CN110753861A - 动态可致动衍射光学元件 - Google Patents
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Abstract
一种动态可致动衍射光学元件(DOE)，包括衬底和设置在该衬底的表面的第一区域上的衍射光栅。DOE进一步包括：一定量的流体，其被设置在衬底的表面的第二区域上；流体移位器，其邻近衬底的表面的第二区域设置；以及驱动信号源，其被配置为向流体移位器发送电信号。流体移位器被配置为：当接收到处于第一状态的电信号时，使一定量的流体中的一部分从表面的第二区域移位到衍射光栅的凹槽中；以及当接收到处于第二状态的电信号时，使一定量的流体中的该部分从衍射光栅的凹槽退回到表面的第二区域。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年6月19日提交的、序列号为62/521,804的美国临时专利申请的权益，其内容通过引用整体并入。
技术领域
本发明涉及衍射光学元件，更具体地，涉及可切换衍射光学元件。
背景技术
衍射光栅是一种光学部件，其可将光偏转一个角度，该角度取决于光的波长和光栅上的入射角。衍射光栅具有周期性结构，该周期性结构的周期在将要使用的光的波长的数量级上。周期性结构可以是透明材料的折射率的体积调制或表面浮雕轮廓。衍射光栅的操作由光栅方程控制：
其中，θm是从衍射光栅出射的光相对于垂直于光栅的表面的矢量的角度(衍射角)；λ是波长；m是称为“阶”的整数值参数；d是光栅的周期；θi是光相对于垂直于光栅的表面的矢量的入射角。
光栅也可以是闪耀的，即，给定特定的周期性轮廓，以便将它们衍射的光集中到由阶参数m的特定值指定的特定“阶”中。光栅可以是反射的，在这种情况下，光在光入射到光栅上的同一侧离开光栅，或者主要是透射的，在这种情况下，光主要在光栅的与光入射相反的一侧出射。
申请人已经开发了包括透明目镜的增强现实系统，该透明目镜包括多个波导，这些波导将图像式(image-wise)调制光耦合到用户的眼睛。在序列号为15/146,296的、名称为“Separated Pupil Optical System for Virtual and Augmented Reality andMethods for Displaying Images Using the Same(用于虚拟现实和增强现实的分离光瞳光学系统以及使用该系统显示图像的方法)”的申请人的共同未决的美国专利申请中公开了这样的系统。将光耦出波导的光学特征可以适于将不同的发散的场曲率赋予出射光，以便模拟超出目镜距用户眼睛的距离(例如几米远的距离)的某个物距。(例如，场曲率可对应于从几十厘米或几十米远的点发出的球面波)。将发散的场曲率赋予由目镜发射的光会触发人眼的聚焦机制，以使其聚焦在与球面波的虚拟点源的距离相等的距离处，该球面波在眼睛的位置处会具有这样的发散的场曲率，这有助于创建虚拟3D对象的更逼真的错觉。提供多个波导的堆叠，其中每个波导具有将不同的发散的场曲率赋予出射光的光学特征，这能改善虚拟3D对象的错觉，并且还避免了长期使用3D可视化系统所导致的潜在不舒适的效应，在该3D可视化系统中存在基于发散的场曲率的眼睛调节提示与指示到对象的距离的其他3D感知提示之间的失配。申请人的上面引用的未决美国专利申请公开了一种系统，其中多个波导中的每一者具有耦入衍射光栅，该耦入衍射光栅将来自空间调制光源(例如，光纤扫描仪、2-D光调制器)的光耦入。耦入光栅在空间上分离，即彼此不重叠，这需要空间调制光源在大面积上提供空间调制光。在二维光调制器(例如，LCoS或DLP)的情况下，对大面积空间调制光的需求增加了相关光学器件(例如，棱镜、透镜元件)的尺寸和成本，并且增加了图像场尺寸，如果不通过增加成本的光学器件来补偿，则这通常导致图像场周边处的图像质量的退化。因此，将期望能够在将光耦合到增强现实目镜的多个波导中时在消除对增加像场尺寸的需要的同时耦合光。
除衍射光栅之外，衍射光学元件提供了替换常规反射和折射光学元件的更轻的重量。其他类型的衍射光学元件包括正和负衍射透镜。最近，基于对超材料的研究，已经开发了新颖的表面浮雕衍射透镜设计。较新的超材料透镜与传统的衍射光学元件在它们可以包括波长尺度表面浮雕结构方面相似。将期望提供可以开启和关闭的光学元件。
发明内容
根据一些实施例，一种动态可致动衍射光学元件(DOE)包括具有表面的衬底。该表面包括第一区域和从第一区域横向移位的第二区域。该动态可致动DOE进一步包括衍射光栅，该衍射光栅被设置在衬底的表面的第一区域上。该衍射光栅具有第一折射率，并且包括多个脊和在相邻脊之间的多个凹槽。该动态可致动DOE进一步包括一定量的流体，该一定量的流体被设置在衬底的表面的第二区域上。该流体具有与衍射光栅的第一折射率基本上匹配的第二折射率。该动态可致动DOE进一步包括邻近衬底的表面的第二区域设置的流体移位器，以及被耦接到流体移位器并被配置为向流体移位器发送电信号的驱动信号源。该电信号具有第一状态和第二状态。该流体移位器被配置为：当接收到处于第一状态的电信号时，使一定量的流体中的一部分从表面的第二区域移位到衍射光栅的凹槽中，从而使衍射光栅处于“关闭”状态；以及当接收到处于第二状态的电信号时，使一定量的流体中的该部分从衍射光栅的凹槽退回到表面的第二区域，从而使衍射光栅处于“开启”状态。
根据一些其他实施例，一种用于将图像光投射到观看者的眼睛以形成虚拟内容的图像的目镜包括：第一平面波导，其被配置为传播以第一波长为中心的第一波长范围内的光；以及第一动态可致动衍射光学元件(DOE)，其以第一横向位置被形成在第一波导的表面的第一区域上，并且被配置为接收入射在其上的图像光。该第一动态可致动DOE包括：表面浮雕衍射光栅，其具有第一折射率并包括多个脊和在相邻脊之间的多个凹槽；以及一定量的流体，其被设置在第一波导的表面的邻近第一区域的第二区域上。该流体具有与衍射光栅的第一折射率基本上匹配的第二折射率。该第一动态可致动DOE进一步包括：流体移位器，其邻近第二区域设置；以及驱动信号源，其被耦接到流体移位器并被配置为向流体移位器发送电信号。该电信号可以具有第一状态或第二状态。该流体移位器被配置为：当接收到处于第一状态的电信号时，使一定量的流体中的一部分从第二区域移位到衍射光栅的凹槽中，从而使衍射光栅处于“关闭”状态；以及当接收到处于第二状态的电信号时，使一定量的流体中的该部分从衍射光栅的凹槽退回到第二区域，从而使衍射光栅处于“开启”状态。该衍射光栅被配置为：当处于“开启”状态时，将入射在其上的图像光中的一部分衍射到第一波导中以在其中传播；以及当处于“关闭”状态时，透射入射在其上的图像光。该目镜进一步包括：第二平面波导，其被基本上平行于第一波导的平面定位，并且被配置为传播以与第一波长不同的第二波长为中心的第二波长范围内的光；以及第二DOE，其以第二横向位置被形成在第二波导的表面的区域上，该第二横向位置与第一横向位置基本上对齐。该第二DOE被配置为：当衍射光栅处于“关闭”状态时，接收由衍射光栅透射的图像光；以及将图像光的第二部分衍射到第二波导中以在其中传播。
根据又一些实施例，一种动态可致动透镜包括：衬底，其具有表面；以及超表面衍射光学元件(DOE)，其被形成在衬底的表面上。该超表面DOE包括在表面上方突出的多个凸起部，在相邻的凸起部之间限定多个沟槽。该动态可致动透镜进一步包括：可移动盖，其覆盖超表面DOE并且包括亲水性材料；一定量的流体，其被设置在可移动盖上；以及驱动机构，其被耦接到可移动盖。该驱动机构被配置为：当接收到处于第一状态的控制信号时，将可移动盖朝向超表面DOE移动，以将一定量的流体中的一部分移位到多个沟槽中，从而使超表面DOE处于“关闭”状态；以及当接收到处于第二状态的控制信号时，将可移动盖远离超表面DOE移动，使一定量的流体中的该部分从多个沟槽退回，从而使超表面DOE处于“开启”状态。
附图说明
附图示出了本发明的优选实施例的设计和实用性，其中相似的元件由共同的附图标记指代。为了更好地理解如何获得本发明的上述和其他优点和目的，将通过参考在附图中示出的本发明的具体实施例来对以上简要描述的本发明进行更具体的描述。应理解这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，因此不应被认为是对本发明范围的限制，将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和解释本发明，其中：
图1是根据实施例的一副增强现实眼镜的示意性透视图；
图2是根据实施例的图1所示的增强现实眼镜的目镜的一部分的示意性侧视图；
图3是根据实施例的动态可致动衍射光学元件的示意性分解图；
图4示意性地示出了根据实施例的包括双金属元件驱动的流体移位机构的被示出为处于开启状态的动态可致动衍射光学器件；
图5示出了根据实施例的处于关闭状态的图4所示的动态可致动衍射光学器件；
图6是根据实施例的包括静电MEMS梳状驱动的动态可致动衍射光学器件的示意性分解图；
图7是根据实施例的包括基于形状记忆合金的致动器的动态可致动衍射光学器件的示意性截面正视图；
图8是根据实施例的包括位于桁架和光学窗口之间的致动器的动态可致动衍射光学器件的示意性透视图；
图9是根据实施例的利用流体的热膨胀来驱动致动的动态可致动衍射光学器件的示意性透视图；
图10是根据实施例的被示出为处于开启状态的包括静电流体移位器的动态可致动衍射光学器件的示意性截面图；
图11是根据实施例的示出为处于关闭状态的图10所示的动态可致动衍射光学器件的截面图；
图12是根据实施例的超材料衍射光学元件的示意性俯视图；
图13是根据实施例的包括图12所示的超材料衍射光学元件的示出为处于开启状态的动态可致动透镜的示意性截面正视图；
图14是根据实施例的示出为处于关闭状态的图13所示的动态可致动透镜的示意性截面正视图；
图15示意性地示出了根据一些实施例的可经由电渗效应操作的动态可致动衍射光栅的分解图；
图16示出了根据一些实施例的图15所示的动态可致动衍射光栅的组装图；
图17A和图17B示出了根据一些实施例的图15和图16所示的动态可致动衍射光栅的操作原理；
图18A和图18B示意性地示出了根据一些实施例的基于电渗效应的动态可切换衍射光栅；
图19A和图19B示意性地示出了根据一些其他实施例的基于电渗效应的动态可切换衍射光栅；
图20示意性地示出了根据一些实施例的动态衍射光栅的截面图；
图21示出了根据一些实施例的图20所示的动态衍射光栅的透视图；
图22示意性地示出了根据一些实施例的具有基于纳米流体(nanofluidics)的动态可切换光学器件的目镜；
图23示意性地示出了根据一些其他实施例的具有基于纳米流体的动态可切换光学器件的目镜；
