TWI737204B - 用於擴增或虛擬實境之改良角均勻性波導 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種用於一擴增實境或虛擬實境顯示器中之波導。該波導包括一光子晶體中之複數個光學結構。該複數個光學結構經配置成一陣列以提供至少兩個繞射光學元件。該兩個繞射光學元件之各者經組態以自一輸入方向接收光且朝向接著可充當一輸出繞射光學元件之另一繞射光學元件耦合該光，從而朝向一觀看者提供外耦合階。當在該波導之平面中觀看時，該複數個光學結構分別具有包括十二個實質上直邊之一形狀，該等邊之六者具有成一第一角度之各自法向向量，且該等邊之其他六者具有成不同於該第一角度之一第二角度之各自法向向量。

Description

用於擴增或虛擬實境之改良角均勻性波導
本發明係關於一種用於一擴增實境或虛擬實境顯示器中之波導。特定而言，本發明係關於一種波導，其中輸入光在一輸出元件中沿兩個正交方向擴展且朝向一觀看者耦合出一波導。此可允許一擴增實境顯示器中之眼動範圍(eyebox)之實體擴展。
一擴增實境顯示器允許一使用者觀看其等周圍環境以及投射影像。在軍事或運輸應用中，投射影像可經疊置於由使用者感知之真實世界上。此等顯示器之其他應用包含視訊遊戲及可穿戴裝置，諸如眼鏡。
在一正常擴增實境設定中，一透明顯示螢幕經提供於一使用者前方，使得其等可繼續看實體世界。顯示螢幕通常係一玻璃波導，且一投射器經提供至一個邊。來自投射器之光藉由一繞射光柵耦合至波導中。投射光在波導內全內反射。光接著藉由另一繞射光柵耦合出波導，使得一使用者可觀看該光。投射器可提供擴增一使用者對實體世界之觀看之資訊及/或影像。
WO 2016/020643中揭示一種用於在一擴增實境顯示器中以兩個維度擴展輸入光之光學裝置。提供一輸入繞射光學元件以將輸入光 自一投射器耦合至一波導中。該光學裝置亦包含一輸出元件，該輸出元件具有在波導中彼此疊置之兩個繞射光學元件，使得兩個繞射光學元件之各者可自輸入繞射光學元件接收光且朝向該對中之另一繞射光學元件耦合該光，該另一繞射光學元件接著可充當朝向一觀看者將光耦合出波導之一輸出繞射光學元件。在一項實施例中，在一光子晶體中提供彼此疊置之兩個繞射光學元件。此係藉由將一支柱陣列配置於波導之表面內或上從而相對於周圍波導介質具有一增加的折射率來達成。WO 2016/020643中之支柱被描述為當自一觀看者之視角在波導之平面中觀看時具有一圓形橫截面形狀。已發現此配置在同時以兩個維度擴展光且將光耦合出波導方面非常有效。有利地，此可改良波導上之空間之使用，此可降低製造成本。
已識別已知波導之一個問題，此係因為輸出影像中之一中心條帶已被觀察到具有高於其他部分之一相對亮度。此「條帶」效應對於使用者而言係非期望的，且本發明之一目的係克服及減輕此問題。
WO 2018/178626中所揭示之光學裝置旨在解決此問題。在此配置中，WO 2016/020643之支柱係用不同形狀多邊形(諸如一平行四邊形或一經修改平行四邊形)之一陣列替換。
儘管能夠降低中心「條帶效應」，但此等波導仍遭受色彩跨視場之角均勻性減小之問題。朝向視場之邊緣之區域顯示低於更靠近中心之區域之一強度。期望角均勻性跨使用者之視場一致以對使用者提供最擴增觀看體驗。期望一種防止中心「條帶效應」同時亦確保改良角均勻性之配置。
