CN110506222A - 消色差的超表面透镜 - Google Patents

Abstract

消色差的超表面透镜包括滤色器阵列和靠近滤色器阵列而定位的超表面透镜。滤色器阵列包括用于不同颜色的光的多个滤色器元件。超表面透镜包括基于该滤色器阵列的纳米结构的多个对应子集。纳米结构的每个相应子集与对应的滤色器元件光学对准。例如，被配置为修改特定颜色的光的纳米结构的子集可以与过滤相同特定颜色的光的滤色器元件光学对准。消色差的超表面透镜可以被包含到诸如头戴式显示器的显示***中。显示***还可以包括窄带显示源，窄带显示源被调谐到滤色器阵列中的滤色器元件。

Description

消色差的超表面透镜

背景技术

传统上，聚焦光学元件通常地依赖于玻璃透镜，其基于根据斯涅尔定律的折射原理。虽然已经针对许多不同用途优化了玻璃透镜的使用，但是对于一些应用来说玻璃透镜可能太厚或太笨重。一种这样的应用是在诸如虚拟现实或增强现实头戴式耳机的头戴式显示器中的使用。因为头戴式显示器被附接到用户的头部，所以通常倾向于具有紧凑且重量轻的头戴式显示器。然而，使用传统的透镜不允许头戴式显示器的尺寸降至低于特定阈值。当使用传统光学元件时，诸如相机和投影单元等的其他光学元件也遭受类似的限制。

发明内容

本技术涉及消色差的超表面透镜，包含消色差的超表面透镜的显示***，以及用于制造消色差的超表面透镜的方法。消色差的超表面透镜包括滤色器阵列和超表面透镜，该超表面透镜具有与滤色器阵列中的滤色器元件相对应的纳米结构的子集。例如，在一个示例中，滤色器阵列可以包括用于红色的滤色器元件、用于绿色的滤色器元件以及用于蓝色的滤色器元件。在这样的一个示例中，超表面透镜包括被配置为修改红色光的纳米结构的子集、被配置为修改绿色光的纳米结构的子集、以及被配置为修改蓝色光的纳米结构的子集。纳米结构的每个相应子集与对应的滤色器元件光学对准。例如，被配置为修改红色光的每个纳米结构的子集可以与红色滤色器元件光学对准。通过以这种方式配置消色差的超表面透镜的滤色器阵列和超表面透镜，可以避免传统上与超表面透镜相关联的色差。

消色差的超表面透镜可以被包含到诸如头戴式显示器的显示***中。显示***包括发射光的显示源，该光向消色差的的超表面透镜传播。超表面透镜诸如通过准直光来修改光。经准直的光然后向观察位置传播。在一些示例中，显示源可以是发射窄带光的窄带显示源，该窄带光被调谐到消色差的超表面透镜中的滤色器元件。例如，在滤色器元件被配置为分别过滤红色、绿色和蓝色的上述示例中，窄带显示源可以包括发射红色光、绿色光和蓝色光的窄带的发光体。通过使用这种窄带发光体，可以进一步减少显示***中的色差。

消色差的超表面透镜可以通过光刻或其他合适的制造方法而被制造。例如，超表面透镜可以由针对消色差的的超表面透镜的纳米结构设计而被制造。纳米结构设计可以包括针对被配置为修改不同颜色的光的纳米结构的子集的设计。在一些示例中，滤色器阵列可以在超表面透镜的顶部上或靠近超表面透镜被制造，以创建消色差的超表面透镜。

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍概念的选择，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步被描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的技术方案的范围。

