0、3.0-3.5和高于3.5的体折射率的材料，h
nano1
和h
nano2
可以分别在 500nm至1μm、300nm至500nm、100nm至300nm和10nm至100 nm的范围内。因此，通过具有一个或多个第一线1312和第二线1316的 高体折射率n1的材料和对应的尺寸s1、s2、h
nano1
和h
nano2
的特定组合，总 体节距λa也可以相应地减小，其进而增加衍射角θ，如下面进一步描述的。
295.优选地，h
nano1
和h
nano2
基本上相等，这可以对于制造有利。然而，实 施例不限于此，并且h
nano1
和h
nano2
可以基本上不同。
296.在各种实施例中，第一线1312和/或第二线1316由其体折射率(n
1 bulk
) 高于衬底1304的折射率n2的材料形成；即，n
1 bulk
》n2。在一些实施例中， 衬底1304可以被配置为波导，并且可以对应于波导310、300、290、280、 270(图6)和/或波导670、680和690(图9a)。在这样的应用中，衬底 优选地具有在空气的折射率之间但是小于n
1 bulk
(例如，1.5、1.6、1.7、1.8、 1.9)或更高但是小于n
1 bulk
的折射率，其可以提供增加通过从该衬底1316 输出光来形成图像的显示器的δα的益处。用于形成衬底1304的材料的示 例包括石英玻璃(例如，掺杂石英玻璃)、氮氧化硅、过渡金属氧化物(例 如，氧化铪、氧化钽、氧化锆、氧化铌、铌酸锂、氧化铝(例如，蓝宝石))、 塑料、聚合物、或具有例如如本文所描述的适合的折射率的其他光学透射 材料。
297.在不受任何理论约束的情况下，当一个或多个第一线1312和/或第二 线1316具有如上文所描述的亚波长尺寸时，第一线1312和/或第二线1316a 的折射率可以偏离其体折射率值，即，n
1 bulk
。例如，对于谐振基模，第一 线1312和/或第二线1316可以具有有效折射率n
1eff
，其可以从约1(当光 几乎在空气中时)变化至n
1 bulk
(当光几乎在线和/或段中时)。因此，在 一些实施例中，通过足够值满足n
1eff
》n2的条件是期望的。因此，在一些 实施例中，选择用于第一线1312和/或第二线1316和用于衬底1304的材 料，使得第一线1312和/或第
二线1316的材料的体折射率n
1 bulk
与衬底1304 的折射率n2之间的差(n
1 bulk-n2)足够大，例如，0.5或更高、1.0或更高、 1.5或更高、2.0或更高、2.5或更高、或3.0或更高。
298.仍然参考图13a和13b，超表面1308可以被描述为形成至少在x方 向上重复的多个超表面晶胞1320。如本文所描述的，超表面晶胞1320可 以被定义为在x方向上具有最小重复尺寸的足印，该超表面晶胞1320包括 一个或多个第一线1312和第二线1316。作为示例，每个晶胞1320横跨从 一个晶胞1320的第一线1312的左边一个的左垂直侧到直接相邻的晶胞 1320的第一线1312的左边一个的左垂直侧测量的晶胞宽度1320a，并且从 而在所图示的实施例中包括一对第一线1312和在y方向上堆叠的一列第二 线1316。
299.如本文所描述的，超表面晶胞1320的横向尺寸或者晶胞1320的重复 晶胞的周期在本文中可以称为晶胞节距λa。节距λa在x方向上跨波导 1304以规则间隔重复至少两次。换句话说，晶胞节距λa可以是直接相邻 晶胞1320的相同点之间的距离。在各种实施例中，λa可以小于光栅1300 被配置为衍射的波长，并且可以小于约435nm-780nm的范围内的波长或 任何波长。在配置为衍射至少红光的一些实施例中，λa可以小于约620
–ꢀ
780nm的范围内的波长(或任何波长)。在配置为衍射至少绿光的一些其 他实施例中，λa可以小于约492
–
577nm的范围内的波长(或任何波长)。 在配置为衍射至少蓝光的一些其他实施例中，λa可以小于约435
–
493nm 的范围内的波长(或任何波长)。可选地，根据各种实施例，λa可以在 10nm至1μm的范围内，包括10nm至500nm或300nm至500nm。 将理解到，本文中所公开的超表面中的每一个可以用于衍射光并且可以是 显示系统250的一部分(图6)，并且显示系统1000可以被配置为将光引 导到具有波长的窄带的超表面。优选地，对于给定超表面的λa小于显示系 统的光源被配置为将其引导到超表面的波长的频带的最小波长。
300.已经发现，在一些实施例中，λa可以具有小于比率mλ/(sinα+ n2sinθ)的值，其中，m是整数(例如，1、2、3...)，并且α、n2和θ 各自具有在说明书中其他地方所描述的值。例如，α可以在超过40度的范 围δα内，n2可以在1-2的范围内，并且θ可以在40-80度的范围内。
301.在一些实施例中，λa可以跨由多个晶胞形成的光栅1300的表面1304s 是基本上恒定的。然而，实施例不限于此，并且在一些其他实施例中，λa可以跨表面1304s变化。
302.仍然参考图13b，在一些实施例中，第二线1316中的每一个比一个或 多个第一线1312中的每一个长度短至少二、三、四或更多倍。然而，第二 线1316比一个或多个第一线1312更长的实施例是可能的。根据各种实施 例，一个或多个第一线1312可以具有200μm-5mm nm、200μm-1mm 或1mm-5mm的范围内的长度l1。根据各种实施例，第二线1316可以 具有100nm-500nm、100nm-300nm和300nm-500nm的范围内的长 度l2。在一些实施例中，一个或多个第一线1312可以具有对应于由超表 面形成的光学元件的总横向尺寸(例如，对应于由包括线1312的超表面形 成的耦入或者耦出光学元件的长度)的长度l1。在一些实施例中，第二线 具有晶胞节距λa的约40％至约60％(例如，约λa的50％)的长度l2。 在一些实施例中，l1使得一个或多个第一线1312横跨在y方向上的对应 于五个第一线1316的距离。然而，将理解到，根据各种实施例，一个或多 个第一线1312可以横跨在y方向上的对应于大于1个(例如，大于10个、 大于20个、大于50个或大于100个、或在10个、20个和100个中的任 一个之间的范围内)的任何适合数目的第二线1316的距离。
303.仍然参考图13a和13b，在一些实施例中，第二线1316中的每一个 具有相同宽度，
使得第二线1316在x方向上延伸并且共同终止而不与一个 或多个第一线1312中的任一个交叉。然而，第二线1316具有不同长度的 实施例是可能的。
304.仍然参考图13a的所图示的实施例，一个或多个第一线1312的延伸 方向(y方向)基本上垂直于第二线1316的延伸的方向(x方向)。即， 当观察入射光的传播的方向(即，进入页面)时，第二线1316相对于一个 或多个第一线1312旋转π/2的旋转角。然而，实施例不限于此，当观察 入射光的传播的方向(即，进入页面)时，第二线1316可以在逆时针方向 上旋转小于π/2的角度的任何方向上延伸。例如，第二线1316可以以图 12b-12h中所图示的波片的纳米梁相对于图12a中所图示的波片旋转的类 似方式相对于一个或多个第一线1312旋转。例如，第二线1316可以相对 于一个或多个第一线1312分别旋转π/4、π/2、3π/4、5π/4、3π/2和7 π/4的旋转角θ。因此，当|lcp》束入射在具有第一线1312和第二线1316 的超表面1308上时，产生|rcp》输出束，其中，对应于te和tm偏振的 偏振矢量的所产生的相位延迟可以具有φg＝2θ的值，其中，θ是在波片 的快轴旋转旋转角θ时而变化的旋转角。特别地，对于所图示的实施例， 相对于一个或多个第一线1312旋转θ＝π/2的第二线1316衍射入射光 束，例如，|lcp》束，其中，生成衍射|rcp》束，其中，衍射束通过第二 线1316延迟φg＝2θ＝π。因此，作为所图示的实施例，在穿过在x方 向上的交替的一个或多个第一线1312和第二线1316具有δθ＝π/2的 恒定取向角差的超表面1308之后，透射的rcp波显示在一个或多个第一 线1312和第二线1316的相邻第一线1312和第二线1316之间的恒定相位 差δφg＝π。因此，通过使快轴取向在0与π之间变化，可以实现覆盖全 部0-2π范围的相位拾取/延迟，但是具有与图12a-12h中的所图示的示例 相比更加紧凑的晶胞节距和更高的衍射角。
