用于衍射光学元件的折射涂层的制作方法

显示技术在增强现实(ar)和虚拟现实(vr)领域中正在取得进展，以便向用户提供更加沉浸式的视觉体验。例如，在一些ar应用中，生成的图像经由透明显示器显示给用户，透明显示器还允许用户察看周围的物理环境。生成的图像加强或增强用户对周围物理环境的体验或了解。

在一些实现中，光波导可以用于将生成的图像在空间上从光学系统的一个位置转换到另一位置。例如，在近眼显示(ned)设备中，光波导可以空间上转换表示由微显示器生成的图像的传播光线，并将传播光线传递到用户的眼睛。这种技术可以以眼镜、护目镜、头盔、面罩或其它类型的眼镜的形式被合并到ned设备中。

技术实现要素：

这里介绍的技术包括光波导以及制造这种光波导和光波导显示器的方法。在各种实施例中，光波导可以包括被配置为用于近眼显示(ned)设备的透光基底。基底包括多个内反射表面，其中基底是由具有第一折射率的第一材料制成的。光波导可以进一步包括衍射光学元件(doe)，doe是在基底的多个表面中的第一表面上形成的，其中doe可以被配置为向基底输入光线或者从基底输出光线。在各种实施例中，doe可以包括衍射光栅和在衍射光栅上的涂层，衍射光栅由具有第二折射率的第二材料制成，涂层由具有第三折射率的第三材料制成，其中第二折射率不等于第三折射率。根据附图和详细说明，本技术的其它方面将显而易见。

提供本概要是为了以简化的形式描述选择的概念，在以下详细描述中对概念进行了进一步描述。本概要不旨在限定所要求保护的技术方案的关键特征或重要特征，也不旨在用于限制所要求保护的技术方案的范围。

附图说明

本公开的一个或多个实施例是借助于示例进行说明的，并且不限制于附图中，其中相同的附图标记指示相同的元件。

图1示出了这里介绍的技术可以并入其中的近眼显示(ned)设备的一个示例。

图2a示出了可以包含在图1的ned设备中的显示部件的右侧视图。

图2b示出了可以包含在图1的ned设备中的显示部件的前视图。

图3a示出了被配置为向图1的ned设备的用户的眼睛传递光的、具有单个输入和单个输出的示例波导。

图3b示出了被配置为向图1的ned设备的用户的眼睛传递光的、具有多个输入和单个输出的示例波导。

图3c示出了被配置为向图1的ned设备的用户的眼睛传递光的、具有单个输入和多个输出的示例波导。

图4是示出可以包含在图1的ned设备中的示例显示模块的部件的示意图。

图5是示出被配置为用于图4的显示模块的示例光引擎的部件的示意图。

图6是包括在图1的ned设备的控制电路中的计算机系统的示例硬件部件的框图。

图7a图示了根据第一实施例的包括doe的波导光瞳中继器。

图7b图示了根据第二实施例的包括doe的波导光瞳中继器。

图8a示出了根据第一实施例的包括不具有涂层的衍射光栅的示例doe的截面图。

图8b示出了根据第二实施例的包括不具有涂层的衍射光栅的示例doe的截面图。

图9示出了包括跨doe的区域变化的衍射光栅的示例doe的截面图。

图10示出了光线经由不包括涂层的示例doe到基底的入耦。

图11是绘制了带有不具有涂层的衍射光栅的入耦器doe在入射角度范围内对于各种光波长的一阶衍射效率的图表。

图12a是绘制了对于在折射率为1.7的基底上形成的入耦器doe在入射角度范围内的一阶衍射效率的图表，doe包括折射率为1.7的衍射光栅。

图12b是绘制了对于在折射率为1.7的基底上形成的入耦器doe在入射角度范围内的一阶衍射效率的图表，doe包括折射率为1.5的衍射光栅。

图13a示出了根据第一实施例的包括具有涂层的衍射光栅的示例doe的截面图。

图13b示出了根据第二实施例的包括具有涂层的衍射光栅的示例doe的截面图。

图14示出了光线经由包括涂层的示例doe到基底的入耦。

图15是绘制了带有具有涂层的衍射光栅的入耦器doe在入射角度范围内对于各种光波长的一阶衍射效率的图表。

图16a是绘制了对于在折射率为1.7的基底上形成的入耦器doe在入射角度范围内的一阶衍射效率的图表，doe包括折射率为1.7的衍射光栅和折射率为2.2的涂层。

图16b是绘制了对于在折射率为1.5的基底上形成的入耦器doe在入射角度范围内的一阶衍射效率的图表，doe包括折射率为1.7的衍射光栅和折射率为2.2的涂层。

图17a是绘制了对于在折射率为1.7的基底上形成的入耦器doe在入射角度范围内的一阶衍射效率的图表，doe包括折射率为1.7的衍射光栅和折射率为1.9的涂层。

图17b是绘制了对于在折射率为1.7的基底上形成的入耦器doe在入射角度范围内的一阶衍射效率的图表，doe包括折射率为1.5的衍射光栅和折射率为1.9的涂层。

图18a是绘制了对于在折射率为1.9的基底上形成的入耦器doe在入射角度范围内的一阶衍射效率的图表，doe包括折射率为1.5的衍射光栅和折射率为2.0的涂层。

图18b是绘制了对于在折射率为1.9的基底上形成的入耦器doe在入射角度范围内的一阶衍射效率的图表，doe包括折射率为1.5的衍射光栅和折射率为2.2的涂层。

图19是描述用于制造波导的示例过程的流程图，波导被配置为用于与上面的教导一致的ned设备。

具体实施方式

在该描述中，对“实施例”、“一个实施例”等的参考意味着这里介绍的技术的至少一个实施例中包括所描述的特定特征、功能、结构和特点。本说明书中这种短语的出现不一定都指代同一实施例。另一方面，所指代的实施例也不一定互相排斥。

