TWI637202B - 用於光線重新定向之超穎介面及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明所揭露之技術係關於一顯示系統，包含一具有由一超穎介面製成之光入耦合或光出耦合光學元件的波導。該超穎介面係一多層(例如雙層)結構，包括一由複數突起部界定之第一層，其中該些突起部係由一第一光透射性材料與一第二光透射性材料間隔構成。該超穎介面進一步包括一由第二光透射性材料形成之第二層。該第一層上之突起部可透過在第一光透射性材料上奈米壓印的方式繪製，並在該些繪製的突起部上和突起部之間沉積第二光透射性材料。該些突起部之寬度及其彼此的間距可選擇能使光線產生繞射，且該些突起部的節距可為10-600奈米。

Description

用於光線重新定向之超穎介面及其製造方法 【交互參照之相關申請案】
本申請案的專利範圍主張美國臨時專利申請案第62/252,315號，申請日為2015年11月6日，標題為”METASURFACES FOR REDIRECTING LIGHT AND METHODS FOR FABRICATING”之申請以及美國臨時專利申請案第62/252,929，申請日為2015年11月9日，標題為”METASURFACES FOR REDIRECTING LIGHT AND METHODS FOR FABRICATING”之申請的優先權，前述的全部內容是以引用方式併入本申請案中。
以下美國專利申請案以及美國臨時專利申請案的全文也是以引用的方式併入本申請案中：美國專利申請案第14/331,218號；美國專利申請案第14/641,376號；美國臨時專利申請案第62/012,273號；以及美國臨時專利申請案第62/005,807號。
本發明係關於擴增實境及虛擬實境的成像與視覺化系統。
現代之計算以及顯示技術已經讓所謂的”虛擬實境”或”擴增實境”等體驗的系統開發，其中以數位方式製造的影像或部分提供一種能夠令使用者看起來像是或感覺像是真實的方式。一虛擬實境的場景(或稱”VR”)通常涉及數位或虛擬影像訊息的呈現，而不具有能允許其他真實世界視覺輸入的透明度；擴增實境的場景(或稱”AR”)則通常涉及以數位或虛擬影像訊息的呈現強化使用者對週遭真實世界的視覺。舉例來說，圖1描繪了一經擴增的現實場景1，係一擴增實境技術的使用者看到一公園狀的背景1100，其中背景包含人、樹和建築，以及一水泥平台1120。除此之外，即使元件1130、1110並不存在於真實世界，該擴增實境技術的使用者仍會感覺看見一機器人塑像1110戰在該真實世界的平台1120上，以及一卡通形象的虛擬角色1130，該卡通形象的虛擬角色係一擬人化的大黃蜂。但因為人類的視覺感知系統相當複雜，如何在其他虛擬或真實世界以虛擬實境或擴增實境的技術製造出舒適、感覺自然且豐富的圖像元件相當具有挑戰性。
本發明所揭露的系統以及方法係為了解決虛擬實境以及擴增實境技術的眾多挑戰。
在一些實施例中，形成一光學波導的方法包含在一光透射性基材上提供一光透射性抗蝕層，該抗蝕層上繪有一包含複數突起部與複數中間間隙的圖形，其中該些突起部的節距範圍 係10至600奈米。其中在該些突起部上以及該些突起部之間的間隙之間沉積有一光透射性材料。
在一些實施例中，製造一顯示系統的方法包含提供一波導，該波導包含一超穎介面。該超穎介面包含複數個以一第一光透射性材料製成且彼此隔開的突起部，以及一沉積在該些突起部上與該些突起部之間隙的一第二供透射性材料。該波導可經光學方式耦合至一光導管。
在其他實施例中，一顯示系統包含一波導以及一設置於該波導表面的光入耦合光學元件。該光入耦合光學元件包含一多層超穎介面，該超穎介面包含以一第一光透射性材料製成且具有一節距的複數突起部，以及一沉積在該些突起部上與該些突起部之間隙的第二光透射性材料。
在其他實施例中，一顯示系統包含一波導以及一設置於該波導表面的光出耦合光學元件。該光出耦合光學元件包含一多層超穎介面，該超穎介面包含以一第一光透射性材料製成且具有一節距的複數突起部，以及一沉積在該些突起部上與該些突起部之間隙的第二光透射性材料。
在其他實施例中，一顯示系統包含一波導以及一設置於該波導表面的光入耦合光學元件。該光入耦合光學元件包含以一第一光透射性材料製成的複數突起部，以及一形成於該些突起部之間隙的光透射性抗蝕層。
在其他實施例中，一顯示系統包含一波導以及一設 置於該波導表面的光出耦合光學元件。該光出耦合光學元件包含以一第一光透射性材料製成的複數突起部，以及一形成於該些突起部之間隙的光透射性抗蝕層。
本發明其它的特徵、觀點和優點將於下述的說明、圖式與專利申請範圍中說明。
4、6‧‧‧眼睛
5、7‧‧‧影像
10‧‧‧距離
14、14a、14b、14c、14d、14e、14f‧‧‧特定深度的平面
60‧‧‧使用者
62‧‧‧顯示器
64‧‧‧框架
66‧‧‧揚聲器
67‧‧‧麥克風
68‧‧‧耦合
70‧‧‧本地數據處理模組
72‧‧‧遠端處理模組
74‧‧‧遠端數據庫
76、78‧‧‧通訊線路
80‧‧‧穿戴式顯示系統
144‧‧‧世界
178‧‧‧波導組件
180‧‧‧補償透鏡層
182、184、186、188、190‧‧‧波導
192、194、196、198‧‧‧透鏡
200、202、204、206、208‧‧‧影像射入裝置
210‧‧‧控制器
282、284、286、288、290‧‧‧光出耦合光學元件
300、302、304、306、308‧‧‧輸出表面
382、384、386、388、390‧‧‧輸入表面
400‧‧‧光
402‧‧‧出射光束
1000‧‧‧顯示系統
1200‧‧‧波導堆
1210、1220、1230‧‧‧波導
1212、1222、1232‧‧‧光入耦合光學元件
1214、1224、1234‧‧‧光分佈元件
1218a、1218b‧‧‧分隔層
1240、1242、1244‧‧‧光線
1250、1252、1254‧‧‧光出耦合光學元件
2000‧‧‧基材
2000a‧‧‧表面
2010‧‧‧超穎介面
2012‧‧‧第一層
2014‧‧‧第二層
2016‧‧‧第三層
2020‧‧‧突起部
2020a‧‧‧抗蝕劑
2021‧‧‧殘留層厚度
2022‧‧‧抗蝕劑來源
2024、2026‧‧‧壓印模板
2030‧‧‧第二材料
2030a、2030b、2030c‧‧‧材料塊
2040‧‧‧節距
2050a、2050b、2050c‧‧‧光線
R1、R2、R3‧‧‧距離
圖1係一使用者透過擴增實境裝置觀看擴增實境場景的示意圖。
圖2係一穿戴式顯示系統的示意圖。
圖3係以一傳統顯示裝置模擬三維影像的示意圖。
圖4係以複數深度之平面模擬三維影像的示意圖。
圖5A-5C係曲率半徑與焦半徑之間的關係示意圖。
圖6係一波導組件輸出影像訊息予使用者的示意圖。
圖7係一波導輸出出射光束的示意圖。
圖8係一堆疊波導的示意圖，其中每一深度的平面皆包含以不同分光組成的影像。
圖9A係一組波導組件的橫截面側視圖，其中每一波導組件皆包含一光入耦合光學元件。
圖9B係圖9A中該組波導組件的立體透視圖。
圖10A係一超穎介面的橫截面側視圖。
圖10B係具有如圖10A中結構之超穎介面的透射與折射光譜。
圖11A-11B係超穎介面將光耦合至波導的橫截面側視圖。
圖12A-12B係超穎介面耦合從波導射出之出射光束的橫截面側視圖。
圖13A-13B係超穎介面之透射模式的示意圖。
圖14A-14D係製作一超穎介面的流程圖。
圖15係在第一層上繪有圖形之超穎介面的橫截面特寫圖。
圖16A1、16B-16C係以一第二材料沉積不同厚度的超穎介面結構的橫截面側視圖，其中該第二材料底下有以複數突起部組成的圖形。
圖16A2係具有如圖16A1中結構之超穎介面透射與折射光譜。
圖17A-17C係以旋塗法或噴塗法沉積一第二材料做為光組層之超穎介面結構的橫截面側視圖。
圖18A-18B係具有至少二層之超穎介面的橫截面側視圖。
圖19A-19D係製造具有至少二層之超穎介面的流程圖。
本發明提供之圖式僅係用以說明本發明之實施例，而不應用以限制本發明之保護範圍。應當理解，本發明之圖式係示意性的，且各圖式可能未按比例繪製。
與幾何光學相較之下，超穎介面(一種減少維度的材料)能夠以相對較小的尺寸，提供一個機會能夠實現實質上平坦、無像差的光學。在不受理論限制的情況下，在一些實施例中，超穎介面包含表面結構的密集排列，用以做為共振的光學天線。光 與表面結構相互作用的共振性質能夠提供我們操控光波前的能力。
超穎介面通常由折射率特高的材料製成，由於超穎介面在其他區域具有相當高的吸收率，其應用基本上只限於紅外線波長範圍。舉例來說，目前已有利用高折射率不透明材料(如矽晶片)開發出應用在近紅外光的光束成形用的超穎介面。然而這些基於高折射率製成的超穎介面結構在具有一可見波長的光穿透該等結構的厚度時，會吸收很大百分比的入射光(如40%或更多)，這並非我們所樂見的。可見波長透射的材料(如氮化矽)的折射率係約2，此折射率並沒有高到我們認為能夠支撐光學共振以操控光波前。
超穎介面在製造上也面臨一些挑戰。針對一給定尺寸的超穎介面及其特性特徵，通常係以光刻和蝕刻技術來製造其表面。然而要製造這種超穎介面，尤其當所需的超穎介面面積相對較大時(如較該超穎材料的特徵尺寸大上數千倍)，其製程及設備相對上會昂貴許多。
有利地，在本發明揭露的實施例中，一多層的超穎介面能允許使用折射率較低之材料，使光重新定向時其波長的選擇範圍較為寬廣，包含在可見範圍的光譜。較佳地，本發明所揭露的超穎介面能夠選擇性地重定向特定波長的光，同時透射其他波長的光。此類特徵通常設計成微米等級的結構(如光子晶體光纖或布拉格反射鏡)，而在本發明的實施例中，多層幾何結構係設 計成奈米尺寸(如10-100被縮小的尺度)，並且能夠提供可見範圍電磁波光譜選擇性地重定向。這類具有多層功能的超穎介面能提供較單功能層一一堆疊之架構為佳的優點。此外，該超穎介面的結構可透過奈米壓印的方式繪製，從而避免昂貴的光刻與蝕刻製程。
在一些實施例中，該超穎介面係一多層結構(如一雙層結構)，具有以第一光透射性材料製成且彼此隔開的突起部以及沉積在該些突起部之間的第二光透射性材料所界定之第一層。該超穎介面進一步包含第二層，係由該第二光透射性材料沉積在該些突起部表面所形成。該第一與第二光透射性材料可形成於一光透射性基材(如一波導)之上。該第一與第二光透射性材料可沉積於該基材之上。在一些實施例中，該第一與第二光透射性材料可為非結晶相或晶體。在一些實施例中，該些突起部以及該第一與第二層的高度係用來重定向光線(如透過折射)。在一些實施例中，該超穎介面可為一具三層甚至更多層的結構，其中該些突起部係呈現階梯狀，其中在該些突起部表面與側面具有該第二光透射性材料。
