用于增强现实显示器的光学装置的制作方法

1.本发明涉及用于控制增强现实显示器中的光的光学装置。特别地，本发明涉及包括用于将光耦合到波导中的衍射光学元件的光学装置。本发明还提供了制造用于增强现实显示器的光学装置的方法、以及包括光学装置的增强现实显示器。增强现实显示器包括可穿戴装置，例如眼镜、用于视频游戏的显示器、以及用于军事或交通应用的屏幕，其投射图像以叠加在观看者的真实世界环境上。


背景技术：

2.在常规的增强现实显示器中，在用户前方设置有透明的显示屏幕，使得用户可以连续看到物理世界。显示屏幕可以用作玻璃波导，在波导的一侧设置有投影仪。显示屏幕例如可以是车辆上的窗户或一副眼镜的透镜或多个透镜。来自投影仪的光通过衍射光栅耦合到波导中。投射的光在波导内全内反射。然后，光通过另一衍射光栅耦合出波导，使得可以被用户观看到。投影仪可以提供增强用户对物理世界的观看的信息和/或图像。
3.用于将光耦合到波导中的衍射光栅在增强现实显示器中起到特定作用，并且因此，设计了专门的光栅来高效地实现该作用。特别地，输入光栅必须将光耦合到波导中并将其定向成朝向输出光栅。为了使图像亮度最大化，期望该过程在一个衍射阶中尽可能高效，即尽可能多的光被全内反射并沿特定路径角度定向成朝向输出光栅。在过去已经通过使用闪耀光栅结构或倾斜光栅结构作为输入光栅，实现了一个衍射阶中的高效率。在wo 2008081070 a1中可以找到该构思的示例，其使用闪耀输入光栅或倾斜输入光栅。虽然闪耀光栅和倾斜光栅例如以负衍射阶为代价提高了沿正衍射阶的衍射效率，但是应当注意，闪耀光栅和倾斜光栅制造起来相对困难且昂贵，并且如果对于不同类型的增强现实显示器需要不同的闪耀角度或倾斜角度，则该问题可能进一步恶化，因为这将需要生产这些已经昂贵的光栅的多个不同版本。
4.鉴于与常规的输入光栅结构和输出光栅结构相关联的高成本和制造难度，期望提供用于控制增强现实显示器中的光的光学装置，所述光学装置能够更容易生产而不会损害其在增强现实系统内的其专门作用的实现。


技术实现要素：

5.根据发明的第一方面，提供了一种用于控制增强现实显示器中的光的光学装置，该光学装置包括：波导；以及衍射光学元件，其被配置成将光耦合到波导中；其中，衍射光学元件包括结构化光栅元件的阵列，结构化光栅元件基于重复的单位单元来布置，其中，每个单位单元包括限定不规则光栅结构的至少两个光栅元件，所述不规则光栅结构使得衍射光学元件产生不对称衍射响应。
6.特别地，发明人已经发现，可以使用由基于不规则光栅结构的重复的单位单元限定的光栅结构来产生可以将光有效地耦合到增强现实显示器的波导中的专门的衍射响应，以及这些光栅结构可以比闪耀光栅或倾斜光栅更容易且成本有效地产生。这些结构背后的
理论在以下文献中讨论：lin,d.,melli,m.,poliakov,e等人，“optical metasurfaces for high angle steering at visible wavelengths”，sci rep 7，2286(2017)；以及ashutosh patri等人，“large-angle,broadband,and multifunctional directive waveguide scatterer gratings”，acs photonics 2019，6，12，3298-3305，2019年11月13日。
7.在本上下文中，由光栅元件限定的不规则光栅结构被认为意指在一个或更多个特性上——特别是在光栅元件的高度、宽度和/或形状、其与下一相邻光栅元件的间隔以及/或者形成光栅元件的一种或多种材料上——彼此变化的至少两个光栅元件。这可以与规则光栅结构进行对比，规则光栅结构即包括具有相同形状、大小、间隔和材料的光栅元件的阵列。由于规则光栅结构中的每个光栅元件是相同的，因此对于每个光栅元件，由光栅元件及其相邻光栅元件支持的电磁场分布之间的干涉将是相同的。在这样的规则光栅结构中，通过各个光栅元件例如闪耀光栅或倾斜光栅的不对称来产生不对称。相比之下，在本发明中，使用元件本身的不规则布置来产生不对称衍射响应，这是因为每个光栅元件将支持不同的电磁场分布，并且因此在每个单位单元内的光栅元件之间，一个光栅元件和下一光栅元件的分布之间的干涉将不同。例如，单位单元本身在单位单元的重复方向上可以是不对称的，以产生不对称衍射响应。然后，单位单元的重复提供了由整个光学装置上的单位单元内的光栅元件的不规则布置限定的该不对称衍射响应。不对称衍射响应将被理解为意指在正衍射阶与负衍射阶之间存在不对称。通常，衍射到正衍射阶中的一个或更多个中的光比衍射到对应的负衍射阶中的光多，反之亦然。该不对称可以用于在被配置成将光耦合到波导中的阶中实现较高的效率。
