CN115480330A - 用于光束重定向的衍射光栅 - Google Patents

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巴拉斯·班加罗尔·拉杰瓦
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Abstract

本申请涉及用于光束重定向的衍射光栅。本申请公开了一种衍射光栅，对不同波长的光束具有独立控制的衍射角的衍射光栅可以用于以有效、节省空间的方式将光重定向和耦合到波导。该衍射光栅可以包括具有处于不同光栅周期的光栅凹槽的依赖于波长的光学介电常数和相关联的折射率对比度的层。

Description

用于光束重定向的衍射光栅
本申请是申请日为2018年08月09日，申请号为201880093184.7，发明名称为“用于光束重定向的衍射光栅”的申请的分案申请。
技术领域
本公开涉及光学部件，且具体涉及适于重定向光束的衍射光栅，以及使用这种衍射光栅的模块和系统。
背景
衍射光栅是利用周期性或准周期性光栅结构上的光学衍射现象来分离不同波长的光的光学器件。光的衍射角取决于光的波长与周期性或准周期性光栅结构的周期的比率，使得衍射光栅将照射的多波长光束分散成不同波长的子光束扇。衍射光栅的波长分离特性，结合高的可实现衍射效率和相对容易的制造，导致它们在摄谱仪(spectrograph)、激光器、波长选择性光学开关、可调谐滤光器和其他设备中的广泛应用。
衍射光栅可以用作变形光学元件(anamorphic optical element)，用于光束的空间有效的重定向。使用衍射光栅进行光束重定向是有吸引力的，因为衍射光栅可以被构造成相对于衍射光栅的平面以倾斜角度有效地重定向光束，通过将衍射光栅平行于可用的衬底适当地放置来节省空间，并且将圆形光束压缩成具有椭圆形横截面的光束，用于在薄且窄的波导结构中传播。然而，多色光束的光束重定向和耦合受到衍射角对波长的依赖性的阻碍，导致多波长光束的波长子光束的空间分离。
附图简述
现在将结合附图描述示例性实施例，附图中：
图1A是根据本公开的实施例的使用衍射光栅进行光瞳复制(pupil replication)的近眼显示器的光学块的侧横截面视图；
图1B是根据本公开的实施例的包括用于三个颜色通道的三个光栅结构和三个波导的近眼显示器的光学块的侧横截面视图；
图2A是示出根据本公开的对应于两个衍射光栅结构的凹槽(groove)的光学介电常数的空间变化振幅的波长依赖性的示意图；
图2B是示出根据本公开的对应于三个衍射光栅结构的凹槽的光学介电常数的空间变化振幅的波长依赖性的示意图；
图2C是根据一个实施例的图1B的三个光栅结构的折射率对比度(refractiveindex contrast)的光谱图；
图3A是根据本公开的实施例的用于近眼显示器的光学块的侧横截面视图，该光学块包括三个相邻的光栅结构和一个公共透明板(slab)；
图3B是图3A的相邻光栅结构的放大视图；
图4是衍射光栅材料的光学介电常数作为波长和x坐标的函数的三维图，示出了空间变化的光学介电常数，其具有依赖于波长的空间变化的振幅和周期；
图5是图4的衍射光栅的实施例的侧横截面视图，其中三个颜色通道的衍射角基本上彼此相等；
图6A是衍射光栅的侧横截面视图，该衍射光栅包括两个不同的层，其中，嵌入的纳米粒子具有不同的表面等离子体共振(surface plasmon resonance)；
图6B是衍射光栅的侧横截面视图，该衍射光栅包括单层材料，其中，嵌入的纳米粒子具有不同的表面等离子体共振；
图6C是衍射光栅的俯视图，该衍射光栅包括一层材料，其中，纳米粒子粘附到该层的顶面，纳米粒子具有不同的表面等离子体共振；
图6D是衍射光栅的俯视图，该衍射光栅包括光刻形成的、具有不同表面等离子体共振的纳米粒子的子阵列，该子阵列形成具有不同光栅周期的衍射光栅结构的凹槽或条带(stripe)；
图7A至图7F是图6C的衍射光栅在不同制造阶段的侧横截面视图；
图8A至图8D是用于图6A至图6D的衍射光栅的不同纳米粒子的视图；
图9是包括双曲超材料的衍射光栅的侧横截面视图；
图10A是银(Ag)和硅(Si)材料的介电常数谱；
图10B是包括薄的Ag和Si层的堆叠的双曲超材料的介电常数谱；
图11是图10B的双曲超材料的折射率对比度的谱图；
图12是包括两个双曲超材料子光栅的衍射光栅的侧横截面视图；
图13是图12的衍射光栅的折射率对比度的谱图；
图14A是用于近眼显示器的光波导的侧横截面视图，该光波导包括多个彼此叠置(on top of one another)的光栅结构；
图14B是用于近眼显示器的光波导的侧横截面视图，该光波导包括衍射光栅，该衍射光栅具有依赖于波长的空间变化的光学介电常数；
图15是本公开的近眼显示器的侧横截面视图；
图16A是眼镜形状因子近眼AR/VR显示器的等轴视图，该显示器结合了具有本公开的衍射光栅的光学块；
图16B是图16A的显示器的侧横截面视图；和
图17是头戴式显示器(HMD)的等轴视图，该头戴式显示器结合了具有本公开的衍射光栅的光学块。
详细描述
虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是并不意图使本教导受限于这些实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导包括各种替代物和等同物。本文中叙述本公开的原理、方面和实施例以及其特定示例的所有陈述旨在包括其结构和功能等同物。另外，意图使这种等同物包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物(即，所开发的执行相同功能的任何元件)，而不管结构如何。
除非明确说明，否则如本文所使用的，术语“第一”、“第二”等不旨在暗示顺序排序，而是旨在将一个元件与另一个元件区分开来。类似地，除非明确说明，否则方法步骤的顺序排序并不意味着它们的执行的顺序排序。
衍射光栅的输出光束角对波长的依赖性正是由于它们通常用于的衍射光栅的特性(即波长分离和色散特性)而产生的。当多色光束(例如白色光束)被衍射时，它被扩散成单独的波长分量，每个分量具有其自己的传播方向，这在多波长光束转向(multi-wavelength beam steering)和耦合应用中可能是不期望的。
根据本公开，衍射光栅可以被构造成使得不同颜色分量的衍射角可以被单独控制。例如，可以使对应于视觉显示器的红色、绿色和蓝色通道的波长的子光束以相同的角度被衍射，使得能够有效地引导白色光束通过紧凑型光学系统，而基本上不会将白色光束分散成单独的彩色子光束。
根据本公开，提供了一种衍射光栅，其包括第一光栅结构和第二光栅结构。第一光栅结构具有光学介电常数的第一空间变化。第一空间变化具有第一光栅间距和依赖于波长的第一振幅，使得在第一波长处，第一振幅高于第一阈值，且在第二波长处，第一振幅低于第二阈值。第二光栅结构具有光学介电常数的第二空间变化。第二空间变化具有第二光栅间距和依赖于波长的第二振幅，使得在第一波长处，第二振幅低于第二阈值，且在第二波长处，第二振幅高于第一阈值。第二阈值低于第一阈值，例如低于第一阈值的10％，低于第一阈值的1％，或者甚至接近零。
根据本公开，还提供了一种用于近眼显示器的光波导。该光波导包括透明材料的板以及上述的第一光栅结构和第二光栅结构。第一光栅结构可以由该板支撑，以及第二光栅结构可以由第一光栅结构支撑。
