CN109313075A - 光学部件在折叠光路内的集成 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括：衬底，其透射至少多个波长的电磁能，并且具有第一端、第二端、第一主面、第二主面、至少一个边缘、长度、宽度和厚度；向衬底输出电磁能的至少一个第一输出光学器件；和第一输入光学器件，其被定向和设置为通过衬底的第一主面或第二主面中的至少一个将电磁能提供到衬底中。第一输出光学器件与第一输入光学器件横向间隔开。可以靠近第一主面和/或第二主面设置多个反射器和可选的吸收器，以使电磁能结构化和/或将电磁能从第一输入光学器件传送到第一输出光学器件。该装置可以是光谱仪或其他光学系统的一部分。

Description

光学部件在折叠光路内的集成
技术领域
本公开总体涉及光学传感器和分析仪器，例如光谱仪。
背景技术
背景技术的描述
光谱仪是能够识别包括入射电磁能(例如，光)的波长的分析仪器，并且提供表征入射电磁能的组成成分的光谱内容信息或数据。光谱仪可用于各种各样的设置和应用中。一种类型的传统光谱仪通常使用一个或更多个衍射光栅以在空间上分离包括入射电磁能的波长，这些波长然后由合适的传感器或检测器(例如，线性传感器或线性检测器)检测，电磁能在传感器或检测器上的空间分辨位置指示相应的波长。光谱分辨率部分地随衍射光栅与传感器或检测器之间的距离变化。这不利地意味着为了获得高光谱分辨率，光谱仪的物理尺寸必须较大。通常，部件可能过大和/或部件的数量可能被最小化，以降低对准复杂度。
光子晶体已被建议用于空间分辨入射光中的波长。光子晶体一般可以以至少三种方式使用。例如，用作光子带隙结构，将特定波长范围的光集中在或引导到缺陷中，因为波长范围在该结构中形成间隙(仅在缺陷中允许)。又例如，用作具有增强衍射性质的超级棱镜，允许从给定材料获得比本来能从该材料获得的更强的棱镜效应。又例如，用作散射结构，不必像光子带隙结构那么强，并且在其中利用周期性来有意地在系统的状态之间散射。
美国专利8,854,624总体描述基于光子晶体的光谱仪。美国专利8,854,624是使用光子晶体作为散射结构的一个示例，并且描述了从引导模式到自由空间传播模式的散射。基于光子晶体的光谱仪包括耦合到光波导外表面的光子晶体，以提取经由光子晶体传播通过波导的部分光能。光子晶体包括第一表面，该第一表面包括在介电材料上或具有介电材料的第一周期性特征阵列，第一阵列在至少两个维度上延伸，并且具有与包围光子晶体的介电材料的介电常数不同的有效介电常数。光子晶体的周期性特征由指定的晶格常数表征，其至少部分地确定将被提取的部分传播光能。
美国专利8,854,624说明并描述了作为平面或矩形波导的波导。为了实现传播(即，通过以大于波导临界角的角度进入波导中的电磁能的全内反射沿着波导的长度传输)，美国专利8854624教导通过波导的边缘向波导中注入光能。对于平面波导，与由两个较大尺寸(即，长度和宽度)表征的主面相比，边缘是由最小尺寸(即厚度)表征的波导最小面或最小边界。这种边缘注入通常被认为是必要的，这是因为对于平面光波导，主面提供全内反射，例如由于在这些主面上或主面处设置了覆层。
注入光谱仪等光学系统可能需要沿光路对输入电磁能进行管理，以控制电磁能束中存在的主传播方向和传播角度范围。
通常，这样的系统是通过将诸如反射镜或透镜之类的光学部件沿着光路设置在自由空间中来创建。这些复杂的组件需要多个分离元件的精确对准，昂贵且需要大量的空间。
发明内容
有利的是，装置可以采用输入光学器件和/或输出光学器件来促进电磁能(例如，包括可见光、红外线和/或紫外线范围的光)通过电磁能透射机构的主面进入到电磁能透射结构，例如衬底(例如，光透射衬底、光波导、平面波导)，和/或促进提取或使电磁能离开电磁能透射结构。使电磁能通过衬底主面进入提供了多个益处，例如，使用一个或更多个输入光学器件来促进或以其他方式使电磁能通过通常比衬底的边缘更平滑或更容易抛光的衬底主面进入衬底。这样可以避免需要具有非常光滑的边缘和/或避免需要抛光衬底的边缘或至少减少边缘需要抛光的程度。使用输入光学器件使电磁能经由主面进入还可以允许电磁能可以耦合到衬底中的区域的尺寸的显著增加。通常，与主面相比，衬底的任何给定边缘将具有小得多的尺寸面积。对于非圆形衬底、衬底或层，边缘的尺寸面积通常由长度乘以厚度或者由宽度乘以厚度来给出，其中厚度是三个尺寸(即，长度、宽度和厚度)中的较小尺寸，注意对于方形衬底、衬底或层，长度和宽度可以彼此相等。采用输入光学器件使电磁能经由主面进入，还可以有利地避免需要物理和/或光学地耦合到边缘，从而省略本来可能需要的复杂结构。这降低了复杂性和成本，并且还可以允许封装尺寸的显著减小。
装置可以采用各种类型的纳米结构或纳米结构区域作为输入光学器件和/或输出光学器件，以分别促进电磁能进入和离开电磁能透射结构，例如衬底。此外或可替代地，装置可以使用各种其他类型的输入光学器件，例如，孔、反射镜或反射器、棱镜、聚焦光学器件或透镜、和/或反射或折射表面来将电磁能耦合到衬底中。
纳米结构可以提供周期性结构，具有纳米级的尺寸并且可以与电磁能(例如，光)相互作用，相互作用的方式以纳米结构阵列的结构特征(例如，阵列的晶格常数或者其一部分)来表征。纳米结构或纳米结构区域可以包括光子晶体，例如光子晶体的二维或三维有序阵列或晶格。纳米结构或纳米结构区域可以包括等离子体纳米结构，例如等离子体纳米结构的二维或三维有序阵列或晶格。纳米结构或纳米结构区域可以包括全息衍射纳米结构，例如全息衍射纳米结构的二维或三维有序阵列或晶格。
例如，衬底可以采用电磁能透射材料(例如，光学透射材料)的平面、衬底或层的形式。透射材料的平面、衬底或层通常可透射至少某些感兴趣的波长或频率(即，待检测或感测的波长或频率)的电磁能(例如，包括可见光、红外线和/或紫外线范围的光)，而没有任何引导电磁能的倾向(即，没有全内反射的透射)。
在衬底中或上形成的或者光学耦合到衬底的输出光学器件(例如纳米结构、孔等)可以使得或允许电磁能从衬底离开(例如，从衬底提取电磁能)。作为非限制性示例，在一些实施方式中，此方法可用于在空间上分辨电磁能的分量，该分量可由检测器或传感器检测或感测到，并且被转换为表示入射光中波长分布的信息(例如，模拟或数字形式的原始信息)。
本公开的一个或更多个实施方式通过在透射衬底内折叠光路，提供了一种紧凑且经济的方式来实现光学系统(例如，光谱仪)的电磁能结构化。在本文所讨论的至少一些实施方式中，通过位于衬底主面上或内的反射器，电磁能的路径长度可以增加至超过衬底的厚度。通过在衬底的主面上利用纳米加工工艺制造结构，可以经济地实现这种光学元件沿路径的精确定位。纳米加工提供了精确定位和产生各种光学元件(包括能够空间过滤光的平面和非平面结构(例如，孔)、聚焦或重定向光的平面和非平面结构(例如，反射镜、透镜)和/或产生光谱分离的平面和非平面结构(例如，棱镜、光栅、纳米结构、滤光片)的能力。
一种设备可以被概括为包括：衬底，其透射至少多个波长的电磁能，并且具有第一端、第二端、第一主面、第二主面、至少一个边缘、长度、宽度和厚度，第二端与第一端在衬底的长度方向上相对，第二主面与第一主面在衬底的厚度方向上相对，至少一个边缘在第一主面的至少一部分和第二主面的一部分之间延伸，衬底的宽度大于衬底的厚度；至少一个第一输入光学器件，其被定向和设置为通过衬底的第一主面或第二主面中的至少一个将电磁能提供到衬底中，而不在其中进行全内反射；至少一个第一输出光学器件，沿着衬底的长度或宽度中的至少一个与第一输入光学器件间隔开；至少部分地沿着衬底的第一主面延伸的多个第一反射部分，多个第一反射部分被定向和设置为控制电磁能沿折叠光路的传播方向，折叠光路的至少一部分在电磁能入射到第一输入光学器件上时，在第一输入光学器件和第一输出光学器件之间延伸通过过衬底；和至少部分地沿着衬底的第二主面延伸的多个第二反射部分，所述多个第二反射部分被定向和设置为在电磁能入射到第一输入光学器件上时控制该电磁能沿折叠光路的传播方向，其中，多个第一反射部分或多个第二反射部分中的至少一者的空间范围沿着折叠光路在空间上限制电磁能。多个第一反射部分或第二反射部分中的至少一者可以沿折叠光路限制电磁能的传播角范围。多个第一反射部分和多个第二反射部分中的至少一个可以包括金属层。衬底可以由熔融二氧化硅形成。第一输出光学器件可以从衬底的第一主面或第二主面中的至少一个选择性地提取第一组波长的电磁能。第一输出光学器件可以包括光子晶体。光子晶体可以包括一维、二维或三维光子晶体。第一输出光学器件可以设置在反射材料中的间隙中或包括反射材料中的间隙。第一输出光学器件可以定位在吸收材料中的间隙中或包括吸收材料中的间隙。第一输入光学器件可以包括由反射材料界定的输入孔。第一输入光学器件可以包括由吸收材料界定的输入孔。所述长度可以大于或等于所述宽度，所述厚度可以小于所述长度并且小于所述宽度。
该设备还可以包括至少一个第二输出光学器件，其沿着衬底的长度或宽度中的至少一个与第一输入光学器件和第一输出光学器件间隔开。第二输出光学器件可以在第一输入光学器件和第一输出光学器件之间横向间隔开。第一输出光学器件可以包括第一光子晶格或第一等离子体结构中的一个。
