CN112088332A - 包含双折射控制的全息波导及用于它们的制造的方法 - Google Patents

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M·M·波波维奇
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Abstract

根据本发明的许多实施例针对实现双折射控制的波导。在一些实施例中，波导包括双折射光栅层和双折射控制层。在进一步的实施例中，双折射控制层是紧凑且高效的。这样的结构可以被用于各种应用，包括但不限于：补偿全息波导中的偏振相关损耗；提供在基于布拉格光栅的波导中的三维LC指向矢排列；以及空间地改变角度/频谱带宽用于均化来自波导的输出。在一些实施例中，针对光栅双折射，实现了具有偏振补偿的偏振保持、广角和高反射波导包层。在若干个实施例中，实现了薄偏振控制层用于提供四分之一波或半波延迟。

Description

包含双折射控制的全息波导及用于它们的制造的方法
技术领域
本公开涉及光波导，并且更具体地，涉及使用双折射光栅的波导显示器。
背景技术
波导可以被称为具有约束和引导波的能力(即，限制波可以在其中传播的空间区域)的结构。一个子类包括作为可以引导电磁波(通常是可见频谱中的电磁波)的结构的光波导。波导结构可以被设计为使用多种不同的机制来控制波的传播路径。例如，平面波导可以被设计为利用衍射光栅来衍射入射光并将入射光耦合到波导结构中，使得耦合入的(in-coupled)光可以经由全内反射(“TIR”)继续在平面结构内行进。
波导的制造可以包括使用允许在波导内记录全息光学元件的材料***。一类这样的材料包括聚合物分散的液晶(“PDLC”)混合物，该PDLC混合物是包含光聚合性单体和液晶的混合物。其它子类的这样的混合物包括全息聚合物分散的液晶(“HPDLC”)混合物。通过用两个相互相干的激光束照射材料，可以将诸如体相位光栅之类的全息光学元件记录在这样的液体混合物中。在记录过程期间，单体聚合并且混合物经历光聚合诱导的相分离，从而产生散布着透明聚合物区域的由液晶微滴密集填充的区域。交替的富液晶区域和贫液晶区域形成了光栅的条纹平面。
诸如上述波导光学器件之类的波导光学器件可以被考虑用于一系列显示器和传感器应用。在许多应用中，可以使用各种波导架构和材料***来实现包含编码多种光学功能的一个或更多个光栅层的波导，从而使得能够在用于增强现实(“AR”)和虚拟现实(“VR”)的近眼显示器、用于航空和陆路运输的紧凑型抬头显示器(“HUD”)和用于生物计量和激光雷达(“LIDAR”)应用的传感器中有新的创新。
发明内容
以下，下面是关于用于显示信息的创新的光学显示器和方法的各种构思及其实施例的更详细描述。应当理解的是，可以以众多方式中的任何方式来实现上面介绍的和下面将更详细讨论的各种构思，因为所公开的构思不限于任何特定的实现方式。主要出于说明性目的提供了具体实现方式和应用的示例。通过考虑下面结合附图进行的详细描述，可以获得对本发明的更完整理解，其中类似的附图标记指示类似的部件。出于清楚的目的，并未详细描述与本发明相关的技术领域中已知的技术材料相关的细节。
一个实施例包括一种波导，所述波导包括：至少一个波导基板，至少一个双折射光栅；至少一个双折射控制层，用于输出光的光源，用于将所述光引导到所述波导内的全内反射路径中的输入耦合器，以及用于从所述波导提取光的输出耦合器，其中，所述光与所述双折射控制层和所述双折射光栅的相互作用提供了从所述波导提取的光的预定义特性。
在另一实施例中，所述光与所述双折射控制层的相互作用提供了以下中的至少一个：角度或频谱带宽变化，偏振旋转，双折射变化，波束传输或偏振旋转中的至少一个的角度或频谱依赖性，以及在所述波导基板的平面中的至少一个方向上的光传输变化。
在进一步的实施例中，所述预定义特性跨所述波导变化。
在又一实施例中，所述预定义特性是由于所述光与所述双折射控制层和所述双折射光栅的的相互作用沿着所述波导内的至少一个光传播方向的累积效应而造成的。
在又进一步的实施例中，所述预定义特性包括以下中的至少一个：在所述光的角度范围内的均匀照明和均匀偏振。
在再一实施例中，所述双折射控制层提供了沿着所述波导内的至少一个光传播方向的对由所述双折射光栅引入的偏振旋转的补偿。
在再进一步的实施例中，所述双折射控制层是液晶和聚合物材料***。
在另一附加的实施例中，所述双折射控制层是使用定向紫外辐射排列的液晶和聚合物***。
在进一步附加的实施例中，所述双折射控制层是通过以下中的至少一种排列的：电磁辐射，电场或磁场，机械力，化学反应，以及热暴露。
在再另一实施例中，所述双折射控制层影响在液晶和聚合物***中形成的双折射光栅中的LC指向矢的排列。
在再进一步的实施例中，所述双折射控制层具有各向异性折射率。
在又再另一实施例中，所述双折射控制层被形成在所述波导的至少一个内部光学表面或外部光学表面上。
在又再进一步的实施例中，所述双折射控制层包括设置在所述波导的至少一个光学表面上的折射率层的至少一个堆叠，其中，折射率层的堆叠中的至少一层具有各向同性折射率，以及折射率层的堆叠中的至少一层具有各向异性折射率。
在又另一附加的实施例中，所述双折射控制层提供高反射层。
在又进一步的附加实施例中，所述双折射控制层提供光功率。
在再又另一实施例中，所述双折射控制层提供用于所述波导的环境隔离层。
在再又进一步的实施例中，所述双折射控制层具有梯度折射率结构。
在再另一附加的实施例中，所述双折射控制层是通过拉伸光学材料层以空间地改变其在所述波导基板的平面中的折射率而形成的。
在再进一步附加的实施例中，所述光源提供在角度空间中的准直光。
在再再另一实施例中，所述输入耦合器和所述输出耦合器中的至少一个包括双折射光栅。
在再再进一步的实施例中，所述双折射光栅被记录在包括至少一种聚合物和至少一种液晶的材料***中。
在再另一附加的实施例中，所述至少一个双折射光栅包括用于提供以下功能中的至少一种的至少一个双折射光栅：在第一方向上的波束扩展，在第二方向上的波束扩展和从所述波导提取光，以及将来自源的光耦合到所述波导中的全内反射路径中。
在再进一步附加的实施例中，所述光源包括激光器，并且所述双折射光栅中的LC指向矢的排列空间地变化，以补偿照明条带。
再又另一附加的实施例包括一种制造波导的方法，所述方法包括提供第一透明基板，沉积光栅记录材料层，曝光所述光栅记录材料层，以形成光栅层，形成双折射控制层，以及施用第二透明基板。
在又再进一步附加的实施例中，所述光栅记录材料层被沉积到所述基板上，所述双折射控制层被形成在所述光栅层上，以及所述第二透明基板被施用到所述双折射控制层上方。
在再再另一附加的实施例中，所述光栅记录材料层被沉积到所述基板上，所述第二透明基板被施用到所述光栅层上方，以及所述双折射控制层被形成在所述第二透明基板上。
在再再进一步附加的实施例中，所述双折射控制层被形成在所述第一透明基板上，所述光栅记录材料层被沉积到所述双折射控制层上，以及所述第二透明基板被施用到所述光栅层上方。
在再又进一步的实施例中，所述方法还包括沉积液晶聚合物材料层，以及使用定向UV光排列液晶聚合物材料，其中所述光栅记录材料层被沉积到所述基板上，以及所述第二透明基板被施用到排列的液晶聚合物层上方。
在再又再另一附加的实施例中，所述液晶聚合物材料层被沉积到所述光栅层或所述第二透明基板中的一个上。
在再又另一附加的实施例中，所述液晶聚合物材料层被沉积到所述第一透明基板上，所述光栅记录材料层被沉积到排列的液晶聚合物材料上，以及所述第二透明基板被施用到所述光栅层上方。
附加的实施例和特征在随后的描述中部分阐述，并且对于本领域的技术人员而言在审阅了说明书后将部分变得清楚，或者可以通过本发明的实践而习得。通过参考形成这个公开的一部分的说明书和附图的其余部分可以实现对本发明的性质和优点的进一步理解。
附图说明
通过参考下面的当结合随附数据和附图考虑时的详细描述，将更好地理解本发明的这些和其它特征和优点，其中：
图1概念性地图示了根据本发明的实施例的包含双折射光栅和双折射控制层的波导的示意性截面视图。
图2概念性地图示了根据本发明的一些实施例的包含用于补偿光栅双折射的双折射控制层和双折射光栅的波导的示意性截面视图。
图3概念性地图示了根据本发明的实施例的包含用于从波导提供均匀输出照明的双折射控制层和双折射光栅的波导的示意性截面视图。
图4概念性地图示了根据本发明的实施例的通过组合各向同性折射率层和各向异性折射率层的多层结构而形成的双折射控制层的示意性截面视图。
图5概念性地图示了根据本发明的实施例的通过组合与双折射光栅层集成的各向同性折射率层和各向异性折射率层的多层结构而形成的双折射控制层的示意性截面视图。
图6概念性地图示了根据本发明的实施例的具有双折射控制层的双扩展波导的平面图。
图7概念性地图示了根据本发明的实施例的包含用于校正因来自波导的输出光路径中的光学元件引入的双折射的双折射控制层和双折射光栅的波导的示意性截面视图。
图8概念性地图示了根据本发明的实施例的用于通过向双折射控制层的边缘施加力来排列该层的设备的示意性平面图。
图9A-图9F概念性地图示了根据本发明的各种实施例的用于制造包含双折射光栅和双折射控制层的波导的工艺步骤和设备。
图10A-图10F概念性地图示了根据本发明的各种实施例的用于制造包含施用于波导外表面的双折射控制层与双折射光栅的波导的工艺步骤和设备。
图11A-图11F概念性地图示了根据本发明的各种实施例的用于制造包含双折射光栅和双折射控制层的波导的工艺步骤和设备。
图12概念性地图示了根据本发明的实施例的示出制造包含双折射光栅和双折射控制层的波导的方法的流程图。
图13概念性地图示了根据本发明的实施例的示出制造包含施用于波导外表面的双折射控制层和双折射光栅的波导的方法的流程图。
图14概念性地图示了根据本发明的实施例的示出制造包含双折射光栅和双折射控制层的波导的方法的流程图，其中，在记录光栅层之前执行形成双折射控制层。
图15概念性地图示了根据本发明的实施例的具有在波导到空气界面处施用的双折射控制层的波导的示意性侧视图。
图16概念性地图示了根据本发明的实施例的具有施用于波导到空气界面的将波导与其环境隔离的双折射控制层的波导的示意性侧视图。
图17概念性地图示了根据本发明的实施例的用于制造包含覆盖在双折射控制层上的双折射光栅层的结构的设备的示意性侧视图，其中，光栅记录波束传播通过双折射控制层。
图18概念性地图示了根据本发明的实施例的用于制造包含覆盖在双折射光栅层上的双折射控制层的结构的设备的示意性侧视图，其中，通过传播通过光栅的UV辐射来排列双折射控制层。
图19概念性地图示了包含夹有光栅层的基板的波导的截面。
图20概念性地图示了根据本发明的实施例的***有四分之一波偏振层的波导。
图21概念性地图示了根据本发明的实施例的示出波导的说明了具有RKV光栅的四分之一波偏振层的使用的一部分的示意性截面视图。
图22概念性地图示了根据本发明的实施例的包含被折射率匹配油层分隔开的LCP四分之一波单元和反应性单体液晶混合物(RMLCM)单元的偏振层架构。