以下描述一般假定显示设备的“用户”是人。但是，应当注意，根据本文所公开的实施例的显示设备可以潜在地由非人的用户(诸如机器或动物)使用。因此，除非另有说明或者从上下文中显而易见，否则术语“用户”可以指代所有可能中的任何可能。此外，除非另有说明，否则术语“眼睛”在本文中用作通用术语，以指代显示设备的用户的任何类型的光学受体，并且因此可以指代人眼、动物眼睛或被设计为以类似人眼的方式检测图像的机器实现的光学传感器。

一些ned设备包括光学系统，用于将光瞳在空间上从一个位置转换到另一位置，例如从微显示成像器到用户的眼睛。该光学系统有时被称作光瞳中继器系统。ned设备可以包括一个或多个透明波导，该一个或多个透明波导被布置为使得它们在用户佩戴ned设备时直接位于用户每只眼睛的前面，以将表示生成的图像的光投射到用户的眼睛。通过这种配置，由ned设备生成的图像可以覆盖在用户对周围物理环境的视图上。被配置为用于ned设备的波导包括反射表面，反射表面被配置为通过全内反射(tir)来传播光线。经由波导将光瞳从一个位置转换到另一位置的一个方面涉及在第一位置将光线接收到波导中(“入耦”)以及在第二位置从波导输出光线(“出耦”)。

光线可以经由doe被入耦到波导或者从波导出耦，doe用作光线的输入端口或输出端口。doe可以包括衍射光栅结构，例如表面起伏衍射光栅(srg)。然而，传统的基于光栅的doe的衍射效率对衍射光线的波长和入射角度都高度灵敏。这导致波导显示器只能够有效地入耦和出耦生成的图像的窄视场(fov)(例如，小于30度)。当考虑大fov(例如，超过30度)时或者当光波长的范围相当宽(例如，全彩显示)时，对波长和入射角度的该高灵敏度限制了这种部件的使用。如果需要大fov，那么在整个fov内光栅的衍射效率应当足够高，以避免大大损害图像跨fov的均一性。

测试已经表明在给定的光的波长或入射角度下基于光栅的doe的衍射效率可以取决于用于形成光栅结构的材料的折射率。在一些配置中，增加用于形成衍射光栅结构的材料的折射率增加并提供在光线的波长和入射角度范围内的更加均一的衍射效率。具有足够高的折射指数(例如，n＝1.9)的玻璃材料可以用于形成波导的基底。然而，使用玻璃形成衍射光栅结构通常涉及将结构刻蚀到玻璃中的过程。该过程昂贵、耗时并且通常不切实际，特别是对于大规模生产用于消费者ned设备的波导显示器。

用于形成doe的光栅结构的更便宜且更快速的方法涉及使用标准uv可固化树脂，然而，标准uv可固化树脂是聚合物基的，并且通常具有比玻璃低的折射率(例如，n＝1.5-1.7)。因此，具有玻璃基底和由聚合物基树脂制成的光栅结构的波导显示器将被限于显示相对较窄的fov。

相应地，这里介绍的是对该问题的解决方案，其包括将由具有第一折射率的材料制成的光栅结构涂覆和/或埋置在具有第二折射率的材料中，第二折射率不等于第一折射率。已经发现，增加光栅结构的折射率和涂层的折射率之间的对比度可以增加基于光栅的doe在衍射光线的入射角度和波长范围内的衍射效率。

图1示出了这里介绍的技术可以并入其中的近眼显示(ned)设备的一个示例。ned设备140可以为用户(即，设备的佩戴者)提供虚拟现实(vr)和/或增强现实(ar)显示模式。为了便于描述，此后假设ned设备140被设计用于ar可视化。

在图示的实施例中，ned设备140包括底盘141、透明保护罩142和左右侧臂144，透明保护罩142被安装到底盘141，左右侧臂144被安装到底盘141。罩142形成用于下面讨论的各种显示元件(未示出)的保护外壳。

底盘141是安装结构，其用于罩142和侧臂144，并且用于本说明书无关的各种传感器和其它部件(未示出)。可以生成用于ar可视化的图像的显示组件(图1中未示出)也被安装到底盘141，并且被包围在保护罩142内。罩组件142和/或底盘141也可以容纳电子装置(未示出)，以控制显示组件的功能和ned设备40的其它功能。图1中示出的ned设备140是头戴式显示hmd设备，并且进一步包括附接到底盘141的可调整头带145，通过可调整头带145可以将ned设备140佩戴在用户的头上。

图2a和图2b分别示出了根据某些实施例可以包含在ned设备140的罩142内的显示部件的右侧视图和前正交视图。在ned设备140的操作期间，如图所示相对于用户的左眼256l和右眼356r来定位显示部件。显示部件被安装到底盘141的内部表面。底盘141在图2a的截面图中示出。

显示部件被设计为将三维图像覆盖在用户的真实环境的视图上，例如，通过将光投射到用户的眼睛中。相应地，显示部件包括显示模块254，显示模块254容纳光引擎，光引擎包括诸如以下的部件：一个或多个光源(例如，一个或多个发光二极管(led))；一个或多个微显示成像器(诸如，硅基液晶(lcos)、液晶显示器(lcd)、数字微镜设备(dmd))；以及一个或多个透镜、分束器和/或波导。显示模块254内的微显示成像器(未示出)可以经由柔性电路连接器255被连接到印刷电路板258，印刷电路板258具有安装在其上的图像生成/控制电子装置(未示出)。

显示部件进一步包括透明波导载体251和一个或多个透明波导252，显示模块254被安装到透明波导载体251，一个或多个透明波导252被堆叠在波导载体251的用户侧，用于用户的左眼和右眼中的每只眼睛。波导载体251具有中央鼻梁部分210，其左右波导安装表面从中央鼻梁部分210延伸。一个或多个波导252被堆叠在波导载体252的左右波导安装表面中的每个波导安装表面上，以将从显示模块发射的、表示图像的光分别投射到用户的左眼256l和右眼356r。显示组件257可以通过中心标签250被安装到底盘141，中心标签250位于波导载体251的顶部，在中央鼻梁部分210之上。

