CN113692544A - 使用集成光栅提供全息波导显示的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

图示了根据本发明各种实施例的用于使用集成光栅提供全息波导显示器的系统和方法。一个实施例包括一种波导显示器，包括光源；以及第一波导，包括光栅结构，该光栅结构包括第一光栅和第二光栅；以及输入耦合器，被配置为耦合光的第一视场部分并耦合光的第二视场部分，其中第一光栅被配置为为光的第一视场部分提供第一方向上的波束扩展，并为光的第二视场部分提供第一方向上的波束扩展和朝着观察者的波束提取，第二光栅被配置为为光的第二视场部分提供第二方向上的波束扩展，并为光的第一视场部分提供第二方向上的波束扩展和朝着观察者的波束提取。

Description

使用集成光栅提供全息波导显示的方法和装置
对相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2019年2月15日提交的标题为“Methods andApparatuses for Providing a Color Holographic Waveguide Display UsingOverlapping Bragg Gratings”的美国临时专利申请No.62/806,665和于2019年3月4日提交的标题为“Improvements to Methods and Apparatuses for Providing a ColorHolographic Waveguide Display Using Overlapping Bragg Gratings”的美国临时专利申请No.62/813,373的权益和优先权。美国临时专利申请No.62/806,665和62/813,373的公开内容出于所有目的通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明一般而言涉及波导设备，更具体而言，涉及全息波导显示器。
背景技术
波导可以被称为具有约束和引导波能力的结构(即，限制波可以在其中传播的空间区域)。一个子类包括光波导，这是可以引导电磁波的结构，通常是可见光谱中的电磁波。可以设计波导结构以使用多种不同的机构来控制波的传播路径。例如，平面波导可以被设计为利用衍射光栅将入射光衍射并耦合到波导结构中，使得耦合进来的光可以经由全内反射(TIR)在平面结构内继续行进。
波导的制造可以包括使用允许在波导内记录全息光学元件的材料系统。一类这样的材料包括聚合物分散液晶(PDLC)混合物，其是包含可光聚合单体和液晶的混合物。此类混合物的另一个子类包括全息聚合物分散液晶(HPDLC)混合物。全息光学元件(诸如体积相位光栅)可以通过用两个相互相干的激光束照亮材料来记录在这种液体混合物中。在记录过程期间，单体聚合，并且混合物经历光聚合引起的相位分离，创建由液晶微滴密集填充的区域，散布着透明聚合物的区域。交替的富液晶区和贫液晶区形成光栅的边缘平面。由此产生的光栅，其通常被称为可开关Bragg光栅(SBG)，具有通常与体积或Bragg光栅相关联的所有特性，但具有更高的折射率调制范围以及在连续衍射效率范围内对光栅进行电调谐的能力(入射光衍射到期望方向中的比例)。后者可以从非衍射(透明)扩展到衍射，效率接近100％。
波导光学器件(诸如上述那些)可以被考虑用于一系列显示器和传感器应用。在许多应用中，可以使用各种波导体系架构和材料系统来实现包含编码多种光学功能的一个或多个光栅层的波导，从而在用于增强现实(AR)和虚拟现实(VR)的近眼显示器、用于道路运输、航空和军事应用的紧凑型头顶显示器(HUD)和头盔式显示器或头戴式显示器(HMD)以及用于生物识别和激光雷达(LIDAR)应用的传感器中带来新的创新。
发明内容
图示了根据本发明的各种实施例的用于使用集成光栅提供全息波导显示器的系统和方法。一个实施例包括波导显示器，其包括光源；第一波导，包括光栅结构，该光栅结构包括第一和第二光栅；以及输入耦合器，被配置为将来自光源的光的第一视场部分耦合到第一波导中并朝着第一光栅，并将来自光源的光的第二视场部分耦合到第一波导中并朝着第二光栅，其中第一光栅被配置为为光的第一视场部分提供第一方向上的波束扩展，并为光的第二视场部分提供第一方向上的波束扩展和朝着观察者的波束提取(extraction)，第二光栅被配置为为光的第二视场部分提供第二方向上的波束扩展，并为光的第一视场部分提供第二方向上的波束扩展和朝着观察者的波束提取，输入耦合器、第一光栅和第二光栅各自包括光栅向量，并且输入耦合器、第一光栅和第二光栅的光栅向量提供量值基本为零的结果向量。
在另一个实施例中，第一光栅包括第一和第二光栅规格(prescription)，第二光栅包括第三和第四光栅规格，其中第一光栅规则被配置为为光的第一视场部分提供第一方向上的波束扩展，第二光栅规格被配置为为光的第二视场部分提供第一方向上的波束扩展和朝着观察者的波束提取，第三光栅规格被配置为为光的第二视场部分提供第二方向上的波束扩展，并且第四光栅规格被配置为为光的第一视场部分提供第二方向上的波束扩展和朝着观察者的波束提取。
在进一步的实施例中，第一和第二光栅规格至少部分地被多路复用，并且第三和第四光栅规格至少部分地被多路复用。
在又一个实施例中，第一光栅至少部分地与第二光栅重叠。
在又一个实施例中，第一波导包括第一和第二光栅层，第一光栅部署在第一光栅层内，而第二光栅部署在第二光栅层内。
在又一个实施例中，第一波导还包括部署在第一和第二光栅层之间并与其相邻的透明层。
在又一个实施例中，波导显示器还包括第二波导，其中第一波导被配置为耦合在第一光谱带中，而第二波导被配置为耦合在第二光谱带中。
在另一个附加实施例中，其中输入耦合器包括从输入棱镜、输入光栅、第一和第二输入光栅以及包括两个多路复用的光栅规格的输入光栅中的至少一个中选择的输入配置。
在进一步的附加实施例中，输入耦合器的光栅向量具有与第一光栅的光栅向量不同的量值。
在另一个实施例中，光源提供至少两种不同波长的光。
在又一个实施例中，一种显示图像的方法，该方法包括提供波导显示器，该波导显示器包括支撑输入耦合器以及包括第一和第二光栅的光栅结构的第一波导，其中输入耦合器、第一光栅和第二光栅各自包括光栅向量，其中输入耦合器、第一光栅和第二光栅的光栅向量提供量值基本为零的结果向量，经由输入耦合器将第一视场部分耦合到波导中，经由输入耦合器将第二视场部分耦合到波导中，使用第一光栅在第一方向上扩展光的第一视场部分，使用第二光栅在第二方向上扩展光的第一视场部分并从波导中提取它，使用第二光栅在第二方向上扩展光的第二视场部分，并使用第一光栅在第一方向上扩展光的第二视场部分并从波导中提取它。
在又一个实施例中，第一光栅包括第一和第二光栅规格，并且第二光栅包括第三和第四光栅规格，其中使用第一光栅规格在第一方向上扩展光的第一视场部分，使用第二光栅规格在第一方向上扩展光的第二视场部分并从波导中提取它，使用第三光栅规格在第二方向上扩展光的第二视场部分，并且使用第四光栅规格在第二方向上扩展光的第一视场部分并从波导中提取它。
在又一个实施例中，第一和第二光栅规格至少部分地被多路复用，并且第三和第四光栅规格至少部分地被多路复用。
在又一个附加实施例中，第一光栅至少部分地与第二光栅重叠。
在又一个附加实施例中，第一波导包括第一和第二光栅层，第一光栅部署在第一光栅层内，而第二光栅部署在第二光栅层内。
在又一个实施例中，第一波导还包括部署在第一和第二光栅层之间并与其相邻的透明层。
在又一个实施例中，波导显示器还包括第二波导，其中第一波导被配置为耦合在第一光谱带中，并且第二波导被配置为耦合在第二光谱带中。
在又一个附加实施例中，输入耦合器包括从输入棱镜、输入光栅、第一和第二输入光栅以及包括两个多路复用的光栅规格的输入光栅中的至少一个中选择的输入配置。
在又一个附加实施例中，输入耦合器的光栅向量具有与第一光栅的光栅向量不同的量值。
在又一个实施例中，光源提供至少两种不同波长的光。
附加实施例和特征部分地在下面的描述中阐述，并且部分地在检查说明书后对本领域技术人员变得显而易见，或者可以通过本发明的实践而获知。可以通过参考说明书的其余部分和附图来进一步理解本发明的性质和优点，这些部分构成了本公开的一部分。
附图说明
参考以下附图和数据图将更全面地理解本文描述，这些附图和数据图被呈现为本发明的示例性实施例并且不应当被解释为对本发明范围的完整叙述。
图1概念性地图示了根据本发明实施例的波导显示器。
图2概念性地图示了根据本发明实施例的具有两个蓝-绿衍射波导和两个绿-红衍射波导的彩色波导显示器。
图3A-3C概念性地图示了根据本发明各种实施例的集成光栅。
图4A-4C示意性地图示了根据本发明实施例的通过具有输入光栅和两个集成光栅的光栅结构的射线传播。
图5A-5E概念性地图示了根据本发明各种实施例的各种光栅向量配置。
图6概念性地图示了根据本发明实施例的具有输入光栅和集成光栅的光栅体系架构的示意性平面图。
图7示出了概念性地图示根据本发明实施例的显示图像的方法的流程图。
图8示出了概念性地图示了根据本发明实施例的利用包含多个光栅的集成光栅来显示图像的方法的流程图。
图9概念性地图示了根据本发明实施例的实现集成光栅的两个重叠波导部分的剖面图。
图10概念性地图示了根据本发明实施例的具有两组集成光栅的光栅体系架构的示意性平面图。
图11概念性地图示了根据本发明实施例的在不同视场角发生的衍射的波导的衍射效率与角度的关系图。
图12示出了根据本发明实施例的由波导提供的观察几何形状。
图13概念性地图示了根据本发明实施例的由波导提供的左眼图像和右眼图像之间的双目重叠的双目显示器的视场几何形状。
具体实施方式
为了描述实施例的目的，光学设计和视觉显示领域的技术人员已知的光学技术的一些众所周知的特征已被省略或简化，以免混淆本发明的基本原理。除非另有说明，否则与射线或波束方向相关的术语“在轴上”是指平行于与关于本发明描述的光学组件的表面垂直的轴的传播。在以下描述中，术语光、射线、波束和方向可以互换使用并且彼此相关联以指示电磁辐射沿着直线轨迹的传播方向。术语光和照明可以关于电磁频谱的可见光和红外波段使用。将使用光学设计领域的技术人员常用的术语来呈现以下描述的部分。如本文所使用的，在一些实施例中，术语光栅可以涵盖由一组光栅组成的光栅。为了说明的目的，应该理解的是，除非另有说明，否则附图不是按比例绘制的。
根据本发明各种实施例的波导显示器可以使用许多不同的技术来实现。波导技术可以为许多不同的应用提供低成本、高效和通用的衍射光学解决方案。一种常用的波导体系架构包括用于将来自图像源的光耦合到波导中的TIR路径中的输入光栅、用于提供第一方向上的波束扩展的折叠光栅，以及用于在与第一方向正交的方向上提供第二波束扩展并且从波导提取光瞳扩展的波束以供从出瞳或眼框(eyebox)观察的输出光栅。虽然在二维波束扩展和提取方面有效，但这种布置通常要求大的光栅面积。当与双折射光栅一起使用时，这种体系架构也会遭受由于折叠中的数百万个光栅交互而产生的混浊的影响。另一个问题是由于更长的光路导致更多波束与波导的基板交互而引起的图像不均匀性。照此，本发明的许多实施例针对广角、低成本、高效且紧凑的波导显示器。