图23概念性地图示了根据本发明的实施例的基于具有与裸LCP膜直接接触的RMLCM光栅材料层的光栅单元的偏振架构的示例。
图24概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性地示出其中裸LCP层被结合到裸RMLCM层的偏振层架构的示例的截面视图。
图25概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性地示出使用RMLCM层作为偏振层的偏振层架构的示例的截面视图。
图26概念性地图示了根据本发明的实施例的包括用于补偿由双折射光栅引入的偏振旋转的特征的偏振层架构的示例。
图27概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性地示出包含图26的实施例的特征的波导显示器的平面图。
图28和图29概念性地图示了根据本发明的各种实施例的示意性地示出包含上基板、具有硬包封层的LCP层、RMLCM层和下基板的偏振层架构的示例的截面视图。
图30概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性地示出两区域聚合物膜的第一示例的平面图。
图31概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性地示出两区域聚合物膜的第二示例的平面图。
图32概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性地示出两区域聚合物膜的第三示例的平面图。
图33概念性地图示了根据本发明的实施例的示出透明孔径布局的图。
图34概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性地示出包含包括了针对每个光栅的K矢量和排列层快轴方向的输出光栅、转折光栅和输入光栅的波导的平面图。
具体实施方式
为了描述实施例的目的，已省略或简化了光学设计和视觉显示器领域中的技术人员已知的光学技术的一些众所周知的特征，以免模糊本发明的基本原理。除非另有陈述，否则关于光线或波束方向的术语“同轴(on-axis)”是指与垂直于关于本发明所描述的光学部件的表面的轴平行的传播。在下面的描述中，术语光、光线、波束和方向可以被互换地使用并且彼此关联，以指示电磁辐射的沿着直线轨道的传播方向。可以关于电磁频谱的可见波段和红外波段使用术语光和照明。将使用光学设计领域的技术人员通常采用的术语来呈现下面描述中的部分。在下面的描述中，术语光栅可以被用于指示在波导中使用的任何种类的衍射结构，包括全息图和布拉格(Bragg)或体积全息图。术语光栅还可以涵盖包括光栅组的光栅。例如，在一些实施例中，输入光栅和输出光栅各自包括多路复用在单个层中的两个或更多个光栅。出于说明的目的，要理解的是，除非另外说明，否则附图不是按比例绘制的。
一般地参照附图，图示了根据本发明的各种实施例的与包含双折射控制的波导应用相关的***和方法。双折射是具有取决于光的偏振和传播方向的折射率的材料的光学特性。双折射光栅可以被称为具有这样的特性的光栅。在许多情况下，双折射光栅形成在诸如但不限于HPDLC混合物之类的液晶聚合物材料***中。这样的光栅的偏振特性可以取决于平均相对介电常数和相对介电常数调制张量。
根据本发明的许多实施例针对实现双折射控制的波导。在一些实施例中，波导包括双折射光栅层和双折射控制层。在进一步的实施例中，双折射控制层是紧凑且高效的。这样的结构可以被用于各种应用，包括但不限于：补偿全息波导中的偏振相关损耗；提供在基于布拉格光栅的波导中的三维LC指向矢排列；以及空间地改变角度/频谱带宽用于均化来自波导的输出。在一些实施例中，针对光栅双折射，实现了具有偏振补偿的偏振保持、广角和高反射波导包层。在若干个实施例中，实现了薄偏振控制层用于提供四分之一波或半波延迟。在多个实施例中，实现了偏振保持、广角双折射控制层，用于修改波导的偏振输出以平衡与波导一起使用的外部光学元件的双折射。
在许多实施例中，波导包括至少一个输入光栅和至少一个输出光栅。在进一步的实施例中，波导可以包括用于各种目的的附加光栅，诸如但不限于用于波束扩展的转折光栅之类。输入光栅和输出光栅可以各自包括多路复用光栅。在一些实施例中，输入光栅和输出光栅可以各自包括两个重叠的光栅层，这两个重叠的光栅层接触或通过一个或更多个薄光学基板垂直地分隔。在一些实施例中，光栅层被夹在玻璃或塑料基板之间。在一些实施例中，两个或更多个这样的光栅层可以形成堆叠，在该堆叠内在外部基板和空气界面处发生全内反射。在一些实施例中，波导可以包括仅一个光栅层。在一些实施例中，可以将电极施用于基板的面，以在衍射状态和透明状态之间切换光栅。堆叠还可以包括诸如分束涂层和环境保护层之类的附加层。附图中所示的输入光栅和输出光栅可以由任何上述光栅配置来提供。有利地，输入光栅和输出光栅可以被设计为具有共同的表面光栅栅距。在波导还包含除了输入光栅和输出光栅之外的(一个或多个)光栅的情况下，光栅可以被设计为具有使得光栅矢量的矢量和基本上为零的光栅栅距。输入光栅可以组合被定向为使得每个光栅将入射的非偏振光的偏振衍射到波导路径中的光栅。输出光栅可以被以类似的方式配置，使得来自波导路径的光被组合并作为非偏振光耦合出波导。每个光栅以在3D空间中的至少一个光栅矢量(或K矢量)为特征，在布拉格光栅的情况下，该光栅矢量被定义为与布拉格条纹垂直的矢量。光栅矢量可以确定针对给定范围的输入角和衍射角的光学效率。在一些实施例中，波导包括至少一个表面形貌光栅。下面进一步详细地讨论波导光栅结构、材料***和双折射控制。
可开关布拉格光栅
记录在波导中的光学结构可以包括诸如但不限于衍射光栅之类的许多不同类型的光学元件。在许多实施例中，所实现的光栅是布拉格光栅(也被称为体积光栅)。布拉格光栅可以具有高的效率，而几乎没有光被衍射到更高阶中。可以通过控制光栅的折射率调制来改变被衍射阶和零阶中的光的相对量，光栅的折射率调制这个特性可以被用于制成用于在大光瞳内提取光的损耗波导光栅。全息波导器件中所使用的一类光栅是可开关布拉格光栅(“SBG”)。可以通过首先在玻璃板或基板之间放置可光聚合单体与液晶材料的混合物的薄膜来制造SBG。在许多情况下，玻璃板处于平行配置中。一个或两个玻璃板可以支撑电极(通常是透明的锡氧化物膜)，用于在膜上施加电场。SBG中的光栅结构可以通过使用具有空间周期强度调制的干涉曝光进行的光聚合引发的相分离而记录在液体材料(通常称为浆料(syrup))中。诸如但不限于控制辐射强度、混合物中材料的组分体积分数以及曝光温度之类的因素可以确定所得的光栅形态和性能。如可以容易理解的，取决于给定应用的具体要求，可以使用多种多样的材料和混合物。在许多实施例中，使用HPDLC材料。在记录工艺期间，单体聚合并且混合物经历相分离。LC分子聚集以形成离散或聚结的液滴，这些液滴在光学波长的尺度上周期性分布在聚合物网络中。交替的富液晶区域和贫液晶区域形成了光栅的条纹平面，该光栅的条纹平面可以产生具有由于液滴中LC分子的取向排序而造成的强光学偏振的布拉格衍射。
所得的体积相位光栅可以表现出非常高的衍射效率，可以通过在膜上施加的电场的大小来控制该衍射效率。当经由透明电极向光栅施加电场时，LC液滴的自然取向可以改变，从而造成条纹的折射率调制降低，并且全息衍射效率下降至非常低的水平。通常，电极被配置为使得所施加的电场将垂直于基板。在多个实施例中，电极由铟锡氧化物(“ITO”)制造。在没有施加电场的OFF(关闭)状态下，液晶的非寻常轴(extraordinary axis)大体上垂直于条纹排列。因而光栅针对P偏振光表现出高折射率调制和高衍射效率。当向HPDLC施加电场时，光栅切换到其中液晶分子的非寻常轴平行于所施加的电场并因此垂直于基板排列的ON(开启)状态。在ON状态下，光栅表现出针对S偏振光和P偏振光二者的较低的折射率调制和较低的衍射效率。因而光栅区域不再衍射光。根据HPDLC器件的功能，每个光栅区域可以被划分成多个光栅元件，诸如例如像素矩阵之类的。通常，一个基板表面上的电极是均匀且连续的，而相对的基板表面上的电极是根据多个可选择性可开关的光栅元件而图案化的。
透射SBG的已知属性之一是LC分子倾向于与垂直于光栅条纹平面(即，平行于光栅或K矢量)的平均方向排列。LC分子排列的效果是，透射SBG高效地衍射P偏振光(即，具有在入射平面中的偏振矢量的光)，但是对于S偏振光(即，具有垂直于入射平面的偏振矢量的光)具有几乎为零的衍射效率。作为结果，当入射光与反射光之间的夹角小时，透射SBG通常不能用在接近掠入射处，因为针对P偏振的任何光栅的衍射效率都下降至零。此外，在仅对一种偏振敏感的全息显示器中，具有不匹配的偏振的照明光未被高效地捕获。
HPDLC材料***
根据本发明的各种实施例的HPDLC混合物通常包括LC、单体、光引发剂染料和共引发剂。混合物(通常被称为浆料)经常还包括表面活性剂。出于描述本发明的目的，表面活性剂被定义为降低总液体混合物的表面张力的任何化学试剂。在HPDLC混合物中使用表面活性剂是已知的，并且追溯到对HPDLC的最早研究。例如，R.L.Sutherland等人的SPIE，卷2689，158-169，1996的论文描述了可向其添加表面活性剂的包括单体、光引发剂、共引发剂、扩链剂以及LC的PDLC混合物，该论文的公开内容通过引用并入本文。在Natarajan等人的Journal of Nonlinear Optical Physics and Materials，卷5，No.Ⅰ89-98，1996的论文中也提到了表面活性剂，该论文的公开内容通过引用并入本文。此外，Sutherland等人的美国专利No.7,018,563讨论了用于形成聚合物分散的液晶光学元件的聚合物分散的液晶材料，该聚合物分散的液晶材料包括：至少一种丙烯酸单体；至少一种类型的液晶材料；光引发剂染料；共引发剂以及表面活性剂。美国专利No.7,018,563的公开内容通过引用整体合并于此。
专利和科学文献包含可以用于制造SBG的材料***和工艺的许多示例，包括对配制这样的材料***用于实现高衍射效率、快速响应时间、低驱动电压等等的研究。Sutherland的美国专利No.5,942,157和Tanaka等人的美国专利No.5,751,452两者均描述了适于制造SBG器件的单体和液晶材料的组合。配方的示例也可以在追溯回20世纪90年代早期的论文中找到，这些材料中的许多使用了丙烯酸盐单体，包括：
·R.L.Sutherland等人，Chem.Mater.，5，1533(1993)，描述了丙烯酸盐聚合物和表面活性剂的使用，其公开内容通过引用并入本文。具体地，配方包括交联多官能丙烯酸盐单体；扩链剂N-乙烯基吡咯烷酮、LC E7、光引发剂玫瑰红以及共引发剂N-苯基甘氨酸。在某些变体中添加了表面活性剂辛酸。
·Fontecchio等人，SID 00Digest 774-776，2000，描述了用于反射显示应用的包括多官能丙烯酸盐单体、LC、光引发剂、共引发剂以及链终止剂的UV固化HPDLC，其公开内容通过引用并入本文。
