显示系统的制作方法
背景
显示系统可被用来使合需图像对用户(观看者)可见。可穿戴显示系统可嵌入在可穿戴头戴式套件(headset)中，其被布置为在距人眼一短距离内显示图像。这种可穿戴头戴式套件有时被称为头戴式显示器，并且提供有框架，该框架具有适合安放在用户(穿戴者)的鼻梁上的中心部分以及适合安放在用户的耳朵上的左支撑扩展部和右支撑扩展部。光学组件被布置在框架中，以便在用户的眼睛的几厘米内显示图像。图像可以是显示器(诸如微显示器)上的计算机生成的图像。光学组件被布置成将在显示器上生成的合需图像的光传输到用户的眼睛以使得该图像对该用户可见。在其上生成图像的显示器可形成光引擎的一部分，以使得图像本身生成准直光束，准直光束可被光学组件引导以提供对用户可见的图像。
不同种类的光学组件已被用来将来自显示器的图像传递到人眼。这些光学组件包括例如透镜、反射镜、光学波导、全息和衍射光栅。在一些显示系统中，光学组件是使用光学器件制造的，所述光学器件允许用户看到图像但是不允许穿过此光学器件看“现实世界”。其它类型的显示系统提供穿过此光学器件的视野，以使得被显示给用户的所生成的图像覆盖到现实世界视图上。这有时被称为“增强现实”。
基于波导的显示系统通常经由波导(光导)中的tir(全内反射)机构将光从光引擎传输到眼睛。这些系统可合并衍射光栅，所述衍射光栅导致有效光束展开，以输出光引擎提供的光束的展开版。这意味着，与直接看向光引擎时相比，看向波导输出时图像在更宽的区域上可见：只要眼睛在一区域内以使得眼睛能够接收来自基本全部展开光束的一些光，整个图像将对用户可见。这种区域被称为眼框(eyebox)。
为了维持图像质量，波导的结构可按各种方式配置以减轻所传输的光的失真。
概述
提供本概述以便以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限定所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题也不限于解决
背景技术：
部分中指出的任何或所有缺点的实现。
提供了一种包括光学波导和光引擎的显示系统。该光学波导具有入耦光栅、中间光栅和退出光栅。该光引擎被配置成生成多个输入光束。每个光束基本准直且以唯一向内方向定向到入耦光栅，由此该多个输入光束形成虚拟图像。中间光栅和退出光栅具有显著大于光束的直径的宽度。入耦光栅被布置成将每个光束耦合到中间光栅中，其中该光束在沿中间光栅的宽度的方向上被引导到中间光栅的多个分割区上。中间光栅被布置成在分割区中分割光束以提供该光束的多个基本平行版本。那些多个版本被耦合入退出光栅中，其中该多个版本被引导到退出光栅的多个退出区。退出区位于沿退出光栅的宽度的方向上。退出光栅被布置成向外衍射该光束的多个版本。该多个输入光束从而导致多个退出光束退出波导，所述退出光束形成虚拟图像的一版本。入耦光栅和中间光栅基本毗连，沿公共边界在宽度上分开不超过100微米。
还提供了一种用于显示系统的光学波导，该光学波导具有入耦光栅、中间光栅和退出光栅。入耦光栅被布置成接收多个输入光束，每个光束基本准直且在唯一向内方向上被定向到入耦光栅，由此该多个输入光束形成虚拟图像。中间光栅和退出光栅具有显著大于光束的直径的宽度。入耦光栅被布置成将每个光束耦合到中间光栅中，其中该光束在沿中间光栅的宽度的方向上被引导到中间光栅的多个分割区上。中间光栅被布置成在分割区分割该光束以提供该光束的多个基本平行的版本，这些版本被耦合到退出光栅中，在其中该多个版本被引导到该退出光栅的多个退出区，退出区位于沿退出光栅的宽度的方向上。退出光栅被布置成向外衍射该光束的该多个版本，该多个输入光束由此导致多个退出光束退出波导，所述退出光束形成该虚拟图像的一版本。入耦光栅和中间光栅基本毗连，沿公共边界在宽度上分开不超过100微米。
附图说明
图1示出一种可穿戴显示系统；
图2示出该显示系统的一部分的平面图；
图3a和3b示出光学组件的透视和正视图；
图4a示出具有在其表面上形成的表面释放光栅的光学组件的示意平面图；
图4b示出图4a的光学组件的示意性说明，该光学组件被示为与入射光交互并且是从侧面观看的；
图5a示出直二元表面释放光栅的示意性说明，该直二元表面释放光栅被示为与入射光交互并且是从侧面观看的；
图5b示出斜二元表面释放光栅的示意性说明，该斜二元表面释放光栅被示为与入射光交互并且是从侧面观看的；
图5c示出突出的三角表面释放光栅的示意性说明，该突出的三角表面释放光栅被示为与入射光交互并且是从侧面观看的；
图6示出光学组件的入耦区域的一部分的特写视图；
图7a示出显示系统的一部分的透视图；
图7b示出显示器的个体像素的平面视图；
图7c和7d示出与光学组件交互的光束的平面和正视图；
图7e示出执行光束展开的光学组件的正视图；
图7f示出执行光束展开的光学组件的正视图；
图7g是弯曲的光学组件的平面图；
图8a和8b是光学组件的一部分的平面和正视图；
图9a示出波导的折叠区域内的光束反射的透视图；
图9b解说光束展开机构；
图10示出作为示例性波导的间隙宽度的函数的mtf的图；
图11示出用于制造光学组件或母版(master)的微制造过程的流程图；
图12a示出具有可能影响图像质量的某些特征的示例性光学组件；
图12b示出在制造图12a的组件时可使用的曝光设定。
详细描述
图1是头戴式显示器的透视图。头戴式显示器包括头部件(headpiece)，其包括框架2，该框架具有旨在适合安放在穿戴者的鼻梁上的中心部分4和旨在适合安放在用户的耳朵上的左和右支撑延伸部6、8。尽管支撑延伸部被示出为基本为直的，但是支撑延伸部可以弯曲部结束以便以传统眼镜的方式更舒适地适合安放在耳朵上。
框架2支撑左和右光学组件(标记为10l和10r)，所述光学组件为波导。本文中为了便于指代，光学组件10(光学波导10)将被认为是左侧组件或右侧组件之一，因为这些组件除了是彼此的镜像之外基本等同。因此，涉及左手组件的所有描述也涉及右手组件。稍后参考图3更详细地描述光学组件。中心部分4容纳光引擎，光引擎在图1中未被示出但在图2中被示出。
图2示出了图1的框架的顶部部分的一区段的平面图。从而，图2示出了光引擎13，该光引擎包括微显示器15和准直透镜20形式的成像光学器件17。光引擎还包括能够生成用于微显示器的图像的处理器。微显示器可以是任何类型的图像源，诸如硅上液晶(lcos)显示器、透射式液晶显示器(lcd)、(有机或无机)led的矩阵阵列以及任何其它适当显示器。显示器被在图2中不可见的电路系统驱动，该电路系统激活显示器的个体像素以生成图像。来自每个像素的基本准直光落在光引擎13的出瞳22上。在出瞳22处，准直光束被耦合到每个光学组件10l、10r中进入在每个组件上提供的相应入耦区域12l、12r。这些入耦区域在图1中被清楚示出，但是在图2中不轻易可见。入耦光随后被引导穿过横向于相应中间(折叠)区域14l、14r中的光学组件的涉及衍射和tir的机构，并且还向下进入相应的退出区域16l、16r，所述光在退出区域退出组件10射向用户的眼睛。区域14l、14r、16l和16r在图1中被示出。以下详细地描述了这些机构。图2示出了用户的眼睛(右眼或左眼)接收来自退出区域(16l或16r)的衍射光。射向用户的眼睛的输出光束ob与入射光束ib平行。例如，参见图2中被标记为ib的光束和图2中被标记为ob的两个平行的输出光束。光学组件10位于光引擎13和眼睛之间，即，显示系统配置是所谓的透射型的。
其他头戴件也在本主题的范围之内。例如，显示器光学器件可使用头带、头盔或其它适放系统等同地附连到用户头部。适放系统的目的是支撑显示器并向显示器和其它头戴系统(诸如跟踪系统和相机)提供稳定性。适放系统还将被设计成在人体测量范围和头部形态中满足用户群体，并提供对显示系统的舒适支撑。
来自同一显示器15的光束可被耦合入组件10l、10r两者中，以便图像被双眼从单一显示器感知，或分开的显示器可被用于为每只眼睛生成不同图像，例如以提供立体图像。在替代头戴式套件中，光引擎可安装在框架的左部和右部之一或两者上——其中入耦区域、折叠区域和退出区域12、14、16的布置相应翻转。
光学组件10基本透明，以使得用户不仅能观看来自光引擎13的图像，而且还能透过光学组件10观看现实世界视图。
