CN114144710B - 波导显示器中的向外耦合抑制 - Google Patents

Abstract

一种用于投影仪显示器的光瞳复制波导包括透明材料的板，以用于经由全内反射在板中传播显示光。衍射光栅由板支撑。衍射光栅包括基底中的多个倾斜的条纹，以用于通过衍射将来自板的显示光向外耦合到闪耀衍射级中。显示光的较大部分被向外耦合到闪耀衍射级中，而显示光的较小部分被向外耦合到非闪耀衍射级中。衍射光栅沿衍射光栅厚度方向的折射率对比度分布是对称的，并且折射率对比度在折射率对比度分布的中间比在折射率对比度分布的两侧更大，由此显示光的向外耦合到非闪耀衍射级中的部分减少。

Description

波导显示器中的向外耦合抑制

技术领域

本公开涉及可佩戴头戴式装置(headset)，并且尤其涉及用于可佩戴的视觉显示头戴式装置的部件和模块。

背景

头戴式显示器(HMD)、头盔式显示器、近眼显示器(NED)等正越来越多地用于显示虚拟现实(VR)内容、增强现实(AR)内容、混合现实(MR)内容等。仅举几个例子，这种显示器在包括娱乐、教育、培训和生物医学科学在内的各种领域都获得应用。显示的VR/AR/MR内容可以是三维的(3D)，以增强体验，并且将虚拟对象与用户观察到的真实对象相匹配。可以实时跟踪用户的眼睛位置和凝视方向和/或取向，并且可以根据用户的头部取向和凝视方向动态地调整显示的图像，以提供在模拟或增强环境中的更好的沉浸体验。

头戴式显示器需要紧凑的显示设备。因为HMD或NED的显示器通常戴在用户的头上，所以大的、笨重的、不平衡的和/或重的显示设备将是累赘的，并且用户佩戴可能会不舒服。

基于投影仪的显示器提供角域中的图像，用户的眼睛可以直接观察到这些图像，而无需中间屏幕或显示面板。光瞳(pupil)复制波导用于将角域中的图像传送到用户的眼睛。扫描投影仪显示器中缺少屏幕或显示面板使得显示器的尺寸和重量得以减小。

理想情况下，光瞳复制波导提供足够的方向性，以确保显示的图像只可以被显示器的佩戴者看到，而不可以被外部观察者看到。然而，在许多当前的光瞳复制波导中，一小部分但明显的显示光从显示器中泄漏出来，使得外部观察者能够看到一些显示的图像，并阻碍了与显示器佩戴者的目光(eye)接触。

概述

根据本公开，提供了一种光瞳复制波导，其包括用于经由全内反射在其中传播显示光的透明材料的板(slab)。衍射光栅由板支撑。衍射光栅包括在基底中的多个条纹。基底具有与条纹的折射率不同的折射率。条纹是倾斜的，以用于通过衍射将来自板的显示光向外耦合(out-coupling)到闪耀(blazed)衍射级中，其中显示光的较大部分向外耦合到闪耀衍射级中，而显示光的较小部分向外耦合到非闪耀衍射级中。衍射光栅沿衍射光栅的厚度方向的折射率对比度分布是对称的。折射率对比度在折射率对比度分布的中间比在折射率对比度分布的两侧更大，由此显示光的向外耦合到非闪耀衍射级中的部分减少。

在一些实施例中，衍射光栅包括第一光栅层、第二光栅层和第三光栅层的堆叠，第二光栅层设置在第一光栅层和第三光栅层之间并且条纹延伸穿过堆叠。第一层、第二层和第三层中的每一层中的衍射光栅的折射率对比度是恒定的，并且第二光栅层的折射率对比度高于第一光栅层和第三光栅层的折射率对比度。第一光栅层和第三光栅层的厚度可以基本上彼此相等。在一些实施例中，第一光栅层、第二光栅层和第三光栅层的厚度基本上彼此相等，并且第二光栅层的折射率对比度高于第一光栅层和第三光栅层的折射率对比度。

在一些实施例中，第一光栅层和第三光栅层的折射率对比度的值基本上彼此相等。第二光栅层的厚度可以等于或大于第一光栅层和第三光栅层的厚度中的每一个。第二光栅层的厚度可以等于或大于第一光栅层和第三光栅层的厚度之和。

在一些实施例中，第一光栅层、第二光栅层和第三光栅层中的条纹的折射率基本上相同，并且第二光栅层的基底的折射率不同于第一光栅层和第三光栅层的基底的折射率。在一些实施例中，第一光栅层、第二光栅层和第三光栅层中的基底的折射率基本上相同，并且第二光栅层中的条纹的折射率不同于第一光栅层和第三光栅层中的条纹的折射率。将显示光衍射到非闪耀衍射级中的衍射效率可以小于0.1％。

在一些实施例中，衍射光栅是布拉格光栅。布拉格光栅在垂直于条纹的方向上的折射率对比度分布可以是例如正弦曲线。对于任何类型的衍射光栅，折射率对比度分布可以是平滑变化的函数，例如高斯函数。可以提供输入光栅用于将显示光向内耦合到板中。

根据本公开，提供了一种制造光瞳复制波导的方法。该方法包括在透明材料的板上形成多个倾斜的条纹，以用于通过衍射将来自板的显示光向外耦合到闪耀衍射级中，倾斜的条纹具有高度。可以在板上的条纹之间将第一基底层形成到条纹的高度的一部分。可以在条纹之间的第一基底层上将第二基底层形成到条纹的高度的一部分。可以在条纹之间的第二基底层上将第三基底层形成到至少条纹的高度。由条纹和第二基底层形成的光栅层的折射率对比度可以高于由条纹和第一基底层形成的光栅层的折射率对比度；并且可以高于由条纹和第三基底层形成的光栅层的折射率对比度。

在一些实施例中，第一基底层、第二基底层和第三基底层通过旋涂、喷墨或可流动沉积工艺中的至少一种形成。多个倾斜的条纹可以通过原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或物理气相沉积(PVD)中的至少一种形成。

根据本公开，还提供了一种制造光瞳复制波导的方法。该方法包括在透明材料的板上形成多个倾斜的条纹，以用于通过衍射将来自板的显示光向外耦合到闪耀衍射级中。在板上的条纹之间将基底层形成到条纹的高度。烘烤基底层以提供基底层在基底层的厚度方向上的空间折射率变化，使得由条纹和基底层形成的衍射光栅沿衍射光栅的厚度方向的折射率对比度分布是对称的，并且折射率对比度在折射率对比度分布的中间比在折射率对比度分布的两侧更大。基底层可以通过旋涂、喷墨或可流动沉积工艺中的至少一种形成。

