CN116762027A - 基于波导的显示器中的眼睛辉光抑制 - Google Patents

Abstract

本文公开了用于波导系统中的眼睛辉光抑制的方法和设备。方法和装置的一些实施例包括图像调制光的源；具有面向眼睛的表面和面向外部世界的外部表面的波导；输入耦合器，用于将光耦合到波导中的全反射内部路径；至少一个光栅，用于提供波束扩展并将来自波导的光朝着眼箱提取；聚合物光栅结构，包括调制深度和光栅节距。调制深度大于跨聚合物光栅结构的至少一部分的光栅节距。有利地，聚合物光栅结构被配置为衍射从外部世界进入波导的光或在波导内生成的杂散光远离通过外部表面折射到外部世界的光路。

Description

基于波导的显示器中的眼睛辉光抑制

交叉引用的申请

本申请要求于2020年12月21日提交的美国临时申请63/128,645和2020年12月22日提交的美国临时申请63/129,270的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明一般而言涉及抑制波导系统中的眼睛辉光(eye glow)。

背景技术

波导可以被称为具有约束和引导波能力的结构(即，限制波可以在其中传播的空间区域)。一个子类包括光波导，光波导是可以引导电磁波的结构，通常是可见光谱中的电磁波。可以设计波导结构以使用多种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将入射光衍射并耦合到波导结构中，使得耦合进来的光可以经由全内反射(TIR)在平面结构内继续行进。

波导的制造可以包括使用允许在波导内记录全息光学元件的材料系统。一类这样的材料包括聚合物分散液晶(PDLC)混合物，其是包含可光聚合单体和液晶的混合物。此类混合物的另一个子类包括全息聚合物分散液晶(HPDLC)混合物。全息光学元件，例如体积相位光栅，可以通过用两个相互相干的激光束照射材料来记录在这种液体混合物中。在记录过程中，单体聚合，混合物经历光聚合诱导的相分离，形成由液晶微滴密集分布的区域，并散布着透明聚合物区域。交替的富含液晶和缺乏液晶的区域形成光栅的边缘平面。由此产生的光栅通常被称为可切换布拉格光栅(SBG)，具有通常与体积或布拉格光栅相关的所有特性，但具有更高的折射率调制范围以及在连续范围的衍射效率内电调谐光栅的能力(入射光衍射到所需方向的比例)。后者可以从非衍射(清除)扩展到衍射，效率接近100％。

波导光学器件(诸如上述那些)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架构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，从而在用于增强现实(AR)和虚拟现实(VR)的近眼显示器、用于道路运输、航空和军事应用的紧凑型头顶显示器(HUD)和头盔式显示器或头戴式显示器(HMD)以及用于生物识别和激光雷达(LIDAR)应用的传感器中带来新的创新。

发明内容

各种实施例针对一种波导显示器，包括：图像调制光的源；具有面向眼睛的表面和面向外部世界的外部表面的波导；输入耦合器，用于将光耦合到波导中的全反射内部路径；至少一个光栅，用于提供波束扩展并将来自波导的光朝着眼箱提取；聚合物光栅结构，包括调制深度和光栅节距。调制深度大于跨聚合物光栅结构的至少一部分的光栅节距。聚合物光栅结构被配置为衍射从外部世界进入波导的光或在波导内生成的杂散光远离通过外部表面折射到外部世界的光路。聚合物光栅结构基本上不干扰图像调制光在波导内的传播以及图像调制光朝着眼箱的提取。波导内生成的杂散光包括选自以下的至少一种：由光栅材料散射的光；零级衍射图像调制光；以及沿着不从波导朝着眼箱提取的光路传播的图像调制光。

在各种实施例中，聚合物光栅结构还包括相邻聚合物区域之间的回填材料。回填材料可以具有高于或低于聚合物区域的折射率的折射率。

在另外的各种实施例中，回填材料占据在聚合物光栅结构的相邻部分之间的空间底部的空间，并且空气占据从回填材料的顶表面上方到调制深度的空间。

在另外的各种实施例中，回填材料包括各向同性材料。

在另外的各种实施例中，各向同性回填材料包括双折射材料。

在另外的各种实施例中，双折射材料包括液晶材料。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构的调制深度大于可见光的波长。

在另外的各种实施例中，光栅节距是聚合物光栅结构的衍射特征的间距，并且调制深度是聚合物光栅结构的深度。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构的光栅节距是0.35μm至1μm，聚合物光栅结构的调制深度是1μm至10μm。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构的调制深度与光栅节距间距的比率在从1:1到10:1的范围内。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构被配置为多路复用光栅。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构的一部分被配置为从波导输出耦合光。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构的一部分被配置为扩束器。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构的一部分被配置为将来自源的图像调制光耦合到波导中的全反射内部路径中。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构的调制深度被配置为以高效率输入耦合限定平衡的S偏振光和P偏振光。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构还包括交替的聚合物区域和气隙区域，并且聚合物区域与气隙区域之间的折射率差在从1.4至1.9的范围内。

在另外的各种实施例中，聚合物区域与双折射材料之间的折射率差为0.01至0.2。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构包括二维晶格结构或三维晶格结构。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构包括：聚合物衍射特征；以及相邻聚合物衍射特征之间的双折射材料，其中双折射材料具有比聚合物衍射特征更高的折射率。

在另外的各种实施例中，输入耦合器是光栅或棱柱。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构的调制深度跨波导变化以提供空间变化的偏振相关衍射效率特点。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构的调制深度跨波导变化以提供空间变化的角度相关衍射效率特点。

在另外的各种实施例中，可以通过用特定折射率或双折射的光学材料回填聚合物光栅结构来提供空间、角度或偏振衍射效率特点中的至少一个。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构被配置为Bragg光栅或Raman-Nath光栅。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构在波导的外部表面和/或波导的面向眼睛的表面上形成并且至少部分地与输入耦合器和/或至少一个光栅重叠以提供波束扩展并从波导中提取光。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构包括包含Bragg光栅、Raman-Nath光栅和无光栅的区域。这些区域至少部分地覆盖输入耦合器和至少一个光栅，用于提供波束扩展和提取光。

在另外的各种实施例中，波导显示器还包括光控制层，其与不含光栅的聚合物光栅结构的区域重叠。

在另外的各种实施例中，光控制层提供选自以下的至少一种：偏振旋转、偏振选择吸收、偏振选择透射、偏振选择衍射、角度选择透射、角度选择吸收、抗反射率，以及在限定光谱带宽内的透射。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构包括倾斜角连续变化或分段变化的滚动K向量光栅。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构包括具有空间变化节距的光栅。

在另外的各种实施例中，从外部世界进入波导的光由外部光源提供并且通过波导的外部表面和/或面向眼睛的表面进入波导。

在另外的各种实施例中，从外部世界进入波导的光包括从显示器的观看者的解剖学表面反射。

在另外的各种实施例中，波导包括两个基板并且聚合物光栅结构或者夹在两个基板之间或者定位在任一基板的外部表面上。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构是至少一种类型的聚合物和至少一种其它材料的复合物。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构是聚合物和至少一种其它材料的复合物，其中在形成聚合物光栅结构之后去除聚合物。

在另外的各种实施例中，至少一种其它材料包括纳米颗粒。

在另外的各种实施例中，至少一种其它材料包括功能化的纳米粒子。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构涂有光学材料。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构涂有反射光学材料。

在另外的各种实施例中，施加到聚合物光栅结构的涂层提供高达2.5的有效折射率。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构涂有第一材料并且被涂敷的光栅被回填有折射率高于第一材料的折射率的第二材料。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构涂有第一材料并且被涂敷的光栅被回填有折射率低于第一材料的折射率的第二材料。

在另外的各种实施例中，聚合物光栅结构包括定位在波导的外部表面上的第一光栅结构和定位在波导的面向眼睛的表面上的第二光栅结构。

在另外的各种实施例中，第一光栅结构与第二光栅结构具有不同的光栅周期。

各种实施例还针对一种用于减少来自波导显示器的眼睛辉光的方法，包括：提供图像调制光的源、波导、输入耦合器；以及至少一个光栅，用于提供波束扩展并将光从波导提取到眼箱，其中波导包括面向眼睛的表面和面向外部世界的外部表面；提供包括调制深度和光栅节距的聚合物光栅结构，其中调制深度跨聚合物光栅结构的至少一部分大于光栅节距；将图像调制光引导到波导中的全内反射路径，波束扩展光并将其提取到眼箱；使用聚合物光栅结构引导在波导内传播的光远离通过外部表面折射到外部世界的光路；使用聚合物光栅结构衍射从外部世界进入波导的光或波导内生成的杂散光远离通过外部表面折射的光路。

各种实施例还针对基于波导的显示设备，包括：

·包括输入耦合光学元件和输出耦合光学元件的波导，其中输入耦合光学元件被配置为输入耦合图像调制光，并且输出耦合光学元件被配置为将图像调制光输出耦合到用户，其中波导包括外部表面和与外部表面相对的内表面，并且其中内表面比外部表面更靠近用户表面；以及

·在波导的与用户相对的外部表面上方的部分光阻挡层，

·其中部分光阻挡层被配置为防止从波导的外部表面射出的眼睛辉光光进入波导的外部表面之外的环境。

在各种实施例中，眼睛辉光光包括从外部表面射出远离用户的光。

在另外的各种实施例中，眼睛辉光光是由输出耦合光学元件、输入耦合光学元件和/或内表面反射的光。

在另外的各种实施例中，波导使输入耦合的在内表面和外部表面之间以全内反射(TIR)方式被引导。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层吸收可见光谱的一部分中的光。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层包括窄带染料吸收层。

在另外的各种实施例中，窄带染料吸收层包括悬浮在透明基质中的光吸收染料。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层包括超材料吸收层。

在另外的各种实施例中，超材料吸收层包括在超材料中形成的吸收体。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层使可见光谱的一部分中的光朝着用户偏转。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层包括电介质或二向色反射器。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层将可见光谱的一部分中的光转换成不可见辐射。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层包括量子点或磷光体。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层将可见光谱的一部分中的光衍射到不进入环境的路径中。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层包括反射或透射衍射结构。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层包括反射光栅层。

在另外的各种实施例中，反射光栅层被配置为将光朝着光吸收元件指引。

在另外的各种实施例中，反射光栅层定位在两个波导基板之间。

在另外的各种实施例中，反射光栅层包括全息记录的光栅。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层包括多个重叠的衍射结构，每个结构被配置为衍射眼睛辉光光的独特角带宽并将其衍射到光吸收元件上。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层包括多个多路复用的衍射结构，每个多路复用的衍射结构被配置为将眼睛辉光光的独特角带宽衍射到光吸收器上。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层直接涂覆在波导上。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层被涂覆在部署在波导上的基板上。

在另外的各种实施例中，间隔物定位在基板和波导之间以在基板和波导之间形成间隙。

在另外的各种实施例中，间隙是气隙。

在另外的各种实施例中，基板包括保护层。

在另外的各种实施例中，显示设备还包括定位在波导下方的另一个波导。

在另外的各种实施例中，显示设备还包括部署在波导和另一个波导之间以在波导和另一个波导之间形成间隙的间隔物。

在另外的各种实施例中，间隙包括气隙。

在另外的各种实施例中，显示设备还包括另一个部分光阻挡层，其中该另一个波导被配置为显示与波导不同波长的光，其中部分光阻挡层被配置为阻挡与波导被配置为显示的光的波长对应的光的波长，并且其中该另一个部分光阻挡层被配置为阻挡与另一个波导被配置为显示的光的波长对应的光的波长。

