CN110651204A - 具有可变衍射效率的衍射光栅和用于显示图像的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种衍射光栅及其应用。光栅包括第一区域和第二区域，各区域均具有二维周期性的光栅结构，包括：第一方向上的第一周期(dx)，其选择成允许可见光的选定波长沿第一方向衍射；以及不同于第一方向的第二方向上的第二周期(dy)，其足够短以防止所述选定波长沿第二方向衍射，根据本发明，第一区域和第二区域中的光栅结构在所述第二方向上具有不同的调制特性，以产生用于第一区域和第二区域的不同的衍射效率。本发明提供了新的设计参数和亚波长调制，以帮助尤其是显示应用中的光栅的衍射效率的局部调节。

Description

具有可变衍射效率的衍射光栅和用于显示图像的方法
技术领域
本发明涉及衍射光栅，尤其涉及其在显示技术中的使用。具体地说，本发明涉及一种衍射效率可调制的光栅、利用这种光栅的光学器件、用于在衍射显示器上显示图像的方法，以及一种新颖的用途。
背景技术
近眼显示器(NED)和平视显示器(HUD)通常包含衍射光栅，以产生可见图像。该光栅需要被用作将图像从图像源耦合到波导的输入耦合光栅、为使用者生成最终的可视图像的输出耦合光栅，以及可增加显示器的出射光瞳的尺寸的出射光瞳扩展器(EPE)。
光栅的质量和特性决定了所得图像的质量。除了具有清晰一致的光栅线外，在高级的应用中，还希望能够局部地控制光栅的衍射效率。这可以通过改变光栅线高度或光栅内的填充系数(即，使用高度或填充系数的调制)来实现。为了达到最大可能的效率调整范围，应同时调整高度和填充系数。
高度调制元件的制造通常通过重复制造循环来完成，其中在一个循环内定义一个高度。特别是，在同一基板上制造高度不同的微米和纳米结构是困难的，对于难以加工的无机材料来说尤其如此。这通常需要使几个制造循环配准，其中每个元件的高度在一个循环内单独地定义。这也需要对材料进行高度优化且通常很复杂的加工。为了在材料中获得垂直的侧壁，在当前可用的方法中需要高度各向异性的蚀刻。在C.David的文章“Fabricationof stair-case profiles with high aspect ratios for blazed diffractive opticalelements”,Microelectronic Engineering,53(2000)中讨论了一种已知的加工方法。由于该方法的复杂性，该工艺的产率很低。而且，套刻曝光要求纳米级的横向放置精度，并且与最佳状况的任何偏差都会导致光学性能的损失。通常，套刻曝光的精度约为～10nm，这会导致相对于最佳光学性能的明显偏差。精确的高度调制本身就是有挑战性的，并且当同时需要高度调制和填充系数调制以实现最大的效率调制范围时，面临着特殊的挑战。
然而，高度调制的需要增加了制造的复杂性，特别是对于诸如氧化物的高折射率材料的情况。很少有适合批量生产的方法。
因此，需要改进以调节衍射效率。
发明内容
本发明的目的是解决至少一些上述问题，并提供新颖的手段来调制光栅的衍射效率。一个特定的目标是提供适合于优化光学系统的光学性能的附加设计参数。
一个具体目的是解决高度调制的困难，并提供一种附加的设计参数来代替高度调制或与高度调制一起使用以影响衍射效率，以及提供利用该设计参数的新颖的器件和方法。