图3a示出了波导252a的单个输入光瞳设计，波导252a可以安装在波导载体251上，以将光传递到用户的特定眼睛(在该示例中，为用户的右眼)。可以针对左眼设计相似的波导，例如，作为图3a中示出的波导的(水平)镜像。波导252a是透明的，并且如可以从图2a和图2b看出，在操作ned设备期间，波导252a通常将直接被设置在用户的右眼的前面，例如作为图2a中的波导252之一。因此，从用户的角度示出了在操作ned设备140期间的波导252a。

波导252a包括单个输入端口310a(也被称为入耦元件，并且对应于单个输入光瞳)，其位于在用户佩戴ned设备140时最靠近用户的鼻梁的波导252a的区域中。在某些实施例中，输入端口310a是或者包括doe，doe可以包括例如表面衍射光栅、体衍射光栅和/或可切换布拉格光栅(sbg)。波导252a进一步包括输出端口330a(也被称为出耦元件)和传输通道320a。与输入端口310a一样，在某些实施例中，输出端口330a是或者包括doe，doe可以包括例如表面衍射光栅、体衍射光栅和/或sbg。显示模块(未示出)的右眼输出端口被光学耦合(但不一定物理耦合)到波导310的输入端口310a。在操作期间，显示模块252(图3中未示出)将表示右眼图像的光从其右眼输出端口(未示出)输出到波导252a的输入端口310a。

传输通道320a将来自输入端口311的光传递到输出端口313，并且可以包括例如表面衍射光栅、体衍射光栅或诸如具有多个内反射表面的基底的反射部件。传输通道320a可以被设计为通过利用全内反射(tir)来完成该目的。然后，表示右眼图像的光从输出端口330a被投射到用户的眼睛。

如图3b中所示，在一些实施例中，波导可以包括多个输入端口310b和312b，例如以通过投射图像的复用不同fov来提供更大的整体fov。应当注意，尽管本公开描述了具有一个或两个输入端口/光瞳和单个输出端口/光瞳的波导，但是包含这里介绍的技术的显示设备可以具有针对给定的眼睛具有多于两个输入端口/光瞳和/或多个一个输出端口/光瞳的波导。此外，尽管图3b的示例是针对右眼的，但是可以针对左眼设计类似的波导，例如，作为图3b中的波导的(水平)镜像。

如图3b所示，波导252b包括两个分立的输入端口310b和312b、两个传输通道320b和322b以及输出端口330b。在操作期间，输入端口310b和312b中的每个输入端口接收表示用户的右眼的图像的不同部分的(来自显示模块254的)光。传输通道320b和322b中的每个传输通道被光学耦合到输入端口310b或312b中的一个输入端口，并且将仅来自对应的输入端口310b或312b的光传递到输出端口330b。传输通道320b和322b中的每个传输通道可以例如是内部或表面衍射光栅设计，以通过tir来传导光。来自图像的两个不同部分的光在输出端口330b处组合，并且作为单个集成图像被投影到用户的眼睛中。

在一些实施例中，左输入端口310b接收针对用户的一只眼睛(例如，右眼)的图像的左部分(例如，一半)，而右输入端口312b接收针对该同一只眼睛的图像的右部分(例如，一半)。图像的每个部分可以包括在完整图像中存在的所有颜色分量(例如，红色、绿色和蓝色分量)。图像的部分可以以平铺的方式生成，即，其中它们在空间上是连续的并且不重叠，或者它们可以在空间上至少部分重叠。此外，在其它实施例中，图像的分立的部分不是生成图像的左部分和右部分，而是可以是图像的上部和下部，或者图像可以以某种其它方式在空间上被划分。附加地，波导252b可以具有不止两个输入端口，在该情况中，可以以三个或更多个分立的图像部分的形式将图像提供给波导252b，三个或更多个分立的图像部分在波导252b中重新整合。

因此，至少在一些实施例中，对于用户的给定眼睛的图像的不同部分被生成并且被同时输入到波导的分立输入端口中，然后在波导内重新整合，并作为单个集成图像被投射到用户的眼睛中，以产生大的fov。在其它实施例中，图像的分立部分可以以时分复用方式输入到波导，而不是同时进行。此外，在一些实施例中，波导上的输入端口的物理布局可以不同于图3b中所示出的。例如，输入端口可以在波导上垂直分隔开，而不是，或者附加地，水平分隔开。其它输入端口配置也是可能的。

如图3c中所示，在一些实施例中，波导可以包括多个输出端口330c和332c，例如以通过投射图像的复用不同fov来提供更大的整体视场(fov)。应当注意，尽管本公开描述了具有两个输出端口/光瞳和单个输入端口/光瞳的波导，但是包含这里介绍的技术的显示设备可以具有针对给定的眼睛具有多于两个输入端口/光瞳和/或多个两个输出端口/光瞳的波导。此外，尽管图3c的示例是针对右眼的，但是可以针对左眼设计类似的波导，例如，作为图3c中的波导的(水平)镜像。

如图3c所示，波导252c包括两个分立的输出端口330c和332c、传输通道320c和输入端口310c。在操作期间，输入端口310c接收表示用户的右眼的图像的不同部分的(来自显示模块254的)光。传输通道320c被光学耦合到输入端口310c，并且将来自输入端口310c的光传递到输出端口330c和332c。传输通道320c可以例如是内部或表面衍射光栅设计，以通过tir来传导光。两个输出端口330c和332c中的每个输出端口输出对应于图像的两个不同部分中的一个部分的光，并将图像的相应部分作为单个集成图像投射到用户的眼睛中。

在一些实施例中，左输出端口330c投射针对用户的一只眼睛(例如，右眼)的图像的左部分(例如，一半)，而右输出端口332c投射针对该同一只眼睛的图像的右部分(例如，一半)。图像的每个部分可以包括在完整图像中存在的所有颜色分量(例如，红色、绿色和蓝色分量)。图像的部分可以以平铺的方式生成，即，其中它们在空间上是连续的并且不重叠，或者它们可以在空间上至少部分重叠。此外，在其它实施例中，图像的分立的部分不是生成图像的左部分和右部分，而是可以是图像的上部和下部，或者图像可以以某种其它方式在空间上被划分。附加地，波导252c可以具有不止两个输出端口，在该情况中，可以以三个或更多个分立的图像部分的形式将图像投射到用户的眼睛。

