生成虚拟内容显示的制作方法

本申请主张2016年11月30日提交的序列号为62/427,984的美国临时申请的提交日期的优先权益。序列号为62/427,984的美国申请的全部内容通过引用并入此文。

本发明涉及生成虚拟图像显示。

背景技术：

现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的发展，其中，数字再现的图像或其一部分以看上去真实或可能被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“vr”场景通常涉及以对其它实际的真实世界视觉输入不透明的方式呈现数字或虚拟图像信息；增强现实或“ar”场景通常涉及呈现数字或虚拟图像信息呈现为对用户周围的实际的世界的可视化的增强。

技术实现要素：

本说明书中描述的主题的创新方面可以体现于一种用于生成虚拟图像的方法，包括将光束引导到目镜的第一侧。将光束引导到目镜的第一侧包括：将该光束透射到该目镜的第一波导内；由该第一波导的一个或多个第一衍射元件将该光束的第一部分朝向该目镜的第二波导偏转，该光束的第一部分与光的第一相位相关联；由位于该目镜的第一侧上的两个或更多个突起将该光束的第二部分朝向该目镜的第二波导偏转，该光束的第二部分与不同于第一相位的光的第二相位相关联；以及由该第二波导的一个或多个第二衍射元件将该光束的第一部分和第二部分中的一些部分偏转，以提供与虚拟图像相关联的出射光束，该出射光束基于该第一相位和所述第二相位。

这些方面的其它实施例包括被配置为执行这些方法的动作的对应的系统和装置。

这些特征例如进一步包括光束的第二部分由两个或更多个突起偏转，该两个或更多个突起具有用于最小化由出射光束引起的虚拟图像的条纹的图案。该光束的第二部分由两个或更多个突起偏转，该两个或更多个突起具有用于最小化由出射光束引起的虚拟图像的条纹的图案密度。两个或更多个突起是圆柱形，并且其中光束的第二部分由该两个或更多个突起偏转，该两个或更多个突起具有用于最小化由出射光束引起的虚拟图像的条纹的直径。两个或更多个突起的直径在10微米到900微米之间。光束的第二部分由两个或更多个突起偏转，该两个或更多个突起具有用于最小化由出射光束引起的虚拟图像的条纹的高度。两个或更多个突起的高度在10纳米到500纳米之间。

本说明书中描述的主题的创新方面可以体现于一种光学投射目镜。该光学投射目镜包括：第一侧，被配置为接收光束；第一波导和第二波导，该第一波导包括一个或多个第一衍射元件，该一个或多个第一衍射元件被配置为将该光束的第一部分朝向该第二波导偏转，该光束的第一部分与光的第一相位相关联；以及两个或更多个突起，该两个或更多个突起位于目镜的第一侧，并且被设置为将该光束的第二部分朝向该目镜的第二波导偏转，该光束的第二部分与不同于第一相位的光的第二相位相关联；其中，该第二波导包括一个或多个第二衍射元件，该一个或多个第二衍射元件被配置为将该光束的第一部分和第二部分中的一些部分偏转，以提供与虚拟图像相关联的并且基于该第一相位和第二相位的出射光束。

这些特征例如进一步包括两个或更多个突起，该两个或更多个突起具有用于最小化由出射光束引起的虚拟图像的条纹的图案。两个或更多个突起具有用于最小化由出射光束引起的虚拟图像的条纹的图案密度。两个或更多个突起是圆柱形，并且具有用于最小化由出射光束引起的虚拟图像的条纹的直径。两个或更多个突起的直径在10微米到900微米之间。两个或更多个突起具有用于最小化由出射光束引起的虚拟图像的条纹的高度。两个或更多个突起的高度在10纳米到500纳米之间。两个或更多个突起的第一子集与第一几何结构相关联，并且该两个或更多个突起的不同的第二子集与不同的第二几何结构相关联。两个或更多个突起具有光栅图案。两个或更多个突起的第一子集与第一折射率相关联，该两个或更多个突起的不同的第二子集与不同的第二折射率相关联。第一波导、第二波导或两者与两个或更多个突起的相位、偏振或两者相关联。