光学组件10具有反射率n，该反射率使得发生全内反射，从入耦区域沿中间展开区域14并向下朝着退出区域16引导光束。
图3a和3b更详细地示出光学组件。
图3a示出光学组件10的透视图。光学组件是平的，因为其表面的前部和后部基本平坦(前和后是从穿戴者的视点，如由图3a中的眼睛的位置所指示的)。该表面的前部和后部彼此平行。光学组件10基本位于一平面(xy平面)中，其中z轴(被称为“法线”)从光学组件10朝着观看者定向。入耦区域、折叠区域和退出区域12、14和16被示出，每个区域由光学组件的表面上的相应表面调制52、46和56定义，所述调制从穿戴者的视点看在波导的后部。表面调制52、46和56中的每一者均形成相应的表面释放光栅(srg)，srg的性质将被简短描述。取代srg，全息图可被使用，其提供与srg相同的光学功能。
如在图3b的平面图中所示，折叠区域在横向(x)方向上具有水平范围w2(在本文中被称为展开区域的“宽度”)且在y方向上具有竖直范围h2(在本文中被称为展开区域的“高度”)，该竖直范围在横向方向上沿其宽度w2从光学组件的内边缘向其外边缘增大。退出区域具有水平范围w3(退出区域的宽度)和竖直范围h3(退出区域的高度)，它们定义了眼框的大小，眼框的大小独立于光引擎中的成像光学器件。入耦srg和折叠srg52、54具有相对定向角a，折叠srg和退出srg54、56也是如此(注意，叠加在srg52、54、56上的各点线表示垂直于那些srg的光栅线的方向)。
现在将参考图4a和4b来描述作为本文所述的头戴式显示器的操作基础的衍射机构的原理。
本文描述的光学组件可以以反射、折射和衍射方式与光学组件交互。衍射在传播波与诸如障碍物或狭缝之类的结构交互时发生。衍射可以被描述为波的干涉，并且在该结构在大小上与波的波长相当时最显著。可见光的光学衍射归因于光的波的性质并且可被描述成光波的干涉。可见光具有在大约390和700纳米(nm)之间的波长，并且当传播的光遇到例如规模在100或1000nm级别的类似规模的结构时，可见光的衍射是最显著的。
衍射结构的一个示例是周期性(大致重复的)衍射结构。这里，“衍射光栅”是指具有周期性衍射结构的任何光学组件(的一部分)。周期性结构可引起光的衍射，光的衍射通常在周期性结构具有与光的波长大小类似的空间周期时最显著。周期性结构的类型包括，例如，光学组件的表面上的表面调制、折射率调制、全息图等。当传播的光遇到周期性结构时，衍射使得光被分成不同的方向上的多个光束。这些方向取决于光的波长，因此衍射光栅引起多色(例如，白)光的色散，由此，多色光被分成在不同方向上行进的不同颜色的光束。
当周期性结构是在光学组件的表面上时，其被称为表面光栅。当周期结构是源自表面本身的调制时，其被称为表面起伏光栅(srg)。srg的一个示例是在光学组件的表面中的被均匀直槽间隔区分隔开的均匀直槽。槽间隔区在此被称为“线”、“光栅线”和“填充区域”。srg的衍射的性质取决于入射在光栅上的光的波长和srg的各种光学特性(例如线间隔、槽深度和槽倾斜角)这两者。srg可利用适当的微制造工艺来制造，微制造工艺可涉及基板的蚀刻和/或沉积，以在基板上制造合需的周期性微结构以形成光学组件，其随后被用作生产母版，诸如用于制造更多的光学组件的模子。
srg是衍射光学元件(doe)的示例。当doe存在于表面上时(例如，当doe是srg时)，该表面的被该doe横跨的部分被称为doe区域。
图4a和4b分别从顶部和侧面示出具有外表面s的基本透明的光学组件10的一部分。表面s的至少一部分呈现构成srg44的表面调制(例如52、54、56)，该srg为微结构。这样的部分被称为“光栅区域”。调制包括基本平行且加长(显著长于其宽度)的光栅线，且该光栅线在此示例中基本是直的(尽管通常它们不需要是直的)。
图4b示出光学组件10，并且具体而言是与传入照明光束i交互的srg44，所述光束向内入射到srg44上。光i在该示例中是白色光，并且因而具有多种颜色分量。光i与srg44交互，该srg将所述光分成向内定向到光学组件10中的几个光束。光i的一些也可作为反射光束r0被从表面s反射回来。零阶模式向内光束t0和任何反射r0是根据衍射的一般原理以及其它非零阶(±n-阶)模式(其可被解释为波干涉)被创建的。图4b示出第一阶向内光束t1,t-1；将理解可以依据光学组件10的配置创建或不创建更高阶的光束。由于衍射的性质取决于波长，因此，对于更高阶的模式而言，入射光i的不同颜色分量(即波长分量)当存在时以相对于彼此而言不同的传播角度被分成不同颜色的光束，如图4b所示。
图5a-5c是不同的示例性srg44a-44c(在此统称为44)的特写示意性截面图，srg44a-44c由(在这些图中是从侧面观看的)光学组件10的表面s的调制形成的。光束用箭头标注，其厚度指示大致相对的强度(越高强度的光束以越厚的箭头示出)。
图5a示出直二元srg44a的示例。直二元srg44a由在表面s中通过突出槽间隔区9a被分开的一系列槽7a来形成，所述槽间隔区域在此也被称为“填充区域”、“光栅线”或简称为“线”。srg44a具有d的空间周期(称为“光栅周期”)，其是调制的形状在其上重复的距离并且从而是相邻线/槽之间的距离。槽7a具有深度h，且具有基本上直的壁和基本上平的基底。在图2a中填充区域具有高度h和在填充区的高度h上基本上均匀的标记为“w”的宽度(其中w是周期的某个分数：w＝f*d)。
对于直二元srg，壁基本上垂直于表面s。出于这个原因，srg44a引起垂直进入到表面的入射光i的对称衍射，其中由srg4a所创建的每个+n阶模式光束(例如t1)具有与对应的-n阶模式光束(例如t-1)基本相同的强度，通常小于约入射光束i的强度的五分之一(0.2)。
图5b示出斜二元srg44b的示例。斜二元srg44b也是由表面s中的标记为7b的槽形成，所述槽具有由宽度w的线9b所分隔的基本上直的壁和基本上平的基底。然而，与直srg44a相对比，所述壁相对于法线倾斜了一定量，在图25b中由角度β标注。当沿法线测量时槽7b具有深度h。取决于非零倾斜所进入的非对称性，行进离开倾斜方向的±n阶模式向内光束具有比它们的
二元srg44a和44b可以被看作是嵌入到表面s中的空间波形，该空间波形具有基本为方波的形状(具有周期d)。在srg44b的情况下，该形状是倾斜达β的倾斜方波形状。
图5c示出了突出的三角srg44c的示例，其是突出的梯形srg的特殊情况。三角srg44c是由表面s中的槽7c形成，所述槽是三角形状的(且因此具有可分辨的尖端)并且当沿法线测量时其具有深度h。填充区9c采用了三角形、齿状突起(齿形)的形式，具有与法线成角度β(β是srg44c的倾斜角)的中部。所述齿形具有由d(其是srg44c的光栅周期)分隔开的各尖端，在齿形基底处为w并且在齿形的尖端处变窄到基本上为零的宽度。对于图的srg44c，w≈d，但通常可以是w<d。所述srg是突起的，其中齿形的尖端在槽的尖端上延伸。构建突起的三角形srg是可能的，该图案基本上消除了传输模式t0光束和
srg44c可以被看作是嵌入在s中的空间波形，所述空间波形具有基本三角的波形，其倾斜了β。
其它srg也是可能的，例如，其它类型的梯形srg(其可能不在宽度上一直变窄到0)、正弦srg等。这些其它srg也呈现深度h、线宽w、倾斜角β、和壁角γ，其可按与图5a-c类似的方式定义。
在本显示系统中，d通常在约250和500nm之间，且h在约30和400nm之间。倾斜角β通常在约0和45度之间(以使得倾斜方向通常高于表面s达约45和90度之间的量)。
srg具有依据期望的被衍射的光束(例如t1)的强度相对于照明光束i的强度而被定义的衍射效率，并且可以由那些强度的比η来表示。如从上将显而易见的，斜二元srg可以实现比非斜srg(例如44a-在t1是期望的光束的情况下仅直至约η≈0.2)更高的效率(例如4b-在t1是期望的光束的情况下直至η≈0.8)。通过突出的三角srg，实现η≈1的近似最优效率是可能的。
返回图3a和3b，可以看出，入耦区域12、折叠区域14和退出区域16是衍射光栅，衍射光栅的周期性结构由于分别形成入耦srg、折叠srg和退出srg并且分别覆盖入耦区域21、折叠区域14和退出区域16的光学组件的表面的调制52、54、56而出现。