附图简述

现在将结合附图描述示例性实施例，其中：

图1是光瞳复制波导的侧剖视图；

图2是图1的光瞳复制波导的放大剖视图，其示出了显示光被衍射到闪耀衍射级和非闪耀衍射级中；

图3A是光瞳复制波导的衍射光栅的介电常数图(permittivity map)；

图3B是在图3A的衍射光栅处的显示光到闪耀衍射级中的衍射效率相对于(vs.)入射角的曲线图；

图3C是在图3A的衍射光栅处的显示光到非闪耀衍射级中的衍射效率相对于入射角的曲线图；

图4A是光瞳复制波导的衍射光栅的介电常数图，该衍射光栅包括具有不同折射率对比度的三层的堆叠；

图4B是在图4A的衍射光栅处的显示光到闪耀衍射级中的衍射效率相对于入射角的曲线图；

图4C是在图4A的衍射光栅处的显示光到非闪耀衍射级中的衍射效率相对于入射角的曲线图；

图5A是光瞳复制波导的衍射光栅的介电常数图，该衍射光栅包括具有不同折射率对比度的三层的堆叠和延伸穿过所有三层的可变折射率倾斜条纹；

图5B是在图5A的衍射光栅处的显示光到闪耀衍射级中的衍射效率相对于入射角的曲线图；

图5C是在图5A的衍射光栅处的显示光到非闪耀衍射级中的衍射效率相对于入射角的曲线图；

图6A是光瞳复制波导的衍射光栅的介电常数图，该衍射光栅包括具有不同折射率对比度的三层的堆叠和延伸穿过所有三层的高折射率倾斜条纹；

图6B是在图6A的衍射光栅处的显示光到闪耀衍射级中的衍射效率相对于入射角的曲线图；

图6C是在图6A的衍射光栅处的显示光到非闪耀衍射级中的衍射效率相对于入射角的曲线图；

图7A是光瞳复制波导的衍射光栅的折射率图，该衍射光栅包括折射率渐变的倾斜条纹；

图7B是光瞳复制波导的衍射光栅的折射率图，该衍射光栅包括折射率渐变的基底；

图8A是光瞳复制波导的布拉格(Bragg)光栅的折射率图；

图8B是在图8A的布拉格光栅处的显示光到闪耀衍射级中的衍射效率相对于入射角的曲线图；

图8C是在图8A的布拉格光栅处的显示光到非闪耀衍射级中的衍射效率相对于入射角的曲线图；

图9A是光瞳复制波导的布拉格光栅的介电常数图，该布拉格光栅包括具有不同折射率对比度的多个区域(areas)；

图9B是在图9A的衍射光栅处的显示光到闪耀衍射级中的衍射效率相对于入射角的曲线图；

图9C是在图9A的衍射光栅处的显示光到非闪耀衍射级中的衍射效率相对于入射角的曲线图；

图10是制造光瞳复制波导的方法的流程图，该光瞳复制波导包括具有不同折射率对比度的几个光栅层；

图11是制造光瞳复制波导的方法的流程图，该光瞳复制波导包括具有平滑变化的折射率对比度的衍射光栅；

图12是用于光瞳复制波导的衍射光栅的剖视图，该衍射光栅具有适形(conforming)层；

图13是制造图12的衍射光栅的方法的流程图；

图14是用于光瞳复制波导的衍射光栅的剖视图，该衍射光栅包括由扭曲向列(TN)液晶形成的条纹；

图15是具有眼镜形状因子的近眼显示器的顶部剖视图；

图16A是本公开的头戴式显示器的等距视图；以及

图16B是包括图16A的头戴式装置的虚拟现实系统的框图。

详细描述

虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是意图并不是本教导被限制到这样的实施例。相反，本教导包括各种替代和等同物，如本领域技术人员所理解的。本文中叙述本公开的原理、方面和实施例以及其特定示例的所有陈述旨在包括其结构和功能等同物。另外，意图是这样的等同物包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物两者，即，执行相同功能的所开发的任何要素，而不考虑结构。

如在本文所使用的，除非明确规定，否则术语“第一”、“第二”等并不意欲暗示顺序次序，而是更确切地意欲将一个要素与另一个要素区分开。类似地，除非明确规定，否则方法步骤的顺序次序并不暗示它们执行的顺序次序。

基于投影仪和光瞳复制波导的近眼显示器外部的光泄漏可能是由显示光在光瞳复制波导的衍射光栅处沿不期望的方向衍射引起的，即朝向外部世界衍射到显示器外部，而不是朝向用户的眼睛衍射到显示器内部。对于闪耀衍射光栅，即具有被倾斜以将入射光更有效地衍射到一个衍射级(例如第一衍射级)，而不是衍射到相反衍射级(例如负的第一衍射级)的凹槽或条纹的光栅，一些光仍然可能在非闪耀衍射级的方向上泄漏(即泄漏到显示器外部)。泄露的显示光可能会分散与近眼显示器的佩戴者交互的人的注意力，并且可能使其他观察者能够看到显示的内容(文本、图像等)，可能会导致隐私问题。

根据本公开，光瞳复制波导的衍射光栅可以被配置成减少不希望的方向上的衍射，即减少到非闪耀衍射级中的衍射。为此，衍射光栅在衍射光栅的厚度方向上(即，跨衍射光栅的厚度)的折射率对比度分布可以在衍射光栅的末端处减小，即：与衍射光栅的中间厚度处的折射率对比度相比，衍射光栅的顶表面和底表面处的折射率对比度可以减小。折射率对比度的这种变迹(apodization)可以抑制光衍射到不希望的或非闪耀的衍射级中。本文中，折射率对比度被定义为衍射光栅条纹的折射率与条纹悬浮在其中的下层基底的折射率之差。

折射率对比度变迹可以通过多种方式实现。在一些实施例中，衍射光栅可以是分层的，每层具有其自己的折射率对比度。在一些实施例中，通过衍射光栅层材料的处理(即受控烘烤)，可以产生更平滑的变化。在一些实施例中，衍射光栅的占空比或填充因子可以通过使衍射光栅凹槽或条纹逐渐变细或以其他方式成形而在穿过衍射光栅的厚度时变化。下面将更详细地进一步考虑这些和其他实施例。

参考图1，光瞳复制波导100包括透明材料板102，以用于从板102的顶部和底部平行表面通过顺序全内反射(TIR)在板102中传播显示光104。本文中，术语“透明的”既包括完全透明的，也包括部分透明或半透明的，即有些吸收或散射，但足够透明以将足够量的显示光传送到用户的眼睛以便用户看到所显示的图像。板102通常是平面平行的(plano-parallel)，尽管在某些情况下板的轻微弯曲可能是可接受的。

衍射光栅106由板102支撑。衍射光栅106包括基底110中的多个条纹108。条纹108的折射率不同于基底110的折射率。条纹108的折射率可以大于或小于基底110的折射率。折射率对比度在本文被定义为条纹108的折射率和基底110的折射率之间的差的模量(modulus)。如图1所示，条纹108是倾斜的，以用于从板102向外耦合显示光104的较大部分114，以便用户的眼睛112观察显示光104。通常，较大部分114在光功率水平上约为显示光104的10％至50％。显示光104的较小部分116在“错误”的方向上向外耦合，即耦合到近眼显示器外部，并且可能被其他人观察到。如上所述，期望减少较小部分116。在一些实施例中，较小部分116可以减少到显示光104的光功率水平的至少0.1％。可以在光瞳复制波导100中提供输入耦合器(例如输入衍射光栅)，以用于将显示光104内耦合到板102中。

参考图2，更详细地示出了显示光104在衍射光栅106上的衍射。衍射光栅106的条纹108朝着入射显示光104成角度(tilt)或倾斜(slant)，以将显示光104的较大部分114衍射到闪耀衍射级124中。显示光104的较小部分116被衍射到非闪耀衍射级126中。

参考图3A，光瞳复制波导(例如图1的光瞳复制波导100)的衍射光栅300的相对介电常数ε以微米为单位根据x坐标和z坐标绘制。x坐标是衍射光栅300内特定位置的沿衍射光栅300的表面的横向坐标，而z坐标是衍射光栅300内特定位置的厚度坐标，即衍射光栅300的厚度方向340上的坐标。衍射光栅300包括悬浮在3.24的低介电常数的基底材料310中的多个高介电常数(在这个示例中等于4.0)的倾斜条纹308。本文中，术语“高”和“低”是相对于彼此的，即条纹介电常数高于基底介电常数。在一些实施例中，条纹308的介电常数低于基底310的介电常数。对于非磁性、非吸收介质，相对介电常数ε_r和折射率n的关系为ε_r＝n²。因此，倾斜的条纹308具有折射率n_F＝2，并且基底材料310具有折射率n_S＝1.8。在这种情况下，折射率对比度Δn＝|n_F-n_S|等于0.2。倾斜的条纹308可以光刻形成在透明板(未示出)上，并且基底材料310可以例如通过旋涂涂覆到倾斜的条纹308上。

