CN117203557A - 核-壳式纳米颗粒簇的原位制备 - Google Patents

Abstract

光学设备包括基板、包括形成在基板上或在基板中的槽和脊的表面浮雕光栅，以及在表面浮雕光栅的槽中的外覆层。表面浮雕光栅的脊或外覆层包括多个金属氧化物(例如，TiO₂或NbO_x)纳米颗粒簇。多个金属氧化物纳米颗粒簇中的每个簇包括分散在将金属氧化物纳米颗粒与所述光学设备的其他材料隔离的无机阻隔物中的金属氧化物纳米颗粒。表面浮雕光栅的脊或外覆层由树脂材料制成，该树脂材料包括具有无机内容物的树脂和/或包括含无机物的配体的TiO₂或NbO_x纳米颗粒。高能处理工艺可以去除围绕金属氧化物纳米颗粒的有机物，并形成围绕金属氧化物纳米颗粒簇的阻隔层。

Description

核-壳式纳米颗粒簇的原位制备

技术领域

本公开一般涉及表面浮雕光栅(surface-relief grating)。更具体地，本文中公开了用于形成低损耗、高折射率的表面浮雕光栅或表面浮雕光栅的外覆层的技术。

背景技术

诸如头戴式显示器(head-mounted display，HMD)或平视显示器(heads-updisplay，HUD)系统的人工现实系统通常包括近眼显示器(例如，形式为耳机或眼镜)，该近眼显示器配置为经由例如用户眼前约10-20mm内的电子或光学显示器向用户呈现内容。近眼显示器可以显示虚拟对象或将现实对象与虚拟对象的图像组合，如在虚拟现实(virtualreality，VR)、增强现实(augmented reality，AR)或混合现实(mixed reality，MR)应用中。例如，在AR系统中，用户可以通过例如通过透明显示眼镜或透镜(通常称为光学透视)进行观看，来查看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(computer-generated image，CGI))和周围环境。

光学透视式AR系统的一个示例可以使用基于波导的光学显示器，其中投影图像的光可以耦合到波导(例如，透明基板)中，在该波导内传播，并且在不同位置处被耦合出该波导。在一些实施方式中，投影图像的光可以使用诸如表面浮雕光栅或体布拉格光栅的衍射光学元件而光耦合到波导中或从波导中耦合出。来自周围环境的光可以穿过波导的透视区域，并且也到达用户的眼睛。

发明内容

本文中描述了各种发明实施方案，包括设备、系统、方法、工艺、材料、组合物、混合物等。

根据第一方面，提供了一种光学设备，该光学设备包括：基板；表面浮雕光栅，该表面浮雕光栅包括形成在基板上或基板中的槽和脊；以及外覆层，该外覆层在表面浮雕光栅的槽中，其中表面浮雕光栅的脊或外覆层包括多个金属氧化物纳米颗粒簇；并且其中多个金属氧化物纳米颗粒簇中的每个簇包括分散在无机阻隔物中的TiO₂或NbO_x纳米颗粒，该无机阻隔物将所述TiO₂或NbO_x纳米颗粒与光学设备的其他材料隔离。

无机阻隔物可以包括Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅或其组合。表面浮雕光栅的脊或外覆层的特征可以在于可见光大于1.9的折射率。对于可见光，表面浮雕光栅和外覆层的总光吸收可以低于0.1％。多个金属氧化物纳米颗粒簇中的金属氧化物纳米颗粒的特征在于小于16nm(诸如在约10nm与约15nm之间)的线性尺寸。光学设备的其他材料可以包括有机材料。多个金属氧化物纳米颗粒簇可以包括至少两个彼此物理接触的金属氧化物纳米颗粒。基板可以包括波导，并且表面浮雕光栅可以配置为将可见光耦合进入波导或从波导耦合出。

根据第二方面，提供了一种树脂材料，该树脂材料包括：有机溶剂；有机溶剂溶解性树脂；以及TiO_x或NbO_x纳米颗粒，其中：有机溶剂溶解性树脂包括无机内容物，TiO_x或NbO_x纳米颗粒包括含无机物的配体，或者有机溶剂溶解性树脂包括无机内容物且TiOx或NbOx纳米颗粒包括含无机物的配体。

有机溶剂可以包括丙二醇甲醚醋酸酯(propylene glycol methyl etheracetate，PGMEA)、二丙二醇甲醚(dipropylene glycol methyl ether，DPGME)/三丙二醇单甲醚(tripropylene glycol monomethyl ether，TPM)或溶剂共混物。有机溶剂溶解性树脂可以包括丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷、硅烷或其组合。有机溶剂溶解性树脂的无机内容物可以包括Si、Zr、Nb、Al、Ta或其组合。树脂材料还可以包括光基团产生剂或热基团产生剂。所述含无机物的配体可以包括封端剂(Capping agent)或官能化配体，并且包括Si、Zr、Nb、Al、Ta或其组合。树脂材料可以包括75重量％至90重量％的TiO_x纳米颗粒。

根据第三方面，提供了一种方法，该方法包括：在基板或表面浮雕光栅上沉积树脂材料层，该树脂材料层包括：有机溶剂；在有机溶剂中可溶解的树脂；以及金属氧化物纳米颗粒，该金属氧化物纳米颗粒包括TiO_x或NbO_x纳米颗粒，其中，该树脂包括无机内容物，金属氧化物纳米颗粒包括含无机物的配体，或者树脂包括无机内容物且金属氧化物纳米颗粒包括含无机物的配体；使用紫外光或热来使树脂材料固化、以交联树脂；以及在树脂材料层上执行快速热退火(rapid thermal annealing，RTA)或激光尖峰退火(laser spikeannealing，LSA)，以去除与金属氧化物纳米颗粒相邻的有机物并形成用于多个金属氧化物纳米颗粒簇的无机阻隔物，该无机阻隔物将多个金属氧化物纳米颗粒簇中的各金属氧化物纳米颗粒簇与树脂材料层中的其他材料隔离。

该方法还可以包括在固化之前压印树脂材料层、以形成树脂材料层中的压印光栅或具有平坦表面的外覆层。有机溶剂可以包括丙二醇甲醚醋酸酯(propylene glycolmethyl ether acetate，PGMEA)、二丙二醇甲醚(dipropylene glycol methyl ether，DPGME)/三丙二醇单甲醚(tripropylene glycol monomethyl ether，TPM)或溶剂共混物。树脂的无机内容物可以包括Si、Zr、Nb、Al、Ta或其组合。金属氧化物纳米颗粒的含无机物的配体可以包括封端剂或官能化配体，该含无机物的配体包括Si、Zr、Nb、Al、Ta或其组合。该树脂可以包括丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷、硅烷或其组合。

本发明内容既不旨在识别所要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在单独使用来确定所要求保护的主题的范围。应该通过参考本公开的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每项权利要求来理解该主题。下面将在以下说明书、权利要求书和附图中更详细地描述前述特征以及其他特征和示例。

附图说明

下面将参照以下附图详细描述说明性示例。

图1为包括近眼显示器的人工现实系统环境的示例的简化框图。

图2为用于实现本文中公开的一些示例的头盔式显示器(HMD)设备形式的近眼显示器的示例的立体图。

图3为用于实现本文中公开的一些示例的眼镜形式的近眼显示器的示例的立体图。

图4示出了包括波导显示器的光学透视增强现实系统的示例。

图5示出了包括用于出瞳孔扩展(exit pupil expansion)的波导显示器的光学透视增强现实系统的示例。

图6示出了在波导显示器的示例中显示光和外部光的传播的示例。

图7示出了波导显示器中的倾斜光栅耦合器的示例。

图8A示出了波导类近眼显示器的示例，其中从波导显示器的不同区域基本上均匀地输出用于所有视场的显示光。

图8B示出了波导类近眼显示器的示例，其中显示光可以在波导显示器的不同区域中以不同角度耦合出波导显示器。

图9A示出了具有可变蚀刻深度的倾斜表面浮雕光栅的示例。

图9B示出了具有可变刻蚀深度和可变占空比的倾斜表面浮雕光栅的示例。

图10A至图10D示出了用于制造用于纳米压印的软印模的工艺的示例。图10A显示了母体模具。图10B示出了涂覆有软印模材料层的母体模具。图10C示出了用于将软印模箔层压到软印模材料层上的层压工艺。图10D示出了剥离工艺，其中包括软印模箔和附着的软印模材料层的软印模(soft stamp)从母体模具分离。

图11A至图11D示出了使用软印模的压印工艺的示例。图11A示出了涂覆有压印树脂层的波导。图11B示出了在压印树脂层上的软印模的层压。图11C示出了软印模从压印树脂层的剥离。图11D示出了形成在波导上的压印倾斜光栅的示例。

图12A至图12C示出了在表面浮雕光栅上形成平坦化外覆层的方法的示例。

图13A至图13B示出了使用喷墨打印和压印技术在表面浮雕光栅上形成平坦化外覆层的方法的示例。

图14A示出了包括表面浮雕光栅和外覆层的波导显示器的示例。

图14B示出了包括分散在有机材料中的纳米颗粒的外覆层的示例。

图15A示出了TiO₂纳米颗粒的光催化活性的示例。

图15B示出了由TiO₂纳米颗粒的光催化活性引起的有机降解的示例。

图16A至图16D示出了制造波导显示器的工艺的示例。

图16E示出了在制造工艺期间包括具有不同金属氧化物纳米颗粒的表面浮雕光栅的波导显示器示例的光学损耗的变化。

图17示出了包括将金属氧化物纳米颗粒核心与周围的有机材料隔离的无机壳的纳米颗粒的示例。

图18A示出了包括含无机物的树脂和分散在含无机树脂的纳米颗粒的树脂材料的示例。

图18B示出了包括含无机封端剂的TiO₂纳米颗粒的示例。

图18C示出了包括纳米颗粒周围的无机材料的退火树脂材料的示例。

图19A至图19E示出了使用本文中公开的树脂材料制造包括具有高折射率和低损耗的外覆层的表面浮雕光栅的方法的示例。

图20A至图20E示出了使用本文中公开的树脂材料制造包括具有高折射率和低损耗的光栅脊的表面浮雕光栅的工艺的示例。

图21包括示出了使用本文中公开的树脂材料制造具有高折射率对比度和低损耗的表面浮雕光栅的工艺的示例的流程图。

图22为用于实现本文中公开的一些示例的示例近眼显示器的示例电子系统的简化框图。

这些图所描绘的示例仅用于说明目的。本领域技术人员将容易地从下面的描述中认识到，在不背离本公开的原理或所声称的益处的情况下，可以采用与所示结构和方法不同的替代结构和方法。

在附图中，类似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记之后加上虚线和区分类似部件的第二标签，来区分相同类型的各种部件。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则该描述方式适用于具有相同第一附图标记的类似部件中的任何一个，而不考虑第二附图标记。

具体实施方式

本公开一般涉及表面浮雕光栅。更具体地，本文中公开了用于形成低损耗、高折射率的表面浮雕光栅或表面浮雕光栅的外覆层的技术。

可以在一些光学设备中使用表面浮雕光栅以操控光的行为。例如，在近眼显示系统中可以使用直的或倾斜的表面浮雕光栅来将显示光耦合到显示器波导中或从显示器波导中耦合出来。可以在表面浮雕光栅上形成具有与表面浮雕光栅的光栅脊的折射率不同的折射率的外覆层，以填充光栅槽并保护直的或倾斜的表面浮雕光栅。通常，希望在光栅脊与光栅槽中的外覆层之间具有大的折射率对比度，以改善例如近眼显示系统的光耦合效率、视场范围和波长范围。在一些表面浮雕光栅中，可以使用高折射率纳米压印材料(例如，具有高折射率金属氧化物纳米颗粒的树脂)来制作光栅脊，并且可以使用具有低折射率的外覆层来实现大的折射率对比度。在一些表面浮雕光栅中，光栅脊可以由低折射率材料(例如，玻璃)制成，并且可以使用具有高折射率(例如，约2.0或更大)的外覆层来实现大的折射率对比度。用于光栅脊或外覆层的高折射率材料可以包括分散有高折射率纳米颗粒的树脂，例如TiO₂纳米颗粒、ZrO₂纳米颗粒等。

相较于ZrO₂(例如，对于可见光折射率为约2.15)和其他介电材料(例如，诸如NbO_x、LaO_x、TaO_x、Al₂O₃的金属氧化物)，TiO₂具有更高的折射率(例如，对于可见光大于折射率约2.5)，并且因此可以与树脂混合以形成用于纳米压印或外涂覆的高折射率树脂材料(例如，具有约2.0或更高的折射率)。然而，高折射率树脂材料(例如，包括与TiO₂颗粒混合的有机物的混合物)在可见光波长中可以具有高吸收率，并且在由这些高折射率树脂材料制成的设备(例如，近眼显示器)的制造和使用期间吸收率可能增加。例如，由于二氧化钛的光活性，暴露于紫外线(UV)光的TiO₂纳米颗粒可能与水分和/或氧气相互作用而产生基团(例如，羟基基团)，这些基团可一氧化和降解高折射率树脂材料中的有机物(例如，配体和树脂)，其中被降解的有机物可以吸收可见光。除了光激发，这些相互作用也可能是热诱导的。由于它们的高比表面积比，TiO₂纳米颗粒可能具有较高的光吸收率，这可能会增加表面光诱导的载流子密度，从而导致更高的表面光活性并增强TiO₂纳米颗粒的光催化活性。因此，包括二氧化钛纳米颗粒和有机物的膜在可见光光谱中可能会显示出一定程度的光吸收。随着膜与其环境发生进一步的氧化还原相互作用(例如，暴露于紫外光和/或热)，膜的吸收可能会随着时间的推移而增加。由高吸收膜制成的表面浮雕光栅和/或外覆层可能导致用于波导显示器的高损耗和低产量。

具有金属氧化物纳米颗粒核和无机壳的纳米颗粒(称为核-壳纳米颗粒)可以被合成并与树脂混合以形成用于纳米压印或外覆的高折射率、低光学损耗的树脂材料。每个纳米颗粒可以包括围绕纳米颗粒核的无机壳(例如，TiO₂纳米颗粒)，并将纳米颗粒核与有机配体和/或树脂隔离，使得在暴露于紫外光或热时、由TiO₂产生的电子和空穴可以在电子和空穴到达有机配体和/或树脂以降解有机材料之前重新组合。使用核-壳纳米颗粒可以减少由于TiO₂纳米颗粒的光催化活性而引起的表面浮雕光栅的光学损耗，但用化学方法合成尺寸可控的核-壳纳米颗粒是挑战性的工作。制备核-壳纳米颗粒通常需要多个合成和纯化工艺步骤，这可能会增加成本。化学合成的核-壳纳米颗粒的分散性可能较低。化学合成的核-壳纳米颗粒的保质期可能很短，并且壳材料可能会自行成核。控制壳厚度也可能是挑战性的工作，这可能会影响纳米颗粒的折射率、光催化活性或其他性质。核-壳纳米颗粒可能比纳米颗粒核大得多，因此使用更大的核-壳纳米颗粒可能更难堆积和间隙填充。

