CN114721242A - 用于制造光学波导的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种用于制造光学波导的方法。描述了母版系统以及使用这样的母版系统制造波导和波导设备的方法。用于制造全息波导的母版系统可以包括使用母版来控制能量(例如，激光、光或磁波束)在液晶基板上的施加，以在液晶基板内制造全息波导。根据本发明的实施例的用于制造全息波导的母版系统可以包括各种特征。这些特征包括但不限于：用于单个输入波束复本的啁啾(即，接近混合接触复本)、双啁啾光栅(用于输入和输出)、用于透射控制的零级光栅、对准参考光栅、3:1构造、位置调整工具以使得能够快速对准、同时优化多个RKV的透镜和窗口厚度、以及衍射波束的交叉和其它级次的避免。

Description

用于制造光学波导的方法
本申请是国际申请日为2019年1月8日、国家申请号为201980007747.0、发明名称为“用于制造光学波导的方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明一般地涉及用于波导的制造的方法，并且更具体地用于波导显示器。
背景技术
波导可以被称为具有限制和引导波的能力的结构(即，限制波可以在其中传播的空间区域)。一个子类包括光学波导，光学波导是可以引导典型地在可见光谱中的电磁波的结构。波导结构可以被设计为使用许多不同的机构来控制波的传播路径。例如，平面波导可以被设计为利用衍射光栅来衍射和耦合入射光到波导结构内，使得入耦合光(in-coupledlight)可以经由全内反射(“TIR”)在平面结构内继续行进。
波导的制造可以包括允许在波导内记录全息光学元件的材料系统的使用。一类这样的材料包括聚合物分散的液晶(“PDLC”)混合物，该PDLC混合物是包含光聚合单体和液晶的混合物。这样的混合物的另一子类包括全息聚合物分散的液晶(“HPDLC”)混合物。可以通过用两个相互相干的激光波束对材料照明来将诸如体相位光栅之类的全息光学元件记录在这样的液体混合物中。在记录过程期间，单体聚合并且混合物经历光聚合引发的相分离，从而产生被液晶微滴密集填充的区域，其间散布着清聚合物(clear polymer)区域。交替的富液晶区域和贫液晶区域形成光栅的条纹平面。
诸如上面所描述的波导光学器件可以被考虑用于一系列显示器和传感器应用。在许多应用中，可以使用各种波导体系和材料系统来实现包含编码多种光学功能的一个或多个光栅层的波导，从而使得在用于增强现实(“AR”)和虚拟现实(“VR”)的近眼显示器、用于航空和陆路运输的紧凑型抬头显示器(“HUD”)以及用于生物识别(biometric)和激光雷达(“LIDAR”)应用的传感器中能够有新的创新。
发明内容
一个实施例包括一种用于记录全息图的方法，所述方法包括：提供波导单元(cell)，所述波导单元包括夹在两个基板之间的聚合物分散的液晶混合物层，提供母版光栅，朝向所述母版光栅发射至少一个记录波束，其中在与所述母版光栅相互作用后，所述至少一个记录波束的一部分朝向所述波导单元衍射，以及使用至少由所述至少一个记录波束的衍射部分形成的干涉曝光在所述波导单元内记录至少一个体光栅。
进一步的实施例还包括一种用于记录全息光栅的系统，所述系统包括波导单元，所述波导单元包括夹在两个基板之间的聚合物分散的液晶混合物层，母版光栅，被配置为朝向所述母版光栅发射至少一个记录波束的光源，其中在与所述母版光栅相互作用后，所述至少一个记录波束的一部分朝向所述波导单元衍射并且通过至少由所述至少一个记录波束的衍射部分形成的干涉曝光在所述波导单元内记录至少一个体光栅。
在另一个实施例中，所述母版光栅包括振幅光栅。
在进一步的实施例中，所述母版光栅包括啁啾光栅。
在又一个实施例中，记录的所述体光栅包含滚动的K向量。
在又进一步的实施例中，记录的所述体光栅包含复用光栅。
在再一个实施例中，所述母版光栅包括三个单独的光栅。
在再进一步的实施例中，三个单独的光栅被设计为记录输入光栅、折叠光栅以及输出光栅。
在另一个附加的实施例中，所述至少一个体光栅包括三个体光栅。
在进一步附加的实施例中，所述至少一个记录波束包括三个记录波束。
在还有一个实施例中，所述干涉曝光由仅一个记录波束的零级波束和衍射部分形成。
附加的实施例和特征在下面的描述中被某种程度上阐述，并且在审阅说明书后对于本领域技术人员将在某种程度上变得清楚，或者可以通过实践本发明而被认识到。通过参考形成本公开的一部分的附图和说明书的剩余部分，可以实现对本发明的性质和优点的进一步理解。
附图说明
参考下面的附图和数据图将更充分地理解本描述，这些附图和数据图被呈现为本发明的示例性实施例，并且不应被解释为对本发明范围的完全阐述。对于本领域技术人员将清楚的是，可以用下面描述中所公开的本发明的一些或全部来实践本发明。
图1A和图1B概念性地图示了根据本发明的各种实施例的两种体布拉格光栅配置。
图2概念性地图示了根据本发明的实施例的表面形貌光栅(surface reliefgrating)。
图3A和图3B概念性地图示了根据本发明的各种实施例的HPDLC SBG设备和SBG的开关特性。
图4A-图4D概念性地图示了根据本发明的各种实施例的两波束记录过程。
图5概念性地图示了根据本发明的实施例的利用振幅光栅的单波束记录过程。
图6A和图6B概念性地图示了根据本发明的各种实施例的滚动的K向量光栅的两种实施方式。
图7概念性地图示了根据本发明的实施例的复用K向量光栅。
图8概念性地图示了根据本发明的实施例的利用耦合光栅将光衍射进和出波导的波导。
图9和图10概念性地图示了根据本发明的实施例的将输出光栅用于在一个维度上的出射光瞳扩展的波导。
图11概念性地图示了根据本发明的实施例的利用两个平面波导来提供在两个维度上的出射光瞳扩展的波导系统。
图12概念性地图示了根据本发明的实施例的利用三光栅结构来提供二维出射光瞳扩展的波导。
图13概念性地图示了根据本发明的实施例的波导的RGB堆叠的剖面视图。
图14概念性地图示了根据本发明的实施例的具有两个光栅层的双轴扩展波导显示器。
图15概念性地图示了根据本发明的实施例的单个光栅层的平面视图。
图16概念性地图示了根据本发明的实施例的两个光栅层配置的平面视图。
图17概念性地图示了根据本发明的实施例的双轴扩展波导显示器。
图18概念性地图示了根据本发明的实施例的眼动跟踪显示器。
图19概念性地图示了根据本发明的实施例的具有动态聚焦元件和眼动跟踪器的双扩展波导显示器。
图20A和图20B概念性地图示了根据本发明的实施例的通过光-机械接口耦合到输入图像节点的波导显示器。
图21-图24概念性地图示了根据本发明的各种实施例的各种输入图像节点配置。
图25概念性地图示了根据本发明的实施例的示出了用于波导显示器的部件的系统图。
图26概念性地图示了根据本发明的实施例的利用啁啾振幅光栅的曝光过程。
图27A和图27B概念性地图示了根据本发明的实施例的用于同时形成三个光栅的曝光过程。
图28概念性地图示了根据本发明的实施例的用于同时曝光红光栅、蓝光栅和绿光栅的制造设置。
图29A-图29C概念性地图示了根据本发明的各种实施例的用于生成RKV光栅的各种方法。
图30A和图30B概念性地图示了根据本发明的各种实施例的啁啾光栅的各种应用。
图31概念性地图示了根据本发明的实施例的利用零级光栅连同啁啾光栅的母版系统(mastering system)。
图32概念性地图示了根据本发明的实施例的利用参考光栅的母版系统。
图33概念性地图示了根据本发明的实施例的母版系统，该母版系统被配置为避免产生其它级次波束和/或避免干扰聚焦在液晶基板上的能量波束。
图34概念性地图示了母版光栅的位置对结果所得的衍射的影响。
具体实施方式
为了描述实施例的目的，已省略或简化了光学设计和视觉显示器领域中的技术人员已知的光学技术的一些众所周知的特征，以免模糊本发明的基本原理。除非另有陈述，否则关于光线或波束方向的术语“同轴(on-axis)”是指与垂直于关于本发明所描述的光学部件的表面的轴平行的传播。在下面的描述中，术语光、光线、波束和方向可以被互换使用并且彼此相关联，以指示电磁辐射的沿着直线轨迹的传播的方向。关于电磁光谱的可见波段和红外波段，可以使用术语光和照明。下面描述的部分将使用光学设计领域中的技术人员通常所采用的术语来陈述。如本文所使用的，在一些实施例中，术语光栅可以涵盖包括光栅集合的光栅。为了说明的目的，要理解的是，除非另有陈述，否则附图未按比例绘制。
