CN114365031A - 衍射光学元件 - Google Patents
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Abstract
产生衍射光学元件(1)的方法包括以下步骤：提供具有表面(4)的至少一个基材(3)，以及使用处理装置(5)在基材(3)的表面(4)中生成浮雕结构(2)。处理装置(5)包括具有半径(R)小于大约l微米的尖端(7)的探针(6)。探针(6)相对于基材(3)可移动。通过尖端(7)在基材(3)的表面(4)上的作用生成浮雕结构(2)，使得浮雕结构(2)的表面(8)与基材(3)的表面(4)之间的距离(D)沿第三方向(z)基本上连续地变化。衍射光学元件(1)包括具有表面(8)的浮雕结构(2)，其中，至少在浮雕结构(2)的一部分中，浮雕结构(2)的表面(8)与基材(3)的表面(4)之间的距离(D)基本上连续地变化。虚拟图像显示装置包括这样的衍射光学元件(1)的至少第一衍射光学元件和第二衍射光学元件。
Description
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的用于产生衍射光学元件的方法、根据权利要求11的通过这样的方法产生的衍射光学元件、以及根据权利要求12的衍射光学元件。此外，本发明涉及根据权利要求15和16的包括这样的衍射光学元件的虚拟图像显示装置。
背景技术
衍射光学元件在本领域中是众所周知的并且通常用于对电磁辐射束进行整形和分类。就其本身而言，发现了各种应用例如光学和光谱学。基本的物理原理是衍射，其中，在特定传入角度下入射在衍射光学元件上的电磁辐射束在特定传出角度下从衍射光学元件衍射。衍射光学元件基于周期性或非周期性结构，其中，沿这些结构的折射率调制的傅里叶光谱控制入射电磁辐射如何被衍射。在衍射光学元件的表面中生成的浮雕结构主要用于技术应用中的此目的。从US 4 895 790已知多级衍射光学元件的生成，其中，在将多级结构连续蚀刻到光学元件中时使用多个二元掩模。然而，制造这样的结构的限制妨碍了对其傅里叶光谱的控制，这又限制了衍射光学元件的功能。例如，对衍射光学元件的傅里叶光谱的有限控制妨碍了衍射光学系统的小型化，并且还限制了衍射图像例如计算机生成的全息图的质量。为了实现光到集成全息系统的多色向内耦合，Huang,Zhiqin、Daniel L.Marks和David R.Smith，“Out-of-plane computer-generated multicolor waveguideholography”，Optica 6.2(2019):119-124提出以三个高度特定的角度向内耦合三种不同的激光颜色。这样的向内耦合系统是大且复杂的，并且对于例如在虚拟现实系统领域中期望的紧凑的可穿戴装置是不实际的。在Mukawa、Hiroshi等，“A full-color eyeweardisplay using planar waveguides with reflection volume holograms”，Journal ofthe Society for Information Display 17.3(2009):185-193中提出的解决方案中也可以观察到类似的缺点，其中，一个衍射光学元件用于每种颜色的光进行向内耦合。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点。具体地，目的是提供使得能够简单而高质量产生衍射光学元件的方法，该衍射光学元件以期望的方式衍射一个或更多个电磁辐射束。更具体地，目的是提供使得能够产生衍射光学元件的方法，该衍射光学元件允许通过包括仅期望的傅里叶分量并且省略所有其他不想要的傅里叶分量来完全控制其傅里叶光谱。
通过根据权利要求1的方法实现该目的。特别地，产生衍射光学元件的方法包括以下步骤：i)提供至少一个基材，该至少一个基材具有在第一方向和与第一方向垂直的第二方向上延伸的表面，以及ii)使用处理装置在基材的表面中生成浮雕结构。处理装置包括具有尖端的探针。尖端具有小于大约1微米、优选地小于大约20纳米的半径。探针能够相对于基材在第一方向、第二方向和与第一方向和第二方向垂直的第三方向上移动，并且其中，通过尖端在基材的表面上的作用生成浮雕结构，使得浮雕结构的表面与基材的表面之间沿第三方向的距离沿第一方向和第二方向中的至少之一基本上连续地变化。
在本发明的上下文中，表述“连续变化”应当在其数学意义上理解。即，浮雕结构的表面与基材的表面之间的距离沿第一方向和第二方向中的至少之一的连续变化可以理解为导数在第一方向和第二方向中的相应至少一个方向上的任何地方是连续、有界和定义的意义。换言之，浮雕结构具有不包括任何台阶或边缘或跳跃的形状。或者，形象地说，浮雕结构的表面是平滑的。表述“基本上”这里应当指示浮雕结构在处理装置——特别是半径小于大约1微米、优选地小于大约20纳米(也进一步参见下文)的其尖端——允许的范围内是连续的。
因此，根据发明的方法使得能够产生具有连续浮雕结构的衍射光学元件。这使得单个衍射光学元件的傅里叶光谱能够被控制。换言之，由根据发明的方法生成的衍射光学元件包含傅里叶光谱中与一种但尤其是与多种颜色的光相互作用所必需的所有信息。再次换言之，本方法使得能够产生具有灰度浮雕结构的衍射光学元件。这防止需要耦合以不同传入角度的不同颜色或具有用于每种颜色的衍射光学元件——就像现有技术的系统中的情况一样。因此，本方法尤其是也在需要多色功能的全息应用中允许衍射光学技术的简化和小型化。同时，可以产生较高质量的全息图。
为此，应当注意，浮雕结构可以完全由如刚才所述的连续形状构成。然而，同样能够想到浮雕结构可以包括如刚才所述的连续形状，但是也可以包括具有不同形状例如具有二元形状的一个或更多个部分。因此，处理装置使得能够根据衍射光学元件的最终使用的特定需要生成浮雕结构。
浮雕结构优选地通过尖端在基材的表面上的机械作用和/或热作用生成。在生成浮雕结构时，尖端可以与基材的表面直接接触。即，探针的尖端可以立即作用在基材的表面上，并且例如去除尖端所作用的基材的部分。机械作用可以是从基材的表面物理去除材料，即，是从基材的表面选择性地去除材料的减法技术。例如可以借助于加热的尖端施加热作用，其中来自基材的表面的材料被选择性地热分解和/或去除。可以通过将电流施加至探针以及因此尖端来实现尖端的加热。当然，可以将这些动作组合并且使用加热的尖端来从基材机械地去除材料。在任何情况下，通过将加热的探针以及因此尖端沿第三方向移动或推动到基材的表面中来实现在第三方向上从表面去除材料。通过改变探针沿z方向施加至表面的力的强度，控制浮雕结构相对于第三方向的深度。处理装置优选地对应于本领域已知的热扫描探针光刻装置。因此，特别优选的是使用由SwissLitho AG公司出售的市场上能买到的热扫描探针光刻装置。这样的处理装置的使用，特别是由于其空间分辨率，使得能够生成与从普通的蚀刻工艺获得的连续浮雕结构相比在第一方向上和/或在第二方向上在更大长度尺度上连续的浮雕结构。与这样的装置相关联的另一优点在于探针能够在浮雕结构的生成时读出和分析生成的浮雕结构。即，尖端可以用于扫描样本的表面，同时将浮雕结构书写/创建/图案化到样本的表面中，并且同时还对浮雕结构进行读取或成像。这生成闭环反馈系统，该闭环反馈系统导致表面浮雕结构的准确且精确的轮廓。