根據本發明之一態様，提供一種用於一擴增實境或虛擬實 境顯示器中之波導，其包括：一光子晶體中之複數個光學結構；其中該複數個光學結構經配置成一陣列以提供至少兩個繞射光學元件，其中該兩個繞射光學元件之各者經組態以自一輸入方向接收光且朝向接著可充當一輸出繞射光學元件之另一繞射光學元件耦合該光，從而朝向一觀看者提供外耦合階；其中當在該波導之平面中觀看時，該複數個光學結構分別具有包括十二個實質上直邊之一形狀，該等邊之六者具有成一第一角度之各自法向向量，且該等邊之其他六者具有成不同於該第一角度之一第二角度之各自法向向量。
以此方式，光學結構之配置可提供色彩跨視場之一改良角均勻性。此改良波導之效能，此係因為跨全角範圍耦合出波導之光存在一更均勻強度。此對使用者提供跨其等整個觀看範圍之一更均勻顯示。
另外，波導可減小繞射至致使條帶效應之一階中之光之比例。此可改良疊置繞射光學元件之繞射效率，從而增加朝向另一繞射光學元件轉向且耦合之光之比例。此可減輕已在具有具一圓形橫截面形狀之光學結構之已知波導上觀察到之條帶效應。此亦可藉由控制朝向使用者耦合以供觀看之光來改良波導之總體效率。
較佳地，至少兩個繞射光學元件在波導中或上彼此疊置。
光學結構可具有一交叉型形狀。由兩個相交線組成之交叉形狀彼此成實質上120度。
較佳地，該形狀具有可合計為實質上1800°之內角。以此方式，光學結構之各者之形狀可實質上為一十二邊形。該形狀可具有實質上四個60°內角、實質上四個120°內角、實質上兩個240°內角及實質上兩個300°內角。
陣列中之光學結構可沿平行於光學元件之一方向彼此隔開達一間隙。光學結構可具有沿平行於光學元件之方向延伸之一實體範圍，其中實體範圍及間隙之和界定一晶格常數且間隙可被界定為晶格常數之一比率。在一些配置中，間隙係晶格常數之10%。在其他配置中，間隙係晶格常數之20%。在其他配置中，間隙可在晶格常數之1%至50%之間。
運用此配置，在複數個光學結構之各者之間存在一間隔。換言之，光學結構之各者彼此不直接接觸。晶格常數界定一單位晶格(unit cell)之一個邊，其中單位晶格界定光學結構之配置。
較佳地，第一角度及第二角度與輸入方向成實質上±30°。已發現，此配置可有利地將繞射效率改良成所要階及減輕條帶且進一步改良角均勻性。
複數個光學結構之至少一些可分別包含附接至一各自鄰近光學結構之一邊之一邊。在一些配置中，複數個光學結構之至少一些光學結構經附接至其等四個最近的鄰近光學結構。
以此方式，具有一交叉形狀之相鄰光學結構在其等四個邊處接合至最近的鄰近交叉形光學結構。此導致光學結構形成一柵格形狀。換言之，相鄰光學結構之間的間隔係零。可認為在鄰近光學結構之間存在透過其等四個邊之一連續連接。
有利地，具有一柵格形狀可改良製造光學結構之容易性。另外，此配置可藉由更有效地使用輸入光來提供改良提取效率。然而，在一些情況下，可藉由各具有一交叉結構且彼此隔開之複數個光學結構來提供最大角均勻性。
較佳地，波導包括一輸入繞射光學元件，該輸入繞射光學 元件與在波導中彼此疊置之至少兩個繞射光學元件分離，經組態以將光耦合至波導中且沿輸入方向將光提供至陣列中之複數個光學結構。
輸入繞射光學元件較佳地係在波導之一個表面上包括凹槽之一繞射光柵。較佳地，輸入光柵具有將光耦合至波導中之一高效率。
波導中之光學結構之陣列可被稱為光子晶體。波導可經提供於一光學顯示器內。
複數個光學結構可展現與一周圍波導介質之折射率差異。以此方式，光學結構可經嵌入於一波導內且其等繞射性質可歸因於該等結構與波導介質之間的一折射率差異而產生。
