CN114502991A - 具有偏振敏感性降低的衍射光栅的显示设备 - Google Patents
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Abstract
闪耀衍射光栅在头戴式显示系统中提供光学元件，以例如将光耦入到波导中或将光从波导耦出。这些闪耀衍射光栅可以被配置为具有降低的偏振敏感性。例如，这种光栅可以以相似的效率水平将不同偏振的光耦入或耦出。闪耀衍射光栅和波导可以形成在诸如铌酸锂的高折射率基板中。在一些实施方式中，闪耀衍射光栅可以包括具有40nm至120nm，例如80nm，的特征高度的衍射特征。衍射特征可以被蚀刻到例如铌酸锂的高折射率基板中。
Description
相关申请的相交引用
本申请要求2019年7月19日提交的名称为“DISPLAY DEVICE HAVING DIFFRACTIONGRATINGS WITH REDUCED POLARIZATION SENSITIVITY(具有偏振敏感性降低的衍射光栅的显示设备)”的序列号为62/876,205的美国临时申请、以及2019年9月18日提交的名称为“DISPLAY DEVICE HAVING DIFFRACTION GRATINGS WITH REDUCED POLARIZATIONSENSITIVITY(具有偏振敏感性降低的衍射光栅的显示设备)”的序列号为62/902,328的美国临时申请的优先权益，在此将其全部内容通过引用的方式并入本文。
通过引用的并入
本申请通过引用包含以下每个专利申请的全部内容：2014年11月27日提交的序列号为14/555,585，于2015年7月23日被公开为美国公开2015/0205126的美国申请；2015年4月18日提交的序列号为14/690,401，于2015年10月22日被公开为美国公开2015/0302652的美国申请；2014年3月14日提交的序列号为14/212,961，现为2016年8月16日公开的美国专利9,417,452的美国申请；以及2014年7月14日提交的序列号为14/331,218，于2015年10月29日被公开为美国公开2015/0309263的美国申请。
技术领域
本公开涉及显示系统，更具体地，涉及增强和虚拟现实显示系统。
背景技术
现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中数字再现的图像或其部分以看起来或可以被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及对其它实际的真实世界视觉输入不透明地呈现数字或虚拟图像信息；增强现实或“AR”场景通常涉及呈现数字或虚拟图像信息作为对用户周围实际世界的可视化的增强。混合现实或“MR”场景是一种AR场景，并且通常涉及整合到自然世界中并响应于自然世界的虚拟对象。例如，在MR场景中，AR图像内容可以被真实世界中的对象遮挡或者被感知为与真实世界中的对象交互。
参考图1，示出了增强现实场景10，其中，AR技术的用户看到真实世界的公园式设置环境20，该设置环境以人、树、位于背景中的建筑物以及混凝土平台30为特征。除了这些项目之外，AR技术的用户还感知到他“看到”“虚拟内容”，例如站在真实世界平台30上的机器人雕像40，以及飞过的卡通式化身角色50，该角色看上去是大黄蜂的化身，即使这些元素40、50在真实世界中不存在。由于人类视觉感知系统复杂，因此产生便于从其它虚拟或真实世界图像元素当中舒适、自然、丰富地呈现虚拟图像元素的AR技术极具挑战性。
本文公开的系统和方法解决了与AR和VR技术相关的各种挑战。
发明内容
在一方面，一种头戴式显示系统包括：头戴式框架；光投射系统，其被配置为输出光以提供图像内容；以及由所述框架支撑的波导。所述波导包括基板，所述基板包括具有至少1.9的折射率的材料。所述基板被配置为引导被耦合到所述波导中的来自所述光投射系统的所述光的至少一部分。所述头戴式显示系统还包括：闪耀衍射光栅，其在所述基板中形成或在被设置于所述基板之上的层中形成。所述闪耀衍射光栅在入射到其上的光的角度范围内对第一偏振具有第一衍射效率，以及在入射到其上的光的所述角度范围内对第二偏振具有第二衍射效率。所述第一衍射效率在所述第二衍射效率的1至2倍之间。
在另一方面，一种光波导包括：包括具有至少1.9的折射率的材料的基板。所述基板被配置为通过全内反射在所述波导内引导被耦合到所述波导中的光。所述光波导还包括：闪耀衍射光栅，其在所述基板中形成或在被设置于所述基板之上的层中形成的。所述闪耀衍射光栅在入射到其上的光的角度范围上针对第一偏振具有第一衍射效率，并在入射到其上的光的所述角度范围上针对第二偏振具有第二衍射效率。所述第一衍射效率在所述第二衍射效率的1至2倍之间。
附图说明
图1示出了用户通过AR设备看到的增强现实(AR)的视图。
图2示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示系统。
图3A至3C示出了曲率半径与焦半径之间的关系。
图4A示出了人类视觉系统的适应-聚散(accommodation-vergence)响应的表示。
图4B示出了用户的一双眼睛的不同适应状态和聚散状态的示例。
图4C示出了用户经由显示系统观看内容的俯视图表示的示例。
图4D示出了用户经由显示系统观看内容的俯视图表示的另一示例。
图5示出了用于通过修改波前发散来模拟三维图像的方法的各方面。
图6示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。
图7示出了由波导输出的出射光束的示例。
图8示出了堆叠波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多种不同组分颜色形成的图像。
图9A示出了分别包括耦入光学元件的一组堆叠波导的示例的截面侧视图。
图9B示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。
图9C示出了图9A和9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。
图9D示出了可穿戴显示系统的示例。
图10A示意性地示出了波导的一部分的截面图，该波导具有设置在其上的例如用于将光耦入到波导中的衍射光栅。
图10B示出了波导的截面图，其示出了波导的视场(FOV)Δα，该波导具有设置在其上的闪耀衍射光栅。
图11A示出了用于形成波导的蚀刻工艺，该波导具有设置在其上的单台阶闪耀衍射光栅。
图11B是单台阶闪耀光致抗蚀剂光栅的扫描电子显微照片。
图11C示出了用于形成波导的蚀刻工艺，该波导具有设置在其上的多台阶闪耀衍射光栅。
图11D是多台阶闪耀光致抗蚀剂光栅的扫描电子显微照片。
图11E示出了衍射光栅的两种不同闪耀几何形状的截面侧视图。
图12A-12F示出了各种基板的扫描电子显微照片，在基板上形成有具有不同闪耀几何形状的闪耀衍射光栅。
图13是针对具有不同闪耀几何形状的各种衍射光栅的作为入射角的函数的横向磁(TM)偏振光的衍射效率与横向电(TE)偏振光的衍射效率的比的曲线图。
图14是针对绿色、蓝色和红色波长的关于具有峰高度或凹槽深度为80nm的衍射特征的衍射光栅的作为入射角的函数的横向磁(TM)偏振光的衍射效率与横向电(TE)偏振光的衍射效率的比的曲线图。
图15是针对绿色、蓝色和红色波长的关于具有80nm峰高度或凹槽深度的衍射光栅的衍射效率的曲线图。
图16示出了针对非偏振输入和线偏振输入的闪耀光致抗蚀剂衍射光栅的相干均匀性。
图17示出了针对非偏振输入和线性偏振输入的在铌酸锂基板中蚀刻的闪耀衍射光栅的相干均匀性。
图18是包括二维阵列的闪耀衍射特征的二维(2D)衍射光栅的透视图。
图18A和18B分别是具有二维阵列的闪耀衍射特征的2D衍射光栅的截面图和平面图。
图19A是具有在两个方向上的二维阵列的闪耀衍射特征的2D衍射光栅的透视图。
图19B示出了由具有在两个方向上的二维阵列的闪耀衍射特征的2D衍射光栅在不同方向上优先引导的光。
图20A和20B是使用主模板制造闪耀衍射光栅的方法的示意图。
图21是使用不同的主模板制造闪耀衍射光栅的方法的示意图。
在所有附图中，可以重复使用参考标号以指示所引用的元素之间的对应关系。提供附图是为了说明本文中描述的示例实施例，而非旨在限制本公开的范围。
具体实施方式
AR系统可以向用户或观看者显示虚拟内容，同时仍然允许用户看到他们周围的世界。优选地，该内容在例如作为眼镜的一部分的头戴式显示器上显示，该头戴式显示器将图像信息投射到用户的眼睛。此外，该显示器还可以将来自周围环境的光透射到用户的眼睛，以允许观看周围环境。如本文所使用的，应当理解，“头戴式”或“可头戴的”显示器是可以被戴在观看者或用户的头部上的显示器。
在一些AR系统中，具有相对高的视场(FOV)的虚拟/增强/混合显示器可以增强观看体验。显示器的FOV取决于目镜的波导输出光的角度，其中观看者通过目镜看到被投射到他或她的眼睛中的图像。具有例如2.0或更大的相对高折射率的波导可以提供相对高的FOV。然而，为了高效地将光耦合到高折射率波导中，衍射光学耦合元件也应该具有对应的高折射率。为了实现该目标，除其他优点外，根据本文所述的实施例的用于AR系统的一些显示器包括波导，该波导包括相对高折射率(例如，大于或等于2.0)的材料，在其上形成具有对应高折射率的相应衍射光栅，该材料诸如基于Li的氧化物。例如，可以通过对由基于Li的氧化物形成的波导的表面部分进行图案化，来直接在基于Li的氧化物波导上形成衍射光栅。
例如耦入或耦出光学元件的一些高折射率衍射光学耦合元件具有强的偏振依赖性。例如，用于将光耦入到波导中的耦入光栅(ICG)可以允许给定偏振的光明显多于另一偏振的光，其中衍射光学耦合元件包括高折射率材料。例如，这些元件可以以具有TE偏振的光的速率的大约3倍的速率将具有TM偏振的光耦入到波导中。具有这种偏振依赖性的衍射光学耦合元件可能具有降低的效率(由于效率低下和对一种偏振的普遍抑制(rejection))，并且还可能产生相干伪影并降低由从波导耦合出的光形成的远场图像的均匀性。为了获得对偏振不敏感或至少具有降低的偏振敏感性的衍射光学耦合元件(例如，以相对独立于偏振的效率耦合光)，根据本文描述的各种实施方式的用于AR系统的一些显示器包括具有以闪耀几何形状形成的衍射光栅的波导。衍射光栅也可以直接形成在波导中，该波导可以包括高折射率材料(例如，具有至少1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6或高达2.7或者任何这些值的任何值之间的任何范围内的值的折射率)。例如，衍射光栅可以例如通过以闪耀几何形状对高折射率材料进行图案化来在例如诸如铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)之类的基于Li的氧化物或者诸如氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)或碳化硅(SiC)的高折射率材料中形成。
现在将参考附图，在所有附图中，相同的参考标号表示相同的部件。除非另外指出，否则这些附图是示意性的，不一定按比例绘制。
图2示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示系统。将理解，用户的眼睛是间隔开的，并且当观看空间中的真实对象时，每只眼睛具有稍微不同的对象视图，并且可以在每只眼睛的视网膜上的不同位置处形成对象的图像。这可以被称为双眼视差，并且可以被人类视觉系统用于提供深度感。传统的显示系统通过呈现具有对同一虚拟对象的略微不同的视图的两个不同图像190、200(每只眼睛210、220对应一个图像)来模拟双目视差，这些图像对应于将被每只眼睛看成所需深度处的真实对象的虚拟对象的视图。这些图像提供双眼线索，用户的视觉系统可以解释该双眼线索以获得深度感。
继续参考图2，图像190、200与眼睛210、220在z轴上间隔开一距离230。z轴平行于眼睛注视观看者正前方的光学无限远处的对象的观看者的光轴。图像190、200是平坦的并且与眼睛210、220保持固定距离。基于分别呈现给眼睛210、220的图像中的虚拟对象的略微不同的视图，眼睛可以自然地旋转，以使得对象的图像落在每只眼睛的视网膜上的相应点上，以保持单一双眼视觉。该旋转可以使得每只眼睛210、220的视线会聚到虚拟对象被感知存在于的空间点上。因此，提供三维图像通常涉及提供双眼线索，这些线索可以操纵用户眼睛210、220的聚散度，并且被人类视觉系统解释以提供深度感。
然而，产生逼真且舒适的深度感是具有挑战性的。应当理解，来自与眼睛相距不同距离的对象的光具有发散量不同的波前。图3A至3C示出了距离与光线发散之间的关系。对象和眼睛210之间的距离按照距离减小的顺序R1、R2和R3表示。如图3A至3C所示，随着到对象的距离减小，光线变得更加发散。相反，随着距离的增加，光线变得更加准直。换言之，可以说，由点(对象或对象的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，其是该点离用户眼睛多远的函数。曲率随着对象和眼睛210之间的距离的减小而增大。虽然为了清楚地说明在图3A至3C和本文的其它图中仅示出了单只眼睛210，但是关于眼睛210的讨论可应用于观看者的双眼210和220。
继续参考图3A至3C，来自观看者的眼睛所注视的对象的光可以具有不同程度的波前发散。由于波前发散量不同，光可以通过眼睛的晶状体不同地聚焦，这反过来可能需要晶状体呈现不同的形状以在眼睛的视网膜上形成聚焦图像。在视网膜上没有形成聚焦图像的情况下，所产生的视网膜模糊充当适应线索，该适应引起眼睛晶状体形状的改变，直到在视网膜上形成聚焦图像。例如，适应线索可以触发眼睛晶状体周围的睫状肌舒张或收缩，从而适应施加到保持晶状体的悬韧带的力，从而使眼睛晶状体的形状改变，直到消除或最小化注视对象的视网膜模糊，从而在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成注视对象的聚焦图像。眼睛晶状体改变形状的过程可被称为适应，并且可以将在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成注视对象的聚焦图像所需的眼睛晶状体形状称为适应状态。
现在参考图4A，示出了人类视觉系统的适应-聚散响应的表示。眼睛移动以注视对象导致眼睛接收来自对象的光，其中光在眼睛的每个视网膜上形成图像。在视网膜上形成的图像中视网膜模糊的存在可以提供适应线索，并且图像在视网膜上的相对位置可以提供聚散线索。适应线索导致适应发生，从而使得眼睛晶状体分别呈现特定适应状态，该状态在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成对象的聚焦图像。另一方面，聚散线索导致聚散运动(眼睛旋转)发生，使得在每只眼睛的每个视网膜上形成的图像处于保持单个双眼视觉的相应视网膜点处。在这些位置中，可以说，眼睛已经呈现特定的聚散状态。继续参考图4A，适应可以被理解为眼睛实现特定适应状态的过程，并且聚散可以被理解为眼睛实现特定聚散状态的过程。如图4A所示，如果用户注视另一对象，则眼睛的适应和聚散状态可以改变。例如，如果用户注视z轴上的不同深度处的新对象，则适应状态可能改变。
不受理论的限制，可以认为对象的观看者可能由于聚散和适应的组合而将对象感知为“三维的”。如上所述，两只眼睛相对于彼此的聚散运动(例如，眼睛旋转以使得瞳孔朝向或远离彼此移动以使眼睛的视线会聚而注视对象)与眼睛晶状体的适应紧密相关。在正常情况下，根据被称为“适应-聚散反射”的关系，改变眼睛晶状体形状以将焦点从一个对象改变到不同距离处的另一对象将自动导致到同一距离的匹配聚散变化。同样，在正常情况下，聚散的变化将触发晶状体形状的匹配变化。
现在参考图4B，示出了眼睛的不同适应状态和聚散状态的示例。一双眼睛222a注视光学无限远处的对象，而一双眼睛222b注视小于光学无限远处的对象221。值得注意的是，每双眼睛的聚散状态是不同的，其中一双眼睛222a望向正前方，而一双眼睛222会聚在对象221上。形成每双眼睛222a和222b的眼睛的适应状态也是不同的，如晶状体210a、220a的不同形状所示。
不期望地，传统“3D”显示系统的许多用户发现，这样的传统系统由于这些显示器中适应和聚散状态之间的失配而令人感到不舒服或者可能根本不能感知深度感。如上所述，许多立体或“3D”显示系统通过向每只眼睛提供略微不同的图像来显示场景。这样的系统对于许多观看者来说是不舒服的，因为除了其他之外，这样的系统仅提供场景的不同呈现并且引起眼睛聚散状态的改变，但是这些眼睛的适应状态未发生相应的变化。相反，图像由相对于眼睛处于固定距离处的显示器示出，使得眼睛在单个适应状态下查看所有图像信息。这种安排通过在适应状态未发生匹配变化的情况下引起聚散状态改变来应对“适应-聚散反射”。这种失配被认为会引起观看者的不适。在适应和聚散之间提供更好匹配的显示系统可以形成更逼真和舒适的三维图像模拟。
不受理论的限制，可以认为人眼通常可以解释有限数量的深度平面以提供深度感。因此，可以通过向眼睛提供与这些有限数量的深度平面中的每一者相对应的不同图像呈现来实现高度可信的感知深度模拟。在一些实施例中，不同的呈现可以同时提供聚散线索和匹配的适应线索，从而提供生理上正确的适应-聚散匹配。
继续参考图4B，示出了两个深度平面240，这两个深度平面对应于相对于眼睛210、220的不同空间距离。对于给定深度平面240，可以通过为每只眼睛210、220显示具有适当不同的透视的图像来提供聚散线索。此外，对于给定深度平面240，形成提供给每只眼睛210、220的图像的光可以具有与由该深度平面240的距离处的点所产生的光场对应的波前发散。
在所示实施例中，包含点221的深度平面240沿z轴的距离是1米。如本文所使用的，可以利用位于用户眼睛出射光瞳处的零点来测量沿z轴的距离或深度。因此，位于1米深度处的深度平面240对应于用户眼睛的光轴上的距用户眼睛的出射光瞳1米的距离，其中眼睛指向光学无限远。作为近似，沿z轴的深度或距离可以从用户眼睛前方的显示器(例如，从波导的表面)测量，加上该设备与用户眼睛出射光瞳之间的距离的值。该值可以被称为出瞳距离并且对应于用户眼睛出射光瞳与用户在眼睛前方穿戴的显示器之间的距离。在实践中，出瞳距离的值可以是对于所有观看者通用的标准化值。例如，可以假设出瞳距离是20mm，并且处于1米深度处的深度平面可以在显示器前面980mm的距离处。
现在参考图4C和4D，分别示出了匹配的适应-聚散距离和失配的适应-聚散距离的示例。如图4C所示，显示系统可以向每只眼睛210、220提供虚拟对象的图像。这些图像可以使眼睛210、220呈现一聚散状态，在该聚散状态下，眼睛会聚在深度平面240上的点15处。此外，图像可以由具有与该深度平面240处的真实对象相对应的波前曲率的光形成。结果，眼睛210、220呈现一适应状态，在该适应状态下，图像聚焦在这些眼睛的视网膜上。因此，用户可以将虚拟对象感知为位于深度平面240上的点15处。