本说明书中描述的主题的一个或多个实施例的细节在下面的附图和描述中阐述。通过描述、附图和权利要求，主题的其它可能的特征、方面和优点将变得显而易见。

附图说明

图1示出了用于生成虚拟内容显示的光学投射目镜系统。

图2示出了虚拟图像。

图3示出了用于生成虚拟内容显示的光学投射目镜系统的侧视图。

图4示出了用于生成虚拟内容显示的光学投射目镜系统的俯视图。

图5示出了虚拟图像。

图6、图7、图11a、图11b和图12示出了用于生成虚拟内容显示的光学投射目镜系统的仰视图。

图8示出了光刻系统的简化侧视图。

图9示出了具有位于其上的图案化的层的基板的简化侧视图。

图10示出了用于生成虚拟内容显示的示例方法。

具体实施方式

图1示出了用于生成虚拟内容显示的光学投射目镜系统100。系统100包括第一波导102、第二波导104、光产生元件106和耦入光栅(icg)107。通常，波导102、104将光束(图像信息)从光产生元件106传播到观看者的一只或两只眼睛108。具体地，光产生元件106生成携带图像信息并进入icg107的光束110。icg107包括将光束110偏转到第一波导102的衍射元件106。第一波导102包括正交光瞳扩展(ope)衍射元件，并将光束110的一部分作为偏转光112偏转到第二波导104。第二波导104接收偏转光112。第二波导104包括出射光瞳扩展(epe)衍射元件，并将偏转光112的一部分作为出射光114偏转到观看者的一只或两只眼睛108。在一些示例中，偏转光112的剩余部分通过全内反射(tir)移动通过第二波导104。

在一些示例中，出射光114被分成多个相关光束，这些相关光束在多个位置处从第二波导104出射，导致出射光114包括均匀准直光束。在一些示例中，基于第二波导104的epe衍射元件的衍射图案，出射光114可以包括线性或发散的出射光114。

参考图2，示出了虚拟图像200。具体地，出射光114可以与虚拟图像200相关联，虚拟图像包括与形成虚拟图像200的至少一部分的出射光114相关联的图像信息。然而，与出射光114相关联的虚拟图像200可以包括由出射光114内的光干涉导致的暗条纹和/或亮条纹。具体地，虚拟图像200的条纹可以由出射光114的多个光束的界面导致。在一些示例中，当出射光114的两个或更多个光束异相时，出射光114的光强度通过破坏性界面减小。在一些示例中，当出射光114的两个或更多个光束同相时，出射光114的光强度通过构造性界面增加。由于出射光114的这种破坏性和构造性界面，虚拟图像200包括暗条纹和/或亮条纹。

图3示出了用于生成虚拟内容显示的光学投射目镜系统300的俯视图。具体地，系统300最小化由系统300生成的与出射光330相关联的虚拟图像(例如，虚拟图像200)的条纹。系统300包括第一波导302、第二波导304、光产生元件306和icg307。第一波导302包括突起308。

图4示出了光学投射目镜系统300的侧视图。系统300包括与第二侧311相对定位的第一侧310，第一波导302包括衍射元件312，第二波导304包括衍射元件314。在一些示例中，衍射元件312包括ope衍射元件，衍射元件314包括epe衍射元件。在一些示例中，突起308定位在第一侧310、第二侧311或两侧上。

在一些示例中，突起308有助于向与虚拟图像相关联的出射光330的光束添加随机干扰，以降低出射光330的相干度。因此，减少出射光330的多个光束之间的界面(如果未被最小化)，并且在不牺牲虚拟图像的图像质量(失真和模糊)的情况下提供合理的均匀光强度，在下面将进一步描述。

在一些实施方式中，光束320被引导到目镜300的第一侧310。也就是说，光产生元件306生成光束320并将光束320引导到目镜的第一侧310。在一些示例中，将光束320引导到目镜的第一侧310包括光产生元件306将光束320传输到icg307。在一些示例中，光束320包括与将由观看者的一只或两只眼睛322感知的虚拟图像相关联的图像信息。icg307将光束320偏转到第一波导302。

在一些实施方式中，第一波导302的衍射元件312使光束320的第一部分朝向第二波导304偏转，如偏转光324所示。在一些示例中，偏转光324与光的第一相位相关联。在一些示例中，偏转光324的光的第一相位与光束320的光的相位基本相同。也就是说，衍射元件312和第一波导302保持光束320的光的相位。在一些示例中，偏转光324的光的第一相位与光束320的光的相位不同。也就是说，衍射元件312和第一波导302调节光束320的光的相位。

