CN114270229A - 使用高折射率材料的平坦光谱响应光栅 - Google Patents

使用高折射率材料的平坦光谱响应光栅 Download PDF

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Abstract

示例头戴式显示设备包括光通信的多个光学元件。光学元件被配置为将图像投射在穿戴头戴式显示设备的用户的视场中。第一光学元件被配置为接收来自第二光学元件的光。第一光学元件沿着第一光学元件的外围限定光栅。光栅包括从第一光学元件的基部延伸的多个突起。突起包括第一材料，该第一材料具有针对可见光波长的第一光学色散分布。光栅还包括沿着第一光学元件的基部被设置在多个突起中的至少一些之间的第二材料。第二材料具有针对可见光波长的第二光学色散分布。

Description

使用高折射率材料的平坦光谱响应光栅
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年8月21日提交的美国临时申请No.62/889,650的权益，其整体通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及具有光栅结构的光学元件及其生产方法。
背景技术
光学成像系统，诸如可穿戴显示系统(例如，可穿戴头戴装置)可包括将投射的图像呈现给用户的一个或多个目镜。目镜可以使用一种或多种高折射材料的薄层来构造。作为示例，目镜可以由高折射玻璃、硅、金属、或聚合物衬底的一个或多个层构造。
在一些情况下，目镜可以被图案化(例如，利用一个或多个光衍射纳米结构)，使得其根据特定焦深，投射图像。例如，对于观看图案化目镜的用户，投射的图像可能看起来离用户特定距离。
进一步地，多个目镜可以结合使用以投射模拟三维图像。例如，多个目镜—每个具有不同的图案—可以一层一层地层叠在一起，并且每个目镜可以投射体积图像的不同深度层。因此，目镜可以跨三维向用户共同呈现体积图像。这在例如向用户呈现“虚拟现实“环境时可以是有用的。
发明内容
本公开描述具有某些光栅结构的光学元件及其生产方法。所描述的实施方式中的一种或多种可用于生产在特定光谱(例如，可见光谱)范围展现出基本上恒定的衍射效率的光学元件。在一些实施方式中，光学元件可以适合于用作可穿戴头戴装置中的目镜。
在示例实施方式中，光学元件包括沿着其外围(例如，沿着光学元件与另一光学元件之间的界面，或沿着光学元件与空气之间的界面)限定的一个或多个光栅结构。光栅结构由一种或多种诸如二氧化钛(TiO2)、碳化硅(SiC)、和/或铌酸锂(LiNbO3)的高折射率材料形成。特别是，这些材料的差异色散可用于在可见光谱范围内实现均匀的衍射效率。例如，在制造单波导层目镜(例如，用于可穿戴显示头戴装置)时，这可能是有益的，该目镜可以在宽视场上显示具有高颜色均匀性的高质量多色图像(例如，红绿蓝图像)。
在一方面中，头戴式显示设备包括光通信中的多个光学元件。多个光学元件被配置为在头戴式显示设备的操作期间将图像投射在穿戴头戴式显示设备的用户的视场中。多个光学元件中的第一光学元件被配置为接收来自多个光学元件中的第二光学元件的光。第一光学元件沿着第一光学元件的外围限定光栅。光栅包括从第一光学元件的基部延伸的多个突起。突起包括第一材料，该第一材料具有针对可见光波长的第一光学色散分布。光栅还包括沿着第一光学元件的基部被设置在多个突起中的至少一些之间的第二材料。第二材料具有针对可见光波长的第二光学色散分布。
该方面的实施方式可包括以下特征中的一个或多个。
在一些实施方式中，第二材料可以是二氧化钛(TiO2)。
在一些实施方式中，第一材料可以是碳化硅(SiC)。
在一些实施方式中，第一材料可以是铌酸锂(LiNbO3)。
在一些实施方式中，第一光学元件的基部可包括第一材料。
在一些实施方式中，第一光学元件的基部可以由与多个突起相同的材料组成。
在一些实施方式中，第一光学元件的基部可以与多个突出被一体地形成。
在一些实施方式中，每个突起可以具有基本上矩形的剖面。
在一些实施方式中，每个突起可以在第一光学元件的基部的表面上方延伸第一高度。第二材料可以在第一光学元件的基部的表面上方延伸第二高度，第二高度与第一高度不同。
在一些实施方式中，第一高度可以大于第二高度。
在一些实施方式中，第一高度可以是大约90nm。
在一些实施方式中，第二高度可以是大约80nm。
在一些实施方式中，光栅可以沿着第一光学元件的基部的长度根据周期重复。
在一些实施方式中，周期可对应于大约208nm的长度。
在一些实施方式中，每个突起可以具有基本上相等的宽度。
在一些实施方式中，每个突起的宽度是大约140nm。
在一些实施方式中，与仅由第一材料组成的光栅相比较，相对于入射角范围，第一光学色散分布和第二光学色散分布可以减少光栅相对于第一波长的入射光的第一衍射效率、光栅相对于第二波长的入射光的第二衍射效率和光栅相对于第三波长的入射光的第三衍射效率之间的变化。
在一些实施方式中，第一波长可对应于可见光谱中的第一颜色，第二波长可对应于可见光谱中的第二颜色，第三波长可对应于可见光谱中的第三颜色，第一颜色、第二颜色、和第三颜色彼此不同。
在一些实施方式中，第一颜色可以是红色，第二颜色可以是绿色，以及第三颜色可以是蓝色。
在一些实施方式中，入射角范围可以是大约-20°至20°。
在另一方面中，一种构造头戴式显示设备的方法包括：提供第一光学元件，该第一光学元件包括沿着第一光学元件的第一表面形成的光栅。光栅包括多个突起，该多个突起包括：具有针对可见光波长的第一光学色散分布的第一材料；以及沿着第一光学元件的第一表面被沉积在多个突起中的至少一些之间的第二材料。第二材料具有针对可见光波长的第二光学色散分布。该方法还包括：将第一光学元件定位为与头戴式显示设备中的第二光学元件进行光通信。
该方面的实施方式可包括以下特征中的一个或多个。
在一些实施方式中，第二材料可以是二氧化钛(TiO2)。
在一些实施方式中，第一材料可以是碳化硅(SiC)。
在一些实施方式中，第一材料可以是铌酸锂(LiNbO3)。
在一些实施方式中，可以通过以下操作来形成光栅：沿着第一表面在第一光学元件上蚀刻多个通道到，每个通道具有第一深度；以及沿着第一表面在多个突起中的至少一些之间沉积第二材料。
在一些实施方式中，每个通道可以具有基本上矩形的剖面。
在一些实施方式中，每个通道可以具有基本上相等的宽度。
在一些实施方式中，每个通道可以的宽度是大约68nm。
在一些实施方案中，沉积第二材料可包括：将第二材料沉积到通道的至少一些中。
在一些实施方案中，沉积第二材料可包括：将第二材料溅射到通道的至少一些中。
在一些实施方式中，可以沉积第二材料，以使得第二材料在通道内延伸第一高度。
在一些实施方式中，第一深度可以大于第一高度。
在一些实施方式中，第一深度可以是大约90nm。
在一些实施方式中，第一高度可以是大约80nm。
在一些实施方式中，光栅可以沿着第一表面的长度根据周期形成。
在一些实施方式中，周期可对应于大约208nm的长度。
在附图和以下描述中阐述一个或多个实施例的细节。根据描述和附图并根据权利要求，其它特征和优点将显而易见。
附图说明
图1示出了可穿戴显示系统的示例。