在许多实施例中，波导显示器包括至少一个输入光栅和至少两个集成光栅，每个集成光栅能够执行传统折叠和输出光栅的功能。在进一步的实施例中，实现单个多路复用的输入光栅以提供具有两条分叉路径的输入光。在其它实施例中，实现两个输入光栅以提供分叉的光路。除了(一个或多个)输入光栅的不同配置之外，集成光栅还可以以各种方式配置。在一些实施例中，集成光栅包含交叉的光栅向量并且可以被配置为在两个方向上提供波束扩展以及用于来自(一个或多个)输入光栅的光的波束提取。在若干实施例中，集成光栅被配置为具有交叉的光栅向量的重叠光栅。光栅体系架构的集成性质可以允许适合各种应用的紧凑型波导显示器，包括但不限于AR、VR、HUD和LIDAR应用。如可以容易地认识到的，波导显示器的具体体系架构和实施方式可以取决于给定应用的具体要求。例如，在一些实施例中，用集成光栅实现波导显示器以提供至少50°对角线的双目视场。在进一步的实施例中，波导显示器用集成光栅实现以提供至少～100°对角线的双目视场。根据本发明各种实施例的波导显示器、光栅体系架构、HPDLC材料和制造过程在下面进一步详细讨论。
光波导和光栅结构
记录在波导中的光学结构可以包括许多不同类型的光学元件，诸如但不限于衍射光栅。可以实现光栅以执行各种光学功能，包括但不限于耦合光、指引光和防止光的透射。在许多实施例中，光栅是位于波导的外表面上的表面浮雕光栅。在其它实施例中，所实现的光栅是Bragg光栅(也称为体光栅)，其是具有周期性折射率调制的结构。Bragg光栅可以使用多种不同的方法制造。一种过程包括全息光聚合物材料的干涉曝光以形成周期性结构。Bragg光栅可以具有高效率，很少有光被衍射成更高阶。衍射阶和零阶光的相对量可以通过控制光栅的折射率调制来改变，所述折射率调制是被用于制造有损波导光栅以在大光瞳上提取光的一种特性。
全息波导设备中使用的一类Bragg光栅是可开关Bragg光栅(SBG)。SBG可以通过首先在基板之间放置可光聚合单体和液晶材料的混合物的薄膜来制造。基板可以由各种类型的材料制成，诸如玻璃和塑料。在许多情况下，基板呈平行构造。在其它实施例中，基板形成楔形。一个或两个基板可以支撑电极，通常是透明的氧化锡膜，用于在整个膜上施加电场。可以通过用具有空间周期性强度调制的干涉曝光进行光聚合诱导相分离，将SBG中的光栅结构记录在液体材料(通常称为浆体)中。诸如但不限于控制辐射强度、混合物中材料的组分体积分数和曝光温度等因素，可以确定结果所得的光栅形态和性能。可以容易地理解，取决于给定应用的具体要求，可以使用多种材料和混合物。在许多实施例中，使用了HPDLC材料。在记录处理期间，单体聚合并且混合物进行相分离。LC分子聚集形成离散的或聚结的液滴，这些液滴周期性地分布在光学波长范围内的聚合物网络中。交替的富液晶区域和贫液晶区域形成光栅的条纹平面，这可产生具有强光学偏振的布拉格衍射，该强光学偏振由液滴中LC分子的朝向顺序引起。
结果所得的体积相位光栅可以表现出非常高的衍射效率，这可以通过施加在薄膜上的电场的强度来控制。在经由透明电极将电场施加到光栅的情况下，LC液滴的自然朝向可能改变，从而导致条纹的折射率调制降低，并且全息图衍射效率降低到非常低的水平。通常，电极被配置为使得所施加的电场垂直于基板。在许多实施例中，电极由铟锡氧化物(ITO)制成。在没有施加电场的OFF状态下，液晶的非凡轴通常对齐垂直于条纹。因此，光栅对P-偏振光具有较高的折射率调制以及较高的衍射效率。在对HPDLC施加电场的情况下，光栅切换到ON状态，其中液晶分子的非凡轴对齐平行于所施加的电场并因此对齐垂直于基板。在ON状态下，光栅对S-偏振光和P-偏振光两者都表现出较低的折射率调制和较低的衍射效率。因此，光栅区域不再衍射光。根据HPDLC设备的功能，每个光栅区域可以分成多个光栅元件，诸如，例如像素矩阵。通常，在一个基板表面上的电极是均匀且连续的，而相对的基板表面上的电极是根据多个可选择性开关的光栅元件而图案化的。
通常，SBG元件在30μs内清零，并用更长的驰豫时间接通。设备的衍射效率可以借助于所施加的电压在连续范围内来调整。在许多情况下，设备在不施加电压的情况下表现出接近100％的效率，而在施加足够高的电压时则表现出基本上零效率。在某些类型的HPDLC设备中，可以使用磁场来控制LC朝向。在一些HPDLC应用中，LC材料与聚合物的相分离可以达到不产生可辨别的液滴结构的程度。SBG也可以用作无源光栅。在该模式下，其主要优点是独特的高折射率调制。SBG可以用于为自由空间应用提供透射或反射光栅。SBG可以被实现为波导设备，其中HPDLC在波导附近形成波导芯或消逝耦合层。用于形成HPDLC单元格的基板提供全内反射(TIR)光导结构。当可开关光栅以超过TIR条件的角度衍射光时，可以将光耦合出SBG。
在一些实施例中，LC可以从SBG中提取或排空以提供表面浮雕光栅(SRG)，由于SRG结构的深度(这远大于实际可使用表面蚀刻和其它通常用于制造SRG的常规过程实现的深度)，SRG具有与Bragg光栅非常相似的特性。可以使用多种不同方法提取LC，包括但不限于用异丙醇和溶剂冲洗。在许多实施例中，SBG的透明基板之一被去除，并且LC被提取。在进一步的实施例中，替换被移除的基板。SRG可以至少部分地回填有更高或更低折射率的材料。此类光栅提供了用于定制效率、角/光谱响应、偏振和其它特性以适应各种波导应用的范围。
根据本发明各种实施例的波导可以包括为特定目的和功能而设计的各种光栅配置。在许多实施例中，波导被设计为通过有效地扩展准直光学系统的出瞳来实现能够在减小透镜尺寸的同时保持眼箱尺寸的光栅配置。出瞳可以被定义为虚拟光圈，只有通过这个虚拟光圈的光线才能进入用户的眼睛。在一些实施例中，波导包括光学耦合到光源的输入光栅、用于提供第一方向波束扩展的折叠光栅，以及用于在通常与第一方向正交的第二方向上提供波束扩展以及朝着眼框的波束提取的输出光栅。如可以容易地认识到的，光栅配置实现的波导体系架构可以取决于给定应用的特定要求。在一些实施例中，光栅配置包括多个折叠光栅。在若干实施例中，光栅配置包括输入光栅以及用于同时执行波束扩展和波束提取的第二光栅。第二光栅可以包括不同规格的光栅，用于传播视场的不同部分，布置在分离的重叠光栅层中或在单个光栅层中多路复用。此外，还可以使用各种类型的光栅和波导结构。
在若干实施例中，每一层内的光栅被设计为具有不同的光谱和/或角响应。例如，在许多实施例中，跨不同光栅层的不同光栅被重叠或多路复用，以提供光谱带宽的增加。在一些实施例中，使用三个光栅层来实现全色波导，每个光栅层被设计为在不同的光谱带(红色、绿色和蓝色)中操作。在其它实施例中，使用两个光栅层，红-绿光栅层和绿-蓝光栅层，来实现全色波导。如可以容易地认识到的，此类技术可以类似地被实现以增加波导的角带宽操作。除了跨不同光栅层的光栅的多路复用之外，多个光栅可以在单个光栅层内被多路复用-即，多个光栅可以叠加在同一体积内。在若干实施例中，波导包括至少一个光栅层，该光栅层具有在同一体积中多路复用的两个或更多个光栅规格。在进一步的实施例中，波导包括两个光栅层，每一层具有在同一体积中多路复用的两个光栅规格。可以使用各种制造技术实现在同一体积内多路复用两个或更多个光栅规格。在多个实施例中，多路复用的主光栅与曝光配置一起使用以形成多路复用的光栅。在许多实施例中，多路复用的光栅是通过用两种或更多种配置的曝光光(exposure light)来顺序地曝光光学记录材料层来制造的，其中每种配置被设计为形成光栅规格。在一些实施例中，通过在两种或多种配置的曝光光(exposure light)之间交替曝光光学记录材料层来制造多路复用的光栅，其中每种配置被设计为形成光栅规格。如可以容易地认识到的，可以适当地使用各种技术，包括本领域众所周知的技术，来制造多路复用的光栅。
在许多实施例中，波导可以结合以下至少一种：角度多路复用的光栅、颜色多路复用的光栅、折叠光栅、双交互光栅、滚动K向量光栅、交叉折叠光栅、镶嵌光栅、啁啾光栅、具有空间变化的折射率调制的光栅、具有空间变化的光栅厚度的光栅、具有空间变化的平均折射率的光栅、具有空间变化的折射率调制张量的光栅，以及具有空间变化的平均折射率张量的光栅。在一些实施例中，波导可以结合以下至少一种：半波片、四分之一波片、抗反射涂层、分束层、对准层、用于减少眩光的光致变色背层和用于减少眩光的百叶窗膜。在若干实施例中，波导可以支持为不同偏振提供单独光路的光栅。在各种实施例中，波导可以支持为不同光谱带宽提供单独光路的光栅。在多个实施例中，光栅可以是HPDLC光栅、记录在HPDLC中的开关光栅(诸如可开关Bragg光栅)、记录在全息光聚合物中的Bragg光栅或表面浮雕光栅。在许多实施例中，波导在单色频带中操作。在一些实施例中，波导在绿色频带中操作。在若干实施例中，可以堆叠在不同光谱频带(诸如红、绿和蓝(RGB))中操作的波导层以提供三层波导结构。在进一步的实施例中，层被堆叠，波导层之间具有气隙。在各种实施例中，波导层在更宽频带(诸如蓝-绿和绿-红)中操作以提供双波导层解决方案。在其它实施例中，光栅被颜色多路复用以减少光栅层的数量。可以实现各种类型的光栅。在一些实施例中，每一层中的至少一个光栅是可开关光栅。
结合诸如上面讨论的那些光学结构的波导可以在各种不同应用中实现，包括但不限于波导显示器。在各种实施例中，波导显示器是用大于10mm的眼框实现的，眼距大于25mm。在一些实施例中，波导显示器包括厚度在2.0-5.0mm之间的波导。在许多实施例中，波导显示器可以提供至少50°对角线的图像视场。在进一步的实施例中，波导显示器可以提供至少70°对角线的图像视场。波导显示器可以采用许多不同类型的图片生成单元(PGU)。在若干实施例中，PGU可以是反射或透射空间光调制器，诸如硅基液晶(LCoS)面板或微机电系统(MEMS)面板。在多个实施例中，PGU可以是诸如有机发光二极管(OLED)面板之类的发射设备。在一些实施例中，OLED显示器可以具有大于4000尼特的辉度和4k×4k像素的分辨率。在若干实施例中，波导可以具有大于10％的光学效率，使得可以使用辉度为4000尼特的OLED显示器提供大于400尼特的图像辉度。实现P衍射光栅(即，对P偏振光具有高效率的光栅)的波导通常具有5％-6.2％的波导效率。由于P衍射或S衍射光栅会浪费来自非偏振源(诸如OLED面板)的光的一半，因此许多实施例针对能够提供S衍射和P衍射光栅的波导以允许波导的效率提高两倍。在一些实施例中，S衍射和P衍射光栅在分开的重叠光栅层中实现。可替代地，在某些条件下，单个光栅可以为p偏振光和s偏振光提供高效率。在若干实施例中，波导包括通过从HPDLC光栅(诸如上面描述的那些)中提取LC而产生的类Bragg光栅，以针对适当选择的光栅厚度值(通常在2-5μm的范围内)，在某些波长和角度范围内实现高的S和P衍射效率。
光学记录材料系统
HPDLC混合物通常包括LC、单体、光引发剂(photoinitiator)染料和共引发剂(coinitiator)。混合物(通常称为浆体)通常还包含表面活性剂。为了描述本发明，将表面活性剂定义为降低总液体混合物的表面张力的任何化学试剂。在PDLC混合物中使用表面活性剂是已知的，并且可追溯到PDLC的最早研究。例如，R.L.Sutherland等人在SPIE，第2689卷，第158-169页，1996年的论文中，描述了PDLC混合物，该PDLC混合物包括单体、光引发剂、共引发剂、扩链剂和可向其添加表面活性剂的LC，该论文的公开内容通过引用并入本文。Natarajan等人在Journal of Nonlinear OpticalPhysics and Materials，第5卷，第1期，第89-98页，1996年的论文中也提到了表面活性剂，该论文的公开内容通过引用并入本文。此外，Sutherland等人的美国专利No.7,018,563讨论了用于形成聚合物分散的液晶光学元件的聚合物分散的液晶材料，该材料具有：至少一种丙烯酸单体；至少一种类型的液晶材料；光引发剂染料；共引发剂；以及表面活性剂。美国专利No.7,018,563的公开内容通过引用整体并入本文。