探针能够在第一方向上和/或在第二方向上以大约0.1纳米到50微米的步长、特别地以大约0.1纳米到100纳米的步长、优选地以5纳米到50纳米的步长、特别优选地以小于大约20纳米的步长移动。另外地或替选地，探针能够在第三方向上以大约0.1纳米到1微米的步长、优选地以0.2纳米到25纳米的步长、特别优选地以小于大约2纳米的步长移动。
通过在刚才提及的步骤中沿第一方向和第二方向中的至少之一移动探针以及因此尖端，可以生成具有沿第一方向和/或第二方向延伸的多个凸起和凹部的浮雕结构。此外，通过使用具有如最初所述的尖端的探针，可以生成浮雕结构，其中，当分别沿第一方向和第二方向看时，两个相继的凸起或凹部之间的最小水平距离小于大约20纳米。特别地，最小水平距离约为10纳米。此外，同样可以生成具有小于大约10纳米的最小深度的浮雕结构。特别地，最小深度约为0.2纳米。所述深度在与表面以及因此基材的第一方向和第二方向垂直的第三方向上延伸，并且当分别沿第一方向和第二方向看时，所述深度形成在两个相继的凸起或凹部之间。
探针以及因此尖端可以在第一方向和/或第二方向上以大约1赫兹到1000千赫兹之间、优选地大约1千赫兹到500千赫兹之间的速率移动。同时能够想到尖端作用在基材的表面上。换言之，能够想到探针被配置成以大约1赫兹到1000千赫兹之间、优选地大约1千赫兹到500千赫兹之间的速率对浮雕结构进行图案化。同样能够想到探针被配置成同时读取书写的图案，即以给定速率读取浮雕结构。另外地或替选地，可以将尖端加热至大约100℃到1500℃范围内的温度，优选地大约700℃到1400℃范围内的温度。这些参数分别根据应当生成和适于基材的材料的浮雕结构的尺寸来设置。
处理装置还可以包括控制器，控制器被配置成基于馈送到控制器中的控制器数据来控制探针，其中，控制器数据沿由第一方向和第二方向跨越的水平平面限定浮雕结构并且基于一个或更多个函数。一个或更多个函数优选地对应于一个或更多个连续函数。控制器数据特别优选地基于一个或更多个正弦函数。用于控制探针的移动的可想到的函数的其他示例是贝塞尔(Bessel)函数或高斯(Gaussian)函数。因此，能够想到将控制器数据基于一个或更多个连续且平滑的函数。以这种方式，探针以及因此尖端执行连续且可能还平滑的移动。然后，在尖端作用在基材的表面上时，将限定所述连续且可能还平滑的移动的空间轮廓摹绘到基材的表面中。
一个或更多个正弦函数可以由以下表达式表示：
其中，参数An是振幅，
其中，参数kn是空间频率，
其中，参数αn是沿水平平面的角方向，
其中，参数
是相位，以及
其中，参数Δn是相对于第三方向的偏移。
取决于衍射光学元件的最终应用，能够想到将控制器数据基于振幅An、空间频率kn、角方向αn、相位
和偏移Δn中的至少之一的适当的和预定的值。
特别地，振幅An对应于沿第三方向的振幅。浮雕结构的振幅与入射电磁辐射的衍射的强度或效率有关。例如，如果电磁辐射应当以高强度衍射，则应当增加振幅，反之亦然。
空间频率由
给出，其中，
其中Λ是沿水平平面在角方向αn上延伸的浮雕结构的波长。优选地选择浮雕结构的空间频率，使得入射在浮雕结构上的电磁辐射的平面内波矢量与输出模式的平面内波矢量匹配，该空间频率由动量匹配等式给出：
Λ是限定衍射光学元件的浮雕结构的波长。
θ是入射电磁辐射(本文中也被称为θin)和衍射的传出电磁辐射(本文中也被称为θout)相对于与基材的表面垂直的方向——这里相对于第三方向——的角度。
nin是入射电磁辐射传播穿过的介质的折射率。
nout是衍射的的传出电磁辐射传播穿过的介质的折射率。
λ0是电磁辐射的真空波长。
如所提及的，上述参数优选地根据衍射光学元件的最终应用来选择。就其本身而言，应当由衍射光学元件照射和衍射的电磁辐射的波长以及基材的折射率是已知的。入射电磁辐射的角度和衍射的传出电磁辐射的角度也根据最终应用来设置。例如，如果衍射光学元件应当用在虚拟图像显示装置中，则入射电磁辐射的角度优选地设置为相对于与基材的表面垂直的方向的法线入射，即0°，并且衍射的传出电磁辐射的角度优选地选择为相对于与基材的表面垂直的方向成90°，使得衍射的传出电磁辐射与基材的表面平面平行地传播。
优选地选择相位
使得浮雕结构以对称或不对称的方式衍射电磁辐射的传入束。即，相位确定浮雕结构的对称性，并且因此确定光学衍射即电磁辐射在浮雕结构处的衍射的对称性。如果选择相位使得浮雕结构是对称的，则衍射光学元件将相等量的入射电磁辐射衍射到相对于沿表面调制的方向(即，沿衍射光学元件的第一方向或第二方向)与基材的表面垂直的方向的正角度和负角度。如果选择相位使得浮雕结构不对称，则衍射光学元件将不等量的入射电磁辐射衍射到衍射光学元件的左侧和右侧。后者使得能够将衍射的电磁辐射所谓的路由到特定角方向。(不)对称浮雕结构这里应当理解为相对于沿第三方向穿过浮雕结构的表面的镜平面沿第一方向或第二方向(不)对称。即，可以选择相位使得浮雕结构相对于沿由第二方向(第一方向)和第三方向跨越的平面延伸的镜平面沿第一方向(第二方向)对称。
例如，浮雕结构的表面轮廓——即浮雕结构的在由第一方向和第二方向跨越的水平平面上的表面——可以被定义为二分量正弦曲线，由表达式
给出，其中，A1＝2*A2，k2＝2*k1，偏移Δ是任意选择的，相对相位参数
确定函数沿x轴关于给定点的镜像对称性。如果选择相对相位使得
则所得到的二分量正弦函数沿x轴关于给定点是镜像对称的。如果选择相对相位使得
则所得到的二分量正弦函数沿x轴不是镜像对称的。这些对称和不对称的表面浮雕轮廓将分别以相等和不等的强度将入射电磁辐射衍射成传出衍射光的正角度和负角度。对于需要相同强度的衍射光以用于传出衍射辐射的正角度和负角度两者的应用，对称情况将是期望的。对于希望将衍射电磁辐射“路由”成特定衍射级的应用例如在闪耀光栅中，不对称情况将是期望的。
所述两个或更多个正弦函数fn(x,y)优选地以傅里叶级数求和：
F(x，y)＝∑nfn(x，y)
例如，如果衍射光学元件将用于包括650纳米的红色、550纳米的绿色和475纳米的蓝色的衍射电磁辐射，则在第一步骤中，针对这三种颜色中的每一种即n＝3计算如上面所概述的正弦函数fn＝(x,y)。在第二步骤中，这三个正弦函数以本领域已知的傅里叶级数求和。
控制器数据优选地通过以下步骤生成：
(i)在计算装置中利用一个或更多个优选正弦函数fn(x,y)来限定要在水平平面中生成的浮雕结构，由此获得模型浮雕结构；以及
(ii)在计算装置中将步骤(i)的模型浮雕结构离散化成像素，由此获得离散化控制器数据，离散化控制器数据优选地被存储在数字文件中、特别优选地被存储在位图文件中。
计算装置可以对应于本领域已知的市场上能买到的计算装置，例如包括软件工具
的计算机。应当注意，也可以使用能够计算和进一步处理上面提及的一个或更多个函数的任何其他软件工具。以这种方式，上面定义的参数被输入到计算装置中，例如输入到软件工具
中，该计算装置然后计算模型浮雕结构。也就是说，优选地通过使用振幅An的预定值和/或空间频率kn的预定值和/或角方向αn的预定值和/或相位