图2A示出了用于为用户模拟三维图像数据的常规显示系统。
图2B示出了用于使用多个深度平面模拟三维图像数据的方法的各方面。
图3A至图3C示出了曲率半径与焦半径之间的关系。
图4示出了用于在AR目镜中向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。
图5和图6示出了由波导输出的出射光束的示例。
图7以剖面示出了示例光栅结构。
图8A以剖面示出了光栅结构的示例重复单元。
图8B和图8C以剖面示出了具有图5A所示的重复单元的示例光学元件。
图9A和图9B示出了示例光栅结构的角响应。
图10A和图10B示出了由具有示例光栅结构的示例目镜发射的光的强度图。
图11示出了用于形成本文所描述的光栅结构的示例材料的折射率。
图12A和图12B示出了光栅结构的示例重复单元。
图13是用于使用本文所描述的光学元件和光栅结构来构造头戴式显示设备的示例过程的流程图。
图14是示例计算机系统的示图。
具体实施方式
图1示出了包含高折射率材料光栅的示例可穿戴显示系统60。显示系统60包括显示器或目镜70，以及支持该显示器70的运行的各种机械电子模块和系统。显示器70可以被耦合到框架80，该框架80可由显示系统用户90穿戴，并且该框架80被配置为将显示器70定位在用户90的眼前。在一些实施例中，显示器70可以被认为是眼镜。在一些实施例中，扬声器100被耦接到框架80并且被邻近用户90的耳道定位。显示系统还可包括一个或多个检测声音的麦克风110。麦克风110可以允许用户向系统60提供输入或者命令(例如，语音菜单命令、自然语言问题等的选择)，和/或可以允许与其他人(例如，与类似显示系统的其他用户)的音频通信。麦克风110还可收集来自用户的周围环境的音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)。在一些实施例中，显示系统还可以包括外围传感器120a，该外围传感器120a可以与框架80分离并被附接到用户90的身体(例如，在头部、躯干、肢体等上)。在一些实施例中，外围传感器120a可以获取表征用户90的生理状态的数据。
显示器70通过通信链路130(诸如通过有线导线或无线连接)被操作性地耦接到本地数据处理模块140，本地数据处理模块140可以采用各种配置安装，诸如被固定地附接到框架80、被固定地附接到由用户90穿戴的头盔或帽子、被嵌入在耳机中、或者可移除地附接到用户90(例如，采用背包型配置、采用束带耦合式配置)。类似地，传感器120a可以由通信链路120b(例如，有线引线或无线连接)被操作性地耦接到本地处理器和数据模块140。本地处理和数据模块140可包括硬件处理器，以及数字存储器，诸如非易失性存储器(例如，闪存或硬盘驱动器)，其二者可以用于辅助数据的处理、高速缓存和存储。该数据可以包括以下数据：1)从传感器(其可以例如被操作性地耦接到框架80或以其他方式被附接到用户90)捕获的数据，诸如从图像捕获设备(例如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、罗盘、GPS单元、无线电设备、陀螺仪、和/或本文所公开的其他传感器捕获的数据；和/或2)使用远程处理模块150和/或远程数据存储库160获取和/或处理的数据(包括与虚拟内容有关的数据)，可能地用于在这样的处理或者检索之后传送到显示器70。本地处理和数据模块140可以通过通信链路170、180(诸如经由有线或无线通信链路)被操作性地耦合到远程处理模块150和远程数据存储库160，以使得这些远程模块150、160被操作性地耦合到彼此并且可用作本地处理和数据模块140的资源。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可以包括以下各项中的一项或多项：图像捕获设备、麦克风、惯性测量单元、加速度计、罗盘、GPS单元、无线电设备、和/或陀螺仪。在一些其他实施例中，这些传感器中的一个或多个可以被附接到框架80，或者可以是通过有线或无线通信路径与本地处理和数据模块140通信的独立设备。
远程处理模块150可包括一个或多个处理器来分析和处理数据，诸如图像和音频信息。在一些实施例中，远程数据储存库160可以包括数字数据存储设施，该数字数据存储设施可以通过因特网或“云”资源配置中的其它网络配置获得。在一些实施例中，远程数据储存库160可以是一个或多个远程服务器，该一个或多个远程服务器向本地处理和数据模块140和/或远程处理模块150提供信息(例如用于生成增强现实内容的信息)。在其他实施例中，在本地处理和数据模块中存储所有数据被并且执行所有计算，这允许来自远程模块的完全自主使用。
可以通过向用户的每只眼睛提供略微不同的图像呈现来实现将图像感知为“三维”或“3D”。图2A示出了用于为用户模拟三维图像数据的常规显示系统。向用户输出两个有区别的图像190、200，其中每个图像针对一只眼睛210、220。图像190、200沿着平行于用户的视线的光轴或z轴与眼睛210、220相隔一距离230。图像190、200是平坦的，眼睛210、220可以通过假设单个调节状态而聚焦在这些图像上。这样的3-D系统取决于人类视觉系统来组合图像190、200以为组合图像提供深度感知和/或缩放。
然而，人类视觉系统是复杂的，并且提供对深度的逼真感是具有挑战性的。例如，常规“3-D”显示系统的许多用户发现这样的系统不舒服或者根本不能感知到深度感。由于组合了聚散(vergence)和调节，对象可以被感知为“三维”。两只眼睛相对于彼此的聚散运动(例如，眼睛的转动使得瞳孔朝向彼此或远离彼此运动以使眼睛的相应视线会聚以注视在对象上)与眼睛的晶状体的聚焦(或者调节)密切相关。在正常情况下，改变眼睛的晶状体的焦点或调节眼睛，以将焦点从一个对象改变到不同距离处的另一对象将根据被称为“调节-聚散反射”的关系以及瞳孔扩张或收缩而自动导致与同一距离的匹配的聚散变化。同样，在正常条件下，聚散变化将触发晶状体形状和瞳孔尺寸的调节的匹配变化。如本文所指出的，许多立体或“3-D”显示系统使用略微不同的呈现(以及，因此略微不同的图像)向每只眼睛显示场景，以使得由人类视觉系统感知到三维透视。然而，这样的系统对于一些用户来说是不舒服的，因为它们简单地在单个调节状态下提供图像信息，并且违反“调节-聚散反射”起作用。在调节和聚散之间提供更好匹配的显示系统可以形成更逼真和舒适的三维图像数据模拟。
图2B示出了用于使用多个深度平面模拟三维图像数据的方法的各方面。参考图2B，眼睛210、220假定不同调节状态以聚焦在z轴上的各种距离处的对象上。因此，特定调节状态可以被认为与示出的深度平面240中的特定一个深度平面相关联，该特定一个深度平面具有相关联的焦距，以使得在眼睛处于针对该深度平面的调节状态中时特定深度平面中的对象或者对象的部分合焦。在一些实施例中，可以通过为眼睛210、220中的每一只眼睛提供图像的不同呈现，并且还通过提供与多个深度平面相对应的图像的不同呈现来模拟三维图像数据。虽然为了说明清晰起见，眼睛210、220的相应视场被示出为分离的，但是它们可以例如随着沿着z轴的距离增加而重叠。另外，虽然为了便于说明深度平面被示出为平坦的，但是将理解在物理空间中深度平面的轮廓可以是弯曲的，以使得深度平面中的所有特征在特定调节状态中与眼睛合焦。