专利和科学文献包含许多可以用于制造SBG的材料系统和过程的示例，这些示例包括研究配制这种材料系统以实现高衍射效率、快速响应时间、低驱动电压等。Sutherland的美国专利No.5,942,157和Tanaka等人的美国专利No.5,751,452两者都描述了适于制造SBG设备的单体和液晶材料的组合。配方(recipe)的示例也可以在20世纪90年代早期的论文中找到。许多这些材料都使用丙烯酸酯单体，包括：
·R.L.Sutherland等人，Chem.Mater.，第5卷，第1533页(1993年)，描述了使用丙烯酸酯聚合物和表面活性剂，其公开内容通过引用并入本文。具体而言，配方包括交联多功能丙烯酸酯单体；扩链剂N-乙烯基吡咯烷酮、LC E7、光引发剂孟加拉红和共引发剂N-苯基甘氨酸。在某些变体中添加了表面活性剂辛酸。
·Fontecchio等人，SID 00Digest，第774-776页，2000年，描述了用于反射显示应用的UV可固化的HPDLC，其包括多功能丙烯酸酯单体、LC、光引发剂、共引发剂和链终止剂，其公开内容通过引用并入本文。
·Y.H.Cho等人，Polymer International，第48期，第1085-1090页，1999年，公开了包括丙烯酸酯的HPDLC配方，其公开内容通过引用并入本文。
·Karasawa等人，Japanese Journal of Applied Physics，第36卷，第6388-6392页，1997年，描述了各种功能顺序的丙烯酸酯，其公开内容通过引用并入本文。
·T.J.Bunning等人，Polymer Science:Part B:Polymer Physics，第35卷，第2825-2833页，1997年，也描述了多功能丙烯酸酯单体，其公开内容通过引用并入本文。
·G.S.lannacchione等人，Europhysics Letters，第36(6)卷，第425-430页，1996年，描述了包括五丙烯酸酯单体、LC、扩链剂、共引发剂和光引发剂的PDLC混合物，其公开内容通过引用并入本文。
丙烯酸酯具有快速动力学、与其它材料的良好混合以及与成膜过程的相容性好的优点。由于丙烯酸酯是交联的，因此它们倾向于机械地稳健且挠性。例如，功能为2(di)和3(tri)的氨基甲酸酯丙烯酸酯已广泛用于HPDLC技术。也已经使用了诸如五角和六角功能杆的更高功能的材料。
材料成分的调制
高辉度和出色的色彩保真度是AR波导显示器中的重要因素。在每种情况下，都需要跨FOV的高度均匀性。但是，由于沿着波导反弹的波束的间隙或重叠，波导的基本光学器件会导致不均匀性。进一步的非均匀性可能由光栅的缺陷和波导基板的非平面性引起。在SBG中，由于双折射光栅会存在偏振旋转的进一步问题。在适用的情况下，最大的挑战通常是折叠光栅，其中波束与光栅条纹的多个交叉点导致了数百万条光路。仔细管理光栅特性，特别是折射率调制，可以被用来克服非均匀性。
在众多可能的波束交互(衍射或零阶透射)中，只有一个子集对呈现在眼框处的信号有贡献。通过从眼框反向追踪，可以精确定位对给定场点有贡献的折叠区域。然后可以计算对调制的精确校正，该校正是将更多发送到输出照明的暗区所需的。将用于一种颜色的输出照明均匀性恢复到目标后，可以对其它颜色重复该过程。一旦建立了折射率调制模式，就可以将设计导出到沉积设置，每个目标折射率调制被转化为要涂覆/沉积的基板上每个空间分辨率单元格的唯一沉积设置。沉积机制的分辨率取决于所用系统的技术限制。在许多实施例中，空间图案可以以完全可重复性实现到30微米的分辨率。
与利用表面浮雕光栅(SRG)的波导相比，根据本发明的各种实施例的实现制造技术的SBG波导可以允许影响效率和均匀性的光栅设计参数，诸如但不限于折射率调制和光栅厚度，在沉积过程中被动态调整，而无需不同的母版。对于调制由蚀刻深度控制的SRG，此类方案是不切实际的，因为光栅的每种变化都需要重复复杂且昂贵的加工过程。此外，实现所需的蚀刻深度精度和抗蚀剂成像复杂性会非常困难。
根据本发明各种实施例的沉积过程可以通过控制要沉积的材料的类型来提供光栅设计参数的调整。本发明的各种实施例可以被配置为在基板上的不同区域中沉积不同的材料或不同的材料成分。例如，沉积过程可以被配置为将HPDLC材料沉积到旨在成为光栅区域的基板区域上并且将单体沉积到旨在成为非光栅区域的基板区域上。在若干实施例中，沉积过程被配置为沉积一层光学记录材料，该层在组分成分上随空间变化，从而允许对沉积材料的各个方面进行调制。具有不同成分的材料的沉积可以以几种不同的方式实现。在许多实施例中，可以使用多于一个沉积头来沉积不同的材料和混合物。每个沉积头可以耦合到不同的材料/混合物储存器。此类实施方式可以被用于各种应用。例如，可以为波导单元格的光栅和非光栅区域沉积不同的材料。在一些实施例中，HPDLC材料沉积在光栅区域上，而只有单体沉积在非光栅区域上。在若干实施例中，沉积机构可以被配置为沉积具有不同组分成分的混合物。
在一些实施例中，可以实现喷嘴以将多种类型的材料沉积到单个基板上。在波导应用中，喷嘴可以被用于为波导的光栅和非光栅区域沉积不同的材料。在许多实施例中，喷射机构被配置用于打印光栅，其中可以使用具有至少两个可选择的喷头的沉积装置来控制材料成分、双折射和/或厚度中的至少一个。在一些实施例中，制造系统提供了一种用于沉积光栅记录材料的装置，该光栅记录材料被优化用于控制激光带。在几个实施例中，制造系统提供了一种用于沉积光栅记录材料的设备，该光栅记录材料被优化用于偏振非均匀性的控制。在若干实施例中，制造系统提供了一种用于沉积与对准控制层相关联的针对偏振非均匀性的控制而优化的光栅记录材料的装置。在多个实施例中，沉积工作单元格可以被配置用于附加层的沉积，诸如分束涂层和环境保护层。喷墨打印头也可以被实现以在基板的不同区域打印不同的材料。
如以上所讨论的，沉积过程可以被配置为沉积在空间上组分成分变化的光学记录材料。材料成分的调制可以以许多不同方式实现。在多个实施例中，喷墨打印头可以被配置为通过利用打印头内的各种喷墨喷嘴来调制材料成分。通过在“逐点”基础上更改成分，可以沉积光学记录材料层，使得其在该层的平面表面上具有变化的成分。可以使用多种装置来实现这种系统，包括但不限于喷墨打印头。类似于彩色系统如何使用只有几种颜色的调色板来产生数百万个离散颜色值的光谱，诸如打印机中的CMYK系统或在显示应用中的加色RGB系统，根据本发明各种实施例的喷墨打印头可以被配置为仅使用几个不同材料的容器来打印具有不同成分的光学记录材料。不同类型的喷墨打印头可以具有不同的精度水平并且可以以不同的分辨率进行打印.在许多实施例中，使用300DPI(“每英寸点数”)喷墨打印头。取决于精度水平，给定数量的材料的不同成分的离散化可以跨给定区域确定。例如，给定两种类型的要打印的材料和精度级别为300DPI的喷墨打印头，对于给定体积的打印材料，如果每个点位置可以包含两种类型的材料中的一种，那么跨1平方英寸两种类型材料的成分比率有90,001个可能的离散值。在一些实施例中，每个点位置可以包含两种材料中的任一种或两种类型的材料。在若干实施例中，多于一个喷墨打印头被配置为打印具有空间变化的成分的光学记录材料层。虽然在双材料应用中点的打印本质上是个二元系统，但跨区域对打印的点求平均可以允许对要打印的两种材料的比率的滑动比例进行离散化。例如，单位正方形内可能的浓度/比率的离散级别的数量由单位正方形内可以打印的点位置的数量给出。照此，可以有一系列不同的浓度组合，范围从100％的第一材料到100％的第二材料。如可以容易地认识到的，这些概念适用于实际单元并且可以由喷墨打印头的精度级别来确定。虽然讨论了调制打印的层的材料成分的具体示例，但是使用喷墨打印头调制材料成分的概念可以扩展到使用多于两种不同的材料储存器，并且精度级别可以有所不同，这在很大程度上取决于使用的打印头的类型。
由于若干原因，改变打印材料的成分可以是有利的。例如，在许多实施例中，在沉积期间改变材料的成分可以允许形成具有光栅的波导，该光栅具有跨光栅的不同区域的空间变化的衍射效率。在使用HPDLC混合物的实施例中，这可以通过在打印过程期间调制HPDLC混合物中液晶的相对浓度来实现，这产生了当材料暴露时可以产生具有不同衍射效率的光栅的组合物。在若干实施例中，具有一定液晶浓度的第一HPDLC混合物和不含液晶的第二HPDLC混合物用作喷墨打印头中的印刷调色板，用于调制可以在打印的材料中形成的光栅的衍射效率。在此类实施例中，可以基于喷墨打印头的精度来确定离散化。离散级别可以由跨特定区域打印的材料的浓度/比率给出。在这个示例中，离散级别的范围从第一PDLC混合物中没有液晶到液晶的最大浓度。
改变跨波导的衍射效率的能力可以被用于各种目的。波导通常被设计为通过在波导的两个平面表面之间多次反射光来在内部引导光。这些多次反射可以允许光路与光栅多次交互。在许多实施例中，材料层可以用不同的材料成分打印，使得形成的光栅具有空间变化的衍射效率，以补偿与光栅交互期间的光损失，从而允许均匀的输出强度。例如，在一些波导应用中，输出光栅被配置为在一个方向上提供出瞳扩展，同时还将光耦合出波导。输出光栅可以被设计为使得当波导内的光与光栅交互时，只有一部分光被折射出波导。其余部分继续在同一光路中，保留在TIR内并继续在波导内反射。在再次与同一输出光栅进行第二次交互后，另一部分光被折射出波导。在每次折射期间，仍在波导内行进的光量减少折射出波导的量。照此，在每次交互时折射的部分在总强度方面逐渐降低。通过改变光栅的衍射效率，使得其随着传播距离的增加而增加，可以补偿沿着每次交互的输出强度的降低，从而允许均匀的输出强度。
改变衍射效率也可以被用于补偿波导内光的其它衰减。所有物体都有一定程度的反射和吸收。在波导内被TIR俘获的光在波导的两个表面之间不断反射。取决于构成表面的材料，在每次交互期间，光的部分可以被材料吸收。在许多情况下，这种衰减小，但在跨发生许多反射的大面积上会很大。在许多实施例中，波导单元格可以用不同的成分打印，使得由光学记录材料层形成的光栅具有不同的衍射效率以补偿来自基板的光的吸收。取决于基板，某些波长可以更容易被基板吸收。在多层波导设计中，每一层可以被设计为耦合特定范围的光波长。因而，由这些单独的层耦合的光可以被层的基板以不同的量吸收。例如，在多个实施例中，波导由三层堆叠制成以实现全色显示，其中每一层被设计用于红色、绿色和蓝色中的一种。在此类实施例中，每个波导层内的光栅可以被形成为具有不同的衍射效率，以通过补偿由于某些波长的光的传输损失而引起的颜色不平衡来执行颜色平衡优化。
除了改变材料内的液晶浓度以改变衍射效率之外，另一种技术包括改变波导单元格的厚度。这可以通过使用间隔物来实现。在许多实施例中，间隔物分散在整个光学记录材料中，用于在波导单元的构造期间进行结构支撑。在一些实施例中，不同尺寸的间隔物分散在整个光学记录材料中。间隔物可以在光学记录材料层的一个方向上按照尺寸的升序分散。当通过层压构造波导单元格时，基板将光学记录材料夹在中间，并在不同尺寸的间隔物的结构支撑下形成楔形光学记录材料层。与上述调制过程类似，可以分散不同尺寸的间隔物。此外，调制间隔物尺寸可以与材料成分的调制相结合。在若干实施例中，每个都悬挂有不同尺寸的间隔物的HPDLC材料的储存器被用于打印具有不同尺寸的间隔物的HPDLC材料层，这些间隔物被策略性地分散以形成楔形波导单元格。在多个实施例中，通过提供与不同尺寸的间隔物的数量和所使用的不同材料的数量的乘积相等的储存库数量，将间隔物尺寸调制与材料成分调制相结合。例如，在一个实施例中，喷墨打印头被配置为打印具有两种不同间隔物尺寸的不同浓度的液晶。在这种实施例中，可以制备四个储存器：具有第一尺寸的间隔物的无液晶混合悬浮液、具有第二尺寸的间隔物的无液晶混合悬浮液、具有第一尺寸的间隔物的富含液晶的混合悬浮液，以及具有第二尺寸的间隔物的富含液晶的混合悬浮液。关于材料调制的进一步讨论可以在2018年11月18日提交的标题为“SYSTEMS ANDMETHODS FOR MANUFACTURING WAVEGUIDE CELLS”的美国申请No.16/203,071中找到。美国申请No.16/203,491的公开内容出于所有目的通过引用整体并入本文。