在另外的各种实施例中，该另一个波导被配置为显示与波导不同波长的光，其中部分光阻挡层被配置为阻挡与所述波导和另一个波导的光波长对应的光的波长。

在另外的各种实施例中，波导是第一波导并且显示设备还包括第二波导和第三波导。

在另外的各种实施例中，第一波导、第二波导和第三波导各自被配置为显示不同波长的光。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层是第一部分光阻挡层并且显示设备还包括第二部分光阻挡层和第三部分光阻挡层，其中第一部分光阻挡层被配置为阻挡与第一波导被配置为显示的光的波长对应的光的波长，其中第二部分光阻挡层被配置为阻挡与第二波导被配置为显示的光的波长对应的光的波长，并且其中第三部分光阻挡层被配置为阻挡与第三波导被配置为显示的光的波长对应的光的波长。

在另外的各种实施例中，第二波导部署在第一波导和第二波导之间。

在另外的各种实施例中，第二部分光阻挡层在第二波导的顶表面上形成。

在另外的各种实施例中，第二部分光阻挡层在部署在第一波导上方的基板上形成。

在另外的各种实施例中，显示设备还包括部署在基板和第一波导之间以在基板和第一波导之间形成气隙的间隔物。

在另外的各种实施例中，基板包括保护层。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层与输出耦合光学元件重叠而不与输入耦合光学元件重叠。

另外，各种实施例针对增强现实或混合现实头戴式显示设备，包括：贯穿本公开描述的显示设备；以及投影仪，被配置为将包含光的图像朝着输入耦合光学元件投影。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层包括液晶聚合物或胆甾型液晶。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层包括与平行于输出耦合光学元件的主k向量对准的线性偏振器。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层包括相位扰码器，该相位扰码器使得被相位扰码器引导回到波导中的光与通过输出耦合光学元件输出耦合到用户的图像光异相。

在另外的各种实施例中，部分光阻挡层包括微百叶窗膜。

另外，各种实施例针对抑制眼睛辉光的方法，该方法包括：

·提供：

ο图像调制光的源，

ο波导，其具有靠近用户眼睛的内反射表面和定位在内反射表面上方的外反射表面，波导支撑输入耦合光学元件和输出耦合光学元件，以及

ο在外反射表面上方的部分光阻挡层；

·将来自图像调制光的源的图像调制光耦合到波导中；

·使用输出耦合光学元件提取图像调制光以从波导朝着用户观察；

·使用部分光阻挡层阻止非Bragg图像调制光作为眼睛辉光光通过外部表面离开波导。

在各种实施例中，阻挡非Bragg图像调制光包括吸收非Bragg图像调制光。

在另外的各种实施例中，阻挡非Bragg图像调制光包括使非Bragg图像调制光朝着用户偏转。

在另外的各种实施例中，阻挡非Bragg图像调制光包括将非Bragg图像调制光转换成不可见辐射。

在另外的各种实施例中，阻挡非Bragg图像调制光包括将非Bragg图像调制光衍射到不进入环境的路径中。

在另外的各种实施例中，该方法还包括吸收衍射的非Bragg图像调制光。

在另外的各种实施例中，该方法还包括衰减衍射的非Bragg图像调制光。

附图说明

参考以下附图将更充分地理解本描述，这些附图作为本发明的示例性实施例呈现并且不应被解释为对本发明的范围的完整叙述。

图1A概念性地图示了根据本发明的实施例的眼睛辉光现象作为非Bragg相互作用的产物。

图1B概念性地图示了根据本发明的实施例的作为菲涅耳反射产物的眼睛辉光现象。

图2图示了根据本发明的实施例的结合衍射元件作为眼睛辉光抑制层的波导显示器。

图3A图示了根据本发明的实施例的在眼睛辉光抑制层中结合了衍射元件的波导显示器。

图3B图示了根据本发明的实施例的包括透射衍射元件的眼睛辉光抑制层的示例。

图3C图示了根据本发明的实施例的包括反射衍射元件的眼睛辉光抑制层的示例。

图4概念性地示意性地图示了根据本发明的实施例的包含反射光栅作为眼睛辉光抑制结构的波导显示器。

图5图示了根据本发明的实施例的实现用于眼睛辉光抑制的表面浮雕光栅的波导显示器。

图6图示了根据本发明的实施例的部署在分开的基板上用于抑制眼睛辉光的反射光栅。

图7图示了根据本发明的实施例的包括二向色反射器涂层的波导显示器。

图8图示了根据本发明的实施例的包括三个不同波导的基于波导的显示器的构造。

图9图示了根据本发明的实施例的包括三个不同波导的基于波导的显示器的构造。

图10图示了根据本发明的实施例的包括三个不同波导的基于波导的显示器的构造。

图11A图示了根据本发明的实施例的包括二向色滤光器的基于波导的显示器的横截面图。

图11B是图11A中所示的基于波导的显示器的示意性平面图。

具体实施方式

为了描述实施例的目的，光学设计和视觉显示领域的技术人员已知的光学技术的一些众所周知的特征已被省略或简化，以免混淆本发明的基本原理。除非另有说明，否则与射线或波束方向相关的术语“在轴上”是指平行于与关于本发明描述的光学组件的表面垂直的轴的传播。在以下描述中，术语光、射线、波束和方向可以互换使用并且彼此相关联以指示电磁辐射沿着直线轨迹的传播方向。术语光和照明可以关于电磁频谱的可见光和红外波段使用。将使用光学设计领域的技术人员常用的术语来呈现以下描述的部分。如本文所使用的，在一些实施例中，术语光栅可以涵盖由一组光栅组成的光栅。为了说明的目的，应该理解的是，除非另有说明，否则附图不是按比例绘制的。

在基于波导的显示器中，光可以朝着用户衍射，也可以远离用户衍射。眼睛辉光可以包括从显示波导的正面(例如，离眼睛最远的波导面)发出并且起源于眼睛的反射表面、波导反射表面和光栅表面(由于泄漏、杂散光衍射、散射和其它效应)的不需要的光。被衍射掉的光通常被称为“眼睛辉光”，对安全、隐私和社会可接受性造成不利影响。“眼睛辉光”可以指由于显示器漏光导致用户的眼睛看起来通过眼睛显示器发光或发亮的现象，这产生可能会让一些人感到不安的美感。除了对时尚意义上的社会可接受性的担忧之外，眼睛辉光还会带来不同的问题，即，当眼睛辉光足够清晰时，观看用户的观众可以能够看到仅供用户使用的投影的图像。因此，眼睛辉光会给许多用户带来严重的安全问题。近眼显示器中有许多眼睛辉光源，包括但不限于菲涅尔反射和Bragg衍射。这可以是所有衍射波导解决方案(表面浮雕光栅、体积Bragg光栅等)和可以利用透视的光学组合器方法的问题。除了阻挡不需要的眼睛辉光外，波导还可以维持高透射，以允许观看者仍然看到真实世界。此外，眼睛接触的需要驱动了高度透明的波导，同时阻挡了眼睛辉光。抑制眼睛辉光可以是一种选择性光阻挡技术，适用于所有波导和光学组合器增强现实或混合现实可穿戴设备。眼睛辉光抑制也可以应用于基于波导的平视显示器，诸如汽车平视显示器或航空航天应用的平视显示器。

当从波导显示器消除眼睛辉光时，在配置波导光栅以最大化图像光传播到眼箱中与引导任何杂散光远离可能通过波导前部折射的路径之间取得平衡是有益的。这里的杂散光可以包括由于衍射效率而未衍射到眼箱中的任何图像光，以及由光栅材料和光栅缺陷产生的雾(haze)。从波导外部表面发出的杂散光会导致眼睛辉光。在许多情况下，杂散光中的至少一些可以通过波导的内(近眼)表面从波导中射出。来自内部的光可能从用户的脸上散射，如果它通过波导的前部折射，那么可能提供一定程度的眼睛辉光。对于以眼睛辉光形式出现的杂散光，它可以以小于临界角的角度撞击波导的外部表面。在许多情况下，这种光所采用的光路可以具有相对于向眼箱传播的图像光的偏振旋转。在许多实施例中，如在折叠光栅和双相互作用光栅的情况下，眼睛辉光可以在光栅区域周围具有高浓度，在该光栅区域中多波束光栅相互作用会导致不需要的光提取。

所公开的眼睛辉光抑制系统可以包括一个或多个聚合物光栅结构，其可以在能够在协助或不干扰图像光向眼箱的传播的同时从前表面转移杂散光方面提供优势。在许多实施例中，聚合物光栅结构可以被配置为具有调制深度和光栅节距的Bragg光栅，其中跨聚合物光栅结构的至少一部分，调制深度大于光栅节距。在一些实施例中，聚合物光栅结构可以被配置为在Raman-Nath衍射范围内起作用的Raman-Nath光栅。Raman-Nath光栅可以跨聚合物光栅结构的至少一部分具有小于光栅节距的调制深度。聚合物光栅结构的调制深度可以被配置为以高效率输入耦合(incouple)限定平衡的S偏振光和P偏振光。

在许多实施例中，聚合物光栅结构可以跨波导的指定部分具有Bragg光栅的特点和跨波导的其它部分具有Raman-Nath光栅的特性。在许多实施例中，聚合物光栅结构可以功能性地完全在Bragg范围内或完全在Raman-Nath范围内操作以抑制眼睛辉光。Bragg光栅可以用在高衍射效率和偏振选择性有利的地方。Bragg光栅可以与折叠光栅区域重叠，这常常与偏振旋转相关联。Raman-Nath光栅在大角度操作有益的情况下可以能是有利的，例如用于将杂散光引向吸收器或布置在波导边缘周围的其它类型的光捕获特征。

在本文描述的波导结构可以使用各种不同的方法减轻或抑制眼睛辉光，这些方法可以根据应用适当地单独或结合使用。现在转向附图，为了更好地说明眼睛辉光的问题，在图1A中概念性地图示了说明根据本发明的实施例的波导显示器中的眼睛辉光的源的图。波导100包括光栅层110，其包括夹在两个基板111、112之间的一个或多个全息光栅。

波导100的区域120图示了波导显示器的预期操作。在许多实施例中，全息光栅被设计为在Bragg衍射下将波束衍射到波导显示器的眼睛侧。如图所示，在波导100内以TIR路径行进的波束122在与光栅层110内的光栅相互作用时以预定角度θ2朝着波导100的眼睛侧衍射到全息光栅，穿过到达观众的眼睛113。在一些实施例中，光可以朝着眼睛侧衍射并且还可以远离眼睛侧衍射。被衍射掉的光通常被称为“眼睛辉光”，对安全、隐私和社会可接受性造成不利影响。波导100的区域130图示了Bragg相互作用，这是许多波导显示器中眼睛辉光的主要来源。入射波束132由于与光栅层110中的光栅的离Bragg(off-Bragg)相互作用而被弱衍射，导致波束132的一部分以预定角度θ1衍射为眼睛辉光波束134，其穿过到达波导100的与眼睛侧(或环境侧，即，与输出侧相对的一侧)相对的侧。当外部观看者看到时，这种眼睛辉光波束可以看起来像眼睛辉光。虽然本文使用“眼睛侧”来讨论预期的衍射方向，但可以清楚地认识到，对于未被设计为戴在眼睛上的光学系统，非Bragg相互作用会造成问题，因此本文描述的体系架构可以清楚地应用到任何有类似问题的光学系统。例如，在传感器中，非Bragg光路会导致杂散光路，从而降低传感器的信噪比。眼睛辉光也可以是红外波导的一个问题。例如，眼动仪中的非Bragg路径会导致可检测到的红外辐射。

