用于传输光的波导件的制作方法

用于传输光的波导件
1.本技术要求于2019年2月13日提交的美国临时申请序列号第62/804,967号的优先权权益，该申请的内容依赖于此并且其全部内容以引用方式并入本文中。
技术领域
2.本公开关于用于导向光的波导件，例如，将光导引至头戴式显示器的波导件。


背景技术：

3.归因于光投影技术的近期进展，头戴式显示器的可用性和普及已增长。头戴式显示器现能够将数字、虚拟图像呈现给用户。可表示物体或其他信息的虚拟图像似乎在用户的周围环境存储器在。这通常通过将光从光学元件(例如，透镜)的各个位置直接投射到用户的眼睛来实现。头戴式显示器也被称为接近眼睛或近眼(near
‑
eye)装置。这些术语参考图像形成的光学计算，该计算与传统电子显示器(例如，监控器屏幕)不同。针对头戴式显示器的用户，若用户与周围环境隔离，同时被呈现虚拟图像，则视觉体验经常称为“虚拟现实”。术语“增强现实”经常描述视觉体验，其中将虚拟图像作为对真实世界环境的覆盖而呈现给用户，从而增强由用户接收的视觉信息。并且，当视觉体验允许用户与似乎整合到用户的真实世界环境中的虚拟对象交互时，体验经常称为“混合现实”。
[0004]“非沉浸式”头戴式显示器使用光导引组件来将数字信息投射到用户的眼睛。光导引组件使大部分的用户视场缺乏数字信息
‑
非沉浸式视觉体验。手机虚拟现实头戴式设备是“沉浸式”头戴式显示器的示例。用户将他们的移动电话安装到头戴式设备上。随后将头戴式设备安装到用户身上，因此移动电话的屏幕覆盖大部分的用户视场
‑
沉浸式视觉体验。在这些类型的头戴式显示器中，额外光学元件(例如，眼镜镜片)是可选的且并非需要。在另一示例中，沉浸式头戴式显示器可以将光导向穿过一或多层透明材料，当堆叠时，该透明材料类似跨越用户的大部分视场的眼镜镜片。此类型的头戴式显示器能够通过将光投射到用户的眼睛中来产生混合现实体验。这似乎来自用户的视场的各个点(例如，来自透镜的后表面上的不同点)。其仍同时允许现实环境完全可见。但这些类型的头戴式显示器是大型的，并且在公共场所中不适于使用，这是由于它们可吸引来自旁观者和路人的不想要的注意。
[0005]
目前，广泛适用头戴式显示器的阻碍是成本、大小、电子挑战、光学挑战、社交接受度挑战等等。例如，与其他社交上更加可接受的眼镜(例如，验光眼镜、太阳镜)相比，已知头戴式显示器大得多且明显。减小向用户眼睛提供光传输的光学元件的大小成为挑战。


技术实现要素：

[0006]
在本领域中需要能够实现用于虚拟、增强、及混合现实应用的光投影的低成本、分立的光学元件。
[0007]
根据第一实施例，一种光学装置包含弯曲光学元件的堆叠。堆叠包含与第二弯曲光学元件堆叠的第一弯曲光学元件。第二弯曲光学元件经构造为通过全内反射传播光。堆叠进一步包含经构造为将光输入耦合到第二弯曲光学元件中的输入耦合衍射光栅及穿过
第二弯曲光学元件光学地耦合到输入耦合衍射光栅的输出耦合衍射光栅，输出耦合衍射光栅经构造为导引光。第一弯曲光学元件具有第一折射率，第二弯曲光学元件具有第二折射率，并且第一折射率与第二折射率相差约0.15至1.2。
[0008]
第二实施例包括第一实施例的光学装置，其中堆叠进一步包含与第二弯曲光学元件堆叠的第三弯曲光学元件。第三弯曲光学元件经构造为保护第二弯曲光学元件并且具有与第二折射率相差约0.15至1.2的第三折射率。
[0009]
第三实施例包括第一或第二实施例的光学装置，其中第一和/或第三折射率高于第二折射率。
[0010]
第四实施例包括第一或第二实施例的光学装置，其中第一和/或第三折射率低于第二折射率。
[0011]
第五实施例包括第一、第二、或第四实施例的光学装置，其中第一和/或第三折射率在大约1.4
‑
1.6之间并且第二折射率大于约1.7。
[0012]
第六实施例包括先前实施例的任一者，其中输出耦合衍射光栅进一步构造为将光的至少一部分重新导引到第二弯曲光学元件中。
[0013]
第七实施例包括先前实施例的任一者，其中输出耦合衍射光栅进一步构造为将光的至少一部分输出耦合到第一弯曲光学元件中。
[0014]
第八实施例包括先前实施例的任一者，其中输出耦合衍射光栅沿着在第一与第二弯曲光学元件之间的界面定位、沿着在第二与第三弯曲光学元件之间的界面定位、或在第二弯曲光学元件内部定位。
[0015]
第九实施例包括先前实施例的任一者，其中输入耦合衍射光栅沿着在第一与第二弯曲光学元件之间的界面定位、沿着在第二与第三弯曲光学元件之间的界面定位、或在第二弯曲光学元件内部定位。
[0016]
第十实施例包括先前实施例的任一者，其中输出耦合衍射光栅包含反射光栅或折射光栅。
[0017]
第十一实施例包括先前实施例的任一者，其中输入耦合衍射光栅包含反射光栅或折射光栅。
[0018]
第十二实施例包括第十或第十一实施例的光学装置，其中输出耦合衍射光栅及输入耦合衍射光栅进一步构造为使用负一级传输、正一级传输、负一级反射、和/或一级反射导引光。
[0019]
第十三实施例包括先前实施例的任一者，其中光在与输入耦合光栅相互作用之前穿过第一弯曲光学元件传输。
[0020]
第十四实施例包括先前实施例的任一者，其中光在与输入耦合衍射光栅相互作用之前不穿过第一弯曲光学元件传输。
[0021]
第十五实施例包括先前实施例的任一者，光学装置进一步包含在第一与第二弯曲光学元件之间定位的中间层、和/或在第二与第三弯曲光学元件之间定位的另一中间层。
[0022]
第十六实施例包括第十五实施例的光学装置，其中中间层和/或另一中间层包含气隙或黏合材料。
[0023]
第十七实施例包括先前实施例的任一者，其中光包含红色、绿色、和/或蓝色波长。
[0024]
第十八实施例包括任何先前实施例，其中第一、第二、和/或第三弯曲光学元件包
含经构造为支撑光学装置并且防止光学装置弯曲的刚性主体。