对象与眼睛210或220之间的距离也可以改变来自由该眼睛观看的对象的光的发散量。图3A至图3C示出了距离和光线发散之间的关系。对象与眼睛210之间的距离按照递减的次序由距离R1、R2、和R3表示。如图3A至图3C所示，随着到对象的距离减小，光线变得更加发散。随着距离的增加，光线变得更加准直。换句话说，可以说，由点(对象或对象的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，该球面波前曲率是该点距用户眼睛的距离的函数。随着对象与眼睛210之间的距离减小，曲率增大。因此，在不同的深度平面处，光线的发散度也不同，其中，发散度随着深度平面与用户眼睛210之间的距离的减小而增大。尽管为了在图3A至图3C和本文中的其它图中清楚地说明而仅示出单只眼睛210，但是将理解关于眼睛210的讨论可以应用于用户的两只眼睛210和220。
通过向眼睛提供对应于有限数量的深度平面中的每一个的图像的不同呈现，可以实现感知深度的高度可信的模拟。不同的呈现可以由用户的眼睛单独聚焦，从而有助于基于使位于不同深度平面上的场景的不同图像特征聚焦所需要的眼睛调节量和/或基于观察到在不同深度平面上的不同图像特征失焦(out of focus)，为用户提供深度线索。
图4示出了用于在AR目镜中向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。显示系统250包括波导堆叠或堆叠波导组件260，其可用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知。在一些实施例中，显示系统250是图1的系统60，其中，图4示意性地更详细地示出该系统60的一些部分。例如，波导组件260可以是图1的显示器70的一部分。将理解，在一些实施例中，显示系统250可以被认为是光场显示器。
波导组件260还可包括波导之间的多个特征320、330、340、350。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以是一个或多个透镜。波导270、280、290、300、310和/或多个透镜320、330、340、350可以被配置为以各种水平的波前曲率或光线发散度向眼睛发送图像信息。每个波导水平可以与特定的深度平面相关联，并且可被配置为输出与该深度平面相对应的图像信息。图像注入设备360、370、380、390、400可以用作波导的光源，并且可用于将图像信息注入到波导270、280、290、300、310中，如本文所述，每个波导可以被配置为跨每个相应的波导分配入射光用于朝着眼睛210输出。光从每个相应图像注入设备360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450出射，并且被注入到相应波导270、280、290、300、310的对应输入表面460、470、480、490、500中。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每一个可以是对应波导的边缘，或者可以是对应波导的主表面(即，直接面向世界510或用户眼睛210的波导表面中的一个)的一部分。在一些实施例中，光束(例如，准直光束)可被注入每个波导中，并可在波导中复制，诸如通过衍射采样到小光束中，并且然后以对应于与该特定波导相关联的深度平面的屈光力的量被朝向眼睛210引导。在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400中的单个图像注入设备可以与波导270、280、290、300、310中的多个(例如，其中的三个)相关联并将光注入到这些波导中。
在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是离散显示器，每个离散显示器分别产生用于注入到对应的波导270、280、290、300、310中的图像信息。在一些其它实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是单个多路复用显示器的输出端，该单个多路复用显示器可以经由一个或多个光学导管(诸如，光纤光缆)将图像信息传输到图像注入设备360、370、380、390、400中的每一个。将理解，由图像注入设备360、370、380、390、400提供的图像信息可以包括不同波长或颜色的光。
在一些实施例中，注入波导270、280、290、300、310中的光由光投影仪系统520提供，该光投影仪系统520包括光模块530，该光模块530可以包括光源或者光发射器，诸如发光二极管(LED)。来自光模块530的光可以经由分束器(BS)550引导到光调制器540(例如，空间光调制器)并且由光调制器540调制。光调制器540可以空间地和/或时间地改变注入波导270、280、290、300、310中的光的感知强度。空间光调制器的示例包括液晶显示器(LCD)，其包括硅上液晶(LCOS)显示器、和数字光处理(DLP)显示器。
在一些实施例中，光投影仪系统520或者其一个或多个部件可以被附接到框架80(图1)。例如，光投影仪系统520可以是框架80的太阳穴部分(例如，耳茎(ear stem)82)的一部分或者被设置在显示器70的边缘。在一些实施例中，光模块530可以与BS 550和/或光调制器540分离。
在一些实施例中，显示系统250可以是包括一个或多个扫描光纤的扫描光纤显示器，该一个或多个扫描光纤以各种图案(例如，光栅扫描、螺旋扫描、利萨如图案等)将光投射到一个或多个波导270、280、290、300、3100中并最终投射到用户的眼睛210。在一些实施例中，所示图像注入设备360、370、380、390、400可示意性地表示单个扫描光纤或扫描光纤束，该单个扫描光纤或扫描光纤束被配置为将光注入到一个或多个波导270、280、290、300、310中。在一些其它实施例中，所示的图像注入设备360、370、380、390、400可以示意性地表示多个扫描光纤或多个扫描光纤束，这些扫描光纤或扫描光纤束中的每一个被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中的关联的一个波导中。一个或多个光纤可以将来自光模块530的光传输到一个或多个波导270、280、290、300和310。另外，可以在扫描光纤或光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间提供一个或多个中间光学结构，以例如将从扫描光纤出射的光重引导到一个或多个波导270、280、290、300、310中。
控制器560控制堆叠波导组件260的操作，包括图像注入设备360、370、380、390、400、光源530、和光调制器540的操作。在一些实施例中，控制器560是本地数据处理模块140的一部分。控制器560包括调控到波导270、280、290、300、310的图像信息的时序和提供的编程(例如，非暂态介质中的指令)。在一些实施例中，控制器可以是单个集成设备，或者是通过有线或无线通信信道连接的分布式系统。在一些实施例中，控制器560可以是处理模块140或150(图1)的一部分。