图3B示出了图3A的衍射光栅300的闪耀衍射级衍射效率314相对于入射角的计算结果。垂直线302表示显示光被支撑衍射光栅300的波导板(未示出)引导的角度范围。在这个示例中，闪耀衍射级衍射效率314达到大约28％。相比之下，图3C所示的计算出的非闪耀衍射级衍射效率316仅达到大约0.6％(图3B和图3C中的垂直刻度是不同的)。尽管与闪耀衍射级衍射效率314相比，这看起来并不是太多，但是对于具有这种波导的近眼显示器的外部观察者来说，0.6％的入射显示光可能变得非常明显，并且可能对外部观察者来说显得分散注意力或令人讨厌，并且可能妨碍甚至完全阻止与显示器佩戴者的目光接触。

现在参考图4A，光瞳复制波导(例如图1的光瞳复制波导100)的衍射光栅400的相对介电常数以微米为单位根据x坐标和z坐标进行绘制。x坐标是衍射光栅400内特定位置的横向坐标，z坐标是衍射光栅400内特定位置的厚度坐标。如图4A所示，衍射光栅400包括第一光栅层421、第二光栅层422和第三光栅层423的堆叠。第二光栅层422设置在中间，即在第一光栅层421和第三光栅层423之间。第一光栅层421和第三光栅层423具有基本相同的厚度。在本文和整个说明书的其余部分中，确切地说，当应用于参数时，术语“基本上”意味着在参数的中值的10％以内。

第二光栅层422比第一光栅层421和第三光栅层423中的任何一个都更厚，具体地说，在该示例中大约是两倍厚。换句话说，第二光栅层422的厚度基本上等于第一光栅层421和第三光栅层423的总厚度。例如，在一些实施例中，第一光栅层421和第三光栅层423的厚度可以在75nm和85nm之间，第二光栅层422的厚度可以在150nm和170nm之间。

多个倾斜的条纹408延伸穿过第一光栅层421、第二光栅层422和第三光栅层423。倾斜的条纹408的相对介电常数可以因层而异。倾斜的条纹408悬浮在基底材料410中，基底材料410的相对介电常数也因层而异，并且低于条纹408的相对介电常数。对于衍射光栅400的每个层421、422和423，基底材料410的折射率低于条纹408的折射率。

衍射光栅400的条纹408在第一光栅层421和第三光栅层423中具有1.95的折射率n_F，在第二光栅层422中具有2.0的折射率n_F。基底材料410在第一光栅层421和第三光栅层423中具有1.85的折射率n_S，在第二光栅层422中具有1.8的折射率n_S。因此，第一光栅层421、第二光栅层422和第三光栅层423中的每一个的折射率对比度Δn＝|n_F-n_S|虽然在每个光栅层421、422、423上是恒定的，但是因层而异：对于第一光栅层421和第三光栅层423，折射率对比度Δn等于0.1，对于第二光栅层422，折射率对比度Δn等于0.2，即第二光栅层422的折射率对比度高于第一光栅层421和第三光栅层423的折射率对比度。沿着衍射光栅400的厚度方向440(即z轴)，衍射光栅400的折射率对比度分布是对称的，使得折射率对比度Δn在折射率对比度分布的中间比在折射率对比度分布的两侧更大。注意，本文使用的折射率值仅旨在作为示例；折射率值和折射率对比度值可以根据所使用的材料而不同。还应当理解，本文考虑的示例的折射率值的陈述暗示了一定的公差范围，例如折射率2.0意味着从1.95到2.05的范围，折射率1.8意味着从1.75到1.85的范围，以此类推。

参考图4B，闪耀衍射级的计算的衍射效率414达到大约18％，其略高于用作参考的图3A的衍射光栅300的闪耀衍射级衍射效率314(图3B)的一半。与图3B的最大衍射效率相比，最大衍射效率的较低值可能是由较低的总折射率对比度Δn引起的，这是因为只有中间的第二层422具有0.2的较高的折射率对比度Δn，而剩余的第一层421和第三层423具有0.1的较低的折射率对比度Δn。值得注意的是，在用边界线402勾勒出的波导400的角度范围(图4B、图4C)内，衍射到非闪耀衍射级中的最大衍射效率416被更显著地降低到0.1％以下，即降低了大约5/6，该波导400的角度范围表示TIR引导光的角度范围。因此，图4A的衍射光栅400的折射率对比度Δn的z分布的变迹将显示光的向外耦合到非闪耀衍射级416中的部分(图4C)减少到比闪耀部分414的折射率对比度更高的程度。在本文和整个说明书中，关于折射率对比度的术语“变迹”是指衍射光栅400的顶表面和底表面处的折射率对比度的降低，以便在衍射光栅400的外面(即在衍射光栅400的上面或下面)平滑过渡到零折射率对比度，如图4A所示。

转到图5A，光瞳复制波导(例如图1的光瞳复制波导100)的衍射光栅500的相对介电常数以微米为单位根据x坐标和z坐标进行绘制。衍射光栅500包括第一光栅层521、第二光栅层522和第三光栅层523的堆叠。第二光栅层522设置在中间，即在第一光栅层521和第二光栅层523之间。第一光栅层521和第三光栅层523具有基本相同的厚度，第二光栅层522更厚，例如是第一光栅层521和第三光栅层523中每一个的两倍厚。作为非限制性示例，第一光栅层521和第三光栅层523的厚度可以在75nm和85nm之间，第二光栅层522的厚度可以在150nm和170nm之间。

多个倾斜的条纹508延伸穿过第一光栅层521、第二光栅层522和第三光栅层523。倾斜的条纹508的相对介电常数ε_F以及相应的折射率n_F因层而异，并且在第二光栅层522中较大。条纹508悬浮在基底510中或由基底510支撑。对于第一光栅层521、第二光栅层522和第三光栅层523，基底510的折射率n_S处于相同的恒定值1.8。因为第二光栅层522内的基底510的折射率n_F不同于第一光栅层521和第三光栅层523内的条纹的折射率，所以第一光栅层521、第二光栅层522和第三光栅层523中的每一个的折射率对比度Δn＝|n_F-n_S|虽然在每个光栅层上是恒定的，但是因层而异：对于第一光栅层521和第三光栅层523，折射率对比度Δn等于0.1，对于第二光栅层，折射率对比度Δn等于0.2。沿着衍射光栅的厚度方向540(即z轴)，衍射光栅500的折射率对比度分布是近似对称的，使得折射率对比度Δn在折射率对比度分布的中间比在折射率对比度分布的两侧更大。注意，虽然图5A的衍射光栅500在结构上不同于图4A的衍射光栅400，但是这两个光栅的折射率对比度分布基本相同。

图5B示出了由图5A的衍射光栅500衍射到闪耀衍射级中的显示光的计算的衍射效率514。最大衍射效率约为15％，其约为本文用作参考的图3A的衍射光栅300的闪耀衍射级衍射效率314的一半。图5C示出了衍射到非闪耀衍射级中的显示光的计算的衍射效率516。非闪耀衍射级的最大衍射效率516在用边界线502勾勒出的波导500的角度范围(图5B、图5C)内显著降低到低于0.1％的值，该波导500的角度范围表示引导光的角度范围。因此，类似于图4A的衍射光栅400，图5A的衍射光栅500的折射率对比度Δn的z分布的变迹也减少了显示光的向外耦合到非闪耀衍射级516中的部分(图5C)。