305.具有基于几何相位超表面的光栅的显示设备
306.如本文所公开的，在上文所描述的各种实施例中，超表面1308可以实 现为耦入光学元件(例如，耦入光学元件700、710、720中的一个或多个 (图9a))以耦入入射光，使得光经由全内反射传播通过衬底1304。然 而，在超表面1308还可以被配置为偏转从衬底1304内入射在其上的光的 认识中，在一些实施例中，取代或者除了在表面2000a上的不同位置形成 耦入光学元件之外，本文所公开的超表面可以用于形成耦出光学元件，诸 如耦出光学元件570、580、590、600、610(图6)或800、810、820(图 9b)中的一个或多个。在一些其他实施例中，超表面1308可以用作光分 布元件(例如，ope)730、740、750(图9b)。在不同波导具有不同相 关联的分量颜色的情况下，将理解到，与每个波导相关联的耦出光学元件 和/或耦入光学元件可以具有特定于波导被配置为传播的光的波长或者颜 色的几何尺寸和/或周期性。因此，不同波导可以具有超表面，该超表面具 有一个或多个第一线1312和第二线1316的不同布置。特别地，不同布置 可以取决于入射光束的波长或颜色。例如，取决于入射光束的颜色，λa可以根据光栅1300被配置为衍射的波长不同地配置。例如，为了衍射至少 红光、绿光或蓝光，超表面1308可以分别被配置为具有小于约620-780nm 的范围内的波长、小于约492-577nm的范围内的波长和小于约435-493nm 的范围内的波长的λa。为了缩放λa，可以成比例调节一个或多个第一线 1312和/或第二线1316的参数，诸如折射率、宽度、高度和间隔。可选地， λa可以通过补偿sinα、n2和sinθ中的一个或多个来保持针对入射光的不 同波长的相对均匀，如上文所描述的。
307.图14图示了根据上文参照图13a和13b所描述的衍射光栅1300的各 种实施例的示例性衍射光栅的衍射效率对入射角α的模拟1400。特别地， 模拟1400显示在透射模式下对
衍射光栅模拟的t-1级衍射te偏振绿光(λ＝520nm)的衍射效率(η)，其中，衍射光栅具有由衬底上的多晶 硅形成的一个或多个第一线和第二线，其中，衬底具有n2＝1.77，λa＝382 nm、h
nano1
＝h
nano2
＝107nm、w
nano1
＝w
nano2
＝30nm、p
nano1
＝96nm和s1＝66nm。 如所图示的，入射角(δα)或者视场(fov)的范围相对宽并且超过约 40度，在该范围之外，衍射效率η从α＝0处的约32％的效率下降约10％。
308.图15a和15b图示了透射通过上文参考图13a和13b所描述的衍射 光栅1300的te偏振的520nm波长光的相位波前的2维模拟1500和1504， 光栅1300对应于上文参考图14所图示的模拟1400。特别地，模拟1500 和1504分别对应于入射角α是0度和20度的照射条件。
309.如以下更详细描述的，本文所公开的衍射光栅的制造可以涉及包括光 刻和蚀刻的图案化过程。光刻过程可以包括在高折射率材料的层上或上面 沉积掩模层，诸如光致抗蚀剂和/或硬掩模(其可以用作抗反射涂层)，其 中，从该高折射率材料形成一个或多个第一线1312和第二线1316。随后， 掩模层可以首先显影和/或图案化为掩模层的图案，该掩模层的图案用作用 于将高折射率材料的底层图案化的模板。随后，使用图案化掩模层作为模 板，高折射率材料的底层被图案化为第一和第二线。在各种实施例中，移 除图案化掩模层，从而留下第一和第二线。然而，在一些情况下，从图案 化的第一和第二线移除图案化的掩模层可能是困难或不期望的。例如，用 于一些掩模层的移除过程可能不期望地损坏第一和第二线的表面和/或暴 露衬底的表面。因此，发明人已经发现，在一些情况下，图案化掩模层可 以留下。在以下中，参考图16a-16d，描述了掩模层留下的衍射光栅的实 施例。
310.图16a图示了根据一些实施例的包括具有几何相位光学元件的超表面 的衍射光栅1600的剖面侧视图，其中，掩模层在通过例如光刻和蚀刻形成 一个或多个第一线和第二线之后留下。特别地，已经发现，留下具有相对 低折射率的掩模层可以有利地对所产生的光学响应(包括衍射效率对入射 角(ηvsα)行为)产生很少或没有影响。类似于上文参考图13a和13b 所图示的衍射光栅1300，衍射光栅1600包括具有表面1304s的衬底1304， 在该表面1304s上，形成被配置为衍射具有可见光谱内的波长的光的超表 面1608。超表面1608包括在第一横向方向(例如，y方向)上延伸的一个 或多个第一线1312和在第二方向(例如，x方向)上延伸的多个第二线1316。 超表面1608的布置可以基本上类似于上文参考图13a和13b所图示的超 表面1308的布置，例外的是，在图16a的超表面1608中，在一个或多个 第一线1312上和在第二线1316上掩模层1604，其是已经图案化为用于蚀 刻以形成一个或多个第一线1312和第二线1316的模板。根据一些实施例， 掩模层1604可以是具有相对低折射率的光致抗蚀剂或者硬掩模层，该相对 低折射率小于一个或多个第一线1312和第二线1316的材料的折射率。根 据一些实施例，可以是硬掩模和/或抗反射层(arc)的掩模层1604具有 其值低于约2.0、低于约1.8、低于约1.6或低于约1.4、或者其值在由这些 值中的任一个限定的范围内的折射率。根据一些实施例，掩模层1604可以 由含硅或含二氧化硅掩模层形成。
311.图16b图示了对示例性衍射光栅的衍射效率(η)对掩模层1604(图 16a)的厚度的模拟1610，其中，示例性衍射光栅类似于上文参考图13a 和13b所图示的衍射光栅，例外的是，对于模拟衍射光栅，掩模层1604 沉积在一个或多个第一线1312和第二线1316(图13a和13b)上。特别 地，模拟1610显示在透射模式下对衍射光栅模拟的te偏振绿光(λ＝520 nm)的衍射效率(η)，其中，衍射光栅具有由衬底上的硅形成的一个或 多个第一线和第二线并
且已经形成在其上的掩模层，衬底具有n2＝1.77，掩 模层由厚度从0至90nm范围的sio2形成，其中，λa＝382nm、 h
nano1
＝h
nano2
＝107nm、w
nano1
＝w
nano2
＝30nm、p
nano1
＝96nm并且s1＝66nm。 模拟1610分别图示了对应于α＝0处的透射衍射级t1和t-1的模拟衍射效 率曲线1614和1618。模拟1610图示了具有高达90nm的厚度的掩模层的 存在对衍射效率具有几乎可以忽略的影响(～1％或更小)。例如，对于具 有高达90nm的厚度的掩模层，在α＝0处η变化小于约1％。
312.图16c图示了对于参考图16a模拟的示例性衍射光栅的衍射效率(η) 对入射角(α)的模拟1620，例外的是，对于模拟衍射光栅，具有20nm 的固定厚度的掩模层沉积在一个或多个第一线1312和第二线1316(图13a 和13b)上。模拟1620分别图示了对应于透射衍射级t1和t-1的模拟衍 射效率曲线1614和1618。与针对t-1衍射上文级参考图14所描述的模拟 1400相比，模拟衍射效率1628图示了20nm厚掩模层的存在对衍射效率 或视场具有几乎可以忽略的影响(～1％或更小)。例如，在α＝0处η约 32％，该η从在+α＝21度下降约10％。
