CN115917367A - 基于纳米颗粒的全息光聚合物材料和相关应用 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种全息混合物，其包括用于通过全息曝光形成光栅的纳米颗粒。在多种实施方案中，全息混合物的曝光引起纳米颗粒扩散到暗条纹区域，这产生富含纳米颗粒的区域和贫含纳米颗粒的区域。一些实施方案包括多层光栅，其包括通过曝光的全息混合物形成的层和在曝光的全息混合物上直接施加的另一层。也可通过全息记录光束对另一层曝光。

Description

基于纳米颗粒的全息光聚合物材料和相关应用

交叉引用的申请

本申请要求题目为“NANOPARTICLE-BASED HOLOGRAPHIC PHOTOPOLYMERMATERIALS AND RELATED APPLICATIONS”并于2020年7月14日提交的美国临时申请63/051,805的优先权，通过引用将其公开内容整体并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及全息混合物，且更具体地涉及包括纳米颗粒的全息混合物。

背景技术

波导可被称为具有限制和引导波的能力(即限制波可传播的空间区域)的结构。一个子类包括光波导，其为可引导电磁波(典型为可见光谱中的电磁波)的结构。可设计波导结构以便使用多种不同的机制控制波的传播路径。例如，可设计平面波导以便利用衍射光栅将入射光衍射并耦合到波导结构中，使得耦合进入(in-coupled)的光可通过全内反射(TIR)在平面结构内继续行进。

波导的制造可包括使用允许在波导内记录全息光学元件的材料体系。一类这种材料包括聚合物分散液晶(PDLC)混合物，其为包含光聚合性单体和液晶的混合物。这种混合物的另一个子类包括全息聚合物分散液晶(HPDLC)混合物。可通过用两束彼此相干的激光束照射材料，在这种液体混合物中记录全息光学元件，诸如体积相位光栅。在记录过程中，单体聚合，并且混合物经历光聚合引发的相分离，从而产生由液晶微滴密集填充的区域，散布有透明聚合物的区域。交替的富液晶区域和贫液晶区域形成光栅的条纹面。所得光栅(通常称为可切换布拉格光栅(SBG))具有通常与体积或布拉格光栅相关的所有性质，但具有更高的折射率调制范围以及在衍射效率(衍射到期望方向的入射光的比例)的连续范围上电调节光栅的能力。后者可从非衍射(透明)延伸到效率接近100％的衍射。

可考虑将波导光学器件(诸如上述那些)用于一系列显示器和传感器应用。在许多应用中，可使用各种波导结构和材料体系来实现包含一个或多个光栅层(其编码多种光学功能)的波导，从而在用于增强现实(AR)和虚拟现实(VR)的近眼显示器，用于道路运输、航空和军事应用的紧凑型平视显示器(HUD)和头盔显示器或头戴显示器(HMD)，以及用于生物识别和激光雷达(LIDAR)应用的传感器中实现新的创新。

发明内容

多种实施方案针对于形成光栅的方法，该方法包括：

●提供起始单元，所述起始单元包含：

o底部基材；

o第一可去除基材；和

o包含单体和纳米颗粒的第一全息材料，其中第一全息材料位于底部基材和第一可去除基材之间；

●用全息记录光束曝光第一全息材料，由此纳米颗粒扩散到暗条纹区域中从而产生贫含纳米颗粒的区域和富含纳米颗粒的区域以形成底部光栅；

●去除第一可去除基材；

●在曝光的第一全息材料顶部沉积第二全息材料；

●将第二可去除基材置于第二全息材料顶部；和

●用另一全息记录光束曝光第二全息材料从而形成顶部光栅。

在多种其它实施方案中，底部光栅和顶部光栅具有不同的倾斜方向。

在仍然多种其它实施方案中，底部光栅和顶部光栅具有相同的倾斜方向。

在仍然多种其它实施方案中，第二全息材料包括单体和纳米颗粒，并且曝光第二全息材料使纳米颗粒扩散到暗条纹区域中从而产生贫含纳米颗粒的区域和富含纳米颗粒的区域。

在仍然多种其它实施方案中，第二全息材料包括光聚合性单体和惰性液体。

在仍然多种其它实施方案中，第二全息材料还包括纳米颗粒。

在仍然多种其它实施方案中，惰性液体包含液晶材料。

在仍然多种其它实施方案中，纳米颗粒分散在液晶材料内。

在仍然多种其它实施方案中，该方法还包括在接触第一全息材料的第一可去除基材表面上提供脱离层(release layer)。

在仍然多种其它实施方案中，所述脱离层包括基于硅烷的氟聚合物或氟单体。

在仍然多种其它实施方案中，用全息记录光束曝光第一全息材料和第二全息材料使单体聚合从而产生聚合物基质。

在仍然多种其它实施方案中，该方法还包括使曝光的第一全息材料和第二全息材料灰化以便去除至少一部分聚合物基质。

在仍然多种其它实施方案中，该方法还包括选择性地蚀刻一部分的灰化第一全息材料和第二全息材料。

在仍然多种其它实施方案中，所述纳米颗粒选自以下：纳米管、金属、绝缘体、铁电材料、纳米管、纳米棒和纳米球。

此外，多种实施方案涉及形成光栅的方法，该方法包括：

●提供起始单元，所述起始单元包括：

o底部基材；

o可去除基材；和

o包含单体和纳米颗粒的全息材料，其中所述全息材料位于底部基材和可去除基材之间；

●用全息记录光束曝光所述全息材料，由此纳米颗粒扩散到暗条纹区域中从而产生贫含纳米颗粒的区域和富含纳米颗粒的区域以形成光栅；

●去除所述可去除基材；和

●将曝光的全息材料灰化以便在体积光栅的顶部形成表面浮雕光栅(surfacerel ief grat ing)。

在许多实施方案中，该方法还包括进一步灰化所述曝光的全息材料以形成由纳米颗粒制成的无机光栅结构。

在仍然多种其它实施方案中，该方法还包括在高温下烧结纳米颗粒以去除纳米颗粒之间的晶界。

在仍然多种其它实施方案中，该方法还包括将附加材料涂覆到纳米颗粒上，其中至少一部分的附加材料位于相邻的富含纳米颗粒的区域之间。

在仍然多种其它实施方案中，该方法还包括在所述附加材料顶部沉积另一全息材料；和用另一全息记录光束曝光另一全息材料以产生顶部光栅。

此外，多种实施方案涉及波导装置，所述波导装置包括：支撑输入光栅和折叠光栅(fold grat ing)的波导，其中折叠光栅包含交替的富含纳米颗粒的区域和贫含纳米颗粒的区域，并且其中输入光栅包含交替的富含液晶区域和贫含液晶区域。

在多种其它实施方案中，贫含液晶区域包含气隙。

在仍然多种其它实施方案中，贫含纳米颗粒的区域包含在聚合物基质区域顶部的气隙区域。

在仍然多种其它实施方案中，折叠光栅是集成的多路复用光栅，其既充当折叠光栅又充当输出光栅。

在仍然多种其它实施方案中，交替的富含纳米颗粒的区域和贫含纳米颗粒的区域包括含金属的纳米颗粒。

在仍然多种其它实施方案中，纳米颗粒包括金属氧化物芯部。

在仍然多种其它实施方案中，所述金属氧化物芯部包含ZrO₂、TiO₂、WO₃、ZnO、Co₃O₄、CuO和/或NiO。

在仍然多种其它实施方案中，所述纳米颗粒还包括包围金属氧化物芯部的ZrO₂、TiO₂、WO₃、ZnO、Co₃O₄、CuO和/或NiO的配体官能化衍生物。

在仍然多种其它实施方案中，所述金属包括Pt、Au和/或Ag。

在仍然多种其它实施方案中，纳米颗粒的直径小于15nm。

在仍然多种其它实施方案中，纳米颗粒的直径为约4nm至10nm。

在仍然多种其它实施方案中，交替的富含纳米颗粒的区域和贫含纳米颗粒的区域包括纳米颗粒，所述纳米颗粒包括压电材料。

在仍然多种其它实施方案中，压电材料包括PZT、钛酸钡和/或铌酸锂。

此外，多种实施方案涉及一种波导装置，该波导装置包括：支撑光栅的波导，其中该光栅包含：富含纳米颗粒的区域和贫含纳米颗粒的区域，其中贫含纳米颗粒的区域包含在聚合物基质区域顶部的气隙区域，其中所述气隙区域与在相同水平面上的富含纳米颗粒的区域一起构成表面浮雕光栅，并且其中所述聚合物基质区域与在相同水平面上的富含纳米颗粒的区域一起构成体积光栅。

此外，多种实施方案涉及一种波导装置，该波导装置包含：支撑无机光栅的波导，其中该光栅包括：富含纳米颗粒的区域，其中在高温下烧结所述富含纳米颗粒的区域中的纳米颗粒以去除纳米颗粒之间的晶界；和介于相邻的富含纳米颗粒的区域之间的气隙。

此外，多种实施方案涉及一种波导装置，该波导装置包括：支撑多层光栅的波导，所述多层光栅是利用上述方法生产。

附图说明

参考以下附图和数据图，将更充分地理解本说明书，所述附图和数据图作为本发明的示例性实施方案呈现并且不应被解释为对本发明范围的完整叙述。

图1概念性地示出根据本发明实施方案的使用主光栅的单光束记录方法。

图2A和2B概念性地示出根据本发明多种实施方案的HPDLC SBG装置和SBG的切换特性。

图3概念性地示出根据本发明实施方案的实现集成光栅的波导显示器。

图4概念性地示出根据本发明实施方案的具有光栅层的波导，所述光栅层具有由基于纳米颗粒的光聚合物材料形成的光栅。

图5是对根据本发明多种实施方案的多种材料配制物的衍射效率进行比较的图表。

图6A-6C概念性地示出根据本发明多种实施方案的材料配制物中组分的一般结构。

图7概念性地示出根据本发明实施方案的具有含不同材料的限定光栅区域的波导单元。

图8是概念性地示出根据本发明实施方案的使用全息主光栅形成光栅的方法的流程图。

图9A-9E示出根据本发明实施方案的使用包括纳米颗粒的全息光聚合物材料形成光栅的方法。

图10A-10D示出根据本发明实施方案的使用包括纳米颗粒的全息光聚合物材料形成光栅的方法。

图11A-11F示出根据本发明实施方案的使用包括纳米颗粒和惰性液体的全息光聚合物材料形成光栅的方法。

图12示出根据本发明实施方案的生产光栅的方法。

图13A-13C概念性地示出根据本发明实施方案的制造多层光栅的方法。

图14A-14D概念性地示出根据本发明实施方案的制造多层光栅的方法。

图15A-15G示出根据本发明实施方案的制造多层光栅的方法。

具体实施方式

出于描述实施方案的目的，光学设计和视觉显示器领域的技术人员已知的光学技术的一些众所周知的特征已被省略或简化，以免模糊本发明的基本原理。除非另有说明，与光线或光束方向相关的术语“同轴”是指平行于与本发明描述的光学元件表面垂直的轴的传播。在以下描述中，术语光、光线、光束和方向可互换使用并且彼此关联以指示电磁辐射沿直线轨迹的传播方向。可使用与电磁波谱的可见光和红外波段有关的术语光和照明。将使用光学设计领域中的技术人员常用的术语呈现以下描述的部分。如本文所用，在一些实施方案中，术语光栅可包括含有一组光栅的光栅。出于说明性目的，应理解附图不是按比例绘制，除非另有说明。

根据本发明多种实施方案的用于形成波导、光栅和其它相关应用的全息材料可包括多种不同的混合物和配制物。在常规的全息波导应用中，典型使用全息聚合物分散液晶(HPDLC)材料形成波导内的体积光栅。虽然对于许多应用是方便的，但是这样的材料和由这样的材料形成的光栅具有可能在某些情况下关键的缺点。除了典型的颜色不均匀和亮度问题，HPDLC光栅在一些波导应用中可包括在所显示图像中出现某些“缺陷”。这样的缺陷可包括暗淡图案，例如但不限于在所显示图像的中心或角落的不均匀，和作为一系列线形脊或条纹出现的周期性不均匀。这些缺陷可源于HPDLC光栅的基本结构并可能难以解决。例如，在实施出射光瞳膨胀的典型波导应用中，所显示图像中的条纹缺陷的原因可与HPDLC光栅的各向异性属性有关。通过给定HPDLC光栅的每次相互作用，光的偏振可稍微旋转。鉴于这些光栅的偏振敏感衍射属性，继续在波导内传播并且再次与光栅相互作用的光可能以预料之外的方式衍射，这是由于其偏振状态的改变。例如，许多HPDLC材料体系形成具有高的P-偏振响应和低的S-偏振响应的光栅。除非另外说明，相对于入射平面来描述偏振响应。使用这些光栅的波导显示系统经常被配置为利用P-偏振的输入光。然而，在与光栅相互作用时，光的偏振“旋转”。第二次与光栅相互作用的光(如实施出射光瞳膨胀的光栅结构中的情形)可具有不同的衍射效率分布—例如所述光在第二相互作用时可具有更低的P分量并且可更少地衍射，因为光栅可具有高的P-偏振响应。该过程可以继续并且偏振的改变可产生周期性衍射效率分布，该分布可表现为条纹和其它缺陷。

