TW202343080A - 用於頭戴式顯示器的輸出耦合器的二維光柵中的一階繞射的抑制 - Google Patents

用於頭戴式顯示器的輸出耦合器的二維光柵中的一階繞射的抑制 Download PDF

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Abstract

一種用於頭戴式顯示器之波導之輸出光柵，其配置以抑制該輸出光柵之(1, 1)繞射階。該光柵具有具備不同折射率之兩種或更多種材料的設計。該設計在第一維度中週期性重複且在第二維度中週期性重複，以形成二維圖案。該二維圖案之折射率藉由包含階(1, 0)之第一係數、階(0, 1)之第二係數及階(1, 1)之第三係數的二維傅立葉級數而近似。該第三係數小於該第一係數之一半且小於該第二係數之一半，使得來自該光柵之該(1, 1)繞射階的光受抑制。

Description

用於頭戴式顯示器的輸出耦合器的二維光柵中的一階繞射的抑制
本發明關於用於頭戴式顯示器的輸出耦合器的二維光柵中的一階繞射的抑制。
人工實境系統，諸如頭戴式顯示器（head-mounted display；HMD）或抬頭顯示器（heads-up display；HUD）系統，通常包含呈耳機或一副眼鏡之形式的近眼顯示器系統，且配置以經由在例如使用者眼睛前方約10至20 mm內的電子或光學顯示器向使用者呈現內容。近眼顯示器系統可顯示虛擬物件或組合真實物件之影像與虛擬物件之影像，如在虛擬實境（virtual reality；VR）、擴增實境（augmented reality；AR）或混合實境（mixed reality；MR）應用中。舉例而言，在AR系統中，使用者可藉由例如透視透明顯示眼鏡或透鏡（通常稱為光學透視）來觀看虛擬物件（例如，電腦產生影像（computer-generated image；CGI））及周圍環境兩者之影像。
光學透視AR系統之一個範例可使用基於波導之光學顯示器，其中所投影影像之光可耦合至波導（例如，透明基板）中，在波導內傳播，且在不同所在處耦合至波導之外。在一些實施中，所投影影像之光可使用諸如全像光柵之繞射光學元件耦合至波導中或耦合至波導之外。在一些實施方案中，人工實境系統可採用能追蹤使用者眼睛（例如，凝視方向）之眼睛追蹤子系統，以基於使用者正在注視之方向而修改或產生內容，藉此為使用者提供更沉浸式體驗。可使用諸如全像光學元件之各種光學組件來實施眼睛追蹤子系統。
本發明大體上關於抑制光柵之階。更特定而言，且非限制性地，關於抑制用於頭戴式顯示器的二維輸出光柵的(1, 1)階。
根據某些實施例，一種用於頭戴式顯示器之系統包括：投影器，其配置以發射光；波導，其配置以引導自該投影器接收到之光；及/或光柵，其配置以將光耦合至該波導之外，其中：該光柵包括具有不同折射率之兩種或更多種材料的設計；該設計在第一維度中週期性重複且在第二維度中週期性重複以形成二維圖案；該二維圖案之折射率藉由包括階(1, 0)之第一係數、階(0, 1)之第二係數及階(1, 1)之第三係數的二維傅立葉級數而近似；及/或該第三係數小於該第一係數之一半且小於該第二係數之一半，使得來自該光柵之(1, 1)繞射階的光受抑制。在一些實施例中，該第三係數小於該第一係數之五分之一且小於該第二係數之五分之一；該設計在空間上為非對稱的；該兩種或更多種材料具有介電係數（permittivity）介於4至7範圍內；該設計形成於具有等於或小於300 nm之厚度的層中；該光柵包含括基板及裝置層；該二維圖案形成於該裝置層中；該兩種或更多種材料之不同折射率為二元差（binary difference）；該兩種或更多種材料中之至少一者具有變化的折射率；該二維傅立葉級數包括階(2, 1)之第四係數；該第三係數小於第四係數之一半；該二維圖案為第一二維圖案；該二維傅立葉級數為第一二維傅立葉級數；該第一二維圖案形成於第一層中；該光柵包括形成於第二層中之第二二維圖案；該第二二維圖案藉由第二二維傅立葉級數而近似；該第二二維傅立葉級數之對應於(1, 1)繞射階之係數小於該第二二維傅立葉級數之對應於(1, 0)繞射階之係數的一半且小於該第二二維傅立葉級數之對應於(0, 1)繞射階之係數的一半；該第一層鄰近於該第二層；及/或該第一層與該第二層之組合厚度等於或小於300 nm。
根據一些實施例，一種方法包含：選擇初始介電係數分佈，其中該初始介電係數分佈包括在兩個維度中週期性重複之兩個或更多個折射率值之設計；計算傅立葉係數以近似該初始介電係數分佈；使幾何參數變化以減小指定傅立葉係數來產生二維圖案；及/或在晶圓之裝置層中形成該二維圖案以在該裝置層中形成光柵。在一些實施例中，該指定傅立葉係數與該光柵之(1, 1)階對應。該指定傅立葉係數小於對應於(1, 0)階之係數的一半且小於對應於該(0, 1)階之係數的一半；該兩個或更多個折射率值為二元值；及/或該設計形成於具有等於或小於300 nm之厚度的層中。
根據某些實施例，一種光柵包括基板及裝置層。該裝置層包括具有不同折射率之兩種或更多種材料的設計；該設計在第一維度中週期性重複且在第二維度中週期性重複以形成二維圖案；該二維圖案之折射率藉由包括階(0, 1)之第一係數、階(1, 1)之第二係數及階(2, 1)之第三係數的二維傅立葉級數而近似；及/或該第二係數小於該第一係數之一半且小於該第三係數之一半。在一些實施例中，該光柵為擴增實境系統之頭戴式顯示器之部分；該設計形成於具有等於或小於300 nm之厚度的層中；及/或該兩種或更多種材料之不同折射率為二元差。
此概述既不意欲識別所主張主題之關鍵或基本特徵，亦不意欲單獨使用以判定所主張主題之範疇。應參考本發明之整篇說明書之適當部分、任何或所有圖式及各請求項來理解該主題。下文將在以下說明書、申請專利範圍及隨附圖式中更詳細地描述前述內容連同其他特徵及範例。
在以下描述中，出於解釋之目的，闡述特定細節以便提供對某些發明性實施例之透徹理解。然而，各種實施例可在無所述特定細節之情況下得以實踐將為顯而易見的。圖及描述並不意欲為限定性的。
本文中所揭示之技術大體上關於用於頭戴式顯示器之波導顯示器之輸出光柵。更特定而言，且非限制性地，本發明關於抑制來自二維光柵之(1, 1)階繞射。
許多擴增實境波導使用以特定角度擇向（clocked）之兩個一維光柵來將光自波導朝著近眼顯示器之視窗區（eyebox）向外耦合。相比於使用兩個一維光柵，使用一個二維輸出光柵具有若干潛在優勢。潛在優勢包含但不限於：較少用以製造之處理步驟（例如，蝕刻一個光柵而非兩個光柵）；有效地調諧光柵之較大能力（例如，不再受限於線形狀）；更佳的顯示解析度及對比度；（例如，重疊區及邊界之）較小光柵醒目性；及/或不必對準前側微影製程與背側微影製程。
儘管相比於使用兩個一維光柵，使用一個二維光柵具有若干優勢，但使用二維光柵觀測到亮點線，此對於近眼顯示器之品質為不利的。
本申請案描述用於抑制二維光柵中之亮點線的技術。亮點線為繞射階(1, 1)之光柵之直接輸出通道的結果。能藉由減小或最小化光柵之折射率之二維函數的(1, 1)傅立葉成分來抑制繞射階(1, 1)。藉由減小二維光柵之(1, 1)繞射階，提昇二維光柵之品質，使得二維光柵能夠用作用於近眼顯示器中之波導的輸出耦合器。
A. 近眼顯示器
如本文中所使用，可見光可指具有約380 nm與約750 nm之間、約400 nm與約700 nm之間或約440 nm與約650 nm之間的波長的光。近紅外（Near infrared；NIR）光可指具有約750 nm至約2500 nm之間的波長的光。所要紅外線（infrared；IR）波長範圍可指能由合適的IR感測器（例如，互補金屬氧化物半導體（complementary metal-oxide semiconductor；CMOS）、電荷耦合裝置（charge-coupled device；CCD）感測器或InGaAs感測器）偵測到之IR光的波長範圍，諸如830 nm與860 nm之間、930 nm與980 nm之間或約750 nm至約1000 nm之間。
亦如本文中所使用，基板可指介質，光可在介質內傳播。基板可包含一或多種類型之介電材料，諸如玻璃、石英、塑膠、聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)（PMMA）、晶體或陶瓷。基板之至少一種類型的材料可對可見光及NIR光透明。基板之厚度可在例如小於約1 mm至約10 mm或更大之範圍。如本文中所使用，若光束能以高透射率（諸如，大於60%、75%、80%、90%、95%、98%、99%或更高）穿過材料，則材料可對光束「透明」，其中一小部分的光束（例如，小於40%、25%、20%、10%、5%、2%、1%或更小）可被材料散射、反射或吸收。透射率（亦即，透射性）可藉由在波長範圍內之經光學加權或未加權之平均透射率、或在波長範圍內（諸如可見光波長範圍）的最低透射率呈現。
在以下描述中，出於解釋之目的，闡述特定細節以便提供對本發明之範例的透徹理解。然而，顯而易見的是，各種範例可在無所述特定細節之情況下實踐。舉例而言，裝置、系統、結構、組合件、方法及其他組件可以方塊圖形式顯示為組件，以免以不必要的細節混淆範例。在其他情況下，可在無必要細節之情況下顯示習知的裝置、過程、系統、結構及技術，以免混淆範例。圖及描述並不意欲為限定性的。已在本發明中採用之術語及表述用作描述之術語且不為限制性的，且在使用此類術語及表述時，不欲排除所顯示及描述之特徵的任何等效者或其部分。字語｢範例｣在本文中用於意謂｢充當範例、例項或說明｣。本文中描述為「範例」之任何實施例或設計未必解釋為比其他實施例或設計較佳或有利。
圖1為近眼顯示器100之實施例之透視圖。近眼顯示器100呈一副眼鏡之形式。近眼顯示器配置以向使用者呈現媒體。藉由近眼顯示器100呈現之媒體之範例包含一或多個影像、視訊及/或音訊（例如，與近眼顯示器100整合之揚聲器）。在一些實施例中，音訊經由外部裝置（例如，揚聲器及/或頭戴式耳機）呈現，該外部裝置自近眼顯示器100、控制台（console）或此兩者接收音訊資訊，且基於音訊資訊呈現音訊資料。近眼顯示器100可配置以操作為虛擬實境顯示器、擴增實境顯示器及/或混合實境顯示器。
