CN115176179A - 各向异性衍射光栅和波导 - Google Patents

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Abstract

一种衍射光栅包括基板和由基板支撑的多个条纹。条纹在第一方向上彼此平行行进。多个条纹的材料的折射率是各向异性的，由此衍射光栅的折射率对比度依赖于入射光束的电场方向，并且该依赖性是入射光束的方位角的函数。衍射效率对方位角的依赖性受到折射率对比度对入射光束的电场方向的依赖性的影响。光瞳复制波导可以使用这样的衍射光栅作为耦合器以对图像光进行输入耦合和输出耦合。

Description

各向异性衍射光栅和波导
技术领域
本公开涉及显示器和可佩戴耳机，并且具体地涉及用于可佩戴视觉显示耳机的组件和模块。
背景技术
头戴式显示器(HMD)、头盔式显示器、近眼显示器(NED)等越来越多地用于显示虚拟现实(VR)内容、增强现实(AR)内容、混合现实(MR)内容等。这样的显示器在不同领域中得到应用，包括娱乐、教育、培训和生物医学科学，仅举几个示例。所显示的VR/AR/MR内容可以呈现为三维(3D)以增强体验并且将虚拟对象与用户观察到的真实对象相匹配。可以实时跟踪用户的眼睛位置和注视方向和/或取向，并且可以根据用户的头部取向和注视方向动态调节所显示的图像，以提供沉浸在模拟或增强环境中的更好的体验。
头戴式显示器需要紧凑的显示设备。因为HMD或NED的显示器通常佩戴在用户的头上，所以大的、笨重的、不平衡的和/或沉重的显示设备会很笨重并且可能会让用户佩戴起来不舒服。
基于投影仪的显示器在角域(angular domain)中提供图像。这样的图像可以通过用户的眼睛直接观察到，而无需中间屏幕或显示面板。扫描投影仪显示器中没有屏幕或显示面板使得可以减小显示器的尺寸和重量。成像波导(也称为光瞳复制波导)可以用于使在角域中携带图像的图像光在显示器的眼盒之上延伸。光瞳复制波导具有角度和位置相关光学损耗，这可能导致图像光对眼盒区域的照明不均匀。
发明内容
因此，本发明公开了根据所附权利要求的衍射光栅、光瞳复制波导和近眼显示器。尽管结合各种实施例和示例描述了本教导，但本教导并不旨在限于这些实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导包含各种替代方案和等同方案。本文中引用本公开的原理、方面和实施例以及其具体示例的所有陈述旨在涵盖其结构和功能等同方案。此外，这样的等同方案旨在包括当前已知的等同方案以及未来开发的等同方案，即，所开发的用于执行相同功能的任何元件，而无论结构如何。
如本文中使用的，除非明确说明，否则术语“第一”、“第二”等并不旨在暗示顺序排序，而是旨在将一个元素与另一元素区分开来。类似地，除非明确说明，否则方法步骤的顺序并不表示它们的执行顺序。
光瞳复制波导可以使用衍射光栅耦合器用于将图像光输入耦合到波导中和/或用于将图像光朝向近眼显示器的眼盒输出耦合，即，输出耦合到几何区域，在该几何区域中，用户的眼睛可以观察到可接受的质量的生成图像。输入耦合衍射光栅耦合器改变外部图像光的传播方向，使得光可以耦合到波导中，例如，以通过全内反射(TIR)进行传播。输出耦合衍射光栅耦合器改变波导束缚光的传播方向以使其传播出波导并且朝向眼盒传播。
衍射光栅耦合器的光学耦合效率依赖于很多因素，包括输入耦合器和输出耦合器的衍射效率的角度依赖性、波导的几何形状、光束从波导表面反弹的次数等。可能希望能够通过设计(即，通过选择衍射光栅耦合器的几何形状和/或材料)来控制衍射效率的角度依赖性。特别地，希望调谐衍射光栅耦合器的耦合效率的角度选择性。
根据本公开，双折射材料可以用于提供衍射光栅的偏振相关(即，各向异性)折射率对比度。由于衍射效率依赖于折射率对比度，因此这样的各向异性光栅的衍射效率变得高度依赖于入射方位角，由此不同入射方位角表现出不同电场偏振并且从而经历不同折射率对比度值。例如，衍射光栅线或条纹可以由具有光轴光学各向异性材料形成，该光轴与衍射光栅线成锐角。备选地或附加地，衍射光栅线的衍射光栅和/或填充材料可以是光学各向异性的。这在构造具有衍射光栅效率的期望预定角度依赖性的衍射光栅时提供附加自由度。
根据本公开，提供了一种衍射光栅，该衍射光栅包括基板和由基板支撑并且在第一方向上彼此平行行进的多个条纹。多个条纹的材料的折射率是各向异性的，由此衍射光栅的折射率对比度是各向异性的。多个条纹中的条纹可以与基板成锐角延伸。在一些实施例中，该材料包括具有光轴的单轴双折射材料。光轴可以平行于基板延伸，并且可以与第一方向形成锐角。基板对于可见光可以是透明的。
根据本公开，提供了一种光瞳复制波导，该光瞳复制波导包括用于使图像光在光瞳复制波导中传播的基板、以及由基板支撑的用于对图像光进行输入耦合或输出耦合的衍射光栅耦合器。衍射光栅耦合器包括在第一方向上彼此平行行进的多个条纹，其中多个条纹的材料的折射率是各向异性的，由此衍射光栅耦合器的折射率对比度是各向异性的。该材料可以是光学各向异性的，例如该材料可以包括具有光轴的双折射材料。光轴可以平行于基板延伸，并且可以与第一方向形成锐角。