该设备还可以包括至少一个第二输出光学器件，其沿着衬底的长度或宽度中的至少一个与第一输入光学器件和第一输出光学器件间隔开。长度可以是衬底的最长尺寸，并且厚度可以是衬底沿与衬底的长度和宽度垂直的轴线的最小尺寸。衬底的第一主面可以平行于衬底的第二主面。第一输入光学器件可以选自：聚焦透镜、聚焦透镜阵列、棱镜、棱镜阵列、反射镜、反射镜阵列、反射器、反射表面、反射边界、吸收边界、折射边界、输入孔和纳米结构。第一输出光学器件可以选自：聚焦透镜、聚焦透镜阵列、棱镜、棱镜阵列、反射镜、反射镜阵列、反射器、反射表面、反射边界、折射边界、输出孔和纳米结构。第一输入光学器件和第一输出光学器件可以都位于衬底的第一主面或第二主面中的同一主面上。第一输入光学器件和第一输出光学器件可以分别位于衬底的第一主面或第二主面中的不同主面上。
该装置还可以包括对电磁能的多个波长中的一个或更多个作出响应的传感器，该传感器被设置为接收至少通过第一输出光学器件离开衬底的电磁能。第一输入光学器件可以被耦合为经由衬底的第一主面将光输入到衬底，并且传感器可以被设置为接收经由衬底的第二主面离开衬底的光的光传感器。第一输入光学器件可以经由衬底的第一主面将光输入到衬底，并且传感器可以被设置为接收经由衬底的第一主面离开衬底的光的光传感器。
该装置还可以包括多个输入光学器件，多个输入光学器件中的每个都定向和设置为通过衬底的第一主面或第二主面中的至少一个向衬底提供电磁能，而不在其中进行全内反射。
该装置还可以包括沿衬底的长度和宽度中的至少一个间隔开的多个输出光学器件，所述多个输出光学器件中的每个从衬底的第一主面或第二主面中的至少一个输出电磁能。
该装置还包括沿衬底的长度和宽度中的至少一个间隔开的多个输出光学器件，多个输出光学器件中的每个从衬底的第一主面或第二主面中的至少一个输出电磁能。
该设备还可以包括设置在衬底内或上的光谱选择元件。光谱选择元件包括以下中的至少一个：光子晶体元件、衍射元件、折射元件、棱镜元件、散射元件或滤光元件。光谱选择元件可以横向地设置在第一输入光学器件和第一输出光学器件之间的衬底内或衬底上。
该装置还可以包括沿着折叠光路至少靠近衬底的第一主面或第二主面设置的光学元件，所述光学元件包括以下中的至少一个：光子晶体元件、反射光栅、透射光栅、色散元件、折射元件、滤光片、透镜、光源或漫射器。
该设备还可以包括多个非反射部分，多个非反射部分至少部分地沿着所述衬底的第一主面或第二主面中的至少一个延伸，多个非反射部分中的至少一个横向地邻近多个第一反射部分或多个第二反射部分中的至少一者的至少一部分定位。多个非反射部分中的每个可以包括吸收部分或透射部分。多个非反射部分中的至少一个可以包括涂料、纸张、涂层或薄膜中的至少一个。
一种制造装置的方法可以被概括为包括：提供衬底，该衬底透射至少多个波长的电磁能，该衬底具有第一端、第二端、第一主面、第二主面、至少一个边缘、长度、宽度和厚度，第二端与第一段在衬底的长度上相对，第二主面与第一主面在衬底的厚度上相对，所述至少一个边缘在第一主面的至少一部分和第二主面的一部分之间延伸，衬底的宽度大于衬底的厚度；将至少一个第一输入光学器件定向和设置为通过衬底的第一主面或第二主面中的至少一个将电磁能提供到衬底中；将至少一个第一输出光学器件定向和设置为与第一输入光学器件间隔开，第一输出光学器件从衬底输出电磁能；至少部分地沿着衬底的第一主面定向和设置多个第一反射部分，多个第一反射部分被定向和设置为沿折叠光路控制电磁能的传播方向，折叠光路的至少一部分在电磁能入射到第一输入光学器件上时，在第一输入光学器件和第一输出光学器件之间延伸穿过衬底；至少部分地沿着衬底的第二主面定向和设置的多个第二反射部分，多个第二反射部分被定向和设置为在电磁能入射到第一输入光学器件上时沿折叠光路控制该电磁的传播方向，其中，多个第一反射部分或多个第二反射部分中的至少一个的空间范围沿折叠光路在空间上限制电磁能。定向和设置多个第一反射部分和多个第二反射部分可以包括定向和设置多个第一反射部分和多个第二反射部分，并且多个第一反射部分或第二反射部分中的至少一者可以沿折叠光路限制电磁的传播角范围。定向和设置多个第一反射部分和多个第二反射部分可以包括定向和设置多个第一反射部分和多个第二反射部分，并且多个第一反射部分和多个第二反射部分中的至少一者可以包含金属层。形成第一输出光学器件可以包括形成以下中的至少一个：光子晶格、漫射器、孔、透镜、滤光片或等离子体结构。形成第一输出光学器件可以包括在构成衬底的电介质中以图案化、直接成型或铸造中的至少一种方式形成第一输出光学器件。
形成第一输出光学器件可以包括形成经由衬底的第一主面或衬底的第二主面从衬底输出电磁能的第一输出光学器件，并且还可以包括形成经由衬底的第一主面或衬底的第二主面从衬底输出电磁能的第二输出光学器件。定向和设置第一输入光学器件可以包括形成以下中的至少一个：聚焦透镜、聚焦透镜阵列、棱镜、棱镜阵列、反射镜、反射镜阵列、反射器、反射表面、反射边界、吸收边界、折射边界、纳米光子结构。定向和设置第一输出光学器件可以包括形成以下中的至少一个：聚焦透镜、聚焦透镜阵列、棱镜、棱镜阵列、反射镜、反射镜阵列、反射器、反射表面、反射边界、吸收边界、折射边界、输出孔和纳米结构。形成第一输出光学器件可以包括形成一维、二维或三维纳米结构。形成第一输出光学器件可以包括将第一输出光学器件与第一输入光学器件形成在衬底的第一主面或第二主面中的同一主面上。形成第一输出光学器件可以包括在衬底的第一主面或第二主面中的相反主面上形成第一输出光学器件。
该方法还可以包括定向和设置多个非反射部分，非反射部分至少部分地沿着衬底的第一主面或第二主面中的至少一个延伸。定向和设置多个非反射部分可以包括将多个吸收部分定向和设置在衬底与所述多个第一反射部分中的一个或所述多个第二反射部分中的一个之间。定向和设置多个非反射部分可以包括将多个吸收部分定向和设置为使得多个第一反射部分或多个第二反射部分中的至少一个可以位于多个吸收部分中的至少一个和衬底之间。
该方法还可以包括沿着折叠光路至少靠近衬底的第一主面或第二主面定向和设置光学元件，所述光学元件包括以下中的至少一个：光子晶体元件、反射光栅、透射光栅、色散元件、折射元件、滤光片、透镜、光源或漫射器。
本发明是在国家科学基金会颁发的IIP-1152707的政府支持下完成的。政府对本发明拥有一些权利。
附图说明
在附图中，相同的附图标记表示相似的元件或动作。附图中元件的大小和相对位置不一定按比例绘制。例如，各元件的形状和角度不一定按比例绘制，并且这些元件中的一些可以被任意放大和定位以提高图的可读性。此外，所绘制的元件的特定形状不一定旨在传达关于该特定元件的实际形状的任何信息，并且可能只是为了在图中易于识别而选择的。
图1A是根据一个示例性实施方式的装置的正视图，该装置包括具有上主面和下主面的衬底，以及上主面和下主面上的反射器和吸收器的形式的光学器件。
图1B是一个示例性实施方式的装置的正视图，该装置包括衬底、衬底的上主面和下主面上的反射器和吸收器形式的光学器件以及沿着上主面设置的输出光学器件(例如，孔)。
图1C是一个示例性实施方式的装置的正视图，该装置包括衬底、衬底的上主面和下主面上的反射器和吸收器形式的光学器件、沿着下主面设置的输出光学器件(例如，光子晶体)，其通向检测器，和沿着上主面设置的输出光学器件(例如，孔)，其提供离开衬底的出口。
图1D是一个示例性实施方式的装置的正视图，该装置包括衬底、衬底的上主面和下主面上的反射器和吸收器形式的光学器件、沿着下主面设置的输出光学器件(例如，光子晶体)，其通向检测器，和沿着上主面设置的输出光学器件(例如，孔)，其提供离开衬底的出口。
图2A是一个示例性实施方式的装置的正视图，该装置包括衬底、衬底的上主面上的结构化反射器和吸收器形式的以及衬底的下主面上的非结构化反射器形式的光学器件。
图2B是一个示例性实施方式的装置的正视图，该装置包括衬底、衬底的上主面上的结构化反射器和吸收器形式的移机衬底的下主面上的非结构化反射器形式的光学器件以及沿着上主面设置的输出光学器件(例如，孔)。
图3A是根据一个示例性实施方式的装置的正视图，其将电磁能结构化并且在衬底内将电磁能从输入光学器件传送到输出光学器件。
图3B是根据一个示例性实施方式的图3A的装置的俯视图。
图3C是根据一个示例性实施方式的装置的正视图，其将电磁能结构化并且在衬底内将电磁能从在其上入射的输入光学器件传送到输出光学器件。
图4是根据一个示例性实施方式的装置的正视图，该装置限定衬底内的四条光路，并且包括两个输出光学器件。
图5A是根据一个示例性实施方式的装置的俯视图，在将电磁能结构化并且在衬底内将电磁能从输入光学器件传送到输出光学器件。
图5B是根据一个示例性实施方式的图5A的装置的仰视图。
图6是根据一个示例性实施方式的图5A的装置的可替代的下表面反射器布局的仰视图。
图7A是根据一个示例性实施方式的装置的正视图，该装置在衬底内将电磁能从输入光学器件传送到输出光学器件并且包括至少一个另外的光学元件。
图7B是根据一个示例性实施方式的装置的正视图，该装置在衬底内将电磁能从在其上入射的输入光学器件传送到输出光学器件。
图8是根据一个示例性实施方式的装置的正视图，该装置在衬底内将电磁能从输入孔传送到输出孔。
图9是根据一个示例性实施方式的系统的示意图，该系统包括参照图1-8描述的任何设备和/或结构或部件。
具体实施方式
在下面的描述中，为了提供对公开的各实施方式的透彻理解，阐述了某些特定细节。然而，本领域技术人员将认识到，这些实施方式可以在没有这些具体细节中的一个或更多个的情况下实现，或者用其他方法、部件、材料等来实现。在其它情况下，与计算机系统、服务器计算机和/或通信网络相关联的公知结构未被详细示出或描述，以避免不必要地模糊对实施方式的描述。
除非上下文另有要求，否则在说明书和所附权利要求中，字词“包括”与“包含”是同义词，并且是包括性或开放式的(即，不排除另外的、未引用的元件或方法动作)。