近眼顯示器100包含框架105及顯示器110。框架105與諸如顯示器110之一或多個光學元件耦合。顯示器110配置以向使用者顯示內容。在一些實施例中，顯示器110可包含顯示電子件及/或顯示光學件。在一些實施例中，顯示器110包括用於將一或多個影像之光引導至使用者之眼睛的波導顯示器組合件。
近眼顯示器100可進一步包含框架105上或內之各種感測器150-a、感測器150-b、感測器150-c、感測器150-d及感測器150-e。在一些實施例中，感測器150可包含一或多個深度感測器、運動感測器、位置感測器、慣性感測器或環境光感測器。在一些實施例中，感測器150可包含一或多個影像感測器，而該一或多個影像感測器配置以產生表示不同方向之不同視場的影像資料。在一些實施例中，感測器150可用作輸入裝置以控制或影響近眼顯示器100之所顯示內容，及/或向近眼顯示器100之使用者提供互動式VR/AR/MR體驗。在一些實施例中，感測器150亦可用於立體成像。
在一些實施例中，近眼顯示器100可進一步包含一或多個照明器130以將光投影至實體環境中。所投影光可與不同頻帶（例如，可見光、紅外光、紫外光等）相關聯，且可用於各種目的。舉例而言，照明器130可將光投影於黑暗環境中（或具有低強度之紅外光、紫外光等的環境中），以輔助感測器150獲取黑暗環境內之不同物件的影像。在一些實施例中，照明器130可用於將某一光圖案投影至環境內之物件上。在一些實施例中，照明器130可用作定位器。
在一些實施例中，近眼顯示器100亦可包含攝像機140（例如，高解析度攝像機）。攝像機140可獲取中之實體環境的影像。經獲取影像可例如藉由虛擬實境引擎處理，以將虛擬物件添加至經獲取影像或修改經獲取影像中之實體物件，且經處理影像可藉由顯示器110向使用者顯示以用於VR、AR或MR應用。
圖2為圖1中所繪示之近眼顯示器100之截面200的實施例。顯示器110包括波導顯示器組合件210。出射光瞳230為在使用者穿戴近眼顯示器100時眼睛220定位於視窗區區中之所在。出於說明的目的，圖2顯示與單個眼睛220及單個波導顯示器組合件210相關聯之截面200，但第二波導顯示器用於使用者之第二眼睛。
波導顯示器組合件210配置以將影像光引導至位於出射光瞳230處之視窗區，且因此引導至眼睛220。波導顯示器組合件210可由具有一或多個折射率之一或多種材料（例如，塑膠、玻璃等）構成。在一些實施例中，近眼顯示器100包含波導顯示器組合件210與眼睛220之間的一或多個光學元件。
在一些實施例中，波導顯示器組合件210包含一或多個波導顯示器之堆疊，其包含但不限於堆疊式波導顯示器、變焦波導顯示器等。堆疊式波導顯示器能為多色顯示器（例如，紅綠藍（red-green-blue；RGB）顯示器），其藉由堆疊具有不同色彩之各別單色源的波導顯示器來創建。堆疊式波導顯示器亦能為能投影於多個平面上之多色顯示器（例如多平面彩色顯示器）。在一些配置中，堆疊式波導顯示器為能投影於多個平面上之單色顯示器（例如多平面單色顯示器）。變焦波導顯示器能為能調整自波導顯示器組合件210發射之影像光之焦點位置的顯示器。在一些實施例中，波導顯示器組合件210可包含堆疊式波導顯示器及變焦波導顯示器。
圖3繪示波導顯示器300之實施例的等角視圖。在一些實施例中，波導顯示器300為近眼顯示器100之組件（例如，波導顯示器組合件210）。在一些實施例中，波導顯示器300為將影像光引導至特定所在之某一其他近眼顯示器或其他系統之部分。
波導顯示器300包含源組合件310、輸出波導320及控制器330。出於說明的目的，圖3顯示與單個眼睛220相關聯之波導顯示器300，但在一些實施例中，與波導顯示器300分離或部分分離之另一波導顯示器將影像光提供至使用者之另一眼睛。
源組合件310產生輸入影像光315。源組合件310產生輸入影像光315且將該輸入影像光315輸出至位於輸出波導320之第一側370-1上的耦合元件350。輸出波導320為將擴展影像光340輸出至使用者之眼睛220的光波導。輸出波導320在位於第一側370-1上及/或第二側370-2上之一或多個耦合元件350處接收輸入影像光315，且將輸入影像光315導至引導元件360。在一些實施例中，耦合元件350將來自源組合件310之輸入影像光315耦合至輸出波導320中。耦合元件350可為例如繞射光柵、全像光柵、一或多個級聯反射器、一或多個稜鏡表面元件及/或全像反射器陣列。
引導元件360將接收到之輸入影像光315重新引導至解耦元件365，使得接收到之輸入影像光315經由解耦元件365而自輸出波導320解耦出來。引導元件360為輸出波導320之第一側370-1之部分或貼附至該第一側370-1。解耦元件365為輸出波導320之第二側370-2之部分或貼附至該第二側370-2。在一些配置中，解耦元件365為第一側370-1之部分或貼附至該第一側370-1。引導元件360及/或解耦元件365可為例如繞射光柵、全像光柵、一或多個級聯反射器、一或多個稜鏡表面元件及/或全像反射器陣列。在圖3中，引導元件360及解耦元件365顯示為以預定角度擇向之一維光柵。在一些配置中，解耦元件365為二維光柵，且/或引導元件360並不存在。
第二側370-2表示沿著x維度及y維度之平面。輸出波導320可由促進輸入影像光315之全內反射的一或多種材料構成。輸出波導320可由例如矽、塑膠、玻璃及/或聚合物構成。輸出波導320具有相對較小的外觀尺寸。舉例而言，輸出波導320可沿著x維度為大約50 mm寬、沿著y維度為30 mm長，且沿著z維度為0.5至1 mm厚。
控制器330控制源組合件310之掃描操作。在一些實施例中，輸出波導320以視場（field of view；FOV）將擴展影像光340輸出至使用者之眼睛220。在一些配置中，提供給使用者之眼睛220之擴展影像光340具有60度或更大且/或150度或更小的對角FOV（在x及y上）。在一些配置中，輸出波導320配置以等於或大於20 mm及/或等於或小於50 mm的長度，及/或等於或大於10 mm或更大及/或等於或小於50 mm的寬度提供給視窗區。
圖4繪示波導顯示器300之截面400之實施例。截面400包含源組合件310及輸出波導320。源組合件310根據來自控制器330之掃描指令產生輸入影像光315。源組合件310包含源410及光學系統415。源410為產生相干、部分相干或非相干光之光源。源410可為例如雷射二極體、垂直空腔表面發射雷射及/或發光二極體。
光學系統415包含調節來自源410之光的一或多個光學組件。調節來自源410之光可包含例如擴展、偏振、旋轉偏振、準直及/或調整位向。一或多個光學組件可包含一或多個透鏡、液體透鏡、鏡、孔徑及/或光柵。在一些實施例中，光學系統415包含具有複數個電極之液體透鏡，其允許掃描具有掃描角度之臨限值的光束以使光束移位至液體透鏡外部的區（例如，基於來自控制器330之輸入）。自光學系統415（以及也自源組合件310）發射之光稱為輸入影像光315。
輸出波導320接收輸入影像光315。耦合元件350將來自源組合件310之輸入影像光315耦合至輸出波導320中。在耦合元件350為繞射光柵之實施例中，選擇繞射光柵之間距使得在輸出波導320中發生全內反射，且輸入影像光315在輸出波導320內部（例如，藉由全內反射）朝著解耦元件365傳播。
引導元件360（用於具有引導元件之配置）朝著解耦元件365重新引導輸入影像光315以用於自輸出波導320解耦。在引導元件360為繞射光柵之實施例中，選擇繞射光柵之間距以使得輸入影像光315以相對於解耦元件365之表面傾斜之角度出射輸出波導320。
在一些實施例中，引導元件360及/或解耦元件365在結構上類似。出射輸出波導320之擴展影像光340沿著一或多個維度擴展（例如，可沿著x維度延長）。在一些實施例中，波導顯示器300包含複數個源組合件310及複數個輸出波導320。源組合件310中之各者可發射具有對應於原色（例如，紅色、綠色或藍色）之特定波長帶的單色影像光。輸出波導320中之各者可以一分離距離堆疊在一起，以輸出多色的擴展影像光340。
圖5為包含近眼顯示器系統520之人工實境系統環境500之實施例的簡化方塊圖。圖5中所顯示之人工實境系統環境500可包含可各自耦合至視情況選用之控制台510的近眼顯示器系統520、視情況選用之成像裝置550及視情況選用之輸入/輸出介面540。雖然圖5顯示包含一個近眼顯示器系統520、一個成像裝置550及一個輸入/輸出介面540之範例人工實境系統環境500，但人工實境系統環境500中可包含某一數目的所述組件，或可省略組件中之一些。舉例而言，可存在藉由與控制台510通信之一或多個外部成像裝置550所監測的多個近眼顯示器系統520。在一些配置中，人工實境系統環境500可不包含成像裝置550、視情況選用之輸入/輸出介面540及視情況選用之控制台510。在替代配置中，不同或額外組件可包含於人工實境系統環境500中。在一些配置中，近眼顯示器系統520可包含成像裝置550，其可用於追蹤一或多個輸入/輸出裝置（例如，輸入/輸出介面540），諸如手持控制器。
近眼顯示器系統520可為向使用者呈現內容之頭戴式顯示器。藉由近眼顯示器系統520呈現之內容之範例包含影像、視訊、音訊中之一或多者、或以上各者之某一組合。在一些實施例中，音訊可經由外部裝置（例如，揚聲器及/或頭戴式耳機）呈現，該外部裝置自近眼顯示器系統520、控制台510或此兩者接收音訊資訊，且基於音訊資訊呈現音訊資料。近眼顯示器系統520可包含一或多個剛性本體，該一或多個剛性本體可剛性地或非剛性地彼此耦接。剛性本體之間的剛性耦接可使得耦接的剛性本體充當單個剛性實體。剛性本體之間的非剛性耦接可允許剛性本體相對於彼此移動。在各種實施例中，近眼顯示器系統520可以合適的外觀尺寸實施，包含一副眼鏡。下文進一步描述近眼顯示器系統520之一些實施例。另外，在各種實施例中，本文中所描述之功能性可用於組合近眼顯示器系統520外部之環境之影像與人工實境內容（例如，電腦產生影像）的耳機。從而，近眼顯示器系統520可以所產生內容（例如，影像、視訊、聲音等）擴增在近眼顯示器系統520外部之實體真實世界環境之影像，以將擴增實境呈現給使用者。