光学各向异性材料可以是例如液晶材料和/或双折射晶体。在一些实施例中，光学各向异性材料包括向列相液晶。光学各向异性材料可以包括双折射晶体，例如铌酸锂、碳化硅、金红石等。多个条纹中的条纹可以与基板成锐角从基板延伸。光瞳复制波导还可以包括填充多个条纹中的条纹之间的间隙的层。
根据本公开，还提供了一种近眼显示器(NED)，该NED包括用于在角域中提供携带图像的图像光的图像源。光瞳复制波导(例如，上述光瞳复制波导实施例中的任何一个)光学耦合到图像源并且被配置为向NED的眼盒提供图像光。
在一个方面，本发明涉及一种衍射光栅，该衍射光栅包括基板和由基板支撑并且在第一方向上彼此平行行进的多个条纹，其中多个条纹的材料的折射率是各向异性的，由此衍射光栅的折射率对比度是各向异性的。
在根据本发明的衍射光栅的一个实施例中，多个条纹中的条纹可以与基板成锐角延伸。
在根据本发明的衍射光栅的一个实施例中，该材料可以包括具有光轴的单轴双折射材料。此外，光轴可以平行于基板，或者光轴可以与第一方向形成锐角。
在根据本发明的衍射光栅的一个实施例中，基板对于可见光可以是透明的。
在一个方面，本发明涉及一种光瞳复制波导，该光瞳复制波导包括：
用于使图像光在光瞳复制波导中传播的基板；以及
如上所述的衍射光栅或由基板支撑的衍射光栅耦合器，用于对图像光进行输入耦合或输出耦合，衍射光栅耦合器包括在第一方向上彼此平行行进的多个条纹，其中多个条纹的材料的折射率是各向异性的，由此衍射光栅的折射率对比度是各向异性的。
在根据本发明的光瞳复制波导的一个实施例中，该材料可以包括光学各向异性材料。
在根据本发明的光瞳复制波导的一个实施例中，该材料可以包括具有光轴的双折射材料。除此之外，光轴可以平行于基板，或者光轴可以与第一方向形成锐角。
在根据本发明的光瞳复制波导的一个实施例中，该材料可以包括光学各向异性材料，并且光学各向异性材料可以是液晶材料或双折射晶体中的至少一种，或者光学各向异性材料可以包括向列相液晶，或者光学各向异性材料包括双折射晶体，该双折射晶体选自由以下项组成的组：铌酸锂、碳化硅或金红石。
在根据本发明的光瞳复制波导的一个实施例中，多个条纹中的条纹可以与基板成锐角从基板延伸。除此之外，光瞳复制波导还可以包括填充多个条纹中的条纹之间的间隙的层。
在一个方面，本发明还涉及一种近眼显示器(NED)，该NED包括：
用于在角域中提供携带图像的图像光的图像源；
光学耦合到图像源并且被配置为将图像光提供给NED的眼盒的如上所述的光瞳复制波导、或者光学耦合到图像源并且被配置为将图像光提供给NED的眼盒的光瞳复制波导，光瞳复制波导包括：
用于使图像光在光瞳复制波导中传播的基板；以及
由基板支撑并且用于对图像光进行输入耦合或输出耦合的衍射光栅耦合器，该衍射光栅耦合器包括在第一方向上彼此平行行进的多个条纹，其中多个条纹的材料的折射率是各向异性的，由此衍射光栅耦合器的折射率对比度是各向异性的。
在根据本发明的NED的一个实施例中，该材料包括光学各向异性材料。
在根据本发明的NED的一个实施例中，多个条纹中的条纹可以与基板成锐角从基板延伸。
在根据本发明的NED的一个实施例中，光瞳复制波导还可以包括填充多个条纹中的条纹之间的间隙的层。
附图说明
现在将结合附图描述示例性实施例，在附图中：
图1A是具有各向异性折射率对比度的衍射光栅的平面图；
图1B是图1A的衍射光栅的条纹和条纹填充材料的折射率图；
图1C是入射到图1A的衍射光栅上的光束的折射率对比度与电场方向的曲线图；
图2A是条纹与基板成一定角度的衍射光栅的侧截面图；
图2B是图2A的衍射光栅的介电常数分布的截面图，介电常数分布是折射率分布的平方；
图3是到基板和条纹具有各向同性折射率的图2A和图2B的衍射光栅的实施例的-1级衍射的所计算的衍射效率的二维图；
图4是包括基于本公开的衍射光栅的衍射光栅耦合器的光瞳复制波导的侧截面图；
图5A和图5B是在光瞳复制波导的不同位置处作为入射光波矢量的函数的衍射光栅耦合器的衍射效率的所计算的目标图的示例。每个波导位置需要不同衍射效率以提供由图4的光瞳复制波导传送的图像光的更均匀的角分布；
图6A是具有各向异性折射率对比度的衍射光栅耦合器的俯视图，其中光轴平行于光栅条纹；
图6B是到图6A的衍射光栅耦合器的-1级衍射的所计算的衍射效率的二维图；
图7A是具有各向异性折射率对比度的衍射光栅耦合器的俯视图，其中光轴与光栅条纹成30度角；
图7B是到图7A的衍射光栅耦合器的-1级衍射的所计算的衍射效率的二维图；
图8A是具有各向异性折射率对比度的衍射光栅耦合器的俯视图，其中光轴与光栅条纹成60度角；
图8B是到图8A的衍射光栅耦合器的-1级衍射的所计算的衍射效率的二维图；
图9是包括具有本公开的各向异性衍射光栅耦合器的图像复制波导的近眼显示器的示意性俯视图；
图10A是头戴式显示器的立体图；以及
图10B是包括图10A的耳机的虚拟或增强现实***的框图。
具体实施方式
虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但本教导并不旨在限于这样的实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导包含各种替代方案和等同方案。本文中引用本公开的原理、方面和实施例以及其具体示例的所有陈述旨在涵盖其结构和功能等同方案。此外，这样的等同方案旨在包括当前已知的等同方案以及未来开发的等同方案，即，所开发的用于执行相同功能的任何元件，而无论结构如何。
