CN113785249A - 具有不同衍射功能的树脂在不同基底上的空间沉积 - Google Patents

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Abstract

本文公开的技术涉及衍射光学装置(430、440、1104)。难以设计出满足若干技术要求(例如，高动态范围、低的吸收和雾度、良好的分辨率、跨越可见光谱的灵敏度等)的单一光聚合物材料。为了解决这个问题，具有不同光学性质的不同树脂(1110、1120、1130)被施加至堆叠(1104)中的不同基底(1112、1122、1132)。通过使用不同的树脂，可以制造满足扩展的技术要求的光学部件。

Description

具有不同衍射功能的树脂在不同基底上的空间沉积
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年5月8日提交的美国申请第62/845,154号和2020年5月1日提交的美国申请第16/865,108号的优先权。美国申请第62/845,154号和美国申请第16/865,108号的内容出于所有目的通过引用以其整体并入本文。
以下两个美国专利申请(包括本申请)同时提交，并且另一个申请的全部公开内容出于所有目的通过引用并入到本申请中：
2020年5月1日提交的标题为“Spatial Deposition of Resins with DifferentFunctionality”的美国申请第16/865,105号；和
2020年5月1日提交的标题为“Spatial Deposition of Resins with DifferentFunctionality on Different Substrates”的美国申请第16/865,108号。
背景
诸如头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)系统的人工现实系统通常包括近眼显示器系统，该近眼显示器系统呈头戴式装置(headset)或一副眼镜的形式并且被配置成经由电子或光学显示器在用户的眼睛前方例如约10mm-20mm内向用户呈现内容。如在虚拟现实(VR)应用、增强现实(AR)应用或混合现实(MR)应用中，近眼显示器系统可以显示虚拟对象或将真实对象的图像与虚拟对象组合。例如，在AR系统中，用户可以通过例如透过透明的显示眼镜或透镜(通常被称为光学透视(optical see-through))来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(CGI))和周围环境两者。
光学透视AR系统的一个实例可以使用基于波导的光学显示器，其中投影图像的光可以被耦合到波导(例如，透明基底)中，在波导内传播，并且在不同位置处从波导耦合出去。在一些实施方式中，可以使用衍射光学元件诸如全息光栅将投影图像的光耦合到波导中或从波导耦合出去。在一些实施方式中，人工现实系统可以采用眼睛跟踪子系统，该眼睛跟踪子系统可以跟踪用户的眼睛(例如，凝视方向)以基于用户正在看的方向来修改或生成内容，从而为用户提供更沉浸式的体验。眼睛跟踪子系统可以使用多种光学部件诸如全息光学元件来实现。
附图简述
下面参考以下附图来详细地描述说明性的实施方案。
图1是根据特定实施方案的包括近眼显示器系统的人工现实系统环境的实例的简化框图。
图2是用于实现本文公开的一些实例的以头戴式显示器(HMD)装置的形式的近眼显示器系统的实例的透视图。
图3是用于实现本文公开的一些实例的以一副眼镜的形式的近眼显示器系统的实例的透视图。
图4图示出了根据某些实施方案的使用包括光学合路器的波导显示器的光学透视增强现实系统的实例。
图5A图示出了体布拉格光栅的实例。图5B图示出了图5A所示的体布拉格光栅的布拉格条件。
图6A图示出了根据某些实施方案的用于记录体布拉格光栅的记录光束。图6B是图示出根据某些实施方案的记录光束和重建光束(reconstruction beam)的波矢量以及记录的体布拉格光栅的光栅矢量的全息动量图(holography momentum diagram)的实例。
图7图示出了根据某些实施方案的用于记录全息光学元件的全息记录系统的实例。
图8是将第一树脂喷墨沉积在基底上的实施方案的简化图。
图9是将第二树脂喷墨沉积在基底上的实施方案的简化图。
图10图示出了光学装置的实施方案的空间频率响应的二维图。
图11是具有带有不同性质的树脂的堆叠的实施方案的简化图。
图12是堆叠的不同树脂的实施方案的光学吸收的图表。
图13是图示出根据某些实施方案的将两种材料施加至一个基底的方法的实例的简化流程图。
图14是图示出根据某些实施方案的创建堆叠的光学装置的方法的实例的简化流程图。
图15是根据某些实施方案的用于实现本文公开的一些实例的近眼显示器系统(例如，HMD装置)的电子系统1500的实例的简化框图。
附图仅出于说明的目的描绘了本公开的实施方案。本领域技术人员从以下描述中将容易地认识到，在不脱离本公开内容的原理或所推崇的益处的情况下，可以采用图示的结构和方法的替代实施方案。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记之后用短划线(dash)和在相似部件之间进行区分的第二标记来区分相同类型的多个部件。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的任何一个相似部件，而与第二附图标记无关。
详细描述
本文公开的技术通常涉及光学装置。更具体地，且不限于，本公开内容涉及用于人工现实系统的光学装置。根据某些实施方案，描述了用于人工现实显示器的光栅。本文描述了多种发明实施方案，包括系统、模块、装置、部件、方法及类似物。
在人工现实系统诸如增强现实(AR)系统或混合现实(MR)系统中，为了改善系统的性能，诸如改善显示图像的亮度、扩大视窗、减少伪像、增加视场以及改善用户与所呈现内容的交互，多种全息光学元件可以用于光束耦合和/或整形。体布拉格光栅可以用于人工现实显示器中(例如，以将光从波导耦合出去和/或耦合到波导)。可能难以设计出满足许多技术要求(例如，高动态范围、低的吸收和雾度、在高和低空间频率的良好分辨率、跨越可见光谱的灵敏度等)的单一光聚合物材料。由于所使用的材料固有的反应/扩散机制，设计能够图案化大间距特征和小间距特征的单一树脂可能是特别困难的。因此，设计若干种光聚合物材料可能是有益的，每种光聚合物材料仅满足一些要求，但是当组合成单一膜或膜的堆叠时，满足所有期望的要求。对于一些实施方案，本说明书描述了：(A)在同一基底上沉积不同的树脂，以制造具有空间变化性质(例如吸收、空间频率响应等)的单一膜；和(B)在不同的基底上沉积不同的树脂，并且在暴露之前或之后将不同的基底组合以制造单个光学装置。
如本文使用的，可见光可以是指具有在约380nm和约750nm之间、在约400nm和约700nm之间或在约440nm和约650nm之间的波长的光。近红外(NIR)光可以是指具有在约750nm和约2500nm之间的波长的光。期望的红外(IR)波长范围可以是指可以由合适的IR传感器(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)、电荷耦合器件(CCD)传感器或InGaAs传感器)检测的IR光的波长范围，诸如在830nm和860nm之间、在930nm和980nm之间或在约750nm至约1000nm之间。
同样如本文使用的，基底可以是指光可以在其中传播的介质。基底可以包括一种或更多种类型的介电材料，诸如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、晶体或陶瓷。至少一种类型的基底材料对可见光和NIR光可以是透明的。基底的厚度可以在例如，小于约1mm至约10mm或更大的范围内。如本文使用的，如果光束可以以高透射率诸如大于60％、75％、80％、90％、95％、98％、99％或更高穿过材料，则材料对于光束可以是“透明的”，其中光束的一小部分(例如小于40％、25％、20％、10％、5％、2％、1％或更少)可以被材料散射、反射或吸收。透射率(即，透射度(transmissivity))可以由波长范围内的加权的平均透射率或未加权的平均透射率来表示，或者由波长范围(诸如，可见波长范围)内的最低透射率来表示。
在以下的描述中，为了解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本公开内容的实例的透彻理解。然而，将明显的是，在没有这些具体细节的情况下也可以实施多种实例。例如，装置、系统、结构、组件、方法和其他部件可以以框图形式被示出为部件，以避免在不必要的细节上模糊实例。在其他情况下，熟知的装置、过程、系统、结构和技术可以在没有必要细节的情况下被示出，以便避免模糊实例。附图和描述不意图是限制性的。在本公开内容中使用的术语和表述被用作描述性术语而非限制性术语，并且在使用这样的术语和表述时不意图排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物。词语“实例”在本文中用于意指“用作实例(example)、示例(instance)或说明”。本文被描述为“实例”的任何实施方案或设计不一定被解释为相对于其他实施方案或设计更优选或有利。
图1是根据某些实施方案的包括近眼显示器系统120的人工现实系统环境100的实例的简化框图。图1中所示的人工现实系统环境100可以包括近眼显示器系统120、任选的成像装置150和任选的输入/输出接口140，它们各自都可以被耦合至任选的控制台110。虽然图1示出了包括一个近眼显示器系统120、一个成像装置150和一个输入/输出接口140的示例性人工现实系统环境100，但在人工现实系统环境100中可以包括任何数量的这些部件，或者可以省略任何部件。例如，可以存在多个近眼显示器系统120，这些近眼显示器系统120由与控制台110通信的一个或更多个外部成像装置150监控。在一些配置中，人工现实系统环境100可以不包括成像装置150、任选的输入/输出接口140和任选的控制台110。在可选择的配置中，不同的部件或另外的部件可以被包括在人工现实系统环境100中。在一些配置中，近眼显示器系统120可以包括成像装置150，该成像装置150可以用于跟踪一个或更多个输入/输出装置(例如，输入/输出接口140)，诸如手持控制器。
近眼显示器系统120可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。由近眼显示器系统120呈现的内容的实例包括图像、视频、音频或它们的一些组合中的一种或更多种。在一些实施方案中，音频可以经由外部装置(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，所述外部装置从近眼显示器系统120、控制台110或两者接收音频信息，并基于该音频信息来呈现音频数据。近眼显示器系统120可以包括一个或更多个刚性主体，该刚性主体可以刚性地或非刚性地彼此耦合。刚性主体之间的刚性耦合可以使经耦合的刚性主体充当单个刚性实体。刚性主体之间的非刚性耦合可以允许刚性主体相对于彼此移动。在多种实施方案中，近眼显示器系统120可以以任何合适的形状因子(包括一副眼镜)来实现。近眼显示器系统120的一些实施方案在下文中进一步描述。另外地，在多种实施方案中，本文描述的功能可以用于头戴式装置中，该头戴式装置组合近眼显示器系统120外部的环境的图像和人工现实内容(例如，计算机生成的图像)。因此，近眼显示器系统120可以用生成的内容(例如，图像、视频、声音等)来增强近眼显示器系统120外部的物理、现实世界环境的图像，以向用户呈现增强现实。
