光学显示装置的制作方法

本发明涉及增强现实光学显示装置，其可以用于诸如平视显示器、增强现实眼镜或头盔式显示器的应用中。特别地，本发明涉及能够在宽视场内改善显示器的照度均匀性的装置。

背景技术：

增强现实显示器允许使用者观看他们的周围环境以及投影的图像。在军事或运输应用中，投影的图像可以叠加在使用者感知的真实世界上。这些显示器的其他应用包括视频游戏和诸如眼镜的可穿戴设备。

在正常的设置中，在使用者前方设置透明的显示屏幕，使得他们可以继续看到物理世界。显示屏幕通常是玻璃波导，并且在一侧设置投影仪。来自投影仪的光由输入衍射光栅耦合到波导中。投射光在波导内进行全内反射。然后由输出衍射光栅将光耦合到波导以外使得光可以被使用者观看到。投影仪可以提供增强使用者对物理世界的观看的信息和/或图像。

在图1中示出了常规布置中的光学显示装置100的截面图。在该布置中，透明基板或波导113支承输入衍射光学元件111和输出衍射光学元件112，二者均与基板113的表面紧密接触。如输入光束114、115所示，在输入衍射光学元件111处从一定角度范围接收光。输入光束由输入衍射光学元件111衍射，进行反射，并且在基板113内进行全内反射成为被俘获的光束116、117。被俘获的光束116、117继续行进穿过基板或波导113，直到其到达输出衍射光学元件112。输出衍射光学元件112也进行反射并且衍射俘获的光束116、117，将它们耦合到基板113之外作为出射光束118、119。然后，使用者的眼睛可以观看到这些出射光束。基板113是透明的，这意味着使用者也可以观看到通过基板113透射的来自现实世界的图像。

输入衍射光学元件111高效率地工作以使耦合到基板113中的光量最大化。在另一方面，输出衍射光学元件112以相对低的效率工作。这允许光束沿着基板113的长度扩展。俘获的光束116、117通常在沿着基板113的长度的多个位置处与输出衍射光学元件112相互作用。在与输出衍射光学元件112的每次相互作用时，俘获的光线116、117被耦合到基板113以外或在基板113内进一步反射以在另一位置处与输出衍射光学元件112相互作用。

图2是常规的输入衍射光学元件200的截面图。在该布置中，在基板211的表面上设置有闪耀光栅216。光栅216具有周期213为520nm且特征高度212为220nm的锯齿形轮廓。基板211的折射率为1.5，并且闪耀光栅216的折射率与基板的折射率紧密匹配。在闪耀光栅216的表面施加银涂层214，并且使光线215从基板211侧入射到光栅216。通常，在闪耀光栅216与基板211之间设置有残留层(未示出)。残留层(未示出)由与形成闪耀光栅216的材料相同的材料形成，因此其折射率也与基板211紧密匹配。

图3是示出输入衍射光学元件的衍射效率关于入射角的曲线图。图2的输入衍射光学元件200的响应由轨迹“a”表示，其针对波长为630nm且在基板211中的入射角为±7°的光线。轨迹“a”示出了跨视场的不均匀的衍射效率。这对于观看者来说是不期望的，因为可能产生具有跨视场的亮度差异的图像。

图4是常规的输出衍射光学元件400的截面图。在这种布置中，在基板411的表面上设置有闪耀光栅416。光栅具有520nm的周期413和100nm的特征高度412。基板411的折射率为1.5，并且闪耀光栅416的折射率与基板的折射率紧密匹配。与输入衍射光学元件200不同的是，不存在反射涂层，因为不需要增加输出衍射光学元件400的衍射效率。相比之下，期望输出光栅具有低的衍射效率，以使光束能够扩展。通常，在闪耀光栅416与基板411之间设置有残留层(未示出)。残留层(未示出)由与形成闪耀光栅416的材料相同的材料形成，因此其折射率也与基板411紧密匹配。

