CN110352377B - 用于显示波导的超表面光学耦合元件 - Google Patents

用于显示波导的超表面光学耦合元件 Download PDF

Info

Publication number
CN110352377B
CN110352377B CN201880015482.4A CN201880015482A CN110352377B CN 110352377 B CN110352377 B CN 110352377B CN 201880015482 A CN201880015482 A CN 201880015482A CN 110352377 B CN110352377 B CN 110352377B
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
substrate
waveguide
optical
transmissive substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201880015482.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110352377A (zh
Inventor
E·格利克
H·埃德尔斯塔因
B·C·克雷斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Microsoft Technology Licensing LLC
Original Assignee
Microsoft Technology Licensing LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Microsoft Technology Licensing LLC filed Critical Microsoft Technology Licensing LLC
Priority to CN202210354990.3A priority Critical patent/CN114660702A/zh
Publication of CN110352377A publication Critical patent/CN110352377A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110352377B publication Critical patent/CN110352377B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0023—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed between the light guide and the light source, or around the light source
    • G02B6/0026—Wavelength selective element, sheet or layer, e.g. filter or grating
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0023—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed between the light guide and the light source, or around the light source
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/005—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed on the light output side of the light guide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0112—Head-up displays characterised by optical features comprising device for genereting colour display
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • G02B2027/0125—Field-of-view increase by wavefront division
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form

Abstract

公开了用于一种被配置为与近眼显示器(NED)设备一起使用的光学波导显示器的实施例。在实施例中，该波导显示器包括透光基板和光学耦合元件，该光学耦合元件被配置为将光线输入到基板或从基板输出光线，光学耦合元件被配置为共线地偏转入射光线的多个波长，以在透光基板内通过全内反射(TIR)传播。光学耦合元件可以包括纳米结构图案，其在基板上共同形成超表面。