以上关于HPDLC光栅所述的缺陷对于商业使用可能经常难以接受。此外，由于激光照射的相干属性，这些缺陷在利用激光光学引擎的波导显示器中可能更明显。因此，本发明的许多实施方案涉及能够形成具有较高均匀性和较少出现上述缺陷的光栅的材料体系。在许多实施方案中，上述的缺陷被消除，因为由这样的材料体系形成的光栅可以不影响入射光的偏振。在一些实施方案中，使用的材料体系可以是基于纳米颗粒的光聚合物混合物。在一些实施方案中，使用的材料体系可以是包括至少一种类型的单体和至少一种类型的纳米颗粒的混合物，用于在全息曝光之后形成光聚合物和纳米颗粒材料体系。在一些实施方案中，起始混合物还可包括至少一种类型的液晶。在一些实施方案中，在全息曝光之后，液晶的作用可能不会如同EBG中那样从光栅中除去，而是与纳米颗粒组分相关联地改善光栅的折射率调制衍射效率和电光特性。

该混合物可用于采用相分离以形成体积光栅的全息曝光过程中。在若干实施方案中，可配制材料混合物来形成具有高折射率调制的体积光栅。为了解决由HPDLC材料形成的光栅的一些缺点，根据本发明多种实施方案的光聚合物混合物可包括用于形成各向同性光栅(例如无取向或向列顺序的光栅或者具有随机或各向同性畴的光栅)的材料，所述各向同性光栅由聚合物和纳米颗粒的交替部分形成。选择用于该材料体系中的纳米颗粒类型可以是严格的。例如，材料体系可包括多种组分，例如但不限于单体、染料和共引发剂。与这样的体系一起使用所选择的纳米颗粒的类型应有利地具有与体系内组分的低反应性。在许多实施方案中，纳米颗粒可具有高的折射率，在许多情况下其可为至少1.7。在若干实施方案中，纳米颗粒具有高透射率。例如，所利用的许多类型的纳米颗粒具有至少95％的透射率值。在许多实施方案中，所选择的纳米颗粒类型具有低的吸收，允许实施高效的波导显示系统。可以利用多种类型的纳米颗粒。在许多实施方案中，纳米颗粒包括无机芯部结构，例如但不限于Au、Ag、Zr、Ti、Zn和Cd芯部。可根据应用适当使用官能化和非官能化的纳米颗粒。在一些实施方案中，芯部结构可具有用有机配体改性的表面。可利用这样的纳米颗粒(其也可被称作非金属纳米颗粒)来提供低吸收值。在其它实施方案中，还可使用金属性纳米颗粒。在以下部分中更详细地讨论光栅结构、HPDLC材料体系、基于纳米颗粒的材料体系、使用这样的材料体系来形成光栅的方法、以及相关的应用。

光波导和光栅结构

记录在波导中的光学结构可包括许多不同类型的光学元件，诸如但不限于衍射光栅。可实施光栅以执行多种光学功能，包括但不限于耦合光、引导光和防止光透射。光栅可以是位于波导外表面上的表面浮雕光栅。在其它情形中，实施的光栅可以是布拉格光栅(也称为体积光栅)，其为具有周期性折射率调制的结构。可使用多种不同的方法制造布拉格光栅。一种方法包括全息光聚合物材料的干涉曝光以形成周期性结构。布拉格光栅可以具有高效率，几乎没有光被衍射成更高阶。可通过控制光栅的折射率调制来改变衍射级和零级的光的相对量，该性质可用于制造有损的波导光栅以便在大光瞳上引出光。

图1中概念性地示出根据本发明实施方案的使用主光栅的单光束记录方法。正如所示，可将来自单一激光源(未示出)的光束100引导穿过主光栅101。在与主光栅101相互作用时，光束100可如同例如在光线与主光栅101的黑色遮蔽区域相互作用的情形中那样衍射，或者光束100可作为零阶光束传播通过主光栅101而没有大的偏离，如同例如在光线与主光栅101的交叉影线区相互作用的情形中。一阶衍射光束102和零阶光束103可重叠从而产生使波导单元的光学记录层104曝光的干涉图案。在一些实施方案中，间隔块105可位于光栅101和光学记录层104之间以改变两部件之间的距离。

全息波导装置中使用的一类布拉格光栅是可切换布拉格光栅(SBG)。可通过首先在基材之间放置可光聚合单体和液晶材料的混合物薄膜来制造SBG。基材可由多种类型的材料制成，诸如玻璃和塑料。在许多情形中，基材处于平行构造。基材也可以形成楔形。一个或两个基材可支撑通常为透明氧化锡膜的电极，用于跨所述膜施加电场。使用具有空间周期性强度调制的干涉曝光，通过光聚合引发的相分离，可将SBG中的光栅结构记录在液体材料(通常称为浆液)中。诸如但不限于控制辐射强度、曝光时间、混合物中材料的组分体积分数和曝光温度等因素可决定所得光栅的形态和性能。容易理解，根据给定应用的具体要求，可使用很多材料和混合物。在许多情形中，HPDLC材料可用于制造SBG。在记录过程中，单体聚合，并且混合物经历相分离。LC分子聚集从而形成离散或聚结的液滴，这些液滴以光学波长的尺度周期性地分布在聚合物网络中。交替的富含液晶区域和贫含液晶区域形成光栅的条纹面，这可产生具有强光学偏振的布拉格衍射，所述强光学偏振是由液滴中的LC分子取向排序造成的。

所产生的体相光栅可表现出非常高的衍射效率，这可通过跨所述膜施加的电场大小来控制。当通过透明电极向光栅施加电场时，LC液滴的自然取向会改变，导致条纹的折射率调制降低，并且全息衍射效率下降到低水平。典型地，配置电极使得施加的电场可以垂直于基材。电极可以由氧化铟锡(ITO)或其他透明导电氧化物(TCO)制成。在一些情形中，使用折射率匹配的ITO(IMITO)。在没有施加电场的OFF状态下，液晶的异常轴(extraordinaryaxis)通常垂直于条纹排列。因此，光栅对P偏振光表现出高折射率调制和高衍射效率。当电场施加到HPDLC时，光栅切换至ON状态，从而引起液晶分子的异常轴平行于施加电场排列，并且因此垂直于基材。在ON状态下，光栅对于S偏振光和P偏振光均表现出较低的折射率调制和较低的衍射效率。因此，光栅区域不再衍射光。根据HPDLC装置的功能，每个光栅区域可被划分为多个光栅元件，诸如像素矩阵。典型地，一个基材表面上的电极是均匀和连续的，而相反基材表面上的电极根据选择性可切换光栅元件的多样性进行图案化。

典型地，SBG元件在100μs内完全切换，并以更长的弛豫时间切换至ON。可通过施加的电压在连续范围内调节装置的衍射效率。在许多情形中，该装置在未施加电压时表现出接近100％的效率，并且在施加足够高的电压时效率基本为零。在某些类型的HPDLC装置中，可使用磁场来控制LC取向。在一些HPDLC应用中，LC材料与聚合物的相分离可达到如下程度：即不产生可辨别的液滴结构。SBG也可用作无源光栅。在这种模式中，其主要优势是独特的高折射率调制。SBG可用于为自由空间应用提供透射或反射光栅。SBG可被实施为波导装置，其中HPDLC形成波导芯或靠近波导的渐逝耦合层。用于形成HPDLC单元的基材提供全内反射(TIR)光导结构。当可切换光栅以超出TIR条件的角度衍射光时，光可从SBG中耦合出来。

图2A和图2B概念性地示出根据本发明的一个实施方案的HPDLC SBG装置200、250和SBG的切换性质。在图2A中，SBG 200处于OFF状态。如图所示，LC分子201基本上垂直于条纹面排列。因此，SBG 200表现出高衍射效率，并且入射光可容易地被衍射。图2B示出了处于ON位置的SBG 250。施加的电压251可定向液滴253内的LC分子252的光轴，以产生与聚合物的折射率相匹配的有效折射率，从而基本上产生透明单元，其中入射光不被衍射。在所示实施方案中，示出了AC电压源。可容易地理解，可根据给定应用的具体要求使用各种电压源。

在一些应用中，LC可从SBG提取或排空以提供排空的布拉格光栅(EBG)。EBG的特征为具有非常类似于布拉格光栅的性质的表面浮雕光栅(SRG)，这归因于SRG结构的深度(其可远大于使用表面蚀刻和常用于制造SRG的其它常规方法实际可实现的深度)。2020年8月28日提交并且题目为“Evacuat ing bragg grat ings and methods of manufactur ing”的美国专利公开号2021/0063634中描述了EBG的实例，通过引用将其整体并入本文。可使用多种不同的方法提取LC，包括但不限于用溶剂(例如异丙醇)冲洗。在许多情形中，SBG的透明基材之一可以被移除，并且LC被提取。移除的基材可以被替换。可用较高折射率或较低折射率的材料至少部分地回填SRG。这种光栅提供了调节效率、角度/光谱响应、偏振和其它性质以适应各种波导应用的范围。

波导单元

波导单元可被定义为含有未固化和/或未曝光的光学记录材料的装置，在其中可记录光学元件，例如但不限于光栅。在许多实施方案中，可通过将光学记录材料曝光于某些波长的电磁辐射而将光学元件记录在波导单元中。可构造波导单元使得光学记录材料可夹在两个基材之间，从而产生三层波导单元。取决于应用，可用多种构造来构造波导单元。在一些实施方案中，可通过真空填充由两个基材制成的空波导单元来构造波导单元。还可使用其它填充方法。在若干实施方案中，可通过如下方式构造波导单元：将光学记录材料沉积到一个基材上并将复合物连同第二基材进行层压以形成三层的层压材料。可使用各种沉积技术，例如但不限于旋涂和喷墨打印。在一些实施方案中，波导单元可含有多于三个层。在若干实施方案中，波导单元含有不同类型的层，所述层可用于各种目的。例如，波导单元可包括保护性覆盖层、偏振控制层和对准层。

可在波导单元的构造中使用不同材料和形状的基材。在许多实施方案中，基材是由透明材料制成的板材，例如但不限于玻璃和塑料。可根据应用使用不同形状的基材，例如但不限于矩形和曲线形状。基材的厚度也可根据应用变化。经常地，基材的形状可决定波导的总体形状。在若干实施方案中，波导单元含有两个具有相同形状的基材。在其它实施方案中，基材具有不同形状。易于理解，基材的形状、尺寸和材料可变化并且可取决于给定应用的具体要求。

在许多实施方案中，珠粒或其它颗粒分散在整个光学记录材料中，以帮助控制光学记录材料层的厚度，并且帮助防止两个基材向彼此塌陷。在一些实施方案中，用夹在两个平面基材之间的光学记录层构成波导单元。根据所用光学记录材料的类型，由于一些光学记录材料的粘度和缺少光学记录层的边界周长，可能难以实现厚度控制。在若干实施方案中，珠粒是相对不可压缩的固体，这可允许构造具有一致厚度的波导单元。珠粒的尺寸可决定单个珠周围区域的局部最小厚度。因此，可选择珠粒的尺寸从而帮助获得期望的光学记录层厚度。珠粒可由多种材料中的任何材料制成，包括但不限于玻璃和塑料。在若干实施方案中，选择珠粒的材料使得它的折射率基本上不影响波导单元内的光传播。

在一些实施方案中，可构造波导单元使得两个基材平行或基本上平行。在这样的实施方案中，相对类似尺寸的珠粒可分散在整个光学记录材料中以帮助在整个层中获得均匀的厚度。在其它实施方案中，波导单元具有渐缩的轮廓。可通过在光学记录材料上分散不同尺寸的珠粒来构造渐缩的波导单元。如上文所论述，珠粒的尺寸可决定光学记录材料层的局部最小厚度。通过以跨材料层增加尺寸的方式分散珠粒，当材料夹在两个基材之间时，可形成光学记录材料的渐缩层。

材料组成的调制

高亮度和优异的色彩保真度可以是AR波导显示器中的有益因素。在每种情形中，跨FOV的高度均匀性可以是有益的。然而，由于沿波导反射的光束的间隙或重叠，波导的基本光学性质会导致非均匀性。另外，所述不均匀性可能由光栅中的缺陷和波导基材的非平面性引起。在SBG中，可能存在由双折射引起的偏振旋转的其他问题。在适用的情况下，一种挑战可以是在折叠光栅的制造中，其中可能存在由光束与光栅条纹的多个交叉点导致的数百万条光路。仔细管理光栅性质，特别是折射率调制，可用来克服非均匀性。

在众多可能的光束相互作用(衍射或零级透射)中，只有一个子集对眼动范围(eyebox)处呈现的信号有贡献。通过从眼动范围反向追踪，可精确确定对给定场点有贡献的折叠区域。然后可计算对调制的精确校正，该校正可将更多发送到输出照明的暗区。在一些实施方案中，可通过向对给定场点有贡献的空间分辨单元添加特定折射率/组成和涂层深度的材料来进行调制校正。所沉积材料的类型可不同于在形成其它空间分辨单元中使用的材料类型。在将一种颜色的输出照明均匀性恢复到目标后，可对其它颜色重复该过程。一旦建立了折射率调制模式，就可以将该设计导出到沉积机构，其中每个目标折射率调制转换为待涂覆/沉积的基材上每个空间分辨率单元的唯一沉积设置。沉积机构的分辨率可取决于所用体系的技术限制。在许多实施方案中，空间图案可以完整的可重复性实施到30微米的分辨率。

与利用表面浮雕光栅(SRG)的波导相比，实施根据本发明的多种实施方案的制造技术的SBG波导可允许影响效率和均匀性的光栅设计参数(诸如但不限于折射率调制和光栅厚度)在沉积过程中进行动态调节，而无需使用不同的母版(mas ter)。对于可通过刻蚀深度控制调制的SRG，这种方案是不切实际的，因为光栅的每个变化都需要所述重复复杂且昂贵的加工过程。此外，实现所期望的刻蚀深度的精度和抵抗成像复杂性可能非常困难。

