具有嵌入式元光栅的全色波导组合器的制作方法

背景技术：

1、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。它可以在可适形且可佩戴的光学器件的领域中(例如，ar/vr眼镜(增强现实/虚拟现实))以及包括显示器和/或轻质成像系统(包括平视显示器(hud))的各种其他电子消费产品中获得应用，如例如在汽车工业中。

2、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文所述的系统和方法的各个方面。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。

3、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。

4、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。

5、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度范围内通过tir(指代全内反射(total internal reflection))传播到光学波导中。波导的fov(指代视场(field of view))取决于波导的材料。

6、波导的fov可以表达为通过tir传播到波导中的的最大跨度。在一些情况下，如图2所示，可以耦合到波导中的最大角跨度可以由两条光线表达：具有入射角的临界光线(图2中的)和具有入射角的掠射光线(图2中的)。该临界光线是刚好以由限定的临界角衍射到波导中的光线，其中n2是波导材料的折射率，并且λ是入射光的波长。高于临界角发生全内反射(tir)。掠射光线是具有输入角的光线，该光线以可以是的掠射入射衍射到波导中。上面呈现的波导的理论fov是用于单个模式系统，其中一个单个衍射模式用于承载图像：+1或-1衍射模式。

7、基于光学波导的一些系统中的视场受到玻璃板的角度带宽的限制。如果我们将一种模式衍射到玻璃板中，则给出fov，作为玻璃板材料的折射指数的函数。折射率为n2的波导的fov由下式给出：

8、图3示出了用于n2的合理范围的曲线图。对于n2＝1.5，单模式系统的总视场更确切地说限于δθ1＝28.96度。可以看出，60度fov是一些类型的波导的实用限制，因为使用折射率高于2.0的材料通常是不可行的。

9、通过利用波导内部的第二传播方向，可以进一步扩展光学波导的视场，使该视场加倍。

10、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来在一个方向上承载图像的一侧，并且使用-1模式将图像的相反侧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。

11、使用高于一的衍射阶具有将波长乘以在衍射方程中使用的阶的效果。由于光栅间距直接是乘积mλ的函数，所以这意味着光栅间距乘以m。这允许用于内耦合器的结构更大并且开创了制造技术中的新的可能性，因为可以使用纳米压印。而且，对于光栅密度，每mm需要更少的线，并且可以改进制造工艺，因为该结构将不再是亚波长而是过波长。使用±2衍射阶的此种光学波导提供了约60°的fov，其中折射率为1.5。因此，可能使用折射率为1.5的材料，而不是单模式中的2，来获得60°视场。然而，60℉ov仍然相对于总人类视场而被限制，在该总人类视场中立体视觉对人类视觉有效并且为约114°。

12、已经研究了使用两波导架构的全rgb组合器，其中绿色fov在第一波导与第二波导之间共享，如b.c中所述。kress,“optical waveguide combiners for ar headsets:features and limitation,”proc.of spie，第11062卷，第110620j页，2019中所述。

技术实现思路

1、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他实施方案结合使用，无论是否明确地描述。

2、示例光学系统包括：波导，该波导具有第一表面和与第一表面基本上相对的第二表面；反射衍射内耦合器，反射衍射内耦合器在第一表面与第二表面之间的波导中；以及第一透射衍射内耦合器，该第一透射衍射内耦合器在反射衍射内耦合器与第二表面之间的波导中。

3、在一些实施方案中，反射衍射内耦合器具有被选择为将蓝光耦合到波导中的光栅周期，并且透射衍射内耦合器具有被选择为将红光耦合到波导中的光栅周期。

4、在一些实施方案中，反射衍射内耦合器与透射衍射内耦合器之间的间隔不大于400nm。

5、在一些实施方案中，反射衍射内耦合器与透射衍射内耦合器之间的间隔不大于入射光的选定波长(在空气中)。

6、一些实施方案进一步包括在波导的第一表面上的第二透射衍射内耦合器。第二透射衍射内耦合器可具有被选择为将蓝光耦合到波导中的光栅周期。第二透射衍射内耦合器可具有比反射衍射内耦合器的光栅周期更小的光栅周期。

7、在一些实施方案中，反射衍射内耦合器具有光栅周期d1并且被配置为使用衍射阶m1来内耦合光，第二透射衍射内耦合器具有光栅周期d3并且被配置为使用衍射阶m3来内耦合光，并且

8、一些实施方案进一步包括图像生成器，该图像生成器可操作以在包括反射衍射内耦合器和第一透射衍射内耦合器的输入区域处提供图像。光学系统可以被配置为在至少一个输出瞳孔区域处基本上复制图像，该输出瞳孔区域包括至少一个反射衍射外耦合器和至少一个透射衍射外耦合器。

9、在一些实施方案中，反射衍射内耦合器具有比第一透射衍射内耦合器的光栅周期更小的光栅周期。在一些实施方案中，反射衍射内耦合器具有光栅周期d1并且被配置为使用衍射阶m1来内耦合光，第一透射衍射内耦合器具有光栅周期d2并且被配置为使用衍射阶m2来内耦合光，并且

10、一些实施方案包括在反射衍射内耦合器与第一透射衍射内耦合器之间的气隙。

11、根据一些实施方案的光学方法包括在波导的输入区域处提供具有至少第一颜色和第二颜色的光，其中波导包括第一表面和与第一表面基本上相对的第二表面，并且其中输入区域包括在第一表面与第二表面之间的波导中的反射衍射内耦合器和在反射衍射内耦合器与第二表面之间的波导中的第一透射衍射内耦合器；使用反射衍射内耦合器将第一颜色的光耦合到波导中；以及使用第一透射衍射内耦合器将第二颜色的光耦合到波导中。

12、在一些实施方案中，输入区域包括在波导的第一表面上的第二透射衍射内耦合器，并且该方法进一步包括使用第二透射衍射内耦合器将第一颜色的光耦合到波导中。作为示例，具有相对低入射角的第一颜色的光可以由反射衍射内耦合器耦合，而具有相对高入射角的第一颜色的光可以由第二透射衍射内耦合器耦合。

13、一种制造根据一些实施方案的光学系统的方法包括：在第一波导衬底层上形成第一衍射光栅；在第二波导衬底层上形成第二衍射光栅；以及将第一波导衬底层和第二波导衬底层组合成组合波导，其中第一衍射光栅和第二衍射光栅在组合波导的内部上。