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具有衍射光柵的光學器件.pdf

摘要
申請專利號:

CN201380060513.5

申請日:

2013.09.18

公開號:

CN104956148A

公開日:

2015.09.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||專利申請權的轉移IPC(主分類):F21V 8/00登記生效日:20160902變更事項:申請人變更前權利人:芬蘭國家技術研究中心股份公司變更后權利人:迪斯帕列斯有限公司變更事項:地址變更前權利人:芬蘭埃斯波變更后權利人:芬蘭豪基普達斯|||實質審查的生效 IPC(主分類):F21V 8/00申請日:20130918|||公開
IPC分類號: F21V8/00; G02B27/01; G02B5/18; G02B27/42 主分類號: F21V8/00
申請人: 芬蘭國家技術研究中心股份公司
發明人: A.森納里; O-H.胡滕恩; J.奧克康恩
地址: 芬蘭埃斯波
優先權: 20125971 2012.09.20 FI
專利代理機構: 中國專利代理(香港)有限公司72001 代理人: 申屠偉進; 劉春元
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201380060513.5

授權公告號:

|||||||||

法律狀態公告日:

2018.12.21|||2016.09.28|||2015.11.04|||2015.09.30

法律狀態類型:

授權|||專利申請權、專利權的轉移|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及包括透明基板和基板上的第一透明光柵層的光學器件,所述光柵層包括具有不同折射率的周期性地交替的區塊。根據本發明,所述器件包括第二透明光柵層,其位于第一光柵層之上并且也包括具有不同折射率的周期性地交替的區塊,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,第二光柵層減少了衍射到非零透射級的光的數量。本發明允許減少例如平視顯示器(HUD)中的所謂的彩虹效應。

權利要求書

權利要求書
1.  一種光學器件,其包括:
-透明基板;
-處在基板上或者處在基板內的光柵,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,
其特征在于,所述光柵還包括第二透明光柵層,第二透明光柵層位于第一光柵層上并且也包括具有不同折射率的周期性地交替的區塊,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,第二光柵層減少了衍射到非零透射級的光的數量。

2.  根據權利要求1的光學器件,其特征在于,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。

3.  根據權利要求1或2的光學器件,其特征在于,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%。

4.  根據任一項在前權利要求的光學器件,其特征在于,第一和第二光柵層具有相同的光柵周期,并且分別包括在單一光柵周期的情況下具有不同折射率的兩種類型的區塊。

5.  根據任一項在前權利要求的光學器件,其特征在于,第一和第二光柵層的厚度相等。

6.  根據權利要求1-4當中的任一項的光學器件,其特征在于,第一和第二光柵層在他們的材料屬性方面不完全相同并且具有不同的厚度。

7.  根據任一項在前權利要求的光學器件,其特征在于,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。

8.  根據任一項在前權利要求的光學器件,其特征在于,第一和第二光柵層在相同的一個或多個方向上是周期性的。

9.  根據任一項在前權利要求的光學器件,其特征在于,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。

10.  根據任一項在前權利要求的光學器件,其特征在于,第二光柵層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側向偏移半個光柵周期。

11.  根據任一項在前權利要求的光學器件,其特征在于,第一和第二光柵層通過均勻電介質層分開。

12.  根據任一項在前權利要求的光學器件,其特征在于,所述光柵層包含例如銀、金和鋁之類的金屬,或者例如氧化銦錫之類的導電氧化物。

13.  根據任一項在前權利要求的光學器件,其特征在于,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。

14.  根據任一項在前權利要求的光學器件,其特征在于,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/或第二光柵層中的至少一些區塊包括與所述涂覆層相同的材料。

15.  根據任一項在前權利要求的光學器件,其特征在于,第一和第二光柵層的周期處于300nm和1500nm之間,并且第一和第二光柵層的層厚度處于5nm和200nm之間。

16.  根據任一項在前權利要求的光學器件,其特征在于,第一和第二光柵層當中的每一個光柵層中的較低折射率處于1.3和1.7之間,并且第一和第二光柵層當中的每一個光柵層中的較高折射率處于1.5和2.2之間。

17.  根據任一項在前權利要求的光學器件,其特征在于,所述光柵是輸出耦合光柵,其適于衍射從基板導向到所述輸出耦合光柵的光,所述輸出耦合光柵位于所述基板的表面上。

18.  根據權利要求17的光學器件,其特征在于,所述器件還包括輸入耦合光柵,其適于把來自基板外部的光衍射到基板中并且進一步朝向輸出耦合光柵衍射,從而使得光通過全內反射在光導基板中傳播。