图24示出了根据一些实施例的具有基于纳米流体的动态可致动衍射光栅的目镜；
图25示出了根据一些其他实施例的具有基于纳米流体的动态可致动衍射光栅的目镜；
图26A至图26D示意性地示出了根据各个实施例的基于电润湿的一些动态可切换衍射光栅；以及
图27A至图27B示意性地示出了根据一些实施例的基于光电润湿的动态衍射光栅。
具体实施方式
图1是根据实施例的一副增强现实眼镜100的透视图。眼镜100包括框架102，该框架102包括通过前件108连接的左臂104和右臂106。前件108支撑左目镜110和右目镜112。为了讨论的目的特别地参考右目镜112，右目镜112包括多个波导的右堆叠114。右波导堆叠114是透明的，使得佩戴眼镜100的人在佩戴增强现实眼镜100时可以看到真实世界，并且虚拟内容可以与真实世界相叠加并在真实世界的情景中显示。如图1可见，包括在右堆叠波导114中的右前波导116包括右前选择性可致动的耦入光栅118、右前正交光瞳扩展器120和右前出射光瞳扩展器122。如由申请人的序列号为14/696,346、名称为“Planar WaveguideApparatus with Diffraction element(s)and System Employing Same(具有一个或多个衍射元件的平面波导装置和利用该装置的系统)”的Abovitz等人的共同未决专利申请所教导的，出射光瞳扩展器可以被设计为将与不同虚拟源光相对应的不同场曲率赋予出射光。类似地，左目镜110包括左波导堆叠124，左波导堆叠124包括左前波导126。如图1可见，左前波导包括左前选择性可致动耦入光栅128、左侧正交光瞳扩展器130和左侧出射光瞳扩展器132。左目镜110也是透明的。图像式调制光的左侧光源134和图像式调制光的右侧光源136分别被支撑在框架102的左臂104和右臂106的内部，并分别选择性地光学耦合到左波导堆叠124和右波导堆叠114。
图2是右目镜112的示意性侧视图。需要注意的是，为了说明的目的，相对于图1所示的放置，在图2中改变了耦入光栅118、正交光瞳扩展器120和出射光瞳扩展器122的放置。尽管未示出，但是左目镜110的结构是右目镜112的结构的镜像。如图2所示，除了右前波导116之外，右目镜112的多个波导的右堆叠114还包括设置在右前波导116后面的右第二波导202、设置在右第二波导202后面的右第三波导204、设置在右第三波导204后面的右第四波导206、设置在右第四波导206后面的右第五波导208、设置在右第五波导208后面的右后波导210。第二至第五波导202、204、206、208和后波导210分别具有第二至第六选择性可致动耦入光栅118b、118c、118d、118e、118f。选择性可致动耦入光栅118a、118b、118c、118d、118e、118f可以被设计，即，具有光栅节距和轮廓(例如，闪耀轮廓)，以将垂直入射的图像式调制光偏转到波导116、202、204、206、208的临界角以上的角度。第二至第五波导202、204、206、208和后波导210也各自包括附加的正交光瞳扩展器组214中的一个正交光瞳扩展器，以及附加的出射光瞳扩展器组216中的一个出射光瞳扩展器。
六通道驱动信号源218被电耦接到右前和第二至第六选择性可致动耦入光栅118a、118b、118c、118d、118e、118f，并被用于切换选择性可致动耦入光栅118a、118b、118c、118d、118e、118f的状态。在操作中，可一次操作选择性可致动耦入光栅118a、118b、118c、118d、118e、118f中的一者，以便将来自图像式调制光的右侧光源136的图像式调制光选择性地路由到右波导堆叠114中的波导116、202、204、206、208、210、212中的一者中。图像式调制光的右侧光源136在分离的时间子帧周期期间针对不同的颜色通道和不同的虚拟对象深度适当地输出图像式调制光。特定序列的颜色通道和深度平面可以以视频帧周期性地重复。六个波导的堆叠114可包括两个三波导组，其中两组中的每组包括红色、绿色和蓝色通道波导，并且两组中的每组以两个虚拟物距之一发射光，该两个虚拟物距由发射光的场曲率确定。六通道驱动信号源218适当地与图像式调制光源132同步，以使得当用于特定颜色通道和特定虚拟物距的图像式调制光由图像式调制光源136输出时六通道驱动信号源218被操作以选择性地开启对应于特定颜色通道和特定虚拟物距的波导的选择性可致动耦入光栅。因此，对于每个视频帧周期，每个选择性可致动耦入光栅将被打开一次。从右目镜110的前方出射的光向后引导传输到眼睛位置220。
图3是根据实施例的动态可致动衍射光学元件300的分解图。图3所示的动态可致动衍射光学元件300可以例如被用作增强现实眼镜的选择性可致动耦入光栅118a-118f中的一者或多者。可以使用与所示出的不同的光栅轮廓，例如闪耀光栅轮廓。参考图3，光学元件300包括透明的底部衬底302和透明的顶部衬底304。在动态可致动衍射光学元件用作选择性可致动耦入光栅118a-118f中的一者的情况下，透明的底部衬底302可采用波导116、202、204、206、208、210中的一者的形式。应当理解，诸如“顶部”和“底部”的相对位置的指示与图中所示出的透视图对应，并且在现实世界中使用所描绘的器件的取向可以相对于图中所示出的取向变化。在透明底部衬底302的顶表面308上示出了周向密封件306，并且当组装光学元件300时，周向密封件306还将啮合透明顶部衬底304的底表面310，以在透明底部衬底302和透明顶部衬底304之间形成密封空间312。周向密封件306适当地由柔性材料形成，诸如例如柔性聚合物材料。一组四个底部金属化图案314位于底部衬底302的顶表面304上，并且对应的一组四个顶部金属化图案316在顶部衬底的底表面310上与四个底部金属化图案314相对地定位。四个底部金属化区域314各自包括底部安装焊盘318，并且四个顶部金属化区域316分别包括顶部安装焊盘320。一组四个机电转换器322中的每一者经由底部安装焊盘318和顶部安装焊盘320机械地耦接到底部衬底302和顶部衬底304。例如，机电转换器322可以包括：压电元件；可热膨胀的、电活性聚合物、可电加热的材料块；可变形材料，其通过施加在相对的安装焊盘318、320上的相反电荷之间的静电势而变形；配备加热器的双金属元件；形状记忆合金，其桥接在相对的安装焊盘318、320之间，以使加热电流可以传输通过；或利用磁力的转换器，诸如基于洛伦兹力的转换器，诸如音圈马达。四个底部金属化区域314中的每一者还包括底部外部电路接触焊盘324，并且四个顶部金属化区域316中的每一者还包括顶部外部电路接触焊盘326。驱动信号源328被耦接到底部外部接触电路焊盘324和顶部外部电路接触焊盘326。在动态可致动衍射光学元件300用作选择性可致动耦入光栅118a-118f中的一者的情况下，驱动信号源328可包含在六通道驱动信号源218中。
透射式表面浮雕衍射光栅330位于周向密封件306内部的密封体积312中的底部衬底302的顶表面308上。透射式表面浮雕衍射光栅330包括通道组331。在用于理解衍射光栅的操作的电磁理论的情景下，将制造衍射光栅330的材料称为第一介质，将衍射光栅330上方的材料或真空称为第二介质。衍射光栅330的表面形成第一介质和第二介质之间的边界。透明的间隔块332位于顶部衬底304的底表面310上。示出的流体334的膜粘附到间隔块332的底表面336。流体334可以例如是水或包括水。底表面336可以是没有任何有机污染物的干净的玻璃。干净的玻璃是亲水性的。透射式表面浮雕衍射光栅330可以由聚合(例如，有机、硅基)材料制成。聚合材料通常是疏水的。透射式表面浮雕衍射光栅330可以例如是微压印紫外光固化聚合物。可选地，透射式表面浮雕衍射光栅330可以涂覆有比制造透射式表面浮雕衍射光栅330的主体的材料更疏水的材料。可替代地，底表面336可以被化学处理以表现为亲水性，并且透射式表面浮雕衍射光栅330的表面可以被化学处理以表现为疏水性。
例如，假设凹槽331的深度为约200纳米并且光栅330的长度和宽度具有毫米的量级，则提供足够的流体以填充凹槽331所需的流体334的膜的体积将是具有十分之一微微升的量级的量。当特定形状的流体的本身的尺寸缩小时，表面积与体积的比率增加。因此，与流体本身的惯性相比，毛细作用力增加，这意味着吸引到亲水性表面的流体的位移被加速。在当前情况下，当间隔块332的底表面336向上移位时，填充凹槽331所需的少量流体334导致流体334的迅速排出。
当机电转换器322处于第一状态时，透明间隔块330的底部336与透射式表面浮雕衍射光栅330的顶部之间的间隔可以被设置为为流体334提供足够的空间，以将流体334涂覆在透明间隔块332的底表面336上而没有侵入衍射光栅330的凹槽331中。在流体334是水的情况下，因为透明间隔块332的底表面336是亲水性的并且衍射光栅330的表面是疏水性的，水会自然地倾向于从凹槽流出并粘附到透明间隔块332的底表面336。当驱动信号源328被操作以将机电转换器322的状态改变到第二状态时，透明间隔块332的底表面336和衍射光栅330之间的距离减小，迫使流体334进入凹槽331中。除了流体334之外，密封体积322可基本上没有其他流体或被部分抽空(即，包括低于大气压的气体)，以便减小用于在机电转换器322作用下减小底部衬底302与顶部衬底之间的间隔的耐压性。由于流体334具有的折射率比封闭在密封体积312内的真空或任何气体的折射率更接近用于形成透射式表面浮雕衍射光栅330的材料的折射率，所以迫使流体334进入凹槽331中会基本上改变衍射光栅330的操作。当流体334被迫使进入凹槽331中时，光通量将从较高的衍射阶移至0阶。对于透射式光栅，0阶对应于在光入射到衍射光栅330上的同一方向上继续传播的光(参见上面的等式1)。再次参考图2，在动态可致动衍射光学元件300用于选择性可致动耦入光栅118a-118f中的每一者的情况下，通过将能量切换到0阶来有效地选择性地将光栅330中的任一者切换为关闭的能力使得可以将来自光源136的图像式调制光选择性地耦合到波导116、202、204、206、208、210中的一者中。由于耦入光栅118a-118f彼此重叠地布置，所以图像式调制的0阶光将遍历波导堆叠114，直到到达流体334从光栅凹槽331中移出的耦入光栅，然后将被衍射成高于TIR的临界角的更高阶，从而被路由到波导116、202、204、206、208、210中的一者中。