因此，至少在一些实施例中，对于用户的给定眼睛的图像的不同部分被生成并且被同时输入到波导的分立输入端口中，然后在波导内重新整合，并作为单个集成图像被投射到用户的眼睛中，以产生大的fov。在其它实施例中，图像的分立部分可以以时分复用方式输入到波导，而不是同时进行。此外，在一些实施例中，波导上的输入端口的物理布局可以不同于图3c中所示出的。例如，输入端口可以在波导上垂直分隔开，而不是，或者附加地，水平分隔开。备选地，在一些实施例中，波导的多个输出端口可以彼此覆盖，而不是如图3c中所示的并排取向。其它输入端口配置也是可能的。

图4示意性地示出了被配置为用于ned设备(诸如图2a-图2b中的ned设备140)的示例显示模块254。应当注意，图4中示出的示例显示模块254被配置为用于如图3b中所示的示例波导252b的双输入端口波导。然而，类似的原理可应用于配置为用于较少或更多输入端口的显示模块，例如，如图3a和图3c中(分别)的示例波导252a和252c所示。

如图4所示，示例显示模块254包括光引擎431、光开关432和光瞳中继器433。尽管未示出，但是显示模块254还可以包括用于用户的另一只眼睛的相似或相同的组件。在一些实施例中，光引擎431可以包括一个或多个光源(未示出)，例如一个或多个彩色led。例如，光引擎431可以包括红色led、绿色led和蓝色led，以分别产生图像的红色、绿色和蓝色分量。此外，光引擎431包括至少一个微显示成像器(未示出)(诸如lcos成像器、lcd或dmd)；并且可以进一步包括一个或多个透镜、分束器、波导和/或其它光学部件(未示出)。

光开关432控制由光引擎431输出的、表示图像的每个特定部分的光向两个不同的光学路径中的一个光学路径的传播方向。在图示的实施例中，第一路径用于图像的左半部，并且通向显示模块254的输出端口434，该输出端口434被耦合到波导252的一个对应的输入端口310。另一光学路径用于图像的右部分，并且包括光瞳中继器433，光瞳中继器433将图像的该部分传播到显示模块54的第二输出端口436，其被光学耦合到波导252的第二对应的输入端口312。

光开关432基于诸如偏振的开关标准选择性地控制来自光引擎431的光的传播方向。例如，图像的一半可以具有s偏振，而图像的另一半具有p偏振，其中光开关432沿着一条光学路径传输s偏振光，并且沿着另一光学路径传输p偏振光。开关432可以是例如lcd反射镜，其根据施加的电压或者透射光或者充当完美的反射镜。然而，应当注意，可以使用除了偏振之外的开关标准(或准则)。例如，时分复用可以用于在光学路径之间切换。因此，光开关432使得单个光引擎431能够向波导252上的两个分立的入耦元件310、312提供针对图像的两个光瞳。在仅具有一个输入端口的示例波导中，光开关432可以将从光引擎431发射的光引导到单个输入端口。

光瞳中继器433是可选的，但是能够使波导252上的输入端口310、312之间的距离更大。光瞳中继器433可以使用任何已知的或便捷的方法和材料来构造，以用于将图像光瞳从一个位置转移到另一位置。例如，光瞳中继器433可以由一系列近轴透镜构成，这些近轴透镜将光瞳聚焦到中间图像，然后对其进行准直，接着是反射镜，以将光重定向到波导的相应输入端口。

图5示意性地图示了包括某些相关部件的示例性光引擎431。图5中的视图来自显示模块254的右侧。应当注意，一些实施例可以包括其它有源和/或无源部件(未示出)。在图示的实施例中，光引擎431包括至少一个光源571(诸如彩色led)。尽管图5中仅示出了一个光源571，但是实际上可以为用户的每只眼睛提供多个光源，例如，对于正在使用的任何颜色模型(例如，红色、绿色和蓝色)的每个颜色分量提供一个光源。可以使用与图5所示的相同或类似的配置来组合来自这种多个光源的光。

光引擎431进一步包括一个或多个成像器(例如，lcos微显示器)572a和572b，其生成旨在用于显示给用户特定眼睛的图像。应当注意，图5中所示的示例光引擎431包括两个成像器572a和572b，然而，其它光引擎可以包括一个或两个以上成像器。在多个成像器572a和572b的情况下，每个成像器可以生成图像的一部分以显示给用户。可以在波导输入中的一个波导输入处的波导之前放置延迟器(例如，四分之一波板)，以具有最佳偏振进入波导。

此外，光引擎431可以包括偏振分束器(pbs)574、575、一个或多个反射透镜576和一个或多个四分之一波板577的组合，其产生(一个或多个)图像并通过光引擎431的输出端口578传播(一个或多个)图像。在图5中示出的示例中，第一pbs574将来自光源571的s偏振光向上反射到第一微显示成像器572a，第一微显示成像器572a生成图像的一部分。pbs574还使得来自光源571的p偏振光直接传播通过另一微显示成像器572b，另一微显示成像器572b生成图像的第二部分。然后，图像的两个部分(分别构成s偏振光和p偏振光)向下传播通过pbs574到达第二pbs575，第二pbs575经由四分之一波板(延迟器)577将图像的两个部分引导到鸟巢形反射透镜76。然后，图像部分由反射透镜576通过四分之一波板577，然后通过pbs75反射回来。从那里，图像部分通过光引擎431的输出端口578输出，并被提供给显示模块254中的附加光学器件，如图4中的示例所示。

图6是在ned设备140的控制电路600中包括计算机系统的示例硬件部件的框图。控制电路600提供了支持ned设备140的其它部件的各种电子装置。在该示例中，控制电路包括处理单元610、存储器612和通信模块614，存储器612对于处理单元610是可访问的，用于存储处理器可读指令和数据，通信模块614被通信耦合到处理单元610，通信模块614可以充当网络接口用于将ned设备连接到另一计算机系统。电源616为例如传感器单元618的控制电路600的部件以及ned设备140的其它部件提供电力，控制电路600的部件以及ned设备140的其它部件可以包括，但不限于，图像捕获设备(例如，摄像机)、音频捕获设备(例如，麦克风)和位置/运动捕获设备(例如，加速度计)。

