[发明专利]具有可变衍射效率的衍射光栅和用于显示图像的方法

说明书

本发明涉及一种衍射光栅及其应用。光栅包括第一区域和第二区域，各区域均具有二维周期性的光栅结构，包括：第一方向上的第一周期(d_x)，其选择成允许可见光的选定波长沿第一方向衍射；以及不同于第一方向的第二方向上的第二周期(d_y)，其足够短以防止所述选定波长沿第二方向衍射，根据本发明，第一区域和第二区域中的光栅结构在所述第二方向上具有不同的调制特性，以产生用于第一区域和第二区域的不同的衍射效率。本发明提供了新的设计参数和亚波长调制，以帮助尤其是显示应用中的光栅的衍射效率的局部调节。

技术领域

本发明涉及衍射光栅，尤其涉及其在显示技术中的使用。具体地说，本发明涉及一种衍射效率可调制的光栅、利用这种光栅的光学器件、用于在衍射显示器上显示图像的方法，以及一种新颖的用途。

背景技术

近眼显示器(NED)和平视显示器(HUD)通常包含衍射光栅，以产生可见图像。该光栅需要被用作将图像从图像源耦合到波导的输入耦合光栅、为使用者生成最终的可视图像的输出耦合光栅，以及可增加显示器的出射光瞳的尺寸的出射光瞳扩展器(EPE)。

光栅的质量和特性决定了所得图像的质量。除了具有清晰一致的光栅线外，在高级的应用中，还希望能够局部地控制光栅的衍射效率。这可以通过改变光栅线高度或光栅内的填充系数(即，使用高度或填充系数的调制)来实现。为了达到最大可能的效率调整范围，应同时调整高度和填充系数。

高度调制元件的制造通常通过重复制造循环来完成，其中在一个循环内定义一个高度。特别是，在同一基板上制造高度不同的微米和纳米结构是困难的，对于难以加工的无机材料来说尤其如此。这通常需要使几个制造循环配准，其中每个元件的高度在一个循环内单独地定义。这也需要对材料进行高度优化且通常很复杂的加工。为了在材料中获得垂直的侧壁，在当前可用的方法中需要高度各向异性的蚀刻。在C.David的文章“Fabricationof stair-case profiles with high aspect ratios for blazed diffractive opticalelements”,Microelectronic Engineering,53(2000)中讨论了一种已知的加工方法。由于该方法的复杂性，该工艺的产率很低。而且，套刻曝光要求纳米级的横向放置精度，并且与最佳状况的任何偏差都会导致光学性能的损失。通常，套刻曝光的精度约为～10nm，这会导致相对于最佳光学性能的明显偏差。精确的高度调制本身就是有挑战性的，并且当同时需要高度调制和填充系数调制以实现最大的效率调制范围时，面临着特殊的挑战。

然而，高度调制的需要增加了制造的复杂性，特别是对于诸如氧化物的高折射率材料的情况。很少有适合批量生产的方法。

因此，需要改进以调节衍射效率。

发明内容

本发明的目的是解决至少一些上述问题，并提供新颖的手段来调制光栅的衍射效率。一个特定的目标是提供适合于优化光学系统的光学性能的附加设计参数。

一个具体目的是解决高度调制的困难，并提供一种附加的设计参数来代替高度调制或与高度调制一起使用以影响衍射效率，以及提供利用该设计参数的新颖的器件和方法。

根据一个方面，本发明基于在衍射光栅中提供二维光栅周期，其中两个垂直的光栅周期中的一个大得足以产生衍射，而另一个光栅周期为亚波长并可被应用于效率调节。特别是，该方向上相邻结构之间的间隔(即填充系数调制)可用于调节衍射效率。

更详细地说，本发明的衍射光栅包括第一区域和第二区域，它们各自具有二维周期性的光栅结构。每个区域包括第一方向上的第一周期，该第一周期选择成允许可见光的选定波长在第一方向上衍射，每个区域还包括与第一方向不同的第二方向上的第二周期，该第二周期短得足以防止所述选定波长在第二方向上衍射。根据本发明，第一区域和第二区域中的光栅结构在第二方向上具有不同的调制特性。对于在第一方向上进行衍射的光来说，这种亚波长调制针对第一和第二区域产生了不同的衍射效率。