非偏振光光栅入耦合器的制作方法

非偏振光光栅入耦合器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年3月23日提交的名称为“unpolarized light grating in-coupler(非偏振光光栅入耦合器)”的欧洲专利申请号20315043.8的优先权，该专利全文由此以引用方式并入。


背景技术：

3.本公开涉及光学器件和光子领域，并且更具体地涉及平面光学装置。更具体地但不完全地，本公开涉及广泛应用于各种装置中的衍射光栅，诸如，除其它示例外，显示器，其包括用于ar(增强现实)和vr(虚拟现实)眼镜的眼镜电子装置和头戴式显示器的波导中光的入耦合和出耦合、例如汽车工业中的平视显示器(hud)、用于照片/视频/光场相机的光学传感器、生物/化学传感器，其包括片上实验室传感器、显微镜、光谱学和计量系统以及太阳能电池板。
4.本部分意图向读者介绍本领域的各个方面，这些方面可与下文描述和/或要求保护的本公开的各种方面有关。此讨论被认为有助于向读者提供背景信息，以促进更好地理解本发明的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应当从这个角度来解读，而不是承认现有技术。
5.ar/vr眼镜被视为新一代人机界面。ar/vr眼镜(以及更一般的眼镜防护电子装置)的开发与许多挑战相关联，包括减少此类装置的尺寸和重量以及改进图像质量(就对比度、视场、颜色深度等而言)，该图像质量应足够真实，以实现真正的沉浸式用户体验。
6.光学的图像质量和物理尺寸之间的权衡促动研究超紧凑光学部件，该超紧凑光学部件可以用作更复杂的光学系统(诸如ar/vr眼镜)的构建块。期望此类光学部件易于制造和复制。在此类ar/vr眼镜中，各种类型的折射和衍射透镜和波束形成部件用于将来自微型显示器或投影仪的光引导到人眼，从而允许形成与用肉眼看到的物理世界的图像叠加的(在有ar眼镜的情况下)或由相机捕捉(在有vr眼镜的情况下)的虚拟图像。
7.一些类型的ar/vr眼镜利用光学波导，其中光仅在有限的内角范围内通过tir(全内反射)传播到光学波导中。波导的fov(视场)取决于波导的材料等。
8.在wo2017180403中，提出了一种具有扩展视场的波导，其中使用了双模图像传播。在此方法中，使用衍射模式+1在一个方向上承载右手侧图像(在入耦合器上的负入射角)，并且-1模式用于将正入射角传播到波导中的相反方向。通过在波导出口处的光瞳扩展器和出耦合器，将两个半图像进行组合，使得用户看到一个图像。该系统的目的是使视场加倍，因为每个半图像可以在每个传播方向上使用波导的全角带宽。
9.一些光学波导包括一个或多个衍射光栅。衍射结构的周期d(也称为光栅间距)可以根据入射光的波长λ和波导材料的折射率n3来选择。例如，可能需要将光栅间距d选择为波导介质中光波长的两倍，如下所示：
10.11.如果考虑光栅间距与波长之间的比值:d/λ，在上述等式1的情况下，可以使3/2《n2《2并且2/3《d/λ《4/5，并且在任何情况下，d/λ《1是一个可以被限定为亚波长的值。等式1在任何情况下都表明衍射光栅具有亚波长结构。
12.在us20160231568中，公开了一种用于可穿戴显示器的波导，其中结构的光栅间距介于250nm与500nm之间。
13.非常小间距的光栅可能难以制造。当结构是亚波长时，足够小间距的光栅是光刻技术无法达到的，而且要求的精度甚至挑战电子束光刻技术。
14.对现有光波导设计概念的概述表明，缺乏一种能够同时为两种偏振(横电波te和横磁波tm)提供强响应的可靠的解决方案。因此，期望提供用于光波导或其它光学部件的衍射光栅。进一步期望此类衍射光栅能够与微型显示器或使用非偏振光和/或非相干光的其他照明源一起操作，诸如数字光处理器、dlp、基于有机发光二极管的显示器、oled或使用非偏振激光束的显示器。


技术实现要素：

15.说明书中的“一个实施方案”、“实施方案”、“示例性实施方案”等指示所描述的实施方案可以包含特定特征、结构或特性；但不是每个实施方案必然包括特定特征、结构或特性。而且，此类短语不一定是指相同的实施方案。此外，当结合实施方案描述特定特征、结构或特性时，此类特征、结构或特性可以与其它实施方案结合使用，无论是否明确地描述。
16.根据一些实施方案的衍射元件包括衬底和位于衬底上的多个光栅元件。每个光栅元件包括：第一脊形区域；第二脊形区域；和在第一脊形区域与第二脊形区域之间延伸的鞍形区域，该鞍形区域具有第一高度(h1)，该第一高度低于第一脊形区域和第二脊形区域的第二高度(h3)。
17.在一些实施方案中，第一脊形区域包括具有第一折射率(n2)的第一脊形主体区域和位于第一脊形主体区域内的第一芯层元件，该第一芯层元件具有大于第一折射率的第二折射率(n4)，并且第二脊形区域包括具有第一折射率(n2)的第二脊形主体区域和位于第二脊形主体区域内的第二芯层元件，该第二芯层元件具有第二折射率(n4)。
18.在一些实施方案中，第一芯层元件和第二芯层元件与衬底接触。
19.在一些实施方案中，衬底具有小于第一折射率(n2)的第三折射率(n3)。
20.在一些实施方案中，光栅元件以光栅间距周期性地布置在衬底上。
21.在一些实施方案中，鞍形区域具有第一宽度(w4)，脊形区域各自具有第二宽度(w3)，并且第二宽度(w3)的两倍与第一宽度(w4)之和小于光栅间距。
22.在一些实施方案中，第一脊形区域、第二脊形区域和鞍形区域包含二氧化钛(tio2)。
23.在一些实施方案中，在衍射元件中的连续光栅元件之间，衬底与基底介质接触。
24.在一些实施方案中，衬底是波导显示器的波导。
25.根据一些实施方案的方法包括将具有第一波长(λ)的光引导到衍射元件上。衍射元件包括衬底和位于衬底上的多个光栅元件。每个光栅元件包括：第一脊形区域；第二脊形区域；和在第一脊形区域与第二脊形区域之间延伸的鞍形区域，该鞍形区域具有第一高度(h1)，该第一高度低于第一脊形区域和第二脊形区域的第二高度(h3)。