波导270、280、290、300、310可以被配置为通过全内反射(TIR)在每个相应波导内传播光。波导270、280、290、300、310可以各自是平面的或者具有另外的形状(例如，弯曲的)，具有顶主表面和底主表面以及在这些顶主表面和底主表面之间延伸的边缘。在所示的配置中，波导270、280、290、300、310可各自包括耦出光学元件570、580、590、600、610，这些耦出光学元件被配置为通过将在各自相应波导内传播的光重引导出波导来从波导中提取光，以将图像信息输出到眼睛210。所提取的光也可以被称为耦出光，而耦出光学元件光也可以被称为光提取光学元件。在波导中传播的光照射到光提取光学元件的位置处，所提取的光束可以由波导输出。如本文进一步讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610可以例如是衍射光学特征，包括衍射光栅。如本文进一步讨论的，虽然耦出光学元件570、580、590、600、610被示出为被设置在波导270、280、290、300、310的底主表面处，但是在一些实施例中，它们可以被设置在顶主表面和/或底主表面处，和/或可以被直接设置在波导270、280、290、300、310的体中。在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在被附接到透明基板以形成波导270、280、290、300、310的材料层中。在一些其它实施例中，波导270、280、290、300、310可以是单片材料，且耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在该片材料的表面上和/或内部中。
每个波导270、280、290、300、310可以输出光以形成对应于特定深度平面的图像。例如，最靠近眼睛的波导270可以将准直光束递送到眼睛210。准直光束可以代表光学无限远焦平面。下一个上行(up)波导280可输出在到达眼睛210之前传播通过第一透镜350(例如，负透镜)的准直光束。第一透镜350可以向准直光束添加轻微凸面波前曲率，以使得眼睛/大脑将来自该波导280的光解释为源自从光学无限远朝向眼睛210更近的第一焦平面。类似地，第三波导290使其输出光在到达眼睛210之前传播通过第一透镜350和第二透镜340。第一透镜350和第二透镜340的组合屈光力可以添加波前曲率的另一增加量，以使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为源自比来自第二波导280的光从光学无限远向内更加接近的第二焦平面。
其它波导层300、310和透镜330、320被类似地配置，其中，堆叠中的最高波导310发送其输出通过其与眼睛之间的所有透镜，以获得代表与人最接近的焦平面的聚合屈光力(aggregate focal power)。为了在观看/解释来自堆叠波导组件260的另一侧上的世界510的光时，补偿透镜堆叠320、330、340、350，可以在堆叠的顶部设置补偿透镜层620以补偿下面的透镜堆叠320、330、340、350的聚合屈光力。这样的配置提供与可用的波导/透镜对一样多的感知焦平面。波导的耦出光学元件和透镜的聚焦方面都可以是静态的(即，不是动态的或电活性的)。在一些替代实施例中，其中一者或两者在使用电激励特征时可以是动态的。
在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或两个以上可具有相同的相关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以将图像集输出到相同的深度平面，或者波导270、280、290、300、310的多个子集，可以将图像集输出到相同的多个深度平面，每个深度平面一个图像集。这可以提供形成拼接图像以在那些深度平面处提供扩展的视场的优势。
耦出光学元件570、580、590、600、610可以被配置为将光重引导到它们相应的波导之外并且针对与该波导相关联的特定深度平面输出具有适当的发散量或准直量的光。因此，具有不同关联深度平面的波导可具有不同配置的耦出光学元件570、580、590、600、610，这些耦出光学元件取决于相关联的深度平面而输出具有不同发散量的光。在一些实施例中，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体特征或表面特征，其可以被配置为以特定角度输出光。例如，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体全息图、表面全息图、和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以不是透镜；相反，它们可以简单地是间隔物(例如，包层和/或用于形成气隙的结构)。
在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610具有衍射效率足够低的衍射特征，以使得光束中的光的功率的仅一部分在每次相互作用时被朝向眼睛210重新引导，而剩余部分经由TIR继续通过波导前进。因此，光模块530的出射光瞳跨波导被复制，以产生携带来自光源530的图像信息的多个输出光束，从而有效地扩大眼睛210可以截获复制光源出射光瞳的位置的数量。这些衍射特征还可以跨其几何形状具有可变衍射效率，以改进由波导输出的光的均匀性。
在一些实施例中，一个或多个衍射特征可以在它们活跃地衍射的“开”状态与它们不显著衍射的“关’状态之间可切换。例如，可切换的衍射元件可以包括聚合物分散液晶层，其中，微滴在主体介质中形成衍射图案，并且微滴的折射率可以被切换为基本上匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不会明显地衍射入射光)，或者微滴可以被切换为与主体介质的折射率不匹配的折射率(在这种情况下，该图案活跃地衍射入射光)。
在一些实施例中，相机组件630(例如，数字相机，包括可见光和IR光相机)可以被提供以捕获眼睛210、眼睛210的部分、或眼睛210周围的组织的至少一部分的图像，以例如检测用户输入、从眼睛提取生物测定信息、估计和跟踪眼睛的注视方向、监测用户的生理状态等。在一些实施例中，相机组件630可以包括图像捕获设备和向眼睛投射光(例如，IR或近IR光)的光源，该光可以然后由眼睛反射并且由图像捕获设备检测。在一些实施例中，光源包括以IR或近IR发射的发光二极管(“LED”)。
在一些实施例中，相机组件630可以被附接到框架80(图1)并且可与处理模块140或150电气通信，该模块140或150可以处理来自相机组件630的图像信息以做出关于例如用户的生理状态、穿戴者的注视方向、虹膜识别等的各种确定。在一些实施例中，可以针对每只眼睛利用一个相机组件630，以单独监测每只眼睛。