具有无机阻隔物的纳米颗粒核(例如，TiO₂纳米颗粒)可以在树脂材料沉积之后在树脂材料中原位形成，而不是在核-壳纳米颗粒与树脂和溶剂混合之前被预先合成成核-壳纳米颗粒。在一个示例中，金属氧化物纳米颗粒(例如，TiO₂纳米颗粒)可以分散在含有无机物的树脂(例如，具有高的Si、Zr、Nb和/或Al含量)中，以形成用于压印表面浮雕光栅或外覆表面浮雕光栅的树脂材料。在另一示例中，树脂材料中的金属氧化物纳米颗粒可以包括其上形成的含有无机物的封端剂/配体。包括含无机物的树脂或具有含无机物的封端剂/配体的纳米颗粒的树脂材料可以被沉积在基板或表面浮雕光栅上，可选地进行压印、交联，且然后通过例如快速热退火(RTA)或激光尖峰退火(LSA)进行退火热处理、以去除纳米颗粒周围的含无机物的封端剂/配体或含无机物的树脂中的有机物并形成围绕纳米颗粒簇的无机阻隔物，以将纳米颗粒与树脂材料或环境中的有机材料和其他材料隔离，从而隔绝TiO₂纳米颗粒的光催化活性。

在一个示例中，树脂材料可以包括有机溶剂；具有高Si、Zr、Nb、Al和/或Ta内容物的有机溶剂溶解性树脂；以及与有机溶剂溶解性树脂和溶剂混合的TiO_x纳米颗粒。有机溶剂可以包括，例如，丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)(用于旋涂涂覆)、二丙二醇甲醚(DPGME)/三丙二醇单甲醚(TPM)(用于喷墨涂覆)、或包括可以具有或不具有高于200℃的沸点的一种或多种溶剂的溶剂共混物。有机溶剂溶解性树脂可以包括，例如，具有光自由基产生剂或热自由基产生剂的丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷或含硅烷的树脂。纳米颗粒可以是树脂材料的约75重量％至约90重量％。

在另一示例中，树脂材料可以包括具有光自由基产生剂或热自由基产生剂、且具有在约1.55与约1.7之间的折射率的有机溶剂溶解性树脂，例如丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷或含硅烷的树脂。树脂材料还可以包括约75％至约90％的TiO_x纳米颗粒，该TiO_x纳米颗粒用含有封端剂和/或官能化配体的Si、Zr、Nb、Al和/或Ta修饰。树脂材料可以包括诸如PGMEA(用于旋涂涂覆)、DPGME/TPM(用于喷墨涂覆)的溶剂，或者包括沸点可能大于或可能不大于200℃的一种或多种溶剂的溶剂共混物。

与化学合成的尺寸可能较大的核-壳纳米颗粒相比，原位形成的无机阻隔物的纳米颗粒可以实现更好的纳米颗粒堆积，从而可以获得更高的折射率、更好的间隙填充和更低的表面粗糙度。壳厚度可以通过调节封盖剂和/或树脂的类型来调节。可以使用目前商业上可用的金属氧化物纳米颗粒核，并且具有原位形成的无机阻隔物的纳米颗粒的成本可能比化学合成的核-壳纳米颗粒低得多。

除非另有定义，本文中使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。

如本文中使用的，术语“约”是指尺寸、大小、制剂、参数、形状和其他量和特性不是精确的且也不需要是精确的，但如期望的可以是近似的和/或更大或更小的，反映公差、换算系数、四舍五入、测量误差等，以及本领域技术人员公知的其他因素。一般地，尺寸、大小、制剂、参数、形状或其他量或特性是“约”或“近似”的，无论是否明确说明是这样的。值得注意的是，非常不同大小、形状和尺寸的实施方案可以采用所描述的布置。

在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了具体的细节以便提供对本公开的示例的透彻理解。然而，显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践各种示例。例如，设备、系统、结构、组件、方法和其他部件可以被示为框图形式的部件，以便不在不必要的细节中模糊示例。在其他情况下，对公知的设备、工艺、系统、结构和技术的示出可以去掉不必要的细节，以避免混淆示例。附图和描述并不是为了限制。在本公开中使用的术语和表述被用作描述术语而不是限制性的，并且在使用这些术语和表述时无意排除所示和描述的特征的任何等价物或其部分。本文中使用的单词“示例”意为“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例”的任何实施方案或设计不一定被解释为优于或有利于其他实施方案或设计。

图1为包括近眼显示器120的人工现实系统环境100的示例的简化框图。图1中所示的人工现实系统环境100可以包括近眼显示器120、可选的外部成像设备150和可选的输入/输出接口140，它们中的每个可以耦合到可选的控制台110。然而，图1示出的人工现实系统环境100的示例包括一个近眼显示器120、一个外部成像设备150和一个输入/输出接口140，任何数量的这些部件可以被包括在人工现实系统环境100中，或者可以省略任何部件。例如，可以存在由与控制台110通信的一个或多个外部成像设备150监控的多个近眼显示器120。在一些配置中，人工现实系统环境100可以不包括外部成像设备150、可选的输入/输出接口140和可选的控制台110。在替代配置中，不同的或附加的部件可以包括在人工现实系统环境100中。

近眼显示器120可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。由近眼显示器120呈现的内容的示例包括图像、视频、音频中的一者或多者或其任意组合。在一些示例中，音频可以经由外部设备(例如，扬声器和/或耳机)呈现，该外部设备从近眼显示器120、控制台110或两者接收音频信息，并基于音频信息呈现音频数据。近眼显示器120可以包括一个或多个刚性体，它们可以刚性地或非刚性地彼此耦合。刚性体之间的刚性耦合可能会使耦合的刚性体充当单个刚性体实体。刚性体之间的非刚性体耦合可以允许刚性体相对于彼此移动。在各种示例中，近眼显示器120可以以任何合适的形状因数来实现，包括一副眼镜。下面将参照图2和图3进一步描述近眼显示器120的一些示例。此外，在各种示例中，本文中描述的功能可以在组合了近眼显示器120外部的环境的图像和人工现实内容(例如，计算机生成的图像)的头戴式耳机中使用。因此，近眼显示器120可以用生成的内容(例如，图像、视频、声音等)来增强近眼显示器120外部的物理现实世界环境的图像，以向用户呈现增强现实。

在各种示例中，近眼显示器120可以包括显示器电子设备122、显示器光学元件124和眼睛追踪单元130中的一者或多者。在一些示例中，近眼显示器120还可以包括一个或多个定位器126、一个或多个位置传感器128和惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)132。近眼显示器120可以省略眼睛追踪单元130、定位器126、位置传感器128和IMU 132中的任何一者，或者在各种示例中包括附加元件。附加地，在一些示例中，近眼显示器120可以包括组合了相对于图1所述的各种元件的功能的元件。

显示器电子设备122可以根据从例如控制台110接收的数据向用户显示图像或便于向用户显示图像。在各种示例中，显示器电子设备122可以包括一个或多个显示面板，诸如液晶显示器(liquid crystal display，LCD)、有机发光二极管(organic lightemitting diode，OLED)显示器、无机发光二极管(inorganic light emitting diode，ILED)显示器、微型发光二极管(light emitting diode，LED)显示器、有源矩阵OLED显示器(active-matrix OLED display，AMOLED)、透明OLED显示器(transparent OLED display，TOLED)或一些其他显示器。例如，在近眼显示器120的一个实施方式中，显示器电子设备122可以包括前TOLED面板、后显示面板以及前后显示面板之间的光学部件(例如，衰减器、偏振器、或衍射或光谱膜)。显示器电子设备122可以包括像素以发射诸如红、绿、蓝、白或黄的主色调的光。在一些实施方式中，显示器电子设备122可以通过二维面板生成的立体效果来显示三维(3D)图像，以创建对图像深度的主观感知。例如，显示器电子设备122可以包括分别定位在用户左眼和右眼前面的左显示器和右显示器。左显示器和右显示器可以呈现相对于彼此水平偏移的图像的副本，以创建立体效果(即，观看图像的用户感知到图像深度)。

在某些示例中，显示器光学元件124可以光学地(例如，使用光波导和耦合器)显示图像内容，或者放大从显示器电子设备122接收的图像光，校正与图像光相关联的光学误差，并将校正后的图像光呈现给近眼显示器120的用户。在各种示例中，显示器光学元件124可以包括一个或多个光学元件，例如，基板、光波导、孔径、菲涅尔透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、输入/输出耦合器或可以影响从显示器电子设备122发射的图像光的任何其他合适的光学元件。显示器光学元件124可以包括不同光学元件的组合以及机械耦合，以保持组合中的光学元件的相对间距和取向。显示器光学元件124中的一个或多个光学元件可以具有光学涂覆层，例如抗反射涂层、反射涂层、过滤涂层或不同光学涂层的组合。

显示器光学元件124对图像光的放大可以允许显示器电子设备122相较于较大的显示器在物理上更小、重量更轻并且消耗更少的功率。此外，放大可以增加所显示内容的视场。可以通过调整、添加光学元件或从显示器光学元件124移除光学元件来改变显示器光学元件124对图像光的放大量。在一些示例中，显示器光学元件124可以将显示的图像投影到一个或多个图像平面，该一个或多个图像平面可以比近眼显示器120更远离用户的眼睛。

显示器光学元件124还可以被设计成校正一种或多种类型的光学误差，例如二维光学误差、三维光学误差或其任意组合。二维误差可能包括在二维中发生的光学像差。二维误差的示例类型可以包括桶形失真、枕形失真、纵向色像差和横向色像差。三维误差可以包括在三维中发生的光学误差。三维误差的示例类型可以包括球面像差、彗星像差、场弯曲和像散。

定位器126可以是相对于彼此且相对于近眼显示器120上的参考点位于近眼显示器120上特定位置处的对象。在一些实施方式中，控制台110可以识别由外部成像设备150捕获的图像中的定位器126，以确定人工现实头戴耳机的位置、取向或两者。定位器126可以是发光二极管(LED)、角隅棱镜反射器、反射标记器、与近眼显示器120在其中操作的环境形成对比的光源类型或其任意组合。在定位器126是有源部件(例如，LED或其他类型的发光设备)的示例中，定位器126可以发射处于可见波段(例如，约380nm至750nm)中、红外(infrared，IR)波段(例如，约750nm至1mm)中、紫外线波段(例如，约10nm至约380nm)中、在电磁光谱的另一部分中、或者在电磁光谱的部分的任何组合中的光。

外部成像设备150可以包括一个或多个照相机、一个或多个摄像机、能够捕获包括一个或多个定位器126的图像的任何其他设备、或其任意组合。此外，外部成像设备150可以包括一个或多个滤波器(例如，以增加信噪比)。外部成像设备150可以配置成在外部成像设备150的视场中检测从定位器126发射或反射的光。在定位器126包括无源元件(例如，逆向射器(retro reflector))的示例中，外部成像设备150可以包括照亮一些或全部定位器126的光源，该定位器可以向外部成像设备150中的光源逆向反射。慢速校准数据可以从外部成像设备150传输到控制台110，并且外部成像设备150可以从控制台110接收一个或多个校准参数以调整一个或多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧率、传感器温度、快门速度、光圈等)。

位置传感器128可以响应于近眼显示器120的运动而产生一个或多个测量信号。位置传感器128的示例可以包括加速计、陀螺仪、磁力计、其他运动检测或纠错传感器、或其任意组合。例如，位置传感器128可以包括用于测量平移运动(例如，前/后、上/下或左/右)的多个加速计和用于测量旋转运动(例如，俯仰、偏航或侧滚)的多个陀螺仪。在一些示例中，各种位置传感器可以彼此正交取向。

IMU 132可以是基于从一个或多个位置传感器128接收的测量信号来生成快速校准数据的电子设备。位置传感器128可以位于IMU 132的外部、IMU 132的内部或其任意组合。基于来自一个或多个位置传感器128的一个或多个测量信号，IMU 132可以生成指示近眼显示器120相对于近眼显示器120的初始位置的估计位置的快速校准数据。例如，IMU 132可以随时间对从加速计接收的测量信号进行积分以估计速度向量且随时间对速度向量进行积分，以确定近眼显示器120上参考点的估计位置。替代地，IMU 132可以将采样的测量信号提供给控制台110，该控制台可以确定快速校准数据。虽然，参考点通常可以被定义为空间中的点，但在各种示例中，参考点也可以被定义为近眼显示器120内的点(例如，IMU 132的中心)。

眼睛追踪单元130可以包括一个或多个眼睛追踪系统。眼睛追踪可以指确定眼睛的位置，包括眼睛相对于近眼显示器120的取向和位置。眼睛追踪系统可以包括成像系统以对一只或多只眼睛成像，并且可以可选地包括光发射器，该光发射器可以生成指向眼睛的光，使得由眼睛反射的光可以被成像系统捕获。例如，眼睛追踪单元130可以包括发射处于可见光光谱或红外光谱中的光的非相干或相干光源(例如，激光二极管)，以及捕捉由用户眼睛反射的光的照相机。作为另一示例，眼睛追踪单元130可以捕获由微型雷达单元发射的经反射的无线电波。眼睛追踪单元130可以使用在不会伤害眼睛或引起身体不适的频率和强度发光下发射光的低功率光发射器。眼睛追踪单元130可以布置成增加由眼睛追踪单元130捕获的眼睛的图像的对比度，同时降低由眼睛追踪单元130所消耗的总功率(例如，降低包括在眼睛追踪单元130中的光发射器和成像系统所消耗的功率)。例如，在一些实施方式中，眼睛追踪单元130可以消耗小于100毫瓦的功率。

近眼显示器120可以使用眼睛的取向来例如确定用户的瞳孔间距离(inter-pupillary distance，IPD)、确定凝视方向、引入深度提示(例如，使用户的主要视线之外的图像模糊)、收集VR媒体中关于用户交互的启发(例如，根据所暴露的刺激，收集在任何特定主题、对象或帧上花费的时间)、部分基于用户的眼睛中的至少一个的取向的某些其他功能、或其任何组合。因为可以为用户的两只眼睛确定取向，所以眼睛追踪单元130能够确定用户正在看哪里。例如，确定用户凝视的方向可以包括基于用户左眼和右眼所确定的取向来确定会聚点。会聚点可以是使用者眼睛的两个中心凹轴线相交的点。用户的凝视方向可以是通过会聚点和用户眼睛的瞳孔之间的中点的线的方向。

输入/输出接口140可以是允许用户向控制台110发送动作请求的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以启动或结束应用程序或在该应用程序内执行特定动作。输入/输出接口140可以包括一个或多个输入设备。示例性输入设备可以包括键盘、鼠标、游戏控制器、手套、按钮、触摸屏或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到控制台110的任何其他合适的设备。由输入/输出接口140接收的动作请求可以被传送到控制台110，该控制台可以执行与所请求的动作相对应的动作。在一些示例中，输入/输出接口140可以根据从控制台110接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时，或者当控制台110已经执行了所请求的动作并将指令传送到输入/输出接口140时，输入/输出接口140可以提供触觉反馈。在一些示例中，外部成像设备150可以用于追踪输入/输出接口140，诸如追踪控制器(其可以包括例如IR光源)或用户的手的定位或位置以确定用户的运动。在一些示例中，近眼显示器120可以包括一个或多个成像设备、以追踪输入/输出接口140，诸如追踪控制器或用户的手的定位或位置以确定用户的运动。

控制台110可以根据从外部成像设备150、近眼显示器120和输入/输出接口140中的一者或多者接收的信息而向近眼显示器120提供内容以呈现给用户。在图1所示的示例中，控制台110可以包括应用程序商店112、头戴耳机追踪模块114、人工现实引擎116和眼睛追踪模块118。控制台110的一些示例可以包括与相对于图1所述的那些不同或附加的模块。下面进一步描述的功能可以以不同于本文描述的方式分布在控制台110的部件当中。