313.图16d图示了参考图16a模拟的示例性衍射光栅的衍射效率(η)对 入射角(α)的模拟1630，例外的是，对于模拟衍射光栅，具有40nm的 固定厚度的掩模层沉积在一个或多个第一线1312和第二线1316(图13a 和13b)上。模拟1630分别图示了对应于透射衍射级t1和t-1的模拟衍 射效率曲线1624和1628。与针对t-1衍射级上文参考图14所描述的模拟 1400相比较，模拟衍射效率1628图示了20nm厚掩模层的存在对衍射效 率或视场具有几乎可以忽略的影响(～1％或更小)。例如，在α＝0处η约 32％，该η从在+α＝21度下降约10％。
314.在以下中，参考图17a-20，图示了对于由不同高折射率材料形成的示 例性衍射光栅的衍射效率(η)对入射角α的模拟，其中，衍射光栅被配 置为衍射可见光谱中的绿光(例如，λ＝520nm)。
315.图17a和17b图示了对于由非晶硅形成并且被配置为衍射绿可见光的 示例性衍射光栅的衍射效率(η)对入射角(α)的模拟1700、1704。特 别地，模拟1700和1704分别显示了以相对于表面法线的α入射在衍射光 栅上的λ＝520nm处的t-1级衍射te和tm偏振绿光的衍射效率(η)。 模拟1700和1704对于具有由衬底上的非晶硅形成的一个或多个第一线和 第二线的衍射光栅在透射模式下执行，其中，衬底具有n2＝1.77，其中，λ a
＝382nm、h
nano1
＝h
nano2
＝90nm、w
nano1
＝w
nano2
＝30nm、p
nano1
＝96nm和s1＝ 66nm。用于模拟的折射的复折射率是n＝5.02+0.363i。如所图示的，对于 te偏振绿光，入射角(δα)或者视场(fov)的范围相对宽，约50(《-30 至》+20)度，在该范围之外，衍射效率η从α＝0处的约28％的效率下降 约10％。
316.图18图示了根据一些实施例的对于由多晶硅形成并且被配置为衍射 λ＝520nm处的绿可见光的示例性衍射光栅的衍射效率(η)对入射角(α) 的模拟1400。模拟1400是与图14中所图示的模拟相同的模拟，但是利用 x轴的不同范围重新绘制用于容易与图17a、19和20相比较。用于模拟的 折射的复折射率是n＝4.41+0.182i。如所图示的，入射角(δα)或者视场 (fov)的范围相对宽并且超过约40度，在该范围之外，衍射效率η从 α＝0处的约32％的效率下降约10％。
317.图19图示了根据一些实施例的对于由碳化硅形成并且被配置为衍射 绿光的示例性衍射光栅的衍射效率(η)对入射角(α)的模拟1900。特 别地，模拟1900显示以相对于表面法线的α入射在衍射光栅上的λ＝520 nm处的t-1级衍射te偏振绿光的衍射效率(η)。模拟
1900针对具有 由衬底上的碳化硅(sic)形成的一个或多个第一线和第二线的衍射光栅 在透射模式下执行，其中，衬底具有n2＝1.77，其中，λa＝382nm、 h
nano1
＝h
nano2
＝260nm、w
nano1
＝w
nano2
＝65nm、p
nano1
＝96nm和s1＝31nm。 用于模拟的折射的复折射率是n＝2.65+0.005i。如所图示的，对于te偏振 绿光，入射角(δα)或者视场(fov)的范围相对宽，约40(～-20至～+20) 度，在该范围之外，衍射效率η从α＝0处的约27％的效率下降约10％。
318.图20图示了根据一些实施例的对于由氮化硅(例如，si3n4)形成并 且被配置为衍射绿光的示例性衍射光栅的衍射效率(η)对入射角(α) 的模拟2000。特别地，模拟2000显示以相对于表面法线的α入射在衍射 光栅上的λ＝520nm处的t-1级衍射te偏振绿光的衍射效率(η)。模 拟2000针于具有由衬底上的氮化硅(例如，si3n4)形成的一个或多个第 一线和第二线的衍射光栅在透射模式下执行，其中，衬底具有n2＝1.77，其 中，λa＝382nm、h
nano1
＝h
nano2
＝300nm、w
nano1
＝w
nano2
＝60nm、p
nano1
＝96nm 和s1＝36nm。用于模拟的折射的复折射率是n＝2.20+0.002i。如所图示的， 对于te偏振绿光，入射角(δα)或者视场(fov)的范围相对宽，》40 (～《-30至～+10)度，在该范围之外，衍射效率η从α＝0处的约21％的 效率下降约10％。
319.在以下中，参考图21-24，图示了对于由不同高折射率材料形成的示 例性衍射光栅的衍射效率(η)对入射角(α)的模拟，其中，衍射光栅 被配置为衍射可见光谱中的蓝光(例如，λ＝455nm)。
320.图21图示了根据一些实施例的对于由多晶硅形成并且被配置为衍射 蓝光的示例性衍射光栅的衍射效率(η)对入射角(α)的模拟2200。特 别地，模拟2100显示以相对于表面法线的α入射在衍射光栅上的λ＝455 nm处的t-1级衍射te偏振蓝光的衍射效率(η)。模拟2100对于具有 由衬底上的多晶硅形成的一个或多个第一线和第二线的衍射光栅在透射模 式下执行，其中，衬底具有n2＝1.77，其中，λa＝334nm、h
nano1
＝h
nano2
＝75nm、 w
nano1
＝w
nano2
＝30nm、p
nano1
＝96nm和s1＝66nm。用于模拟的折射的复折 射率是n＝4.67+0.636i。如所图示的，对于te偏振绿光，入射角(δα) 或者视场(fov)的范围相对宽，》40(～《-30至～》+10)度，在该范围 之外，衍射效率η从α＝0处的约22％的效率下降约10％。
321.图22图示了根据一些实施例的对于由非晶硅形成并且被配置为衍射 蓝光的示例性衍射光栅的衍射效率(η)对入射角(α)的模拟2200。特 别地，模拟2200显示以相对于表面法线的α入射在衍射光栅上的λ＝455 nm处的t-1级衍射te偏振蓝光的衍射效率(η)。模拟2200对于具有 由衬底上的非晶硅形成的一个或多个第一线和第二线的衍射光栅在透射模 式下执行，其中，衬底具有n2＝1.77，其中，λa＝334nm、h
nano1
＝h
nano2
＝60nm、 w
nano1
＝w
nano2
＝30nm、p
nano1
＝96nm和s1＝66nm。用于模拟的折射的复折 射率是n＝5.363+1.015i。如所图示的，对于te偏振绿光，入射角(δα) 或者视场(fov)的范围相对宽，》40(～《-30至～》+10)度，在该范围 之外，衍射效率η从α＝0处的约18％的效率下降约10％。
322.图23图示了根据一些实施例的对于由碳化硅形成并且被配置为衍射 蓝光的示例性衍射光栅的衍射效率(η)对入射角(α)的模拟2300。特 别地，模拟2300显示以相对于表面法线的α入射在衍射光栅上的λ＝455 nm处的t-1级衍射te偏振蓝光的衍射效率(η)。模拟2300对于具有 由衬底上的碳化硅形成的一个或多个第一线和第二线的衍射光栅在透射模 式下执行，其中，衬底具有n2＝1.77，其中，λa＝334nm、h
nano1
＝h
nano2
＝220 nm、w
nano1
＝w
nano2
＝60nm、p
nano1
＝96nm和s1＝36nm。用于模拟的折射 的复折射率是n＝2.67+0.01i。如所图示
的，对于te偏振绿光，入射角(δ α)或者视场(fov)的范围相对宽，约40(～-18至～+18)度，在该范 围之外，衍射效率η从α＝0处的约30％的效率下降约10％。
323.图24图示了根据一些实施例的对于由氮化硅形成并且被配置为衍射 蓝光的示例性衍射光栅的衍射效率(η)对入射角(α)的模拟2400。特 别地，模拟2400显示以相对于表面法线的α入射在衍射光栅上的λ＝455 nm处的t-1级衍射te偏振蓝光的衍射效率(η)。模拟2400对于具有 由衬底上的氮化硅形成的一个或多个第一线和第二线的衍射光栅在透射模 式下执行，其中，衬底具有n2＝1.77，其中，λa＝334nm、h
nano1
＝h
nano2
＝260 nm、w
nano1
＝w
nano2
＝60nm、p
nano1