如本文中使用的，除非明确说明，否则术语“第一”、“第二”等并不旨在暗示顺序排序，而是旨在将一个元素与另一元素区分开来。类似地，除非明确说明，否则方法步骤的顺序并不表示它们的执行顺序。在图1A、图2A、图6A、图7A和图8A中，相似的附图标记表示相似的元素。
光瞳复制波导可以使用衍射光栅耦合器用于将图像光输入耦合到波导中和/或用于将图像光朝向近眼显示器的眼盒输出耦合，即，输出耦合到几何区域，在该几何区域中，生成图像。
现在参考图1A，衍射光栅100包括基板102和多个条纹104，多个条纹104由基板102支撑并且沿着Y轴在XY平面内彼此平行行进。本文中，术语“彼此平行行进”包括其中条纹可以转动或曲折同时保持彼此平行的实施例。条纹104可以形成在基板102上和/或基板102中。在该示例中，基板102具有光学各向同性折射率n1。条纹104包括光学各向异性材料，即，具有折射率张量n2的单轴双折射材料。对于这样的单轴双折射张量，光束108所经历的折射率的大小随着电场矢量106与各向异性材料的光轴109之间的角度α而变化。在图1中，光轴109沿着Y轴延伸并且垂直于衍射光栅100的波矢量110，波矢量110沿着X轴延伸。
依赖性n2(α)导致衍射光栅100内的折射率对比度(定义为条纹104的折射率与条纹间区域(其可以填充有填充材料)之间的差异模量)依赖于角度α。通常，基板102和条纹104的折射率中的一者或两者可以是光学各向异性的。
作为示例性说明，图1A中的条纹109可以包括具有两种不同折射率的材料，例如，填充条纹104之间的空间的材料具有各向同性折射率n1，而条纹104具有各向异性折射率n2。在图1B中，光栅折射率n1和n2一起绘制为角度α的函数。由于折射率n1是光学各向同性的，因此它对角度α的依赖性由圆形表示。另一条纹折射率n2是单轴各向异性的，并且因此用椭圆表示。如图所示，折射率对比度|n2(α)-n1|由阴影区域116在由角度α定义的方向上的宽度表示。图1C示出了折射率对比度|n2(α)-n1|对角度α的依赖性118。如图所示，折射率对比度|n2(α)-n1|在α＝-90度和α＝90度时达到最大值。
转向图2A，衍射光栅200包括基板202和多个条纹204，多个条纹204由基板202支撑并且通常与基板202成锐角向上(即，在Z轴方向上)延伸。在一些实施例中，条纹204也可以垂直于基板202(即，平行于Z轴)延伸。条纹204可以包括单轴或双轴双折射材料，其光轴(或多个光轴，视情况而定)关于基板202平行或成角度，和/或关于条纹204平行或成角度。基板202可以是光学各向同性的，或者可以是光学各向异性的，即，双折射的。在一些实施例中，条纹204之间的间隙可以用形成填充层205的光学各向同性材料填充。填充层205的材料也可以是各向同性的或各向异性的，其光轴(或多个光轴)的方向不同于条纹204的材料，以提供各向异性折射率对比度。在一些实施例中，填充层205的折射率基本上等于基板202的折射率。
图2B是条纹204的示例性折射率图。在图2B中，深阴影区域对应于低折射率，而浅阴影区域对应于高折射率。在该示例中，条纹204的折射率高于填充层205的折射率。
现在参考图3，已经针对衍射光栅200的实施例计算了反射衍射到-1级衍射的效率，衍射光栅200的条纹204具有各向同性折射率n2＝2.0并且衍射光栅200的填充层205和基板202具有各向同性折射率n1＝1.65。衍射效率相对于入射光束的Kx和Ky波矢量分量进行绘制，由空气中的入射光束的波矢量K0归一化。波矢量的长度与波长成反比。由于在折射率大于单位1的稠密介质中传播的光束的波长比相同光束在空气中的波长要短，所以用空气中的波矢量长度归一化的稠密介质中的波矢量长度大于单位1；图3中的单位圆355(白色)表示矢量K0。可以看出，对于闪耀的倾斜入射角，与具有倾斜条纹204的衍射光栅200的闪耀方向相对应的中央波瓣377的衍射效率在入射光束108的方位角的大约±60度之上具有相对较高的量级(大于0.4)。图3的衍射效率图将用于与以下进一步考虑的光学各向异性衍射光栅的衍射效率图进行比较。
本公开的衍射光栅的一种应用是将其用作将图像光耦合到近眼显示器的光瞳复制波导中或波导之外的耦合器。输出耦合器应用在图4中示出。图像光束408在光瞳复制波导400的基板402中传播。基板402对可见光是透明的。如图4所示，通过从基板402的顶部421和底部422表面经历全内反射(TIR)，图像光束408以Z字形图案在基板402中传播。衍射光栅440类似于图2A和2B的衍射光栅200、以及图1A的衍射光栅100。每次光束408入射到衍射光栅440上时，衍射光栅440衍射光束408的一部分409，从而使光束部分409在眼盒450之上扩展，即，在图4中从左到右扩展。为了确保在眼盒450之上扩展的光束408具有较高的整体效率，并且在整个眼盒450和近眼显示器的视场上(即，跨不同入射角)是均匀的，衍射效率需要具有一定的最佳衍射效率角分布，具体取决于所使用的几何形状、所使用的光栅数目等。
