CN111699418A - 基于结合有无机材料的聚合物结构的光学元件 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及显示系统，更具体地，涉及增强现实显示系统。在一个方面，一种制造光学元件的方法包括提供具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底。该方法还包括在衬底上形成周期性重复的聚合物结构。该方法还包括将衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体。在压力和温度下执行暴露衬底，以使得包括金属前体的金属的无机材料被结合到周期性重复的聚合物结构中，从而形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案。该光学结构具有大于第一折射率的第二折射率。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年1月4日提交的名称为“OPTICAL ELEMENTS BASED ONPOLYMERIC STRUCTURES INCORPORATING INORGANIC MATERIALS(基于结合有无机材料的聚合物结构的光学元件)”的美国临时专利申请No.62/613,651的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本申请。
援引并入
本申请还通过引用并入下列所有专利申请：2014年11月27日提交的美国申请No.14/555,585，其在2015年7月23日被公开为美国公开No.2015/0205126；2015年4月18日提交的美国申请No.14/690,401，其在2015年10月22日被公开为美国公开No.2015/0302652；2014年3月14日提交的美国申请No.14/212,961，现为2016年8月16日发布的美国专利No.9,417,452；2014年7月14日提交的美国专利申请No.14/331,218，其在2015年10月29日被公开为美国公开No.2015/0309263。
技术领域
本公开涉及显示系统，更具体地，涉及增强现实现实系统。
背景技术
现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中数字再现的图像或其部分以它们看起来真实或可被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景典型涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而对其它实际现实世界视觉输入没有透明性；增强现实或“AR”场景通常涉及将数字或虚拟图像信息呈现为对用户周围的真实世界的可视化的增强。混合现实或“MR”场景是一种AR场景，并且通常涉及集成到自然世界中并对自然世界做出响应的虚拟对象。例如，MR场景可包括看起来被现实世界中的对象阻挡或者以其它方式被感知为与现实世界中的对象交互的AR图像内容。
参考图1，描述了增强现实场景1。AR技术的用户看到以人、树、背景中的建筑物和混凝土平台30为特征的真实世界公园状设置20。用户还察觉到他“看到”“虚拟内容”，例如站在真实世界平台30上的机器人像40，以及飞过的卡通状化身角色50，其似乎是大黄蜂的拟人化。这些元素50、40是“虚拟的”，因为它们不存在于真实世界中。因为人类视觉感知系统是复杂的，所以产生促进虚拟图像元素与其它虚拟或真实世界的图像元素的舒适、感觉自然、丰富的呈现的AR技术是有挑战性的。
本文所揭示的系统和方法解决与AR和VR技术相关的各种挑战。
发明内容
在第一方面，一种制造光学元件的方法包括提供具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底。该方法还包括在衬底上形成周期性重复的聚合物结构。该方法还包括将衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体。在压力和温度下执行暴露衬底，以使得包括金属前体的金属的无机材料被结合到周期性重复的聚合物结构中，从而形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案。光学结构具有大于第一折射率的第二折射率。
在第二方面，光学元件包括具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底。光学元件还包括周期性重复的光学结构的图案，该光学结构形成在衬底上并被配置为衍射可见光。光学结构具有大于第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料。
在第三方面，一种光学系统包括光学元件。光学元件包括具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底。光学元件还包括周期性重复的光学结构的图案，该光学结构形成在衬底上并被配置为衍射可见光。光学结构具有大于第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料。周期性重复的光学结构包括被布置作为超表面的纳米束。超表面包括多个重复的单位单元，其中每个单位单元包括由一个或多个第一纳米束形成的第一组纳米束和由与一个或多个第一纳米束相邻设置且彼此隔开一个亚波长间隔的一个或多个第二纳米束形成的第二组纳米束。一个或多个第一纳米束和多个第二纳米束在不同的取向方向上伸长。
在第四方面，光学系统包括被配置为传播可见光的波导。该光学系统包括具有第一折射率并且在可见光谱中是透明的衬底，以使得可以通过全内反射在其中引导光。该光学系统还包括周期性重复的光学结构的图案，该光学结构形成在衬底上并被配置为衍射可见光。光学结构具有大于第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料。周期性重复的光学结构被布置为相对于入射光的方向以衍射角衍射光并且使衍射光在衬底中在全内反射下传播，或者被布置为相对于在衬底内被引导的光的方向以衍射角来衍射在衬底内在全内反射下被引导的光。
在第五方面，头戴式显示装置被配置为将光投射到用户的眼睛以显示增强现实图像内容。头戴式显示装置包括被配置为被支撑在用户的头部上的框架。头戴式显示装置还包括设置在框架上的显示器，其中显示器的至少一部分包括一个或多个波导。一个或多个波导是透明的并且当用户佩戴头戴式显示装置时被布置在用户的眼睛前面的位置，使得透明部分将光从用户前面的一部分环境传输到用户的眼睛以便提供用户前面的该部分环境的视图。头戴式显示装置还包括一个或多个光源和至少一个衍射光栅，该衍射光栅被配置为将来自光源的光耦入到一个或多个波导中或将光从一个或多个波导耦出。至少一个衍射光栅包括具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底。至少一个衍射光栅另外包括周期性重复的光学结构的图案，该光学结构形成在衬底上并且被配置为衍射可见光。光学结构具有大于第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料。
在第六方面，一种制造光学元件的方法包括：提供在可见光谱中透明的衬底；在衬底上形成具有第一折射率的周期性重复的聚合物结构；以及将衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体。在压力和温度下执行暴露，以使得将包含金属前体的金属的无机材料结合到周期性重复的聚合物结构中，从而增加周期性重复的聚合物结构的折射率以形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案。
在第七方面，一种制造光学元件的方法包括：提供具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底，其中，该衬底具有在其上形成的周期性重复的聚合物结构。该方法另外包括将衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体。在压力和温度下执行暴露，以使得包括金属前体的金属的无机材料被结合到周期性重复的聚合物结构中，从而形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案，其中光学结构具有大于第一折射率的第二折射率。
附图说明
图1示出了通过AR装置的用户的增强现实(AR)的视图。
图2示出了可穿戴显示系统的示例。
图3示出了用于模拟用户的三维图像的常规显示系统。
图4示出了使用多个深度平面来模拟三维图像的方法的各方面。
图5A-5C示出了曲率半径和聚焦半径之间的关系。
图6示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。
图7示出了由波导输出的出射光束的示例。
图8示出了堆叠波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多个不同分量颜色形成的图像。
图9A示出了堆叠波导组的示例的截面侧视图，每个堆叠波导包括耦入光学元件。
图9B示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。
图9C示出了图9A和9B的多个堆叠波导的示例的自顶向下的平面视图。
图10示意性地示出了光学元件的横截面图，该光学元件包括在其中结合有无机材料的周期性重复的基于聚合物的光学结构。
图11示意性地示出了制造光学元件的方法，该光学元件包括在其中结合有无机材料的周期性重复的基于聚合物的光学结构。
图12A-12C是在使用光刻工艺提供周期性重复的基础聚合物结构的各个阶段的中间结构的横截面图。
图13A-13C是在使用纳米压印工艺制造周期性重复的基础聚合物结构的各个阶段的中间结构的横截面图。
图14A-14B是在光学元件的制造的各个阶段的中间结构的横截面图，该光学元件包括在其中结合有无机材料的周期性重复的基于聚合物的光学结构。
图15A-15B是在光学元件的制造的各个阶段的中间结构的横截面图，该光学元件包括在其中结合有无机材料的周期性重复的基于聚合物的光学结构。
图16A-16B是在光学元件的制造的各个阶段的中间结构的横截面图，该光学元件包括在其中结合有无机材料的周期性重复的基于聚合物的光学结构。
图17A-17H示出了包括多个波片元件的光学元件，其中，每个波片元件包括在其中结合有无机材料的周期性重复的基于聚合物的光学结构的图案，图示出关于入射光的偏振矢量的变化，该变化分别对应于波片元件在快轴上的角度θ为0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2和7π/4的旋转。
图18A示出了衍射光栅的横截面侧视图，该衍射光栅具有由在其中结合有无机材料的基于聚合物的光学结构形成的2相级几何相位光学元件。
图18B示出了图18A的衍射光栅的顶视图。
图19示出了衍射光栅的顶视图，该衍射光栅具有由在其中结合有无机材料的基于聚合物的光学结构形成的4相级几何相位光学元件。
具体实施例
诸如显示系统的光学系统经常利用光学元件来控制光的传播。在一些应用中，由于对紧凑的光学系统的需求，具有减小的尺寸(例如，薄的结构)的光学元件可以是有用的。这样的光学元件可以包括例如衍射光学元件。
示例衍射光学元件是用于将光耦合到例如波导的光导中的衍射光栅。光导可以具有例如设置在其上或其中的衍射光栅，该衍射光栅被配置为以一定角度将入射在光导上的光(例如，以法向入射)耦合到光导中，使得衍射光在光导内通过全内反射被引导。诸如衍射光栅的衍射光学元件可以被包括在光导内或上，以将在光导内通过全内反射引导的光从光导耦出。衍射光学元件还可用于操纵(例如，重定向和/或修改)在光导内通过全内反射传播的光束。诸如本文所述的用于制造这样的衍射光学元件的方法也可以是有用的，这些方法还提供了光在光导内的增加的约束和/或增加了衍射效率。
这样的衍射光学元件可以包括形成在衬底上并且被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案，其中光学结构具有大于衬底的折射率的折射率。衍射光学元件由在其中结合有无机材料的聚合物材料形成。在一些情况下，聚合物材料可以用作被保留为最终光学结构的光致抗蚀剂并且可以显著降低制造复杂性。在光学结构中结合无机材料潜在地允许对例如折射率的光学性质和例如刚度的机械性质进行通用调整。可以使用原子层沉积来结合无机材料，这可以使得能够精确控制在光学结构中的结合的量和深度。
提供紧凑光学元件的另一种方法包括使用薄膜，例如基于由基于薄膜的纳米结构形成的超表面(metasurface)的衍射光栅。与几何光学器件相比，超表面或超材料表面提供了在更小的比例上实现几乎平坦、无像差的光学器件的机会。不受理论的限制，在一些实施例中，超表面包括起共振光学天线作用的表面结构的密集排列。光-表面结构相互作用的共振性质提供了操纵光波前的能力。在一些情况下，超表面可以允许使用通过简单的图案化工艺形成的薄的、相对平面的元件来代替笨重的或难以制造的光学组件。然而，基于薄膜的光学元件的制造可以包括通过光刻或纳米压印对金属或高折射率介电材料进行图案化，对于具有小尺寸和/或复杂形状的结构，这两者都是昂贵的和/或难以实现的。
有利地，在其中结合有无机材料的基于聚合物的光学结构可以被配置为用于形成包括衍射光栅的各种光学元件的超表面。超表面可以采取由多个重复的单位单元形成的光栅的形式。每个单位单元可包括在交叉方向上伸长的两组或更多纳米束：在第一方向上伸长的一个或多个第一纳米束和在与第一方向不同的第二方向上伸长的多个第二纳米束。
一些衍射光学元件，例如包括由基于聚合物的光学结构形成的超表面的衍射光学元件，可以被用在可穿戴显示系统中以提供紧凑的光学元件。增强现实系统可以向用户或查看者显示虚拟内容，同时仍然允许用户看到他们周围的世界。该内容可以显示在头戴式显示器上，该头戴式显示器可以安装在观看者的头上。头戴式显示器可以例如是眼镜的一部分，并将图像信息投射到用户的眼睛。另外，显示器还可以将光从周围环境传输到用户的眼睛，以允许查看该周围环境。
现在将参考附图，在附图中，相同的附图标记始终表示相同的部分。
示例显示系统
图2示出了可穿戴的显示系统60的一个示例。显示系统60包括显示器70以及支持该显示器70的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器70可耦合到框架80，该框架80可由显示系统用户或观看者90佩戴，并且被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛的前面。在一些实施例中，显示器70可被认为是眼镜。在一些实施例中，扬声器100被耦合到框架80并且被配置为定位在用户90的耳道附近(在一些实施例中，另一个扬声器，未示出，可可选地被定位在用户的另一个耳道附近以提供立体声/可塑形(shapeable)声音控制)。显示系统还可包括一个或多个麦克风110或其它装置以检测声音。在一些实施例中，麦克风被配置为允许用户向系统60提供输入或命令(例如，选择语音菜单命令、自然语言问题等)和/或可允许与其它人的音频通信(例如，与相似显示系统的其它用户)。麦克风可以进一步被配置作为外围传感器，以收集音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)。在一些实施例中，显示系统还可以包括外围传感器120a，其可以与框架80分离并且附接到用户90的身体(例如，在用户90的头部、躯干、四肢等上)。在一些实施例中，外围传感器120a可以被配置为获取表征用户90的生理状态的数据。例如，传感器120a可以是电极。
继续参考图2，显示器70通过通信链路130(例如通过有线或无线连接)可操作地耦合到本地数据处理模块140，本地数据处理模块140可以以各种配置安装，例如固定地附接到框架80、固定地附接到用户佩戴的头盔或帽子、嵌入在耳机中、或者以其它方式可移除地附接到用户90(例如以背包式配置、以带耦合式配置)。类似地，传感器120a可以通过通信链路120b(例如，有线导线或无线连接)可操作地耦合到本地处理器和数据模块140。本地处理和数据模块140可包括硬件处理器以及数字存储器，例如非易失性存储器(例如闪存或硬盘驱动器)，这两者都可用于辅助数据的处理、高速缓存和存储。数据包括从诸如图像捕获装置(诸如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速计、罗盘、GPS单元、无线电装置、陀螺仪和/或这里公开的其它传感器的传感器(其可例如被可操作地耦合到框架80或以其它方式附接到用户90)捕获的数据a)；以及/或使用远程处理模块150和/或远程数据存储库160获取和/或处理的数据b)(包括与虚拟内容有关的数据)，该数据b)可能用于在这样的处理或检索之后传递到显示器70。本地处理和数据模块140可通过通信链路170、180(例如，经由有线或无线通信链路)可操作地耦合到远程处理模块150和远程数据存储库160，以便这些远程模块150、160可操作地彼此耦合，并且可作为资源对于本地处理和数据模块140可用。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可包括图像捕获装置、麦克风、惯性测量单元、加速计、罗盘、GPS单元、无线电装置和/或陀螺仪中的一种或多种。在一些其它实施例中，这些传感器中的一个或多个可附接到框架80，或者可是通过有线或无线通信路径与本地处理和数据模块140通信的独立结构。
继续参考图2，在一些实施例中，远程处理模块150可包括一个或多个处理器，其被配置为分析和处理数据和/或图像信息。在一些实施例中，远程数据存储库160可包括数字数据存储设施，其可通过因特网或“云”资源配置中的其它网络配置而可用。在一些实施例中，远程数据存储库160可包括一个或多个远程服务器，其向本地处理和数据模块140和/或远程处理模块150提供信息，例如用于生成增强现实内容的信息。在一些实施例中，所有数据被存储，并且所有计算在本地处理和数据模块中执行，从而允许从远程模块的完全自主的使用。
现在参考图3，通过向观看者的每只眼睛提供稍微不同的图像呈现，可实现图像被感知为“三维”或“3-D”。图3示出了用于为用户模拟三维图像的常规显示系统。向用户输出两个不同的图像190、200，每个眼睛210、220一个。图像190、200沿着平行于观看者视线的光或z轴与眼睛210、220隔开距离230。图像190、200是平面的，并且眼睛210、220可通过呈现单一适应(accommodate)状态而聚焦在图像上。这种系统依赖于人类视觉系统来组合图像190、200，以便为组合图像提供深度和/或尺度的感知。
然而，可理解，人类视觉系统更复杂，并且提供真实的深度感知更具挑战性。例如，传统“3-D”显示系统的许多观看者发现这种系统不舒适或者根本感觉不到深度感。不受理论限制，相信对象的观看者可由于聚散和调节的组合而将该对象感知为“三维的”。两只眼睛相对于彼此的聚散运动(即，眼睛的旋转，使得瞳孔彼此相向或远离地移动，以会聚眼睛的视线，从而注视对象)与眼睛的晶状体和瞳孔的聚焦(或“适应”)紧密相关。在正常情况下，在被称为“适应-聚散反射”以及瞳孔扩大或收缩的关系下，改变眼睛的晶状体的焦距或使眼睛适应以改变从一个对象到不同距离处的另一个对象的聚焦，将自动地导致到相同的距离的聚散的匹配改变。同样，在正常条件下，聚散的变化将触发晶状体形状和瞳孔尺寸的适应的匹配变化。如本文所述，许多立体或“3-D”显示系统使用稍微不同的呈现(以及因此稍微不同的图像)向每只眼睛显示场景，以便人类视觉系统感知三维透视。然而，这种系统对于许多观看者来说是不舒服的，因为除了其他方向之外它们尤为简单地提供场景的不同呈现，但是眼睛在单一适应状态下观看所有图像信息，并且违反“适应-聚散反射”。提供适应和聚散之间的更好匹配的显示系统可形成三维图像的更真实和舒适的模拟。
图4示出了使用多个深度平面来模拟三维图像的方法的各方面。参照图4，在z轴上的离眼睛210、220不同距离处的对象由眼睛210、220适应，使得那些对象处于焦点。眼睛(210和220)呈现特定的适应状态，以便聚焦沿着z轴位于不同距离处的对象。因此，特定的适应状态可被视为与深度平面240中的特定一个相关联，具有相关联的焦距，以便当眼睛处于用于该深度平面的适应状态时，特定深度平面中的对象或对象的部分处于焦点。在一些实施例中，可通过为眼睛210、220中的每一个提供图像的不同呈现，并且还通过提供与深度平面中的每一个相对应的图像的不同呈现来模拟三维影像。虽然为了清楚说明而示出为分离的，但是应当理解，眼睛210、220的视场可例如随着沿z轴的距离增加而重叠。除外，尽管为了便于说明而示出为平坦的，但是应当理解，深度平面的轮廓可在物理空间中是弯曲的，以便深度平面中的所有特征在眼睛处于特定适应状态时对焦(in focus)。
