CN117120772A - 成像波导 - Google Patents

Abstract

光波导组合器，包括光波导基板和光输入区域。光输入区域包括集成在光波导基板中或设置在光波导基板上的光输入衍射光栅。光输出区域包括集成在光波导基板中或设置在光波导基板上的光输出衍射光栅。至少一个非衍射区域包括至少一个纳米结构的光学非衍射阵列，其中，所述至少一个纳米结构的光学非衍射阵列集成在所述光波导基板的对象侧中或设置在所述光波导基板的对象侧上，并且至少部分地围绕至少所述光输出光栅；其中，所述至少一个纳米结构的非衍射阵列的外部可见反射率基本等于所述光输出光栅的外部可见反射率。

Description

成像波导

相关申请数据

本申请要求于2021年4月12日提交的美国临时专利申请序列第63/174,000号以及2021年4月13日提交的美国临时专利申请序列第63/174,385号的优先权的权益，上述美国临时专利申请的内容并入本文，如同明确阐述一样。

技术领域

本发明涉及成像波导，并且更具体地但非排他地涉及用于增强现实设备或混合现实设备的包括衍射光栅区域的成像光波导组合器。

背景技术

用于增强现实设备(例如基于近眼的增强现实(AR)设备)和混合现实(MR)设备(例如混合现实智能眼镜应用)的成像波导已经开发了至少二十年，并且在此期间进行持续的改进。许多改进集中于在光学性能以及佩戴者的舒适度两者方面增强功能。已经投入了大量努力来减小近眼设备的形状因子，使得近眼设备在外观上变得更类似于常规眼科眼镜，同时被制造得更轻，并且因此更易于长时间使用。

附图说明

为了可以更容易地理解本技术，现在将参照附图，在附图中：

图1示出了当投影仪模块接通时即投影仪模块投影图像承载光时现有技术的典型波导设备的截面图。

图2描绘了当投影仪模块关断时由旁观者观看的现有技术的波导设备的立体图。

图3描绘了当投影仪模块关断时由旁观者观看的根据一些实施方式的波导设备的立体图。

图4描绘了根据一些实施方式的从诸如图3的波导设备的波导设备上方观察的示例性平面图，其指示了波导的不同区域。

图5表示根据一些实施方式的表面图案的单元格元素。

图6描绘了图4的波导表面在该表面上的不同位置处的光反射率的曲线图。

图7示出了根据一些实施方式的波导设备在投影仪模块接通时即投影仪模块投影图像承载光时的横截面图。

图8示出了根据一些实施方式的波导设备在投影仪模块关断时即投影仪模块不投影图像承载光时的横截面图。

图9示出了根据一个方面的在眼镜中实现的光波导组合器。

除非特别指出，否则本说明书中所参照的附图应当理解为不是按比例绘制的，以便更清楚地示出本公开内容的细节。在附图中相同的附图标记在若干视图中指示相同的元件。本公开内容的其他特征和优点将从附图和下面的详细描述中变得明显。

具体实施方式

在以下描述中，为了解释而非限制的目的，阐述了具体细节，例如特定实施方式、过程、技术等，以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说将明显的是，本发明可以在脱离这些具体细节的其他实施方式中实施。

波导设计的一个受到较少关注的方面涉及：形成波导的有效图像承载区域的衍射元件对旁观者的可见外观。本公开内容描述了改进波导的美学外观的结构和特征，所述波导用于旁观者的AR或MR智能眼镜以及用于诸如汽车或其他车辆中的平视显示器系统的其他类型的AR和MR设备。

波导组合器的表面的可见反射率的均匀性的改善向旁观者掩饰了衍射表面浮雕光栅区域的存在。

光波导组合器的对象侧在本文中被定义为是指组合器的与真实世界对象相同的侧，该真实世界对象可以由光波导组合器的用户通过该光组合器观看。光波导组合器的眼睛侧在这里被定义为是指组合器的与组合器的眼动箱相同的一侧。

图1示出了增强现实(AR)或混合现实(MR)透视显示器的工作原理。首先由投影仪模块1生成投影的图像。所得到的图像承载光2经由输入区域4耦合到透明波导基板3中，然后在所述波导基板内全内反射，并且最后经由输出区域5朝向用户的眼睛6耦出所述波导基板。同时，用户经由朝向用户的眼睛6透射穿过透明波导基板3的相关的一组光线8来感知用户的周围环境7。

图2描绘了用于在智能眼镜配置中对信息进行增强现实(AR)或混合现实(MR)显示的现有技术波导组合器10的立体图。波导组合器10具有输入区域11、输出区域12和其中聚合物层13具有平滑表面轮廓的区域。透明波导基板10A由平面玻璃片形成，其具有高度的表面平坦度和均匀的厚度以及限定的折射率。波导组合器10的一个主表面涂覆有折射率匹配的聚合物层13，而另一个主表面覆盖有抗反射涂层。输入区域11和输出区域12通过纳米压印光刻工艺被压印到聚合物层13中。因此，输入区域11和输出区域12是衍射表面浮雕光栅：输入区域11呈现线性或伪线性光栅(如输入区域11的放大图16所示)，而输出区域12是交叉光栅(如输出区域12的放大图17所示)。输入区域11被设计成将被导向它的图像承载光(来自投影仪模块15)衍射到波导组合器10中。耦合到透明波导基板10A中的图像承载光通过全内反射被导向输出区域12，通过该输出区域，佩戴眼镜、头戴式装置或其他头戴式或近眼式设备(其将波导定位在眼睛14的前方)的人能够感知由图像承载光携带的图像。共同拥有的申请US专利申请公开2020/0110261(其内容通过引用并入本文)将这样的波导组合器10的操作原理描述为：将进入输入区域11的图像承载光的单个输入光瞳复制为在输出区域12的放大眼动箱范围上显示的多个输出光瞳。