处理单元610可以包括一个或多个处理器，一个或多个处理器包括中央处理单元(cpu)和/或图形处理单元(gpu)。存储器612表示系统可以使用的各种类型的存储器，诸如用于执行期间的应用的随机存取存储器(ram)、用于包括捕获的图像数据和显示数据的传感器数据的缓冲器、用于指令和系统数据的只读存储器(rom)或闪存、以及用于存储其它条目的其它类型的非易失性存储器，其中一些示例是用于生成表示图像数据的图像光的应用。在该示例中，数据总线620的电连接连接传感器单元618、显示驱动器624、处理单元610、存储器612和通信模块614。数据总线620还通过功率总线622从电源616获得电力，控制电路的所有图示的元件都被连接到功率总线622以便汲取功率。

控制电路600进一步包括显示驱动器624，用于选择数字控制数据(例如，控制位)，以表示可以由微显示电路626和不同的有源部件驱动器解码的数字控制数据的图像数据。有源部件驱动器的一个示例是显示照明驱动器628，其将数字控制数据转换为模拟信号，用于驱动照明单元634，照明单元634包括一个或多个光源(例如类似于图5中的光源571)，如一个或多个发光二极管(led)。微显示器632可以是有源透射、发射或反射设备。例如，微显示器632可以类似于参照图5描述的一个或多个成像器572a-572b。微显示器632可以是需要电力的硅上液晶(lcos)设备，或者需要电力的基于微机械机器(mem)的设备，来移动个体反射镜。在一些实施例中，波导显示器可以包括一个或多个有源光栅636，诸如可切换布拉格光栅(sbg)。(一个或多个)有源光栅控制器630将数字控制数据转换成用于改变一个或多个有源光栅636的特性的信号。

在下面讨论的一些实施例中，控制电路600可以包括这里没有说明但涉及ned设备140的其它功能(诸如例如为，偏振控制、提供音频输出、头的方向和位置信息识别)的其它控制单元。在其它实施例中，图6中标识的一些处理和存储器资源可以在控制电路600和在例如通信耦合到ned设备140的移动设备(例如，智能电话)中实施的伴随处理模块之间共享。

图7a和7b图示了光线利用在波导基底上的衍射光学元件doe在光瞳中继器中的传播。术语“光瞳中继器”描述了用于将光瞳在空间上从一个位置转换到另一位置(例如，从入射光瞳710a-710b到出射光瞳712a-712b)的部件的系统。在一些实施例中，光瞳中继器包括具有光学特性的波导，使得波导的入射光瞳和出射光瞳具有基本相同的尺寸和形状，并且使得输入到光瞳中继器的多色光线通过光瞳中继器经过全内反射(tir)共线传播，使得相应的输出光线具有与输入光线基本相同的色度特性，即，光瞳中继器是非彩色的。在本文中，“基本相同”意味着这些特性对于人类用户没有可感知的差异。在其它实施例中，入射光瞳的光学特性可以不同于出射光瞳的光学特性，例如，用于光瞳扩展。

如图7a所示，在一些实施例中，光瞳中继器是波导700a，其包括具有至少两个表面752a和754a的透光基底750a，这两个表面752a和754a彼此基本平行，并且内部反射，以便提供在基底133中传播的光线tir。波导700a还包括两个doe760a和762a，这两个doe760a和762a有助于光从基底(一个在输入端，一个在输出端)进入和离开。在一些实施例中，doe760a和762a是作为波导700a的基底750a的给定表面(即，平行于光线在基底内的传播方向的表面)的一部分或邻近该给定表面而形成的表面起伏衍射光栅。例如，如图7a所示，doe760a和762a可以在基底750a的表面752a上形成或在邻近基底750a的表面752a处形成。在本说明书中，“邻近”意味着离表面的深度不超过一微米。可以需要使每个doe的深度相比于其周期相对更大。

doe760a和762a被设计成使不同颜色的光线分别通过基底752a共线传播，并在离开波导700a时继续共线传播。例如，图7a示出了两种不同颜色的共线光线714a和716a经由doe760a(入耦元件)进入基底750a，以及通过tir传播通过基底750a，以及在doe762a(出耦元件)处离开基底750a。

图7b示出了通过使用doe将多个颜色组合到单个波导中的另一种方式。在图7b中，波导700b包括至少四个衍射doe760b、762b、764b和766b，这些衍射doe760b、762b、764b和766b形成于或接近于基底750b的两个相对表面752b和754b，基底750b的两个相对表面752b和754b平行于光线在基底内的传播方向。波导700b的一个表面752b(例如，顶表面)上的doe760b和762b耦合第一颜色(由光线714b表示)，并且基底750b的相对表面754b(例如，底表面)上的doe764b和766b耦合第二颜色(由光线716b表示)。这可以使用例如只对一个偏振(颜色具有正交偏振)起作用的doe，或者使用可切换衍射光栅，以便能够为每个衍射光栅选择耦合颜色来实现。如上所述，在图7a和图7b的实施例中，可以应用相同的原理以允许三种或更多种颜色通过光瞳中继器共线传播。

在图7a和图7b的实施例中，基底750a-750b是由具有有利于光通过tir传播的适当的光学特性的材料形成的。在一些实施例中，基底750a-750b是由玻璃制成的，例如通过注射成型处理形成的。如所述，doe760a-760b、762a-762b、764b和766b中的每个doe可以包括表面起伏衍射光栅(srg)，其可以是基底750a-750b的表面的部分(例如，通过到基底750a-750b的表面的刻蚀形成的，或者在注射成型处理期间形成的)，可以在基底750a-750b的表面上形成(例如，通过材料在表面上的应用与固化)，或者可以被埋置在基底750a-750b内。因此，波导700a-700b的光输入表面和光输出表面分别是doe，或者如果doe被埋置在表面之下，则是直接位于doe之上的基底表面的一部分。可以假定光瞳中继器中的每个doe与平行于光瞳中继器的长轴的基底的至少一个表面基本共面(即，每个doe平行于该表面并且在该表面的一微米深度内)。