19.  根據權利要求18的光學器件,其特征在于,所述光學器件包括能夠照射基板表面上的輸入耦合光柵的光投影器。

20.  根據任一項在前權利要求的光學器件,其特征在于,所述兩層光柵結構是雙重周期性的。

21.  根據任一項在前權利要求的光學器件,其特征在于,所述器件是平視顯示器(HUD)、近眼顯示器(NED)、出瞳擴展器(EPE)或者其一部分。

22.  根據任一項在前權利要求的光學器件,其特征在于,所述器件是使用在建筑工業、照明設備或者例如眼睛佩戴裝置之類的視覺輔助裝置中的透明元件。

說明書

說明書具有衍射光柵的光學器件
技術領域
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
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)。
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WO 2011/110728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。
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。
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。
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,所述顯示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。
因此,需要改進的光學器件。
發明內容
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。
所述目的通過如在獨立權利要求中限定的本發明實現。
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。
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。
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%。
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。
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。
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。
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0和+/-1級之外的其他級的衍射效率為零或者極低。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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/或第二光柵層中的至少一些區塊包括與所述涂覆層相同的材料。
根據一個實施例,第二光柵層的至少一個并且優選地是全部兩個折射率與第一光柵層中相同。如果折射率之一相同,則可以利用定義折射率的僅僅三種不同材料來制作整個光柵。如果全部兩個折射率都相同,則可以利用定義折射率的僅僅兩種不同材料來制作整個光柵。否則,需要定義折射率的四種不同材料。所有這些變型都可以被用于減少彩虹效應。因此,光柵的材料配置可以取決于器件的其他要求。
在典型的配置中,全部兩個光柵層表現出處于300和1500nm之間的相同周期,并且第一和第二光柵層的層厚度處于5和和200nm之間。第一和第二光柵層當中的每一個光柵層中的較低折射率通常處于1.3和1.7之間,并且第一和第二光柵層當中的每一個光柵層中的較高折射率處于1.5和2.2之間。所述光柵層還可以包含金屬(比如鋁、金和銀)、或者導電氧化物(比如氧化銦錫(ITO))、或者導電透明聚合物(比如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)和聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT:PSS))。
正如前面所討論的那樣,本發明的光柵可以充當輸出耦合光柵,其適于將導向到所述輸出耦合光柵的光從光導基板衍射到所述基板外部,同時保持基板的透明性。因此,所述光柵和基板充當針對光學顯示器器件的組合器元件。為了在基板內部引導光并且進一步把光引導到輸出耦合光柵,這樣的器件通常還包括設置在基板的不同部分上的輸入耦合光柵。此外,可以提供光源或投影器以用于將光導向到輸入耦合光柵。從而提供全功能平視顯示器(HUD)、近眼顯示器(NED)或出瞳擴展器(EPE)或者其一部分。
除了前面所表明的應用之外,本發明的光學器件還可以被使用在建筑工業、照明設備或視覺輔助裝置(比如眼睛佩戴裝置,比如眼鏡、太陽鏡和運動眼鏡)的元件中以用于裝飾、安全或其他目的。舉例來說,有可能制造具有在建筑物外部可見但是在建筑物內部不可見的彩虹效應的玻璃嵌板。說起另一個實例,有可能在眼睛佩戴裝置上制作防偽或真實性標記,從而使得所述標記在所述眼睛佩戴裝置的外部可見,但是不會干擾其正常使用。