现在转到附图，描述了母版系统以及使用这样的母版系统来制造波导和波导设备的方法。用于制造全息波导的母版系统可以包括使用母版来控制能量(例如，激光、光或磁波束)在液晶基板上的施加，以在液晶基板内制造全息波导。在制造之后，可以将完成的全息波导结合到各种显示系统内。这些母版系统可以采用一个或多个能量波束。在许多实施例中，母版系统使用单个能量波束，其可以简化母版系统内各种部件的对准，并且可以减少在两波束系统中发现的由两个波束的不同路径引起的波前误差。照此，单能量波束过程可以与其中热和振动考虑可能在对准多个能量波束中引入各种复杂性的大体量制造过程兼容。根据本发明的实施例的用于制造全息波导的母版系统可以包括各种特征。这些特征包括但不限于：用于单个输入波束复本的啁啾(即，接近混合接触复本)、双啁啾光栅(用于输入和输出)、用于透射控制的零级光栅、对准参考光栅、3:1构造、位置调整工具以使得能够快速对准、同时优化多个滚动的K向量光栅的透镜和窗口厚度，以及衍射波束的交叉和其它级次的避免。在以下部分中进一步详细地描述波导结构、母版系统和曝光过程。
波导结构
根据各种实施例的波导结构可以以许多不同的方式实现。在许多实施例中，波导结构被设计为光学波导，其为可以限制和引导在可见光谱中的电磁波或光的结构。这些光学波导可以被实现用在许多不同的应用中，诸如但不限于头盔安装的显示器、头戴式显示器(“HMD”)和HUD。术语HUD通常用于描述结合了透明显示器的一类设备，该透明显示器呈现数据而无需用户改变其通常的视场。光学波导可以取决于给定的应用将各种光学功能集成到期望的形状因子(form factor)内。
根据各种实施例的光学波导可以被设计为使用各种方法和波导光学器件以受控的方式来操纵光波。例如，可以使用具有比周围环境更高的折射率的材料来实现光学波导，以限制光可以在其中传播的区域。可以经由全内反射将以特定角度耦合到由这样的材料制成的光学波导内的光限制在波导内。在平面波导中，发生全内反射的角度可以由斯涅尔定律给出，该斯涅尔定律可以确定光在表面边界处是折射还是全反射。
在许多实施例中，结合布拉格光栅的波导被实现用于HUD应用。HUD可以被结合在各种应用的任何应用中，包括(但不限于)近眼应用。与使用常规光学部件实现的HUD相比，根据本发明的各种实施例的利用结合了布拉格光栅的平面波导的HUD可以实现显著更大的视场并具有更低的体积要求。在一些实施例中，HUD包括结合许多光栅的至少一个波导。在进一步的实施例中，波导结合可以被实现为提供各种光学功能(诸如但不限于双轴波束扩展)的至少三个布拉格光栅。例如，在许多实施例中，波导结合输入光栅、折叠光栅以及输出光栅。可以使用变化数量的波导来实现利用波导的HUD。在许多实施例中，使用单个波导来实现HUD。在其它实施例中，使用波导的堆叠来实现HUD。多个波导可以被堆叠并被实现为提供不同的光学功能，诸如但不限于实现彩色显示器。在若干实施例中，HUD结合三个单独的波导，针对红、绿和蓝色彩通道中的每个有一个波导。
根据本发明的各种实施例的利用布拉格光栅的波导可以被设计为具有不同类型的条纹。具有相同的表面节距尺寸但不同的光栅倾斜角的多个波导的使用可以增大波导的整体耦合入角带宽(couple-in angular bandwidth)。在许多实施例中，波导内的光栅中的一个或多个光栅结合跨光栅变化的倾斜角和/或滚动K向量，以修改光栅的衍射效率。K向量可以被定义为与相关联的光栅条纹的平面正交的向量，其可以确定给定范围的输入和衍射角的光学效率。通过结合具有滚动的K向量(“RKV”)的光栅，光栅可以被设计为以实现在HUD显示器的眼动范围(eyebox)上的期望特点的方式来改变衍射效率。以下进一步详细讨论光栅条纹的配置(诸如RKV)以及与用在HUD中的波导的结构和实施方式相关的其它方面。
衍射光栅
光学波导可以结合不同的光学元件以操纵光波的传播。如可以容易地认识到的，所选择的光栅的类型可以取决于给定应用的具体要求。被记录在波导中的光学结构可以包括许多不同类型的光学元件，诸如但不限于衍射光栅。在许多实施例中，实现的光栅是布拉格光栅(也被称为体光栅)。布拉格光栅可以具有高的效率，其中几乎没有光被衍射到更高级次内。可以通过控制光栅的折射率调制来改变光在衍射和零级中的相对量，该特性可以用于制作有损的波导光栅，用于提取大光瞳上的光。通过策略性地将体布拉格光栅放置在波导内，可以以受控的方式来影响波导内的光的传播，以实现各种效果。入射在光栅上的光的衍射可以由光栅和光的特点确定。如可以容易地认识到的，取决于给定应用的具体要求，体布拉格光栅可以被构造为具有不同的特点。在许多实施例中，体布拉格光栅被设计为透射光栅。在其它实施例中，体布拉格光栅被设计为反射光栅。在透射光栅中，满足布拉格条件的入射光被衍射，使得衍射光在入射光的未进入侧离开光栅。对于反射光栅，衍射光在光栅的入射光进入的同一侧出射。
图1A和图1B概念性地图示了根据本发明的各种实施例的两种体布拉格光栅配置。取决于在衍射之后光线自其出射的侧，可以将光栅分类为反射光栅100或是透射光栅150。折射/反射的条件或布拉格条件可以取决于若干因子，诸如但不限于介质的折射率、光栅周期、入射光的波长以及入射角。图1A示出了被记录在透明材料中的反射光栅100。如所示，光线101、102具有不同的波长并且以相同的角度入射在反射光栅100上，该反射光栅100具有与光栅表面平行的条纹103。光线101不满足布拉格条件，并被透射通过光栅。另一方面，光线102确实满足布拉格条件并被反射回通过其进入的同一表面。另一种类型的光栅是透射光栅，该透射光栅在图1B中被概念性地图示。在说明性实施例中，透射光栅150具有垂直于光栅表面的条纹151。如所示，具有不同波长的光线152、153以相同的角度入射在透射光栅150上。光线152满足布拉格条件并被折射，在光栅的光线152进入的相对侧上出射。光线153不满足布拉格条件，并按它原始的传播路径被透射通过。取决于光栅的效率，光可以被部分地反射或折射。虽然图1A和图1B图示了具体的体光栅结构，但是根据本发明的各种实施例，可以在波导单元(waveguide cell)中记录任何类型的光栅结构。例如，体光栅可以用相对于光栅表面偏斜和/或倾斜的条纹来实现，这些条纹可以影响衍射/反射的角度。虽然以上的讨论将光栅结构表示为透射或是反射，但是根据标准光栅方程，两种类型的光栅均可以以相同的方式表现。
根据本发明的各种实施例的波导结构可以以许多不同的方式来实现光栅。除了体光栅之外，光栅还可以被实现为表面形貌光栅。顾名思义，可以通过在基板的表面上物理地形成凹槽或周期性图案来实现表面形貌光栅。由凹槽形成的周期性和角度可以确定光栅的效率和其它特点。许多方法中的任何方法都可以被用于形成这些凹槽，诸如但不限于蚀刻和光刻。
图2概念性地图示了根据本发明的实施例的表面形貌光栅。如所示，表面形貌光栅200包含周期性倾斜的凹槽201。当光入射在凹槽201上时，在某些条件下可以发生衍射。凹槽201的倾斜和周期性可以被设计为实现入射光的目标衍射行为。
虽然图1A-图1B和图2示出了具体的光栅结构，但容易认识到的是，可以取决于给定应用的具体要求以许多不同的方式来配置光栅结构。在以下部分中进一步详细讨论这样的配置的示例。
可开关布拉格光栅
全息波导设备中使用的一类光栅是可开关布拉格光栅(“SBG”)。可以通过首先在玻璃板或基板之间放置光聚合单体和液晶材料的混合物的薄膜来制造SBG。在许多情况下，玻璃板处于平行配置。一个或两个玻璃板可以支持电极，通常为透明的氧化锡膜，用于在膜上施加电场。可以通过使用具有空间周期性强度调制的干涉曝光来进行的光聚合引发的相分离，将SBG中的光栅结构记录在液体材料(通常被称为浆)中。诸如但不限于辐射强度的控制、混合物中材料的组分体积分数以及曝光温度之类的因子可以确定结果所得的光栅形态和性能。如可以容易地理解的，取决于给定应用的具体要求，可以使用多种材料和混合物。在许多实施例中，使用了HPDLC材料。在记录过程期间，单体聚合并且混合物经历相分离。LC分子聚集以形成离散的或聚结的微滴，这些微滴周期性地分布在光学波长尺度上的聚合物网络中。交替的富液晶区域和贫液晶区域形成光栅的条纹平面，其可以产生具有强光学偏振的布拉格衍射，该强光学偏振由微滴中LC分子的朝向排列产生。
结果所得的体相位光栅可以表现出非常高的衍射效率，该衍射效率可以通过施加在膜上的电场的大小来控制。当经由透明电极将电场施加到光栅时，LC液滴的自然朝向可以改变，从而引起条纹的折射率调制降低，并且全息衍射效率降低到非常低的水平。通常，电极被配置为使得所施加的电场将垂直于基板。在许多实施例中，电极由铟锡氧化物(“ITO”)制成。在没有施加电场的关断(OFF)状态下，液晶的非常轴通常垂直于条纹对准。因而，光栅对P-偏振光表现出高折射率调制和高衍射效率。当对HPDLC施加电场时，光栅切换到打开(ON)状态，其中液晶分子的非常轴平行于所施加的电场并因此垂直于基板对准。在ON状态下，光栅对S-偏振光和P-偏振光两者均表现出较低的折射率调制和较低的衍射效率。因而，光栅区域不再衍射光。根据HPDLC设备的功能，每个光栅区域可以被分成诸如例如像素基体之类的多重光栅元件。通常，在一个基板表面上的电极是均匀且连续的，而在相对的基板表面上的电极是根据多重可选择性开关光栅元件被图案化的。
