CN107615136B - 光学透视显示元件和使用这样的元件的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学透视显示元件和使用这样的元件的显示设备。元件包括：包括两个相背的面的透明基底（10）；用于把光耦合到基底中的入耦合结构（12）；和布设在透明基底上以用于在透明基底上显示入耦合的光的衍射的出耦合光栅结构（14，16）。根据本发明，衍射的出耦合结构（14,16）包括在基底的所述相背的面的至少一个上一个在另一个顶部上地叠置的至少两个多层光栅。特别是，可以使用减少对透射光的衍射的多层光栅。本发明有助于增加衍射显示器的出耦合效率并且还提供技术以同时地保持高图像质量和透明度。

Description

光学透视显示元件和使用这样的元件的设备

技术领域

本发明涉及光学设备。特别是，本发明涉及可以在例如平视显示器（HUD ），近眼式显示器（NED），头戴式显示器（HMD）和所谓的增强现实眼镜或智能眼镜中使用的透视显示（see-through display）元件。

背景技术

透视显示器包括三个基本的部分：图像投影仪，控制投影仪的计算单元和被适配为将图像从投影仪示出到透视显示器的光学组合器（optical combiner），该透视显示器允许显示器的用户看到显示器后面的场景（scenery）和投影的图像这两者而不要求用户从他的通常的视点远离开地进行观看。在基于衍射光栅的透视显示解决方案中，图像被从入耦合（in-coupling）光栅耦合到波导中。图像被由出耦合（out-coupling）光栅从波导耦合出至用户的眼睛。在WO 2006/064301，WO 99/52002，WO 2009/077802，WO 2009/077803，WO2011/110728和US 2009/0245730中介绍了利用该一般原则操作的设备的若干个示例。衍射光栅有时被称为全息光学元件（HOE）。

在一些解决方案中，两个或更多个光栅被使用以衍射不同的波长，用作所谓的多路复用衍射光栅。例如，WO 2011/113662公开了用于彩色头戴式显示设备的衍射组合器。该设备包括：第一光学衍射光栅，被适配用于在衍射方向上衍射具有第一波长并且是在入射方向上在第一光栅上入射的光；第二光学衍射光栅，被适配用于在相同的方向上衍射具有第二波长并且是在入射方向上在第二光栅上入射的光。第一和第二光学衍射光栅被形成为在组合器的第一和第二相背的表面上的凸起。

在一些解决方案中，存在具有不同的定向的多个光栅。例如US 4856869公开了包括基底和形成在基底上的显示图案的显示元件，显示图案具有第一衍射光栅结构和第二衍射光栅结构。第一衍射光栅结构的光栅线的方向不同于第二衍射光栅结构的光栅线的方向，由此目的在于防止在图像中出现似彩虹效应（rainbow-like effect）。

在WO 2014/044912中公开了用于防止彩虹效应的更有效的解决方案。其基于减少从光栅衍射到非零透射级的光的量，所述光栅使用包括具有不同的折射率的周期性地交替的区带的第一和第二光栅层。为了实现这点，具有更高的折射率的第一光栅层的区带被至少部分地与具有更低的折射率的第二光栅层的区带对准并且反之亦然。作为结果，降低了透射光的衍射。该解决方案与利用单个光栅每波长的解决方案相比遭受更低的出耦合效率。

除了出耦合效率之外，在透视显示器中的另一个重要的因素是出耦合光栅的透明度。特别是，在可穿戴显示器（诸如头戴式显示器（HMD））中，光栅接近于眼睛并且低透明度减小显示器后面的场景的亮度。WO2014/044912公开了一种解决方案，其在出耦合光栅结构中使用薄金属层以用于提高出耦合效率。然而该金属层，减小光栅的透明度。透明度的损失高度地影响用户体验并且限制或妨碍设备在精细的工作和例如汽车的驾驶中的使用。另外在眼睛上方的更暗的区域造成对消费者吸引力更小的设备的外观。

还存在被设计用于多种目的的多个其它种类的衍射光栅。例如，WO 2006/132614公开了一种包括入耦合和出耦合衍射光栅的设备。还存在被相对于入耦合光栅和出耦合光栅在横向上成一定角度布设的中间衍射光栅以便把被衍射的光分量从入耦合光栅耦合到出耦合光栅。

Saarikko P.的文章“Diffractive exit-pupil expander with a large field of view”,（Photonics in Multimedia II (2008), Volume 7001）公开了用于头戴的虚拟显示器的非对称出射瞳径扩展（asymmetric exit pupil expansion）的概念。US 2010/296163提出用于在出射瞳径扩展器（EPE （exit pupil expander））中提供宽视场和照度均匀性的相关的装置和方法，所述出射瞳径扩展器使用利用非对称出射瞳径扩展的堆叠的EPE基底，该堆叠的EPE基底使用用于扩展用于观看的显示器的出射瞳径的多个衍射元件。该解决方案目的在于高视场（FOV）和照度均匀性。