聚合物层13的未压印有表面浮雕光栅结构的任何部分具有平滑表面轮廓(如例示不存在结构且因此不存在平滑表面轮廓的放大图18中所示)。聚合物层13具有平滑表面轮廓的区域占据波导组合器10的未通过输入区域11和输出区域12图案化的主表面。当投影仪模块15被关闭时，当个体即与设备的用户的眼睛侧相对的光学组合器/设备的对象侧上的旁观者19接近佩戴包括至少一个波导组合器10的头戴式设备的某个人时，由于波导组合器10上的表面区域的可见反射率的差异，输出区域12的存在尤其明显。

图3描绘了根据一些实施方式的波导组合器20的立体图。波导组合器20具有光学波导基板20A、光输入区域21、光输出区域22(其位置由虚线轮廓标识)和聚合物层23压印有纳米结构的非衍射阵列(如放大图28中所示)的区域，该纳米结构的非衍射阵列调制波导组合器20的表面反射率(当投影仪模块25关闭时)，并且对在透明波导基板20A内经历全内反射的图像承载光没有影响或基本没有影响(当投影仪模块打开时，如图7中所示)。纳米结构的非衍射阵列具有小于在透明波导基板20A内经历全内反射的图像承载光的波长的尺寸，使得它们不衍射这样的图像承载光。

在一些实施方式中，当纳米结构的非衍射阵列使得图像承载光的任何波长的至多2％衍射成衍射级时，纳米结构的非衍射阵列被认为对来自投影仪模块的图像像承载光的全内反射基本没有影响。

压印有纳米结构的非衍射阵列的该区域占据透明波导基板的未被输入区域21和输出区域22占据的主表面。输入区域21是线性或伪线性衍射光栅(如输入区域21的放大图26所示)，而输出区域22是交叉衍射光栅(如输出区域22的放大图27所示)。在一些实施方式中，输入光栅是交叉光栅，并且输出光栅是线性或伪线性光栅。在一些实施方式中，输入光栅是交叉光栅，并且输出光栅是交叉光栅。在一些实施方式中，输入光栅是线性或伪线性光栅，并且输出光栅是线性或伪线性光栅。与图2一样，图像承载光被引导到输入区域21，该输入区域将该光衍射到透明波导基板20A中并将其朝向输出区域22引导，该输出区域将输入光瞳复制至存在于输出区域22上的放大的眼动箱区域，佩戴者通过该眼动箱区域来感知存在于输入光瞳中的图像。

与关于图2所述的现有技术设备不同，未压印有输入区域21或输出区域22的聚合物层23压印有纳米结构阵列，该纳米结构阵列的尺寸、形状和间隔被确定成使得该阵列是非衍射的，从而对在透明波导基板20A内经历全内反射的图像承载光没有影响或基本没有影响(当投影仪模块开启时，如图7所示)。这样的纳米结构的非衍射阵列在波导20的对象侧的表面上的存在用于调制表面的可见反射，使得与图2中描绘的现有技术设备不同，波导组合器20对于旁观者29的外观在投影仪模块25(靠近用户的眼睛24)关闭时是均匀反射的。在图3中，输入区域21、输出区域22和压印有纳米结构的非衍射阵列的区域在非眼睛侧上呈现类似的表面反射率。这样，使得衍射区域，即输入区域21和输出区域22对于旁观者来说更不明显。在一些实施方式中，聚合物层23可以由诸如二氧化钛或氮化硅的光学涂层代替，其被图案化以限定输入区域21、输出区域22以及非衍射区域；并且在其他实施方式中，不存在聚合物层23，并且波导的玻璃表面直接被结构化或被图案化有衍射光栅和纳米结构的非衍射阵列。可以使用通过由合适的光刻技术产生的保护掩模的化学或湿法蚀刻，以分别在光学涂层或玻璃表面中限定纳米结构。替选地，也可以使用电子束或其他蚀刻技术。

在一些其他实施方式中，光输入区域、光输出区域和非衍射区域中的任何一个或其组合通过其他手段与光波导基板集成或设置在光波导基板上。

一旦已经通过聚合物层的纳米压印或通过表面的蚀刻限定了纳米结构，就可以在波导组合器20的已经被图案化有纳米结构的整个表面上施加另一共形光学涂层。

图4示出了从图3中描绘的波导组合器20的上方观察的平面图；描绘了各个图案化纳米结构的细节。输入区域21被提供为线性或伪线性衍射光栅，其通常被配置成将与输入区域21的表面正交地定向的承载图像光衍射到透明波导基板20A中，并且将光转向输出区域22。

