CN111512189A

CN111512189A - 谐振波导光栅及其应用

Info

Publication number: CN111512189A
Application number: CN201780097344.0A
Authority: CN
Inventors: G.巴塞
Original assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Current assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Priority date: 2017-10-02
Filing date: 2017-10-02
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2037-10-02
Also published as: US20200241301A1; WO2019068304A1; CN111512189B; US11500203B2; EP3692399B1; EP3692399A1

Abstract

公开了一种包括波导层、包括多个亚波长结构的谐振波导光栅。与该多个亚波长结构在光学上接近的波导层被配置成在预定波长范围内引导至多十个波导光模。所述多个亚波长结构包括：至少两个相邻凹槽，其在它们的凹槽中心之间具有亚波长距离，该亚波长距离不同于两个相邻凸脊的中心之间的亚波长距离。该多个亚波长结构被配置成通过衍射将入射光的耦入部分的耦出小部分从所述波导层谐振地耦出。该谐振波导光栅被配置成在预定波长范围内耦出具有预定中心波长λ₀的入射光的耦入部分的小部分，并且具有预定光谱宽度Δλ，所述耦出小部分是入射光束的衍射部分。本发明还通过一种衍射光学组合器以及还通过一种衍射光学耦合器来实现，这两者都包括本发明的谐振波导光栅。还公开了一种包括本发明的至少谐振波导光栅的近眼显示装置。

Description

谐振波导光栅及其应用

技术领域

本发明涉及光学领域，更具体地，本发明涉及基于导模谐振的光学系统。特别地但非排他地，涉及谐振波导光栅元件以及涉及适合于安装在观察者头部上的头戴式平视显示器的近眼光学系统和虚拟图像显示装置。

背景技术

谐振波导光栅（下文中被定义为RWG，也被称为谐振波导光栅）还被称为漏模波导、低模波导光栅、亚波长波导光栅、零阶器件和导模谐振滤波器或器件并且包括单模波导光栅，其已经发展了30多年。

光栅也已经广泛地被用作分散和过滤光束的器件。已经提出了光栅和波导的组合来制造具有独特属性的光学结构和设备，诸如具有非常窄的带宽的滤波器。更特别地，在谐振波导光栅领域中已经做出了相当大量的开发工作，这是因为谐振波导光栅允许产生特别令人感兴趣的光学效应，这是利用传统光学组件无法实现的。

还被称为导模谐振滤波器的谐振波导光栅由亚波长光栅和薄波导的组合组成。这样的结构具有多层构造，并且基本布置包括基板、薄的电介质或半导体或金属的波导层，以及可能地包括其中形成了光栅的附加层。当入射光被光栅衍射并且与波导的模匹配时，就会发生所谓的谐振。由于大多数光谱并未耦合到波导中，因此在反射和透射中会观察到强烈的光谱改变。因为波导本质上是作为波导光栅的波纹状的，所以导模（guided mode）必然是有泄漏的，导光的小部分（fraction）被耦出（outcouple）从而行进通过每个光栅周期，而另一部分在合适的逼近光（impending light）下被耦入（incouple）。作为示例，这样的泄漏模可以沿其传播所沿的光栅凹槽和凸脊的数量而成指数地减少。

RWG通常被设计成具有比其进行操作所利用的、如在真空中测量的波长更短的空间周期性，并且因此被称为“亚波长”结构或亚波长设备。最终，它们具有的周期性接近于其进行操作所利用的波长并且刚好高于该波长。很多时候，周期显著小于它们正在用来工作的自由空间波长，例如是其三分之一。由于它们的小周期性，它们不允许有许多衍射级，这使它们区别于衍射光学元件（DOE）（诸如，表面浮雕光栅（SRG））、全息光学元件（HOE）（诸如，体积全息图和可切换布拉格光栅（SBG））。大多数时候，它们被设计成仅以零衍射级进行操作，这仅允许在零级透射与反射之间进行光过滤和重定向，该反射也被称为镜面反射，并且具有连续耦入和耦出的泄漏导模，最终可能在反射和透射中具有非引导的正或负第一衍射级，例外地可能在反射和透射中具有非引导的正或负第二衍射级。

在光栅发展的早期阶段中已经发现了这种谐振的存在（R.W.Wood，Phil.Mag.vol4，pp.396-402，1902）。这些谐振属于光栅结构中的异常衍射现象的一种类型，并且暗示着相对于物理参数（诸如，入射波的角度和/或波长）的外部可观察到的衍射级中的快速变化。在光栅制造的早期阶段中，无法解释反射中的突然改变。Hessel和Oliner（Appl. Optics，vol.4，pp.1275-1297，1965）指出：基本上存在两种类型的光栅异常。一种被称为瑞利型，这是经典伍德氏异常，并且另一种被称为谐振型。瑞利型异常是由于较高衍射级的能量通过倏逝波传递到较低级。

在当前专利申请的上下文中特别让人感兴趣的衍射光栅中的谐振异常是由于外部入射光波与表面引导波的耦合过程所致，该表面引导波由谐振波导光栅的结构来支撑。根据结构的类型，这样的光栅异常可以划分为两种类型，并且可以通过使用傅立叶-瑞利近似来获得准确的结果。在深光栅凹槽的情况下无法应用该方法。几位作者研究了来自弱波纹状波导的反射。通过使用诸如傅里叶模态方法（FMM）或严格耦合波分析（RCWA）之类的模态仿真方法，可以缓解深光栅凹槽的会聚问题。利用这些新的数学工具，在过去的几十年中已经提出和开发了许多设备。

已经开发了基于电介质和半导体波导和/或金属波导的这种谐振波导光栅以用于各种各样的应用，诸如在美国专利4426130和来自Karl Knop的许多其他专利中所描述的那样。首先的工业实现是在DID™品牌下进行的，作为光学认证设备，即所谓的光学可变设备（OVD）。

导模谐振结构的主要应用之一是在反射和透射中具有非常窄的光谱线宽的情况下来设计滤波器。可以将带宽设计成非常窄并且大约为0.1 nm，并且可以通过诸如光栅深度、占空比、波导层的厚度和成分之类的参数来调谐带宽。Magnusson提出了波长选择性反射滤波器，并且研究了它们的线形（R.Magnusson和S.S.Wang:“New principle foroptical filters”，Appl.Phys.Lett.，vol 61，pp.1022-1024，1992）。而且，Rosenblatt和Sharon已发表了对谐振光栅波导结构的系统性分析：

-D.Rosenblatt等人，“Resonating grating waveguide structures”，IEEE J.Quantum Electron.，vol.33，nr.11，pp.2038-2059，1997；

-A.Sharon等人：“Resonating grating-wavegudie structures for visible andnear-infrared radiation：”，J.Opt.Soc.Am.，vol.14，nr.11，pp.2985-2993，1997；

Rosenblatt和Sharon在这些论文中解释道：谐振下的向前与向后传播之间的波能量的有效传递是由于入射波与衍射波之间的相对相移，从而导致向前和向后传播的波的相消和相长干涉。

导模谐振设备也可以被用作传感器中的组件。通过应用诸如气体或生化层之类的物质与谐振波导接触，可以检测到这些物质。传感器中的导模谐振设备的限制在于：由于泄漏模传播，与所述物质相互作用的波的相互作用长度受到限制。

例如在EP1739751中描述了使用RWG作为视觉传感器的彩色滤光片的其他开发。然而，直到最近，RWG的泄漏模和光波导属性才被专门用于光学传感平台中，如US5738825或EP0455067中所描述的那样。

L.Davoine等人的文章中描述了使用谐振波导光栅作为传感器来检测气体存在的示例：“Resonant absorption of a chemically sensitive layer based on waveguidegratings”（Applied Optics，pp. 340-349，vol.52，nr.3，2013）。

在该设备中，主要缺陷是光沿波导的固有泄漏，因此谐振光无法被与波导接触的介质完全吸收。此外，必须在可能的吸收增强与谐振波导结构的谐振带宽之间挑选微妙的妥协。

由于许多原因，包括技术制造方面的限制，仅在最近才开发出使用通过共同的非常薄的波导所连接的不同的耦入和耦出RWG的复杂RWG阵列，作为如WO9219976和EP1031828中所描述的传感平台。更近地在EP2618130或EP2757374中使用相干光束照明和检测也对该方法进行了描述。

WO2015096859描述了一种允许实行光束重定向的导模谐振设备。这是通过在具有第一光谱分布的“RWG耦入器（incoupler）”中使用光耦入来实现的，然后，以非镜面或非零级透射角、在同时具有与具有另一光谱分布的同一波导中的相反方向上的引导的情况下，将耦入的光传输到相邻的“RWG耦出器”并且由其解耦，“RWG耦入器”和“RWG耦出器”分别是针对该第二光谱分布的“耦出器”和“耦入器”。

与主要由US3059519的公开内容引发的这些开发并行地，许多开发旨在创造紧凑、轻巧且高质量的近眼头戴式显示器。这些设备尤其是半透明显示器，从而允许将来自可见场景的视觉信息叠加给观察者，并且通过计算平台提供的图像进行叠加。已经深入研究了这样的设备，并且它们通常被称为增强现实设备、智能眼镜，以及更近地被称为混合现实设备或平视头戴式显示器。

已经提出了许多不同的光学系统，以将由微型显示器或微型投影器产生的光重定向到光学投影系统的眼瞳，同时允许用户观看外部世界。合并通常由RGB分量制成的高分辨率彩色图像而不干扰自然视场已经被证明是有挑战性的。可以将合成的动态2D图像或有时是3D图像（被定义为光场动态图像）与外部世界的光进行合并的光学设备被称为近眼显示器“屏幕”或也被称为“光学组合器”。

根据EP0535402和US6580529的公开内容，已经基于自由形式的光学元件和/或高度多模光导提出了许多方法，该光学元件和/或高度多模光导通常捕捉两个反射界面之间的光，光线在这两个反射界面上反弹。在所提出的某些技术中，该功能由复杂的半透明微型显示器来做出。为了耦入和耦出多模光导光线，已经经常开发和提出通常被称为衍射光学元件（DOE）的衍射光学元件，诸如SRG以及SBG。

然而，这些衍射元件是高度色散的，并且相对是宽带的，从而产生了可能针对外部世界的光和所计算的图像两者的所谓的“彩虹效应”。这限制了衍射光学元件作为光学组合器的应用（主要是要将光线从光导耦出），使得来自外部世界的大部分衍射光被衍射，以及光导，从而限制了视觉像差。已经提出了各种方法来减少这样的影响，诸如使用如US2015362734中所描述的体积全息图（HOE）。

最近的开发旨在以紧凑、薄且轻巧的形状因子提供具有高横向（XY）图像分辨率、大出射光瞳（也被称为眼盒（eyebox））和眼球移动而不丢失图像信息的宽视场（FOV）屏幕或组合器，该高横向（XY）图像分辨率具有大RGB（红、绿、蓝）色域颜色，该大出射光瞳允许具有各种瞳孔间距（IPD）的用户使用该近眼显示器。取决于所使用的方法，当前的限制是：色散、来自外部世界的光的衍射、受限的透明度、被用于出射光瞳扩展（EPE）的平面波导的受限形状、受限的FOV、由于干扰以及困难的生产制造/复制过程和制造公差所致的眼盒上的光强度的不均匀。

该领域中已经提交了大量专利。在这里引用了一些专利：索尼（US2016334629）、微软（US2012075168）、精工（EP2631695）、谷歌（US8472119）、Magic Leap（US2015016777、US2016327789）。已经提出了许多其他方法来达到上面列出的目标，并且例如可以在CPC类G02B2027/0123中找到这些方法。

发明内容

本发明的目的是要公开一种新的谐振波导光栅。这种新的谐振波导光栅适合于针对至少一个眼睛显示器在近眼显示装置、近眼光场显示装置、增强现实系统或混合现实系统中使用。本发明还涉及一种光学组合器以及一种包括本发明的谐振波导光栅的近眼显示装置。

更精确地，本发明涉及一种谐振波导光栅，其定义了第一侧和与所述第一侧相反的第二侧，该谐振波导光栅包括：

- 基板层，其定义了第一基板表面和面向所述第一基板表面的第二基板表面；

- 波导层，其具有布置在所述基板层上的第一波导表面和第二波导表面，并且具有在垂直于所述第一波导表面的方向上定义的预定介电常数函数；

- 多个亚波长结构，

其中，

- 所述波导层被配置成：在预定波长范围内引导至多十个波导光模，

- 所述多个亚波长结构包括至少两个相邻凹槽，每个凹槽定义了凹槽中心，并且所述多个亚波长结构包括至少两个相邻凸脊，每个凸脊定义了凸脊中心，所述两个相邻凹槽在它们的中心之间具有亚波长距离d1，该亚波长距离d1不同于在所述两个相邻凸脊的中心之间的亚波长距离d2，

- 所述多个亚波长结构被布置成通过所述波导层进行光学通信，所述波导层的介电常数函数和所述多个亚波长结构的尺寸和取向被挑选成使得多个亚波长结构通过衍射而将入射光束的至少耦入部分谐振地耦合到所述波导层中，该入射光束由光发射器提供到波导层的所述至多十个波导模中的至少一个中，