通常，SBG元件在30μs内被开关清除，并用更长的驰豫时间被接通。注意到可以借助于所施加的电压在连续范围上调整设备的衍射效率。在许多情况下，设备在不施加电压的情况下表现出接近100％的效率，并在施加足够高的电压的情况下表现出基本上零效率。在某些类型的HPDLC设备中，磁场可以用于控制LC朝向。在一些HPDLC应用中，LC材料与聚合物的相分离可以达到不产生可辨别的微滴结构这样的程度。SBG也可以被用作无源光栅。在这个模式下，其主要优点是独特的高折射率调制。SBG可以用于为自由空间应用提供透射光栅或反射光栅。SBG可以被实现为波导设备，其中HPDLC形成波导附近的倏逝耦合层或是波导芯。用于形成HPDLC单元的玻璃板提供全内反射(“TIR”)光引导结构。当可开关光栅以超过TIR条件的角度衍射光时，可以将光耦合出SBG。
图3A和图3B概念性地图示了根据本发明的各种实施例的HPDLC SBG设备300、350以及SBG的开关特性。在图3A中，SBG 300处于OFF状态。如所示，LC分子301基本上垂直于条纹平面对准。照此，SBG 300表现出高的衍射效率，并且入射光可以被容易地衍射。图3B图示了处于ON位置的SBG 350。所施加的电压351可以使微滴353内的LC分子352的光轴定向，以产生与聚合物的折射率匹配的有效折射率，从而基本上产生其中入射光不被衍射的透明单元。在说明性实施例中，示出了AC电压源。如可以容易地认识到的，取决于给定应用的具体要求，可以利用各种电压源。
在波导单元设计中，除了上面所描述的部件之外，还可以在基板之间布置粘合剂和间隔物，以将元件的层粘附在一起并维持单元间隙或厚度尺寸。在这些设备中，间隔物可以采取许多形式，诸如但不限于材料、尺寸和几何形状。材料可以包括例如塑料(例如，二乙烯基苯)、二氧化硅和导电间隔物。它们可以采取任何合适的几何形状，诸如但不仅限于杆和球。间隔物可以采取任何合适的尺寸。在许多情况下，间隔物的尺寸范围为从1到30μm。虽然在使用常规材料和制造方法的LC单元中这些粘合材料和间隔物的使用可能是必要的，但是它们可能带来单元的模糊，从而使波导和设备的光学特性及性能退化。
HPDLC材料系统
根据本发明的各种实施例的HPDLC混合物通常包括LC、单体、光引发剂染料和共引发剂。混合物(经常被称为浆)经常还包括表面活性剂。为了描述本发明的目的，表面活性剂被定义为降低总液体混合物的表面张力的任何化学试剂。在PDLC混合物中表面活性剂的使用是已知的，并且追溯回到PDLC的最早研究。例如，R.L.Sutherland等人的SPIE，卷2689，158-169，1996的论文描述了可向其添加表面活性剂的包括单体、光引发剂、共引发剂、扩链剂以及LC的PDLC混合物，该论文的公开内容通过引用并入本文。在Natarajan等人的Journal of Nonlinear Optical Physics and Materials，卷5，No.Ⅰ 89-98，1996的论文中也提到了表面活性剂，该论文的公开内容通过引用并入本文。此外，Sutherland等人的美国专利No.7,018,563讨论了用于形成聚合物分散的液晶光学元件的聚合物分散的液晶材料，该聚合物分散的液晶材料包括：至少一种丙烯酸单体；至少一种类型的液晶材料；光引发剂染料；共引发剂以及表面活性剂。美国专利No.7,018,563的公开内容通过引用整体合并于此。
专利和科学文献包含可以用于制造SBG的材料系统和过程的许多示例，包括对配制这样的材料系统用于实现高衍射效率、快速响应时间、低驱动电压等等的研究。Sutherland的美国专利No.5,942,157和Tanaka等人的美国专利No.5,751,452两者均描述了适于制造SBG设备的单体和液晶材料的组合。配方的示例也可以在追溯回20世纪90年代早期的论文中找到。许多这些材料使用丙烯酸酯单体，包括：
·R.L.Sutherland等人，Chem.Mater.，5，1533(1993)，描述了丙烯酸酯聚合物和表面活性剂的使用，其公开内容通过引用并入本文。具体地，配方包括交联多官能丙烯酸酯单体；扩链剂N-乙烯基吡咯烷酮、LC E7、光引发剂玫瑰红以及共引发剂N-苯基甘氨酸。在某些变体中添加了表面活性剂辛酸。
·Fontecchio等人，SID 00 Digest 774-776，2000，描述了用于反射显示应用的包括多官能丙烯酸酯单体、LC、光引发剂、共引发剂以及链终止剂的UV固化HPDLC，其公开内容通过引用并入本文。
·Y.H.Cho等人，Polymer International，48，1085-1090，1999，公开了包括丙烯酸酯的HPDLC配方，其公开内容通过引用并入本文。
·Karasawa等人，Japanese Journal of Applied Physics，卷36，6388-6392，1997，描述了各种官能序(functional order)的丙烯酸酯，其公开内容通过引用并入本文。
·T.J.Bunning等人，Polymer Science:Part B:Polymer Physics，卷35，2825-2833，1997，也描述了多官能丙烯酸酯单体，其公开内容通过引用并入本文。
·G.S.lannacchione等人，Europhysics Letters，卷36(6)，425-430，1996，描述了包括五丙烯酸酯单体、LC、扩链剂、共引发剂以及光引发剂的PDLC混合物，其公开内容通过引用并入本文。
丙烯酸酯提供了快速动力学、与其它材料的良好混合以及与成膜过程兼容的优点。由于丙烯酸酯是交联的，因此它们倾向于是机械稳健且柔性的。例如，官能2(di)和3(tri)的氨基甲酸酯丙烯酸酯已广泛用于HPDLC技术。也已使用了诸如五和六官能干(pentaand hex functional stems)之类的更高官能度材料。
透射SBG的已知属性之一是LC分子倾向于与垂直于光栅条纹平面的平均方向(即，平行于光栅或K向量)对准。LC分子对准的效果是，透射SBG高效地衍射P偏振光(即，具有在入射平面中的偏振向量的光)，但是具有对S偏振光(即，具有垂直于入射平面的偏振向量的光)的几乎为零的衍射效率。
用于体光栅的记录机构
根据本发明的各种实施例，可以使用许多不同的方法将体光栅记录在波导单元中。可以使用任何数量和类型的电磁辐射源来实现光学元件在光学记录材料中的记录。取决于应用，(一个或多个)曝光源和/或记录系统可以被配置为使用变化的持续时间和曝光功率水平来记录光学元件。如以上关于SBG所讨论的，用于记录体光栅的技术可以包括光学记录材料的使用两个相互相干的激光波束的曝光，其中两个波束的叠加产生沿着干涉图案的周期性的强度分布。光学记录材料可以形成光栅结构，该光栅结构表现出与周期性强度分布匹配的折射率调制图案。在HPDLC混合物中，光强度分布导致单体扩散和聚合到高强度区域内，并且同时液晶扩散到暗区域内。这种相分离产生形成光栅的条纹平面的交替的富液晶区域和贫液晶区域。取决于如何配置记录波束，光栅结构可以被形成有倾斜的或非倾斜的条纹。图4A-图4D概念性地图示了根据本发明的各种实施例的两波束记录过程。如所示，两种方法可以用于产生两种不同类型的布拉格光栅—即，透射光栅400和反射光栅401。取决于如何定位两个记录波束402、403，干涉图案404可以将透射或是反射光栅记录在光学记录材料405中。可以在条纹的朝向上看到两种类型的光栅之间的差异(即，反射体光栅的条纹通常基本上平行于基板的表面，以及透射光栅的条纹通常基本上垂直于基板的表面)。在回放期间，入射在透射光栅400上的波束406可以导致被透射的衍射波束407。另一方面，入射在反射光栅401上的波束408可以导致被反射的波束409。
用于在光学记录材料中记录体光栅的另一种方法包括使用单个波束以在光学记录材料上形成干涉图案。这可以通过母版光栅的使用来实现。在许多实施例中，母版光栅是体光栅。在一些实施例中，母版光栅是振幅光栅。在与母版光栅相互作用后，单个波束可以衍射。一级衍射和零级波束可以重叠以产生干涉图案，该干涉图案然后可以曝光光学记录材料以形成期望的体光栅。在图5中概念性地图示了根据本发明的实施例的利用振幅光栅的单波束记录过程。如所示，来自单个激光源(未示出)的波束500被导引通过振幅光栅501。在与光栅501相互作用后，波束500可以衍射，像例如在光线与振幅光栅的黑色阴影区域相互作用的情况那样，或者波束500可以传播通过振幅光栅而没有实质性偏离，像例如在光线与振幅光栅的交叉窗口区域(cross-hatched region)相互作用的情况那样。一级衍射波束502和零级波束503可以重叠以产生干涉图案，该干涉图案曝光波导单元的光学记录层504。在说明性实施例中，间隔块505位于光栅501和光学记录层504之间，以便更改两个部件之间的距离。
虽然在图4A-图4D和图5中讨论并示出了记录体光栅的具体方法，但是根据本发明的各种实施例的记录系统可以被配置为实现用于记录体光栅的许多方法中的任何方法。