然而，在一些情况下，根据系统的具体设计，图像承载光可以以与表面成90度以外的角度引入。输出区域22包括光子晶体或交叉衍射光栅结构，其被配置成在输出区域的区域上在两个维度上复制图像承载光的输入光瞳，并且将复制的光瞳转向通过波导组合器20观看的人的眼睛，使得他们感知由图像承载光传达的信息，同时还通过波导观看真实世界。波导组合器20的未被衍射结构图案化的任何剩余表面被具有足够小的尺寸的单元格30纳米结构的阵列图案化(见图4和图5)，以便不衍射在透明波导基板内通过全内反射传播的图像承载光。单元格30纳米结构的非衍射阵列的可见反射可以通过特定的设计变化来调制，包括调制这样的结构的间距、轮廓形状和尺寸；假设尺寸保持足够小，以便不影响或基本不影响经由输入区域21被引导到透明波导基板20A中的图像承载光。在一些实施方式中，如果单元格30纳米结构的非衍射阵列使得图像承载光的任何波长的至多2％被衍射成衍射级，则认为单元格30纳米结构的非衍射阵列基本不影响来自投影仪模块的图像承载光的全内反射。因此，可以调制单元格30纳米结构的设计特性，以确保表面反射率与输入区域21和输出区域22中存在的衍射结构的表面反射率紧密匹配。

这样的单元格30纳米结构的非衍射阵列的存在足以改变波导组合器20的表面的反射率(在该表面上存在输入区域21和输出区域22)，以便在波导组合器的对象侧的表面上具有均匀的所述反射率。这样，单元格30纳米结构的非衍射阵列旨在通过模仿衍射光栅的表面反射特性来掩蔽或伪装衍射光栅的存在(当投影仪模块25关闭时)。这样的表面改性的结果是，对于正在注视佩戴这样的外观改善的基于波导的眼镜的人(参见用户的眼睛24)的个体(例如，图3中存在的旁观者29)，减少了原本明显的外观，特别是输出区域21的外观。输入区域通常通过支承波导组合器的框架对用户和旁观者隐藏。因此，在一些实施方式中，可能仅需要伪装输出区域。在其他实施方式中，输入区域不被隐藏，并且纳米结构的非衍射阵列用于伪装输入区域和输出区域两者。在一些实施方式中，光学非衍射纳米结构完全或部分地围绕光输出光栅和/或光输入光栅。

图5表示根据一些实施方式的非衍射单元格元件30，其可以用在本文公开的波导的实施方式中的任一个中。非衍射单元格元件30在波导20的表面、输入区域21和输出区域22外部进行棋盘格化，该输入区域和输出区域两者均用衍射光栅结构进行图案化。在一些实施方式中，单元格30包括深度在15nm与100nm之间并且横截面尺寸在15nm与75nm之间的中心区域32，而单元格30的外部区域在x方向上的长度在25nm与200nm之间并且在y方向上的长度在25nm与200nm之间。在示例性实施方式中，单元格30在x方向上的长度为100nm，在y方向上的长度为100nm，其中，中心区域22具有58nm的直径和55nm的深度。因此，如图4所示，通过在聚合物层23中压印“孔”或在波导20的玻璃或光学涂层中蚀刻孔，可以获得单元格30的中心区域32。当从波导上方观察时，该“孔”可以采用圆形，因为它是经由制造工艺最容易获得的形状。替选地，该“孔”可以采用任何基于多边形的形状。单元格30的中心区域32可以具有任何间距、形状和尺寸，只要这些尺寸参数充分小于可见光的波长，以防止在透明波导基板内经历全内反射的图像承载光的任何不想要的衍射。在一些实施方式中，单元格30纳米结构的非衍射阵列使得承载图像的投影仪模块光的任何波长的至多2％被衍射成衍射级。这样，这被认为表示对来自投影仪模块的图像承载光的全内反射基本上没有影响。在一些其他实施方式中，包括外部区域和/或中央区域的尺寸的单元格的尺寸可以不同于具体提及的那些，只要纳米结构基本上防止在透明波导基板内经历全内反射的图像承载光的任何不想要的衍射，同时确保波导组合器的表面可见反射率在整个表面上是类似的。

对于非衍射的单元格30纳米结构阵列，在“孔”之间的间距d，即纳米结构的非衍射阵列的周期必须遵循以下不等式：

其中，α是入射角，λ是波长，并且n是波导的折射率。对于波导内图像承载光的所有传播角度，必须满足该条件。来自纳米结构的非衍射阵列的反射率R可以如下计算，

R＝|r|²

其中，

其中，r₁₂、r₂₁和r₂₃是用于分层的层之间的界面的菲涅耳反射系数。s和p偏振光的菲涅耳系数由下式给出，

其中，n₁和n₂是材料的折射率。对应于纳米结构的非衍射阵列的超材料的折射率可以近似为

n_eff＝(1-β)n₁+βn₂

其中，β是单元格内的结构的填充分数。

在一些实施方式中，当输入区域21比输出区域22和压印有单元格30结构的非衍射阵列的区域小得多时，旁观者将不能看到输入光栅21。

对于压印有单元格30纳米结构的非衍射阵列以伪装输出区域22的区域，其可见外部反射必须呈现与输出区域的可见外部反射率相似的可接受水平。在一些实施方式中，相似的可接受水平被定义为对于从0度到60度的入射角小于1.5％的可见反射对比度。

