具有衍射光柵的光學器件的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學器件。具體來說，本發明涉及例如可以被使用在平視顯示器(HUD)、近眼顯示器(NED)或出瞳擴展器(EPE)中的輸出耦合光柵。本發明的器件包括光導基板和設置在所述基板內或者設置在所述基板的至少一部分表面上的光柵。
【背景技術】
[0002]HUD和NED包括樹基本部分:光投影器、控制投影器的計算單元以及光學組合器，所述光學組合器適于將來自投影器的光顯示到透視顯示器，從而允許HUD或NED的用戶同時看到顯示器后方的景物以及所投影的光，而不需要用戶的視線偏離其通常的視點。所述光學組合器可以基于衍射光學元件，其有時被稱作全息光學元件(HOE)。
[0003]WO 2006/064301討論了包括用于將光耦合到光學基板中并且耦合出光學基板的衍射元件的近眼顯示器器件。在WO 99/52002、WO 2009/077802、WO 2009/077803和WO2011/110728中介紹了利用相同的一般原理操作的器件的先前版本、進一步的發展和變型。
[0004]US 2009/0245730公開了一種利用相同的原理操作的顯示器器件，其中兩個衍射光柵當中的至少一個是具有多個衍射結構的二進制閃耀光柵(binary-blazed grating)，所述多個衍射結構由確保閃耀效果并且在平面圖中具有封閉幾何表面的形狀的多個單獨的子結構構成。所提出的結構旨在提供一種光學顯示器器件，利用所述光學顯示器器件既可以通過輸入光柵以盡可能高的衍射效率將光耦合到光波導的平板中，又可以通過輸出光柵再次均勻地將光耦合出去。WO 2011/113662公開了一種用于彩色平視顯示器(HUD)器件的衍射組合器。所述器件包括:第一光學衍射光柵，其適于在衍射方向上對具有第一波長并且在入射方向上入射在第一光柵上的光進行衍射；第二光學衍射光柵，其適于在相同的方向上對具有第二波長并且在入射方向上入射在第二光柵上的光進行衍射。第一和第二光學衍射光柵被通過浮雕方式形成在所述組合器的第一和第二相對表面上。第一和/或第二光柵被制作成波長多路復用光學衍射光柵，并且適于在衍射方向上對于在入射方向上沖擊第一和/或第二光學衍射光柵的第三波長的光進行衍射。
[0005]但是前面所提到的解決方案中的至少一些遭受由穿過衍射光柵到達觀察者的眼睛的透射光所導致的不合期望的效應，即所謂的彩虹效應。彩虹效應顯示為除了所期望的衍射圖像之外的彩色可見圖案。除非問題得到解決，否則這可能使得所述衍射組合器元件技術在某些應用中實際上是無用的。
[0006]US 4856869公開了一種包括基板和形成在基板上的顯示器圖案的顯示器元件，所述顯;^器圖案具有第一衍射光柵結構和第二衍射光柵結構。第一衍射光柵結構的光柵線條的方向不同于第二衍射光柵結構的光柵線條的方向，從而旨在防止出現彩虹狀圖像。所提出的解決方案在兩個方向上是周期性的，這使得光衍射到多個方向中，從而使得各個單獨的衍射級更弱。但是所透射的衍射級仍然相當強，因此結果在彩虹干涉圖像方面遠遠不是最優的。此外，所述結構相對難以制造。
[0007]因此，需要改進的光學器件。

【發明內容】

[0008]本發明的目的是提供一種新的解決方案，該解決方案可以被用于改進HUD顯示器的組合器部分，特別是用于提供針對透射光的減少或者完全防止的彩虹效應。
[0009]所述目的通過如在獨立權利要求中限定的本發明實現。
[0010]本發明的光學器件包括透明基板和處在基板上或者至少部分地處在基板內的光柵。所述光柵包括第一透明光柵層，第一透明光柵層還包括具有不同折射率的周期性地交替的區塊。所述器件還包括位于第一光柵層之上(但是不一定直接面對第一光柵層)的第二透明光柵層，并且第二透明光柵層也包括具有不同折射率的周期性地交替的區塊。第一光柵層的具有較高折射率的區塊與第二光柵層的具有較低折射率的區塊至少部分地對準并且反之亦然，由此，與類似但不具有第二光柵層的結構相比，第二光柵層減少了衍射到非零透射級的光的數量。
[0011]優選的是，第一和第二光柵層的周期、層厚度和折射率適于在450-650nm的波長范圍上使得透射級(特別是第一透射級)的衍射效率低于反射級(特別是第一反射級)的衍射效率。
[0012]此外，在一個實施例中，在450-650nm的波長范圍上，第一透射級的衍射效率不超過0.4%，并且第一反射級的衍射效率是至少3%。
