5.

具体实施方式

根据本原理，将描述包括至少一个衍射光栅的光学设备。根据本公开的实施例，这种光学设备可以用作例如AR/VR眼镜的波导。

根据本公开，光学设备呈现特定衍射光栅，其可以用于将光内耦合到光学设备中和/或从光学设备外耦合出光。

根据本原理，衍射光栅被配置为以具有等于或大于2的绝对值的衍射级衍射入射光。

5.1衍射模式

图2示意性地示出了入射到线性光栅(DG)上的平面波(PW)所发生的情况。平面波被分成衍射模式(-2，-1，0，+1，+2)，这些衍射模式是局部最大强度的角度间隔的光束。虽然只表示了衍射模式号-2、-1、0、1和2，但是存在更高的阶。零阶通常具有更大的功率，并且是正常折射或反射将发生的自然模式。反射的衍射模式也可能存在。

通常，光栅产生许多衍射级。在许多应用中，希望仅使用第一阶并避免所有其它模式。这种光栅的一个例子是由两个平面波的干涉制成的厚全息图。

于是衍射光栅的结构的目的是优先第一衍射级并尽可能抑制剩余的衍射级。

所有衍射级通过以下数学公式链接至入射光束：n₂(λ)sinθ₂-n₁(λ)sinθ₁＝MλT，

其中，n₁(λ)和n₂(λ)是光分别传播进入的介电的折射率，其中，在大多数情况下，n₁(λ)＝1，θ₁是入射角，θ₂是衍射角，M是衍射级，λ是波长，T是光栅频率，如果波长也以μM表示，则光栅频率以每μM的线数表示。

对于衍射级M＝0，该公式简化为公知的斯涅尔-笛卡尔折射定律。然而，该等式没有考虑不同的现象。根据输入光束的偏振、用于构建阵列的基本结构的几何结构以及所使用的材料，可能存在丢失的模式。此外，该等式没有考虑基本结构的能量重新分布。

5.2指定波长

通常，光引擎包括光源和一个显示器。光源是按时间顺序驱动的功率LED。平面光学器件的设计应适应LED的波长。用于近眼投影的常见LED的示例是：459nm蓝、530nm真绿、625nm红。衍射过程非常分散。衍射角对于不同波长是不同的，因为它随着波长(MλT)线性变化，这是相当大的变化。因此，有必要找到一种使色差最小化的方法。处理这种情况的一种方式是每个色带具有一个波导，因为对于每个色带(例如，红、绿、蓝)，每个波导的衍射光栅根据色带被不同地配置。因此，如果考虑RGB真彩色图像，则需要三个波导，这可能使它们的设计复杂化。

5.3超波长内耦合光栅设计

图3示出了用于表征波导的一些重要射线的定义。上标大写字母和分别表示掠射线和临界射线。如果下标为1，则射线在波导的外部，如果下标为2，则射线在波导的内部。原则上，根据图的光栅的最大输入角带宽是并且最大波导角带宽是也就是说，射线不是一如意的选择，因为不可能提取该射线。因此，在实践中，波导内部的角度带宽将被限制为(图3上ABDW所指示的角度扇区)，它对应于输入的角度范围

关于角度符号约定，正角度量度定向在三角学方向上，这意味着在图上且所有其它另一种约定：图中的衍射光线都是正值，衍射模式是正值，M＞0，如果我们对该射线的集合应用衍射方程，我们得到以下4个：

为了选择能够衍射如图3所示的射线的光栅周期d，可能需要进行一些选择，特别是关于波导内部的射线该选择可以基于图像在被提取之前必须在波导中行进的距离、TIR反弹的数量以及波导的厚度。

例如，如果需要从波导中的注入提取大约4cm的图像，这是眼镜分支中的光引擎的出射光瞳与眼睛之间的距离。然后，当假设光引擎和眼睛相对于波导处于相同的半空间中时，这意味着提取端口是偶数。X_i ^C，G表示波导内部临界射线或掠射线的输入的点和射线在波导的面上第i次在其处进行反弹的点之间的距离。索引i表示波导内部的射线在被提取之前被反弹的次数，i也可以被称为提取端口。如果i是偶数，则提取端口与光引擎在波导的同一侧，而如果i是奇数，则提取端口相对于光引擎在波导的对侧。实际使用提取端口的这种定义的方式是在点[X₂ ^C，X₂ ^G]之间设置衍射光栅，其结果将是通过这两点之间的衍射收集波导输出的图像。换句话说，图像在第二提取点处被收集出，即，该图像被认为是在端口号2处提取的。