26.在一些实施方案中，衬底具有第三折射率(n5)，并且方法进一步包括将光衍射到衍射阶m2，并且其中光栅元件以介于与之间的间距基本上周期性地布置。在一些此类实施方案中，m2＝2。
27.在一些实施方案中，第一脊形区域包括具有第一折射率(n2)的第一脊形主体区域和位于第一脊形主体区域内的第一芯层元件，该第一芯层元件具有大于第一折射率的第二折射率(n4)，并且第二脊形区域包括具有第一折射率(n2)的第二脊形主体区域和位于第二脊形主体区域内的第二芯层元件，该第二芯层元件具有第二折射率(n4)。
28.在一些实施方案中，鞍形区域具有第一宽度(w4)，脊形区域各自具有第二宽度(w3)，并且第二宽度(w3)的两倍与第一宽度(w4)之和小于光栅间距。
29.在一些实施方案中，第一脊形区域、第二脊形区域和鞍形区域包含二氧化钛(tio2)。
附图说明
30.图1a是波导显示器的横截面示意图。
31.图1b是具有衍射光学部件的第一布局的双目波导显示器的示意图。
32.图1c是具有衍射光学部件的第二布局的双目波导显示器的示意图。
33.图1d是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性分解图。
34.图1e是根据一些实施方案的双波导显示器的横截面示意图。
35.图1f是示出入射光角度和入耦合光角度的双波导光学装置的示意性横截面视图。
36.图2a是根据一些实施方案的示出具有插入件的u形衍射光栅的示例性单元体几何形状的横截面视图。
37.图2b是布置在衍射光栅结构中的具有插入件的多个u形衍射光栅元件的示意性透视局部剖视图。
38.图2c是单材料u形衍射光栅元件的横截面视图。
39.图2d是布置在衍射光栅结构中的多个单材料u形元件的示意性透视局部剖视图。
40.图3a示出了示例性双波导系统的第一光栅的衍射性能，该第一光栅被构造成用于蓝色并且以蓝色的横电波(te)偏振光工作。
41.图3b示出了示例性双波导系统的第一光栅的衍射性能，该第一光栅以蓝色的横磁波(tm)偏振光工作。
42.图4a示出了示例性双波导系统的第二光栅的衍射性能，该第二光栅以蓝色的te偏振光工作。
43.图4b示出了示例性双波导系统的第二光栅的衍射性能，该第二光栅以蓝色的tm偏振光工作。
44.图5a示出了示例性双波导系统的第一光栅的衍射性能，该第一光栅被构造成用于蓝色并且以绿色的te偏振光工作。
45.图5b示出了示例性双波导系统的第一光栅的衍射性能，该第一光栅被构造成用于蓝色并且以绿色的tm偏振光工作。
46.图6是tio2在一系列波长范围内的折射率的曲线图。
47.图7a示出了根据一些实施方案的示例性三波导系统的第一衍射光栅的衍射性能，该第一衍射光栅被构造成用于蓝色并且以蓝色的te偏振光工作。
48.图7b示出了根据一些实施方案的示例性三波导系统的第一衍射光栅的衍射性能，该第一衍射光栅以蓝色的tm偏振光工作。
49.图8a示出了示例性三波导系统的第一衍射光栅的衍射性能，该第一衍射光栅以绿色的te偏振光工作。
50.图8b示出了示例性三波导系统的第一衍射光栅的衍射性能，该第一衍射光栅以绿色的tm偏振光工作。
51.图9a示出了示例性三波导系统的第一衍射光栅的衍射性能，该第一衍射光栅以红色的te偏振光工作。
52.图9b示出了示例性三波导系统的第一衍射光栅的衍射性能，该第一衍射光栅以红色的tm偏振光工作。
53.图10a示出了根据一些实施方案的示例性三波导系统的第二衍射光栅的衍射性能，该第二衍射光栅被构造成用于绿色并且以绿色的te偏振光工作。
54.图10b示出了根据一些实施方案的示例性三波导系统的第二衍射光栅的衍射性能，该第二衍射光栅以绿色的tm偏振光工作。
55.图11a示出了示例性三波导系统的第二衍射光栅的衍射性能，该第二衍射光栅以红色的te偏振光工作。
56.图11b示出了示例性三波导系统的第二衍射光栅的衍射性能，该第二衍射光栅以红色的tm偏振光工作。
57.图12a示出了根据一些实施方案的示例性三波导系统的第三衍射光栅的衍射性能，该第三衍射光栅被构造成用于红色并且以红色的te偏振光工作。
58.图12b示出了示例性三波导系统的第三衍射光栅的衍射性能，该第三衍射光栅以红色的tm偏振光工作。
具体实施方式
59.本公开涉及光学器件和光子领域，并且更具体地涉及包括至少一个衍射光栅的光学装置。如本文所述的衍射光栅可以用于可适形和可穿戴光学器件的领域，诸如ar/vr眼镜，以及用于包括显示器和/或轻质成像系统的多种其它电子消费品。用于应用的示例性装置可以包括头戴式显示器(hmd)和光场捕获装置。调节非偏振光的此类衍射光栅可以在太阳能电池中应用。
60.描述了示例性光学装置，其包括波导，该波导包括超波长衍射光栅，该超波长衍射光栅可以用于将光入耦合到光学装置中和/或将光从光学装置中出耦合。此类光学装置可以用作例如ar/vr眼镜的波导。
61.在示例性实施方案中，可以使用超波长入耦合光栅来同时产生不同偏振(te和tm)的密集高衍射阶。与可能只对一种偏振(te或tm，取决于元件的尺寸)提供强响应的某些单材料系统相比，如本文所述的具有两种或更多种材料的实施方案，包括使用高折射率材料的一些实施方案，可能对两种偏振都提供强响应。
62.一些实施方案旨在为将光入耦合到光学装置提供亮度方面的高性能。
63.图1a中示出了可以采用如本文所述的衍射光栅结构的示例性波导显示装置。图1a是操作中的波导显示装置的示意性横截面侧视图。图像由图像生成器102投影。图像生成器102可以使用各种技术中的一种或多种技术来投影图像。例如，图像生成器102可以是激光束扫描(lbs)投影仪、液晶显示器(lcd)、发光二极管(led)显示器(包括有机led(oled)或微型led(μled)显示器)、数字光处理器(dlp)、硅上液晶(lcos)显示器或其它类型的图像生成器或光引擎。