在一些實施例中，該些突起部的節距係約10奈米-1微米、200-500奈米或300-500奈米，且各層的高度係約10奈米-1微米、10-500奈米、50-500奈米或100-500奈米。應當理解的是，該些突起部以及各層的節距或高度(或厚度)係根據需重定向之光的波長以及重定向的角度做選擇。在一些實施例中，該節距係 少於該超穎介面欲重定向之光的波長。在一些實施例中，該第二光透射性材料占據部分或全部突起部之間的間隙，但並未延伸至該些突起部之上。在一些實施例中，除了每一層的高度，該些突起部的寬度亦可根據需重定向之光的波長以及重定向的角度選擇。舉例來說，該些突起部的寬度可為10奈米-1微米，包含10-250奈米。
如本發明所揭露的某些實施例，該些位於第一層或一具三層甚至更多層之結構中低於非高層的突起部，可以光刻法或蝕刻法繪製而成。更佳地，該些突起部係藉由奈米壓印該第一光透射性材料繪製而成。該第二光透射性材料係接著沉積在該些繪製的突起部之間(在某些實施例中甚至沉積在該些突起部之上)。該沉積程序可經由許多步驟達成，包含定向沉積、覆蓋沉積(如保形沉積），以及旋塗法或噴塗法。在一些實施例中，該第二光透射性材料係沉積至一厚度，覆蓋在該些突起部之上以及該些突起部之間，其中該第二光透射性材料在每一突起部上形成一材料平坦區，並在該些頂層的平坦區與較低層的突起部之間留下間隙。在一些實施例中，該沉積會持續至該些突起部之間的間隙被填充的程度。而在其他實施例中，該第二光透射性材料的沉積會持續至該第二光透射性材料的連接層形成於該第二層之上。
在一些實施例中，該些波導可形成直接視野顯示裝置或近眼顯示裝置，其中該些波導之設置係用以接收影像訊息的輸入，並基於該影項訊息產生一輸出影像。在一些實施例中，該 些裝置可為穿戴式組合眼鏡。由該些波導接收的該輸入影像訊息可由不同波長的複數光流(如紅光、綠光與藍光)編碼而成，且該些光流被耦合至至少一波導中。耦合至該些波導的光可透過全反射在該些波導中傳遞。耦合至該些波導地光可透過至少一光出耦合光學元件從該些波導中輸出耦合(或輸出)。
優選地，該超穎介面可形成於一波導上，並做為一光入耦合和/或光出耦合光學元件。該超穎介面的緊緻性與平坦性能允許波導緊密堆疊，使複數個波導組件疊成一波導組件。此外，超穎介面對波長的高選擇度能提高光入耦合和/或光出耦合的精確度，在其中光包含影項訊息之應用上提供高畫質。例如在同時輸出不同波長之色光的全彩色影像時，超穎介面的高選擇度能減少裝置的通道干擾。
應當理解，在一些實施例中，該超穎介面能藉由反射或繞射選擇性地將光線重定向。例如該超穎介面能反射具有一或多波長的光，同時透射其他波長的光。有利地，在”反射模式”下執行光的重定向，能夠對該些由反射與繞射重定向的光提供高特異性以及嚴格的控制。在其他實施例中，當該超穎介面執行”透射模式”，其會在選擇性重定向一或多波長光的同時透射該些光，並且在透射其他波長的光的時候，基本上不改變其他波長的光的路徑。
下面將參照圖式進行說明，其中各圖式中相同元件的符號以及名稱都是相同的。
顯示系統
本發明所揭露的各實施例皆可做為一般的顯示系統來實現。在一些實施例中，該些顯示系統可採取眼鏡的形式(如係可穿戴的)，提供一虛擬實境或擴增實境的使用者更加身歷其境的體驗。例如用以顯示複數深度平面且包含複數波導，如一波導組件(例如在每一深度的平面設置一波導或一組波導)的顯示器可能配戴在一使用者或觀看者的眼前。在一些實施例中，複數波導(如二波導組件)分別對應觀看者的一隻眼睛，能提供兩隻眼睛不同的影像。
圖2係一穿戴式顯示系統80的示意圖。該穿戴式顯示系統80包含一顯示器62以及許多支持該顯示器62功能的機械與電子的組件與系統。該顯示器62構成眼鏡並耦合至框架64，其中該框架64能供一顯示系統的使用者60(或稱觀看者)60穿戴，並將顯示器62定位在使用者60的眼前。在一些實施例中，一揚聲器66被耦合至該框架64，且該框架64將該揚聲器66定位在使用者60的耳道附近。在一些實施例中，另一揚聲器(未標示於圖式中)係被定位在使用者的另一耳道附近，以提供立體/可成形聲音的控制。在一些實施例中，該穿戴式顯示系統80可進一步包括一或多個麥克風67，或其他用以檢測聲音的設備。在一些實施例中，該麥克風67的配置能允許使用者60輸入或下指令予該顯示系統80(如語音選單的選擇命令、自然語言問題等)，並/或允許與其他人(如相似之顯示系統的其他用戶)進行語音通信。在一 些實施例中，該穿戴式顯示系統80可進一步包括一或多個相機(未標示於圖式中)，該些相機可連接到該框架64，或連接到使用者60。該些相機之定位與定向可用以捕捉使用者60週圍環境的影像。
繼續參考圖2。該顯示器62係操作地以(例如有線或無線連接的方式)與一局部數據處理模組70耦合68，該局部數據處理模組70能以各種方式(如固定式附接至該框架64、固定式附接至一使用者配戴的頭盔或帽子、嵌入耳機中或其他可拆卸的方式)連接至該使用者60。該局部數據處理模組70可包含一硬體處理器以及一數位記憶體像是非揮發性記憶體(如快閃記憶體或硬碟驅動裝置)，二者皆可應用於處理、緩存或儲存數據的輔助。該些數據包含(a)從傳感器，像是影像捕捉設備(如相機)、麥克風、慣性量測單元、加速度計、羅盤、全球衛星定位單元、無線電設備和/或陀螺儀，其中該些傳感器可操作地耦合至該框架64或附接至使用者60，及/或(b)從遠端處理模組72和/或遠端數據庫74獲取和/或處理的數據，而這些數據可能在經過此類處理或反演後傳遞至該顯示器62。該局部數據處理模組70可能透過通訊線路76、78(其可係有線或無線的通訊線路)可操作地耦合至該遠端處理模組72和遠端數據庫74，使該遠端處理模組72與該遠端數據庫74係可操控地彼此耦合，且可做為該局部數據處理模組70的資源。在一些實施例中，該局部數據處理模組70可進一步包含一或多傳感器，像是影像捕捉設備、麥克風、慣性量測單元、加速度計、羅盤、全球衛星定位單元、無線電設備和/或陀螺儀。在其他 實施例中，該些傳感器可附接至該框架64，或可係透過有線或無線的通訊途徑與該局部數據處理模組70進行通訊的獨立結構。
繼續參考圖2。在一些實施例中，該遠端處理模組72可包括一或多處理器，其中該些處理器係用以分析以及處理數據和/或影像訊息。在一些實施例中，該遠端數據庫74可包含一數位儲存設備，其中該數位儲存設備可透過網際網路或其他雲端資源中的其他網路架構達成。在一些實施例中，所有數據皆係由該局部數據處理模組70進行儲存與計算，並允許一遠端模組完全自主地使用。
對一影像產生三維(或稱3D)的感覺可透過向一觀看者的每隻眼睛提供略為不同的影像來達成。參考圖3，係以一傳統顯示裝置提供三維影像予一觀看者。分別針對眼睛4、6彼此不同的兩個影像5、7被輸出予該觀看者。該些影像5、7係沿著一平行於該觀看者之視線的光學軸或Z軸與該些眼睛4、6隔開一距離10。由於該些影像5、7係平面的，該些眼睛4、6可透過假設一可調節的狀態聚焦於該些影像上。這樣的系統須仰賴人類的視覺系統將該些影像5、7結合提供對該結合影像之深度的感知。
應當理解，人類的視覺系統是相當複雜的，因此要提供對深度的真實感將更具有挑戰性。例如，許多使用傳統3D顯示系統的觀看者，會認為這類的顯示系統使用起來並不舒服，或者甚至無法感受深度。在不受理論限制的情況下，據相信一物體的觀看者可透過眼睛的聚散與調節將該物體感知為三維的。眼睛 的聚散運動(即兩瞳孔靠進或遠離彼此，使兩眼的視線聚集在一物體上)與眼睛水晶體的聚焦(或調節)緊密相關。在正常情況下，當眼睛水晶體焦距的變化(即眼睛的調節)將焦距從一物體轉移至另一位於不同距離之物體上，將基於已知的「聚散調節反射」自動引起聚散匹配改變至該相同距離。同理，在正常情況下，聚散度的改變會引起調節。如本發明所揭露的，許多立體或3D顯示系統係使用對每隻眼睛些微不同的呈現(如略為不同的影像)顯示一場景，使人類的視覺系統產生三維的立體感知。然而，由於這樣的系統僅提供一場景不同的影像，但人的眼睛係在相同的調節狀態下觀看所有影項訊息，為一種違反「聚散調節反射」的狀態，故對許多觀看者而言，這樣的系統使用起來並不舒服。若這類顯示系統能在調節與聚散度之間提供更好的匹配，則能形成真實更舒適的三維影像模擬。
圖4例舉說明以複數個深度影像平面模擬三維影像的方法。參考圖4，在Z軸上距離眼睛4、6各種距離的物體被眼睛4、6調節，使該些物體能落於眼睛的焦距。該些眼睛4、6會採取特定的調節狀態，以聚焦於沿著Z軸位於不同距離的物體。因此，一特定的調節狀態被認為與一特定深度影像平面14相關。該特定深度的平面具有一相關的焦距，當眼睛係處於對應該特定深度的平面之調節狀態時，該些位於該特定深度影像平面14之物體或部分會落於眼睛的焦距。在一些實施例中，三維的影像可以透過對每個眼睛4、6呈現不同的影像，並且透過提供該影像之每 個不同深度的平面來模擬。儘管在圖4中為了說明的清晰度而將該些眼睛4、6的視野分離，應當理解的是該些眼睛4、6的視野可隨著沿著Z軸增加之距離而彼此重疊。此外，同樣為了說明的清晰度，在圖4中各深度的平面係平坦的，但應當理解的是該些位於不同深度的平面可在物理空間中彎曲，當該眼睛處於該特定的調節狀態時，該深度平面上之所有特徵皆落於該眼睛的焦距。
一物體與該些眼睛4、6間的距離亦會改變該些眼睛觀察到之從該物體發散之光的發散量。圖5A-5C係距離以及光線發散量之間的關係。該些物體與眼睛4之間的距離可隨著距離減少的順序標示為R1、R2、R3。如圖5A-5C所示，隨著眼睛到物體的距離減少，光線會變得更加發散。而隨著距離增加，光線會變得較準直。換句話說，由一點(該物體或該物體的一部分)產生的光場具有一球形波前，該波前的曲率可做為該點與眼睛之間距離的函數。該曲率會隨著該物體與該眼睛4之間距離減少而增加。因此，在不同深度影像平面上，光線的發散度也會不同，其中該發散度會隨著該深度之平面與該觀看者的眼睛4之間距離減少而增加。儘管為了說明的清晰度，在圖5A-5C中僅例舉了單一個眼睛4，應當理解的是圖5A-5C中關於眼睛4的討論皆可應用於一觀看者(或稱使用者)的兩隻眼睛4、6。在不受理論限制的情況下，人眼被相信能解讀有限數量的深度影像平面，以提供人對於深度的感知。因此一具有高可信度的深度感知模擬可透過向每隻眼睛所能感知有限數量之深度影像平面呈現不同的影像來達 成。該些呈現於不同之深度影像平面的影像可分別被該觀看者的眼睛單獨聚焦，進而使該觀看者的眼睛在特定調節狀態下能聚焦於該場景中不同深度影像平面上的圖像特徵，和/或使其他不同於該圖像特徵所在平面之其他深度影像平面的圖像特徵失焦。