8.将认识到，对于给定的增强现实系统，例如根据诸如光在装置上的入射角、使用的光的波长、波导内的全内反射角等的因素，一些不规则光栅结构将比其他光栅结构更有效，并且将在下面描述用于识别特别适合于这样的标准的布置的技术。从另一个角度来看，可以选择不规则光栅结构，并且可以产生增强现实系统以利用由所述装置例如通过改变光在装置上的入射角、使用的光的波长和波导内的全内反射角产生的特定衍射响应。
9.如以上所提及的，优选地，由每个单位单元内的光栅元件限定的不规则光栅结构通过光栅元件在光栅元件的高度、宽度、间隔和/或形状以及/或者形成每个光栅元件的一种或多种材料中的一个或更多个方面的变化来提供。光栅元件的高度可以在与光学装置的平面垂直的方向上测量。光栅元件的宽度可以沿单位单元的重复方向测量。光栅元件的间隔可以测量为相邻光栅元件之间的底部到底部的距离。光栅元件的形状可以包括光栅元件例如沿单位单元的重复方向的截面形状。在一些情况下，一个或更多个光栅元件可以由多个层形成，可选地具有不同宽度和厚度，从而导致复杂形状的光栅元件。光栅元件也可以由涂覆至基板层的一种或更多种材料例如涂覆至玻璃的树脂形成。在光栅元件包括多个层的情况下，这些层可以是不同材料的，例如树脂层和树脂层上的高折射率光学涂层或金属层，并且这些不同材料将影响光栅元件的响应，并且因此影响其与相邻光栅元件的响应的干涉。
10.特别优选的是，通过高度、宽度和间隔的变化、通常同时保持光栅元件的形状固定来产生不规则光栅结构。当提及光栅元件的形状固定时，应将认识到，该形状的宽高比可以由于光栅元件的高度和/或宽度的不同改变而变化。当调整光栅元件的响应分布以调谐衍射元件的干涉分布时，更多变量的使用提供了更多的保真度。然而，这必须与在计算上估计
变量的变化的结果的难度平衡，其中更多的变量意味着可以评估的更多不同的可能光栅结构，以及与制造所产生的光栅元件的变化的成本和复杂性平衡。发明人已经发现，高度宽度和间隔的变化提供了衍射响应的控制水平与设计和制造装置的难度之间的良好平衡。
11.优选地，光栅元件形成在基板的表面上或表面中，并且基板的所述表面限定公共基平面，每个光栅元件在该公共基平面上方突出。在光栅元件形成在基板的表面上，即涂覆至基板的表面的情况下，这可以通过提供其上布置有光栅元件的平坦基板来实现。在光栅元件形成在基板的表面中的情况下，这可以通过确保在每个光栅元件之间的区域中的基板的表面基本上共面来提供。这种形式的光栅，即每个光栅元件相对于平坦的基平面被限定，有助于在计算上估计光栅元件的变量的变化的结果。
12.虽然可以使用任何形状的光栅元件，但是优选地，每个光栅元件的轮廓基本上是矩形的。与闪耀光栅元件或倾斜光栅元件相比，矩形光栅元件易于制造。此外，可以容易地制造矩形光栅元件的高度、宽度和间隔的变化。矩形光栅元件还有助于计算其电磁场分布，并且因此利于估计由任何光栅设计产生的衍射响应。
13.虽然先前提及至少两个光栅元件，但是优选的是，每个单位单元包括由至少三个光栅元件限定的不规则光栅结构。在此应当注意，每个光栅元件不需要在一个或更多个特性上不同于每个其他光栅元件(三个光栅元件中的两个光栅元件可以共享所有特性并且仅不同于第三光栅元件)，但是这通常可以是优选的。在单位单元内使用更多的光栅元件再次增加了用于改变衍射光学元件的响应的选项的数目，并且因此增加了控制，但是这再次增加了设计衍射光学元件的复杂性。因此，在每个单位单元内，光栅元件的数目可以优选地不多于四个，或者更优选地不多于三个。实际上，发明人已经发现，每个单位单元中的光栅元件的数目在两个至四个的范围内提供了衍射响应的控制水平与设计装置的难度之间的最大平衡。在保持重复方向亚波长中的单位单元的总体大小的同时，两个至四个光栅元件与更高数目的光栅元件相比也更容易产生，这由于下面讨论的原因是优选的。
14.衍射光学元件可以被配置成以透射模式或以反射模式将光耦合到波导中。例如，衍射光学元件可以是透明的或基本不透明的。用于以透射将光耦合到波导中的衍射光学元件将被布置在波导的与任何投影仪相同的侧上。用于以反射将光耦合到波导中的衍射光学元件将被布置在波导的与投影仪相对的侧上。以反射操作的衍射光学元件可以更高效并且更容易优化，并且可以通过使用上覆的高折射率或不透明反射器层而变得更高效。这样的上覆的反射增强层可以是保形的或非保形的。