64.表示由图像生成器102生成的图像112的光通过衍射入耦合器106耦合到波导104中。入耦合器106将表示图像112的光衍射成一个或多个衍射阶。例如，作为表示图像的底部的一部分的光线中的一条光线108由入耦合器106衍射，并且衍射阶110中的一个衍射阶(例如，二阶)处于能够通过全内反射传播通过波导104的角度。
65.通过衍射入耦合器106耦合到波导104中的光110的至少一部分通过衍射出耦合器114耦合出波导。耦合出波导104的至少一些光复制耦合到波导中的光的入射角。例如，在图示中，出耦合的光线116a、116b和116c复制入耦合的光线108的角度。由于离开出耦合器的光复制进入入耦合器的光的方向，所以波导基本上复制原始图像112。用户的眼睛118可以聚焦在复制的图像上。
66.在图1a的示例中，出耦合器114仅在每次反射中对光的一部分进行出耦合，允许单个输入束(诸如光束108)生成多个并行输出光束(诸如光束116a、116b和116c)。以此方式，即使眼睛不与出耦合器的中心完全对准，来源于图像的每个部分的至少一些光可能到达用户的眼睛。例如，如果眼睛118向下移动，即使光束116a和116b没有进入眼睛，光束116c也可以进入眼睛，因此尽管位置偏移，用户仍然可以感知到图像112的底部。因此，出耦合器114部分地操作为竖直方向上的出射光瞳扩展器。波导还可以包括一个或多个额外出射光瞳扩展器(图1a中未示出)，以在水平方向上扩展出射光瞳。
67.在一些实施方案中，波导104相对于源自波导显示器外部的光至少部分透明。例如，来自真实世界物体(诸如物体122)的至少一些光120穿过该波导104，允许该用户在使用该波导显示器时看到真实世界物体。由于来自真实世界物体的光120也穿过衍射光栅114，因此将存在多个衍射阶并因此存在多个图像。为了最小化多个图像的可见性，期望衍射阶零(不被114偏差)对于光120具有很大的衍射效率以及零阶，而较高的衍射阶能量较低。因此，除了扩展和出耦合虚拟图像之外，出耦合器114优选地被构造成通过实际图像的零阶。在此类实施方案中，由波导显示器显示的图像可能似乎叠加在真实世界上。
68.在一些实施方案中，如下文进一步详细描述的，波导显示器包括多于一个波导层。每个波导层可以被构造成优先将具有特定波长范围和/或入射角的光从图像生成器输送到观看者。
69.如图1b和图1c所示，具有入耦合器、出耦合器和光瞳扩展器的波导显示器可以具有各种不同构型。图1b中示出了一个双目波导显示器的示例性布局。在图1b的示例中，显示器分别包括左眼和右眼的波导152a、152b。波导包括作为出耦合器和水平光瞳扩展器操作的入耦合器154a、154b、光瞳扩展器156a、156b和部件158a、158b。光瞳扩展器156a、156b沿入耦合器和出耦合器之间的光学路径布置。图像生成器(未示出)可以提供给每只眼睛，并且被布置成投射表示相应入耦合器上的图像的光。
70.图1c中示出了另一双目波导显示器的示例性布局。在图1c的示例中，显示器分别
包括左眼和右眼的波导160a、160b。波导包括入耦合器162a、162b。来自图像的不同部分的光可以由入耦合器162a、162b耦合到波导内的不同方向。朝向左侧行进的入耦合光穿过光瞳扩展器164a、164b，而朝向右侧行进的入耦合光穿过光瞳扩展器166a、166b。当已经穿过光瞳扩展器，使用部件168a、168b将光耦合出波导，该部件作为出耦合器和竖直的光瞳扩展器操作以基本上复制在入耦合器162a、162b处提供的图像。
71.在不同实施方案中，波导显示器的不同特征可以设置在波导的不同表面上。例如(如图1a的构型中)，入耦合器和出耦合器都可以布置在波导的前表面上(远离用户的眼睛)。在其它实施方案中，入耦合器和/或出耦合器可以在波导的后表面上(朝向用户的眼睛)。入耦合器和出耦合器可以在波导的相对表面上。在一些实施方案中，入耦合器、出耦合器和光瞳扩展器中的一者或多者可以存在于波导的两个表面上。图像生成器可以朝向波导的前表面或朝向波导的后表面布置。入耦合器不一定在波导与图像生成器的同一侧上。波导中的任何光瞳扩展器可以布置在波导的前表面上、后表面上或两个表面上。在具有多于一个波导层的显示器中，不同的层可以具有入耦合器、出耦合器和光瞳扩展器的不同构型。
72.图1d是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性分解视图，包括图像生成器170、第一波导(wg1)172和第二波导(wg2)174。图1e是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性侧视图，包括图像生成器176、第一波导(wg1)178和第二波导(wg2)180。第一波导包括第一透射衍射入耦合器(dg1)180和第一衍射出耦合器(dg6)182。第二波导具有第二透射衍射入耦合器(dg2)184、反射衍射入耦合器(dg3)186、第二衍射出耦合器(dg4)188和第三衍射出耦合器(dg5)190。不同的实施方案可以使用第一波导和第二波导上的光学部件(诸如光瞳扩展器的不同布置)的不同布置。
73.虽然图1a至图1e示出了在近眼显示器中使用波导，但是相同原理可以用于其它显示技术，诸如用于汽车或其他用途的平视显示器。
74.图1f是示出入射光角度和入耦合光角度的双波导光学装置的示意性横截面视图。如本文所述的一个或多个衍射光栅的光栅间距可以基于入射光与入耦合光之间的期望范围和关系来选择。
75.图1f的双波导装置可以使用高阶模式(衍射阶的绝对值高于1)和超波长光栅以提供高视场。在图1f中，空气中的角度用字母θ表示。波导中的角度用字母φ表示，并且位于波导中并测量已被衍射的光线的角度。上标c指示空气或波导中的临界光线，并且上标g指示掠射光线。
