CN111788501A - 包括若干条光栅线的衍射光栅结构 - Google Patents

Abstract

在本公开的一个实施例中，提出了包括若干光栅线的衍射光栅结构。该衍射光栅结构与传播层相关联，并且该衍射光栅结构由具有等于n₂(λ)的折射率的材料制成。该衍射光栅结构的显著之处在于，它包括1/T条光栅线每μm，T＝(n₂(λ)+1)/λ，其中λ是由入射电磁波限定的波长。

Description

包括若干条光栅线的衍射光栅结构

技术领域

本公开涉及用于增强与衍射光栅结构相关联的视场的技术。

背景技术

本部分旨在向读者介绍可能与下面描述和/或要求保护的本发明的各个方面相关的技术的各个方面。相信该讨论有助于向读者提供背景信息，以便于更好地理解本发明的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应就此而论来阅读，而不是作为对现有技术的承认。更准确地，在下文中，将讨论增强现实眼镜的背景。然而，本技术也可以应用于用于收集能量的太阳能电池，或者应用于OLED(其代表有机发光二极管)元件(其是OLED显示装置的一部分)。

增强现实眼镜(AR)或透视眼镜或近眼显示眼镜使得用户能够将添加的信息或虚拟数据与现实世界混合。

因此，佩戴这种设备的用户可享受新的体验，并且其提供了增强我们周围的真实世界的方式。为了实现这种效果，一种解决方案在于具有一种具有增强现实眼镜(AR)的系统，该系统包括与给定视场相关联的图片生成单元(其可以生成图像角度内容或作为焦面图像的虚拟图像)、用于生成所述图片的光表示的光源单元、输入光栅和光波导、水平眼箱放大、垂直眼箱放大、以及用于将所述图片的所述光表示递送到所述用户的所述眼箱的输出光栅。

所述输入光栅的功能是接收最大可能的视场(FoV)并使来自所述光源的光在所述光波导内以这样的方式偏转：所述光通过全内反射(TIR)而被引导到内部且没有虚像的劣化。

增强现实眼镜(AR)的示例在文献WO2017180403、US2012127577、US9019615和US20090128911中存在描述。

然而，普通的输入光栅设计受到可能视场的大小的限制。即使已经开发了用于扩展可能的视场的大小的技术(例如参见文献WO2017180403)，所获得的结果对于用户仍然是不令人满意的。所提出的技术试图克服这些限制。

发明内容

说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不一定包括该特定特征、结构或特性。此外，这些短语不一定是指相同的实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，可认为结合其它实施例来实现这种特征、结构或特性是在本领域技术人员的知识范围内的，而不管是否明确描述。

在本公开的一个实施例中，提出了一种包括若干光栅线的衍射光栅结构。该衍射光栅结构与传播层相关联，并且该衍射光栅结构由具有等于n₂(λ)的折射率的材料制成。所述衍射光栅结构的显著之处在于，它包括1/T条光栅线每μm，T＝(n₂(λ)+1)/λ，其中λ是根据入射电磁波定义的波长。

实际上，λ被定义为入射电磁波的函数。在本公开的一个实施例中，当所述入射电磁波是多色的时，用于定义T的值λ根据入射电磁波的不同波长而被获得。在另一个实施例中，当所述入射电磁波是单色的时，用于定义T的值λ直接根据所述入射电磁波的波长而被获得。

在优选实施例中，当入射电磁波的波长属于400nm-800nm的范围时，所述折射率n₂(λ)被包括在1.54和1.51之间。

在优选实施例中，入射电磁波的波长为486nm左右。实际上，入射电磁波的波长与蓝色相关联。

在优选实施例中，入射电磁波的波长为约588nm。实际上，入射电磁波的波长与绿色相关联。

在优选实施例中，入射电磁波的波长为约656nm。实际上，入射电磁波的波长与红色相关联。

在优选实施例中，所述传播层和所述衍射光栅结构具有相同的折射率。

在优选实施例中，所述传播层和所述衍射光栅结构具有不同的折射率。

在优选实施例中，提出了一种光学器件，其包括：发光源，其可以发射对应于红色、蓝色和绿色中的三原色中的至少一种的电磁波；以及光波导，其用于引导由所述发光源发射的光。所述光学器件还包括衍射光栅结构，该衍射光栅结构用于接收来自特定颜色的光，如前所述。