第一光栅结构的光学介电常数可以包括具有依赖于波长的第一折射率对比度的空间变化的折射率，以及第二光栅结构的光学介电常数可以包括具有依赖于波长的第二折射率对比度的空间变化的折射率。换句话说，衍射光栅和/或光波导的光栅结构可以是纯折射的，每个光栅结构的特征在于依赖于波长的折射率对比度。第一折射率对比度可以在第一波长处高于第一阈值，并且在第二波长处低于第二阈值。第二折射率对比度可以在第一波长处低于第二阈值，并且在第二波长处高于第一阈值。在一些实施例中，第一折射率对比度在第二波长处可以基本为零，并且第二折射率对比度在第一波长处可以基本为零。
可以为上面的光学器件提供第三光栅结构。第三光栅结构可以具有光学介电常数的第三空间变化。第三空间变化可以具有第三光栅间距和依赖于波长的第三振幅，使得在第一波长和第二波长处，第三振幅低于第二阈值，且在第三波长处，第三振幅高于第一阈值。在该实施例中，在第三波长处，第一振幅和第二振幅都低于第二阈值。第一、第二和第三波长中的每一个可以对应于电子显示器的颜色通道。第一光栅间距与第一波长的比率、第二光栅间距与第二波长的比率和第三光栅间距与第三波长的比率可以被选择为彼此相等，使得在操作中，由电子显示器发射并照射到衍射光栅上的光束的第一波长处、第二波长处和第三波长处的分量以基本相同的衍射角被衍射。第一和第二光栅结构可以彼此相邻设置，例如彼此叠置。
在一些实施例中，第一光栅结构可以包括处于第一空间变化的纳米粒子密度的多个第一纳米粒子，第一纳米粒子在第一波长处具有表面等离子体共振。第二光栅结构可以包括处于第二空间变化的纳米粒子密度的多个第二纳米粒子，第二纳米粒子在第二波长处具有表面等离子体共振。第一纳米粒子可以包括第一直径的金属球体，并且第二纳米粒子可以包括第二直径的金属球体。具有相同或不同的直径和直径比的金属半导体核壳(coreshell)或金属电介质核壳或两者，也可以用于第一和第二纳米粒子。第三光栅结构可以包括处于第三空间变化的纳米粒子密度的多个第三纳米粒子，第三纳米粒子在第三波长处具有表面等离子体共振。第一、第二和第三波长中的每一个可以对应于电子显示器的颜色通道。
在一些实施例中，多个第一纳米粒子包括第一光栅间距的第一纳米粒子条带阵列，多个第二纳米粒子包括第二光栅间距的第二纳米粒子条带阵列，并且多个第三纳米粒子包括第三光栅间距的第三纳米粒子条带阵列。第一光栅间距与第一波长的比率、第二光栅间距与第二波长的比率和第三光栅间距与第三波长的比率可以被选择为彼此相等，以确保由电子显示器发射并照射到衍射光栅上的光束的第一波长处、第二波长处和第三波长处的分量以基本相同的衍射角被衍射。此外，每个条带可以包括纳米粒子的子阵列。
在一些实施例中，第一光栅结构包括第一双曲超材料，该第一双曲超材料包括处于第一光栅间距并且在第二波长处具有零折射率对比度的第一条带阵列，并且第二光栅结构包括第二双曲超材料，该第二双曲超材料包括处于第二光栅间距并且在第一波长处具有零折射率对比度的第二条带阵列。每个第一条带可以包括具有第一组厚度的交替的金属和半导体层的堆叠，以在第二波长处提供零折射率对比度，并且每个第二条带可以包括具有第二组厚度的交替的金属和半导体层的堆叠，以在第一波长处提供零折射率对比度。交替的金属和电介质层的堆叠也可以用于任何光栅结构。第一光栅间距与第二光栅间距的比率可以被选择为等于第一波长与第二波长的比率，使得在操作中，照射到衍射光栅上的光束的第一波长处和第二波长处的分量以基本相同的衍射角被衍射。
根据本公开，还提供了一种衍射光栅，其包括具有依赖于波长的空间变化的光学介电常数的材料层，使得在第一波长处，空间变化的光学介电常数包括处于第一间距的多个峰和谷，并且在不同的第二波长处，空间变化的光学介电常数包括处于不同的第二间距的多个峰和谷。
根据本公开，还提供了一种用于近眼显示器的光波导。该光波导可以包括透明材料的板和由该板支撑的衍射光栅。衍射光栅可以包括具有依赖于波长的空间变化的光学介电常数的材料层，使得在第一波长处，空间变化的光学介电常数包括处于第一间距的多个峰和谷，并且在不同的第二波长处，空间变化的光学介电常数包括处于不同的第二间距的多个峰和谷。
空间变化的光学介电常数可以包括空间变化的折射率。第一间距与第二间距的比率可以被选择为等于第一波长与第二波长的比率，使得在操作中，照射到衍射光栅上的光束的第一波长处和第二波长处的分量以基本相同的衍射角被衍射。
衍射光栅的材料可以包括处于第一空间变化密度的多个第一纳米粒子，第一纳米粒子在第一波长处具有表面等离子体共振；以及处于第二空间变化密度的多个第二纳米粒子，第二纳米粒子在第二波长处具有表面等离子体共振。
该材料还可以包括双曲超材料，该双曲超材料包括处于第一间距并且在第二波长处具有零折射率对比度的第一条带阵列，以及处于第二间距并且在第一波长处具有零折射率对比度的第二条带阵列。每个第一条带可以包括具有第一组厚度的交替的金属和半导体或电介质层的堆叠，以在第二波长处提供零折射率对比度。每个第二条带可以包括具有第二组厚度的交替的金属和半导体或电介质层的堆叠，以在第一波长处提供零折射率对比度。第一间距与第二间距的比率可以被选择为等于第一波长与第二波长的比率；在这种配置中，入射到衍射光栅上的光束的第一波长处和第二波长处的分量以基本相同的衍射角被衍射。
根据本公开，还提供了一种近眼显示器，其包括电子显示器和光波导，电子显示器用于提供包括第一和第二颜色通道的图像光，光波导被配置为在其中接收和引导来自电子显示器的图像光。光波导可以是上述任何光波导。在一个实施例中，光波导包括透明材料的板。第一衍射光栅由该板支撑，并被配置用于接收来自电子显示器的图像光，以向内耦合到该板。第二衍射光栅由该板支撑，并被配置用于通过该板接收来自第一衍射光栅的图像光，以将来自该板的光向外耦合。第一和第二衍射光栅中的至少一个包括具有依赖于波长的空间变化的光学介电常数的材料层，使得在第一颜色通道的第一波长处，空间变化的光学介电常数包括处于第一间距的多个峰和谷；并且在第二颜色通道的第二波长处，空间变化的光学介电常数包括处于不同的第二间距的多个峰和谷。第一间距与第二间距的比率可以被选择为等于第一波长与第二波长的比率，以确保照射到第一衍射光栅上的图像光在第一波长和第二波长处的第一颜色通道和第二颜色通道以基本相同的角度被衍射，以便在板中进行联合传播(joint propagation)，并且照射到第二衍射光栅上的图像光在第一波长和第二波长处的第一颜色通道和第二颜色通道以基本相同的角度被衍射，以便朝向用户的眼睛进行联合传播。
现在参考图1A，本公开的近眼显示器的光学块100A包括投影仪172和光瞳复制波导174。投影仪172包括电子显示器176和由透镜178表示的准直光学器件。光瞳复制波导174包括透明材料的平坦平行板(plano-parallel slab)175、由板175支撑的向内耦合的衍射光栅181和由板175支撑的向外耦合的衍射光栅182。向内耦合的衍射光栅181和向外耦合的衍射光栅182在图1A中用粗虚线示出。在操作中，电子显示器176显示图像。透镜178可以设置在离电子显示器176一个焦距的地方。透镜178将由电子显示器176的中心像素184发射的发散光锥转换成用实线箭头示出的准直或近准直(nearly-collimated)的同轴(on-axis)光束185。透镜178还将由电子显示器176的侧像素(side pixel)186发射的发散光锥转换成用虚线箭头示出的准直离轴(off-axis)光束187。因此，电子显示器176的发光像素的坐标被透镜178转换成相应的准直或近准直光束的角度。换句话说，在角度域中，组合光束188携带由电子显示器176显示的图像。