多层波导制造
根据本发明各种实施例的波导制造可以被实现用于制造多层波导。多层波导是指一类利用具有光栅或其它光学结构的两层或多层波导。虽然下面的讨论可以与光栅有关，但是可以适当地实现和替换任何类型的全息光学结构。多层波导可以被实现用于各种目的，包括但不限于改善光谱和/或角带宽。传统上，多层波导是通过堆叠和对准具有单个光栅层的波导来形成的。在此类情况下，每个光栅层通常由一对透明基板界定。为了维持期望的全内反射特点，通常使用间隔物堆叠波导以在各个波导之间形成气隙。
与传统的堆叠波导相比，本发明的许多实施例针对制造具有交替基板层和光栅层的多层波导。此类波导可以用迭代过程制造，该过程能够为单个波导顺序地形成光栅层。在若干实施例中，多层波导用两个光栅层制造。在多个实施例中，多层波导用三个光栅层制造。可以形成任何数量的光栅层，受限于所使用的工具和/或波导设计。与传统的多层波导相比，由于需要更少的基板，因此这允许减少厚度、材料和成本。此外，由于简化了对准和基板匹配要求，这种波导的制造过程允许更高的产量。
根据本发明各种实施例的具有交替透明基板层和光栅层的多层波导的制造过程可以使用多种技术来实现。在许多实施例中，制造过程包括将第一层光学记录材料沉积到第一透明基板上。光学记录材料可以包括各种材料和混合物，包括但不限于HPDLC混合物和以上各小节中讨论的任何材料配方。类似地，可以使用多种沉积技术中的任何一种，诸如但不限于喷涂、旋涂、喷墨印刷和以上各小节中描述的任何技术。可以使用各种形状、厚度和材料的透明基板。透明基板可以包括但不限于玻璃基板和塑料基板。取决于应用，透明基板可以涂覆有不同类型的薄膜用于各种用途。一旦完成沉积过程，就可以将第二透明基板放置在沉积的第一层光学记录材料上。在一些实施例中，该过程包括层压步骤以将三层复合材料形成为期望的高度/厚度。可以实现曝光过程以在光学记录材料的第一层内形成一组光栅。可以使用曝光过程，诸如但不限于单波束干涉曝光和以上各小节中描述的任何其它曝光过程。本质上，现在形成了单层波导。然后可以重复该过程以向波导添加附加层。在若干实施例中，第二层光学记录材料被沉积到第二透明基板上。第三透明基板可以放置到第二层光学记录材料上。与前面的步骤类似，可以将复合材料层压到期望的高度/厚度。然后可以执行第二曝光过程以在第二层光学记录材料内形成一组光栅。结果是具有两个光栅层的波导。如可以容易地认识到的，该过程可以迭代地继续以添加附加层。附加的光学记录层可以添加到当前层压板的任一侧。例如，可以将第三层光学记录材料沉积到或者第一透明基板或者第三透明基板的外表面上。
在许多实施例中，制造过程包括一个或多个后处理步骤。后处理步骤，诸如但不限于平面化、清洁、保护涂层的施加、热退火、LC指向器的对准以实现期望的双折射状态、从记录的SBG中提取LC并用另一种材料重新填充等，可以在制造过程的任何阶段执行。一些过程，诸如但不限于波导切割(产生多个元件)、边缘精加工、AR涂层沉积、最终保护涂层施加等，通常在制造过程结束时执行。
在许多实施例中，间隔物(诸如但不限于珠子和其它颗粒)分散在整个光学记录材料中，以帮助控制和维持光学记录材料层的厚度。间隔物还可以帮助防止两个基板彼此塌陷。在一些实施例中，波导单元格由夹在两个平面基板之间的光学记录层构成。取决于所使用的光学记录材料的类型，由于一些光学记录材料的粘度和光学记录层的边界的缺乏，可能难以实现厚度控制。在多个实施例中，间隔物是相对不可压缩的固体，这可以允许构造具有一致厚度的波导单元格。间隔物可以采用任何合适的几何形状，包括但不限于棒状和球状。间隔物的尺寸可以确定个体间隔物周围区域的局部最小厚度。照此，可以选择间隔物的维度以帮助获得期望的光学记录层厚度。间隔物可以采用任何合适的尺寸。在许多情况下，间隔物的尺寸范围从1到30μm。间隔物可以由多种材料中的任何一种制成，包括但不限于塑料(例如，二乙烯基苯)、二氧化硅和导电材料。在若干实施例中，间隔物的材料被选择为使得其折射率基本上不影响光在波导单元格内的传播。
在许多实施例中，使用真空填充方法将第一层光学记录材料结合在第一和第二透明基板之间。在多个实施例中，光学记录材料层在不同的区段中分离，可以取决于给定应用的具体要求适当地填充或沉积。在一些实施例中，制造系统被配置为从下方暴露光学记录材料。在此类实施例中，迭代多层制造过程可以包括翻转当前设备，使得曝光光在入射到任何形成的光栅层之前入射到新沉积的光学记录层上。
在许多实施例中，曝光过程可以包括临时“擦除”或使先前形成的光栅层透明，使得它们不会干扰新沉积的光学记录层的记录过程。临时“擦除”的光栅或其它光学结构的行为类似于透明材料，从而允许光通过而不影响射线路径。使用此类技术将光栅记录到光学记录材料层中的方法可以包括制造光学结构的堆叠，其中沉积在基板上的第一光学记录材料层被暴露以形成第一组光栅，该第一组光栅可以被临时擦除，以便可以使用穿过第一光学记录材料层的光学记录波束将第二组光栅记录到第二光学记录材料层中。虽然记录方法主要针对具有两个光栅层的波导进行讨论，但基本原理也可以应用于具有多于两个光栅层的波导。
结合临时擦除光栅结构步骤的多层波导制造过程可以以各种方式实现。通常，第一层是使用常规方法形成的。所使用的记录材料可以包括能够支持可以响应于刺激而被擦除的光学结构的材料系统。在其中光学结构是全息光栅的实施例中，曝光过程可以利用交叉波束全息记录设备。在多个实施例中，光学记录过程使用由主光栅提供的波束，主光栅可以是记录在光聚合物或振幅光栅中的Bragg全息图。在一些实施例中，曝光过程结合主光栅利用单个记录波束以形成干涉曝光波束。除了所描述的过程之外，还可以使用当前在该领域中用于制造全息图的其它工业过程和装置。
一旦记录了第一组光栅，就可以类似于上述过程添加附加的材料层。在第一材料层之后的任何材料层的曝光过程期间，可以对任何先前形成的光栅施加外部刺激以使其有效地透明。有效地透明的光栅层可以允许光通过以暴露新材料层。一个或多个外部刺激可以包括光、热、化学、机械、电和/或磁刺激。在许多实施例中，以低于预定义阈值的强度施加外部刺激以产生低于预定义级别的光学噪声。具体的预定义阈值可以取决于用于形成光栅的材料类型。在一些实施例中，可以使用施加到第一材料层的牺牲对准层来临时擦除第一组光栅。在一些实施例中，控制施加到第一组光栅的外部刺激的强度以在正常操作期间降低光学设备中的光学噪声。在若干实施例中，光学记录材料还包括用于促进擦除光栅的过程的添加剂，这可以包括上述任何方法。在多个实施例中，施加刺激以恢复被擦除的层。
可以使用许多不同的方法来实现上述过程中记录层的清除和恢复。在许多实施例中，通过在记录第二层期间连续施加刺激来清除第一层。在其它实施例中，最初施加刺激，并且被清除的层中的光栅可以在允许记录第二光栅的时间尺度内自然地恢复到其记录状态。在其它实施例中，层在施加外部刺激之后保持被清除并且响应另一个外部刺激而恢复。在若干实施例中，可以使用对准层或外部刺激将第一光学结构恢复到其记录的状态。用于这种恢复的外部刺激可以是多种不同刺激中的任何一种，包括但不限于用于清除光学结构的一个或多个刺激。取决于要被清除的光学结构和层的组成材料，清除过程可以有所不同。关于利用外部刺激的多层波导制造的进一步讨论可以在2019年7月25日提交的标题为“Systems and Methods for Fabricating a Multilayer Optical Structure”的美国申请No.16/522,491中找到。美国申请No.16/522,491的公开内容出于所有目的通过引用整体并入本文。
结合集成光栅的波导
根据本发明各种实施例的波导可以包括不同的光栅配置。在许多实施例中，波导包括至少一个输入耦合器和至少两个集成光栅。在一些实施例中，至少两个集成光栅可以被实现为组合工作，以便为由输入耦合器耦合到波导中的光提供波束扩展和波束提取。多个集成光栅可以通过跨不同光栅层重叠集成光栅或通过多路复用集成光栅来实现。在多个实施例中，集成光栅被部分重叠或多路复用。多路复用的光栅可以包括在同一体积内叠加具有不同光栅规格的至少两个光栅。具有不同光栅规格的光栅可以具有不同的光栅向量和/或相对于波导表面的光栅倾斜。光栅的光栅向量的量值可以被定义为光栅周期的倒数，而其方向可以被定义为与光栅条纹正交的方向。
在若干实施例中，可以实现集成光栅以执行波束扩展和波束提取。集成光栅可以用一个或多个光栅规格来实现。在多个实施例中，集成光栅用至少两个光栅规格来实现。在进一步的实施例中，集成光栅用至少三个光栅规格来实现。在许多实施例中，集成光栅内的两个光栅规格具有相似的时钟角。在一些实施例中，两个光栅规格具有不同的倾斜角。根据本发明各种实施例的集成光栅可以使用多种类型的光栅来实现，诸如但不限于SRG、SBG、全息光栅和其它类型的光栅，包括在以上各小节中描述的那些。在多个实施例中，集成光栅包括两个表面浮雕光栅。在其它实施例中，集成光栅包括两个全息光栅。
集成光栅可以包括至少部分重叠或多路复用的至少两个光栅规格。在进一步的实施例中，集成光栅包括完全重叠或多路复用的至少两个光栅规格。在多个实施例中，集成光栅包括具有不同尺寸和/或形状的多路复用或重叠光栅-即，一个光栅可以比另一个大，从而导致较大光栅的仅部分多路复用。如可以容易地认识到的，可以根据给定应用的具体要求适当地实现各种多路复用和重叠配置。虽然下面的讨论可以将配置描述为实现多路复用或重叠的光栅，但取决于应用，此类光栅可以适当地彼此替代。在若干实施例中，集成光栅由多路复用光栅和重叠光栅的组合实现。例如，两组或更多组多路复用的光栅可以跨两个或更多个光栅层重叠。
根据本发明各种实施例的集成光栅可以用于各种目的，包括但不限于实现全色波导和解决常规波导体系架构中的一些关键问题。其它优点包括减少的材料和波导折射率要求以及由于集成光栅的重叠和/或多路复用性质而导致的波导维度减小。此类配置可以允许大视场波导，这通常会招致波导形状因数和折射率要求的不可接受的增加。在许多实施例中，波导用至少一个具有低折射率的基板来实现。在一些实施例中，波导用折射率低于1.8的基板来实现。在进一步的实施例中，波导用具有不超过～1.5的折射率的基板来实现。
可以提供波束扩展和波束提取的集成光栅-即，常规折叠和输出光栅的功能-可以产生小得多的光栅面积，从而实现小形状因数和更低的制造成本。通过集成波束扩展和提取的功能，而不是像传统波导那样串行执行它们，波束扩展和提取可以在通常需要的光栅交互的～50％的情况下完成，在双折射的情况下以相同的比例减少雾度光栅。另一个优点是，由于光路大大缩短，(一个或多个)玻璃/空气界面处的波束反弹次数减少，从而使输出图像对基板不均匀性不那么敏感。这可以实现更高质量的图像，并有可能使用更便宜、更低规格的基板。
在许多实施例中，输入耦合器和集成光栅的光栅向量被布置为提供基本上为零的结果向量。输入耦合器和集成光栅的光栅向量可以被布置为形成三角形配置。在若干实施例中，光栅向量可以布置在等边三角形配置中。在一些实施例中，光栅向量可以布置在等腰三角形配置中，其中至少两个光栅向量具有相等的量值。在进一步的实施例中，光栅向量布置在等腰直角三角形配置中。在多个实施例中，光栅向量布置在不等边三角形配置中。另一种波导体系架构包括集成衍射元件，其光栅向量在同一方向上对准，用于为一组角度提供水平扩展，并为一组单独的角度提供提取。在若干实施例中，集成光栅中的一个或多个在它们的总体形状上是不对称的。在一些实施例中，集成光栅中的一个或多个在它们的总体形状上具有至少一个对称轴。在多个实施例中，光栅被设计为夹在电活性材料之间，使得能够在诸如但不限于HPDLC光栅的某些类型的光栅的清晰和衍射状态之间切换。光栅可以是表面浮雕或全息类型。
