CN111051928A - 能够提供至少两个不同的光学功能的光学装置 - Google Patents

Abstract

一种光学装置，用于从入射电磁波形成出射电磁波，所述光学装置包括至少一个单位单元(UC)，所述单位单元包括：至少两个亚波长光学元件(1,2)，其各自属于不同组(MS1,MS2)的亚波长光学元件，一组亚波长光学元件以对入射电磁波的光学响应的类型为特征；能够响应于入射在所述单位单元上的电磁波(20)来选择性地激发属于给定组的所有亚波长光学元件的部件(21)。

Description

能够提供至少两个不同的光学功能的光学装置

技术领域

本发明涉及光学和光子学的领域，并且更具体地涉及还称为超颖表面(metasurface)装置的基于超薄光学界面的平面光学装置。本发明可应用于舒适且可穿戴的光学器件(即，AR/VR眼镜(增强现实/虚拟现实))的领域、以及包括显示器和/或轻量级成像系统的各种其它电子消费产品。

背景技术

本部分旨在向读者介绍技术的各方面，这些方面可以与本文所述和/或要求保护的本发明的各方面有关。认为本论述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方面。因此，应当理解，这些陈述应从该角度来理解，而不是作为对现有技术的承认。

AR/VR眼镜被视为下一代人机界面，由此引起主要工业参与者对消费电子产品和移动装置领域的极大关注。

AR/VR眼镜(并且更具体为眼镜电子装置)的开发与多个挑战相关联，这些挑战包括减小这样的装置的大小和重量、以及改善应足够逼真以实现真正身临其境的用户体验的(在对比度、视野、颜色深度等方面的)图像质量。

图像质量与光学组件的物理大小之间的权衡激励了对可用作诸如AR/VR眼镜等的更复杂光学系统的构件的超紧凑的(优选为亚波长大小的)光学组件的研究。

诸如折射和衍射微透镜以及自由形式的光学组合器等的传统体积的光学组件庞大，因而无法充分满足眼镜装置的需求。

基于不同物理原理的替代解决方案对于提供期望的性能而言是必要的。

为了克服传统光学组件固有的限制，基于包括多个亚波长尺度的光学共振器的光学界面，最近提出了新系列的超薄型光学装置。该系列的装置还被称为“平面光学”和“超颖表面”装置。

超颖表面可被定义为可用作共振器、光学天线、…的亚波长大小、亚波长间距的光学元件的光学薄(即，与入射电磁波的波长相比薄的多)阵列，其中这些光学元件由通常由金属(例如，金)或高折射率介质材料(例如，硅)制成的个体微粒形成。可以在水平尺寸上利用亚波长尺度的图案对超颖表面进行结构化或者不对其进行结构化。

超颖表面也可被定义为尺寸和周期与操作波长相比更小的散射元件的周期性阵列。

由于超颖表面的厚度与操作的波长相比可忽略，因此超颖表面(单位单元(unitcell)成分的近共振)可被视为强制引起入射光的振幅和相位这两者的急剧变化的不连续的界面。因而，超颖表面的最重要应用之一是通过对传入波施加局部梯度相移来控制电磁波的波前。超颖表面实际上可以提供入射电磁波(例如，可见光)的相位、振幅和/或偏振的急剧变化。

此外，可以通过调整个体微粒的形状和大小以及/或者这些微粒之间的间距来定制超颖表面装置的光学响应。

这样的光学共振器在组装在介质板上或内部的情况下，可以提供普遍关注的许多光学装置所需的集体响应，诸如聚焦、波束偏转和偏振转换等。可以在P.Genevet、F.Capasso等人于2017年在Optica 4(1)的第139-152页中发表的“Recent advances inplanar optics:from plasmonic to dielectric metasurfaces”中发现超颖表面装置的一些示例，并且在图1中公开了这些示例。