图6更清晰地示出了入耦srg52，包括示出光束如何与该入耦srg52交互的展开版。图6示出了光学组件10的平面图。光引擎13提供准直光束，所述准直光束之一被示出(其对应于显示器像素)。该光束落在入耦srg52上并且从而导致该光束在组件10中的全内反射。中间光栅14将该光束的各版本向下定向到退出光栅16，该退出光栅导致图像衍射到用户的眼睛上。光栅12的操作在该展开部分中更详细地示出，该展开部分示出了从左侧进入并被表示为i的进入光束的光线且那些光线被衍射以在光学组件10中经历tir。图6中的光栅是图5b中所示的类型但是也可能是图5c中所示的类型或者是某种其它斜光栅形状。
现在将参考图7a-9b来描述某些实施例所基于的光学原理。
图7a示出了显示器15、成像光学器件17和入耦srg52的透视图。显示器15的显示图像的区上的不同几何点在本文中被称为图像点，它们可以是活跃的(当前正在发光)或不活跃的(当前没有发光)。在实践中，个体像素可被近似为图像点。
图像光学器件17通常可被近似为主面(principleplane)(薄透镜近似)，或者在一些情况下，可被更精确地近似为主面对(厚透镜近似)，主面的位置由其构成透镜的性质和布置确定。在这些近似中，成像光学器件17所导致的任何折射被近似为在该(一个或多个)主面处发生。为了避免不必要的复杂化，将结合成像光学器件17的薄透镜近似并且从而结合图7a中被标记为31的单主面来描述各实施例的原理，但是显然，不适合这种近似的更复杂的成像光学器件仍可被用来实现期望的效果。
成像光学器件17具有光学轴30和前焦点，并且相对于光学组件10被定位以使得光学轴30与入耦srg52在入耦srg52的几何中心处或附近相交，其中前焦点大致位于显示器上的图像点x0处(即，与显示器的正面位于相同平面中)。该显示器上的另一任意图像点x被示出，且现在将结合x来描述各实施例所基于的原理，而不丧失一般性。在下文中，术语“对于每个x”或类似术语被用作用来表示“对于每个图像点(包括x)”或类似表述的简略表述，这将在上下文中显而易见。
在活跃时，图像点(包括被标记为x和x0的图像点)担当个体照明点源，光从该照明点源以基本各向同性的方式传播穿过显示器15前方的半空间。被感知为较亮的图像区域中的图像点发出比被感知为较暗的图像区域更高强度的光。被感知为黑色的图像点不发光或仅发出极低强度的光(不活跃的图像点)。特定图像点发出的光的强度可随着图像的改变而改变，例如在显示器15上显示视频时。
每个活跃图像点提供对图像光学器件17的准直区域a的基本均匀照明，该准直区域a为基本圆形的且具有直径d，直径d取决于诸如构成透镜的直径等因素(d可以是1-10mm量级的，但这仅是示例)。这在图7a中针对图像点x示出，图7a示出了锥32(x)内来自x的任何传播的光入射在准直区域a上。成像光学器件准直化入射在准直区域a上的任何光32(x)以形成直径为d的经准直光束34(x)(输入光束)，该光束被朝着光学组件10的入耦光栅52定向。光束34(x)从而入射在入耦光栅52上。屏蔽组件(未示出)可被布置成阻止从x发出的来自椎32(x)外的任何未经准直的光到达光学组件10。
与图像点x相对应的光束34(x)在向内传播方向上朝着入耦srg52定向，其可通过传播向量
成像光学器件具有主点(principlepoint)p，主点为光学轴30与主面31相交的点且通常位于准直区域a的中心处或中心附近。向内的方向
显而易见，以上适用于每个活跃图像点且成像光学器件因此被布置成将当前在显示器15上的图像基本准直化为多个输入光束，每个输入光束对应于唯一方向并在该唯一方向上传播，该唯一方向是通过相应活跃图像点(在实践中为活跃像素)的位置确定的。也就是说，成像光学器件17实际上将每个活跃点源x转换为唯一向内方向
与图像点x0相对应的输入光束(未示出)将平行于光学轴30朝着入耦srg52的几何中心或在该几何中心附近传播。
如同所提及的，在实践中，显示器15的个体像素可被近似为单个图像点。这在图7b中说明，图7b是示出显示器15的主面31和两个相邻像素xa、xb的的平面示意图，该显示器的中心与自主点p起的角δβ对向。在像素xa、xb活跃时从所述像素发出的光实际上被转换为具有等于δβ的角度分隔的经准直光束34(xa)、34(xb)。显而易见，为了说明的目的，像素xa、xb的尺度已被放得很大。
光束被高度准直化，具有不大于与自p起的个体像素所对向的角度(～δβ)的角度范围，例如，通常具有不超过约1/2毫弧度的角度范围。如鉴于前文所显而易见的，这提高了穿戴者感知的最终图像的图像质量。
图7c和7d分别示出了该光学组件的一部分的示意平面图(xz)和正视图(yz)。如这些图中所指示的，入耦光栅52导致光束34(x)的衍射，由此导致第一(±1)阶模式光束在光学组件10内在新方向
该光学组件具有衍射率n且被配置成使得极角θ(x)满足以下给出的全内反射准则：
(1):对于每个x，sinθ(x)＞1/n。
显而易见，来自成像光学器件17的每个光束输入从而在大致水平(+x)方向(从x轴偏移φ(x)<φin(x))上通过全内反射(tir)传播穿过光学组件10。以此方式，光束34(x)被从入耦区域12耦合到折叠区域14中，光束在折叠区域中沿折叠区域14的宽度传播。
图7e示出了从类似于穿戴者的视点来看的光学组件10的整体的正(xy)视图。如下面更详细地解释的，光学组件10内的衍射光束分割和全内反射的组合导致每个输入光束34(x)的多个版本从退出srg沿退出区域16的宽度和高度两者在相应的向外方向(也就是说，远离光学组件10)上作为输出光束38(x)向外衍射，该向外方向与相应输入光束34(x)的相应向内方向
在图7e中，在光学组件10外的光束被使用阴影表示，而点线被用来表示光学组件10内的光束。透视被用来指示在z方向上的传播，其中图7e中的光束的加宽(或变窄)表示在正的(或负的)z方向上的传播；即朝着(或远离)穿戴者。从而，发散的点线表示光学组件10内的朝着光学组件10的前壁传播的光束；最宽部分表示击中光学组件10的前壁的那些光束，所述光束被从前壁全内朝着后壁反射回去(在后壁上形成各srg)，其被用从最宽点到最窄点会聚的点线表示，光束在最窄点上入射到后壁上。各光束入射到折叠srg和退出srg的区域被标记为s和e且出于将变得明显的理由分别被称为分割区域和退出区域。
如所示，输入光束34(x)通过入耦srg52借助前述衍射被耦合入波导中，且在方向φ(x),±θ(x)(每当光束被反射时极角的符号改变但大小不变)上通过itr沿入耦区域12的宽度传播。如将显而易见的，这导致光束34(x)最终击中在最左侧的分割区s的折叠srg。
当光束34(x)入射到分割区s上时，该入射光束34(x)实际上通过衍射一分为二以创建该光束的新版本42(x)(具体而言，-1反射模式光束)，该新版本在特定的且大致向下(-y)的方向φ'(x),±θ'(x)上朝着退出区域16被定向，这是由于折叠srg54具有特定配置(稍后将描述该特定配置)以及由于零阶反射模式光束(镜像反射光束)，其在相同方向φ(x),±θ(x)上沿该光束的宽度继续传播，就如在不存在折叠srg的情况下光束34(x)所做的一样(尽管是以降低的强度)。从而，光束34(x)实际上基本沿着折叠区域14的整个宽度继续传播，在各分割区s击中折叠srg，在每个分割区s处创建该光束的另一新版本(在相同的特定向下方向φ'(x),±θ'(x)上)。如图7e中所示，这导致光束34(x)的多个版本被耦合入退出区域16中，退出区域被水平分开以便共同地基本横跨退出区域16的宽度。
如同也在图7e中所示，在分割区s处创建的该光束的新版本42(x)自身可在其向下传播期间击中折叠srg。这将导致创建0阶模式，其在方向φ'(x),±θ'(x)上继续大致向下传播并且可被视为该光束的继续传播，但是可能导致通过衍射创建非0阶模式光束40(x)(另一新版本)。然而，在同一srg处通过此类双重衍射创建的任何此类光束40(x)将沿折叠区域14的宽度与被耦合入光学组件10的原始光束34(x)在基本相同的方向φ(x),±θ(x)上传播(参见下文)。从而，尽管具有通过折叠srg的多次衍射的可能性，光束34(x)(对应于图像点x)的各版本在光学组件10内的传播实际上限于2个xy方向：大致水平方向(φ(x),±θ(x))，以及特定且大致向下的方向(φ'(x),±θ'(x))，后者将在后面简短地讨论。