附图说明

在所有附图中，相同的数字表示相同的元素或相同类型的元素。

图1A描绘了根据本技术的一个示例的具有显示源和消色差的超表面透镜的显示***。

图1B描绘了根据本技术的一个示例的包含消色差的超表面透镜和窄带显示源的头戴式显示器。

图2A描绘了根据本技术的一个示例的包括多个滤色器元件的滤色器阵列。

图2B描绘了根据本技术的一个示例的样本滤色器的光谱灵敏度曲线图。

图3A描绘了根据本技术的一个示例的针对第一波长的光而设计的超表面透镜。

图3B描绘了根据本技术的一个示例的针对第二波长的光而设计的超表面透镜。

图3C描绘了根据本技术的一个示例的针对第三波长的光而设计的超表面透镜。

图4A描绘了根据本技术的一个示例的图3A中所描绘的针对第一波长的超表面设计的一部分，该部分对应于图2中所描绘的滤色器阵列。

图4B描绘了根据本技术的一个示例的图3B中所描绘的针对第二波长的超表面设计的一部分，该部分对应于图2中所描绘的滤色器阵列。

图4C描绘了根据本技术的一个示例的图3C中所描绘的针对第三波长的超表面设计的一部分，该部分对应于图2中所描绘的滤色器阵列。

图5描绘了根据本技术的一个示例的超表面透镜的纳米结构设计。

图6描绘了根据本技术的一个示例的消色差的超表面透镜的分解透视图。

图7描绘了根据本技术的一个示例的用于制造消色差的超表面透镜的方法。

具体实施方式

本技术提供了一种消色差的超表面透镜，其能够精确地修改多个波长的光以显著地减少色差。光学超表面透镜是以亚波长的空间分辨率修改光学波前的纳米结构的二维阵列、或纳米散射体。光学超表面透镜是有益的，在于其可以被制成几乎完全平坦且非常薄。其在修改光时也通常不会引起任何球面像差。然而，现有的超表面透镜跨多个波长的光(诸如跨约450nm至680nm的可见光带)表现出不良的性能。现有的超表面对于单波长或窄带波长表现良好，但对于不同波长性能迅速劣化，从而导致色差。色差是由不同波长的电磁辐射通过轻微不同的角度的折射或修改而产生的效应，从而导致聚焦失败。本技术提供了一种消色差的超表面透镜，其部分地改善了超表面透镜跨多个波长的性能，以减少色差。

该消色差的超表面透镜包含在超表面透镜的顶部上或靠近超表面透镜而制作的多个滤色器元件的滤色器阵列。纳米结构的设计跨消色差的超表面透镜而变化，使得在特定的滤色器元件下方的纳米结构对应于针对该特定滤色器元件的波长的光。因此，仅窄带波长穿过每个滤色器元件，并且与针对该相应波长的光而设计的纳米结构的子集相互作用。通过具有这样的设计，消色差的超表面透镜能够不同地修改多个窄带波长的光，以减少先前的超表面透镜的色差，并且改善跨可见光谱的性能。

然而，针对某些显示***，阵列中的滤色器元件可能不具有针对每个滤色器元件的足够窄的通带。因此，光的宽带波长仍然可能穿过每个滤色器元件并且与超表面透镜相互作用。因此，穿过特定元件的波长带可能足够宽以仍然引起色差。为了减少色差，与消色差的超表面透镜一起使用的显示源可以被配置为具有发光体，该发光体以被调谐到滤色器阵列中所使用的滤色器元件的窄带波长来发射光。这种显示源在本文中被称为窄带显示源。将这种窄带显示源和消色差的超表面透镜包含到显示***中进一步改善了所得的显示***(例如头戴式显示***)的性能。

图1A描绘了根据本技术的一个示例的具有显示源102和消色差的超表面透镜104的显示***100。更具体地，图1A描绘了用户106通过消色差的超表面透镜104来观看显示源102。显示源102发射由光线108表示的光，该光在其从显示源102传播时从显示源102发散。在到达消色差的超表面透镜104时，光线108被消色差的超表面透镜104修改以准直光线108。经准直的光线108然后传播到用户106，或者更具体地，传播到用户的(双)眼睛。每条光线108表示具有多个波长或颜色的光。如所描绘的，在由消色差的超表面透镜104进行的准直处理期间，光线108被准直而没有色差。

在一些示例中，显示源和消色差的超表面透镜之间的距离D1可以是约40-60mm，并且消色差的超表面透镜和用户眼睛之间的距离D2可以在约15-20mm之间。在一些示例中，距离D1和距离D2之间的比例在约1.5:1与5:1之间。取决于具体的应用，其他距离也是可以的。

显示源102可以是适合于期望应用的任何类型的显示源。例如，显示源102可以是液晶显示(LCD)源、硅基液晶(LCoS)显示、发光二极管(LED)显示源、或者有机LED(OLED)显示源、以及其他已知类型的显示源。显示源102也可以是窄带显示源。窄带显示源是具有如下的发光体或光源的显示源，该发光体或光源被调谐到消色差的超表面透镜的滤色器阵列，如下面进一步讨论的。可以通过利用与滤色器阵列中的相同颜色匹配的窄带发光体，将发光体调谐到滤色器阵列。例如，在传统的LCD源中，白光发光体通常在LCD光源中被实现。可以通过将白光发光体替换为与滤色器阵列的颜色匹配的多个发光体，将这种传统的LCD源配置为窄带显示源。例如，红色、绿色和蓝色激光二极管或LED可以被用作用于包括红色、绿色和蓝色滤色器元件的滤色器阵列的发光体。针对LED或OLED显示器，可以使用纳米点、量子点或其他类似技术来缩窄发射带宽，以对应于特定的滤色器阵列。在一些示例中，窄带发光体发射具有小于约10nm的半峰全宽(FWHM)的带宽的光。在其他的一些示例中，窄带发光体发射具有小于约2nm的FWHM、或在约1-2FWHM之间的带宽的光。