圖6係例舉說明一用以輸出影像訊息予一使用者的波導組件。一顯示系統1000包含一波導組件(或一堆疊的波導組件)178，該波導組件178可透過複數波導182、184、186、188、190，用以向眼睛或大腦提供三維的感知。在一些實施例中，圖6所揭示之該顯示系統1000係圖2所揭示之穿戴式顯示系統80更詳細的一些部分。例如，該波導組件178可係圖2所揭示之顯示器62的一部分。
繼續參考圖6，該波導組件178可包含介於該些波導之間的複數特徵192、194、196、198。在一些實施例中，該些特徵192、194、196、198可為透鏡結構。該些波導182、184、186、188、190及/或該些特徵192、194、196、198，可被用以向眼睛發送具有各種波前曲率或光線發散亮的影像訊息。每個波導可對應一特定深度影像平面，且其配置成用以輸出對應該深度影像平面的影像訊息。影像射入裝置200、202、204、206、208可做為該些波導的光源，並可用已將影像訊息射入至該些波導182、184、186、188、190中，如本發明所揭露的，該些影像射入裝置可用以將入射光分佈在每個相對應的波導上，以向眼睛4輸出。光線離開該些影像射入裝置200、202、204、206、208的輸出表面並射 入該些波導182、184、186、188、190的輸入表面382、384、386、388、390。在一些實施例中，該些輸入表面382、384、386、388、390可係該些相應波導的邊緣，或是該些相應波導之主表面的一部分(即該些波導直接面對一世界144或該觀看者的眼睛4)。在一些實施例中，一單光束(例如一準直光束)可射入每個波導中，對應與該特定波導相應之深度影像平面，向該眼睛4以特定角度(和特定發散量)輸出整個視野的克隆準直光束。在一些實施例中，該些影像射入裝置200、202、204、206、208中的一個可與該些波導182、184、186、188、190中的複數個(例如三個)相關連，並將光注射至該些波導中。
在一些實施例中，該些影像射入裝置200、202、204、206、208係分離式的顯示器，其可產生用於分別射入該些相應波導182、184、186、188、190的影像訊息。在一些實施例中，該些影像射入裝置200、202、204、206、208係單一多工式顯示器之輸出端，其可透過例如一或多光導管(像是光纖電纜)將影像射入每一影像射入裝置200、202、204、206、208中。應當理解，由該些影像射入裝置200、202、204、206、208提供的影像訊息可包含不同波長或顏色的光(如本發明所論述之不同組件色光)。
在一些實施例中，該些影像射入裝置200、202、204、206、208可係一掃描式光纖顯示系統的輸出端，其中該些影像射入裝置200、202、204、206、208在相對應之該些波導182、184、186、188、190的該些輸入表面382、384、386、388、390上移動 或掃描，以將該些影像訊息射入該些波導中。這類掃描式光纖顯示系統已公開於美國專利申請案第14/641,376號，該專利透過引用的方式併入本發明。在一些實施例中，該些影像射入裝置200、202、204、206、208中的複數個可由一掃描式光纖取代。
繼續參考圖6，一控制器210係用以控制該波導組件178以及該些影像射入裝置200、202、204、206、208的操作。在一些實施例中，該控制器210係該本地數據處理模組70的一部分。該控制器210包含根據本發明所揭露之各種方式，用來調節及準備該些波導182、184、186、188、190之影像訊息的程式(例如在非暫時性媒介中的指令)。在一些實施例中，該控制器210可係一單積體裝置，或一透過有線或無線通訊通道連接之分散式系統。在一些實施例中，該控制器210可係該本地數據處理模組70或該遠端處理模組72(參考圖1)的一部分。
繼續參考圖6，該些波導182、184、186、188、190可透過全反射(TIR)在每個相應波導內傳播光線。該些波導182、184、186、188、190可分別係一平面或具有其他形狀(如係彎曲的)，其主要上表面與下表面以及邊緣在該些主要上表面與下表面之間延伸。在所述構造中，該些波導182、184、186、188、190可各自包含一或多個光出耦合光學元件282、284、286、288、290，其係透過重定向光線將些光線從波導中提取出來，並將該些影像訊息輸出至該眼睛4。該些被提取出來的光亦可稱為外耦合光，而該些光出耦合光學元件亦可稱為光提取光學元件。被提取的光束 係在該波導中傳播的光射到一提取光學元件的位置上被該波導輸出。該些光出耦合光學元件282、284、286、288、290中的部分或全部可係一或多個光柵，其包含如本發明所討論的繞射光學特徵。儘管為了說明的清晰度而將該些光出耦合光學元件282、284、286、288、290繪製於該些波導182、184、186、188、190的主要下表面，應當理解，如本發明將進一步討論的，在一些實施例中，該些光出耦合光學元件282、284、286、288、290中的一個或多個可設置於該些波導182、184、186、188、190的上表面和/或主要下表面，和/或直接設置在該些波導182、184、186、188、190中。在一些實施例中，該些光出耦合光學元件282、284、286、288、290可係形成於附接至一透明基材的材料層中，並用以形成該些波導182、184、186、188、190。在其他的一些實施例中，該些波導182、184、186、188、190可係一單晶材料，且該些光出耦合光學元件282、284、286、288、290可形成於該單晶材料的表面和/或內部。
繼續參考圖6，如本發明所討論的，該些波導182、184、186、188、190中的每一個皆係用以輸出光線，使其在相對應之特定深度的平面上形成一影像。例如，最接近眼睛的波導182可用以將視準光(例如射入該波導182的視準光)傳送至眼睛4。該視準光可代表光學焦距無限遠的平面。下一個位於該波導182上的波導184係被配置成可傳送一視準光，該視準光在到達眼睛4前會先通過一第一透鏡192(如一負透鏡)，該第一透鏡192之配 置可使光線產生一略為凸形的波前曲率，使眼睛/大腦在接收該從波導184傳遞的光時，將其認為是來自與該眼睛4之距離較該光學焦距無限遠之平面近的一第一焦平面。相似地，從該位於第三層的波導186輸出的光在到達該眼睛4前會先穿過該第一透鏡192以及一第二透鏡194，該第一透鏡192與該第二透鏡194可用以增加光的波前曲率，使眼睛/大腦在接收該從第三波導186傳遞的光時，將其認為是來自與該眼睛4之距離較該第一焦平面近的一第二焦平面。本發明亦可包含其他可能產生這類顏色感知的方式。
其他層的波導188、190以及該些透鏡196與198係類似的配置，其中位於該波導組件最上層之波導190傳遞的光會通過其與眼睛之間的所有透鏡，其結合起來的焦度代表一最靠近觀看者的焦平面。當觀看/接收從該波導組件178另一邊的該世界144來的光線時，為了補償該些透鏡192、194、196、198的功效，一補償透鏡層180可設置於該波導組件頂部，用以補償該些透鏡192、194、196、198的功效。這樣的配置能提供使用者與該些波導/透鏡配對一樣多之焦平面的感知。該些光出耦合光學元件的該些波導或該些聚焦層中的一種或兩者可係靜態的(即非動態或具有電活性的)結構。在一些替代的實施例中，該些波導或該些聚焦層中的任一者或兩者可以透過電活性的特徵成為動態的結構。
在一些實施例中，該些波導182、184、186、188、190中的兩個或多個可具有同樣的相連深度影像平面。例如該些波導182、184、186、188、190可用以將一組影像輸出至同一深度 影像平面，或者該些波導182、184、186、188、190的多個子集可用於輸出影像至與該些波導的子集數相同數目之特定深度影像平面，其中每一子集係對應一特定的深度影像平面。這樣的配置可提供形成平坦的影像以在該些特定之深度影像平面提供廣大視野的優點。
繼續參考圖6，該些光出耦合光學元件282、284、286、288、290中的一個或多個可用以將從相應之波導射出的光重定向，並向與該波導相對應之特定深度影像平面輸出具有適當發散量或視準量的光。因此，該些具有不同相對應特定深度影像平面的波導可具有一或多種該些光出耦合光學元件282、284、286、288、290的不同排列結構，用以根據該相對應特定深度之平面輸出具有不同發散量的光。在一些實施例中，該些特徵192、194、196、198可為非透鏡結構，而可係簡單的間隔件(例如包覆層和/或用以形成氣縫的結構)。
在一些實施例中，該些光出耦合光學元件282、284、286、288、290係用以形成折射圖形的繞射結構，或折射光學元件(在本文中亦稱為DOE)。優選地，DOE具有相當低得繞射效率，使其足以在DOE的每個交會處僅讓部分光束偏向至眼睛4，同時使該光束的其他部分繼續透過全反射在波導中傳遞。因此，該些帶有影像訊息的光被分成複數個出射光束，該些出射光束從波導的複數位置射出，使該視準光束在波導內來回反彈後，向該眼睛4形成一較均勻的圖形。
在一些實施例中，一或多個DOE可在其開/關狀態之間切換，該”開”狀態係指該些DOE進行主動折射，而在”關”狀態該些DOE的折射並不顯著。例如，一可切換開關的DOE可包含高分子分散性液晶層，其中在一主要介質中具有由微滴構成的折射圖案，且該些微滴的折射係數可轉換成與該主要介質的折射係數大致匹配，這類情況下，該圖案不會使入射光明顯地被折射；或者該些微滴的折射係數亦可轉換成與該主要介質的折射係數不匹配，這類情況下，該折射圖案會主動使入射光產生折射。