在一些示例中，控制台110可以包括处理器和存储由处理器可执行的指令的非暂时性计算机可读存储介质。处理器可以包括并行执行指令的多个处理单元。非暂时性计算机可读存储介质可以是任何存储器，诸如硬盘驱动器、可移动存储器或固态驱动器(例如，闪存或动态随机存取存储器(dynamic random access memory，DRAM))。在各种示例中，相对于图1描述的控制台110的模块可以编码为非暂时性计算机可读存储介质中的指令，当由处理器执行时，该指令使处理器执行下面进一步描述的功能。

应用程序商店112可以存储由控制台110执行的一个或多个应用程序。应用程序可以包括一组指令，当由处理器执行时，该组指令组生成用于呈现给用户的内容。由应用程序生成的内容可以响应于通过用户眼睛的移动从用户接收的输入或从输入/输出接口140接收的输入。应用程序的示例可以包括游戏应用程序、会议应用程序、视频回放应用程序或其他合适的应用程序。

头戴耳机追踪模块114可以使用来自外部成像设备150的慢速校准信息来追踪近眼显示器120的移动。例如，头戴耳机追踪模块114可以使用所观测定位器从慢速校准信息和近眼显示器120的模型来确定近眼显示器120的参考点的位置。头戴耳机追踪模块114还可以使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器120的参考点的位置。附加地，在一些示例中，头戴耳机追踪模块114可以使用快速校准信息、慢速校准信息或其任何组合的部分来预测近眼显示器120的未来位置。头戴耳机追踪模块114可以向人工现实引擎116提供近眼显示器120的估计或预测的未来位置。

人工现实引擎116可以执行人工现实系统环境100内的应用程序，并从头戴耳机追踪模块114接收近眼显示器120的位置信息、近眼显示器120的加速度信息、近眼显示器120的速度信息、近眼显示器120的预测的未来位置或其任意组合。人工现实引擎116还可以从眼睛追踪模块118接收估计的眼睛位置和取向信息。基于所接收的信息，人工现实引擎116可以确定要提供给近眼显示器120以呈现给用户的内容。例如，如果所接收的信息指示用户已经向左看，则人工现实引擎116可以为近眼显示器120生成在虚拟环境中反映用户眼睛的移动的内容。附加地，人工现实引擎116可以响应于从输入/输出接口140接收到的动作请求，在控制台110上执行的应用程序内执行动作，并向用户提供指示已经执行该动作的反馈。反馈可以是通过近眼显示器120的视觉或听觉反馈，或者通过输入/输出接口140的触觉反馈。

眼睛追踪模块118可以从眼睛追踪单元130接收眼睛追踪数据，并基于眼睛追踪数据确定用户眼睛的位置。眼睛的位置可以包括眼睛相对于近眼显示器120或其任何元件的取向、位置或两者。因为眼睛的旋转轴根据眼睛在其眼窝中的位置而改变，所以确定眼睛在其眼窝中的位置可以允许眼睛追踪模块118更准确地确定眼睛的取向。

图2为用于实现本文中公开的一些示例的HMD设备200形式的近眼显示器的示例的立体图。HMD设备200可以是例如VR系统、AR系统、MR系统或其任意组合的一部分。HMD设备200可以包括本体220和头带230。图2在立体图中显示本体220的底侧223、前侧225和左侧227。头带230可以具有可调节或可延伸的长度。在HMD设备200的本体220与头带230之间可以有足够的空间，以允许用户将HMD设备200安装到用户的头上。在各种示例中，HMD设备200可以包括附加的、更少的或不同的部件。例如，如图2所示，HMD设备200可以包括如下图3所示的眼镜脚和脚套，而不是头带230。

HMD设备200可以向用户呈现媒体，包括物理现实环境与计算机生成的元素虚拟和/或增强视图。由HMD设备200呈现的媒体的示例可以包括图像(例如，二维(2D)或三维(3D)图像)、视频(例如，2D或3D视频)、音频或其任意组合。图像和视频可以通过封装在HMD设备200的本体220中的一个或多个显示器组件(图2中未示出)而呈现给用户的每只眼睛。在各种示例中，一个或多个显示器组件可以包括单个电子显示器面板或多个电子显示器面板(例如，针对用户的每只眼睛一个显示器面板)。一个或多个电子显示面板的示例可以包括例如LCD、OLED显示器、ILED显示器、μLED显示器、AMOLED、TOLED、一些其他显示器或其任意组合。HMD设备200可以包括两个眼眶(eyebox)区域。

在一些实施方式中，HMD设备200可以包括各种传感器(未示出)，诸如深度传感器、运动传感器、位置传感器和眼睛追踪传感器。这些传感器中的一些可能使用结构光图案进行感测。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括用于与控制台通信的输入/输出接口。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括虚拟现实引擎(未示出)，该虚拟现实引擎可以执行HMD设备200内的应用程序并且从各种传感器接收HMD设备200的深度信息、位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其任意组合。在一些实施方式中，由虚拟现实引擎接收的信息可以用于向一个或多个显示器组件产生信号(例如，显示指令)。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括位于本体220上相对于彼此并且相对于参考点的固定位置的定位器(未示出，诸如定位器126)。每个定位器可以发射由外部成像设备可检测到的光。

图3为用于实现本文中公开的一些示例的眼镜形式的近眼显示器300的示例的立体图。近眼显示器300可以为图1的近眼显示器120的具体实施方式，并且可以配置为作为虚拟现实显示器、增强现实显示器和/或混合现实显示器来进行操作。近眼显示器300可以包括框架305和显示器310。显示器310可以配置为向用户呈现内容。在一些示例中，显示器310可以包括显示器电子设备和/或显示器光学元件。例如，如上参照图1的近眼显示器120所描述的，显示器310可以包括LCD显示器面板、LED显示器面板或光学元件显示器面板(例如，波导显示器组件)。

近眼显示器300还可以包括框架305上或框架305内的各种传感器350a、350b、350c、350d和350e。在一些示例中，传感器350a-350e可以包括一个或多个深度传感器、运动传感器、位置传感器、惯性传感器或环境光传感器。在一些示例中，传感器350a-350e可以包括一个或多个图像传感器，该一个或多个图像传感器配置成生成表示不同方向中的不同视野的图像数据。在一些示例中，传感器350a-350e可以用作输入设备，以控制或影响近眼显示器300的显示内容，和/或向近眼显示器300的用户提供交互式VR/AR/MR体验。在一些示例中，传感器350a-350e也可以用于立体成像。

在一些示例中，近眼显示器300还可以包括一个或多个照明器330，以用于将光投射到物理环境中。投射的光可以与不同频段(例如，可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且可以用于各种目的。例如，一个或多个照明器330可以在黑暗环境中(或在具有低强度红外光、紫外光等的环境中)投射光，以辅助传感器350a-350e在黑暗环境中捕获不同对象的图像。在一些示例中，一个或多个照明器330可以用于将某些光图案投射到环境内的对象上。在一些示例中，一个或多个照明器330可以用作定位器，诸如以上参考图1描述的定位器126。

在一些示例中，近眼显示器300还可以包括高分辨率照相机340。高分辨率照相机340可以捕捉视场中的物理环境的图像。捕获的图像可以例如由虚拟现实引擎(例如，图1的人工现实引擎116)进行处理，以将虚拟对象添加到捕获的图像或修改捕获的图像中的物理对象，并且可以通过显示器310将处理后的图像显示给用户以用于AR或MR应用。

图4示出了包括波导显示器的光学透视增强现实系统400的示例。增强现实系统400可以包括投影仪410和组合器415。投影仪410可以包括光源或图像源412和投影仪光学元件414。在一些示例中，光源或图像源412可以包括上述一个或多个微型LED设备。在一些示例中，图像源412可以包括显示虚拟对象的多个像素，诸如LCD显示器面板或LED显示器面板。在一些示例中，图像源412可以包括生成相干或部分相干光的光源。例如，图像源412可以包括如上所述的激光二极管、垂直腔面发射激光器、LED和/或微型LED。在一些示例中，图像源412可以包括多个光源(例如，上述微LED阵列)，每个光源均发射对应于基色(例如，红色、绿色或蓝色)的单色图像光。在一些示例中，图像源412可以包括微型LED的三个二维阵列，其中微型LED的每个二维阵列可以包括配置成发射基色(例如，红色、绿色或蓝色)的光的微型LED。在一些示例中，图像源412可以包括光学图案生成器，例如空间光调制器。投影仪光学元件414可以包括一个或多个光学部件，该光学部件可以调节来自图像源412的光，诸如扩展、准直、扫描来自图像源412的光或将来自图像源412的光投射到组合器415。一个或多个光学部件可以包括例如一个或多个透镜、液体透镜、反射镜、孔和/或光栅。例如，图像源412可以包括微LED的一个或多个一维阵列或细长的二维阵列，并且投影仪光学元件414可以包括一个或多个一维扫描仪(例如，微反射镜或棱镜)，该一维扫描仪配置为扫描微LED的一维阵列或细长的二维阵列以生成图像帧。在一些示例中，投影仪光学元件414可以包括具有多个电极的液体透镜(例如，液晶透镜)，该液体透镜允许扫描来自图像源412的光。

组合器415可以包括用于将来自投影仪410的光耦合到组合器415的基板420中的输入耦合器430。组合器415可以透射至少50％的第一波长范围内的光，并反射至少25％的第二波长范围的光。例如，第一波长范围可以为约400nm至约650nm的可见光，并且第二波长范围可以在红外波段，例如，约800nm至约1000nm。输入耦合器430可以包括体全息光栅、衍射光学元件(diffractive optical element，DOE)(例如，表面浮雕光栅)、基板420的倾斜表面或折射耦合器(例如，光楔(wedge)或棱镜)。例如，输入耦合器430可以包括反射体布拉格光栅或透射体布拉格光栅。对于可见光，输入耦合器430可以具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。耦合到基板420中的光可以通过例如全内反射(total internalreflection，TIR)在基板420内传播。基板420可以是眼镜的透镜的形式。基板420可以具有平坦或弯曲表面，并且可以包括一种或多种类型的介电材料，例如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)(poly(methyl methacrylate)，PMMA)、晶体或陶瓷。基板的厚度可以在例如小于约1mm至约10mm或更大的范围内。基板420可以对可见光是透明的。

基板420可以包括或可以耦合到多个输出耦合器440，每个输出耦合器440配置成从基板420提取由基板420引导并在基板420内传播的光的至少一部分，并且将提取的光460引导到眼眶495，在眼眶490中可以在使用增强现实系统400时定位增强现实系统400的用户的眼睛490。多个输出耦合器440可以复制出瞳孔以增加眼盒495的大小，使得在更大的区域中可以看到所显示的图像。如输入耦合器430那样，输出耦合器440可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、其他衍射光学元件、棱镜等。例如，输出耦合器440可以包括反射体布拉格光栅或透射体布拉格光栅。输出耦合器440可以在不同位置具有不同的耦合(例如，衍射)效率。基板420还可以允许来自组合器415前面的环境的光450以很少或没有损失地通过。输出耦合器440还可以允许光450以几乎没有损失地通过。例如，在一些实施方式中，输出耦合器440对光450可以具有非常低的衍射效率，使得光450可以被折射或以其他方式以很少损失地通过输出耦合器440，因此可以具有比所提取的光460更高的强度。在一些实施方式中，输出耦合器440可以对光450具有高衍射效率，并且光450可以在几乎没有损失的情况下衍射到某些所需方向(即，衍射角)。结果，用户能够查看组合器415前面的环境的组合图像和由投影仪410投影的虚拟对象的图像。

在一些示例中，投影仪410、输入耦合器430和输出耦合器440可以位于基板420的任何一侧。输入耦合器430和输出耦合器440可以是反射式光栅(也称为多个反射式光栅)或透射式光栅(也称为多个透射式光栅)，以将显示光耦合到基板420中或耦合出基板420。

图5示出了包括用于出瞳孔扩展的波导显示器的光学透视增强现实系统500的示例。增强现实系统500可以类似于增强现实系统500，并且可以包括波导显示器和投影仪，该投影仪可以包括光源或图像源510和投影仪光学元件520。波导显示器可以包括如上所述的关于增强现实系统500的基板530、输入耦合器540和多个输出耦合器550。虽然图5只示出了来自单个视场的光的传播，但是图5示出了多个视场的光的传播。

图5示出了出瞳孔由输出耦合器550复制、以形成聚集的出瞳孔或眼眶，其中视场中的不同区域(例如，图像源510上的不同像素)可以与朝向眼眶的不同的相应传播方向相关联，并且来自相同视场(例如，图像源510上的相同像素)的光对于不同个体出瞳孔可以具有相同的传播方向。因此，图像源510的单个图像可以由位于眼眶中的任何位置的用户的眼睛形成，其中来自不同个体出瞳孔并且在相同方向上传播的光可以在图像源510上的相同像素，并且可以聚焦到用户眼睛的视网膜上的相同位置上。图5示出了即使用户的眼睛移动到眼眶中的不同位置，用户的眼睛也可以看到图像源的图像。

图6示出了在包括波导610和光栅耦合器620的示例波导显示器600中显示光640和外部光630的传播。波导610可以是平面或弯曲的透明基板，其折射率n₂大于自由空间折射率n₁(例如，1.0)。例如，光栅耦合器620可以是布拉格光栅或表面浮雕光栅。

显示光640可以通过例如图4的输入耦合器430或上述其他耦合器(例如棱镜或倾斜表面)耦合到波导610中。显示光640可以通过例如全内反射在波导610内传播。当显示光640到达光栅耦合器620时，显示光640可以被光栅耦合器620衍射成例如0级衍射(即，反射)光642和-1级衍射光644。0级衍射可以在波导610内传播，并且可以在不同位置处被波导610的底表面朝向光栅耦合器620反射。1级衍射光644可以从波导610朝向用户的眼睛耦合(例如，折射)出，因为在波导610的底表面处可能由于衍射角而不满足全内反射条件。

外部光630也可以由光栅耦合器620衍射成例如0级衍射光632和1级衍射光634。0级衍射光632和1级衍射光634都可以从波导610朝向用户的眼睛折射。因此，光栅耦合器620可以充当用于将外部光630耦合到波导610中的输入耦合器，并且还可以充当用于将显示光640耦合出波导610的输出耦合器。因此，光栅耦合器620可以充当用于组合外部光630和显示光640的组合器。通常，对于外部光630(即，透射式衍射)的光栅耦合器620(例如，表面浮雕光栅耦合器)的衍射效率与用于显示光640(即，反射衍射)的光栅耦合器620的衍射效率可以是相似或类似的。

为了在期望的方向上向用户的眼睛衍射光并且对于某些衍射级实现期望的衍射效率，光栅耦合器620可以包括闪耀光栅(blazed grating)或倾斜光栅，例如倾斜布拉格光栅或表面浮雕光栅，其中光栅脊和槽可以相对于光栅耦合器620或波导610的表面法线倾斜。