Description

用于显示波导的超表面光学耦合元件
背景技术
显示技术在增强现实(AR)和虚拟现实(VR)领域中蓬勃发展，以向用户提供更加身临其境的视觉体验。例如，在一些AR应用中，所生成的图像经由透明显示器显示给用户，该透明显示器还允许用户查看周围的物理环境。所生成的图像增加或增强了用户对周围物理环境的体验或认知。
在一些实现方式中，光学波导可以用于将所生成的图像从光学系统中的一个位置空间平移到另一位置。例如，在近眼显示器(NED)设备中，光学波导可以空间平移表示由微显示器生成的图像的传播光线，并且沿着光学路径朝向用户的一只或两只眼睛传送它们。这种技术可以以眼镜、护目镜、头盔、遮挡罩(visor)或一些其他类型的头戴式显示器(HMD)设备或眼部佩戴物的形式并入NED设备中。
发明内容
本文中所介绍的技术包括一种光学波导、一种制造这种光学波导的方法、以及一种包含这种波导的NED设备。在各种实施例中，光学波导可以包括透光基板，其包括多个内部反射表面。光学波导还可以包括光学耦合元件，其形成在基板的表面中的一个表面上或附近。一般而言，光学耦合元件被配置为将光线输入到基板或从基板输出光线。根据本文中所介绍的技术，光学耦合元件可以被配置为共线地偏转入射光线的多个波长，以在透光基板内通过全内反射(TIR)传播。为实现该目的，光学耦合元件可以包括纳米结构的图案，其在基板上共同形成超表面。
根据附图和具体实施方式，该技术的其他方面将是显而易见的。
该发明内容被提供用于以简化形式介绍一些构思的选择，该些构思在下面的具体实施方式中进一步进行描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
在附图的各个图中通过示例而非限制对本公开的一个或多个实施例进行图示，其中相同的附图标记指示相似的元件。
图1示出了其中可以并入本文中所介绍的技术的近眼显示器(NED)设备的示例。
图2A示出了可以包含在图1的NED设备内的显示部件的右侧视图。
图2B示出了可以包含在图1的NED设备内的显示部件的前视图。
图3A示出了被配置为将光传送到图1的NED设备的用户的眼睛的具有单个光学输入端口和单个光学输出端口的示例波导。
图3B示出了被配置为将光传送到图1的NED设备的用户的眼睛的具有多个光学输入端口和单个光学输出端口的示例波导。
图3C示出了被配置为将光传送到图1的NED设备的用户的眼睛的具有单个输入和多个输出的示例波导。
图3D示出了被配置为将光传送到图1的NED设备的用户的眼睛的具有布置在多个输出之间的单个输入的示例波导。
图4是示出了可以包含在图1的NED设备内的示例显示器模块的部件的示意图。
图5是示出了被配置为与图4的显示器模块一起使用的示例光引擎的部件的示意图。
图6是包括处于图1的NED设备的控制电路内的计算机系统的示例硬件部件的框图。
图7示出了光线在波导中的传播。
图8示出了包括各自被配置为传播特定分量颜色的光的三个基板的光瞳中继器。
图9A示出了包括被配置为传播多色光的单个基板的示例波导。
图9B示出了图9A的波导的细节。
图10A示出了可以是图9A的波导的光学耦合元件中的超表面的部分的示例结构的等距视图。
图10B示出了图10A的示例结构的侧视图。
图10C示出了图10A的示例结构的俯视图。
图11示出了用于制造超表面的示例工艺的第一步骤之后具有抗蚀剂材料层的基板的部分的等距视图。
图12示出了图11的基板的部分的俯视图，其中抗蚀剂材料的图案在制造超表面的示例工艺的第二步骤之后被移除。
图13A示出了图11的基板的部分的第二俯视图，其中抗蚀剂材料的图案被移除。
图13B示出了与图13A的俯视图相对应的横截面视图。
图14A示出了图11的基板的部分的俯视图，其中具有在用于制造超表面的示例工艺的第三步骤期间施加在抗蚀剂中的图案上的介电材料层。
图14B示出了与图14A的俯视图相对应的横截面视图。
图15A示出了图11的基板的部分的俯视图，其中多余介电材料在用于制造超表面的示例工艺的第四步骤之后被移除。
图15B示出了与图15A的俯视图相对应的横截面视图。
图16A示出了图11的基板的部分的俯视图，其中抗蚀剂材料在用于制造超表面的示例工艺的第五步骤之后被移除。
图16B示出了与图16A的俯视图相对应的横截面视图。
图17A示出了包括被配置为传播多色光的多个基板的第一示例波导。
图17B示出了包括被配置为传播多色光的多个基板的第二示例波导。
图18A示出了包括混合光学耦合元件的第一示例波导，该混合光学耦合元件包括在基板的一个表面上的超表面以及在基板的第二表面上的表面浮雕光栅。
图18B示出了包括混合光学耦合元件的第二示例波导，该混合光学耦合元件包括在基板的一个表面上的超表面以及在基板的第二表面上的表面浮雕光栅。
图18C示出了包括混合光学耦合元件的第三示例波导，该混合光学耦合元件包括在基板的一个表面上的超表面以及在基板的第二表面上的表面浮雕光栅。
图18D示出了包括混合光学耦合元件的第四示例波导，该混合光学耦合元件包括在基板的一个表面上的超表面以及在基板的第二表面上的表面浮雕光栅。
具体实施方式
在本说明书中，对“一实施例”、“一个实施例”等的引用意指所描述的特定特征、功能、结构或特点包括在本文中所介绍的技术的至少一个实施例中。在本说明书中出现的这些短语并不一定都指同一实施例。另一方面，所提到的实施例也不一定相互排斥。
以下描述通常假设显示设备的“用户”是人。然而，注意，根据本文中所公开的实施例的显示设备可能潜在地由非人类的用户(诸如机器或动物)使用。因此，术语“用户”可以是指那些可能性中的任意可能性，除非可以另外说明或从上下文中是显而易见的。进一步地，除非另有说明，否则术语“眼睛”在本文中用作是指显示设备的任何类型的用户的光学接收器的通用术语，因此可以是指人眼、动物眼或机器实现的光学传感器，其被设计为以类似于人眼的方式检测图像。
诸如HMD设备之类的一些NED设备包括光学系统，其用于将光瞳从一个位置空间平移到另一位置，例如，从微显示器成像器空间平移到用户的眼睛。该光学系统有时被称为光瞳中继系统。NED设备可以包括一个或多个透明波导，其被布置为使得当用户佩戴NED设备时它们直接位于用户的每只眼睛的前面，以将表示所生成的图像的光投影到用户的眼睛中。通过这种配置，由NED设备生成的图像可以被叠加到用户对周围物理环境的视场上。被配置为用于NED设备的波导包括被配置为通过全内反射(TIR)传播光线的反射表面。经由波导将光瞳从一个位置平移到另一位置的一个方面涉及在第一位置处将光线接收到波导中(“耦入”)并且在第二位置处从波导输出光线(“耦出”)。
光线可以经由光学元件从波导耦入和耦出，该光学元件用作光线的光学输入端口或光学输出端口。例如，在一些实现方式中，被配置为耦入和/或耦出光线的光学元件可以包括光栅结构，诸如表面浮雕光栅(SRG)。
由SRG衍射产生的光线的偏转角将取决于入射光线的波长。换句话说，以特定入射角与SRG相互作用的多色光线将倾向于以不同角度偏转，从而将光分成成份颜色。这种现象称为色散。在用于NED设备的光学波导的上下文中，由光学耦合元件引起的色散可以导致图像平移不良(例如，无法聚焦、彩虹效应、窄视场(FOV)等)。
该问题的一种可能的解决方案涉及使用多个波导，每个波导专门被设计为平移特定分量颜色的光。例如，为了将来自于图像的彩色图像送到用户的眼睛，NED设备可以包括三层波导，一层用于传送红色光谱的光，一层用于传送绿色光谱的光，一层用于传送蓝色光谱中的光。虽然在某种程度上有效，但是这种解决方案增加了设备的重量、体积和复杂性。这在NED设备的情形中尤其有害，其中重量轻、尺寸小且简易是重要的可用性标准。
因而，本文中介绍了一种基于波导的显示设备，其通过实现用于波导的消色差光学耦合元件来解决该问题，该光学耦合元件被配置为耦入或耦出多种颜色的光。在一些实施例中，光学耦合元件包括纳米级结构(即，纳米结构，统称为超表面)的图案，其形成在基板表面上或附近，并且被布置为共线地偏转入射光线的多个波长，以在透光基板内通过全内反射(TIR)传播。
图1示出了其中可以并入本文中所介绍的技术的近眼显示器(NED)设备的示例。NED设备140可以为用户(即，设备的佩戴者)提供虚拟现实(VR)和/或增强现实(AR)的显示模式。为了便于描述，此后假设NED设备140是针对AR可视化而设计的HMD设备。
在所图示的实施例中，NED设备140包括机架141、安装到机架141的透明保护遮挡罩142、以及安装到机架141的左右侧臂144。遮挡罩142形成下文所讨论的各种显示元件(未示出)的保护外壳。
机架141是用于遮挡罩142和侧臂144以及用于与本说明书没有密切关系的各种传感器和其他部件(未示出)的安装结构。可以生成用于AR可视化的图像的显示组件(图1中未示出)也被安装到机架141并且被包围在保护遮挡罩142内。遮挡罩组件142和/或机架141还可以容纳控制显示组件的功能性和NED设备40的其他功能的电子器件(未示出)。图1中所示的NED设备140是头戴式显示器HMD设备，并且因此还包括附接到机架141的可调整头带145，NED设备140可以通过该可调整头带145佩戴在用户的头部上。
图2A和图2B分别示出了根据某些实施例的可以包含在NED设备140的遮挡罩142内的显示部件的右侧和前侧正交视图。在NED设备140的操作期间，相对于如所示出的用户的左眼256L和右眼256R定位显示部件。显示部件安装在机架141的内部表面上。机架141在图2A中以横截面示出。
显示部件被设计为例如通过将光投射到用户的眼睛中而在用户对其现实世界环境的视场上叠加三维图像。因而，显示部件包括显示器模块254，其容纳光引擎，该光引擎包括诸如以下各项的部件：一个或多个光源(例如，一个或多个发光二极管(LED))、一个或多个微显示成像器(诸如硅上液晶(LCOS)、液晶显示器(LCD)、数字微镜设备(DMD))；以及一个或多个透镜、分束器和/或波导。显示模块254内的一个或多个微显示器成像器(未示出)可以经由柔性电路连接器255连接到印刷电路板258，该印刷电路板258上安装有图像生成/控制电子器件(未示出)。
针对用户的左眼和右眼中的每只眼，显示部件还包括透明波导载体251，显示器模块254安装到该透明波导载体251；以及一个或多个透明波导252，其堆叠在波导载体251的用户侧上。波导载体251具有中央鼻梁部分210，其左右波导安装表面从该中央鼻梁部分延伸。一个或多个波导252堆叠在波导载体251的左波导安装表面和右波导安装表面中的每个波导安装表面上，以将从显示器模块发射的并且表示图像的光分别投影到用户的左眼256L和右眼256R。显示组件257可以通过中心片(center tap)250安装到机架141，该中心片位于中央鼻梁段210之上的波导载体251的顶部。
图3A示出了具有单个输入光瞳设计的波导252a，其可以安装在波导载体251上以将光传送到用户的特定眼睛(在该示例中，用户的右眼)。可以针对左眼设计类似波导，例如，设计成图3A中所示的波导的(水平)镜像。波导252a是透明的，并且如可以从图2A和图2B中看出，在NED设备的操作期间，其通常直接设置在用户的右眼前方，例如，作为图2A中的波导252中的一个波导。因此，在NED设备140的操作期间从用户的角度示出了波导252a。
波导252a包括单个光学输入端口310a(也称为耦入元件，并且对应于单个输入光瞳)，其在用户佩戴NED设备140时位于波导252a的最接近用户的鼻梁的区域中。在某些实施例中，输入端口310a是DOE或包括DOE，该DOE可以包括例如表面衍射光栅、体积衍射光栅和/或可切换布拉格光栅(SBG)。如将更详细地描述的，在一些实施例中，输入端口310a可以包括由超材料(在本文中也称为超表面)制成的元件。波导252a还包括光学输出端口330a(也称为耦出元件)和传输通道320a。与输入端口310a一样，在某些实施例中，输出端口330a是或包括DOE，其可以包括例如表面衍射光栅、体积衍射光栅和/或SBG。同样，在一些实施例中，输出端口330a是或包括由超材料制成的元件。显示器模块(未示出)的右眼输出端口光学耦合(但不一定物理耦合)到波导310的输入端口310a。在操作期间，显示器模块252(图3A中未示出)将表示右眼的图像的光从其右眼输出端口(未示出)输出到波导252a的输入端口310a。
传输通道320a将光从输入端口311传送到输出端口313，并且可以包括例如表面衍射光栅、体积衍射光栅或反射部件，诸如具有多个内部反射表面的基板。传输通道320a可以被设计为通过使用全内反射(TIR)来实现这点。然后，表示右眼图像的光从输出端口330a投影到用户的眼睛。
如图3B所示，在一些实施例中，波导可以包括多个输入端口310b和312b，例如，以通过多路复用投影图像的不同FOV来提供更大的整体FOV。注意，虽然本公开描述了具有一个或两个输入端口/光瞳和单个输出端口/光瞳的波导，但是结合了本文中所介绍的技术的显示设备针对给定眼睛可以具有多于两个输入端口/光瞳和/或多于一个输出端口/光瞳的波导。进一步地，尽管图3B的示例针对右眼，但是也可以针对左眼设计类似波导，例如，设计成图3B中的波导的(水平)镜像。
如图3B所示，波导252b包括两个单独的输入端口310b和312b、两个传输通道320b和322b、以及输出端口330b。在操作期间，输入端口310b，312b中的每个输入端口(从显示器模块254)针对用户右眼接收表示不同部分的图像的光。传输通道320b，322b中的每个传输通道光学耦合到输入端口310b或312b中的单独输入端口，并且仅将来自对应输入端口310b或312b的光传送到输出端口330b。传输通道320b，322b中的每个传输通道可以是例如通过TIR引导光的内部衍射光栅设计或表面衍射光栅设计。来自图像的两个不同部分的光在输出端口330b处组合，并且作为单个集成图像被投影到用户的眼睛中。
在一些实施例中，左侧输入端口310b针对用户的一只眼睛(例如，右眼)接收图像的左侧部分(例如，一半)，而右侧输入端口312b针对同一只眼睛接收图像的右侧部分(例如，一半)。图像的每个部分可以包括存在于完整图像中的所有颜色分量，例如，红色分量、绿色分量、以及蓝色分量。图像的部分可以以平铺的方式生成，即，它们在空间上连续且不重叠，或者它们可以在空间上至少部分地重叠。进一步地，在其他实施例中，并不生成图像的左右部分，图像的单独部分而是可以为图像的上部和下部，或者图像可以以某种其他方式在空间上进行划分。附加地，波导252b可以具有两个以上的输入端口，在这种情况下，图像可以以三个或更多个单独的图像部分的形式提供给波导252b，其在波导252b中重新集成。
因此，在至少一些实施例中，生成用于用户的给定眼睛的图像的不同部分，并且将该图像的不同部分同时输入到波导的单独输入端口中，然后在波导内重新集成并且投影到用户的眼睛中作为单个集成图像，以产生更大的FOV。在其他实施例中，图像的单独部分可以以时分复用方式而非同时地输入到波导。进一步地，在一些实施例中，输入端口在波导上的物理放置可以与图3B中所示的物理放置不同。例如，输入端口可以在波导上垂直而非水平间隔开，或除了水平之外还可以垂直间隔开。其他输入端口配置也是可能的。
如图3C所示，在一些实施例中，波导252c可以包括多个输出端口330c和332c，例如，以通过多路复用投影图像的不同视场来提供更大的整体视场(FOV)。注意，虽然本公开描述了具有两个输出端口/光瞳和单个输入端口/光瞳的波导，但是结合了本文中所介绍的技术的显示设备针对给定眼睛可以具有多于两个的输入端口/光瞳和/或多于两个的输出端口/光瞳的波导。进一步地，尽管图3C的示例针对右眼，但是也可以针对左眼设计类似的波导，例如，设计成图3C中的波导的(水平)镜像。
如图3C所示，波导252c包括两个单独的输出端口330c和332c、传输通道320c、以及输入端口310c。在操作期间，输入端口310c(从显示器模块254)针对用户的右眼接收表示图像的不同部分的光。传输通道320c光学耦合到输入端口310c，并且将光从输入端口310c传送到输出端口330c和332c。传输通道320c可以是例如通过TIR引导光的内部衍射光栅设计或表面衍射光栅设计。两个输出端口330c和332c中的每个输出端口输出与两个不同部分图像中的一个部分图像相对应的光，并且将图像的相应部分投影到用户的眼睛中作为单个集成图像。