在基于具有均匀的出耦合光栅的光导（light-guide）的衍射显示元件中，出耦合的光的亮度朝光导的后端减小。对他的问题的试图的解决方案包括尝试提供朝光导的后端增加的出耦合效率。然而具有改变的光栅深度的光栅面形的制备是有挑战的和昂贵的。

总而言之，在可用的现有技术中，为了改善设备对不同波长的响应并且防止在图像中出现似彩虹效应的目的，存在利用一个在另一个顶部上的各光栅的解决方案。然而各公开都未提供如将是想要的那样高的亮度均匀性和针对要被显示的图像的白平衡和/或那样高的针对穿透光的透明度和/或那样小的副作用，诸如彩虹效应或其它种类的图像质量的恶化。

因此，存在针对改善的透视显示器的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种透视光学显示元件，即组合器元件，其具有针对在显示器上显示的图像的增加的耦合效率。进一步的目的是将该优点与轻微的副作用和高的图像质量结合。

本发明的进一步的目的是提供一种具有空间上变化的出耦合效率的多层光栅结构。该结构的优点是其可以通过将具有均匀的光栅面形的各光栅一个在另一个顶部上地进行堆叠来制造。光栅区域的大小和位置从一层到另一层地变化。

具有出耦合光栅的显示元件典型地还在整个视场上遭受低的白平衡。本发明的一个目的是提供一种增强所显示图像的白平衡的多层光栅结构。该光栅结构由覆盖整个出耦合区的底部光栅层和提高在具有低的白平衡的视点视野中缺失的色彩的出耦合效率的附加光栅层组成。

本发明的附加的目的是提供一种透视显示元件，其出耦合光栅具有增加的透视透明度，或者至少与基于已知的衍射光栅的解决方案相同的透明度的等级。

特定的目的是提供一种显示元件，其适合于个人可穿戴显示设备，诸如智能眼镜，和/或适合于集成在车辆（和类似物）中的显示器，诸如平视显示器（HUD）。

又一目的是提供一种具有可以方便地由例如纳米压印技术制造的出耦合光栅结构的显示元件。

还一目的是提供一种包括具有一个或多个的以上提及的益处的元件的显示设备。

本发明基于提供具有一个在另一个顶部上的多个出耦合光栅的基底以便针对入耦合到基底的光增加元件的出耦合效率。出耦合光栅的每个具有多层结构，该多层结构可以例如用来最小化不想要的衍射行为（诸如对穿过元件的光（透射光）的衍射）和/或增加元件的总体透明度。特别是，多层光栅是如下这样以使得它们实质上不衍射透射光：即，其中各层相互作用以便把至非零衍射级的衍射最小化。光到基底的入耦合可以使用布设在基底上或布设在基底之中的衍射的入耦合光栅或者例如使用棱镜而发生。

因此，本光学显示元件包括：透明基底，该透明基底包括两个相背的面；入耦合结构，用于将光的图案耦合到基底中；和衍射的出耦合光栅结构，被布设在透明基底上以用于将入耦合的光从透明基底耦合出来，由此把由入耦合的光图案限定的图像显示在显示元件上。衍射的出耦合结构包括在基底的所述相背的面中的至少一个上一个在另一个顶部上地叠置的至少两个多层光栅。在另一面上也可以存在一个或多个单层或更优选地多层的光栅。

本光学显示设备包括以上提及的种类的元件和图像投影仪，该图像投影仪能够把将在显示元件上显示的图像向入耦合结构引导。

更具体地，本发明以在独立权利要求中陈述的内容为特征。

本发明提供了相当多的优点。首先，每个多层光栅产生出耦合光并且总体光学性能通过改善的出耦合效率而增加。通过使用多层光栅作为基本的衍射单元从而使这成为可能。在优选的实施例中，多层光栅是如此的以致于各层配合以便与各层中单独的任何一个相比使至非零衍射级的衍射减少。在WO2014/044912中讨论了这样的多层光栅。发明人发现，与常规的光栅不同，这样的光栅可以一个在另一个顶部上堆叠而没有不想要的副作用并且具有在效率上的出人意料地高的提高效果。也就是，每个多层光栅贡献于将光从基底朝设备的用户的眼睛耦合。常规的出耦合光栅因为如下的事实而不能一个在另一个顶部上地被使用：它们衍射所透射的光。对所透射的光的衍射产生不可接受得多地降低出耦合图像的图像质量的彩虹效应和鬼像。本发明使用一个在另一个顶部上的各光栅而不会显著地影响图像质量。

应当注意的是，提高组合器元件的出耦合效率极大地降低光源单元的功率要求。在可穿戴技术中，这直接涉及电池寿命。

在金属氧化物被作为光栅层材料使用在出耦合光栅的多层光栅的一个或多个中时取得特定的优点。诸如二氧化钛TiO₂的金属氧化物具有高折射率并且有力地贡献于衍射，同时仍然保持光栅结构针对透射光的高透明度（接近100%）。例如10-150nm的薄层是足够的。甚至具有10nm厚度的完全为金属的各层也提供可观地更低的透明度。