15.在特别优选的实施方式中，衍射光学元件包括基板，并且结构化光栅元件形成到基板的表面中。例如，光栅元件可以通过诸如蚀刻到基板的表面中的工艺形成到表面中。与将光栅元件形成为涂覆至底部基板的分立层不同，将光栅元件形成到基板的表面中是有利的，因为它消除了由于基板材料与光栅材料之间的折射率失配而在基板层与光栅元件层之间的界面处的任何光相互作用。虽然这通常是优选的，但是在一些上下文中，可能优选的是衍射光学元件包括基板层，并且结构化光栅元件例如通过压印被布置在基板层上。例如，基板可以是玻璃，可能是波导的玻璃，并且光栅元件可以由涂覆至玻璃基板以限定光栅元件的硅树脂形成。这样的装置可以更容易并且因此更低廉生产。
16.优选地，衍射光学元件包括结构化光栅元件的一维阵列。这样的一维阵列可以由沿仅一个方向重复的单位单元结构形成。结构化光栅元件的一维阵列可以沿与重复方向垂
直的方向基本上是均匀的。例如，结构化光栅元件可以包括细长光栅元件，所述细长光栅元件沿与其细长方向垂直的方向彼此分隔开，该方向也对应于单位单元的重复方向。这与二维阵列形成对比，在二维阵列中，例如，光栅在单位单元中沿两个正交方向中的每一个变化，并且沿这两个正交方向中的每一个重复。一维衍射元件可以是优选的，这是因为输入光栅仅需要沿一个衍射色散平面衍射光，即，因为其目的在于将光耦合到波导中并且将其定向成朝向波导的另一部分处的输出光栅。一维光栅结构也可以更容易地制造并在波导上对准，这是因为在波导上形成仅沿一个方向重复的细长光栅元件更简单。
17.通常，单位单元沿重复方向的大小小于750nm，优选地小于600nm，更优选地小于500nm，最优选地小于450nm。这些亚波长光栅结构可以提供高的第一阶衍射角，这对于在波导内实现全内反射是有用的，并且还倾向于抑制较高的衍射阶，这意味着零衍射阶和第一衍射阶通常更高效。第一衍射阶中的高效率的优点是使沿波导中的一个路径角度衍射的光的量最大化，以使耦合出波导并且通过适当配置的输出光栅定向成朝向观看者的光的亮度最大化。在零阶具有高效率也是有利的，并且这是因为在波导内全内反射的光通常将多于一次地与衍射光学元件相互作用，即，首先在光入射在衍射光学元件上并耦合到波导中时，然后再次在光在波导的两个表面之间全内反射时，所述波导的两个表面可以包括波导的设置有衍射光学元件的另一部分。零阶中的高效率确保了与衍射光学元件的这些后续相互作用不会显著影响朝向输出光栅传播的光的强度。应当注意，单位单元的期望大小也可以取决于结构中使用的介质的折射率，因为这也将影响光与光栅相互作用的方式。为了提供单位单元的合适尺寸，光栅元件的间距也优选地小于600nm，更优选地小于500nm，进一步优选地小于400nm，最优选地小于300nm。就间距而言，意指相邻光栅元件上的对应点之间的距离，例如光栅元件之间的中心至中心距离。将认识到，间距可以根据任何特定光栅元件的宽度和它与下一光栅元件的间隔而在装置上变化；然而，在整个衍射光学元件上，间距通常将始终小于600nm。
18.发明的第二方面提供了一种包括以上讨论的光学装置的增强现实显示器，其可以利用关于发明的第一方面讨论的有利特征中的任何一个来实现。该增强现实显示器可以优选地包括：投影仪，其用于投射限定要显示的图像的光，其中，衍射光学元件被配置成将所投射的光耦合到波导中；以及输出衍射光学元件，其被配置成将光耦合出波导以显示图像。
19.根据发明的第三方面，提供了一种制造适合于控制增强现实显示器中的光的光学装置的方法，该方法包括：设置波导；设置衍射光学元件，该衍射光学元件被配置成将光耦合到波导中或耦合出波导，其中，衍射光学元件包括结构化光栅元件的阵列，结构化光栅元件基于重复的单位单元来布置，其中，每个单位单元包括限定不规则光栅结构的至少两个光栅元件，所述不规则光栅结构使得衍射光学元件产生不对称衍射响应。
20.该方法通常对应于制造根据发明的第一方面的光学装置的方法，并且因此，将明显的是，方法可以被配置成根据以上讨论的有利特征中的任何一个来生产装置。
21.如以上所提及的，光学装置通常将被设计成适应增强现实显示器的特定设计。例如，增强现实显示器可以限定由投影仪投射的光相对于波导的一个或更多个入射角，可以具有所使用的光的特定波长或波长范围，并且可以具有由波导(即，显示屏)所期望的形式和材料确定的特定全内反射角。因此，实际上，将通过设计适应这些标准的衍射光学元件来生产光学装置。