在折叠区域14内的传播从而是高度规则的，与特定图像点x相对应的所有光束版本以所示方式基本上约束于类似格子的结构。
退出区域16位于折叠区域14之下且从而光束42(x)的向下传播的版本被耦合入退出区域16，在该退出区域中光束被引导到输出srg的各退出区e上。退出srg56被配置成使得当光束的一版本击中输出srg时，该光束被衍射以创建在向外方向上被从退出srg56向外定向的第一阶模式光束，该向外方向与其中对应于图像点x的原始光束34(x)被输入的唯一向内方向基本匹配。因为存在跨退出区域16的宽度的向下传播的该光束的多个版本，所以跨退出区域16的宽度生成多个输出光束(如在图7e中所示)以提供有效的水平光束展开。
而且，退出srg56被配置成使得除了向外衍射的光束38(x)在各退出区e处被从入射光束创建之外，0阶衍射模式光束在与该入射光束相同的特定方向上继续向下传播。这进而以在图7e中所示的方式在较低的退出区域16s处击中退出srg，从而导致继续0阶以及向外第一阶光束。从而，还基本上跨退出区域16的高度生成多个输出光束38(x)以提供基本竖直的光束展开。
输出光束38(x)在向外方向上被向外定向，该向外方向与原始光束34(x)被输入的唯一输入方向基本匹配。在此上下文中，基本匹配的意思是向外方向与向内方向按照以下方式相关：其使得穿戴者的眼睛将输出光束38(x)的任何组合聚焦到视网膜上的单个点，从而重构图像点x(见下)。
对于平光学组件(即，其前表面和后表面在整体上基本平行于xy平面)，输出光束基本彼此平行(至少在两个相邻显示器像素所对向的角度δβ内)且在输出传播方向
如现在将参考图7f描述的，这使得观看者的眼睛在看向退出区域16时重构图像。图7f示出了光学组件10的平面(xz)视图。输入光束34(x)被入耦到光学组件10，导致以上面讨论的方式在各退出区e创建多个平行的输出光束38(x)。这可被等效表达为在对应于所有图像点的各输出光束处形成与相应输入光束相同的虚拟图像(在无限远处)。
因为对应于图像点x的光束38(x)全部基本平行，所以被眼睛37接收的一个或多个光束38(x)的任何光就像眼睛37感知在无限远处的图像(即，远方图像)那样被聚焦。眼睛37从而将如此接收的光聚焦到单个视网膜点上，就像该光正被直接从成像光学器件17接收一样，从而在视网膜上重构图像点x(即像素)。如显而易见的，对每个活跃图像点(像素)同样如此，以使得眼睛37重构当前在显示器15上的整个图像。
然而，与直接从光学器件17接收图像不同——对于每个x仅发出直径为d的相应的单个光束34(x)——输出光束39(x)被在显著更宽的面积(即，基本上退出区域的面积)上发出，这实质上大于输入光束的面积(～d2)。眼睛接收到光束38(x)的哪个(哪些)部分不重要，因为所有光束聚焦到相同的视网膜点——例如，假设在图7f中眼睛37要水平移动(±x)，则显然图像仍将被感知到。从而，不需要为比如说具有不同瞳距的观看者对显示系统进行适配，除了使得退出区域16足够宽以预期瞳距的合理范围之外。尽管与眼睛分开更远的观看者相比，眼睛更靠近在一起的观看者通常将接收来自退出区域16的更靠近入耦区域12那一侧的光，然而两个观看者仍将感知到相同的图像。而且，随着眼睛27旋转，在图像仍保持可见的同时图像的不同部分被朝着观看者的视野的中心带动(因为光束相对于眼睛的光学轴的角度改变)，由此允许观看者根据需要将其注意力集中到图像的不同部分。
被对应任何两个相邻像素xa、xb的输入光束呈现的相同的相对角分隔δβ也被对应的输出光束集合38(xa),38(xb)呈现——从而相邻像素被眼睛37聚焦到相邻的视网膜点。光束的所有各版本在穿过光学组件10传播时保持高度准直，从而阻止聚焦到视网膜上的像素图像的明显交叠，由此保留了图像锐度。
应当注意，图7a-7g不是按照比例的且具体而言，为了清楚，与实践中通常期望的相比，光束直径通常相对于诸如显示器15等组件被减小。
现在将参考图8a和8b描述入耦srg52的配置，图8a和8b示出了折叠光栅52的一部分的平面示意图和正视图。注意，在图8a和8b中，为了清楚，光束由箭头表示(即，其面积未被表示)。
图8a示出了分别位于显示器15的左侧远端和右侧远端的两个图像点xl、xr，来自所述图像点的光由光学器件17准直以生成向内方向(θin(xl),φin(xl)),(θin(xr),φin(xr))上的相应输入光束34(xl)、34(xr)。如图所示，这些光束被入耦srg52耦合到光学组件10中，如所示——所示的在入耦srg52处创建的入耦光束是通过入射在srg52上的光束的衍射创建的第一阶(+1)模式光束。被耦合到波导中的光束34(xl),34(xr)在由极角θ(xl),θ(xr)定义的方向上传播。
图8b示出了在显示器15的右上侧远端和右下侧远端的两个图像点xr1和xr2。注意，在此图中，点划线表示在光学组件10后的方面(-z)。在光学组件10内的方向上的对应光束34(xl),34(xr)具有极角φ(xl),φ(xr)。
这些角度θ(x),φ(x)通过(透射)光栅等式给出：
nsinθ(x)sinφ(x)＝sinθin(x)sinφin(x)(2)
其中srg52具有光栅周期d1，光束光具有波长λ，且n是光学组件的折射率。
从(2)、(3)中明确示出θ(xl)＝θmax且θ(xr)＝θmin，即，耦合入组件10的任何光束以在范围[θ(xr),θ(xl)]内的初始极角传播；并且φ(xr2)＝φmax且φ(xr1)＝φmin(在此示例中≈–φmax)，即，耦合入该组件的任何光束初始地以在范围[φ(xr1),φ(xr2)](≈[–φ(xr2),φ(xr2)])内的方位角传播。
现在将参考图9a-9b描述折叠srg54的配置。注意，在图9a和9b中，为了清楚，光束再次用箭头表示，而不表示其面积。在这些图中，点线表示垂直于折叠srg光栅线的定向，划线表示垂直于入耦srg光栅线的定向，且点划线表示垂直于退出srg光栅线的定向。
图9a示出了耦合入光学组件10的折叠区域14的光束34(x)的透视图，该光束已被从光学组件10的前壁反射并且从而在方向(φ(x),-θ(x))中朝着折叠srg54行进。点线(其垂直于折叠srg光栅线)被示出以表示折叠srg的定向。
折叠srg54和入耦srg52具有相对定向角a(该角为其相应光栅线之间的夹角)。当在xy平面中测量时，该光束从而与折叠srg光栅线成角度α+φ(x)(参见图9b)。光束34入射在折叠srg54上，折叠srg将光束34衍射到不同组件中。创建了0阶反射模式(镜面反射)光束，其继续在方向(φ(x),+θ(x))中传播，就像光束34(x)因为不存在折叠srg54的反射而会做的那样(尽管是以减小的强度)。此镜面反射光束可被实际上视为光束34(x)的延伸并且由于这个原因也被标记为34(x)。还创建了第一阶(-1)反射模式光束42(x)，其可实际上被认为是该光束的新版本。
如所指示的，该光束42(x)的新版本在特定方向(φ'(x),θ'(x))中传播，该特定方向由已知(反射)光栅等式给出：
nsinθ′(x)sin(a+φ′(x))＝nsinθ(x)sin(a+φ(x))(4)
其中折叠srg具有光栅周期d2，光束光具有波长λ，且n是光学组件10的折射率。
如图9b中所示(图9b示出光学组件10的正视示意图)，光束34(x)被以方位角φ(x)耦合入入耦区域12中并且从而与折叠srg54成xy角φ(x)+α。
当其首先被折叠srg54衍射时光束34(x)的第一新版本42a(x)(-1模式)被创建，且当其接下来被折叠srg54衍射时第二新版本42b(x)(-1模式)被创建(以此类推)，所述新版本均在xy方向φ'(x)上传播。以此方式，光束34(x)实际上被分割为多个版本，这些版本被水平分开(跨折叠区域14的宽度)。这些版本被朝着退出区域16向下定向并且从而被耦合入退出区域16中(由于水平分开所以基本跨退出区域16的宽度)。可以看出，该多个版本从而入射在退出srg56的各退出区(被标记为e)上，所述退出区e位于沿该退出区域16的宽度上。