图5示出了由波导输出的出射光束的示例。示出了一个波导(具有透视图)，但是波导组件260(图4)中的其他波导管可以具有类似地的作用。光640在波导270的输入表面460处被注入到波导270中，并通过TIR在波导270内传播。通过与衍射特征的相互作用，光从波导出射作为出射光束650。出射光束650从投影仪设备复制出射光瞳，该投影仪设备将图像投射到波导中。出射光束650中的任一个包括输入光640的总能量的子部分。并且在完全有效的系统中，所有出射光束650中的能量的总和将等于输入光640的能量。在图6中，出射光束650被示出为基本上平行，但是，如本文所讨论的，可以取决于与波导270相关联的深度平面来施加一定量的屈光力。平行出射光束可以指示具有耦出光学元件的波导，该耦出光学元件将光耦出以形成看起来设置在距眼睛210较大距离(例如，光学无限远)处的深度平面上的图像。其它波导或者其它耦出光学元件组可以输出更加发散的出射光束图案，如图6所示，这将需要眼睛210调节到更近距离以将其聚焦在视网膜上并且将被大脑解释为来自比光学无穷远更接近眼睛210的距离的光。
可以在于2018年12月14日提交的并且题为“EYEPIECES FOR AUGMENTED REALITYDISPLAY SYSTEM(用于增强现实显示系统的目镜)”的美国专利申请NO.16/221,359中找到关于可穿戴显示系统(例如，包括可穿戴显示系统中使用的光学元件)的附加信息，其整体内容通过引用并入。
如上所述，可穿戴显示系统60包括一个或多个光学元件，该光学元件具有增强可穿戴显示系统的光学性能的一个或多个光栅结构。作为示例，形成可穿戴显示系统60的目镜的一个或多个光学元件，诸如图4所示的波导堆叠，可包括沿着其外围(例如，沿着光学元件与另一光学元件之间的界面，或者沿着光学元件与空气之间的界面，诸如耦出光学元件570、580、590、600、610)限定并由例如二氧化钛(TiO2)、碳化硅(SiC)、和/或铌酸锂(LiNbO3)的一种或多种高折射率材料(形成的光栅结构。特别是，这些材料的差异色散可用于在可见光谱范围内实现均匀的衍射效率。例如，在制造单层目镜(例如，用于可穿戴显示系统)时，这可能是有益的，该目镜可以在宽视场上显示具有高颜色均匀性的高质量多色图像(例如，红绿蓝图像)。例如，参考图4，波导270、280、290、300、310中的每一个可以被配置为根据光的多个波长(例如，对应于红-绿-蓝图像)向眼睛发送图像信息。
通常，高折射率衬底(诸如LiNbO3或SiC)提供了将全红-绿-蓝(RGB)光谱复用到单层衬底上的可能性。然而，使用某些类型的光栅结构，诸如二元或闪耀结构，可能导致不佳的目镜性能，因为这样的光栅结构可能将颜色选择特性给予到目镜上。例如，与较长的光波长相比较，光栅结构可以使得较短的光波长更有效地衍射。在一些情况下，这种效果可能是不期望的。例如，这种效果可能使在单层RGB目镜中获得良好的色彩平衡或均匀性同时保持可接受的目镜效率更困难。
然而，如本文所描述的，某些高折射率材料的差异色散可用于在可见光谱范围内实现均匀的衍射效率。这使能制造展现出良好色彩平衡和/或均匀性的高效单层RGB目镜，这可能无法通过其他技术实现。例如，在一些情况下，目镜可以由波长选择性体全息材料形成(例如，而不是使用本文所描述的技术)，但是它们可能具有源于其较低折射率(例如，大约1.5)的视场限制。
通常，一些材料在特定波长λ0处可以具有相似的折射率，同时展现出不同的色散(例如，相对于波长的折射率)。因此，穿过这些材料之间的界面的光在特定波长λ0处将不受影响，而在其他波长处受影响。如果界面包括光栅结构，则该光栅结构的衍射效率在波长λ0附近将接近于零，因为将不存在相位调制。然而，光将在其他波长处发生衍射，其中衍射效率与材料之间的折射率差成比例。
作为示例，图7以剖面示出了在第一光学元件702a(具有折射率n1)与第二光学元件702b(具有不同的折射率n2)之间的界面处限定的示例光栅结构700。由于该光栅结构700的衍射效率在波长λ0处或附近接近于零，因此具有波长λ0的光704a在很少或没有衍射的情况下传播通过光栅结构700。然而，具有不同波长λ1的光704a在其传播通过光栅结构700时被衍射，其中，衍射效率与两种材料之间的折射率差(例如，n1和n2之间的差)成比例。
光栅结构的光谱响应至少部分地由用于形成光栅结构的材料的折射率和色散特性决定。因此，光栅结构的特定光谱响应可以通过选择某些材料(例如，具有某些折射率和色散特性)形成光栅结构来实现。
进一步地，光栅结构的光谱响应至少部分由光栅的物理尺寸(例如，其高度、宽度、周期性、占空比等)决定。因此，光栅结构的特定光谱响应可以通过使用所选择的材料进一步形成具有特定尺寸的光栅来实现。
作为示例，图8A以剖面示出了光栅结构800的单个单元802。单元802可以沿着光学元件的外围(例如，在光学元件与另一光学元件之间的界面处，或沿着光学元件与空气之间的界面)周期性地重复一次或多次。单元802包括：基部804，其包括第一材料；以及突起806，其包括第一材料并从基部804延伸。单元802还包括填充部分808，填充部分808包括与第一材料不同的第二材料，并且沿着突出806的相反侧被设置在基部504上。如图8B和图8C所示，单元802沿着光学元件810的周边周期性地重复，形成光栅结构800(例如，被设置在每个突起之间的填充部分中的“二元”光栅)。在图8B所示的示例中，光学元件810通过光栅结构800接收光(例如，来自光源812的光)，并且入射在光栅结构800上的光814在其进入光学元件810时被衍射。在图8C所示的示例中，光学元件810通过光栅结构800发射光816(例如，朝向另一光学元件、进入空气中、和/或朝向用户的眼睛)，并且入射在光栅结构800上的光在其从光学元件810出射时被衍射。在一些实施方式中，耦出光学元件570、580、590、600、610(例如，如图4所示)中的一个或多个可包括相应的光栅结构800。在一些其他实例中，诸如在波导显示器中使用的实例中，待耦出的光通过全内反射(TIR)传播通过衬底，并且通过光栅结构被从波导提取。
返回参考图8A，单元802具有截面宽度wt(例如，对应于单元802的周期性)和截面高度ht(例如，对应于单元802的最大高度)。进一步地，突起506具有截面宽度w1和截面高度h1(例如，突起806的顶表面与基部504的顶表面之间的高度差)。基部804具有截面宽度wt和截面高度h3。每个填充部分808具有截面宽度w2和截面高度h2。
参数wt、w1、w2、ht、h1、h2、h2、和h3中的每一个可以被选择以赋予关于光栅结构的某些光学特性。进一步地，还可以选择基部804、突起806、和填充部分808的材料(例如，至少部分地基于它们相应的折射率和色散特性)以赋予关于光栅结构的某些光学特性。特别是，如果光栅结构的重复周期足够小(例如，在250nm和400nm之间)，则可以相对于波长来控制通过衬底内的全界面反射(TIR)传播的光的提取效率。