·Y.H.Cho等人，Polymer International，48，1085-1090，1999，公开了包括丙烯酸盐的HPDLC配方，其公开内容通过引用并入本文。
·Karasawa等人，Japanese Journal of Applied Physics，卷36，6388-6392，1997，描述了各种官能序(functional order)的丙烯酸盐，其公开内容通过引用并入本文。
·T.J.Bunning等人，Polymer Science:Part B:Polymer Physics，卷35，2825-2833，1997，也描述了多官能丙烯酸盐单体，其公开内容通过引用并入本文。
·G.S.lannacchione等人，Europhysics Letters，卷36(6)，425-430，1996，描述了包括五丙烯酸盐单体、LC、扩链剂、共引发剂以及光引发剂的PDLC混合物，其公开内容通过引用并入本文。
丙烯酸盐提供了快速动力学、与其它材料的良好混合以及与成膜工艺兼容的优点。由于丙烯酸盐是交联的，因此它们倾向于是机械稳健且柔性的。例如，官能2(di)和3(tri)的氨基甲酸酯丙烯酸盐已广泛用于HPDLC技术。也已使用了诸如五和六官能干(pentaand hex functional stems)之类的更高官能度材料。
双折射概述
基于HPDLC的全息波导提供了开关能力和高折射率调制的益处，但是会遭受由于在LC聚合物相分离期间液晶指向矢沿着光栅矢量的排列造成的固有的双折射。虽然这会导致在许多应用中可以是有利的大程度的偏振选择性，但是在被设计为在波导平面中进行波导波束的转折和扩展的光栅(被认为是转折光栅)中可以发生诸如偏振旋转之类的不利影响。这个偏振旋转可以导致效率损失和输出光不均匀性。
用于修改LC指向矢的排列的两种常见方法包括排列层的应用和摩擦。通常，通过这样的手段，在与排列层平行的平面中的LC指向矢可以在该平面内重新排列。在HPDLC布拉格光栅中，由于LC指向矢沿着光栅K矢量的自然排列从而使除了最简单光栅之外的所有指向矢排列成为复杂的三维问题，并且致使使用摩擦或聚酰胺排列层的传统技术不切实际，导致该问题更具挑战性。其它方法可以包括在固化期间施加电场、磁场和机械压力。这些方法在被应用于反射光栅时已表现出具有有限的成功。然而，这样的技术通常不容易转换到透射布拉格光栅波导。
波导中的主要设计挑战是高效地并且以其中波导图像没有色散和亮度不均匀的这样的方式将来自外部投影仪的图像内容耦合到波导中。为了克服色散并实现相当好的准直，可以实施激光的使用。然而，激光可以遭受光瞳条带伪像(pupil banding artifact)的问题，这些光瞳条带伪像本身显现为输出照明不均匀。当在TIR波导中复制(扩展)准直的光瞳时，可以形成条带伪像。在基本上，每次光束与光栅相互作用时，从波导中衍射出来的光束可以具有间隙或重叠，从而导致照明波纹。在许多情况下，波纹度随场角度、波导厚度和孔径厚度的变化而变化。可以通过通常由诸如LED之类的宽带源表现出的色散来平滑条带效应。然而，LED照明并非完全没有条带问题，而且除此之外，这倾向于导致笨重的输入光学器件并使波导的厚度增加。使用用于配置耦合到波导中的光使得输入光栅具有随着TIR角度的变化而变化的高效输入孔径的光瞳移位技术来使去条带最小化。用于执行光瞳移位的技术在标题为“Waveguide Device with Uniform Output Illumination”的国际申请No.PCT/US2018/015553中，其公开内容整体通过引用并入于此。
在一些情况下，在(上述的)转折光栅中发生的偏振旋转可以补偿使用激光照明的波导中的照明条带。其机制是，转折光栅中的大量光栅相互作用与每次相互作用的小的偏振旋转相结合可以使条带(因TIR波束的不完美匹配以及其它相关光学效应引起的，诸如但不限于从记录工艺中留下的寄生光栅、杂散光与光栅和波导表面的相互作用等引起的之类)平均化。可以通过微调转折光栅中双折射的空间变化(LC指向矢的排列)来辅助双折射补偿的过程。
在波导显示器中引起的进一步问题是与湿气或表面组合的接触可能抑制波导全内反射(TIR)，从而导致图像间隙。在这样的情况下，使用保护性外层的范围可能受到对低折射率材料的需要的限制，这些低折射率材料将在波导角带宽内提供TIR。波导中的进一步设计挑战是在波导的角带宽内保持高效率。一种示例性解决方案将是偏振保持、广角和高反射的波导包层。在一些应用中，可以使用施用于波导的主反射表面中的一者或二者的四分之一波延迟层或半波延迟层来实现波导内的偏振平衡。然而，在某些情况下，实际的延迟膜可能给波导增加不可接受的厚度。所需配方的薄膜涂层通常将需要昂贵且费时的真空涂覆步骤。实现涂层的一种示例性方法包括但不限于使用喷墨印刷或工业标准旋涂过程。在许多实施例中，涂层可以被直接施用于印刷的光栅层。替代地，涂层可以被施用于所组装波导的外部光学表面。
在一些应用中，波导与传统光学器件结合用于校正像差。当波导被用于诸如但不限于汽车HUD之类的应用中时，会引起这样的像差，该汽车HUD将图像投影到汽车风挡上用于反射到观察者的眼动范围中。风挡的曲率可以引入明显的几何像差。由于许多波导用准直波束进行操作，因此预先补偿波导本身内的失真可能是困难的。一种解决方案包括在波导的输出表面附近安装预先补偿光学元件。在许多情况下，光学元件是用塑料模制的，并且可能引入严重的双折射，该双折射应该被波导平衡。
鉴于以上内容，本发明的许多实施例针对被设计为解决以上提出的一个或更多个问题的双折射控制层。例如，在许多实施例中，实现紧凑且高效的双折射控制层，用于补偿全息波导中的偏振相关损耗，用于提供在基于布拉格光栅的波导中的三维LC指向矢排列，用于空间地改变角度/频谱带宽以均化来自波导的输出，和/或用于在确保波导波束的约束的同时将波导与其环境隔离。在一些实施例中，实现具有偏振补偿的偏振保持、广角和高反射波导包层，用于光栅双折射。在若干个实施例中，实现了薄偏振控制层，用于提供四分之一波或半波延迟。可以使用标准旋涂或喷墨印刷工艺将偏振控制层实施为直接在光栅层顶部上的薄层，或将偏振控制层实施到波导基板中的一者或二者。在多个实施例中，实现偏振保持、广角双折射控制层，用于改变波导的偏振输出来平衡与波导一起使用的外部光学元件的双折射。将在下面进一步详细地讨论其它实现方式和具体配置。
包含双折射控制的波导应用
可以使用许多不同的技术来实现根据本发明的各种实施例的实现双折射控制技术的波导和波导显示器。在一些实施例中，波导包括双折射光栅层和双折射控制层。在进一步的实施例中，实现了紧凑且高效的双折射控制层。双折射控制层可以被实现用于各种功能，诸如但不限于：补偿全息波导中的偏振相关损耗；提供在基于布拉格光栅的波导中的三维LC指向矢排列；以及在波导内的用于空间地改变角度/频谱带宽的高效且有成本效益的集成用于均化来自波导的输出。在要描述的任何实施例中，双折射控制层可以被形成在波导的任何光学表面上。出于理解本发明的目的，波导的光学表面可以是TIR表面、光栅层的表面、夹有光栅层的波导基板的表面、或在波导内实现的任何其它光学基板(例如，用于改善均匀性的分束器层)的表面中的一种。
图1概念性地图示了根据本发明的实施例的实现双折射控制层的波导。在图示实施例中，波导设备100包括光学基板101，该光学基板101包含双折射光栅层102和双折射控制层103。如所示出的，在波导内TIR下传播的光104与这两个层相互作用。例如，具有用符号104B表示的初始偏振状态的光线104A在通过点102A周围的光栅区域传播之后，使其偏振旋转到状态104C。双折射控制层103将偏振矢量旋转到状态104D，该状态104D是当光线104E与点102B周围的光栅相互作用并以与状态104D近似的偏振状态104G衍射到方向104F时用于实现光线104E的某种预定义衍射效率的偏振状态。如将在下面描述中示出的，根据本发明的各种实施例，可以实现双折射控制层和双折射光栅的许多不同配置。
图2概念性地图示了波导设备200，该波导设备200包括至少一个光学基板201和耦合器202，该耦合器202用于将来自外部源204的光203A、203B(覆盖一系列入射角)偏转到波导基板中的TIR路径205A、205B。TIR路径中的光可以与输出光栅相互作用，该输出光栅可以被配置为每次TIR光满足光栅衍射条件时提取光的一部分。在布拉格光栅的情况下，当满足布拉格条件时，可以发生提取。更准确地，当入射到光栅上的光线位于布拉格条件周围的角带宽和频谱带宽内时，可以发生高效提取。这些带宽是根据可接受衍射效率的某种度量(诸如但不限于峰DE的50％)来定义的。例如，TIR光线路径205A、205B中的光被输出光栅衍射到在沿着输出光栅的不同点处的输出方向206A、206B、207A和207B。从基本的几何光学中应该清楚的是，独特的TIR角可以由输入光栅处的每个光入射角来定义。
许多不同类型的光学元件可以被用作耦合器。例如，在一些实施例中，耦合器是光栅。在若干个实施例中，耦合器是双折射光栅。在许多实施例中，耦合器是棱镜。设备还包括用于提供第一方向上的波束扩展以及从波导的光提取的至少一个双折射光栅208以及具有各向异性折射率特性的至少一个双折射控制层209。在要讨论的实施例中，源204可以是包括光源、微显示面板和用于准直光的光学器件的输入图像产生器。如可以容易理解的，可以使用各种输入图像产生器，包括输出非准直光的输入图像产生器。在许多实施例中，输入图像产生器投影在微显示面板上显示的图像，使得每个显示像素在基板波导内被转换成唯一的角方向。准直光学器件可以包括透镜和反射镜，这些透镜和反射镜可以是衍射透镜和反射镜。在一些实施例中，源可以被配置为提供未用图像信息调制的照明。在若干个实施例中，光源可以是激光器或LED，并且可以包括用于改变照明波束角特性的一个或更多个透镜。在多个实施例中，图像源可以是微显示器或图像扫描仪。
对于光的任何方向，光与沿着全内反射路径集成的双折射控制层209和双折射光栅208的相互作用可以提供从波导提取的光的预定义特性。在一些实施例中，预定义特性包括在光的角度范围内的均匀偏振或均匀照明中的至少一种。图2还图示了双折射控制层209和光栅208如何提供均匀的偏振。在许多实施例中，输入状态将对应于P偏振，该状态可以被用于记录在HPDLC中的光栅。出于解释本发明的目的，假定用210表示的初始偏振状态。沿着TIR路径205A的光栅相互作用区域附近的光与双折射控制层的相互作用由偏振状态211、212表示，偏振状态211、212示出偏振矢量在传播通过双折射控制层209的厚度AB之前和之后的旋转。这个偏振旋转可以被设计为平衡通过光线沿着TIR路径205A遇到的相邻光栅区域的厚度CD的偏振旋转。因而，被光栅提取的光的偏振可以平行于输入偏振矢量排列，如偏振状态213所指示的。在一些实施例中，输出偏振状态可以不同于输入偏振状态。在诸如图2中所示的实施例之类的多个实施例中，双折射光栅与双折射控制层有至少部分重叠。在若干个实施例中，这二者被波导路径的一部分分隔。