图5是示出输出衍射光学元件的衍射效率关于入射角的曲线图。图4的输出衍射光学元件400的响应由轨迹“c”示出，其针对波长为630nm且在基板411中的入射角为42°至70°的光线。轨迹“c”示出了跨视场的不均匀的衍射效率。这对于观看者来说是不期望的，可能产生具有跨视场的亮度差异的图像。当输出衍射光学元件400与图2所示的输入衍射光学元件200组合使用时，此效果尤其显著，因为输入衍射光学元件200也表现出跨视场的不均匀的衍射效率。

us2012/0044572讨论了在增强现实显示器或投影显示器的环境下，针对表面起伏光栅的跨视场的不同入射角存在的不均匀衍射效率的问题。该文献描述了一种光波导，其中介电材料被设置在表面起伏光栅上，并被制成与光栅的轮廓一致。据称这改善了跨视场的衍射效率的平坦度。这种技术的一个可能的缺点是与介电层相关联的额外的生产成本。此外，光栅的倾斜表面可能使得难以跨整个闪耀长度施加均匀的涂覆层。

技术实现要素：

本发明的目的是解决这些问题中的一个或更多个问题，并且提供另一种用于改善跨视场的表面起伏光栅的衍射效率的平坦度的技术。

根据本发明的一个方面，提供了一种光学显示装置，其包括：基板；包括表面起伏光栅和残留层的衍射光学元件，其中，残留层被设置在表面起伏光栅与基板之间；其中，在基板和残留层之间设置有部分反射界面，并且其中，残留层的厚度被控制成允许针对在部分反射界面处以预定的入射角从基板接收的具有预定波长的光的薄膜干涉。

以这种方式，可以实现在衍射光学元件处从基板接收的光的相位匹配。随着衍射光学元件进行反射，相信在部分反射界面处接收的光可以被反射或者被透射到残留层中以被表面起伏光栅衍射。然后，被反射和被透射/衍射的光可以利用相长干涉重新组合。这能够改善针对预定角度周围的一定范围的角度和预定波长周围的一定范围的波长的衍射效率。有利的是，这可以改善在宽视场中的照度平坦度，并且这可以改善显示器的使用者的观看体验。这可以在不施加任何介电涂层的情况下实现，从而可以降低制造总成本。得到的衍射光学元件可以用于透射和/或反射。

残留层通常与表面起伏光栅一起产生并且由相同的材料形成。以前，残留层已被视为副产品。在现有技术设计中，在衍射模拟中不考虑残留层厚度。可以将残留层假设为无限厚或者比大多数光源的相干长度更厚。因此，可以假设残留层对衍射光没有任何显著的影响。本发明涉及对残留层的厚度的主动控制，以允许针对在残留层处以预定的入射角从基板接收的具有预定波长的光的薄膜干涉。

优选地，在基板与衍射光学元件之间设置有部分反射界面，其中基板与衍射光学元件具有各自的失配的折射率。这可以是用于促进在基板/衍射光学元件界面处接收的光的反射的便利布置。薄膜干涉通过设置具有优选地小于光的波长的厚度的残留层来有利地实现。

已经发现，对至少两个变量的控制可能对于促进薄膜干涉而言是重要的：基板与衍射光学元件之间的折射率差和残留层的厚度。已经发现，设置相对高的折射率差可能需要相对薄的残留层；这种布置也可以提供更宽的角度和色度带宽。相反，已经发现，设置相对小的折射率差可能需要相对厚的残留层以实现期望的薄膜干涉。

可以想到的是，在基板和衍射光学元件之间可以存在反射层以促进界面处的反射。在这样的布置中，基板可以具有与衍射光学元件相同的折射率。然而，这种布置目前不是优选的，因为其会增加制造步骤的数目。

优选地，基板的折射率小于衍射光学元件的折射率。通过试验发现这提供了最佳的结果。然而，在基板的折射率大于衍射光学元件的折射率的替选布置中也可以实现有效的薄膜干涉。

优选地，残留层的厚度在80nm和500nm之间。残留层可以具有小于500nm的绝对厚度。从实践的角度来看，可能难以制造厚度远小于100nm的残留层。

残留层的厚度可以被控制成允许针对从第一波长至第二波长的波长范围内的光的薄膜干涉，并且残留层的光学厚度可以是第一波长和第二波长的平均值的约一半。残留层的光学厚度优选为该层的绝对厚度乘以其折射率。因此，如果衍射光学元件被设计成在从530nm至630nm的波长范围内实现平坦的衍射效率响应，那么残留层的光学厚度可以计算为290nm(其是第一波长与第二波长的平均值580nm的一半)。