[0025]
第十九实施例包括先前实施例的任一者，其中光学装置进一步包含大于约基础2、基础4、基础6、基础8、或基础10的基础曲线。
[0026]
第二十实施例包括先前实施例的任一者，其中第二弯曲光学元件的厚度不超过约1000微米、800微米、或600微米。
[0027]
第二十一实施例包括先前实施例的任一者，其中光学装置的厚度不超过约15mm、12mm、11mm、或10mm。
[0028]
第二十二实施例包括先前实施例的任一者，其中第二弯曲光学元件包含氮化硅、氮氧化硅、氧化铪、氧化铝、氧化钽、氮氧化钽、二氧化钛、或氧化锆、氧化钪、氧化铌、钛酸镧、氧化镧、二氧化铈、氧化镨、或氧化钇。
[0029]
第二十三实施例包括先前实施例的任一者，其中第一和/或第三光学元件包含聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基戊烯、环烯烃聚合物、环烯烃共聚物、苯乙烯丙烯酸酯、聚碳酸酯、cr
‑
39、聚苯乙烯、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚对苯二甲酸乙二醇酯、或高纯度熔凝硅石。
[0030]
第二十四实施例包括先前实施例的任一者，其中第三弯曲光学元件包含经构造为在现实世界图像上提供眼科矫正能力的光学形状。
[0031]
第二十五实施例包括第二十四实施例的光学元件，其中眼科矫正能力在约
‑
10与10屈光度之间。
[0032]
第二十六实施例包括先前实施例的任一者，其中输出耦合衍射光栅进一步构造为导引光的输出耦合部分，使得光收敛、发散、或基本上准直。
[0033]
第二十七实施例包括先前实施例的任一者，其中第一弯曲光学元件包含一光学形状，该光学形状经构造为随着光离开第一弯曲光学元件重新导引光的输出耦合部分，使得光收敛、发散、或基本上准直。
[0034]
第二十八实施例包括先前实施例的任一者，其中光学装置进一步包含大于约40度且小于约140度、大于约60度且小于约140、大于约80度且小于约140、大于约100度且小于约140、或大于约120度且小于约140的最大水平视场。
[0035]
第二十九实施例包括先前实施例的任一者，光学装置进一步包含至少中间光栅，该中间光栅经构造为扩展输入耦合光，使得光的输出耦合部分形成二维阵列，其中阵列的每个构件是输入耦合光的复制。
[0036]
第三十实施例包括光学装置的系统，该系统包含多个第一实施例的光学装置。
[0037]
本文描述的工艺及系统的额外特征及优点将在以下详细描述中阐述，并且部分将从该描述而为本领域技术人员显而易见或通过实践本文描述的实施例而认识到，包括下文的详细描述、权利要求、以及附图。
[0038]
将理解，上文的一般描述和下文的详细描述描述了各种实施例，并且旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的综述或框架。包括附图以提供对各个实施例的进一步理解，并且附图并入本说明书中且构成本说明书的一部分。附图示出了本文描述的各个实施例，并且连同描述一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。
附图说明
[0039]
在附图中阐述的实施例的性质是说明性和示例性的，并且不旨在限制由权利要求
定义的主题。当结合以下附图阅读时，可以理解下文对说明性实施例的详细描述。
[0040]
图1图示了根据一或多个实施例的穿戴光学装置的用户的俯视图。
[0041]
图2至图4图示了根据一或多个实施例的光学装置。
[0042]
图5图示了根据一或多个实施例的平坦或弯曲光学装置的光学输入区段。
[0043]
图6图示了根据一或多个实施例的平坦或弯曲光学装置的输出区段。
[0044]
图7至图10图示了根据一或多个实施例的弯曲光学装置的输出区段。
[0045]
图11至图13图示了根据一或多个实施例的平坦光导件。
[0046]
图14至图16图示了根据一或多个实施例的弯曲光导件。
[0047]
图17至图18图示了根据一或多个实施例的弯曲光学装置的输出区段。
[0048]
图19至图20图示了根据一或多个实施例的光学装置的输入区段。
[0049]
图21图示了根据一或多个实施例的光学装置。
[0050]
当结合附图理解时，本发明的特征及优点将从下文阐述的详细描述中变得更显而易见，其中在全文中相似的附图标记标识对应的组件。在附图中，相似的附图标记通常指示相同、功能类似、和/或结构类似的组件。此外，通常，附图标记的最左数字标识其中附图标记首次出现的附图。除非另外指出，否则在本公开全文中提供的附图不应当被解释为按比例绘制。
具体实施方式
[0051]
现将详细参考用于显示数字图像的光学元件和方法的实施例，特别地在头戴式显示器中，该实施例的示例在附图中示出。
[0052]
本文描述实施例以促进设计和生产能够导向光束并且向采用光学装置的头戴式显示器的用户输出光束作为数字图像的光学装置(例如，包含光导件的可穿戴透镜)。
[0053]
估计术语，诸如“近似(approximate)”、“约(approximately)”、“约(about)”及类似术语可在本文中用于指示可基于特定技术和/或某些参数变化的给定数量的值。例如，估计术语可修改量、大小、配方、参数、及其他数量和特性，并且不需要为准确的而是可如期望地近似和/或更大或更小的反映容限、换算因子、四舍五入、测量误差等等、以及本领域技术人员已知的其他因素。这样的估计术语可指在例如值的0
‑
10％(例如，该值的
±
0.5％、
±
5％、或
±
10％)内变化的给定数量的值。
[0054]
为了便于描述，本文可使用方向和空间相对性术语(诸如“在
……
下方”、“在
……
之下”、“下部”、“在
……
之上”、“在
……