在大多數配置中，波導之折射率可大於1.5。
複數個光學結構可為波導之表面上之表面凹凸(relief)結構。表面凹凸特徵與包圍其等之空氣之折射率之間的失配可提供所期望繞射性質。在一些實施例中，一塗層可經提供於光學結構上以便進一步控制繞射效率。
根據本發明之一進一步態様，提供一種製造用於一擴增實境或虛擬實境顯示器之一波導之方法，其包括以下步驟：在一光子晶體中提供複數個光學結構；將該複數個光學結構配置成一陣列以提供至少兩個繞射光學元件，其中該兩個繞射光學元件之各者經組態以自一輸入方向接收光且朝向接著可充當一輸出繞射光學元件之另一繞射光學元件耦合該光，從而朝向一觀看者提供外耦合階；及當在該波導之平面中觀看時，對該複數個光學結構分別提供包括十二個實質上直邊之一形狀，該等邊之一第一半具有成一第一角度之各自法向向量，且該等邊之一第二半具有成不同於該第一角度之一第二角度之各自法向向量。
較佳地，該方法包括將一塗層施敷至複數個光學結構之步驟。
較佳地，至少兩個繞射光學元件在波導中或上彼此疊置。
根據一進一步態様，提供一種擴增實境或虛擬實境顯示器，其包括上文所描述之態様之波導。在一些情況下，擴增實境或虛擬實境顯示器可為一擴增實境或虛擬實境頭戴裝置、眼鏡或護目鏡裝置。
1:輸入繞射光柵
2:輸出元件
2a:間隔
2b:間隔
3:光子晶體
6:波導
7:中心條帶
10:平行四邊形光學結構
12:光子晶體
14:波導
20:帶切口平行四邊形光學結構
30:第一光學結構/交叉光學結構
32:單位晶格/平行四邊形
40:第二光學結構/柵格光學結構
52:元件符號
54:元件符號
61:邊
62:邊
63:邊
64:邊
65:邊
66:邊
71:邊
72:邊
73:邊
74:邊
75:邊
76:邊
81:邊
82:邊
83:邊
84:邊
a:間隔
b:間隔
H1:光柵
H2:光柵
H3:光柵
p:垂直距離
q:晶格常數
xy:尺寸
圖1係一已知波導之一俯視圖；圖2係一已知波導之另一俯視圖；圖3(a)及圖3(b)係用於一已知波導中之兩個光子晶體之俯視圖；圖4係本發明之一實施例中之用於一波導中之一光子晶體之一俯視圖；圖5係本發明之一實施例中之用於一波導中之一光子晶體之一俯視圖；圖6(a)及圖6(b)展示本發明之一實施例中之可用於一波導中之一光子晶體中之具有不同形狀之光學結構之數項實例；圖7係與不同類型之光子晶體相互作用之光之直接入眼(Straight To Eye)(STE)階之角效率之一圖表；圖8係與不同類型之光子晶體相互作用之光之轉向(Tn)階之角效率之一圖表；圖9係與不同類型之光子晶體相互作用之光之轉向後入眼(TEaTn)階之角效率之一圖表； 圖10係與不同類型之光子晶體相互作用之光之轉向階乘以轉向後入眼(TEaTn)階之角效率之一圖表；圖11係展示根據本發明之實施例均勻性針對用於一波導中之光子晶體之各種配置如何變動之一標繪圖；圖12(a)至圖12(d)展示跨用於波導中之各種光子晶體之視場之角均勻性之標繪圖。
圖1及圖2係一已知波導6之俯視圖。一輸入繞射光柵1經提供於波導6之一表面上以將光自一投射器(未展示)耦合至波導6中。耦合至波導中之光藉由全內反射朝向包含一光子晶體3之一輸出元件2行進。在此實例中，光子晶體3包含自此等俯視圖之視角具有一圓形橫截面形狀之支柱(未展示)。支柱具有相對於周圍波導介質之折射率不同之一折射率且其等經配置成具有六邊形對稱性之一陣列。