在存在一个在另一个顶部上地堆叠的多个光栅时，光栅的改善的透明度是关键的益处，因为否则穿过堆叠的环境光的强度在经过堆叠时将不可接受得多地下降。在本发明中，可以存在例如2-6个光栅或者甚至更多。至少在要求高的应用中（诸如在可穿戴设备中）最小化强度损失是重要的。然而在特殊的应用中一定程度的透明度损失是可以被接受，由此例如金属层的使用没有被完全排除。

改善的透明度允许本元件在例如要求高的工业应用中和在人类驾驶的车辆中作为显示元件使用。还有一个值得注意的益处是在可穿戴电子应用中的消费者接受度潜在地更高，因为具有高透明度的出耦合光栅对于其他人不太可见，因为显示器潜在地可以与通常的眼镜的镜片相似。

本光学元件可以被作为头戴式显示器（HMD）、平视显示器（HUD）和近眼式显示器（NED）中的显示元件来使用，头戴式显示器（HMD）、平视显示器（HUD）和近眼式显示器（NED）的全部在此由术语“透视显示器”所覆盖。特别是，其可以作为航空工业显示设备、汽车工业显示设备、游戏显示设备、增强现实显示设备、智能个人眼睛佩戴设备（智能眼镜）或引导外科手术或装配显示设备的部分来使用。

从属权利要求关注于本发明的所选择的实施例。

根据一些实施例，衍射的出耦合结构包括不但在其一侧上而且在基底的两个相背的面的每个上的一个在另一个顶部上地叠置的至少两个多层光栅。

典型地，所述至少两个多层光栅对于针对相同的波长提高衍射的出耦合结构的出耦合效率来说在本质上是相似的。这样的结构还通过重复相同的制造步骤来制作多个相同的光栅而是容易制造的。

根据一些实施例，多层光栅被直接地一个在另一个顶部上地定位。替换地，在至少两个多层光栅之间可以存在均匀的（即非格栅化的（non-grated））透明界面层。

根据一些实施例，衍射的出耦合结构包括以其中光栅层的数量朝光导的后端增加的部分重叠并成梯级的方式在所述基底的一侧上一个在另一个顶部上地叠置的多层光栅。这样的多层光栅还可以在基底的两侧上。更进一步地，创新的衍射的出耦合结构可以附加地包括用于增加图像白平衡的多层光栅结构，并且其覆盖具有降低的白平衡的各区。

根据一些实施例，入耦合结构包括衍射的入耦合光栅，其适合于单色显示应用和多色显示应用这两者。替换地，入耦合结构可以包括棱镜，其特别地适合于单色显示应用。

衍射的入耦合光栅可以被相对于出耦合光栅结构横向地布设在基底上，以使得被衍射的光可以利用基底的波导特性在各光栅结构之间行进。在典型的解决方案中，没有使用例如中间换向光栅，尽管这些也没有被排除。

根据一些实施例，在如从用户的眼睛看到的出耦合光栅的外侧上存在反射层，以把初始地远离于观察者引导的出耦合光反射回眼睛。这增加了设备的出耦合效率。反射层被设计为允许环境光传到眼睛。

根据一些实施例，除了一些更低折射率材料之外，出耦合光栅结构还包括至少一个金属氧化物（特别是金属二氧化物）的层。这些材料在一个或多个多层光栅的至少一个子层（优选地，它们的全部）中一起形成周期性光栅。在典型的实施例中，金属二氧化物的层被布设在作为更低折射率材料的玻璃或塑料的图案化的层上。图案化的层典型地包括脊部和槽部的衍射的周期性图案并且金属二氧化物的层是使用薄膜沉积技术镀制在图案化的层上的。光栅结构的出耦合效率典型地朝波导后端增加以在显示器的眼运动箱（eye box）中获得均匀的图像亮度。

根据一些实施例，多层光栅的每个的各层相互作用以便与各层中的单独的任何一个相比使至非零衍射级的衍射减少。这允许尽可能高地保持图像质量并且尽可能低地保持副作用（诸如彩虹效应）。根据特定的实施例——在该特定的实施例的情况下该条件被满足，多层光栅的每个包括：第一透明光栅层，其进一步包括具有不同的折射率的周期性地交替的区带；和第二透明光栅层，位于第一光栅层上并且也包括具有不同的折射率的周期性地交替的区带，从而具有更高的折射率的第一光栅层的区带至少部分地与具有更低的折射率的第二光栅层的区带对准并且反之亦然。与该特定的实施例组合地如上面提到那样使用金属氧化物作为光栅材料是特别有益的。