根据需要用于折射率为1.5的玻璃衬底的24度视场的示例，在表1中可以定义对系统的设计有用的一些值。“输入”列中的值是已经选择用于设计系统的适当值，而“计算”列中的值是通过使用“输入”值获得的系统的参数。

表1：光栅设计的参数

在该示例性典型系统中，波导中掠射角的合理值可以被选择为在60°到90°之间，例如光栅角被选择为近似掠射角的该值使得更容易从波导中提取，但是，的值也可以被选择，例如实际上，希望设计一种衍射光栅，其将所有特定符号的θ1角度衍射到一个方向，并且将具有相反符号的角度衍射到相反方向。

这样，波导将在双模式下操作，根据该双模式，视场被分成两半，视场的一半(即，图像的一半)被引导到一个方向中，而另一半被引导到另一个方向中，具有使视场加倍的积极结果。这意味着需要被选择与相同的角度符号并且在法线附近。

另一个条件是在正和负级之间不应该有串扰，这意味着对于撞击内耦合器的给定取向，总是应该一直有一个且仅有一个衍射方向，并且没有能量进入其他方向。在图3中，该条件针对满足，并且为了不减小输入视场，优选地，从上面讨论的等式2，可以获得光栅间距为：

通过使用上文讨论的等式3，根据下式获得：

负角度的输入光束的最大角跨度是其耦合到波导中以跨越角度带宽

对于n₂∈[3/2，2]，并且考虑第二衍射级，|M|＝2，在任何情况下间距尺寸和波长之间的关系为d/λ≥1，这意味着光栅的结构将是超波长的。

如果不是将第一衍射级耦合到波导中，而是以耦合更高的级的方式选择光栅的间距，则光栅的间距更大，并且避免了微制造工艺的极限。

表2示出了设计成耦合二级的光栅与用于一级的光栅之间的差异。间距尺寸的差异几乎加倍。对于第二衍射级，我们对于RGB内耦合器得到以下间距的值：d₆₂₅＝822.4nm，d₅₃₀＝697.4nm，d₄₆₀＝605.3nm的值，而不是针对第一衍射级获得的非常小的间距尺寸：d₆₂₅＝411.2nm，d₅₃₀＝348.7nm，d₄₆0＝302.7nm。

使用第二衍射级的光栅被称为超波长光栅，因为它们的间距总是大于它们被设计用于的色带的波长。使用第一衍射级的光栅被称为亚波长光栅，因为它们的间距小于它们被设计用于的色带的波长。

表2中的视场FoV是针对使用两个±2衍射级的系统给出的。它是仅在一个方向上进入波导工作的先前系统的视场的两倍。

使用±1级的优点在于，对于非常低的衍射级，在两个方向上提供对称的响应曲线，同时强调具有非常高的衍射效率和具有高衍射均匀性的+1级或-1级。

如下所述，本文公开的基于纳米射流的衍射光栅允许以非常高的衍射均匀性得到±2衍射级的对称响应，这是有利的。

表2：光栅的间距和角度带宽

图4A和4B示出了提供60°视场的示例性示意性光引擎。

所述光引擎包括向一组光学器件发射入射光的显示器，该组光学器件将入射光耦合到设置在该组光学器件的最后的透镜之后的最后的表面处的出射光瞳，其中光线相交成最小的圆形横截面。

如图5所示，衍射光栅将被放置在出射光瞳处。在图4A上，只有负入射角的光线进入内耦合光栅(出射光瞳)。这些光线来自显示器的上部。在图4B上，只有垂直入射角的光线进入内耦合光栅(出射光瞳)。这些光线来自显示器的下部。

图5示出了来自图4A和4B的光引擎，其中波导(WG)设置有内耦合光栅。级数M＝2在左手侧，级数M＝-2在右手侧。如果显示器被打开，则两个射线路径同时存在。沿着显示器的中心水平部分存在±2.97°的角度范围，光不从该角度范围耦合到波导中。显示器的这个部分将总是黑色的。

