Оптическое устройство, обеспечивающее по меньшей мере две оптические функции

Оптическое устройство формирования излучаемой электромагнитной волны из падающей электромагнитной волны содержит по меньшей мере один единичный элемент, который содержит по меньшей мере два субволновых оптических элемента, каждый из которых принадлежит разному набору субволновых оптических элементов, характеризующемуся типом оптического отклика на падающую электромагнитную волну, наноструйную микролинзу для селективного возбуждения всех субволновых оптических элементов, принадлежащих к заданному набору при падении электромагнитной волны на указанный единичный элемент. Субволновые оптические элементы находятся в фокальной плоскости указанной наноструйной микролинзы. Технический результат - уменьшение размеров и веса, повышение качества изображения и обеспечение по меньшей мере двух различных оптических функций для по меньшей мере двух различных условий освещения. 11 з.п. ф-лы, 14 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области оптики и фотоники и, более конкретно, к плоским оптическим устройствам, основанным на сверхтонких оптических интерфейсах, также называемых метаповерхностными устройствами, которые могут быть использованы в области комформной и носимой оптики (т.е. AR/VR очки (дополненная реальность/виртуальная реальность)), а также в различных других электронных потребительских товарах, содержащих дисплеи и/или легковесные системы визуализации.

Уровень техники

Настоящий раздел предназначен для предоставления читателю различных аспектов данной области техники, которые могут относиться к различным аспектам настоящего изобретения, описанные и/или заявленные ниже. Как полагают, настоящее описание может быть полезным в предоставлении читателю обзорной информации уровня техники. Соответственно, следует понимать, что приставленное описание следует рассматривать только в этом отношении, а не в качестве возможности использования предшествующего уровня техники.

AR/VR очки рассматривают, как интерфейс «человек-машина» следующего поколения, повышая, тем самым, значительный интерес крупных промышленных предприятий в области потребительской электроники и мобильных устройств.

Усовершенствование AR/VR очков (и, в более общем плане, очки для электронных устройств) связано с целым рядом технических задач, включающие в себя уменьшение размеров и веса таких устройств, а также повышения качества изображения (с точки зрения контраста, поля зрения, глубины цвета и т.д.), которые должны быть достаточно реалистичными для предоставления пользователю по-настоящему полного эффекта присутствия.

Компромисс между качеством изображения и физическим размером оптических компонентов мотивируют исследования в ультра-компактных (предпочтительно, субволнового размера) оптических компонентов, которые могут быть использованы в качестве строительных блоков для более сложных оптических систем, таких как AR/VR очки.

Обычные объемные оптические компоненты, такие как преломляющие и дифракционные микролинзы и оптические сумматоры свободной формы, являются громоздкими и, таким образом, не в полной мере, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к устройствам, носимым на глазах.

Для обеспечения желаемых характеристик, необходимы альтернативные решения, основанные на различных физических принципах.

Для решения задач ограничений, присущим обычным оптическим компонентам, в последнее время было предложено новое семейство ультратонких оптических устройств, на основе оптических интерфейсов, включающих в себя множество субволновых масштабируемых оптических резонаторов. Это семейство устройств также упоминаются как «плоская» оптика и «метаповерхностные» устройства.

Метаповерхность может быть определена как оптически тонкий (т.е. гораздо тоньше, чем длина волны падающей электромагнитной волны) массив субволнового размера субволновых разнесенных оптических элементов, сформированных из отдельных микрочастиц, обычно из металла (например, золота) или диэлектрического материала с высоким показателем преломления (например, кремний), которые могут выступать в качестве резонаторов, оптических антенн ... Метаповерхность может быть либо структурированными или неструктурированными субволновыми масштабными шаблонами в горизонтальной размерности.

Метаповерхность также могут быть определена как периодический массив элементов рассеяния, размеры и периоды которых малы, по сравнению с рабочей длиной волны.

Из-за их незначительной толщины по сравнению с рабочей длиной волны, метаповерхность (вблизи резонанса составляющих элементарной ячейки) можно рассматривать в качестве интерфейса нарушения непрерывности воздействия резкого изменения как амплитуды, так и фазы падающего света. Одним из наиболее важных применений метаповерхности, следовательно, заключается в контроле волнового фронта электромагнитных волн путем локального применения градиента фазового сдвига на входящие волны. Они могут фактически обеспечить резкое изменение фазы, амплитуды и/или поляризации падающей электромагнитной волны (например, видимый свет).

Кроме того, оптический отклик метаповерхностных устройств может быть адаптирован путем настройки формы и размера отдельных микрочастиц и/или интервала между ними.

Будучи собраны на или внутри диэлектрической пластины, например, оптические резонаторы могут обеспечить совокупный отклик, необходимый для многих оптических устройств, представляющих общий интерес, например, фокусировка, отклонения луча и преобразования поляризации. Несколько примеров метаповерхностных устройств приведены в документе «Последние достижения в области планарной оптики: от плазмонных до диэлектрических метаповерхностей», P. Genevet, F Capasso et al., Optica 4 (1), 139-152, 2017, и описаны на фиг.1.

Несмотря на имеющий очень привлекательный форм-фактор (ультратонкая и плоская форма), все приведенные ранее метаповерхностные устройства, работающие в оптическом диапазоне, имеют некоторые ограничения, включающие в себя неудовлетворительную угловые характеристики. В то же время, возможность настройки оптического отклика метаповерхностных устройств для различных углов падения входящих волн может представлять интерес для многих вариантов использования, включающие в себя AR/VR очки.