特别是，出耦合光栅结构包括纳米压印的衍射的特征，诸如脊部和槽部。在具体的实施例中，出耦合结构由一个在另一个顶部上地纳米压印的各层组成，所述各层包括被布设为周期性地交替的区带的至少两种在光学上不同的材料。在替换的实施例中，出耦合结构包括纳米压印的特征和真空或原子层沉积的特征的组合。

定义

术语“透明”（例如，材料层或显示元件的区带）是指如下这样的结构：在该结构中在视觉波长中段范围450nm—650nm处的透射率是至少20%，特别是至少50%。

术语“衍射”意指在380nm—780nm的整个视觉波长范围的至少一些子范围处是衍射的。

如在此描述的元件的“基底”具有两个主要的功能。第一，它用作波导，因此把经由入耦合结构耦合的光引导至出耦合光栅结构，所述出耦合光栅结构把光重新朝其中最终图像被形成在视网膜上的用户的眼睛引导。因为它是透明的，所以用户可以透过显示器看到它后面的物体。第二，它在物理上支持在其上产生的光栅。

通过基底的“相背的面”，我们意指在光学上相背的面，即，透射光（“透视光”）在行进到显示元件的用户的眼睛的同时所经过的基底的各边界。虽然为了简单在此被图解为扁平且恒定厚度的板，但是基底还可以具有例如弯曲的形状、可变的厚度、或者甚至一个或多个内部镜面或棱镜，所述一个或多个内部镜面或棱镜完全地改变穿过基底的光的方向。

术语“多层光栅”是指包括至少两层的周期性地重复的（周期性）结构的光栅，其中各周期包含具有不同折射率的至少两个材料区带以及驻留在基底的表面平面内的各层。特别是，该术语是指如下这样的光栅：该光栅中附加的层（或多个层）与在仅第一层的情况下相比减少被衍射到非零透射级的光的量，由此降低所谓的彩虹效应。如稍后将更详细地讨论的那样，形成多层光栅的至少两层可以包括光学上不相同的材料或者它们可以例如，否则彼此相似但是相对于彼此被偏移半个周期。典型地，各层具有相同的周期。在本发明中，存在例如通过纳米压印或堆叠技术而一个在另一个顶部上地叠置的多个这样的多层光栅，以改善元件的总体的出耦合效率。术语“一个在另一个顶部上地叠置”覆盖通常的情况，其中多层光栅被均匀的界面层分离开，即各周期性的结构不是直接地一个在另一个顶部上而是处在距彼此一定距离处。

“纳米压印”意指能够优选地使用造成包含聚合物、金属或金属氧化物的特征的可印刷材料而产生衍射特征—特别是具有小于1μm的尺寸的光栅（即一维或二维的网格）、特别是具有在横向尺寸上小于100nm（槽部/脊部宽度小于50nm）的周期以及具有1nm—1200nm的高度的特征的网格—的印刷技术。

术语“个人可穿戴显示设备”特别是覆盖头戴式显示器（HMD）和近眼式显示器（NED），诸如智能眼镜或增强现实眼镜。

接下来参照所附的附图更详细地描述本发明的特定的实施例及其优点。

附图说明

图1A图解本光学显示元件的主要使用目的。

图1B示出本发明的实施例的光学元件结构的分解的示意性透视图。

图2A—图2G示出根据本发明的各种实施例的结构的横截面视图。

图3A示出具有图案化的材料层和在其上提供的薄膜镀层的光栅结构的横截面视图。

图3B和图3C示出根据图3A的出耦合光栅的照片图像，其中薄膜镀层分别包括金属（银）和金属二氧化物。

图4A—图4E在横截面视图中示出可能的多层光栅的示例。

图5示出根据本发明的实施例的显示元件在出耦合区带的位置处的示意性横截面。

具体实施方式

图1A示出包括入耦合光栅1012和出耦合光栅1014的光学透视显示元件1010。还存在被引导于入耦合光栅1012处的投影仪1020，该入耦合光栅1012将入射光衍射到使得光在元件1010中经由全内反射朝出耦合光栅1014传播这样的角度。当被衍射的光到达出耦合光栅1014时，它被朝其中最终的图像图案形成在视网膜上的观察者1001的眼睛衍射。在看到图像图案同时，观察者透过元件1010看到在它后面的任何物体。

图1B更详细地示出根据一个实施例的显示元件。该元件包括基底10（由大的矩形限定）。基底10由可以充当用于可见光的至少一些波长的波导(即，在基底10内横向地导引光)的材料制成。基底10可以是平面的，如图1B中图解的那样，但是也可以采取任何其它的形状，例如弯曲的形状。优选地，基底10被设计为使得光被通过全内反射在它的内部边界处反射。只要有必要还可以在基底10的一个或多个边界处提供镜面或棱镜以确保光保留在基底10之中。

基底可以包括例如玻璃或聚合物，诸如聚苯乙烯（PS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）、聚碳酸酯、醋酸纤维素、聚乙烯吡咯烷酮，或乙基纤维素。

