用于确定具有超颖表面的光学系统的方法以及相关联产品与流程

本发明涉及一种用于确定光学系统的参数的计算机实现的方法，该光学系统包括具有超颖表面的镜片。本发明还涉及相关联的光学系统、装置、计算机程序产品、计算机可读介质和一组数据。本发明还涉及一种用于制造这种光学系统的方法以及相关联设备。

背景技术：

具有多个显示特征的头戴式装置在本领域中是已知的。这种装置包括所谓的《智能眼镜》，其允许其配戴者看得见图像或文字从而增强现实。

为了提高配戴者视觉舒适性，期望提供多种方法和系统，其中以特别适合于配戴者和/或配戴装置的定制方式来显示图像和文字。

针对屈光不正配戴者，视觉舒适性要求不仅要为《自然视觉》(配戴者周围环境的视觉)提供合适的矫正，而且还要为虚拟图像或全息图像的可视化提供合适的矫正。

针对正视眼配戴者，例如在调节力储备减小后，或者为了在不同的注视方向(例如视近vs视远)上提供特定的视觉，可能需要针对虚拟视觉进行矫正。

技术实现要素：

因此，需要减轻先前缺陷的头戴式装置。

为此，本说明书描述了一种用于确定旨在由镜架保持并由配戴者配戴的光学系统的参数的计算机实现的方法，所述光学系统包括镜片，所述镜片进一步包括超颖表面，所述超颖表面通过至少一组纳米结构形成，参数是针对所述镜片和所述超颖表面定义的，所述方法包括以下步骤：

-提供光学系统透射目标光学函数和光学系统反射目标光学函数，

-提供光学透射成本函数，当由所述配戴者戴着所述系统时，所述光学透射成本函数与所述系统在透射中的光学函数有关，

-提供光学反射成本函数，当所述配戴者戴着所述系统时，所述光学反射成本函数与所述系统在反射中的光学函数有关，以及

-通过修改所述系统的至少一个参数来确定使总体成本函数与所述总体成本函数的目标值之间的差异最小化的光学系统，在所述超颖表面之一中，所述总体成本函数是所述光学透射成本函数和所述光学反射成本函数的函数，并且所述目标值是所述光学系统透射目标光学函数和所述光学系统反射目标光学函数的函数。

根据具体实施例，当技术上可行时，用于确定参数的方法包括以下特征中的一个或几个：

-所述镜片的参数在由以下各项组成的组中选择：

-所述镜片的直径，

-所述镜片的厚度，

-所述镜片的材料，

-针对在每个点上具有平均球镜值和柱镜值的所述镜片的至少一个表面，在每个点上的所述平均球镜值和所述柱镜的值，以及

-所述镜片在所述镜架上的配适参数，

例如，所述超颖表面的参数是在由以下各项组成的组中选择的：

-纳米结构的组数，

-每组纳米结构的空间扩展，

-每组纳米结构的位置，

-所述纳米结构的材料，

-所述纳米结构的形状，

-所述纳米结构所属于的所述组纳米结构中的纳米结构数量，

-所述纳米结构的取向，

-所述纳米结构的纵横比，

-纳米结构之间的距离，

-当所述纳米结构成晶格布置时，所述晶格的特性，尤其是所述晶格的性质或所述晶格中纳米结构的数量，

-所述超颖表面相对于所述镜片的前表面和后表面的位置，所述超颖表面位于所述镜片的后表面上、所述镜片的前表面上或所述后表面与所述前表面之间，以及

-当一组纳米结构的纳米结构可通过几种活化方法来活化时，所述组纳米结构的活化方法。

-满足以下属性中至少一个：

-所述光学系统透射目标函数适合于所述配戴者，所述透射目标函数针对当戴着所述光学系统时所述配戴者的每个注视方向定义屈光力、散光模数和散光轴位，所述屈光力、散光模数和散光轴位是基于处方散光和处方屈光力确定的，

-当所述超颖表面被光束照亮时，所述光学系统反射目标函数适合于所述配戴者看见虚拟图像，

-所述光学系统反射目标函数适合于所述配戴者的虚拟视觉，

-所述光学系统反射目标函数适合于在预定位置处形成所述配戴者的眼睛的图像，以及

-所述光学系统反射目标函数适合于形成虚拟图像。

-所述光学系统进一步包括尤其是旨在由所述镜架保持的以下元件中的至少一个：

-光源，

-图像源，

-光收集器，所述光收集器是一组镜片，尤其是其中至少一个镜片包括由至少一组纳米结构形成的超颖表面的一组镜片，

-光检测器，

-光导，尤其是包括由至少一组纳米结构形成的超颖表面的光导，

-滤光器，以及

-成像检测器。

-所述光学系统透射目标光学函数是针对第一波长范围定义的，并且所述光学系统反射目标光学函数是针对第二波长范围定义的，满足以下特性中的至少一个：

-所述第一范围与所述第二范围之间的交集为空，

-所述第一波长范围覆盖对应于可见光带的波长，

-所述第一波长范围仅包括对应于可见光带的波长，

-所述第二波长范围适合于外部光源的发射光谱，

-所述第二波长范围仅包括红外波长，

-所述第一范围与所述第二范围之间的交集低于五个辐射，

-所述第一波长范围与第二波长范围之间的交集是三个辐射，一个辐射对应于绿色，一个辐射对应于蓝色，并且一个辐射对应于红色，

-所述第一波长范围与所述第二波长范围之间的交集包括紫外线辐射，

-所述第一波长范围与第二波长范围之间的交集包括对应于蓝色的一个辐射，以及

-所述第一波长范围与所述第二波长范围之间的交集包括在紫外线辐射、可见光辐射和红外线辐射中选择的至少一个辐射。

本说明书还涉及一种旨在由镜架保持并由配戴者配戴的光学系统，所述光学系统包括镜片，所述镜片进一步包括由至少一组纳米结构形成的超颖表面，至少所述镜片和所述超颖表面被设计为实现光学系统透射目标光学函数和光学系统反射目标光学函数。