在各種實施例中，近眼顯示器系統520可包含顯示電子件522、顯示光學件524及眼睛追蹤系統530之一或多者。在一些實施例中，近眼顯示器系統520亦可包含一或多個定位器526、一或多個位置感測器528及慣性量測單元（inertial measurement unit；IMU）532。在各種實施例中，近眼顯示器系統520可省略所述元件之一些或包含額外元件。另外，在一些實施例中，近眼顯示器系統520可包含組合所描述之各種元件之功能的元件。
顯示電子件522可根據自例如控制台510接收到之資料向使用者顯示影像或促進向使用者顯示影像。在各種實施例中，顯示電子件522可包含一或多個顯示面板，諸如液晶顯示器（liquid crystal display；LCD）、有機發光二極體（organic light emitting diode；OLED）顯示器、無機發光二極體（inorganic light emitting diode；ILED）顯示器、微發光二極體（micro light emitting diode；μLED）顯示器、主動矩陣OLED顯示器（active-matrix OLED display；AMOLED）、透明OLED顯示器（transparent OLED display；TOLED）或某一其他顯示器。舉例而言，在近眼顯示器系統520之一個實施方案中，顯示電子件522可包含前TOLED面板、後顯示面板，及在前顯示面板與後顯示面板之間的光學組件（例如，衰減器、偏振器、或者繞射或光譜膜）。顯示電子件522可包含像素以發射諸如紅色、綠色、藍色、白色或黃色之主要色彩的光。在一些實施方案中，顯示電子件522可透過藉由二維面板展現之立體效果來顯示三維（three-dimensional；3D）影像，以創建影像深度之主觀感知。舉例而言，顯示電子件522可包含分別定位於使用者之左眼及右眼前方的左側顯示器及右側顯示器。左側及右側顯示器可呈現相對於彼此水平地移位之影像的複本，以創建立體效果（亦即，由查看影像之使用者對影像深度的感知）。
在某些實施例中，顯示光學件524可以光學方式顯示影像內容（例如，使用光波導及耦合器），放大自顯示電子件522接收到之影像光，校正與影像光相關聯之光學誤差，且將經校正影像光呈現給近眼顯示器系統520之使用者。在各種實施例中，顯示光學件524可包含一或多個光學元件，諸如舉例而言之基板、光波導、孔徑、菲涅爾透鏡（Fresnel lens）、凸透鏡、凹透鏡、濾光器、輸入/輸出耦合器或可影響自顯示電子件522發射之影像光的一些其他合適光學元件。顯示光學件524可包含不同光學元件之組合，以及用以維持組合中之光學元件之相對間隔及位向的機械耦合件。顯示光學件524中之一或多個光學元件可具有光學塗層，諸如抗反射塗層、反射塗層、濾光塗層或不同光學塗層之組合。
藉由顯示光學件524對影像光進行之放大可允許相比於較大顯示器，顯示電子件522實體較小，重量較輕且消耗較少功率。另外，放大可增大所顯示內容之視場。由顯示光學件524對影像光進行之放大的量可藉由調整、添加光學元件或自顯示光學件524移除光學元件來改變。在一些實施例中，顯示光學件524可將所顯示影像投影至可比近眼顯示器系統520更遠離使用者眼睛之一或多個影像平面。
顯示光學件524亦可經設計以校正一或多種類型之光學誤差，諸如二維光學誤差、三維光學誤差或其組合。二維誤差可包含在兩個維度中發生之光學像差。二維誤差之範例類型可包含桶形失真、枕形失真、縱向色像差及橫向色像差。三維誤差可包含以三維形式出現之光學誤差。三維誤差之範例類型可包含球面像差、慧形像差、場曲率及像散。
定位器526可為相對於彼此且相對於近眼顯示器系統520上之參考點而位於近眼顯示器系統520上之特定位置中的物件。在一些實施方案中，控制台510可在由成像裝置550獲取之影像中識別定位器526，以判定人工實境耳機之位置、位向或此兩者。定位器526可為發光二極體（light emitting diode；LED）、直角反射器、反射標記、與近眼顯示器系統520操作所在之環境形成對比的一種類型之光源，或以上各者之某一組合。在定位器526為主動組件（例如，LED或其他類型之發光裝置）之實施例中，定位器526可發射在可見光帶（例如，約380 nm至750 nm）中、紅外線（infrared；IR）帶（例如，約750 nm至1 mm）中、紫外線帶（例如，約10 nm至約380 nm）中、電磁波譜之另一部分中或電磁波譜之部分之組合中的光。
成像裝置550可為近眼顯示器系統520之部分或可在近眼顯示器系統520外部。成像裝置550可基於自控制台510接收到之校準參數產生慢校準資料。慢校準資料可包含顯示由成像裝置550可偵測到之定位器526之所觀測位置的一或多個影像。成像裝置550可包含一或多個攝像機、一或多個視訊攝像機、能夠獲取影像之包含定位器526中之一或多者的其他裝置、或以上各者之某一組合。另外，成像裝置550可包含一或多個濾波器（例如，以增大訊號雜訊比）。成像裝置550可配置以在成像裝置550之視場中偵測自定位器526發射或反射之光。在定位器526包含被動元件（例如，回反射器（retroreflector））之實施例中，成像裝置550可包含照明定位器526中之一些或全部的光源，定位器526可將光逆反射至成像裝置550中之光源。慢校準資料可自成像裝置550傳達至控制台510，且成像裝置550可自控制台510接收一或多個校準參數以調整一或多個成像參數（例如，焦距、焦點、幁率、感測器溫度、快門速度、孔徑等）。
位置感測器528可回應於近眼顯示器系統520之運動而產生一或多個量測訊號。位置感測器528之範例可包含加速計、陀螺儀、磁力計、其他運動偵測或誤差校正感測器，或以上各者之某一組合。舉例而言，在一些實施例中，位置感測器528可包含用以量測平移運動（例如，向前/向後、向上/向下或向左/向右）之多個加速計及用以量測旋轉運動（例如，俯仰、橫偏或滾轉）之多個陀螺儀。在一些實施例中，各個位置感測器可彼此正交地定向。
IMU 532可為基於自位置感測器528中之一或多者接收到之量測訊號而產生快校準資料的電子裝置。位置感測器528可位於IMU 532外部、IMU 532內部或其某一組合。基於來自一或多個位置感測器528之一或多個量測訊號，IMU 532可產生快校準資料，而該快校準資料指示近眼顯示器系統520相對於近眼顯示器系統520之初始位置的估計位置。舉例而言，IMU 532可隨時間推移而對自加速計接收到之量測訊號進行積分，以估計速度向量，且隨時間推移對該速度向量進行積分以判定近眼顯示器系統520上之參考點的估計位置。替代地，IMU 532可將經取樣量測訊號提供至控制台510，而該控制台510可判定快校準資料。雖然參考點可大體上定義為空間中之點，但在各種實施例中，參考點亦可定義為近眼顯示器系統520內之點（例如，IMU 532之中心）。
眼睛追蹤系統530可包含一或多個眼睛追蹤系統。眼睛追蹤可指判定眼睛相對於近眼顯示器系統520之位置，包含眼睛之位向及所在。眼睛追蹤系統可包含成像系統以對一或多個眼睛成像，且可大體上包含光發射器，該光發射器可產生引導至眼睛之光，使得由眼睛反射之光可由成像系統獲取。舉例而言，眼睛追蹤系統530可包含發射可見光譜或紅外光譜中之光的非相干或相干光源（例如，雷射二極體），及獲取由使用者之眼睛反射之光的攝像機。作為另一實例，眼睛追蹤系統530可獲取由微型雷達單元發射之反射無線電波。眼睛追蹤系統530可使用低功率光發射器，所述低功率光發射器在不會損傷眼睛或造成身體不適之頻率及強度下發射光。眼睛追蹤系統530可配置以增加由眼睛追蹤系統530獲取之眼睛影像中的對比度，同時減小由眼睛追蹤系統530消耗之總功率（例如，減小由包含於眼睛追蹤系統530中之光發射器及成像系統所消耗的功率）。舉例而言，在一些實施方案中，眼睛追蹤系統530可消耗小於100毫瓦之功率。
在一些實施例中，眼睛追蹤系統530可包含一個光發射器及一個攝像機以追蹤使用者眼睛中之各者。眼睛追蹤系統530亦可包含不同的眼睛追蹤系統，而所述眼睛追蹤系統一起操作以提供改良之眼睛追蹤準確度及回應度。舉例而言，眼睛追蹤系統530可包含具有快速回應時間之快速眼睛追蹤系統及具有較慢回應時間之慢速眼睛追蹤系統。快速眼睛追蹤系統可頻繁地量測眼睛以獲取資料，該資料由眼睛追蹤模組518使用以判定眼睛位置，其相對於參考眼睛位置。慢速眼睛追蹤系統可獨立量測眼睛以獲取資料，該資料由眼睛追蹤模組518使用，以在不參考先前判定之眼睛位置的情況下判定參考眼睛位置。由慢速眼睛追蹤系統獲取之資料可允許眼睛追蹤模組518以自藉由快速眼睛追蹤系統獲取之資料判定的眼睛位置更高的準確度來判定參考眼睛位置。在各種實施例中，慢速眼睛追蹤系統可將眼睛追蹤資料以低於快速眼睛追蹤系統之頻率提供至眼睛追蹤模組518。舉例而言，慢速眼睛追蹤系統可較不頻繁地操作或具有較慢回應時間以節省功率。
眼睛追蹤系統530可配置以估計使用者眼睛之位向。眼睛之位向可對應於近眼顯示器系統520內之使用者凝視方向。使用者眼睛之位向可定義為視窩軸之方向，該視窩軸為視窩（眼睛之視網膜上感光體集中度最高的區域）與眼睛瞳孔之中心之間的軸。一般而言，當使用者眼睛固定於一點上時，使用者眼睛之視窩軸與彼點相交。眼睛之瞳孔軸可定義為穿過瞳孔中心且垂直於角膜表面之軸。一般而言，即使瞳孔軸與視窩軸在瞳孔中心處相交，瞳孔軸仍可能不與視窩軸直接對準。舉例而言，視窩軸之位向可自瞳孔軸側向偏移大約−1°至8°且垂直偏移約±4°（其可稱為κ（kappa）角度，其可在人與人之間變化）。由於視窩軸根據位於眼睛後方之視窩而定義，因此在一些眼睛追蹤實施例中，可能難以或不可能直接量測視窩軸。因此，在一些實施例中，可偵測瞳孔軸之位向，且可基於偵測到之瞳孔軸來估計視窩軸。
一般而言，眼睛之移動不僅對應於眼睛之角旋轉，且亦對應於眼睛平移、眼睛扭轉之變化及/或眼睛形狀之變化。眼睛追蹤系統530亦可配置以偵測眼睛平移，其可為眼睛相對於眼窩之位置的變化。在一些實施例中，可能無法直接偵測眼睛平移，但可基於來自偵測到之角位向的映射來近似眼睛平移。亦可偵測到因例如近眼顯示器系統520在使用者的頭部上之位置的移位而導致之相對於眼睛追蹤系統之眼睛位置對應變化的眼睛平移。眼睛追蹤系統530亦可偵測眼睛扭轉及眼睛繞瞳孔軸之旋轉。眼睛追蹤系統530可使用偵測到之眼睛扭轉以自瞳孔軸來估計視窩軸之位向。在一些實施例中，眼睛追蹤系統530亦可追蹤眼睛形狀之變化，而該變化可近似為偏斜或縮放線性變換或扭曲失真（例如，因扭轉變形導致）。在一些實施例中，眼睛追蹤系統530可基於瞳孔軸之角位向、眼睛平移、眼睛扭轉及當前眼睛形狀的一些組合來估計視窩軸。