应当理解，眼睛210、220的适应和聚散状态中的每一者与z轴上的特定距离相关联。例如，距眼睛210、220特定距离处的对象使得这些眼睛基于对象的距离呈现特定适应状态。与特定适应状态相关联的距离可以被称为适应距离Ad。类似地，存在与特定聚散状态相关联的特定聚散距离Vd或相对于彼此的位置。在适应距离和聚散距离匹配的情况下，可以说适应和聚散之间的关系在生理学上是正确的。这被认为是对于观看者最舒适的场景。
然而，在立体显示器中，适应距离和聚散距离可能不总是匹配。例如，如图4D所示，显示给眼睛210、220的图像可以以对应于深度平面240的波前发散被显示，并且眼睛210、220可以呈现特定适应状态，在该适应状态下，该深度平面上的点15a、15b焦点对准。然而，显示给眼睛210、220的图像可以提供聚散线索，此线索导致眼睛210、220会聚在不位于深度平面240上的点15处。因此，在一些实施例中，适应距离对应于从眼睛210、220的出射光瞳到深度平面240的距离，而聚散距离对应于从眼睛210、220的出射光瞳到点15的更大距离。适应距离不同于聚散距离。因此，存在适应-聚散失配。这种失配被认为是不合需要的并且可能引起用户的不适。应当理解，失配对应于距离(例如，Vd-Ad)并且可以使用屈光度来表征。
在一些实施例中，应当理解，可以使用眼睛210、220的出射光瞳以外的参考点来确定用于确定适应-聚散失配的距离，只要相同的参考点被用于适应距离和聚散距离即可。例如，可以测量从角膜到深度平面，从视网膜到深度平面，从目镜(例如，显示设备的波导)到深度平面的距离等等。
不受理论限制，认为在适应-聚散失配本身不导致明显不适的情况下，用户仍然可以将最高为0.25屈光度，最高为0.33屈光度和最高为约0.5屈光度的适应-聚散失配感知为在生理上正确的。在一些实施例中，本文公开的显示系统(例如，图6中的显示系统250)向观看者呈现具有约0.5屈光度或更小的适应-聚散失配的图像。在一些其它实施例中，由显示系统提供的图像的适应-聚散失配为约0.33屈光度或更小。在另外一些实施例中，由显示系统提供的图像的适应-聚散失配为约0.25屈光度或更小，其中包括约0.1屈光度或更小。
图5示出了用于通过修改波前发散来模拟三维图像的方法的各方面。该显示系统包括波导270，该波导270被配置为接收用图像信息编码的光770，并将该光输出到用户的眼睛210。波导270可以输出具有限定量的波前发散的光650，该波前发散与所需深度平面240上的点产生的光场的波前发散对应。在一些实施例中，为在该深度平面上呈现的所有对象提供相同的波前发散量。另外，将说明可以向用户的另一只眼睛提供来自类似波导的图像信息。
在一些实施例中，单个波导可被配置为输出具有设定量的波前发散的光，该波前发散对应于单个深度平面或有限数量深度平面的波前发散，和/或波导可被配置为输出有限波长范围的光。因此，在一些实施例中，可以利用多个波导或波导堆叠来为不同的深度平面提供不同量的波前发散和/或输出不同波长范围的光。如本文所使用的，应当理解，深度平面可以是平面的，或者可以具有曲面轮廓。
图6示出了用于将图像信息输出给用户的波导堆叠的示例。显示系统250包括波导堆叠或堆叠的波导组件260，波导组件260可被用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知。应当理解，在一些实施例中，显示系统250可以被视为光场显示器。此外，波导组件260也可以被称为目镜。
在一些实施例中，显示系统250可被配置为提供基本连续的聚散线索和多个离散的适应线索。可以通过向用户的每只眼睛显示不同的图像来提供聚散线索，并且可以通过输出具有可选择的离散量的波前发散的用于形成图像的光来提供适应线索。换言之，显示系统250可被配置为输出具有可变波前发散水平的光。在一些实施例中，每个离散水平的波前发散对应于特定深度平面，并且可以由波导270、280、290、300、310中的特定一者提供。
继续参考图6，波导组件260还可包括波导之间的多个特征320、330、340、350。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以是一个或多个透镜。波导270、280、290、300、310和/或多个透镜320、330、340、350可被配置为以各种级别的波前曲率或光线发散向眼睛发送图像信息。每个波导级别可以与特定深度平面相关联，并且可被配置为输出与该深度平面相对应的图像信息。图像注入设备360、370、380、390、400可以用作波导的光源，并且可以被用于将图像信息注入到波导270、280、290、300、310中，如本文所述，每个波导可以被配置为使入射光分布跨过每个相应的波导，以朝向眼睛210输出。光从图像注入设备360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450出射，并且被注入到波导270、280、290、300、310的对应的输入表面460、470、480、490、500中。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每一者可以是对应波导的边缘，或者可以是对应波导的主表面的部分(即，直接面向世界510或观看者眼睛210的波导表面中的一者)。在一些实施例中，可以将单个光束(例如，准直光束)注入到每个波导中以输出克隆的准直光束的整个场，所述克隆的准直光束以特定角度(和发散量)被导向眼睛210，所述特定角度(和发散量)对应于与特定波导相关联的深度平面。在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400中的单个可与波导270、280、290、300、310中的多个(例如，三个)相关联并将光注入其中。
在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是离散显示器，每个离散显示器分别产生用于注入到对应的波导270、280、290、300、310中的图像信息。在一些其他实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是单个多路复用显示器的输出端，例如，该多路复用显示器可以经由一个或多个光学导管(例如，光纤光缆)将图像信息通过管道传输到图像注入设备360、370、380、390、400中的每一者。应当理解，由图像注入设备360、370、380、390、400提供的图像信息可以包括不同波长或颜色的光(例如，如本文所讨论的不同的组分颜色)。
在一些实施例中，注入到波导270、280、290、300、310中的光由光投射器系统520提供，光投射器系统520包括光模块530，光模块530可包括光发射器，例如发光二极管(LED)。来自光模块530的光可以经由分束器550被光调制器540(例如，空间光调制器)引导和修改。光调制器540可以被配置为改变注入到波导270、280、290、300、310中的光的感知强度以用图像信息对光进行编码。空间光调制器的示例包括液晶显示器(LCD)，LCD包括硅上液晶(LCOS)显示器。应当理解，图像注入设备360、370、380、390、400被示意性地示出，并且在一些实施例中，这些图像注入设备可以表示公共投射系统中的不同光路和位置，该公共投射系统被配置为将光输出到波导270、280、290、300、310中的关联的波导中。在一些实施例中，波导组件260中的波导可以用作理想透镜，同时将注入到波导中的光中继输出到用户的眼睛。在该概念中，对象可以是空间光调制器540，并且图像可以是深度平面上的图像。
在一些实施例中，显示系统250可以是扫描光纤显示器，扫描光纤显示器包括一个或多个扫描光纤，一个或多个扫描光纤被配置为以各种图案(例如，光栅扫描、螺旋扫描、利萨如(Lissajous)图案等)将光投射到一个或多个波导270、280、290、300、310中，并且最终投射到观看者的眼睛210。在一些实施例中，所示的图像注入设备360、370、380、390、400可示意性地表示单个扫描光纤或扫描光纤束，单个扫描光纤或扫描光纤束被配置为将光注入到一个或多个波导270、280、290、300、310中。在一些其他实施例中，所示的图像注入设备360、370、380、390、400可以示意性地表示多个扫描光纤或多个扫描光纤束，多个扫描光纤或多个扫描光纤束中的每一者被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中的关联波导中。应当理解，一个或多个光纤可以被配置为将光从光模块530传输到一个或多个波导270、280、290、300、310。应当理解，可以在一个或多个扫描光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间设置一个或多个居间光学结构，以例如将从扫描光纤出射的光重定向到一个或多个波导270、280、290、300、310中。
控制器560控制堆叠波导组件260中的一个或多个的操作，包括图像注入设备360、370、380、390、400、光源530和光调制器540的操作。在一些实施例中，控制器560是本地数据处理模块140的部分。控制器560包括编程(例如，非暂时性介质中的指令)，该编程根据例如本文公开的各种方案中的任何方案，调节定时和向波导270、280、290、300、310提供图像信息。在一些实施例中，控制器可以是单个整体设备，或者是通过有线或无线通信信道连接的分布式系统。在一些实施例中，控制器560可以是处理模块140或150(图9D)的部分。
继续参考图6，波导270、280、290、300、310可以被配置为通过全内反射(TIR)在每个相应的波导内传播光。波导270、280、290、300、310可以各自是平面的或具有另一种形状(例如，弯曲的)，具有顶部主表面和底部主表面以及在这些顶部主表面和底部主表面之间延伸的边缘。在所示的配置中，波导270、280、290、300、310可各自包括耦出光学元件570、580、590、600、610，耦出光学元件570、580、590、600、610被配置为通过重定向光来从波导中提取光，在各自对应的波导内部传播，从波导出射以将图像信息输出到眼睛210。所提取的光也可以被称为耦出光，而耦出光学元件光也可以被称为光提取光学元件。所提取的光束可以在波导中传播的光照射到光提取光学元件的位置处由波导输出。如本文进一步讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610可以例如是光栅，光栅包括衍射光学特征。虽然被示出为设置在波导270、280、290、300、310的底部主表面处，但是为了便于描述和绘制清楚，在一些实施例中，如本文进一步讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被设置在顶部和/或底部主表面处，和/或可以被直接设置在波导270、280、290、300、310的体积内。在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在附接到透明基板的材料层中，以形成波导270、280、290、300、310。在一些其他实施例中，波导270、280、290、300、310可以是单片材料，并且耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在该片材料的表面上和/或内部中。
继续参考图6，如本文所讨论的，每个波导270、280、290、300、310被配置为输出光以形成与特定深度平面对应的图像。例如，最靠近眼睛的波导270可以被配置为将准直光(其被注入到这样的波导270中)传递到眼睛210。该准直光可以代表光学无限远焦平面。下一上行波导280可以被配置为发出准直光，该准直光在可以到达眼睛210之前传输通过第一透镜350(例如，负透镜)；这样的第一透镜350可以被配置为产生轻微凸起的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自该下一上行波导280的光解释为来自从光学无限远向内更靠近眼睛210的第一焦平面。类似地，第三上行波导290使其输出光在到达眼睛210之前传输通过第一透镜350和第二透镜340两者；第一透镜350和第二透镜340的组合光焦度可以被配置为产生波前曲率的另一增量，使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为来自从光学无限远向内比来自向下一上行波导280的光进一步更靠近人的第二焦平面。
其它波导层300、310和透镜330、320被类似地配置，其中堆叠中的最高波导310通过其与眼睛之间的所有透镜发送其输出，以获得代表与人最靠近的焦平面的总焦度。为了在观察/解释来自堆叠波导组件260的另一侧上的世界510的光时补偿透镜堆叠320、330、340、350，可以在堆叠的顶部设置补偿透镜层620以补偿下面的透镜堆叠320、330、340、350的总焦度。这种配置提供与可用的波导/透镜配对一样多的感知焦平面。波导的耦出光学元件和透镜的聚焦方面都可以是静态的(即，不是动态的或电活性的)。在一些替代实施例中，通过使用电活性特征，它们中的一者或全部两者可以是动态的。
在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或更多个可具有相同的关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以被配置为将图像集输出到相同深度平面，或者波导270、280、290、300、310中的多个子集可以被配置为将图像集输出到相同的多个深度平面，每个深度平面一个集。这可以为形成平铺图像提供优势，以在那些深度平面处提供扩展的视场。
继续参考图6，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被配置为既将光重定向到它们相应的波导之外，也为与该波导相关联的特定深度平面输出具有适当的发散量或准直量的该光。结果，具有不同的关联深度平面的波导可以具有不同配置的耦出光学元件570、580、590、600、610，不同配置的耦出光学元件570、580、590、600、610根据关联的深度平面输出具有不同发散量的光。在一些实施例中，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积特征或表面特征，其可以被配置为以特定角度输出光。例如，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积全息、表面全息和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以不是透镜；相反，它们可以简单地是间隔物(例如，包层和/或用于形成气隙的结构)。
在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610是形成衍射图案的衍射特征，或“衍射光学元件”(在本文中也称为“DOE”)。优选地，DOE具有足够低的衍射效率，使得只有一部分光束借助DOE的每个相交点向眼睛210偏转，而其余部分经由TIR继续前进通过波导。因此，携带图像信息的光被分成多个相关的出射光束，这些出射光束在多个位置处从波导出射，并且对于在波导内弹跳的此特定准直光束，结果是向眼睛210出射的相当均匀的图案。
在一些实施例中，一个或多个DOE可以在它们活跃地衍射的“开启”状态和它们不显著衍射的“关闭”状态之间可切换。例如，可切换的DOE可以包括聚合物分散液晶层，其中，微滴包括处于主体介质中的衍射图案，并且微滴的折射率可以被切换为基本匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不会显著地衍射入射光)或者微滴可以被切换为与主体介质的折射率失配的折射率(在这种情况下，图案活跃地衍射入射光)。
在一些实施例中，可提供相机组件630(例如，数码相机，包括可见光相机和红外光相机)以捕获眼睛210和/或眼睛210周围的组织的图像，以例如检测用户输入和/或监视用户的生理状态。如此处所使用的，相机可以是任何图像捕获设备。在一些实施例中，相机组件630可以包括图像捕获设备和光源，以将光(例如，红外光)投射到眼睛，然后光可以被眼睛反射并被图像捕获设备检测。在一些实施例中，相机组件630可以被附接到框架80(图9D)并且可以与处理模块140和/或处理模块150电连通，处理模块140和/或处理模块150可以处理来自相机组件630的图像信息。在一些实施例中，每个眼睛可以使用一个摄像机组件630，以分别监视每只眼睛。
现在参考图7，示出了由波导输出的出射光束的示例。示出了一个波导，但应当理解，波导组件260(图6)中的其他波导可以类似地起作用，其中，波导组件260包括多个波导。光640在波导270的输入表面460处被注入波导270，并通过TIR在波导270内传播。在光640照射在DOE570上的点处，一部分光作为出射光束650从波导出射。出射光束650被示为基本平行，但是如本文所讨论的，它们也可以被重定向以一角度(例如，形成发散的出射光束)传播到眼睛210，该角度取决于与波导270相关联的深度平面。应当理解，基本上平行的出射光束可以指示具有耦出光学元件的波导，耦出光学元件耦出光以形成看起来设置在距离眼睛210的远距离处(例如，光学无穷远)的深度平面上的图像。其他波导或耦出光学元件的其他集合可以输出更加发散的出射光束图案，这将要求眼睛210适应更近的距离以使更加发散的出射光束图案聚焦在视网膜上并且将被大脑解释为来自比光学无限远更靠近眼睛210的距离处的光。
在一些实施例中，可以通过在组分颜色(例如，三种或更多种组分颜色)中的每一者中叠加图像来在每个深度平面处形成全色图像。图8示出了堆叠波导组件的示例，其中，每个深度平面包括使用多种不同组分颜色形成的图像。所示的实施例示出了深度平面240a-240f，但也可以预期更多或更少的深度。每个深度平面可以具有与其相关联的三个或更多个组分颜色图像，包括：第一颜色G的第一图像；第二颜色R的第二图像；以及第三颜色B的第三图像。对于字母G，R和B之后的屈光度(dpt)，在图中通过不同的数字表示不同的深度平面。仅作为示例，这些字母中的每一者后面的数字表示屈光度(1/m)，或该深度平面距观看者的距离倒数，并且图中的每个框表示单独的组分颜色图像。在一些实施例中，为了考虑眼睛对不同波长的光的聚焦的差异，不同组分颜色的深度平面的精确放置可以变化。例如，给定深度平面的不同组分颜色图像可以被放置在与距用户不同距离相对应的深度平面上。这样的布置可以增加视敏度和用户舒适度，和/或可以减少色差。
在一些实施例中，每种组分颜色的光可以由单个专用波导输出，因此，每个深度平面可以具有与其相关联的多个波导。在这样的实施例中，图中包括字母G、R或B的每个框可以被理解为表示单独的波导，并且每个深度平面可以提供三个波导，其中，每个深度平面提供三个组分颜色图像。尽管为了便于描述，在此图中与每个深度平面相关联的波导被示出为邻近彼此，但应当理解，在物理设备中，波导可以全部布置为每层一个波导的堆叠形式。在一些其他实施例中，多个组分颜色可以由相同的波导输出，使得例如每个深度平面可以仅提供单个波导。
继续参考图8，在一些实施例中，G是绿色，R是红色，B是蓝色。在一些其他实施例中，除了红色、绿色或蓝色之外，可以使用与其他波长的光(包括品红色和青色)相关联的其他颜色，或者这些其他颜色可以替代红色，绿色或蓝色中的一种或多种。