在一些实施例中，左侧输出端口330c针对用户的一只眼睛(例如，右眼)投影图像的左侧部分(例如，一半)，而右侧输出端口332c针对同一只眼睛投影图像的右侧部分(例如，一半)。图像的每个部分可以包括完整图像中存在的所有颜色分量，例如，红色分量、绿色分量、以及蓝色分量。图像的部分可以以平铺的方式生成，即，它们在空间上连续且不重叠，或者它们可以在空间上至少部分地重叠。进一步地，在其他实施例中，并不生成图像的左右部分，图像的单独部分而是可以为图像的上部和下部，或者图像可以以某种其他方式在空间上划分。附加地，波导252c可以具有两个以上的输出端口，在这种情况下，图像可以以三个或更多个单独的图像部分的形式投影到用户的眼睛。
因此，在至少一些实施例中，生成用于用户的给定眼睛的图像的不同部分，并且将该图像的不同部分同时输入到波导的单独输入端口中，然后在波导内重新集成并且投影到用户的眼睛中作为单个集成图像，以产生更大的FOV。在其他实施例中，图像的单独部分可以以时分复用方式而非同时地输入到波导。进一步地，在一些实施例中，输入端口在波导上的物理放置可以与图3C中所示的物理放置不同。例如，如图3D所示，在一些实施例中，示例波导252d可以包括布置在多个输出端口330d和332d之间的输入端口310d。
如图3D所示，波导252d包括输入端口310d、两个传输通道320d和322d、以及两个单独的输出端口330d和332d。在操作期间，输入端口310d(从显示器模块254)针对用户的右眼图像接收表示不同部分的光。传输通道320d和322d光学耦合到输入端口310d，并且将光从输入端口310d传送到输出端口330d和332d。传输通道320d和322d可以是例如通过TIR引导光的内部衍射光栅设计或表面衍射光栅设计。两个输出端口330d和332d中的每个输出端口输出与图像的两个不同部分中的一个部分相对应的光，并且将图像的相应部分投影到用户的眼睛中作为单个集成图像。
在一些实施例中，输出端口可以在波导上垂直而非水平间隔开，或除了水平之外还可以垂直间隔开。可替代地，在一些实施例中，波导的多个输出端口可以彼此重叠而非如图3C和图3D所示并排定向。其他输入和输出端口配置也是可能的。
图4示意性地示出了被配置为与诸如图1中的NED设备140之类的NED设备一起使用的示例显示器模块254，例如，如图2A至图2B所示。注意，图4中所示的示例显示器模块254被配置为与在如图3B中的示例波导252b所示的双输入端口波导一起使用。然而，类似原理可以应用于被配置为与更少或更多输入端口一起使用的显示器模块，例如，如(分别)在图3A和图3C中的示例波导252a和252c所示的。
如图4所示，示例显示器模块254包括光引擎431、光学开关432、以及光瞳中继器433。尽管未示出，但是显示器模块254还可以包括用于用户的另一只眼睛的类似或相同的部件。在一些实施例中，光引擎431包括一个或多个光源(未示出)，诸如一个或多个彩色LED。例如，光引擎431可以包括红色LED、绿色LED、以及蓝色LED，以分别产生图像的红色分量、绿色分量、以及蓝色分量。附加地，光引擎431包括至少一个诸如LCOS成像器的微显示器成像器(未示出)、LCD、或DMD；并且还可以包括一个或多个透镜、分束器、波导和/或其他光学部件(未示出)。
光学开关432控制由光引擎431所输出的、表示图像的每个特定部分的光到两个不同光学路径中的一个光学路径的传播方向。在所图示的实施例中，第一路径用于图像的左半部分并且通向显示器模块254的输出端口434，该显示器模块254耦合到波导252的一个对应输入端口310。另一光学路径用于图像的右侧部分并且包括光瞳中继器433，该光瞳中继器433将图像的该部分传播到显示器模块254的第二输出端口436，该显示器模块254光学耦合到波导252的第二对应输入端口312。
光学开关432基于诸如偏振之类的切换准则来选择性地控制来自光引擎431的光的传播方向。例如，图像的一半可以具有s偏振，而图像的另一半具有p偏振，其中光学开关432沿着一个光学路径传送s偏振光并且沿着另一光学路径传送p偏振光。开关432可以是例如LCD镜子，其依据所施加的电压要么透射光或用作完美反射镜(perfect mirror)。然而，注意，可以使用除偏振之外的切换准则(或多个准则)。例如，时分复用可以用于在光学路径之间进行切换。因此，光学开关432使得单个光引擎431能够将图像的两个光瞳提供给波导252上的两个单独的耦入元件310，312。在仅具有一个输入端口的示例波导中，光学开关432可以将从光引擎431发射的光引导到单个输入端口。
光瞳中继器433是可选的，但是能够实现在波导252上的输入端口310，312之间更大的距离。光瞳中继器433可以使用任何已知或方便的方法和材料来构造，用于将图像光瞳从一个位置转移到另一位置。例如，光瞳中继器433可以由一系列旁轴透镜构造，这些旁轴透镜将光瞳聚焦成中间图像然后使其准直，之后是镜子将光重定向到波导的对应输入端口。
图5示意性地示出了包括某些相关部件的示例光引擎431。图5中的视图来自显示器模块254的右侧。注意，一些实施例可以包括未示出的其他有源和/或无源部件。所图示的实施例中的光引擎431包括至少一个光源571，诸如彩色LED。尽管图5中仅示出了一个光源571，但是实际上，可以为用户的每只眼睛提供多个光源，例如，针对正在被采用的不论何种颜色模型的每个颜色分量(例如，红色、绿色、以及蓝色)提供一个光源。与图5中所示相同或相似配置可以用于组合来自如此多个光源的光。
光引擎431还包括一个或多个成像器(例如，LCOS微显示器)572a和572b，其生成旨在显示给用户的特定眼睛的图像。注意，图5中所示的示例光引擎431包括两个成像器572a和572b，然而另一光引擎可以包括一个或多于两个的成像器。在多个成像器572a和572b的情况下，每个成像器可以生成要向用户显示的图像的一部分。可以在波导之前在一个波导输入处放置延迟器(例如，四分之一波片)以具有进入波导的最佳偏振。
附加地，光引擎431可以包括偏振分束器(PBS)574，575、一个或多个反射透镜576、以及一个或多个四分之一波片577的组合，其生成一个或多个图像并且通过光引擎431的输出端口578传播该一个或多个图像。在图5中所示的示例中，第一PBS 574将来自光源571的s偏振光向上反射到第一微显示器成像器572a，该第一微显示器成像器572a生成图像的一个部分。PBS 574还使得来自光源571的p偏振光径直传播到另一微显示器成像器572b，该另一微显示器成像器572b产生图像的第二部分。然后，图像的两个部分(分别构成s偏振光和p偏振光)向下传播通过PBS 574到达第二PBS 575，该第二PBS575经由四分之一波片(延迟器)577将它们引导到鸟浴池(birdbath)形状的反射透镜76。然后，图像部分被反射透镜576通过四分之一波片577反射回去，然后通过PBS 575。从那里，图像部分通过光引擎431的输出端口578输出，并且提供给显示器模块254中的附加光学器件，如图4中的示例所示。
图6是包括计算机系统的示例硬件部件的框图，该计算机系统位于NED设备140的控制电路600内。控制电路600提供支持NED设备140的其他部件的各种电子器件。在该示例中，控制电路600包括处理单元610；存储器612，其可供处理单元610访问以便存储处理器可读指令和数据；以及通信耦合到处理单元610的通信模块614，其可以充当用于将NED设备连接到另一计算机系统的网络接口。电源616为控制电路600的部件和NED设备140的其他部件(如传感器单元618)提供功率，这些其他部件可以包括但不限于图像捕获设备(例如，相机)、音频捕获设备(例如，麦克风)、以及位置/运动捕获设备(例如，加速度计)。
处理单元610可以包括一个或多个处理器，其包括中央处理单元(CPU)和/或图形处理单元(GPU)。存储器612表示系统可以使用的各种类型的存储器，诸如用于执行期间的应用的随机存取存储器(RAM)、用于包括捕获的图像数据和显示数据在内的传感器数据的缓冲器、用于指令和系统数据的只读存储器(ROM)或闪存、以及用于存储其他项目的其他类型的非易失性存储器，它们中的一些示例是生成表示图像数据的图像光的应用。在该示例中，数据总线620的电连接连接传感器单元618、显示器驱动器624、处理单元610、存储器612、以及通信模块614。数据总线620还通过电源总线622从电源616获得功率，控制电路的所有图示的元件连接到该电源总线622以用于汲取功率。
控制电路600还包括显示器驱动器624，用以选择数字控制数据(例如，控制位)，以表示图像数据，该数字控制数据可以由微显示器电路626和不同的有源部件驱动器解码。有源部件驱动器的示例是显示器照明驱动器628，其将数字控制数据转换为模拟信号，用于驱动照明单元634，该照明单元634包括一个或多个光源(例如，类似于图5中的光源571)，如一个或多个发光二极管(LED)。微显示器632可以是有源透射、发射或反射设备。例如，微显示器632可以类似于参考图5所描述的一个或多个成像器572a-b。微显示器632可以是需要功率的硅上液晶(LCoS)设备或者需要功率来移动各个镜子的基于微机械设备(MEM)的设备。在一些实施例中，波导显示器可以包括一个或多个有源光栅636，诸如SBG。一个或多个有源光栅的控制器630将数字控制数据转换为用于改变一个或多个有源光栅636的特性的信号。
在下文所讨论的一些实施例中，控制电路600可以包括本文中未图示但与NED设备140设备的其他功能(诸如，例如偏振控制、提供音频输出、标识头部方位和位置信息)有关的其他控制单元。在其他实施例中，可以在控制电路600和体现在例如通信地耦合到NED设备140的移动设备(例如，智能电话)中的伴随处理模块之间共享图6中标识的处理和存储器资源中的一些处理和存储器资源。
图7图示了光线在使用波导基板上的耦入元件和耦出元件的光瞳中继器中的传播。如先前关于图3A至图3B所讨论的，在一些实施例中，耦入元件和耦出元件可以是衍射光学元件(例如，SRG)。术语“光瞳中继器”描述了用于将光瞳从一个位置空间转移到另一位置(例如，从入瞳710空间转移到出瞳712)的部件系统。在一些实施例中，光瞳中继器包括具有以下光学特性的波导，该光学特性使得波导的入瞳和出瞳具有基本上相同的尺寸和形状，并且使得输入到光瞳中继器的光线通过全内反射(TIR)传播通过光瞳中继器，使得对应的输出光线的特性与输入光线的特性基本上相同。在该上下文中，“基本上相同”意指这些特性对于人类用户而言没有可感知的差异。在其他实施例中，入瞳的光学特性可能与出瞳的光学特性不同，例如，对于光瞳扩展。
如图7所示，在一些实施例中，光瞳中继器是波导700，其包括带有至少两个表面752和754的透光基板750，这些表面基本上彼此平行并且是内部反射的，以便提供针对基板内传播的光线714的TIR。波导700还包括耦入元件760，其被配置为例如通过以适合于TIR的角度衍射光线714而将光线714输入到基板750。波导700还包括耦出元件762，其被配置为从基板750输出光线714。如先前所讨论的，在一些情况下，耦入元件760和耦出元件762可以包括DOE，诸如表面浮雕衍射光栅(SRG)，其形成为基板750的给定表面(即，与基板内的光线的传播方向平行的表面)的一部分或形成在其附近。例如，图7所示的实施例示出了在基板750的表面752上或附近形成的耦入元件760和耦出元件762。在本说明书中，“附近”意味着距离表面(上方或下方)一微米之内。使每个DOE的深度与其周期相比相对较大可能是期望的。
在图7的实施例中，基板750可以由具有适当光学特性的任何材料或材料的组合制成，以便于通过TIR进行光传播。在一些实施例中，基板750由光学级玻璃制成，例如，通过注射成型工艺形成。在一些实施例中，用于形成基板750的玻璃可以包括二氧化硅(SiO2)。可替代地，在一些实施例中，基板可以由聚合物树脂形成。如所提及的，DOE 760和762可以包括表面浮雕光栅(SRG)。在这样的实施例中，SRG可以是基板750的表面的一部分(例如，通过蚀刻到基板750的表面中形成或者在注射成型工艺期间形成)、可以形成在基板750的表面上(例如，通过在表面上涂覆并且固化材料)、或可以埋设在基板750内。在这样的实施例中，可以假设光瞳中继器中的每个DOE基本上与基板的表面中的至少一个表面共面，这些表面与光瞳中继器的长轴平行(即，每个DOE与这样的表面平行并且在这种表面的一微米深度之内)。
如先前所讨论的，波导中的耦入元件和耦出元件将光线输入波导并且通过偏转光线从波导输出光线，例如，通过由诸如SRG之类的DOE引起的衍射。然而，当通过诸如SRG之类的DOE时，不同波长的光线将以不同的角度偏转。这种现象通常被称为色散。在用于NED设备的波导的上下文中，色散可以对有效地通过光瞳中继器共线传播多色光线的能力产生影响。在没有校正特征的情况下，在入瞳处输入的多色图像可能在出瞳处对于用户而言看起来是扭曲的。例如，由于色散，所以投影在出瞳处的多色图像可能呈现彩虹效应。进一步地，在没有校正特征的情况下，色散可能导致某些波长的光线的FOV有限。
图8图示了用于在光瞳中继器中传播多色光线的技术的一个示例。如图8所示，波导800可以包括多个基板，每个基板被配置为将光的特定分量从入瞳810传播到出瞳812。例如，光瞳中继器800可以被配置为将图像的红色分量、绿色分量、以及蓝色分量从入瞳810传播到出瞳812。具体地，波导800包括多个层状基板850a-c，每个基板具有至少两个表面852a-c和854a-c，它们彼此基本平行并且是内部反射的，以便提供在基板850a-c内传播的特定颜色814a-c(例如，分别为红色、绿色和蓝色)的光线的TIR。
如图8所示，多个基板850a-c中的每个基板具有耦入元件860a-c，其被配置为将特定颜色分量(即，特定波长的)的光线输入到其相应的基板850a-c中。例如，在实施例中，红色分量的光线814a经由元件860a耦入到基板850a，绿色分量的光线814b经由元件860b耦入到基板850b，并且蓝色分量的光线814c经由元件860c耦入到基板850c。如图8中进一步所示，多个基板850a-c中的每个基板具有耦出元件862a-c，该耦出元件862a-c被配置为从其相应的基板850a-c输出特定颜色分量(即，特定波长的)的光线。例如，在实施例中，用于红色分量的光线814a经由元件862a从基板850a耦出，用于绿色分量的光线814b经由元件862b从基板850b耦出，并且用于蓝色分量的光线814c经由元件862c从基板850c耦出。如先前所讨论的，在一些情况下，耦入元件860a-c和耦出元件862a-c可以包括DOE，诸如表面浮雕衍射光栅(SRG)，其形成为相应基板850a-c的给定表面(即，平行于基板内的光线的传播方向的表面)的一部分或形成在其附近。本文中，每个DOE可以被设计为针对TIR和最大FOV耦入和/或耦出特定分量颜色的光线。
参考图8描述的示例波导800在将多色光线从入瞳传播到出瞳可以是有效地。然而，包括多个基板层以传播彩色图像的多个分量颜色可能在NED设备中引入不期望的重量、复杂性和/或成本。
图9A图示了被配置为解决色散问题的波导900的实施例，该波导900包括单个基板，其用于将具有多个波长(即，颜色)的光从入瞳传播到出瞳。如图9A所示，示例波导900包括基板950、耦入元件960、以及耦出元件962。与参照图7和图8所描述的基板一样，基板950包括至少两个表面952和954，它们基本上彼此平行并且是内反射的，以便允许传播光线的TIR。基板950可以由任何透光材料或具有适当光学特性的材料组合制成，以促进光通过TIR传播。在一些实施例中，基板950由玻璃制成，例如，通过注射成型工艺形成。在一些实施例中，用于形成基板950的玻璃可以包括二氧化硅(SiO2)。可替代地，在一些实施例中，基板可以由聚合物树脂形成。