基底10包括光入耦合区带，其包括在平行于基底的平面的平面处的入耦合光栅12。入耦合光栅12可以被提供在基底10之中（如所图解的那样）、被提供在其一个或两个表面中、或被提供在这些位置中的两个/全部中。入耦合光栅12与基底10光连接以使得被引导于光栅12处的光被衍射到基底10中并且优选地借助于全内反射而被进一步地引导于其中。

在基底的相对于入耦合区带的另一个横向位置处，存在光出耦合区带。出耦合区带包括在其一个或优选地两个表面处的多个出耦合光栅14，16。如在图1B中示出那样，在基底10的每侧上各出耦合光栅12，16是被一个在另一个顶部上地定位的。在基底10之中还可以存在附加的光栅。如稍后更详细地讨论的那样，出耦合光栅14，16的每个包括多层（特别是两层）的内部结构。

镜面或棱镜可以被提供在基底10的纵向边界19A，19B处——否则在其处从入耦合光栅12入耦合到基底的光的入射角度对于全内反射而言过陡。

图2A在横截面视图中示出根据一个实施例的元件的结构。其包括基底20、在基底20之中的入耦合光栅22和在基底20的第一表面上的三个出耦合光栅24A，24B，24C。箭头示出光如何射中元件、在元件之中行进以及由于在光栅处和在基底的边界处的光学相互作用而存在于元件。

图2B示出具有在基底20的第二表面上的、与第一表面上的光栅24A，25B，24B对准的两个附加的出耦合光栅26A，26B的变化。附加的光栅26A，26B进一步地增加出耦合效率。

在基底20的每个表面上，一个在另一个顶部上的光栅的数量可以是例如2至10个，特别是2至5个。

图2C示出具有嵌入在基底之中的附加的光栅25的实施例。这样的附加的光栅25优选地还包括多层结构并且可以进一步增加元件的出耦合效率。

图2D示出具有衍射的出耦合结构的实施例，该衍射的出耦合结构包括以部分重叠并成梯级的方式在所述基底的一侧上一个在另一个顶部上地叠置的多层光栅27A，27B和27C。光栅层的数量朝光导的后端增加。光栅层的重叠区域以及因此出耦合效率朝光导的后端增加。

除了其包含在光导的两侧上的部分地重叠的出耦合光栅28A—28B和27A—27C以外，图2E在其它方面与图2D相同。部分地重叠的光栅层28A和28B进一步提高出耦合效率并且改善在显示器的眼运动箱中的图像亮度的均匀性。

图2F示出其中图像的白平衡被通过使用附加的多层光栅结构29A—29C增加的实施例，该附加的多层光栅结构29A—29C用于局部地增加具有降低的亮度的谱色彩分量的出耦合效率以提高总体上的图像白平衡。光栅29A覆盖整个出耦合区而光栅29B和29C提高在视点视野中具有降低的白平衡的谱色彩分量的出耦合效率。在固定的眼睛位置（30）的情况下，在视点视野和光导表面上的出耦合光栅区域之间存在清晰的映射。

图2G示出作为在图2D和图2F中示出的实施例的组合的实施例。衍射堆叠27A—27B使光出耦合从而出耦合效率朝光导的后端增加，而衍射堆叠29B，29C被用于增加所显示图像的白平衡。

使用金属氧化物改善透明度

图3A示出多层光栅，其包括周期性地布设的采用第一材料30（诸如塑料或玻璃）的脊部和槽部，以便限定具有周期d和高度h的基本的光栅结构。在脊部和槽部的顶部上，提供第二材料31的薄层，第二材料31具有比第一材料更高的折射率。具有与第一材料30相比相同或不同的折射率的第三材料32可以被提供在结构的顶部上。这构成在本发明之中可使用的多层光栅的一个示例。

图3B图解在第二材料31是银并且银层的厚度是10nm时根据图3A的结构的透明度。如可以看到的那样，在包括光栅的区域34A处，与在其周围的非格栅化区域相比存在显著的透明度损失（测量的透明度是大约55%）。在其它金属的情况下预期有相似的行为。

图3C图解在第二材料31是金属氧化物（在该情况下是TiO₂）、其它参数与在图3B的结构中相同时根据图3A的结构的透明度。如可以看到的那样，不存在显著的透明度损失（测量的透明度接近100%）。因此，金属氧化物薄层比金属薄层更有益，特别是在其中存在一个在另一个顶部上的多个多层光栅并且在每一单个多层光栅中的损失应当尽可能低的本上下文中。

透明的金属氧化物层可以是例如使用真空技术（蒸发或溅射）、旋转涂布、原子层沉积（ALD）或者印刷至衬于下方的衍射光栅之上而形成的。该层的厚度可以是例如1nm—20nm，特别是1nm—10nm。