在多种实施方案中，近眼显示器系统120可以包括显示电子器件122、显示光学器件124和眼睛跟踪系统130中的一种或更多种。在一些实施方案中，近眼显示器系统120还可以包括一个或更多个定位器126、一个或更多个位置传感器128和惯性测量单元(IMU)132。在多种实施方案中，近眼显示器系统120可以省略这些元件中的任何一个，或者可以包括另外的元件。另外地，在一些实施方案中，近眼显示器系统120可以包括组合了结合图1描述的多种元件的功能的元件。
显示电子器件122可以根据从例如控制台110接收的数据向用户显示图像或促进图像的显示。在多种实施方案中，显示电子器件122可以包括一个或更多个显示面板，诸如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、无机发光二极管(ILED)显示器、微型发光二极管(μLED)显示器、有源矩阵OLED显示器(AMOLED)、透明OLED显示器(TOLED)或某种其他显示器。例如，在近眼显示器系统120的一种实施方式中，显示电子器件122可以包括前TOLED面板、后显示面板以及在前显示面板和后显示面板之间的光学部件(例如，衰减器、偏振器或者衍射膜或光谱膜)。显示电子器件122可以包括发射诸如红色、绿色、蓝色、白色或黄色的主导颜色的光的像素。在一些实施方式中，显示电子器件122可以通过由二维面板产生的立体效果来显示三维(3D)图像，以创建图像深度的主观感知。例如，显示电子器件122可以包括分别位于用户的左眼和右眼前方的左显示器和右显示器。左显示器和右显示器可以呈现相对于彼此水平偏移的图像的副本，以创建立体效果(即，观看图像的用户对图像深度的感知)。
在某些实施方案中，显示光学器件124可以光学地(例如，使用光波导和耦合器)显示图像内容，或者放大从显示电子器件122接收的图像光，校正与图像光相关联的光学误差，并且将校正的图像光呈现给近眼显示器系统120的用户。在多种实施方案中，显示光学器件124可以包括一个或更多个光学元件，诸如例如基底、光波导、光圈(aperture)、费涅尔透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、输入/输出耦合器或者可以影响从显示电子器件122发射的图像光的任何其他合适的光学元件。显示光学器件124可以包括不同光学元件以及机械耦合的组合，以保持组合中的光学元件的相对间隔和定向。显示光学器件124中的一个或更多个光学元件可以具有光学涂层，诸如抗反射涂层、反射涂层、滤光涂层或不同光学涂层的组合。
显示光学器件124对图像光的放大可以允许显示电子器件122比更大的显示器在物理上更小、重量更轻并且消耗更少的功率。另外地，放大可以增加显示内容的视场。显示光学器件124对图像光的放大的量可以通过调整、添加或从显示光学器件124移除光学元件来改变。在一些实施方案中，显示光学器件124可以将显示的图像投影到一个或更多个图像平面，所述图像平面可以比近眼显示器系统120更远离用户的眼睛。
显示光学器件124还可以被设计成校正一种或更多种类型的光学误差，诸如二维光学误差、三维光学误差或其组合。二维误差可以包括在二维中出现的光学像差(opticalaberration)。二维误差的示例性类型可以包括桶形失真、枕形失真、纵向色差和横向色差。三维误差可以包括在三维中出现的光学误差。三维误差的示例性类型可以包括球面像差(spherical aberration)、色差、像场弯曲(field curvature)和像散(astigmatism)。
定位器126可以是相对于彼此并相对于近眼显示器系统120上的参考点位于近眼显示器系统120上的特定位置的对象。在一些实施方式中，控制台110可以识别由成像装置150捕获的图像中的定位器126，以确定人工现实头戴式装置的位置、定向或两者。定位器126可以是发光二极管(LED)、锥体棱镜(corner cube reflector)、反射标记、与近眼显示器系统120操作的环境形成对比的一种类型的光源或者它们的一些组合。在定位器126是有源部件(例如，LED或其他类型的发光器件)的实施方案中，定位器126可以发射可见波段(例如，约380nm至750nm)中的光、红外(IR)波段(例如约750nm至1mm)中的光、紫外波段(例如约10nm至约380nm)中的光、电磁波谱的另一部分中的光或电磁波谱中各部分的任何组合中的光。
成像装置150可以是近眼显示器系统120的一部分，或者可以在近眼显示器系统120的外部。成像装置150可以基于从控制台110接收的校准参数来生成慢速校准数据。慢速校准数据可以包括显示定位器126的观察位置的一个或更多个图像，这些图像可被成像装置150检测到。成像装置150可以包括一个或更多个照相机、一个或更多个摄像机、能够捕获包括一个或更多个定位器126的图像的任何其他装置、或它们的一些组合。另外地，成像装置150可以包括一个或更多个滤光器(例如，以提高信噪比)。成像装置150可以被配置成检测从成像装置150的视场中的定位器126发射或反射的光。在定位器126包括无源元件(例如，回射器(retroreflector))的实施方案中，成像装置150可以包括照亮一些或所有定位器126的光源，定位器126可以将光回射到成像装置150中的光源。可以将慢速校准数据从成像装置150传送到控制台110，并且成像装置150可以从控制台110接收一个或更多个校准参数，以调整一个或更多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧速率、传感器温度、快门速度、光圈等)。
位置传感器128可以响应于近眼显示器系统120的运动而生成一个或更多个测量信号。位置传感器128的实例可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计、其他运动检测或误差校正传感器或者它们的一些组合。例如，在一些实施方案中，位置传感器128可以包括用于测量平移运动(例如，向前/向后、向上/向下或向左/向右)的多个加速度计和用于测量旋转运动(例如，俯仰、偏航或滚动)的多个陀螺仪。在一些实施方案中，多种位置传感器可以彼此正交地定向。
IMU 132可以是基于从一个或更多个位置传感器128接收的测量信号生成快速校准数据的电子装置。位置传感器128可以位于IMU 132的外部、IMU 132的内部或它们的一些组合。基于来自一个或更多个位置传感器128的一个或更多个测量信号，IMU 132可以生成快速校准数据，该快速校准数据指示相对于近眼显示器系统120的初始位置的近眼显示器系统120的估计位置。例如，IMU 132可以对从加速度计接收的测量信号在时间上进行积分，以估计速度向量，并且对速度向量在时间上进行积分，以确定近眼显示器系统120上参考点的估计位置。可选择地，IMU 132可以向控制台110提供采样的测量信号，控制台110可以确定快速校准数据。虽然参考点通常可以被定义为空间中的点，但是在多种实施方案中，参考点也可以被定义为近眼显示器系统120内的点(例如，IMU 132的中心)。
眼睛跟踪单元130可以包括一个或更多个眼睛跟踪系统。眼睛跟踪可以是指确定眼睛相对于近眼显示器系统120的位置，包括眼睛的定向和定位。眼睛跟踪系统可以包括对一只或多只眼睛进行成像的成像系统，并且通常可以包括光发射器，该光发射器可以生成指向眼睛的光，使得由眼睛反射的光可以被成像系统捕获。例如，眼睛跟踪系统130可以包括发射可见光谱或红外光谱中的光的非相干光源或相干光源(例如，激光二极管)，以及捕获由用户的眼睛反射的光的照相机。作为另一个实例，眼睛跟踪系统130可以捕获由微型雷达单元发射的反射无线电波。眼睛跟踪系统130可以使用低功率光发射器，所述低功率光发射器以不会伤害眼睛或不会引起身体不适的频率和强度发射光。眼睛跟踪系统130可以被设置成提高由眼睛跟踪系统130捕获的眼睛图像中的对比度，同时降低由眼睛跟踪系统130消耗的总功率(例如，降低由眼睛跟踪系统130中包括的光发射器和成像系统消耗的功率)。例如，在一些实施方式中，眼睛跟踪系统130可以消耗小于100毫瓦的功率。
在一些实施方案中，眼睛跟踪系统130可以包括一个光发射器和一个照相机以跟踪用户的每只眼睛。眼睛跟踪系统130还可以包括不同的眼睛跟踪系统，它们一起操作以提供改善的眼睛跟踪精度和响应性。例如，眼睛跟踪系统130可以包括具有快速响应时间的快速眼睛跟踪系统和具有较慢响应时间的慢速眼睛跟踪系统。快速眼睛跟踪系统可以频繁地测量眼睛以捕获由眼睛跟踪模块118用来确定眼睛相对于参考眼睛位置的位置的数据。慢速眼睛跟踪系统可以独立地测量眼睛以捕获由眼睛跟踪模块118用来确定参考眼睛位置的数据，而不参考先前确定的眼睛位置。由慢速眼睛跟踪系统捕获的数据可以允许眼睛跟踪模块118比从由快速眼睛跟踪系统捕获的数据确定的眼睛位置更精确地确定参考眼睛位置。在多种实施方案中，慢速眼睛跟踪系统可以以比快速眼睛跟踪系统更低的频率向眼睛跟踪模块118提供眼睛跟踪数据。例如，慢速眼睛跟踪系统可以较不频繁地操作，或者具有较慢的响应时间以节省功率。
眼睛跟踪系统130可以被配置成估计用户眼睛的定向。眼睛的定向可以对应于用户在近眼显示器系统120内的凝视方向。用户眼睛的定向可以被定义为视网膜中央凹轴(foveal axis)的方向，视网膜中央凹轴是视网膜中央凹(fovea)(眼睛的视网膜上具有最高浓度的感光细胞的区域)与眼睛瞳孔中心之间的轴。通常，当用户的眼睛固定在一点上时，用户眼睛的视网膜中央凹轴与该点相交。眼睛的瞳孔轴可以被定义为穿过瞳孔的中心并垂直于角膜表面(corneal surface)的轴。通常，即使瞳孔轴和视网膜中央凹轴在瞳孔的中心相交，瞳孔轴也可能不直接与视网膜中央凹轴对准。例如，视网膜中央凹轴的取向可能与瞳孔轴横向偏离约-1°至8°，并且垂直偏离约±4°(其可以被称为kappa角，其可能因人而异)。因为视网膜中央凹轴是根据位于眼睛后部的视网膜中央凹来定义的，所以在一些眼睛跟踪实施方案中，视网膜中央凹轴可能难以或不可能直接测量。因此，在一些实施方案中，可以检测瞳孔轴的取向，并且可以基于检测到的瞳孔轴来估计视网膜中央凹轴。
通常，眼睛的移动不仅对应于眼睛的角度旋转，而且还对应于眼睛的平移、眼睛扭转的变化和/或眼睛形状的变化。眼睛跟踪系统130还可以被配置成检测眼睛的平移，其可以是眼睛相对于眼窝的位置的变化。在一些实施方案中，可以不直接检测眼睛的平移，而是可以基于从检测到的角度取向的映射来近似。也可以检测对应于眼睛相对于眼睛跟踪系统的位置变化的眼睛平移，该平移是由于例如用户的头部上的近眼显示器系统120的位置的移动引起的。眼睛跟踪系统130还可以检测眼睛的扭转和眼睛围绕瞳孔轴的旋转。眼睛跟踪系统130可以使用检测到的眼睛扭转来估计视网膜中央凹轴相对于瞳孔轴的取向。在一些实施方案中，眼睛跟踪系统130还可以跟踪眼睛形状的变化，该变化可以被近似为倾斜(skew)或缩放线性变换或扭曲变形(例如，由于扭转变形)。在一些实施方案中，眼睛跟踪系统130可以基于瞳孔轴的角度取向、眼睛的平移、眼睛的扭转和眼睛的当前形状的一些组合来估计视网膜中央凹轴。
在一些实施方案中，眼睛跟踪系统130可以包括多个发射器或至少一个发射器，所述发射器可以在眼睛的所有部分或一部分上投射结构化光图案。当从偏置角度观看时，结构化光图案可能由于眼睛的形状而失真。眼睛跟踪系统130还可以包括至少一个照相机，该照相机可以检测投射到眼睛上的结构化光图案的失真(如果有的话)。照相机可以被定向在与发射器不同的到眼睛的轴上。通过检测眼睛的表面上的结构化光图案的变形，眼睛跟踪系统130可以确定被结构化光图案照亮的眼睛部分的形状。因此，捕获的失真光图案可以指示眼睛的被照亮部分的3D形状。因此，眼睛的定向可以从眼睛的被照亮部分的3D形状中导出。眼睛跟踪系统130还可以基于由照相机捕获的失真的结构化光图案的图像来估计瞳孔轴、眼睛的平移、眼睛的扭转和眼睛的当前形状。