尽管具有非常有吸引力的形状因素(超薄平面形状)，但所有报告的在光学范围中工作的超颖表面装置都存在包括差的角性能的一些限制。同时，针对传入波的不同入射角调整超颖表面装置的光学响应这一可能性可能是包括AR/VR眼镜的许多应用所关注的。

因而，将期望提供依赖于超颖表面的使用的光学装置，这将是相对于现有技术的改进。还将期望提供这样的光学装置，该光学装置将能够针对至少两个不同的照明条件(特别是针对传入电磁波的至少两个不同的入射角)提供至少两个不同的光学功能。

发明内容

本说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”的指代表示所述实施例可以包括特定特征、结构或特性，但每个实施例可能不一定包括该特定特征、结构或特性。此外，这些短语不一定指代相同的实施例。此外，在结合实施例说明特定特征、结构或特性的情况下，认为在本领域技术人员的知识范围内结合其它实施例来影响这样的特征、结构或特性，而无论是否明确说明这一点。

根据本发明的实施例，一种光学装置，用于从入射电磁波形成出射电磁波，所述光学装置包括至少一个单位单元，所述单位单元自身包括：

-至少两个亚波长光学元件，其各自属于不同组的亚波长光学元件，一组亚波长光学元件以对入射电磁波的光学响应的类型为特征；

-能够响应于入射在所述单位单元上的电磁波来选择性地激发属于给定组的所有亚波长光学元件的部件。

因而，本发明依赖于光学装置的新颖和创造性的方法，其中这些光学装置依赖于超颖表面装置的使用。

实际上，在大多数现有技术情况中，超颖表面(MS)装置是基于组装在介质基板上或内部的亚波长大小的纳米粒子(NP)。这些粒子是以周期小于入射光的波长的规则一维或二维阵列的形式组装的。通过改变个体纳米粒子的大小、形状和取向来调整现有技术MS装置的光学响应。对于任何入射角，现有技术MS装置的光学响应由所有NP的累积响应来定义。

为了在调整MS装置的光学响应时提供额外的自由度，本发明提出了构建具有能够选择性地激发属于两个或更多个不同组的元件的部件的复合超颖表面(其包括与至少两个超颖表面相对应的至少两组元件，各MS产生与另一MS不同的光学响应)。

换句话说，根据本发明实施例的光学装置的单位单元包括还被称为亚波长光学元件的至少两个光学元件，其中这两个光学元件的大小和间距小于入射电磁波的波长(例如，小于λ/2)。这些亚波长光学元件属于不同组的亚波长光学元件。同一组的所有亚波长光学元件向具有在单位单元上的给定入射角的入射电磁波贡献该装置的光学响应。

此外，这样的单位单元包括用于选择性地激发给定组的亚波长光学元件的部件。因而，这样的部件使得光学装置能够针对传入光的不同入射角进行至少两个不同的光学响应。例如，对于传入电磁波的第一入射角，第一组的亚波长光学元件被激发并由此产生光学装置的光学响应；对于传入电磁波的第二入射角，第二组的亚波长光学元件被激发并由此产生光学装置的不同光学响应。例如，在一个实施例中，两个不同的光学响应可以包括入射波的两个不同倾斜(相对于入射波的传播方向的两个不同的偏差角)。

因而，光学装置对入射电磁波的光学响应由一组的所有亚波长光学元件的部分贡献来控制，因为在给定照明条件下给定组的所有元件都以给定入射角被照射并且同时贡献该装置的光学响应。

因而，根据本发明实施例的光学装置依赖于能够针对至少两个不同的照明条件提供至少两个不同的光学功能的角选择性超颖表面装置。光传播经过光学装置，但入射波的波前(经由由与属于同一组的不同亚波长元件的相互作用引起的入射波的振幅和/或相位的局部变化)被再成形。结果，出射电磁波与入射电磁波相比可能改变其传播方向和/或会聚到焦点。