根据一个方面，本发明基于在衍射光栅中提供二维光栅周期，其中两个垂直的光栅周期中的一个大得足以产生衍射，而另一个光栅周期为亚波长并可被应用于效率调节。特别是，该方向上相邻结构之间的间隔(即填充系数调制)可用于调节衍射效率。
更详细地说，本发明的衍射光栅包括第一区域和第二区域，它们各自具有二维周期性的光栅结构。每个区域包括第一方向上的第一周期，该第一周期选择成允许可见光的选定波长在第一方向上衍射，每个区域还包括与第一方向不同的第二方向上的第二周期，该第二周期短得足以防止所述选定波长在第二方向上衍射。根据本发明，第一区域和第二区域中的光栅结构在第二方向上具有不同的调制特性。对于在第一方向上进行衍射的光来说，这种亚波长调制针对第一和第二区域产生了不同的衍射效率。
本发明的衍射波导包括：基本上平坦的基板，该基板能够用作光学波导，即光导；以及至少一个上述类型的衍射光栅，其布置在基板内或基板上，并且能够将光耦合到基板中、在基板内耦合或耦合到基板外。
本发明的衍射显示装置包括能够呈现图像的图像源和衍射波导，该衍射波导包括上述类型的输入耦合光栅、输出耦合光栅和/或出射光瞳扩展光栅，其构造成能再现图像源所呈现的图像。特别是，图像源具有输出波长或波长范围，并且光栅的第二周期处于图像源的亚波长区域中，以防止第二方向上的衍射。
本发明的用于在包括上述类型的衍射光栅的衍射显示器上显示图像的方法包括：将光引导至光栅的第一区域，以引起具有第一衍射效率的光学干涉；以及将光引导至光栅的第二区域，以引起具有与第一衍射效率不同的第二反射效率的光学干涉，这至少部分地归因于第一区域和第二区域的亚波长调制特性不同。
本发明还涉及光栅的亚波长周期构图在调节光栅的衍射效率中的用途，该光栅具有发生衍射的第一方向，以及相对于第一方向不平行的第二方向。特别是，亚波长周期构图可以与第二方向上的光栅的填充系数调制相结合。
特别是，本发明的特征在于独立权利要求中所述的内容。
本发明提供了明显的优点。首先，本发明允许针对衍射效率的大的调制能力，而不需要进行通常被认为非常具有挑战性的结构的高度调制。特别是，本发明即使不进行高度调制也可以实现衍射效率的调节范围，这与先前通过使用在主衍射方向上同时进行填充系数和高度调制所实现的相似。因此，本发明可用于消除对光栅高度调节的繁琐需求，并通过例如在主光栅方向的垂直方向上的填充系数的亚波长调制来代替它。
通过提供一种对衍射效率有影响的全新的设计方案，本发明满足了针对可以自由地调节衍射效率的衍射光栅的设计参数的需求。新的设计参数，即亚波长调制有助于特别是在显示应用中局部地调整衍射效率。当例如应用在衍射NED或HUD的输入耦合光栅、出射光瞳扩展器和/或输出耦合光栅中时，可以优化所得图像的色彩平衡、图像均匀性和/或效率(亮度)。
本发明可用于批量生产，因为有本身很容易适于生产具有光学亚波长分辨率的结构的制造技术。关于制造能力，一个特别有利的实施例是：至少在第二方向上的调制是纯填充系数调制，即，没有高度调制。
本发明利用了光栅的第二横向尺寸，以用于调节第一横向尺寸中的衍射效率。尽管在这两个方向上都具有周期性，但是对于选定的波长或波长范围来说，光栅仍然保持为一维光栅。下文中将通过示例来说明第二方向上的调制特性变化的影响。基本上来说，可以实现从零到最大衍射效率的调谐范围(在第一方向上具有选定的光栅参数)。
从属权利要求涉及本发明的选定实施例。
在一些实施例中，第一区域和第二区域在所述第二方向上具有不同的填充系数调制特性。在一些实施例中，这是在第二方向上使用的唯一调制方法，这使得制造过程更简单，因为不需要局部的高度调制。然而，并不排除第一区域和第二区域除了填充系数调制之外或作为填充系数调制的替代而在第二方向上具有不同的高度调制特性。