现在将解释光瞳复制波导174的功能。向内耦合的衍射光栅181接收组合光束188，并衍射组合光束188，以便在板175中以如所示的之字形(zigzag)图案传播。在图1A中，组合光束188在板175中的之字形传播的方向是从左到右。向外耦合的衍射光栅182接收来自平坦平行板175的组合光束188，并朝向用户的眼睛136输出该光束的一部分。剩余光的一部分被向外耦合的衍射光栅182反射，以在下游位置输出。组合光束188被导向板175的上表面175A，被从上表面175A反射(例如全内反射)，并在不同的位置再次照射到向外耦合的衍射光栅182上，该位置在图1A中向右偏移。然后，反射和衍射的过程重复，有效地将组合光束188扩展到视窗(eyebox)190的区域上，同时保留如向下的箭头189所示的角度图像信息。换句话说，这种多重反射-衍射过程复制了光学块100A的输出光瞳。这使得视窗190比用户的眼睛136大，允许用户的眼睛136的一定程度的移动和旋转，并且还适应近眼显示器相对于不同用户的眼睛的不同布置、以及不同用户的不同瞳孔间距(IPD)。
用户的眼睛136的角膜和晶状体135将光聚焦到用户的眼睛136的视网膜137上，将光束角度转换回视网膜137上的光束坐标，从而在视网膜137的不同于中心像素184的图像194的位置处形成电子显示器176的侧像素186的图像196，并且实质上将电子显示器176显示的图像传输到用户的眼睛136的视网膜137上。
光学块100A是紧凑的，并且具有少量的光学元件，使得它重量轻并且适合于具有一副眼镜的形状因子的近眼显示器。然而，它只能在有限的波段和/或在有限的视角范围(angular viewing range)或凝视范围内工作。这会发生是因为在常规的衍射光栅中，衍射角取决于入射光的波长，并且对于特定波段之外的波长，衍射角变得太小或太大而使光瞳复制波导174不能正常工作。本公开寻求通过提供衍射光栅来扩展显示系统的视角、波段或两者，在该衍射光栅中，可以针对不同的颜色通道和/或不同的波长单独控制衍射角。这可以扩大可用的设计空间，允许减小显示器尺寸、重量，和/或增加视角和颜色范围、保真度和均匀性。然而，应当理解，本公开不是仅限于显示系统；本文所述的衍射光栅可用于各种需要光束重定向和路由的光学设备中。光瞳复制波导174只是可以有利地使用本公开的衍射光栅的光学模块或系统的非限制性说明性示例。
转向图1B，光学块100B具有不是一个而是三个堆叠的光瞳复制波导，其类似于图1A的光瞳复制波导174。光学块100B包括由第一透明板121支撑的第一向内耦合的光栅结构101和第一向外耦合的光栅结构111，由第二透明板122支撑的第二向内耦合的光栅结构102和第二向外耦合的光栅结构112，以及由第三透明板123支撑的第三向内耦合的光栅结构103和第三向外耦合的光栅结构113。如所示的，板121、122和123以堆叠配置被布置。类似于图1A的投影仪172，投影仪132提供包括红色(R)颜色通道141、绿色(G)颜色通道142和蓝色(B)颜色通道143的输入光束140，每个颜色通道处于其各自对应的中心波长。R颜色通道141用实线示出；G颜色通道142用短虚线示出；以及B颜色通道143用长虚线示出。向内耦合的光栅结构101、102、103和向外耦合的光栅结构111、112、113被配置成将R颜色通道141、G颜色通道142和B颜色通道143耦合进和耦合出相应的板121、122和123，使得只有一个颜色通道在相应的板121、122和123中传播。换句话说，R颜色通道141仅或主要在第一板121中传播，G颜色通道142仅或主要在第二板122中传播，并且B颜色通道143仅或主要在第三板123中传播。为此，向内耦合的衍射光栅结构101、102、103和向外耦合的衍射光栅结构111、112、113被配置为简单地让其他颜色通道通过，基本上不进行衍射，即不进行分束或光束重定向。因为在任何给定的板121、122和123中只有一个颜色通道传播，所以可以改善光学块100B的整体视角和波长性能。包括组合的颜色通道141、142和143的输出光束144朝向视窗134传播。可以提供至少两个光瞳复制波导(包括相应的板和光栅)，但更常见的是三个波导，每个颜色通道对应一个波导。
现在将描述衍射光栅的各种配置，其衍射仅在一个波长处或仅在一个颜色通道处的光，而使剩余的颜色通道传播通过。最初，注意到衍射结构的凹槽可以由介质(例如用于薄衍射光栅的薄材料层)的光学介电常数(即光学频率处的介电常数)的空间振荡来表示。光学介电常数以某个间距(即振荡的空间周期)在空间上振荡，该间距可以是恒定的或变化的。根据本公开，在某个间距处的这种空间变化的振幅，即在给定间距处的光学介电常数的空间振荡的振幅，可以是依赖于波长的；此外，对于不同的光栅间距，振幅的波长依赖性是不同的。例如，向内耦合的光栅结构101、102、103和向外耦合的光栅结构111、112、113可以在用于衍射不同波长的光的通常不同的光栅间距值处具有光学介电常数的空间变化的依赖于波长的振幅。
后一点如图2A所示。处于第一光栅间距的第一向内耦合的光栅结构101和第一向外耦合的光栅结构111(图1B)的光学介电常数的空间变化的第一振幅201在第一波长λ1处高于第一阈值T1(图2A)，并且在第二波长λ2处低于第二阈值T2。处于第二光栅间距的第二向内耦合的光栅结构102和第二向外耦合的光栅结构112的光学介电常数的空间变化的第二振幅202在第一波长λ1处低于第二阈值T2，并且在第二波长λ2处高于第一阈值T1。以这种方式，可以使第一向内耦合的光栅结构101和第一向外耦合的光栅结构111主要衍射第一波长λ1的光，并且可以使第二向内耦合的光栅结构102和第二向外耦合的光栅结构112主要衍射第二波长λ2的光。不同的第一光栅间距和第二光栅间距使得能够对不同的波长进行独立的衍射角控制。本文中，第一波长λ1可以对应于R通道的中心波长，并且第二波长λ2可以对应于G通道的中心波长。更一般地，对于AR/VR显示应用，第一波长λ1和第二波长λ2可以是任何两个不同的光学波长，即对应于电子显示器的不同颜色通道的可见光波长。
对于具有三个颜色通道的视觉显示系统，处于第三光栅间距的第三向内耦合的光栅结构103和第三向外耦合的光栅结构113的光学介电常数的空间变化的第三振幅203(图2B)在对应于蓝色(B)通道的第三波长λ3处高于第一阈值T1，而在第一波长λ1和第二波长λ2处低于第二阈值T2。在这样的系统中，在第三波长λ3处，第一振幅201和第二振幅202都低于第二阈值T2。
在图2A和图2B中，第二阈值T2低于第一阈值T1。两个阈值的比率T2/T1将决定“错误”波长的光泄漏到下游衍射光栅结构中。通常期望降低T2/T1比率，这取决于具有依赖于波长的介电常数变化振幅的衍射光栅结构的制造技术。例如，T2/T1比率可以低于10％。优选地，使T2/T1比率小于1％，或者甚至更低(例如小于0.5％)，以减少重影(ghost)图像的形成，重影图像容易被眼睛拾取，尤其是当重影图像在焦点上时。还应注意，光学介电常数可以是复数，其包括对应于折射率的实部和对应于吸收系数的虚部。本文中，术语“介电常数的振幅”指的是折射率的振幅、吸收系数或者更一般地指的是复光学介电常数的模量，即折射率平方以及吸收系数平方之和的平方根。还应注意，对于光学介电常数是实数的情况，介电常数的空间变化振幅对应于处于特定间距的衍射光栅结构的被称为折射率对比度(refractive index contrast)或简称为折射率对比度(index contrast)的值。对于这种纯折射光栅结构，第一波长λ1处的第一折射率对比度高于第一阈值T1，并且在第二波长λ2处，第一折射率对比度低于第二阈值T2。在第一波长λ1处，第二折射率对比度低于第二阈值T2，并且在第二波长λ2处，第二折射率对比度高于第一阈值T1。第三折射率对比度也可以遵循这一规则，即它在第三波长λ3处高于第一阈值T1，但在剩余的两个波长λ1和λ2处低于第二阈值T2。