在一些实施方式中，可以选择这些参数，以使得光栅结构在光的入射角的特定范围内并且相对于光的特定波长展现出均匀或更均匀的衍射效率(例如，与使用与本文所描述的技术不同的技术设计的光栅结构相比较)。作为示例，基部504和突起506可以由SiC形成(例如，通过沉积和蚀刻工艺)，并且填充部分508可以由TiO2形成(例如，通过沉积工艺，诸如溅射)。在一些情况下，SiC部分的折射率可以在2.65和2.8之间，并且TiO2部分的折射率可以在2.2和2.6之间。进一步地，可以形成光栅结构，以使得w1等于或约等于140nm(例如，在80nm和200nm之间)，w2等于或约等于34nm(例如，在30nm和200nm之间)，h1等于或约等于90nm(例如，在40nm和150nm之间)，h2等于或约等于80nm(例如，在40nm和150nm之间)，wt等于或约等于208nm(例如，在150nm和400nm之间)。应当注意，上述示例中给出的数字与衬底内TIR引导光的耦出相对应。
图9A示出了在SiC中蚀刻的二元光栅结构(例如，在光栅结构的突起之间没有沉积任何TiO2填充部分)相对于三种不同光波长(红色、绿色和蓝色)的角响应。图9B示出了在SiC中蚀刻的类似二元光栅结构—但也具有被沉积在光栅结构的突起之间的TiO2填充部分(例如，如图5A至图5C所示)—相对于相同的三个光波长(红色、绿色和蓝色)的角响应。如图9A和图9B所示，TiO2填充部分的添加增加了光栅结构在光的入射角范围(例如，从-20°到20°)相对于不同光波长中的每一个的衍射效率。因此，入射在本文所描述的光栅结构上的光不太可能展现出颜色相关或入射角相关的衍射特性。
如本文所描述的，具有本文所描述的光栅结构的光学元件可特别适合于用作可穿戴显示头戴装置中的目镜。例如，可穿戴显示头戴装置可被配置为显示多色图像(例如，RGB图像)。因此，可穿戴显示头戴装置的一个或多个光学元件(例如，目镜和/或任何其他光学元件)可以形成为具有本文所描述的光栅结构，使得它们不太可能展现出颜色相关或入射角相关的衍射特性。这可以促进在宽视场上显示具有改进的均匀性(例如，关于光强度)的多色图像的显示。例如，参考图4，耦出光学元件570、580、590、600、610中的一个可以是衍射光学特征，包括本文所描述的衍射光栅。
作为示例，图10A示出了由包括在SiC中蚀刻的二元光栅结构的目镜发射的光的强度图(例如，在光栅结构的突起之间没有沉积任何TiO2填充部分，如关于图6A所描述的)。图10B示出了由在SiC中蚀刻的类似二元光栅结构发射的光的强度图—但也具有被沉积在光栅结构的突起之间的TiO2填充部分(例如，如关于图8A至图8C和图9B所描述的)。如图10A和10B所示，TiO2的填充部分的添加增加了投射光的均匀性。例如，图10A的目镜展现出高强度光的局部带(例如，由低强度光的区域围绕的高强度光的C形伪影)。相反，图10B的目镜展现出更均匀的光强度图案。
尽管此处描述了示例参数和材料，但是这些仅是说明性示例。实际上，一个或多个参数可能不同，这取决于实施方式。
进一步地，可以使用除了上文关于图8A至图8C、图9A、图9B、图10A、和图10B所描述的材料之外的不同材料。作为示例，在一些实施方式中，光栅结构的基部和突起可以包括SiC、LiNbO3、或其组合。进一步地，填充部分可以包括TiO2。在一些实施方式中，本文所描述的原理可以应用于波导衬底展现出比涂层材料更高的折射率和更低的色散的其他材料组合。示例包括金刚石/LiNbO3和金刚石/SrTiO3系统。
在一些实施方式中，材料的折射率可以变化，这取决于材料被沉积的方式(例如，在下层衬底上)。作为示例，二氧化钛的溅射层的折射率可以通过改变沉积参数，诸如材料被溅射到下层材料上的温度和/或压力，在2.25和2.65之间变化。因此，可以通过改变用于限定光栅结构的一种或多种材料的沉积条件来“调整”光栅结构的光谱响应。
作为示例，图11示出了根据原子沉积(ALD)技术沉积的晶体SiC和TiO2的折射率曲线。这些材料中的每一种展现出随入射的光波长而变化的折射率(例如，定义特定折射率曲线)。这些折射率曲线可以至少部分地通过改变每种材料的沉积参数(例如，在材料被溅射到衬底或其他结构上时的温度和/或压力)来修改。
在图8A至图8C所示的示例中，光栅的每个重复单元包括剖面为矩形的突起(例如，形成二元光栅)。然而，情况不需要总是这样。例如，在一些实施方式中，光栅的每个单元可包括不同形状的突起。作为示例，如图12A和图12B所示，光栅的每个单元可包括剖面为矩形的突起(例如，如图12A所示的等腰三角形、如图12B所示的直角三角形等)。实际上，也可以使用任何其他光栅配置，这取决于实施方式。应当注意，该技术也适用于二维衍射晶格，诸如棒、正方形或棱锥的二维阵列。
图13示出了用于使用本文所描述的光学元件和光栅结构来构造头戴式显示设备的示例过程1300。
根据过程1300，提供第一光学元件(步骤1302)。第一光学元件包括沿着第一光学元件的第一表面形成的光栅。光栅包括：多个突起，其包括具有针对可见光波长的第一光学色散分布的第一材料；以及沿着第一光学元件的第一表面沉积在多个突起中的至少一些之间的第二材料。第二材料具有针对可见光波长的第二光学色散分布。关于图8A至图8C示出和描述示例第一光学元件。
在一些实施方式中，第二材料可以是二氧化钛(TiO2)。在一些实施方式中，第一材料可以是碳化硅(SiC)或铌酸锂(LiNbO3)。
在一些实施方式中，可以通过沿着第一表面在第一光学元件上蚀刻来多个通道来形成光栅。每个通道可以具有第一深度。进一步地，第二材料可以沿着第一表面被沉积在多个突起中的至少一些之间。例如，图8A至图8C示出了该配置的示例。
在一些实施方式中，每个通道可以具有基本上矩形的剖面。在一些实施方式中，每个通道可以具有基本上相等的宽度(例如，大约68nm)。
在一些实施方案中，沉积第二材料可包括：将第二材料沉积到至少一些通道中。
在一些实施方案中，沉积第二材料可包括：将第二材料溅射到至少一些通道中。可以在不同的温度和/或压力下溅射第二材料以改变材料的光学特性(例如，折射率)。
在一些实施方式中，可以沉积第二材料，以使得其在通道内延伸第一高度。
在一些实施方式中，第一深度可以大于第一高度。作为示例，第一深度可以是大约90nm，并且第一高度可以是大约80nm。
在一些实施方式中，光栅可以沿着第一表面的长度根据周期形成。作为示例，周期可对应于大约208nm的长度。
进一步地，将第一光学元件被定位为与头戴式显示设备中的第二光学元件进行光通信(步骤1304)。关于图1和图4至图6示出并描述了头戴式显示设备中的第一光学元件和第二光学元件的示例配置。
能够以数字电子电路或者以计算机软件、固件、或者硬件实现本说明书中所描述的主题和操作的一些实施方式，包括本说明书中所公开的结构和其结构等同物、或者它们中的一个或多个的组合。例如，在一些实施方式中，本地处理和数据模块140、远程处理模块150、和/或远程数据存储库160可以使用数字电子电路、或以计算机软件、固件或硬件、或以它们中的一个或多个的组合来实现。在另一示例中，图1300中所示的过程1300可以至少部分地使用数字电子电路、或以计算机软件、固件或硬件、或它们中的一个或多个的组合(例如，作为自动化或计算机辅助制造过程的一部分)来实现。