图4示出了包括双金属元件驱动的流体移位机构的被示出为处于开启状态的动态可致动衍射光学器件400，并且图5示出了处于关闭状态的光学器件。参考图4，光学器件400包括透明基底402，在该透明基底402上支撑有表面浮雕透射式衍射光栅404。透射式衍射光栅404包括从左向右延伸的凹槽406的平行阵列。凹槽附近是亲水性表面408。亲水性表面408可以是透明基底402的表面，或者可以是透明基底402上的涂层的表面。透明基底402可以包括天然亲水性玻璃。在图4中，一定量的流体410被示出为在亲水性表面408上，该一定量的流体410被亲水性表面408的亲水性吸引力吸到该亲水性表面408。光学窗口412由双金属臂414支撑在亲水性表面上方。加热元件416形成在双金属臂414上。通常，双金属臂414在室温下是笔直的，并且通过由使电流流过加热元件416引起的加热将被诱导成图4所示的弯曲状态。当切断电流时，双金属臂414恢复到笔直的关闭状态，图5所示的配置将光学窗口412向下带到透明基底402，并且将一定量的流体移位到衍射光栅404的凹槽406中。可以在光学窗口412和双金属臂414的周围设置围堰(未示出)，以容纳流体410。将流体410移位到凹槽406中将减少或基本消除光到更高衍射阶的衍射，诸如例如光栅404优选是闪耀的衍射阶。如果流体410的折射率等于透射式衍射光栅404的折射率，则用流体410填充凹槽408将消除光到更高衍射阶(例如，光栅优选是闪耀的阶)的衍射。如果流体410的折射率与光栅404的折射率匹配并且流体410透明，则当凹槽408填充有流体410时入射光将以零阶传播通过。需要注意的是，在图5中，用减小的线宽绘制凹槽406，以指示在流体410的折射率与光栅404的折射率不完全匹配的情况下凹槽的部分有效消失的情形。填充凹槽406的一定量的流体410在图5中不明显可见。如果流体410是吸收式的，则入射光中的一部分将被吸收。如图4所示，当光学器件400处于开启状态时，入射光线418在传播通过光栅404时通过衍射而偏转，以产生衍射光线420。衍射光线被示出为相对于笛卡尔(cartesian)坐标系三元组(triad)424取向。如图5所示，当光学器件400处于关闭状态时，入射光线418穿过填充有流体410的光栅404，作为零阶透射光线422而继续。
图6是根据实施例的包括静电MEMS梳状驱动602的动态可致动衍射光学器件600的分解图。器件600包括支撑在透明基底606上的表面浮雕衍射光栅604。该表面浮雕衍射光栅604包括形成在光栅的表面607处的采用沟槽形式的平行通道阵列605。尽管凹槽位于衍射光栅606的顶表面607上，但是可替代地，通道可以被完全封闭并且在顶表面607下方延伸(run)，在这种情况下，顶表面可以是平坦的，但是也可以具有压印在其中的第二表面浮雕衍射光学器件。亲水性表面608邻近透明基底606上的衍射光栅604定位。U形外围坝610包括部分地围绕光栅604和亲水性表面608的三个侧面。桥接U形外围密封件610的开口端的剩余的侧面被弹性壁612占据。光学窗口614附接到形成封闭体积616的U形外围坝和弹性壁612。U形外围坝610的高度大于衍射光栅604的高度。透明间隔块618附接到光学窗口614的面向衍射光栅604的底表面620。在衍射光栅604和间隔块618的底表面622之间可以具有小的间隙或没有间隙。示出了一定量的流体624，其邻近衍射光栅604定位，覆盖亲水性表面608。在衍射光栅604沟槽605的区域中的横截面积(X-Z平面中的面积)小于亲水性表面608上方的横截面积。
梳状驱动602包括与第二梳状部628交叉的第一梳状部626。可以将电势施加到第一梳状部626和第二梳状部628(例如，通过6通道驱动信号源218)，以便建立第一梳状部626和第二梳状部628之间的静电力。第一梳状部626可以基本上刚性地固定到透明基底606，并且第二梳状部628可以例如通过一体成型的弯曲部(未示出)地可移动地机械地耦接到透明基底606。顶推件630与第二梳状驱动616一体成型。顶推件630抵靠弹性壁612并且可以附接到弹性壁612。在操作中，将电压施加到梳状部626、628，以便引起顶推件630在弹性壁612上施加拉力或推力，以便允许流体624占据覆盖亲水性表面608上方的空间，或迫使流体624中至少一部分进入光栅604的凹槽605中。由于光栅604上方的横截面积(X-Z平面)与亲水性表面608上方的横截面面积相比的差异，因此如果亲水性表面608上方的区域在光栅开启状态下基本上填充有一定量的流体624，且一定量的流体624基本上被限制在亲水性表面608上方的区域，那么弹性壁612的小位移将导致一定量流体624中的至少一部分遍历光栅604的长度，填充光栅604的凹槽605。
图7是根据实施例的包括基于形状记忆合金702的致动器的动态可致动衍射光学器件700的截面正视图。器件700包括支撑在透明基底706上的表面浮雕衍射光栅704。该衍射光栅704包括一系列凹槽703(为了避免使附图拥挤，列举了有限数量的凹槽)。透明盖708覆盖表面浮雕衍射光栅704而定位。透明间隔物710附接到透明盖708的面向表面浮雕衍射光栅704的内表面712。边缘密封件714密封在透明基底706和透明盖708之间，并且在如图7所示的器件700的右侧处可见。柔性隔膜716位于光栅704的左侧。一定量的流体718被设置在由边缘密封件714、透明间隔物710、光栅704、透明基底706和隔膜716所界定的空间720中。形状记忆合金702呈螺旋形式，并在第一端722处被连接到在间隔块726与第二密封件728之间延伸的第一电极724。形状记忆合金702的第二端730与第二电极732滑动接触，该第二电极732形成在隔膜716的与光栅704相对的一侧的透明盖上。第一电极724和第二电极732连接到电源(未示出)。形状记忆合金702的第二端730也抵靠在滑动活塞734上，而滑动活塞734继而抵靠在隔膜716上。可替代地，活塞734可以与形状记忆合金702一体成型。当通过第一电极720和第二电极730向形状记忆合金702施加电能时，形状记忆合金702拉长(涉及形状记忆合金702的螺旋形状的螺旋节距的伸长)，推动滑动活塞734，滑动活塞734继而推动隔膜716，隔膜716将流体718移位到光栅的凹槽703中。虽然如图7所示，凹槽703垂直于图纸的平面延伸，但是可替代地，凹槽703可平行于图纸的平面或沿另一方向延伸。衍射光栅704适当地由疏水材料制成，并且透明基底706的暴露的顶表面736适当地是亲水性的，使得在没有由施加到形状记忆合金的电能引起的移位作用的情况下，流体718被吸引到暴露的顶表面736并离开衍射光栅的凹槽703。流体718具有比空间720中的剩余气体更接近衍射光栅的折射率的折射率，以使得当流体718在凹槽703中时，光栅704的衍射效率基本上降低。因此，通过选择性地将流体718移入和移出凹槽703，可以有效地开启或关闭动态可致动衍射光栅700。
图8是包括位于桁架804和光学窗口806之间的致动器802的动态可致动衍射光学器件800的透视图。器件800包括支撑在透明衬底810上的表面浮雕透射式衍射光栅808。衍射光栅808包括一系列凹槽807。光学窗口806由边缘密封件812支撑在透明衬底810上，形成光栅808所位于的内部空间814。桁架804在光学窗口806的两侧面结合到透明衬底810，并且致动器定位在桁架804和光学窗口806之间。亲水性表面816(例如，透明衬底810的裸露表面)被定位在邻近光栅808的内部空间818中。在内部空间818中提供一定量的流体817，并且由于表面816的亲水性特点和光栅808的疏水性特点，一定量的流体817倾向于自然地聚集在亲水性表面816上。致动器802可以采用机电转换器的形式，诸如通过非限制性示例，压电元件、音圈马达或电可加热的、热膨胀的材料体。桁架804和致动器802位于亲水性表面814上方。致动器802的致动在光学窗806上施加向下的力，使光学窗806向下弯曲和/或使边缘密封件812在亲水性表面816的附近压缩，从而将一定量的流体817(或其部分)移位到光栅808的凹槽807中。因此，通过选择性地将一定量的流体817移入或移出凹槽807，可以有效地开启或关闭动态可致动衍射光学器件800。
图9是利用流体的热膨胀来驱动致动的动态可致动衍射光学器件900的透视图。器件900包括与保持流体906的流体储存器904接触的加热器元件902。储存器904与容纳表面浮雕衍射光栅910的光栅腔室908流体连通。表面浮雕衍射光栅910包括一系列凹槽912。流体储存器904包括亲水性表面914。在操作中，加热器元件902被激活，这导致流体906膨胀到光栅腔室908中，填充衍射光栅910的凹槽912，并基本上降低衍射光栅910的效率，有效地关闭衍射光栅910。随后，加热器元件902可以被关闭，并且流体允许冷却并收缩回到流体储存器904中。
图10是被示出为处于开启状态的包括静电流体移位器1016的动态可致动衍射光学器件1000的截面图，并且图11是处于关闭状态的动态可致动衍射光学器件1000的截面图。参考图10至图11，器件1000包括透明基底1002和由边缘间隔物1006和边缘密封件1008支撑在透明基底1002上方的透明窗口1004。透射式表面浮雕衍射光栅1010被支撑在透明基底1002上。表面浮雕衍射光栅1010包括一系列凹槽1011。透明间隔块1012被固定到衍射光栅1010上方的透明窗口1004的内表面1014。透明块1012的目的是减小衍射光栅1010上方的区域的体积，以使得相对少量的流体1030的位移可以填充该区域。静电流体移位器1016位于衍射光栅1010附近并且包括：固定电极1018，其支撑在透明基底1002上；第一亲水层1020(例如，玻璃)，其承载在固定电极1018上；移动电极1022，其定位在固定电极1018和第一亲水层1020上方；在移动电极1022上的第二亲水层1024(例如，玻璃)，其面向第一亲水层1020；第一柔性密封件1026，其密封在移动电极1022和固定电极1018之间；以及第二柔性密封件1028，其密封在移动电极1022和窗口1004之间。尽管凹槽1011被描绘为垂直于图纸的平面而对齐，但是实际上凹槽1011可以平行于纸的平面对齐，并一直延伸到第一亲水层1024。流体1030被设置在器件1000中，该流体1030具有与衍射光栅1010的折射率匹配的折射率，或具有比空气更接近衍射光栅的折射率的折射率。根据一种可能的操作模式，向固定电极1018施加固定电压，并且向移动电极1022施加正极性或负极性的电压。电极1018、1022的角色可以颠倒，只要施加所描述的电压。当施加到两个电极1018、1022的电压的极性相同(开启状态)时，移动电极1022将与固定电极1018排斥，从而在第一亲水层1020和第二亲水层1024之间开启间隙1032，从而允许流体1030的至少一部分按照其被吸引到亲水层1020、1024的自然吸引力而被吸引到间隙中。另一方面，当施加到两个电极1018、1022的电压的极性相反(关闭状态)时，电极1018、1022朝向彼此吸引，从而从亲水层1020、1024之间排出一定量的流体1030，并迫使流体1030进入衍射光栅1010的凹槽1011中。如图10所示，在器件1000处于开启状态的情况下，电极1018、1022被间隔地相对进一步分开，流体1030被亲水层1020、1024所吸引，并且很大程度上被限制到覆盖第一亲水层1020的区域，衍射光栅910正以其最大的效率起作用。另一方面，如图11所示，在器件1000处于关闭状态的情况下，电极1018、1022被间隔地相对更靠在一起，流体1030已经从亲水层1020、1024之间的区域基本排出到衍射光栅1010的凹槽1011中，并且光栅1010的衍射效率基本上被降低。