- 所述多个亚波长结构被配置成通过衍射而将所述至少耦入部分的耦出小部分从所述波导层谐振地耦出；

- 所述至少耦入部分的所述耦出小部分具有在所述预定波长范围内的预定中心波长λ₀，并且具有预定光谱宽度Δλ，所述耦出小部分是入射光束的衍射部分。

在一实施例中，所述相邻凹槽之一位于所述相邻凸脊之间。

在一实施例中，通过波导层引导耦出小部分远离所述入射光束的部分透射的光束，并且通过波导层引导所述耦出小部分远离所述入射光束的部分反射的光束。

在一实施例中，至少两个凹槽和/或至少两个凸脊具有不同的形状和/或尺寸。

在一实施例中，在所述入射光束的光谱的至少一部分中，波导层具有的平均折射率高于所述基板层的折射率。

在一实施例中，波导层由包含至少电介质或半导体材料的材料制成。

在一实施例中，波导层包括由电介质材料或半导体制成的纳米颗粒。

在一实施例中，在所述入射光束的光谱的至少一部分中，电介质材料或半导体具有的光学指数（optical index）高于所述基板层的折射率，优选地高出至少0.1。

在一实施例中，波导层将由不同材料制成的至少两个层包括到波导层的至少一侧。

在一实施例中，波导层将跨垂直于所述第一波导表面的方向的由具有变化成分的合金制成的层包括到波导层的至少一侧。

在一实施例中，波导层包括由具有不同掺杂浓度的相同材料制成的至少两种材料。

在一实施例中，波导层跨垂直于所述波导层的方向具有掺杂浓度轮廓。

在一实施例中，谐振波导光栅包括多个亚波长结构，其中至少两个凹槽和至少两个凸脊具有二元形状、或正弦形状、或三角形形状或倾斜形状。

在一实施例中，所述波导层包括被定义在所述波导层的平面中的平坦部分。

在一实施例中，所述波导层与多个亚波长结构的形状基本上共形。

在一实施例中，所述波导层包括具有空间傅立叶变换的至少一组多个亚波长结构，该空间傅立叶变换包含至少两个有差别的有效空间频率分量。

在一实施例中，所述至少两个有差别的有效空间频率分量大于所述预定波长λ₀的空间频率1/λ₀的十分之一。

在一实施例中，所述有效空间频率分量大于所述预定波长λ₀的空间频率1/λ₀，更优选地两个至少有差别的有效空间频率分量大于所述预定波长λ₀的空间频率1/λ₀。

在一实施例中，谐振波导光栅的部分包括：具有局部空间周期性（P）的一组多个相邻亚波长结构，该局部周期性（P）的定义在于：所述一组多个亚波长结构中的横向和垂直尺寸在所述部分中变化不超过10％。

在一实施例中，所述局部空间周期性（P）是所述部分的至少两个有差别的有效空间周期分量的最小公倍数。

在一实施例中，所述空间周期（P）小于所述预定波长λ₀的十倍。

在一实施例中，根据衍射级N至少是一个所述空间周期P或低于负一个所述空间周期P，所述耦出小部分是所述谐振波导光栅对入射光束的耦出衍射部分，所述耦出小部分被引导远离入射光的镜面反射方向并且远离所述入射光束。

在一实施例中，根据衍射级N至少是两个所述空间周期P或低于负两个所述空间周期P，多个亚波长结构通过衍射将入射光束的所述耦入部分谐振地耦合到所述波导层中。

在一实施例中，所述部分包括不具有局部空间周期性（P）的一组多个亚波长结构。

在一实施例中，所述部分包括不具有局部空间周期性（P）的一组多个亚波长结构，所述部分包括至少8个凸脊和8个凹槽，优选地多于20个凸脊和20个凹槽，更优选地多于100个凸脊和100个凹槽。

在一实施例中，所述多个亚波长结构在超波长尺度上是不均匀的。

在一实施例中，所述多个亚波长结构具有其结构参数中的至少一个的空间梯度。

在一实施例中，所述多个亚波长结构跨波导层的平面而在一维或二维上被像素化。

本发明还通过一种衍射光学组合器来实现，该衍射光学组合器包括如上所述的至少一个谐振波导光栅。

在一实施例中，所述衍射光学组合器被布置在透明电介质材料上。

本发明还通过一种衍射光学耦合器来实现，该衍射光学耦合器包括如上所述的至少一个谐振波导光栅。

在一实施例中，所述至少一个衍射光学耦合器被布置在透明电介质材料上。

在一实施例中，所述透明电介质材料是薄箔或板或弯曲板。

本发明还通过一种近眼显示装置来实现，该近眼显示装置包括如上所述的至少一个谐振波导光栅。

在一实施例中，该近眼显示装置包括如上所述的至少一个衍射光学组合器。

在一实施例中，该近眼显示装置包括如上所述的至少一个衍射光学耦合器。

附图说明

在审阅下面的详细描述和附图之后，本发明的上述目的和优点对于本领域普通技术人员将变得更容易地显而易见，在附图中：

- 图1a图示了使入射光束的一部分重定向的本发明的谐振波导光栅的截面图；

- 图2图示了本发明的谐振波导光栅的多个亚波长结构的截面图；

- 图3图示了不同的波导层配置的截面图；

- 图4a图示了本发明的谐振波导光栅的亚波长结构的截面图，该亚波长结构包括具有非常不同的尺寸并且具有伪正弦轮廓的两个凸脊和两个凹槽；

- 图4b图示了谐振波导光栅的亚波长结构的截面图，该亚波长结构包括四个凸脊和四个凹槽，相同凹槽的两个对是不同的；

- 图4c图示了谐振波导光栅的亚波长结构的截面图，该亚波长结构包括具有变化深度的凸脊和凹槽；

- 图5a图示了本发明的谐振波导光栅的亚波长结构的截面图，该亚波长结构包括三个二元凸脊和凹槽；

- 图5b图示了本发明的谐振波导光栅的亚波长结构的截面图，该亚波长结构包括三个二元凸脊和凹槽；

- 图5c图示了谐振波导光栅的亚波长结构的另一截面图，该亚波长结构包括三个二元凸脊和凹槽；

- 图5d图示了谐振波导光栅的亚波长结构的截面图，该亚波长结构包括比图5c中图示的凸脊和凹槽更浅的三个二元凸脊和凹槽；

- 图5e图示了本发明的谐振波导光栅的亚波长结构的截面图，该亚波长结构包括比图5d中图示的凸脊和凹槽更浅的三个二元凸脊和凹槽；

- 图6a图示了谐振波导光栅的一部分的截面图，该部分包括谐振波导光栅的多个亚波长结构的空间周期性组；

- 图6b图示了谐振波导光栅的一部分的截面图，该部分包括多个亚波长结构的空间准周期性组；

- 图7图示了本发明的谐振波导光栅的一部分的3D视图，该谐振波导光栅将光发射器提供的光束的小部分引导到观察者的眼睛；

- 图8图示了本发明的谐振波导光栅的一部分的3D视图，该谐振波导光栅将光发射器提供的光束的小部分引导到观察者的眼睛；

- 图9图示了由谐振波导光栅的两个部分对光导提供的两个光束的4个小部分进行的重定向，该谐振波导光栅被布置成扩大光发射器的出射光瞳；

- 图10图示了由光学组合器将在自由空间中行进的多条光束的小部分向观察者的眼睛进行的重定向，该光学组合器包括本发明的谐振波导光栅；

- 图11图示了由弯曲的光学组合器对在自由空间中以透射和反射配置行进的多条光束的小部分进行的重定向，该弯曲的光学组合器包括本发明的两个谐振波导光栅；

- 图12图示了由光学组合器对在自由空间中行进的多条光束的小部分进行的重定向，该光学组合器包括本发明的三个谐振波导光栅；

- 图13a和13b图示了由具有不同焦距的光学组合器对虚拟图像进行的投影；

- 图14a和图14b图示了相对于利用不同眼睛调节的光学组合器，位于不同焦距处的虚拟图像点的投影；

- 图15a图示了由本发明的谐振波导光栅将光发射器提供的光束的小部分向具有非平面波前的观察者的眼睛进行的重定向；

- 图15b图示了由本发明的谐振波导光栅将光发射器提供的光束的小部分向具有非平面波前的观察者的眼睛进行的重定向；

- 图16a图示了由本发明的谐振波导光栅的两个部分将光发射器提供的光束的小部分向具有非平面波前的观察者的眼睛进行的重定向；

- 图16b图示了由本发明的非均匀谐振波导光栅将光发射器提供的光束的小部分向具有非平面波前的观察者的眼睛进行的重定向；

- 图17图示了包括具有复杂的3D弯曲形状的本发明的两个谐振波导光栅的光学组合器；

- 图18图示了包括本发明的谐振波导光栅和指数层的光学组合器，该指数层包括用于调制该层的折射率以便修改该光学组合器的出射光瞳的手段；

- 图19a和图19b图示了光学组合器，其包括位于单个或多个波导层上的本发明的谐振波导光栅的各种部分，从而扩大了光学组合器的出射光瞳；

- 图20图示了包括本发明的谐振波导光栅的光学组合器，其被配置成被平移，或被配置成从相对于该光学组合器被平移的光发射器来接收光；

- 图21图示了包括本发明的多个谐振波导光栅的光学组合器，其利用从共同发射器接收到的光进行操作，并且图示了选择性吸收或反射层；

- 图22图示了包括两个不同的出射光瞳的光学组合器，其采用其中光从自由空间逼近的配置；

- 图23图示了包括两个不同的出射光瞳的光学组合器，其采用其中光从光导逼近的配置；

- 图24图示了近眼显示装置；

- 图25图示了位于可见光谱范围内的由本发明的谐振波导光栅进行重定向的光的光谱；

- 图26图示了本发明的谐振波导光栅的一部分，该部分包括一组亚波长结构，该亚波长结构包括五个弯曲的凸脊。

具体实施方式

以下详细描述涉及本发明的某些特定实施例。然而，本发明可以以多种不同的方式来体现。在该描述中，参考附图，其中相同的部分始终用相同的数字来标明。

旨在使用谐振波导光栅使光束重定向得远离镜面反射方向的先前工作已经使用了两个或更多个分立的谐振波导光栅，这些光栅被布置成通过波导层进行光学通信。在这样的情况下，波导层通过具有不同周期和/或不同取向的光栅在不同的位置中被波纹化，并且具有具有不同光栅矢量（k矢量）的至少两个光栅。例如在文档WO 2015096859和WO2017137127中对此进行了描述。

在这样的配置中，分离的光栅中的每一个基本上是均匀的，并且排他地可操作用于使用衍射事件、分别将每条光束从入射光束耦入到导模之一中、或者将每条光束从导模耦出到发射光束中。所述分离的光栅通过具有至少不同的光栅矢量而是不同的，并且不能够将入射光束的相同部分耦入和耦出到所述波导层的相同的模中。可以可能地通过被用作耦入器的相同光栅来对不同的导模进行耦入，并且可以通过作为耦出器的该相同光栅来对另一个模进行耦出，但是入射光束的相同部分将不会被不同光栅在相同的引导方向上耦入到相同的导模中。这样的配置从根本上依赖于分立的耦入和耦出区域，这些区域通过各自定义了每个谐振波导光栅的光栅而在空间上被离散化。有可能布置多对这样的谐振波导光栅，使得它们通过确保其重定向的光束是同相的以产生相长干涉而光学地协作。

感兴趣的是实现空间上连续的光束重定向，以便改进例如但不限于重定向光的光学效率、光学均匀性、颜色选择性、角度选择性或波前连续性。已经执行了实验工作以尝试使一对谐振波导光栅中的每个光栅的表面最小化，以提供一些这种改进。然而，减小分离的耦入或耦出光栅的大小、可能地减小到仅几个光栅周期（例如，10、5或3对凹槽和凸脊）会导致严重的缺陷。光耦入和重定向的光谱和/或角度选择性急剧地降低，并且会出现许多伪像。

谐振波导光栅由于泄漏耦入模与入射光之间的谐振而进行选择性地操作。减小谐振波导光栅的大小急剧降低了这种谐振波导光栅的滤波和选择性属性。附加地，在相邻谐振波导光栅的大小减小的情况下，相邻谐振波导光栅之间发生的谐振和干扰相对于谐振波导光栅内部的谐振和干扰而言越来越重要。

与这样的配置相反，本发明的目的是提出一种新型谐振波导光栅，其依赖于多个亚波长结构，该亚波长结构具有至少两个相邻凹槽和两个相邻凸脊的特定布置，如进一步解释的那样。本发明的多个亚波长结构不仅仅依赖于如均匀光栅中的凹槽和凸脊的有规则的布置。现有技术的布置受限于零级衍射事件，并且可能受限于直接一级或负一级衍射效应，所以它们不允许在指定颜色或角度选择性的情况下以任何指定的角度进行光重定向。

相反，本发明的多个亚波长结构目标的特定配置使得：当与波导层组合时，既能够实行入射光束的小部分在单个导模中的耦入，又能够实行该入射光束的小部分从该导模至任意所挑选的重定向角度的耦出。实际上，通过波导层的相同部分中的相同多个亚波长结构来实行耦入、泄漏模引导和耦出。本发明的这种新型谐振导模设备1使得能够实现连续的光束重定向，而不依赖于分立的分离谐振波导光栅。

本发明的多个2亚波长结构2a包括：至少两个不同类型的凹槽或凸脊，或者在凹槽与凸脊之间具有不规则的间距，即，具有类似或相同凹槽或凸脊的非周期性间距。多个2亚波长结构2a的不同类型的凹槽或凸脊具有不同的轮廓和/或深度和/或大小和/或间距。这种多个2亚波长结构2a的空间傅立叶变换始终包含多于单个空间频率分量，这与有规则且均匀的光栅（例如，具有正弦轮廓的光栅）相反。

通过所述多个2亚波长结构2a、至少一个波导层、以及围绕该波导层的介质（通常被称为导模设备的基板，其可能具有关于波导层的覆层功能）的组合而获得的导模谐振设备不是规则的谐振波导光栅。通过对基于局部谐振器（其中一些使用垂直导模谐振）的如在科学文献中所公开的所谓的光学超表面或超透镜的类比，本发明的谐振波导光栅1可以被称为依赖于水平导模谐振的超谐振波导光栅或超表面。然而，为了简单起见，在本申请中用于本发明的光栅1的用词是谐振波导光栅1，应该理解的是，本发明的谐振波导光栅1不依赖于具有单个凹槽和凸脊的规则的周期性布置，如在现有技术的谐振波导光栅的情况汇那样。

由于支撑本发明的谐振波导光栅1的多个2亚波长结构2a的不规则性，这些亚波长结构的至少两个相邻凸脊和两个相邻凹槽部分之间的距离是不同的。考虑到亚波长结构的许多不同的可能形状，该距离被定义为至少两个相邻凸脊的中心或两个相邻凹槽的中心之间的距离。作为示例，凸脊和凹槽的中心可以被定义为凹槽的最低部分，或凸脊的较高部分。在图2的示意性截面图中图示了正弦轮廓或伪正弦轮廓的凸脊。对于基于二元形状亚波长结构、准二元结构、多层结构或具有平坦顶部和/或平坦底部的其他结构轮廓的谐振波导光栅1，凸脊的中心、或凹槽的中心被定义为具有较高或较低高度的平坦部分的中心。