當光沿x軸自輸入繞射光柵遇到輸出元件2中之光子晶體3時，光藉由由光子晶體3中之陣列形成之繞射光學結構之一者透射或轉過±60°。
已發現，自元件2繞射之輸出影像包含一中心條帶7，該中心條帶7具有高於其他部分之一相對亮度。據信，此效應歸因於由光子晶體3中之陣列形成之繞射光學結構之繞射效率而產生。特定而言，據信，自輸入繞射光柵1接收之光之大比例在其遇到光子晶體3時被繞射至眼睛，而不會被繞射且轉過±60°。
圖3(a)及圖3(b)展示已被發現減少光在中心條帶中之大比例之光學結構之兩個先前技術配置。圖3a中之光學結構10係具有四個實質 上直邊及四個頂點之平行四邊形。在圖3b中，光學結構20係各具有一對中心切口22之經修改平行四邊形。
圖4係根據本發明之一實施例之一光子晶體12之部分之一俯視圖，該光子晶體12係提供於一波導14內之光學結構30之一陣列。波導14可具有一低折射率，其中n大於1.5。在此配置中，光學結構30係具有十二個實質上直邊之一交叉形狀或「X」形狀。光學結構30跨波導之寬度具有實質上相同橫截面形狀。在其他實施例中，可僅跨波導14之寬度之一部分提供光學結構30。
在一項實施例中，光學結構30可經提供於波導14之一個表面上。在此配置中，光學結構30可具有一特徵高度，使得其等自波導14之表面突出。已發現，可產生具有在30nm至200nm之範圍內之特徵高度之一有效光子晶體。在光學結構30之間的谷中形成空氣通道。光學結構30可具有相同於波導介質之折射率，其中n大於1.5。光學結構30被具有一折射率n=1之空氣包圍，且此折射率失配可允許繞射。可藉由在光學結構30之水平表面上施敷一薄膜塗層來控制繞射效率。塗層材料將通常(但非總是)具有高於波導14之一折射率。在一項實施例中，一塗層經施敷具有n~2.4之一折射率。
在另一實施例中，光學結構30可經嵌入於波導14介質內。因此，光學結構30可完全提供於波導14介質內。此需要光學結構30與波導14介質之間的一折射率失配以便發生繞射。此可藉由產生其中光學結構30在一個表面上之具有一表面凹凸輪廓之一波導14來達成。接著可將一接合材料施敷於光學結構30上且此可經接合至具有相同於波導14之折射率之一覆蓋件。藉由選擇具有不同於(通常高於)波導14介質之一折射率之 一接合材料，可在原始波導與覆蓋件之間形成一統一波導14，其中接合材料經夾置於原始波導與覆蓋件之間。在此設計中，接合材料具有相同於光學結構30之形狀，但具有不同於周圍波導介質之一折射率。
陣列中之光學結構30之規則配置可被視為數個有效繞射光柵或繞射光學結構。特定而言，可界定具有沿y軸對準之光學結構30之一光柵H1，其中光學結構之相鄰列分離達一垂直距離p。光柵H2配置有與x軸成+30°之一角度之光學結構30之列，其中相鄰列分離達一垂直距離p。最後，光柵H3配置有與x軸成-30°之一角度之光學結構之列，其中相鄰列分離達一垂直距離p。光子晶體之單位晶格32可根據一斜參考系中之晶格常數q來界定。值p及q藉由表達式q=p/Cos(30°)相互關聯。已發現，可產生具有在200nm至700nm之範圍內之p值之一有效光子晶體。