76.图1f示出了包括第一光学波导wg1和第二光学波导wg2的光学装置。wg1具有折射率n3，并且wg2具有折射率n5。这些折射率可以相同，或者它们可以彼此不同。此类光学装置被构造成用于引导包括一系列波长的入射光的角范围被构造成用于引导包括一系列波长的入射光的角范围对应于在由限定的临界角处使用衍射阶m1被衍射到第一波导wg1中的临界光线的入射角，其中n3是第一波导的材料的折射率。假设n5是第二波导的材料的折射率。对于第二波导的材料，采用如图1f所示，第一波导wg1根据光传播方向被放置在第二光学波导wg2的前面。入射光首先由第一波导wg1透射或衍射，并且随后由第一波导wg1透射的入射光的一部分使用衍射阶m2被第二波导wg2透射或衍射。
77.第一波导包括具有超波长光栅间距的衍射光栅，该间距被构造成用于二阶衍射。这允许将超高视场的非常高的入射角耦合到第一波导wg1中。在不使用二阶衍射的情况下，耦合非常高的入射角将是非常困难的，因为这需要非常小的光栅间距。
78.从图1f可以观察到，角范围和在第一波导wg1的内部分别衍射成角范围和可以看出，角范围是角范围相对于入射到光学装置上的光的入射轴的对称角范围。
79.介于之间的角范围也称为透射光束t0，通过第一波导wg1的衍射光栅进行高效透射。
80.在第一波导wg1中，图像的左手侧将朝向左侧传播到波导wg1中，而图像的右手侧将朝向右侧传播。
81.透射光束t0具有来自的角范围，掠射光线位于法线的附近。透射光束t0将在位于第二波导wg2上的第二光栅上衍射，并且正入射角将在波导wg2中朝向左侧传播，而负入射角将朝向右侧传播到wg2中。
82.第二光栅可通过具有不同的间距尺寸而不同于第一光栅，但是第一光栅和第二光栅的形状可以相似。第一光栅和第二光栅的形状可以被构造成突出纳米射流波。位于波导wg2中的第二光栅具有被构造成用于二阶衍射的超波长光栅间距。
83.根据一些实施方案，第一光栅和第二光栅被构造成通过光栅间距以用于衍射如上文针对给定波长的光所指定的光的特定相应角范围，如下所示。
84.在一些实施方案中，以下衍射等式用于计算相应两个波导wg1和wg2中的每一者的衍射光栅的间距尺寸d1和d2以及由图1f中所示的光学装置耦合的总视场：
[0085][0086][0087][0088][0089]
在这里假设n1＝1，其中n1是基底材料的折射率。一些值是已知的，以及并且一些其它值是设计参数。根据本公开的实施方案，和被选择为约等于75
°
。
[0090]
应当指出的是，可以为本文所述的设计参数选择其它值。例如，可以根据该图像在被提取之前必须行进到该波导中的距离、全内反射回弹的数目和波导的厚度来选择
和的值。还应当指出的是，在以上给出的具体示例中，第一波导和第二波导的相应折射率相同，即n2。然而，在其它实施方案中，第一波导和第二波导可以具有不同的折射率。
[0091]
根据本文所述的一些实施方案，例如被选择为-3
°
。根据设计条件，其它值也是可能的，诸如，是否期望在最终图像的中间叠加左图像和右图像，或者是否期望左右图像没有交叉。在所公开的实施方案中，值-3
°
可能会产生最终图像，该最终图像包括中间有黑色带的左右图像。然而，在一些应用中，不期望存在此带，并且可以选择的其它值。
[0092]
先前的一组等式可以求解间距尺寸。根据最后一个等式：
[0093][0094]
代入上式，可得到第二光栅的临界入射角：
[0095][0096]
随后，由于因此并且
[0097][0098]
具有高折射率插入件的u形结构
[0099]
示例性实施方案包括超波长入耦合光栅，其可以同时产生用于横电波(te)偏振和横磁波(tm)偏振两者的密集高衍射阶。与只对一种偏振(te或tm，取决于元件的尺寸)提供强响应的单材料u形系统相比，使用双材料u形系统提供了对两种偏振均具有强响应的衍射光栅。在一些示例中，被构造用于tm偏振的衍射光栅的单元体内的元件的尺寸大于被构造用于te偏振的光栅的单元体内的元件的尺寸。通过保持被构造用于tm偏振的系统的外部参数，可以添加折射率为n4的插入件(n4》n2，折射率n2与n4之间的比值有望提供所需的纳米射流束辐射角)。在一些实施方案中已发现，在每个插入件内部生成了两个附加的纳米射流束，结合单元体的元件的外壁处的全内反射现象，以提供导致对te偏振的高强度响应的附加输入。
[0100]
如下所述，示例性拓扑可以表示为u形结构，其中高折射率插入件提供系统的高效率响应。在一些实施方案中，u形结构的侧面可以被描述为脊形区域，并且u形结构的基部可以被描述为鞍形区域，并且插入件可以被描述为芯层元件。在本文所述的示例中，n1是基底介质(例如，环境空气)的折射率，n3是衬底的折射率，并且n1《n3《n2《n4。
[0101]
图2a示出了根据一些实施方案的具有插入件的u形衍射光栅的示例性单元体几何形状的横截面视图。图2b提供了布置在衍射光栅结构中的具有插入件的多个u形衍射光栅元件的示意性透视剖视图。在图2b的光栅结构中，光栅元件是基本上直的并且基本上彼此平行布置。尽管图2b中仅示出了三个光栅元件，但是一些实施方案包括数千个光栅元件。光栅结构，诸如图2b的光栅结构，可以用作波导显示器的衍射入耦合器或出耦合器。
[0102]
图2b示出了包括衬底202的衍射元件200。多个光栅元件204、206、208布置在衬底上。每个光栅元件包括具有第一脊形主体区域212和第一芯层元件214的第一脊形区域210。
每个光栅元件进一步包括具有第二脊形主体区域222和第二芯层元件224的第二脊形区域220。鞍形区域226在第一脊形区域与第二脊形区域之间延伸。在一些实施方案中，第一脊形主体、第二脊形主体和鞍形区域具有第一折射率(n2)，并且第一芯层元件和第二芯层元件具有大于第一折射率的第二折射率(n4)。
[0103]
