具体实施方式

图1和图2是已知波导6的顶视图。输入衍射光栅1被设置在波导6的表面上，以用于将来自投影仪(未示出)的光耦合到波导6中。耦合到波导中的光通过全内反射朝向包括光子晶体3的输出元件2行进。在该示例中，从这些顶视图的角度来看，光子晶体3包括具有圆形截面形状的柱状物(未示出)。这些柱状物具有相对于周围波导介质的折射率不同的折射率，并且这些柱状物被布置在具有六角对称的阵列中。

当光沿着x轴从输入衍射光栅遇到输出元件2中的光子晶体3时，光通过由光子晶体3中的阵列形成的衍射光学结构中的一个透射或转动±60°。

已经发现，从元件2衍射的输出图像包括中间条纹7，该中间条纹7比其他部分具有更高的相对亮度。人们相信，这种效应是由于由光子晶体3中的阵列形成的衍射光学结构的衍射效率而产生的。具体地，人们相信，从输入衍射光栅1接收的光的很大一部分在其遇到光子晶体3时被衍射到眼睛，而不是被衍射并转动±60°。

图3(a)和图3(b)示出了光学结构的两种现有技术布置，已经发现这两种现有技术布置减少处于中间条纹中的光的很大一部分。图3a中的光学结构10是平行四边形，该平行四边形具有四个大致上直的边和四个顶点。在图3b中，光学结构20是改进的平行四边形，所述改进的平行四边形具有一对中心切口22。

图4是光子晶体12的一部分的顶视图，该光子晶体12是设置在根据本发明的实施方式的波导14内的光学结构30的阵列。波导14可以具有低的折射率，其中n大于1.5。这种布置中的光学结构30是具有十二个大致上直的边的交叉形状或“x”形状。光学结构30跨波导的宽度具有大致上相同的截面形状。在其他实施方式中，可以仅跨波导14的宽度的一部分设置光学结构30。

在一个实施方式中，光学结构30可以被设置在波导14的一个表面上。在这种布置中，光学结构30可以具有特征高度，使得光学结构30从波导14的表面突出。已经发现，有效的光子晶体可以被创建为具有在30nm至200nm范围内的特征高度。空气通道形成在光学结构30之间的谷中。光学结构30可以具有与n大于1.5的波导介质相同的折射率。光学结构30被具有折射率n＝1的空气包围，并且折射率的这种不匹配可以允许衍射。可以通过在光学结构30的水平表面上涂敷薄膜涂层来控制衍射效率。涂层材料通常(但不总是)具有比波导14更高的折射率。在一个实施方式中，被涂敷的涂层具有n～2.4的折射率。

在另一个实施方式中，光学结构30可以被嵌入在波导14介质中。因此，光学结构30可以完全被设置在波导14介质内。这需要光学结构30与波导介质14之间的折射率不匹配以发生衍射。这可以通过创建具有表面浮雕轮廓的波导14来实现，该波导14在一个表面上具有光学结构30。然后，粘合材料可以被涂敷在光学结构30上，并且光学结构30可以被粘合至与波导14具有相同折射率的覆盖件。通过选择与波导介质14具有不同(通常更高)的折射率的粘合材料，可以在原始波导与覆盖件之间创建统一的波导14，其中粘合材料夹在它们之间。在这种设计中，粘合材料具有与光学结构30相同的形状，但是具有与周围波导介质不同的折射率。

阵列中的光学结构30的规则布置可以被认为是许多有效的衍射光栅或衍射光学结构。特别地，可以定义具有沿着y轴对准的光学结构30的光栅H1，其中光学结构的相邻行相隔竖直距离p。光栅H2被布置成具有与x轴成+30°角的光学结构的行，其中相邻的行相隔竖直距离p。最后，光栅H3被布置成具有与x轴成-30°角的光学结构的行，其中相邻的行相隔竖直距离p。可以在斜参考系中根据晶格常数q来限定光子晶体的单位晶格32。值p和q通过表达式q＝p/Cos(30°)相互关联。已经发现，有效的光子晶体可以被创建为具有在200nm至700nm范围内的p值。