的预定值和/或偏移Δn的预定值来计算模型浮雕结构。使用计算装置，随后优选地将模型浮雕结构离散化成像素，并且然后将所述像素化数据存储在诸如位图文件的数字文件中。数字文件包括馈送到控制探针的移动的控制器中的控制器数据。
像素在第一方向上和/或在第二方向上优选地具有大约1纳米到1微米、优选地大约10纳米的长度。此外，如果像素以正方形或矩形像素的形式提供，则是优选的。另外地或替选地，优选的是在上面提及的步骤(ii)中将像素沿第三方向离散化为具有至少2^(m)的深度水平数的深度水平，其中，m为至少3，优选地至少5，特别优选地至少8。也就是说，控制器数据优选地包括沿第三方向被离散划成深度水平数为至少8、优选地至少32、特别优选地至少256的深度水平的像素化模型浮雕结构。控制器优选地被配置成将深度水平分配至实际深度，其中，实际深度对应于期望的浮雕结构沿第三方向的深度。例如，如果期望的浮雕结构具有50纳米的深度，并且如果控制器数据包括沿第三方向具有256个深度水平的模型浮雕结构，则控制器可以被配置成以大约0.2纳米(即50纳米除以256)的步长沿第三方向作用在基材上。当沿第一方向和第二方向中的至少之一生成浮雕结构时，施加至尖端的力优选地根据存储在数字文件中的深度水平而变化。在控制器数据基于连续且可能还平滑的一个或更多个函数的情况下，数字文件可以被说成是对应于灰度级数字文件，其中根据文件的灰度级施加尖端的力。在位图文件的优选情况下，位图可以被转换成基材中的浮雕结构，其中在第一方向、第二方向和第三方向上的一个特定位置处的深度对应于位图的特定灰度级。
基材优选地包括或包含热敏材料、优选地聚合物、特别优选地聚(甲基丙烯酸甲酯-共-甲基丙烯酸)、聚邻苯二醛(PPA)或CSAR。CSAR对应于基于甲基苯乙烯-共-α-氯甲基丙烯酸酯的共聚物，其中由于是市场上能买到的而添加了卤代酸发生剂。因此，基材可以包括对热敏感的一种或更多种聚合物。在这种情况下，探针的可加热尖端可以被布置在基材的表面上，并且可以在基材与热尖端接触的位置处局部分解和/或去除基材。然而，同样能够想到仅通过尖端的机械作用或通过尖端的加热作用和机械作用的组合来局部去除基材的材料。
可以根据本领域公知的方式进行借助于处理装置的浮雕结构的生成。例如，能够想到在基材的表面中生成浮雕结构，由此获得衍射光学元件。因此，可以根据无掩模、直接书写技术产生衍射光学元件。然而，取决于衍射光学元件的最终应用，同样能够想到使用包括浮雕结构的基材作为抗蚀剂图案，该抗蚀剂图案借助于例如剥离、蚀刻、电镀、模制等被摹绘到其他材料中。
因此，在一个方面，能够想到在浮雕结构上施加电介质膜或金属膜或过渡金属膜例如银膜中的至少之一，由此在电介质膜或金属膜或过渡金属膜中生成浮雕结构。在另一步骤中，可固化树脂例如UV-可固化环氧树脂可以被沉积在电介质膜或金属膜或过渡金属膜上。再次在另一步骤中，载体被施加至可固化树脂，载体优选地包括电介质材料，例如玻璃、金属、过渡金属、诸如硅的半导体材料、可聚合聚合物或聚合物。换言之，将在基材的表面中生成的浮雕结构摹绘到电介质膜或金属膜或过渡金属膜中。然后，可固化树脂可以被固化。在下一步骤中，可以执行模板剥离，使得从基材去除载体、所固化的树脂、以及包括浮雕结构的负片的电介质膜或金属膜或过渡金属膜。如此生成的模板条对应于具有轮廓的衍射光学元件，该轮廓是限定模板的表面浮雕结构的负片。
在另一方面，能够想到方法还包括提供另一基材的步骤，其中，该另一基材具有表面并且沿第一方向、第二方向和第三方向延伸。基材可以被设置在另一基材的表面上，并且基材的浮雕结构可以被蚀刻到另一基材的表面中。这样，基材的浮雕结构被摹绘到另一基材的表面中。由此，产生由具有有着浮雕结构的表面的另一基材构成的衍射光学元件。
这里应当注意，电介质膜或金属膜或过渡金属膜例如银膜中的至少之一同样可以施加至在另一基材的表面中生成的浮雕结构，其中，随后执行如上面所概述的模板剥离。
另一基材可以包括或包含可聚合材料、聚合物、金属、过渡金属例如银、半导体材料例如硅、或电介质材料例如玻璃中的至少之一。
未处理状态的基材和/或另一基材可以在第一方向上和/或在第二方向上具有至少大约1毫米、优选地大约1毫米到300毫米之间的横向扩展。未处理状态是指分别在基材和另一基材的表面中没有生成浮雕结构的状态。另外地或替选地，能够想到未处理状态的基材和/或另一基材在第三方向上具有大约1纳米到1厘米之间、优选地大约100微米到1毫米之间的扩展。在第三方向上的扩展分别对应于未处理的基材和另一基材的厚度。
浮雕结构优选地在基底的表面上和/或在另一基底的表面上延伸，其在第一方向上和/或在第二方向上具有大约100纳米到50微米之间、优选地大约1微米的横向扩展。换言之，浮雕结构优选地在第一方向和第二方向上具有一个图案区域的场大小，其范围在大约100纳米到50微米之间、优选地大约1微米。为了生成大的浮雕结构，能够想到将基材的表面上的这些图案化区域中的一个或更多个缝合在一起。替选地，同样能够想到生成由单个大图案化区域构成的大浮雕结构。
也就是说，可以在基材的表面中——并且如果适用则在另一基材的表面中——生成一个或更多个浮雕结构，其中，所述一个或更多个浮雕结构优选地相对于第一方向和/或第二方向彼此紧邻地布置或彼此间隔开。这样，能够想到在使用相同或不同的控制器数据的同时产生两个或更多个浮雕结构。换言之，浮雕结构可以具有相同或不同的形状。
在发明的另一方面，通过如上所述的方法产生衍射光学元件。
再次在另一方面，提供了包括具有表面的基材的衍射光学元件。基材在第一方向上、在与第一方向垂直的第二方向上、以及在与第一方向和第二方向垂直的第三方向上延伸。表面包括具有表面的浮雕结构。至少在浮雕结构的一部分中，浮雕结构的表面与基材的表面之间沿第三方向的距离沿第一方向和第二方向中的至少之一基本上连续地变化。当沿第一方向和第二方向中的至少之一看时，浮雕结构的至少部分包括多个凸起和凹部，其中，以下中的至少之一：
i.在a)两个相继的凸起和b)两个相继的凹部中的至少之一之间沿第一方向和第二方向中的至少之一的最小水平距离小于大约1微米、优选地小于大约20纳米，特别优选地，最小距离为大约10纳米，以及
ii.在第三方向上延伸并且在a)两个相继的凸起和b)两个相继的凹部中的至少之一之间沿第一方向和第二方向中的至少之一形成的最小深度小于大约100纳米、优选地小于大约10纳米，特别优选地，最小深度为大约0.2纳米。
也就是说，衍射光学元件包括具有浮雕结构的表面。所述浮雕结构又限定表面。浮雕结构的至少一部分被配置成使得浮雕结构的表面与基材的表面之间的距离沿第一方向和/或第二方向以基本上连续的方式变化。这里，表述“基本上”和“连续”也应当如上所述理解。即，表述“连续”应当在其数学意义上理解，并且表述“基本上”应当指示浮雕结构在用于生成浮雕结构的处理装置特别是其空间分辨率允许的范围内是连续的。为此，应当注意，浮雕结构不需要包括仅一部分，而是可以完全由如刚才所述的连续形状构成。然而，同样能够想到，浮雕结构可以包括具有如刚才所述的连续形状的至少一部分，但是也可以包括具有不同形状例如二元形状的一个或更多个部分。此外，至少该部分——可能是整个浮雕结构——包括如刚才所述的最小水平距离和最小深度(或竖直距离)。然而，同样能够想到，浮雕结构包括最小水平距离和/或最小深度大于所述最小水平距离和最小深度的其他部分。例如，所述最小水平距离可以小于大约100微米，并且所述最小深度可以小于10微米。在任何情况下，浮雕结构都可以包括具有较大水平距离和/或深度的至少两个或更多个相继的凸起或凹部。例如，当沿第三方向看时，浮雕结构的在两个相继的凹部或凸起之间的深度可以大于大约10纳米、优选地大于大约30纳米、特别优选地大于大约50纳米。当沿第一方向和/或第二方向看时，两个相继的凸起或凹部之间的水平距离可以大于大约100纳米、优选地大于大约10微米。