在优选实施例中，所述光学器件还包括至少另一个衍射光栅结构，该衍射光栅结构包括若干光栅线。这种另一衍射光栅位于所述衍射光栅上，并且该至少另一衍射光栅由折射率等于n₃(λ)的材料制成。该另一衍射光栅的显著之处在于，它包括1/T条光栅线每μm，其中T＝(n₃(λ)+1)/λ。

在优选实施例中，与包括在所述光学器件中的衍射光栅结构相比，每个入射电磁波是垂直的。

在优选实施例中，所述衍射光栅结构的所述光栅线限定了一具有1至10mm的长度和1至10mm的宽度的矩形。

在一种变型中，提出了一种OLED元件，其包括位于玻璃基板上的阳极、阴极、以及分别位于所述阳极和所述阴极之间的电子传输层、发光材料和空穴传输层，该发光材料与光颜色相关。所述OLED元件包括位于所述玻璃基板上的衍射光栅结构，且所述入射电磁波的所述波长对应于与所述光颜色相关的波长。

在优选实施例中，所述衍射光栅结构的所述光栅线限定了一覆盖所述OLED元件的所述玻璃基板的50％的表面。

在一种变型中，提出了一种包括如前所述的衍射光栅结构的太阳能电池。另外，λ被选择为等于588nm，并且所述入射电磁波对应于来自太阳的光。

在本公开的优选实施例中，所述光栅线覆盖所述太阳能电池的所有表面。

附图说明

通过下面参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的上述和其它方面将变得更加明显，其中：

-图1示出了由现有技术中已知的衍射光栅结构执行的衍射过程的示例；

-图2示出了由根据本公开的一个实施例的衍射光栅结构执行的衍射过程的示例；

-图3示出了当使用根据本公开的一个实施例的衍射光栅时，将传播层的折射率与视场联系起来的相关性或关系；

-图4示出了玻璃材料的折射率与入射电磁波之间的关系；

-图5示出了硅材料的折射率与入射电磁波之间的关系。

具体实施方式

根据本公开的一个实施例，提出了一种衍射光栅结构，其包括亚波长结构的线性阵列，以衍射来自光源装置(例如，文献WO2017180403、US2012127577、US9019615和US20090128911中的光源)或来自另一光源(例如，太阳)的光。应当注意，所述光源装置可以根据预期用途或目标而发射单色光或多色光。

为了描述本公开，给出了提醒读者在存在常规衍射光栅结构的情况下可以观察到的衍射过程(如在先前提及的文献WO2017180403、US2012127577、US9019615和US20090128911中提及的衍射光栅结构)。图1示意性地示出了当标记为101的平面电磁波撞击到标记为102的包括一组线或板或狭缝的衍射光栅结构时发生的情况。所述衍射光栅结构102位于传播层上。由于这些线的存在，入射电磁波101被分成数个衍射模式，这些衍射模式是局部最大强度的角度区间的光束。在图1中，表示了五个衍射模式(分别为衍射模式-2(图1中标记为107)、衍射模式-1(图1中标记为106)、衍射模式0(图1中标记为103)、衍射模式1(图1中标记为104)和衍射模式2(图1中标记为105)。显然，存在其它更高或更小级的衍射模式，但是为了便于理解图1的内容，它们没有在图1中被表示。关于衍射光栅结构的更多细节可以在John Wiley&Sons出版的Okan K.Ersoy的题为“Diffraction,Fourier Optics and Imaging(衍射、傅立叶光学和成像)”的文献的第5.6节中获得。

零级103通常具有更大的功率，并且是其中将发生常规折射或反射的自然模式。通常，衍射光栅结构产生许多衍射级。在许多应用中，希望抑制或取消除除了第一模式之外的所有其它模式。