滚动的K向量光栅和复用K向量光栅
在解决体布拉格光栅中在其上发生衍射的范围有限的波长和角度方面，可以利用若干方法来增加光栅的衍射带宽。在许多实施例中，光栅可以采用关于它们的K向量变化的条纹。在许多实施例中，跨滚动的K向量的改变通常使得K向量中改变的方向不在具有波导或光栅元件的平面中。可以以许多不同的方式来实现变化的条纹或滚动的K向量。在一些实施例中，光栅的条纹被设计为在光栅上以渐进的方式变化。在其它实施例中，具有不同条纹的不同的分立的光栅集合被依次地放置。可以以各种方式来设计和配置具有滚动的K向量的光栅。在许多实施例中，滚动的K向量被设计为使得每个光栅部分的峰衍射效率针对其在那个位置处的对应的输出角被优化。在一些实施例中，每个光栅在不同位置处的峰衍射效率按照其在那个位置处的对应的输出角偏移。已示出了通过引入这个偏移，可以改善眼动范围的均匀性。在若干实施例中，与仅仅匹配在不同位置处的峰衍射效率相比，偏移可以将总图像亮度改善两倍。
根据本发明的实施例，滚动的K向量光栅可以用于最大化入耦合光的峰衍射效率。滚动的k向量的使用使得能够高效率输入耦合到光栅内，并且还允许优化波束扩展角以最小化波导的厚度；这可能需要平衡波导的厚度、光栅的角带宽以及场角的在光栅上任何给定点处的扩展。随着滚动K向量(并维持表面节距)，光栅的低角度响应可以防止输出耦合，从而允许最小化波导厚度。在许多实施例中，设计目标是确保在某一点处的最大输入耦合并最小化角度分集，使得可以最小化光栅厚度而不会在不同点处互不耦合。
图6A和图6B概念性地图示了根据本发明的各种实施例的滚动的K向量光栅的两种实施方式。首先参考图6A，在一些实施例中，滚动的K向量光栅可以被实现为包含具有不同K向量的分立的光栅元件600的波导部分。接下来参考图6B，在若干实施例中，滚动的K向量光栅可以被实现为包含光栅元件601的波导部分，在该光栅元件601内K向量经历方向上的平滑的单调变化。如所图示的，K向量的方向上的改变不在具有波导的平面中。
在许多实施例中，不同的分立条纹集合被叠加到同一光栅内，从而产生具有在同一体积内独立工作且彼此没有干扰的实质上多个光栅的复用光栅。例如，如果以相同的入射角针对两个不同的布拉格波长在同一设备中记录两个体光栅，那么该设备可以以有限的串扰将两个所选择的波长衍射到不同的输出方向内。复用可以用于通过组合两个相似方案(prescription)的光栅来产生改善的角度分布，以扩展衍射效率角带宽并给出跨出射光瞳和视场的更好的亮度均匀性和色彩平衡。复用还可以用于编码两个不同的衍射方案，该两个不同的衍射方案可以被设计为将光投射到不同的区域场内，或将两个不同波长的光衍射到给定的视场区域内。可以采取步骤以确保在记录期间没有光栅之间的导致不等的衍射效率和回放中光栅之间的串扰的竞争。复用还可以提供减少波导结构中的层数的显著优点。在一些实施例中，输入光栅、折叠光栅或输出光栅中的至少一个可以组合两个或更多个角衍射方案，以扩展角带宽。类似地，在若干实施例中，输入光栅、折叠光栅或输出光栅中的至少一个可以组合两个或更多个光谱衍射方案以扩展光谱带宽。例如，色彩复用光栅可以用于衍射两个或更多个基色(primary color)。
图7概念性地图示了根据本发明的实施例的复用的K向量光栅。如所图示的，复用光栅700包含两个条纹集合701、702。第一集合701由实对角线描绘并且具有K向量K1和周期Λ1。第二复用光栅702由点划线图示并且具有K向量K2和周期Λ2。在图示的实施例中，两个光栅周期是相同的，但是K向量在方向上不同。在操作中，复用光栅701、702中的两者均是有源的并且可以提供更宽的入射和衍射带宽。复用光栅的入射角带宽θi覆盖包括重叠的θi1和θi2的角度范围。复用光栅701、702的衍射角带宽θd覆盖包括重叠的θd1和θd2的角度范围。在一些实施例中，多于两个光栅被复用。
虽然以上讨论了具有变化的条纹的具体光栅结构，但是根据给定应用的具体要求，可以利用许多条纹配置中的任何条纹配置。例如，如由制造限制所允许的，可以复用任何数量的光栅。滚动的K向量光栅可以被设计为具有以任何分立的单位滚动的K向量。
实现光瞳扩展的波导
光栅可以以各种不同的方式被实现在波导中。在一些实施例中，光栅驻留在波导的外表面上。在其它实施例中，体光栅被实现在波导内部。光栅也可以被实现为执行不同的光学功能，诸如但不限于耦合光、导引光以及防止光的透射。图8概念性地图示了根据本发明的实施例的利用耦合光栅以将光衍射进和出波导的波导。如所示，波导800包括第一表面801，第二表面802、输入光栅元件803以及输出光栅元件804。来自投影透镜的准直光805以正交角通过第一表面801进入波导。光以其原始的角度行进通过波导800，并在到达波导800的另一侧处的第二表面802之前与输入光栅元件803相互作用。输入光栅元件803可以被设计为以倾斜的角度衍射光805，使得折射光806以可以发生全内反射的角度入射在第二表面802上。照此，光805被耦合到波导内并且被限制在波导800的第一表面801和第二表面802内。在说明性实施例中，光在波导800内行进，直到其与输出光栅804相互作用，该输出光栅804将光折射并耦合出波导800并进入用户的眼睛807。
在许多实施例中，衍射光栅可以通过有效地扩展准直光学系统的出射光瞳来用于在减小透镜尺寸的同时保持眼动范围的尺寸。出射光瞳可以被定义为虚拟孔径，其中只有穿过这个虚拟孔径的光线才可以进入用户的眼睛。图9和图10概念性地图示了根据本发明的实施例的利用输出光栅的波导，该输出光栅用于在一个维度上的出射光瞳扩展。图9中的波导900包括第一表面901、第二表面902、输入光栅元件903以及输出光栅元件904。如所示，光905通过输入光栅902耦合到波导900内，并且可以经由全内反射行进通过波导900。在说明性实施例中，输出光栅904被延展并被设计为折射被波导的光的一部分。光可以被折射使得折射光906以不发生全内反射的角度入射在第二表面902上，从而允许光906耦合出波导900。这种有损提取允许出射光瞳扩展，因为剩余的光可以继续在波导900内行进，并且一旦光再次入射在输出光栅904上，以上所描述的场景就可以再次发生。利用这种技术，还可以用恰当的设计来实现连续扩展的出射光瞳，如图10中所示。
在图9和图10中的思想上扩展，光学波导可以被设计为在两个维度上扩展出射光瞳。在许多实施例中，两个波导可以被堆叠在一起以产生系统，在该系统中耦合到波导堆叠内的光可以实现在两个维度上的出射光瞳扩展。图11概念性地图示了根据本发明的实施例的利用两个平面波导以提供在两个维度上的出射光瞳扩展的波导系统。如所示，系统1100包括第一波导1101和第二波导1102。第一波导1101可以包括第一输入耦合光栅1103和第一输出耦合光栅1104，以及第二波导1102可以包括第二输入耦合光栅1105和第二输出耦合光栅1106。第一输入耦合光栅1103可以被设计为将来自图像源1108的准直光1107耦合到第一波导1101内。类似于图9和图10中所描述的系统，被限制的光可以经由全内反射行进通过第一波导1101，直到光到达第一输出耦合光栅1104。在说明性实施例中，第一输出耦合光栅1104被设计为提供在第一维度上的有损的出射光瞳扩展，并且将光耦合出第一波导1101。第二输入耦合光栅1105可以被设计为接收从第一波导1101输出的在第一维度上扩展的光，并且折射接收到的光，使得接收到的光经由全内反射行进通过第二波导1102。在许多实施例中，第一输出耦合光栅1104和第二输入耦合光栅1106以类似的方式延展。然后，行进通过第二波导1102的光可以与第二输出耦合光栅1106相互作用。在说明性实施例中，第二输出耦合光栅1106被设计为提供在不同于第一维度的第二维度上的有损的出射光瞳扩展，并且将光耦合出第二波导1102。作为结果，出射光瞳在两个维度上扩展，从而允许关于眼动范围尺寸1109更小的透镜尺寸。
在许多实施例中，光学波导利用折叠光栅，该折叠光栅可以在波导内导引光的同时提供在一个维度上的出射光瞳扩展。在进一步的实施例中，折叠光栅导引光朝向输出光栅，该输出光栅可以提供在不同于第一方向的第二维度上的出射光瞳扩展，并且还将光耦合出波导。通过使用折叠光栅，与其它显示信息的系统和方法相比，波导显示器可以要求更少的层。此外，通过使用折叠光栅，光可以通过波导内的全内反射在由波导外表面定义的单个矩形棱镜中行进，同时实现双光瞳扩展。作为结果，可以使用单个波导来实现二维的出射光瞳扩展。图12概念性地图示了根据本发明的实施例的利用三光栅结构以提供二维的出射光瞳扩展的波导。如所示，波导1200包括输入光栅1201、折叠光栅1202以及输出光栅1203。光栅1201-1203上的箭头1204-1206示出了与每个光栅相关联的k向量。在许多实施例中，折叠光栅1202可以被设计为提供在一个维度上的出射光瞳扩展，并重新导引来自输入光栅1201的经由全内反射传播的光的方向。在说明性实施例中，折叠光栅1202的条纹与其它两个光栅1201、1203中的任一个成45度偏移。入射在折叠光栅上的光1207被重新导引到1208，以朝向输出光栅1203传播，该输出光栅1203提供了在第二维度上的出射光瞳扩展并将光耦合出波导1200。
