CN107430217A - 虚拟和增强现实系统和组件的改进制造 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于3D显示系统的改进的衍射结构。所述改进的衍射结构包括位于波导衬底与顶部光栅表面之间的中间层。所述顶部光栅表面包括对应于第一折射率值的第一材料，下垫层包括对应于第二折射率值的第二材料，并且衬底包括对应于第三折射率值的第三材料。根据附加实施例，提供了改进的方法来实现印刻材料在衬底上的沉积，这允许不同印刻图案在任意数量的衬底表面上的非常精确的分布和沉积。

Description

虚拟和增强现实系统和组件的改进制造

技术领域

本公开涉及虚拟现实和增强现实成像与可视化系统。

背景技术

现代计算和显示技术已经促进了针对所谓“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统开发，其中数字再现图像或其一部分以看上去逼真或可以被感知为逼真方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”情境一般涉及呈现数字或虚拟图像信息，但无法看到实际的真实世界可视化输入；增强现实或“AR”情境通常涉及呈现数字或虚拟图像信息作为用户周围实际世界的可视化增强。例如，参考图1，描述了增强现实场景(4)，其中AR技术的用户看到类似公园的真实世界设置(6)，该设置以人、树木、背景中的建筑物和混凝土平台(1120)为特征。除了这些项目之外，AR技术的用户还感知到他“看到”机器人人像(1110)站在真实世界平台(1120)上，并且类似卡通的虚像(2)在飞舞，看上去就像大黄蜂的化身，尽管这些元素(2、1110)在真实世界中不存在。实际上，人类视觉感知系统极为复杂，产生促进在其他虚拟或真实世界图像元素当中舒适、自然、丰富地呈现虚拟图像元素的VR或AR技术非常具有挑战性。

向AR系统的用户呈现3D虚拟内容存在许多挑战。向用户呈现3D内容的中心前提是创建多深度感知。换言之，需要使得某些虚拟内容看似距离用户较近，而其他虚拟内容看上去来自较远的位置。因此，为了实现3D感知，AR系统应被配置为在相对于用户的不同焦平面处传送虚拟内容。

为了使3D显示产生真实的深度感，更具体地说，产生仿真的表面深度感，需要显示视野中的每个点产生对应于其虚拟深度的适应性响应。如果对显示点的适应性响应与该点的虚拟深度不对应，如由收敛和立体视觉的双眼深度线索所确定的，则人类视觉系统可能经历适应性冲突，从而导致不稳定的成像、有害的眼睛疲劳、头痛，并且在缺乏适应性信息的情况下，几乎完全不存在表面深度。

因此，需要改进的技术来实现解决传统方法的这些和其他问题的3D显示。本文描述的系统和技术被配置为与正常人的视觉配置协作以应对这些挑战。

发明内容

本发明的实施例涉及用于促进一个或多个用户的虚拟现实和/或增强现实交互的设备、系统以及方法。

一种根据一些实施例的用于将增强现实内容递送给用户的增强现实(AR)显示系统包括：图像生成源，其用于提供一个或多个图像数据帧；光调制器，其用于发送与所述一个或多个图像数据帧相关联的光；衍射光学元件(DOE)，其用于接收与所述一个或多个图像数据帧相关联的光并将所述光引导到用户的眼睛，所述DOE包括衍射结构，所述衍射结构具有对应于波导折射率的波导衬底、表面光栅，以及布置在所述波导衬底与所述表面光栅之间的中间层(本文中也称为“下垫层(underlayer)”)，其中所述下垫层与不同于所述波导折射率的下垫层衍射率相对应。

根据本发明的一些实施例，衍射结构被用于包括位于波导衬底与顶部光栅表面之间的下垫层的DOE。所述顶部光栅表面包括对应于第一折射率值的第一材料，所述下垫层包括对应于第二折射率值的第二材料，并且所述衬底包括对应于第三折射率值的第三材料。

可以采用相同或不同材料的任何组合来实现这些结构部分中的每一者，例如，其中所有三种材料都不同(并且所有三种材料对应于不同的折射率值)，或者其中两层共享相同的材料(例如，三种材料中的两种是相同的，因此共享与第三种材料的折射率值不同的公共反射率值)。可以使用任何合适的材料集来实现改进的衍射结构的任何层。

因此，可使用各种组合，其中具有一个折射率的下垫层被与具有另一折射率的顶部光栅以及具有第三折射率的衬底组合在一起，并且其中调整这些相对值提供了大量独立于入射角上的衍射效率的变化。提供了具有不同折射率层的分层波导。提供各种组合和排列以及相关的性能数据以例示功能。优点包括增大的角度，这提供了增大的光栅输出角度，因此提供增大的目镜视野。此外，抵消角度衍射效率的正常降低的能力在功能上是有益的。

根据附加实施例，提供了改进的方法来实现将印刻材料沉积在衬底上，以及对印刻材料进行印刻以实现衍射图案。这些方法允许在任意数量的衬底表面上非常精确地分布、沉积和/或形成不同的印刻材料/图案。根据一些实施例，执行印刻材料的图案化分布(例如，图案化喷墨分布)以实现印刻材料在衬底上的沉积。这种使用图案喷墨分布的方法允许对要沉积的材料进行非常精确的体积控制。此外，该方法能够用于在光栅表面下提供更小、更均匀的基础层。

在一些实施例中，提供具有第一组较深深度结构以及第二组较浅深度结构的模板。当将印刻材料沉积在印刻接受体上时，相对大体积的印刻材料与模板的较深深度结构相结合而沉积。此外，相对小体积的印刻材料与模板的较浅深度结构相结合而沉积。这种方法允许同时沉积不同厚度的材料以便在印刻接受体上形成的不同特征。可以采用这种方法来创建对于具有不同深度和/或特征参数的结构(例如其中特征结构位于同一衬底上且具有不同厚度)有目的地不均匀的分布。这可以用于例如创建使能同时印刻下垫层厚度相同而深度可变的结构的空间分布的印刻材料体积。

一些实施例涉及实现同时将多种类型的印刻材料沉积在衬底上的方法。这允许具有光学性质的材料同时跨衬底的多个部分被沉积。这种方法还提供了调整与特定功能相关联的局部区域的能力，例如用作内耦光栅、正交光瞳扩展器(OPE)光栅或出射光瞳扩展器(EPE)光栅。不同类型的材料可以包括具有不同光学性质的相同材料(例如，具有不同折射率的相同材料的两种变体)或两种完全不同的材料。当使用这种技术时，可以考虑和选择材料的任何光学性质，例如折射率、不透明度和/或吸收性。

根据另一实施例，可以采用多面印刻来印刻光学结构的多个侧面。这允许在光学元件的不同侧上进行印刻，以通过基础层体积实现功能的多路复用。以这种方式，可以在不对光栅结构功能产生不利影响的情况下实现不同的目镜功能。可以使用第一模板来在衬底/印刻接受体的侧面“A”上产生一个印刻，从而在该结构的侧面A上形成具有第一材料的第一图案。可以使用另一模板来在同一衬底的侧面“B”上产生第二印刻，这在衬底的侧面B上形成具有第二材料的第二图案。侧面A和B可以具有相同或不同的图案，和/或可以具有相同或不同类型的材料。

附加实施例涉及多层覆盖印刻和/或多层分离/偏移衬底集成。在这些方法的任一者/全部两者中，先前印刻的图案可以再次被喷射和印刷。可以将粘合剂喷射到第一层上，其中第二衬底与该第一层接合(可能具有气隙)，并且随后的喷射处理可以沉积在第二衬底上并进行印刻。一系列印刻图案可以通过卷对卷处理依次相互接合。需要指出，实现多层覆盖印刻的方法可以与多层分离/偏移衬底集成方法结合使用或替代多层分离/偏移衬底集成方法。对于多层覆盖印刻，可以将第一印刻材料沉积并印刻到衬底上，接着沉积第二印刻材料，最终得到具有第一印刻材料和第二印刻材料两者的复合多层结构。对于多层分离/偏移衬底集成，第一衬底1和第二衬底2均可以使用印刻材料进行印刻。然后可以将衬底1和衬底2夹在一起并接合，这可能具有偏移特征(也被印刻)，在一个实施例中，该偏移特征提供了衬底2的有源结构与衬底1的背侧之间的气隙。可以使用印刻的间隔物来产生气隙。