图1B描绘了根据本技术的一个示例的包含消色差的超表面透镜104和显示源102的头戴式显示***(“HMD”)110。HMD 110可以由用户106佩戴，以通过显示源102向用户106提供诸如虚拟现实内容或增强现实内容的内容。在提供增强现实内容的示例中，HMD 110的前表面可以包含一个或多个相机，以允许通过显示源102将增强的视频流呈现给用户106，这可以被称为视频增强现实。HMD 110还可以包括集成的计算组件，以作为独立***而提供内容。HMD 110还可以包括无线或有线连接特征，以从诸如移动电话、平板计算机、膝上型计算机、台式计算机等的其他计算设备接收内容。

HMD 110中的显示源102和消色差的超表面透镜104可以具有如上所述的、如图1A所描绘的类似的配置和相对间距。例如，显示源102可以朝向头戴式显示器的前表面112而定位。消色差的超表面透镜104位于显示源102和针对HMD 110的观看位置114之间，使得从显示源102发射的光通过消色差的超表面透镜104到达观看位置114。HMD 110的观看位置114可以是当HMD 110由用户佩戴时平均的用户眼睛将位于的位置。此外，显示源102可以呈宽度约为40-60mm的方形形状，并且消色差的超表面透镜可以呈直径约为30-40mm的圆形形状。显示源102和消色差的超表面透镜104的其他尺寸、形状和配置是可能的，并且将取决于HMD 110的特定应用、形状和尺寸而变化。可以使用本领域技术人员已知的任何手段，将显示源102固定为朝向HMD 110的前面。可以使用本领域技术人员已知的任何手段，将消色差的超表面透镜104固定在用户106的眼睛和显示源102之间。在一些示例中，HMD 110包括多个显示源102和消色差的超表面透镜104。例如，HMD 110可以包括用于每只眼睛的显示源102和用于每只眼睛的消色差的超表面透镜104。在一些示例中，显示源102可以是窄带显示源。

图2A描绘了根据本技术的一个示例的包括多个滤色器元件204的滤色器阵列202。图2A中描绘的示例滤色器阵列202包括对应于三种不同颜色——红色、绿色和蓝色的滤色器元件204。红色滤色器元件204a、绿色滤色器元件204b和蓝色元件204c以类似于数字摄影应用中常用的拜耳滤色器的图案而被布置。包括其他顺序的或格网图案的其他图案也是可以的。不同的滤色器元件204也可以以伪随机化的图案被布置，以减少穿过滤色器阵列的光的潜在衍射伪像(artifact)。应理解的是，所描绘的滤色器阵列202未按比例绘制。在示例中，每个滤色器元件204处于数十微米或更小的数量级。在一些示例中，每个滤色器元件204可以具有在约1微米-10微米之间的长度、宽度和/或直径，因此每个滤色器元件可以具有在约1平方微米-100平方微米之间的表面积。此外，在一些示例中，滤色器元件204可以在尺寸和形状上变化，并且不需要直接与其他滤色器元件相邻。例如，滤色器元件204可以具有圆形或点形，以及其他潜在的形状。

每个滤色器元件204过滤入射光，诸如从显示源发射的光。例如，红色滤色器元件204a过滤入射光，使得仅红色光穿过每个红色滤色器元件204a；绿色滤色器元件204b过滤入射光，使得仅绿色光穿过每个绿色滤色器元件204b；以及蓝色滤色器元件204c过滤入射光，使得仅蓝色光穿过每个蓝色滤色器元件204a。

然而，滤色器元件204可能不具有窄的通带。作为一个示例，图2B描绘了样本滤色器阵列202中的滤色器元件204的光谱灵敏度曲线图210。在曲线图210的y轴上表示的光谱灵敏度或者量子效率表示针对特定波长或颜色，入射光子穿过过滤器的比例。曲线图210包括针对样本蓝色过滤器元件204c的蓝色曲线212，针对样本绿色过滤器元件204b的绿色曲线214，以及针对样本红色过滤器元件204a的红色曲线216。基于蓝色曲线212，样本蓝色过滤器元件204c针对波长在约440nm-475nm之间的光通过最大数量的光子，其中峰值在约470nm处。基于绿色曲线214，样本绿色过滤器元件204b针对波长在约530nm-550nm之间的光通过最大数量的光子，其中峰值在约540nm处。基于红色曲线216，样本红色过滤器元件204a针对波长在约575nm-600nm之间的光通过最大数量的光子，其中峰值在约590nm处。然而，每个样本滤色器元件204仍然通过不在每种相应的颜色的峰值波长的光。例如，样本绿色过滤器元件204b仍然通过在约500nm处的一些数量的光，该光通常被看作青色或蓝色。因为超表面透镜上的纳米结构通常被设计用于特定波长的光或窄带波长，所以穿过相应的滤色器元件204的不同波长的附加光子可能被不是为那些附加波长而设计的超表面透镜不正确地修改。该不正确的修改会导致色差。