虽然眼睛辉光现象和预期操作被示为发生在波导100的分开的位置，但应理解的是，眼睛辉光现象和预期操作实际上可以在整个波导显示器中并发地发生，这取决于设备的体系架构。此外，虽然图1A中图示了眼睛辉光的重要因素，但预期其它因素也会导致眼睛辉光。例如，波导显示器的眼睛一侧的表面界面上的菲涅耳反射也会导致眼睛辉光。在一些情况下，也可能发生在用户眼睛表面上的散射，或进入波导并从波导中衍射出来的太阳光会导致眼睛辉光。

图1B中概念性地图示了根据本发明的实施例的造成眼睛辉光的反射的示例。如图所示，朝着用户眼睛衍射的波束的一部分可以在表面界面被反射回，其表示菲涅耳反射。反射波束140a可以穿过波导并作为眼睛辉光波束从波导的环境侧射出。反射波束140b也可以由光栅层110产生。要注意的是，图1A和1B图示了一般的射线路径和相互作用，并且可能并未完整示出波导光学器件的性质。例如，以非垂直角度射出和射入波导的射线会导致波导表面的折射角改变。有了对眼睛辉光的不同来源的这种理解，下面将更详细地描述所提出的不同眼睛辉光抑制结构。

眼睛辉光抑制结构

根据本发明的各种实施例的用于抑制眼睛辉光的体系架构试图通过反射和/或重定向眼睛辉光波束来减轻眼睛辉光的原因。同一个显示系统中可以多次引入眼发光抑制结构，其具体配置可以基于特定系统而定。例如，在使用多个不同波导(例如，用于不同波长和/或角度频带)的系统中，多个眼睛辉光抑制结构可以包括在整个系统中。在许多实施例中，可以包括减轻来自多个波导的眼睛辉光波束的单个眼睛辉光抑制结构。除了阻挡不需要的眼睛辉光外，波导还具有高透射，使用户能够看到真实世界。因此，高度透明的波导在阻挡眼睛辉光的同时是有利的。抑制眼睛辉光可以是一种用于所有波导和光学组合器AR/XR可穿戴设备的选择性光阻挡技术。

在许多实施例中，可以实现诸如至少一个反射光栅之类的衍射元件以抑制波导显示器内的眼睛辉光的大部分。在多层波导显示系统中，可以为每个波导层实现具有至少一个这样的反射光栅的光栅层。反射光栅可以以许多不同的方式实现。在一些实施例中，反射光栅被实现为次级波导内的光栅层中的全息光栅。这个次级反射波导可以邻近基础波导部署。在这样的配置中，两个波导的基板可以在折射率方面被匹配以提供光可以在其中传播的单个TIR结构。在几个实施例中，反射波导和基础波导之间可以配置有气隙。在多个实施例中，反射光栅在光栅层中实现，该光栅层部署为邻近面向环境侧的基板并且与基础波导的光栅层相对。在此类情况下，波导显示器可以包括三个基板层，它们与两个光栅层交替和交错，从而形成单个TIR结构。反射光栅也可以被实现为表面起伏光栅。例如，可以在波导的环境侧的表面上实现表面反射光栅。

如上所述，多层波导显示器中的每个波导层可以包括反射光栅或反射光栅层，用于抑制眼睛辉光。取决于应用，反射光栅可以被配置为反射预定波长和/或角频带。例如，在三层RGB波导显示系统中，R、G和B层中的每一个都可以用相应的反射光栅或反射光栅层来实现，被配置为反射与该层对应的光谱频带(即，设计用于反射红光的反射光栅可以为波导显示器的R层实现)。在几个实施例中，反射光栅可以被多路复用。在多个实施例中，可以用符合波导显示器的前角的光栅向量记录或形成(一个或多个)反射光栅。

除了反射光栅之外或代替反射光栅，可以使用滤光器来抑制眼睛辉光。例如，可以在波导环境侧的表面应用分色镜或介质镜(例如，介质反射镜)。类似于上述配置，多层波导显示系统可以包括用于每个波导层的二向色反射器，其中每个二向色反射器被配置为反射对应于单独波导层的特定波长和/或角频带。在许多实施例中，波导显示器包括附加的保护层。在此类情况下，可以将实施方式所期望的二向色反射器之一结合到保护层上。

用于抑制眼睛辉光的另一种方法包括使用量子点，其结构可以吸收第一波长的光并发射第二波长的光。在许多实施例中，量子点可以结合在与波导的环境侧相邻的基板内。量子点可以被配置为吸收特定波长的光，该特定波长与其被结合在其中的特定波导层对应。例如，被配置为吸收与红色光源对应的特定波长的红色的量子点可以结合在红色波导层的基板中。量子点还可以被配置为发射移到预定波长带(例如，红外线)的光，从而允许抑制眼睛辉光。

如可以清楚地认识到的那样，可以根据本发明的各种实施例适当地实现用于抑制眼睛辉光的几种方法和结构。要实现的具体配置可以取决于应用。在许多情况下，所使用的方法和结构的选择可以包括几个因素的平衡，包括但不限于透视透射、抑制性能、成本等。另外，如上所述，与眼侧界面相互作用的射线可以由于菲涅耳反射而反射，从而导致眼睛辉光。在许多实施例中，可以使用波导的眼睛侧表面上的抗反射涂层大部分(或完全)减轻由于菲涅尔反射引起的眼睛辉光射线。下面依次讨论光学结构、眼睛辉光抑制结构以及实施方式和应用的相关方法。

光波导和光栅结构

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。可以实现光栅以执行各种光学功能，包括但不限于耦合光、指引光和防止光的透射。在许多实施例中，光栅是位于波导的外部表面上的表面浮雕光栅。在其它实施例中，所实现的光栅是Bragg光栅(也称为体光栅)，其是具有周期性折射率调制的结构。Bragg光栅可以使用多种不同的方法制造。一种过程包括全息光聚合物材料的干涉曝光以形成周期性结构。Bragg光栅可以具有高效率，很少有光被衍射成更高阶。衍射阶和零阶光的相对量可以通过控制光栅的折射率调制来改变，可以被用于制造有损波导光栅以在大光瞳上提取光的特性。

全息波导设备中使用的一类Bragg光栅是可开关Bragg光栅(SBG)。SBG可以通过首先在基板之间放置可光聚合单体和液晶材料的混合物的薄膜来制造。基板可以由各种类型的材料制成，诸如玻璃和塑料。在许多情况下，基板呈平行构造。在其它实施例中，基板形成楔形。一个或两个基板可以支撑电极，通常是透明的氧化锡膜，用于在整个膜上施加电场。可以通过用具有空间周期性强度调制的干涉曝光进行光聚合诱导相分离，将SBG中的光栅结构记录在液体材料(通常称为浆体)中。诸如但不限于控制辐射强度、混合物中材料的组分体积分数和曝光温度等因素，可以确定结果所得的光栅形态和性能。可以清楚地理解，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。在记录处理期间，单体聚合并且混合物进行相分离。LC分子聚集形成离散的或聚结的液滴，这些液滴周期性地分布在光学波长范围内的聚合物网络中。交替的富含液晶区域和缺乏液晶区域形成光栅的条纹平面，这可产生具有强光学偏振的布拉格衍射，该强光学偏振由液滴中LC分子的朝向顺序引起。

结果所得的体积相位光栅可以表现出非常高的衍射效率，这可以通过施加在薄膜上的电场的强度来控制。在经由透明电极将电场施加到光栅的情况下，LC液滴的自然朝向可能改变，从而导致条纹的折射率调制降低，并且全息图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OFF状态下，液晶的非凡轴通常对齐垂直于条纹。光栅因此对P-偏振光表现高折射率调制和高衍射效率。在对HPDLC施加电场的情况下，光栅切换到ON状态，其中液晶分子的非凡轴对齐平行于所施加的电场并因此对齐垂直于基板。在ON状态下，光栅对S-偏振光和P-偏振光两者都表现出较低的折射率调制和较低的衍射效率。因此，光栅区域不再衍射光。根据HPDLC设备的功能，每个光栅区域可以分成多个光栅元件，诸如，例如像素矩阵。通常，在一个基板表面上的电极是均匀且连续的，而相对的基板表面上的电极是根据多个可选择性开关的光栅元件而图案化的。

通常，SBG元件在30μs内清零，并用更长的驰豫时间接通。设备的衍射效率可以借助于所施加的电压在连续范围内来调整。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，而在施加足够高的电压时则表现出基本上零效率。在某些类型的HPDLC设备中，可以使用磁场来控制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液滴结构的程度。SBG也可以用作无源光栅。在该模式下，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或反射光栅。SBG可以被实现为波导设备，其中HPDLC在波导附近形成波导芯或消逝耦合层。用于形成HPDLC单元格的基板提供全内反射(TIR)光导结构。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。

在一些实施例中，可以从SBG中提取或抽空LC以提供抽空的Bragg光栅(EBG)。EBG可以表征为表面浮雕光栅(SRG)，由于SRG结构的深度(SRG结构的深度远大于实际上可使用表面蚀刻和其它通常用于制造SRG的常规过程所实现的深度)，其具有与Bragg光栅非常相似的特性。可以使用多种不同方法提取LC，包括但不限于用异丙醇和溶剂冲洗。在许多实施例中，SBG的透明基板之一被去除，并且LC被提取。在进一步的实施例中，替换被移除的基板。SRG可以至少部分地回填有更高或更低折射率的材料。此类光栅提供了用于定制效率、角/光谱响应、偏振和其它特性以适应各种波导应用的范围。EBG的示例和用于制造EBG的方法在于2020年8月28日提交的标题为“Evacuating Bragg Gratings and Methods ofManufacturing”的美国专利公开No.2021/0063634中讨论，其通过引用整体并入本文。

根据本发明各种实施例的波导可以包括为特定目的和功能而设计的各种光栅配置。在许多实施例中，波导被设计为通过有效地扩展准直光学系统的出瞳来实现能够在减小透镜尺寸的同时保持眼箱尺寸的光栅配置。出瞳可以被定义为虚拟光圈，只有通过这个虚拟光圈的光线才能进入用户的眼睛。在一些实施例中，波导包括光学耦合到光源的输入光栅、用于提供第一方向波束扩展的折叠光栅，以及用于在通常与第一方向正交的第二方向上提供波束扩展以及朝着眼框的波束提取的输出光栅。如可以清楚地认识到的，光栅配置实现的波导体系架构可以取决于给定应用的特定要求。在一些实施例中，光栅配置包括多个折叠光栅。在若干实施例中，光栅配置包括输入光栅以及用于同时执行波束扩展和波束提取的第二光栅。第二光栅可以包括不同规格的光栅，用于传播视场的不同部分，布置在分离的重叠光栅层中或在单个光栅层中多路复用。此外，还可以使用各种类型的光栅和波导结构。

在若干实施例中，每一层内的光栅被设计为具有不同的光谱和/或角响应。例如，在许多实施例中，跨不同光栅层的不同光栅被重叠或多路复用，以提供光谱带宽的增加。在一些实施例中，使用三个光栅层来实现全色波导，每个光栅层被设计为在不同的光谱带(红色、绿色和蓝色)中操作。在其它实施例中，使用两个光栅层，红-绿光栅层和绿-蓝光栅层，来实现全色波导。如可以清楚地认识到的，此类技术可以类似地被实现以增加波导的角带宽操作。除了跨不同光栅层的光栅的多路复用之外，多个光栅可以在单个光栅层内被多路复用-即，多个光栅可以叠加在同一体积内。在若干实施例中，波导包括至少一个光栅层，该光栅层具有在同一体积中多路复用的两个或更多个光栅规格。在进一步的实施例中，波导包括两个光栅层，每一层具有在同一体积中多路复用的两个光栅规格。可以使用各种制造技术实现在同一体积内多路复用两个或更多个光栅规格。在多个实施例中，多路复用的主光栅与曝光配置一起使用以形成多路复用的光栅。在许多实施例中，多路复用的光栅是通过用曝光光(exposure light)的两种或更多种配置顺序曝光光学记录材料层来制造的，其中每种配置被设计为形成光栅规格。在一些实施例中，通过在曝光光的两种或多种配置之间交替曝光光学记录材料层来制造多路复用的光栅，其中每种配置被设计为形成光栅规格。如可以清楚地认识到的，可以适当地使用各种技术，包括本领域众所周知的技术，来制造多路复用的光栅。