根据又一实施例，公开了一种实现跨衬底分布的可变体积材料沉积的方法，该方法可依赖于对表面不均匀性的先验知识。对衬底表面不均匀性的这种校正可能导致不理想的平行度，从而使得光学性能降低。可以使用可变体积印刻材料沉积来独立于下垫层地形或物理特征集来提供要沉积的印刻材料的水平分布。例如，可以通过真空吸盘将衬底拉平，并执行原位计量以评估表面高度(例如通过低相干性或基于激光的接触测量探针)。印刻材料的分散量可以根据测量数据而变化，以在复制时产生更均匀的层。通过本发明的该实施例也能够解决任何类型的不均匀性，例如厚度变化性(variability)和/或与衬底上的局部位置相关联的凹坑、尖峰或其他异常或特征的存在。

需要指出，上述实施例中的任何实施例可以被组合在一起。此外，本发明的附加以及其他目标、特征和优点将在具体实施方式、附图和权利要求中进行描述。

附图说明

图1示出一个示例性实施例中的用户通过可穿戴AR用户设备看到的增强现实(AR)；

图2示出了常规的立体3-D模拟显示系统；

图3示出了根据本发明的一些实施例的用于实现立体3-D模拟显示系统的改进方法；

图4A-4D示出了用于实现针对人类VR和/或AR提供高品质且感知舒适的显示系统的目标的各种系统、子系统和组件；

图5示出了利用改进后的衍射结构的系统的示例配置的平面图；

图6示出了堆叠的波导组件；

图7示出了DOE；

图8和9示出了示例衍射图案；

图10和11示出了被注入光束的两个波导；

图12示出了一个波导堆叠；

图13A示出了实现具有波导衬底和顶部光栅表面但没有下垫层的衍射结构的示例方法；

图13B示出了示例模拟结果的图；

图13C示出了图13A的注释版本；

图14A示出了用于实现具有波导衬底、下垫层、以及顶部光栅表面的衍射结构的示例方法；

图14B示出了用于实现具有波导衬底、下垫层、光栅表面、以及顶面的衍射结构的示例方法；

图14C示出了用于实现具有波导衬底、下垫层、光栅表面、以及顶面的衍射结构的堆叠的示例方法；

图15A示出了用于实现具有高折射率波导衬底、低折射率下垫层、以及低折射率顶部光栅表面的衍射结构的示例方法；

图15B示出了示例模拟结果的图；

图16A示出了用于实现具有低折射率波导衬底、高折射率下垫层、以及低折射率顶部光栅表面的衍射结构的示例方法；

图16B示出了示例模拟结果的图；

图17A示出了用于实现具有低折射率波导衬底、中等折射率下垫层、以及高折射率顶部光栅表面的衍射结构的示例方法；

图17B示出了示例模拟结果的图；

图18A-D示出了下垫层特性的修正例；

图19示出了用于实现印刻材料在单个衬底上的精确可变体积沉积的方法；

图20示出了根据一些实施例的用于实现多种不同印刻材料在同一层中的定向同时沉积的方法和印刻步骤；

图21A-B示出了用于在全内反射衍射光学元件的上下文中实现双面印刻的示例方法；

图22示出了使用图21A-B所示的方法形成的结构；

图23示出了用于实现多层覆盖印刻的方法；

图24示出了用于实现多层分离/偏移衬底集成的方法；

图25示出了用于实现跨衬底分布的材料的可变体积沉积以解决表面不均匀性的方法。

具体实施方式

根据本发明的一些实施例，采用一种包括位于波导衬底与顶部光栅表面之间的下垫层/中间层的衍射结构。所述顶部光栅表面包括对应于第一折射率值的第一材料，所述下垫层包括对应于第二折射率值的第二材料，并且所述衬底包括对应于第三折射率值的第三材料。

这种方法的一个优点是针对三个层的相对折射率的适当选择允许所述结构对于更大范围的入射光获得更大的视野，这是由于最低的全内反射角随着折射率的增大而减小。衍射效率能够增加，从而允许将“更亮”的光输出到图像观看设备的显示器。

可使用各种组合，其中具有一种折射率的下垫层与具有另一折射率的顶部光栅以及具有第三折射率的衬底组合在一起，并且其中调整这些相对值提供了大量依赖于入射角上的衍射效率的变化。提供了具有不同折射率层的分层波导。提供各种组合和排列以及相关的性能数据以例示功能。优点包括增加的角度，这提供了增大的光栅输出角度，因此提供增大的目镜视野。此外，抵消角度衍射效率的正常降低的能力在功能上是有益的。

根据一些实施例的显示系统

本公开的这一部分描述了可以结合本发明的改进的衍射结构使用的示例显示系统。

图2示出了常规的立体3-D模拟显示系统，该显示系统通常具有分别用于眼睛4和6的单独显示器74和76，这些显示器与眼睛相距固定的径向焦距10。这种传统方法未能考虑人眼和大脑用于检测和解释包括适应线索(accommodation cue)在内的三维深度的许多有价值的线索。

事实上，典型的人眼能够基于径向距离来解释多个深度层，例如能够解释大约12个深度层。约0.25米的近场极限大约是最接近的焦深；约3米的远场极限意味着距离人眼超出约3米的任何物品将获得无限聚焦。随着焦点层越来越接近眼睛，焦点层变得越来越薄；换言之，眼睛能够感知距离眼睛相对近的非常小的焦距差异，并且随着物体远离眼睛，这种效应消失。在无限对象位置，焦深/屈光间距值约为1/3屈光度。

图3示出了根据本发明的一些实施例的用于实现立体3-D模拟显示系统的改进方法，其中显示两个复杂图像，一个图像用于一个眼睛4和6，每个图像的各个视方位(aspect)(14)的多个径向焦深(12)可用于为每只眼睛提供所感知图像内的三维深度分层的感知。由于在用户眼睛与无穷远之间存在多个焦平面(例如，12个焦平面)，所以这些焦平面和所描绘的关系中的数据可用于将虚拟元素定位在增强现实场景中以供用户观看，因为人眼不断地扫描周围以利用焦平面来感知深度。虽然该图示出了位于各个深度处的特定数量的焦平面，但是需要指出，本发明的实现可以针对所需的具体应用使用任意数量的焦平面，因此本发明不限于仅具有在本公开的任何附图中示出的具体数量的焦平面的设备。

参考图4A-4D，其中示出了根据本发明的一些实施例的某些常见的元件部分选项。在介绍图4A-4D之后的部分详细描述中，提出各种系统、子系统和组件来实现针对人类VR和/或AR提供高品质且感知舒适的显示系统的目标。

如图4A所示，AR系统用户(60)被示为穿戴框架(64)结构，该结构与位于用户的眼睛前方的显示系统(62)相连。在所示配置中，扬声器(66)与框架(64)相连并且位于用户的耳道附近(在一实施例中，另一扬声器(未示出)位于用户的另一耳道附近以提供立体/可成形的声音控制)。显示器(62)在操作上与本地处理和数据模块(70)相连(例如，通过导线或无线连接性)，本地处理和数据模块(70)可通过多种配置安装，例如，如图4B的实施例所示，固定地附接到框架(64)，固定地附接到头盔或帽子(80)；如图4C的实施例所示，嵌入耳机内，通过背包式配置可移动地附接到用户(60)的躯干(82)；或者如图4D的实施例所示，通过裤带连接式配置可移动地附接到用户(60)的臀部(84)。

本地处理和数据模块(70)可以包括节能处理器或控制器，以及数字存储器，例如闪存，它们均可被用于帮助处理、缓存和存储以下数据：即，a)从传感器捕获的数据，这些传感器可在操作上与框架(64)相连，例如图像捕获设备(例如，相机)、麦克风、惯性测量单元、加速计、罗盘、GPS单元、无线电设备和/或陀螺仪；和/或b)使用远程处理模块(72)和/或远程数据存储库(74)获取和/或处理的数据，这些数据可能在此类处理或取回之后被传送到显示器(62)。本地处理和数据模块(70)可以在操作上与远程处理模块(72)和远程数据存储库(74)相连(76、78)(例如，经由有线或无线通信链路)，以使这些远程模块(72)在操作上彼此相连，并且作为资源可用于本地处理和数据模块(70)。