在优选的实施例中，其中心没有以相同距离分离的两个相邻凹槽和凸脊本身彼此相邻或交错，使得这两个相邻凹槽中的一个位于两个相邻凸脊之间。相对于波导层20的平面，凹槽和凸脊可以具有不同的高度。替换地，该配置等同于位于两个相邻凹槽之间的两个相邻凸脊的配置。

在一实施例中，该多个亚波长结构被设计成将来自入射光束的光远离其镜面反射和直接透射而共同地耦入和耦出。在一变体中，光可以沿着波导层的镜面反射或沿着入射光束的直接透射的方向而被重定向。然而，可以以许多不同的角度、并且甚至通常以任何任意角度来实现在具有本发明的谐振波导光栅目标的情况下的对光束的重定向。

在一实施例中，谐振波导光栅包括：多个亚波长结构，其包括凹槽和凸脊，该凹槽和凸脊具有至少两个不同大小和/或形状的相邻的凸脊、和/或具有两个不同大小和/或形状的相邻的凹槽。各种凸脊和凹槽定义了多个2亚波长结构2a，它们不均匀并且具有彼此相邻且彼此不同的至少两个不同的凹槽、或彼此相邻且彼此不同的两个不同的凸脊。这些不同的亚波长结构的局部光学谐振由于其不同的几何形状以及在波导层材料的空间中的不同分布而具有不同的光谱和/或角度依赖性。这些局部光学谐振的修改会影响在谐振波导光栅1中的耦入、以及离开该谐振波导光栅1的耦出。

附加地，由于不同的凸脊和凹槽，各个相邻凹槽与凸脊之间的间距可能有所不同，从而产生各种局部周期性、以及波导模的有效指数，该有效指数可能会由于各种凸脊或凹槽的轮廓而变化。有效空间周期性和波导模有效指数两者的局部变化允许影响泄漏模传播，因此影响泄漏导模与入射光束之间的光学干扰，进而影响由本发明的谐振波导光栅对光的耦入和耦出。有效空间周期性和波导模有效指数两者的局部变化还允许通过修改近场以及远场中的干扰来影响重新发射的电磁波，该修改例如对重定向的电磁波（光束）的波前或光谱分布进行整形。

相对于现有技术的谐振波导光栅，包括谐振波导光栅1的多个2亚波长结构2a（其具有至少两个不同大小和/或形状的相邻的凸脊、和/或两个不同大小和/或形状的相邻的凹槽）的组可能会产生不同的局部谐振和/或不同的泄漏导模传播、和/或对近场干扰或远场波前传播的修改。由多个2亚波长结构2a的物理和几何参数的局部变化提供的光学效应允许提供用以对重定向的光束进行光学调谐的手段，诸如效率、空间分布、传播角度或波前整形的调谐。例如，可以实现本发明的各种谐振波导光栅1，其包含不同组的多个2亚波长结构2a（其包括各种不同的凸脊和/或凹槽），以便使光束的光谱部分朝向同一方向相同地重定向，但是在另一光谱部分中和/或在另一入射角的光下、和/或在使用另一光偏振的情况下表现得不同。

图1和图2图示了本发明的谐振波导光栅1的优选实施例。

谐振波导光栅1定义了第一侧1a和与所述第一侧1a相反的第二侧1b，并且包括：

- 基板层4，其定义了第一基板表面4a和面向所述第一基板表面1a的第二基板表面4b；

- 波导层20，其具有布置在所述基板层4上的第一波导表面20a和第二波导表面20b，并且具有在垂直于所述第一波导表面20a的方向上定义的预定介电常数函数；

- 多个2亚波长结构2a，其定义了X-Y平面，如图1中图示的。垂直轴Z被定义成垂直于X-Y。

基板通常是在感兴趣的波长范围内高度透明的材料，并且具有低雾度。如进一步描述的，它可以包括具有不同光学功能的多个层。

多个2亚波长结构2a可以以不同的方式来布置。

波导层20的部分22被定义为谐振波导光栅1的预定义区域，该预定义区域包括至少一组多个2亚波长结构2a，所述组被布置成实行至少预定的光学功能。波导层20的部分22可以包括各种各样且大量的这样的组，例如图4a-6b中图示的。图4c图示了多个2亚波长结构2a的单个组。图6a图示了多个2亚波长结构2a的周期性组。波导层20的部分22可以包括各种各样且大量的这样的组，例如图4a-6b中图示的。由部分22实行的所述预定的光学功能的示例是：要由所述部分22并且针对预定波长将入射光束的耦入部分的至少耦出小部分引导到特定方向中。可以由所述部分22中的一个以上来实行更复杂的光学功能，诸如对具有不同颜色/波长的多条光束的图像束进行重定向。图26图示了一组多个2亚波长结构2a的示例性布置。

波导层20被配置成在预定波长范围内引导至多十个波导光模。优选地，所述预定波长范围位于UV、可见或红外范围内，所述可见波长范围被定义为具有370 nm和800 nm之间的波长的光。因此，波导层在垂直于该层的方向上具有非常薄的尺寸。例如，它可以薄于3微米，优选地薄于1微米，并且更优选地薄于200 nm。对于在可见范围之外（诸如在UV或红外（IR）范围内）的光学应用，适合于在这种光学范围内的波导层的材料可能不允许对在可见范围内的光进行波导，如例如硅。

在一变体中，所述预定波长λ被包括在380 nm和1200 nm之间，并且其中所述预定光谱宽度Δλ小于100 nm，优选地小于80 nm，更优选地小于50 nm，所述预定光谱宽度被定义为所述耦出小部分10c的光谱的半峰全宽。由于光发射器的布置的角度和光谱公差，所述预定光谱宽度Δλ优选地大于0.1 nm，更优选地大于0.5 nm，并且在所述光发射器110中使用光谱足够宽的光源的情况下可以大于1 nm或大于3 nm。附加地，可以通过修改所述谐振波导光栅1的泄漏性来设计耦入模10b的光谱宽度Δλ。

在一变型中，所述耦入部分10b中的至少一个以波导层20的基本模在所述波导层20中传播，该模或者是基本（也被定义为零）的横电模（TE0），或者是基本的横磁模（TM0）。这种配置可以允许设计仅支持单个导模的波导层20，所述波导层20的基本导模是非常薄的。例如，这通过使用非常薄的波导层20来实现，例如对于可见波长范围内的光，该波导层20例如薄于200 nm，或者甚至优选地薄于100 nm。光耦入和耦出的这种高选择性——谐振波导光栅1的能力——可以在宽的光谱和角度范围内具有高透明度，并且具有可能被重定向的光的非常高的选择性。所述宽的光谱范围可以是例如400 nm至800 nm之间的波长。所述角度范围可以是可忽略的入射光将从其重定向的45°角度范围。所述高选择性可以是例如在半峰全宽处定义的光谱带宽，其小于重定向的中心波长的20％，即，对于500 nm的中心波长为100 nm，优选地小于10％，更优选地小于5％，甚至更优选地小于重定向的中心波长的3％。所述高选择性可能在小于20°、优选地小于10°、更优选地小于5°的半最大光重定向效率下的全角度范围的角度范围内。

垂直于所述波导层20所定义的谐振波导光栅1的所述高透明度对于谐振波导光栅的感兴趣波长范围内的光、对于由面向所述前侧1a的光源提供的光而言可以高于50％，优选地高于70％，更优选地高于80％，并且甚至更优选地高于90％。使用非常低的模并且优选地是单模波导层20和/或非常小的亚波长结构2a（例如，小于波长的四分之一）允许将光仅衍射成谐振的，从而耦入到所述波导层中，如前面描述的那样，谐振波导光栅1可以被设计成是高度光谱和角度选择性的，从而允许非常低的寄生衍射和雾度、以及非常高的透明度。

波导层20可以由位于如定义的那样垂直于波导层的不同层中的不同材料制成，并且可以包含微米或纳米复合材料。波导层20可以由其在垂直于波导层20的轴线上的介电常数截面、以及由其色散、最终的光散射或光吸收、表面粗糙度来定义。由于例如亚波长结构2的不同局部斜率从而可能地针对湿法或真空沉积技术而产生局部润湿变化或不同的材料投影，或者由于在利用压纹结构技术进行制造的情况下的材料变形，波导层20可能在多个亚波长结构2上不是完全均匀的。

多个2亚波长结构2a包括：至少两个相邻凹槽30、31，每个凹槽定义了凹槽中心30a、31a；并且包括该多个2亚波长结构2a包括至少两个相邻凸脊40、41，每个凸脊40、41定义了凸脊中心40a、41a，所述两个相邻凹槽30、31在它们的中心30a、31a之间具有亚波长距离d1，该亚波长距离d1不同于在所述两个相邻凸脊40、41的中心之间的亚波长距离d2。

所述多个2亚波长结构2a被布置成通过所述波导层20进行光学通信，所述波导层20的介电常数函数和所述多个2亚波长结构2a的尺寸和取向被挑选成使得多个2亚波长结构2a通过衍射而将入射光束10a的至少耦入部分10b谐振地耦合到所述波导层20中，该入射光束由光发射器11提供到波导层20的所述至多十个波导模中的至少一个中。如进一步描述的，图15a、15b、16b例如图示了通过本发明的谐振波导光栅1的部分22进行的谐振耦出。

理解的是，基板层4可以是平坦的或弯曲的，并且至少局部地定义所述平面，局部地意味着其在一个维度上包括至多十个亚波长结构。理解的是，实际上，所实现的谐振波导光栅1可以具有大于10×10 mm的尺寸，并且可以在一个维度（例如，x方向或y方向）上包括多于10⁵个亚波长结构。

在适合于可见光应用的示例中，d1在50 nm和800 nm之间，并且d2在30 nm和600nm之间。

对于可见范围，d1和d2的典型范围在80 nm和500 nm之间，优选地在100 nm和400nm之间。

所述多个2亚波长结构2a被配置成：通过衍射而将所述至少耦入部分10b的耦出小部分10c从所述波导层20谐振地耦出。

所述至少耦入部分10b的所述耦出小部分10c在所述紫外或可见或红外波长范围内具有预定的中心波长λ₀，并且具有预定光谱宽度Δλ，所述耦出小部分10c是入射光束10a的衍射部分。在某个配置中，该耦出小部分10c具有包括预定光谱宽度Δλ中的各种谱峰效率的光谱分布，如实验结果中进一步详述的那样。多色入射光束10a的耦出小部分10c的不同光谱分量可能因为由于衍射事件并且最终由于谐振波导光栅1材料的折射率色散所致的光谱角度色散而被重定向到不同的角度。

图1图示了谐振波导光栅1的波长和/或角度和/或偏振选择性。波导层20被嵌入在其第一基板表面4a与其面向所述第一表面4a的第二基板表面4b之间的基板层4中。波导层20具有面向所述第一基板表面4a的第一波导表面20a和面向第二基板表面4b的第二波导表面20b。在光学上接近波导层的多个2亚波长结构2a由于其尺寸而未在该截面示意图中表示，该尺寸通常比例如基板层4的尺寸小得多。对于相同的示意图，与多个2亚波长结构2a联接的波导层的波纹和结构也未在该尺度下表示。

在图1中图示的示例中，各种入射光束10a、11a、12a从第一基板表面4a逼近到谐振波导光栅1上，并且入射在所述第一波导表面20a上的波导层2上。光束10a被谐振波导光栅1部分地衍射成耦出光束部分10c，从而在第二基板表面4b处离开该基板。该光束与谐振波导光栅1的谐振条件匹配，并且由于此原因，它至少部分地被重定向。耦出光束小部分10c可以朝向第一基板表面4a而被重定向。对于这种入射光束10a和从第一波导表面20a的一侧上的波导层耦出并且朝向第一基板表面耦出的耦出光束小部分10c而言，该配置被称为反射光束重定向。相反地，其中将这种逼近到第一波导表面20a上的入射光束10a至少部分地耦入，以使得从波导层、从第二波导表面20b耦出的耦出光束小部分10c被称为透射重定向。

在透射和反射配置两个中，可以由从第一基板表面4a侧逼近的单个入射光束10a来生成多个重定向光束10c，该重定向光束10c是波导层20中的耦出泄漏导模的小部分。波导层20还可以分别使入射光束10a部分地反射和部分地透射成光束10g和10f，如以现有技术的谐振波导光栅已经已知的那样。如本领域技术人员已知的，诸如第一基板层4a和第二基板层4b之类的其他光学界面也可以部分地反射、透射光束或完全地反射光束，这未在图1中图示。

其他入射光束（诸如，图1中的光束11a）可以从相同角度入射到波导层20的相同部分上，但是由于不同的波长和/或偏振而可能不会被重定向或可能以非常低的效率被重定向。实验结果和图25中给出了这种波长和偏振选择性的示例。

因为本发明的谐振波导光栅1的角度选择性，具有与入射光束10a相同的波长和偏振但是以与光束10a不同的角度逼近的其他光束（诸如，入射光束12a）也可能不会被重定向或可能以非常低的效率被重定向。

在一实施例中，本发明的谐振波导光栅1的目的是要允许波长和/或偏振和/或角度选择性光束重定向。

利用图2进一步图示了本发明的谐振波导光栅1，该图2表示本发明的波导层20和多个2亚波长结构2a的示例的示意性截面图。图2的截面图表示在波导层20的法线平面y-z中的波导层20。图2的截面图表示垂直平面y-z中的截面图，并且示出了多个2亚波长结构2a中的单个亚波长结构的一部分的细节。

多个2亚波长结构2a使波导层20波纹化，这是因为这两个元件2、20接触，因此，波导层20在亚波长尺度下是非平面的。由于亚波长结构在垂直于波导层20的方向上的变化高度，波导层20在亚波长尺寸中可以是局部不连续的。例如，在图5c至图5e中以示意性截面图图示了波导层20沿着多个亚波长结构的各种布置，该多个亚波长结构具有波导层20的不连续性的亚波长连续性。由于不连续性的亚波长垂直和水平尺寸，波导层20的亚波长不连续性可能不会阻碍光在波导层20上的传播和引导。