图5是根据模拟获得的光引擎的示意图。仅示出了入射光进入波导的内耦合。在模拟视图上，在输出处不使用提取端口提取光线。

5.4基于纳米射流的用于双模式和2级衍射光栅的几何元件

在所有以下小节中，将呈现针对本公开中呈现的新原理实现高性能的不同示例性几何结构。

此外，提供一组方程以证明在单个元件进入衍射光栅的总响应的情况下，在“通过边缘衍射的近场聚焦(Near field focusing by edge diffraction)，a.Boriskin，V.Drazic，R.keating，M.Damghanian，O.Shramkova，L.Blondé，光学快报，卷43，第16期，第4053-4056页(2018年)”中公开的边缘衍射现象的贡献。

所提出的数据是使用COMSOL多物理场软件获得的。所提出的对光栅的所谓的超元件内的场和功率分布的分析有助于解释边缘衍射现象的物理性质并得到最佳拓扑。假设系统被线性偏振的平面波E＝{0，0，1}(TE)照射。考虑单个超元件的参数的效果对系统功能的影响。如上面引用的文献中所证明的，纳米射流(NJ)波束形成现象仅与系统的边缘相关联。基于对“通过边缘衍射的近场聚焦(Near field focusing by edge diffraction)，a.Boriskin，V.Drazic，R.keating，M.Damghanian，O.Shramkova，L.Blondé，光学快报，卷43，第16期，第4053-4056页(2018年)”中公开的楔形衍射现象的分析，在电磁波法向入射(θi＝90°)的情况下，可以获得纳米射流(NJ)束在较密介电中的偏转角。

其中根据本公开的实施例，n_L是主体介电的折射率，n_H是较高折射率材料的折射率。

在单一材料元件的单一楔形物的情况下，由楔形物产生的射流波与由楔形物的边缘折射的平面波之间的相长干涉现象导致产生NJ波束。

还应注意，在下文中，除非另有说明，否则n₁是主体介电的折射率，n₂表示高折射率材料的折射率，而n₃表示较低折射率，例如玻璃衬底的折射率。

5.2.1具有插入件的双材料方案

图6中公开了被配置为衍射具有等于或大于2的绝对值的衍射级的光的衍射光栅的基础图案的示例性几何结构。

在图6中，基础图案包括两种介电材料：折射率为n₂的介电材料的块ME2，其放置在折射率为n₃的介电材料层ME3的顶部。层ME3呈现具有相同介电材料的块B3，块B3插入于块ME2中。

图6的结构已经被优化，以便对于λ＝625nm的红色波长提供最佳性能。其它稍微变化的参数可以用于衍射曲线的可变方面。这种结构是对称的，因为它需要以对称的方式馈送正和负衍射级。

为了制造该结构，首先需要玻璃蚀刻以在波导的基础材料中产生第一结构(层ME3)。然后将电子束光刻抗蚀剂旋涂在该结构的顶部，并再次曝光和蚀刻以添加第二组件(ME2块)。

ME2和ME3组件都是介电透明材料。如从图6所示的尺寸可以看出，该结构具有比现有技术大得多的间距：822.4纳米而不是496纳米。纵横比为700/460≈1.5，其为低纵横比，而深度不比宽度大很多。

图7示出了图6所示光栅的衍射性能，它示出了对于2×(30°-3°)＝54°的视场，η_max≈65％，每种设计在+2阶和-2阶之间绝对没有串扰。在该设计阶段应该避免具有衍射为+2和-2级的一些角度。0级、+1级和-1级不耦合到波导中。它们透射通过它，因此不会减少由光引擎显示器投射的虚像对比度。

在图7中，使用二级衍射代替一级衍射时，衍射均匀性与现有技术系统具有相同的量级。获得了非常高的衍射效率，如图8中强调的，表示没有纳米射流增强的相同系统的衍射效率(即，去除高折射率材料ME2以仅保留蚀刻的波导)。如图8所示，在这种情况下，+2和-2级的衍射效率是不重要的。

图9示出了(a)具有例如图6所示的插入件的双材料超元件的横截面图，以及(b)具有以下参数的这种超元件在xy平面中的功率密度分布：n₁＝1.0，n₂＝2.105，W₁＝260nm，W₂＝100nm，H＝700nm，H₂＝300nm。λ＝625nm，θi＝0°。

对称超元件将具有折射率n₃、宽度W₁和高度H₂的介电块组合在具有折射率n₂、宽度2W₂+W₁和总高度H的介电块内(如图9所示)。假设n₁是主介电的折射率，并且n₁＜n₂＜n₃。结果，在提出的系统中，针对θ_i＝O°(θ_i是入射角)，我们将观察到具有以下偏移角的4个纳米射流的辐射：