根据本发明的实施例，光学响应的类型属于如下的组，该组包括：

-施加至所述入射电磁波的相移；

-所述入射电磁波的谱的至少一部分的振幅变化。

因而，属于同一组的所有亚波长光学元件贡献光学装置的相同定性光学响应，尽管这些亚波长光学元件的贡献可能定量地不同。

这些亚波长光学元件例如可以全部促成向入射电磁波施加量级不同的相位延迟，使得沿着入射波前的相位延迟变化可用于使入射平面波倾斜或聚焦。

给定组的亚波长光学元件也可作用于入射电磁波的相位延迟和振幅这两者。

根据本发明的实施例，能够选择性地激发属于给定组的所有亚波长光学元件的所述部件是导光元件(LGE)，并且所述亚波长光学元件设计为放置在所述导光元件的焦平面中。

这样的导光元件确保了聚焦功能，并且能够将光聚焦在一组的亚波长光学元件上或者另一组的亚波长光学元件上，由此选择将由光学装置提供的光学功能。

根据本发明的实施例，导光元件是纳米喷射微透镜。导光元件当然也可以是任何其它类型的衍射或折射透镜。然而，使用纳米喷射微透镜作为导光元件使得能够实现大小非常小的单位单元。

在提交本专利申请时尚未公开的PCT专利申请PCT/EP17/057130和PCT/EP17/057131中首先提出了这样的纳米喷射(NJ)微透镜。这些NJ微透镜可以在近区中产生会聚光束(所谓的纳米喷射波束)，其中可以通过改变透镜材料、形状和大小来调整这些会聚光束的长度和半功率波束宽度(BWHP)。作为NJ波束形成的补充，NJ微透镜还可以产生静区，该静区是特征在于场强值非常低(与入射波的场强相比低得多)的区。结果，纳米喷射波束所到达的单位单元的亚波长光学元件被激发，并且提供其光学响应，而在静区中的单位单元的亚波长光学元件未被激发，并且不会贡献光学装置的光学响应。

这样的纳米喷射微透镜可以具有不同的形状，并且可以设计为具有任意截面的圆柱、棱柱、圆锥、…。

根据本发明的实施例，所述亚波长光学元件属于如下的组，该组包括：

-金属粒子；

-介质粒子；

-半导体粒子；

-光学共振器；

-光学天线。

根据本发明的实施例，所述亚波长光学元件组装在介质基板上或内部。

根据本发明的第一特定实施例，所述纳米喷射微透镜是嵌入在所述基板中、并且由折射率高于所述基板的折射率的介质材料制成的纳米喷射微透镜。

在实施例中，纳米喷射微透镜放置在基板的组装有亚波长光学元件的表面下方的一定距离处，使得H+T＝F，其中：H是NJ微透镜的高度，T是从NJ微透镜的顶部起直到表面为止的距离，并且F是微透镜的焦距。

根据本发明的第二特定实施例，所述基板包括充满折射率低于所述基板的折射率的媒介的至少一个腔，以及所述纳米喷射微透镜是以与所述基板相同的材料形成的，并且具有由所述腔的边缘引起的折射率的阶跃实现的聚焦功能。

根据本发明的第三特定实施例，所述纳米喷射微透镜附接至所述基板的与所述基板的组装有所述亚波长光学元件的表面相对的表面，以及所述光学装置包括围绕所述纳米喷射微透镜并且折射率低于所述纳米喷射微透镜的折射率的宿主媒介。

根据本发明的第四特定实施例，所述纳米喷射微透镜在组装有亚波长光学元件的表面上形成所述基板。

根据又一实施例，这样的光学装置包括一维或二维的单位单元阵列。

因而，这样的光学装置包括复合超颖表面(CMS)，其包括组装在同一介质基板上或内部的至少两个亚波长光学元件阵列，其中这些元件在阵列的平面中交替。亚波长光学元件阵列可以是一维(1D)的或二维(2D)的，由此在一个或两个平面中具有周期性。