近眼显示器系统120可以使用眼睛的定向来例如，确定用户的瞳孔间距离(IPD)、确定凝视方向、引入深度线索(例如，使用户的主视线之外的图像模糊)、收集关于VR媒体中的用户交互的启发信息(heuristics)(例如，根据经历的刺激在任何特定主体、对象或帧上花费的时间)、至少部分地基于至少一只用户眼睛的定向的一些其他功能、或它们的一些组合。因为可以确定用户双眼的定向，所以眼睛跟踪系统130可以确定用户正在看哪里。例如，确定用户凝视的方向可以包括基于所确定的用户左眼和右眼的定向来确定会聚点(pointof convergence)。会聚点可以是用户眼睛的两个视网膜中央凹轴相交的点。用户凝视的方向可以是穿过会聚点和用户眼睛的瞳孔之间中点的线的方向。
输入/输出接口140可以是允许用户向控制台110发送动作请求的装置。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。输入/输出接口140可以包括一个或更多个输入装置。示例性的输入装置可以包括键盘、鼠标、游戏控制器、手套、按钮、触摸屏或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到控制台110的任何其他合适的装置。由输入/输出接口140接收的动作请求可以被传送到控制台110，控制台110可以执行对应于所请求的动作的动作。在一些实施方案中，输入/输出接口140可以根据从控制台110接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时，或者当控制台110已经执行了所请求的动作并将指令传送给输入/输出接口140时，输入/输出接口140可以提供触觉反馈。在一些实施方案中，成像装置150可以用于跟踪输入/输出接口140，诸如跟踪控制器(其可以包括例如IR光源)或用户的手的位置或定位以确定用户的动作。在一些实施方案中，近眼显示器120可以包括一个或更多个成像装置(例如，成像装置150)以跟踪输入/输出接口140，诸如跟踪控制器或用户的手的位置或定位以确定用户的运动。
控制台110可以根据从成像装置150、近眼显示器系统120和输入/输出接口140中的一个或更多个接收的信息，向近眼显示器系统120提供内容以用于呈现给用户。在图1所示的实例中，控制台110可以包括应用程序商店112、头戴式装置跟踪模块114、人工现实引擎116和眼睛跟踪模块118。控制台110的一些实施方案可以包括与结合图1描述的模块不同的模块或另外的模块。下文进一步描述的功能可以以不同于此处描述的方式被分布在控制台110的部件中。
在一些实施方案中，控制台110可以包括处理器和存储可由处理器执行的指令的非暂时性计算机可读存储介质。处理器可以包括并行执行指令的多个处理单元。计算机可读存储介质可以是任何存储器，诸如硬盘驱动器、可移动存储器、或固态驱动器(例如，闪存或动态随机存取存储器(DRAM))。在多种实施方案中，结合图1描述的控制台110的模块可以被编码为非暂时性计算机可读存储介质中的指令，这些指令当由处理器执行时使得处理器执行下文进一步描述的功能。
应用程序商店112可以存储用于由控制台110执行的一个或更多个应用。应用可以包括一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于呈现给用户的内容。由应用生成的内容可以对经由用户眼睛的移动从用户接收的输入或者从输入/输出接口140接收的输入进行响应。应用的实例可以包括游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
头戴式装置跟踪模块114可以使用来自成像装置150的慢速校准信息来跟踪近眼显示器系统120的移动。例如，头戴式装置跟踪模块114可以使用来自慢速校准信息的观察到的定位器和近眼显示器系统120的模型来确定近眼显示器系统120的参考点的位置。头戴式装置跟踪模块114还可以使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器系统120的参考点的位置。另外地，在一些实施方案中，头戴式装置跟踪模块114可以使用快速校准信息、慢速校准信息中的一部分或它们的一些组合来预测近眼显示器系统120的未来位置。头戴式装置跟踪模块114可以向人工现实引擎116提供近眼显示器系统120的估计的或预测的未来位置。
头戴式装置跟踪模块114可以使用一个或更多个校准参数来校准人工现实系统环境100，并且可以调整一个或更多个校准参数以降低确定近眼显示器系统120的位置时的误差。例如，头戴式装置跟踪模块114可以调整成像装置150的焦点，以获得在近眼显示器系统120上观察到的定位器的更准确的位置。此外，由头戴式装置跟踪模块114执行的校准也可以考虑从IMU 132接收的信息。另外地，如果对近眼显示器系统120的跟踪丢失(例如，成像装置150失去至少阈值数量的定位器126的视线)，则头戴式装置跟踪模块114可以重新校准一些或所有的校准参数。
人工现实引擎116可以在人工现实系统环境100内执行应用，并且从头戴式装置跟踪模块114接收近眼显示器系统120的位置信息、近眼显示器系统120的加速度信息、近眼显示器系统120的速度信息、近眼显示器系统120的预测的未来位置或它们的一些组合。人工现实引擎116还可以从眼睛跟踪模块118接收所估计的眼睛位置和定向信息。基于所接收到的信息，人工现实引擎116可以确定要提供给近眼显示器系统120用于呈现给用户的内容。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则人工现实引擎116可以为近眼显示器系统120生成反映用户的眼睛在虚拟环境中的移动的内容。另外地，人工现实引擎116可以响应于从输入/输出接口140接收的动作请求来执行在控制台110上执行的应用内的动作，并且向用户提供指示动作已经被执行的反馈。反馈可以是经由近眼显示器系统120的视觉反馈或听觉反馈，或者经由输入/输出接口140的触觉反馈。
眼睛跟踪模块118可以从眼睛跟踪系统130接收眼睛跟踪数据，并且基于眼睛跟踪数据确定用户眼睛的位置。眼睛的位置可以包括相对于近眼显示器系统120或其任何元件的眼睛的定向、定位或两者。因为眼睛的旋转轴根据眼睛在其眼窝中的定位而改变，所以确定眼睛在其眼窝中的定位可以允许眼睛跟踪模块118更精确地确定眼睛的定向。
在一些实施方案中，眼睛跟踪模块118可以存储在由眼睛跟踪系统130捕获的图像与眼睛位置之间的映射，以从由眼睛跟踪系统130捕获的图像确定参考眼睛位置。可选择地或另外地，眼睛跟踪模块118可以通过比较从中确定参考眼睛位置的图像和从中待确定更新的眼睛位置的图像来确定相对于参考眼睛位置的更新的眼睛位置。眼睛跟踪模块118可以使用来自不同成像装置或其他传感器的测量结果来确定眼睛位置。例如，眼睛跟踪模块118可以使用来自慢速眼睛跟踪系统的测量结果来确定参考眼睛位置，并且然后从快速眼睛跟踪系统确定相对于参考眼睛位置的更新的位置，直到基于来自慢速眼睛跟踪系统的测量结果来确定下一个参考眼睛位置。
眼睛跟踪模块118还可以确定眼睛校准参数，以提高眼睛跟踪的精度和准确度。眼睛校准参数可以包括每当用户佩戴或调整近眼显示器系统120时都可以改变的参数。示例性的眼睛校准参数可以包括眼睛跟踪系统130的部件和眼睛的一个或更多个部位之间的估计距离，所述眼睛的一个或更多个部位诸如眼睛的中心、瞳孔、角膜边界或眼睛表面上的点。其他示例性的眼睛校准参数可以特定于特定用户，并且可以包括所估计的平均眼睛半径、平均角膜半径、平均巩膜半径、眼睛表面上的特征图以及所估计的眼睛表面轮廓。在来自近眼显示器系统120外部的光可以到达眼睛的实施方案中(如在一些增强现实应用中)，校准参数可以包括由于来自近眼显示器系统120外部的光的变化而导致的强度和色彩平衡的校正因子。眼睛跟踪模块118可以使用眼睛校准参数来确定由眼睛跟踪系统130捕获的测量结果是否将允许眼睛跟踪模块118确定准确的眼睛位置(本文也被称为“有效测量结果”)。眼睛跟踪模块118可能无法从中确定准确的眼睛位置的无效测量结果可能是由用户眨眼、调整头戴式装置或移除头戴式装置引起的，和/或可能是由近眼显示器系统120由于外部光而经历大于阈值的照明变化引起的。在一些实施方案中，眼睛跟踪模块118的至少一些功能可以由眼睛跟踪系统130来执行。
图2是用于实现本文公开的一些实例的以头戴式显示器(HMD)装置200的形式的近眼显示器系统的实例的透视图。HMD装置200可以是例如虚拟现实(VR)系统、增强现实(AR)系统、混合现实(MR)系统或其一些组合的一部分。HMD装置200可以包括主体220和头带230。图2以透视图示出了主体220的底侧223、前侧225和左侧227。头带230可以具有可调节的长度或可延伸的长度。在HMD装置200的主体220和头带230之间可以存在足够的空间，用于允许用户将HMD装置200安装到用户的头上。在多种实施方案中，HMD装置200可以包括另外的部件、更少的部件或不同的部件。例如，在一些实施方案中，HMD装置200可以包括如例如图2所示的眼镜腿(eyeglass temples)和镜腿末端(temples tips)，而不是头带230。
HMD装置200可以向用户呈现包括具有计算机生成元素的物理、现实世界环境的虚拟视图和/或增强视图的媒体。由HMD装置200呈现的媒体的实例可以包括图像(例如，二维(2D)图像或三维(3D)图像)、视频(例如，2D视频或3D视频)、音频或其一些组合。图像和视频可以通过封装在HMD装置200的主体220中的一个或更多个显示组件(在图2中未示出)呈现给用户的每只眼睛。在多种实施方案中，一个或更多个显示组件可以包括单个电子显示面板或多个电子显示面板(例如，对于用户的每只眼睛一个显示面板)。电子显示面板的实例可以包括，例如，液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、无机发光二极管(ILED)显示器、微型发光二极管(mLED)显示器、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器、透明有机发光二极管(TOLED)显示器、某种其他显示器或它们的一些组合。HMD装置200可以包括两个视窗(eye box)区域。
在一些实施方式中，HMD装置200可以包括多种传感器(未示出)，诸如深度传感器、运动传感器、位置传感器和眼睛跟踪传感器。这些传感器中的一些可以使用结构光图案用于感测。在一些实施方式中，HMD装置200可以包括用于与控制台通信的输入/输出接口。在一些实施方式中，HMD装置200可以包括虚拟现实引擎(未示出)，该虚拟现实引擎可以在HMD装置200内执行应用，并且从多种传感器接收HMD装置200的深度信息、位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其一些组合。在一些实施方式中，由虚拟现实引擎接收的信息可以用于向一个或更多个显示组件产生信号(例如，显示指令)。在一些实施方式中，HMD装置200可以包括定位器(未示出，诸如定位器126)，所述定位器相对于彼此和相对于参考点被定位在主体220上的固定位置中。每个定位器可以发射可由外部成像装置检测的光。
图3是用于实现本文公开的一些实例的以一副眼镜形式的近眼显示器系统300的实例的透视图。近眼显示器系统300可以是图1的近眼显示器系统120的特定实现，并且可以被配置成作为虚拟现实显示器、增强现实显示器和/或混合现实显示器来操作。近眼显示器系统300可以包括框架305和显示器310。显示器310可以被配置成向用户呈现内容。在一些实施方案中，显示器310可以包括显示电子器件和/或显示光学器件。例如，如上文关于图1的近眼显示器系统120描述的，显示器310可以包括LCD显示面板、LED显示面板或光学显示面板(例如，波导显示组件)。
近眼显示器系统300还可以包括在框架305上或在框架305内的多种传感器350a、350b、350c、350d和350e。在一些实施方案中，传感器350a-350e可以包括一个或更多个深度传感器、运动传感器、位置传感器、惯性传感器或环境光传感器。在一些实施方案中，传感器350a-350e可以包括一个或更多个图像传感器，所述图像传感器被配置成生成表示不同方向上的不同视场的图像数据。在一些实施方案中，传感器350a-350e可以用作输入装置以控制或影响近眼显示器系统300的显示内容，和/或向近眼显示器系统300的用户提供交互式VR/AR/MR体验。在一些实施方案中，传感器350a-350e也可以用于立体成像。