在一实施例中，远程处理模块(72)可以包括一个或多个相对强大的处理器或控制器，这些处理器或控制器被配置为分析和处理数据和/或图像信息。在一实施例中，远程数据存储库(74)可以包括相对大型的数字数据存储设施，该设施可通过因特网或“云”资源配置中的其他联网配置来使用。在一实施例中，在本地处理和数据模块中存储所有数据并且执行全部计算，从而允许从任何远程模块进行完全自主的使用。

可以通过结合可变焦光学元件配置使用波导来促进Z轴差(即，沿光轴与眼睛的直线距离)的感知。来自显示器的图像信息可以被校准并注入波导，并且使用本领域的技术人员公知的任何合适的基片制导光学方法，以大出瞳方式分布此图像信息，并且然后，可变焦光学元件能力可被用于更改从波导射出的光的波前焦点，并且使眼睛感知到来自波导的光是来自特定的焦距。换言之，由于入站光已经被校准以避免全内反射波导配置中的难题，因此光以校准后的方式射出，从而要求查看者的眼睛适应远点以将光带入视网膜上的焦点，并且自然地被解释为来自光学无限远—除非某些其他介入导致光被重新定焦，并且被感知为来自不同的查看距离；一个适当的此类介入为可变焦透镜。

在一些实施例中，校准后的图像信息按照一角度被注入镜片或其他材料，以便被全内反射并且被传递到相邻的波导内。可以配置波导，使得分布来自显示器的准直光，从而沿波导的长度跨反射器或衍射特征的分布稍微一致地射出。当朝着眼睛射出时，发射光穿过可变焦透镜元件，其中取决于可变焦透镜元件的受控焦点，从可变焦透镜元件射出并且进入眼睛的光将具有各种聚焦程度(表示光学无限远的准直扁平波前，表示相对于眼睛58更近的查看距离的更多光束发散度/波前曲率)。

在“帧序列”配置中，一堆序列化的二维图像可被依次馈入显示器以随时间产生三维感知；此方式与计算的断层摄影系统使用堆叠的图像片段表示三维结构的方式类似。一系列二维图像片段可以被呈现给眼睛，每个片段位于距眼睛的不同焦距处，并且眼睛/大脑将这些堆栈集合为连贯的三维体感知。取决于显示类型，可以执行逐行，甚至逐像素序列化以产生三维视景感知。例如，对于扫描光显示器(诸如扫描光纤显示器或扫描镜显示器)，显示器按顺序一次为波导提供一个行或一个像素。

参考图6，堆叠的波导组装件(178)可被用于向眼睛/大脑提供三维感知，方式为：使多个波导(182、184、186、188、190)和多个弱透镜(198、196、194、192)被一起配置为针对每个波导水平(指示针对该波导水平被感知的焦距)以多种波前曲率水平将图像信息发送到眼睛。多个显示器(200、202、204、206、208)或单个多路复用显示器(在另一实施例中)可被用于将校准后的图像信息注入波导(182、184、186、188、190)，每个波导可根据上面的描述被配置为跨每个波导的长度基本均等地分布入站光，从而将光向下朝着眼睛射出。

距离眼睛最近的波导(182)被配置为将注入该波导(182)的准直光传送到可以代表光学无限远焦平面的眼睛。下一波导(184)被配置为发出准直光，该准直光穿过第一弱透镜(192；例如，弱发散透镜)，然后才到达眼睛(58)；该第一弱透镜(192)可被配置为产生稍微凸出的波前曲率，以使眼睛/大脑将来自该下一波导(184)的光感知为来自第一焦平面，该焦平面从光学无限远向内朝着人靠近。类似地，接着的第三波导(186)使输出光同时穿过第一透镜(192)和第二透镜(194)，然后才到达眼睛(58)；第一透镜(192)和第二透镜(194)的组合光功率可被配置为产生另一波前发散增量，以使眼睛/大脑将来自接着的第三波导(186)的光感知为来自第二焦平面，该焦平面从光学无限远向内，比来自下一接着的波导(184)的光更靠近人。

其他波导层(188、190)和弱透镜(196、198)被类似地配置，其中堆叠中的最高波导(190)使其输出穿过位于自己与眼睛之间的所有弱透镜，以实现代表距离人最近的焦平面的聚合光焦度。当查看/感知来自位于堆叠的波导组装件(178)另一侧的世界(144)的光时，为了补偿透镜堆栈(198、196、194、192)，将补偿透镜层(180)置于堆栈顶部以补偿下面的透镜堆栈(198、196、194、192)的聚合功率。此类配置提供的被感知焦平面数目等于可用波导/透镜对的数目，再次具有如上所述的较大出瞳配置。波导的反射视方位和透镜的聚焦视方位均可以是静态的(即，非动态或不具有电活性)。在一个备选实施例中，它们可以是使用上述电活性特征的动态视方位，从而使能按照时序方式多路复用少量波导以产生大量有效焦平面。

可以采用用于聚焦和/或重定向准直光束的各种衍射配置。例如，使准直光束穿过线性衍射图案(诸如布拉格光栅)将使光束发生偏斜或“转向”。使准直光束穿过径向对称衍射图案或“菲涅尔带片”将更改光束的焦点。可以采用具有线性和径向元素两者的组合衍射图案来产生准直输入光束的偏斜和聚焦两者。这些偏斜和聚焦效应可以在反射模式以及透射模式下产生。

这些原理可与波导配置一起被应用，以实现附加的光学系统控制。如图7所示，衍射图案(220)或“衍射型光学元件”(或“DOE”)已经被嵌入平面波导(216)内，以使得准直光束沿着平面波导(216)被全内反射，平面波导(216)与衍射图案(220)在多个位置处相交。所述结构还可以包括另一波导(218)，其中光束可被注入(例如通过投光器或显示器)该另一波导(218)且在该另一波导(218)中嵌入DOE(221)。

优选地，DOE(220)具有相对低的衍射效率，以使得通过与DOE(220)的每个交点，仅一部分光束朝向眼睛(58)偏斜，而其余部分继续经由全内反射穿过平面波导(216)；承载图像信息的光因此被分成多个相关的光束，这些光束在多个位置处从波导射出，结果是针对在平面波导(216)内四处反射的该特定准直光束，产生朝着眼睛(58)的发射光束的非常均匀的图案，如图8所示。朝着眼睛(58)的射出光束在图8中示出为基本平行，因为在这种情况下，DOE(220)只有线性衍射图案。但是，可以使用该线性衍射图案间距的变化可控制地使射出的平行光束发生偏斜，从而产生扫描或平铺功能。

参考图9，随着嵌入式DOE(220)的径向对称衍射图案组件的变化，射出光束图案更加发散，这需要眼睛适应更近的距离以聚焦于视网膜，并且大脑感知光来自比光学无限远更接近眼睛的查看距离。

参考图10，添加其中可以注入光束(例如，通过投光器或显示器)的另一波导(218)之后，根据在工作的特定DOE配置，嵌入该另一波导(218)的DOE(221)(诸如线性衍射图案)可用于跨整个大平面波导(216)传播光，这可以为眼睛(58)提供极大的入站区域(从较大的平面波导(216)(例如，大眼框)发射出的入站光的入站区域)。

DOE(220、221)被示出为二等分关联的波导(216、218)，但不一定需要这样做；它们可以被置于波导(216、218)中任一者的附近、或者位于其中任一者的任一侧以具有相同功能。因此，如图11所示，随着单一准直光束的注入，整个复制的准直光束场可被导向眼睛(58)。此外，通过诸如如上所述的组合的线性衍射图案/径向对称衍射图案情景，提供具有Z轴聚焦功能的光束分布波导光学元件(针对诸如出瞳功能扩展之类的功能；通过诸如图11的配置，出瞳可以与光学元件本身一样大，这对于用户舒适感和人体工学而言是非常显著的优点)，其中复制的光束的发散角度和每个光束的波前曲率表示来自比光学无限远更近的点的光。

在一实施例中，一个或多个DOE可以在接通状态(其中它们主动衍射)与关断状态(其中它们不明显地衍射)之间切换。例如，可切换DOE可以包括一层聚合物分散液晶，其中微滴包括位于主介质中的衍射图案，并且微滴的折射率可被切换到基本与主材料的折射率匹配(在这种情况下，图案不明显地衍射入射光)，或者微滴可被切换到与主介质的折射率不匹配的折射率(在这种情况下，图案主动地衍射入射光)。进一步地，随着衍射项的动态变化，可以实现光束扫描或平铺功能。如上所述，理想地，每个DOE(220、221)中具有相对低的衍射光栅效率，因为这样便于光的分布，另外还因为当所穿过的DOE(220)的衍射效率较低时，理想地透射的穿过波导的光(例如，在增强现实配置中，来自世界114并且朝着眼睛58发射的光)很少受到影响—从而通过此类配置实现更佳的真实世界视景。