为了产生或复制多个2亚波长结构2a，可以使用诸如纳米压印光刻（NIL）技术之类的表面结构化过程来制造本发明的谐振波导光栅1。这样的表面结构化过程可以在玻璃基板、聚合物基板或其他合成或陶瓷基板上执行。可以在诸如紫外线（UV）压印的热压印之类的过程中将多个2亚波长结构2a产生到所述基板的表面中。也可以使用附加过程来产生所述多个2，该过程例如利用附加的处理层或材料，诸如热塑性聚合物或热塑性漆或UV漆或树脂。替换地，可以通过诸如对基板材料进行化学或等离子体蚀刻之类的烧蚀过程来实现亚波长结构。波导层20可以被沉积或涂覆在多个2亚波长结构2a上，以便遵循其形貌和亚波长浮雕结构。替换地，可以将波导层20沉积在平坦表面上，该平坦表面然后使用由多个2亚波长结构2a构造的工具、通过压印过程而被波纹化。

在一变型中，所述波导层20在包括具有基本上相同的厚度和材料成分的大量凹槽和凸脊的一组多个2亚波长结构2a上是均质的。共同的波导层材料可以被沉积、涂覆或扩散在大量多个2亚波长结构2a上，而无需对其进行图案化或修改其成分和介电常数截面。例如，可以使用共同波导层20、通过仅将凹槽30、31和凸脊40、41修改成适应于各种波长、来将相邻的多个2亚波长结构2a设计成在可见范围内的不同光谱带（诸如红、绿和蓝（RGB））中进行操作。尤其地，它们的取向、空间周期性、深度和轮廓可以在基板上被设计和构造，并且然后例如通过使用真空或大气沉积技术而被涂覆有共同波导层20。这种技术的示例是物理气相沉积（PVD）、溅射、真空中的化学气相沉积（CVD）、湿式涂覆、电镀、以及在大气压下的扩散掺杂。将共同波导层用于大量多个2亚波长结构2a允许以低成本且高产量的制造方法进行生产。

在波导层20中传播的光受到与波导层20光学邻近的介质的影响。紧接在波导层20下方和上方的材料对在波导层中传播的泄漏波导模执行覆层功能。为了控制和调整这些介质的介电常数，可能优选地利用覆盖材料来覆盖波导层20，优选地以共形涂层的形式。在这样的配置中，多个2亚波长结构2a和波导层20可以被嵌入在这样的介质、处理层或涂层材料中。因此，多个2亚波长结构2a和波导层20可以位于第一基板表面4a和第二基板表面4b中的任一个处或位于基板层4中。多个2亚波长结构2a和波导层20可以被部分地覆盖，因此可以部分地嵌入基板层4中并且部分地在第一基板表面4a和第二基板表面4b中的任一个上。可以制造包括多于一个的多个2亚波长结构2a、波导层20和基板层4的复合基板。如进一步详细描述的，本发明的谐振波导光栅1可以在基板的不同部分上实现，可能地覆盖基板的各个表面或被嵌入复合基板的不同层中。

如图2中图示的，多个2的各种亚波长结构可以包括具有各种形状和/或不同的垂直和/或水平尺寸的凸脊和凹槽。它可以包括两个相同的凹槽，诸如所图示的凹槽30、32，以及不同的凹槽，诸如凹槽30和31。它也可以包括相同的凸脊和不同的凸脊，诸如所图示的凸脊40和41。

然而，本发明的谐振波导光栅1不可以仅包括全部相对于彼此规则地间隔开的相同的凹槽和相同的凸脊。现有技术的谐振波导光栅由相同的凹槽和相同的凸脊的规则布置制成，其并不满足在两个相邻凹槽的中心之间以及在两个相邻凸脊之间具有不同的亚波长距离的条件。由相同的凹槽和相同的凸脊的规则布置制成的现有技术的谐振波导光栅不允许提供可以通过本发明的谐振波导光栅1实现的光学效应。相反，本发明的谐振波导光栅1可以被实现为具有相同的凹槽和至少两个不同的凸脊，或者具有相同的凸脊和至少两个不同的凹槽，或者具有满足它们之间具有不同间距的条件的凸脊和凹槽。这些条件强加的是，至少两个相邻凸脊40、41的中心40a、41a之间的距离d2和至少两个相邻凹槽30、31的中心30a、31a之间的距离d1要是不同的，如例如图2中图示的那样。

与诸如文档WO 2017137127中的依赖于各种有差别的谐振波导光栅进行光重定向的现有技术相反，在至少两个相邻凹槽的中心以及至少两个相邻凸脊的中心之间具有不同间距的本发明的多个2亚波长结构2a允许将入射光的部分10b共同地耦入到波导层2的至少一个模中，并且可以将耦入部分10b的小部分10c共同地耦出。该耦入部分10b在泄漏波导模条件下被引导，并且可以被称为泄漏导模。

光束的光部分10b或光小部分10c耦入波导层20中以及从波导层20中耦出是通过衍射事件来实现的，入射光束的波前被这样的衍射事件衍射。

在图2中图示的优选实施例中，所述相邻凹槽30、31之一位于所述相邻凸脊40、41之间。换句话说，所述相邻凸脊30、31之一位于所述相邻凹槽40、41之间。

图2的本发明的多个2亚波长结构2a和波导层20或谐振波导光栅1的示意性截面图和类似的截面图图示了垂直于波导层20的局部平面的局部截面。在垂直于截面平面的方向上，亚波长结构可以是均匀且不变的。亚波长结构可以沿着诸如椭圆之类的曲线而被布置在波导20的平面中。在谐振波导光栅1的某些区域中，如图26中的部分22中图示的，单个凹槽或凸脊可能在多个2亚波长结构2a中消失或出现。可以实现谐振波导光栅1的像素化设计来实行如针对SRG和SBG所公开的特定光学功能，例如在文档US 2014104665中描述了这样的像素化。也可以沿着x方向或y方向来调制亚波长结构。例如，可以调制多个2亚波长结构2a的高度，或者凸脊或凹槽的数量可以有所不同，如图26中图示的。

在图1中图示的实施例中，通过波导层20引导耦出小部分10c远离所述入射光束10a的部分透射的光束10f，并且通过波导层20引导所述耦出小部分10c远离所述入射光束10a的部分反射的光束10g。应当注意的是，如可以由斯内尔-笛卡尔定律计算的那样，由于折射，部分反射的光束10g和部分透射的光束10f的方向可能会在不同的介质中变化。在相同材料层中、在相同介质中，应当考虑通过波导层20而远离所述入射光束10a的部分透射的光束10f、并且通过波导层20而远离所述入射光束10a的部分反射的光束10g的方向。

在图2中图示的实施例中，至少两个相邻凹槽30、31和/或至少两个相邻凸脊40、41具有不同的形状和/或尺寸。

波导层20可以由单个材料层、由多层材料、由纳米复合材料的复合物、以及由具有掺杂原子或其他添加剂的合金或材料组成。无论波导层是由单一材料（诸如，高折射率电介质或金属）制成，还是由在更复杂的复合材料上的层的复杂堆叠制成，出于简单性并且出于其在给定光谱范围内的功能性，它被称为波导层。

在图3a至3h中图示了可能的波导层20成分的示例，其中分别是：单个高折射率（HRI）材料（3a）；由低折射率或中折射率材料分离的两个HRI材料层（3b）；与HRI材料结合的金属层（3c）；梯度折射率（GRIN）波导层（3d），该梯度沿垂直于波导层20的平面的轴线定位；薄金属波导层，也被称为等离激元波导（3e）；由薄金属层分离的两个HRI材料（3f）；由HRI材料分离的两个薄金属层（3g）；由高折射率材料分离的两个低折射率材料（3h）。高折射率材料可以用电介质、以及可能展现出电子能级带隙的被称为半导体的材料制成，该材料在各种波长范围内是吸收的和不吸收的。可以从材料TiO2、ZnS、Si、Ta2O5、HfO2、ZrO2、AlN和Al2O3中挑选高折射率材料。高折射率材料可以用纳米复合材料制成。例如，为了制造用于可见波长范围应用的多个2亚波长结构2a，可以在UV纳米压印过程中使用包含二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒的溶胶凝胶，并且对其进行进一步处理以增加纳米复合物的折射率材料。

波导层20的成分的介电常数函数被定义为以下函数：该函数的值是随着垂直于所述波导层20的轴线上的方位而变化的局部材料介电常数。例如在文档EP 2447744中、尤其是在图2至图7中呈现了基于高折射率的RWG的介电常数函数的示例。在远离光栅结构的非波纹区域上单独定义波导层20的介电常数函数。

图3a-3h的示例图示了用以实现薄的光学波导层20的各种可能的材料。这些各种波导材料针对波导层创建了不同的介电常数截面函数。由于引导光模的电磁场分布随引导光的波长而变化，因此，除了每种材料的光谱色散之外，当由这些不同的波导层引导时，不同的波长会经历不同的有效模折光率。因此，可以通过挑选介电常数截面函数来选择所谓的模色散，因此选择最适合于获得期望的模光谱色散的波导层材料。

垂直于所述波导层20的局部平面所定义的厚度仅由所述波导层20的引导部分或芯来定义，而不由围绕所述波导层20的覆层或基板来定义。

波导层20可以包括诸如玻璃材料之类的梯度折射率（GRIN）材料，掺杂剂材料在其中扩散。波导层材料可以包括低折射率材料和高折射率材料、金属、金属氧化物，以及具有可调谐光学介电常数的材料（诸如液晶和克尔效应材料），以及这些材料的复合物。可调谐光学材料可以允许对谐振波导光栅的光重定向能力进行调谐，该谐振波导光栅的波导层的属性可以被修改。

在一实施例中，在所述入射光束10a的光谱的至少一部分中，波导层20具有的平均折射率高于所述基板层的折射率。这种较高的平均折射率允许在光谱的至少这样的部分上进行光引导。然而，应当注意的是，具有比基板层4更高的平均折射率的波导层20不是允许进行光引导的要求。例如，金属波导可以使用等离激元局部和/或传播谐振来引导光。替换地，波导层可以由三层堆叠制成，该三层堆叠由三种电介质材料制成，中心材料例如具有与基板层相同的折射率，而两种外部材料具有比基板层4低的折射率并且可以被用作光学覆层。如科学文献中报告的，许多其他配置也能够实现光引导。

应当注意的是，某种波导层20配置可能仅能够引导一个光偏振或者可能能够引导两个光偏振，具有两个不同偏振的光学导模会经历可能不同的波导层折射率/介电常数。作为示例，使用HRI材料的浅谐振波导光栅可以使在横电（TE）偏振的情况下逼近的光更好地耦入和耦出，入射光的电场平行于凹槽和凸脊轴线。相反，依赖于薄金属波导（通常被称为等离激元波导）的谐振波导光栅1将有可能更好地进行谐振，因此使来自在横磁（TM）偏振的情况下逼近的光的光部分10b和小部分10c更好地耦入和耦出，入射光的电场被包括在入射平面中，该平面垂直于波导层并且包括入射光束的方向。许多现有技术文档报告并明确了各种薄波导配置的模态有效指数。

在其中波导层20具有的平均折射率高于所述基板层的折射率的实施例中，谐振波导光栅1可以被布置成：由于入射光束10a的部分10b的可能耦入及其在预定方向上在耦出小部分10c中的耦出所致的使光束重定向，而不会展现出不依赖于波导层20的导模之一的直接衍射。通过波导层对波纹状波导层周围介质的较高平均折射率、以及由于多个2亚波长结构2a的亚波长尺寸，在给定光谱范围和可能的角度范围内，使得这种排他性的衍射可能性成为可能。例如，在空气中或基板层4的折射率中，零级衍射以上的衍射级可能是不可能的，而有可能进入和离开具有某多个2亚波长结构2a的波导层20。考虑到波导层20的可能导模的有限数量，对于给定的多色入射光束，可以在波导层内和波导层外实现有限数量的衍射峰。可以实现单个衍射峰，从而提供多色光束的非常窄的光谱光重定向、或非准直单色光束的光重定向的非常高的角度选择性。通过有限的引导模态能力，这样的行为可以被称为光衍射的离散化。如果其他波导层材料能够引导光并且展现出有限数量的导模，则可以使用不依赖于较高平均折射率的其他波导层材料来实现类似的选择性。

在一实施例中，波导层20由包括至少电介质或半导体材料的材料制成。

在一实施例中，波导层20包括由电介质材料或半导体制成的纳米颗粒。

在一实施例中，在所述入射光束10a的光谱的至少一部分中，电介质材料或半导体具有的光学指数高于所述基板层的折射率，优选地高出至少0.1。

在一实施例中，波导层20将由不同材料制成的至少两个层包括到波导层20的至少一侧。

在一实施例中，波导层20将跨垂直于所述第一波导表面20a的方向的由具有变化成分的合金制成的层包括到波导层20的至少一侧。

在一实施例中，波导层20包括由具有不同掺杂浓度的相同材料制成的至少两个材料。

在一实施例中，波导层20跨垂直于所述波导层20的方向具有掺杂浓度轮廓，从而使得能够在该方向上实现梯度指数。

本文中公开了本发明的谐振波导光栅1的多个2亚波长结构2a和相关的波纹状波导层20的各种示例。

在图5a中图示的实施例中，谐振波导光栅1包括多个2亚波长结构2a，其中所述至少两个凹槽30、31和所述至少两个凸脊40、41具有二元形状。二元形状被定义为具有由基本上垂直的部分（基本上垂直于波导层20的平面的部分）分离的2个层级的多层级结构。在一变体中，可以使用包括多于2个层级的其他多层级形状来设计多个2亚波长结构2a的整体的一部分。

在图4a中图示的另一实施例中，谐振波导光栅1包括多个亚波长结构，其中所述至少两个凹槽30、31和所述至少两个凸脊40、41具有正弦形状或伪正弦形状。在一实施例中，谐振波导光栅1包括多个亚波长结构，其中所述至少两个凹槽30、31和所述至少两个凸脊40、41具有三角形形状。三角形光栅形状例如可以是火焰光栅形状，该形状在截面中由两个部分来定义，一个部分基本上垂直，而第二个部分是斜的。在一变体中，三角形光栅形状也可以是具有两个斜的部分的对称或非对称三角形，如在截面中所看到的那样。在一变体中，所述至少两个凹槽30、31和所述至少两个凸脊40、41具有倾斜形状，该形状具有由两个倾的部分和基本上平行于波导层2平面的两个部分所定义的截面，倾的部分之一具有负角度，否则就定义了悬垂的形状。