鞍形区域具有第一高度(h1)，该第一高度低于第一脊形区域和第二脊形区域的第二高度(h3)。在一些实施方案中，在衍射元件中的连续光栅元件之间，衬底与基底介质接触，如例如在衬底202的区域270处所示。光栅元件可以布置在一维光栅阵列中。
[0104]
图2b的衍射元件200可另选地描述为包括衬底202和在该衬底上被布置成基本上彼此平行的多个光栅芯层元件214、224、234、244、254、264，其中光栅芯层元件具有第二折射率(n4)。多个覆盖元件215、235、255基本上周期性地布置，每个覆盖元件连续覆盖两个相邻的光栅芯层元件。覆盖元件具有低于第二折射率(n4)的第一折射率(n2)。
[0105]
在示例性实施方案中，提供了一种衍射光栅，其中衍射光栅具有包括插入件区域的u形单元体。在一些实施方案中，为具有宽视场的波导显示器中的一个或多个波导提供一个或多个此类衍射光栅。在一个实施方案中，在λ＝460nm的单色系统中，提供了两个波导的组合。
[0106]
在一些实施方案中，可以为蓝色和折射率n3＝n5＝1.52的衬底选择间距尺寸。具有插入件的u形衍射光栅的元件将折射率n2＝2.5并且n4＝3.4的部件组合在一起。第一光栅具有间距尺寸d1＝467.1nm，并且u形结构将具有w1＝140nm；h1＝20nm；w2＝100nm；h2＝220nm；w3＝140nm；h3＝240nm；w4＝100nm。对于第二示例性波导，衍射光栅具有间距尺寸等于d2＝605.5nm和参数w1＝220nm；h1＝10nm；w2＝60nm；h2＝160nm；w3＝115nm；h3＝200nm；w4＝190nm。
[0107]
图3a示出了示例性双波导系统的第一衍射光栅的性能，该第一衍射光栅被构造成用于蓝色(λ＝460nm)并且以te偏振工作。图3b示出了示例性双波导系统的第一光栅的性能，该第一光栅以蓝色的tm偏振光工作。图4a和图4b示出了示例性双波导系统的第二衍射光栅的性能。
[0108]
图3a和图3b示出了第一光栅的衍射性能。
±
2衍射阶在30
°
至72
°
(-30
°
至-72
°
)的角范围内具有高效率和高均匀性，并且其对于
±
30
°
的视场具有非常高的透射效率。在图3a至图3b中可以观察到，在第一波导(wg1)中，获得了在30
°
至72
°
(-30
°
至-72
°
)的角范围内的
±
2衍射阶的高衍射效率(两种偏振均高达80％)以及在-30
°
至30
°
范围内的0阶的高透射率。
[0109]
图4a至图4b示出了用于第二波导(wg2)的第二光栅提供高衍射效率。例如，图4a示出了在角范围-30
°
至30
°
内的
±
2衍射阶的te偏振的约50％衍射效率。图4b示出了在角范围-30
°
至30
°
内的
±
2衍射阶的tm偏振的约80％衍射效率。图4a和图4b示出了对于通过第一光栅的
±
30
°
的透射视场，再次获得在该角范围内的非常高的衍射效率和均匀性。
[0110]
波导的组合
[0111]
一些实施方案将波导组合以用于全rgb系统。如前所述，通过分析被构造用于与红色(625nm)、绿色(530nm)和蓝色(460nm)对应的三个波长的衍射光栅的衍射性能，可以推断得到全rgb显示系统，在一些实施方案中仅使用四个波导就足够了，而非六个。
[0112]
若要在全rbg系统中使用先前示出的并被构造成用于蓝色的两个波导，则0衍射阶
的透射率是绿色和红色对应的波所感兴趣的。例如，在λ＝530nm处，在30
°
至20
°
(-30
°
至-20
°
)的角范围内，所示出的系统具有0衍射阶的非常低的透射率，如图5a和图5b所示。
[0113]
图5a和图5b示出了在λ＝530nm(绿色)处的第一光栅的衍射性能。图5a示出了te波的反射和透射，并且图5b示出了tm波的反射和透射。
[0114]
可指出，模拟没有考虑插入件材料在可见波长的色散。这一事实可以修改，并且在某些情况下还可以提高系统的性能。
[0115]
高折射率材料u形结构
[0116]
一些实施方案包括具有高折射率单材料u形元件的超波长入耦合光栅，该高折射率单材料u形元件不具有插入件，该超波长入耦合光栅可同时产生针对两种偏振(te和tm)的密集
±
2衍射阶。图2c中示出了单材料u形元件的横截面视图。图2d中提供了布置在衍射光栅结构中的多个单材料u形元件的示意性透视局部剖视图。在图2d的光栅结构中，光栅元件是基本上直的并且基本上彼此平行布置。在例如用于聚焦入射光的替代衍射结构中，光栅元件可以是弯曲的(例如，不同的光栅元件可彼此同心)。尽管图2d中仅示出了三个光栅元件，但是一些实施方案包括数千个光栅元件。光栅结构，诸如图2d的光栅结构，可以用作波导显示器的衍射入耦合器或出耦合器。
[0117]
图2d示出了包括衬底302的衍射光学元件300。多个光栅元件304、306、308布置在衬底上。每个光栅元件包括第一脊形区域310、第二脊形区域312和在第一脊形区域与第二脊形区域之间延伸的鞍形区域314。鞍形区域具有第一高度(h1)，该第一高度低于第一脊形区域和第二脊形区域的第二高度(h3)。鞍形区域可以与脊形区域邻接。
[0118]
与主要对一个偏振(te或tm，取决于元件的尺寸)提供强响应的先前衍射光栅系统相比，已证明增大元件的折射率可产生基本上与偏振无关的衍射光栅。使用comsol multiphysics软件获得了所示出的数据。通过用tio2作为u形元件的材料并且用折射率n3＝1.7的玻璃作为所有三个波导的衬底材料来构造系统。所示出的数值模拟考虑了tio2的色散，如在j.r.devore的“refractive indices of rutile and sphalerite”，美国光学学会期刊(j.opt.soc.am.)41，416-419(1951)中所述。图6是示出tio2在一系列波长范围内的折射率值的曲线图。
[0119]