虽然以上与图8-图12有关的讨论描述了具体的波导结构，但是容易认识到的是，根据给定应用的具体要求，可以利用任何数量的波导结构配置。例如，提供出射光瞳扩展的光栅可以被设计为具有梯度效率(gradient efficiency)，使得折射光的一部分取决于入射的区域而变化。
波导层堆叠
根据本发明的各种实施例的波导可以被堆叠在一起以实现某些光学功能。例如，在许多实施例中，设备可以包括RGB衍射层堆叠，每个层包括输入光栅和输出光栅。在每个层中SBG被记录以提供相对于(沿着波导)从峰波长偏移小增量的波长特点的峰衍射效率。在一些实施例中，RGB SBG层被使用并且可以与RGB LED图像源顺序地和同步地开关。图13概念性地图示了根据本发明的实施例的波导1300的RGB堆叠的剖面视图。在说明性实施例中，波长选择性吸收层1301-1303被用于选择性地吸收每个波导层1304-1306中的不想要的光。虚线表示由于偏振失配或是布拉格失配引起的弱耦合。波导的堆叠还包括各种滤光器和波片1307-1311。偏振朝向是关于输入光栅描绘的。
虽然图13图示了波导堆叠的具体结构，但是根据给定应用的具体要求，可以使用许多堆叠配置中的任何堆叠配置。例如，在许多实施例中，仅红以及蓝/绿两层被用于实现RGB堆叠。可以使用若干方法来实现这样的系统。在一些实施例中，包含各自与RGB色彩相关的不同的光栅集合的复用光栅被用于实现一个波导层中的多个色彩波导。
波导显示器
可以以许多不同的方式来实现和约束根据本发明的各种实施例的波导显示器。例如，波导显示器可以包含变化数量的波导层和不同的出射光瞳扩展方案。图14概念性地图示了根据本发明的实施例的具有两个光栅层的双轴扩展波导显示器。如所示，波导显示器1400包括光源1401、微显示面板1402和光学地耦合到具有两个光栅层的波导1404的输入图像节点(“IIN”)1403。在一些实施例中，通过将光栅层夹在玻璃或塑料基板之间以形成堆叠来形成波导，在该堆叠内，全内反射发生在外基板和空气界面处。在若干实施例中，堆叠还可以包括附加层，诸如分束涂层和环境保护层。在说明性实施例中，每个光栅层包含输入光栅1405A、1405B，折叠光栅出射光瞳扩展器1406A、1406B以及输出光栅1407A、1407B，其中字符A和B分别指第一波导层和第二波导层。输入光栅、折叠光栅以及输出光栅可以是全息光栅，诸如可开关或不可开关的SBG。如本文所使用的，术语光栅可以涵盖可以包括光栅集合的光栅，诸如复用光栅或分立的滚动K向量光栅的集合。在说明性实施例中，IIN 1403集成了微显示面板1402、光源1401，以及照亮显示面板、分开反射光以及将其准直到需要的FOV内所需的光学部件。在图14的实施例中以及在以下要描述的实施例中，输入光栅、折叠光栅和输出光栅中的至少一个可以是电可开关的。在许多实施例中，所有三种光栅类型都是无源的(即，非开关的)。在许多实施例中，IIN可以投射被显示在微显示面板上的图像，使得每个显示像素被转换成基板波导内的独特的角方向。IIN中所包含的准直光学器件可以包括透镜和反射镜。在进一步的实施例中，透镜和反射镜是衍射透镜和反射镜。
在说明性实施例中，从源经由IIN到波导的光路由光线1408-1411指示。每个光栅层的输入光栅1405A、1405B可以将光的一部分耦合到波导1404中的TIR路径内，这样的路径由光线1412、1413表示。输出光栅1407A、1407B可以将光从波导衍射到准直光1414、1415的角度范围内，用于被眼睛1416观看。可以通过IIN光学器件定义与显示器的视场对应的角范围。在一些实施例中，波导光栅可以编码用于调整输出的准直的光学功率。在一些实施例中，输出图像在无限远处。在其它实施例中，输出图像可以被形成在距眼动范围若干米的距离处。通常，眼睛位于显示器的眼动范围或出射光瞳内。
可以如标题为“Holographic Wide Angle Display”的美国专利申请No.13/869,866和标题为“Transparent Waveguide Display”的美国专利申请No.13/844,456中所讨论和教导的那样利用不同的IIN实施方式和实施例，这些申请的公开内容通过引用整体合并于此。在一些实施例中，IIN包含用于将光导引到微显示器上以及朝向波导传输反射光的分束器。在许多实施例中，分束器是被记录在HPDLC中的光栅，并且使用这样的光栅的固有的偏振选择性来分开照亮显示器的光和从显示器反射的图像调制光。在若干实施例中，分束器是偏振分束器块(polarizing beam splitter cube)。在许多实施例中，IIN结合去散斑器(despeckler)。在标题为“Laser Illumination Device”的美国专利No.8,565,560中讨论了去散斑器，该专利的公开内容通过引用整体合并于此。
光源可以是激光器或LED，并且可以包括用于修改照明波束角特点的一个或多个透镜。图像源可以是微显示器或基于激光的显示器。LED可以提供比激光器更好的均匀性。如果使用激光照明，那么存在在波导输出处出现照明带的风险。在许多实施例中，可以使用在标题为“Method and Apparatus for Generating Input Images for HolographicWaveguide Displays”的美国专利申请No.15/512,500中公开的技术和教导来克服波导中的激光照明带，该申请的公开内容通过引用整体合并于此。在一些实施例中，来自光源的光被偏振。在若干实施例中，图像源是液晶显示器(LCD)微显示器或硅上液晶(LCoS)微显示器。
在一些实施例中，类似于图14中示出的光栅层，每个光栅层解决总视场的一半。通常，折叠光栅被以45度记录(clocked)(即，在波导平面中偏斜)，以确保折叠光的足够的角带宽。在其它实施例中，其它记录角(clock angle)可以用于满足在显示器的人体工程学设计中可能出现的对光栅定位的空间约束。在一些实施例中，输入光栅和输出光栅中的至少一个具有滚动的k向量。滚动K向量可以允许光栅的角带宽被扩展而无需增加波导厚度。
在许多实施例中，可以通过设计光栅方案来提供被引导的光与光栅的双重相互作用，以增强折叠光栅的角带宽。在标题为“Waveguide Grating Device”的美国专利申请No.:14/620,969中公开了双重相互作用折叠光栅的示例性实施例，该申请的公开内容整体合并于此。
图15概念性地图示了根据本发明的实施例的类似于图14中所使用的单个光栅层的平面视图1500。光学地耦合到IIN 1502的光栅层1501包括输入光栅1503、第一分束器1504、折叠光栅1505、第二分束器1506以及输出光栅1507。分束器可以是部分透射涂层，其通过提供在波导内的多条反射路径来使被波导的光均匀化。每个分束器可以包括多于一个涂层，其中每个涂层都被施加到透明基板。从IIN上止眼睛1508的典型的波束路径由光线1509-1513指示。
图16概念性地图示了根据本发明的实施例的两个光栅层配置的平面视图1600。如所示，光学地耦合到IIN 1602的光栅层1601A、1601B包括输入光栅1603A、1603B，第一分束器1604A、1604B，折叠光栅1605A、1605B，第二分束器1606A、1606B以及输出光栅1607A、1607B，其中字符A、B分别指第一光栅层和第二光栅层。在图示的实施例中，两层光栅和分束器基本上重叠。
在许多实施例中，光栅层可以被分解成分开的层。例如，在一些实施例中，第一层包括折叠光栅，而第二层包括输出光栅。在进一步的实施例中，第三层可以包括输入光栅。在这样的实施例中，然后，这许多层可以被层压在一起成为单个波导基板。在若干实施例中，光栅层包括许多片，包括被层压在一起以形成单个基板波导的输入耦合器、折叠光栅以及输出光栅(或其部分)。这些片可以被光学胶或折射率与这些片的折射率相匹配或基本上相似的其它透明材料分隔。
在许多实施例中，光栅层可以经由单元制作过程通过产生期望光栅厚度的单元并且对于输入耦合器、折叠光栅以及输出光栅中的每个用SBG材料真空填充每个单元来形成。在一些实施例中，可以通过定位具有在玻璃板之间的间隙的多个玻璃板来形成单元，该玻璃板之间的间隙定义了输入耦合器、折叠光栅以及输出光栅的期望的光栅厚度。在若干实施例中，一个单元可以由多个孔径制成，使得不同的孔径被用不同的SBG材料袋填充。然后，任何介于中间的空间可以被分隔材料(例如，胶、油等)分隔，以定义分隔区域。在许多实施例中，SBG材料可以被旋涂到基板上，并且然后在材料固化之后被第二基板覆盖。