圖7係由一波導輸出之出射光束的示意圖。雖然於圖7中僅繪出一個波導，應當理解的是，該波導組件178(如圖6所示)中的其他波導皆具有相似的功用，其中該波導組件178包含複數個波導。光400從該波導182的輸入表面382射入至該波導182，並在該波導182內以全反射的方式傳遞。當光400碰撞DOE282時，該光400的一部分會做為出射光束402從該些碰撞點離開波導。雖然在圖7中該出射光束402基本上係平行的，但如同本發明所揭露，該出射光束402可被重定向成以一特定角度傳播至眼睛4，例如形成發散的出射光束，出射光束的角度係取決於與該波導182相關聯之特定的深度影像平面。應當理解，該些基本上平行的出射光束可做為一具有一或多個光出耦合供學元件的波導，該波導係用以將出射光束耦合，使其在一距離眼睛4相當遠(如光學無限遠)的特定深度影像平面上形成影像。其他波導或光出耦合光學元件的組合可輸出較平行光發散的出射光束圖 形，使眼睛需要調適成適應較近距離的狀態，才能使該些出射光束在視網膜上聚焦，該些出射光束並被大腦認為係從與眼睛4之距離較光學無限之平面近的距離輸出。
圖8係例舉說明一堆疊波導組件，其中個別深度影像平面包括利用複數個不同組件色光形成的影像。在一些實施例中，可透過將存在每個組件色光(如三個或更多組件色光)中的影像進行重疊，而在個別深度影像平面上形成一全彩色影像。雖然圖8中僅繪出特定深度的平面14a-14f，但較此數量多或少的深度也應包含在本發明中。每一深度影像平面可包含三種與其關聯的組件色光影像：第一色光的第一影像G；第二色光的第二影像R，以及第三光色的第三影像B。途中以字母G、R、B之後註明屈光度的方式標示不同的深度影像平面。如圖8的範例，該些字母後的數字係代表屈光度，或該分色影像所在之特定深度平面與觀察者的反距離，圖中的每個方框代表一獨立的組件色光影像。
在一些實施例中，每一組件色光可由單一專用的波導輸出，因此每一深度影像平面皆可具有複數與其關聯的波導。在這些實施例中，該些標有字母G、R、B的每個方框皆可視為單一的波導，對每個深度影像平面提供三個波導，其中每個深度影像平面具有三個組件色光影像。雖然為了清楚說明，圖8中與一特定深度之平面相關的該些波導係彼此相鄰的，應當理解的是在一實體的結構中，該些波導可能全部排列成一每層具有一個波導的波導堆。在一些其他的實施例中，複數組件分光可由同一波導 輸出，使每個深度影像平面僅提供一個波導。
繼續參考圖8，在一些實施例中，G係代表綠色，R係代表紅色，B係代表藍色。在一些其他的實施例中，除了紅色、綠色或藍色，也可額外使用其他顏色，包含紫紅色與青色，或以該些顏色取代紅色、綠色或藍色。
應當理解，本發明中對一給定顏色之色光的引用應被理解為在一波長範圍包含一或多波長的光，位於該波長範圍的光會被一觀看者認知為該給定的顏色。舉例來說，紅光可包含波長範圍約620-780奈米之間，具有一或多種波長的光；綠光可包含波長範圍約492-577奈米之間，具有一或多種波長的光；藍光可包含波長範圍約435-493奈米之間，具有一或多種波長的光。
接著參考圖9A，在一些實施例中，碰撞一波導的光可能須被重定向，已將該光耦合至該波導中。一光入耦合光學元件可用以將該光重定向並耦合至其相對應的波導中。圖9A係例舉說明一由多個波導堆疊而成的波導堆1200，其中每個波導皆包含一光入耦合光學元件。該些波導可各自被配置成用以輸出一或多不同波長的光，或一或多不同波長範圍的光。應當理解，該波導堆1200可對應圖6中的波導組件178，該波導堆1200中的複數波導可對應圖6中該些波導182、184、186、188、190的一部分，不同之處在於該些從一或多影像射入裝置200、202、204、206、208射入該些波導的光，係從一須經過重定向方能耦合至該些波導的位置射入。
該波導堆1200包含波導1210、1220、1230，其中每個波導包含一與其相對應的光入耦合光學元件。例如設置在波導1210之主表面上(例如底部主表面)的光入耦合光學元件1212，設置在波導1220之主表面上(例如底部主表面)的光入耦合光學元件1222，以及設置在波導1230之主表面上(例如底部主表面)的光入耦合光學元件1232。在一些實施例中，特別在該些光入耦合光學元件係透射性偏折光學元件的情況下，該些光入耦合光學元件1212、1222、1232中的一或多個可設置於相對應波導1210、1220、1230的頂部主表面上。較佳地，在該些光入耦合光學元件係反射性偏折光學元件的情況下該些光入耦合光學元件1212、1222、1232係設置在其相對應波導1210、1220、1230的底部主表面(或下一層波導的頂部)。在一些實施例中，該些光入耦合光學元件1212、1222、1232可設置於其相對應波導1210、1220、1230的本體中。在本發明揭露的一些實施例中，該些光入耦合光學元件1212、1222、1232具有波長選擇性，使其可選擇地重定向一或多波長的光，同時使其他波長的光透射。雖然在圖式中該些光入耦合光學元件1212、1222、1232係標示於相對應波導1210、1220、1230的一側或角落，應當理解，在一些實施例中，該些光入耦合光學元件1212、1222、1232可設置於相對應波導1210、1220、1230的其他地方。
每個波導還包含相對應的光分佈元件，例如設置在波導1210之主表面(例如頂部主表面)的光分佈元件1214，設置 在波導1220之主表面(例如頂部主表面)的光分佈元件1224，以及設置在波導1230之主表面(例如頂部主表面)的光分佈元件1234。在一些其他的實施例中，該些光分佈元件1214、1224、1234可同時設置於相對應波導1210、1220、1230的頂部主表面以及底部主表面，或設置在不同相對應波導1210、1220、1230其他非頂部或底部主表面的表面上。
該些波導1210、1220、1230可透過氣體和/或固體材料層彼此隔開。例如，圖9A中的分隔層1218a係用以分隔波導1210、1220，分隔層1218b係用以分隔波導1220、1230。在一些實施例中，該些分隔層1218a、1218b係由低折射率的材料製成，該低折射率材料的折射率較鄰近的波導1210、1220、1230低。較佳地，用以形成該些分隔層1218a、1218b的材料，其折射率較形成該些波導1210、1220、1230之材料的折射率小至少0.05，或至少0.10。優選地，該些低折射率的分隔層1218a、1218b可做為包覆層，用以促進穿透該些波導1210、1220、1230之光的全反射，例如在每個波導之頂部主表面以及底部主表面之間的全反射。在一些實施例中，該些分隔層1218a、1218b可係由空氣形成。雖然未在圖式中標示，應當理解的是該波導堆1200的頂部與底部可包含與其直接相鄰的包覆層。
優選地，為了製造的方便以及其他考慮因素，以相似或相同的材料形成該些波導1210、1220、1230，且以相似或相同的材料製成該些分隔層1218a、1218b。在一些實施例中，在保 持前述折射率關係的條件下，形成該些波導1210、1220、1230和/或該些分隔層1218a、1218b的材料可彼此(包含一或多波導之間)不同。
繼續參考圖9A，其中光線1240、1242、1244係射入該波導堆1200。應當理解，該些光線1240、1242、1244可係透過一或多影像射入裝置200、202、204、206、208射入該些波導1210、1220、1230中。
優選地，該些光線1240、1242、1244具有不同特徵，例如具有不同波長或不同的波長範圍，可對應不同顏色。在一些實施例中，該些光入耦合光學元件1212、1222、1232各自可選擇地使一或多特定波長的光偏向，同時將其他波長的光透射至下一層的波導以及與其相對應的光入耦合光學元件。
例如，該光入耦合光學元件1212可用以選擇性地使該具有第一波長或第一波長範圍的光線1240偏向(例如反射)，同時使分別具有第二波長和第三波長或第二波長範圍和第三波長範圍的光線1242、1244透射。該被透射的光線1242接著碰撞光入耦合光學元件1222，並被該光入耦合光學元件1222偏向，該光入耦合光學元件1222係用以選擇性地使具有第二波長或第二波長範圍的光偏向(例如反射)。該光線1244繼續被該光入耦合光學元件1222透射，接著碰撞光入耦合光學元件1232，並被該光入耦合光學元件1232偏向，該光入耦合光學元件1232係用以選擇性地使具有第三波長或第三波長範圍的光偏向(例如反射)。
繼續參考圖9A，該些光線1240、1242、1244被偏向，使其能在相對應的波導1210、1220、1230中傳播。即，該些光入耦合光學元件1212、1222、1232透過使光線偏向的方式，將該些光線1240、1242、1244耦合至其相對應的波導1210、1220、1230中。該些光線1240、1242、1244係以特定的角度被偏向並耦合至該些波導1210、1220、1230中，使其能以全反射的方式在該些波導1210、1220、1230中傳遞。
繼續參考圖9A，該些光線1240、1242、1244以全反射的方式在該些波導1210、1220、1230中傳遞，直至其碰撞到相對應的光分佈元件1214、1224、1234。
參考圖9B，其係圖9A中由多個波導堆疊而成之波導堆的透視圖。如前述，該些光線1240、1242、1244分別被光入耦合光學元件1212、1222、1232偏向，以全反射的方式分別在該些波導1210、1220、1230中傳遞，接著分別碰撞該些光分佈元件1214、1224、1234。該些光分佈元件1214、1224、1234會使該些光線1240、1242、1244再次偏向，使其分別朝光出耦合光學元件1250、1252、1254的方向傳遞。
在一些實施例中，該些光分佈元件1214、1224、1234係正交的光瞳擴展器(orthogonal pupil expanders,OPEs)。在一些實施例中，該些OPEs將光偏向或分佈至該些光出耦合光學元件1250、1252、1254，同時在光傳遞至該些光出耦合光學元件1250、1252、1254時，增加其光束或光點的大小。在一些實施例中，若 光束的尺寸已經符合期望的尺寸大小，則該些光分佈元件1214、1224、1234係可省略的，且該些光入耦合光學元件1212、1222、1232可被配置成將入射光直接偏向至該些光出耦合光學元件1250、1252、1254。在一些實施例中，如圖9A所示，該些光分佈元件1214、1224、1234可分別以該些光出耦合光學元件1250、1252、1254代替。在一些實施例中，該些光出耦合光學元件1250、1252、1254係出射光瞳(exit pupils,EPs)或出射光瞳擴展器(exit pupil expanders,EPEs)，用以將位於觀看者眼睛4中的光定向。
