CN111886447A - 用于减少波导显示器中的彩虹的倾斜表面浮雕光栅 - Google Patents

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Abstract

一种波导显示器包括具有两个相对表面的衬底、以及在衬底的两个相对表面的第一表面处的倾斜光栅。倾斜光栅包括多个脊，并且以一个方向上的光栅周期为特征。多个脊以相对于第一表面的表面法线的倾斜角倾斜，并且以高度为特征。多个脊的高度、光栅周期和倾斜角被配置成在由倾斜光栅衍射的环境光之间引起相消干涉。在一些实施例中，在多个脊的高度与光栅周期的整数倍除以倾斜角的正切之间的差小于阈值。

Description

用于减少波导显示器中的彩虹的倾斜表面浮雕光栅
背景
人工现实系统(例如头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)系统)通常包括被配置为呈现描绘虚拟环境中的对象的人工图像的显示器。如在虚拟现实(VR)、增强现实(AR)或混合现实(MR)应用中一样，显示器可以显示虚拟对象或将现实对象与虚拟对象组合。例如，在AR系统中，用户可以通过例如透过透明显示器眼镜或透镜观看(通常称为光学透视(optical see-through))或者通过观看由照相机捕获的周围环境的显示图像(通常称为视频透视)，来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(CGI))和周围环境。
一个示例光学透视AR系统可以使用基于波导的光学显示器，其中投影图像的光可以耦合到波导(例如，衬底)中，在波导内传播，并且在不同位置处从波导耦合出去。在一些实施方式中，可以使用衍射光学元件(例如光栅)将光从波导耦合出去。光栅可以衍射投影图像的光和来自周围环境的光(例如，来自光源(例如灯)的光)。来自周围环境的衍射光对于AR系统的用户来说可能表现为幻影图像(ghost image)。此外，由于光栅的波长相关特性，不同颜色的幻影图像可能出现在不同的位置或角度。这些幻影图像可能会对使用人工现实系统的用户体验产生负面影响。
概述
本公开总体上涉及近眼显示系统，更具体地说，涉及具有减少的眩光(glare)或幻影图像的波导显示器。
在一些实施例中，波导显示器包括具有两个相对表面的衬底、以及在衬底的两个相对表面的第一表面处的倾斜光栅。倾斜光栅包括多个脊(ridge)，且以一个方向上的光栅周期为特征。多个脊以相对于第一表面的表面法线的倾斜角倾斜，并且以高度为特征。多个脊的高度、光栅周期和倾斜角被配置成在由倾斜光栅衍射的环境光之间引起相消干涉。在一些实施例中，在多个脊的高度与光栅周期的整数倍除以倾斜角的正切之间的差小于阈值。在一些实施例中，在多个脊的高度与光栅周期除以倾斜角的正切之间的差小于阈值。在一些实施例中，阈值等于或小于多个脊的高度的10％。在一些实施例中，倾斜角大于50度。在一些实施例中，倾斜光栅包括二维光栅。
在一些实施例中，波导显示器还包括在衬底的两个相对表面的第二表面上的抗反射涂层。在一些实施例中，波导显示器包括在倾斜光栅的表面上的抗反射涂层，该表面与衬底的两个相对表面的第一表面相对。在一些实施例中，波导显示器包括在与衬底的两个相对表面的第一表面相对的倾斜光栅的表面上的涂刷(over-coat)层。
在波导显示器的一些实施例中，倾斜光栅包括表面浮雕光栅(surface-reliefgrating)。在一些实施例中，衬底被配置成通过全内反射在两个相对表面反射显示光，并且倾斜光栅相对于衬底被布置成反射地衍射显示光并且透射地衍射来自波导显示器前面的环境的环境光。在一些实施例中，衬底被配置成通过全内反射在两个相对表面反射显示光，并且倾斜光栅相对于衬底被布置成透射地衍射显示光和来自波导显示器前面的环境的环境光。
在一些实施例中，光栅耦合器包括以光栅周期为特征的倾斜光栅。倾斜光栅包括多个倾斜脊。多个倾斜脊以高度和相对于倾斜光栅的表面法线的倾斜角为特征。在多个倾斜脊的高度与光栅周期的整数倍除以倾斜角的正切之间的差小于阈值。在一些实施例中，多个倾斜脊的高度等于光栅周期除以倾斜角的正切。在一些实施例中，光栅耦合器还包括倾斜光栅上的涂刷层，其中涂刷层填充多个倾斜脊之间的间隙，并且涂刷层的折射率不同于多个倾斜脊的折射率。
在一些实施例中，光学元件包括倾斜光栅，该倾斜光栅被配置成相消干涉由倾斜光栅衍射的环境光的至少一部分。
在一些实施例中，近眼显示器包括图像源、波导、被配置为将来自图像源的显示光耦合到波导中的输入耦合器、以及耦合到波导的输出耦合器。输出耦合器被配置为透射来自近眼显示器前方的环境的环境光，并将显示光从波导耦合出去。输出耦合器包括以光栅周期为特征的倾斜光栅，倾斜光栅包括多个倾斜脊。多个倾斜脊以高度和相对于倾斜光栅的表面法线的倾斜角为特征。在多个倾斜脊的高度与光栅周期的整数倍除以倾斜角的正切之间的差小于阈值。
在一些实施例中，近眼显示器包括在波导的与输出耦合器相对的表面上的抗反射涂层。在一些实施例中，近眼显示器包括在输出耦合器的与波导相对的表面上的抗反射涂层。在一些实施例中，输出耦合器包括倾斜光栅上的涂刷层，其中涂刷层填充多个倾斜脊之间的间隙，并且涂刷层的折射率不同于多个倾斜脊的折射率。
本概述既不旨在识别所要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在单独地用于确定所要求保护的主题的范围。应当参考本公开的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每项权利要求来理解主题。前述内容以及其他特征和示例将在下面的说明书中、权利要求书和附图中被更详细地描述。
附图简述
下面参考以下附图详细描述说明性实施例。
图1是根据某些实施例的示例近眼显示器的简化图。
图2是根据某些实施例的示例近眼显示器的横截面视图。
图3是根据某些实施例的示例波导显示器的等轴视图。
图4是根据某些实施例的示例波导显示器的横截面视图。
图5是包括波导显示器的示例人工现实系统的简化框图。
图6示出了根据某些实施例的使用波导显示器的示例光学透视增强现实系统；
图7示出了通过示例一维光栅的示例光学衍射。
图8示出了在示例波导显示器中显示光和外部光的传播。
图9A示出了在波导显示器的前侧上具有光栅耦合器的示例波导显示器中外部光的传播。图9B示出了在波导显示器的后侧上具有光栅耦合器的示例波导显示器中外部光的传播。
图10示出了示例波导显示器中的彩虹伪像(rainbow artifact)。
图11A示出了根据某些实施例的具有减少的彩虹伪像的示例光栅耦合器。
图11B示出了根据某些实施例的具有减少的彩虹伪像的另一示例光栅耦合器。
图12是示出根据某些实施例的由波导显示器中的光栅耦合器进行的外部光衍射的简化图。
图13A示出了根据某些实施例的由波导显示器中的光栅耦合器衍射的光。图13B是示出根据某些实施例使用光栅耦合器的外部光彩虹伪像减少的波形图。
图14是示出根据某些实施例的光栅耦合器对显示光的衍射的简化图。
图15A示出了根据某些实施例的由波导显示器的表面处的光反射引起的彩虹伪像。图15B示出了根据某些实施例的具有抗反射层的示例波导显示器，该抗反射层用于减少由波导显示器的表面处的光反射引起的彩虹伪像。
图16A示出了根据某些实施例的由波导显示器的光栅耦合器的表面处的光反射引起的彩虹伪像。图16B示出了根据某些实施例的具有抗反射层的示例波导显示器，该抗反射层用于减少由光栅耦合器的表面处的光反射引起的彩虹伪像。
图17A是根据某些实施例的用于彩虹伪像减少的示例一维倾斜表面浮雕光栅的俯视平面图。图17B是根据某些实施例的用于彩虹伪像减少的示例一维倾斜表面浮雕光栅的透视图。
图18A是根据某些实施例的用于彩虹伪像减少的示例二维倾斜表面浮雕光栅的俯视平面图。图18B是根据某些实施例的用于彩虹伪像减少的示例二维倾斜表面浮雕光栅的透视图。
图19A-19C示出了根据某些实施例的通过倾斜蚀刻制造倾斜表面浮雕光栅的示例过程。
图20A-20E示出了根据某些实施例的通过倾斜蚀刻制造倾斜表面浮雕光栅的示例过程。
图21是示出根据某些实施例的制造倾斜表面浮雕光栅的示例方法的简化流程图。
图22A-22H示出了根据某些实施例的制造用于模制倾斜表面浮雕光栅的NIL模具的示例过程。
图23A和图23B示出了根据某些实施例的通过模制来制造倾斜表面浮雕光栅的示例过程。
图24A-24D示出了根据某些实施例的制造用于制造倾斜表面浮雕光栅的软印模(soft stamp)的示例过程。
图25A-25D示出了根据某些实施例的使用软印模制造倾斜表面浮雕光栅的示例过程。
图26是示出根据某些实施例的制造倾斜表面浮雕光栅的示例方法的简化流程图。
图27是用于实现本文公开的一些示例的示例近眼显示器的示例电子系统的简化框图。
附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。本领域中的技术人员从下面的描述中将容易认识到示出的结构和方法的替代实施例可以被采用而不偏离本公开的原理或所推崇的益处。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记之后用破折号和在相似部件之间进行区分的第二标记来区分相同类型的各个部件。如果说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的任何一个相似部件，而与第二附图标记无关。
详细描述
本文公开的技术大体上涉及衍射光栅，更具体地说，涉及在人工现实系统的波导显示器中使用的对于外部光具有减少的伪像(例如，幻影图像和色散)的衍射光栅耦合器。例如，在一些实施例中，包括多个倾斜脊的倾斜光栅可以用作光栅耦合器，用于将人工对象的显示光从波导显示器的波导耦合出去，并且用于将来自现实对象的环境光耦合到波导中。倾斜脊的高度可以等于或接近倾斜光栅的周期的整数倍除以倾斜脊的倾斜角的正切。在一些实施方式中，抗反射涂层可用于减少外部光在波导或光栅耦合器的表面处的反射，从而可减少由反射回光栅耦合器并被光栅耦合器衍射的外部光引起的伪像。
在一个示例中，倾斜光栅的倾斜脊的高度和倾斜角可以被设计成使得光栅的高度等于或接近倾斜光栅的周期除以倾斜脊的倾斜角的正切。换句话说，倾斜光栅的第一脊上的左上(或右上)点可以与倾斜光栅的第二脊的左下(或右下)点垂直对齐。因此，倾斜光栅可以包括两个重叠的倾斜光栅，这两个倾斜光栅之间的偏移大约是光栅周期的一半。因此，由两个偏移倾斜光栅衍射的外部光(例如-1阶衍射)可能相位相差约180°，因此可能彼此相消干涉，使得大部分外部光可能作为0阶衍射进入波导，这可能不依赖于波长。以这种方式，可以减少或消除由光栅耦合器对外部光的-1阶衍射引起的伪像。因此，光栅耦合器对于外部光的-1阶透射衍射的效率可能远低于光栅耦合器对于显示光的-1阶反射衍射的效率。
在以下描述中，为了解释的目的阐述了具体细节，以便提供对本公开的示例的透彻理解。然而，将明显的是，各种示例可在没有这些具体细节的情况下被实施。例如，设备、系统、结构、组件、方法和其他部件可以以框图形式被显示为部件，以免以不必要的细节模糊示例。在其他情况下，众所周知的设备、过程、系统、结构和技术可以在没有必要细节的情况下被示出，以避免模糊示例。附图和描述并不旨在是限制性的。在本公开中使用的术语和表达被用作描述性术语而非限制性术语，并且这些术语和表达的使用无意排除所示出并描述的特征的任何等同物或其部分。