为了防止这种色差，一种选择是利用具有更窄通带的滤色器元件204。因此，仅期望的窄带波长的光被允许穿过每个滤色器元件204。如果不能使用或未实现足够窄的窄带滤色器元件204，则防止色差的另一选择是将窄带显示源与消色差的超表面透镜一起包含到显示***中。然后可以将窄带显示源调谐到针对每个相应的滤色器元件204的峰值波长。作为一个示例，针对窄带LCD显示源，LCD显示器中的发光体可以包括被调谐到相应的滤色器元件204的峰值波长的激光二极管或LED。例如，为了与具有曲线图210中所描绘的性质的样本滤色器元件204一起使用，窄带LCD显示器可以包括三个发光体——被调谐到470nm的第一发光体，被调谐到540nm的第二发光体以及被调谐到590nm的第三发光体。通过利用具有在滤色器元件的期望峰值波长附近的窄带的激光二极管或LED，来自单个发光体的光将更主要地穿过每个相应的过滤器元件。针对OLED或LED显示源，可以使用量子点或纳米点技术来缩窄从显示源发射的光的波长带。结合窄带显示源来使用窄带滤色器元件204还可以进一步改善显示***的性能。

在其他的一些示例中，滤色器阵列202可以被设计为更好地处理跨可见光谱的自然光。例如，尽管图2A中描绘的示例滤色器阵列202针对滤色器元件204利用三种不同的颜色，但是滤色器阵列可以被设计成具有多于或少于三种不同的颜色。例如，滤色器阵列可以被设计成具有256色阵列。然后，下面的超表面透镜可以具有对应于256种颜色中的每种颜色的纳米结构和设计的子集。这样的示例对白光发光体、自然光和被配置用于256色显示的显示源将表现得更好。作为另一示例，滤色器阵列可以包括用于两种颜色(诸如红色和绿色)的滤色器元件。取决于特定应用和显示源，可以使用更多或更少的不同滤色器元件204。

图3A描绘了根据本技术的一个示例的针对第一波长的光而设计的超表面透镜302。超表面透镜302包括多个纳米结构304，多个纳米结构304特别地被设计为以特定的方式来修改第一波长的光，诸如改变其传播方向。作为一个示例，纳米结构304可以被设计成使得表面超透镜302作为用于对应于红色的波长(诸如590nm)的准直透镜来操作。纳米结构304及其在超表面透镜302上的图案可以影响光如何被超表面透镜302修改。

图3B描绘了根据本技术的一个示例的针对第二波长的光而设计的超表面透镜306。超表面透镜306包括多个纳米结构308，多个纳米结构308特别地被设计为以特定的方式来修改第二波长的光，诸如修改其传播方向。作为一个示例，纳米结构308可以被设计为使得超表面透镜306作为用于对应于绿色的波长(诸如540nm)的准直透镜来操作。纳米结构308及其在超表面透镜306上的图案可以影响光如何被超表面透镜306修改。

图3C描绘了根据本技术的一个示例的针对第三波长的光而设计的超表面透镜310。超表面透镜310包括多个纳米结构312，多个纳米结构312特别地被设计为以特定的方式来修改第二波长的光，诸如改变其传播方向。作为一个示例，纳米结构312可以被设计为使得超表面透镜310作为用于对应于蓝色的波长(诸如470nm)的准直透镜来操作。纳米结构312及其在超表面透镜310上的图案可以影响光如何被超表面透镜310修改。

还应理解的是，图3A-图3C中所描绘的纳米结构未按比例绘制。例如，图3A中的纳米结构304未按比例绘制、或者未按在用于修改590nm的光的超表面透镜中所使用的纳米结构的特定图案或形状绘制。相反地，出于公开的目的，纳米结构304被描绘为正方形，以更容易地将它们与图3B中的纳米结构308以及图3C中的纳米结构312区分开。类似地，纳米结构308和纳米结构312也未按比例绘制、或者未按在用于分别修改540nm和470nm的光的超表面透镜中所使用的纳米结构的特定图案或形状绘制。如本领域技术人员将理解的，在超表面透镜中使用的每个实际纳米结构可以通常地是亚波长的尺寸。另外，尽管本文讨论的超表面透镜和滤色器元件被描述为被设计为特定波长，该特定波长可以是针对所发射的光的峰值波长或光的窄带波长。此外，在本领域中，针对特定波长的超表面透镜的设计和制造是已知的，并且用于针对特定波长的超表面透镜上的纳米结构的任何已知设计方法可以与本技术结合使用。例如，参考文献Amir Arbabi等人，Miniature optical planar camera based on a wide-angle metasurface doublet corrected for monochromatic aberrations,Nature Communications 7，文章号：13682(2016)；doi：10.1038/ncomms13682(下文称为“Arbabi参考文献”)阐述了适合与本技术一起使用的设计原理和制造技术。Arbabi参考文献以整体内容并入本文。

