消色差的超表面透镜制造技术

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系统中。显示系统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。

Achromatic super surface lens

The achromatic hypersurface lens includes a filter array and a hypersurface lens positioned close to the filter array. The color filter array includes a plurality of color filter elements for light of different colors. The hypersurface lens includes a plurality of corresponding subsets of nanostructures based on the filter array. Each corresponding subset of the nanostructure is optically aligned with the corresponding filter element. For example, a subset of nanostructures configured to modify light of a specific color may be optically aligned with a filter element that filters light of the same specific color. A achromatic hypersurface lens may be included in a display system such as a head mounted display. The display system may also include a narrow-band display source tuned to a filter element in a filter array.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】消色差的超表面透镜
技术介绍
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。
技术实现思路
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系统，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系统中。显示系统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系统中的色差。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
技术实现思路
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
技术实现思路
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系统。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，针对某些显示系统，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系统中进一步改善了所得的显示系统(例如头戴式显示系统)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的显示系统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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种头戴式显示系统，包括：/n显示源；以及/n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系统的观察位置之间，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。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170329 US 15/473,2081.一种头戴式显示系统，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系统的观察位置之间，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所述的头戴式显示系统，其中所述显示源是窄带显示源。


3.根据权利要求2所述的头戴式显示系统，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所述的头戴式显示系统，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所述的头戴式显示系统，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所述的头戴式显示系统，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·冈特，
申请(专利权)人：微软技术许可有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US