在许多实施例中，波导可以结合以下至少一种：角度多路复用的光栅、颜色多路复用的光栅、折叠光栅、双交互光栅、滚动K向量光栅、交叉折叠光栅、镶嵌光栅、啁啾光栅、具有空间变化的折射率调制的光栅、具有空间变化的光栅厚度的光栅、具有空间变化的平均折射率的光栅、具有空间变化的折射率调制张量的光栅，以及具有空间变化的平均折射率张量的光栅。在一些实施例中，波导可以结合以下至少一种：半波片、四分之一波片、抗反射涂层、分束层、对准层、用于减少眩光的光致变色背层和用于减少眩光的百叶窗膜。在若干实施例中，波导可以支持为不同偏振提供单独光路的光栅。在各种实施例中，波导可以支持为不同光谱带宽提供单独光路的光栅。在多个实施例中，光栅可以是HPDLC光栅、记录在HPDLC中的开关光栅(诸如可开关Bragg光栅)、记录在全息光聚合物中的Bragg光栅或表面浮雕光栅。在许多实施例中，波导在单色频带中操作。在一些实施例中，波导在绿色频带中操作。在若干实施例中，可以堆叠在不同光谱频带(诸如红、绿和蓝(RGB))中操作的波导层以提供三层波导结构。在进一步的实施例中，层被堆叠，波导层之间具有气隙。在各种实施例中，波导层在更宽频带(诸如蓝-绿和绿-红)中操作以提供双波导层解决方案。在其它实施例中，光栅被颜色多路复用以减少光栅层的数量。可以实现各种类型的光栅。在一些实施例中，每一层中的至少一个光栅是可开关光栅。

结合诸如上面讨论的那些光学结构的波导可以在各种不同应用中实现，包括但不限于波导显示器。在各种实施例中，波导显示器是用大于10mm的眼框实现的，眼距大于25mm。在一些实施例中，波导显示器包括厚度在2.0-5.0mm之间的波导。在许多实施例中，波导显示器可以提供至少50°对角线的图像视场。在进一步的实施例中，波导显示器可以提供至少70°对角线的图像视场。波导显示器可以采用许多不同类型的图片生成单元(PGU)。在若干实施例中，PGU可以是反射或透射空间光调制器，诸如硅基液晶(LCoS)面板或微机电系统(MEMS)面板。在多个实施例中，PGU可以是诸如有机发光二极管(OLED)面板之类的发射设备。在一些实施例中，OLED显示器可以具有大于4000尼特的辉度和4k×4k像素的分辨率。在若干实施例中，波导可以具有大于10％的光学效率，使得可以使用辉度为4000尼特的OLED显示器提供大于400尼特的图像辉度。实现P衍射光栅(即，对P偏振光具有高效率的光栅)的波导通常具有5％-6.2％的波导效率。由于P衍射或S衍射光栅会浪费来自非偏振源(诸如OLED面板)的光的一半，因此许多实施例针对能够提供S衍射和P衍射光栅的波导以允许波导的效率提高两倍。在一些实施例中，S衍射和P衍射光栅在分开的重叠光栅层中实现。可替代地，在某些条件下，单个光栅可以为p偏振光和s偏振光提供高效率。在若干实施例中，波导包括通过从HPDLC光栅(诸如上面描述的那些)中提取LC而产生的类Bragg光栅，以针对适当选择的光栅厚度值(通常在2-5μm的范围内)，在某些波长和角度范围内实现高的S和P衍射效率。基于波导的显示设备的示例在于2018年3月30日提交的标题为“WaveguideDisplay”的美国专利公开No.2018/0284440中进行了讨论，其通过引用整体并入本文。

结合保护层的波导

波导和波导显示器可以包括根据本发明的各种实施例的保护层。在许多实施例中，波导或波导显示器包括至少一个保护层。在进一步的实施例中，波导或波导显示器结合了两个保护层，在设备的每一侧各一个。如上文所讨论的，波导和波导显示器可以由透明基板构成，透明基板通过其空气界面提供TIR光导结构。在那些情况下，可以实现并结合保护层，使得对基板的空气界面的破坏最小。在一些实施例中，保护层可以凭借其材料特性和/或沉积到波导基板上的方法补偿基板中的表面缺陷，诸如不限于表面波纹、划痕和造成表面几何形状偏离完美的平面度(或其它期望的表面几何形状)。保护层可以以各种厚度、几何形状和尺寸实现。例如，较厚的保护层可以用于要求更耐用波导的应用。在许多实施例中，保护层的尺寸和形状类似于其被结合在其中的波导。对于弯曲的波导，保护层也可以是弯曲的。在进一步的实施例中，保护层以与波导相似的曲率弯曲。根据本发明的各种实施例的保护层可以由各种材料制成。如可以清楚地认识到的，保护层的特性，包括但不限于厚度、形状和材料组成，可以基于给定应用的具体要求来选择。例如，可以实现保护层以便为各种应用提供结构支撑。在此类情况下，保护层可以由坚固的材料制成，诸如但不限于塑料和其它聚合物。取决于应用，保护层也可以由玻璃、二氧化硅、钠钙玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯、聚乙烯和其它塑料/聚合物制成。

在一些实施例中，保护层可以使用间隔物结合以提供和维持波导的基板和保护层之间的气隙。此类间隔物可以类似于上面部分中描述的那些来实现。例如，可以将间隔物和丙酮的悬浮液喷涂到波导的外部表面上。在许多情况下，期望均匀地喷洒悬浮液。丙酮会蒸发，留下间隔物。然后可以放置保护层(在边缘添加了胶水/粘合剂/密封剂/等)并被抽真空以向下接触间隔物。虽然在一些应用中，间隔物可能会移动少量，但由于范德华力，它们一般会保持在原位。间隔物可以由多种材料中的任何一种制成，包括但不限于塑料(例如，二乙烯基苯)、二氧化硅和导电材料。在若干实施例中，间隔物的材料被选择成使得其折射率基本上不影响光在波导单元内的传播。间隔物可以采用任何合适的几何形状，包括但不限于棒和球。此外，可以使用任何合适尺寸的间隔物。例如，在许多情况下，间隔物的尺寸范围为1至30μm。如可以清楚地认识到的，所使用的间隔物的形状和尺寸可以取决于给定应用的具体要求。在一些情况下，保护层可以有利地远离波导部署。在此类实施例中，可以使用更大尺寸的间隔物。

保护层的结合可以用不同的波导配置来实现，包括单层和多层波导。例如，多层波导可以结合两个保护层，在每个外部表面附近部署一个。除了为波导提供环境隔离和结构支撑外，保护层还可以用于各种其它应用。在许多实施例中，保护层允许调暗和/或变暗。保护层可以结合用于光致变色或热致变色能力的材料。保护层也可以被配置为允许可控的调暗和/或变暗。在若干实施例中，保护层实现电致变色能力。保护层还可以为其它膜提供表面，包括但不限于抗反射涂层和吸收滤光片。可以实现此类膜以避免从外部看到光。在许多情况下，此类膜不能直接放置在波导上，这可以是由于所需的高温过程或一般而言对波导的干扰。在多个实施例中，保护层提供光功率。在进一步的实施例中，保护层提供可变的、可调谐的光功率。此类焦点可调谐的透镜可以使用射流透镜或SBG来实现。在一些应用中，图片生成单元被实现，并且取决于波导应用和设计，可以要求PGU和波导之间的光路畅通无阻，因为保护层会折射输入波束，从而导致位置误差。在许多情况下，入射波束将包含与波导基板成一定角度的射线。这些影响将随着入射射线角度的增加而加剧。即使对于不会折射的入射波束，仍然存在潜在问题，因为保护层中使用的材料会影响波束的偏振并引入散射。在此类实施例中，可以相应地设计和成形保护层以防止保护层干扰光路。

眼睛辉光抑制

A.衍射元件

眼睛辉光抑制可以在可以包括衍射元件的部分光阻挡层中实现。衍射元件可以是反射光栅。在许多实施例中，在波导显示系统内实现和使用至少一个反射光栅以抑制眼睛辉光。可以在波导显示器的环境中引入反射光栅，以将原本会逃逸的眼睛辉光波束反射回波导。在许多实施例中，这个反射以与相关联的输出耦合光的角度一致的角度发生，从而防止从观看者的角度来看的任何失真或重像。图2中概念性地图示了根据本发明的实施例的结合反射光栅作为眼睛辉光抑制结构的波导显示器。如图所示，该系统包括波导200，波导200包含用于提供光的输入耦合、传播和输出耦合的光栅层210。在说明性实施例中，系统包括具有光栅层240的第二波导230，光栅层240具有至少一个反射光栅。反射光栅层240可以包括夹在两个基板之间的一个或多个全息光栅，类似于上述光栅。在此类配置中，波导200和230的基板是折射率匹配的，从而形成光可以在其中传播的单个TIR结构。在区域250所示的第一波导200的预期操作模式中，在两个波导200、230内的TIR路径中行进的波束252可以通过光栅层210内的光栅朝着观看者输出耦合(254)。

相比之下，区域260说明了可以引起眼睛辉光的离Bragg相互作用的示例。这个示例不是限制性的，并且存在眼睛辉光的其它原因并且在上面结合图1A和1B进行了描述。如图所示，射线264是与光栅层210内的光栅的离Bragg相互作用的结果，该射线264源自射线262。射线264穿过波导200并入射到光栅层230内的反射光栅上，其中射线264的一部分被衍射到第二波导230中。光吸收层270可以吸收射线264。光吸收层270可以吸收由衍射元件衍射的眼睛辉光光并且阻挡任何外部光被衍射到光吸收层270。光吸收层270可以定位在整个波导显示器的许多位置，诸如朝着具有侧面安装的投影仪或吸收眼镜框架的用户的太阳穴；朝着用户的鼻子；向上朝着自上而下投影仪系统中的投影仪安装；朝着固定波导的框架的边缘；以及朝着具有吸收元件的其它特定位置。第二波导230可以包括由聚碳酸酯或玻璃制成的薄基板。薄基板可以掺杂少量(例如，～5％色调)期望波长的吸收染料。在一些实施例中，通过TIR，眼睛辉光光可以具有有效吸收所有光的通过第二波导230的长路径。环境光可以具有通过第二波导230的短路径但在通过波导230透射期间保持不变。在许多实施例中，由于反射光栅层240的小误差或物理限制，眼睛辉光的一小部分未通过，并继续通过波导230并表现为眼睛辉光。但是，这些射线明显弱于典型的未减轻的眼睛辉光射线。

虽然图2图示了实现用于眼睛辉光抑制的反射光栅的波导显示器的具体配置，但是可以根据给定应用的具体要求适当地实现许多其它配置。例如，在图2的实施例中，包含反射光栅的波导与基础波导具有相同的尺寸和形状。在其它实施例中，包含反射光栅的波导小于基础波导，从而覆盖基础波导内的光栅的预定部分。此外，反射波导不需要定位成使得它们接触基础波导。在许多实施例中，反射波导和基础波导之间存在间隙。在许多实施例中，间隙是空气填充的，但可以填充任何材料，诸如但不限于折射率匹配材料，以适合本发明的实施例的特定应用的要求。图3A中图示了根据本发明的实施例的具有气隙的反射光栅眼发光抑制结构。如图所示，包含反射光栅240的波导230通过使用间隔珠320与基础波导200隔开气隙。在此类实施例中，主光线的TIR路径被限制到基础波导310。