对于所提出的对称系统，块的两个相对边缘(图9(a)中的ME2)产生在具有折射率n₂的块ME2内部传播的具有辐射角θ_B1的2个纳米射流(NJ1，参见在图9(a)中的块ME2的顶部边缘处开始的虚线)，图9(b)中的超元件内部的功率分布的热斑对应于这两个NJ的交叉点。应当注意，在图9的该截面图中，没有考虑在插入件B3和主块ME2之间的边界处的折射现象。

在折射率为n₂的块ME2内部的具有辐射角θ_B2的第二对NJ由折射率为n₃的中心块B3的边缘产生(NJ2，参见图9(a)中从块B3的顶部边缘开始的虚线)。由于在块ME2的垂直边缘上的波的全内反射，这些NJ的传播方向改变。结果，在超元件的底表面，我们可以在NJ1和NJ2的交叉点(在块B3的每侧上的虚线NJ1和NJ2的交叉点，参考CR1和CR2)观察到两个不太密集的热斑。

图10示出了(a)具有插入件的双材料超元件的横截面图，例如如图6中所示的，以及(b)具有以下参数的超元件在xy平面中的功率密度分布：n₁＝1.0，n₂＝2.105，W₁＝260nm，W₂＝100nm，H＝700nm，H₂＝300nm。λ＝625nm，θ_i＝30°。

系统的相对边缘的辐射角θ′和θ″不相等(参见图10(a))。结果，对于块ME2：

以类似的方式，插入件(块B3)的纳米射流的辐射角可以确定为：

所产生的波的反射在超元件的组成部分的边缘处导致新的NJ热斑(交叉点)的产生和超元件内部的总功率的非对称重新分布，如图10(b)所示。

如图6所示，将块ME2和B3放置在折射率为n₃的衬底ME3上。图11(a)示出如图6所示的超元件在xy平面中的Hy分量场分布(即，对应于磁场在y轴上的投影的分布)，并且图11(b)示出如图6所示的超元件在xy平面中的功率密度分布，参数为：n₁＝1.0，n₂＝2.105，n₃＝1.52，W₁＝260nm，W₂＝100nm，H＝700nm，H₂＝300nm。对于三个不同的入射角θ_i，λ＝625nm。

在超元件下面，在衬底表面相应的波折射之后，在衬底(ME3)内部获得NJ。图11(b)中所示的功率分布示出了由波干涉产生的衬底内的密集波瓣。从超元件周期阵列的楔形衍射获得的折射波之间的相长干涉导致相应衍射级之间的功率重新分布。具有较低折射率的中心插入件(B3)有助于在垂直入射的情况下几乎完全抑制0衍射级的强度，而在倾斜入射的情况下显著降低该强度。此外，所呈现的拓扑结构有助于改变由衍射光栅的元件的楔衍射的波的传播方向，并且有助于增加第±2衍射级的强度(参见图7)。

5.2.2双材料和等高插入件

图6的结构不是为了实现正确的性能而可以使用的唯一结构，即使它可能是用于微制造工艺的优选结构。根据另一实施例的基础图案的另一几何结构在图12中示出，这种几何结构可以实现相当的性能。

在图12中所示的实施例中，基础图案包含具有与衬底ME3的材料相同的折射率n₃的相同介电材料的块B3。块B3置于衬底ME3的顶部上，且位于折射率为n₂的介电材料的两个块ME21与ME22之间。块B3、ME21及ME22具有相同高度。

图12中所示的数值已经针对625nm的波长进行了优化。然而，625nm的波长可以使用稍微不同的值。而且，只要光栅间距d大于专用于衍射的光的波长，其它数值也可用于其它波长。

图13示出了基于图12的几何结构的衍射光栅的性能。

从图13可以看出，最大衍射效率为55％，这可以认为是低的。通过使用具有较高n₂值(2.3至2.5)的材料，效率将显著增加。n₂＝2.105所使用的值基于可用的氮化硅电子束光刻兼容材料。

当考虑组合放置在具有折射率n₂、宽度W₂和总高度H的2个类似块之间具有折射率n₃、宽度W_i和高度H的块的对称超元件时，如图12所示，可以执行向更高级的能量转移的纳米射流分析。