在一些实施方式中，第一波导302的突起308使光束320的第二部分朝向第二波导304偏转，如偏转光326所示。在一些示例中，偏转光326与光的第二相位相关联。在一些示例中，偏转光326的光的第二相位与偏转光324的光的第一相位不同。

在一些示例中，由于由突起308进行的这种偏转，突起308调节光束320的光的相位，如偏转光326和光的第二相位所示。在一些示例中，突起308使光束320去相干以减轻偏转光324与偏转光326之间的干涉图案。为此，可以调整(例如，调谐)突起308的若干参数以最小化(如果不是阻止)虚拟图像(例如，虚拟图像200)的条纹并且获得虚拟图像的图像质量与条纹之间的平衡。也就是说，突起308与参数相关联，使得基于光束320在由突起308偏转时，偏转光326与期望的光的第二相位相关联以最小化偏转光324与偏转光325之间的干涉图案，并且因此最小化虚拟图像的条纹。在一些示例中，突起308与基于偏转光324的光的第一相位和/或光束320的光的相位的参数相关联以最小化偏转光324与偏转光326之间的干涉图案，并且因此最小化虚拟图像的条纹。

在一些示例中，突起308与最小化由出射光330引起的虚拟图像(例如，虚拟图像200)的条纹的图案相关联。在一些示例中，突起308的图案是随机的。在一些示例中，突起308的图案是几何形状，例如圆形或六边形。在一些示例中，突起308的图案与密度相关联，并且突起308的图案密度最小化由出射光330引起的虚拟图像的条纹。突起308的图案密度可以包括由第一波导302或第一波导302的任何子部分包括的一定量的突起308。也就是说，第一波导302的不同区域可以包括不同密度的突起308以最小化由出射光330引起的虚拟图像的条纹。

在一些示例中，突起308是一个或多个几何形状以最小化由出射光330引起的虚拟图像(例如，虚拟图像200)的条纹。在一些示例中，突起308的子集是第一几何形状的，并且其余突起308是不同的几何形状的。在一些示例中，突起308可以包括任何数量的子集，每个子集与不同的形状相关联。在一些示例中，几何形状可以包括圆柱形、立方形、圆锥形、金字塔形或任何三维形状。在一些示例中，当突起308(或其任何子集)包括圆柱形突起308时，圆柱形突起的直径在10微米到900微米之间。

在一些示例中，突起308具有用于最小化由出射光330引起的虚拟图像(例如，虚拟图像200)的条纹的高度。在一些示例中，突出308可以与两个或更多个子集相关联，每个子集具有不同的高度。在一些示例中，突起308的高度在10纳米到500纳米之间。

在一些示例中，一个或多个突起308与不同的结构相关联，诸如金字塔、方柱、圆柱或多阶梯结构。这些结构与不同的中值光折射率相关联，使得当光束320由突起308偏转时，偏转光326与期望的光偏振相关联以最小化偏转光324与偏转光326之间的干涉图案，因此，最小化虚拟图像的条纹。

在一些示例中，第二波导304从第一波导302接收偏转光324、326。在一些实施方式中，第二波导304的衍射元件314朝向观看者的一只或两只眼睛对偏转光324、326中的一些部分进行偏转，如出射光330所示。在一些示例中，出射光330基于偏转光324、326，并且具体地，分别基于偏转光324、326的光的第一相位和光的第二相位。也就是说，出射光330的光的相位分别基于偏转光324、326的光的第一相位和光的第二相位。在一些示例中，出射光330基于偏转光324、326的叠加，并且进一步地，出射光330的光的相位基于偏转光324、326的叠加。

为此，出射光330的光的相位最小化(如果不是阻止)虚拟图像(例如，虚拟图像200)的条纹。具体地，调整偏转光324、326的光的相位(例如，突起308的参数)以获得偏转光324与偏转光326之间的期望光学干涉。由此，获得出射光330的期望的光学特性(例如，光的相位)以最小化(如果不是阻止)虚拟图像(如图5所示的虚拟图像500)的条纹。

在一些示例中，出射光330包括图像信息，该图像信息被分成多个相关光束，这些相关光束从第二波导304出射以形成虚拟图像500。

参考图6，示出了光学投射目镜系统300的仰视图。在一些示例中，第一波导302包括突起308，第二波导304包括突起602，突起602类似于突起308。具体地，第二波导304的突起602使偏转的光324、326中的一些部分朝向观看者的一只或两只眼睛322偏转，这与由第二波导304的衍射元件314偏转的光不同。因此，出射光330包括由衍射元件314和突起602偏转的光的部分。