作为谐振波导光栅1的示例，在图4a至4c中示出了分别具有2个、4个和4个凹槽的各种可能的多个2亚波长结构2a。如图4a中图示的，两个相邻的凹槽可以具有明显不同的横向大小。

如图4b中图示的，两个相邻的凹槽30、31可以具有不同的横向尺寸，因此可以具有不同的形状，但是具有相对可比较的尺寸，例如按小于30％进行变化。这对于凸脊41和42而言同样有效。

在图4b和4c中图示的实施例中，多个2亚波长结构2a还可以包括两个相同且相邻的凹槽，如例如凹槽31和32或凹槽30和33。然而并且如前面解释的，仅包括有规则地间距开的大量相同的相邻凹槽和凸脊的谐振波导光栅不是本发明的目的。这并不会阻止设计均包括多个2亚波长结构2a的周期性组。然而，在所述组的周期性布置的情况下，每个周期包括如前所描述的所述一对相邻的凹槽和所述一对相邻的凸脊中的至少一个。如图4b和图4c中图示的，至少两个凹槽30、31和两个凸脊40、41在它们的中心之间具有不同的距离d1、d2。

在图4c中图示的实施例中，与凹槽31、30相邻的多个2亚波长结构2a可以具有不同的高度，或者如关于凸脊的顶部所定义的那样，具有不同的凹槽深度。

在一实施例中，所述波导层2包括平坦部分50，该平坦部分50被定义在所述波导层20的平面中并且位于两个不同的凸脊、两个不同的凹槽之间或位于凸脊与凹槽之间。

由于多个2亚波长结构2a的亚波长横向和垂直尺寸，根据确切的设计来实现结构形状和轮廓可能是难以实现的。可以将例如在许多加工步骤之后复制的所制造的多个2亚波长结构2a设计成具有二元或正弦或三角形形状，并且由于各种变形和复制的保真度损失而成为这种形状的近似。附加地，材料粗糙度和局部缺陷可能会修改这种亚波长结构的确切形状。作为另一示例，由于用于制造波导层20或波导层20的部分的涂覆过程所致的约束可能导致多个2亚波长结构2a的部分热回流、或波导层20材料到所述多个2亚波长结构2a中的部分注入。波导层20可以是共形涂层或定向涂层，或者相对于多个亚波长结构2的形貌是部分共形和定向的。结果，第一波导表面20a和第二波导表面20b的波纹可以接近相同以及显著不同。

在一实施例中，如图4a至图4c中图示的，所述波导层20与多个2亚波长结构的形状基本上共形。

图5a至图5e图示了基于二元轮廓的多个2亚波长结构2a，其以理想的矩形几何形状来表示。

在图5a中图示的示例中，多个2亚波长结构2a包括具有相同横向尺寸的两对相邻的凸脊41、42和凹槽31、32（从而在凹槽与凸脊宽度之间产生局部平衡的占空比），以及一个较大的凸脊40和较大的凹槽30。在图5a的示意性截面图中，二元亚波长结构的深度大于波导层20的厚度，从而在波导层20中产生亚波长不连续性。然而，由于与光波相关联的电磁场分布大于这种间隙，因此这种亚波长空间间隔不会阻止导光模的传播。在图5a中图示的示例中，波导层20以及第一波导层表面20a和第二波导层表面20b被定义为亚波长尺度下的不连续层，相应地是不连续表面。

图5b图示了多个2亚波长结构2a的示意性截面图，该亚波长结构2a具有两个相同的相邻凸脊40、41，但是没有相同的相邻凹槽30、31、32。如图5b中图示的，具有镜像的凹槽和凸脊尺寸的多个2亚波长结构2a可能导致特定的光学效应，诸如在比起另一级偏向于耦出衍射级的示例中的效应。这根本不能通过现有技术的光栅结构来实现。例如，对于关于所述入射光束10a并且通过所述耦入部分10b的所述部分耦出的小部分10c而言，与负的第一衍射级中的第一个相比可能偏向于正的第二衍射级或负的第二衍射级，针对图5b的多个2亚波长结构2a的周期性布置，关于这样的周期性定义了不同的衍射级。在图5b中，凸脊42、凹槽32和凸脊41的横向尺寸分别与凹槽31、凸脊40和凹槽30具有相同的横向尺寸。

图5c图示了多个2亚波长结构2a的示意性截面图，该亚波长结构2a类似于图5b中图示的亚波长结构，其在凹槽32与凸脊41之间以及在凹槽30与凸脊40之间具有不同的横向大小分布。这种结构变化允许对由该多个2亚波长结构2a制成的谐振波导光栅1的光学属性进行微调。例如，当具有在宽波长范围或各种入射角度集合等等上的光学规格时，这样的微调可能是相关的。

图5d图示了多个2亚波长结构2a的示意性截面图，该亚波长结构2a类似于图5c中图示的亚波长结构，但是其中二元亚波长结构具有较低的高度，也就是说，与凸脊相比，凹槽具有较低的深度。在这种较低高度的情况下并且如所图示的，波导层20几乎是连续的。唯一的不连续性是由于以下事实：波导层的材料严密地（即，以纳米尺度）连接在凸脊的顶部与凹槽的顶部之间。

图5e图示了多个2亚波长结构2a的示意性截面图，该亚波长结构2a类似于图5d中图示的亚波长结构，但是其中二元亚波长结构具有较低的高度，也就是说，与凸脊相比，凹槽具有较低的深度。在这种较低高度的情况下并且如所图示的，波导层20是完全连续的。亚波长结构的这种高度调制可以被用来调谐入射光束10a的耦入部分10b的耦出小部分10c的重定向的效率和选择性，这类似于针对常规谐振波导光栅所报道的先前工作。可以在光谱域和/或角度域中和/或针对偏振选择性来调谐选择性。

如早先讨论的，与非常大的谐振波导光栅相比，具有小的横向尺寸、具有低数量的凹槽和凸脊的谐振波导光栅可以展现出不同的光学行为，对于具有非常低数量的凸脊和凹槽的谐振波导光栅而言，当谐振波导光栅的大小变得非常小时，这种差异是显著的。这种影响取决于谐振波导光栅的设计。谐振波导可以包括具有小尺寸的部分，该小尺寸诸如小于20μm×10μm。

作为示例，用于可见波长范围内的应用的、使用由低吸收和低散射电介质材料（诸如，五氧化二钽（Ta₂O₅）或二氧化钛（TiO₂））制成的高折射率波导层的弱波纹状谐振波导光栅可能具有非常大的平均导模传播距离，泄漏模可能是非常弱的泄漏。延伸超过数十、几十、数百或可能数千个凹槽/凸脊的泄漏模传播距离是可能的。相反，深波纹状波导光栅通常具有较低的平均导模距离。在一变体中，具有吸收材料（诸如金属）或部分散射的材料（诸如，包含各种纳米颗粒的复合材料）的谐振波导光栅也可以具有较低的平均导模距离，也就是说，具有更多的泄漏模。应当注意的是，对于各种模，具有各种泄漏导模的谐振波导光栅通常具有不同的平均导模距离。

由于谐振波导光栅在其光学属性方面相对于非常大的谐振波导光栅的有限尺寸，许多不同的因素——可以将亚波长结构形状、可能地将基板层光学属性等等添加到该因素——会影响光学效应。

实际上，谐振波导光栅1包括至少一组多个亚波长结构，这些亚波长结构包括非常大数量（例如，多于一千个）的凹槽和凸脊。图4a至5e中所示的结构可以被认为是包括小数量的亚波长结构2a的小的组的示例。在实际的设备中，可能存在大量（例如，多于一千个、可能地多于一万个）这种所述的小的组。

在实际的实现中，谐振波导光栅可以包括至少一个部分22，该至少一个部分22包括多于一个的多个2亚波长结构。

这样的部分22可以包括：组的阵列，该组的阵列包括相同的多个2亚波长结构2a，并且是这些组的周期性布置。这在图6a中图示：包括凸脊40、41、42的第一组S1被复制为第二组S2，该第二组S2与所述第一组S1相同，并且包括凸脊40b、41b、42b。组S1、S2的阵列构成组的周期性布置。在一变体中，周期性布置可以包括多于一千个相同的组S1、S2...Sn。在图6a中未图示，这样的空间周期性可以扩展到数十、数千或更多的局部空间周期P上。在一变体中，部分22可以包含若干组几乎相同的多个2亚波长结构2a，因此是这些组的准周期性布置。例如，部分22的变体可以包括第一组多个2亚波长结构2a，该第一组多个2亚波长结构2a具有的亚波长结构的横向和垂直尺寸与该部分22中的第二组多个2亚波长结构2a相比相差少于10％。

作为示例，两个相邻组的多个2亚波长结构2a的可以是类似的，但是在Y轴方向上呈现其形状的梯度变化。由于设计或制造约束，准周期性布置可能具有相同组的相邻多个2亚波长结构2a，例如，三个相同组的多个2可以横向地布置，并且与接下来三个相邻的相同组的多个亚波长结构等等相差少于10％。

在多个2亚波长结构2a的周期性或准周期性组中，周期P或准周期可以被称为超周期，这是由于它包括诸如凸脊和凹槽之类的多个2亚波长结构。然而并且为了简单起见，我们将空间周期性称为谐振波导光栅1的局部空间周期P，该空间周期可以在谐振波导光栅1上变化。

图6a图示了两组多个2亚波长结构2a的周期性布置的示意性截面图，该亚波长结构与图5c中图示的亚波长结构相同，但是它是在没有维持亚波长结构2的相同尺度的情况下被示意化的。凸脊40、41和42分别与凸脊40b、41b和42b相同，并且在该二元形状示例中被相同的凹槽分离。多个2亚波长结构组的这种布置的每个周期包含三个凸脊和三个凹槽。在一变体中，每个周期主要包含更多的凸脊和凹槽，例如多于10个凸脊和10个凹槽。

图6b图示了三组多个2亚波长结构2a的准周期性布置的示意性截面图。凸脊40、41和42在凸脊43、44和45中以其宽度和间距向右略微增加的方式再现。凸脊43、44和45可以分别比凸脊40、41和42大3％。在该示例中，将凸脊43、44、45和46分离的凹槽比凸脊40、41、42和43之间的间隔大3％。例如，距离P2是距离P1的103％。以相同方式在凸脊46、47和48比凸脊43、44和45大3％的情况下向右再现这种情况，以及对于它们相应的凹槽，导致距离P3等于距离P1的103％。在该示例中，亚波长结构的高度是恒定的，但是在一变体中也可以以很小的小部分而变化，例如，所述高度的2％至20％。如图6b中图示的，三组多个2亚波长结构2a的部分22的布置被定义为准周期性的。在该示例（图6b）中，根据沿y轴方向的横向梯度布置了多组多个2二元形状亚波长结构。

在图7中的3D示意图中图示了包含一组多个2亚波长结构2a的示例性部分22。图7中图示的示例性部分22被布置成：将由光发射器110发射的入射光束10ab的部分重定向到朝向观察者的眼球150传播的耦出小部分10cb中。所述耦出小部分10cb的至少一部分10eb进入角膜和眼瞳孔，并且入射在观察者的眼睛150的视网膜上。注意，图7正在做出对基板层、以及由这样的层产生的可能的折射事件的抽象。图示了其他入射光束10aa、10ac，并且由谐振波导光栅1、通过位于所述部分22外部的波导层20的另一部分21来将这些入射光束10aa、10ac重定向到耦出光束小部分10ca、10cc中。多个光束重定向也可以通过单个所述部分22来实现。

在一实施例中，并且与周期性或准周期性布置相反，感兴趣的是各种亚波长结构2a的非周期布置，也被称为非周期性布置。例如，在光学设计要求使谐振波导光栅1的光学行为横向变化（如在X-Y平面中定义的）的情况下，可能需要一组多个2亚波长结构2a 2的非周期布置。

在一示例中，展现出在光学功能上类似于椭球镜的一部分的光学行为的谐振波导光栅1可能需要多个2亚波长结构2a的非周期布置。类似于椭球镜的谐振波导光栅1可以是弯曲的或平面的，但是不必位于这种椭球镜的椭圆形状上。椭球镜被设计成例如将其焦点之一发射的所有光束重定向到其第二焦点。为了具有与椭球镜类似的光学行为，谐振波导光栅设计被布置成将以连续变化的角度逼近的入射光朝向连续变化的方向重定向，在这种情况下是朝向空间中的单个点重定向。这两个连续变化的入射角和重定向角可能需要多个2亚波长结构2a的非周期布置。

在另一示例中，可以通过布置具有一组所述多个2亚波长结构2a的非周期布置的谐振波导光栅1来实现抛物面镜功能，其被设计成将平行入射光束（无限焦点）聚焦于空间中的一点，以便以连续变化的角度来重定向耦出光束10c。

在另外的示例中，可以使用一组多个2亚波长结构2a的非周期布置来在平行方向上部分地重定向平行光束，例如以将该光束的不同光谱分量重定向在谐振波导光栅1的不同位置中。

在上面提到的三个示例中应当注意的是，本发明的谐振波导光栅1通常不以宽带光重定向为目标（这与反射镜相反），而是以选择性光重定向为目标。

在一实施例中，包含至少一组多个2亚波长结构2a的的部分22包括相邻亚波长结构，这些亚波长结构在包含至少两个有差别的有效空间频率分量的局部波导层平面中具有空间傅立叶变换。这种有差别的有效空间频率分量可以被用于：

- 将所述入射光束10a的所述耦入部分10b耦入到波导层20中，并且用于将所述耦入部分10b的耦出光束10c的小部分耦出。

- 将入射光束10a的各个光谱部分10b耦入到波导层20中，或者将不同入射光束10的各个部分10b耦入到波导层20中。

- 将一个耦入部分10b的各个耦出小部分10c朝向不同的方向耦出，或者将不同的耦入部分10b的各个耦出小部分10c朝向相同或不同的方向耦出。

- 分别将耦入部分10b或耦出小部分10c耦入到波导层20中或从波导层20耦出，以及拒绝将另一部分或小部分耦入或耦出，例如以增加光谱或角度选择性。

- 分别将耦入部分10b或耦出小部分10c耦入到波导层20中或从波导层20耦出，以及在与耦入部分10b或耦出小部分10c相同或不同的光谱宽度中，调谐谐振波导光栅的零级透射或零级反射的反射率。