当沿在第一方向上延伸的第一部分看时和/或当沿在第二方向上延伸的第二部分看时，浮雕结构的至少一部分可以包括周期性或非周期性形状。这些形状优选地是控制器数据的结果，该控制器数据控制处理装置的探针并且优选地基于诸如如上所述的一个或更多个正弦函数的一个或更多个连续函数。
浮雕结构的至少部分优选地被配置成使得具有给定波长的至少一个电磁辐射束可以在至少一个期望的传入角度下入射在浮雕结构的该部分上，并且可以在至少一个期望的传出角度下衍射。也就是说，浮雕结构的至少部分优选地具有这样的形状，使得具有给定波长的电磁辐射束可以以任何期望的传入角度入射在浮雕结构的该部分上，然后在该部分处电磁辐射束将被衍射到任何期望的一个或更多个传出角度。这对于多于一个电磁辐射束也可以实现，其中对于每一束，浮雕结构的至少部分包含将使束从期望的传入角度衍射到期望的传出角度的周期性或非周期性分量。换言之，浮雕结构的至少部分优选地被配置成使得满足上面说明的动量匹配等式。替选地，也能够想到，浮雕结构的至少部分被配置成使得在至少一个期望的传入角度下入射在浮雕结构的该部分上的至少一个电磁辐射束以下述方式从浮雕结构的该部分衍射：衍射的传出电磁辐射干涉以形成特定光场。如果一个电磁辐射束入射在浮雕结构的一部分上，则如此产生的干涉图案由在所述一个传入电磁束的衍射时生成的两个或更多个干涉波前构成。然而，对于两个或更多个电磁辐射传入束从浮雕结构的一部分衍射使得衍射的传出电磁辐射干涉以形成特定光场的情况，干涉图案的生成同样是可能的，其中，所述干涉图案由两个或更多个传入束的两个或更多个干涉波前构成。换言之，浮雕结构的一部分可以被配置成使得一个或更多个电磁辐射束在浮雕结构处以下述方式衍射：电磁辐射束干涉以产生特定光场。这样的浮雕结构例如在计算机生成的全息图领域中是特别期望的。
浮雕结构的至少部分可以被配置成使得至少具有第一波长且在第一传入角度下入射在浮雕结构的部分上的第一电磁辐射束在第一传出角度下衍射，以及具有与第一波长不同的第二波长且在第二传入角度下入射在浮雕结构的部分上的第二电磁辐射束在第二传出角度下衍射，其中：
i.第一传入角度基本上等于第二传入角度，并且第一传出角度基本上等于第二传出角度，或者
ii.第一传入角度基本上等于第二传入角度，并且第一传出角度不同于第二传出角度，或者
iii.第一传入角度不同于第二传入角度，并且第一传出角度基本上等于第二传出角度，或者
iv.第一传入角度不同于第二传入角度，并且第一传出角度不同于第二传出角度。
传入角度和传出角度是相对于与基材的表面垂直的方向定义的。
如前所概述的，根据发明的方法使得能够生成适于衍射光学元件的最终应用的浮雕结构。为此，表面浮雕结构可以由基于一个或更多个正弦函数的控制器数据生成，其中，使用振幅An、空间频率kn、角方向αn、相位
和偏移Δn的预定值。以这种方式，可以生成满足上面所列出的标准i.至iv.之一的表面浮雕结构。
例如，如果衍射光学元件如其优选地用在增强现实装置中将被用作所谓的RGB耦合器，即多色红-绿-蓝耦合器，则优选地根据上面提及的标准i配置浮雕结构。即，浮雕结构优选地被配置成使得其波长不同(这里：λ1＝650nm，λ2＝550nm，λ3＝475nm)的三个电磁辐射束在共同的特定传入角度下入射在浮雕结构上，并且在共同的特定传出角度下在浮雕结构处衍射。共同的传入角度相对于与基材的表面垂直的方向来定义并且优选地为0°。共同的传出角度相对于与基材的表面垂直的方向来定义并且优选地为90°。因此，束在浮雕结构处以下述方式衍射：束相互平行并与基材的表面平行地以及相对于入射方向垂直地传播。然而，也可以产生这样的浮雕结构，所述浮雕结构被配置成使得一个或更多个电磁辐射束在浮雕结构处以下述方式衍射：电磁辐射束干涉以产生特定光场。这样的浮雕结构例如在计算机生成的全息图领域中将是期望的。
在另一方面，提供了一种虚拟图像显示装置，该虚拟图像显示装置包括：辐射源——优选地为图像显示元件，基材，以及如上所述的至少第一衍射光学元件和第二衍射光学元件。辐射源被配置成发射至少一个电磁辐射束、优选地至少一个图像帧。第一衍射光学元件被布置在基材上或基材中，使得入射在第一衍射光学元件上的至少一个电磁辐射束被耦合到基材中并且沿基材传播。第二衍射光学元件被布置在基材上或基材中，使得传播的至少一个电磁辐射束被耦出基材。
在另一方面，提供了一种虚拟图像显示装置，该虚拟图像显示装置包括：辐射源，基材，以及如上所述的至少一个衍射光学元件。辐射源被配置成发射至少一个电磁辐射束。衍射光学元件被布置在基材上或基材中，使得入射在衍射光学元件上的至少一个电磁辐射束以衍射的传出电磁辐射干涉以形成特定光场的方式衍射。
能够想到所述虚拟图像显示装置包括衍射光学元件，该衍射光学元件被配置和布置成使得从辐射源发射的至少一个电磁辐射束入射在所述衍射光学元件上，并且其中，至少一个电磁辐射束然后以下述方式衍射：衍射的传出电磁辐射干涉以形成特定光场。然而，同样能够想到虚拟图像显示装置包括如上所述的两个或更多个衍射光学元件。在这种情况下，可以使用衍射光学元件之一来将从辐射源发射的电磁辐射耦合到基材中，在该基材中如此向内耦合的电磁辐射沿基材传播。另一衍射光学元件可以被配置和布置在基材上，使得传播的电磁辐射以下述方式衍射并耦出基材：衍射的传出电磁辐射干涉从而如上所述形成特定光场。
此外，能够想到每种情况下的图像显示装置均包括一个或更多个光学系统，例如第一光学系统，其被配置成接收至少一个电磁辐射束例如来自图像显示元件的图像帧，并且将至少一个电磁辐射束中继到第一衍射光学元件。虚拟图像显示器可以包括另一部件例如另一光学系统，其中，所述另一光学系统被布置和配置成例如接收至少一个电磁辐射——例如耦出基材的图像帧，并且将所述至少一个电磁辐射束中继到外部。每种情况下的基材均优选地对应于具有高折射率的材料。这样的基材也被称为光学波导。因此，图像显示元件、光学系统和光学波导优选地对应于本领域中已知的部件。此外，虚拟图像显示器可以被配置成由用户佩戴。
使用根据发明的衍射光学元件的事实使得能够提供紧凑的虚拟图像显示装置，并且同时使得能够完全控制由图像显示元件生成并由衍射光学元件衍射的图像的傅里叶光谱。
附图说明
下面参照附图描述发明的优选实施方式，这些附图是出于说明发明的当前优选实施方式的目的，而不是出于限制发明的目的。在附图中，
图1a示出了在第一状态下根据发明的产生衍射光学元件的方法的示意性图示，其中，包括探针的处理装置将要作用在基材的表面上以生成浮雕结构；