上”、“上部”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等等)来描述附图中所示出的一个组件或特征与另一组件或特征的关系。除了附图中所描绘的定向外，方向和空间相对性术语旨在涵盖使用或操作中装置的不同定向。设备可以其他方式定向(旋转90度或处于其他定向)并且可同样相应地解读本文所使用的方向和空间相对性描述词。
[0055]
术语“观察者”、“穿戴者”、“典型穿戴者”、“用户”、“典型用户”等等可在本文中用于指一般中间用户、根据人口学或活动性的中间用户、或具有符合人类测量的标准或熟知数据库的实体尺寸的用户等等。例如，典型头戴式显示器用户可以是具有符合美国国家标准局(american national standards institute；ansi)、欧洲标准、或人体测量的实体尺寸的用户。
[0056]
术语“光”可在本文中用于指示“电磁辐射”、或仅“辐射”的形式，并且这些术语可互换地使用。类似地，术语“射束”可在本文中用于指具有射束或射束状布置的光。
[0057]
术语“光导件”可在本文中用于代表导向光的光学部件，所谓的“波导件”，并且术语“光导件”和“波导件”可互换地使用。
[0058]
术语“折射率(index)”可在本文中用于指折射率，并且该术语可用于表征材料，例如，较高折射率材料可指具有与另一种材料相比相对较高的折射率的材料。
[0059]
术语“输入”、“发射”、“输入耦合”、“射入”等等可在本文中用于描述进入介质的光。类似地，术语“输出”、“离开”、“输出耦合”、“射出”等等可在本文中用于描述离开介质的光。
[0060]
尽管头戴式显示器有众多进展，存在对具有优异光学质量同时允许较宽视场、外形因素接近非电子眼镜、及构造成本降低的光学结构的持续需要。
[0061]
光导件是导向光的光学结构，随着光传播，该光被局限到空间区域。光的局限通常通过使用在光导件与其周围材料之间的折射率差及光发射到光导件中的角度来实现。利用正确条件，光经历全内反射。常见光导件的示例是光纤，该光纤将光传播局限为沿着狭窄“管”(所谓的光纤核心)。通常，传播是相对无损失的，意谓仅穿过光导件泄漏或以其他方式衰减小的、经常可忽略不计的部分光。尽管光穿过光纤的行进路径是相对线性的(例如，仅沿着光纤的光轴行进)，二维光导件可以经工程设计为与其周围材料具有折射率差的材料的薄平面层。光导件周围的材料可以为包层或空气。此外，此种平面光导件可以不限于平面。例如，光导件可以是弯曲的，以便遵循二维曲率。仅仅为了便于论述并且不作限制，术语光导件将指二维变型，除非另外指出。
[0062]
弯曲光导件具有优于平坦光导件的各种优点。例如，光导件可用作头戴式显示器中的可穿戴透镜。在此示例中，光导件的曲率允许缠绕在用户的面部周围(从而允许较宽的视场)的外形因素，以及类似常见眼镜(eyewear)(例如，眼镜(eyeglasses))的外形因素。
[0063]
图1图示了根据一或多个实施例的穿戴光学装置104及光学装置106的用户102的俯视图。在一些实施例中，光学装置104及光学装置106是弯曲的。例如，光学装置104及光学装置106由眼镜框架(未图示)支撑。所穿戴的光学装置104及光学装置106在用户102的正前方视线的路径中。在一些实施例中，光学装置104及光学装置106缠绕在用户102的面部周围。在一些实施例中，光学装置104经构造为向用户102的眼睛发送光108。类似地，光学装置106经构造为向用户102的另一个眼睛发送光110。在一些实施例中，光学装置104及光学装置106可组合为整体光学装置，从而形成用于眼镜的整体透镜的类似物(例如，护眼罩、护目镜等等)。
[0064]
在更详细地描述弯曲光导件之前，首先考虑平坦光导件有指导意义。图2图示了根据一或多个实施例的光学装置200。在一些实施例中，光学装置200包含光导件202、材料204、界面206a、界面206b、光栅208、及光栅210。光栅208及光栅210也可分别称为输出耦合衍射光栅及输入耦合衍射光栅。例如，根据光栅功能的此命名方案可在本文中用于本公开的其他实施例中的光栅。
[0065]
在一些实施例中，材料204围绕光导件202。在一些实施例中，光栅208和/或光栅210可在界面206b处定位。在一些实施例中，光栅208和/或光栅210可在界面206a处定位(位置未描绘)。在一些实施例中，光栅208和/或光栅210可在光导件202内部定位，例如，不与材
料204接触(位置未描绘)。光栅208及光栅210的不同位置允许使用光栅的反射或折射行为，这将稍后参考图5及图6解释。界面206a及界面206b近似平行。
[0066]
在一些实施例中，光导件202通过界面206a与界面206b之间的全内反射(total internal reflection；tir)导向光212。光导件202具有折射率n
d
，并且材料204具有折射率n
o
。在一些实施例中，n
d
与n
o
不同。在一些实施例中，n
d
大于n
o
，以便允许tir。随后，当光以入射角θ
i
入射在界面206a或界面206b上时发生tir，使得：
[0067]
等式1
[0068]
其中θ
c
是所谓的临界角。在其他实施例中，n
d
小于n
o
。
[0069]
在其中界面206a及界面206b近似平行的布置中，在光导件202内经历tir的光212将一般不能穿过界面206a或界面206b离开光导件202。由此，在一些实施例中，光栅208用于从光导件202输出耦合光212。类似地，在其中界面206a及界面206b近似平行的布置中，光212将一般不能以产生条件θ
i
≥θ
c
的角度进入光导件202。由此，在一些实施例中，光栅210用于将光212以一角度输入耦合到光导件202中。光栅208及光栅210的这些布置修改光212的方向以产生或破坏条件θ