在一些实施方案中，近眼显示器系统300还可以包括一个或更多个照明器330，以将光投射到物理环境中。投射的光可以与不同的频带(例如，可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且可以服务于多种目的。例如，照明器330可以在黑暗环境中(或者在具有低强度的红外光、紫外光等的环境中)投射光，以帮助传感器350a-350e在黑暗环境内捕获不同对象的图像。在一些实施方案中，照明器330可以用于将特定的光图案投射到环境中的对象上。在一些实施方案中，照明器330可以用作定位器，诸如上文参考图1描述的定位器126。
在一些实施方案中，近眼显示器系统300还可以包括高分辨率照相机340。照相机340可以捕获视场中的物理环境的图像。所捕获的图像可以例如由虚拟现实引擎(例如，图1的虚拟现实引擎116)处理，以将虚拟对象添加到所捕获的图像上或者修改所捕获的图像中的物理对象，并且所处理的图像可以由用于AR应用或MR应用的显示器310显示给用户。
图4图示出了根据某些实施方案的使用波导显示器的光学透视增强现实系统400的实例。增强现实系统400可以包括投影仪410和合路器415。投影仪410可以包括光源或图像源412和投影仪光学器件414。在一些实施方案中，图像源412可以包括显示虚拟对象的多于一个像素，诸如LCD显示面板或LED显示面板。在一些实施方案中，图像源412可以包括生成相干光或部分相干光的光源。例如，图像源412可以包括激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。在一些实施方案中，图像源412可以包括多于一个光源，每个光源发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的单色图像光。在一些实施方案中，图像源412可以包括光学图案生成器，诸如空间光调制器。投影仪光学器件414可以包括一个或更多个光学部件，所述一个或更多个光学部件可以调节来自图像源412的光，诸如扩展、准直、扫描来自图像源412的光或将来自图像源412的光投影到合路器415。例如，一个或更多个光学部件可以包括一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。在一些实施方案中，投影仪光学器件414可以包括具有多于一个电极的液体透镜(例如，液晶透镜)，所述电极允许对来自图像源412的光进行扫描。
合路器415可以包括输入耦合器430，用于将来自投影仪410的光耦合到合路器415的基底420中。合路器415可以透射至少50％的第一波长范围内的光并且反射至少25％的第二波长范围内的光。例如，第一波长范围可以是从约400nm至约650nm的可见光，并且第二波长范围可以在红外波段，例如从约800nm至约1000nm。输入耦合器430可以包括体全息光栅、衍射光学元件(DOE)(例如，表面浮雕光栅)、基底420的倾斜表面或折射耦合器(例如，光楔(wedge)或棱镜)。输入耦合器430对于可见光可以具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。耦合到基底420中的光可以通过例如全内反射(TIR)在基底420内传播。基底420可以呈一副眼镜的镜片的形式。基底420可以具有平坦的表面或弯曲的表面，并且可以包括一种或更多种类型的介电材料，诸如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、晶体或陶瓷。基底的厚度可以在例如从小于约1mm至约10mm或更大的范围内。基底420对可见光可以是透明的。在一些实施方案中，基底420被称为波导。
基底420可以包括多于一个输出耦合器440或者可以被耦合到多于一个输出耦合器440，所述输出耦合器440被配置成从基底420提取由基底420引导并在基底420内传播的光的至少一部分，并且将所提取的光460引导至增强现实系统400的用户的眼睛490。像输入耦合器430一样，输出耦合器440可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、其他DOE、棱镜等。输出耦合器440在不同位置处可以具有不同的耦合(例如，衍射)效率。基底420还可以允许来自合路器415前面的环境的光450以很少的损失或没有损失地穿过。输出耦合器440也可以允许光450以很少的损失穿过。例如，在一些实施方式中，输出耦合器440对于光450可以具有低衍射效率，使得光450可以被折射或者以其他方式以很少的损失穿过输出耦合器440，并且因此可以具有比所提取的光460更高的强度。在一些实施方式中，输出耦合器440对光450可以具有高衍射效率，并且可以以很少的损失将光450衍射到某些期望的方向(即，衍射角)。结果，用户可以观看合路器415前面的环境和由投影仪410投影的虚拟对象的组合图像。
此外，如上文描述的，在人工现实系统中，为了改善用户与所呈现的内容的交互，人工现实系统可以跟踪用户的眼睛，并且基于用户正在观看的位置或方向来修改或生成内容。跟踪眼睛可以包括跟踪瞳孔的位置和/或形状和/或眼睛的角膜，并且确定眼睛的旋转位置或凝视方向。一种技术(被称为瞳孔中心角膜反射或PCCR方法)涉及使用NIR LED来在眼睛角膜表面上产生闪光，并且然后捕获眼睛区域的图像/视频。凝视方向可以从瞳孔中心和闪光之间的相对运动来估计。多种全息光学元件可以用于眼睛跟踪系统，用于照亮用户的眼睛或者收集由用户的眼睛反射的光。
全息光学元件的一个实例可以是全息体布拉格光栅，该全息体布拉格光栅通过将全息材料层暴露于由两个或更多个相干光束之间的干涉生成的光图案可以被记录在全息材料层上。
图5A图示出了体布拉格光栅(VBG)500的实例。图5A所示的体布拉格光栅500可以包括具有厚度D的透射全息光栅。体布拉格光栅500的折射率n可以以振幅n1调制，并且体布拉格光栅500的光栅周期可以是Λ。具有波长λ的入射光510可以以入射角θ入射到体布拉格光栅500上，并且可以作为入射光520折射到体布拉格光栅500中，入射光520在体布拉格光栅500中以角度θn传播。入射光520可以被体布拉格光栅500衍射成衍射光530，衍射光530可以在体布拉格光栅500中以衍射角θd传播，并且可以作为衍射光540从体布拉格光栅500折射出去。
图5B图示出了图5A所示的体布拉格光栅500的布拉格条件。矢量505表示光栅矢量
Figure BDA0003335863780000191
其中
Figure BDA0003335863780000192
矢量525表示入射波矢量
Figure BDA0003335863780000193
并且矢量535表示衍射波矢量
Figure BDA0003335863780000194
其中
Figure BDA0003335863780000195
在布拉格相位匹配条件下，
Figure BDA0003335863780000196
因此，对于给定的波长λ，可能仅存在一对完全满足布拉格条件的入射角θ(或θn)和衍射角θd。类似地，对于给定的入射角θ，可能仅存在一个完全满足布拉格条件的波长λ。因此，衍射可能仅发生在小波长范围和小入射角范围内。体布拉格光栅500的衍射效率、波长选择性和角度选择性可以是体布拉格光栅500的厚度D的函数。例如，在布拉格条件下体布拉格光栅500的半幅全宽(FWHM，full-width-half-magnitude)波长范围和FWHM角度范围可以与体布拉格光栅500的厚度D成反比，而在布拉格条件下的最大衍射效率可以是函数sin2(a×n1×D)，其中a是系数。对于反射体布拉格光栅，在布拉格条件下的最大衍射效率可以是函数tanh2(a×n1×D)。
在一些实施方案中，多路复用布拉格光栅可以用于实现期望的光学性能，诸如对于整个可见光谱(例如，从约400nm至约700nm或从约440nm至约650nm)的高衍射效率和大的视场(FOV)。多路复用布拉格光栅的每个部分可以用于衍射来自不同FOV范围和/或在不同波长范围内的光。因此，在一些设计中，可以使用多个体布拉格光栅，每个体布拉格光栅在不同记录条件下被记录。
上文描述的全息光学元件(HOE)可以被记录在全息材料(例如，光聚合物)层中。在一些实施方案中，HOE可以首先被记录，并且然后被层压在近眼显示器系统中的基底上。在一些实施方案中，全息材料层可以被涂覆或层压在基底上，并且然后HOE可以被记录在全息材料层中。
通常，为了在光敏材料层中记录全息光学元件，两个相干光束可以以一定角度相互干涉，以在光敏材料层中产生独特的干涉图案，这又可以在光敏材料层中产生独特的折射率调制图案，其中折射率调制图案可以对应于干涉图案的光强图案。光敏材料层可以包括例如卤化银乳剂、重铬酸盐明胶、包含悬浮在聚合物基质中的可光聚合的单体的光聚合物、光折变晶体及类似物。
在一个实例中，光敏材料层可以包括两级光聚合物。两级光聚合物可以包括聚合物粘合剂、写入单体(例如丙烯酸单体)和引发剂，诸如光敏染料、引发剂和/或链转移剂。聚合物粘合剂可以充当骨架或载体基质(support matrix)。例如，聚合物粘合剂可以包括低折射率(例如<1.5)橡胶状聚合物(例如聚氨酯)，其可以在第一阶段被热固化以在全息曝光期间提供机械支撑，并且确保折射率调制被永久保持。写入单体和引发剂可以溶解在载体基质中。写入单体可以用作折射率调调制剂(refractive index modulator)。例如，写入单体可以包括可以与光引发剂反应并聚合的高折射率丙烯酸酯单体。在第二阶段中，光敏染料可以吸收光并与引发剂相互作用以产生自由基(或酸)。自由基(或酸)可以通过向单体链的末端添加单体来引发聚合，以使单体聚合。
在记录过程(例如，第二阶段)期间，干涉图案可以导致亮条纹中自由基或酸的产生，这又可以导致亮条纹中单体的聚合。当亮条纹中的单体被消耗时，未曝光的暗区域中的单体可以扩散到亮条纹以增强聚合。结果，聚合浓度和密度梯度可以在光敏材料层中形成，由于写入单体的较高折射率，导致光敏材料层中的折射率调制。例如，具有较高浓度的单体和聚合的区域可以具有较高的折射率。随着曝光和聚合的进行，更少的单体可用于扩散和聚合，并且因此扩散和聚合可以被抑制。在所有或基本上所有的单体已经被聚合之后，在光敏材料层中不再记录新的全息光学元件(例如，光栅)。
在一些实施方案中，光敏材料层中记录的全息光学元件可以被UV固化或热固化或增强，例如用于染料漂白、完成聚合、永久固定记录的图案以及增强折射率调制。在该过程结束时，可以形成全息光学元件，诸如全息光栅。全息光栅可以是具有例如几微米、或几十微米或几百微米的厚度的体布拉格光栅。
为了生成用于记录HOE的期望的光干涉图案，通常可以使用两个或更多个相干光束，其中一个光束可以是参考光束，而另一个光束可以是可具有期望的波前轮廓的物体光束。当通过参考光束照亮记录的HOE时，可以重建具有期望的波前轮廓的物体光束。
在一些实施方案中，全息光学元件可以用于衍射可见光波段之外的光。例如，IR光或NIR光(例如，在940nm或850nm)可以用于眼睛跟踪。因此，全息光学元件可能需要衍射IR光或NIR光，而不是可见光。然而，可能存在非常少的对红外光敏感的全息记录材料。因此，为了记录可以衍射红外光的全息光栅，可以使用较短波长(例如，在可见光波段或UV波段，诸如在约660nm、约532nm、约514nm或约457nm)的记录光，并且记录条件(例如，两个干涉相干光束的角度)可以不同于重建条件。
图6A图示出了根据某些实施方案的用于记录体布拉格光栅600的记录光束和从体布拉格光栅600重建的光束。在图示的实例中，体布拉格光栅600可以包括使用第一波长(诸如660nm)的参考光束620和物体光束610记录的透射体全息图。当第二波长(例如，940nm)的光束630以0°入射角入射到体布拉格光栅600上时，入射光束630可以以如衍射光束640所示的衍射角被体布拉格光栅600衍射。
