[发明专利]用于从入射电磁波形成输出电磁波的器件

说明书

公开了一种从入射电磁波形成输出电磁波的光学器件。这种器件包括至少一个单位单元，该单位单元包括：‑至少两个光学元件，光学元件的特征在于对所述入射电磁波的光学响应类型；‑选择装置，其能够响应于所述入射电磁波，根据所述入射电磁波的波长，选择性地激发所述至少两个光学元件中的至少一个光学元件，其中所述选择装置包括至少一种具有不同折射率的至少两种介电材料的基于纳米射流的介电偏转器复合物，并且其中所述光学元件被放置在距所述基于纳米射流的介电偏转器一定距离处。

1.技术领域

本公开涉及光学和光子学领域，并且更具体地涉及基于超薄光学界面的平面光学器件，所述超薄光学界面也被称为超表面(metasurface)器件。其可以应用于舒适和可穿戴的光学器件(即，AR/VR眼镜(增强现实/虚拟现实))领域，以及包括显示器和/或轻质成像系统的各种其它电子消费产品。

2.背景技术

本部分旨在向读者介绍可能与下面描述和/或要求保护的本发明的各个方面相关的技术的各个方面。相信该讨论有助于向读者提供背景信息，以便于更好地理解本发明的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应就此而论来阅读，而不是作为对现有技术的承认。

AR/VR眼镜被认为是下一代人机接口，因此提高了主要工业玩家在消费电子和移动设备领域的重要兴趣。

AR/VR眼镜(更一般地，眼镜电子设备)的开发与许多挑战相关联，这其中包括减小这种设备的尺寸和重量以及改进图像质量(在对比度、视场、色深等方面)，这应当足够逼真以实现真正的沉浸式用户体验。

图像质量和光学组件的物理尺寸之间的折衷推动了对超紧凑(优选亚波长尺寸)光学组件的研究，所述光学组件可以用作更复杂的光学系统(例如，AR/VR眼镜)的构件。

常规的体积光学组件(例如，折射和衍射微透镜以及自由形式的光组合器)体积庞大，因此不能完全满足眼镜设备的需要。

基于不同物理原理的替代解决方案对于提供期望的性能是必要的。

折射和衍射光学器件的一个残留问题是由光在传播过程中累积的相位色散引起的强烈色差。该色差限制了光学系统在多波长或宽带应用中的使用。焦距对波长的依赖性是造成成像系统质量下降的原因。在从常规显微术和摄影到复杂的天文光谱和光学相干断层摄影的各种成像系统中需要克服色差。分别使用两个和三个元件(消色差双合透镜和复消色差三合透镜)来实现在两个和三个波长处消除色差，所述两个和三个元件被布置成在所关注的波长处实现相同的焦距。然而，这些多透镜方法体积大并且需要复杂的设计和多种材料。

为了克服传统光学组件的固有限制，最近已经提出了基于包括多个亚波长尺度光学谐振器的光学界面的一系列新的超薄光学器件。这一系列器件也称为“平坦光学器件”和“超表面”器件。

超表面可以被定义为具有亚波长尺寸的亚波长间隔的光学元件的光学薄(即，比入射电磁波的波长薄得多)阵列，其由通常由金属(例如，金)或高折射率介电材料(例如，硅)制成的单独微粒形成，其可以充当谐振器、光学天线。超表面可以在水平维度上被结构化或不被结构化成亚波长尺度的图案。

超表面也可以定义为散射元件的周期性阵列，其尺寸和周期与工作波长相比是小的。

由于与工作波长相比，超表面的厚度可以忽略，所以超表面(单位单元成分的近共振)可以被认为是促进入射光的振幅和相位的突变的不连续界面。因此超表面的最重要的应用之一是通过对入射波赋予局部梯度相移来控制电磁波的波前。它们实际上可以提供入射电磁波(例如，可见光)的相位、幅度和/或偏振的突变。

此外，超表面器件的光学响应可以通过调整单独微粒的形状和尺寸和/或它们之间的间距来定制。