22.如以上所说明的，为了改变衍射光学元件的衍射响应，可以改变光栅元件的许多不同特性，从而导致光栅元件特性的许多不同的可能组合。因此，为了生产适应其将被结合到的增强现实显示器的标准的装置，可能期望例如在计算上评估不同变量的一系列不同组合的适合性，以选择在给定上下文中将是最有利的单位单元结构。因此，优选的方法包括：指定期望衍射标准的集合；基于每个可能单位单元的预期衍射响应和期望衍射标准的集合(中的至少一些)，评估多个不同的可能单位单元结构的适合性；基于所述评估来选择最佳适应期望衍射标准的集合的单位单元结构；以及使用所选择的单位单元结构来形成衍射光学元件。
23.衍射标准可以是影响衍射的任何因素，其由增强现实显示器的设计或衍射光学元件如何衍射光的任何要求来确定。例如，标准可以包括光入射角、光波长和/或可接受的第一阶衍射角的范围，光入射角可以由投影仪及其位置或相对于波导的可能位置来确定。评估单位单元结构可以涉及确定由单位单元结构产生的干涉图案以及建立结构的衍射阶的效率和角度。然后，可以基于该评估和根据期望衍射响应指定的任何标准来选择特定单位单元。这将在下面更详细地讨论。
24.优选地，方法包括通过提供光栅元件的高度、宽度、间隔和/或形状、形成每个光栅元件的一种或多种材料、以及/或者每个可能单位单元结构中的光栅元件的数目的不同变化，生成要评估的多个不同的可能单位单元结构。如以上所提及的，改变的特别优选的标准是光栅元件的高度、宽度和间隔。例如，可以针对每个标准指定高度范围、宽度范围和间隔范围以及步长，然后生成这些范围内的不同高度、宽度和间隔的每个可能组合以限定总的可能单位单元结构。例如，光栅元件的高度、宽度和间隔可以各自在5nm与500nm之间变化。可以通过以5nm的间隔生成这些范围内的所有可能组合来生成单位单元。可能存在由单位单元的最大间距或大小施加的附加约束，其可能将宽度和间隔的可能组合限制在这些范围内。通过以这种方式生成可能单位单元结构，然后评估每个单位单元结构以确定衍射响应，可以识别针对给定上下文的高效衍射光学元件。
25.如以上所提及的，期望衍射标准的集合可以包括该装置所针对的增强现实显示器的要求，并且这可以具体地包括一个或更多个光入射角、入射光的一个或更多个波长、一个或更多个期望衍射角和/或第一阶衍射效率与零阶衍射效率之间的期望的最大差和/或最小差。将认识到，对一个或更多个值的提及可以包括单个或多个离散值或值的范围。来自投影仪的光不可能被准直，并且因此可能需要衍射光学元件对于来自入射角范围的光工作良好。虽然一些增强现实装置可以仅利用单个波长的光来操作，但是更典型地，将期望提供多个波长的光以实现多色增强现实图像，并且因此同样地衍射光学元件可能需要对于多个不同波长的光或在波长范围内的光工作良好。此外，可能期望特定衍射角以实现全内反射并且以在输出光栅上提供特定入射角，使得光可以高效地耦合出波导以形成显示的图像。最后，期望标准可以指定第一阶效率与零阶效率之间的最大差和/或最小差，这将在下面进一步讨论。可以在相对意义上指定最大差或最小差，例如，为第一阶效率两倍的最大零阶效率。然后，这些标准可以用于评估，使得利用这些所需输入标准基于不同单位单元结构产生的响应来评估这些不同单位单元结构。
26.优选地，评估多个不同的可能单位单元结构的适合性包括计算每个可能单位单元结构的第一阶衍射效率，并且优选地还包括计算每个可能单位单元结构的零阶衍射效率。
例如，可以针对如由任何指定衍射标准确定的一个或更多个入射角和/或一个或更多个光波长执行该过程，然后对效率求和或求平均。应当注意，评估可以仅计算正第一阶衍射效率或负第一阶衍射效率，这是因为通常仅一个将倾向于朝向输出光栅衍射光和/或倾向于以实现全内反射的方式衍射光；然而，可以计算正衍射阶和负衍射阶二者。例如，如果由衍射标准指定仅某些衍射角，则评估还可以计算第一衍射阶的角度。如以上所说明的，合适的衍射光学元件在衍射角下将具有高的第一阶衍射效率，以有效地将光沿全内反射范围内的特定路径角度耦合到波导中。因此，应当针对每个可能单位单元(并且跨由衍射标准指定的所有输入配置，即所有输入角和波长)计算第一阶效率。然而，另外，通常期望衍射光学元件对于衍射光与衍射光学元件可能具有的任何再次相互作用具有高的零阶效率。因此，对于每个可能单位单元，评估也可以计算零阶衍射效率，特别是反射零阶，例如，对于特定的初始光入射角，在对应于第一衍射阶的任何入射角(因为这将是再次入射角，假设波导的表面是平行的)。