图12是超材料衍射光学元件1200的俯视图。超材料衍射光学元件1200用作透镜。光学元件1200包括表面浮雕结构1202，该表面浮雕结构1202包括多个凸起部1204(有限数量的凸起部被标记以避免使附图拥挤)。在某些实施例中，凸起部1204具有小于100纳米并且基本上小于光学耦接到超材料衍射光学元件1200的光源(未示出)的波长的最大横向尺寸。光学耦接到超材料衍射光学元件1200的光源例如可以是激光二极管(LD)或发光二极管(LED)。
图13是包括图12所示的超材料衍射光学元件1200的动态可致动透镜1300的示意性截面正视图。在图13中，动态可致动透镜1300被示出为处于开启状态。如图13所示，流体1302粘附到用于移位流体1302的可移动表面1304。可以选择流体1302和表面1304以彼此具有天然吸引力。图14是图13所示的动态可致动透镜1300的截面正视图，但该动态可致动透镜1300被示出为处于关闭状态。如图14所示，表面1304已经相对于图13所示的位置向下移动，从而将流体1302移位到表面浮雕结构1202中。选择流体1302以使其与表面浮雕结构1202的折射率紧密匹配，以便有效地减小表面浮雕结构1202对与该表面浮雕结构1202相互作用的光波的影响。
尽管以上描述了各种衍射光栅的实施例，但是可以提供包括在两种介质之间(例如，光学级聚合物和空气之间)的轮廓化边界的其他衍射光学元件，该轮廓化边界衍射光并且可以被流体覆盖，从而改变衍射功能。示例将包括用正或负表面浮雕图案衍射透镜代替上述实施例中的衍射光栅。
根据替代实施例，一种动态可致动反射式表面浮雕衍射光栅，其包括用于移入和移出反射式衍射光栅的凹槽的流体和用于将流体移入和移出凹槽的流体移位器。
根据本发明的一些实施例，纳米流体可被应用于衍射光学器件(其可被称为纳米光电子流体(nano-opto-fluidics))。可通过使用纳米级结构内的流体来形成可切换或可调谐的衍射光栅。这些纳米光电子流体器件可以潜在地使用多种不混溶的流体(例如，折射率匹配的流体以及具有明显不同的折射率的流体)，该多种不混溶的流体在由纳米流体致动技术致动的纳米流体电路内操作，以便在光学状态之间切换。
纳米流体是对限制在纳米级结构(例如，1至100nm)中的流体的研究。处于纳米级的流体的物理现象使流体的行为与处于宏观结构(例如，涡轮机)甚至微观结构(例如，喷墨打印头)的行为明显不同。例如，电渗现象在纳米级处更加明显。
电渗流(也被称为电渗)是由跨诸如毛细管、膜片、微通道或任何其他流体导管的多孔材料施加电势引起的流体运动。电渗是由诸如水或电解质溶液的极性流体中的净移动电荷上的电场引起的库仑力导致的。因为固体表面和电解质溶液之间的化学平衡通常导致界面获得净固定电荷，所以在界面附近的区域中形成移动离子层，称为双电层或德拜(Debye)层。当向流体施加电场时(通常经由放置在入口和出口处的电极)，由产生的库仑力引起双电层中的净电荷移动。流的特征取决于固体表面和流体之间的化学相互作用、通道的特征长度尺度以及所施加的电场。
图15示意性地示出了根据本发明的一些实施例的可基于电渗效应操作的动态可致动衍射光栅1500的分解图。图16示出了动态可致动衍射光栅1500的组装图。衍射光栅1500可以被制造在光波导1510上，并且可以用作用于光波导1510的耦入光栅。波导1510可以包括例如蓝宝石或其他介电材料。衍射光栅1500可以包括耦接到波导1510的表面的第一透明电极1520。第一透明电极1520可以包括例如氧化铟锡(ITO)、石墨烯或其他透明导电材料。
衍射光栅1500进一步包括形成在波导1510的表面上的腔室1530。腔室1530可以包括二氧化硅或其他合适的材料。衍射光栅1500进一步包括形成在第一透明电极1520上并在腔室1530内的纳米级衍射光栅结构1540。衍射光栅结构1540可以包括例如二氧化硅或其他介电材料。衍射光栅结构1540可以包括多个脊1542，在相邻脊1542之间具有多个通道1544。可以将具有与衍射光栅结构1540的折射率基本匹配的折射率的流体经由电渗作用泵入或抽出通道1544，从而动态地激活或去激活衍射光栅1500。腔室1530容纳衍射光栅结构1540和流体两者。
衍射光栅1500进一步包括耦接到衍射光栅结构1540的顶部的第二透明电极1550。第二透明电极1550可以包括氧化铟锡(ITO)、石墨烯或其他透明导电材料。第一透明电极1520和第二透明电极1550可以使得能够向其施加电势，用于激活或去激活衍射光栅1500，同时允许光不受影响地通过。衍射光栅1500可以进一步包括盖1560。盖1560可以包括二氧化硅或其他介电材料。盖1560可以密封腔室1530以保持流体。
图17A和图17B示出了根据本发明的一些实施例的图15和图16所示的衍射光栅1500的操作原理。如图17A所示，在“开启”状态下，流体1570可以以约100nm的高度均匀地分布在多个通道1544的底部。如图17B所示，在“关闭”状态下，将流体1570向上吸引至约200nm的高度，从而基本上填充多个通道1544。可以通过在第二透明电极1550和第一透明电极1520之间施加电压经由电渗向上吸引流体1570。衍射光栅结构1540和流体1570具有匹配的折射率，以使得当浸入到流体1570中时衍射光栅结构1540在光学上不可见。反转或弛豫(relax)电渗电压可以使流体1570从衍射光栅结构1540中排出，从而使衍射光栅1500返回“开启”状态。
在一些实施例中，流体1570可以具有约1.33的折射率。流体1570可以是极性流体，诸如纯水或电解质溶液。为了确保流体稳定性，可考虑流体1570的蒸发和冷凝。在限定的纳米级体积下，蒸发和冷凝可以忽略。可通过控制蒸气压、表面处理、温度等来控制蒸发和冷凝。
可以选择衍射光栅结构1540的材料以具有与流体1570的折射率基本匹配的折射率。由于极性流体通常具有约1.33的低折射率，所以生产具有匹配折射率的衍射光栅结构1540在技术上可能具有挑战性。一些诸如倾斜角沉积的新技术可产生具有非常低的折射率(例如，小于约1.1)的二氧化硅膜。
在一些实施例中，可以通过化学处理来定制衍射光栅1500的表面的润湿特性以实现最佳操作。例如，腔室的底面(即，第一透明电极1520的表面)可以被定制为具有最高的润湿吸引力，以使得在默认情况下，在“开启”状态，流体1570可以粘附到腔室的底面。未经处理的ITO可具有可接受的润湿特性。可以将衍射光栅结构1540的侧面定制为具有中性的润湿表面，以使得对沿通道1544向上或向下的流体移动存在最小阻抗。腔室的顶部(即，第二透明电极1550的表面)可以被定制为疏水性的，以使得流体1570不粘附到顶部，以使得能够在“开启”和“关闭”之间快速切换。
电渗可能是处于纳米级的高效转运机制。一种电荷物质可被吸引到纳米腔室壁，而相反的流体电荷物质可被排斥。每种物质均可在流体中形成层(被称为双电层或EDL)。当所吸引的EDL层处于纳米孔的数量级时，纳米孔内可存在一定净电荷浓度，并且纳米孔内的流体将在施加的电场下经历运动。
为了维持电渗流，通常可在电极处利用法拉第反应(还原或氧化)来平衡物质。然而，在一些实施例中，衍射光栅1500不保证连续流，仅保证静电推或拉移位。因此，在一些实施例中可不利用法拉第反应。可能会发生电解，但可通过电极材料选择来缓解。例如，可以将电解质添加到水中以促进电渗力。
在一些实施例中，第一透明电极1520和第二透明电极1550之间的距离可以是约300nm。施加在第一透明电极1520和第二透明电极1550之间的3V电压可以生成约10MV/m的电场。可以注意到，空气的介电强度是约3MV/m，水的介电强度是约35-70MV/m，以及玻璃的介电强度是约9-14MV/m。针对5mm×5mm且50％占空比的光栅，可能需要移位2.5纳升的流体以浸没200nm高的光栅。
在一些实施例中，如果需要建立完整的电路来引发电渗，则可通过对光栅中的一小部分进行选择性润湿处理来形成小的微米尺寸通道。
图18A和18B示意性地示出了根据本发明一些实施例的基于电渗效应的动态可切换衍射光栅1800。衍射光栅1800包括衬底1810，衬底1810包括跨整个衬底1810的表面横向延伸的多个通道1820。多个通道被布置为周期性阵列。多个通道1820中的每一者可以填充有第一流体1870，该第一流体1870具有与衬底1810的折射率基本匹配的折射率。流体储存器1850可以形成在每个通道1820的第二端1840处用于保持一定量的第二流体1860。第二流体1860可以具有与衬底1810的折射率不同的折射率。第二流体1860可以与第一流体1870不混溶。
衍射光栅1800进一步包括：第一电极1830，其形成在衬底1810的与多个通道1820的第一横向端邻接的边缘；以及第二电极1840，其形成在衬底1810的与多个通道1820的第二横向端邻接的相对边缘。在第一电极1830和第二电极1840之间没有电势的情况下，一定量的第二流体1860可以维持在每个通道1820的第二端处的储存器1850中，使每个通道1820填充有第一流体1870，如图18A所示。因为第一流体1870的折射率与衬底1810的折射率基本匹配，所以衍射光栅1800处于“关闭”状态，因为它可能不衍射入射在其上的光。
当在第一电极1830和第二电极1840之间施加电势时，如图18B所示，一定量的第二流体1860可经由电渗作用被朝向每个相应的通道1820的第一端吸引以填充相应的通道1820，同时从相应的通道1820移位第一流体1870。因为第二流体1860的折射率与衬底1810的折射率不同，所以衍射光栅1800处于“开启”状态。当移除电势时，一定量的第二流体1860可以退回到每个通道1820的第二端处的储存器1850，从而使第一流体1870再次填充每个通道1820。因此，以这种方式，通过将第一电极1830和第二电极1840之间的电施切换到接通和关断，可以相应地将衍射光栅1800开启或关闭。