图2C示出了本公开的纯折射衍射光栅的折射率对比度谱。第一向内耦合的光栅结构101和第一向外耦合的光栅结构111具有依赖于波长的折射率对比度211；第二向内耦合的光栅结构102和第二向外耦合的光栅结构112具有依赖于波长的折射率对比度212；以及第三向内耦合的光栅结构103和第三向外耦合的光栅结构113具有依赖于波长的折射率对比度213。第一折射率对比度211在第一(R)颜色通道的波长处达到峰值，并且在第二(G)和第三(B)通道波长处基本为零；第二折射率对比度212在第二(G)通道波长处达到峰值，并且在第一(R)和第三(B)通道波长处基本为零；以及第三折射率对比度213在第三(B)通道波长处达到峰值，并且在第一(R)和第二(G)通道波长处基本为零。结果，第一向内耦合的光栅结构101和第一向外耦合的光栅结构111对于G和B通道波长的光基本上是透明的，即不可见的；第二向内耦合的光栅结构102和第二向外耦合的光栅结构112对于R和B通道波长基本上是透明的；以及第三向内耦合的光栅结构103和第三向外耦合的光栅结构113对于R和G通道波长基本上是透明的，使得每个颜色通道严格地在分配给它的板中行进。换句话说，R颜色通道141仅在第一板121中行进，G颜色通道142仅在第二板122中行进，以及B颜色通道143仅在第三板123中行进。
向内耦合的光栅结构101、102和103可以被认为是复合向内耦合的衍射光栅150的部件(图1B)，以及向外耦合的光栅结构111、112和113可以被认为是复合向外耦合的衍射光栅160的部件。在一个实施例中，向内耦合的光栅结构101、102和103可以组合在单个衬底上，并且向外耦合的结构111、112和113可以组合在相同或不同的衬底上。参考图3A，用于近眼显示器(NED)或头戴式显示器(HMD)的光学块300包括向内耦合的衍射光栅350和向外耦合的衍射光栅360，两者都由板320支撑。转到图3B，向内耦合的光栅350包括用于R通道的第一光栅结构351；用于G通道的第二光栅结构352；和用于B通道的第三光栅结构353。光栅结构351-353彼此相邻设置，并且可以彼此直接叠置。每个光栅结构都有自己的间距d。一级衍射的衍射方程可以写成：
sinθ＝n(λ/d) (1)其中θ是衍射角，λ是波长，以及n是周围介质的折射率。根据方程(1)可得，当光栅结构351、352和353的间距比率等于相应的R颜色通道141、G颜色通道142和B颜色通道143的波长比率时，入射光束140的所有颜色分量的衍射将以基本相同的角度发生，使得向内耦合的光栅350能够将R颜色通道141、G颜色通道142和B颜色通道143重定向到基本相同的方向。换句话说，向内耦合的光栅350可以将入射光束140重定向到期望的角度，即所需的小角度(shallow angle)，而基本上没有颜色分离或色散。可以以类似的方式构造向外耦合的光栅360。如图2C所示，向内耦合的光栅350和向外耦合的光栅360可以是纯折射的，或者更一般地，它们可以具有如图2A和图2B所示的复光学介电常数。还应注意，向内耦合的光栅350和向外耦合的光栅360可用于替代图1A的光学块100A的相应光栅181和182，导致改善光学块100A的波长范围、视角范围或两者。
根据本公开的一个方面，用于将圆形点光束进行光束耦合、重定向和/或压缩成椭圆形点光束的衍射光栅可以以这样的方式包括具有依赖于波长的空间变化的光学介电常数的材料，使得光栅结构351、352和353在同一材料层中实现，从而产生具有独特特性的新型衍射光栅。参考图4，在3D光谱空间图中示出了期望的光学介电常数ε(λ,x)。在第一波长(例如R颜色通道的中心波长λR)处，空间变化的光学介电常数模量|ε(λ,x)|包括处于第一间距d1的多个峰401和谷402。在不同的第二波长(例如G颜色通道的中心波长λG)处，空间变化的光学介电常数模量|ε(λ,x)|包括处于不同的第二间距d2的多个峰411和谷412。可选地，在不同的第三波长(例如B颜色通道的中心波长λB)处，空间变化的光学介电常数模量|ε(λ,x)|包括处于不同的第三间距d3的多个峰421和谷422。这允许以与上述复合向内耦合的衍射光栅350和复合向外耦合的衍射光栅360类似的方式来独立地控制不同波长处的衍射角，仅在这种情况下，它是具有三个不同光栅的堆叠的光学性质的相同光学介质。例如，当间距d1/d2/d3的比率等于对应的R、G、B颜色通道的中心波长λR/λG/λB的比率时，入射光束500(图5)的所有颜色分量的衍射将以同一角度θ发生，使得衍射光栅能够将R 501、G 502和B503通道子光束重定向到相同的方向。虽然空间变化的光学介电常数ε(λ,x)的大小取决于实现技术和所使用的材料，但是使用具有纯实数光学介电常数ε(λ,x)(即空间变化的光学介电常数ε(λ,x)由空间变化的折射率支配)的光学透明材料可能是有利的。这种光栅不具有吸收性，并且可能具有更高的整体衍射效率。
现在将考虑上述衍射光栅的实现的非限制性示例。参考图6A，衍射光栅600A包括第一光栅结构601和第二光栅结构602。如所示的，第一光栅结构601包括处于第一空间变化密度的多个第一嵌入的纳米粒子611，例如在处于第一间距d1的块621中的纳米粒子611。第一纳米粒子611(示出为白色球体)在第一波长(例如，R通道的中心波长λR)处具有表面等离子体共振。当外部光场的频率接近纳米粒子的表面等离子体波(即，表面电磁波)的共振频率时，发生表面等离子体共振，导致纳米粒子充当用于在光学频率处电磁辐射的共振纳米天线。这种天线共振效应导致纳米粒子的光吸收和发射截面的显著增强。与常规天线一样，共振频率取决于天线的尺寸和形状，使得能够对这种共振进行微调。第一纳米粒子611和第二纳米粒子612可以是球形的、椭球形的、棒状的等。
如所示的，第二光栅结构602包括处于第二空间变化密度的多个第二嵌入的纳米粒子612，例如在处于不同的第二间距d2的块622中的纳米粒子612。第二纳米粒子612(示出为黑色球体)在不同的第二波长(例如电子显示器的G通道的中心波长λG)处具有表面等离子体共振。为此，第一纳米粒子611和第二纳米粒子612可以具有不同的外径(对于球形粒子)，可以是不同的材料(例如金(Au)和银(Ag))，可以包括由不同材料(例如半导体或电介质等)制成的核。后一种构造在本文中称为“核壳”纳米粒子构造。核壳纳米粒子也可以具有不同的直径和核壳填充比。例如，第一纳米粒子可以包括第一直径的金属半导体核壳，并且第二纳米粒子可以包括第二直径的金属半导体核壳。替代地，第一纳米粒子可以包括第一直径的金属电介质核壳，并且第二纳米粒子可以包括第二直径的金属电介质核壳。用于B通道的第三光栅结构也可以布置有根据直径、组成、填充比等而不同的第三纳米粒子。