可见反射率定义为

其中，R是表面的反射率，L是发光效率函数，并且S是照明光谱。在一些其他实施方式中，相似性的可接受水平被定义为不小于1.5％，但是使得非衍射结构基本上伪装输出区域22。

波导组合器20的表面与输入区域21、输出区域22和单元格30纳米结构的非衍射阵列的图案化可以使用一系列技术在单个操作中执行，所述技术包括但不限于如本领域已知的纳米压印光刻、反应离子蚀刻、电子束蚀刻、化学蚀刻。在纳米压印光刻的情况下，在压印工具中制备主压印图案，其在单个步骤中压印到聚合物层23中。因此，不会发生各个图案化区域的未对准。因此，可以以设备之间的高精度和高均匀性批量生产所得到的压印波导组合器20。在采用蚀刻工艺的情况下，波导组合器20的整个表面可以再次在单个操作中被图案化。

图6描绘了其中聚合物层23被提供在波导20的表面上的实施方式的光反射率(即，可见反射率)与落在远离透过波导观看的人的眼睛(即，用户的眼睛(见图3中的用户的眼睛24))的外表面上的外部照明光(也就是说，具体地被引导到输入区域21中的非图像承载光)的入射角的曲线图。图6示出了波导20的非压印聚合物层23(菱形)、输出区域22(三角形)和单元格30(圆形)压印表面区域的可见反射率。通过将图6的曲线的可见反射率值乘以100，能够得到它们的对应百分比。然后，通过减去感兴趣的曲线的可见反射率值(以百分比表示)，能够确定它们是低于还是高于可接受的相似性水平。在一些实施方式中，相似性的可接受水平被定义为对于从0度到60度的入射角小于1.5％的可见光反射对比度。

非压印聚合物层23(菱形)以所有入射角示出最高的光反射率；而(在输入区域21和输出区域22中压印衍射表面浮雕光栅以及在输入区域21和输出区域22外部压印非衍射表面浮雕光栅之后)，压印有单元格30的波导20的区域(圆形)示出与输出区域22(三角形)的光反射率的极好一致性，即，它们的可见光反射率的差异小于1.5％；因此表明对于所有入射角，输出区域22(三角形)具有与周围区域相似的光反射率，所述周围区域已经压印有非衍射单元30(圆形)。因此，非衍射单元30(圆形)的存在改变了波导20的反射外观，使得输出区域22(三角形)变得对旁观者29(如图3所示)不太可见，从而改善了设置有这样的改进的波导的智能眼镜在投影仪模块25关闭时的美学外观，而不会损害关于呈现包含在图像承载光中的信息的功能性能，该图像承载光在投影仪模块25打开时被引入波导20中。

图7示出了来自投影仪31的图像承载光32如何在一些实施方式的波导内传播。透明波导基板33的主表面支承输入区域34、输出区域35和压印有如区域39的放大图42所示的单元格30纳米结构的非衍射阵列的区域39(其占据透明波导基板33的除了输入区域34和输出区域35之外的主表面)。如输入区域34的放大图40中所描绘的，输入区域34压印有线性或伪线性衍射光栅；而输出区域35压印有衍射交叉光栅(如输出区域35的放大图41所示)。

由投影仪模块31生成的图像承载光32经由输入区域34耦合到透明波导基板33中，然后在所述波导基板内全内反射，并且最后经由输出区域35朝向用户眼睛36耦出所述波导基板。同时，用户经由通过透明波导基板33朝向用户眼睛36透射的相关组光线38感知其周围环境37。压印在区域39中的单元格30非衍射结构的阵列对在透明波导基板33内经历全内反射的图像承载光基本没有影响。

在图8中，其示出了投影仪关闭的情况下的图7的光波导组合器，没有来自投影仪的图像承载光。透明波导基板33的主表面包括输入区域34、输出区域35和压印有如区域39的放大图42所示的单元格30纳米结构的非衍射阵列的区域39(其占据透明波导基板33的除了输入区域34和输出区域35之外的主表面)。如输入区域34的放大图40中所描绘的，输入区域34压印有线性或伪线性衍射光栅；而输出区域35压印有衍射交叉光栅(如输出区域35的放大图41所示)。

用户经由通过透明波导基板33朝向用户的眼睛36透射的相关光线38组感知其周围环境37。区域39表现出与输出区域35类似的可见反射率，使得区域39掩饰输出区域35：(参见元素43，其表示来自用户周围环境的一组相同光线，以相同的方式在输入区域34、输出区域35和区域39上反射，以便对于旁观者具有类似的可见反射率，这在图8中未示出)。

在其他实施方式中，上文所述的任一实施方式的光学组合器可以包括一个或更多个纳米结构的第二非衍射阵列，其被配置成具有与输出区域和其他纳米结构的非衍射阵列不同的可见反射率。纳米结构的第二非衍射阵列表示光波导组合器的对象侧上的预定图案，例如但不限于标识或商标。在一些实施方式中，纳米结构的第二非衍射阵列被配置成使得一个或更多个纳米结构的第二非衍射阵列与纳米结构的其他非衍射阵列之间的可见反射对比度超过1.5％。

