CN116802543A - 变迹光栅耦合器 - Google Patents

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grating
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light
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杨阳
伟诗·蒂芙尼·林
多米尼克·梅瑟
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Abstract

光耦合器包括位于衬底中的多个体光栅。多个光栅包括沿着该衬底的长度维度和厚度维度延伸的多个条纹的阵列。多个条纹的折射率与衬底的折射率之间的差值取决于沿着衬底的厚度维度的深度坐标。由于相邻空间间距的光栅之间的光学串扰，该差值对深度坐标的依赖性具有抑制重影图像形成的钟形函数。

Description

变迹光栅耦合器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年10月23日提交的、名称为“APODIZED GRATING COUPLER(变迹光栅耦合器)”的美国临时申请第63/104,715号的优先权。
技术领域
本公开涉及光学设备，尤其涉及光耦合器和光栅、以及具有光栅耦合器的光导。
背景技术
视觉显示器用于向(一个或多个)观看者提供信息，这些信息包括静止图像、视频、数据等。视觉显示器在各种领域中具有应用，仅举几个示例，这些领域包括娱乐、教育、工程、科学、专业培训、广告。一些视觉显示器(例如，电视机)向若干用户显示图像，而一些视觉显示系统旨在用于单独用户。
头戴式显示器(head mounted display，HMD)和近眼显示器(near-eye display，NED)等用于向单独用户显示内容。HMD/NED显示的内容包括虚拟现实(virtual reality，VR)内容、增强现实(augmented reality，AR)内容、混合现实(mixed reality，MR)内容等。所显示的VR/AR/MR内容可以是三维的(three-dimensional，3D)以增强体验，并且对于AR/MR应用，将虚拟对象与由用户观察到的真实对象匹配。
头戴式显示器需要紧凑型显示设备。因为HMD或NED的显示器通常佩戴在用户的头部上，所以大型的、体积庞大且笨重的、不平衡的、和/或重型的显示设备对于用户穿戴而言将是麻烦的且可能是不舒服的。紧凑型显示设备需要紧凑型光学部件(例如，光导、光栅、透镜等)，以提供高光通量、高图像清晰度和保真度、无图像重影现象、低光学像差等。
发明内容
光导用于光学设备中以将光从一个位置传送到另一个位置。在近眼显示器中使用光瞳复制光导以用于提供一扇光束的多个横向偏移副本，该扇光束的多个横向偏移副本携带角域中的图像以供近眼显示器的用户观察。该扇光束的多个横向偏移副本散布在显示器的适眼区(eyebox)上，使得对图像的观察更少依赖于适眼区中的眼睛位置。
光瞳复制光导可以包括用于耦入和耦出图像光的衍射光栅耦合器。体布拉格光栅(Volume Bragg Grating，VBG)可以高效率地耦入和耦出图像光。然而，对于给定波长，VBG在相当窄的角度范围内运行。为了增加显示器的整体角度范围和颜色均匀性，可以在光瞳复制光导中提供多对耦入VBG和耦出VBG。不同对的VBG可能具有光学串扰。当图像光在通过耦入VBG被耦入之后被不同VBG对的耦出VBG反射时，可能出现重影图像。
根据本公开，基于体光栅的光学串扰和所导致的图像重影现象以及光瞳复制光导的对比度/清晰度降低可以通过在光瞳复制光导的厚度方向上对体光栅的折射率廓线进行变迹来抑制。这种变迹可以例如以化学方式或光化学方式实现。