对象与眼睛210或220之间的距离也可改变眼睛所看到的来自该对象的光的发散量。图5A-5C示出了距离和光线发散之间的关系。对象和眼睛210之间的距离以距离减小的顺序由R1、R2和R3表示。如图5A-5C所示，光线随着到对象的距离减小而变得更加发散。随着距离增加，光线变得更加准直。换言之，可能是由点(对象或对象的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，其为该点离用户眼睛多远的函数。曲率随着对象和眼睛210之间的距离的减小而增大。因此，在不同深度平面处，光线的发散程度同样是不同的，其中发散程度随着深度平面与观看者的眼睛210之间的距离减小而增加。虽然为了清楚地说明，在图5A-5C和这里的其它附图中仅示出了单个眼睛210，但是应当理解，关于眼睛210的讨论可应用于观看者的双眼210和220。
不受理论限制，相信人眼通常可解释有限数量的深度平面以提供深度感知。因此，通过向眼睛提供与这些有限数量的深度平面中的每一个相对应的图像的不同呈现，可实现感知深度的高度可信的模拟。不同的呈现可由观看者的眼睛分别聚焦，从而基于使位于不同深度平面上的场景的不同图像特征聚焦所需的眼睛适应和/或基于观察位于焦点外的不同深度平面上的不同图像特征，帮助向用户提供深度提示。
图6示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。显示系统250包括波导的堆叠或堆叠波导组件260，其可被用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知。在一些实施例中，显示系统250是图2的系统60，图6更详细地示意性示出了该系统60的一些部分。例如，波导组件260可是图2的显示器70的一部分。应当理解，在一些实施例中，显示系统250可被认为是光场显示器。
继续参照图6，波导组件260还可包括波导之间的多个特征320、330、340、350。在一些实施例中，特征320、330、340、350可是一个或多个透镜。波导270、280、290、300、310和/或多个透镜320、330、340、350可被配置为以各种水平的波前曲率或光线发散向眼睛发送图像信息。每个波导级可与特定深度平面相关联，并且可被配置为输出与该深度平面相对应的图像信息。图像注入装置360、370、380、390、400可用作波导的光源，并且可用于将图像信息注入到波导270、280、290、300、310中，每个波导可如本文所述被配置为将入射光跨每个各自的波导分布，用于向眼睛210输出。光从图像注入装置360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450出射，并且被注入波导270、280、290、300、310的相应输入表面460、470、480、490、500中。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每一个可是对应波导的边缘，或者可以是对应波导的主表面(即，波导表面中直接面向世界510或观看者的眼睛210的一个)的一部分。在一些实施例中，可将单个光束(例如准直光束)注入到每个波导中，以输出克隆准直光束的整个场，该克隆准直光束以对应于与特定波导相关联的深度平面的特定角度(和发散量)被引导向眼睛210。在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400中的单个可与多个(例如，三个)波导270、280、290、300、310相关联，并且将光注入到该多个波导中。
在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是分立的显示器，每个分立的显示器分别产生用于注入到相应的波导270、280、290、300、310中的图像信息。在一些其它实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是单个多路复用显示器的输出端，该多路复用显示器可例如经由一个或多个光导管(诸如，光纤缆)将图像信息传送到图像注入装置360、370、380、390、400中的每一个。应当理解，由图像注射装置360、370、380、390、400提供的图像信息可包括不同波长或颜色(例如，如本文所述的不同分量颜色)的光。
在一些实施例中，注入波导270、280、290、300、310的光由光投射器系统520提供，光投射器系统520包括含有光发射器(例如，发光二极管(LED))的光模块530。来自光模块530的光可经由分束器550被导向光调制器540(例如，空间光调制器)并被其修改。光调制器540可被配置为改变注入波导270、280、290、300、310的光的感知强度。空间光调制器的示例包括液晶显示器(LCD)，其包括硅上液晶(LCOS)显示器。
在一些实施例中，显示系统250可是包括一个或多个扫描光纤的扫描光纤显示器，该扫描光纤被配置为将光以各种模式(例如，格栅扫描、螺旋扫描、李萨如图案等)投射到一个或多个波导270、280、290、300、310中，并最终进入到观看者的眼睛210。在一些实施例中，所示的图像注入装置360、370、380、390、400可示意性地表示被配置为将光注入到一个或多个波导270、280、290、300、310中的单个扫描光纤或扫描光纤束。在一些其它实施例中，示例的图像注入装置360、370、380、390、400可示意性地表示多个扫描光纤或多个扫描光纤束，每个扫描光纤被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中的相关联的一个中。将理解，该一个或多个光纤可被配置为将来自光模块530的光传输到该一个或多个波导270、280、290、300、310。应当理解，可在扫描光纤(一个或多个)与一个或多个波导270、280、290、300、310之间提供一个或多个中间光学结构，以例如将离开扫描光纤的光重定向到一个或多个波导270、280、290、300、310中。
控制器560控制堆叠波导组件260中的一个或多个的操作，包括图像注入装置360、370、380、390、400、光源530和光调制器540的操作。在一些实施例中，控制器560是本地数据处理模块140的一部分。控制器210包括程序(例如，非暂时性介质中的指令)，该程序根据例如本文公开的各种方案中的任何方案调节到波导270、280、290、300、310的图像信息的定时和提供。在一些实施例中，控制器可是单个集成装置，或者是通过有线或无线通信信道连接的分布系统。在一些实施例中，控制器560可是处理模块140或150(图2)的一部分。
继续参考图6，波导270、280、290、300、310可被配置为在每个相应波导内通过全内反射(TIR)传播光。波导270、280、290、300、310可各自是平面的或具有另一形状(例如，弯曲的)，具有主顶和底表面以及在这些主顶和底表面之间延伸的边缘。在示例的配置中，波导270、280、290、300、310每个可包括耦出光学元件570、580、590、600、610，其被配置为通过重定向在每个相应波导内传播的光到波导之外而从波导提取出光，以将图像信息输出到眼睛210。提取的光也可称为耦出光，并且耦出光学元件也可称为光提取光学元件。提取的光束可在波导中传播的光入射到光提取光学元件的位置处由波导输出。耦出光学元件570、580、590、600、610可例如是光栅，其包括衍射光学特征，如这里进一步讨论的。虽然为了便于描述和附图清楚起见，示出为设置在波导270、280、290、300、310的底部主表面处，但是在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可设置在顶部和/或底部主表面处，和/或可直接设置在波导270、280、290、300、310的体积中，如本文进一步讨论的。在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可形成在附着到透明衬底的材料层中，以形成波导270、280、290、300、310。在一些其它实施例中，波导270、280、290、300、310可是单片材料，并且耦出光学元件570、580、590、600、610可形成在该片材料的表面上和/或内部中。
继续参考图6，如这里所讨论的，每个波导270、280、290、300、310被配置为输出光以形成对应于特定深度平面的图像。例如，最靠近眼睛的波导270可被配置为将准直光(其被注入到该波导270中)传递到眼睛210。准直光可表示光学无穷远焦平面。下一个上波导280可被配置为发出准直光，该准直光在可到达眼睛210之前穿过第一透镜350(例如负透镜)；这种第一透镜350可被配置为产生轻微的凸波阵面曲率，以便眼睛/大脑将来自下一个波导向上280的光解释为来自从光学无穷远更向内朝向眼睛210的第一焦平面。相似地，第三上波导290在到达眼睛210之前使其输出光穿过第一透镜350和第二透镜340；第一透镜350和第二透镜340的组合光焦度可被配置为产生波前曲率的另一增量，使得眼睛/大脑将来自第三波导管290的光解释为来自第二焦平面，该第二焦平面比来自下一波导向上280的光从光学无穷远更向内朝向人。
其它波导层300、310和透镜330、320被相似地配置，其中堆叠中的最高波导310通过其与眼睛之间的所有透镜发送其输出，用于与人最近的焦平面的总光焦度。为了在观察/解释来自堆叠波导组件260的另一侧的世界510的光时补偿透镜320、330、340、350的堆叠，补偿透镜层620可被设置在堆叠的顶部以补偿下面的透镜堆叠320、330、340、350的总光焦度。这样的配置提供了与可得的波导/透镜对一样多的感知焦平面。波导的耦出光学元件和透镜的聚焦方面二者可是静态的(即，不是动态的或电激活的)。在一些替代实施例中，使用电有源特征，其中之一或两者可是动态的。
在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或更多个可具有相同的相关联的深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可被配置为输出图像组到相同深度平面，或者波导270、280、290、300、310的多个子集可被配置为输出图像组到相同的多个深度平面的图像，其中每个深度平面一组。这可提供形成铺接(tiled)图像的优点，以在那些深度平面处提供扩展的视场。
继续参考图6，耦出光学元件570、580、590、600、610可被配置为将光从其各自的波导中重定向出来，并且以对于与波导相关联的特定深度平面的适当的发散量或准直量来输出该光。结果，具有不同的相关联的深度平面的波导可具有不同配置的耦出光学元件570、580、590、600、610，其依赖相关联的深度平面以不同的发散量输出光。在一些实施例中，光提取光学元件570、580、590、600、610可是体积特征或表面特征，其可被配置为以特定角度输出光。例如，光提取光学元件570、580、590、600、610可是体全息图、表面全息图和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以不是透镜；确切地，它们可简单地是间隔物(例如，用于形成空气间隙的覆层和/或结构)。
在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610是形成衍射图案的衍射特征，或“衍射光学元件”(在此也称为“DOE”)。优选地，使得仅光束的一部分光在与DOE的每个交叉点处向眼睛210偏转出，而其余的光通过TIR继续移动通过波导。因此，携带图像信息的光被分成多个相关的出射光束，其在多个位置处离开波导，并且结果是对于这种在波导内反射的这种特定准直光束的相当均匀的朝向眼睛210的出射发射模式。
在一些实施例中，一个或多个DOE可在它们主动衍射的“开”状态和它们不明显衍射的“关”状态之间切换。例如，可切换的DOE可包括聚合物分散液晶层，其中微滴包含主介质中的衍射图案，微滴的折射率可被切换以与主体材料的折射率基本上匹配的(在这种情况下，图案没有明显的衍射入射光)，或者微滴可被切换到与主体介质的折射率不匹配的折射率(在这种情况下，图案主动衍射入射光)。
在一些实施例中，可提供相机组件630(例如，数字相机，包括可见光和红外光相机)来捕获眼睛210和/或眼睛210周围的组织的图像，以例如检测用户输入和/或监视用户的生理状态。如本文所使用，相机可以为任何图像捕获装置。在一些实施例中，相机组件630可包括图像捕获装置和光源，以将光(例如，红外光)投射到眼睛，然后，该光可被眼睛反射并且被图像捕获装置检测。在一些实施例中，相机组件630可附接到框架80(图2)并且可与处理模块140和/或150电通信，处理模块140和/或150可处理来自相机组件630的图像信息。在一些实施例中，可为每只眼睛使用一个相机组件630，以单独地监视每只眼睛。
现在参考图7，示出了由波导输出的出射光束的示例。示出了一个波导，但是应当理解，波导组件260(图6)中的其它波导可相似地运作，其中波导组件260包括多个波导。光640在波导270的输入表面460处注入波导270，并通过TIR在波导270内传播。在光640入射DOE 570的点处，一部分光作为出射光束650离开波导。出射光束650被示为基本上平行，但是如这里所讨论的，它们也可被重定向依赖于与波导270相关联的深度平面以一角度传播到眼睛210(例如，形成发散出射光束)。应当理解，基本上平行的出射光束可表示具有耦出光学元件的波导，该耦出光学元件将光耦合出以形成看起来被设置在离眼睛210大的距离(例如，光学无穷远)处的深度平面上的图像。其它波导或其它组的耦出光学元件可输出更加发散的出射光束图案，这将需要使眼睛210适应更近的距离以使其聚焦在视网膜上，并且将被大脑解释为来自比光学无穷远更靠近眼睛210的距离处的光。
在一些实施例中，可通过覆盖分量颜色(例如，三种或更多种分量颜色)中的每一个的图像来在每个深度平面处形成全色图像。图8示出了堆叠波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多个不同分量颜色形成的图像。所示例的实施例示出了深度平面240a-240f，虽然也可考虑更多或更少的深度。每个深度平面可具有与其相关联的三个或更多个分量颜色图像，包括：第一颜色的第一图像，G；第二颜色的第二图像，R；以及第三颜色的第三图像，B。在图中不同深度平面由在字母G、R和B后的屈光度的不同数字(dpt)表示。仅作为示例，这些字母中的每一个之后的数字指示屈光度(1/m)或深度平面与观看者的距离的倒数，并且图中的每个框表示单独的分量颜色图像。在一些实施例中，考虑到眼睛对不同波长的光的聚焦的差异，不同分量颜色的深度平面的精确设置可变化。例如，对于给定深度平面的不同分量颜色图像可被设置在对应于距用户的不同距离的深度平面上。这种设置可增加视觉敏锐度和用户舒适度和/或可减少色差。
在一些实施例中，每个分量颜色的光可由单个专用波导输出，并且因此，每个深度平面可具有与其相关联的多个波导。在这样的实施例中，包括字母G、R或B的附图中的每个框可被理解为表示单独的波导，并且可为每个深度平面提供三个波导，其中为每个深度平面提供三个分量颜色图像。虽然为了易于描述在该图中示出与每个深度平面相关联的波导彼此相邻，但是将理解，在物理装置中，波导可全部以堆叠设置，在每级一个波导。在一些其它实施例中，多个分量颜色可由相同的波导输出，使得例如每个深度平面可仅提供单个波导。
继续参考图8，在一些实施例中，G是绿色，R是红色，B是蓝色。在一些其它实施例中，除了红色、绿色或蓝色中的一种或多种之外，替代红色、绿色或蓝色中的一种或多种，可使用与其它波长的光相关联的其它颜色，包括品红色和青色。
将理解，在本公开中，对给定颜色的光的参考将理解为涵盖观看者感知为具有该给定颜色的光的波长范围内的一个或多个波长的光。例如，红光可包括在约620-780nm范围内的一个或多个波长的光，绿光可包括在约492-577nm范围内的一个或多个波长的光，蓝光可包括在约435-493nm范围内的一个或多个波长的光。
在一些实施例中，光源530(图6)可以被配置为发射在观看者的视觉感知范围之外的一个或多个波长的光，例如红外和/或紫外波长。另外，显示器250的波导的耦入、耦出和其他光重定向结构可以被配置为将这种光引导并发射出显示器朝向用户的眼睛210，例如，用于成像和/或用户刺激应用。
现在参考图9A，在一些实施例中，入射在波导上的光可能需要被重定向以将该光耦入到波导中。可使用耦入光学元件将光重定向并耦入到其相应的波导中。图9A示出了多个或一组660堆叠的波导的示例的横截面侧视图，每个堆叠波导包括耦入光学元件。波导每个可被配置为输出一个或多个不同波长的光，或者一个或多个不同波长范围的光。应当理解，除了来自一个或多个图像注入装置360、370、380、390、400的光从需要光被重定向以用于耦入的位置被注入波导中之外，堆叠660可对应于堆叠260(图6)，并且堆叠660的示例波导可对应于多个波导270、280、290、300、310的一部分。
示例的堆叠波导的组660包括波导670、680和690。每个波导包括相关联的耦入光学元件(其也可称为波导上的光输入区域)，例如设置在波导670的主表面(例如，上主表面)上的耦入光学元件700，设置在波导680的主表面(例如，上主表面)上的耦入光学元件710，设置在波导690的主表面(例如，上主表面)上的耦入光学元件720。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720中的一个或多个可设置在各自波导670、680、690的底主表面上(特别地，在一个或多个耦入光学元件是反射、偏转光学元件的情况下)。作为示例，耦入光学元件700、710、720可设置在它们各自的波导670、680、690的上主表面上(或下一个下波导的顶部)，特别是在耦入光学元件是透射、偏转光学元件的情况下。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可设置在相应波导670、680、690的体中。在一些实施例中，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720是波长选择性的，使得它们选择性地重定向一个或多个波长的光，同时传输其它波长的光。虽然示出在它们各自的波导670、680、690的一侧或拐角上，但是应当理解，在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可设置在它们各自的波导670、680、690的其它区域中。
如所示例的，耦入光学元件700、710、720可彼此横向偏移。在一些实施例中，每个耦入光学元件可偏移，以便其接收光而该光不穿过另一耦入光学元件。例如，每个耦入光学元件700、710、720可被配置为从如图6所示的不同的图像注入装置360、370、380、390和400接收光，并且可与其它耦入光学元件700、710、720分离(例如，横向地间隔开)，以便其基本上不从耦入光学元件700、710、720的其他耦入光学元件接收光。
每个波导还包括相关联的光分布元件，例如设置在波导670的主表面(例如顶主表面)上的光分布元件730，设置在波导680的主表面(例如顶主表面)上的光分布元件740，以及设置在波导690的主表面(例如顶部主表面)上的光分布元件750。在一些其它实施例中，光分布元件730、740、750可分别设置在相关联的波导670、680、690的底主表面上。在一些其它实施例中，光分布元件730、740、750可分别设置在相关联的波导670、680、690的顶主表面和底主表面二者上；或者光分布元件730、740、750可分别设置在不同相关的波导670、680、690中的顶主表面和底主表面中的不同的一个上。
波导670、680、690可被间隔开并且由例如气体、液体和/或固体材料层隔开。例如，如所示例的，层760a可分离波导670和680；而层760b可分离波导680和690。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(即，具有比形成波导670、680、690中的紧邻的一个的材料低的折射率的材料)形成。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率比形成波导670、680、690的材料的折射率小0.05或小更多，或者小0.10。有利地，较低折射率层760a、760b可用作促进光通过波导670、680、690的全内反射(TIR)(例如，每个波导的顶和底主表面之间的TIR)的包层。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。虽然未示出，但是将理解，示例的波导组660的顶部和底部可包括紧邻的包层。
优选地，为了便于制造和其它考虑，形成波导670、680、690的材料是相似或相同的，并且形成层760a、760b的材料是相似或相同的。在一些实施例中，形成波导670、680、690的材料在一个或多个波导之间可是不同的，和/或形成层760a、760b的材料可是不同的，而仍然保持上述的各种折射率关系。