在许多实施例中，可以通过干涉在基板内的一定角度处的两个光波以产生全息波前来产生输入耦合器、折叠光栅和输出光栅，从而在波导基板中产生以期望的角度设置的亮条纹和暗条纹。此外，还可以使用以上各部分中所描述的各种方法中的任何方法来制造这样的光学元件。
在一个实施例中，被实施为SBG的输入耦合器、折叠光栅以及输出光栅可以是被记录在全息聚合物分散的液晶(HPDLC)(例如，液晶微滴的基体)中的布拉格光栅，尽管也可以将SBG记录在其它材料中。在一个实施例中，SBG被记录在均匀调制材料中，诸如具有分散在液态聚合物中的固态液晶的基体(matrix)的POLICRYPS或POLIPHEM。SBG本质上可以是开关的或非开关的。在其非开关形式中，由于其液晶成分，SBG具有优于常规全息感光聚合物材料的优点，其能够提供高折射率调制。示例性的均匀调制液晶聚合物材料系统在Caputo等人的美国专利申请公开No.:US2007/0019152和Stumpe等人的PCT申请No.:PCT/EP2005/006950中公开，这些申请均通过引用整体并入本文。均匀调制光栅的特征在于高折射率调制(并且因此高衍射效率)和低散射。
在许多实施例中，输入耦合器、折叠光栅和输出光栅由反向模式HPDLC材料制成。反向模式HPDLC与常规HPDLC的不同在于，当没有施加电场时光栅是无源的，以及在电场的存在下光栅变成衍射的。反向模式HPDLC可以基于标题为“Improvements to HolographicPolymer Dispersed Liquid Crystal Materials and Devices”的PCT申请No.PCT/GB2012/000680中公开的任何配方和过程，该申请的公开内容整体合并于此。光栅可以被记录在以上材料系统中的任何材料系统中，但是以无源(非开关)模式被使用。制造过程与用于开关式的制造过程相同，但其中省略了电极涂覆阶段。鉴于它们的高折射率调制，LC聚合物材料系统是高度理想的。在一些实施例中，光栅被记录在HPDLC中，但不是开关式的。
在许多实施例中，输入光栅可以被另一种类型的输入耦合器代替，诸如但不限于棱镜和反射表面。在一些实施例中，输入耦合器可以是全息光栅，诸如SBG光栅或无源光栅，其可以是无源SBG光栅。输入耦合器可以被配置为接收来自显示源的准直光，并经由第一表面和第二表面之间的全内反射使光在波导内行进到折叠光栅。输入耦合器可以直接朝向折叠光栅或相对于折叠光栅以一定角度取向。例如，在若干实施例中，输入耦合器可以关于折叠光栅被设置成稍微倾斜。在许多实施例中，折叠光栅可以在对角线方向上取向。折叠光栅可以被配置为提供在第一方向上的光瞳扩展，并且经由波导内部的全内反射将光导引到输出光栅。
在许多实施例中，每个折叠光栅的纵向边缘斜交于输入耦合器的对准轴，使得每个折叠光栅关于显示光的传播方向被设置在对角线上。折叠光栅可以成一定角度，使得来自输入耦合器的光被重新导引到输出光栅。在一些实施例中，折叠光栅被设置为关于从输入耦合器释放的显示图像的方向成四十五度角。这个特征可以使沿着折叠光栅传播的显示图像被转到输出光栅内。例如，在若干实施例中，折叠光栅可以使图像转90度进入输出光栅。以这种方式，单个波导可以提供在水平方向和垂直方向两者上的双轴光瞳扩展。在许多实施例中，每个折叠光栅可以具有部分衍射结构。在一些实施例中，每个折叠光栅可以具有全衍射结构。
输出光栅可以被配置为提供在不同于第一方向的第二方向上的光瞳扩展，并且使光从第一表面或第二表面离开波导。输出光栅可以经由全内反射接收来自折叠光栅的显示图像，并且可以提供在第二方向上的光瞳扩展。在许多实施例中，输出光栅包括多层基板，从而包括多层输出光栅。相应地，没有要求光栅在波导内的一个平面中，并且光栅可以被堆叠在彼此之上(例如，光栅的单元被堆叠在彼此之上)。
在许多实施例中，基板波导上的四分之一波片旋转光线的偏振以维持与SBG的高效耦合。四分之一波片可以被耦合到或附接到基板波导的表面。例如，在一些实施例中，四分之一波片是施加到基板波导的涂层。四分之一波片可以提供光波偏振管理。这样的偏振管理可以通过补偿波导中的斜波(skew wave)来帮助光线保持与预期观察轴的对准。四分之一波片是可选的，并且可以增大实施方式中光学设计的效率。在若干实施例中，波导不包括四分之一波片。四分之一波片可以被提供为多层涂层。
在许多实施例中，波导显示器可以单色操作。在一些实施例中，波导显示器可以彩色操作。可以使用与图14的相似设计的单色波导的堆叠来实现彩色操作。该设计可以使用如所示的红波导层、绿波导层以及蓝波导层，或者可替代地使用红层以及蓝/绿层。图17概念性地图示了根据本发明的实施例的双轴扩展波导显示器1700，该双轴扩展波导显示器1700包括光源1701、微显示面板1702，以及光学地耦合到红波导1704R、绿波导1704G以及蓝波导1704B的IIN 1703，其中每个波导包括两个光栅层。在说明性实施例中，三个波导被气隙分隔。在一些实施例中，波导被诸如纳米多孔膜之类的低折射率材料分隔。如所示，用R标记的红光栅层包括输入光栅1705R、1706R，折叠光栅出射光瞳扩展器1707R、1708R以及输出光栅1709R、1710R。使用相同的编号标记蓝波导和绿波导的光栅元件，其中B、G指示蓝和绿。在一些实施例中，输入光栅、折叠光栅和输出光栅都是无源的，即，非开关的。在若干实施例中，光栅中的至少一个光栅是开关的。在许多实施例中，每层中的输入光栅是可开关的，以避免波导层之间的色彩串扰。在许多实施例中，可以通过在红波导和蓝波导以及蓝波导和绿波导的输入光栅区域之间布置二向色滤光器1711、1712来避免色彩串扰。在各种实施例中，可以在每个单色波导中使用仅一个光栅层来实现彩色波导。
图18概念性地图示了根据本发明的实施例的眼动跟踪显示器。在标题为“Holographic Waveguide Eye Tracker”的PCT申请No.PCT/GB2014/000197、标题为“Holographic Waveguide Optical Tracker”的PCT申请No.PCT/GB2015/000274以及标题为“Apparatus for Eye Tracking”的PCT申请No.PCT/GB2013/000210中讨论了基于波导设备的眼动跟踪器，这些申请的公开内容整体合并于此。再次转到图18，眼动跟踪显示器1800包括基于以上所描述的任何实施例的双轴扩展波导显示器。波导显示器可以包括：包含结合了输入折叠和输出光栅的至少一个光栅层的波导1801，IIN 1802，包括波导的眼动跟踪器1803，红外检测器1804以及红外源1805。眼动跟踪器和显示波导可以被气隙或被低折射材料分隔。如在以上参考文献中所解释的，眼动跟踪器可以包括分开的照明和检测器波导。在说明性实施例中，从红外源到眼睛的光路由光线1806-1808指示，并且从眼睛反向散射的信号由光线1809、1810指示。从输入图像节点通过显示波导到眼动范围的光路由光线1811-1813指示。
在许多实施例中，双扩展波导显示器还可以包括动态聚焦元件。图19概念性地图示了根据本发明的实施例的双扩展波导显示器1900，该双扩展波导显示器1900具有布置在波导显示器的主表面附近的动态聚焦元件1901和眼动跟踪器。在一些实施例中，动态聚焦元件是LC设备。在若干实施例中，LC设备将LC层与衍射光学元件组合。在许多实施例中，衍射光学元件是电可控的基于LC的设备。在各种实施例中，动态聚焦元件被布置在波导显示器和眼动跟踪器之间。在各种实施例中，动态聚焦元件可以被布置在离眼睛最远的显示波导的表面附近。
动态聚焦设备可以提供多重图像表面1902。在光场显示应用中，可以使用至少四个图像表面。动态聚焦元件可以基于在标题为“Electrically Focus Tunable Lens”的美国专利申请No.:15/553,120中所描述的动态聚焦元件，该申请的公开内容整体合并于此。在一些实施例中，具有动态聚焦元件和眼动跟踪器的双扩展波导显示器可以提供光场显示，诸如基于在标题为“Holographic Waveguide Light Field Displays”的美国专利申请No.15/543,013中公开的教导的那些，该申请的公开内容通过引用整体合并于此。
虽然以上讨论了具体的波导结构，但是可以取决于给定应用的具体要求来实现许多波导结构中的任何波导结构。例如，在许多波导配置中，输入光栅、折叠光栅和输出光栅被形成在夹在透明基板之间的单个层中。这样的配置在图14中示出，其中两层照此被堆叠。在一些实施例中，波导包括仅仅一个光栅层。在若干实施例中，将开关透明电极施加到将开关光栅夹在中间的基板层的相对表面上。在许多实施例中，单元基板可以由玻璃制成。可以使用的一种玻璃基板是标准的康宁柳木(Corning Willow)玻璃基板(折射率1.51)，其厚度可低至50微米。在其它实施例中，单元基板可以是光学塑料。