图1b示出了在第二状态下根据图1b的产生衍射光学元件的方法的示意性图示，其中，包括探针的处理装置作用在基材的表面上；
图2a示出了用于根据发明的方法产生衍射光学元件的不同制造途径；
图2b示出了通过根据图2a的制造途径获得的不同衍射光学元件的示意性图示；
图3示出了根据发明的方法应用于确定浮雕结构的空间频率的物理关系的示意性图示；
图4示出了根据发明的另一实施方式的当电磁辐射撞击衍射光学元件的浮雕结构时可能的衍射场景的示意性图示；
图5示出了根据发明的另一实施方式的当电磁辐射撞击衍射光学元件的浮雕结构时另一可能的衍射场景的示意性图示；
图6示出了当电磁辐射撞击根据图5的衍射光学元件的浮雕结构时另一可能的衍射场景的示意性图示；
图7示出了根据发明的另一实施方式的当电磁辐射撞击衍射光学元件的浮雕结构时另一可能的衍射场景的示意性图示；
图8a示出了单个正弦模型浮雕结构的位图；
图8b示出了沿图8a的虚线A-A截取的位图的截面；
图9a示出了根据发明的包括呈单个正弦轮廓形状的浮雕结构的衍射光学元件的形貌；
图9b示出了沿图9a的虚线B-B截取的形貌的截面；
图10a示出了根据发明的包括呈单个正弦轮廓形状的浮雕结构的衍射光学元件的扫描电子显微照片；
图10b示出了在根据图10a的衍射光学元件在法线入射时的光谱分辨的反射测量；
图11a示出了三分量正弦模型浮雕结构的位图；
图11b示出了沿图11a的虚线C-C截取的位图的截面；
图12a示出了根据发明的包括呈三分量正弦轮廓形状的浮雕结构的衍射光学元件的形貌；
图12b示出了沿图12a的虚线D-D截取的形貌的截面；
图13a示出了根据发明的包括呈三分量正弦轮廓形状的浮雕结构的衍射光学元件的扫描电子显微照片；
图13b示出了在根据图11和图12的衍射光学元件在法线入射时的光谱分辨的反射测量；
图14a示出了二维模型浮雕结构的位图；
图14b示出了根据图14a的二维模型浮雕结构的形貌数据；
图14c示出了包括从根据图14a和图14b的位图和形貌数据获得的浮雕结构的衍射光学元件的扫描电子显微照片；
图14d示出了根据图14c的衍射光学元件的k空间反射测量；
图15示出了包括根据发明的衍射光学元件的虚拟图像显示装置的示意性图示；
图16示出了包括根据发明的衍射光学元件的另一虚拟图像显示装置的示意性图示。
具体实施方式
在图1a至图2b中，公开了关于根据发明的产生包括浮雕结构2的衍射光学元件1的方法的不同方面。在图3至图7中示出了与浮雕结构2的生成相关联的基本物理关系和所得到的衍射场景。关于图8至图14d，示出了根据发明的衍射光学元件1的不同示例并且讨论了关于其产生和表征的方面。
因此，如下根据图1a和图1b，根据发明的产生衍射光学元件1的方法包括以下步骤：提供具有表面4的至少一个基材3，以及使用处理装置5在基材3的表面4中产生浮雕结构2。基材3在第一方向x、与第一方向x垂直的第二方向y、与第一方向x和第二方向y垂直的第三方向z上延伸。基材3的表面4在第一方向x和第二方向y上延伸，所述第一方向x和第二方向y跨越水平平面x-y。处理装置5包括具有尖端7的探针6。尖端7具有大约10纳米的半径R。探针6以及因此尖端7能够相对于基材3在第一方向x、第二方向y和第三方向z上移动。浮雕结构2是通过尖端7对基材3的表面4的作用而生成的，使得浮雕结构2的表面8与基材3的表面4之间沿第三方向z的距离D沿第一方向x和第二方向y中的至少之一基本上连续变化，参见例如图4至图7、图9a、图10a、图12a、图13a和图14c。如下根据图1b，例如，将基材3的表面4理解为在由处理装置5处理基材3之前基材3的表面。换言之，在由处理装置5对基材3的处理之后，所述表面4对应于在包括浮雕结构2的区域之外的基材的表面。这又意味着浮雕结构2的表面8对应于包括浮雕结构2的基材3的表面。探针6能够在第一方向x上和在第二方向y上以大约0.1纳米到50微米的步长例如以小于大约20纳米的步长移动，并且探针6能够在第三方向z上以大约0.1纳米到1微米的步长优选地以小于大约2纳米的步长移动。由于这些小的移动步长，生成了包括多个凹部9和凸起10的浮雕结构2，其中，两个相继的凸起10与凹部9之间沿第一方向x和第二方向y的最小水平距离hd约为10纳米，并且在第三方向z上延伸的最小深度vd约为0.2纳米。尖端9还被配置成在其作用于基材3的表面4时扫描浮雕结构2的表面8。这产生闭环反馈系统，该闭环反馈系统导致表面浮雕结构2的准确且精确的轮廓。该读取过程由图1b中的波状箭头示意性地指示。
探针6的特定移动根据特定控制器数据执行，该特定控制器数据被馈送至被配置成控制探针6的处理装置5的控制器11。所述控制器数据沿水平平面x-y限定浮雕表面2，并且在本示例中基于一个正弦函数fn＝1(x,y)(参见图8a至图10b)或基于三个正弦函数fn＝3(x,y)(参见图11a至图13b)，其中，
然而，应当注意，任何数目的正弦函数都是可想到的。在两个或更多个正弦函数的情况下，所述正弦函数以傅里叶级数求和F(x，y)＝∑nfn(x，y)。该表达式中的参数对应于振幅An、空间频率kn、沿水平平面x-y的角方向αn、相位
和相对于第三方向z的偏移Δn。
如下根据图2a，在计算装置12中生成所述一个正弦函数或傅里叶级数，由此获得傅里叶表面设计的所谓的模型浮雕结构。在下一步骤中，将所述模型浮雕结构离散化成像素，由此获得存储在诸如位图文件的数字文件中的离散化控制器数据。在图2a中，由于由正弦函数提供的连续性在此导致灰度位图，因此该步骤被称为灰度位图生成。取决于衍射光学元件1的期望最终应用，于是选择适当的制造方案以用于衍射光学元件1的进一步产生。
进一步如下根据图1、图2a和图2b，所述不同的制造方案包括本领域已知的直接书写、蚀刻或模板剥离。即，基材3可以是诸如PPA或PMMA/MA的聚合物，其中，通过探针6在表面4上的作用将浮雕结构2生成到所述基材3的表面4中，并且由此获得衍射光学元件1。在图1中描绘了该过程。然而，并且如下根据图2b，还能够想到借助于旋涂将这样的聚合物基材3施加在另一基材14的表面15上，例如参见步骤(a)。在下一步骤(b)中，借助于作用在表面4上的尖端7在被施加至另一基材14的聚合物的表面4中生成浮雕结构2。由此，生成另一衍射光学元件1。然而，如果由聚合物基材3和另一基材14构成的所述两层结构经受蚀刻工艺或模板剥离工艺，则获得不同的衍射光学元件1，参见步骤(c)。在前一种情况下，可以将电介质膜或金属膜或过渡金属膜例如银膜16施加在在聚合物层3中生成的浮雕结构2上，由此在膜16中生成浮雕结构2，参见步骤(d)。在进一步的步骤中，将诸如UV可固化环氧树脂的可固化树脂沉积在所述膜16上。再次在进一步的步骤(e)中，将诸如玻璃板的载体19施加至可固化树脂。然后，可固化树脂在下一步骤(f)中被固化，从基材3去除载体19、固化的树脂和包括浮雕结构2的膜16。通过模板剥离生成的因此产生的浮雕结构2对应于衍射光学元件1。在本示例中，这样的灰度衍射光学元件1的产生是通过被加热至约750℃的温度的尖端7、约10nm的典型的像素大小、约50nm到100nm的浮雕结构2在第三方向z上的总深度、以及约10微米到20微米的浮雕结构2在水平平面x-y上的尺寸来进行的。