在图9A中描绘的示例实施例中，具有不同波长(即，颜色)的共线光线914a-c从入瞳910经由耦入元件960进入基板950。耦入元件960被配置为共线地偏转入射光线的多个波长，用于通过TIR经由透光基板950传播。换句话说，耦入元件960可以被认为是消色差的，因为它被配置为耦入光，而不会将射入光分离成其成分颜色(例如，通过色散)。由于入射光线914a-c被耦入元件960共线地偏转，所以它们通过内部反射离开表面952和954而共线传播通过基板950，如图9A所示。
在图9A中描绘的示例中，光线914a-c可以表示由NED设备140中的显示器模块254的一个或多个成像器生成的光的分量颜色。在一些实施例中，通过根据颜色模型投影多种分量颜色的光来生成彩色图像。例如，RGB颜色模型通常用于各种成像应用中以再现宽范围的颜色。使用RGB颜色模型，成像器可以生成三种不同颜色的光线。具体地，成像器可以生成落入红色光谱、绿色光谱和蓝色光谱内的光。注意，在任何特定光谱内生成的光本身可以包括多个波长的光。
与耦入元件960类似，耦出元件962可以被配置为使通过基板950传播的入射光线的多个波长朝向出瞳912共线地偏转出基板。例如，出瞳912可以表示NED设备的用户的眼睛。再者，在这种意义上，耦出元件962可以被认为是消色差的。
注意，图9A中所示的光线914a-c仅表示特定入射角。实际上，处于不同入射角的光线可能经由耦入元件960进入基板950，并且在耦出元件962处离开基板950，从而产生平移图像的可见FOV。因而，为了最大化经由波导900显示的结果图像的有效FOV，可以设计耦入元件960和耦出元件962，目标是以适于经由基板950通过TIR传播的角度偏转最大范围的入射光。
如先前所提及的，通常不希望使用周期性衍射光栅(例如，SRG)来耦入和耦出波导显示器中的变化波长的光。这是因为用于偏转入射光线的SRG的衍射效应导致那些光线的色散。这意味着不同颜色的光在耦合界面处以不同角度偏转，并且经由(传播光所需的)TIR的约束在足够宽的FOV上是不可能。相反，需要其他类型的光学元件来耦入和耦出光以实现足以用于NED设备的平移FOV。一般而言，NED设备中的波导显示器应当允许至少30度的总有效FOV。注意，这可以以若干种方式在单波导配置中实现，包括关于图3A至图3C描述的多个输入/输出配置在内。
在一些实施例中，可以实现波导中的光学耦合元件，其包括由超材料形成的一个或多个元件。通常，光学超材料(也称为光子超材料)可以被定义为亚波长结构的任何组合，其被布置为修改界面的光学响应。在传统材料中，光学响应由材料中的原子决定。例如，即使在SRG的情况下，衍射响应至少部分地基于形成SRG的光栅结构的材料的折射率。在光学超材料中，光学响应代替地取决于亚波长结构的布置。因而，可以设计超材料以显示在任何其他天然存在的材料中不可获得的光学特性。
超表面可以包括亚波长结构的密集布置，这些亚波长结构被布置为在入射波前中引入相移，从而允许精确控制光线的偏转。这种控制光线偏转的能力还可以应用于光瞳中继器系统中的光学耦合元件。例如，图9B示出了关于图9A描述的示例耦合元件960的细节980，其包括结构图案966，其共同形成布置在基板950的表面952上或附近的超表面。为了说明的目的，以夸大的特征示出了以细节980描绘的示例结构。细节不旨在关于相应光学元件的特征的数目、形状、布置、方位或尺寸赋予限制。在其他实施例中，元件960可以具有不同的结构图案。如图9B所示，并且如关于图9A所描述的，基于超表面的耦合元件960可以被设计为以相同的角度偏转入射光线的多个波长，以使得能够通过TIR共线传播通过基板950。换句话说，以特定角度进入基板950的不同颜色的光线将经由耦合元件以相同的角度偏转，从而使得能够通过TIR共线传播通过基板。注意，为了说明的目的，示出了细节980中描绘的结构966的示例布置，并且该布置并不一定表示适合于特定波导显示器的布置。例如，细节980描绘了具有单层超表面966的光学元件。在一些实施例中，被配置为耦入或耦出光的多个分量颜色的光学耦合元件可以包括多个层状超表面，每个超表面被设计为通过光的特定光谱带(例如，红色、绿色、蓝色等)“可见”。在这种配置中的层状超表面中的每个层状超表面可以被设计为使落入特定光谱带内的入射光以特定角度偏转。
图10A至图10C示出了当以图案布置时(例如，如图9B的细节980中所示)可以形成适用于光学耦合元件的超表面的示例结构1010的各种视图。具体地，图10A示出了相对于基板基部1050布置的示例结构1010的等距视图，图10B示出了相对于基板基部1050布置的示例结构元件1010的侧视图，以及图10C示出了相对于基板基部1050布置的示例结构1010的俯视图。图10A至图10C中所描绘的基板基部1050可以表示图9A至图9B中所描绘的示例波导900的基板950的一部分。结构1010和基板的该一部分的组合可以被称为具有尺寸C x C的超表面的单位单元(unit cell)。
图10A至图10C的结构元件1010以“纳米鳍(nanofin)”的示例形式描绘，其形成在基板1050的表面上(或附近)。然而，本发明不限于基于纳米鳍的超表面。如将描述的，形成给定超表面的结构可以包括任何类型的纳米结构。如图10A至图10C所示，示例超表面的任何给定单位单元可以包括具有高度H、宽度W、长度L和相对方位角θ的结构元件1010。在一些实施例中，上文所列出的超表面的单位单元中的任何给定结构元件的尺寸会在整个超表面上变化，例如，如图9B中的细节980中所示。进一步地，图10A至图10C中所描绘的示例结构1010未必按比例示出。图10A至图10C中列出的尺寸之间的比例依据要求或特定实现方式而变化。进一步地，在其他实施例中的纳米结构可能不会呈现出与图10A至图10C所示的结构1010所描绘的相同或相似的长方体形状。在其他这样的实施例中，形成超表面的结构可以呈现不同的(并且在一些情况下)更复杂的形状，其仅受生产结构所采用的制造技术的限制。
如先前所提及的，图10A至图10C中描绘的结构通常可以表征为纳米鳍。然而，在一些实施例中，形成给定超表面的结构可以包括其他类型的纳米结构，诸如纳米柱、纳米天线(例如，V形等)、纳米棒、纳米线和其他类型的纳米结构。例如，在一些实施例中，超表面可以包括纳米柱。在这样的实施例中，每个纳米柱可以包括具有圆形或椭圆形横截面和高度的大致柱形结构。在一些实施例中，每个纳米柱在基部处包括较宽的横截面并且在顶部处朝向较小的横截面逐渐变细。形成给定超表面的纳米柱可以被设计为实现入射光波的圆形和/或椭圆形偏振。在其他实施例中，超表面可以包括由布置在基板表面上的一系列(周期性和/或非周期性)纳米线形成的谐振光栅。给定超表面中包括的纳米结构的类型、尺寸和布置将取决于所需的光学特性。如先前所讨论的，形成光学耦合元件的给定超表面的结构通常可以称为“亚波长”结构。换句话说，在一些实施例中，给定结构图案中的结构之间的间隔可以小于选定的光波长。例如，在实施例中，光学耦合元件960，962可以被配置为耦入和/或耦出红色光谱(～650nm波长)、绿色光谱(～520nm波长)、以及蓝色光谱(约460nm波长)中的光线。被配置为偏转这些分量波长的光的超表面可以包括具有大致以下尺寸的纳米结构的单位单元：C～150nm，H～1000nm，W～25nm、以及L～75nm。注意，提供这些示例尺寸仅是为了说明相对于所讨论的光的波长形成超表面的结构的一般比例。如所提及的，实际上，形成超表面的结构的尺寸在很大程度上取决于给定实现方式特有的许多因素，其包括纳米结构的材料、基板的材料、基板的尺寸、以及成像要求(例如，颜色、分辨率、FOV等)。进一步地，在光学耦合元件中形成超表面的多个单独结构的尺寸可以在超表面的整个区域上变化。
图11至图16B图示了根据一些实施例的用于制造与波导显示器中的光学耦合元件相关联的超表面的示例方法。图11至图16B中描绘的示例制造方法通常被归类为电子束光刻，但是普通技术人员将认识到还可以应用其他制造技术，其包括其他光刻技术(例如，光刻、x射线光刻、离子束光刻等)、纳米操作(例如，分子自组装)、纳米结构的3D打印、和/或蚀刻到基板中。
图11示出了在示例制造工艺的第一步骤期间基板1150的一部分的等距视图。基板1150可以类似于关于图9A至图9B所描述的基板950。换句话说，基板1150可以包括至少两个表面，这些表面基本上彼此平行并且是内部反射的，以便提供传播光线的TIR。基板1150可以由任何透光材料或具有适当光学特性的材料组合制成，以促进光通过TIR传播。在一些实施例中，基板1150由玻璃制成，例如，通过注射成型工艺形成。在一些实施例中，用于形成基板1150的玻璃可以包括二氧化硅(SiO2)。可替代地，在一些实施例中，基板可以由聚合物树脂形成。
如图11所示，在第一步骤期间，在基板1150的至少一部分表面上沉积抗蚀剂材料层1100。在一些实施例中，抗蚀剂材料层1100是电子敏感膜的薄层。电子束光刻中常用的抗蚀剂材料是聚甲基丙烯酸甲酯(“PMMA”)。施加到基板1150的抗蚀剂材料层1100的厚度“t”通常与所得的超表面结构的所需高度一致。例如，在实施例中，在基板1150的一部分上沉积约1000nm厚的抗蚀剂层1100，以产生区域约为1000nm高的超表面结构。
一个或多个电子束施加到电子敏感抗蚀剂材料层上，以在抗蚀剂材料中形成与所期望的超表面结构图案相对应的图案。例如，图12示出了在施加一个或多个电子束之后具有层或抗蚀剂1100的基板1150的一部分的俯视图。如图12所示，从抗蚀剂材料1210移除的区域将与最终超表面结构图案相对应。例如，如细节1280中所示，与单个超表面结构相对应的特定切开区域1210的宽度“W”可以与所期望的超表面结构的宽度相对应。这在图13A中所示的俯视图中进一步图示，其中对应横截面视图在图13B中示出。
然后，在图案化的抗蚀剂层1100上沉积材料层1400，以填充移除的区域1210。例如，图14A示出了基板1150的施加有材料层1400的部分的俯视图，而图14B示出了对应截面视图。在一些实施例中，在超材料中形成结构图案的结构包括介电谐振器。因而，材料层1400可以包括介电材料，诸如二氧化钛(TiO2)。在一些实施例中，可以通过原子层沉积(ALD)工艺施加二氧化钛层。如果ALD用于在抗蚀剂1100上沉积材料层1400，则抗蚀剂1000上方的材料层1400应当至少为W/2(其中W是所得结构的宽度)以产生无空隙的超表面结构。
在沉积材料层1400之后，例如通过受控的毯式反应离子蚀刻(blanket reactiveion etching)移除抗蚀剂层1100上方的部分沉积材料1400。例如，图15A示出了具有图案化抗蚀剂材料层1100和由填充材料1400制成的结构1410的基板1150的部分的俯视图。图15B示出了对应截面视图。
最后剥离任何剩余的抗蚀剂材料1100，留下所形成的以图案布置的超表面结构1410，以在基板1150上形成超表面。例如，图16A示出了其中移除了抗蚀剂材料层1100而仅留下超表面结构图案1410的基板1150的部分的俯视图。图16B示出了对应截面视图。
在图9A和图9B中，对示例波导进行了介绍，包括基于超表面的光学元件，其被配置为耦入多种颜色的光以传播通过单个基板，并且朝向NED设备的用户的眼睛耦出所传播的光。实际上，超表面在精确控制入射光线在界面处的光学响应方面可以是有效地，然而，在更极端的入射角下它们如此做却没有那么有效。例如，在一些情况下，具有由二氧化钛制成的高度小于1000nm的超表面结构的耦合元件可能无法为红色、蓝色和绿色分量光线提供在可接受的FOV(例如，对于NED设备至少35度)上的覆盖范围。超材料制造工艺不断改进，然而，在一些情况下，当前的制造技术可能不是最适合以有效且成本有效的方式来形成必要的结构图案。这可能限制它们适用于大规模生产的消费产品。
相反，可以实现备选技术弥补对当前使用超表面来制造光学耦合元件的限制。例如，图17A和图17B图示了包括布置在两个基板上而非一个基板上的超表面耦合元件的实施例。
在图17A中描绘的第一实施例中，光学波导1700a包括具有超表面光学耦合元件1760a和1762a的第一基板1750。光学波导1700a还包括第二基板1780，该第二基板1780还包括超表面光学耦合元件1790a和1792a。图17A中描绘的波导1700a如同图9A至图9B所描绘的波导900之类那样利用超表面，但是代替地将入射光的某些波长的传播在两个基板1750和1780之间进行分割。具体地，波导1700a经由第一基板1750传播落入第一波长(例如，蓝光)内的光，经由第二基板1780传播落入第二波长(例如，红光)内的光，然后将落入第三波长(例如，绿光)内的光的传播在两个基板1750和1780之间进行分割。在示例实施例中，这可以被称为BG-RG系统，其中一个基板传播蓝光以及绿光的第一分量(例如，部分FOV的绿光)，而第二基板传播红光以及绿光的第二分量(部分FOV的绿光)。与三板设计相比，通过将光的多个波长在两个基板之间的耦合进行分割，用作耦合元件的超表面可以被配置为更有效地耦入和耦出特定分量(例如，特定波长和特定入射角)的光，同时还减少整体系统复杂性和重量。
为了说明目的，参考图17A对BG-RG系统的示例进行说明，然而，不应被解释为限制。在其他实施例中，光的分量的不同组合可以经由多个基板传播。进一步地，在一些实施例中，可以利用多于两个的基板，例如，类似于关于图8所描述的波导800。在其他实施例中，多个耦入元件和耦出元件可以布置在单个基板的相对侧上。例如，在实施例中，图17A中所描绘的超表面1790a可以代替地布置在基板1750的底部表面1754上或附近，以耦入光线1714c以及光线1714b的分量用于通过TIR经由基板1750进行共线传播。
与关于图9A所描述的基板一样，基板1750和1780均(分别)包括至少两个表面1752，1754和1782，1784，它们基本上彼此平行并且是内部反射的，以便提供传播光线的TIR。基板1750和1780可以由任何透光材料或具有适当光学特性的材料组合制成，以便于光通过TIR传播。在一些实施例中，基板1750和1780由玻璃制成，例如，通过注射成型工艺形成。在一些实施例中，用于形成基板1750和1780的玻璃可以包括二氧化硅(SiO2)。可替代地，在一些实施例中，基板可以由聚合物树脂形成。
在图17A中所描绘的示例实施例中，具有不同波长(即，颜色)的共线光线1714a-c源自入瞳1710(例如，显示器模块254的成像器)并且经由超表面耦合元件1760a进入第一基板1750。如图17A所示，(例如，蓝色波长光谱的)光线1714a以及(例如，绿色波长光谱的)光线1714b的第一分量在超表面1760a处耦入，用于通过TIR经由第一基板1750进行共线传播。另一方面，(例如，红色波长光谱的)光线1714c以及(例如，绿色波长光谱的)光线1714b的第二分量穿过基板1750并且在超表面1790a处耦入用于通过TIR经由第二基板1780进行共线传播。然后，经由第一基板1750传播的光线在超表面1762a处耦出并且共线引导向出瞳1712。同样，经由第二基板1780传播的光线在超表面1792a处耦出并且朝向出瞳1712共线引导。
在图17B中描绘的第二实施例中，呈现了光学波导1700b，其是图17A中所描绘的波导1700a的变型。与波导1700a类似，波导1700b包括具有超表面光学耦合元件1760b和1762b的第一基板1750。光学波导1700b还包括第二基板1780，该第二基板1780还包括超表面光学耦合元件1790b和1792b。类似于波导1700a，图17B中描绘的波导1700b利用超表面作为光学耦合元件，并且对入射光的某些波长在两个基板1750和1780之间的传播进行分割。然而，代替对光的特定波长的分量(例如，绿色)在两个基板之间进行分割，图17B中所描绘的波导1700b被配置为经由第一基板1750传播某些颜色(例如，绿色和蓝色)，并且经由第二基板1780传播其他颜色(例如，红色)。