在一些实施例中，反射光栅240可以是透射衍射元件，其可以通过透射衍射将光输入耦合到波导中。图3B图示了根据本发明的实施例的作为透射衍射元件的衍射元件的示例。如图所示，透射衍射元件240a通过透射衍射将入站光352输入耦合到波导中。输入耦合的光354以全内反射方式行进通过波导。在一些实施例中，反射光栅240可以是反射衍射元件，其可以通过反射衍射将光耦合到波导中。图3C图示了根据本发明的实施例的作为反射衍射元件的衍射元件的示例。如图所示，反射衍射元件240b通过反射衍射将入站光352输入耦合到波导中。输入耦合的光354以全内反射行进通过波导。

在一些实施例中，反射光栅240可以是聚合物光栅结构。取决于对眼睛辉光有贡献的波导区域和光路，聚合物光栅结构可以以许多不同的方式配置。主要的波导区域和光路可以使用射线追踪技术来确定。在许多实施例中，聚合物光栅结构可以被配置为使得它至少部分地与输入耦合器和光栅中的至少一个重叠，用于提供波束扩展和从波导提取光。反射光栅240可以在波导的外部表面(如图2和图3A-3C所示)和波导的面向眼睛的表面(如下所述)中的至少一个上形成。

在一些实施例中，反射光栅240也可以在波导200的基板之间形成，使得反射光栅240被形成为波导200的光栅层210的一部分。在一些实施例中，反射光栅240的一部分可以用作输入耦合器以将来自源的图像调制光耦合到波导200中的全反射内部路径中。在一些实施例中，反射光栅240的一部分可以用作输出耦合器，该输出耦合器被配置为从波导200输出耦合光。在一些实施例中，反射光栅240的一部分可以用作被配置为扩束器的折叠光栅。在一些实施例中，输入耦合器可以是光栅或棱柱。

图4概念性地示意性地图示了根据本发明的实施例的结合反射光栅作为眼睛辉光抑制结构的波导显示器。图4包括图2中许多具有相同标记的元件，其功能类似于图2。来自图2的描述适用于图4的波导显示器并且将不再详细重复这个描述。如图所示，波导200可以位于顶部光栅240和底部光栅241之间。在一些实施例中，顶部光栅240和底部光栅241可以具有不同的光栅周期。入射在顶部光栅240和底部光栅241上的眼睛辉光射线可以源自不同的源并且可以遵循不同的波导射线路径，因此顶部光栅240和底部光栅241可以包括不同的衍射规定以使它们偏离眼睛辉光路径。在一些实施例中，顶部光栅240和底部光栅241可以包括不同的规定，这些规定不仅可以在它们的周期方面不同而且还可以包括不同的光栅调制。例如，底部光栅241可以包括用于将经由与底部光栅241的法线成相对小角度的顶表面进入波导的入射光(例如，源自外部光源)衍射成朝着光吸收器270a的大得多的角度的规定。

顶部光栅240和/或底部光栅241可以是聚合物光栅结构。在说明性实施例中，系统包括具有容纳底部光栅241的波导230a。底部光栅241可以包括夹在两个基板之间的一个或多个全息光栅，类似于上述光栅。波导200和231的基板可以是折射率匹配的，从而形成光可以在其中传播的单个TIR结构。

光吸收层270a可以吸收射线265。光吸收层270a可以吸收由衍射元件衍射的眼睛辉光光265并且阻挡任何外部光朝着光吸收层270a被衍射。光吸收层270a可以定位在整个波导显示器的许多位置，诸如朝着具有侧面安装的投影仪或吸收眼镜框架的用户的太阳穴；朝着用户的鼻子；向上朝着自上而下投影仪系统中的投影仪安装；朝着固定波导的框架的边缘；以及朝着具有吸收元件的其它特定位置。波导231可以包括由聚碳酸酯或玻璃制成的薄基板。薄基板可以掺杂少量(例如，～5％色调)期望波长的吸收染料。在一些实施例中，通过TIR，眼睛辉光光可以具有有效吸收所有光的通过波导231的长路径。

在一些实施例中，顶部光栅240和底部光栅241可以是Bragg光栅和Raman-Nath光栅的组合。在一些实施例中，顶部光栅240和/或底部光栅241可以在一些区域中包括Bragg光栅并在其它区域中包括Raman-Nath光栅。取决于波导内波束-光栅相互作用的性质，输入、折叠和光栅中的每一个都可以具有与Bragg光栅或Raman-Nath光栅重叠的区域。在许多实施例中，两种类型的光栅可以散布在顶部光栅240和/或底部光栅241上。例如，波导200中的折叠光栅可以与折叠光栅的一些区域中的Bragg光栅和其它区域中的Raman-Nath光栅重叠。任何主要成像光栅(例如，输入光栅、折叠光栅和输出光栅)可以至少部分地被选自Bragg光栅区域、Raman-Nath光栅区域和不包含光栅的区域中的至少一个覆盖。例如，顶部光栅240和/或底部光栅241可以包括Bragg光栅区域、Raman-Nath光栅区域和/或不包含光栅的区域，由于复合射线路径和光栅相互作用，它们中的每一个都可以与折叠光栅的部分重叠。不含光栅的区域可能在光管理中发挥作用，因为它们支持下述类型的眼睛辉光抑制层。

虽然图4图示了顶部光栅240和底部光栅241，但是还公开了仅包括顶部光栅240(如图2中所示)或仅包括底部光栅241(未示出)的实施例。在一些实施例中，顶部光栅240和/或底部光栅241可以在分开的基板上形成，该基板可以包括将顶部光栅240和/或底部光栅241与波导200分开的空气，该波导200用于朝着眼箱传播图像光。结合图3A讨论这种情况的示例。

在许多实施例中，顶部光栅240和/或底部光栅241可以包括包含Bragg光栅、Raman-Nath光栅或无光栅的区域。这三种类型区域中的任何一种都可以至少部分地覆盖输入光栅、折叠光栅和输出光栅中的至少一种。在许多实施例中，可以将光控制涂层施加到不包含光栅的顶部光栅240和/或底部光栅241的区域。许多不同类型的光控制涂层可以用于辅助眼睛辉光管理。在一些实施例中，光控制涂层可以提供至少一种选自偏振旋转、偏振选择性吸收、偏振选择性透射、偏振选择性衍射、角度选择性透射、角度选择性吸收、抗反射性和/或在定义的光谱带宽内透射的光学功能。在一些实施例中，光控制涂层可以提供以上示例光学功能的空间变化。

在许多实施例中，顶部光栅240和/或底部光栅241可以包括基于连续变化或分段变化的倾斜角的滚动K向量光栅。在许多实施例中，顶部光栅240和/或底部光栅241可以包括具有空间变化节距的光栅。在许多实施例中，顶部光栅240和/或底部光栅241可以被配置为多路复用的光栅。

在许多实施例中，从外部世界进入波导200的光265可以包括经由波导200的顶表面(例如，波导的世界侧)或经由底表面(例如，面向眼睛的表面)进入波导200的阳光或室内照明。可能造成眼睛辉光的其它光源265可以包括汽车前灯和激光源。在许多实施例中，来自外部源的光在传播通过波导之后可以反射离开显示器的观看者的眼睛。在许多实施例中，从诸如眼睛表面之类的解剖学表面反射的图像光可能促成眼睛辉光。在一些实施例中，从外部世界进入波导200的光由外部光源提供并且通过波导的外部表面和/或通过面向眼睛的表面进入波导200，这可能会促成眼睛辉光。

在一些实施例中，顶部光栅240和/或底部光栅241可以是全息反射光栅。全息反射光栅可以是Bragg光栅并且通过如上所述的全息曝光制造。在一些实施例中，全息反射光栅可以是EBG并且在上面讨论的过程中制造。EBG可以对产生深SRG有用，其可以是Bragg光栅，其可以包括调制深度和光栅节距，其中跨聚合物光栅结构的至少一部分，调制深度大于光栅节距。在一些实施例中，EBG可以被配置为在Raman-Nath衍射范围内起作用的Raman-Nath光栅。跨聚合物光栅结构的至少一部分，Raman-Nath光栅可以具有小于光栅节距的调制深度。EBG可以是抽空(evacuated)的周期性光栅，被配置为在Raman-Nath范围中起作用并且在该区域中调制深度小于光栅节距。这种光栅不严格属于Bragg范围。通过控制制造过程，EBG可以用于制造光栅，其中包括在Bragg范围内起作用的区域、在Raman-Nath范围内起作用的区域和/或没有光栅的区域。

在许多实施例中，聚合物光栅结构调制深度可以在顶部光栅240和/或底部光栅241上变化，以根据美国专利公开No.2021/0063634中讨论的原理提供空间变化的偏振相关衍射效率特点，其通过引用整体并入本文。在许多实施例中，聚合物光栅结构调制深度可以在顶部光栅240和/或底部光栅241上变化以提供空间变化的角度相关衍射效率特点或空间变化的偏振相关衍射效率特点。当顶部光栅240和/或底部光栅241结合EBG时，EBG的空间、角度或偏振衍射效率特点中的至少一个可以通过用特定折射率和/或双折射(birefringence)的光学材料回填EBG来定制。在一些实施例中，回填材料可以是诸如双折射材料之类的各向同性材料。回填材料可以占用聚合物光栅结构的相邻部分之间的空间底部的空间，并且空气占用从回填材料的顶表面上方到调制深度的空间。

在一些实施例中，聚合物光栅结构的调制深度与光栅节距的比率在从1:1到10:1的范围内。在一些实施例中，聚合物光栅结构的光栅节距为0.35pm至1pm，聚合物光栅结构的调制深度为1pm至10pm。光栅节距可以是聚合物光栅结构的衍射特征的节距并且调制深度可以是聚合物光栅结构的深度。聚合物光栅结构可以具有大于可见光波长的调制深度。

在许多实施例中，顶部光栅240和/或底部光栅241可以包括包含复合结构的聚合物光栅结构。复合结构可以包括至少一种类型的聚合物和至少一种另一种材料。在许多实施例中，聚合物光栅结构可以是聚合物和至少一种其它材料的复合物，其中在形成光栅之后去除聚合物。在许多实施例中，至少一种其它材料可以是纳米颗粒。在许多实施例中，纳米粒子可以是功能化的纳米粒子。于2021年7月14日提交的标题为“Nanoparticle-BasedHolographic Photopolymer Materials and Related Applications”的PCT申请No.PCT/US2021/041673中描述了包括纳米粒子的光栅，其出于所有目的通过引用整体并入本文。

在一些实施例中，顶部光栅240和/或底部光栅241可以包括二维点阵结构或三维点阵结构。二维晶格结构可以是2D光子晶体。2D晶格的示例可以是底面位于平面上的衍射柱阵列。3D晶格结构可以是3D光子晶体。3D晶格可以包括衍射点状区域。

在许多实施例中，顶部光栅240和/或底部光栅241可以涂有光学材料。在许多实施例中，顶部光栅240和/或底部光栅241可以涂有反射光学材料。在许多实施例中，顶部光栅240和/或底部光栅241可以施加有有效折射率高达2.5的涂层。在许多实施例中，顶部光栅240和/或底部光栅241可以涂覆有第一材料并且可以用折射率高于第一材料的折射率的第二材料回填涂覆的光栅。在许多实施例中，顶部光栅240和/或底部光栅241可以涂覆有第一材料并且可以用折射率低于第一材料的折射率的第二材料回填涂覆的光栅。