根据一些方面，提供了一种近眼光学显示系统。该近眼光学显示系统可以包括本文描述的实施方式的光波导组合器中的任一个。在一些方面中，本文描述的实施方式的光波导组合器中的任一个可以在具有眼镜形状因子的近眼光学显示系统中实现。在一些实施方式中，近眼光学显示系统具有光引擎(投影仪或其他光引擎)、电池和本文所述的实施方式中的任一个的光波导组合器。近眼光学显示系统可以是AR或MR光学显示系统。作为示例，如图9中所示，近眼光学显示系统具有光投影仪1002、光波导组合器1001(其可以是根据本文公开的实施方式中的任一个的光波导组合器)和电池1003。光投影仪1002光耦合至光波导组合器，并且电耦合至电池1003。光投影仪、光波导组合器和电池被承载在眼镜的框架上，并且例如如图9所示地布置。

以下是根据本公开内容的教导的系统、设备和方法的示例。

示例1是一种光波导组合器，包括；光波导基板；光输入区域；其中，所述光输入区域包括集成在所述光波导基板中或设置在所述光波导基板上的光输入衍射光栅；光输出区域；其中，所述光输出区域包括集成在所述光波导基板中或设置在所述光波导基板上的光输出衍射光栅；以及至少一个非衍射区域；其中，所述至少一个非衍射区域包括至少一个纳米结构的光学非衍射阵列，其中，所述至少一个纳米结构的光学非衍射阵列集成在所述光波导基板的对象侧中或设置在所述光波导基板的对象侧上，并且至少部分地围绕至少所述光输出光栅；其中，所述至少一个纳米结构的非衍射阵列的外部可见反射率基本等于所述光输出光栅的外部可见反射率。

示例2包括示例1，其中，能够从所述光输入区域传播到所述光输出区域的图像承载光在光波导基板内的全内反射基本不受所述纳米结构的非衍射阵列的影响。

示例3包括示例1或2，其中，纳米结构的光学非衍射阵列的折射率与光波导基板的折射率基本匹配。

示例4包括示例1、2或3，其中，所述纳米结构的光学非衍射阵列或所述纳米结构的多个所述非衍射阵列完全包围所述光输出衍射光栅和/或所述光输入衍射光栅；并且其中，所述至少一个纳米结构的非衍射阵列的外部可见反射率基本等于至少所述光输出衍射光栅和/或所述光输入衍射光栅的外部可见反射率。

示例5包括示例1、2、3或4中的任一个，其中，所述光波导基板包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；其中，当使用时，所述第一侧是光波导组合器的眼睛侧，并且所述第二侧是光波导组合器的对象侧，并且其中，向所述光波导基板的第二侧施加涂层，其中，所述至少一个光输入区域包括在所述涂层中图案化的线性表面浮雕光栅；其中，所述至少一个光输出区域包括在所述涂层中图案化的表面浮雕光栅；并且其中，所述非衍射区域包括用所述纳米结构的非衍射阵列图案化的所述涂层的附加区域并且围绕所述光输入区域和/或所述光输出区域。

示例6包括示例5，其中，所述涂层具有与波导基板基本相同的折射率。

示例7是一种用于增强现实(AR)或混合现实(MR)设备的改进的成像波导，包括；具有第一主表面和第二主表面的波导；施加在波导的第一主表面上的抗反射涂层；施加在波导的第二主表面上的涂层，其中，涂层具有与波导基本相同的折射率，并且包括用线性表面浮雕光栅图案化的第一区域和用二维表面浮雕光栅图案化的第二区域；其特征在于，涂层还包括用纳米结构的非衍射阵列图案化的附加区域，该附加区域跨波导的表面围绕第一区域和第二区域设置，其中，附加的图案化区域被配置成表现出与用衍射表面浮雕光栅来图案化的区域的外部可见反射率基本相同的外部可见反射率，同时对经由所述第一线性表面浮雕光栅引入并且经由二维表面浮雕光栅引导出波导的图像承载光的全内反射的过程具有最小影响。

示例8包括示例1至7中的任一个，其中，非衍射区域或附加的图案化区域包括重复单元纳米结构的非衍射阵列。

示例9包括示例8，其中，重复单元纳米结构中的每一个具有至少50nm、至少75nm、至少100nm、至少125nm、至少150nm、至少175nm、至少200nm的外边缘尺寸。

实施方式10包括实施方式8，其中，重复单元纳米结构中的每一个具有至少15nm、至少25nm、至少50nm、至少75nm、至少100nm的内部特征直径。

示例11包括示例8，其中，重复纳米结构中的每一个具有深度为至少15nm、至少25nm、至少50nm、至少75nm、至少100nm的内部特征。

示例12包括示例8，其中，重复单元纳米结构中的每一个具有100nm的示例性外边缘尺寸；并且内部特征具有58nm的横截面尺寸和55nm的深度。

示例13包括示例1至12中的任一个，其中，涂层具有与波导的折射率相比不同的折射率。

示例14包括示例1至13中的任一个，并且还包括至少一个纳米结构的第二非衍射阵列，其具有与输出区域和所述纳米结构的另一个非衍射阵列的可见反射率不同的可见反射率；所述至少一个纳米结构的第二非衍射阵列限定了在光波导组合器的对象侧可见的预定图案；其中任选地，图案是标识或商标。