i
≥θ
c
。
[0070]
tir性能对光导件表面的破坏及磨损敏感。tir性能也对光导件的较大尺度结构改变(例如，弯曲光导件)敏感，若光导件是薄的或由柔性材料制成，则可能发生这种情况。光学装置包括允许更刚性结构并且保护光导件不被撞击的包覆模塑(overmold)、封装或护套将为有利的。
[0071]
图3图示了根据一或多个实施例的光学装置300。在一些实施例中，光学装置300包含支撑层302、光导件304、界面308、界面310、光栅312、及光栅314。在一些实施例中，光学装置300包含保护层306。
[0072]
在一些实施例中，支撑层302、光导件304、及保护层306是平坦的。支撑层302在界面310处与光导件304堆叠。保护层306在界面308处与光导件304堆叠。在一些实施例中，例如，保护层306可能不存在，以便减小光学装置300的厚度和/或总大小。在一些实施例中，光栅312和/或光栅314在界面310处定位。在一些实施例中，光栅312和/或光栅314在界面308处定位(位置未描绘)。在一些实施例中，光栅312和/或光栅314在光导件304内部定位，例如，不与支撑层302或保护层306接触(位置未描绘)。
[0073]
在一些实施例中，光导件304使用界面308与界面310之间的tir导向光316。光导件304具有折射率n
d
，并且支撑层302具有折射率n
o，1
。保护层306具有折射率n
o，2
。在一些实施例中，n
d
与n
o，1
及n
o，2
不同。在一些实施例中，n
d
大于n
o，1
和/或大于n
o，2
，以便允许tir。在一些实施例中，n
d
小于n
o，1
和/或小于n
o，2
。
[0074]
在一些实施例中，光栅312导引光316。在一些实施例中，光栅312将光316的至少一部分重新导引到光导件304中。在一些实施例中，光栅312将光316的至少一部分输出耦合到支撑层302中。光316的输出耦合部分离开支撑层302，离开的光由射束318表示。例如，将射束318递送到与光学装置104及光学装置106(图1)类似的光学装置300的用户的眼睛。在一些实施例中，光栅314用于将光316输入耦合到光导件304中。使用光栅314输入耦合光316的原因与上文针对光栅210(图2)论述的那些类似。本领域技术人员将显而易见，所示的输出射束的数量不是限制性的，并且可设计光学装置300以输出任何数量的输出射束(例如，每
图像像素的射束)。
[0075]
如与平坦光学装置相比，弯曲光学装置的一些优点包括较宽的视场及更加类似常见眼镜(例如，镜片)的外形因素。然而，设计弯曲光学装置不仅仅涉及将曲线赋予现有的平坦光学装置。例如，若将曲线赋予光学装置300，则导向光316的几何将更改，精心工程设计的光栅可能不再如期望地起作用，并且将修改射束318的方向，这继而劣化由射束318形成的图像的质量。由此，本发明的实施例提供了补偿曲率效应的弯曲光学装置。
[0076]
图4图示了根据一或多个实施例的光学装置400。在一些实施例中，光学装置400包含支撑层402、光导件404、界面408、界面410、光栅412、及光栅414。在一些实施例中，光学装置400包含保护层406。
[0077]
在一些实施例中，支撑层402、光导件404、及保护层406是弯曲的。支撑层402在界面410处与光导件404堆叠。保护层406在界面408处与光导件404堆叠。在一些实施例中，界面408具有薄的材料插入层
‑
中间层(例如，黏性气隙)。界面410也可包括中间层。在一些实施例中，例如，保护层406可能不存在，以便减小光学装置400的厚度和/或总大小。在一些实施例中，光栅412和/或光栅414在界面410处定位。在一些实施例中，光栅412和/或光栅414在界面408处定位(位置未描绘)。在一些实施例中，光栅412和/或光栅414在光导件404内部定位，例如，不与支撑层402或保护层406接触(位置未描绘)。
[0078]
在一些实施例中，光导件404使用界面408与界面410之间的tir导向光420。光导件404具有折射率n
d
，并且支撑层402具有折射率n
o，1
。保护层406具有折射率n
o，2
。在一些实施例中，n
d
与n
o，1
及n
o，2
不同。在一些实施例中，n
d
大于n
o，1
和/或大于n
o，2
，以便允许tir。在一些实施例中，n
d
小于n
o，1
和/或小于n
o，2
。在折射率n
d
与n
o，2
(或n
o，1
)之间的差是约0.15
‑
1.2。本领域技术人员将显而易见，折射率差的其他值范围是可能的。折射率差的重要性将稍后参考图18解释。
[0079]
在一些实施例中，光学装置400可布置为区段416及区段418，使得支撑层402、光导件404、及保护层406搁置在区段416及区段418二者中。区段416及区段418亦可分别被称为光学装置的输出区段及输入区段。例如，根据区段功能的此命名方案可在本文中用于本公开的其他实施例中的光学装置的区段。在一些实施例中，光栅412位于区段416中。在一些实施例中，光栅414位于区段418中。光栅412将光420的至少一部分重新导引到光导件404中。在一些实施例中，光栅412将光420的至少一部分输出耦合到支撑层402中。光420的输出耦合部分离开支撑层402，离开的光由区段416处的射束422表示。光栅412导引光420及射束422。例如，将射束422递送到与光学装置104及光学装置106(图1)类似的光学装置400的用户的眼睛。所描绘的输出射束的数量不作限制。在一些实施例中，光栅414用于在区段418处将光420输入耦合到光导件404中。使用光栅414输入耦合光420的原因与上文针对光栅210(图2)论述的那些类似。
[0080]