诸如本文所示的配置优选地通过时序方法中的图像信息注入来驱动，其中帧序列驱动最易于实现。例如，可以在时间1处注入光学无限远处的天空的图像，并且可以利用保留光校准的衍射光栅。然后可以在时间t2处注入较近的树枝的图像，同时DOE可控制地赋予焦点变化，即一个屈光单位或1米之外，从而使得眼睛/大脑感知到树枝光信息来自较近的焦点范围。此类范例可以以快速时间序列方式被重复，以使眼睛/大脑感知输入是同一图像的所有部分。这只是一个双焦平面示例；优选地，系统将包括更多焦平面以提供对象与其焦距之间更平滑的过渡。此类配置一般假设DOE以相对慢的速度切换(即，与注入图像的显示帧率同步—处于每秒数千次循环的范围内)。

相反的极端可以是这样的配置：其中DOE元件能够以数十到数百MHz或更大来改变焦点，当使用扫描光显示器技术将像素扫描到眼睛(58)内时，这促进逐像素切换DOE元件的焦点状态。这是期望的，因为这意味着能够将总体显示帧率保持相当低；低得足以保证“闪烁”不是问题(处于大约60-120帧/秒的范围内)。

在这些范围之间，如果能够以KHz速率切换DOE，则可以逐行调整每个扫描行上的焦点，这样，例如当眼睛相对于显示器移动期间，给用户带来时间伪差方面的视觉优势。例如，通过此方式，场景中的不同焦平面被交错以最小化响应于头部运动的视觉伪差(如本公开以下更详细讨论的那样)。逐行聚焦调制器可以在操作上与行扫描显示器(诸如光栅光阀显示器)耦合，其中扫描线性像素阵列以形成图像；该聚焦调制器也可在操作上与扫描光显示器(诸如光纤扫描显示器和镜扫描光显示器)耦合。

与图6的配置类似的堆叠配置可以使用动态DOE来同时提供多平面聚焦。例如，通过三个同时的焦平面，可以将主焦平面(例如，基于所测量的眼睛视觉调节)呈现给用户，并且可以使用+裕度和-裕度(即，一个焦平面较近，一个更远)来提供大聚焦范围，在该大聚集范围内，用户可以在需要更新平面之前进行视觉调节。此增大的聚焦范围能够在用户切换到较近或较远焦点(即，通过视觉调节测量确定)时提供时间优势；然后，可以使新的焦平面成为中间焦深，其中+和-裕度再次准备就绪以在系统继续执行的同时快速切换到任一者。

参考图12，其中示出平面波导(244、246、248、250、252)的堆栈(222)，每个波导具有反射器(254、256、258、260、262)，这些反射器位于端部并且被配置为使得被显示器(224、226、228、230、232)注入一端的准直图像信息通过全内反射向下反射到反射器，在该点处，部分或全部光朝着眼睛或其他目标反射出。每个反射器可以具有稍微不同的角度，以便朝着诸如瞳孔之类的公共目标反射出射光。透镜(234、236、238、240、242)可以插在显示器与波导之间以实现光束转向和/或聚焦。

如上所述，位于光学无限远的对象产生基本平面波前；而更近的对象(诸如距离眼睛1m)产生弧形波前(具有大约1m曲率凸半径)。眼睛的光学系统需要具有足够的光学功率来使入站光线弯曲，从而最终聚焦于视网膜(凸形波前变为凹形波前，然后继续到视网膜上的焦点)。这些是眼睛的基本功能。

在上述许多实施例中，被导向眼睛的光已被视为一个连续波前的一部分，其某些子集射到特定眼睛的瞳孔。在另一方法中，被导向眼睛的光可以有效地离散化或被分为多个细光束或单独的射线，每个细光束或射线具有小于约0.5mm的直径，并且作为较大聚合波前的一部分具有唯一的传播途径，可以通过聚合细光束或射线在功能上创建该较大聚合波前。例如，弧形波前可以通过聚合多个离散的相邻准直光束来接近，其中每个准直光束从适当的角度接近眼睛以表示与所需聚合波前的曲率半径中心匹配的原点。

当细光束具有约0.5mm或更小的直径时，可以认为该细光束来自针孔透镜配置，这意味着每个单独的细光束始终在视网膜上相对集中，与眼睛的视觉调节状态无关，但是每个细光束的轨迹受到视觉调节状态的影响。例如，如果细光束平行地接近眼睛，表示离散化准直光聚合波前，则正确地视觉调节到无限远的眼睛使细光束发生偏斜，从而集中于视网膜上的同一共享点，并且将清晰地显示。如果眼睛视觉调节到比如1m，则细光束将聚集到视网膜前方的点，跨多个路径，并且落在视网膜上的多个相邻或局部重叠的点上(即，显示为模糊)。

如果细光束在发散配置中接近眼睛，并且共享原点距离观看者1米，则1m的视觉调节将使光束转向视网膜上的单个点并且清晰地显示；如果查看者视觉调节到无限远，则细光束聚集到视网膜后面的点，并且在视网膜上产生多个相邻或局部重叠的点，从而产生模糊图像。更一般地说，眼睛的视觉调节确定视网膜上点的重叠程度，并且当所有点被导向视网膜上的同一点时，给定像素“清晰”，当各点相互偏移时，给定像素“模糊”。这表示所有直径为0.5mm或更小的细光束始终清晰，它们可以聚合，并且被眼睛/大脑感知为它们基本与连贯波前相同，并且可被用于产生舒适三维虚拟或增强现实感知的配置。

换言之，可以使用一组多个细光束来模拟较大直径可变焦光束将发生的情况，如果细光束直径被保持为最大约0.5mm，则它们保持相对静态的聚焦程度，并且在需要时产生脱焦知觉，可以选择细光束角轨迹以产生非常像较大脱焦光束的效应(这种脱焦处理可能与用于较大光束的高斯模糊处理不同，但是将产生多模点传播功能，此功能可通过类似于高斯模糊的方式解释)。

在一些实施例中，细光束不能机械地发生偏斜以形成该聚合聚焦效应，而是眼睛接收大量细光束的超集，该超集同时包括多个入射角和多个细光束与瞳孔的相交位置；以表示给定像素来自特定观看距离，来自包括适当入射角和与瞳孔的交点的超集的细光束的子集(就像它们从空间中的同一共享原点射出)变为具有匹配的颜色和强度以表示聚合波前，而超集中与共享原点不一致的细光束不会变为具有上述颜色和强度(但是它们中的某些可变为具有其他某种颜色和强度级别以表示例如不同的像素)。

现在参考图5，现在将描述使用改进的衍射结构的AR系统的一个示例实施例800。AR系统通常包括图像生成处理器812、至少一个FSD 808(光纤扫描设备)、FSD电路810、耦合光学器件832以及包含具有下述改进的衍射结构的堆叠波导的至少一个光学组件(DOE组件802)。该系统还可以包括眼部跟踪子系统806。如图5所示，FSD电路可以包括与图像生成处理器812通信的电路810，图像生成处理器812具有Maxim芯片CPU 818、温度传感器820、压电驱动器/换能器822、红色激光器826、蓝色激光器828和绿色激光器830以及组合了所有三个激光器826、828和830的光纤组合器。需要指出，也可以使用其他类型的成像技术替代FSD设备。例如，在本发明的一些实施例中，可以全部使用高分辨率液晶显示器(“LCD”)系统、背光式铁电面板显示器和/或高频DLP系统。

图像生成处理器负责生成最终显示给用户的虚拟内容。图像生成处理器可以将与虚拟内容相关联的图像或视频转换为能够以3D方式向用户投影的格式。例如，在生成3D内容时，可能需要对虚拟内容进行格式化，以使得特定图像的一部分被显示在特定深度平面上，而其他部分显示在其他深度平面上。或者，所有图像可以在特定深度平面处生成。或者，图像生成处理器可以被编程为将略微不同的图像馈送到左眼和左眼，以便在一起观看时，虚拟内容以连贯、舒适的方式呈现给用户的眼睛。在一个或多个实施例中，图像生成处理器812按照时间顺序将虚拟内容传送到光学组件。可以首先传送虚拟场景的第一部分，使得光学组件将第一部分投影在第一深度平面处。然后，图像生成处理器812可以传送同一虚拟场景的另一部分，使得光学组件将第二部分投影在第二深度平面上，以此类推。在此，阿尔瓦雷斯(Alvarez)透镜组件可以被横向平移得足够快，以便基于帧产生多个横向平移(对应于多个深度平面)。