图4A描绘了根据本技术的一个示例的图3A中所描绘的针对第一波长的超表面设计的一部分，其对应于图2中所描绘的滤色器阵列。图4A中描绘的超表面透镜402包括纳米结构404的子集，除了仅部分的纳米结构304作为超表面透镜402中的纳米结构404的子集被包括之外，纳米结构404的子集与图3A中所描绘的纳米结构304处于相同形状和图案。纳米结构404的子集的位置和尺寸对应于将在消色差的超表面透镜中使用的滤色器阵列的针对第一波长的滤色器元件。例如，在纳米结构被设计用于红色波长的情况下，纳米结构404的部分对应于滤色器阵列的红色滤色器元件。如图4A所描绘的，包含到超表面透镜402中的纳米结构404的子集对应于图2A中所描绘的滤色器阵列202的红色滤色器元件204a的位置和尺寸。

还应理解的是，类似于图3A-图3C，图4A-图4C中所描绘的纳米结构出于与上述类似的原因未按比例绘制。在一个示例中，在滤色器元件的尺寸处于数十微米的量级的情况下，所制造的超表面透镜可以具有在对应于特定过滤器元件的每个子集中的数百个纳米结构。

图4B描绘了根据本技术的一个示例的图3B中所描绘的针对第二波长的超表面设计的一部分，其对应于图2中所描绘的滤色器阵列。图4B中描绘的超表面透镜406包括纳米结构406的子集，除了仅部分的纳米结构308作为超表面透镜406中的纳米结构408的子集被包括之外，纳米结构408的子集与图3B中所描绘的纳米结构308处于相同形状和图案。纳米结构408的子集的位置和尺寸对应于将在消色差的超表面透镜中使用的滤色器阵列的针对第二波长的滤色器元件。例如，在纳米结构被设计用于绿色波长的情况下，纳米结构408的部分对应于滤色器阵列的绿色滤色器元件。如图4B所描绘的，包含到超表面透镜406中的纳米结构408的子集对应于图2A中所描绘的滤色器阵列202的绿色滤色器元件204b的位置和尺寸。

图4C描绘了根据本技术的一个示例的图3C中所描绘的针对第三波长的超表面设计的一部分，其对应于图2中所描绘的滤色器阵列。图4C中描绘的超表面透镜410包括纳米结构412的子集，除了仅部分的纳米结构312作为超表面透镜410中的纳米结构412的子集被包括之外，纳米结构412的子集与图3C中所描绘的纳米结构312处于相同形状和图案。纳米结构412的子集的位置和尺寸对应于将在消色差的超表面透镜中使用的滤色器阵列的针对第三波长的滤色器元件。例如，在纳米结构被设计用于蓝色波长的情况下，纳米结构408的部分对应于滤色器阵列的蓝色滤色器元件。如图4C所描绘的，包含到超表面透镜410中的纳米结构412的子集对应于图2A中所描绘的滤色器阵列202的蓝色滤色器元件204c的位置和尺寸。

图5描绘了根据本技术的一个示例的超表面透镜500的纳米结构设计。超表面透镜500上的纳米结构设计是图4A-图C中所示的设计的组合。因此，在超表面透镜500上的纳米结构设计包括针对不同波长被调谐并且根据滤色器阵列被布置的纳米结构的子集。更具体地，图5中描绘的示例超表面透镜500包括用于第一波长的光的纳米结构502的子集、用于第二波长的光的纳米结构506的子集以及用于第三波长的光的纳米结构510的子集。然后，超表面透镜500的纳米结构设计可以被用作用以制造超表面透镜的制造设计，该超表面透镜作为消色差的超表面透镜而使用。

图6描绘了根据本技术的一个示例的消色差的超表面透镜600的分解透视图。消色差的超表面透镜600包括滤色器阵列202和超表面透镜500。超表面透镜500包括纳米结构的多个子集502、506、510，其被调谐到滤色器阵列202中的滤色器元件204。例如，纳米结构的子集502、506、510中的每个子集与滤色器阵列202中的对应的滤色器元件204光学对准。作为一个示例，针对红色波长的光而被调谐的纳米结构的子集502中的每一个在位置和尺寸上对应于红色滤色器元件204a。因此，当光通过红色滤色器元件204a中的一个红色滤色器元件时，经红色过滤的光与针对与红色相对应的波长的光而被调谐的纳米结构的子集502相互作用。类似地，针对绿色波长的光被调谐的纳米结构的子集506中的每个子集对应于绿色滤色器元件204b。针对蓝色波长的光而被调谐的纳米结构的子集510中的每一个对应于蓝色滤色器元件204c。因此，当光通过绿色滤色器元件204b中的一个绿色滤色器元件时，经绿色过滤的光与针对与绿色相对应的波长的光而被调谐的纳米结构504的子集相互作用，以及当光通过蓝色滤色器元件204c中的一个蓝色滤色器元件时，经蓝色过滤的光与针对与蓝色相对应的波长的光而被调谐的纳米结构504的子集相互作用。因为纳米结构的子集502、506、510中的每个子集被调谐为其对应的滤色器元件204，所以可以通过消色差的超表面透镜600来修改光，以防止发射红色、绿色和蓝色光的光源的单色像差。如上所讨论的，取决于特定应用，滤色器阵列202和超表面500可以被设计用于不同的或附加的颜色。