＝96nm和s1＝36nm。用于模拟的折射 的复折射率是n＝2.24+0.007i。如所图示的，对于te偏振绿光，入射角(δ α)或者视场(fov)的范围相对宽，约20(～-8至～+12)度，在该范 围之外，衍射效率η从α＝0处的约21％的效率下降约10％。
324.图25图示了根据一些其他实施例的包括具有几何相位光学元件的超 表面的衍射光栅2500的自顶而下视图。将理解到，本文所公开的超表面的 一些实施例可以由各自在不同方向上延伸的两至四组纳米梁形成。图 13a-13b图示了具有两组纳米梁的超表面，而图25图示了具有四组纳米梁 的超表面。特别地，图25的衍射光栅2500包括4等级几何相位超表面。 类似于上文参考图13a和13b所图示的衍射光栅1300，衍射光栅2500包 括衬底(例如，波导)，在该衬底上，形成被配置为衍射具可见光谱内的 波长的光的超表面。超表面包括在第一横向方向(例如，y方向)上延伸 的一个或多个第一线2512和在第二方向(例如，x方向)上延伸的多个第 二线2516。一个或多个第一线2512和第二线2516在第二方向上彼此邻近 设置，其中，第一线2512和第二线2516以小于超表面被配置为衍射的可 见光谱中的波长的周期在第二方向上交替地重复。在一些实施例中，第二 线2516在y方向上在第一线2512的相邻对之间横向地堆叠。除了以下差 异之外，衍射光栅2500的一个或多个第一线1312和第二线1316的各种特 征与上文参考图13a和13b所描述的衍射光栅1300的对应特征类似。
325.不同于上文参考图13a和13b所描述的衍射光栅1300，衍射光栅2500 还包括各自在第三方向上延伸的多个第三线2514和各自在第四方向上延 伸的多个第四线2518中的一者或两者。第一、第二、第三和第四方向中的 每一个可以彼此不同。多个第三线2514可以被认为形成第三组纳米梁，并 且多个第四线2518可以被认为形成第四组纳米梁。第三线2514在第二线 2516的第一侧设置并且在第二方向(例如，x轴方向)上插入在一个或多 个第一线2512与第二线2516之间。第四线2518在第二线2516的与第一 侧相对的第二侧设置并且在第二方向(例如，x方向)上插入在另外一个 或多个第一线2512与第二线2516之间。
326.不同于上文参考图13a和13b所描述的衍射光栅1300，衍射光栅2500 可以仅具有一个第一线2512。在一些其他实施例中，衍射光栅2500可以 具有多个第一线2512，例如，一对第一线，诸如上文参考图13a和13b 所描述的衍射光栅1300。
327.在一些实施例中，第三线2514具有相同长度和/或第四线2518具有相 同长度，使得第三线2514和/或第四线2518分别在第三和第四方向上共同 终止。然而，其他实施例是可能的，在该其他实施例中，第三线2514中的 不同第三线2514和/或第四线2518中的不同第四线2518未共同终止。另 外，在一些实施例中，共同终止第三线2514和共同终止第四线2518具有 相同长度。然而，在其他实施例中，共同终止第三线2514和共同终止第四 线2518具有不同长度。
328.在一些实施例中，第三线2514的相邻第三线由在第一方向(例如，y 方向)上的恒定间隔分离，和/或第四线2518的相邻第四线由在第一方向 上的恒定间隔分离。然而，其他实施例是可能的，在该其他实施例中，第 三线2514和/或第四线2518不由恒定间隔分离。另外，在一些实施例中， 恒定间隔的第三线2514和恒定间隔的第四线2518具有相同恒定间隔。然 而，在其他实施例中，恒定间隔的第三线2514和恒定间隔的第四线2518 具有不同间隔。
329.在一些实施例中，第三线2514具有相同宽度和/或第四线2518具有相 同宽度。然而，在其他实施例中，第三线2514和/或第四线2518具有不同 宽度。另外，在一些实施例中，具有相同宽度的第三线2514和具有相同宽 度的第四线2518的宽度相同。然而，在一些其他实施例中，具有相同宽度 的第三线2514和具有相同宽度的第四线2518的宽度不同。另外，在一些 实施例中，第三线2514和第四线2518具有与第一线2512和第二线2416 中的一者或两者相同的宽度。
330.在一些实施例中，第三线2514在第三方向上延伸，当观察入射光的传 播的方向时(例如，进入页面)，该第三方向在相对于一个或多个第一线 2512的逆时针方向上旋转小于第二线2516相对于一个或多个第一线2512 的最小旋转角的角度。在一些实施例中，第二线2516相对于一个或多个第 一线2512旋转90
°
或π/2，并且第三线2514相对于一个或多个第一线2512 旋转45
°
或π/4。另外，第四线2518在第四方向上延伸，当观察入射光 的传播的方向时，该第四方向在相对于一个或多个第一线2512的逆时针方 向上旋转大于第二线2516相对于一个或多个第一线2512的最小旋转角的 角度。在一些实施例中，第二线2516相对于一个或多个第一线2512旋转 90
°
或π/2，并且第三线2514相对于一个或多个第一线2512旋转135
°
或 3π/4。
331.在一些实施例中，类似于上文参考图12a-12h所图示的波片的组合， 由一个或多个第一线2512、第二线2516、第三线2514和第四线2518的相 对取向引起的相位差可以在0与π之间变化。根据一些实施例，当第三线 2514、第四线2518和第二线2516相对于一个或多个第一线2512旋转π/4、 3π/4和π时，可以分别实现π/2、3π/2和2π的相位拾取/延迟，使得可 以实现覆盖全部0-2π范围的相位拾取/延迟。因此，通过使快轴取向在0 与π之间变化，可以实现覆盖全部0-2π范围的相位拾取/延迟，但是具有 与图12a-12h中的所图示的示例相比的更加紧凑的晶胞节距和更高的衍 射角。
332.基于几何相位超表面的显示设备
333.在显示系统的各种实施例中(例如，返回参考图9a和9b)，波导集 1200可以包括被配置为在透射模式中操作的超表面衍射光栅。在各种实施 例中，波导集1200包括对应于每种分量颜色(r、g、b)的波导670、680、 690，该波导670、680、690进而已经在其中或其上形成耦入光学元件700、 710、720的相应耦入光学元件，该耦入光学元件700、710、720可以包括 或对应于上文参考图13a和13b和25所描述的衍射光栅1300、2500。波 导670、680、690另外已经在其中或其上形成光分布元件(例如，ope) 730、740、750和/或耦出光学元件(例如，epe)800、810、820的相应 光分布元件和/或耦出光学元件，其包括或对应于上文参考图13a和13b 所描述的epe/ope 1346。在操作中，在一些实施例中，当入射光束1330 (例如，可见光)以入射角α入射在超表面1308上时，光栅1300、2500 以衍射角θ2将入射光衍射成衍射光束1342、1338。当衍射光束1338和1342 中的一者或两者以超过衬底1304的全内反射的发生
的临界角θ
tir
的衍射 角衍射时(即，当满足条件θ2》θ
tir
和θ1》θ
tir
中的一者或两者时)，衍 射光束1338和1342中的一者或两者通过全内反射沿着x轴在其相应相反 方向上传播，其中，衬底被配置作为具有折射率n2的波导。随后，在一些 实施例中，衍射光束1346在tir模式下耦合到衬底1304中，直到其到达 上文参考图9a和9b所描述的正交光瞳扩展器(ope)1346或出射光瞳 扩展器(epe)1346。