因此，需要提供一种衍射光栅结构，其可以着重优待(privilege)第一衍射级，并且尽可能多地减少(或抑制)其它衍射级。

我们此后将重点关注到所述第一衍射级的波导中的耦合。事实上，所有衍射级通过以下等式(被称为等式(1))而与入射电磁波相关联：

n₂(λ)sinθ₂-n₁(λ)sinθ₁＝M.λ.T

其中n₁(λ)和n₂(λ)分别是入射层/介质的折射率和衍射层/介质(也称为传播层)的折射率。应当注意，材料的折射率是波长相关的。例如，玻璃的折射率随着入射光的波长变短而增加(参见图4)。对于硅材料，可以进行相同的评述(参见图5)。在大多数情况下，n₁(λ)＝1。还使用以下符号：θ₁是入射角，θ₂是衍射角，M是衍射级，λ是波长和T是光栅频率，如果波长被按照μm表示，则所述光栅频率可被表示为线数每μm。

因此，对于零衍射级(即，M＝0)，等式(1)被简化为公知的斯涅耳-笛卡尔折射定律。

可以注意到，所述衍射过程是非常色散的(dispersive)。对于不同的波长，折射率是不同的，因为折射率是频率相关的，但是衍射会随着波长(MλT)线性地变化，这是相当大的变化。因此，有必要找到一种使色差最小化的方法。一种方式(但不是优选的方式)是将所述波导设计为所述光源装置的一部分，并且用投影透镜中的不同组的眼镜来平衡所述色差。

为此，用于校正该色差的波长是夫琅和费(Fraunhofer)F,d,C谱线，其用于在玻璃替代方法中优化玻璃的收缩性，以最小化横向和纵向色度：(F,d,C)＝(0,486；0.588；0.656)μm。

关于夫琅和费谱线的更多细节在作者为Marc F.M.Tristen和Richard Walker的标题为“Spectroscopy for Amateur Astronomers: Recording, Processing,Analysis and Interpretation(业余天文爱好者的光谱体系：记录、处理、分析和解释)”被给出。

在所有符号都被设定的情况下，我们现在可以计算波导的视场(FoV)。实际上，所述视场被定义为可以传播到所述波导中的入射电磁波的极限入射角之间的差。因此，考虑到图2，看起来所述视场由值θ₁ ⁺-θ₁ ^-限定，其中该值θ₁ ^-和θ₁ ⁺分别对应于可传播到所述波导中的入射电磁波的极限入射角。实际上，如果入射电磁波以未包括在该区间[θ₁ ⁺；θ₁ ^-]中的给定角度撞击衍射结构，则不发生入射电磁波的传播。然而，如果入射电磁波以包括在该区间[θ₁ ⁺；θ₁ ^-]中的给定角度撞击衍射结构，则发生入射电磁波的传播。例如，在图2中，以极限角度θ₁ ⁺撞击衍射光栅结构的标记为202的入射电磁波根据标记为203的路径而按照全内反射在传播层中传播。以相同的方式，以极限角度θ₁ ^-撞击衍射光栅结构的标记为201的入射电磁波根据标记为204的路径而按照全内反射在传播层中传播。

临界角θ_2c(等于θ₁ ⁺或θ₁ ^-)由以下等式(被称为等式2)定义)：

并且用这个值代替来自等式1的值θ_2c，则导致仍然捕获(trap)第一衍射级的耦合角的最低可能值(被称为等式(3)的等式)：

θ₁ ^-≥sin^-1(1-λT)

这是一个非常显著的结果。实际上，可以注意到，用于使得能够传播到传播层中的最低可能值不取决于该传播层的材料的折射率n₂。当然，可假设n₁＝1。在下文中，提出确定最高可能的角度值(即，耦合角θ₁ ⁺)。可以注意到(在被称为等式(4)的等式中)：

其等效于θ₁ ⁺≤sin^-1(n₂(λ)-λT)。

因此，最后，为了传播到传播层中，入射电磁波必须具有必须满足以下条件的入射角θ₁：

sin^-1(1-λT)≤θ₁≤sin^-1(n₂(λ)-λT)