根据具体实施例，所述镜片是适合于矫正所述配戴者的屈光不正的眼科镜片，所述镜片尤其适合于配适到所述镜架上。

本说明书还涉及一种旨在由配戴者配戴的头戴式装置，所述装置包括镜架和如前所述的光学系统。

根据具体实施例，当技术上可行时，所述装置包括以下特征中的一个或多个：

-所述装置进一步包括尤其是旨在由所述镜架保持的图像源，所述图像源被配置用于照亮所述超颖表面，以在反射到所述超颖表面上并且可选地由光导引导时引起所述配戴者看见虚拟图像，所述超颖表面尤其进一步被配置为矫正所述配戴者的虚拟视觉。

-所述装置进一步包括尤其是旨在由所述镜架保持的光源和被配置为收集所述眼睛反射的光的至少一部分的收集器和光检测器以及可选的光导，所述收集器、所述超颖表面、所述检测器以及可选地所述光导被布置用于在所述检测器上形成所述配戴者的所述眼睛的图像，所述收集器优选地包括另一个超颖表面，尤其是设置在作为所述装置的一部分的镜架上。

本说明书还涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括一个或多个存储的指令序列，所述指令序列是处理器可访问的并且在被所述处理器执行时使所述处理器执行如前所述的方法的步骤。

本说明书还涉及一种计算机可读介质，所述计算机可读介质执行如上所述的计算机程序的一个或多个指令序列。

本说明书还涉及一组数据，所述组数据包括通过执行如前所述的方法确定的所述光学系统的参数。

本说明书还涉及一种用于制造旨在由镜架保持并由配戴者配戴的光学系统的方法，所述光学系统包括镜片，所述镜片进一步包括由至少一组纳米结构形成的超颖表面，所述方法包括以下步骤：

-在第一位置处执行前述方法，以确定所述光学系统的参数，所述光学系统的所确定的参数包括所述镜片的参数和所述超颖表面的参数，

-在第二位置处根据所述镜片的参数制造所述镜片，

-在第三位置处根据所述超颖表面的参数制造所述超颖表面，

所述方法进一步可选地包括以下步骤序列中的至少一个：

-第一步骤序列，包括以下步骤：

-在第四位置处提供与所述配戴者的眼睛有关的数据，

-将与所述配戴者的眼睛有关的数据从所述第四位置传输到所述第一位置，

-基于与所述配戴者的眼睛有关的数据获得透射目标函数，

-第二步骤序列，包括以下步骤：

-将所述镜片和所述超颖表面传输到第五位置，以及

-组装所述镜片和所述超颖表面以获得所述装置的至少一部分，所述组装优选地通过胶粘来实现，以及

-第三步骤序列，包括以下步骤：

-将所述镜片的参数传输到第二位置，以及

-将所述超颖表面的参数传输到第三位置。

本说明书还涉及用于制造装置的一组设备，其中，所述设备适合于执行如前所述的方法的步骤。

附图说明

参照下面列出的附图，本发明的进一步的特征和优点将从本发明的以下实施例(作为非限制性实例给出)的描述中显现。

-图1示出了光学系统的示意性侧视图；

-图2是图1的光学系统在透射中的视图；

-图3示出了执行用于确定根据图1的光学系统的参数的方法的示例的示例的流程图；

-图4至图12示出了由用于制造光学系统(比如图1的光学系统)的方法的示例的不同阶段得到的结构，暗示干法蚀刻的主要步骤；

-图13至图18示出了由用于制造光学系统(比如图1的光学系统)的方法的示例的不同阶段得到的结构，暗示ald技术的主要步骤；

-图19是包括图1的光学系统的头戴式显示装置的示意性三维图，

-图20是包括图1的光学系统的眼动仪的示意图，其中，检测器和源位于相同的位置，以及

-图21是包括图1的光学系统的眼动仪的示意性三维图，其中，检测器和源位于不同的位置。

可以认识到，展示图中的要素是为了简单和清晰起见并且不必按比例绘制。例如，图中的一些要素的尺寸可能相对于其他要素被放大，以帮助提高对本发明的理解。

具体实施方式

通过参考图1和图2，可以看到旨在由镜架保持并由配戴者配戴的光学系统。

光学系统包括镜片l。

镜片可以是任何种类的镜片。

镜片尤其可以是眼镜镜片。

例如，镜片是眼科镜片。

例如，镜片是单焦点镜片、多焦点镜片、双焦点镜片、渐进式多焦点镜片、微镜片阵列或具有相位和/或振幅调制的有源镜片。

可以定义镜片的几个镜片参数lp。

镜片参数lp是指表征眼科镜片的一组一个或多个参数。所述参数包括定义镜片的一个或多个几何(表面)特征和/或一个或多个光学特征的数据，比如镜片材料的光学折射率。镜片参数lp可以对应于镜片的后表面和/或镜片的前表面、或对应于它们的相对位置。