滤色器阵列202可以直接在超表面透镜500上被制造，以创建消色差的超表面透镜600。作为一个示例，滤色器阵列202可以有效地“涂”(paint)在超表面透镜500上，以覆盖纳米结构的相应子集502、506、510。例如，可以在超表面透镜500上光刻地产生滤色器阵列202，使得每个滤色器元件204位于纳米结构的正确的对应子集上。滤色器阵列202在超表面透镜500上的并入可以被集成到超表面透镜500的光刻制造工艺中。在将滤色器(例如拜耳滤色器)应用到数字相机中的光传感器中所利用的类似技术可以被利用，以将滤色器阵列202应用到超表面透镜500。在其他的一些示例中，滤色器阵列202可以与超表面透镜分开地被制造，并且在制造超表面透镜500之后，滤色器阵列202可以被附接到超表面透镜500。

图7描绘了根据本技术的一个示例的用于制造消色差的超表面透镜的方法700。在操作702处，滤色器阵列图案被访问，或者以其他方式被获取或创建。滤色器阵列的图案可以类似于图2中所描绘的滤色器阵列的图案。例如，该图案可以类似于拜耳滤色器。滤色器阵列的图案也可以由其他顺序的或格网图案组成。伪随机化的图案也可以被用于滤色器阵列，以减少穿过滤色器阵列的光的潜在衍射伪像。滤色器阵列图案可以包括多个不同的滤色器元件，其针对多种不同颜色来过滤光。在操作704处，针对滤色器阵列中的多种不同颜色中的每一种颜色，访问(或者以其他方式获取或创建)用于超表面透镜的纳米结构图案。例如，在滤色器阵列具有红色、绿色和蓝色元件的情况下，访问三个纳米结构图案。在这样的一个示例中，纳米结构图案包括：被配置成修改红色光的针对超表面透镜的第一纳米结构图案，被配置成修改绿色光的针对超表面透镜的第二纳米结构图案，以及被配置成修改蓝色光的针对超表面透镜的第三纳米结构图案。例如，纳米结构图案可以对应于如图3A-图3C所描绘的、并且参考图3A-图3C如上讨论的纳米结构图案。

在操作706处，将在操作704中所访问的用于滤色器阵列中的每种颜色的纳米结构图案关联到在操作702中所访问的滤色器阵列的图案。关联可以包括确定或标识每个纳米结构图案中的、与滤色器阵列中的滤色器阵列元件的相应形状和位置相对应的纳米结构的子集。例如，关联可以包括确定或标识如图4A-图4C所描绘的、并且参考图4A-图4C如上讨论的纳米结构图案的子集。

在操作708处，生成用于消色差的超表面透镜的纳米结构设计。可以从在操作706中确定的所关联的纳米结构图案，生成用于消色差的超表面透镜的纳米结构设计。例如，可以组合图4A-图4C中所描绘的纳米结构的子集，以生成消色差的超表面透镜，诸如图5中所描绘的纳米结构图案。可以使用其他可能的技术来生成用于消色差的超表面透镜的纳米结构图案。例如，一旦已知滤色器阵列图案，就可以利用光学设计软件来生成纳米结构图案，其被调谐到用于消色差的超表面透镜的彩色阵列过滤器。

一旦已经生成(或以其他方式访问或获得)消色差的超表面纳米结构设计，在操作710处，可以制造或制作用于消色差的超表面透镜的超表面透镜。用于在超表面透镜上制造纳米结构的多种制造或制作方法和技术(例如，光刻技术)是本领域技术人员已知的。这些制造技术通常地可被接受与本技术一起使用。例如，Arbabi参考文献中提出的方法和技术适用于在本技术中使用。

在操作712处，制造或制作滤色器阵列，以及在操作714处，将滤色器阵列与在操作710中制造的超表面透镜组合。在一些示例中，滤色器阵列可以直接在超表面透镜上被制造或制作，使得不同的滤色器阵列元件覆盖在操作710中所制造的超表面透镜上的纳米结构的对应的子集。例如，可以在超表面透镜上光刻地产生滤色器阵列，使得每个滤色器元件位于纳米结构的正确的对应子集上。在将滤色器(例如拜耳滤色器)应用到数字相机中的光传感器中所利用的类似技术可以被利用，以将滤色器阵列应用到超表面透镜。在其他的一些示例中，滤色器阵列可以与超表面透镜分开地被制造，并且随后与超表面透镜组合以创建消色差的超表面透镜。在这样的示例中，可以使用适合于将适当的滤色器元件与在超表面上的纳米结构的对应子集光学对准的任何技术或方法，来将滤色器阵列与超表面透镜组合。例如，红色滤色器元件应当与被配置为修改红光的纳米结构的子集光学对准，使得通过红色滤色器元件的光以期望的方式(诸如，准直)与被配置为修改红光的纳米结构的子集相互作用。