在操作中，第一纳米粒子611由于表面等离子体共振而散射R通道波长的光，而G和B通道波长的散射为零或小到可忽略不计。由于纳米粒子布置在具有光栅状配置的块621、622中，它们一起充当衍射光栅的线(line)，导致R通道以由上面的光栅方程(1)定义的预定角度被衍射，同时对于G和B通道基本透明和/或无衍射。类似地，第二纳米粒子612仅散射和衍射G通道的光；以及第三纳米粒子仅散射和衍射电子显示器的B通道的光。作为非限制性示例，衍射光栅600A可以用于图3A、3B的向内耦合的光栅350和/或图3A的向外耦合的光栅360。在图6B中，衍射光栅600B包括叠加在公共层620中的第一光栅结构601和第二光栅结构602，即第一纳米粒子611和第二纳米粒子612嵌入在同一层620中。在该实施例中，第一光栅结构601包括处于第一光栅间距的第一纳米粒子611的第一条带阵列，并且第二光栅结构602包括处于不同的第二光栅间距的纳米粒子612的第二条带阵列。类似地，在图6B中为了简洁而省略的第三光栅结构可以包括处于第三光栅间距的纳米粒子的第三条带阵列，等等。当不同的纳米粒子嵌入同一层中时，所产生的光学介电常数可能具有多波长共振。换句话说，在一个波长处，空间变化的光学介电常数ε(λ,x)包括处于第一间距的多个峰和谷，而在另一个不同的波长处，空间变化的光学介电常数ε(λ,x)包括处于不同的第二间距的多个峰和谷，等等。在图4中已经针对下列三个颜色通道的三个中心波长：红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)，示出了这种多波长、空间变化的介电常数ε(λ,x)。
转向图6C，在俯视图中示出了衍射光栅600C。衍射光栅600C类似于图6B的衍射光栅600B，只是在图6C中，第一纳米粒子611和第二纳米粒子612粘附到层620的相同上表面，即层620用作第一纳米粒子611和第二纳米粒子612的衬底层。这提供了空间变化的光学介电常数ε(λ,x)的相应峰和谷的振幅的双波长共振。在图6C中，第一光栅结构601包括处于第一光栅间距的第一纳米粒子611的第一条带阵列，并且第二光栅结构602包括处于不同的第二光栅间距的第二纳米粒子612的第二条带阵列。如上面参考图4所解释的，通过提供在不同的第三波长处具有等离子体共振的第三纳米粒子的第三条带，可以获得空间变化的光学介电常数ε(λ,x)的相应峰和谷的振幅的三波长共振。这三个波长可以被选择为接近R、G和B颜色通道的中心，这使得衍射光栅600C能够将R、G和B颜色通道彼此独立地重定向，包括在相同的方向上衍射R、G和B颜色通道(如果需要的话)。
现在参考图6D，在俯视图中示出了衍射光栅600D。衍射光栅600D类似于图6C的衍射光栅600C，只是在图6D中，使用基于光刻的微制造方法来定义具有不同等离子体共振波长的纳米粒子，并且纳米粒子以重复的几何图案布置，即，在图6D中以交错的菱形图案布置。为了简洁起见，只显示了两种类型的纳米粒子。第一纳米粒子631被示为六边形，并且第二纳米粒子632被示为星形。第一纳米粒子631的条带以第一间距(即条带周期)形成第一子阵列641，并且第二纳米粒子632的条带以更大的第二间距(即条带周期)形成第二子阵列642，产生双波长共振空间变化的有效介电常数ε(λ,x)。应当理解，星形和六边形形状的纳米粒子仅仅是示例，并且各种光刻定义的纳米粒子形状/尺寸/组成是可能的，使得人们能够设计制造由纳米粒子子阵列形成的光栅的波长和偏振灵敏度。
光刻和其他微制造方法不仅可以用于制造图6D的衍射光栅600D，还可以用于制造其他类型的基于等离子体共振的波长选择性衍射光栅。作为示例，参考图7A-图7F，示出了制造图6C的衍射光栅600C的过程。使用任何合适的技术(例如旋涂)，衬底700(图7A)被涂覆有光致抗蚀剂(photoresist)702(图7B)。然后，根据所期望的衍射光栅结构，使用合适的光刻技术(例如通过预先配置的掩模将光致抗蚀剂暴露于UV光，并剥离或去除未被UV光聚合的未曝光的光致抗蚀剂)，来图案化光致抗蚀剂702(图7C)。然后施加溶液704(图7D)，其改变衬底700的亲水/疏水性质。在这个示例中，衬底700是疏水的，而溶液使衬底700的暴露区域亲水，但是相反的情况(即亲水衬底和疏水溶液)也是可能的。然后，施加纳米粒子(例如银纳米粒子)的胶体溶液706(图7E)，使得纳米粒子粘附到衬底的暴露区域708(图7F)，该暴露区域708被制成亲水的(图7D)。然后，剩余的光致抗蚀剂702可以被剥离。
转向图8A至图8D，可以以各种构型提供各种纳米粒子，这些构型包括但不限于星形(图8A)、六边形(图8B)、复合球体或核壳(图8C)和有序或成阵列的结构(图8D)。有序和非有序(即伪随机)的纳米粒子构型和结构都可以通过光刻来定义。
可以提供其他类型的光栅。根据一个实施例，可以使用超材料来构造对于不同波长具有不同光栅间距的衍射光栅。超材料结构可以包括金属、半导体和/或绝缘体的薄层堆叠，其被图案化以按期望间距形成条带阵列。参考图9，超材料衍射光栅900包括衬底902和图案化的双曲超材料层904，该双曲超材料层904由衬底902支撑，并且包括银(Ag；910)和硅(Si；912)的堆叠908，该堆叠被一直蚀刻到衬底902，以构造条带914的阵列，条带914充当衍射光栅凹槽，用于衍射入射光束920以产生衍射光束922。条带914的阵列可以用折射率匹配的材料915回填。
堆叠908的光学性质取决于Ag/Si填充比。Ag和Si的整体光学介电常数如图10A所示。Ag介电常数的实部Re(εAg)1002用粗实线表示，Ag介电常数的虚部Im(εAg)1004用粗虚线表示，Si介电常数的实部Re(εSi)1006用细实线表示，以及Si介电常数的虚部Im(εSi)1008用细虚线表示。工程超材料介电常数(标有“⊥”符号)在图10B中示出，用于入射平面中的光束偏振924(图9)。超材料介电常数的实部Re(ε⊥)1010(图10B)用粗实线表示，超材料介电常数的虚部Im(ε⊥)1012用粗虚线表示，以及匹配材料915的介电常数ε匹配1014用细点虚线(thindottedline)表示。从图10B可以看出，对应于折射率的介电常数的实部Re(ε⊥)1010可以与周围介质(即该实例中的匹配材料915)的介电常数ε匹配1014相匹配，实质上导致光栅对于折射率匹配波长的光束“消失”。
后一点在图11中被进一步示出。光栅介电常数1102在交叉点1100处与周围介质介电常数1104相交。在光栅介电常数1102和周围介质介电常数1104之间的交叉点1100的波长处，介电常数对比度曲线1106具有空值(null)，即下降到零。对于折射率匹配波长的光，置空(nulling)点实际上“擦除”了光栅。因此，折射率匹配波长的光根本不会被衍射。
双曲超材料光栅的置空效应可用于构造复合衍射光栅，其中两个不同波长的光的衍射被独立控制。参考图12，衍射光栅1200包括由衬底1240支撑的第一光栅结构1201和第二光栅结构1202。第一光栅结构1201和第二光栅结构1202在第一波长和不同的第二波长处工作。第一光栅结构1201和第二光栅结构1202中的每一个都包括其自己的双曲超材料光栅结构，具有不同的超材料条带间距，并且可选地具有不同的超材料组成。在图12中，第一光栅结构1201具有比第二光栅结构1202更大的间距。如图13所示，可以选择Ag/Si填充比，例如以消除(null out)两个不同波长处的折射率对比度，并相应地消除衍射效率。第一光栅结构1201在第二波长(即第二光栅结构1202的工作波长)处具有空点1301，反之亦然：第二光栅结构1202在第一波长处具有空点1302。这允许独立控制光束920在两个波长处的衍射，如果需要，可以使衍射光束922对于这两个波长的衍射角相等。作为整体，衍射光栅1200可以由上面图4所示的空间变化的、依赖于波长的介电常数来描述，其中在第一波长处，空间变化的光学介电常数包括处于第一间距的多个峰和谷，并且在不同的第二波长处，空间变化的光学介电常数包括处于不同的第二间距的多个峰和谷。