图1是根据某些实施例的示例近眼显示器100的简化图。近眼显示器100可以向用户呈现媒体。由近眼显示器100呈现的媒体的示例可包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，音频可以经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从近眼显示器100、控制台或两者接收音频信息，并基于音频信息来呈现音频数据。近眼显示器100通常被配置为作为人工现实显示器来操作。在一些实施例中，近眼显示器100可以作为增强现实(AR)显示器或混合现实(MR)显示器来操作。
近眼显示器100可以包括框架105和显示器110。框架105可以耦合到一个或更多个光学元件。显示器110可以被配置成让用户看到由近眼显示器100呈现的内容。在一些实施例中，显示器110可以包括波导显示器组件，用于将来自一个或更多个图像的光导向用户的眼睛。
图2是图1所示的近眼显示器100的横截面视图200。显示器110可以包括至少一个波导显示器组件210。当用户佩戴近眼显示器100时，出射光瞳(exit pupil)230可以位于用户的眼睛220所处的位置。出于说明的目的，图2示出了与用户的眼睛220和单个波导显示器组件210相关联的横截面视图200，但是在一些实施例中，第二波导显示器可以用于用户的第二只眼睛。
波导显示器组件210可以被配置成将图像光(即显示光)导向位于出射光瞳230处的视窗(eyebox)，并导向用户的眼睛220。波导显示器组件210可以包括具有一个或更多个折射率的一种或更多种材料(例如，塑料、玻璃等)。在一些实施例中，近眼显示器100可以包括在波导显示器组件210和用户的眼睛220之间的一个或更多个光学元件。
在一些实施例中，波导显示器组件210可以包括一个或更多个波导显示器的堆叠，包括但不限于堆叠式波导显示器、变焦波导显示器等。堆叠式波导显示器是多色显示器(例如，红-绿-蓝(RGB)显示器)，其通过堆叠各自的单色源具有不同颜色的波导显示器来被创建。堆叠式波导显示器也可以是可以被投影在多个平面上的多色显示器(例如，多平面彩色显示器)。在一些配置中，堆叠式波导显示器可以是可以被投影在多个平面上的单色显示器(例如，多平面单色显示器)。变焦波导显示器是可以调节从波导显示器发射的图像光的焦点位置的显示器。在替代实施例中，波导显示器组件210可以包括堆叠式波导显示器和变焦波导显示器。
图3是波导显示器300的实施例的等轴视图。在一些实施例中，波导显示器300可以是近眼显示器100的部件(例如，波导显示器组件210)。在一些实施例中，波导显示器300可以是可以将图像光导向特定位置的某些其他近眼显示器或其他系统的一部分。
波导显示器300可以包括源组件310、输出波导320和控制器330。出于说明的目的，图3示出了与用户的眼睛390相关联的波导显示器300，但是在一些实施例中，与波导显示器300分离或部分分离的另一波导显示器可以向用户的另一只眼睛提供图像光。
源组件310可以生成用于显示给用户的图像光355。源组件310可以生成图像光355并将其输出到位于输出波导320的第一侧面370-1上的耦合元件350。在一些实施例中，耦合元件350可以将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。耦合元件350可以包括例如衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱曲面元件(prismatic surface element)和/或全息反射器阵列。输出波导320可以是能够将扩展的图像光340输出到用户的眼睛390的光波导。输出波导320可以在位于第一侧面370-1上的一个或更多个耦合元件350处接收图像光355，并将接收的图像光355引导至导向元件360。
导向元件360可以将接收到的输入图像光355重定向到去耦元件365，使得接收到的输入图像光355可以经由去耦元件365从输出波导320耦合出去。导向元件360可以是输出波导320的第一侧面370-1的一部分，或者固定到第一侧面370-1。去耦元件365可以是输出波导320的第二侧面370-2的一部分或固定到第二侧面370-2，使得导向元件360与去耦元件365相对。导向元件360和/或去耦元件365可以包括例如衍射光栅、全息光栅、表面浮雕光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱曲面元件和/或全息反射器阵列。
输出波导320的第二侧面370-2可以代表沿着x维度和y维度的平面。输出波导320可以包括可有助于图像光355的全内反射的一种或更多种材料。输出波导320可以包括例如硅、塑料、玻璃和/或聚合物。输出波导320可以具有相对较小的形状因子(form factor)。例如，输出波导320可沿x维度宽约50mm，沿y维度长约30mm，且沿z维度厚约0.5到1mm。
控制器330可以控制源组件310的扫描操作。控制器330可以确定用于源组件310的扫描指令。在一些实施例中，输出波导320可以将扩展的图像光340输出到用户的眼睛390，具有大视场(FOV)。例如，提供给用户的眼睛390的扩展的图像光340可以具有(x和y中的)大约60度或更大和/或大约150度或更小的对角FOV。输出波导320可以被配置成提供视窗，其长度为约20mm或更大和/或等于或小于约50mm，和/或宽度为约10mm或更大和/或等于或小于约50mm。
图4是波导显示器300的横截面视图400。波导显示器300可以包括源组件310和输出波导320。源组件310可以根据来自控制器330的扫描指令生成图像光355(即，显示光)。源组件310可以包括源410和光学系统415。源410可以包括生成相干光或部分相干光的光源。源410可以包括例如激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。
光学系统415可以包括能够调节来自源410的光的一个或更多个光学部件。调节来自源410的光可以包括，例如，根据来自控制器330的指令来扩展、准直和/或调整定向。一个或更多个光学部件可以包括一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。从光学系统415(以及还有源组件310)发射的光可以被称为图像光355或显示光。
输出波导320可以接收来自源组件310的图像光355。耦合元件350可以将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。在耦合元件350包括衍射光栅的实施例中，衍射光栅可以被配置成使得全内反射可以出现在输出波导320内，并且因此耦合到输出波导320中的图像光355可以在输出波导320内(例如，通过全内反射)朝着去耦元件365内部传播。
导向元件360可以将图像光355重新导向去耦元件365，用于将至少一部分图像光从输出波导320耦合出去。在导向元件360是衍射光栅的实施例中，衍射光栅可以被配置成使得入射图像光355以相对于去耦元件365的表面的倾斜角离开输出波导320。在一些实施例中，导向元件360和/或去耦元件365可以在结构上相似，并且可以针对图像光355的不同部分切换它们的角色。
离开输出波导320的扩展的图像光340可以沿着一个或更多个维度扩展(例如，沿着x维度拉长)。在一些实施例中，波导显示器300可以包括多个源组件310和多个输出波导320。每个源组件310可以发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的单色图像光。每个输出波导320可以堆叠在一起，以输出可以是多色的扩展的图像光340。
图5是包括波导显示器组件210的示例人工现实系统500的简化框图。系统500可以包括近眼显示器100、成像设备535和输入/输出接口540，它们各自耦合到控制台510。
如上所述，近眼显示器100可以是向用户呈现媒体的显示器。由近眼显示器100呈现的媒体的示例可以包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，音频可以经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备可以从近眼显示器100和/或控制台510接收音频信息，并且基于该音频信息向用户呈现音频数据。在一些实施例中，近眼显示器100可以充当人工现实眼镜。例如，在一些实施例中，近眼显示器100可以用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理、现实世界环境的视图。
近眼显示器100可包括波导显示器组件210、一个或更多个位置传感器525和/或惯性测量单元(IMU)530。如上所述，波导显示器组件210可以包括源组件310、输出波导320和控制器330。
IMU 530可以包括电子设备，该电子设备可以基于从一个或更多个位置传感器525接收的测量信号，生成指示相对于近眼显示器100的初始位置的近眼显示器100的估计位置的快速校准数据。
成像设备535可以根据从控制台510接收的校准参数生成慢速校准数据。成像设备535可以包括一个或更多个照相机和/或一个或更多个摄像机。
输入/输出接口540可以是允许用户向控制台510发送动作请求的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。
控制台510可以根据从成像设备535、近眼显示器100和输入/输出接口540中的一个或更多个接收的信息，来向近眼显示器100提供媒体以呈现给用户。在图5所示的示例中，控制台510可以包括应用储存器545、跟踪模块550和引擎555。
应用储存器545可以存储用于由控制台510执行的一个或更多个应用。应用可以包括一组指令，这些指令当被处理器执行时可以生成用于呈现给用户的内容。应用的示例可以包括游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
跟踪模块550可以使用一个或更多个校准参数来校准系统500，并且可以调整一个或更多个校准参数以减小近眼显示器100的位置确定中的误差。跟踪模块550可以使用来自成像设备535的慢速校准信息来跟踪近眼显示器100的移动。跟踪模块550还可以使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器100的参考点的位置。
引擎555可以执行系统500内的应用，并从跟踪模块550接收近眼显示器100的位置信息、加速度信息、速度信息和/或预测的未来位置。在一些实施例中，由引擎555接收的信息可以用于向波导显示器组件210产生信号(例如，显示指令)。该信号可以确定要呈现给用户的内容的类型。
可以有许多不同的方式来实现波导显示器。例如，在一些实施方式中，输出波导320可以包括在第一侧面370-1和第二侧面370-2之间的倾斜表面，用于将图像光355耦合到输出波导320中。在一些实施方式中，倾斜表面可以涂覆有反射涂层，以朝向导向元件360反射光。在一些实施方式中，倾斜表面的角度可以被配置成使得图像光355可以由于全内反射而被倾斜表面反射。在一些实施方式中，可以不使用导向元件360，并且可以通过全内反射在输出波导320内引导光。在一些实施方式中，去耦元件365可以位于第一侧面370-1附近。
在一些实施方式中，输出波导320和去耦元件365(以及导向元件360，如果使用的话)对于来自环境的光可以是透明的，并且可以充当光学组合器，用于组合图像光355和来自近眼显示器100前面的物理、现实世界环境的光。这样，用户可以观看来自源组件310的人工对象的人工图像和物理、现实世界环境中的真实对象的真实图像。
图6示出了根据某些实施例的使用波导显示器的示例光学透视增强现实系统600。增强现实系统600可以包括投影仪610和组合器615。投影仪610可以包括光源或图像源612和投影仪光学器件614。在一些实施例中，图像源612可以包括显示虚拟对象的多个像素，例如LCD显示面板或LED显示面板。在一些实施例中，图像源612可以包括生成相干光或部分相干光的光源。例如，图像源612可以包括激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。在一些实施例中，图像源612可以包括多个光源，每个光源发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的单色图像光。在一些实施例中，图像源612可以包括光学图案生成器，例如空间光调制器。投影仪光学器件614可以包括一个或更多个光学部件，其可以调节来自图像源612的光，例如对来自图像源612的光进行扩展、准直、扫描或者将来自图像源612的光投影到组合器615。一个或更多个光学部件可以包括一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。在一些实施例中，投影仪光学器件614可以包括具有多个电极的液体透镜(例如，液晶透镜)，其允许扫描来自图像源612的光。
组合器615可以包括输入耦合器630，用于将来自投影仪610的光耦合到组合器615的衬底620中。输入耦合器630可以包括体全息光栅、DOE(例如表面浮雕光栅)或折射耦合器(例如，光楔(wedge)或棱镜)。对于可见光，输入耦合器630可以具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。如本文所用，可见光可以指波长在约380nm至约750nm之间的光。耦合到衬底620中的光可以通过例如全内反射(TIR)在衬底620内传播。衬底620可以是一副眼镜的镜片的形式。衬底620可以具有平坦或弯曲的表面，并且可以包括一种或更多种类型的介电材料，例如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、晶体或陶瓷。衬底的厚度可以在例如小于约1mm至约10mm或更大的范围内。衬底620可以对可见光透明。如果光束能够以高透射率(例如大于60％、75％、80％、90％、95％或更高)穿过材料，其中光束的一小部分(例如，小于60％、25％、20％、10％、5％或更少)可以被材料散射、反射或吸收，则该材料对于光束可以是“透明的”。透射率(即，透射度(transmissivity))可以由某一波长范围内的适光加权或未加权平均透射率来表示，或者由某一波长范围(例如可见波长范围)内的最低透射率来表示。
衬底620可以包括多个输出耦合器640，其被配置为从衬底620提取由衬底620引导并在衬底620内传播的光的至少一部分，并将提取的光660引导至增强现实系统600的用户的眼睛690。与输入耦合器630一样，输出耦合器640可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、棱镜或DOE。输出耦合器640在不同位置可以具有不同的耦合(例如衍射)效率。衬底620还可以允许来自组合器615前面的环境的光650以很少损失或没有损失的方式通过。输出耦合器640可以允许光650以很小的损失通过。例如，在一些实施方式中，如下所述，输出耦合器640对于光650可以具有低衍射效率，使得光650可以被折射或者以其他方式以很小的损失通过输出耦合器640。在一些实施方式中，输出耦合器640可以对光650具有高衍射效率，并且可以将光650以很小的损失导向某些期望的方向(即，衍射角)。结果，用户可以观看组合器615前面的环境和投影仪610投影的虚拟对象的组合图像。
图7示出了示例一维光栅710的光学衍射。衍射光栅可以包括准一维结构，其包括一系列平行的狭缝、凹口、线、阶梯等(其可以被称为光栅槽(groove))。在该示例中，一维光栅710可以是具有多个槽712的透射光栅，其中每个槽712可以具有长度d，并且可以包括宽度a的狭缝714。根据惠更斯-菲涅耳原理，当平面波入射到光栅上时，每个槽712(或狭缝714)可以像点源一样工作，发射球面波(或者更准确地说，柱面波)。传播波在任何随后点的波前可以通过对来自这些独立点源中每个的贡献求和而得到。对于某些角度，可能存在相消干涉。对于其他一些角度，可能存在相长干涉。相长干涉的峰值可以称为衍射阶。表面法线入射光的第m衍射阶的衍射角θm可以由以下光栅方程确定：
dsinθm＝mλ，
其中λ是入射波的波长。例如，对于由线720和722表示的零阶衍射(透射)，衍射角是0。对于由线730和732表示的+1阶衍射，衍射角是正的(在零阶的右边)。对于由线740和742表示的-1阶衍射，衍射角是负的(在零阶的左边)。从上面的光栅方程可以看出，对于具有不同波长λ(颜色)的光，相同第m衍射阶的衍射角θm是不同的，这可以被称为光栅的色散(或简称色散)。
由光栅衍射的光的电场也可以使用傅立叶光学根据下式进行分析，
Figure BDA0002696228150000141
或者
O(f)＝G(f)×i(f)，
其中I(f)、G(f)和O(f)分别是输入场i(x)、光栅函数g(x)和输出场o(x)的傅立叶变换。
例如，角度为θ的平面波的电场强度可以由光栅的单缝衍射和多缝干涉确定。例如，当衍射光栅的N个槽被入射波照射时，角度θ的平面波的电场强度可以由下式确定：
Figure BDA0002696228150000142
其中因子
Figure BDA0002696228150000143
表示宽度为a的单缝的衍射效应，而因子
Figure BDA0002696228150000144
表示光栅的N个槽(或狭缝)的干涉效应。
图8示出了在包括波导810和光栅耦合器820的示例波导显示器800中入射显示光840和外部光830的传播。波导810可以是折射率n2大于自由空间折射率n1(即1.0)的平坦或弯曲的透明衬底。光栅耦合器820可以是例如布拉格光栅(Bragg grating)或表面浮雕光栅。
入射显示光840可以通过例如图6的输入耦合器630或上述其他耦合器(例如棱镜或倾斜表面)耦合到波导810中。入射显示光840可以通过例如全内反射在波导810内传播。当入射显示光840到达光栅耦合器820时，入射显示光840可以被光栅耦合器820衍射成例如0阶衍射(即反射)光842和-1阶衍射光844。0阶衍射可以在波导810内传播，并且可以在不同位置处被波导810的底表面朝向光栅耦合器820反射。-1阶衍射光844可以朝向用户的眼睛从波导810耦合(例如折射)出去，因为由于衍射角，在波导810的底表面可能不满足全内反射条件。
外部光830也可以被光栅耦合器820衍射成例如0阶衍射光832和-1阶衍射光834。0阶衍射光832和-1阶衍射光834可以朝向用户的眼睛从波导810折射出去。因此，光栅耦合器820可以充当用于将外部光830耦合到波导810中的输入耦合器，并且还可以充当用于将入射显示光840从波导810耦合出去的输出耦合器。这样，光栅耦合器820可以充当组合器，用于组合外部光830和入射显示光840。一般而言，光栅耦合器820(例如，表面浮雕光栅耦合器)对于外部光830的衍射效率(即，透射衍射)和光栅耦合器820对于入射显示光840的衍射效率(即，反射衍射)可以是相似或可比的。
图9A示出了在波导910的前侧上具有光栅耦合器920的示例波导显示器900中外部光930的传播。如上所述，外部光930可以被光栅耦合器920衍射成0阶衍射光932和-1阶衍射光934。0阶衍射光932可以在光线936所示的方向上从波导910折射出去。-1阶衍射光934可以在光线938所示的方向上从波导910折射出去。对于不同的波长(颜色)，0阶衍射光可以具有相同的衍射角，但是-1阶衍射光可以具有不同的衍射角(即，取决于波长)。
图9B示出了外部光980在示例波导显示器950中的传播，波导显示器950具有在波导960的背侧上的光栅耦合器970。外部光980可以作为折射光982折射到波导960中。折射光982然后可以被光栅耦合器970从波导960衍射出来，成为0阶衍射光984和-1阶衍射光986。0阶衍射光984的传播方向可以类似于光线936的传播方向。-1阶衍射光986的传播方向可以类似于光线938的传播方向。对于不同的波长(颜色)，0阶衍射光可以具有相同的衍射角，但是-1阶衍射光可以具有不同的衍射角(即，取决于波长)。
图10示出了示例波导显示器1000中的彩虹伪像。如上所述，波导显示器1000可以包括波导1010、光栅耦合器1020和投影仪1030。来自投影仪1030的显示光1032可以耦合到波导1010中，并且可以通过光栅耦合器1020在不同位置部分耦合出波导1010，以到达用户的眼睛1090。来自外部光源1040(例如太阳或灯)的外部光1042也可以被光栅耦合器1020衍射到波导1010中，然后可以传播通过波导1010到达用户的眼睛1090。
如上关于图8和图9A和图9B所述，光栅耦合器不仅可以衍射显示光，而且可以衍射外部光。此外，如以上关于图7所述，由于光栅的色散，对于衍射阶大于或小于零的衍射，不同颜色的光可以以不同的角度衍射。这样，到达用户的眼睛的不同颜色的外部光的-1阶衍射(例如，衍射光986或光线938)可以表现为位于不同位置(或方向)的幻影图像，其可以被称为彩虹伪像或彩虹幻影1044。彩虹幻影1044可能出现在所显示的图像或环境的图像之上，并且扰乱所显示的图像或环境的图像。彩虹幻影1044可能会显著影响用户体验。在一些情况下，当来自外部光源1040(例如，太阳)的光高效地被导向用户的眼睛1090时，彩虹幻影1044对用户的眼睛1090也可能是危险的。
本文公开的技术可用于减少由波导显示器的光栅耦合器对外部光的衍射引起的彩虹幻影。例如，在一些实施例中，包括多个倾斜脊的倾斜光栅可以用作光栅耦合器，其中倾斜脊的高度可以等于或接近倾斜光栅的周期的整数倍除以倾斜脊的倾斜角的正切。在一个示例中，倾斜光栅的倾斜脊的高度和倾斜角可以被设计成使得光栅的高度等于或接近倾斜光栅的周期除以倾斜脊的倾斜角的正切。换句话说，倾斜光栅的第一脊上的左上(或右上)点可以与倾斜光栅的第二脊的左下(或右下)点垂直对齐。因此，倾斜光栅可以被认为包括两个重叠的倾斜光栅，这两个倾斜光栅之间的偏移大约是光栅周期的一半。结果，由两个偏移倾斜光栅衍射的外部光(例如-1阶衍射)可能相位相差大约180°，并且因此可能彼此相消干涉，使得大部分外部光可以作为0阶衍射进入波导，这可以不依赖于波长。以这种方式，可以减少或消除由光栅耦合器对外部光的-1阶衍射引起的彩虹幻影。因此，光栅耦合器对于外部光的-1阶透射衍射的效率可以比光栅耦合器对于显示光的-1阶反射衍射的效率低得多。例如，显示光的-1阶衍射效率可以大于约5％、约20％、约30％、约50％、约75％、约90％或更高，而外部光的-1阶衍射效率可以小于约2％、小于约1％、小于约0.5％或更低。在一些实施方式中，抗反射涂层可用于减少外部光在波导或光栅耦合器的表面处的反射，其中外部光如果被反射回光栅耦合器并被光栅耦合器衍射的话可能导致彩虹幻影和/或其他伪像。
图11A示出了根据某些实施例的具有减少的彩虹伪像的波导显示器1100的示例光栅耦合器1120。光栅耦合器1120可以形成在波导显示器1100的波导1110(例如，折射率为n2的透明衬底)上。光栅耦合器1120可以包括x(水平)方向上的多个周期。每个周期可以包括由折射率为ng1的材料形成的第一倾斜区域1122以及由折射率为ng2的材料形成的第二倾斜区域1124。在各种实施例中，ng1和ng2之间的差可以大于0.1、0.2、0.3、0.5、1.0或更高。在一些实施方式中，第一倾斜区域1122和第二倾斜区域1124之一可以是折射率约为1.0的空气间隙。第一倾斜区域1122和第二倾斜区域1124可以相对于z(垂直)方向具有倾斜角α。第一倾斜区域1122和第二倾斜区域1124的高度(H)可以等于或接近光栅周期p的整数倍(m)除以倾斜角α的正切(例如，在其大约5％或10％之内)，即，
Figure BDA0002696228150000171
在图11A所示的示例中，m等于1。因此，光栅周期中的第一倾斜区域1122的左上点A可以与不同光栅周期中的另一第一倾斜区域1122的左下点B垂直对齐。光栅耦合器1120因此可以包括第一(顶部)倾斜光栅1126和第二(底部)倾斜光栅1128，每一个都具有H/2的高度。第一倾斜光栅1126和第二倾斜光栅1128可以在x方向上彼此偏移p/2。
图11B示出了根据某些实施例的具有减少的彩虹伪像的波导显示器1150的另一示例光栅耦合器1170。在图11B所示的示例中，m等于2。光栅耦合器1170因此可以包括四个重叠的倾斜光栅1176-1182，每个光栅具有高度H/4，并且在x方向上彼此偏移半个光栅周期(p/2)。
图12是示出根据某些实施例的由波导显示器1200中的光栅耦合器1220进行的外部光衍射(透射衍射)的简化图。与波导显示器950一样，波导显示器1200可以包括波导1210和波导1210一侧上的光栅耦合器1220。光栅耦合器1220可以包括第一(顶部)倾斜光栅1222和第二(底部)倾斜光栅1224，每个倾斜光栅的高度为H/2，其中H是光栅耦合器1220的高度。第一倾斜光栅1222和第二倾斜光栅1224可以在x方向上彼此偏移大约p/2，其中p是光栅耦合器1220的光栅周期。
入射到光栅耦合器1220上的外部光(例如，平面波)可以包括可具有相同相位的第一部分(外部光1230)和第二部分(外部光1240)。外部光1230可被折射到光栅耦合器1220中，并被第一倾斜光栅1222衍射成-1阶衍射光1232，外部光1240可被折射到光栅耦合器1220中，并被第二倾斜光栅1224衍射成-1阶衍射光1242。点A和点B同相。因此，衍射光1232和衍射光1242之间的相位差可以近似为：
Figure BDA0002696228150000181
其中OPLAC是点A和点C之间的光学长度(物理长度乘以折射率)，OPLBC是点B和点C之间的光学长度，λ0是自由空间中外部光的波长，Δ是由第一倾斜光栅1222的衍射和第二倾斜光栅1224的衍射引起的相位差。OPLAC和OPLBC之间的差异可能相当小，因此衍射光1232和衍射光1242之间的相位差可能接近Δ。
如上所述，由光栅衍射的光的电场可以使用傅立叶光学进行分析。第一倾斜光栅1222的光栅函数g(x)的傅立叶变换可以是：
F(g(x))＝G(f)。
第二倾斜光栅1224的光栅函数的傅立叶变换可以是：
F(g(x-a))＝e-i2πfaG(f)，
其中a是第二倾斜光栅1224相对于第一倾斜光栅1222在x方向上的偏移。因为光栅的空间频率f等于1/p，当a等于p/2时，e-i2πfa变成e-iπ。这样，由第一倾斜光栅1222衍射的光的电场和由第二倾斜光栅1224衍射的光的电场可以相位相差大约180°(或π)。因此，Δ可约等于π。因为OPLAC和OPLBC之间的光程差相当小，所以
Figure BDA0002696228150000182
可以接近π，以引起衍射光1232和衍射光1242之间的至少部分相消干涉。
为了进一步减少光栅耦合器1220对外部光的整体-1阶衍射，希望衍射光1232和衍射光1242之间的相位差约为180°(或π)，使得衍射光1232和衍射光1242可以相消干涉以彼此抵消。在一些实施例中，可以调整光栅耦合器1220的高度、周期和/或倾斜角，使得Δ可以不同于π，但是
Figure BDA0002696228150000191
可以近似等于π，以引起衍射光1232和衍射光1242之间的相消干涉。
图13A示出了根据某些实施例的波导显示器1300中由光栅耦合器1310衍射的光。光栅耦合器1310可以类似于光栅耦合器1220，因此入射光1320(例如，外部光)可以被光栅耦合器1310衍射成第一部分1322和第二部分1324。如上所述，通过调整光栅耦合器1310的高度、周期和/或倾斜角，由于光栅耦合器1310的高度、周期和倾斜角之间的关系，第一部分1322和第二部分1324可以相位相差大约180°。
图13B是示出根据某些实施例在波导显示器1300中使用光栅耦合器1310减少外部光彩虹伪像的波形图1350。第一部分1322和第二部分1324的时域波形可以具有相同的频率和幅度，但是可以时移半个时间周期(即，相移180°)。因此，第一部分1322和第二部分1324可以彼此相消干涉，使得第一部分1322和第二部分1324的总和(总电场)大约为零。换句话说，光栅耦合器1310对外部光的-1阶衍射可以显著减少或基本消除。
图14是示出根据某些实施例的波导显示器1400中由光栅耦合器1420进行的显示光衍射(反射衍射)的简化图。与波导显示器1200一样，波导显示器1400可以包括波导1410和波导1410一侧上的光栅耦合器1420。光栅耦合器1420可以包括第一(顶部)倾斜光栅1422和第二(底部)倾斜光栅1424，每个倾斜光栅的高度为H/2，其中H是光栅耦合器1420的高度。第一倾斜光栅1422和第二倾斜光栅1424可以在x方向上彼此偏移大约p/2，其中p是光栅耦合器1420的光栅周期。
耦合到波导1410中的显示光可以包括第一部分(显示光1430)和第二部分(显示光1440)。显示光1430可被第一倾斜光栅1422衍射成-1阶衍射光1432，显示光1440可被第二倾斜光栅1424衍射成-1阶衍射光1442。因为由于反射衍射，衍射光1432可以比衍射光1442行进更长的距离，所以衍射光1432和衍射光1442之间的相位差可以小于180°，并且因此不会相消干涉以彼此抵消。例如，衍射光1432和衍射光1442之间的相位差可以近似为：
Figure BDA0002696228150000201
其中OPLAC是点A和点C之间的光学长度，OPLAB是点A和点B之间的光学长度，λ0是自由空间中显示光的波长，Δ是由第一倾斜光栅1422的衍射和第二倾斜光栅1424的衍射引起的相位差。如上所述，当光栅耦合器1420的高度等于或接近光栅周期的整数倍除以光栅耦合器1420的倾斜角的正切(例如，在其约5％或10％之内)时，Δ可以等于大约π，但是
Figure BDA0002696228150000202
可以与π显著不同。当光栅耦合器1420的高度、周期和/或倾斜角被调节以引起如上关于图12所述的衍射的外部光之间的相消干涉时，
Figure BDA0002696228150000203
也可能与π显著不同。因此，衍射光1432和衍射光1442不会相消干涉而相互抵消。因此，对于显示光，可以实现相对高的衍射效率，例如大于5％、10％、20％、30％、50％或更高。
以这种方式，光栅耦合器可以以低衍射效率衍射外部光以减少伪像，并且可以以高得多的衍射效率衍射显示光以将显示光从波导耦合出去。
注意，上面参照图12和图14描述的光栅耦合器只是用于减少特定视场内外部光的整体衍射的光栅耦合器的一些示例实现。在各种实施例中，可以针对不同的视场，不同地调整高度、周期和/或倾斜角之间的关系，以减少光栅耦合器对外部光的整体衍射。
在一些实施方式中，上述倾斜光栅可以包括倾斜表面浮雕光栅，在浮雕材料(即，脊)之间具有空白空间。在一些实施方式中，脊之间的空间可以涂覆或填充有相比浮雕材料具有不同折射率的其他材料。在一些实施方式中，倾斜角可以在大约30°和大约70°之间。在一个实施方式中，光栅耦合器的光栅周期p可以是大约350nm，光栅耦合器的倾斜角可以是大约60°，光栅耦合器的高度可以是大约202nm，并且光栅耦合器对外部光的-1阶衍射的衍射效率可以小于<1％。因为不管倾斜光栅的占空比如何，第一倾斜光栅1422和第二倾斜光栅1424总是彼此偏移半个光栅周期，所以倾斜光栅的占空比可以是任何合适的值。在一些实施方式中，例如，为了易于制造(例如，蚀刻或模制)和更好的机械特性，可以选择占空比。例如，在一些实施方式中，占空比可以在大约30％到大约70％之间。
图15A示出了根据某些实施例的由波导显示器1500的表面处的光反射引起的彩虹伪像。波导显示器1500可以包括波导1510和位于波导1510的顶表面处的光栅耦合器1520。光栅耦合器1520可以类似于上述光栅耦合器1120、1220、1310和1420。入射到光栅耦合器1520上的外部光可以被光栅耦合器1520衍射到波导1510中。衍射光可以包括0阶衍射1532和-1阶衍射1534。0阶衍射1532可以作为光1536从波导1510折射出去。如上所述，光栅耦合器1520的高度、周期和倾斜角可以被配置成使得-1阶衍射1534可以被减小或最小化。
然而，0阶衍射1532可以在波导1510的底表面1512处反射。在底表面1512反射的光1538可以再次到达光栅耦合器1520，并且可以被光栅耦合器1520反射性地衍射。如上关于图14所述，即使光栅耦合器1520可以被配置为减少或最小化透射衍射的-1阶衍射，但光栅耦合器1520的反射衍射的-1阶衍射不会被减少或最小化。因此，来自反射光1538的-1阶衍射1540可以到达底表面1512，并且可以作为光1542从波导1510折射出去，这对于用户的眼睛来说可以表现为彩虹幻影。因此，波导显示器1500仍然可以产生相对强的彩虹幻影图像。
图15B示出了根据某些实施例的示例波导显示器1550，其具有用于减少由波导1510的底表面1512处的光反射引起的彩虹伪像的抗反射层1560。波导显示器1550可以类似于波导显示器1500。波导显示器1550可以在波导1510的底表面1512上包括附加的抗反射层1560。抗反射层1560可以包括例如涂覆在底表面1512上的一个或更多个介电薄膜层、纳米结构涂层或用于减少可见光反射的任何其他抗反射结构。抗反射层1560可用于减少衍射的外部光在底表面1512的反射。因此，很少或没有光可以在波导1510的底表面1512处反射回光栅耦合器1520，并且因此可以减少或最小化如上文关于图15A所述的原本可能由于外部光在底表面1512处的反射形成的彩虹幻影。
图16A示出了根据某些实施例的由波导显示器1600的光栅耦合器1620的表面处的光反射引起的彩虹伪像。波导显示器1600可以包括波导1610和位于波导1610的底表面处的光栅耦合器1620。光栅耦合器1620可以类似于上述光栅耦合器1120、1220、1310、1420和1520。入射到波导1610上的外部光可以作为外部光1632折射到波导1610中，然后可以被光栅耦合器1620衍射。衍射光可以包括0阶衍射1634和-1阶衍射(未示出)。如上所述，光栅耦合器1620的高度、周期和倾斜角可以被配置成使得-1阶衍射可以被减小或最小化。
然而，外部光1632可在光栅耦合器1620的底表面1622处被反射。在光栅耦合器1620的底表面1622反射的光1636可以再次到达光栅耦合器1620，并且可以被光栅耦合器1620反射性地衍射。如上关于图14所述，光栅耦合器1620的反射衍射的-1阶衍射可以不被可被配置为减少或最小化透射衍射的-1阶衍射的光栅耦合器减少或最小化。因此，来自反射光1636的-1阶衍射1638可以到达用户的眼睛，因此对于用户来说可以表现为彩虹幻影。因此，波导显示器1600仍可能导致相对强的彩虹幻影图像。
图16B示出了根据某些实施例的示例波导显示器1650，其具有用于减少由波导显示器1650的光栅耦合器1620的底表面1622处的光反射引起的彩虹伪像的抗反射层1660。波导显示器1650可以类似于波导显示器1600，并且可以在光栅耦合器1620的底表面1622上包括附加的抗反射层1660。抗反射层1660可以包括涂覆在底表面1622上的一个或更多个介电薄膜层，并且可以用于减少外部光在底表面1622的反射。因此，很少或没有外部光可以在光栅耦合器1620的底表面1622处反射回光栅耦合器1620，并且因此可以减少或最小化如上文关于图16A所述原本可能由于外部光在底表面1622处的反射形成的彩虹幻影。对于在波导1610内传播的显示光，至少一部分显示光可能由于光栅耦合器1620的全内反射和/或反射衍射而在波导1610和光栅耦合器1620之间的界面处被反射，因此可能不会到达抗反射层1660。显示光的一些部分可以被光栅耦合器1620衍射，并且可以(例如，由于-1阶衍射)朝向用户的眼睛从波导1610耦合出去。抗反射层1660可有助于减少显示光中通过光栅耦合器1620从波导1610耦合出去的部分的反射。
上述技术可用于减少由一维光栅耦合器引起的伪像(例如彩虹幻影)，并且还可用于减少由多维光栅耦合器(例如二维光栅耦合器)引起的伪像。
图17A是根据某些实施例的用于减少彩虹伪像的示例一维倾斜表面浮雕光栅1700的俯视平面图。图17B是根据某些实施例的用于减少彩虹伪像的示例一维倾斜表面浮雕光栅1700的透视图。一维倾斜表面浮雕光栅1700可以包括沿x方向排列的多个倾斜脊1710。倾斜脊1710可以包括折射率为n1的材料。倾斜脊1710可以相对于z方向以某一倾斜角在x方向上倾斜。倾斜脊1710之间的间隙1720可以是开放空间，或者可以用具有不同于n1的折射率n2的材料填充。
图18A是根据某些实施例的用于减少彩虹伪像的示例二维倾斜表面浮雕光栅1800的俯视平面图。图18B是根据某些实施例的用于减少彩虹伪像的示例二维倾斜表面浮雕光栅1800的透视图。二维倾斜表面浮雕光栅1800可以包括沿x和y方向排列的多个倾斜脊1810。二维倾斜表面浮雕光栅1800在x和y方向上的光栅周期和占空比可以相同或可以不同。倾斜脊1810可以包括折射率为n1的材料。倾斜脊1810可以相对于z方向以某一倾斜角在x方向上倾斜。在一些实施例中，倾斜脊1810也可以相对于z方向以某一倾斜角在y方向上倾斜。倾斜脊1810之间的间隙1820可以是开放空间，或者可以用具有不同于n1的折射率n2的材料填充。
光栅耦合器的倾斜光栅可以使用许多不同的纳米制造技术来制造。纳米制造技术通常包括图案化工艺和后图案化(例如，涂刷(over-coating))工艺。图案化工艺可用于形成倾斜光栅的倾斜脊。可以有许多不同的纳米制造技术用于形成倾斜脊。例如，在一些实施方式中，可以使用光刻技术来制造倾斜光栅。在一些实施方式中，可以使用纳米压印光刻(NIL)模制技术来制造倾斜光栅。后图案化工艺可用于涂刷倾斜脊和/或用折射率不同于倾斜脊的材料填充倾斜脊之间的间隙。后图案化工艺可以独立于图案化工艺。因此，可以在使用任何图案化技术制造的倾斜光栅上使用相同的后图案化工艺。
下面描述的用于制造倾斜光栅耦合器的技术和工艺仅仅是为了说明的目的，而不意图具有限制性。本领域技术人员将理解，可以对下面描述的技术进行各种修改。在一些实施方式中，可以省略下面描述的一些操作。在一些实施方式中，可以执行额外的操作来制造光栅耦合器。例如，在一些实施方式中，模具或一些其他结构的表面可以在压印之前被涂覆或电镀，以减少模具的磨损、提高产品质量并降低制造成本。例如，在一些实施方式中，可以在模制(或压印)过程之前在模具上涂覆防粘层。
图19A-19C示出了根据某些实施例的通过倾斜蚀刻来制造倾斜表面浮雕光栅的示例简化工艺。图19A示出了光刻工艺(例如影印光刻工艺(photolithography process))之后的结构1900。结构1900可包括可用作上述波导显示器的波导的衬底1910，例如玻璃或石英衬底。结构1900还可以包括一个或更多个光栅材料层1920，例如Si3N4或SiO2。衬底1910可以具有折射率nwg，并且光栅材料层1920可以具有折射率ng1。可以在光栅材料层上形成具有期望图案的掩模层1930。掩模层1930可以包括例如光致抗蚀剂材料、金属(例如，铜、铬、铝或钼)、金属间化合物(例如，MoSi2)或聚合物。掩模层1930可以通过例如下面详细描述的光刻工艺形成。
图19B示出了倾斜蚀刻工艺(例如，干蚀刻工艺(例如，反应性离子蚀刻(RIE)、感应耦合等离子体(ICP)、深硅蚀刻(DSE)或离子束蚀刻(IBE))之后的结构1940。倾斜蚀刻工艺可以包括一个或更多个子步骤。倾斜蚀刻可以例如通过基于期望的倾斜角旋转结构1900并通过蚀刻束垂直蚀刻光栅材料层1920来执行。蚀刻之后，可以在光栅材料层1920中形成倾斜光栅1950。
图19C示出了移除掩模层1930之后的结构1970。结构1970可以包括衬底1910、一个或更多个光栅材料层1920和倾斜光栅1950。倾斜光栅1950可以包括多个脊1952和相邻脊1952之间的间隙1954。诸如等离子体或湿法蚀刻的技术可用于用适当的化学物质来剥离掩模层1930。在一些实施方式中，掩模层1930可以不被移除，并且可以用作光栅耦合器的倾斜光栅的一部分。
随后，在一些实施方式中，可以执行后图案化(例如，涂刷)工艺，以用折射率高于或低于脊1952的材料的材料涂刷倾斜光栅1950。例如，在一些实施例中，高折射率材料(例如氧化铪、氧化钛、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅和高折射率聚合物)可以用于涂刷。在一些实施例中，低折射率材料(例如氧化硅、氟化镁、多孔二氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物)等)可以用于涂刷。结果，脊的折射率和涂刷层的折射率之间的差可以大于0.1、0.2、0.3、0.5、1.0或更高。
图20A-20E示出了根据某些实施例的通过倾斜蚀刻来制造倾斜表面浮雕光栅的示例工艺。图20A-20E所示的示例过程可以是图19A-19C所示的示例工艺的具体实现。
图20A示出了在波导2010涂覆有一个或更多个(例如，在1和多于100之间)层2020——其包括层1(2020-1)、层2(2020-2)…和层n(2020-n)——之后的结构2000。波导2010可以是折射率为nwg的平坦或弯曲衬底，并且一个或更多个层2020可以各自具有相同或不同的折射率，例如ng1、ng2、……、或ngn。可以出于制造目的选择层2020，例如为了耦合相邻层的蚀刻选择性，以实现对形成倾斜光栅的层(例如，层1(2020-1)，例如Si3N4或SiO2层)的快速且高度选择性的倾斜蚀刻。在一些实施方式中，层2020中的至少一些可以形成倾斜光栅的一部分，并且因此可以基于层的光学特性来附加地或可替代地选择这些层。可以在层n(2020-n)上形成光刻层2030，例如光致抗蚀剂层。在各种实施方式中，层2020和光刻层2030可以通过沉积(例如等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)、原子层沉积(ALD)、溅射、旋涂或其他技术)来形成在波导2010上。
图20B示出了光刻工艺之后的结构2025。光刻工艺可以使用例如电子束、聚焦离子束、影印光刻步进机、纳米压印工具等来执行。在光刻工艺之后，光刻层2030可以包括期望的图案，并且可以用作后续蚀刻工艺的掩模。
图20C示出了在蚀刻工艺期间一定数量的蚀刻子步骤之后的结构2040。如上所述，蚀刻工艺可以在等离子体室中使用例如RIE、ICP或IBE工艺来执行。蚀刻工艺可以包括许多子步骤(例如，与叠层中的层2020的数量一样多的子步骤)。用于蚀刻的蚀刻化学过程对于蚀刻不同的层可以是不同的，和/或可以在蚀刻同一个层时改变。蚀刻的一些或所有子步骤可以是湿法蚀刻。在一些实施方式中，通常如图20C所示，除了层1(2020-1)之外的所有层2020可以被表面法线地蚀刻。在一些实施例中，这些层可以以等于或类似于倾斜光栅的期望倾斜角的角度被蚀刻。在一些情况下，根据不同层2020的蚀刻选择性，在层1被蚀刻之前，只有层2(2020-2)可能仍然存在，因为所有其他层2020可能已经在先前的蚀刻子步骤期间被移除。通常，期望薄的抗蚀掩模(resistant mask)用于蚀刻最终的倾斜光栅，而所有其他层可以用于耦合相邻层的蚀刻选择性，以实现如上所述的快速和高度选择性的倾斜蚀刻。因此，在一些实施方式中，在最终蚀刻子步骤(即，用于蚀刻层1)中，只有层2(2020-2)可以用作倾斜蚀刻层1(2020-1)的蚀刻掩模。在叠层中只有一层2020(即，只有层1(2020-1))的情况下，只有光刻图案可以存在于层1(2020-1)的顶部上，因此可能不需要执行蚀刻工艺的上述子步骤。
图20D示出了执行最终蚀刻子步骤之后的结构2060。最终的蚀刻子步骤可以是倾斜蚀刻过程，在该过程中，波导2010可以旋转到对应于倾斜光栅的期望倾斜角的特定角度。最终的蚀刻子步骤可以使用例如IBE工具来执行，该IBE工具具有相对于离子束的方向旋转波导2010的能力。层1(2020-1)可以是高或低折射率材料。根据用于层1(2020-1)的材料，最终的蚀刻掩模(例如，层2(2020-2))可以是金属掩模(例如，铜、铬、铝或钼)、金属间化合物(例如，MoSi2)掩模或基于聚合物的掩模。在最终的蚀刻子步骤之后，可以在层1(2020-1)内形成具有倾斜脊的倾斜光栅，并且层2(2020-2)的一部分可以保留在倾斜光栅上。
图20E示出了在移除最终的蚀刻掩模(例如，层2(2020-2))之后的结构2080。如上文关于图19C所述，诸如等离子体或湿法蚀刻的技术可用于用适当的化学过程去除剩余的掩模材料。在一些实施方式中，最终的蚀刻掩模(即，层2(2020-2))可以不被去除，并且可以用作倾斜光栅的一部分。随后，如上所述，在一些实施方式中，可以执行后图案化(例如，涂刷)工艺，以用折射率高于或低于层1(2020-1)的材料的折射率的材料涂刷层1(2020-1)中形成的倾斜光栅。
图21是示出根据某些实施例的制造倾斜表面浮雕光栅的示例方法的简化流程图2100。流程图2100中描述的操作仅仅是为了说明的目的，而不意图是限制性的。在各种实施方式中，可以对流程图2100进行修改以添加附加操作或省略一些操作。
在框2110，可以在波导(例如，衬底)上形成一个或更多个光栅材料层(例如，层1(2020-1))，如上文参考例如图20A所述。在框2120，可以在一个或更多个光栅材料层上形成一个或更多个掩模层(例如，层2(2020-2)至层n(2020-n))，如上文参考例如图20A所述。可以使用例如PECVD、ALD、溅射、旋涂或其他技术来在衬底上形成一个或更多个光栅材料层和一个或更多个掩模层。
在框2130，可以基于倾斜光栅的期望结构，例如期望的倾斜光栅的周期、占空比、横截面尺寸，来图案化一个或更多个掩模层。图案化一个或更多个掩模层的工艺可以类似于上面参照图20B和图20C描述的技术。