继续参考图9A，光线770、780、790入射在波导组660上。应当理解，光线770、780、790可通过一个或多个图像注入装置360、370、380、390、400(图6)注入到波导670、680、690中。
在一些实施例中，光线770、780、790具有不同的特性，例如，不同的波长或不同的波长范围，其可对应于不同的颜色。耦入光学元件700、710、720每个偏转入射光，以便光通过TIR传播通过波导670、680、690中的相应一个。在一些实施例中，耦入光学元件700、122、720每个选择性地偏转一个或多个特定波长的光，而将其它波长传输到下伏波导和相关的耦入光学元件。
例如，耦入光学元件700可被配置为偏转具有第一波长或波长范围的光线770，而透射分别具有不同的第二和第三波长或波长范围的光线780和790。然后，透射光线780入射到耦入光学元件710并被其偏转，该耦入光学元件710被配置为选择性地偏转第二波长或波长范围的光。光线790被耦入光学元件720偏转，耦入光学元件720被配置为选择性地偏转第三波长或波长范围的光。
继续参照图9A，偏转的光线770、780、790被偏转，以便它们传播通过相应的波导670、680、690；也就是，每个波导的耦入光学元件700、710、720将光偏转到该对应波导670、680、690中，以将光耦合到该对应波导中。光线770、780、790以一角度偏转，该角度使得光通过TIR传播通过相应的波导670、680、690。光线770、780、790通过TIR传播通过相应的波导670、680、690，直到入射在波导的相应光分布元件730、740、750上。
现在参考图9B，示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。如上所述，耦入的光线770、780、790分别被耦入光学元件700、710、720偏转，然后分别在波导670、680、690内通过TIR传播。然后，光线770、780、790分别入射在光分布元件730、740、750上。光分布元件730、740、750偏转光线770、780、790，以便它们分别朝向耦出光学元件800、810、820传播。
在一些实施例中，光分布元件730、740、750是正交光瞳扩展器(OPE)。在一些实施例中，OPE偏转或分布光到耦出光学元件800、810、820，并且在一些实施例中，还在光传播到耦出光学元件时增大该光的光束或光斑尺寸。在一些实施例中，可略去光分布元件730、740、750，并且耦入光学元件700、710、720可被配置为将光直接偏转到耦出光学元件800、810、820。例如，参考图9A，光分布元件730、740、750可分别被耦出光学元件800、810、820代替。在一些实施例中，耦出光学元件800、810、820是将光引导到观看者眼睛210中的出射光瞳(EP)或出射光瞳扩展器(EPE)(图7)。应当理解，OPE可以被配置为在至少一个轴上增加眼箱的尺寸，并且EPE可以在例如与OPE的轴正交的轴上增加眼箱。例如，每个OPE可以被配置为将入射(strike)OPE的光的一部分重定向到相同波导的EPE，同时允许光的剩余部分继续沿波导向下传播。在再次入射OPE之后，剩余光的另一部分被重定向到EPE，并且该部分的剩余部分继续沿波导向下进一步传播，等等。类似地，在入射EPE之后，一部分入射光被引导出波导朝向用户，并且该光的剩余部分继续传播通过波导直到它再次入射EP，此时入射光的另一部分被引导出波导，等等。因此，每当光的一部分被OPE或EPE重定向时，可以“复制”单束耦入光，从而形成克隆光束的场，如图6所示。在一些实施例中，OPE和/或EPE可以被配置为修改光束的尺寸。
因此，参考图9A和9B，在一些实施例中，波导组660包括波导670、680、690；耦入光学元件700、710、720；光分布元件(例如，OPE)730、740、750；以及用于每个分量颜色的耦出光学元件(例如，EP)800、810、820。波导670、680、690可被堆叠，其中在每个波导之间具有空气间隙/包层。耦入光学元件700、710、720将入射光(其中不同耦入光学元件接收不同波长光)重定向或偏转到其波导中。然后，光以将导致在相应波导670、680、690内的TIR的角度传播。在所示的示例中，光线770(例如，蓝光)被第一耦入光学元件700偏转，然后继续沿波导反射，以先前描述的方式与光分布元件(例如OPE)730然后和出耦合光学元件(例如EP)800相互作用。光线780和790(例如，分别为绿光和红光)将通过波导670，光线780入射在耦入光学元件710上并被其偏转。然后，光线780经由TIR沿波导680反射，继续前进到其光分布元件(例如OPE)740，然后前进到耦出光学元件(例如EP)810。最后，光线790(例如，红光)通过波导690以入射在波导690的光耦入光学元件720上。光耦入光学元件720偏转光线790，以便光线通过TIR传播到光分布元件(例如，OPE)750，然后通过TIR传播到耦出光学元件(例如，EP)820。然后，耦出光学元件820最终将光线790耦出到观看者，观看者还从其它波导670、680接收耦出光。
图9C示出了图9A和9B的多个堆叠波导的示例的自顶向下的平面图。如所示例，波导670、680、690连同每个波导的相关联的光分布元件730、740、750以及相关联的耦出光学元件800、810、820可垂直对准。然而，如这里所讨论的，耦入光学元件700、710、720不是垂直对准的；相反，耦入光学元件优选地是非重叠的(例如，横向间隔开，如在自顶向下视图中所见)。如本文进一步讨论的，这种不重叠的空间设置便于将光从不同的源一对一地注入到不同的波导中，从而允许特定光源唯一地耦合到特定波导。在一些实施例中，包括非交叠空间分离的耦入光学元件的设置可被称为移位光瞳系统，并且这些设置内的耦入光学元件可对应于子光瞳。
由结合有无机材料的基于聚合物的光学结构形成的光学元件
显示系统可以采用各种光学元件来控制光的传播。然而，在一些情况下，例如包括头戴式显示装置的显示系统(例如，上文参考图2所述的显示系统80)，常规光学元件由于其相对较重的重量、大尺寸、制造挑战和/或光学特性(例如衍射角和衍射效率)不足而可能不是理想的或不是适合的。
例如，如以上参考图9A-9C所述，显示系统可以包括光学元件(例如，耦入光学元件、光分布元件和耦出光学元件)，其可以包括衍射光栅。此外，如上面参考图9A-9C进一步描述的，耦入到相应波导中的光可以在波导内通过全内反射(TIR)传播。为了实现TIR，可能希望衍射光栅相对于表面法线具有相对高的衍射角。另外，可能期望高衍射效率以增加光强度和图像亮度。然而，提供针对可见光能够实现高衍射角和高衍射效率的衍射光栅会带来挑战。为了满足这些和其他需求，本文公开的光学元件的示例，例如衍射光栅，可以利用由在其中结合有无机材料的周期性重复的基于聚合物的光学结构形成的光学元件。
图10示出了根据各种实施例的光学元件(例如，衍射光栅1000)的横截面图，该光学元件包括在其中结合有无机材料的周期性重复的基于聚合物的光学结构。衍射光栅1000包括具有第一折射率(n1)并且在可见光谱中透明的衬底1004。衍射光栅1000还包括形成在衬底1004上并且被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构1008的图案。光学结构1008具有大于第一折射率的第二折射率(n2)并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料。
根据实施例，衬底1004在可见光谱中是透明的。如本文和整个说明书中所描述的，“透射”或“透明”结构，例如透射衬底，可以允许至少一些，例如至少20、30、50、70、90％或95％的入射光通过但可以透射低于99％或100％。透射百分比可以在由这些值中的任何限定的任何范围内，或者可以在这些范围之外。因此，在一些实施例中，透明衬底可以是玻璃、蓝宝石或聚合物衬底。“反射”结构，例如反射衬底，可以反射至少一些，例如至少20、30、50、70、90％或95％或更多的入射光但反射少于99％或100％。反射百分比可以在由这些值中的任何限定的任何范围内，或者可以在这些范围之外。
根据实施例，衬底1004具有第一折射率(n1)，该第一折射率(n1)大于空气的折射率但小于光学结构1008的第二折射率n2。n1可以具有例如约1.5、1.6、1.7、1.8、1.9的值或者由这些值限定的任何范围内的任何值或超出这些范围的任何值。用于形成衬底1004的材料的示例包括二氧化硅玻璃(例如，掺杂的二氧化硅玻璃)、氮氧化硅、过渡金属氧化物(例如，氧化铪、氧化钽、氧化锆、氧化铌、铌酸锂、氧化铝(例如，蓝宝石))、塑料、聚合物或具有例如本文所述的合适折射率的其他光学透射材料。
形成在衬底1004上的周期性重复的光学结构1008的图案被配置为由于诸如本文所述的材料、尺寸和几何构造而衍射可见光。
仍然参考图10，根据各种实施例，光学结构1008包括在其中结合有无机材料的基础聚合物材料。基础聚合物材料可以包括用于结合无机材料并用作可以被光刻图案化的材料(例如可以在光刻上被图案化的光敏材料(例如光致抗蚀剂或可以容易地被图案化的另一材料))的合适的聚合物。例如，除了其他聚合物之外，基础聚合物材料可以包括聚乙烯(PE)(–(CH2-CH2)n–))、聚丙烯(PP)(–[CH2-CH(CH3)]n–)，聚(氯乙烯)(PVC)(–[CH2-CH(CH3)]n–)、聚(偏氯乙烯)(–(CH2-CCl2)n–)、聚苯乙烯(PS)(–[CH2-CH(C6H5)]n–)、聚丙烯腈(PAN)(–(CH2-CHCN)n–)、聚四氟乙烯(PTFE)(–(CF2-CF2)n–)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)(–[CH2-C(CH3)CO2CH3]n–)、聚(醋酸乙烯酯)(PVAc)(–(CH2-CHOCOCH3)n–)、顺式聚异戊二烯(–[CH2-CH＝C(CH3)-CH2]n–)和聚氯丁二烯(顺式+反式)(–[CH2-CH＝CCl-CH2]n–)，仅举几例。在一些实施例中，基础聚合物的链可以被配置为均聚物。在一些其他实施例中，基础聚合物的链可以被配置为共聚物。当配置为共聚物时，基础聚合物的链可以被配置为具有各种形式中的一个，包括但不限于例如，统计共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物和结合了上述各种聚合物的单体单元的接枝共聚物。
除其他因素外，可以基于用于形成要被结合到基础聚合物材料中的无机材料的沉积化学来选择特定聚合物。例如，在各种实施例中，基础聚合物单元的聚合物链可包括各种官能团，例如羰基、羟基和吡啶基，其适于与可用于形成无机材料的金属前体反应，如将在下文中进一步详细描述的。举一个示例，当沉积化学包括Al(CH3)3(TMA)作为金属前体和H2O作为氧化前体以用于形成Al2O3时，则PMMA可以被包括在聚合物材料中，使得PMMA的羰基可与TMA反应形成Al-OH物质，然后在水解反应中与H2O反应形成Al2O3。下文中将更详细地描述其他示例。
在各种实施例中，基础聚合物可以是光敏的或光反应性的。基础聚合物可以包括光致抗蚀剂或用作光致抗蚀剂。在一些实施例中，光致抗蚀剂可以是正性抗蚀剂，其中暴露于光的部分变得可溶于光致抗蚀剂显影剂，而未曝光的部分保持不溶于光致抗蚀剂显影剂。在一些其他实施例中，光致抗蚀剂可以是负性光致抗蚀剂，其中光致抗蚀剂的暴露于光的部分变得不溶于光致抗蚀剂显影剂，而未曝光的部分被光致抗蚀剂显影剂溶解。
在一些实施例中，当被包括时，基础聚合物中的光致抗蚀剂可以是光聚合光致抗蚀剂，其可以包括例如烯丙基单体，其被配置为当暴露于光时产生自由基，这继而引发单体的光聚合以生成聚合物。当被配置为负性抗蚀剂时，光聚合光致抗蚀剂可以包括例如甲基丙烯酸甲酯。当被包括时，在一些其他实施例中，基础聚合物中的光致抗蚀剂可以是光致分解的光致抗蚀剂，其被配置为在光下生成亲水产物。当被配置为正性抗蚀剂时，光致分解的光致抗蚀剂可包括例如叠氮醌(azide quinone)，例如N-二甲基苯醌(diazonaphthaquinone)(DQ)。当被包括时，在一些其他实施例中，基础聚合物中的光致抗蚀剂可以是光交联光致抗蚀剂，其被配置为当暴露于光时逐链交联以生成不溶网。
仍然参考图10，根据各种实施例，被结合到光学结构1008中的无机材料可以包括绝缘材料，例如，金属氧化物或金属氮化物。在一些实施例中，无机材料包括一种或多种过渡金属的氧化物、氮化物或氧氮化物，该一种或多种过渡金属包括但不限于Al、Zn、Zr、Hf、Ti和Ta。例如，无机材料可以包括氧化铝、氧化锌、氧化锆、氧化铪、氧化钛、氧化钽及其组合，仅举几例。
如本文所述，当无机材料包括氧化物时，其可以是化学计量的或亚化学计量的。例如，氧化铝可以是化学计量形式的Al2O3，也可以是亚化学计量形式的AlOx，其中x小于1.5的化学计量值。另外，如本文所述，金属的氧化物可包括其他金属。例如，可以包括氧化铝作为铪酸铝(AlHfOx)的一部分。因此，材料可以包括两种不同的金属。
根据实施例，可以基于其体折射率选择无机材料。无机材料的折射率可以高于衬底的折射率。无机材料的折射率可以例如大于1.7、2.0、2.3、2.6、3.0，或者具有在由这些值限定的范围内的值或者可以在这些范围之外。在一些实施例中，无机材料可以是基于其体折射率来选择的化学计量材料。例如，无机材料可以是具有1.66的折射率的化学计量的氧化铝、具有1.95的折射率的化学计量的氧化锌、具有1.95的折射率的化学计量的氧化锆、具有2.09的折射率的化学计量的氧化铪、具有2.35的折射率的化学计量的氧化钛或其组合，仅举几例。在一些其他实施例中，无机材料可以是亚化学计量的无机材料，其具有大于对应的化学计量的无机材料的折射率的折射率。例如，通过减少氧含量，可以使金属氧化物的折射率增加2％、5％、10％、20％或30％或者这些值所限定的任何范围内的任何百分比。在一些其他实施例中，无机材料可以是具有在组分无机材料的折射率之间的折射率的无机材料的混合物。例如，可以通过调节相对分数来将三元金属氧化物的折射率调整为介于组分二元金属氧化物的折射率之间。
在一些实施例中，光学结构1008具有介于基础聚合物材料与被结合到其中的无机材料之间的折射率。在各种实施例中，包括光学材料的光学结构的第二折射率大于1.7、1.8、1.9、2.0或2.1，并且比衬底的第一折射率大至少0.2、0.4、0.6、0.8或1.0。然而，实施例不限于此，并且第二折射率可以等于或小于第一折射率。
光学结构1008的基础聚合物材料可以在其中结合各种配置的无机材料。在所示的实施例中，光学结构1008包括基础聚合物区域1008a和被上述无机材料渗透(infiltrate)的渗透区域1008b。在所示的实施例中，将无机材料结合到光学结构1008的表面区域中，使得每个光学结构1008具有基础聚合物区域1008a并且具有渗透区域1008b，该基础聚合物区域1008a包括其中基本不具有无机材料的芯区域，该渗透区域1008b包括其中渗透了无机材料的表面区域。
根据实施例，渗透区域1008b具有大于约1nm、10nm、20nm、50nm、100nm、200nm、300nm的宽度、深度或厚度或者在由这些值限定的范围内的厚度或可能超出这些范围的厚度。
在一些实施例中，基础聚合物区域1008a基本不含无机材料。在一些情况下，基于基础聚合物区域1008a的总体积，基础聚合物区域1008a具有小于40％、30％、20％、10％、5％、1％、0.5％或0.1％(或由这些值限定的任何范围)的无机材料。相反，渗透区域1008b基本上被无机材料渗透。在一些情况下，基于渗透区域1008b的总体积，渗透区域1008b具有大于40％、50％、60％、70％、80％或90％(或由这些值限定的任何范围)的无机材料。
衍射光栅1000具有光学结构1008，光学结构1008被布置为使得周期性重复的光学结构1008中的相邻结构被空间1012隔开。在所示的实施例中，衬底的在空间1012中的表面不具基础聚合物材料或在其上形成的无机材料。这是因为在结合无机材料之前，基础聚合物材料可以在基础聚合物结构中的相邻结构之间被完全去除，使得衬底的表面暴露在周期性重复的基础聚合物的相邻结构之间的所得空间1012中。随后，由于在衬底的暴露表面上未形成适于吸附或化学吸附用于形成无机材料的金属前体的官能团，因此不会在其上形成无机材料或不会将无机材料结合到衬底1004中。结果，衬底的在空间1012中的表面没有基础聚合物材料或在其上形成的无机材料。下文相对于图14A-14B更详细地描述该过程。
然而，如下面详细说明的，其他实施例也是可能的。在其他实施例中，周期性重复的光学结构1008的相邻结构被空间1012隔开，其中衬底在空间中的表面在其上形成了聚合物材料的层(图15B、16B)，在该聚合物材料中结合了无机材料，如关于图15A-15B和16A-16B详细描述的。在这些实施例中，在结合无机材料之前，在周期性重复的基础聚合物结构中的相邻结构之间不完全或部分地去除基础聚合物材料，使得衬底的表面在突出的基础聚合物结构中的相邻结构之间的空间1012中保持被基础聚合物的薄层覆盖(图15A、16A)。随后，将突出的基础聚合物结构的表面以及在突出的基础聚合物结构中的相邻结构之间的聚合物层的表面暴露于前体以结合无机材料。例如，无机材料的结合可归因于基础聚合物结构中的吸附或化学吸附金属前体的官能团的存在以及归因于金属前体与氧化前体之间后续反应以在光学结构1008中形成无机材料。在一些实施例中，在空间中形成的聚合物材料的层可以具有与无机材料结合的整个厚度或部分厚度。下文关于图15A-15B和16A-16B详细描述这些过程。
制造由在其中结合有无机材料的基于聚合物的光学结构形成的光学元件的方法
在下文中，描述了制造基于聚合物的光学元件的方法，该基于聚合物的光学元件包括其中结合有无机材料的基于聚合物的光学结构，例如，衍射光栅1000(图10)。参照图11，方法1100包括提供1104具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底。该方法还包括在衬底上形成1108周期性重复的基础聚合物结构。该方法还包括1112将衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体。在压力和温度下执行暴露衬底，使得包括金属的无机材料被结合到周期性重复的基础聚合物结构中，从而形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案，其中光学结构具有大于第一折射率的第二折射率。
参照图11，提供了1104具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底。这可以包括例如提供如上文关于图10所描述的衬底1004。
仍参考图11，在衬底上形成1108周期性重复的基础聚合物结构。如下所述，可以使用包括例如光刻工艺(图12A-12C)或纳米压印工艺(图13A-13C)的合适的工艺来形成聚合物结构。在一些实施例中，如关于图12A至图12C所描述的，在衬底上形成1108周期性重复的光学结构可以通过沉积如上文关于图10所描述的合适的聚合物材料并且随后使用光刻和蚀刻工艺进行图案化来执行。在一些其他实施例中，如关于图13A-13C所描述的，在衬底上形成1108周期性重复的光学结构可通过沉积如上文关于图10所描述的合适的聚合物材料并且随后使用纳米压印技术进行图案化来执行。
图12A-12C分别示出了根据实施例的在使用光刻工艺制造周期性重复的基础聚合物结构的各个阶段的中间结构1200A-1200C的横截面图。参考图12A的中间结构1200A，该方法包括提供衬底1004。衬底1004包括具有第一折射率(n1)和例如以上参考图10所述的可能的各种其他材料属性的光学透射材料。该方法还包括在衬底1004上形成具有折射率n2初始和例如以上参考图10所述的可能的各种其他材料属性的基础聚合物层1208。当被图案化时，基础聚合物层1208适合用于形成例如以上参考图10所述的周期性重复的基础聚合物结构。
在一些实施例中，基础聚合物层1208由单层形成，该单层用于提供用于金属前体的后续吸附、化学吸附或反应的官能团。基础聚合物层1208还用作能够通过曝光/显影和随后的蚀刻而被光刻图案化的光致抗蚀剂。基础聚合物层1208可以是用作这两个功能的单层。然而，设计不必限于此，并且在一些其他实施例中，基础聚合物层1208可以包括多个层，包括形成在具有用于金属前体的吸附、化学吸附或反应的官能团的单独的活性聚合物层上的光致抗蚀剂层。也就是，例如，当单个基础聚合物层1208不能充分用作光致抗蚀剂并不能提供用于吸附、化学吸附金属前体或与金属前体反应的官能团时，基础聚合物层1208可以包括多层结构。
取决于设计，可以通过旋涂然后进行后烘烤来沉积基础聚合物层1208。