本说明书中所描述的一些实施方式可以被实现为数字电子电路、计算机软件、固件、或硬件、或者它们中的一个或多个的组合的一组或多组或模块。尽管可以使用不同的模块，但是每个模块不需要有区别，并且可以在相同的数字电子电路、计算机软件、固件、或硬件、或其组合上实现多个模块。
本说明书中所描述的一些实施方式可以被实现为一个或多个计算机程序，即，被编码在计算机存储介质上用于由数据处理装置执行或者用于控制数据处理装置的操作的计算机程序指令的一个或多个模块。计算机存储介质可以是计算机可读存储设备、计算机可读存储衬底、随机或串行访问存储器阵列或设备、或它们中的一个或多个的组合，或者可以被包括在算机可读存储设备、计算机可读存储衬底、随机或串行访问存储器阵列或设备、或它们中的一个或多个的组合。而且，虽然计算机存储介质不是传播信号，但是计算机存储介质可以是被编码在人工生成的传播信号中的计算机程序指令的源或目的地。计算机存储介质还可以是一个或多个分离的物理部件或介质(例如，多个CD、盘、或其他存储设备)，或者可以被包括在该一个或多个分离的物理部件或介质中。
术语“数据处理装置”涵盖用于处理数据的所有种类的装置、设备、和机器，举例来说包括可编程处理器、计算机、片上系统、或前述中的多个或前述的组合。装置可以包括专用逻辑电路，例如，FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。除硬件之外，装置还可以包括创建所讨论的计算机程序的执行环境的编码，例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行时环境、虚拟机、或它们中的一个或多个的组合的编码。装置和执行环境能够实现各种不同的计算模型基础设施，诸如网络服务、分布式计算、和网格计算基础设施。
计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或编码)可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言、声明、或过程语言。计算机程序可以但不需要对应于文件系统中的文件。程序可以被存储在保持其他程序或数据(例如，被存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的一部分中、在专用于讨论中的程序的单个文件中、或在多个协作文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序、或编码的部分的文件)。计算机程序可以被部署成在一个计算机上执行，或者在被定位在一个地点处、或跨多个地点分布并且通过通信网络互连的多个计算机上被执行。
本说明书中所描述的过程和逻辑流中的一些能够通过一个或多个可编程处理器执行，所述一个或多个可编程处理器执行一个或多个计算机程序，以通过对输入数据进行操作并且生成输出来执行动作。过程和逻辑流还能够通过专用逻辑电路，并且装置还能够被实现为专用逻辑电路，例如，FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)来执行。
通过示例的方式，适于计算机程序的执行的处理器包括通用微处理器和专用微处理器、以及任何种类的数字计算机中的处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或二者接收指令和数据。计算机包括用于根据指令执行动作的处理器和用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。计算机还可包括用于存储数据的一个或多个海量存储设备，或操作性地耦接到一个或多个海量存储设备以从其接收数据或向其传送数据或两者，海量存储设备包括例如磁盘、磁光盘、或者光盘。然而，计算机不需要具有这样的设备。适于存储计算机程序指令和数据的设备包括所有形式的非易失性存储器、介质、和存储器设备，举例来说包括半导体存储器设备(例如，EPROM、EEPROM、闪存设备、和其他)、磁盘(例如，内部硬盘、可移除磁盘、和其他)、磁光盘、以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或者被并入专用逻辑电路中。
为了提供与用户的交互，操作可以实现在计算机上，该计算机具有用于将信息显示给用户的显示设备(例如，监视器、或另一类型的显示设备)和用户通过其可以向计算机提供输入的键盘和指示设备(例如，鼠标、轨迹球、平板电脑、触敏屏幕、或另一类型的指点设备)。其他种类的设备也可以被用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感觉反馈，例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈；并且来自用户的输入可以以任何形式被接收，包括声音、语音、或者触觉输入。另外，计算机能够通过将文档发送到由用户所使用的设备并且从由用户所使用的设备接收文档来与用户交互；例如，通过响应于从网络浏览器所接收到的请求，将网页发送到用户的客户端设备上的网络浏览器。
计算机系统可以包括单个计算设备，或者接近或者一般彼此远离并且通常通过通信网络交互的多个计算机。通信网络的示例包括局域网(“LAN“)、广域网(“WAN“)、互联网络(例如，因特网)、包括卫星链路的网络、和对等网络(例如，自组织对等网络(ad hoc peer-to-peer))。客户端和服务器的关系可以借助于在相应的计算机上运行并且具有彼此的客户端-服务器关系的计算机程序出现。
图14示出了包括处理器1410、存储器1420、存储设备1430、和输入/输出设备1440的示例计算机系统1400。部件1410、1420、1430和1440中的每一个可以例如通过系统总线1450互连。处理器1410能够处理用于在系统1400内执行的指令。在一些实施方式中，处理器1410是单线程处理器、多线程处理器、或另一类型的处理器。处理器1410能够处理存储在存储器1420中或存储设备1430上的指令。存储器1420和存储设备1430可以在系统1400内存储信息。
输入/输出设备1440为系统1400提供输入/输出操作。在一些实施方式中，输入/输出设备1440可包括网络接口设备(例如，以太网卡)、串行通信设备(例如，RS-232端口)、和/或无线接口设备(例如，802.11卡、3G无线调制解调器、4G无线调制解调器等)中的一个或多个。在一些实施方式中，输入/输出设备可包括：驱动器设备，其被配置为接收输入数据并将输出数据发送到其他输入/输出设备(例如，键盘、打印机和显示设备1460)。在一些实施方式中，可以使用移动计算设备、移动通信设备、和其他设备。
虽然本说明书包含许多细节，但是这些不应当被解释为对可以要求保护的范围限制，而是特定于特定示例的特征的描述。也可以组合在本说明书中在单独的实施方式的上下文中描述的某些特征。相反地，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以分离地或者以任何适合的子组合在多个实施例中被实现。