当光420行进穿过光导件404时，归因于光导件404的曲率，在每次反射之后，光420在界面408及界面410上的入射角可不同。由于入射角影响光420与光栅412的相互作用，射束422的方向也受光导件404的曲率影响。此效应可以通过将光栅412设计为具有适当光栅参数(例如，线宽、节距等等)来补偿。以描述输入耦合衍射光栅(例如，光栅414)开始更具指导意义。
[0081]
图5图示了根据一或多个实施例的平坦或弯曲光学装置的输入区段500。在一些实
施例中，输入区段500包含光导件502、材料504、界面506、及光栅508。
[0082]
在一些实施例中，材料504在界面506处与光导件502接触。例如，材料504可以是支撑层302(图3)或402(图4)、保护层306(图3)或406(图4)、或空气。光栅508在界面506处定位。
[0083]
在一些实施例中，从材料504的侧面入射到界面506上的光510与光栅508相互作用。光510输入耦合到光导件502中。在与光栅508相互作用之后，光510可以数个衍射角衍射，该衍射角经常由衍射级(例如，
‑
1、0、 1等等)标记。图5所示的光路径仅仅为了便于论述并且不作限制。本领域技术人员将显而易见，光510具有无限数量的可能的入射角(包括正入射角)及相关联的衍射角。衍射角也由光栅参数决定。在一些实施例中，沿着
‑
1级或 1级路径输入耦合到光导件502中的光510用于使用tir的传输。此外，光栅508不需要在传输操作中使用以将光510输入到光导件502中。而是，在一些实施例中，将光栅508操作为与界面506相对定位的反射衍射组件。本领域技术人员将了解，即使光栅508在光导件502内部定位(例如，不与材料504接触)，光栅508仍可用于输入耦合光510并且发起tir，不论通过反射还是折射输入耦合。在此种情况下，光510穿过界面506传输(例如，在近似正入射下)，行进一定距离到光导件502中，并且随后遇到光栅508。
[0084]
类似相互作用可应用于穿过输出耦合衍射光栅(例如，光栅412)离开光导件的光。图6图示了根据一或多个实施例的平坦或弯曲光学装置的输出区段600。在一些实施例中，输出区段600包含光导件602、材料604、界面606、光栅608。
[0085]
在一些实施例中，材料604在界面606处与光导件602接触。例如，材料604可以是支撑层302(图3)或402(图4)、保护层306(图3)或406(图4)、或空气。在一些实施例中，光栅608在界面606处定位。
[0086]
在一些实施例中，从光导件602的侧面入射到界面606上的光610与光栅608相互作用。光栅608导引光610。在一些实施例中，光栅608将光610的一部分输出耦合到材料604中。输出耦合的部分是光612。再者，将光610的另一部分重新导引(例如，反射)到光导件602中。经反射的部分是光614。仅仅为了便于论述并且不作限制，图6图示了用于光610、光612、及光614的特定构造，以便与图5所示的衍射角相对应。本领域技术人员将显而易见，可使用其他衍射级。再者，光612及光614的方向可通过更改光610的方向和/或光栅608的参数来修改。此外，光栅608不需要在传输操作中使用，由光612表示，以从光导件602输出光。由此，在一些实施例中，光栅608用作从光导件602输出耦合光的反射衍射组件。例如，若给予光614与所描绘的方向不同的方向(例如，与界面606近似正交)，则光614可随后用作输出耦合的光。在此情况下，光614将离开相对界面606。本领域技术人员将了解，即使光栅608在光导件602内部定位(例如，不与材料604接触)，光栅608仍可用于输出耦合光610，不论通过反射还是折射输出耦合。在此情况下，光610首先与光栅608相互作用，使得光612(或光614)在光导件内部产生，以近似正入射行进一定距离到界面606(或相对界面)，并且随后离开光导件602。
[0087]
图7至图9分别图示了根据一或多个实施例的输出区段700、输出区段800、及输出区段900，该输出区段可以控制由光导件输出的光的方向。
[0088]
除非另外指出，否则图7的以下架构描述也类似地应用于使用类似编号的组件的图8及图9。在一些实施例中，输出区段700包含支撑层702、光导件704、界面706、界面708、及
光栅710。支撑层702在界面708处与光导件704堆叠。光栅710根据折射或反射操作在界面706或界面708处定位(反射位置未描绘)。在其他实施例中，光栅710在光导件704内部定位，例如，不与支撑层702接触(位置未描绘)。在一些实施例中，光通过光栅710从光导件704输出耦合以形成输出射束712。在一些实施例中，输出射束712从光导件704输出耦合并且到支撑层702中，并且随后离开支撑层702。
[0089]
先前已经参考输出区段600(图6)解释了输出耦合衍射光栅可以用于导引输出耦合的光。输出区段700、输出区段800、及输出区段900分别图示了相应输出射束712、输出射束812、及输出射束912的不同构造。在一些实施例中，输出射束712收敛。输出射束712的方向通过设计适当光栅参数来实现，该光栅参数考虑到行进穿过光导件704的光的入射角、以及随着输出射束712离开支撑层702的外表面的输出射束712的折射。在一些实施例中，输出射束812基本上准直或与观察者的瞳孔正交。可以通过使用与针对输出射束712解释的方法类似的方法使输出射束812基本上准直。在一些实施例中，输出射束912发散。可以通过使用与针对输出射束712解释的方法类似的方法使输出射束912发散。通过控制如图7至图9所示的输出光的方向，可操纵由输出射束712、输出射束812、或输出射束912形成的图像对象的视距，例如，通过准直的输出射束912形成的图像与用户的瞳孔无限远。