当来自输入光栅的沿x轴接收的光入射在光子晶体12上时，光会经历由衍射光学元件的多次同时衍射。光可以被衍射成零级，这是入射光的传播的延续。光也可以通过光栅H1被衍射成第一衍射级。第一级在沿着z轴的正方向上朝向观察者被耦出波导14，这可以被定义为直接到眼睛(STE)级。光也可以通过H2衍射光学结构被衍射成第一衍射级。该第一级被衍射成与x轴成60°，并且该光束继续进行与光子晶体的进一步相互作用。光也可以通过H3衍射光学结构被衍射成第一衍射级。该第一级被衍射成与x轴成60°，并且该光束继续进行与光子晶体的进一步相互作用。随后与H2衍射光学结构的衍射相互作用可以沿正z轴朝向观察者将光耦出波导12。因此，光可以在每个点处被耦出波导，然而光仍然可以继续在波导12内在两个维度中扩展。光子晶体的对称性意味着每个出射光束都具有与输入光束相同的角度和色彩特性，这意味着多色(以及单色)光源可以被用作这种光子晶体布置的输入光束。

光子晶体可以允许光在两个维度中同时且快速的扩展，使得输入光可以充满二维显示屏。这可以允许超紧凑的显示器，原因在于：由于二维光束扩展，波导尺寸可以被保持为最小。

如可以从图4看到的，光学结构的布置具有六角对称。先前已经认定，单位晶格的六角对称是实现均匀明亮的图像的最有效方法。在图4中示出了用于光学结构的布置的单位晶格32的一种表示。如可以看到的，交叉光学结构30在单位晶格内。成交叉形状的光学结构的任何一侧都没有延伸到单位晶格32的边缘。以这种方式，在相邻的光学结构30之间存在间距并且这些相邻的光学结构30彼此不接合。相邻的光学结构之间的间距由图4中的附图标记2a和2b示出。在图4的示例中，间距2a和2b的大小相同。

图5是光子晶体12的一部分的顶视图，光子晶体12是设置在波导14内的光学结构40的又一示例阵列。单位晶格内的光学结构的形状是如图4中的交叉形状。因此，当被视为单个单位晶格时，光学结构的交叉形状具有12个边。上面关于光学结构30的讨论同样适用于光学结构40。然而，如在图4中被标记为a和b的相邻光学结构40之间的间距在图5中的示例中为零。以这种方式，相邻的单位晶格的光学结构40彼此附接以形成网格状形状。

对于图4中的示例，图5中的阵列中的光学结构40的规则布置可以被认为是许多有效的衍射光栅或衍射光学结构。

在这些布置中，光学结构30、40具有平行于衍射光学结构H2、H3的直边。因此，交叉形状的边与x轴成±30°角，x轴是如下方向，沿着该方向从输入光栅1接收输入光。

当与本领域已知的圆形和非圆形光学结构——包括图3中所示的那些光学结构——相比时，已经发现本发明的光学结构30和40的令人惊讶的优点在于：存在跨视场的颜色的角度均匀性的改善。

与圆形结构相比，这另外增加图4和图5的衍射光学结构H1、H2、H3的衍射效率。这增加了通过结构H2、H3被衍射成第一级的光的比例，并且减少了通过结构H1被衍射成第一级的光的比例。这可以减少已经利用圆形结构观察到的条纹效应，这显著提高了波导14的效用。

图6示出了用于光学结构的两个示例形状的单个单位晶格32，所述光学结构可以用于改善整个视场的角度均匀性。图6(a)中所示的第一光学结构30是如在图4中所示的交叉结构。该交叉结构在平行四边形32内，该平行四边形32表示光学结构30在光子晶体12内的布置。换言之，平行四边形表示单位晶格32。光学结构30的形状是具有12个边的交叉形状。所述边中的六个边——边61、62、63、64、65和66——在第一角度处具有各自的法向量。所述边中的另外六个边——边71、72、73、74、75、76——在与第一角度不同的第二角度处具有各自的法向量。