衍射光学元件可以是输入衍射光学元件，其被配置成将光耦合到基板中以进行全内反射。在此布置中，可以在基板处接收来自以基板的法向量为中心的角度范围周围的光源的光。残留层的厚度可以控制成允许针对在残留层处沿着与残留层的法线一致的入射角从基板接收的具有预定波长的光的薄膜干涉。对于在法向量周围±10°的范围内或者在约20°的视场内的入射角可以实现基本平坦的衍射效率。

可以为衍射光学元件设置反射涂层以改善将光耦合到基板中的效率。反射涂层可以由诸如金、银或铝的金属制成。

该光学显示装置还可以包括具有输出表面起伏光栅和输出残留层的输出衍射光学元件。输出残留层可以被设置在输出表面起伏光栅与基板之间，并且可以在基板与输出残留层之间设置有输出部分反射界面。优选地，输出残留层的厚度被控制成允许针对在输出部分反射界面处以预定的入射角从基板接收的具有预定波长的光的薄膜干涉。

以这种方式，光学显示装置可以包括输入衍射光学元件和输出衍射光学元件，二者都被布置在基板上。输入衍射光学元件可以将光耦合到基板中，并且输出衍射光学元件可以将光耦合到基板以外以供使用者观看。两种衍射光学元件都能够允许针对相应的入射角的平坦衍射效率响应，以允许视场中的均匀照度。

在另一布置中，衍射光学元件可以是输出衍射光学元件，其被配置成将光耦合到基板以外以供使用者观看。在此布置中，衍射光学元件可以接收已经在基板内经过全内反射的光。因此，可以允许对与全内反射一致的入射角的薄膜干涉。

表面起伏光栅可以是闪耀光栅或锯齿光栅，或者可以包括蚀刻沟槽。已经发现，通过使用任何表面起伏光栅的设计可以实现本发明的效果。

根据本发明的另一方面，提供了一种光学显示装置的制造方法，该方法包括以下步骤：设置基板；设置包括表面起伏光栅和残留层的衍射光学元件，其中，残留层被设置在表面起伏光栅与基板之间；在基板与残留层之间设置部分反射界面；以及控制残留层的厚度以允许针对在部分反射界面处以预定的入射角从基板接收的具有预定波长的光的薄膜干涉。

可以设置模具以将衍射光学元件定位在基板上。模具可以包括用于产生表面起伏光栅的第一部分和用于产生残留层的第二部分。模具可以包括至少一个间隔件，用于相对于基板定位表面起伏光栅并且用于控制残留层的深度。设置部分反射界面的方法步骤可以包括设置基板和衍射光学元件，其中基板和衍射光学元件具有各自的失配的折射率。

可以提供如装置特征一样的方法特征，反之亦然。

附图说明

现将参照附图以举例的方式描述本发明的特征：

图1是常规的光学显示装置的截面图；

图2是常规的输入衍射光学元件的截面图；

图3是示出了输入衍射光学元件的衍射效率关于入射角的曲线图；

图4是常规的输出衍射光学元件的截面图；

图5是示出了输出衍射光学元件的衍射效率关于入射角的曲线图；

图6是本发明的实施方式中使用的输入衍射光学元件的截面图；

图7是本发明的实施方式中使用的输出衍射光学元件的截面图；以及

图8是本发明的实施方式中的光学显示装置的制造方法中应用于基板的模具的截面图。

具体实施方式

图6是本发明的实施方式中的光学显示装置600的截面图。显示装置600包括安装在基板611上的输入衍射光学元件618。输入衍射光学元件618包括具有520nm的周期613和220nm的特征高度612的闪耀光栅619。输入衍射光学元件618还包括残留层617，其由与形成闪耀光栅619的聚合物基材料相同的聚合物基材料形成，并且与闪耀光栅619同时产生。残留层617被定位成与基板611相邻。残留层617的深度是跨闪耀光栅619一致的。在此示例中，残留层深度是80nm。在闪耀光栅619的表面施加有银涂层614。基板611通常由玻璃制成并且具有1.5的折射率。包括闪耀光栅619和残留层617的输入衍射光学元件618的折射率是1.675。