在一些实施例中，第一区域和第二区域在第一方向和/或第二方向上具有相同的周期，即，在这些方向中的一个或两个方向上没有周期调制。然而，并不排除第一区域和第二区域在第一方向和/或所述第二方向上具有不同的周期。
在一些实施例中，光栅结构至少部分地由折射率高于1.7、例如高于2.0的材料制成，该材料优选地是氧化物材料、例如金属氧化物，或氮化物，例如TiO2、SiO2、Si3N4或HfO2。这些材料允许在高折射率的基板上形成高质量的光栅。
在一些实施例中，第一和第二区域的光栅结构包括柱，诸如在光栅的横向平面中具有矩形、椭圆形或卵形的横截面形状的柱。在一些实施例中，柱具有平坦或倾斜的顶部。
在一些实施例中，第一周期长于光学衍射阈值，而第二周期短于所述光学衍射阈值，所述光学衍射阈值例如选自100-700nm的范围。
在一些实施例中，第一区域和第二区域均具有至少0.001mm2的横向面积，例如0.01mm2至100mm2。
在单个光栅中，至少与其相邻区域或者甚至所有其他区域相比，在第二方向上具有不同调制特性的区域的数量例如可以是2-1000，例如3-1000，比如说10-100。
接下来将参考附图来更详细地讨论本发明的实施例及其优点。
附图说明
图1示出了根据本发明的一些实施例的用于效率调制的光栅几何形状的示意图。
图2A示出了传统的一维闪耀光栅，其被表示为在y方向上的填充系数为1的二维光栅。
图2B示出了根据本发明的一个实施例的具有通过减小每个2D光栅单元中的光栅区域的尺寸而改变的衍射效率的闪耀光栅。每个单元内的其余结构具有圆形的面内形状。
图3示出了具有像素化的输入耦合光栅(G1)、出射光瞳扩展光栅(G2)和输出耦合光栅(G3)的衍射式NED光导。
图4A示出了二元一维光栅的第一透射级的衍射效率如何随光栅高度而变化的一个例子。
图4B示出了一维光栅的第一透射级的衍射效率如何随光栅填充系数而变化的一个例子。
图5示出了一维二元光栅的第一透射级的衍射效率如何随y方向上的填充系数而变化，其中该光栅表示为具有y方向上的亚波长周期的二维光栅。
具体实施方式
定义
“第一方向”和“主方向”是指在相关的特定区域中发生实际衍射的光栅的方向，即，光栅图案周期性在光学衍射范围内的方向。
“第二方向”和“次方向”是指用于衍射效率调制的光栅图案的亚波长周期性方向。
“横向”和“面内”涉及由第一方向和第二方向所限定的平面。通常来说，这对应于在其上制造光栅的平面基板的平面。“法线”方向是指垂直于横向的平面的方向。
术语“区域”(例如“第一区域”和“第二区域”)是指光栅在横向平面中的区域，该区域分别具有特征，特别是亚波长调制特征。通常，这些区域是离散的，由此调制特性在每个区域内是恒定的，并在区域的边界处步进式变化。但是，例如连续调制的光栅也属于本发明的范围内。
术语“填充系数”是指在光栅周期内光栅结构的材料与周围材料(例如具有不同折射率的空气或其他固体材料)的比例。对于矩形光栅线的典型情况来说，这等于线宽与周期宽度的比例。因此，“填充系数调制”是指在光栅的横向尺寸中(即在周期性结构的周期之间)改变填充系数。
同样，“高度调制”是指在光栅的法线方向上改变光栅的构造块的高度。例如，对于一组柱来说，元件高度是线的顶部(柱顶)和相邻凹坑(谷底)之间在法线方向上的距离。
“调制特性”通常是指光栅的影响填充系数调制或高度调制、并因此影响衍射效率的任何几何特性。