这些新的、向下(-y)传播的版本自身可再次遇到折叠srg，如图所示。然而，从(4)、(5)可以示出，通过本身是通过原始光束(例如，34(x))在同一srg处的较早衍射创建的第一阶反射模式光束的入射光束(例如，42a(x),-1模式)的srg处的衍射创建的任何第一阶反射模式光束(例如，40a(x),+1模式)将还原到原始光束的方向(例如，φ(x),±θ(x)，其为40a(x)的衍射的方向)。从而，折叠区域14内的传播约束于类似菱形的格子，如从图9b的几何形状可见。被标记为42ab(x)的光束是在42b(x)遇到折叠srg54时创建的镜面反射光束和在40a(x)在基本相同位置遇到该折叠srg时创建的-1模式光束的叠加；被标记为42ab(x)的光束是在40a(x)遇到折叠srg54时创建的镜面反射光束和在42b(x)在基本相同位置遇到该折叠srg时创建的+1模式光束的叠加(以此类推)。
退出srg和入耦srg52、56以相对定向角a’(该角为其相应光栅线之间的夹角)定向。在每个退出区处，遇到该区的版本被衍射，以使得除了在方向φ'(x),±θ'(x)上向下传播的0阶反射模式光束之外，将在由下式给出的向外方向(φout(x),θout(x))上远离光学组件10传播的第一阶(+1)透射模式光束38(x)：
sinθout(x)sin(a′+φout(x))＝nsinθ′(x)sin(a′+φ′(x))(6)
输出方向θout(x)，φout(x)是波导外(在空气中传播)的输出光束的方向。对于平波导，在下述情况下式(6),(7)均成立：在退出光栅在该波导的前方时——在此情况下输出光束是第一阶透射模式光束(可以看出，式(6),(7)对应于已知透射光栅等式)——而在退出光栅在波导的后方时(如图7f中所示)——在此情况下输出光束对应于第一阶反射模式光束，所述光束在从后退出光栅初始反射之后在以下给出的方向θ′outx，φ′out(x)上在光学组件10内传播：
nsinθ′out(x)sin(a′+φ′out(x))＝nsinθ′(x)sin(a′+φ′(x))(6′)
这些光束随后在光学组件的前表面处被折射，并且从而在由斯内尔定律给出的方向θin(x)，φin(x)中退出光学组件：
sinθout(x)＝nsinθ′out(x)(8)
φ′out(x)＝φout(x)(9)
显而易见，等式(6),(7)的条件简单沿袭自(6’),(7’),(8)和(9)。注意，前表面处的这种折射尽管在图7f中无法轻易可见，然而仍旧在图7f的布置中发生。
从等式(2-7)可以示出，当
d＝d1＝d3(10)
时(即，当入耦和退出srg52、56的周期基本匹配时)；
d2＝d/(2cosa)；(11)
以及
a′＝2a；(12)
则(θout(x)，φout(x))＝(θin(x)，φin(x))
而且，当条件
被满足时，除了上面提及的第一阶和0阶反射模式，没有模式被通过衍射在折叠srg54处创建。也就是说，当满足此准则时没有附加的不合需光束在折叠区域中被创建。条件(13)对于从约0到70度的大范围的a被满足。
换言之，当这些准则被满足时，退出srg56实际上担当入耦srg52的逆，将针对与其交互的光束的每个版本的入耦srg衍射的影响翻转，由此输出实际上该光束34(x)的在与被输入到组件10的原始光束相同方向上的具有基本是退出srg56的面积的面积的二维展开版本(＞＞d2，并且如所指出的，独立于成像光学器件17)，由此向外衍射的光束形成与向内输入的光束基本相同，但是在大得多的面积上能被感知的虚拟图像。
在图9b的示例中，a≈45°，即，从而折叠srg和退出srg54、56分别与入耦srg52在基本上45和90度定向，其中折叠区的光栅周期
以上考虑了平光学组件，但是适当弯曲的光学组件(即，具有基本沿z方向延伸的曲率半径)可被配置成担当有效透镜以使得输出光束30(x)不再是高度准直的且不再是平行的，但是具有特定的相对方向和角度分隔，以使得每个追踪回到公共会聚点——这在图7g中示出，其中公共会聚点被标记为q。而且，当每个图像点被考虑时，所有不同活跃图像点的各会聚点位于基本相同平面(被标记为50)上，该平面位于距眼睛37的距离l处，以使得眼睛可相应地聚焦以感知整个图像，就像图像在距离l远处一样。这可等效地被陈述为各输出光束形成当前显示图像的与对应输入光束基本相同的虚拟版本，但是在距眼睛37的距离l处而不是在无限远处。弯曲的光学组件特别适用于不能正确聚焦远处图像的近视眼。
注意，一般而言，折叠和退出区域的“宽度”不必是其水平范围——一般而言，折叠或退出区域14、16的宽度是在该区域中光被从入耦区域12耦合入折叠区域14的大致方向上的区域范围(在以上示例中为水平的，但是更一般地在基本垂直于入耦区域12的光栅线的方向上)。
注意，光引擎13的以上布置仅是示例。例如，基于所谓扫描的替代光引擎可提供单个光束，在同时调制其强度和/或颜色时，该单个光束的定向被快速调制。如将显而易见的，以等效于通过用准直光学器件准直显示器上的(真实)图像的光来创建的虚拟图像的这种方式来模拟虚拟图像。
制作包括srg的光学组件通常涉及使用微制造技术。
微制造是指微米规模和更小规模的期望结构的制造。微制造可涉及在基板上的蚀刻和/或沉积，以在基板上创建合需的微结构。
湿刻涉及使用液体蚀刻剂来选择性地移除例如沉积在板的表面上的膜的各部分和/或板本身的表面的各部分。蚀刻剂与基板(例如板/膜)化学地起反应以移除基板(例如板/膜)的暴露给蚀刻剂的部分。选择性蚀刻可以通过在基板/膜上沉积合适的保护层来实现，所述保护层仅仅将基板(例如板/膜)的部分暴露给蚀刻剂以供化学反应并保护了剩余部分免受蚀刻剂的化学反应。保护层可以由光阻或其它保护性掩模层来形成。
干刻涉及选择性地(例如使用类似的光阻掩模)将基板(例如板/膜)暴露给高能粒子的轰击以移除基板(例如板/膜)的暴露给所述粒子的部分(有时称为“溅射”)。一种示例是在其中各部分被暴露给离子束的离子束蚀刻。作为与那些暴露的部分的离子化学反应以移除它们(有时称为“化学溅射”)和/或取决于它们的动能物理移除那些部分(有时称为“物理溅射”)的结果可以移除那些部分。
与蚀刻相反，沉积-诸如离子束沉积或基于沉浸的沉积-涉及将材料施加到基板(例如板/膜)，而不是从基板(例如板/膜)移除材料。如本文所使用的，术语“图案化基板的表面”或类似术语涵盖在板或膜上的所有此类蚀刻/沉积，且板或膜上的此类蚀刻/沉积被称为在基板的表面上施加结构。
用于制造光学组件的传统技术涉及例如首先用铬层或其它保护性掩膜层(例如另一金属层)涂覆主板的表面的待图案化区(合需表面区)。主板和膜构成基板。掩模层被正光阻覆盖。正光阻是指在暴露于光时变得可显影的光阻，即具有使得已暴露于光的那些部分(且仅那些部分)在用来在曝光后对光阻显影的显影流体中能溶解的成分的光阻。形成合需光栅图案(光栅结构)的光——例如，使用双束激光干涉以生成形成干涉图案形式的光栅结构的光而创建的——随后被投影到光阻上以便仅光带位置处的光阻被曝光。光阻随后被显影以移除曝光部分，保留掩膜层的选择性部分可见(即，仅显露选择性部分)且剩余部分被黑暗边缘位置处的未被曝光的光阻所覆盖。随后可以使用传统的蚀刻技术(例如初始湿刻或离子束蚀刻工艺)来移除掩模层的未被覆盖部分，所述蚀刻技术移除了掩模的未被覆盖部分而不移除被光阻覆盖的部分，并且所述蚀刻技术基本上不影响板本身。板本身的蚀刻——诸如进一步湿刻或进一步的离子束蚀刻——随后被执行，以将图案从经蚀刻的掩膜层转移到基板本身。
图12a示出了另一光学组件10’，其类似于图3a和3b的光学组件10，但是具有一些重要的差别，现在将对其进行描述。如所示，该另一光学组件10’具有与光学组件10的srg类似的srg52’(入耦)、54’(折叠)、56’(退出)，其中在它们之间具有大间隙(＞＞100μm)，包括在入耦srg和折叠srg52’、54'之间。由于此大间隔，在制造该另一光学组件10’时，可沿上面画出轮廓的线使用正光阻技术进行激光干涉暴露(简单地通过在激光干涉暴露期间在主板(基板)前方应用不同形状的阴影掩模)。