在一些實施例中，眼睛追蹤系統530可包含能將結構化光圖案投影於眼睛之所有部分或一部分上的多個發射器或至少一個發射器。當自偏移角度觀看時，結構化光圖案可能由於眼睛形狀而失真。眼睛追蹤系統530亦可包含至少一個攝像機，而該至少一個攝像機可偵測投影至眼睛上之結構化光圖案的失真（若存在）。與發射器相比，攝像機可在與眼睛不同的軸上定向。藉由偵測眼睛之表面上的結構化光圖案之變形，眼睛追蹤系統530可判定正由結構化光圖案照明之眼睛部分之形狀。因此，所獲取失真光圖案可指示眼睛之經照明部分的3D形狀。眼睛之位向可因此自眼睛之經照明部分之3D形狀導出。眼睛追蹤系統530亦可基於由攝像機獲取之失真的結構化光圖案的影像來估計瞳孔軸、眼睛平移、眼睛扭轉及當前眼睛形狀。
近眼顯示器系統520可使用眼睛之位向來例如判定使用者之瞳間距離（inter-pupillary distance；IPD）、判定凝視方向、推導深度線索（例如，使用者的主視線之外的模糊影像）、收集關於VR媒體中之使用者互動的啟發式資訊經驗（例如，在特定個體、物件及/或框架上耗費的隨外顯刺激而變化的時間）、部分地基於使用者眼睛中之至少一者之位向的一些其他功能、或以上各者之某一組合。由於可判定使用者之兩隻眼睛的位向，因此眼睛追蹤系統530可能夠判定使用者看向何處。舉例而言，判定使用者之凝視方向可包含基於使用者左眼及右眼之經判定位向來判定會聚點。會聚點可為使用者眼睛之兩個視窩軸相交的點。使用者之凝視方向可為穿過會聚點與使用者眼睛之瞳孔之間的中點的線之方向。
輸入/輸出介面540可為允許使用者將動作請求發送至控制台510的裝置。動作請求可為進行特定動作之請求。舉例而言，動作請求可為開始或結束應用程式、或者進行該應用程式內之特定動作。輸入/輸出介面540可包含一或多個輸入裝置。範例性輸入裝置可包含鍵盤、滑鼠、遊戲控制器、手套、按鈕、觸控螢幕、或用於接收動作請求且將接收到的動作請求傳達至控制台510的其他合適裝置。可將由輸入/輸出介面540接收到之動作請求傳達至控制台510，其可進行對應於所請求動作之動作。在一些實施例中，輸入/輸出界面540可根據自控制台510接收到之指令將觸覺回饋提供至使用者。舉例而言，輸入/輸出介面540可在接收到動作請求時、或在控制台510已進行所請求動作且將指令傳達至輸入/輸出介面540時提供觸覺回饋。在一些實施例中，成像裝置550可用於追蹤輸入/輸出介面540，諸如追蹤控制器（其可包含例如IR光源）、或者使用者之手部之所在或位置，以判定使用者之運動。在一些實施例中，近眼顯示器系統520可包含一或多個成像裝置（例如，成像裝置550）以追蹤輸入/輸出介面540，諸如追蹤控制器或使用者之手部之所在或位置以判定使用者之運動。
控制台510可根據自成像裝置550、近眼顯示器系統520及輸入/輸出介面540之一或多者接收到之資訊將內容提供至近眼顯示器系統520，以供向使用者呈現。在圖5中所顯示之範例中，控制台510可包含應用程式商店512、耳機追蹤模組514、人工實境引擎516及眼睛追蹤模組518。控制台510之一些實施例可包含與所描述之彼等不同的模組或額外的模組。下文進一步描述之功能可以與此處所描述之方式不同的方式分佈在控制台510之組件當中。
在一些實施例中，控制台510可包含處理器及儲存可由處理器執行之指令的非暫存性電腦可讀取儲存媒介。處理器可包含多個併行執行指令之處理單元。電腦可讀取儲存媒介可為記憶體裝置，諸如硬碟機、可攜式記憶體或固態硬碟（例如，快閃記憶體或動態隨機存取記憶體（dynamic random access memory；DRAM））。在各種實施例中，所描述之控制台510的模組可編碼為非暫存性電腦可讀取儲存媒介中之指令，所述指令在由處理器執行時使得處理器進行下文進一步描述之功能。
應用程式商店512可儲存一或多個應用以供控制台510執行。應用程式可包含在由處理器執行時所產生內容以供向使用者呈現之一組指令。由應用程式產生之內容可為回應於經由使用者眼睛之移動而自使用者接收到之輸入、或自輸入/輸出介面540接收到之輸入。應用程式之範例可包含：遊戲應用程式、會議應用程式、視訊播放應用程式或其他合適之應用程式。
耳機追蹤模組514可使用來自成像裝置550之慢校準資訊追蹤近眼顯示器系統520之移動。舉例而言，耳機追蹤模組514可使用來自慢校準資訊所觀測到之定位器以及近眼顯示器系統520之模型來判定近眼顯示器系統520之參考點的位置。耳機追蹤模組514亦可使用來自快校準資訊之位置資訊來判定近眼顯示器系統520之參考點的位置。另外，在一些實施例中，耳機追蹤模組514可使用快校準資訊之部分、慢校準資訊之部分或其某一組合來預測近眼顯示器系統520之未來所在。耳機追蹤模組514可將近眼顯示器系統520之估計位置或所預測未來位置提供至人工實境引擎516。
耳機追蹤模組514可使用一或多個校準參數來校準人工實境系統環境500，且可調整一或多個校準參數以減小判定近眼顯示器系統520之位置中的誤差。舉例而言，耳機追蹤模組514可調整成像裝置550之焦點以獲得近眼顯示器系統520上之觀測到之定位器的更準確位置。此外，由耳機追蹤模組514進行之校準亦可考慮自IMU 532接收到之資訊。另外，若近眼顯示器系統520之追蹤丟失（例如，成像裝置550丟失至少臨限數目個定位器526之視線），則耳機追蹤模組514可重新校準校準參數中之一些或全部。
人工實境引擎516可執行人工實境系統環境500內之應用程式，且自耳機追蹤模組514接收近眼顯示器系統520之位置資訊、近眼顯示器系統520之加速資訊、近眼顯示器系統520之速度資訊、近眼顯示器系統520之所預測未來位置或以上各者之某一組合。人工實境引擎516亦可自眼睛追蹤模組518接收所估計眼睛位置及位向資訊。基於接收到之資訊，人工實境引擎516可判定提供至近眼顯示器系統520之內容，以供向使用者呈現。舉例而言，若接收到之資訊指示使用者已向左看，則人工實境引擎516可為近眼顯示器系統520產生反映虛擬環境中之使用者眼睛移動的內容。另外，人工實境引擎516可回應於自輸入/輸出介面540接收到之動作請求而進行在控制台510上執行之應用程式內的動作，且將指示該動作已進行之回饋提供至使用者。回饋可為經由近眼顯示器系統520之視覺或聽覺回饋、或經由輸入/輸出介面540之觸覺回饋。
眼睛追蹤模組518可自眼睛追蹤系統530接收眼睛追蹤資料，且基於眼睛追蹤資料判定使用者眼睛之位置。眼睛之位置可包含眼睛相對於近眼顯示器系統520或其元件之位向、所在或此兩者。由於眼睛之旋轉軸隨眼睛在其眼窩中之所在而變化，因此判定眼睛在其眼窩中之所在可允許眼睛追蹤模組518更準確地判定眼睛之位向。
在一些實施例中，眼睛追蹤模組518可儲存由眼睛追蹤系統530獲取之影像與眼睛位置之間的映射，以自藉由眼睛追蹤系統530獲取之影像判定參考眼睛位置。替代地或另外，眼睛追蹤模組518可藉由比較從中判定參考眼睛位置之影像與從中待判定經更新眼睛位置之影像，來判定相對於參考眼睛位置之經更新眼睛位置。眼睛追蹤模組518可使用來自不同成像裝置或其他感測器之量測來判定眼睛位置。舉例而言，眼睛追蹤模組518可使用來自慢速眼睛追蹤系統之量測來判定參考眼睛位置，且接著自快速眼睛追蹤系統判定相對於參考眼睛位置之經更新位置，直至基於來自慢速眼睛追蹤系統之量測判定下一參考眼睛位置。
眼睛追蹤模組518亦可判定眼睛校準參數以改良眼睛追蹤之精確度及準確度。眼睛校準參數可包含不論何時使用者戴上或調整近眼顯示器系統520時便可能改變的參數。範例性眼睛校準參數可包含眼睛追蹤系統530之組件與眼睛之一或多個部分（諸如眼睛之中心、瞳孔、角膜邊界或眼睛表面上之點）之間的估計距離。其他範例性眼睛校準參數對於特定使用者可為特別的，且可包含估計的平均眼睛半徑、平均角膜半徑、平均鞏膜半徑、眼睛表面上特徵的映射、及估計的眼睛表面輪廓。在來自近眼顯示器系統520外部之光可到達眼睛（如在一些擴增實境應用中）之實施例中，校準參數可包含因來自近眼顯示器系統520外部之光之變化所致的強度及色彩平衡之校正因數。眼睛追蹤模組518可使用眼睛校準參數以判定由眼睛追蹤系統530獲取之量測是否將允許眼睛追蹤模組518判定準確的眼睛位置（在本文中亦稱為「有效量測」）。眼睛追蹤模組518可能不能夠從中判定準確的眼睛位置的無效量測可由使用者眨眼、調整耳機或移除耳機造成、及/或可由近眼顯示器系統520歸因於外部光而經歷大於臨限值的照明改變而造成。在一些實施例中，可藉由眼睛追蹤系統530進行眼睛追蹤模組518之功能中的至少一些。
B. 二維光柵
許多擴增實境波導使用以特定角度擇向之兩個一維光柵將光自波導朝著近眼顯示器之視窗區向外耦合。相比於使用兩個一維光柵，使用一個二維輸出光柵具有若干潛在優勢。潛在優勢包含但不限於：較少用以製造之處理步驟（例如，蝕刻一個光柵而非兩個光柵）；有效地調諧光柵之較大能力（例如，不再受限於平行四邊形特徵形狀）；較高顯示解析度及對比度；（例如，重疊區及邊界之）較小光柵醒目性；及/或不必對準前側微影製程與背側微影製程。在2018年5月1日申請之美國申請案第15/968,576號中給出二維光柵之範例，該美國申請案出於所有目的以引用之方式併入本文中。
圖6為用於光柵之圖案600之實施例。光柵可意欲用於近眼顯示器之輸出耦合器。圖案600基於在第一維度608中週期性重複且在第二維度612中週期性重複之設計604。圖案600為具有介電係數在4與7之間之變化的二維圖案。圖案600未經校正以抑制(1, 1)繞射階。
圖7描繪用於圖6中之圖案600之實施例的模擬繞射及透射繪圖。對於經s偏振之光之反射繞射階(0, 0)、(1, 0)、(0, 1)、(1, -1)及(1, 1)經顯示且標記為Rs。對於經s偏振之光之透射繞射階(0, 0)、(1, 0)、(0, 1)、(1, -1)及(1, 1)經顯示且標記為Ts。一階繞射(1, 1)具有與繞射階(1, 0)及(0, 1)相當的繞射效率。