图19A和19B示意性地示出了根据本发明的一些其他实施例的基于电渗效应的动态可切换衍射光栅1900。动态可切换衍射光栅1900与图18A和图18B所示的动态可切换衍射光栅1800相似，除了代替具有单个第一电极1830，动态可切换衍射光栅1900具有多个第一电极1930，每个第一电极1930被耦接到相应的通道1820。因此，可以通过开启或关闭相应的第一电极和第二电极1840之间的电势来单独控制每个通道1820。
例如，在图19A所示的示例中，每个通道1820填充有第二流体1860，从而形成周期等于相邻通道1820之间的间隔的衍射光栅。另一方面，在图19B所示的示例中，每隔三个相邻通道1820的组填充有第二流体1860，从而形成周期为相邻通道1820之间的间隔的六倍的衍射光栅。因此，可通过调制向每个通道1820施加的电势来动态地改变光栅的周期性。
如上所述，光栅参数(诸如光栅节距或光栅矢量)可动态变化的衍射光栅可允许仅利用一个动态可变光栅的目镜配置对所有颜色(例如RGB颜色)和不断变化的深度起作用。取决于范围和响应时间，这些动态可变光栅可用于在一个轴上快速扫描输入光束或在正交轴上缓慢扫描输入光束。
图20示意性地示出了根据本发明一些实施例的动态衍射光栅2000的截面图。衍射光栅2000包括衬底2010，衬底2010具有布置为周期性阵列(垂直于页面延伸)的多个通道2020。动态衍射光栅2000进一步包括形成在衬底2010的相对表面上的第一电极2030和第二电极2040。一定量的第一流体2050可以被设置在每个通道2020中。一定量的第二流体2060可以设置在第一流体2050顶部上的每个通道2020中。第二流体2060可以与第一流体2050不混溶。图21示出了动态衍射光栅2000的透视图。
在第一电极2030和第二电极2040之间不存在电势的情况下，第一流体2050可以维持在每个通道2020的底部中，从而允许第二流体2060填充每个通道2020。通过在第一电极2030和第二电极2040之间施加电势，可以在每个通道2020中向上吸引第一流体2050，因此使第一流体2060移位。在一些实施例中，动态衍射光栅2000可以在每个通道2020下方包括用于保持第一流体2050的储存器(未示出)。在每个通道2020的底部可以存在多个孔或连续的狭缝，其将每个通道2020与储存器连接，以使得在施加电施时第一流体2050可以被沿通道2020向上吸引，并且当电势移除时可以退回到贮存器。
第一流体2050可以具有第一折射率，并且第二流体2060可以具有与第一折射率不同的第二折射率。因此，在电势关断时，衍射光栅2000可以具有第一衍射状态(例如，就衍射角而言)，且在电势接通时可以具有第二衍射状态。例如，在第一衍射状态下，对于特定波长，衍射光栅2000可以具有第一衍射角；以及在第二衍射状态下，对于特定波长，衍射光栅2000可以具有与第一衍射角不同的第二衍射角。因此，通过接通和关断电势，可以在第一衍射状态和第二衍射状态之间动态地切换衍射光栅2000。
图22示意性地示出了根据本发明一些实施例的具有基于纳米流体的动态可切换光学器件的目镜2200。目镜2200可以包括第一平面波导2210、定位在第一波导2210后面的第二平面波导2220和定位在第二波导2220后面的第三平面波导2230。第一波导2210、第二波导2220和第三波导2230中的每一者的一侧(例如，如图22所示的每个波导的左侧)可以具有以相对于每个相应波导的平面的角度倾斜的小面。每个波导上的倾斜小面可以定位在输入光束2250入射在相应波导上的区域中。
第一纳米流体通道2212可以形成在第一波导2210的倾斜小面上；第二纳米流体通道2222可以形成在第二波导2220的倾斜小面上；并且第三纳米流体通道2232可以形成在第三波导2220的倾斜小面上。可以使用电渗原理，将流体2240动态地泵入或泵出第一纳米流体通道2212、第二纳米流体通道2222和第三纳米流体通道2232中的每一者。当在纳米流体通道2212、2222或2232中不存在流体2240时，入射光束2250可以在小面处透射通过对应波导。例如，在图22所示的示例中，入射光束2250在小面处透射通过第一波导2210，并入射在第二波导2220上。
在一些实施例中，流体2240可以是高反射的(例如，金属流体)，以使得当流体2240被泵入纳米流体通道2212、2222或2232中时，入射光束2250可以在波导-流体界面处被反射。例如，在图22所示的示例中，第二纳米流体通道2222填充有流体2240。因此，入射在第二波导2220上的光束2250可以在波导-流体界面处被反射，并且可以通过全内反射(TIR)在第二波导2220中传播。在一些其他实施例中，流体2240可以具有比波导的折射率低的折射率，以使得全内反射可以在波导-流体界面处发生。因此，通过动态地将流体2240泵入和泵出每个纳米流体通道2212、2222或2232，可以将入射光束2250选择性地耦合到对应波导2210、2220或2230中。因此，纳米流体通道2212、2222和2232可以用作目镜2200的动态实际耦入光学元件。
图23示意性地示出了根据本发明的一些其他实施例的具有基于纳米流体的动态可切换光学器件的目镜2300。目镜2300可以包括第一平面波导2310、定位在第一波导2310后面的第二平面波导2320和定位在第二波导2320后面的第三平面波导2330。衍射光学元件(DOE)2312可以形成在第一波导2310的表面上。DOE 2312可以被定位在输入光束2350入射在第一波导2310上的区域中。如图23所示，DOE 2312可以被配置为以一定衍射角将入射光束2350的一部分衍射到第一波导2310中作为衍射光束2360。
目镜2300进一步包括定位在第一波导2310和第二波导2320之间的第一纳米流体通道2322，以及定位在第二波导2320和第三波导2330之间的第二纳米流体通道2332。可以使用电渗原理，将流体2340动态地泵入或泵出第一纳米流体通道2322和第二纳米流体通道2332中的每一者中。流体2340可以具有比波导的折射率高的折射率，以使得在纳米流体通道2322或2332中存在流体2340时，入射在波导-流体界面上的衍射光束2360可被透射。另一方面，在纳米流体通道2322或2332中不存在流体2340时，入射在波导和空的纳米流体通道之间的界面上的衍射光束2360可经受全内反射(TIR)并在对应波导中传播。
例如，在图23所示的示例中，第一纳米流体通道2322填充有流体2340，而第二纳米流体通道2332是空的(或部分空的)。因此，入射在第一波导2210和流体2340之间的界面上的衍射光束2360被透射到第二波导2320中；并且入射到第二波导2320和空的第二纳米流体通道2332之间的界面上的透射光束2360被反射，并随后通过全内反射(TIR)在第二波导2320中传播。因此，通过将流体2340动态地泵入和泵出每个纳米流体通道2322、2222和2332，可以将入射光束2350选择性地耦入对应波导2310、2320或2330中。
图24示出了根据本发明一些实施例的具有基于纳米流体的动态可致动衍射光栅的目镜2400。目镜2400可以包括第一平面波导2410、定位在第一波导2410后面的第二平面波导2420和定位在第二波导2420后面的第三平面波导2430。第一动态衍射光栅2412可以形成在第一波导2410的表面上。第一动态衍射光栅2412可以被定位在输入光束2450入射在第一波导2410上的横向区域中。第二动态衍射光栅2422可以形成在第二波导2420的表面上。第三动态衍射光栅2432可以形成在第三波导2430的表面上。第二动态衍射光栅2422和第三动态衍射光栅2432被定位在与第一动态衍射光栅2412基本对齐的横向位置中。
第一动态衍射光栅2412、第二动态衍射光栅2422和第三动态衍射光栅2432中的每一者可以基于电渗效应被动态地开启或关闭，类似于图18A和图18B所示出的以及以上描述的那些。例如，在图24所示的示例中，通过用折射率匹配的流体2440填充衍射光栅2422的通道来关闭第一动态衍射光栅2412。因此，入射光束2450被第一动态衍射光栅2412透射并且入射在第二波导2420上。通过将折射率匹配的流体2440从通道退回到左侧来开启第二动态衍射光栅2422。因此，入射在第二动态衍射光栅2422上的光束2450被第二动态衍射光栅2422衍射并耦合到第二波导2420中，并且随后通过全内反射(TIR)在第二波导2420中传播。因此，通过动态地开启或关闭第一动态衍射光栅2412、第二动态衍射光栅2422和第三动态衍射光栅2432中的每一者，入射光束2450可以被选择性地耦合到对应波导2410、2420或2430中。第一动态衍射光栅2412、第二动态衍射光栅2422和第三动态衍射光栅2432中的每一者可以用作对应波导2410、2420或2430的ICG。
图25示出了根据本发明的一些其他实施例的具有基于纳米流体的动态可致动衍射光栅的目镜2500。目镜2400可以包括第一平面波导2510、定位在第一波导2510后面的第二平面波导2520和定位在第二波导2520后面的第三平面波导2530。第一动态衍射光栅2512可以形成在第一波导2510的表面上。第一动态衍射光栅2512可以被定位在输入光束2550入射在第一波导2510上的横向区域中。第二动态衍射光栅2522可以形成在第二波导2520的表面上。第三动态衍射光栅2532可以形成在第三波导2530的表面上。第二动态衍射光栅2522和第三动态衍射光栅2532被定位在与第一动态衍射光栅2512基本对齐的横向位置中。
第一动态衍射光栅2512、第二动态衍射光栅2522和第三动态衍射光栅2532中的每一者可以基于电渗效应动态地开启或关闭，类似于图20和图21所示出的及以上描述的那些。例如，在图25所示的示例中，通过将折射率匹配的流体2540向上吸以填充第一衍射光栅2512的通道来关闭第一动态衍射光栅2512。因此，入射光束2550被第一动态衍射光栅2512透射并且入射在第二波导2520上。第二动态衍射光栅2522通过从通道降低折射率匹配的流体2540而开启。因此，入射在第二动态衍射光栅2522上的光束2550被第二动态衍射光栅2522衍射并被耦合到第二波导2520中，并且随后通过全内反射(TIR)在第二波导2520中传播。因此，通过动态地开启或关闭第一动态衍射光栅2512、第二动态衍射光栅2522和第三动态衍射光栅2532中的每一者，入射光束2550可以被选择性地耦合到对应波导2510、2520或2530中。第一动态衍射光栅2512、第二动态衍射光栅2522和第三动态衍射光栅2532中的每一者可以用作对应波导2510、2520或2530的ICG。