Следовательно, желательно обеспечить оптическое устройство, использующее метаповерхности, что является усовершенствованием по сравнению с предшествующим уровнем техники. Было бы также желательно обеспечить такое оптическое устройство, которое было бы способно обеспечить, по меньшей мере, две различные оптические функции для, по меньшей мере, двух различных условий освещения (в частности, по меньшей мере, два различных угла падения входной электромагнитной волны).

Сущность изобретения

Ссылки в описании на «один вариант осуществления», «вариант осуществления», «примерный вариант осуществления» указывают, что описанный вариант осуществления может включать в себя конкретный признак, структуру или характеристику, но каждый вариант осуществления не обязательно может включать в себя конкретный признак, структуру или характеристику. Более того, такие фразы не обязательно относятся к тому же варианту осуществления. Кроме того, когда конкретный признак, структура или характеристика описывается в связи с вариантом осуществления, утверждается, что специалисту в данной области техники понятно, что такой признак, структура или характеристика может быть использован с другими вариантами осуществления, независимо от того, описано ли явно или нет.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, оптическое устройство, формирующее исходящую электромагнитную волну из падающей электромагнитной волны, содержит, по меньшей мере, одну элементарную ячейку, которая сама по себе содержит:

- по меньшей мере, два субволновых оптических элементов, каждый из них, принадлежащих к другому набору субволновых оптических элементов, при этом, набор субволновых оптических элементов характеризуются типом оптического отклика на падающую электромагнитную волну;

- средство, обеспечивающее возможность селективного возбуждения всех субволновых оптических элементов, принадлежащих к данному набору, в ответ на электромагнитную волну, падающую на упомянутую элементарную ячейку.

Таким образом, настоящее изобретение основано на новизне и изобретательском подходе оптических устройств, основанные на использовании метаповерхностных устройств.

Фактически, в большинстве случаев предшествующего уровня техники, метаповерхностные устройства (МS) основаны на наночастицах (NP) субволнового размера, собранные на или внутри диэлектрической подложки. Частицы собирают в виде обычных одно- или двумерных массивов с периодом, меньшим, чем длина волны падающего света. Оптический отклик MS устройств предшествующего уровня техники настраивают путем изменения размера, формы и ориентации отдельных наночастиц. Для любого угла падения, оптический отклик MS устройств предшествующего уровня техники определяют кумулятивным откликом всех NPs.

Для обеспечения дополнительной степени свободы при настройке оптического отклика MS устройства, настоящее изобретение предлагает сформировать метаповерхностный компаунд (содержащий, по меньшей мере, два набора элементов, соответствующих, по меньшей мере, две метаповерхности, каждая МS продуцирует оптический отклик, отличный от другой МS) с помощью средства селективного возбуждения элементов, которые принадлежат к двум или более различным наборам.

Другими словами, элементарная ячейка оптического устройства в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения содержит, по меньшей мере, два оптических элемента, размеры и расстояние между ними, которые являются меньшими, чем длина волны падающей электромагнитной волны (например, меньше, чем λ/2), а также называемые субволновыми оптическими элементами. Эти субволновые оптические элементы принадлежат к различным наборам субволновых оптических элементов. Все субволновые оптические элементы одного и тот же набора способствуют оптическому отклику устройства на падающую электромагнитную волну, при заданном угле падения на элементарной ячейке.

Кроме того, такая элементарная ячейка содержит средство для селективного возбуждения субволновых оптических элементов данного набора. Таким образом, такое средство обеспечивает, по меньшей мере, две различных оптических откликов оптического устройства для различных углов падения падающего света. Например, для первого угла падения входящей электромагнитной волны, они являются субволновыми оптическими элементами первого набора, которые возбуждаются и, таким образом, производят оптический отклик оптического устройства; для второго угла падения входящей электромагнитной волны, они представляют собой субволновые оптические элементы второго набора, которые возбуждаются и, таким образом, производят иной оптический отклик оптического устройства. Например, в одном варианте осуществления, два различных оптических отклика могут включать в себя два различных угла наклона падающей волны (два разных угла отклонения по отношению к направлению распространения падающей волны).

Оптический отклик оптического устройства на падающую электромагнитную волну, следовательно, регулируются частичным влиянием всех субволновых оптических элементов набора, так как все элементы данного набора подсвечивается для заданного угла падения и одновременно способствует оптическому отклику устройства при заданных условиях освещения.

Оптическое устройство в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, таким образом, зависит от метаповерхностных устройств с выбором угла, способных обеспечить, по меньшей мере, две различные оптические функции, по меньшей мере, для двух различных условий освещения. Свет распространяется через оптическое устройство, но волновой фронт падающей волны реконструируют (через локальное изменение амплитуды и/или фазы падающей волны, вызванный его взаимодействием с различными субволновыми элементами, которые принадлежат одному и тому же набору). В результате, исходящая электромагнитная волна может изменить свое направление распространения и/или сходятся к фокальной точке, по сравнению с падающей электромагнитной волной.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, тип оптического отклика относится к группе, содержащей:

- фазовый сдвиг, применяемый к падающей электромагнитной волне;

- изменение амплитуды, по меньшей мере, части спектра падающей электромагнитной волны.

Таким образом, все субволновые оптические элементы, принадлежащие к одному и тому же набору, вносят свой вклад в тот же качественный оптический отклик оптического устройства, хотя их вклад может быть количественно различен.

Они могут, например, все воздействовать посредством применения задержки фазы падающей электромагнитной волны, но с другим порядком магнитуды так, что изменение задержки фазы вдоль падающего волнового фронта можно использовать для наклона или фокусировки падающей плоской волны.

Данный набор субволновых оптических элементов может также действовать как на фазовой задержке, так и по амплитуде падающей электромагнитной волны.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, средство селективного возбуждением всех субволновых оптических элементов, принадлежащих к данному набору, являются световодным элементом (LGE), и субволновые оптические элементы предназначены для размещения в фокальной плоскости световодного элемента.