应当理解，贯穿本公开对给定颜色的光的提及将被理解为包括在被观看者感知为具有该给定颜色的光的波长范围内的一个或多个波长的光。例如，红色光可以包括在约620-780nm范围内的一个或多个波长的光，绿色光可以包括在约492-577nm范围内的一个或多个波长的光，并且蓝色光可以包括在约435-493nm范围内的一个或多个波长的光。
在一些实施例中，光源530(图6)可以被配置为发射观看者的视觉感知范围之外的一个或多个波长的光，例如红外和/或紫外波长的光。此外，显示器250的波导的耦入、耦出和其他光重定向结构可以被配置为引导此光并使此光从显示器出射朝向用户的眼睛210，例如，用于成像和/或用户刺激应用。
现在参考图9A，在一些实施例中，可能需要将照射在波导上的光重定向以将该光耦入到波导中。可以使用耦入光学元件将光重定向并且耦入到其对应的波导中。图9A示出了多个堆叠波导或堆叠波导组660的示例的截面侧视图，每个堆叠波导包括耦入光学元件。波导可以被各自配置为输出一个或多个不同波长的光，或一个或多个不同波长范围的光。应当理解，堆叠660可以对应于堆叠260(图6)，并且除了来自一个或多个图像注入设备360、370、380、390、400的光从需要光被重定向以耦入的位置被注入波导中之外，堆叠660的所示波导可以与多个波导270、280、290、300、310中的部分对应。
图示的堆叠波导组660包括波导670、680和690。每个波导包括关联的耦入光学元件(其也可以被称为波导上的光输入区域)，其中例如耦入光学元件700被设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上，耦入光学元件710被设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上，耦入光学元件720被设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720中的一个或多个可以被设置在相应波导670、680、690的底部主表面上(特别是在一个或多个耦入光学元件是反射性的偏转光学元件的情况下)。如图所示，耦入光学元件700、710、720可以被设置在它们相应的波导670、680、690(或下一下行波导的顶部)的顶部主表面上，特别是在那些耦入光学元件的是透射性的偏转光学元件的情况下。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在相应的波导670、680、690的体中。在一些实施例中，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720是波长选择性的，使得它们选择性地重定向一个或多个波长的光，同时透射其他波长的光。尽管在它们相应的波导670、680、690的一侧或角上示出，但是应当理解，在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在它们相应的波导670、680、690的其他区域中。
如图所示，耦入光学元件700、710、720可以被彼此横向偏移。在一些实施例中，每个耦入光学元件可以被偏移，使得耦入光学元件接收光，而光无需传输通过另一耦入光学元件。例如，如图6所示，每个耦入光学元件700、710、720可以被配置为从不同的图像注入设备360、370、380、390和400接收光，并且可以从其他耦入光学元件700、710、720分开(例如，横向间隔开)，使得该耦入光学元件基本上不接收来自耦入光学元件700、710、720中的其他耦入光学元件的光。
每个波导还包括关联的光分布元件，其中，例如，光分布元件730被设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上，光分布元件740被设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上，光分布元件750被设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联的波导670、680、690的底部主表面上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联的波导670、680、690的顶部主表面上和底部主表面上；或者光分布元件730、740、750可以被分别设置在不同的关联的波导670、680、690中的顶部主表面和底部主表面中的不同主表面上。
波导670、680、690可以被例如气体、液体和/或固体材料层间隔开并分隔开。例如，如图所示，层760a可以使波导670和波导680分隔开；并且层760b可以使波导680和波导690分隔开。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(即，具有比形成紧邻的波导670、680、690中的一个波导的材料的折射率低的材料)形成。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率与形成波导670、680、690的材料的折射率相差0.05或更大，或0.10或更小。有利地，较低折射率层760a、760b可以作为包层，包层促进通过波导670、680、690的光的全内反射(TIR)(例如，在每个波导的顶部主表面与底部主表面之间的TIR)。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。尽管未示出，但应当理解，所示波导组660的顶部和底部可包括紧邻的包层。
优选地，为了便于制造和其他考虑，形成波导670、680、690的材料相似或相同，并且形成层760a、760b的材料相似或相同。在一些实施例中，形成波导670、680、690的材料在一个或多个波导之间可以是不同的，和/或形成层760a、760b的材料可以是不同的，同时仍然保持上述各种折射率关系。
继续参考图9A，光线770、780、790入射在波导组660上。应当理解，光线770、780、790可以通过一个或多个图像注入设备360、370、380、390、400(图6)注入到波导670、680、690中。
在一些实施例中，光线770、780、790具有不同的特性，例如，对应于不同的颜色的不同的波长或不同的波长范围。耦入光学元件700、710、720各自使入射光偏转，使得光通过TIR传播通过波导670、680、690中的相应的一个。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720各自选择性地使一个或多个特定波长的光偏转，同时将其他波长透射到下面的波导和关联的耦入光学元件。
例如，耦入光学元件700可以被配置为使具有第一波长或第一波长范围的光线770偏转，同时分别透射具有不同的第二波长或第二波长范围的光线780和具有第三波长或第三波长范围的光线790。透射光线780照射在耦入光学元件710上并被耦入光学元件710偏转，该耦入光学元件710被配置为使第二波长或第二波长范围的光偏转。光线790被耦入光学元件720偏转，该耦入光学元件720被配置为选择性地使第三波长或第三波长范围的光偏转。
继续参考图9A，偏转的光线770、780、790被偏转为使得光线770、780、790传播通过对应的波导670、680、690；也就是说，每个波导的耦入光学元件700、710、720将光偏转到该对应的波导670、680、690中，以将光耦入到该对应的波导中。光线770、780、790以一定角度被偏转，该角度使光通过TIR传播通过相应的波导670、680、690。光线770、780、790通过TIR传播通过相应的波导670、680、690，直到照射到波导的对应的光分布元件730、740、750上。
现在参考图9B，示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。如上所述，耦入的光线770、780、790分别被耦入光学元件700、710、720偏转，然后分别在波导670、680、690内通过TIR传播。然后，光线770、780、790分别照射在光分布元件730、740、750上。光分布元件730、740、750使光线770、780、790偏转，使得光线770、780、790分别朝向耦出光学元件800、810、820传播。
在一些实施例中，光分布元件730、740、750是正交光瞳扩展器(OPE)。在一些实施例中，OPE将光偏转或分布到耦出光学元件800、810、820，并且在一些实施例中，还可以在光向耦出光学元件传播时增加此光的光束或光斑尺寸。在一些实施例中，可以省略光分布元件730、740、750，并且耦入光学元件700、710、720可以被配置为将光直接偏转到耦出光学元件800、810、820。例如。参考图9A，光分布元件730、740、750可分别被耦出光学元件800、810、820代替。在一些实施例中，耦出光学元件800、810、820是出射光瞳(EP)或出射光瞳扩展器(EPE)，其将光导入观看者的眼睛210(图7)。应当理解，OPE可以被配置为在至少一个轴上增大眼框(eye box)的尺寸，并且EPE可以在与OPE的轴相交(例如正交)的轴上增大眼框。例如，每个OPE可以被配置为将到达OPE的光的一部分重定向到同一波导的EPE，同时允许光的剩余部分继续沿波导传播。在再次照射到OPE上时，剩余光的另一部分被重定向到EPE，并且该部分的剩余部分继续沿波导进一步传播，依此类推。类似地，在到达EPE时，照射光的一部分被朝向用户导出波导，并且该光的剩余部分继续传播通过波导，直到它再次到达EPE，此时照射光的另一部分被导出波导，依此类推。因此，每当单束耦入光的一部分被OPE或EPE重定向时，该光可以“被复制”，从而形成克隆光束的场，如图6所示。在一些实施例中，OPE和/或EPE可以被配置为修改光束的尺寸。
因此，参考图9A和图9B，在一些实施例中，波导组660包括：波导670、680、690；耦入光学元件700、710、720；光分布元件(例如，OPE)730、740、750；以及耦出光学元件(例如，EP)800、810、820，用于每种组分颜色。波导670、680、690可以被堆叠有每个波导之间的气隙/包层。耦入光学元件700、710、720将入射光(其中不同耦入光学元件接收不同波长的光)重定向或偏转到其波导中。然后光以一角度传播，该角度将导致相应波导670、680、690内的TIR。在所示的示例中，光线770(例如，蓝色光)被第一耦入光学元件700偏转，然后继续沿波导反弹，以先前描述的方式与光分布元件(例如，OPE)730和耦出光学元件(例如，EP)800相互作用。光线780和光线790(例如，分别为绿色光和红色光)将传输通过波导670，其中光线780照射在耦入光学元件710上并被其偏转。然后，光线780经由TIR沿波导680反弹，前进到其光分布元件(例如，OPE)740，然后前进到耦出光学元件(例如，EP)810。最后，光线790(例如，红色光)传输通过波导690而照射在波导690的光耦入光学元件720上。光耦入光学元件720使光线790偏转为使得该光线通过TIR传播到光分布元件(例如，OPE)750，然后通过TIR传播到耦出光学元件(例如，EP)820。然后，耦出光学元件820最终将光线790耦出到观看者，观看者还从其他波导670、680接收耦出光。
图9C示出了图9A和图9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。如图所示，波导670、680、690以及每个波导的关联的光分布元件730、740、750和关联的耦出光学元件800、810、820可以垂直对准。然而，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720不是垂直对准的；相反，耦入光学元件优选地是不重叠的(例如，当在俯视图中观看时横向间隔开)。如本文进一步讨论的，此不重叠的空间布置有助于将来自不同资源的光一对一地注入到不同波导中，从而允许特定光源被唯一地耦合到特定波导。在一些实施例中，包括不重叠的空间分离的耦入光学元件的布置可以被称为移位的光瞳系统，并且这些布置内的耦入光学元件可以与子光瞳对应。
图9D示出了可穿戴显示系统60的示例，本文公开的各种波导和相关系统可以被整合到该可穿戴显示系统60中。在一些实施例中，显示系统60是图6的系统250，其中图6示意性地更详细示出该系统60的某些部件。例如，图6的波导组件260可以是显示器70的一部分。
继续参考图9D，显示系统60包括显示器70，以及支持该显示器70的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器70可以被耦接到框架80，该框架80是可由显示系统用户或观看者90佩戴的，并且该框架80被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛的前方。在一些实施例中，显示器70可以被视为是眼镜。在一些实施例中，扬声器100被耦接到框架80并且被配置为位于邻近用户90的耳道(在一些实施例中，另一个扬声器(未示出)可以可选地位于邻近用户的另一个耳道，以提供立体/可塑形声音控制)。显示系统60还可以包括一个或多个麦克风110或其他设备以检测声音。在一些实施例中，麦克风被配置为允许用户向系统60提供输入或命令(例如，语音菜单命令的选择、自然语言问题等)，和/或可以允许与其他人(例如，与类似的显示系统的其他用户)的音频通信。麦克风可以进一步被配置为外围传感器以收集音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)。在一些实施例中，显示系统还可以包括外围传感器120a，该传感器120a可以与框架80分离，并且被附接到用户90的身体(例如，在用户90的头部、躯干、四肢等上)。在一些实施例中，外围传感器120a可以被配置为获取表征用户90的生理状态的数据。例如，传感器120a可以是电极。
继续参考图9D，显示器70通过通信链路130(例如，通过有线引线或无线连接)可操作地耦接到本地数据处理模块140，本地数据处理模块140可以以各种配置来安装，诸如固定地附接到框架80，固定地附接到由用户佩戴的头盔或帽子，嵌入耳机中，或以其他方式(例如，以背包式配置、以腰带耦接式配置)可移除地附接到用户90。类似地，传感器120a可以通过通信链路120b(例如，有线引线或无线连接)可操作地耦接到本地处理和数据模块140。本地处理和数据模块140可以包括硬件处理器以及数字存储器，诸如非易失性存储器(例如，闪存或硬盘驱动器)，两者都可被用于辅助数据的处理、缓存和存储。可选地，本地处理和数据模块140可以包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、专用处理硬件等等。数据可以包括a)从传感器(其可以例如可操作地耦接到框架80或以其他方式附接到用户90)捕获的数据，传感器诸如为图像捕获设备(诸如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速计、指南针、GPS单元、无线电设备、陀螺仪和/或本文公开的其他传感器；以及/或b)使用远程处理模块150和/或远程数据储存库160(包括与虚拟内容有关的数据)获取和/或处理的数据，可能用于在这样的处理或检索之后向显示器70传送。本地处理和数据模块140可以通过通信链路170、180诸如经由有线或无线通信链路可操作地耦接到远程处理模块150和远程数据储存库160，使得这些远程模块150、160可操作地彼此耦接，并且可用作本地处理和数据模块140的资源。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可以包括图像捕获设备、麦克风、惯性测量单元、加速计、指南针、GPS单元、无线电设备和/或陀螺仪中的一者或多者。在一些其他实施例中，这些传感器中的一者或多者可以被附接到框架80，或者可以是通过有线或无线通信路径与本地处理和数据模块140通信的独立结构。
继续参考图9D，在一些实施例中，远程处理模块150可以包括被配置为分析和处理数据和/或图像信息的一个或多个处理器，例如，包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、专用处理硬件等等。在一些实施例中，远程数据储存库160可以包括数字数据存储设施，其可以通过因特网或“云”资源配置中的其他网络配置获得。在一些实施例中，远程数据储存库160可以包括一个或多个远程服务器，所述远程服务器向本地处理和数据模块140和/或远程处理模块150提供信息，例如，用于生成增强现实内容的信息。在一些实施例中，在本地处理和数据模块中存储所有数据，并且执行所有计算，允许从远程模块完全自主地使用。可选地，包括CPU、GPU等的外部系统(例如，一个或多个处理器、一个或多个计算机的系统)可以执行至少一部分处理器(例如，生成图像信息，处理数据)，并且例如经由无线或有线连接向模块140、150、160提供信息，以及从这些模块接收信息。
具有降低的偏振敏感性的衍射光栅
向基于波导的显示系统(例如，被配置用于上述虚拟/增强/混合显示应用配置的各种显示系统)的用户提供高质量的身临其境的体验除其他方面之外取决于耦入到显示系统的目镜中的波导中和/或从该波导耦出的光的各种特性。例如，具有高光耦入和耦出效率的虚拟/增强/混合显示器可以通过增加被引导至用户眼睛的光的亮度来增强观看体验。如上所述，可以采用诸如耦入衍射光栅之类的耦入光学元件将光耦合到波导中以通过全内反射在其中被引导。类似地，可以采用诸如耦出衍射光栅的耦出光学元件将在波导内通过全内反射引导的光从波导耦出。
如上文所述，例如参考图6和图7，根据本文所述的各种实施例的显示系统可以包括光学元件，例如，耦入光学元件、耦出光学元件、光分布元件和/或组合的光瞳扩展器-提取器(CPE)，该光学元件可以包括衍射光栅。如本文所公开的，CPE可以作为在波导内传播或分布光从而可能地增加光束尺寸和/或眼箱(eye box)的光分布元件以及将光从波导耦出的耦出光学元件来操作。
例如，如上面参考图7所述，在波导270的输入表面460处被注入到波导270中的光640通过全内反射(TIR)在波导270内传播并被引导。在各种实施方式中，在光640撞击耦出光学元件570的点处，在波导内被引导的光的一部分作为子束650离开波导。在一些实施方式中，可以包括耦入光学元件、耦出光学元件、光分布元件或CPE中的一个或多个的光学元件570、580、590、600、610中的任何一个可以包括或者被配置为衍射光栅。
为了实现将光耦入到波导270、280、290、300、310中(或将光从其中耦出)的理想特性，被配置为衍射光栅的光学元件570、580、590、600、610可以由合适的材料形成并且具有用于控制包括衍射特性(诸如作为偏振的函数的衍射效率)的各种光学特性的合适结构。可能的理想的衍射特性可以包括除了其他特性之外的以下中的任意一个或多个：光谱选择性、角度选择性、偏振选择性(或非选择性)、高光谱带宽、高衍射效率、或宽视场(FOV)。