27.还可以期望考虑衍射均匀性。因此，除了上述之外，优选地，评估多个不同的可能单位单元结构的适合性包括计算每个可能单位单元结构的在多个光入射角上的最大第一阶衍射效率和/或最小第一阶衍射效率，以及/或者还包括计算每个可能单位单元结构的在多个光入射角上的最大零阶衍射效率和/或最小零阶衍射效率。通过计算在入射角范围内的最大效率或最小效率并与例如平均效率进行比较，或者通过计算最大效率和最小效率二者并彼此比较，可以识别具有更均匀衍射分布的光栅。均匀衍射分布可以帮助确保在入射角范围内的光被光学装置相对均等地处理，这可以改善最终图像质量。
28.还可以优选的是将第一阶效率与零阶效率彼此进行比较。例如，如果特定单位单元结构具有非常高的第一阶效率但低的零阶效率，则即使平均效率与其他光栅结构可比，该光栅也可能是不期望的。可以期望使用具有更可比的第一阶效率和零阶效率的光栅结构，并且因此这可以在每个可能光栅结构的评估步骤期间计算。
29.最后，选择最佳适应期望衍射标准的集合的单位单元结构可以包括：基于第一阶衍射效率和零阶衍射效率，并且优选地基于最大第一阶衍射效率与最小第一阶衍射效率之间的预定差和/或最大零阶衍射效率与最小零阶衍射效率之间的预定差，选择单位单元结构。这通常可以涉及选择满足任何附加衍射标准的具有最高效率的单位单元结构。例如，如上所述，衍射标准可以包括第一衍射阶的可接受角度范围，即以确保全内反射，并且还可以包括最高第一阶效率与最低第一阶效率之间的最大差和/或最高零阶效率与最低零阶效率之间的最大差，即以比较单位单元结构的衍射均匀性。
附图说明
30.现在将参照附图描述本发明，在附图中：
31.图1a和图1b以截面示意性地示出了增强现实显示器中的光学装置的替选实施方式；
32.图2示意性地示出了在图1a的实施方式中使用的衍射光学元件的放大截面；
33.图3以截面示意性地示出了用于形成图2中示出的衍射光学元件的单位单元结构；
34.图4a和图4b以截面示出了替选单位单元结构，以及示出了计算的单位单元的衍射响应分布的曲线图；
35.图5a和图5b以截面示出了第二替选单位单元结构，以及示出了计算的单位单元的衍射响应分布的曲线图；
36.图6a和图6b以截面示出了第三替选单位单元结构，以及示出了计算的单位单元的衍射响应分布的曲线图；
37.图7是示出制造光学装置的方法的流程图；以及
38.图8a和图8b以截面示出了另外的替选单位单元结构。
具体实施方式
39.现在将参照图1a至图3描述增强现实显示器中的光学装置的实施方式。
40.图1a示意性地示出了增强现实系统中的光学装置1。光学装置1包括投影仪20，具体是光引擎，其将用于显示的图像投射到一维透射输入光栅100形式的衍射光学元件上。衍射光学元件100将来自投影仪20的入射光21i衍射到波导10中，并且衍射光21d沿波导全内反射。在该实施方式中，光以非垂直角度入射在元件100上，并且使用的精确角度可以在增强现实显示器之间变化。特别地，光入射在光栅上，其方向的分量是沿光旨在在波导内传播的方向。以这种方式提供入射光意味着光栅100的第一衍射阶需要较小的转向角，以实现波导10内的全内反射。
41.一维输入光栅被布置成使得其光栅矢量(在与细长光栅元件垂直的元件的平面中的方向)指向沿波导10在适当位置处与输入光栅100分隔开的输出光栅30，以向观看者显示图像。由输入光栅100衍射并在波导内全内反射的光由此沿波导被定向，直到它到达输出光栅30。无论光在什么地方入射在该输出光栅上，一些光21o衍射出波导10并朝向观看者以显示图像。来自输出光栅30的输出方向将取决于入射在输出光栅30上的光的入射角。因此，使得输出图像明亮，期望光栅100的第一衍射阶相对高效，即，根据第一衍射阶的角度使在波导内传播的光的量最大化。
42.还应当注意，在波导的相对表面之间全内反射的衍射光21d中的一些沿光在波导10内的路径在一个或更多个点21r处与衍射光学元件100再次相互作用。例如，光可以穿过波导10的上表面上的光栅100，并且朝向波导10的下表面衍射，在波导10的下表面被反射回到上表面。如果光在以衍射光学元件10为特征的点处入射在波导10的上表面上，则该光将与光栅100再次相互作用。根据投射的图像的大小、来自投影仪的光在光栅100上的入射角的范围、波导的特性、光栅100的制造公差等，可能无法避免这样的再次相互作用。为了使再次相互作用对在波导10内传播的光的影响最小化，光栅100在零阶反射中也应当具有相对高的效率。