圖8為描繪由(1, 1)繞射階引起之亮點線804的草圖。影像光806藉由內耦合光柵810耦合至波導808中。來自波導808之光藉由輸出光柵812自波導808耦合出至視窗區816。在使用光柵來向內耦合及將來自波導之光向外耦合時，與一維光柵相比，二維光柵提供更多結構自由度。儘管相比於使用兩個一維光柵，使用一個二維光柵具有若干優勢，但使用二維光柵（例如，類似於藉由圖6中之圖案600形成之二維光柵）能觀測到亮點線804，此對於近眼顯示器之品質為不利的。出於此原因，大部分擴增實境波導使用兩個一維週期性光柵，而非一個二維週期性光柵。(1, 1)階允許導致亮點線804之直接外耦合通道。
由於(1, 1)階造成亮點線804，因此所要的是抑制(1, 1)階，藉此抑制二維光柵中之亮點線。能藉由減小或最小化光柵之折射率之二維函數之(1, 1)傅立葉成分來抑制(1, 1)繞射階。藉由減小二維光柵之(1, 1)繞射階，提昇了二維光柵之品質，使得二維光柵能夠用作用於近眼顯示器中之波導的輸出耦合器（例如，減小或消除亮點線804）。
C. 最小化傅立葉係數
藉由最小化介電結構之(1, 1)傅立葉成分，能抑制(1, 1)繞射階。
圖9描繪繞射光之光柵900之實施例。光柵900包括基板904及裝置層908。二維圖案形成於裝置層908中。舉例而言，具有兩個或更多個折射率值之兩種或更多種材料在裝置層908中經圖案化。在一些實施例中，可藉由噴墨而施加材料。在一些實施例中，微影技術用於在裝置層908中創建圖案。舉例而言，在裝置層908中蝕刻孔陣列。在一些實施例中，裝置層908的厚度等於或大於30、50、80或90 nm，且/或等於或小於90、100、180、200或300 nm。2018年1月23日申請的美國專利申請案第15/878,227號、2018年1月23日申請的美國專利申請案第15/878,230號、2018年1月23日申請的美國專利申請案第15/878,232號及2020年5月1日申請的美國專利申請案第16/865,105號提供用於製作具有變化的折射率之光柵之各種技術，所述美國專利申請案之揭示內容出於所有目的以引用之方式併入本文中。
入射於光柵900上之光912部分透射至直接透射通道916（透射階(0, 0)）中且部分透射至其他透射通道中。入射於光柵900上之光912亦部分折射至直接折射通道920（繞射階(0, 0)）中，且部分折射至其他繞射通道924（例如，繞射階(1, 0)、(0, 1)、(1, 1)等）中。由於在本發明中之範例關注於反射，因此除非特定地陳述，否則階將指反射階而非透射階，但類似原理將適用於抑制透射階。
在一些實施例中，光柵900用作圖3中之解耦元件365，而非引導元件360。解耦元件365能在圖4中之輸出波導320之第一側370-1或第二側370-2上。
圖10描繪用於光柵之圖案1000之實施例。圖案1000為基於在第一維度1008中週期性重複且在第二維度1012中週期性重複之設計1000。對待在維度中週期性重複之圖案，存在沿著彼維度之介電係數（且因此折射率）之變化。此外，第一維度1008不必正交於第二維度1012。
圖案1000為具有x/y平面中之變化的折射率之二維圖案。圖案1000為二維週期性圖案。圖案1000之介電係數（且因此折射率）能藉由二維傅立葉級數近似。舉例而言，能藉由以下等式1及等式2計算傅立葉係數。 等式 1 ： 等式 2 ： 其中，R {-l ≤ x ≤ l, -h ≤ y ≤ h}，且m, n = 0, ± 1, ± 2, ± 3……
藉由最小化傅立葉係數，亦最小化繞射階(m, n)之效率，c(m, n)。因此，c(1, 1)之振幅與繞射階(1, 1)之效率強烈相關。
在一些實施例中，用於非正交晶格之傅立葉級數藉由等式6來計算，如V. Liu及S. Fan, 「S4: A free electromagnetic solver for layered periodic structures」, Computer Physics Communications183 (2012)（可獲自：https://web.stanford.edu/group/fan/publication/Liu_ComputerPhysicsCommunications_183_2233_2012.pdf（最後存取時間為2022年3月7日））中所描述。出於參考目的，以下等式3中給出用於通用晶格之等式。 等式 3 ：
圖11顯示圖10中之圖案1000之x/y平面介電係數之傅立葉係數的繪圖。各實心點表示非零值。圓圈指示c(1, 1)（且亦指示c(-1, -1)）傅立葉係數待減小或最小化。圖案1000經修改以藉由減小傅立葉係數c(1, 1)來抑制一階繞射。藉由改變週期性圖案之介電係數來減小傅立葉係數。
在一些實施例中，用於頭戴式顯示器（例如，圖1中之近眼顯示器100）中之系統包括投影器（例如，圖3中之源組合件310）。投影器配置以發射光（例如，輸入影像光315）。頭戴式顯示器包括配置以引導自投影器接收到之光的波導（例如，圖3中之輸出波導320）。光柵（例如，光柵900）配置以將光耦合至波導之外。光柵包括具有不同折射率之兩種或更多種材料的設計（例如，圖10中之設計1004，或稍後闡述之設計）。設計在第一維度（例如，圖10中之第一維度1008）中週期性重複且在第二維度（例如，圖10中之第二維度1012）中週期性重複，以形成二維圖案（例如，圖10中之圖案1000）。二維圖案之折射率藉由包括階(1, 0)之第一係數、階(0, 1)之第二係數及此兩個階之整數倍（諸如(1, 1)、(2, 1)、(1, -2)階）之線性組合的二維傅立葉級數而近似。為抑制(1, 1)繞射階，抑制光柵之(1, 1)傅立葉係數。在一些實施例中，(1, 1)係數小於第一係數之1/2、1/5或1/10，且/或等於或大於1/20、1/50、1/100或1/1000。
在一些實施例中，光柵包括基板及裝置層（例如，如圖9中所描述）。裝置層包括具有不同折射率之兩種或更多種材料的設計。設計在第一維度中週期性重複且在第二維度中週期性重複以形成二維圖案。
儘管描述抑制(1, 1)階，但類似技術能用於抑制其他通道/階（例如，除了(1, 1)階以外或代替(1, 1)階）。最佳化介電係數分佈之傅立葉係數能比其他基於E&M之設計技術快得多。本文中所揭示之技術能導致抑制某一繞射階（在此情況下，(1, 1)階）之一大類結構，亦即，在彼階處以經抑制傅立葉係數之階。此外，儘管顯示用於具有s偏振之反射的繪圖，但對於p偏振之類似結論成立。因此，技術能用於抑制朝著大多數任何繞射通道的繞射。在一些實施例中，用以藉由抑制(1, 1)傅立葉係數來抑制(1, 1)繞射階之技術應用於垂直擠壓結構及/或傾斜擠壓結構（例如，蝕刻或奈米壓印）。在一些實施例中，所揭示之技術應用於用於波導中之光柵之傾斜結構。在一些實施例中，傾斜角添加至光柵，其導致不對稱透射/反射、及透射/反射通道之間的能量重新分佈。
在光柵之對比度過高時，(1, 1)階之抑制較不顯著。同樣，在光柵之裝置層的厚度增大時，(1, 1)階之抑制較不顯著。在一些實施例中，為了更佳地抑制(1, 1)階，減小折射率對比度及/或減小光柵之厚度。
下文進一步提供圖10中之圖案1000之特定非限制性範例。
D. 具有減小的 (1, 1) 係數之圖案 - 範例 1
圖12為用於光柵之二維圖案1200之實施例。二維圖案1200經校正以抑制一階繞射。二維圖案1200具有x/y平面介電係數分佈。x/y平面介電係數分佈能視為兩個1D光柵介電係數分佈之總和，且因此僅含有(m, 0)及(0, n)傅立葉階，且不含有(1, 1)傅立葉階。在此實施例中，裝置層的厚度為180 nm，且基板之折射率為2.6。沿著第一維度之設計之第一寬度a 1為340 nm，且沿著第二維度之設計之第二寬度a 2為240 nm。第一維度之角度為150度，且第二維度之角度為-150度（自x軸量測）。在圖12中，兩種或更多種材料中之至少一者（或一種材料）具有變化的折射率（介電係數）。
圖13描繪用於由圖12中之二維圖案1200製成之光柵之實施例的模擬繞射繪圖。繪圖顯示與階(1, 0)及(0, 1)相比，(1, 1)及(-1, -1)階之繞射效率經抑制。
圖14描繪用於圖12中之光柵之實施例的重新按比例調整的模擬繞射繪圖。圖14中之繪圖具有重新按比例調整的色彩條形圖。與階(1, 0)及(0, 1)相比，(1, 1)階之抑制小於1/10。
E. 具有減小的 (1, 1) 係數之圖案 - 範例 2
圖15為用於光柵之二維圖案1500之另一實施例，其中二維圖案經校正以抑制一階繞射。藉由在階-3與3之間隨機地指派介電係數分佈之傅立葉係數且使(1, 1)階為零來獲得二維圖案1500。
在此實施例中，沿著第一維度之設計之第一寬度a1為300 nm，且沿著第二維度之設計之第二寬度a2為380 nm。第一維度之角度為145度，且第二維度之角度為-145度（自x軸量測）。在圖15中，兩種或更多種材料中之至少一者（或一種材料）具有變化的折射率（介電係數）。
圖16描繪傅立葉係數之振幅之圖表。圖16顯示圖15中之圖案之傅立葉係數的對數振幅。與另一階（包含高於(1, 1)階之階）相比，c(1, 1)及c(-1, -1) 經抑制。舉例而言，c(2, 2)比c(1, 1)大得多（例如，超過2或3倍）。在一些實施例中，c(1, 1)小於c(0, 0)、c(1, 0)、c(0, 1)、c(1, 2)、c(2, 1)、c(2, 2)、c(1, 3)、c(2, 3)及c(3, 3)之一半。
圖17描繪用於由圖15中之二維圖案1500製成之光柵之實施例的模擬繞射繪圖。繪圖顯示與階(1, 0)及(0, 1)相比，(1, 1)及(-1, -1)階之繞射效率經抑制。圖18描繪用於圖15中之二維圖案1500之實施例的重新按比例調整的模擬繞射繪圖。
F. 具有二元介電係數值之圖案 - 範例 3
以上範例1及2中之圖案各自具有至少一種材料，該至少一種材料具有變化的折射率。範例3為二元（binary）圖案之範例，其意謂僅存在兩個折射率（介電係數）值。在一些實施例中，兩個折射率值來自兩種不同材料。在一些實施例中，兩個折射率值來自相同材料，僅以不同方式修改（例如，以不同方式摻雜或以不同方式曝光以改變折射率）。因此在一些實施例中，裝置層僅由一種材料製成。在一些實施例中，能更高效地使用二元介電係數分佈。
圖19為用於光柵之二維圖案1900之實施例，其中二元圖案經二維圖案化。已經設計以最小化介電係數分佈之(1, 1)階傅立葉係數的二維圖案1900經最小化。設計為非對稱的。在一些實施例中，設計為非對稱的，以更易於形成具有減小的(1, 1)係數之二元介電係數分佈。