根据本发明的多种实施方案的沉积方法可通过控制待沉积的材料类型提供光栅设计参数的调节。本发明的多种实施方案可被配置为在基材上的不同区域中沉积不同的材料或不同的材料组合物。例如，可配置沉积方法以便将HPDLC材料沉积到旨在成为光栅区域的基材区域上，并且将单体沉积到旨在成为非光栅区域的基材区域上。在一些实施方案中，光栅区域可涂覆有单体、纳米颗粒和/或LC组分的混合物。在若干实施方案中，可将沉积方法配置为沉积组分组成在空间上变化的光学记录材料层，从而允许对沉积材料的各个方面进行调制。具有不同组成的材料的沉积可以用若干不同的方式实施。在许多实施方案中，可使用多于一个沉积头来沉积不同的材料和混合物。每个沉积头可连接到不同的材料/混合物储槽。这类实施方式可用于各种应用。例如，对于波导单元的光栅区域和非光栅区域，可以沉积不同的材料。在一些实施方案中，HPDLC材料沉积在光栅区域上，而仅将单体沉积在非光栅区域上。在若干实施方案中，沉积机构可被配置为沉积具有不同组分组成的混合物。

在一些实施方案中，可实施喷嘴以将多种类型的材料沉积到单个基材上。在波导应用中，喷嘴可用于为波导的光栅区域和非光栅区域沉积不同的材料。在许多实施方案中，配置喷射机构以便印刷光栅，其中可使用具有至少两个可选喷头的沉积设备控制材料组成、双折射和/或厚度中的至少一个。在一些实施方案中，制造系统提供了一种用于沉积光栅记录材料的设备，其被优化用以控制激光条带化(banding)。在若干实施方案中，制造系统提供了一种用于沉积光栅记录材料的设备，其被优化用以控制偏振非均匀性。在若干实施方案中，制造系统提供了一种用于沉积光栅记录材料的设备，其被优化用以控制与对准控制层相关联的偏振非均匀性。在多个实施方案中，沉积工作单元可被配置用于沉积附加层，诸如分束涂层和环境保护层。也可实施喷墨打印头以便在基材的不同区域中印刷不同的材料。

如上所述，沉积方法可被配置为沉积组分组成在空间上变化的光学记录材料。材料组成的调制可通过许多不同的方式实施。在多个实施方案中，喷墨打印头可被配置为通过利用打印头内的多种喷墨喷嘴来调制材料组成。通过在“逐点”基础上改变组成，可沉积光学记录材料层，使其在该层的平坦表面上具有变化的组成。可以使用多种设备(包括但不限于喷墨打印头)实施这样的体系。类似于颜色体系如何使用只有几种颜色的调色板来产生数百万种离散颜色值的光谱，诸如打印机中的CMYK体系或显示应用中的加成RGB体系，根据本发明的多种实施方案的喷墨打印头可被配置为仅使用不同材料的几个储槽以变化的组成来印刷光学记录材料。不同类型的喷墨打印头可以具有不同的精度水平并且可以用不同的分辨率进行打印。在许多实施方案中，使用300DPI(“每英寸的点数”)的喷墨打印头。根据精度水平，可在给定区域内测定给定数量材料的不同组成的离散化。例如，给定两种类型的待打印材料和精度水平为300DPI的喷墨打印头，如果每个点位置可包含两种类型材料中的任一种，对于给定体积的打印材料，在1平方英寸内存在两种类型材料的组成比率的90001个可能的离散值。在一些实施方案中，每个点位置可以包含两种类型材料中的任一种。在若干实施方案中，多于一个喷墨打印头被配置为打印具有空间变化组成的光学记录材料层。尽管双材料应用中的点打印实质上是二元体系，但在区域内对打印的点进行平均可允许对要打印的两种材料的比率的滑动范围进行离散化。例如，单位正方形内的可能的浓度/比率的离散水平数量由单位正方形内可打印的点位置的数量给出。因此，可存在范围从100％的第一材料到100％的第二材料的不同的浓度组合。容易理解，这些概念适用于实际单元并且可由喷墨打印头的精度水平决定。虽然讨论了调制所述印刷层的材料组成的具体实例，但使用喷墨打印头来调制材料组成的概念可扩展到使用多于两个的不同材料储槽，并且精度水平可能变化，这在很大程度上取决于所用的打印头类型。

出于若干原因，改变打印材料的组成可能是有利的。例如，在许多实施方案中，在沉积期间改变材料的组成可允许形成具有光栅的波导，其具有跨越光栅的不同区域的空间变化的衍射效率。在利用HPDLC混合物的实施方案中，这可通过在印刷过程中调制HPDLC混合物中的液晶相对浓度来实现，这产生了当材料曝光时可产生具有变化衍射效率的光栅的组合物。在若干实施方案中，具有一定液晶浓度的第一HPDLC混合物和不含液晶的第二HPDLC混合物用作喷墨打印头中的打印调色板，用以调制可在打印材料中形成的光栅的衍射效率。在这样的实施方案中，可基于喷墨打印头的精度确定离散化。可通过跨特定区域打印的材料的浓度/比率给出离散水平。在该实例中，离散水平的范围从没有液晶到液晶在第一PDLC混合物中的最大浓度。

在一些实施方案中，HPDLC混合物可包括纳米颗粒。HPDLC混合物中的LC可在全息曝光之后保持在最终光栅内，这与EBG的情形中在全息曝光之后从光栅中去除截然相反。将LC和纳米颗粒的特性结合在各种光栅应用中可以是有利的。在以下文献中可找到包括LC和纳米颗粒的实施方式：LC Hiroyuki Yoshida et al“Nanopart icle-Dispersed LiquidCrys tals Fabr icated by Sput ter Doping”Adv.Mater.2010,22,622–626，通过引用将其整体并入本文。在一些实施方案中，纳米颗粒可影响LC分子取向。纳米颗粒可分散在LC内。与LC一起使用的合适纳米颗粒包括金属、绝缘体、碳纳米管和/或铁电材料。除实现高衍射效率之外，纳米颗粒可用于控制切换时间和切换电压。包封剂可用于促进纳米颗粒在主体LC内的溶解度。可将纳米颗粒溅射至主体LC上，这可使用基于真空的方法施加。

改变跨波导的衍射效率的能力可用于各种目的。波导典型被设计为通过在波导的两个平坦表面之间多次反射光以在内部引导光。这些多重反射允许光路与光栅多次相互作用。在许多实施方案中，可以用变化的材料组成印刷材料层，使得所形成的光栅具有空间变化的衍射效率，以补偿与光栅相互作用期间的光损失，从而允许均匀的输出强度。例如，在一些波导应用中，输出光栅被配置为在一个方向上提供出射光瞳扩展，同时还将光耦合出波导。输出光栅可被设计成当波导内的光与光栅相互作用时，只有一定百分比的光被折射出波导。其余部分继续在同一光路中，其保留在TIR内并且继续在波导内反射。当再次与同一输出光栅进行第二次相互作用时，另一部分光被折射出波导。在每次折射期间，仍在波导内行进的光的量减少了折射出波导的量。因此，在每次相互作用时折射的部分在总强度方面逐渐降低。通过改变光栅的衍射效率，使其随着传播距离而增加，可补偿沿每个相互作用的输出强度的降低，从而允许均匀的输出强度。

改变衍射效率也可用于补偿波导内的光的其它衰减。所有物体都具有一定程度的反射和吸收。在波导内被TIR捕获的光在波导的两个表面之间不断反射。根据构成表面的材料，在每次相互作用期间，部分光可被材料吸收。在许多情形中，这种衰减虽然小，但是跨发生许多反射的大面积可能很大。在许多实施方案中，可用变化的组成印刷波导单元，使得由光学记录材料层形成的光栅具有变化的衍射效率以补偿来自基材的光的吸收。取决于基材，某些波长可更容易被基材吸收。在多层波导设计中，每一层都可被设计为耦合特定波长范围的光。因此，由这些单独层耦合的光可被所述层的基材以不同的量吸收。例如，在多个实施方案中，波导由三层堆叠体制成以实现全色显示，其中每个层被设计用于红色、绿色和蓝色中的一种。在这样的实施方案中，可形成每个波导层内的光栅以具有变化的衍射效率，以便通过补偿因某些波长的光的传输损失而导致的颜色不平衡来执行颜色平衡优化。

除了改变材料内的液晶浓度以改变衍射效率之外，另一种技术包括改变波导单元的厚度。这可通过使用间隔物来实现。在许多实施方案中，间隔物分散在整个光学记录材料中，用于在波导单元的构造过程中进行结构支撑。在一些实施方案中，不同尺寸的间隔物分散在整个光学记录材料中。间隔物可以沿光学记录材料层的一个方向按尺寸升序分散。当通过层压来构造波导单元时，基材将光学记录材料夹在中间，并且利用来自变化尺寸的间隔物的结构支撑，产生光学记录材料的楔形层。与上述调制过程类似，可分散变化尺寸的间隔物。此外，调制间隔物尺寸可与材料组成的调制相结合。在若干实施方案中，每种以不同尺寸的间隔物悬置的HPDLC材料的储槽用于印刷HPDLC材料层，其中变化尺寸的间隔物被策略性地分散以形成楔形波导单元。在多个实施方案中，通过提供与不同尺寸的间隔物的数量与所使用的不同材料的数量的乘积相等的储槽数量，将间隔物尺寸调制与材料组成调制相结合。例如，在一个实施方案中，利用两种不同的间隔物尺寸，将喷墨打印头配置为打印变化浓度的液晶。在这样的实施方案中，可制备四个储槽：具有第一尺寸的间隔物的无液晶混合物悬浮液、具有第二尺寸的间隔物的无液晶混合物悬浮液、具有第一尺寸的间隔物的富含液晶的混合物悬浮液，以及具有第二尺寸的间隔物的富含液晶的混合物悬浮液。关于材料调制的进一步讨论可参见2018年11月18日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FORMANUFACTURING WAVEGUIDE CELLS”的美国申请第16/203,071号。出于所有目的，通过引用将美国申请第16/203,491号的公开内容整体并入本文。

包括集成光栅的波导

根据本发明的多种实施方案的波导可包括不同的光栅配置。在许多实施方案中，波导包括至少一个输入耦合器和至少两个集成光栅。在一些实施方案中，至少两个集成光栅可实施组合工作从而为由所述输入耦合器耦合到所述波导中的光提供光束扩展和光束引出。可通过跨不同的光栅层重叠集成光栅或者通过复用集成光栅来实施多个集成光栅。在许多实施方案中，集成光栅被部分地重叠或复用。复用光栅可包括在相同体积内的具有不同光栅规格的至少两个光栅的叠加。具有不同光栅规格的光栅可具有不同的光栅向量(光栅K-向量)和相对于波导表面的光栅倾斜角。光栅的光栅向量的大小可被定义为光栅周期的倒数而其方向可被定义为与光栅的条纹正交的方向。

在若干实施方案中，可实施集成光栅以进行光束扩展和光束引出。可以用一种或多种光栅规格实施集成光栅。在许多实施方案中，以至少两种光栅规格实施集成光栅。在另外的实施方案中，以至少三种光栅规格实施集成光栅。在许多实施方案中，集成光栅内的两种光栅规格具有类似的时钟角。在一些实施方案中，两种光栅规格具有不同的倾斜角。可使用多种类型的光栅来实施根据本发明多种实施方案的集成光栅，例如但不限于SRG、SBG、全息光栅和包括以上部分中描述那些的其它类型的光栅。在许多实施方案中，集成光栅包括两个表面浮雕光栅。在其它实施方案中，集成光栅包括两个全息记录光栅。

集成光栅可包括至少两种光栅规格，其在单独的至少部分重叠的层中实施或在一个层中复用。在另外的实施方案中，集成光栅包括至少两种完全重叠或复用的光栅规格。在许多实施方案中，集成光栅包括复用或重叠的光栅，其具有不同的尺寸和/或形状，即一个光栅可大于另一个，从而导致较大光栅的仅局部复用。易于理解，可根据给定应用的具体要求适当实施各种复用和重叠配置。在一些实施方案中，给定的光线可沿着其波导路径进入波导，从而遇到含有根据任何上述配置集成的光栅或根本没有光栅的区域。虽然以下讨论可将配置描述为实施复用或重叠的光栅，但是根据应用，这样的光栅可适当地彼此替换。在若干实施方案中，通过复用和重叠光栅两者的组合来实施集成光栅。例如，可以跨两个或更多个光栅层重叠两组或更多组的复用光栅。

根据本发明多种实施方案的集成光栅可用于各种目的，包括但不限于实施全色波导和解决常规波导结构中的一些关键问题。其它优点包括由集成光栅的重叠和/或复用属性产生的减小的波导尺寸和减小的材料和波导折射率要求。这样的配置可允许大视场波导，这通常将导致波导形状因子和折射率要求的不可接受的提高。在许多实施方案中，用至少一个具有低折射率的基材实施波导。在一些实施方案中，用折射率低于1.8的基材实施波导。在另外的实施方案中，用折射率不大于～1.5的基材实施波导。