多层光栅

接下来，更详细地讨论示例性的多层光栅的结构。

根据一个实施例，多层光栅包括：第一透明光栅层，其进一步包括具有不同折射率的周期性地交替的区带；和第二透明光栅层，位于第一光栅层上并且也包括具有不同折射率的周期性地交替的区带，从而具有更高折射率的第一光栅层的区带至少部分地与具有更低折射率的第二光栅层的区带对准并且反之亦然。在这样的结构中，第二光栅层使被衍射到非零透射级的光的量减少并且因此防止对穿透光的衍射。优选地，具有更高折射率的第一光栅层的区带与具有更低折射率的第二光栅的区带完全对准并且反之亦然。

特别是，第一和第二光栅层的周期、层厚度和折射率可以被适配为在450nm—650nm的波长范围上使进行透射的各级（特别是第一透射级）的衍射效率低于各反射级（特别是第一反射级）的衍射效率。在一个实施例中，在450nm—650nm的波长范围上第一透射级的衍射效率不多于0.4%并且第一反射级的衍射效率至少为3%。

第一和第二光栅层具有相同的光栅周期并且每个包括带有单个光栅周期的具有不同折射率的两种类型的区带。

根据一个实施例，第一和第二光栅层具有相等的厚度。它们也可以在它们的材料特性方面不相同并且具有不同的厚度。

一般而言，第一和第二光栅层是在相同的一个或多个方向上呈周期性的，即在各光栅层之间不存在角度。

图4A图解根据本发明的两层光栅的一般结构。光栅包括第一光栅层110和第二光栅层120。两个光栅层都具有相同的光栅周期（Λ）并且是二态的（binary）。第一光栅层由分别具有不同的折射率n₁₁和n₁₂的交替的材料区带110A和110B的周期性图案组成。同样地，第二光栅层由分别具有不同的折射率n₂₁和n₂₂的交替的材料区带120A和120B的周期性图案组成。在两层光栅的第一侧上提供了具有折射率n₁的第一光学上透明的材料层100，并且在该光栅的第二侧上提供了具有折射率n₂的第二光学上透明的材料层130。在光栅的一侧或两侧上的层100，130可以还包括空气（或真空）层，即没有任何固体材料。

在图4B中示出简化的和实践上更可行的结构。与在图4A中一样，该结构包括第一光栅层210和第二光栅层220。进一步地，第一光栅层由分别具有不同的折射率n₁₁和n₁的交替的材料区带210A和210B的周期性图案组成。同样地，第二光栅层由分别具有不同的折射率n₂₁和n₂的交替的材料区带220A和220B的周期性图案组成。与图4A的本质区别是，在光栅层210，220的每侧上的材料层200，230分别从光栅区带210A和220A无缝地延续。

第一和/或第二光栅层中的区带中的至少一些可以包括与基底相同的材料或者具有几乎与基底相同的折射率的材料。也就是，例如在图4B的上下文中，层200或层230可以是基底（的部分）。

根据一个实施例，第二光栅层的折射率中的至少一个（优选地两个）与在第一光栅层中的相同。在图4C中示出了该情况的示例。与在图4A和图4B中一样，该结构包括第一光栅层310和第二光栅层320。各光栅层由分别（在每层内）具有不同的折射率n，n₁；n，n₂的交替的材料区带310A，310B；320A，320B的周期性图案组成。同样在该实施例中，在光栅层310，320的每侧上的材料层300，330分别从光栅区带310A和320A无缝地延续。在该配置中，在光栅层310，320的每个的一个区带310B，320B处的材料是相同的并且因此区带310B，320B具有相同的折射率n。

根据一个实施例，第二光栅层具有与第一光栅层相似的内部结构，但是在光栅的周期性的方向上被横向地偏移半个光栅周期。实际上，并不排除图4C的材料区带310A和320A也可能由同样的材料（即为n₁=n₂）制成，由此将只需要两种不同的材料来制作所提出的结构。这同样对于在此描述的其它结构而言适用。相似地，返回参照图4A，根据一个实施例，第一光栅层的n₁₁区带（n₁₂区带）具有与第二光栅层的n₂₁区带（n₂₂区带）相同的折射率。当各光栅层具有相等的厚度时该实施例提供对奇数透射衍射级的优化的抑制。如果n₁₁≠n₂₁或n₁₂≠n₂₂，则那么可以在各光栅层具有不相等的厚度的情况下获得优化的抑制。

第一和第二光栅层也可以被均匀的电介质层分离开。在图4D中示出这样的结构的示例，其中交替的材料区带材料区带410B，420B在光栅的法线方向上彼此重叠。因此，在实际的光栅层410，420之间存在具有折射率n的材料的均一化层。同样在该实施例中，在光栅层410，420的每一侧上分别具有折射率n₁和n₂的材料层400，430分别从光栅区带410A和420A无缝地延续。