在此實施例中，沿著第一維度之設計之第一寬度a1為340 nm，且沿著第二維度之設計之第二寬度a2為340 nm。第一維度之角度為150度，且第二維度之角度為-150度（自x軸量測）。
圖20描繪用於由圖19中之二維圖案1900製成之光柵之實施例的模擬繞射繪圖。繪圖顯示與階(1, 0)及(0, 1)相比，(1, 1)及(-1, -1)階之繞射效率經抑制。圖21描繪用於圖19中之二維圖案1900之實施例的重新按比例調整的模擬繞射繪圖。
G. 最佳化
能最佳化週期性二維介電係數圖案而以各種方式抑制指定係數。在一些實施例中，損失函數經最小化。舉例而言，以下函數經最小化：0.5*(f(0, 0) - 5.48)^2 + 4*f(-1, 0) + crown(f(1, 0)/0.1) + crown(f(0, 1)/0.1) + crown(f(1, 1)/0.1)，其中f(m, n) 為介電係數分佈之對應傅立葉係數，crown(x) 為單調平滑函數，其在x ＜ 1時接近於1且在x ＞ 1時接近於0。
圖22為初始介電係數分佈2200之實施例。初始介電係數分佈2200之特徵在於兩個重疊矩形。可以使用其他形狀或初始分佈。初始介電係數分佈2200經最佳化以形成圖26中之二維圖案。
圖23為最佳化傅立葉係數之圖表。藉由改變幾何參數以最小化(1, 1)階來最佳化初始介電係數分佈2200之傅立葉係數。
圖24描繪用於最佳化之後獲得的二維圖案之傅立葉係數之振幅的圖表。圖表顯示(1, 1)階經抑制。
H. 使用多層結構抑制 (1, 1) 階 - 範例 4
在一些實施例中，裝置層再分為兩個或更多個層。圖25為用於光柵之第一層之第一二維圖案2500的實施例。圖26為用於光柵之第二層之第二二維圖案2600的實施例。第二層堆疊於第一層上（例如，鄰近於第一層）以形成多層結構。多層結構之各層具有經設計以抑制(1, 1)傅立葉係數（例如，至少1/2、1/3、1/5或1/10）之介電係數分佈。第一二維傅立葉級數用於近似第一二維圖案2500。第二二維傅立葉級數用於近似第二二維圖案2600。
在圖25及26兩者中，沿著第一維度之設計之第一寬度a1為340 nm，且沿著第二維度之設計之第二寬度a2為340 nm。第一維度之角度為150度，且第二維度之角度為-150度（自x軸量測）。第一層之（在z方向上之）厚度為90 nm，且第二層之厚度為90 nm。第一層、第二層及/或額外層之組合厚度等於或小於150、180、200或300 nm。
圖27描繪用於多層結構之實施例之模擬繞射繪圖。(1, 1)繞射階比其他階小得多。圖28描繪用於多層結構之實施例之重新按比例調整的模擬繞射繪圖。
圖29繪示用於在二維光柵中形成圖案之過程2900之流程圖的實施例。過程2900在步驟2904中開始，其中選擇初始介電係數分佈（例如，圖22之初始介電係數分佈2200）。初始介電係數分佈包括兩個維度中週期性重複之兩個或更多個折射率值之設計。
在步驟2908中，計算傅立葉係數以近似初始介電係數分佈。在步驟2912中，介電係數分佈之幾何參數變化以減小指定傅立葉係數，以產生二維圖案。基於最佳化傅立葉係數而產生二維圖案。二維圖案形成於晶圓之裝置層中以形成光柵。
在一些配置中，指定傅立葉係數與光柵之(1, 1)階對應；指定傅立葉係數小於對應於(0, 1)階之係數的一半；兩個或更多個折射率值為二元值（例如，如圖19、25及26中所顯示）；及/或設計形成於具有等於或小於300 nm之厚度的層中。
I. 範例性電子系統
本發明之實施例可用於製造人工實境系統之組件，或可結合人工實境系統實施。人工實境為在呈現給使用者之前已以某一方式調整之實境形式，其可包含例如虛擬實境、擴增實境、混合實境、混雜實境或其某一組合及/或衍生者。人工實境內容可包含完全產生之內容或與所獲取之（例如，真實世界）內容組合之所產生內容。人工實境內容可包含視訊、音訊、觸覺回饋或以上各者之某一組合，且其中之任一者可在單一通道中或在多個通道中（諸如，對觀看者產生三維效果之立體視訊）呈現。另外，在一些實施例中，人工實境亦可與用以例如在人工實境中產生內容及/或另外用於人工實境中（例如，在人工實境中進行活動）之應用、產品、配件、服務或其某一組合相關聯。提供人工實境內容之人工實境系統可實施於各種平台上，平台包含連接至主機電腦系統之頭戴式顯示器、獨立式HMD、行動裝置或計算系統、或能夠向一或多個觀看者提供人工實境內容之其他硬體平台。
圖30為用於實施本文中所揭示之範例中之一些的近眼顯示器系統（例如，HMD裝置）之電子系統3000之範例的簡化方塊圖。電子系統3000可用作上文所描述的HMD裝置或其他近眼顯示器的電子系統。在此範例中，電子系統3000可包含一或多個處理器3010及記憶體3020。處理器3010可經配置以執行用於在數個組件處執行操作的指令，且處理器1410能為例如適合實施於攜帶型電子裝置內的通用處理器或微處理器。處理器3010可以通信方式與電子系統3000內之複數個組件耦接。為實現此通信耦接，處理器3010可跨越匯流排3040與另一所繪示組件通信。匯流排3040可為適於在電子系統3000內傳送資料之子系統。匯流排3040可包含用以傳送資料的複數個電腦匯流排及額外電路系統。
記憶體3020可耦接至處理器3010。在一些實施例中，記憶體3020可提供短期及長期儲存兩者且可劃分成若干單元。記憶體3020可為揮發性的，諸如靜態隨機存取記憶體（static random access memory；SRAM）及/或動態隨機存取記憶體（DRAM），及/或為非揮發性的，諸如唯讀記憶體（read-only memory；ROM）、快閃記憶體及其類似者。此外，記憶體3020可包含可攜式儲存裝置，諸如安全數位（secure digital；SD）卡。記憶體3020可提供電腦可讀指令、資料結構、程式模組及用於電子系統3000之其他資料的儲存。在一些實施例中，記憶體3020可分佈至不同硬體模組中。指令集及/或程式碼可儲存於記憶體3020上。指令可呈可由電子系統3000執行之可執行程式碼之形式，及/或可呈原始程式碼及/或可安裝程式碼之形式，該原始程式碼及/或可安裝程式碼在電子系統3000上編譯及/或安裝於該電子系統上（例如，使用多種常用的編譯器、安裝程式、壓縮/解壓公用程式等）後，可呈可執行程式碼之形式。
在一些實施例中，記憶體3020可儲存複數個應用程式模組3022至應用程式模組3024，該複數個應用程式模組可包含數個應用程式。應用程式之範例可包含遊戲應用程式、會議應用程式、視訊播放應用程式或其他合適之應用程式。應用程式可包含深度感測功能或眼睛追蹤功能。應用程式模組3022至應用程式模組3024可包含待由處理器3010執行之特定指令。在一些實施例中，應用程式模組3022至應用程式模組3024之某些應用程式或部分可由其他硬體模組3080執行。在某些實施例中，記憶體3020可另外包含安全記憶體，而該安全記憶體可包含額外安全控制以防止對安全資訊之複製或其他未授權存取。
在一些實施例中，記憶體3020可包含其中裝載之作業系統3025。作業系統3025可操作以啟動由應用程式模組3022至應用程式模組3024提供之指令的執行及/或管理其他硬體模組3080，以及與可包含一或多個無線收發器之無線通信子系統3030介接。作業系統3025可適於跨電子系統3000之組件執行其他操作，包含執行緒處理、資源管理、資料儲存控制及另一類似功能性。
無線通信子系統3030可包含例如紅外線通信裝置、無線通信裝置及/或晶片組（諸如，Bluetooth®裝置、IEEE 802.11裝置、Wi-Fi裝置、WiMax裝置、蜂巢式通信設施等）及/或類似通信介面。電子系統3000可包含用於無線通信之一或多個天線3034，作為無線通信子系統3030之部分或作為耦合至該系統之一部分的單獨組件。取決於所要功能性，無線通信子系統3030可包含單獨收發器以與基地收發器台，以及與其他無線裝置及存取點通信，其可包含與諸如無線廣域網路（wireless wide-area network；WWAN）、無線區域網路（wireless local area network；WLAN）或無線個人區域網路（wireless personal area network；WPAN）之不同資料網路及/或網路類型通信。WWAN可為例如WiMax（IEEE 802.16）網路。WLAN可為例如IEEE 802.11x網路。WPAN可為例如藍牙網路、IEEE 802.15x或一些其他類型之網路。本文中所描述之技術亦可用於WWAN、WLAN及/或WPAN之組合。無線通信子系統3030可准許與網路、其他電腦系統及/或本文所描述之其他裝置交換資料。無線通信子系統3030可包含用於使用天線3034及無線鏈路3032傳輸或接收資料的構件，該資料諸如HMD裝置之識別符、位置資料、地理地圖、熱點圖、相片或視訊。無線通信子系統3030、處理器3010及記憶體3020可一起包含用於進行本文中所揭示之一些功能的構件中之一或多者的至少一部分。
電子系統3000之實施例亦可包含一或多個感測器3090。感測器3090可包含例如影像感測器、加速計、壓力感測器、溫度感測器、近接感測器、磁力計、陀螺儀、慣性感測器（例如，組合加速計與陀螺儀之模組）、環境光感測器、或者可操作以提供感測輸出及/或接收感測輸入之其他類似的模組，諸如深度感測器或位置感測器。舉例而言，在一些實施方案中，感測器3090可包含一或多個慣性量測單元（inertial measurement unit；IMU）及/或一或多個位置感測器。IMU可基於自位置感測器中之一或多者接收到的量測訊號來產生校準資料，該校準資料指示相對於HMD裝置之初始位置的HMD裝置之估計位置。位置感測器可響應於HMD裝置之運動而產生一或多個量測訊號。位置感測器之範例可包含但不限於一或多個加速計、一或多個陀螺儀、一或多個磁力計、偵測運動之另一合適類型的感測器、用於IMU之誤差校正的一種類型之感測器、或以上各者之某一組合。位置感測器可位於IMU外部、IMU內部或其某一組合。至少一些感測器可使用結構化光圖案以進行感測。