图7示出了波导显示器700中的倾斜光栅720的示例。倾斜光栅720可以是输入耦合器430、输出耦合器440或光栅耦合器620的示例。波导显示器700可以包括在诸如基板420或波导610的波导710上的倾斜光栅720。倾斜光栅720可以用作用于将光耦合到波导710或耦合出波导710的光栅耦合器。在一些示例中，倾斜光栅720可以包括具有周期p的一维周期结构。例如，倾斜光栅720可以包括多个脊722和脊722之间的槽724。倾斜光栅720的每个周期可以包括脊722和槽724，这些脊和槽可以是气隙或填充了具有折射率n_g2的材料的区域。脊722的宽度d与光栅周期p之间的比可以被称为占空比。倾斜光栅720可以具有例如在约10％至约90％或更大的范围的占空比(duty cycle)。在一些示例中，占空比可以随周期而变化。在一些示例中，倾斜光栅720上的周期p可以从一个区域到另一个区域是变化的，或者可以在倾斜光栅720上从一个周期到另一个周期(即，啁啾(chirped))是变化的。

脊722可以由折射率为n_g1的材料制成，例如含硅材料(例如，SiO₂、Si₃N₄、SiC、SiO_xN_y或非晶硅)、有机材料(例如，旋涂的碳(spin on carbon，SOC)或非晶碳层(amorphouscarbon layer，ACL)或类金刚石碳(diamond like carbon，DLC))、或无机金属氧化层(例如，TiO_x、AlO_x、TaO_x、HfO_x等)。每个脊722可以包括具有倾斜角α的前缘730和具有倾斜角β的后缘740。在一些示例中，每个脊722的前缘730和后缘740可以彼此平行。换而言之，倾斜角α近似等于倾斜角β。在一些示例中，倾斜角α可以不同于倾斜角β。在一些示例中，倾斜角α可以近似等于倾斜角β。例如，倾斜角α与倾斜角β之间的差可以小于20％、10％、6％、1％或更小。在一些示例中，倾斜角α和倾斜角β的范围可以在例如约30°或更小至约70％或更大的范围。

在一些实施方式中，脊722之间的槽724可以外涂覆(over-coated)或填充有具有比脊722的材料的折射率高或低的折射率n_g2的材料。例如，可以使用高折射率材料来填充槽724，该高折射率材料例如为二氧化铪、二氧化钛、氧化钽、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅和高折射率聚合物。在一些示例中，可以使用低折射率材料来填充槽724，该低折射率材料诸如为二氧化硅、氧化铝、多孔二氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物)。结果，脊的折射率与槽的折射率之间的差可以大于0.1、0.2、0.3、0.5、1.0或更高。

使用人工现实系统的用户体验可以取决于光学特性的几个特性，诸如视场(fieldof view，FOV)、图像质量(例如，分辨率)、系统的眼眶大小(以适应眼睛和/或头部移动)、眼距的距离、光学带宽和所显示图像的亮度。一般来说，视场和眼眶需要尽可能大，光学带宽需要外覆可见光波段，显示图像的亮度需要足够高(特别是对于光学透视式AR系统)。

在波导类近眼显示器中，显示器的输出区域可能比近眼显示系统的眼眶大得多。可以到达用户眼睛的光的部分可以取决于眼眶的大小与显示器的输出区域之间的比，在某些情况下，对于特定的眼距和视场，该比可以小于10％。为了达到用户眼睛所感知的显示图像的期望亮度，可能需要显著增加来自投影仪或光源的显示光，这可能会增加功耗并引起一些安全问题。

图8A示出了波导类近眼显示器的示例，其中从波导显示器810的不同区域基本上均匀地输出用于所有视场的显示光。近眼显示器可以包括投影仪820和波导显示器810。投影仪820可以类似于投影仪410，并且可以包括类似于光源或图像源412的光源或图像源，以及类似于投影仪光学元件414的投影仪光学元件。波导显示器810可以包括波导(例如，基板)、一个或多个输入耦合器812、以及一个或多个输出耦合器814。输入耦合器812可以配置成将来自不同视场(或视角)的显示光耦合到波导中，并且输出耦合器814可以配置成将显示光耦合出波导。输入和输出耦合器可以包括例如倾斜表面浮雕光栅或体布拉格光栅。在图8所示的示例中，输出耦合器814可以跨输出耦合器的整个区域具有类似的光栅参数，而不是可以改变以调节耦合效率以获得更均匀的输出光的参数。因此，显示光可以以类似于图8A所示的方式在波导显示器810的不同区域处部分地耦合出波导，其中来自近眼显示器的所有视场的显示光可以在波导显示器810的任何给定区域处部分耦合出波导。

如图8A所示，近眼显示系统可以在特定眼眶位置890处具有眼眶，并且该眼眶具有受限的大小并因此具有受限的视场830。因此，并非从波导显示器810中波导耦合出来的所有光都可以到达眼眶位置890处的眼眶。例如，来自波导显示器810的显示光832、834和836可能不会到达眼眶位置890处的眼眶，因此可能不会被用户的眼睛接收，这可能导致来自投影仪820的光功率的显著损失。

在某些示例中，用于波导类显示器的光学耦合器(例如，倾斜表面浮雕光栅)可以包括含有多个区域(或多个多路复用的光栅)的光栅耦合器，其中，光栅耦合器的不同区域对于入射显示光具有不同的角度选择性特性(例如，构造性干涉条件)，使得在波导类显示器的任何区域处、最终不会到达用户眼睛的衍射光可以被抑制(即，可以不被光栅耦合器衍射从而耦合到波导中或耦合出波导，从而可以继续在波导内传播)，而最终到达用户眼睛的光可以被光栅耦合器衍射并耦合到波导中或耦合出波导。

图8B示出了波导类近眼显示器的示例，其中显示光可以在波导显示器的不同区域中以不同角度耦合出波导显示器840。波导显示器840可以包括波导(例如，基板)、一个或多个输入耦合器842、以及一个或多个输出耦合器844。输入耦合器842可以配置成将来自不同视场(例如，视角)的显示光耦合到波导中，并且输出耦合器844可以配置成将显示光耦合出波导。输入和输出耦合器可以包括例如倾斜表面浮雕光栅或其他类型的光栅或反射器。输出耦合器可以在输出耦合器的不同区域处具有不同的光栅参数，从而具有不同的角度选择性特性。因此，在输出耦合器的每个区域，只有在近眼显示器的眼眶位置890处、在特定角度范围朝向眼眶传播的显示光可以耦合出波导，而其他显示光可能不满足该区域处的角度选择性条件，因此可能不会耦合出波导。在一些示例中，输入耦合器还可以在输入耦合器的不同区域处具有不同的光栅参数，从而具有不同的角度选择性特性，并且因此，在输入耦合器的每个区域处，只有来自相应视场的显示光可以耦合到波导中。因此，耦合到波导中并在波导中传播的大部分显示光可以有效地传送到眼眶，从而提高了波导类近眼显示系统的功率效率。

倾斜表面浮雕光栅的折射率调制以及倾斜表面浮雕光栅的其他参数(诸如，光栅周期、斜角、占空比、深度等)可以配置成在特定的入射角度范围(例如，FOV)和/或在特定衍射方向上的特定波长频段内(例如，在视场830所示的角度范围内)选择性地衍射入射光。例如，当折射率调制较大(例如，>0.2)时，可以在输出耦合器处实现大角度带宽(例如，>10°)、以为波导类近眼显示系统提供足够大的眼眶。

图9A示出了具有可变蚀刻深度的倾斜光栅900的示例。倾斜光栅900可以包括基板910(例如，玻璃基板)和形成在基板910上的光栅层920(例如，介电层或聚合物层)。可以在光栅层920中蚀刻或以其他方式形成(例如，压印)多个光栅槽922。光栅槽922可以具有不均匀的深度、宽度和/或间隔。因此，倾斜光栅900可以具有可变的光栅周期、深度和/或占空比。

图9B示出了具有可变刻蚀深度和占空比的倾斜光栅905的示例。在图9B所示的示例中，倾斜光栅905可以在介电层930中蚀刻，该介电层可以具有例如在约1.46与约2.4之间的折射率。如图所示，倾斜光栅905可以在不同区域处具有不同的刻蚀深度和占空比。不同区域处的光栅化周期也可能不同。因此，倾斜光栅905的不同区域可以具有如上面参照例如图8B所描述的、不同的期望衍射特性。

可以使用许多不同的纳米制造技术来制造具有在上述光栅的区域上变化的参数和配置(例如，占空比、深度或折射率调制)的表面浮雕光栅以及其他表面浮雕光栅(例如，用于眼睛追踪的光栅)。纳米制造技术通常包括图案化工艺和后图案化(例如，外涂覆)工艺。该图案化工艺可以用于形成倾斜光栅的倾斜脊或槽。可能有许多不同的纳米制造技术来形成倾斜的脊结构。例如，在一些实施方式中，可以使用包括倾斜蚀刻的光刻技术来制造倾斜光栅。在一些实施方式中，可以使用纳米压印光刻(nanoimprint lithography，NIL)成型技术来制造倾斜光栅，其中可以使用例如倾斜蚀刻技术来制造包括倾斜结构的母体模具，并且然后可以使用该母体模具来成型倾斜光栅或用于纳米压印的不同代软印模。可以使用后图案化工艺来外涂覆倾斜脊和/或用具有与倾斜脊不同折射率的材料来填充倾斜脊之间的间隙。后图案化工艺(例如，外涂覆和平坦化)可以独立于图案化工艺。因此，可以在使用任何图案化技术在制造的倾斜光栅上使用相同的后图案化工艺。

在NIL成型工艺中，可以用NIL树脂层涂覆基板(例如，波导)。NIL树脂层可以包括，例如，掺杂有溶胶-凝胶前体(例如，钛丁醇酸酯)的丙烯酸丁酯系树脂、含有用于后续浸渍工艺的反应性官能团的单体(例如，丙烯酸)和/或高折射率纳米颗粒(例如，二氧化钛、氧化锆、氧化铪、氧化钨、碲化锌或磷化镓)。在一些示例中，NIL树脂层可以包括聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)或另一种硅橡胶或硅系有机聚合物。可以通过例如旋涂涂覆、层压或喷墨打印在基板上沉积NIL树脂层。其上形成有纳米结构的NIL模具可以压靠在NIL树脂层和基板上，以用于在NIL树脂层中成型纳米结构。随后可以使用热和/或紫外光(UV)固化(例如，交联化)NIL树脂层。固化后，NIL模具可以从NIL树脂层和基板上脱离。在NIL模具从NIL树脂层和基板分离之后，可以在基板上的NIL树脂层中形成与NIL模具中的纳米结构互补的纳米结构(例如，倾斜光栅)。

在一些示例中，可以首先使用例如倾斜蚀刻、微加工或3D打印来制造母体NIL模具(例如，包括诸如Si、SiO₂、Si₃N₄或金属的刚性材料的硬质模具)。可以使用母体NIL模具来制造软印模，然后可以将该软印模用作工作印模以制造倾斜光栅，或者可以用于制造下一代软印模。在这样的工艺中，母体NIL模具中的倾斜光栅结构可以类似于用于波导显示器的光栅耦合器的倾斜光栅，并且软印模上的倾斜光栅结构可以与母体NIL模具中的倾斜光栅结构和用于波导显示器的光栅耦合器的倾斜光栅互补。与硬印模或硬模具相比，软印模在成型和脱模过程中可以提供更多的灵活性。

图10A至图10D示出了用于制造用于纳米压印的软印模的工艺1000的示例。图10A示出了母体模具1010(例如，硬模具或硬印模)。母体模具1010可以包括刚性材料，例如半导体基板(例如，Si或GaAs)、氧化物(例如，SiO₂、Si₃N₄、TiO_x、AlO_x、TaO_x或HfO_x)或金属板。可以使用例如使用反应离子束或化学辅助反应离子束的倾斜蚀刻工艺、微机械加工工艺或3D打印工艺来制造母体模具1010。如图10A所示，母体模具1010可以包括倾斜光栅1020，该倾斜光栅1020进而可以包括多个倾斜脊1022，在倾斜脊1022之间具有间隙1024(称为槽)。

图10B示出了涂覆有软印模材料层1030的母体模具1010。软印模材料层1030可以包括例如树脂材料或固化性聚合物材料。在一些示例中，软质印模材料层1030可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或另一硅橡胶或硅类有机聚合物。在一些示例中，软印模材料层1030可以包括乙烯四氟乙烯(ethylene tetrafluoroethylene，ETFE)、全氟聚醚(perfluoropolyether，PFPE)或其他氟化聚合物材料。在一些示例中，可以通过例如旋涂涂覆或喷墨打印在母体模具1010上涂覆软印模材料层1030。

图10C示出了用于将软印模箔1040层压到软印模材料层1030上的层压工艺。辊1050可以用于将软印模箔1040压在软印模材料层1030上。层压工艺也可以是平坦化工艺，以使软印模材料层1030的厚度是基本上均匀的。在层压工艺之后，可以将软印模箔1040紧密或牢固地附着至软印模材料层1030。

图10D示出了剥离工艺，其中包括软印模箔1040和附着的软印模材料层1030的软印模从母体模具1010分离。软印模材料层1030可以包括与母体模具1010上的倾斜光栅结构互补的倾斜光栅结构。由于软印模箔1040和附着的软印模材料层1030的柔性，与使用硬印模或模具的脱模工艺相比，剥离工艺可以相对容易。在一些示例中，可以在剥离工艺中使用辊(例如，辊1050)以确保恒定或受控的剥离速度。在一些示例中，在剥离期间可以不使用辊1050。在一些实施方式中，在将软印模材料层1030涂覆在母体模具1010上之前，可以在母体模具1010上形成防粘层。防粘层可以促进剥离工艺。在从母体模具1010剥离软印模之后，该软印模可以用于在波导显示器的波导上成型倾斜的光栅。

图11A至图11D示出了使用软印模的压印工艺1100的示例。图11A示出了涂覆有压印树脂层1120的波导1110。压印树脂层1120可以包括例如掺杂有溶胶-凝胶前体的丙烯酸丁酯系树脂(例如，钛丁醇酸酯)、含有用于后续浸渍工艺的反应性官能团的单体(例如，丙烯酸)和/或高折射率纳米颗粒(例如，TiO₂、ZrO₂、GaP、HfO₂、WO₃、GaAs等)。在一些示例中，压印树脂层1120可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或另一硅橡胶或硅系有机聚合物。在一些示例中，压印树脂层1120可以包括乙烯四氟乙烯(ETFE)、全氟聚醚(PFPE)或其他氟化聚合物材料。压印树脂层1120可以通过例如旋涂涂覆、层压或喷墨打印而沉积在波导1110上。包括附着至软印模箔1140的倾斜脊1132的软印模1130可以用于压印。

图11B示出了将软印模1130层压到压印树脂层1120上。可以使用辊1150将软印模1130压靠在压印树脂层1120和波导1110上，从而可以将倾斜脊1132压入压印树脂层1120中。随后可以固化压印树脂层1120。例如，压印树脂层1120可以使用热和/或紫外线(UV)光进行交联化。

图11C示出了软印模1130从压印树脂层1120剥离。可以通过提起软印模箔1140以将软印模1130的倾斜脊1132从压印树脂层1120上分离来执行剥离。压印树脂层1120现在可以包括倾斜光栅1122，该倾斜光栅可以用作光栅耦合器，或者可以被外涂覆以形成用于波导显示器的光栅耦合器。如上所述，由于软质印模1130的灵活性，与使用硬质印模或模具的脱模处理相比，剥离工艺可以相对容易。在一些示例中，可以在剥离工艺中使用辊(例如，辊1150)以确保恒定或受控的剥离速度。在一些示例中，在剥离期间可以不使用辊1150。