在一些实施例中，顶部光栅240和/或底部光栅241包括聚合物衍射特征和相邻聚合物衍射特征之间的双折射材料，其中双折射材料具有比聚合物衍射特征更高的折射率。在一些实施例中，聚合物衍射特征与双折射材料之间的折射率差为0.01至0.2。在一些实施例中，顶部光栅240和/或底部光栅241包括交替的聚合物区域和气隙区域，并且聚合物区域和气隙区域之间的折射率差在从1.4至1.9的范围内。在一些实施例中，双折射材料是液晶材料。

在许多实施例中，一种用于减少来自波导显示器的眼睛辉光的方法可以包括以下步骤：

a)提供图像调制光的源、波导、输入耦合器；以及至少一个光栅，用于提供波束扩展并将光从波导提取到眼箱；

b)提供聚合物光栅结构，其中跨聚合物光栅结构的至少一部分调制深度大于光栅节距；

c)将图像调制光引导到波导中的全内反射路径，波束扩展光，并将其朝着眼箱提取；

d)引导在波导内传播的光远离使用聚合物光栅结构通过外部表面折射的光路；

e)衍射从外部世界进入波导的光或在波导内生成的杂散光远离使用聚合物光栅结构通过外部表面折射的光路。

除了全息反射光栅之外，可以利用其它类型的结构来实现类似的效果。例如，在一些实施例中，反射光栅240可以是表面起伏反射光栅。

在一些实施例中，反射光栅240可以直接蚀刻到与波导的眼睛侧相对的一侧的表面上。图5中概念性地图示了根据本发明的实施例的实现用于眼睛辉光抑制的表面起伏光栅的波导显示器。波导400包括光栅层410进而设置在波导400的环境侧表面上的表面起伏反射光栅420。在图示波导显示器的预期操作的区域430中，波导400内的TIR路径中的射线432被光栅层410内的输出光栅衍射出到眼睛侧。在图示非Bragg相互作用的区域440中，射线442的一部分被衍射为朝着波导400的环境侧的眼睛辉光射线444。眼睛辉光射线444可以被表面起伏反射光栅420反射回眼睛侧作为射线446。在许多实施例中，射线446与对应的法向输出射线平行。再次，射线446的一部分可以由于菲涅耳反射而被反射回表面起伏反射光栅，但进而可以至少部分地被表面起伏反射光栅420(未示出)反射。虽然射线被示为穿过反射光栅420，但在许多实施例中，这并没有发生。但是，由于缺陷和/或物理限制，它可能无论如何都会发生。在一些实施例中，表面起伏反射光栅420可以由超表面提供。超表面允许更大程度的波前相位和振幅控制，这是由于使用纳米级的节距衍射特征而产生。诸如Bragg光栅之类的常规衍射光学元件具有微米级节距的衍射特征，即衍射特征节距是可见频带波长的重要部分

表面浮雕反射光栅的优点是它们不会显著增加显示系统的体积.但是，在许多实施例中，结合图2描述的反射光栅240可以放置在与波导相邻的非常薄的基板上，具有类似的结果。在一些实施例中，基板可以被布置为使得在基板和波导之间存在间隙。间隙可以填充任何材料，包括(但不限于)空气。

图6中概念性地图示了根据本发明的实施例的部署在分开的基板上用于抑制眼睛辉光的反射光栅。如图所示，具有反射光栅510的波导500使用间隔珠530与基础波导200分开。在示例性实施例中，反射光栅510部署在波导500的面向显示器环境侧的表面上。在其它实施例中，反射光栅510可以部署在面向基础波导200的表面上。

虽然图2-6中图示了特定的反射波导眼睛辉光抑制结构，但是可以根据本发明的实施例的特定应用的要求使用任何数量和定位的反射波导光学器件。另外，可以添加任何数量的不同类型的光栅来抑制眼睛辉光射线。例如，可以使用抽空的Bragg光栅代替表面起伏光栅。此外，非光栅结构可以用于抑制眼睛辉光。下面更详细地描述这些结构。

B.反射元件

在一些实施例中，眼睛辉光抑制可以在可以包括反射元件的部分光阻挡层中实现。反射元件可以包括滤光器的使用，诸如但不限于二向色反射器和介电反射镜，它们可以准确地选择性地通过某些波长频带，同时反射其它频带。可以应用电介质反射涂层以将眼睛辉光的光反射回用户。反射涂层可以被设计为照明波长周围的窄陷波滤波器，仅有效地反射特定波长，同时透射所有其它可见波长，从而使波导看起来几乎透明，具有高透射。反射涂层可以充当所设计的波长的反射镜，以等于入射到反射涂层的角度的角度来反射光。但是，当反射光与由输出光栅所衍射的期望图像重叠时，可能会为用户产生重影图像。在一些实施例中，诸如二向色滤光器之类的滤光器可以被设计为具有角度相关的反射或透射效率。此类滤波器可以是多层结构。滤波器可以被设计为具有偏振敏感效率。使用光谱、角度或偏振滤光器特点中的一个或多个可以有助于优化眼睛辉光的抑制。在一些实施例中，眼睛辉光抑制可以平衡用户视野的中心部分中较高程度的眼睛辉光抑制与用户视野周边处的残留眼睛辉光。

涂层可以施加在各种位置。例如，涂层可以单独地施加在每个波导上，这可以在重影出现之前允许更大的角度偏差。该涂层也可以施加在前保护盖上。已经观察到，与用户的距离越远会在期望的图像与重影图像之间产生更大的偏差。在一些实施例中，前保护盖可以与波导间隔得更远，因此提供多一点的光路。增加的路径长度可以被用于减少伪影的相干性，诸如激光束扫描仪(LBS)投影仪中的牛顿环条纹。有利地，反射可以对准眼侧“信号”图像。在一些实施例中，未对准可以是最小的，其可以在眼睛辉光反射的图像与信号图像的分辨率的尺度上；如果确实发生未对准，那么会导致图像点扩散函数变宽，从而导致图像清晰度下降，或者如果反射角度误差较大，那么会导致重影。在激光照明解决方案的情况下，可以考虑眼睛辉光反射的相干性，特别是激光束扫描仪(LBS)。在一些实施例中，波导的非眼睛侧上的相位扰频器可以导致菲涅耳反射与信号光异相，这可以减少可能在LBS投影仪中出现的牛顿环条纹伪影。“眼睛辉光抑制”光谱陷波反射滤光器的应用可以增加LBS牛顿环条纹的强度，其中LBS牛顿环是由信号波束的干扰和非眼侧反射引起的。在一些实施例中，可以包括非眼睛侧上的抗反射涂层，从而导致眼睛辉光和LBS牛顿环条纹两者的减少。

在一些实施例中，保护盖可以是塑料的。在这种情况下，当反射涂层应用于保护盖时，涂覆期间的热性能限制可以是最小的。例如，如果光栅是使用热敏材料制成的，那么低温涂层(例如，50-60摄氏度)可以是有益的。在保护盖由玻璃制成的实施例中，可以使用高温涂层。反射涂层可以施加到用于一个波带的保护盖的一侧(例如，绿色反射凹槽)，并且另一个反射涂层可以施加到用不同波带涂覆的另一侧(例如，红色/蓝色凹槽)。应该认识到的是，可以使用频带的任何组合(例如，R、G、B凹口的任何其它组合)。反射涂层可以与透视AR、UV防护、梯度吸收或调光涂层、防刮擦或硬涂层结合。

可能有利的是，反射层是平坦的并且被层压到波导以减少反射的眼睛辉光光和期望图像的角偏移。在一些实施例中，材料可以提供层之间的平坦度(例如，厚度垫片、间隔珠等)。反射层可以层压到波导或波导堆叠。在一些实施例中，反射层可以是为激光器设计的窄凹口反射器，其在凹口位于LED的光谱内时部分地减少LED眼睛辉光。

取决于构造，反射层可以使宽范围的颜色通过，除了被反射的特定频带(或频带组)之外，或者充当高通或低通滤波器，其分别反射小于或高于给定的波长的所有波长。在一些实施例中，交替的介电材料薄层被涂覆以形成期望的滤波器。如本文所述，二向色反射器或介电反射镜可以应用于波导以以产生与上述关于反射光栅的那些类似结果的方式反射眼睛辉光射线，尽管具有不同的基本操作原理。

波导600包括在面向环境侧的表面上的二向色反射器610。波导600可以包括与结合图2讨论的光栅层210相同的光栅层602。二向色反射器610可以被设计为反射与波导600对应的预定频带的光。例如，在具有用于R、G和B的三层的多层波导显示器中，用于给定波导层的二向色反射器610可以被设计为反射给定波导层旨在在其中操作的光(例如，用于红色波导的二向色反射器可以被设计为反射与来自光源的红光对应的波长带)。与表面起伏光栅类似，二向色反射器610可以反射射线的至少一部分，否则这些射线会逃逸并表现为回到观看者的眼睛辉光。类似于上文结合图2-6所描述的，预期射线显示在区域620中，而由非Bragg相互作用产生的眼睛辉光射线及其抑制在区域630中示出。在此，虽然预期的射线和眼睛辉光射线是分开显示的，但很清楚地理解，这些射线在整个波导中并发地出现。

当使用二向色反射器时，可以通过波导显示器到达观看者眼睛的环境光的百分比可能会减少。因此，在眼睛辉光射线被反射回眼睛的同时，也可以防止与类似频带对应的来自外部世界的光到达观看者的眼睛。这会在增强现实系统中造成问题，在增强现实系统中可能期望用户能够尽可能清楚地看到世界。为了解决这个问题，二向色反射器结构可以被设计为陷波滤波器，其可以选择性地反射波导中使用的频带(例如，为特定波导选择的颜色)。例如，可以在638nm、520nm和455nm附近选择窄频带(分别为标准显示红色、绿色和蓝色)，以便在抑制眼睛辉光的同时，保持可见光谱的其余部分(例如，440-640nm)不受影响。如可以清楚地认识到的，所选择的频带可以与光源的波长频带对应。

另外，二向色反射器常常在高温下应用，这取决于波导和/或任何抗反射涂层的构造，可能造成波导变形。为避免这种情况，可以使用较低温度的二向色反射器应用工艺。在多个实施例中，二向色反射器可以包括在波导的保护层中。

取决于整个系统的需要，二向色反射器(或者实际上，波导)可以在多次迭代中应用或作为单个应用被应用。例如，如上所述，在三个不同的波导用于R、G和B中的每一个的RGB显示器中，二向色反射器(或反射光栅/反射波导)可以散布在三个不同的波导之间或在波导堆栈的环境侧。

图8-10中图示了根据本发明的实施例的二向色反射器应用的示例配置。图8图示了根据本发明的实施例的包括三个不同波导的基于波导的显示器的示例。第一波导600a可以被配置为显示第一颜色，诸如红色，第二波导600b可以被配置为显示第二颜色，诸如绿色，第三波导600c可以被配置为显示第三颜色，诸如蓝色。波导600a、600b、600c中的每一个可以包括结合图2描述的波导200的特征。结合图7描述的二向色反射器610可以应用于第一波导600a的顶部。间隔物700可应用于相邻波导之间。相邻波导之间的间隙可以填充有各种材料，例如空气。

图9图示了根据本发明的实施例的包括三个不同波导的基于波导的显示器的示例。此配置包括许多与图8中的设备相同的功能。这个描述是适用的，因此将不再重复描述。二向色反射器610b可以应用到第二波导600b的顶部，并且二向色反射器610c可以应用到第三波导600c的顶部。二向色反射器610a也可以位于第一波导600a的顶部。在这个配置中，二向色滤光器610a、610b、610c可针对特定波导600a、600b、600c进行定制。