图4E还示出另一个实施例。在该实施例中，想要的双光栅是由基底500形成的，该基底500被提供有脊部510A并且具有被提供在每个槽部520A的底部中并且被提供在形成于槽部520A之间的每个脊部510A上的金属（或更优选地金属氧化物）的薄层540B。在该结构的第二侧上，提供有倒转地构形的层530，520A。该层结构对应于图3A的层结构。

在所有公开的实施例中，优选在多层光栅之间存在非周期性的界面层。在界面层那里优选地是均匀的，即界面层由单一的同质材料（其可以是与基底的材料相同的材料）组成。界面层可以由非周期性的层100，130；200，230；300，330；400，430；500，530组成，如在图4A—图4E中分别示出的那样。界面层因此可以由与邻接它的光栅层的周期性区带中的一个相同的材料组成，并且因此从光栅层无缝地延续。

图5图解元件的完整的出耦合结构的示例。其包括在基底50的两侧上一个在另一个顶部上地叠置的多个多层光栅54A—54C，56A—56C。在多层光栅54A，54B：54B，54C；56A，56B；56B，56C的每对之间分别存在均匀的中间界面层55A；55B；57A；57B。进一步地，在最外的多层光栅54C，56C的外侧上提供有外部界面层55C，57C。在此，多层光栅的每个是如在图4C中示出的那样，但是它们可以具有另外的结构，例如诸如在图4A，图4B，图4D或图4E的任何一个中所示出的。优选的但不是强制的是，多层光栅是互相相似的。

为了给出一些数值示例，第一和第二光栅层的周期可以在100nm和1000nm之间，特别是在300nm和500nm之间，并且第一和第二光栅层的层厚度在1nm和1000nm之间，特别是10nm—200nm。在两个多层光栅之间的界面层的厚度典型地是2μm—10μm。

在第一和第二光栅层的每个中的更低的折射率典型地在1.3和1.8之间并且在第一和第二光栅层的每个中的更高的折射率在1.5和3之间。

所公开的多层光栅可以例如通过如下来制造：

a）提供具有折射率n₁的光学上透明的底部基底，

b）对底部基底制造槽部和脊部的序列，

c）把具有折射率n₁₁或n的光学上透明的材料的第一区带沉积到槽部中以完成第一光栅层，

d）在脊部上沉积具有折射率n₂₁或n的光学上透明的材料的第二区带，

e）在各第二区带之间（并且可选地还在第二区带的顶部上）作为均匀的涂布层沉积具有折射率n₂（其可以但是不需要等于n₁）的光学上透明的材料。

该处理可以适当地应用于提供直接地一个在另一个顶部上的多个多层光栅或者由均匀的界面层分离开的一个在另一个顶部上的多个多层光栅。

在图4C的结构的情况下，制造步骤（c）和（d）可以通过单个沉积完成。也就是，在第一光栅的槽部被由具有折射率n的材料填充时，第二光栅层的脊部区带被同时地形成。

对于基底，可以使用任何已知的微加工技术（诸如机械雕刻、（热）压印、激光（电子束）加工、蚀刻或材料沉积技术（诸如纳米压印））来提供槽部和脊部。

优选地使用印刷方法（诸如凹印、反转凹印、柔版印刷和丝网印刷）、涂布方法、喷涂方法或通常已知的薄膜沉积方法（诸如热蒸发，溅射和原子层沉积）来进行具有不同于基底和顶部层的折射率的光栅层的材料区带的沉积。

最上层或任何非周期性的界面层（如果存在的话）可以是通过合适的涂布、喷涂或印刷方法提供的。

要理解的是，所公开的本发明的实施例并不限制于在此公开的特定的结构、处理步骤或材料，而是扩展到其等同物，如将由相关领域普通技术人员所认识的那样。还应当理解的是，在此采用的术语仅仅为了描述特定的实施例的目的而使用，并且并不意图进行限制。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的提及意指与实施例相关地描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的各种地方的词组“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现未必全都提及同一个实施例。

如在此所使用的，多个项目、结构元件、组成元件和/或材料可以为了方便而被提出在共同的清单中。然而，这些清单应当被解释为好像清单的每个成员被作为分开的和独特的成员而单独地标识。因此，在没有相反的指示的情况下，这样的清单中的单独的成员不应当仅基于它们出现在共同的组中而被解释为同一清单中的任何其它成员的实际等同物。此外，本发明的各种实施例和示例可以在此与针对其各种部件的替代物一起被提及。要理解的是，这样的实施例、示例和替代物不被解释为彼此的实际等同物，而是被认为是本发明的分开的且自主的表示。

更进一步地，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式在一个或多个实施例中组合。在随后的描述中，提供了许多具体的细节（诸如长度、宽度、形状等的示例）以提供对本发明的实施例的透彻的理解。然而相关领域的技术人员将认识到可以在没有一个或多个的具体细节的情况下或者利用其它的方法、部件、材料等实践本发明。在其它实例中，众所周知的结构、材料或操作没有被示出或详细描述以避免模糊本发明的各方面。