當沿x軸自一輸入光柵接收之光入射於光子晶體12上時，光經歷藉由繞射光學元件之多次同時繞射。光可經繞射至一0階中，此係入射光傳播之一延續。光亦可藉由光柵H1繞射至一1繞射階中。1階在沿z軸之一正方向上朝向一觀看者耦合出波導14，此可被界定為直接入眼(STE)階。光亦可藉由H2繞射光學結構繞射至1繞射階中。此1階與x軸成60°而繞射，且此光束繼續與光子晶體進行進一步相互作用。光亦可藉由H3繞射光學結構繞射至1繞射階中。此1階與x軸成60°而繞射，且此光束繼續與光子晶體進行進一步相互作用。與H2繞射光學結構之一後續繞射相互作用亦可將光沿正z軸朝向一觀看者耦合出波導12。因此，光可在各點處耦合出波導，而光仍可繼續在波導12內以兩個維度擴展。光子晶體之對稱性意謂著各出射光束具有相同於輸入光束之角性質及色度性質，此意謂著一多色(以及一單色)光源可與此光子晶體配置一起用作輸入光束。
光子晶體可允許光以兩個維度之同時及快速擴展，使得輸入光可填充一二維顯示螢幕。此可允許一超緊湊顯示器，此係因為波導尺寸可歸因於二維光束擴展而保持最小。
如自圖4可見，光學結構之配置具有六邊形對稱性。先前已識別，單位晶格之六邊形對稱性係達成均勻明亮影像之最有效方式。在圖4中展示用於光學結構之配置之單位晶格32之一種表示。如可見，交叉光學結構30在單位晶格內。交叉形光學結構之邊均未延伸至單位晶格32之邊緣。以此方式，在鄰近光學結構30之間存在一間隔且其等未彼此接合。在圖4中藉由元件符號2a及2b展示鄰近光學結構之間的間隔。在圖4之實例中，間隔2a及2b係相同量值。
圖5係一光子晶體12之部分之一俯視圖，該光子晶體12係提供於一波導14內之光學結構40之一進一步實例陣列。單位晶格內之光學結構之形狀係如圖4中之一交叉形狀。因此，當被視為單個單位晶格時，光學結構之交叉形狀具有12個邊。上文有關光學結構30之論述同樣適用於光學結構40。然而，在圖5之實例中，圖4中被標記為a及b之鄰近光學結構40之間的間隔係零。以此方式，鄰近單位晶格之光學結構40彼此附接，從而形成一柵格狀形狀。
對於圖4中之實例，圖5中之陣列中之光學結構40之規則配置可被視為數個有效繞射光柵或繞射光學結構。
在此等配置中，光學結構30、40具有平行於繞射光學結構H2、H3之直邊。因此，交叉形狀之邊與x軸成±30°角，此係自輸入光柵1接收輸入光所沿之方向。
已發現本發明之光學結構30及40之一令人驚訝的優點，即 當與此項技術已知之圓形及非圓形光學結構(包含圖3中所展示之光學結構)相較時，存在色彩跨視場之角均勻性之一改良。
與圓形結構相較，此係圖4及圖5之繞射光學結構H1、H2、H3之繞射效率增加之補充。此增加藉由結構H2、H3繞射至1階中之光之比例，且減小藉由結構H1繞射至1階中之光之比例。此可減小已在圓形結構上觀察到之條帶效應，此顯著改良波導14之實用性。
圖6展示可用來改良貫穿視場之角均勻性之光學結構之兩個實例形狀之單個單位晶格32。圖6(a)中所展示之第一光學結構30係如圖4中所展示之交叉結構。交叉結構在一平行四邊形32內，此指示光子晶體12內之光學結構30之配置。換言之，平行四邊形指示單位晶格32。光學結構30之形狀係具有12個邊之一交叉形狀。該等邊之六者(邊61、62、63、64、65及66)具有成一第一角度之各自法向向量。該等邊之其他六者(邊71、72、73、74、75、76)具有成不同於第一角度之一第二角度之各自法向向量。
邊61、62、63、64、65及66平行於單位晶格之邊81及82。在圖4中所展示之配置中，單位晶格32之邊81及82以及邊61、62、63、64、65及66平行於光柵H3。