334.虽然上文参考图13a和13b和图25所图示的光栅1300、2500被配置 为在透射模式中操作，但是其他实施例是可能的。在一些其他实施例中， 返回参考图9a和9b，一些显示设备包括具有被配置为在反射模式中操作 的衍射光栅的波导集1200。在这些实施例中，波导集1200包括对应于每 种分量颜色(r、g、b)的波导670、680、690，该波导670、680、690 进而已经在其中或其上形成耦入光学元件700、710、720的相应耦入光学 元件，该耦入光学元件700、710、720包括或对应于衍射光栅2600，其剖 视图相对于图26描述。衍射光栅2600包括配置为在反射模式中衍射光的 超表面2608，其中，不同于上文参考图13a和13b和25所描述的衍射光 栅1300、2500，在操作中，入射在超表面2608的一侧的光朝向与超表面 2608的光入射侧相同的一侧衍射。衍射光栅2600包括具有表面1304s的 衬底1304，在该表面1304s上，形成被配置为衍射具有可见光谱内的波长 的光的超表面1308。超表面2608包括一个或多个第一线1312和多个第二 线1316，其材料组成、尺寸和表面1304s上的横向布置类似于上文分别参 考图13a和13b和25所描述的衍射光栅1300、2500的材料组成、尺寸和 横向布置。特别地，虽然未图示自顶而下视图，但是超表面1308包括在第 一横向方向(例如，y方向)上延伸的一个或多个第一线1312和在第二方 向(例如，x方向)上延伸的多个第二线1316，其中，一个或多个第一线 1312和第二线1316在第二方向上彼此邻近设置并且在第二方向上以小于 可见光谱中的波长的周期交替地重复。
335.在不由理论限制的情况下，在一些实施例中，类似于上文参考图13a 和13b所描述的超表面1308，在光栅2600的超表面2608中，一个或多个 第一线1312和第二线1316以相对于彼此的角度取向以引起由一个或多个 第一线1312衍射的可见光与由第二线1316衍射的可见光之间的相位差， 其中，由一个或多个第一线1312衍射的可见光与由第二线1316衍射的可 见光之间的相位差是该角度的两倍。
336.虽然未图示，但是类似于上文参考图25所描述的衍射光栅2500，在 一些其他实施例中，衍射光栅2600还包括各自在第三方向上延伸的多个第 三线和各自在第四方向上延伸的多个第四线2518中的一者或两者。另外， 在一些实施例中，所图示的衍射光栅2600仅具有一个第一线2512。
337.上文参考图13a和13b和25所描述的一个或多个第一线1312、第二 线1316、第三线2514和第四线2518的其他各种可能布置可以实现在图26 的衍射光栅2600中，将省略衍射光栅2600的详细描述。
338.不同于上文参考图13a和13b和25所描述的光栅1300和2500，在 光栅2600中，光学透射间隔层2604可以形成在一个或多个第一线1312 和第二线1316上面或上(例如，直接在其上)。另外，反射层2612可以 形成在一个或多个第一线1312和第二线1316上面或上(例如，直接在其 上)，和/或形成在间隔层2604上面或上(例如，直接在其上)。
339.在一些实施例中，间隔层2604直接形成在一个或多个第一线1312和 第二线1316上并且与一个或多个第一线1312和第二线1316接触，使得一 个或多个第一线1312和第二
线1316嵌入在间隔层2604中。间隔层2604 具有大于一个或多个第一线1312和第二线1326的高度高度d的高度或厚 度h
spacer
。根据一些实施例，高度d可以在5nm至1μm、5nm至500nm 或10nm至300nm的范围内。在一些实施例中，间隔层2604具有小于形 成一个或多个第一线1312和第二线1316的体材料的折射率n
1,bulk
的折射 率n
spacer
。在一些实施例中，n
spacer
还小于衬底1304的折射率n2。在各种 实施例中，n
spacer
具有1至2、1.1至1.7、或1.1至1.5的折射率，例如1.2。 在各种实施例中，间隔层2604可以由可以通过旋涂来沉积的材料形成，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、 和聚合物。将理解到，当通过旋涂沉积时，由于旋涂材料可能经历粘性流， 因而与一个或多个第一线1312和第二线1316不存在的区域(例如，间隔 层2604直接形成在衬底1304上的区域)中的间隔层2604的厚度相比，一 个或多个第一线1312和第二线1316上面的间隔层2604的厚度可能更薄。
340.在一些实施例中，反射层2612直接形成在间隔层2604上。在该实施 例中，反射层2612通过形成在一个或多个第一线2612和第二线2616上面 的间隔层2604与一个或多个第一线2612和第二线2616分离。然而，在一 些其他实施例中，反射层2612可以直接形成在一个或多个第一线1312和 第二线1316上。在这些实施例中，一个或多个第一线1312和第二线1316 可以嵌入在反射层2612中；即，反射层2612可以填充一个或多个第一线 1312之间和/或第二线1316之间的空间。
341.反射层2612可以由基本上反射光(例如，可见光)的材料形成，诸如 金属或金属材料，诸如铝、银、金和铜。在一些其他实施例中，反射层2612 可以由其他光反射材料形成，诸如反射聚合物。当直接形成在间隔层2604 上时，反射层2612的高度或厚度hr可以足够厚以基本上无透射并且没有 孔隙，例如，比150nm更厚、比500nm更厚或比1μm更厚，或者在 这些厚度的范围内。在反射层2612直接形成在一个或多个第一线1312和 第二线1316上的实施例中，反射层2612的厚度可以足以埋入一个或多个 第一线1312和第二线，并且可以大于相应厚度h
nano1
和h
nano2
。
342.图27图示了对于根据上文参考图26所描述的衍射光栅2600的各种实 施例的示例性衍射光栅的衍射效率(η)对入射角(α)的模拟2700。特 别地，模拟2700显示在反射模式下对对衍射光栅模拟的t-1级衍射te偏 振绿光(λ＝520nm)的衍射效率(η)，其中，衍射光栅具有由衬底上 的多晶硅形成的一个或多个第一线和第二线，其中，衬底具有n2＝1.77，λ a
＝382nm、h
nano1
＝h
nano2
＝50nm、w
nano1
＝w
nano2
＝30nm、p
nano1
＝95.5nm、s1＝ 65.5nm和d＝50nm。如所图示的，入射角(δα)或者视场(fov)的 范围相对宽并且超过约45度(-25至+20度)，在该范围之外，衍射效 率η从α＝0处的约40％的效率下降约10％。
343.制造几何相位超表面的方法
344.在以下中，描述了制造几何相位超表面的方法。在一些实施例中，几 何相位超表面可以使用用于在低折射率衬底1304上形成一个或多个第一 线1312和第二线1316的高折射率材料的沉积、随后使用光刻和蚀刻工艺 图案化来制造。在一些其他实施例中，几何相位超表面可以使用在低折射 率衬底1304上的一个或多个第一线1312和第二线1316的高折射率材料的 沉积、随后使用纳米压印技术图案化来制造。
345.图28a-28d分别图示了根据一些实施例的使用光刻和蚀刻制造具有 几何相位超表面的衍射光栅的各种阶段处的中间结构2800a-2800d的剖 视图。参考图28a的中间结构2800a，方法包括提供具有适于在其上形成 超表面1308的表面1304s的衬底1304。衬底1304
包括具有折射率n2和 上文参考图13a和13b所描述的各种其他材料属性的光透射材料。方法另 外包括在表面1304s上形成具有折射率n
1 bulk
