用于虚拟和增强现实近眼显示器的自由曲面型纳米结构表面的制作方法

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背景技术：
：近眼显示器是一种可佩带的装置，其在用户的视觉场前方形成显示。该显示器可以透明或者不透明。例如，透明显示器可以覆盖真实世界的视野上方的信息和图片，而不透明的显示器仅仅将来自近眼显示器的信息呈现给观察者。技术实现要素：根据本文中示出的多个方面，提供了一种近眼显示器组件，包括：图像源；以及合并器、副镜、以及光学耦合到所述图像源的波导中的至少一个；其中，合并器、副镜、以及波导中的至少一个包括自由曲面型纳米结构表面，所述纳米结构表面具有至少部分地由具有多个超原子的单元格限定的元光栅。根据本文中示出的另外的方面，提供了一种近眼显示器组件，具有合并器和可操作地连接到图像源的副镜中至少一者，其中，所述合并器和所述副镜中的至少一者包括自由曲面型纳米结构表面，另外，其中，所述自由曲面型纳米结构表面包括自由曲面型表面、纳米结构表面或者自由曲面型表面和纳米结构表面二者的组合。根据本文中示出的另外的方面，提供了一种近眼显示器组件，具有合并器和可操作地连接到合并器的副镜，其中，合并器和副镜中至少一者包括至少部分地由具有多个超原子的单元格限定的元光栅。根据另一方面，提供了一种近眼显示器组件，具有可释放地接合佩戴者的头部的框架；以及可操作地连接到所述框架的合并器和可操作地连接到所述合并器和所述框架中的一者的副镜，其中，所述合并器和副镜的至少一者包括自由曲面型纳米结构，所述结构具有至少部分地由具有多个超原子的单元格限定的元光栅，所述单元格内的超原子具有不同长宽比，并且尺寸和空间设定成提供在主体可见光波谱内的至少50％的效率。在另一方面中，提供一种近眼显示器组件，具有图像源和光学耦合到所述图像源的波导；其中，所述波导包括自由曲面型纳米结构，所述结构具有至少部分地由具有多个超原子的单元格限定的元光栅。根据另一方面，提供了一种近眼显示器组件，具有框架；可操作地连接到框架作为第一反射表面的合并器；以及可操作地连接到框架作为第二反射表面的副镜；其中，所述合并器和副镜的每一者包括自由曲面型纳米结构，其中，所述下垫面形状可以为自由曲面或者覆盖在表面本身上的纳米结构表面可以形成自由曲面型表面，或者二者的组合，其中，自由曲面的特性被配置成校正由所述第一反射表面和所述第二反射表面的倾斜和偏心引起的像差。附图说明图1a和图1b示意性示出了集成了元栅板的近眼显示器的第一方面；图2a和图2b示意性示出了集成了元栅板的近眼显示器的第二方面；图3a和图3b示意性示出了集成了元栅板的近眼显示器的第三方面；图4a和图4b示意性示出了集成了元栅板的近眼显示器的第四方面；图5为元栅板的单元格的俯视平面图；图6为图5的单元格的侧面截面图；图7为图5的单元格的四个超原子的各个响应的视图，显示了在四个超原子均匀周期阵列上的通常入射平面波对波长的幅度；图8为图5的单元格的四个超原子的各个响应的视图，显示了在四个超原子均匀周期阵列上的通常入射平面波对波长的复杂偏置系数的相位(r＝|r|eiφ)；图9为基于反射率对波长而预测的绝对效率的视图；图10为作为极化、入射角和波长的函数的格式光栅和元光栅的m＝+1模拟绝对光栅效率的比较；图11为作为细化宽阔视野的入射角的函数的元光栅的效率；图12为采用波导的近眼显示器的一个方面的示例性呈现。具体实施方式近眼显示器将图像信息在观看瞳孔(也被称为“眼盒”)内呈现给观察者，当与观察者的眼睛的瞳孔对准时，在观察者的视野内产生虚拟图像。近眼显示器的合并器或者波导从观察者的视野的外部的位置朝向观察者的眼睛传输图像信息。由合并器或者波导传输的图像信息可以具有规律的编码形式，以将虚拟图像投影到观察者的眼睛中。合并器为光学设备，其从合并器的相同侧(反射/反射，透射/透射)或者从合并器的两个不同侧(反射/透射)，将两个图像组合在一起。