具体地，示例波导1700b经由第一基板1750传播落入第一波长和第二波长内的光(例如，蓝光和绿光)，并且经由第二基板1780传播落入第三波长内的光(例如，红光)。在示例实施例中，这可以称为BG-R系统，其中一个基板传播蓝光和绿光，而第二基板传播红光。与三板设计相比，通过分割光的多个波长在两个基板之间的耦合，用作耦合元件的超表面可以被配置为更有效地耦入和耦出光的特定分量(例如，特定波长和特定入射角)，同时还减少整体系统复杂性和重量。
为了说明的目的，参考图17B对BG-R系统的示例进行描述，但是不应将其解释为限制。在其他实施例中，光的分量的不同组合可以经由多个基板传播。进一步地，在一些实施例中，可以利用多于两个的基板，例如，类似于关于图8所描述的波导800。在其他实施例中，多个耦入元件和耦出元件可以布置在单个基板的相对侧上。例如，在实施例中，图18B中所描绘的超表面1790b可以代替地布置在基板1750的底部表面1754上或附近，以耦入光线1714c用于通过TIR经由基板1750进行共线传播。在一些实施例中，被配置为耦合单色光的元件可以被实现为标准DOE，诸如SRG或SBG，而非超表面。例如，图17B中所描绘的波导1700b的耦合元件1790b和1792b在一些实施例中可以包括DOE，其被配置为通过衍射耦合光的特定波长(例如，红色)。
如先前所提到的，某些实施例可以将基于超材料的光学元件的益处与诸如SRG或SBG之类的DOE的偏转特点相结合。图18A至图18D示出了采用这种混合途径的光瞳中继器系统的几个示例实施例。在图18A所描绘的第一实施例中，光学波导1800a包括基板1850a和包括超表面1860a和DOE 1864a的耦入元件。注意，光学波导1800a还可以包括对应的耦出元件，然而，为清楚起见，图18A中省略了这点。
与关于图9A所描述的基板一样，基板1850a包括至少两个表面1852a和1854a，它们基本上彼此平行并且是内部反射的，以便提供传播光线的TIR。基板1850a可以由任何透光材料或具有适当光学特性的材料组合制成，以促进光通过TIR传播。在一些实施例中，基板1850a由玻璃制成，例如，通过注射成型工艺形成。在一些实施例中，用于形成基板1850a的玻璃可以包括二氧化硅(SiO2)。可替代地，在一些实施例中，基板可以由聚合物树脂形成。
在图18A所描绘的示例实施例中，具有不同波长(即，颜色)的共线光线1814a-c经由耦入元件进入基板1850a。耦入元件被配置为共线地偏转入射光线的多个波长，以经由透光基板1850a通过全内反射传播。具体地，如图18A所示，光学耦合元件(在这种情况下，耦入元件)被分成两个离散部件：超表面1860a和DOE 1864a，例如，采用SRG或SBG的形式。这在图18A中以(分别)对应于元件1860a和1864a的细节1880和1884示出。再一次，细节1880和1884中描绘的结构是示例性的，并且出于说明性目的而提供。进一步地，为了说明的目的，通过夸大的特征示出了细节1880和1884中描绘的示例结构。细节不旨在关于对应光学元件的特征的数目、形状、布置、方位或尺寸赋予限制。在其他实施例中，元件1860a和1864a可以具有不同的结构图案。
在图18A至图18D中描绘的示例中，光线1814a-c可以表示由NED设备140的显示器模块254的一个或多个成像器生成的光的分量颜色。在一些实施例中，根据颜色模型通过投影多种分量颜色的光来生成多色图像。例如，RGB颜色模型通常用于各种成像应用以再现范围广泛的颜色。使用RGB颜色模型，成像器可以生成三种不同颜色的光线，具体地，落入红色光谱、绿色光谱和蓝色光谱内的光。注意，在任何特定光谱内生成的光本身可以包括多个波长的光。
类似于耦入元件(例如，由元件1860a和1864a共同表示)，可以配置耦出元件(未示出)，以便朝向出瞳(未示出)将通过基板1850a-d传播的入射光线的多个波长共线地偏转出基板。例如，出瞳可以表示NED设备的用户的眼睛。
注意，图18A至图18D中所示的光线1814a-c仅表示特定入射角。实际上，处于不同入射角的光线会经由耦入元件进入基板1850a-d，并且在耦出元件处离开基板1850a-d，从而产生平移图像的特定FOV。如此，为了最大化经由波导1800a-d显示的所得图像的有效FOV，可以设计耦入元件和耦出元件，其目标是以适于经由基板1850a-d通过TIR传播的角度偏转最大范围的射入光。
图18A中描绘的示例波导1800a包括超表面1860a，其形成在基板1850a的第一表面1852a上或附近；以及DOE 1864a，其形成在基板1850a的与第一表面1852a相对的第二表面1854a上或附近。如图18A所示，进来光线1814a-c通过超表面元件1860a朝向DOE 1864偏转，该DOE 1864然后进一步(通过衍射)共线地偏转光线以通过TIR传播通过基板1850a。注意，超表面1860a的偏转角相对较小而DOE 1864a的偏转角相对较大。在该示例实施例中，超表面1860a可以被认为是“颜色校正”元件，因为它以特定角度偏转入射光的某些波长，使得当所得光线通过DOE 1864a偏转时，它们以相同的角度射出。回想一下，在没有超表面1860的颜色校正效果的情况下，诸如SRG之类的DOE将倾向于以不同角度偏转不同波长的入射光线，从而导致色散。在这个意义上，示例波导1800a中描绘的两个元件1860a和1864a起到分开但重叠的作用。DOE 1864a有效用作耦合元件，因为它处理更大的偏转角度以引导光线进行TIR。相反，超表面1860a用作颜色校正元件，其当与DOE 1864a结合使用时，对抗由DOE1864a引起的色散效应。然而，如本文中所使用的，元件1860a和1864a的组合统称为耦合元件。
图18B示出了包括混合耦合元件的光瞳中继器系统的另一示例实施例。类似于图18A中描绘的波导1800a，示例波导1800b包括基板1850b，该基板1850b包括至少两个表面1852b和1854b，它们基本上彼此平行并且是内部反射的，以便提供传播光线的TIR。基板1850b可以由任何透光材料或具有适当光学特性的材料组合制成，以促进光通过TIR传播。在一些实施例中，基板1850b由玻璃制成，例如，通过注射成型工艺形成。在一些实施例中，用于形成基板1850b的玻璃可以包括二氧化硅(SiO2)。可替代地，在一些实施例中，基板可以由聚合物树脂形成。
示例波导1800b还包括光学耦合元件，该光学耦合元件包括超表面元件1860b，其形成在基板1850b的第一表面1852b上或附近；以及DOE(例如，和SRG和/或SBG)1864b，其形成在基板1850b的与第一表面1852b相对的第二表面1854b上或附近。
图18B中所描绘的示例波导1800b与图18A中所描绘的示例波导1800a不同，在于两个光学元件1860b和1864b没有对准。如图18B所示，在这样的配置中，可能浪费来自入射光线1814a-c的零级光1816。然而，类似于图18B中所示的偏移配置的益处在于，在校准和对准元件1860b和1864b以适当传播偏转的光线以用于TIR时需要的公差不太严格。这对于在大规模生产的消费产品的显示器中使用的波导而言具有特别的制造益处。
图18C示出了包括混合耦合元件的光瞳中继器系统的又一示例实施例。类似于图18A中描绘的波导1800a，示例波导1800c包括基板1850c，该基板1850c包括至少两个表面1852c和1854c，它们基本上彼此平行并且是内部反射的，以便提供传播光线的TIR。基板1850c可以由任何透光材料或具有适当光学特性的材料组合制成，以促进光通过TIR传播。在一些实施例中，基板1850c由玻璃制成，例如，通过注射成型工艺形成。在一些实施例中，用于形成基板1850c的玻璃可以包括二氧化硅(SiO2)。可替代地，在一些实施例中，基板可以由聚合物树脂形成。
示例波导1800c还包括光学耦合元件，其包括超表面元件1860c，该超表面元件1860c形成在基板1850c的第一表面1852c上或附近；以及DOE(例如，SRG和/或SBG)1864c，该DOE 1864c形成在基板1850c的与第一表面1852c相对的第二表面1854c上或附近。
图18C中描绘的示例波导1800c类似于图18B中所描绘的示例波导1800b，其中两个光学元件1860c和1864c是偏移的。然而，在图18C中描绘的示例波导1800c中，当光线1814a-c进入基板1850c时，它们首先被DOE 1864c偏转。如图18C所示，DOE 1864c的衍射可以使不同波长的光以不同的角度偏转(即，色散)。如进一步所示，由DOE 1864c引起的这种色散随后由超表面1860c“校正”，以允许通过TIR共线传播通过基板1850c。
图18D示出了包括混合耦合元件的光瞳中继器系统的又一示例实施例。具体地，图18D中所示的示例实施例描绘了与例如关于图3C至图3D所描述的相类似的分割光瞳中继器系统(split-pupil relay system)。
类似于图18A中所描绘的波导1800a，示例波导1800d包括基板1850d，该基板1850d包括至少两个表面1852d和1854d，它们基本上彼此平行并且是内部反射的，以便提供传播光线的TIR。基板1850d可以由任何透光材料或具有适当光学特性的材料组合制成，以促进光通过TIR传播。在一些实施例中，基板1850d由玻璃制成，例如，通过注射成型工艺形成。在一些实施例中，用于形成基板1850d的玻璃可以包括二氧化硅(SiO2)。可替代地，在一些实施例中，基板可以由聚合物树脂形成。
示例波导1800d还包括光学耦合元件，其包括基于超表面的元件1860d和1862d，该基于超表面的元件1860d和1862d形成在基板1850d的第一表面1852d上或附近；以及DOE(例如，和SRG或SBG)1864d，该DOE 1864d形成在基板1850d的与第一表面1852d相对的第二表面1854d上或附近。
如图18D所示，入射光线1814a-c首先在进入基板1850d时被DOE 1864d偏转。然而，入射光线在两个方向上偏转：朝向第一超表面1860d以及朝向第二超表面1862d。如图18D所示，DOE 1864d的衍射可以使不同波长的光以不同的角度偏转(即，色散)。如进一步所示，由DOE 1864d引起的这种色散随后由超表面1860d和1862d“校正”，以允许通过TIR在两个方向上共线传播通过基板1850d。
尽管未在图18D中示出，但是波导1800d还可以包括两个对应的光学耦出元件，其被配置为在两个方向上耦出传播的光线并且引导到光线朝向NED设备的用户的眼睛。在一些实施例中，这些耦出元件可以是混合耦合元件(即，SRG和超表面)，例如，类似于关于图18A至图18C所示的那些混合耦合元件。
关于图18A至图18D所描述的实施例是出于说明目的而提供的示例，而并非旨在进行限制。进一步地，形成图18A至图18D中的混合耦合元件的组成元件(即，超表面和DOE)以概念形式示出，并不旨在关于任何元件的尺寸或相对放置赋予限制。例如，尽管未在图18A至图18D中描绘，但是在一些情况下，形成混合耦合元件的组成元件(即，超表面和DOE)可以在基板的表面中的一个表面上彼此层叠而非放置在相对表面上。尽管这样的配置可能是有效的，但是可能需要在DOE的区域上改变DOE的光栅结构，其会增加制造难度和成本。
某些实施例的示例
在以下编号的示例中对本文中所介绍的技术的某些实施例进行总结：
1.一种光学波导，包括透光基板，其包括多个内部反射表面；以及光学耦合元件，其被配置为将光线输入到透光基板或从透光基板输出光线，该光学耦合元件被配置为共线地偏转入射光线的多个波长以便在透光基板内通过全内反射(TIR)传播。
2.根据示例1的光学波导，其中光学耦合元件是消色差的。
3.根据示例1或示例2的光学波导，其中光学耦合元件包括结构的图案，其布置在透光基板的多个内部反射表面的至少第一表面上或附近。
4.根据示例1至3中任一项的光学波导，其中结构图案共同形成超表面。
5.根据示例1至4中任一项的光学波导，其中结构图案被布置为通过在入射光线中引起相移来偏转入射光线的多个波长。
6.根据示例1至5中任一项的光学波导，其中结构图案中的结构之间的间隔小于入射光线的多个波长中的每个波长。
7.根据示例1至6中任一项的光学波导，其中结构图案是非周期性的。
8.根据示例1至7中任一项的光学波导，其中形成结构图案的结构包括介电谐振器。
9.根据示例1至8中任一项的光学波导，其中形成结构图案的结构由二氧化钛制成。
10.根据示例1至9中任一项的光学波导，其中入射光线的多个波长包括红色光谱、绿色光谱和蓝色光谱中的光。
11.根据示例1至10中任一项的光学波导，被布置为近眼显示器(NED)显示设备中的光瞳中继器系统的一部分，该光瞳中继器系统被布置为朝向所述NED设备的用户的眼睛平移来自NED设备的图像生成器的光线。
12.根据示例1至11中任一项的光学波导，其中光学耦合元件是耦入元件，该耦入元件被布置成为从NED设备的图像生成器接收的光线输入到透光基板中。
13.根据示例1至12中任一项的光学波导，其中光学耦合元件是耦出元件，该耦出元件被布置为从透光基板输出光线并且沿着将光线传输到NED设备的用户的眼睛的光学路径引导光。
14.根据示例1至13中任一项的光学波导，还包括第二透光基板，其包括多个内部反射表面；以及第二光学耦合元件，其被配置为将光线输入到第二透光基板或从第二透光基板输出光线，该第二光学耦合元件被配置为共线地偏转入射光线的特定波长，以在第二光学传输基板内通过全内反射(TIR)传播，该特定波长与多个波长不同。
15.根据示例1至14中任一项的光学波导，其中入射光线的多个波长包括绿色光谱和蓝色光谱中的光，并且其中入射光线的特定波长包括红色光谱中的光。
16.根据示例1至15中任一项的光学波导，其中光学耦合元件还包括第二图案结构，其布置在透光基板的多个内部反射表面的至少第二表面上或附近，第二表面与透光基板的第一表面相对；以及其中布置在透光基板的第二表面上或附近的第二结构图案被配置为偏转与透光基板的第一表面上或附近的结构图案所偏转的入射光线有所不同的入射光线的波长。
17.根据示例1至16中任一项的光学波导，其中透光基板由玻璃制成。
18.一种近眼显示器(NED)设备，包括发光微显示器成像器，其被配置为发射共同形成生成图像的光线；以及光学波导，其包括透光基板，其包括多个内部反射表面；光学耦入元件，其被配置为将从微显示器成像器接收的光线输入到透光基板中，该光学耦入元件被配置为共线地偏转入射光线的多个波长，以在透光基板内通过全内反射(TIR)传播；以及光学耦出元件，其被配置为将来自透光基板的光线输出到NED设备的用户的眼睛，该光学耦出元件被配置为朝向用户的眼睛共线地偏转所传播的光线的多个波长。
19.一种制造波导显示器的方法，包括：在透光基板的第一表面上形成抗蚀剂材料层，该透光基板具有多个内部反射表面；将电子束施加到抗蚀剂材料层上以在抗蚀剂材料中形成图案；利用介电材料填充图案的至少一部分；以及移除剩余的抗蚀剂材料以在透光基板的第一表面上产生介电结构图案，其中该介电结构图案使得在使用中，入射光线的多个波长被共线地偏转，以在透光基板内通过全内反射(TIR)传播。
20.根据示例19的方法，其中介电结构图案共同形成超表面。
如对于本领域普通技术人员而言显而易见的是，上文所描述的任何或所有特征和功能可以彼此组合，除非在上文中会另外说明或者任何这样的实施例可能由于其功能或结构而不相容。除非与物理可能性相反，否则设想(i)本文中所描述的方法/步骤可以以任何顺序和/或以任何组合执行，并且(ii)各个实施例的部件可以以任何方式组合。
尽管用结构特征和/或动作专用的语言对本主题进行了描述，但是应当理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上文所描述的具体特征或动作。相反，上文所描述的具体特征和动作作为实现权利要求的示例而被公开，并且其他等同特征和动作旨在落入权利要求的范围之内。