图8a和图8b示出了在包括基底850a-850b(分别)和doe860a-860b(分别)的界面处的示例波导800a-800b的截面图，doe860a-860b包括表面起伏光栅(srg)结构。波导800a-800b可以被认为类似于关于图7a和图7b所描述的波导700a-700b。类似地，基底850a-850b可以被认为类似于基底750a-750b，并且doe860a-860b可被认为类似于如参考图7a和图7b所述的doe760a-760b、762a-762b、764b和766b中的任何doe。

图8a和图8b图示了用于形成doe的光栅结构的备选方法。例如，图8a示出了由单个材料(诸如，玻璃)形成的示例波导800a。如前所述，玻璃具有充分的反射特性以有利于光通过tir衍射基底850a传播，并且具有足够高的折射率(～1.7-1.9)以有利于光经由doe860a的入耦/出耦的高衍射效率。在一些实施例中，基底850a和doe860a是由玻璃通过注射成型处理作为单个元件形成的。然而，更有可能的是，基底850a是由玻璃通过注射成型形成的，并且doe860a的srg结构是通过精确蚀刻处理在基底850a的表面中形成。

如前所述，由单个高折射率材料制成的波导(诸如，波导800a)具有性能优势，但是特别是在大规模生产消费级的ned设备的背景下制造是不切实际的。图8b中的波导800b是一个备选实施例，其中doe860b通过复型过程在基底850b的至少一个表面上形成。与波导800a一样，波导800b的基底850b是由具有有利于光通过tir传播的适当的光学特性的材料(例如，玻璃)形成的。基底850b可以使用任何标准的制造过程用玻璃制造。然后，在基底850b的表面上形成doe860b的srg。在一些实施例中，doe860b的srg是通过标准uv可固化聚合物基树脂的固化过程形成的。尽管比由诸如玻璃的材料形成光栅结构更便宜且更快速，但是标准uv可固化树脂具有相对低的折射率(例如，～1.5-1.7)。这导致在光线的某些波长和入射角度下有相对低的衍射效率，从而导致对于所显示的图像的受限的fov。

应当注意，基底850a-850b和doe860a-860b是在图8a和图8b中概念性地说明的，并且不旨在示出限制结构配置或真实尺寸。例如，出于清晰的目的，doe860a-860b的衍射光栅结构的尺寸相对于基底850a-850b的尺寸被大大地夸大了。类似地，doe860a-860b的衍射光栅结构的数量、形状和尺寸旨在说明，并不旨在限制。在一些实施例中，衍射光栅结构可以在doe区域上在一个或多个参数中变化。图9示出了包括doe960和基底950的另一示例波导900的截面图。图9中示出的示例波导900的截面示出了doe960的光栅结构可以在doe960区域上在一个或多个参数(诸如，光栅周期p、光栅线宽w、光栅填充因数f、光栅深度d、倾斜角φ、线形、表面图案(未示出)和调制方向)中变化。光栅填充因数f是填充有光栅材料的光栅周期的分数。换言之，填充因数f＝w/p。

同样地，波导900的结构元件是概念性地说明的，并且不旨在示出限制结构配置或尺寸。在本领域中能充分理解衍射光栅结构的配置(例如，设置前述参数)以实现所期望的入耦或出耦效应。

图10示出了光线914经由波导800b的doe860b到基底850b的入耦。如图10中所示，光线914在doe860b处被衍射和折射，并且通过tir沿着基底850b传播。如前面关于图8b所描述的，波导800b的基底850b可以由诸如玻璃的高折射率材料制成，并且doe860b的衍射光栅结构可以由诸如uv可固化聚合物基树脂的低折射率(相对于基底)材料制成。光线914经由第二doe从基底850b的出耦将遵循如图10所示的相同的原理。

图11是绘制了入耦器doe在入射角度θ范围内对于各种光波长λ的一阶衍射效率的图表，入耦器doe带有由低折射率材料形成的(不包括施加的涂层的)衍射光栅。示例入耦器(例如，类似于波导800b的入耦器860b)被优化为对于在520±30nm波长范围内的光在fov上有最大的入耦衍射效率。如图11所示，在fov上的最小效率下降到远低于10％，并且在某些角度，波长灵敏度非常高(例如，10％相对于50％)。实际上，图11图示了具有相对低的折射率的衍射光栅结构将导致跨48°视场的较差的图像均一性。例如，用户可以在所显示的fov的外围边缘处经历彩虹效应或者其它图像伪影。

图12a和图12b是绘制了对于两个不同的入耦器doe在入射角度θ范围内的一阶衍射效率的图表，两个不同的入耦器doe带有由具有不同折射率(分别为1.7和1.5)的材料形成的衍射光栅结构。在图12a和图12b的情况中，波导包括由折射率为1.7的玻璃制成的基底以及光栅结构，光栅结构被优化为对于在～525nm波长的单色绿光在fov上有最大的入耦。衍射光栅具有358nm的周期p，并且以其它方式被限制在如下的其它结构参数中：d<450nm，0.3<f<0.7，-45°<φ<+45°。如图12a和图12b所示，将衍射光栅材料的折射率从1.5改变到1.7会改变衍射效率为最大的入射角度，但是仍然导致在fov上的高的变化。

图13a和图13b示出了示例波导1300a-1300b在包括高折射率材料的涂层的界面处的截面图，高折射率的涂层旨在提升在较宽的fov和光波长范围内的衍射效率。如图13a和图13b所示，波导130a-130b(分别)包括基底13550a-13550b并且(分别)包括doe1360a-1360b，doe1360a-1360b(分别)包括srg结构1370a-1370b。波导1300a-1300b可以被认为类似于关于图8a和图8b所描述的波导800a-800b。类似地，基底1350a-1350b可以被认为类似于基底850a-850b，并且doe1360a-1360b可以被认为类似于关于图8a和图8b所描述的doe800a-800b。如所述，波导1300a-1300b附加地(分别)包括在光栅结构1370a-1370b之上的高折射率材料的涂层1380a-1380b。图13a示出了其中涂层材料1380a被施加到doe1360a的光栅结构1370a的界面表面的波导1300a的一个实施例。图13b示出了其中doe1360b的光栅结构1370b被嵌入(至少基本上)涂层材料1380b中的一个备选实施例。如将说明的，在任何实施例中，将将具有高折射率的涂层应用到衍射光栅结构降低了部件对光的入射角度和波长的灵敏度，从而提升了入耦器/出耦器的整体效率。