转到图6A，光瞳复制波导(例如图1的光瞳复制波导100)的衍射光栅600的相对介电常数以微米为单位根据x坐标和z坐标进行绘制。衍射光栅600包括第一光栅层621、第二光栅层622和第三光栅层623的堆叠。第二光栅层622设置在中间，即在第一光栅层621和第二光栅层623之间。第一光栅层621和第三光栅层623具有基本相同的厚度，而第二光栅层622较厚，例如是第一光栅层621和第三光栅层623中每一个的两倍厚。例如，第一光栅层621和第三光栅层623的厚度可以在75nm和85nm之间，而第二光栅层622的厚度可以在150nm和170nm之间。

多个倾斜的条纹608延伸穿过第一光栅层621、第二光栅层622和第三光栅层623。对于每个光栅层621、622和623，倾斜的条纹608的相对介电常数ε_F以及相应的折射率n_F是相同的；在这个示例中，对于所有三层，倾斜的条纹608的折射率n_F等于1.9。

倾斜的条纹608悬浮在基底610中。基底610材料的折射率n_S因层而异。在第一光栅层621和第三光栅层623中，基底610的折射率n_S等于1.8；并且在第二光栅层622中，基底610的折射率n_S较低，等于1.7。因此，第一光栅层621、第二光栅层622和第三光栅层623中的每一个的折射率对比度Δn＝|n_F-n_S|因层而异：第一光栅层621和第三光栅层623的折射率对比度Δn等于0.1，而第二光栅层622的折射率对比度Δn等于0.2。沿着衍射光栅的厚度方向640(即z轴)，衍射光栅600的折射率对比度分布可以成为对称的，使得折射率对比度Δn在折射率对比度分布的中间比在折射率对比度分布的两侧更大。注意，折射率对比度分布与图4A的衍射光栅400和图5A的衍射光栅500中的相同。

图6B示出了由图6A的衍射光栅600衍射到闪耀衍射级中的显示光的计算的衍射效率614。最大衍射效率大约是18％，超过本文用作参考的图3A的衍射光栅300的闪耀衍射级衍射效率314的一半。参考图6C，非闪耀衍射级616的最大衍射效率在用边界线602勾勒出的波导600的角度范围内(图6B、图6C)也显著降低到低于0.1％的值。因此，图6A的衍射光栅600的折射率对比度Δn的z分布的变迹将显示光的向外耦合到非闪耀衍射级616中的部分(图6C)以比显示光的向外耦合到闪耀衍射级中的部分大得多的程度减少。

在图4A的衍射光栅400、图5A的衍射光栅500和图6A的衍射光栅600的示例中，中心(第二)光栅层是外(第一和第三)光栅层的两倍厚，并且中心光栅层的折射率对比度是两倍高。对于上述衍射光栅，其他配置也是可能的。作为非限制性示例，所有三个光栅层的厚度可以被制成基本上彼此相等，并且中心光栅层的折射率对比度可以较高，例如大约是外光栅层的折射率对比度的三倍高。此外，外光栅层的厚度不需要相同，并且层数可以大于三层。在一些实施例中，层结构关于衍射光栅的中心厚度对称；在其他实施例中，它是准对称的或者甚至是不对称的。通常，变迹可以近似平滑变化的钟形函数，诸如例如高斯函数。

参考图7A，用于光瞳复制波导(例如图1的光瞳复制波导100)的衍射光栅700A包括悬浮在低折射率基底材料710A中的多个高折射率的倾斜条纹708A。本文中，术语“高”和“低”是相对于彼此的，即条纹折射率高于基底折射率。条纹708A具有在厚度方向740上平滑变化的折射率。厚度中点741处的折射率高于衍射光栅700A的顶表面和底表面处的折射率。作为非限制性示例，条纹708A在中点741处的最大折射率是2.0，而在顶表面和底表面处的折射率是1.8。在该示例中，基底710A的折射率均匀地为1.8。因此，衍射光栅700A的折射率对比度分布具有钟形形状，最大值为0.2，最小值为0。这种配置提供了折射率对比度分布的平滑变迹，这可以显著减少显示光的向外耦合到不期望的非闪耀衍射级中的部分。

参考图7B，用于光瞳复制波导(例如图1的光瞳复制波导100)的衍射光栅700B包括悬浮在低折射率基底材料710B中的多个高折射率的倾斜条纹708B。如在上面的示例中，术语“高”和“低”是相对于彼此的，即条纹折射率高于基底折射率。在这个示例中，条纹708B具有2.0的恒定折射率。基底材料710B的折射率在厚度方向740上平滑地变化。基底材料710B的折射率在厚度的中点741处比在衍射光栅700B的顶表面和底表面处更低。中点741处的最小折射率是1.8，而顶表面和底表面处的折射率是2.0。因此，图7B的衍射光栅700B的折射率对比度分布具有与图7A的衍射光栅700A相同或相似的钟形，其最大值在中点741处为0.2，最小值在衍射光栅700B的外表面处为0。

现在参考图8A，用于光瞳复制波导(例如图1的光瞳复制波导100)的布拉格光栅800包括折射率从1.8到2.0变化的多个倾斜的正弦条纹808。本文中，术语“正弦条纹”指的是衍射光栅条纹，其折射率沿着垂直于条纹808的条纹方向850正弦变化，例如在这个示例中振幅为0.2(1.8至2.0)。整个布拉格光栅800上的折射率对比度是相同的。

在一些实施例中，布拉格光栅800可以通过在光敏材料中提供双光束光学干涉图案来形成，该光敏材料在被照射时改变其折射率。紫外(UV)光可用于在对UV敏感的聚合物或另一种材料中形成双光束光学干涉图案。双光束干涉图案可以通过将两个记录UV光束引导到光敏基底来形成。可以选择记录光束的取向，以使尽可能多的光在近眼显示器的视窗(eyebox)的方向上衍射。在一些实施例中，可以以不同的角度进行多次这样的曝光；对于这种情况，所得到的条纹图案可以是非正弦的和/或不规则形状的，以在对应于多个曝光角度的多个入射角处高效地衍射显示光。

图8B示出了计算在图8A的衍射光栅800处闪耀衍射级衍射效率814相对于入射角的结果。垂直线802表示显示光被支撑衍射光栅800的波导板(例如图1的光瞳复制波导100的板102)引导的角度范围。在这个示例中，图8B的闪耀衍射级衍射效率814(即，到近眼显示器的视窗的衍射效率)达到大约18％。

图8C示出了计算图8A的衍射光栅800的非闪耀衍射级衍射效率816相对于入射角的结果。图8C所示，计算的非闪耀衍射级衍射效率816仅达到大约0.4％。尽管与闪耀衍射级衍射效率814相比，这看起来并不太多，但是对于使用这种光瞳复制波导的近眼显示器的外部观察者来说，0.4％的入射显示光可能变得非常明显。因此，即使在衍射光栅条纹的折射率变化是平滑(例如正弦)的情况下，非变迹折射率对比度也可能导致显示光显著泄漏到近眼显示器之外。