假设n₁是主介电的折射率，并且n₁＜n₂＜n₃。

图14A和14B示出了双材料超元件的截面图，所述双材料超元件包括具有折射率n₂的两个块ME22和ME21以及具有折射率n₃的块插入件B3，对于具有以下参数的超元件，三个块ME22、ME21和B3具有相等的高度(图14A的左部)以及xy平面中(图14A的右部)的功率密度分布：n₁＝1.0，n₂＝2.105，n₃＝1.52，W₁＝260nm，W₂＝130nm，H＝305nm，H₂＝300nm。λ＝625nm，对于图14A，θ_i＝0°(垂直入射)，对于图14B，θ_i＝30°。

结果，在垂直入射的情况下(图14A)，分别由一方面的具有折射率n₂的介电ME21与具有折射率n₁的主介电之间的外部边缘和另一方面的具有具有折射率n₂的介电ME22和具有折射率n₁的主介电之间的外部边缘生成两个NJ。两个NJ光束分别以角度θ_B1传播。在具有折射率n₂的块ME22(或相应的块ME21)和具有折射率n₃的块B3之间的边缘处分别产生两个NJ。两个NJ分别以角度θ_B2传播(见图14A中的虚线)。

在图14A中具有折射率n₂的类似块(ME21、ME22)内的功率分布的两个热斑对应于具有不同辐射角的两个NJ的交叉点。由外部楔形物衍射的射流波束传播到超元件的中心部分(插入件B3)中导致沿着超元件的对称轴在结构外部产生新的热斑。

应当注意，NJ的所示示意分布没有考虑导致NJ的交叉点沿着对称轴偏移的折射现象。对于每个超元件，这种NJ热斑的存在解释了在垂直入射的情况下0衍射级的高强度(参见图13)。

图15(a)示出了图12所示的超元件在xy平面中的Hy分量场分布，图15(b)示出了图12所示的超元件在xy平面中的功率密度分布，其中参数为：n₁＝1.0，n₂＝2.105，n₃＝1.52，W₁＝260nm，W₂＝130nm，H＝305nm，H₂＝300nm。当图12所示的几何结构与折射率为n₃的介电材料衬底一起放置时，对于三个不同的入射角，λ＝625nm。

通过使电磁波的入射角从0度变化到+30度，由内部楔形物(插入件的楔形物)衍射的波透射到衬底中(参见图15(a))，并且输入到第2衍射级。图15(b)中所示的功率分布示出了由衍射波的干涉产生的衬底内的密集波瓣。对于负入射角，存在第±2衍射级的强化。如在具有插入件的超元件的情况下(图6)，全内反射现象通过改变衍射波的传播方向并导致相应衍射级之间的功率重新分布而起到关键作用。

5.2.3孪生结构

图16示出了根据本原理的另一实施例的基本模式。在该实施例中，该结构的基础图案基于沉积并电子束照射在折射率为n₃的玻璃衬底ME3上的折射率为n₂的高折射率单一材料。根据本实施例，这导致具有折射率n₂且具有相同尺寸的单一材料的两个块ME21和ME22放置在衬底ME3的顶部上并分开确定的距离W₁。分隔两个方块ME21和ME22的空间自然地填充有主介电(具有折射率n₁)。

对于这种几何结构，不需要玻璃蚀刻，并且不需要多个电子束光刻，这对于微制造是有利的。在这里给出的实例中，该结构还非常浅，具有200nm的高度H₂，远小于图6中示出的具有700nm高度的实施例中的结构。

图17示出了图16的孪生结构的性能，在图17上，我们可以看到从3到30和-30到-3度η_max＝75％、Γ＝64％。

由于实现了75％的最大衍射效率和64％的衍射均匀性，所以性能非常好。这些值是极好的，并且当与图6和12的结构相比时，代表了真正的改进。

为了与上述结果进行比较，图18示出了沉积在折射率为n3的玻璃衬底上的折射率为n₂的单一材料。图19示出了在这种情况下非常差的二阶衍射效率。

图20(a)示出了图16所示实施例的单材料超元件的截面图，图20(a)的结构具有折射率为n₂的单材料的两个块ME21和ME22，这两个块由填充有折射率为n₁的主介电的距离W₁分开。图20(b))示出了由单个块(B1)构成的单材料超元件的截面图。在图20(a)和20(b)中，参数如下：n₁＝1.0，n₂＝2.105，W₁＝260nm，W₂＝130nm，H＝200nm，θ_i＝0°。