在一些实施例中，涂层1380a和1380b是由诸如氧化铝、二氧化钛或其某种组合的材料制成的减反射型涂层，并且具有高达2.5的折射指数。可以使用多种不同工业标准过程(诸如，原子层沉积(ald)、化学气相沉积(cvd)、旋涂或浸涂)来施加这种涂层。这种涂覆过程在批量生产时相对便宜，并且适合大规模生产。尽管所选择的涂层厚度将取决于使用的材料以及波导的整体光学配置，但是在一些实施例中，涂层1380a-1380b通常在50-300nm厚的量级。

图14示出了光线1414经由波导1300b的doe1360b到基底1350b的入耦。如图14所示，光线1414在doe1360b处被衍射和折射，并且通过tir沿着基底1350b传播。光线1414经由第二doe从基底13550b的出耦将遵循如图14所示的相同的原理。如关于图13b所描述的，光线1414的入耦被示出为经由波导1300b，然而，经由波导1350a的入耦(即，通过施加到衍射光栅结构1360a的界面表面的涂层1380a)将遵循如图14所示的相同的原理。

图15是绘制了对于入耦器doe在入射角度θ范围内对于各种光波长λ的一阶衍射效率的图表，入耦器doe具有作为涂层施加到衍射光栅的高折射率材料。示例入耦器(例如，类似于波导1300a-1300b的入耦器1360a-1360b)被优化为对于在520±30nm波长范围内的光在fov上有最大的入耦。如图15所示，一阶衍射效率对于衍射光线在入射角度θ的48°范围内和波长的60nm范围内保持在30％和60％之间。实际上，图15图示了具有高折射率材料的施加的涂层的衍射光栅结构将导致在宽的fov下具有提升的图像均一性。

图16a和图16b是绘制了对于两个不同的入耦器doe在入射角度θ范围内的一阶衍射效率的图表，两个不同的入耦器doe包括施加到由具有不同折射率(分别为1.7和1.5)的材料形成的衍射光栅结构的高折射率涂层(n＝2.2)。在图16a和图16b中测试的波导包括由折射率为1.7的玻璃制成的基底以及光栅结构，光栅结构被优化为对于在～525nm波长的单色绿光在fov上有最大的入耦。衍射光栅具有358nm的周期p，并且以其它方式被限制在如下的其它结构参数中：d<450nm，0.3<f<0.7，-45°<φ<+45°。施加的涂层具有～50nm到100nm的厚度。如图16a和图16b所示，将施加到衍射光栅结构的高折射率涂层(n＝2.2)导致对于衍射光线在入射角度θ的48°范围内具有相对高且均一的衍射效率(～50％到70％)。值得注意的是，尽管涂层材料的折射率在图16a和图16b中都相同，但是使用较低折射率(n＝1.5)的光栅材料(如图16b中所示)产生改进的结果。

图17a和图17b是绘制了对于入耦器doe在入射角度θ范围内的一阶衍射效率的图表，除了涂层材料的折射率从2.2降低到1.9之外，该入耦器doe在其它方面(分别)与图16a和图16b中测试的入耦器doe相同。如图17a和图17b，衍射效率在入射角度θ的35°范围内仍然相对均一，但是显著低于具有高折射率涂层的情况(在衍射光栅材料具有1.7的折射率的情况下，衍射效率为10％到20％；并且在衍射光栅材料具有1.5的折射率的情况下，衍射效率为40％到50％)。

从图16a到图17b图示了在确定作为涂层施加的最佳材料中的关键因素是衍射光栅结构自身的折射率。尽管一般来说，具有较高折射率的涂层在fov上具有更高的衍射效率，但是最佳结果是在衍射光栅材料和涂层之间的折射率对比度最高的情况下获得的。例如，衍射光栅材料(n＝1.7)和涂层(n＝1.9)之间的折射率中的相对小的差值(n＝0.2)似乎产生最坏的结果(参见图17a)，而衍射光栅材料(n＝1.5)和涂层(n＝2.2)之间的折射率中的相对大的差值(n＝0.7)似乎产生最好的结果(参见图16b)。在一些实施例中，在被配置为用于ned设备的doe中的涂层和衍射光栅材料之间的折射率的差值至少是0.4。

图18a和图18b是绘制了对于两个不同的入耦器doe在入射角度θ范围内的一阶衍射效率的图表，该两个不同的入耦器doe都包括在具有相对高折射率(n＝1.9)的剥离基板上形成的、由相对低的折射率(n＝1.5)制成的衍射光栅结构。不同的涂层被施加到每个波导，一个涂层的折射率为2.0，如图18a所示，另一涂层的折射率为2.2，如图18b所示。如图18a和图18b所示，即使衍射光栅材料和涂层之间的折射率的差值相对较大(0.4到0.7)，但是增加的基底折射率(1.9相对于1.7)负面地影响在入射角度θ的35°范围内的整体衍射效率和/或均一性。相应地，在确定作为涂层施加的最佳材料中的另一关键因素是基底材料的折射率。基于图18a和图18b所示出的结果，增加基底材料的折射率要求进一步增加涂层的折射率，以优化在宽的视场内的衍射效率。