在导出总视场的表达式之前，应当考虑到，在使用光源设备的情况下，所述视场是对称视场，并且出射光瞳被角度相等地填充，使得极值应当服从该关系θ₁ ⁺＝-θ₁ ^-，并且如果我们设置等式3和4具有相反的值，则我们得到衍射光栅的频率值(被称为等式(6)的等式)：

T＝(n₂(λ)+1)/2λ

为了记住一些值，折射率为1.5的无色散波导的光栅频率为：(B(0:486)；G(0:588)；R(0:656))＝(2:57；2:13；1:91)条线＝μm。

它们如此不同的事实强烈地建议对于每种原色使用特定的光栅。由于衍射的强色散，用独特的波导来处理整个可见光范围将是非常困难的。

在引入如等式(6)中定义的T的表达式之后，所述视场等于Δθ₁＝sin^-1(n₂(λ)-λT)+sin^-1(1-λT)。

因此，我们具有等于

的视场。这种等式在下面被称为等式(7)。

图3示出了n₂的范围的一些示例的曲线图。对于n₂＝1.5，总视场相当限于Δθ₁＝28.96度。为了达到40度的视场，像波导光学器件一样，优选使用对于d谱线具有n₂＝1.684的材料。

事实上，对于这种应用，存在具有非常有趣的特性的光学玻璃，其成本与BK7相当，例如来自Schott目录的玻璃LASF35具有折射率(index)(2.046/F,2.023/d,2.012C)，并且获得了略高于60度对角线的视场，这示出了FoV对波导材料的非常强的依赖性。当然，对于LASF35玻璃，光栅频率需要与所述折射率匹配，并且我们需要使用T＝(3.11(F),2.57(d),2.30(C))条线每μm。

还应当注意，具有60度的值的视场应当被认为是对于平坦波导的限制，因为目前没有折射率高于2.0的其它材料。

此外，应当注意，如等式(7)中定义的总视场不依赖于波长(除了折射率之外，但是这种关联在变化方面具有小的影响)。这是一种有趣的观察，因为这意味着尽管衍射级角频谱随波长强烈变化，但是一级(这里是第一级)的视场仅取决于折射率，这是透镜设计任务中的正常相关性，并且可以通过与光引擎的主透镜的联合设计来平衡。

在本公开的另一实施例中，提出在太阳能电池中使用先前提到的衍射光栅。

在Adrian Kitai的题为“Principles of Solar cells,LEDs and Diodes；The role of the PN junction(太阳能电池、LED和二极管的原理；PN结的作用)”一书的6.15和6.16部分中提供了对太阳能电池的注意事项。实际上，太阳能电池可以由位于玻璃基板上的阳极、阴极以及在该阳极和阴极之间的有机半导体制成。所述阳极通常是透明阳极(例如，所述阳极由氧化铟锡(ITO)制成)。这种太阳能电池被称为单层有机太阳能电池。

在一种变型中，太阳能电池可以由位于玻璃基板上的阳极、阴极以及在该阳极和阴极之间的大量体异质结构成。所述阳极通常是透明阳极(例如，该阳极由氧化铟锡(ITO)制成)。

关于视场的先前发展可以应用于太阳能电池。

可以注意到，对于n₂≥3，等式(7)可导致180的最大视场。各种形式的用于太阳能电池的各种形式的硅(单晶硅、多晶硅或非晶硅)均具有上述所有值。这意味着，如果我们提供具有这种衍射光栅结构的太阳能电池，则无论角度如何，它都将来自整个半半球的所有 入射光耦合到所述硅内部的引导模式中。

非常实际的应用是，我们可以将太阳能电池厚度减小到某个波长(例如，10μm厚)，并且无论入射角如何，光仍然被吸收，因为光将反弹到所述材料中直到被完全吸收！

由于我们可以抑制或衰减除了具有根据本公开的一个实施例的衍射光栅结构的第一级之外的所有其它级，所以存在利用高效且非常薄的太阳能电池的低成本制造的潜力。太阳能电池的价格和制造延迟似乎与它们的厚度非常相关，因此增加衍射光栅结构的成本可能是令人感兴趣的。