可以使用Ag/Si以外的其他材料组合。作为非限制性示例，第一光栅结构1201的每个条带可以包括交替的金属和半导体层或者金属和电介质层的堆叠，其具有第一组厚度以在第二波长处提供零折射率对比度。第二光栅结构的每个条带可以包括交替的金属和半导体层或者金属和电介质层或者两者的堆叠，其具有第二组厚度以在第一波长处提供零折射率对比度。可以使第一光栅间距与第二光栅间距的比率等于第一波长与第二波长的比率。根据上面的光栅方程(1)，照射在这种衍射光栅上的光束的第一波长处和第二波长处的分量将以基本相同的角度被衍射。
上述衍射光栅结构(包括等离子体共振光栅和超材料光栅)，可用于构造用于近眼显示器的光波导，例如图1A的光学块100的光瞳复制波导174；图1B的光学块100B的板121上的光栅结构101/111、板122上的光栅结构102/112、板123上的光栅结构103/113；或者图3A的光学块300的板320上的光栅结构350/360。
参考图14A以及还参考图2A，用于近眼显示器的光波导1400A包括透明材料的板1420和由板1420支撑的第一光栅结构1451。第一光栅结构1451具有光学介电常数的第一空间变化，其具有第一光栅间距和依赖于波长的第一振幅201(图2A)，使得在第一波长λ1处，第一振幅201高于第一阈值T1，且在第二波长λ2处，第一振幅201低于第二阈值T2。第二光栅结构1452由第一光栅结构1451支撑。第二光栅结构1452具有光学介电常数的第二空间变化，其具有第二光栅间距和依赖于波长的第二振幅202，使得在第一波长λ1处，第二振幅202低于第二阈值T2，且在第二波长λ2处，第二振幅高于第一阈值T1(图2A)。
第一光栅结构1451的光学介电常数可以包括空间变化的实部，即具有依赖于波长的第一折射率对比度的折射率，并且第二光栅结构1452的光学介电常数可以包括空间变化的实部，即具有依赖于波长的第二折射率对比度的折射率，例如图2C中所示的：在第一波长λ1处，第一折射率对比度211高于第一阈值T1，且在第二波长λ2处，第一折射率对比度211低于第二阈值T2。此外，如图2C所示，在第一波长λ1处，第二折射率对比度212低于第二阈值T2，且在第二波长λ2处，第二折射率对比度212高于第一阈值T1。
仍然参考图14A，以及现在还参考图2B和图2C，可以提供第三光栅结构1453。第三光栅结构1453可以由第二光栅结构1452支撑，并且可以具有光学介电常数的第三空间变化。第三空间变化具有第三光栅间距和依赖于波长的第三振幅。在第一波长λ1处和第二波长λ2处，第三振幅203低于第二阈值T2(图2B)，且在第三波长λ3处，第三振幅203高于第一阈值T1。此外，在第三波长λ3处，第一振幅201和第二振幅202都低于第二阈值T2。第一波长λ1、第二波长λ2和第三波长λ3中的每一个可以对应于电子显示器(例如图1A的电子显示器176)的颜色通道。在不同颜色通道的衍射角如图5所示是相同的实施例中，可以使第一光栅间距与第一波长λ1的比率；第二光栅间距与第二波长λ2的比率；和第三光栅间距与第三波长λ3的比率彼此相等，使得各个颜色通道子光束501、502和503共同传播。
可以通过使用各种技术和材料系统来实现光栅结构1451、1452和1453。在一个实施例中，光栅结构1451、1452和1453可以包括具有不同表面等离子体共振波长或光学频率的共振纳米粒子，其可以对应于电子显示器的不同颜色通道。可以以不同的空间变化密度来布置各种形状/尺寸/组成的纳米粒子(例如如图8A-图8D所示)，以形成相应的光栅凹槽结构(例如如图6A-图6D所示)。
在一个实施例中，类似于图12的第一光栅结构1201和第二光栅结构1202，第一光栅结构1451可以包括第一双曲超材料，该第一双曲超材料包括处于第一光栅间距的第一条带阵列，并且第二光栅结构1452可以包括第二双曲超材料，该第二双曲超材料包括处于第二光栅间距的第二条带阵列。如图13所示，第一条带阵列在第二波长处可以具有零折射率对比度，并且第二条带阵列在第一波长处可以具有零折射率对比度。每个第一条带可以包括交替的金属和半导体层、或者金属和绝缘层、或者两者的堆叠，其具有第一组厚度，以在第二波长处提供零折射率对比度。类似地，每个第二条带可以包括交替的金属和半导体层的堆叠，其具有第二组厚度，以在第一波长处提供零折射率对比度。在共振纳米粒子和超材料光栅的实施例中，可以选择条带的周期或间距，以彼此独立地控制R、G和B颜色通道的衍射角。例如，所有三个衍射角可以被选择为彼此相等。
转向图14B，以及还参考图4，用于近眼显示器的光波导1400B包括透明材料的板1420和由该板支撑的衍射光栅1460，衍射光栅1460包括具有空间变化的光学介电常数ε(λ,x)的材料层，该空间变化的光学介电常数ε(λ,x)如图4的3D光谱空间图所示依赖于波长。在第一(R通道)波长λ1处，空间变化的光学介电常数ε(λ,x)包括处于第一空间周期或间距d1的多个峰401和谷402。在第二(G通道)波长λ2处，空间变化的光学介电常数ε(λ,x)包括处于不同的第二空间周期或间距d2的多个峰411和谷412。此外，在第三(B通道)波长λ3处，空间变化的光学介电常数ε(λ,x)可以包括处于第三空间周期或间距d3的多个峰421和谷422。对于相位光栅，空间变化的光学介电常数ε(λ,x)包括空间变化的折射率n(λ,x)，其对应于空间变化的光学介电常数ε(λ,x)的实部。对于振幅光栅，空间变化的光学介电常数ε(λ,x)包括空间变化的吸收系数α(λ,x)，其对应于空间变化的光学介电常数ε(λ,x)的虚部。为了确保入射到衍射光栅1460上的光束的第一波长λ1处和第二波长λ2处的分量如图5所示以基本相同的衍射角被衍射，可以使第一间距d1与第二间距d2的比率等于第一波长λ1与第二波长λ2的比率。类似地，可以使第一间距d1与第三间距d3的比率等于第一波长λ1与第三波长λ3的比率。
可以使用各种技术和材料系统来构造衍射光栅1460。在一个实施例中，衍射光栅1460可以包括处于第一空间变化密度的多个第一纳米粒子以及处于第二空间变化密度的多个第二纳米粒子，该多个第一纳米粒子在第一波长λ1处具有表面等离子体共振，该多个第二纳米粒子在第二波长λ2处具有表面等离子体共振。可以以不同的空间变化密度来布置各种形状/尺寸/组成的纳米粒子(例如如图8A-图8D所示)，以形成相应的光栅凹槽结构(例如如图6C和图6D所示)。作为非限制性示例，多个第一纳米粒子可以包括处于第一间距的第一纳米粒子条带阵列，并且多个第二纳米粒子可以包括处于第二间距的第二纳米粒子条带阵列。
仍然参考图14B，以及现在还参考图12和图13，衍射光栅1460还可以包括双曲超材料。双曲超材料可以包括处于第一间距的第一条带阵列(图12中的第一光栅结构1201)和处于第二间距的第二条带阵列(图12中的第二光栅结构1202)，第一条带阵列在第二波长处具有零折射率对比度(图13中的1302)，第二条带阵列在第一波长处具有零折射率对比度(图13中的1301)。每个第一条带可以包括交替的金属和半导体层、金属和绝缘体层、或两者的堆叠，其具有第一组厚度以在第二波长λ2处提供零折射率对比度，并且每个第二条带可以包括交替的金属和半导体层、金属和绝缘体层或两者的堆叠，其具有第二组厚度以在第一波长λ1处提供零折射率对比度。在共振纳米粒子和超材料光栅的实施例中，可以选择条带的周期或间距，以彼此独立地控制R、G和B颜色通道的衍射角。例如，如图5所示，所有三个衍射角可以被选择为彼此相等。