合并器可以用在头顶的显示器(“hud”)，有时也被称为头部安装的显示器(“hmd”)或者近眼显示器，其允许用户观看在外部视野上叠加的计算机产生的图像(“cgi”)。hud使得用户观看cgi，而无需偏离其通常的观看点。通常来说，有两种形式的合并器。第一种形式组合两个场，而无需添加任何透镜到任一场(例如，倾斜的分色板)。第二种形式包括透镜功能器件(除了组合功能性之外)，其可以为用于来自显示器的场的全球、偏离轴圆锥、非球面或自由曲面透镜。该透镜功能器件用于将源自显示器的虚拟图像置于远场或者在距离合并器特定距离，并且给图像某种视野，以使得用户将虚拟图像聚焦在目标尺寸上。透镜功能器件被配置成提供通过待显示的视野的像差的足够的校正。透镜功能器件还可被配置成提供用于单个用户的眼睛的校正。波导(有时也被称为光导)包括但不限于衍射、全息、偏振或反射波导。纳米结构表面的多个方面可用于将光耦合到波导或者不与波导耦合。图像信息产生在观看者的视野的外部，例如沿着眼镜框的眼镜腿。电子视频显示器数据通过图像源或者发生器而转化成图像信息，例如，与聚焦光学器件组合的光学图案发生器，包括但不限于空间光调制器，聚焦光学器件以一定角度转换空间图案或者通过扫描直接产生空间图案的角度转换的光学器件。图像源包括用于产生或者将光图案传输到合并器的任何装置。图像源包括图像发生器，例如但不限于基于发光二极管(led)和垂直腔表面发射激光器(vcsel)的激光扫描源发生器；微显示器，包括但不限于液晶显示器、反射式或透射型显示器以及有机发光二极管(oled)，其还可以与在扫描光学路径或者位置靠近或者抵靠微显示器的变形的或者自由曲面的光学元件或者透镜组合，以控制像差。具有双轴对称的非对称表面被称为变形表面。非对称性超出双轴对称或者环形形状的非对称表面为自由曲面型表面。因此，图像源可以包括诸如oled显示器的发射微显示器和/或反射式微显示器，例如lcos(硅上液晶)显示器或dlp(数字光处理)装置。在某些方面中，分离的微显示器可用于显示的每种颜色的光，而在其他方面中，可以使用一个微显示器(例如，通过显示颜色场序列图像)。同样地，在一些方面中，分离的图像源可用于观察者的左眼和右眼。这可便于显示立体图像。在这些方面中，分离的合并器可用于产生分离的左眼图像和右眼图像。合并器或者波导可以可操作地连接到可由观察者佩戴在头部上的眼镜。眼镜包括框架，框架具有安置在耳朵上的左镜腿和右镜腿，和安置在鼻子上的鼻片。框架成型和尺寸设定成将每一光学合并器，或者波导定位在观察者的对应的眼睛的前方。可以理解的是，可以使用具有其他形状的框架(例如，眼罩，具有耳朵臂和鼻梁支撑件、一个连续的头部设定构件、头带、护目镜类型的眼镜等)。术语眼镜包括校正透镜、太阳镜、保护透镜、具有透镜或者具有或者无校正透镜的框架，以及任何其他头部安装件以用于可操作地将近眼显示器定位并且保持在观察者的视野内。因此，眼镜可以将副镜定位在接近合并器或者与合并器间隔开。替代或者除了眼镜透镜，合并器或者波导可以可操作地连接到框架，并且将来自观察者的视野外部的图像信息以以下形式而传送到观察者的视野内：使得观察者的眼睛前方的近眼显示器的厚度最小化。合并器占据了对应于这样的空间的有限体积的空间：在该空间内，眼镜透镜通常保持在眼镜框架内。即，合并器可以为光反射离开的表面，其可以限制到一定厚度(即，深度)以更加近似传统的眼镜的尺寸。波导可以为平坦的或者弯曲的，其中，自由曲面型纳米结构表面将光耦合到波导。图1-4示出了近眼显示器组件，其采用了与包括纳米结构表面的辅助自由曲面(freeform)镜子以及图像源一起的合并器。图1-4示出了多种几何形状的近眼显示器，包括图1a和图1b的基部几何形状；具有图2a和图2b中的合并器的基部几何形状；几何形状，其中，自由曲面的镜子位置接近于图3a和图3b中的鼻子，以及一定几何形状的近眼显示器，其中，自由曲面的镜子在图4a和图4b中是正形的。在图1中，图像源光学耦合到合并器和副镜。在一个方面中，合并器、副镜、和图像源限定了连接光学路径的折叠几何形状。