本说明书中提到的“一个实施方式”或“实施方式”表示结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，在本发明各地方出现的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”不一定都指同一个实施方式。此外，可以在一个或更多个实施方式中以任何合适的方式将特定特征、结构或特性结合起来。
如本说明书和所附权利要求中所使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“一”包括多个指代物。还应注意，术语“或”通常用于包含“和/或”的含义，除非上下文另有明确规定。
仅出于方便，提供了本文公开的标题和摘要，但标题和摘要不解释实施方式的范围或含义。
装置(例如，光谱仪、光谱仪的部件、其他光学设备或系统)可以采用输入光学器件和/或输出光学器件来促进电磁能(例如，包括可见光、红外线和/或紫外线范围的光)通过其主面进入到电磁能透射结构(例如衬底)，和/或促进电磁能从电磁能透射结构中离开或被提取。电磁能通过衬底主面进入提供了多个益处。
装置可以采用各种类型的输入光学器件和/或输出光学器件，以分别促进电磁能进入和离开诸如衬底之类的电磁能透射结构。在一些实施方式中，纳米结构可以提供具有纳米级的尺寸并且可以以阵列的结构特征(例如，阵列的晶格常数或者其一部分)为特征的方式与电磁能(例如，光)相互作用的周期性结构。纳米结构或纳米结构区域可以包括光子晶体，例如光子晶体的二维或三维有序阵列或晶格。纳米结构或纳米结构区域可以包括等离子体纳米结构，例如等离子体纳米结构的二维或三维有序阵列或晶格。纳米结构或纳米结构区域可以包括衍射纳米结构，例如全息衍射纳米结构的二维或三维有序阵列或晶格、反射光栅、透射光栅(例如，一维光栅)等。可替代地或者另外地，装置可以使用各种其他类型的输入光学器件，例如，孔、反射镜或反射器、吸收器、棱镜、聚焦光学器件或透镜、和/或反射或折射表面。
在本公开的一些实施方式中，可以通过在反射或吸收材料(例如，薄膜或涂层)中经由图案化间隙形成的孔，使电磁能以一定角度进入到衬底的主表面。电磁能不是由衬底引导的，而是可以传播穿过衬底，并且可以通过至少一个主面上限定的一个或更多个反射器(或“反射部分”)在衬底内反射。反射器的空间范围可以限制这种反射之后的电磁能的数值孔径或角度范围。结构化的光可最终入射到与输出光学器件(例如，孔、漫射器、滤光片、光子晶体结构)对准或在其附近的衬底主面上，该输出光学器件可以例如形成在反射或吸收层中的图案化间隙中或由其限定。由于与光子晶体结构的相互作用而离开衬底的电磁能可以被传送到检测器(例如，线性检测器阵列)用于分析。另外的图案化吸收器(或“吸收部分”)可以集成在衬底的一个或两个主面上，以改善装置的杂散光管理。
在本公开的一些实施方式中，电磁能(例如，光)可以以一定的角度入射到位于衬底主面上的多个(例如，四个)输入光学器件(例如，反射膜或吸收膜中的孔)。衬底还可以包括在衬底的至少一个主面上制造出的多个(例如，两个)输出光学器件(例如，光子晶体、孔)。电磁能可以通过输入光学器件和沿多条光路中的每条光路限定在衬底的主面上的一个或更多个反射器被结构化，以将结构化的电磁能传送到包括多个输出光学器件的衬底主面上的位置。在一些实施方式中，从对应的第一多个输入光学器件发出的第一多个光路可以将结构化的光传送到第一输出光学器件，从对应的第二多个输入光学器件发出的第二多个光路可以将结构化的光传送到第二输出光学器件。由于与输出光学器件之一的相互作用而离开衬底的电磁能可被传送到一个或更多个检测器(例如，线性检测器阵列)用于分析，或可以以任何其他期望的方式使用。在这样的实施方式中，输入光学器件可以单独使用或同时使用。在一些实施方式中，另外的图案化吸收器可以集成在衬底的主面上，以改善装置的杂散光管理。
在本公开的一个或更多个实施方式中可以提供的光学元件的一些示例包括反射器、光谱选择元件、吸收器、色散和折射元件以及漫射器。下面讨论这些元件中的每一个。
在一些实施方式中，可以在衬底的主面上或附近创建反射器，以增加非引导电磁能在衬底内的光路长度。此外，可以在衬底的主面上或附近创建图案化反射器，以对传播电磁能分布进行塑造。用于对传播电磁能分布进行塑造的每个反射器可以限定在衬底的同一主面上或不同的主面上。在一些实施方式中，在衬底的主面上或附近的图案化反射器可用于使输入电磁能沿衬底的长度或宽度向一个或更多个输出光学器件传送，其中衬底的长度和宽度被定义为平行于主面的方向。此外，反射器可以用于沿着光路引导电磁能和/或引导不想要的电磁能远离光路。
可以在衬底的主面内或上创建光谱选择元件，以在电磁能的波长分布中产生分离。光谱选择元件的示例可以包括衍射、折射、棱镜、散射和滤光元件。在一些实施方式中，可以在衬底的主面上创建反射或透射光栅，以在入射到特征上的电磁能的波长分布中产生分离。此外，可以在衬底的主面上创建干涉滤光片，以限定保留在衬底上或离开衬底的波长范围。如上所述，光子晶体可用于在衬底内散射电磁能和将电磁能散射出衬底。
在一些实施方式中，可以在衬底的一个或更多个主面上创建图案化吸收器，以改变传播电磁能分布。下面将进一步讨论这种吸收器。
在本公开的一些实施方式中，在衬底的一个或更多个主面上创建图案化色散元件(例如，菲涅耳透镜、波带片)，以限定或重塑沿光路的电磁能分布。还可以在衬底的主面上创建曲面反射镜，以耦合到衬底的一个或更多个波导模式，或者沿着光路重塑非引导电磁能。
在一些实施方式中，可以在衬底的一个或更多个主面上创建漫射器，以改变电磁能的入射或离开角分布。还可以在衬底的一个或更多个主面上创建图案化的漫射器，以改变电磁能特定部分沿光路的角分布。
对于本文中讨论的至少一些实施方式，例如，在主面上或附近创建的光学结构可以通过纳米加工、粘合或将外部部件对准到衬底来创建。衬底的相对主面上的特征可以对准，以实现沿着折叠光路的电磁能分布的期望改变。
此外，可以在衬底的主面上或附近创建光学结构，以限定指定的数值孔径、视角或角度范围。在一些实施方式中，可以使用设置在衬底的一个或更多个主面上的多个特征来限定视角。在一些情况下，用于限定视角的定义光学特征可以与沿着折叠光路的非定义光学特征分离。
图1A示出了根据一个示例性实施方式的装置100。该装置100包括衬底102，该衬底透射感兴趣的至少一组波长或频率(即，待检测或感测或测量的波长或频率范围)的电磁能(例如，光学波长范围内的电磁能，包括在电磁波谱的可见光范围、红外线范围和紫外线范围内的电磁能)。
该装置100还包括一个或更多个输入光学器件104，该输入光学器件被设置和取向为使入射到其上的输入电磁能(由一组的三条线106表示)经由衬底102的上主面108(如图所示)进入衬底102。与将电磁能边缘注入到衬底中相比，这可能是有利的。
装置100还包括沿衬底102的长度L与输入光学器件104横向间隔开的输出光学器件110。至少在一些实施方式中，输出光学器件110具有纳米结构区域的形式，其设置和取向为靠近下主面112(如图所示)，以使电磁能的准直分量的至少一部分(在图1A和2A中由箭头114表示)离开衬底102。输出光学器件110可以形成在与衬底102不同的相应层或结构中。在一些实施方式中，输出光学器件110可以直接形成在衬底102上和/或中。虽然示出为采用一个输出光学器件110，但是一些实施方式可以采用多于一个的输出光学器件(见图4)。在具有两个或更多个输出光学器件的情况下，输出光学器件可以至少沿衬底102的长度L大致间隔开。
上主面108和下主面112是衬底102的面，并且与衬底102的边缘109不同之处在于，主面108和112沿衬底102的两个主轴(即，长度L和宽度W(见图3B))延伸，而边缘109沿短轴(即厚度T)延伸。应当指出，在一些实施方式中，衬底102的长度L和宽度W彼此不相等，衬底102具有矩形轮廓。在其他实施方式下，衬底102的长度L和宽度W彼此相等，衬底102具有正方形轮廓。在某些情况下，衬底可以透射电磁能而不进行全内反射。例如，在一些实施方式中，衬底透射进入衬底的所有电磁能而不进行全内反射。
装置100可以包括一个或更多个检测器116(仅示出一个)，其被设置为检测离开衬底102的电磁能。如图1A所示，检测器116可以通过合适厚度(例如，3mm、小于3mm)的耦合层或间隔层118与输出光学器件110间隔开。在一些实施方式中，一个或更多个光纤(例如，面板)可以在输出光学器件110和检测器116之间延伸。耦合层118或光纤至少透射感兴趣的一组波长或频率的电磁能，并且在一些实施方式中，通过全内反射将以适当的角度进入的光从输出光学器件110传播到检测器116。
检测器116可以采取多种形式中的任一种。例如，有利地，检测器116的形式可以是对电磁能(例如，电磁波谱的可见光、红外线和/或紫外线部分中的光)的光学波长或频率作出响应的一个或更多个光学检测器、传感器或换能器。此外，例如，有利地，检测器116的形式可以是对沿着检测器116的长度的各种位置的光作出响应的一个或更多个光学线性检测器阵列。检测器116的形式可以例如是响应于入射光产生信号(例如，电信号)的一个或更多个电荷耦合器件(CCD)和/或一个或更多个互补金属氧化物半导体(CMOS)图像检测器和/或其他光学检测器、传感器或换能器。