“亚波长”周期性结构是指具有足够短的基本尺寸以防止衍射到特定应用中使用的波长(例如所有可见光的波长)的传播衍射级、特别是第一衍射级(例如第一透射级)的结构。亚波长调制相应地是指亚波长周期性结构的调制。
选定实施例的描述
图1示出了正交几何形状的亚波长调制光栅。光栅在其横向平面中包括在x方向上以行和在y方向上以列而排列的多个单元(虚线边界)。光栅在相互垂直的方向上具有两个周期dx和dy，该周期定义了单元的尺寸。第一方向上的周期(在这种情况下为x方向上的周期dx)选择成可在该方向上发生衍射。第二方向上的周期(即y方向上的周期dy)选择得很小，使得在该方向上不存在传播的衍射级。
每个单元包括构造块，即，光栅特征11A、11B、12A、12B，它们在x方向和y方向上的横向尺寸分别为lx和ly。x方向上的填充系数为fx＝lx/dx，而y方向上的填充系数为fy＝ly/dy。根据本发明的原理，填充系数fy可用于效率调制。
应当注意，选择fy＝1会导致传统的一维光栅，即在y方向上具有连续光栅线的光栅。光栅的某些区域可能确实具有fy＝1，而至少某些其他区域(通常是多个其他区域)具有fy<1。
光栅的构造块，即光栅特征11A、11B、12A、12B可具有任何期望的几何形状。如图1的右手侧所示，构造块例如可以是：
－具有恒定高度的矩形柱(二元柱)，如示例性单元格1A中所示，
－几个矩形的二元柱，可选地具有不同的宽度和/或高度，如单元格1B中所示，
－具有不同高度hn的多个柱或相连的区块(离散高度的柱)，如单元格1C中所示，
－一个或多个具有高度梯度(连续变化的高度)的区块，如单元格1D中所示，或
－上述这些的任何可能组合。
另外，柱或任何子柱的横向形状可偏离于矩形。其他典型的形状包括圆形、椭圆形和三角形，但该形状几乎可以是任意形状。
遵循上述原理，可以通过改变光栅单元内的光栅结构的面内形状来调制任何一维光栅(例如二元光栅、闪耀光栅、倾斜光栅、多层光栅)的衍射效率。第二方向上的单元尺寸需要小到使得在第二方向上不存在衍射级。这扩展了效率调制的调节范围。
值得注意的是，对于比第二方向上的单位尺寸更长的波长来说，光栅表现为一维光栅，即在第二方向上没有衍射耦合。
应当注意，作为其中第一方向和第二方向偏离90度的正交几何形状的替代，进行亚波长调制的第二方向可以相对于第一方向成任何其他的倾角。
图2A和2B示出了一个例子，其中已经通过减小单元内的光栅结构的尺寸(图2B)来改变了常规的闪耀光栅(图2A)的衍射效率。单元内的其余结构具有圆形的面内形状。在图2A中，光栅线是沿着第二方向的连续线(填充系数为1)，然而出于说明目的在其中示出了虚构的单元。应当注意，图2B的光栅仍然是一维光栅，其波长比由单元的第二尺寸所确定的周期更大，但是其衍射效率通过减小每个单元中的光栅区域的尺寸而被修改。
光栅结构的材料可以是有机或无机的透明材料。根据一个实施例，使用了有机材料，特别是金属化合物，例如金属氧化物或金属氮化物。特别是，最终材料可以包括其折射率为2.0以上(例如2.2以上)的材料。该材料例如可以是TiO2、SiO2、Si3N4或HfO2。
在其上制造光栅结构的基板优选是光学透明的，例如玻璃基板或聚合物基板。这里，透明是指透射率高于50％，特别是高于95％。对于显示应用来说，优选的是基板是平面的，并且能够用作可见光波长的波导，即，允许它们经由全内反射而在基板内传播。