在许多实施例中，实现了支持至少一个输入耦合器以及第一和第二集成光栅的波导。光栅结构可以在单层或多层波导设计中实现。在单层设计中，集成光栅可以被多路复用。在每个集成光栅包含至少两个多路复用的光栅的实施例中，多路复用的集成光栅可以包含至少四个多路复用的光栅。如上所述，任何个体多路复用的光栅都可以与其它光栅部分或完全地多路复用。在一些实施例中，用重叠的集成光栅实现多层波导。在进一步的实施例中，集成光栅是部分重叠的。每个集成光栅可以是分开的光栅或多路复用的光栅。
在许多实施例中，波导体系架构被设计为使用输入耦合器将输入光耦合到两条分叉路径中。此类配置可以以各种方式实现。在一些实施例中，实现多路复用的输入光栅以将输入光耦合到两条分叉路径中。在其它实施例中，实现两个输入光栅以将输入光分别耦合到两条分叉路径中。两个输入光栅可以在同一层中实现，或者可以在两层中分开实现。在多个实施例中，实现两个重叠或部分重叠的输入光栅以将输入光耦合到两条分叉路径中。在许多实施例中，输入耦合器包括棱镜。在进一步的实施例中，输入耦合器包括棱镜和上述任何输入光栅配置。
除了各种输入耦合器体系架构之外，第一和第二集成光栅还可以以各种配置实现。根据本发明各种实施例的集成光栅可以结合到波导中以执行二维波束扩展和波束提取的双重功能。在若干实施例中，第一和第二集成光栅是交叉光栅。如上所述，一些波导体系架构包括输入光耦合到两条分叉路径中的设计。在此类设计中，两条分叉路径各自指向不同的集成光栅。如可以容易地认识到的，此类配置可以被设计为基于各种光特点(包括但不限于角和光谱带宽)将输入光分叉。在一些实施例中，光可以基于偏振态被分叉-例如，输入的非偏振光可以被分叉到S和P偏振路径中。在许多实施例中，集成光栅中的每一个根据传播通过波导的视场部分或者在第一方向上执行波束扩展或者在与第一方向不同的第二方向上执行波束扩展。第一和第二方向可以彼此正交。在其它实施例中，第一和第二方向彼此不正交。每个集成光栅可以提供光在第一维度上的扩展，同时将光朝着另一个集成光栅指引，这提供了光在第二维度上的扩展和提取。例如，根据本发明各种实施例的许多光栅体系架构包括用于将输入光分叉成光的第一和第二部分的输入配置。第一集成光栅可以被配置为在第一方向上为光的第一和第二部分提供波束扩展并且为光的第二部分提供波束提取。相反，第二集成光栅可以被配置为在第二方向上为光的第一和第二部分提供波束扩展并且为光的第一部分提供波束提取。
在多个实施例中，第一集成光栅包括多路复用的第一和第二光栅规格，并且第二集成光栅包括多路复用的第三和第四光栅规格。在此类实施例中，第一光栅规格可以被配置为在第一方向上为光的第一部分提供波束扩展并且将扩展的光重定向到第四光栅规格。第二光栅规格可以被配置为在第一方向上为光的第二部分提供波束扩展并且将光提取出波导。第三光栅规格可以被配置为在第二方向上为光的第二部分提供波束扩展并且将扩展的光重定向到第二光栅规格。第四光栅规格可以被配置为在第二方向上为光的第一部分提供波束扩展并且将光提取出波导。如可以容易地认识到的，集成光栅可以用重叠的光栅规格而不是多路复用的光栅规格来实现。在许多实施例中，第一和第二光栅规定具有相同的时钟角但不同的光栅倾斜。在一些实施例中，第三和第四光栅规格具有相同的时钟角，这不同于第一和第二光栅规格的时钟角。在多个实施例中，第一、第二、第三和第四光栅规格都具有不同的时钟角。在若干实施例中，第一、第二、第三和第四光栅规定都具有不同的光栅周期。在多个实施例中，第一和第三光栅规格具有相同的光栅周期，并且第二和第四光栅规格具有相同的光栅周期。
图1概念性地图示了根据本发明实施例的波导显示器。如图所示，装置100包括支撑输入光栅102和光栅结构103的波导101。每个光栅可以用光栅向量来表征，该光栅向量定义了波导平面中光栅条纹的方向。光栅也可以用3D空间中的K向量来表征，在Bragg光栅的情况下，它被定义为垂直于光栅条纹的向量。波导反射表面平行于插入图中的笛卡尔参考系的XY平面。在一些实施例中，X和Y轴可以与显示器的用户的参考系中的全局水平和垂直轴对应。
在图1的说明性实施例中，输入光栅102包括Bragg光栅104。在其它实施例中，输入光栅102是表面浮雕光栅。输入光栅102可以被实现为将输入光分叉成两个不同的部分。在进一步的实施例中，输入光栅102包括具有不同光栅规格的两个多路复用的光栅。在其它实施例中，输入光栅102包括两个覆盖的表面浮雕光栅。光栅结构103包括具有不同光栅向量的两个有效光栅105，106。光栅105、106可以是作为表面浮雕光栅或体光栅实现的集成光栅。在许多实施例中，光栅105、106在单层中被多路复用。在若干实施例中，波导101通过在光栅结构中覆盖多于两个分离的光栅而跨光栅结构103的所有点提供两个有效光栅。为了清楚起见，形成光栅结构103的光栅105、106将被称为第一和第二集成光栅，因为它们在光栅结构中的作用包括通过改变波导平面中的引导波束的方向来提供波束扩展，和波束提取。在各种实施例中，集成光栅105、106执行二维波束扩展和从波导101中提取光。耦合到波导中的视场可以被分区成第一和第二部分，它们可以被输入光栅102照此分叉。在许多实施例中，第一和第二部分垂直或水平地与正角和负角对应。在一些实施例中，第一和第二部分可以在角度空间中重叠。在多个实施例中，视场的第一部分由第一集成光栅在第一方向上扩展，并且在并行操作中，由第二集成光栅在第二方向上扩展并提取。当射线与光栅条纹交互时，一些满足Bragg条件的光被衍射，而非衍射光沿着其TIR路径前进到下一个条纹，继续扩展和提取过程。接下来考虑视场的第二部分，光栅的作用反转，使得视场的第二部分被第二集成光栅在第二方向上扩展，并且被第一集成光栅在第一方向上扩展并提取。
在许多实施例中，光栅结构103中的集成光栅105、106可以不对称地部署。在一些实施例中，集成光栅105、106具有不同量值的光栅向量。在若干实施例中，输入光栅102可以具有偏离Y轴的光栅向量。在多个实施例中，期望输入光栅102的光栅向量和光栅结构103中的集成光栅105、106的向量组合给出量值基本为零的结果向量。如上所述，光栅向量可以布置在等边、等腰或不等边三角形配置中。取决于应用，某些配置可以更期望。
在许多实施例中，选自光栅向量方向、K-向量方向、光栅折射率调制和光栅空间频率的至少一个光栅参数可以跨至少一个在波导中实现的光栅在空间上变化，其目的是优化角带宽、波导效率和输出均匀性以增加角响应和/或效率。在一些实施例中，在波导中实现的光栅中的至少一个可以采用滚动K向量-即，空间变化的K向量。在若干实施例中，匹配(一个或多个)光栅的空间频率以克服色散。
图1的装置100还包括输入图像生成器。在说明性实施例中，输入图像生成器包括激光扫描投影仪107，其在通过输入光栅102耦合到波导中的全内反射路径(TIR路径)(例如，108A、108B)的视场上提供扫描波束107A，并被朝着集成光栅105、106指引以被扩展和提取(例如，如射线109A、109B所示)。在一些实施例中，激光投影仪107被配置为将被扫描的波束注入到波导中。在若干实施例中，激光投影仪107可以具有被修改以补偿波导中的光学变形的扫描图案。在多个实施例中，可以修改输入光栅102和光栅结构103中的激光扫描图案和/或光栅规格以克服照明条带化。在各种实施例中，激光扫描投影仪107可以由基于由激光或LED照亮的微型显示器的输入图像生成器代替。在许多实施例中，输入图像可以由发射显示器提供。激光投影仪可以提供改进的色域、更高的亮度、更宽的视场、高分辨率和非常紧凑的外形等优点。在一些实施例中，装置100还可以包括去斑器。在进一步的实施例中，去斑器可以被实现为波导设备。虽然图1示出了实现集成光栅的特定波导应用，但此类结构和光栅体系架构可以用于各种应用。在多个实施例中，具有集成光栅的波导可以在用于全色应用的单个光栅层中实现。在许多实施例中，实现了实现集成光栅的多于一个光栅层。可以实现此类配置以提供更宽的角或频谱带宽操作。在一些实施例中，实现多层波导以提供全色应用。在若干实施例中，实现多层波导以提供更宽的视场。在许多实施例中，使用集成光栅实现具有至少～50°对角线视场的全色波导。在一些实施例中，使用集成光栅实现具有至少～100°对角线视场的全色波导。
图2概念性地图示了根据本发明实施例的具有两个蓝-绿衍射波导和两个绿-红衍射波导的彩色波导显示器。图2示意性地图示了具有类似于图1的体系架构但包括使用四个堆叠波导201A-201D的装置200，包括两个蓝-绿衍射波导和两个绿-红衍射波导。如图所示，装置200包括提供扫描波束202A-202D的激光扫描投影仪202。在说明性实施例中，提供每个色带的波导可以被配置为传播不同的视场部分。例如，在一些实施例中，当两个视场结合时，在给定色带中操作的每个波导提供35°h×35°v(50°对角线)的视场，从而为每个色带产生70°h×35°v(78°对角线)视场。在许多实施例中，可以使用红色、绿色和蓝色激光发射器生成扫描波束，其中从红色、绿色和蓝色中选择的两种激光波长的每一种光都根据要由波导传播的色带注入每个波导中。可以调制激波束强度，其目的是色彩平衡。堆叠的波导可以以任何次序布置。在若干实施例中，诸如但不限于颜色串扰的因素的考虑会影响堆叠次序。在多个实施例中，一个波导的集成光栅与另一个波导的集成光栅部分或完全重叠。如上所述，集成光栅可以以各种配置实现。在一些实施例中，集成光栅跨多于一个光栅层实施。在若干实施例中，每个集成光栅包括两个多路复用的光栅规格。
在许多实施例中，用于组合用于多于一个视场或色带的波导路径的光学几何要求可以规定在(一个或多个)输入光栅和集成光栅中使用的光栅的不对称布置。换句话说，输入光栅和集成光栅的光栅向量不是等边部署也不是绕Y轴对称部署。
虽然图1和2示出了波导体系架构的特定配置，但可以根据给定应用的特定要求适当地实现各种结构。在一些实施例中，六层波导被被实现用于全色应用。六层波导可以用三对层来实现，这些层分别被配置用于红色、绿色和蓝色的色带。在此类实施例中，每对中的波导可以被配置用于不同的视场部分。
在一些实施例中，为了执行波束扩展和提取，波导被设计为使得射线与光栅结构的每个交互点发生在重叠有效光栅的区域中。在非完全重叠的光栅配置中，光栅结构将具有其中第一和第二有效光栅仅部分重叠的区域，使得一些射线仅与有效光栅中的一个交互。在许多实施例中，光栅结构由两个多路复用的光栅形成。图3A中所示的多路复用的光栅300中的第一个将第一有效光栅301与具有不同有效光栅向量(或时钟角)的光栅302多路复用。图3B中所示的第二多路复用的光栅310将第二有效光栅311与具有不同有效光栅向量的光栅312多路复用。图3A-3B旨在图示多路复用的光栅的相对朝向，并且不表示所实现的光栅形状。在一些实施例中，光栅301、302和311、312的形状可以彼此不同。在图3A-3B的实施例中，第二多路复用的光栅的光栅向量(时钟角)与第一多路复用的光栅的第一光栅向量相同。同样，第一多路复用的光栅的光栅向量与第二多路复用的光栅的第二光栅向量完全相同。现在转向图3C，显然，当光栅重叠320时，在有效光栅的光栅结构中的任何点(例如，在部分重叠的区域-在图3C中用标号2-4标记)有两个不同时钟角的光栅。在有效光栅的完全重叠区域(在图3C中用标号1标记)，将有四个光栅在光栅结构中的任何点重叠。但是，在此类区域中，每对具有相同时钟角的光栅仅导致两个重叠的有效光栅。从以上描述中应当认识到的是，在许多实施例中，两对多路复用的光栅可以被实现为由四个光栅301、302和311、312组成的一个多路复用的光栅。