示例15包括示例14，其中，所述至少一个纳米结构的第二非衍射阵列与纳米结构的另一个非衍射阵列之间的可见反射对比度超过1.5％可见反射对比度。

示例16是一种修改成像波导的表面可见反射率以模糊表面浮雕光栅的存在的方法，包括；提供具有第一主表面和第二主表面的波导，在第一主表面的第一区域中图案化线性表面浮雕光栅；在第一主表面的第二区域中图案化二维表面浮雕光栅；以及

在所述第一主表面的未图案化有线性或二维表面浮雕光栅的区域上图案化另一结构，所述另一结构是纳米结构的非衍射阵列；其中，作为纳米结构的非衍射阵列的另一结构被配置成表现与线性表面浮雕光栅或二维表面浮雕光栅的表面可见反射率基本相同的表面可见反射率，使得表面浮雕光栅的外观模糊。

示例17包括示例16，其中，所述另一结构包括重复单元纳米结构的非衍射阵列。

示例18包括示例17，其中，重复单元纳米结构中的每一个具有至少50nm、至少75nm、至少100nm、至少125nm、至少150nm、至少175nm、至少200nm的外边缘尺寸。

实施方式19包括示例17，其中，重复单元纳米结构中的每一个具有至少15nm、至少25nm、至少50nm、至少75nm、至少100nm的尺寸的内部特征。

示例20包括示例17，其中，重复单元纳米结构中的每一个具有深度为至少15nm、至少25nm、至少50nm、至少75nm、至少100nm的内部特征。

实施方式21包括实施方式17，其中，重复单元纳米结构中的每一个具有100nm的示例性外边缘尺寸；以及具有58nm的横截面尺寸和55nm的深度的示例性内部特征。

示例22包括示例16至21中的任一个，其中，图案化施加到波导表面的涂层的步骤由直接蚀刻波导的主表面以限定纳米结构特征的过程代替。

示例23是近眼光学显示系统，包括：光引擎；以及一种如前述示例1至15中任一项的波导。

示例24包括示例23，其中，近光学显示系统包括增强现实显示系统。

示例25包括示例23，其中，近光学显示系统包括混合现实显示系统。

示例26包括示例23至25中的任一示例，其中，光引擎和波导被承载在眼镜框架上。

示例27是一种平视显示器系统，包括：光引擎；以及一种如示例1至15中任一项的波导。

示例28是一种修改光波导组合器的表面可见光反射率以模糊表面浮雕光栅的存在的方法，方法包括：提供光波导组合器，光波导组合器包括光波导基板、光输入区域和光输出区域，其中，所述光输入区域包括集成在所述光波导基板中或设置在所述光波导基板上的光输入衍射光栅；并且其中，所述光输出区域包括集成在所述光波导基板中或设置在所述光波导基板上的光输出衍射光栅；以及形成至少一个非衍射区域；其中，形成所述至少一个非衍射区域的步骤包括：在所述光波导基板的对象侧上并且至少部分地包围至少所述光输出光栅设置或集成纳米结构的至少一个光学非衍射阵列；其中，所述至少一个纳米结构的非衍射阵列的外部可见反射率基本等于所述光波导组合器的对象侧的所述光输出光栅的外部可见反射率。

示例29包括示例28，其中，可以从所述光输入区域传播到所述光输出区域的图像承载光在光波导基板内的全内反射基本不受所述纳米结构的非衍射阵列的影响。

已经出于说明和描述的目的呈现了对本技术的描述，但是该描述不旨在是穷尽的或者将本技术限于所公开的形式。在不脱离本技术的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是明显的。选择和描述示例性实施方式是为了最好地解释本技术的原理及其实际应用，并且使得本领域的其他普通技术人员能够理解本技术的具有适合于所考虑的特定用途的各种修改的各种实施方式。

在整个说明书中，对“一个实施方式”或“实施方式”的引用意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，在本说明书中的各个位置处出现的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”或“根据一个实施方式”(或具有类似含义的其他短语)不一定都指同一实施方式。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或更多个实施方式中。此外，取决于本文讨论的上下文，单数术语可以包括其复数形式，并且复数术语可以包括其单数形式。

本文所用的术语仅是为了描述特定实施方式的目的，而不是要限制本发明。如本文所用，除非上下文另有明确指示，否则单数形式(“a”、“an”和“the”)旨在也包括复数形式。还将理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。

如果任何公开内容通过引用并入本文，并且这样的并入的公开内容与本公开内容部分和/或全部冲突，则就冲突，和/或更广的公开，和/或更广的术语定义而言，以本公开内容为准。如果这样的并入的公开内容部分地和/或全部地彼此冲突，那么就冲突而言，以较晚日期的公开内容为准。

本文所使用的术语可以暗示直接或间接、全部或部分、临时或永久、立即或延迟、同步或异步、作用或不作用。例如，当元件被称为在另一元件“上”、“连接”或“耦合”至另一元件时，则该元件可以直接在另一元件上、直接连接或耦合至另一元件和/或可以存在中间元件，包括间接和/或直接变型。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”至另一元件时，不存在中间元件。这里的描述是说明性的而非限制性的。在阅读本公开内容后，该技术的许多变化对于本领域技术人员将变得明显。