衍射效率的这样的最佳角分布的非限制性示例在图5A和图5B中示出。首先参考图5A，图4的光瞳复制波导400的输出衍射光栅被配置为衍射具有落入虚线矩形502(图5A)内的波矢量的光。虚线矩形502设置在环形区域504内，该环形区域504从内部受到TIR临界入射角圆503和由波导几何形状限定的外圆505限制。在衍射光栅440的任何位置入射到衍射光栅440上的图像光束的波矢量落入两个虚线矩形502中的一个内。在这些矩形502内，描绘了最佳的第一衍射效率分布511A和第二衍射效率分布512A。最佳衍射效率分布511A和512A提供光瞳复制波导400的最佳光学性能。最佳衍射效率分布511A和512A两者都非常不均匀，其中第一分布511A需要较高的整体衍射效率，而第二分布512A 511A需要较低的整体衍射效率。最佳衍射效率可以在衍射光栅耦合器的整个表面上有所不同；例如，图5A的衍射效率分布511A和512A对应于坐标x＝4.6mm，y＝4.8mm，而图5B的衍射效率分布511B和512B对应于坐标x＝4.6mm，y＝-1.3mm。
更一般地，在二维(2D)光瞳复制波导中，每个输出衍射光栅可以执行两个功能：通过衍射***光束以用于导模的1D光瞳复制，或者通过衍射对光束进行输出耦合。区分这两种功能的一个参数是光入射在输出衍射光栅上的方位角。理想情况下，***和输出耦合衍射的控制需要独立执行。具有带有方位角选择性的各向异性衍射光栅为配置输出衍射光栅的整体角度响应提供了另一自由度。
现在将考虑具有各向异性折射率对比度的双折射衍射光栅的若干非限制性示例。首先参考图6A，衍射光栅600包括多个条纹604，多个条纹604由基板602支撑并且沿着Y轴行进，即，在图6A中竖直行进。填充层605填充条纹604之间的空间或间隙。条纹604关于基板602以直角或锐角延伸，类似于图2A的衍射光栅200的条纹204。条纹604的材料的折射率是各向异性的，即，折射率是入射光束的电场方向的函数。在该示例中，条纹604的材料是单轴光学各向异性材料，该材料的光轴609平行于基板602并且垂直于衍射光栅600的衍射光栅矢量610(即，平行于条纹604平行于Y轴行进的方向)延伸。衍射光栅矢量610平行于X轴。在该示例中，条纹604与光轴609之间的角度θ是0度。对于沿着光轴609的方向延伸的线性偏振入射光束的电矢量，折射率为2.0；在垂直方向上，折射率被选择为1.65，其等于填充层605的折射率。基板602的折射率是各向同性的，其值为1.9。因此，对于电矢量沿着Y轴延伸的线性偏振入射光束，光栅折射率对比度为0.35，而对于电矢量沿着X轴延伸的线性偏振入射光束，光栅折射率对比度为0。
转向图6B，针对图6A的衍射光栅600，相对于K矢量分量Kx、Ky计算到-1级衍射的光束的反射衍射效率。单位圆655(白色)表示空气中的K矢量K0。入射光束是线性偏振的，电场矢量平行于基板602并且垂直于光束入射到衍射光栅600上的平面。对于沿着x轴入射的光束，Ky＝0，并且电场矢量平行于Y轴，即，平行于光轴609，并且因此，折射率对比度最大值为0.35。对于与X轴成一定角度入射的光束，使得Ky≠0，电场矢量与Y轴形成非零角度，即，与光轴609形成非零角度，并且因此，折射率对比度小于最大值0.35。由于衍射效率通常随着折射率对比度的增加而增加并且随着折射率对比度的降低而降低，因此与条纹604的折射率是各向同性时相比，与光轴609的非零角度时的衍射效率将较小。
通过比较图6B与图3，可以更清楚地看到降低关于x轴以锐角入射的光束的衍射效率的影响，其对应于相同的衍射光栅几何结构，但条纹具有各向同性的折射率，折射率具有相同的标称值。可以看出，光轴609沿着y轴定向的条纹604的双折射导致中心瓣677的衍射效率的角宽度变窄，对应于具有倾斜条纹604的衍射光栅600的闪耀方向。角宽度从±60度(图3)减小到约为±30度的较小值(图6B)。以这种方式，条纹604的双折射使得能够调谐衍射效率的角度依赖性，目的是使衍射光栅效率与图5A和图5B所示的期望角度依赖性更接近地匹配。应当注意，可以出于任何其他目的调谐衍射光栅效率，即，本公开不限于仅复制光瞳波导应用。
参考图7A，衍射光栅700类似于图6A的衍射光栅600，但条纹材料的双折射的光轴709具有不同方向。简而言之，衍射光栅700包括由基板702支撑并且沿着Y轴行进的多个条纹704。填充层705填充条纹704之间的空间。光栅矢量710垂直于条纹704的方向延伸。
条纹704的材料是光轴709平行于基板的单轴光学各向异性材料。在该示例中，条纹704与光轴709之间的角度θ是30度。对于沿着光轴709方向延伸的线性偏振入射光束的电矢量，折射率为2.0；在垂直方向上，折射率被选择为与基板702和填充层705的折射率相等。填充层705和基板702的折射率是各向同性的，并且值为n2＝1.65。因此，对于电矢量关于Y轴以30度延伸的线性偏振入射光束，折射率对比度为0.35，而对于电矢量关于Y轴以-60度延伸的线性偏振光束，折射率对比度为0。