图像生成处理器812可以进一步包括存储器814、CPU 818、GPU 816以及用于图像生成和处理的其他电路。图像生成处理器可以被编程为将所需的虚拟内容呈现给AR系统的用户。应当理解，在一些实施例中，图像生成处理器可以容纳在可穿戴AR系统中。在其他实施例中，图像生成处理器和其他电路可以容纳在与可穿戴光学器件相连的腰包中。

AR系统还包括耦合光学器件832以将来自FSD的光引导到光学组件802。耦合光学器件832可以指用于将光引导到DOE组件中的一个或多个常规透镜。AR系统还包括被配置为跟踪用户的眼睛并确定用户的焦点的眼部跟踪子系统806。

在一个或多个实施例中，可以使用软件模糊来引起作为虚拟场景一部分的模糊。在一个或多个实施例中，模糊模块可以是处理电路的一部分。模糊模块可以模糊被馈送到DOE中的一个或多个图像数据帧的多个部分。在此类实施例中，模糊模块可以模糊掉不想在特定深度帧处呈现的帧部分。

在第14/555,585号美国实用新型专利申请中描述了可用于实现上述图像显示系统及其组件的示例方法。

改进的衍射结构

如上所述，衍射图案可以形成在平面波导上，以便当准直光束沿着平面波导全内反射时，光束在多个位置处与衍射图案相交。根据本发明的一些实施例，该布置可以被堆叠以在立体3-D模拟显示系统内的多个焦平面处提供图像对象。

图13A示出了可被用于实现波导1302(本文中也称为“光导”、“衬底”或“波导衬底”)的结构1300的一种可能的方法，其中外耦合光栅1304被直接形成在波导1302的顶面上，例如，作为组合的单片结构形成和/或两者由相同的材料形成(即使不是由同一单片结构构成)。在该方法中，光栅材料的折射率与波导1302的折射率相同。材料的折射率n(或“折射率”)描述了光如何通过该介质传播，并且被定义为n＝c/v。其中c是光在真空中的速度，v是光在介质中的相速度(phase velocity)。折射率决定了进入材料时光的弯曲度或折射量。

图13B示出了根据光在波导内传播的角度的从结构1300出射的光的效率的单一极化的示例模拟结果的图1320。该图示出结构1300的外耦合光的衍射效率在较高的入射角下降低。可以看出，在大约43度的角下，由于具有均匀折射率的介质中的基于入射角的全内反射率变化，效率在所示的图上相对快速地下降。

因此，配置1300的可用范围有可能受到某种程度的限制，因此是不希望的，因为反射间隔可能在更高的入射角下减小，这会进一步降低观察者以这些角度看到的亮度。衍射效率在最浅入射角下较低，这不是完全希望的，因为与顶面的相互作用之间的反射间隔(请参见图13C)相隔很远，并且光线几乎没有机会耦合出。因此，从该布置产生具有较少外耦合样本的暗淡信号，在带有该极化取向的这些高角度处具有较低衍射效率的光栅加重了此问题。需要指出，如本文和附图中所使用的，“1T”指第一个发送的衍射顺序。

在诸如上述基于波导的光学系统或衬底引导的光学系统的一些实施例中，衬底引导的图像中的不同像素由波导内以不同角度传播的光束表示，其中光通过全内反射(TIR)沿着波导传播。通过TIR被保留在波导中的光束角的范围取决于波导与波导外的介质(例如空气)之间的折射率差；折射率差越大，光束角度的数目越大。在某些实施例中，沿着波导传播的光束角的范围与通过衍射元件耦合在波导面外的图像的视野相关，并且与光学系统所支持的图像分辨率相关。另外，发生全内反射的角度范围由波导的折射率决定-在一些实施例中为最小约43度，实际最大值为大约83度，因此在40度范围内。

图14A示出了根据本发明的一些实施例的解决该问题的方法，其中结构1400包括位于衬底1302与顶部光栅表面1304之间的中间层1406(本文中称为“下垫层1406”)。顶面1304包括对应于第一折射率值的第一材料，下垫层1406包括对应于第二折射率值的第二材料，并且衬底1302包括对应于第三折射率值的第三材料。需要指出，可以采用相同或不同材料的任何组合来实现结构1400的这些部分中的每一者，例如，其中所有三种材料都不同(并且所有三种材料对应于不同的折射率值)，或者其中两层共享相同的材料(例如，三种材料中的两种是相同的，因此共享与第三种材料的折射率值不同的共同反射率值)。可以采用折射率值的任何组合。例如，一个实施例针对下垫层包括低折射率，针对表面光栅和衬底包括较高的折射率值。下面描述其他示例配置，其具有折射率值的其他示例性组合。可以使用任何合适的材料集来实现结构1500。例如，聚合物、玻璃和蓝宝石都是能够被选择以实现结构1400的任何层的材料的示例。

如图15A所示，在一些实施例中，理想地实现使用相对高折射率衬底作为波导衬底1302的结构1500，该结构具有相对低折射率下垫层1406和相对低折射率顶部光栅表面1304。这是因为通过关系n1*sin(θ1)＝n2*sin(90)，当折射率增大时，最小全内反射角减小，因此能够获得更大的视野。对于折射率为1.5的衬底，临界角为41.8度；然而，对于为1.7的衬底折射率，临界角为36度。

只要包括光栅的材料层在光栅与衬底之间不太厚，就能够使用形成在高折射率衬底上的光栅来耦合光，即使它们本身具有低折射率。这与以下事实有关：对于具有这种配置的全内反射(“TIR”)，能够具有更广泛的角度范围。换言之，通过这样的配置，TIR角度降低到较低的值。另外，需要指出，许多当前的蚀刻工艺可能不是很适合延伸到高折射率玻璃。在一些实施例中，理想地是可靠且低成本地复制外耦合层。

可以例如通过改变下垫层1406的厚度来调整下垫层1406的配置以改变结构1500的性能特征。图15A的配置(该配置包括位于顶部的包含相对低折射率材料的光栅结构1304、关联的低折射率下垫层1406，并且还包括关联的高折射率导光衬底1302)可以被建模以产生诸如图15B所示的数据。参考该图，左侧的图1502a与具有零厚度下垫层1502的配置相关。中间的图1502b示出了0.05微米厚下垫层1502的数据。右侧的图1502c示出了0.1微米厚下垫层1502的数据。

如这些图中的数据所示，随着下垫层厚度的增加，取决于入射角的衍射效率变得更具非线性，并且在高角度处被抑制，这可能是不希望的。因此，在这种情况下，对下垫层的控制是重要的功能性输入。然而，需要指出，对于零厚度下垫层以及具有低折射率的仅光栅特征本身，该结构所支持的角度范围由高折射率基底材料中的TIR条件而不是低折射率光栅特征材料来决定。

参考图16A，其中示出了结构1600的一个实施例，其特征是在低折射率衬底1302上具有相对高折射率下垫层1406，其中顶面衍射光栅1304的折射率低于下垫层1406，并且可以与衬底1302的折射率相比，但是不一定等于衬底1302的折射率。例如，顶面光栅可以对应于为1.5的折射率，下垫层可以对应于为1.84的折射率，并且衬底可以对应于为1.5的折射率。针对该示例假设周期是0.43微米，而λ对应于0.532微米。

与这种配置相关的模拟在图16B中示出。如该图的图1602a中所示，对于0.3微米厚的下垫层1406，衍射效率就像上述配置那样下降，但是在角度范围的较高端开始上升。对于0.5微米厚的下垫层1406配置也是如此，如图1602b所示。在这些(0.3微米、0.5微米)配置的每一者中，效率在角度范围的更高极限处相对较高是有益的。此类功能性可能倾向于抵消上面讨论的更稀疏的反射间隔问题。该图的图1602c中还示出了具有90度旋转极化情况的实施例，其中衍射效率如可能预期的那样降低，但是显示出期望的行为，因为与较浅角度相比，在较陡峭的角度上提供更高的效率。