所述镜片参数lp可以进一步包括与镜片的总体几何形状有关的数据，例如平均曲率半径、凸度数据等。

所述镜片参数lp还可以包括关于存在于镜片上的镜片表面涂层及其特征的数据。

作为具体示例，镜片参数lp可以包括与存在于镜片上的全息镜及其特征有关的数据。

针对具体情况，镜片参数lp还可以包括与相位和/或振幅调制有关的数据。

作为示例，镜片参数lp可以包括与存在于镜片中的任何振幅调制材料(比如电致变色材料)及其特征有关的数据。

镜片参数lp在本说明书中还可以包括一个或多个镜架参数。

镜架参数是指与镜架的结构有关的一组一个或多个数据，并且可以包括设计参数，比如镜架的一个元件的相对位置。示例包括数据，比如镜架的前倾角、曲线、形状和尺寸等。

当定义镜片的几个镜片参数lp时，可以考虑许多不同的镜片参数lp。

下面给出了非详尽的清单：

-所述镜片的直径，

-镜片的厚度，该厚度例如是沿着镜片的中心线测量的，

-所述镜片的材料，

-针对在每个点上具有平均球镜值和柱镜值的所述镜片的至少一个表面，在每个点上的所述平均球镜值和所述柱镜的值，以及

-镜片在镜架上的配适参数，

镜片包括由至少一组纳米结构ns(在图2的情况下为两个)形成的超颖表面m。

在功能上，一组纳米结构被配置为赋予入射光振幅和/或相变，以散射入射光和/或扩散入射光和/或吸收入射光。为此，一组纳米结构被配置为起到谐振器的作用。

在结构上，纳米结构是形成在(换句话说，直接在其上)或集成在基材的表面中的纳米级特征的形式。如本文所用，术语“纳米级”当与特征结合使用时是指特征的尺寸小于1微米。通常，纳米结构的尺寸将与有关的最短波长成比例。

在本披露的上下文中，当考虑可见光时，纳米结构在基材表面的平面中的最大线性尺寸(长度或宽度)小于或等于500纳米(nm)，比如小于或等于250nm，甚至小于或等于100nm。

非限制性地，在一些实施例中，本文所述的纳米结构是形成在基材的表面上的纳米级结构，并且具有约100纳米到约200纳米的最长线性尺寸。

在一些情况下，纳米结构的最大线性特征大小是其相对于承载所讨论的纳米结构的基材的表面的高度。在这种情况下，纳米结构的高度可以小于或等于1000nm，比如小于或等于600nm。然而，应当注意，纳米结构的高度不限于那些范围，并且如果需要，它们的高度可以大于1微米。

每组中相邻纳米结构之间的距离(也称为“周期”或“基本周期”)可能变化很大，并且可以在光学系统设计期间进行选择以利于在镜片的特定部分处获得所需的相变。

根据具体示例，纳米结构是非周期性的。

非限制性地，在一些实施例中，相邻纳米结构之间的周期的范围是约50纳米到约1000纳米(nm)，比如约100nm到约500nm、约100nm到约300nm、或甚至约100nm到约200nm。在一些实施例中，一组中的相邻纳米结构之间的周期大于或等于100nm，以利于经由光刻或其他技术来生产一组。

在由包含多个纳米结构的晶胞形成的布拉维(bravais)晶格(即，例如，六边形布拉维晶格)中包括纳米结构的情况下，纳米结构的周期可以对应于用于形成晶格的(多个)晶胞的一个或多个晶格参数。

晶胞可以具有任何合适的几何形状，并且可以是对称的或不对称的。非限制性地，在一些实施例中，晶胞的全部或至少一部分形状及其内容物是对称的(例如，正方形、六边形、三角形等)，以减少或消除偏振相关的影响。多个这种晶胞可以用来构成组中的一个或多个区域。在这种情况下，每个晶胞的几何形状(例如，长度和宽度)和/或其中的纳米结构(例如，晶胞内的纳米结构的高度、宽度、直径和位置)可以被控制为使得每个相应晶胞中的纳米结构至少部分地基于晶胞相对于超颖表面的光轴的位置而赋予入射光适当的相变。此实施例的具体应用包括在厚度轴线上使用多个超颖表面的堆，以实现不同的光学功能。聚焦和矫正是这种光学功能的示例。

尽管圆柱形柱形状是最常见的形状，但本文所述的纳米结构的形状可以显著不同。例如，纳米结构为圆柱形柱、椭圆柱、球、矩形棱柱、其他散射结构等形式。

当本文描述的纳米结构是柱的形式时，这种柱可以具有一条边或多于一条边。这种柱的示例包括圆柱形(单边)柱、三角形(三边)柱、四边形(四边柱)、五边形(五边)柱等。

如前所述，本文所述的纳米结构的尺寸可以显著不同。例如，在一些实施例中，本文所述的组包括纳米结构，其中，这种纳米结构的高度在整个或一部分超颖表面上是固定的或可变的。在任何情况下，纳米结构的高度可以在约50nm到约2000nm的范围内，比如约100nm到约600nm、或甚至约100nm到约200nm。在一些实施例中，纳米结构的高度大于100nm。当然，仅出于示例的目的列举了这样的范围，并且本文的纳米结构可以具有任何合适的高度。

本文所述的纳米结构的横向大小也可以显著不同。例如，在纳米结构是圆柱形纳米级柱的形式的情况下，柱的半径可以被定义为通过柱与基材平面相交而获得的圆的半径。例如，这种柱的半径的范围可以是约25nm到约500nm，比如约50nm到约250nm、或者甚至约50nm到约100nm。非限制性地，在一些实施例中，纳米结构是直径大于或等于约50nm的圆柱形柱的形式。类似地，在纳米结构包括或是多边柱或其他几何形状的形式的情况下，这种结构的横向长度(即，在纳米结构的相对侧之间测量的最长线性尺寸)范围是约50nm到约2000nm，比如约100nm到约600nm、或甚至约100到约200nm。当然，仅出于示例的目的列举了这样的范围。

各种各样的材料可以用来形成纳米结构。在一些情况下，可能期望基于将在目标应用中入射在超颖表面上的光的(多个)波长来选择用于形成纳米结构的材料。

例如，当目标应用包括使用超颖表面来赋予可见光相变时，可能期望由一种或多种与可见光相互作用的材料形成纳米结构。

这种材料的非限制性示例包括高折射率材料。

纳米结构通常由展现出高光学折射率的材料制成。例如，tio2是合适的材料，尤其是由于其对可见光的透明性和其约2.5的高光学折射率。

针对容许轻微吸收的应用，其他材料也是可能的。feo2和bifeo3是具体有意义的示例。

纳米结构可以是介电材料制成的，该介电材料可以选自氧化物、氮化物、硫化物和展现出足够介电特性的纯元素，以使得能够赋予入射光振幅和/或相变。

氧化铝(al2o3)、氧化硅(sio2)、氧化铪(hfo2)、氧化锌(zno)、氧化镁(mgo)和氧化钛(tio2)是氧化物的具体示例。还可以考虑nb2o5和ta2o5。