图3概念性地图示了根据本发明的实施例的其中双折射控制层和光栅提供均匀输出照明的波导设备300。在图示实施例中，波导设备300包括至少一个光学基板301和耦合器302，该耦合器302用于将来自外部源304的光303偏转到波导基板中的TIR路径305。设备300还包括用于提供第一方向上的波束扩展以及从波导的光提取的至少一个双折射光栅306以及具有各向异性折射率特性的至少一个双折射控制层307。如所示出的，TIR光线路径305中的光可以被输出光栅衍射到输出方向308、309。出于解释本发明的目的，假定用310表示的初始波束照明(I)与角度(U)分布的关系。沿着TIR路径305的光栅相互作用区域附近的光与双折射控制层307的相互作用由传播通过双折射控制层的厚度AB之前的照明分布(311)和之后的照明分布(312)来表征。在诸如但不限于显示应用之类的一些应用中，波导设备300可以被设计为在波导的出射光瞳上具有均匀的关于角度的照明。这可以通过将双折射控制层的关于角度的双折射特性与光栅的(沿着接近路径AB的附近的光栅路径CD的)角带宽匹配来实现，使得被在波导出射光瞳上集成的光栅提取的光(由308、309指示的)提供了关于角度分布313的均匀的照明。在一些实施例中，光栅和双折射控制层的特性在波导的孔径上改变。
实现双折射控制层
可以使用各种材料和制造工艺来提供双折射控制层。在许多实施例中，双折射控制层具有各向异性折射率特性，可以在制造期间控制该各向异性折射率特性以提供双折射的空间分布，使得对于任何方向的光，光与沿着全内反射路径集成的双折射控制层和双折射光栅的相互作用提供了从波导提取的光的预定义特性。在一些实施例中，该层可以被实现为包括多于一层的薄堆叠。
取决于光栅配置，HPDLC光栅的排列可以呈现出重大的挑战。在平面光栅的最简单情况下，偏振控制可以被约束到与光栅平面正交的单个平面。滚动的K矢量光栅可能要求跨光栅平面的排列的改变。转折光栅、尤其是具有倾斜布拉格条纹的转折光栅可以具有复杂得多的双折射，从而需要3D排列，并且在某些情况下需要高得多的空间分辨的排列。
下面与本发明一起使用的双折射控制层的示例仅是说明性的。在每种情况下，都假定对该层进行处理，使得跨该层的表面改变特性。还假定双折射控制层被配置在包含光栅的波导内或波导的光学表面上。在一些实施例中，双折射控制层与光栅层接触。在若干种情况下，双折射控制层***成分隔的部分，并且被设置在波导的不同表面上。在多个实施例中，双折射层可以包括多个层。
在一些实施例中，本发明提供了可以提供四分之一波或半波延迟的薄偏振控制层。可以使用标准旋涂或喷墨印刷工艺将偏振控制层实施为直接在光栅层顶部上的薄层或将偏振控制层实施到波导基板中的一者或二者。
在一组实施例中，使用可以利用使用定向UV光进行3D排列的液晶和聚合物网络的材料形成双折射控制层。在一些实施例中，双折射控制层至少部分地由液晶聚合物(LCP)网络形成。在文献中也被称为反应性聚芳酯的LCP是包含液晶单体的可聚合液晶，该液晶单体包括例如反应性酰化末端，该反应性酰化末端在光引发剂和定向UV光的存在下彼此聚合，以形成刚性网络。液晶分子端部的相互聚合可以将其取向冻结成三维图案。该过程通常包括在基板上涂覆包含液晶聚合物的材料***，并且在退火之前，使用定向/空间可控制的UV源使LC指向矢选择性地排列。在一些实施例中，双折射控制层至少部分地由光排列层形成，该光排列层在文献中也被称为线性聚合光聚合物(LPP)。LPP可以被配置为将LC指向矢平行或垂直于入射的线性偏振UV光排列。LPP可以被形成为非常薄的层(通常，50nm)，从而使散射或其它寄生光学效应的风险最小化。在一些实施例中，双折射控制层由LCP、LPP和至少一种掺杂剂形成。可以使用基于LCP和LPP的双折射控制层将LC指向矢排列在薄膜(2至4微米)中形成的滚动的K矢量光栅和转折光栅的复杂三维几何形状特性中。在一些实施例中，基于LCP或LPP的双折射控制层还包括二向色性染料、用于实现窄或宽带胆甾型滤光器的手性掺杂剂、扭曲的延迟剂或负c-板延迟剂。在许多实施例中，基于LCP或LPP的双折射控制层提供四分之一或半波延迟层。
在一些实施例中，双折射控制层由组合了各向同性折射率层和各向异性折射率层的多层结构形成(如图4中所示)。在图4中，多层结构400包括各向同性层401、402和各向异性折射率层403、404。在一些实施例中，多层堆叠可以包括诸如但不限于几十或几百层之类的大量的层。图5概念性地图示了多层结构500，该多层结构500包括与双折射光栅层505结合的各向同性层501、502和各向异性折射率层503、504。当双折射与堆叠中的相邻材料层之间的面内折射率变化在相同的量级上时，可能实现对P偏振光的反射率的改善的控制。通常地，在各向同性材料中，布鲁斯特定律(Brewster’s law)指示对于任何界面，都存在其P偏振反射率消失的入射角(布鲁斯特角)。然而，在其它角度，反射率可以急剧增加。可以通过应用Weber等人在Science、第287卷、2000年3月31日、第2451-2456页中公开的“GiantBirefringent Optics in Multilayer Polymer Mirrors”中讨论的基本原理来克服由布鲁斯特角施加的限制。因为各向同性/各向异性折射率层的***的光学特性是基于界面反射和相厚度的基本物理而非基于特定的多层干涉堆叠设计，所以新的设计自由度是可能的。如果消除了布鲁斯特角限制，则广角宽带应用的设计是简化的，尤其是对于浸没在诸如波导基板之类的高折射率介质中的双折射控制层。关于波导显示器的进一步优点是，对于所有入射角和偏振都可以保持颜色保真度。
双折射光栅通常将具有随着角波长的变化而变化的偏振旋转特性。可以使用双折射控制层来修改波导的角特性、频谱特性或偏振特性。在一些实施例中，光与双折射控制层的相互作用可以提供沿着波导的高效的角带宽变化。在许多实施例中，光与双折射控制层的相互作用可以提供沿着波导的高效的频谱带宽变化。在若干个实施例中，光与双折射控制层的相互作用可以提供沿着波导的偏振旋转。在多个实施例中，可以通过在光栅制造期间空间地改变液晶聚合物混合物的成分来使光栅双折射跨波导改变。在一些实施例中，双折射控制层可以提供在波导基板的平面中的至少一个方向上的双折射改变。双折射控制层还可以提供用于优化波导内的光学传输(对于不同偏振)的装置。在许多实施例中，双折射控制层可以提供在波导基板的平面中的至少一个方向上的传输改变。在若干个实施例中，双折射控制层可以提供在波导基板的平面中的至少一个方向上的波束传输或偏振旋转中的至少一个的角相关性。在多个实施例中，双折射控制层可以提供在波导基板的平面中的至少一个方向上的波束传输或偏振旋转中的至少一个的频谱相关性。
在许多实施例中，双折射光栅可以在大范围的波导架构中提供输入耦合器、转折光栅和输出光栅。图6概念性地图示了根据本发明的实施例的具有双折射控制层的双扩展波导的平面图。在图示实施例中，波导600包括光学基板601，该光学基板601包含分别被偏振控制层605、606、607覆盖的输入光栅602、转折光栅603和输出光栅604。
在一些实施例中，本发明提供了用于修改波导的偏振输出来平衡与波导一起使用的外部光学元件的双折射的偏振保持、广角双折射控制层。图7概念性地图示了针对将离开风挡的准直影像反射到眼动范围中的汽车HUD处的本发明的实施例。任何风挡曲率通常都将导致像差和其它几何失真，而这些像差和其它几何失真在其中要求波束保持基本上准直的某些波导实现方式中不能被校正。这个问题的一种解决方案是在波导的输出表面附近安装校正元件，该校正元件可以是常规的折射元件或衍射元件。在这样的实现方式中，双折射校正部件可以避免干扰源自波导的光线路径并且可以是消色差的。所使用的补偿器技术可以提供空间变化的配置、低雾度和高透射率。在图7的图示实施例中，波导700包括：光学基板701，该光学基板701包含用于将来自图像调制光的外部源(未示出)的光703偏转到波导中的TIR路径704中的光栅耦合器702；用于提供第一方向上的波束扩展以及从波导提取光的双折射光栅705；以及双折射控制层706。设备700还包括光学元件707，该光学元件707被接近于波导设置，用于校正因风挡处的反射引入的几何失真和其它像差。在一些实施例中，光学元件707是折射透镜。在其它实施例中，光学元件707可以是衍射透镜。对于提供大的眼动范围的宽视场HUD，校正器通常将具有大的封装，该封装有着(沿着仪表板的)大至400mm的水平尺寸。然而，如果校正器是用塑料模制的，则它将倾向于遭遇双折射。因此，在图7的实施例中，双折射控制元件706可以被设计为补偿由光学元件707引入的光栅偏振和偏振旋转两者。再次参照图7，假定对应于P偏振的初始偏振状态。用符号708-711表示传播通过双折射光栅、双折射控制层和校正元件之后的偏振状态。用偏振状态表示光与沿着TIR路径的光栅相互作用区域附近的双折射控制层的相互作用。在图7的实施例中，被光栅提取的光712、713的偏振平行于输入偏振矢量排列。在一些实施例中，双折射控制层706可以被配置为将输出光偏振矢量旋转通过九十度。
在一些实施例中，可以通过使用对基板的机械、热或电磁处理的各种技术来提供双折射控制层。例如，在一些实施例中，通过施加跨光学基板表面空间变化的机械应力来形成双折射控制层。图8概念性地图示了用于排列在由802-805指示的方向上施加力的双折射控制层801的设备800，从而导致各向异性双折射轮廓806。在许多实施例中，所图示的力不必要全部都需要被施加到该层。在一些实施例中，双折射控制层801是通过将热梯度引起在光学基板中来形成的。在多个实施例中，双折射控制层801由HPDLC光栅提供，在该HPDLC光栅中在固化期间使用电场或磁场排列LC指向矢。在若干个实施例中，可以组合以上技术中的两种或更多种。
实现双折射控制层的波导的制造
本发明还提供了用于制造包含双折射光栅和双折射控制层的波导的方法和设备。如各种示例性实施例中示出的设备和方法的构造和布置仅是说明性的。尽管在这个公开中仅详细描述了几个实施例，但是许多修改是可能的(例如，用于提高处理效率和成品波导的质量，使工艺差异最小化，监视工艺和其它的附加步骤)。涉及层的形成的任何工艺步骤应该被理解为覆盖多个这样的层。例如，在描述了记录光栅层的工艺步骤的情况下，这个步骤可以扩展到记录包含两个或更多个光栅层的堆叠。相应地，所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。根据可替换实施例，任何工艺或方法步骤的次序或顺序可以改变或被重新排序。在不脱离本公开的范围的情况下，可以对示例性实施例的工艺设备、操作条件和布置的设计进行其它替代、修改、变化和省略。出于解释本发明的目的，工艺的描述将涉及基于如上所述的液晶聚合物材料***的双折射控制层。然而，从描述中应该清楚的是，这些工艺可以是基于在此描述的双折射控制层的任何实现方式。
图9A-图9F概念性地图示了根据本发明的各种实施例的用于制造包含双折射光栅和双折射控制层的波导的工艺步骤和设备。图9A示出了提供第一透明基板901的第一步900。图9B示出了用于将全息记录材料施用于基板901的设备910。在图示实施例中，设备910包括提供喷雾图案912的涂覆设备911，该喷雾图案912将光栅记录材料层913形成在基板901上。在一些实施例中，喷雾图案可以包括跨要被涂覆的表面扫略或步进的窄射流或片(blade)。在若干个实施例中，喷雾图案可以包括用于同时覆盖表面的大面积的发散射流。在多个实施例中，涂覆设备可以与一个或更多个母版结合使用，用于提供对表面的区域的选择性涂覆。在许多实施例中，涂覆设备是基于工业标准的标准旋涂或喷墨打印工艺的。