图11D示出了使用软印模1130在波导1110上形成的压印倾斜光栅1122的示例。如上所述，倾斜光栅1122可以包括脊与脊之间的槽，并且因此可以用具有不同于压印树脂层1120的折射率的材料外涂覆，以填充槽并形成用于波导显示器的光栅耦合器。

倾斜光栅的周期可以在倾斜光栅1122上从一个区域到另一个区域是变化的，或者可以在倾斜光栅1122上从一个周期到另一个周期(即，啁啾)是变化的。倾斜光栅1122可以具有例如在约11％至约100％或更大的范围的占空比(duty cycle)。在一些示例中，占空比可能随周期而变化。在一些示例中，倾斜光栅1122的槽的深度或脊的高度可以大于约50nm、约110nm、约200nm、约300nm、约400nm或更高。倾斜光栅1122的脊的前缘的倾角和倾斜光栅1122的脊的后缘的倾角可以大于约30°、约45°、约60°或更高。在一些示例中，倾斜光栅1122的每个脊的前缘和后缘可以彼此平行。在一些示例中，倾斜光栅1122的脊的前缘的倾斜角与倾斜光栅1122的脊的后缘的倾斜角之间的差可以小于约20％、约11％、约5％、约1％或更小。

可以制作不同代的NIL印模，并将其用作工作印模以成型倾斜光栅。例如，可以在例如半导体基板、石英或金属板中制造(例如，蚀刻)母体模具(其可以被称为第0代模具)。母体模具可以是硬印模，并且可以用作工作印模来直接成型倾斜光栅，也可以称为硬印模NIL或硬NIL。在这种情况下，模具上的倾斜结构可以与用作波导显示器上的光栅耦合器的倾斜光栅的所需倾斜结构互补。

为了保护母体NIL模具，可以首先制造母体NIL模具，然后可以使用母体NIL模具制造混合印模(其可以称为第一代模具或印模)。该混合印模可以用作用于纳米压印的工作印模。混合印模可以包括硬印模、软印模或硬-软印模。使用软印模的纳米压印可以被称为软印模NIL或软NIL。在一些示例中，混合模具可以包括具有软图案化或硬图案化聚合物(例如，具有约1GPa的杨氏模数)的塑料底板。在一些示例中，混合模具可以包括具有软图案化或硬图案化聚合物(例如，具有约1GPa的杨氏模数)的玻璃底板。在一些示例中，混合模具可以包括具有软图案化或硬图案化聚合物的玻璃/塑料叠层底板。在一些示例中，可以从第一代模具制造第二代混合模具，然后可以将第二代混合模具用作纳米压印的工作印模。在一些示例中，可以制造第三代混合模具、第四代混合模具等，并将其用作工作印模。NIL成型可以显著降低制造倾斜表面浮雕结构的成本，因为成型工艺可能比蚀刻工艺快得多，并且可能不需要昂贵的反应离子蚀刻装置。

图12A至图12C示出了使用压印工艺在表面浮雕光栅上形成平坦化外覆层的方法的示例。图12A示出了可以在基板1210上的表面浮雕光栅1220上分配如上所述的外涂覆材料、以形成外覆层1230。可以通过例如旋涂涂覆或喷墨打印来分配外涂覆材料。可以基于光栅槽的尺寸和所需的外覆层厚度(例如，光栅脊顶部上的外覆层的部分)来确定分配在表面浮雕光栅1220上的外涂覆材料的量。例如，如上所述，可能希望外覆层厚度小于约20nm。在分配了外涂覆材料之后，外覆层1230的顶表面可能不是如所示示例中示出的平坦的。例如，在光栅脊区域的顶表面的高度可以大于在光栅槽区域的顶表面的高度。

在一些示例中，可以任选地烘烤外覆层以从外覆层中去除溶剂。当采用旋涂涂覆物技术时，可能在光栅槽中发生空气滞留(air trapping)(例如，气泡)。外涂覆材料中的溶剂可能没有完全蒸发。溶剂和/或滞留空气可能导致外覆层的折射率变化和效率损失。当光栅槽相对较深(例如，120nm、200nm、300nm或更大)时、当光栅槽相对较窄(例如，具有大占空比的光栅)时和/或当光栅脊的倾斜角度相对较大(例如,大于约30°、45°、50°、70°或更大)时，问题可能加剧。烘烤可以帮助去除溶剂和滞留的空气，从而使外覆层中的外涂覆材料更加均匀或匀质。

图12B示出了在压印工艺中，可以将平面压印印模1240(例如，上述软印模或模具)层压或以其他方式施加在外覆层1230上。如上所述，在一些示例中，平面压印印模1240可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或硅橡胶或硅系有机聚合物。在一些示例中，平面压印印模1240可以包括乙烯四氟乙烯(ETFE)、全氟聚醚(PFPE)或其他氟化聚合物材料。接触外覆层1230的平面压印印模1240的底表面可以具有低表面粗糙度。平面压印印模1240可以例如使用如上参照例如图12B所述的辊压靠在外覆层1230上。因此，可以将光栅脊顶部的外涂覆材料的某些部分强制施加到光栅槽顶部的区域，并且可以将平面压印印模1240的平坦底表面转移到外覆层1230的顶表面。

然后，可以固化(例如，使用紫外光)外覆层，以如上所述将基础树脂交联并固定在外涂覆材料中。在外涂覆材料的固化和交联化之后，平面压印印模可以从外覆层和表面浮雕光栅剥离或以其他方式分离，如上面参照例如图12C所述。

图12C表明，在平面压印印模1240的剥离之后，外覆层1230的顶表面可以是平坦且光滑的。此外，外覆层可以非常薄，例如小于约20nm。

图13A至图13B示出了在具有可变光栅参数的表面浮雕光栅1300上形成平坦化外覆层的方法的示例。图13A示出了包括基板1310(或光栅材料层或波导)上的光栅脊1320的表面浮雕光栅1300，其中表面浮雕光栅1300的占空比和倾斜角可以因区域而变化。喷墨打印或3D打印技术可以用于在表面浮雕光栅1300的不同区域中分配不同量的外涂覆材料1330。例如，可以在光栅槽的尺寸较大的区域中分配较多数量的小滴外涂覆材料1330，并且可以在光栅槽的尺寸较小的区域中沉积较少数量的小滴外涂覆材料1330。通过分配小滴的外涂覆材料1330，可以更精确地控制所分配的外涂覆材料的量。

图13B示出了例如在可选的烘焙工艺以去除溶剂和/或滞留空气之后，可以将平面压印印模1340层压或以其他方式施加在外涂覆材料1330上。平面压印印模1340可以例如使用如上参照例如图10C所述的辊压靠在外涂覆材料1330上。因此，可以将位于光栅脊1320顶部上的外涂覆材料1330的一些部分强制施加到光栅槽顶部上的区域，并且可以将平面压印印模1340的平坦底表面转移到由外涂覆材料1330形成的外覆层的顶表面。然后，可以固化(例如，使用紫外光)外涂覆材料1330，以如上交联并固定在基础树脂中。在外涂覆材料1330的固化和交联之后，平面压印印模1340可以从外涂覆材料层和表面浮雕光栅剥离或以其他方式分离，如上面参照例如图10C所述。以这种方式，外覆层的顶表面可以是平坦的。因为可以更精确地控制所分配的外涂覆材料的量，所以可以更精确地控制外覆层的厚度，并且可以非常薄，例如小于约20nm、小于约10nm或更小。

通常，希望在光栅脊与外覆层之间具有大的折射率对比度，以改善例如近眼显示系统的光耦合效率、视场范围和波长范围。在一些表面浮雕光栅中，可以使用上面参照例如图10A至11D所述的纳米压印技术在高折射率材料层(例如，包括具有高折射率纳米颗粒的树脂)中形成光栅脊，并且可以使用具有低折射率的外覆层来实现大的折射率对比度。在一些表面浮雕光栅中，光栅脊可以由低折射率材料(例如，玻璃)制成，并且可以使用具有高折射率(例如，约2.0或更大)的外覆层来实现大的折射率对比度。用于光栅脊或外覆层的高折射率材料可以包括分散有高折射率纳米颗粒的树脂，该高折射率纳米颗粒例如为TiO₂纳米颗粒、NbO_x纳米颗粒和/或ZrO₂纳米颗粒等。

TiO₂的折射率(例如，对于可见光大于2.5的折射率)高于ZrO₂(例如，对于可见光约2.15的折射率)和一些其他介电材料(例如，氧化物，如NbO_x、SiO_x、TaO_x和Al₂O₃)，因此可以与树脂材料混合以形成用于纳米压印或外涂覆的高折射率树脂材料(例如，约2.0或更高的折射率)。例如，包括90重量％(wt.％)的ZrO₂纳米颗粒的200nm厚的树脂层对于520nm的光可以具有约1.78的折射率，而包括90wt.％的TiO₂纳米颗粒的200nm厚的树脂层对于520nm的光可以具有约2.05的折射率。

图14A示出了包括一个或多个表面浮雕光栅和一个或多个外覆层的波导显示器1400的示例。在所示的示例中，波导显示器1400可以包括基板1410，诸如玻璃基板或SiC基板，其可以用作通过全内反射来引导耦合到基板1410中的显示光的波导。可以在基板1410中蚀刻一个或多个表面浮雕光栅1420，或者可以在沉积在基板1410上的材料层中形成(例如，蚀刻或压印)一个或多个表面浮雕光栅1420。可以在各表面浮雕光栅1420上形成外覆层1430。外覆层可以包括分散在树脂中的高折射率金属氧化物纳米颗粒(例如，TiO₂、NbO_x和/或ZrO₂纳米颗粒)。该树脂可以包括例如具有光基团产生剂或热基团产生剂的丙烯酸酯树脂。在一个示例中，该树脂可以包括双官能团高折射率单体。外覆层1430可以沉积在表面浮雕光栅1420上，在高温(例如，约90℃)下烘烤并使用紫外光固化。在一些示例中，在使用紫外光进行固化之前，可以使用上面参照例如图12A至图13B所述的平坦印模来压印外覆层。抗反射涂层(antireflective coating，ARC)层1440可以涂覆在外覆层1430上，以减少在波导显示器1400与空气之间的界面处的菲涅耳反射。在一些示例中，可以使用UV光烘烤和/或固化抗反射涂层1440。

图14B示出了包括纳米颗粒1434(例如，TiO₂、NbO_x或ZrO₂纳米颗粒)和有机材料1432的外覆层1430的示例。固化后，外覆层1430中的单体可交联以形成可以固定纳米颗粒1434的交联结构。由于其带隙能量(例如，约3.0至3.2eV)，TiO₂纳米颗粒可以吸收紫外光(例如，波长λ<388nm)，以将电子(e^-)激发到导带并在价带中留下空穴(h⁺)。电子和空穴可以迁移到纳米颗粒的表面，以还原和/或氧化与纳米颗粒1434相邻的有机材料1432。氧化和降解有机材料1432可以吸收可见光。因此，由于金属氧化物(例如，TiO₂)纳米颗粒的光催化活性，使用紫外光固化外覆层1430和/或ARC层1440可以降解外覆层1430中的有机物。

图15A示出了TiO₂纳米颗粒的光催化活性的示例。如图所示，当暴露于紫外光时，TiO₂颗粒中的电子可能被激发到导带，以产生自由电子和空穴。一些自由电子和空穴可能会在短时间内重新结合，以热或光子的形式释放能量。一些电子和空穴可能会迁移到TiO₂纳米颗粒的表面。光产生的空穴可能会通过OH-和/或H₂O分子的氧化而产生羟基基团·OH，这些分子可能会被吸附在TiO₂纳米颗粒的表面上。光产生的电子可能促进吸附在TiO₂纳米颗粒表面上的O₂分子还原，以形成超氧自由基阴离子这些光产生的羟基和超氧自由基可以进而氧化和降解邻近的有机和/或无机材料。如图15A所示的这些还原和氧化反应可以分别用于光催化制氢和光催化水/空气净化。折射率可能在约2.3与约2.35之间的其他金属氧化物(如NbO_x)，也可能具有光活性。

图15B示出了由TiO₂纳米颗粒1510的光催化活性引起的有机降解的示例。如上所述，由于二氧化钛的光活性，TiO₂纳米颗粒1510可以与水分(H₂O)和/或氧(O₂)相互作用以产生基团(例如，羟基基团和超氧基团阴离子)。羟基基团可以氧化和降解与TiO₂纳米颗粒1510相邻的有机物1520(例如，配体和树脂)。这些相互作用可以通过二氧化钛光激发来触发和/或可以是热诱导的。由于其高的表面积与体积比，TiO₂纳米颗粒1510可以具有大的总表面面积和高的光吸收速率，这可能会增加表面光生的载流子密度，从而带来较高的TiO₂纳米颗粒的表面光活性和增加的光催化活性。结果，更多的有机物1520可能被氧化和降解、以吸收可见光。因此，即使TiO₂纳米颗粒1510对可见光是透明的，包括纳米二氧化钛纳米颗粒1510和有机物1520的膜也可以在可见光光谱中显示出一定程度的光吸收。随着膜与环境发生进一步的氧化还原作用(例如，进一步暴露于紫外线和高温)，包括二氧化钛纳米颗粒和有机物的膜对可见光的吸收可能会随着时间的推移而增加。因此，使用包括二氧化钛纳米颗粒和有机物的膜制造(例如，压印)的表面浮雕光栅或外覆层可以具有用于波导显示器的高吸收和低产量。

图16A至图16D示出了制造波导显示器的工艺的示例。图16A示出了基板1610的示例，该基板包括形成在基板1610内或基板1610上的一个或多个表面浮雕光栅1612。在一些示例中，可以通过使用诸如离子束蚀刻的湿法或干法蚀刻技术来蚀刻基板1610而制造表面浮雕光栅1612。在一些示例中，表面浮雕光栅1612可以通过沉积纳米压印树脂层并使用如上参照例如图10A至图11D所述的模具或软质印模来压印纳米压印树脂层来制造。在一些示例中，纳米压印树脂层可以包括分散在树脂中的高折射率金属氧化物纳米颗粒(例如，TiO₂、NbOx和/或ZrO₂纳米颗粒)。该树脂可以包括例如具有光自由基产生剂或热自由基产生剂的丙烯酸酯树脂。丙烯酸酯树脂的折射率可以在约1.55与约1.7之间。在一个示例中，该树脂可以包括双官能团高折射率单体。

图16B示出了在基板1610的一侧上的表面浮雕光栅1612上形成的第一外覆层1620的示例。在一些示例中，可以使用上面参照例如图12A至图13B公开的技术在表面浮雕光栅1612上形成第一外覆层1620。在一些示例中，第一外覆层1620可以是纳米压印树脂层，该纳米压印树脂层包括分散在树脂中的高折射率金属氧化物纳米颗粒(例如，TiO₂、NbO_x和/或ZrO₂纳米颗粒)。该树脂可以包括例如具有光基团产生剂或热基团产生剂的丙烯酸酯树脂。丙烯酸酯树脂的折射率可以在约1.55与约1.7之间。在一个示例中，该树脂可以包括双官能团高折射率单体。第一外覆层1620可以沉积在表面浮雕光栅1612上，在高温(例如，约90℃)下烘烤并使用紫外光1605固化。在一些示例中，在使用UV光1605进行固化之前，可以使用上面参照例如图12A至图13B所述的平坦印模来压印纳米压印树脂层。由于金属氧化物(例如，TiO₂)纳米颗粒的光催化活性，使用UV光固化第一外覆层1620可以降解第一外覆层1620中的有机物，如上面参照例如图15A和图15B所述。