Claims (18)

1.一种光学波导，包括：
透光基板，其包括多个内部反射表面；以及
透射消色差光学耦合元件，包括超表面，所述超表面被配置为将光线输入到所述透光基板或从所述透光基板输出光线，而不会将所述光线分离成成分颜色，所述消色差光学耦合元件被配置为共线地偏转入射光线的多个波长，以在所述透光基板内通过全内反射(TIR)传播，其中所述消色差光学耦合元件的所述超表面包括亚波长纳米结构的图案，所述图案形成在所述透光基板的所述多个内部反射表面中的至少第一表面上。
2.根据权利要求1所述的光学波导，其中亚波长纳米结构的所述图案被布置为通过在所述入射光线中引起相移来偏转所述入射光线的所述多个波长。
3.根据权利要求1所述的光学波导，其中亚波长纳米结构的所述图案中的结构之间的间隔小于所述入射光线的所述多个波长中的每个波长。
4.根据权利要求1所述的光学波导，其中亚波长纳米结构的所述图案是非周期性的。
5.根据权利要求1所述的光学波导，其中形成亚波长纳米结构的所述图案的所述结构包括介电谐振器。
6.根据权利要求1所述的光学波导，其中形成亚波长纳米结构的所述图案的所述结构包括二氧化钛。
7.根据权利要求1所述的光学波导，其中所述入射光线的所述多个波长包括以下各项中的光：
红色光谱；
绿色光谱；以及
蓝色光谱。
8.根据权利要求1所述的光学波导，其被布置为近眼显示器(NED)设备中的光瞳中继器系统的一部分，所述光瞳中继器系统被布置为朝向所述NED设备的用户的眼睛平移来自所述NED设备的图像生成器的光线。
9.根据权利要求8所述的光学波导，其中所述消色差光学耦合元件是耦入元件，所述耦入元件被布置成将从所述NED设备的所述图像生成器接收的光线输入到所述透光基板中。
10.根据权利要求8所述的光学波导，其中所述消色差光学耦合元件是耦出元件，所述耦出元件被布置成将来自所述透光基板的光线输出，并且将所述光线沿着用于传输的光学路径引导到所述NED设备的用户的眼睛中。
11.根据权利要求1所述的光学波导，还包括：
第二透光基板，其包括另一多个内部反射表面；以及
第二光学耦合元件，包括超表面，所述超表面被配置为将光线输入到所述第二透光基板或从所述第二透光基板输出光线，所述第二光学耦合元件被配置为共线地偏转所述入射光线的特定波长，以在所述第二透光基板内通过全内反射(TIR)传播，所述特定波长与所述多个波长不同。
12.根据权利要求11所述的光学波导，其中所述入射光线的所述多个波长包括绿色光谱和蓝色光谱中的光；以及
其中所述入射光线的所述特定波长包括红色光谱中的光。
13.根据权利要求1所述的光学波导，其中所述消色差光学耦合元件还包括：
亚波长纳米结构的第二图案，其布置在所述透光基板的所述多个内部反射表面的至少第二表面上或附近，所述第二表面与所述透光基板的所述第一表面相对；
其中被布置在所述透光基板的所述第二表面上或附近的亚波长纳米结构的所述第二图案被配置为偏转与所述透光基板的所述第一表面上或附近的亚波长纳米结构的所述图案所偏转的所述入射光线有所不同的波长。
14.根据权利要求1所述的光学波导，其中所述透光基板包括玻璃。
15.一种近眼显示器(NED)设备，包括：
发光微显示器成像器，其被配置为发射共同形成所生成图像的光线；以及
光学波导，其包括：
透光基板，其包括多个内部反射表面；
透射光学耦入元件，其被配置为将从所述发光微显示器成像器接收的光线输入到所述透光基板中，所述光学耦入元件被配置为共线地偏转入射光线的多个波长以在所述透光基板内通过全内反射(TIR)传播，其中所述光学耦入元件包括第一结构图案，所述第一结构图案形成在所述透光基板的所述多个内部反射表面中的至少第一表面位置上；以及
光学耦出元件，其被配置为将来自所述透光基板的光线输出到所述NED设备的用户的眼睛，所述光学耦出元件被配置为朝向所述用户的所述眼睛共线地偏转所述多个波长，其中所述光学耦出元件包括第二结构图案，所述第二结构图案形成在所述透光基板的所述多个内部反射表面的至少第二表面位置上。
16.一种制造波导显示器的方法，包括：
在透光基板的第一表面上形成抗蚀剂材料层，所述透光基板具有多个内部反射表面；
将电子束施加到所述抗蚀剂材料层上以在所述抗蚀剂材料中形成图案；
利用介电材料填充所述图案的至少一部分；以及
移除剩余的抗蚀剂材料，以在所述透光基板的所述第一表面上产生亚波长介电纳米结构的图案，所述透光基板提供有透射消色差光学耦合元件，所述消色差光学耦合元件包括超表面，所述超表面被配置为将光线输入到所述透光基板或从所述透光基板输出光线，而不会将所述光线分离成成分颜色，其中所述介电结构图案使得在使用中，入射光线的多个波长被共线地偏转，以在所述透光基板内通过全内反射(TIR)传播。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述介电材料包括二氧化钛。
18.根据权利要求16所述的方法，其中产生亚波长介电纳米结构的所述图案包括产生非周期性图案。
CN201880015482.4A 2017-03-03 2018-02-27 用于显示波导的超表面光学耦合元件 Active CN110352377B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210354990.3A CN114660702A (zh) 2017-03-03 2018-02-27 用于显示波导的超表面光学耦合元件