氮化硅(si3n4)、氮化硼(bn)、氮化铝(aln)和氮化钨(wn)是氮化物的具体示例。

zns和cds是硫化物的示例。

其他示例包括碳化物，比如sic和金刚石。

替代性地或附加地，纳米结构可以由一种或多种高折射率聚合物(n>1.6)形成或包括它们，比如但不限于丙烯酸。还可以使用具有甚至更高折射率的聚合物，并且可以例如通过为聚合物基质高度装载具有大于或等于1.8或甚至大于或等于2的折射率的纳米颗粒而形成。

本文所述的纳米结构不限于单一材料，并且可以由一种以上的材料形成。例如，纳米结构可以包括上述材料中的两种或更多种，其中，这种材料的交替层(或其他配置)用于在基材的表面上“构建”纳米结构。

用于形成纳米结构的材料的折射率可能会影响其针对给定应用的性能。因此，可能期望基于折射率来选择用于形成纳米结构的材料。

在一些实施例中，纳米结构可以由具有大于或等于约1.5、2.0、2.3、2.5、2.7或更大的折射率的电介质或其他材料形成或包含它们。非限制性地，在一些实施例中，纳米结构由具有大于或等于2的折射率的电介质材料形成或包含它们。这种材料的非限制性示例包括上述材料。

用作纳米结构的材料的微结构也可能对其光学性能有影响。例如，在一些情况下，用于形成纳米结构的材料的微结构可能会导致伪影。

替代性地或附加地，纳米结构的材料的微结构可能引起光通过超颖表面的各向异性传播。在可以从文献中找到的上下文中，微结构是指纳米结构的材料在原子水平上的定位。因此，可能期望基于其微结构来选择用作纳米结构的材料。例如，可能期望使用非晶形或立方材料(例如，非晶形tio2、立方zno)，以控制超颖表面中的各向异性传播效应。当然，不必使用非晶形或立方材料来形成纳米结构，并且也可以使用具有其他微结构的材料。应当注意，根据本披露的纳米结构不需要具有均匀的(例如，单个)纳米结构，并且根据需要，这种结构可以包括复合的、随机的或其他复杂的微结构。

从可以考虑的许多超颖表面的先前描述中可以看出，超颖表面的特征是许多超颖表面参数的选择。换句话说，当定义超颖表面的几个超颖表面参数pm时，可以考虑许多不同的超颖表面参数pm。

下面给出了非详尽的清单：

-纳米结构的组数，

-每组纳米结构的空间扩展，

-每组纳米结构的位置，

-纳米结构的材料，

-所述纳米结构的形状，

-所述纳米结构所属于的所述组纳米结构中的纳米结构数量，

-所述纳米结构的取向，

-所述纳米结构的纵横比，

-纳米结构之间的距离，

-当所述纳米结构成晶格布置时，所述晶格的特性，尤其是所述晶格的性质或所述晶格中纳米结构的数量，

-超颖表面相对于镜片的前表面和后表面的位置，超颖表面位于镜片的后表面上、镜片的前表面上或后表面与前表面之间，以及

-当一组纳米结构的纳米结构可通过几种活化方法来活化时，所述组纳米结构的活化方法。

镜片和超颖表面被设计为实现光学系统透射目标光学函数和光学系统反射目标光学函数。

作为详细说明的具体示例，镜片被设计为实现光学系统透射目标光学函数，而超颖表面被设计为光学系统反射目标光学函数。

镜片可以被配置用于屈光不正配戴者或正视眼配戴者。

在两种情况下，光学系统透射目标光学函数通常基于配戴者眼科数据来确定。

在下文中，仅针对透射目标光学函数详细说明了相位函数的示例，但是也可以考虑振幅函数，尤其是针对太阳应用。

配戴者眼科数据包括配戴者处方数据、配戴者眼睛敏感性数据和配戴者眼科生物统计数据、以及一般地与配戴者的任何视觉缺陷有关的数据，包括(例如)与色散、缺少眼晶状体(无晶状体)有关的数据等。

处方数据指的是为配戴者获得的并且为每只眼睛指示以下内容的一项或多项数据：处方视远平均屈光力pfv、和/或处方散光值cylfv和/或处方散光轴位axefv和/或适合于矫正每只眼睛的屈光不正和/或老花眼的处方下加光a。

平均屈光力pfv是通过对处方散光值cylfv的半值与处方球镜值sphfv进行求和获得的，即：

pfv＝sphfv+cylfv/2

然后，通过对处方下加光a与针对同一只眼睛开出处方的视远平均屈光力pfv进行求和获得每只眼睛的视近(近)的平均屈光力pnv：

pnv＝pfv+a

在渐进式镜片的处方的情况下，处方数据包括为每只眼睛指示sphfv、cylfv及a的值的配戴者数据。

在优选实施例中，配戴者处方数据选自散光模数、散光轴位、焦度、棱镜和下加光、以及更一般地指示任何给定视觉缺陷的矫正的任何数据。这种缺陷可能是由部分视网膜脱落、视网膜或虹膜或角膜结构变形造成的。

配戴者眼睛敏感性数据包括光谱敏感性(针对一个或多个波长或光谱带)的数据、比如亮度敏感性等一般敏感性(例如，针对户外亮度敏感性)的数据。这种数据针对优化配戴者的图像可视化的对比度而言具有重要性。

配戴者眼科生物统计数据包括与配戴者的形态有关的数据，并且典型地包括以下各中的一个或多个：相对于鼻子的单目瞳孔距离、瞳孔间距、眼睛的轴向长度、眼睛的转动中心的位置、眼远点或眼近点。