參考圖9A、9B，在一些實施例中，該波導堆1200包含該些波導1210、1220、1230；光入耦合光學元件1212、1222、1232；光分佈元件1214、1224、1234(例如OPEs)；以及對應每個組件色光之光出耦合光學元件1250、1252、1254(例如EPs)。其中，該些波導1210、1220、1230在堆疊時可在彼此之間設置一氣縫或包覆層。該些光入耦合光學元件1212、1222、1232將希望的色光重定向或偏向至適當的波導中，同時使其他色的光透射。接著，該些被重定向的光會以特定的角度，透過全反射的方式，在該些相對應的波導1210、1220、1230中傳遞。在本發明揭露的實施例中，如前述的實施方式，該光線1242(例如綠光)會被第一個光入耦合光學元件1212(例如濾色片)反射，接著沿著波導反彈，與該光分佈元件1214(例如OPEs)以及該光出耦合光學元件1250(例如EPs)互相作用。而其他光束1242、1244(例如紅光和藍光)會穿透該光入耦合光學元件1212，進入下一波導1220。 該光線1242會被下一個光入耦合光學元件1222(例如濾光片)反射，透過全反射的方式沿著該波導1220反彈，然後繼續傳遞至該光分佈元件1224(例如OPEs)以及該光出耦合光學元件1252(例如EPs)。最後，該光線1244(例如紅光)會從該光入耦合光學元件1232(例如濾色片)射入該波導1230中，在該波導中向該光分佈元件1234(例如OPEs)傳遞，接著射入該光出耦合光學元件1254(例如EPs)，最終與從其他波導射出的光1210、1220一起耦合並輸出至該觀看者。
超穎介面
圖10A係根據本發明揭露的一些實施例，例舉說明一超穎介面。一超穎介面2010係設置在一基材2000的一表面2000a上，該超穎介面2010包含複數層光透射性的材料。在一些實施例中，該超穎介面係一雙層的結構，分別係第一層2012以及第二層2014。該第一層2012包含由第一光透射性材料形成的複數突起部2020，以及以第二光透射性材料在該些突起部2020之間形成的材料塊2030a。該第二層2014係位於該些突起部上，包含在該些突起部2020上以第二光透射性材料形成的材料塊2030b，該第二層2014係透過該第一層與該基材分隔開來。該些突起部2020可係隆起線(或奈米線)，沿其橫截面延伸進入及伸出紙張平面，並在相鄰的突起部之間形成溝槽。如圖所示，該些位於第二層2014，由第二光透射性材料形成的材料塊2030a可位於該些突起部2020的表面，並形成與其他第二光透射性材料之局部沉積(或 平坦區)隔開的平坦區。
較佳地，形成材料塊2030a、2030b的第二光透射性材料，其折射率較形成該些突起部2020的第一光透射性材料之折射率，以及形成該基材2000的材料之折射率為高。在一些實施例中，第一光透射性材料的折射率係近似或低於形成該基材2000之材料的折射率。應當理解，該基材2000可係一波導，並且可以對應圖6中的波導182、184、186、188、190和/或圖9A中的波導1210、1220、1230。在此類的應用中，該基材係優選地具有相對較高的折射率，例如高於1.5、1.6、1.7、1.8或1.9，有利於增進一顯示器提供的視野，該顯示器係從該基材2000輸出光線以形成影像。在一些實施例中，該基材係由玻璃(例如摻雜玻璃)、鈮酸鋰、塑料、聚合物、藍寶石或其他光透射性材料製成。優選地，該些玻璃、鈮酸鋰、塑料、聚合物、藍寶石或其他光透射性材料具有較高的折射率，例如其折射率係高於1.5、1.6、1.7、1.8或1.9。
繼續參考圖10A，優選地，用以形成該些突起部2020的第一光透射性材料係可以圖形化的，例如透過光刻和蝕刻等方式圖形化。更佳的，該第一光透射性材料係以奈米壓印方式製成的奈米壓印抗蝕層。如本發明所揭露的，相較於形成突起部2020之第一光透射性材料，以及形成基材2000的材料，用以形成材料塊2030a、2030b的第二光透射性材料具有更高的折射率。在一些實施例中，該第二光透射性材料的折射率係高於1.5、1.6、1.7、 1.8或1.9。該第二光透射性材料的實例包含半導體材料，該半導體材料包括含矽材料以及氧化物，其中該含矽材料的實例包含氮化矽以及碳化矽；該氧化物的實例包含氧化鈦、氧化鋯以及氧化鋅。在一些實施例中，該第二光透射性材料可具有較低的光學透明度。例如該第二光透射性材料可係為矽或其衍生物。在一些實施例中，該第一光透射性材料及該第二光透射性材料係非結晶相或晶體的固態材料。在不受理論限制的情況下，在某些應用中，非結晶相的材料是被期望的，因其與一些晶體材料相比，能形成於更低的溫度以及範圍較寬廣的表面。在一些實施例中，用以形成該些突起部2020、材料塊2030a、2030b等特徵的第一光透射性材料以及第二光透射性材料，每一個皆可係非結晶相或晶體半導體的一種。
繼續參考圖10A，該些突起部具有一節距2040。在本發明中，所稱「節距」係指兩相鄰結構上相似點之間的距離。應當理解，該些相似點之所以係相似的，係因其位於基本上相同之結構的相似部位(例如左或右邊緣)。例如，該些突起部2020的節距係等於該突起部2020以及與該突起部2020直接相鄰之間隔的寬度總和。換句話說，該節距可被理解為由該些突起部2020形成的特徵陣列之重複單元的寬度，例如突起部2020以及材料塊2030a的寬度總和。
如圖所示，不同波長的光線(對應不同顏色)可碰撞於該超穎介面上，如本發明所討論的，該超穎介面對於重定向 具特定波長的光有高度選擇性。如本發明所揭露的，這種對波長的選擇性可透過該節距以及第一層2012與第二層2014之特徵的物理參數來實現。在一些實施例中，該些突起部的節距小於欲以零級反射重定向之光的波長。在一些實施例中，當波長變長，該些重複單元的幾何尺寸以及週期性會隨著增加，且該些突起部2020以及材料塊2030a中一或二者的高度或厚度也會隨之增加。在一些實施例中，圖10A中所示的光線2050a、2050b、2050c係對應不同波長與顏色的光。在圖10A所示的實施例中，該超穎介面的節距能使光線2050b被反射，同時使光線2050a、2050c穿透該基材2000以及該超穎介面2010。
有利的，多層的超穎介面對特定波長的光具有高度選擇性。圖10B係具有如圖10A之結構的超穎介面的透射以及反射光譜圖。在此實施例中，該些突起部2020的寬度係125奈米，厚度係25奈米，且係由抗蝕劑形成；該些材料塊2030a、2030b的厚度係75奈米，且係由氮化矽形成；該超穎介面的節距係340奈米，且其係以氣縫將材料塊2030b隔開。圖10B的橫軸係表示波長，縱軸係表示穿透率(從0-1.00，表示從無反射到全反射)。應注意的是，對於一波長的窄頻帶，在其反射的銳峰處(在517奈米處)，會伴隨著穿透率減少，而同時其他波長會被透射。當光的波長與該超穎介面的共振波長相匹配，如在本實施例中約為517奈米，該光線會被反射。該些突起部2020及覆蓋在其上的第二材料2030係以次波長的間隔排列，使其只會產生零級反射以及透 射。如圖10B所示，該反射光譜顯示一位於可見光波長範圍的銳峰，此係一光學共振的特性。
應當理解，透過改變該超穎介面結構的節距(例如該些突起部2020與覆蓋於其上之第二材料2030的節距)，可以改變該超穎介面重定向光線的特性。例如，當節距較大時，射入該超穎介面2010，且具有共振波長的光線會被偏向或以非正交的角度偏轉，例如相對該基材2000表面以小於90度的角度偏向。在一些實施例中，該基材2000係一波導，該超穎介面的節距可被設計成能使具有共振波長的光線以特定角度偏向，其中該偏向角度能使該光線以全反射的方式在該波導內傳遞，該節距同時能使其他波長的色光穿透該超穎介面2010。在此配置中，該超穎介面2010係一光入耦合光學元件，可用以耦合該被偏向的入射光。而圖11A-11B係例舉說明一超穎介面將光耦合至相對應波導的橫截面側視圖。
圖11A係例舉說明單一波長之入射光的耦合，而圖11B則係例舉說明不同波長之入射光的耦合。該超穎介面2010的共振波長可透過改變該超穎介面上各組件的幾何尺寸進行調整。舉例來說，相較於共振波長落於綠色色光之波長範圍的超穎介面(如圖11A所示)，共振波長係落於紅色色光之波長範圍的超穎介面，其幾何尺寸與週期性會大(如圖11B所示)。在一些實施例中，該些突起部2020的節距係約10奈米-1微米、約10-600奈米，或係約300-500奈米；該超穎介面各層的高度係約10奈米-1微米、 約10-500奈米、約50-500奈米，或係約10-500奈米。在一些實施例中，該第二層2014的高度與該第一層2012的高度不同。舉例來說，該第二層2014的高度可係約10奈米-1微米，或係約10-300奈米，而該第一層2012的高度可係約10奈米-1微米，或係約10-500奈米。在一些實施例中，該超穎介面2010可形成一或多光入耦合光學元件1212、1222、1232，並用以接收該些光線1240、1242、1244(如圖9A所示)。
應當理解，該超穎介面2010同時也會使從該基材2000射入的光線偏向。利用這種功能性，在一些實施例中，本發明所揭露的超穎介面可應用於光出耦合光學元件。圖12A-12B係例舉說明一超穎介面從相對應之波導耦合光線的橫截面側視圖。圖12A係例舉說明單一波長之輸出光的耦合，而圖11B則係例舉說明不同波長之輸出光的耦合。如本發明所揭露的內容，該超穎介面2010的共振波長可透過改變該超穎介面上各組件的幾何尺寸進行調整，進而提供該超穎介面對於波長的選擇性。舉例來說，幾何尺寸與週期性較大的超穎介面，其共振波長會落於紅色色光之波長範圍(如圖12B)內，相對而言，幾何尺寸與週期性較小的超穎介面，其共振波長會落於綠色色光之波長範圍(如圖12A)內。在一些實施例中，除了用以形成一或多光入耦合光學元件，該超穎介面2010亦可同時形成一或多光出耦合光學元件282、284、286、288、290(如圖6所示)，或1250、1252、1254(如圖9B)所示，或者亦可取代該些光入耦合光學元件。在不同波導用 以對應不同分色的情況下，應當理解的是，該些光出耦合光學元件和/或該些光入耦合光學元件係對應於每一波導，該每一波導皆具有特定的幾何尺寸和/或週期性，用以對應並傳遞不同光的波長或顏色。因此，不同的波導所包含的超穎介面可具有不同幾何尺寸和/或週期性。舉例來說，用以耦合紅光、綠光或藍光的超穎介面，其幾何尺寸和/或週期性(即節距)可被設計成用以重定向波長分別為638奈米、520奈米以及455奈米的光。