根据如图6所示的普通光谱测量结果，获得了三种不同颜色的以下折射率值：对于蓝色(λ＝460nm)为n2＝2.7878；对于绿色(λ＝530nm)为n2＝2.6702；并且对于红色(λ＝625nm)为n2＝2.5884。
[0120]
下面讨论的图示出了被构造成用于两种偏振的具有高折射率u形拓扑的衍射光栅的一组数值模拟。在模拟中，n1是基底介质的折射率，并且n1＝1。考虑了在全rgb系统中可能使用的波导组合。如在ep 3588150a1中所述，在n3＝1.7的情况下使用具有被构造成用于与红色(625nm)、绿色(530nm)和蓝色(460nm)对应的三个波长的衍射光栅的三个波导提供了fov＝88
°
的全rgb系统。
[0121]
图7a和图7b示出了第一波导(wg1)的用于蓝色(λ＝460nm)的衍射光栅的衍射性能。第一波导(wg1)的第一光栅被构造成用于蓝色以获得角范围0
°
至44
°
(-44
°
至0
°
)内的
±
2衍射阶的高衍射效率。wg1的第一光栅具有间距尺寸d1＝542.96nm，并且u形结构具有w4＝150nm；h1＝10nm；w3＝110nm；h3＝180nm。通过组合两种偏振的响应，可以在
±
2阶透射波中获得相当良好的衍射均匀性。图8a和图8b示出了用于绿色(λ＝530nm)的wg1的衍射性能。已
得知，在与绿色对应的波长(530nm)下，该衍射光栅在14.6
°
至72
°
(-14.6
°
至-72
°
)的角范围内将对两种偏振均提供
±
2衍射阶的高衍射效率(对于te偏振高达77％并且对于tm偏振高达36％)。对于两种偏振，还具有在-14.6
°
至14.6
°
范围内的0阶的高透射率(约80％)。在tm偏振的情况下，透射的0阶波的相当高的强度可以用于在下一个波导中在高于14.6
°
且低于-14.6
°
的角度处产生密集
±
2阶。图9a和图9b示出了用于红色(λ＝625nm)的wg1的衍射性能。红色光通过第一衍射光栅，该第一衍射光栅在角范围-37
°
至37
°
内具有0阶的高透射率。还观察到在-90
°
至-37
°
和37
°
至90
°
的角度处的te偏振的
±
2衍射阶的高衍射效率。在te偏振的情况下，
±
2衍射阶的对应输入将为周(小于15％)。
[0122]
图10a和图10b示出了第二波导(wg2)的用于绿色(λ＝530nm)的衍射光栅的衍射性能。wg2的光栅被构造成用于绿色以获得角范围0
°
至44
°
(-44
°
至0
°
)内的
±
2衍射阶的高衍射效率。wg2的光栅具有间距尺寸d2＝625.58nm和此类参数w4＝180nm；h1＝20nm；w3＝140nm；h3＝220nm。两种偏振的响应的组合将提供总响应的高衍射均匀性。图11a和图11b示出了用于红色(λ＝625nm)的wg2的衍射性能。已得知，对于红色(625nm)，此衍射光栅将具有在17
°
至86.5
°
(-86.5
°
至-17
°
)的角范围内的密集
±
2衍射阶。同样如在先前的情况下，在-17
°
至17
°
范围内的0阶的透射率良好。对于两种偏振，其相当均匀且为约80％。在tm偏振的情况下，在高于17
°
且低于-17
°
的角度处的0阶的相当高的透射率将输入到由下一个波导产生的
±
2衍射阶中。
[0123]
图12a和图12b示出了第三波导(wg3)的用于红色(λ＝625nm)的衍射光栅的衍射性能。wg3的光栅被构造成用于λ＝625nm的红色以获得角范围0
°
至44
°
(-44
°
至0
°
)内的
±
2衍射阶的高衍射效率。wg3的光栅具有间距尺寸d3＝737.72nm，并且u形结构具有w4＝210nm；h1＝40nm；w3＝160nm；h3＝300nm。
[0124]
其他实施方案
[0125]
具有插入件的超波长入耦合光栅的示例可同时产生两种偏振(te和tm)的密集高衍射阶。在一些实施方案中，具有针对特定波长构造的衍射光栅的两个波导可以在具有基本上半球形视场的单色显示系统中实现。在一些实施方案中，包括具有插入件的u形光栅元件的波导的组合可以在全rgb系统中实现。为了获得全rgb系统，一些实施方案可以使用四个波导而非六个。系统可以被构造成通过考虑系统在某些入射角上的纯响应来获得系统性能的适当平衡。为了制造此类衍射光栅，可以使用硅作为插入件的材料。
[0126]
已经证明，具有高折射率色散材料光栅的超波长耦合的实施方案可以同时产生针对两种偏振(te和tm)的密集高衍射阶。将三个波导与被构造成用于与红色、绿色和蓝色对应的三种波长的衍射光栅相结合，可以获得具有高性能的全rgb系统。在一些实施方案中，使用四个波导而非六个来实现具有宽fov的全rgb立体系统。在波导材料折射率较高的情况下，也可以使用三个波导。在一些实施方案中，可以使用附加的波导来增大系统的视场。
[0127]
虽然上述示例主要涉及使用被构造成用于可见光的耦合器，但其他实施方案被构造成使用较长或较短波长，诸如红外线或紫外线，或使用电磁波谱的其他部分的波。此类实施方案可以采用针对其所设计的波长透明的材料。
[0128]
在各种实施方案中，如本文所述的衍射光栅结构可以用作入耦合器、出耦合器或两者。例如，可以提供波导，其中如本文所述的衍射光栅用作入耦合器，并且如本文所述的另一衍射光栅用作出耦合器。在一些此类实施方案中，入耦合器和出耦合器可以具有相同
的间距和/或可具有共同的其它光学特性。
[0129]
使用u形结构来构造用于高阶衍射的光栅的实施方案允许使用基本上较大的间距尺寸，从而使得使用先前技术难以制造的变得易于制造。
[0130]
在一些实施方案中，衍射元件用作双波导系统中的第一波导的入耦合器，诸如图1f中所示的系统。在此类实施方案中，光栅元件能够以介于以下两者之间的间距基本上周期性地布置
[0131][0132]
与
[0133][0134]
其中m1是表示衍射阶的整数，λ是入射光的波长，并且n3第一波导的衬底的折射率。