各种有差别的有效空间频率分量可以被用于上面所列出的光学功能的任何组合。

在倒易空间中描述的是，可以使用局部光栅矢量来描述有差别的有效空间频率分量。光栅矢量或k矢量被定义为在垂直于光栅凹槽方向的光栅平面中的矢量，并且其范数等于K=2xπ/p，p是光栅空间周期性。按照惯例，在沿着光栅的法线的一个或另一个方向上定义了k矢量的取向。在所述多个2亚波长结构2a中，局部k矢量随着局部凹槽和凸脊的横向尺寸以及两个相邻的凹槽或凸脊之间的距离而变化。相邻亚波长结构的部分22的有效空间频率分量与其所包含的各种k矢量部分地相关。其他空间频率分量由非直接相邻的凹槽和凸脊来提供。

在一变体中，相邻亚波长结构的所述部分22的局部波导层平面中的空间傅里叶变换的所述至少两个有差别的有效空间频率分量大于所述预定波长λ₀的空间频率1/λ₀的十分之一（1/10）。也就是说，等于有效空间频率分量的空间周期小于所述预定波长λ₀的十倍。

在一实施例中，相邻亚波长结构的所述部分22的局部波导层平面中的空间傅里叶变换的所述有效空间频率分量中的一个大于所述预定波长λ₀的空间频率1/λ₀，更优选地，相邻亚波长结构的所述部分22的局部波导层平面中的空间傅里叶变换的至少两个有差别的有效空间频率分量大于所述预定波长λ₀的空间频率1/λ₀。

在一实施例中，局部空间周期性（P）是所述部分22的至少两个有差别的有效空间周期分量的最小公倍数。有效空间周期分量137 nm和491 nm的最小公倍数是例如67267 nm或67.267微米。有效空间周期分量400 nm和600 nm的最小公倍数是例如1200 nm或1.2微米。

在一变体中，所述空间周期（P）小于所述预定波长λ₀的十倍。

在一实施例中，根据衍射级N是至少一个所述空间周期P或低于负一个所述空间周期P，所述耦出小部分10c是所述谐振波导光栅1对入射光束10a的耦出衍射部分，该耦出小部分10c被引导远离入射光的镜面反射方向并且远离所述入射光束10a。

在一实施例中，根据衍射级N是至少两个所述空间周期P或低于负两个所述空间周期P，多个2亚波长结构2a通过衍射将入射光束10a的所述耦入部分10b谐振地耦合到所述波导层2中。

在一实施例中，所述部分22包括不具有局部空间周期性（P）的多个2亚波长结构2a。在一实施例中，所述多个2亚波长结构2a在超波长尺度上是不均匀的。超波长尺度被定义为至少大于五个所述预定波长λ₀的尺寸。

在一实施例中，所述多个2亚波长结构2a具有其结构参数中的至少一个的空间梯度。

在一实施例中，所述多个2亚波长结构2a跨波导层20的平面而在一维或二维上被像素化。

文档WO 2017137127的内容在此整体地并入。本发明的谐振波导光栅1可以被用来实现具有与WO 2017137127中公开的布置类似的功能优势的光学组合器、光学耦合器和近眼显示装置。

本发明的另一方面是要提供一种新的衍射光学组合器1000和新的衍射光学耦合器2000。这样的衍射光学组合器1000和耦合器2000可以具有比现有技术中已知的光学组合器更高的波长和/或角度和/或偏振选择性，以及具有更易于批量制造的工业实用性。

可以结合这种衍射光学组合器1000或衍射光学耦合器2000并从中受益的装置的示例是近眼显示装置，更具体地是透视近眼显示装置。

在一变体中，通过使用所述衍射光学耦合器2000的选择性来实行光多路复用，使用出射光瞳扩大方案的近眼显示装置可以使用本发明的衍射光学耦合器2000来展现出更大的视场。例如，多个颜色分量（诸如红、绿和蓝光）可以在没有衍射串扰事件的情况下被耦合在共同的光引导元件7中。这可以允许使用不同的光引导元件来缝合复合视场的多个部分并且获得更大的视场。在文档EP 2225592中公开了这样的方法，该方法使用SRG作为衍射光学耦合器并且将光引导元件7用于RGB显示器的每个颜色通道。衍射光学耦合器2000的选择性可以允许在共同的光引导元件7中对RGB通道进行颜色多路复用、和/或由在多于2个光引导元件中扩大的视场的多于2个部分组成的复合视场。

为了定位视觉对象，人类视觉系统使用图形提示、运动视差、动态遮挡和双眼视网膜差异作为高级别信息和低级别感知深度提示，也被称为动眼感知、眼睛的调节和两只眼睛的转向（vergence）。为了实现所谓的光场显示（LFD），以使得所生成的虚拟图像以距观察者的给定虚拟距离而出现，使用转向和调节而不产生转向调节冲突（VAC）是特别感兴趣的。这可以通过向眼睛发送与该场景的双目外观匹配的该场景的两个不同图像来实现。为了实现这一点，可以通过发送具有与从有限距离处的虚拟对象传入的光束匹配的准直的光束或者模仿这种准直的光束，来使用眼睛转向以及眼睛调节。这样的光束是发散光束，并且它们的波前不是平面的而是球形的，其中其球心位于虚拟对象的位置处。为了模仿这种发散的光束，被引导到观察者的瞳孔的光束应当尽可能地靠近这种球形光束。

一种替代方案是要向观察者的眼睛提供非常细的光束，鉴于其小截面，这些光束会聚焦地出现以用于各种眼睛调节。通常，被称为阱子束波（well beamlet）的这种小光束在截面方面小于观察者眼睛的瞳孔。通过使用逼近到观察者的眼睛上的各种相对于彼此不平行且发散的子束波，有可能将发散光束模仿为从有限距离处的对象传入到眼睛。这样的一组子束波可以针对各种眼睛调节来模拟有限距离处的对象所发射的光锥。

除了先前列出的要求（诸如较大的FOV、高透明度、对来自外部世界的光的低失真，以及防止VAC或向每只眼睛提供光场显示的能力）之外，这种组合器的另一个关键方面是要提供足够宽的出射光瞳3。光学组合器的出射光瞳3被定义为在空间中或三维体积中的位置，通过该出射光瞳可以观察到由透视光学组合器1重定向的图像。它应当大致与观察者眼睛的瞳孔位置匹配，或者眼瞳的至少一部分应当在出射光瞳中。出射光瞳3的体积通常被称为眼盒体积或眼盒尺寸。然而，定义该眼盒尺寸是复杂的，这是因为眼睛的瞳孔位于眼盒的边缘处，而眼睛通常会感知到该场景的一部分而不是全部（即所谓的渐晕）、或虚拟对象的较低亮度等等。因此，眼盒不可以被定义为单个物理尺寸，但是可以根据特定标准来测量。

出于多种原因，在近眼显示系统中提供宽的眼盒是令人感兴趣的。首先，头戴式装置或眼罩装置应当不会与头部完美地对齐，因此不会与用户的眼睛完美地对齐。附加地，不同的用户或观察者通常将具有不同的瞳孔间距（IPD）。因此，实现双目近眼显示系统需要提供一种结合机械柔韧性来测量IPD的方式，以允许调整这种双目显示器的两个出射光瞳之间的距离，或者需要足够大的出射光瞳，以使得具有不同IPD的各种用户可以使用该近眼显示器。例如，美国成年男性IPD的第5个百分点和第95个百分点分别是55 mm和70 mm。成年女性和儿童的平均IPD低于成年男性的平均IPD。第三，当观察者观看场景时，在大的运动与头部移动有关的情况下，大多数移动是眼球的旋转。在不同方向（左-右和上-下两者）上的这种目光总计为两只眼睛的转向以使眼球旋转。这进而转化为眼瞳相对于头戴式装置或眼罩的移动，既是左-右、上-下又是深度上的移动。因此，获得大的静态出射光瞳或经动态调协的出射光瞳对于近眼显示器是至关重要的。

在过去的几十年中，已经做出了很大的努力来提供这样的大的眼盒。现有技术中的许多文档提出了用于通常在两个轴线上的出射光瞳扩大或出射光瞳复制的各种选项，该两个轴线在近眼显示装置中对应于人类视觉的水平和垂直轴线，沿着该轴，眼瞳可以跟随眼球旋转而移动。两种最常见的方法是反射和衍射出射光瞳扩展器（EPE）。

图8图示了本发明的衍射光学组合器1000的实施例，其包括如上所述的至少一个谐振波导光栅1。图8是基于本发明的谐振波导光栅1的光学组合器的3D示意图。在图8的实施例中，谐振波导光栅1的一部分22被布置成诸如将由光发射器110发射的入射光束10aa的一部分重定向到耦出小部分10ca中。入射光束10aa和耦出小部分10ca两者通过第二基板表面4b分别从空气进入基板层4以及朝向空气离开基板层4。当然，可以将谐振波导光栅1布置成用于除空气之外的其他环境，诸如气体或液体或真空。由于空气与所述第二基板表面4b处的基板介质之间的折射，两条光束在该基板界面处经历了其传播轴线的修改。光束在空气中的传播也可以被称为自由空间传播，并且这样的组合器也可以被称为自由空间组合器。所述耦出小部分10ca的至少一部分朝向观察者的眼睛150传播，并且所述耦出小部分10ca的部分10da的至少一部分10ea进入角膜和眼瞳，并且入射在观察者的眼睛150的视网膜上。从外部世界逼近的光可以在与耦出小部分10ca相同的光学传播方向上组合。其他入射光束10ab也可以通过导模、在所述耦出小部分10cb的一部分10db中被朝向观察者的眼睛重定向，其中的一部分10eb进入眼睛并且入射到眼睛的视网膜。一组入射光束（诸如，所图示的光束10aa和10ab）可以由图像束100组成。所述图像束的一部分可以通过谐振波导光栅1而被重定向，并且与从外部世界逼近的光进行组合。

在一实施例中，包括本发明的谐振波导光栅1的衍射光学组合器1000被布置在透明电介质材料上。该透明材料可以被用来保护谐振波导光栅1或机械地支撑它。在谐振波导光栅的基板4利用透明电介质材料层压或光学级粘合到透明电介质材料上之后，可以整体地布置所述基板和透明电介质材料。基板4在谐振波导光栅1的制造期间被定义为支撑材料，而谐振波导光栅在光学组合器中的最终集成可以不同于该初始支撑材料。在一变体中，谐振波导光栅从基板4或从基板4的一部分转移到透明电介质材料上。

如进一步解释的，光学组合器1000可以定义出射光瞳3。对光学组合器1000的出射光瞳3进行照明的重定向光束的准直需要精巧的设计，以便观察者的眼睛使用视觉调节来将虚拟图像感知为源自于距观察者的给定距离。表观图像源位置被称为虚拟图像方位，其到观察者的距离被称为到观察者的图像平面距离。

在图9中图示的实施例中，本发明还通过衍射光学耦合器1000来实现。该衍射光学耦合器1000也可以被称为光学组合器，但不被用作自由空间光学组合器。该光学耦合器是部分22、23，该部分22、23包括多个2亚波长结构2a，该亚波长结构2a被适配成接收由光发射器110提供的入射光，所述入射光由布置在所述光发射器110与所述部分22、23之间的光路中的光引导光学元件7来引导。在EPE配置中，所述光引导光学元件7被用来增加包括一组入射光束10aa、10ab的图像束的出射光瞳的大小。所述光引导光学元件7通过全内反射（TIR）在其第一表面7a与第二表面7b之间引导光。如图8中图示的，仅在一个维度上进行光瞳扩大。如先前列出的现有技术的若干个文档公开了用以创建二维光瞳扩大的各种选项。

部分22被配置成：将入射光束10aa、10ab的小部分10ca、10cb耦入和耦出，并且使在至少一个TIR之后逼近的透射部分10fa、10fb在另一部分23上部分地透射，从而在波导层20的部分23之外产生耦出小部分10ca'、10cb'。两对耦出小部分10ca、10ca'和10cb、10cb'优选地彼此平行或接近平行地耦出，但是在空间上分离，这允许实现由所述光发射器110发射的图像束的出射光瞳的扩大。

所述部分22、23可以是如图9中图示的包括不同组的多个2亚波长结构2a的不同部分。在未图示的变型中，在所述光引导元件7中传播的光束由一组多个亚波长结构2的相同部分部分地多次耦出。

与所述波导层20相反，所述光引导光学元件7是高度多模的光导，其中的光传播由几何光学器件定义，所述光引导光学元件7在光学上是厚的。光学上的厚度被定义为：具有的垂直于光引导的光的传播方向所定义的所述光引导光学元件7的平均厚度大于由所述光发射器110发射的光的时间相干性。照此，排除了所述光引导光学元件7中的干涉现象。这与光学上薄的所述波导层20相反，这意味着由所述光发射器110发射的光的时间相干域小于如上所定义的所述波导层20的厚度。所述光引导光学元件7在几何光学域中操作，而所述波导层20在所述波光学域中操作，术语“光导和光引导以及波导和波引导”均针对每一个分别地使用。所述基板4可以被层压到所述光引导光学元件7上或被嵌入其中。使用足够厚的透明基板并且将入射光传播到其中，所述基板4可以成为光引导光学元件7。

本发明还通过一种衍射光学耦合器2000来实现，该衍射光学耦合器2000包括如上所述的至少一个谐振波导光栅1。

在一实施例中，衍射光学耦合器2000包括被布置在透明电介质材料上的至少一个谐振波导光栅1。在一变体中，所述透明电介质材料是薄箔或板或弯曲板。

在图10中图示的变型中，光学组合器1在距所述光学组合器的预定距离处并且在位置L处定义了到所述第二基板表面4b的侧面的出射光瞳3。如图10中图示的，所述光学组合器定义了几何中心C。所述位置L以距离d与所述中心C分离。所述位置L和所述中心C定义了光学组合器的光轴Z。在这样的配置中，谐振波导光栅被适配成使得所述至少一个耦出小部分10c的至少耦出部分10d传播到所述出射光瞳3的位置处并且在那里入射。该优选实施例在与近眼显示装置有关的应用中尤其有用。当在近眼显示装置100中使用时，眼瞳当沿所述轴Z的方向看时位于所述组合器的出射光瞳中。眼睛的视线可以与所述光轴Z基本上对齐。当观察者的眼睛150的瞳孔位于所述出射光瞳3处时，所述耦出部分10d的至少一部分10e进入角膜和眼瞳，并且入射在观察者的眼睛150的视网膜上。