虽然前面的示例是在一个或多个特定应用中对本发明的原则的说明，但是对于本领域普通技术人员来说将是明显的是可以在未运用创造能力的情况下并且在不脱离本发明的原则和概念的情况下作出在实现的形式、用途和细节上的许多修改。相应地，除了由下面阐述的利要求之外，不意图对本发明进行限制。

Claims (22)

1.一种光学显示元件，包括：

— 包括两个相背的面的透明基底，

— 入耦合结构，用于将光耦合到基底中，

— 衍射的出耦合光栅结构，被布设在透明基底上以用于把入耦合的光耦合到透明基底外，

其特征在于，

— 衍射的出耦合结构包括在基底的所述相背的面中的至少一个上一个在另一个顶部上地叠置的至少两个多层光栅，

— 所述多层光栅中的每个包括至少两个材料层，

— 所述材料层中的每个具有由至少两个具有不同折射率的材料区带形成的周期性地重复的结构，以及

— 所述材料层驻留在所述基底的表面平面中。

2.根据权利要求1所述的显示元件，其特征在于，衍射的出耦合结构包括在基底的所述两个相背的面的每个上一个在另一个顶部上地叠置的至少两个多层光栅。

3.根据权利要求1所述的显示元件，其特征在于，衍射的出耦合结构包括以其中光栅层的数量朝光导的后端增加的部分重叠并成梯级的方式在所述基底的一侧上一个在另一个顶部上地叠置的多层光栅。

4.根据权利要求1所述的显示元件，其特征在于，衍射的出耦合结构包括以其中光栅层的数量朝光导的后端增加的部分重叠并成梯级的方式在所述基底的两侧上一个在另一个顶部上地叠置的多层光栅。

5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的显示元件，其特征在于，衍射的出耦合结构附加地包括局部地增加具有降低的亮度的谱色彩分量的出耦合效率以提高总体上的图像白平衡的多层光栅结构。

6.根据权利要求1至4中的任何一项所述的显示元件，其特征在于，所述至少两个多层光栅本质上是相似的。

7.根据权利要求1至4中的任何一项所述的显示元件，其特征在于，在两个多层光栅之间存在均匀的透明界面层，界面层具有与基底相同的材料。

8.根据权利要求1至4中的任何一项所述的显示元件，其特征在于，入耦合结构包括衍射的入耦合光栅。

9.根据权利要求5所述的显示元件，其特征在于，入耦合光栅被相对于出耦合光栅结构横向地布设在基底上。

10.根据权利要求1至4中的任何一项所述的显示元件，其特征在于，出耦合光栅结构包括至少一个金属氧化物的层。

11.根据权利要求10所述的显示元件，其特征在于所述金属氧化物的层被布设在玻璃或塑料的图案化的层上。

12.根据权利要求11所述的显示元件，其特征在于，所述图案化的层包括脊部和槽部的衍射的周期性图案并且所述金属氧化物的层被镀制在图案化的层上。

13.根据权利要求10所述的显示元件，其特征在于，在所述多层光栅的每个中或在所述多层光栅的每个上包括金属氧化物的层。

14.根据权利要求1至4中的任何一项所述的显示元件，其特征在于，多层光栅的每个的各层相互作用以与各层中的单独的任何一个相比使至非零衍射级的衍射减少。

15.根据权利要求1至4中的任何一项所述的显示元件，其特征在于，多层光栅的每个包括：

— 第一透明光栅层，其进一步包括具有不同折射率的周期性地交替的区带，

— 第二透明光栅层，位于第一光栅层上并且也包括具有不同折射率的周期性地交替的区带，从而具有更高折射率的第一光栅层的区带至少部分地与具有更低折射率的第二光栅层的区带对准并且反之亦然。

16.根据权利要求15所述的显示元件，其特征在于，第一或第二透明光栅层中的至少一个包括形成交替的区带的部分的金属氧化物的层。

17.根据权利要求16所述的显示元件，其特征在于，金属氧化物的层具有10nm—150 nm的厚度。

18.根据权利要求1至4中的任何一项所述的显示元件，其特征在于，出耦合光栅结构包括纳米压印的形成物。

19.根据权利要求1至4中的任何一项所述的显示元件，其特征在于，出耦合结构由一个在另一个顶部上地纳米压印的各层组成，所述各层包括被布设为周期性地交替的区带的至少两种在光学上不同的材料。

20.一种透视显示设备，其特征在于包括：

— 根据前述权利要求中的任何一项所述的显示元件，

— 图像投影仪，其能够把将在显示元件上显示的图像向入耦合结构引导。

21.根据权利要求20所述的透视显示设备，其特征在于，其是平视显示器（HUD）或近眼式显示器（NED）。

22.根据权利要求20或21所述的透视显示设备，其特征在于，其是个人可穿戴的显示设备。

Images