图6B是图示出根据某些实施方案的记录光束和重建光束的波矢量以及记录的体布拉格光栅的光栅矢量的全息动量图605的实例。图6B示出了在全息光栅记录和重建期间的布拉格匹配条件。记录光束(例如，物体光束610和参考光束620)的波矢量650和660的长度可以根据2πn/λc基于记录光波长λc(例如，660nm)来确定，其中n是全息材料层的平均折射率。记录光束的波矢量650和660的方向可以基于期望的光栅矢量K(670)来确定，使得波矢量650和660以及光栅矢量K(670)可以形成如图6B所示的等腰三角形。光栅矢量K可以具有振幅2π/Λ，其中Λ是光栅周期。光栅矢量K又可以基于期望的重建条件来确定。例如，基于期望的重建波长λr(例如，940nm)以及入射光束(例如，0°处的光束630)和衍射光束(例如，衍射光束640)的方向，体布拉格光栅600的光栅矢量K(670)可以基于布拉格条件来确定，其中入射光束(例如，光束630)的波矢量680和衍射光束(例如，衍射光束640)的波矢量690可以具有振幅2πn/λr，并且可以与如图6B所示的光栅矢量K(670)形成等腰三角形。
对于给定的波长，可能仅存在一对完全满足布拉格条件的入射角和衍射角。类似地，对于给定的入射角，可能仅存在一个完全满足布拉格条件的波长。当重建光束的入射角不同于满足体布拉格光栅的布拉格条件的入射角时，或者当重建光束的波长不同于满足体布拉格光栅的布拉格条件的波长时，衍射效率可以作为由与布拉格条件的角度或波长失谐引起的布拉格失配因子的函数而降低。因此，衍射可能仅发生在小波长范围和小入射角范围内。
图7图示出了根据某些实施方案的用于记录全息光学元件的全息记录系统700的实例。全息记录系统700包括分束器710(例如，分束器立方体)，分束器710可以将入射激光束702分成两个光束712和714，这两个光束712和714是相干的并且可以具有相似的强度。光束712可以被第一反射镜720朝向板730反射，如由反射的光束722所示。在另一路径上，光束714可以被第二反射镜740反射。反射的光束742可以被朝向板730引导，并且可以在板730处与光束722干涉以产生干涉图案。全息记录材料层750可以形成在板730上或形成在安装在板730上的基底上。干涉图案可以导致全息光学元件被记录在全息记录材料层750中，如上文描述的。在一些实施方案中，板730也可以是反射镜。
在一些实施方案中，掩模760可以用于在全息记录材料层750的不同区域记录不同的HOE。例如，掩模760可以包括用于全息记录的孔762，并且可以移动以将孔762放置在全息记录材料层750上的不同区域，从而使用不同的记录条件(例如，具有不同角度的记录光束)在不同区域记录不同的HOE。
基于全息材料的一些参数，可以为特定应用选择全息材料，所述参数诸如全息材料的空间频率响应、动态范围、光敏性、物理尺寸、机械性质、波长灵敏度以及显影或漂白方法。
动态范围指示在全息材料中可以实现多少折射率变化。动态范围可以影响高效率的装置的厚度和可以在全息材料中多路复用的全息图的数量。动态范围可以用折射率调制(RIM)来表示，它可以是折射率的总变化的一半。小的折射率调制的值可以以百万分率(ppm)给出。通常，全息光学元件中大的折射率调制是期望的，以便提高衍射效率并在同一全息材料层中记录多个全息光学元件。
频率响应是全息材料可以记录的特征尺寸的量度，并且可以指示可以实现的布拉格条件的类型。频率响应可以通过调制传递函数来表征，所述调制传递函数可以是描绘变化频率的正弦波的可见性(visibility)的曲线。通常，单个频率值可以用于表示频率响应，其可以指示调制开始下降或调制降低3dB的频率值。频率响应也可以用线/mm、线对/mm或正弦曲线的周期来表示。
全息材料的光敏性可以指示实现一定效率所需的光剂量，诸如100％或1％(对于光折射晶体)。在特定介质中可以实现的物理尺寸影响孔尺寸以及装置的光谱选择性。全息材料的物理参数可能与损伤阈值和环境稳定性有关。波长灵敏度可以用于选择用于记录设置的光源，并且还可以影响最小可实现周期。一些材料可能对宽波长范围内的光敏感。显影考虑因素可以包括全息材料在记录之后被如何处理。许多全息材料可能需要曝光后显影或漂白。
同一基底上的不同树脂
可能难以设计出满足许多技术要求(例如，高动态范围、低的吸收和雾度、在高和低空间频率的良好分辨率、跨越可见光谱的灵敏度等)的单一光聚合物材料。设计能够图案化大间距特征和小间距特征的单一树脂可能是特别困难的(例如，由于所使用的材料固有的反应/扩散机制)。在一些实施方案中，不同的树脂被沉积在同一基底上，以制造具有空间变化性质的单一膜。例如，单一膜的吸收、空间频率响应等可以根据位置而变化。
参考图8，示出了在基底812上沉积第一材料808的液滴的分配器804的实施方案的简化图。第一材料808具有第一材料性质。第一材料808被沉积到基底812上，以在基底812上形成第一图案。分配器804是喷墨打印机(inkjet)的一部分。基底812是平坦的(例如，具有平行于x/y平面的表面)和薄的(例如，在z维度上测量的厚度小于在x维度上测量的基底812的长度的一半和/或四分之一)。在一些实施方案中，基底812是半导体基底(例如硅基底)。
在一些实施方案中，第一材料808包括第一基质、第一单体和第一光引发剂。第一基质可以是树脂(例如，可喷射的树脂)。例如，第一基质可以是低折射率橡胶状聚合物(如聚氨酯)，其可以被热固化以在全息曝光期间提供机械支撑。热固化可以是第一阶段固化，并且将第一材料暴露于光可以是第二阶段固化。第一单体是被配置成基于与第一光引发剂的反应而聚合的写入单体。在一些实施方案中，第一单体是高折射率丙烯酸酯单体。高折射率可以是相对于基质材料高的。例如，对于聚氨酯基质，第一单体可以具有约1.5的折射率。高折射率单体可以具有等于或大于1.48、1.5、1.55或1.6和/或等于或小于1.7、1.8或2.0的折射率。低折射率可以等于或大于1.3或1.35和/或等于或小于1.47、1.45或1.40。第一光引发剂可以包含一种或更多种化合物。例如，两种化合物(例如，(1)染料或感光剂；和(2)共引发剂)可以用于可见光聚合(例如，染料/感光剂吸收光并将能量或一些活性物质转移至引发聚合的共引发剂)。
第一材料通过第一单体在第一基质中的第一扩散系数来表征。第一扩散系数可以是相对高的(例如，允许较大特征的写入；较低的空间频率响应)。在一些实施方案中，高扩散系数等于或大于0.5μm2/s或1μm2/s和/或等于或小于6μm2/s或10μm2/s。第一图案可以用于基底812上的区域，在该区域中具有大间距的光栅可以被图案化。在一些实施方案中，大间距等于或大于500nm、600nm或800nm和/或等于或小于1500nm、1700nm或2000nm。在一些实施方案中，与用于小间距光栅的制剂相比，对于大间距光栅，制剂中交联/多官能单体的量减少；和/或与用于大间距光栅的制剂相比，用于小间距光栅的制剂中交联/多官能单体的量增加。
图9是在基底812上沉积第二材料908的液滴的分配器804的实施方案的简化图。第二材料具有第二材料性质。第二材料908可以是树脂(例如，可喷射树脂)。第二材料908被沉积到基底812上，以在基底812上形成第二图案。
在一些实施方案中，第二材料908包括第二基质、第二单体和第二光引发剂。第二基质可以是树脂(例如，低折射率橡胶状聚合物)。第二单体是被配置成基于与第二光引发剂的反应而聚合的写入单体。在一些实施方案中，第二单体是高折射率丙烯酸酯单体。第二光引发剂可以包含一种或更多种化合物。
第二材料通过第二单体在第二基质中的第二扩散系数来表征。例如，第二基质可以限制第二单体的移动。在一些实施方案中，第二单体与第一单体相同，和/或第二光引发剂与第一光引发剂相同。第二扩散系数可以是相对低的(例如，允许较小特征的写入；较高的空间频率响应)。在一些实施方案中，低扩散系数等于或大于0.001μm2/s、0.01μm2/s或0.05μm2/s和/或等于或小于0.5μm2/s、0.25μm2/s或0.2μm2/s。第二图案可以用于基底812上的区域，在该区域中具有小间距的光栅可以被图案化。在一些实施方案中，小间距等于或大于100nm、120nm或150nm和/或等于或小于300nm、400nm、500nm或600nm。
图10图示出了光学装置(例如，输出耦合器440)的实施方案的空间频率响应的俯视图。空间频率响应随x和y的函数变化。图10中的函数是沿抛物线型曲线的梯度。梯度由第一材料和第二材料的组合形成(例如，第二图案是抛物线，第二材料在y方向上具有低浓度)。可以创建其他图案。在一些实施方案中，使用分配器804来创建光学装置。第一材料具有比第二材料更低的空间频率响应(例如，由于第一材料的较高的扩散系数)。第一材料808的液滴和第二材料908的液滴被分配到同一基底上的不同x、y位置。
在一些实施方案中，平坦化步骤混合第一材料的液滴和第二材料的液滴。可以调整第一基质和第二基质的化学性质，使得体折射率几乎相同(例如，小于0.005或0.001的差异)。在第一材料和第二材料相遇的区域中，可以存在浓度梯度，其中光学性质的小差异在大面积上被平滑。在一些实施方案中，大距离等于或大于0.5mm或1.0mm和/或等于或小于3mm、4mm或5mm。
虽然一些实施方案描述了空间频率响应的变化，但是全息材料(例如，第一材料和第二材料)可以基于全息材料的一些参数来选择用于特定应用，替代空间频率响应(例如，诸如全息材料的折射率的动态范围、光敏性、物理尺寸、机械性质、波长灵敏度，和/或显影或漂白方法)或除了空间频率响应之外。
在一些实施方案中，装置包括第一全息记录材料(例如，第一材料808)和第二全息记录材料(例如，第二材料908)。第一全息记录材料被设置在基底(例如，基底812)上，其中第一全息记录材料包括第一光学元件(例如，具有第一间距的光栅)。第二全息记录材料被设置在基底上，其中第二全息记录材料包括第二光学元件(例如，具有第二间距的光栅)，并且基于第二全息记录材料的性质与第一全息记录材料的性质相比，第二光学元件在尺寸上小于第一光学元件。第二间距小于第一间距，因为第一全息记录材料的空间频率响应低于第二全息记录材料的空间频率响应。
不同的材料支持不同特征尺寸的形成。特征是元件的独特部分。特征的实例包括表面的宽度和壁的高度。第一材料可以限于具有等于或大于0.8微米的特征尺寸的光学元件，并且第二材料可以限于具有等于或大于0.5微米的特征尺寸的光学元件。因此，与第一材料相比，可以在第二材料中形成更小的特征。在尺寸上小于第一光学元件的第二光学元件可以是指具有小于第一光学元件的特征尺寸的特征尺寸的第二光学元件。在光栅中，特征尺寸的实例是每毫米槽，其中在尺寸上小于第一光栅的第二光栅对应于具有比第一光栅多的每毫米槽的第二光栅。
第一全息记录材料的折射率可以与第二全息记录材料的折射率基本上相同(例如，第二基质具有与第一基质基本上相同的折射率，和/或第一单体的折射率与第二单体的折射率基本上相同；以在基底812上制造具有基本上相同折射率的单一膜)。在一些实施方案中，基本上相同的折射率具有等于或小于0.003或0.001的差异。光学元件可以包括体布拉格光栅(例如，用于输出耦合器或在人工现实显示器中使用的波导的输出耦合器)。第一全息记录材料可以以第一图案被设置在基底上，该第一图案与设置在基底上的第二全息记录材料的第二图案至少部分地重叠(例如，如图8-图10中描述的)。
不同基底上的不同树脂
代替将多种材料施加至一个基底，或者除了将多种材料施加至一个基底，可以将不同的材料施加至不同的基底。可能难以设计出满足许多技术要求(例如，高动态范围、低的吸收和雾度、在高和低空间频率的良好分辨率、跨越可见光谱的灵敏度等)的单一光聚合物材料。由于所使用的材料固有的反应/扩散机制，设计能够图案化大间距特征和小间距特征的单一树脂可能是特别困难的。在一些实施方案中，不同的膜被沉积在不同的基底上。不同的基底可以在曝光之前或之后被组合，以制造单个装置。