根据本公开，提供了一种光耦合器，该光耦合器包括：衬底；以及位于衬底中的多个体光栅，该多个体光栅中的每个体光栅包括以光栅间距设置的多个条纹的阵列(arrayof fringes)，该多个条纹沿着该衬底的长度维度和厚度维度延伸；其中，该多个条纹的折射率与该衬底的折射率之间的差值取决于沿该衬底的厚度维度的深度坐标，其中，该差值对该深度坐标的依赖性包括钟形函数(bell-shaped function)。该多个条纹与该衬底可以形成锐角。该多个体光栅中的不同体光栅可以在该衬底中重叠。例如，该钟形函数可以包括高斯函数。
在一些实施例中，该钟形函数从该衬底的两侧朝向该衬底的中心厚度单调递增。该多个体光栅中的不同体光栅的钟形函数可以具有不同的幅值(amplitude)。多个体光栅中的不同体光栅的光栅间距可以不同。多个体光栅中的不同体光栅可以被配置成：以不同的入射角耦入照射到该衬底上的光，和/或以不同的衍射角耦出在该衬底中传播的光。该多个体光栅可以包括例如至少10个体光栅，该至少10个体光栅具有不同的光栅间距。
根据本公开，提供了一种光导，该光导包括：衬底、位于该衬底中的多个耦入体光栅、以及位于该衬底中的多个耦出体光栅。该衬底包括两个相对的表面，该两个相对的表面彼此平行地延伸以用于通过从该两个相对的表面的一系列反射来传播光束；该多个耦入体光栅用于将该光束耦入该衬底中；该多个耦出体光栅对应于该多个耦入体光栅且用于沿着该衬底耦出该光束的多个部分；其中，该多个耦入体光栅或该多个耦出体光栅中的每个体光栅包括以光栅间距设置的多个条纹的阵列，该多个条纹沿着该衬底的长度维度和厚度维度延伸；其中，该多个耦入体光栅或该多个耦出体光栅中的至少一者的该多个条纹的折射率与该衬底的折射率之间的差值取决于沿该衬底的厚度维度的深度坐标，其中，该差值对该深度坐标的依赖性包括钟形函数。
该钟形函数可以从该衬底的两侧朝向该衬底的中心厚度单调递增。该钟形函数可以包括高斯函数。该多个耦入体光栅和该多个耦出体光栅中的不同体光栅的钟形函数具有不同的幅值。该多个耦入体光栅中的不同体光栅可以被配置成以不同的入射角耦入照射到衬底上的光束；以及对应的该多个耦出体光栅中的不同体光栅可以被配置成以不同的衍射角耦出该光束的多个部分。此处，“该多个耦入体光栅或该多个耦出体光栅中的至少一者”可以包括耦入体光栅和耦出体光栅这两者。
根据本公开，还提供了一种制造光导的方法，该方法包括：在包括两个相对的表面的衬底中形成多个耦入体光栅和多个耦出体光栅，该多个耦入体光栅用于将光束耦入到该衬底中，该多个耦出体光栅对应于该多个耦入体光栅且用于沿着该衬底耦出该光束的多个部分，其中该多个耦入体光栅或该多个耦出体光栅中的每个体光栅包括以光栅间距设置的多个条纹的阵列，该多个条纹沿着该衬底的长度维度和厚度维度延伸；以及对该多个耦入体光栅或该多个耦出体光栅中的至少一者的体光栅进行变迹，使得该多个耦入体光栅或该多个耦出体光栅中的至少一者的该多个条纹的折射率与该衬底的折射率之间的差值取决于沿着该衬底的厚度维度的深度坐标，其中，该差值对该深度坐标的依赖性包括钟形函数，该钟形函数的最大值位于该钟形函数的中心。
在该光导包括光聚合物层的实施例中，该形成可以包括将该光聚合物层曝光于光栅形成光以用于形成该多个条纹，以及该变迹可以包括将该光聚合物层的至少一个表面曝光于变迹光以减小该至少一个表面附近的该差值。该形成可以与该变迹同时执行，在该变迹之前执行，和/或在该变迹之后执行。
附图说明
现在将结合附图来描述示例，在附图中：
图1A和图1B为具有输入体光栅和输出体光栅的光瞳复制光导的侧视截面图，图1A的光瞳复制光导被配置成与图1B的光瞳复制光导提供不同的视场(field of view，FOV)部分；
图2为具有用于更宽FOV的复用的体光栅的光瞳复制光导的侧视截面图；
图3A为可在图2的光瞳复制光导中使用的多个稀疏间隔的体光栅的衍射波长的角度依赖性；
图3B为图3A的多个体光栅的衍射效率的角度依赖性；
图3C为可在图2的光瞳复制光导中使用的多个密集间隔的体光栅的衍射波长的角度依赖性；
图3D为图3C的多个体光栅的衍射效率的角度依赖性；
图3E为图3C的角度依赖性与针对图3C的两个相邻体光栅的局部衍射效率图形叠加的放大视图；
图3F为示出了光学串扰的光瞳复制光导的侧视截面图；
图4A为图2的光瞳复制光导中的两个非变迹体光栅的角反射率图形；
图4B为图2的光瞳复制光导中的两个变迹体光栅的角反射率图形；