在使用中，光线615从外部光源(未示出)或投影仪入射到基板611上。然后，光线615在输入衍射光学元件618处被接收并且到达基板611与残留层617之间的界面，此处存在折射率失配。此时，光被残留层617部分地反射并且部分地透射到残留层617中。透射光入射在闪耀光栅619上，于是(随着光栅619进行反射的同时)透射光被衍射。对于选定的入射角，残留层617的深度被设计成使得衍射光路和反射光路重新组合并且相长地干涉。换句话说，光经历了薄膜干涉。银涂层614有利地改善了光栅619的衍射效率，使其适于在输入衍射光学元件618中使用。

图3中的轨迹“b”示出了输入衍射光学元件618对波长为630nm并且入射角在±7°范围内的光的衍射效率。针对±7°范围内的角度，轨迹“b”与轨迹“a”相比显示出了更均匀的效率。已经发现，该输入衍射光学元件618可以有效地将光耦合到基板611中，以在约20°的视场内进行全内反射。这是通过设置输入衍射光学元件618与基板611之间的折射率失配和通过设置允许薄膜干涉的残留层深度617来实现的。

图7是本发明的实施方式中的光学显示装置700的截面图。显示装置700包括安装在基板711上的输出衍射光学元件719。输出衍射光学元件718包括具有520nm的周期713和100nm的特征高度712的闪耀光栅719。输出衍射光学元件718还包括残留层717，其具有与闪耀光栅719相同的折射率并且与闪耀光栅719一起产生。残留层717被定位成与基板711相邻。残留层717的深度是跨闪耀光栅719一致的。在此示例中，残留深度是30nm。在该实施方式中，闪耀光栅719的沟槽表面向空气敞开。使俘获的光线715从基板711入射到输出衍射光学元件718上。基板711的折射率为1.5。包括闪耀光栅719和残留层717的输出衍射光学元件718的折射率是1.675。

图5中的轨迹“d”示出了输出衍射光学元件718对波长为630nm并且入射角在42°至70°范围内的光的衍射效率。已经发现，实现了在相关视场上的衍射效率的改善的平坦度。这是通过残留层717与基板711的折射率失配以及通过控制残留层717的深度来实现的，其中残留层717能够允许对期望的波长和视场的相长的薄膜干涉。

输出衍射光学元件719被设计成作为反射光栅工作。在替选布置中，可以利用进行透射工作的输出衍射光学元件719提供相长的薄膜干涉。

残留层617、717的光学厚度被计算为该层的绝对厚度乘以其折射率。可以计算残留层617、717的光学厚度以在一定波长范围内实现基本平坦的衍射效率响应。光学厚度可以被计算为要求平坦的衍射效率的平均波长的一半。因此，如果从530nm至630nm要求平坦的衍射效率响应，那么残留层的光学厚度可以计算为290nm(其是第一波长与第二波长的平均值580nm的一半)。如果折射率是1.675，那么这对应173nm的绝对厚度。

残留层617、717由复制聚合物(replicationpolymers)形成，因此光学设计可能受到不同折射率的可用性的限制。在一个实施方式中，已经利用折射率为1.70的残留层和折射率为1.5的玻璃基板611、711说明了本发明。在另一个实施方式中，已经利用基板611、711的折射率为1.61，残留层617、717的折射率为1.675对本发明进行了说明。

图8示出了在光学显示装置中的输入或输出衍射光学元件的生产方法中使用的模具801的截面图。模具801包括主基板811和在一对支柱814之间形成的闪耀光栅表面812。闪耀光栅表面812具有特征高度813，并且在支柱814的顶部与闪耀光栅表面812的顶部之间限定有残留层深度815。

在光学显示装置的生产方法中，设置具有1.5的折射率的玻璃基板。然后在玻璃基板的顶部设置具有约1.675的较高折射率的复制聚合物。复制聚合物的深度可以通过旋转涂覆或喷墨技术施加定量的液态树脂来仔细控制。将模具801应用到玻璃基板顶部的复制聚合物，然后闪耀光栅表面812可以产生互补的光栅表面。在支柱812之间产生残留层。残留层的深度由支柱812的高度控制，以用于实现输入或输出衍射光学元件的薄膜干涉的期望特性。