图16C示出了可以在基板1610的第二侧上的表面浮雕光栅1612上形成第二外覆层1630。第二外覆层1630可以使用上面参照例如图12A至图13B公开的技术形成在表面浮雕光栅1612上。在一些示例中，第二外覆层1630可以是纳米压印树脂层，该纳米压印树脂层包括如上述参照第一外覆层1620分散在树脂中的高折射率金属氧化物纳米颗粒，其中第二外覆层1630可以沉积在表面浮雕光栅1612上，在高温(例如，约90℃)下烘烤且随后使用紫外光1605固化。在一些示例中，在使用UV光1605进行固化之前，可以使用平坦印模来压印纳米压印树脂层，如上面参照例如图12A至图13B和图16B所述。由于金属氧化物(例如，TiO₂或NbO_x)纳米颗粒的光催化活性，使用紫外光1605固化第二外覆层1630可以降解第二外覆层1630中的有机物。使用紫外光1605固化第二外覆层1630可以进一步将第一外覆层1620暴露于紫外光1605，并且因此可能由于暴露于紫外光的金属氧化物(例如，TiO₂或NbO_x)纳米颗粒的光催化活性而进一步降解第一外覆层1620中的有机物。

图16D示出了可以将抗反射涂层1640涂覆在第一覆膜层1620和第二覆膜层1630上以形成波导显示器1600。抗反射涂层1640可以用于减少在波导显示器1600与空气之间的界面处的菲涅耳反射。在一些示例中，可以使用UV光1605烘烤和固化抗反射涂层1640。使用紫外光1605固化抗反射涂层1640可以进一步将第一外覆层1620和第二外覆层1630暴露于紫外光1605，并且因此可能由于金属氧化物(例如，TiO₂)纳米颗粒的光催化活性而进一步降解第一外覆层1620和第二外覆层1630中的有机物。

图16E示出了在制造工艺中包括具有不同金属氧化物纳米颗粒的表面浮雕光栅的波导显示器示例的光学损耗的变化。如上所述，金属氧化物纳米颗粒可以是光催化剂，当暴露于特定波长的光时，该光催化剂可以引起光活性。例如，TiO₂的带隙能量可以是约3.0eV至约3.2eV，并且可以吸收紫外光(例如，波长λ≤388nm)以产生自由电子-空穴对，该自由电子-空穴对可以产生能够与相邻的有机或无机材料反应并降解有机或无机材料的基团，以降低波导显示器的透射率。相反地，ZrO₂的带隙能量可能约为5.0eV，远高于TiO₂的带隙能量，因此可能只吸收深紫外光。因此，在紫外光固化和热处理后，包含ZrO₂纳米颗粒的树脂层可以具有较低的有机材料的降解水平，从而可能对可见光具有较低的光学损耗。

在一个示例中，用于形成第一外覆层1620和第二外覆层1630的材料可以是包括双官能高折射率单体的混合物，例如来自TOKYO OHKA KOGYO有限公司(TOK)的M1、ZrO₂纳米颗粒和溶剂，其中，ZrO₂纳米颗粒可以占混合物的约90wt.％，并且第一外覆层1620和第二外覆层1630的折射率可以为约1.78。图16E中的条1652示出了在90℃下烘焙第一外覆层1620之后并且在使用UV光固化第一外覆层1620之前的图16B中所示的结构的示例的光学损耗，其中第一外覆层1640可以包括ZrO₂纳米颗粒并且第一外覆层1630的厚度可以是约140nm。条1654示出了在使用UV光固化第一外覆层1620之后图16B中所示的结构的示例的光学损耗。条1656示出了在将第二外覆层1630在90℃下烘焙并使用UV光固化之后图16C中所示的结构的示例的光学损耗，其中第二外覆层1630可以包括ZrO₂纳米颗粒，并且第二外覆层1630的厚度可以为约140nm。条1658示出了在将抗反射涂层1640在90℃下烘烤并使用UV光固化之后图16D中所示的波导显示器1600的光学损耗。图16E示出了在制备工艺中，包括有机物和包括ZrO₂纳米颗粒的外覆层的光学损耗可能会略有增加。

在另一示例中，用于形成第一外覆层1620和第二外覆层1630的材料可以是包括来自TOK的M1、TiO₂纳米颗粒和溶剂的混合物，其中TiO₂纳米颗粒可以占混合物的约90wt.％，并且第一外覆层1620和第二外覆层1630的折射率可以约为2.05。图16E中的条1662示出了在90℃下烘焙第一外覆层1620之后并且在使用UV光固化第一外覆层1620之前的图16B中所示的结构的示例的光学损耗，其中第一外覆层1640可以包括TiO₂纳米颗粒并且第一外覆层1620的厚度可以是约140nm。条1664示出了在将第一外覆层1620用紫外光固化后的图16B中所示的结构的示例的光学损耗。条1666示出了在将第二外覆层1630在90℃下烘焙并使用UV光固化之后的图16C中所示的结构的示例的光学损耗，其中第二外覆层1630可以包括TiO₂纳米颗粒，并且第二外覆层1630的厚度可以是约140nm。条1668示出了在将抗反射涂层1640在90℃下烘焙并使用UV光固化之后的图16D中所示的波导显示器1600的示例的光学损耗。图16E示出了在制造工艺中，第一外覆层1620和第二外覆层1630的光学损耗可能显著增加，并且当在外覆层中使用TiO₂纳米颗粒时，光学损耗可能非常高。因此，很难实现外覆层的高折射率和低光学损耗两者。

在一些实施方式中，为了隔绝TiO₂纳米颗粒的光催化活性，可以合成具有金属氧化物纳米颗粒核和无机壳的纳米颗粒(称为核-壳纳米颗粒)，并将核-壳纳米颗粒与树脂和/或溶剂混合以形成用于纳米压印或外覆层的高折射率树脂材料。各纳米颗粒可以包括围绕纳米颗粒核的无机壳(例如，TiO₂纳米颗粒)，并将纳米颗粒核与有机配体和/或树脂隔离，使得当暴露于紫外光或热时由TiO₂产生的电子和空穴可以在电子和空穴到达有机配体和/或树脂之前重新组合以降解有机材料。

图17示出了包括金属氧化物(例如，TiO₂、NbO_x或ZrO₂)纳米颗粒核1710和将纳米颗粒核1710与周围的有机材料1730隔离的无机壳1720的核-壳纳米颗粒1700的示例。在暴露于紫外光或热时，由金属氧化物纳米颗粒核1710产生的电子和空穴可以在电子和空穴到达有机材料1730之前重新组合以降解有机材料1730。因此，使用核-壳纳米颗粒可以减少由于TiO₂纳米颗粒的光催化活性引起的表面浮雕光栅的光学损耗。

然而，化学方法合成具有受控尺寸的核-壳纳米颗粒可能是挑战性的。为了制备核-壳纳米颗粒可能通常需要多个合成和纯化工艺步骤，这可能会增加成本。例如，核-壳纳米颗粒可以在两个一般步骤中制备：核材料的制备/合成和壳层的合成/沉积。在一个示例中，核材料和壳前体可以充分混合(例如，通过溶液分散、分解、机械搅拌、研磨和球磨)并根据公式进行焙烧，以获得超细包覆颗粒。在这个工艺中，核材料与壳前体之间可能没有充分的接触，这可能导致反应不充分。可能需要较高的工艺温度。可能需要在一定温度下具有良好的附着力或吸附性能的颗粒。

在另一示例中，核-壳纳米颗粒可以通过在潮湿环境下的液相化学反应来合成，以使用例如溶胶凝胶法、水解法、电化学法、水热法和/或乳液聚合在预成形颗粒的表面沉积改性剂或膜。然而，溶胶-凝胶工艺可能需要很长时间(例如，几天甚至几周)，并且凝胶中可能存在微孔。这些液相化学反应可能具有单独的自成核的壳颗粒、缺乏可扩展性、需要进一步提纯以及有害有机溶剂的特点。

在另一示例中，可以通过气相化学反应来合成核-壳纳米颗粒，其中可以例如使用物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)和化学气相沉积(chemical vapordeposition，CVD)在气相过饱和体系中将壳材料沉积在靶颗粒的表面上，以形成核-壳纳米颗粒。然而，一些PVD方法可能需要在非常高的温度和真空中进行，而一些CVD方法可能具有低沉积速率和高设备要求，并且可能由于易燃、易爆或有毒的残留气体而对环境造成破坏。

此外，化学合成的核-壳纳米颗粒的分散性可能是低的。化学合成的核-壳纳米颗粒的保质期可能是短的，并且壳材料可能会自行成核。控制壳厚度也可能具有挑战性，这可能会影响纳米颗粒的折射率、光催化活性或其他性质。例如，在壳厚度的增加时，树脂材料的可靠性和透明度可能会提高，但核-壳纳米颗粒可能比纳米颗粒核(例如，直径约为10-15nm)大得多(例如，直径约15-20nm)，并且核-壳纳米颗粒的折射率可能会降低。使用较大的核-壳纳米颗粒来堆积、间隙填充和成形光滑的表面可能是更困难的。

根据某些示例，具有无机阻隔物的纳米颗粒核(例如，TiO₂或NbO_x纳米颗粒)可以在树脂材料沉积之后在树脂材料中原位形成，而不是在将核-壳纳米颗粒与树脂和溶剂混合之前预合成为核-壳纳米颗粒。在一个示例中，金属氧化物纳米颗粒(例如，TiO₂、NbO_x和/或ZrO₂纳米颗粒)可以分散在含有无机物的树脂(例如，具有高的Si、Zr、Nb、Ta和/或Al含量)中，以形成用于压印表面浮雕光栅或外涂覆表面浮雕光栅的树脂材料。在另一示例中，树脂材料中的金属氧化物纳米颗粒可以包括其上形成的含有无机物的封端剂/配体。包括含无机物的树脂或具有含无机物的封端剂/配体的纳米颗粒的树脂材料可以沉积在基板或表面浮雕光栅上，可选地进行压印、交联，且然后通过例如快速热退火(RTA)或激光尖峰退火(LSA)进行退火热处理、以去除纳米颗粒周围的含无机物的封端剂/配体或含无机物的树脂中的有机物并形成围绕各纳米颗粒簇的无机阻隔物，以将纳米颗粒与有机材料和树脂材料或环境中的其他材料隔离，从而隔绝TiO₂纳米颗粒的光催化活性。

图18A示出了树脂材料1800的示例，该树脂材料1800包括含无机物的树脂1810和分散在含无机物的树脂1810中的TiO_x纳米颗粒1820。含无机物的树脂1810可以包括有机溶剂和具有高Si、Zr、Nb、Ta和/或Al含量的有机溶剂溶解性树脂。TiO_x纳米颗粒1820可以与有机溶剂溶解性树脂和有机溶剂混合以形成树脂材料1800。有机溶剂可以包括，例如，丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)(用于旋涂涂覆)、二丙二醇甲基醚(DPGME)/三丙二醇单甲醚(TPM)(用于喷墨涂覆)、或溶剂共混物，该溶剂共混物包括可以具有或可以不具有大于200℃的沸点的一种或多种溶剂。有机溶剂溶解性树脂可以包括例如丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷或具有光基团产生剂或热基团产生剂的含硅烷树脂。TiO_x纳米颗粒1820可以占树脂材料的约75重量％至约90重量％。例如，TiO_x纳米颗粒1820的尺寸(例如，直径或宽度)可以为约10-15nm。

在另一示例中，树脂材料可以包括有机溶剂溶解性树脂，例如具有光基团产生剂或热基团产生剂且折射率在约1.55与约1.7之间的硅氧烷或含硅烷的树脂。树脂材料还可以包括约75％至约90％的TiO_x纳米颗粒，该TiO_x纳米颗粒用含有Si、Zr、Nb、Ta和/或Al的封端剂和/或官能化配体修饰。树脂材料可以包括诸如PGMEA(用于旋涂涂覆)、DPGME/TPM(用于喷墨涂覆)的溶剂或者溶剂共混物，该溶剂共混物包括可以具有或可以不具有大于200℃的沸点的一种或多种溶剂。

图18B示出了纳米颗粒1802的示例，该纳米颗粒包括TiO₂纳米颗粒核1830和含无机物的封端剂1840。如上所述，TiO₂纳米颗粒核1830可以具有例如约10-15nm的直径。封端剂1840(也称为封端配体)可以通过向TiO₂纳米颗粒核1830的表面金属原子提供孤对电子来封端TiO₂纳米颗粒核1830的表面。封端剂1840可以包括，例如，两亲性分子，每个两亲性分子包括极性头部基团和非极性碳氢化合物尾部。封端剂1840可以包括有机分，并且还可以包括无机材料，例如Si、Zr、Nb、Ta和Al。封端剂1840可以用于控制纳米颗粒的大小、形态和单分散性。例如，封端剂1840可以用于稳定TiO₂纳米颗粒核1830与其制备介质相互作用的界面，并可以在合成期间抑制纳米颗粒的过度生长并防止其聚集/凝聚。如上所述，纳米颗粒1802可以与有机溶剂溶解性树脂和有机溶剂混合以形成树脂材料，该树脂材料可以用于在原位形成纳米颗粒簇的无机阻隔物。

图18C示出了包括围绕纳米颗粒1860的簇的无机阻隔物1850的退火树脂材料1804的示例。树脂材料可以是上面参照图18A和图18B描述的树脂材料。树脂材料可以沉积，然后使用紫外光或热进行交联，使得纳米颗粒1860可以通过交联结构固定。然后，可以通过RTA、LSA或其他高能处理工艺对交联树脂材料进行退火，以去除围绕纳米颗粒1860的含无机物的封端剂或含无机物的树脂中的有机物。因为树脂材料在退火前已经被交联，所以纳米颗粒1860的堆积可能不会因退火而改变。与纳米颗粒1860相邻的有机物(例如，在封端剂或配体中)的退火和去除可能导致无机阻隔物1850的形成，该无机阻隔物围绕纳米颗粒1860的簇以将纳米颗粒1860与剩余有机物(例如，交联树脂)隔离，从而隔绝上述TiO₂纳米颗粒的光催化活性。

如图18C所示，由无机阻隔物1850围绕的各纳米颗粒簇可以包括两个或更多个纳米颗粒1860。簇中的纳米颗粒1860可以不具有单独的壳以形成单独的核-壳纳米颗粒，但可以共享共同的无机阻隔物1850。例如，簇中的纳米颗粒1860可以分散在共同的无机阻隔物1850中，使得无机阻隔物1850可以将纳米颗粒1860与有机材料、水分和/或氧气隔离，以隔绝纳米颗粒1860的光催化活性。如图18C所示，纳米颗粒簇中的一些纳米颗粒1860可以物理上彼此接触。

与化学合成的可能具有较大尺寸的核-壳纳米颗粒相比，具有原位形成的无机阻隔物的纳米颗粒可以实现更好的纳米颗粒堆积，从而可以获得更高的折射率、更好的间隙填充和更低的表面粗糙度。无机阻隔物的厚度可以通过例如调节封端剂或树脂的类型来调节。可以使用目前市售的纳米颗粒核，并且具有原位形成的无机阻隔物的纳米颗粒的成本可能比化学合成的核-壳纳米颗粒低得多。