虽然上面描述和讨论了消色差的超表面透镜作为准直透镜而操作，但是应理解的是，消色差的超表面透镜可以被配置为作为聚焦透镜、会聚透镜或发散透镜、以及其他潜在的光学组件而操作。另外，虽然以上描述总体上讨论了关于红色、绿色和蓝色的滤色器阵列和超表面透镜，但在本文中，针对不同的应用，颜色的任何组合都是可行的并且可预期的。此外，产生除白色之外的组合光色的其他颜色的组合对于一些应用可以是有用的。尽管一些特定的设备在本公开中已经被列出作为执行特定功能，但是本领域技术人员将理解，提供这些设备是出于说明性目的，并且在不脱离本公开的范围的情况下可以采用其他设备来执行本文公开的功能。。

从前面的讨论中应理解的是，在一个方面，该技术涉及头戴式显示***，其包括：显示源；以及消色差的超表面透镜，其被定位于显示源和头戴式显示***的观察位置之间，其中消色差的超表面透镜包括与超表面透镜组合的滤色器阵列，该超表面透镜具有基于滤色器阵列的纳米结构设计。在一个示例中，显示源是窄带显示源。在另一示例中，窄带显示源是具有调谐到滤色器阵列的滤色器元件的多个发光体的液晶显示器(LCD)类型或硅基液晶(LCoS)显示器类型中的一个。在又一示例中，滤色器阵列包括：第一多个滤色器元件，用以过滤第一波长的光；第二多个滤色器元件，用以过滤第二波长的光；以及第三多个滤色器元件，用以过滤第三波长的光。在又一示例中，消色差的超表面透镜包括：纳米结构的第一子集，被配置为修改第一波长的光，其中纳米结构的第一子集与来自第一多个滤色器元件的滤色器元件光学对准；纳米结构的第二子集，被配置为修改第二波长的光，其中纳米结构的第二子集与来自第二多个滤色器元件的滤色器元件光学对准；以及纳米结构的第三子集，被配置为修改第三波长的光，其中纳米结构的第二子集与来自第三多个滤色器元件的滤色器元件光学对准。

在另一示例中，第一波长的光对应于红色，第二波长的光对应于绿色，第三波长的光对应于蓝色。在又一示例中，滤色器阵列包括用于2到256种不同颜色的多个滤色器元件。在又一实施例中，头戴式显示器包括一个或多个相机，用以通过显示源提供视频增强现实内容。

该技术还涉及消色差的超表面透镜，其包括：滤色器阵列，该滤色器阵列具有用于第一颜色的光的第一滤色器元件、用于第二颜色的光的第二滤色器元件、以及用于第三颜色的光的第三滤色器元件；超表面透镜，靠近滤色器阵列而定位，其中超表面透镜包括：纳米结构的第一子集，被配置为修改第一颜色的光；纳米结构的第二子集，被配置为修改第二颜色的光；以及纳米结构的第三子集，被配置的修改第三颜色的光。在一个示例中，纳米结构的第一子集与第一滤色器元件光学对准；纳米结构的第二子集与第二滤色器元件光学对准；纳米结构的第三子集与第三滤色器元件光学对准。在另一示例中，纳米结构的第一子集被配置为准直第一颜色的光；纳米结构的第二子集被配置为准直第二颜色的光；以及纳米结构的第三子集被配置为准直第三颜色的光。在又一示例中，第一颜色的光是红色的，第二颜色的光是绿色的，第三颜色的光是蓝色的。在又一示例中，滤色器阵列还包括附加的滤色器元件，其用于除第一颜色的光、第二颜色的光和第三颜色的光之外的附加颜色的光。

在另一示例中，纳米结构的第一子集是针对另外的超表面透镜的纳米结构设计的子集，该另外的超表面透镜被配置为仅修改第一颜色的光。在又一示例中，第一滤色器元件具有在1平方微米-10平方微米之间的表面积。在又一示例中，滤色器阵列具有格网图案或伪随机图案中的一种。

该技术还涉及用于制造消色差的超表面透镜的方法。该方法包括根据针对消色差的超表面透镜的纳米结构设计，光刻地制造超表面透镜，其中纳米结构设计包括：被配置为修改第一颜色的光的纳米结构的第一子集、被配置为修改第二颜色的光的纳米结构的第二子集、以及被配置为修改第三颜色的光的纳米结构的第三子集；以及制造靠近所制造的超表面透镜的滤色器阵列，使得滤色器阵列中的用于第一颜色的光的滤色器元件与超表面透镜上的纳米结构的第一子集光学对准。在一个示例中，该方法还包括将所访问的纳米结构图案与针对滤色器阵列的图案关联。在另一示例中，该方法还包括基于所关联的纳米结构图案，生成用于消色差的超表面透镜的纳米结构设计。在又一示例中，第一颜色的光是红色的，第二颜色的光是绿色的，以及第三颜色的光是蓝色的。