Такой световодный элемент обеспечивает функцию фокусировки и выполнено с возможностью фокусировать свет, либо на субволновых оптических элементах набора, или на субволновых оптических элементах другого набора, таким образом, выбирая оптическую функцию, которая будет обеспечена с помощью оптического устройства.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, световодный элементом является наноструйными микролинзами. Может быть, конечно, любым другим типом дифракционных или рефракционных линз. Тем не менее, используя наноструйные микролинзы, как световодный элемент, позволяет достичь очень малых размеров элементарных ячеек.

Такие наноструйные (NJ) микролинзы впервые были представлены в РСТ патентных заявках PCT/EP17/057130 и РСТ/EP17/057131, которые не были еше опубликованы на момент подачи настоящей заявки на патент. Они могут производить конденсированные оптические лучи в ближней зоне (так называемые наноструйные лучи), длина которых и ширина луча на уровне половинной мощности (BWHP) может быть настроена путем изменения материала линзы, формы и размера. В качестве дополнения к NJ формированию луча, NJ микролинзы могут также формировать спокойную зону, которая является зоной, характеризующаяся очень низкими значениями интенсивности поля, гораздо ниже, чем у падающей волны. Как следствие, субволновые оптические элементы элементарной ячейки, которые формируют посредством наноструйного луча, возбуждаются, и обеспечивают их оптический отклик, в то время, как субволновые оптические элементы элементарной ячейки, которые находятся в тихой зоне, не возбуждаются, и не влияют на оптический отклик оптического устройства.

Такие наноструйные микролинзы могут иметь различные формы и могут относится к цилиндрам, призмам, конусам с произвольным поперечным сечением ...

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, субволновые оптические элементы принадлежат к группе, содержащей:

- металлические частицы;

- диэлектрические частицы;

- полупроводниковые частицы;

- оптические резонаторы;

- оптические антенны.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, субволновые оптические элементы собраны на или внутри диэлектрической подложки.

В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, наноструйными микролинзами являются наноструйные микролинзы, размещенные на подложке и выполненные из диэлектрического материала с показателем преломлением выше, чем у подложки.

В одном варианте осуществления, наноструйные микролинзы помещают на расстоянии ниже поверхности подложки, на которой собраны субволновые оптические элементы, таким образом, что Н + Т = Р, где Н представляет собой высоту NJ микролинз, Т представляет собой расстояние от в верхней части NJ микролинз к поверхности и Р представляет собой фокусное расстояние микролинз.

В соответствии со вторым своеобразным вариантом осуществления настоящего изобретения, подложка содержит, по меньшей мере, одну полость, заполненную средой с показателем преломления ниже, чем у подложки, и наноструйные микролинзы формируют в том же материале, что и подложка и имеет функцию фокусировки, предоставленную на этапе показателя преломления, индуцированного кромкой полости (полостей).

В соответствии с третьим конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения, наноструйные микролинзы прикрепляют к поверхности подложки, противоположной к поверхности подложки, на которой собраны субволновые оптические элементы, и оптическое устройство содержит хост-среду, окружающую наноструйные микролинзы и имеющую показатель преломления ниже, чем у наноструйных микролинз.

В соответствии с четвертым конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения, наноструйные микролинзы образует подложку, на поверхности которой собраны субволновые оптические элементы.

В соответствии с дополнительным вариантом осуществления, например, оптическое устройство содержит одномерный или двумерный массив из единичных элементов.

Следовательно, такое оптическое устройство содержит метаповерхностный компаунд (CMS), содержащий, по меньшей мере, два массива субволновых оптических элементов, собранных на или внутри одной и той же диэлектрической подложки, такие элементы чередуются в плоскости массива. Массивы субволновых оптических элементов могут быть одномерными (1D) или двумерными (2D), таким образом, имея периодичность в одной или двух плоскостях.

Согласно еще одному варианту осуществления, элементарные ячейки массива элементарных ячеек содержит субволновые оптические элементы, принадлежащие к тем же наборам субволновых оптических элементов, но которые не являются идентичными.

На самом деле, элементы каждого массива субволновых оптических элементов не могут, очевидно, быть идентичными, так долго, как они принадлежат к одному и тому же набору субволновых оптических элементов, характеризующегося типом оптического отклика. Например, субволновые оптические элементы могут быть металлическими полосами, имеющие различную форму и ориентацию, или субволновыми диэлектрическими цилиндрами с круглым или прямоугольным поперечным сечением, имеющим переменный размер и/или ориентацию. Они могут также иметь форму полос, формирующие 1D массив.

В соответствии с дополнительным вариантом осуществления, такое оптическое устройство относится к оптическому устройству, носимому на глазах, или устройству отображения.

Фактически, метаповерхностный компаунд может обеспечить более сложный угловым-селективным оптическим откликом, востребованным для оптических устройств, носимых на глазах, следующего поколения.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение может быть лучше понято со ссылкой на описание и чертежи, приведенные ниже в качестве примера и не ограничивают объем защиты, и на которых:

Фиг.1 иллюстрирует примеры метаповерхностных устройств в соответствии с предшествующим уровнем техники;

Фиг.2А представляет собой схематическое изображение вида сбоку метаповерхностного устройства предшествующего уровня техники, показанного на фиг.1;

Фиг.2В иллюстрирует метаповерхностный компаунд, состоящий из двух массивов наночастиц;

Фиг.2С представляет собой схематическое изображение оптического устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.3 представляет собой схему простейшей формы оптического устройства на фиг.2С;

Фиг.4А-4С иллюстрируют плотность мощности в ближней зоне цилиндрических NJ микролинз, освещаемых блок-амплитудной линейно-поляризованной плоской волной = {0, Ey, 0}, падающей снизу;

Фиг.5 показывает альтернативный вариант оптического устройства в соответствии с настоящим изобретением, изготовленное из элементарных ячеек, которые не являются идентичными;

Фиг.6A-6D иллюстрируют несколько примерных вариантов элементарной ячейки оптического устройства в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.7 иллюстрируют пример устройства, которое может быть использовано для управления производительностью оптического устройства в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Компоненты на чертежах не обязательно указаны в масштабе, вместо того, основное внимание уделено иллюстрированию принципов изобретения. В описании одна и та же ссылочная позиция используются для обозначения одинаковых элементов.