实际上，在一些实施例中，针对角度的衍射效率可以在高角度处增加。这可能是一些实施例的理想特征，因为它有助于补偿可能在高传播角度处发生的低反射间隔。因此，在需要补偿低反射间隔(在高传播角度处发生)的实施例中，图16A的结构配置可以是优选的，因为它能够提升针对在高角度处增大的角度的衍射效率，这对于上述单片配置是理想的。

参考图17A，示出了另一结构1700，其中下垫层1406的折射率基本上高于衬底1302的折射率。光栅结构1304位于顶部，并且折射率也高于下垫层1406的折射率。例如，顶面光栅可以对应于为1.86的折射率，下垫层可以对应于为1.79的折射率，并且衬底可以对应于为1.5的折射率。如同之前一样，针对该示例假设周期为0.43微米并且λ对应于0.532微米。

参考图17B，图1702示出了图17A的结构1700的模拟数据。如图1702所示，所得到的衍射效率与入射角的关系曲线显示了理想的一般行为，以帮助补偿相对高的入射角度处的上述低反射间隔，并且通常跨更大角度范围拥有合理的衍射效率。

需要指出，下垫层1406不需要跨整个衬底是均匀的。下垫层1406的任何特征可以在衬底的不同位置处变化，例如下垫层1406的厚度、组成和/或折射率的变化。改变下垫层1406的特性的一个可能的原因是在显示系统内的显示图像和/或光的不均匀透射中存在已知的变化时促进均匀的显示特性。

例如，如图18A所示，考虑波导结构是否在波导上的单个内耦位置1802处接收入射光。当入射光注入到波导1302时，随着其沿着波导1302的长度的传播，所保留的光将越来越少。这意味着内耦位置1802附近的输出光可能最终比沿着波导1302的长度更远的输出光“更亮”。如果下垫层1406沿波导1302的整个长度是均匀的，则下垫层1406的光学效应可以跨衬底增强这种不均匀的亮度水平。

可以跨衬底1302调整衬底1406的特征以使输出光更均匀。图18B示出了一种方法，借以改变跨波导衬底1302的长度的下垫层1406的厚度，其中下垫层1406在内耦位置1802附近更薄，并且在距离位置1802较远的距离处变厚。以这种方式，下垫层1406促进更大衍射效率的效应能够至少部分地减轻沿着波导衬底1302的长度的光损耗的影响，从而促进跨整个结构的更均匀的光输出。

图18C示出了一种替代方法，其中下垫层1406的厚度不变，但下垫层1406的折射率跨衬底1302改变。例如，为了解决位置1802附近的输出光趋向于比距离位置1802更远的位置更亮的问题，下垫层1406的折射率能够被配置为与接近位置1802的衬底1302的折射率相同或相似，但是在距离位置1802较远的位置处，这些折射率值的差增加。下垫层1406材料的组成可以在不同的位置处变化以实现不同的折射率值。图18D示出了一种混合方法，由此下垫层1406的厚度和折射率都跨衬底1302变化。需要指出，可以结合或代替改变下垫层1406，采用这一相同的方法来改变顶部光栅表面1304和/或衬底1302的厚度和/或折射率。

因此，可以使用各种组合，其中具有一个折射率的下垫层1406被与具有另一折射率的顶部光栅1304以及具有第三折射率的衬底1302相组合，并且其中调整这些相对值提供了大量依赖于入射角上的衍射效率的变化。提供了具有不同折射率层的分层波导。提供各种组合和排列以及相关的性能数据以例示功能。优点包括增大的角度，这提供了增大的光栅1304的输出角度，因此提供增大的目镜视野。此外，抵消角度衍射效率的正常降低的能力在功能上是有益的。

图14B示出了在光栅层1304上放置另一层材料1409(顶面)的一个实施例。可以通过配置实现层1409以解决不同的设计目标。例如，层1409能够在多个堆叠的衍射结构1401a和1401b之间形成间隙层，例如，如图14C所示。如图14C所示，该间隙层1409可用于去除任何气隙/间隙，并为堆叠的衍射组件提供支撑结构。在这种用例下，层1409可以由具有相对低的折射率(例如约1.1或1.2)的材料形成。尽管在该图中未示出，但也可以在衍射结构1401a和1401b之间设置其他层(例如弱透镜)。

此外，层1409可以由具有相对高的折射率的材料形成。在这种情况下，层1409上的光栅(而不是光栅表面1304)将为所有的或大部分的入射光提供衍射效应。

显然，可以为包括层1409的不同层选择折射率值的不同相对组合，以获得所需的光学效应和结果。

可以使用任何合适的制造技术来制造这种结构。某些高折射率聚合物(例如被称为“MR 174”的高折射率聚合物)可以被直接压花、印刷或蚀刻以产生所需的图案化结构，尽管可能存在与这些层的处理收缩等相关的难题。因此，在另一实施例中，可以在高折射率聚合物层(即诸如MR 174之类的层)上印刻、压花或蚀刻另一种材料以产生功能上相似的结果。现有技术的印刷、蚀刻(即，其可以包括与常规半导体工艺中使用的抗蚀剂去除和图案化步骤类似的步骤)和压花技术可以被利用和/或组合以完成此类印刷、压花和/或蚀刻步骤。类似于在例如DVD制造中使用的成型技术也可用于某些复制步骤。此外，在印刷和其他沉积工艺中使用的某些喷射或沉积技术也可用于精确地沉积某些层。

本公开的以下部分现在将描述用于实现在衬底上形成图案以进行衍射的改进方法，其中根据本发明的一些实施例执行所沉积的印刻材料的印刻。这些方法允许印刻材料的非常精确的分布，以及在任意数量的衬底表面上非常精确地形成不同的印刻图案。需要指出，以下描述可以与上述光栅配置结合使用以及用于实现上述光栅配置。然而，明确地指出，本发明的沉积方法也可以与其他配置一起使用。

根据一些实施例，执行印刻材料的图案化分布(例如，图案化喷墨分布)以实现将印刻材料沉积在衬底上。这种使用图案化喷墨分布的方法允许对要沉积的材料进行非常精确的体积控制。此外，该方法可用于在光栅表面下提供更小、更均匀的基础层—并且如上所述，层的基础厚度可以对目镜/光学器件的性能具有显著影响。

图19示出了用于在单个衬底上实现印刻材料的精确的可变体积沉积的方法。如图所示，提供模板1902，该模板具有第一组较深深度结构1904和第二组较浅(例如标准)深度结构1906。当将印刻材料沉积在印刻接受体1908上时，相对大体积的印刻材料1910对应于具有模板1902的较深深度结构1904的模板部分被沉积。相比之下，相对小体积的印刻材料1912结合模板1902的较浅深度结构1906被沉积。该模板然后用于将第一和第二组深度结构印刻到印刻材料中，从而形成在印刻材料中具有不同深度和/或图案的相应结构。因此，这种方法允许在印刻接受体1908上同时形成不同的特征。

可以采用这种方法来创建对于具有不同深度和/或特征参数的结构(例如，其中特征结构位于同一衬底上且具有不同的厚度)有意不均匀的分布。这例如可用于创建使能同时印刻下垫层厚度相同而深度可变的结构的空间分布的印刻材料体积。

图19的底部示出了通过上述沉积技术/装置形成的结构1920，其中尽管存在图案深度和体积的差异，但是下垫层1922具有均匀的厚度。可以看出，在结构1920中已经沉积的印刻材料具有不均匀的厚度。在此，顶层1924包括具有第一组层厚度的第一部分1926，而第二部分1928具有第二组层厚度。在该示例中，与部分1928的标准/较浅厚度相比，部分1926对应于较厚的层。然而，需要指出，可以使用本发明的概念来构造任何厚度组合，其中在下垫层上形成比标准厚度厚和/或薄的厚度。

例如，这种能力还可用于沉积更大体积的材料以用作例如间隔物元件，从而有助于构建多层衍射光学元件。

一些实施例涉及一种用于实现将多种类型的印刻材料同时沉积在衬底上的方法。这允许具有光学性质的材料跨衬底的多个部分被同时沉积。该方法还提供了调整与特定功能相关联的局部区域的能力，例如以便用作内耦光栅、正交光瞳扩展器(OPE)光栅或出射光瞳扩展器(EPE)光栅。