在典型的实施例中，光栅结构的材料的折射率高于基板材料的折射率。这允许通过全内反射在基板中传播的光在光栅的位置处离开基板并发生衍射。例如，基板的折射率可以小于2.0，而光栅材料的折射率可以大于2.0。
在第一方向上，光栅的周期通常为10μm或更小，特别是1μm或更小，例如200-800nm，而在第二方向上则更短。应当注意，除了恒定周期的光栅之外，本发明还可用于周期可在任一方向上调制的光栅。即，周期在光栅的横向尺寸上不需要是恒定的。
如果需要，可以将该光栅嵌入到光学结构中，即用一层或多层附加层来覆盖或涂覆。
本发明可以用于制造用于显示应用的光栅，例如可穿戴显示应用，例如虚拟现实或增强现实眼镜。衍射光栅例如可以是近眼显示器(NED)或平视显示器(HUD)的输出耦合光栅、输入耦合光栅或出射光瞳扩展器(EPE)。
特别是在显示应用中，所制造的光栅图案的面积通常至少为1cm2，例如2-500cm2。使用这里所讨论的方法获得的具有不同衍射效率的区域的数量例如可以是2-1000，例如2-100，但可以更多。这些区域也可以不是离散的，而是光栅的亚波长调制沿第二方向连续变化。
还应当注意，本发明可用于在单个器件内根据一个或两个横向方向上的光栅位置来局部地调节每个光栅的效率。例如，图3示出了光导30，在其顶面上具有三个光栅区域G1、G2和G3，即：输入耦合光栅G1、水平的出射光瞳扩展器G2和输出耦合光栅G3。例如，这种设计适用于NED。这些光栅区域中的每一个被划分为多个矩形区域32，即“像素”，通常具有从数十微米(例如20μm)到几毫米(例如10mm)的横向尺寸。像素也可以具有其他形状，例如三角形或多边形。像素大小可以局部地变化。每个光栅区域G1、G2和G3具有自己的基本光栅形状，但是光栅单元内不同像素的面积尺寸不同。针对每个像素来优化局部面积填充系数和面内填充形状，以获得在眼动范围内具有足够的色彩平衡、图像均匀性和效率的NED显示。自然，光栅区域G1、G2和G3中也可以仅有一个或两个使用了本发明的亚波长调制区域技术。
图4A和4B示出了如何使用高度和填充系数调制来调节介电二元光栅的第一透射级的衍射效率。通过傅里叶模态方法(也称为严格耦合波分析)获得了数值结果。二元光栅位于折射率为2.0的空气与玻璃基板之间的界面上，光栅周期为500nm，填充系数为0.5，并且光栅由与基板相同的材料制成。在法向入射处用具有450nm自由空间波长的平面波来照射光栅。显示了横向电极化(TE)和横向磁极化(TM)的结果。在图4A中，光栅填充系数为0.5，在图4B中，光栅高度为250nm。为了比较，图5示出了当在x方向(主方向)上的光栅高度和填充系数分别固定为150nm和0.5时，如何通过y方向(次方向，即亚波长方向)上的填充系数调制来调节衍射效率。y方向上的光栅周期是200nm。
图4A和4B表明，高度调制和填充系数调制通常对衍射效率有很大的影响。另一方面，图5示出了对于给定的光栅参数来说，本发明的亚波长调制方案提供了在从零到使用给定参数可实现的最大效率的很宽范围内调谐衍射效率的可能性。亚波长调制的一个优点是，例如与在主方向上同时使用填充系数和高度调制进行调谐相比，衍射效率作为亚波长填充系数的函数具有非常理想的线性表现。
引用文献
非专利文献
C.David,“Fabrication of stair-case profiles with high aspect ratiosfor blazed diffractive optical elements”,Microelectronic Engineering,53(2000).