图9C概念性地图示了根据本发明的实施例的用于将光栅记录材料层曝光以形成光栅层的设备920。在图示实施例中，设备920包含复制了记录材料中的光栅的用于接触的母版光栅921和激光器922。如所示出的，母版光栅921衍射入射光923，以提供零阶924和衍射光925，该零阶924和衍射光925在光栅材料层内干涉以形成光栅层926。设备可以具有进一步的特征，诸如但不限于用于克服来自更高衍射阶或其它源的杂散光的光阑和母版。在一些实施例中，可以使用多路复用全息图的原理将若干个光栅记录到单个层中。图9D概念性地图示了根据本发明的实施例的用于将液晶聚合物材料层涂覆到光栅层上的设备930。在图示的实施例中，设备930包含被配置为传递喷雾图案932从而形成材料层933的涂覆设备931。涂覆设备931可以具有与用于施用光栅记录材料的涂覆设备相似的特征。图9E概念性地图示了根据本发明的实施例的用于提供排列的液晶聚合物材料层的设备940。在图示实施例中，设备940包含提供定向UV光942用于形成排列的LC聚合物层943的UV源(取决于给定应用的具体要求，该UV源可以包括准直、波束转向和波束整形光学器件)941。图9F概念性地图示了在排列的液晶聚合物层943上方施用第二基板951的步骤之后完成的波导950。
在一些实施例中，光栅记录材料的曝光可以使用常规的交叉波束记录过程来代替上面所描述的母版工艺。在许多实施例中，对光栅层的进一步处理可以包括退火、热处理和/或用于稳定光栅层的光学特性的其它工艺。在一些实施例中，可以将电极涂层施用于基板。在许多实施例中，可以在曝光之后，将保护透明层施用在光栅层上方。在多个实施例中，液晶聚合物材料是基于以上所讨论的LCP、LPP材料***的。在若干个实施例中，液晶聚合物的排列可以导致液晶指向矢的排列平行于UV波束方向。在其它实施例中，排列是与UV波束方向成九十度的。在一些实施例中，第二透明基板可以被使用涂覆设备施用的保护层代替。
图10A-图10F概念性地图示了根据本发明的各种实施例的用于制造包含施用于波导外表面的双折射控制层与双折射光栅的波导的工艺步骤和设备。图10A概念性地图示了根据本发明的实施例的提供第一透明基板1001的第一步1000。图10B概念性地图示了根据本发明的实施例的将全息记录材料施用于基板的设备1010。在图示实施例中，设备1010包括提供喷雾图案1012的涂覆设备1011，该喷雾图案1012将光栅记录材料层1013形成在基板1001上。图10C概念性地图示了根据本发明的实施例的用于将光栅记录材料层曝光以形成光栅层的设备1020。在图示实施例中，设备1020包括复制了记录材料中的光栅的用于接触的母版光栅1021和激光器1022。如所示出的，母版1021将来自激光器1022的光1023转换成零阶1024和衍射光1025，该零阶1024和衍射光1025在光栅材料层1013内干涉以形成光栅层1026。图10D概念性地图示了根据本发明的实施例的在被曝光的光栅层上方施用第二基板1031的步骤之后的部分完成的波导1030。图10E概念性地图示了根据本发明的实施例的用于将液晶聚合物材料层涂覆到第二基板上的设备1040。在图示实施例中，设备1040包括用于传递喷雾图案1042以形成材料层1043的喷雾涂覆器1041。图10F概念性地图示了根据本发明的实施例的用于使液晶聚合物材料排列的设备1050。在图示实施例中，设备1050包括UV源1051，该UV源1051提供用于形成排列的液晶聚合物层1053的定向UV光1052，该定向UV光1052可以被配置为使光栅层1026的LC指向矢重新排列。
图11A-图11F概念性地图示了根据本发明的各种实施例的用于制造包含双折射光栅和双折射控制层的波导的工艺步骤和设备。与上述实施例不同，可以在记录形成在双折射控制层上方的光栅层之前执行形成双折射控制层的步骤。图11A概念性地图示了提供第一透明基板1101的第一步1100。图11B概念性地图示了根据本发明的实施例的用于将液晶聚合物材料层涂覆到第一基板上的设备1110。在图示实施例中，设备1110包括被配置为传递喷雾图案1112以形成材料层1113的涂覆设备1111。图11C概念性地图示了根据本发明的实施例的用于使液晶聚合物材料排列的设备1120。在图示实施例中，设备1120包括UV源1121，该UV源1121提供用于形成排列的液晶聚合物层1123的定向UV光1122。图11D概念性地图示了根据本发明的实施例的将全息记录材料施用于基板的设备1130。在图示实施例中，设备1130包括用于提供喷雾图案1132以在液晶聚合物层1123的顶部上形成光栅记录材料层1133的涂覆设备1131。图11E概念性地图示了根据本发明的实施例的用于将光栅记录材料层曝光以形成光栅层的设备1140。在图示实施例中，设备1140包括复制了记录材料中的光栅的用于接触的母版光栅1141和激光器1142。如所示出的，母版光栅1141将来自激光器的光1142转换成零阶1143和衍射光1144，该零阶1143和衍射光1144在光栅材料层1133中干涉以形成由液晶聚合物材料层1123排列的光栅层1123。图11F概念性地图示了根据本发明的实施例的在被曝光的光栅层上方施用第二基板1151的步骤之后的完成的波导1150。
图12概念性地图示了根据本发明的实施例的说明制造包含双折射光栅和双折射控制层的波导的方法的流程图。参照图12，方法1200包括提供(1201)第一透明基板。可以将光栅记录材料层沉积(1202)到基板上。可以将光栅记录材料层曝光(1203)以形成光栅层。可以将液晶聚合物材料层沉积(1204)到光栅层上。可以使用定向UV光排列(1205)液晶聚合物材料。可以将第二透明基板施用(1206)在排列层上方。
图13概念性地图示了根据本发明的实施例的图示制造包含施用于波导外表面的双折射控制层和双折射光栅的波导的方法的流程图。参照图13，方法1300包括提供(1301)第一透明基板。可以将光栅记录材料层沉积(1302)到基板上。可以将光栅记录材料层曝光(1303)以形成光栅层。可以将第二透明基板施用(1304)在被曝光的光栅层上方。可以将液晶聚合物材料层沉积(1305)到第二透明基板上。可以使用定向UV光排列(1306)液晶聚合物材料。
图14概念性地图示了根据本发明的实施例的图示制造包含双折射光栅和双折射控制层的波导的方法的流程图，其中在记录光栅层之前执行形成双折射控制层。参照图14，方法1400包括提供(1401)第一透明基板。可以将液晶聚合物材料层沉积(1402)到基板上。可以使用定向UV光排列(1403)液晶聚合物材料。可以将光栅记录材料层沉积(1404)到排列的液晶聚合物材料上。可以将光栅记录材料层曝光(1405)以形成光栅层。可以将第二透明基板施用(1406)在光栅层上方。
尽管图12-图14图示了用于制造包含双折射光栅和双折射控制层的波导的具体工艺，但是根据本发明的各种实施例，可以实施许多其它的制造工艺和设备来形成这样的波导。例如，根据可替换实施例，任何工艺或方法步骤的次序或顺序可以被改变或被重新排序。在不脱离本公开的范围的情况下，可以对示例性实施例的工艺设备、操作条件和布置的设计进行其它替代、修改、变化和省略。
附加实施例和应用
在一些实施例中，可以实现具有补偿光栅双折射的偏振的偏振保持、广角、高反射波导包层。图15示出了一个这样的实施例。在图示实施例中，波导1500包括包含双折射光栅1502的波导基板1501和覆盖在波导基板1501上的双折射控制层1503。如所示出的，被引导的光1504在双折射控制层1503与波导基板1501的界面处与双折射控制层1503的相互作用使其偏振从由符号1505指示的状态(由先前与光栅的相互作用产生)旋转到由1506指示的状态(具有用于与光栅的下一次相互作用的期望的取向，例如，具有在沿着光栅的某个预定义点处提供预定义衍射效率的取向)。
在许多实施例中，可以实现用于在确保波导波束的高效约束的同时将波导与其环境隔离的紧凑且高效的双折射控制层。图16图示了一个这样的实施例。在图示实施例中，环境隔离的波导1600包括包含双折射光栅1602的波导基板1601和覆盖在波导基板1601上的双折射控制层1603。如所示出的，被引导的光1604在双折射控制层1603与波导基板1601的界面处与双折射控制层1603的相互作用使其偏振从由符号1605指示的状态旋转到由1606指示的状态。可以通过设计双折射控制层1603使得在双折射控制层1603与波导基板1601之间的界面1607处发生全内反射来提供波导的环境隔离。在一些实施例中，通过将双折射控制层设计为具有梯度折射率特性使得在双折射控制层的空气界面处仅被引导的光中的一小部分被反射来提供环境隔离。在若干个实施例中，双折射控制层可以包含单独的GRIN层。在多个实施例中，GRIN层可以是基于标题为“NEAR EYE DISPLAY USING GRADIENT INDEXOPTICS”的美国临时专利申请No.:62/123,282和标题为“WAVEGUIDE DISPLAY USINGGRADIENT INDEX OPTICS”的美国临时专利申请No.:62/124,550中公开的实施例的。
图17概念性地图示了根据本发明的实施例的设备1700，该设备1700可以与上述方法中的一些方法结合使用，用于制造包含覆盖在双折射控制层1702上的双折射光栅层1701的结构。在图17中，未示出支撑双折射控制层的基板。由光线1703、1704指示的构造波束可以由母版光栅或交叉波束全息记录设置提供。如所示出的，构造波束传播通过双折射控制层1702。在许多实施例中，构造波束处于可见频带中。在一些实施例中，构造波束处于UV频带中。
图18概念性地图示了根据本发明的实施例的设备1800，该设备1800可以与上述方法中的一些方法结合使用，用于制造包含覆盖在双折射光栅层1802上的双折射控制层1801的结构。在图18中，未示出支撑光栅层的基板。由1803指示记录波束的方向。在许多实施例中，双折射控制层是使用定向UV波束用于排列的液晶聚合物材料***。在其中光栅被记录在聚合物和液晶材料***中的一些实施例中，被曝光的光栅可能在通过施加诸如热、电场或磁场或光之类的外部激励来排列双折射控制层的工艺期间被擦除，以有效产生液晶的各向同性相。
图19概念性地图示了包含夹有光栅层1903的基板1901、1902的波导1900的截面。如所示出的，源1904发射准直光1905A，该准直光1905A被光栅层耦合到由光线1905B、1905C指示的全内反射(TIR)路径中，并且被光栅层1903提取到输出光线路径1905D中。在图示实施例中，源1904可以是各种光源，包括但不限于激光器或LED。