一些衍射光栅具有强的偏振依赖性，并因此可能具有相对降低的整体效率(由于对一种偏振的抑制)。这种衍射光栅还可能产生相干伪影并降低远场图像的均匀性。为了提供具有降低的偏振敏感性的衍射光栅(例如，以相对独立于偏振的效率耦合光)，根据本文描述的实施方式的用于AR系统的一些显示器包括其中形成有闪耀衍射光栅的波导。例如，闪耀光栅可以包括具有“锯齿”形状的衍射特征。在一些实施方式中，闪耀光栅对于给定衍射级可以实现增强的光栅衍射效率，而对于其他级的衍射效率被降低或最小化。结果，与一些实施方式中的任何其他级相比，更多的光可以被引导到特定的给定衍射级中。
图10A示出了根据本文描述的一些设计的显示设备1000的一部分的截面图，该显示设备1000诸如包括波导1004和形成在作为波导1004的基板上的闪耀衍射光栅1008的目镜。在所示的实施方式中，闪耀衍射光栅1008形成在基板/波导1004(在该示例中是平面的)中。基板或波导1004的表面具有包括衍射特征的表面拓扑，这些衍射特征共同形成衍射光栅1008。闪耀衍射光栅1008被配置为衍射具有可见光谱中的波长的光，使得入射在其上的光在波导1004内通过TIR被引导。波导1004可以是透明的并且可以形成目镜的一部分，其中用户的眼睛可以通过该目镜观看。这种波导1004和目镜可以被包括在诸如增强现实显示器的头戴式显示器中。例如，波导1004可以对应于例如上面关于图9A-9C描述的波导670、680、690之一。例如，闪耀衍射光栅1008可以对应于上面关于图9A-9C描述的耦入光学元件700、710、720之一。被配置为将光耦入到波导1004中的闪耀衍射光栅1008在本文中可以被称为耦入光栅(ICG)。显示设备1000可以另外包括光学元件1012，该光学元件1012可以对应于例如光分布元件(例如，图9A-9C中所示的光分布元件730、740、750之一)或耦出光学元件(例如，图9A-9C所示的耦出光学元件800、810、820之一)。
在操作中，当例如来自提供图像内容的光投射系统的诸如可见光的入射光束1016以相对于与闪耀衍射光栅或基板/波导的延伸表面或平面和/或波导1004的表面1004S(例如，在其上形成有光栅的波导的主表面)(在图10A中被示出为平行于y-x平面延伸)垂直或正交的平面法线1002测量的入射角α入射到闪耀衍射光栅1008上时，闪耀衍射光栅至少部分地以相对于平面法线1002测量的衍射角θ将入射光束1016衍射为衍射光束1024。当衍射光束1024被以超过用于在波导1004中发生全内反射的临界角θTIR的衍射角θ衍射时，衍射光束1024通常沿平行于x轴的方向并沿波导的长度传播并在波导1004中通过全内反射(TIR)被引导。例如，在波导1004内引导的该光的一部分可以到达光分布元件730、740、750之一或耦出光学元件(800、810、820，图9A-9C)之一，并再次被衍射。
如本文所述，如在所示实施方式中以相对于平面法线1002的顺时针方向(即，在平面法线1002的右侧)的角度入射的光束被称为具有负α(α<0)，而以相对于平面法线1002的逆时针方向(即，在平面法线的左侧)的角度入射的光束被称为具有正α(α>0)。
如说明书其他地方进一步描述的，高折射率材料和/或衍射光栅1008的结构的合适组合可以导致入射角α的特定范围Δα，在本文中称为视场(FOV)或接受(acceptance)角范围。一个范围Δα可以由跨越α的负值和/或正值的角度范围来描述，在该范围之外，衍射效率相对于α＝0或某个其他方向的衍射效率下降超过10％、25％、超过50％或超过75％、80％、90％、95％或由这些值中的任何值限定的范围内的任何值。在一些实施方式中，使Δα在衍射效率相对较高和恒定的范围内可能是期望的，例如，在Δα内期望均匀的衍射光强度的情况下。因此，在一些实施方式中，Δα与衍射光栅1008的角度带宽相关联，使得在Δα内的入射光束1016以相对于表面法线1002(例如，平行于y-z平面的方向)的衍射角θ被衍射光栅1008高效地衍射，其中θ超过θTIR，使得衍射光在全内反射(TIR)下在波导1004内被引导。在一些实施方式中，这个角度Δα范围可能会影响用户看到的视场。应当理解，在各种实施方式中，光可以从任一侧被引导到耦入光栅(ICG)上。例如，光可以被引导通过基板或波导1004并且入射到诸如图10A中所示的反射耦入光栅(ICG)1008上。光可以经历相同的效果，例如通过耦入光栅1008被耦合到基板或波导1004中，使得光通过全内反射在基板或波导内被引导。入射角α的范围(Δα)，在本文中被称为视场(FOV)或接受角的范围，可能受基板或波导材料的折射率的影响。例如，在图10A中，减小的角度范围(Δα’)示出了高折射率材料的折射对入射到耦合光栅(ICG)上的光的影响。然而，角度范围(Δα)或FOV更大。
图10B示出了示例性闪耀透射衍射光栅1008的截面图。光栅1008包括具有峰1003和凹槽1005的光栅特征。闪耀透射光栅1008包括从所示的截面看具有“锯齿”形状图案的与基板或波导的表面1004S对应的表面。图案化的“锯齿”由表面1004S的第一倾斜部分1007形成。在图10B所示的示例中，光栅1008还包括第二(较陡的)倾斜部分1009。在所示示例中，第一倾斜部分1007具有比第二倾斜部分1009更平缓(shallower)的倾斜度(inclination)，该第二倾斜部分1009具有更陡的倾斜度。在本示例中，第一倾斜部1007也比第二倾斜部1009宽。
峰1003的高度H对应于从凹槽1005的底部到峰1003的顶部的距离。因此，该值在本文中可以称为峰高度和/或凹槽深度，作为光栅高度或光栅深度或作为衍射光栅的衍射特征的高度。在图10B所示的示例中，凹槽1005的底部由两个相邻的峰1003的第一和第二倾斜部分1007、1009的相交形成。第一倾斜部分1007在相邻的峰1003中的一者上，以及第二倾斜部分1009在另一相邻的峰上。类似地，峰1003的顶部由在峰1003的顶部处的第一和第二倾斜部分1007、1009的相交形成。然而，其他配置也是可能的。例如，如果凹槽1005的底部具有平坦的基部或者如果峰1003的顶部包括平坦的平台，则例如，第一和第二倾斜部分可以不一定相交，如下面将讨论的。闪耀衍射光栅1008具有线间隔或节距(pitch)d，其在一些实施方式中可以是恒定的。该线间隔或节距d可以是例如具有与图10B中所示的形状相似的形状的光栅1008中的峰1003的顶点的分隔的量度。类似地，线间隔或节距d可以是相邻凹槽1005的最深位置的分隔的量度。线间隔或节距d可以从光栅特征上的其他位置测量。
斜面(slope)可以以相对于与光栅1008或波导的表面(例如，可以延伸超出光栅的波导的表面1004S其或与图10A的光栅相对的波导的表面1004S’)平行的平面的角度δ而倾斜。第一(较平缓的)倾斜部分1007的这个角度δ在本文中可以被称为闪耀角。
如图10B所示，闪耀衍射光栅1008可以包括具有不对称形状的光栅线或特征，例如，包括不对称形状的峰1003和/或凹槽1005。例如，在图10B所示的衍射光栅中，衍射特征包括具有不对称三角形截面形状的峰1003和/或凹槽1005。如上所述，该不对称形状导致第一和第二倾斜部分1007、1009的不同倾斜度和/或宽度。然而，其他形状也是可能的。
在衍射特征不对称的设计中，例如，在第一倾斜部分的倾斜度较平缓而第二倾斜部分的斜面较陡的情况下，衍射特征可以被认为是由重复的斜面和台阶形成。这种结构在本文中可以被称为倾斜台阶结构。在一些实施方式中，第二部分可以如此陡以至于不倾斜；例如，第二部分可以平行于法线1002。
然而，在“锯齿”图案的其他实施方式中，峰1003和/或凹槽1005可以是对称的。例如，第一和第二倾斜部分1007、1009可以具有相同的倾斜度和相同的宽度。
与下文讨论的多台阶结构相比，图10B所示的截面图案在本文中可以被称为单台阶几何形状。例如，多台阶结构如图11D所示。
不管衍射特征是不对称的还是对称的，在一些实施方式中，平台或平坦部分可以位于峰1003的顶部，如下面将讨论的。例如在图11B和11D中示出了包括在峰1003顶部具有平台或平坦部分的衍射特征的衍射光栅1008。
图10B示出了以相对于法线方向1002的角度α入射到光栅1008上的入射光束1016。(如上文关于图10A所讨论的，光可以穿过基板或波导1004并在其他示例中从另一侧入射到衍射光栅1008上。)如上所述，法线1002垂直于或正交于闪耀衍射光栅1008的延伸表面或者光栅或波导的平面和/或波导1004的表面1004S(例如，其上形成有光栅的波导的主表面或相反的平面表面1004S’)。在图10B中，入射到衍射光栅1008上的光1016被示为以相对于法线方向1002的角度β衍射。
根据各种实施例，当被配置作为耦入光学元件或耦入衍射光栅时，衍射光栅1008可以衍射地耦合入射到基板1004中的光，基板1004可以是如上所述的波导。如果需要，衍射光栅1008可以被配置作为耦出光学元件，并且在这样的实施例中，可以衍射地耦合来自基板1004的光，基板1004也可以是如上所述的波导。
参考图10A和10B，在一些实施方式中，基板1004包括具有至少1.9的折射率的高折射率材料。例如，折射率可以为至少2.0、至少2.1、至少2.2或至少2.3，并且可以不超过2.4、2.5、2.6、2.7、2.8，或者可以在由这些值中的任何值形成的任何范围内或可能在这些范围之外。在一些实施方式中，例如，基板包括基于Li的氧化物。在本文所公开的各种示例中，衍射光栅1008的衍射特征可以形成在基板1004的表面处。衍射特征可以形成在基板1004中，例如波导中，或者形成在形成于基板1004之上的单独层中，例如波导中，并且被配置为与基板1004光学通信，例如，将光耦合到基板1004中或将光从基板1004耦出。在所示示例中，衍射光栅1008的例如线的衍射特征形成在基板1004中，例如形成在基板的表面中。例如，可以将衍射特征蚀刻到包括诸如基于Li的氧化物的高折射率材料的基板1004中。基板可以例如包括铌酸锂，并且衍射光栅可以通过蚀刻或图案化基板的表面而在铌酸锂基板中形成。也可以使用具有高折射率的其他材料。例如，例如锂氧化物(例如钽酸锂(LiTaO3))的包括锂的其他材料可以用作基板。碳化硅(SiC)是基板材料的另一种选择。示例不限于此。在其他示例中，衍射光栅1008的衍射特征可以形成在被设置于基板1004之上(例如物理接触)的单独层中。例如，氧化锌(ZnO)、氮化硅(Si3N4)、二氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)、碳化硅(SiC)等的厚度小于200nm的薄膜涂层可以被设置在现有的高折射率基板上。薄膜涂层可以被图案化以形成衍射特征。然而，在一些实施方式中，衍射光栅1008的诸如线的衍射特征可以由与基板的材料不同的材料形成。基板可以例如包括高折射率材料，例如基于Li的氧化物(例如，铌酸锂，LiNbO3，或钽酸锂，LiTaO3)，然而，衍射特征可以由不同的材料形成，例如，氧化锌(ZnO)、二氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)、碳化硅(SiC)或本文所述的其他材料的涂层。在一些实施方式中，形成在基板上的这种其他材料可以具有较低的折射率。在一些情况下，基板1004可以包括不同于基于Li锂的氧化物特征1008的材料的例如具有如上所述的合适折射率的材料(包括无定形高折射率玻璃基板)，例如基于二氧化硅玻璃(例如，掺杂二氧化硅玻璃)的材料、氮氧化硅、过渡金属氧化物(例如，氧化铪、氧化钽、氧化锆、氧化铌、氧化铝(例如，蓝宝石))、塑料、聚合物或其他对可见光具有光学透射性的材料。
然而，如上所述，在本文所述的各种实施方式中，衍射光栅1008和基板1004或波导都包括相同的材料，例如基于Li的氧化物。在一些实施方式中，衍射光栅1008被直接图案化到基板1004中，使得衍射光栅1008和基板1004形成单件或单片结构。例如，基板1004包括具有直接形成在波导或基板的表面中的衍射光栅1008的波导。在这些实施方式中，可以在表面1004S处图案化体(bulk)基于Li的氧化物材料以形成衍射光栅1008，而衍射光栅1008下方的基于Li的氧化物材料可以形成波导。在又一些其他实施方式中，被图案化以形成衍射光栅1008的体或基板1004和表面1004S包括不同的基于Li的氧化物。例如，在表面区域图案化以形成衍射光栅1008的体基于Li的氧化物材料可以由第一基于Li的氧化物材料形成，而在形成基板1004或基板区域的衍射光栅1008下方的基于Li的氧化物材料可以由与第一基于Li的氧化物材料不同的第二基于Li的氧化物材料形成。如上所述，在一些其他实施方式中，衍射光栅1008包括不同的高折射率材料，例如二氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)、碳化硅(SiC)等，以及在形成基板1004或基板区域的衍射光栅1008下方的材料可以由例如LiTaO3、LiNbO3等的第二材料形成并且不同于被涂覆作为薄膜的第一材料。
在图10A和10B所示的示例中，衍射光栅1008可以包括多个闪耀衍射光栅线，它们在第一水平方向或y方向上伸长(elongate)并且在第二水平方向或x方向上周期性地重复。衍射光栅线可以是例如在y方向上延伸的直的且连续的线。然而，实施例不限于此。
在一些实施方式中，衍射光栅线例如在y方向上可以是不连续的线。在一些其他实施方式中，不连续的线可以形成从光栅基板的表面突出的多个柱。在一些实施方式中，至少一些衍射光栅线可以在x方向上具有不同的宽度。
在所示示例中，衍射光栅1008的衍射光栅线具有轮廓，例如锯齿轮廓，其具有相对于基板的平面形成不同角度的不对称相反侧表面。然而，实施例不限于此，并且在其他实施方式中，衍射光栅线可以具有相对于基板的平面形成相似角度的对称相反侧表面。
根据各种实施例，衍射光栅1008可以具有250nm到350nm、300nm到400nm、250nm到450nm或者由这些值中的任何值限定的任何范围内的节距。其他节距也是可能的。
衍射光栅1008可以具有大约10到70度(平缓尺寸)的闪耀角和140到70度的反闪耀角(陡边)或由这些值限定的范围内的任何值。这些范围之外的值也是可能的。
如图11A-11D所示，可以形成具有单台阶或多台阶几何形状的闪耀衍射光栅。在图11A-11D所示的示例中，通过沉积闪耀光致抗蚀剂然后蚀刻和图案化光致抗蚀剂来形成光栅。
图11A示出了在基板1104中形成单台阶闪耀光栅1106，基板1104可以是波导1004(图10A)。诸如光致抗蚀剂1102的可图案化材料可以沉积在基板1104上，该基板1104可以包括波导1004。可图案化材料/光致抗蚀剂1102被图案化以具有闪耀光栅的形状。在一些实施方式中，在光致抗蚀剂1102中形成闪耀几何形状可以涉及在光致抗蚀剂1102中压印诸如单台阶“锯齿”图案的图案(例如，在基板1104上沉积光致抗蚀剂然后压印闪耀几何形状)。光致抗蚀剂1102可以包括诸如硬掩模的掩模。然后可以蚀刻图案化的光致抗蚀剂1102和基板1104以在基板1106中形成闪耀图案。蚀刻光致抗蚀剂1102和基板1104可以涉及例如干法等离子体或化学蚀刻和/或湿法化学蚀刻。在一些实施方式中，图11A中所示的蚀刻可以以相对恒定的速率蚀刻掉材料，使得图案化的光致抗蚀剂的最厚的部分导致从基板的对材料的相对较小的去除量，例如可忽略不计或没有去除，而图案化的光致抗蚀剂的最薄(或不存在)的部分导致从基板的对材料的相对大的去除量或蚀刻到基板中的最深处。
图11B是闪耀光致抗蚀剂光栅1112的扫描电子显微照片，其中闪耀光栅图案例如通过用图案化的主板(master)来压印光致抗蚀剂而在光致抗蚀剂1104中形成。所示的衍射光栅1112具有单台阶闪耀几何形状。
图11C示出了在基板1154中形成多台阶闪耀光栅1156，基板1154可以是波导1004(图10A)。诸如光致抗蚀剂1152的可图案化材料可以沉积在基板1154上。可图案化材料/光致抗蚀剂1152被图案化以具有闪耀光栅的形状。在一些实施方式中，形成闪耀光致抗蚀剂1152可以涉及在光致抗蚀剂1152中压印诸如多台阶“锯齿”图案的图案(例如，将光致抗蚀剂沉积到基板1154上，然后压印闪耀几何形状)。然后可以蚀刻图案化的光致抗蚀剂1152和基板1154以形成多台阶闪耀基板1156。光致抗蚀剂1152可以包括诸如硬掩模的掩模。然后可以蚀刻图案化的光致抗蚀剂1152和基板1154以在基板1156中形成闪耀图案。蚀刻光致抗蚀剂1152和基板1154可以涉及例如干法等离子体或化学蚀刻和/或湿法化学蚀刻。在一些实施方式中，图11C所示的蚀刻可以以相对恒定的速率蚀刻掉材料，使得图案化的光致抗蚀剂的最厚的部分导致从基板的对材料的相对较小去除量，例如，可忽略不计或没有去除，而闪耀光致抗蚀剂的最薄(或不存在)的部分导致从基板的对材料的相对大的去除量或蚀刻到基板中的最深处。
图11D是闪耀光致抗蚀剂光栅1162的扫描电子显微照片，其中闪耀光栅图案例如通过用图案化的主来压印光致抗蚀剂而在光致抗蚀剂1164上形成。衍射光栅1162可以具有多台阶闪耀几何形状。峰1003的宽度被示出为大约200nm。
如图11E所示，在高折射率基板中形成的例如图10A和10B的光栅1008的衍射光栅的闪耀几何形状可以变化以具有不同的高度和/或闪耀角。特别地，图11E示出了具有第一形状和第一高度(在一些实施方式中可以是大约80nm)的第一衍射光栅1170(例如，几何形状1)。图11E还示出了具有第二形状和第二高度(对于一些设计可以低于第一高度并且可以是大约35nm)的第二衍射光栅1180(例如，几何形状2)。正如将至少结合图13所讨论的，改变闪耀衍射光栅的几何形状可以改变光栅的性能特征。例如，具有80nm的高度(或深度)的几何形状1可以提供比具有35nm的高度(或深度)的几何形状2更低的偏振敏感性。
图12A-12F示出了在基板中形成的各种闪耀衍射光栅的扫描电子显微照片(SEM)。图12A-12F的基板和光栅仅是说明性示例，并且通常可以改变特征尺寸、节距、角度和其他特性以实现期望的性能特性。
图12A-12C示出了具有上表面的铌酸锂(LiNbO3)基板，该上表面具有闪耀衍射光栅的形状(例如，闪耀几何形状)。图12A是在铌酸锂(LiNbO3)基板中形成的闪耀衍射光栅的SEM图像1200，其中闪耀光栅的台阶高度或峰的高度被测量为大约31.90nm。第一(较平缓)倾斜表面相对于基板平面的角度δ为约12.1度。(这个角度δ在本文中可以被称为闪耀角。)图12B示出了从不同角度看的闪耀光栅的SEM图像1202。图12B示出了被测量为大约331.8nm的节距(例如，峰或台阶或凹槽的最小值之间的距离)。在图12C所示的SEM图像1204中，在铌酸锂(LiNbO3)基板中形成的闪耀光栅被示出为具有测量为约46.26nm的峰或台阶高度。第一(较平缓)倾斜表面相对于基板平面的角度δ为约19.5度。(这个角度δ在本文中可以被称为闪耀角。)
图12D示出了被蚀刻以在其中形成闪耀衍射光栅的硅基板的SEM图像1206。在图12D的示例中，闪耀衍射特征的高度，例如，峰的高度或凹槽的深度，被测量为大约63.80nm。峰的宽度被测量为约167.5nm。峰的“陡”角，例如第二较陡倾斜部分的角度，被测量为大约53.0度(相对于基板的延伸平面)。峰的“平缓”角，例如，第一较平缓倾斜部分的角度δ(可称为闪耀角)，被测量为约27.9度(相对于基板的延伸平面)。