图5为可在本文公开的光导中使用的基于光栅的光耦合器的三维视图；
图6A示出了图5的光耦合器中的体光栅的示例性变迹廓线(apodizationprofile)；
图6B为图5的光耦合器的一些实施例中的不同体光栅的折射率对比幅值的图表；
图7为示出了将光聚合物层曝光于变迹光和光栅形成光的示意图；
图8为示出了将光聚合物层曝光于光栅形成光的示意图，该光聚合物层夹在两层之间以通过化学反应诱导变迹；
图9为制造光瞳复制光导的方法的流程图；以及
图10为本公开的具有一副眼镜的形状要素的增强现实(AR)显示器的示意图。
具体实施方式
虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是本教导不旨在限于这样的实施例或示例。相反，本教导涵盖如本领域技术人员将理解的各种替代物和等同物。本文中引用本公开的原理、方面、示例和实施例以及其具体示例的陈述旨在涵盖其结构等同物和功能等同物。另外，这样的等同物旨在包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即所开发的用于执行相同功能的任何元件，而不管结构如何。
如本文所使用的，除非明确说明，否则术语“第一”和“第二”等不旨在暗示顺序排序，而是旨在将一个元件与另一元件区分开。类似地，除非明确说明，否则方法步骤的顺序排序并不暗示其执行的顺序次序。在图1A、图1B、图2、图3F和图5中，相同的附图标记表示相同的元件。
现在将介绍具有变迹体光栅的光导的示例。首先参考图1A，光瞳复制光导100A包括衬底110、位于衬底110中的耦入体光栅102A和位于衬底110中的耦出体光栅106A，耦入体光栅102A用于将图像光104A耦入光瞳复制光导100A中，耦出体光栅106A用于沿着光瞳复制光导100A的长度方向(图1A中的X方向)耦出图像光104A的多个部分108A。图像光104A通过从衬底110的相对的顶表面121和底表面122的一系列反射在衬底中传播。如图1A中所示，图像光104A携带角域中的图像的一部分，从而对应于近似垂直于光瞳复制光导100A定向的窄锥形光线。在该示例中，耦入体光栅102A和耦出体光栅106A具有相同的间距，使得耦出的多个部分108A保持照射的图像光104A的光束角度。
参考图1B，光瞳复制光导100B类似于图1A的光瞳复制光导100A。图1B的光瞳复制光导100B包括位于衬底110中的耦入体光栅102B和位于衬底110中的耦出体光栅106B，该耦入体光栅用于耦入图像光104B，该耦出体光栅用于沿着光瞳复制光导100B的长度方向(图1B中的X方向)耦出图像光104A的多个部分108B。图像光104B通过从衬底110的相对的顶表面121和底表面122的一系列反射在衬底中传播。图像光104B携带角域中的图像的不同部分，从而对应于与光瞳复制光导100B成锐角(即，非垂直)角度定向的窄锥形光线。耦入体光栅102B和耦出体光栅106B具有相同的间距，使得耦出的多个部分108B保持照射的图像光104B的光束角度。
现在参考图2，光瞳复制光导200包括位于衬底210中的耦入器202。耦入器202包括叠置在光瞳复制光导200中的多个复用的耦入体光栅，例如图1A的耦入体光栅102A、图1B的耦入体光栅102b、以及具有不同间距或周期的其他耦入体光栅。体光栅可以占据衬底210的同一体积区域，和/或可以设置在衬底210中的不同深度处。多个耦入体光栅中的不同体光栅被配置成以不同的入射角耦入照射到衬底210上的图像光204。这些耦入体光栅一起耦入图像光204，图像光204覆盖角域中的图像的整个视场(FOV)以由光瞳复制光导200携带并向用户显示。耦入的图像光204通过从衬底210的相对的顶表面221和底表面222的一系列反射在衬底中传播。