[0090]
此外，光与支撑层(例如，图7的支撑层702)的输出表面的相互作用可进一步通过改变输出表面的形状来控制。图10图示了弯曲光学装置的输出区段1000。在一些实施例中，输出区段1000包含支撑层1002、光导件1004、界面1006、界面1008、界面1010、及光栅1012。界面1010具有折射光的形状。支撑层1002在界面1008处与光导件1004堆叠。界面1010是面向用户的输出区段1000的表面。光栅1012根据折射或反射操作在界面1006或界面1008处定位(反射位置未描绘)。在其他实施例中，光栅1012在光导件1004内部定位，例如，不与支撑层1002接触(位置未描绘)。在一些实施例中，光通过光栅1012从光导件1004输出耦合以形成输出射束1014。在一些实施例中，输出射束1014从光导件1004输出耦合并且穿过界面1010离开输出区段1000。界面1010的形状经设计为与光栅1012结合起作用以产生期望构造的输出射束1014。在图10所示的布置中，使输出射束1014基本上准直或与观察者的瞳孔正交。然而，本领域技术人员将显而易见，其他构造是可能的(例如，发散或收敛)。
[0091]
光导件的厚度可以用于控制光。通过使光导件变薄，更密集瞳孔取样(例如，像素分辨率)是可能的，并且可使利用光导件的头戴式显示器较小且较不显眼。图11至图13图示了缩放光导件厚度的效应。
[0092]
除非另外指出，否则图11的以下架构描述也类似地应用于使用类似地编号的组件的图12及图13。图11至图13分别图示了根据一或多个实施例的平坦光导件1100、平坦光导件1200、及平坦光导件1300。在一些实施例中，平坦光导件1100包含光栅1102。光栅1102经构造为从平坦光导件1100输出耦合输出射束1104。在一些实施例中，在输出射束1104的射束之间的距离1106由光导件的厚度1108决定。相同的依赖性应用于输出射束1204与厚度1208、及输出射束1304与厚度1308。图11至13图中的附图仅仅比较厚度缩放的效应并且不意欲限制给定附图中的结构组件(例如，在全内反射期间的入射角、存在或缺乏外部材料等等)。
[0093]
图11至图13图示了距离1106、距离1206、及距离1306分别与厚度1108、厚度1208、及厚度1308成比例。换言之，随着平坦光导件的厚度减小，可以使瞳孔取样、或分辨率更密
see
‑
through hmd using geometric waveguides(“使用几何波导的透视hmd的视场限制”)，applied optics(“应用光学”)，55(22)，5924
‑
5930中描述的，其全部内容通过引用方式并入本文中。可以表明，弯曲光导件的最大视场θ
fov
可如下式：
[0103]
等式2
[0104]
其中g是光栅频率，λ是光1816的波长，并且r是光导件1804的曲率半径。等式2假设光导件的总厚度远小于r。等式2可描述当r接近无限时的平坦光导件。
[0105]
某些应用可有利地具有紧密地缠绕在观察者的面部周围的弯曲光学装置，而其他应用可用略微弯曲的透镜形状(例如，眼镜形状)满足。在本公开的实施例中，可选择光导件的曲率半径以适合应用。然而，必须考虑到等式2包括光导件的曲率半径。即，曲线半径影响由光学装置显示的图像的视场。
[0106]
在一些实施例中，光学装置具有在约20至140度之间的最大视场。在一些实施例中，光学装置具有在约40至140度之间的最大视场。在一些实施例中，光学装置具有在约60至140度之间的最大视场。在一些实施例中，光学装置具有在约80至140度之间的最大视场。在一些实施例中，光学装置具有在约100至140度之间的最大视场。在一些实施例中，光学装置具有在约120至140度之间的最大视场。在一些实施例中，光学装置具有在约20至120度之间的最大视场。在一些实施例中，光学装置具有在约20至100度之间的最大视场。在一些实施例中，光学装置具有在约20至80度之间的最大视场。在一些实施例中，光学装置具有在约20至60度之间的最大视场。在一些实施例中，光学装置具有在约20至40度之间的最大视场。这些最大视场的值范围可应用于水平视野、垂直视场、或二者。本领域技术人员将显而易见，其他视场范围是可能的。
[0107]
基础曲线是在眼镜工业中使用的有用标准。具体地，当提及“缠绕式”眼镜曲线时，使用530mm半径标准。在此标准中，将530mm曲率半径定义为“基础1”。为了在基础曲线值与半径之间进行转换，使用以下公式：
[0108]
等式3
[0109]
例如，一些常见的缠绕式太阳镜具有约8的基础曲线值(或基础8)。根据等式3，这将等效于66.25mm的曲线半径。并且基础0对应于无限半径(即，平坦)。
[0110]
在一些实施例中，光学装置具有大于约基础2的基础曲线。在一些实施例中，光学装置具有大于约基础4的基础曲线。在一些实施例中，光学装置具有大于约基础6的基础曲线。在一些实施例中，光学装置具有大于约基础8的基础曲线。在一些实施例中，光学装置具有大于约基础10的基础曲线。一些应用可能需要基础曲线不恒定，但仍保持在基础曲线值的范围内，例如，具有自由形状的透镜。在一些实施例中，光学装置具有在约基础0与基础5.6之间的基础曲线。在一些实施例中，光学装置具有在约基础2与基础5之间的基础曲线。在一些实施例中，光学装置具有在约基础3与基础5之间的基础曲线。在一些实施例中，光学装置具有在约基础6与基础10之间的基础曲线。在一些实施例中，光学装置具有在约基础7与基础10之间的基础曲线。在一些实施例中，光学装置具有在约基础7与基础9之间的基础曲线。一些应用可能需要水平基础曲线与垂直基础曲线不同，例如，具有近似复曲面形状的透镜。由此，基础曲线的这些值范围可应用于水平基础曲线、垂直基础曲线、或二者。本领域