图12E示出了被蚀刻以在其中形成多台阶闪耀衍射光栅的硅基板的SEM图像1208。在图12D的示例中，多台阶闪耀特征的高度，例如峰的高度或凹槽的深度，被测量为大约66.85nm。多台阶闪耀特征或峰的宽度被测量为大约206.9nm(例如，宽度不包括相邻多台阶特征之间的任何间距)。根据关于从峰的基部到峰的顶部的距离的峰的高度来确定的峰的整体“平缓”角被测量为约22.5度(相对于基板的延伸平面)。峰的“陡”角，例如，第二较陡倾斜部分的角度，被测量为大约68.8度(相对于基板的延伸平面)。
图12F示出了由具有1.8的折射率(RI)的玻璃形成的基板的SEM图像1210。成像基板在其中形成了具有大约87.09nm的台阶或特征高度的闪耀衍射光栅。
通常，改变诸如图10A和10B的光栅1008的闪耀衍射光栅的几何形状可以改变光栅的性能特征。在至少一些实施方式中，例如，可以通过适当地调整例如光栅的厚度或衍射特征的高度的光栅的参数，来获得对光的偏振不太敏感的衍射光栅(例如，相对独立于所述光的偏振来耦入光或将光耦出的衍射光学耦合元件)。具有降低的偏振敏感性的衍射光栅可能具有更高的整体效率(例如，可以比更偏振敏感的光栅耦合更多的光)并且可以为观看者提供更均匀的图像，因为偏振敏感的光栅可能会引入不希望的相干伪影并降低例如由头戴式显示器的目镜产生的远场图像的均匀性。
例如，图13示出了各种闪耀衍射光栅的偏振敏感性。特别地，图13示出了作为入射角的函数的TM/TE耦入光栅衍射效率(DE)比。TM/TE ICG DE比可以例如对应于横向磁(TM)偏振光的耦入效率除以横向电(TE)偏振光的耦入效率。入射角可以是入射角α，例如，如图10A和10B中所引用的。
曲线1300示出了针对在设置于铌酸锂基板上的光致抗蚀剂中形成的闪耀衍射光栅的作为入射角α的函数的TM/TE比。如曲线1300所示，由铌酸锂基板上的闪耀光致抗蚀剂形成的衍射光栅可以是相对偏振敏感的，例如，在入射角范围内，该光栅对TM偏振光的效率是光栅对TE偏振光的效率的3-4倍。
曲线1302示出了针对具有35nm的特征或峰高度(或凹槽深度)H的包括在铌酸锂基板中形成的衍射特征的闪耀衍射光栅(例如具有图11E中所示的几何形状2的衍射光栅1180)的作为入射角α的函数的TM/TE比。如曲线1302所示，具有35nm蚀刻特征高度的衍射光栅对偏振的敏感性低于在沉积于铌酸锂基板上的光致抗蚀剂层中形成的闪耀光栅。在测量的入射角范围的大部分内，具有35nm蚀刻特征高度的衍射光栅仅以大约1.5到2.0或2.2的比而适度地有利于TM偏振光而不是TE偏振光(例如，光栅因此具有适度降低的偏振敏感性)。
曲线1304示出了针对具有80nm的特征或峰高度(或凹槽深度)H的包括形成在铌酸锂基板中的衍射特征的闪耀衍射光栅(例如具有图11E中所示的几何形状1的衍射光栅1170)的作为入射角α的函数的TM/TE比。如曲线图1304所示，具有80nm蚀刻衍射特征高度的衍射光栅在宽的入射角范围内具有接近1的TM/TE衍射效率比(例如，光栅具有降低的偏振敏感性，例如，基本上是偏振不敏感的)。
图14示出了关于不同颜色光(例如，关于绿色光、蓝色光和红色光)的在铌酸锂基板中形成的具有80nm特征高度的闪耀衍射光栅的TM/TE衍射效率。如图14所示，针对绿色和蓝色光，(衍射光栅1170的)TM/TE衍射效率比在宽入射角范围内接近1。此外，针对红色光，TM/TE衍射效率比通常为约1.5，对于某些入射角会增加到2以上(但小于2.5)。
图15示出了针对绿色光、蓝色光和红色光的作为入射角的函数的在具有80nm特征高度的铌酸锂中形成的闪耀衍射光栅的平均衍射效率。例如，平均衍射效率可以指示衍射光栅对耦入(或耦出)非偏振光的效率。
除了效率和亮度的普遍降低之外，某些高度偏振敏感的衍射光栅还可能产生相干伪影并降低由将图像内容引导到用户的眼睛的头戴式显示器的目镜产生的远场图像的均匀性。
图16示出了从目镜输出的光的分布，该目镜包括耦入光栅以及光重定向元件(正交光瞳扩展器)和耦出光学元件(出射光瞳扩展器)，该耦入光栅包括在沉积于铌酸锂基板上的光致抗蚀剂中形成的闪耀衍射光栅以用于将光耦入到基于波导的目镜中。如图16所示，具有包括在沉积于铌酸锂基板上的光致抗蚀剂中的闪耀衍射光栅的耦入光学元件的目镜对于非偏振输入可以产生大约9.45％的相干均匀性，对于线性偏振输入可以产生大约11.3％的相干均匀性。图16的图表和图像是从500微米厚的Z形切割的铌酸锂基板获得的，其中在基板上具有光致抗蚀剂层，该光致抗蚀剂层通过压印而被图案化以形成耦入光栅。图16示出了远场图像1600中的不均匀性。在该示例中，绘制的均匀性分数是通过分析在特定区域上捕获的图像的像素值而得出的数学值，并给出了对在图像上在不同采样空间频率处的捕获值的不均匀性的指示。较低的值表示在所捕获或所需图像的视场上的更均匀的颜色分布。
图17示出了从目镜输出的光的分布，该目镜包括耦入光栅以及光重定向元件(正交光瞳扩展器)和耦出光学元件(出射光瞳扩展器)，该耦入光栅包括在铌酸锂基板中形成的闪耀衍射光栅以用于将光耦入到基于波导的目镜中。如图17所示，包括通过蚀刻到铌酸锂基板中而形成的具有80nm特征高度(峰高度或凹槽深度)的闪耀衍射光栅的耦入光学元件可以具有改善的相干均匀性，例如对于非偏振输入为约8.1％的相干均匀性，对于线性偏振输入为约8.35％的相干均匀性。图17的图表和图像是从500微米厚的Z形切割的铌酸锂基板获得的，该基板具有被蚀刻到基板中的闪耀衍射光栅。EPE和OPE也被蚀刻到基板中。图17示出了远场图像1700中的不均匀性相对于远场图像1600的减少。
因此，在具有特定尺寸(诸如大约40至120或60至100或70至90或80纳米或者在这些值中的任何值之间的范围内的任何值的厚度)的诸如铌酸锂之类的高折射率基板中形成的闪耀光栅可以提供降低的偏振敏感性。
其结构和制造方法可以不同于上面具体描述的那些示例。例如，闪耀光栅可以用作耦出光学元件(例如，EPE)和/或光重定向光学元件(例如，OPE)。另外，代替衍射光栅，例如可以在高折射率基板中形成其他类型的衍射光学元件。可以使用不同的高折射率材料，例如用于波导以及在其中形成的衍射特征的钽酸锂(例如，LiTaO3)。如上所述，在一些其他实施方式中，波导和在其中形成的衍射特征可以包括其他高折射率材料，例如碳化硅或高折射率非晶玻璃。此外，在一些实施方式中，衍射光栅1008包括不同的高折射率材料或涂层，例如氧化锌(ZnO)、氮化硅(Si3N4)、二氧化锆(ZrO2)、二氧化钛(TiO2)、碳化硅(SiC)等，并且在其下方形成基板1004或基板区域的材料可以包括第二高折射率材料，例如LiTaO3、LiNbO3等。
具有二维(2D)阵列的衍射特征的衍射光栅
具有降低的偏振敏感性的衍射光栅的各种实现方式可以实现为一维(1D)阵列的衍射特征，例如线，如上所述。例如，图10A示出了具有一系列衍射特征1012的示例设备1000的截面侧视图，这些衍射特征1012可以具有带有倾斜侧壁的“锯齿”形状并且在一个方向(例如，第一水平方向或图10A中的x方向)被横向地布置。衍射特征1012在一个方向(例如，第一水平方向或图10A中的x方向)上起伏或在一个方向(例如，第二水平方向或图10A中的y方向)伸长，并因此被称为1D。作为1D衍射特征的另一示例，图11B示出了配置为1D阵列的闪耀光致抗蚀剂光栅的透视图。衍射特征1012(图10A)可以形成一系列伸长的纵向特征，例如在一个方向(例如，第二水平方向或图10A中的y方向)延伸的线。伸长的纵向特征沿一个方向(例如，第一水平方向或图10A中的x方向)布置并在该方向上重复。
在一些实施例中，结构阵列也可以布置在两个方向上以形成二维(2D)阵列的衍射特征。2D阵列的衍射特征可以包括在两个方向上的起伏。在一些情况下，起伏可以是周期性的，而在其他情况下，起伏的节距可以在至少一个方向上变化。根据本文描述的各种示例，衍射特征具有不对称成角度或倾斜的相对侧壁。根据本文所述的各种示例，衍射特征可以是锥形的。在一些实施方式中，衍射特征可以具有基本上成角度或倾斜的相对侧壁。在一些实施方式中，相对的侧壁可以在相同的方向上倾斜，而在其他实施方式中，相对的侧壁可以在相反的方向上倾斜。在一些其他实施方式中，衍射特征可以具有相对侧壁，该相对侧壁中的一个是基本上倾斜的，同时该相对侧壁中的另一个是基本上与水平轴垂直或正交的或至少没有所述一个侧壁倾斜。在本文所述的2D衍射特征的各种示例中，2D衍射特征可形成在可以作为波导的下伏基板之中或之上，如上文针对1D衍射特征的各种示例所述。例如，2D衍射特征可以被蚀刻到下伏基板中或者可以通过图案化形成在其上的单独层而形成。因此，以与上文针对各种2D衍射特征所描述的方式相似的方式，2D衍射特征可以由与基板的材料相同或不同的材料形成。其他变化和配置是可能的。
图18示出了具有2D阵列的衍射特征3603(例如，衍射特征3603被横向布置在两个维度或方向上)的示例设备3600。在此示例中，阵列类似于方格板图案。衍射特征3603可以被称为突起。衍射特征具有在相反方向上倾斜的倾斜侧壁。侧壁斜面中的一个可以具有小于侧壁斜面中的另一个的斜率。这种配置的结果是，衍射特征是闪耀的。
图18所示示例中的衍射特征在至少一个横向方向上是不对称的。图18A和18B分别示出了示例阵列的不对称衍射特征的截面侧视图和俯视图。该2D衍射光栅包括闪耀衍射光栅。衍射特征可以在高度上(例如，在厚度上)是锥形的。在图18所示的示例中，衍射特征具有两个相对的倾斜侧壁或刻面，其中一个比另一个倾斜更大并且在相反方向上倾斜，而在图18A和18B所示的示例中，一个侧壁是倾斜的，而另一个相对的侧壁基本上是垂直的或不倾斜，或在第二侧壁上具有可忽略的斜率。在这两种情况下，相对侧壁中的一个的斜率大于相对侧壁中的另一个的斜率(如果有的话)，使得衍射特征是不对称的和闪耀的。结果，衍射特征优先在一个方向上而不在其他方向上衍射光。这样的衍射光栅可以是有用的，例如，作为耦入光学元件，其被配置成将从投影仪接收的光朝向光分布元件、耦出光学元件、或者光分布元件和耦出光学元件的组合(例如，组合的光瞳扩展器-提取器(CPE))衍射。这种衍射光栅可用于与到用户和头戴式显示器前方的环境或世界的相反方向相反地将光耦出到眼睛。在一些实施方式中，侧壁倾斜角在一侧相对于水平轴小于30度并且在另一侧大于80度(例如，在80度和90度之间)。然而，其他倾斜和倾斜角也是可能的。在一些情况下，衍射特征可以形成2D阵列的锯齿结构(例如锯齿纳米结构)。
因此，在各种实施方式中，2D阵列的对称或不对称衍射特征可以用作闪耀衍射光栅。如上所述，衍射光栅的形状(例如，侧壁的倾斜角)可以确定光栅将光导向或优先将光导向的方向。例如，光栅可以将更多的光引导朝向其他光栅(例如，EPE、OPE或CPE)和/或朝向观看者。在某些情况下，衍射特征可以被刻面以使光在两个或更多个方向上的传播偏置(例如，在多个方向上闪耀)。例如，图19A示出了具有在基板3701中或基板3701上形成的二维阵列的衍射特征3703的示例设备3700。衍射特征3703具有倾斜的第一侧壁或刻面3703b-1和第二侧壁或刻面3703b-2。因此，衍射特征在高度上(例如在厚度上)是锥形的。衍射特征3703可以被配置为在基于第一和第二侧壁或刻面3703b-1、3703b-2的倾斜角的方向上优先引导光。图19B示出了在两个特定方向(如向上指向右侧和向下指向左侧的两个粗实线箭头所示)上引导更多光的示例衍射特征。其他示例是可能的。
因此，本文所述的例如光栅结构的任何结构或设备可以包括1D光栅。类似地，本文所述的例如光栅结构的任何结构或设备可以包括2D光栅。这样的2D光栅传播光。这些光栅也可以包括闪耀光栅。这样的闪耀光栅可以优先在某些方向上引导光。在一些实施方式中，2D光栅(例如，在衍射特征上具有一个倾斜刻面)优先在一个方向上引导光，而在其他实施方式中，2D光栅(例如，在衍射特征上具有不同的两个倾斜刻面)优先将光引导到多个的方向。同样地，本文所述的任何方法或过程都可以用于1D光栅。类似地，本文描述的任何方法或过程都可以用于2D光栅。这些1D或2D光栅可以被包括在基板和/或波导中或之上，并且可以被包括在目镜中并可能被集成到如本文所公开的头戴式显示器中。这些光栅可以用作输入光栅(例如，ICG)、输出光栅(EPE)、光分布光栅(OPE)或组合的光分布光栅/输出光栅(例如，CPE)。
图20A示出了形成闪耀光栅的示例方法3800。方法3800包括提供模板或主板3810。如果衍射特征要成角度、歪斜(slant)或倾斜，则模板3810可以被图案化以形成成角度的结构。各种工艺，例如蚀刻工艺，可以是定向的并且是成角度的以形成这种成角度的结构。例如成角度的蚀刻工艺的成角度的工艺的一些示例包括离子束铣削、成角度的干蚀刻、离子蚀刻、GLAD蚀刻、倾斜蚀刻、法拉第笼(Faraday cage)蚀刻等。在一些实施方式中，用于模板3810的材料的选择可以有助于在模板中产生具有成角度的侧壁的成角度的结构。在该示例中，成角度的结构包括成角度的伸长突起(例如，用于1D光栅)或成角度的柱(例如，用于2D光栅)。这些成角度的伸长突起或成角度的柱可以具有沿相同方向倾斜并且在一些情况下可以基本平行的侧壁。一旦制造了模板3810，则可在基板3801上沉积一层可图案化材料层(例如，聚合物、抗蚀剂、光致抗蚀剂等)，并且该层可以被压印模板3810压印。模板3810可以被压印到基板3801上的可图案化材料(例如抗蚀剂材料)3805中以形成用于基板的掩模3805。在其他实施方式中，可图案化材料可被沉积在模板上，并且基板可接触其上具有可图案化材料的模板。可以去除模板并且可以干蚀刻抗蚀剂材料3805和下伏基板3801以在基板3801中形成衍射特征3803。在各种实施方式中，采用如图所示的干蚀刻。蚀刻可以是定向的。在所示示例中，蚀刻过程是不成角度的。在基板3801中(或在设置于基板3801上的材料层中)形成的所得衍射特征3803可以具有某些形状，例如，可以由于掩模3805中的成角度的特征而是闪耀的。在所示示例中，衍射特征的截面具有梯形或大致三角形的形状，其具有两个斜边。两侧在相反方向上倾斜。在所示示例中，一侧比另一侧倾斜更多，从而形成闪耀结构。该过程可用于形成一维或二维阵列的衍射特征。
图20B示出了形成闪耀衍射特征的另一示例方法3850。掩模3855和下伏基板3851可以以一定角度被蚀刻(例如，干蚀刻)以在基板3851中(或在设置于基板3851上的材料层中)形成衍射特征3853。在成角度的蚀刻工艺中，蚀刻剂的方向相对于基板3851的表面法线方向形成倾斜角，这可能是由于蚀刻剂入射角的倾斜或基板3851的表面的倾斜。成角度的定向蚀刻工艺(例如，成角度的蚀刻)的一些示例包括离子束铣削、成角度的干蚀刻、离子蚀刻、GLAD蚀刻、倾斜蚀刻、法拉第笼蚀刻等。模板可以包括伸长的突起(例如，用于1D光栅)或锥形柱(例如用于2D光栅)，其包括梯形或基本三角形的截面。这些伸长的突起或锥形柱可具有沿相反方向倾斜的侧壁。一个侧壁可能比另一个侧壁更倾斜。对这些伸长的突起或锥形柱应用成角度的蚀刻工艺可以在伸长的突起或锥形柱下方在例如基板或设置于基板上的材料层的材料中产生闪耀光栅。可以产生具有沿相同方向倾斜的侧面的闪耀衍射特征。在各种实施方式中，一个侧面比另一个侧面更倾斜。该工艺可用于形成1D或2D阵列的衍射光栅。
在各种实施方式中，由于掩模中的成角度的特征(例如，如图19A所示)和/或由于使用成角度的工艺(例如，如图20A所示)，可以在两个或更多个方向上使所得衍射特征闪耀。可以通过蚀刻两次来产生在两个或更多个方向上闪耀的衍射特征或光栅。在一些实施方式中，例如，在两个或更多个方向上闪耀的衍射特征或光栅可以通过用第一掩模蚀刻并且用第二不同掩模再次蚀刻来产生。在一些情况下，如图21所示，掩模3905和基板3901可以被蚀刻以在基板3901中形成衍射特征3903的第一侧壁。另外，可以提供图案化以形成第二侧壁。在各种实施方式中，可以使用具有不同取向和/或形状的第二掩模来形成第二侧壁。第二掩模(例如，相对于第一侧壁具有一定角度和/或不同取向)可以例如被蚀刻以形成第二侧壁。在一些实施方式中，在形成衍射特征3903的第一侧壁之后，可以将平面化层3907添加到中间衍射特征3903和基板3901。平面化层3907、中间衍射特征3903和/或基板3901可以被图案化和蚀刻(例如，相对于第一侧壁成一定角度)以形成第二侧壁。尽管在图案化基板的上下文中讨论了上述示例，但在一些实施方式中，可以采用上述工艺来图案化形成在基板上而不是基板上的层。替代地，在一些实施方式中，可以采用上述工艺来图案化形成在基板上的层以及基板。
另外，虽然示例方法3800、3850、3900被示出为形成2D阵列的不对称衍射特征，但该方法也可用于形成2D阵列的对称衍射特征(具有或不具有成角度的侧壁)。该方法还可用于形成1D阵列的衍射特征。在某些情况下，1D阵列中的衍射特征可以是对称的、具有或不具有成角度的侧壁。在某些情况下，1D阵列中的衍射特征可以是不对称的，例如，具有倾斜的侧壁。因此，在一些情况下，可以形成闪耀衍射特征。
附加示例-部分I
1.一种头戴式显示系统，包括：
头戴式框架；
光投射系统，其被配置为输出光以提供图像内容；以及
由所述框架支撑的波导，所述波导包括基板和在所述基板中形成的闪耀衍射光栅，所述基板包括具有至少1.9的折射率的材料，所述基板被配置为引导被耦合到所述波导中的来自所述光投射系统的所述光的至少一部分，
其中，所述闪耀衍射光栅在入射到其上的光的角度范围内对第一偏振具有第一衍射效率，以及在入射到其上的光的所述角度范围内对第二偏振具有第二衍射效率，所述第一衍射效率在所述第二衍射效率的1至2倍之间。
2.根据示例1所述的头戴式显示系统，其中，具有至少1.9的折射率的所述材料包括基于锂的氧化物。
3.根据示例1或2所述的头戴式显示系统，其中，具有至少1.9的折射率的所述材料包括铌酸锂。
4.根据示例1或2所述的头戴式显示系统，其中，具有至少1.9的折射率的所述材料包括钽酸锂。
5.根据示例1所述的头戴式显示系统，其中，具有至少1.9的折射率的所述材料包括碳化硅。
6.根据示例1所述的头戴式显示系统，其中，具有至少1.9的折射率的所述材料包括二氧化锆。
7.根据示例1所述的头戴式显示系统，其中，具有至少1.9的折射率的所述材料包括二氧化钛。
8.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述材料具有至少2.0至2.7的折射率。
9.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述材料具有至少2.1至2.7的折射率。
10.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述材料具有至少2.2至2.7的折射率。
11.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述材料具有至少2.3至2.7的折射率。
12.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述材料具有至少2.4至2.7的折射率。
13.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述材料具有至少2.5至2.7的折射率。