在一些實施例中，該超穎介面2010的幾何尺寸和/或節距能使該超穎介面將光功率傳遞給該被偏向的光。例如，該些超穎介面的配置能使光線以發散或收斂的方向從該些超穎介面輸出。該超穎介面的不同部分可具有不同的節距，使光線能往不同方線偏向，例如使光線能夠發散或收斂。
在一些實施例中，該超穎介面可使光偏向，並做為準直光束向遠離該超穎介面的方向傳遞。舉例來說，當準直光以相似的角度射入該超穎介面，該超穎介面可具有一致的幾何尺寸及節距，將光線以相似的角度偏向。
參考圖11A-12B，如圖所示，該超穎介面2010可以在「反射模式」下將光偏向，在此模式下，被偏向的光偏向前與偏向後會位於該超穎介面的同一側，其他未被偏向的光則會穿透該超穎介面的厚度。在一些實施例中，該超穎介面可以在「透射模式」下將光偏向，在此模式下，被偏向以及未被偏向的光皆會穿透該超穎介面的厚度，其中被偏向的光穿透該超穎介面後的傳 遞路徑會改變，而未被偏向的光基本上不會改變傳遞路徑。應當理解，該超穎介面可同時具有透射以及反射的功能，例如在一些實施例中，該超穎介面能反射部分的入射光，同時使另一部分的入射光被偏向。
圖13A-13B係例舉說明一執行透射模式的超穎介面2010。參考圖13A，光線1240、1244穿透該超穎介面後並未被偏向，而光線1242的傳遞方向在穿透該超穎介面後被改變了。該光線1242的波長範圍可能落於該超穎介面2010的共振波長，而光線1240、1244則並未落在該超穎介面的共振波長。在一些實施例中，折射可應用於該光線1240射入或輸出時的耦合。圖13B係例舉說明一透射模式的超穎介面應用於光入耦合的示例。在一些實施例中，如圖所示，該些光線1240、1242、1244各自具有不同的波長(例如對應不同顏色)，且該些由超穎介面形成的光入耦合光學元件1212、1222、1232各自具有選擇性偏向之特定的波長或波長範圍。舉例來說，在透射模式下，該由超穎介面形成的光入耦合光學元件1212可選擇性地使光線1240偏向，同時並未使光線1242、1244產生偏折。同理，在透射模式下，該由超穎介面形成的光入耦合光學元件1222可選擇性地偏向該光線1242，同時並未使光線1244產生偏折；該由超穎介面形成的光入耦合光學元件1232則可選擇性的偏向該光線1244。在一些其他的實施例中，該些透射模式的超穎介面亦可做為光出耦合光學元件，如光出耦合光學元件282、284、286、288、290(如圖6所示)，或光出耦合 光學元件1250、1252、1254(如圖9B所示)。
在一些應用上，透射模式的超穎介面可提供一些優勢，例如可應用在一波導上其他光透射性的元件，像是光分佈元件1214、1224、1234和/或光出耦合光學元件1250、1252、1254(如圖9B所示)。在透射模式下的超穎介面可與其他光學元件設置在一基材的同一側，這樣能減低使該些超穎介面或光學元件受損的可能性(其可能因需在該基材的兩側進行處理而產生)，從而提供使該些超穎介面與光學元件較容易製造的優點。
圖14A-14D係製造該超穎介面2010的流程圖。參考圖14A，其係用以說明在基材2000上沉積一第一材料，該第一材料可為抗蝕劑2020a(例如奈米壓印抗蝕劑)。優選地，該抗蝕劑2020a係光透射性的材料，並透過例如旋塗法進行沉積，以形成一抗蝕層。在一些實施例中，該抗蝕劑2020a可透過噴塗法(例如噴墨印刷)進行沉積，其優點係能形成特別薄的抗蝕層，以及形成具有不同成分或厚度的抗蝕層等優點。如圖所示，該抗蝕劑2020a可透過一抗蝕劑來源2022加於該基材2000上。
參考圖14B，其係說明使一壓印模板2024(或稱母板)接觸該抗蝕劑2020a，以使該抗蝕劑圖形化。應當理解，該壓印模板2024的圖形可透過例如光刻法(包含電子束微刻術或超紫外線光刻)等方式形成。相同的模板可重複使用於複數基材上抗蝕劑的圖形化，進而降低每單位超穎介面的最終製造成本。
在接觸該壓印模板2024後，該抗蝕劑2020a會呈現 如該壓印模板2024之開口所限定的圖形。在一些實施例中，該抗蝕劑2020a可透過暴露於光(例如紫外光)和/或熱硬化，以固化該抗蝕劑。接著該壓印模板2024可撤回，留下圖形化抗蝕劑後形成的突起部2020，如圖14C所示。
參考圖14D，第二材料2030接著被沉積在該些圖形化的突起部2020上。該第二材料2030的實例包含半導體材料以及光透射性抗蝕劑，其中該些半導體材料包括含矽材料(例如矽、氮化矽、碳化矽)與氧化物(例如氧化鋯、氧化鋅、氧化鈦)。如本發明所揭露，優選地，該第二材料2030係一光透射性材料。該第二材料2030可透過各種方式沉積，包含覆蓋沉積、定向沉積，以及旋塗法或噴塗法。覆蓋沉積的實例包含化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)以及原子層沉積(atomic layer deposition,ALD)，前者係將抗蝕劑暴露於沉積室中，其中該沉積室包含該基材2000以及彼此互相反應的前驅物；後者則係將該抗蝕劑交替暴露於不同的前驅物中。因應高精密度的需求，原子層沉積(ALD)可提供沉積層精準的厚度控制，以及在低溫下形成沉積材料等優點。定向沉積的實例包含以氣化及濺射的方式將該第二材料加於該些經奈米壓印的突起部2020與該基材2000上。
接著參考圖15，其係位於該超穎介面第一層之圖形化突起部2020的橫截面特寫圖。如圖所示，該圖形化材料層可具有一未圖形化的殘留層厚度2021(residual layer thickness,RLT)。這種殘留層厚度在奈米壓印法中是相當典型的，其可能存在於本 發明所揭示的各種實施例中(但並未於圖中繪出)。在該些突起部2020係透過將抗蝕劑壓印而成的情況下，應當理解，該抗蝕劑應具有高溫敏感性。優選地，該第二材料2030的沉積溫度係落於該抗蝕劑之玻璃化溫度(glass transition temperature,Tg)的30-50℃內。更佳地，該沉積溫度係低於Tg。在一些實施例中，每個突起部的高寬比(aspect ratio,AR,h：w)小於約3-4(AR<3-4)。在一些實施例中，高寬比係約1。在一些實施例中，抗蝕劑的折射率係約介於1.2-2.0之間。
參考圖16A1、16B-16C，應當理解，透過不同的方式沉積該第二材料2030，包括將其沉積在該些突起部2020的不同相對位置(包含沉積於不同層)，能提供該超穎介面2010不同的外形。圖16A1、16B-16C係例舉說明超穎介面之結構的橫截面側視圖，其中該第二材料係以不同的厚度沉積於些圖形化的突起部上。如圖16A1所示的實施例，該超穎介面2010係透過在該些突起部以及材料塊2030a、2030b之間具有氣縫的雙層結構來界定。應當理解，當第二材料的沉積係透過定向沉積，該第二材料基本上會位於該些突起部2020上以及該些突起部之間的間隙，該些突起部的側面則幾乎沒有該第二材料的沉積。當該第二材料的沉積係透過保形的覆蓋沉積，該第二材料2030會同時沉積在該些突起部上、該些突起部之間的間隙以及該些突起部的側面。圖16A1雖繪出部分位於該些突起部2020側面的第二材料，但該些側面上的第二材料2030並不一定係照比例繪製的。在一些實施例中，該第 二材料2030在所有的表面(包含該些突起部2020的側面)均形成固定厚度的覆蓋層。如本發明所揭露的，此種覆蓋層可透過如原子層沉積(ALD)的方式沉積而成。
圖16A2係具有如圖16A1所示之一般結構的超穎介面的透射與反射光譜曲線圖。其橫軸係表示入射光的入射角度，縱軸係表示穿透率(刻度範圍從0-1)。在此實施例中，該些突起部2020係由抗蝕劑所形成，厚度係100奈米，寬度係130奈米；覆蓋性的第二材料2030係一氮化矽的覆蓋層，具有固定的厚度60奈米，節距係382奈米，且材料塊2030b之間以氣縫隔開。如圖16A2所示，有利的，該超穎表面對欲反射之光線的入射角具有相當寬廣的範圍。舉例來說，該超穎介面對入射角約±0.25弧度(相對於該超穎介面的法線，即相對於該超穎介面的厚度軸線)的光具有高度反射性。
圖16B係例舉說明一在該些突起部2020之間沒有氣縫之雙層結構的超穎介面。在此實施例中，第二材料2030的沉積程度使該些突起部2020之間的間隙完全被材料塊2030a所填充。僅管透過覆蓋沉積的方式亦可得到類似的結構，本實施例係透過定向沉積的方式得到此結構，其中以覆蓋沉積而得的結構，其位於上層的第二材料2030會形成較寬的平坦區。
圖16C係例舉說明一材料塊2030b係為連續層狀之雙層結構的超穎介面。在一些實施例中，此種層狀的材料塊2030b可透過覆蓋沉積獲得，其中該第二材料填滿該些突起部2020之間 的間隙後，繼續沉積到使該些材料塊2030b在該些突起部2020上形成一連續層的程度。
圖17A-17C係例舉說明以旋塗或噴塗方式沉積該第二材料之超穎介面結構的橫截面側視圖，其中該第二材料係一抗蝕劑。優選地，該抗蝕劑係折射率高於1.6、1.7、1.8或1.9的高折射率抗蝕劑。有利地，透過改變抗蝕劑的黏性以及塗布條件，可獲得不同的結構。如圖17A所示之實施例，僅管沉積時係將該抗蝕劑沉積於該些突起部2020上，但由於該抗蝕劑的黏性夠低，使其沉積至該些突起部2020之間的間隙，形成僅在間隙中形成材料塊2030a，而該些突起部上並未有殘留層的結構。如圖17B所示之實施例，該抗蝕劑以足夠的量被沉積，使該些突起部2020之間被材料塊2030a填充，而沒有多餘的殘留層。如圖17C所示的實施例，該抗蝕劑沉積的量不僅足以使該些突起部2020之間被材料塊2030a填充，同時使材料塊2030b形成連續的材料層。