图19A至图19E示出了使用本文中公开的树脂材料制造包括具有高折射率和低损耗的外覆层的表面浮雕光栅的方法的示例。图19A示出了树脂材料可以分配在基板1905上的表面浮雕光栅1910上，以形成用于表面浮雕光栅1910的外覆层1920。如上所述，树脂材料可以包括树脂、纳米颗粒(例如，TiO₂纳米颗粒)和溶剂(例如，PGMEA、DPGME/TPM或溶剂混合物)。该树脂可以包括例如丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷或具有光基团生成剂或热基团生成剂的含有硅烷的树脂。在一些示例中，树脂材料中的树脂可以包括高Si、Zr、Nb、Ta和/或Al含量。在一些示例中，纳米颗粒可以用包含Si、Zr、Nb、Ta和/或Al的封端剂和/或官能化配体来修饰。由于高折射率金属氧化物纳米颗粒的堆积，树脂材料可以具有高折射率(例如，大于约1.8、1.9或1.95)。树脂材料可以通过例如旋涂涂覆物或喷墨打印来分配。在表面浮雕光栅1910上分配的树脂材料的量可以基于光栅槽的尺寸和所需的外覆层厚度(例如，光栅脊的顶部上的外覆层的部分)来确定。在分配树脂材料之后，外覆层1920的顶表面可能不是如所示示例中所示的平坦的。例如，光栅脊区域处顶表面的高度可以大于光栅槽区域处顶表面的高度。在一些示例中，可以烘烤外覆层1920以从外覆层中去除溶剂。烘烤可以帮助去除溶剂和滞留的空气，从而使外覆层中的树脂材料更加均匀或均质。

图19B示出了在压印工艺中，可以将平面压印印模1930(例如，上述软印模或模具)层叠或以其他方式施加在外覆层1920上。如上所述，在一些示例中，平面压印印模1930可以包括PDMS或另一硅橡胶或硅系有机聚合物。在一些示例中，平面压印印模1930可以包括ETFE、PFPE或其他氟化聚合物材料。接触外覆层1920的平面压印印模1930的底表面可以具有低表面粗糙度。平面压印印模1930可以例如使用如上参照例如图11B所述的辊压靠在外覆层1920上。因此，可以将光栅脊顶部上的树脂材料的一些部分强制施加到光栅槽顶部上的区域，并且可以将平面压印印模1930的平坦底表面转移到外覆层1920的顶表面。

图19C示出外覆层1920随后可以被固化(例如，使用紫外光)如上所述以交联和固化树脂材料中的基础树脂。在固化和交联树脂材料之后，平面压印印模1930可以从外覆层1920和表面浮雕光栅1910剥离或以其他方式分离，如上面参照例如图11C所述。在剥离平面压印印模1930之后，外覆层1920的顶表面可以是平坦和光滑的。此外，外覆层可以是薄的，例如小于约20nm。

图19D示出了可以在外覆层1920上执行退火工艺(例如，RTA或LSA)，以去除外覆层1920中的有机材料(例如，修饰TiO₂纳米颗粒的有机配体)。在退火和去除含无机物的封端剂或围绕纳米颗粒1860的含无机物的树脂中的有机物之后，可以形成不包括有机材料且包围纳米颗粒簇的无机阻隔物，如以上参考图18C所述。无机阻隔物可以将纳米颗粒与外覆层中剩余的有机材料(例如，交联树脂)隔离，从而隔绝上述TiO₂纳米颗粒的光催化活性。

图19E示出了可以在外覆层1920上沉积抗反射涂层(ARC)层1940。ARC层1940可以包括有机和/或无机材料。沉积ARC层1940可以包括喷墨涂覆工艺、旋转涂覆工艺、ALD工艺、PVD工艺、CVD工艺或其组合。ARC层1940可以用于减少在波导显示器与空气之间的界面处的菲涅耳反射，并且因此可以有助于减少幽灵图像、彩虹伪影(rainbow artifact)和波导显示器的其他伪影。

图20A至图20E示出了制造包括具有高折射率和低损耗的光栅脊的表面浮雕光栅的工艺的示例。图20A示出树脂材料2010的均匀层可以分配在基板2005上。如上所述，树脂材料2010可以包括树脂、纳米颗粒(例如，TiO₂、NbO_x和/或ZrO₂纳米颗粒)和溶剂(例如，PGMEA、DPGME/TPM或溶剂混合物)。该树脂可以包括例如丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷或具有光基团生成剂或热基团生成剂的含有硅烷的树脂。在一些示例中，树脂材料2010中的树脂可以包括高Si、Zr、Nb、Ta和/或Al含量。在一些示例中，纳米颗粒可以用包含Si、Zr、Nb、Ta和/或Al的封端剂和/或官能化配体来修饰。由于高折射率金属氧化物纳米颗粒的堆积，树脂材料2010可以具有高折射率(例如，大于约1.8、1.9或1.95)。树脂材料2010的均匀层可以通过例如旋涂或喷墨打印来分配。在一些示例中，可以烘烤树脂材料2010以去除溶剂。烘烤可以有助于去除溶剂和滞留的空气，使得树脂材料2010可以更加均匀或均质。

图20B示出了压印印模2020(例如，软印模)可以在压印工艺中层压或以其他方式施加在树脂材料2010上。如上所述，在一些示例中，印模2020可以包括PDMS或另一硅橡胶或硅系有机聚合物。在一些示例中，压印印模2020可以包括ETFE、PFPE或其他氟化聚合物材料。接触树脂材料2010的压印印模2020的表面可以具有表面浮雕结构。压印印模2020可以例如使用上面参照例如图11B所述的辊而压靠树脂材料2010。因此，可以将压印印模2020中的表面浮雕结构转移到树脂材料2010上，从而可以在树脂材料2010中形成与压印印模2020中的表面浮雕结构互补的表面浮雕结构。

图20C示出树脂材料2010可以被固化(例如，使用紫外光)以如上所述交联和固化树脂材料中的基础树脂。在固化和交联树脂材料2010之后，压印印模2020可以从树脂材料2010剥离或以其他方式分离，从而如上参照例如图11C所述在树脂材料20100中形成表面浮雕光栅。即使图20C中所示的表面浮雕光栅2012的示例包括直的光栅脊，在一些示例中，表面浮雕光栅2012可以包括倾斜的光栅脊。表面浮雕光栅2012的光栅周期、占空比和/或深度可以是恒定的，或者可以在整个光栅上是可变的。

图20D示出了可以对表面浮雕光栅2012执行退火工艺(例如，RTA或LSA)，以去除表面浮雕光栅2012中的有机材料(例如，修饰TiO₂纳米颗粒的有机配体)。在退火和去除含有无机物的封端剂或包围纳米颗粒的含无机物的树脂中的有机物之后，可以形成不包括有机材料和包围纳米颗粒簇的无机阻隔物，如以上参考图18C所述。无机阻隔物可以将纳米颗粒与表面浮雕光栅2012和环境中剩余的有机材料(例如，交联树脂)和其他材料隔离，从而隔绝上述TiO₂纳米颗粒的光催化活性。因此，表面浮雕光栅2012中的光栅脊可以具有高折射率和低光学损耗。

图20E示出了可以在表面浮雕光栅2012上沉积外覆层2030。如上所述，外覆层2030可以包括有机和/或无机材料。有机和/或无机材料可以具有低的光学损耗，并且可以具有低于表面浮雕光栅2012的脊的折射率的折射率，使得表面浮雕光栅2012可以在光栅脊与光栅槽之间具有高的折射率对比度。在一些示例中，可以在外覆层2030上沉积ARC层，以减少在光栅与空气之间的界面处的菲涅耳反射，从而可以有助于减少幽灵图像、彩虹伪影和波导显示器的其他伪影。ARC层可以包括有机和/或无机材料。沉积ARC层可以包括喷墨涂覆工艺、旋转涂覆工艺、ALD工艺、PVD工艺、CVD工艺或其组合。

图21包括示出制造具有高折射率对比度和低损耗的表面浮雕光栅的工艺的示例的流程图2100。值得注意的是，图21中所示的具体操作提供了一种制造表面浮雕光栅的具体方法。根据替代性的示例，可以执行其他操作顺序。此外，图21中所示的单个操作可以包括多个子步骤，这些子步骤可根据单个操作以各种顺序执行。此外，根据具体应用，可以添加附加操作或可能不执行某些操作。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、修改和替换。

方框2110中的操作可以包括在基板或表面浮雕光栅上沉积树脂材料层。如上所述，树脂材料层可以包括树脂、纳米颗粒(例如，TiO₂、NbO_x和/或ZrO₂纳米颗粒)和溶剂(例如，PGMEA、DPGME/TPM或溶剂混合物)。该树脂可以包括，例如，有机溶剂溶解性树脂，该有机溶剂溶解性树脂包括丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷、硅烷或其组合。在一些示例中，该树脂可以包括光基团产生剂或热基团产生剂。在一些示例中，树脂可以包括高Si、Zr、Nb、Al和/或Ta含量。在一些示例中，TiO_x纳米颗粒可以用包含Si、Zr、Nb、Al和/或Ta的封端剂和/或官能化配体来修饰。在一些示例中，TiO_x纳米颗粒可以占树脂材料的约75重量％至约90重量％。由于诸如TiO_x纳米颗粒的高折射率金属氧化物纳米颗粒的堆积，树脂材料可能具有高折射率(例如，大于约1.8、1.9或1.95)。可以使用旋转涂覆、喷墨涂覆或喷雾涂覆来将树脂材料层沉积在基板或表面浮雕光栅上。在一些示例中，可以烘烤树脂材料层以去除溶剂。烘烤可以有助于去除溶剂和滞留的空气，使得树脂材料层中的材料可以更均匀或均质。

方框2115中的任选操作可以包括例如通过在树脂材料层上层压平面压印印模或具有与表面浮雕光栅的结构互补的结构的压印印模来压印树脂材料层。如上所述，压印印模可以包括PDMS或另一硅橡胶或硅系有机聚合物。在一些示例中，压印印模可以包括ETFE、PFPE或其他氟化聚合物材料。平面压印印模可以用于形成具有平坦顶表面的外覆层。具有与表面浮雕光栅的结构互补的结构的压印印模可以用于在树脂材料层中形成表面浮雕光栅。

方框2120中的操作可以包括(例如，使用紫外光或热)固化树脂材料层以使树脂材料层中的树脂交联。交联基础树脂可以将TiO_x纳米颗粒固定在适当的位置。在固化之后，压印印模(如果使用)可以从树脂材料层剥离，以在树脂材料层上留下平坦的顶表面(用于外覆层)，或者在树脂材料层中留下压印表面浮雕光栅。

方框2130中的操作可以包括在树脂材料层上执行快速热退火(RTA)或激光尖峰退火(LSA)，以去除与TiO_x纳米颗粒相邻的有机物并用于形成多个TiO_x纳米颗粒簇的无机阻隔物，其中无机阻隔物将多个TiOx纳米颗粒簇中的各TiOx纳米颗粒簇与树脂材料层中的其他材料和环境中的材料(例如，水或氧)隔离。例如，无机阻隔物可以将各TiOx纳米颗粒簇中的纳米颗粒与树脂材料层中的剩余有机材料(例如，交联树脂)隔离，从而隔绝上述TiOx纳米颗粒的光催化活性。

方框2140中的任选操作可以包括在树脂材料的层上形成外覆层和/或抗反射涂层。如上所述，外覆层可以包括有机和/或无机材料。有机和/或无机材料可以具有低光学损耗，并且可以具有低于表面浮雕光栅的脊的折射率的折射率，使得表面浮雕光栅可以在光栅脊与光栅槽之间具有高的折射率对比度。在一些示例中，可以在外覆层上沉积ARC层、以减少在表面浮雕光栅与空气之间的界面处的菲涅耳反射，从而可以有助于减少幽灵图像、彩虹伪影和波导显示器的其他光学伪影。ARC层可以包括有机和/或无机材料。沉积ARC层可以包括喷墨涂覆工艺、旋转涂覆工艺、ALD工艺、PVD工艺、CVD工艺或其组合。

本发明的实施方案可以包括或结合人工现实系统来实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以一些方式进行调节的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(virtualreality，VR)、增强现实(augmented reality，AR)、混合现实(mixed reality，MR)、混杂现实或它们的一些组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与捕获的(例如，现实世界的)内容相结合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的一些组合，并且其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(诸如向观众产生三维效果的立体视频)。此外，在一些示例中，人工现实还可以与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(例如，在其中执行活动)的应用、产品、配件、服务或它们的一些组合相关联。可以在多种平台上实现提供人工现实内容的人工现实系统，包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(head-mounted display，HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或能够向一个或多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。

图22为用于实现本文中公开的一些示例的示例近眼显示器(例如，HMD设备)的示例电子系统2200的简化框图。电子系统2200可以用作上述HMD设备或其他近眼显示器的电子系统。在该示例中，电子系统2200可以包括一个或多个处理器2210和存储器2220。一个或多个处理器2210可以配置成执行在多个部件处执行操作的指令，并且可以是例如通用处理器或适合在便携式电子设备内实现的微处理器。一个或多个处理器2210可以与电子系统2200内的多个部件通信耦合。为了实现这种通信耦合，一个或多个处理器2210可以跨总线2240与其他所示部件通信。总线2240可以是适于在电子系统2200内传输数据的任何子系统。总线2240可以包括多个计算机总线和附加电路以用于传输数据。

存储器2220可以耦合到一个或多个处理器2210。在一些示例中，存储器2220可以提供短期和长期存储，并且可以被分成几个单元。存储器2220可以是易失性的(例如，静态随机存取存储器(SRAM)和/或动态随机存取存储器(DRAM))；和/或非易失性的(例如，只读存储器(ROM)、闪存等)。此外，存储器2220可以包括可拆卸存储设备，例如安全数字(securedigital,SD)卡。存储器2220可以为电子系统2200提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的存储。在一些示例中，存储器2220可以分布到不同的硬件模块中。指令和/或代码集可以存储在存储器2220上。指令可以采取可以由电子系统2200执行的可执行代码的形式，和/或可以采取源代码和/或可安装代码的形式，在电子系统2200上编译和/或安装时(例如，使用各种通常可用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等中的任何一种)，可以采取可执行代码的形式。

在一些示例中，存储器2220可以存储多个应用程序模块2222至2224，这些应用程序模块可以包括任何数量的应用程序。应用程序的示例可以包括游戏应用程序、会议应用程序、视频回放应用程序或其他合适的应用程序。该应用程序可以包括深度感测功能或眼睛追踪功能。应用程序模块2222-2224可以包括要由一个或多个处理器2210执行的特定指令。在一些示例中，某些应用程序或应用程序模块2222-2224的部分可以由其他硬件模块2280执行。在某些示例中，存储器2220可以另外包括安全存储器，该安全存储器可以包括附加的安全控制以防止复制或对安全信息的其他未经授权的访问。

在一些示例中，存储器2220可以包括被装载于其中的操作系统2225。操作系统2225可以操作以用于启动由应用程序模块2222-2224提供的指令的执行和/或管理其他硬件模块2280以及与无线通信子系统2230的接口，该接口可以包括一个或多个无线收发机。操作系统2225可以适用于跨电子系统2200的部件执行其他操作，包括线程化、资源管理、数据存储控制和其他类似功能。