图4A-4C示意性地图示了根据本发明实施例的通过具有输入光栅401和两个集成光栅402、403的光栅结构400的射线传播。使用展开的射线路径说明射线传播，以阐明射线和光栅之间的交互。如图4A的示意图中所示，来自FOV的第一部分的光示出了通过输入光栅401耦合到波导中的TIR路径的射线404A、通向第一集成光栅402的TIR射线405A、被第一集成光栅403(其还提供第一方向上的波束扩展)衍射的TIR射线406A，以及被第二集成光栅403(其还提供第二方向上的波束扩展)衍射出波导的射线407A。现在转向FOV的第二部分的传播，如图4B中所示，射线路径包括通过输入光栅401耦合到波导中的TIR路径中的射线404B、通向第二集成光栅403的TIR射线405B、被第二集成光栅403(其还提供第二方向上的波束扩展)衍射的TIR射线406B和被第一集成光栅402(其还提供第一方向上的波束扩展)衍射出波导的TIR射线407B。图4C示出了图4A-4B的组合路径，其中覆盖有集成光栅。图4C还示出了集成光栅沿着射线的路径的部分重叠性质。如可以容易地认识到的，可以根据给定应用的具体要求适当地修改此类配置。可以使用各种形状的光栅。集成光栅可以包括两个多路复用的光栅，一个提供传统折叠光栅的功能，另一个类似于传统输出光栅用于提取光。单个集成光栅内的两个多路复用的光栅中的每一个可以被配置为充当于由输入配置分叉的光的不同部分。在多个实施例中，单个集成光栅内的两个多路复用的光栅可以具有不同的形状-即，一个或两个光栅的某些区域不被多路复用。在一些实施例中，对于单个集成光栅，多路复用多于两个光栅。在许多实施例中，集成光栅在单个光栅层中被多路复用。在若干实施例中，集成光栅被完全多路复用或重叠。在其它实施例中，只有集成光栅的部分被多路复用重叠。
如上所述，可以使用光栅向量来描述和可视化包括那些实现集成光栅的光栅体系架构。在许多实施例中，可以表示传统输入、折叠和输出功能的三个光栅向量可以用基本上为零的结果向量来实现。图5A概念性地图示了根据本发明实施例的具有基本上为零的结果向量的光栅向量配置。如图所示，配置500包括分别表示为k1、k2和k3的三个光栅向量501-503。对于三个光栅向量，具有基本为零的结果向量的配置可以提供各种三角形配置，诸如但不限于等边三角形、等腰三角形和不等边三角形。在使用集成光栅的体系架构的情况下，可以可视化不止一种三角形配置。图5B概念性地图示了一个这样的实施例。如图所示，配置510说明了两种三角形配置。一种三角形配置由光栅向量k1、k2和k3(511-513)形成，第二种配置由光栅向量k1、k4和k5(511、514和515)形成。在说明性实施例中，光栅向量k1表示输入耦合器的功能，光栅向量k2和k5表示第一集成光栅的功能，而光栅向量k4和k3表示第二集成光栅的功能。
在许多实施例中，所实现的光栅向量配置可以包括各种三角形配置。通常，光栅向量的量值可以规定结果所得的三角形配置。在一些实施例中，实现等边三角形配置，其中所有光栅向量具有相似或基本相似的量值。在实现集成光栅的情况下，该配置可以包括两种三角形配置。在多个实施例中，光栅向量配置包括至少一个等腰三角形，其中光栅向量中的至少两个具有相似或基本相似的量值。图5C概念性地图示了根据本发明实施例的具有两个等腰三角形的光栅向量配置。如图所示，由于光栅向量k2-k5具有相似的量值，因此配置520形成两个等腰三角形。在若干实施例中，光栅配置包括至少一个不等边三角形。图5D概念性地图示了根据本发明实施例的具有两个不等边三角形的光栅向量配置。如图所示，配置530形成两个不等边三角形。在说明性实施例中，两个不等边三角形是镜像的-即，光栅向量k2与k4的量值相等，并且光栅向量k3与k5的量值相等。图5E概念性地图示了根据本发明实施例的具有两个不同的不等边三角形的光栅向量配置。如图所示，配置540包括两个不同的不等边三角形，其光栅向量k2-k5具有不同的量值。
虽然图5A-5E图示了特定的光栅向量配置，但是可以根据给定应用的特定要求适当地实现各种其它配置。例如，在一些实施例中，输入耦合器被实现为具有两个不同的光栅向量。这种配置利用具有两个不同光栅规格的输入光栅，其可以使用重叠或多路复用的光栅规格来实现。在图5B-5E所示的实施例中，所示的配置可以是由于集成光栅的实现。在许多实施例中，光栅向量k2和k5表示第一集成光栅的功能，而光栅向量k4和k3表示第二集成光栅的功能。在若干实施例中，每个光栅向量ki表示不同的光栅规格。例如，根据本发明各种实施例的许多光栅体系架构可以实现集成光栅，每个光栅包含两个不同的光栅规格。在此类情况下，光栅向量k2和k5可以分别表示第一集成光栅的两种不同光栅规格，光栅向量k4和k3可以分别表示第二集成光栅的两种不同光栅规格。
图6概念性地图示了根据本发明实施例的具有输入光栅和集成光栅的光栅体系架构600的示意性平面图。如图所示，光栅体系架构600包括输入耦合器601。输入耦合器601可以是Bragg光栅或表面浮雕光栅。在许多实施例中，输入耦合器601包括至少两个光栅。在此类实施例中，各个输入光栅可以被配置为耦合输入光的不同部分，这可以基于角度或光谱特点。在一些实施例中，输入耦合器601包括两个重叠的光栅。在其它实施例中，输入耦合器601包括两个多路复用的光栅。光栅体系架构600还包括第一(粗线)和第二(虚线)集成光栅。在说明性实施例中，第一集成光栅包括具有第一光栅规格的第一光栅602和具有第二光栅规格的第二光栅603。如图所示，第二光栅603小于第一光栅602并且可以在第一光栅602的体积内完全多路复用。在一些实施例中，第一和第二光栅602、603跨不同的光栅层重叠。在若干实施例中，第一和第二光栅602、603彼此相邻或几乎相邻并且既不重叠也不多路复用。在多个实施例中，第一和第二光栅602、603具有相同的时钟角但不同的光栅规格。
在许多实施例中，第一集成光栅的配置以类似于第二集成光栅的方式被应用但绕轴翻转。例如，图6中的说明性实施例示出了具有形状分别与第一和第二光栅602、603对应的第三604和第四605光栅的第二集成光栅。第三光栅604具有第三光栅规格，而第四光栅605具有第四光栅规格。类似于第一集成光栅，第三和第四光栅604、605可以具有相同的时钟角但不同的光栅规格。在多个实施例中，第一和第二光栅602、603以不同于第三和第四光栅604、605的角度计时。再次，第三和第四光栅604、605的重叠和多路复用性质可以以与第一和第二光栅602、603类似的方式实现。
在图6的说明性实施例中，第一和第三集成光栅彼此部分重叠，使得第二和第四光栅603、605也部分重叠。在说明性实施例中，第二和第四光栅603、605在第一和第三光栅602、604内多路复用，照此，波导体系架构包括区域606，其中四个光栅规格都处于活动状态。在第一和第二集成光栅在单层中实现的实施例中，区域606将包含四个多路复用的光栅。在其它实施例中，第一和第二集成光栅跨不同的光栅层实现。
在操作期间，入射到输入光栅601上的输入光可以被分叉为在波导内的TIR路径中行进的光的两个部分。一个部分可以指向第一光栅602，而另一个部分可以指向第三光栅604。第一光栅602可以被配置为在第一方向上为入射光提供波束扩展并且将入射光重定向到第四光栅605。第四光栅605可以被配置为在第二方向上为入射光提供波束扩展并且将光提取出波导。另一方面，第三光栅604可以被配置为在第二方向上为入射光提供波束扩展并且将入射光重定向到第二光栅603。第二光栅603可以被配置为在第一方向上为入射光提供波束扩展并且将光提取出波导。
图7示出了概念性地图示根据本发明实施例的显示图像的方法的流程图。参考流程图，方法700包括提供(701)支撑输入光栅、第一集成光栅和第二集成光栅的波导。在许多实施例中，第一集成光栅与第二集成光栅部分重叠。在一些实施例中，集成光栅完全重叠。第一和第二集成光栅可以包括不同K向量光栅的多路复用对。第一视场部分可以经由输入光栅耦合(702)到波导中并且指向第一集成光栅。第二视场部分可以经由输入光栅耦合(703)到波导中并且指向第二集成光栅。可以使用第一集成光栅在第一方向上扩展(704)光的第一视场部分。光的第一视场部分可以使用第二集成光栅在第二方向上扩展并且从波导中提取(705)。可以使用第二集成光栅在第二方向(706)上扩展光的第二视场部分。可以使用第一集成光栅在第一方向上扩展光的第二视场部分并从波导提取(707)。
如以上各小节中所述，集成光栅可以以多种不同方式实现。在许多实施例中，集成光栅由具有相同时钟角但不同光栅规格的两个光栅实现。在进一步的实施例中，两个光栅被多路复用。图8示出了概念性地图示根据本发明实施例的利用包含多个光栅的集成光栅来显示图像的方法的流程图。参考流程图，方法800包括提供(801)支撑输入光栅、具有第一时钟角的第一和第二光栅以及具有第二时钟角的第三和第四光栅的波导，其中第一和第三光栅至少部分重叠。在许多实施例中，第一集成光栅与第二集成光栅部分重叠。在一些实施例中，集成光栅完全重叠。第一和第二集成光栅可以包括不同K向量光栅的多路复用对。第一视场部分可以经由输入光栅耦合(802)到波导中并且指向第一光栅。第二视场部分可以经由输入光栅耦合(803)到波导中并且指向第三光栅。可以使用第一光栅在第一方向上扩展(804)第一视场部分光并朝着第四光栅重定向。光的第一视场部分可以使用第四光栅在第二方向上扩展并且从波导中提取(805)。可以使用第三光栅在第二方向上扩展(806)第二视场部分光并且朝着第二光栅重定向。光的第二视场部分可以在第一方向上扩展并使用第二光栅从波导中提取(807)。
虽然图6-8图示了显示图像的特定波导配置和方法，但是根据本发明各种实施例可以实现许多不同的方法。例如，在一些实施例中，使用多于一个输入光栅。在其它实施例中，输入配置包括棱镜。此类方法和实现的波导也可以被配置为提高性能和/或提供各种不同功能。在许多实施例中，波导装置包括至少一个具有空间变化的节距的光栅。在一些实施例中，每个光栅具有固定的K向量。在多个实施例中，光栅中的至少一个是根据在引用的参考文献中公开的实施例和教导的滚动k向量光栅。滚动K向量可以允许扩展光栅的角带宽，而无需减小光栅厚度或使用多个光栅层。在一些实施例中，滚动K向量光栅包括波导部分，该波导部分包含具有不同对准的K向量的离散光栅元件。在一些实施例中，滚动K向量光栅包括包含单个光栅元件的波导部分，K向量在该单个光栅元件内在方向上经历平滑的单调变化。在所描述的其中一些实施例中，滚动K向量光栅被用于将光输入到波导中。在一些实施例中，具有两个集成光栅的波导可以被实现为单层或多层波导。在若干实施例中，用多于两个集成光栅实现多层波导。如可以容易地认识到的，所实现的特定体系架构和配置可以取决于多个不同的因素。在一些实施例中，输入光栅相对于集成光栅的位置可以由各种因素规定，包括但不限于投影仪起伏和输入光瞳直径和聚散度。在许多应用中，期望最小化输入光栅和集成光栅之间的距离以提供具有小形状因数的波导。填充眼框所需的场射线角度路径通常决定波导高度。在许多情况下，波导的高度随着投影仪起伏非线性地增长。在一些实施例中，光瞳直径对波导的覆盖区没有显著影响。会聚或发散光瞳可以被用于减少输入光栅上任何位置的局部角度响应。