雖然在本發明的一些實施例中，該超穎介面係雙層的結構，應當理解，本發明所揭露的超穎介面可包含超過二層地的結構。舉例來說，該超穎介面可包含三層或更多層。此種三層或更多層的結構可由階梯狀的突起部形成。下層(靠近該基材)可包含部分由第一光透射性材料製成之突起部，以及位於該些突起部旁，由第二光透射性材料製成的材料塊；上層(與該基材距離較遠)則僅包含沉積於最高階之突起部表面的第二光透射性材料。優選地，要形成一具有n層的超穎介面，要利用n-1層階梯 狀的突起部，其中每一層階梯狀突起部的寬度皆較其下一層的階梯狀突起部為窄。在一些實施例中，如沿該些突起部長軸之橫截面的側視圖所示，該些階梯狀的結構會對稱於該些突起部的高度軸。可以設想，此種具有三層或更多層結構的超穎介面，同樣可應用於與具有雙層結構之超穎介面相同的應用，例如做為光入和/或光出耦合光學元件。
圖18A-18B係例舉說明具有超過二層之結構的超穎介面之橫截面側視圖。圖18A係例舉說明一具有第一層2012、第二層2014以及第三層2016的超穎介面2010。該具有三層結構的超穎介面2010係由階梯狀的突起部2020形成，每個突起部2020均向上延伸至兩層的範圍，每一層一階，且第二層之台階的寬度較第一層之台階寬度小。該些由第二光透射性材料形成的材料塊2030a係形成於該些位於第一層2012之突起部2020的側面，並優選地從一突起部2020延伸至與該突起部2020相鄰的另一突起部2020。該些由第二光透射性材料形成的材料塊2030b係形成於該些位於第二層2014之突起部2020的側面。而在第三層，該些由第二光透射性材料形成的材料塊2030c係形成於該些突起部2020的頂部表面。如圖所示，該第二光透射性材料沉積的量使其連接至該些突起部2020之台階的高度，但其沉積的厚度不至於填滿該層之突起部的高度。在某種程度上，對一特定層來說，該些相鄰的突起部2020之間具有氣縫將該些突起部彼此隔開。
圖18B係例舉說明一具有類似於圖18A所示之結構 的超穎介面，其與圖18A所示之結構的差異處在於該些突起部2020之間的間隙係完全被材料塊2030a填滿，而沒有暴露在外。應當理解，透過沉積一足量的第二光透射性材料，使其完全填充該些位於每一層之相鄰突起部2020之間的間隙，即可獲得此種該些突起部2020的側面完全被第二光透射性材料覆蓋的結構。
圖19A-19D係製造一具有超過二層之結構的超穎介面的流程圖。在一些實施例中，此種超過二層的超穎介面可透過與圖14A-14D相似的流程製造，差異處在於製造此種超過二層之結構的壓印模板2026係多層的結構，用於壓印多層的突起部。這種多層的壓印模板2026可透過例如多重曝光光刻(包含多重電子束曝光微刻術或多重超紫外線曝光光刻)等方式形成。在一些實施例中，每次曝光可用以形成一層(或一階)與該些欲形成圖形之突起部互補的結構。
簡單來說，參考圖19A，其係用以說明在基材2000上沉積一第一材料，該第一材料可為抗蝕劑2020a(例如奈米壓印抗蝕劑)。優選地，該抗蝕劑2020a係光透射性的材料，並可透過如圖14A所揭露的方式進行沉積。
參考圖19B，其係說明使一壓印模板2026(或稱母板)接觸該抗蝕劑2020a，以使該抗蝕劑圖形化。在接觸該壓印模板2026後，該抗蝕劑2020a會形成如該壓印模板2026所限定之階梯狀的突起部2020。如本發明所揭露，在撤回該壓印模板2026前，該抗蝕劑需先硬化以進行固定。接著即可得到如圖19C所示 之階梯狀的突起部。
參考圖19D，第二材料接著被沉積在該些圖形化的突起部2020上。如本發明所揭露，該第二材料的實例包含半導體材料以及光透射性抗蝕劑，其中該些半導體材料包括含矽材料(例如矽、氮化矽、碳化矽)與氧化物(例如氧化鋯、氧化鋅、氧化鈦)。優選地，該第二材料係一光透射性材料。同樣如圖14D所揭露，該第二材料2030可透過各種方式沉積，包含覆蓋沉積、定向沉積，以及旋塗法或噴塗法。
儘管未於圖中標示，應當理解的是透過選擇適當的沉積方式、沉積時間和/或沉積條件，即可改變如圖16A1、16B-17C所示之超穎介面的結構。其中圖16A1、16B-17C的結構，任一者皆可應用於具有三層或更多層之結構的超穎介面。舉例來說，該些突起部2020之間的氣縫結構，可透過沉積未達一特定層之高度的材料達成；或者，透過沉積一足量之第二光透射性材料，並使其完全填充於該些突起部之間每一層的間隙，可獲得一位於該些突起部2020頂部表面上連續的材料層。
在一些實施例中，該些做為光入耦合/光出耦合光學元件，並具有超穎介面2010的波導，可用於形成如圖6所示之顯示系統1000。舉例來說，製造該超穎介面2010後，該些具有超穎介面的波導可光學耦合至一光導管，例如一用以將影項訊息傳送至該些波導的光導管。在一些實施例中，該光導管可係為光纖。該些光導管的實例包含該些影像射入裝置200、202、204、206、 208(如圖6所示)，以及掃描式光纖。在一些實施例中，複數波導皆各自具有其超穎介面2010，且該些波導中的每一個皆可耦合至一或多影像射入裝置。
在此描述了本發明的各種示例性實施例。以非限制性的意義對這些示例做出參考。提供用這些示例來說明本發明的更廣泛的可適用方面。在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以對描述的本發明進行不同的改變並且可以以等效物來取代。
舉例來說，本發明雖可有利地應用於提供複數特定深度之平面的擴增實境顯示器，但本發明所揭露與擴增實境相關之內容同樣可應用僅於單一深度之平面形成影像的顯示系統。此外，儘管本發明僅例舉了於一基材之單一表面形成超穎介面的實施例，應當理解的是該些超穎介面可形成於一基材的複數表面上(例如與第一主表面相對之另一側的主表面)。在一些提供複數影像訊息的實施例中，該些影像訊息(如不同分色色光)被引導至一波導中，該波導可具有複數超穎介面，例如每一超穎介面可對應一種分色色光。在一些實施例中，該些突起部的節距或週期性，和/或其幾何尺寸可隨著在該超穎介面上位置的不同而改變。這種超穎介面可在定向不同波長之光線時起作用，其取決於該光線射入該超穎介面時，其入射位置的幾何形狀以及節距。在一些其他的實施例中，該超穎介面的幾何形狀與節距等特徵係設計成有變化的，使其在使光偏向時，即使係用於偏向波長相近的光線，能夠使光以不同的角度從該超穎介面傳遞出去。甚至，應當理解的 是在一些實施例中，一基材的一表面上可設置複數彼此分隔開來的超穎介面，該些超穎介面可具有相同的幾何形狀以及節距；在另外一些實施例中，該些設置於同一基材之平面，且彼此分隔的超穎介面，其中至少一個超穎介面具有與其他超穎介面不同的幾何形狀和/或節距。
除了能有利地應用於顯示器(例如穿戴式顯示器)，該些超穎介面亦可應用於其他需要緊湊、小巧之光重定向元件的裝置。舉例來說，該些超穎介面可應用於像是光學板(例如玻璃板)、光纖、顯微鏡、傳感器、手錶、相機以及影像投射裝置等設備中用於重定向光線的部分。
此外，所有為適應特定情況、材料、組合物、處理動作、處理程序或處理步驟所進行的修改，都應屬於本發明的精神或範圍內。此外，本領域的技術人員應當理解，本發明所描述和示出之每種變型中所具有的每一個別的元件和特徵，在不脫離本發明的範圍和精神的情況下，這些元件和特徵可以容易地從任何其他實施例之任意特徵中分離或者與之結合。所有這樣的修改都應屬於本發明所揭露之相關聯的權利要求範圍內。
本發明包含本發明所揭露之裝置的執行方法。該些方法可包含提供如本發明所述之適當裝置的動作。這些動作可由一使用者執行。換句話說，該「提供」的動作僅需該使用者獲取、訪問、趨近、定位、設置、啟動、通電或以其他動作提供本發明所揭露之方法所需的裝置。本發明所揭露的方法可以以所述步驟 之任何邏輯上可能的順序來執行，也可以以步驟的敍述順序來執行。
在上文中已經說明了本發明的示例性方面以及關於材料選擇和製造有關的細節。對於本發明的其他細節，其可以結合上述引用的專利以及公開內容，或者本領域的技術人員熟知或了解的內容來理解。對通常採用的或者邏輯上採用的額外動作而言，這一點同樣適用於本發明方法的各方面。
為了敘述的方便，本發明使用了許多詞語，用以指示本發明特徵的相對位置。例如，本發明的各種特徵可以以位於其他特徵「上」、「上方」、「側面」，或「較高」、「較低」等方式被描述。其他用以描述其相對位置的詞語亦可使用。為了描述，本發明係將該些特徵所形成的結構或系統做為一個整體，並將某個特定方向做為參考點，並以此進行所有此種有關相對位置的敘述。
此外，儘管已經參考可選地併入了包含各種特徵的若干實施例來描述本發明，但是本發明的範圍並不限定於本發明所描述或表示的每種變型。在不脫離本發明的真正精神和範圍的情況下，可以對本發明進行各種改變，並且可以用等效物進行替換，不論該些等效物是否在本發明中列出，或為了某種程度的簡潔而未包含在說明書中。此外，在提供一個數值範圍的情況下，應當理解的是該範圍之上限與下限之間的任何值，以及任何其他陳述的值，或者在該陳述範圍中的值，均應被包含在本發明內。
此外，可以預期地，本發明所述之每種變型的任何 可選特徵皆可被獨立地，或者與本發明所述的任何一個或多個特徵結合地被闡述或者本發明所保護。本發明對單一項目的敘述包含存在多個相同項目的可能性。更具體地，如在本發明之說明書以及與其相關的申請專利範圍中所使用的單數形式如「一」、「一個」、「所述」、「該」等，除非另有說明，否則應視為包含複數對象。換句話說，冠詞的使用允許本發明之說明書與申請專利範圍中所述項目係為「至少一個」。應注意的是，本發明之申請專利範圍可排除任何可選的元件。因此，本聲明係做為在申請專利範圍請求之元件的相關陳述中使用如「單獨」、「僅」等此類排他性術語，或使用「否定」限制的先行基礎。
在不使用此類排他性術語的情況下，本發明之申請專利範圍所使用的術語「包含」應當允許包含任何額外的元件，而不論在申請專利範圍中是否列舉了給定數目的元件，或額外添加可能被認為改變申請專利範圍中元件性質的特徵。
除本發明特別定義，否則本發明使用的所有技術與科學術語，應被本發明領域之技術人員寬廣地賦予一般理解的含義，同時保持申請專利範圍的有效性。
本發明的範圍不限於所提供的實施例和/或說明書所揭露的內容，而係僅由本發明下述之申請專利範圍的語言進行限定。

Claims (52)

  1. 一種形成光學波導的方法，包括形成一超穎介面，其中形成該超穎介面的步驟包括：於一光透射性基材上形成一光透射性抗蝕層；於該抗蝕層上繪製具有複數突起部與複數中間間隙之圖形，其中該些突起部的節距範圍係10-600奈米；和在該些突起部上與該些間隙之間沉積一光透射性材料。
  2. 如請求項1所述的方法，其中該光透射性材料係非結晶相。