在下文中，更详细地讨论了通过根据发明的方法获得的不同的衍射光学元件1。所有这些衍射光学元件1的共同点在于，用于控制处理装置5的探针6的控制器数据基于具有其参数的预定值的一个或更多个正弦函数。
所利用的一个基本物理原理对应于动量匹配原理，该动量匹配原理使得能够选择衍射光学元件1的浮雕结构2的空间频率，使得入射电磁辐射的平面内波矢量与传出电磁辐射的平面内波矢量匹配。所述原理在本申请的“发明内容”部分中被更详细地描述并且在图3中示意性地示出。在图3中，
是传出电磁辐射的平面内波矢量，
是入射电磁辐射的平面内波矢量，
是沿入射电磁辐射的传播方向的单位矢量，
是衍射光学元件1的波矢量，以及θin是入射电磁辐射相对于法线方向(虚线)的角度。
在图4至图7中，描绘了不同的可想到的衍射场景。即，在图4中，具有给定波长的电磁辐射EMin以角度θin入射在根据发明的衍射光学元件1的浮雕结构2上。在本示例中，所述电磁辐射EMin从浮雕结构2上方入射，例如从施加在包括浮雕结构2的基材3的表面4的顶部上的顶层(未示出)入射。应当注意，顶层不是必要的。而是，同样能够想到不存在顶层并且电磁辐射从真空环境或空气环境入射。此外，应当注意，电磁辐射可以从任何方向例如从包括浮雕结构2的基材3内或从下方入射在浮雕结构2上。入射电磁辐射EMin作为传出电磁辐射EMout从浮雕结构2衍射，并且取决于浮雕结构2的设计，入射电磁辐射EMin可以衍射使得其在返回顶层(θdiff,1)的方向上行进、进入基材3(θdiff,2)、或者穿过基材3衍射到另一侧(θdiff,3)。图5描绘了根据发明的灰度衍射光学元件1的实施方式，其中浮雕结构2直接在作为波导层的基材3中生成，使得来自顶层(未示出)的入射电磁辐射EMin衍射成沿基材3行进的波导模式EMout。图6描绘了灰度衍射光学元件1的实施方式，其中浮雕结构2直接在作为波导层的基材3中生成，使得来自波导层的入射电磁辐射EMin衍射成在顶层(未示出)中作为EMout传播的自由空间模式。这对于衍射到衍射光学元件1的底层中的模式同样可以实现。特别地，图7描绘了根据发明的衍射光学元件1的实施方式，该衍射光学元件1充当通常用在增强现实装置中的波导层堆叠中的RGB耦合器。这里，顶层形式的基材3对应于由具有高折射率的聚合物例如CSAR制成的层。然而，同样能够想到具有高折射率的其他材料。所述顶层具有比中间层形式的另一基材14更高的折射率，使得顶层支持波导模式。用于所述中间层14的可想到的材料是热生长二氧化硅(SiO2)等。红光、绿光和蓝光EMin(进一步用字母“R”、“G”和“B”区分)从法线入射到达衍射光学元件1并且衍射成一角度，使得其耦合到波导模式并作为EMout沿波导行进。此外，当沿第三方向z从顶层3朝向中间层14看时，形成底层的另一基材17布置在中间层14之后。所述底层17可以由硅制成，但是同样能够想到其他材料。
如最初所提及的，取决于衍射光学元件1的最终应用，控制器数据可以基于振幅An、空间频率kn、角方向αn、相位
和偏移Δn的预定值——其用于限定基于正弦函数的模型浮雕结构18。图8a描绘了单个正弦表面浮雕的灰度位图13。正弦调制沿第一方向x，并且模型浮雕结构18沿第二方向y恒定。位图13由边长为10nm的正方形像素构造。模型浮雕结构18沿第三方向z划分成256个深度水平(8位精度)，参见图8b。
图9a描绘了在聚合物抗蚀剂3中生成的单个正弦浮雕结构2的形貌。在图案化过程期间通过热扫描探针6原位测量形貌。灰度颜色图指示测量点的高度，其中零值被归一化为在图案化区域2之外的平坦表面4。沿图9a中的虚线截取的形貌的截面平均超过1微米(100像素)。黑线是期望浮雕结构2的拟合，在这种情况下是单个正弦曲线，其用于生成位图13和浮雕结构2。拟合的正弦函数由公式
表示。拟合参数返回24.8nm、10.1微米-1、-3.14弧度、-32.9nm的值，用于分别定义正弦函数的振幅、空间频率、相位和偏移的参数。
图10a描绘了在银表面16上生成的单个正弦浮雕结构2的扫描电子显微照片。使用模板剥离将浮雕结构2摹绘至银表面16，其中图9a中的聚合物表面4用作模板。图10b对应于图10a中描绘的银表面16上的单个正弦浮雕结构2在法线入射时的光谱分辨反射测量。在约1.9eV的光子能量时反射率的下降示出，入射在浮雕结构2上的电磁辐射被衍射成沿银表面16传播的模式。
图11a描绘了用于三分量正弦模型浮雕结构18的灰度位图13。正弦调制沿第一方向x，并且模型浮雕结构18沿第二方向y恒定。位图13使用边长为10nm的正方形像素构造。模型浮雕结构18沿第三方向z划分成256个深度水平(8位精度)，参见图11b。
图12a描绘了聚合物抗蚀剂3中的三分量正弦浮雕结构2的形貌。在图案化过程期间通过热扫描探针6原位测量形貌。灰度颜色图指示测量点的高度，其中零值被归一化为在图案化区域2之外的平坦表面4。图12b中描绘的截面平均超过1微米(100像素)。黑线是期望浮雕结构的拟合，在这种情况下是三分量正弦曲线，其用于生成位图13和模型浮雕结构18。拟合的正弦函数由公式
表示。拟合参数返回10.5nm、10.1微米-1和-3.0弧度的值，用于分别定义第一正弦函数的振幅、空间频率和相位的参数。拟合参数返回8.8nm、12.1微米-1和-1.3弧度的值，用于分别定义第二正弦函数的振幅、空间频率和相位的参数。拟合参数返回7.6nm、14.1微米-1和0.95弧度的值，用于分别定义第三正弦函数的振幅、空间频率和相位的参数。拟合参数返回-34.9nm的值用于偏移参数。
图13a描绘了银表面16上的三分量正弦浮雕结构2的扫描电子显微照片。使用模板剥离将浮雕结构2摹绘至银表面16，其中与图12a中描绘的聚合物表面类似的聚合物表面4用作模板。图13b对应于银表面16上的三分量正弦浮雕结构2在法线入射时的光谱分辨反射测量，其具有来自图11和图12的轮廓。在约1.9eV、约2.2eV和约2.6eV的光子能量时反射率的下降示出，法线入射在浮雕结构2上的具有这些特定波长的光被衍射成沿银表面16传播的模式。
图14a描绘了二维灰度模型浮雕结构18(具有8重旋转对称性的准晶体)的位图13。图14b描绘了所述二维灰度图案的形貌数据。图14c描绘了所述二维灰度浮雕结构2的扫描电子显微照片。图14d对应于示出8重旋转对称性的二维灰度浮雕结构2的k空间反射测量。
图15和图16描绘了包括根据发明的衍射光学元件1的虚拟图像显示装置20的不同实施方式。特别地，图15描绘了虚拟图像显示装置20，其包括图像显示元件21形式的辐射源、透镜22例如准直透镜形式的光学系统、光学波导形式的基材3、以及根据发明的三个衍射光学元件1。图像显示装置21被配置成生成图像帧EMin，该图像帧EMin借助于透镜22被准直到设置在光学波导3的表面4中的第一衍射光学元件1a上。第一衍射光学元件1a被配置成使得入射图像帧EMin被耦合到光学波导3中并且可以沿光学波导3传播。由于第一衍射光学元件1a的浮雕结构2的表面轮廓，入射图像帧EMin被衍射，使得它们在光学波导3内沿相反方向传播。传播的图像帧中之一然后在第二衍射光学元件1b处耦出光学波导3，并且传播的图像帧中的另一个在第三衍射光学元件1c处耦出光学波导3。如下根据图15，第二衍射光学元件1b和第三衍射光学元件1c被配置成使得向外耦合的束EMout相互平行地传播。