参照图12B的中间结构1200B，在沉积和沉积后烘烤之后，该方法包括通过将基础聚合物层1208的一部分选择性地暴露于由光掩模1216产生的光的图案来图案化基础聚合物层1208。如所示出的，光掩模1216可以是适用于正性光致抗蚀剂的正性光掩模，并且可以被配置为使光通过要在其中保留基础聚合物层1208的区域。当光掩模1216是适用于负性光致抗蚀剂的负性光掩模时，可以将光掩模相反地配置为使光通过要从中去除基础聚合物层1208的区域。
暴露于光1212(例如，相干的UV光或电子束)导致化学变化，例如，基础聚合物层1208(例如包括光致抗蚀剂)中的聚合交联，其允许使用用于包括或用作正性光致抗蚀剂的基础聚合物层1208的显影剂溶液选择性地去除基础聚合物层1208的暴露部分，或者允许使用用于包括或用作负性光致抗蚀剂的基础聚合物层1208的显影剂溶液选择性地去除光致抗蚀剂的未被暴露的部分。
参照图12C的中间结构1200C，在选择性地去除后，所得的周期性重复的基础聚合物结构1220a/1220b保留在衬底1004上，从而用作随后渗透无机材料的模板。基础聚合物结构1220a可以是在例如y方向的第一方向上伸长的一组基础聚合物结构。可选地，基础聚合物结构1220b可以是在例如x方向的第二方向上伸长的一组基础聚合物结构。基础聚合物结构还可以包括在第一方向上伸长的基础聚合物结构和在第二方向上伸长的基础聚合物结构。其他配置也是可能的。
图13A-13C分别示出了在使用纳米压印工艺制造周期性重复的基础聚合物结构的各个阶段的中间结构1300A-1300C的横截面图。在所示的示例中，形成中间结构1300A的方法类似于形成图12A的中间结构1200A的方法。然而，分别形成图13B和13C的中间结构1300B和1300C的方法与分别形成图12B和12C的中间结构1200B和1200C的方法不同，其区别在下面描述。
参照图13B的中间结构1300B，与上面参照图12B描述的方法不同，在所示的示例中，不是通过使用光或电子束和显影剂溶液选择性地暴露和去除基础聚合物层1208的部分来图案化基础聚合物层1208，而是使根据周期性重复的基础聚合物结构的形成而具有预定的拓扑图案的纳米压印模板1316或纳米压印模具与基础聚合物层1204接触。随后，将模板1316压入基础聚合物层1208中，从而将模板1316的图案转移到软化的基础聚合物层1208中，该基础聚合物层1208可以包括在一定温度(例如，高于基础聚合物层1208的玻璃化转变温度)下的热塑性聚合物。在冷却后，模板1316与基础聚合物层1208分离，并且图案化的周期性重复的基础聚合物结构1220a/1220b留在衬底1004上。在一些其他方法中，在压入基础聚合物层1208中之后，通过在紫外光下交联来使基础聚合物层1208硬化。
再次参考图11，制造结合有无机材料的聚合物光学元件的方法还包括1112将衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体，其中，在压力和温度下执行暴露衬底，以使得将包括金属的无机材料结合到周期性重复的基础聚合物结构中，从而形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案，其中光学结构具有大于第一折射率的第二折射率。在下文中，参考图14A-14B、15A-15B和16A-16C，描述了暴露衬底以将无机材料结合到周期性重复的基础聚合物结构中的不同方式。
图14A示出了包括使用例如类似于以上关于图12A-12C和图13A-13C所示的方法制造的周期性重复的基础聚合物结构1204的中间结构1400A。因此，形成在衬底1004上的周期性重复的基础聚合物结构1204类似于以上关于图12A-12C和图13A-13C所示的周期性重复的基础聚合物结构1220a/1220b。图14B示出了中间结构1400B，该中间结构1400B包括其中结合有无机材料的周期性重复的光学结构1008，如以上关于图10所述。在下文中，参考图14A和14B，详细描述将无机材料结合到周期性重复的基础聚合物结构1204(图14A)以形成周期性重复的光学结构1008(图14B)的方法。
可以使用在原子层沉积(ALD)中使用的一些工艺特征来将无机材料结合到周期性重复的基础聚合物结构1204(图12A)中以形成周期性重复的光学结构1008(图12B)。在一些方面，ALD可以被认为包括具有自限制生长的化学气相沉积(CVD)工艺的类型，该自限制生长通过将化学反应分配到生长周期中包括的两个独立的半反应中来控制。用于ALD工艺的生长周期可以包括四个阶段：(1)例如金属前体的第一前体的暴露；(2)吹洗(purge)反应室；(3)例如氧化前体的第二前体的暴露；(4)进一步吹洗反应室。在ALD工艺的第一阶段，第一前体与衬底上的位点反应以形成第一前体的全部或部分分子层。在第二阶段，可以使用例如氩或N2的惰性气体吹洗和/或抽出未反应的第一前体分子，以减少、防止或最小化可能在剩余的第一前体与随后引入的第二前体之间发生的气相反应，该反应会阻止分子逐层生长。在第三阶段，将第二前体引入到被吹洗的室中以与第一前体的分子层反应，从而产生目标材料的单分子层或亚分子层。第四阶段包括吹洗/抽出第二前体的残留物，以准备另一个生长周期，该过程可以重复直至达到所需的厚度。
如以上关于图10所述，结合到光学结构1008中的无机材料可以包括诸如包括金属的电介质的金属化合物。无机材料可以包括例如金属氧化物或金属氮化物，例如，包括Al、Zn、Zr、Hf、Ti和Ta的一种或多种过渡金属的氧化物、氮化物或氮氧化物。ALD生长周期因此可以包括：(1)使衬底暴露于包含过渡金属的金属前体；(2)吹洗反应室；(3)氧化前体的暴露；(4)进一步吹洗反应室。无机材料可以通过氧化工艺产生，以产生例如金属氧化物、金属氮化物或其他无机材料。
有利地，使用ALD工艺用于结合无机材料具有许多优点。例如，由于前体的吸附、化学吸附或反应提供了对单层或亚单层级处的沉积的材料量的控制，因此可以基于反应周期数精确地控制膜厚度或沉积的材料量。另外，由于气相中的前体可以到达使用其他沉积技术难以或无法接近的表面，该其他沉积技术例如取决于视线和/或纵横比的诸如物理气相沉积(PVD)或等离子增强化学气相沉积(PECVD)的沉积技术，因此ALD可能是在三维表面上沉积保形薄膜的合适方法。此外，由于吸附、化学吸附或反应可在相对低的温度(例如低于100℃)下发生，因此ALD可适合在具有有限的热预算或热容限的结构或表面上进行沉积。
因此，在优选的实施例中，可以在被配置用于ALD的反应器中和/或使用如上所述在ALD中使用的一些工艺特征来将无机材料结合到周期性重复的基础聚合物结构1204中以形成周期性重复的光学结构1008。
压力、温度和时间的某些组合可以特别适合于形成光学结构1008，如以下详细描述的。因此，根据实施例，将衬底暴露于金属前体和氧化前体中的一种或两种包括使用金属前体和氧化前体中的一种或两种在总压力和/或分压下并且持续足以使基础聚合物结构的暴露表面充满(saturate)金属前体和氧化前体中的一种或两种的持续时间来进行暴露。
返回参照图11，根据实施例，在大于大气压力的压力下执行暴露1112。不受任何理论的束缚，较高的压力可以在反应以形成无机材料之前增强前体的扩散和/或在形成之后增强无机材料的扩散。在与金属和/或氧化前体暴露期间，总压力和分压力中的一者或两者均可被调节或优化。在不同情况下，暴露期间的总压力可以在约10mTorr与约100Torr之间、在约50mTorr与约50Torr之间、在约100mTorr与约10Torr之间、或在由这些值限定的范围内的任何压力或超出这些范围，例如在约800mTorr与约5Torr之间或在1Torr和5Torr之间。在总压力下，前体的分压可以为总压力的2％、5％、10％、20％、50％或者在由这些值限定的范围内的任何压力或超出这些范围，例如实例约25-50mTorr。剩余的分压可以由除前体以外的一种或多种气体提供，例如惰性气体，例如氩和/或N2。
在吹洗过程期间，总压力可以维持与如上所述在暴露于前体期间的总压力相同或不同。
取决于该方法，暴露1112可以包括将周期性重复的基础聚合物结构1204暴露于金属前体和氧化前体中的一种或两种且持续时间超过1秒、5秒、10秒、30秒、60秒、100秒、500秒或1000秒，例如约10秒到400秒，或者在由这些值限定的任何范围内持续时间。超出这些范围的持续时间也是可能的。根据情况，暴露时间可以大于常规ALD中采用的足以使沉积表面充满前体的常规暴露时间。这样的暴露时间可以少于1秒。不受任何理论的束缚，较长的暴露时间可以有利地为在形成无机材料之前的前体扩散到基础聚合物结构1204中提供足够的时间，和/或为在形成无机材料的一个或多个单层之后的无机材料扩散提供足够的时间。在一些情况下，暴露时间的部分可能足以使前体充满表面，而剩余的暴露时间可用于扩散前体和/或无机材料。在一些情况下，暴露的持续时间比足以使表面充满前体的持续时间超过10x、20x、50x、100x或1000x或由这些值限定的任何范围的持续时间。这些范围之外的值也是可能的。
在吹洗过程中，吹洗时间可以等于或长于上述暴露于前体的暴露时间，例如长于2x、5x或10x或在由这些值限定的范围内的任何时间。吹洗时间也可以在这些范围之外。因此，子周期t1、t2、t3和t4的持续时间可以具有上述持续时间的组合，例如，t1、t3＝1-100秒或上述任何范围以及t2、t4＝5-500秒或上述任何范围，其中子周期t1、t2、t3和t4对应于用于将衬底暴露于金属前体的第一暴露时间、用于吹洗金属前体的第一吹洗时间、用于将衬底暴露于氧化前体的第二暴露时间、以及用于吹洗氧化前体的第二吹洗时间。
取决于构造和/或制造方法，暴露1112包括在低于约100摄氏度的温度下将周期性重复的基础聚合物结构暴露于金属前体和氧化前体中的一者或两者。可以采用相对低的温度来实现前体和/或无机材料的所需扩散深度，因为增加的压力和较长的暴露时间可以补偿较低的温度。根据实施例，可以在低于200℃、150℃、100℃、80℃、60℃、40℃或20℃的温度或在由这些值限定的任何范围内的温度下执行暴露。可以使用超出这些范围的温度，包括高于100℃的温度。
将衬底暴露于金属前体可以包括暴露于包含过渡金属的前体，所述过渡金属诸如选自由铝、锌、锆、铪和钛构成的组。例如，为了结合过渡金属氧化物，其包括氧化铝、氧化锌、氧化锆、氧化铪、氧化钛、氧化钽及其组合，用于第一阶段的金属前体可包括具有过渡金属的卤化物(即，与F、Cl、Br或I键合的金属)、烷基化合物和醇盐。
取决于所需的结构和/或方法，金属卤化物前体可包括氯化铝或碘化铝、氯化锌或碘化锌、氯化锆或碘化锆、氯化铪或碘化铪、氯化钛或碘化铪、或者氯化钽或碘化钽。
取决于所需的结构和/或方法，具有与金属键合的氧的金属前体可包括醇盐(M-(O-CR)n)，例如叔丁醇铪Hf(OC4H9)4，其中每个烷氧基配体通过一个O原子与金属原子键合，该金属前体还包括β-二酮络合物(M＝(O2C3R3)n，例如Zr(thd)4，其中每个二酮配体通过两个金属-氧键与金属键合(配体“螯合”金属中心)。
取决于所需的结构和/或方法，具有与金属键合的氮的前体可包括金属烷基酰胺类(M(NR2)n)，例如二甲基酰胺铪，Hf(N(CH3)2)4和金属脒化物(M(N2CR3)n)。
也可以使用具有直接与碳键合的金属原子的有机金属前体。这样的有机金属前体可以包括：烷基M(CxHy)n，例如三甲基铝，Al(CH3)3；环戊二烯基，例如二环戊二烯基二甲基铪，Hf(C5H5)2(CH3)2(混合配体前体)。可以使用其他前体。
取决于期望的结构和/或方法，将衬底暴露于氧化前体可以包括暴露于包含氧气(O、O2)、臭氧(O3)、水(H2O)、过氧化氢(H2O2)、氮氧化物(NO、N2O)、氨(NH4)或其组合的前体，根据实施例。可以使用其他前体，例如其他氧化前体。
可以使用不同前体的组合，并且可以取决于将哪种无机材料结合到周期性重复的基础聚合物结构1204中。例如，可以更容易地从三甲基铝和水或臭氧中沉积氧化铝，而氮化铝可更容易地由二甲基酰胺铝，Al2(N(CH3)2)6和氨制得。对于氧化铪和氮氧化铪的ALD，乙基甲基酰胺铪，Hf(N(CH3)(C2H5))4可能是合适的液体前体，其结合了对水、臭氧和氨的高反应性以及足够的挥发性和稳定性。
另外，如以上关于图10所述，基础聚合物单元的聚合物链可以包括各种官能团，例如羰基、羟基和吡啶基，其被配置为与特定的金属前体反应以形成无机材料。为了提供一个说明性示例，当沉积化学物质包括用于形成Al2O3的Al(CH3)3(TMA)和H2O时，则可将PMMA包括在聚合基础材料中，以使得PMMA的羰基可与TMA反应以形成Al-OH物质，进而在水解反应中与H2O反应以形成Al2O3，该Al2O3被结合到基础聚合物结构1204中。
参考图14A和14B，基于前述内容，可以选择各种参数，包括暴露时间、吹洗时间、总压力或分压力和衬底温度，以控制前体和/或无机材料的扩散，以形成光学结构1008，该光学结构1008包括基础聚合物区域1008a和被无机材料渗透的渗透区域1008b。在一些实施例中，将无机材料结合到光学结构1008的表面区域中，使得每个光学结构具有基础聚合物区域1008a，该基础聚合物区域1008a包括其中基本上没有结合无机材料的光学结构的芯区域，每个光学结构进一步具有渗透区域1008b，该渗透区域1008b包括其中渗透有无机材料的表面区域。
此外，可以控制前体和/或无机材料的扩散，使得渗透区域1008b的宽度、深度或厚度(Hi-Hf和/或Wi-Wf)大于约1nm、10nm、20nm、50nm、100nm、200nm、300nm或由这些值限定的范围内的厚度。这些范围之外的厚度也是可能的。因此，基础聚合物区域1008a可以基本上不含无机材料。基于基础聚合物区域1008a的总体积，基础聚合物区域可以具有小于40％、30％、20％、10％、5％或1％的无机材料，或者可以具有在由这些值限定的任何范围内的任何百分比。超出这些范围的百分比也是可能的。相反，渗透区域1008b基本上被无机材料渗透。基于基础聚合物区域1008a的总体积，渗透区域1008b可具有大于40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％或99％的无机材料，或可以具有在由这些值限定的任何范围内的任何百分比。超出这些范围的百分比也是可能的。
然而，配置不限于此，并且在一些其他配置中，周期性重复的基础聚合物结构1204的基本上所有体积都被无机材料渗透，使得在渗透之后，基础聚合物结构1204基本上没有不含无机材料的基础聚合物区域1008a。
如上所述，一种或多种暴露条件影响前体和/或无机材料的扩散特性。不受任何理论的束缚，在一些实施例中，在形成无机材料之前，将前体中的至少一些扩散到基础聚合物结构1204中。例如，金属前体的单层的至少一部分可以扩散到聚合物结构1204中到达深度等于或小于渗透区域1008b的深度，以例如与聚合物结构1204中的基础聚合物材料的官能团反应。此后，可以将氧化前体的单层的至少一部分扩散到基础聚合物结构1204中到达深度等于或小于渗透区域1008b的深度，以便例如与金属前体反应，从而在周期性重复的基础聚合物结构1204的表面内或表面之下形成无机材料的至少一部分。
然而，配置不限于此。不受任何理论的束缚，在一些其他实施例中，无机材料的至少一部分在形成之后扩散到基础聚合物结构1204中。例如，在形成在基础聚合物结构1204的表面处之后，无机材料的单层的至少一部分可以扩散到聚合物结构1204中到达深度等于或小于渗透区域1008b的深度。
仍然参考图14A和14B，有利地，形成周期性重复的聚合物结构1204的基础聚合物材料具有组成、结构和密度，使得在如上所述在各种处理和材料参数下结合无机材料之后，在结合无机材料之前的周期性重复的光学结构1204和在结合无机材料之后的周期性重复的光学结构1008的尺寸在相对有限的量内变化。例如，对于诸如所示实施例的具有基本矩形横截面形状的设计，宽度和高度中的一个或两个的变化小于30％、20％、10％、5％或1％，或者在由这些值限定的范围内的百分比，尽管超出这些范围的百分比变化也是可能的。至少因为减少了由于加工而导致的关键尺寸上的变化，在横向尺寸上相对较小的变化是有利的。
根据一些实施例，使用类似于热原子层沉积(ALD)的工艺顺序使无机材料结合或渗透到基础聚合物结构1204中。热ALD工艺是在不使用等离子体的情况下进行的沉积。在一些其他实施例中，使用等离子体增强的原子层沉积(PE-ALD)结合或渗透无机材料。是否采用热或PE-ALD可取决于周期性重复的基础聚合物结构1204的尺寸和纵横比。例如，对于具有相对高的纵横比和/或在相邻的聚合物结构1204之间的相对小的间隔的基础聚合物结构1204，在一些情况下，等离子体可能不会到达高纵横比基础聚合物结构1204的较深区域。在这些情况下，当使用PE-ALD时，基础聚合物结构1204的不同部分可能暴露于不同量的等离子体，导致不均匀沉积，例如，与较深区域相比，较厚的膜沉积在基础聚合物结构1204的上部区域附近。替代地，热ALD可能更有利，因为热ALD可能不取决于等离子体到达其沉积的表面的部分的能力。然而，在其他情况下，PE-ALD可能是更期望的，例如，以允许较低的温度沉积，因为等离子体可降低ALD反应的活化能。
在上文中，描述了示例方法和装置，其中使用与ALD有关的方法使无机材料结合或渗透到周期性重复的光学结构1008中。然而，方法和装置不限于此。在一些情况下，例如，在无机材料扩散到基础聚合物结构1204中之前形成无机材料的情况下和/或在基础聚合物结构1204的尺寸及其之间的间隔较大的情况下，可以采用其他沉积技术，例如，以获得更快的吞吐量。例如，在一些情况下，可以使用诸如化学气相沉积(CVD)的工艺(包括基于等离子体的CVD工艺(诸如等离子体增强的化学气相沉积(PECVD))和基于热的CVD(诸如低压化学气相沉积(LPCVD))来渗透无机材料。除其他技术外，还可以使用物理气相沉积(PVD)和蒸发来渗透无机材料。
根据各种实施例，有利地，通过选择性地相对于衬底的暴露表面的基础聚合物材料的暴露表面，将衬底暴露于金属前体和氧化前体来结合无机材料。这是因为，如上所述，与周期性重复的基础聚合物结构1204的表面不同，衬底1004的表面不具有适于吸附、化学吸附金属前体或与金属前体反应的官能团。因此，基于金属前体的吸附、化学吸附或反应的选择性，可以形成周期性重复的光学结构的变化，如下文关于图14A/14B、15A/15B和16A/16B所述。
在图14A和14B的所示实施例中，当形成周期性重复的基础聚合物结构1204时，周期性重复的基础聚合物结构中的相邻结构被空间1012隔开。与基础聚合物结构1204的表面不同，衬底的在空间1012中的表面其上没有形成基础聚合物材料。也就是，在暴露用于将无机材料结合到聚合物结构1204中的前体之前，在基础聚合物结构1204中的相邻结构之间完全去除基础聚合物材料，使得衬底的表面暴露在空间1012中。随后，由于衬底的暴露表面其上未形成适合于吸附、化学吸附金属前体或与金属前体反应的官能团，因此在其上不形成无机材料。
根据可选的实施例，分别参考图15A、16A的中间结构1500A、1600A和图15B、16B的中间结构1500B、1600B，描述了将无机材料结合到周期性重复的基础聚合物结构1204(图15A、16A)中以形成周期性重复的光学结构1008(图15B、16A)的方法。在此省略了分别与得到中间结构1400A(图14A)和1400B(图14B)的制造工艺类似的得到中间结构1500A、1600A和1500B、1600B的各种制造工艺，而描述了不同之处。在所示例的实施例中，与相对于图14A/14B所示出的实施例不同，形成周期性重复的基础聚合物结构1204包括形成由空间1012隔开的周期性重复的基础聚合物结构1204中的相邻结构，该空间1012具有在其上形成基础聚合物材料的层1504(图15A)、1604(图16A)的衬底表面。也就是，在将无机材料结合到基础聚合物结构1204中之前，从空间1012中的衬底表面之间不完全或部分地去除基础聚合物材料。结果，在突出的周期性重复的基础聚合物结构1204中的相邻结构之间的空间1012中，衬底1004的表面保持覆盖有基础聚合物材料的层。随后，突出的周期性重复的基础聚合物结构1204的表面和在空间1012中在衬底上的聚合物层1504(图15A)、1604(图16A)的表面暴露于前体以结合无机材料。如上所述，无机材料的结合可以由在基础聚合物结构中吸附或化学吸附金属前体的官能团的存在以及金属前体与氧化前体之间的后续反应引起。替代地，该结合可以由于在聚合物材料的表面上形成无机材料而导致，该无机材料随后扩散到周期性重复的基础聚合物结构1204中以形成周期性重复的光学结构1008。结果，整个暴露表面结合了无机材料，该整个暴露表面包括突出的光学结构1008中的表面区域以及在光学结构1008中的相邻结构之间的空间1012中在衬底表面上的聚合物层1508(图15A)、1608(图16A)的表面。
在一些实施例中，如图15A所示，在空间1012中形成在衬底表面上的聚合物材料层1504具有相对低的厚度，例如，其厚度类似于或小于渗透区域1008b的厚度(Hi-Hf和/或Wi-Wf)。在这些实施例中，如图15B所示，在使用无机材料的渗透之后，空间1012中的聚合物材料的层1508的基本上的整个厚度可以(或可以不)与无机材料结合。