Описание вариантов осуществления

Общий принцип настоящего изобретения основывается на угловом-селективном метаповерхностном устройстве, выполненным с возможностью обеспечивать, по меньшей мере, две различные оптические функции, по меньшей мере, для двух различных условий освещения.

В качестве введения в описании вариантов осуществления настоящего изобретения, на фиг.1 представлены примеры различных решений, предложенных для адресного контроля волнового фронта с помощью метаповерхностных устройств предшествующего уровня техники. В верхней панели на фиг. 1, с (а) по (с), оптический отклик наноструктур адаптирован путем изменения геометрии каждого отдельного резонатора, образующего метаповерхность. В средней панели на фиг.1, с (d) по (g), метаповерхности основаны на фазе Pancharatnam-Berry (PB) с очень высокой эффективностью рассеяния, как при отражении, так и в передаче. Нижняя панель фиг. 1, с (h) по (k) показывает гибридные метаповерхности, которые работают с использованием как резонансной настройки, так и настройки PB фазы.

В этих примерах субволновые оптические элементы могут быть выполнены в виде металлических полос, имеющие различную форму и ориентацию (см. фиг.1 (а), (d) и (h)), или в субволновых диэлектрических цилиндрах с круглым или прямоугольными поперечным сечением, имеющие переменный размер и/или ориентацию (см. фиг.1 (b), (е) - (g)), или имеющие форму полосок, формирующие 1D массив (см. фиг.1 (c), (k)).

Фиг.2А иллюстрирует изображение вида сбоку такого метаповерхностного устройства предшествующего уровня техники, содержащего циклический массив субволновых оптических элементов со всеми элементами, принадлежащими к одному и тому же набору. Следует отметить, что, на схематическом чертеже фиг.2А, все субволновые оптические элементы идентичны, в то время как в предшествующем примере на фиг.1, элементы не являются идентичными (которые различаются по размеру, форме, ориентации ... чтобы локально изменять фазу падающей волны), но тем не менее, принадлежат одному и тому же набору элементов.

МС1 метаповерхность образована из циклического массива субволновых оптических элементов 1, собранного на поверхности подложки 10 с показателем n1 преломления. Субволновые оптические элементы 1 размещены в хост-среде 11 с показателем n2 преломления.

Метаповерхностное устройство на фиг.2А и 2В освещены падающей ЕМ волной, направление распространения которой иллюстрируется стрелкой 20.

Фиг.2В иллюстрирует метаповерхностный компаунд, содержащий два массива MS1 и MS2 субволновых оптических элементов: каждый массив субволновых оптических элементов содержит множество субволновых оптических элементов одного и того же типа, или принадлежащие одному и тому же набору. Таким образом, метаповерхностный компаунд содержит субволновые оптические элементы, соответственно, обозначенные 1 и 2, принадлежащие к двум различным наборам. Среди заданного набора (1 или 2), субволновые оптические элементы могут быть идентичными или нет. Субволновые оптические элементы 1, 2 собраны на поверхности подложки 10 с показателем n1 преломления. Они погружены в хост-среду 11 с показателем n2 преломления. Субволновые оптические элементы 1 и 2 чередуются на поверхности подложки 10, так что каждый субволновой оптический элемент 1 первого типа субволновых оптических элементов непосредственно окружен двумя субволновыми оптическими элементами 2 второго типа субволновых оптических элементов, и наоборот.

Фиг.2C представляет собой схематический чертеж оптического устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

На данном примере фиг.2С представлены две элементарные ячейки UC1 и UC2. Оптическое устройство может содержать массив элементарных ячеек UCi, которые могут быть либо одномерными (как показано на виде сбоку на фиг.2С), или двумерным на XY-плоскости. Каждая элементарная ячейка UC1, UC2 содержит световодный элемент 21, который принимает падающую электромагнитную волну 20, с различными углами падения.

Такой LGE 21 может быть устройством любого типа фокусировки, такие, как хорошо известные рефракционные или дифракционные линзы, или в конкретном варианте осуществления, который будет описан более подробно далее, наноструйные микролинзы. Фактически, полезно использовать наноструйные линзы для получения минимального размера элементарной ячейки.

Такой LGE 21 расположен ниже нижней поверхности подложки 10 с показателем n1 преломления. Верхняя поверхность подложки 10 несет субволновые оптические элементы, обозначенные 1 до N.

Каждая элементарная ячейка UC1, UC2 содержит массив N субволновых оптических элементов, каждый из которых принадлежит к другому набору MSi (i находится в диапазоне от 1 до N) субволновых оптических элементов. Каждый набор MSi характеризуются своеобразным оптическим откликом на падающую волну. Например, каждый набор MSi может вызывать различный угол отклонения электромагнитной волны, падающей на оптическое устройство, определенный по отношению к направлению распространения падающей ЕМ волны, когда субволновые оптические элементы этого набора селективно освещены.

В примере на фиг. 2C, каждая элементарная ячейка UCi содержит, таким образом, N субволновых оптических элементов от 1 до N, принадлежащих к N различным наборам субволновых оптических элементов MS1 до MSN. Эти элементы расположены в фокальной плоскости LGE 21.