衬底102通常是透射光的，允许光在衬底102内不受引导地传播。衬底102可以有利地采用电介质衬底的形式。在一些实施方式中，衬底102通常可以至少透射感兴趣的一组波长或频率(即，被或待检测、感测或测量的波长或频率范围)的电磁能。这种透射没有全内反射。作为非限制性示例，衬底102可以由熔融二氧化硅形成。
电磁能可以无差别地透射穿过整个衬底102。在一些示例性实施方式中，在衬底102中或上形成或以其他方式光学耦合到衬底的纳米结构可以使电磁能的特定波长分量离开衬底(例如，从衬底提取出)。此方法可用于在空间上解析电磁能的分量，该分量可由检测器或传感器检测或感测并且被转换为表示入射光波长分布的信息(例如，模拟或数字形式的原始信息)。在其他实施方式中，可以包括一个或更多个其他类型的输出光学器件，例如孔、滤光片、漫射器、透镜等。
在一些实施方式中，装置100包括多个反射器部分或区域122A-122C(“反射器”)，并且可以可选地包括多个吸收器部分或区域120A-120F(“吸收器”)。在图1A所示的示例中，吸收器120A-120C接近衬底102的上主面108(例如，与其邻近或在其上方)，而吸收器120D-120F接近衬底的下主面112(例如，与其邻近或在其上方)。反射器122A接近衬底102的上主面108，反射器122B-122C接近衬底的下主面112。
在一些实施方案中，反射器122可以由反射性双轴取向的聚对苯二甲酸乙二醇酯材料(例如，反射性)、沉积金属(例如，铝)等形成。在一些实施方式中，吸收器120可以由涂料(例如，黑色涂料)、纸(例如，黑纸)、吸收性涂层或薄膜等形成。
输入光学器件104、吸收器120、反射器122和/或输出光学器件110都可以形成于与衬底102的上主面108或下主面112之一的相邻或邻近的一个或更多个层中。可替代地或除此之外，这种部件中的一个或更多个可以是可以或可以不跨越整个主面的不同的单件可分离元件。作为另一种替代方案，一个或更多个这种部件可以被集成到衬底102中或直接在衬底102上。
在图1A的装置100中，在上主面和下主面上都设置发射器区域122和吸收器区域120，以构造电磁能106的角度范围。例如，反射器122B的空间范围在空间上限制反射器122B反射的电磁能。与反射器122B相邻的吸收器120D和120E用于管理杂散光。在一些实施方式中，衬底102的上主面或下主面附近可能没有吸收器。在这种实施方式中，在反射器附近通过的光可以简单地从衬底102透射出去，在那儿，其可以被另一个部件(例如，包含衬底102的外壳内的吸收特征或系统)吸收。类似地，反射器122A的空间范围在空间上限制反射器122A反射的电磁能。结构化的电磁能106入射到靠近终止电磁能的光路的输出光学器件110(例如，光子晶体)的吸收器120F上。在没有一个或更多个吸收器120的实施例中，没有入射到反射器122A或122B上的电磁能可以离开衬底102(例如，被光学系统的另一部件吸收)。
通过选择面对衬底的上主面108和下主面112中的每一个的反射器(和可选的吸收器)的图案，电磁能可以被塑造并且沿着折叠光路从输入光学器件104传送到输出光学器件110(或者至少与输出光学器件110相邻的位置处)。例如，可以选择图案以限制入射在输出光学器件110上或其邻近处的电磁能的数值孔径和/或限制电磁能在衬底102内的传播角范围。入射到输出光学器件110上的光子可以离开衬底102，不管这些光子是来自主轴直接与输出光学器件110相交的光束或光线，还是主轴不直接与输出光学器件110相交的光束或光线，例如，主轴与与输出光学器件相邻的位置相交的光束或光线。
在图1A中，反射器122和吸收器120被示出为衬底102外部的叠层(例如，在吸收器的负空间中具有气隙124A-124B)，但是在一些实施方式中，这些结构可以利用纳米加工技术直接制造在衬底102的主面108和112上。
图1B示出了根据一个示例性实施方式的装置101。装置101在许多方面类似于装置100(图1A)，因此，通过与在图1A的实施方式中使用的相同的附图标记来表示相似或甚至相同的结构或元件。为了简洁，下面只讨论显著的不同点。
在图1B的装置101中，在上主面和下主面上都设置发射器区域122和吸收器区域120，以构造电磁能106的角度范围。例如，反射器122B的空间范围在空间上限制反射器122B反射的电磁能。与反射器122B相邻的吸收器120F和120G用于管理杂散光。在一些实施方式中，衬底102的上主面或下主面附近可能没有吸收器。在这种实施方式中，在反射器附近通过的光可以简单地从衬底102透射出去，在那儿，其可以被另一个部件(例如，包含衬底102的外壳内的吸收特征或系统)吸收。类似地，反射器122A的空间范围在空间上限制反射器122A反射的电磁能。结构化的电磁能106入射到输出光学器件110(例如，光子晶体)和周围的反射器122B和122C上。反射器122B和122C反射的电磁能通过输出光学器件110B(例如，孔)传递出衬底102。
通过选择面对衬底的上主面108和下主面112中的每一个的反射器(和可选的吸收器)的图案，电磁能可以被塑造并且沿着折叠光路从输入光学器件104传送到输出光学器件110A和110B。例如，可以选择图案以限制入射在输出光学器件110A上的电磁能和/或限制电磁能在衬底102内的传播角范围。
图1C示出了根据一个示例性实施方式的装置103。装置103在许多方面类似于装置100(图1A)，因此，通过与在图1A的实施方式中使用的相同的附图标记来表示相似或甚至相同的结构或元件。为了简洁，下面只讨论显著的不同点。
在图1C的装置103中，在上主面和下主面上都设置发射器区域122和吸收器区域120，以构造电磁能106A的角度范围。例如，反射器122B的空间范围在空间上限制反射器122B反射的电磁能。与反射器122B相邻的吸收器120F和120G用于管理杂散光。类似地，反射器122A的空间范围在空间上限制反射器122A反射的电磁能。结构化电磁能106A入射到输出光学器件110A(例如，光子晶体)上，该输出光学器件110A被反射器122B的薄膜覆盖。反射器122B可以经由输出光学器件110A(由箭头114表示)向检测器116传输至少一些非散射(零阶)和/或散射(一阶)电磁能。反射器122B可以沿着光路反射至少一些非散射(零阶)和/或散射(一阶)电磁能106B，该光路导致至少一些被反射的电磁能106B在输出光学器件110B(例如，孔)处离开衬底102。
通过选择面对衬底102的上主面108和下主面112中的每一个的反射器(和可选的吸收器)的图案，电磁能106A可以被塑造并且沿着折叠光路从输入光学器件104传送到输出光学器件110A和110B。例如，可以选择图案以限制入射在输出光学器件110A和110B上的电磁能和/或限制电磁能在衬底102内的传播角范围。
图1D示出了根据一个示例性实施方式的装置105。装置105在许多方面类似于装置100(图1A)，因此，通过与在图1A的实施方式中使用的相同的附图标记来表示相似或甚至相同的结构或元件。为了简洁，下面只讨论显著的不同点。
在图1D的装置105中，上主面和下主面上都设置反射器区域122和吸收器区域120，以构造电磁能106A的角度范围。例如，反射器122B的空间范围在空间上限制反射器122B反射的电磁能。与反射器122B相邻的吸收器120F和120G用于管理杂散光。类似地，反射器122A的空间范围在空间上限制反射器122A反射的电磁能。结构化的电磁能106A入射到输出光学器件110A(例如，光子晶体)上，该输出光学器件110A被反射器122B的薄膜覆盖。反射器122B可以经由输出光学器件110A和孔111A向检测器116传输至少一些非散射(零阶)和/或散射(一阶)电磁能(由箭头114A表示)。反射器122B可以沿着光路反射至少一些非散射(零阶)和/或散射(一阶)电磁能106B，该光路使得至少一些被反射的电磁能106B入射在由反射器122B的薄膜覆盖的输出光学器件110B(例如，光子晶体)上。反射器122B可以经由输出光学器件110B和孔111B向检测器116传输至少一些非散射(零阶)和/或散射(一阶)电磁能(由箭头114B表示)。反射器122B可以沿着光路反射至少一些非散射(零阶)和/或散射(一阶)电磁能106C，该光路使得至少一些反射电磁能106C在输出光学器件110C(例如，孔)处离开衬底102。
层117可以具有合适的厚度(例如，3mm、小于3mm)，以将输出光学器件110A和110B与检测器116分离。输出光学器件110A和110B与相关联的孔111A和111B之间的路径长度可以使得当电磁能穿过层117时，没有或基本没有电磁能的散射。在该示例中，层117可以可选地包括不具有低折射率的材料。
通过选择面对衬底102的上主面108和下主面112中的每一个的反射器(和可选的吸收器)的图案，电磁能106A可以被塑造并且沿着折叠光路从输入光学器件104传送到输出光学器件110A和110B。例如，可以选择图案以限制入射在输出光学器件110A和110B上的电磁能和/或限制电磁能在衬底102内的传播角范围。尽管在图1D中示出了向检测器116传输电磁能的两个输出光学器件110A和110B，但是在其他实施方式中，可以使用更多个输出光学器件110和/或更少个输出光学器件110来向检测器116传输电磁能。
图2A示出了根据一个示例性实施方式的装置200。装置200在许多方面类似于装置100(图1A)，因此，通过与在图1A的实施方式中使用的相同的附图标记来表示相似或甚至相同的结构或元件。为了简洁，下面只讨论显著的不同点。