图10图示了根据本发明的实施例的包括三个不同波导的基于波导的显示器的示例。这个配置包括许多与结合图8和图9描述的相同的特征。这些描述是适用的，因此将不再重复这些描述。第二波导600b的二向色610b已被移除。代替地，放置在分开的基板900中的二向色滤光器910可以放置在第一波导600a上方。分开的基板900可以是保护层。分开的基板900上的二向色滤光器910可以与第二波导600b对应。例如，第二波导600b可以是绿色波导并且二向色反射器910可以与绿色对应并且被施加到保护层900。

图11A图示了根据本发明的实施例的包括二向色滤光器的基于波导的显示器的横截面图。图11B图示了图11B的基于波导的显示器的示意性平面图。波导600包括输入耦合光学元件1006和输出耦合光学元件1004。二向色滤光器1004与输出耦合光学元件1004重叠。在一些实施例中，二向色滤光器1004可以不与输入耦合光学元件1006重叠。

如可以清楚地认识到的，可以根据本发明的实施例的具体应用的要求使用任何数量的二向色反射器(或反射光栅/反射波导)。例如，根据设计要求，三个波导的堆叠可以只使用两个二向色反射器。此外，应该理解的是，可以根据本发明的实施例的特定应用的要求适当地使用眼睛辉光抑制结构的任何组合。眼睛辉光抑制结构不一定需要反射光。下面描述另一种眼睛辉光抑制结构。

C.吸收和变换层

眼睛辉光抑制层可以包括可以吸收可见光谱中的一部分的光的光吸收层。光吸收层可以是窄带染料吸收层，其可以包括悬浮在透明基质中的光吸收染料。用于吸收的染料的吸收波长可能非常窄。吸收任何不必要的波长都会造成波导的透射率降低，从而使外部世界变暗并显得黑暗。染料吸收层的位置可以变化。如果使用多个波导来引导一个颜色的FOV，那么染料吸收层可以定位在保护盖上。如果每个波导只引导一种颜色，那么可以将染料施加到波导叠层正面的保护盖上。染料可以对角度不敏感，从而覆盖眼睛辉光光的宽范围入射角。用于可见光区域的示例性染料由Yamada Chemical Co.，Ltd(日本)制造。高吸收效率、窄光谱吸收带宽和热稳定性可以是重要的选择准则。一种提高吸收剂性能的可能方法涉及在透明基质中稀释染料，该透明基质可以是惰性有机聚合物化合物或无机化合物。所得的吸收剂可以提供窄带吸收和高带外透射率。多层配置可以允许吸收多于一种的波长。

在一些实施例中，光吸收层可以是超材料吸收层。可以创建具有极窄光谱带宽的超材料吸收器。当其具有这样的窄带吸收时，吸收可以对角度偏差敏感。如果不通过多个波导共享颜色，那么超材料吸收层可以单独放置在每个波导上。如果在波导中共享颜色，那么超材料吸收层可以放置在顶部波导上方的保护盖上。

许多所讨论的抑制眼睛辉光的解决方案可以使用超表面来实现，超表面将包括用一种或多种类型的纳米结构构图的表面。超表面可以被配置用于光吸收、波束偏转和偏振，作为一个或两个波长或角度的函数。上述功能中的一种以上可以集成到单个超表面中。超表面可以提供完整或部分解决方案，以抑制由波导表面、眼睛表面和散射表面的镜面反射引起的眼睛辉光。

眼睛辉光抑制结构可以包括波长改变元件，诸如量子点或磷光体。量子点是纳米级半导体，其可以吸收第一波长的光并发射第二波长的光。量子点可以被引入波导的基板或应用于波导光学系统的损耗侧以抑制眼睛辉光射线。例如，吸收特定波长的眼睛辉光并发射非可见波长(例如，红外线)的光的量子点可以抑制眼睛辉光产生可见的眼睛辉光射线。眼睛辉光射线可以仍逸出波导，但是这些眼睛辉光射线可以更改到不可见范围内。在许多实施例中，由于紫外光的生物学有害特性，红外线和较低频带是期望的。但是，取决于波导光学系统的使用，将光变换成紫外或更高频带可以是可接受的。

取决于可用的量子点，可能难以将较高频率的光(例如，蓝光)移向红外频带。在这种情况下，可以使用一系列不同的量子点来分阶段移动光波长，和/或可以将量子点结合到波导光学系统中，该系统还充分利用本文描述的替代眼睛辉光抑制中的一个或多个。取决于用于显示目的的波导光学系统中使用的波长数量，可以应用不同组的量子点来减轻不同波长中的一些或全部。

如可以清楚地认识到的那样，可以将量子点结合到包括任何或所有上述眼睛辉光抑制结构的系统中。实际上，虽然特定的眼睛辉光抑制结构在上面讨论的附图中被示出，但是可以使用结合本文所述的眼睛辉光抑制结构的任何数量的不同体系架构。

D.包括同步的实施例

在许多应用中，期望波导显示器与大眼箱一起操作。虽然这对观看者来说是方便的，但这会产生大量未使用的光照射到用户的面部(例如，未到达用户瞳孔的光)。取决于波导显示器的实施方式，外部观看者可以非常清楚地看到这种未使用的光。因此，本发明的许多实施例针对用于减少入射到用户面部的未使用光的量，同时保持眼箱的操作尺寸的解决方案。

在许多实施例中，波导显示器包括至少一个可切换Bragg光栅(SBG)，用于控制输出耦合的光以减少未使用的光的量。通常，可以通过使用衍射光栅放大或复制输入耦合光来扩大眼箱尺寸。如果实现可切换的Bragg光栅，那么显示器可以被配置为控制光的传播，使得只有到达观看者的(一个或多个)眼睛的光被输出耦合，从而减少射向用户面部的未使用光的量。在许多实施例中，实现这种控制所需的配置是动态确定的，因为用户的眼睛在操作期间通常不是静止的。因而，配置也可以在确定后动态实现。

在一些实施例中，对于高亮度光源，小占空比(～1％)可以与所需的输出亮度一起使用。使用这种光源，吸收层可以与光源同步打开和关闭。这会在光源打开时吸收眼睛辉光，但在许多周期内对观看者平均来说是透明的。在一些实施例中，吸收层可以是诸如SBG之类的可切换光栅。可切换光栅可以包括衍射眼睛辉光元件。这减少了可能不需要的光通过衍射元件被衍射回用户的时间。可切换光栅可以是可切换输出光栅。可切换输出光栅可以是具有切换波片的多路复用光栅方案。对于多路复用的光栅，输出光在从多个光栅混合之后可以被偏振。如果及时切换光栅，那么每个光栅可以产生高度偏振的输出。在一些实施例中，切换与可切换光栅同步的波片可以将一个或两个输出的偏振旋转为与输出处的线性偏振器正交，这可以阻挡眼睛辉光。在一些实施例中，将线性偏振器切换为与从可切换光栅输出的光正交可以阻挡眼睛辉光，而无需在输出端具有永久性线性偏振器。在一些实施例中，可切换的亚波长光栅(基于形式双折射的原理)可以提供特定于波长的光学延迟器，用于使眼睛辉光抑制与光源同步。在一些实施例中，光栅节距可以远小于光的波长。因此，只有零级和衍射波传播，更高的衍射级可能会消失。

可以通过多种方式来确定所需配置以仅输出耦合将到达用户眼睛的光。在许多实施例中，波导显示器包括眼动仪。眼动仪可以用许多不同的方式实现。在一些实施例中，实现基于波导的眼动仪以确定眼睛位置和/或眼睛注视信息。使用来自眼动追踪传感器的信息，波导显示器可以利用控制器来实现可切换Bragg光栅的状态配置，以仅输出耦合将到达用户眼睛的光。在一些实施例中，否则耦合出波导的光将继续通过波导传播到边缘。如可以清楚地认识到的，根据本发明的各种实施例的波导显示器可以被设计为减少未使用的光逸出波导的边缘。例如，边缘可以覆盖有可以吸收到达边缘的任何光的光吸收材料。

在实现可切换的Bragg光栅时，波导可以在任一侧包括诸如氧化铟锡(ITO)或折射率匹配的ITO(IMITO)层之类的透明电极作为用于在光栅的开/关状态之间切换光栅的电极。在许多实施例中，波导包括在光栅层的一侧上的第一ITO/IMITO层和在相对侧上的第二ITO/IMITO层。第二层可以被构图为选择性可寻址的元件。这允许切换可切换Bragg光栅的离散区域。在一些实施例中，选择性可寻址的元件足够大以至于不会引入线/间隙伪影，其中线/间隙伪影会导致明显的散射和/或衍射效应。如可以清楚地认识到的，也可以使用各种透明导电氧化物层。

随着这些层的结合，层的吸收损耗可以在波导设计中被考虑，其中层的吸收损耗可能是很大的。例如，一些ITO层可以贡献约0.25％的每次通过吸收损耗。取决于波导结构，波导下的总传播损耗可以很大。例如，控制输出耦合光的量可以包括将输出光栅的一部分切换到它的衍射状态。切换的部分可以与观看者的眼睛位置和/或眼睛注视信息对应。但是，在此类方案下，光通过波导传播的距离会发生变化，当考虑到由于(一个或多个)ITO/IMITO层引起的吸收损耗时，可能会导致输出耦合光的损耗发生变化。通过使用开关修改输出光栅尺寸和/或形状，光传播路径会导致波导内不同数量的TIR反射(例如，一些配置会导致与(一个或多个)ITO/IMITO层相互作用更多次的更长的光路)。对于与ITO/IMITO相互作用更多的光路，光强度的总损耗会更高，导致不同配置之间的不均匀性。因此，许多实施例针对被设计为考虑这些差异的光栅体系架构和开关配置。在许多实施例中，波导显示器可以被配置为包括具有能够在衍射和非衍射状态之间切换的独立可寻址部分的输出光栅。在一些实施例中，波导显示器可以被配置为提供滚动输出(例如，输出图像可以显示在顺序滚动的部分中)。在此类情况下，用于特定眼睛位置/眼睛注视设置的输出配置可以被配置为具有统一的配置文件。在一些实施例中，切换可以包括关于切换定时的羽化效应以保持场均匀性。

E.包括抗反射涂层的实施例

眼睛辉光可以由几种不同的效应造成。这些影响可以被拆分为准直泄漏和散射泄漏。全息材料、波导材料或全息雾(记录在全息图中的雾)可能会生成散射泄漏。散射泄漏会造成光从波导散射到眼睛。准直泄漏，例如，保持耦合到波导中的角图像内容的光出现的眼睛辉光可以以低衍射效率被提取。这可能特别适用于非Bragg光。这种眼睛辉光可以允许所显示的图像中的至少一些从外部世界被观看，这会出现隐私和数据安全问题。如果由于相分离不完全导致的杂散光或散射中心在全息记录过程中出现鬼光栅，那么鬼光栅会产生明显的Bragg相互作用，这会在多路复用的光栅中表现出来。