電子系統3000可包含顯示模組3060。顯示模組3060可為近眼顯示器，且可以圖形方式將來自電子系統3000之資訊（諸如影像、視訊及各種指令）呈現給使用者。此資訊可源自一或多個應用程式模組3022至應用程式模組3024、虛擬實境引擎3026、一或多個其他硬體模組3080、以上各者之組合，或者此類資訊可源自用於為使用者解析圖形內容（例如，藉由作業系統3025）之其他合適的構件。顯示模組3060可使用液晶顯示器（liquid crystal display；LCD）技術、發光二極體（light-emitting diode；LED）技術（包含例如OLED、ILED、mLED、AMOLED、TOLED等）、發光聚合物顯示器（light-emitting polymer display；LPD）技術、或某一其他顯示器技術。
電子系統3000可包含使用者輸入/輸出模組3070。使用者輸入/輸出模組3070可允許使用者將動作請求發送至電子系統3000。動作請求可為進行特定動作之請求。舉例而言，動作請求可為開始或結束應用程式或進行該應用程式內之特定動作。使用者輸入/輸出模組3070可包含一或多個輸入裝置。範例性輸入裝置可包含觸控螢幕、觸控板、麥克風、按鈕、撥號器、開關、鍵盤、滑鼠、遊戲控制器、或用於接收動作請求且將接收到之動作請求傳達至電子系統3000之其他合適的裝置。在一些實施例中，使用者輸入/輸出模組3070可根據自電子系統3000接收到之指令將觸覺回饋提供至使用者。舉例而言，可在接收到動作請求或已進行動作請求時提供觸覺回饋。
電子系統3000可包含攝像機3050，該攝像機3050可用於拍攝使用者之相片或視訊，例如用於追蹤使用者的眼睛位置。攝像機3050亦可用於拍攝環境之相片或視訊，例如用於VR、AR或MR應用。攝像機3050可包含例如具有數百萬或數千萬個像素之互補金屬氧化物半導體（CMOS）影像感測器。在一些實施中，攝像機3050可包含可用於獲取3-D影像之兩個或更多個攝像機。
在一些實施例中，電子系統3000可包含複數個其他硬體模組3080。其他硬體模組3080中之各者可為電子系統3000內之實體模組。雖然其他硬體模組3080中之各者可永久地配置為結構，但其他硬體模組3080中之一些可暫時配置以進行特定功能或暫時被激活。其他硬體模組3080之範例可包含例如音訊輸出及/或輸入模組（例如，麥克風或揚聲器）、近場通信（near field communication；NFC）模組、可再充電電池、電池管理系統、有線/無線電池充電系統等。在一些實施例中，可用軟體實施其他硬體模組3080之一或多個功能。
在一些實施例中，電子系統3000之記憶體3020亦可儲存虛擬實境引擎3026。虛擬實境引擎3026可執行電子系統3000內之應用程式，且自各種感測器接收HMD裝置之位置資訊、加速資訊、速度資訊、所預測未來位置或其某一組合。在一些實施例中，由虛擬實境引擎3026接收到之資訊可用於為顯示模組3060產生訊號（例如，顯示指令）。舉例而言，若接收到之資訊指示使用者已看向左邊，則虛擬實境引擎3026可產生用於HMD裝置之內容，該內容反映使用者在虛擬環境中之移動。另外，虛擬實境引擎3026可響應於自使用者輸入/輸出模組3070接收到之動作請求而進行應用程式內之動作，並將回饋提供至使用者。所提供回饋可為視覺回饋、聽覺回饋或觸覺回饋。在一些實施中，處理器3010可包含可執行虛擬實境引擎3026之一或多個圖形處理單元（graphics processing unit；GPU）。
在各種實施方案中，上文所描述之硬體及模組可實施於可使用有線或無線連接彼此通信之單個裝置或多個裝置上。舉例而言，在一些實施方案中，諸如GPU、虛擬實境引擎3026及應用程式（例如，追蹤應用程式）之一些組件或模組可實施於控制台上，該控制台與頭戴式顯示器裝置分離。在一些實施中，一個控制台可連接至或支援多於一個HMD。
在替代配置中，不同及/或額外組件可包含於電子系統3000中。類似地，所述組件中之一或多者的功能性可以不同於上文所描述之方式的方式分佈於所述組件當中。舉例而言，在一些實施例中，電子系統3000可經修改以包含其他系統環境，諸如AR系統環境及/或MR環境。
上文所論述之方法、系統及裝置為範例。在適當時，各種實施例可省略、取代或添加各種過程或組件。舉例而言，在替代配置中，可按不同於所描述次序之次序來執行所描述之方法，且/或可添加、省略及/或組合各種階段。又，在各種其他實施例中可組合關於某些實施例所描述之特徵。可以類似方式組合實施例之不同態樣及元件。此外又，技術在發展中，且因此許多元件為範例，所述範例並不將本發明之範圍限制於彼等特定範例。
在描述中給出特定細節從而提供對實施例之透徹理解。然而，可在沒有所述特定細節之情況下實踐實施例。舉例而言，已在無不必要細節的情況下顯示熟知的電路、過程、系統、結構及技術，以便避免混淆實施例。本說明書僅提供範例性實施例，且並不意欲限制本發明之範圍、適用性或配置。實情為，實施例之先前描述將為所屬技術領域中具有通常知識者提供用於能夠實施各種實施例之啟發性描述。可在不脫離本發明之精神及範圍的情況下對元件之功能及配置作出各種改變。
而且又，將一些實施例描述為描繪為流程圖或方塊圖之過程。儘管各者可將操作描述為依序過程，但操作中之許多者可並行地或同時進行。另外，可重新安排操作之次序。過程可具有未包含於圖式中之額外步驟。此外，可由硬體、軟體、韌體、中介軟體、微編碼、硬體描述語言或其組合實施方法之實施例。當以軟體、韌體、中介軟體中間軟體或微編碼來實施時，用以執行相關聯任務之程式碼或碼段可儲存於諸如儲存媒介介之電腦可讀媒介中。處理器可進行相關聯任務。
所屬技術領域中具有通常知識者將顯而易見，可根據特定要求作出實質變化。舉例而言，亦可使用客製或專用硬體，及/或可用硬體、軟體（包含攜帶型軟體，諸如小應用程式等）或或兩者來實施特定元件。此外，可採用連接至其他計算裝置（諸如網路輸入/輸出裝置）之連接。
參考隨附圖式，可包含記憶體之組件可包含非暫存性機器可讀媒體。術語「機器可讀取媒體」及「電腦可讀取媒體」可指參與提供使機器以特定方式操作之資料的儲存媒體。在上文所提供之實施例中，各種機器可讀取媒體可能涉及將指令/程式碼提供至處理單元及/或其他裝置以供執行。另外或可替代地，機器可讀媒體可用以儲存及/或攜載所述指令/程式碼。在許多實施方式中，電腦可讀取媒體為實體及/或有形儲存媒體。此媒體可呈許多形式，包含但不限於非揮發性媒體、揮發性媒體及傳輸媒體。電腦可讀取媒體之常見形式包含例如磁性及/或光學媒體，諸如光碟（compact disk；CD）或數位多功能光碟（digital versatile disk；DVD）；打孔卡；紙帶；具有孔圖案之其他實體媒體；RAM；可程式化唯讀記憶體（programmable read-only memory；PROM）；可抹除可程式化唯讀記憶體（erasable programmable read-only memory；EPROM）；快閃電子抹除式可程式化唯讀記憶體（FLASH-EPROM）；其他記憶體晶片或卡匣；如下文中所描述之載波；或可供電腦讀取指令及/或程式碼之其他媒體。電腦程式產品可包含程式碼及/或機器可執行指令，所述程式碼及/或機器可執行指令可表示程序、函式、子程式、程式、常式、應用程式（App）、次常式、模組、套裝軟體、分類，或指令、資料結構或程式敘述之組合。
所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，可使用多種不同技藝及技術來表示用於傳達本文中所描述之訊息的資訊及訊號。舉例而言，可由電壓、電流、電磁波、磁場或磁粒子、光場或光粒子或其組合表示以上通篇描述可能參考的資料、指令、命令、資訊、訊號、位元、標記及碼片。
如本文中所使用，術語「及」及「或」可包含多種含義，所述含義亦預期至少部分地取決於使用此類術語之上下文。通常，「或」若用以關聯清單，諸如A、B或C，則意欲意謂A、B及C（此處以開放式意義使用），以及A、B或C（此處以封閉式意義使用）。此外，如本文中所使用之術語「一或多個」可用於以單數形式描述特徵、結構或特性，或可用以描述特徵、結構或特性之某一組合。然而，應注意，此僅為一說明性範例且所主張之主題不限於此範例。此外，術語「中之至少一者」若用於關聯清單，諸如A、B或C，則可解譯為意謂A、B及/或C之組合，諸如A、AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等。
另外，雖然已使用硬體與軟體之特定組合描述了某些實施例，但應認識到，硬體與軟體之其他組合亦為可能的。可僅在硬體中或僅在軟體中或使用其組合來實施某些實施例。在一個範例中，可藉由電腦程式產品來實施軟體，該電腦程式產品含有電腦程式碼或指令，所述電腦程式碼或指令可由一或多個處理器執行以用於進行本發明中所描述之步驟、操作或過程中之任一者或全部，其中電腦程式可儲存於非暫存性電腦可讀媒體上。本文所描述之各種過程可以任何組合實施於相同處理器或不同處理器上。
在裝置、系統、組件或模組經描述為經配置以進行某些操作或功能之情況下，可例如藉由設計電子電路以執行操作、藉由程式化可程式化電子電路（諸如，微處理器）以進行操作（諸如，藉由執行電腦指令、電腦編碼、處理器、被程式化而執行儲存於一非暫存記憶媒體的編碼或指令的核心或上述之結合）或其組合而實現此配置。程序可使用多種技術進行通信，包含但不限於用於交叉處理溝通之習知技術，且不同對過程可使用不同技術，或同一對過程可在不同時間使用不同技術。
因此，應在說明性意義上而非限定性意義上看待說明書及圖式。然而，將顯而易見的是，可在不脫離如申請專利範圍中所闡述的更廣泛精神及範疇之情況下對本發明進行添加、減去、刪除以及其他修改及改變。因此，儘管已描述了特定實施例，但所述實施例並不意欲為限制性的。各種修改及等效者落入以下申請專利範圍之範圍內。
已出於說明之目的呈現本發明之實施例的前述描述；其並不意欲為窮舉的或將本發明限制於所揭示之精確形式。所屬技術領域中具有通常知識者能夠瞭解，根據以上揭示內容，許多修改及變化為可能的。
本說明書之一些部分按關於資訊的操作之演算法及符號表示來描述本發明之實施例。資料處理領域中具有通常知識者常用所述演算法描述及表示來將其工作之實質有效地傳達給其他所屬領域中具有通常知識者。雖然在功能上、計算上或邏輯上描述所述操作，但所述操作應理解為由電腦程式或等效電路、微編碼或類似者來實施。此外，在不失一般性的情況下，將所述操作安排稱為模組，有時亦證明為方便的。所描述操作及其相關模組可用軟體、韌體及/或硬體實施。