和上文参考图13a和13b所 描述的各种其他材料属性的高折射率层1310。当图案化时，高折射率层 1310适于形成如上文参考图13a和13b所描述的一个或多个第一线1312 和第二线1316。根据一些实施例，高折射率层1310可以使用任何适合的 技术沉积，诸如化学气相沉积(cvd)，包括基于等离子体的dvd过程， 诸如等离子体增强化学气相沉积(pecvd)和基于热的cvd过程，诸如 低压化学气相沉积(lpcvd)。除了其他技术，高折射率层1310还可以 使用物理气相沉积(pvd)、蒸发和原子层沉积来沉积。方法此外包括在 高折射率层310上形成掩模层1604a。掩模层1604a可以由适于为底层高 折射率层1310的后续蚀刻提供模板的一个或多个材料层形成或者包括适 于为底层高折射率层1310的后续蚀刻提供模板的一个或多个材料层。在一 些实施例中，掩模层1604a可以是光致抗蚀剂，该光致抗蚀剂可以被旋涂， 随后后烘烤。在一些其他实施例中，掩模层1604可以包括多个层，包括形 成在高折射率1310上的硬掩模层和形成在硬掩模层上的光致抗蚀剂层。例 如，当光致抗蚀剂层在对于底层高折射率层1310的后续蚀刻图案转印期间 可能未提供足够的蚀刻选择性时，可以包括硬掩模层。硬掩模层还可以用 作抗反射涂层以在后续曝光过程期间减少反射。在一些实施例中，硬掩模 层可以是旋涂聚合物或通过用于沉积高折射率层1310的沉积技术中的任 一种沉积的膜。当被包括时，硬掩模层可以比叠加的光致抗蚀剂层提供更 大的蚀刻选择性。在一些实施例中，光致抗蚀剂可以是正性光致抗蚀剂或 者负性光致抗蚀剂。正性光致抗蚀剂是光致抗蚀剂的暴露于光的部分变得 可溶解到光致抗蚀剂显影剂的一种类型的光致抗蚀剂，而负性光致抗蚀剂 是光致抗蚀剂的暴露于光的部分变得不可溶解到光致抗蚀剂显影剂的一种 类型的光致抗蚀剂。
346.在一些实施例中，光致抗蚀剂和/或硬掩模层可以由含硅或二氧化硅的 材料形成，该含硅或二氧化硅的材料可以具有针对高折射率层1310的足够 的蚀刻选择性，使得光致抗蚀剂和/或硬掩模层通过底层高折射率层1310 的蚀刻保持相对完整。在这些实施例中，含硅或二氧化硅的光致抗蚀剂和/ 或硬掩模层可以在图案化之后保持在一个或多个第一线和/或第二线的顶 部，如上文参考图16a所描述的。
347.参考图28b的中间结构2800b，在沉积和沉积后烘烤之后，方法包括 通过将光致抗蚀剂的部分选择性地暴露于光的图案将掩模层1604的光致 抗蚀剂层图案化。对光(例如，相干uv光、或电子束)的暴露引起化学 改变，例如，光致抗蚀剂的聚合交联，该化学改变允许光致抗蚀剂的暴露 部分通过用于正性光致抗蚀剂的显影剂溶液选择性地移除，或者允许光致 抗蚀剂的未暴露部分通过用于负性光致抗蚀剂的显影剂溶液选择性地移 除。在选择性地移除时，产生的图案化掩模光致抗蚀剂保持在高折射率层 1310上，从而用作用于通过例如蚀刻对底层硬掩模层(当包括时)的后续 图案化的模板。产生的中间结构2800c示出图案化掩模层1604，该图案化 掩模层1604包括图案化光致抗蚀剂以及可选的图案化硬掩模层(当包括 时)。
348.参考图28c的中间结构2800c，图案化掩模层1604可以用作将底层 高折射率层1310蚀刻为在第一横向方向(例如，y方向)上延伸的一个或 多个第一线1312和在第二方向(例如，x方向)上延伸的多个第二线1316 的模板，如上文参考图13a和13b更详细描述的。在各种实施例中，可以 蚀刻(例如，各向异性地干法蚀刻)高折射率层1310。采用的蚀刻过程可 以具有针对掩模层1604和/或衬底1304的适合的选择性，使得高折射率层 1310的部分
被移除，而没有提早移除掩模层1604和/或没有不期望地损坏 衬底1304的裸露部分。
349.参考中间结构2800d，在一些实施例中，一个或多个第一线1312和第 二线1316上的掩模层1604被从其移除。可以通过例如使用称为灰化的过 程中的液体抗蚀剂剥离液或者基于氧气的等离子体移除掩模层1604的抗 蚀剂部分。如果期望并且当包括时，底层硬掩模层可以随后使用湿法或干 法蚀刻过程移除，该湿法或干法蚀刻过程选择性地移除硬掩模，而基本上 不影响一个或多个第一线1312和第二线1316或衬底1304。然而，一些实 施例(例如，上文参考图16a所描述的实施例)，掩模层1604(例如，光 致抗蚀剂/硬掩模或硬掩模)可以留下而不移除。
350.图29a-29d分别图示了根据一些实施例的具有几何相位超表面纳米 压印技术的衍射光栅的制造的各种阶段处的中间结构2900a-2900d的剖 视图。在一些实施例中，分别形成图29a、29c和29d的中间结构2900a、 2900c和2900d的方法类似于分别形成图28a、28c和28d的中间结构 2800a、2800c和2800d的方法。然而，形成图29b的中间结构2900b的 方法与形成图28b的中间结构2800b的方法不同，下面描述了其差异。
351.参考图29b的中间结构2900b，不同于上文参考图28b所描述的方法， 取代通过使用光或电子束选择性地暴露和移除光致抗蚀剂的部分来将光致 抗蚀剂层图案化，在所图示的实施例中，使纳米压印模板2904或者纳米压 印模具与掩模层1604a的压印抗蚀剂接触，其中，纳米压印模板2904或 者纳米压印模具具有根据一个或多个第一线1312和第二线1316的形成的 预定义拓扑图案。在一些实施例中，模板2904在某个温度下(例如，高于 压印抗蚀剂的玻璃转换温度)被按压到由热塑性聚合物形成的压印抗蚀剂 中，从而将模板2904的图案转移到软化的压印抗蚀剂中。在冷却之后，模 板2904与压印抗蚀剂分离并且图案化抗蚀剂留在高折射率层1310上。在 一些其他实施例中，在被按压到压印抗蚀剂中之后，压印抗蚀剂通过在uv 光下的交联硬化。
352.虽然未图示，但是可以通过图28d或29d中示出的中间结构的附加处 理形成反射模式超表面，例如，参考图26所描述的超表面2608。例如， 间隔层2604或者反射层可以沉积在一个或多个第一线1312与第二线1316 之间的开口体积中。在一些其他实施例中，可以通过在掩盖间隔层2604 或者掩盖反射层中蚀刻沟槽并且随后利用一个或多个第一线1312和第二 线1316的高折射率材料填充沟槽形成一个或多个第一线1312和第二线 1316。
353.将理解到，配置为具有形成在其上的根据各种实施例的超表面的波导 的衬底1304可以用于形成显示系统，诸如本文中所公开的系统250(图5)。 例如，超表面可以用作如本文所描述的耦入光学元件、光分布光学元件和/ 或耦出光学元件。在一些实施例中，在超表面的制造之后，波导2000可以 光学耦合到光导管，诸如用于从空间光调制器将图像信息注入波导中的光 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 设备360、370、380、390、400(图6)和扫描光纤。在一些实施例中，可 以提供各自具有超表面1308的多个波导，并且这些波导中的每一个可以光 学耦合到一个或多个图像注入设备。
354.具有非对称光学元件的几何相位超表面
355.如上文所描述的，包括pboe的超表面的应用包括其作为能够将光束 操控到数个衍射级的衍射光栅(例如，闪耀光栅)的使用。例如，如上文 相对于图13a和13b所描述的，衍射光栅1300可以被配置为实现关于多 个衍射级(例如，+1和-1衍射级)的最大光栅效率。例
如，如上文相对于 图13a和13b所描述的，基于pboe的闪耀光栅1300可以被配置为部分 地透射入射光作为透射光束1334并且部分地衍射入射光作为在衍射角θ1处的+1级的衍射光束1342和在衍射角θ2处的-1级的衍射光束1338，其 中，衍射角相对于用于测量α的相同平面(例如，y-z平面)来测量。当 衍射光束1338和1342中的一者或两者以超过在被配置为波导的衬底1304 中的全内反射的发生的临界角θ
tir
的衍射角衍射时，衍射光束1338和 1342在全内反射下在沿着x轴的其相应相反方向上传播，直到光束到达 ope/epe 1346，该ope/epe 1346可以对应于光分布元件1214、1224、 1234和耦出光学元件1250、1252、1254(图9b)。然而，对于一些应用， 可以期望的是，将衍射光集中到多个衍射级中的一个(例如，+1衍射级 1338或-1衍射级1338中的一个)中，同时降低多个衍射级中的另一个(例 如，+1级1338或-1衍射级1338中的另一个)。例如，返回参考图13a/13b， 当衬底1304被配置为波导，使得衍射光束1338和1342在全内反射(tir) 下沿着x轴传播直到光束到达设置在一侧的ope/epe 1346时，将衍射光 集中到单个衍射提供实际上可用于输出给观察者的更大的光量。