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/449,869 US10838110B2 (en) 2017-03-03 2017-03-03 Metasurface optical coupling elements for a display waveguide
US15/449,869 2017-03-03
PCT/US2018/019802 WO2018160506A1 (en) 2017-03-03 2018-02-27 Metasurface optical coupling elements for a display waveguide

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210354990.3A Division CN114660702A (zh) 2017-03-03 2018-02-27 用于显示波导的超表面光学耦合元件

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110352377A CN110352377A (zh) 2019-10-18
CN110352377B true CN110352377B (zh) 2022-04-15

Family

ID=61617176

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880015482.4A Active CN110352377B (zh) 2017-03-03 2018-02-27 用于显示波导的超表面光学耦合元件
CN202210354990.3A Pending CN114660702A (zh) 2017-03-03 2018-02-27 用于显示波导的超表面光学耦合元件

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210354990.3A Pending CN114660702A (zh) 2017-03-03 2018-02-27 用于显示波导的超表面光学耦合元件

Country Status (4)

Country Link
US (2) US10838110B2 (zh)
EP (2) EP4293398A3 (zh)
CN (2) CN110352377B (zh)
WO (1) WO2018160506A1 (zh)

Families Citing this family (58)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3063589B1 (en) 2013-10-28 2023-09-13 Technology Innovation Momentum Fund (Israel) Limited Partnership System and method for controlling light
US10161797B2 (en) * 2015-07-05 2018-12-25 Purdue Research Foundation Sub-millimeter real-time circular dichroism spectrometer with metasurfaces
US11867556B2 (en) 2015-07-29 2024-01-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Spectrometer including metasurface
US10514296B2 (en) * 2015-07-29 2019-12-24 Samsung Electronics Co., Ltd. Spectrometer including metasurface
US11268854B2 (en) 2015-07-29 2022-03-08 Samsung Electronics Co., Ltd. Spectrometer including metasurface
DE102016225344A1 (de) * 2016-12-16 2018-06-21 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. System zur Analyse von elektromagnetischer Strahlung und Bauelement zur Herstellung desselben
US10473938B2 (en) * 2016-12-30 2019-11-12 Luminit Llc Multi-part optical system for light propagation in confined spaces and method of fabrication and use thereof
WO2018142339A1 (en) 2017-02-02 2018-08-09 Ramot At Tel-Aviv University Ltd. Multilayer optical element for controlling light
DE112018002670T5 (de) 2017-05-24 2020-03-05 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Breitband achromatische flache optische Komponenten durch dispersionstechnische dielektrische Metaoberflächen
US10795168B2 (en) 2017-08-31 2020-10-06 Metalenz, Inc. Transmissive metasurface lens integration
US11092486B2 (en) 2017-12-08 2021-08-17 California Institute Of Technology Compact folded metasurface spectrometer
WO2019135494A1 (ko) 2018-01-08 2019-07-11 주식회사 에스오에스랩 라이다 장치
US10591598B2 (en) 2018-01-08 2020-03-17 SOS Lab co., Ltd Lidar device
KR102050678B1 (ko) * 2018-05-14 2019-12-03 주식회사 에스오에스랩 라이다 장치
US11237103B2 (en) * 2018-05-31 2022-02-01 Socovar Sec Electronic device testing system, electronic device production system including same and method of testing an electronic device
JP7407748B2 (ja) * 2018-07-05 2024-01-04 マジック リープ， インコーポレイテッド 頭部搭載型ディスプレイシステムのための導波管ベースの照明
US11927755B2 (en) 2018-09-27 2024-03-12 Technology Innovation Momentum Fund (Israel) Limited Partnership See-through display for an augmented reality system
CN109343219A (zh) * 2018-10-12 2019-02-15 哈尔滨工业大学（深圳） 一种基于超微结构的增强现实型超薄平面近眼显示系统
US11962928B2 (en) 2018-12-17 2024-04-16 Meta Platforms Technologies, Llc Programmable pixel array
US11888002B2 (en) 2018-12-17 2024-01-30 Meta Platforms Technologies, Llc Dynamically programmable image sensor
KR20200075532A (ko) * 2018-12-18 2020-06-26 삼성전자주식회사 영상을 표시하는 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램
US10564330B2 (en) * 2018-12-21 2020-02-18 Intel Corporation Metasurface devices for display and photonics devices
DE102019102608A1 (de) 2019-02-01 2020-08-06 Carl Zeiss Jena Gmbh Funktionalisierter Wellenleiter für ein Detektorsystem
DE102019102614A1 (de) * 2019-02-01 2020-08-06 Carl Zeiss Jena Gmbh Bildschirm mit einem transparenten Basiskörper
US11187582B2 (en) 2019-04-30 2021-11-30 California Institute Of Technology Folded metasurface hyperspectral imager
TWI756691B (zh) * 2019-05-30 2022-03-01 美商蘋果公司 光學系統，頭戴式裝置，及顯示系統
EP3998506A4 (en) * 2019-07-12 2022-09-07 Samsung Electronics Co., Ltd. NEAR-EYE DISPLAY DEVICE, AUGMENTED REALITY GLASSES THEREOF, AND METHOD OF OPERATING THEREOR
KR20220035971A (ko) 2019-07-26 2022-03-22 메탈렌츠 인코포레이티드 개구-메타 표면 및 하이브리드 굴절-메타 표면 이미징 시스템
CN112444968B (zh) * 2019-08-29 2022-04-22 华为技术有限公司 一种增强现实的光学叠加器和相关设备
US11372250B2 (en) * 2019-09-26 2022-06-28 Himax Technologies Limited Head-mounted display having reflective elements
US11467406B2 (en) * 2019-09-27 2022-10-11 Microsoft Technology Licensing, Llc Field of view expanding system
US11448883B2 (en) * 2019-09-27 2022-09-20 Microsoft Technology Licensing, Llc Non-linear angular momentum metasurface
US11935291B2 (en) 2019-10-30 2024-03-19 Meta Platforms Technologies, Llc Distributed sensor system
US11948089B2 (en) 2019-11-07 2024-04-02 Meta Platforms Technologies, Llc Sparse image sensing and processing
CN110764265A (zh) * 2019-11-13 2020-02-07 京东方科技集团股份有限公司 一种近眼导光组件、显示装置
WO2021111300A1 (en) * 2019-12-02 2021-06-10 3M Innovative Properties Company Optical metasurface films
US11428938B2 (en) * 2019-12-23 2022-08-30 Meta Platforms Technologies, Llc Switchable diffractive optical element and waveguide containing the same
US11888233B2 (en) * 2020-04-07 2024-01-30 Ramot At Tel-Aviv University Ltd Tailored terahertz radiation
CN111474720A (zh) * 2020-05-05 2020-07-31 谷东科技有限公司 光波导显示装置和增强现实显示设备
US11825228B2 (en) 2020-05-20 2023-11-21 Meta Platforms Technologies, Llc Programmable pixel array having multiple power domains
US20210375960A1 (en) * 2020-05-28 2021-12-02 University Of Southern California Design of Metasurfaces for High-Efficient IR Photodetectors
CN114793448A (zh) * 2020-11-23 2022-07-26 瑞仪光电(苏州)有限公司 光学元件、影像波导方法、头戴式显示装置和绕射式波导显示器
CN112630966B (zh) * 2020-12-16 2022-04-05 浙江大学 超表面微纳结构单片全色彩波导镜片及ar显示装置
US20220197035A1 (en) * 2020-12-17 2022-06-23 Google Llc Spatial variance along waveguide incoupler
US20240151876A1 (en) * 2021-03-05 2024-05-09 Corning Incorporated Optical metasurfaces with high aspect ratio unit cells for large deflection angles
US11719887B2 (en) 2021-04-06 2023-08-08 Apple Inc. Sub-wavelength structures for waveguide in-coupling
EP4330740A1 (en) * 2021-04-30 2024-03-06 Magic Leap, Inc. Thin illumination layer waveguide and methods of fabrication
CN117642654A (zh) * 2021-07-01 2024-03-01 谷歌有限责任公司 具有抗反射性质的波导
US11775021B2 (en) * 2021-08-17 2023-10-03 Apple Inc. Moisture-insensitive optical touch sensors
WO2023055894A1 (en) * 2021-09-29 2023-04-06 Meta Platforms Technologies, Llc Achromatic beam deflector for light-efficient display panel
US11808985B2 (en) * 2021-10-12 2023-11-07 Himax Technologies Limited Waveguide combiner with light beam processing area
CN113934004B (zh) * 2021-10-26 2023-06-09 深圳迈塔兰斯科技有限公司 一种图像生成装置、抬头显示器及交通工具
US11693248B1 (en) * 2022-01-20 2023-07-04 Microsoft Technology Licensing, Llc TIR prisms and use of backlight for LCoS microdisplay illumination
US11927769B2 (en) 2022-03-31 2024-03-12 Metalenz, Inc. Polarization sorting metasurface microlens array device
US20230350111A1 (en) * 2022-04-28 2023-11-02 Visera Technologies Company Ltd. Optical system
US11852833B2 (en) 2022-05-20 2023-12-26 Imagia, Inc. Metasurface waveguide couplers
WO2023245188A2 (en) * 2022-06-17 2023-12-21 The Regents Of The University Of California Holographic metasurface grating elements for augmented and virtual reality
US11933940B1 (en) * 2022-09-14 2024-03-19 Imagia, Inc. Materials for metalenses, through-waveguide reflective metasurface couplers, and other metasurfaces