根据图16的虚拟图像显示装置20包括第一衍射光学元件1a，该第一衍射光学元件1a被配置成使得入射电磁辐射耦合到光学波导形式的基材3中。在本示例中，所述第一衍射光学元件1a的浮雕结构2被配置成使得具有不同波长的三束电磁辐射耦合到光学波导中。这里，所述三个束对应于红光EMin,R、绿光EMin,G和蓝光EMin_B。第一衍射光学元件1a还被配置成使得三个束相互平行并与光学波导3的表面4平行地传播。当传播的束入射在第二衍射光学元件1b上时，所述束耦出第二衍射光学元件。在本示例中，第二衍射光学元件1b被配置成使得向外耦合的束EMout相互干涉，由此生成干涉图案以形成特定光场。所述干涉图案例如可以构成全息图。
这里，根据两个附图的虚拟图像显示装置20包括由具有高折射率的材料制成的光学波导形式的基材3。所述光学波导被布置在中间层形式的另一基材14上，该中间层又布置在底层17上，如上面参照图7所描述的。
附图中描绘的衍射光学元件1是通过使用聚(甲基丙烯酸甲酯-共-甲基丙烯酸)(PMMA/MA，33％甲基丙烯酸，AR-P 617.03，Allresist)作为其中生成灰度浮雕结构2的热敏聚合物来产生的，即，使用热扫描探针光刻进行图案化。作为另一基材，2英寸硅晶片直接从工厂包装中取出，无需任何清洁或额外的准备步骤。使用两步旋涂工艺将约150nm厚的PMMA/MA膜旋涂在硅基材上(步骤1：5秒旋转时间，500rpm旋转速度，500rpm/s加速度。步骤2：40秒旋转时间，2000rpm旋转速度，2000rpm/s加速度)。在旋涂之后，将具有PMMA/MA层的基材在180℃的热板上烘烤5分钟。
模型浮雕结构——这里是灰度模型浮雕结构——是在MATLAB中设计的。分析正弦函数用于定义模型浮雕结构。然后将模型浮雕结构离散化成在第一方向x和第二方向y上边长为10nm的正方形像素。将沿第三方向z的浮雕结构2的深度离散化为256个深度水平，生成8位灰度位图。
使用商业热扫描探针光刻工具5(NanoFrazor Explore，SwissLitho AG)在PMMA/MA层中制造灰度浮雕结构2。位图浮雕结构——即离散化控制器数据——被上传至工具，其中8位深度信息被分配给PMMA/MA层中的物理图案深度。将硅基热扫描探针悬臂6(由SwissLitho AG提供)装载到工具5中。通过在PMMA/MA层中书写简单图案、原位测量这些图案的形貌、并且调整尖端7温度和书写力来在第一方向x、第二方向y和第三方向z上校准工具5，以使图案设计与测量的图案深度之间的误差最小化。在校准之后，工具执行期望的图案化功能。
在图案化之后，PMMA/MA层充当用于将灰度表面图案或浮雕结构2摹绘至银表面的模板。将图案化的聚合物模板加载到其被抽空至约1×10-7Torr的真空水平的热蒸发器(Kurt J.Lesker Nano36)中。在钨舟中以
的沉积速率使用银颗粒(99.99％，KurtJ.Lesker)执行蒸发，以用高质量光学厚银膜(＞500nm)覆盖模板。在蒸发之后，UV可固化环氧树脂沉积在银膜上，并且在顶部放置玻璃显微镜载玻片。环氧树脂在UV灯下固化2小时，之后从模板去除银膜，使得在银膜的与模板接触的平滑侧上形成灰度表面图案2。
使用具有空气物镜的倒置光学显微镜(Nikon，Ti-U)执行光学测量。样本用宽带卤素灯照明，并且反射光被收集并成像到附接至光栅光谱仪的互补金属氧化物半导体(CMOS)相机上。使用分束器将照明和反射光分开。将线性偏振器放置在收集路径中以滤除TE偏振光。
参考标记列表
1，1a，1b，1c 衍射光学元件
2 浮雕结构
3 基材
4 基材的表面
5 处理装置
6 探针
7 尖端
8 浮雕结构的表面
9 凹部
10 凸起
11 控制器
12 计算装置
13 位图
14 另一基材
15 另一基材的表面
16 膜
17 另一基材
18 模型浮雕结构
19 载体
20 虚拟图像显示装置
21 图像显示元件
22 光学系统
x 第一方向
y 第二方向
z 第三方向
x-y 水平平面
D 距离
R 半径
hd 水平距离
vd 深度
EMin 入射电磁辐射
EMout 传出电磁辐射
Claims (16)
1.一种产生衍射光学元件(1)的方法，包括以下步骤：
-提供至少一个基材(3)，所述至少一个基材(3)具有在第一方向(x)和与所述第一方向(x)垂直的第二方向(y)上延伸的表面(4)；以及
-使用处理装置(5)在所述基材(3)的表面(4)中生成浮雕结构(2)；
其特征在于
所述处理装置(5)包括具有尖端(7)的探针(6)，
其中，所述尖端(7)具有小于大约1微米、优选地小于大约20纳米的半径(R)，以及
其中，所述探针(6)能够相对于所述基材(3)在所述第一方向(x)、所述第二方向(y)和与所述第一方向(x)和所述第二方向(y)垂直的第三方向(z)上移动，并且其中，通过所述尖端(7)在所述基材(3)的表面(4)上的作用生成所述浮雕结构(2)，使得所述浮雕结构(2)的表面(8)与所述基材(3)的表面(4)之间沿所述第三方向(z)的距离(D)沿所述第一方向(x)和所述第二方向(y)中的至少之一基本上连续地变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过所述尖端(7)在所述基材(3)的表面(4)上的机械作用和/或热作用生成所述浮雕结构(2)，以及/或者
其中，在生成所述浮雕结构(2)时，所述尖端(7)直接接触所述基底(3)的表面(4)，以及/或者
其中，所述处理装置(5)优选地是热扫描探针光刻装置。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述探针(6)在所述第一方向(x)上和/或在所述第二方向(y)上以大约0.1纳米到50微米的步长、特别地以大约0.1纳米到100纳米的步长、优选地以5纳米到50纳米的步长、特别优选地以小于大约20纳米的步长移动，以及/或者
其中，所述探针(6)在所述第三方向(z)上以大约0.1纳米到1微米的步长、优选地以0.2纳米到25纳米的步长、特别优选地以小于大约2纳米的步长移动，以及/或者
其中，所述探针(6)在所述第一方向(x)和/或所述第二方向(y)上以大约1赫兹到1000千赫兹之间、优选地大约1千赫兹到500千赫兹之间的速率移动。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述处理装置(5)还包括控制器(11)，所述控制器(11)被配置成基于馈送到所述控制器(11)中的控制器数据来控制所述探针(6)，其中，所述控制器数据沿由所述第一方向(x)和所述第二方向(y)跨越的水平平面(x-y)限定所述浮雕结构(2)并且基于一个或更多个函数f(x,y)，所述控制器数据优选地基于一个或更多个连续函数并且特别优选地基于一个或更多个正弦函数。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述一个或更多个正弦函数由以下表达式表示：
其中，参数An是振幅，