356.参考图30a和30b，图示了配置为操控特定衍射级中的光的2相位等 级非对称几何相位超表面。图30a和30b分别图示了包括配置为衍射具有 波长的可见光的超表面3008的衍射光栅3000的剖面侧视图和自顶而下视 图，其中，超表面包括多个重复晶胞1320a。每个晶胞包括第一组纳米梁， 该第一组纳米梁包括在第一纳米梁3012中的至少两个彼此相比具有不同 宽度的意义上非对称的两个或两个以上第一纳米梁3012。每个晶胞还包括 第二组纳米梁，该第二组纳米梁包括多个第二纳米梁3016，其包括非对称 第二纳米梁3016，其中的至少两个具有不同宽度。第二纳米梁邻近第一纳 米梁设置并且彼此分离亚波长间隔，其中，第一纳米梁3012和第二纳米梁 3016具有不同取向。有利地，已经发现，具有这些非对称纳米梁的超表面 可以衍射光，使得光更高效地操控到多个衍射级中的一个(例如，+1衍射 级1342或-1衍射级1338中的一个)，同时降低多个衍射级中的另一个(例 如，+1级1342或-1衍射级1338中的另一个)。
357.在一些实施例中，衍射光栅3000包括2等级几何相位超表面。参考图 30a所图示的剖面侧视图是沿着图30b的线aa'取得的剖面的剖面侧视 图。衍射光栅3000包括具有表面的衬底1304，在该表面上形成被配置为 衍射具有可见光谱内的波长的光的超表面3008。超表面3008包括具有第 一取向并且通常在第一横向方向(例如，y方向)上延伸的第一线或纳米 梁3012和通常在第二方向(例如，x方向)上延伸的多个第二线或纳米梁 3016。第一线或纳米梁3012可以被认为形成第一组纳米梁，并且第二线或 纳米梁3016可以被认为形成第二组纳米梁。第一线3012和第二线3016 在第二方向上彼此邻近设置，并且第一线3012和第二线3016以周期(例 如，小于超表面被配置为衍射的光的波长的周期)在第二方向上交替地重 复。有利地，与诸如us 9,507,064的结构相比，具有空间不同的取向的超 表面可以高效地衍射具有多个偏振(例如，te和tm偏振)的光。
358.将理解到，包括例如各种材料的折射率以及光栅的操作原理的衍射光 栅3000的物理和光学性质类似于上文所描述的各种实施例，例如，上文相 对于图13a/13b所描述的衍射光栅1300。另外，衍射光栅3000的晶胞节 距λa以及第一纳米梁3012和第二纳米梁3016的尺寸(例如，高度、长度 和宽度)类似于上文所描述的各种实施例，并且为了简要起见在本文中省 略了其详细描述。
359.然而，不同于上文所描述的一些实施例，第一纳米梁3012中的至少一 个具有与第一纳米梁3012中的另一个不同的宽度，并且第二纳米梁3016 中的至少一个具有与第二纳米梁3016中的另一个不同的宽度。在所图示的 实施例中，晶胞包括第一组纳米梁，该第一组纳米梁包括具有彼此不同的 第一宽度w
nano1-1
和第二宽度w
nano1-2
的一对第一纳米梁3012。晶胞另外包 括第二组纳米梁，该第二组纳米梁包括具有彼此不同的第三宽度w
nano2-1
和第四宽度w
nano2-2
的多个第二纳米梁3016。因此，在所图示的实施例中， 第一组纳米梁包括具有两个不同宽度的交替的纳米梁，并且第二组纳米梁 包括具有两个不同宽度的交替的纳米梁。然而，实施例不限于此，并且第 一和/或第二组纳米梁可以具有具有其他宽度的附加的纳米梁。
360.在以下中，描述了包括第一线3012和第二线3016的尺寸和几何布置 的各种配置，它们的组合效果是将衍射光操控到多个衍射级中的一个，同 时降低多个衍射级中的另一个或多个，以及实现上文所描述的各种期望的 光学性质，包括相对高衍射角、相对高衍射效率、接受角的相对宽范围和 接受角的范围内的相对均匀的效率和用于te和tm偏振二者的相对高效 率中的一种或多种。
361.详细地，参考图30a，在操作中，当入射光束1330(例如，可见光) 以相对于垂直于表面1304s并且在平行于第一线1312的方向上延伸的平 面(例如，y-z平面)所测量的入射角α入射在超表面3008上时，光栅3000 部分地透射入射光作为透射光束并且部分地衍射入射光作为在衍射角θ1处的+1级1342的衍射光束，同时基本上抑制在衍射角θ2处的-1级(为了 清晰起见未示出)的衍射光束，其中，衍射角相对于用于测量α的相同平 面(例如，y-z平面)来测量。类似于如上文所描述的，当+1级1342的衍 射光束以超过用于配置为波导的衬底1304中的全内反射的发生的临界角 θ
tir
的衍射角衍射时，衍射光束在全内反射(tir)下沿着x轴传播，直 到光束到达ope/epe 1346(为了清晰起见未示出，参见，例如图13a、 13b)。
362.在各种实施例中，第一线1312的w
nano1
和第二线1316的w
nano2
中的 每一个小于超表面1308被配置为衍射的光的波长，并且优选地小于可见光 谱内的波长。在一些实施例中，w
nano1-1
、w
nano1-2
、w
nano2-1
和w
nano2-2
中的 每一个在10nm至1μm、10nm至500nm、10nm至300nm、10nm 至100nm或10nm至50nm的范围内，例如30nm。在一些实施例中， w
nano1-1
基本上等于w
nano2-1
，并且w
nano1-2
基本上等于w
nano2-2
。在一些其 他实施例中，w
nano1-1
、w
nano2-1
、w
nano1-2
和w
nano2-2
中的每一个可以不同。
363.根据一些实施例，在第二方向(x方向)上的第一线1312中的直接相 邻的第一线1312由间隔s
1-1
分离。另外，第一线1312之一在相对侧由不 同恒定间隔s
1-2
和s
1-3
与第二线1316之一分离。根据一些实施例，s
1-1
、s
1-2
和s
1-3
中的每一个小于超表面3008被配置为衍射的波长。
364.根据一些实施例，在第一方向(y方向)上的第二线3016中的直接相 邻的第二线3016由交替重复的间隔s
2-1
和s
2-2
分离，其中，交替地重复的 第二线3016具有两个不同宽度w
nano2-1
和w
nano2-2
。根据一些实施例，s
2-1
和s
2-2
中的每一个小于超表面3008被配置为衍射的波长。
365.继续参考图30a，第一线3012和第二线3016具有可以相同或者不同 并且在尺寸方面与例如上文相对于图13a/13b所描述的类似的高度h
nano
， 为了简要起见，未描述其关于尺寸和例如对视场(fov)的技术效果的描 述。此外，可以实现不同纳米梁的间隔与高度的
期望比率，其中，例如， 间隔s
1-1
、s
1-2
、s
1-3
、s
2-1
和s
2-2
中的每一个在10nm至1μm、10nm至300 nm、10nm至100nm或10nm至50nm的范围内，例如30nm。当然， 可以实现s
1-1
、s
1-2
、s
1-3
、s
2-1
和s
2-2
的相对较低值，其中，h
nano1
和h
nano2
对 应地具有相对较低值。
366.根据各种实施例，可以选择s
1-1
和w
nano1-1
或w
nano1-2
之一的组合，使 得定义为s1-1和w
nano1-1
或w
nano1-2
之一的和的第一线3012的节距(p
nano1
) 具有由w
nano1-1
、w
nano1-2
和s1的和获得的值，该w
nano1-1
、w
nano1-2
选自10nm 至1μm、10nm至500nm、10nm至300nm、10nm至100nm或10nm 至50nm的范围，并且该s1选自10nm至1μm、10nm至300nm、10nm 至100nm或10nm至50nm的范围。例如，在一些实施例中，p
nano1
＝95.5 nm。
367.当然，可以实现s
1-1
、s
1-2
、s
1-3
、s
2-1
和s
2-2
的相对小值，并且h
nano
可以 对应地具有相对小值。有利地，使用具有相对高折射率n1的材料形成一个 第一线1312和/或第二线1316，可以获得s