图20示出了根据一些实施例的用于实现将多种不同印刻材料定向同时沉积在同一层中的方法和印刻步骤。如图所示，提供模板2002以将图案印刻到印刻接受体2008上的不同类型的印刻材料2010和2012中。材料2010和2012可以包括具有不同光学性质的相同材料(例如，具有不同折射率的相同材料的两种变体)或两种完全不同的材料。

当采用该技术时，可以考虑和选择材料的任何光学特性。例如，如图20的实施例所示，材料2010对应于沉积在印刻接受体2008的一个截面中的高折射率材料，同时，材料2012对应于沉积在第二截面的区域中的较低折射率材料。

如所得到的结构2020所示，这形成具有高折射率部分2026和低折射率部分2028的多功能衍射光学元件。在这种情况下，与第一功能相关的高折射率部分2026以及与第二功能相关的部分2028被同时印刻。

虽然该示例说明性地将材料的折射率识别为在同时沉积材料时“调整”的光学性质，但是需要指出，当识别要在结构的不同部分中沉积的材料类型时，也可以考虑其他光学性质。例如，不透明度和吸收性是可用于识别要沉积在结构的不同部分中的材料以调节最终产品的局部特性的其他性质。

此外，一种类型的材料可以在印刻之前被沉积在另一材料上方/下方。例如，一种折射率材料可以在印刻之前直接沉积在第二折射率材料下方，从而产生梯度折射率以形成衍射光学元件。这可用于例如实现图17A所示的结构(或上述或附图中的任何其他相关结构)。

根据另一实施例，可以采用多面印刻来印刻光学结构的多个侧面。这允许在光学元件的不同侧面上进行印刻，以通过基础层体积实现功能的多路复用。以这种方式，可以在不对光栅结构功能产生不利影响的情况下实现不同的目镜功能。

图21A-B示出了在全内反射衍射光学元件的上下文中实现双面印刻的示例方法。如图21A所示，可以使用第一模板2102a在衬底/印刻接受体2108的侧面“A”上产生一个印刻。这在结构的侧面A上形成具有第一材料的第一图案2112。

如图21B所示，可以使用模板2102b在同一衬底的侧面“B”上产生第二印刻。这在衬底的侧面B上形成具有第二材料的第二图案2114。

需要指出，侧面A和B可以具有相同或不同的图案，和/或可以具有相同或不同类型的材料。此外，每侧的图案可以包括变化的层厚度(例如，使用图19的方法)和/或在同一侧具有不同的材料类型(例如，使用图20的方法)。

如图22所示，衬底2108的侧面A上印刻了第一图案2112，在相对侧B上印刻了第二图案2114。现在可以实现所得到的双面印刻元件2200的复合功能。具体而言，当将输入光施加到双面印刻元件2200时，一些光从元件2200射出以实现第一功能1，而其他光射出以实现第二功能2。

附加实施例涉及多层覆盖印刻和/或多层分离/偏移衬底集成。在这些方法的任一者/全部两者中，先前印刻的图案可以再次被喷射和印刷。可以将粘合剂喷射到第一层上，且第二衬底与该第一层接合(可能具有气隙)，并且随后的喷射处理可以沉积在第二衬底上并进行印刻。一系列印刻图案可以通过卷对卷处理依次相互接合。需要指出，实现多层覆盖印刻的方法可以与多层分离/偏移衬底集成方法结合使用或替代多层分离/偏移衬底集成方法。

图23示出了用于实现多层覆盖印刻的方法。在此，可以将第一印刻材料2301沉积在衬底2308上并进行印刻。之后沉积第二印刻材料2302(并且可能印刻第二印刻材料2302)。这导致具有第一印刻材料2301和第二印刻材料2302两者的复合多层结构。在一个实施例中，可以针对第二印刻材料2302实现后续印刻。在一个备选实施例中，不针对第二印刻材料2302实现后续印刻。

图24示出了用于实现多层分离/偏移衬底集成的方法。在此，第一衬底1和第二衬底2可以被沉积有印刻材料并且然后被印刻。之后，可以将衬底1和衬底2夹在一起并接合(可能具有偏移特征(也被印刻))，该偏移特征在一个实施例中提供衬底2的有源结构与衬底1的背面之间的气隙2402。可以使用印刻的间隔物2404来产生气隙2402。

根据又一实施例，公开了一种实现跨衬底分布的可变体积材料沉积的方法，该方法可依赖于对表面不均匀性的先验知识。为了解释，考虑图25所示的衬底2502。如图所示，衬底2502的表面不均匀性可能导致不理想的平行度，从而降低光学性能。在这种情况下，可以测量衬底2502(或先前印刻的层)的变化性。

可以使用可变体积印刻材料沉积来独立于下垫层地形或物理特征集来提供要沉积的印刻材料的水平分布。例如，可以通过真空吸盘将衬底拉平，并执行原位计量以评估表面高度(例如通过低相干性或基于激光的接触测量探针)。印刻材料的分散量可以根据测量数据而变化，以在复制时产生更均匀的层。在该示例中，衬底的部分2504a具有最大水平的变化性，部分2504b具有中等水平的变化性，以及部分2504c具有最低水平的变化性。因此，高体积印刻材料可以沉积在部分2504a中，中等体积印刻材料沉积在部分2504b中，低/标准体积印刻材料沉积在部分2504c中。如所得到的产品2506所示，这导致更均匀的总衬底/印刻材料/印刻图案厚度，这又可以调整或有益于印刻设备的性能。

需要指出，虽然该示例显示了由于厚度不均匀引起的变化性，但是本发明的该实施例也可以解决其他类型的不均匀性。在另一实施例中，变化性可能是由存在与衬底上的局部位置相关联的凹坑、尖峰或其他异常或特征引起的。

在前面的说明书中，已经参考本发明的具体实施例描述了本发明。然而很明显，在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。例如，参考处理动作的特定顺序描述了上述处理流程。但是，许多所述的处理动作的顺序可以在不影响本发明的范围或操作的情况下被改变。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。

此处描述了本发明的各种实例实施例。对这些实例的参考没有任何限制。这些实施例的提供是为了阐述本发明更广泛的应用方面。在不偏离本发明的真正精神和范围的情况下，可以对所描述的发明做出各种更改，并且可以使用等同物进行替换。此外，可以做出许多修改以使特定情况、材料、组成物、处理、处理动作(多个)或步骤(多个)适应本发明的目标(多个)、精神或范围。进一步地，本领域的技术人员将理解，此处描述和阐述的各个变型具有分离的组件和特征，在不偏离本发明的范围或精神的情况下，这些分离的组件和特征可以容易地与其它多个实施例中的任一实施例的特征分离或组合。所有这些修改旨在处于与本公开关联的权利要求的范围内。

本发明包括可以使用主体设备执行的方法。这些方法可以包括提供此类适当设备的动作。此类提供可以由最终用户执行。换言之，“提供”动作只需要最终用户获取、存取、接近、定位、设置、激活、通电或其它动作以提供主体方法中的必要设备。此处描述的方法可以按照在逻辑上可行的所述事件的任意顺序执行，以及按照所述的事件顺序执行。

上面已经描述了本发明的各个实例方面以及有关材料选择和制造的细节。对于本发明的其它细节，可以结合上面引用的专利和公开以及本领域的技术人员的常识进行理解。对于本发明的基于方法的方面，通常采用或在逻辑上采用的更多动作也是通过上述方式进行理解。

此外，尽管已经参考可选地结合多个特征的多个实例描述了本发明，但是，本发明不限于相对于本发明的每种变型所构想的描述内容或指示内容。在不偏离本发明的真正精神和范围的情况下，可以对所描述的发明及等同物(无论是此处描述的，还是为了简单起见未包括的)做出各种更改。此外，如果提供了值范围，将理解，位于该范围以及其它任何所述范围的上限与下限之间的每个中间值或所述范围中的中间值包含在本发明内。

另外，构想了所描述的发明变型的任何可选特征可以独立地，或者与此处描述的任何一个或多个特征组合地被列出和要求保护。对单一项的引用包括可能存在多个相同的项。更具体地说，如在本文以及关联的权利要求中使用的那样，单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”包括多个指示物，除非明确地另有所指。换言之，冠词的使用在与本公开关联的上述描述以及权利要求中允许“至少一个”主体项。进一步需要指出，上述权利要求可以在撰写时排除任何可选的元素。因此，本声明旨在用作结合权利要求元素的详述使用诸如“单独地”、“唯一地”等之类的独占性术语或者使用“负面”限制的前置基础。