LGE 21 действуют в качестве фокусирующих элементов, которые генерируют оптические лучи 22 в ответ на входящие падающие волны 20. Оптические лучи 22 селективно возбуждают субволновые оптические элементы данного набора MSi. По мере того, как LGE 21 являются одинаковыми для всех элементарных ячеек, субволновые оптические элементы одного и того же набора возбуждаются одновременно во всех элементарных ячейках оптического устройства.

В примере на фиг.2C, например, оптическое устройство может, следовательно, выполнить N различных оптических функций, соответствующих оптических откликов N различных наборов субволновых оптических элементов.

В более простом варианте, количество наборов субволновых оптических элементов в элементарной ячейке UCi может быть ограничены двумя, а именно МС1 с субволновым оптическим элементом 1 и МС2 с субволновым оптическим элементом 2; оптическое устройство может содержать только одну элементарную ячейку UC. Это показано на фиг.3. В зависимости от угла падения электромагнитной волны 20 на LGE 21, последний фокусирует свет либо в оптическом луче 221, который селективно возбуждает субволновой оптический элемент 1, принадлежащий метаповерхности MS1, или в оптическом луче 222, который селективно возбуждает субволновый оптический элемент 2, принадлежащий метаповерхности MS2.

В другом варианте осуществления, показанном на фиг.5, оптическое устройство содержит несколько элементарных ячеек, каждая из которых содержит субволновые оптические элементы, принадлежащие к тому же набору субволновых оптических элементов, но которые не могут быть идентичными.

Более точно, каждая элементарная ячейка UC1 и UC2 состоит из двух субволновых оптических элементов 1 и 2, каждый из которых принадлежит к другому набору субволновых оптических элементов MS1 и MS2. Однако элементарные ячейки UC1 и UC2 не является идентичными, так как элементы каждого массива MS1 и MS2 не являются идентичными во всех ячейках (хотя принадлежащие одному и тому же набору субволновых оптических элементов). В простом примере фиг.5, субволновые оптические элементы отличаются по размеру от одной элементарной ячейки к другой: наночастицы 1, принадлежащие набору МС1, больше в элементарной ячейке UC1, чем в элементарной ячейке UC2, в то время как наночастицы 2, принадлежащие набору MS2, меньше в элементарной ячейке UC1, чем в элементарной ячейке UC2. Оптический отклик наночастиц заданного набора MS1 или MS2 остается таким же по типу (например, фазовая задержка), хотя она может отличаться по магнитуде, что приводит к различной форме волнового фронта выходящей волны.

В предпочтительном варианте осуществления, для обеспечения желаемого селективного возбуждения наночастиц субволнового размера, или субволновых оптических элементов, с помощью LGEs, LGEs 21 является наноструйными микролинзами. Следует напомнить, что такие наноструйные микролинзы впервые были представлены в РСТ патентных заявках PCT/EP17/057130 и РСТ/EP17/057131, которые не были опубликованы на момент подачи настоящей заявки на патент.

Далее приведены основные признаки NJ микролинз, важных для осуществления метаповерхностного компаунда настоящего изобретения:

- NJ микролинзы может быть изготовлены из однородного диэлектрика с показателем преломления выше, чем у хост-среды. В качестве альтернативы, могут быть получены в виде полого кольца, как описано в РСТ заявке на патент PCT/EP17/057130, или набора произвольной формы полостей, как описано в РСТ заявке на патент PCT/EP17/057131.

- NJ микролинзы могут иметь форму диэлектрических цилиндров (или конусов или призм) с произвольным поперечным сечением.

- их диаметр (т.е. с размер поперечного сечения в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения падающей волны) и высота (т.е. размер цилиндра вдоль направления распространения падающей волны) могут варьироваться между около ½ до нескольких длин волн.

- NJ микролинзы могут производить конденсированные оптические лучи в ближней зоне (так называемые наноструйные лучи), длина которых и ширина луча на половинной мощности (BWHP) могут быть настроены путем изменения материала, формы и размера линзы. Более конкретно, форма NJ луча зависит от формы и кривизны базовой линии кромки, а также угла базы цилиндра (призмы, конуса). В зависимости от топологии линзы, ось NJ луча может совпадать с осью линз и направления распространения падающего света или не может, как описано в заявке на европейский патент EP16306387.8 (еще не была опубликована на момент подачи настоящей заявки на патент).

-в качестве дополнения к формированию NJ луча, NJ микролинзы могут также производить спокойную зону, которая является зоной, характеризующейся очень низким значением интенсивности поля, гораздо ниже, чем у падающей волны, как описано в заявке на европейский патент EP16306386.0 (еще не была опубликована на момент подачи настоящей заявки на патент).

-типичные значения ширины NJ луча на половине мощности для цилиндрических NJ микролинз составляет около ½ от длины волны падающего света.

-длина NJ луча может варьировать от нескольких единиц до нескольких (например, 10 и более) длин волн.

-в случае наклонного падения падающего света (т.е. направление распространения не совпадает с оптической осью цилиндра и/или не является нормальным к поверхности основания цилиндра), NJ луч также может наклоняться в соответствии с входящим углом падения света. Такое же поведение наблюдается и в тихой зоне. Что показано на фиг.4С

Фиг.4 фактически иллюстрирует плотность мощности в ближней зоне цилиндрических NJ микролинз 21, освещаемых блок-амплитудной линейно-поляризованной плоской волной = {0, Ey, 0}, падающей снизу, в котором:

-n2=1 является показателем преломления хост-среды, окружающей NJ микролинзы 21,

-n3 = 1,5 является показателем преломления NJ микролинз 21,

-R = 500 нм является радиусом цилиндрических NJ микролинз 21,

-Н = 500 нм является высотой цилиндрических NJ микролинз 21.