这在图12b中被示出，图12b从该侧示出了在双光束激光干涉暴露过程期间的主板70’。板70’被用铬层72’涂覆，铬层本身被用光阻74’涂覆，该光阻74’为正光阻。板70’和膜72’构成基板。干涉图案通过两个激光束67i、67ii的干涉创建。阴影掩模69’被用来阻止图案落到基板的表面的合需部分(例如，被入耦srg52’跨越的部分)之外以使得仅被曝光的光阻是覆盖干涉图案的光带落在其上的合需部分的部分(在图12b中被曝光的光阻用黑色示出并被标记为74’e)。随后可针对待图案化的任何其它部分(例如，针对被54’和56’跨越的部分)重复这一过程。随后可对正光阻显影以移除曝光部分74’e，且按上面概述的方式将基板图案化。
然而，阴影掩模导致doe区域的边缘附近的失真。失真是由于光散射、阴影掩模的不完美接触以及阴影掩模的有限的厚度(其实际上使其边缘附近的图案模糊)。在本文中，在其边缘附近呈现的光栅结构的不均匀性(由制造期间的这种阴影化所导致的类型的或类似类型的)被称为“边缘失真”。边缘失真在图12b中由标签d指示。
当对光阻显影时，边缘失真连同光栅结构变得具体化在被显影的光阻中，并且作为结果在板70’被蚀刻时被转移到板70’的表面。结果是，最终光学组件10’(其包括图案化的板或从图案化的板制造)也呈现出相应的边缘失真，如由图12a中围绕各doe区域的边缘的被标记为d的点线所指示的。
而且，不仅创建边缘失真，还有在以此方式对基板曝光时定位阴影掩模69’是困难的，并且因此减小srg52’、54’之间的间隙的大小而无需冒srg52’、54’之间的交叠的风险是困难的。
返回图3b，与图12a的该另一光学组件10’不同，光学组件10的入耦区域和折叠区域12、14基本毗连，因为它们被分开最多窄边界区域18，该边界区域具有沿分开边界区域18的公共边界19(即垂直于公共边界19)测量的宽度w。也就是说，入耦区域和折叠区域在沿公共边界18的宽度中被分开小距离w。而且，光学组件10的入耦srg、折叠srg和退出srg52、54、56没有上面描述的那种边缘失真。已经观察到，这种配置产生了比该另一光学组件10’的图像质量更好的图像质量。
特别而言，已经观察到，当沿公共边界19(间隙)的入耦区和折叠区12、14的分隔w沿公共边界19的长度被减小为w≤wmax时(即，假设入耦区域和折叠区域沿公共边界19的长度在宽度上被分开不超过wmax)(其中wmax≈100μm(微米))，则可获得图像质量的改善。在实践中，观察到改善的间隙大小可对于波导的厚度有一定依赖性。例如，对于具有约0.6mm或更小厚度(在z方向的范围，如在附图中所示)的波导，当wmax大致为50μm或更小时观察到图像质量的剧烈改善。这一特殊情况在图10中示出，图10示出了在针对图10包括的一个情况中mtf(模转移函数)的曲线作为间隙宽度的函数而下降。在间隙从50μm减小时mtf的增大在图10中清晰可见。如本领域技术人员公知的，模转移函数(mtf)是光学系统将各种水平的细节从物体转移到图像的能力的度量。1.0(或100％)的mtf表示完美对比度保留，而小于此值的值意味着越来越多的对比度丢失——直到mtf为0(或0％)，此时线对(线对是一条黑线和一条白线的序列)完全不能再被区分。对于较厚的波导(例如约1mm厚度)，对于至多100μm的间隙大小仍旧期望改善。
图3b的公共边界19是弓形的(在此示例中为基本半圆形的)，其中入耦区12和折叠区14具有沿公共边界19成弓形的(在此情况下为基本半圆形的)边。入耦区12的边整体上基本成圆形。
本公开意识到，传统微制造技术不适合制造图3b的光学组件10。特别而言，现有技术不适于制造呈现必要的入耦-折叠区分隔w≤wmax且没有边缘失真，同时仍旧准确维持上面参考图9b描述的各srg52、54和56之间的合需角度定向关系的光学组件。
现在将参考图11描述用于制造光学组件的微制造工艺。如鉴于下文将变得显而易见的，图11的工艺可被用来制造图3b中示出的在入耦区和折叠区之间具有必要的小间隔、没有边缘失真、并且还呈现高精确度的合需角度定向的类型的光学组件。
也就是说，本公开提供了一种新颖的干涉微影方法，其允许在光学组件的表面上制造彼此分开100微米或更小的光栅。这用传统干涉微影方法通常是不可实现的。
图11在左手侧示出了该工艺的流程图，并且在右手侧针对该工艺的每个步骤，示出了适于说明在该步骤操纵板70的方式的示例性主板70的平面图和/或侧视图。每个侧视图是沿相应平面图中示出的点划线所取的横截面。
板表面的上部用铬膜72涂覆。板70和膜72构成基板，基板的合需表面区(具体而言，在此示例中为由铬层72定义的表面区)在执行该工艺时被选择性蚀刻以创建入耦srg和折叠srg52、54。入耦srg52在合需表面区的第一部分62(入耦部分)上制造，而折叠srg54在合需表面区的第二有区别(即，非交叠)且基本毗连部分64(折叠部分)上制造，沿(预想的)公共边界19具有减小的分隔w≤wmax。对于图3a和3b中示出的光学组件10，从穿戴者的视角看，合需区对应于该组件的表面的后部。
最终蚀刻基板构成光学组件，该光学组件可并入显示系统(例如图1的显示系统2)中，或者可被用作用于制造更多的光学组件的生产母版，例如，用于从聚合物模塑此类组件的模具(或者的确可被用于制造此类模具)，在此情况下被制造在基板的表面上的srg52、54通过制造(例如模塑)过程被转移到那些组件(的后部)。
在图11的步骤s4，铬层72被用负光阻膜74涂覆，负光阻膜即在暴露于光时变得不可显影的光阻，即具有使得已被暴露于光的那些部分(且仅那些部分)一旦被暴露则变得在被用来对光阻显影的显影流体中基本不可溶解的成分的光阻，以使得被暴露部分(且仅那些部分)保持到显影后。这包括涂覆最终旨在用入耦srg52图案化的入耦部分62以及最终旨在用折叠srg54图案化的折叠部分64。
在步骤s6，实质上大于入耦部分62且涵盖该入耦部分的区域被暴露(在此示例中被示出为包含合需的圆形区域62的矩形)于光，其形成合需的入耦光栅结构(即，srg52的结构)。通过定向两个激光束67i、67ii以在干涉布置中重合，创建在入射在光阻74上时形成具有光栅周期d的合需入耦光栅结构的干涉图案。干涉图案包括交替的亮带和暗带，由此光阻的仅亮带所坐落的部分被曝光(经曝光的光阻在图11中用黑色示出并被标记为70e)；然而，与正光阻不同，这些曝光部分70e将变得不可显影，而暗带位置中的未曝光部分保持可显影。
阴影掩模69被用来将干扰图案约束至较大区域。该较大区域足够大，以不仅涵盖入耦表面部分62而且还使得阴影掩模所创建的所有边缘失真d位于入耦部分62之外(一般而言，较宽的区域足以使得在预想的公共边界19附近基本上没有边缘失真，即使在入耦部分62的边缘附近的别处存在一定的边缘失真)。
出于即将讨论的理由，哑光栅部分63也同时被暴露于相同(或类似)的干涉图案。
曝光部分62、63实际上可以是任何形状或大小的，但是来自可能的其它曝光的过度曝光一定不能达到合需曝光部分的任何“活跃部分”(即，在s6旁的图示中，其它曝光必须不与圆形入耦部分62交叠)。
作为使用掩模的替代，干涉图案可被投影到合需表面区的整体上以便在合需表面区上完全没有阴影化效果。
在曝光步骤s6期间，板70被图11中未示出的激光干涉曝光设定(曝光系统)中的机械钳制或其它固定方法支撑以在进行曝光时将其相对于曝光系统(特别而言，相对于光束67i、67ii)保持稳定。在步骤s6之后，主板70被从激光干涉曝光设定卸载。
在步骤s8，卸载的板70被暴露于基本均匀强度的光65，但是在要暴露光阻的地方有光掩模80并从而避免来自入耦和哑光栅区域62、63之外的区域的光阻显影。即，入耦部分62和哑区63上的光掩模80被用来阻止部分62、63暴露于均匀光65。从而，均匀光65被投影在除入耦部分和哑部分(因为它们被光掩模80覆盖)之外的合需表面区的整体上，从而除了覆盖入耦部分和哑部分62、63的光阻之外的所有光阻变得完全不可显影。从而光掩模定义部分62、63(即，部分62、63具有与被用来保护这些部分的相应光掩模80相同的大小和形状)，而不是在s6中使用的阴影掩模定义部分62、63。掩模对齐设备被用来将光掩模80准确定位在基板上的正确位置上。掩模对准设备具有用于生成供曝光的均匀光的组件(例如，紫外灯、光学器件等)以及用于将光掩模80定位到正确位置的机械器件。
如将显而易见的，当在s6被投影时要保留光栅结构的任何记录的仅有的光阻是覆盖入耦部分和哑部分的光阻——在这些部分之外，光栅结构的所有记录被有意损坏。入耦部分和哑部分62、63之外的完全曝光的光阻包括光阻的经受边缘失真d的所有部分，从而从光阻完全移除边缘失真的任何记录。由于该工艺的性质，基本不存在对光栅图案的失真。