位于衬底210中的耦出器206包括叠置在光瞳复制光导200中的多个复用的耦出体光栅，例如图1A的耦出体光栅106A、图1B的耦出体光栅106b以及其他耦出体光栅。多个耦出体光栅中的不同体光栅被配置成以不同的衍射角耦出在衬底210中传播的图像光204。这些耦出体光栅一起耦出覆盖整个FOV的图像光204的多个部分208。FOV的不同部分通过不同匹配的体光栅对由光瞳复制光导200来传送。还应注意，每个耦入体光栅提供一个耦出体光栅仅意味着一个示例。可以为每个耦入体光栅提供两个或更多个耦出体光栅。各种光导类型(包括直光导、弯曲光导、1D/2D光导等)可以被配置成具有匹配的体光栅对。在本文中并且在整个说明书的其余部分中，体光栅可以包括VBG、偏振体全息图(polarization volumehologram，PVH)等。
为了使光瞳复制光导200按预期运行，图像光204的多个部分应当仅由对应于同一特定FOV部分的同一耦入和耦出体光栅对的体光栅重定向。如果图像光204的一部分通过来自一个耦入/耦出体光栅对的体光栅耦入到光瞳复制光导200中，并且通过来自另一耦入/耦出体光栅对的体光栅耦出，则将产生偏移图像(重影)。
不同体光栅对之间的光学串扰的起源将在图3A至图3F中进一步示出。首先参考图3A和图3B，光栅耦合器可以包括多个体光栅，由于该多个体光栅具有不同的间距，所以该多个体光栅具有沿着衍射角Θ的轴线彼此相对偏移的衍射波长λ的角度依赖性312(图3A)。针对照明光的带宽314示出了角度依赖性312。在该示例中，角度依赖性312在衍射角Θ中稀疏地间隔开，这导致各个体光栅的衍射效率η的角度依赖性的图形316之间的间隙315(图3B)。当这种光栅耦合器用于光瞳复制光导中时，间隙315将在所显示的图像中导致FOV间隙。
可以通过在光栅耦合器中复用的体光栅的间距值之间提供更紧密的间隔来避免间隙315，这会使得角度依赖性312间隔开但靠得更近。参考图3C和图3D，角度依赖性312成角度地密集地间隔开(图3C)，从而消除角度效率图形316之间的间隙。角度效率图形316“合并”成连续的、无间隙的角度效率曲线317(图3D)。具有(在角域中)密集间隔的体光栅的光栅耦合器将导致连续的无间隙的FOV。
体光栅间距的间隔过近和所得的无间隙的FOV可能导致光学串扰，这表现出图像对比度损失和/或出现重影图像。例如，参考图3E，对于这些体光栅，相邻体光栅(即，间距相邻)的第一衍射波长和第二衍射波长的角度依赖性312和312*被示出为与相应的放大的第一衍射效率曲线316和第二衍射效率曲线316*叠加。当第一衍射效率曲线316和第二衍射效率曲线316*设置得太靠近彼此时，串扰可能导致光被“错误”的体光栅衍射。
后一点在图3F中展示，图3F示出了光瞳复制光导300。光束304照射在耦入器上，该耦入器包括位于衬底310中的多个耦入体光栅，该多个耦入体光栅包括第一耦入体光栅302。为了清楚起见，未示出其他耦入体光栅。耦入体光栅302重定向光束304，以使光束304在光瞳复制光导300中朝向位于衬底310中的耦出器传播，该耦出器包括多个耦出体光栅。耦出器包括第一耦出体光栅306和第二耦出体光栅306*，第一耦出体光栅306匹配第一耦入体光栅302并且具有衍射效率η的第一角度依赖性316(图3E)，第二耦出体光栅306*(图3F)具有衍射效率η的第二角度依赖性316*。为清楚起见，在图3F中仅示出了两个耦出体光栅。如图3F所示，耦入体光栅的条纹和耦出体光栅的条纹可以与衬底310形成锐角。
在操作中，第一输出光束308从“正确”的体光栅(即，匹配的第一耦出体光栅306)衍射。第二输出光束308*从“错误”的体光栅(即，第二耦出体光栅306*)衍射。第二输出光束308*与第一输出光束308在不同的方向上传播，这是因为第二耦出体光栅具有的间距与第一耦出体光栅的间距略微不同。第二输出光束308*对应于不正确的图像，即重影图像。
“不正确”反射的起源在图4A中进一步示出，其中两个相邻体光栅的反射率R相对反射衍射角θ(以度为单位)绘制。反射率R对应于反射体光栅构造中的衍射效率η。对于每个体光栅，反射率对衍射角的依赖性R(θ)包括中心峰401A以及中心峰401A两旁上的旁瓣402A。可以看出，一个体光栅的旁瓣402A可以与另一个体光栅的中心峰401A的区域重叠。重叠意味着，虽然大部分图像光被“正确”的体光栅的中心反射率峰401A反射为第一输出光束308(图3F)，但是图像光的一小部分可以被“不正确”的体光栅的旁瓣反射，从而产生第二输出光束308*。正是这样的“不正确”的输出体光栅的衍射导致了对比度损失/出现图像重影现象。因此，反射率依赖性R(θ)的旁瓣402A因其降低了图像质量而是不期望的。