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5420947A (en) * 1994-06-17 1995-05-30 Eastman Kodak Company Method for achromatically coupling a beam of light into a waveguide
CN101151562A (zh) * 2005-04-04 2008-03-26 米拉茨创新有限公司 多平面光学设备
CN101460882A (zh) * 2006-06-02 2009-06-17 诺基亚公司 出瞳扩大器中的颜色分布
CN103760680A (zh) * 2013-12-18 2014-04-30 微软公司 用于使波长通过的ned偏振系统
CN103995354A (zh) * 2014-05-16 2014-08-20 北京理工大学 基于全息衍射光学元件的消色差的波导显示系统
CN104614869A (zh) * 2015-01-21 2015-05-13 佛山市智海星空科技有限公司 一种基于三次曝光技术消色差的系统及其实现方法
CN105393161A (zh) * 2013-06-28 2016-03-09 微软技术许可有限责任公司 通过滤色的显示效率优化
CN105866981A (zh) * 2016-04-20 2016-08-17 中国科学院光电技术研究所 宽带电磁波相位调控的方法和超表面亚波长结构
WO2016140720A2 (en) * 2014-12-10 2016-09-09 President And Fellows Of Harvard College Achromatic metasurface optical components by dispersive phase compensation
WO2016205256A1 (en) * 2015-06-15 2016-12-22 Magic Leap, Inc. Display system with optical elements for in-coupling multiplexed light streams

Family Cites Families (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5363226A (en) 1992-04-06 1994-11-08 Eastman Kodak Company Apparatus and method for dispersion compensation for a grating coupler using a surface relief reflection grating
JPH06243708A (ja) * 1993-02-17 1994-09-02 Nissan Motor Co Ltd 表示装置
WO1999052002A1 (en) * 1998-04-02 1999-10-14 Elop Electro-Optics Industries Ltd. Holographic optical devices
JP4475501B2 (ja) 2003-10-09 2010-06-09 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション 分光素子、回折格子、複合回折格子、カラー表示装置、および分波器
CN100410727C (zh) * 2004-03-29 2008-08-13 索尼株式会社 光学装置以及虚像显示装置
IL166799A (en) 2005-02-10 2014-09-30 Lumus Ltd Aluminum shale surfaces for use in a conductive substrate
JP4802799B2 (ja) 2006-03-24 2011-10-26 凸版印刷株式会社 インプリント法、レジストパターン及びその製造方法
AU2010238336B2 (en) 2009-04-14 2014-02-06 Bae Systems Plc Optical waveguide and display device
US9097890B2 (en) 2010-02-28 2015-08-04 Microsoft Technology Licensing, Llc Grating in a light transmissive illumination system for see-through near-eye display glasses
US9093818B2 (en) * 2010-07-15 2015-07-28 The Regents Of The University Of California Nanopillar optical resonator
JP5840294B2 (ja) * 2011-08-05 2016-01-06 ウォステック・インコーポレイテッドＷｏｓｔｅｃ， Ｉｎｃ ナノ構造層を有する発光ダイオードならびに製造方法および使用方法
US9507150B1 (en) 2011-09-30 2016-11-29 Rockwell Collins, Inc. Head up display (HUD) using a bent waveguide assembly
US8773599B2 (en) 2011-10-24 2014-07-08 Google Inc. Near-to-eye display with diffraction grating that bends and focuses light
WO2013184556A1 (en) * 2012-06-05 2013-12-12 President And Fellows Of Harvard College Ultra-thin optical coatings and devices and methods of using ultra-thin optical coatings
US9804329B2 (en) * 2013-05-30 2017-10-31 Okhtay MONTAZERI Surface plasmon resonant devices and methods of use thereof
EP3050161B1 (en) * 2013-09-24 2019-08-21 Duke University Discrete-dipole methods and systems for applications to complementary metamaterials
EP3063589B1 (en) * 2013-10-28 2023-09-13 Technology Innovation Momentum Fund (Israel) Limited Partnership System and method for controlling light
US9164290B2 (en) 2013-11-06 2015-10-20 Microsoft Corporation Grating configurations for a tiled waveguide display
US9250388B1 (en) 2014-07-17 2016-02-02 Intel Corporation Optical device using echelle grating that provides total internal reflection of light
US9507064B2 (en) * 2014-07-27 2016-11-29 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Dielectric metasurface optical elements
EP3195048B1 (en) * 2014-09-15 2021-11-03 California Institute of Technology Simultaneous polarization and wavefront control using a planar device
WO2016113533A2 (en) 2015-01-12 2016-07-21 Milan Momcilo Popovich Holographic waveguide light field displays
US9423360B1 (en) 2015-02-09 2016-08-23 Microsoft Technology Licensing, Llc Optical components
US9372347B1 (en) 2015-02-09 2016-06-21 Microsoft Technology Licensing, Llc Display system
US9995930B2 (en) * 2015-04-08 2018-06-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Focusing device comprising a plurality of scatterers and beam scanner and scope device
US10267956B2 (en) * 2015-04-14 2019-04-23 California Institute Of Technology Multi-wavelength optical dielectric metasurfaces
US9952453B2 (en) * 2015-06-10 2018-04-24 The Regents Of The University Of California Broadband metacoaxial optical nanoantennas based on plasmonic modes
US10210844B2 (en) * 2015-06-29 2019-02-19 Microsoft Technology Licensing, Llc Holographic near-eye display
US10374105B2 (en) * 2015-07-01 2019-08-06 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Optoelectronic device including a buried metal grating for extraordinary optical transmission (EOT)
US10146054B2 (en) * 2015-07-06 2018-12-04 Google Llc Adding prescriptive correction to eyepieces for see-through head wearable displays
US11035993B2 (en) * 2015-08-14 2021-06-15 S.V.V. Technology Innovations, Inc Illumination systems employing thin and flexible waveguides with light coupling structures
CN105807348B (zh) * 2016-05-23 2018-07-06 东南大学 一种反射型体全息光栅波导结构
CN105929545B (zh) * 2016-06-20 2019-03-26 东莞市长资实业有限公司 波导式的头戴显示器的光学装置

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5420947A (en) * 1994-06-17 1995-05-30 Eastman Kodak Company Method for achromatically coupling a beam of light into a waveguide
CN101151562A (zh) * 2005-04-04 2008-03-26 米拉茨创新有限公司 多平面光学设备
CN101460882A (zh) * 2006-06-02 2009-06-17 诺基亚公司 出瞳扩大器中的颜色分布
CN105393161A (zh) * 2013-06-28 2016-03-09 微软技术许可有限责任公司 通过滤色的显示效率优化
CN103760680A (zh) * 2013-12-18 2014-04-30 微软公司 用于使波长通过的ned偏振系统
CN103995354A (zh) * 2014-05-16 2014-08-20 北京理工大学 基于全息衍射光学元件的消色差的波导显示系统
WO2016140720A2 (en) * 2014-12-10 2016-09-09 President And Fellows Of Harvard College Achromatic metasurface optical components by dispersive phase compensation
CN104614869A (zh) * 2015-01-21 2015-05-13 佛山市智海星空科技有限公司 一种基于三次曝光技术消色差的系统及其实现方法
WO2016205256A1 (en) * 2015-06-15 2016-12-22 Magic Leap, Inc. Display system with optical elements for in-coupling multiplexed light streams
CN105866981A (zh) * 2016-04-20 2016-08-17 中国科学院光电技术研究所 宽带电磁波相位调控的方法和超表面亚波长结构

Also Published As

Publication number Publication date
US11726235B2 (en) 2023-08-15
EP3590003B1 (en) 2023-11-15
US20180252857A1 (en) 2018-09-06
WO2018160506A1 (en) 2018-09-07
EP4293398A3 (en) 2024-03-27
US10838110B2 (en) 2020-11-17
CN110352377A (zh) 2019-10-18
EP4293398A2 (en) 2023-12-20
EP3590003A1 (en) 2020-01-08
US20210063606A1 (en) 2021-03-04
CN114660702A (zh) 2022-06-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110352377B (zh) 用于显示波导的超表面光学耦合元件
JP7119150B2 (ja) 多重化された光流を内部結合するための光学要素を有するディスプレイシステム
US9885870B2 (en) Diffractive optical elements with analog modulations and switching
EP3417335B1 (en) Waveguide pupil relay
Zhang et al. Development of planar diffractive waveguides in optical see-through head-mounted displays
CA3124368C (en) Methods and systems for generating virtual content display with a virtual or augmented reality apparatus
US10197804B2 (en) Refractive coating for diffractive optical elements
JP6417589B2 (ja) 光学素子、電気光学装置、装着型表示装置および光学素子の製造方法
EP2639623B1 (en) Image display device and image generating device
US11372246B2 (en) Near-eye display system having optical combiner
CN113703091B (zh) 光波导系统和近眼显示器
EP4031927A1 (en) Optical device for coupling a high field of view of incident light
Mohedano et al. Visual Interfaces in XR
WO2023011199A1 (zh) 一种显示设备模组、显示设备以及图像显示方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant