CN112703437A - 具有减轻反弹引起的光损失的衍射光学元件以及相关的系统和方法 - Google Patents
具有减轻反弹引起的光损失的衍射光学元件以及相关的系统和方法 Download PDFInfo
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- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
Abstract
显示设备包括具有耦入光学元件的波导，该耦入光学元件减轻耦入光的反弹以改进整体耦入效率和/或均匀性。波导接收来自光源和/或投射光学器件的光并且包括耦入光学元件，该耦入光学元件耦入所接收到的光以使其通过全内反射来在波导内沿传播方向传播。一旦被耦入到波导中，光就可以经历反弹，其中光反射离开波导表面，并且在反射之后撞击耦入光学元件。在撞击耦入光学元件时，光可以被光学元件部分地吸收和/或耦出，从而有效地减少传播通过波导的耦入光的量。耦入光学元件可以被截断或具有沿着传播方向的减小的衍射效率，以减少由于耦入光的反弹引起的光损失的发生，从而导致在与耦入光学元件的后续交互期间使较少的耦入光被过早地耦出和/或吸收。
Description
优先权声明
本申请依据35U.S.C.§119(e)要求于2018年7月24日提交的名称为“DIFFRACTIVEOPTICAL ELEMENTS WITH MITIGATION OF REBOUNCE-INDUCED LIGHT LOSS AND DISPLAYDEVICES CONTAINING THE SAME(具有减轻反弹引起的光损失的衍射光学元件以及包含其的显示装置)”的美国临时申请No.62/702,707，以及2018年10月17日提交的名称为“WAVEGUIDES HAVING HIGHLY REFLECTIVE LAYERS AND METHODS FOR FORMING(具有高反射层的波导和用于形成其的方法)”的美国临时申请No.62/747,032的优先权，处于全部目的，该两个临时申请的全部内容通过引用并入本文。
通过引用的并入
本申请通过引用包含以下每个专利申请的全部内容：2014年11月27日提交的序列号为14/555,585，于2015年7月23日被公开为美国公开2015/0205126的美国申请；2015年4月18日提交的序列号为14/690,401，于2015年10月22日被公开为美国公开2015/0302652的美国申请；2014年3月14日提交的序列号为14/212,961，现为2016年8月16日公开的美国专利9,417,452的美国申请；2014年7月14日提交的序列号为14/331,218，于2015年10月29日被公开为美国公开2015/0309263的美国申请；以及2018年4月16日提交的序列号为15/954,419的美国申请。
技术领域
本公开涉及显示系统，更具体地，涉及增强和虚拟现实显示系统。
背景技术
现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中数字再现的图像或其部分以看起来或可以被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及对其他实际的真实世界视觉输入不透明地呈现数字或虚拟图像信息；增强现实或“AR”场景通常涉及呈现数字或虚拟图像信息作为对用户周围实际世界的可视化的增强。混合现实或“MR”场景是一种AR场景，并且通常涉及整合到自然世界中并响应于自然世界的虚拟对象。例如，MR场景可以包括AR图像内容，该AR图像内容看起来被真实世界中的对象遮挡或者被感知为与真实世界中的对象交互。
参考图1，示出了增强现实场景10。AR技术的用户看到真实世界的公园式设置环境20，该设置环境以人、树、位于背景中的建筑物以及混凝土平台30为特征。用户还感知到他/她“看到”“虚拟内容”，例如站在真实世界平台30上的机器人雕像40，以及飞过的卡通式化身角色50，该角色看上去是大黄蜂的化身。这些元素50、40是“虚拟的”，因为他们在真实世界中不存在。由于人类视觉感知系统复杂，因此产生便于从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AR技术极具挑战性。
发明内容
一些方面包括一种用于将图像投射到用户眼睛的显示系统。所述显示系统包括：波导，其包括第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面；投射光学器件，其被配置为将光束朝向所述波导的所述第二主表面投射；以及耦入光学元件，其被设置在所述波导的所述第二主表面上，所述耦入光学元件包括被配置为耦入来自所述投射光学器件的光的衍射区域，其中，所述耦入光学元件被配置为使来自所述投射光学器件的光重定向以在所述波导内在第一方向上通过全内反射来传播。所述衍射区域的尺寸和形状被设置为使得来自所述投射光学器件的光束的第一部分入射在所述衍射区域上，以及来自所述投射光学器件的光束的第二部分撞击在所述波导上而不入射在所述衍射区域上。
所述衍射区域可以是高效率衍射区域，所述耦入光学元件还包括低效率衍射区域，所述低效率衍射区域的尺寸和形状被设置为使得来自所述投射光学器件的光束的所述第二部分入射在所述低效率衍射区域上。所述高效率衍射区域可以是包括金属化光栅部分的反射衍射区域，以及所述低效率衍射区域可以包括非金属化光栅部分。所述光束的所述第二部分可以通过所述第二主表面传播离开所述波导而不被耦入到所述波导中。所述光束的所述第二部分可以以相对于所述光束的所述第一部分的较低的效率耦入到所述波导中。所述衍射区域关于与在来自所述投射光学器件的光束的光束轴处的传播方向垂直的对称轴可以是反射不对称的。所述波导可以是波导堆叠的部分，所述波导堆叠还包括：第二波导，其包括第一主表面和第二主表面；以及第二耦入光学元件，其被设置在所述第二波导的第二主表面上，所述第二耦入光学元件包括第二衍射区域，相对于由所述光束所限定的区域中的所述衍射区域覆盖的比例，所述第二衍射区域覆盖由来自所述投射光学器件的第二光束所限定的区域的较大比例。所述第二衍射区域可以被配置为基本上耦入所述第二光束的全部。所述第一波导的所述衍射区域关于与在来自所述投射光学器件的光束的光束轴处的传播方向垂直的对称轴可以是反射不对称的，以及所述第二衍射区域关于与在所述第二光束的光束轴处的传播方向垂直的第二对称轴可以是反射对称的。所述第二波导可以被设置在所述波导与所述投射光学器件之间，以及所述波导与所述投射光学器件可以间隔比所述投射光学器件的焦距更大的距离。
一些方面包括一种波导，该波导包括：第一主表面；第二主表面；以及耦入衍射光学元件，其被设置在所述第二主表面上，所述耦入光学元件包括被配置为耦入入射光的衍射区域，其中，所述衍射区域的平行于传播方向的宽度短于所述衍射区域的垂直于所述传播方向的长度。
所述衍射区域的宽度可以小于所述衍射区域的长度的80％。所述衍射区域可以是高效率衍射区域，所述耦入衍射光学元件还包括被设置为沿着所述传播方向与所述高效率衍射区域相邻的低效率衍射区域。所述高效率衍射区域可以是包括金属化衍射光栅部分的反射衍射区域，以及所述低效率衍射区域可以包括非金属化衍射光栅部分。所述高效率衍射区域和所述低效率衍射区域可以形成部分金属化衍射光栅，其中，所述衍射光栅在所述高效率衍射区域中被金属化并在所述低效率衍射区域中被非金属化。所述耦入衍射光学元件的尺寸和形状可以被设置为与具有基本上相等的长度和宽度的耦入光学元件相比，减少耦入光的反弹的发生。
一些方面包括一种用于头戴式显示系统的波导堆叠。所述波导堆叠包括：第一波导，其包括第一主表面、与所述第一主表面相对的第二主表面、以及被设置在所述第二主表面上的第一耦入衍射光学元件，所述第一耦入衍射光学元件包括第一衍射区域，所述第一衍射区域被配置为使来自光源的入射光重定向以在所述第一波导内在传播方向上通过全内反射来传播；以及第二波导，其包括第一主表面、与所述第二波导的第一主表面相对的第二主表面、以及被设置在所述第二波导的第二主表面上的第二耦入衍射光学元件，所述第二耦入衍射光学元件包括第二衍射区域，所述第二衍射区域被配置为使来自所述光源的入射光重定向以在所述第二波导内在传播方向上通过全内反射来传播。所述第二衍射区域的宽度-长度比小于所述第一衍射区域的宽度-长度比。
所述波导堆叠可以与所述光源间隔开，以使得所述光源与所述第一衍射区域之间的距离处于所述光源的焦距处，以使得所述光源与所述第二衍射区域之间的距离大于所述焦距。所述第一衍射区域的宽度-长度比可以大于80％，以及所述第二衍射区域的宽度-长度比可以小于80％。所述第二衍射区域可以是高效率衍射区域，以及所述第二耦入衍射光学元件还可以包括沿着所述传播方向紧邻所述高效率衍射区域设置的低效率衍射区域。所述高效率衍射区域可以包括衍射光栅的金属化部分，以及所述低效率衍射区域可以包括所述衍射光栅的非金属化部分。所述第二耦入衍射光学元件的尺寸和形状可以被设置为与具有等于所述第一衍射区域的宽度-长度比的宽度-长度比的耦入衍射光学元件相比，减少耦入光的反弹的发生。
一些方面包括一种制造包括反射层的光波导结构的方法。所述方法包括：提供包括表面的光波导，所述表面包括含有突起图案的区域；在所述区域的至少一部分上沉积液体混合物，所述液体混合物包括金属盐；以及通过用所述金属盐的金属涂覆所述区域来形成所述反射层，其中，涂覆所述区域包括通过从所述金属盐离解金属而使所述金属沉淀到所述区域上。
从所述金属盐离解金属可以包括通过暴露于还原剂来还原所述金属盐。所述还原剂可以包括含有α-羟基醛的碳水化合物或者含有α-羟基酮的碳水化合物中的至少一种。所述液体混合物可以包括所述还原剂。所述方法还可以包括在沉积所述液体混合物之后将所述还原剂添加到所述液体混合物。形成所述反射层可以包括选择性地在所述区域上形成所述反射层，同时使所述区域周围的一个或多个区域不包含所述金属。所述波导的所述表面可以包括在所述区域中限定体积的垂直延伸壁，其中，沉积所述液体混合物包括将所述沉积混合物沉积到所述体积中。所述突起可以限定衍射光学元件，其中，所述突起和所述反射层形成反射衍射光学元件。所述衍射光学元件可以是耦入光学元件，所述耦入光学元件被配置为以角度使入射光重定向，以使得所述光通过全内反射来传播通过所述波导。所述突起可以包括光致抗蚀剂。所述方法还可以包括：通过在附加光波导的表面的附加区域上沉积所述液体混合物来在所述附加光波导上形成附加反射层，其中，所述附加反射光学元件被配置为反射入射光；以及将至少所述附加波导附接到所述波导的表面，由此产生波导堆叠。在沉积所述液体混合物之前，可以通过选择性预处理来增加所述区域的亲水性，所述区域具有从由以下项构成的组中选择的一种或多种试剂：等离子体、表面活性剂、涂层、湿化学蚀刻剂和催化剂。用等离子体预处理所述区域可以包括执行大气等离子体处理。所述湿化学蚀刻剂可以包括铬酸。所述涂层可以包括二氧化硅。所述催化剂可以包括锡或钯。所述方法还可以包括在沉积所述液体混合物之前，选择性地将催化剂施加到所述区域，所述催化剂被配置为加速所述银盐的所述还原。所述液体混合物基本上可以包含所述金属盐、还原剂和碱。所述反射层可以是纯的或基本上纯的金属。所述液体混合物可以通过以下项中的至少一者而被沉积在所述区域上：纳米分配、微分配、微移液、喷墨印刷和喷涂。所述方法还可以包括在所述金属的所述沉淀之后移除残余的液体混合物材料。移除残余的液晶混合物可以包括冲洗所述光波导。所述方法还可以包括在所述反射层上沉积覆盖层。所述反射层可以是不包含针孔或者基本上不包含针孔。所述金属可以是银。
一些方面包括一种光学设备，其包括：第一波导，其包括反射衍射光学元件。所述反射衍射光学元件包括：在所述第一波导的表面上的突起；在所述突起上的界面层；以及在所述界面层上的反射层。
所述界面层可以包括等离子体处理表面、表面活性剂层和催化剂中的一种或多种。所述催化剂可以包括含锡化合物或含钯化合物中的一种或多种。所述反射层可以是至少95％的金属。所述反射层基本上可以不包含针孔。所述反射衍射光学元件可以是耦入光学元件，所述耦入光学元件被配置为以角度使入射光重定向，以使得所述光通过全内反射来传播通过所述第一波导。所述反射层可以以至少85％的反射率来反射所述入射光。所述光学设备还可以包括第二波导和第三波导，其中，所述第二波导被配置为输出与所述第三波导不同的波长范围的光，其中，所述第一波导、所述第二波导和所述第三波导中的每一个包括反射衍射光学元件，所述反射衍射光学元件包括：在所述第一波导的表面上的突起；在所述突起上的界面层；以及在所述界面层上的反射层。所述第一表面可以包括限定所述反射层的边界的壁。所述壁可以包括被配置为维持所述第一波导与另一波导之间的空间的机械间隔物。所述光学设备可以是包括空间光调制器的显示系统，其中，所述空间光调制器被配置为将包含图像信息的光输出到所述反射衍射光学元件上。所述光学设备还可以包括在所述反射层上的覆盖层。
附图说明
图1示出了用户通过AR设备看到的增强现实(AR)的视图。
图2示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示系统。
图3A至3C示出了曲率半径与焦半径之间的关系。
图4A示出了人类视觉系统的适应-聚散(accommodation-vergence)响应的表示。
图4B示出了用户的一双眼睛的不同适应状态和聚散状态的示例。
图4C示出了用户经由显示系统观看内容的俯视图表示的示例。
图4D示出了用户经由显示系统观看内容的俯视图表示的另一示例。
图5示出了用于通过修改波前发散来模拟三维图像的方法的各方面。
图6示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。
图7示出了由波导输出的出射光束的示例。
图8示出了堆叠波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多种不同组分颜色形成的图像。
图9A示出了分别包括耦入光学元件的一组堆叠波导的示例的横截面侧视图。
图9B示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。
图9C示出了图9A和9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。
图9D示出了可穿戴显示系统的示例。
图10示出了用于将光引导到观看者的光投射器系统和波导的横截面图的示例。
图11A和11B示出了以不同入射角将光耦入到波导中的示例。
图12A和12B示出了耦入光在波导内反弹的效果的示例。
图13A-13C描绘了波导堆叠和构成波导的示例，其示出了被设置在对应的投射光学器件的焦距之外的波导中的反弹的普遍(prevalence)。
图14A-14B示出了示例波导中的耦入光学元件截断(truncation)的示例。
图15示出了波导堆叠中的耦入光学元件的示例布置的俯视图。
图16和17示出了由于耦入光学元件截断导致的增强的耦入效率的示例。
图18A和18B描绘了具有透射耦入光学元件的波导和波导堆叠的示例。
图19A示出了根据一些实施例的沉积在突起图案上的反射层的示意性横截面侧视图。
图19B示出了根据一些其他实施例的沉积在突起图案上的反射层的示意性横截面侧视图。
图19C示出了根据又一些实施例的沉积在突起图案上的反射层的示意性横截面侧视图。
图20A示出了根据一些实施例的用于在突起图案上由反射可流动材料形成反射层的受限区域的示意性透视图。
图20B示出了根据一些实施例的用于在突起图案上由反射可流动材料形成反射层的图20A的受限区域的示意性横截面侧视图。
图21A是用于使用金属油墨形成银层的“类型1”反应的示意图。
图21B是用于使用金属油墨形成银层的“类型2”反应的示意图。
图21C是根据一些实施例的用于使用银离子还原形成银层的“类型3”反应的示意图。
图22A是由金属油墨形成的银层的电子显微照片。
图22B是由金属油墨形成的另一银层的电子显微照片。
图22C是根据一些实施例的使用银离子还原形成的反射层的电子显微照片。
图22D是由金属油墨形成的银层的剥离(tape off)测试的电子显微照片。
图22E是由金属油墨形成的银层的另一剥离测试的电子显微照片。
图22F是根据一些实施例的使用银离子还原形成的银层的剥离测试的电子显微照片。
图23是示出使用银离子还原形成的银层、通过气相沉积形成的铝层、以及由银油墨形成的反射层的反射率(％)的曲线图。
图24是示出使用银离子还原形成的银层和通过气相沉积形成的铝层的稳定性的曲线图。
图25是示出制造如本文所述的光波导结构的方法的流程图。
具体实施方式
AR和/或VR系统可以向用户或观看者显示虚拟内容。优选地，该内容在例如作为眼镜的一部分的头戴式显示器上显示，该头戴式显示器将图像信息投射到用户的眼睛。此外，在系统是AR系统的情况下，该显示器还可以将来自周围环境的光透射到用户的眼睛，以允许观看周围环境。如本文所使用的，应当理解，“头戴式”或“可头戴的”显示器是可以被戴在观看者或用户的头部上的显示器。
在一些显示系统中，构成波导堆叠的多个波导可以被配置为在被感知为处于远离用户的不同距离处的多个虚拟深度平面(在本文中也被简称为“深度平面”)处形成虚拟图像。在一些实施例中，波导堆叠中的不同波导可具有提供不同的光焦度的光学结构，并且可以在相对于用户眼睛的不同距离处模拟从对象传播的光的波前发散。在一些实施例中，作为用于提供光焦度的波导光学结构的替代或除了该波导光学结构之外，该显示系统还可以包括多个提供或另外提供光焦度的透镜。来自图像源的光可以被引导朝向波导，并且可以通过每个波导的耦入光学元件被耦入到各个波导中。耦入光学元件可以是衍射光学元件，诸如光栅。
在一些实施例中，本文中所描述的系统及方法包括耦入光学元件，该耦入光学元件被配置为通过减少因耦入光的反弹引起的光损失的发生而增强耦入光的耦入效率和/或均匀性。当沿波导传播的光耦入光在初始的耦入入射之后的一秒或后续时间撞击耦入光学元件时，发生反弹。如将更详细地描述的，反弹可以导致耦入光的一部分被耦入光学元件的材料来不期望地耦出和/或吸收。耦出和/或光吸收不期望地可导致耦入光的整体耦入效率和/或均匀性的降低。
本文中所公开的一些实施例提供衍射光学元件，该衍射光学元件还可为耦入光学元件，且被配置为减轻由于在波导中耦入光的反弹引起的光损失。在耦入入射光时，衍射光学元件可以重定向光，以使得该光通常传播通过波导和传播方向。在一些情况下，在传播方向上朝向耦入光学元件的一侧发生耦入光的反弹。例如，最初在耦入光学元件(与传播方向相反)的相对侧附近耦入的一些入射光可以在反射离开波导的另一表面之后再次反弹，也就是，可以再次撞击耦入光学元件。不受理论的限制，在再次撞击耦入光学元件时，入射光中的一些可能不期望地被光学元件耦出和/或可以被光学元件吸收(例如，在耦入光学元件是反射衍射光学元件的情况下被衍射光栅上的反射涂层吸收)。
在一些实施例中，为了减轻由于反弹引起的光损失，耦入光学元件在光学元件的传播方向侧被截断。有利地，截断可以通过减小耦入光学元件的在其处反弹可能导致不期望的光损失的可用面积而减少由反弹引起的光损失的发生。在一些实施例中，截断可以是耦入光学元件的所有结构的完整截断，例如，截断可以涉及减小耦入光学元件的在光传播方向上的面积。在一些其他实施例中，在耦入光学元件包括反射涂层(例如，诸如金属层的反射层)的情况下，耦入光学元件的在传播方向侧的一部分可以不被涂覆，以使得光学元件的在传播方向侧的部分吸收较少的反弹光和/或以较低效率使反弹光耦出。在一些实施例中，如俯视图所示，耦入光学元件的衍射区域可具有比垂直于传播方向的长度更短的沿着传播方向的宽度，可以具有相对于非截断衍射区域的较小的宽度-长度比，和/或其尺寸和形状可以被设置为使得来自投射光学器件的光束的第一部分入射在衍射区域上，并且光束的第二部分撞击在波导上而不入射在衍射区域上(例如，光学元件的具有高吸收和/或耦出效率的部分的尺寸优选地小于被波导上的入射光束接触(make out)的区域的尺寸)。在一些实施例中，在波导的堆叠上，截断的量在波导之间变化。例如，每个波导的耦入光学元件的宽度-长度比可以在波导堆叠中的不同波导之间变化。
波导可以使用光学元件来在期望的方向上使外部光耦入和/或使在波导内传播的光重定向。例如，光学元件可以采取衍射光栅和/或刻面特征的形式。一些光学元件可以在反射模式下工作，其中从一个或多个角度入射在光学元件上的光都被反射和重定向，以使得光以不同的期望角度远离光学元件传播。如本文所公开的，这样的波导可以形成显示系统的部分，诸如增强现实和虚拟现实显示系统。例如，波导可以被配置为耦入包含图像信息的光，并且将使光分布和耦出到用户。本文中将更详细地讨论示例波导和光学元件。反射光学元件可以包括通过湿化学形成的反射层，其可以有利地提供优异的衍射效率，如本文所讨论的。
现在将参考附图，在所有附图中，相同的参考标号表示相同的部件。除非另外指出，否则这些附图是示意性的，不一定按比例绘制。
示例显示系统
图2示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示系统。将理解，用户的眼睛是间隔开的，并且当观看空间中的真实对象时，每只眼睛具有稍微不同的对象视图，并且可以在每只眼睛的视网膜上的不同位置处形成对象的图像。这可以被称为双眼视差，并且可以被人类视觉系统用于提供深度感。传统的显示系统通过呈现具有对同一虚拟对象的略微不同的视图的两个不同图像190、200(每只眼睛210、220对应一个图像)来模拟双目视差，这些图像对应于将被每只眼睛看成所需深度处的真实对象的虚拟对象的视图。这些图像提供双眼线索，用户的视觉系统可以解释该双眼线索以获得深度感。
继续参考图2，图像190、200与眼睛210、220在z轴上间隔开一距离230。z轴平行于眼睛注视观看者正前方的光学无限远处的对象的观看者的光轴。图像190、200是平坦的并且与眼睛210、220保持固定距离。基于分别呈现给眼睛210、220的图像中的虚拟对象的略微不同的视图，眼睛可以自然地旋转，以使得对象的图像落在每只眼睛的视网膜上的相应点上，以保持单一双眼视觉。该旋转可以使得每只眼睛210、220的视线会聚到虚拟对象被感知存在于的空间点上。因此，提供三维图像通常涉及提供双眼线索，这些线索可以操纵用户眼睛210、220的聚散度，并且被人类视觉系统解释以提供深度感。
然而，产生逼真且舒适的深度感是具有挑战性的。应当理解，来自与眼睛相距不同距离的对象的光具有发散量不同的波前。图3A至3C示出了距离与光线发散之间的关系。对象和眼睛210之间的距离按照距离减小的顺序R1、R2和R3表示。如图3A至3C所示，随着到对象的距离减小，光线变得更加发散。相反，随着距离的增加，光线变得更加准直。换言之，可以说，由点(对象或对象的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，其是该点离用户眼睛多远的函数。曲率随着对象和眼睛210之间的距离的减小而增大。虽然为了清楚地说明在图3A至3C和本文的其他图中仅示出了单只眼睛210，但是关于眼睛210的讨论可应用于观看者的双眼210和220。
继续参考图3A至3C，来自观看者的眼睛所注视的对象的光可以具有不同程度的波前发散。由于波前发散量不同，光可以通过眼睛的晶状体不同地聚焦，这反过来可能需要晶状体呈现不同的形状以在眼睛的视网膜上形成聚焦图像。在视网膜上没有形成聚焦图像的情况下，所产生的视网膜模糊充当适应线索，该适应引起眼睛晶状体形状的改变，直到在视网膜上形成聚焦图像。例如，适应线索可以触发眼睛晶状体周围的睫状肌舒张或收缩，从而适应施加到保持晶状体的悬韧带的力，从而使眼睛晶状体的形状改变，直到消除或最小化注视对象的视网膜模糊，从而在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成注视对象的聚焦图像。眼睛晶状体改变形状的过程可被称为适应，并且可以将在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成注视对象的聚焦图像所需的眼睛晶状体形状称为适应状态。
现在参考图4A，示出了人类视觉系统的适应-聚散响应的表示。眼睛移动以注视对象导致眼睛接收来自对象的光，其中光在眼睛的每个视网膜上形成图像。在视网膜上形成的图像中视网膜模糊的存在可以提供适应线索，并且图像在视网膜上的相对位置可以提供聚散线索。适应线索导致适应发生，从而使得眼睛晶状体分别呈现特定适应状态，该状态在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成对象的聚焦图像。另一方面，聚散线索导致聚散运动(眼睛旋转)发生，使得在每只眼睛的每个视网膜上形成的图像处于保持单个双眼视觉的相应视网膜点处。在这些位置中，可以说，眼睛已经呈现特定的聚散状态。继续参考图4A，适应可以被理解为眼睛实现特定适应状态的过程，并且聚散可以被理解为眼睛实现特定聚散状态的过程。如图4A所示，如果用户注视另一对象，则眼睛的适应和聚散状态可以改变。例如，如果用户注视z轴上的不同深度处的新对象，则适应状态可能改变。
不受理论的限制，可以认为对象的观看者可能由于聚散和适应的组合而将对象感知为“三维的”。如上所述，两只眼睛相对于彼此的聚散运动(例如，眼睛旋转以使得瞳孔朝向或远离彼此移动以使眼睛的视线会聚而注视对象)与眼睛晶状体的适应紧密相关。在正常情况下，根据被称为“适应-聚散反射”的关系，改变眼睛晶状体形状以将焦点从一个对象改变到不同距离处的另一对象将自动导致到同一距离的匹配聚散变化。同样，在正常情况下，聚散的变化将触发晶状体形状的匹配变化。
现在参考图4B，示出了眼睛的不同适应状态和聚散状态的示例。一双眼睛222a注视光学无限远处的对象，而一双眼睛222b注视小于光学无限远处的对象221。值得注意的是，每双眼睛的聚散状态是不同的，其中一双眼睛222a望向正前方，而一双眼睛222会聚在对象221上。形成每双眼睛222a和222b的眼睛的适应状态也是不同的，如晶状体210a、220a的不同形状所示。
不期望地，传统“3D”显示系统的许多用户发现，这样的传统系统由于这些显示器中适应和聚散状态之间的失配而令人感到不舒服或者可能根本不能感知深度感。如上所述，许多立体或“3D”显示系统通过向每只眼睛提供略微不同的图像来显示场景。这样的系统对于许多观看者来说是不舒服的，因为除了其他之外，这样的系统仅提供场景的不同呈现并且引起眼睛聚散状态的改变，但是这些眼睛的适应状态未发生相应的变化。相反，图像由相对于眼睛处于固定距离处的显示器示出，使得眼睛在单个适应状态下查看所有图像信息。这种安排通过在适应状态未发生匹配变化的情况下引起聚散状态改变来应对“适应-聚散反射”。这种失配被认为会引起观看者的不适。在适应和聚散之间提供更好匹配的显示系统可以形成更逼真和舒适的三维图像模拟。
不受理论的限制，可以认为人眼通常可以解释有限数量的深度平面以提供深度感。因此，可以通过向眼睛提供与这些有限数量的深度平面中的每一者相对应的不同图像呈现来实现高度可信的感知深度模拟。在一些实施例中，不同的呈现可以同时提供聚散线索和匹配的适应线索，从而提供生理上正确的适应-聚散匹配。
继续参考图4B，示出了两个深度平面240，这两个深度平面对应于相对于眼睛210、220的不同空间距离。对于给定深度平面240，可以通过为每只眼睛210、220显示具有适当不同的透视的图像来提供聚散线索。此外，对于给定深度平面240，形成提供给每只眼睛210、220的图像的光可以具有与由该深度平面240的距离处的点所产生的光场对应的波前发散。
在所示实施例中，包含点221的深度平面240沿z轴的距离是1米。如本文所使用的，可以利用位于用户眼睛出射光瞳处的零点来测量沿z轴的距离或深度。因此，位于1米深度处的深度平面240对应于用户眼睛的光轴上的距用户眼睛的出射光瞳1米的距离，其中眼睛指向光学无限远。作为近似，沿z轴的深度或距离可以从用户眼睛前方的显示器(例如，从波导的表面)测量，加上该设备与用户眼睛出射光瞳之间的距离的值。该值可以被称为出瞳距离并且对应于用户眼睛出射光瞳与用户在眼睛前方穿戴的显示器之间的距离。在实践中，出瞳距离的值可以是对于所有观看者通用的标准化值。例如，可以假设出瞳距离是20mm，并且处于1米深度处的深度平面可以在显示器前面980mm的距离处。
现在参考图4C和4D，分别示出了匹配的适应-聚散距离和失配的适应-聚散距离的示例。如图4C所示，显示系统可以向每只眼睛210、220提供虚拟对象的图像。这些图像可以使眼睛210、220呈现一聚散状态，在该聚散状态下，眼睛会聚在深度平面240上的点15处。此外，图像可以由具有与该深度平面240处的真实对象相对应的波前曲率的光形成。结果，眼睛210、220呈现一适应状态，在该适应状态下，图像聚焦在这些眼睛的视网膜上。因此，用户可以将虚拟对象感知为位于深度平面240上的点15处。
应当理解，眼睛210、220的适应和聚散状态中的每一者与z轴上的特定距离相关联。例如，距眼睛210、220特定距离处的对象使得这些眼睛基于对象的距离呈现特定适应状态。与特定适应状态相关联的距离可以被称为适应距离Ad。类似地，存在与特定聚散状态相关联的特定聚散距离Vd或相对于彼此的位置。在适应距离和聚散距离匹配的情况下，可以说适应和聚散之间的关系在生理学上是正确的。这被认为是对于观看者最舒适的场景。
然而，在立体显示器中，适应距离和聚散距离可能不总是匹配。例如，如图4D所示，显示给眼睛210、220的图像可以以对应于深度平面240的波前发散被显示，并且眼睛210、220可以呈现特定适应状态，在该适应状态下，该深度平面上的点15a、15b焦点对准。然而，显示给眼睛210、220的图像可以提供聚散线索，此线索导致眼睛210、220会聚在不位于深度平面240上的点15处。因此，在一些实施例中，适应距离对应于从眼睛210、220的出射光瞳到深度平面240的距离，而聚散距离对应于从眼睛210、220的出射光瞳到点15的更大距离。适应距离不同于聚散距离。因此，存在适应-聚散失配。这种失配被认为是不合需要的并且可能引起用户的不适。应当理解，失配对应于距离(例如，Vd-Ad)并且可以使用屈光度来表征。
在一些实施例中，应当理解，可以使用眼睛210、220的出射光瞳以外的参考点来确定用于确定适应-聚散失配的距离，只要相同的参考点被用于适应距离和聚散距离即可。例如，可以测量从角膜到深度平面，从视网膜到深度平面，从目镜(例如，显示设备的波导)到深度平面的距离等等。
不受理论限制，认为在适应-聚散失配本身不导致明显不适的情况下，用户仍然可以将最高为0.25屈光度，最高为0.33屈光度和最高为约0.5屈光度的适应-聚散失配感知为在生理上正确的。在一些实施例中，本文公开的显示系统(例如，图6中的显示系统250)向观看者呈现具有约0.5屈光度或更小的适应-聚散失配的图像。在一些其他实施例中，由显示系统提供的图像的适应-聚散失配为约0.33屈光度或更小。在另外一些实施例中，由显示系统提供的图像的适应-聚散失配为约0.25屈光度或更小，其中包括约0.1屈光度或更小。
图5示出了用于通过修改波前发散来模拟三维图像的方法的各方面。该显示系统包括波导270，该波导270被配置为接收用图像信息编码的光770，并将该光输出到用户的眼睛210。波导270可以输出具有限定量的波前发散的光650，该波前发散与所需深度平面240上的点产生的光场的波前发散对应。在一些实施例中，为在该深度平面上呈现的所有对象提供相同的波前发散量。另外，将说明可以向用户的另一只眼睛提供来自类似波导的图像信息。
在一些实施例中，单个波导可被配置为输出具有设定量的波前发散的光，该波前发散对应于单个深度平面或有限数量深度平面的波前发散，和/或波导可被配置为输出有限波长范围的光。因此，在一些实施例中，可以利用多个波导或波导堆叠来为不同的深度平面提供不同量的波前发散和/或输出不同波长范围的光。如本文所使用的，应当理解，深度平面可以是平面的，或者可以具有曲面分布。堆叠的一个或多个波导可包括反射衍射光学元件，该反射衍射光学元件包括反射层，该反射层包括、基本上由其构成或由其构成：如本文所述的纯的或基本上纯的金属。
图6示出了用于将图像信息输出给用户的波导堆叠的示例。显示系统250包括波导堆叠或堆叠的波导组件260，波导组件260可被用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知。应当理解，在一些实施例中，显示系统250可以被视为光场显示器。此外，波导组件260也可以被称为目镜。
在一些实施例中，显示系统250可被配置为提供基本连续的聚散线索和多个离散的适应线索。可以通过向用户的每只眼睛显示不同的图像来提供聚散线索，并且可以通过输出具有可选择的离散量的波前发散的用于形成图像的光来提供适应线索。换言之，显示系统250可被配置为输出具有可变波前发散水平的光。在一些实施例中，每个离散水平的波前发散对应于特定深度平面，并且可以由波导270、280、290、300、310中的特定一者提供。
继续参考图6，波导组件260还可包括波导之间的多个特征320、330、340、350。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以是一个或多个透镜。波导270、280、290、300、310和/或多个透镜320、330、340、350可被配置为以各种级别的波前曲率或光线发散向眼睛发送图像信息。每个波导级别可以与特定深度平面相关联，并且可被配置为输出与该深度平面相对应的图像信息。图像注入设备360、370、380、390、400可以用作波导的光源，并且可以被用于将图像信息注入到波导270、280、290、300、310中，如本文所述，每个波导可以被配置为使入射光分布跨过每个相应的波导，以朝向眼睛210输出。光从图像注入设备360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450出射，并且被注入到波导270、280、290、300、310的对应的输入表面460、470、480、490、500中。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每一者可以是对应波导的边缘，或者可以是对应波导的主表面的部分(即，直接面向世界510或观看者眼睛210的波导表面中的一者)。在一些实施例中，可以将单个光束(例如，准直光束)注入到每个波导中以输出克隆的准直光束的整个场，所述克隆的准直光束以特定角度(和发散量)被导向眼睛210，所述特定角度(和发散量)对应于与特定波导相关联的深度平面。在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400中的单个可与波导270、280、290、300、310中的多个(例如，三个)相关联并将光注入其中。
在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是离散显示器，每个离散显示器分别产生用于注入到对应的波导270、280、290、300、310中的图像信息。在一些其他实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是单个多路复用显示器的输出端，例如，该多路复用显示器可以经由一个或多个光学导管(例如，光纤光缆)将图像信息通过管道传输到图像注入设备360、370、380、390、400中的每一者。应当理解，由图像注入设备360、370、380、390、400提供的图像信息可以包括不同波长或颜色的光(例如，如本文所讨论的不同的组分颜色)。
在一些实施例中，注入到波导270、280、290、300、310中的光由光投射器系统520提供，光投射器系统520包括光模块530，光模块530可包括光发射器，例如发光二极管(LED)。来自光模块530的光可以经由分束器550被光调制器540(例如，空间光调制器)引导和修改。光调制器540可以被配置为改变注入到波导270、280、290、300、310中的光的感知强度以用图像信息对光进行编码。空间光调制器的示例包括液晶显示器(LCD)，LCD包括硅上液晶(LCOS)显示器。应当理解，图像注入设备360、370、380、390、400被示意性地示出，并且在一些实施例中，这些图像注入设备可以表示公共投射系统中的不同光路和位置，该公共投射系统被配置为将光输出到波导270、280、290、300、310中的关联的波导中。在一些实施例中，波导组件260中的波导可以用作理想透镜，同时将注入到波导中的光中继输出到用户的眼睛。在该概念中，对象可以是空间光调制器540，并且图像可以是深度平面上的图像。
在一些实施例中，显示系统250可以是扫描光纤显示器，扫描光纤显示器包括一个或多个扫描光纤，一个或多个扫描光纤被配置为以各种图案(例如，光栅扫描、螺旋扫描、利萨如(Lissajous)图案等)将光投射到一个或多个波导270、280、290、300、310中，并且最终投射到观看者的眼睛210。在一些实施例中，所示的图像注入设备360、370、380、390、400可示意性地表示单个扫描光纤或扫描光纤束，单个扫描光纤或扫描光纤束被配置为将光注入到一个或多个波导270、280、290、300、310中。在一些其他实施例中，所示的图像注入设备360、370、380、390、400可以示意性地表示多个扫描光纤或多个扫描光纤束，多个扫描光纤或多个扫描光纤束中的每一者被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中的关联波导中。应当理解，一个或多个光纤可以被配置为将光从光模块530传输到一个或多个波导270、280、290、300、310。应当理解，可以在一个或多个扫描光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间设置一个或多个居间光学结构，以例如将从扫描光纤出射的光重定向到一个或多个波导270、280、290、300、310中。
控制器560控制堆叠波导组件260中的一个或多个的操作，包括图像注入设备360、370、380、390、400、光源530和光调制器540的操作。在一些实施例中，控制器560是本地数据处理模块140的部分。控制器560包括编程(例如，非暂时性介质中的指令)，该编程根据例如本文公开的各种方案中的任何方案，调节定时和向波导270、280、290、300、310提供图像信息。在一些实施例中，控制器可以是单个整体设备，或者是通过有线或无线通信信道连接的分布式系统。在一些实施例中，控制器560可以是处理模块140或150(图9D)的部分。
继续参考图6，波导270、280、290、300、310可以被配置为通过全内反射(TIR)在每个相应的波导内传播光。波导270、280、290、300、310可以各自是平面的或具有另一种形状(例如，弯曲的)，具有顶部主表面和底部主表面以及在这些顶部主表面和底部主表面之间延伸的边缘。在所示的配置中，波导270、280、290、300、310可各自包括耦出光学元件570、580、590、600、610，耦出光学元件570、580、590、600、610被配置为通过重定向光来从波导中提取光，在各自对应的波导内部传播，从波导出射以将图像信息输出到眼睛210。所提取的光也可以被称为耦出光，而耦出光学元件光也可以被称为光提取光学元件。所提取的光束可以在波导中传播的光照射到光提取光学元件的位置处由波导输出。如本文进一步讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610可以例如是光栅，光栅包括衍射光学特征。虽然被示出为设置在波导270、280、290、300、310的底部主表面处，但是为了便于描述和绘制清楚，在一些实施例中，如本文进一步讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被设置在顶部和/或底部主表面处，和/或可以被直接设置在波导270、280、290、300、310的体积内。在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在附接到透明基板的材料层中，以形成波导270、280、290、300、310。在一些其他实施例中，波导270、280、290、300、310可以是单片材料，并且耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在该片材料的表面上和/或内部中。
继续参考图6，如本文所讨论的，每个波导270、280、290、300、310被配置为输出光以形成与特定深度平面对应的图像。例如，最靠近眼睛的波导270可以被配置为将准直光(其被注入到这样的波导270中)传递到眼睛210。该准直光可以代表光学无限远焦平面。下一上行波导280可以被配置为发出准直光，该准直光在可以到达眼睛210之前传输通过第一透镜350(例如，负透镜)；这样的第一透镜350可以被配置为产生轻微凸起的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自该下一上行波导280的光解释为来自从光学无限远向内更靠近眼睛210的第一焦平面。类似地，第三上行波导290使其输出光在到达眼睛210之前传输通过第一透镜350和第二透镜340两者；第一透镜350和第二透镜340的组合光焦度可以被配置为产生波前曲率的另一增量，使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为来自从光学无限远向内比来自向下一上行波导280的光进一步更靠近人的第二焦平面。
其他波导层300、310和透镜330、320被类似地配置，其中堆叠中的最高波导310通过其与眼睛之间的所有透镜发送其输出，以获得代表与人最靠近的焦平面的总焦度。为了在观察/解释来自堆叠波导组件260的另一侧上的世界510的光时补偿透镜堆叠320、330、340、350，可以在堆叠的顶部设置补偿透镜层620以补偿下面的透镜堆叠320、330、340、350的总焦度。这种配置提供与可用的波导/透镜配对一样多的感知焦平面。波导的耦出光学元件和透镜的聚焦方面都可以是静态的(即，不是动态的或电活性的)。在一些替代实施例中，通过使用电活性特征，它们中的一者或全部两者可以是动态的。
在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或更多个可具有相同的关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以被配置为将图像集输出到相同深度平面，或者波导270、280、290、300、310中的多个子集可以被配置为将图像集输出到相同的多个深度平面，每个深度平面一个集。这可以为形成平铺图像提供优势，以在那些深度平面处提供扩展的视野。
继续参考图6，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被配置为既将光重定向到它们相应的波导之外，也为与该波导相关联的特定深度平面输出具有适当的发散量或准直量的该光。结果，具有不同的关联深度平面的波导可以具有不同配置的耦出光学元件570、580、590、600、610，不同配置的耦出光学元件570、580、590、600、610根据关联的深度平面输出具有不同发散量的光。在一些实施例中，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积特征或表面特征，其可以被配置为以特定角度输出光。例如，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积全息、表面全息和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以不是透镜；相反，它们可以简单地是间隔物(例如，包层和/或用于形成气隙的结构)。
在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610是形成衍射图案的衍射特征，或“衍射光学元件”(在本文中也称为“DOE”)。优选地，DOE具有足够低的衍射效率，使得只有一部分光束借助DOE的每个交叉点向眼睛210偏转，而其余部分经由TIR继续前进通过波导。因此，携带图像信息的光被分成多个相关的出射光束，这些出射光束在多个位置处从波导出射，并且对于在波导内弹跳的此特定准直光束，结果是向眼睛210出射的相当均匀的图案。
在一些实施例中，一个或多个DOE可以在它们活跃地衍射的“开启”状态和它们不显著衍射的“关闭”状态之间可切换。例如，可切换的DOE可以包括聚合物分散液晶层，其中，微滴包括处于主体介质中的衍射图案，并且微滴的折射率可以被切换为基本匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不会显著地衍射入射光)或者微滴可以被切换为与主体介质的折射率失配的折射率(在这种情况下，图案活跃地衍射入射光)。
在一些实施例中，可提供相机组件630(例如，数码相机，包括可见光相机和红外光相机)以捕获眼睛210和/或眼睛210周围的组织的图像，以例如检测用户输入和/或监视用户的生理状态。如此处所使用的，相机可以是任何图像捕获设备。在一些实施例中，相机组件630可以包括图像捕获设备和光源，以将光(例如，红外光)投射到眼睛，然后光可以被眼睛反射并被图像捕获设备检测。在一些实施例中，相机组件630可以被附接到框架80(图9D)并且可以与处理模块140和/或处理模块150电连通，处理模块140和/或处理模块150可以处理来自相机组件630的图像信息。在一些实施例中，每个眼睛可以使用一个摄像机组件630，以分别监视每只眼睛。
现在参考图7，示出了由波导输出的出射光束的示例。示出了一个波导，但应当理解，波导组件260(图6)中的其他波导可以类似地起作用，其中，波导组件260包括多个波导。光640在波导270的输入表面460处被注入波导270，并通过TIR在波导270内传播。在光640照射在DOE570上的点处，一部分光作为出射光束650从波导出射。出射光束650被示为基本平行，但是如本文所讨论的，它们也可以被重定向以一角度(例如，形成发散的出射光束)传播到眼睛210，该角度取决于与波导270相关联的深度平面。应当理解，基本上平行的出射光束可以指示具有耦出光学元件的波导，耦出光学元件耦出光以形成看起来设置在距离眼睛210的远距离处(例如，光学无穷远)的深度平面上的图像。其他波导或耦出光学元件的其他集合可以输出更加发散的出射光束图案，这将要求眼睛210适应更近的距离以使更加发散的出射光束图案聚焦在视网膜上并且将被大脑解释为来自比光学无限远更靠近眼睛210的距离处的光。
在一些实施例中，可以通过在组分颜色(例如，三种或更多种组分颜色)中的每一者中叠加图像来在每个深度平面处形成全色图像。图8示出了堆叠波导组件的示例，其中，每个深度平面包括使用多种不同组分颜色形成的图像。所示的实施例示出了深度平面240a-240f，但也可以预期更多或更少的深度。每个深度平面可以具有与其相关联的三个或更多个组分颜色图像，包括：第一颜色G的第一图像；第二颜色R的第二图像；以及第三颜色B的第三图像。对于字母G，R和B之后的屈光度(dpt)，在图中通过不同的数字表示不同的深度平面。仅作为示例，这些字母中的每一者后面的数字表示屈光度(1/m)，或该深度平面距观看者的距离倒数，并且图中的每个框表示单独的组分颜色图像。在一些实施例中，为了考虑眼睛对不同波长的光的聚焦的差异，不同组分颜色的深度平面的精确放置可以变化。例如，给定深度平面的不同组分颜色图像可以被放置在与距用户不同距离相对应的深度平面上。这样的布置可以增加视敏度和用户舒适度，和/或可以减少色差。
在一些实施例中，每种组分颜色的光可以由单个专用波导输出，因此，每个深度平面可以具有与其相关联的多个波导。在这样的实施例中，图中包括字母G、R或B的每个框可以被理解为表示单独的波导，并且每个深度平面可以提供三个波导，其中，每个深度平面提供三个组分颜色图像。尽管为了便于描述，在此图中与每个深度平面相关联的波导被示出为邻近彼此，但应当理解，在物理设备中，波导可以全部布置为每层一个波导的堆叠形式。在一些其他实施例中，多个组分颜色可以由相同的波导输出，使得例如每个深度平面可以仅提供单个波导。
继续参考图8，在一些实施例中，G是绿色，R是红色，B是蓝色。在一些其他实施例中，除了红色、绿色或蓝色之外，可以使用与其他波长的光(包括品红色和青色)相关联的其他颜色，或者这些其他颜色可以替代红色，绿色或蓝色中的一种或多种。
应当理解，贯穿本公开对给定颜色的光的提及将被理解为包括在被观看者感知为具有该给定颜色的光的波长范围内的一个或多个波长的光。例如，红光可以包括在约620-780nm范围内的一个或多个波长的光，绿光可以包括在约492-577nm范围内的一个或多个波长的光，并且蓝光可以包括在约435-493nm范围内的一个或多个波长的光。
在一些实施例中，光源530(图6)可以被配置为发射观看者的视觉感知范围之外的一个或多个波长的光，例如红外和/或紫外波长的光。此外，显示器250的波导的耦入、耦出和其他光重定向结构可以被配置为引导此光并使此光从显示器出射朝向用户的眼睛210，例如，用于成像和/或用户刺激应用。在一些实施例中，耦入光学元件和/或其他光重定向结构包括反射衍射光学元件，该反射衍射光学元件包括反射层，该反射层包括如本文所述的由湿化学沉积的金属。在一些实施例中，反射层可如本文所述的由湿化学形成的金属形成，该金属基本上其构成或者由其构成：纯的或基本上纯的金属。
现在参考图9A，在一些实施例中，可能需要将照射在波导上的光重定向以将该光耦入到波导中。可以使用耦入光学元件将光重定向并且耦入到其对应的波导中。图9A示出了多个堆叠波导或堆叠波导组660的示例的横截面侧视图，每个堆叠波导包括耦入光学元件。波导可以被各自配置为输出一个或多个不同波长的光，或一个或多个不同波长范围的光。应当理解，堆叠660可以对应于堆叠260(图6)，并且除了来自一个或多个图像注入设备360、370、380、390、400的光从需要光被重定向以耦入的位置被注入波导中之外，堆叠660的所示波导可以与多个波导270、280、290、300、310中的部分对应。
图示的堆叠波导组660包括波导670、680和690。每个波导包括关联的耦入光学元件(其也可以被称为波导上的光输入区域)，其中例如耦入光学元件700被设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上，耦入光学元件710被设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上，耦入光学元件720被设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720中的一个或多个可以被设置在相应波导670、680、690的底部主表面上(特别是在一个或多个耦入光学元件是反射性的偏转光学元件的情况下)。如图所示，耦入光学元件700、710、720可以被设置在它们相应的波导670、680、690(或下一下行波导的顶部)的顶部主表面上，特别是在那些耦入光学元件的是透射性的偏转光学元件的情况下。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在相应的波导670、680、690的体中。在一些实施例中，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720是波长选择性的，使得它们选择性地重定向一个或多个波长的光，同时透射其他波长的光。尽管在它们相应的波导670、680、690的一侧或角上示出，但是应当理解，在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在它们相应的波导670、680、690的其他区域中。
如图所示，耦入光学元件700、710、720可以被彼此横向偏移。在一些实施例中，每个耦入光学元件可以被偏移，使得耦入光学元件接收光，而光无需传输通过另一耦入光学元件。例如，如图6所示，每个耦入光学元件700、710、720可以被配置为从不同的图像注入设备360、370、380、390和400接收光，并且可以从其他耦入光学元件700、710、720分开(例如，横向间隔开)，使得该耦入光学元件基本上不接收来自耦入光学元件700、710、720中的其他耦入光学元件的光。
每个波导还包括关联的光分布元件，其中，例如，光分布元件730被设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上，光分布元件740被设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上，光分布元件750被设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联的波导670、680、690的底部主表面上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联的波导670、680、690的顶部主表面上和底部主表面上；或者光分布元件730、740、750可以被分别设置在不同的关联的波导670、680、690中的顶部主表面和底部主表面中的不同主表面上。
波导670、680、690可以被例如气体、液体和/或固体材料层间隔开并分隔开。例如，如图所示，层760a可以使波导670和波导680分隔开；并且层760b可以使波导680和波导690分隔开。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(即，具有比形成紧邻的波导670、680、690中的一个波导的材料的折射率低的材料)形成。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率与形成波导670、680、690的材料的折射率相差0.05或更大，或0.10或更小。有利地，较低折射率层760a、760b可以作为包层，包层促进通过波导670、680、690的光的全内反射(TIR)(例如，在每个波导的顶部主表面与底部主表面之间的TIR)。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。尽管未示出，但应当理解，所示波导组660的顶部和底部可包括紧邻的包层。
优选地，为了便于制造和其他考虑，形成波导670、680、690的材料相似或相同，并且形成层760a、760b的材料相似或相同。在一些实施例中，形成波导670、680、690的材料在一个或多个波导之间可以是不同的，和/或形成层760a、760b的材料可以是不同的，同时仍然保持上述各种折射率关系。
继续参考图9A，光线770、780、790入射在波导组660上。应当理解，光线770、780、790可以通过一个或多个图像注入设备360、370、380、390、400(图6)注入到波导670、680、690中。
在一些实施例中，光线770、780、790具有不同的特性，例如，对应于不同的颜色的不同的波长或不同的波长范围。耦入光学元件700、710、720各自使入射光偏转，使得光通过TIR传播通过波导670、680、690中的相应的一个。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720各自选择性地使一个或多个特定波长的光偏转，同时将其他波长透射到下面的波导和关联的耦入光学元件。
例如，耦入光学元件700可以被配置为使具有第一波长或第一波长范围的光线770偏转，同时分别透射具有不同的第二波长或第二波长范围的光线780和具有第三波长或第三波长范围的光线790。透射光线780照射在耦入光学元件710上并被耦入光学元件710偏转，该耦入光学元件710被配置为使第二波长或第二波长范围的光偏转。光线790被耦入光学元件720偏转，该耦入光学元件720被配置为选择性地使第三波长或第三波长范围的光偏转。
继续参考图9A，偏转的光线770、780、790被偏转为使得光线770、780、790传播通过对应的波导670、680、690；也就是说，每个波导的耦入光学元件700、710、720将光偏转到该对应的波导670、680、690中，以将光耦入到该对应的波导中。光线770、780、790以一定角度被偏转，该角度使光通过TIR传播通过相应的波导670、680、690。光线770、780、790通过TIR传播通过相应的波导670、680、690，直到照射到波导的对应的光分布元件730、740、750上。
现在参考图9B，示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。如上所述，耦入的光线770、780、790分别被耦入光学元件700、710、720偏转，然后分别在波导670、680、690内通过TIR传播。然后，光线770、780、790分别照射在光分布元件730、740、750上。光分布元件730、740、750使光线770、780、790偏转，使得光线770、780、790分别朝向耦出光学元件800、810、820传播。
在一些实施例中，光分布元件730、740、750是正交光瞳扩展器(OPE)。在一些实施例中，OPE将光偏转或分布到耦出光学元件800、810、820，并且在一些实施例中，还可以在光向耦出光学元件传播时增加此光的光束或光斑尺寸。在一些实施例中，可以省略光分配元件730、740、750，并且耦入光学元件700、710、720可以被配置为将光直接偏转到耦出光学元件800、810、820。例如。参考图9A，光分布元件730、740、750可分别被耦出光学元件800、810、820代替。在一些实施例中，耦出光学元件800、810、820是出射光瞳(EP)或出射光瞳扩展器(EPE)，其将光导入观看者的眼睛210(图7)。应当理解，OPE可以被配置为在至少一个轴上增大眼框(eye box)的尺寸，并且EPE可以在与OPE的轴相交(例如正交)的轴上增大眼框。例如，每个OPE可以被配置为将到达OPE的光的一部分重定向到同一波导的EPE，同时允许光的剩余部分继续沿波导传播。在再次照射到OPE上时，剩余光的另一部分被重定向到EPE，并且该部分的剩余部分继续沿波导进一步传播，依此类推。类似地，在到达EPE时，照射光的一部分被朝向用户导出波导，并且该光的剩余部分继续传播通过波导，直到它再次到达EPE，此时照射光的另一部分被导出波导，依此类推。因此，每当单束耦入光的一部分被OPE或EPE重定向时，该光可以“被复制”，从而形成克隆光束的场，如图6所示。在一些实施例中，OPE和/或EPE可以被配置为修改光束的尺寸。
因此，参考图9A和图9B，在一些实施例中，波导组660包括：波导670、680、690；耦入光学元件700、710、720；光分布元件(例如，OPE)730、740、750；以及耦出光学元件(例如，EP)800、810、820，用于每种组分颜色。波导670、680、690可以被堆叠有每个波导之间的气隙/包层。耦入光学元件700、710、720将入射光(其中不同耦入光学元件接收不同波长的光)重定向或偏转到其波导中。然后光以一角度传播，该角度将导致相应波导670、680、690内的TIR。在所示的示例中，光线770(例如，蓝光)被第一耦入光学元件700偏转，然后继续沿波导反弹，以先前描述的方式与光分布元件(例如，OPE)730和耦出光学元件(例如，EP)800相互作用。光线780和光线790(例如，分别为绿光和红光)将传输通过波导670，其中光线780照射在耦入光学元件710上并被其偏转。然后，光线780经由TIR沿波导680反弹，前进到其光分配元件(例如，OPE)740，然后前进到耦出光学元件(例如，EP)810。最后，光线790(例如，红光)传输通过波导690而照射在波导690的光耦入光学元件720上。光耦入光学元件720使光线790偏转为使得该光线通过TIR传播到光分布元件(例如，OPE)750，然后通过TIR传播到耦出光学元件(例如，EP)820。然后，耦出光学元件820最终将光线790耦出到观看者，观看者还从其他波导670、680接收耦出光。
图9C示出了图9A和图9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。如图所示，波导670、680、690以及每个波导的关联的光分配元件730、740、750和关联的耦出光学元件800、810、820可以垂直对准。然而，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720不是垂直对准的；相反，耦入光学元件优选地是不重叠的(例如，当在俯视图中观看时横向间隔开)。如本文进一步讨论的，此不重叠的空间布置有助于将来自不同资源的光一对一地注入到不同波导中，从而允许特定光源被唯一地耦入到特定波导。在一些实施例中，包括不重叠的空间分离的耦入光学元件的布置可以被称为移位的光瞳系统，并且这些布置内的耦入光学元件可以与子光瞳对应。
图9D示出了可穿戴显示系统60的示例，本文公开的各种波导和相关系统可以被整合到该可穿戴显示系统60中。在一些实施例中，显示系统60是图6的系统250，其中图6示意性地更详细示出该系统60的某些部件。例如，图6的波导组件260可以是显示器70的一部分。
继续参考图9D，显示系统60包括显示器70，以及支持该显示器70的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器70可以被耦接到框架80，该框架80是可由显示系统用户或观看者90佩戴的，并且该框架80被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛的前方。在一些实施例中，显示器70可以被视为是眼镜。在一些实施例中，扬声器100被耦接到框架80并且被配置为位于邻近用户90的耳道(在一些实施例中，另一个扬声器(未示出)可以可选地位于邻近用户的另一个耳道，以提供立体/可塑形声音控制)。显示系统60还可以包括一个或多个麦克风110或其他设备以检测声音。在一些实施例中，麦克风被配置为允许用户向系统60提供输入或命令(例如，语音菜单命令的选择、自然语言问题等)，和/或可以允许与其他人(例如，与类似的显示系统的其他用户)的音频通信。麦克风可以进一步被配置为外围传感器以收集音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)。在一些实施例中，显示系统还可以包括外围传感器120a，该传感器120a可以与框架80分离，并且被附接到用户90的身体(例如，在用户90的头部、躯干、四肢等上)。在一些实施例中，外围传感器120a可以被配置为获取表征用户90的生理状态的数据。例如，传感器120a可以是电极。
继续参考图9D，显示器70通过通信链路130(例如，通过有线引线或无线连接)可操作地耦接到本地数据处理模块140，本地数据处理模块140可以以各种配置来安装，诸如固定地附接到框架80，固定地附接到由用户佩戴的头盔或帽子，嵌入耳机中，或以其他方式(例如，以背包式配置、以腰带耦接式配置)可移除地附接到用户90。类似地，传感器120a可以通过通信链路120b(例如，有线引线或无线连接)可操作地耦接到本地处理和数据模块140。本地处理和数据模块140可以包括硬件处理器以及数字存储器，诸如非易失性存储器(例如，闪存或硬盘驱动器)，两者都可被用于辅助数据的处理、缓存和存储。可选地，本地处理和数据模块140可以包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、专用处理硬件等等。数据可以包括a)从传感器(其可以例如可操作地耦接到框架80或以其他方式附接到用户90)捕获的数据，传感器诸如为图像捕获设备(诸如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速计、指南针、GPS单元、无线电设备、陀螺仪和/或本文公开的其他传感器；和/或b)使用远程处理模块150和/或远程数据储存库160(包括与虚拟内容有关的数据)获取和/或处理的数据，可能用于在这样的处理或检索之后向显示器70传送。本地处理和数据模块140可以通过通信链路170、180诸如经由有线或无线通信链路可操作地耦接到远程处理模块150和远程数据储存库160，使得这些远程模块150、160可操作地彼此耦接，并且可用作本地处理和数据模块140的资源。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可以包括图像捕获设备、麦克风、惯性测量单元、加速计、指南针、GPS单元、无线电设备和/或陀螺仪中的一者或多者。在一些其他实施例中，这些传感器中的一者或多者可以被附接到框架80，或者可以是通过有线或无线通信路径与本地处理和数据模块140通信的独立结构。
继续参考图9D，在一些实施例中，远程处理模块150可以包括被配置为分析和处理数据和/或图像信息的一个或多个处理器，例如，包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、专用处理硬件等等。在一些实施例中，远程数据储存库160可以包括数字数据存储设施，其可以通过因特网或“云”资源配置中的其他网络配置获得。在一些实施例中，远程数据储存库160可以包括一个或多个远程服务器，所述远程服务器向本地处理和数据模块140和/或远程处理模块150提供信息，例如，用于生成增强现实内容的信息。在一些实施例中，在本地处理和数据模块中存储所有数据，并且执行所有计算，允许从远程模块完全自主地使用。可选地，包括CPU、GPU等的外部系统(例如，一个或多个处理器、一个或多个计算机的系统)可以执行至少一部分处理器(例如，生成图像信息，处理数据)，并且例如经由无线或有线连接向模块140、150、160提供信息，以及从这些模块接收信息。
示例性光投射器系统和相关结构
图10示出了用于将光引导到观看者的眼睛210的光投射器系统2000和目镜2010的横截面图的示例。如本文所讨论的，多个光发射器2020(例如，多个LED)可用于照射空间光调制器(SLM)2030。光发射器2020可以是光模块2040的一部分。在一些实施例中，分束器(例如，偏振分束器(PBS))2050可用于将来自光发射器2020的光反射到空间光调制器2030，空间光调制器2030反射和调制光。来自SLM 2030的调制光然后可以通过分束器2050传播到包括一个或多个波导的目镜2010。在一些实施例中，目镜2010可对应于波导堆叠260(图6)或660(图9A-9C)。目镜2010的波导将光中继或引导并将光输出到观看者的眼睛210。另外，将理解的是，光投射器系统2000可以对应于光投射器系统520(图6)。如图所示，通过投射光学器件传播的光可以汇聚在目镜206的区域上。同样如图所示，由于该会聚，光也以不同的角度入射到会聚区域。
光模块2040可以包括发射与不同颜色对应的不同波长范围的光的多个光发射器2020。多个光发射器2020(例如，光发射器2020a、2020b、2020c)的不同组可发射不同波长范围的光，其中一组光发射器包括一个或多个光发射器2020。在一些实施例中，光发射器2020的组的总数可对应于由显示系统使用以形成全彩色图像的分量色彩的总数。
在一些实施例中，可以通过时分复用来实现观看者对全彩色图像的感知。例如，不同的光发射器2020可以在不同的时间被激活以生成不同的分量彩色图像。在这样的实施例中，形成单个全彩色图像的分量彩色图像可以足够快地显示，使得人类视觉系统不会感知到在不同时间显示的分量彩色图像。例如，顺序地显示分量彩色图像的速率可以高于人类视觉系统的感知持久性。在一些实施例中，以高于60Hz的速率顺序地显示不同的分量彩色图像。将理解，时分复用可有利地减少用于形成所显示的图像的处理器(例如，图形处理器)上的计算负载。在一些实施例中，在足够的计算能力是可用的情况下，可同时显示形成全彩色图像的所有分量彩色图像。
继续参考图10，不同的彩色光发射器2020(例如，红色、绿色和蓝色LED)可以位于不同的位置处，并且用于照射SLM 2030，然后通过分束器2050被成像回到目镜2010上。在一些实施例中，SLM 2030可以基于微机电技术(MEM)或液晶技术或其他切换技术。由于在一些实施例中，光投射器系统2000的光学器件大致将各个光源成像到目镜2010中，因此光发射器的图像在目镜2010上是空间分离的。
如本文所公开的，目镜2010可以包括用于多个颜色中的每个颜色的多个波导。在一些实施例中，单独的波导可以通过使用衍射光学器件(例如，衍射光栅)耦入来自对应的光发射器的期望的光并且将其中继到眼睛。另外，衍射光学器件可以引导光通过波导，并且还可以将光从波导耦出。如本文所讨论的(参见，例如，图6-9C和相关讨论)，波导可以具有到眼睛的中继的能力，以使光看上去来自距观看者的给定深度或距离处)。
示例性耦入光学元件
如上所述，在被耦入光学元件中耦入之后，光可能经历反弹，这不期望地可能导致由于例如在耦入光学元件处的光的不期望的耦出或吸收而引起的光损失。由于耦入光的反弹引起的光损失可有效地降低耦入光学元件的净效率。
图11A和11B示出了光在耦入光学元件1100的外部(远离耦入光的传播方向设置的)处以不同入射角耦入到波导1110中的光的示例。如上所述，不同入射角可能是由于光从光投射系统到波导1110上的会聚。图11A描绘了以大致向内的角度(例如，朝向波导内的传播方向1112，也称为“颞”角)入射在耦入光学元件1100上的入射光束11201的路径。图11B描绘了以大致向外(例如，远离波导内的传播方向1112，也称为“鼻”角)进入波导的入射光束11202的路径。在操作中，从投射光学器件进入波导1110的光束可以是包括向内成角度的分量和向外成角度的分量的转换或发散光束；光束可以朝向焦点会聚并且然后发散。例如，当波导1110设置在投射光学器件的焦距之外时，光束可以发散，如将参照图13A-13C更详细地描述的。
图11A和11B各自包括波导1110，波导1110具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面，其中耦入光学元件1100设置在第二主表面上，其中耦入光学元件1100是反射光学元件。每个光束11201、11202通过第一主表面进入波导1110并且被耦入光学元件1100重定向，使得耦入光以支持全内反射(TIR)的角度在波导1100内传播并且通常通过TIR沿着传播方向1112行进。耦入光在本文中被描述为“沿着”传播方向传播，其中传播的大致总方向平行于传播方向。应当理解，该传播方向可以涉及光从波导1110的多个主表面的多个弹跳；也就是，传播方向是跨该光的多个弹跳的光的传播的净方向。
在光在波导1110的第二主表面处被耦入、在第一主表面处被内部反射、以及被入射到耦入光学元件1100上或在耦入光学元件1100处经历第二弹跳时，可以发生反弹。如图11A所示，以向内角度入射在耦入光学元件1100上的光束11201通常经历很少甚至没有反弹，因为向内的角度可能导致相对大的弹跳间距11271、或者在第二主面处的任何两个连续反射之间的距离。相反，如图11B所示，以向外角度入射在耦入光学元件1100上的光束11202可以具有相对较小的弹跳间距11272，因此更可能经历反弹。
不受理论的限制，应当理解，衍射光学元件可以对称地表现；也就是，它们可以重定向入射光，使得入射光以TIR角度传播通过波导。然而，以TIR角度入射在衍射光学元件上的光(诸如在反弹时)也可以被耦出。另外或替代地，将理解，从材料层(例如金属)的光的反射还可能涉及入射光的部分吸收，因为反射可涉及来自材料的光的吸收和发射。因此，与仅与耦入光学元件交互一次的光相比，光耦出和/或吸收可能不期望地导致耦入光和反弹光的损失可能招致显著的损失。
图12A和12B还示出了该光损失。图12B示出了图12A的波导1110内的耦入光束在沿着波导1110的位置1115处的能量分布的示例。因为以向内角度或颞角度进入的光束11201不太可能经历大量的反弹，所以有效地导致相对高效率的耦入和大致均匀的光束分布。相反，以向外角度或鼻角度进入的光束11202可能经历大量的反弹，从而导致在初始耦入之后波导中的光损失。另外，如图12B所示，向外角度光束11202的内部部分或传播侧部分(例如，光束11202的更靠近传播方向1112的部分)可能经历较少的反弹，而光束11202的远离传播方向1112的外部部分可能经历更多的反弹，进一步导致光损失并导致在光束分布范围内的不一致的净耦入效率。在使用耦入光来形成图像或图像的一部分的情况下，由于反弹引起的光损失可因此不规则地减小使用该光形成的图像的一些部分中的亮度。此外，如果显示系统包括用于红光、绿光和蓝光的单独的波导和耦入光栅，则在任何波导中的此类降低的效率和/或不均匀性可导致降低的颜色准确度，包括可靠地产生白光或其他需要红光、绿光和/或蓝光的组合的颜色的能力。
反弹的发生还可以至少部分地取决于波导与入射光的源之间的距离。图13A-13C描绘了波导堆叠1105的示例，该波导堆叠1105示出了在设置在对应的投射光学器件的焦距之外的波导中的反弹的普遍。如图13A所示，波导堆叠1105包括设置在距投射光学器件2000的距离处的波导1110a、1110b和1110c。每个波导1110a、1110b、1110c分别包括沿波导1110a、1110b、1110c的远离投射光学器件2000的主表面设置的耦入光学元件100a、1100b、1100c。耦入光学元件1100a、1100b、1100c耦入来自投射光学器件2000的光，其在佩戴者的视场内作为耦出光1130被耦出。
投射光学器件2000可以输出会聚光束。在图13A中，会聚光束内存在的角度范围由向内成角度的光束11201、向外成角度的光束11202和中心光束11203表示。波导1110b设置在投射光学器件2000的焦距处，对应于距投射光学器件2000的光束11201、11202、11203在焦点处会聚的距离。超出焦距，来自投射光学器件2000的光是发散光束。如图13A所示，在各种实施例中，波导堆叠1105中的一个或多个波导(例如，波导1110c)可以设置在焦距之外，而波导堆叠1105中的其他波导可以设置在焦距(例如，波导1110b)处或被设置为更靠近投射光学器件2000(例如，波导1110a)。
图13B和13C是图13A的系统的局部放大图，示出了来自显示光学器件2000的光在波导1110a(图13C)和波导1110c(图13B)中的传播。如图13C所示，在被设置得比距投射光学器件2000的焦距更近的波导中，反弹可能不是显著问题。由于来自投射光学器件2000的光在到达焦点之前仍然是会聚光束，因此向外成角度的光束11202分量入射在耦入光学元件1100a的内部部分(例如，耦入光学元件1100a的传播方向侧部分)上，而向内成角度的光束分量11201分量入射在耦入光学元件1100a的外部部分(例如，耦入光学元件1100a的与传播方向1112相对设置的部分)上。因此，在其第二入射在波导1100a的第二主表面上之前，耦入的向外成角度的光束11202的相对较短的弹跳间隔仍然足够长以使耦入光沿着传播方向1112传播到耦入光学元件1100a的侧面之外。此外，耦入的向内成角度的光束11201的弹跳间隔足够长以避免向内成角度的光束11201的任何反弹。
相比之下，如图13B所示，在设置在投射光学器件2000的焦距之外的波导1110c中，反弹可以显著更普遍。因为来自投射光学器件2000的光在经过焦点之后是发散光束，所以向外成角度的光束11202分量入射在耦入光学元件1100c的外部部分上，而向内成角度的光束分量11201分量入射在耦入光学元件1100c的内部部分上。因此，虽然耦入的向内成角度的光束11201分量仍然经历很少甚至没有反弹，但是耦入的向外成角度的光束11202分量沿着耦入光学元件1100c的长度经历一个或多个附加的反弹1135。因为能量可能在沿着耦入光学元件1100c的长度的每一后续反弹处丢失，所以耦入的向外成角度的光束11202分量相对于耦入的向内成角度的光束分量11201可能经历显著损失，从而导致上文参考图12B所描述的较低效率和/或不一致的波束分布。应当理解，虽然为了便于描述和说明，光束分量11201的被示出为不经历反弹，但是在一些实施例中，光束分量11201可以经历反弹。然而，在耦入光学元件上的光束分量11201的弹跳的数目将小于针对11202的弹跳的数目。由于光损失与弹跳的数目相关，所以光束分量11201将经历比光束分量11202更少的光损失。
图14A和14B示出了用于减轻由于示例性波导中的反弹引起的光损失的耦入光学元件截断的示例。图14A和14B示出了被设置在投射光学器件2000的焦距之外的单个波导1110c。焦点的位置由耦入光学元件1100b来指示，而为了简单起见，从图14A和14B省略波导1110a和1110b。图14A的配置与图13A中的波导1110c和耦入光学元件1100c的配置基本上相同；图14B示出了具有截断的耦入光学元件1100c的波导1110c。
具体地，图14B的截断的耦入光学元件1100c的尺寸、形状和位置被设置为使得来自投射光学器件2000的光的至少内部部分11221入射在波导1110c上，但不入射在耦入光学元件1100c上。在一些实施例中，来自投射光学器件2000的光束(例如，如由分量光束11201、11202和11203的组合所表示的)可以限定波导1110c的第二主表面上的光束区域，以及耦入光学元件1100c的衍射区域可以占据小于全部光束区域。通常，图14B中描绘的截断的耦入光学元件1100c关于运行穿过来自投射光学器件2000的光的中心光束11203分量的中心的光束轴是不对称的。例如，截断的耦入光学元件1100c可以是径向不对称的，和/或可以关于与在光束轴处的传播方向1112垂直的对称轴是反射不对称的。在一些实施例中，耦入光学元件1100c可终止于某一位置，以使得向内成角度的光束11201分量的内部部分11221穿过波导1110c的第二主表面而不再被耦入。在一些其他实施例中，例如其中耦入光学元件1100c包括具有金属化表面的耦入光栅的实施例，耦入光学元件1100c的内部部分可以不被金属化，使得在内部部分处反弹的耦入光将不再如内部部分被金属化的情况下而容易地被吸收或耦出。因此，在截断的耦入光学元件1100c的情况下，向内成角度的光束11201分量的至少一部分可以不被耦入或者可以以相对于来自投射光学器件2000的光的剩余部分的较低效率而耦入。然而，耦入光学元件1100c的截断也减小了沿其可以针对耦入的向外成角度的光束11202分量发生反弹的长度。因此，尽管引起耦入光的某些角度的轻微损失(也就是，来自一些角度的光的一部分未被耦入，如图14B中所示)，但是截断的耦入光学元件1100c可以在耦入效率方面提供净增加，因为所耦入的光不经历或经历较少的反弹相关的耦出或吸收。因此，由于反弹和相关联的光损失的减少，可以改善所耦入的光的量和均匀性。
图15示出了波导堆叠中的耦入光学元件的示例布置的俯视图。图15的配置是沿与波导的主表面垂直的图13A的中心光束11203的方向观看的，其中每个耦入光学元件B1、B2、G1、G2、R1和R2被配置为耦入入射光以沿着传播方向1112在其相应的波导(未示出)内传播。因此，每个耦入光学元件B1、B2、G1、G2、R1和R2具有不同的相关联的波导。耦入光学元件B1、B2、G1和G2可以设置在位于投射光学器件的焦距处或更靠近投射光学器件的焦距的波导上，而耦入光学元件R1和R2设置在位于投射光学器件的焦距之外的波导上。因此，耦入光学元件R1和R2被截断以减轻如上所述的反弹。在一些实施例中，耦入光学元件R1和R2的截断区域1140可以包括允许入射在其上的光穿过对应的波导而不被耦入的开放空间。在其他实施例中，光学元件R1和R2可以包括高效率耦入区域1145(例如，涂覆有诸如金属化层或金属层的反射层的部分)，而截断的区域1140不被金属化，以便减少由于在截断区域1140内发生的反弹引起的损失。
继续参考图15，如本文所述，耦入光学元件B1、B2、G1、G2、R1和R2中的每一个被设置在不同的相关联的波导上。在一些实施例中，来自投射光学器件的光可以从上方(例如，垂直于页面)撞击这些光学元件。优选地，光学元件被定位成使得它们不阻挡光从投射光学器件到每个相应光学元件的传播。例如，光学元件被布置成使得用于投射光学器件的焦点前方的波导的光学元件被横向地间隔开，如从俯视图(从投射光学器件的角度看)看到的。这样的布置防止了会聚光束被阻挡。焦点后方的波导的光学元件将接收发散光束。因此，可能存在与这些波导前方的光学元件的一些小重叠，因为发散光束将在经过前方光学元件之后扩展，并且因此可能不会被与那些前方光学元件的轻微重叠而被阻挡。
此外，应当理解的是，由于反弹而引起的从波导漏出的光和/或光的耦出可能导致撞击在其他耦入光学元件上的泄漏光或耦出光。例如，从光学元件G1耦出的反弹光可能撞击在位于光学元件G1的沿传播方向1112的“下游”的光学元件。例如，从光学元件G1的泄漏光或耦出光可以撞击在R1和B1上。将理解的是，如果R1或B1耦入G1的耦出光，则可导致串扰和图像劣化。有利地，光学光栅可以被配置为对于它们耦入的光的波长是选择性的，使得R1和B1不会耦入被从G1耦出的入射光。然而，如果G2位于G1的下游，则G2可以耦入这种光。因此，优选地，耦入光学元件被布置成使得用于耦入特定波长的光的光学元件不位于被配置为耦入类似波长的光的光学元件的下游。
在一些实施例中，截断可以是例如高达耦入光学元件的全宽度的5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％或更多。在一些实施例中，耦入光学元件的标称(非截断)尺寸可以是规则的或几乎规则的(例如，耦入光学元件的在平行于波导中的传播方向上的宽度可以位于耦入光学元件的在垂直于传播方向上的长度的85％、90％、95％、100％、105％等的范围内)。因此，如本文中所描述的截断的耦入光学元件可具有较小宽度，例如耦入光学元件的长度的55％、60％、65％、70％、75％、80％等，其中宽度平行于传播方向延伸且长度垂直于传播方向。在一个非限制性示例实施例中，具有1.71mm的长度和1.56mm的标称(非截断)宽度的耦入光学元件可以使其宽度被截断了0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm或更大的范围内的距离。在另一非限制性示例实施例中，具有1.83mm的长度和1.63mm的标称(非截断)宽度的耦入光学元件可以使其宽度被截断了0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm或更大的范围内的距离。在上文所描述的每一示例中，被截断的部分可被完全移除，或可包括非耦入光学元件的不是衍射区域或者相对于非截断部分为较低效率衍射区域的部分。例如，耦入光学元件可以包括具有全标称尺寸的反射衍射光栅，其中金属涂层仅覆盖元件的较小截断尺寸，而被截断的部分保持未被金属化；也就是，在一些实施例中，可以使比衍射光栅的整个区域小的区域金属化。
图16和17描绘了以类似于图15的配置的耦入光学元件截断的实验结果，其示出了由于耦入光学元件截断导致的增强的有效耦入效率。如上文所描述，超出投射光学器件的焦距的耦入光学元件的内部部分的截断可导致在耦入效率方面的净改进，该净改进是因为以下方面而引起的效率的提高：由于反弹而引起的减少的光损失将超过由于未将来自投射光学器件的光的最内部的部分耦入(或以较低效率将最内部的部分耦入)而引起的效率损失。因此，截断的量可以被选择，以便提供在由于反弹而引起的光损失的减轻与由于截断而引起的初始耦入的损失之间的期望平衡。
虽然前面的描述和图11A-14B通常指的使用反射衍射光学元件的光的耦入，但是将理解的是，为了减轻由于反弹引起的光损失所描述的系统和方法同样可以在具有透射衍射光学元件的系统中实现。如图18A和18B所示，当光通过被设置在波导1110c的第一主表面处的透射衍射光学元件1100c’而被耦入时，可以类似地发生反弹。如图18B所示，通过位于波导1110c的第一主表面处的透射衍射光学元件1100c’被重定向到波导1110c中的向外成角度的光束11202可以被第二主表面反射并返回以在一个或多个后续反弹1135’中撞击透射光学元件1100c’。虽然透射衍射光学元件1110c’不具有反射层并且可能不会遭受由这样的反射层的吸收所引起的吸收损失，但是透射衍射光学元件1110c’可以具有耦出损失。因此，除了使用反射涂层的技术之外，可以通过使用本文公开的任何技术来截断透射衍射光学元件1100c’，而在图18A和18B的系统中减轻由于反弹引起的光损失。例如，截断可以涉及提供具有本文所讨论的尺寸和相对宽度和长度比的高衍射效率区域和/或具有随着距投射光学器件2000的焦点和波导的距离而变化的截断，如本文还讨论的。在一些实施例中，图15可被理解为示出了截断的透射衍射光学元件的俯视图，其可被理解为包括光学元件R1和R2。
具有反射层的示例波导和光学元件
反射光学元件可利用反射层来实现期望的光反射。可使用包括金属层的气相沉积的金属化工艺来常规地沉积反射层。这些常规的金属化工艺可能是耗时的，并且可能包括大量的步骤。例如，为了将金属化引导到波导上的期望位置，可能需要将波导与掩模对准和覆盖，以便保护波导的不期望被金属化的区域。然而，掩模可能被金属化污染并且可能需要频繁的清洁。此外，气相沉积本身可能需要真空，这将进一步使金属化工艺复杂化并且通过要求沉积腔室被抽空以用于沉积并且然后被带回到大气压力以用于卸载而增加其持续时间。
作为基于蒸汽的金属化工艺的替代，已提出含金属的可流动材料(例如反射油墨)以用于形成反射层。已发现，由反射油墨形成的一些层可具有比一些应用所需的反射率更低的反射率，且还可具有跨越不同波长的不均匀反射率。例如，一些金属油墨(例如银油墨)可含有有机或无机杂质，包括可抑制反射率的杂质，例如金属化合物和粘合剂。这些杂质可降低光学反射率，特别是对于较短波长的光，例如具有蓝色区域中的波长的光。另外，已发现一些反射油墨用于形成具有不均匀厚度或针孔的层，这可进一步不利地影响来自这些层的光的反射。已发现使用一些金属油墨形成的反射衍射光学元件具有比使用物理气相沉积(PVD)形成的反射层来形成的类似衍射元件差的衍射效率。不受理论的限制，据信该差的衍射效率是由于上述因素中的一个或多个引起的较差的反射特性。
有利地，根据一些实施例，反射层和包括这样的反射层(例如，反射衍射光学元件)的结构具有优异的反射特性。一些实施例包括具有反射层的光学设备和显示设备、以及制造包括反射层的光波导结构的方法、以及制造光学设备的方法。在一些实施例中，可以使用湿化学来在基板表面上形成反射层。湿化学可以包括液相反应，以由诸如液体混合物的可流动材料中的前体物质在基板表面上沉积反射材料层。在一些实施例中，沉积可以在基板表面上留下固态反射涂层，其中液体混合物覆盖固态反射涂层。在一些实施例中，可例如通过冲洗来移除残余液体混合物。
在一些实施例中，湿化学可以包括从液体混合物中沉淀出金属。例如，金属可以是金属化合物的一部分，并且沉淀物可以由从液体混合物中的化合物离解金属而产生。金属化合物可以是离子化合物，例如金属盐。离子化合物可在与另一试剂的化学反应之后离解，该另一试剂可在液体混合物中或以其他方式提供以与离子化合物的接触。作为示例，化学反应可以是金属离子还原，例如银离子还原，其导致纯的或基本上纯的金属(例如，银)沉淀到波导的表面上。在一些实施例中，金属沉淀可在表面的预定离散区域上但不在整个表面上形成反射层；优选地，沉淀物涂覆波导表面上的离散区域。表面的离散区域可包括突起，并且反射层可保形地沉积在突起上以形成例如衍射光学元件。
在一些实施例中，液体混合物包括金属盐(例如银盐)和例如在碱性pH下与盐反应的还原剂。在反应中，还原剂还原金属盐，使金属(例如银)沉淀并沉降到基板表面上，以形成基板表面的反射层(例如，位于波导的表面上)。因此，反射层包括以下项、基本上由以下项构成或者由以下项构成：纯金属或基本上纯的金属(例如，纯银或基本上纯银)。
有利地，这些反射层可以表现出优异的光学和物理特性。如本文所述，反射层可具有高纯度。另外，反射层可在纳米尺度分辨率下是均匀的，使得反射层不含或基本上不含可降低反射率的特征(例如针孔)。而且，与诸如PVD的定向沉积不同，反射层可以保形地涂覆突起的表面，从而在所有这些表面上提供反射率。另外，反射层可以被形成为阻挡光且防止不期望的光泄漏的厚度。不受理论的限制，可以设想，这些有利的特性(单独地或组合地)可以提供具有比通过其他方法(诸如通过PVD或使用反射油墨)沉积的层更大的反射率的反射层。例如，如本文所述，一些油墨表现出比通过离子还原形成的反射金属层更低的反射率。除了一半为较低的之外，使用金属油墨形成的层的反射率对于可见光范围内的较短波长光(蓝色光)甚至更低。
此外，在一些实施例中，反射层的金属被稳定地结合到波导的表面，使得反射层保持被稳定地粘附到波导的表面，优选地不需要粘合剂或粘结剂。在一些实施例中，金属的优异粘附被实现为被沉积的；也就是，在金属涂覆基板时提供优异的粘附性，而不需要诸如退火之类的后涂处理。在一些实施例中，基板表面被处理以促进金属物质在该表面上的粘附。作为示例，处理可以包括将基板表面暴露于等离子体。其他示例性处理包括蚀刻基板表面、以及在基板与稍后沉积的金属之间形成界面层。
在一些实施例中，反射层形成在突起上，该突起是衍射光学元件，例如衍射光栅。反射层和突起一起形成反射衍射光学元件。在一些实施例中，反射衍射光学元件是波导的一部分。例如，反射衍射光学元件可以是耦入光学元件，其被配置为以角度重定向入射环境光，使得光通过全内反射来传播通过波导。在一些实施例中，如本文所公开的反射层可通过增加由衍射光学元件重定向(例如，耦入)的光的量来增加反射衍射光学元件的光学性能。
如本文所述，在一些实施例中，反射层可被限制在离散位置，例如，在衍射光学元件或衍射光学元件的一部分的位置处。在一些实施例中，可以使用物理结构(例如，壁或坝)来实现该限制，以限制可流动材料的扩散。在一些其他实施例中，可以通过处理基板表面的期望区域来实现限制，使得反射层中的金属优先地涂覆或被保留(例如，在冲洗之后)在那些期望区域中。作为又一示例，液体混合物可以被施加到期望的区域，并且可以具有这样的组成以使得它们不会显著地远离这些区域而扩散。应当理解，用于限制液体混合物的这些方案中的一个或多个可以用于形成特定的反射层。
在一些实施例中，如本文所述，在使用来自液体混合物的金属涂覆基板之后，可移除残余的液体混合物。这可以例如通过用液体冲洗基板来实现。
在一些实施例中，覆盖层可以形成在反射层上以提供保护，该包括针对例如来自存在于周围环境中的化学物质。
可流动材料
如本文中所论述，可在各种实施例中使用可流动材料，例如液体混合物。液体混合物可以包括金属盐。在一些实施例中，液体混合物还可以包括还原剂。合适的金属盐的示例包括银盐，例如Ag(NH3)2。合适的还原剂包括包含α-羟基醛和/或α-羟基酮的碳水化合物。这种碳水化合物还原剂的示例包括葡萄糖、果糖、或者葡萄糖和果糖的组合。
在一些实施例中，液体混合物中的金属盐和还原剂是用于托伦斯(Tollens)反应的反应物。在一些实施例中，液体混合物在溶液中，例如在水溶液中。可以设想，液体混合物可以具有短的保质期，并且因此，在一些实施例中，包含液体混合物的组合物可以在使用之前或在使用时准备。一些商业可获得的产品还可以为一些实施例提供合适的反应物，例如，由宾夕法尼亚州西切斯特的孔雀实验室(Peacock Laboratories)和由马萨诸塞州丹佛斯的芝普企业股份有限公司(Transene Co,Inc.)销售的金属溶液。
在一些实施例中，液体混合物可以包括在将液体混合物沉积到基板上之前预混合的金属盐和还原剂两者。在一些其他实施例中，金属盐和还原剂可以被单独地施加到波导的预定区域，并且在预定区域上原位混合。
在一些实施例中，液体混合物还包括pH调节剂、稳定剂、表面活化剂、催化剂和粘度调整成分中的一种或多种。在一些实施例中，液体混合物包括从由以下项构成的组中选择的化学物质：金属盐、还原剂、溶剂(例如水)、碱、pH调节剂、稳定剂、表面活化剂、催化剂和粘度调节成分、包括两个或更多个所列项的组合。应理解，可调整化学物质的相对浓度以增强反射层中的金属的纯度、抑制反射层上的针孔、增强金属盐和还原剂的反应速率、增强化学物质的稳定性、增强涂层的稳定性等。
在一些实施例中，化学物质在碱性pH下彼此反应，使得还原剂还原金属盐，从而使金属沉淀。因此，液体混合物还可以包括碱。在一些实施例中，液体混合物处于碱性pH，例如pH大于7、或大于或等于7.5、8、8.5、9、9.5、10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5或13.9、包括任何两个所列值之间的pH范围、或任何所列值与14之间的范围，例如7-10、7-12、7-14、8-10、8-12、8-14、9-10、9-12、9-14、10-12、10-14、11-12、11-14或12-14。在一些实施例中，液体混合物基本上由以下项构成或者由以下项构成：金属盐、还原剂和碱。
应当理解，液体混合物的不同粘度水平可以提供不同的优点。例如，相对粘稠的液体混合物可以适合于停留在它们以很少的进一步扩散被沉积在其中的区域内。另一方面，相对薄的液体混合物可适于形成相对薄且均匀的反射层，且可更容易在紧密间隔的特征之间流动，但可能需要物理屏障(例如壁或坝)以将液体混合物限制到波导表面的预定区域。在一些实施例中，一旦沉积的液体混合物已反应而形成反射层，则可施加一个或多个附加的液体混合物层，以便顺序地形成如本文中所描述的具有所需厚度的反射层。
反射层
根据本文的一些实施例的反射层反射至少一个可见波长的入射电磁辐射的(例如，可见光谱中的光)。反射层可由例如液体混合物的可流动材料形成。反射层优选地反射至少一个可见波长的入射电磁辐射的至少约30％，例如至少约30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、98％、99％、99.5％或99.9％的入射电磁辐射，包括任何两个所列值之间的范围，例如约30％-99％、30％-95％、30％-90％、30％-80％、30％-70％、50％-99％、50％-95％、50％-90％、50％-80％、50％-70％、70％-99％、70％-95％、70％-90％、或70％-80％的入射电磁辐射。在一些实施例中，入射电磁辐射包括可见光谱的光。应当理解，反应物本身(例如，金属盐)在如本文所述反应之前不一定具有所指示的反射性质，但是由反应物形成的反射层(例如，金属层)具有所指示的反射性质。
应理解，该反射层可在结构上不同于由其他方法(例如，气相沉积或含金属油墨)形成的反射层。例如，在一些实施例中，反射层包括纯的或基本上纯的金属。如本领域的普通技术人员鉴于本公开将理解的，本文所使用的“基本上纯的”金属具有其普通和惯用的含义。它是指金属包含不超过痕量的其他物质。如果对另外的数值特异性感兴趣，则基本上纯的金属可以包含至少95％、96％、97％、98％、99％、99.5％或99.9％的纯金属(w/w)，包括任何两个所列值之间的范围，例如95％-97％、95％-99％、95％-99.9％、97％-99％、97％-99.9％、98％-99％和98％-99.9％。因此，基本上纯的金属的反射性质与元素(“纯”)金属的反射性质相当。在一些实施例中，基本上纯的金属具有至少95％、96％、97％、98％、99％、99.5％或99.9％的纯金属的反射率，包括任何两个所列值之间的范围。
在一些实施例中，反射层被设置在波导上，并且被配置为将传播通过波导的光重定向，例如以作为光分布元件的一部分。在一些实施例中，反射层被设置在波导上，并且被配置为将入射环境光引导到波导中，例如作为耦入光学元件的一部分。在一些实施例中，波导是显示设备的一部分，诸如增强或虚拟现实显示设备。
如本文中所使用的，这些根术语中的“突起”、“表面突起”和变化指的是在基板上或基板中，诸如在从波导的表面延伸的光栅中，向上延伸的材料块。在一些实施例中，可以通过蚀刻基板来形成突起，该突起可以包括沉积的材料(例如，沉积在波导上的光致抗蚀剂)或者可以是基本上均匀的结构(例如，波导)。在一些实施例中，反射层1010被设置在光学光栅1020上方(参见，例如，图19A-19C)。在一些实施例中，反射层1010被设置在具有闪耀配置的光栅1020上方(参见图19B)。在一些实施例中，反射层1010被设置在具有多级配置的光栅1020上方(参见图19C)。在一些实施例中，光学光栅包括已被图案化的光致抗蚀剂。
应当理解，优选地利用反射层来提供使光反射回波导和/或通过波导。因此，反射层优选地涂覆突起的所有表面。在一些实施例中，反射层被保形地设置在光学光栅上。注意，当材料被“保形地”设置时，它将基本上符合下层表面的形貌。在一些实施例中，下层表面上的反射层的厚度(例如，在层之上从表面延伸的直线厚度)变化不超过约±20％，使得跨越整个反射层，厚度在平均值的±20％内，例如在平均值的±20％、±15％、±10％、±5％或±1％内。优选地，保形反射层被设置为不包括或基本上不包括位于反射层与基板表面之间的间隙。
还可以设想，在一些实施例中，非保形反射层可以在相关界面处提供合适的反射率(例如，不受理论的限制，只要在具有波导的界面处的反射层的表面足够反射并且提供足够的覆盖，则不面对波导的相对表面可能不需要符合波导)。因此，在一些实施例中，反射层被非保形地设置在表面上。
优选地，非保形层被设置为不包括或基本上不包括位于反射层与基板表面之间的间隙。鉴于本公开，本领域的普通技术人员将理解，“基本上不包括”位于反射层与基板之间的间隙具有其普通和惯用的含义。认识到，可能存在一些间隙，但是与不包括间隙的反射层相比，间隙不会明显减小由反射层和基板形成的反射光学元件的反射率。在一些实施例中，如果在波导表面的界面处的反射层的表面区域的至少90％直接接触波导表面，例如至少90％、95％、97％、98％、99％或99.9％，则反射层基本上不包括间隙。在一些实施例中，油墨被沉积到足够的厚度以完全或基本上完全填充波导突起之间的开放体积或间隙。
应理解，当通过常规手段(例如，气相沉积)或者以含金属油墨沉积金属时，金属的表面可能是不均匀的，其包括纳米尺度针孔(参见，例如，示例1及图22A-F)。针孔指的是具有纳米尺度直径的空腔、凹痕或从表面的延伸部，该纳米尺度直径例如小于约1mm的直径，例如在约1nm-约1000nm范围内的直径的。不受理论的限制，可以设想，针孔可以抑制反射层的反射率。不受理论的限制，进一步设想，通过如本文所述的金属离子还原来形成反射层可有利地最小化或避免针孔的形成。在一些实施例中，反射层不包含或基本上不包含针孔。鉴于本公开，本领域的普通技术人员将理解的是，“基本上不包含”针孔具有其普通和惯用的含义。认识到，可能存在一些针孔，但是与不包含针孔的反射层相比，针孔不会明显减小由反射层和基板形成的反射光学元件的反射率。在一些实施例中，一些实施例的基本上不包含针孔的表面可包括在表面中的不超过10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％或1％，包括任何两个所列值之间的范围，例如1-5％、1-7％、1-10％、2-5％、2-7％、2-10％、5-7％和5-10％的表面上的针孔。应注意，“不包含”针孔的反射层也将“基本上不包含”针孔。在一些实施例中，与波导上的突起接合的反射层的表面不包含或基本上不包含针孔。
有利地，通过如本文所述的金属离子还原形成的反射层可以避免在反射层中存在诸如(除了金属本身之外的)金属颗粒的颗粒。不受理论的限制，可以设想，金属颗粒可以部分地散射光，并且因此，含颗粒反射层的反射率可以低于无颗粒层的反射率。因此，在一些实施例中，反射层不包含或基本上不包含金属颗粒。鉴于本公开，本领域的普通技术人员将理解，“基本上不包含”颗粒(诸如金属颗粒)具有其普通和惯用的含义。认识到，诸如(除了金属本身之外的)金属颗粒的颗粒可以以痕量存在，但是与不包含这种(除了金属本身之外的)金属颗粒的反射层相比，金属颗粒不会明显降低由反射层和基板形成的反射光学元件的反射率。在一些实施例中，一些实施例中的基本上不包含颗粒(诸如除了金属本身之外的金属颗粒)的表面可包括大于5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％或0.01％的金属颗粒(w/w)，包括任何两个所列值之间的范围，例如0.1-1％、0.1-2％、0.1-5％、1-2％、1-5％、2-5％或3-5％。
在一些实施例中，形成了具有所需厚度的反射层。在一些实施例中，反射层具有至少约10nm的厚度，例如，至少约10nm、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、500、550、600、650、700、750、800、850、900、950、或1000nm，包括任意两个所列值之间的厚度范围，例如，约10nm至900nm的厚度、10nm至500nm、10nm至410nm、10nm至400nm、10nm至350nm、10nm至300nm、10nm至250nm、10nm至200nm、10nm至150nm、10nm至100nm、10nm至50nm、30nm至900nm、30nm至500nm、30nm至450nm、30nm至400nm、30nm至350nm、30nm至300nm、30nm至250nm、30nm至200nm、30nm至150nm、30nm至100nm、30nm至50nm、50nm至900nm、50nm至500nm、50nm至450nm、50nm至400nm、50nm至350nm、50nm至300nm、50nm至250nm、50nm至200nm、50nm至150nm、50nm至100nm、80nm至900nm、80nm至500nm、80nm至450nm、80nm至400nm、80nm至350nm、80nm至300nm、80nm至250nm、80nm至200nm、80nm至150、80nm至100nm、100nm至900nm、100nm至500nm、100nm至450nm、100nm至400nm、100nm至350nm、100nm至300nm、100nm至250nm、100nm至200nm或100nm至150nm。
在一些实施例中，用合适的反应物含量和粘度来沉积单层液体混合物，以便在如本文所述的金属离子还原反应时形成具有所需厚度的反射层。在一些实施例中，施加液体混合物层，使其在第一沉积循环中至少部分反应，并且在第二沉积循环中在第一层的顶部上施加至少一个后续液体混合物层。可选地，可以在沉积液体混合物层的循环之间移除反应的副产物。沉积液体混合物的循环可重复，直到达到具有所需厚度的反射层为止。例如，可以执行至少两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个、十一个、十二个、十三个、十四个、十五个、十六个、十七个、十八个、十九个或二十个液体混合物施加的循环(包括任何两个所列值之间的范围)，以便形成具有所需厚度的反射层。
在一些实施例中，通过将合适数量的液体混合物限制在屏障、坝或壁后方来形成所需厚度的反射层，如本文所述。屏障、坝或壁可限定如本文所述的波导表面的预定区域的至少一部分(或全部)。
应当理解，在一些实施例中，下层突起可以形成衍射光学元件(例如，衍射光栅)，该衍射光学元件可以被用作耦入光学元件以将光耦入到波导中。如本文所讨论的，这些突起可以通过PVD被金属化以形成反射衍射光学元件。在一些实施例中，可以通过湿化学将金属沉积在突起上以代替PVD金属化。例如，可以沉积金属以直接接触和保形地涂覆突起的表面，从而形成反射层。应理解，由于通过PVD递送到基板的金属物质的路径的方向性，PVD金属化可不提供保形层。有利地，用液态金属反射层代替PVD金属化已经被发现用于提供类似或更好的光学性能水平。例如，使用根据本文的实施例的反射层形成的反射衍射光学元件已经被发现用于提供与使用PVD金属化形成的衍射光学元件类似的或更优异的衍射效率(参见示例2，表格2A-B)。在一些实施例中，基于液态金属的衍射光学元件具有针对以法向于(垂直于)那些衍射光学元件的角度入射到衍射光学元件上的光的20％、30％或40％的衍射效率。在一些环境中，基于液态金属的衍射光学元件被配置为重定向入射光，使得其通过全内反射传播通过基板(例如，波导)。
预处理剂
可以设想，在沉积液体混合物之前对波导的表面进行预处理可以增强如本文所述的反射层的粘附和形成。已经观察到，对于光致抗蚀剂波导，预处理可以增强反射层的粘附性和反射率(示例3)。因此，在一些实施例中，包括光致抗蚀剂的波导在沉积如本文所述的液体混合物之前被预处理。还可以设想，选择性地预处理预定区域而不是波导表面的其他区域可以促进在如本文所述的在期望的预定区域中选择性地形成反射层。
不受理论的限制，可以设想，增加波导表面的亲水性的预处理(使得波导表面比预处理之前更亲水)可以增强反射层的粘附性和反射率。因此，在一些实施例中，预处理增加了波导表面的亲水性。已观察到，预处理包含光致抗蚀剂的表面实质上增加了如本文中所描述的反射层的粘附性和反射率。根据一些实施例，波导表面包括光致抗蚀剂，该表面例如被使用等离子体进行预处理，以在将液体混合物沉积在表面上之前增加表面的亲水性。
在一些实施例中，预处理包括以下方面、基本上由以下方面构成、或者由以下方面构成：将预处理剂施加到波导的表面，例如，如本文所述的预定区域。示例性预处理剂包括但不限于：等离子体(其可以例如通过大气压等离子体射流，“APPJ”，来施加)、表面活性剂、涂层(例如二氧化硅)、湿化学蚀刻(例如铬酸)和催化剂(例如锡或钯，例如氯化亚锡或氯化钯)。在一些实施例中，用等离子体预处理表面包括大气等离子体处理，湿化学蚀刻剂包括铬酸，涂层包括二氧化硅，和/或催化剂包括锡或钯、或这些的组合。在一些实施例中，波导的表面包括光致抗蚀剂，并且使用预处理剂来对表面进行预处理。在一些实施例中，波导的表面包括光致抗蚀剂，并且用等离子体对表面进行预处理。等离子体处理可以持续几秒，例如约10、9、8、7、6、5、3、2、1秒或更少。在一些实施例中，等离子体处理持续约1秒或更少。
不受理论的限制，可以设想，增强金属离子还原反应的预处理可以选择性地应用于波导表面的预定区域(而不是其他区域)，这可以增强在预定区域(而不是其他区域)上形成反射层的选择性。因此，在一些实施例中，使用增强金属离子还原反应(和反射层形成)的催化剂对如本文所述的波导表面的预定区域进行预处理，如本文所述。
光波导及其制造方法
在一些实施例中，描述了一种制造包括反射层的光波导结构的方法。该方法可以包括提供包括表面的光波导。该表面可以包括预定区域，该预定区域包括突起图案。例如，预定区域可限定用于沉积反射层的纳米图案。该方法可以包括在表面的预定区域上沉积液体混合物。液体混合物可以包括金属盐和还原剂并且可以处于碱性pH。该方法可以包括在沉积的液体混合物中允许金属盐被还原剂还原，并且允许纯的或基本上纯的金属在表面的预定区域上沉淀。因此，反射层可以形成在光波导结构的预定区域上。如本文所述，所得到的反射层可以不包含或基本上不包含针孔。在一些实施例中，预定区域小于波导的整个表面。在一些实施例中，反射层被保形地沉积在波导表面的预定区域中的突起上。在一些实施例中，该方法还包括对波导表面的预定区域进行预处理以增加如本文所述的表面的亲水性，例如等离子体处理。预处理可以在液体混合物被沉积在表面的预定区域上之前。在一些实施例中，该方法是无电镀覆和/或无电沉积方法。在一些实施例中，反射层不覆盖基板的整个表面。在一些实施例中，反射层覆盖基板的全部或基本上全部表面。在一些实施例中，该方法还包括将基板和反射层模切或切割成许多不同的块，以便形成多个反射光学元件。在一些实施例中，包括反射层的光波导是光波导堆叠的一部分，并且该方法还包括将一个或多个其他光波导附接到该光波导以形成堆叠。在一些实施例中，包括反射层的光波导是显示设备的一部分，并且因此，该方法还包括在显示设备中设置包括反射层的波导(或包括这种波导的堆叠)。在一些实施例中，预定区域被限定为具有±50微米的分辨率、或甚至更精确(数值更小)的分辨率，例如，±40、±30、±20、±10或±5微米。
参考图23，在一些实施例中，该方法包括提供包括表面的光波导，该表面包括预定区域，该预定区域包括突起的图案1600。该方法还可以包括，例如，如果表面包括光致抗蚀剂，则增加表面的预定区域的亲水性1610。例如，如本文所述，可以通过用等离子体对预定区域进行预处理来增加亲水性。该方法还可以包括在表面的预定区域上沉积液体混合物，该液体混合物包括处于碱性pH的金属盐和还原剂1620。该方法还可包括用还原剂来还原金属盐，使得纯的或基本上纯的金属沉淀在表面的预定区域上1630。因此，在光波导结构上形成反射层1640。反射层可包括以下项、基本上由以下项构成、或者由以下项构成：基本上纯的金属(或者反射层可包括以下项、基本上由以下项构成、或者由以下项构成：纯的金属)。在一些实施例中，该方法还包括例如通过如本文所述的冲洗和/或干燥从反射层移除残留物150。
有利地，如本文所述的反射层可被选择性地施加到预定区域，但不施加到波导表面的其他区域，例如以形成衍射光学元件，例如本文中所描述的耦入光学元件。在一些实施例中，波导的表面还包括第一区域。预定区域(但不是第一区域)选择性地与液体混合物接触。因此，纯的或基本上纯的金属在预定区域但不在第一区域上沉淀，从而在预定区域上但不在光波导表面的第一区域上形成反射层。在一些实施例中，通过如本文中所描述的选择性等离子体预处理选择性地仅在表面的预定区域(而不是其他区域)上施加液体混合物。可选地，选择性等离子体预处理可以通过覆盖基板并暴露预定区域的掩模的方式来选择性地进行。在一些实施例中，如本文中所描述的，通过诸如壁、坝或井的物理结构选择性地施加液体混合物。物理结构限定预定区域的至少一部分，并且防止液体混合物流动到波导表面的其他区域(参见例如图20A-20B)。壁可以具有分级高度，使得限定用于沉积液体混合物的区域的内壁2002低于围绕内壁2000的外壁2004。不受理论的限制，可以设想，当例如通过一致地限制所沉积的液体混合物的位置来填充由内壁限定的区域时，壁高度的进展可以帮助防止缺陷。因此，在一些实施例中，壁用作坝或模具或井，以便在基板的预定区域中包含液体混合物。在一些实施例中，壁还可充当间隔物以将堆叠的波导彼此分离。在一些实施例中，壁包括抗蚀剂。可以设想，根据一些实施例，可以将抗蚀剂壁沉积作为跨基板延伸并且然后被图案化以限定壁的层。
壁、坝或井可以被写入、和/或可以是可移除的。例如，可以通过用水(或另一种液体)冲洗、剥离、分离和/或抽真空来移除壁、坝或阱。在一些实施例中，壁、坝或井不是可移除的，而是被保留作为最终结构的一部分。在一些实施例中，通过掩模选择性地施加液体混合物。掩模中的一个或多个开口可以覆盖预定区域，并且液体混合物可以被沉积在一个或多个开口中。随后可移除掩模。在一些实施例中，用喷墨来选择性地施加液体混合物。喷墨可有利地允许在期望的区域中选择性地施加液体混合物。
如本文所述，增加基板表面的疏水性可改善被沉淀在基板上的反射层的粘附性和反射率。应注意，对于波导的光致抗蚀剂表面，当光致抗蚀剂的疏水性已在沉积液体混合物之前增加时，反射层可表现出显著更大的粘附性和反射率(示例3)。因此，预处理选择性地增加波导表面的预定区域但不是其他区域的亲水性(与预处理之前的预定区域的亲水性相比)可以促进在波导表面的预定区域上但不在其他区域上选择性地形成反射层。在一些实施例中，该方法包括在沉积液体混合物之前增加表面的预定区域的亲水性。在一些实施例中，在表面的预定区域但不是表面的第一区域上选择性地增加亲水性。在一些实施例中，通过使用从由以下项构成的组中选择的预处理剂对表面的预定区域进行预处理来增加表面的预定区域的亲水性：等离子体、表面活性剂、涂层、湿化学蚀刻和催化剂。在一些实施例中，该方法包括用以下中的至少一种对表面进行预处理：等离子体；湿法蚀刻，其具有包括铬酸的湿化学蚀刻剂；表面活性剂；包括二氧化硅的涂层；和/或包括锡或钯(例如氯化亚锡或氯化钯)的催化剂。在一些实施例中，波导的预定区域未用任何预处理试剂进行预处理。
如本文所述，使用催化剂来增强波导表面的预定区域(但不是其他区域)中的金属离子还原也可以增强在预定区域中的选择性沉积。在一些实施例中，该方法还包括在沉积液体混合物之前，选择性地将催化剂施加到表面的预定区域。催化剂可以被配置为加快金属盐的还原，从而加快纯的或基本上纯的金属的沉淀。
如本文所述，在一些实施例的方法中，物理屏障、壁、坝和/或井还可以通过将液体混合物(并且因此获得的沉淀的金属)限制到波导表面的预定区域来增强反射层的选择性沉积。在一些实施例的方法中，波导的表面包括垂直延伸的壁，该垂直延伸的壁限定其上被选择地沉积有液体混合物的预定区域的至少一部分。壁限制液体混合物到第一区域的横向移动。在图20A-20B中示出了这样的壁、井或坝的示例。
在一些实施例的方法中，包括突起的波导表面的预定区域是光栅的一部分。反射层的至少一部分可以被保形地或非保形地设置在光栅上。反射层与表面之间的界面可以基本上不包含间隙。在一些实施例中，反射层的至少一部分被保形地设置在光栅上，且反射层与表面之间的界面基本上不包含间隙。在一些实施例中，反射层被保形地设置在光栅上。在一些实施例中，反射层的至少一部分被非保形地设置在光栅上，并且反射层与表面之间的界面基本上不包含间隙。在一些实施例中，反射层被配置为在界面处将入射电磁辐射反射到第一波导中。
在一些实施例的方法中，光波导结构上的反射层是衍射光学元件或其的一部分。光学元件可以被配置为以角度重定向入射光，使得光通过全内反射来传播通过波导。在一些实施例的方法中，表面的预定区域包括耦入光学元件或其的部分，其中反射层形成在耦入光学元件上或其的部分上。
在一些实施例的方法中，波导由光学透射材料形成并且被配置成通过全内反射在其中传播光。在一些实施例中，波导的预定表面包括以下项、基本上由以下项构成、或由以下项构成：光致抗蚀剂。
在一些实施例的方法中，制造了包括反射层的光波导堆叠。该光波导堆叠可包括：第一波导，其包括第一表面；以及反射层，其被保形地设置在第一表面的突起上并且被粘附到第一表面，如本文所述。反射层可包括与第一表面的界面，其被配置为在界面处将入射电磁辐射(例如，可见光谱中的光)反射到第一波导中，如本文中所描述的。光波导堆叠可包括如本文中所描述的至少一个其他光波导。在一些实施例中，如本文中所描述，第一波导的表面的其上设置有反射层的突起形成光学光栅，例如，二进制光栅、闪耀光栅、多级光栅、底切光栅或超材料或超表面光栅。在一些实施例中，光学光栅包括图案化的光致抗蚀剂。在一些实施例中，在光波导结构上形成反射层之后，光波导结构被粘附到一个或多个其他光波导，和/或另一光波导被沉积在光波导的表面上(或执行沉积光波导的若干循环)，从而形成包括反射层的光波导的堆叠。
用于形成沉淀的金属的金属盐的还原在本文中可被称为“金属还原”或“金属离子还原”反应。这种反应的示例在图21C中示意性地示出。在一些实施例的方法中，托伦斯反应将金属盐还原成纯的或基本上纯的金属。在一些实施例中，还原剂包括以下项、基本上由以下项构成、或由以下项构成：包含α-羟基醛的碳水化合物和/或包含α-羟基酮的碳水化合物。示例性还原剂包括蔗糖、果糖和它们的组合。在一些实施例中，金属盐包括以下项、基本上由以下项构成、或由以下项构成：Ag(NH3)2。在一些实施例中，液体混合物基本上由金属盐、还原剂和溶剂(例如水)中的碱构成。在一些实施例中，液体混合物由金属盐、还原剂和溶剂(例如水)中的碱构成。
在一些实施例的方法中，对液体混合物进行温育(incubate)以促进金属盐的还原。在一些实施例中，温育在室温下发生，例如在约20、21、22、23、24或25℃，包括任何两个所列值之间的范围，例如20-25℃。在一些实施例中，在略低于或略高于室温下对液体混合物进行温育，例如在15-20℃或25-30℃下。在一些实施例中，在约15-30℃下对液体混合物进行温育。例如，在本文的一些实施例的方法中描述的金属离子还原反应可被配制成在室温下或在低于室温的温度下适当地进行。另一方面，金属油墨的施加通常涉及在升高的温度下烘烤/加热以生成更纯的金属，其可以影响波导的热预算(并且甚至可能损坏波导，包括损坏抗蚀剂结构)以及延长处理时间。另外，高温烘烤可以与用于制造纳米结构(诸如光波导上的突起)的材料兼容或不兼容。
在一些实施例中，对液体混合物温育至少约1秒，例如，至少约1、5、10、20、30、40、或50秒，或者至少约1分钟，例如至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9或10分钟，包括任何两个所列值之间的范围，例如1秒到1分钟、1秒到2分钟、1秒到5分钟、10秒到1分钟、10秒到2分钟、10秒到5分钟、1-5分钟、1-10分钟、2-5分钟、2-10分钟或5-10分钟。
在一些实施例的方法中，纯的或基本上纯的金属不包含或基本上不包含除了金属之外的金属颗粒，如本文所述。
可以设想，金属可以变色和/或褪色，从而抑制其反射特性。覆盖反射层可提供防止对变色或其他褪色的保护，且因此延长反射层保留所需反射特性的时间长度(示例4)。在一些实施例中，反射层被覆盖。在一些实施例中，使用密封反射层的覆盖层来覆盖反射层，使得反射层不直接暴露于空气和/或湿气。在一些实施例中，覆盖层包括以下项、基本上由以下项构成、或由以下项构成：电介质或金属。在一些实施例中，通过在反射层上气相沉积电介质涂层或金属涂层来形成覆盖。在一些实施例中，当施加保护层时，保护层可以是液体，并且可以通过化学反应或物理状态改变而被转换成固体。在一些实施例中，覆盖防止反射层的相关反射表面直接暴露于空气和/或湿气。
可以设想，一些实施例的液体混合物可以具有短的保质期。因此，在一些实施例的方法中，在沉积之前立即准备液体混合物。在一些实施例中，液体混合物是以单个组合物。在一些实施例中，液体混合物被以两种或更多种不同组合物提供。当不同的组合物被沉积在波导表面的预定区域上时，由此液体混合物被沉积。在一些实施例中，包括(集体地)用于形成反射层的反应物的两种或更多种不同组合物被同时沉积在预定区域上。例如，对于要求部分A和部分B一起反应的涂覆工艺，部分A和部分B可以被同时沉积在预定表面上。在一些实施例中，包括(集体地)用于形成反射层的反应物的两种或更多种不同组合物被顺序地沉积在预定区域上。例如，对于要求部分A和部分B一起反应的涂覆工艺，可以首先施加部分A的一个液滴或多个液滴，然后可以在顶部施加部分B液滴。在一些实施例中，将包括(集体地)用于形成反射层的反应物的两种或更多种不同组合物混合，然后将其作为单个组合物沉积在预定区域上。
根据本文的一些实施例的方法，可以使用多种合适的技术来将液体混合物沉积在波导表面的预定区域上。例如，在一些实施例中，液体混合物经由以下项中的至少一种沉积在预定区域上：纳米分配、微分配、微移液管、喷墨或喷雾。在一些实施例中，将液体混合物沉积在预定区域上，以作为从皮升范围到微升范围的单个液滴或多个液滴。在一些实施例中，使用单个液滴分配工具来沉积液体混合物。
在一些实施例中，在形成反射层之后，从反射层移除残留物(例如，反应的副产物(例如氧化碳水化合物和氨)或过量反应物)。一些实施例的方法还包括移除金属离子还原反应的残留物。在一些实施例的方法中，在形成反射层之后冲洗反射层。在反应之后留下的残留物可以通过冲洗来移除。合适的冲洗技术的示例包括冲洗/喷洒系统、具有循环和/或搅动的液体浴、旋转(spine)冲洗干燥系统、或所列技术中的两种或更多种的组合。在一些实施例中，使用水溶液(例如水)进行冲洗。在一些实施例中，将反射层干燥，例如干燥湿残留物、或干燥冲洗。
进一步设想的，在一些实施例中，(例如，对于如本文所述的衍射光学元件、耦入光学元件或耦出光学元件)，相关表面可在波导的反射层的界面处，且因此不被直接暴露于空气。因此，在一些实施例中，例如，如果相关反射表面不被暴露于空气，则反射层不被覆盖。
光学设备
在一些实施例中，描述了光学设备。光学设备可包括第一波导，该第一波导包括第一表面。光学设备可以包括被设置在第一表面的区域上的反射层，其中反射层是不包含或者基本上不包含针孔。该层可以包括以下项、基本上由以下项构成、或者由以下项构成：纯金属或基本上纯的金属。例如，该层可以包括至少95％的元素金属。反射层可被配置为在界面处将入射电磁辐射反射到第一波导中。在一些实施例的光学设备中，第一波导是如本文所述的光波导的堆叠的一部分。在一些实施例的光学设备中，堆叠中的两个或更多个光波导均包括如本文中所描述的反射层。
在一些实施例的光学设备中，第一表面的区域包括突起，该突起与反射层一起是反射衍射光栅的一部分。突起的示例在图19A-19C中示出。在一些实施例中，反射衍射光栅包括以下项、基本上由以下项构成、或者由以下项构成：被设置在突起上的反射层。在一些实施例中，反射衍射光栅包括以下项、基本上由以下项构成、或者由以下项构成：被设置在突起上的反射层的一部分。
在一些实施例的光学设备中，被设置在突起上的反射层是耦入光学元件的一部分，该耦入光学元件被配置为以角度重定向入射的环境光，使得光传播通过第一波导。在一个示例中，入射在衍射光栅上的光将耦入到波导，使得该光以适合于TIR的角度在波导内传播远离衍射光栅。应当理解，被耦入的光可以通过TIR传播通过波导，从而以与耦入时的角度类似的角度反射离开波导的表面。根据衍射光栅的几何形状或光的光束直径，该光中的一些可以在TIR路径的早期反射期间入射在衍射光栅上，并且将被不期望地重定向到波导之外。例如，衍射光栅可以位于波导的一个表面上，并且入射光可以被重定向，使得其被耦入并且反射离开波导的相对表面。反射光然后可以入射在衍射光栅上，这使得光要被重定向到波导之外。在一些实施例中，为了防止光离开波导的不期望的重定向，其上沉积有反射层的衍射光栅的尺寸和形状可以被设计、或者光束直径可以被调整，使得从波导的相对表面反射出的耦入光不会撞击衍射光栅。
在一些实施例的光学设备中，反射层反射具有至少70％的反射率(或反射系数)的入射电磁辐射(例如，可见光谱中的光)，例如，至少70％、75％、80％、85％、90％、95％、97％、99％、99.9％，包括任何两个所列值之间的范围，例如70％-90％、70％-95％、70％、-99.9％、80％-90％、80％-95％、80％-99.9％、85％-90％、85％-95％、85％-99.0％、90％-95％或90％-99.9％。在一些实施例中，反射层反射具有至少85％的反射率的入射电磁辐射(例如，可见光谱中的光)。可以相应地设置波导表面的预定区域的尺寸和形状。
在一些实施例的光学设备中，反射层持续至少500小时维持反射具有至少85％的反射率的入射电磁辐射的能力，例如至少85％、87％或90％。如示例4和图24所示，即使在60℃和100％湿度下持续500小时之后且即使没有覆盖，本文所述的反射层也可以维持至少约85％的反射率(跨400-700nm的光谱)。因此，在一些实施例中，反射层持续至少500小时维持反射具有至少85％的反射率的入射电磁辐射的能力，而不管其是否被覆盖。
如本文所述，将反射层限制到波导表面的预定区域可能是有利的。因此，在一些实施例中，第一表面包括限定反射层的边界的壁。该壁可以包括以下项、基本上由以下项构成、或者由以下项构成：被配置为维持第一波导与另一波导之间的空间的机械间隔物。
在一些实施例中，光学设备包括以下项、基本上由以下项构成、或者由以下项构成：显示系统，该显示系统包括被配置为将包含图像信息的光投射到第一波导中的图像投射器。例如，显示系统可以是如本文所述的可穿戴显示系统或可穿戴显示系统的组件。
在一些实施例的光学设备中，反射层不包含或基本上不包含金属颗粒，如本文所述。
一些实施例的光学设备还可以包括界面层，该界面层包括被设置在反射层和第一表面的界面处的表面活性剂、催化剂或涂层中的至少一种。如本文所述，表面活性剂、催化剂和/或涂层可促进反射层的选择性沉积，并且可增强反射层的粘附性和光学性能。在一些实施例中，一些实施例的光学设备还包括被设置在反射层和第一表面的界面处的表面活性剂或催化剂中的至少一种。在一些实施例中，一些实施例的光学设备还包括被设置在反射层和第一表面的界面处的催化剂或涂层中的至少一种。在一些实施例中，一些实施例的光学设备还包括被设置在反射层和第一表面的界面处的表面活性剂或涂层中的至少一种。
一些实施例的光学设备还包括被设置在反射层上的覆盖层，如本文所述。
显示设备
在一些实施例中，提供了一种显示设备。显示设备可以包括波导，该波导包括反射衍射光学元件，其中该衍射光学元件包括被设置在波导表面的区域上的反射层。反射层可以基本上不包含针孔。反射层可以包括以下项、基本上由以下项构成、或者由以下项构成：纯的金属或基本上纯的金属。例如，该层可以包括至少95％的元素金属。反射层可被配置为在截面处将入射电磁辐射反射到第一波导中。在一些实施例中，第一波导是如本文所述的光波导的堆叠的一部分。在一些实施例中，堆叠中的两个或更多个光波导均包括如本文所述的反射层。在一些实施例中，反射层不覆盖波导的整个表面。
在一些实施例的显示设备中，反射衍射光学元件形成耦入光栅，该耦入光栅被配置为将入射光耦入到如本文中所描述的波导中。
在一些实施例的显示设备中，波导是波导的堆叠中的一个波导，并且波导的堆叠中的每一个波导包括耦入光栅。在俯视图中，耦入光栅可以彼此横向偏移。例如，参考图9A，耦入光学元件700、710、720可以彼此横向偏移。
在一些实施例的显示设备中，反射层不包含或基本上不包含除了如本文所述的金属之外的金属颗粒。
一些实施例的显示设备还包括被设置在反射层和如本文所述的表面的界面处的表面活性剂、催化剂或涂层中的至少一种。在一些实施例中，显示设备还包括被设置在反射层和如本文所述的表面的界面处的表面活性剂或涂层中的至少一种。在一些实施例中，显示设备还包括被设置在反射层和如本文所述的表面的界面处的催化剂或涂层中的至少一种。在一些实施例中，显示设备还包括被设置在反射层和如本文所述的表面的界面处的表面活性剂或催化剂中的至少一种。
一些实施例的显示设备还包括被设置在如本文所述的反射层上的覆盖层。覆盖层可被配置为使得被设置为引导和/或传播电磁辐射的反射层的界面不直接暴露于空气和湿气。
在一些实施例的显示设备中，反射层反射具有至少70％反射率(或反射系数)的入射电磁辐射(例如，可见光谱中的光)，例如，至少70％、75％、80％、85％、90％、95％、97％、99％、99.9％，包括任何两个所列值之间的范围，例如70％-90％、70％-95％、70％、-99.9％、80％-90％、80％-95％、80％-99.9％、85％-90％、85％-95％、85％-99.0％、90％-95％或90％-99.9％。在一些实施例中，反射层反射具有至少85％的反射率的入射电磁辐射(例如，可见光谱中的光)。
在一些实施例的显示设备中，反射层持续至少500小时维持反射具有至少85％的反射率的入射电磁辐射的能力，例如至少85％、87％或90％。在一些实施例中，反射层持续至少500小时维持反射具有至少85％的反射率的入射电磁辐射的能力，而不管其是否被覆盖。
制造显示设备的方法
在一些实施例中，描述了制造光学设备的方法。该方法可以包括提供包括表面的波导。该方法可以包括在表面的区域上沉积液体混合物。液体混合物可以包括金属盐。液体混合物还可以包括处于碱性pH的还原剂。该方法可以包括在表面的预定区域上对液体混合物进行温育，使得金属盐被还原剂还原并使纯的或基本上纯的金属沉淀。因此，反射层被形成在表面的预定区域上。表面上的反射层可形成反射衍射光学元件。在一些实施例中，该方法还包括对表面进行预处理以增加如本文所述的表面的亲水性。预处理可以在液体混合物被沉积在表面的预定区域上之前。
在一些实施例中，该方法还包括提供图像投射器，其中图像投射器被定位成将光输出到反射衍射光学元件上。
示例性衍射光学元件
在一些实施例中，耦入光学元件(例如，耦入光学元件700、710、720)包括反射衍射光学元件，该反射衍射光学元件包括反射层，该反射层包括以下项、基本上由以下项构成、或者由以下项构成：如本文所述的纯的或基本上纯的金属。
示例1：通过金属离子还原形成的反射层与通过含银油墨形成的反射层的比较
在图21A-C中示出了用于形成含银层的不同方法的示例，包括“类型1”高银化合物负载(图21A)、“类型2”无机水性银离子热沉积(图21B)、和根据本文的一些实施例的“类型3”湿化学银离子还原(托伦斯反应)(图21C)。
将通过如本文所述的银离子还原来制备反射层的方法与制备反射层的其他方法进行比较。在耦入光栅(ICG)纳米图案化结构上进行该比较。在表1中示出了使用不同方法的涂层性能等级。根据一些实施例，包括银的反射层使用改进的托伦斯反应而形成。该反应在室温下进行，并且生成具有纳米尺度的精细平滑度(无针孔)的高纯度银(图22C，示出了在冲洗之后)。涂层在ICG纳米结构周围也是高度保形的。对比之下，来自德克萨斯州奥斯汀市的NovaCentrix的可喷墨油墨(图22A)和来自Electroninks的可喷墨油墨(图22B)包含大量针孔，从而形成与高导电率但相对低反射率相关联的纳米多孔网络。如本文中所描述的反射层的粘附性也使用剥离测试来评估。与来自NovaCentrix的可喷墨油墨(图22D)和来自Electroninks的可喷墨油墨(从玻璃剥离的银)(图22E)相比，根据本文的一些实施例的通过使用被修改的托伦斯反应而形成的反射层(图22F)表现出显著更大的粘附性。注意，对于剥离测试，一些实施例的反射层被沉积在3nm SiOx涂覆的ICG上。这些结果被总结在下面的表1A-B中：
表1A：所测试的不同银涂层示例的性质等级。E：优异；G：良好；A：可接受
表1B：所测试的商业银油墨
因此，已经示出，根据本文的一些实施例的反射层具有更平滑的表面(其不包含或基本不包含针孔)，并且对由可喷墨的含金属油墨形成的层表现出优异的粘附性。
示例2：反射层与气相沉积金属层和含银油墨的比较
纳米结构的光致抗蚀剂的等离子体预处理产生优异的粘附性。测试反射层的反射率和ICG衍射效率，该反射层包括使用APPJ等离子体处理的在385抗蚀剂上通过修改的托伦斯反应生成的银，并且与385抗蚀剂上的溅射铝沉积层、以及在180℃下烘烤15分钟的来自NovaCenrix的可喷墨油墨进行比较。包括由修改的托伦斯反应生成的银的反射层表现出比所测试的商业金属油墨明显更高的反射率并且也表现出比通过气相沉积形成的铝涂层明显更高的反射率(图23)。此外，包括由修改的托伦斯反应生成的银的反射层表现出小很对在400-700nm范围内测试的所有波长的较高反射率(图23)。
反射率和衍射效率被总结在下面的表2A-B中：
表2A
表2B：所测试的不同银涂层示例的性质等级。E：优异；G：良好；A：可接受
有利地，通过银离子沉淀形成的反射层是高度平滑的，表现出高反射率、优异的粘附性，并且可以在室温下形成。铝气相沉积层是稳定的，但是表现出较低的反射率和衍射效率，并且也受到与模板使用相关联的挑战的阻碍。来自NovaCenrix和Electroninks的含金属油墨表现出较低的反射率和衍射效率，并且需要烘烤步骤，这将延长生产时间并影响一些波导的热预算。
另外，与溅射铝相比，通过银离子沉淀形成的反射层表现出优异的目镜效率。与溅射铝的约3.9％相比，通过银离子沉淀形成的反射层的D55绿光效率是4.5-4.9％(对于4-5个目镜)。
因此，可以得出，与由含金属油墨形成的层和通过气相沉积形成的Al层相比，根据一些实施例的方法和设备的反射层表现出优异的反射率和优异的衍射效率。
示例3：表面处理的效果
对如本文所述的通过银离子还原沉积的反射层评估表面处理的影响。
作为对照，抗蚀剂上的未被预处理的压印区域表现出非常薄的Ag涂层(在温和水洗之后仅有微少的残留物)。
在压印区域的抗蚀剂用丙酮冲洗。这种预处理导致薄的半透明银涂层。虽然银比没有用丙酮冲洗的区域更厚，但是它仍然是非常薄的，并且不太可能对许多应用具有足够的反射率。
用超薄大气压等离子体射流(APPJ)涂覆对抗蚀剂进行预处理。等离子体射流涂覆产生高反射率和可接受的与SnCl2催化剂的粘附性。
使用等离子体对抗蚀剂进行预处理。这种预处理产生高反射率和优异的粘附性。
仅玻璃的区域产生约-100nm的银涂层。该涂层是高度反射的，表现出比通过气相沉积形成的铝层更好的反射率。
这些预处理的结果被总结在下面的表3中：
表3：
示例4：没有覆盖的反射层的稳定性
测量了如本文所述的通过银离子还原形成的反射层的稳定性(其也可被称为“内置(in-house)银”)。示出了最初的与在60℃在100％湿度下持续500小时之后两种情况下的在385M2固化的抗蚀剂(没有覆盖)上通过银离子还原形成的反射层的反射率。还测量了通过气相沉积形成的铝层的反射率。如图24所示，通过银离子还原形成的反射层表现出优异的稳定性，其中在初始样品与在60℃在100％湿度下持续500小时之后的样品之间跨所有测试波长(400-700nm)上的反射率变化很小。初始反射层和在60℃在100％湿度下持续500小时的通过银离子还原形成的反射层(根据本文的一些实施例)表现出相对于铝样品的优异的反射率。
也针对最初的与在60℃在100％湿度下持续360小时之后两种情况下的通过银离子还原形成的反射层，测量了ICG衍射效率。结果被示于下表4中。表4表明了，即使在一些实施例的反射层在100％湿度下持续360小时之后，衍射效率也不会改变：
表4：
在此描述了本发明的各种示例性示例。在非限制性意义上参考这些示例。提供这些示例以说明本发明的更广泛的应用方面。可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的发明进行各种改变并可替换等同物。
例如，虽然有利地与在多个深度平面上提供图像的AR显示器一起使用，但是本文公开的增强现实内容也可以由在单个深度平面上提供图像的系统显示。
此外，可以进行许多修改以使特定情况、材料、物质的组成、过程、一个或多个过程动作或一个或多个步骤适应于本发明的一个或多个目的、精神或范围。此外，如本领域技术人员将理解的，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，在此所描述和示出的各个变型中的每一个具有分离的组件和特征，其可以容易地与其他若干实施例中的任一特征分离或组合。所有这些修改旨在处于与本公开相关联的权利要求的范围内。
本发明包括可以使用主题设备执行的方法。该方法可以包括提供这种合适的设备的动作。这种提供可以由用户执行。换句话说，“提供”动作仅仅需要用户获得、访问、接近、定位、设置、激活、开启或以其他方式提供在该方法中的必要设备。在此所述的方法可以按逻辑上可能的所述事件的任何顺序以及按照所记载的事件顺序进行。
以上已经阐述了本发明的示例性方面以及关于材料选择和制造的细节。关于本发明的其他细节，可以结合上述参考的专利和出版物以及本领域技术人员通常所知或理解的来理解这些。关于根据本发明的基础方法的方面在通常或逻辑上利用的附加动作方面同样可以成立。
另外，虽然已经参考可选地并入各种特征的若干示例描述了本发明，但是本发明不限于针对本发明的每个变型所构想的描述或指示的发明。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的本发明进行各种改变，并且可以替代等同物(为了简洁起见，不论在此是否包括)。此外，在提供了值的范围的情况下，应当理解，在该范围的上限和下限之间的每个中间值以及在该所述范围内的任何其他所述或中间值都包含在本发明内。
另外，可构想的是所描述的本发明变形的任何可选特征可独立地或与在此所描述的特征中的任何一个或多个相结合来陈述和要求权利。引用单数项包括可能存在相同项的复数。更具体地，如在此和关联权利要求书所使用的，单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”包括复数对象，除非另有明确说明。换句话说，在上述描述以及与本公开关联的权利要求中，允许使用冠词的“至少一个”目标项。进一步应注意，可以起草这种权利要求以排除任何可选要素。因此，结合权利要求要素或使用“负面”限制，本声明旨在作为使用“单独地”、“仅”等排他性术语的先行基础。
在不使用这种排他性术语的情况下，与本公开相关联的权利要求中的术语“包括”应允许包括任何附加元素，不考虑在这种权利要求中是否列举了给定数量的要素或添加特征可以被认为是改变在权利要求中所述的元素的性质。除了在此具体定义之外，应在保持权利要求有效性的同时给定在此使用的所有技术和科学术语尽可能广泛的通常理解含义。
Claims (56)
1.一种用于将图像投射到用户眼睛的显示系统，所述显示系统包括：
波导，其包括第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面；
投射光学器件，其被配置为将光束朝向所述波导的所述第二主表面投射；以及
耦入光学元件，其被设置在所述波导的所述第二主表面上，所述耦入光学元件包括被配置为耦入来自所述投射光学器件的光的衍射区域，其中，所述耦入光学元件被配置为使来自所述投射光学器件的光重定向以在所述波导内在第一方向上通过全内反射来传播，
其中，所述衍射区域的尺寸和形状被设置为使得来自所述投射光学器件的光束的第一部分入射在所述衍射区域上，以及来自所述投射光学器件的光束的第二部分撞击在所述波导上而不入射在所述衍射区域上。
2.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述衍射区域是高效率衍射区域，所述耦入光学元件还包括低效率衍射区域，所述低效率衍射区域的尺寸和形状被设置为使得来自所述投射光学器件的光束的所述第二部分入射在所述低效率衍射区域上。
3.根据权利要求2所述的显示系统，其中，所述高效率衍射区域是包括金属化光栅部分的反射衍射区域，以及其中，所述低效率衍射区域包括非金属化光栅部分。
4.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述光束的所述第二部分通过所述第二主表面传播离开所述波导而不被耦入到所述波导中。
5.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述光束的所述第二部分以相对于所述光束的所述第一部分的较低的效率耦入到所述波导中。
6.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述衍射区域关于与在来自所述投射光学器件的光束的光束轴处的传播方向垂直的对称轴是反射不对称的。
7.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述波导是波导堆叠的部分，所述波导堆叠还包括：
第二波导，其包括第一主表面和第二主表面；以及
第二耦入光学元件，其被设置在所述第二波导的第二主表面上，所述第二耦入光学元件包括第二衍射区域，相对于由所述光束所限定的区域中的所述衍射区域覆盖的比例，所述第二衍射区域覆盖由来自所述投射光学器件的第二光束所限定的区域的较大比例。
8.根据权利要求7所述的显示系统，其中，所述第二衍射区域被配置为基本上耦入所述第二光束的全部。
9.根据权利要求7所述的显示系统，其中，所述第一波导的所述衍射区域关于与在来自所述投射光学器件的光束的光束轴处的传播方向垂直的对称轴是反射不对称的，以及其中，所述第二衍射区域关于与在所述第二光束的光束轴处的传播方向垂直的第二对称轴是反射对称的。
10.根据权利要求7所述的显示系统，其中，所述第二波导被设置在所述波导与所述投射光学器件之间，以及其中，所述波导与所述投射光学器件间隔比所述投射光学器件的焦距更大的距离。
11.一种波导，包括：
第一主表面；
第二主表面；以及
耦入衍射光学元件，其被设置在所述第二主表面上，所述耦入光学元件包括被配置为耦入入射光的衍射区域，其中，所述衍射区域的平行于传播方向的宽度短于所述衍射区域的垂直于所述传播方向的长度。
12.根据权利要求11所述的波导，其中，所述衍射区域的宽度小于所述衍射区域的长度的80％。
13.根据权利要求11所述的波导，其中，所述衍射区域是高效率衍射区域，所述耦入衍射光学元件还包括被设置为沿着所述传播方向与所述高效率衍射区域相邻的低效率衍射区域。
14.根据权利要求13所述的波导，其中，所述高效率衍射区域是包括金属化衍射光栅部分的反射衍射区域，以及其中，所述低效率衍射区域包括非金属化衍射光栅部分。
15.根据权利要求13所述的波导，其中，所述高效率衍射区域和所述低效率衍射区域形成部分金属化衍射光栅，其中，所述衍射光栅在所述高效率衍射区域中被金属化并在所述低效率衍射区域中被非金属化。
16.根据权利要求11所述的波导，其中，所述耦入衍射光学元件的尺寸和形状被设置为与具有基本上相等的长度和宽度的耦入光学元件相比，减少耦入光的反弹的发生。
17.一种用于头戴式显示系统的波导堆叠，所述波导堆叠包括：
第一波导，其包括第一主表面、与所述第一主表面相对的第二主表面、以及被设置在所述第二主表面上的第一耦入衍射光学元件，所述第一耦入衍射光学元件包括第一衍射区域，所述第一衍射区域被配置为使来自光源的入射光重定向以在所述第一波导内在传播方向上通过全内反射来传播；以及
第二波导，其包括第一主表面、与所述第二波导的第一主表面相对的第二主表面、以及被设置在所述第二波导的第二主表面上的第二耦入衍射光学元件，所述第二耦入衍射光学元件包括第二衍射区域，所述第二衍射区域被配置为使来自所述光源的入射光重定向以在所述第二波导内在传播方向上通过全内反射来传播；
其中，所述第二衍射区域的宽度-长度比小于所述第一衍射区域的宽度-长度比。
18.根据权利要求17所述的波导堆叠，其中，所述波导堆叠与所述光源间隔开，以使得所述光源与所述第一衍射区域之间的距离处于所述光源的焦距处，以使得所述光源与所述第二衍射区域之间的距离大于所述焦距。
19.根据权利要求17所述的波导堆叠，其中，所述第一衍射区域的宽度-长度比大于80％，以及其中，所述第二衍射区域的宽度-长度比小于80％。
20.根据权利要求17所述的波导堆叠，其中，所述第二衍射区域是高效率衍射区域，以及其中，所述第二耦入衍射光学元件还包括沿着所述传播方向紧邻所述高效率衍射区域设置的低效率衍射区域。
21.根据权利要求20所述的波导堆叠，其中，所述高效率衍射区域包括衍射光栅的金属化部分，以及其中，所述低效率衍射区域包括所述衍射光栅的非金属化部分。
22.根据权利要求17所述的波导堆叠，其中，所述第二耦入衍射光学元件的尺寸和形状被设置为与具有等于所述第一衍射区域的宽度-长度比的宽度-长度比的耦入衍射光学元件相比，减少耦入光的反弹的发生。
23.一种制造包括反射层的光波导结构的方法，所述方法包括：
提供包括表面的光波导，所述表面包括含有突起图案的区域；
在所述区域的至少一部分上沉积液体混合物，所述液体混合物包括金属盐；以及
通过用所述金属盐的金属涂覆所述区域来形成所述反射层，其中，涂覆所述区域包括通过从所述金属盐离解金属而使所述金属沉淀到所述区域上。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，从所述金属盐离解金属包括通过暴露于还原剂来还原所述金属盐。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述还原剂包括含有α-羟基醛的碳水化合物或者含有α-羟基酮的碳水化合物中的至少一种。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述液体混合物包括所述还原剂。
27.根据权利要求24所述的方法，还包括在沉积所述液体混合物之后将所述还原剂添加到所述液体混合物。
28.根据权利要求23所述的方法，其中，形成所述反射层包括选择性地在所述区域上形成所述反射层，同时使所述区域周围的一个或多个区域不包含所述金属。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述波导的所述表面包括在所述区域中限定体积的垂直延伸壁，其中，沉积所述液体混合物包括将所述沉积混合物沉积到所述体积中。
30.根据权利要求23所述的方法，其中，所述突起限定衍射光学元件，其中，所述突起和所述反射层形成反射衍射光学元件。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述衍射光学元件是耦入光学元件，所述耦入光学元件被配置为以角度使入射光重定向，以使得所述光通过全内反射来传播通过所述波导。
32.根据权利要求23所述的方法，其中，所述突起包括光致抗蚀剂。
33.根据权利要求23所述的方法，还包括：
通过在附加光波导的表面的附加区域上沉积所述液体混合物来在所述附加光波导上形成附加反射层，其中，所述附加反射光学元件被配置为反射入射光；以及
将至少所述附加波导附接到所述波导的表面，
由此产生波导堆叠。
34.根据权利要求23所述的方法，其中，在沉积所述液体混合物之前，通过选择性预处理来增加所述区域的亲水性，所述区域具有从由以下项构成的组中选择的一种或多种试剂：等离子体、表面活性剂、涂层、湿化学蚀刻剂和催化剂。
35.根据权利要求34所述的方法，其中以下中的至少一者：
用等离子体预处理所述区域包括执行大气等离子体处理；
所述湿化学蚀刻剂包括铬酸；
所述涂层包括二氧化硅；以及/或者
所述催化剂包括锡或钯。
36.根据权利要求23所述的方法，还包括在沉积所述液体混合物之前，选择性地将催化剂施加到所述区域，所述催化剂被配置为加速所述银盐的所述还原。
37.根据权利要求23所述的方法，其中，所述液体混合物基本上包含所述金属盐、还原剂和碱。
38.根据权利要求23所述的方法，其中，所述反射层是纯的或基本上纯的金属。
39.根据权利要求23所述的方法，其中，所述液体混合物通过以下项中的至少一者而被沉积在所述区域上：纳米分配、微分配、微移液、喷墨印刷和喷涂。
40.根据权利要求23所述的方法，还包括在所述金属的所述沉淀之后移除残余的液体混合物材料。
41.根据权利要求40所述的方法，其中，移除残余的液晶混合物包括冲洗所述光波导。
42.根据权利要求23所述的方法，还包括在所述反射层上沉积覆盖层。
43.根据权利要求23所述的方法，其中，所述反射层是不包含针孔或者基本上不包含针孔。
44.根据权利要求23所述的方法，其中，所述金属是银。
45.一种光学设备，包括：
第一波导，其包括反射衍射光学元件，所述反射衍射光学元件包括：
在所述第一波导的表面上的突起；
在所述突起上的界面层；以及
在所述界面层上的反射层。
46.根据权利要求45所述的光学设备，其中，所述界面层包括等离子体处理表面、表面活性剂层和催化剂中的一种或多种。
47.根据权利要求46所述的光学设备，其中，所述催化剂包括含锡化合物或含钯化合物中的一种或多种。
48.根据权利要求45所述的光学设备，其中，所述反射层是至少95％的金属。
49.根据权利要求45所述的光学设备，其中，所述反射层基本上不包含针孔。
50.根据权利要求45所述的光学设备，其中，所述反射衍射光学元件是耦入光学元件，所述耦入光学元件被配置为以角度使入射光重定向，以使得所述光通过全内反射来传播通过所述第一波导。
51.根据权利要求50所述的光学设备，其中，所述反射层以至少85％的反射率来反射所述入射光。
52.根据权利要求45所述的光学设备，还包括第二波导和第三波导，其中，所述第二波导被配置为输出与所述第三波导不同的波长范围的光，
其中，所述第一波导、所述第二波导和所述第三波导中的每一个包括反射衍射光学元件，所述反射衍射光学元件包括：
在所述第一波导的表面上的突起；
在所述突起上的界面层；以及
在所述界面层上的反射层。
53.根据权利要求45所述的光学设备，其中，所述第一表面包括限定所述反射层的边界的壁。
54.根据权利要求53所述的光学设备，其中，所述壁包括被配置为维持所述第一波导与另一波导之间的空间的机械间隔物。
55.根据权利要求45所述的光学设备，其中，所述光学设备是包括空间光调制器的显示系统，其中，所述空间光调制器被配置为将包含图像信息的光输出到所述反射衍射光学元件上。
56.根据权利要求45所述的光学设备，还包括在所述反射层上的覆盖层。
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