可提供光束扩展和光束引出(即常规的折叠和输出光栅的功能)的集成光栅可导致小得多的光栅面积，能够实现小的形状因子和较低的制造成本。通过集成所述光束扩展和引出的功能，而不是如常规波导中那样串行地执行它们，能够以通常需要的光栅相互作用的～50％实现光束扩展和引出，从而在双折射光栅的情形中以相同比例减小雾度。另外的优点在于：由于大幅缩短的光路，光束在玻璃/空气界面处的反弹数减少，使得输出图像对基材不均匀性较不敏感。这能够实现更高品质的图像以及能够使用更便宜、更低规格的基材。

在许多实施方案中，布置输入耦合器和集成光栅的光栅向量以提供基本上为零的合成向量。可布置输入耦合器和集成光栅的光栅向量以形成三角形配置。在若干实施方案中，能够以等边三角形配置布置光栅向量。在一些实施方案中，能够以其中至少两个光栅向量具有相等大小的等腰三角形配置布置光栅向量。在另外的实施方案中，以等腰直角三角形配置布置光栅向量。在许多实施方案中，以不等边三角形配置布置光栅向量。另一波导结构包括集成衍射元件，其光栅向量排列在相同方向上，用于提供对一组角度的水平扩展以及对不同组角度的引出。在若干实施方案中，集成光栅中的一个或多个在其总体形状上是不对称的。在一些实施方案中，集成光栅中的一个或多个在其总体形状上具有至少一个对称轴。在许多实施方案中，光栅被设计为将电活性材料夹在中间，使得对于某些类型的光栅例如但不限于HPDLC光栅能够在透明状态和衍射状态之间切换。光栅可以是表面浮雕或全息类型。

在许多实施方案中，实施支撑至少一个输入耦合器以及第一和第二集成光栅的波导。能够以单层或多层波导设计来实施所述光栅结构。在单层设计中，集成光栅可以是复用的。在每个集成光栅含有至少两个复用光栅的实施方案中，复用的集成光栅可含有至少四个复用光栅。如上所述，任何单个复用光栅可与其它光栅部分或完全复用。在一些实施方案中，用重叠的集成光栅来实施多层波导。在另外的实施方案中，集成光栅部分重叠。集成光栅中的每一个可为独立光栅或复用光栅。

在许多实施方案中，波导结构被设计为使用输入耦合器将输入光耦合至两个分叉路径中。能够以多种方式实施这样的配置。在一些实施方案中，实施复用输入光栅以便将输入光耦合到两个分叉路径中。在其它实施方案中，实施两个输入光栅以便分别将输入光耦合到两个分叉路径中。可在同一层或分别在两个层中实施两个输入光栅。在许多实施方案中，实施两个重叠或部分重叠的输入光栅以便将输入光耦合到两个分叉路径中。在许多实施方案中，输入耦合器包括棱镜。在另外的实施方案中，输入耦合器包括上述的输入光栅配置中任一种以及棱镜。

除了多种输入耦合器结构，能够以多种配置实施第一和第二集成光栅。可将根据本发明的多种实施方案的集成光栅纳入波导以进行二维光束扩展和光束引出的双重功能。在若干实施方案中，第一和第二集成光栅是交叉光栅。如上所述，一些波导结构包括其中输入光耦合到两个分叉路径中的设计。在这样的设计中，两个分叉路径各自导向不同的集成光栅。易于理解，可将这样的配置设计成基于多种光特性使输入光分叉(bifurcate)，所述光特性包括但不限于角度和光谱带宽。在一些实施方案中，可基于偏振状态使光分叉，例如输入的非偏振光分叉成S和P偏振路径。在许多实施方案中，根据传播通过波导的视场部分，每个集成光栅执行第一方向上的光束扩展或不同于第一方向的第二方向上的光束扩展。第一和第二方向可彼此正交。在其它实施方案中，第一和第二方向彼此不正交。每个集成光栅可提供光在第一维度上的扩展同时引导光朝向其它集成光栅，这提供光在第二维度上扩展和引出。例如，根据本发明多种实施方案的许多光栅结构包括输入配置用于使输入光分叉成第一和第二部分的光。可使第一集成光栅配置为对于第一和第二部分的光在第一方向上提供光束扩展以及对于第二部分的光提供光束引出。相反地，可将第二集成光栅配置为对于第一和第二部分的光在第二方向上提供光束扩展以及对于第一部分的光提供光束引出。

在许多实施方案中，第一集成光栅包括复用的第一和第二光栅规格，并且第二集成光栅包括复用的第三和第四光栅规格。在这样的实施方案中，可将第一光栅规格配置为对于第一部分的光在第一方向上提供光束扩展并且将扩展的光重新引导至第四光栅规格。可将第二光栅规格配置为对于第二部分的光在第一方向上提供光束扩展并将光从波导引出。可将第三光栅规格配置为对于第二部分的光在第二方向上提供光束扩展并将扩展的光重新引导至第二光栅规格。可将第四光栅规格配置为对于第一部分的光在第二方向上提供光束扩展并将光从波导引出。易于理解，可使用重叠光栅规格而不是复用光栅规格来实施集成光栅。在许多实施方案中，第一和第二光栅规格具有相同的时钟角但不同的光栅倾斜。在一些实施方案中，第三和第四光栅规格具有相同的时钟角，其不同于第一和第二光栅规格的时钟角。在许多实施方案中，第一、第二、第三和第四光栅规格都具有不同的时钟角。在若干实施方案中，第一、第二、第三和第四光栅规格都具有不同的光栅周期。在许多实施方案中，第一和第三光栅规格具有相同的光栅周期，并且第二和第四光栅规格具有相同的光栅周期。

图3概念性地示出根据本发明实施方案的实施集成光栅的波导显示器。正如所示，设备300包括支撑输入光栅302和光栅结构303的波导301。每个光栅的特征可在于限定波导平面内的光栅条纹取向的光栅向量。光栅的特征还可在于3D空间中的K-向量，其在布拉格光栅的情况下被定义为与光栅条纹正交的向量。波导反射表面平行于嵌入图中的笛卡尔参考系的XY面。在一些实施方案中，X轴和Y轴可对应于显示器使用者的参考系中的地球水平轴和竖直轴。

在图3的说明性实施方案中，输入光栅302包括布拉格光栅304。在其它实施方案中，输入光栅302是表面浮雕光栅。可实施输入光栅302以便将输入光分叉成两个不同部分。在另外的实施方案中，输入光栅302包括具有不同光栅规格的两个复用光栅。在其它实施方案中，输入光栅302包括两个重叠的表面浮雕光栅。光栅结构303包括具有不同光栅向量的两个有效光栅305、306。光栅305、306可以是作为表面浮雕光栅或体积光栅实施的集成光栅。在许多实施方案中，在单一层中复用光栅305、306。在若干实施方案中，波导301通过在光栅结构中重叠多于两个单独的光栅从而在跨光栅结构303的所有点处提供两个有效光栅。为了清楚起见，形成光栅结构303的光栅305、306将被称作第一和第二集成光栅，因为它们在光栅结构中的作用包括通过改变波导平面内的引导光束的方向来提供光束扩展和光束引出。在多种实施方案中，集成光栅305、306进行二维光束扩展和从波导301引出光。耦合到波导中的视场可被分成第一和第二部分，可通过输入光栅302将其如此分叉。在许多实施方案中，第一和第二部分对应于在竖直或水平上的正角度和负角度。在一些实施方案中，第一和第二部分可在角空间中重叠。在许多实施方案中，视场的第一部分在第一方向上由第一集成光栅扩展，并且在并行操作中在第二方向上扩展并由第二集成光栅引出。当光线与光栅条纹相互作用时，满足布拉格条件的一些光衍射而未衍射的光沿其TIR路径行进直至下一条纹，从而继续扩展和引出过程。接下来考虑视场的第二部分，光栅的作用被反转，使得视场的第二部分在第二方向上由第二集成光栅扩展，以及在第一方向上扩展，并且由第一集成光栅引出。

在许多实施方案中，光栅结构303中的集成光栅305、306可被非对称地设置。在一些实施方案中，集成光栅305、306具有不同大小的光栅向量。在若干实施方案中，输入光栅302可具有偏离Y轴的光栅向量。在许多实施方案中，期望输入光栅302和光栅结构303中的集成光栅305、306的光栅向量的向量组合产生大小基本上为零的合成向量。如上所述，能够以等边、等腰或不等边三角形配置布置光栅向量。根据应用，一些配置可更加期望。

在许多实施方案中，出于优化角带宽、波导效率和输出均匀性以提高角响应和/或效率的目的，选自以下的至少一个光栅参数可在跨波导中实施的至少一个光栅在空间上变化：光栅向量方向、K-向量方向、光栅折射率调制和光栅空间频率。在一些实施方案中，在波导中实施的光栅中的至少一个可利用滚动的K向量—即在空间上变化的K向量。在若干实施方案中，对(一个或多个)光栅的空间频率进行匹配以便克服色散。

图3的设备300还包括输入图像生成器。在说明性实施方案中，输入图像生成器包括在视场上提供扫描光束307A的激光扫描投影仪307，所述扫描光束通过输入光栅302耦合到波导中的全内反射路径(TIR路径)(例如308A、308B)中并引导朝向集成光栅305、306从而被扩展和引出(例如由光线309A、309B所示)。在一些实施方案中，激光投影仪307被配置为将扫描光束注入波导。在若干实施方案中，激光投影仪307可具有经修改以补偿波导中的光学失真的扫描图案。在许多实施方案中，可修改输入光栅302和光栅结构303中的激光扫描图案和/或光栅规格以克服照明条带。在多种实施方案中，激光扫描投影仪307可被基于由激光或LED照明的反射式或透射式微显示器的输入图像生成器替代。在许多实施方案中，可通过发射式显示器来提供输入图像。激光投影仪可提供以下优势：改进的色域、更高的亮度、更宽的视场、高分辨率和非常紧凑的形状因子。在一些实施方案中，设备300还可包括去斑滤镜(despeckler)。在另外的实施方案中，可作为波导装置实施去斑滤镜。虽然图3显示实现集成光栅的具体波导应用，但是这样的结构和光栅结构可用于各种应用。在许多实施方案中，可在单个光栅层或全色应用中实施具有集成光栅的波导。在许多实施方案中，实施多于一个光栅层，它们实施集成光栅。可实施这样的配置以提供更宽的角度或光谱带宽操作。在一些实施方案中，实施多层波导以提供全色应用。在若干实施方案中，实施多层波导以提供较宽的视场。在许多实施方案中，使用集成光栅来实施具有至少～50°对角线视场的全色波导。在一些实施方案中，使用集成光栅来实施具有至少～100°对角线视场的全色波导。可在2020年2月18日提交且题目为“Methods and Apparatuses for ProvidingaHolographic Waveguide Display Us ing Integrated Grat ings”的美国申请第16/794,071号中找到关于集成光栅的进一步讨论。出于所有目的，通过引用将美国申请第16/794,071号的公开内容整体并入本文。

HPDLC光学记录材料体系

HPDLC混合物可包括LC、单体、光敏染料和共引发剂。混合物(通常称为浆液)经常可包括表面活性剂。出于描述本发明的目的，表面活性剂被定义为降低总液体混合物的表面张力的任何化学试剂。在PDLC混合物中使用表面活性剂是已知的，并且可追溯到对PDLC的最早研究。例如，R.L Suther land等人的论文(SPIE，Vol.2689，158-169，1996，通过引用将其公开内容并入本文)描述了一种包括单体、光引发剂、共引发剂、扩链剂和LC的PDLC混合物，可向其添加表面活性剂的。Natarajan等人的论文(Journal of Nonl inear Optical Phys ics and Materials，Vol.5，No.I，89-98，1996，通过引用将其公开内容并入本文)也提到了表面活性剂。此外，Sutherland等人的美国专利US 7,018,563讨论了用于形成聚合物分散液晶光学元件的聚合物分散液晶材料，其具有：至少一种丙烯酸单体；至少一种液晶材料；光引发剂染料；共引发剂；和表面活性剂。通过引用将美国专利US 7,018,563的公开内容整体并入本文。

专利和科学文献包含可用于制造SBG的材料体系和方法的许多实例，包括研究配制这类材料体系以实现高衍射效率、快的响应时间、低的驱动电压等。Sutherland的美国专利US 5,942,157和Tanaka等人的美国专利US 5,751,452两者都描述了适用于制造SBG装置的单体和液晶材料组合。也可在追溯到1990年代早期的论文中找到配方的例子。许多这些材料使用丙烯酸酯单体，包括：

·R.L.Sutherland et al.,Chem.Mater.5,1533(1993)(通过引用将其公开内容并入本文)描述了丙烯酸酯聚合物和表面活性剂的使用。具体地，配方包含交联多官能丙烯酸酯单体、扩链剂N-乙烯基吡咯烷酮、LC E7、光引发剂玫瑰红、和共引发剂N-苯基甘氨酸。在某些变型中添加了表面活性剂辛酸。

·Fontecchio et al.,SID 00Diges t 774-776,2000(通过引用将其公开内容并入本文)描述了用于反射式显示应用的UV可固化HPDLC，其包括多功能丙烯酸酯单体、LC、光引发剂、共引发剂和链终止剂。

·Y.H.Cho et al.,Polymer Internat ional,48,1085-1090,1999(通过引用将其公开内容并入本文)公开了包括丙烯酸酯的HPDLC配方。

·Karasawa et al.,Japanese Journal of Appl ied Phys ics，Vol.36，6388-6392，1997(通过引用将其公开内容并入本文)描述了各种官能顺序的丙烯酸酯。