[0013]優選地，第一和第二光柵層在相同的方向上是周期性的，或者在雙重周期性光柵的情況下，在基板和光柵的平面中的全部兩個正交方向上都是周期性的。
[0014]根據一個優選實施例，所述光柵結構由具有相同光柵周期(Λ )的兩個相繼的光柵層(即第一光柵層和第二光柵層)構成。每一個光柵層在單一光柵周期內包含具有不同折射率的兩個區塊，也就是說所述光柵層是所謂的二進制光柵。所述光柵層被對準，從而使得第一光柵層的具有較高折射率的區塊與第二光柵層的具有較低折射率的區塊至少部分地對準，并且反之亦然。與相應的單層光柵相比，這種類型的兩層光柵結構衍射小得多的數量的到達非零奇數透射級的光。當所述兩個光柵層被設計成使得從第一光柵層散射的光與從第二光柵層散射的光在非零奇數透射級的方向上發生相消干涉時就會發生這種情況。當相位差大于90并且小于270度時，在相同方向上傳播的兩個波之間會發生相消干涉，并且相消干涉在180度相位差的情況下是最強的。
[0015]利用兩個二進制光柵可以方便地獲得從兩個光柵層散射的場之間的相消相移。如果具有1/2占空比(也就是說光柵周期內的較高和較低折射率區塊在光柵的周期性方向上的寬度相等)的兩個二進制光柵在其他方面完全相同，除了僅較高和較低折射率區塊的位置在第二光柵中被顛倒，則第二光柵所產生的奇數反射和透射級的相位與第一光柵所產生的相應級的相位相差180度。因此，如果光柵無限薄并且其中一個被放置在另一個之上，則由于所述180度相位差，由兩個光柵層產生到奇數透射(反射)級的方向上的透射(反射)場將發生相消干涉。在實踐中，光柵層不是無限薄，并且因此容易失去奇數級的方向上的反射場之間的180度相位差，并且發生相長干涉。發生這種情況是因為入射場直接從第一光柵層散射，而在第二光柵層的情況下，入射場首先穿過第一光柵層，隨后所述場從第二光柵層散射，并且接下來經過散射的場傳播經過第一光柵層并且最后與直接從第一光柵層散射的場發生干涉。對于奇數透射級，180度的相位差被更好地保持，這是因為從第一光柵層散射的場需要行經第二光柵層，而對于第二光柵層，入射場在他從第二光柵層散射之前行經第一光柵層。因此，對于所呈現的兩層光柵結構，有可能把奇數透射級的衍射效率降低到使得在所述結構仍然將大量的光反射到奇數和偶數反射級中時利用人眼在透射光中不能觀察到彩虹效應的低水平。所述結構的一個清楚的優點在于，當適當地設計光柵結構時，可以在所有可見波長處獲得奇數透射級的低衍射效率。
[0016]所呈現的光柵結構不可以降低偶數透射級的衍射效率。但是這通常不是問題，因為在許多應用中光柵周期如此小，從而使得除了 O和+/-1級之外的其他級的衍射效率為零或者極低。
[0017]本發明具有如下另外的優點:所述兩層光柵結構可以被設計成使得第零透射級的衍射效率在可見波長中幾乎是獨立于波長的，并且因此當光透射穿過光柵結構時不會引發顏色平衡的顯著改變，并且此外，也不會有視覺上可觀察到的圖像模糊。由于他基于衍射光學器件并且可以利用已經確立的技術來制造，因此所提出的結構生產起來也相對便宜。
[0018]通過適當地選擇第一和第二光柵層的周期、層厚度和折射率，可以使得光柵將可見光衍射到非零反射級中，而沒有去到非零透射級的任何顯著衍射。其結果是，在可見光波長處實際上將不會看到由透射光所導致的彩虹效應。
[0019]根據一個實施例，第二光柵層的至少一個并且優選的是全部兩個折射率與第一光柵層中相同。
[0020]根據一個實施例，第一和第二光柵層的厚度相等。至少當所述光柵層的內部結構(尺寸和折射率)相似時，這提供了對于非零透射衍射級以及因此對于彩虹效應的最大抑制。
[0021 ] 或者，第一和第二光柵層在其材料屬性方面不完全相同，并且具有不同的厚度。這在對于可用材料的選擇受到限制并且無法使得光柵層完全相同的情況下是有益的。所述厚度仍然可以被用來優化對于彩虹效應的抑制。
[0022]根據一個實施例，第一光柵層的具有較高折射率的區塊與第二光柵層的具有較低折射率的區塊完全對準，并且反之亦然。具體來說，第二光柵層可以具有與第一光柵層類似的內部結構，但是在光柵的周期性方向上被側向偏移半個光柵周期，以便提供完美的對準。
[0023]根據一個實施例，第一和/或第二光柵層中的至少一些區塊包括與基板相同的材料或者與基板具有幾乎相同的折射率的材料。基板可以包括微細加工部分，光柵層可以被制造在所述微細加工部分之上。制造技術的一些實例在實施例的詳細描述中給出。
[0024]根據一個實施例，所述光柵被提供在基板的表面上，并且在光柵的另一側包括涂覆層，其中第一和/或