[0135]
在一些实施方案中，衍射元件用作双波导系统中的第二波导的入耦合器，诸如图1f中所示的系统。在此类实施方案中，光栅元件能够以介于以下两者之间的间距基本上周期性地布置
[0136][0137]
与
[0138][0139]
其中m2是表示衍射阶的整数，λ是入射光的波长，并且n5第二波导的衬底的折射率。
[0140]
在一些实施方案中，第一衍射光栅的光栅元件以介于160nm与390nm之间的间距基本上周期性地布置，其中n3和n5介于1.5与2.0之间，m1＝1，并且入射光的波长(λ)介于460nm与625nm之间。
[0141]
在一些实施方案中，第一衍射光栅的光栅元件以介于320nm与780nm之间的间距基本上周期性地布置，其中n3和n5介于1.5与2.0之间，m1＝2，并且入射光的波长(λ)介于460nm与625nm之间。
[0142]
在一些实施方案中，第二衍射光栅的光栅元件以介于170nm与355nm之间的间距基本上周期性地布置，其中n5介于1.5与2.0之间，m2＝1，并且入射光的波长(λ)介于460nm与625nm之间。
[0143]
在一些实施方案中，第一衍射光栅的光栅元件以介于340nm与710nm之间的间距基本上周期性地布置，其中n3介于1.5与2.0之间，m2＝2。
[0144]
在一些实施方案中，衍射光栅的光栅元件以介于160nm与390nm之间的间距基本上周期性地布置，其中n3和n5介于1.5与2.0之间，m1＝m2＝1，并且入射光的波长(λ)介于460nm与625nm之间。
[0145]
在一些实施方案中，衍射光栅的光栅元件以介于320nm与780nm之间的间距基本上周期性地布置，其中n3和n5介于1.5与2.0之间，m1＝m2＝2，并且入射光的波长(λ)介于460nm
与625nm之间。
[0146]
在一些实施方案中，衍射光栅的光栅元件以介于160nm与780nm之间的间距基本上周期性地布置，其中n3和n5介于1.5与2.0之间，m1和m2为1或2，并且入射光的波长(λ)介于460nm与625nm之间。
[0147]
在一些实施方案中，光栅元件以介于230nm与520nm之间的间距基本上周期性地布置，其中n3和n5介于1.5与2.0之间，m＝1，并且入射光的波长(λ)介于460nm与625nm之间。
[0148]
在一些实施方案中，光栅元件以介于460nm与1040nm之间的间距基本上周期性地布置，其中n3介于1.5与2.0之间，m＝2，并且入射光的波长(λ)介于460nm与625nm之间。
[0149]
在一些实施方案中，光栅元件以介于230nm与1040nm之间的间距基本上周期性地布置，其中n3介于1.5与2.0之间，m等于1或2，其中m是衍射光栅的衍射阶，并且入射光的波长(λ)介于460nm与625nm之间。
[0150]
根据一些实施方案的衍射元件包括衬底和位于衬底上的多个光栅元件，每个光栅元件包括：第一脊形区域，该第一脊形区域包括第一脊形主体区域和第一芯层元件；第二脊形区域，该第二脊形区域包括第二脊形主体区域和第二芯层元件；和鞍形区域，该鞍形区域在第一脊形区域与第二脊形区域之间延伸；其中第一脊形主体、第二脊形主体和鞍形区域具有第一折射率(n2)，并且第一芯层元件和第二芯层元件具有大于第一折射率的第二折射率(n4)。
[0151]
在一些实施方案中，衬底具有小于第一折射率(n2)的第三折射率(n3)。
[0152]
在一些实施方案中，光栅元件基本上周期性地布置在衬底上。
[0153]
在一些实施方案中，光栅元件以所选的间距基本上周期性地布置，其中基于波长、衬底的第三折射率(n3)和衍射阶来选择间距。
[0154]
在一些实施方案中，光栅元件以介于与之间的间距周期性地布置，其中m2是表示衍射阶的整数(例如1或2)，λ是入射光的波长，并且n5是第二波导的衬底的折射率。
[0155]
在一些实施方案中，光栅元件以介于与之间的间距基本上周期性地布置，其中m1是表示衍射阶的整数(例如1或2)，λ是入射光的波长，并且n3是第一波导的衬底的折射率。
[0156]
在一些实施方案中，光栅元件以介于400nm与800nm之间的间距基本上周期性地布置。
[0157]
在一些实施方案中，光栅元件以低于400nm的间距基本上周期性地布置。
[0158]
在一些实施方案中，光栅元件以高于800nm的间距基本上周期性地布置。
[0159]
在一些实施方案中，第一脊形区域和第二脊形区域各自具有介于100nm与200nm之间的宽度。
[0160]
在一些实施方案中，第一脊形区域和第二脊形区域各自具有介于0.1与0.3之间的光栅元件的间距的宽度。
[0161]
在一些实施方案中，鞍形区域具有第一高度(h1)和第一宽度(w4)，并且脊形区域各
自具有第二高度(h3)和第二宽度(w3)，并且其中h1低于h3；并且其中其中θi是入射光相对于所述衍射光栅上的顶部表面的法线的角度，并且n1是其中放置衍射元件的基底介质的折射率。
[0162]
在一些实施方案中，鞍形区域的第一宽度(w4)小于衍射元件的间距的三分之一。
[0163]
在一些实施方案中，第二宽度(w3)的两倍与第一宽度(w4)之和小于衍射元件的间距。
[0164]
在一些实施方案中，第一芯层元件和第二芯层元件各自具有介于50nm与200nm之间的宽度。
[0165]
在一些实施方案中，第一芯层元件和第二芯层元件各自具有介于0.4与0.8之间的宽度，分别与第一脊形区域和第二脊形区域的宽度一样大。
[0166]
在一些实施方案中，第一芯层元件和第二芯层元件与衬底接触。
[0167]
在一些实施方案中，在衍射元件中的连续光栅元件之间，衬底与基底介质接触。
[0168]
在一些实施方案中，多个光栅元件基本上是直的并且基本上彼此平行。
[0169]
在一些实施方案中，多个光栅元件布置在一维光栅中。
[0170]