  3. 如請求項1所述的方法，其中沉積一光透射性材料包含在該些突起部上方以該光透射性材料形成彼此隔開之平坦區。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該光透射性材料之折射率較該繪有圖形之抗蝕層或該光透射性基材高。
  5. 如請求項4所述之方法，其中該光透射性材料的折射率高於1.7。
  6. 如請求項4所述之方法，其中該光透射性材料係一抗蝕劑。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該光透射性基材係一波導。
  8. 如請求項1所述之方法，其中於該抗蝕層上繪製圖形之步驟包含將該圖形壓印至該抗蝕層中。
  9. 如請求項1所述之方法，其中沉積一光透射性材料之步驟包含在該繪有圖形之抗蝕層上旋塗該光透射性材料。
  10. 如請求項1所述之方法，其中沉積一光透射性材料之步驟包含該光透射性材料的覆蓋沉積或定向沉積。
  11. 如請求項10所述之方法，其中該覆蓋沉積包含該光透射性材料的化學氣相沉積或原子層沉積。
  12. 如請求項10所述之方法，其中該定向沉積包含氣化或濺射該光透射性材料。
  13. 如請求項1所述之方法，其中該超穎介面之總寬度範圍係介於300至500奈米之間。
  14. 如請求項1所述之方法，其中沉積一光透射性材料係在該突起部上方沉積厚度10奈米至1微米的該光透射性材料。
  15. 如請求項1所述之方法，其中該些突起部包含在二層上的複數階梯結構(steps)。
  16. 一種顯示系統，包含：一波導；一設置於該波導表面之光入耦合光學元件，該光入耦合光學元件包含一多層超穎介面，該多層超穎介面包含：複數由一第一光透射性材料形成之彼此隔開且具有一節距的突起部；以及一形成於該些彼此隔開之突起部之間及其表面的第二光透射性材料；其中該波導係一波導組件之中的一個，其中該波導組件中的每一波導皆包含一相對應的多層超穎介面；其中與至少部分波導相應之該些多層超穎介面係用以重定向具有與其他波導相應之該些超穎介面不同波長範圍的光。
  17. 如請求項16所述之顯示系統，其中該些突起部的節距隨著該波導的表面變化。
  18. 如請求項16所述之顯示系統，進一步包含一影像射入裝置，用以將包含影像訊息的光射入該波導。
  19. 一種顯示系統，包含：一波導；一設置於該波導表面之光入耦合光學元件，該光入耦合光學元件包含一多層超穎介面，該多層超穎介面包含：複數由一第一光透射性材料形成之彼此隔開且具有一節距的突起部，其中該第一光透射性材料包含一抗蝕劑；以及一形成於該些彼此隔開之突起部之間及其表面的第二光透射性材料。
  20. 一種顯示系統，包含：一波導；一設置於該波導表面之光入耦合光學元件，該光入耦合光學元件包含一多層超穎介面，該多層超穎介面包含：複數由一第一光透射性材料形成之彼此隔開且具有一節距的突起部；以及一形成於該些彼此隔開之突起部之間及其表面的第二光透射性材料；其中由每個突起部與相鄰突起部之間的間隙界定的總寬度係10-600奈米。
  21. 一種顯示系統，包含：一波導；一設置於該波導表面之光入耦合光學元件，該光入耦合光學元件包含一多層超穎介面，該多層超穎介面包含：複數由一第一光透射性材料形成之彼此隔開且具有一節距的突起部；以及一形成於該些彼此隔開之突起部之間及其表面的第二光透射性材料；其中該第二光透射性材料形成該些突起部表面彼此隔開的平坦區。
  22. 一種顯示系統，包含：一波導；一設置於該波導表面之光入耦合光學元件，該光入耦合光學元件包含一多層超穎介面，該多層超穎介面包含：複數由一第一光透射性材料形成之彼此隔開且具有一節距的突起部；以及一形成於該些彼此隔開之突起部之間及其表面的第二光透射性材料；其中該第一與第二光透射性材料係非結晶相。
  23. 如請求項16所述的顯示系統，其中該第二光透射性材料具有較該第一光透射性材料或形成該波導之材料高的折射率。
  24. 如請求項23所述之顯示系統，其中該第二光透射性材料的折射率高於1.7。
  25. 一種顯示系統，包含：一波導；一設置於該波導表面之光入耦合光學元件，該光入耦合光學元件包含一多層超穎介面，該多層超穎介面包含：複數由一第一光透射性材料形成之彼此隔開且具有一節距的突起部；以及一形成於該些彼此隔開之突起部之間及其表面的第二光透射性材料；其中該光透射性材料包含一半導體。
  26. 如請求項25所述之顯示系統，其中該光透射性材料包含矽。
  27. 如請求項26所述之顯示系統，其中該光透射性材料包含氮化矽或碳化矽。
  28. 一種顯示系統，包含：一波導；一設置於該波導表面之光入耦合光學元件，該光入耦合光學元件包含一多層超穎介面，該多層超穎介面包含：複數由一第一光透射性材料形成之彼此隔開且具有一節距的突起部；以及一形成於該些彼此隔開之突起部之間及其表面的第二光透射性材料；其中該第二光透射性材料具有較該第一光透射性材料或形成該波導之材料高的折射率；其中該第二光透射性材料包含一氧化物。
  29. 如請求項28所述之顯示系統，其中該第二光透射性材料包含一金屬氧化物。
  30. 如請求項29所述之顯示系統，其中該第二光透射性材料包含氧化鈦、氧化鋯或氧化鋅。
  31. 如請求項16所述之顯示系統，其中該超穎介面係一雙層超穎介面。
  32. 如請求項16所述之顯示系統，其中該超穎介面係一三層或更多層之超穎介面。
  33. 一種顯示系統，包含：一波導；一設置於該波導表面之光出耦合光學元件，該光出耦合光學元件包含一多層超穎介面，該多層超穎介面包含：複數由一第一光透射性材料形成之彼此隔開且具有一節距的突起部；以及一形成於該些彼此隔開之突起部之間及其表面的第二光透射性材料；其中該第二光透射性材料具有較該第一光透射性材料及形成該波導之材料高的折射率；其中該第一光透射性材料具有較形成該波導之材料低的折射率；其中與至少部分波導相應之該些多層超穎介面係用以重定向具有與其他波導相應之該些超穎介面不同波長範圍的光。
  34. 如請求項33所述之顯示系統，其中該些突起部的節距隨著該波導的表面變化。
  35. 如請求項33所述之顯示系統，進一步包含一影像射入裝置，用以將包含影像訊息的光射入該波導。
  36. 如請求項33所述之顯示系統，其中該波導係一波導組件之中的一個，其中該波導組件中的每一波導皆包含一相對應的多層超穎介面。
  37. 如請求項33所述之顯示系統，進一步包含一設置於該波導表面的光入耦合光學元件，其中該光入耦合光學元件與該光出耦合光學元件皆包含一多層超穎介面。
  38. 一種顯示系統，包含：一波導；一設置於該波導表面之光出耦合光學元件，該光出耦合光學元件包含一多層超穎介面，該多層超穎介面包含：複數由一第一光透射性材料形成之彼此隔開且具有一節距的突起部；以及一形成於該些彼此隔開之突起部之間及其表面的第二光透射性材料；其中該第二光透射性材料具有較該第一光透射性材料及形成該波導之材料高的折射率；其中該第一光透射性材料具有較形成該波導之材料低的折射率；其中由每個突起部與相鄰突起部之間的間隙界定的總寬度係200-500奈米。
  39. 一種顯示系統，包含：一波導；一設置於該波導表面之光出耦合光學元件，該光出耦合光學元件包含一多層超穎介面，該多層超穎介面包含：複數由一第一光透射性材料形成之彼此隔開且具有一節距的突起部；以及一形成於該些彼此隔開之突起部之間及其表面的第二光透射性材料；其中該第二光透射性材料具有較該第一光透射性材料及形成該波導之材料高的折射率；其中該第一光透射性材料具有較形成該波導之材料低的折射率；以及其中該第二光透射性材料形成該些突起部表面彼此隔開的平坦區。
  40. 一種顯示系統，包含：一波導；一設置於該波導表面之光出耦合光學元件，該光出耦合光學元件包含一多層超穎介面，該多層超穎介面包含：複數由一第一光透射性材料形成之彼此隔開且具有一節距的突起部；以及一形成於該些彼此隔開之突起部之間及其表面的第二光透射性材料；其中該第一與第二光透射性材料係非結晶相。
  41. 一種顯示系統，包含：一波導；一設置於該波導表面之光出耦合光學元件，該光出耦合光學元件包含一多層超穎介面，該多層超穎介面包含：複數由一第一光透射性材料形成之彼此隔開且具有一節距的突起部；以及一形成於該些彼此隔開之突起部之間及其表面的第二光透射性材料；其中該第一光透射性材料係一奈米壓印抗蝕層。
  42. 如請求項33所述之顯示系統，其中該第二光透射性材料具有較該第一光透射性材料或形成該波導之材料高的折射率。
  43. 如請求項42所述之顯示系統，其中該第二光透射性材料的折射率高於1.7。
  44. 一種顯示系統，包含：一波導；一設置於該波導表面之光出耦合光學元件，該光出耦合光學元件包含一多層超穎介面，該多層超穎介面包含：複數由一第一光透射性材料形成之彼此隔開且具有一節距的突起部；以及一形成於該些彼此隔開之突起部之間及其表面的第二光透射性材料；其中該第二光透射性材料具有較該第一光透射性材料及形成該波導之材料高的折射率；其中該第一光透射性材料具有較形成該波導之材料低的折射率；其中該光透射性材料包含一半導體。
  45. 如請求項44所述之顯示系統，其中該光透射性材料包含矽。
  46. 如請求項45所述之顯示系統，其中該光透射性材料包含氮化矽或碳化矽。
  47. 一種顯示系統，包含：一波導；一設置於該波導表面之光出耦合光學元件，該光出耦合光學元件包含一多層超穎介面，該多層超穎介面包含：複數由一第一光透射性材料形成之彼此隔開且具有一節距的突起部；以及一形成於該些彼此隔開之突起部之間及其表面的第二光透射性材料；其中該第二光透射性材料具有較該第一光透射性材料及形成該波導之材料高的折射率其中該第一光透射性材料具有較形成該波導之材料低的折射率；其中該光透射性材料包含一氧化物。
  48. 如請求項47所述之顯示系統，其中該光透射性材料包含一金屬氧化物。
  49. 如請求項48所述之顯示系統，其中該光透射性材料包含氧化鈦、氧化鋯或氧化鋅。
  50. 如請求項33所述之顯示系統，其中形成該波導之材料的折射率係1.6或更高。
  51. 如請求項33所述之顯示系統，其中該些突起部係單層結構。
  52. 如請求項33所述之顯示系統，其中該些突起部係階梯狀的多層結構。
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