参考图7B，针对图7A的衍射光栅700，相对于K矢量分量Kx、Ky计算到-1级衍射的光束的反射衍射效率。单位圆755(白色)表示矢量K0。入射光束是线性偏振的，电场矢量平行于基板702并且垂直于光束入射到衍射光栅700上的平面(即，s偏振)。
通过比较图7B与图6B，可以观察到改变条纹材料的光轴方向的效果。对于与x轴成30度入射的光束，电场矢量平行于光轴709并且因此主瓣777中的衍射效率最大(图7B)。与图6B中的主瓣677的位置相比，这导致主瓣777偏移大约20度。
调谐衍射效率角分布的效果在图8A和图8B中进一步说明。参考图8A，衍射光栅800类似于图7A的衍射光栅700，但是条纹材料的双折射的光轴809具有不同方向。简而言之，衍射光栅800包括由基板802支撑并且沿着Y轴行进的多个条纹804。填充层805填充条纹804之间的空间。光栅矢量810垂直于条纹804的方向延伸。
条纹804的材料是光轴809平行于基板的单轴光学各向异性材料。在该示例中，条纹804与光轴809之间的角度θ是60度。对于沿着光轴809方向延伸的线性偏振入射光束的电矢量，折射率为2.0；在垂直方向上，折射率被选择为与基板802和填充层805的折射率相等。填充层805和基板802的折射率是各向同性的，并且值为n2＝1.65。因此，对于电矢量关于Y轴以60度延伸的线性偏振入射光束，折射率对比度为0.35，而对于电矢量关于Y轴以-30度延伸的线性偏振光束，折射率对比度为0。
现在参考图8B，针对图8A的衍射光栅800，相对于K矢量分量Kx、Ky计算到-1级衍射的光束的反射衍射效率。单位圆855(白色)表示空气中的K矢量K0。入射光束是线性偏振的，电场矢量平行于基板802并且垂直于光束入射到衍射光栅800上的平面(即，s偏振)。
通过比较图8B与图7B和图6B，可以观察到改变条纹材料的光轴方向的效果。对于与x轴成60度入射的光束，电场矢量平行于光轴809并且因此主瓣877中的衍射效率最大(图8B)。与图7B中的主瓣777的位置相比，这导致主瓣877进一步偏移大约15度。因此，通过选择衍射光栅条纹的双折射材料的光轴(或多个光轴，视情况而定)的取向，可以调谐衍射效率波瓣的期望位置，并且相应地调谐光瞳复制波导的衍射光栅耦合器的耦合效率的角分布。
图1A的衍射光栅100的条纹104的光学各向异性材料、图2A的衍射光栅200的条纹204、图4的衍射光栅耦合器440的条纹、图6A的衍射光栅600的条纹604、图7A的衍射光栅700的条纹704和图8A的衍射光栅800的条纹804可以包括单轴双折射晶体、双轴双折射晶体、液晶材料等。
液晶材料可以包括向列型液晶、胆甾型液晶等。液晶层可以均匀地或以液滴形式分散在聚合物膜中。液晶分子可以通过电场偏振、拉伸主体聚合物膜等来定向。
双折射材料可以包括例如铌酸锂、碳化硅、金红石或任何其他合适的双折射晶体。衍射光栅条纹可以通过刻蚀、离子铣削、压印等形成。
在一些实施例中，衍射光栅的条纹可以填充有光学各向异性材料。备选地或附加地，衍射光栅的基板可以是各向异性的。光学各向异性材料可以具有正或负光学各向异性、单轴光学各向异性或双轴光学各向异性。光轴(多个光轴)可以被定向以提供折射率对比度和相关衍射光栅效率的期望角度依赖性。例如，光轴(多个光轴)的取向可以被选择以匹配用于将图像光耦合进入和/或离开光瞳复制波导的输入耦合和/或输出耦合效率的预定角分布。
转向图9，近眼显示器(NED)900包括框架901，框架901可以具有眼镜的形状。对于每只眼睛，框架901支撑以下项：用于在角域中提供携带图像的图像光的图像源902、以及光学耦合到图像源902并且被配置为将图像光提供给NED 900的眼盒905的光瞳复制波导904。光瞳复制波导904可以包括基于本文中公开的任何衍射光栅的衍射光栅耦合器906。如上所述，光瞳复制波导904的衍射光栅耦合器906可以具有包括光学双折射材料的条纹以提供角度相关折射率对比度。备选地或附加地，衍射光栅耦合器906的基板和/或条纹填充/平坦化层材料可以是光学各向异性的。依赖于所使用的材料，一个或多个光学各向异性材料可以是具有正或负光学各向异性的单轴或双轴双折射材料。
NED 900还可以包括控制器908，该控制器908被可操作地耦合到图像源902以向用户的左眼和右眼提供要显示的图像帧。眼睛***910可以被可操作地耦合到控制器908以提供关于用户眼睛的位置和/或取向的实时信息。控制器可以被配置为根据该信息确定用户的当前注视方向，并且调节要显示给用户的图像帧，以使用户更真实地沉浸在虚拟或增强环境中。