电润湿是通过施加的电场对表面(通常可以是疏水性的)的润湿特性的修改。在导电衬底上形成绝缘体层。然后将流体滴放置在绝缘体层的表面上。在液滴和导电衬底之间不存在任何电势的情况下，绝缘体层的表面是疏水性的，因此存在相对少的表面润湿。当在流体滴和导电衬底之间施加非零电势时，绝缘体层的表面变为亲水性的，因此流体滴润湿绝缘体层的表面。利用这种现象，已经证明了在二维栅格(数字微流体)上对离散液滴的操纵。
可以通过用半导体衬底代替导电衬底以形成流体/绝缘体/半导体堆叠来观察光电润湿。通过穿过绝缘体(可以是透明的)将光照射在半导体衬底上，半导体衬底可以经由光电导性而变为导电的。因此，通过在流体滴和半导体衬底之间施加电势，绝缘体的表面可以变为亲水的。
图26A至图26D示意性地示出了根据本发明的各种实施例的使用电润湿作为其操作原理的一些动态可切换衍射光栅。参照图26A，动态可切换衍射光栅包括基板2610和从基板2610的表面向上延伸(在垂直于页面的方向上延伸)的多个壁2620。多个壁2620限定了多个纵向通道2630(在垂直于页面的方向上延伸)。通道2630可以具有约200nm的数量级的宽度。通道2630的宽度可以取决于光的波长而变化。流体储存器2640被定位在基板2610下方，用于容纳一定量的流体2650。基板2610可在每个相应通道2630下方具有孔或狭缝2612，以使得流体2650可流入相应通道2630中。
基板2610可以包括导电衬底和在其上形成的绝缘层。形成通道2630的底部的绝缘层通常可以是疏水性的。通道2630的壁2620通常也可以是疏水性的。取决于绝缘层和壁2620的材料，绝缘层的表面和壁2620的表面可以被化学处理以表现为疏水性。因此，流体2650通常可以停留在储存器2640中而不是在通道2630中，如图26A所示。可以在每个相应壁2620和基板2610的导电衬底之间施加电势，以将相应通道2630的相应壁和底部的润湿特性从疏水性改变为亲水性。因此，通过控制施加到每个相应壁2620的电势，可以选择性地用流体2650填充单个通道2630。
例如，在图26所示的示例中，每隔一个通道2630填充有流体2650，形成周期为每个通道2630的宽度的两倍的衍射光栅。在图26C所示的示例中，每隔一对相邻通道2630填充有流体2650，形成周期为每个通道2630的宽度的四倍的衍射光栅。因此，可以通过调节施加到每个壁2620的电势来动态地改变光栅的周期性。根据一些实施例，可以使用一个动态可变光栅来对所有颜色(例如，RGB颜色)以及连续可变深度起作用。取决于范围和响应时间，这些动态可变光栅可用于在一个轴上快速扫描输入光束或在正交轴上缓慢扫描输入光束。
参照图26D，在一些实施例中，每个壁2620的一侧可以被配置为具有永久的疏水性表面，以使得流体可以仅粘附到壁2620的另一侧。每个通道2630的底部可以被配置为具有横向地从通道的一侧到另一侧不同的电润湿特性。因此，填充通道2630的流体2650可以具有三角形的横截面。在图26C所示的示例中，每个通道2630部分地填充有流体2650，以形成周期等于每个通道2630的宽度的锯齿形衍射光栅。锯齿形衍射光栅可以用作闪耀光栅。在一些实施例中，可通过施加压力将流体泵入或泵出通道2630。
图27A-27B示意性地示出了根据本发明一些实施例的基于光电润湿的动态衍射光栅2700。动态衍射光栅2700包括衬底2710，该衬底2710可以包括形成在半导体上的绝缘体。可以将一定量的流体2720放置在衬底2710的表面上。通过将光束2730照射在衬底2710上，并结合在流体2720和衬底2730之间施加电场，可以使衬底2710的润湿特性从疏水性变为亲水性，反之亦然。在一些实施例中，光束2730可以具有强度图案。因此，一定量的流体2720可以在衬底2710上形成与强度图案相对应的图案，诸如图27B所示的条纹。流体2720的条纹可以用作衍射光栅。例如，规则间隔的条纹的强度图案可以形成为两个相干光束的干涉条纹。以这种方式，可以通过开启或关闭光束来动态地开启或关闭衍射光栅2700。附加地或替代地，可以通过改变光束2730的强度图案来动态地改变衍射光栅2700的周期性或取向。
还应理解，本文描述的示例和实施例仅用于说明目的，并且根据其的各种修改或改变将被暗示给本领域技术人员，并且将被包括在本申请的精神和范围和所附权利要求的范围之内。
Claims (20)
1.一种动态可致动衍射光学元件(DOE)，包括：
衬底，其具有表面，所述表面包括第一区域和从所述第一区域横向移位的第二区域；
衍射光栅，其被设置在所述衬底的所述表面的所述第一区域上，所述衍射光栅具有第一折射率，并且包括多个脊和在相邻脊之间的多个凹槽；
一定量的流体，其被设置在所述衬底的所述表面的所述第二区域上，所述流体具有与所述衍射光栅的所述第一折射率基本上匹配的第二折射率；
流体移位器，其邻近所述衬底的所述表面的所述第二区域设置；以及
驱动信号源，其被耦接到所述流体移位器并被配置为向所述流体移位器发送电信号，所述电信号具有第一状态和第二状态；
其中，所述流体移位器被配置为：
当接收到处于所述第一状态的所述电信号时，使所述一定量的所述流体中的一部分从所述表面的所述第二区域移位到所述衍射光栅的所述凹槽中，从而使所述衍射光栅处于“关闭”状态；以及
当接收到处于所述第二状态的所述电信号时，使所述一定量的所述流体中的所述部分从所述衍射光栅的所述凹槽退回到所述表面的所述第二区域，从而使所述衍射光栅处于“开启”状态。
2.根据权利要求1所述的动态可致动DOE，其中，所述衬底包括亲水性材料，并且所述衍射光栅包括疏水性材料。
3.根据权利要求2所述的动态可致动DOE，其中，所述亲水性材料包括玻璃，并且所述疏水性材料包括聚合物。
4.根据权利要求1所述的动态可致动DOE，其中，所述流体移位器包括压电元件。
5.根据权利要求1所述的动态可致动DOE，其中，所述流体移位器包括：
双金属杆，其被附接到所述衬底的所述表面的所述第二区域；
光学窗口，其被附接到所述双金属杆并覆盖所述衍射光栅；以及
加热元件，其被耦接到所述双金属杠杆和所述驱动信号源，所述加热元件被配置为：
当从所述驱动信号源接收到处于所述第一状态的所述电信号时，处于关闭状态；以及
当从所述驱动信号源接收到处于所述第二状态的所述电信号时，处于开启状态；
其中，所述双金属杠杆配置为：
响应于所述加热元件处于所述关闭状态，保持在笔直状态，以使所述光学窗口挤压所述衍射光栅，从而使所述一定量的所述流体中的所述部分从所述表面的所述第二区域移位到所述衍射光栅的所述凹槽中；以及
响应于所述加热元件处于所述开启状态，保持在弯曲状态，以使所述光学窗口从所述衍射光栅上抬起，从而使所述一定量的所述流体中的所述部分从所述衍射光栅的所述凹槽退回到所述表面的所述第二区域。
6.根据权利要求1所述的动态可致动DOE，进一步包括覆盖所述衍射光栅的透明盖，其中，所述流体移位器包括：
U形坝；
弹性壁，其被耦接到所述U形坝并邻近所述表面的所述第二区域设置，其中，所述透明盖、所述U形坝和所述弹性壁围住所述衍射光栅和所述一定量的所述流体；
推动构件，其被附接到所述弹性壁；以及
驱动机构，其被耦接到所述推动构件和所述驱动信号源，所述驱动机构被配置为：
当从所述驱动信号源接收到处于所述第一状态的所述电信号时，使所述推动构件朝向所述衍射光栅移动，从而使所述一定量的所述流体中的所述部分从所述表面的所述第二区域移位到所述衍射光栅的所述凹槽中；以及
当从所述驱动信号源接收到处于所述第二状态的所述电信号时，使所述推动构件远离所述衍射光栅移动，从而使所述一定量的所述流体中的所述部分从所述衍射光栅的所述凹槽退回到所述表面的所述第二区域。
7.根据权利要求6所述的动态可致动DOE，其中，所述驱动机构包括微机电系统(MEMS)组件，所述MEMS组件包括：
第一梳状部，其被固定地附接到所述衬底；
第二梳状部，其被可移动地附接到所述衬底并与所述第一梳状部相互交叉，所述第二梳状部被附接到所述推动构件；
其中，所述驱动机构被配置为：
当接收到处于所述第一状态的所述电信号时，在所述第一梳状部和所述第二梳状部之间施加电势，以使所述第二梳状部和所述推动构件远离所述第一梳状部朝向所述衍射光栅移动；以及
当接收到处于所述第二状态的所述电信号时，在所述第一梳状部和所述第二梳状部之间不施加任何电势，以使所述第二梳状部和所述推动构件退回到初始位置。
8.根据权利要求6所述的动态可致动DOE，其中，所述驱动机构包括呈螺旋形式的形状记忆合金，所述形状记忆合金具有第一端和第二端，所述第二端被附接到所述推动构件；
第一电极，其被附接到所述衬底，所述形状记忆合金的所述第一端被附接到所述第一电极；以及
第二电极，其被附接到所述透明盖，所述形状记忆合金的所述第二端滑动接触所述第二电极；
其中，所述驱动机构被配置为：
在接收到处于所述第一状态的所述电信号时，在所述第一电极和所述第二电极之间施加电势，以使所述形状记忆合金膨胀，从而使所述形状记忆合金的所述第二端将所述推动构件朝向所述衍射光栅推动；以及
在接收到处于所述第二状态的所述电信号时，在所述第一电极和所述第二电极之间不施加任何电势，以使所述形状记忆合金收缩到初始状态，从而使所述推动构件退回到初始位置。
9.根据权利要求1所述的动态可致动DOE，进一步包括覆盖所述衍射光栅的光学窗口，其中，所述流体移位器包括：
桁架，其在所述衬底的所述表面的所述第二区域附近覆盖所述光学窗口；以及
致动器，其被设置在所述桁架和所述光学窗口之间，并且被耦接到所述驱动信号源；
其中，所述流体移位器被配置为：
当接收到处于所述第一状态的所述电信号时，向所述致动器施加电流，以使所述致动器在所述光学窗口上施加力，以使所述光学窗口朝向所述衍射光栅向下弯曲，从而使所述一定量的所述流体中的所述部分从所述表面的所述第二区域移位到所述衍射光栅的所述凹槽中；以及
当接收到处于所述第二状态的所述电信号时，不向所述致动器施加所述电流，以使所述光学窗口退回到初始位置，从而使所述一定量的所述流体中的所述部分从所述衍射光栅的所述凹槽退回到所述表面的所述第二区域。
10.根据权利要求9所述的动态可致动DOE，其中，所述致动器包括以下各项中的一者：压电元件、音圈马达或可热膨胀体。
11.根据权利要求1所述的动态可致动DOE，其中，所述流体移位器包括与所述一定量的所述流体热接触的加热元件，其中，所述流体移位器被配置为：