根据另一实施例，所述单位单元阵列中的单位单元包括属于相同组的亚波长光学元件但并不相同的亚波长光学元件。

实际上，各亚波长光学元件阵列的元件可能显然不是相同的，只要这些元件属于以光学响应的类型为特征的同一组亚波长光学元件即可。例如，亚波长光学元件可以是具有不同的形状和取向的金属条、或者具有大小和/或取向可变的圆形或矩形截面的亚波长介质柱。这些亚波长光学元件也可以具有创建1D阵列的条的形式。

根据又一实施例，这样的光学装置属于眼镜光学装置或显示装置。

实际上，复合超颖表面可以实现下一代眼镜光学装置所需的更复杂的角选择性光学响应。

附图说明

可以参考通过示例给出且不限制保护范围的以下的说明和附图来更好地理解本发明，其中：

-图1提供根据现有技术的超颖表面装置的示例；

-图2A给出图1的现有技术超颖表面装置的侧视图的示意图；

-图2B示出包括两个纳米粒子阵列的复合超颖表面；

-图2C提供根据本发明实施例的光学装置的示意图；

-图3提供图2C的光学装置的最简单形式的示意图；

-图4A～4C示出由从下方入射的单位振幅线性偏振平面波

照射的圆柱形NJ微透镜的近区中的功率密度；

-图5示出根据本发明的光学装置的替代实施例，该光学装置是由不相同的单位单元制成的；

-图6A～6D示出根据本发明的光学装置的单位单元的一些典型实施例；

-图7呈现可用于控制根据本发明的一个实施例的光学装置的性能的装置的示例。

附图中的组件不一定是按比例的，而是强调示出本发明的原理。在整个说明书中，相同的附图标记用于指定相同的元件。

具体实施方式

本发明的一般原理依赖于能够针对至少两个不同的照明条件提供至少两个不同的光学功能的角选择性超颖表面装置。

作为对本发明实施例的说明的介绍，图1给出为了解决现有技术中的利用超颖表面装置的波前控制而提出的不同解决方案的示例。在图1的上部面板，从(a)到(c)，通过改变形成超颖表面的各个体共振器的几何结构来定制纳米结构的光学响应。在图1的中间面板，从(d)到(g)，基于Pancharatnam-Berry(PB)相位的超颖表面在反射和透射这两个方面都表现出非常高的散射效率。图1的底部面板即从(h)到(k)示出通过使用谐振调谐和PB相位调谐这两者工作的混合超颖表面。

在这些示例中，亚波长光学元件可以包括：具有不同形状和取向的金属条(参见图1的(a)、(d)和(h))；或者具有大小和/或取向可变的圆形或矩形截面的亚波长介质柱(参见图1的(b)、(e)～(g))；或者采取创建1D阵列的条的形式(参见图1的(c)、(k))。

图2A给出包括亚波长光学元件的规则阵列的这种现有技术的超颖表面装置的侧视图的示意图，其中所有元件属于同一组。必须注意，在图2A的示意图中，所有的亚波长光学元件都是相同的，而在图1的先前示例中，这些元件不是相同的(在大小、形状、取向、…上变化，以局部改变入射波的相位)，但属于同一组元件。

超颖表面MS1由组装在具有折射率n₁的基板10的表面上的亚波长光学元件1的规则阵列形成。亚波长光学元件1浸入在具有折射率n₂的宿主媒介11中。

图2A和2B的超颖表面装置由传播方向通过箭头20示出的入射EM波照射。

图2B示出包括两个亚波长光学元件阵列MS1和MS2的复合超颖表面：各亚波长光学元件阵列包括同一类型或属于同一组的多个亚波长光学元件。因而，复合超颖表面包括属于两个不同组的分别标记为1和2的亚波长光学元件。在给定组(1或2)中，亚波长光学元件可以是相同的，也可以是不相同的。亚波长光学元件1、2组装在具有折射率n₁的基板10的表面上。这些亚波长光学元件浸入在具有折射率n₂的宿主媒介11中。亚波长光学元件1和2在基板10的表面上交替，使得第一类型的亚波长光学元件的各亚波长光学元件1由第二类型的亚波长光学元件的两个亚波长光学元件2直接围绕，反之亦然。