参考图11，示出了在不同基底上形成光学装置的不同树脂的堆叠1104的实施方案的简化图。第一膜1110被沉积在第一基底1112上；第二膜1120被沉积在第二基底1122上；第三膜1130被沉积在第三基底1132上；并且第四基底1142在第三膜1130的顶部。第一膜1110、第二膜1120和第三膜1130各自包含基质、单体和光引发剂。第一膜1110、第二膜1120和/或第三膜1130可以被设计成具有不同的性质。例如，可以调整光引发剂以吸收不同波长的光。虽然在堆叠1104中示出了三个膜，但是也可以使用其他数量的膜(例如，2、4、5、6等)。第一基底1112在空间上与第二基底1122、第三基底1132和第四基底1142重叠(例如，基底的光轴共线；在一些实施方案中，可以存在部分重叠)。在一些实施方案中，第一膜1110具有与图8中的第一材料808的第一基质和第一单体类似的基质和单体，和/或第二膜1120具有与图9的第二材料908的第二基质和第二单体类似的基质和单体。
图12是堆叠1104的不同树脂的实施方案的光学吸收的图表。第一膜1110的第一光引发剂被调整成具有以第一波长1215为中心的第一吸收带1210。第二膜1120的第二光引发剂被调整成具有以第二波长1225为中心的第二吸收带1220。第三膜1130的第三光引发剂被调整成具有以第三波长1235为中心的第三吸收带1230。在一些实施方案中，吸收带的带宽是在吸收带的全宽度半最大值处测量的。在一些实施方案中，第一膜1110具有比第二膜1120更低的空间频率响应(例如，如图8-图10中描述的)；和/或第三膜1130具有比第二膜1120更高的频率响应。因此，可以在第二膜1120中写入比第一膜1110更小的光学元件；和/或可以在第三膜1130中写入比第二膜1120甚至更小的光学元件。
在所示的实例中，堆叠1104中的每个膜(例如，树脂)的吸收被调整以响应可见区域中的不同波长(例如，在400nm-700nm之间)。堆叠1104中的基底对可见光是透明的。通过选择暴露光以匹配树脂中的光引发剂，堆叠1104中仅一个膜可以被配置成响应曝光。这允许用不同波长的暴露光在不同膜中空间上记录不同的光学图案。例如，第一波长1215在可见光谱的红色区域中(例如，在625nm和700nm之间；在655nm和680nm之间；660nm、656.5nm、671nm，使用倍频固态激光器)；第二波长1225在可见光谱的绿色区域中(例如，在515nm和560nm之间；515nm、532nm，使用倍频固态激光器)；并且第三波长1235在可见光谱的蓝色区域中(例如，在440nm和490nm之间；457nm、465nm、473nm，使用倍频固态激光器)。堆叠1104顺序地或同时地被暴露于红光、绿光和蓝光，以在第一膜1110、第二膜1120和第三膜1130中形成光学元件。红光用于在第一膜1110中形成光学元件(第二膜1120和第三膜1130不响应于红光，因为红光在第二吸收带1220之外且在第三吸收带1230之外)；绿光用于在第二膜1120中形成光学元件(第一膜1110和第三膜1130不响应于绿光，因为绿光在第一吸收带1210之外且在第三吸收带1230之外)；蓝光用于在第三膜1130中形成光学元件(第一膜1110和第二膜1120不响应于蓝光，因为蓝光在第一吸收带1210之外且在第二吸收带1220之外)。
如果第一膜1110、第二膜1120和第三膜1130的光引发剂被组合到同一膜中(例如，被组合到一个基底上)，则光学厚度可能大得多，这可能导致在曝光期间条纹对比度的损失和/或更小的折射率动态范围(例如，更低的Δn)；并且如果光引发剂浓度被降低到具有与堆叠1104相同的光学厚度，那么Δn也可以降低，因为膜对曝光将不太敏感。例如，如果在曝光波长测量的透射率等于或小于20％，则光学厚度可能太大。
在一些实施方案中，使用不同膜的不同区域。例如，第一膜1110中的光学元件被写入堆叠1104的左侧；写入第二膜1120中的光学元件被写入堆叠1104的中间区域；并且写入第三膜1130中的光学元件被写入堆叠1104的右侧，使得写入第一膜1110中的光学元件不与写入第三膜1130中的光学元件重叠(虽然第一膜1110和第二膜1120中的光学元件可能存在一些重叠，并且第二膜1120和第三膜1130中的光学元件可能存在一些重叠)。
在一些实施方案中，光学装置包括第一基底；第二基底；第一全息记录膜，其具有记录在第一全息记录膜中的第一光学元件，第一全息记录膜被设置在第一基底上；以及第二全息记录膜，其具有记录在第二全息记录膜中的第二光学元件，第二全息记录膜被设置在第二基底上。第二基底在空间上与第一基底重叠，形成堆叠。该堆叠被配置成将光从(例如，一个)波导耦合出去。
图13是图示出根据某些实施方案的将两种材料施加至一个基底的方法的实例的简化流程图1300。流程图1300中描述的操作仅仅是为了说明的目的，而不意图是限制性的。在多种实施方式中，可以对流程图1300进行修改以增加另外的操作，省略一些操作，合并一些操作，分开一些操作或将一些操作重新排序。
在框1310，将第一材料施加至基底，其中第一材料具有第一性质。例如，第一材料是图8中的第一材料，具有第一单体在第一基质中的高扩散系数。
在框1320，将第二材料施加至基底，其中第二材料具有第二性质。例如，第二材料是图9中的第二材料，具有第二单体在第二基质中的低扩散系数。
在框1330，将第一材料和第二材料暴露于光。通过将第一材料和第二材料暴露于光，可以在第一材料和第二材料中形成光学元件。暴露于光可以包括使用掩模。第二材料可以在第一材料暴露于光的同时或之后被暴露于光。
在一些实施方案中，该方法还包括设计第一材料和设计第二材料。一种方法可以包括将第一材料施加至基底，其中：第一材料包括第一基质、第一单体和第一光引发剂；第一单体是被配置成基于与第一光引发剂的反应而聚合的写入单体；并且第一材料通过第一单体在第一基质中的第一扩散系数来表征；将第二材料施加至基底，其中：第二材料包括第二基质、第二单体和第二光引发剂；第二单体是被配置成基于与第二光引发剂的反应而聚合的写入单体；第二材料通过第二单体在第二基质中的第二扩散系数来表征；并且第二扩散系数小于第一扩散系数；以及将第一材料和第二材料暴露于光以在第一材料和第二材料中形成光学元件。第一基质可以具有第一折射率；第二基质可以具有第二折射率；并且第一折射率与第二折射率基本上相同。在第一折射率和第二折射率之间可以存在小于0.001的差异。光学元件可以是在第一材料中具有第一间距的第一光栅和在第二材料中具有第二间距的第二光栅。基于第一材料的较高扩散性，第一间距可以大于第二间距(例如，第一材料的高扩散性为在第一材料中形成较大的元件和在第二材料中形成较小的元件提供了较低的空间频率响应)。第一基质和第二基质在被施加至基底时是树脂。第一材料和第二材料可以被沉积在基底上，以形成第一材料和第二材料的浓度梯度(例如，如图10所示)。第一材料和第二材料可以是全息记录材料和/或光学元件可以包括体布拉格光栅。
在一些实施方案中，一种方法包括在基底上沉积第一材料，其中第一材料在基底上形成第一图案；在基底上沉积第二材料，其中：第二材料在基底上形成第二图案，并且第一图案与第二图案至少部分地重叠；以及将第一材料和第二材料暴露于光，以在第一材料中形成第一光学元件和在第二材料中形成第二光学元件，其中第二光学元件小于第一光学元件。第一材料可以具有与第二材料不同的空间频率响应。
图14是图示出根据某些实施方案的创建堆叠的光学装置的方法的实例的简化流程图1400。流程图1400中描述的操作仅仅是为了说明的目的，而不意图是限制性的。在多种实施方式中，可以对流程图1400进行修改以增加另外的操作，省略一些操作，合并一些操作，分开一些操作或将一些操作重新排序。
在框1410，将第一膜施加至第一基底。例如，将第一膜1110施加至第一基底1112，如图11中描述的。第一膜可以覆盖第一基底的全部或部分表面。
在框1420，将第二膜施加至第二基底。例如，将第二膜1120施加至第二基底1122，如图11中描述的。第三膜(例如，图11中的第三膜1130)可以被施加至第三基底(例如，图11中的第三基底1132)。在一些实施方案中，在将第一膜施加至第一基底(例如，顺序沉积的膜)之后，将第二膜施加至第二基底。
在框1430，第一基底和第二基底被组合以形成堆叠。例如，第一基底1112、第二基底1122和任选地第三基底1132(或其他基底，诸如第四基底1142)被组合以形成堆叠1104，如图11中描述的。第二基底1122与第一基底1112至少部分地重叠(例如，被配置成使得透射穿过第二基底1122的一些光也透射穿过第一基底1112，除非被第一膜1110吸收)。
在框1440，将堆叠中的膜选择性地暴露于光，以在堆叠的膜中形成光学元件。例如，将图11中的堆叠1104暴露于红光、绿光和蓝光。红光用于在第一膜1110中形成光学元件，绿光用于在第二膜1120中形成光学元件，并且蓝光用于在第三膜1130中形成光学元件。第一基底1112、第二基底1122和第三基底1132可以在将膜暴露于光以形成光学元件之前或之后被组合。
在一些实施方案中，一种方法包括将第一膜施加至第一基底，其中第一膜被调整成具有以第一波长为中心的第一吸收带；将第二膜施加至第二基底，其中：第二膜被调整成具有以第二波长为中心的第二吸收带，并且第二波长不同于第一波长；使第一基底和第二基底在空间上重叠以形成堆叠；将第一膜暴露于具有在第一吸收带内的波长的光，以在第一膜中形成第一光学元件；以及将第二膜暴露于具有在第二吸收带内的波长的光，以在第二膜中形成第二光学元件。第三膜可以被施加至第三基底，其中第三膜被调整成具有以第三波长为中心的第三吸收带；使第一基底、第二基底和第三基底重叠以形成堆叠；和/或将堆叠暴露于具有在第三吸收带内的波长的光，以在第三膜中记录第三光学元件。膜可以被调整成响应可见光(例如，在400nm和700nm之间)。可以在创建堆叠(例如，堆叠1104)之前或之后对膜进行曝光。
在一些实施方案中，一种方法包括将第一基底上的第一膜暴露于具有在第一吸收带内的波长的光，以在第一膜中形成第一光学元件，其中第一膜被调整成具有以第一波长(例如，第一波长1215)为中心的第一吸收带；将第二基底上的第二膜暴露于具有在第二吸收带内的波长的光，以在第二膜中形成第二光学元件，其中第二膜被调整成具有以第二波长(例如，第二波长1225)为中心的第二吸收带；将第三基底上的第三膜暴露于具有在第三吸收带内的波长的光，以在第三膜中形成第三光学元件，其中第三膜被调整成具有以第三波长(例如，第三波长1235)为中心的第三吸收带；以及使第一基底、第二基底和第三基底重叠以形成堆叠。第一光学元件、第二光学元件和/或第三光学元件可以是体布拉格光栅。在一些实施方案中，基底1112、1122、1132和/或1142未被配置成波导。在具有在第一吸收带内的波长的光的暴露和具有在第二吸收带内的波长的光的暴露之间可以存在空间变化(例如，暴露第一吸收带内的光可以在堆叠1104的右侧的膜中形成元件，和/或暴露第二吸收带内的光可以在堆叠的左侧的膜中形成光学元件)。第一波长可以是红光(例如，在635nm和700nm之间)；第二波长可以是绿光(例如，在520nm和560nm之间)；和/或第三波长可以是蓝光(例如，在450nm和490nm之间)。
在不脱离本发明的实施方案的精神和范围的情况下，可以以任何合适的方式组合特定实施方案的具体细节。然而，本发明的其他实施方案可以针对与每个单独方面相关的特定实施方案，或者这些单独方面的特定组合。
为了说明和描述的目的，已经呈现了示例性实施方案的以上描述。不意图穷举或将本发明限制于所描述的精确形式，并且根据以上教导，许多修改和变化都是可能的。例如，可以使用电子束光刻代替将材料或膜暴露于光。