·T.J.Bunning et al.,Polymer Science：Part B：Polymer Phys ics,Vol.35,2825-2833,1997(通过引用将其公开内容并入本文)也描述了多官能丙烯酸酯单体。

·G.S.Iannacchione et al.,Europhys ics Let ters，Vol.36(6)，425-430,1996(通过引用将其公开内容并入本文)描述了一种包括五丙烯酸酯单体、LC、扩链剂、共引发剂和光引发剂的PDLC混合物。

丙烯酸酯提供以下优点：快速动力学、与其它材料的良好混合以及与成膜方法的兼容性。由于丙烯酸酯是交联的，它们往往是机械坚固的和柔韧的。例如，官能度为2(二)和3(三)的聚氨酯丙烯酸酯已广泛用于HPDLC技术。也已经使用了更高官能度的材料，诸如五个官能主干和六个官能主干(funct ional s tem)。

基于纳米颗粒的光学记录材料体系

根据本发明多种实施方案的材料体系可包括能够形成全息布拉格光栅的光聚合物混合物。在许多实施方案中，该混合物能够使用干涉光刻法形成全息光栅。在这样的情形中，可通过变化的干涉图案曝光强度来产生折射率调制。可使用各种光刻技术中的任何，包括在以上部分中描述的那些和本领域中公知的那些。与依赖于通过光反应的指数改变的其它技术相比，根据本发明的多种实施方案的材料体系和技术使用通过干涉曝光而引发的扩散过程。

在许多实施方案中，光聚合物混合物可包括不同类型的单体、染料、光引发剂和纳米颗粒。单体可包括但不限于乙烯基类、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、硫醇、环氧化物和其它反应性基团。在一些实施方案中，该混合物可包括具有不同折射率的单体。在若干实施方案中，该混合物可包括反应性或无反应性的稀释剂和/或粘附促进剂。

易于理解，可根据给定应用的具体要求适当地实施各种类型的混合物和组合物。在许多实施方案中，所实施的混合物是基于以下文献中描述的材料体系：2019年1月8日提交的题目为“Low Haze Liquid Crys tal Mater ials”的美国专利申请公开号2019/0212597，2019年1月8日提交的题目为“Liquid Crys tal Mater ials and Formulations”的美国专利申请公开号2019/0212589，2018年6月13日提交的题目为“HolographicMater ial Sys tems and Waveguides Incorporat ing Low Funct ional i tyMonomers”的美国专利申请公开号2019/0212596，和2020年2月24日提交的题目为“Holographic Polymer Dispersed Liquid Crys tal Mixtures wi th High Diffraction Efficiency and Low Haze”的美国专利申请公开号2020/0271973。出于所有目的，通过引用将US 2019/0212597、US 2019/0212589、US2019/0212596和US 2020/0271973的公开内容整体并入本文。

为了形成全息光栅，可使用主光栅来引导曝光光束并在未固化光聚合物材料层上形成干涉图案从而形成光栅。如上所述，可在波导单元上进行记录过程，该波导单元包括由两个透明基材夹在中间的未固化光聚合物材料层，所述透明基材典型由塑料板或玻璃板制成。可以用许多不同方式来形成具有未固化光聚合物材料层的波导单元，包括但不限于真空填充和印刷沉积方法。通过用记录光束曝光主光栅，一部分光束衍射而一部分作为零阶光穿过。衍射部分和零阶部分可干涉从而使光聚合物材料曝光。单体和纳米颗粒相分离从而形成对应于干涉图案的交替的单体和纳米颗粒区域，从而有效地形成体积布拉格光栅。在许多实施方案中，利用两个不同的曝光光束以形成期望曝光的干涉图案。

图4概念性地示出根据本发明实施方案的具有光栅层的波导，所述光栅层具有由基于纳米颗粒的光聚合物材料形成的光栅。正如所示，波导400包括由两个透明基材402、403夹在中间的光栅层401。光栅层401可包括由交替的单体区域404和纳米颗粒区域405形成的光栅。

根据应用，形成的光栅的类型和尺寸可广泛变化。在若干实施方案中，可实施基于纳米颗粒的光聚合物体系以形成各向同性光栅。各向同性光栅可在许多不同波导应用中是有利的。如在以上部分中所述，各向异性光栅(例如由HPDLC材料体系形成的那些)可对波导内传播的光产生偏振旋转效应，从而导致条纹和其它不期望的假象。包括各向同性光栅的波导可消除许多这些假象，从而改进光均匀性。在许多实施方案中，基于纳米颗粒的光栅可对S偏振光和P偏振光都具有高衍射效率，这与典型的HPDLC光栅相比能够实现更均匀和有效的波导。在一些实施方案中，该光栅可对于S偏振光和P偏振光中的至少一个提供至少～20％的衍射效率。在另外的实施方案中，光栅对于S偏振光和P偏振光中至少一个提供至少～40％的衍射效率。易于理解，可根据给定应用的具体要求用适当偏振响应配置这样的光栅。例如，在许多实施方案中，光栅对于S偏振光提供至少～40％的衍射效率以便实施具有足够亮度的波导显示器。在另外的实施方案中，光栅对于S偏振光提供至少～40％的衍射效率，并且对于P偏振光提供至少～10％的衍射效率。

图5是对根据本发明多种实施方案的多种材料配制物的衍射效率进行比较的图表。正如所示，可出于具体目的配制根据本发明多种实施方案的混合物。例如，配制物1示出对于S偏振光和P偏振光具有低衍射效率的材料体系，而配制物2示出对于S偏振光和P偏振光都具有足够高的衍射效率的材料体系，其中该体系主要是S敏感性。配制物3是基于HPDLC材料的材料体系，其对于P偏振光表现出高衍射效率响应。

图6A-6C概念性地示出根据本发明多种实施方案的图5中所列出材料配制物中组分的一般结构。材料配制物中的组分可包括但不限于纳米颗粒、液晶单体、侧链芳族和/或脂族连接基团和其它官能团。图6A说明具有类似反应性和扩散速率常数的单体的混合物的化学式，其可导致无效的相分离。该单体混合物对应于图5的配制物1。在一些实施方案中，添加包封纳米颗粒或液晶可以改进相分离。图6B说明对应于图5的配制物2的单体的混合物。图6C说明对应于图5的配制物3的单体的混合物。可在本说明书通篇中找到LC及其衍生物的具体类型。在图6A-6C中，不同的符号表示但不限于：

●R_n可为-H、烷基、烷氧基或单体；n可为整数值例如0、1等；

●X、Y、Z可为-H、单体、间隔体或配体；

●A可为R_n、官能团或侧基(脂族或芳族)；

●B可为具有或没有包封剂的高指数芯部；和

●W可为连接基团。

例如，波导应用典型利用亚波长尺寸的光栅以便能够在波导内实现期望的光传播和控制。因此，本发明的若干实施方案包括使用包含纳米颗粒的光聚合物材料来形成具有小于～500nm周期的光栅。在另外的实施方案中，光栅具有～300-500nm的周期。在许多实施方案中，可选择单体和纳米颗粒的类型以便在光栅形成的曝光过程期间提供高扩散速率。高扩散速率能够促进形成具有小周期尺寸的光栅。在许多实施方案中，形成光栅使其具有滚动的K向量(即光栅的K向量变化)，同时维持相似的周期。除了不同的周期和变化的K向量之外，还可形成光栅使其具有特定厚度，这典型由光聚合物材料层的厚度限定。易于理解，形成光栅的厚度可取决于具体应用。较薄的光栅可导致较低的衍射效率但较高的工作角带宽。与其它材料体系截然不同，根据本发明多种实施方案的光聚合物材料体系能够对许多期望的波导应用提供具有充足衍射效率值的薄光栅。在许多实施方案中，形成光栅使其具有小于～5μm的厚度。在另外的实施方案中，形成光栅使其具有～1-3μm的厚度。在若干实施方案中，光栅具有变化的厚度分布。

所使用组分的类型可取决于具体应用的具体要求。例如，可选择纳米颗粒的类型以便与剩余组分具有低反应性(例如可出于纳米颗粒对材料体系中的单体、染料、共引发剂等的非反应性来选择所述纳米颗粒)。在许多实施方案中，使用二氧化锆纳米颗粒。在许多应用中，波导效率可非常重要。在这样的情形中，具有低吸收性质的纳米颗粒可以是有利的。考虑到典型波导应用内的光栅相互作用量，即使在常规体系中被认为低的吸收值仍可导致不可接受的效率损失。例如，具有高吸收性质的典型金属性纳米颗粒对于许多波导应用可能是不期望的。因此，在许多实施方案中，选择纳米颗粒的类型以提供小于0.1％吸收。在一些实施方案中，纳米颗粒是非金属性的。除了低吸收值，还可以考虑影响波导性能和光栅形成的其它特性。

在一些实施方案中，纳米颗粒可以是金属例如Pt、Au和/或Ag。在一些实施方案中，金属可以是金属氧化物例如ZrO₂、TiO₂、WO₃、ZnO、Co₃O₄、CuO和/或NiO。

在一些实施方案中，纳米颗粒可包括压电材料。EBG的光栅结构的机械变形可提供直接压电效应。在一些实施方案中，压电效应可将压电材料的机械应力转化成电能。包括含压电材料的纳米颗粒的光栅可应用于多种传感器。压电纳米颗粒还可用在EBG结构中用于将电能转化成机械变形(例如反压电效应)。利用反压电效应的包含压电纳米颗粒的光栅可应用于MEMS(例如光学扫描器)。在一些实施方案中，具有压电性质的光栅可包括电可变光栅间距、深度和倾斜角。在一些实施方案中，压电材料可包括PZT(锆钛酸铅)、酞酸钡和铌酸锂。

在一些实施方案中，纳米颗粒的形状(例如球、棒等)可用于改善总体衍射效率。在一些实施方案中，形状可具有比纳米颗粒的平均尺寸更明显的效果。在纳米颗粒为棒形状的情形中，纳米颗粒的取向经常是随机的。在一些实施方案中，纳米颗粒可处于某种排列，当用于含有LC的系统中时其能够提供益处。在一些情形中，排列的纳米颗粒可有助于排列LC定向器，在衍射效率、偏振控制和电光性能方面具有益处。在一些实施方案中，可使用磁场来实现金属性纳米颗粒的排列。

如上所述，具有小周期尺寸的光栅在许多波导应用中可以是有利的。与常规的HPDLC材料体系相比，由于与LC液滴相比纳米颗粒具有相对较小的尺寸，相分离的基于纳米颗粒的光聚合物材料可允许形成具有高得多分辨率的光栅。在典型的HPDLC材料体系中，LC液滴的尺寸可以为约100nm。这可导致在一些应用中的某些限制。例如，许多波导应用实施全息曝光/记录方法用以在波导内形成光栅。根据应用，可限制主光栅的特征尺寸的分辨率。在若干实施方案中，主光栅可具有约～125nm的分辨率。因此，使用100nm的LC液滴形成光栅可能是困难的并且留下很小的误差容许量。与本文描述的光聚合物材料体系相比，形成光栅的纳米颗粒比LC液滴小至少一个数量级。

在一些实施方案中，材料体系包括具有直径小于15nm的纳米颗粒。在另外的实施方案中，纳米颗粒具有～4nm至～10nm的直径。与主光栅的特征尺寸的分辨率相比，纳米颗粒的相对较小尺寸允许形成具有高保真度的光栅。此外，与常规的HPDLC材料体系的大液晶液滴尺寸相比，纳米颗粒的物理特性可允许形成导致相对低雾度的光栅。在若干实施方案中，可实现小于～1％的雾度。在另外的实施方案中，该体系具有小于～0.5％的雾度。

选择待使用的纳米颗粒类型考虑的另一重要特性包括它们的折射率。在许多应用中，例如波导显示器，部件和材料的折射率可对波导性能和效率有大的影响。例如，光栅内的部件的折射率可决定其衍射效率。在一些实施方案中，可利用具有高折射n的纳米颗粒从以便形成具有高衍射效率的光栅。例如，在许多实施方案中，利用具有至少1.7的折射率的ZrO₂纳米颗粒。在一些实施方案中，利用具有至少1.9的折射率的纳米颗粒。在另外的实施方案中，利用具有至少2.1或更高的折射率的纳米颗粒。可选择光聚合物混合物内的纳米颗粒和单体以提供具有高Δn的光栅。在若干实施方案中，光栅具有至少～0.04Δn的折射率调制。在另外的实施方案中，利用具有～0.05-0.06Δn的折射率调制的光栅。这样的材料在能够形成对于某些波导应用具有足够衍射效率的薄光栅方面可以是有利的。在许多实施方案中，所述材料可形成衍射效率高于30％的～2μm厚的光栅。在另外的实施方案中，光栅可具有高于40％的衍射效率。在一些情形中，可实施金属性纳米颗粒以提供高折射率(金属性组分的典型特征)。然而，如以上讨论的，金属性组分典型具有高吸收并且不适合用于许多不同波导应用中。因此，本发明的许多实施方案针对于具有能够形成薄的高效光栅的非金属性纳米颗粒的材料体系。