本公开的实施例可以包括人工现实***，或者结合人工现实***来实现。在呈现给用户之前，人工现实***以某种方式调节通过感官获取的关于外部世界的感官信息，诸如视觉信息、音频、触觉(体感)信息、加速度、平衡等。作为非限制性示例，人工现实可以包括虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合(mixed)现实(MR)、混合(hybrid)现实、或其某种组合和/或其衍生物。人工现实内容可以包括完全生成内容或与捕获(例如，真实世界)内容相结合的生成内容。人工现实内容可以包括视频、音频、躯体或触觉反馈、或其某种组合。这些内容中的任何内容都可以在单个通道或多个通道中呈现，诸如在向观看者产生三维效果的立体视频中。此外，在一些实施例中，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中(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、配件、服务或其某种组合相关联。提供人工现实内容的人工现实***可以在各种平台上实现，包括可穿戴显示器，诸如连接到主机计算机***的HMD、独立式HMD、具有眼镜形状因子的近眼显示器、移动设备或计算***、或能够向一个或多个查看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
参考图10A，HMD 1000是包围用户面部以便更大程度地沉浸在AR/VR环境中的AR/VR可穿戴显示***的一个示例。例如，HMD1000是图9的近眼显示器900的实施例。HMD 1000的功能是用计算机生成的图像来增强物理真实世界环境的视图、和/或生成完全虚拟的3D图像。HMD 1000可以包括前体1002和带子1004。前体1002被配置用于以可靠和舒适的方式放置在用户眼前，并且带子1004可以被拉伸以将前体1002固定在用户头部上。显示***1080可以设置在前体1002中以向用户呈现AR/VR图像。前体1002的侧面1006可以是不透明的或透明的。
在一些实施例中，前体1002包括用于跟踪HMD 1000的加速度的***1008和惯性测量单元(IMU)1010、以及用于跟踪HMD 1000的位置的位置传感器1012。IMU 1010是用于基于从一个或多个位置传感器1012接收的测量信号来生成指示HMD 1000位置的数据的电子设备，该位置传感器1012响应于HMD 1000的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器1012的示例包括：一个或多个加速度计、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 1010的误差校正的类型的传感器、或其某种组合。位置传感器1012可以位于IMU 1010外部、IMU 1010内部或其某种组合。
***1008由虚拟现实***的外部成像设备跟踪，使得虚拟现实***可以跟踪整个HMD 1000的位置和取向。由IMU 1010和位置传感器1012生成的信息可以与通过跟踪***1008而获取的位置和取向相比较，以提高HMD 1000的位置和取向的跟踪精度。当用户在3D空间中移动和转动时，准确的位置和取向对于向用户呈现适当虚拟风景很重要。
HMD 1000还可以包括深度相机组件(DCA)1011，DCA 1011捕获描述围绕HMD 1000的一些或全部的局部区域的深度信息的数据。为此，DCA 1011可以包括激光雷达(LIDAR)或类似设备。深度信息可以与来自IMU 1010的信息进行比较，以便更好地确定HMD1000在3D空间中的位置和取向。
HMD 1000还可以包括用于实时确定用户眼睛的取向和位置的眼睛跟踪***1014。所获取的眼睛的位置和取向还允许HMD 1000确定用户的注视方向并且相应地调节由显示***1080生成的图像。在一个实施例中，确定聚散度，即，用户眼睛注视的会聚角。所确定的注视方向和聚散角还可以用于根据视角和眼睛位置来对视觉伪影进行实时补偿。此外，所确定的聚散角和注视角可以用于与用户交互、突出显示对象、将对象带到前台、创建附加对象或指针等等。还可以提供包括例如内置到前体1002中的一组小型扬声器的音频***。
参考图10B，AR/VR***1050包括图10A的HMD 1000、用于存储各种AR/VR应用、设置和校准过程、3D视频等的外部控制台1090、以及用于操作控制台1090和/或与AR/VR环境交互的输入/输出(I/O)接口1015。HMD 1000可以通过物理电缆“拴”到控制台1090，或者经由无线通信链路(诸如
Figure BDA0003651511090000161
Wi-Fi等)连接到控制台1090。可以有多个HMD 1000，每个HMD 1000具有相关联的I/O接口1015，每个HMD 1000和I/O接口1015与控制台1090通信。在备选配置中，不同和/或附加组件可以被包括在AR/VR***1050中。另外，在一些实施例中，结合图10A和图10B所示的组件中的一个或多个而描述的功能可以以与结合图10A与10B而描述的方式不同的方式分布在组件之间。例如，控制台1015的功能中的一些或全部可以由HMD 1000提供，反之亦然。HMD 1000可以配备有能够实现这样的功能的处理模块。