作为具体实施例，镜片是适合于矫正配戴者的屈光不正的眼科镜片。在这种情况下，光学系统透射目标函数适合于配戴者，该透射目标函数针对当戴着光学系统时配戴者的每个注视方向定义屈光力、散光模数和散光轴位，所述屈光力、散光模数和散光轴位是基于处方散光和处方屈光力确定的。

光学系统透射目标光学函数是针对第一波长范围定义的。根据商品，第一波长范围被称为“透射波长范围”。

针对光学系统反射目标光学函数，应用是决定因素。当描述光学系统的具体应用时，给出光学系统反射目标光学函数的具体示例。

光学系统反射目标光学函数是针对第二波长范围定义的。根据商品，第二波长范围被称为“反射波长范围”。

考虑到这些光学函数，以便设计镜片和超颖表面，可以考虑一种用于确定光学系统的参数的方法。

光学系统的参数尤其是镜片参数lp和超颖表面参数mp。

如图3所示，用于确定参数的方法包括提供光学系统透射目标光学函数和光学系统反射目标光学函数的步骤100。

首先应当注意，可以以任何方式定义每个光学函数，尤其是根据ergorama函数。所述ergorama函数可以根据当戴着保持光学系统的镜架时的注视方向来定义配戴者对图像的可视化距离和/或可视化方向。

用于确定参数的方法还包括提供光学透射成本函数的步骤102，当配戴者戴着该系统时，该光学透射成本函数与该系统在透射中的光学函数有关，

当前光学系统的光学透射成本函数典型地是当前光学系统在透射中的光学函数与光学系统透射目标光学函数之间的差。

用于确定参数的方法还包括提供光学反射成本函数的步骤104，当配戴者戴着该系统时，该光学反射成本函数与该系统在反射中的光学函数有关。

在光学反射成本函数的此定义中，应理解，反射可以是镜面反射或漫反射或两者的组合。尤其是，相应的镜面反射部分和漫反射部分可以针对光学反射成本函数选择。

当前光学系统的光学反射成本函数典型地是当前光学系统在反射中的光学函数与光学系统反射目标光学函数之间的差。

用于确定参数的方法还包括用于确定光学系统的步骤106。确定光学系统是指确定光学系统的参数。

此确定步骤106对应于如箭头108所示迭代的优化步骤。参数在超颖表面至少之一中是此步骤的变量。

在每次迭代时，参数被修改成使得光学系统最小化总体成本函数与总体成本函数的目标值之间的差。

按照定义，总体成本函数是光学透射成本函数和光学反射成本函数的函数。例如，该函数对应于每个光学成本函数的考虑。

类似地，目标值是光学系统透射目标光学函数和光学系统反射目标光学函数的函数。该函数通常与先前针对总体成本函数定义的函数相同。

该方法使得能够获得光学系统的参数(参见图3上的附图标记110)。

此方法可以在计算机上实现。在此上下文中，除非另有具体说明，否则应了解，在整个本说明书中，使用比如“运算”、“计算”和“产生”等术语的论述指代计算机或计算系统或类似电子计算装置的动作和/或过程，该系统和装置将表示为计算系统寄存器和/或存储器内的物理(例如，电子)量的数据操纵和/或变换成其他数据，这些其他数据类似地表示为计算机系统的存储器、寄存器或其他此类信息存储、传输或显示装置内的物理量。

还提出一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括一个或多个存储的指令序列，该指令是处理器可访问的并且在被该处理器执行时使该处理器执行该方法的步骤。

这种计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中，比如但不限于任何类型的磁盘，包括软盘、光盘、cd-rom、磁光盘、只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、电子可编程只读存储器(eprom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、磁卡片或光卡片，或任何其他类型的适合于存储电子指令并且能够联接到计算机系统总线的介质。因此，提出一种计算机可读介质，该计算机可读介质承载了计算机程序产品的一个或多个指令序列。这使得能够在任何位置执行该方法。

本文中所提出的过程和显示器并非本来就与任何特定的计算机或其他设备相关。各种通用系统都可以与根据本文中的教导的程序一起使用，或者其可以证明很方便地构建更专用的设备以执行所期望的方法。各种这些系统所期望的结构将从以下描述中得以明了。此外，本发明的实施例并没有参考任何具体的编程语言而进行描述。将要认识到的是，可以使用各种编程语言来实施本文中所描述的本发明的教导。

在详细描述如何制造光学系统之前，首先有意义的是给出用于制造一组纳米结构的方法的示例。

存在几种用于在基材上制造这组纳米结构的方法。下面通过参考它们所暗示的技术来详细说明两种具体的方法。

第一示例是用于制造暗示干法刻蚀技术的方法。干法蚀刻包括使用高能离子蚀刻样品。这些离子具有能够产生精确结构的能量、速度和方向。此技术适用于任何金属氧化物，比如tio2、zro2和sio2。

干法刻蚀技术暗示执行几个步骤，这样产生参考图4至图12中的每个步骤所表示的结构。

首先提供基材112(见图4)。基材由矿物材料或塑料材料制成。

然后沉积tio2层114(见图5)。

沉积可以通过使用pvd技术或cvd技术来实现。

物理气相沉积(pvd)描述了可以用于生产薄膜和涂层的各种真空沉积方法。pvd的特征是一种工艺，其中，材料从凝相变成气相，然后又回到薄膜凝相。最常见的pvd工艺是溅射和正读。

在化学气相沉积(cvd)中，将基材暴露于一种或多种挥发性前体下，挥发性前体在基材表面上反应和/或分解以产生所需的沉积物。通常，还会产生挥发性副产物，这些副产物会被流过反应室的气流去除。