利用基于纳米颗粒的光聚合物材料的应用

对于许多不同应用，可实施根据本发明多种实施方案的基于纳米颗粒的光聚合物材料。如上所述，可实施这样的材料来形成用于在波导显示器中的各向同性光栅。可设计实施各向同性光栅的波导以减小或消除偏振旋转效应，这有效地减小或消除缺陷例如条纹和其它假象。在许多实施方案中，波导包括至少一个输入耦合器、至少一个折叠光栅和至少一个输出光栅。可以利用输入耦合器例如但不限于棱镜和输入光栅。在一些实施方案中，波导包括各向异性输入光栅和各向同性折叠光栅。可以用多种不同方式形成和制造实施各向同性和各向异性光栅的不同配置的波导。在许多实施方案中，通过利用沉积方法例如但不限于喷墨打印来形成波导，从而形成波导单元。指定用于光栅的每个区域可沉积有适当材料以形成期望的光栅结构。例如，为了形成各向异性的输入光栅，可在指定用于输入光栅的区域上方沉积HPDLC材料。在全息曝光之后，HPDLC材料可形成SBG光栅。类似地，可将基于纳米颗粒的光聚合物材料沉积在指定用于折叠光栅的区域上方从而在全息曝光之后形成各向同性的折叠光栅。在若干实施方案中，将单体沉积在非光栅区域上方。易于理解，可以用多种不同方式形成包括各向异性/各向同性光栅的波导。在许多实施方案中，实施真空填充方法以形成适当波导单元用于形成这样的波导。可在具有为多个光栅而分隔的区域的空波导单元上实施多重材料真空填充方法。

图7概念性地示出根据本发明实施方案的具有含不同材料的限定光栅区域的波导单元。图7显示含有用于输入光栅702、折叠光栅703和输出光栅704的标记区域的波导单元700的平面图。剩余区域是非光栅区域705。如上所述，波导单元700可被构造为具有在不同区域沉积的不同材料。例如，在许多实施方案中，非光栅区域705仅含有单体，因为在这样的区域中不意图发生衍射。通过在那些区域中仅沉积单体，那些区域将对系统贡献最小的雾度。根据应用，光栅区域702-704可包括多种材料。在一些实施方案中，输入光栅区域702包括HPDLC材料用于形成具有高P偏振响应的光栅。可利用这样的结构来提供大量的耦合进入光。在若干实施方案中，折叠光栅区域703包括基于纳米颗粒的光聚合物材料用于形成各向同性光栅。如上所述，这样的光栅可为波导提供较高的均匀性。

在许多不同波导显示器应用中可实施各向同性/各向异性光栅结构。在许多实施方案中，实施具有至少一个各向同性光栅的近眼波导显示器。在另外的实施方案中，近眼显示器包括至少一个各向异性光栅。可以用许多不同的方式来配置实施各向同性和各向异性光栅的波导。在若干实施方案中，光栅层的厚度可以为约～2-3μm。在一些实施方案中，波导包括复用光栅。在另外的实施方案中，复用光栅是各向同性光栅，可使用基于纳米颗粒的光聚合物材料来形成所述各向同性光栅。在许多实施方案中，复用光栅被实施为集成光栅，例如以上部分中描述的那些。易于理解，具体的光栅结构可取决于给定应用的要求。例如，在多种实施方案中，波导包括各向异性输入光栅和各向同性折叠光栅以便提供高输入耦合效率同时减少缺陷和/或假象的出现。各向异性光栅可经常包括对于偏振光的高衍射效率值。例如，由HPDLC材料形成的SBG经常具有对于P偏振光的高衍射效率。因此，多种实施方案包括使用偏振光和各向异性输入光栅以提供较高的输入耦合效率。在若干实施方案中，输入光是激光光学引擎。在许多实施方案中，波导包括输入耦合器和集成复用光栅从而提供典型的折叠光栅和输出光栅两者的功能。在另外的实施方案中，输入耦合器是各向异性输入光栅并且集成光栅是各向同性光栅。

除了近眼波导显示器应用，还可在交通工具和汽车波导显示应用中有利地实施基于纳米颗粒的光聚合物材料。典型地，实施波导显示器的汽车平视显示系统尺寸相对大。例如，典型利用具有至少300mm长度的波导。在许多情形中，波导内的光学传播路径为至少600mm。大的光栅经常转化为更长的光路和波导内的TIR反弹，这可在提供光均匀性和控制雾度方面存在困难。如上所述，可实施基于纳米颗粒的光聚合物以形成与常规体系相比具有改进均匀性和雾度的波导。在许多实施方案中，汽车波导包括至少一个输入耦合器、至少一个折叠光栅和至少一个输出光栅。可以用多种方式实施输入耦合器，包括但不限于使用输入棱镜和输入光栅。在一些实施方案中，使用基于纳米颗粒的光聚合物材料来形成折叠光栅。在许多实施方案中，折叠光栅是各向同性光栅。在若干实施方案中，输入光栅和/或输入光栅也使用基于纳米颗粒的光聚合物材料形成并且也是各向同性光栅。如上所述，各向同性光栅可减小或消除偏振旋转效应以便提供更好的均匀性。易于理解，可实施多种光栅结构和配置。在多种实施方案中，输入光栅可为各向异性光栅，可实施所述各向异性光栅以提供更高的输入耦合效率。在汽车平视显示应用中，耦合到系统外的偏振类型可以是重要的。在多种应用中，可期望输出光是P偏振的。在这样的情形中，典型使系统定向使得所述光提供S偏振光，相对于风挡而言。为了提供大量的P偏振输出光，波导可高效地包括各向异性输出光栅，这可以是由HPDLC材料形成的SBG。在许多实施方案中，输出光栅可以是各向同性光栅。在这样的情形中，可配置风挡以包括偏振膜或涂层用于反射P偏振光。

除了用于在波导显示器中的光栅，可实施根据本发明多种实施方案的基于纳米颗粒的光聚合物材料以形成光栅，其用作全息记录系统中的主光栅。在典型的全息曝光方法中，使用主光栅来形成用于曝光未固化光聚合物材料的光的期望图案。在许多情形中，主光栅是振幅光栅，例如但不限于铬光栅。然而，对于一些应用中的实施，铬光栅可能是过于昂贵的。例如，在大批量制造系统中，可需要多个铬光栅。在若干应用中，可使用大的铬主光栅(chrome mas ter)，其成本随着尺寸的增加呈指数级增长。另一问题在于铬光栅典型提供低衍射效率，从而有效地增加原始曝光光束的所需功率。在许多实施方案中，可实施全息光栅作为主光栅。常规的全息光栅可提供与常规的振幅光栅相比更大的衍射效率值但可能由于高雾度值从而难以实施，这不利地影响记录光栅从而在典型的波导应用中是不可接受的。另一方面，由基于纳米颗粒的光聚合物材料形成的全息光栅可产生足够低水平的雾度，其足以用作全息曝光过程的主光栅。此外，在许多应用中，制造这样的光聚合物全息光栅的成本与铬主光栅相比可忽略不计。在一些实施方案中，由基于纳米颗粒的光聚合物材料形成的全息主光栅对入射光束提供很少乃至没有反射。在许多记录方法中这可以是有利的，因为可减轻或避免由反射光线引起的不期望的曝光。在若干实施方案中，实施的记录方法利用S偏振的曝光光。在这样的情形中，由基于纳米颗粒的光聚合物材料形成的全息主光栅可适合于这样的方法，因为与常规全息光栅相比它们对于S偏振光具有高的衍射效率。易于理解，可根据具体的全息记录方法以多种不同方式设计和配置由基于纳米颗粒的光聚合物材料形成的主光栅。在许多实施方案中，全息主光栅包括夹在两个透明基材之间的光栅层。光栅层可由特定厚度形成，这可提供一些期望的性能例如但不限于较高的衍射效率。在一些实施方案中，光栅层为至少～3μm厚。在若干实施方案中，光栅层为至少～5μm厚。在另外的实施方案中，光栅层为至少～5μm厚并对于记录方法中使用的角度提供至少～40％的衍射效率。所用的具体厚度可取决于具体应用并且可考虑一些权衡。例如，较薄的光栅可提供较小雾度而较厚的光栅提供较高的衍射效率。

图8是概念性地示出根据本发明实施方案的使用全息主光栅形成光栅的方法的流程图。正如所示，方法800包括提供至少一个光源、振幅光栅和第一层光聚合物材料(801)。可利用多种类型的组分和材料。在许多实施方案中，振幅光栅是铬主光栅。在一些实施方案中，第一层光聚合物材料包括基于纳米颗粒的光聚合物材料。可通过用来自至少一个光源的曝光光照射振幅光栅从而用干涉图案曝光第一层光聚合物材料来在第一层光聚合物材料中形成第一组全息光栅(802)。可利用不同的曝光方法，包括但不限于单光束和双光束干涉曝光。可提供第二层光聚合物材料(803)。在许多实施方案中，第二层光聚合物材料包括基于纳米颗粒的光聚合物材料。在若干实施方案中，第二层光聚合物材料包括HPDLC材料。易于理解，可根据给定应用的具体要求适当地利用任何类型的光聚合物材料。可通过用来自至少一个光源的曝光光照射第一组全息光栅从而用干涉图案曝光第二层光聚合物材料来在第二层光聚合物材料中形成第二组全息光栅(804)。可形成不同类型的光栅，包括但不限于全息光栅、RKV光栅、集成光栅、复用光栅和任何其它光栅结构，包括在本文公开内容中描述的那些。

虽然图8说明使用全息主光栅形成光栅的具体方法，但是可根据给定应用的具体要求适当地实施许多不同方法。在许多实施方案中，实施单光束干涉曝光方法用以形成全息光栅。在一些实施方案中，使用两个光源来提供干涉曝光。易于理解，可利用不同类型的光源，其具体类型可取决于光聚合物材料。在若干实施方案中，光源被配置为发射约～450-650nm的光。在一些实施方案中，光源发射具有532nm波长的光。在许多实施方案中，光源被配置为发射S偏振光。在另外的实施方案中，光源包括各种偏振操纵结构和板用以提供S偏振光。易于理解，可根据应用适当地实施各种偏振和波长的光源。

包括灰化(Ashing)的实施方案

在一些实施方案中，可进行附加的灰化步骤。图9A-9E说明根据本发明实施方案的使用包括纳米颗粒的全息光聚合物材料来形成光栅的方法。图9A说明包括包封在未曝光单元中的纳米颗粒的全息光聚合物材料的起始层。未曝光单元包括全息光聚合物材料层912，所述全息光聚合物材料层包括在底部基材906上包括的纳米颗粒。层912可包括亮条纹区域902和暗条纹区域904。层912可被夹在底部基材906和顶部基材910之间。可从层912去除顶部基材910。可在顶部基材910上涂覆脱离层908。脱离层908可允许顶部基材910是可去除的。脱离层908可以是基于硅烷的氟聚合物或氟单体反应物。脱离层908可包括氟聚合物例如OPTOOL UD509(由Daikin Chemicals生产)，Dow Corning 2634，Fluoropel(由Cytonix生产)和EC200(由PPG Indus tries,Inc生产)或氟单体。可通过气相沉积、旋涂或喷雾来施加脱离层908。在一些实施方案中，顶部基材910可再次使用并因此在全息曝光之后在去除之后，顶部基材910可置于可用全息光束曝光的另一全息混合物层上。

图9B说明已暴露于全息记录光束之后的图9A的单元。正如所示，纳米颗粒扩散至暗条纹区域904从而在暗条纹区域904中产生富含纳米颗粒的区域以及在亮条纹区域902中产生贫含纳米颗粒的区域。层912的顶部在曝光之后包括薄的表面拓扑结构914。

图9C说明在去除了顶部基材910之后的图9B的单元。如结合图9A所讨论的，脱离层908可帮助从层912去除顶部基材910。

图9D说明在进行灰化步骤之后的图9C的单元。灰化步骤可为等离子体蚀刻，其可去除贫含纳米颗粒的区域同时保持富含纳米颗粒的区域。在一些实施方案中，灰化步骤可以以比贫含纳米颗粒的区域更小的速率蚀刻富含纳米颗粒的区域。层912的表面拓扑结构914的深度可由于灰化而增加。表面拓扑结构914可在体积光栅920的顶部形成表面浮雕光栅918。

图9E说明在进行连续灰化之后的图9D的单元。层912的表面拓扑结构914可继续增加从而产生具有高纵横比的深的无机表面浮雕光栅。偏压层916可根据起始层912的浓度的纳米颗粒官能度存在。

图10A-10D说明根据本发明实施方案的使用包括纳米颗粒的全息光聚合物材料来形成光栅的方法。图10A说明包括光聚合物材料1004连同纳米颗粒1002的全息层1012的起始单元。全息层1012夹在底部基材1006和顶部基材1008之间。

图10B说明在全息曝光之后的图10A的起始单元。正如所示，纳米颗粒1002扩散至线性区域中从而产生交替的富含纳米颗粒的区域和贫含纳米颗粒(富含聚合物)的区域。

图10C说明在去除顶部基材1008之后的图10B的单元。如之前所讨论，顶部基材1008可包括脱离层，其可帮助从全息层1012去除顶部基材1008。图10D说明在灰化之后的图10C的全息层1012。灰化在全息层1012的顶表面中产生孔1010。灰化可以是等离子体蚀刻，其可比富含纳米颗粒的区域更快地蚀刻贫含纳米颗粒的区域从而产生孔1010。在灰化之后，可在体积光栅1016的顶部形成表面浮雕光栅1014。

图11A-11F说明根据本发明实施方案的使用包括纳米颗粒和惰性液体的全息光聚合物材料来形成光栅的方法。图11A说明包括纳米颗粒1102、单体混合物1104和惰性液体1106的全息层1108的起始单元。惰性液体1106可为液晶。全息层1108可夹在底部基材1110和顶部基材1112之间使得纳米颗粒1102、单体混合物1104和惰性液体1106可随机分布。惰性液体1106可以在单体混合物1104内形成液滴。纳米颗粒1102可包括包封剂，所述包封剂可与单体混合物1104反应。