图20概念性地图示了根据本发明的实施例的与图19的波导类似的波导，该波导具有通过用被基板2002、2003夹住的四分之一波膜2001替换基板1902而***的四分之一波偏振层。四分之一波偏振层可以以两种方式有益于全息波导设计。首先，它可以减少滚动的K矢量(RKV)输入光栅的重复相互作用(出耦合)，以增加输入光栅的整体耦合效率。其次，它可以连续地混合进入转折光栅和输出光栅的光的偏振，以提供更好的提取。四分之一波层可以沿着来自输入光栅的光位于波导表面上。通常，波导表面可以包括波的TIR表面或在波导内部形成的某个中间表面中的一者。可以针对“波导角”(即，玻璃中超过TIR角的角)对四分之一波层的光学特性进行优化。在一些实施例中，中心场被设计成在玻璃中为大致55度(对应于波长532nm处大致1.51的折射率)。在许多实施例中，为了优化红、绿和蓝发射波导的性能，可以使用针对红、绿和蓝的优化。如在要描述的实施例中将示出的，存在将四分之一波膜包含在波导内的若干种不同方式。在下面的实施例中，我们通常引用的是由液晶聚合物(LCP)材料提供的四分之一波偏振层。然而，应该理解在本发明的应用中使用的其它材料。
图21概念性地图示了根据本发明的实施例的示出波导的一部分的示意性截面视图2100，从而说明使用具有RKV光栅的四分之一波偏振层可以如何克服波导的输入光栅部分中的沿着传播路径的光的不想要的提取的问题。图示了包括P偏振光2101A的输入光被光栅层耦合到波导中的TIR路径中的由光线2101B-2101L指示的一条光线路径。波导光栅具有滚动的K矢量，用矢量2102A-2102C示意性地图示了在沿着波导长度的三个点处出现的该滚动的K矢量的示例。在图示实施例中，通过输入光栅衍射地耦合到TIR中的光2101A关于光栅是P偏振的。在许多实施例中，TIR角可以是在玻璃中标称地55度。在通过四分之一波层传输时，光的偏振从P变为圆偏振(2101C)。在波导的下表面处的TIR之后，偏振变为相反方向的圆偏振光(2101D)，使得在四分之一波层的上行路径上通过四分之一波层之后，它关于光栅变为S偏振(2101E)。由于S偏振光既是非布拉格的(off-Bragg)又是“非偏振的(offpolarization)”(由于光栅具有针对S的零或低衍射效率)，因此S偏振光未偏离地(2101F)或没有实际损耗地穿过光栅。然后，该光第二次经历TIR(2101G)，从而保持其S偏振。因此，关于P偏振敏感光栅，光2101G现在是布拉格的(on-Bragg)，但是仍然是非偏振的。因此，光穿过光栅而没有衍射(2101H)。在这个位置处，RKV(2102B)相对于I/P光栅上的光进入点附近的RKV(2102A)有略微滚动。如果光是“偏振的”，则RKV的“滚动”效应将是小的，并且所以光将被强烈地出耦合。穿过光栅的S偏振光以与由光线2101B-2101G指示的周期相似的方式经历另一个完整周期(2101H-2101M)，并且然后在具有K矢量2102C的光栅区域处返回到用于下一个(2101M)布拉格相互作用的P偏振状态。在这点，光已经顺着波导执行了两个完整的TIR反弹周期，从而增大了K矢量和光栅处的入射角的角分隔，其强烈地减小了布拉格相互作用。
为了进一步阐明图21的实施例，考虑在1mm厚的波导中的55度TIR角的光，具20mm的投影仪浮凸(projector relief)(投影仪距输入光栅的距离)，以及标称4.3mm直径的投影仪出射光瞳：与光栅的第一次相互作用发生在顺着波导的大致2.85mm处。这等同于在20mm的投影仪浮凸处的8.1度角。为了比较，典型的1.6um光栅的FWHM角带宽在空气中约为12度(取决于配方(prescription))，即，与光瞳对向的角度并不比透镜的半宽度大很多。如果偏振没有如上所述改变为S-偏振，则这导致强的出耦合。实际上，使用四分之一波层使TIR长度加倍到大致5.7mm。这个偏移等同于约15.9度(大于大多数波导光栅的角带宽)，由此减少了来自波导的出耦合相互作用损耗。
图22概念性地图示了根据本发明的实施例的包含通过折射率匹配油层(2201)分隔的LCP四分之一波单元和反应性单体液晶混合物(RMLCM)单元的偏振层架构2200。LCP单元包括基板2202和LCP膜2203。RMLCM单元包括夹有RMLCM层2206的基板2204、2205。这个配置具有以下优点：折射率匹配的油结合可以提供非永久结合，以允许出于测试目的安装和拆卸偏振单元。也可以将粘合剂施用在(被钉住的)边缘处，用于半永久结合。在一些实施例中，油层可以使用充满油的单元而被提供。
图23概念性地图示了根据本发明的实施例的基于具有与裸LCP膜2302直接接触的RMLCM光栅材料层2301的光栅单元的偏振架构2300的示例。这两个膜被基板2303、2304所夹。这是用于实施LCP层的简单且有成本效益的解决方案。如果将珠子直接嵌入在LCP层上，则使用分隔珠维持RMLCM层的厚度控制可能是困难的。图23的实施例可能需要仔细匹配RMLCM与LCP的材料特性，以避免RMLCM与LCP层之间的有害的相互作用。在许多实施例中，可以在RMLCM中直接施用RMLCM层的全息曝光，而不需要通过LCP层。在一些实施例中，如果通过LCP层的曝光构造是不可避免的，则可以对LCP层的偏振旋转进行预补偿。
图24概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性示出其中裸LCP层被结合于裸RMLCM层的偏振层架构2400的示例的截面视图。该设备包括上基板2401、裸LCP膜2402、粘合剂层2403、被曝光的RMLCM层2404和下基板2405。在许多实施例中，粘合剂层可以是NorlandNOA65粘合剂或类似的粘合剂。
图25概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性示出使用RMLCM层作为偏振层的偏振层架构2500的示例的截面视图。该设备包括上基板2501、上RMLCM层2502、透明分隔件2503、下RMLCM层2504和下基板2505。利用RMLCM材料的固有双折射特性，RMLCM层之一不仅可以被用作光栅材料，还被用作偏振旋转层。“偏振旋转光栅”应该具有周期和/或k矢量方向，使得其衍射最小。在一些实施例中，RMLCM层可以被配置为亚波长光栅。在一些实施例中，RMLCM层可以被设置成夹在两个脱模层之间，使得在该层固化之后，可以被去除并被重新施用到别处。
图26概念性地图示了根据本发明的实施例的包括用于补偿由双折射光栅引入的偏振旋转的特征的偏振层架构2600的示例。该设备包括上基板2601、偏振控制层2602、透明基板2603、光栅层2604和下基板2605。光栅层包含由透明区域2607分隔开的第一光栅2606A和第二光栅2606B。在一些实施例中，透明区域可以是折射率与基板的折射率相似的聚合物。在许多实施例中，可以使用其它低折射率材料来提供透明区域。偏振控制层包括四分之一波延迟区域2608A、2608B和偏振补偿区域，该偏振补偿区域平衡了由双折射光栅2606A引入的偏振旋转(在引导光从光栅2606A传播到光栅2606B的情况下)。
图27概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性示出包含图26的实施例的特征的波导显示器2700的平面图。波导显示器2700包括波导基板2701、输入光栅2702、转折光栅2703和输出光栅2704。根据图26的实施例的原理，偏振控制区域2705、2706对光栅去偏振施加补偿。
图28概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性示出包含上基板2801、具有硬包封层2803的LCP层2802、RMLCM层2804和下基板2805的偏振层架构2800的示例的截面视图。在许多实施例中，硬包封层或膜可以被设计为保护易碎的LCP膜免于机械接触，使得标准的清洁过程将不损坏该膜。有利地，硬包封层可以采用耐受于通过层压工艺被推入其中的分隔珠、以及化学地耐受于折射率匹配的油和粘合剂的材料。
图29概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性示出包含上基板2901、具有软包封层2903的LCP层2902、RMLCM层2904和下基板2905的偏振层架构2900的示例的截面视图。偏振排列膜可以用被设计为保护易碎的LCP膜免于机械接触的软包封层或膜包封，使得诸如用例如异丙醇进行拖擦之类的标准清洁过程将不损坏该膜。在一些实施例中，软包封可以在层压工艺期间提供对分隔珠的一定的抵抗力。
图30概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性示出两区域聚合物膜的第一示例3000的平面图。这个示例使用由尺寸为77.2mm×47.2mm的0.5mm厚的Eagle XG基板支撑的非包封LCP膜3001。对于波长524nm，区域1以相对于水平的快轴75°为特征，以及以55°玻璃内角、45°椭圆度±5°处的四分之一波延迟为特征。对于波长524nm，区域2以相对于水平的快轴105°为特征，以及以55°玻璃内角、45°椭圆度±5°处的四分之一波延迟为特征。通常，区域1和区域2水平地延伸至中间点±2mm。
图31概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性示出两区域聚合物膜的第二示例3100的平面图。这个示例使用通过保护膜3102的LCP层3101的包封，所述层由尺寸为77.2mm×47.2mm的0.5mm厚的Eagle XG基板支撑。对于波长524nm，区域1以相对于水平的快轴75°为特征，以及以55°玻璃内角、45°椭圆度±5°处的四分之一波延迟为特征。对于波长524nm，区域2以相对于水平的快轴105°为特征，以及以55°玻璃内角、45°椭圆度±5°处的四分之一波延迟为特征。通常，区域1和区域2水平地延伸至中间点±2mm。包封层可以密封偏振层，使得当被折射率为1.516的诸如Cargille系列A之类的油层覆盖时，性能不受影响。包封层可以密封偏振层，使得当被基于液晶的感光聚合物的附加层覆盖时，性能不受影响。
图32概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性示出两区域聚合物膜的第三示例3200的平面图。这个示例使用LCP的玻璃包封。尺寸为77.2mm×47.2mm的0.5mm厚的Eagle XG基板支撑LCP层3201、粘合剂层3202和0.2mm厚的Willow玻璃盖3203。对于波长524nm，区域1以相对于水平的快轴75°为特征，以及以55°玻璃内角、45°椭圆度±5°处的四分之一波延迟为特征。对于波长524nm，区域2以相对于水平的快轴105°为特征，以及以55°玻璃内角、45°椭圆度±5°处的四分之一波延迟为特征。有利地，用于LCP包封的玻璃是0.5mm EagleXG或0.2mm Willow玻璃。通常，区域1和区域2水平地延伸至中间点±2mm。
图33概念性地图示了根据本发明的实施例的示出图30-图32中图示的实施例的透明孔径布局3300的图。用虚线突出了该透明孔径。所有尺寸单位都为mm。