图21(a)和(b)示出了与图20(a)和(b)相同的视图，但是电磁波的入射角θ_i＝30°。

图22A示出了对于三个不同入射角，图20的右部分的单个NJ元件B1在xy平面中的Hy分量场分布(a)和功率密度分布(b)，图22B示出了对于图20的左部分的双结构超元件ME21和ME22在xy平面中的Hy分量场分布(c)和功率密度分布(d)，在两种情况下，参数如下：n₁＝1.0，n₂＝2.105，n₃＝1.52，W₁＝260nm，W₂＝130nm，H₂＝200nm，λ＝625nm。

全内反射现象有助于在单一材料元件的情况下改变系统的响应。在图20(a)和21(a)中，W₁是元件之间的距离，n₁是主介电的折射率，n₁＜n₂＜n₃。

在图20(b)和21(b)所示的单NJ元件系统中，存在与块B1的2个外部边缘(左边缘和右边缘)相关联的两个NJ(参见图20(b)，虚线对应于具有偏移角θ_B1的NJ波束)。

在图20(a)中所示的双块系统或双结构中存在两个额外的边缘，对于θ_i＝0度，导致具有偏移角θ_B1的四个NJ(对于左边缘和右边缘，在每个块中两个NJ)的辐射(参见图20(a)中的虚线，由IJW指示的虚线对应于由孪生系统中的内部边缘产生的NJ光束(图20(a))。通过改变内部边缘之间的距离，满足了对于由块的右边缘或左边缘衍射的并且在相同方向上传播的相应波的相长和相消干涉的条件。对于上述系统的参数，沿相同方向传播的衍射波会相消干涉或相长干涉。因此，可以加强或抑制相应角度的分布(参见图22B(c))。

对于垂直入射的情况，所有NJ的辐射角是相同的θ_B1。比单材料系统和双材料系统的功率分布，看起来在孪生结构的情况下，两个附加内边缘的存在导致中心NJ(根据一个或多个块的外边缘产生的NJ的交叉产生的该中心NJ沿着超元件的对称轴定向)的强度的减小，并且导致2个附加NJ的开始具有根据块的外边缘和内边缘产生的NJ的交叉产生的更高强度。

对于倾斜入射，获得具有辐射角θ′_B1的第一对NJ和具有辐射角θ″_B1的第二对NJ。针对θ′_B1和θ″_B1的等式用于前面已经在具有插入件的双材料方案(图10)中讨论过，并且在这里不再重复。

对于某些入射角，每对的相长和相消现象与波的全内反射的组合再次导致了在超元件的周期性阵列的相应衍射级之间的强度的重新分布。结果，如图17和19的比较所示，±1级衍射被抑制，±2级衍射的强度增大。

通过考虑一些参数限制，可以进一步增强孪生元件拓扑结构的±2级衍射。为了获得第2衍射级的最大强度，在负入射角的情况下，考虑以下参数：

1.选择以改变块左的垂直边缘产生的NJ的方向；

2.选择以避免由块的右垂直边缘产生的NJ的反射；

3.相应块的宽度和块之间的距离取决于衍射光栅的周期：且在理想情况下，为了在由块的左或右边缘产生的NJ之间提供相长干涉，优选具有或者 但是优化这些参数，必须考虑到在宽的入射角范围内系统的良好衍射均匀性是所希望的。因此，不可能为市场内的所有入射角提供相长干涉。

4.需要注意的是，在每个块内，由相对边缘产生的NJ在点A处相交(参见图21)。每个块的顶部和该交叉点之间的距离可以确定为为了获得输入到相应衍射级的最大NJ，焦点A与垂直轴的偏离角度应当近似于相应衍射级分布的角度。而且，焦点A应被选择为接近块和衬底之间的边界(H₂→H_A)。

在垂直入射角的情况下，采用具有上述参数的孪生元件提供了增强的+2衍射级。

考虑到如图16所示的衍射光栅，该衍射光栅呈现置于具有较低折射率的衬底上的孪生超元件的周期性阵列，由超元件的边缘在衬底和元件之间的边界处衍射的波的折射影响角度NJ偏差。图23示出了具有以下参数的孪生结构超元件在xy平面中的功率密度分布：n₁＝1.0，n₂＝2.105，W₁＝260nm，W₂＝130nm，H₂＝200nm，λ＝625nm；并且对于左列n₃＝2.105，对于右列n₃＝1.52。