上述衍射光栅可用于近眼显示器的光学块中，例如图1A或图15的光学块100A。具体参考图15，近眼显示器1500包括主体1580、光瞳复制光波导1574、用于提供图像光1588的电子显示器1576、以及由透镜1578表示的用于将图像光1588准直的准直光学器件。图像光1588可以包含至少两个颜色通道(例如第一和第二颜色通道)、三个颜色通道(例如第一、第二和第三颜色通道)或者更多。电子显示器1576和透镜1578是投影仪1572的一部分。主体1580可以具有不同的形状，从简单的太阳镜框架到戴在使用者头部上的完整壳体。
光瞳复制光波导1574被配置成在其中接收和引导来自电子显示器1576的图像光1588。为此，光波导1574可以包括诸如玻璃或塑料的透明材料的板1575、由板1575支撑的第一衍射光栅1581，第一衍射光栅1581被配置用于接收来自电子显示器1576的图像光1588，用于耦合到板1575中。第二衍射光栅1582由相同的板1575支撑，并且被配置用于通过板1575接收来自第一衍射光栅1581的光束1588，用于从板1575向外耦合输出光1589。在一个实施例中，第一衍射光栅1581和第二衍射光栅1582中的每一个都包括材料层，其具有如图4所示的依赖于波长的空间变化的光学介电常数。在第一颜色通道的第一波长λ1处，空间变化的光学介电常数ε(λ,x)包括处于第一空间周期(间距)的多个峰和谷，而在第二颜色通道的第二波长λ2处，空间变化的光学介电常数ε(λ,x)包括处于不同的第二空间周期(间距)的多个峰和谷。在介电常数ε(λ,x)由实数表示的情况下，介电常数变化的振幅对应于依赖于波长的、光栅结构的折射率对比度，使得在不同的波长处，光栅具有不同的间距。替代地或附加地，第一衍射光栅1581和第二衍射光栅1582中的每一个还可以包括多个光栅结构，每个光栅结构用于衍射在特定颜色通道处的光，同时在剩余颜色通道的波长处是基本透明的，即不表现衍射。这种光栅的介电常数的空间变化振幅在图2A-图2C中被示意性地示出。在任一上述实施例中，可以选择光学介电常数ε(λ,x)或折射率n(λ,x)的空间变化的周期或间距，以彼此独立地控制不同颜色通道(即R、G和B颜色通道)的衍射角。
作为非限制性示例，如图5所示，所有三个衍射角可以被选择为彼此相等。在操作中，照射在第一衍射光栅1581上的图像光1588(图15)的第一波长λ1处和第二波长λ2处的分量以基本相同的角度被衍射，以便在板1575中进行联合传播。照射到第二衍射光栅1582上的图像光1588的第一波长λ1处和第二波长λ2处的分量以基本相同的角度被衍射，以便朝向用户的眼睛进行联合传播。第一衍射光栅1581和第二衍射光栅1582也可以被配置成以三个或更多个颜色通道操作。例如，第一波长λ1可以对应于红色(R)颜色通道，第二波长λ2可以对应于绿色(G)颜色通道，以及第三波长λ3可以对应于蓝色(B)颜色通道。如图4所示，衍射光栅1581和1582的介电常数模量|ε(λ,x)|的空间振荡的振幅和空间周期(间距)可以是依赖于波长的，以便独立控制每个颜色通道的衍射角。
本文描述的衍射光栅和光学块可以用于以有效、节省空间的方式为HMD提供多波长光引导、导向和/或耦合。参考图16A和图16B，近眼人工现实(AR)/虚拟现实(VR)显示器1600是图15的近眼显示器1500的实施例，并且可以包括图1A的光学块100A、图1B的光学块100B和/或图3A的光学块300。如所示的，近眼AR/VR显示器1600的主体或框架1602具有一副眼镜的形状因子。显示器1604包括显示组件1606，例如，图1A的光学块100A或图1B的光学块100B。显示组件1606(图16B)将图像光1608提供给视窗1610，即可以向用户的眼睛1612呈现高质量图像的几何区域。显示组件1606可以包括用于每只眼睛的单独的VR/AR显示模块，或者用于两只眼睛的一个VR/AR显示模块。对于后一种情况，光学开关设备可以耦合到单个电子显示器，用于以时序方式将图像引导到用户的左眼和右眼，一帧用于左眼，一帧用于右眼。图像被足够快速地呈现，即以足够快的帧速率呈现，使得单只眼睛不会注意到闪烁(flicker)，并且感知到周围虚拟或增强的景物的平滑、稳定的图像。显示组件1606的电子显示器可以包括例如但不限于液晶显示器(LCD)、有机发光显示器(OLED)、无机发光显示器(ILED)、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器、透明有机发光二极管(TOLED)显示器、投影仪或其组合。更一般地，这样的显示器可以被提供用于本文公开的任何显示模块或系统。近眼AR/VR显示器1600还可以包括眼睛跟踪系统1614，用于实时确定用户的眼睛1612的凝视方向和/或辐辏角(vergence angle)。然后，所确定的辐辏角可以用于获得显示器的变焦透镜的屈光度值，以减少辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict)。所确定的凝视方向和辐辏角也可以用于取决于视角和眼睛位置的对视觉伪影(visual artifacts)的实时补偿，例如亮度均匀性、颜色均匀性、瞳孔游移(pupil swim)等。此外，所确定的辐辏角和凝视角度可用于与用户的交互、突出显示对象、将对象带到前景、动态创建附加对象或指示器(pointer)等。此外，近眼AR/VR显示器1600可以包括音频系统，例如小型扬声器或头戴式耳机(headphone)。
现在转到图17，HMD 1700是AR/VR可佩戴显示系统的示例，其包围用户的面部，以便更大程度地沉浸在AR/VR环境中。HMD 1700可以作为AR/VR系统的一部分向用户呈现内容，该AR/VR系统还可以包括用户位置和定向跟踪系统、外部摄像机、手势识别系统、用于向系统提供用户输入和控制的控制装置、以及用于存储软件程序和其他数据以与用户交互从而与AR/VR环境交互的中央控制台。HMD 1700的功能是用计算机生成的图像来增强物理、真实世界环境的视图，和/或生成完全虚拟的3D图像。HMD 1700可以包括前主体1702和带1704。前主体1702被配置用于以可靠且舒适的方式放置在用户的眼睛前面，并且带1704可以被拉伸以将前主体1702固定在用户的头部上。显示系统1780可以包括图1A的光学块100A、图1B的光学块100B、图3A的光学块300、图15的近眼显示器1500，它们可以包括本文描述的任何衍射光栅。显示系统1780可以设置在前主体1702中，用于向用户呈现AR/VR图像。前主体1702的侧部1706可以是不透明的或透明的。
在一些实施例中，前主体1702包括定位器1708、用于跟踪HMD 1700的加速度的惯性测量单元(IMU)1710、以及用于跟踪HMD 1700的位置的位置传感器1712。定位器1708由虚拟现实系统的外部成像设备跟踪，使得虚拟现实系统可以跟踪整个HMD 1700的位置和定向。由IMU和位置传感器1712生成的信息可以与通过跟踪定位器1708获得的位置和定向进行比较，以改进对HMD 1700的位置和定向的跟踪。当用户在3D空间中移动和转动时，精确的位置和定向对于向用户呈现适当的虚拟场景是重要的。