Claims (19)

1.一种衍射光栅，包括第一区域和第二区域，每个区域均具有二维周期性的光栅结构，包括：
－第一方向上的第一周期(dx)，所述第一周期选择成允许可见光的选定波长在所述第一方向上衍射，和
－不同于所述第一方向的第二方向上的第二周期(dy)，所述第二周期足够短，以防止所述选定波长在所述第二方向上衍射，
其中，所述第一区域和第二区域中的光栅结构在所述第二方向上具有不同的调制特性，以产生针对所述第一区域和第二区域的不同的衍射效率。
2.根据权利要求1所述的光栅，其特征在于，所述第一区域和第二区域在所述第二方向上具有不同的填充系数调制特性。
3.根据权利要求1或2所述的光栅，其特征在于，所述第一区域和第二区域在所述第二方向上具有不同的高度调制特性。
4.根据权利要求2所述的光栅，其特征在于，在所述第二方向上，在所述第一区域和所述第二区域之间没有高度调制。
5.根据上述权利要求中任一项所述的光栅，其特征在于，所述第一区域和第二区域在所述第一方向和/或所述第二方向上具有不同的周期。
6.根据上述权利要求中任一项所述的光栅，其特征在于，所述第一区域和第二区域在所述第一方向和/或所述第二方向上具有相同的周期。
7.根据上述权利要求中任一项所述的光栅，其特征在于，所述光栅结构至少部分地由折射率高于1.7、例如高于2.0的材料制成，所述材料优选地是氧化物材料、例如金属氧化物，或氮化物，例如TiO2、SiO2、Si3N4或HfO2。
8.根据上述权利要求中任一项所述的光栅，其特征在于，所述第一区域和第二区域的光栅结构包括柱，诸如在所述光栅的横向平面中具有矩形、椭圆形或卵形的截面形状的柱。
9.根据权利要求8所述的光栅，其特征在于，所述柱具有平坦的或倾斜的顶部。
10.根据上述权利要求中任一项所述的光栅，其特征在于，所述第一周期(dx)长于光学衍射阈值，所述第二周期(dy)短于所述光学衍射阈值，所述光学衍射阈值例如在100-700nm的范围内。
11.根据上述权利要求中任一项所述的光栅，其特征在于，所述光栅包括至少三个、例如3-1000个这样的区域，所述区域与它们的相邻区域或所有其他区域相比在所述第二方向上具有不同的调制特性，其中每个所述区域的面积例如为0.001mm2或更大，例如0.01mm2至100mm2。
12.根据上述权利要求中任一项所述的光栅，其特征在于，所述区域以规则的网格、例如矩形网格来布置。
13.根据上述权利要求中任一项所述的光栅，其特征在于，所述第一方向和第二方向彼此正交。
14.一种衍射波导，包括能够充当光波导的基本上平坦的基板，以及至少一个布置在所述基板内或布置在所述基板上的衍射光栅，所述衍射光栅能够将光耦合到所述基板中、在所述基板内耦合或耦合到所述基板外，其中，所述衍射光栅是根据上述权利要求中任一项所述的光栅。
15.一种衍射显示装置，包括能够呈现图像的图像源以及衍射波导，所述衍射波导包括输入耦合光栅、输出耦合光栅和/或出射光瞳扩展光栅，并构造为能再现由所述图像源呈现的图像，其中，所述输入耦合光栅、输出耦合光栅和/或出射光瞳扩展光栅包括根据权利要求1至13中任一项所述的衍射光栅。
16.根据权利要求15所述的衍射显示装置，其特征在于，所述图像源具有输出波长或波长范围，并且所述光栅的第二周期(dy)处于所述图像源的亚波长区域中，以防止所述第二方向上的衍射。
17.一种用于在包括衍射光栅的衍射显示器上显示图像的方法，包括：
－将光引导到所述光栅的第一区域，以产生具有第一衍射效率的光学干涉，
－将光引导到所述光栅的第二区域，以产生具有第二衍射效率的光学干涉，
其中，使用根据权利要求1-13中任一项所述的衍射光栅作为所述衍射光栅。
18.在第一衍射方向上具有第一周期(dx)的光栅的亚波长周期构图在调节所述光栅的衍射效率中的用途，所述亚波长周期(dy)设置在与所述第一衍射方向不平行的第二方向上。
19.根据权利要求18所述的用途，其特征在于，其与所述光栅在所述第二方向上的填充系数调制相结合。
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