图11B说明在全息曝光之后图11A的起始单元。全息曝光可以是干涉图案，其引起单体混合物1104的聚合从而形成聚合物网络1104a，该聚合物网络将纳米颗粒1102粘合。惰性液体1106可扩散到全息曝光的暗条纹中从而形成惰性液体1106的条带1106a。

图11C说明在去除了顶部基材1112之后的图11B的单元。顶部基材1112可涂覆有脱离层，其可帮助从全息层1108去除顶部基材1112。在去除了顶部基材1112之后，可从全息层1108去除或排空惰性液体1106的条带1106a以形成气穴1106b。可通过用溶剂例如乙醇清洗来去除惰性液体1106。在去除了惰性液体1106之后，疏松的聚合物网络可保持在嵌入聚合物网络1104a的纳米颗粒1102的条带之间。

图11D说明在初步灰化步骤之后图11C的单元。灰化步骤可去除保持在嵌入聚合物网络1104a的纳米颗粒1102的条带之间的疏松聚合物网络。图11E说明在进一步灰化之后图11D的单元，所述进一步灰化完全去除聚合物网络1104a，从而恰好留下产生无机光栅结构的纳米颗粒1102。图11F说明在去除纳米颗粒1102之间的晶界并因此固化无机光栅结构的烧结步骤之后的图11E的单元。

虽然作为一系列步骤讨论了图11A-11F的步骤，但是可仅进行这些步骤的子集以产生多种光栅。例如，可省略关于图11F所述的步骤，因此所得光栅可以是关于图11E所讨论的光栅。此外，可省略关于图11E和11F所述的步骤，因此所得光栅可以是关于图11D所讨论的光栅。类似地，可省略关于图11D-11F所述的步骤，因此所得光栅可以是关于图11C所讨论的光栅。

图12说明根据本发明实施方案生产光栅的方法。这种方法与图9A-9E和图10A-10D中说明的方法类似(mirror)。该方法包括提供包括全息记录材料层的单元(1202)，所述全息记录材料包括包含至少一种纳米颗粒和至少一种单体的混合物，其中全息记录材料层位于顶部基材和底部基材之间。然后用交叉的全息记录光束曝光全息记录材料层(1204)。全息记录光束干涉从而形成暗条纹区域和亮条纹区域。纳米颗粒扩散至暗条纹区域(同时发生单体的聚合)从而产生被贫含纳米颗粒(富含聚合物)的区域分隔的富含纳米颗粒的区域。可去除顶部基材(1206)，这使全息记录材料的曝光层曝光。可灰化全息记录材料的曝光层(1208)，这可以比富含纳米颗粒的区域更高的速率等离子体蚀刻所述贫含纳米颗粒的区域。这可在体积光栅的顶部产生表面浮雕光栅。

多层波导制造

可实施根据本发明多种实施方案的波导制造用于制造多层波导。多层波导是指利用具有光栅或其它光学结构的两个或更多个层的一类波导。虽然以下讨论可涉及光栅，但是可适当地实施和替代任何类型的全息光学结构。可出于多种目的实施多层波导，包括但不限于改进光谱和/或角带宽。常规地，通过堆叠和排列具有单个光栅层的波导来形成多层波导。在这样的情形中，典型由一对透明基材限制每个光栅层。为了维持期望的全内反射特性，通常使用间隔体来堆叠波导以便在单个波导之间形成气隙。

与常规的堆叠波导截然不同，发明的许多实施方案涉及制造具有交替的基材层和光栅层的多层波导。可用能够顺序地形成单个波导的光栅层的重复方法来制造这样的波导。在若干实施方案中，用两个光栅层来制造多层波导。在许多实施方案中，用三个光栅层来制造多层波导。可形成任何数目的光栅层，这受所利用的工具和/或波导设计的限制。与常规的多层波导相比，这允许减少厚度、材料和成本，因为需要较少的基材。此外，这样的波导的制造方法由于简化的排列和基材匹配要求而允许较高的生产率。

可使用多种技术来实施根据本发明多种实施方案的具有交替的透明基材层和光栅层的多层波导的制造方法。在许多实施方案中，制造方法包括将第一层光学记录材料沉积到第一透明基材上。光学记录材料可包括多种材料和混合物，包括但不限于HPDLC混合物和以上部分中讨论的任何材料配制物。类似地，可使用各种沉积技术中任一种，例如但不限于喷涂、旋涂、喷墨打印，和以上部分中描述的任何技术。可利用各种形状、厚度和材料的透明基材。透明基材可包括但不限于玻璃基材和塑料基材。根据应用，出于各种目的，透明基材可涂覆有不同类型的膜。一旦沉积过程完成，然后可将第二透明基材置于所沉积的第一层光学记录材料上。在一些实施方案中，该方法包括层压步骤以便将三层复合物形成为期望的高度/厚度。可实施曝光方法以便在第一层光学记录材料内形成一组光栅。可利用曝光方法，例如但不限于单光束干涉曝光和以上部分中描述的任何其它曝光方法。实质上，单层波导现在形成。然后可重复该方法以便向波导增加另外的层。在若干实施方案中，将第二层光学记录材料沉积到第二透明基材上。可将第三透明基材置于第二层光学记录材料上。类似于先前步骤，可将复合材料层压至期望的高度/厚度。然后可进行第二曝光方法以便在第二层光学记录材料内形成一组光栅。结果是具有两个光栅层的波导。易于理解，该方法可继续重复以增加另外的层。可将另外的光学记录层添加到目前层压材料的任一侧。例如，可将第三层光学记录材料沉积到第一透明基材或第三透明基材的外表面上。

在许多实施方案中，制造方法包括一个或多个后处理步骤。可在制造方法的任何阶段进行后处理步骤，例如但不限于平坦化、清洁、施加保护涂料、热退火、排列LC定向器以实现期望的双折射状态、从记录的SBG提取LC和用另一材料再次填充等。典型在制造方法结束时进行一些方法例如但不限于波导切割(当生产多个元件时)、边缘精加工、AR涂层沉积、最终保护涂层施加等等。

在许多实施方案中，将间隔体(例如但不限于珠粒和其它颗粒)分散在整个光学记录材料中以帮助控制和维持光学记录材料层的厚度。间隔体还可帮助防止两个基材彼此塌陷。在一些实施方案中，用夹在两个平面基材之间的光学记录层构建波导单元。取决于所使用的光学记录材料的类型，可能难以实现厚度控制，这是因为一些光学记录材料的粘度和缺少光学记录层的边界周长。在许多实施方案中，间隔体是相对不可压缩的固体，其可允许构建具有一致厚度的波导单元。间隔体可采用任何合适的几何形状，包括但不限于棒和球。间隔体的尺寸可决定单个间隔体周围区域的局部最小厚度。因此，可选择间隔体的尺寸以帮助获得期望的光学记录层厚度。间隔体可采用任何合适尺寸。在许多情形中，间隔体的尺寸范围为1-30μm。间隔体可由多种材料中的任何制成，包括但不限于塑料(例如二乙烯基苯)、氧化硅、微球、光致抗蚀剂材料(例如SU-8)和传导材料。在若干实施方案中，选择间隔体的材料使得其折射率基本上不影响波导单元内的光传播。

在许多实施方案中，使用真空填充方法将第一层光学记录材料包括在第一透明基材和第二透明基材之间。在许多实施方案中，该层光学记录材料被分成不同部分，可根据给定应用的具体要求适当地填充或沉积所述部分。在一些实施方案中，制造系统被配置为从下方曝光所述光学记录材料。在这样的实施方案中，重复多层制造方法可包括翻转当前装置使得曝光光在其入射在任何形成的光栅层之前入射在新沉积的光学记录层上。

在许多实施方案中，曝光方法可包括临时“擦除”先前形成的光栅层或者使先前形成的光栅层透明，使得它们将不会干扰新沉积的光学记录层的记录过程。临时“擦除的”光栅或其它光学结构可与透明材料行为类似，允许光穿过而不影响光路。使用这样的技术将光栅记录到光学记录材料层中的方法可包括制造光学结构的堆叠体，其中使沉积在基材上的第一光学记录材料层曝光以形成第一组光栅，可将其临时擦除使得可使用穿过第一光学记录材料层的光学记录光束将第二组光栅记录到第二光学记录材料层中。虽然主要关于具有两个光栅层的波导讨论了记录方法，但是基本原理可适用于具有多于两个光栅层的波导。

可以用多种方式实施包括临时清除光栅结构的步骤的多层波导制造方法。典型地，使用常规方法形成第一层。所用的记录材料可包括能够支撑可响应于刺激而被擦除的光学结构的材料体系。在光学结构是全息光栅的实施方案中，曝光方法可利用交叉光束全息记录设备。在许多实施方案中，光学记录方法使用由主光栅提供的光束，所述主光栅可以是记录在光聚合物或振幅光栅中的布拉格全息图。在一些实施方案中，曝光方法利用单记录光束连同主光栅以形成干涉曝光束。除所述的方法之外，可使用在制造全息图领域中目前使用的其它工业方法和设备。

一旦记录了第一组光栅，可类似于上述方法加入附加材料层。在第一材料层之后的任何材料层的曝光过程中，可向任何先前形成的光栅施加外部刺激以使它们有效透明。有效透明的光栅层可允许光穿过从而曝光新的材料层。外部的刺激/多个刺激可包括光学、热、化学、机械、电和/或磁刺激。在许多实施方案中，以低于预定阈值的强度施加外部刺激以便产生低于预定水平的光学噪声。具体的预定阈值可取决于用于形成光栅的材料类型。在一些实施方案中，施加到第一材料层的牺牲取向层可用于临时擦除第一组光栅。在一些实施方案中，控制施加到第一组光栅的外部刺激的强度以便减小正常操作期间光学装置中的光学噪声。在若干实施方案中，光学记录材料还包括促进清除光栅过程的添加剂，其可包括任何以上描述的方法。在许多实施方案中，施加刺激用于恢复被擦除的层。

可使用许多不同方法来实现以上方法中描述的记录层的清除和恢复。在许多实施方案中，通过在第二层的记录期间连续地施加刺激来清除第一层。在其它实施方案中，最初施加刺激，并且被清除层中的光栅可在允许记录第二光栅的时间尺度上自然地恢复至其记录状态。在其它实施方案中，所述层在施加外部刺激之后保持被清除，并且响应于另一外部刺激而恢复。在若干实施方案中，可使用取向层或外部刺激来进行第一光学结构恢复至其记录状态。用于这样恢复的外部刺激可为多种不同刺激中的任何，包括但不限于用于清除光学结构的刺激/多个刺激。根据待清除的光学结构和层的组成材料，清除方法可以不同。可在2019年7月25日提交的题目为“Sys tems and Methods for Fabr icat ing a Mul ti layer Opt ical Structure”的美国专利申请公开号2020/0033801中找到关于利用外部刺激的多层波导制造的进一步讨论，出于所有目的通过引用将其公开内容整体并入本文。

在一些实施方案中，多层光栅可包括直接堆叠在彼此之上的多个层。图13A-13C概念性地示出根据本发明实施方案的制造多层光栅的方法。图13A是使用图11A-11F中描述的方法产生的光栅。光栅包括无机结构，所述无机结构包括烧结的纳米颗粒1102。图13B说明根据本发明实施方案的多层光栅。关于图13A所述的光栅可涂覆有附加材料1302可涂覆至无机结构上。附加材料1302可用于调节平均折射率或产生其它独特性质。

图13C说明根据本发明实施方案的多层光栅。图13B的光栅可涂覆有附加层1304。附加层1304可具有与附加材料1302不同的材料特性。可存在嵌入附加层1304内的纳米颗粒1306。

图14A-14D概念性地示出根据本发明实施方案的制造多层光栅的方法。图14A说明使用图10A-10C中描述的方法产生的光栅。图14B说明在光栅1012的顶部添加单体混合物1402连同纳米颗粒1404的第二全息层1408之后的图14A的光栅。顶部基材1406可置于第二全息层1408的顶部。纳米颗粒1404可随机分布在单体混合物1402内。纳米颗粒1404可包括不与单体混合物1402反应的包封剂。

图14C说明在第二全息层1408的全息曝光之后的图14B的多层光栅。全息曝光使纳米颗粒1404扩散到暗条纹区域中。纳米颗粒1404可扩散到具有与第一全息层1012的纳米颗粒1002不同取向的倾斜条纹中。在一些实施方案中，纳米颗粒1404可扩散到具有与第一全息层1012的纳米颗粒1002相同取向的倾斜条纹中。图14D说明在去除顶部基材1406之后的图14C的多层光栅。在一些实施方案中，可重复该过程以产生具有多个层的光栅。

图15A-15G说明根据本发明实施方案的制造多层光栅的方法。图15A说明包括单体材料1504连同纳米颗粒1502的全息层1508的起始单元。全息层1508夹在底部基材1506和顶部基材1510之间。

图15B说明在用全息记录光束曝光之后的图15A的起始单元。干涉图案可在亮条纹中引起聚合。纳米颗粒1502可扩散到暗条纹区域。这可导致纳米颗粒1502在聚合物基质1504中的有组织分布。图15C说明在去除了顶部基材1510之后的图15B的单元。