在一些实施例中，所实现的波导配置可以取决于输入图像生成器/投影仪的配置。图9概念性地图示了根据本发明实施例的实现集成光栅的两个重叠波导部分的剖面图900。在说明性实施例中，两层波导被设计用于用会聚投影仪光瞳输入波束(由射线901指示)实现的高视场应用。如图所示，该装置包括包含具有第一组两个集成光栅的第一光栅层903的第一波导902和包含具有第二组两个集成光栅的第二光栅层905的第二波导904，第二组两个集成光栅与第一组两个集成光栅部分重叠。具有集成光栅的光栅层903、905可以根据以上各小节中讨论的原理操作。来自波导的输出波束一般由与眼框907相交的射线906指示。在图示的实施例中，眼框具有10.5mmx9.5mm的维度，13.5mm的眼距，以及12mm的激光投影仪与波导分离。如可以容易地认识到的，此类维度和规范可以根据给定应用的要求专门定制。
图10概念性地图示了根据本发明实施例的具有两组集成光栅的光栅体系架构的示意性平面图1000。如图所示，光栅配置包括第一和第二输入光栅1001、1002，形成由阴影区域指示的组合输入光栅区域1003。在一些实施例中，每个输入光栅包括一组多路复用或重叠的光栅。光栅配置还包括具有第一和第二集成光栅1004、1005的第一组光栅结构和具有第三和第四集成光栅1006、1007的第二组光栅结构。在说明性实施例中，每组集成光栅的形状和部署是不对称的。可以根据若干因素适当地实现此类配置。在图10的实施例中，可以实现不对称光栅体系架构以用于会聚投影仪光瞳配置的操作，诸如图9中所示的配置。此外，可以为不同应用实现和调谐不同的光栅特点。图11概念性地图示了根据本发明实施例的对于在不同视场角处发生的衍射的波导的衍射效率与角度的关系图1100。如图所示，波导被调谐为具有三个不同的峰衍射效率，两个不同的峰1101、1102用于“折叠”交互，一个1103用于“输出”。在一些实施例中，光在光栅内经历双重交互。此类光栅可以被设计为对两种不同的入射角具有高衍射效率。返回到图10，第一组和第二组光栅结构可以被实现为部分重叠的结构，形成如阴影区域所指示的组合输出光栅区域1008。眼框1009覆盖在绘图上并由深色阴影区域指示。在说明性实施例中，波导装置被配置为提供120度对角线的FOV。如图9-10中所示，在一些实施例中，提供120度对角线FOV的显示器可以配置有12mm的投影仪到波导距离和13.5mm的眼距，这与许多眼镜插件兼容。在一些实施例中，显示器提供10.5mmx9.5mm的眼框，这可以提供容易的耐磨性。图12示出了这种波导的观察几何形状。如可以容易地认识到的，图10所示的光栅配置可以在各种波导体系架构中实现。在一些实施例中，两组输入光栅和两组光栅结构都在单个光栅层中实现，重叠部分被多路复用。在若干实施例中，第一输入光栅和第一组光栅结构在第一光栅层中实现，而第二输入光栅和第二组光栅结构在第二光栅层中实现。在多个实施例中，跨四个光栅层实现第一、第二、第三和第四集成光栅。
图13概念性地图示了根据本发明实施例的由波导提供的左眼图像和右眼图像之间具有双目重叠的双目显示器的视场几何形状。可以实现使用各种光栅体系架构(诸如图9-10中描述的那种)的双目显示器。在所示实施例中，波导是包括四个波导的堆叠的彩色波导：两个蓝-绿层和两个绿-红层。波导中的每一个可以为单色带提供35°h×35°v(～50°对角线)的视场，从而为每个色带产生70°h×35°v(～78°对角线)的视场。为左眼和右眼设置的每个波导可以水平重叠50°，以实现～100°对角双目视场。如可以容易地认识到的，可以根据给定应用的具体要求适当地实现各种双目配置。在许多实施例中，波导以至少5°的角度倾斜，这可以促进一些双目重叠视场应用的实现。在进一步的实施例中，波导以至少10°的角度倾斜。在一些实施例中，左眼和右眼的视场完全重叠。
其它波导实施例
在一些实施例中，棱镜可以被用作输入光栅的替代物。在许多实施例中，这可以要求提供外部光栅以用于光栅向量闭合目的。在若干实施例中，外部光栅可以部署在棱镜的表面上。在一些实施例中，外部光栅可以形成部署在激光投影仪和输入棱镜之间的光学系统中的激光去斑器的一部分。使用棱镜将光耦合到波导中的优点是避免了由于使用滚动K向量光栅而导致的显著光损失和受限的角带宽。实用的滚动K向量输入光栅通常无法与折叠光栅的大得多的角带宽(其可以大约为40度或更大)相匹配。
虽然附图可以指示不同波长通道中光栅几何形状和光栅布局的高度对称，但光栅规格和覆盖区可以是不对称的。输入、折叠或输出光栅的形状可以取决于波导应用，并且可以是受诸如所需波束扩展、输出波束几何形状、波束均匀性和人体工程学因素之类的因素影响的任何多边形几何形状。
在一些实施例中，针对使用非偏振光源的显示器，输入光栅可以组合定向成使得每个光栅将入射非偏振光的特定偏振衍射到波导路径中的光栅。此类实施例可以结合Waldern等人的PCT申请PCT/GB2017/000040“METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING APOLARIZATION SELECTIVE HOLOGRAPHIC WAVGUIDE DEVICE”中公开的一些实施例和教导，其公开内容通过引用整体并入本文。可以以类似的方式配置输出光栅，使得来自波导路径的光被组合并作为非偏振光耦合出波导。例如，在一些实施例中，输入光栅和输出光栅各自组合对于正交偏振状态具有峰衍射效率的交叉光栅。在多个实施例中，偏振状态是S偏振和P偏振。在若干实施例中，偏振状态与圆形偏振在相反的意义上。在液晶聚合物系统中记录的光栅(诸如SBG)在这方面的优势在于，由于它们固有的双折射，它们表现出强偏振选择性。但是，也可以使用可以被配置为提供独特偏振状态的其它光栅技术。
在使用记录在液晶聚合物材料系统中的光栅的一些实施例中，可以提供与折叠光栅、输入光栅或输出光栅中的至少一个重叠的至少一个偏振控制层，其目的是补偿任何光栅(特别是会导致偏振旋转的折叠光栅)中的偏振旋转。在许多实施例中，所有光栅都被偏振控制层覆盖。在多个实施例中，偏振控制层仅施加到折叠光栅或施加到光栅的任何其它子集。偏振控制层可以包括光学延迟膜。在基于HPDLC材料的一些实施例中，光栅的双折射可以被用于控制波导设备的偏振特性。使用HPDLC光栅的双折射张量、K向量和光栅覆盖区作为设计变量为优化波导设备的角能力和光学效率开辟了设计空间。在一些实施例中，四分之一波片可以部署在波导的玻璃-空气界面上，旋转光线的偏振以维持与光栅的高效耦合。在进一步的实施例中，四分之一波片是施加到基板波导的涂层。在一些波导显示器实施例中，将四分之一波长涂层施加到波导的基板可以通过补偿波导中的歪斜波来帮助光线保持与预期的视轴对准。在一些实施例中，四分之一波片可以被提供为多层涂层。
如与本文所述的任何实施例相关地使用的，术语光栅可以涵盖包括一组光栅的光栅。例如，在一些实施例中，输入光栅和输出光栅各自包括被多路复用到单个层中的两个或更多个光栅。在全息文献中已经充分确立了可以将多于一个全息规格记录到单个全息层中。用于记录这种多路复用的全息图的方法是本领域技术人员众所周知的。在一些实施例中，输入光栅和输出光栅可以各自包括两个重叠的光栅层，它们接触一个或多个薄光学基板或被一个或多个薄光学基板垂直分隔。在若干实施例中，光栅层夹在玻璃或塑料基板之间。在多个实施例中，两个或更多个此类光栅层可以形成堆叠，其中在外部基板和空气界面处发生全内反射。在一些实施例中，波导可以仅包括一个光栅层。在许多实施例中，可以将电极施加到基板的面以在衍射和透明状态之间切换光栅。该堆叠还可以包括附加层，诸如分束涂层和环境保护层。
在一些实施例中，折叠光栅角带宽可以通过设计光栅规格来增强，以促进被引导的光与光栅的双重交互。双交互折叠光栅的示例性实施例在标题为“WAVEGUIDE GRATINGDEVICE”的美国专利申请No.：14/620,969中公开。
有利地，为了改进颜色均匀性，可以使用从眼框经由输出光栅和折叠光栅到输入光栅的反向射线追踪来设计用于本发明的光栅。这个过程允许识别光栅(特别是折叠光栅)所需的物理范围。可以消除导致混浊的不必要的光栅真实状态。射线路径可以针对红色、绿色和蓝色进行优化，由于输入和输出光栅之间经由折叠光栅的色散效应，每条路径都遵循略微不同的路径。
在许多实施例中，光栅是全息光栅，诸如可开关或不可开关的Bragg光栅。在一些实施例中，实施为SBG的光栅可以是记录在全息聚合物分散液晶(例如，液晶液滴的基质)中的Bragg光栅，但是SBG也可以记录在其它材料中。在若干实施例中，SBG记录在均匀调制材料中，诸如具有分散在液体聚合物中的固体液晶的基质的POLICRYPS或POLIPHEM。SBG本质上可以是开关或非开关的。在一些实施例中，输入、折叠和输出光栅中的至少一个可以是电可开关的。在许多实施例中，期望所有三种光栅类型都是无源的，即，非开关的。在其非开关形式下，SBG具有优于常规全息光聚合物材料的优势，因为其液晶成分能够提供高折射率调制。Caputo等人的美国专利申请公开No.：US2007/0019152和Stumpe等人的PCT申请No.：PCT/EP2005/006950中公开了示例性均匀调制液晶-聚合物材料系统，两者都通过引用整体并入本文。均匀调制光栅由高折射率调制(因此高衍射效率)和低散射来表征。在一些实施例中，输入耦合器、折叠光栅和输出光栅记录在反向模式HPDLC材料中。反向模式HPDLC与常规HPDLC的不同之处在于，当没有施加电场时光栅是无源的，而在存在电场时变得衍射。反向模式HPDLC可以基于在标题为“IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSEDLIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES”的PCT申请No.：PCT/GB2012/000680中公开的任何配方和过程。光栅可以记录在任何上述材料系统中，但以被动(非开关)模式使用。在液晶聚合物材料中记录无源光栅的优点是最终的全息图受益于由液晶提供的高折射率调制。更高折射率调制转化为高衍射效率和宽角带宽。制造过程与用于开关式的过程完全相同，但省略了电极涂层阶段。鉴于其高折射率调制，非常期望液晶聚合物材料系统。在一些实施例中，光栅被记录在HPDLC中但不被开关。
在许多实施例中，可以使用两个空间分离的输入耦合器来提供两个分离的波导输入光瞳。在一些实施例中，输入耦合器是光栅。在若干实施例中，输入耦合器是棱镜。在使用仅基于棱镜的输入耦合器棱镜的实施例中，可以使用折叠和输出光栅的节距和时钟角来解决光栅互易性的条件。
在许多实施例中，与上述波导实施例一起使用的数据调制光的源包括结合了微型显示器的输入图像节点(“IIN”)。输入光栅可以被配置为接收来自IIN的准直光并且经由第一表面和第二表面之间的全内反射使光在波导内行进到折叠光栅。通常，除了微型显示器面板之外，IIN还集成了光源和照亮显示器面板、分离反射光并将其准直到所需的FOV中所需的光学组件。微型显示器上的每个图像像素可以在第一波导内转换成独特的角度方向。本公开不假设任何特定的微型显示技术。在一些实施例中，微型显示器面板可以是液晶设备或MEMS设备。在若干实施例中，微型显示器可以基于有机发光二极管(OLED)技术。此类发射型设备不要求分离的光源，因此提供更小形状因数的好处。在一些实施例中，IIN可以基于被扫描的经调制的激光。根据一些实施例，IIN投影显示在微型显示器面板上的图像，使得每个显示像素在基板波导内被转换成独特的角方向。IIN中包含的准直光学器件可以包括透镜和反射镜，其可以是衍射透镜和反射镜。在一些实施例中，IIN可以基于在标题为“HOLOGRAPHIC WIDE-ANGLE DISPLAY”的美国专利申请No.：13/869,866和标题为“TRANSPARENT WAVEGUIDEDISPLAY”的美国专利申请No.：13/844,456中公开的实施例和教导。在若干实施例中，IIN包含分束器，用于将光指引到微型显示器上并将反射光传输到波导。在许多实施例中，分束器是记录在HPDLC中的光栅并且使用此类光栅的固有偏振选择性来分离照亮显示器的光和从显示器反射的图像调制光。在一些实施例中，分束器是偏振分束器立方体。在多个实施例中，IIN结合了去斑器。去斑器可以是基于标题为“LASERILLUMINATION DEVICE”的美国专利No.8,565,560的实施例和教导的全息波导设备。光源可以是激光器或LED并且可以包括用于修改照明波束角度特点的一个或多个透镜。图像源可以是微型显示器或基于激光的显示器。LED可以提供比激光器更好的均匀性。如果使用激光照明，那么存在在波导输出处出现照明条带化的风险。在一些实施例中，可以使用标题为“METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING INPUT IMAGES FOR HOLOGRAPHIC WAVEGUIDEDISPLAYS”的美国临时专利申请No.：62/071,277中公开的技术和教导来克服波导中的激光照明条带化。在一些实施例中，来自光源的光是偏振的。在一个或多个实施例中，图像源是液晶显示器(LCD)微型显示器或硅基液晶(LCoS)微型显示器。