转到图9A，用于光瞳复制波导(例如图1的光瞳复制波导100)的布拉格光栅900包括多个倾斜的正弦条纹908，这些条纹延伸穿过第一光栅层921、第二光栅层922和第三光栅层923的堆叠。衍射光栅900的相对介电常数以微米为单位根据x坐标和z坐标进行绘制。x坐标是衍射光栅900内特定位置的横向坐标，z坐标是衍射光栅900内特定位置的厚度坐标。换句话说，z坐标平行于厚度方向940。衍射光栅900的第二光栅层922设置在中间，即在衍射光栅900的第一光栅层921和第二光栅层923之间。第一光栅层921和第三光栅层923具有相同的厚度，而第二(中间)层922大约是第一光栅层921和第三光栅层923中的每一个的两倍厚。在该示例中，第一光栅层921和第三光栅层923的厚度在75nm和85nm之间，而第二光栅层922的厚度在150nm和170nm之间。

条纹908中折射率正弦变化的幅度(即折射率对比度)在不同的光栅层中是不同的。在所示的示例中，第一光栅层921和第三光栅层923的折射率对比度是0.1，其折射率从1.85空间变化至1.95，而第二光栅层922的折射率对比度是0.2，其折射率从1.8空间变化至2.00。这种变化图案可以例如通过以下方式来获得：将第一光栅层921、第二光栅层922和第三光栅层923堆叠在一起(其中第二光栅层922具有比第一光栅层921和第三光栅层923更高的光敏材料浓度)，并且同时用两个写入UV波照射该堆叠以产生延伸穿过所有三个光栅层的写入UV干涉图案。人们还可以使用变迹来使光束强度在光栅中间最强。

参考图9B，闪耀衍射级的计算的衍射效率914达到大约17％，这略低于图8A的布拉格光栅800的闪耀衍射级衍射效率814(图8B)。最大衍射效率的略低的值可能是由较低的总折射率对比度Δn引起的，这是因为只有中间的第二层922具有0.2的折射率对比度Δn，而第一光栅层921和第三光栅层923具有0.1的较低折射率对比度Δn。值得注意的是，非闪耀衍射级的最大衍射效率916在用边界线902勾勒出的波导900的角度范围内(图9B、图9C)更加显著地降低到0.1％以下，即降低了至少3/4，该波导900的角度范围表示由光瞳复制波导引导的光的角度范围。因此，图9A的衍射光栅900的折射率对比度Δn的z分布的变迹将显示光的向外耦合到非闪耀衍射级916中的部分(图9C)减少到比闪耀部分914的折射率对比度更高的程度。布拉格光栅900的非闪耀衍射效率916的行为类似于图4A的布拉格光栅400的非闪耀衍射效率416。

现在参考图10，制造光瞳复制波导的方法1000包括在透明材料板(例如图1的板102)上形成(1002)多个倾斜的条纹(例如图6A的倾斜的条纹608)。倾斜的条纹可以被配置用于通过衍射将来自板的显示光向外耦合到闪耀衍射级中。例如，倾斜的条纹可以具有被选择来增加被衍射到闪耀衍射级中的光量的倾斜角，例如对应于闪耀衍射级方向上的镜面反射的倾斜角。然后可以形成第一基底层(图10；1004)，例如在倾斜的条纹之间的板上涂覆至条纹高度的一部分，从而形成第一光栅层621(图6A)。然后可以例如通过在倾斜的条纹之间的第一基底层上涂覆(图10；1006)至条纹高度的一部分来形成第二基底层，从而形成第二光栅层622(图6A)。然后可以例如在倾斜的条纹之间的第二基底层上涂覆(图10；1008)到至少条纹的高度来形成第三基底层，从而形成第三光栅层623(图6A)。第一基底层、第二基底层和第三基底层一起形成基底610。第二光栅层622(即由条纹608和第二基底层形成的层)的折射率对比度高于第一光栅层621(即由条纹608和第一基底层形成的层)的折射率对比度。第二光栅层的折射率对比度也高于第三光栅层(即由倾斜的条纹和第三基底层形成的层)的折射率对比度。

多个倾斜的条纹可以通过合适的沉积方法形成，该合适的沉积方法例如是标准和/或选择性原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)和/或物理气相沉积(PVD)结合等离子体蚀刻或气相蚀刻或湿法蚀刻或原子层蚀刻(ALE)。例如，沉积之后可以进行掩模定向蚀刻。在一些实施例中，第一基底层、第二基底层和第三基底层通过旋涂工艺形成，其中具有合适折射率的聚合物材料旋涂到彼此之上，以形成不同折射率的堆叠。可以包括中间蚀刻或光刻曝光和显影步骤，以控制z方向以及X方向和Y方向上的相对厚度。喷墨或可流动沉积工艺也可代替旋涂用于此目的。

参考图11，制造光瞳复制波导的方法1100包括在透明材料板(例如图1的板102)上形成(1102)多个倾斜的条纹，例如图7B的倾斜的条纹708B。倾斜的条纹可以被配置用于通过衍射将来自板的显示光向外耦合到闪耀衍射级中。例如，倾斜的条纹可以具有被选择来增加被衍射到闪耀衍射级中的光量的倾斜角，例如对应于闪耀衍射级方向上的镜面反射的倾斜角。基底层(例如图7B的基底层710B)然后可以在板上的条纹708B之间被形成(图11；1104)到至少条纹708B的整个高度。然后可以烘烤(1106)基底层710B，以在基底层的厚度方向740上提供基底层710B的空间折射率变化，使得由条纹708B和基底层710B形成的衍射光栅700B的折射率对比度分布沿着衍射光栅700B的厚度方向740是对称的，并且折射率对比度在折射率对比度分布的中间741比在折射率对比度分布的两侧更大。

多个倾斜的条纹可以通过合适的沉积方法形成，该合适的沉积方法例如是原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)和/或物理气相沉积(PVD)。例如，沉积之后可以进行掩模定向蚀刻。在一些实施例中，第一基底层、第二基底层和第三基底层通过旋涂工艺形成，其中具有合适折射率的聚合物材料旋涂在彼此之上。喷墨或可流动沉积工艺也可用于此目的。

现在转到图12，光瞳复制波导1200包括由透明材料板1202支撑的多个倾斜的条纹1208，该透明材料板1202被配置用于通过TIR在板1202中引导显示光。类似于上面考虑的光瞳复制波导示例，光瞳复制波导1200的倾斜的条纹1208被配置用于通过衍射将来自板102的显示光向外耦合到闪耀衍射级中。倾斜的条纹1208具有第一折射率n₁。

适形层1209覆盖倾斜的条纹1208到均匀的厚度。换句话说，适形层1209重复倾斜的条纹1208的形状，封装单独的倾斜的条纹1208，同时在单独的倾斜的条纹1208之间留下间隙1211，如图所示。适形层具有第二折射率n₂。

外涂层1210(例如聚合物层)填充被适形层1209覆盖的倾斜条纹1208之间的间隙1211。外涂层1210的顶表面可以是平坦的。外涂层1210具有第三折射率n₃。在一些实施例中，第一折射率n₁、第二折射率n₂和第三折射率n₃满足条件n₁<n₂<n₃。在图12所示的示例中，n₁＝1.7，n₂＝1.8，并且n₃＝1.9。

实际上，倾斜的条纹1208、适形层1209和外涂层1210在光瞳复制波导1200中形成三个光栅层：第一光栅层1221、第二光栅层1222和第三光栅层1223(图12中的水平虚线)。第一光栅层1221具有从n₁到n₂(即在该示例中从1.7到1.8)变化的折射率。因此，第一光栅层1221的有效折射率对比度Δn等于0.1。第二光栅层1222具有从n₁到n₂到n₃(即，在该示例中从1.7到1.8到1.9)变化的折射率。因此，第二光栅层1222的有效折射率对比度Δn等于0.2。最后，第三光栅层1223具有从n₂到n₃(即在该示例中从1.8到1.9)变化的折射率。因此，第三光栅层1223的有效折射率对比度Δn等于0.1。因此，这种配置也提供了类似于上面考虑的衍射光栅的变迹折射率对比度，即0.1–0.2–0.1。