在许多实施例中，波导显示器通过光-机械接口耦合到IIN，该光-机械接口允许波导容易地从IIN组件收回。基本原理被概念性地图示在图20A中。图20A示出了双轴扩展波导显示器2000，该双轴扩展波导显示器2000包括波导2001以及IIN2005，该波导2001包含输入光栅2002、折叠光栅2003、输出光栅2004。该装置还包括连接到波导的光学链路2006、终止光学链路的第一光学接口2007，以及形成IIN的出射光学端口的第二光学接口2008。第一光学接口和第二光学接口可以如由图20B中所示的间隙2009所指示的被解耦。在一些实施例中，光学链路是波导。在若干实施例中，光学链路是弯曲的。在许多实施例中，光学链路是GRIN图像中继设备。在各种实施例中，使用机械机构来建立光学连接。在一些实施例中，光学连接是使用磁性机构来建立的。在头盔安装的显示器应用中，将波导从IIN解耦的优点在于，当不用时可以将显示器的近眼部分移开。在其中波导包括无源光栅的一些实施例中，近眼光学器件可以是可任意处理的。
图21概念性地图示了根据本发明的实施例的具有微显示面板2101、空间变化的NA部件2102以及微显示光学器件2103的IIN 2100。如所示，微显示光学器件2103接受来自照明源(未显示)的光2104，并在由光线2105指示的方向上将该光偏斜到微显示器上。从微显示器反射的光由发散的光线对2106-2108指示，其中数值孔径(“NA”)角沿着X轴变化。在说明性实施例中，空间变化的NA部件被布置在微显示光学器件和微显示器之间。在其它实施例中，空间变化的NA部件被布置为邻近微显示光学器件的输出表面。图22概念性地图示了这样的实施例，由空间变化的NA部件2200示出。
在许多实施例中，微显示器是反射设备。在一些实施例中，微显示器是透射设备，通常是透射LCoS设备。图23概念性地图示了根据本发明的实施例的包括背光源2301、微显示器2302和可变NA部件2303的IIN 2300。来自背光源的光由光线2304-2306指示，其在背光源上通常具有均匀的NA，照亮微显示器的背面，并且在传播通过可变NA部件之后，被转换成由发散光线对2307-2309指示的输出图像调制光，其中NA角沿着X轴变化。
在许多实施例中，本发明的原理可以被应用于发射显示器。与本发明一起使用的发射显示器的示例包括基于LED阵列和发光聚合物阵列的发射显示器。图24概念性地图示了根据本发明的实施例的具有发射微显示器2401和空间变化的NA部件2402的IIN 2400。来自微显示器的光由光线2403-2405指示，其通常具有跨显示器的发射表面的均匀NA，照亮空间变化的NA部件并被转换成具有沿着X轴变化的NA角的，由发散光线对2406-2408指示的输出图像调制光。
在许多实施例中，微显示光学器件包括偏振分束器块。在一些实施例中，微显示光学器件包括已对其施加了分束器涂层的倾斜板。在许多实施例中，微显示光学器件包括波导设备，该波导设备包括用作偏振选择分束器的SBG。在标题为“Holographic Wide AngleDisplay”的美国专利申请No.13/869,866和标题为“Transparent Waveguide Display”的美国专利申请No.13/844,456中讨论了与这样的实施例相关的细节，这些申请的公开内容整体合并于此。在若干实施例中，微显示光学器件包含折射部件和弯曲的反射表面或衍射光学元件中的至少一个，用于控制照明光的数值孔径。在一些实施例中，微显示光学器件包含用于控制照明光的波长特点的光谱滤光器。在许多实施例中，微显示光学器件包含用于控制杂散光的孔径、掩模、滤光器和涂层。在许多实施例中，微显示光学器件结合了鸟浴光学器件(birdbath optics)。
虽然图14-图24描述了具体的波导显示器和结构，但是可以根据给定应用的具体要求适当地使用任何波导显示系统和配置。在其核心，波导仅用于操纵光的方向。这个特性一般地可以被用在各种不同的系统中。图25中示出了可以利用波导的一般系统的示例。图25概念性地图示了示出根据本发明的各种实施例的用于波导显示器的部件的系统图。如所示，系统2500利用可以将光输出到波导2502内的光源2501。所使用的光源可以是各种不同的系统。在一些实施例中，光源2501来自投影仪。在许多实施例中，光源2501还包括微显示面板和照亮显示面板所需的光学部件。在进一步的实施例中，光源2501包括准直仪和其它光学部件，用于在进入波导之前将光操纵成期望的形式。在其它实施例中，光源2501是自然光。一旦光源2501将光输出到波导2502内，那么波导2502就可以以期望的方式操纵和重新导引光进和出接收器2503。波导可以是本领域内已知的任何一般的波导和/或如上所描述的波导之一。接收器可以是能够接收来自波导的光的许多部件中的任何部件。在许多实施例中，接收器2503是用户的(一个或多个)眼睛。在一些实施例中，接收器2503是另一个波导。在若干实施例中，接收器2503是能够显示来自波导2502的光的显示器。在进一步的实施例中，显示器是可以将光反射到另一个接收器上的简单的玻璃。系统2500可以可选地包括用于与SBG结合使用的开关设备2504和电气部件。在许多实施例中，开关设备2504可以可选地接收来自光源的数据，以便引入电压以在适当的时间将SBG转到ON位置。
波导曝光过程和母版系统
除了图4A-图4D中描述的用于记录透射波导和反射波导两者的曝光方案外，许多母版技术也可以被用于执行这样的记录并形成各种波导结构和光栅。在各种实施例中，母版系统包括振幅光栅(“AG”)的使用。这样的光栅可以被用于形成具有不同配置的各种类型的光栅。在许多实施例中，振幅母版光栅被用于在波导内形成RKV光栅。在进一步的实施例中，振幅光栅包含光栅周期的线性变化，被称为啁啾。啁啾光栅可以以许多不同方式被利用。图26概念性地图示了根据本发明的实施例的利用啁啾振幅光栅的曝光过程。如所示，该过程包括使用与聚焦元件2601相互作用的输入波束2600，以提供1D聚焦。零级输入波束2602可以被导引朝向啁啾AG 2603，从而提供具有线性变化的衍射形貌。然后，两个波束可以组合以形成期望的干涉图案来曝光波导基板2604。如所示，与曝光平面的分隔距离以及(一个或多个)衍射波束的起始可以是关键的。在说明性实施例中，透明间隔块2605被用于控制分隔距离。
在许多实施例中，可以将单个波束曝光系统与振幅光栅结合使用，以在波导内形成光栅。图5概念性地图示了一个这样的实施例。在接近于接触复制的模式下，单个波束的使用可以被视为直接接触复制和单独的两波束接触复制之间的混合—即，混合接触复制。在不可能进行直接接触复制的情况下，诸如从母版平面到曝光平面的分隔距离不可忽略的情况下，这个方法可以是有用的。在这样的情况下，分隔距离可能是关键的。例如，在RKV光栅的曝光过程中，分隔距离可以是重要的，并且应当被计算在内，以便保持在整个RKV光栅上的表面投影条纹周期(没有其就不可能维持完整的波导路径互易性)。在若干实施例中，单个平面波前输入波束可以被配置为与柱面透镜相互作用，以提供1D聚焦。在进一步的实施例中，光的至少一部分可以通过与啁啾母版的相互作用生成衍射波束，并且另一部分可以作为零级穿过(具有衰减)，从而保持柱面透镜的原始的1D聚焦功能。
在许多实施例中，母版可以被设计为结合多于一个振幅光栅。与对于每个光栅利用单个母版的系统相比，通过在单个母版中结合多个振幅光栅，可以减少对准误差。在一些实施例中，母版系统包括具有三个振幅光栅的母版。在若干实施例中，母版可以被开发为在同时曝光写在一个板中的三个图案中结合RKV功能。输入母版光栅和/或输出母版光栅可以是啁啾光栅，其中在不与芯片重叠的零级区域中根据需要有附加的光栅。
在许多实施例中，波导结构内的母版多光栅元件可以涉及多次曝光的使用。在这样的实施例中，可以使用多步骤过程，在该多步骤过程中与接触复本元件的不同光栅元件对应的不同区域被曝光。在许多这样的实施例中，该过程可以包括顺序地曝光接触复本。例如，该过程可以包括首先曝光输出光栅区域(例如，仅使用大面积的O/P母版或多光栅母版的一部分)，并且然后多次曝光以形成折叠光栅区域。
结合有多于一个振幅光栅的母版也可以被用于同时曝光多于一个的光栅。在这样的系统中，准直的或相干的入射光束一般地经由光学器件通过母版AG被聚好焦，并通过合适的透明基板材料被带到接触复本的期望区域上。图27A和图27B概念性地图示了根据本发明的实施例的用于同时形成三个光栅的曝光过程。如所示，在许多这样的实施例中，光学器件被用于将准直光同时导引到期望的光栅区域上，以在一次曝光中达到多个光栅(例如，输入、输出和折叠)的形成。在说明性实施例中，该过程包括使用包含光栅的母版2700、用于调整分隔距离的玻璃板2701以及作为在其中记录光栅的材料的接触复本基板2702。该过程利用被导引在三个反射镜2704-2706处的准直波束2703，其将波束2703重新导引朝向母版光栅2700。一旦波束2703被入射到母版光栅2700上，就可以发生类似于图5中所描述的曝光/固化过程，在接触复本2702上同时形成三个不同的光栅。在许多实施例中，可以利用3:1母版过程来在单次曝光中制造具有输入光栅、折叠光栅和输出光栅的全息波导。在各种这样的实施例中，输入光栅、折叠光栅和/或输出光栅是RKV光栅。在许多实施例中，可以将折叠光栅分割成多个区。虽然根据具体应用的要求可以利用任何数量的区，但是在本发明的一些实施例中，折叠光栅可以被分成5个部分。