如上面参考图10A所述，HMD 1000可以包括用于跟踪眼睛位置和取向、确定注视角和会聚角等等的眼睛跟踪***1014(图10B)、用于确定HMD 1000在3D空间中的位置和取向的IMU 1010、用于捕获外部环境的DCA 1011、用于独立地确定HMD 1000的位置的位置传感器1012、以及用于向用户显示AR/VR内容的显示***1080。显示***1080包括(图10B)电子显示器1025，例如但不限于液晶显示器(LCD)、有机发光显示器(OLED)、无机发光显示器(ILED)、矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器、透明有机发光二极管(TOLED)显示器、投影仪或其组合。显示***1080还包括光学器件块1030，光学器件块1030的功能是将由电子显示器1025生成的图像传送到用户的眼睛。光学器件块可以包括各种透镜，例如折射透镜、菲涅耳透镜、衍射透镜、主动或被动Pancharatnam-Berry相位(PBP)透镜、液体透镜、液晶透镜等、光瞳复制波导、光栅结构、涂层等。显示***1080还可以包括变焦模块1035，变焦模块1035可以是光学器件块1030的一部分。变焦模块1035的功能是调节光学器件块1030的焦点，例如以补偿聚散调节冲突、校正特定用户的视力缺陷、抵消光学器件块1030的像差等等。
I/O接口1015是允许用户发送动作请求并且从控制台1090接收响应的设备。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束图像或视频数据的捕获的指令，或者是在应用内执行特定动作的指令。I/O接口1015可以包括一个或多个输入设备，诸如键盘、鼠标、游戏控制器、或用于接收动作请求并且将动作请求传送到控制台1090的任何其他合适的设备。通过I/O接口1015接收的动作请求被传送到控制台1090，控制台1090执行与动作请求相对应的动作。在一些实施例中，I/O接口1015包括IMU，该IMU捕获指示I/O接口1015相对于I/O接口1015的初始位置的估计位置的校准数据。在一些实施例中，I/O接口1015可以根据从控制台1090接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，触觉反馈可以在接收到动作请求时提供，或者控制台1090向I/O接口1015传送导致I/O接口1015在控制台1090执行动作时生成触觉反馈的指令。
控制台1090可以根据从以下中的一项或多项接收的信息来向HMD 1000提供内容以供处理：IMU 1010、DCA 1011、眼睛跟踪***1014和I/O接口1015。在图10B所示的示例中，控制台1090包括应用商店1055、跟踪模块1060和处理模块1065。控制台1090的一些实施例可以具有与结合图10B描述的那些不同的模块或组件。类似地，下面进一步描述的功能可以以与结合图10A和图10B描述的方式不同的方式分布在控制台1090的组件之间。
应用商店1055可以存储一个或多个应用以供控制台1090执行。应用是一组指令，该组指令在由处理器执行时生成用于呈现给用户的内容。由应用生成的内容可以响应于经由HMD 1000或I/O接口1015的移动而从用户接收的输入。应用的示例包括：游戏应用、演示和会议应用、视频播放应用或其他合适的应用。
跟踪模块1060可以使用一个或多个校准参数来校准AR/VR***1050，并且可以调节一个或多个校准参数以减少在确定HMD 1000或I/O接口1015的位置时的误差。由跟踪模块1060执行的计算还考虑了从HMD 1000中的IMU 1010和/或I/O接口1015中包括的IMU(如果有的话)接收的信息。此外，如果HMD 1000的跟踪丢失，则跟踪模块1060可以重新校准AR/VR***1050的部分或全部。
跟踪模块1060可以跟踪HMD 1000或I/O接口1015、IMU 1010或其某种组合的移动。例如，跟踪模块1060可以基于来自HMD 1000的信息来确定HMD 1000的参考点在局部区域的映射中的位置。跟踪模块1060还可以分别使用来自IMU 1010的指示HMD 1000的位置的数据或者使用来自I/O接口1015中包括的IMU的指示I/O接口1015的位置的数据来确定HMD 1000的参考点或I/O接口1015的参考点的位置。此外，在一些实施例中，跟踪模块1060可以使用来自IMU1010的指示位置或HMD 1000的部分数据以及来自DCA 1011的局部区域的表示来预测HMD 1000的未来位置。跟踪模块1060将HMD1000或I/O接口1015的所估计或预测的未来位置提供给处理模块1065。
处理模块1065可以基于从HMD 1000接收的信息生成围绕HMD1000的一些或全部的区域(“局部区域”)的3D映射。在一些实施例中，处理模块1065基于从DCA 1011接收的与在计算深度时使用的技术相关的信息来确定用于局部区域的3D映射的深度信息。在各种实施例中，处理模块1065可以使用深度信息来更新局部区域的模型并且部分地基于已更新的模型来生成内容。
处理模块1065在AR/VR***1050内执行应用并且从跟踪模块1060接收HMD 1000的位置信息、加速度信息、速度信息、所预测的未来位置或其某种组合。基于所接收的信息，处理模块1065确定要提供给HMD 1000以呈现给用户的内容。例如，如果所接收的信息表明用户已经向左看，则处理模块1065为HMD 1000生成内容，该内容反映用户在虚拟环境中或在用附加内容增强局部区域的环境中的移动。此外，处理模块1065响应于从I/O接口1015接收的动作请求而在在控制台1090上执行的应用内执行动作，并且向用户提供关于动作被执行的反馈。所提供的反馈可以是经由HMD 1000的视觉或听觉反馈，或者是经由I/O接口1015的触觉反馈。