转到图13并进一步参考图12，制造光瞳复制波导(诸如例如图12的光瞳复制波导1200)的方法1300包括在板1202上形成(1302)多个倾斜的条纹1208，以用于通过衍射将来自板1202的显示光向外耦合到闪耀衍射级中，倾斜的条纹具有第一折射率n₁。然后，在多个倾斜的条纹1208上形成(1304)具有折射率n₂的适形层1209，使得在各个倾斜的条纹1208之间留下间隙1211。然后可以在适形层1209上形成(1306)具有折射率n₃的外涂层1210。如图12所示，外涂层1210填充被适形层1209覆盖的倾斜的条纹1208之间的间隙1211。倾斜的条纹1208、适形层1209和外涂层1210的折射率可以满足条件n₁>n₂>n₃，或者可替代地，n₁<n₂<n₃。

可以采用多种制造方法来制造倾斜的条纹1208、适形层1209和外涂层1210。在一些实施例中，多个倾斜的条纹1208通过使用模具和合适的树脂进行压印，或者通过光刻限定的掩模进行各向异性蚀刻而形成。适形层1209可以通过原子层沉积形成，这使得能够沉积具有良好限定的均匀厚度的适形膜(conforming film)。外涂层1210可以例如通过旋涂形成，其填充间隙1211并导致旋涂的外涂层的上表面的良好均匀性。

参考图14，光瞳复制波导1400包括透明材料的板1402，以用于从板1402的顶表面和底表面通过全内反射(TIR)在板1402中传播显示光。衍射光栅1450由板1402支撑。衍射光栅1450包括悬浮在基底材料1410(例如聚合物基底)中的多个条纹1408。条纹1408由扭曲向列(TN)液晶(LC)材料形成。在一些实施例中，LC分子1418由聚合物基底材料稳定。条纹1408是倾斜的，以用于通过衍射将来自板1402的显示光1404向外耦合到闪耀衍射级1424中。由于条纹1408的倾斜，显示光1404的较大部分1414向外耦合到闪耀衍射级1424中，而显示光1404的较小部分1416向外耦合到非闪耀衍射级1426中。

TN LC材料对于垂直于TN LC材料的细长LC分子1418偏振的光具有普通折射率n_O，而对于平行于TN LC材料的分子1418偏振的光具有非常折射率n_E。在一些实施例中，聚合物基底材料1410的折射率更接近n_O而不是更接近n_E。对于这些实施例，在入射平面中(即在图14的平面中)偏振的入射显示光1404的折射率对比度沿着衍射光栅1450的厚度方向1440具有不同的折射率对比度分布。发生这种情况是因为在图14所示的LC材料的TN配置中，顶部和底部LC分子1418A垂直于入射显示光1404的偏振方向1405设置，因此对于入射显示光1404具有普通折射率n_O，而中间厚度的LC分子1418B相对于偏振方向1405成锐角，因此对于入射显示光1404具有n_O和n_E之间的折射率，该折射率通常高于普通折射率n_O。因此，折射率对比度在折射率对比度分布的中间比在折射率对比度分布的两侧更大，这减少了偏振显示光向外耦合到非闪耀衍射级1426中的部分。由于TN LC分子1418的平滑变化的扭转角，折射率对比度分布通常是平滑变化的函数。通过选择适当的LC分子取向几何形状，可以使平滑变化的函数近似于高斯函数。

参考图15，近眼显示器1500包括具有一副眼镜的形状因子的框架1501。对于每只眼睛，框架1501支撑：光源子组件1502、电子驱动器1504(其可操作地耦合到光源子组件1502，以用于为光源子组件1502的发射器供电以提供多个光束)、准直器1506(其光学耦合到光源子组件1502以用于准直多个光束)、扫描仪1508(其光学耦合到准直器1506以扫描多个光束)以及光学耦合到扫描仪1508的光瞳复制器1510。光源子组件1502可以包括支撑用于提供多个光束的单模或多模半导体光源(例如侧面发射激光二极管、垂直腔面发射激光二极管、SLED或发光二极管)阵列的基底。准直器1506可以包括凹面镜、体透镜(bulklens)、菲涅耳透镜、全息透镜等，并且可以与光源子组件1502集成在一起。扫描仪1508可以包括例如2D微机电系统(MEMS)扫描仪。

光瞳复制器1510的功能是提供由扫描仪1508扫描的光束的多个横向偏移的副本，以覆盖视窗1512的整个区域。视窗1512表示当用户佩戴近眼显示器1500时用于放置用户的眼睛的几何区域。当用户的眼睛位于由视窗1512勾勒出的区域中时，可以向用户显示可接受质量的图像。光束的多个横向偏移的副本由光瞳复制器1510提供，以确保视窗1512的区域足够宽，以便于不同用户观察显示的图像。光瞳复制器1510可以包括本文描述的任何光瞳复制波导(例如图1的光瞳复制波导100)，其包括图4A的衍射光栅400、图5A的衍射光栅500、图6A的衍射光栅600、图7A的衍射光栅700A、图7B的衍射光栅700B、图9A的衍射光栅900和/或图15的衍射光栅1550。光瞳复制器1510还可以包括图12的光瞳复制波导1200、图14的光瞳复制波导1400等。

控制器1505(图15)可操作地耦合到扫描仪1508和电子驱动器1504。控制器1505可以被配置用于确定扫描仪1508的可倾斜MEMS反射器的X倾斜角和Y倾斜角。然后，控制器1505确定要显示的图像的哪个像素或哪些像素对应于所确定的X倾斜角和Y倾斜角。然后，控制器1505确定这些像素的亮度和/或颜色，并相应地操作电子驱动器1504，以向光源子组件1502提供动力电脉冲，从而以对应于所确定的像素亮度和颜色的功率水平产生光脉冲。

本公开的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来实现。人工现实系统在感官信息呈现给用户之前以某种方式调整通过感官获得的关于外界的感官信息(例如视觉信息、音频、触觉(躯体感觉)信息、加速度、平衡等)。作为非限制性示例，人工现实可以包括虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与捕获的(例如，真实世界的)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、身体或触觉反馈或者它们的某种组合。这些内容中的任何一个都可以在单个通道或多个通道中呈现，例如在向观众产生三维效果的立体视频中呈现。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合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)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，包括可佩戴显示器，例如连接到主计算机系统的HMD、独立的HMD、具有眼镜形状因子的近眼显示器、移动设备或计算系统，或者能够向一个或更多个观众提供人工现实内容的任何其他硬件平台。

参考图16A，HMD 1600是为了更大程度地沉浸到AR/VR环境内而包围用户的面部的AR/VR可佩戴显示系统的示例。HMD 1600是图15的近眼显示器1500的实施例，并且可以包括类似的元件。HMD 1600的功能是用计算机生成的图像来增强物理、真实世界环境的视图，和/或生成完全虚拟的3D图像。HMD 1600可以包括前主体1602和带1604。前主体1602被配置为以可靠和舒适的方式放置在用户的眼睛前面，以及带1604可以被拉伸以将前主体1602固定在用户的头上。显示系统1680可以设置在前主体1602中，用于向用户呈现AR/VR图像。显示系统1680可以包括本文公开的任何光瞳复制波导和衍射光栅。前主体1602的侧面1606可以是不透明的或透明的。