一旦太阳能电池的整个表面被根据本公开的一个实施例的衍射光栅结构覆盖，则探究从内部撞击光栅的光发生了什么则是非常有趣的。当在Zemax中使用衍射光栅结构时，如果衍射光栅结构没有被优化以仅衍射1级，则观察到以下情况：

·零级：根据定义，该零级确实可通过波导。它永远不会被捕获在内部。这也是为何它应当通过产生衍射的结构而被高度最小化的原因；

·1级：对于n₂≥3.0的180度FoV以及对于特定波长的由等式(6)给出的光栅频率，该一级可完全耦合进入；

·所捕获的光的多重衍射：被捕获到传播层或波导中的光可以从内部撞击所述衍射结构，并且产生多个衍射级(也称为二次衍射)。所有二次衍射级均会留在传播层或波导中；只有-1级将被从传播层中提取出来，这可能被认为是小的损耗；

·2级：对于θ₁≥0，2级被反射出去，并且对于负角，会被被耦合进入；

·3级及以上：永远不会进入波导，它们被光栅反射掉；

·-1级：与一级相同，但是波将沿相反方向传播到所述波导中；

·-2级：与针对2级的相同，但是耦合进入的角度是θ₁>0；

·-3级及以下：它们不会进入所述波导。

总之，如果我们具有主要产生1级的衍射光栅，则所有的光将耦合到传播层或波导中。一旦进入波导，即使它从内部撞击衍射结构，它也不会被提取出来。这使得该技术更适合于由任何形式的硅制成的超薄太阳能电池。

在一种变型中，所述太阳能电池包括衍射光栅结构，该衍射光栅结构具有根据包括在495nm至570nm范围内的波长(即，对应于绿光)限定的线的频率。实际上，由于来自太阳的光不是单色电磁波，因此更有趣的是使用设计用于优待“绿色”电磁波的衍射光栅结构，因为来自地球上从太阳接收的入射光的辐射能量主要由包括在范围495-570nm中的波长构成。

在本发明的另一个实施例中，提出了在OLED元件内使用前面提到的衍射光栅。

在Adrian Kitai的题为“Principles of Solar cells, LEDs and Diodes； The role of the PN junction(太阳能电池、LED和二极管的原理；PN结的作用)”一书的的第6章中提供了对OLED元件的注意事项。

总之，通常，OLED元件包括位于玻璃基底上的阳极、阴极、以及位于该阳极和阴极之间的活性层(active layer)，所述活性层包括电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)。通常，所述阳极由透明材料制成，以便允许光离开所述活性层。例如，所述阳极可以由氧化铟锡(ITO)制成。在一种变型中，发光材料(LEM)也可以定位在所述HTL和所述ETL之间。应当注意，由OLED发射的颜色由所述LEM的性质确定或关联。因此，可以选择LEM的特定材料，以便获得仅传送单色电磁波(即，单色光)的OLED元件。因此，所提出的衍射光栅被定位成接收所述光或电磁波，然后偏向于或优待由与根据本发明的一个实施例的衍射光栅的结构相关联的衍射过程产生的第一衍射级波。

通常，在OLED元件中，只有一小部分光离开该元件。因为该光已经被产生到比空气密度大得多的介质中，所以最大的量通过全内反射现象而被捕获到所述结构中。在前面的部分中，已经解释了如果捕获的光撞击针对-1级而被优化的衍射光栅，则可以完全提取所捕获的光。