本发明的原理和教导与如在通过引用并入本文的参考文献中所公开的本发明人的其它波导发明相结合可以应用于许多不同的显示器和传感器设备。在针对显示器的一些实施例中，根据本发明的原理的波导显示器可以与眼动仪结合。在一些实施例中，眼动仪是覆盖显示波导的波导设备并且基于标题为“HOLOGRAPHIC WAVEGUIDE EYE TRACKER”的PCT/GB2014/000197、标题为“HOLOGRAPHIC WAVEGUIDE OPTICALTRACKER”的PCT/GB2015/000274以及标题为“APPARATUS FOR EYE TRACKING”的PCT申请No.：GB2013/000210的实施例和教导。
在针对显示器的本发明的一些实施例中，根据本发明的原理的波导显示器还包括动态聚焦元件。动态聚焦元件可以基于标题为“ELECTRICALLY FOCUS TUNABLE LENS”的美国临时专利申请No.：62/176,572的实施例和教导。在一些实施例中，根据本发明的原理的波导显示器还可以包括动态聚焦元件和眼动仪，它们可以提供基于标题为“HOLOGRAPHICWAVEGUIDE LIGHT FIELD DISPLAYS”美国临时专利申请No.：62/125,089中公开的实施例和教导的光场显示。
在针对显示器的本发明的一些实施例中，根据本发明的原理的波导可以基于标题为“HOLOGRAPHIC WIDEANGLE DISPLAY”的美国专利申请No.：13/869,866和标题为“TRANSPARENT WAVEGUIDE DISPLAY”的美国专利申请No.：13/844,456的一些实施例。在一些实施例中，根据本发明的原理的波导装置可以集成在窗户内，例如用于道路车辆应用的挡风玻璃集成的HUD。在一些实施例中，窗口集成显示器可以基于在标题为“ENVIRONMENTALLY ISOLATED WAVEGUIDE DISPLAY”的美国临时专利申请No.：PCT申请No.：PCT/GB2016/000005中公开的实施例和教导。在一些实施例中，波导装置可以包括用于在IIN和波导之间中继图像内容的梯度指数(GRIN)波导组件。在标题为“ENVIRONMENTALLYISOLATED WAVEGUIDE DISPLAY”的PCT申请No.：PCT/GB2016/000005中公开了示例性实施例。在一些实施例中，基于标题为“WAVEGUIDE DEVICE INCORPORATING A LIGHT PIPE”的美国临时专利申请No.：62/177,494中公开的实施例，波导装置可以结合用于在一个方向上提供波束扩展的光管。
在许多实施例中，根据本发明的原理的波导提供无限远的图像。在一些实施例中，图像可以在某个中间距离处。在一些实施例中，图像可以处于与人眼的放松观看范围兼容的距离处。在许多实施例中，这可以覆盖从大约2米到大约10米的观看范围。
如各种示例性实施例中所示的系统和方法的构造和布置仅仅是说明性的。虽然在本公开中仅详细描述了几个实施例，但是许多修改是可能的(例如，各种元件的尺寸、维度、结构、形状和比例、参数的值、安装布置、材料的使用、颜色、方向等的变化)。例如，元件的位置可以颠倒或以其它方式改变，并且离散元件或位置的性质或数量可以更改或改变。本发明可以结合标题为“METHODS AND APPARATUSES FOR PROVIDING A SINGLE GRATING LAYERCOLOR HOLOGRAPHIC WAVEGUIDE DISPLAY”的美国临时专利申请No.62/778,239中公开的实施例和教导，以及由Popovich等人撰写的以下美国申请：US14/620,969“WAVEGUIDEGRATING DEVICE”；US15/468,536“波导光栅装置”；US15/807,149“WAVEGUIDE GRATINGDEVICE”；以及US16/178,104“WAVEGUIDE GRATING DEVICE”，这些都通过引用整体并入本文。因而，所有此类修改旨在包括在本公开的范围内。根据替代实施例，任何过程或方法步骤的次序或顺序可以改变或重新排序。在不脱离本公开的范围的情况下，可以在示例性实施例的设计、操作条件和布置中进行其它替换、修改、改变和省略。
等同原则
虽然以上描述包含本发明的许多具体实施例，但这些不应当被解释为对本发明范围的限制，而应被视为其一个实施例的示例。因此应该理解的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以以不同于具体描述的方式来实践本发明。因此，本发明的实施例在所有方面都应被视为说明性的而非限制性的。因而，本发明的范围不应当由所示出的实施例来确定，而应当由所附权利要求书及其等同物来确定。

Claims (20)

1.一种波导显示器，包括：
光源；以及
第一波导，包括：
光栅结构，包括第一光栅和第二光栅；以及
输入耦合器，被配置为：
将来自所述光源的光的第一视场部分耦合到所述第一波导中并朝着所述第一光栅；以及
将来自所述光源的光的第二视场部分耦合到所述第一波导中并朝着所述第二光栅；
其中：
所述第一光栅被配置为：
为光的所述第一视场部分提供第一方向上的波束扩展；以及
为光的所述第二视场部分提供所述第一方向上的波束扩展和朝着观察者的波束提取；
所述第二光栅被配置为：
为光的所述第二视场部分提供第二方向上的波束扩展；以及
为光的所述第一视场部分提供所述第二方向上的波束扩展和朝着观察者的波束提取；
所述输入耦合器、所述第一光栅和所述第二光栅各自包括光栅向量；以及
所述输入耦合器、所述第一光栅和所述第二光栅的所述光栅向量提供量值基本为零的结果向量。
2.如权利要求1所述的波导显示器，其中：
所述第一光栅包括第一光栅规格和第二光栅规格；以及
所述第二光栅包括第三光栅规格和第四光栅规格；其中：
所述第一光栅规格被配置成为光的所述第一视场部分提供所述第一方向上的所述波束扩展；
所述第二光栅规格被配置成为光的所述第二视场部分提供所述第一方向上的波束扩展和朝着观察者的波束提取；
所述第三光栅规格被配置成为光的所述第二视场部分提供所述第二方向上的所述波束扩展；以及
所述第四光栅规格被配置成为光的所述第一视场部分提供所述第二方向上的所述波束扩展和朝着观察者的波束提取。
3.如权利要求2所述的波导显示器，其中所述第一光栅规格和第二光栅规格至少部分地被多路复用；并且所述第三光栅规格和第四光栅规格至少部分地被多路复用。
4.如权利要求3所述的波导显示器，其中所述第一光栅至少部分地与所述第二光栅重叠。
5.如权利要求4所述的波导显示器，其中：
所述第一波导包括第一光栅层和第二光栅层；
所述第一光栅部署在所述第一光栅层内；以及
所述第二光栅部署在所述第二光栅层内。
6.如权利要求5所述的波导显示器，其中所述第一波导还包括部署在所述第一光栅层和第二光栅层之间并与其相邻的透明层。
7.如权利要求6所述的波导显示器，还包括第二波导；其中所述第一波导被配置为耦合在第一光谱带中；并且所述第二波导被配置为耦合在第二光谱带中。
8.如权利要求1所述的波导显示器，其中所述输入耦合器包括从由以下项组成的组中选择的输入配置：输入棱镜；输入光栅；第一输入光栅和第二输入光栅；以及包括两个多路复用的光栅规格的输入光栅。
9.如权利要求1所述的波导显示器，其中所述输入耦合器的所述光栅向量具有与所述第一光栅的所述光栅向量不同的量值。
10.如权利要求1所述的波导显示器，其中所述光源提供至少两种不同波长的光。
11.一种显示图像的方法，该方法包括：
提供波导显示器，所述波导显示器包括支撑输入耦合器以及包括第一光栅和第二光栅的光栅结构的第一波导，其中所述输入耦合器、所述第一光栅和所述第二光栅各自包括光栅向量，其中所述输入耦合器、所述第一光栅和所述第二光栅的所述光栅向量提供量值基本为零的结果向量；
经由所述输入耦合器将第一视场部分耦合到所述波导中；
经由所述输入耦合器将第二视场部分耦合到所述波导中；
使用所述第一光栅在第一方向上扩展光的所述第一视场部分；
使用所述第二光栅在第二方向上扩展光的所述第一视场部分并从波导中提取它；
使用所述第二光栅在所述第二方向上扩展光的所述第二视场部分；以及
使用所述第一光栅在所述第一方向上扩展光的所述第二视场部分并从所述波导中提取它。
12.如权利要求11所述的方法，其中：
所述第一光栅包括第一光栅规格和第二光栅规格；以及
所述第二光栅包括第三光栅规格和第四光栅规格；其中：
使用所述第一光栅规格在所述第一方向上扩展光的所述第一视场部分；
使用所述第二光栅规格在所述第一方向上扩展光的所述第二视场部分并从所述波导中提取；
使用所述第三光栅规格在所述第二方向上扩展光的所述第二视场部分；以及
使用所述第四光栅规格在所述第二方向上扩展光的所述第一视场部分并从所述波导中提取。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述第一光栅规格和第二光栅规格至少部分地被多路复用，并且所述第三光栅规格和第四光栅规格至少部分地被多路复用。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述第一光栅至少部分地与所述第二光栅重叠。
15.如权利要求14所述的方法，其中：
所述第一波导包括第一光栅层和第二光栅层；
所述第一光栅部署在所述第一光栅层内；以及
所述第二光栅部署在所述第二光栅层内。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述第一波导还包括部署在所述第一光栅层和第二光栅层之间并与其相邻的透明层。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述波导显示器还包括第二波导；其中所述第一波导被配置为耦合在第一光谱带中；并且所述第二波导被配置为耦合在第二光谱带中。
18.如权利要求11所述的方法，其中所述输入耦合器包括从由以下项组成的组中选择的输入配置：输入棱镜；输入光栅；第一输入光栅和第二输入光栅；以及包括两个多路复用的光栅规格的输入光栅。
19.如权利要求11所述的方法，其中所述输入耦合器的所述光栅向量具有与所述第一光栅的所述光栅向量不同的量值。
20.如权利要求11所述的方法，其中所述光源提供至少两种不同波长的光。
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