在一些其他实施例中，如图16A所示，在空间1012中形成在衬底表面上的聚合物材料的层1604具有相对较高的厚度，例如，其厚度大于渗透区域1008b的厚度(Hi-Hf和/或Wi-Wf)。在这些实施例中，在使用无机材料的渗透之后，空间1012中的聚合物材料的层1608的厚度的部分(小于总厚度的部分)在表面区域中结合了无机材料，如图16B所示。
有利地，将无机材料结合到基础聚合物结构1204中以形成光学结构1008导致该结构的折射率增加。根据实施例，衬底1004具有大于空气的折射率但小于光学结构1008的第二折射率的第一折射率，例如，1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或由这些值定义的范围内的值。这些范围之外的折射率也是可能的。在各种实施例中，在结合无机材料之后，第二折射率大于1.7、1.8、1.9、2.0、2.1或在由这些值限定的范围内的值，并且比第一折射率大至少0.2、0.4、0.6、0.8、1.0或这些值定义的范围内的值。在这些范围之外的折射率和折射率的增加也是可能的。在结合无机材料之前，周期性重复的基础聚合物结构1204可以具有基本上低于光学结构1008的最终第二折射率的折射率。例如，基础聚合物结构1204的在结合无机材料之前的折射率可以为1.3、1.4、1.5、1.6、1.7或在由这些值限定的范围内的值。例如，PMMA和聚苯乙烯在约588nm处的折射率分别为约1.49和约1.59。当结合具有大于1.7、2.0、2.3、2.6、3.0或由这些值限定的范围内的值的无机材料时，基础聚合物结构1204的折射率可例如增加至具有上述范围内的值。因此，折射率可以增加大于约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5或增加到由这些值限定的范围内的值。在这些范围之外的折射率和折射率的增加也是可能的。
有利地，将无机材料结合到基础聚合物结构1204中以形成光学结构1008可导致机械刚度的增加，例如通过杨氏模量(E)来测量。根据本文公开的实施例，在结合无机材料之前，周期性重复的基础聚合物结构1204的杨氏模量可以在约1.0GPa至约5GPa内。例如，PMMA的杨氏模量可以在约2.5和3.5GPa之间，例如约3.1GPa，而聚苯乙烯的杨氏模量可以在约1.5至2.5GPa之间，例如约2.0GPa。在各种实施例中，在结合无机材料后，周期性重复的基础聚合物结构1204的杨氏模量可以增加大于1GPa、2GPa、5GPa、10GPa或增加在由这些值限定的范围内的值。结合有无机材料的所得光学结构1008的杨氏模量可以在约2.5GPa至约17.5GPa之间、在约2.5GPa至约7.5GPa之间、在约7.5GPa至约12.5GPa之间、在约12.5GPa至约17.5GPa之间。超出这些范围的杨氏模量值也是可能的。
尽管本文公开了特定的氧化物和氮化物包括无机材料，但是其他材料也是可能的。另外，可以通过诸如本文所述的氧化工艺或通过其他类型的氧化工艺来形成氧化物和氮化物。其他材料也可以通过氧化工艺形成。还可以使用其他类型的工艺。
包括结合有无机材料的基于聚合物的光学结构的基于几何相位超表面的光学元
件
超表面可以包括能够局部改变反射或透射中的光的偏振、相位和/或振幅的表面结构。超表面可包括亚波长尺寸和/或亚波长间隔的相位移位元件的阵列，其图案被配置为控制光的波前，以使得可从中推导出各种光学功能，包括光束成形、透镜化、光束弯曲和偏振分裂。可以用来操纵光的波前的因素包括表面结构的材料、尺寸、几何形状和取向。通过在表面上布置具有不同散射特性的表面结构，可以生成空间变化的超表面，在整个超表面上可以基本操纵光学波前。
在诸如透镜和波片的常规光学元件中，通过在比波长厚得多的介质中的传播相位来控制波前。与常规光学元件不同，超表面使用亚波长大小的共振器作为相位移位元件来引起光的相位变化。因为超表面是由相对薄且厚度均匀的特征形成的，所以可以使用诸如半导体处理技术的薄膜处理技术以及诸如纳米压印技术的直接印刷技术跨表面对超表面进行图案化。
如上所述，结合了无机材料的聚合物光学元件相对容易制造，同时提供了可调的折射率和刚度。结果，结合了无机材料的聚合物光学元件是用于基于超表面的光学元件的极好的候选者。在下面的光学元件(例如，衍射光栅)中，描述了基于由结合了无机材料的基于聚合物的光学结构形成的超表面。
不受任何理论的束缚，当光束在光的偏振态的空间中沿闭合周期入射时，它可以从累积的路径长度以及从几何相位获取动态相位。从几何相位获取的动态相位归因于偏振的局部变化。基于几何相位以形成期望的相位前的一些光学元件可以被称为Pancharatnam-Berry相位光学元件(PBOE)。PBOE可以由波片元件构成，其快轴的取向取决于波片元件的空间位置。
不受理论的限制，通过用由几何相位光学元件形成的半波片(例如PBOE，其快轴取向根据函数θ(x,y)形成)形成超表面，入射圆偏振光束可以完全变换为具有等于φg(x,y)＝+/-2θ(x,y)的几何相位的相反螺旋光束。通过将波片元件的快轴的局部取向控制在0和π之间，可以实现覆盖整个0至2π范围的相位拾取/延迟，同时在整个光学元件上保持相对较高且均匀的透射幅度，从而提供所需的波前。
根据实施例，在下文中，参考图17A-17H，描述了基于多个几何旋转的波片元件的几何PBOE的构造1700，其中每个波片元件包括如上所述的周期性重复的光学结构的图案(图10、14B、15B、16B中的1008)。特别地，描述了被配置作为具有π的相位延迟的半波片的PBOE。在示出的实施例中，八个相邻的半波片元件被布置为等距间隔并且在相邻的波片之间以恒定的取向角度差Δθ为特征。然而，将理解的是，可以采用更少或更多数量的波片元件，其中相邻波片之间具有不同的取向角度差Δθ。为了说明的目的，下一行示意性地描绘了具有左圆偏振，即，|LCP>状态的入射光束的偏振矢量的旋转。中间行示出了由与参照图14B、15B和16B描述的类似的多个周期性重复的光学结构构成的半波片元件，其快轴相对于垂直轴以不同角度θ定向。顶行示意性地示出了透射通过波片元件的后面的光的对应偏振矢量。从光源的角度限定波片的快轴的圆偏振和逆时针取向角。
仍然参考图17A-17H，可以通过分别在x和y方向上具有相等幅度的偏振矢量1704和1708以及在偏振矢量之间的π/2的相位延迟1712来描述入射光束。在工作中，半波片通过将两个垂直偏振之间的相位偏移π的相位来工作。该动作的最终结果是使沿慢轴指向的电场翻转并维持沿快轴指向的电场。该动作也可以看作是这样的动作，其中原始偏振矢量以快轴用作镜子而被翻转到其镜子图像。当考虑其中偏振矢量随时间旋转的螺旋入射状态时，可能会看到波片的作用是将螺旋度从|LCP>切换到|RCP>，反之亦然。
参见图17A的底行，入射|LCP>光束的电场在初始时间t＝t0时在正y轴上向上指向，如矢量1704所示。在光学周期的四分之一后(即，π/2)，光沿着负y方向指向，如矢量1708所示。图17A的中行的波片的作用是将矢量1704和1708镜像到被放置在快轴和光传播方向的平面中的镜子。该镜子的作用是将矢量1704翻转到正x方向，并使矢量1208保持原始方向。结果，|LCP>光束被变换为|RCP>光束。
图17B至图17H示出了当波片的快轴分别旋转π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2和7π/4角度θ时|LCP>光束的偏振矢量如何变化。与旋转角度无关，产生|RCP>输出光束。然而，参考图17A，矢量1704和1708的产生的相位延迟由
给出。例如，如图17E所示，当θ＝π/2时，波片的作用是在将矢量1708从负y方向翻转到正y方向的同时将矢量1704保持在相同方向。这产生了|RCP>光束，对于LCP的入射光，该光束延迟了
这样，对于所示的半波片，在达到图17A所示的状态之前将花费半个光学周期更长的时间。
因此，作为说明性示例，在穿过等距间隔且在相邻之间具有恒定取向角度差(例如，Δθ＝π/8)的八个半波片元件之后，所传输的RCP波显示出相邻波片之间的恒定相位差
通过使用快轴取向在0到π之间变化的八个波片元件，可以实现覆盖整个0-2π范围的相位延迟/拾取。然而，制造对于可见光具有高衍射角的半波片元件可能是具有挑战性的。这是因为，除了其他项之外，衍射角取决于周期性重复的波片元件的周期的长度，并且由于空间限制，可能难以在该周期的相对短的长度内形成相对大量的半波片元件。
在图17A-17H中，出于说明性目的，所示的半波片包括在相邻波片之间具有恒定的取向角度差Δθ的八个等距间隔的相邻半波片元件，其中每个波片元件包括其中结合有无机材料的周期性重复的基于聚合物的光学结构的图案。然而，实施例不限于此，并且在下文中，可以实现在相对较高的衍射角和衍射效率以及跨相对较宽的入射角的衍射效率的均匀性下覆盖整个0-2π范围的相位延迟/拾取的衍射光栅的实施例，其中具有较少数量的波片。
包括PBOE的超表面的应用包括除了各种其他应用之外的衍射光栅，例如，闪耀光栅、聚焦透镜和轴锥镜。如本文所述，闪耀光栅能够将光束转向成几个衍射级。可以将闪耀光栅配置为在一个或多个衍射级(例如，+1和/或-1衍射级)实现高光栅效率，从而导致光功率集中在所需的衍射级，而在其他级(例如，第零)的剩余功率为低的。在本公开中，描述了包括被配置作为衍射光栅的PBOE的超表面的各种实施例。根据各种实施例，衍射光栅具有期望的光学特性的组合，包括高衍射角、高衍射效率、宽范围的接收角和在接收角度的范围内的高度均匀的衍射效率中的一个或多个。这些期望的光学性质可以由各种发明方面的组合产生，包括超表面的元件的材料、尺寸和几何构造。
如本文所述，可见光可以包括具有在各种颜色范围中的一个或多个波长的光，该颜色范围包括红色、绿色或蓝色颜色范围。如本文所述，红光可以包括在约620-780nm范围内的一个或多个波长的光，绿光可以包括在约492-577nm范围内的一个或多个波长的光，以及蓝光可以包括在约435-493nm范围内的一个或多个波长的光。因此，可见光可包括在约435nm-780nm范围内的一个或多个波长的光。
如本文所述，平行、名义上平行或基本平行的特征，例如，作为纳米束、线、线段或单位单元，是指具有相差小于约10％、小于约5％或小于约3％的伸长方向的特征。另外，垂直、名义上垂直或基本垂直的特征是指具有在延伸方向上从90度偏离小于约10％、小于约5％或小于约3％的延伸方向的特征。
如本文所述，诸如衍射光栅的被配置为衍射光的结构可以以透射模式和/或反射模式衍射光。如本文所述，被配置为以透射模式衍射光的结构是指这样的结构，其中与在结构的与光入射侧相同的一侧上的衍射光的强度相比，在结构的与光入射侧相对的另一侧上的衍射光的强度更大，例如至少大10％、大20％或大30％。相反，被配置为以反射模式衍射光的结构是指其中与在结构的与光入射侧相对的一侧上的衍射光的强度相比，与在结构的与光入射侧相同的一侧上的衍射光的强度更大，例如至少大10％、大20％或大30％。
如本文所述，线，也称为光束或纳米束，是具有体积的伸长结构。如上所述，线或纳米光束由其中结合有无机材料的聚合物材料形成。将理解的是，线不限于任何特定的横截面形状。在一些实施例中，横截面形状是矩形。
图18A和18B分别示出了根据一些实施例的包括具有几何相位光学元件的超表面的衍射光栅1800的横截面侧视图和顶视图。衍射光栅1800包括2级几何相位超表面。参考图18A所示的横截面侧视图是图18B所示的横截面AA’的侧视图。衍射光栅1800包括衬底1804，衬底1804具有表面，在该表面上形成有被配置为衍射具有可见光谱中的波长的光的超表面1808。超表面1808包括具有第一取向并且通常在第一横向方向(例如，y方向)上延伸的一个或多个第一线或纳米束1812以及具有第二取向且通常在第二方向(例如，x方向)上延伸的多个第二线或纳米束1816。如上所述，一个或多个第一线或纳米束1812和多个第二线或纳米束由其中结合有无机材料的聚合物材料形成。第一线或纳米束1812可以被认为形成第一组纳米束，而第二线或纳米束1816可以被认为形成第二组纳米束。一个或多个第一线1812和第二线1816在第二方向上彼此相邻设置，并且第一线1812和第二线1816在第二方向上以小于被配置为由超表面衍射的光的波长的周期交替地重复。
优选地，第一线1812均具有相同的宽度。在一些实施例中，第二线1816在一个或多个第一个线1812的相邻对之间在y方向上横向堆叠。不受理论的限制，一个或多个第一线1812和第二线1816相对于彼此以一定角度定向，以优选地在由一个或多个第一线1812衍射的可见光与由第二线1816衍射的可见光之间引起相位差，其中由一个或多个第一线1812衍射的可见光与由第二线1816衍射的可见光之间的相位差是角度的两倍。
在一些实施例中，类似于以上参考图17A-17H所示的波片的组合，由一个或多个第一线1812相对于第二线1816的相对取向引起的相位差可以在0和π之间变化，相位拾取/延迟可以被实现为覆盖整个0-2π范围。在一些实施例中，当一个或多个第一线1812和第二线1816中的一个相对于彼此旋转π，例如彼此垂直地旋转π时，可以实现在一个或多个第一线1812和第二线1816之间的2π的相位拾取/延迟。也就是说，与图18A-18H不同，根据一些实施例，可以基于具有仅在两个不同方向上定向的线的2级几何相位超表面来实现覆盖整个0-2π范围的相位拾取/延迟。有利地，与图17A-17H不同，即参考图17A-17H所示的波片的组合，由所示的超表面1808占据的足迹更紧凑，并且具有小于或等于可见光谱中的波长的周期，这进而又使能衍射光束1838、1842的相对较高的衍射角θ。
第一线1812和第二线1816由光学透射材料形成。如本文和整个说明书所述，“透射”或“透明”结构(例如，透射衬底)可以允许至少一些，例如，至少20、30、50、70或90％的入射光通过。因此，在一些实施例中，透明衬底可以是玻璃、蓝宝石或聚合物衬底。“反射”结构，例如反射衬底，可以从其反射至少一些，例如至少20％、30％、50％、70％、90％或更多的入射光。
一个或多个第一线1812和第二线1816可被描述为突出、脊线褶皱或纳米布线，其突出到页面外、沿着页面延伸并具有宽度。另外地或可替代地，相邻的第一线1812之间和/或相邻的第二线1816之间的分隔区域可以被描述为凹入到页面中并具有间隔的凹陷、槽、凹部或沟槽。在一些实施例中，第一线1812和第二线1816是在yz平面中具有基本矩形横截面形状的狭长矩形结构。然而，其他实施例也是可能的，其中第一线1812和第二线1816具有可以采取圆形、椭圆形、三角形、平行四边形、菱形、梯形、五边形或任何合适的形状的横截面形状。
在下文中，描述了包括一个或多个第一线1812和第二线1816的尺寸和几何布置的各种配置，其组合效果是基于具有本文所述的期望的光学特性的几何相位光学元件来产生光栅，该期望的光学特性包括相对较高的衍射角、相对较高的衍射效率、相对较宽的接收角范围和在接收角范围内的相对均匀的效率中的一个或多个。
仍参考图18A和18B，在操作中，当例如可见光的入射光束1830以相对于垂直于表面1804S且在平行于第一线1812的方向上延伸的平面(例如，yz平面)测量的入射角α入射在超表面1808上时，光栅1800部分地透射入射光作为透射光束1834，并部分地衍射入射光作为以衍射角θ1衍射的+1级的衍射光束1842和以衍射角θ2衍射的-1级的衍射光束1838，其中相对于用于测量α的同一平面(例如yz平面)测量衍射角。当衍射光束1838和1842中的一个或两个以超过临界角θTIR的衍射角衍射以便在构造为波导的衬底1804中发生全内反射时，衍射光束1838和1842在全内反射(TIR)下沿x轴在他们相应的相反方向上传播，直到光束到达OPE/EPE 1846，它可能对应于光分布元件730、740、750和耦合输出光学元件800、810、820(图9B)。
不受任何理论的束缚，当具有亚波长特征尺寸的第一线1812和第二线1816支持泄漏模式共振时，它们可以限制光，从而导致在TE和TM照明下产生的散射光波中的相位延迟。已经发现，将光限制在一个或多个第一线1812和第二线1816中的有效性可以是由于被配置为充当共振器的波导而引起的，并且所产生的衍射效率可能除其他因素外还取决于第一线1812和第二线1816的材料折射率和亚波长尺寸。
因此，在一些实施例中，第一线1812和/或第二线1816由具有相对高的折射率的材料形成。因此，如上所述，根据实施例，在结合无机材料之后，第一线1812和/或第二线1816具有大于1.7、1.8、1.9、2.0或2.1并且比第一折射率大至少0.2、0.4、0.6、0.8或1.0的第二折射率。
继续参考图18A和18B，除了由上述各种材料形成之外，一个或多个第一线1812和第二线1816具有尺寸的特定组合，以用作诱导光的相位移位的亚波长尺寸的共振器。
在各种实施例中，第一线1812的Wnano1和第二线1816的Wnano2中的每一个小于超表面1808被配置为衍射的光的波长，并且优选地小于可见光谱中的波长。在一些实施例中，Wnano1和Wnano2中的每一个在10nm至1μm、10nm至500nm、10nm至300nm、10nm至100nm或10nm至50nm的范围内，例如30nm。根据一些实施例，一个或多个第一线1812中的每一个具有相同的宽度Wnano1。根据一些实施例，第二线1816中的每一个具有相同的宽度Wnano2。根据一些实施例，一个或多个第一线1812和第二线1816具有相同的宽度，即，Wnano1＝Wnano2。但是，在其他一些实施例中，Wnano1和Wnano2可能实质上不同。此外，在一些实施例中，一个或多个第一线1812中的不同线和/或第二线1816中的不同线可具有不同的宽度。
根据一些实施例，在第二方向上的一个或多个第一线1812中的紧邻的线以恒定的间隔s1隔开。另外，在第二方向上彼此紧邻的一个或多个第一线1812中的一个和第二线1816中的一个以恒定的间隔s2隔开。根据一些实施例，s1和s2中的一个或两个小于超表面1808被配置成衍射的波长。另外，第一线1812和第二线1816分别具有高度hnano1和hnano2。可以选择间隔s1、s2以及高度hnano1和hnano2的特定组合，以使得获得入射角α的期望范围(Δα)，有时称为接受角或视场(FOV)的范围。如本文所述，期望范围Δα可以由跨越α的负值和正值的角度范围来描述，在该角度范围之外，相对于α＝0时的衍射效率，衍射效率降低超过10％、25％或超过50％或超过75％。例如，在Δα内期望均匀的衍射光强度的情况下，期望具有这样的Δα，即，在Δα内使衍射效率相对平坦。再次参考图18A，入射光束1830以相对于表面法线(例如yz平面)的角度α入射到超表面1808和波导1804的表面上。根据一些实施例，如上所述，Δα与用于超表面1808的角度带宽相关联，以使得Δα内的光束1830以相对于表面法线(例如，yz平面)的衍射角θ有效地由超表面1808衍射。特别地，当θ为θTIR或超过θTIR时，衍射光在衬底1804内在全内反射(TIR)下传播。
已经发现，Δα可以取决于由在第二方向上的一个或多个第一线1812中的相邻线和在第一方向上的第二线1816中的紧邻线所创建的阴影效果。也就是，当入射光束1830以大于特定值的入射角α入射时，指向特征的入射光束可能被紧邻的特征阻挡。例如，Δα可以与s1/hnano1、s2/hnano1和/或s2/hnano1的反正切相关联。在各种实施例中，比率s1/hnano1、s2/hnano1和/或s2/hnano1被选择为使得Δα超过20度(例如，+/-10度)、30度(例如，+/-15度)、40度(例如，+/-20度)或50度(例如，+/-25度)，或者在由这些值中的任何定义的角度范围内。可以实现期望的比率s1/hnano1、s2/hnano1和/或s2/hnano1，其中，例如，s1和s2中的每一个在10nm至1μm、10nm至300nm、10nm至100nm或10nm至50nm的范围内，例如30nm。当然，可以通过其中hnano1和hnano2具有相应地相对较低的值来实现s1和s2的相对较低的值。
有利地，根据一些实施例的一个或多个第一线1812和/或第二线1816的材料的相对较高的折射率(n2)允许相对较小的厚度或高度。因此，在各种实施例中，第一线1812和第二线1816具有hnano1和hnano2，根据一些实施例，取决于n1，其可以在10nm至1μm、10nm至500nm、10nm至300nm、10nm至100nm或10nm至50nm的范围内，例如107nm。例如，hnano1和hnano2在n2大于3.3的情况下可以为10nm至450nm，在n1为3.3或更小的情况下可以为10nm至1μm。作为另一示例，第一线1812和第二线1816的高度可以是10nm至450nm。