等离子体增强化学气相沉积(pecvd)也可以用于实现所需的沉积物。pecvd是包括化学反应的化学气相沉积工艺，这些反应在产生反应气体的等离子体之后发生。

替代性地，沉积可以通过任何技术湿沉积涂覆方法来实现，例如旋涂、喷涂或喷墨涂覆。

然后通过pvd或cvd技术沉积cr层116(见图6)。

然后通过比如旋涂等涂覆技术将光敏树脂118施加在cr层上。图7表示了所获得的层组件。

然后，通过使用具有期望图案的掩模回收光敏树脂并将掩模暴露于紫外线辐射下来进行光刻步骤。所暴露的区域变得可溶，并且通过使用清洁溶液被去除。然后执行退火步骤以使结构更坚固。在图8可以看到该结构。

然后使用氯和氧等离子体来蚀刻cr层116(见图9)。

通过使用第二清洁溶液去除光敏树脂118，所获得的结构如图10所示。

然后蚀刻tio2层114。例如，可以通过使用基于氟化气体(比如sf6或cf4)的drie技术来实现这种步骤(见图11)。

深度反应离子刻蚀(drie)是高度各向异性的刻蚀工艺，在晶圆/基材中形成深穿透、陡边孔和沟槽，典型地具有高纵横比。

最后，使用基于hcl的酸溶液通过湿法蚀刻去除cr层116。在图12上课看见所获得的结构。

通过从较浅的蚀刻图案开始到最深的蚀刻图案，针对要实现的每个蚀刻图案重复这些不同的步骤。

第二示例是用于制造暗示ald技术的方法。

原子层沉积(ald)是基于气相化学工艺的顺序使用的薄膜沉积技术。ald被认为是化学气相沉积的子类。多数ald反应使用两种化学物质，典型地被称为前体。这些前体以相继的自限性方式一次一个地与材料的表面反应。通过重复暴露于分离的前体下，薄膜缓慢沉积。

由于其多通用性，这种技术可用于多种材料，尤其是可用于几种氧化物，比如zro2或sio2。

ald技术暗示执行几个步骤，这样产生参考图13至图18中的每个步骤所表示的结构。

首先提供透明基材112(见图13)。例如，基材是玻璃制成的或是有机基材。

然后，通过比如旋涂等涂覆技术将光敏树脂114施加在基材112上。图14表示了所获得的层组件。

然后，通过使用具有期望图案的掩模回收光敏树脂并将掩模暴露于紫外线辐射下来进行光刻步骤。所暴露的区域变得可溶，并且通过使用清洁溶液被去除。然后执行退火步骤以使结构更坚固。在图15可以看到该结构。

然后通过ald技术沉积tio2层116(见图16)。树脂上的tio2层166的厚度必须足够厚，使得该厚度大于树脂层114的粗糙度的一半。

然后蚀刻tio2层116，使得仅保留位于在光刻步骤未被去除的光敏树脂的两个部分之间的tio2。为此，可以使用hf溶液。图17上表示了所获得的结构。

然后，通过使用溶液去除光敏树脂的两个部分。例如，溶液是食人鱼溶液。食人鱼溶液(也称为食人鱼蚀刻)是硫酸(h2so4)和过氧化氢(h2o2)的混合物，用于清除基材上的有机残留物。因为该混合物是强氧化剂，所以其将去除大部分有机物，并且还将大多数表面羟基化(添加oh基团)，从而使它们具有高度亲水性(与水相容)。在图18可以看到所获得的结构。

根据变型，一开始在所有前述步骤之前沉积厚的sio2层，以便使镜片的表面不具有化学活性。此备注对两种具体方法(干法蚀刻和ald技术)均有效。

在优选实施例中，典型地在光学系统制造场所，将前述技术应用在执行确定方法和制造镜片的相同位置。

光学系统制造场所通常位于光学实验室，即配备有用于基于先前获得或生成的光学系统参数、通过遵循光学系统订单来制造光学系统(比如镜片)的制造设备的地方。

所述制造设备可以包括一种或多种表面处理，包括数字表面处理、抛光、磨边设备等。光学系统制造场所可以包括制造设备的组合，包括几种不同的表面处理设备和/或几种抛光设备。

在这种情况下，光学系统通过制造方法来制造，该制造方法包括执行步骤、第一制造步骤和第二制造步骤。

在执行步骤时，执行如前所述的用于确定光学系统的参数的方法。这使得能够获得所确定的参数。所确定的光学系统的参数包括镜片的参数和超颖表面的参数。

在第一制造步骤，根据所确定的镜片参数制造镜片。

在第二制造步骤，根据所确定的超颖表面的参数制造超颖表面。

可以考虑这种制造的许多变化。

通常，执行和制造的每个步骤在相应的位置执行。

例如，在第一位置执行执行步骤，在第二位置执行第一制造步骤，并且在第三位置执行第二制造步骤。第一位置对应于光学系统确定场所，而第二步骤对应于镜片制造商场所，并且第三步骤对应于超颖表面制造商场所。

任何位置都可以彼此不同。

这种差异可以对应于非常不同的情况。例如，在一种情况下，第二位置和第三位置可以对应于位于同一建筑物中的两个设备。根据另一种情况，第二位置和第三位置对应于与负责确定光学系统的参数的社团合作的不同制造商。

如果第一位置不同于第二位置，则该方法进一步包括将镜片的参数传输到第二位置的步骤。类似地，如果第一位置与第三位置不同，则该方法进一步包括将超颖表面的参数传输到第三位置的步骤。

传输可以通过电子通信(比如通过互联网连接)例如经由一个或多个服务器、电子邮件通信等来实现。

在一些实施例中，制造方法还可以包括在第一和第二执行步骤之前的一系列步骤。

作为具体示例，该制造方法包括在第四位置提供与配戴者的眼睛有关的数据的步骤，将与配戴者的眼睛有关的数据从第四位置传输到第一位置的步骤，以及基于与配戴者的眼睛有关的数据获得透射目标函数的步骤。第四位置通常被称为镜片订购场所。镜片订购场所典型地在为配戴者(顾客)订购镜片的眼睛护理专业人员或配镜师的处所。