43.图1b示出了图1a中示出的实施方式的变型，其中替代地，衍射光学元件100是一维反射光栅，被配置成以衍射的反射模式将光耦合到波导中。衍射光栅被布置在波导10的与投影仪20相对的侧上，使得投影仪将光投射到波导10中，在那里光与波导交叉并入射在衍射光学元件100上并且被衍射到波导中。衍射光学元件100相对于图1a的实施方式的唯一结构差异在于，为了提高光栅100的效率，在光栅100上在其与投影仪20背离的表面上布置有诸如不透明金属层或高折射率介电层的反射涂层102。在该实施方式中，涂层是非保形的；然而，也可以使用保形涂层。
44.图2示出了通过来自图1a的实施方式的输入衍射光栅100的放大截面。如这里可以
更清楚地看到的，光栅100由携载一系列光栅元件的基板101组成。光栅元件基于重复单位单元110布置。具体地，该实施方式中的每个单位单元110包括三个细长光栅元件111、112、113，所述三个细长光栅元件111、112、113在单位单元中彼此平行地布置并且垂直于单位单元的重复方向延伸。该实施方式中的基板101可以是用透明粘合剂粘附至波导的玻璃。在替选实施方式中，光栅元件可以通过将树脂直接旋涂到波导的玻璃上然后通过uv光进行硬化来形成。
45.图3示出了通过输入衍射光栅100的进一步放大截面，并且展示了由光栅元件111、112、113限定的不规则光栅结构。不规则光栅结构由在一个或更多个特性上不同的光栅元件提供。在该实施方式中，每个光栅元件是基板101的表面上的脊，其具有基本上矩形的截面，并且通过光栅元件的宽度、间隔和高度的变化来提供不规则性。具体地，光栅元件111由垂直于基板101的高度h1、沿单位单元的重复方向的宽度w1和从单位单元开始的间隔l1限定。这些特性的合适值的示例是l1＝100nm、w1＝100nm以及h1＝50nm。类似地，光栅元件112由与第一光栅元件111的间隔l2、高度h2和宽度w2限定。这些特性的合适值的示例是l2＝50nm、w2＝50nm以及h2＝100nm。最后，光栅元件113由与第二光栅元件112的间隔l3、高度h3和宽度w3限定。这些特性的合适值的示例是l3＝100nm、w3＝100nm以及h3＝100nm。然后单位单元重复，其中单位单元10的第二版本被布置成使得后续光栅元件111与光栅元件113的第一版本分隔开距离l1。
46.已经发现图1至图3中示出形式的输入光栅适合于在入射光中生成不对称衍射响应。这是由于以下方式：不同的光栅元件111、112、113支持不同的电磁场分布，并且因此由于这些不同的相邻分布之间的干涉而产生不对称衍射响应。这样的不对称衍射响应对于在一个衍射阶(其通常是正或负第一衍射阶)中实现高衍射效率是特别有用的，这对于在增强现实显示器中使亮度最大化有用。
47.对于高度、宽度和间隔值给出的以上尺寸将产生特别适合于给定上下文但是可能不适合或不太适合于其他增强现实显示器的响应。也就是说，特定增强现实系统将具有其自己的来自其投影仪的光的入射角的范围、其自己的使用的光的波长范围、其自己的部件的折射率的集合、其自己的波导内的全内反射的临界角、以及其自己的输出光栅30的衍射响应，这些都将影响特定输入光栅100如何适合将光耦合到波导中。因此，为了确保增强现实系统有效地操作，应当使用不同的可用变量来建立输入光栅应当采用的形式。
48.现在将参照图4a至图7描述制造用于增强现实系统的有效光学装置的方法。
49.如图7的流程图所指示的，第一步骤s100可以是指定期望衍射标准的集合。如上所指示的，这些可以反映将结合光栅100的增强现实显示器的设置。在本实施方式中，这些标准可以包括：光在输入光栅100上的一个或更多个入射角，其将由投影仪20及其相对于波导10的布置来限定；要使用的光的波长，其可以由投影仪或旨在由增强现实系统显示的图像来限定；以及选择的输入光栅应当在其中高效的期望衍射角，其可以基于全内反射角和用于将光有效地耦合出波导10的输出光栅30上的所需入射角来确定。