根据各种实施例，可以选择s1和Wnano1的组合，以使得一个或多个第一线1812的栅距(pnano1)定义为s1和Wnano1的和，其具有由从10nm至1μm、10nm至500nm、10nm至300nm、10nm至100nm或10nm至50nm的范围中选择的Wnano1和从10nm至1μm、10nm至300nm、10nm至100nm或10nm至50nm的范围中选择的s1的和的值，例如pnano1＝95.5nm。
当然，可以实现s1和s2的相对较小的值，并且hnano1和hnano2具有相对较小的值。有利地，使用具有相对较高的折射率n1的材料来形成一个或多个第一线1812和/或第二线1816，可以获得s1、s2、hnano1和hnano2的相对较小的值。这是因为，如发明人所发现的，hnano1和hnano2可能与形成第一线1812和第二线1816的材料的体折射率成反比。因此，对于具有如上所述的折射率的基于聚合物的光学结构，在各种实施例中，hnano1和hnano2可以分别在500nm至1μm、300nm至500nm、100nm至300nm和10nm至100nm的范围内。因此，通过一个或多个第一线1812和第二线1816的具有高体折射率n1的材料与对应的尺寸s1、s2、hnano1和hnano2的特定组合，总栅距Λa也可以相应地为减小，这进而又增加了衍射角θ，如下文进一步所述。
优选地，hnano1和hnano2基本相等，这对于制造可能是有利的。然而，实施例不限于此，并且hnano1和hnano2可以实质上不同。
在各个实施例中，第一线1812和/或第二线1816由其体折射率(n2体)高于衬底1804的折射率n1的材料形成；即，n2体>n1。在一些实施例中，衬底1804可以被配置作为波导，并且可以对应于波导310、300、290、280、270(图6)和/或波导670、680和690(图9A)。在这样的应用中，衬底优选具有介于空气的折射率之间但小于n1体的折射率，例如1.5、1.6、1.7、1.8、1.9或者更高但小于n2体，这可以为增加通过从该衬底1816输出光来形成图像的显示器的Δα提供益处。
仍然参考图18A和18B，超表面1808可被描述为形成至少在x方向上重复的多个超表面单位单元1820。如本文所述，超表面单位单元1820可以被定义为在x方向上具有最小重复尺寸的足记，其包括一个或多个第一线1812和第二线1816。作为示例，每个单位单元1820跨越从一个单位单元1820中的第一线1812的左侧线的左垂直侧到紧邻的单位单元1820中的第一线1812的左侧线的左垂直侧测量的单位单元宽度1820a，并且在所示的实施例中，从而包括第一线1812的对和在y方向上堆叠的第二线1816的列。
如本文中所述，超表面单位单元1820的横向尺寸或单位单元1820的重复单元的周期在本文中可被称为单位单元栅距Λa。栅距Λa在x方向上跨波导1804以规则的间隔至少重复两次。换句话说，单位单元栅距Λa可以是直接相邻的单位单元1820的相同点之间的距离。在各种实施例中，Λa可以小于光栅1800被配置为衍射的波长，并且可以小于在约435nm-780nm范围内的波长或任何波长。在一些被配置为至少衍射红光的实施例中，Λa可以小于约620-780nm范围内的波长(或任何波长)。在被配置为至少衍射绿光的其他一些实施例中，Λa可以小于约492-577nm范围内的波长(或任何波长)。在被配置为至少衍射蓝光的其他一些实施例中，Λa可以小于约435-493nm范围内的波长(或任何波长)。可选地，根据各种实施例，Λa可以在10nm至1μm的范围内，包括10nm至500nm或300nm至500nm。应当理解，本文公开的超表面中的每一个可用于衍射光并且可为显示系统250(图6)的一部分，并且显示系统1000可被配置为将光引导至具有窄带波长的超表面。优选地，用于给定超表面的Λa小于显示系统的光源被配置为指向超表面的波长带的最小波长。
已经发现，在一些实施例中，Λa可以具有小于比率mλ/(sinα+n2sinθ)的值，其中m是整数(例如，1、2、3…)以及α、n2和θ分别具有说明书中其他位置描述的值。例如，α可以在超过40度的范围Δα内，n2可以在1-2的范围内，θ可以在40-80度的范围内。
在一些实施例中，Λa可以跨由多个单位单元形成的光栅1800的表面1804S基本恒定。然而，实施例不限于此，并且在一些其他实施例中，Λa可以跨表面1804S而变化。
仍参考图18B，在一些实施例中，第二线1816中的每一个的长度比一个或多个第一线1812中的每一个短至少两个、三个、四个或更多个的因子。然而，第二线1816比一个或多个第一线1812更长的实施例是可能的。根据各种实施例，一个或多个第一线1812可以具有在200μm-5mm、200μm-1mm或1mm-5mm范围内的长度L1。根据各种实施例，第二线1816可以具有在100nm至500nm、100nm至300nm和300nm至500nm范围内的长度L2。在一些实施例中，一个或多个第一线1812可以具有长度L1，该长度L1对应于由超表面形成的光学元件的总横向尺寸，例如，对应于由包括线1812的超表面形成的耦入或耦出光学元件的长度。在一些实施例中，第二线具有长度L2，该长度L2为单位单元栅距Λa的约40％至约60％，例如为Λa的约50％。在一些实施例中，L1使得一个或多个第一线1812在y方向上跨越与五个第二线1816对应的距离。然而，应理解，根据各种实施例，一个或多个第一线1812可在y方向上跨越与大于1的第二线1816的任意合适数量对应的距离，例如，大于10、大于20、大于50或大于100或者在10、20和100之间的范围内。
仍然参考图18A和18B，在一些实施例中，第二线1816中的每一个具有相同的长度，使得第二线1816在x方向上延伸并共同终止而不与一个或多个第一线1812中的任何一个交叉。然而，第二线1816具有不同长度的实施例是可能的。
仍参考图18A所示的实施例，一个或多个第一线1812的延伸方向(y方向)基本垂直于第二线1816的延伸方向(x方向)。也就是，当观察到入射光的传播方向(即，进入页面)时，第二线1816相对于一个或多个第一线1812旋转了π/2的旋转角。然而，实施例不限于此，并且当观察入射光的传播方向(即，进入页面)时，第二线1816可以在沿逆时针方向旋转小于π/2的角度的任何方向上延伸。例如，第二线1816可以以与图17B-17H所示的波片的纳米束相对于图17A所示的波片旋转相似的方式相对于一个或多个第一线1812旋转。例如，第二线1816可以相对于一个或多个第一线1812旋转π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2和7π/4的旋转角度θ。因此，当|LCP>光束入射到具有第一和第二线1812和1816的超表面1808上时，产生|RCP>输出光束，其中与TE和TM偏振对应的偏振矢量的最终相位延迟可以具有
的值，其中θ是在波片的快轴旋转旋转角度θ时的旋转角度的变化。特别地，对于所示的实施例，相对于一个或多个第一线1812旋转θ＝π/2的第二线1816衍射入射光束，例如，|LCP>光束，从而生成衍射的|RCP>光束，其中衍射光束被第二线1816延迟了
因此，如图所示的实施例，在穿过其中在x方向上交替一个或多个第一线1812和第二线1816具有恒定的取向角度差Δθ＝π/2的超表面1808之后，所传输的RCP波在一个或多个第一线1812和第二线1816中的相邻线之间显示出恒定相位差
结果，通过使快轴取向在0和π之间变化，可以实现覆盖整个0-2π范围的相位拾取/延迟，但是与图17A-17H所示的示例相比，单位单元栅距更紧凑并且衍射角更大。
具有由结合有无机材料的基于聚合物的光学结构形成的基于几何相位超表面的
光栅的显示装置
如本文所公开，在上述各种实施例中，可被配置作为超表面的在其中结合有无机材料的周期性的基于聚合物的光学结构可以被实现作为耦入光学元件(例如，作为耦入光学元件700、710、720中的一个或多个(图9A))以耦入入射光，使得光经由全内反射传播通过衬底1304。然而，认识到超表面1808还可被配置为使从衬底1804内入射到其上的光偏转，在一些实施例中，本文公开的超表面可被应用以形成耦出光学元件，例如耦出光学元件570、580、590、600、610(图6)或800、810、820(图9B)中的一个或多个，以代替在表面2000a上的不同位置处形成耦入光学元件或者作为补充。在一些其他实施例中，超表面1808可以用作光分布元件(例如，OPE)730、740、750(图9B)。在不同的波导具有不同的关联组分颜色的情况下，将理解的是，与每个波导相关联的耦出光学元件和/或耦入光学元件可以具有特定于波导被配置为传播的光的波长或颜色的几何尺寸和/或周性。因此，不同的波导可以具有一个或多个第一线1812和第二线1816的不同布置的超表面。特别地，不同布置可以取决于入射光束的波长或颜色。例如，取决于入射光束的颜色，可以根据光栅1800被配置为衍射的波长来不同地配置Λa。例如，为了衍射至少红光、绿光或蓝光，超表面1808可以被配置为分别具有小于约620-780nm范围内的波长、小于约620nm范围内的波长、以及小于约435-493nm范围内的波长的Λa。为了缩放Λa，可以成比例地调整一个或多个第一线1312和/或第二线1316的诸如折射率、宽度、高度和间隔的参数。替代地，如上所述，通过补偿sinα、n2和sinθ中的一个或多个，可以使Λa对于不同的入射光波长保持相对均匀。
图19示出了根据一些其他实施例的包括具有几何相位光学元件的超表面的衍射光栅2500的顶视图。将理解的是，本文公开的超表面的一些实施例可以由两组至四组纳米束形成，每组纳米束在不同的方向上延伸。图18A-18B示出了具有两组纳米束的超表面，图19示出了具有四组纳米束的超表面。特别地，图19的衍射光栅2500包括4级几何相位超表面。类似于以上参考图18A和18B描述的衍射光栅1800，衍射光栅2500包括衬底，例如波导，在其上形成被配置为衍射具有可见光谱中的波长的光的超表面。超表面包括在第一横向方向(例如，y方向)上延伸的一个或多个第一线2512和在第二方向(例如，x方向)上延伸的多个第二线2516。一个或多个第一线2512和第二线2516在第二方向上彼此相邻地设置，其中第一线2512和第二线2516在第二方向上以小于超表面被配置为衍射的可见光谱中的波长的周期交替地重复。在一些实施例中，第二线2516在y方向上在第一线2512的相邻对之间横向地堆叠。衍射光栅2500中的一个或多个第一线1812和第二线1816的各种特征类似于上面参照图18A和18B描述的衍射光栅1800的对应特征，除了以下区别之外。
与以上参考图18A和18B所述的衍射光栅1800不同，衍射光栅2500还包括沿第三方向延伸的多个第三线2514和沿第四方向延伸的多个第四线2518中的一个或两个。第一、第二、第三和第四方向中的每个可以彼此不同。可以将多个第三线2514视为形成第三组纳米束，以及可以将多个第四线2518视为形成第四组纳米束。第三线2514设置在第二线2516的第一侧上，并且沿第二方向(例如，x轴方向)插入在一个或多个第一线2512和第二线2516之间。第四线2518设置在第二线2516的与第一侧相反的第二侧上，并且沿第二方向(例如，x方向)插入在另外的一个或多个第一线2512和第二线2516之间。
与以上参考图18A和18B描述的衍射光栅1800不同，衍射光栅2500可仅具有一个第一线2512。在一些其他实施例中，衍射光栅2500可具有多个第一线2512，例如，一对第一线，例如上面参考图18A和18B所述的衍射光栅1800。
在一些实施例中，第三线2514具有相同的长度和/或第四线2518具有相同的长度，以使得第三线2514和/或第四线2518分别在第三方向和第四方向上共同终止。然而，其他实施例也是可能的，其中第三线2514中的不同线和/或第四线2518中的不同线不共同终止。另外，在一些实施例中，共同终止的第三线2514和共同终止的第四线2518具有相同的长度。然而，在其他实施例中，共同终止的第三线2514和共同终止的第四线2518具有不同的长度。
在一些实施例中，第三线2514中的相邻线在第一方向(例如，y方向)上隔开恒定的间隔以及/或者第四线2518中的相邻线在第一方向(例如，y方向)上隔开恒定的间隔。然而，其他实施例也是可能的，其中第三线2514和/或第四线2518不被恒定的间隔隔开。另外，在一些实施例中，恒定间隔开的第三线2514和恒定间隔开的第四线2518具有相同的恒定间隔。然而，在其他实施例中，恒定间隔开的第三线2514和恒定间隔开的第四线2518具有不同的间隔。
在一些实施例中，第三线2514具有相同的宽度和/或第四线2518具有相同的宽度。然而，在其他实施例中，第三线2514和/或第四线2518具有不同的宽度。另外，在一些实施例中，具有相同宽度的第三线2514的宽度和具有相同宽度的第四线2518的宽度是相同的。然而，在一些其他实施例中，具有相同宽度的第三线2514和具有相同宽度的第四线2518的宽度是不同的。另外，在一些实施例中，第三线2514和第四线2518具有与第一线2512和第二线2416中的一个或两个相同的宽度。
在一些实施例中，当观察到入射光的传播方向(例如，进入页面)时，第三线2514在相对于一个或多个第一线2512沿逆时针方向旋转一个角度的第三方向上延伸，该角度小于第二线2516相对于一个或多个第一线2512的最小旋转角度。在一些实施例中，第二线2516相对于一个或多个第一线2512旋转90°或π/2，第三线2514相对于一个或多个第一线2512旋转45°或π/4。另外，当观察到入射光的传播方向时，第四线2518在相对于一个或多个第一线2512沿逆时针方向旋转一个角度的第四方向上延伸，该角度大于第二线2516相对于一个或多个第一线2512的最小旋转角度。在一些实施例中，第二线2516相对于一个或多个第一线2512旋转90°或π/2，第三线2514相对于一个或多个第一线2512旋转135°或3π/4。
在一些实施例中，类似于以上参考图17A-17H所示的波片的组合，由一个或多个第一线2512、第二线2516、第三线2514和第四线2518的相对取向引起的相位差可以在0和π之间变化。根据一些实施例，当第三线2514、第四线2518和第二线2516相对于一个或多个第一线2512旋转π/4、3π/4和π时，可以分别实现π/2、3π/2和2π的相位拾取/延迟，以使得可以实现覆盖整个0-2π范围的相位拾取/延迟。结果，通过使快轴取向在0和π之间变化，可以实现覆盖整个0-2π范围的相位拾取/延迟，但是与图12A-12H所示出的示例相比，具有更紧凑的单位单元栅距和更高的衍射角。
基于几何相位超表面的显示装置，该超表面包括结合有无机材料的基于聚合物的
光学结构
在显示系统的各种实施例中(例如，参考图9A和9B)，一组波导1200可以包括其中结合有无机材料的周期性的基于聚合物的光学结构，其可以被配置作为在传输模式下操作的超表面衍射光栅。在各种实施例中，波导组1200包括与每个组分颜色(R、G、B)对应的波导670、680、690，其进而在其内或其上形成耦入光学元件700、710、720中的相应一者，其可以包括或对应于以上参照图18A、18B和19描述的衍射光栅1300、2500。波导670、680、690还在其内或其上形成光分布元件(例如，OPE)730、740、750和/或耦出光学元件(例如，EPE)800、810、820中的相应一者，其包括或对应于以上参考图18A和18B描述的EPE/OPE 1846。在操作中，在一些实施例中，当例如可见光的入射光束1830以入射角α入射在超表面1808上时，光栅1800、2500以衍射角θ2将入射光衍射成衍射光束1842、1838。当针对被构造为具有折射率n2的波导的衬底1804发生全内反射，使衍射光束1838和1842中的一个或两个以超过临界角θTIR的衍射角被衍射时，即，当满足条件θ2＞θTIR和θ1＞θTIR中的一个或两个时，衍射光束1838和1842中的一个或两个通过全内反射(TIR)沿x轴在它们各自相反的方向上传播。随后，在一些实施例中，衍射光束1846在TIR模式下被耦入到衬底1804中，直到其到达正交光瞳扩展器(OPE)1846或出射光瞳扩展器(EPE)1846，如上面参考图9A和9B所述。
将理解，根据各种实施例的被配置作为在其上形成有超表面的波导的衬底1804可用于形成显示系统，例如本文公开的系统250(图6)。例如，超表面可以用作本文所述的耦入、光分布和/或耦出光学元件。在一些实施例中，在制造超表面之后，波导2000可以光学地耦合到光管，诸如用于将图像信息从空间光调制器注入到波导中的光管。在一些实施例中，光管可以是光纤。光管的示例包括图像注入装置360、370、380、390、400(图6)和扫描光纤。在一些实施例中，可以提供各自具有超表面1808的多个波导，并且这些波导中的每一个可以光学地耦合到一个或多个图像注入装置。
其他示例
1.一种制造光学元件的方法，包括：
提供具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底；
在所述衬底上形成周期性重复的聚合物结构；以及
将所述衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体，
其中，暴露是在压力和温度下执行的，以使得包括所述金属前体的金属的无机材料被结合到所述周期性重复的聚合物结构中，从而形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案，所述光学结构具有大于所述第一折射率的第二折射率。
2.根据示例1所述的方法，其中，在约100mTorr与约10Torr之间的压力下执行暴露。
3.根据示例1或示例2所述的方法，其中，在低于约150摄氏度的温度下执行暴露。
4.根据前述示例中任一项所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括通过纳米压印进行图案化。
5.根据前述示例中任一项所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括光刻图案化。
6.根据前述示例中任一项所述的方法，其中，所述周期性重复的聚合物结构由其体折射率小于所述第二折射率的材料形成，并且所述无机材料具有大于所述第二折射率的体折射率。
7.根据前述示例中任一项所述的方法，其中，所述第二折射率大于1.7并且比所述第一折射率大至少0.2。
8.根据前述示例中任一项所述的方法，其中，所述衬底具有大于1.5的折射率。
9.根据前述示例中任一项所述的方法，其中，所述周期性重复的聚合物结构包括光致抗蚀剂。
10.根据前述示例中任一项所述的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体包括：暴露于包括过渡金属的前体，所述过渡金属选自由铝、锌、锆、铪和钛构成的组。
11.根据前述示例中任一项所述的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体和所述氧化前体包括：在相应前体的分压下且持续足以使所述周期性重复的聚合物结构的暴露表面充满至少单层的无机材料的持续时间来进行暴露。
12.根据前述示例中任一项所述的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体和所述氧化前体中的一个或两个包括：暴露超过1秒的持续时间。
13.根据前述示例中任一项所述的方法，其中，被结合到所述周期性重复的聚合物结构中的所述无机材料包括金属氧化物。
14.根据示例13所述的方法，其中，所述金属氧化物包括过渡金属氧化物。
15.根据示例14所述的方法，其中，所述金属氧化物包括选自包括以下项的组的氧化物：氧化铝、氧化锌、氧化锆、氧化铪和氧化钛。
16.根据前述示例中任一项所述的方法，其中，选择性地相对于所述衬底的暴露表面通过所述周期性重复的聚合物结构的暴露表面来使暴露结合所述无机材料。
17.根据示例16所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括由空间隔开，所述空间具有其上未设置聚合物层的衬底表面，其中暴露不会导致所述无机材料沉积在所述空间中的所述衬底表面上或不会导致通过所述空间中的所述衬底表面的所述无机材料的结合。
18.根据示例16所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括由空间隔开，所述空间具有在其上设置有聚合物层的衬底表面，所述聚合物层具有小于所述周期性重复的聚合物结构的高度的厚度，其中暴露将所述无机材料结合到形成在所述空间中的所述衬底表面上的所述聚合物层中。
19.根据示例18所述的方法，其中，形成在所述空间中的所述衬底表面上的所述聚合物层的整个厚度与所述无机材料结合。
20.根据示例18所述的方法，其中，形成在所述空间中的所述衬底表面上的所述聚合物层有部分厚度与所述无机材料结合并有部分厚度未与所述无机材料结合。
21.一种光学元件，包括：
具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底；以及