例如，该方法包括将镜片和超颖表面传输到第五位置的步骤，以及组装镜片和超颖表面以获得装置的至少一部分的步骤。

在这种情况下，组装优选地通过胶粘来实现。

然而，超颖表面可以通过光刻技术或自组装图案形成或两种技术的组合直接形成在镜片的表面上。

这种光学系统可以有利地用于以下详细说明的几种应用。

第一应用：头戴式显示装置

光学系统可以用在如图19所示的头戴式显示装置中。这种装置要被戴在配戴者的头上或周围，包括头盔式显示器、光学头戴式显示器、头戴式显示器等。

头戴式显示装置能够发送图像以便被配戴者看见。

在这种情况下，反射中的波长范围仅覆盖对应于可见光带的波长。

在具体示例中，透射中的波长范围与反射中的波长范围之间的交集是三个辐射。一个辐射对应于绿色，一个辐射对应于蓝色，以及一个辐射对应于红色。根据此上下文中的辐射，应理解，辐射的光谱带宽足够窄，使得可以认为辐射等于波长。如果不是这种情况，则辐射的波长对应于光谱带宽的中心波长。

这种辐射数量使得能够在反射中形成彩色图像，同时又不干扰透射中的视觉。

在其他实施例中，图像是单色的。

根据实施例，头戴式显示装置可以提供计算机生成的图像和“现实生活”视场的叠加可视化。计算机生成的图像包括任何计算机生成的图像，比如二维或三维衍射图像、二维或三维计算机生成的全息图像或任何振幅图像。可以使用计算机生成的图像作为虚拟图像。

头戴式显示装置可以是单目(单眼)的或双目(双眼)的。本申请的头戴式显示装置可以采用各种形式，包括眼镜、面罩(比如滑雪或潜水面罩)或护目镜，条件是头戴式显示装置包括一个镜片。

这种头戴式显示装置可以考虑几个实施例。

如图19所示，该装置是头戴式装置，包括镜架和光学系统。

该装置进一步包括图像源is。

图像源is是可以发射适合于显示图像以便被配戴者看见的光束的任何光源。可视化发生在源自图像源的照明束反射到超颖表面ms上之后。光源is可以是屏幕(例如oled、lcd、lcos等)、与光源(例如激光器、激光二极管等)结合使用的相位和/或振幅slm(空间光调制器)、投影仪(比如微型投影仪(可以使用led、激光二极管等的mems或dlp))、或任何其他源。图像源is还可以包括任何其他图像源(计算机生成的图像源)、和/或控制电子器件和/或电源。

针对单色使用，优选的是被发射用于图像显示的光束包括绿光(波长约500-560nm)。绿光的优点在于由于人类视网膜对这个范围中的波长更加敏感，因此需要较低的能量。在约520-550nm发光的单色光源的示例包括绿光oled显示器、532nm激光器、520nm激光二极管或约550nm发光的led。

其他合适的单色光源包括红色：615-645nm；绿色：520-550nm；蓝色：435-465nm。

图像源is例如在镜腿高度处由镜架保持在眼镜侧杆上。

这暗示光学系统参数可以包括至少一个图像源数据。这包括图像源的位置、图像源相对于镜架中的一个或两个镜片的相对位置(距离和/或空间取向)、图像源相对于超颖表面的相对位置(距离和/或空间取向)。光学系统参数还可以包括与图像源本身的特征有关的数据，比如发光的(多个)波长、功率、光圈等。

图像源is被配置用于照亮所述超颖表面ms。超颖表面ms还被设计为在反射到超颖表面ms上时引起配戴者看见虚拟图像。

在一些具体实施例中，图像源is设置有束/图像成形光学部件(棱镜、微棱镜、全息部件、栅格、准直和/或偏转镜片、投影镜片、超颖表面、其组合等)，其允许在空间上配置(例如，定向、紧凑、准直等)来自图像源的束。