5.2.4 U形结构

图24示出了根据本原理的光学设备的衍射光栅的基础图案的另一实施例。根据该实施例，基础图案包括折射率为n₂的单一材料的块体ME2，其为U形，位于折射率为n₃的衬底ME3的顶部。图24上呈现的值仅是示例。更准确地说，U形形式通常被称为形成图24中的字母U的形式。在图24中可以看出，块ME2具有两个由高度H₂、宽度W₂的折射率为n₂单一材料制成的瓣或块，且这两个瓣或块被由高度H₁、宽度W₁的折射为率n₂的相同的单一材料制成的带分开。

从几何学角度来看，高折射率n₂单一材料沉积并电子束照射在玻璃衬底ME3上。不需要玻璃蚀刻，并且不需要多个电子束光刻，并且这两个事实对于微制造是有利的。

与图6公开的高度为700nm的实施例相比，该结构也非常浅，高度为200nm。

如图25所示，由于获得65％的最大衍射效率，其比孪生结构获得的效率略低，因此性能非常好。然而，衍射均匀性具有Γ＝87％的值，这是优异的。这些性能是优异的，并且当与图6和12的结构相比时，表现出真正的改进。

图26示出了图24所示的U形超元件在xy平面中的Hy分量分布(顶部)和功率密度分布(底部)，其中参数为：n₁＝1.0，n₂＝2.105，n₃＝1.52，W₁＝260nm，W₂＝130nm，H₂＝200nm，H₁＝50nm，λ＝625nm。

具有较高折射率n₂的U形超元件有助于在垂直入射的情况下降低中心NJ的强度，并增加波瓣的强度。对于U形拓扑结构，可以增加小入射角的±2衍射级的强度，并且可以改善衍射均匀性，如图25所示的性能所示。

通过考虑对于某些特定入射角，由左块的左边缘(在负入射角的情况下)或由右块的右边缘(在垂直入射角的情况下)产生的NJ不被相对边缘反射且不改变传播方向，可获得中心块的高度(H1)。对于其余的入射角，可能的选择是

针对θ′_B1的等式已经在之前的具有插入件的双材料方案(图？)讨论，并且这里将不再重复。

将U形的两个瓣分开的中心带的宽度W₁也应该满足在孪生结构中为W₁和W₂定义的关系。

5.2.5间距公差

为U形结构提供的值应选择为公差稳健的，并且为了检查制造所需的精度，不同间距尺寸的性能用图27公开。原始间距为d＝823nm。

图27示出了对于d＝818nm和d＝832nm的间距尺寸的公差。图27的顶部表示d＝818nm的性能。它具有η_max＝65％、Γ＝81.8％。图27的底部表示对于d＝832nm的间距的性能。它具有η_max＝78.5％、Γ＝76.2％。

图27示出了对于d＝823±5nm，衍射级±2仍然具有高衍射效率和均匀性。

5.4纳米射流增强的单模式高阶衍射

上述原理(具有超波长光栅间距和第二级衍射)也可以扩展到内耦合器，其仅仅将图像偏移到波导的单侧，而不是将正角偏移到一个方向并且将负角偏移到另一个方向。

为此，几何结构需要打破对称性以便增强一个衍射级。图28示出了衍射光栅的基础图案的替代实施例的几何结构和间距尺寸。从图28中可以看出，光栅的间距甚至大于上面公开的光栅的间距(在这种情况下为988nm)，它几乎是微米大小的间隔，其纵横比接近1。

根据该实施例，基础图案类似于图6中所示的几何结构，但是右侧的高度低于左侧的高度，以破坏对称性。

图29示出了这种几何结构的性能。水平轴跨越±12度。曲线表示根据入射角的+2衍射级效率。这种结构对于跨越±12度的输入角实现了84％的最大效率和54％的均匀性。

5.5利用具有修改的底角的结构的衍射光栅

图33示出了具有非垂直边缘的单材料超元件(n₂＝n₃)的横截面视图(图33a，图33b)和具有不平行于xz平面的顶表面的单材料超元件(n₂＝n₃)的横截面视图(图33c)。

这里考虑具有垂直边缘和/或不平行于xz平面的顶表面的结构。为了论证衍射光栅的元件的组成部分的底角的效果，考虑了图24上所示的U形元件。U形的块的顶表面的底角被示为α₁和α₂。底角分别对应于U形的顶表面与U形的块之一的侧面之间的角度。