邊71、72、73、74、75及76平行於單位晶格之邊83及84。在圖4中所展示之配置中，單位晶格32之邊83及84以及邊71、72、73、74、75及76平行於光柵H2。
光學結構具有實質上四個60°內角。在邊61與76之間、在邊72與63之間、在邊73與64之間及在邊75與66之間的頂點處之內角各係實質上60°。
光學結構具有實質上四個120°內角。在邊61與71之間、在邊62與72之間、在邊64與74之間及在邊65與75之間的頂點處之內角各係實質上120°。
光學結構具有實質上兩個240°內角。此等係邊71與62之間及邊74與65之間的角度。
光學結構具有實質上兩個300°內角。此等在邊66與76之間及在邊63與73之間。
晶格常數q等於平行四邊形之邊之一者之長度。如在圖4中，交叉形之邊角與平行四邊形之邊角之間的間隔由元件符號a及b表示。在本配置中，間隔a及b係相等的。
圖6(b)中所展示之第二光學結構40係如圖5中所展示之交叉結構。交叉結構40亦在一平行四邊形32內，該平行四邊形32指示光子晶體12內之光學結構10之配置。如依單位晶格級界定，交叉結構40具有類似於交叉結構30之12個邊。光學結構30與第二光學結構40之間的唯一差異係交叉結構40與平行四邊形32之間不存在間隔(a及b)。具有具此光學結構配置之單位晶格產生形成一柵格配置之光學結構40。
儘管圖6(b)中未標記，但光學結構40之邊及邊之間的角度相同於圖6(a)中所展示之光學結構30。
如上文所解釋，針對圖6中所展示之所有光學結構，形狀包含實質平行於光子晶體12中之繞射光學結構H1、H2之邊。然而，設想其他可行實施例，其中光學結構具有不平行於結構H1、H2之邊。
頂點存在於圖6中所展示之所有光學結構中。實際上，此等頂點將具有略修圓邊角，此取決於檢查其等時使用之放大程度。
如上文所解釋，波導之角回應由入射光之數個後續繞射事件界定。由於輸入光由具有不同極角(被表示為θ及Φ)之數個光線組成，因此重要的是，波導中之繞射階相對於θ及Φ角具有均勻回應效率。本發明之光學結構解決此問題。
圖7係展示當輸入光分別與由光學結構10、20、30及40之陣列形成之圖3、圖4及圖5中所展示之光子晶體相互作用時將輸入光直接耦合至直接入眼(STE)階中之效率之一圖表。如可見，光學結構30提供最均勻角回應。
圖8係展示當光分別與由光學結構10、20、30及40之陣列形成之如圖3、圖4及圖5中所展示之光子晶體相互作用時光轉向(Tn)之效率之一圖表。此被稱為轉向階效率。Tn繞射階係輸入光相對於x軸轉向達+60°，而非直接耦合出至STE階中。Tn階促進2D影像之擴展。
如自圖8可見，交叉光學結構30及40具有高於簡單平行四邊形10及帶切口平行四邊形20之光學結構之一角頻寬(如由其等半高全寬所指示)，其中轉向效率僅略微減小。較高角頻寬有利地導致更均勻轉向。
圖9係展示分別由光學結構10、20、30及40之陣列形成之如圖3、圖4及圖5中所展示之光子晶體相對於轉向後入眼(TEaTn)階之效率之一圖表。TEaTn階係在下一次當光在轉向後與光學結構相互作用時耦合出波導至使用者眼睛之光。此負責遠離中心條帶區域之影像之亮度。如可見，TEaTn階之最高效率係交叉光學結構40。
圖10係展示相對於Tn階乘以TEaTn之效率之一圖表。此演示遠離中心帶之結構之光提取效率。如可見，交叉光學結構40提供最佳提 取效率，從而表明其更有效地使用輸入光。