Конкретно, фиг.4А обеспечивает топологию и нотации, используемые для NJ микролинз 21, фиг.4В обеспечивает профиль плотности мощности вдоль оси х в фокальной плоскости при z=z0, и фиг.4C обеспечивает распределение плотности мощности в XZ -плоскости для различных углов падения плоской волны.

Как можно видеть на фиг.4A-4C, для примерного варианта осуществления цилиндрических NJ микролинз 21, форма NJ луча, а также его пиковой интенсивности, хорошо сохраняются при различных углах падения линейно-поляризованный плоскости волны, по меньшей мере, до 30°. Слева направо, различные схемы на фиг. 4C, соответственно, соответствуют углом падения линейно-поляризованной плоской волны γ = 0°, γ = 10°, γ = 20° и γ = 30°.

Для обеспечения селективного возбуждения двух соседних субволновых оптических элементов в устройстве метаповерхностного компаунда, по меньшей мере, фактор двух различий в терминах напряженности поля рекомендуются для субволновых оптических элементов с подсветкой и без подсветки. Как можно видеть на фиг. 4В, для выбранных иллюстративных NJ микролинз 21, это условие выполняется для γ = 0° и , например, также выполняется при γ = -10 °, γ = 10 ° и γ = 30°.

Другими словами, можно с такими наноструйными микролинзами 21 для избирательного возбуждения субволновых оптических элементов 1 первого набора MS1 с электромагнитной волной достигает NJ микролинзы 21 с углом падения , а также для избирательного возбуждения субволновых оптических элементов 2 второго набора MS2 с электромагнитной волной, достигающей NJ микролинзы 21 с углом падения . Таким образом, можно сформировать угловое селективное метаповерхностное устройство, выполненное с возможностью обеспечивать две различные оптические функции для двух различных углов падения падающего света.

Также было бы возможно с такими наноструйными микролинзами 21 избирательно возбуждать субволновые оптические элементы 1 первого набора MS1 электромагнитной волной, достигающей NJ микролинзы 21 с углом падения γ = -10 °, селективно возбуждать субволновые оптические элементы 2 второго набора MS2 электромагнитной волной, достигающей NJ микролинзы 21 с углом падения γ = 10°, а также для избирательного возбуждения субволновых оптических элементов 3 второго набора MS3 электромагнитной волной, достигающей NJ микролинзы 21 с угол падения γ = 30°. Таким образом, можно сформировать угловое селективное метаповерхностное устройство, выполненное с возможностью обеспечивать три различные оптические функции для трех различных углов падения падающего света. Хотя это не показано на чертежах, в четвёртый субволновый оптический элемент, принадлежащий четвертому набору, также может быть добавлен и избирательно возбуждается для угла падения -30° (как следует из симметрии), что позволяет получить оптическое устройство, выполненное с возможностью обеспечивать четыре различных оптических функций.

На фиг.6 показаны несколько примерных вариантов осуществления для элементарной ячейки оптического устройства в соответствии с настоящим изобретением. В этих примерах для каждой элементарной ячейки показано произвольное число субволновых оптических элементов (а именно, семь на фиг. 6А, 6В, 6С и пять на фиг.6D). Следует напомнить, однако, что в простейшем случае, элементарная ячейка содержит только два субволновых оптических элементов, принадлежащих к двум различным наборам субволновых оптических элементов.

Элементарная ячейка UC в варианте осуществления на фиг. 6А содержит набор субволновых оптических элементов, изготовленных из диэлектрического материала с высоким показателем (n4) преломления, собранные на поверхности диэлектрической подложки 10 с показателем n1 преломления. Субволновые оптические элементы NP окружены хост-средой 11 с показателем n2 <n4 преломления. Подложка 10 содержит LGE 21 в виде цилиндрических NJ микролинз, изготовленный из диэлектрического материала с показателем n3 преломления, более высоким, чем у подложки n1. LGE 21 находится в центре элементарной ячейки UC на определенном расстоянии от поверхности подложки 10, на которой собраны субволновые оптические элементы NPs.

Необходимо подчеркнуть, что специалист в данной области техники может также заменить NJ микролинзы 21 классическими рефракционными или дифракционными линзами, хотя и не показано на чертеже.

UC элементарная ячейка в варианте осуществления на фиг.6В аналогична показанной на фиг. 6А для части, связанной с LGE 21. В этом варианте осуществления LGE 21 выполнен из того же материала, что и подложка 10 с показателем n3 = n1 преломления, и фокусирующая функция LGE 21 обеспечена путем формирования одной (как в РСТ патентной заявке PCT/EP17/057130) или несколько (например, в РСТ патентной заявке PCT/EP17/057131) полостей 60. Полость (полости) 60 заполнена средой с показателем n<n3 преломления. Набор субволновых оптических элементов NP, изготовленных из диэлектрического материала с высоким показателем (n4) преломления, собирают на поверхности диэлектрической подложки 10. Субволновые оптические элементы NP окружены хост-средой 11 с показателем n2<n4 преломления. Еще раз, NJ микролинзы 21 могут быть заменены рефракционными или дифракционными линзами, любого типа.

UC элементарная ячейка в варианте осуществления на фиг.6C аналогична показанному на фиг.6А, за исключением положения LGE 21. В этом варианте осуществления, NJ микролинзы 21 прикреплены к тонкой подложке 10 с показателем n1 преломления, противоположная поверхность которой поддерживает NP массив. Показатель преломления материала линз может быть выбран произвольно, при условии, что выше, чем n2 хост-среды 11. В одном варианте осуществления, он может иметь такое же значение, как и подложки, т.е. n1. Еще раз, NJ микролинзы 21 могут быть заменены рефракционными или дифракционными линзами любого типа.