这里考虑单材料超元件，U形结构的折射率n₂和衬底的折射率n₃相等。

图33示出了单材料元件的一般拓扑结构。从这些结构中可以看出，底角α_j≠90°，其中j是1或2。可以使用以下近似共识确定NJ波束辐射角：其中j是1或2，n₁是主体介电的折射率，且n₂是微透镜材料的折射率。

还应该提到的是，由于元件的非垂直边缘的内部反射，NJ分布的角度被修改。

图33(c)中呈现的结构经过优化，以便在入＝460nm处为蓝色波长提供最佳性能。系统由线性偏振平面波H＝{0；0；1}(TM)照射。对于n₂＝1.9，光栅的间距尺寸d＝487.4nm，且修改的U形结构使用与图24中使用的参考相同的参考，具有W₁＝60nm；H₁＝220nm；W₂＝180nm；H₂＝360nm且n₃＝1.9。

为了改变散射射流波的角度，通过添加高度ΔH＝360nm的对称金字塔来改变U形单元顶部的底角(参见图34(a))。图34(b)示出了具有上述参数的光栅的衍射性能。每个设计的+2级和-2级之间绝对没有串扰。0、+1和-1级不耦合到波导中，它们透射通过并且不会降低虚像对比度。

U形拓扑结构的这种修改为具有等于衬底的折射率的较低折射率的材料(n₃＝n₂)提供了非常高的二级衍射效率。遗憾的是，该系统的衍射均匀度不是很高，而且系统对入射角非常敏感。

5.6用于AR/VR眼镜的衍射光栅

图32示出根据本公开的实施例的示例性衍射光栅。根据该实施例，衍射光栅的基础图案具有如图24所示的U形。

根据本公开的实施例，根据本文公开的实施例中的任一个的具有基础图案的衍射光栅可以专用于仅衍射给定波长。例如，当用于光波导时，可以使用每RGB颜色一个衍射光栅。该实施例允许最小化色差，并且专用于窄带的光栅在FoV方面具有好得多的性能。

根据本公开的另一实施例，衍射光栅被配置为衍射包括多于一个波长的一组波长的光。在这种情况下，衍射光栅的NJ结构基础图案被配置成使得光栅间距高于该组波长中的最高波长。例如，其中且M＝2，其中n是衬底的折射率。

根据本公开的实施例，根据本文公开的实施例中的任一个的具有基础图案的衍射光栅可以用于光波导中，例如用于AR/VR眼镜中的波导中。

根据该实施例，衍射光栅可以被配置用于根据衍射光栅在波导上的形成位置而将进入光波导的光内耦合或将光从光波导中提取出来。

根据本公开的另一实施例，光波导可以包括根据本文公开的实施例中的任一个实施例的两个衍射光栅：一个衍射光栅被配置用于内耦合进入所述光波导的光，并且另一个衍射光栅被配置用于从所述光波导提取光。

每个衍射光栅具有高于其被配置为内耦合或外耦合的光的波长的光栅间距，并且两个衍射光栅被配置为以具有等于或大于2的绝对值的衍射级衍射所述光。

根据本公开的实施例，公开了一种眼镜装置，其包括根据以上公开的实施例中的任一个的光学设备。

图30示出了根据本公开的实施例的眼镜装置的示意性立体图，并且图31示出了图30中示出的眼镜装置的示意性正视图。

根据本公开的实施例，这种眼镜装置包括：

-光显示引擎(未示出)，其被配置用于发射要显示的图像，所述光引擎显示器例如可以被放置在所述眼镜装置的分支上，

-光学器件组(OPTICS)，其被配置用于将来自所述光显示引擎的入射光耦合到所述光波导(WG)。

根据实施例，光波导(WG)被配置为将入射光朝向用户的眼睛引导以使得图像对于用户可见。

根据图30所示的实施例，也用“1”表示的光波导(WG)包括起到内耦合器作用的输入光栅(图30中的“2”)。输入光栅可以是根据上述实施例中的任何一个实施例的衍射光栅。

光波导还包括垂直眼瞳扩大器(图30上的“3”)、水平眼瞳扩大器(图30上的“4”)和输出光栅(图30上的“5”)或输出耦合器。

根据本公开的实施例，输出光栅可以是根据上述实施例中的任一个实施例的衍射光栅。

如图31所示，为了具有立体视图，从分别放置在眼镜装置的两个分支上的两个光引擎(未示出)发射图像。眼镜装置还包括在装置的每侧上的两个波导(WG)，以及用于将来自相应光引擎的光引导至相应波导的两组光学器件(OPTICS)。