应当理解，各种以上公开的和其他的特征和功能或其替代物可以理想地组合到许多其他不同的系统或应用中(例如平视型显示器)。本领域技术人员随后可以做出各种目前未预见或未预期的替选方案、修改、变型或改进，这些也旨在由所附权利要求涵盖。例如，头戴式显示设备可以是眼镜、护目镜或头带结构，并且不限于图中所示的特定类型。同样，光学组合器基板的形状可以是能够以上文所述的方式引导及组合图像的任何形状。

已经出于说明和描述的目的呈现了本公开内容的描述，但是其不旨在是穷尽的或将本公开内容限制为所公开的形式。在不背离本公开的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是明显的。选择和描述示例性实施方式是为了最佳地解释本公开内容的原理及其实际应用，并且使得本领域的其他普通技术人员能够理解本公开内容的具有适合于所考虑的特定用途的各种修改的各种实施方式。

虽然上面已经描述了各种实施方式，但是应当理解，它们仅是作为示例而非限制来呈现的。这些描述不是要将本技术的范围限制到本文所阐述的特定形式。因此，优选实施方式的宽度和范围不应被上述示例性实施方式中的任何一个所限制。应当理解，以上描述是说明性的而非限制性的。相反，本说明书旨在覆盖可以包括在由所附权利要求限定的技术的精神和范围内以及其他由本领域普通技术人员理解的替选方案、修改和等同物。因此，本技术的范围不应参照以上描述来确定，而是应该参照所附权利要求书及其等同物的全部范围来确定。

Claims (30)

1.一种光波导组合器，包括：

光波导基板；

光输入区域，其中，所述光输入区域包括集成在所述光波导基板中或设置在所述光波导基板上的光输入衍射光栅；

光输出区域，其中，所述光输出区域包括集成在所述光波导基板中或设置在所述光波导基板上的光输出衍射光栅；以及

至少一个非衍射区域，其中，所述至少一个非衍射区域包括至少一个纳米结构的光学非衍射阵列，其中，所述至少一个纳米结构的光学非衍射阵列集成在所述光波导基板的对象侧中或设置在所述光波导基板的对象侧上，并且至少部分地围绕至少所述光输出衍射光栅，其中，所述至少一个纳米结构的光学非衍射阵列的外部可见反射率基本等于所述光输出衍射光栅的外部可见反射率。

2.根据权利要求1所述的光波导组合器，其中，能够从所述光输入区域传播到所述光输出区域的图像承载光在所述光波导基板内的全内反射基本不受所述至少一个纳米结构的光学非衍射阵列的影响。

3.根据权利要求1或2所述的光波导组合器，其中，所述至少一个纳米结构的光学非衍射阵列的折射率与所述光波导基板的折射率基本匹配。

4.根据权利要求1所述的光波导组合器，其中，所述至少一个纳米结构的光学非衍射阵列完全包围所述光输出衍射光栅和/或所述光输入衍射光栅；并且其中，所述至少一个纳米结构的光学非衍射阵列的外部可见反射率基本等于至少所述光输出衍射光栅的外部可见反射率和/或所述光输入衍射光栅的外部可见反射率。

5.根据任何权利要求1所述的光波导组合器，其中，所述光波导基板包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；其中，当使用时，所述第一侧是所述光波导组合器的眼睛侧，并且所述第二侧是所述光波导组合器的对象侧，并且其中，向所述光波导基板的所述第二侧施加涂层，

其中，所述至少一个光输入区域包括在所述涂层中图案化的线性表面浮雕光栅；

其中，所述至少一个光输出区域包括在所述涂层中图案化的表面浮雕光栅；并且

其中，所述非衍射区域包括使用所述至少一个纳米结构的非衍射阵列图案化的所述涂层的附加区域并且围绕所述光输入区域和/或所述光输出区域。

6.根据权利要求5所述的光波导组合器，其中，所述涂层具有与所述波导基板基本相同的折射率。

7.一种用于增强现实(AR)或混合现实(MR)设备的成像波导，包括：

具有第一主表面和第二主表面的波导，以及施加在所述波导的所述第一主表面上的抗反射涂层；以及

施加在所述波导的所述第二主表面上的涂层，其中，所述涂层具有与所述波导基本相同的折射率，并且包括使用线性表面浮雕光栅图案化的第一区域和使用二维表面浮雕光栅图案化的第二区域；

其中，所述涂层还包括使用纳米结构的非衍射阵列图案化的附加区域，所述附加区域跨所述波导的所述表面围绕所述第一区域和所述第二区域设置，其中，所述附加区域被构造成表现出与使用衍射表面浮雕光栅图案化的所述区域的外部可见反射率基本相同的外部可见反射率，同时对经由所述第一线性表面浮雕光栅引入并且经由所述二维表面浮雕光栅引导出所述波导的图像承载光的全内反射具有最小影响。

8.根据权利要求7所述的波导，其中，利用纳米结构的非衍射阵列图案化的所述附加区域包括单元纳米结构的非衍射阵列。

9.根据权利要求8所述的波导，其中，所述单元纳米结构的非衍射阵列中的每一个具有至少50nm、至少75nm、至少100nm、至少125nm、至少150nm、至少175nm、至少200nm的外边缘尺寸。

10.根据权利要求8所述的波导，其中，所述单元纳米结构的非衍射阵列中的每一个具有至少15nm、至少25nm、至少50nm、至少75nm、至少100nm的内部特征直径。