在框2140，可以使用图案化的一个或更多个掩模层来倾斜蚀刻一个或更多个光栅材料层，以形成包括其间具有间隙的多个倾斜光栅脊的倾斜光栅，如以上参考图20D所述。例如，一个或更多个光栅材料层可以使用例如IBE工具进行倾斜蚀刻，该IBE工具具有相对于离子束的方向旋转衬底的能力。
可选地，在框2150，可以如上文参考图20E所述地移除一个或更多个掩模层的任何剩余层。同样如上所述，在一些实施方式中，可以不执行框2150中的操作，因为例如一个或更多个掩模层可能已经在蚀刻过程中被蚀刻掉，或者剩余的掩模层可以形成倾斜光栅的一部分。
可选地，在框2160，倾斜光栅可以用折射率不同于一个或更多个光栅材料层的材料涂刷。例如，在一些实施例中，高折射率材料(例如氧化铪、氧化钛、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅或高折射率聚合物)可用于涂刷倾斜光栅和/或填充倾斜光栅脊之间的间隙。在一些实施例中，低折射率材料(例如氧化硅、氟化镁、多孔二氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物)等)可以用来涂刷倾斜光栅和/或填充倾斜光栅脊之间的间隙。结果，脊的折射率和涂刷层的折射率之间的差可以大于0.1、0.2、0.3、0.5、1.0或更高。
如上所述，在一些实施方式中，倾斜光栅也可以使用NIL模制技术制造。例如，在一些实施例中，可以制造NIL模具，并且NIL模具可以用于直接模制倾斜光栅，这可以被称为硬印模NIL或硬NIL。在一些实施例中，可以首先制造NIL模具，然后可以使用NIL模具制造软印模，并且软印模可以用于制造倾斜光栅，这可以被称为软印模NIL或软NIL。
图22A-22H示出了根据某些实施例的制造用于模制倾斜表面浮雕光栅的NIL模具的示例工艺。用于制造NIL模具的工艺可以类似于如以上关于图20A-20E和图21所述的通过倾斜蚀刻制造倾斜表面浮雕光栅的工艺。
图22A示出了具有模具材料层2202和一个或更多个掩模层(2204-1、2204-2、…、2204-n和2206)的结构2210，其中至少一个掩模层可以是光刻层2206。结构2210可以类似于结构2000，其中模具材料层2202(代替图20A中的层1(2020-1))可以用于形成光栅结构。模具材料可以包括例如石英、熔融石英、硅、其他金属氧化物或其他塑料化合物。如上文关于图20A所述，掩模层2204-1、2204-2、……、和2204-n可以被选择，例如，用于耦合相邻掩模层的蚀刻选择性，以实现到模具材料层2202中的快速且高度选择性的倾斜蚀刻。
图22B示出了光刻工艺之后的结构2220。如上文关于图20B所述，光刻工艺可以使用例如电子束、聚焦离子束、影印光刻步进机、纳米压印工具等来执行。在光刻工艺之后，光刻层2206可以包括期望的图案，并且可以用作后续蚀刻工艺的掩模。
图22C示出了在蚀刻工艺期间一定数量的蚀刻子步骤之后的结构2230。如上文关于图20C所述，蚀刻工艺可以在等离子体室中使用例如RIE、ICP或IBE工艺来执行。蚀刻工艺可以包括许多子步骤(例如，与叠层中掩模层的数量一样多的子步骤)。用于蚀刻的蚀刻化学过程对于蚀刻不同的层可以是不同的，和/或可以在蚀刻同一个层时改变。蚀刻的一些或所有子步骤可以是湿法蚀刻。在一些实施方式中，如在图22C中所示的，掩模层可以被表面法线地蚀刻。在一些情况下，根据不同掩模层的蚀刻选择性，在蚀刻模具材料层之前，可以保留仅一个掩模层，因为所有其他掩模层可能已经在先前的蚀刻子步骤期间被移除。
图22D示出了在执行最终蚀刻子步骤之后的结构2240。最终蚀刻子步骤可以是倾斜蚀刻工艺，在此期间，模具材料层2202可以旋转到对应于倾斜光栅的期望倾斜角的角度。最终蚀刻子步骤可以使用例如IBE工具来执行，该IBE工具具有相对于离子束的方向旋转模具材料层的能力。最终掩模层(例如，层1(2204-1))可以是金属掩模(例如，铜、铬、铝或钼)、金属间化合物(例如，MoSi2)掩模或基于聚合物的掩模。在最终蚀刻子步骤之后，可以在模具材料层2202内形成具有倾斜脊的倾斜光栅2242，并且最终掩模层的一部分可以保留在模具材料层中形成的倾斜光栅上。
图22E示出了移除最终掩模层之后的结构2250。如上所述，可以使用诸如等离子体或湿法蚀刻的技术来以适当的化学过程移除剩余的掩模材料。结构2250可以包括具有多个倾斜脊的倾斜光栅2242，该多个倾斜脊之间具有间隙，并且该结构2250可以用作制造倾斜光栅的母模。
图22F示出了在蚀刻工艺期间一定数量的倾斜蚀刻子步骤之后的结构2260。在这些蚀刻子步骤期间，可以以等于或类似于倾斜光栅的期望倾斜角的角度蚀刻掩模层，而不是如图22C所示的表面法线蚀刻。在一些实施方式中，在蚀刻模具材料层之前，可以保留仅一个掩模层。在一些实施方式中，在蚀刻模具材料层之前，可以保留一个以上的掩模层。因此，一个或更多个掩模层(具有倾斜图案2262)可以用作蚀刻模具材料层的掩模。
图22G示出了在执行最终蚀刻子步骤之后的结构2270。最终蚀刻子步骤也可以是倾斜蚀刻工艺，在此期间，模具材料层可以旋转到对应于倾斜光栅的期望倾斜角的角度，如以上关于图20D或图22D所述。最终蚀刻子步骤可以使用例如IBE工具来执行，该IBE工具具有相对于离子束的方向旋转模具材料层的能力。在最终蚀刻子步骤之后，可以在模具材料层内形成具有倾斜脊的倾斜光栅，并且最终掩模层的一部分可以保留在模具材料层中形成的倾斜光栅上。如图22E所示，可以移除最终掩模层以形成模具。
在一些实施例中，至少一些掩模层可以形成模具的一部分，并且模具材料层可以不被蚀刻或者可以仅被部分蚀刻。因此，可以选择性地移除叠层中的一些掩模层，而剩余的掩模层可以用作模具的一部分。图22G示出了示例模具结构2280，其中一些掩模层形成倾斜结构，而模具材料层没有被蚀刻。
然后，可以使用制造的模具直接模制或压印倾斜光栅(即，硬印模NIL)。在这种情况下，模具上的倾斜结构可以与用作波导显示器上的光栅耦合器的倾斜光栅的期望倾斜结构互补。
图23A和图23B示出了根据某些实施例的通过直接模制来制造倾斜表面浮雕光栅的示例过程。在图23A中，波导2310可以涂有NIL树脂层2320。NIL树脂层2320可以包括例如丙烯酸丁酯基树脂，其掺杂包括溶胶-凝胶前体(例如丁氧基钛)的树脂、含有用于随后注入过程的反应性官能团的单体(例如丙烯酸)和/或高折射率纳米粒子(例如TiO2、GaP、HfO2、GaAs等)。NIL树脂层2320可以通过例如旋涂、层压或喷墨沉积在波导2310上。可以将具有倾斜脊2332的NIL模具2330压靠在NIL树脂层2320和波导2310上，用于在NIL树脂层2320中模制倾斜光栅。NIL树脂层2320可以随后通过例如使用热和/或紫外(UV)光交联来固化。
图23B示出了脱模(demolding)过程，在此过程中，NIL模具2330从NIL树脂层2320和波导2310分离。如图23B所示，在NIL模具2330从NIL树脂层2320和波导2310分离之后，可以在波导2310上的NIL树脂层2320中形成与NIL模具2330上的倾斜脊2332互补的倾斜光栅2322。
在软印模NIL中，可以首先如上文关于图22A-22H所述地制造NIL模具。可以使用NIL模具制造软印模，然后软印模可以用于制造倾斜光栅。在这样的过程中，NIL模具上的倾斜光栅结构可以类似于波导显示器的光栅耦合器的倾斜光栅，并且软印模上的倾斜光栅结构可以与NIL模具上的倾斜光栅结构和波导显示器的光栅耦合器的倾斜光栅互补。与硬印模或硬模具相比，软印模可以在模制和脱模过程中提供更大的灵活性。
图24A-24D示出了根据某些实施例的制造用于制造倾斜表面浮雕光栅的软印模的示例过程。图24A示出了母模2410(例如，硬模具或硬印模)。母模2410可以使用上面参照图22A-22H描述的工艺制造。如图24A所示，母模2410可以包括倾斜光栅2420，该光栅2420又可以包括多个倾斜脊2422，在倾斜脊2422之间具有间隙2424。
图24B示出了涂有软印模材料层2430的母模2410。软印模材料层2430可以包括例如树脂材料或可固化的聚合物材料，并且可以通过例如旋涂或喷墨被涂覆在母模2410上。
图24C示出了用于在软印模箔2440上层压软印模材料层2430的层压过程。辊2450可用于将软印模箔2440压靠在软印模材料层2430上。层压过程也可以是平坦化过程，以使软印模材料层2430的厚度基本均匀。在层压过程之后，软印模箔2440可以紧密或牢固地附着到软印模材料层2430。
图24D示出了脱层(delamination)过程，其中包括软印模箔2440和附着的软印模材料层2430的软印模从母模2410分离。软印模材料层2430可以包括与母模2410上的倾斜光栅结构互补的倾斜光栅结构。因为软印模箔2440和附着的软印模材料层2430的柔性，与使用硬印模或模具的脱模过程相比，脱层过程可以相对容易。在一些实施方式中，在软印模材料层2430形成在母模2410上之前，可以在母模2410上形成防粘层，这也可以促进脱层过程。在软印模从母模2410脱层之后，软印模可用于在波导显示器的波导上模制倾斜光栅。
图25A-25D示出了根据某些实施例的使用软印模制造倾斜表面浮雕光栅的示例过程。图25A示出了涂覆有压印树脂层2520的波导2510。压印树脂层2520可以包括例如丙烯酸丁酯基树脂，其掺杂有包括溶胶-凝胶前体(例如丁氧基钛)的树脂、包含用于后续注入工艺的反应性官能团的单体(例如丙烯酸)和/或高折射率纳米粒子(例如TiO2、GaP、HfO2、GaAs等)。压印树脂层2520可以通过例如旋涂、层压或喷墨沉积在波导2510上。包括附着到软印模箔2540的倾斜脊2532的软印模2530可以用于压印。
图25B示出了软印模2530到压印树脂层2520上的层压。可以使用辊2550将软印模2530压靠在压印树脂层2520和波导2510上，从而可以将倾斜脊2532压入压印树脂层2520中。压印树脂层2520可以随后通过例如使用热和/或紫外(UV)光交联来固化。
图25C示出了软印模2530与压印树脂层2520的脱层。脱层可以通过提起软印模箔2540以从压印树脂层2520分离软印模2530的倾斜脊2532来进行。压印树脂层2520现在可以包括倾斜光栅2522，其可以用作光栅耦合器或者可以被涂刷以形成用于波导显示器的光栅耦合器。如上所述，由于软印模2530的柔性，与使用硬印模或模具的脱模过程相比，脱层过程可以相对容易。
图25D示出了使用软印模2530在波导2510上形成的示例压印倾斜光栅2522。如上所述，压印倾斜光栅2522可以包括脊和脊之间的间隙，因此可以用折射率不同于压印树脂层2520的材料涂刷，以填充间隙并形成用于波导显示器的光栅耦合器。
图26是示出根据某些实施例的制造倾斜表面浮雕光栅的示例方法的简化流程图2600。尽管图26将操作描述为顺序过程，但是一些操作可以并行或并发地执行。另外，可以重新排列操作的顺序。操作可以具有图中未包括的附加步骤。一些操作可以是可选的，且因此在各种实施例中可以省略。在一个框中描述的一些操作可以与在另一个框处的操作一起被执行。
在框2610，具有倾斜结构的模具可以如上面参照图22A-22H所述的那样制造。模具可以包括石英、熔融石英、硅、其他金属氧化物或其他塑料化合物。在框2620，该模具可以被用作用于直接模制倾斜光栅的母模(即，硬NIL)。可替代地，在框2630和框2640，模具可以用作用于制造软印模NIL的软印模的母模。如上所述，用于硬NIL的模具的倾斜结构可以与期望的倾斜光栅互补，而用于制造用于软NIL的软印模的模具的倾斜结构可以类似于期望的倾斜光栅。