图19是描述用于制造波导的示例过程1900的流程图，波导被配置为用于与上面的教导一致的ned设备。如图19所示，过程1900开始于步骤1901，其中在由第二材料(例如，玻璃)制成的透光基底的表面上形成可固化的第一材料层(例如，uv固化聚合物基树脂)。过程继续进行到步骤1902，其中固化第一材料，以在基底的表面上或者邻近基底的表面处形成衍射光栅。在一些实施例中，该衍射光栅被配置为向基底和/或从基底输入和/或输出光线。需要的固化过程将取决于使用的材料的类型。可以利用多个过程(诸如，应用热、光或特定的化学品)来执行固化。过程继续进行到步骤1903，其中利用第三材料(例如，二氧化钛和/或氧化铝)涂覆衍射光栅，第三材料具有比第一材料更高的折射率(即，施加高折射率涂层)。在一些实施例中，使用原子层沉积和/或化学气相沉积来执行该涂覆过程。

某些实施例的示例

在以下编号的示例中总结了本文所介绍的技术的某些实施例：

1.一种光波导，包括：透光基底，被配置为用于近眼显示(ned)设备，基底包括多个内反射表面，基底是由具有第一折射率的第一材料制成的；以及衍射光学元件(doe)，其在基底的多个表面中的第一表面上形成，doe被配置为向基底输入光线或者从基底输出光线，doe包括衍射光栅和在衍射光栅上的涂层，衍射光栅由具有第二折射率的第二材料制成，在衍射光栅上的涂层由具有第三折射率的第三材料制成，其中第二折射率不等于第三折射率。

2.根据示例1的光波导，其中第三折射率大于第二折射率。

3.根据示例1或示例2的光波导，其中涂层减小了doe对衍射光线的波长和入射角度的灵敏度。

4.根据示例1至3中的任一示例的光波导，其中涂层增加了跨特定视场(fov)经由doe传播的图像的均一性。

5.根据示例1至4中的任一示例的光波导，其中doe在衍射光线的入射角度的30度范围内具有至少30％的衍射效率。

6.根据示例1至5中的任一示例的光波导，其中衍射光栅被优化为在衍射光线的入射角度的特定范围内最大化衍射效率。

7.根据示例1至6中的任一示例的光波导，其中doe是入耦元件，该入耦元件被配置为将从ned设备的图像生成器接收的光线输入到基底中。

8.根据示例1至6中的任一示例的光波导，其中doe是出耦元件，该出耦元件被配置为从基底输出光线并且将光线引朝向ned设备的用户的眼睛。

9.根据示例1至8中的任一示例的光波导，其中衍射光栅被嵌入涂层中。

10.根据示例1至9中的任一示例的光波导，其中已经通过固化过程将衍射光栅施加到基底。

11.根据示例1至10中的任一示例的光波导，其中衍射光栅包括以相对于基底的第一表面的偏斜倾斜角取向的光栅结构。

12.根据示例1至11中的任一示例的光波导，其中第一材料包括玻璃。

13.根据示例1至12中的任一示例的光波导，其中第二材料包括uv可固化树脂。

14.根据示例1至13中的任一示例的光波导，其中第三折射率至少是1.9。

15.根据示例1至14中的任一示例的光波导，其中第二折射率和第三折射率之间的差至少是0.4。

16.一种近眼显示设备，包括发光微显示成像器和波导，发光微显示成像器被配置为发射与生成的图像相关联的光线，波导包括透光基底、入耦元件和出耦元件，透光基底被配置为通过内反射传播光，基底是由具有第一折射率的第一材料制成的，入耦元件被配置为将从微显示成像器接收的光线输入到基底中，出耦元件被配置为从基底输出光线并且将光线引导到近眼显示系统的用户的眼睛，其中入耦元件和出耦元件两者都包括衍射光学元件(doe)，doe是在基底的多个表面中的至少一个表面的至少一部分上形成的，doe包括衍射光栅和在衍射光栅上的涂层，衍射光栅由具有第二折射率的第二材料制成，在衍射光栅上的涂层由具有第三折射率的第三材料制成，其中第二折射率不等于第三折射率。

17.一种制造波导显示器的方法，方法包括：在由第二材料制成的透光基底的表面上形成可固化的第一材料层；固化第一材料，以在基底上形成衍射光栅，衍射光栅被配置为向基底输入光线或者从基底输出光线；以及利用第三材料涂覆衍射光栅，其中在第一材料固化后，第三材料具有与第一材料不同的折射率。

18.根据示例17的方法，其中涂覆包括使用原子层沉积(ald)、化学气相沉积(cvd)、旋涂或浸涂中的一种或多种来将第三材料施加到衍射光栅的表面。

19.根据示例17或示例18的方法，其中第一材料的折射率和第三材料的折射率之间的差至少是0.4。

20.根据示例17至19中的任一示例的方法，其中：第一材料包括uv固化聚合物树脂；第二材料包括玻璃；并且第三材料具有至少为1.9的折射率。

21.一种用于制造波导显示器的系统，系统包括：用于在由第二材料制成的透光基底的表面上形成可固化的第一材料层的装置；用于固化第一材料以在基底上形成衍射光栅的装置，衍射光栅被配置为向基底输入光线或者从基底输出光线；以及用于利用第三材料涂覆衍射光栅的装置，其中在第一材料固化后，第三材料具有与第一材料不同的折射率。

22.根据示例21的系统，其中用于涂覆的装置包括用于使用原子层沉积(ald)、化学气相沉积(cvd)、旋涂或浸涂中的一种或多种来将第三材料施加到衍射光栅的表面的装置。

23.根据示例21或示例22的系统，其中第一材料的折射率和第三材料的折射率之间的差至少是0.4。

24.根据示例21至23中的任一示例的系统，其中：第一材料包括uv可固化聚合物树脂；第二材料包括玻璃；并且第三材料具有至少1.9的折射率。

除非以上另有说明，或者由于其功能或结构导致任何这种实施例可能不兼容，否则上述任何或所有特征和功能可以相互组合，这对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。除非与物理可能性相反，否则可以设想(i)本文描述的方法/步骤可以以任何序列和/或以任何组合执行，并且(ii)相应的实施例的部件可以以任何方式组合。

虽然已经用特定于结构特征和/或行为的语言描述了技术方案，但是应当理解，在随附的权利要求中定义的技术方案不一定限于上述特定特征或行为。相反，上述特定特征和行为是作为实现权利要求的示例进行公开的，并且其它等同的特征和行为旨在在权利要求的范围内。