上文所論述之繞射階之有效性判定中心條帶(帶)是否發射。已發現在以下情況時：STE階/(Tn階×TEaTn)=1影像具有最佳均勻性。而針對以下值STE階/(Tn階×TEaTn)>3中心條帶變得非常明顯，因此影響均勻性。
已發現STE階/(Tn階×TEaTn)之值基於光學結構30及40相對於單位晶格32之特定配置而變動，如圖11中所展示。圖11展示光學結構30及40之配置之變動可如何導致一均勻性變動之一標繪圖。圖11中所表示之值G等於由圖6中之a及b所表示之距離，使得G=a=b。以此方式，G表示鄰近光學結構之間的間隙之尺寸之一半。如自圖6可見，圖6中所使用之元件符號xy表示交叉形之臂之尺寸。G及xy兩者根據其等與晶格恆定長度q相較之百分比長度來界定。如自圖11可見，G及xy之尺寸之變化導致STE階/(Tn階×TEaTn)之值之變化。當G=0(即，圖6中之光學結構40)時，xy之一最佳值係約35%，如由圖11中之元件符號52所表示。藉由改變G(即，圖6中之光學結構30)，已發現可藉由使G=10%及xy=43%來達成STE階/(Tn階×TEaTn)之一最佳值，如由圖11中之元件符號54所指示。
然而，自圖11可見，G在5%至10%之間之任意一值提供一較佳範圍(即，其中鄰近光學元件(2G)之間的間隙在晶格常數之值之10%至20%之間)。
圖12中可找到使用本發明之光學結構30、40之改良角效率之演示。圖12展示跨針對各種光學結構之一波導之視場之角強度之一2D 圖。具體而言，在圖12中針對以下者展示跨視場之角強度：(a)平行四邊形光學結構10，(b)帶切口平行四邊形光學結構20，(c)交叉光學結構30及(d)柵格光學結構40。x軸展示x軸上之視野(FoVx)且y軸展示y軸上之視野(FoVy)。
如自圖12(a)可見，平行四邊形光學結構10導致視場之一中心區段具有最高強度，從而演示一中心條帶。如自圖12(b)可見，當使用帶切口平行四邊形光學結構20時，避免更高強度之此中心區域。
圖12(c)展示，與如圖12(a)、圖12(b)及圖12(d)中所展示之其他光學結構相較，交叉光學結構30具有色彩跨視場之最佳角均勻性。此可見，與其他光學結構相較，圖12(c)中之2D圖之底部邊角具有一更均勻強度覆蓋範圍。與圖12(a)及圖12(b)中之光學結構10及20之效能相較，圖12(d)亦展示改良角均勻性，儘管不如圖12(c)中之光學結構40般良好。
儘管交叉光學結構30展示最佳角均勻性，但柵格光學結構40具有製造容易之優點。另外，歸因於其形狀之簡單性，其演示穩健的製造容限，其中在製造程序期間其尺寸上之任何小偏差不會大大導致其效能降低。
此意謂著可使用比通常用於製造平行四邊形光學結構10及帶切口平行四邊形光學結構20之習知使用之高斯電子束微影術更便宜及更快之技術，此係歸因於需要提供光學結構之解析度低於100nm之控制。
可使用製造光學結構40及光學結構30之替代技術，包含可變形狀電子束微影術、兩光子聚合微影術或多電子束微影術。可變形狀電子束微影術方法能夠使用一較大尺寸之簡單幾何形狀或預界定遮罩產生結構，此增加寫入速度且降低製造成本。兩光子聚合微影術係一種使用兩光 子聚合之效應來產生低於繞射極限之3D結構之光學技術。多電子束微影術使用大量平行電子束來同時曝光晶圓之全區域。多電子束方法達成超快寫入速度，同時損害解析度，因此適於更簡單形狀。