图34概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性示出包含包括针对每个光栅的K矢量和排列层快轴方向的基于图30-图33的实施例的输入光栅3402、转折光栅3403和输出光栅3404的波导3401的平面图3400。如图34中所示，K矢量和快轴方向对于输入光栅K矢量是：30度；对于转折光栅K矢量是：270度；以及对于输出光栅K矢量是：150度。
上面的描述仅覆盖了其中LCP层(或等效延迟层)可以与波导结构中的RMLCM层组合的可能实施例中的一些实施例。在上述实施例中的许多实施例中，基板可以由0.5mm厚的Corning Eagle XG玻璃制造。在一些实施例中，可以使用更薄或更厚的基板。在若干个实施例中，基板可以由塑料制造。在多个实施例中，基板和被所述基板包封的光学层可以是弯曲的。任何实施例都可以包含附加层，用于保护免受在处理和操纵期间招致的化学污染或损坏。在一些实施例中，可以提供附加的基板层来实现所需的波导厚度。在一些实施例中，可以提供附加的层以执行照明均化频谱滤波、角度选择性滤波、杂散光控制和去条带中的至少一种功能。在许多实施例中，裸LCP层可以被直接结合到裸露的RMLCM层。在若干个实施例中，可以在LCP层和RMLCM层之间布置中间基板。在多个实施例中，LCP层可以与RMLCM材料的未曝光层组合。在许多实施例中，有或没有包封的LCP层可以具有＜0.25％且优选地0.1％或更小的雾度特性。应该注意的是，所引用的雾度特性是基于散状材料散射的，并且与表面散射损耗无关，该表面散射损耗在浸没后大量地丢失。LCP和包封层可以承受100C的曝光(对于热UM曝光，>80C)。在许多实施例中，LCP包封层可以是耐受拖擦的，以允许层清洁。在上述实施例中，在膜透明孔径内可以有恒定的延迟并且没有气泡或空隙。LCP和粘合剂层可以匹配波导基板所满足的光学平坦度标准。
根据本发明原理的彩色波导通常将包括单色波导的堆叠。该设计可以使用红波导层、绿波导层和蓝波导层，或者可替换地，使用红层和蓝层/绿层。在一些实施例中，光栅都是无源的，也就是说，是非开关的。在一些实施例中，光栅中的至少一个是开关的。在一些实施例中，每层中的输入光栅是可开关的，以避免波导层之间的颜色串扰。在一些实施例中，通过在红和蓝波导与蓝和绿波导的输入光栅区域之间布置二向色滤光器，可以避免颜色串扰。在一些实施例中，针对在波导内传播的光的波长，优化双折射控制层的厚度，以提供在波导显示器的频谱带宽上的均匀的双折射补偿。波导显示器中通常使用的红、绿、蓝波长的波长和频谱带宽频带为红：626nm±9nm，绿：522nm±18nm；以及蓝：452nm±11nm。在一些实施例中，针对三色光优化双折射控制层的厚度。
在许多实施例中，双折射控制层由被记录在HPDLC中的亚波长光栅提供。已知这样的光栅表现出形状双折射现象，并且可以被配置为提供包括四分之一波和半波延迟的一系列偏振功能。在一些实施例中，双折射控制层由其中通过用偏振光或非偏振光照射偶氮染料掺杂的排列层来使LC指向矢排列的液晶介质提供。在多个实施例中，双折射控制层被图案化为提供具有亚微米分辨率步长的LC指向矢取向图案。在一些实施例中，双折射控制层被处理为提供LC指向矢取向的连续变化。在若干个实施例中，将通过组合上述技术中的一种或更多种而提供的双折射控制层与摩擦工艺或聚酰亚胺排列层组合。在一些实施例中，双折射控制层提供光功率。在多个实施例中，双折射控制层提供梯度折射率结构。在若干个实施例中，双折射控制层由包含至少一个HPDLC光栅和至少一个排列层的堆叠提供。在许多实施例中，双折射光栅可以具有滚动的K矢量。K矢量是垂直于光栅平面(或条纹)排列的矢量，该矢量确定了给定范围的输入角和衍射角的光学效率。滚动K矢量允许在不需要增加波导厚度的情况下扩展光栅的角带宽。在许多实施例中，双折射光栅是用于提供出射光瞳扩展的转折光栅。转折光栅可以是基于标题为“WAVEGUIDE DISPLAY”的PCT申请No.:PCT/GB2016000181中公开的实施例和以上给出的其它参考文献中讨论的实施例中的任何实施例的。
在一些实施例中，在波导设计中使用该设备来克服激光条带的问题。根据本发明的原理的波导可以提供用于配置耦合到波导中的光使得输入光栅具有随着TIR角度的变化而变化的高效输入孔径的光瞳移位装置。将描述光瞳移位装置的若干个实施例。光瞳移位装置的效果是通过输出光栅集合的从波导的连续光提取，以针对输入光栅处的任何光入射角提供基本平坦的照明轮廓。可以使用双折射控制层来实现光瞳移位装置，以随着入射光角度的变化来改变3D空间中的幅度、偏振、相位和波前移位中的至少一个。在每种情况下，效果是提供有效孔径，该有效孔径可以针对输入光栅处的任何光入射角给出在输出光栅上的均匀提取。在一些实施例中，至少部分通过以下步骤来提供光瞳移位装置：根据各种实施例的将输入图像产生器的光学器件设计为具有从在微显示面板的一侧上的高数值孔径(NA)平滑地变化到另一侧处的低NA范围的NA变化，诸如与标题为“WAVEGUIDE DISPLAY”的PCT申请No.:PCT/GB2016000181中公开的那些类似的，该申请的公开内容整体并入于此。通常，微显示器是反射型设备。
在一些实施例中，光栅层可以被分解成单独的层。然后，多个层可以被一起层压到单个波导基板中。在许多实施例中，光栅层包含被层压在一起以形成单个基板波导的若干个件，包括输入耦合器、转折光栅和输出光栅(或其一些部分)。可以通过光学胶或折射率与这些件的折射率匹配的其它透明材料来分隔这些件。在若干个实施例中，可以经由单元制成工艺通过产生所期望光栅厚度的单元并且针对输入耦合器、转折光栅和输出光栅中的每个用SBG材料真空填充每个单元来形成光栅层。在一个实施例中，通过安置具有限定了输入耦合器、转折光栅和输出光栅所期望的光栅厚度的玻璃板之间的间隙的多个玻璃板来形成该单元。在一个实施例中，一个单元可以被制成为具有多个孔径，使得分隔的孔径被用不同的SBG材料包填充。然后，可以通过分隔材料(例如，胶、油等)分隔任何中间空间，以限定分隔的区域。在一个实施例中，可以将SBG材料旋涂到基板上，并且然后在材料固化之后，通过第二基板覆盖。通过使用转折光栅，该波导显示器与根据一些实施例的显示信息的先前***和方法相比有利地需要更少的层。另外，通过使用转折光栅，光可以通过波导内的全内反射而在由波导外表面限定的单个矩形棱镜中行进，同时实现了双光瞳扩展。在另一实施例中，输入耦合器，光栅可以通过光的两个波在基板内以一定角度干涉以产生全息波前来产生，由此产生以所期望角度设置在波导基板中的亮条纹和暗条纹。在一些实施例中，通过跨光栅区域扫描或步进记录激光束来以逐步方式记录给定层中的光栅。在一些实施例中，使用当前在全息打印行业中使用的母版和接触式打印工艺来记录光栅。
在许多实施例中，光栅是如已经讨论的被记录在全息聚合物分散液晶(HPDLC)中的布拉格光栅，尽管SBG也可以被记录在其它材料中。在一个实施例中，SBG被记录在具有分散在液体聚合物中的固体液晶基质的诸如POLICRYPS或POLIPHEM之类的均匀调制材料中。SBG本质上可以是开关的或非开关的。在其非开关形式下，SBG具有优于由于其液晶成分而能够提供高折射率调制的常规全息感光聚合物材料的优点。示例性的均匀调制液晶-聚合物材料***被公开在Caputo等人的美国专利申请公开No.:US2007/0019152和Stumpe等人的PCT申请No.:PCT/EP2005/006950中，两件申请均通过引用整体并入于此。均匀调制光栅以高折射率调制(以及因此高衍射效率)和低散射为特征。在一些实施例中，光栅中的至少一个光栅是表面形貌光栅。在一些实施例中，光栅中的至少一个光栅是薄(或Raman-Nath)全息图。
在一些实施例中，光栅被记录在反向模式HPDLC材料中。反向模式HPDLC与常规HPDLC的不同之处在于，当不施加电场时，光栅是无源的，而在存在电场时，光栅变为衍射的。反向模式HPDLC可以是基于标题为“IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPHIC POLYMERDISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES”的PCT申请No.:PCT/GB2012/000680中公开的任何配方和工艺的。光栅可以被记录在以上任何材料***中，但是是在无源(非开关)模式下使用的。制造工艺可以与用于开关的工艺相同，但是省略了电极涂覆阶段。可以使用LC聚合物材料***用于其高折射率调制。在一些实施例中，光栅被记录在HPDLC中，但未被开关。
在许多实施例中，根据本发明原理的波导显示器可以被集成在窗户内，例如，用于公路车辆应用的风挡集成HUD内。在一些实施例中，窗户集成式显示器可以是基于标题为“OPTICAL WAVEGUIDE DISPLAYS FOR INTEGRATION IN WINDOWS”的美国临时专利申请No.:62/125,064和标题为“ENVIRONMENTALLY ISOLATED WAVEGUIDE DISPLAY”的美国专利申请No.:15/543,016中公开的实施例和教导的。在一些实施例中，根据本发明原理的波导显示器可以包含基于标题为“WAVEGUIDE DEVICE INCORPORATING A LIGHT PIPE”的美国专利申请No.:15/558,409中公开的实施例的用于提供在一个方向上的波束扩展的光管。在一些实施例中，输入图像产生器可以是基于如标题为“COMPACT EDGE ILLUMINATED DIFFRACTIVEDISPLAY”的美国专利NO.9,075,184中公开的激光扫描仪的。本发明的实施例可以被用于大范围的显示器，包括用于AR和VR的HMD、头盔式显示器、投影显示器、平视显示器(HUD)、下视显示器(HDD)、自动立体显示器和其它3D显示器。这个公开的实施例和教导中的一些可以被应用于诸如(例如)眼动仪、指纹扫描仪和LIDAR***之类的波导传感器以及照明器和背光中。
应该强调的是，附图是示例性的并且尺寸已经被夸大。例如，SBG层的厚度已经被大幅夸大。可以使用利用标题为“IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSEDLIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES”的PCT申请No.:PCT/GB2012/000680中公开的材料和工艺的玻璃基板来实现基于任何上述实施例的光学器件。在一些实施例中，双扩展波导显示器可以是弯曲的。