本發明的組合器元件可以特別出現在航空工業顯示器器件、汽車工業顯示器器件、游戲顯示器器件或增強現實顯示器器件或者受引導手術或組裝顯示器器件中。
接下來參照附圖更加詳細地描述本發明的實施例,首先給出所使用的一些定義。
除非另行表明,否則在后面的描述、實例和附圖中適用以下定義:
通過傅里葉模態方法(其也被稱作嚴格耦合波分析)來計算衍射效率作為TE和TM偏振的平均值,從而對應于光柵遭受非偏振光的情況。
除非另行表明,否則在所有的實例中,光柵的周期都是450nm,并且光柵受到法向入射平面波的照射。附圖不一定是按比例繪制的。
術語“透明”(例如材料層)指的是這樣的結構,其在可見波長范圍450-650nm中的透射率是至少50%。
附圖說明
圖1示出了根據本發明的光柵結構的總體表示。
圖2示出了根據一個實施例的光柵結構。
圖3a示出了根據另一個實施例的光柵結構。
圖3b示出了針對具有示例性尺寸和折射率的根據圖3a的雙層光柵結構的作為自由空間波長的函數的第一反射(R+1)和透射(T+1)級的所計算的衍射效率。
圖3c示出了針對單層光柵結構的作為自由空間波長的函數的第一反射(R+1)和透射(T+1)級的所計算的衍射效率,所述單層光柵結構在其他方面與圖3b中建模的結構完全相同,除了其包含僅僅一個光柵層。
圖4a示出了根據另一個實施例的光柵結構。
圖4b示出了針對具有示例性尺寸和折射率的根據圖4a的結構的作為自由空間波長的函數的第一反射(R+1)和透射(T+1)級的所計算的衍射效率。
圖5a示出了根據另一個實施例的利用金屬電鍍實現的光柵結構。
圖5b示出了針對具有示例性尺寸和折射率的根據圖5a的結構的作為自由空間波長的函數的第一反射(R+1)和透射(T+1)級的所計算的衍射效率。
圖5c示出了針對圖5b中建模的結構的作為自由空間波長的函數的第零透射級(T0)的所計算的衍射效率。
圖5d示出了針對在其他方面與圖5b中建模的結構完全相同除了僅僅包含單一光柵層的結構的作為自由空間波長的函數的第一反射(R+1)和透射(T+1)級的所計算的衍射效率。
圖6示出了根據本發明的雙重周期性光柵結構的總體表示。
具體實施方式
圖1圖示了根據本發明的兩層光柵的總體結構。所述光柵包括第一光柵層11和第二光柵層12。全部兩個光柵層具有相同的光柵周期(Λ)并且是二進制的。第一光柵層由周期性模式的交替材料區塊11A和11B構成,交替材料區塊11A和11B分別具有不同折射率n11和n12。同樣地,第二光柵層由周期性模式的交替材料區塊12A和12B構成,交替材料區塊12A和12B分別具有不同折射率n21和n22。在所述兩層光柵的第一側提供具有折射率n1的第一光學透明材料層10,并且在光柵的第二側提供具有折射率n2的第二光學透明材料層13。處于光柵的一側或全部兩側的層10、13還可以包括空氣(或真空)層,即沒有任何固體材料。
在圖2中示出了簡化的并且實際上更加可行的結構。與圖1中相同,所述結構包括第一光柵層21和第二光柵層22。此外,第一光柵層由周期性模式的交替材料區塊21A和21B構成,交替材料區塊21A和21B分別具有不同折射率n11和n1。同樣地,第二光柵層由周期性模式的交替材料區塊22A和22B的構成,交替材料區塊22A和22B分別具有不同折射率n21和n2。與圖1的實質差異在于,處于光柵層21、22的每一側的材料層20、23分別從光柵區塊21A和22A無縫地繼續。
在圖3a中示出了再更加簡化的結構。與圖1和2中相同,所述結構包括第一光柵層31和第二光柵層32。所述光柵層由周期性模式的交替材料區塊31A、31B;32A、32B構成,交替材料區塊31A、31B;32A、32B分別具有(在每一層內的)不同折射率n、n1;n、n2。同樣地,在該實施例中,處于光柵層31、32的每一側的材料層30、33分別從光柵區塊31A和32A無縫地繼續。在這種配置中,每一個光柵層31、32的一個區塊31B、32B處的材料是相同的,并且因此區塊31B、32B具有相同的折射率n。
不排除材料區塊31A和32A也將由相同的材料制成,也就是說n1=n2,從而將僅需要兩種不同材料來制作所提出的結構。這一點對于這里所描述的其他結構同樣成立。參照圖1,根據一個實施例,第一光柵層的n11區塊(n12區塊)與第二光柵層的n21區塊(n22區塊)具有相同的折射率。該實施例在各個光柵層具有相等的厚度時提供對于奇數透射衍射級的最優抑制。如果n11≠n21或者n12≠n22,則對于具有不相等厚度的光柵層可以獲得最優抑制。
圖3b示出了針對具有以下參數的根據圖3a的結構的作為自由空間波長(λ0)的函數的第一透射(T+1)和第一反射(R+1)級的衍射效率:n1=n2=1.7,n=1.3,h1=h2=50nm,以及Λ=450nm。所述結構受法向入射的平面波照射。圖3c示出了針對在其他方面與圖3b中建模的結構完全相同除了包含僅僅一個光柵層的結構的相同結果。顯而易見,T+1在圖3b中比圖3c中弱很多。在本專利申請中呈現的所有建模結果是利用傅里葉模態方法(其也被稱作嚴格耦合波分析)獲得的,所述傅里葉模態方法利用正確的傅里葉因式分解規則以便對于金屬光柵結構也獲得良好的收斂。