当接收到处于所述第一状态的所述电信号时，向所述加热元件施加电流，以使所述一定量的所述流体升温并膨胀，从而使所述一定量的所述流体中的所述部分从所述表面的所述第二区域移位到所述衍射光栅的所述凹槽中；以及
当接收到处于所述第二状态的所述电信号时，不向所述加热元件施加所述电流，以使所述一定量的所述流体冷却并收缩，从而使所述一定量的所述流体中的所述部分从所述衍射光栅的所述凹槽退回到所述表面的所述第二区域。
12.一种用于将图像光投射到观看者的眼睛以形成虚拟内容的图像的目镜，所述目镜包括：
第一平面波导，其被配置为传播以第一波长为中心的第一波长范围内的光；
第一动态可致动衍射光学元件(DOE)，其以第一横向位置被形成在所述第一波导的表面的第一区域上，并且被配置为接收入射在其上的所述图像光，所述第一动态可致动衍射光学元件包括：
表面浮雕衍射光栅，其具有第一折射率并包括多个脊和在相邻脊之间的多个凹槽；
一定量的流体，其被设置在所述第一波导的所述表面的邻近所述第一区域的第二区域上，所述流体具有与所述衍射光栅的所述第一折射率基本上匹配的第二折射率；
流体移位器，其邻近所述第二区域设置；以及
驱动信号源，其被耦接到所述流体移位器并被配置为向所述流体移位器发送电信号，所述电信号具有第一状态或第二状态；
其中，所述流体移位器被配置为：
当接收到处于所述第一状态的所述电信号时，使所述一定量的所述流体中的一部分从所述第二区域移位到所述衍射光栅的所述凹槽中，从而使所述衍射光栅处于“关闭”状态；以及
当接收到处于所述第二状态的所述电信号时，使所述一定量的所述流体中的所述部分从所述衍射光栅的所述凹槽退回到所述第二区域，从而使所述衍射光栅处于“开启”状态；
其中，所述衍射光栅被配置为：
当处于所述“开启”状态时，将入射在其上的所述图像光中的一部分衍射到所述第一波导中以在其中传播；以及
当处于所述“关闭”状态时，透射入射在其上的所述图像光；
第二平面波导，其被基本上平行于所述第一波导的平面定位，并且被配置为传播以与所述第一波长不同的第二波长为中心的第二波长范围内的光；以及
第二DOE，其以第二横向位置被形成在所述第二波导的表面的区域上，所述第二横向位置与所述第一横向位置基本上对齐，所述第二DOE被配置为：
当所述衍射光栅处于所述“关闭”状态时，接收由所述衍射光栅透射的所述图像光；以及
将所述图像光的第二部分衍射到所述第二波导中以在其中传播。
13.根据权利要求12所述的目镜，其中，所述图像光包括在多个子帧时间段内时分复用的所述第一波长范围内的光和所述第二波长范围内的光，并且其中，所述驱动信号源被配置为：
在与所述第二波长范围内的所述光对应的子帧时间段内发送处于所述第一状态的所述电信号；和
在与所述第一波长范围内的所述光对应的子帧时间段内发送处于所述第二状态的所述电信号。
14.根据权利要求12所述的目镜，其中，所述第一波导包括亲水性材料，并且所述衍射光栅包括疏水性材料。
15.根据权利要求14所述的目镜，其中，所述亲水性材料包括玻璃，并且所述疏水性材料包括聚合物。
16.根据权利要求12所述的目镜，其中，所述第一波导的所述表面的所述第二区域被化学处理以表现为亲水性，并且所述衍射光栅的表面被化学处理以表现为疏水性。
17.根据权利要求12所述的目镜，其中，所述流体移位器包括压电元件。
18.一种动态可致动透镜，包括：
衬底，其具有表面；
超表面衍射光学元件(DOE)，其被形成在所述衬底的所述表面上，所述超表面DOE包括在所述表面上方突出的多个凸起部，在相邻的凸起部之间限定多个沟槽；
可移动盖，其覆盖所述超表面DOE并且包括亲水性材料；
一定量的流体，其被设置在所述可移动盖上；以及
驱动机构，其被耦接到所述可移动盖，所述驱动机构被配置为：
当接收到处于第一状态的控制信号时，将所述可移动盖朝向所述超表面DOE移动，以将所述一定量的所述流体中的一部分移位到所述多个沟槽中，从而使所述超表面DOE处于“关闭”状态；以及
当接收到处于第二状态的控制信号时，将所述可移动盖远离所述超表面DOE移动，使所述一定量的所述流体中的所述部分从所述多个沟槽退回，从而使所述超表面DOE处于“开启”状态。
19.根据权利要求18所述的动态可致动透镜，其中，所述超表面DOE包括疏水性材料。
20.根据权利要求18所述的动态可致动透镜，其中，所述多个凸起部具有小于100纳米的最大横向尺寸。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114879294A (zh) * | 2022-05-16 | 2022-08-09 | 深圳市光舟半导体技术有限公司 | 一种光学扩瞳装置及方法 |
| US11852841B2 (en) | 2017-06-19 | 2023-12-26 | Magic Leap, Inc. | Dynamically actuable diffractive optical element |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10534179B1 (en) * | 2016-10-18 | 2020-01-14 | Meta View, Inc. | Image projection systems and methods |
| CN107357077B (zh) * | 2017-08-21 | 2020-03-13 | 京东方科技集团股份有限公司 | 光栅组件、显示装置及控制方法、存储介质 |
| US10942355B2 (en) | 2018-01-22 | 2021-03-09 | Facebook Technologies, Llc | Systems, devices, and methods for tiled multi-monochromatic displays |
| CN109017232B (zh) * | 2018-08-15 | 2021-01-26 | 京东方科技集团股份有限公司 | 一种遮光装置及车辆 |
| IT202000016855A1 (it) * | 2020-07-10 | 2022-01-10 | St Microelectronics Srl | Dispositivo a microspecchio mems chiuso in un involucro dotato di una superficie trasparente e avente una piattaforma orientabile |
| US20220317438A1 (en) * | 2021-03-30 | 2022-10-06 | Facebook Technologies, Llc | Dynamic beam steering with metasurface |
| US11662611B2 (en) | 2021-04-12 | 2023-05-30 | Toyota Motor Engineering And Manufacturing North America, Inc. | Tunable optical metamaterial having electroactive polymer metasurfaces |
| US20230176377A1 (en) | 2021-12-06 | 2023-06-08 | Facebook Technologies, Llc | Directional illuminator and display apparatus with switchable diffuser |
| WO2023107336A1 (en) * | 2021-12-06 | 2023-06-15 | Meta Platforms Technologies, Llc | Lightguides with color- and time-sequential gratings |
| US20240094568A1 (en) * | 2022-09-20 | 2024-03-21 | Meta Platforms Technologies, Llc | Optical modulator and image projector based on leaky-mode waveguide with spatial multiplexing |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030020915A1 (en) * | 1998-03-23 | 2003-01-30 | Schueller Olivier J. A. | Optical modulator/detector based on reconfigurable diffraction grating |
| WO2004027490A1 (en) * | 2002-09-19 | 2004-04-01 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Electrowetting optical switch |
| WO2005096029A1 (en) * | 2004-03-30 | 2005-10-13 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Compact switchable optical unit |
| US20090316122A1 (en) * | 2008-06-18 | 2009-12-24 | Asml Netherlands B.V. | Lithographic apparatus |
| US20120086949A1 (en) * | 2010-10-07 | 2012-04-12 | Lu Gao | Tunable And Switchable Multilayer Optical Devices |
| US20130287607A1 (en) * | 2010-07-15 | 2013-10-31 | Andrey Leionidovich Kuznetsov | Piezoelectric pump |
| US20140140654A1 (en) * | 2012-11-16 | 2014-05-22 | Sbg Labs, Inc. | Transparent waveguide display |
| CN106030376A (zh) * | 2013-12-19 | 2016-10-12 | Bae系统公共有限公司 | 波导中及相关的改进 |