11.根据权利要求8所述的波导，其中，所述纳米结构的非衍射阵列中的每一个具有深度为至少15nm、至少25nm、至少50nm、至少75nm、至少100nm的内部特征。

12.根据权利要求8所述的波导，其中，所述单元纳米结构的非衍射阵列中的每一个具有100nm的示例性外边缘尺寸；以及具有58nm的横截面尺寸和55nm的深度的内部特征。

13.根据权利要求8所述的波导，其中，所述涂层具有与所述波导的折射率相比不同的折射率。

14.根据权利要求8所述的波导，还包括至少一个纳米结构的第二非衍射阵列，所述至少一个纳米结构的第二非衍射阵列具有与使用纳米结构的非衍射阵列图案化的所述附加区域的可见反射率不同的可见反射率；所述至少一个纳米结构的第二非衍射阵列限定了在所述波导的对象侧可见的预定义图案。

15.根据权利要求14所述的波导，其中，所述至少一个纳米结构的第二非衍射阵列与使用纳米结构的非衍射阵列图案化的所述附加区域之间的可见反射率对比度超过1.5％可见反射率对比度。

16.一种修改成像波导的表面的可见反射率以模糊所述表面上的表面浮雕光栅的存在的方法，所述方法包括：

提供具有第一主表面和第二主表面的波导，

在所述第一主表面的第一区域中图案化线性表面浮雕光栅；

在所述第一主表面的第二区域中图案化二维表面浮雕光栅；以及

在所述第一主表面的未图案化有线性或二维表面浮雕光栅的区域上图案化另一结构，所述另一结构是纳米结构的非衍射阵列；

其中，作为纳米结构的非衍射阵列的所述另一结构被配置成表现出与所述线性表面浮雕光栅或所述二维表面浮雕光栅的可见反射率基本相同的可见反射率，使得模糊所述第一主表面上的所述表面浮雕光栅的外观。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述另一结构包括重复单元纳米结构的非衍射阵列。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述重复单元纳米结构中的每一个具有至少50nm、至少75nm、至少100nm、至少125nm、至少150nm、至少175nm、至少200nm的外边缘尺寸。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述重复单元纳米结构中的每一个具有至少15nm、至少25nm、至少50nm、至少75nm、至少100nm的尺寸的内部特征。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述重复单元纳米结构中的每一个具有深度为至少15nm、至少25nm、至少50nm、至少75nm、至少100nm的内部特征。

21.根据权利要求17所述的方法，其中，所述重复单元纳米结构中的每一个具有100nm的示例性外边缘尺寸，以及具有58nm的横截面尺寸和55nm的深度的示例性内部特征。

22.根据权利要求16所述的方法，其中，所述图案化操作包括以下中的一个：图案化施加至所述波导表面的所述第一主表面的涂层；或者直接蚀刻所述波导的所述第一主表面以限定纳米结构特征。

23.一种光学显示系统，包括：

光引擎；以及

波导，所述波导包括：

光波导基板；

光输入区域，其中，所述光输入区域包括集成在所述光波导基板中或设置在所述光波导基板上的光输入衍射光栅；

光输出区域，其中，所述光输出区域包括集成在所述光波导基板中或设置在所述光波导基板上的光输出衍射光栅；以及

至少一个非衍射区域，所述至少一个非衍射区域包括至少一个纳米结构的光学非衍射阵列，其中，所述至少一个纳米结构的光学非衍射阵列集成在所述光波导基板的对象侧中或设置在所述光波导基板的对象侧上，并且至少部分地围绕至少所述光输出衍射光栅，其中，所述至少一个纳米结构的非衍射阵列的外部可见反射率基本等于所述光输出光栅的所述外部可见反射率。

24.根据权利要求23所述的光学显示系统，其中，所述光学显示系统包括近眼光学显示系统。

25.根据权利要求24所述的光学显示系统，其中，所述近眼光学显示系统包括增强现实显示系统。

26.根据权利要求24所述的光学显示系统，其中，所述近眼光学显示系统包括混合现实显示系统。

27.根据权利要求23所述的光学显示系统，其中，所述光引擎和所述波导被承载在眼镜框架上。

28.根据权利要求23所述的光学显示系统，其中，所述光学显示系统包括平视显示系统。

29.一种修改光波导组合器的表面的可见反射率以模糊所述表面上的表面浮雕光栅的存在的方法，所述方法包括：

提供光波导组合器，所述光波导组合器包括光波导基板、光输入区域和光输出区域，其中，所述光输入区域包括集成在所述光波导基板中或设置在所述光波导基板上的光输入衍射光栅；并且其中，所述光输出区域包括集成在所述光波导基板中或设置在所述光波导基板上的光输出衍射光栅；以及

形成至少一个非衍射区域，包括：

在所述光波导基板的对象侧上并且至少部分地围绕至少所述光输出光栅设置或集成至少一个纳米结构的光学非衍射阵列，其中，所述至少一个纳米结构的光学非衍射阵列的外部可见反射率基本等于所述光波导组合器的对象侧上的所述光输出光栅的外部可见反射率。

30.根据权利要求29所述的方法，其中，能够从所述光输入区域传播到所述光输出区域的图像承载光在所述光波导基板内的全内反射基本不受所述纳米结构的光学非衍射阵列的影响。