已经描述了许多实施方式。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种修改。因此，其它实施方式在以下权利要求的范围内。

Claims (36)

1.一种头戴式显示设备，包括：
光通信的多个光学元件，所述多个光学元件被配置为在所述头戴式显示设备的操作期间将图像投射在穿戴所述头戴式显示设备的用户的视场中，
其中，所述多个光学元件中的第一光学元件被配置为接收来自所述多个光学元件中的第二光学元件的光；
其中，所述第一光学元件沿着所述第一光学元件的外围限定光栅，所述光栅包括：
多个突起，其从所述第一光学元件的基部延伸，所述突起包括第一材料，所述第一材料具有针对可见光波长的第一光学色散分布，以及
第二材料，其沿着所述第一光学元件的所述基部被设置在所述多个突起中的至少一些之间，所述第二材料具有针对可见光波长的第二光学色散分布。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，所述第二材料是二氧化钛(TiO2)。
3.根据权利要求2所述的头戴式显示设备，其中，所述第一材料是碳化硅(SiC)。
4.根据权利要求2所述的头戴式显示设备，其中，所述第一材料是铌酸锂(LiNbO3)。
5.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，所述第一光学元件的所述基部包括所述第一材料。
6.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，所述第一光学元件的所述基部由与所述多个突起相同的材料组成。
7.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，所述第一光学元件的所述基部与所述多个突出被一体地形成。
8.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，每个突起具有基本上矩形的剖面。
9.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，每个突起在所述第一光学元件的所述基部的表面上方延伸第一高度，以及
其中，所述第二材料在所述第一光学元件的所述基部的表面上方延伸第二高度，所述第二高度与所述第一高度不同。
10.根据权利要求9所述的头戴式显示设备，其中，所述第一高度大于所述第二高度。
11.根据权利要求10所述的头戴式显示设备，其中，所述第一高度是大约90nm。
12.根据权利要求11所述的头戴式显示设备，其中，所述第二高度是大约80nm。
13.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，所述光栅沿着所述第一光学元件的所述基部的长度根据周期重复。
14.根据权利要求13所述的头戴式显示设备，其中，所述周期对应于大约208nm的长度。
15.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，每个突起具有基本上相等的宽度。
16.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，每个突起的宽度是大约140nm。
17.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，与仅由所述第一材料组成的光栅相比较，相对于入射角范围，所述第一光学色散分布和所述第二光学色散分布减少所述光栅相对于第一波长的入射光的第一衍射效率、所述光栅相对于第二波长的入射光的第二衍射效率、和所述光栅相对于第三波长的入射光的第三衍射效率之间的变化。
18.根据权利要求17所述的头戴式显示设备，其中，所述第一波长对应于可见光谱中的第一颜色，其中，所述第二波长对应于所述可见光谱中的第二颜色，并且其中，所述第三波长对应于所述可见光谱中的第三颜色，所述第一颜色、所述第二颜色、和第三颜色彼此不同。
19.根据权利要求18所述的头戴式显示设备，其中，所述第一颜色是红色，所述第二颜色是绿色，以及所述第三颜色是蓝色。
20.根据权利要求17所述的头戴式显示设备，其中，所述入射角范围是大约-20°至20°。
21.一种构造头戴式显示设备的方法，所述方法包括：
提供第一光学元件，所述第一光学元件包括沿着所述第一光学元件的第一表面形成的光栅，所述光栅包括：多个突起，所述多个突起包括第一材料，所述第一材料具有针对可见光波长的第一光学色散分布，以及第二材料，其沿着所述第一光学元件的所述第一表面被沉积在所述多个突起中的至少一些之间，所述第二材料具有针对可见光波长的第二光学色散分布；以及
将所述第一光学元件定位为与所述头戴式显示设备中的第二光学元件进行光通信。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第二材料是二氧化钛(TiO2)。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述第一材料是碳化硅(SiC)。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述第一材料是铌酸锂(LiNbO3)。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，通过以下操作形成所述光栅：沿着所述第一表面在所述第一光学元件上蚀刻多个通道，每个通道具有第一深度；以及沿着所述第一表面在所述多个突起中的至少一些之间沉积所述第二材料。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，每个通道具有基本上矩形的剖面。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，每个通道具有基本上相等的宽度。
28.根据权利要求25所述的方法，其中，每个通道的宽度是大约68nm。
29.根据权利要求25所述的方法，其中，沉积所述第二材料包括：将所述第二材料沉积到所述通道的至少一些中。
30.根据权利要求25所述的方法，其中，沉积所述第二材料包括：将所述第二材料溅射到所述通道的至少一些中。
31.根据权利要求29所述的方法，其中，沉积所述第二材料，以使得所述第二材料在所述通道内延伸第一高度。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述第一深度大于所述第一高度。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述第一深度是大约90nm。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述第一高度是大约80nm。
35.根据权利要求21所述的方法，其中，沿着所述第一表面的长度根据周期形成所述光栅。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述周期对应于大约208nm的长度。
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