50.接下来，在步骤s200中，生成可能的单位单元结构的集合。这些可以通过以下来创建：提供在制造输入光栅时可以控制的变量中的每一个的范围以及每个变量的调整间隔，然后使用调整间隔生成在提供的范围内的不同变量的所有可能的组合。因此，例如，使用一维矩形光栅结构的高度、宽度和间隔的变量，高度范围可以设置为5nm至500nm，调整间隔为
5nm，宽度范围可以设置为5nm至500nm，调整间隔为5nm，以及间隔范围可以设置为5nm至500nm，调整间隔再次为5nm。然后，在这些范围内的这些参数的每个可能的不规则组合可以通过按照调整间隔在这些范围内逐渐改变特性来生成，确保光栅是不对称的并且确保单位单元的总尺寸不超过例如750nm。
51.在图4a、图5a和图6a中示出了使用该技术产生的三种可能的单位单元结构。虽然这里示出了仅三种单位单元结构，但是将认识到，本技术将生成许多更多的单位单元结构，这些单位单元结构将针对用于在指定上下文中使用的适合性进行评估。这里展示了三个单位单元，仅为了示出单位单元可以在其衍射响应中变化的不同方式。图4a示出了包括三个光栅元件111a、112a、113a的第一可能单位单元110a。该单位单元的参数可以是l1＝30nm、w1＝80nm、h1＝170nm、l2＝70nm、w2＝60nm、h2＝230nm、l3＝30nm、w3＝130nm以及h3＝80nm。图5a示出了包括三个光栅元件111b、112b、113b的第二可能单位单元110b。该单位单元的参数可以是l1＝30nm、w1＝100nm、h1＝150nm、l2＝50nm、w2＝60nm、h2＝230nm、l3＝30nm、w3＝130nm以及h3＝100nm。最后，图6a示出了包括三个光栅元件111c、112c、113c的第三可能单位单元110c。该单位单元的参数可以是l1＝30nm、w1＝100nm、h1＝150nm、l2＝50nm、w2＝60nm、h2＝180nm、l3＝60nm、w3＝100nm以及h3＝100nm。如上所说明的，在单位单元的生成中也可以改变其他参数，包括单位单元中的光栅元件的数目。
52.在步骤s300中，给定期望衍射标准，计算每个单位单元的衍射响应。使用结构的严格耦合波分析(rcwa)来计算衍射响应，rcwa是用于对衍射光栅的行为进行建模的公知的傅里叶模态法。图4b、图5b和图6b是分别示出相关联的单位单元110a、110b、110c中的每一个的计算出的衍射响应的曲线图。这些曲线图在竖直线的左侧示出了在8
°
与-8
°
之间的输入角范围内的反射中的正第一阶的效率。由于该几何结构中的负衍射阶趋向于将光衍射离开输出光栅30，因此仅评估正第一阶。第一阶计算的入射角由输入光栅100和投影仪的布置的几何结构、投影仪发射光的角度范围以及投射的光行进穿过的介质的折射率控制。每个曲线图中的竖直线的右侧示出了在从约34
°
到84
°
的入射角范围内的反射中的零阶的效率。这对于评估全内反射光与光栅100的再次相互作用的效果是重要的。该再次相互作用的入射角将取决于光栅的第一衍射阶的角度以及来自投影仪的光的入射角。
53.通过计算出的不同单位单元的响应，在步骤s400中，选择最佳适应期望衍射标准的集合的单位单元。这可以通过使用价值函数来进行。价值函数可以具有以下形式：
54.m＝1r(θ
nw
)
×
0r(θ'
mw
)
55.其中，m是特定单位单元结构的价值值，1r(θ
mw
)是反射中的第一衍射阶的效率值，其是在如期望衍射标准所指定的光的m个入射角和w个波长上求和的入射角θ的函数，以及0r(θ
′
mw
)是反射中的零阶的效率值，其是再次入射角θ'的函数，其中，再次入射角对应于第一衍射阶的角度，因为这是第一衍射阶中的光将在波导内传播的角度，其在如期望衍射标准所指定的光的m个初始入射角和w个波长上求和。
56.除了计算价值值之外，选择可以考虑其他因素，例如期望衍射标准的其他方面。可以考虑的一个其他因素是第一衍射阶的角度。例如，可以指定可接受的第一阶衍射角的范围。这些可以被设置成确保第一衍射阶提供足够的弯曲以实现全内反射，但是不提供过多的弯曲以致光与输出光栅的相互作用处于不利的角度。选择还可以考虑在入射角范围内的最大第一阶效率与最小第一阶效率之间的差异、或者在全内反射期间在入射角范围内的最
大零阶效率与最小零阶效率之间的差异，如初始入射角和第一衍射阶的角度所指示的。例如，可以指定，在指定的入射角范围内，最高第一阶效率不多于最低第一阶效率的两倍。可以考虑的另一因素是第一阶效率与零阶效率之间的差异。例如，可以指定零阶效率不多于第一阶效率的四倍。选择的单位单元可以是也满足这些其他选择因素的具有最高价值值的单位单元结构。