在不使用此类独占性术语的情况下，与本公开关联的权利要求中的术语“包括”应允许包含任何附加元素(与这些权利要求中是否列出给定数量的元素无关)，或者可以将特征的增加视为改变在这些权利要求中列出的元素的性质。在保持权利要求有效性的同时，除了此处明确定义的之外，在此使用的所有技术和科学术语被赋予可能的最广泛的容易理解的含义。

本发明的范围不限于所提供的实例和/或主题说明书，而是仅由与本公开关联的权利要求语言的范围限定。

所示实施例的上述描述并非旨在是穷尽性的或将实施例限于所公开的精确形式。尽管本文为了说明的目的描述了具体的实施例和示例，但是相关领域的技术人员将认识到，可以在不偏离本公开的精神和范围的情况下进行各种等同的修改。本文提供的各种实施例的教导可以应用于实现虚拟或AR或混合系统，和/或采用用户界面(不一定是上面通常描述的示例AR系统)的其他设备。

例如，前面的详细描述已经通过使用框图、示意图和示例阐述了设备和/或处理的各种实施例。这些框图、示意图和示例包含一个或多个功能和/或操作，本领域的技术人员将理解，可以通过各种硬件、软件、固件或它们的几乎任何组合来单独地和/或共同地实现这些框图、流程图或示例中的每个功能和/或操作。

在一个实施例中，本主题可以通过专用集成电路(ASIC)来实现。然而，本领域的技术人员将认识到，本文公开的实施例的全部或部分可以等同地在标准集成电路中实现，作为由一个或多个计算机执行的一个或多个计算机程序(例如，作为在一个或多个计算机系统上运行的一个或多个程序)实现，作为由一个或多个控制器(例如，微控制器)执行的一个或多个程序实现，作为由一个或多个处理器(例如，微处理器)执行的一个或多个程序实现，作为固件实现，或者作为它们的几乎任何组合实现，并且将认识到，根据本公开的教导，本领域的技术人员将完全可以设计电路和/或编写软件和/或固件的代码。

当逻辑被实现为软件并存储在存储器中时，逻辑或信息可以存储在任何计算机可读介质上以供任何与处理器相关的系统或方法使用或与之结合使用。在本公开的上下文中，存储器是计算机可读介质，其是包含或存储计算机和/或处理器程序的电、磁、光或其他物理设备或装置。逻辑和/或信息可以体现在任何计算机可读介质中，以由指令执行系统、装置或设备使用，或者与之结合使用，这些指令执行系统、装置或设备例如是基于计算机的系统、包含处理器的系统，或可以从指令执行系统、装置或设备获取指令，并执行与逻辑和/或信息相关联的指令的其他系统。

在本说明书的上下文中，“计算机可读介质”可以是能够存储与逻辑和/或信息相关联的程序的任何元件，这些程序由指令执行系统、装置和/或设备使用或与其结合使用。计算机可读介质例如可以是—但不限于—电、磁、光、电磁、红外或半导体的系统、装置或设备。计算机可读介质的更具体的示例(非穷举列表)将包括以下项：便携式计算机盘(磁盘、紧凑型闪存卡，安全数字等)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦写可编程只读存储器(EPROM、EEPROM或闪存)、便携式光盘只读存储器(CDROM)、数字磁带和其他非暂存介质。

本文描述的许多方法可以被变化地执行。例如，许多方法可以包括附加的动作，省略一些动作，和/或按照与所示或所述的顺序不同的顺序执行动作。

可以组合上述各种实施例以提供进一步的实施例。在与本文的具体教导和定义一致的范围内，所有美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利公开在本说明书中提及和/或在申请数据表中列出。如果需要，可以修改实施例的多个方面以采用各种专利、申请和公开的系统、电路和概念来提供进一步的实施例。

根据上述详细描述，可以对实施例做出上述以及其他更改。通常，在下面的权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限于本说明书和权利要求书中公开的具体实施例，而应被构想为包括所有可能的实施例以及有权要求被保护的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

此外，上述各种实施例可以被组合以提供进一步的实施例。如果需要，可以修改实施例的多个方面以采用各种专利、申请和公开的概念，以便提供更进一步的实施例。

根据上述详细描述，可以对实施例做出上述以及其他更改。通常，在下面的权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限于本说明书和权利要求书中公开的具体实施例，而应被构想为包括所有可能的实施例以及有权要求被保护的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (20)

1.一种用于制造衍射光学元件的方法，所述方法包括：

将一组或多组材料沉积在衬底上；

识别其上形成有印刻图案的模板；

使用所述模板将所述印刻图案印刻在所述衬底上的所述一组或多组材料中；以及

其中所述印刻图案包括用于所述衍射光学元件的衍射图案。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述衬底上的所述一组或多组材料包括材料的第一部分和材料的第二部分；

所述模板包括第一组深度结构和第二组深度结构，所述第一组深度结构具有不同于所述第二组深度结构的深度；

所述印刻图案包括第一图案和第二图案；以及

同时在所述衬底上形成所述第一图案和所述第二图案，其中所述模板使用所述第一组深度结构将所述第一图案印刻在所述材料的所述第一部分上，并且所述模板使用所述第二组深度结构将所述第二图案印刻在所述材料的所述第二部分上。

3.根据任一上述权利要求所述的方法，其中所述第一图案对应于第一衍射光栅图案并且所述第二图案对应于第二衍射光栅图案。

4.根据任一上述权利要求所述的方法，其中所述材料的所述第一和第二部分对应于所述材料在所述衬底上的非均匀分布。

5.根据任一上述权利要求所述的方法，其中所述衬底形成均匀厚度下垫层，使得所述第一和第二图案形成所述均匀厚度下垫层的可变深度结构。

6.根据任一上述权利要求所述的方法，其中所述衬底上的所述一组或多组材料包括材料的第一部分和材料的第二部分，所述材料的所述第一部分具有不同于所述材料的所述第二部分的光学性质。

7.根据任一上述权利要求所述的方法，其中所述材料的所述第一部分与所述材料的所述第二部分之间的不同光学性质对应于不同的折射率、不透明度或吸收性。

8.根据任一上述权利要求所述的方法，其中所述材料的所述第一部分在印刻之前被沉积在所述材料的所述第二部分上。

9.根据任一上述权利要求所述的方法，其中：

所述衬底上的所述一组或多组材料包括第一材料部分和第二材料部分，所述第一材料部分位于所述衬底的第一面上并且所述第二材料部分位于所述衬底的第二面上；

将第一图案印刻在所述衬底的所述第一面上的所述第一材料部分中；以及

将第二图案印刻在所述衬底的所述第二面上的所述第二材料部分中。

10.根据任一上述权利要求所述的方法，其中所述第一图案不同于所述第二图案。

11.根据任一上述权利要求所述的方法，其中所述第一材料部分是不同于所述第二材料部分的材料。

12.根据任一上述权利要求所述的方法，其中所述衬底上的所述一组或多组材料包括材料的第一部分和材料的第二部分，其中在所述材料的所述第二部分的沉积之前沉积并印刻所述材料的所述第一部分。

13.根据任一上述权利要求所述的方法，其中在所述材料的所述第二部分上执行印刻。

14.根据任一上述权利要求所述的方法，其中具有第一印刻图案的第一衬底覆盖在具有第二印刻图案的第二衬底上。

15.根据任一上述权利要求所述的方法，其中具有所述第一印刻图案的所述第一衬底接合到具有所述第二印刻图案的所述第二衬底。

16.根据任一上述权利要求所述的方法，其中间隔物形成具有所述第一印刻图案的所述第一衬底与具有所述第二印刻图案的所述第二衬底之间的气隙。

17.根据任一上述权利要求所述的方法，其中所述一组或多组材料的多个可变层被沉积在所述衬底上。

18.根据任一上述权利要求所述的方法，其中通过测量所述衬底的表面均匀度的变化性来识别被沉积在所述衬底上的所述一组或多组材料的所述多个可变层。

19.根据任一上述权利要求所述的方法，其中所述一组或多组材料通过喷墨沉积被沉积在所述衬底上。

20.一种使用根据权利要求1-19所述的任一方法形成的衍射光学元件。