在框2620，可以使用如以上参照图23A和图23B所述的模具在例如树脂层中模制倾斜光栅。树脂层可以涂覆在波导衬底上，并且可以包括例如丙烯酸丁酯基树脂，其掺杂有包括溶胶-凝胶前体(例如丁氧基钛)的树脂、含有用于后续注入过程的反应性官能团的单体(例如丙烯酸)和/或高折射率纳米粒子(例如TiO2、GaP、HfO2、GaAs等)。模具可以压靠在树脂层上。然后可以固化树脂层，以通过模具固定在树脂层内形成的结构。模具可以从树脂层分离，以在树脂层内形成倾斜光栅。
可替代地，在框2630，可以使用如上文关于图24A-24D所述的模具来制造具有倾斜结构的软印模。制造软印模的过程可以包括用软印模材料(如树脂材料)涂覆模具。然后，可以例如使用辊将软印模箔层压在软印模材料上。软印模箔和附着的软印模材料可以彼此牢固地附接，并且可以从模具分离以形成软印模。
在框2640，可以使用如以上关于图25A-25D所述的软印模来压印倾斜表面浮雕光栅。例如，波导衬底可以涂有压印树脂层。可以使用例如辊将软印模层压在压印树脂层上。在压印树脂层固化之后，软印模可以从压印树脂层脱层，以在压印树脂层内形成倾斜光栅。
可选地，在框2650，倾斜光栅可以用折射率不同于倾斜光栅的材料(例如，压印树脂层)进行涂刷。例如，在一些实施例中，高折射率材料(例如氧化铪、氧化钛、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅或高折射率聚合物)可用于涂刷倾斜光栅并填充倾斜光栅脊之间的间隙。在一些实施例中，低折射率材料(例如氧化硅、氟化镁、多孔二氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物)等)可以用来涂刷倾斜光栅并填充倾斜光栅脊之间的间隙。
本发明的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是在呈现给用户之前以某种方式被调整的现实的形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，现实世界)内容组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，且其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观众产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联。可以在各种平台(包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观众提供人工现实内容的任何其他硬件平台)上实现提供人工现实内容的人工现实系统。
图27是用于实现本文公开的一些示例的示例近眼显示器(例如，HMD设备)的示例电子系统2700的简化框图。电子系统2700可以用作上述HMD设备或其他近眼显示器的电子系统。在该示例中，电子系统2700可以包括一个或更多个处理器2710和存储器2720。处理器2710可以被配置为执行用于在多个部件处执行操作的指令，并且可以是例如通用处理器或适于在便携式电子设备内实现的微处理器。处理器2710可以与电子系统2700内的多个部件通信耦合。为了实现这种通信耦合，处理器2710可以通过总线2740与其他示出的部件进行通信。总线2740可以是适于在电子系统2700内传输数据的任何子系统。总线2740可以包括传输数据的附加电路和多条计算机总线。
存储器2720可以耦合到处理器2710。在一些实施例中，存储器2720可以提供短期和长期存储，并且可以被分成若干个单元。存储器2720可以是易失性的(例如静态随机存取存储器(SRAM)和/或动态随机存取存储器(DRAM))和/或非易失性的(例如只读存储器(ROM)、闪存等)。此外，存储器2720可以包括可移动存储设备，例如安全数字(SD)卡。存储器2720可以为电子系统2700提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的存储。在一些实施例中，存储器2720可以分布在不同的硬件模块中。一组指令和/或代码可以被存储在存储器2720中。这些指令可以采取可由电子系统2700执行的可执行代码的形式，和/或可以采取源代码和/或可安装代码的形式，当在电子系统2700上(例如，使用各种普遍可用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等中的任何一种)编译和/或安装时，源代码和/或可安装代码可以采取可执行代码的形式。
在一些实施例中，存储器2720可以存储多个应用模块2722至2724，应用模块2722至2724可以包括任意数量的应用。应用的示例可以包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。这些应用可以包括深度感测功能或眼睛跟踪功能。应用模块2722-2724可以包括要由处理器2710执行的特定指令。在一些实施例中，应用模块2722-2724中的某些应用或部分可以由其他硬件模块2780执行。在某些实施例中，存储器2720可以另外包括安全存储器，安全存储器可以包括附加的安全控件，以防止对安全信息的复制或其他未授权的访问。
在一些实施例中，存储器2720可以包括加载在其中的操作系统2725。操作系统2725可操作来启动由应用模块2722-2724提供的指令的执行和/或管理其他硬件模块2780以及与无线通信子系统2730的接口，无线通信子系统2730可以包括一个或更多个无线收发器。操作系统2725可以适于跨电子系统2700的组件执行其他操作，包括线程处理、资源管理、数据存储控制和其他类似功能。
无线通信子系统2730可以包括例如红外通信设备、无线通信设备和/或芯片组(例如
Figure BDA0002696228150000351
设备、IEEE 802.11设备、Wi-Fi设备、WiMax设备、蜂窝通信设施等)和/或类似的通信接口。电子系统2700可以包括用于无线通信的、作为无线通信子系统2730的一部分或者作为耦合到系统的任何部分的单独部件的一个或更多个天线2734。根据期望的功能，无线通信子系统2730可以包括单独的收发器，以与基站收发信台和其他无线设备和接入点通信，这可以包括与不同的数据网络和/或网络类型(例如无线广域网(WWAN)、无线局域网(WLAN)或无线个域网(WPAN))通信。WWAN可以是例如WiMax(IEEE 802.16)网络。WLAN可以是例如IEEE 802.11x网络。WPAN可以是例如蓝牙网络、IEEE 802.15x或一些其他类型的网络。本文描述的技术也可以用于WWAN、WLAN和/或WPAN的任何组合。无线通信子系统2730可以允许与网络、其他计算机系统和/或本文描述的任何其他设备交换数据。无线通信子系统2730可以包括用于使用天线2734和无线链路2732发送或接收数据(例如HMD设备的标识符、位置数据、地理地图、热图、照片或视频)的装置。无线通信子系统2730、处理器2710和存储器2720可以一起包括用于执行本文公开的一些功能的装置中的一个或更多个的至少一部分。
电子系统2700的实施例还可以包括一个或更多个传感器2790。传感器2790可以包括，例如，图像传感器、加速度计、压力传感器、温度传感器、接近传感器(proximitysensor)、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如，组合加速度计和陀螺仪的模块)、环境光传感器或可操作来提供感测输出(sensory output)和/或接收感测输入的任何其他类似模块，例如深度传感器或位置传感器。例如，在一些实施方式中，传感器2790可以包括一个或更多个惯性测量单元(IMU)和/或一个或更多个位置传感器。IMU可以基于从一个或更多个位置传感器接收的测量信号来生成指示相对于HMD设备的初始位置的HMD设备的估计位置的校准数据。位置传感器可以响应于HMD设备的运动而生成一个或更多个测量信号。位置传感器的示例可包括但不限于一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于IMU的误差校正的一种类型的传感器或其某种组合。位置传感器可以位于IMU的外部、IMU的内部或者这两种位置的某种组合。至少一些传感器可以使用结构光图案进行感测。
电子系统2700可以包括显示模块2760。显示模块2760可以是近眼显示器，并且可以向用户图形地呈现来自电子系统2700的信息，例如图像、视频和各种指令。这种信息可以从一个或更多个应用模块2722-2724、虚拟现实引擎2726、一个或更多个其他硬件模块2780、它们的组合或(例如，通过操作系统2725)用于为用户解析图形内容的任何其他合适的装置中得到。显示模块2760可以使用液晶显示(LCD)技术、发光二极管(LED)技术(包括例如OLED、ILED、mLED、AMOLED、TOLED等)、发光聚合物显示(LPD)技术或某种其他显示技术。
电子系统2700可以包括用户输入/输出模块2770。用户输入/输出模块2770可以允许用户向电子系统2700发送动作请求。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。用户输入/输出模块2770可以包括一个或更多个输入设备。示例输入设备可以包括触摸屏、触摸板、麦克风、按钮、拨号盘、开关、键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送给电子系统2700的任何其他合适的设备。在一些实施例中，用户输入/输出模块2770可以根据从电子系统2700接收的指令来向用户提供触觉反馈。例如，可以在接收到动作请求或者已经执行动作请求时提供触觉反馈。
电子系统2700可以包括照相机2750，其可以用于拍摄用户的照片或视频，例如，用于跟踪用户的眼睛位置。照相机2750还可以用于拍摄环境的照片或视频，例如，用于VR、AR或MR应用。照相机2750可以包括例如具有几百万或几千万像素的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。在一些实施方式中，照相机2750可以包括两个或更多个照相机，它们可以用于捕捉3D图像。
在一些实施例中，电子系统2700可以包括多个其他硬件模块2780。每个其他硬件模块2780可以是电子系统2700内的物理模块。虽然其他硬件模块2780中的每一个可以被永久地配置为结构，但是其他硬件模块2780中的一些可以被临时配置为执行特定功能或者被临时激活。其他硬件模块2780的示例可以包括，例如，音频输出和/或输入模块(例如，麦克风或扬声器)、近场通信(NFC)模块、可充电电池、电池管理系统、有线/无线电池充电系统等。在一些实施例中，其他硬件模块2780的一个或更多个功能可以用软件实现。
在一些实施例中，电子系统2700的存储器2720还可以存储虚拟现实引擎2726。虚拟现实引擎2726可以执行电子系统2700内的应用，并从各种传感器接收HMD设备的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或它们的某种组合。在一些实施例中，由虚拟现实引擎2726接收的信息可以用于为显示模块2760产生信号(例如，显示指令)。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则虚拟现实引擎2726可以为HMD设备生成反映用户在虚拟环境中的移动的内容。另外，虚拟现实引擎2726可以响应于从用户输入/输出模块2770接收到的动作请求，在应用内执行动作，并且向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉、听觉或触觉反馈。在一些实施方式中，处理器2710可以包括可以执行虚拟现实引擎2726的一个或更多个GPU。