57.如在图4b、图5b和图6b的曲线图中可以看出的，这些单位单元结构各自根据评估的波长的入射角在第一阶和零阶中产生不同的衍射效率。如以上所提及的，输入光栅需要的入射角范围是典型的，并且此外，零阶再次相互作用的角度将取决于结构的第一阶衍射角。可以指定在8
°
与-8
°
之间的入射角的范围，并且对于每个单位单元假设在40
°
与60
°
之间的第一阶衍射角的固定范围，以展示价值函数的应用，虽然在实践中可以对于每个单位单元计算特定第一阶衍射角。在该假设下，图4a的结构具有约0.35的平均第一阶效率和约0.58的平均零阶效率。图5a的结构具有约0.28的平均第一阶效率和约0.6的平均零阶效率。最后，图6b的结构具有约0.18的平均第一阶效率和约0.75的平均零阶效率。因此，这些单位单元结构中的每一个的单个波长价值值对于图4a的结构可以是0.20，对于图5a的结构可以是0.17，而对于图6a的结构可以是0.32。由于图6a的结构具有约2.1的最大第一阶效率和约0.9的最小第一阶效率，因此仅图4a和图5a的结构满足最大第一阶效率不多于最小第一阶效率的两倍并且零阶效率不多于第一阶效率的四倍的附加标准。图4a结构具有满足期望衍射标准的衍射响应的最高价值值，并且因此可以被选择作为要用于增强现实系统的单位单元。
58.在步骤s500中，根据选择的单位单元结构形成衍射光学元件。这可以通过提供基板101并形成基板的一个表面以限定通过重复选择的单位单元而产生的光栅结构来执行。例如，基板可以是玻璃，并且表面可以通过雕刻基板的表面以限定光栅元件来形成。如果光栅旨在通过反射将光耦合到波导中，则该步骤可能涉及在形成的光栅结构上方涂覆反射增强层例如不透明反射器层或高折射率介电层，使得其符合由光栅元件限定的不规则表面起伏。
59.最后，在步骤s600中，将根据选择的单位单元结构形成的衍射光学元件100布置在波导10上，因此形成完整的光学装置1。衍射光学元件100可以例如使用透明粘合剂层直接附接至波导。在一些示例中，光栅结构可以直接形成到波导10的玻璃中，在这种情况下，步骤s600可以与步骤s500同时发生。
60.在以上示例中，仅讨论了在高度、宽度和间隔上变化的矩形光栅元件。然而，如以上所提及的，当生成用于在发明的光学装置中使用的单位单元时，光栅元件的其他特性可以改变。在图8a和图8b中示出了两个这样的示例。
61.图8a示出了由两个光栅元件111d、112d形成的单位单元结构110d。如前所述，第一光栅元件111d是具有特性高度、宽度和间隔值的矩形光栅元件。例如，该光栅元件可以由印刷在玻璃基板上的硅树脂(也可以使用许多其他类型的树脂)形成。第二光栅元件112d由不同材料的第一层112d'和第二层112d"形成。具体地，下层112d'可以是印刷在玻璃基板上的硅树脂层。上层112d"可以是在下硅树脂层112d'上方涂覆的高折射率材料或金属例如铝的涂层。该特性可以在单位单元之间变化，并且由价值函数评估的结果基本上如上所述。例如，在一个实施方式中，包括预定厚度的金属涂层可以是以二元方式变化的变量，即，第一
光栅可以包括或不包括金属涂层，并且第二光栅元件可以包括或不包括金属涂层，或者可替选地，该特性可以更精细地变化，例如，其厚度在单位单元之间在预定范围内变化间隔量的涂层、或者不同材料的涂层。改变该特性的任何这样的方式可以用于影响单位单元结构的衍射响应，并且因此影响输入光栅100的性能。
62.图8b示出了另一单位单元结构110e，此时其中光栅元件设置有除了矩形之外的形状，如所有先前光栅元件的情况。在该示例性单位单元结构110e中，第一光栅元件111e包括不同大小的两个层111e'、111e"，以为光栅元件提供阶梯形状。例如，层111e'和111e"二者可以是涂覆至玻璃基板的硅树脂层。这两个层可以设置有不同的宽度，以获得阶梯形状。在示出的单位单元中，第二光栅元件112e也由两个层112e'、112e"形成，这两个层112e'、112e"也具有不同的宽度以向光栅元件提供阶梯形状。在该示例中，这些阶梯形状的光栅元件111e、112e设置有不同的宽度，以提供用于提供不对称衍射响应的不规则结构。将认识到，例如，一个光栅元件可以是矩形的，而另一光栅元件可以是阶梯形状的，以使用不同的形状来控制单位单元结构的衍射响应。也可以使用许多其他形状以改变单位单元结构的衍射响应。