在装置200中，类似于上面讨论的装置100，结构化光学器件(例如，反射器122A)靠近上主面108设置。与装置100不同，装置200包括衬底102的下主面112附近的非结构化反射器122D。因此，在装置200中，结构化反射体与非结构化反射体分散布置。从间隙124A发出的结构化的电磁能106入射到靠近输出光学器件110(例如，光子晶体、孔等)的反射器122D上，该反射器122D将电磁能重定向到靠近衬底上主面108的吸收器120C，该吸收器120C终止电磁能的光路。为了清楚起见，没有示出从反射器122D到吸收器120C的反射。如上所述，在一些实施方式中，反射器可能不与吸收器关联。在这种实施方式中，反射器中的一个或更多个可以与透射部分或其他非反射部分关联。
图2B示出了根据一个示例性实施方式的装置201。装置201在许多方面类似于装置100(图1A)和装置200(图2A)，因此，通过与在图1A和图2A的实施方式中使用的相同的附图标记来表示相似或甚至相同的结构或元件。为了简洁，下面只讨论显著的不同点。
在装置201中，类似于上面讨论的装置100和装置200，结构化光学器件(例如，反射器122A)靠近上主面108设置。装置201包括衬底102的下主面112附近的非结构化反射器122D。因此，在装置201中，结构化反射器与非结构化反射器分散布置。从间隙124A发出的结构化电磁能106入射到反射器122D和输出光学器件110A(例如，光子晶体、孔)，反射器122D将电磁能中的至少一些沿着光路重定向为沿着衬底102的上主面108通过输出光学器件110B(例如，孔)离开衬底102。如上所述，在一些实施方式中，反射器可能不与吸收器关联。在这种实施方式中，反射器中的一个或更多个可以与透射部分或其他非反射部分关联。
图3A和3B分别示出了根据一个示例性实施方式的装置300的正视图和俯视图。装置300在许多方面类似于装置100(图1A)、装置101(图1B-1D)、200(图2A)和201(图2B)。通过与图1A-1D和2A-2B的实施方式中使用的相同的附图标记来表示相似或甚至相同的结构或元件。为了简洁，下面只讨论显著的不同点。
装置300包括输入光学器件302，在一些实施方式中，输入光学器件302可以包括反射器(例如，反射层)中的开口或吸收器(例如，吸收层)中的开口。在这种情况下，输入光学器件302可以利用反射器来引导不想要的电磁能远离电磁能106的光路，或者可以使用吸收器来吸收不想要的电磁能。装置300包括多个反射器304A-304E(示出五个，统称为304)，这些反射器用于沿着光路对电磁能106进行塑造，并将结构化的光沿着衬底102长度L横向地传送到期望的相互作用位置，该期望的相互作用位置包括输出光学器件306(例如，光子晶体，输出孔)。在示出的示例中，结构化的光横向传送到与输出光学器件306相邻的反射器304E。反射器304将结构化的光反射到衬底102的上主面108处的位置308，在那儿，光可以离开衬底或可以被吸收层吸收。应当理解，在其中输出光学器件306包括除了光子晶体之外的输出光学器件的实施方式中，结构化的光可以被引导为直接入射到输出光学器件上，而不是被引导为直接入射到与输出光学器件相邻的位置上。另外，当输出光学器件是孔而不是纳米结构，并且电磁能直接入射到输出光学器件上时，电磁能的准直分量(由箭头114表示)从衬底102离开。
在一些实施方式中，至少一些反射器与吸收没有被反射器反射的光的吸收器关联。在一些实施方式中，至少一些反射器不与吸收器关联，使得未被反射器反射的光离开透射衬底102。图3B示出了衬底的上主面108和下主面112上的结构之间的对准。例如，可以使用纳米加工工艺来创建这样的结构。在一些实施方式中，可以靠近衬底102的主面108和112中的一个或两者设置另外的图案化吸收器，以进一步塑造电磁能和/或改进装置300的杂散光管理。
图3C示出了根据一个示例性实施方式的装置301。装置301在许多方面类似于装置300(图3A和3B)。通过与图3A和3B的实施方式中使用的相同的附图标记来表示相似或甚至相同的结构或元件。为了简洁，下面只讨论显著的不同点。
装置301包括输入光学器件302，在一些实施方式中，输入光学器件302可以包括反射器(例如，反射层)中的开口或吸收器(例如，吸收层)中的开口。在这种情况下，输入光学器件302可以利用反射器来引导不想要的电磁能远离电磁能106的光路，或者可以使用吸收器来吸收不想要的电磁能。装置301包括多个反射器304A-304G(示出七个，统称为304)，这些反射器用于沿着光路对电磁能106进行塑造，并将结构化的光沿着衬底102的长度L横向地传送到期望的相互作用位置，该期望的相互作用位置包括输出光学器件306A(例如，光子晶体，输出孔)。在示出的示例中，结构化的光横向传送到反射器304E和输出光学器件306A。反射器304E沿着光路将结构化的光反射到衬底102的上主面108处的输出光学器件306B，在那儿，光可以离开衬底。在一些实施方式中，至少一些反射器与吸收没有被反射器反射的光的吸收器关联。在一些实施方式中，至少一些反射器不与吸收器关联，使得未被反射器反射的光离开透射衬底102。
图4示出了根据一个示例性实施方式的装置400。装置400在许多方面类似于装置100(图1A)、101(图1B-1D)、200(图2A)、201(图2B)、300(图3A-3B)和301(图3B)。通过与图1A-1D、2A-2B和3A-3B的实施方式中使用的相同的附图标记来表示相似或甚至相同的结构或元件。为了简洁，下面只讨论显著的不同点。
装置400包括多个反射器402A-402H(统称为402)和多个可选的吸收器404A-404M(统称为404)，它们一起在衬底102内限定出四条光路406A-406D。装置400包括四个输入光学器件408A-408D，它们分别接收来自四条光路406A-406D的电磁能。在一些实施方式中，每个输入光学器件408A-408D可以包括反射材料中的孔，该反射材料引导不期望的电磁能离开相应的光路。在其他实施方式中，输入光学器件408A-408D中的一个或更多个可以包括吸收材料中的孔，该吸收材料吸收不想要的电磁能。
在进入衬底102之后，电磁能通过沿着由反射器402限定的主面界面的反射而沿着四条光路406A-406D结构化。吸收器404可以用于管理没有被反射器402反射的杂散光。在所示示例中，光路406A-406D被定义为将电磁能引导到衬底102的上主面108上的四个位置，这些位置邻近设置在衬底102的上主面108内或上的两个不同的输出光学器件410A和410B。特别地，反射器402沿着光路406A和406C将电磁能结构化并将电磁能引导到衬底102上主面108上与输出光学器件410A相邻的两个位置，并且反射器沿着光路406B和406D将电磁能结构化并将电磁能引导到衬底上主面上与输出光学器件410B相邻的两个位置。在一些示例中，光路406A-406D中的一些或全部被设置为将电磁能引导到衬底102上主面108上的四个位置，使得电磁能入射到两个不同的输出光学器件410A和410B中的一个或更多个上。
图5A和5B分别示出了根据一个示例性实施方式的装置500的俯视图和仰视图。装置500在许多方面类似于装置100(图1A)、101(图1B-1D)、200(图2A)、201(图2B)、300(图3A-3B)、301(图3C)和400(图4)，因此，通过与在图1A-1D、2A-2B、3A-3C和4的实施方式中使用的相同的附图标记来表示相似或甚至相同的结构或元件。为了简洁，下面只讨论显著的不同点。
装置500包括多个光学特征，这些特征一起使入射到衬底102上的电磁能结构化，并将结构化的电磁能传送到邻近输出光学器件(例如，光子晶体、孔等)的区域。如图5A所示，装置500的上主面108包括输入光学器件502和两个间隔开的反射器504A和504B。如图5B所示，该装置的下主面112包括反射器504C和504D以及输出光学器件506。输出光学器件506也以虚线示于图5A中。输入光学器件502、反射器504A-504D和输出光学器件506被对准，使得经由输入光学器件接收到衬底102中的电磁能被结构化和横向传送到输出光学器件506。衬底102的沿着光路延伸经过输出光学器件506的区域可以将电磁能引导到位于衬底102的上主面108附近的吸收器(图5A中未示出)。作为另一示例，衬底102的沿着光路延伸经过输出光学器件506的区域可以将电磁能引导到一个或更多个另外的反射器以提供一个或更多个串联的附加光路。
在一些实施方式中，输入光学器件502可以包括具有输入孔510的沉积金属的区域508(图5A)。在其他实施方式中，区域508可以包括吸收层。在一些实施方式中，区域508可以是矩形的，并且可以具有2.0mm的宽度和5.0mm的长度，并且输入孔510例如可以具有0.093mm的宽度和1.500mm的长度。例如，上主面108上的反射器504A和504B可以具有0.032mm的宽度和1.500mm的长度。例如，下主面112上的反射器504C和504D可以具有0.100mm的宽度和1.500mm的长度。输出光学器件506可以包括具有反射孔514的沉积金属或其他反射层区域512。可替代地，区域512可以包括吸收层。在一些实施方式中，孔514可以光学耦合到光子晶体或其他光学元件(未示出)。例如，沉积材料可以是矩形的，并且可以具有1.0mm的宽度和4.0mm的长度，并且孔514可以具有0.111mm的宽度和1.510mm的长度。