图2C提供根据本发明实施例的光学装置的示意图。

在图2C的示例性图上，示出两个单位单元UC1和UC2。光学装置可以包括XY平面上的可以是一维(如图2C的侧视图所示)或二维的单位单元UC_i的阵列。各单位单元UC1、UC2包括导光元件21，该导光元件21用于接收入射角不同的入射电磁波20。

这样的LGE 21可以是任何类型的聚焦装置，诸如众所周知的折射或衍射透镜、或者在以下将更详细地说明的特定实施例中为纳米喷射微透镜等。使用纳米喷射透镜来获得大小最小的单位单元实际上可能是有益的。

这样的LGE 21放置在具有折射率n₁的基板10的底面的下方。基板10的顶面承载标记为1～N的亚波长光学元件。

各单位单元UC1、UC2包括N个亚波长光学元件的阵列，这N个亚波长光学元件各自属于不同组MSi(i的范围为1～N)的亚波长光学元件。各组MSi的特征在于对入射波的特定光学响应。例如，各组Msi在该组的亚波长光学元件被选择性地照射时，可以诱导相对于入射EM波的传播方向定义的入射在光学装置上的电磁波的不同偏差角。

在图2C的示例中，各单位单元UCi由此包括属于N个不同组的亚波长光学元件MS1～MS_N的N个亚波长光学元件1～N。这些元件放置在LGE 21的焦平面中。

LGE 21用作聚焦元件，这些聚焦元件响应于传入的入射波20而生成光束22。光束22选择性地激发给定组MSi的亚波长光学元件。在LGE 21针对所有的单位单元相同时，在光学装置的所有单位单元中同时激发同一组的亚波长光学元件。

因而，在图2C的示例中，这样的光学装置可以进行与N个不同组的亚波长光学元件的N个光学响应相对应的N个不同的光学功能。

在更简单的实施例中，单位单元UCi中的亚波长光学元件的组数可以局限于两个，即具有亚波长光学元件1的MS1和具有亚波长光学元件2的MS2；光学装置可以包括仅一个单位单元UC。这在图3中示出。根据电磁波20在LGE 21上的入射角，后者使光聚焦在选择性地激发属于超颖表面MS1的亚波长光学元件1的光束22₁中，或者聚焦在选择性地激发属于超颖表面MS2的亚波长光学元件2的光束22₂中。

在图5所示的另一实施例中，光学装置包括数个单位单元，这些单位单元各自包括属于相同组的亚波长光学元件但可能不相同的亚波长光学元件。

更准确地，各单位单元UC1和UC2包括各自属于不同组的亚波长光学元件MS1和MS2的标记为1和2的两个亚波长光学元件。然而，单位单元UC1和UC2不是相同的，因为各阵列MS1和MS2的元件在所有单位单元中不相同(尽管属于同一组的亚波长光学元件)。在图5的简单示例中，亚波长光学元件在大小上针对各单位单元而不同：属于组MS1的纳米粒子1在单位单元UC1中比在单位单元UC2中大，而属于组MS2的纳米粒子2在单位单元UC1中比在单位单元UC2中小。给定组MS1或MS2的纳米粒子的光学响应在类型(例如，相位延迟)上保持相同，但是在量级上可能不同，由此得到出射波的波前的不同形状。

在优选实施例中，为了通过LGE来实现亚波长大小的纳米粒子或亚波长光学元件的期望选择性激发，LGE 21是纳米喷射微透镜。值得一提的是，在提交本专利申请时尚未公开的PCT专利申请PCT/EP17/057130和PCT/EP17/057131中首先提出了这样的纳米喷射微透镜。

以下回顾对于本发明的复合超颖表面的实现而言重要的NJ微透镜的关键特征：

-NJ微透镜可以由折射率比宿主媒介的折射率高的同质介质制成。作为替代，可以以如在PCT专利申请PCT/EP17/057130中所述的中空环、或者如在PCT专利申请PCT/EP17/057131中所述的一组任意形状的腔的形式创建NJ微透镜。