| US20170097507A1 (en) * | 2015-10-06 | 2017-04-06 | Magic Leap, Inc. | Virtual/augmented reality system having reverse angle diffraction grating |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5865381A (ja) * | 1981-10-14 | 1983-04-19 | Mitsubishi Electric Corp | 開閉弁 |
| GB8725908D0 (en) * | 1987-11-05 | 1987-12-09 | Lucas Ind Plc | Vehicle disc brakes |
| FI114945B (fi) * | 2002-09-19 | 2005-01-31 | Nokia Corp | Sähköisesti säädettävä diffraktiivinen hilaelementti |
| US7410309B2 (en) * | 2005-04-06 | 2008-08-12 | Nokia Corporation | Optical shutter |
| JP4440309B2 (ja) | 2005-10-14 | 2010-03-24 | ウチヤ・サーモスタット株式会社 | 温度スイッチ |
| US9671566B2 (en) * | 2012-06-11 | 2017-06-06 | Magic Leap, Inc. | Planar waveguide apparatus with diffraction element(s) and system employing same |
| US8681423B1 (en) * | 2013-01-29 | 2014-03-25 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Light modulation employing fluid movement |
| US9874749B2 (en) * | 2013-11-27 | 2018-01-23 | Magic Leap, Inc. | Virtual and augmented reality systems and methods |
| US11402629B2 (en) | 2013-11-27 | 2022-08-02 | Magic Leap, Inc. | Separated pupil optical systems for virtual and augmented reality and methods for displaying images using same |
| US10455048B2 (en) | 2014-04-24 | 2019-10-22 | WiSilica Inc. | Secured and sealed portable wireless data storage system |
| CN106597658B (zh) | 2017-03-09 | 2020-05-22 | 京东方科技集团股份有限公司 | 显示面板和显示装置 |
| WO2018236725A1 (en) | 2017-06-19 | 2018-12-27 | Magic Leap, Inc. | DIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENT DYNAMICALLY ACTIONABLE |
| KR101965702B1 (ko) * | 2017-12-11 | 2019-04-04 | 삼성중공업 주식회사 | 극저온 유체용 흐름 방해 핀 및 이를 구비한 극저온 유체 저장 설비용 구조물 |
-
2018
- 2018-06-18 WO PCT/US2018/038029 patent/WO2018236725A1/en unknown
- 2018-06-18 CA CA3066221A patent/CA3066221A1/en active Pending
- 2018-06-18 US US16/011,295 patent/US11022798B2/en active Active
- 2018-06-18 EP EP18821316.9A patent/EP3642652A4/en active Pending
- 2018-06-18 KR KR1020207001439A patent/KR102662712B1/ko active IP Right Grant
- 2018-06-18 AU AU2018288698A patent/AU2018288698A1/en not_active Abandoned
- 2018-06-18 JP JP2019569930A patent/JP7301004B2/ja active Active
- 2018-06-18 CN CN201880040510.8A patent/CN110753861A/zh active Pending
-
2019
- 2019-12-12 IL IL271390A patent/IL271390A/en unknown
-
2021
- 2021-04-28 US US17/243,100 patent/US11852841B2/en active Active
-
2023
- 2023-11-08 US US18/388,104 patent/US20240077741A1/en active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030020915A1 (en) * | 1998-03-23 | 2003-01-30 | Schueller Olivier J. A. | Optical modulator/detector based on reconfigurable diffraction grating |
| WO2004027490A1 (en) * | 2002-09-19 | 2004-04-01 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Electrowetting optical switch |
| WO2005096029A1 (en) * | 2004-03-30 | 2005-10-13 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Compact switchable optical unit |
| US20090316122A1 (en) * | 2008-06-18 | 2009-12-24 | Asml Netherlands B.V. | Lithographic apparatus |
| JP2010004040A (ja) * | 2008-06-18 | 2010-01-07 | Asml Netherlands Bv | リソグラフィ装置 |
| US20130287607A1 (en) * | 2010-07-15 | 2013-10-31 | Andrey Leionidovich Kuznetsov | Piezoelectric pump |
| US20120086949A1 (en) * | 2010-10-07 | 2012-04-12 | Lu Gao | Tunable And Switchable Multilayer Optical Devices |
| US20140140654A1 (en) * | 2012-11-16 | 2014-05-22 | Sbg Labs, Inc. | Transparent waveguide display |
| CN106030376A (zh) * | 2013-12-19 | 2016-10-12 | Bae系统公共有限公司 | 波导中及相关的改进 |
| US20170097507A1 (en) * | 2015-10-06 | 2017-04-06 | Magic Leap, Inc. | Virtual/augmented reality system having reverse angle diffraction grating |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11852841B2 (en) | 2017-06-19 | 2023-12-26 | Magic Leap, Inc. | Dynamically actuable diffractive optical element |
| CN114879294A (zh) * | 2022-05-16 | 2022-08-09 | 深圳市光舟半导体技术有限公司 | 一种光学扩瞳装置及方法 |
| CN114879294B (zh) * | 2022-05-16 | 2023-06-30 | 深圳市光舟半导体技术有限公司 | 一种光学扩瞳装置及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| IL271390A (en) | 2020-01-30 |
| US11852841B2 (en) | 2023-12-26 |
| US11022798B2 (en) | 2021-06-01 |
| JP2020524301A (ja) | 2020-08-13 |
| US20180364487A1 (en) | 2018-12-20 |
| KR102662712B1 (ko) | 2024-04-30 |
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| CA3066221A1 (en) | 2018-12-27 |
| JP7301004B2 (ja) | 2023-06-30 |
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| KR20200015771A (ko) | 2020-02-12 |
| EP3642652A1 (en) | 2020-04-29 |
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