14.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述材料具有至少2.6至2.7的折射率。
15.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括衍射特征，所述衍射特征包括由凹槽间隔开的峰。
16.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括衍射特征，所述衍射特征包括多条直线。
17.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有40至120nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
18.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有60至100nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
19.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有70至90nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
20.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有约80nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
21.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述衍射特征是不对称的。
22.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅具有250至350nm的节距。
23.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，闪耀衍射光栅具有300至450nm的节距。
24.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述基板是平面的，并且所述闪耀衍射光栅相对于所述基板的所述平面具有10至30度的闪耀角。
25.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述基板是平面的，并且所述闪耀衍射光栅相对于所述基板的所述平面具有15至25度的闪耀角。
26.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述基板是平面的，并且所述闪耀衍射光栅相对于所述基板的所述平面具有约19.5度的闪耀角。
27.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率是所述第二衍射效率的1至1.5倍。
28.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率是所述第二衍射效率的1至1.4倍。
29.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率是所述第二衍射效率的1至1.3倍。
30.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率是所述第二衍射效率的1至1.2倍。
31.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率是所述第二衍射效率的1至1.1倍。
32.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围是至少6度。
33.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围是至少12度。
34.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围是至少18度。
35.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围是至少22度。
36.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围相对于所述基板的所述平面在±3度之间。
37.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围相对于所述基板的所述平面在±6度之间。
38.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围相对于所述基板的所述平面在±9度之间。
39.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围相对于所述基板的所述平面在±11度之间。
40.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一偏振和所述第二偏振包括具有不同偏振角的第一线性偏振和第二线性偏振。
41.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一偏振和所述第二偏振包括在正交方向上定向的第一线性偏振和第二线性偏振。
42.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一偏振和所述第二偏振分别包括横向磁偏振和横向电偏振。
43.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一偏振和所述第二偏振分别包括横向电偏振和横向磁偏振。
44.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率包括在所述可见光谱上平均的横向磁偏振光的衍射效率，以及其中，所述第二衍射效率包括在所述可见光谱上平均的横向电偏振光的衍射效率。
45.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率包括在所述可见光谱上平均的横向电偏振光的衍射效率，以及其中，所述第二衍射效率包括在所述可见光谱上平均的横向磁偏振光的衍射效率。
46.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅针对具有所述第一偏振的红色光波长的衍射效率是针对具有所述第二偏振的所述红色光波长的衍射效率的1至2倍。
47.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅针对具有所述第一偏振的绿色光波长的衍射效率是针对具有所述第二偏振的所述绿色光波长的衍射效率的1至1.5倍。
48.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅针对具有所述第一偏振的蓝色光波长的衍射效率是针对具有所述第二偏振的所述蓝色光波长的衍射效率的0.7至1倍。
49.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示器系统，其中，所述波导被包括在目镜中，所述目镜被配置为将光引导到佩戴所述头戴式显示器的用户的眼睛。
50.根据示例49所述的头戴式显示系统，其中，所述目镜被设置在所述框架上，并且被配置为将来自所述光投射系统的光引导到所述用户的所述眼睛中以将增强现实图像内容显示到所述用户的所述视场，所述目镜的至少一部分是透明的，并且在所述用户佩戴所述头戴式显示系统时被设置在所述用户的所述眼睛前方的位置，其中，所述透明的部分将来自所述用户的前方的物理环境的一部分的光透射到所述用户的所述眼睛以提供所述用户的前方的所述物理环境的所述部分的视图。
51.根据示例49或50所述的头戴式显示系统，其中，所述目镜包括所述至少一个波导，并且所述至少一个波导对可见光是透明的，以使得所述用户能够通过所述波导观看。
52.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述波导包括耦入光学元件，所述耦入光学元件用于将来自所述光投射系统的光耦合到所述波导中以在其中被引导。
53.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述波导包括耦出光学元件，所述耦出光学元件用于将来自所述光投射系统的光从所述波导耦出并且将所述光引导到所述用户的眼睛以将所述图像内容呈现给所述观看者。
54.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括被配置为将来自所述光投射系统的光耦入到所述波导中的耦入光栅ICG。
55.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括被配置为将在所述波导内被引导的来自所述光投射系统的光从所述波导耦出的耦出光栅EPE。
56.一种光波导，包括：
包括具有至少1.9的折射率的材料的基板，所述基板被配置为通过全内反射在所述波导内引导被耦合到所述波导中的光；以及
在所述基板中形成的闪耀衍射光栅，
其中所述闪耀衍射光栅在入射到其上的光的角度范围上针对第一偏振具有第一衍射效率，以及在入射到其上的光的所述角度范围上针对第二偏振具有第二衍射效率，所述第一衍射效率在所述第二衍射效率的1至2倍之间。
57.根据示例56所述的光波导，其中，具有大于1.9的折射率的所述材料包括基于锂的氧化物。
58.根据示例56或57所述的光波导，其中，具有大于1.9的折射率的所述材料包括铌酸锂。
59.根据示例56或57所述的光波导，其中，具有大于1.9的折射率的所述材料包括钽酸锂。
60.根据示例56所述的光波导，其中，具有大于1.9的折射率的所述材料包括碳化硅。
61.根据示例56所述的光波导，其中，具有大于1.9的折射率的所述材料包括二氧化锆。
62.根据示例56所述的光波导，其中，具有大于1.9的折射率的所述材料包括二氧化钛。
63.根据示例56-62中的任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有40至120nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
64.根据上述示例56-63中的任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有60至100nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
65.根据示例56-64中的任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有70至90nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
66.根据示例56-65中的任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有约80nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
67.根据示例56-66中的任一项所述的光波导，其中，所述衍射特征是不对称的。
68.根据示例1-55中的任一项所述的头戴式显示系统或根据示例56-67所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括以一维1D阵列形成的衍射特征。
69.根据示例1-55中的任一项所述的头戴式显示系统或根据示例56-67所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括以二维2D阵列形成的衍射特征。
70.根据示例1-55中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例56-67中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括以二维2D阵列形成的衍射特征，所述二维2D阵列包括方形阵列。
71.根据示例1-55中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例56-67中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括以二维2D阵列形成的衍射特征，其中所述闪耀衍射光栅包括1D光栅。
72.根据示例1-55中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例56-67中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括以二维2D阵列形成的衍射特征，其中所述闪耀衍射光栅包括2D光栅。
73.根据示例1-55中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例56-67中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括以二维2D阵列形成的衍射特征，其中所述闪耀衍射光栅包括2D光栅，所述2D光栅包括方形阵列。
74.根据示例1-55中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例56-67中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅被配置为优先在至少两个方向上引导光。
75.根据示例1-55中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例56-67中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅在两个方向上闪耀。
76.根据示例1-55中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例56-67中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括耦入光学元件，所述耦入光学元件被设置成接收来自图像源的光，并将所述光耦合到所述基板中以在其中被引导。
77.根据示例1-55中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例56-67中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括光分布光学元件，所述光分布光学元件被设置成接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，并将所述光引导到耦出光学元件以从所述基板耦出。
78.根据示例1-55中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例56-67中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括光分布光学元件，所述光分布光学元件被设置为接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，并将所述波导的所述光传播开以增加光束尺寸或眼箱尺寸。
79.根据示例1-55中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例56-67中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括耦出光学元件，所述耦出光学元件被设置成接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，并将所述光从所述基板耦出。
80.根据示例1-55中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例56-67中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括组合的光分布/耦出光学元件，所述组合的光分布/耦出光学元件被设置成接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，将所述光在至少两个方向上传播开，以及将所述光从所述基板耦出。
81.根据示例1-55中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例56-67中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括组合的光瞳扩展器-提取器，所述组合的光瞳扩展器-提取器被设置成接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，将所述光传播开，以及将所述光从所述基板耦出。
附加示例-部分II
1.一种头戴式显示系统，包括：
头戴式框架；
光投射系统，其被配置为输出光以提供图像内容；以及
由所述框架支撑的波导，所述波导包括基板，所述基板包括具有至少1.9的折射率的材料，所述基板被配置为引导被耦合到所述波导中的来自所述光投射系统的所述光的至少一部分；
被设置在所述基板之上的层；以及
在所述基板中形成的闪耀衍射光栅，
其中，所述闪耀衍射光栅在入射到其上的光的角度范围内对第一偏振具有第一衍射效率，以及在入射到其上的光的所述角度范围内对第二偏振具有第二衍射效率，所述第一衍射效率在所述第二衍射效率的1至2倍之间。
2.根据示例1所述的头戴式显示系统，其中，具有至少1.9的折射率的所述基板材料包括基于锂的氧化物。
3.根据示例1或2所述的头戴式显示系统，其中，具有至少1.9的折射率的所述材料包括铌酸锂。
4.根据示例1或2所述的头戴式显示系统，其中，具有至少1.9的折射率的所述材料包括钽酸锂。
5.根据示例1所述的头戴式显示系统，其中，具有大于1.9的折射率的所述材料包括碳化硅。
6.根据示例1所述的头戴式显示系统，其中，具有大于1.9的折射率的所述材料包括二氧化钛。
7.根据示例1所述的头戴式显示系统，其中，具有大于1.9的折射率的所述材料包括二氧化锆。
8.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述层包括氧化锌。
9.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述层包括氮化硅。
10.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述层包含二氧化锆。
11.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述层包括二氧化钛。
12.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述层包括碳化硅。