根据本公开，可以通过在承载体光栅的衬底的厚度方向上(即，大体在与体光栅的条纹的阵列的间距方向垂直的方向上)对体光栅进行变迹来抑制体光栅的角反射率光谱的旁瓣以及相关联的图像重影现象。在图4B中，来自两个相邻体光栅对的变迹体光栅的反射率R相对于反射衍射角θ(以度为单位)绘制。仅存在中心峰401B，旁瓣显著减小。因此，图像光不会从体光栅对的“不正确”的体光栅反射，从而生成无重影图像。至少，可以显著抑制图像重影。图4A和图4B中绘制的图形基于使用严格耦合波分析(rigorous coupled waveanalysis，RCWA)执行的光栅结构的物理光学仿真。注意，本文考虑的光栅耦合器中的体光栅也可以以透射方式运行而不是以反射方式操作，并且也可能有图像重影现象。
现参考图5，光耦合器500可以是图1A的光瞳复制波导100A、图1B的光瞳复制波导100B、图2的光瞳复制波导200、以及图3F的光瞳复制波导300的一部分。光耦合器500包括衬底510，该衬底具有平行于XY平面的相对的第一表面521和第二表面522。衬底的厚度t的方向为图5中的Z方向。衬底510可以但不一定必须是平坦的；在弯曲的衬底变型中，第一表面521和第二表面522可以彼此平行地延伸。光耦合器500表示用于耦入照射光束的耦入器，以及用于沿着衬底510在不同位置耦出光束的多个部分的耦出器。光耦合器500可以包括多个体光栅520，例如光栅间距不同的至少10个、20个、50个、100个或更多个体光栅。
转到图6A，折射率对比度(即，体光栅条纹的折射率与衬底510的折射率之间的差值)的廓线601被绘制为厚度坐标Z的函数。在该示例中，第一廓线601由高斯函数描述。也可以使用非高斯函数。更普遍地，多个体光栅中的每个体光栅的折射率对比度变化可以具有钟形函数或类似的函数。钟形函数可以具有位于衬底510内部的钟状物尖端和位于衬底510的外表面处的钟状物唇缘。换句话说，钟形函数从衬底510的两个外表面(即图5中的顶表面和底表面)朝向衬底510的中心厚度单调递增。最大值可以、但不一定必须设置为靠近衬底510的厚度t的中间。例如，钟形廓线可以朝向一侧歪斜，例如是第二廓线602。设置在衬底510中的光栅耦合器的条纹可以与衬底510形成锐角，而条纹和衬底的折射率对比度根据第一廓线601或第二廓线602变化。也示出了均匀廓线603(即，非变迹光栅的廓线)以用于比较。不同体光栅可以在衬底510中在空间上重叠，且具有折射率对比度的相同或不同z向廓线(z-profile)。
后一点(即折射率对比度的不同z向廓线)在图6B中示出，在图6B中，针对具有使用数值模拟独立优化的不同体光栅的变迹的耦合器，图5的光耦合器500的体光栅的折射率对比度幅值被绘制为体光栅间距的函数。光耦合器500的体光栅具有不同的间距，并且光耦合器500的多个体光栅中的不同体光栅的钟形函数对于耦合器500的最佳性能具有不同的幅值。
基于体光栅的光栅耦合器的折射率对比度变迹可以通过采用多种方法来实现，这些方法包括光化学方法和化学变迹方法。图7示出了光化学方法。由可选的衬底(为清楚起见未示出)支撑的光聚合物(photopolymer，PP)层710设置在XY平面中。PP层710曝光于光栅形成光704，光栅形成光704由波长为λ光栅的相干的第一光束711和第二光束712的干涉形成，使用倾斜的相干的第一光束711和第二光束712分别照射PP层710的相对的顶表面721和底表面722，从而在PP层710中形成干涉图案，该干涉图案对应于待形成的体光栅的条纹图案。PP材料在由光栅形成光704的第一光束711和第二光束712形成的干涉图案的高强度区域中改变其折射率，而在干涉图案的低强度区域中，折射率保持不变、或者变化很小。光栅形成光704通常是单色的。PP层710可以经受光栅形成光704在不同的入射角和/或不同波长下的多次曝光。PP层710可以经历数十次甚至数百次这样的曝光。