在图10中图示的变体中，谐振波导光栅可以被适配成将由发射每组光束的至少两个光发射器110、111所提供的多个入射光束的一部分朝向所述出射光瞳3重定向，该每组光束构成图像束，该图像束的每条光束逼近到谐振波导光栅1的各个位置上。这些入射光束10a的小部分10c可以在所述波导层2中被引导之后被耦出。理解的是，构成图像束的所述多条光束可以由单个光发射器110或由若干个光发射器110、111等来提供。

在图10中还图示的变型中，光学组合器1被布置成使得至少耦出小部分10c远离所述入射光束10a在所述波导层20上的镜面反射小部分而传播，并且远离所述入射光束10a的通过波导层20透射的透射小部分而传播。该优选的配置不同于在NED装置中所使用的反射和自由形式的光学组合器。如图10中图示的，耦出光束10c的取向可以是相对于所述轴Z的任何取向。这使得能够提供相对于所述轴Z采用任何形状和取向的光学组合器。在该示例中，该组合器具有平面形状并且与眼睛的视线Z相比略微倾斜，然而视场（FOV）相对于视线是对称的。图10图示了从观察者的头部的顶部或从头部的侧面查看的截面，放置光发射器110的两种配置都是可能的。

存在很多不同的变体来实现本发明的近眼显示装置100。在实施例中，光发射器110是发射发散光束10的光投影器。优选地，光发射器110将图像投影到光学组合器1000上。在一实施例中，光源110可以提供在所述光学组合器100的表面上被扫描的光束。

在图11中所图示的变型中，光学组合器被布置成使得所发射的光束10的至少一部分入射在所述第一基板表面4a上，而另一入射光束入射在所述第二基板表面4b中。该光学布置可以被设计成以透射重定向配置和/或以反射光重定向配置来起作用。在图11中，两个波导层202、204分别以反射和透射重定向配置来操作。然而，这两个功能可以通过单个波导层来实现。

如图11中图示的，本发明的光学组合器可以包括各种波导层202、204。优选地，各种波导层202、204不在光学上接近地定位，也就是说，它们不位于入射光10a的相干域附近并且不位于入射光10a的相干域内，以便彼此不干涉。对于可见光，这可以通过至少几微米的各种波导层之间的距离来实现。

在图11中图示的变型中，本发明的光学组合器不是平面的而是弯曲的。在一变体中，本发明的光学组合器在一个轴线上弯曲，但是不展现出2D曲率。

在图12中图示的变体中，衍射光学组合器1000包括至少三个波导层202、204和206。叠加三个波导层允许向所述衍射光学组合器1000提供更多光学功能。如图12中图示，各种波导层204、206可以将由所述光发射器110b提供的光朝向出射光瞳3重定向，其中表示了观察者的眼睛150。波导层206可以将两个光发射器110a、110b的入射光重定向。特定组的多个2亚波长结构2a可以被用来实行组合器的特定光学功能，并且不需要位于单个波导层中。作为示例，三个波导层202、204和206可以在组合器中叠加，每个波导层被配置成提供具有不同中心波长的光，例如在可见范围内的红、绿和蓝中心波长。这样的配置可以例如在提供宽色域的同时提供更高的显示分辨率。

在图12中图示的变型中，所述组合器1000至少包括第一波导层202、第二波导层204和第三波导层206。第一波导层202被配置成提供红光的耦出小部分10c，第二波导层204被配置成提供绿光的耦出小部分10c，并且第三波导层206被配置成提供蓝光的耦出小部分10c。

在一变体中，所述衍射光学组合器1000可以使用不同的波导层202、204、206来提供在距观察者不同虚拟距离处的不同虚拟图像平面。

在图12中图示的变体中，显示器的视场的各种部分可以由各种波导层202、204、206来重定向。在示例中，视场的中心部分被所述波导层204和206根据光发射器110b发射的光来进行重定向，而显示器的视场的外部部分可以被波导层206根据光发射器110a发射的光来进行重定向。

图13a和图13b图示了被配置在光场显示器中的近眼显示器。观察者的两只眼睛150、151可以观察到位于所述观察者的某距离处的虚拟图像。在图13a和图13b的图示中，提供了椅子的图像。在光场显示配置中，感知到的虚拟图像不是二维的而是三维的。取决于它们的转向，所述两只眼睛150、151将由于转向调节反射而在不同的焦距处进行适应并且将感知到不同的图像。在光场近眼显示配置的该图示中，远离眼睛调节的焦点和转向距离的对象的部分被观察者观察到是模糊的，如图13a中的椅子后面以及图13b中的椅子前部。相反，位于眼睛调节和转向距离处的虚拟对象的部分被聚焦地感知并且被感知为锐利的，如图13a中的椅子前面以及图13b中的椅子后面。这样的光场显示配置或多焦平面显示配置可以通过科学文献中所说明的众多方法来实现。这些显示配置被布置成提供模拟了以下光锥的图像，该光锥来自距用户不同距离处的像素。

在图14a和图14b中图示的变体中，光学组合器1000被配置成通过所述波导层202和204来将光进行重定向，该波导层202和204被配置成将耦出光束10c从所述波导层202和204耦出，该耦出光束10c包括子束波10ca、10cb、10ce、10cf和10cc、10cd。所述子束波10ca和10cb、子束波10cc和10cd、子束波10ce和10cf的对中的两个子束波关于彼此平行或者不平行，并且如源自于位于距观察者有限距离处的共同点那样被发射。每个子束波被定义为具有小于0.5 mm、优选地小于0.2 mm、更优选地小于0.1 mm的截面的窄束，所述截面被定义在所述重定向波导层202、204与所述虚拟出射光瞳3之间的光束的任何位置处。由于其狭窄的截面，眼部调节无法准确地区分每个子束波的准直。这样的配置通常被命名为视网膜投影器或虚拟视网膜显示配置。然而，当观察者的眼睛在子束波的对似乎源自于其中的虚拟图像平面上进行调节时可以感知到更锐利的图像，如由针对不同眼睛调节的三对子束波的会聚点40a、40b和40c所图示的那样。图14a和图14b图示了针对每个像素使用两个子束波来创建位于距用户两个不同的有限距离处的图像的像素。子束波的对可以由耦出了多于一个的单个耦出光束10c的一组多个2亚波长结构2a来提供，或者由各种组的多个2亚波长结构2a来提供。在图14a和图14b中，未示出（一个或多个）光发射器。

光发射器可以被定位到光学组合器1000的任一侧。理解的是，在图11a和11b的实施例中，可以使用若干个光发射器来实现所描述的效果。

以类似的方式，多组多个2亚波长结构2a可以被配置成：使用多于两个子束波来提供虚拟像素，并且从位于距所述出射光瞳3不同距离处的多个图像平面来提供虚拟图像。

在图14a和图14b中图示的优选变体中，光学组合器1000被配置成使得所述子束波均具有平行准直和小的截面，使得当观察者的眼睛位于所述虚拟出射光瞳（3）处时，所述子束波的虚拟源的焦平面无法被分辨。这可以通过配置至少一组多个2亚波长结构2a来提供，该亚波长结构2a提供了具有平行或准平行准直的耦出光束10c。由于图像在与虚拟像素的距离匹配的调节下可以更锐利，所以这样的配置可以防止转向-调节冲突，并且向观察者的至少一只眼睛提供针对调节的支持。

在一变体中，一组多个2亚波长结构2a被配置成：以反射或透射配置来将由至少一个光发射器110装置提供并且具有非平面波前的耦出光束10c重定向。光发射器可以被配置有可变焦点或多焦点元件，以提供具有弯曲波前的光束10a和成像光束，其模拟了在有限距离处发射的光锥。如图15a中示意性地图示的，一组多个2亚波长结构2a可以被配置成将耦出小部分10c中的这种波前朝向出射光瞳3重定向，而不修改它们的曲率。在图15a至图16b中，用截面局部地图示了波前曲率，并且该波前曲率不与其他元件成比例。理想地，球形波前具有2D曲率，其曲率半径随着距虚拟对象的距离而增加，并且当改变介质（例如进入或离开所述基板）时，其曲率半径被修改。因此，图15a至图16b是谐振波导光栅的图示，该谐振波导光栅被设计成在没有物理波前传播的准确表示的情况下，当将10c朝向出射光瞳3重定向时，维持或修改入射光束10a的波前曲率。

多个2亚波长结构2a在泄漏模中引导入射光束10a的耦入部分10b。为了引导光，波导层中的光传播速度可以与周围基板层4或光引导光学元件7中的传播速度不同。通常，所述波导层20中的传播速度低于其周围介质中的传播速度。

图15b图示了一组多个2亚波长结构2a，该亚波长结构2a修改了所述耦出光束10c相对于所述入射光束10a的波前曲率，以使得朝向观察者的眼睛传播的耦出光束10c的部分10d可以从该观察者被感知为源自于距该观察者的给定空间距离。

图16a图示了使用波导层20的两个不同部分22、23，该不同部分22、23均包括一组多个2亚波长结构2a，以实现所述耦出光束10c相对于所述入射光束10a的波前曲率的这种修改。

图16b图示了使用不均匀的一组多个2亚波长结构2a来实现所述耦出光束10c相对于所述入射光束10a的波前曲率的这种修改。

取决于设计约束，可以跨一维或在二维上修改所述入射光束10a的波前的曲率半径。在一变体中，针对波导层2的至少一个空间频率分量使用梯度空间周期性，可以跨引导光10b的传播轴线的方向来修改耦出光束10c的曲率半径。可以通过多个2或亚波长结构2a在X-Y平面中的取向来控制在视场的第二维度上的波前曲率的改变。

将所述一组多个2亚波长结构2a的非直线凹槽取向和梯度空间周期性进行组合使得能够在重定向光束10c的二维方向上修改曲率半径，从而向观察者的眼睛精确地模仿由位于距所述观察者的眼睛有限距离处的像素发射的光锥。

图17图示了包括至少两个所述波导层202、204的光学组合器1000，所述波导层202、204包括至少一组多个2亚波长结构2a，该至少一组多个2亚波长结构2a被配置成将来自至少两个光发射器110、111的光朝向观察者150的眼睛重定向。

当设计一组多个2亚波长结构2a和波导层介电常数截面时，多个自由度允许设计在任何预定的复杂3D曲面中具有所述波导层（20）的所述光学组合器1，这独立于所述光发射器方位110和所述虚拟出射光瞳3。作为示例，组合器1可以遵循视觉矫正透镜表面的曲率。

在一变体中，由所述波导层204将包括耦出小部分10c的多个部分10d的第一图像光束朝向观察者150的眼睛重定向，所述波导层204被配置成向出射光瞳3提供高横向分辨率图像，其焦平面的深度无法被人眼准确地分辨，如上面所解释的，该图像由所述光发射器110提供。第二波导层202被配置成利用至少一组多个2亚波长结构2a来将入射光束10c重定向，从而向出射光瞳3提供较低横向分辨率图像，但是提供预定的焦平面深度。该第二图像允许眼睛调节反射以预定焦距进行适应。可以通过修改由所述光发射器110提供的成像光束10的形状、偏振或光谱成分来改变该预定焦距。

如上面讨论的，特别令人感兴趣的是为近眼显示器提供大的出射光瞳或眼盒。可以通过各种手段来扩展所述组合器的出射光瞳，包括基于目光跟踪的静态和动态EPE。

在图18中图示的变体中，光学组合器1000包括指数层5，该指数层5包括用于调制其折射率的手段，例如克尔效应材料，以便例如动态地修改虚拟出射光瞳3的方位。

在一变体中，衍射光学组合器1000被配置成使得从各种光发射器提供的包含图像的入射光束至少部分地被所述衍射光学组合器1000重定向，并且被引导在所述出射光瞳3上，以使得将观察者感知到的图像横向地缝合以增加由观察者感知到的图像的分辨率和/或视场，该观察者的瞳孔位于所述出射光瞳3处。

在图19a、b中图示的实施例中，光学组合器1000包括多个波导层202、204，每个波导层包括至少一组多个2亚波长结构2a，该亚波长结构2a被配置成提供耦出小部分10d、11d、12d，它们在空间上是分离的，以便增加所述出射光瞳3的孔径。如图19a中图示，不同的小部分10d、11d和12d可以由在空间上分离的不同光发射器110、111、112来生成。

替换地，可以通过所述光发射器110提供偏振或光谱上分离的入射光束来获得更大的出射光瞳3或眼盒，阵列被配置成将每条光束重定向到不同的出射光瞳位置。如图19b中图示，未入射在针对图19a的眼睛方位的观察者眼睛150的视网膜上的出射光瞳的光束12d部分可以入射在针对图19b中图示的另一眼睛方位的眼睛的视网膜上，反之亦然。可以使用入射光束10、11a、12a的角度/空间复用或波长复用，诸如在针对全息光学元件（HOE）（也被称为体积全息图）光学组合器的文档WO 2014155288中所公开的那样。这样的策略可以被用来提供出射光瞳的1D或2D阵列，从而为近眼显示器提供有效的大的眼盒。

在图20中图示的变体中，光学组合器1000被适配成横向移动，或者所述光发射器110被适配成相比于所述组合器1000进行移动，或者所述光发射器110的偏振或光谱范围被调谐以便能够将出射光瞳3动态地定位在确定的位置处。

在图21中图示的变体中，包括多个波导层的光学组合器1000利用从共同发射器接收到的光进行操作，使得由入射光束10a的第一波导层部分透射的光束10f被第二波导层部分地重定向，由第二波导层重定向的两个耦出小部分10、10c’基本上平行。图21还图示了选择性吸收或反射层6的使用，该选择性吸收或反射层6防止来自所述光发射器110的入射光束10a的透射光部分穿过衍射光学组合器1000。