13.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述层具有低于所述基板的折射率。
14.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述基板材料具有至少2.0至2.7的折射率。
15.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述基板材料具有至少2.1至2.7的折射率。
16.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述基板材料具有至少2.2至2.7的折射率。
17.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述基板材料具有至少2.3至2.7的折射率。
18.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述基板材料具有至少2.3至2.4的折射率。
19.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述基板材料具有至少2.3至2.5的折射率。
20.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述基板材料具有至少2.6至2.7的折射率。
21.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括衍射特征，所述衍射特征包括由凹槽间隔开的峰。
22.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括衍射特征，所述衍射特征包括多条直线。
23.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有40至120nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
24.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有60至100nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
25.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有70至90nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
26.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有约80nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
27.根据上述示例中的任一项所述的波导，其中，所述衍射特征是不对称的。
28.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅具有250至350nm的节距。
29.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，闪耀衍射光栅具有300至450nm的节距。
30.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述基板是平面的，并且所述闪耀衍射光栅相对于所述基板的所述平面具有10至30度的闪耀角。
31.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述基板是平面的，并且所述闪耀衍射光栅相对于所述基板的所述平面具有15至25度的闪耀角。
32.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述基板是平面的，并且所述闪耀衍射光栅相对于所述基板的所述平面具有约19.5度的闪耀角。
33.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率是所述第二衍射效率的1至1.5倍。
34.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率是所述第二衍射效率的1至1.4倍。
35.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率是所述第二衍射效率的1至1.3倍。
36.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率是所述第二衍射效率的1至1.2倍。
37.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率是所述第二衍射效率的1至1.1倍。
38.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围是至少6度。
39.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围是至少12度。
40.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围是至少18度。
41.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围是至少22度。
42.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围相对于所述基板的所述平面在±3度之间。
43.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围相对于所述基板的所述平面在±6度之间。
44.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围相对于所述基板的所述平面在±9度之间。
45.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围相对于所述基板的所述平面在±11度之间。
46.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一偏振和所述第二偏振包括具有不同偏振角的第一线性偏振和第二线性偏振。
47.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一偏振和所述第二偏振包括在正交方向上定向的第一线性偏振和第二线性偏振。
48.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一偏振和所述第二偏振方向分别包括横向磁偏振和横向电偏振。
49.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一偏振和所述第二偏振方向分别包括横向电偏振和横向磁偏振。
50.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率包括在所述可见光谱上平均的横向磁偏振光的衍射效率，以及其中，所述第二衍射效率包括在所述可见光谱上平均的横向电偏振光的衍射效率。
51.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率包括在所述可见光谱上平均的横向电偏振光的衍射效率，以及其中，所述第二衍射效率包括在所述可见光谱上平均的横向磁偏振光的衍射效率。
52.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示器系统，其中，所述波导被包括在目镜中，所述目镜被配置为将光引导到佩戴所述头戴式显示器的用户的眼睛。
53.根据示例52所述的头戴式显示系统，其中，所述目镜被设置在所述框架上，并且被配置为将来自所述光投射系统的光引导到所述用户的所述眼睛中以将增强现实图像内容显示到所述用户的所述视场，所述目镜的至少一部分是透明的，并且在所述用户佩戴所述头戴式显示系统时被设置在所述用户的所述眼睛前方的位置，其中，所述透明的部分将来自所述用户的前方的物理环境的一部分的光透射到所述用户的所述眼睛以提供所述用户的前方的所述物理环境的所述部分的视图。
54.根据示例52或53所述的头戴式显示系统，其中，所述目镜包括所述至少一个波导，并且所述至少一个波导对可见光是透明的，以使得所述用户能够通过所述波导观看。
55.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述波导包括耦入光学元件，所述耦入光学元件用于将来自所述光投射系统的光耦合到所述波导中以在其中被引导。
56.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述波导包括耦出光学元件，所述耦出光学元件用于将来自所述光投射系统的光从所述波导耦出并且将所述光引导到所述用户的眼睛以将所述图像内容呈现给所述观看者。
57.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括被配置为将来自所述光投射系统的光耦入到所述波导中的耦入光栅ICG。
58.根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括被配置为将在所述波导内被引导的来自所述光投射系统的光从所述波导耦出的耦出光栅EPE。
59.一种光波导，包括：
包括具有至少1.9的折射率的材料的基板，所述基板被配置为通过全内反射在所述波导内引导被耦合到所述波导中的光；
被设置在所述基板上方的层；
在所述基板中形成的闪耀衍射光栅，
其中所述闪耀衍射光栅在入射到其上的光的角度范围上针对第一偏振具有第一衍射效率，以及在入射到其上的光的所述角度范围上针对第二偏振具有第二衍射效率，所述第一衍射效率在所述第二衍射效率的1至2倍之间。
60.根据示例59所述的光波导，其中，具有大于1.9的折射率的所述材料包括基于锂的氧化物。
61.根据示例59或60所述的光波导，其中，具有大于1.9的折射率的所述材料包括铌酸锂。
62.根据示例59或60所述的光波导，其中，具有大于1.9的折射率的所述材料包括钽酸锂。
63.根据示例59所述的光波导，其中，具有大于1.9的折射率的所述材料包括碳化硅。
64.根据示例59所述的光波导，其中，具有大于1.9的折射率的所述材料包括二氧化钛。
65.根据示例59所述的光波导，其中，具有大于1.9的折射率的所述材料包括二氧化锆。
66.根据示例59-65中的任一项所述的光波导，其中，所述层包括氧化锌。
67.根据示例59-66中的任一项所述的光波导，其中，所述层包括氮化硅。
68.根据示例59-67中的任一项所述的光波导，其中，所述层包含二氧化锆。
69.根据示例59-68中的任一项所述的光波导，其中，所述层包括二氧化钛。
70.根据示例59-69中的任一项所述的光波导，其中，所述层包括碳化硅。
71.根据示例59-70中的任一项所述的光波导，其中，所述层具有低于所述基板的折射率。
72.根据示例59-71中的任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有40至120nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
73.根据上述示例59-72中的任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有60至100nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
74.根据示例59-73中的任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有70至90nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
75.根据示例59-74中的任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有约80nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
76.根据示例59-75中的任一项所述的光波导，其中，所述衍射特征是不对称的。
77.根据示例1-58中的任一项所述的头戴式显示系统或根据示例59-76所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括以一维1D阵列形成的衍射特征。
78.根据示例1-58中的任一项所述的头戴式显示系统或根据示例59-76所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括以二维2D阵列形成的衍射特征。
79.根据示例1-58中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例59-76中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括以二维2D阵列形成的衍射特征，所述二维2D阵列包括方形阵列。
80.根据示例1-58中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例59-76中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括以二维2D阵列形成的衍射特征，其中所述闪耀衍射光栅包括1D光栅。
81.根据示例1-58中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例59-76中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括以二维2D阵列形成的衍射特征，其中所述闪耀衍射光栅包括2D光栅。
82.根据示例1-58中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例59-76中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括以二维2D阵列形成的衍射特征，其中所述闪耀衍射光栅包括2D光栅，所述2D光栅包括方形阵列。
83.根据示例1-58中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例59-76中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅被配置为优先在至少两个方向上引导光。
84.根据示例1-58中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例59-76中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅在两个方向上闪耀。
85.根据示例1-58中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例59-76中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括耦入光学元件，所述耦入光学元件被设置成接收来自图像源的光，并将所述光耦合到所述基板中以在其中被引导。
86.根据示例1-58中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例59-76中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括光分布光学元件，所述光分布光学元件被设置成接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，并将所述光引导到耦出光学元件以从所述基板耦出。
87.根据示例1-58中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例59-76中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括光分布光学元件，所述光分布光学元件被设置为接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，并将所述波导的所述光传播开以增加光束尺寸或眼箱尺寸。
88.根据示例1-58中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例59-76中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括耦出光学元件，所述耦出光学元件被设置成接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，并将所述光从所述基板耦出。
89.根据示例1-58中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例59-76中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括组合的光分布/耦出光学元件，所述组合的光分布/耦出光学元件被设置成接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，将所述光在至少两个方向上传播开，以及将所述光从所述基板耦出。
90.根据示例1-58中任一项所述的头戴式显示系统或根据示例59-76中任一项所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括组合的光瞳扩展器-提取器，所述组合的光瞳扩展器-提取器被设置成接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，将所述光传播开，以及将所述光从所述基板耦出。
其它考虑事项
在上述说明书中，已经参考本发明的具体实施例对本发明进行了描述。然而显而易见的是，在不偏离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修改和更改。因此，说明书和附图应该被视为出于说明的目的，而非进行限制。
实际上，将理解，本公开的系统和方法各自具有若干创新性方面，它们中没有一个独立地单独导致本文公开的所需属性或者是本文公开的所需属性所必需的。上述各种特征和处理可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式进行组合。所有可能的组合和子组合均旨在落入本公开的范围内。
在本说明书中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分开或者以任何合适的子组合在多个实施例中实施。此外，尽管上文可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此要求，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以在一些情况下从组合中删除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或变体的子组合。没有单个特征或特征组对于每个实施例是必要或是必不可少的。