UC элементарная ячейка в варианте осуществления на фиг. 6D может содержать один и тот же тип субволновых оптических элементов NP, как на фиг. 6A-6C, но его элементы NP собраны непосредственно на верхней поверхности NJ линзы 21, имеющей форму цилиндра, высота которого увеличена (по сравнению с другими вариантами осуществления) до значения, которое приводит к созданию горячих точек непосредственно на верхней поверхности цилиндра 21. Наноструйные микролинзы 21 могут быть прикреплены на верхней поверхности подложки 10 с показателем n1 преломления. В одном варианте осуществления наноструйные микролинзы 21 могут быть изготовлены из того же материала, что и подложка 10.

Во всех вышеупомянутых вариантах осуществления субволновых оптические элементы NP могут быть расположены в 1D или 2D массивах, чья компоновка должна быть оптимизирована в отношении условий освещенности и желаемого оптического отклика.

В еще одном варианте осуществления (не показан), оптическое устройство в соответствии с настоящим изобретением может содержать метаповерхностный компаунд, содержащий диэлектрическую подложку с выступами или углублениями, сформированными на его поверхности, имеющих различную ширину/высоту/форму, действующую в качестве 2D субволновых элементов и/или 2D наноструйных микролинз.

Также могут быть использованы более сложные формы NJ микролинз, адаптированные для конкретных условий освещения и/или компоновки метаповерхностного компаунда, например, в форме шестерни N-го порядка, цветов или изогнутых линий, как описано, например, в европейской патентной заявке ЕР 16306387.8.

Метаповерхностный компаунд оптического устройства в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения может быть изготовлен с использованием известных способов нано-производства, таких как UV/DUV/электронно-лучевой литографии.

Фиг.7 представляет собой пример устройства, которое может быть использовано для управления производительностью оптического устройства в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Такое устройство обозначено 700 и содержит вычислительный блок (например, CPU, «Central Processing Unit»), обозначенный 701, и один или более блоков памяти (например, RAM («Random Access Memory»), в котором могут быть временно сохранены промежуточные результирующие данные во время выполнения инструкций компьютерной программы или ROM блока, в котором, помимо прочего, хранят компьютерные программы, или EEPROM («Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory») блок или блок флэш-памяти), обозначено 702. Компьютерные программы содержат инструкции, которые могут быть выполнены с помощью вычислительного блока. Такое устройство 700 также может содержать специализированный блок, обозначенный 703, имеющий интерфейс ввода/вывода, чтобы позволить устройству 700 устанавливать связь с другими устройствами. В частности, специализированный блок 703 может быть соединен с антенной (для осуществления беспроводной связи), с источником света/блоком приема (таким как, например, фотодиод, оптическое волокно, детектор, например, фотодиод и т.д.), либо с последовательными портами (для осуществления связи типа «контакт»). Следует отметить, что стрелки на фиг.7, означают, что связанные блоки могут, например, обмениваться данными друг с другом посредством шин.

В альтернативном варианте осуществления, управление производительностью устройства в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения может быть реализовано в аппаратных средствах, в компоненте программируемой FPGA («Field Programmable Gate Array») или компоненте ASIC («Application-Specific Integrated Circuit»).

1. Оптическое устройство формирования излучаемой электромагнитной волны из падающей электромагнитной волны, содержащее по меньшей мере один единичный элемент (UC; UC1, UC2), при этом указанный единичный элемент содержит:

- по меньшей мере два субволновых оптических элемента (1, 2, …, N), каждый из которых принадлежит разному набору (МС1, МС2, …, MSN) субволновых оптических элементов, причем набор субволновых оптических элементов характеризуется типом оптического отклика на падающую электромагнитную волну;

- наноструйную микролинзу (21), обепечивающую возможность селективного возбуждения всех субволновых оптических элементов, принадлежащих к заданному набору, при падении указанной электромагнитной волны (20) на указанный единичный элемент,

- при этом субволновые оптические элементы находятся в фокальной плоскости указанной наноструйной микролинзы.

2. Оптическое устройство по п. 1, в котором тип оптического отклика принадлежит к группе, содержащей:

- фазовый сдвиг, применяемый к указанной падающей электромагнитной волне;

- изменение амплитуды по меньшей мере части спектра указанной падающей электромагнитной волны.

3. Оптическое устройство по п. 1 или 2, в котором субволновые оптические элементы (NP) принадлежат к группе, содержащей:

- металлические частицы;

- диэлектрические частицы;

- полупроводниковые частицы;

- оптические резонаторы;

- оптические антенны.

4. Оптическое устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором указанные субволновые оптические элементы собраны на или внутри диэлектрической подложки (10).

5. Оптическое устройство по п. 4, в котором указанная наноструйная микролинза представляет собой наноструйную микролинзу, встроенную в указанную подложку и изготовленную из диэлектрического материала с показателем преломлением выше, чем у указанной подложки.

6. Оптическое устройство по п. 5, в котором указанная наноструйная микролинза размещена на расстоянии ниже поверхности указанной подложки, на которой собраны указанные субволновые оптические элементы.

7. Оптическое устройство по п. 4, в котором указанная подложка содержит по меньшей мере одну полость, заполненную средой с показателем преломления ниже, чем у указанной подложки, при этом указанная наноструйная микролинза сформирована в том же материале, что указанная подложка, и имеет фокусирующую функцию, обеспечиваемую ступенькой показателя преломления, обусловленной кромкой указанной полости.