可以使用波长为λ变迹的变迹光束702照射PP层710的顶表面721或底表面722中的至少一者来实现光栅变迹。变迹光束702可以被定向成垂直于PP层，例如沿着Z方向定向，以垂直入射到PP层710的顶表面721和/或底表面722上。可以选择变迹光的一个或多个波长λ变迹，使得变迹光的大部分在到达PP层710的中间之前被吸收，以提供折射率对比度的理想廓线。使用变迹光束702对PP层710的照射有利于将PP层710的顶表面721和底表面722附近的折射率对比度降低到比中心处更大的程度，这使得光栅的折射率廓线得以变迹。根据所使用的光化学过程的具体情况，变迹照射可以在光栅形成照射之前进行、与光栅形成照射同时进行、或在光栅形成照射之后进行。变迹的程度取决于在变迹波长λ变迹下的吸收系数和PP层710(沿Z维度)的厚度。
在一些实例中，可以以化学方式诱导变迹，或化学变迹可以补充上文参考图7描述的光诱导的变迹。化学变迹过程如图8所示，在图8中，化学活性层820(也称为抑制剂层)被添加到PP层710的顶表面721和/或底表面722。可以设置至少一个抑制剂层820。(一个或多个)抑制剂层820的功能是可控地抑制由光栅形成光704引发的光聚合过程。可以执行该变迹，使得每个体光栅的折射率对比度变化可以基本相同，例如可以彼此相差5％以内。
在上文参考图7和图8介绍的光栅变迹构造中，在PP层710中形成的多个体光栅中的不同体光栅可以设置在PP层710的不同深度处，并且可以沿着Z坐标具有不同的高度，以实现不同的变迹水平和/或不同的光栅衍射效率。可以提供具有不同间距的至少10个体光栅。在一些示例中，提供至少100个体光栅。
现参考图9，一种用于制造光导(例如，图2的光导200，该光导包括耦入器和耦出器(例如，图5中的耦合器500))的方法900包括：在衬底(例如，图2的光导200的衬底210)中形成(图9；902)多个耦入体光栅和/或多个耦出体光栅，该衬底包括两个相对的表面，该多个耦入体光栅用于将光束(例如，光束204)耦入到衬底210上，该多个耦出体光栅对应于该多个耦入体光栅且用于沿着衬底210耦出光束204的多个部分208。多个耦入体光栅或多个耦出体光栅中的每个体光栅包括以光栅间距设置的多个条纹的阵列。多个条纹沿着衬底210的长度维度(图2的X维度)和厚度维度(图2的Z维度)延伸。
对多个耦入体光栅或多个耦出体光栅中的至少一者的体光栅进行变迹(图9；904)，使得多个耦入体光栅或多个耦出体光栅中的至少一者的多个条纹的局部折射率与衬底的局部折射率之间的差值(即，折射率对比度)取决于深度坐标(图2、图5、图7和图8中的Z坐标)，即沿着衬底的厚度维度的坐标。如上文参考图5和图6A所解释的，折射率对比度对深度坐标的依赖性可以由钟形函数(例如，图6A中的601和602)来表达，钟形函数的最大值位于钟形函数的中心处或中心附近。
光导的光栅承载区域可以包括光聚合物层。通过将光聚合物层曝光于对应于期望光栅的干涉图案，可以在光聚合物层中形成耦入光栅和/或耦出光栅，如上文参考图5、图7和图8所解释的那样。在这些示例中，例如，可以通过将光聚合物层的至少一个表面曝光于变迹光来执行变迹以降低一个或多个表面附近的折射率对比度，如图7所示的那样。
光栅形成902可以与变迹904同时执行、在变迹904之前执行、和/或在变迹904之后执行。变迹904可以如上文参考图7所解释的以光化学方式执行，和/或如上文参考图8所解释的以化学方式执行。
光栅形成902可以包括多个曝光步骤。单个光栅或多个光栅可以在单个步骤期间曝光。重复光栅形成步骤，直到耦合器的所需光栅全部形成为止。光栅可以叠置形成，即，经优化以在不同角度范围中运行的具有不同空间间距的多个不同体光栅可以在光聚合物层内在空间上重叠。不同的光栅可以形成在不同的深度水平。此外，一些光栅可以比其他光栅更宽。
转到图10，增强现实(AR)近眼显示器1000包括具有一副眼镜的形状要素的框架1001。对于每只眼睛，框架1001支撑：投射器1008、光耦合到投射器1008的光瞳复制光导1010、眼睛跟踪相机1004和多个照明器1006。光瞳复制光导1010可以包括本文公开的耦入器和/或耦出器中的任何耦入器和/或耦出器，这些耦入器和/或耦出器包括本文公开的Z向变迹的体光栅。照明器1006可以由光瞳复制光导1010支撑且用于照亮适眼区1012。投射器1008提供一扇光束，该扇光束携带角域中的待投射到用户的眼睛中的图像。光瞳复制光导1010接收该扇光束并且提供该扇光束的每个光束的多个横向偏移的平行副本，从而在适眼区1012上方扩展所投射的图像。