在一些实施方案中，衍射元件被构造成波导的输入耦合器。
[0171]
在一些实施方案中，衬底由选自由玻璃、塑料和聚合物材料组成的组的材料制成。
[0172]
在一些实施方案中，衬底具有1.5
±
5％的第三折射率(n3)。
[0173]
在一些实施方案中，衬底具有不大于约1.7的第三折射率(n3)。
[0174]
在一些实施方案中，衬底具有不大于约2.0的第三折射率(n3)。
[0175]
在一些实施方案中，第一脊形区域、第二脊形区域和鞍形区域基本上由tio2组成。
[0176]
在一些实施方案中，第一脊形区域、第二脊形区域和鞍形区域具有约2.5的第一折射率(n2)。
[0177]
在一些实施方案中，第一脊形区域、第二脊形区域和鞍形区域具有大于2.0的第一折射率(n2)。
[0178]
在一些实施方案中，芯层折射率(n4)大于2.5。
[0179]
在一些实施方案中，芯层折射率(n4)大于2.0。
[0180]
在一些实施方案中，第一芯层元件和第二芯层元件基本上由硅组成。
[0181]
根据一些实施方案的制造衍射元件的方法包括：在衬底上形成多个光栅元件，形成每个光栅元件包括：在衬底上形成第一芯层区域和第二芯层区域；以及在第一芯层区域上形成第一脊形主体，在第二芯层区域上形成第二脊形主体，以及在第一芯层区域与第二芯层区域之间的衬底上形成鞍形区域；其中第一脊形主体、第二脊形主体和鞍形区域由具有第一折射率(n2)的材料形成，并且第一芯层和第二芯层由具有大于第一折射率的芯层折射率(n4)的材料形成。
[0182]
根据一些实施方案的衍射元件包括：衬底；多个光栅芯层元件，该多个光栅芯层元件在衬底上基本上彼此平行布置，光栅芯层元件具有芯层折射率(n4)；和多个覆盖元件，该多个覆盖元件基本上周期性地布置，每个覆盖元件连续覆盖两个相邻的光栅芯层元件，该
覆盖元件具有低于第二折射率(n4)的第一折射率(n2)。
[0183]
在一些实施方案中，光栅芯层元件中的每个光栅芯层元件基本上被覆盖元件中的一个覆盖元件覆盖。
[0184]
在一些实施方案中，芯层元件基本上周期性地布置。
[0185]
在一些实施方案中，覆盖元件以第一间距基本上周期性地布置，并且芯层元件以第二间距基本上周期性地布置，该第二间距基本上是第一间距的一半。
[0186]
在一些实施方案中，覆盖元件基本上彼此平行并且与光栅芯层元件平行。
[0187]
根据一些实施方案的制造衍射元件的方法包括：在衬底上形成多个光栅芯层元件，该多个光栅芯层元件在衬底上基本上彼此平行布置，光栅芯层元件具有芯层折射率(n4)；以及形成多个覆盖元件，该多个覆盖元件中的每个覆盖元件连续覆盖两个相邻的光栅芯层元件，该覆盖元件具有低于第二折射率(n4)的第一折射率(n2)。
[0188]
根据一些实施方案的衍射元件包括：衬底；位于衬底上的多个光栅元件，每个光栅元件包括：第一脊形区域；第二脊形区域；和鞍形区域，该鞍形区域在第一脊形区域与第二脊形区域之间延伸。
[0189]
在一些实施方案中，光栅元件基本上周期性地布置在衬底上。
[0190]
在一些实施方案中，多个光栅元件基本上是直的并且基本上彼此平行。
[0191]
在一些实施方案中，第一脊形区域、第二脊形区域和鞍形区域对于可见光具有大于2.0的折射率。
[0192]
在一些实施方案中，第一脊形区域、第二脊形区域和鞍形区域对于可见光具有大于2.4的折射率。
[0193]
在一些实施方案中，第一脊形区域、第二脊形区域和鞍形区域对于可见光的折射率大于衬底对于可见光的折射率的1.2倍。
[0194]
在一些实施方案中，第一脊形区域、第二脊形区域和鞍形区域对于可见光的折射率大于衬底对于可见光的折射率的1.4倍。
[0195]
在一些实施方案中，第一脊形区域、第二脊形区域和鞍形区域包括tio2。
[0196]
在一些实施方案中，第一脊形区域、第二脊形区域和鞍形区域基本上由tio2组成。
[0197]
在一些实施方案中，第一脊形区域、第二脊形区域和鞍形区域由色散材料制成。
[0198]
根据一些实施方案的制造衍射元件的方法包括：在衬底上形成多个光栅元件，形成每个光栅元件包括：在衬底上形成第一脊，在衬底上形成第二脊，以及在衬底上形成位于第一脊与第二脊之间的鞍形区域。
[0199]
根据一些实施方案的方法包括：将具有第一波长的光引导到衍射元件上，其中衍射元件包括：具有第三折射率(n3)的衬底；位于衬底上的多个光栅元件，每个光栅元件包括：第一脊形区域，该第一脊形区域包括第一脊形主体区域和第一芯层元件；第二脊形区域，该第二脊形区域包括第二脊形主体区域和第二芯层元件；和鞍形区域，该鞍形区域在第一脊形区域与第二脊形区域之间延伸；其中第一脊形主体、第二脊形主体和鞍形区域具有第一折射率(n2)，并且第一芯层元件和第二芯层元件具有大于第一折射率的第二折射率(n4)。
[0200]
在一些实施方案中，光栅元件以介于第一波长的1.0倍与1.2倍之间的间距基本上周期性地布置。
[0201]
在一些实施方案中，光栅元件以介于400nm与800nm之间的间距基本上周期性地布置，其中第三折射率(n3)是1.52，并且其中第一波长介于450nm与700nm之间。
[0202]
在一些实施方案中，光栅元件以介于400nm与800nm之间的间距基本上周期性地布置，其中第三折射率(n3)是1.5
±
5％，其中第一波长介于450nm与700nm之间，并且其中衍射元件将光的至少一部分衍射至2衍射阶。
[0203]
在一些实施方案中，光是非偏振光。
[0204]
在一些实施方案中，光包括te偏振光和tm偏振光。
[0205]
在一些实施方案中，第一脊形区域、第二脊形区域和鞍形区域具有大于2.0的折射率，并且衬底具有小于2.0的折射率小于。
[0206]
尽管上文以特定组合描述了特征和元件，但是本领域的普通技术人员将理解，每个特征或元件可单独使用或以与其他特征和元件的任何组合来使用。