技术人员将显而易见，其他基础曲线范围是可能的。
[0111]
可以从等式2推断，在折射率n
d
与n
0，2
之间的较大差值导致较大的最大视场θ
fov
。在眼镜中使用的一些常见的透明材料具有在约1.4
‑
1.6之间的折射率。在用于眼镜镜片的透明材料的上下文中，在此值范围中的材料可被认为是较低折射率材料。较低折射率材料可包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基戊烯、环烯烃聚合物、环烯烃共聚物、苯乙烯丙烯酸酯、聚碳酸酯、cr
‑
39、聚苯乙烯、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚对苯二甲酸乙二醇酯、或高纯度熔凝硅石。这些是可用于制造例如支撑层及保护层的材料。将了解，折射率值可以取决于材料的温度。由此，除非另外声明，否则本文公开的折射率值对应于约25℃的温度。
[0112]
相反地，相对较高折射率的材料可具有达到约2.6的折射率，诸如二氧化钛。透明的较高折射率材料可包括氮化硅、氮氧化硅、氧化铪、氧化铝、氧化钽、氮氧化钽、二氧化钛、氧化锆、氧化钪、氧化铌、钛酸镧、氧化镧、二氧化铈、氧化镨、或氧化钇。这些是可用于制造例如光导件的材料。由此，用作光导件材料并且与较低光导件材料结合作为围绕光导件的材料的较高折射率材料允许折射率差高达约1.2。若光导件由空气围绕，则折射率差可高达约1.6。在光导件与其周围材料之间的折射率差的下限可以是仅仅允许光导件内的全内反射的下限，例如，差可以是约0.15。
[0113]
由此，在一些实施例中，在折射率n
d
与n
0，2
(或n
0，1
)之间的差是约0.15
‑
1.6。在一些实施例中，在折射率n
d
与n
0，2
(或n
0，1
)之间的差是约0.15
‑
1.2。
[0114]
当视场限制不如此严格时，可放松对在光导件与其周围材料之间的折射率差的限制。由此，在一些实施例中，在折射率n
d
与n
0，2
(或n
0，1
)之间的差是约0.3
‑
1.2。在一些实施例中，在折射率n
d
与n
0，2
(或n
0，1
)之间的差是约0.3
‑
1.1。在一些实施例中，在折射率n
d
与n
0，2
(或n
0，1
)之间的差是约0.4
‑
1.1。在一些实施例中，在折射率n
d
与n
0，2
(或n
0，1
)之间的差是约0.5
‑
1.1。在一些实施例中，在折射率n
d
与n
0，2
(或n
0，1
)之间的差是约0.6
‑
1.1。本领域技术人员将显而易见，折射率差的其他值范围是可能的。
[0115]
本公开提供了允许将光输入耦合到光导件中的不同结构构造。图19图示了光学装置的输入区段1900。在一些实施例中，输入区段1900包含支撑层1902、光导件1904、界面1908、界面1910、及光栅1912。在一些实施例中，输入区段1900包含保护层1906。在其他实施例中，保护层1906可能不存在，例如，以便减小包含输入区段1900的光学装置的厚度和/或总大小。
[0116]
在一些实施例中，支撑层1902在界面1908处与光导件1904堆叠。保护层1906在界面1910处与光导件1904堆叠。光栅1912根据折射或反射操作在界面1908或界面1910处定位(反射位置未描绘)。在其他实施例中，光栅1912在光导件1904内部定位，例如，不与支撑层1902或保护层1906接触(位置未描绘)。在一些实施例中，在由光导件1904接收之前，支撑层1902接收光1914。换言之，在与光栅1912相互作用之前，将光1914传输到支撑层1902中。
[0117]
图20图示了光学装置的输入区段2000。在一些实施例中，输入区段2000包含支撑层2002、光导件2004、界面2008、界面2010、及光栅2012。在一些实施例中，输入区段2000包含保护层2006。在其他实施例中，保护层2006可能不存在，例如，以便减小包含输入区段2000的光学装置的厚度和/或总大小。
[0118]
在一些实施例中，支撑层2002在界面2008处与光导件2004堆叠。支撑层2002不在光栅2012处导引的光2014的路径中。保护层2006在界面2010处与光导件2004堆叠。光栅
2012根据折射或反射操作在界面2008或界面2010处定位(反射位置未描绘)。在其他实施例中，光栅2012在光导件2004内部定位，例如，不与支撑层2002或保护层2006接触(位置未描绘)。在一些实施例中，光2014在于光导件2004处接收之前避免经过支撑层2002。换言之，光2014与光栅2012相互作用，而无需首先经过支撑层2002。
[0119]
直至目前，已经在剖面图中示出从光学装置或光导件输出的光，这使得图示可形成二维图像的多行输出射束变得困难。本发明提供了用于扩展(例如，复制、交叉耦合)输入耦合光使得光的输出耦合部分形成二维阵列的结构，其中阵列的每个构件是输入耦合光的复制。图21图示了根据一或多个实施例的光学装置2100。在一些实施例中，光学装置2100包含光导件2102、光栅2104、光栅2106、及光栅2108。
[0120]
在一些实施例中，光导件2102具有与弯曲眼镜镜片类似的形状。尽管在图21中图示了右眼镜片的形状，本领域技术人员将显而易见，左眼镜片上的组件及结构可以是镜像的。在一些实施例中，光栅2108在光学装置2100的用户的正前方视线的期望路径中定位。为了辅助此安置，光学装置2100可安装在头戴式显示器(例如，眼镜框架)的框架上。在一些实施例中，定位光栅2104及光栅2106，以便邻近产生光2110的光源(未图示)。例如，图21示出了更为朝向用户的鼻子的光栅2104的位置。
[0121]
在一些实施例中，光栅2104接收光2110。光栅2104在一个方向阶(
‑