边61、62、63、64、65和66平行于单位晶格的边81和82。在图4所示的布置中，单位晶格32的边81和82以及边61、62、63、64、65和66平行于光栅H3。

边71、72、73、74、75和76平行于单位晶格的边83和84。在图4所示的布置中，单位晶格32的边83和84以及边71、72、73、74、75和76平行于光栅H2。

该光学结构具有四个大致60°的内角。在边61和76之间、边72和63之间、边73和64之间以及边75和76之间的顶点处的内角均大致为60°。

该光学结构具有四个大致120°的内角。在边61和71之间、边62和72之间、边64和74之间以及边65和75之间的顶点处的内角均大致为120°。

该光学结构具有两个大致240°的内角。这两个内角是边71和62之间的角以及边74和65之间的角。

该光学结构具有两个大致300°的内角。这两个内角在边66和76之间以及在边63和73之间。

晶格常数p等于平行四边形的边中的一个边的长度。如在图4中，交叉的拐角和平行四边形之间的间距由附图标记a和b表示。在当前的布置中，间距a和b是相等的。

图6(b)中所示的第二光学结构40是如在图5中所示的交叉结构。该交叉结构40也在平行四边形32内，平行四边形32表示光学结构10在光子晶体12内的布置。如在单位晶格的水平上所限定的，与交叉结构30类似，交叉结构40具有12个边。光学结构30和第二光学结构40之间的唯一差异在于：在交叉结构40和平行四边形32之间没有间距(a和b)。使单位晶格具有这种布置的光学结构产生形成网格布置的光学结构40。

尽管在图6(b)中没有标记，但是光学结构40的边以及边之间的角度与图6(a)中所示的光学结构30相同。

如上所述，对于图6中所示的所有光学结构，形状包括大致平行于光子晶体12中的衍射光学结构H1、H2的边。然而，设想了其他可行的实施方式，在这些实施方式中，光学结构具有不平行于结构H1、H2的边。

顶点存在于图6中所示的所有光学结构中。实际上，根据在顶点被检查时所使用的放大的程度，这些顶点将具有稍微成圆形的拐角。

如上所述，波导的角响应由入射光的许多后续衍射事件来限定。由于输入光包括具有不同极角(被表示为θ和φ)的许多光线，所以波导中的衍射级相对于θ角和φ角具有均匀的响应效率是重要的。本发明的光学结构解决了这个问题。

图7是示出了当输入光与分别由光学结构10、20、30和40的阵列形成的图3、图4和图5中所示的光子晶体相互作用时输入光被直接耦合到直接到眼睛(STE)级中的效率的曲线图。如可以看到的，光学结构30提供了最均匀的角响应。

图8是示出了当光与分别由光学结构10、20、30和40的阵列形成的如图3、图4和图5中所示的光子晶体相互作用时光被转动(Tn)的效率的曲线图。这被称为转动级效率。Tn衍射级是当输入光相对于x轴被转动+60°而不是被直接耦出到STE级中时的衍射级。Tn级促进2D图像的扩展。

如可以从图8看到的，交叉光学结构30和40具有比简单的平行四边形10和有切口的平行四边形20光学结构更高的角带宽(如由其半高全宽所指示的)，只不过转动效率略微降低。较高的角带宽有利地导致更均匀的转动。

图9是示出针对分别由光学结构10、20、30和40的阵列形成的如在图3、图4和图5中所示的光子晶体相对于转动后到眼睛(TEaTn)级的效率的曲线图。TEaTn级是光在转动之后下次与光学结构相互作用时被耦出波导到用户眼睛的光。这是造成远离中间条纹区域的图像的亮度的原因。如可以看到的，最高效率的TEaTn级是交叉光学结构40。

图10是示出相对于Tn级乘以TEaTn的效率的曲线图。这显示了远离中间带的结构的光提取效率。如可以看到的，交叉光学结构40提供了最佳的提取效率，表明交叉光学结构40更有效地利用了输入光。