将理解，除非另有明确说明，否则本文中使用的条件语言，诸如“能够”、“可能”“应该”、“可以”、“例如”等等，或者在上下文中以其他方式理解的，为一般地意在表达某些实施例包括，而其他实施例不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这样的条件语言通常不旨在暗示特征、元素和/或步骤以任何方式对于一个或多个实施例是必需的，或者一个或多个实施例必然包括用于在有或者没有作者输入或提示的情况下决定是否这些特征、元件和/或步骤包括在任何特定实施例中或将在任何特定实施例中执行。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义词，并且以开放式的方式包含性地使用，并且不排除附加的元件、特征、动作、操作等等。此外，术语“或”以其包含性含义(而不是其专有含义)使用，因此当用于例如连接元素列表时，术语“或”表示一个、一些或全部列表中的元素。另外，除非另有说明，否则本申请和所附权利要求中使用的冠词“一”、“一个”和“所述”应被解释为表示“一个或多个”或“至少一个”。类似地，尽管可以在特定顺序中在附图中描绘操作，但应认识到，这些操作不需要以所示出的特定顺序或按顺序执行，或者所有所示操作都要执行，以实现理想的结果。此外，附图可以以流程图的形式示意性地描绘一个或多个示例过程。然而，未示出的其他操作可以并入示意性说明的示例性方法和过程中。例如，可以在任何所示操作之前、之后、同时或之间执行一个或多个附加操作。另外，在其他实施中，操作可以重新安排或重新排序。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种系统组件的分离不应该被理解为在所有实施例中都需要这种分离，并且应该理解，所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或者封装到多个软件产品。另外，其他实施例在以下权利要求的范围内。在一些情况下，权利要求中列举的动作可以以不同的顺序执行并且仍然实现期望的结果。
因此，权利要求并非旨在限于此处所示的实施例，而是被赋予与此处披露的本公开、原理和新颖特征一致的最广泛的范围。
Claims (72)
1.一种头戴式显示系统，包括：
头戴式框架；
光投射系统，其被配置为输出光以提供图像内容；以及
由所述框架支撑的波导，所述波导包括基板，所述基板包括具有至少1.9的折射率的材料，所述基板被配置为引导被耦合到所述波导中的来自所述光投射系统的所述光的至少一部分；以及
闪耀衍射光栅，其在所述基板中形成或在被设置于所述基板之上的层中形成；
其中，所述闪耀衍射光栅在入射到其上的光的角度范围内对第一偏振具有第一衍射效率，以及在入射到其上的光的所述角度范围内对第二偏振具有第二衍射效率，所述第一衍射效率在所述第二衍射效率的1至2倍之间。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅在所述基板中形成，并被布置成与所述基板光学通信。
3.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅在被设置于所述基板之上的层中，并被布置成与所述基板光学通信。
4.根据权利要求3所述的头戴式显示系统，其中，所述层物理接触所述基板。
5.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，具有至少1.9的折射率的所述材料包括基于锂的氧化物、碳化硅、二氧化锆或二氧化钛。
6.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅在被设置于所述基板之上的所述层中形成，并且其中，所述层包括氮化硅、二氧化锆、二氧化钛或碳化硅。
7.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅在被设置于所述基板之上的所述层中形成，并且其中，所述层具有低于所述基板的折射率。
8.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述材料具有至少2.0至2.7的折射率。
9.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括衍射特征，所述衍射特征包括由凹槽间隔开的峰。
10.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括衍射特征，所述衍射特征包括多条直线。
11.根据权利要求10所述的头戴式显示系统，其中，所述多条直线包括不连续的直线。
12.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括衍射特征，所述衍射特征包括从所述基板的表面突出的多个柱。
13.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有10至150nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
14.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述衍射特征是不对称的。
15.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅具有250至350nm的节距。
16.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，闪耀衍射光栅具有300至450nm的节距。
17.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述基板是平面的，并且所述闪耀衍射光栅相对于所述基板的所述平面具有10至30度的闪耀角。
18.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率是所述第二衍射效率的1至1.5倍。
19.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围是至少6度。
20.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围相对于所述基板的所述平面在±3度之间。
21.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述第一偏振和所述第二偏振包括具有不同偏振角的第一线性偏振和第二线性偏振。
22.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述第一偏振和所述第二偏振包括在正交方向上定向的第一线性偏振和第二线性偏振。
23.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述第一偏振包括横向磁偏振和横向电偏振中的一个，以及其中，所述第二偏振包括横向电偏振和横向磁偏振中的另一个。
24.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率包括在所述可见光谱上平均的横向磁偏振光和横向电偏振光中的一个的衍射效率，以及其中，所述第二衍射效率包括在所述可见光谱上平均的横向磁偏振光和横向电偏振光中的另一个的衍射效率。
25.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅针对具有所述第一偏振的红色光波长的衍射效率是针对具有所述第二偏振的所述红色波长的衍射效率的1至2倍。
26.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅针对具有所述第一偏振的绿色光波长的衍射效率是针对具有所述第二偏振的所述绿色波长的衍射效率的1至1.5倍。
27.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅针对具有所述第一偏振的蓝色光波长的衍射效率是针对具有所述第二偏振的所述蓝色光波长的衍射效率的0.7至1倍。
28.根据权利要求1所述的头戴式显示器系统，其中，所述波导被包括在目镜中，所述目镜被配置为将光引导到佩戴所述头戴式显示器的用户的眼睛。
29.根据权利要求28所述的头戴式显示系统，其中，所述目镜被设置在所述框架上，并且被配置为将来自所述光投射系统的光引导到所述用户的所述眼睛中以将增强现实图像内容显示到所述用户的所述视场，所述目镜的至少一部分是透明的，并且在所述用户佩戴所述头戴式显示系统时被设置在所述用户的所述眼睛前方的位置，其中，所述透明的部分将来自所述用户的前方的物理环境的一部分的光透射到所述用户的所述眼睛以提供所述用户的前方的所述物理环境的所述部分的视图。
30.根据权利要求28所述的头戴式显示系统，其中，所述目镜包括所述至少一个波导，并且所述至少一个波导对可见光是透明的，以使得所述用户能够通过所述波导观看。
31.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述波导包括耦入光学元件，所述耦入光学元件用于将来自所述光投射系统的光耦合到所述波导中以在其中被引导。
32.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述波导包括耦出光学元件，所述耦出光学元件用于将来自所述光投射系统的光从所述波导耦出并且将所述光引导到所述用户的眼睛以将所述图像内容呈现给所述观看者。
33.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括被配置为将来自所述光投射系统的光耦入到所述波导中的耦入光栅ICG。
34.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括被配置为将在所述波导内被引导的来自所述光投射系统的光从所述波导耦出的耦出光栅EPE。
35.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括以一维1D阵列形成的衍射特征。
36.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括以二维2D阵列形成的衍射特征。
37.根据权利要求36所述的头戴式显示系统，其中，所述二维2D阵列包括方形阵列。
38.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括1D光栅。
39.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括2D光栅。
40.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括2D光栅，所述2D光栅包括方形阵列。
41.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅被配置为优先在两个或更多个方向上引导光。
42.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括耦入光学元件，所述耦入光学元件被设置成接收来自图像源的光，并将所述光耦合到所述基板中以在其中被引导。
43.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括光分布光学元件，所述光分布光学元件被设置成接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，并将所述光引导到耦出光学元件以从所述基板耦出。
44.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括光分布光学元件，所述光分布光学元件被设置为接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，并将所述波导内的所述光传播开以增加光束尺寸或眼箱尺寸。
45.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括耦出光学元件，所述耦出光学元件被设置成接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，并将所述光从所述基板耦出。
46.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括组合的光分布/耦出光学元件，所述组合的光分布/耦出光学元件被设置成接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，将所述光在至少两个方向上传播开，以及将所述光从所述基板耦出。
47.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括组合的光瞳扩展器-提取器，所述组合的光瞳扩展器-提取器被设置成接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，将所述光传播开，以及将所述光从所述基板耦出。
48.一种光波导，包括：
包括具有至少1.9的折射率的材料的基板，所述基板被配置为通过全内反射在所述波导内引导被耦合到所述波导中的光；以及
闪耀衍射光栅，其在所述基板中形成或在被设置于所述基板之上的层中形成的，
其中，所述闪耀衍射光栅在入射到其上的光的角度范围上针对第一偏振具有第一衍射效率，并在入射到其上的光的所述角度范围上针对第二偏振具有第二衍射效率，所述第一衍射效率在所述第二衍射效率的1至2倍之间。
49.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅在所述基板中形成，并被布置成与所述基板光学通信。
50.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅在被设置于所述基板之上的层中，并被布置成与所述基板光学通信。
51.根据权利要求50所述的光波导，其中，所述层物理接触所述基板。
52.根据权利要求48所述的光波导，其中，具有大于1.9的折射率的所述材料包括基于锂的氧化物、碳化硅、二氧化锆或二氧化钛。
53.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅在被设置于所述基板之上的所述层中形成，并且其中，所述层包括氮化硅、二氧化锆、二氧化钛或碳化硅。
54.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅在被设置于所述基板之上的所述层中形成，并且其中，所述层具有低于所述基板的折射率。
55.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有10至150nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。
56.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括衍射特征，所述衍射特征包括多条直线。
57.根据权利要求56所述的光波导，其中，所述多条直线包括不连续的直线。
58.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括衍射特征，所述衍射特征包括从所述基板的表面突出的多个柱。
59.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述衍射特征是不对称的。
60.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括以一维1D阵列形成的衍射特征。
61.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括以二维2D阵列形成的衍射特征。
62.根据权利要求61所述的光波导，其中，所述二维2D阵列包括方形阵列。
63.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括1D光栅。
64.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括2D光栅。
65.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括2D光栅，所述2D光栅包括方形阵列。
66.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅被配置为优先在两个或更多个方向上引导光。
67.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括耦入光学元件，所述耦入光学元件被设置成接收来自图像源的光，并将所述光耦合到所述基板中以在其中被引导。
68.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括光分布光学元件，所述光分布光学元件被设置成接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，并将所述光引导到耦出光学元件以从所述基板耦出。
69.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括光分布光学元件，所述光分布光学元件被设置为接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，并将所述波导内的所述光传播开以增加光束尺寸或眼箱尺寸。
70.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括耦出光学元件，所述耦出光学元件被设置成接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，并将所述光从所述基板耦出。
71.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括组合的光分布/耦出光学元件，所述组合的光分布/耦出光学元件被设置成接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，将所述光在至少两个方向上传播开，以及将所述光从所述基板耦出。
72.根据权利要求48所述的光波导，其中，所述闪耀衍射光栅包括组合的光瞳扩展器-提取器，所述组合的光瞳扩展器-提取器被设置成接收在所述基板中被引导的来自图像源的光，将所述光传播开，以及将所述光从所述基板耦出。
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