尽管说明书已经提供了本发明的具体实施例，但是可以在在此通过引用并入其全部内容的以下专利申请中找到与该技术有关的附加信息：标题为“COMPACT EDGEILLUMINATED DIFFRACTIVE DISPLAY”的美国专利No.9,075,184、标题为“OPTICALDISPLAYS”的美国专利No.8,233,204、标题为“METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING ATRANSPARENT DISPLAY”的PCT申请No.:US2006/043938、标题为“WEARABLE DATA DISPLAY”的PCT申请No.:GB2012/000677、标题为“COMPACT EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY”的美国专利申请No.:13/317,468、标题为“HOLOGRAPHIC WIDE ANGLE DISPLAY”的美国专利申请No.:13/869,866、以及标题为“TRANSPARENT WAVEGUIDE DISPLAY”的美国专利申请No.:13/844,456、标题为“WAVEGUIDE GRATING DEVICE”的美国专利申请No.:14/620,969、标题为“ELECTRICALLY FOCUS TUNABLE LENS”的美国专利申请No.:15/553,120、标题为“WAVEGUIDE DEVICE INCORPORATING A LIGHT PIPE”的美国专利申请No.:15/558,409、标题为“METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING INPUT IMAGES FOR HOLOGRAPHICWAVEGUIDE DISPLAYS”的美国专利申请No.:15/512,500、标题为“NEAR EYE DISPLAY USINGGRADIENT INDEX OPTICS”的美国临时专利申请NO.:62/123,282、标题为“WAVEGUIDEDISPLAY USING GRADIENT INDEX OPTICS”的美国临时专利申请No.:62/124,550、标题为“OPTICAL WAVEGUIDE DISPLAYS FOR INTEGRATION IN WINDOWS”的美国临时专利申请No.:62/125,064、标题为“ENVIRONMENTALLY ISOLATED WAVEGUIDE DISPLAY”的美国专利申请No.:15/543,016、标题为“HOLOGRAPHIC WAVEGUIDE LIGHT FIELD DISPLAYS”的美国临时专利申请No.:62/125,089、标题为“LASER ILLUMINATION DEVICE”的美国专利No.8,224,133、标题为“LASER ILLUMINATION DEVICE”的美国专利No.US8,565,560、标题为“HOLOGRAPHICILLUMINATION SYSTEM”的美国专利No.6,115,152、标题为“CONTACT IMAGE SENSOR USINGSWITCHABLE BRAGG GRATINGS”的PCT申请No.:PCT/GB2013/000005、标题为“IMPROVEMENTSTO HOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES”的PCT申请No.:PCT/GB2012/000680、标题为“HOLOGRAPHIC WAVEGUIDE EYE TRACKER”的PCT申请No.:PCT/GB2014/000197、标题为“APPARATUS FOR EYE TRACKING”的PCT/GB2013/000210、标题为“APPARATUS FOR EYE TRACKING”的PCT申请No.:GB2013/000210、标题为“HOLOGRAPHIC WAVEGUIDE OPTICALTRACKER”的PCT/GB2015/000274、标题为“SYSTEM ANDMETHOD OF EXTENDING VERTICAL FIELD OF VIEW IN HEAD UP DISPLAY USING AWAVEGUIDE COMBINER”的美国专利No.8,903,207、标题为“COMPACT WEARABLE DISPLAY”的美国专利No.8,639,072、标题为“COMPACT HOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASSDISPLAY”的美国专利No.8,885,112、标题为“METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING APOLARIZATION SELECTIVE HOLOGRAPHIC WAVEGUIDE DEVICE”的美国专利申请No.:16/086,578、标题为“WAVEGUIDE DISPLAY APPARATUS”的美国临时专利申请No.:62/493,578、标题为“WAVEGUIDE DISPLAY”的PCT申请No.:PCT/GB2016000181、标题为“APPARATUS FORHOMOGENIZING THE OUTPUT FROM A WAVEGUIDE DEVICE”的美国专利申请No.62/497,781、标题为“WAVEGUIDE DEVICE WITH UNIFORM OUTPUT ILLUMINATION”的美国专利申请No.62/499,423。
等同原则
如各种示例性实施例中所示的***和方法的构造和布置仅仅是说明性的。尽管在本公开中仅详细描述了几个实施例，但是许多修改是可能的(例如，各种元件的尺寸、维度、结构、形状和比例、参数的值、安装布置、材料的使用、色彩、朝向等的变化)。例如，元件的位置可以颠倒或以其它方式变化，并且分立元件的性质或数量或位置可以更改或改变。相应地，所有这样的修改都旨在被包括在本公开的范围内。根据替代实施例，任何工艺或方法步骤的次序或顺序可以变化或重新排序。在不脱离本公开的范围的情况下，可以在示例性实施例的设计、操作条件和布置中进行其它替换、修改、改变和省略。

Claims (30)

1.一种波导，所述波导包括：
至少一个波导基板；
至少一个双折射光栅；
至少一个双折射控制层；
光源，所述光源用于输出光；
输入耦合器，所述输入耦合器用于将所述光引导到所述波导内的全内反射路径中；以及
输出耦合器，所述输出耦合器用于从所述波导提取光，其中，所述光与所述双折射控制层和所述双折射光栅的相互作用提供了从所述波导提取的光的预定义特性。
2.根据权利要求1所述的波导，其中，所述光与所述双折射控制层的相互作用提供了以下中的至少一个：角度或频谱带宽变化；偏振旋转；双折射变化；波束传输或偏振旋转中的至少一个的角度或频谱依赖性；以及在所述波导基板的平面中的至少一个方向上的光传输变化。
3.根据权利要求1所述的波导，其中，所述预定义特性跨所述波导变化。
4.根据权利要求1所述的波导，其中，所述预定义特性是由于所述光与所述双折射控制层和所述双折射光栅的的相互作用沿着所述波导内的至少一个光传播方向的累积效应而造成的。
5.根据权利要求1所述的波导，其中，所述预定义特性包括以下中的至少一个：在所述光的角度范围内的均匀照明和均匀偏振。
6.根据权利要求1所述的波导，其中，所述双折射控制层提供了沿着所述波导内的至少一个光传播方向的对由所述双折射光栅引入的偏振旋转的补偿。
7.根据权利要求1所述的波导，其中，所述双折射控制层是液晶和聚合物材料***。
8.根据权利要求1所述的波导，其中，所述双折射控制层是使用定向紫外辐射排列的液晶和聚合物***。
9.根据权利要求1所述的波导，其中，所述双折射控制层是通过以下中的至少一种排列的：电磁辐射；电场或磁场；机械力；化学反应；以及热暴露。
10.根据权利要求1所述的波导，其中，所述双折射控制层影响在液晶和聚合物***中形成的双折射光栅中的LC指向矢的排列。
11.根据权利要求1所述的波导，其中，所述双折射控制层具有各向异性折射率。
12.根据权利要求1所述的波导，其中，所述双折射控制层被形成在所述波导的至少一个内部光学表面或外部光学表面上。
13.根据权利要求1所述的波导，其中，所述双折射控制层包括设置在所述波导的至少一个光学表面上的折射率层的至少一个堆叠，其中，折射率层的堆叠中的至少一层具有各向同性折射率，以及折射率层的堆叠中的至少一层具有各向异性折射率。
14.根据权利要求1所述的波导，其中，所述双折射控制层提供高反射层。
15.根据权利要求1所述的波导，其中，所述双折射控制层提供光功率。
16.根据权利要求1所述的波导，其中，所述双折射控制层提供用于所述波导的环境隔离层。
17.根据权利要求1所述的波导，其中，所述双折射控制层具有梯度折射率结构。
18.根据权利要求1所述的波导，其中，所述双折射控制层是通过拉伸光学材料层以空间地改变其在所述波导基板的平面中的折射率而形成的。
19.根据权利要求1所述的波导，其中，所述光源提供在角度空间中的准直光。
20.根据权利要求1所述的波导，其中，所述输入耦合器和所述输出耦合器中的至少一个包括双折射光栅。
21.根据权利要求1所述的波导，其中，所述双折射光栅被记录在包括至少一种聚合物和至少一种液晶的材料***中。
22.根据权利要求1所述的波导，其中，所述至少一个双折射光栅包括用于提供以下功能中的至少一种的至少一个双折射光栅：在第一方向上的波束扩展；在第二方向上的波束扩展和从所述波导提取光；以及将来自源的光耦合到所述波导中的全内反射路径中。
23.根据权利要求1所述的波导，其中，所述光源包括激光器，并且所述双折射光栅中的LC指向矢的排列空间地变化，以补偿照明条带。
24.一种制造波导的方法，所述方法包括：
提供第一透明基板；
沉积光栅记录材料层；
曝光所述光栅记录材料层，以形成光栅层；
形成双折射控制层；以及
施用第二透明基板。
25.根据权利要求24所述的方法，其中：
所述光栅记录材料层被沉积到所述基板上；
所述双折射控制层被形成在所述光栅层上；以及
所述第二透明基板被施用到所述双折射控制层上方。
26.根据权利要求24所述的方法，其中：
所述光栅记录材料层被沉积到所述基板上；
所述第二透明基板被施用到所述光栅层上方；以及
所述双折射控制层被形成在所述第二透明基板上。
27.根据权利要求24所述的方法，其中：
所述双折射控制层被形成在所述第一透明基板上；
所述光栅记录材料层被沉积到所述双折射控制层上；以及
所述第二透明基板被施用到所述光栅层上方。
28.根据权利要求24所述的方法，所述方法还包括：
沉积液晶聚合物材料层；以及
使用定向UV光排列液晶聚合物材料，其中：
所述光栅记录材料层被沉积到所述基板上；以及
所述第二透明基板被施用到排列的液晶聚合物层上方。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述液晶聚合物材料层被沉积到所述光栅层或所述第二透明基板中的一个上。
30.根据权利要求28所述的方法，其中：
所述液晶聚合物材料层被沉积到所述第一透明基板上；
所述光栅记录材料层被沉积到排列的液晶聚合物材料上；以及
所述第二透明基板被施用到所述光栅层上方。
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