这种类型的光栅可能被弱记录并且可能难以与非Bragg光栅分离。其效果可以是准直以错误的方向从波导中衍射出来的光。对于菲涅尔反射，从光栅平面向用户眼睛衍射的光会离开波导。在波导(在眼睛一侧)和空气的界面处，会发生菲涅尔反射。来自这个界面的反射将主要从波导的用户侧离开。但是，该光的一小部分可以进而从波导的非用户侧的波导/空气界面反射回来。此外，一些光在从波导反射/空气眼侧反射后与光栅重新相互作用。在一些实施例中，可以通过波导上的增透膜来减轻菲涅尔反射。包括较高折射率玻璃的波导可能具有较高的菲涅耳反射。因此，AR涂层可以减少眼睛辉光。此外，用户的眼睛可以贡献可以采取散射和镜面反射形式的反射光，最典型的是两者的混合。对来自用户眼睛的散射或反射的贡献可以发生在眼睛中的任何表面或光学介质处并且可以包括Purkinje反射。来自全息图和波导材料的散射光以及来自记录到全息图中的雾的散射光可以具有由散射中心的性质决定的方向性和各向同性特征。这些光中的一部分可能会直接穿过波导外部表面。其它出射路径可以包括用户眼睛处的反射和用户附近的波导的表面。

F.包括液晶层的实施例

在一些实施例中，液晶层可以由波导支撑以减少眼睛辉光。液晶层可以是胆甾型(cholesteric)液晶层。液晶层可以提供能够提供高衍射效率的窄带反射光栅。液晶层的制造成本较低。液晶层可以多层堆叠配置以覆盖多个频带凹口(例如，R/G/B激光光源)。可以将手性掺杂剂添加到液晶层以控制光栅周期。

在一些实施例中，眼睛辉光控制层可以包括在波导上。眼睛辉光控制层可以包括称为液晶聚合物(LCP)的可聚合液晶，也称为反应性介晶。LCP可以具有LC的所有常用特性，但也可以被聚合以形成固体材料，其中当材料在聚合物中被固化时，存在于液态中的LC对准和双折射特性被保留。UV对准可以用于在LC处于液态时将LC导向器对准到期望方向。LCP可以启用一系列光学功能，诸如选择性彩色反射器、延迟(四分之一波、半波等)以及其他。LCP可以包含液晶单体，诸如反应性丙烯酸酯端基，它们在光引发剂和定向紫外线存在下相互聚合，以形成刚性2D或3D网络。如贯穿本公开所讨论的，LCP眼睛辉光控制层可以与其它眼睛辉光控制层结合使用。示例性LCP材料由Merck KGaA(德国)开发。在一些实施例中，眼睛辉光控制层可以基于使用反射胆甾型反应性介晶纳米柱结构的可调反射滤光器。反射波长可以取决于纳米柱的节距，纳米柱可以使用印刷技术制造。纳米柱通常可以形成为高度在10微米和500nm之间、节距在1-10微米范围内的特征的阵列。

G.包括波导输出偏振设计的实施例

在输出光栅可以用单个光栅表示的波导解决方案中，输出眼睛辉光泄漏可以是强烈的，但不是完全偏振的。在一些实施例中，可以使用放置在波导前面的线性偏振器(例如，分析器)来最小化强偏振的眼睛辉光泄漏，但是以透视透射为代价。具有交叉多路复用输出光栅的输出光栅(例如，集成双轴扩展IDA设计)可能没有线性输出偏振状态：在此类光栅中，偏振与每个组成多路复用(MUX)光栅的k向量相匹配。如果MUX输出光栅彼此成90度，那么输出偏振会混合；然后，线性分析仪将仅用于部分减少眼睛辉光。在一些实施例中，MUX输出光栅最小化每个光栅在一个特定方向上的k向量分量(例如，最小化k向量的垂直分量)，仅留下相反方向上的水平分量。即使光栅没有完全对准(在相反的方向上)并且被布置为使得一个方向具有比正交方向更强的输出偏振，使用线性分析器也仍然是有益的。在一些实施例中，在MUX输出结构k向量主要处于相反方向的情况下，线性分析器可能无法完全阻止眼睛辉光泄漏，但是可以找到一个方向，其中眼睛辉光可以被大于由线性分析仪所带来的透视透射上的损耗因子的因子被阻挡。在一些实施例中，眼睛辉光偏振的朝向可以与各向异性输出光栅中的k向量强对准，并且与各向异性光栅中的k向量正交。

在一些实施例中，可以将调光层应用到波导的顶表面，这可以减少眼睛辉光。但是，调光层也可能减少光学透视透射。在一些实施例中，调光层可以是无源调光层或有源调光层。有源调光层可以是电致变色或光致变色调光层。在一些实施例中，有源调光层可以提供与由投影仪(例如，图片生成单元)显示的图像内容的亮度匹配并同步的时间透射变化。

在一些实施例中，可以将微百叶窗膜应用到波导的顶表面，这可以减少眼睛辉光。微百叶窗膜可以用于抑制极端角度下的眼睛辉光，极端角度可以处于本公开中描述的许多光栅和薄膜涂层解决方案的有效角带宽的极限。微百叶窗膜可以与偏振器组合。示例性微百叶窗膜是由3M公司(明尼苏达州)制造的光控制膜。

等同原则

虽然以上描述包含本发明的许多具体实施例，但这些不应当被解释为对本发明范围的限制，而应被视为其一个实施例的示例。因此应该理解的是，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。因此，本发明的实施例在所有方面都应被视为说明性的而非限制性的。因而，本发明的范围不应当由所示出的实施例来确定，而应当由所附权利要求书及其等同物来确定。

Claims (45)

1.一种波导显示器，包括：

图像调制光的源；

波导，具有面向眼睛的表面和面向外部世界的外部表面；

输入耦合器，用于将光耦合到波导中的全反射内部路径；

至少一个光栅，用于提供波束扩展并将来自波导的光朝着眼箱提取；

聚合物光栅结构，包括调制深度和光栅节距，其中跨聚合物光栅结构的至少一部分，调制深度大于光栅节距，

其中聚合物光栅结构被配置为衍射从外部世界进入波导的光或在波导内生成的杂散光远离通过外部表面折射到外部世界的光路，

其中聚合物光栅结构基本上不干扰图像调制光在波导内的传播以及图像调制光朝着眼箱的提取，

其中在波导内生成的杂散光包括选自由以下组成的组中的至少一种：从光栅材料散射的光；零级衍射图像调制光；以及沿着不从波导朝着眼箱提取的光路传播的图像调制光。

2.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构还包括相邻聚合物区域之间的回填材料，其中回填材料具有高于或低于聚合物区域的折射率的折射率。

3.如权利要求2所述的波导显示器，其中回填材料占据在聚合物光栅结构的相邻部分之间的空间的底部处的空间，并且空气占据从回填材料的顶表面上方到调制深度的空间。

4.如权利要求2所述的波导显示器，其中回填材料包括各向同性材料。

5.如权利要求4所述的波导显示器，其中各向同性的回填材料包括双折射材料。

6.如权利要求5所述的波导显示器，其中双折射材料包括液晶材料。

7.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构的调制深度大于可见光的波长。

8.如权利要求1所述的波导显示器，其中光栅节距是聚合物光栅结构的衍射特征的间距，并且调制深度是聚合物光栅结构的深度。

9.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构的光栅节距是0.35μm至1μm，并且聚合物光栅结构的调制深度是1μm至10μm。

10.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构的调制深度与光栅节距间距的比率在从1:1到10:1的范围内。

11.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构被配置为多路复用光栅。

12.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构的一部分被配置为从波导输出耦合光。

13.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构的一部分被配置为扩束器。

14.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构的一部分被配置为将来自源的图像调制光耦合到波导中的全反射内部路径中。

15.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构的调制深度被配置为以高效率输入耦合限定平衡的S偏振光和P偏振光。

16.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构还包括交替的聚合物区域和气隙区域，并且聚合物区域与气隙区域之间的折射率差在从1.4至1.9的范围内。

17.如权利要求5所述的波导显示器，其中聚合物区域与双折射材料之间的折射率差为0.01至0.2。

18.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构包括二维晶格结构或三维晶格结构。

19.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构包括：

聚合物衍射特征；以及

相邻的聚合物衍射特征之间的双折射材料，其中双折射材料具有比聚合物衍射特征更高的折射率。

20.如权利要求1所述的波导显示器，其中输入耦合器是光栅或棱柱。

21.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构的调制深度跨波导变化以提供空间变化的偏振相关衍射效率特点。

22.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构的调制深度跨波导变化以提供空间变化的角度相关衍射效率特点。

23.如权利要求1所述的波导显示器，其中能够通过用特定折射率或双折射的光学材料回填聚合物光栅结构来提供空间、角度或偏振衍射效率特点中的至少一个。

24.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构被配置为Bragg光栅或Raman-Nath光栅。

25.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构在波导的外部表面和/或波导的面向眼睛的表面上形成并且至少部分地与输入耦合器和/或提供波束扩展并从波导中提取光的所述至少一个光栅重叠。

26.如权利要求1所述的波导显示器，聚合物光栅结构包括包含Bragg光栅、Raman-Nath光栅和无光栅的区域，

其中这些区域至少部分地覆盖输入耦合器和用于提供波束扩展和提取光的所述至少一个光栅。

27.如权利要求26所述的波导显示器，还包括光控制层，所述光控制层与聚合物光栅结构的不含光栅的区域重叠。

28.如权利要求27所述的波导显示器，其中光控制层提供选自包括以下的组中的至少一种：偏振旋转、偏振选择吸收、偏振选择透射、偏振选择衍射、角度选择透射、角度选择吸收、抗反射率，以及在限定光谱带宽内的透射。

29.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构包括倾斜角连续变化或分段变化的滚动K向量光栅。

30.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构包括具有空间变化节距的光栅。

31.如权利要求1所述的波导显示器，其中从外部世界进入波导的光由外部光源提供并且通过波导的外部表面和/或波导的面向眼睛的表面进入波导。

32.如权利要求1所述的波导显示器，其中从外部世界进入波导的光包括从显示器的观看者的解剖学表面的反射。

33.如权利要求1所述的波导显示器，其中波导包括两个基板并且聚合物光栅结构夹在所述两个基板之间或者定位在任一基板的外部表面上。

34.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构是至少一种类型的聚合物和至少一种其它材料的复合物。

35.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构是聚合物和至少一种其它材料的复合物，其中聚合物在形成聚合物光栅结构之后被去除。

36.如权利要求34所述的波导显示器，其中所述至少一种其它材料包括纳米粒子。

37.如权利要求1所述的波导显示器，其中所述至少一种其它材料包括功能化的纳米粒子。

38.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构涂有光学材料。

39.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构涂有反射光学材料。

40.如权利要求1所述的波导显示器，其中施加到聚合物光栅结构的涂层提供高达2.5的有效折射率。

41.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构涂有第一材料并且被涂敷的光栅被回填有折射率高于第一材料的折射率的第二材料。

42.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构涂有第一材料并且被涂敷的光栅被回填有折射率低于第一材料的折射率的第二材料。

43.如权利要求1所述的波导显示器，其中聚合物光栅结构包括定位在波导的外部表面上的第一光栅结构和定位在波导的面向眼睛的表面上的第二光栅结构。

44.如权利要求43所述的波导显示器，其中第一光栅结构与第二光栅结构具有不同的光栅周期。

45.一种用于减少来自波导显示器的眼睛辉光的方法，包括：

提供图像调制光的源、波导、输入耦合器；以及用于提供波束扩展并将光从波导提取到眼箱的至少一个光栅，其中波导包括面向眼睛的表面和面向外部世界的外部表面；

提供包括调制深度和光栅节距的聚合物光栅结构，其中跨聚合物光栅结构的至少一部分，调制深度大于光栅节距；

将图像调制光引导到波导中的全内反射路径，波束扩展该光并将其朝着眼箱提取；

使用聚合物光栅结构引导在波导内传播的光远离通过外部表面折射到外部世界的光路；以及

使用聚合物光栅结构衍射从外部世界进入波导的光或波导内生成的杂散光远离通过外部表面折射的光路。