根据一个示例，图5A和5B中在衬底102右侧上标记的尺寸是每个特征的中心到中心的横向间隔。在所示示例中，输入孔510(图5A)与反射器504A间隔1.523mm，反射器504A与反射器504B间隔1.523mm，反射器504B与孔514间隔0.680mm。反射器504C与反射器504D间隔1.523mm，反射器504D与孔514间隔1.5234mm。这种尺寸和间隔是作为非限制性示例提供的。
图6示出了衬底102的下主面600的示例布局，该布局可以与图5A所示的装置500的上主面布局结合，以使衬底102内的入射电磁能结构化并且将结构化的电磁能传送到输出光学器件604(例如，输出孔等)附近的区域。在该布局中，一个或更多个反射器602基本覆盖围绕输出光学器件604的整个下主面600。在一些实施方式中，反射器602与在衬底102的下主面600上制作的输出光学器件604对准。无金属区可以围绕输出光学器件604。例如，无金属区可以是具有围绕输出光学器件604的宽度(例如，5微米)的边界。
在该示例中，下主面600不构造电磁能的角向分布，而是简单地将电磁能传送到位于上主面108上的结构化反射器504A和504B(图5A)。反射器602的沿着光路延伸经过输出光学器件604的区域可以将电磁能引导到位于衬底102的上主面108附近的吸收器(图5A中未示出)。作为另一示例，衬底102的沿着光路延伸经过输出光学器件604的区域可以将电磁能引导到一个或更多个另外的反射器以提供一个或更多个串联的附加光路。
图7A示出了根据一个示例性实施方式的装置700。装置700在许多方面类似于装置100(图1A)、101(图1B-1D)、200(图2A)、201(图2B)、300(图3A-3B)、301(图3C)、400(图4)和500(图5A-5B和6)，因此，通过与在图1A-1D、2A-2B、3A-3C、4、5A-5B和6的实施方式中使用的相同的附图标记来表示相似或甚至相同的结构或元件。为了简洁，下面只讨论显著的不同点。
装置700包括光学元件702，其接收从衬底102的下主面112附近的反射器122D反射的电磁能106。光学元件702可以包括反射器、光谱选择元件、吸收器、色散或折射元件、漫射器等。虽然示出了仅一个光学元件702，但是在一些实施方式中，可以与上主面108或下主面112相邻地设置相同或不同类型的两个或更多个光学元件。光学元件702可以包含在本文所讨论的任何实施方式中，以提供使电磁能进入衬底、在衬底内传播和/或离开衬底的期望光学特征。
图7B示出了根据一个示例性实施方式的装置701。装置701在许多方面类似于装置100(图1A)、101(图1B-1D)、200(图2A)、201(图2B)、300(图3A-3B)、301(图3C)、400(图4)、500(图5A-5B和6)和700(图7)。通过与图1A-1D、2A-2B和3A-3C、3A-3C、4、5A-5B、6和7A的实施方式中使用的相同的附图标记来表示相似或甚至相同的结构或元件。为了简洁，下面只讨论显著的不同点。
装置701包括光学元件702A，其接收从衬底102的下主面112附近的反射器122D反射的电磁能106。光学元件702A将电磁能106反射至入射到与反射器122D相邻地布置的输出光学器件110A(例如，光子晶体)上。反射器122D沿着光路反射至少一些电磁光106，以使其在输出光学器件110B(例如，孔)处离开衬底102。光学元件702A和702B可以包括反射器、光谱选择元件、吸收器、色散或折射元件、漫射器等。虽然示出了仅两个光学元件702，但是在一些实施方式中，可以与上主面108或下主面112相邻地设置相同或不同类型的更多个光学元件。光学元件702可以包含在本文所讨论的任何实施方式中，以提供使电磁能进入衬底、在衬底内传播和/或离开衬底的期望光学特征。
图8示出了根据一个示例性实施方式的装置800。装置800在许多方面类似于装置100(图1A)、200(图2A)、201(图2B)、300(图3A-3B)、301(图3C)、400(图4)、500(图5A-5B、6)和700(图7A)，因此，通过与在图1A-1D、2A-2B、3A-3C、4、5A-5B、6和7A-7B的实施方式中使用的相同的附图标记来表示相似或甚至相同的结构或元件。为了简洁，下面只讨论显著的不同点。
该装置800包括输出孔形式的输出光学器件802，其允许电磁能106离开(如箭头804所示)衬底102的下主面112。因此，在所示实施方式中，输入光学器件104和输出光学器件802都包括孔，孔是与非透射区域(例如，吸收器，反射器)关联的透射区域。
例如，纳米结构阵列可以以空间上限定的图案提取电磁能(如光)，该图案限定或与(例如，传播或以其他方式传输)穿过衬底的电磁能的入射光谱确定性相关。检测器、传感器或其它换能器能够从纳米结构从不同角度或在检测器或传感器或换能器的至少一个维度(例如，长度)上获取图像或以其他方式检测、感测或测量强度和/或波长。如下面参考图9所讨论的，一个或更多个基于处理器的设备可以使用图像信息来确定入射电磁能的辐射光谱，包括一个或更多个特定范围波长的存在和/或强度(例如，用于检测特定原子或分子发射谱线)。
各种纳米结构可以利用不同的纳米加工技术来形成(例如，图案化到衬底或另一层中)。
纳米结构阵列或晶格(如光子晶体、等离子纳米结构阵列或晶格、衍射光栅纳米结构阵列或晶格)可以包括和/或形成在电介质材料中。纳米结构阵列或晶格可以位于衬底的外表面或边界上。纳米结构阵列或晶格可以包括在介电材料上或中的包括第一周期性特征阵列的第一表面。阵列可以在至少两个维度上(例如，沿长度和宽度，可选地沿深度或厚度)延伸，并且可以具有与周围介电材料的介电常数不同的有效介电常数。周期性特征具有限定或指定的晶格常数，可以包括晶格常数梯度，并且该周期性特征从衬底提取出的电磁能部分在部分上随限定或指定的晶格常数变化。在一些实施方式中，可以利用具有不同晶格常数的一系列截面，而不是连续体。
在一个示例中，本文所述的一个或更多个光学特征可以形成、压印或以其他方式图案化在衬底本身上，或特征可以例如单独制造在不同的层中并且机械和光学耦合到衬底的主面。在一个示例中，一个或更多个光学特征可以通过压印、电子束曝光或使用其他图案化技术(例如，光子图案化技术，如双光子光刻、投影光刻等)。
例如，周期性纳米结构特征的二维阵列图案可以形成在透明衬底上或中的透明电介质中。在一个示例中，周期性纳米结构特征的二维阵列图案可用于选择性地耦合输入入射的电磁能(如光电磁能或光)和/或耦合输出特定波长或波长范围(例如，紫外线、可见光或红外线等)的电磁能(例如，光电磁能或光)。在通过(例如，聚焦或耦合到衬底主面的至少一部分的)输入光学器件提供给衬底的主面时，入射的电磁能可以透射或传播通过该衬底。同样，在一个示例中，周期性纳米结构的三维阵列图案还可以例如通过层压或粘合形成在不同层中的一系列单独制作的二维阵列等技术来形成。
如下面参照图9进一步讨论的，制品或采用该制品的装置可以包括照明光源，例如在波长范围内发光的标准LED(例如，白光LED)。纳米结构可以对较窄波长范围(例如，红光、蓝光、紫外线)作出响应，或可以对较宽波长范围(例如，所有可见光的波长，所有光波长，即可见光，至少近红外光，至少近紫外光)作出响应。
图9示出了根据至少一个示例性实施方式的系统900。系统900可以包括参照图1A-1D、2A-2B、3A-3C、4、5A-5B、6、7A-7B和8讨论的任何实施方式中的装置和/或结构或部件。
系统900可以包括基于处理器的系统，例如计算机，其可通信地耦合到一个或更多个检测器902，例如上面讨论的各种装置的检测器。
计算系统900可以集成到设备的外壳中，或者可以明显地与其分离，甚至可以远离设备和检测器902定位。计算系统900适用于从检测器902接收信息，该信息表示关于由检测器902接收到的电磁能(例如光)的信息。虽然没有示出，但是在计算系统900和检测器902之间可以具有一个或更多个中间部件(例如，模数转换器或ADC)，例如以将来自检测器902的原始信号变成适合于计算系统900的格式。计算系统900也适用于分析来自检测器902的信息。计算系统900也可以通信地耦合到并控制一个或更多个照明光源904，其可以利用电磁能照亮标本或样品，该电磁能然后如上文描述地被提供到外壳内部。制品或采用该制品的装置可以包括一个或更多个照明光源，例如一个或更多个发光二极管(LED)，其可采用标准LED或有机LED的形式，并且在波长范围内发光(例如，白光LED、红外LED，蓝光LED)。
具有计算系统900的装置可以形成分析仪器，例如光谱仪。该装置可以有较小的尺寸外型和重量，并且在某些情况下由一个或更多个电池单元供电，从而可以方便携带或者甚至手持。
计算系统900可以包括一个或更多个处理单元906A和906B(统称为处理单元906)、系统存储器908和系统总线910，该系统总线将包括系统存储器908的各系统部件耦合到处理单元906。处理单元906可以是任何逻辑处理单元，例如一个或更多个中央处理单元(CPU)906A(例如，ARM Cortext-A8、ARM Cortext-A9、骁龙600、骁龙800、NVIDIA Tegra、NVIDIATegra 4i、英特尔Atom Z2580、三星Exynos 5Octa、苹果A7、苹果A8、摩托罗拉X8)、图形处理单元(GPU)906B、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等。系统总线910可以使用任何已知的总线结构或构架，包括具有存储控制器的存储器总线、外围总线和本地总线。系统存储器908包括只读存储器(ROM)908A、随机存取存储器(RAM)908B和闪存908C。基本输入/输出系统(BIOS)可以存储在ROM 908A中，并且包含有助于在计算系统900内的元件之间传输信息的基本例程，例如在启动期间。计算机可读存储介质可用于存储可由处理单元906A访问的信息。例如，这样的计算机可读存储介质可以包括，但不限于，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存或其他固态存储器或其他介质。