在一些实施例中，前主体1602包括定位器1608、用于跟踪HMD 1600的加速度的惯性测量单元(IMU)1610以及用于跟踪HMD 1600的位置的位置传感器1612。IMU 1610是基于从一个或更多个位置传感器1612接收的测量信号来生成指示HMD 1600的位置的数据的电子设备，位置传感器1612响应于HMD 1600的运动生成一个或更多个测量信号。位置传感器1612的示例包括：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 1610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1612可以位于IMU 1610的外部、IMU 1610的内部或者这两种位置的某种组合。

定位器1608由虚拟现实系统的外部成像设备跟踪，使得虚拟现实系统可以跟踪整个HMD 1600的定位和取向。可以将由IMU 1610和位置传感器1612生成的信息与通过跟踪定位器1608获得的位置和取向进行比较，以提高HMD 1600的位置和取向的跟踪准确性。当用户在3D空间中移动和转动时，准确的位置和取向对于向用户呈现适当的虚拟场景是重要的。

HMD 1600还可以包括深度相机组件(DCA)1611，其捕获描述围绕HMD 1600的部分或全部的局部区域的深度信息的数据。为此，DCA 1611可以包括激光雷达(LIDAR)、相位敏感深度相机或类似设备。可以将深度信息与来自IMU 1610的信息进行比较，以便更准确地确定HMD 1600在3D空间中的位置和取向。

HMD 1600还可以包括眼睛跟踪系统1614，用于实时地确定用户眼睛的取向和位置。所获得的眼睛的位置和取向还允许HMD 1600确定用户的凝视方向，并相应地调整由显示系统1680生成的图像。在一个实施例中，确定聚散度(vergence)，即用户的眼睛凝视的会聚角度。根据视角和眼睛位置，所确定的凝视方向和视觉辐辏角(vergence angle)也可以用于视觉伪像的实时补偿。此外，所确定的视觉辐辏角和凝视角度可用于与用户交互、突出显示对象、将对象带到前景、创建附加对象或指针等。还可以提供音频系统，其包括例如内置在前主体1602中的一组小型扬声器。

参考图16B，AR/VR系统1650包括图16A的HMD 1600、外部控制台1690和输入/输出(I/O)接口1615，外部控制台1690存储各种AR/VR应用、设置和校准程序、3D视频等，输入/输出(I/O)接口1615用于操作控制台1490和/或与AR/VR环境交互。HMD 1600可以用物理电缆“系留(tether)”到控制台1690，或者经由诸如Wi-Fi等的无线通信链路连接到控制台1690。可以有多个HMD 1600，每个HMD 1600具有相关联的I/O接口1615，其中每个HMD1600和I/O接口1615与控制台1690通信。在替代配置中，AR/VR系统1650中可以包括不同的和/或附加的部件。附加地，结合图16A和16B中所示的一个或更多个部件描述的功能可以以与在一些实施例中结合图16A和16B描述的方式不同的方式分布在部件中。例如，控制台1615的一些或全部功能可以由HMD 1600提供，反之亦然。HMD 1600可以设置有能够实现这种功能的处理模块。

如上面参考图16A所述，HMD 1600可以包括用于跟踪眼睛位置和取向，确定凝视角度和会聚角度等的眼睛跟踪系统1614(图16B)、用于确定HMD 1600在3D空间中的位置和取向的IMU 1610、用于捕获外部环境的DCA 1611、用于独立确定HMD 1600的位置的位置传感器1612、以及用于向用户显示AR/VR内容的显示系统1680。显示系统1680包括(图16B)电子显示器1625，例如但不限于扫描投影仪显示器。显示系统1680还包括光学块1630，其功能是将电子显示器1625生成的图像传送给用户的眼睛。光学块1630可以包括本文公开的光瞳复制波导和衍射光栅。光学块1630还可以包括各种透镜(例如折射透镜、菲涅耳透镜、衍射透镜、有源或无源Pancharatnam–Berry相位(PBP)透镜、液体透镜、液晶透镜等)、光瞳复制波导、光栅结构、涂层等。显示系统1680还可以包括变焦模块1635，其可以是光学块1630的一部分。变焦模块1635的功能是调节光学块1630的焦点，以例如补偿视觉辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict)、校正特定用户的视觉缺陷、抵消光学块1630的像差等。

I/O接口1615是允许用户发送动作请求并从控制台1690接收响应的设备。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束图像或视频数据的捕获的指令，或者是在应用内执行特定动作的指令。I/O接口1615可以包括一个或更多个输入设备，例如键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并将动作请求传送到控制台1690的任何其他合适的设备。由I/O接口1615接收的动作请求被传送到控制台1690，控制台1690执行对应于动作请求的动作。在一些实施例中，I/O接口1615包括IMU，IMU捕获指示I/O接口1615相对于I/O接口1615的初始位置的估计位置的校准数据。在一些实施例中，I/O接口1615可以根据从控制台1690接收到的指令向用户提供触觉反馈。例如，当动作请求被接收到时，或者当控制台1690向I/O接口1615传送指令——所述指令使I/O接口1615在控制台1690执行动作时生成触觉反馈——时，触觉反馈可以被提供。

控制台1690可以向HMD 1600提供内容，以根据从IMU 1610、DCA 1611、眼睛跟踪系统1614和I/O接口1615中的一个或更多个接收的信息进行处理。在图16B所示的示例中，控制台1690包括应用储存器1655、跟踪模块1660和处理模块1665。控制台1690的一些实施例可以具有不同于结合图16B描述的模块或部件的模块或部件。类似地，下面进一步描述的功能可以以与结合图16A和16B描述的方式不同的方式分布在控制台1690的部件中。

应用储存器1655可以存储用于由控制台1690执行的一个或更多个应用。应用是一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于显现给用户的内容。由应用生成的内容可以响应于经由HMD 1600的移动或I/O接口1615而从用户接收的输入。应用的示例包括：游戏应用、演示和会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。

跟踪模块1660可以使用一个或更多个校准参数来校准AR/VR系统1650，并且可以调整一个或更多个校准参数以减少HMD 1600或I/O接口1615的位置确定中的误差。由跟踪模块1660执行的校准还考虑了从HMD 1600中的IMU 1610和/或被包括在I/O接口1615中的IMU(如果有的话)接收的信息。另外，如果HMD 1600的跟踪丢失，则跟踪模块1660可以重新校准AR/VR系统1650的部分或全部。

跟踪模块1660可以跟踪HMD 1600或I/O接口1615的移动、IMU 1610或其某种组合。例如，跟踪模块1660可基于来自HMD 1600的信息来确定HMD 1600的参考点在局部区域的映射中的位置。跟踪模块1660也可以分别地使用来自IMU 1610的指示HMD 1600的位置的数据或者使用来自被包括在I/O接口1615中的IMU的指示I/O接口1615的位置的数据，来确定HMD1600的参考点或者I/O接口1615的参考点的位置。此外，在一些实施例中，跟踪模块1660可以使用来自IMU 1610的指示HMD 1600的位置的数据部分以及来自DCA 1611的局部区域的表示来预测HMD 1600的未来定位。跟踪模块1660向处理模块1665提供HMD 1600或I/O接口1615的估计的或预测的未来位置。

处理模块1665可以基于从HMD 1600接收的信息生成围绕HMD 1600的部分或全部的区域(“局部区域”)的3D映射。在一些实施例中，处理模块1665基于从DCA 1611接收的与在计算深度时使用的技术相关的信息来确定用于局部区域的3D映射的深度信息。在各种实施例中，处理模块1665可以使用深度信息来更新局部区域的模型，并且部分地基于更新的模型来生成内容。