1或 1)上将光2110输入光导件2102中。导引光栅2104的衍射阶使得光2110由tir导向。光2110朝向光栅2106行进穿过光导件2102。光栅2106接收光2110。在一些实施例中，光栅2106经设计，使得该光栅具有两个衍射级(例如，0与1、0与
‑
1或
‑
1与 1)。在一些实施例中，光栅2106通过光2110的反复射束分离来产生射束2112。由于其功能，光栅2106亦被称为瞳孔扩张器或交叉耦合光栅。光栅2016亦可称为中间光栅，例如，当该光栅的光学位置位于输入耦合光栅与输出耦合光栅之间时。光栅2016亦可与输出耦合光栅结合以形成输出耦合/交叉耦合组合光栅。导引光栅2106的衍射阶使得射束2112由tir导向。射束2112朝向光栅2108行进穿过光导件2102。在一些实施例中，光栅2108亦具有两个衍射级(例如，0与1、0与
‑
1、或
‑
1与 1)。光栅2108通过射束2112的反复射束分离来产生射束2114。在一些实施例中，光栅2108经设计，使得一个衍射级继续穿过光导件2102导向，而其他衍射级从光导件2102输出射束2114。衍射级的效率沿着垂直观察方向跨光栅2108变化，使得射束2114具有基本上均匀的强度。在一些实施例中，射束2114形成二维阵列，其中阵列的每个成员是光2110的复制。射束2114随后在观察者的视网膜处形成图像。图21的瞳孔扩张器设置是允许光学装置产生并显示二维图像的数个可能构造之一。本文提供的构造不作限制。
[0122]
本领域技术人员将显而易见多个波长可在本发明的实施例中使用。例如，在一或多个实施例中，单个光导件可经设计为递送单色光。例如，光可包含红色(620
‑
750nm)、绿色(495
‑
570nm)、或蓝色(430
‑
495nm)波长。在一些实施例中，多个光导件可经设计，其中每个光导件递送单波长的光，例如，红色、绿色、及蓝色波长。在一些实施例中，单个波导件可以递送具有跨可见光谱(400nm
‑
750nm)的波长的光。本领域技术人员将显而易见，光波长与光导件数量的其他组合是可能的。
[0123]
头戴式显示器可经设计为处置各种颜色并且亦将图像安置在距观察者各种视距处。本领域技术人员将显而易见，多个光导件可得以使用(例如，堆叠)并且使用分离材料间隔(例如，以促进tir)。在光导件的堆叠中的每个光导件可用于不同的波长，并且亦显示距
观察者各个视距(例如，深度)处的图像。在一些实施例中，光学装置的系统包含多个堆叠的光学装置(例如，图4的光学装置，不作限制)。根据本文公开的实施例设计堆叠的光学装置的每个光学装置。堆叠的光学装置的每个光学装置经构造为使用头戴式显示器产生具有给定波长(例如，红色、绿色、和/或蓝色)的光的图像，该图像具有距观察者的视距。本领域技术人员将显而易见，光学设备堆叠的不同组合是可能的。例如，三个光学装置可在堆叠中使用，每个光学装置分别地处置红、绿及蓝波长，但所有光学装置经构造为在共同表观深度处形成图像。
[0124]
在一些实施例中，光学装置的总厚度不超过约20mm。在一些实施例中，光学装置的总厚度不超过约15mm。在一些实施例中，光学装置的总厚度不超过约12mm。在一些实施例中，光学装置的总厚度不超过约11mm。在一些实施例中，光学装置的总厚度不超过约10mm。
[0125]
本发明的实施例可在各种制造方法中实现。例如，首先制造初始层(例如，光导件或支撑层)。例如，制造方法可以是注入模塑、层压、或压制成型。后续相邻层可沉积到初始层上。例如，材料沉积技术可以是包覆模塑、薄膜沉积、层压。初始层可能已经包括特征，诸如光栅。或者，光栅特征可经蚀刻、刻划、纳米压印、或压制到初始层上。相邻层的后续沉积在光栅特征中填充。在此情况中，光栅与光导件整合。或者，与初始相邻层不同的材料可用于在光栅特征中填充。这些制造方法仅仅提供为示例并且不作限制。
[0126]
如在本文中使用，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”、及“该(the)”包括复数参考。因此，例如，除非上下文另外明确指出，否则提及“一(a)”部件包括具有两个或多个此种部件的方面。
[0127]
将理解，本文的措辞或术语是出于描述目的而非限制，以使得本说明书的术语或措辞将由熟习相关技术者鉴于本文的教示来解释。
[0128]
在说明书中描述的实施例及提及“一个实施例(one embodiment)”、“实施例(an embodiment)”、“一示例性实施例(an example embodiment)”及类似者指示所描述的实施例可包括特定特征、结构、或特性，但每一个实施例可能不必包括特定特征、结构、或特性。此外，此种词组不必指相同实施例。另外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，将理解无论是否明确描述，结合其他实施例实现此种特征、结构或特性将在本领域技术人员的知识内。
[0129]
除非另外明确表述，否则不意欲将本文阐述的任何方法理解为要求执行所有其步骤或以特定次序执行其步骤。由此，在方法权利要求不实际上记载其步骤遵循的次序、或任何设备权利要求不实际上记载各个部件的次序或定向、或在权利要求或描述中不以其他方式具体地表述该等步骤限于特定次序、或不记载设备部件的特定次序或定向的情况下，决不意欲在任何方面推断次序或定向。这同样适用于用于解释的任何可能的未表达基础，包括：关于步骤布置、操作流程、部件次序、或部件定向的逻辑问题；从语法组织或标点符号推导的简单意义，以及；在本说明书中描述的实施例的数量或类型。
[0130]
本领域技术人员将显而易见，可以对本文描述的实施例进行各种修改及变化，而不脱离所主张的标的的精神及范围。因此，若本文描述的各个实施例的修改及变化在所附权利要求及其等效物的范围内，本说明书意欲涵盖此种修改及变化。