在一些实施例中，基于从眼睛跟踪***1014接收的眼睛跟踪信息(例如，用户眼睛的取向)，处理模块1065确定提供给HMD 1000的内容的分辨率以在电子显示器1025上呈现给用户。处理模块1065可以将内容提供给HMD 1000，该HMD 1000在电子显示器1025上的用户注视的中央凹区域中具有最大像素分辨率。处理模块1065可以在电子显示器1025的其他区域中提供较低像素分辨率，从而减少AR/VR***1050的功耗并且节省控制台1090的计算资源，而不影响用户的视觉体验。在一些实施例中，处理模块1065还可以使用眼睛跟踪信息来调节对象在电子显示器1025上的显示位置，以防止聚散调节冲突和/或抵消光学失真和像差。
用于实现结合本文中公开的方面而描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件可以用被设计为执行本文中描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件或其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP核相结合、或任何其他这样的配置。备选地，一些步骤或方法可以由特定于给定功能的电路***来执行。
本公开的范围不受本文中描述的特定实施例的限制。实际上，根据前述描述和附图，除了本文中描述的那些之外，其他各种实施例和修改对于本领域普通技术人员将是很清楚的。因此，这样的其他实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，尽管本公开已经出于特定目的在特定环境中在特定实现的上下文中进行了描述，但是本领域普通技术人员将认识到其用途不限于此并且本公开出于任何数目的目的在任何数目的环境中实现可以是有益的。因此，下文阐述的权利要求应当根据本文中描述的本公开的全部范围和精神来解释。

Claims (14)

1.一种衍射光栅，包括基板和多个条纹，所述多个条纹由所述基板支撑并且在第一方向上彼此平行行进，其中所述多个条纹的材料的折射率是各向异性的，由此所述衍射光栅的折射率对比度是各向异性的。
2.根据权利要求1所述的衍射光栅，其中所述多个条纹中的条纹与所述基板成锐角延伸。
3.根据权利要求1所述的衍射光栅，其中所述材料包括具有光轴的单轴双折射材料，并且可选地，其中所述光轴平行于所述基板或与所述第一方向形成锐角。
4.根据权利要求1所述的衍射光栅，其中所述基板对于可见光是透明的。
5.一种光瞳复制波导，包括：
基板，用于使图像光在所述光瞳复制波导中传播；以及
由所述基板支撑的根据权利要求1至4中任一项所述的衍射光栅，或者由所述基板支撑的衍射光栅耦合器，用于对所述图像光进行输入耦合或输出耦合，所述衍射光栅耦合器包括在第一方向上彼此平行行进的多个条纹，其中所述多个条纹的材料的折射率是各向异性的，由此所述衍射光栅耦合器的折射率对比度是各向异性的。
6.根据权利要求5所述的光瞳复制波导，其中所述材料包括光学各向异性材料。
7.根据权利要求5所述的光瞳复制波导，其中所述材料包括具有光轴的双折射材料，并且可选地，其中所述光轴平行于所述基板或与所述第一方向形成锐角。
8.根据权利要求6所述的光瞳复制波导，其中所述光学各向异性材料是液晶材料或双折射晶体中的至少一种，或者
其中所述光学各向异性材料包括向列相液晶，或者
其中所述光学各向异性材料包括双折射晶体，所述双折射晶体选自由以下项组成的组：铌酸锂、碳化硅或金红石。
9.根据权利要求5所述的光瞳复制波导，其中所述多个条纹中的条纹与所述基板成锐角从所述基板延伸。
10.根据权利要求9所述的光瞳复制波导，还包括填充所述多个条纹中的所述条纹之间的间隙的层。
11.一种近眼显示器(NED)，包括：
图像源，用于在角域中提供携带图像的图像光；
根据权利要求5至10中任一项所述的光瞳复制波导或光瞳复制波导，被光学耦合到所述图像源并且被配置为将所述图像光提供给所述NED的眼盒，所述光瞳复制波导包括：
基板，用于使所述图像光在所述光瞳复制波导中传播；以及
衍射光栅耦合器，由所述基板支撑，用于对所述图像光进行输入耦合或输出耦合，所述衍射光栅耦合器包括在第一方向上彼此平行行进的多个条纹，其中所述多个条纹的材料的折射率是各向异性的，由此所述衍射光栅耦合器的折射率对比度是各向异性的。
12.根据权利要求11所述的NED，其中所述材料包括光学各向异性材料。
13.根据权利要求11所述的NED，其中所述多个条纹中的条纹与所述基板成锐角从所述基板延伸。
14.根据权利要求11所述的NED，其中所述光瞳复制波导还包括填充所述多个条纹中的所述条纹之间的间隙的层。
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