图15D说明在第一全息层1508的顶部上涂覆第二全息层1512之后的图15C的单元。第二全息层1512可包括单体材料1514连同纳米颗粒1516。第二全息层1512可夹在第一全息层1508和顶部基材1518之间。图15E说明在第二全息层1512的全息曝光之后的图15D的单元。如同对第一全息层1508的曝光，干涉图案可在亮条纹中引起聚合，并且纳米颗粒1516可扩散到暗条纹区域。这可导致纳米颗粒1516在聚合物基质1514中的有组织分布。图15F说明在灰化步骤之后的图15E的单元。所述灰化至少部分去除第二全息层1512的聚合物基质1514和第一全息层1508的聚合物基质1504。这可产生多层无机光栅。在一些实施方案中，当去除了由聚合物基质1504占据的体积时纳米颗粒1514可偏移。在灰化之前，纳米颗粒1514可分散在聚合物基质1504内并且当去除了间隔在纳米颗粒1514之间的聚合物基质1504时在灰化期间可存在一些偏移或厚度减小。影响偏移量的因素包括纳米颗粒含量(例如纳米颗粒1514与聚合物基质1504的比率)、纳米颗粒1514的尺寸/形状/表面电荷、在全息曝光期间有多少纳米颗粒1514已经聚集(这可受纳米颗粒包封剂、表面化学或聚合物交联的影响)、和记录到层中的结构的整体形状。这种偏移可与聚合期间发生的收缩相当，在所述聚合中单体(其可占据较多体积)被转化为聚合物(其可占据较少体积)。可维持结构的主体，但是可存在一些可能发生的微小偏移。

图15G说明在蚀刻步骤之后的图15F的光栅。蚀刻步骤可为电子束或定向蚀刻，这可用于去除光栅的一部分1520。去除的部分1520可产生空腔从而形成多种光栅结构例如光子晶体。

各种光栅配置

根据本发明的多种实施方案的波导可包括为特定目的和功能而设计的多种光栅配置。在许多实施方案中，波导被设计成通过有效地扩大准直光学体系的出射光瞳来实施能够保持眼动范围尺寸同时减小透镜尺寸的光栅配置。出射光瞳可定义为虚拟光圈，其中只有穿过该虚拟光圈的光线才能进入使用者的眼睛。在一些实施方案中，波导包括与光源光学耦合的输入光栅、用于提供第一方向光束扩展的折叠光栅、以及用于在第二方向(其典型与第一方向正交)上提供光束扩展的输出光栅，以及朝向眼动范围(eyebox)的光束引出。易于理解，该光栅配置所实现的波导结构可取决于给定应用的特定要求。在一些实施方案中，该光栅配置包括多个折叠光栅。在若干实施方案中，该光栅配置包括用于同时执行光束扩展和光束引出的输入光栅和第二光栅。第二光栅可包括布置在分开的重叠光栅层中或复用在单一光栅层中的不同规格的光栅，用于传播视场的不同部分。此外，也可利用各种类型的光栅和波导结构。

在若干实施方案中，每个层内的光栅被设计成具有不同的光谱和/或角度响应。例如，在许多实施方案中，跨不同光栅层的不同光栅被重叠或复用，以提供光谱带宽的增加。在一些实施方案中，使用三个光栅层实现全色波导，每个光栅层被设计为在不同的光谱带(红、绿和蓝)中操作。在其它实施方案中，使用两个光栅层(红-绿光栅层和绿-蓝光栅层)实现全色波导。易于理解，可类似地实施这些技术，以增加波导的角带宽操作。除了跨不同光栅层的光栅复用之外，多个光栅可在单个光栅层内复用—即多个光栅可叠加在同一体积内。在若干实施方案中，波导包括至少一个光栅层，该光栅层具有在同一体积中复用的两个或更多个光栅规格。在另外的实施方案中，波导包括两个光栅层，每个层具有在同一体积中复用的两个光栅规格。可使用各种制造技术在同一体积内复用两个或更多个光栅规格。在多个实施方案中，复用主光栅与曝光配置一起使用以形成复用光栅。在许多实施方案中，通过用两个或更多个曝光光配置对光学记录材料层依次曝光来制造复用光栅，其中每个配置被设计为形成光栅规格。在一些实施方案中，通过在两个或更多个曝光光配置之间或之中交替来曝光光学记录材料层以制造复用光栅，其中每个配置被设计为形成光栅规格。易于理解，可适当地使用各种技术，包括本领域公知的技术制造复用光栅。

在许多实施方案中，波导可包括以下至少一种：角度复用光栅、彩色复用光栅、折叠光栅、双相互作用光栅、滚动K矢量光栅、交叉折叠光栅、镶嵌光栅、啁啾光栅、具有空间变化的折射率调制的光栅、具有空间变化的光栅厚度的光栅、具有空间变化的平均折射率的光栅、具有空间变化的折射率调制张量的光栅以及具有空间变化的平均折射率张量的光栅。在一些实施方案中，波导可包括以下至少一种：半波片、四分之一波片、抗反射涂层、分束层、配向层、用于减少眩光的光致变色背层和用于减少眩光的百叶窗膜。在若干实施方案中，波导可支持为不同偏振提供单独光路的光栅。在多种实施方案中，波导可以支持为不同光谱带宽提供单独光路的光栅。在多个实施方案中，光栅可以为HPDLC光栅、记录在HPDLC中的切换光栅(诸如可切换的布拉格光栅)、记录在全息光聚合物中的布拉格光栅或表面浮雕光栅。在许多实施方案中，波导在单色波段中操作。在一些实施方案中，波导在绿色波段中操作。在若干实施方案中，可将诸如红、绿和蓝(RGB)的不同光谱波段中操作的波导层堆叠以提供三层波导结构。在另外的实施方案中，所述层被堆叠，在波导层之间具有气隙。在多种实施方案中，波导层在诸如蓝-绿和绿-红的较宽波段中操作以提供双波导层方案。在其它实施方案中，光栅被颜色复用以减少光栅层的数量。可实施多种类型的光栅。在一些实施方案中，每个层中的至少一个光栅为可切换光栅。

包括光学结构(诸如上述那些光学结构)的波导可在多种不同的应用中实施，包括但不限于波导显示器。在多种实施方案中，以大于10mm的眼动范围实施波导显示器，出瞳距离(eye rel ief)大于25mm。在一些实施方案中，波导显示器包括厚度在2.0-5.0mm之间的波导。在许多实施方案中，波导显示器可提供至少50°对角线的图像视场。在另外的实施方案中，波导显示器可以提供至少70°对角线的图像视场。波导显示器可采用许多不同类型的图片生成单元(PGU)。在若干实施方案中，PGU可为反射式或透射式空间光调制器，诸如硅基液晶(LCoS)面板或微机电系统(MEMS)面板。在多个实施方案中，PGU可为发射装置诸如有机发光二极管(OLED)面板。在一些实施方案中，OLED显示器可以具有大于4000尼特的亮度和4k×4k像素的分辨率。在若干实施方案中，波导可具有大于10％的光学效率，使得可使用亮度为4000尼特的OLED显示器提供大于400尼特的图像亮度。实施P衍射光栅(即对P偏振光具有高效率的光栅)的波导典型具有5％-6.2％的波导效率。由于P衍射光栅或S衍射光栅会浪费来自非偏振源(例如OLED面板)的一半光，因此许多实施方案针对能够提供S衍射光栅和P衍射光栅的波导以允许波导效率增加高达两倍。在一些实施方案中，在分开的重叠光栅层中实施S衍射光栅和P衍射光栅。作为替代，在某些条件下，单个光栅能够为P偏振光和s偏振光提供高效率。在若干实施方案中，对于适当选择的光栅厚度值(典型在2-5μm的范围)，波导所包括的光栅在某些波长和角度范围内具有高的S和P衍射效率。

等同原则

虽然以上描述包含本发明的许多具体实施方案，但这些不应被解释为对本发明范围的限制，而应被视为它的一个实施方案的示例。因此应当理解，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以用不同于具体描述的方式实践本发明。因此，本发明的实施方案在所有方面都应被视为说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围不应由所说明的实施方案确定，而应由所附权利要求书及其等同物确定。

Claims (35)

1.形成光栅的方法，该方法包括：

提供起始单元，所述起始单元包含：

底部基材；

第一可去除基材；和

包含单体和纳米颗粒的第一全息材料，其中所述第一全息材料位于底部基材和第一可去除基材之间；

用全息记录光束曝光所述第一全息材料，由此纳米颗粒扩散到暗条纹区域中从而产生贫含纳米颗粒的区域和富含纳米颗粒的区域以形成底部光栅；

去除所述第一可去除基材；

在曝光的第一全息材料顶部沉积第二全息材料；

将第二可去除基材置于所述第二全息材料顶部；和

用另一全息记录光束曝光所述第二全息材料从而形成顶部光栅。

2.根据权利要求1所述的方法，其中底部光栅和顶部光栅具有不同的倾斜方向。

3.根据权利要求1所述的方法，其中底部光栅和顶部光栅具有相同的倾斜方向。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二全息材料包含单体和纳米颗粒，并且其中曝光第二全息材料使纳米颗粒扩散到暗条纹区域中以产生贫含纳米颗粒的区域和富含纳米颗粒的区域。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二全息材料包含光聚合性单体和惰性液体。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二全息材料还包含纳米颗粒。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述惰性液体包含液晶材料。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述纳米颗粒分散在液晶材料内。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括在接触所述第一全息材料的第一可去除基材表面上提供脱离层。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述脱离层包含基于硅烷的氟聚合物或氟单体。

11.根据权利要求1所述的方法，其中用全息记录光束曝光所述第一全息材料和第二全息材料使单体聚合从而产生聚合物基质。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括使曝光的第一全息材料和第二全息材料灰化以便去除至少一部分聚合物基质。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括选择性地蚀刻一部分的灰化第一全息材料和第二全息材料。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述纳米颗粒选自以下：纳米管、金属、绝缘体、铁电材料、纳米管、纳米棒和纳米球。

15.形成光栅的方法，该方法包括：

提供起始单元，所述起始单元包含：

底部基材；

可去除基材；和

包含单体和纳米颗粒的全息材料，其中所述全息材料位于底部基材和可去除基材之间；

用全息记录光束曝光所述全息材料，由此纳米颗粒扩散到暗条纹区域中从而产生贫含纳米颗粒的区域和富含纳米颗粒的区域以形成光栅；

去除所述可去除基材；和

将曝光的全息材料灰化以便在体积光栅的顶部形成表面浮雕光栅。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括进一步灰化所述曝光的全息材料以形成由纳米颗粒制成的无机光栅结构。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括在高温下烧结所述纳米颗粒以去除纳米颗粒之间的晶界。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括将附加材料涂覆到纳米颗粒上，其中至少一部分的附加材料位于相邻的富含纳米颗粒的区域之间。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括在所述附加材料顶部沉积另一全息材料；和

用另一全息记录光束曝光另一全息材料以产生顶部光栅。

20.波导装置，其包含：

支撑输入光栅和折叠光栅的波导，

其中所述折叠光栅包含交替的富含纳米颗粒的区域和贫含纳米颗粒的区域，并且

其中输入光栅包含交替的富含液晶区域和贫含液晶区域。

21.根据权利要求20所述的波导装置，其中所述贫含液晶区域包含气隙。

22.根据权利要求20所述的波导装置，其中所述贫含纳米颗粒的区域包含在聚合物基质区域顶部的气隙区域。

23.根据权利要求20所述的波导装置，其中所述折叠光栅是集成的多路复用光栅，其既充当折叠光栅又充当输出光栅。

24.根据权利要求20所述的波导装置，其中交替的富含纳米颗粒的区域和贫含纳米颗粒的区域包括含金属的纳米颗粒。

25.根据权利要求24所述的波导装置，其中所述纳米颗粒包含金属氧化物芯部。

26.根据权利要求25所述的波导装置，其中所述金属氧化物芯部包含ZrO₂、TiO₂、WO₃、ZnO、Co₃O₄、CuO和/或NiO。

27.根据权利要求26所述的波导装置，其中所述纳米颗粒还包含包围金属氧化物芯部的ZrO₂、TiO₂、WO₃、ZnO、Co₃O₄、CuO和/或NiO的配体官能化衍生物。

28.根据权利要求24所述的波导装置，其中所述金属包括Pt、Au和/或Ag。

29.根据权利要求24所述的波导装置，其中所述纳米颗粒的直径小于15nm。

30.根据权利要求29所述的波导装置，其中所述纳米颗粒的直径为约4nm至10nm。

31.根据权利要求20所述的波导装置，其中交替的富含纳米颗粒的区域和贫含纳米颗粒的区域包括纳米颗粒，所述纳米颗粒包含压电材料。

32.根据权利要求31所述的波导装置，其中所述压电材料包括PZT、钛酸钡和/或铌酸锂。

33.波导装置，其包含：

支撑光栅的波导，其中所述光栅包含：

富含纳米颗粒的区域和贫含纳米颗粒的区域，其中贫含纳米颗粒的区域包含在聚合物基质区域顶部的气隙区域，

其中所述气隙区域与在相同水平面上的富含纳米颗粒的区域一起构成表面浮雕光栅，并且

其中聚合物基质区域与在相同水平面上的富含纳米颗粒的区域一起构成体积光栅。

34.波导装置，其包含：

支撑无机光栅的波导，其中所述光栅包含：

富含纳米颗粒的区域，其中在高温下烧结所述富含纳米颗粒的区域中的纳米颗粒以去除纳米颗粒之间的晶界；和

介于相邻的富含纳米颗粒的区域之间的气隙。

35.波导装置，其包含：

支撑多层光栅的波导，所述多层光栅是利用权利要求1-14中任一项的方法生产。

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