应当注意，在这些具体实施例中，所引述的元件还可以包括可以在反射或透射中操作的超颖表面。

优选地，超颖表面ms尤其地进一步被配置为矫正配戴者的虚拟视觉。

根据另一个实施例，该装置进一步包括用于引导光的光导。

图像源is和光导被配置用于照明。超颖表面ms还被设计为在反射到超颖表面上时引起配戴者看见虚拟图像。

根据另一个实施例，该装置进一步包括滤光器。作为具体示例，滤光器是用于形成彩色图像的红绿蓝滤光器。

在这种第一应用中，许多光学函数是有利的。

例如，反射目标函数适用于当超颖表面被光束照亮时配戴者看见虚拟图像，

根据另一个示例，光学系统反射目标函数适用于配戴者的虚拟视觉。

在变型中，第二波长范围适合于外部源的发射光谱。

第二应用：眼动仪

在图20所示的第二应用中(检测器d位于图像源is附近)，头戴式装置能够在光检测器上在红外带内对配戴者的眼睛进行成像，以确定配戴者的眼睛的取向。

因此，所反射的图像是红外图像。

在这种情况下，反射中的波长范围仅包括红外波长。

在具体示例中，透射中的波长范围仅包括对应于可见光带的波长。

因此，在这种情况下，透射中的波长范围与反射中的波长范围之间的交集是空的。更一般地，这种特性使得透射中的视觉不受超颖表面的反射特性的影响。

该装置进一步包括光源、收集器c和光检测器d。

在变型中，该装置包括几个光源。

例如，光源由镜架保持。

光源被配置用于照亮所述超颖表面，以在反射到超颖表面上时引起照亮配戴者的眼睛。

收集器c是光收集器，其是被配置为收集由所述眼睛反射的光的至少一部分的收集器。

作为具体示例，光收集器c是一组镜片。

收集器c、超颖表面ms和检测器d被布置用于在检测器d上形成配戴者的所述眼睛的图像。

根据另一个实施例，收集器c进一步包括被称为第二超颖表面的另一个超颖表面，第一超颖表面是镜片所包括的超颖表面ms。

更具体地，形成收集器c的这组镜片中的至少一个镜片包括第二超颖表面。第二超颖表面由至少一组纳米结构形成。

在这种情况下，第一超颖表面、收集器c、第二超颖表面和检测器d被布置用于在检测器d上形成配戴者的所述眼睛的图像。

在另一个示例中，该装置进一步包括光导。

在这种情况下，超颖表面、收集器c、光导和检测器d被布置用于在检测器上形成配戴者的所述眼睛的图像。

在图21所示的另一个示例中，检测器d不位于源is附近。

在这种示例中，源is将红外光直接发送到眼睛，眼睛将此光朝向超颖表面ms反射。然后，超颖表面ms将所接收的光朝向位于镜架上的检测器d反射。

在未示出的另一个示例中，超颖表面用于漫反射中。就眼动仪适合于执行光的发送和接收而言，这确实是有意义的。换句话说，超颖表面既能够向眼睛发送光信号，又能够收集眼睛反射的光。这两个作用(发送和收集)都可以通过超颖表面的不同部分来实现。此收集的信号可以被发送到适合于确定眼睛的取向或位置的检测器。四象限检测器是适合于确定眼睛的取向或位置的示例。

在变型中或附加地，超颖表面也用于收集器的漫透射。在未示出的另一个示例中，超颖表面用于镜面反射和漫反射两者的组合：有利的是，超颖表面漫射入射光以便照亮眼睛，并且保持镜面反射以便将眼睛图像朝向相机反射。

第三应用：太阳镜片

当镜片是太阳镜片时，与白色镜片相比，从外部看不清位于镜片背面上的超颖表面。

在这种情况下，超颖表面可以用于增加465nm与495nm之间的波长的反射。这是有意义的，以改善太阳镜片的功能。

还应当注意，增加在465nm与495nm之间的波长的反射的超颖表面也可以用于获得更符合受试者的时间生物学约束的光学系统。

替代性地，超颖表面可以用于吸收预定的波长。

可以引述其他未详细说明的应用；

例如，可以考虑如下实施例：镜片的前面中的透射目标函数适合于反射对于配戴者的眼睛不推荐的蓝色波长。

作为另一个示例，光学系统可以适合于观看屏幕。在这种应用中，第一波长范围与第二波长范围之间的交集是空的。

根据另一个示例，光学系统可以包括附加的补片。在这种情况下，超颖表面适合于在全可见光谱上操作。在具体实施例中，附加补片还可以包括适合于在透射中操作的超颖表面。

通过调换以下文章中描述的光学系统，可以得出其他应用或先前应用的具体实施例：

-由oriavayu、randitcovski和talellenbogen撰写的spie会议记录，其标题为“ultrathinfullcolorvisorwithlargefieldofviewbasedonmultilayeredmetasurfacedesign[基于多层超颖表面设计的具有大视场的超薄全彩遮阳板]”，于2018年在第10676卷中第1037612-1页至第1037612-6页出版；

-由zhujunshi、weitingchen和federicocapasso撰写的spie会议记录，其标题为“widefield-of-viewwaveguidedisplaysenabledbypolarizationdependentmetagratings[通过偏振相关超颖光栅实现的宽视场波导显示器]”，于2018年在第10676卷中第1037615-1页至第1037615-6页出版；

-由zhujunshi和federicocapasso撰写的spie会议记录，其标题为“polarization-dependentmetasurfacesfor2d/3dswitchabledisplays[用于2d/3d可切换显示器的偏振相关超颖表面]”，于2018年在第10676卷中第1037618-1页至第1037618-8页出版；

-由guillaumebasset撰写的spie会议录，其标题为“meta-resonantwaveguidegratingsforaugmentedandmixedreality[用于增强和混合现实的超颖谐振波导光栅]”，于2018年在第10676卷中第1037617-1页至第1037617-7页出版，以及

-由chuchuanhong、shanecolburn和arkamajumdar于2017年在“应用光学[appliedoptics]”第56卷第8822页至8827页上发表的文章，标题为“flatmetaformnear-eyevisor[扁平形近眼遮阳板]”。

显然，光学系统可以用于各种应用。

作为总结，有意义的光学函数的示例在这里以表格或非限制性清单的形式回顾：

-所述光学系统透射目标函数适合于所述配戴者，所述透射目标函数针对当戴着所述光学系统时所述配戴者的每个注视方向定义屈光力、散光模数和散光轴位，所述屈光力、散光模数和散光轴位是基于处方散光和处方屈光力确定的，

-当所述超颖表面被光束照亮时，所述光学系统反射目标函数适合于所述配戴者看见虚拟图像，

-所述光学系统反射目标函数适合于所述配戴者的虚拟视觉，

-光学系统反射目标函数适合于在预定位置处形成配戴者的眼睛的图像，

-光学系统反射目标函数适合于形成虚拟图像，

-第一波长范围与第二波长范围之间的交集为空，

-第一波长范围覆盖对应于可见光带的波长，

-第一波长范围仅包括对应于可见光带的波长，

-所述第二波长范围适合于外部光源的发射光谱，

-第二波长范围仅包括红外波长，

-所述第一范围与所述第二范围之间的交集低于五个辐射，

-所述第一波长范围与第二波长范围之间的交集是三个辐射，一个辐射对应于绿色，一个辐射对应于蓝色，并且一个辐射对应于红色，

-第一波长范围与第二波长范围之间的交集包括紫外线辐射，

-所述第一波长范围与第二波长范围之间的交集包括对应于蓝色的一个辐射，以及

-第一波长范围与第二波长范围之间的交集包括在紫外线辐射、可见光辐射和红外线辐射中选择的至少一个辐射。