在另一方面中，光学元件(例如，但不限于球形、非球面、变形、变形非球面或自由曲面光学元件或透镜)可以对于图像源、自由曲面型纳米结构的镜子、波导或者合并器在光学上起媒介作用。近眼显示器可以包括两个反射面、合并器和副镜，其中，合并器和副镜处于偏离轴折叠的几何形状。在一个方面中，合并器和副镜的每一者包括自由曲面型纳米结构表面。在另一方面中，合并器和副镜二者可以包括自由曲面型表面，纳米结构表面或者自由曲面型表面和纳米结构表面二者的组合。可以理解的是，近眼显示器可以包括另外的光学器件，例如但不限于资源发生器的光学路径中的透镜。透镜或者另外的光学器件可以为全球，非球面，变形，变形非球面或自由曲面或者全球，非球面，变形，变形非球面或自由曲面的组合。尽管如自由曲面型表面、纳米结构表面一者的组合或者自由曲面型表面和纳米结构表面二者的组合，针对自由曲面型纳米结构表面特定方面，出于说明的目的提出了近眼显示器组件的多个方面，但是可以理解的是，合并器和副镜可以独立地配置成具有如自由曲面型表面、纳米结构表面或者自由曲面型表面和纳米结构表面二者的组合的自由曲面型纳米结构表面。通常来说，自由曲面型表面用于校正由处于折叠几何形状的反射表面的倾斜和离心引起的像差。如在本文中使用的，自由曲面型表面为任何可旋转的非对称的表面，其非对称性超出了双轴对称性或者环形形状。自由曲面型表面可以通过归一化基函数来参数化，例如，ф-多项式(phi-polynomial)(例如，zernike组，q多项式，其他正交多项式，xy多项式，径向基函数，样条曲线或非均匀理性基准样条曲线(nurbs)。如本文中所使用的，具有双轴对称性的表面被称为变形表面。纳米结构表面提供了波前控制。纳米结构表面为这样的表面或者基板，其中，通常特征具有的尺寸在大约1-200nm的范围内。在至少一个并且在所选择的方面中，合并器和副镜包括作为纳米结构表面的元光栅(meta-grating)。在另一方面中，元光栅控制跨越可见光波谱的波前。单元格的工程结构和每一单元格内的子结构也可以形成一定类型的自由曲面型表面。即，自由曲面型表面本身可以为元光栅表面或者与自由曲面的基板组合。元光栅由多个单元格形成，其中，每一单元格包括多个超原子(meta-atoms)。超原子的尺寸和空间至少部分地确定元光栅的操作特征。在一个方面中，元光栅被配置为1800行/mm可见光波谱元光栅。参照图5和图6，示出了1800行/mm可见光波谱元光栅的单元格。如图5和图6所示，单元格可以包括四个超原子。在图5，超原子为数目1-4(以衰减器的量级)。在一个方面中，单元格包括三层-基层、介电层、和超原子层。介电层被基部层支撑并且超原子层被介电层支撑。基层为金属层，例如银。介电层由氟化镁形成。如在下表中提出的，基层具有的厚度大约为130nm，并且介电层具有的厚度大约为75nm。为了确保反射和透射，元光栅装置穿透有钻孔图案和允许光透射通过元光栅的尺寸。该穿孔足以使得装置对于观察者基本上透明的。在具有四个超原子的1800行/mm可见光波谱元光栅的单元格中的超原子的尺寸在下表中提出并且在图5和图6中进行了标记。lx555.5nmly221nmtb130nmtm75nmtt30nml184.6nmw1105nml247.7nmw2105nml3177nmw350nml4150nmw4105nm在一个方面中，通过以下方式使得为制造的考虑简便：通过将具有每一超原子的每一尺寸的单元格和邻近超原子之间的空间配置成大于大约10nm并且小于大约80nm。在一些方面中，超原子尺寸的最小制造尺寸或者邻近超原子之间的空间大于大约25nm并且小于大约60nm。然而，可以理解的是，制造工艺可以使得单元格的配置包括大约1nm的尺寸。可期望的是，在近眼显示器的偏离轴折叠几何形状中，合并器和副镜中的一者或者两者包括自由曲面型纳米结构表面，其具有自由曲面型表面以及纳米结构表面，例如，元光栅。如图7可见，所有的四个超原子展示了对于长于575nm的波长而大于80％的幅度。跨越大多的波谱范围，第二、第三和第四超原子之间的相差是恒定的。