其中，参数kn是空间频率，
其中，参数αn是沿所述水平平面(x-y)的角方向，
其中，参数
是相位，以及
其中，参数Δn是相对于所述第三方向(z)的偏移。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述控制器数据基于两个或更多个正弦函数fn(x,y)，并且其中，所述两个或更多个正弦函数fn(x,y)以傅里叶级数求和：
F(x，y)＝∑nfn(x，y)。
7.根据前述权利要求4至6中任一项所述的方法，其中，所述控制器数据通过以下步骤生成：
(i)在计算装置(12)中利用一个或更多个优选正弦函数fn(x,y)来限定要在所述水平平面(x-y)中生成的所述浮雕结构(2)，由此获得模型浮雕结构(18)；以及
(ii)在所述计算装置(12)中将步骤(i)的所述模型浮雕结构(18)离散化成像素，由此获得离散化控制器数据，所述离散化控制器数据优选地被存储在数字文件中、特别优选地被存储在位图文件中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述浮雕结构(2)上施加电介质膜或金属膜或过渡金属膜例如银膜(16)中的至少之一，由此在所述电介质膜或所述金属膜或所述过渡金属膜(16)中生成所述浮雕结构(2)，
其中，可固化树脂例如UV-可固化环氧树脂被沉积在所述电介质膜或所述金属膜或所述过渡金属膜(16)上，
其中，载体(19)被施加至所述可固化树脂，所述载体(19)优选地包括电介质材料，例如玻璃、金属、过渡金属、诸如硅的半导体材料、可聚合聚合物或聚合物，
其中，所述可固化树脂被固化，并且
其中，执行模板剥离，使得从所述基材(3)去除所述载体(19)、所固化的树脂、以及包括所述浮雕结构(2)的负片的所述电介质膜或所述金属膜或所述过渡金属膜(16)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括提供另一基材(14)的步骤，
其中，所述另一基材(14)具有在所述第一方向(x)和所述第二方向(y)上延伸的表面(15)，
其中，所述基材(3)被设置在所述另一基材(14)的表面(15)上，以及
其中，所述基材(3)的浮雕结构(2)被蚀刻到所述另一基材(14)的表面(15)中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述基材(3)的表面(4)中，并且如果适用，在所述另一基材(14)的表面(15)中，生成一个或更多个浮雕结构(2)，
其中，所述一个或更多个浮雕结构(2)优选地相对于所述第一方向(x)和/或所述第二方向(y)彼此紧邻地布置或彼此间隔开。
11.一种衍射光学元件(1)，其通过根据前述权利要求中任一项所述的方法产生。
12.一种衍射光学元件(1)，包括具有表面(4)的基材(3)，
其中，所述基材(3)在第一方向(x)上、在与所述第一方向(x)垂直的第二方向(y)上、以及在与所述第一方向(x)和所述第二方向(y)垂直的第三方向(z)上延伸，
其特征在于
所述表面(4)包括具有表面(8)的浮雕结构(2)，其中，至少在所述浮雕结构(2)的一部分中，所述浮雕结构(2)的表面(8)与所述基材(3)的表面(4)之间沿所述第三方向(z)的距离(D)沿所述第一方向(x)和所述第二方向(y)中的至少之一基本上连续地变化，以及
当沿所述第一方向(x)和所述第二方向(y)中的至少之一看时，至少所述浮雕结构(2)的所述一部分包括多个凸起(10)和凹部(9)，其中，以下中的至少之一成立：
i.在a)两个相继的凸起(10)和b)两个相继的凹部(9)中的至少之一之间沿所述第一方向(x)和所述第二方向(y)中的至少之一的最小水平距离(hd)小于大约1微米、优选地小于大约20纳米，特别优选地，所述最小水平距离(hd)为大约10纳米，以及
ii.在所述第三方向(z)上延伸并且在a)两个相继的凸起(10)和b)两个相继的凹部(9)中的至少之一之间沿所述第一方向(x)和所述第二方向(y)中的至少之一形成的最小深度(vd)小于大约100纳米、优选地小于大约10纳米，特别优选地，所述最小深度为大约0.2纳米。
13.根据权利要求11或12所述的衍射光学元件(1)，其中，至少所述浮雕结构(2)的所述一部分被配置成使得具有给定波长的至少一个电磁辐射束能够在至少一个期望传入角度(θin)下入射在所述浮雕结构(2)的所述一部分上并且能够在至少一个期望传出角度(θout)下衍射，所述浮雕结构优选地被配置成使得所述至少一个电磁辐射束以衍射的传出电磁辐射干涉以形成特定光场的方式衍射。
14.根据前述权利要求11至13中任一项所述的衍射光学元件(1)，其中，至少所述浮雕结构(2)的所述一部分被配置成使得至少具有第一波长且在第一传入角度(θin,1)下入射在所述浮雕结构(2)的所述一部分上的第一电磁辐射束在第一传出角度(θout,1)下衍射，以及具有与所述第一波长(λ1)不同的第二波长且在第二传入角度(θin,2)下入射在所述浮雕结构(2)的所述一部分上的第二电磁辐射束在第二传出角度(θout,2)下衍射，其中：
i.所述第一传入角度(θin,1)基本上等于所述第二传入角度(θin,2)，并且所述第一传出角度(θout,1)基本上等于所述第二传出角度(θout,2)，或者
ii.所述第一传入角度(θin,1)基本上等于所述第二传入角度(θin,2)，并且所述第一传出角度(θout,1)不同于所述第二传出角度(θout,2)，或者
iii.所述第一传入角度(θin,1)不同于所述第二传入角度(θin,2)，并且所述第一传出角度(θout,1)基本上等于所述第二传出角度(θout,2)，或者
iv.所述第一传入角度(θin,1)不同于所述第二传入角度(θin,2)，并且所述第一传出角度(θout,1)不同于所述第二传出角度(θout,2)。
15.一种虚拟图像显示装置(20)，包括：
-辐射源，优选地为图像显示元件(21)，
-基材(3)，以及
-至少如前述权利要求11至14中任一项所述的第一衍射光学元件(1a)和第二衍射光学元件(1b)，
其中，所述辐射源被配置成发射至少一个电磁辐射束、优选地至少一个图像帧；
其中，所述第一衍射光学元件(1a)被布置在所述基材(3)上或所述基材(3)中，使得入射在所述第一衍射光学元件(1)上的所述至少一个电磁辐射束被耦合到所述基材(3)中并且沿所述基材(3)传播，并且
其中，所述第二衍射光学元件(1b)被布置在所述基材(3)上或所述基材(3)中，使得传播的至少一个电磁辐射束被耦出所述基材(3)。
16.一种虚拟图像显示装置(20)，包括：
-辐射源，
-基材(3)，以及
-至少一个如前述权利要求11至14中任一项所述的衍射光学元件(1a，1b)，
其中，所述辐射源被配置成发射至少一个电磁辐射束；
其中，所述衍射光学元件(1a，1b)被布置在所述基材(3)上或所述基材(3)中，使得入射在所述衍射光学元件(1)上的所述至少一个电磁辐射束以衍射的传出电磁辐射干涉以形成特定光场的方式衍射。
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