在各种实施方式中，上述硬件和模块可以在单个设备上实现，或者在可以使用有线或无线连接彼此通信的多个设备上实现。例如，在一些实施方式中，一些部件或模块(例如GPU、虚拟现实引擎2726和应用(例如，跟踪应用))可以在与头戴式显示设备分离的控制台上实现。在一些实施方式中，一个控制台可以连接到或支持一个以上HMD。
在替代配置中，电子系统2700中可以包括不同的和/或附加的部件。类似地，一个或更多个部件的功能可以以不同于上述方式的方式分布在部件当中。例如，在一些实施例中，电子系统2700可以被修改为包括其他系统环境，例如AR系统环境和/或MR环境。
上面讨论的方法、系统和设备是示例。各种实施例可以视情况省略、替换或添加各种过程或部件。例如，在替代配置中，所描述的方法可以以不同于所描述的顺序来被执行，和/或可以添加、省略和/或组合各个阶段。此外，关于某些实施例描述的特征可以在各种其他实施例中被组合。实施例的不同方面和元素可以以相似的方式被组合。此外，技术不断发展，且因此许多元素是示例，并不将本公开的范围限制于那些具体示例。
在描述中给出了具体细节，以提供对实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施实施例。例如，为了避免模糊实施例，众所周知的电路、过程、系统、结构和技术被示出而没有不必要的细节。此描述仅提供示例实施例，并不意图限制本发明的范围、适用性或配置。相反，实施例的前述描述将为本领域技术人员提供用于实现各种实施例的使能描述(enabling description)。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在元素的功能和布置方面进行各种改变。
此外，一些实施例被描述为过程，过程被描绘为流程图或框图。尽管每一个都可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或并发地被执行。此外，操作的顺序可以被重新排列。过程可以具有图中未包括的附加步骤。此外，可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任意组合来实现方法的实施例。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，执行相关联的任务的程序代码或代码段可以存储在诸如存储介质的计算机可读介质中。处理器可以执行相关联的任务。
对于本领域技术人员来说，将明显的是，可以根据特定的要求进行实质性的变化。例如，还可以使用定制的或专用的硬件，和/或可以以硬件、软件(包括便携式软件，例如小程序(applet)等)或者两者来实现特定的元素。此外，可以采用到诸如网络输入/输出设备的其他计算设备的连接。
参考附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂时性机器可读介质。如本文所使用的，术语“机器可读介质(machine-readable medium)”和“计算机可读介质(computer-readable medium)”是指参与提供使机器以特定方式操作的数据的任何存储介质。在上文提供的实施例中，各种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或其他设备提供指令/代码以供执行。附加地或可替代地，机器可读介质可以用于存储和/或携带这样的指令/代码。在许多实现中，计算机可读介质是物理和/或有形存储介质。这样的介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。计算机可读介质的常见形式包括例如磁和/或光学介质(例如光盘(CD)或数字多功能盘(DVD))、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其他物理介质、RAM、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存-EPROM、任何其他存储器芯片或盒、下文所述的载波、或计算机可以从中读取指令和/或代码的任何其他介质。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，其可以表示过程、函数、子程序、程序、例程、应用(App)、子例程、模块、软件包、类、或指令、数据结构或程序语句的任意组合。
本领域的技术人员将理解，用于传送本文描述的消息的信息和信号可以使用各种不同的技术和技艺中的任何一种来表示。例如，在上面的描述中引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片(chip)可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子、或其任意组合来表示。
本文使用的术语“和”以及“或”可以包括多种含义，这些含义还被预期至少部分地取决于使用这些术语的上下文。典型地，“或”如果用于关联列表，例如A、B或C，则意在表示A、B和C(此处以包含的意义使用)以及A、B或C(此处以排他的意义使用)。此外，本文使用的术语“一个或更多个”可以用来以单数形式描述任何特征、结构或特性，或者可以用来描述特征、结构或特性的某种组合。然而，应当注意，这仅仅是说明性的示例，并且要求保护的主题不限于该示例。此外，术语“……中的至少一个(at least one of)”如果用于关联列表，例如A、B或C，则可以被解释为表示A、B和/或C的任意组合，例如A、AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等。
此外，虽然已经使用硬件和软件的特定组合描述了某些实施例，但是应当认识到，硬件和软件的其他组合也是可能的。某些实施例可以仅以硬件实现，或者仅以软件实现，或者使用它们的组合来实现。在一个示例中，可以用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现软件，所述计算机程序代码或指令可由一个或更多个处理器执行，用于执行在本公开中描述的任何或所有步骤、操作或过程，其中计算机程序可以存储在非暂时性计算机可读介质上。本文描述的各种过程可以在相同的处理器上或者以任何组合在不同的处理器上被实现。
在设备、系统、部件或模块被描述为被配置为执行某些操作或功能的情况下，可以例如通过设计执行操作的电子电路、通过对可编程电子电路(例如微处理器)进行编程以(例如通过执行计算机指令或代码)执行操作、或者被编程为执行存储在非暂时性存储器介质上的代码或指令的处理器或核、或者它们的任意组合来完成这种配置。过程可以使用各种技术(包括但不限于用于过程间通信的传统技术)进行通信，并且不同的过程对可以使用不同的技术，或者同一对过程可以在不同的时间使用不同的技术。
因此，说明书和附图应被视为说明性的而不是限制性的。然而，将明显的是，在不脱离在权利要求中阐述的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行添加、删减、删除以及其他修改和改变。因此，尽管已经描述了具体实施例，但是这些实施例并不意图进行限制。各种修改和等同物都在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种波导显示器，包括：
衬底，其包括两个相对表面；和
倾斜光栅，其在所述衬底的两个相对表面的第一表面处，其中：
所述倾斜光栅包括多个脊，并且以一个方向上的光栅周期为特征；
所述多个脊以相对于所述第一表面的表面法线的倾斜角倾斜，并且以高度为特征；和
所述多个脊的高度、所述光栅周期和所述倾斜角被配置成在由所述倾斜光栅衍射的环境光之间引起相消干涉。
2.根据权利要求1所述的波导显示器，其中：
在所述多个脊的高度与所述光栅周期的整数倍除以所述倾斜角的正切之间的差小于阈值。
3.根据权利要求2所述的波导显示器，其中：
所述阈值等于或小于所述多个脊的高度的10％。
4.根据权利要求1所述的波导显示器，还包括：
在所述衬底的两个相对表面的第二表面上的抗反射涂层。
5.根据权利要求1所述的波导显示器，还包括：
在所述倾斜光栅的与所述衬底的两个相对表面的所述第一表面相对的表面上的抗反射涂层。
6.根据权利要求1所述的波导显示器，还包括：
在所述倾斜光栅的与所述衬底的两个相对表面的所述第一表面相对的表面上的涂刷层。
7.根据权利要求1所述的波导显示器，其中：
在所述多个脊的高度与所述光栅周期除以所述倾斜角的正切之间的差小于阈值。
8.根据权利要求1所述的波导显示器，其中：
所述倾斜光栅包括表面浮雕光栅。
9.根据权利要求1所述的波导显示器，其中：
所述倾斜角大于50度。
10.根据权利要求1所述的波导显示器，其中：
所述倾斜光栅包括二维光栅。
11.根据权利要求1所述的波导显示器，其中：
所述衬底被配置为通过全内反射在所述两个相对表面反射显示光；和
所述倾斜光栅相对于所述衬底布置，以反射地衍射所述显示光和透射地衍射来自所述波导显示器前面的环境的环境光。
12.根据权利要求1所述的波导显示器，其中：
所述衬底被配置为通过全内反射在所述两个相对表面反射显示光；和
所述倾斜光栅相对于所述衬底布置，以透射地衍射所述显示光和来自所述波导显示器前面的环境的环境光。
13.一种光栅耦合器，包括：
以光栅周期为特征的倾斜光栅，所述倾斜光栅包括多个倾斜脊，其中：
所述多个倾斜脊以高度和相对于所述倾斜光栅的表面法线的倾斜角为特征；和
在所述多个倾斜脊的高度与所述光栅周期的整数倍除以所述倾斜角的正切之间的差小于阈值。
14.根据权利要求13所述的光栅耦合器，其中：
所述多个倾斜脊的高度等于所述光栅周期除以所述倾斜角的正切。
15.根据权利要求13所述的光栅耦合器，还包括：
所述倾斜光栅上的涂刷层，其中：
所述涂刷层填充所述多个倾斜脊之间的间隙；和
所述涂刷层的折射率不同于所述多个倾斜脊的折射率。
16.一种光学元件，包括：
倾斜光栅，其被配置为相消干涉由所述倾斜光栅衍射的环境光的至少一部分。
17.一种近眼显示器，包括：
图像源；
波导；
输入耦合器，其被配置为将来自所述图像源的显示光耦合到所述波导中；和
输出耦合器，其耦合到所述波导，并且被配置为：
透射来自所述近眼显示器前方的环境的环境光；和
将所述显示光从所述波导耦合出去，
其中：
所述输出耦合器包括以光栅周期为特征的倾斜光栅，所述倾斜光栅包括多个倾斜脊；
所述多个倾斜脊以高度和相对于所述倾斜光栅的表面法线的倾斜角为特征；和
在所述多个倾斜脊的高度与所述光栅周期的整数倍除以所述倾斜角的正切之间的差小于阈值。
18.根据权利要求17所述的近眼显示器，还包括：
在所述波导的与所述输出耦合器相对的表面上的抗反射涂层。
19.根据权利要求17所述的近眼显示器，还包括：
在所述输出耦合器的与所述波导相对的表面上的抗反射涂层。
20.根据权利要求17所述的近眼显示器，其中，所述输出耦合器还包括：
所述倾斜光栅上的涂刷层，其中：
所述涂刷层填充所述多个倾斜脊之间的间隙；和
所述涂刷层的折射率不同于所述多个倾斜脊的折射率。
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