-NJ微透镜可以采用具有任意截面的介质柱(或圆锥或棱柱)的形式。

-NJ微透镜的直径(即，在与入射波传播方向垂直的平面中的截面尺寸)和高度(即，沿着入射波传播方向的圆柱的大小)可以在约1/2到几个波长之间变化。

-NJ微透镜可以在近区中产生会聚光束(所谓的纳米喷射波束)，其中可以通过改变透镜材料、形状和大小来调整这些会聚光束的长度和半功率波束宽度(BWHP)。更具体地，NJ波束的形状取决于底边线的形状和曲率以及圆柱(棱柱、圆锥)底角。如在欧洲专利申请EP16306387.8(其在提交本专利申请时尚未公开)中所述，根据透镜拓扑，NJ波束的轴可以与透镜轴和入射光的传播方向一致，也可以不一致。

-如在欧洲专利申请EP16306386.0(其在提交本专利申请时尚未公开)中所述，作为NJ波束形成的补充，NJ微透镜还可以产生静区，该静区是特征在于场强值非常低(与入射波的场强相比低得多)的区。

-圆柱形NJ微透镜的半功率处的NJ波束宽度的典型值是入射波长的约1/2。

-NJ波束的长度可以从几个波长到数个(例如，10个以上)波长变化。

-在传入光的倾斜入射(即，传播方向与圆柱光轴不一致以及/或者与圆柱基面不垂直)的情况下，NJ波束也可以根据传入光入射角而倾斜。对于静区，观察到相同的行为。

在图4C中示出该性能。

图4A～4C实际示出由从下方入射的单位振幅线性偏振平面波

照射的圆柱形NJ微透镜21的近区中的功率密度，其中：

-n₂＝1是围绕NJ微透镜21的宿主媒介的折射率；

-n₃＝1.5是NJ微透镜21的折射率；

-R＝500nm是圆柱形NJ微透镜21的半径；

-H＝500nm是圆柱形NJ微透镜21的高度。

更准确地，图4A提供NJ微透镜21所使用的拓扑和符号，图4B提供z＝z0处的焦平面中的沿着x轴的功率密度分布图，并且图4C提供针对平面波的不同入射角的xz平面中的功率密度分布。

如在图4A～4C上可以观察到，对于圆柱形NJ微透镜21的典型实施例，针对线性偏振平面波的多达至少30°的不同入射角γ，良好地保持了NJ波束的形状及其峰值强度。从左向右，图4C的不同图分别对应于线性偏振平面波的入射角γ＝0°、γ＝10°、γ＝20°和γ＝30°。

为了能够在复合超颖表面装置中选择性地激发两个相邻的亚波长光学元件，针对被照射的和未被照射的亚波长光学元件推荐场强方面的至少两倍的差异。如在图4B上可以观察到，对于所选择的示例性NJ微透镜21，例如针对γ＝0°和γ＝20°满足该条件。针对γ＝-10°、γ＝10°和γ＝30°也满足该条件。

换句话说，利用这样的纳米喷射微透镜21，可以通过电磁波以入射角γ＝0°到达NJ微透镜21来选择性地激发第一组MS1的亚波长光学元件1，并且通过电磁波以入射角γ＝20°到达NJ微透镜21来选择性地激发第二组MS2的亚波长光学元件2。因而，可以形成能够针对传入光的两个不同入射角提供两个不同光学功能的角选择性超颖表面装置。

利用这样的纳米喷射微透镜21，也可以通过电磁波以入射角γ＝-10°到达NJ微透镜21来选择性地激发第一组MS1的亚波长光学元件1，通过电磁波以入射角γ＝10°到达NJ微透镜21来选择性地激发第二组MS2的亚波长光学元件2，并且通过电磁波以入射角γ＝30°到达NJ微透镜21来选择性地激发第二组MS3的亚波长光学元件3。因而，可以形成能够针对传入光的三个不同的入射角提供三个不同的光学功能的角选择性超颖表面装置。尽管在图上未示出，但还可以添加属于第四组的第四亚波长光学元件，并且也可以针对入射角-30°(如下通过对称)选择性地激发该第四亚波长光学元件，由此使得实现能够提供四个不同的光学功能的光学装置。

在图6A～6D中示出根据本发明的光学装置的单位单元的一些典型实施例。在这些示例中，针对各单位单元示出任意数量的亚波长光学元件(即，在图6A、图6B、图6C中为七个并且在图6D中为五个)。然而，值得一提的是，在最简单的情况下，单位单元仅包括属于两个不同组的亚波长光学元件的两个亚波长光学元件。

图6A的实施例中的单位单元UC包括组装在具有折射率n₁的介质基板10的表面上的由高折射率(n₄)的介质材料制成的一组亚波长光学元件NP。亚波长光学元件NP被具有折射率n₂<n₄的宿主媒介11围绕。基板10包括采用由折射率n₃高于基板的折射率n₁的介质材料制成的圆柱形NJ微透镜的形式的LGE21。LGE 21放置在单位单元UC的处于基板10的组装有亚波长光学元件NP的表面下方的一定距离处的中央。

再次地，尽管并未示出，但本领域技术人员也可以用经典的折射或衍射透镜替换NJ微透镜21。

除了与LGE 21有关的部分以外，图6B的实施例中的单位单元UC与图6A的单位单元UC相同。在本实施例中，LGE 21由具有折射率n₃＝n₁的与基板10相同的材料制成，并且通过创建一个(如PCT专利申请PCT/EP17/057130那样)或数个(如PCT专利申请PCT/EP17/057131那样)腔60来实现LGE 21的聚焦功能。腔60充满具有折射率n<n₃的媒介。由高折射率(n₄)的介质材料制成的一组亚波长光学元件NP组装在介质基板10的表面上。亚波长光学元件NP被具有折射率n₂<n₄的宿主媒介11围绕。再次地，可以用任何类型的折射透镜或衍射透镜替换NJ微透镜21。

除了LGE 21的位置以外，图6C的实施例中的单位单元UC与图6A的单位单元UC相同。在本实施例中，NJ微透镜21附接至具有折射率n₁的薄基板10，其中该薄基板10的相对面支撑NP阵列。可以任意选择透镜材料折射率，只要该折射率高于宿主媒介11的折射率n₂即可。在一个实施例中，该折射率可以具有与基板11相同的值即n₁。再次地，可以用任何类型的折射透镜或衍射透镜替换NJ微透镜21。

图6D的实施例中的单位单元UC可以包括与图6A～6C中相同类型的亚波长光学元件NP，但其元件NP直接组装在具有圆柱形式的NJ透镜21的顶面上，其中该NJ透镜21的高度(与其它实施例相比)增加到导致在圆柱21的顶面上直接创建热点的值。纳米喷射微透镜21可以附接至具有折射率n₁的基板10的顶面。在一个实施例中，纳米喷射微透镜21可以由与基板10相同的材料制成。

在所有的上述实施例中，亚波长光学元件NP可以以1D或2D阵列布置，其布局针对照明体条件和期望的光学响应进行优化。

在又一实施例(未示出)中，根据本发明的光学装置可以包括复合超颖表面，该复合超颖表面包括介质基板，在该介质基板的表面上创建有用作2D亚波长元件和/或2D纳米喷射微透镜的具有不同的宽度/高度/形状的条或槽。

如例如在欧洲专利申请EP 16306387.8中所述，被适配用于复合超颖表面的特定照明条件和/或布局的NJ微透镜的更复杂形状例如也可以以N阶齿轮、花或曲线的形式使用。