圖4a示出了經過修改的光柵結構,其中交替材料區塊41B、42B在光柵的法向方向上彼此重疊。因此,存在折射率n處于實際的光柵層41、42之間的統一材料層。同樣地,在該實施例中,處于光柵層41、42的每一側的分別具有折射率n1和n2的材料層40、43分別從光柵區塊41A和42A無縫地繼續。
圖4b示出了針對具有以下參數的根據圖4a的結構的作為自由空間波長(λ0)的函數的第一透射(T+1)和第一反射(R+1)級的衍射效率:n1=n2=1.7,n=1.3,h1=50nm,h2=80nm,以及Λ=450nm。所述結構受法向入射的平面波照射。與圖3b相比,50nm厚的光柵層之間的30nm厚的均勻電介質層增強了R+1。此外,T+1略微增大,但是其仍然顯著低于圖3c中的情況。
圖5a示出了再另一個實施例。在該實施例中,所期望的雙光柵由提供有突脊51A并且具有金屬(比如金或銀)或者某種高折射率材料(比如氧化銦錫ITO)的薄層54B的基板50形成,所述薄層54B被提供在每一個溝槽52A的底部并且被提供在形成在溝槽52A之間的每一處突脊51A上。在所述結構的第二側提供形狀相反的層53、52A。
圖5b示出了針對具有以下參數的根據圖5a的結構的作為自由空間波長(λ0)的函數的第一透射(T+1)和第一反射(R+1)級的衍射效率:n1=n2=1.5,n=銀的取決于波長的折射率(CRC handbook of Chemistry and Physics(CRC化學和物理手冊),第83版),t=50nm,以及Λ=450nm。所述銀區塊為10nm厚,并且所述結構受法向入射的平面波照射。圖5b示出了針對相同結構的第零透射級的衍射效率。平均光譜第零級透射率超過60%。圖5c示出了針對僅包含單一銀光柵層的結構(與圖5b中建模的結構中一樣,n1=n2,所述結構可以被視為由通過一個均勻電介質層分開的兩個金屬光柵層構成)的相同結果。通過比較圖5b和5c,可以明顯看出,與單層結構相比,兩層光柵結構衍射到第一透射級中的光要少得多。
至此所呈現的實施例僅僅在一個方向上是周期性的。所有呈現的實施例還可以被實施成雙重周期性(也被稱作雙周期性)結構。在圖6中示出了圖3a的結構的雙重周期性形式。應當提到的是,在圖6中僅僅圖示了雙重周期性光柵的一個單元格。所述光柵由兩個光柵層構成。每一個光柵層的單元格包含具有相等長度、寬度和深度的四個矩形區塊。每一層由具有不同折射率的兩種材料構成。每一個光柵層的單元格中的矩形材料區塊被設置成棋盤圖案。所述光柵層被對準,從而使得具有較高折射率的第一光柵層的區塊與具有較低折射率的第二光柵層的區塊對準,并且反之亦然。
在所有前面的內容中,全部兩個光柵層中的突脊和溝槽區段優選地具有相等的寬度。在所有前面的實例中,光柵層的交替區塊被示出為在光柵的側向方向上彼此完全對準,從而提供最優的性能。但是當所述區塊被部分地對準時,例如如果存在與最優情況的位移小于光柵周期的四分之一,則所述結構也預期會工作。
所述兩個光柵層可以被直接疊加或者分開一定距離,所述距離通常小于突脊和溝槽的寬度。
圖2、3a、4a和5a的結構都可以通過以下步驟來制造:
a)提供具有折射率n1的光學透明底部基板;
b)在底部基板上制造一系列溝槽和突脊;
c)將具有折射率n11或n的光學透明材料的第一區塊沉積到溝槽中,從而完成第一光柵層;
d)在突脊上沉積具有折射率n21或n的光學透明材料的第二區塊;
e)在各個第二區塊之間并且可選地還在第二區塊之上作為均勻涂覆層沉積具有折射率n2(其可以但是不一定等于n1)的光學透明材料。
在圖3的結構的情況下,可以通過單次沉積實現制造步驟(c)和(d)。也就是說,當由具有折射率n的材料填充第一光柵的溝槽時,第二光柵層的突脊區塊同時形成。
可以利用任何已知的微細加工技術來為基板提供溝槽和突脊,比如機械雕刻、(熱)壓印、激光(電子束)加工、蝕刻或者納米壓印之類的材料沉積技術。
優選地利用印刷方法(比如凹版印刷、反向凹版印刷、柔版印刷和絲網印刷)、涂覆方法、噴涂方法或者眾所周知的薄膜沉積方法(比如熱蒸發、濺射以及原子層沉積)來進行具有不同于基板和頂層的折射率的光柵層的材料區塊的沉積。
可以通過適當的涂覆、噴涂或印刷方法來提供頂層。
基板和頂層材料例如可以包括玻璃、聚苯乙烯(PS)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PTE)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚碳酸酯、醋酸纖維素、聚乙烯吡咯烷酮或者乙基纖維素。
替換的材料區塊例如可以包括像Nafion?之類的硫化含氟聚合物。
所述材料和折射率還可以互換。
在圖5a的情況下,可以利用例如蒸氣沉積方法來沉積含金屬層,蒸氣沉積方法比如是化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)或者其任意修改。所述含金屬層的厚度例如可以是1-50nm,優選地是5-20nm。

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具有 衍射 光柵 光學 器件
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