1-1
、s
1-2
、s
1-3
、s
2-1
和s
2-2
、h
nano
的相对小值。这是因为，如发明人已经发现，数量h
nano
可以与形成第一线 3012和第二线3016的材料的体折射率成反比。因此，在各种实施例中， 对于具有2.0-2.5、2.5-3.0、3.0-3.5和高于3.5的体折射率的材料，h
nano
可 以分别在500nm至1μm、300nm至500nm、100nm至300nm和10nm 至100nm的范围内。因此，通过具有第一线3012和第二线3016的高体 折射率n1的材料和对应的尺寸s
1-1
、s
1-2
、s
1-3
、s
2-1
和s
2-2
的特定组合，总 体节距λa也可以相应地减小，其进而增加衍射角θ，如下面进一步描述的。
368.图31a和31b图示了对于由多晶硅形成并且被配置为衍射绿色可见光 的示例性衍射光栅的衍射效率(η)对入射角(α)的模拟3100、3104。 特别地，模拟3100和3004分别显示了以相对于表面法线的α入射在衍射 光栅上的λ＝520nm处的t+1(3114，图31a)和t-1(3118，图31a) 级衍射te偏振绿光和λ＝520nm处的t+1(3124，图31b)和t-1(3128， 图31b)级tm偏振绿光的衍射效率(η)。模拟3100和3104对于具有 由衬底上的多晶硅形成的第一线和第二线的衍射光栅在透射模式中执行， 其中，衬底具有n2＝1.77，其中，λa＝382nm、h
nano1
＝107nm、w
nano1-1
＝w
nano2-1
＝30nm和w
nano1-2
＝w
nano2-2
＝45nm、s
1-1
＝58nm、s
1-2
＝23nm、s
1-3
＝35 nm、s
2-1
＝s
2-2
＝58nm。
369.如在图31a中所图示的，对于te偏振光，衍射光栅3000将入射光 相对高效地衍射到t+1级衍射束3114，同时降低t-1级衍射束3118，其 中，在α＝0处对应的衍射效率分别超过50％和约10％。对于t+1级te 偏振绿光，入射角(δα)或者视场(fov)的范围相对宽，约(～20至》+20) 度，在该范围之外，衍射效率η从α＝0处的超过50％的效率下降约10％ 或更多。如在图31b中所图示的，对于tm偏振光，衍射光栅3000在t+1 级衍射束3124与t-1级衍射束3128之间相对均匀地衍射入射光，其中， 对应的衍射效率在α＝0处低于20％。
370.图32a和32b分别图示了根据一些实施例的由非晶硅形成的示例性衍 射光栅对te和tm偏振绿光的模拟衍射效率(η)对入射角(α)。特 别地，模拟3200和3204分别显示了以相对于表面法线的α入射在衍射光 栅上的λ＝520nm处的t+1(3214，图32a)和t-1(3218，图32a)级 衍射te偏振绿光和λ＝520nm处的t+1(3224，图32b)和t-1(3228， 图32b)级tm偏振绿光的衍射效率(η)。模拟3200和3204对于具有 由衬底上的非晶硅形成的第一线和第二线的衍射光栅在透射模式操作中执 行，其中，衬底具有n2＝1.77，其中，λa＝382nm、h
nano
＝85nm、w
nano1-1
＝w
nano2-1
＝25nm和w
nano1-2
＝w
nano2-2
＝40nm、s
1-1
＝63nm、s
1-2
＝25nm、s
1-3
＝38 nm、s
2-1
＝s
2-2
＝63nm。
371.如在图32a中所图示的，对于te偏振光，衍射光栅3000将入射光 相对高效地衍射
到t+1级衍射束3214，同时降低t-1级衍射束3218，其 中，在α＝0处分别具有约42％和约13％的对应衍射效率。对于t+1级te 偏振绿光，入射角(δα)或者视场(fov)的范围相对宽，》40(《-30 至》+10)度，在该范围之外，衍射效率η从α＝0处的超过40％的效率下 降约10％或更多。如在图32b中所图示的，对于tm偏振光，衍射光栅 3000在t+1级衍射束3224与t-1级衍射束3228之间相对均匀地衍射入射 光，其中，对应的衍射效率在α＝0处超过15％。
372.图33a和33b分别图示了根据一些实施例的的由非晶硅形成的示例性 衍射光栅对te和tm偏振绿光的模拟衍射效率(η)对入射角(α)。 特别地，模拟3300和3304分别显示了以相对于表面法线的α入射在衍射 光栅上的λ＝520nm处的t+1(3314，图33a)和t-1(3318，图33a) 级衍射te偏振绿光和λ＝520nm处的t+1(3324，图32b)和t-1(3328， 图32b)级tm偏振绿光的衍射效率(η)。模拟3300和3304对于具有 由衬底上的非晶硅形成的第一线和第二线的衍射光栅在透射模式中执行， 其中，衬底具有n2＝1.77，其中，λa＝382nm、h
nano
＝85nm、w
nano1-1
＝w
nano2-1
＝30nm和w
nano1-2
＝w
nano2-2
＝45nm、s
1-1
＝58nm、s
1-2
＝23nm、s
1-3
＝35 nm、s
2-1
＝s
2-2
＝58nm。
373.如在图33a中所图示的，对于te偏振光，衍射光栅3000将入射光 相对高效地衍射到t+1级衍射束3314，同时降低t-1级衍射束3318，其 中，在α＝0处分别具有约39％和约13％的对应衍射效率。对于t+1级te 偏振绿光，入射角(δα)或者视场(fov)的范围相对宽，》40(《-30 至》+10)度，在该范围之外，衍射效率η从α＝0处的超过35％的效率下 降约10％或更多。如在图33b中所图示的，对于tm偏振光，衍射光栅 3000在t+1级衍射束3324与t-1级衍射束3328之间相对均匀地衍射入射 光，其中，对应的衍射效率在α＝0处超过15％。
374.在本文中描述了本发明的各种示例实施例。以非限制性的意义对这些 示例进行参考。它们被提供以图示本发明的更宽广的适用方面。可以对所 描述的本发明做出各种改变并且可以代替等效物而不脱离本发明的真实精 神和范围。
375.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， 但是本文所公开的增强现实内容也可以由单个深度平面上提供图像的系统 和/或利用虚拟现实显示器显示。在复用图像信息(例如，不同颜色的光) 引导到波导中的一些实施例中，多个超表面可以提供在波导上，例如，对 于光的每种颜色有效的一个超表面。在一些实施例中，形成超表面的突出 的节距或者周期性和/或几何尺寸可以跨超表面变化。这样的超表面可以在 重定向不同波长的光时是有效的，这取决于该光入射在超表面上的位置处 的几何形状和节距。在一些其他实施例中，超表面特征的几何形状和节距 被配置为变化，使得甚至具有类似波长的偏转光线以不同角度传播离开超 表面。还将理解到，多个分离的超表面可以跨衬底表面设置，其中，在一 些实施例中，超表面中的每一个具有相同几何形状和节距，或者其中，在 一些其他实施例中，超表面中的至少一些具有与其他超表面不同的几何形 状和/或节距。
376.而且，虽然有利地用于显示器(诸如可穿戴显示器)，但是超表面可 以用于期望紧凑的低轮廓光重定向元件的各种其他设备。例如，金属表面 通常可以用于光学板(例如，玻璃板)、光纤、显微镜、传感器、手表、 照相机和图像投影设备的光重定向部件。
377.另外，可以做出许多修改以将特定情况、材料、物质的组成、过程、 (一个或多个)过程动作或(一个或多个)步骤适于本发明的(一个或多 个)目的、精神或范围。而且，如由本领域的技术人员将理解到，本文中 所描述和所图示的每个单独变型具有可以容易地与
或修改。这些块中的每个块可以以各种不同方式实现。上文所描述的各种 实施例的元件和动作的任何适合的组合可以被组合以提供进一步的实施 例。上文所描述的各种特征和过程可以独立于彼此实现，或者可以以各种 方式组合。本公开的特征的任何适合的组合和子组合旨在落在本公开的范 围内。