在图8中，多数实线表示了利用第四超原子作为基线的邻近的超原子之间的最佳的2π/4的相差。元光栅的依波长的效率通常量化地与图9的预测效率一致。随着单个超原子效率增大，效率朝向红色增大，然后，当超原子之间的相位间隔下降，针对较长的波长，效率减小。依角度性在形状上类似于te极化的隔室光栅并且最大值遵循条件α＝β。这暗示了原值为增值传播相位中的变量。图10为元光栅和格式光栅的模拟m＝+l绝对光栅效率对横向电场(te)和横向磁场(tm)的入射角的视图。在视图中示出的每一曲线呈现了单个波长的依入射角的响应并且仅仅跨越了导致小于90°的散射角的那些入射角。该模拟通过以下方式进行：通过利用入射角为α的平面波照明周期表面，然后，将反射场投影到远场以确定光栅效率。整体地说，对于大于600nm的波长，远光栅te极化效率大于格式光栅te极化效率，并且与波长在500nm和650nm之间的波长的tm极化效率有竞争。与1800行/mm的格式光栅相比，元光栅展示了在极化响应中的敏感度。横向磁场极化的电场不与超原子对准，并因此不激化产生波前调制的共振。参考图11，通过具有大约555.5nm的长度的单元格和超原子，作为入射角函数的衍射效率以650nm的照明波长在上表中提出。如图11可见，点化的水平线呈现了大约50％效率，其中，内阴影区域对应于20度的视野并且外阴影区域对应于60度的视野。因此，元光栅提供了在主体可见光波谱中的至少大约50％的效率。应当理解的是，元光栅可以配置成提供给定预定效率，例如小于50％。这样，元光栅可以提供主体可见光波谱中的至少大约20％，或者30％或者40％或者50％的效率。在一个方面中，元光栅被配置成可替选的几何形状中，在跨度大约20度到80度的操作范围内，在反射中以所需波长而提供至少大约50％效率，并且作为元光栅上的入射光的角度的函数。可以理解的是，平均入射角对于不同几何形状的单元格来说可以改变。自由曲面的组件被配置成校正由倾斜并且离心的反射表面引起的像差，如在折叠紧凑的几何形状中偏离轴的。自由曲面型表面可以通过归一化的基函数而参数化，例如，ф-多项式(例如，zernike组、q多项式、其他正交多项式、xy多项式、径向基函数、样条函数或nurbs)。参考图12，波导被显示为具有纳米机构的表面，其位于连接到波导的输入耦合器以及连接到波导的输出耦合器。在制造中，可以期望的是，纳米结构表面的元光栅替代了所需的高度轮廓控制和周期控制，其可以通过在形成元光栅中使用的二维二进制表面控制中在元光栅中产生问题。如上面所提出，配置成1800行/mm可见表面的元光栅所必要的尺寸可以大于大约10nm。尽管大于大约10nm的必要的尺寸可以帮助制造，但是，如果制造工艺可以提供制造尺寸在1nm等级，则纳米结构表面可以采用至少大约1nm的尺寸。自由曲面的光学表面可以设计成经济上可利用的软件，例如，来自加利福尼亚的synopsys,inc.的codev光学设计软件，并iq额制造有经济上可获得的设备，例如，但不限于，金刚石车床或铣床上的慢或者快工具伺服。自由曲面型表面还可以由制造的主导机器模制出。因此，提供了虚拟或者增强现实头部安装的显示器，其中，至少一个反射表面是自由曲面的、纳米结构表面(例如所描述的元光栅)或者自由曲面型表面和纳米结构表面(例如元光栅)的组合。因此，在以下方面中，其中，自由纳米结构表面包括自由曲面型表面、纳米结构表面或者自由曲面型表面与纳米结构表面二者的组合，则近眼显示器组件包括合并器或者合并器和可操作地连接到合并器的副镜，其中，合并器和副镜中至少一个包括自由曲面型纳米结构表面。在一个方面中，合并器和副镜二者包括自由曲面型纳米结构表面。在另一方面中，虚拟或者增强现实的近眼显示器提供有波导，其中，波导中的至少一个光学表面为纳米结构表面，例如，元光栅。可以理解的是，上述所公开的和其他特征和功能的变形以及其替选方式可以组合到很多其他不同系统或者应用中。各种呈现的未预见或者不可期望的替选、变型、改变、或者对其的改进可以随后由本领域的技术人员进行制造，其同样意在被包括在以下的权利要求书中。当前第1页12