计算系统900可以包括支持任何其他无线/有线协议的多个接口，例如有线网络接口或端口912和无线网络接口或端口914。无线网络接口或端口914可以包括一个或更多个无线电设备(未示出)和相关联的天线(未示出)。收发器或无线电设备可以采取能够通过电磁能发送和接收通信的任何设备的形式。例如，计算系统900可以包括一个或更多个蜂窝收发器或无线电装置、一个或更多个收发器或无线电设备、以及一个或更多个收发器或无线电设备以及相应的相关天线。因此，计算系统900可以是能够经由蜂窝、和进行通信的智能电话或平板设备。
蜂窝通信收发器或无线电设备的非限制性示例包括CDMA收发器、GSM收发器、3G收发器、4G收发器、LTE收发器，以及具有语音电话能力或图形数据交换能力中的至少一个的任何类似的当前或未来开发的移动设备收发器。在至少一些情况下，蜂窝收发器或无线电设备可以包括一个以上的接口。例如，在一些情况下，蜂窝收发器或无线电设备可以包括至少一个专用、全双工或半双工语音呼叫接口和至少一个专用数据接口。在其他情况下，蜂窝收发器或无线电设备可以包括至少一个集成接口，该接口能够同时适应全双工或半双工语音呼叫和数据传输。
收发器或无线电设备的非限制性示例包括可从Broadcom获得的各种芯片组(包括BCM43142、BCM4313、BCM94312MC、BCM4312)和从Atmel、Marvell或RexPin获得的芯片组。收发器或无线电设备的非限制性示例包括可从Broadcom、德克萨斯仪器和Redpine获得的各种芯片组。
程序模块可以存储在系统存储器908，程序模块例如是操作系统(例如手机、8等)、一个或更多个应用程序、其他程序或模块和程序数据等。应用程序可以包括使处理器单元906生成、处理信息和/或接收来自检测器902的(信息并且分析该信息(例如，确定在多个波长中的每个波长下检测到的光强度)的指令，信息是原始形式的或预处理形式的。更具体地，应用程序包括使处理器单元906执行本文描述的一个或更多个动作的指令。
其他程序模块可以包括用于处理安全性(例如密码或其他访问保护和通信加密)的指令。系统存储器908还可以包括通信程序(例如，允许计算系统900访问诸如互联网网站、企业内部网、外联网或如本文所述的其他网络和设备之类的源并与其交换数据的Web客户端或浏览器)以及服务器计算系统上的其他服务器应用程序。浏览器可以是基于标记语言的浏览器，例如超文本标记语言(HTML)、可扩展标记语言(XML)或无线标记语言(WML)，并且使用标记语言来操作，这些标记语言使用添加在文档数据中的语法分隔字符来表示文档结构。许多Web客户端或浏览器可以例如从Mozilla、谷歌和微软等买到。
操作者可以通过诸如触摸屏(未示出)之类的输入装置和/或通过图形用户界面将命令和信息输入到计算系统900中。其他输入装置可以包括麦克风、指向装置等。这些和其他输入装置(例如照相机单元)通过总线910或耦合到系统总线910的接口或端口912、914(例如串行接口或通用串行总线(USB)端口)连接到处理单元906中的一个或更多个，但是可以使用诸如并行端口、游戏端口或无线接口之类的其他接口。触摸屏装置或其他显示装置通过诸如视频适配器等视频接口(未示出)(耦合到系统总线910。
计算系统900可以利用与一个或更多个远程计算机和/或设备的逻辑连接在网络环境中操作。例如，计算系统900可以利用与一个或更多个蜂窝网络、移动设备、有线电话和其他服务提供商或信息服务器的逻辑连接在网络环境中操作。通信可以通过有线和/或无线网络架构(例如有线和无线企业计算机网络、内联网、外联网、电信网络、蜂窝网络、寻呼网络和其他传送网络)来进行。
上文的具体实施方式已经通过使用框图、示意图和示例阐述了设备和/或过程的各种实施方式。当这样的框图、示意图和示例包含一个或更多个功能和/或操作时，本领域技术人员将理解，这些框图、流程图或示例中的每个功能和/或操作可以由广泛的硬件、软件、固件或其几乎任何组合来单独和/或共同实现。在一个实施方式中，本主题可以通过专用集成电路(ASIC)来实现。然而，本领域技术人员将认识到，本文中所公开的实施方式可以全部或部分地在标准集成电路中等效地实现、实现为在一个或更多个计算机上运行的一个或更多个计算机程序(例如，作为在一个或更多个计算机系统上运行的一个或更多个程序)、实现为在一个或更多个控制器(例如，微控制器)上运行的一个或更多个程序、实现为在一个或更多个处理器(例如，微处理器)上运行的一个或更多个程序、实现为固件，或者实现为其几乎任何组合，并且根据本公开设计电路和/或编写软件和固件的代码都在本领域普通技术人员的能力之内。
本领域技术人员将认识到，本文中阐述的许多方法或算法可以采用另外的动作，可以省略一些动作，和/或可以以不同于指定顺序的顺序执行动作。
此外，本领域技术人员将理解，本文中所教导的机制能够以各种形式作为程序产品分发，不管实际执行分发的信号承载介质是何种特定类型，示例性实施方式都适用。信号承载介质的示例包括但不限于：可记录类型的介质，例如软盘、硬盘驱动器、CD ROM、数字磁带和计算机存储器。
可以将上述各种实施方式结合以提供进一步的实施方式。只要不与本说明书中的具体教导和定义不一致，本说明书中提到的所有美国专利、美国专利申请公布、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物(包括2016年5月10日提交的美国临时专利申请62/334,050和2015年9月29日提交的美国临时专利申请62/234,315)的全部内容通过引用并入本文。如果必要，可以修改实施方式的各个方面，以利用各专利、申请和公开的系统、电路和概念来提供进一步的实施方式。
可以根据以上的详细描述对实施方式作出这些和其他改变。一般而言，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限于说明书和权利要求中公开的特定实施方式，而应被解释为包括这些权利要求被赋予的全部等同范围内的所有可能的实施方式。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (50)

1.一种装置，包括：
衬底，其透射至少多个波长的电磁能，并且具有第一端、第二端、第一主面、第二主面、至少一个边缘、长度、宽度和厚度，所述第二端与所述第一端在衬底的长度上相对，所述第二主面与第一主面在衬底的厚度上相对，所述至少一个边缘在第一主面的至少一部分与第二主面的一部分之间延伸，衬底的宽度大于衬底的厚度；
至少一个第一输入光学器件，其被定向和设置为通过衬底的第一主面或第二主面中的至少一个将电磁能提供到衬底中，而不在衬底中进行全内反射；
至少一个第一输出光学器件，沿着衬底的长度或宽度中的至少一个与第一输入光学器件间隔开；
多个第一反射部分，其至少部分地沿着衬底的第一主面延伸，所述多个第一反射部分被定向和设置为控制电磁能沿折叠光路的传播方向，所述折叠光路的至少一部分在电磁能入射到第一输入光学器件上时，在第一输入光学器件和第一输出光学器件之间延伸通过衬底；和
多个第二反射部分，其至少部分地沿着衬底的第二主面延伸，所述多个第二反射部分被定向和设置为在电磁能入射到第一输入光学器件上时控制电磁能沿折叠光路的传播方向，
其中，所述多个第一反射部分或多个第二反射部分中的至少一者的空间范围沿折叠光路在空间上限制电磁能。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个第一反射部分或第二反射部分中的至少一者沿折叠光路限制电磁能的传播角范围。
3.根据权利要求1到2中任一项所述的装置，其中，所述多个第一反射部分和多个第二反射部分中的至少一者包括金属层。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的装置，其中衬底由熔融二氧化硅形成。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的装置，其中，所述第一输出光学器件从衬底的第一主面或第二主面中的至少一个选择性地提取第一组波长的电磁能。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述第一输出光学器件包括光子晶体。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述光子晶体包括一维、二维或三维光子晶体。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的装置，其中，所述第一输出光学器件设置在反射材料中的间隙中或构成反射材料中的间隙。
9.根据权利要求1到7中任一项所述的装置，其中，所述第一输出光学器件设置在吸收材料中的间隙中或构成吸收材料中的间隙。
10.根据权利要求1到9中任一项所述的装置，其中，所述第一输入光学器件包括由反射材料界定的输入孔。