周期性重复的光学结构的图案，所述周期性重复的光学结构被形成在所述衬底上并且被配置为衍射可见光，所述光学结构具有大于所述第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料。
22.根据示例21所述的光学元件，其中，所述聚合物材料具有小于所述第二折射率的体折射率，以及所述无机材料具有高于所述第二折射率的体折射率。
23.根据示例21或示例22所述的光学元件，其中，所述第二折射率大于1.7并且比所述第一折射率大至少0.2。
24.根据示例21至23中任一项所述的光学元件，其中，所述衬底具有大于1.5的折射率。
25.根据示例21-24中任一项所述的光学元件，其中，所述聚合物材料包括光致抗蚀剂。
26.根据示例21-25中任一项所述的光学元件，其中，所述无机材料包括过渡金属氧化物。
27.根据示例26所述的光学元件，其中，所述无机材料包括金属氧化物。
28.根据示例27所述的光学元件，其中，所述金属氧化物包括选自包括以下项的组的氧化物：氧化铝、氧化锌、氧化锆，氧化铪、和氧化钛。
29.根据示例27所述的光学元件，其中，所述无机材料被结合到所述光学结构的表面区域中，并且所述光学结构的芯区域没有在其中结合无机材料。
30.根据示例21-29中的任一项所述的光学元件，其中，所述周期性重复的光学结构中的相邻光学结构被空间隔开，其中，所述衬底的在所述空间中的表面没有在其上设置所述无机材料。
31.根据示例21至30中任一项所述的光学元件，所述周期性重复的光学结构中的相邻光学结构被空间隔开，其中，所述衬底的在所述空间中的表面在其上形成有在其中结合有所述无机材料的聚合物材料层，所述层具有小于所述光学结构的高度的厚度。
32.根据示例31所述的光学元件，其中，在所述空间中形成的所述聚合物材料层的整个厚度都与所述无机材料结合。
33.根据示例31所述的光学元件，其中，在所述空间中形成的所述聚合物材料层有部分厚度在表面区域的与所述无机材料结合，并有部分厚度未与所述无机材料结合。
34.根据示例21-33中的任一项所述的光学元件，其中，所述衬底被配置为使得由周期性重复的光学结构衍射的可见光在全内反射下传播。
35.一种光学系统，包括：
光学元件，包括：
具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底，以及
周期性重复的光学结构的图案，所述周期性重复的光学结构被形成在所述衬底上并被配置为衍射可见光，所述光学结构具有大于第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料，
其中，所述周期性重复的光学结构包括被布置为超表面的纳米束，所述超表面包括多个重复的单位单元，每个单位单元包括：
由一个或多个第一纳米束形成的第一组纳米束；以及
由一个或多个第二纳米束形成的第二组纳米束，所述一个或多个第二纳米束与所述一个或多个第一纳米束相邻设置并且以亚波长间隔彼此隔开，
其中，所述一个或多个第一纳米束和所述多个第二纳米束在不同的取向方向上伸长。
36.根据示例35所述的光学系统，其中，所述单位单元以小于或等于约10nm至1μm的周期重复。
37.根据示例35或示例36所述的光学系统，其中，所述一个或多个第一纳米束和所述第二纳米束相对于彼此以一定角度定向，以在由所述一个或多个第一纳米束衍射的所述可见光与由所述第二纳米束衍射的所述可见光之间引起相位差。
38.根据示例35-37中任一项所述的光学系统，其中，所述一个或多个第一纳米束和所述第二纳米束在相对于彼此旋转约90度的取向方向上定向。
39.根据示例35-38中任一项所述的光学系统，其中，所述单位单元以小于或等于所述波长的周期重复，其中所述波长在所述可见光谱内。
40.根据示例35-39中任一项所述的光学系统，其中，所述一个或多个第一纳米束和所述第二纳米束具有小于所述波长的高度。
41.一种光学系统，包括被配置为传播可见光的波导，所述光学系统包括：
具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底，以使得光能够在其中通过全内反射被引导；以及
周期性重复的光学结构的图案，所述周期性重复的光学结构被形成在所述衬底上并被配置为衍射可见光，所述光学结构具有大于第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料，
其中，所述周期性重复的光学结构被布置为相对于入射光的方向以衍射角来衍射光并使所述衍射光在所述衬底中在全内反射下传播，或者被布置为相对于在所述衬底内被引导的光的方向以衍射角来衍射在所述衬底内在全内反射下被引导的光。
42.根据示例41所述的光学系统，其中，所述聚合物材料具有小于所述第二折射率的体折射率，并且所述无机材料具有高于所述第二折射率的体折射率。
43.根据示例41或示例42所述的光学系统，其中，所述第二折射率大于1.7并且比所述第一折射率大至少0.2。
44.根据示例41-43中的任一项所述的光学系统，其中，所述衍射角超过50度。
45.根据示例41-44中的任一项所述的光学系统，进一步包括光源，所述光源被配置为将所述波长的光发射到所述周期性重复的光学结构的图案。
46.根据示例41至45中的任一项所述的光学系统，进一步包括空间光调制器，所述空间光调制器被配置为调制来自所述光源的光并将所调制的光输出到所述周期性重复的光学结构的图案。
47.一种头戴式显示装置，被配置为将光投射到用户的眼睛以显示增强现实图像内容，所述头戴式显示装置包括：
被配置为被支撑在用户的头部上的框架；
被设置在所述框架上的显示器，所述显示器的至少一部分包括：
一个或多个波导，所述一个或多个波导是透明的并且当所述用户佩戴所述头戴式显示装置时被设置在所述用户的眼睛前面的位置，以使得所述透明部分将来自所述用户前面的一部分环境的光传输到用户的眼睛以便提供所述用户的前面的该部分环境的视图；
一个或多个光源；以及
至少一个衍射光栅，其被配置为将来自所述光源的光耦入到所述一个或多个波导中或使光从所述一个或多个波导中耦出，所述衍射光栅包括光学元件，所述光学元件包括：
具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底；以及
周期性重复的光学结构的图案，所述周期性重复的光学结构被形成在衬底上并且被配置为衍射可见光，所述光学结构具有大于第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料。
48.根据示例47所述的装置，其中，所述一个或多个光源包括光纤扫描投影仪。
49.根据示例47或示例48所述的装置，其中，所述显示器被配置为将光投射到用户的眼睛中，以便在多个深度平面上向所述用户呈现图像内容。
50.根据示例1-20中任一项所述的方法，其中，在小于10atm(大气压)的压力下执行暴露。
51.根据示例1-20和50中任一项所述的方法，其中，在大于25摄氏度的温度下执行暴露。
52.根据示例1-20和50-51中任一项的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体和所述氧化前体中的一个或两个包括：暴露约1秒到约1000秒的持续时间。
53.根据示例1-20和50-52中任一项的方法，其中，被结合到所述周期性重复的聚合物结构中的所述无机材料包括金属氮化物。
54.根据示例21-34中的任一项所述的光学元件，其中，所述周期性重复的光学结构包括超表面。
55.根据示例21-34和54中的任一项所述的光学元件，其中，所述衬底被配置为使得可见光在其中在全内反射下被引导并被周期性重复的光学结构衍射出所述衬底。
56.根据示例21-34和54-55中的任一项所述的光学元件，其中，所述衬底被配置为使得可见光在其中在全内反射下被引导并被周期性重复的光学结构衍射以便更改光束通过全内反射在所述衬底内传播的方向。
57.根据示例41-46中的任一项所述的光学系统，其中，所述周期性重复的光学结构被布置为相对于入射光的方向以衍射角来衍射光并使所述衍射光所述衬底中在全内反射下在传播。
58.根据示例41-46和57中的任一项所述的光学系统，其中，所述周期性重复的光学结构被布置为相对于在所述衬底内被引导的光的方向以衍射角来衍射在所述衬底内在全内反射下被引导的光。
59.根据示例58所述的光学系统，其中，所述周期性重复的光学结构被布置为将在所述衬底内在全内反射下被引导的光衍射出所述衬底。
60.一种制造光学元件的方法，包括：
提供在可见光谱中透明的衬底；
在所述衬底上形成具有第一折射率的周期性重复的聚合物结构；以及
将所述衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体，
其中，暴露是在压力和温度下执行的，以使得包括所述金属前体的金属的无机材料被结合到所述周期性重复的聚合物结构中，从而增加所述周期性重复的聚合物结构的所述折射率以形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案。
61.根据示例60所述的方法，其中，在约100mTorr与约10Torr之间的压力下执行暴露。
62.根据示例60或示例61所述的方法，其中，在低于约150摄氏度的温度下执行暴露。
63.根据示例60-62中任一项所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括通过纳米压印进行图案化。
64.根据示例60-63中任一项所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括光刻图案化。
65.根据示例60-64中任一项所述的方法，其中，所述周期性重复的聚合物结构由其体折射率小于所述周期性重复的光学结构的折射率的材料形成，并且所述无机材料具有大于所述周期性重复的光学结构的折射率的体折射率。
66.根据示例60-65中任一项所述的方法，其中，所述周期性重复的光学结构的折射率大于1.7并且比所述周期性重复的聚合物结构的折射率大至少0.2。
67.根据示例60-66中的任一项所述的方法，其中，所述衬底具有大于1.5的折射率。
68.根据示例60-67中任一项所述的方法，其中，所述周期性重复的聚合物结构包括光致抗蚀剂。
69.根据示例60-68中任一项所述的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体包括：暴露于包括过渡金属的前体，所述过渡金属选自由铝、锌、锆、铪和钛构成的组。
70.根据示例60-69中任一项所述的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体和所述氧化前体包括：在相应前体的分压下且持续足以使所述周期性重复的聚合物结构的暴露表面充满至少单层的无机材料的持续时间来进行暴露。
71.根据示例60-70中任一项所述的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体和所述氧化前体中的一个或两个包括：暴露超过1秒的持续时间。
72.根据示例60-71中任一项所述的方法，其中，被结合到所述周期性重复的聚合物结构中的所述无机材料包括金属氧化物。
73.根据示例72所述的方法，其中，所述金属氧化物包括过渡金属氧化物。
74.根据示例73所述的方法，其中，所述金属氧化物包括选自包括以下项的组的氧化物：氧化铝、氧化锌、氧化锆、氧化铪和氧化钛。
75.根据示例60-74中任一项所述的方法，其中，选择性地相对于所述衬底的暴露表面通过所述周期性重复的聚合物结构的暴露表面来使暴露结合所述无机材料。
76.根据示例75所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括由空间隔开，所述空间具有其上未设置聚合物层的衬底表面，其中暴露不会导致所述无机材料沉积在所述空间中的所述衬底表面上或不会导致通过所述空间中的所述衬底表面的所述无机材料的结合。
77.根据示例75所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括由空间隔开，所述空间具有在其上设置有聚合物层的衬底表面，所述聚合物层具有小于所述周期性重复的聚合物结构的高度的厚度，其中暴露将所述无机材料结合到形成在所述空间中的所述衬底表面上的所述聚合物层中。
78.根据示例77所述的方法，其中，形成在所述空间中的所述衬底表面上的所述聚合物层的整个厚度与所述无机材料结合。
79.根据示例77所述的方法，其中，形成在所述空间中的所述衬底表面上的所述聚合物层有部分厚度与所述无机材料结合并有部分厚度未与所述无机材料结合。
80.一种制造光学元件的方法，包括：
提供具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底，其中，所述衬底在其上形成有周期性重复的聚合物结构；以及
将所述衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体，
其中，暴露是在压力和温度下执行的，以使得包括所述金属前体的金属的无机材料被结合到所述周期性重复的聚合物结构中，从而形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案，所述光学结构具有大于所述第一折射率的第二折射率。
81.根据示例80所述的方法，其中，在约100mTorr与约10Torr之间的压力下执行暴露。
82.根据示例80或示例81所述的方法，其中，在低于约150摄氏度的温度下执行暴露。
83.根据示例80-82中任一项所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括通过纳米压印进行图案化。
84.根据示例80-83中任一项所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括光刻图案化。
85.根据示例80-84中任一项所述的方法，其中，所述周期性重复的聚合物结构由其体折射率小于所述第二折射率的材料形成，并且所述无机材料具有大于所述第二折射率的体折射率。
86.根据示例80-85中任一项所述的方法，其中，所述第二折射率大于1.7并且比所述第一折射率大至少0.2。
87.根据示例80-86中任一项所述的方法，其中，所述衬底具有大于1.5的折射率。
88.根据示例80-87中任一项所述的方法，其中，所述周期性重复的聚合物结构包括光致抗蚀剂。
89.根据示例80-88中任一项所述的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体包括：暴露于包括过渡金属的前体，所述过渡金属选自由铝、锌、锆、铪和钛构成的组。
90.根据示例80-89中任一项所述的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体和所述氧化前体包括：在相应前体的分压下且持续足以使所述周期性重复的聚合物结构的暴露表面充满至少单层的无机材料的持续时间来进行暴露。
91.根据示例80-90中任一项所述的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体和所述氧化前体中的一个或两个包括：暴露超过1秒的持续时间。
92.根据示例80-91中任一项所述的方法，其中，被结合到所述周期性重复的聚合物结构中的所述无机材料包括金属氧化物。
93.根据示例92所述的方法，其中，所述金属氧化物包括过渡金属氧化物。
94.根据示例93所述的方法，其中，所述金属氧化物包括选自包括以下项的组的氧化物：氧化铝、氧化锌、氧化锆、氧化铪和氧化钛。
95.根据示例80-94中任一项所述的方法，其中，选择性地相对于所述衬底的暴露表面通过所述周期性重复的聚合物结构的暴露表面来使暴露结合所述无机材料。
96.根据示例95所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括由空间隔开，所述空间具有其上未设置聚合物层的衬底表面，其中暴露不会导致所述无机材料沉积在所述空间中的所述衬底表面上或不会导致通过所述空间中的所述衬底表面的所述无机材料的结合。
97.根据示例96所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括由空间隔开，所述空间具有在其上设置有聚合物层的衬底表面，所述聚合物层具有小于所述周期性重复的聚合物结构的高度的厚度，其中暴露将所述无机材料结合到形成在所述空间中的所述衬底表面上的所述聚合物层中。
98.根据示例97所述的方法，其中，形成在所述空间中的所述衬底表面上的所述聚合物层的整个厚度与所述无机材料结合。
99.根据示例97所述的方法，其中，形成在所述空间中的所述衬底表面上的所述聚合物层有部分厚度与所述无机材料结合并有部分厚度未与所述无机材料结合。
100.根据示例80-99中任一项所述的方法，其中，在小于10atm(大气压)的压力下执行暴露。
101.根据示例80-100中任一项所述的方法，其中，在大于25摄氏度的温度下执行暴露。
102.根据示例80-101中任一项的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体和所述氧化前体中的一个或两个包括：暴露约1秒到约1000秒的持续时间。
103.根据示例80-102中任一项的方法，其中，被结合到所述周期性重复的聚合物结构中的所述无机材料包括金属氮化物。
104.根据示例1所述的方法，其中，在约100mTorr与约10Torr之间的压力下执行暴露。
105.根据示例2所述的方法，其中，在低于约150摄氏度的温度下执行暴露。
106.根据示例1所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括通过纳米压印进行图案化。
107.根据示例1所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括光刻图案化。
108.根据示例1所述的方法，其中，所述周期性重复的聚合物结构由其体折射率小于所述第二折射率的材料形成，并且所述无机材料具有大于所述第二折射率的体折射率。
109.根据示例1所述的方法，其中，所述第二折射率大于1.7并且比所述第一折射率大至少0.2。
110.根据示例1所述的方法，其中，所述衬底具有大于1.5的折射率。
111.根据示例1所述的方法，其中，所述周期性重复的聚合物结构包括光致抗蚀剂。
112.根据示例1所述的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体包括：暴露于包括过渡金属的前体，所述过渡金属选自由铝、锌、锆、铪和钛构成的组。
113.根据示例1所述的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体和所述氧化前体包括：在相应前体的分压下且持续足以使所述周期性重复的聚合物结构的暴露表面充满至少单层的无机材料的持续时间来进行暴露。
114.根据示例1所述的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体和所述氧化前体中的一个或两个包括：暴露超过1秒的持续时间。
115.根据示例1所述的方法，其中，被结合到所述周期性重复的聚合物结构中的所述无机材料包括金属氧化物。
116.根据示例13所述的方法，其中，所述金属氧化物包括过渡金属氧化物。
117.根据示例14所述的方法，其中，所述金属氧化物包括选自包括以下项的组的氧化物：氧化铝、氧化锌、氧化锆、氧化铪和氧化钛。
118.根据示例1所述的方法，其中，选择性地相对于所述衬底的暴露表面通过所述周期性重复的聚合物结构的暴露表面来使暴露结合所述无机材料。
119.根据示例16所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括由空间隔开，所述空间具有其上未设置聚合物层的衬底表面，其中暴露不会导致所述无机材料沉积在所述空间中的所述衬底表面上或不会导致通过所述空间中的所述衬底表面的所述无机材料的结合。
120.根据示例16所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括由空间隔开，所述空间具有在其上设置有聚合物层的衬底表面，所述聚合物层具有小于所述周期性重复的聚合物结构的高度的厚度，其中暴露将所述无机材料结合到形成在所述空间中的所述衬底表面上的所述聚合物层中。
121.根据示例18所述的方法，其中，形成在所述空间中的所述衬底表面上的所述聚合物层的整个厚度与所述无机材料结合。
122.根据示例18所述的方法，其中，形成在所述空间中的所述衬底表面上的所述聚合物层有部分厚度与所述无机材料结合并有部分厚度未与所述无机材料结合。
123.根据示例80所述的方法，其中，在约100mTorr与约10Torr之间的压力下执行暴露。
124.根据示例80所述的方法，其中，在低于约150摄氏度的温度下执行暴露。
125.根据示例80所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括通过纳米压印进行图案化。