8. Оптическое устройство по п. 4, в котором указанная наноструйная микролинза прикреплена к поверхности указанной подложки, противоположной поверхности указанной подложки, на которой собраны указанные субволновые оптические элементы, при этом указанное оптическое устройство содержит материал-основу, окружающий указанную наноструйную микролинзу и имеющий показатель преломление ниже, чем у указанной наноструйной микролинзы.

9. Оптическое устройство по п. 4, в котором указанная наноструйная микролинза образует указанную подложку, на поверхности которой собраны указанные субволновые оптические элементы.

10. Оптическое устройство по любому из предшествующих пунктов, которое содержит одномерный или двумерный массив единичных элементов.

11. Оптическое устройство по п. 10, в котором указанные единичные элементы указанного массива единичных элементов содержат субволновые оптические элементы, принадлежащие к одним и тем же наборам субволновых оптических элементов, но которые не являются идентичными.

12. Оптическое устройство по любому из предшествующих пунктов, которое принадлежит к оптическому устройству, являющемуся очками, или к дисплейному устройству.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к средствам генерирования многофокусного изображения с одним или более цветами. Технический результат заключается в уменьшении артефактов цвета и глубины фокуса.

Изобретение относится к системе для выборочного просмотра и отображения изображений. Техническим результатом является снижение энергопотребления и повышение контрастности изображения.

Изобретение относится к устройствам дополненной реальности. Волновод с архитектурой дифракционных оптических элементов содержит вводной дифракционный элемент, включающий первый линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента и второй линейный дифракционный оптический элемент вводного дифракционного элемента; первый размножающий дифракционный элемент и второй размножающий дифракционный элемент; выводной дифракционный элемент.

Изобретение относится к приборам для транспортных средств. Индикатор на ветровом стекле для транспортного средства содержит источник излучения, выполненный с возможностью излучения p-поляризованного информационного излучения, проекционную систему, выполненную с возможностью проецирования p-поляризованного информационного излучения от источника излучения в направлении ветрового стекла транспортного средства, и отражающий оптический элемент, обращенный в сторону пользователя транспортного средства.

Изобретение относится к устанавливаемому на голове устройству отображения. Устанавливаемое на голове устройство (100) отображения, выполненное с возможностью ношения пользователем (121), содержит: по меньшей мере частично прозрачный дисплей (101), обращенную вперед видеокамеру (102), выполненную с возможностью захвата первого изображения сцены реального мира, обращенную к глазам видеокамеру (103), выполненную с возможностью захвата второго изображения отражения сцены реального мира роговицей (123) пользователя, и средство (104) обработки.
Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в оптических интерферометрах различных типов в качестве опорного светоделительного элемента. Целью изобретения является повышение качества плёночной светоделительной мембраны и улучшение эксплуатационных свойств.

Изобретение относится к проекционной системе для индикатора на лобовом стекле (ИЛС), включающей композитную панель (10) остекления, содержащую внешнюю панель (1) панель остекления и внутреннюю панель (2) остекления, которые соединены друг с другом термопластичным промежуточным слоем (3), имеющей верхний край (О), и нижний край (U), и область (В) отображения на лобовом стекле, электропроводное покрытие (20) на поверхности (II, III) внешней панели (1) остекления или внутренней панели (2), обращенной к промежуточному слою (3), или образованное внутри промежуточного слоя (3), и проектор (4), который направлен на область (В) отображения на лобовом стекле.

Изобретение относится к высокопрочному, не оставляющему отпечатков пальцев стеклу. Техническим результатом является предотвращение загрязнения поверхности стекла, вызванного непосредственным контактом пальцев с поверхностью стекла.

Изобретение относится к дисплеям для создания изображения дополненной или совмещенной реальности. Устройство дополненной и совмещенной реальности содержит корпус, в котором расположены набор входных дифракционных компонент, выполненный с возможностью ввода лучей изображения в волновод и их распределения по меньшей мере в одном направлении; по меньшей мере один волновод, выполненный с возможностью распространения лучей изображения; и набор выходных дифракционных компонент, состоящих из оптической решетки ромбического паркета или искусственного графена, повторяющей структуру кристаллической решетки графена, выполненной с возможностью вывода лучей изображения в направлении глаз пользователя и распределения лучей изображения по волноводу по меньшей мере в трех направлениях.

Устройство для отклонения лазерного излучения (1) содержит первую линзовую матрицу (2) с множеством расположенных рядом друг с другом линз (3), через которую по меньшей мере частично проходит лазерное излучение (1) и формируется множество частичных лучей, вторую линзовую матрицу (8) с множеством расположенных рядом друг с другом линз (9), которая расположена таким образом, что лазерное излучение, прошедшее через первую линзовую матрицу (2), по меньшей мере частично проходит через вторую линзовую матрицу (8), подвижное, вращаемое или поворачиваемое первое зеркало (5), которое расположено между указанными двумя линзовыми матрицами (2, 8) и отклоняет прошедшее через первую линзовую матрицу (2) лазерное излучение (1) в направлении второй линзовой матрицы (8).

Устройство для отклонения лазерного излучения (1) содержит первую линзовую матрицу (2) с множеством расположенных рядом друг с другом линз (3), через которую по меньшей мере частично проходит лазерное излучение (1) и формируется множество частичных лучей, вторую линзовую матрицу (8) с множеством расположенных рядом друг с другом линз (9), которая расположена таким образом, что лазерное излучение, прошедшее через первую линзовую матрицу (2), по меньшей мере частично проходит через вторую линзовую матрицу (8), подвижное, вращаемое или поворачиваемое первое зеркало (5), которое расположено между указанными двумя линзовыми матрицами (2, 8) и отклоняет прошедшее через первую линзовую матрицу (2) лазерное излучение (1) в направлении второй линзовой матрицы (8).
Наверх