根据本发明实施例的光学装置的复合超颖表面可以使用诸如UV/DUV/E-波束光刻法等的已建立的纳米制造方法来制造。

图7呈现可用于控制根据本发明的一个实施例的光学装置的性能的装置的示例。

标记为700的这样的装置包括标记为701的计算单元(例如，CPU，“中央处理单元”的缩写)、以及标记为702的一个或多个存储器单元(例如，在指令(即计算机程序)的执行期间可以暂时存储中间结果的RAM(“随机存取存储器”的缩写)块、或者存储有计算机程序等的ROM块、或者EEPROM(“电可擦除可编程只读存储器”的缩写)、或者闪存块)。计算机程序由计算单元可以执行的指令构成。这样的装置700还可以包括标记为703的专用单元，该专用单元703构成用以使得装置700能够与其它装置进行通信的输入-输出接口。特别地，该专用单元703可以与天线(以在无接触的情况下进行通信)、与光源/接收单元(例如光电二极管、光纤、检测器等，例如光电二极管等)、或与串行端口(以执行“接触”通信)相连接。应当注意，图7中的箭头表示链接的单元例如可以通过总线一起交换数据。

在替代实施例中，对根据本发明的一个实施例的装置的性能的控制可以在可编程FPGA(“现场可编程门阵列”)组件或ASIC(“专用集成电路”)组件中以硬件实现。

Claims (14)

1.一种光学装置，用于从入射电磁波形成出射电磁波，其中所述光学装置包括至少一个单位单元(UC；UC1,UC2)，

所述单位单元包括：

至少两个亚波长光学元件(1,2,…,N)，其各自属于不同组(MS1,MS2,…,MS_n)的亚波长光学元件，一组亚波长光学元件以对入射电磁波的光学响应的类型为特征；以及

能够响应于入射在所述单位单元上的电磁波(20)来选择性地激发属于给定组的所有亚波长光学元件的部件(21)。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，光学响应的类型属于如下的组，该组包括：

施加至所述入射电磁波的相移；以及

所述入射电磁波的谱的至少一部分的振幅变化。

3.根据权利要求1或2所述的光学装置，其中，能够选择性地激发属于给定组的所有亚波长光学元件的所述部件(21)是导光元件即LGE，以及其中，所述亚波长光学元件位于所述导光元件的焦平面中。

4.根据权利要求3所述的光学装置，其中，所述导光元件是纳米喷射微透镜(21)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学装置，其中，所述亚波长光学元件(NP)属于如下的组，该组包括：

金属粒子；

介质粒子；

半导体粒子；

光学共振器；以及

光学天线。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，所述亚波长光学元件组装在介质基板(10)上或内部。

7.根据权利要求4或6所述的光学装置，其中，所述纳米喷射微透镜是嵌入在所述基板中、并且由折射率高于所述基板的折射率的介质材料制成的纳米喷射微透镜。

8.根据权利要求7所述的光学装置，其中，所述纳米喷射微透镜放置在所述基板的组装有所述亚波长光学元件的表面下方的一定距离处。

9.根据权利要求4或6所述的光学装置，其中，所述基板包括充满折射率低于所述基板的折射率的媒介的至少一个腔，以及其中，所述纳米喷射微透镜是以与所述基板相同的材料形成的，并且具有由所述腔的边缘引起的折射率的阶跃实现的聚焦功能。

10.根据权利要求4或6所述的光学装置，其中，所述纳米喷射微透镜附接至所述基板的与所述基板的组装有所述亚波长光学元件的表面相对的表面，以及其中，所述光学装置包括围绕所述纳米喷射微透镜并且折射率低于所述纳米喷射微透镜的折射率的宿主媒介。

11.根据权利要求4或6所述的光学装置，其中，所述纳米喷射微透镜在组装有所述亚波长光学元件的表面上形成所述基板。

12.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，所述光学装置包括一维或二维的单位单元阵列。

13.根据权利要求12所述的光学装置，其中，所述单位单元阵列中的单位单元包括属于相同组的亚波长光学元件但并不相同的亚波长光学元件。

14.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，所述光学装置属于眼镜光学装置或显示装置。

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