126.根据示例80所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括光刻图案化。
127.根据示例80所述的方法，其中，所述周期性重复的聚合物结构由其体折射率小于所述周期性重复的光学结构的折射率的材料形成，并且所述无机材料具有大于所述周期性重复的光学结构的折射率的体折射率。
128.根据示例80所述的方法，其中，所述周期性重复的光学结构的折射率大于1.7并且比所述周期性重复的聚合物结构的折射率大至少0.2。
129.根据示例80所述的方法，其中，所述衬底具有大于1.5的折射率。
130.根据示例80所述的方法，其中，所述周期性重复的聚合物结构包括光致抗蚀剂。
131.根据示例80所述的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体包括：暴露于包括过渡金属的前体，所述过渡金属选自由铝、锌、锆、铪和钛构成的组。
132.根据示例80所述的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体和所述氧化前体包括：在相应前体的分压下且持续足以使所述周期性重复的聚合物结构的暴露表面充满至少单层的无机材料的持续时间来进行暴露。
133.根据示例80所述的方法，其中，将所述衬底暴露于所述金属前体和所述氧化前体中的一个或两个包括：暴露超过1秒的持续时间。
134.根据示例80所述的方法，其中，被结合到所述周期性重复的聚合物结构中的所述无机材料包括金属氧化物。
135.根据示例134所述的方法，其中，所述金属氧化物包括过渡金属氧化物。
136.根据示例135所述的方法，其中，所述金属氧化物包括选自包括以下项的组的氧化物：氧化铝、氧化锌、氧化锆、氧化铪和氧化钛。
137.根据示例80所述的方法，其中，选择性地相对于所述衬底的暴露表面通过所述周期性重复的聚合物结构的暴露表面来使暴露结合所述无机材料。
138.根据示例137所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括由空间隔开，所述空间具有其上未设置聚合物层的衬底表面，其中暴露不会导致所述无机材料沉积在所述空间中的所述衬底表面上或不会导致通过所述空间中的所述衬底表面的所述无机材料的结合。
139.根据示例137所述的方法，其中，形成所述周期性重复的聚合物结构包括由空间隔开，所述空间具有在其上设置有聚合物层的衬底表面，所述聚合物层具有小于所述周期性重复的聚合物结构的高度的厚度，其中暴露将所述无机材料结合到形成在所述空间中的所述衬底表面上的所述聚合物层中。
140.根据示例139所述的方法，其中，形成在所述空间中的所述衬底表面上的所述聚合物层的整个厚度与所述无机材料结合。
141.根据示例139所述的方法，其中，形成在所述空间中的所述衬底表面上的所述聚合物层有部分厚度与所述无机材料结合并有部分厚度未与所述无机材料结合。
142.根据示例1-20和50-53中任一项所述的制造光学元件的方法，其中，所述方法进一步包括将光学元件集成作为头戴式增强现实眼镜的一部分。
143.根据示例60-79中的任一项所述的制造光学元件的方法，其中，所述方法进一步包括将所述光学元件集成作为头戴式增强现实眼镜的一部分。
144.根据示例80-103中任一项所述的制造光学元件的方法，其中，所述方法进一步包括将所述光学元件集成作为头戴式增强现实眼镜的一部分。
145.一种头戴式显示装置，被配置为将光投射到用户的眼睛以显示增强现实图像内容，所述头戴式显示装置包括：
被配置为被支撑在用户的头部上的框架；
被设置在所述框架上的显示器，所述显示器的至少一部分包括：
一个或多个波导，所述一个或多个波导是透明的并且当所述用户佩戴所述头戴式显示装置时被设置在所述用户的眼睛前面的位置，以使得所述透明部分将来自所述用户前面的一部分环境的光传输到用户的眼睛以便提供所述用户的前面的该部分环境的视图；
一个或多个光源；以及
根据示例21-34和54-56中任一项所述的光学元件，其中所述显示器的所述一个或多个波导包括所述光学元件的所述衬底，并且其中所述光学元件被配置为将来自所述一个或多个光源的光耦合到所述一个或多个波导中或将从所述一个或多个波导耦出。
146.一种头戴式显示装置，被配置为将光投射到用户的眼睛以显示增强现实图像内容，所述头戴式显示装置包括：
被配置为被支撑在用户的头部上的框架；
被设置在所述框架上的显示器，
一个或多个光源；以及
根据示例21-34和54-56中任一项所述的光学元件，其中，所述光学元件被配置为将源自所述一个或多个光源的光引导到所述用户的眼睛中。
147.一种头戴式显示装置，被配置为将光投射到用户的眼睛以显示增强现实图像内容，所述头戴式显示装置包括：
被配置为被支撑在用户的头部上的框架；
被设置在所述框架上的显示器，
一个或多个光源；以及
根据示例35-40中任一项所述的光学元件，其中，所述光学元件被配置为将源自所述一个或多个光源的光引导到所述用户的眼睛中。
148.一种头戴式显示装置，被配置为将光投射到用户的眼睛以显示增强现实图像内容，所述头戴式显示装置包括：
被配置为被支撑在用户的头部上的框架；
被设置在所述框架上的显示器，
一个或多个光源；以及
根据示例41-46和57-59中任一项所述的光学元件，其中，所述光学元件被配置为将源自所述一个或多个光源的光引导到所述用户的眼睛中。
在此描述了本发明的各种示例性示例。在非限制性意义上参考这些示例。提供这些示例以说明本发明的更广泛的应用方面。可以在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对所描述的发明进行各种改变并可替换等同物。
例如，虽然有利地与在多个深度平面上提供图像的AR显示器一起使用，但是本文公开的增强现实内容也可以由在单个深度平面上提供图像的系统和/或与虚拟现实显示器显示。在将多路复用的图像信息(例如，不同颜色的光)引导到波导中的一些实施例中，可以在波导上提供多个光学元件或超表面，例如，对于每种颜色的光，一个光学元件或超表面是活动的。在一些实施例中，形成光学元件或超表面的突起的栅距或周期和/或几何尺寸可以在其整个表面上变化。这样的光学元件或超表面可在重定向不同波长的光时起作用，这取决于光入射在光学元件或超表面上的位置处的几何形状和栅距。在一些其他实施例中，光学元件或超表面特征的几何形状和栅距被配置为变化以使得即使是具有相似波长的偏转光线也以不同角度传播远离光学元件或超表面。还应理解，多个分离的光学元件或超表面可设置在整个衬底表面上，在一些实施例中，光学元件或超表面中的每一个具有相同的几何形状和栅距，或者在一些其他实施例中，光学元件或超表面中的至少一些具有与其他光学元件或超表面不同的几何形状和栅距。
而且，尽管有利地应用于诸如可穿戴显示器的显示器，但是光学元件或超表面可以应用于需要紧凑、低轮廓的光重定向元件的各种其他装置。例如，光学元件或超表面可以通常被应用以形成光学板(例如，玻璃板)、光纤、显微镜、传感器、手表、照相机和图像投影装置的光重定向部件。
另外，可以进行许多修改以使特定情况、材料、物质的组成、过程、一个或多个过程动作或一个或多个步骤适应于本发明的一个或多个目的、精神或范围。此外，如本领域技术人员将理解的，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，在此所描述和示出的各个变型中的每一个具有分离的组件和特征，其可以容易地与其它若干实施例中的任一特征分离或组合。所有这些修改旨在处于与本公开相关联的权利要求的范围内。
本发明包括可以使用主题装置执行的方法。该方法可以包括提供这种合适的装置的动作。这种提供可以由用户执行。换句话说，“提供”动作仅仅需要用户获得、访问、接近、定位、设置、激活、开启或以其它方式提供在该方法中的必要装置。在此所述的方法可以按逻辑上可能的所述事件的任何顺序以及按照所记载的事件顺序进行。
以上已经阐述了本发明的示例性方面以及关于材料选择和制造的细节。关于本发明的其它细节，可以结合上述参考的专利和出版物以及本领域技术人员通常所知或理解的来理解这些。关于根据本发明的基础方法的方面在通常或逻辑上利用的附加动作方面同样可以成立。
为了便于描述，本文使用指示特征的相对位置的各种词语。例如，各种特征可以被描述为在“较高”或“较低”其他特征的“之上”、“上方”、“一侧”。也可以使用相对位置的其他词语。所有这样的相对位置的词语均假定由特征作为整体形成的聚合物结构或系统处于某个取向作为描述目的的参考点，但是应当理解，在使用时，该结构可以侧向、翻转或以其他任意取向放置。
另外，虽然已经参考可选地并入各种特征的若干示例描述了本发明，但是本发明不限于针对本发明的每个变型所构想的描述或指示的发明。在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对所描述的本发明进行各种改变，并且可以替代等同物(为了简洁起见，不论在此是否包括)。此外，在提供了值的范围的情况下，应当理解，在该范围的上限和下限之间的每个中间值以及在该所述范围内的任何其它所述或中间值都包含在本发明内。
另外，可构想的是所描述的本发明变形的任何可选特征可独立地或与在此所描述的特征中的任何一个或多个相结合来陈述和要求权利。引用单数项包括可能存在相同项的复数。更具体地，如在此和关联权利要求书所使用的，单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”包括复数对象，除非另有明确说明。换句话说，在上述描述以及与本公开关联的权利要求中，允许使用冠词的“至少一个”目标项。进一步应注意，可以起草这种权利要求以排除任何可选要素。因此，结合权利要求要素或使用“负面”限制，本声明旨在作为使用“单独地”、“仅”等排他性术语的先行基础。
在不使用这种排他性术语的情况下，与本公开相关联的权利要求中的术语“包括”应允许包括任何附加元素，不考虑在这种权利要求中是否列举了给定数量的要素或添加特征可以被认为是改变在权利要求中所述的元素的性质。除了在此具体定义之外，应在保持权利要求有效性的同时给定在此使用的所有技术和科学术语尽可能广泛的通常理解含义。
本发明的广度不限于提供的实施例和/或主题说明书，而是仅由与本公开相关联的权利要求语言的范围限定。实际上，本文中描述的新颖的装置、方法和系统可以以多种其他形式来体现。此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对本文所述的方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。例如，虽然以给定的布置来呈现框，但是替代实施例可以以不同的组件和/或电路拓扑来执行类似的功能，并且一些框可以被删除、移动、添加、细分、组合和/或修改。这些框中的每一个可以以各种不同的方式来实现。可以将上述各种实施例的元素和动作的任何适当组合进行组合以提供其他实施例。上述的各种特征和过程可以彼此独立地实现，或者可以以各种方式组合。本公开的特征的所有合适的组合和子组合旨在落入本公开的范围内。
Claims (37)
1.一种制造光学元件的方法，包括：
提供具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底；
在所述衬底上形成周期性重复的聚合物结构；以及
将所述衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体，
其中，暴露是在压力和温度下执行的，以使得包括所述金属前体的金属的无机材料被结合到所述周期性重复的聚合物结构中，从而形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案，所述光学结构具有大于所述第一折射率的第二折射率。
2.一种光学元件，包括：
具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底；以及
周期性重复的光学结构的图案，所述周期性重复的光学结构被形成在所述衬底上并且被配置为衍射可见光，所述光学结构具有大于所述第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料。
3.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述聚合物材料具有小于所述第二折射率的体折射率，以及所述无机材料具有高于所述第二折射率的体折射率。
4.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述第二折射率大于1.7并且比所述第一折射率大至少0.2。
5.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述衬底具有大于1.5的折射率。
6.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述聚合物材料包括光致抗蚀剂。
7.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述无机材料包括过渡金属氧化物。
8.根据权利要求7所述的光学元件，其中，所述无机材料包括金属氧化物。
9.根据权利要求7所述的光学元件，其中，所述金属氧化物包括选自包括以下项的组的氧化物：氧化铝、氧化锌、氧化锆，氧化铪、和氧化钛。
10.根据权利要求7所述的光学元件，其中，所述无机材料被结合到所述光学结构的表面区域中，并且所述光学结构的芯区域没有在其中结合无机材料。
11.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述周期性重复的光学结构中的相邻光学结构被空间隔开，其中，所述衬底的在所述空间中的表面没有在其上设置所述无机材料。
12.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述周期性重复的光学结构中的相邻光学结构被空间隔开，其中，所述衬底的在所述空间中的表面在其上形成有在其中结合有所述无机材料的聚合物材料层，所述层具有小于所述光学结构的高度的厚度。
13.根据权利要求12所述的光学元件，其中，在所述空间中形成的所述聚合物材料层的整个厚度都与所述无机材料结合。
14.根据权利要求12所述的光学元件，其中，在所述空间中形成的所述聚合物材料层有部分厚度在表面区域与所述无机材料结合，并有部分厚度未与所述无机材料结合。
15.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述衬底被配置为使得由周期性重复的光学结构衍射的可见光在全内反射下传播。
16.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述周期性重复的光学结构包括超表面。
17.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述衬底被配置为使得可见光在其中在全内反射下被引导并被周期性重复的光学结构衍射出所述衬底。
18.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述衬底被配置为使得可见光在其中在全内反射下被引导并被周期性重复的光学结构衍射以便更改光束通过全内反射在所述衬底内传播的方向。
19.一种光学系统，包括：
光学元件，包括：
具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底，以及
周期性重复的光学结构的图案，所述周期性重复的光学结构被形成在所述衬底上并被配置为衍射可见光，所述光学结构具有大于第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料，
其中，所述周期性重复的光学结构包括被布置为超表面的纳米束，所述超表面包括多个重复的单位单元，每个单位单元包括：
由一个或多个第一纳米束形成的第一组纳米束；以及
由一个或多个第二纳米束形成的第二组纳米束，所述一个或多个第二纳米束与所述一个或多个第一纳米束相邻设置并且以亚波长间隔彼此隔开，
其中，所述一个或多个第一纳米束和所述多个第二纳米束在不同的取向方向上伸长。
20.根据权利要求19所述的光学系统，其中，所述单位单元以小于或等于约10nm至1μm的周期重复。
21.根据权利要求19所述的光学系统，其中，所述一个或多个第一纳米束和所述第二纳米束相对于彼此以一定角度定向，以在由所述一个或多个第一纳米束衍射的所述可见光与由所述第二纳米束衍射的所述可见光之间引起相位差。
22.根据权利要求19所述的光学系统，其中，所述一个或多个第一纳米束和所述第二纳米束在相对于彼此旋转约90度的取向方向上定向。
23.根据权利要求19所述的光学系统，其中，所述单位单元以小于或等于所述波长的周期重复，其中所述波长在所述可见光谱内。
24.根据权利要求19所述的光学系统，其中，所述一个或多个第一纳米束和所述第二纳米束具有小于所述波长的高度。
25.一种光学系统，包括被配置为传播可见光的波导，所述光学系统包括：
具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底，以使得光能够在其中通过全内反射被引导；以及
周期性重复的光学结构的图案，所述周期性重复的光学结构被形成在所述衬底上并被配置为衍射可见光，所述光学结构具有大于第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料，
其中，所述周期性重复的光学结构被布置为相对于入射光的方向以衍射角来衍射光并使所述衍射光在所述衬底中在全内反射下传播，或者被布置为相对于在所述衬底内被引导的光的方向以衍射角来衍射在所述衬底内在全内反射下被引导的光。
26.根据权利要求25所述的光学系统，其中，所述聚合物材料具有小于所述第二折射率的体折射率，并且所述无机材料具有高于所述第二折射率的体折射率。
27.根据权利要求25所述的光学系统，其中，所述第二折射率大于1.7并且比所述第一折射率大至少0.2。
28.根据权利要求25所述的光学系统，其中，所述衍射角超过50度。
29.根据权利要求25所述的光学系统，进一步包括光源，所述光源被配置为将所述波长的光发射到所述周期性重复的光学结构的图案。
30.根据权利要求25所述的光学系统，进一步包括空间光调制器，所述空间光调制器被配置为调制来自所述光源的光并将所调制的光输出到所述周期性重复的光学结构的图案。
31.根据权利要求25所述的光学系统，其中，所述周期性重复的光学结构被布置为相对于入射光的方向以衍射角来衍射光并使所述衍射光在所述衬底中在全内反射下传播。
32.根据权利要求25所述的光学系统，其中，所述周期性重复的光学结构被布置为相对于在所述衬底内被引导的光的方向以衍射角来衍射在所述衬底内在全内反射下被引导的光。
33.根据权利要求32所述的光学系统，其中，所述周期性重复的光学结构被布置为将在所述衬底内在全内反射下被引导的光衍射出所述衬底。
34.一种头戴式显示装置，被配置为将光投射到用户的眼睛以显示增强现实图像内容，所述头戴式显示装置包括：
被配置为被支撑在用户的头部上的框架；
被设置在所述框架上的显示器，所述显示器的至少一部分包括：
一个或多个波导，所述一个或多个波导是透明的并且当所述用户佩戴所述头戴式显示装置时被设置在所述用户的眼睛前面的位置，以使得所述透明部分将来自所述用户前面的一部分环境的光传输到用户的眼睛以便提供所述用户的前面的该部分环境的视图；
一个或多个光源；以及
至少一个衍射光栅，其被配置为将来自所述光源的光耦合到所述一个或多个波导中或使光从所述一个或多个波导中耦出，所述衍射光栅包括：
具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底；以及
周期性重复的光学结构的图案，所述周期性重复的光学结构被形成在衬底上并且被配置为衍射可见光，所述光学结构具有大于第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料。
35.根据权利要求34所述的装置，其中，所述一个或多个光源包括光纤扫描投影仪。
36.根据权利要求34所述的装置，所述显示器被配置为将光投射到用户的眼睛中，以便在多个深度平面上向所述用户呈现图像内容。
37.一种制造光学元件的方法，包括：
提供在可见光谱中透明的衬底；
在所述衬底上形成具有第一折射率的周期性重复的聚合物结构；以及
将所述衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体，
其中，暴露是在压力和温度下执行的，以使得包括所述金属前体的金属的无机材料被结合到所述周期性重复的聚合物结构中，从而增加所述周期性重复的聚合物结构的所述折射率以形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案。
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