11.根据权利要求1到9中任一项所述的装置，其中，所述第一输入光学器件包括由吸收材料界定的输入孔。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的装置，其中，所述长度大于或等于所述宽度，所述厚度小于所述长度并且小于所述宽度。
13.根据权利要求1到12中任一项所述的装置，还包括：
至少一个第二输出光学器件，其沿着衬底的长度或宽度中的至少一个与所述第一输入光学器件和第一输出光学器件间隔开。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第二输出光学器件在第一输入光学器件和第一输出光学器件之间横向间隔开。
15.根据权利要求1到14中任一项所述的装置，其中，第一输出光学器件包括第一光子晶格或第一等离子体结构中的一个。
16.根据权利要求1到15中任一项所述的装置，还包括：
至少一个第二输出光学器件，其沿着衬底的长度或宽度中的至少一个与所述第一输入光学器件和第一输出光学器件间隔开。
17.根据权利要求1到16中任一项所述的装置，其中，所述长度是衬底的最长尺寸，并且所述厚度是衬底沿与所述衬底的长度和宽度垂直的轴线的最小尺寸。
18.根据权利要求1到17中任一项所述的装置，其中，衬底的第一主面平行于衬底的第二主面。
19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一输入光学器件选自：聚焦透镜、聚焦透镜阵列、棱镜、棱镜阵列、反射镜、反射镜阵列、反射器、反射表面、反射边界、吸收边界、折射边界、输入孔和纳米结构。
20.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一输出光学器件选自：聚焦透镜、聚焦透镜阵列、棱镜、棱镜阵列、反射镜、反射镜阵列、反射器、反射表面、反射边界、折射边界、输出孔和纳米结构。
21.根据权利要求1到20中任一项所述的装置，其中，所述第一输入光学器件和第一输出光学器件都位于衬底的第一主面或第二主面中的同一主面上。
22.根据权利要求1到20中任一项所述的装置，其中，所述第一输入光学器件和第一输出光学器件分别位于衬底的第一主面或第二主面中的不同主面上。
23.根据权利要求1到22中任一项所述的装置，还包括：
传感器，其能对电磁能的多个波长中的一个或更多个作出响应，该传感器被设置为接收至少通过所述第一输出光学器件离开衬底的电磁能。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述第一输入光学器件被耦合为经由衬底的第一主面将光输入到衬底，并且传感器是被设置为接收经由衬底的第二主面离开衬底的光的光传感器。
25.根据权利要求23所述的装置，其中，所述第一输入光学器件经由衬底的第一主面将光输入到衬底，并且传感器是被设置为接收经由衬底的第一主面离开衬底的光的光传感器。
26.根据权利要求1到25中任一项所述的装置，还包括：
多个输入光学器件，所述多个输入光学器件中的每个都定向和设置为通过衬底的第一主面或第二主面中的至少一个将电磁能提供到衬底中，而不在其中进行全内反射。
27.根据权利要求1到26中任一项所述的装置，还包括：
多个输出光学器件，其沿衬底的长度和宽度中的至少一个间隔开，所述多个输出光学器件中的每个从衬底的第一主面或第二主面中的至少一个输出电磁能。
28.根据权利要求1到6中任一项所述的装置，还包括：
多个输出光学器件，其沿衬底的长度和宽度中的至少一个间隔开，所述多个输出光学器件中的每个从衬底的第一主面或第二主面中的至少一个输出电磁能。
29.根据权利要求1到28中任一项所述的装置，还包括：
设置在衬底内或衬底上的光谱选择元件。
30.根据权利要求29所述的装置，其中，所述光谱选择元件包括以下中的至少一个：光子晶体元件、衍射元件、折射元件、棱镜元件、散射元件或滤光元件。
31.根据权利要求29所述的装置，其中，所述光谱选择元件在衬底内或衬底上横向地设置在所述第一输入光学器件和第一输出光学器件之间。
32.根据权利要求1到31中任一项所述的装置，还包括：
光学元件，其沿着折叠光路至少靠近衬底的第一主面或第二主面设置，所述光学元件包括以下中的至少一个：光子晶体元件、反射光栅、透射光栅、色散元件、折射元件、滤光片、透镜、光源或漫射器。
33.根据权利要求1到32中任一项所述的装置，还包括：
多个非反射部分，所述多个非反射部分至少部分地沿着所述衬底的第一主面或第二主面中的至少一个延伸，所述多个非反射部分中的至少一个被设置为横向地邻近所述多个第一反射部分或所述多个第二反射部分中的至少一者的至少一部分。
34.根据权利要求33所述的装置，其中，所述多个非反射部分中的每个包括吸收部分或透射部分。
35.根据权利要求33所述的装置，其中，所述多个非反射部分中的至少一个包括涂料、纸张、涂层或薄膜中的至少一个。
36.一种制造装置的方法，该方法包括：
提供衬底，该衬底透射至少多个波长的电磁能，该衬底具有第一端、第二端、第一主面、第二主面、至少一个边缘、长度、宽度和厚度，所述第二端与所述第一端在衬底的长度上相对，所述第二主面与所述第一主面在衬底的厚度上相对，所述至少一个边缘在第一主面的至少一部分与所述第二主面的一部分之间延伸，衬底的宽度大于衬底的厚度；
将至少一个第一输入光学器件定向和设置为通过衬底的第一主面或第二主面中的至少一个将电磁能提供到衬底中；
将至少一个第一输出光学器件定向和设置为与第一输入光学器件横向间隔开，所述第一输出光学器件从衬底输出电磁能；
至少部分地沿着衬底的第一主面定向和设置多个第一反射部分，所述多个第一反射部分被定向和设置为控制电磁能沿折叠光路的传播方向，所述折叠光路的至少一部分在电磁能入射到第一输入光学器件上时，在第一输入光学器件和第一输出光学器件之间延伸通过衬底；
至少部分地沿着衬底的第二主面定向和设置多个第二反射部分，所述多个第二反射部分被定向和设置为在电磁能入射到第一输入光学器件上时控制电磁能沿折叠光路的传播方向，
其中，所述多个第一反射部分或多个第二反射部分中的至少一者的空间范围沿折叠光路在空间上限制电磁能。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，定向和设置多个第一反射部分和多个第二反射部分包括定向和设置多个第一反射部分和多个第二反射部分，并且多个第一反射部分或第二反射部分中的至少一者沿折叠光路限制电磁能的传播角范围。
38.根据权利要求36到37中任一项所述的方法，其中，定向和设置多个第一反射部分和多个第二反射部分包括定向和设置多个第一反射部分和多个第二反射部分，并且所述多个第一反射部分与多个第二反射部分中的至少一者包含金属层。
39.根据权利要求36到38中任一项所述的方法，其中，形成第一输出光学器件包括形成以下中的至少一个：光子晶格、漫射器、孔、透镜、滤光片或等离子体结构。
40.根据权利要求36到39中任一项所述的方法，其中，形成第一输出光学器件包括以图案化、直接成型或铸造中的至少一种方式将第一输出光学器件形成在构成衬底的电介质中。
41.根据权利要求36到40中任一项所述的方法，其中形成第一输出光学器件包括形成经由衬底的第一主面或衬底的第二主面从衬底输出电磁能的第一输出光学器件，并且还包括：
形成经由衬底的第一主面或衬底的第二主面从衬底输出电磁能的第二输出光学器件。
42.根据权利要求36到41中任一项所述的方法，其中，定向和设置第一输入光学器件包括形成以下中的至少一个：聚焦透镜、聚焦透镜阵列、棱镜、棱镜阵列、反射镜、反射镜阵列、反射器、反射表面、反射边界、吸收边界、折射边界、纳米光子结构。
43.根据权利要求36到42中任一项所述的方法，其中，定向和设置第一输出光学器件包括形成以下中的至少一个：聚焦透镜、聚焦透镜阵列、棱镜、棱镜阵列、反射镜、反射镜阵列、反射器、反射表面、反射边界、吸收边界、折射边界、输出孔和纳米结构。
44.根据权利要求36到43中任一项所述的方法，其中，形成第一输出光学器件包括形成一维、二维或三维纳米结构。
45.根据权利要求36到44中任一项所述的方法，其中，形成第一输出光学器件包括将第一输出光学器件与第一输入光学器件形成在衬底的第一主面或第二主面中的同一主面上。
46.根据权利要求36到44中任一项所述的方法，其中，形成第一输出光学器件包括在衬底的第一主面或第二主面中的相对主面上形成第一输出光学器件。
47.根据权利要求36到46中任一项所述的方法，还包括：
定向和设置多个非反射部分，所述非反射部分至少部分地沿着衬底的第一主面或第二主面中的至少一个延伸。
48.根据权利要求47所述的方法，其中，定向和设置多个非反射部分包括将所述多个吸收部分定向和设置在衬底与所述多个第一反射部分中的一个或所述多个第二反射部分中的一个之间。
49.根据权利要求47所述的方法，其中，定向和设置多个非反射部分包括将多个吸收部分定向和设置为使得所述多个第一反射部分中的至少一个或多个第二反射部分中的一个位于多个吸收部分中的至少一个与衬底之间。
50.根据权利要求36到49中任一项所述的方法，还包括：
沿着折叠光路至少靠近衬底的第一主面或第二主面定向和设置光学元件，所述光学元件包括以下中的至少一个：光子晶体元件、反射光栅、透射光栅、色散元件、折射元件、滤光片、透镜、光源或漫射器。
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