在一实施例中，一组多个2亚波长结构2a被布置成使得定义了至少两个出射光瞳3a、3b，并且使得可以将观察者的两只眼睛150、151中的每一个定位在所述两个出射光瞳3a、3b的位置中，并且所述耦出部分10d的至少一部分10e、11e和12e、13e、14e入射在观察者的每只眼睛的视网膜上。如上所述，所述一组多个2亚波长结构2a可以接收由在自由空间中行进的发射光束所提供的光束，如图22中图示的。当从观察者的头部的顶部查看时，该光束也可以由光导所引导的光来提供，如图23中图示的那样。所述光发射器111-114可以被定位在所述衍射光学组合器1000或耦合器2000上的任何位置，例如被定位在所述组合器或耦合器的侧面上作为光发射器110、114，和/或被定位在显示器的顶侧或底侧上作为光发射器111、112、113。

所述组合器1可以包括一个或多个波导层20。光学组合器1可以包括一组或若干组的多个2亚波长结构2a，该亚波长结构2a被配置成：增加横向分辨率，和/或使FOV加宽，和/或在光场显示配置中提供在各种距离处的各种图像焦平面，和/或增加出射光瞳3的大小。

可以根据本文档中公开的光学配置及其光学属性来设计所述多个2或一组所述多个，以附加地实行其他光学功能，诸如透镜效应或其他光学效应。其他光学元件可以被集成在使用本发明的至少谐振波导光栅1的衍射光学组合器或衍射光学耦合器或近眼显示装置的其他部分上，优选地在用户的视线Z之外，诸如NIR光重定向、准直光学器件、出射光瞳扩大光学器件、光扫描元件和遮挡罩。

本发明还通过一种包括如上所述的至少一个谐振波导光栅1的近眼显示装置来实现。

也被定义为显示器的本发明的近眼显示装置100包括至少所述光学组合器1和光源，它们也被定义为图像投影器、微型显示器或光发射器110，如图24中图示的。光发射器110在谐振波导光栅1的方向上发射光束10。如图1中图示的，谐振波导光栅1具有位于场景的侧面的被定义为前侧的前侧1a，以及位于所述前侧1a的相反位置的后侧1b。

在一变体中，近眼显示装置可以包括如上所述的至少一个衍射光学组合器1000。

在一变体中，近眼显示装置可以包括如上所述的至少一个衍射光学耦合器2000。

本发明的目的——近眼显示装置100在图24中图示，其包括：

- 如上所述的谐振波导光栅1；

- 图像生成装置；

- 头部配合硬件，所述光学组合器1和图像生成装置被固定在其上。

在一实施例中，近眼显示装置100包括以下硬件元件中的至少一个：

a) 惯性测量单元；

b) 固态存储器存储装置170；

c) 无线数据链路；

d) 眼睛跟踪系统130；

e) 中央处理单元（CPU）170；

f) 图形处理单元（GPU）170；

g) 被布置成对周围环境进行成像的相机160、160'；

h) 深度感测相机140或光学系统；

i) 电池180。

理解的是，图24图示了所述硬件布置的示例性布置，并且其他布置也是可能的，特别是相同的数字可以标识不同的元件，例如，CPU可以被放置在电池的方位中，或反之亦然。

在近眼显示装置100的实施例中，所述光发射器110包括投影器，所述投影器被布置成在操作中将所投影的图像投影到所述波导层20上，该图像在所述前侧1a或所述后侧1b上逼近。

在一实施例中，近眼显示装置100包括微型显示器，该微型显示器被布置成在操作中将图像投影到所述波导层20上，该图像在所述前侧1a或所述后侧1b上逼近。

在一实施例中，所述光发射器110是光束扫描器，该扫描器被布置成在操作中将至少一条光束投影到所述波导层上，该光束从所述前侧1a或所述后侧1b逼近。

在一实施例中，所述光发射器110包括微型显示器、微型投影器或光束扫描器，它们被布置成在操作中将至少一条光束投影到所述波导层上，该光束通过光引导光学元件而逼近。

在图20中图示的实施例中，光学组合器1被适配成横向移动，或者所述光发射器110被适配成相比于所述组合器1进行移动，或者所述光发射器110的偏振或光谱范围被调谐以便能够将出射光瞳3动态地定位在确定的位置处。

在一实施例中，所述光发射器110被适配成发射非平面的光学波前，以便模拟由位于有限距离处的对象发射的、到所述前侧1a的光。

在一实施例中，近眼显示装置100包括连接到CPU的眼睛跟踪或目光跟踪系统，该眼睛跟踪或目光跟踪系统被配置成确定观察者的两只眼睛相对于所述头戴式装置的转向点，并且其中，光发射器110被配置成取决于虚拟对象与球体之间的距离来模糊虚拟对象的虚拟图像，该球体是通过以观察者的眼睛为中心而确定的并且包含所述转向点。

在一实施例中，所述眼睛跟踪系统被配置成确定观察者的眼睛的至少一个瞳孔的方位，图像生成装置被配置成将所述出射光瞳3中的多个子束波11c投影到眼睛中，并且因此模拟了距所述观察者有限距离处的虚拟对象的存在。

在一实施例中，眼睛跟踪系统被配置成确定观察者的眼睛的至少一个瞳孔的方位，其中进一步地，图像生成装置被配置成将具有弯曲波前的耦出光束10c投影到眼睛中。

在一实施例中，所述眼睛跟踪系统被配置成确定用户的眼睛的至少一个瞳孔的方位，图像生成装置被配置成适配所发射的光束10的取向、方位或空间分布，使得所述至少一个出射光瞳位于所述至少一个眼瞳处。

在一实施例中，所述眼睛跟踪系统包括光遮挡系统，如例如在US2015/0241703中描述的那样，该光遮挡系统被设计成减小从外部世界逼近的光的亮度。

在一实施例中，该遮挡系统被适配成根据光入射的入射方向来动态地并选择性地遮挡光。

实验结果

图25图示了一组多个2亚波长结构2a的周期性布置的一级衍射光谱，该亚波长结构2a由涂覆有高折射率电介质的二元凹槽和形状制成，并且被嵌入在合成透明聚合物材料中。高波长选择性允许以与波导层平面的法线成70°入射的TE偏振入射光的可见光谱范围的仅绿色部分从空气进行有效衍射。该绿色部分在波导层的法线处或在非常接近波导层的法线处被衍射，一组多个2亚波长结构2a的周期性为600 nm。

图26图示了在X-Y平面上以及在Y-Z平面上的沿AA′线定位的截面中如垂直于波导层那样查看的一组多个2亚波长结构2a的示意图。在该图示中，各种凹槽和凸脊（以黑色表示）是弯曲的和非直线的。观察到的是，在图26中仅将五个凸脊标示为亚波长结构2a。在XY平面上，一凸脊比其他四个凸脊更瘦，从而使得截面BB’与AA'不同，因为截面BB'具有附加的凸脊和凹槽。图26的示意性示例图示了示例性谐振波导光栅1配置，该配置具有多个2亚波长结构2a的采用3D形式的复杂形状。

Claims

1.一种谐振波导光栅（1），其定义了第一侧（1a）和与所述第一侧（1a）相反的第二侧（1b），所述谐振波导光栅（1）包括：

- 基板层（4），其定义了第一基板表面（4a）和面向所述第一基板表面（1a）的第二基板表面（4b）；

- 波导层（20），其具有布置在所述基板层（4）上的第一波导表面（20a）和第二波导表面（20b），并且具有在垂直于所述第一波导表面（20a）的方向上定义的预定介电常数函数，

- 多个（2）亚波长结构（2a），

其中，

- 所述波导层（20）被配置成在预定波长范围内引导至多十个波导光模，

- 所述多个（2）亚波长结构（2a）包括至少两个相邻凹槽（30、31），每个凹槽定义了凹槽中心（30a、31a），并且所述多个（2）亚波长结构（2a）包括至少两个相邻凸脊（40、41），每个凸脊定义了凸脊中心（40a、41a），所述两个相邻凹槽（30、31）在它们的中心（30a、31a）之间具有亚波长距离（d1），所述亚波长距离（d1）不同于在所述两个相邻凸脊（40、41）的中心之间的亚波长距离（d2）；

- 所述多个（2）亚波长结构（2a）被布置成通过所述波导层进行光学通信，所述波导层的介电常数函数和所述多个（2）亚波长结构（2a）的尺寸和取向被挑选成使得多个（2）亚波长结构（2a）通过衍射而将入射光束（10a）的至少耦入部分（10b）谐振地耦合到所述波导层（20）中，所述入射光束由光发射器（110）提供到波导层（20）的所述至多十个波导模中的至少一个中，

- 所述多个（2）亚波长结构（2a）被配置成通过衍射而将所述至少耦入部分（10b）的耦出小部分（10c）从所述波导层（20）谐振地耦出；

- 所述至少耦入部分（10b）的所述耦出小部分（10C）具有在所述预定波长范围内的预定中心波长λ₀，并且具有预定光谱宽度Δλ，所述耦出小部分（10c）是入射光束（10a）的衍射部分。

2.根据权利要求1所述的谐振波导光栅（1），其中，所述相邻凹槽（30、31）之一位于所述相邻凸脊（40、41）之间。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的谐振波导光栅（1），其中，通过波导层（20）引导耦出小部分（10c）远离所述入射光束（10a）的部分透射的光束（10f），并且通过波导层（20）引导所述耦出小部分（10c）远离所述入射光束（10a）的部分反射的光束（10g）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，至少两个凹槽（30、31）和/或至少两个凸脊（40、41）具有不同的形状和/或尺寸。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，在所述入射光束（10a）的光谱的至少一部分中，波导层（20）具有的平均折射率高于所述基板层（4）的折射率。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，波导层（20）由包含至少电介质的材料或半导体材料制成。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，波导层（20）包括由电介质材料或半导体制成的纳米颗粒。

8.根据权利要求6或7所述的谐振波导光栅（1），其中，在所述入射光束（10a）的光谱的至少一部分中，电介质材料或半导体具有的光学指数高于所述基板层（4）的折射率，优选地高出至少0.1。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，波导层（20）将由不同的材料制成的至少两个层包括到波导层（20）的至少一侧。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，波导层（20）将跨垂直于所述第一波导表面（20a）的方向的由具有变化成分的合金制成的层包括到波导层（20）的至少一侧。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，波导层（20）包括由具有不同掺杂浓度的相同材料制成的至少两种材料。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，波导层（20）跨垂直于波导层（20）的方向具有掺杂浓度轮廓。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的谐振波导光栅（1），包括多个（2）亚波长结构（2a），其中至少两个凹槽（30、31）和至少两个凸脊（40、41）具有二元形状、或正弦形状、或三角形形状、或倾斜形状。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，所述波导层（2）包括被定义在所述波导层（20）的平面中的平坦部分（50）。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，所述波导层（20）与多个（2）亚波长结构（2a）的形状基本上共形。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，所述波导层（20）包括具有空间傅立叶变换的至少一组多个（2）相邻亚波长结构（2a），所述空间傅立叶变换包含至少两个有差别的有效空间频率分量。

17.根据权利要求16所述的谐振波导光栅（1），其中，所述至少两个有差别的有效空间频率分量大于所述预定波长λ₀的空间频率1/λ₀的十分之一。

18.根据权利要求17所述的谐振波导光栅（1），其中，所述有效空间频率分量之一大于所述预定波长λ₀的空间频率1/λ₀，更优选地所述至少有差别的有效空间频率分量中的两者都大于所述预定波长λ₀的空间频率1/λ₀。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，部分（22）包括：至少一组具有局部空间周期性（P）的多个（2）相邻亚波长结构（2a），该局部周期性（P）的定义在于：所述至少一组多个（2）亚波长结构（2a）的横向和垂直尺寸在所述部分（22）中变化不超过10％。

20.根据权利要求19所述的谐振波导光栅（1），其中，所述局部空间周期性（P）是所述部分（22）的至少两个有差别的有效空间周期分量的最小公倍数。

21.根据权利要求20所述的谐振波导光栅（1），其中，所述空间周期（P）小于所述预定波长λ₀的十倍。

22.根据权利要求19或21中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，根据衍射级N至少是一个所述空间周期P或低于负一个所述空间周期P，所述耦出小部分（10c）是所述谐振波导光栅（1）对入射光束（10a）的耦出衍射部分，所述耦出小部分（10c）被引导远离入射光的镜面反射方向并且远离所述入射光束（10a）。

23.根据权利要求18至22中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，根据衍射级N至少是两个所述空间周期P或低于负两个所述空间周期P，所述组多个（2）亚波长结构（2a）通过衍射将入射光束（10a）的所述耦入部分（10b）谐振地耦合到所述波导层（20）中。

24.根据权利要求16至23中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，包括所述组多个（2）亚波长结构（2a）的所述部分（22）不具有局部空间周期性（P）。

25.根据权利要求24所述的谐振波导光栅（1），其中，所述部分（22）包括不具有局部空间周期性（P）的一组多个（2）亚波长结构（2a），所述部分（22）包括至少8个凸脊和8个凹槽，优选地多于20个凸脊和20个凹槽，更优选地多于100个凸脊和100个凹槽。

26.根据权利要求1至25中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，所述多个（2）亚波长结构（2a）在超波长尺度上是不均匀的。

27.根据权利要求26所述的谐振波导光栅（1），其中，所述多个（2）亚波长结构（2a）具有其结构参数中的至少一个的空间梯度。

28.根据权利要求1至27中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，所述多个（2）亚波长结构（2a）跨波导层（20）的平面在一维或二维上被像素化。

29.一种衍射光学组合器（1000），其包括根据权利要求1至28中任一项所述的至少一个谐振波导光栅（1）。

30.根据权利要求29所述的衍射光学组合器（1000），其中，所述谐振波导光栅（1）被布置在透明电介质材料上。

31.一种衍射光学耦合器（2000），其包括根据权利要求1至30中任一项所述的至少一个谐振波导光栅（1）。

32.根据权利要求31所述的衍射光学耦合器（2000），其中，所述至少一个谐振波导光栅（1）被布置在透明电介质材料上。

33.根据权利要求32所述的衍射光学耦合器（2000），其中，所述透明电介质材料是薄箔或板或弯曲板。

34.一种近眼显示装置，其包括根据权利要求1至28中任一项所述的至少一个谐振波导光栅（1）。

35.一种近眼显示装置，其包括根据权利要求29或权利要求30所述的至少一个衍射光学组合器（1000），或包括根据权利要求31至33中任一项所述的一个衍射光学耦合器（2000）。