然而，可使用熟習此項技術者已知之替代製造方法來製造光學結構30及40。
2a:間隔
2b:間隔
12:光子晶體
14:波導
30:第一光學結構/交叉光學結構
32:單位晶格/平行四邊形
H1:光柵
H2:光柵
H3:光柵
p:垂直距離
q:晶格常數

Claims (10)

  1. 一種用於一擴增實境或虛擬實境顯示器中之波導，其包括：一光子晶體中之複數個光學結構；其中該複數個光學結構經配置成一陣列以提供至少兩個繞射光學元件，其中該兩個繞射光學元件之各者經組態以自一輸入方向接收光且朝向接著可充當一輸出繞射光學元件之另一繞射光學元件耦合該光，從而朝向一觀看者提供外耦合階；其中當在該波導之平面中觀看時，該複數個光學結構之每一光學結構分別具有包括十二個實質上直邊之一交叉形狀，其中該等邊之六者具有成一第一角度之各自法向向量，且該等邊之其他六者具有成不同於該第一角度之一第二角度之各自法向向量，其中該陣列中之相鄰光學結構沿平行於該等繞射光學元件之一方向彼此以一間隙隔開，且其中該等光學結構具有沿平行於該等光學元件之該方向延伸之一實體範圍，其中一晶格常數由該實體範圍及該間隙之一和界定，且該間隙界定為該晶格常數之一比率，其中該等複數個光學結構之每一光學結構被安置於一單位晶格中的該光子晶體，當在該波導之平面中觀看時，該單位晶格具有一平行四邊形。
  2. 如請求項1之波導，其中該形狀具有合計為實質上1800°之內角。
  3. 如請求項1或2之波導，其中該間隙在該晶格常數之範圍之1%至50%之間。
  4. 如請求項1或2之波導，其中該第一角度及該第二角度與該輸入方向成實質上±30°。
  5. 如請求項1或2之波導，其包括一輸入繞射光學元件，該輸入繞射光學元件與在該波導中彼此疊置之該至少兩個繞射光學元件分離，經組態以將光耦合至該波導中且沿該輸入方向將光提供至該陣列中之該複數個光學結構。
  6. 如請求項1或2之波導，其中該複數個光學結構展現與一周圍波導介質之折射率差異。
  7. 如請求項1或2之波導，其中該複數個光學結構係該波導之表面上之表面凹凸結構。
  8. 一種製造用於一擴增實境或虛擬實境顯示器之一波導之方法，其包括以下步驟：在一光子晶體中提供複數個光學結構；將該複數個光學結構配置成一陣列以提供至少兩個繞射光學元件，其中該兩個繞射光學元件之各者經組態以自一輸入方向接收光且朝向接著可充當一輸出繞射光學元件之另一繞射光學元件耦合該光，從而朝向一觀看者提供外耦合階；及當在該波導之平面中觀看時，對該複數個光學結構分別提供包括十 二個實質上直邊之一交叉形狀，該等邊之一第一半具有成一第一角度之各自法向向量，且該等邊之一第二半具有成不同於該第一角度之一第二角度之各自法向向量，其中該陣列中之相鄰光學結構沿平行於該等繞射光學元件之一方向以一間隙彼此隔開，且其中該等光學結構具有沿平行於該等光學元件之該方向延伸之一實體範圍，其中一晶格常數由該實體範圍及該間隙之一和界定，且該間隙界定為該晶格常數之一比率，其中該等複數個光學結構之每一光學結構被安置於一單位晶格中的該光子晶體，當在該波導之平面中觀看時，該單位晶格具有一平行四邊形。
  9. 如請求項8之方法，其包括將一塗層施敷至該複數個光學結構之步驟。
  10. 一種擴增實境或虛擬實境顯示器，其包括如請求項1至7中任一項之波導。
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