在步骤s10，光阻被显影以通过使用显影流体仅移除该光阻的还未被暴露于光的那些部分来具体化入耦srg光栅结构。所有被曝光的、未被显影的光阻74e基本保持不被步骤s10的显影改变。如在附图中(图11中的s10右侧)所示，部分62、63外基本没有光阻在步骤s10被移除；仅有的被移除的光阻是入耦部分和哑部分62、63中的对应于在s6投影在光阻上的干涉图案的暗带位置的未曝光光阻的线。
在步骤s11，铬蚀刻规程被执行以用入耦srg图案蚀刻铬层72(但不蚀刻板70本身)，诸如铬硬掩模72的干刻。在蚀刻步骤s11中，光阻担当蚀刻掩模以将铬层72的蚀刻约束于仅针对入耦光栅表面部分和哑光栅表面部分，由此从光阻向入耦部分和哑部分62、63施加结构。然而，部分62、63外的经曝光的、未显影的光阻74e抑制那些部分62、63外的蚀刻，以使得没有结构被施加在那些部分9之外的铬72上(即，在那些部分之外，铬基本不被改变)。
一旦铬72已被如此蚀刻，则曝光的光阻74e被移除(s12)且用新鲜的、未经曝光的负光阻74重新涂覆铬72(s13)。
如同上面所指示的，入耦srg和折叠srg之间的相对定向角旨在为在上面的等式(11)中定义并在图9b中示出的a(其中入耦srg和退出srg具有根据等式(12)的相对定向角2a)。这可通过在同样由相同机械夹具或其它固定方法再次支撑的(与先前在s6使用的)相同的曝光系统上重新加载板70并将该板70旋转一定量来实现，所述量与相对于曝光系统的a匹配，以使得任何后续投影的图案通过a被定向到原始入耦srg图案(s14)。通过使用适当的驱动机构，实现板70的高度精确的旋转是可能的。
然而，由于机械止动器的不精确，板70的位置不与步骤s6中的位置精确相同。这在图11的步骤s14旁边的平面图中示出，其中角度α被示出为表示由板70的加载/卸载带来的相对于在先前的曝光步骤s6处的板的初始定向的轻微旋转。
出于这种理由，在s14旋转板70之前，首先测量s6和s14中的板位置之间的偏移α。测量使用边缘图案81完成。边缘图案81在板被旋转时改变且这可被用来以好于0.001度的分辨率测量板的角度。
为了创建边缘图案81，哑光栅部分被重新暴露至其在步骤s6被暴露至的相同干涉图案(或至少具有相同角度定向的干涉图案)，如在图11的右手侧所示。尽管在哑光栅顶部上存在光阻，边缘图案是清晰的。边缘图案因为干涉图案和哑光栅之间的交互的结果而被创建，且当角度对齐好于例如0.01度时具有边缘间隔——通常是几毫米量级的——并且从而在偏移α为约五千分之一度是清晰可见，且其随着α朝着0减小而增大，在α达到0时变为最大值(实际上为无限大)。边缘间隔由偏移α来确定并且反过来可被用来测量α。
这使得在哑光栅顶上的光阻保持部分暴露；如将显而易见的，这是不重要的。注意，哑光栅部分63从折叠光栅部分64足够偏移以使得在折叠光栅部分顶上的光阻在创建边缘图案81时保持不暴露。
一旦已测量了α，则在步骤s16，将板70从该初始定向旋转一定量，该量＝a-α(由此在旋转中计入α)，以使得板70现在以高精确度相对于其在s6的初始位置具有定向a。
在步骤s18，实质上大于折叠部分64并涵盖折叠部分64的区域被再次通过定向两个激光束67i、67ii以在干涉布置中重合来被暴露，从而以等效于s6的方式将光阻的落在亮带上的部分保持不显影(但是没有任何附加哑光栅区域被暴露)。在s18，干涉图案在入射到光阻上时具有周期d/(2cosa)。阴影掩模69再次被用于将干涉图案约束到此区域，该区域足够大以不仅涵盖折叠表面部分64而且使得由阴影掩模创建的所有边缘失真d位于入耦部分62之外(或至少不在公共边界16处)。
入耦光栅顶上的一些或全部光阻将很可能在s18被暴露，这是不重要的，因为其对已经被蚀刻到下层铬72中的入耦图案没有影响。
除了折叠部分64外的所有其它区域随后通过适当的光掩模80被暴露(s19)于均匀光65，该光掩模处于适当位置以等效于步骤s8的方式阻止折叠部分64(且仅该部分)的暴露。这使得覆盖入耦部分62的(以及覆盖最终旨在被蚀刻以形成退出光栅56的退出部分的)所有光阻保持被曝光并且因此不被显影。光阻随后以等效于步骤s10的方式被显影以仅移除未曝光部分(s20)，铬再次被蚀刻以将折叠srg图案从光阻转移到铬，且在蚀刻之后光阻被移除(等效于s11-s12)。入耦部分被经曝光并且因此未被显影的光阻70e保护，由此保留已经蚀刻入铬中的入耦光栅图案。
使用光掩模80来定义入耦部分和折叠部分允许以比简单地使用阴影掩模来定义doe区域时(如在上面概述的正光阻技术中)精确得多地控制doe区域的位置。从而将那些部分的分隔减小为w≤wmax同时仍旧保持那些部分的分隔(即，不使被蚀刻的图案交叠)成为可能。
尽管在图11中未明确示出，然而将显而易见，覆盖最终旨在用于退出srg56(竖直地在入耦srg和折叠srg52、54的下方)的光栅区域的铬不受s11和s22两者的蚀刻影响，因为在这两个步骤中其被未被显影的光阻保护。
可重复类似过程来将合需折叠光栅结构蚀刻到铬中，同样使用边缘图案来实现入耦光栅结构和退出光栅结构之间的高度精确的2a角度定向。本配置中的退出光栅距输入光栅相对更远。从而输入光栅和退出光栅可被用足够大的阴影掩模暴露于相同光阻层以避免边缘失真。
一旦所有三个结构已被蚀刻到铬中，板70本身经受蚀刻过程(例如，离子束蚀刻)，其中铬现在担当蚀刻掩模，由此光栅结构被从经蚀刻的铬72转移到板70本身从而以极好的角度精确度、srg52、54之间的窄间隙w≤wmax以及没有边缘失真的良好质量边缘在板本身上形成合需的入耦srg、退出srg和折叠srg52、54、56。
注意，哑光栅图案不被蚀刻到板本身中，因为其在最终光学组件中是不需要的。
一旦板本身已被蚀刻，铬被移除且板70可(例如在图1中示出的类型的显示系统中使用)被用于模塑更多的光学组件，或真正制造这些模具。
已经证明，使用图11的过程，基板可被图案化，其没有边缘失真、入耦区域和折叠区域14、16之间的实际相对定向角恒定为arccos(d1/(2d2))(参见上面的等式11、12)和/或入耦srg和退出srg12、16之间的相对定向角的一半(参见上面的等式13)在±千分之一度内(如从使用本技术制造的基板的代表性统计群体所测量的)。然而，在一些实践上下文中，千分之二度可能仍旧是可接受的角度误差。
尽管上文使用哑光栅用于重对齐，然而在其它实施例中使用退出光栅用于重对齐也是可能的。输入和退出光栅在实践中在不将板取出激光系统中的样本保持器的情况下进行，因为它们分开～1厘米并且从而使得容易用标准掩模来阴影化。退出光栅相对较大且从而退出光栅的制造(其距折叠光栅足够远)可被用于在板被插回激光系统以用于折叠光栅干涉暴露时的重对齐。
尽管在以上中间金属层被沉积在主板和基板之间，然而替代地，光阻层可替换地被直接施加到基板和光阻的选择性区域以使得光阻以与前述掩模类似的方式发挥功能。然而，使用单独的金属掩模层可以便利于蚀刻的更好的选择性。
注意，尽管图11的过程是参考蚀刻来描述的，然而所述技术可被适配以按照显而易见的方式转而通过沉积来实现图案化。
根据第一方面，提供一种显示系统，其包括光学波导和光引擎。所述光学波导具有入耦光栅、中间光栅和退出光栅。所述光引擎被配置成生成多个输入光束。每个光束基本准直且在唯一向内方向上被定向到所述入耦光栅，由此所述多个输入光束形成虚拟图像。所述中间光栅和退出光栅具有实质上大于所述光束的直径的宽度。所述入耦光栅被布置成将每个光束耦合到中间光栅中，其中所述光束被引导到所述中间光栅的在沿所述中间光栅的宽度的方向上的多个分割区上。所述中间光栅被布置成在所述分割区分割该光束以提供该光束多个基本平行版本。那多个版本被耦合到所述退出光栅上，其中所述多个版本被引导到所述退出光栅的多个退出区上。所述退出区位于沿所述退出光栅的宽度的方向上。所述退出光栅被布置成向外衍射该光束的所述多个版本。该多个输入光束由此导致多个退出光束退出该波导，该多个退出光束形成该虚拟图像的一版本。所述入耦光栅和所述中间光栅基本上毗连，沿公共边界在宽度上分开不超过100微米(且任选地不超过50微米)。