HMD 1700还可以包括眼睛跟踪系统1714，其实时确定用户眼睛的定向和位置。获得的眼睛的位置和定向允许HMD 1700确定用户的凝视方向，并相应地调整由显示系统1780生成的图像。在一个实施例中，确定辐辏，即用户眼睛凝视的会聚角(convergence angle)。所确定的凝视方向和辐辏角也可以用于依赖于视角和眼睛位置的对视觉伪影的实时补偿，例如亮度均匀性、颜色均匀性、瞳孔游移等。此外，所确定的辐辏角和凝视角度可用于与用户的交互、突出显示对象、将对象带到前景、创建附加对象或指示器等。还可以提供音频系统，其包括例如内置在前主体1702中的一组小型扬声器。
用于实现结合本文所公开的方面描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件可以用被设计成执行本文所述功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立门(discrete gate)或晶体管逻辑、分立硬件部件或它们的任意组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但是替代地，处理器可以是任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP内核结合的一个或更多个微处理器、或者任何其他这样的配置。替代地，一些步骤或方法可以由特定于给定功能的电路来执行。
本公开的范围不受本文描述的具体实施例的限制。实际上，根据前面的描述和附图，除了本文描述的那些实施例和修改之外，其他各种实施例和修改对于本领域普通技术人员来说将是明显的。因此，这样的其他实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，尽管在本文已经在用于特定目的特定环境中在特定实现的上下文中描述了本公开，但是本领域的普通技术人员将认识到其有用性不限于此，并且本公开可以有益地在任何数量的环境中为了任何数量的目的而实现。因此，所阐述的权利要求应该根据如本文描述的本公开的全部范围来解释。

Claims (15)

1.一种衍射光栅，包括：
具有第一折射率对比度的第一光栅结构，其中所述第一折射率对比度具有第一光栅间距和依赖于波长的第一振幅，使得在第一波长处，所述第一振幅高于第一阈值，且在第二波长处，所述第一振幅低于第二阈值，其中所述第二阈值低于所述第一阈值；和
具有第二折射率对比度的第二光栅结构，其中所述第二折射率对比度具有第二光栅间距和依赖于波长的第二振幅，使得在所述第一波长处，所述第二振幅低于所述第二阈值，且在所述第二波长处，所述第二振幅高于所述第一阈值；
其中所述第一光栅间距与所述第二光栅间距的比率等于所述第一波长与所述第二波长的比率，使得在操作中，照射在所述衍射光栅上的光束的所述第一波长处和所述第二波长处的分量以基本相同的衍射角被衍射。
2.根据权利要求1所述的衍射光栅，其中所述第二阈值低于所述第一阈值的10％。
3.根据权利要求2所述的衍射光栅，其中所述第二阈值低于所述第一阈值的1％。
4.根据权利要求3所述的衍射光栅，其中在所述第二波长处，所述第一折射率对比度基本为零，并且其中在所述第一波长处，所述第二折射率对比度基本为零。
5.根据权利要求4中所述的衍射光栅，其中所述第一光栅结构包括第一双曲超材料，所述第一双曲超材料包括处于所述第一光栅间距并且在所述第二波长处具有零折射率对比度的第一条带阵列，并且其中所述第二光栅结构包括第二双曲超材料，所述第二双曲超材料包括处于所述第二光栅间距并且在所述第一波长处具有零折射率对比度的第二条带阵列。
6.根据权利要求5所述的衍射光栅，其中每个第一条带包括具有第一组厚度的交替的金属和半导体层的堆叠，以在所述第二波长处提供零折射率对比度，并且其中每个第二条带包括具有第二组厚度的交替的金属和半导体层的堆叠，以在所述第一波长处提供零折射率对比度。
7.根据权利要求5所述的衍射光栅，其中每个第一条带包括具有第一组厚度的交替的金属和电介质层的堆叠，以在所述第二波长处提供零折射率对比度，并且其中每个第二条带包括具有第二组厚度的交替的金属和电介质层的堆叠，以在所述第一波长处提供零折射率对比度。
8.根据权利要求1所述的衍射光栅，还包括具有第三折射率对比度的第三光栅结构，其中所述第三折射率对比度具有第三光栅间距和依赖于波长的第三振幅，使得在所述第一波长和所述第二波长处，所述第三振幅低于所述第二阈值，且在第三波长处，所述第三振幅高于所述第一阈值，其中在所述第三波长处，所述第一振幅和所述第二振幅都低于所述第二阈值，并且其中所述第一波长、所述第二波长和所述第三波长中的每一个对应于电子显示器的颜色通道。
9.根据权利要求8所述的衍射光栅，其中所述第一光栅间距与所述第一波长的比率、所述第二光栅间距与所述第二波长的比率和所述第三光栅间距与所述第三波长的比率彼此相等，使得在操作中，由所述电子显示器发射并照射到所述衍射光栅上的光束的所述第一波长处、所述第二波长处和所述第三波长处的分量以基本相同的衍射角被衍射。
10.根据权利要求1所述的衍射光栅，其中所述第一光栅结构和所述第二光栅结构彼此相邻设置。
11.根据权利要求10所述的衍射光栅，其中，所述第二光栅结构设置在所述第一光栅结构的顶部。
12.一种衍射光栅，包括具有依赖于波长的空间变化的光学介电常数的超材料的层，使得：
在第一波长处，所述空间变化的光学介电常数包括处于第一间距的多个峰和谷；和
在不同的第二波长处，所述空间变化的光学介电常数包括处于不同的第二间距的多个峰和谷；
其中所述空间变化的光学介电常数包括空间变化的折射率；
其中所述超材料包括双曲超材料；并且
其中所述第一间距与所述第二间距的比率等于所述第一波长与所述第二波长的比率，使得在操作中，照射在所述衍射光栅上的光束的所述第一波长处和所述第二波长处的分量以基本相同的衍射角被衍射。
13.一种衍射光栅，包括具有依赖于波长的空间变化的光学介电常数的超材料的层，使得：
在第一波长处，所述空间变化的光学介电常数包括处于第一间距的多个峰和谷；和
在不同的第二波长处，所述空间变化的光学介电常数包括处于不同的第二间距的多个峰和谷；
其中，所述超材料包括第一条带阵列和第二条带阵列，所述第一条带阵列处于所述第一间距并且在所述第二波长处具有零折射率对比度，所述第二条带阵列处于所述第二间距并且在所述第一波长处具有零折射率对比度；并且
其中所述第一间距与所述第二间距的比率等于所述第一波长与所述第二波长的比率，使得在操作中，照射在所述衍射光栅上的光束的所述第一波长处和所述第二波长处的分量以基本相同的衍射角被衍射。
14.根据权利要求13所述的衍射光栅，每个第一条带包括具有第一组厚度的交替的金属和半导体层的堆叠，以在所述第二波长处提供零折射率对比度，并且其中每个第二条带包括具有第二组厚度的交替的金属和半导体层的堆叠，以在所述第一波长处提供零折射率对比度。
15.根据权利要求13所述的衍射光栅，每个第一条带包括具有第一组厚度的交替的金属和电介质层的堆叠，以在所述第二波长处提供零折射率对比度，并且其中每个第二条带包括具有第二组厚度的交替的金属和电介质层的堆叠，以在所述第一波长处提供零折射率对比度。
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