眼睛跟踪相机1004的作用是确定用户的两只眼睛的位置和/或取向。一旦知道用户的眼睛的位置和取向，就可以确定注视会聚距离和方向。考虑到用户的注视，可以动态地调整由投射器1008显示的图像，从而使用户更逼真地沉浸到所显示的增强现实场景中，和/或提供与增强现实的交互的特定功能。
在操作中，照明器1006在对应的适眼区1012照射眼睛，以使得眼睛跟踪相机能够获得眼睛的图像，以及提供参考反射(即，闪烁)。闪烁可以用作所捕获的眼睛图像中的参考点，从而通过确定眼睛瞳孔图像相对于闪烁图像的位置来促进眼睛注视方向的确定。为了避免照明光使用户分心，可以使照明光对用户不可见。例如，可以使用红外光照射适眼区1012。
本公开的实施例和示例可以包括人工现实系统，或者结合人工现实系统来实现。人工现实系统以某种方式调整通过感测获得的关于外界的感觉信息(例如，视觉信息、音频、触摸(体感)信息、加速度、平衡等)，之后将信息呈现给用户。作为非限制性示例，人工现实可以包括虚拟现实(virtual reality，VR)、增强现实(augmented reality，AR)、混合现实(mixed reality，MR)、混合现实(hybrid reality)或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全产生的内容或与捕获的(例如，真实世界的)内容组合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、躯体或触觉反馈、或其某种组合。可以在单个频道中或在多个频道中(例如，在向观看者生成三维效果的立体视频中)呈现这些内容中的任何内容。
此外，在一些实施例和示例中，人工现实还可以与应用程序、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用程序、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式用于人工现实中(例如，在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括可穿戴显示器(例如，连接至主计算机系统的HMD)、独立的HMD、具有眼镜的形状要素的近眼显示器、移动设备或计算系统、或者能够向一个或多个观看者提供人工现实内容的任何其它硬件平台。
本公开不限于本文描述的特定实施例和示例的范围。实际上，根据前述的描述和附图，除了本文描述的之外，其他各种实施例、示例和修改对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。因此，这样的其他实施例、示例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，虽然本文已出于特定目的而在特定环境中的特定实施方案的上下文中描述了本公开，但所属领域的普通技术人员将认识到，其有用性不限于此，且本公开可以出于任何数量的目在任何数量的环境中有益地实现。因此，以下阐述的权利要求应当鉴于如本文所述的本公开的全部范围来解释。

Claims (15)

1.一种光耦合器，所述光耦合器包括：
衬底；以及
位于所述衬底中的多个体光栅，所述多个体光栅中的每个体光栅包括以光栅间距设置的多个条纹的阵列，所述多个条纹沿着所述衬底的长度维度和厚度维度延伸；
其中，所述多个条纹的折射率与所述衬底的折射率之间的差值取决于沿着所述衬底的厚度维度的深度坐标，其中，所述差值对所述深度坐标的依赖性包括钟形函数。
2.根据权利要求1所述的光耦合器，其中，所述钟形函数从所述衬底的两侧朝向所述衬底的中心厚度单调递增；
优选地，其中，所述钟形函数包括高斯函数。