本发明的实施方案可以用于制造人工现实系统的部件，或者可以结合人工现实系统来实现。人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式被调整的现实的形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(VR)、混合现实(MR)、混杂现实或它们的某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与捕获的(例如，真实世界)内容相结合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或它们的某种组合，并且其中的任何一种都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(诸如，对观看者产生三维效果的立体视频)。另外地，在一些实施方案中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或它们的某种组合相关联。可以在多种平台上实现提供人工现实内容的人工现实系统，所述多种平台包括连接至主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动装置或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。图15是用于实现本文公开的一些实例的近眼显示器系统(例如，HMD装置)的电子系统1500的实例的简化框图。电子系统1500可以用作上文描述的HMD装置或其他近眼显示器的电子系统。在该实例中，电子系统1500可以包括一个或更多个处理器1510和存储器1520。处理器1510可以被配置成执行用于在多个部件处执行操作的指令，并且可以是例如通用处理器或适合于在便携式电子装置内实现的微处理器。处理器1510可以与在电子系统1500内的多于一个部件通信地耦合。为了实现这种通信耦合，处理器1510可以跨过总线1540与其他图示的部件通信。总线1540可以是适于在电子系统1500内传输数据的任何子系统。总线1540可以包括多于一条计算机总线和另外的电路以传输数据。
存储器1520可以被耦合至处理器1510。在一些实施方案中，存储器1520可以提供短期存储和长期存储两者，并且可以被分成若干个单元。存储器1520可以是易失性的(诸如，静态随机存取存储器(SRAM)和/或动态随机存取存储器(DRAM))和/或非易失性的(诸如，只读存储器(ROM)、闪存及类似物)。此外，存储器1520可以包括可移动存储装置，诸如安全数字(SD)卡。存储器1520可以为电子系统1500提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的存储。在一些实施方案中，存储器1520可以被分布到不同的硬件模块中。一组指令和/或代码可以被存储在存储器1520上。指令可以采取可以由电子系统1500可执行的可执行代码的形式，和/或可以采取源代码和/或可安装代码的形式，所述源代码和/或可安装代码当在电子系统1500上(例如，使用多种通常可用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等中的任何一种)编译和/或安装时，可以采取可执行代码的形式。
在一些实施方案中，存储器1520可以存储多于一个应用模块1522至1524，应用模块1522至1524可以包括任何数量的应用。应用的实例可以包括游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。这些应用可以包括深度感测功能或眼睛跟踪功能。应用模块1522-1524可以包括待由处理器1510执行的特定指令。在一些实施方案中，应用模块1522-1524中的某些应用或部分可以由其他硬件模块1580执行。在某些实施方案中，存储器1520可以另外包括安全存储器，该安全存储器可以包括另外的安全控件，以防止对安全信息的复制或其他未授权的访问。
在一些实施方案中，存储器1520可以包括被加载在其中的操作系统1525。操作系统1525可以是可操作的，以启动由应用模块1522-1524提供的指令的执行和/或管理其他硬件模块1580以及与无线通信子系统1530的接口，无线通信子系统1530可以包括一个或更多个无线收发器。操作系统1525可以适于跨过电子系统1500的部件执行其他操作，包括线程管理(threading management)、资源管理、数据存储控制和其他类似功能。
无线通信子系统1530可以包括例如红外通信装置、无线通信装置和/或芯片组(诸如，
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装置、IEEE 802.11装置、Wi-Fi装置、WiMax装置、蜂窝通信设施等)和/或类似的通信接口。电子系统1500可以包括用于无线通信的、作为无线通信子系统1530的一部分或者作为耦合到系统的任何部分的单独部件的一根或更多根天线1534。根据期望的功能，无线通信子系统1530可以包括单独的收发器，以与基站收发器台和其他无线装置以及接入点进行通信，这可以包括与不同的数据网络和/或网络类型(诸如，无线广域网(WWAN)、无线局域网(WLAN)或无线个域网(WPAN))进行通信。WWAN可以是例如WiMax(IEEE 802.16)网络。WLAN可以是例如IEEE 802.11x网络。WPAN可以是例如蓝牙网络、IEEE 802.15x或一些其他类型的网络。本文描述的技术也可以用于WWAN、WLAN和/或WPAN的任何组合。无线通信子系统1530可以允许与网络、其他计算机系统和/或本文描述的任何其他装置交换数据。无线通信子系统1530可以包括使用天线1534和无线链路1532来发送或接收数据(诸如，HMD装置的标识符、位置数据、地理地图、热图、照片或视频)的装置。无线通信子系统1530、处理器1510和存储器1520可以一起包括用于执行本文公开的一些功能的装置中的一个或更多个的至少一部分。
电子系统1500的实施方案还可以包括一个或更多个传感器1590。传感器1590可以包括，例如，图像传感器、加速度计、压力传感器、温度传感器、接近度传感器(proximitysensor)、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如，组合了加速度计和陀螺仪的模块)、环境光传感器、或者可操作以提供感测输出(sensory output)和/或接收感测输入的任何其他类似模块诸如深度传感器或位置传感器。例如，在一些实施方式中，传感器1590可以包括一个或更多个惯性测量单元(IMU)和/或一个或更多个位置传感器。IMU可以基于从一个或更多个位置传感器接收的测量信号来生成校准数据，该校准数据指示相对于HMD装置的初始位置的HMD装置的估计位置。位置传感器可以响应于HMD装置的运动来生成一个或更多个测量信号。位置传感器的实例可以包括但不限于，一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于IMU的误差校正的一种类型的传感器或者它们的某种组合。位置传感器可以位于IMU的外部、IMU的内部或者它们的某种组合。至少一些传感器可以使用结构化光图案用于感测。
电子系统1500可以包括显示模块1560。显示模块1560可以是近眼显示器，并且可以向用户图形地呈现来自电子系统1500的信息，诸如图像、视频和多种指令。这样的信息可以从一个或更多个应用模块1522-1524、虚拟现实引擎1526、一个或更多个其他硬件模块1580、它们的组合或者(例如，通过操作系统1525)用于为用户解析图形内容的任何其他合适的装置中得到。显示模块1560可以使用液晶显示(LCD)技术、发光二极管(LED)技术(包括例如，OLED、ILED、mLED、AMOLED、TOLED等)、发光聚合物显示(LPD)技术或某种其他显示技术。
电子系统1500可以包括用户输入/输出模块1570。用户输入/输出模块1570可以允许用户向电子系统1500发送动作请求。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始应用或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。用户输入/输出模块1570可以包括一个或更多个输入装置。示例性的输入装置可以包括触摸屏、触摸板、麦克风、按钮、拨号盘、开关、键盘、鼠标、游戏控制器、或者用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送给电子系统1500的任何其他合适的装置。在一些实施方案中，用户输入/输出模块1570可以根据从电子系统1500接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，可以在接收到动作请求或者已经执行动作请求时提供触觉反馈。
电子系统1500可以包括照相机1550，照相机1550可以用于拍摄用户的照片或视频，例如，用于跟踪用户的眼睛位置。照相机1550也可以用于拍摄环境的照片或视频，例如，用于VR应用、AR应用或MR应用。照相机1550可以包括例如具有几百万或几千万像素的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。在一些实施方式中，照相机1550可以包括两个或更多个照相机，它们可以用于捕获3D图像。
在一些实施方案中，电子系统1500可以包括多于一个其他硬件模块1580。其他硬件模块1580中的每一个可以是电子系统1500内的物理模块。虽然其他硬件模块1580中的每一个可以被永久地配置成结构，但是其他硬件模块1580中的一些可以被临时配置成执行特定功能或者被临时激活。其他硬件模块1580的实例可以包括，例如，音频输出和/或输入模块(例如，麦克风或扬声器)、近场通信(NFC)模块、可再充电电池、电池管理系统、有线/无线电池充电系统等。在一些实施方案中，其他硬件模块1580的一个或更多个功能可以用软件来实现。
在一些实施方案中，电子系统1500的存储器1520还可以存储虚拟现实引擎1526。虚拟现实引擎1526可以执行电子系统1500内的应用，并且从多种传感器接收HMD装置的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或它们的某种组合。在一些实施方案中，由虚拟现实引擎1526接收的信息可以用于为显示模块1560产生信号(例如，显示指令)。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则虚拟现实引擎1526可以为HMD装置生成反映用户在虚拟环境中的移动的内容。另外地，虚拟现实引擎1526可以响应于从用户输入/输出模块1570接收的动作请求来执行应用内的动作，并且向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈。在一些实施方式中，处理器1510可以包括可以执行虚拟现实引擎1526的一个或更多个GPU。
在多种实施方式中，上文描述的硬件和模块可以在单个装置上被实现，或者在可以使用有线连接或无线连接彼此通信的多个装置上被实现。例如，在一些实施方式中，一些部件或模块(诸如，GPU、虚拟现实引擎1526和应用(例如，跟踪应用))可以在与头戴式显示器装置分离的控制台上被实现。在一些实施方式中，一个控制台可以被连接至多于一个HMD或者可以支持多于一个HMD。
在可选择的配置中，不同的部件和/或另外的部件可以被包括在电子系统1500中。类似地，一个或更多个部件的功能可以以不同于上文描述的方式的方式被分布在部件中。例如，在一些实施方案中，电子系统1500可以被修改为包括其他系统环境，诸如AR系统环境和/或MR环境。
上文讨论的方法、系统和装置是实例。多种实施方案可以酌情省略、替换或添加多种过程或部件。例如，在可选择的配置中，所描述的方法可以以不同于所描述的顺序来执行，和/或可以添加、省略和/或组合多个阶段。此外，关于某些实施方案描述的特征可以在多种其他实施方案中被组合。实施方案的不同方面和要素可以以相似的方式被组合。此外，技术不断发展，并且因此许多要素是实例，其不将本公开内容的范围限制于那些具体实例。