事实上，似乎在空气和致密介质之间的屏障的两侧上，如果衍射1级被捕获在所述结构中，则该衍射-1级被提取。因此，1级和-1级在光栅的两侧起到互补的作用。

为了实现有效的提取，使用所谓的厚光栅，其厚度可以具有10μm。这种提取装置只有在横向元件结构具有许多尺寸较大的像素时才有意义。

因此，如果使用薄衍射光栅，则在光栅上的每次跳动时仅提取-1级。

然而，通过光反复往返进入OLED元件，将有显著更多的光被光栅提取，即使它没有针对-1级而被优化。

在本公开的一个实施例中，提出使用一种衍射光栅结构，其n₁＝1,n₂＝1.7，其包括不同部分，所述不同部分分别包括具有以下频率的光栅线：2.78、2.30和2.06条线每μm，并且这些不同部分旨在分别仅接收具有以下波长的一种电磁波：0.486、0.588和0.656μm。在这种实施例中，视场约为41度，因此可以使用入射角为-20、-10、0、10和20度的平面波。最开始，我们可以假定材料是非色散的。

在本公开的另一实施例中，提出使用衍射光栅结构，其n₁＝1,n₂＝2.0，其包括不同部分，所述不同部分分别包括具有以下频率的光栅线：3.09、2.55和2.29条线每μm，并且这些不同部分旨在分别仅接收具有以下波长的一种电磁波：0.486、0.588和0.656μm。在这种实施例中，视场约为60度，因此可以使用入射角为-30、-20、-10、0、10、20和30度的平面波。最开始，我们可以假定材料是非色散的。

在本发明的另一实施例中，提出了叠加所述衍射光栅结构。

Claims (15)

1.一种衍射光栅结构，其包括若干光栅线，所述衍射光栅结构与传播层相关联，所述衍射光栅结构由具有折射率等于n₂(λ)的材料制成，所述衍射光栅结构的特征在于，其包括1/T条光栅线每μm，T＝(n₂(λ)+1)/λ，其中λ是根据入射电磁波限定的波长。

2.根据权利要求1所述的衍射光栅，其中当入射电磁波的波长属于400nm-800nm的范围时，所述折射率n₂(λ)被包括在1.54和1.51之间。

3.根据权利要求1所述的衍射光栅，其中所述材料是硅。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的衍射光栅，其中所述入射电磁波的波长为486nm左右。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的衍射光栅，其中所述入射电磁波的波长为约588nm。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的衍射光栅，其中所述入射电磁波的波长为约656nm。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的衍射光栅，其中所述传播层和所述衍射光栅结构具有相同的折射率。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的衍射光栅，其中所述传播层和所述衍射光栅结构具有不同的折射率。

9.一种光学器件，其包括能够发射对应于红色、蓝色和绿色中的三原色中的至少一种的电磁波的发光源、以及用于引导由所述发光源发射的光的光波导，其中所述光学器件还包括根据权利要求1所述的用于接收来自特定颜色的光的衍射光栅结构。

10.根据权利要求9所述的光学器件，其中所述光学器件还包括至少另一个衍射光栅结构，所述至少另一个衍射光栅结构包括若干光栅线，所述另一个衍射光栅位于所述衍射光栅上，所述至少另一个衍射光栅由折射率等于n₃(λ)的材料制成，所述另一个衍射光栅的特征在于其包括1/T条光栅线每μm，T＝(n₃(λ)+1)/λ。

11.根据权利要求9至10中任一项所述的光学器件，其中每个入射电磁波相对于包括在所述光学器件中的衍射光栅结构是垂直的。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的光学器件，其中所述衍射光栅结构的所述光栅线限定了一具有1至10mm的长度和1至10mm的宽度的矩形。

13.一种OLED元件，其包括位于玻璃基板上的阳极、阴极、以及分别位于所述阳极和所述阴极之间的电子传输层、发光材料和空穴传输层，所述发光材料与光颜色相关，其中所述OLED元件包括位于所述玻璃基板上的根据权利要求1所述的衍射光栅结构，其中所述入射电磁波的所述波长对应于与所述光颜色相关的波长。

14.根据权利要求13的OLED元件，其中所述衍射光栅结构的所述光栅线限定了一覆盖所述OLED元件的所述玻璃基板的50％的表面。

15.一种太阳能电池，其包括根据权利要求1所述的衍射光栅结构，其中λ被选择为等于588nm，并且所述入射电磁波是来自太阳的光。

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