3.根据权利要求1或2所述的光耦合器，其中，所述多个条纹与所述衬底形成锐角。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光耦合器，其中，所述多个体光栅中的不同体光栅在所述衬底中重叠。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光耦合器，其中，所述多个体光栅中的不同体光栅的钟形函数具有不同的幅值。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光耦合器，其中，所述多个体光栅中的不同体光栅的光栅间距不同；
优选地，其中，所述多个体光栅包括至少十个体光栅，所述至少十个体光栅具有不同的光栅间距。
7.根据权利要求6所述的光耦合器，其中，所述多个体光栅中的不同体光栅被配置成：
以不同的入射角耦入照射到所述衬底上的光，和/或
以不同的衍射角耦出在所述衬底中传播的光。
8.一种光导，所述光导包括：
衬底，所述衬底包括两个相对的表面，所述两个相对的表面彼此平行地延伸以用于通过从所述两个相对的表面的一系列反射来传播光束；
位于所述衬底中的多个耦入体光栅，所述多个耦入体光栅用于将所述光束耦入所述衬底中；以及
位于所述衬底中的多个耦出体光栅，所述多个耦出体光栅对应于所述多个耦入体光栅且用于沿着所述衬底耦出所述光束的多个部分；
其中，所述多个耦入体光栅或所述多个耦出体光栅中的每个体光栅包括以光栅间距设置的多个条纹的阵列，所述多个条纹沿着所述衬底的长度维度和厚度维度延伸；
其中，所述多个耦入体光栅或所述多个耦出体光栅中的至少一者的所述多个条纹的折射率与所述衬底的折射率之间的差值取决于沿着所述衬底的厚度维度的深度坐标，其中，所述差值对所述深度坐标的依赖性包括钟形函数。
9.根据权利要求8所述的光导，其中，所述钟形函数从所述衬底的两侧朝向所述衬底的中心厚度单调递增；
优选地，其中，所述钟形函数包括高斯函数。
10.根据权利要求8或9所述的光导，其中，所述多个耦入体光栅和所述多个耦出体光栅中的不同体光栅的钟形函数具有不同的幅值。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的光导，其中，
所述多个耦入体光栅中的不同体光栅被配置成以不同的入射角耦入照射到所述衬底上的所述光束；并且
对应的所述多个耦出体光栅中的不同体光栅被配置成以不同的衍射角耦出所述光束的多个部分。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的光导，其中，所述多个耦入体光栅或所述多个耦出体光栅中的至少一者包括耦入体光栅和耦出体光栅这两者。
13.一种制造光导的方法，所述方法包括：
在包括两个相对的表面的衬底中形成多个耦入体光栅和多个耦出体光栅，所述多个耦入体光栅用于将光束耦入到所述衬底中，所述多个耦出体光栅对应于所述多个耦入体光栅且用于沿着所述衬底耦出所述光束的多个部分，其中，所述多个耦入体光栅或所述多个耦出体光栅中的每个体光栅包括以光栅间距设置的多个条纹的阵列，所述多个条纹沿着所述衬底的长度维度和厚度维度延伸；以及
对所述多个耦入体光栅或所述多个耦出体光栅中的至少一者的体光栅进行变迹，使得所述多个耦入体光栅或所述多个耦出体光栅中的至少一者的所述多个条纹的折射率与所述衬底的折射率之间的差值取决于沿着所述衬底的厚度维度的深度坐标，其中，所述差值对所述深度坐标的依赖性包括钟形函数，所述钟形函数的最大值位于所述钟形函数的中心。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述光导包括光聚合物层，并且其中，
所述形成包括将所述光聚合物层曝光于光栅形成光以用于形成所述多个条纹；以及
所述变迹包括将所述光聚合物层的至少一个表面曝光于变迹光以减小所述至少一个表面附近的所述差值。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述形成与所述变迹同时执行；和/或
其中，所述形成在所述变迹之前或之后执行。
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