无线通信子系统2230可以包括例如红外通信设备、无线通信设备和/或芯片组(诸如，蓝牙设备、IEEE 802.11设备、Wi-Fi设备、WiMAX设备、蜂窝通信设施等)和/或类似的通信接口。电子系统2200可以包括用于无线通信的一个或多个天线2234作为无线通信子系统2230的一部分或作为耦合到系统的任何部分的单独部件。根据期望的功能，无线通信子系统2230可以包括单独的收发器，以与基站收发器和其他无线设备和接入点通信，这可以包括与不同的数据网络和/或网络类型通信，例如无线广域网(wireless wide-areanetwork，WWAN)、无线局域网(wireless local area network，WLAN)或无线个人区域网(wireless personal area network，WPAN)。例如，无线广域网可以是WiMAX(IEEE 802.16)网络。WLAN可以是例如IEEE 802.11x网络。WPAN可以是例如蓝牙网络、IEEE 802.15x或一些其他类型的网络。本文中描述的技术还可以用于WWAN、WLAN和/或WPAN的任何组合。无线通信子系统2230可以允许与网络、其他计算机系统和/或本文描述的任何其他设备交换数据。无线通信子系统2230可以包括用于使用一个或多个天线2234和一个或多个无线链路2232来发送或接收数据的装置，该数据诸如HMD设备的标识符、位置数据、地理地图、热地图、照片或视频。

电子系统2200还可以包括一个或多个传感器2290。一个或多个传感器2290可以包括例如图像传感器、加速计、压力传感器、温度传感器、接近传感器、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如，组合加速度计和陀螺仪的模块)、环境光传感器、或可操作以提供传感输出和/或接收传感输入的任何其他类似模块，诸如深度传感器或位置传感器。例如，在一些实施方式中，一个或多个传感器2290可以包括一个或多个惯性测量单元(IMU)和/或一个或多个位置传感器。IMU可以基于从一个或多个位置传感器接收的测量信号来生成指示HMD设备相对于HMD设备的初始位置的估计位置的校准数据。位置传感器可以响应于HMD设备的运动而产生一个或多个测量信号。位置传感器的示例可以包括但不限于一个或多个加速计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于IMU的误差校正的一种类型的传感器或其某种组合。位置传感器可以位于IMU外部、IMU内部或其某种组合。至少一些传感器可以使用结构化光图案进行感测。

电子系统2200可以包括显示器模块2260。显示器模块2260可以是近眼显示器，并且可以以图形方式从电子系统2200向用户呈现信息，例如图像、视频和各种指令。这样的信息可以从一个或多个应用程序模块2222-2224、虚拟现实引擎2226、一个或多个其他硬件模块2280、它们的组合、或用于(例如，通过操作系统2225)为用户解析图形内容的任何其他合适的装置导出。显示器模块2260可以使用液晶显示器(LCD)技术、发光二极管(LED)技术(包括例如OLED、ILED、LED、AMOLED、TOLED等)、发光聚合物显示器(LPD)技术或一些其他显示技术。

电子系统2200可以包括用户输入/输出模块2270。用户输入/输出模块2270可以允许用户向电子系统2200发送动作请求。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是启动或结束应用程序或在该应用程序内执行特定动作。用户输入/输出模块2270可以包括一个或多个输入设备。示例性输入设备可以包括触摸屏、触摸板、一个或多个麦克风、一个或多个按钮、一个或多个拨盘、开关、键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到电子系统2200的任何其他合适的设备。在一些示例中，用户输入/输出模块2270可以根据从电子系统2200接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，可以在接收到或已经执行动作请求时提供触觉反馈。

电子系统2200可以包括照相机2250，该照相机可以用于拍摄用户的照片或视频，例如用于追踪用户的眼睛位置。照相机2250还可以用于拍摄环境的照片或视频，例如用于VR、AR或MR应用。照相机2250可以包括例如具有几百万或数千万像素的互补金属氧化物半导体(complementary metal–oxide–semiconductor，CMOS)图像传感器。在一些实施方式中，照相机2250可以包括可以用于捕捉3D图像的两个或更多个照相机。

在一些示例中，电子系统2200可以包括多个其他硬件模块2280。其他硬件模块2280中的每个可以是电子系统2200内的物理模块。虽然其他硬件模块2280中的每个可以永久配置为结构，但是其他硬件模块2280中的一些可以临时配置为执行特定功能或临时激活。其他硬件模块2280的示例可以包括例如音频输出和/或输入模块(例如麦克风或扬声器)、近场通信(near field communication，NFC)模块、可充电电池、电池管理系统、有线/无线电池充电系统等。在一些示例中，其他硬件模块2280的一个或多个功能可以在软件中实现。

在一些示例中，电子系统2200的存储器2220还可以存储虚拟现实引擎2226。虚拟现实引擎2226可以执行电子系统2200内的应用程序，并从各种传感器接收HMD设备的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其某种组合。在一些示例中，由虚拟现实引擎2226接收的信息可以用于生成给显示器模块2260的信号(例如，显示指令)。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则虚拟现实引擎2226可以为HMD设备生成在虚拟环境中反映用户眼睛的移动的内容。另外，虚拟现实引擎2226可以响应于从用户输入/输出模块2270接收的动作请求在应用程序内执行动作，并向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉、听觉或触觉反馈。在一些实施方式中，一个或多个处理器2210可以包括可以执行虚拟现实引擎2226的一个或多个GPU。

在各种实施方式中，上述硬件和模块可以在单个设备上实现，或者在可以使用有线或无线连接彼此通信的多个设备上实现。例如，在一些实施方式中，例如，GPU、虚拟现实引擎2226和应用程序(例如，跟踪应用程序)的一些部件或模块可以在与独立于头戴式显示器设备的控制台上实现。在一些实施方式中，一个控制台可以连接到或支持多于一个的HMD。

在替代配置中，在电子系统2200中可以包括不同的和/或附加的部件。类似地，一个或多个部件的功能可以以不同于上述方式的方式分布在部件之间。例如，电子系统2200可以修改为包括其他系统环境，诸如AR系统环境和/或MR环境。

以上讨论的方法、系统和设备是示例。各种其他示例可以适当地省略、替换或添加各种程序或部件。例如，在替代配置中，所描述的方法可以以不同于所描述的顺序来执行，和/或可以添加、省略和/或组合各种阶段。另外，关于某些实施方案和示例描述的特征可以在各种其他实施方案和示例中组合。可以以类似的方式组合实施方案和示例的不同方面和元素。另外，技术在发展，因此，许多要素是不将本公开的范围限制到那些具体示例的示例。

在说明书中给出了具体细节，以提供对实施方案的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施实施方案。例如，为了避免混淆实施方案，已在没有不必要细节的情况下示出了众所周知的过程、系统、结构和技术。本说明书仅提供示例，并不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。相反地，示例的前述描述将为本领域技术人员提供用于实现各种实施例的使能描述。在不脱离本公开的范围的情况下，可以对要素的功能和布置进行各种改变。

此外，将一些示例描述为流程图或框图描述的过程。尽管每个操作都可以将操作描述为顺序过程，但许多操作可以并行或同时地执行。此外，可以重新安排操作的顺序。流程可能有图中未包括的其他步骤。此外，方法的示例可以通过硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或其任意组合来实现。当以软件、固件、中间件或微码实现时，用于执行相关联任务的程序代码或代码段可以存储在诸如存储介质的计算机可读介质中。处理器可以执行相关联的任务。

对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以根据特定的要求进行实质性的改变。例如，也可以使用定制的或专用的硬件，和/或可以在硬件、软件(包括诸如小应用程序等的便携式软件)或两者中实现特定要素。此外，可以使用到诸如网络输入/输出设备的其他计算设备的连接。

参照附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂时性机器可读介质。在此使用的术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”指的是参与提供使机器以特定方式操作的数据的任何存储介质。在以上提供的实施方案和示例中，向处理单元和/或一个或多个其他设备提供用于执行的指令/代码可以涉及各种机器可读介质。附加地或替代地，机器可读介质可用于存储和/或携带这样的指令/代码。在许多实施方式中，计算机可读介质是物理和/或有形存储介质。这种介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。计算机可读介质的常见形式包括例如磁和/或光介质，诸如光盘(compact disk，CD)或数字多功能盘(digital versatiledisk，DVD)、穿孔卡片、纸带、具有孔图案的任何其他物理介质、RAM、可编程只读存储器(programmable read-only memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory，EPROM)、闪存-EPROM、任何其他存储芯片或盒式磁带、下文描述的载波、或计算机可以从其读取指令和/或代码的任何其他介质。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，其可以表示过程、函数、子程序、程序、例程、应用程序(App)、子例程、模块、软件封装、类或指令、数据结构或程序语句的任何组合。

本领域技术人员将认识到，可以使用各种不同技术和技术中的任何一种来表示用于传递在此描述的消息的信息和信号。例如，可以在整个上述描述中引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子、或其任意组合来表示。

本文使用的术语“和”和“或”可以包括各种含义，预计这些含义也至少部分地取决于使用这些术语的上下文。典型地，“或”如果用于相关列表，如A、B或C，则意味着A、B和C(此处用于包含性意义)以及A、B或C(此处用于独占意义)。此外，本文中使用的术语“一个或多个”可以用来描述单数形式的任何特征、结构或特征，或者可以用来描述特征、结构或特征的某种组合。然而，应当注意的是，这只是一个说明性的实施例，并且要求保护的主题不限于这种示例。此外，如果用于相关列表，诸如A、B或C的列表，则术语“至少一者”可以被解释为表示A、B、C或A、B和/或C的组合，诸如AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、ACC、AABBCCC等。

此外，虽然已经使用硬件和软件的特定组合描述了某些实施方案和示例，但是应当认识到，硬件和软件的其他组合也是可能的。某些实施方案和示例可以仅在硬件中、或仅在软件中、或使用其组合来实现。在一个示例中，软件可以用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现，该计算机程序代码或指令可由一个或多个处理器执行，用于执行本公开中描述的任何或所有步骤、操作或过程，其中计算机程序可以存储在非暂时性计算机可读介质上。本文中描述的各种处理可以以任意组合在同一处理器或不同处理器上实现。

在设备、系统、部件或模块被描述为配置为执行某些操作或功能的情况下，可以通过以下来实现此类配置：例如通过设计电子电路来执行操作、通过编程可编程电子电路(诸如，微处理器)以例如通过执行计算机指令或代码来执行操作、或者被编程以执行存储在非易失性存储介质上的代码或指令的处理器或核心、或其任何组合来完成。进程可以使用各种技术进行通信，包括但不限于用于进程间通信的常规技术，并且不同的进程对可以使用不同的技术，或者同一对进程可以在不同的时间使用不同的技术。

因此，说明书和附图应视为说明性的，而不是限制性的。然而，显而易见的是，可以在不背离权利要求中所阐述的更广泛的精神和范围的情况下对其进行添加、删减、删除以及其他修改和改变。因此，尽管已经描述了具体的示例，但这些示例并不打算是限制性的。各种修改和等价物在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种光学设备，所述光学设备包括：

基板；

表面浮雕光栅，所述表面浮雕光栅包括形成在所述基板上或所述基板中的槽和脊；以及

外覆层，所述外覆层在所述表面浮雕光栅的所述槽中，

其中，所述表面浮雕光栅的所述脊或所述外覆层包括多个金属氧化物纳米颗粒簇，并且

其中，所述多个金属氧化物纳米颗粒簇的每个簇包括分散在无机阻隔物中的TiO₂或NbO_x纳米颗粒，所述无机阻隔物将所述TiO₂或NbO_x纳米颗粒与所述光学设备的其他材料隔离。

2.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述无机阻隔物包括Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅或其组合。

3.根据权利要求1或2所述的光学设备，其中，所述表面浮雕光栅的所述脊或所述外覆层的特征在于对于可见光大于1.9的折射率；

优选地，其中，对于可见光，所述表面浮雕光栅和所述外覆层的总光吸收低于0.1％。

4.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备，其中，所述光学设备的其他材料包括有机材料。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备，其中，所述多个金属氧化物纳米颗粒簇包括至少两个彼此物理接触的金属氧化物纳米颗粒；

优选地，其中所述多个金属氧化物纳米颗粒簇中的金属氧化物纳米颗粒的特征在于小于16nm的线性尺寸。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光学设备，其中：

所述基板包括波导；并且

所述表面浮雕光栅配置成将可见光耦合至所述波导或从所述波导耦合出。

7.一种树脂材料，所述树脂材料包括：

有机溶剂；

有机溶剂溶解性树脂；以及

TiO_x或NbO_x纳米颗粒，

其中：

所述有机溶剂溶解性树脂包括无机内容物，

所述TiO_x或NbO_x纳米颗粒包括含无机物的配体，或者

所述有机溶剂溶解性树脂包括无机内容物并且所述TiO_x或NbO_x纳米颗粒包括含有无机物的配体。

8.根据权利要求7所述的树脂材料，其中，所述有机溶剂包括丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)、二丙二醇甲醚(DPGME)/三丙二醇单甲醚(TPM)或溶剂共混物。

9.根据权利要求7或8所述的树脂材料，其中，所述有机溶剂溶解性树脂包括丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷、硅烷或其组合；

优选地，其中所述有机溶剂溶解性树脂的所述无机内容物包括Si、Zr、Nb、Al、Ta或其组合。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的树脂材料，其中，所述树脂材料还包括光基团产生剂或热基团产生剂。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的树脂材料，其中，所述含无机物的配体包括封端剂或官能化配体，并且所述含无机物的配体包括Si、Zr、Nb、Al、Ta或其组合；

优选地，其中所述树脂材料包括75重量％至90重量％的TiO_x纳米颗粒。

12.一种方法，所述方法包括：

在基板或表面浮雕光栅上沉积树脂材料层，所述树脂材料包括：

有机溶剂；

在所述有机溶剂中具有溶解性的树脂；以及

金属氧化物纳米颗粒，所述金属氧化物纳米颗粒包括TiO_x或NbO_x纳米颗粒，其中，所述树脂包括无机内容物，所述金属氧化物纳米颗粒包括含无机物的配体，或者所述树脂包括无机内容物并且所述金属氧化物纳米颗粒包括含无机物的配体；

使用紫外光或热来固化所述树脂材料层以使所述树脂交联；以及

在所述树脂材料层上执行快速热退火(RTA)或激光尖峰退火(LSA)，以去除与所述金属氧化物纳米颗粒相邻的有机物并且形成用于多个金属氧化物纳米颗粒簇的无机阻隔物，所述无机阻隔物将所述多个金属氧化物纳米颗粒簇的各金属氧化物纳米颗粒簇与所述树脂材料层中的其他材料隔离。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述有机溶剂包括丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)、二丙二醇甲醚(DPGME)/三丙二醇单甲醚(TPM)或溶剂共混物。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中：

所述树脂的所述无机内容物包括Si、Zr、Nb、Al、Ta或其组合；

所述金属氧化物纳米颗粒的所述含无机物的配体包括封端剂或官能化配体，所述含无机物的配体包括Si、Zr、Nb、Al、Ta或其组合；

优选地，其中所述树脂包括丙烯酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅氧烷、硅烷或其组合。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括在所述固化之前压印所述树脂材料层以形成：

在所述树脂材料层中的压印光栅；或

具有平坦表面的外覆层。