上面讨论的衍射级的有效性决定了中间条纹(条带)是否出现。已经发现，当：

STE级/(Tn级×TEaTn)＝1时，

图像具有最佳的均匀性。然而对于如下的值：

STE级/(Tn级×TEaTn)>3，

中间条纹变得非常明显，从而影响均匀性。

如图11中所示，已经发现，STE级/(Tn级×TEaTn)的值基于光学结构30和40相对于单位晶格32的具体布置而变化。图11示出了光学结构30和40的布置的变化可以如何引起均匀性的变化的图。图11中表示的值G相当于由图6中的a和b表示的距离，使得G＝a＝b。以这种方式，G表示相邻的光学结构之间的间隙的尺寸的一半。如可以从图6看到的，图6中使用的附图标记xy表示交叉的臂状物的尺寸。与晶格常数长度q相比，根据它们的百分比长度来限定G和xy二者。如可以从图11看到的，G和xy的尺寸的改变会引起STE级/(Tn级×TEaTn)的值的改变。当G＝0时，即图6中的光学结构40时，如由图11中的附图标记52所示，xy的最优值约为35％。已经发现，通过变化G，即图6中的光学结构30，可以通过使G＝10％且xy＝43％来获得STE级/(Tn级×TEaTn)的最优值，如由图11中的附图标记54所示。

然而，从图11可以看到，在5％至10％之间的无论何处的G的值都提供了优选的范围(即，在该优选范围内，相邻的光学元件之间的间隙(2G)在晶格常数的值的10％至20％之间)。

可以在图12中找到使用本发明的光学结构30、40的改进的角效率的证明。图12示出了用于各种光学结构的跨波导的视场的角强度的2D图。具体地，在图12中示出了关于(a)平行四边形光学结构10、(b)有切口的平行四边形光学结构20、(c)交叉光学结构30和(d)网格光学结构40的跨视场的角强度。x轴示出了沿x轴的视场(FoV_x)，y轴示出了沿y轴的视场(FoV_y)。

如可以从图12(a)看到的，对于平行四边形光学结构10，导致具有最高强度的视场的中间部分，显示了中间条纹。如可以从图12(b)看到的，当使用有切口的平行四边形光学结构20时，避免了这个较高强度的中间区域。

图12(c)示出了：与如在图12(a)、图12(b)和图12(d)中所示的其他光学结构相比，交叉光学结构30具有跨视场的颜色的最佳角度均匀性。可以看出：与其他光学结构的强度覆盖相比，图12(c)中的2D图的底角调整(bottom corner)具有更均匀的强度覆盖。图12(d)还示出了：尽管不如图12(c)中的光学结构40那么好，但是与图12(a)和图12(b)中的光学结构10和20的性能相比具有改进的角度均匀性。

尽管交叉光学结构30示出了最佳的角度均匀性，但是网格光学结构40具有制造容易的优点。另外，由于网格光学结构40的形状的简单性，它显示出鲁棒的制造公差，并且在制造过程期间其尺寸的任何小的偏差都不会极大地引起其性能的降低。

这意味着可以使用比常规使用的高斯电子束光刻更便宜且更快的技术，由于需要提供使光学结构的分辨率在100nm以下的控制，因此该常规使用的高斯电子束光刻通常用于平行四边形光学结构10和有切口的平行四边形光学结构20的制造。

可以使用制造光学结构40和光学结构30的替选技术，包括可变形状电子束光刻、双光子聚合光刻或多电子束光刻。可变形状电子束光刻方法使得能够使用较大尺寸的简单几何形状或预定义的掩模来创建结构，这增加了写入速度并降低了制造成本。双光子聚合光刻是如下光学技术，所述光学技术使用双光子聚合的效应来创建衍射极限以下的3D结构。多电子束光刻使用大量的平行电子束来同时曝光晶片的整个区域。多电子束方法实现了超快的写入速度，然而损害了分辨率，因此适合于更简单的形状。

然而，技术人员已知的替选制造方法可以被用于制造光学结构30和40。