处理模块1665在AR/VR系统1650内执行应用，并从跟踪模块1660接收HMD 1600的位置信息、加速度信息、速度信息、所预测的未来位置或其某种组合。基于接收到的信息，处理模块1665确定要提供给HMD 1600用于向用户呈现的内容。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则处理模块1665为HMD 1600生成反映(mirror)用户在虚拟环境中或在用附加内容增强局部区域的环境中的移动的内容。另外，处理模块1665响应于从I/O接口1615接收的动作请求来执行在控制台1690上执行的应用内的动作，并且向用户提供动作被执行的反馈。所提供的反馈可以是经由HMD 1600的视觉或听觉反馈或者经由I/O接口1615的触觉反馈。

在一些实施例中，基于从眼睛跟踪系统1614接收的眼睛跟踪信息(例如，用户眼睛的取向)，处理模块1665确定提供给HMD 1600用于在电子显示器1625上呈现给用户的内容的分辨率。处理模块1665可以向HMD 1600提供内容，该内容在电子显示器1625上在用户凝视的中央凹区(foveal region)中具有最大像素分辨率。处理模块1665可以在电子显示器1625的其他区域中提供较低的像素分辨率，从而减少AR/VR系统1650的功耗并节省控制台1690的计算资源，而不会损害用户的视觉体验。在一些实施例中，处理模块1665可以进一步使用眼睛跟踪信息来调整对象在电子显示器1625上的显示位置，以防止视觉辐辏调节冲突和/或抵消光学失真和像差。

用于实现结合本文所公开的方面描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件可以用被设计成执行本文所述功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立门(discrete gate)或晶体管逻辑、分立硬件部件或它们的任意组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但是替代地，处理器可以是任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP内核结合的一个或更多个微处理器、或者任何其他这样的配置。替代地，一些步骤或方法可以由特定于给定功能的电路来执行。

本公开在范围上不受本文描述的特定实施例限制。实际上，除了在本文描述的那些实施例和修改之外，其他各种实施例和修改根据前面的描述和附图对于本领域中的普通技术人员将明显。因此，这样的其他实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，尽管在本文在特定实现的上下文中在特定环境中为了特定的目的描述了本公开，但是本领域中的普通技术人员将认识到它的有用性不限于此，并且本公开可以有益地在任何数量的环境中为了任何数量的目的而实现。因此，应该考虑如本文描述的本公开来解释所阐述的权利要求。

Claims (20)

1.一种光瞳复制波导，包括：

透明材料的板，其用于经由全内反射在所述板中传播显示光；

衍射光栅，其由所述板支撑，并且包括基底中的多个条纹，所述基底具有与所述条纹的折射率不同的折射率；其中，所述条纹是倾斜的，以用于通过衍射将来自所述板的显示光向外耦合到闪耀衍射级中，其中，所述显示光的较大部分向外耦合到所述闪耀衍射级中，而所述显示光的较小部分向外耦合到非闪耀衍射级中；

其中，所述衍射光栅沿所述衍射光栅的厚度方向的折射率对比度分布是对称的，并且折射率对比度在所述折射率对比度分布的中间比在所述折射率对比度分布的两侧更大，由此所述显示光的向外耦合到所述非闪耀衍射级中的部分减少。

2.根据权利要求1所述的光瞳复制波导，其中，所述衍射光栅包括第一光栅层、第二光栅层和第三光栅层的堆叠，所述第二光栅层设置在所述第一光栅层和所述第三光栅层之间，并且所述条纹延伸穿过所述堆叠，其中，所述第一光栅层、所述第二光栅层和所述第三光栅层中的每一层中的衍射光栅的折射率对比度是恒定的，所述第二光栅层的折射率对比度高于所述第一光栅层和所述第三光栅层的折射率对比度。

3.根据权利要求2所述的光瞳复制波导，其中，所述第一光栅层和所述第三光栅层的厚度基本上彼此相等。

4.根据权利要求2或3所述的光瞳复制波导，其中，所述第一光栅层、所述第二光栅层和所述第三光栅层的厚度基本上彼此相等，并且其中，所述第二光栅层的折射率对比度高于所述第一光栅层和所述第三光栅层的折射率对比度。

5.根据权利要求2或权利要求3所述的光瞳复制波导，其中，所述第一光栅层和所述第三光栅层的折射率对比度的值基本上彼此相等。

6.根据权利要求5所述的光瞳复制波导，其中，所述第二光栅层的厚度等于或大于所述第一光栅层和所述第三光栅层的厚度中的每一个。

7.根据权利要求5所述的光瞳复制波导，其中，所述第二光栅层的厚度等于或大于所述第一光栅层和所述第三光栅层的厚度之和。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的光瞳复制波导，其中，所述第一光栅层、所述第二光栅层和所述第三光栅层中的条纹的折射率基本上相同，并且其中，所述第二光栅层的基底的折射率不同于所述第一光栅层和所述第三光栅层的基底的折射率。

9.根据权利要求2至7中任一项所述的光瞳复制波导，其中，所述第一光栅层、所述第二光栅层和所述第三光栅层中的基底的折射率基本上相同，并且其中，所述第二光栅层中的条纹的折射率不同于所述第一光栅层和所述第三光栅层中的条纹的折射率。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的光瞳复制波导，其中，将所述显示光衍射到所述非闪耀衍射级中的衍射效率小于0.1%。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的光瞳复制波导，其中，所述衍射光栅是布拉格光栅。

12.根据权利要求11所述的光瞳复制波导，其中，所述布拉格光栅在垂直于所述条纹的方向上的折射率对比度分布是正弦曲线。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的光瞳复制波导，其中，所述折射率对比度分布是平滑变化的函数。

14.根据权利要求13所述的光瞳复制波导，其中，所述平滑变化的函数是高斯函数。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的光瞳复制波导，还包括用于将所述显示光向内耦合到所述板中的输入光栅。

16.一种制造光瞳复制波导的方法，所述方法包括：

在透明材料的板上形成多个倾斜的条纹，以用于通过衍射将来自所述板的显示光向外耦合到闪耀衍射级中，所述倾斜的条纹具有高度；

在所述板上的所述条纹之间将第一基底层形成到所述条纹的高度的一部分；

在所述条纹之间的第一基底层上将第二基底层形成到所述条纹的高度的一部分；和

在所述条纹之间的第二基底层上将第三基底层形成到至少所述条纹的高度；

其中，由所述条纹和所述第二基底层形成的光栅层的折射率对比度高于由所述条纹和所述第一基底层形成的光栅层的折射率对比度；并且高于由所述条纹和所述第三基底层形成的光栅层的折射率对比度。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一基底层、所述第二基底层和所述第三基底层通过旋涂、喷墨或可流动沉积工艺中的至少一种形成。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述多个倾斜的条纹通过原子层沉积（ALD）、化学气相沉积（CVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）或物理气相沉积（PVD）中的至少一种形成。

19.一种制造光瞳复制波导的方法，所述方法包括：

在透明材料的板上形成多个倾斜的条纹，以用于通过衍射将来自所述板的显示光向外耦合到闪耀衍射级中，所述倾斜的条纹具有高度；

在所述板上的所述条纹之间将基底层形成到所述条纹的高度；和

烘烤所述基底层以提供所述基底层在所述基底层的厚度方向上的空间折射率变化，使得由所述条纹和所述基底层形成的衍射光栅沿所述衍射光栅的厚度方向的折射率对比度分布是对称的，并且折射率对比度在所述折射率对比度分布的中间比在所述折射率对比度分布的两侧更大。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述基底层通过旋涂、喷墨或可流动沉积工艺中的至少一种形成。