本公开参考附图描述了本技术的一些示例，其中仅示出了可能的示例中的一些示例。然而，其他方面可以以许多不同的形式实施，并且不应被理解为限于这里阐述的示例。相反，提供这些示例是为了使得本公开是彻底的和完整的，并且将可能的示例的范围完全地传达给本领域技术人员。本技术的范围由权利要求及其任何的等同物所限定。

Claims (15)

1.一种头戴式显示***，包括：

显示源；以及

消色差的超表面透镜，被定位在所述显示源和所述头戴式显示***的观察位置之间，其中所述消色差的超表面透镜包括滤色器阵列，所述滤色器阵列与具有基于所述滤色器阵列的纳米结构设计的超表面透镜组合。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示***，其中所述显示源是窄带显示源。

3.根据权利要求2所述的头戴式显示***，其中所述窄带显示源是具有调谐到所述滤色器阵列的滤色器元件的多个发光体的液晶显示器(LCD)类型或硅基液晶(LCoS)显示器类型中的一个。

4.根据权利要求1所述的头戴式显示***，其中所述滤色器阵列包括：第一多个滤色器元件，用以过滤第一波长的光；第二多个滤色器元件，用以过滤第二波长的光；以及第三多个滤色器元件，用以过滤第三波长的光。

5.根据权利要求4所述的头戴式显示***，其中所述消色差的超表面透镜包括：

纳米结构的第一子集，被配置为修改所述第一波长的光，其中纳米结构的所述第一子集与来自所述第一多个滤色器元件的滤色器元件光学对准；

纳米结构的第二子集，被配置为修改所述第二波长的光，其中纳米结构的所述第二子集与来自所述第二多个滤色器元件的滤色器元件光学对准；以及

纳米结构的第三子集，被配置为修改所述第三波长的光，其中纳米结构的所述第二子集与来自所述第三多个滤色器元件的滤色器元件光学对准。

6.根据权利要求4所述的头戴式显示***，其中所述第一波长的光对应于红色，所述第二波长的光对应于绿色，并且所述第三波长的光对应于蓝色。

7.一种消色差的超表面透镜，包括：

滤色器阵列，具有用于第一颜色的光的第一滤色器元件、用于第二颜色的光的第二滤色器元件、以及用于第三颜色的光的第三滤色器元件；以及

超表面透镜，靠近所述滤色器阵列而定位，其中所述超表面透镜包括：纳米结构的第一子集，被配置为修改所述第一颜色的光；纳米结构的第二子集，被配置为修改所述第二颜色的光；以及纳米结构的第三子集，被配置的修改所述第三颜色的光。

8.根据权利要求7所述的消色差的超表面透镜，其中：

纳米结构的所述第一子集与所述第一滤色器元件光学对准；

纳米结构的所述第二子集与所述第二滤色器元件光学对准；并且

纳米结构的所述第三子集与所述第三滤色器元件光学对准。

9.根据权利要求7所述的消色差的超表面透镜，其中：

纳米结构的所述第一子集被配置为准直所述第一颜色的光；

纳米结构的所述第二子集被配置为准直所述第二颜色的光；并且

纳米结构的所述第三子集被配置为准直所述第三颜色的光。

10.根据权利要求7所述的消色差的超表面透镜，其中所述第一颜色的光是红色的，所述第二颜色的光是绿色的，并且所述第三颜色的光是蓝色的。

11.根据权利要求7所述的消色差的超表面透镜，其中所述滤色器阵列进一步包括用于除所述第一颜色的光、所述第二颜色的光和所述第三颜色的光之外的附加颜色的光的附加滤色器元件。

12.根据权利要求7所述的消色差的超表面透镜，其中纳米结构的所述第一子集是针对另外的超表面透镜的纳米结构设计的子集，所述另外的超表面透镜被配置为仅修改所述第一颜色的光。

13.一种用于制造消色差的超表面透镜的方法，所述方法包括：

根据针对所述消色差的超表面透镜的纳米结构设计，光刻地制造超表面透镜，其中所述纳米结构设计包括：纳米结构的第一子集，被配置为修改第一颜色的光；纳米结构的第二子集，被配置为修改第二颜色的光；以及纳米结构的第三子集，被配置为修改第三颜色的光；以及

制造靠近所制造的所述超表面透镜的滤色器阵列，使得所述滤色器阵列中的用于所述第一颜色的光的滤色器元件与所述超表面透镜上的纳米结构的所述第一子集光学对准。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括将所访问的纳米结构图案与针对所述滤色器阵列的图案关联。

15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括基于所关联的所述纳米结构图案，生成用于所述消色差的超表面透镜的所述纳米结构设计。