虽然图27A和图27B示出了要形成的光栅的具体数量和布置，但是将理解的是，可以提供任何数量和布置的这样的光栅。类似地，可以提供任何数量和布置的照明波束。例如，如图28中所示，其中要求三色波导，波束可以被光学地布置为允许用于红2800、绿2801和蓝2802通道的波束通过母版被入射到接触复本区域上。虽然图27A、图27B和图28示出了母版系统和布置的概念性图，但是将理解的是，这些概念性元件可以采取允许相对于母版和接触复本区域固定光学元件所需的任何合适的光学框架、可移动适配器、曝光板等的形式。
如前所述，根据本发明的实施例的具体应用的要求，与母版和制造实施例相关联地实现的全息波导可以是单个片和/或为波导的堆叠。例如，全息波导可以包括三层，对于红、蓝和绿中的每个有一层。关于图13示出并讨论了具有三层的全息波导的概念性说明。
在典型的RKV光栅中，光栅向量在与构造波束的入射平面相同的平面上滚动。在折叠光栅中，光栅向量可以垂直于构造波束的入射平面滚动。现在转到图29A-图29C，示出了根据本发明的许多实施例的用于生成RKV光栅的各种方法的概念性图示。许多实施例包括阶梯状折叠RKV，其中每个部分中的角度垂直于K向量方向改变，如图29B和图29C中所示。交叉项MUX限制可以被在任何单个时刻、单个输入角度接近的扫描波束克服。若干实施例包括被扫描的RKV折叠光栅，其中被扫描的波束在平面折叠母版光栅的孔径上以不连续的阶梯以不同的角度曝光RKV，以生成阶梯式母版。如先前所讨论的，在许多实施例中，在任何给定的时刻，仅单个输入波束角被用于照明折叠母版。
除了上面的讨论，如图30A中所示，根据本发明的许多实施例的母版系统可以采用啁啾光栅用于各种其它目的。这些啁啾光栅可以在曝光平面上的入射波束不准直时帮助校正，并校正母版与所制造的全息波导之间的差异。例如，全息波导通常在有限厚度的波导单元内部，而母版通常具有用于防止铬的损坏的薄的保护覆层。啁啾光栅可以被用于补偿这些附加层。可以酌情利用各种保护涂层中的任何保护涂层，诸如玻璃和SiO2保护层，以满足本发明的实施例的具体应用的要求。
在图30B中示出了根据本发明的实施例的双啁啾光栅母版的概念性图。3:1双啁啾光栅比现有技术的制造技术提供了各种优点。RKV可以显著改善全息波导的效率和均匀性。RKV输入可以提供更多输入耦合给波导，而RKV输出可以提供更好的光瞳形成，从而允许改善的亮度。如以上所讨论的，允许同时曝光RKV输入和输出光栅(和折叠)可以减少总的制造/过程时间。在许多实施例中，两个光栅共享在母版与全息波导之间的相同的间隔物和/或光学密度，因此RKV分布和间隔物窗口可以被配置为是平衡的。
根据本发明的实施例的各种母版系统利用零级光栅。零级光栅可以被用于控制零级波束的透射率，使得它将接近啁啾光栅的透射率，以允许连续的波束比。这防止了曝光(并且因此复制的光栅部分中的衍射效率)上的不连续性。图31中示出了根据本发明的实施例的利用零级光栅连同啁啾光栅的母版系统的概念性图。在各种实施例中，零级光栅不具有衍射级次或衍射级次不干扰系统。母版和/或能量波束的朝向可以被用于控制不想要的衍射波束的方向，但是然后需要考虑光栅和零级波束的相对偏振。为了消除衍射，在各种实施例中，光栅的周期可以小于获得倏逝衍射波的极限。在各种实施例中，使用具有与边界处的啁啾光栅相似的透射率和/或周期的母版光栅允许在液晶基板中产生无缝复本。
在许多实施例中，母版系统利用参考光栅来对准透镜位置，以获得准确的光栅周期。图32中提供了这样的系统的概念性图，示出了相对于输入啁啾(K11)和0级平面(K12)光栅、输出啁啾(K32)和0级平面光栅(K32)以及折叠光栅(K2)的参考光栅K13(输入)和K33(输出)。参考光栅可以通过允许同时曝光输入光栅、折叠光栅和输出光栅来帮助改善3:1构造，其减少了总制造时间，提供了高准确性：光栅对准的准确性由母版给出，它可以准确到0.1nm，并且提供了紧凑的设计，该紧凑的设计对更大体量的生产是有吸引力的。在若干实施例中，能量波束被准直。为了确保使用了用于生成的准直的入射波束或RKV光栅，反向光线跟踪可以通过跟踪从全息波导到透镜的理想构造的光线被采用，修改窗口厚度被用于改变波束相对于全息平面的焦点，以及偏移透镜可以实现从母版到液晶基板的准直的波束输出。
在若干实施例中，母版系统避免产生其它级次的波束和/或避免干扰聚焦在液晶基板上的能量波束，如图33中所示。为了避免不希望级次的波束击中光栅区域，可以调整窗口厚度、可以修改玻璃、可以改变RKV分布、可以改变透镜和/或改变入射波束角度，和/或低折射率材料可以被用于使不期望的级次被低折射率材料全反射。
在许多实施例中，母版系统利用一个或多个衍射装置，其中母版中的相同位置需要生成两个不同的折射波束，除非它们为不同的衍射级次，否则这是不可能的。为了简化制造，母版被布置在没有衍射波束交叉的配置中。在各种实施例中，母版被放置为尽可能靠近液晶基板。在若干实施例中，母版被放置为足够远离交叉末端，但这会引起0级与衍射波束之间的大的分隔。当母版被放置得太远时，可能发生衍射波束的交叉(例如，参见图34)。当母版被放置得太近时，不期望的衍射级次可能击中液晶基板。因此，根据本发明的实施例的母版系统将从液晶基板到母版板的距离限制在一定范围内。为了增大这个范围，高折射率玻璃可以被用于减小光线角度，使得衍射波束通过更长的行进才交叉。此外，短波长曝光也可以减小光线角度，其也有所帮助。在高折射率板被用在母版堆叠中的许多实施例中，菲涅耳反射需要被管理；特别是对于母版和复本平面之间的高折射率板。
等同原则
虽然以上讨论了具体的系统和方法，但是根据本发明可以实现许多不同的实施例。因此，要理解的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以以不同于具体描述的方式来实践本发明。因而，本发明的实施例在所有方面都应当被认为是说明性的而非限制性的。相应地，本发明的范围不应当由所示的实施例来确定，但是应当由所附权利要求及其等同来确定。虽然已在本公开中详细描述了具体实施例，但是许多修改是可能的(例如，各种元件的尺寸、维度、结构、形状和比例、参数的值、安装布置、材料的使用、色彩、朝向等的变化)。例如，元件的位置可以颠倒或以其它方式变化，并且分立元件的性质或数量或位置可以更改或改变。相应地，所有这样的修改都旨在被包括在本公开的范围内。根据替代实施例，任何过程或方法步骤的次序或顺序可以变化或重新排序。在不脱离本公开的范围的情况下，可以在示例性实施例的设计、操作条件和布置中进行其它替换、修改、改变和省略。

Claims (10)

1.一种用于记录全息图的方法，所述方法包括：
提供波导单元，所述波导单元包括夹在两个基板之间的聚合物分散的液晶混合物层；
提供母版光栅；
朝向所述母版光栅发射至少一个记录波束，其中在与所述母版光栅相互作用后，所述至少一个记录波束的一部分朝向所述波导单元衍射；以及
使用至少由所述至少一个记录波束的衍射部分形成的干涉曝光在所述波导单元内记录至少一个体光栅。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述母版光栅包括振幅光栅。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述母版光栅包括啁啾光栅。
4.如权利要求3所述的方法，其中记录的所述体光栅包含滚动的K向量。
5.如权利要求1所述的方法，其中记录的所述体光栅包含复用光栅。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述母版光栅包括三个单独的光栅。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述三个单独的光栅被设计为记录输入光栅、折叠光栅以及输出光栅。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述至少一个体光栅包括三个体光栅。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述至少一个记录波束包括三个记录波束。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述干涉曝光由仅一个记录波束的零级波束和衍射部分形成。
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