在描述中给出了具体细节，以提供对实施方案的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施实施方案。例如，为了避免模糊实施方案，熟知的电路、过程、系统、结构和技术已经被示出而没有不必要的细节。此描述仅提供示例性的实施方案，并且不意图限制本发明的范围、适用性或配置。而是，实施方案的前述描述将为本领域技术人员提供用于实现多种实施方案的使能描述(enabling description)。在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以在要素的功能和布置方面进行多种改变。
此外，一些实施方案被描述为过程，过程被描绘为流程图或框图。尽管每一个都可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或并发地被执行。此外，操作的顺序可以被重新排列。过程可以具有图中未包括的另外的步骤。此外，可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合来实现方法的实施方案。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，执行相关联的任务的程序代码或代码段可以被存储在诸如存储介质的计算机可读介质中。处理器可以执行相关联的任务。
对于本领域技术人员来说，将明显的是，可以根据特定的要求进行实质性的变化。例如，还可以使用定制的硬件或专用的硬件，和/或可以以硬件、软件(包括便携式软件，诸如小程序(applet)等)或者两者来实现特定的要素。此外，可以采用到其他计算装置诸如网络输入/输出装置的连接。
参考附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂时性机器可读介质。术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”可以指参与提供使机器以特定方式操作的数据的任何存储介质。在上文提供的实施方案中，多种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或其他装置提供指令/代码以用于执行。另外地或可选择地，机器可读介质可以用于存储和/或携带这样的指令/代码。在许多实施方式中，计算机可读介质是物理存储介质和/或有形存储介质。这样的介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。计算机可读介质的常见形式包括例如磁介质和/或光学介质(诸如光盘(CD)或数字多功能盘(DVD))、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其他物理介质、RAM、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存-EPROM、任何其他存储器芯片或盒、如下文描述的载波、或计算机可以从中读取指令和/或代码的任何其他介质。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，其可以表示过程、函数、子程序、程序、例程、应用(App)、子例程、模块、软件包、类、或指令、数据结构或程序语句的任何组合。
本领域技术人员将理解，用于传送本文描述的消息的信息和信号可以使用多种不同的技术和技艺中的任何一种来表示。例如，在整个上文的描述中可以引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片(chip)可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子、或其任何组合来表示。
如本文使用的术语“和”以及“或”可以包括多种含义，这些含义还被预期至少部分地取决于使用这样的术语的上下文。通常，“或”如果用于关联列表，诸如A、B或C，则意图表示A、B和C(此处以包含的意义使用)以及A、B或C(此处以排他的意义使用)。此外，如本文使用的术语“一个或更多个”可以用来以单数形式描述任何特征、结构或特性，或者可以用来描述特征、结构或特性的某种组合。然而，应当注意，这仅仅是说明性的实例，并且所要求保护的主题不限于该实例。此外，术语“......中的至少一个(at least one of)”如果用于关联列表，诸如A、B或C，则可以被解释为表示A、B和/或C的任何组合，诸如A、AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等。
此外，虽然已经使用硬件和软件的特定组合描述了某些实施方案，但是应当认识到，硬件和软件的其他组合也是可能的。某些实施方案可以仅以硬件实现，或者仅以软件实现，或者使用它们的组合来实现。在一个实例中，可以用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现软件，所述计算机程序代码或指令可由一个或更多个处理器执行，用于执行在本公开内容中描述的任何或所有步骤、操作或过程，其中计算机程序可以被存储在非暂时性计算机可读介质上。本文描述的多种过程可以在相同的处理器上或者以任何组合在不同的处理器上实现。
在装置、系统、部件或模块被描述为被配置成执行某些操作或功能的情况下，可以例如通过设计执行操作的电子电路、通过对可编程电子电路(诸如微处理器)进行编程以(诸如通过执行计算机指令或代码)执行操作、或者被编程为执行存储在非暂时性存储器介质上的代码或指令的处理器或核、或者它们的任何组合来完成这样的配置。过程可以使用多种技术(包括但不限于用于过程间通信的传统技术)进行通信，并且不同的过程对可以使用不同的技术，或者同一对过程可以在不同的时间使用不同的技术。
因此，说明书和附图应被视为说明性的而不是限制性的。然而，将明显的是，在不脱离如在权利要求中阐述的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行添加、删减、删除以及其他修改和改变。因此，尽管已经描述了具体实施方案，但是这些实施方案并不意图是限制性的。多种修改和等同物都在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种装置，包括：
第一基底；
第二基底；
第一全息记录膜，所述第一全息记录膜具有记录在所述第一全息记录膜中的第一光学元件，所述第一全息记录膜被设置在所述第一基底上；和
第二全息记录膜，所述第二全息记录膜具有记录在所述第二全息记录膜中的第二光学元件，其中：
所述第二全息记录膜被设置在所述第二基底上；并且
所述第二基底在空间上与所述第一基底重叠，形成堆叠。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括第三基底和设置在所述第三基底上的第三全息记录膜，其中所述第三基底是所述堆叠的一部分并且在空间上与所述第一基底和所述第二基底重叠。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一光学元件和所述第二光学元件是体布拉格光栅。
4.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述第一光学元件是第一光栅；
所述第一光栅具有第一间距；
所述第二光学元件是第二光栅；
所述第二光栅具有第二间距；并且
所述第二间距不同于所述第一间距。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述堆叠被配置成将光从波导耦合出去。
6.一种方法，包括：
将第一膜施加至第一基底，其中所述第一膜被调整成具有以第一波长为中心的第一吸收带；
将第二膜施加至第二基底，其中：
所述第二膜被调整成具有以第二波长为中心的第二吸收带；并且
所述第二波长不同于所述第一波长；
使所述第一基底和所述第二基底在空间上重叠以形成堆叠；
将所述第一膜暴露于具有在所述第一吸收带内的波长的光，以在所述第一膜中形成第一光学元件；以及
将所述第二膜暴露于具有在所述第二吸收带内的波长的光，以在所述第二膜中形成第二光学元件。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
将第三膜施加至第三基底，其中所述第三膜被调整成具有以第三波长为中心的第三吸收带；
使所述第一基底、所述第二基底和所述第三基底重叠以形成所述堆叠；以及
将所述堆叠暴露于具有在所述第三吸收带内的波长的光，以在所述第三膜中记录第三光学元件。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一波长和所述第二波长在400nm和700nm之间。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括在将所述第一膜暴露于具有在所述第一吸收带内的波长的光之后，使所述第一基底和所述第二基底在空间上重叠以形成所述堆叠。
10.根据权利要求6所述的方法，还包括在将所述第一膜暴露于具有在所述第一吸收带内的波长的光之前，使所述第一基底和所述第二基底在空间上重叠以形成所述堆叠。
11.根据权利要求6所述的方法，其中将所述第一膜暴露于具有在所述第一吸收带内的波长的光和将所述第二膜暴露于具有在所述第二吸收带内的波长的光被顺序地执行。
12.根据权利要求6所述的方法，其中通过使用与用于所述第一膜的光引发剂不同的光引发剂，将所述第二膜调整成具有所述第二吸收带。
13.根据权利要求6所述的方法，其中：
所述第一膜具有第一基质和第一单体；
所述第二膜具有第二基质和第二单体；
所述第一膜具有所述第一单体在所述第一基质中的第一扩散系数；
所述第二膜具有所述第二单体在所述第二基质中的第二扩散系数；并且
所述第一扩散系数大于所述第二扩散系数。
14.根据权利要求6所述的方法，其中：
所述第一光学元件是第一光栅；
所述第一光栅具有第一间距；
所述第二光学元件是第二光栅；
所述第二光栅具有第二间距；并且
所述第二间距不同于所述第一间距。
15.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一膜在被施加至所述第一基底时是树脂，并且所述第二膜在被施加至所述第二基底时是树脂。
16.一种方法，包括：
将第一基底上的第一膜暴露于具有在第一吸收带内的波长的光，以在所述第一膜中形成第一光学元件，其中所述第一膜被调整成具有以第一波长为中心的所述第一吸收带；
将第二基底上的第二膜暴露于具有在第二吸收带内的波长的光，以在所述第二膜中形成第二光学元件，其中所述第二膜被调整成具有以第二波长为中心的所述第二吸收带；
将第三基底上的第三膜暴露于具有在第三吸收带内的波长的光，以在所述第三膜中形成第三光学元件，其中所述第三膜被调整成具有以第三波长为中心的所述第三吸收带；以及
使所述第一基底、所述第二基底和所述第三基底重叠以形成堆叠。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一光学元件、所述第二光学元件和所述第三光学元件是体布拉格光栅。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，在将所述第一基底上的所述第一膜暴露于具有在所述第一吸收带内的波长的光之前，进行使所述第一基底、所述第二基底和所述第三基底重叠。
19.根据权利要求18所述的方法，其中在具有在所述第一吸收带内的波长的光的暴露和具有在所述第二吸收带内的波长的光的暴露之间存在空间变化。
20.根据权利要求16所述的方法，其中：
所述第一波长在635nm和700nm之间；
所述第二波长在520nm和560nm之间；并且
所述第三波长在450nm和490nm之间。
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