所描述步驟、操作或過程可單獨地或與其他裝置組合地藉由一或多個硬體或軟體模組來進行或實施。在一些實施例中，軟體模組以包括電腦可讀取媒介之電腦程式產品實施，電腦可讀取媒介含有能由電腦處理器執行以用於進行所描述之步驟、操作或過程之一些或全部的電腦程式碼。
本發明的實施例亦可關於用於進行所描述之操作的設備。設備可經特別建構以用於所需目的，且/或其可包括由儲存於電腦中之電腦程式選擇性地啟動或重新配置之通用計算裝置。此電腦程式可儲存於非暫存性有形電腦可讀取儲存媒介或適合於儲存電子指令之類型之媒體中，該或所述媒體可耦合至電腦系統匯流排。此外，在本說明書中提及之計算系統可包含單個處理器，或可為採用多個處理器設計以用於提高計算能力之架構。
本發明之實施例亦可關於由本文中所描述的計算過程生成之產品。此產品可包括由計算過程導攻之資訊，其中資訊儲存於非暫存性有形電腦可讀取儲存媒介上，且可包含本文中所描述之電腦程式產品或其他資料組合之實施例。
用於本說明書中之語言主要出於可讀性及指導性之目的而加以選擇，且其可能尚未經選擇以劃定或限定本發明主題。因此，意欲本發明之範疇不受此詳細描述限制，而實際上由關於基於此處之應用作為論點的申請專利範圍限制。因此，實施例之揭示內容意欲說明而非限制在以下申請專利範圍中所闡述之本發明的範疇。
100:近眼顯示器 105:框架 110:顯示器 130:照明器 140:攝像機 150:感測器 150-a:感測器 150-b:感測器 150-c:感測器 150-d:感測器 150-e:感測器 200:截面 210:波導顯示器組合件 220:眼睛 230:出射光瞳 300:波導顯示器 310:源組合件 315:輸入影像光 320:輸出波導 330:控制器 340:擴展影像光 350:耦合元件 360:引導元件 365:解耦元件 370-1:第一側 370-2:第二側 400:截面 410:源 415:光學系統 500:人工實境系統環境 510:控制台 512:應用程式商店 514:耳機追蹤模組 516:人工實境引擎 518:眼睛追蹤模組 520:近眼顯示器系統 522:顯示電子件 524:顯示光學件 526:定位器 528:位置感測器 530:眼睛追蹤系統 532:IMU 540:輸入/輸出介面 550:成像裝置 600:圖案 604:設計 608:第一維度 612:第二維度 804:亮點線 806:影像光 808:波導 810:內耦合光柵 812:輸出光柵 816:視窗區 900:光柵 904:基板 908:裝置層 912:光 916:透射通道 920:折射通道 924:繞射通道 1000:圖案/設計 1004:設計 1008:第一維度 1012:第二維度 1200:二維圖案 1500:二維圖案 1900:二維圖案 2200:初始介電係數分佈 2500:第一二維圖案 2600:第二二維圖案 2900:過程 2904:步驟 2908:步驟 2912:步驟 3000:電子系統 3010:處理器 3020:記憶體 3022:應用程式模組 3024:應用程式模組 3025:作業系統 3026:虛擬實境引擎 3030:無線通信子系統 3032:鏈路 3034:天線 3040:匯流排 3050:攝像機 3060:顯示模組 3070:使用者輸入/輸出模組 3080:其他硬體模組 3090:感測器 a 1:第一寬度 a 2:第二寬度
本專利案或申請案文件含有至少一張彩製圖式。在申請且支付必要費用後，智財局將提供附有彩圖之此專利或專利申請公開案之複本。 參考以下諸圖描述說明性實施例。 [圖1]為呈一副眼鏡之形式的近眼顯示器系統之實施例之立體圖。 [圖2]為近眼顯示器之截面之實施例。 [圖3]繪示具有單個源組合件之波導顯示器之實施例的等角視圖。 [圖4]繪示波導顯示器之實施例之截面。 [圖5]為包含近眼顯示器系統之人工實境系統環境之實施例的簡化方塊圖。 [圖6]為用於光柵之二維圖案之實施例，其中二維圖案未經校正以抑制(1, 1)反射繞射階。 [圖7]描繪用於圖6中之二維圖案之實施例的模擬繞射及透射繪圖。 [圖8]為描繪由(1, 1)階繞射引起之亮點線的草圖。 [圖9]描繪透射及繞射光之光柵之實施例。[圖10]描繪兩個維度中之週期性圖案之實施例。 [圖11]顯示圖10中之週期性圖案之傅立葉係數的繪圖。 [圖12]為用於光柵之二維圖案之實施例，其中二維圖案經校正以抑制(1, 1)繞射階。 [圖13]描繪用於圖12中之光柵之實施例的模擬繞射繪圖。 [圖14]描繪用於圖12中之光柵之實施例的重新按比例調整的模擬繞射繪圖。 [圖15]為用於光柵之二維圖案之另一實施例，其中二維圖案經校正以抑制(1, 1)階繞射。 [圖16]描繪傅立葉係數之振幅之圖表。 [圖17]描繪用於圖15中之光柵之實施例的重新按比例調整的模擬繞射繪圖。 [圖18]描繪用於圖15中之光柵之實施例的重新按比例調整的模擬繞射繪圖。 [圖19]為用於光柵之二維圖案之實施例，其中二元圖案經二維圖案化。 [圖20]描繪用於圖19中之光柵之實施例的模擬繞射繪圖。 [圖21]描繪用於圖19中之光柵之實施例的重新按比例調整的模擬繞射繪圖。 [圖22]為初始介電係數分佈之實施例。 [圖23]為最佳化傅立葉係數之圖表。 [圖24]描繪用於二維圖案之傅立葉係數之振幅的圖表。 [圖25]為用於光柵之第一層之二維圖案的實施例。 [圖26]為用於光柵之第二層之二維圖案的實施例。 [圖27]描繪用於多層光柵之實施例之模擬繞射繪圖。 [圖28]描繪用於多層光柵之實施例之重新按比例調整的模擬繞射繪圖。[圖29]繪示用於在二維光柵中形成圖案之過程之流程圖的實施例。 [圖30]為根據某些實施例的用於實施本文中所揭示之範例中之一些的近眼顯示器系統（例如，HMD裝置）之電子系統之範例的簡化方塊圖。
諸圖僅出於說明的目的描繪本發明之實施例。所屬技術領域中具有通常知識者將易於自以下描述認識到，在不脫離本發明之原理或稱讚之益處之情況下，可採用說明的結構及方法之替代性實施例。
在隨附諸圖中，類似組件及/或特徵可具有相同參考符號。此外，可藉由在參考符號之後使用短劃線及在類似組件當中進行區分之第二符號來區分相同類型之各種組件。若在說明書中僅使用第一參考符號，則描述適用於具有相同第一參考符號而與第二參考符號無關的類似組件中之任一者。
220:眼睛
300:波導顯示器
310:源組合件
315:輸入影像光
320:輸出波導
330:控制器
340:擴展影像光
350:耦合元件
360:引導元件
365:解耦元件
370-1:第一側
370-2:第二側

Claims (20)

  1. 一種用於頭戴式顯示器之系統，該系統包括： 投影器，其配置以發射光； 波導，其配置以引導自該投影器接收到之光； 光柵，其配置以將光耦合至該波導之外，其中： 該光柵包括具有不同折射率之兩種或更多種材料的設計； 該設計在第一維度中週期性重複且在第二維度中週期性重複，以形成二維圖案； 該二維圖案之折射率藉由包括階(1, 0)一第一係數、階(0, 1)之第二係數及階(1, 1)之第三係數的二維傅立葉級數而近似；且 該第三係數小於該第一係數之一半且小於該第二係數之一半，使得來自該光柵之(1, 1)繞射階的光受抑制。
  2. 如請求項1之系統，其中該第三係數小於該第一係數之五分之一且小於該第二係數之五分之一。
  3. 如請求項1之系統，其中該設計在空間上為非對稱。
  4. 如請求項1之系統，其中該兩種或更多種材料具有介於4至7範圍內之介電係數。
  5. 如請求項1之系統，其中該設計形成於具有等於或小於300 nm之厚度的層中。
  6. 如請求項1之系統，其中： 該光柵包括基板及裝置層；且 該二維圖案形成於該裝置層中。
  7. 如請求項1之系統，其中該兩種或更多種材料之不同折射率為二元差。
  8. 如請求項1之系統，其中該兩種或更多種材料中之至少一者具有變化的折射率。
  9. 如請求項1之系統，其中： 該二維傅立葉級數包括階(2, 1)之第四係數；且 該第三係數小於該第四係數之一半。
  10. 如請求項1之系統，其中： 該二維圖案為第一二維圖案； 該二維傅立葉級數為第一二維傅立葉級數； 該第一二維圖案形成於第一層中； 該光柵包括形成於第二層中之第二二維圖案； 該第二二維圖案藉由第二二維傅立葉級數近似；且 該第二二維傅立葉級數之對應於(1, 1)繞射階之係數小於該第二二維傅立葉級數之對應於(1, 0)繞射階之係數的一半，且小於該第二二維傅立葉級數之對應於(0, 1)繞射階之係數的一半。
  11. 如請求項10之系統，其中： 該第一層鄰近於該第二層；且 該第一層與該第二層之組合厚度等於或小於300 nm。
  12. 一種方法，其包括： 選擇初始介電係數分佈，其中該初始介電係數分佈包括在兩個維度中週期性重複之兩個或更多個折射率值之設計； 計算傅立葉係數以近似該初始介電係數分佈； 使幾何參數變化以減小指定傅立葉係數來產生二維圖案；以及 在晶圓之裝置層中形成該二維圖案以在該裝置層中形成光柵。
  13. 如請求項12之方法，其中該指定傅立葉係數與該光柵之(1, 1)階對應。
  14. 如請求項13之方法，其中該指定傅立葉係數小於對應於(1, 0)階之係數的一半且小於對應於(0, 1)階之係數的一半。
  15. 如請求項12之方法，其中該兩個或更多個折射率值為二元值。
  16. 如請求項12之方法，其中該設計形成於具有等於或小於300 nm之厚度的層中。
  17. 一種光柵，其包括： 基板；及 裝置層，其中： 該裝置層包括具有不同折射率之兩種或更多種材料的設計； 該設計在第一維度中週期性重複且在第二維度中週期性重複，以形成二維圖案； 該二維圖案之折射率藉由包括階(0, 1)之第一係數、階(1, 1)之第二係數及階(2, 1)之第三係數的二維傅立葉級數而近似；且 該第二係數小於該第一係數之一半且小於該第三係數之一半。
  18. 如請求項17之光柵，其中該光柵為擴增實境系統之頭戴式顯示器之部分。
  19. 如請求項17之光柵，其中該設計形成於具有等於或小於300 nm之厚度的層中。
  20. 如請求項17之光柵，其中該兩種或更多種材料之不同折射率為二元差。
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