根据第二方面，提供了一种用于显示系统的光学波导，所述光学波导具有入耦光栅、中间光栅和退出光栅。所述入耦光栅被布置成接收多个输入光束，每个输入光束基本准直且以唯一向内方向被定向到所述入耦光栅，由此所述多个输入光束形成虚拟图像。所述中间光栅和退出光栅具有实质上大于所述光束的直径的宽度。所述入耦光栅被布置成将每个光束耦合到中间光栅中，其中所述光束被引导到所述中间光栅的在沿所述中间光栅的宽度的方向上的多个分割区上。所述中间光栅被布置成在所述分割区分割该光束以提供该光束的被耦合到所述退出光栅中的多个基本平行版本，在退出光栅中所述多个版本被引导到所述退出光栅的多个退出区上，所述退出区位于沿所述退出光栅的宽度的方向上。所述退出光栅被布置成向外衍射该光束的所述多个版本，所述多个输入光束从而导致多个退出光束退出所述波导，所述多个退出光束形成所述虚拟图像的一版本。所述入耦光栅和所述中间光栅基本上毗连，沿公共边界在宽度上分开不超过100微米(且任选地不超过50微米)。
在实施例中，所述入耦光栅和所述中间光栅可至少在所述公共边界的附近区域中基本不呈现边缘失真。
所述入耦光栅和所述中间光栅具有相对定向角，所述相对定向角是所述入耦光栅和所述退出光栅之间的相对定向角的一半，达到在千分之二度内，且可能在千分之一度内。
所述入耦光栅具有光栅周期d1，所述中间光栅具有光栅周期d2，且所述入耦和所述中间光栅可具有相对定向角，所述相对定向角为arccos(d1/(2d2))，达到在千分之二度内，且可能在千分之一度内。
所述公共边界是弓形的，所述入耦光栅和所述中间光栅具有沿所述公共边界成弓形的边缘。例如，所述公共边界可以是基本半圆形的，所述入耦光栅和所述中间光栅的边缘沿所述公共边界成基本半圆形。例如，所述入耦光栅的所述边缘可以基本上为圆形。
所述中间光栅可具有在沿其宽度且远离所述入耦光栅的方向上增加的高度。
所述第一方面的所述显示系统可由用户可穿戴。例如，所述显示系统可嵌入在可穿戴头戴式套件中，所述退出光栅在被穿戴时位于所述用户的眼睛的前方以使得所述图像对所述用户可见。
所述显示系统可包括两个此类光学波导，每个光学波导向所述用户的一只不同的眼睛提供图像光。
根据第三方面，一种用于制造光学组件的微制造过程包括图案化阶段，在所述图案化阶段中基板的表面的一个或多个部分被通过至少以下步骤图案化。用负光阻涂覆所述基板的表面的至少一区域，所述区域涵盖所述部分。此所述负光阻在暴露于光时变得不能显影。在所述部分的每个部分上投影形成光栅结构的光。在除了所述部分的所述区域的整体上投影基本均匀强度的光，由此保留所述部分之外的所述负光阻不能显影。对所述负光阻进行显影以便将所述光栅结构具体化在覆盖所述部分的所述光阻中。图案化所述基板的表面以将所述光栅结构从经显影的光阻施加在所述基板的表面上，所述不能显影的光阻抑制所述部分之外的所述表面区域的图案化。所述光学组件包括经图案化的基板。
在实施例中，所述微制造过程可包括第一此类图案化阶段，所述第一此类图案化阶段之后跟随有第二此类图案化阶段，其中在所述第二阶段施加在所述基板的表面上的第二光栅结构与在所述第一阶段施加在所述基板的表面上的第一光栅结构偏移一非零角度。
所述第一阶段的所述投影步骤在所述基板被以第一定向支撑在曝光系统中的情况下执行，且其中所述第二阶段可包括：在所述第二阶段的投影步骤之前，在执行所述第二阶段的投影步骤之前相对于所述曝光系统旋转所述基板至第二定向，其中所述第二定向与所述第一定向偏移所述非零角度。
所述基板可在所述第一阶段的所述投影步骤之后被从所述曝光系统移除并在执行所述第二阶段的所述投影步骤之前重新加载到所述曝光系统中，其中所述第二阶段可包括：在重新加载所述基板之后但是在将所述基板旋转至所述第二定向之前，通过将形成光栅结构的光投影到所述基板的表面上的在所述第一阶段中已经被图案化的部分上来创建边缘图案，其中所述边缘图案在将所述基板旋转至所述第二定向时被使用以计入所述基板离开所述第一定向的任何非预想旋转，所述非预想旋转是由移除和重新加载所述基板导致的。
所述第一光栅结构可具有与所述第二光栅结构不同的周期。
可在所述第一阶段图案化的具有所述第一光栅结构的第一部分和在所述第二阶段图案化的具有所述第二光栅结构的第二部分具有公共边界，其中在所述第一阶段第一阴影掩模被用来将形成所述第一光栅结构的光约束到大于所述第一部分且涵盖所述第一部分的第一区域，其中在所述第二阶段，第二阴影掩模被用来将形成所述第二光栅结构的光约束到大于所述第二部分且涵盖所述第二部分的第二区域，且其中所述第一区域和所述第二区域足够大以使得至少在所述公共边界的附近区域内所述第一部分和所述第二部分没有分别由所述第一掩模和所述第二掩模创建的边缘失真。
所述第一部分和所述第二部分沿所述公共边界在宽度上分开不超过50微米。
对于所述部分的至少一个部分，阴影掩模可在第一投影步骤中被用来将形成光栅结构的光约束到大于该部分且涵盖该部分的区域，所述区域足够大以使得该部分完全没有由所述掩模创建的边缘失真。
所述基板可初始包括其上沉积了金属膜的主板，其中所述金属膜在第三方面的图案化步骤中被图案化以将所述光栅结构从所述光阻施加在所述金属膜上。
所述过程可包括图案化所述板以将所述光栅结构从所述金属膜施加到所述板上，以及随后移除所述金属膜，其中所述光学组件包括移除了所述金属膜的经图案化的板。
所述公共边界可以是弓形的。例如，所述第一部分和所述第二部分之一可以是基本上圆形的。
所述第一部分和所述第二部分之一具有在沿其宽度且远离所述第一部分和所述第二部分的另一部分的方向上增大的高度。
一种根据本文公开的任何制作过程制造的光学组件本身可被用来制造至少一个进一步的光学组件。所述进一步的光学组件例如可使用所述光学组件从聚合物模塑。
所述进一步的光学组件可被用于显示系统中。
第四方面提供了通过本文公开的任何制造过程制造的产品。
所述进一步的光学组件可被用来制造至少一个又进一步的光学组件。所述又进一步的光学组件例如可被使用所述进一步的光学组件从聚合物模塑。
根据第五方面，一种光学组件具有第一衍射光栅和第二衍射光栅，所述第一光栅通过所述光学组件的表面的第一部分中的第一系列的基本平行的、延长的槽形成，所述第二光栅通过所述光学组件的表面的与所述第一部分有区别的第二部分中的第二系列的基本平行的、延长的槽形成。所述第二光栅与所述第一光栅偏移一非零角度。所述第一部分和所述第二部分基本上毗连，沿公共边界在宽度上分开不超过100微米(可任选地不超过50微米)。所述第一光栅和所述第二光栅至少在所述公共边界的附近区域中基本不呈现边缘失真。
提供一种包括显示器、光学波导和准直光学器件的显示系统。在所述显示器上生成图像。所述光学波导具有入耦光栅、中间光栅和退出光栅。所述准直光学器件被布置成将所述图像基本准直为多个输入光束。每个光束通过准直来自相应图像点的光形成，该光束被在唯一向内方向上定向到所述入耦光栅，所述唯一向内方向取决于该点在所述图像中的位置。所述多个输入光束由此形成所述图像的虚拟版本。所述中间光栅和退出光栅具有实质上大于所述光束的直径的宽度。所述入耦光栅被布置成将每个光束耦合到中间光栅中，其中所述光束被引导到所述中间光栅的在沿所述中间光栅的宽度的方向上的多个分割区上。所述中间光栅被布置成在所述分割区分割该光束以提供该光束的多个基本平行版本。那多个版本被耦合到所述退出光栅上，其中所述多个版本被引导到所述退出光栅的多个退出区上。所述退出区位于沿所述退出光栅的宽度的方向上。所述退出光栅被布置成基本平行地且在向外方向上向外衍射该光束的所述多个版本，所述向外方向基本匹配该光束被入耦的所述唯一向内方向。所述多个输入光束从而导致多个退出光束退出所述波导，所述多个退出光束形成所述图像的基本相同的虚拟版本。所述入耦光栅和所述中间光栅基本上毗连，沿公共边界在宽度上分开不超过100微米(且任选地不超过50微米)。
尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本发明主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体特征或动作。更确切而言，上述具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式公开的。
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