在一些示例中，由突起602偏转的偏转光324与光的第三相位相关联。也就是说，由第一波导302的衍射元件312偏转的光束320的部分由突起602进一步偏转。在一些示例中，通过突起602偏转的光的第三相位与偏转光324的光的第一相位或偏转光326的光的第二相位不同。

在一些示例中，由突起602偏转的偏转光326与光的第四相位相关联。也就是说，由第一波导302的突起308偏转的光束320的部分由突起602进一步偏转。在一些示例中，由突起602偏转的光的第四相位与偏转光324的光的第一相位、偏转光326的光的第二相位和/或由突起602偏转的偏转光324的光的第三相位不同。

为此，与突起308类似，可以调整(例如，调谐)突起602的参数以最小化而不是阻止虚拟图像(例如，虚拟图像200)的条纹并获得虚拟图像的图像质量与条纹之间的平衡。也就是说，突起602与参数相关联，使得当偏转光324、326由突起602偏转时，由突起602偏转的光与期望的光的第三相位和/或光的第四相位相关联以最小化由突起602进一步偏转的偏转光324与偏转光326之间的干涉图案，并因此最小化虚拟图像的条纹。

在一些示例中，出射光330基于偏转光324、326，以及由突起602进一步偏转的偏转光324、326，具体地，分别基于偏转光324、326的光的第一相位和光的第二相位，以及基于由突起602进一步偏转的偏转光324、326的光的第三相位和光的第四相位。也就是说，出射光330的光的相位分别基于偏转光324、326的光的第一相位和光的第二相位，以及基于由突起602进一步偏转的偏转光324、326的光的第三相位和光的第四相位。在一些示例中，出射光330基于偏转光324、326以及通过突起602进一步偏转的偏转光324、326的叠加，进一步地，出射光330的光的相位基于偏转光324、326以及通过突起602进一步偏转的偏转光324、326的叠加。

为此，出射光330的光的相位最小化(如果不是阻止)虚拟图像(例如，虚拟图像200)的条纹。具体地，调整偏转光324、326以及由突起602进一步偏转的偏转光324、326的光的相位(例如，突起308、602的参数)以获得偏转光324、326与由突起602进一步偏转的偏转光324、326之间的期望的光学干涉。由此，获得出射光330的期望的光学特性(例如，光的相位)以最小化(如果不是阻止)虚拟图像的条纹。

参考图7，示出了光学投射目镜系统300的仰视图。具体地，突起308、602包括光栅图案。光栅图案可以为出射光束330提供双折射，并且还提供出射光束330的去相干。在一些示例中，突起308的任何子集可以包括光栅图案。在一些示例中，针对突起308的一个或多个子集光栅图案可以不同。

在一些示例中，突起308的子集与不同的结构相关联。如图7所示，第一组突起308与第一光栅取向630相关联，第二组突起与第二光栅取向640相关联，第二光栅取向640与第一光栅取向630不同。第一光栅取向630与第一光栅取向630的组合可以修改光束320的偏振并最小化偏转光324与偏转光326之间的干涉图案，并因此最小化虚拟图像的条纹。也就是说，突起308与不同的中值光折射率相关联，使得当光束320由突起308偏转时，偏转光326与期望的光偏振相关联以最小化偏转光324与偏振光326之间的干涉图案，并因此最小化虚拟图像的条纹。在一些示例中，第一光栅取向630和/或第二光栅取向640可以包括具有100-150纳米间距、20-70纳米线宽和50-150纳米高度的线和间隔。

在一些示例中，突起308中的一者或多者与变化的折射率相关联，例如从1.52到1.62。例如，第一组突起308与第一折射率相关联，第二组突起308与第二折射率相关联。

在一些示例中，突起308(和/或突起602)的相位和/或偏振可以从突起308中获得。所获得的相位或偏振功能可以被集成到ope102和epe的设计中。在一些示例中，第一侧310没有(或独立于)突起308。

在一些示例中，光学投射目镜系统300的第二波导304没有(或独立于)突起(例如，突起602)，并且仅第一波导302包括突起308，如图11a和图11b所示。在一些示例中，第一波导302的突起308和/或第二波导304的突起602是椭圆形，如图12所示。

在一些实施方式中，可使用任何光刻处理来形成突起308(和/或突起602)。在一些示例中，使用压印光刻形成突起308、602。具体地，图8示出了在基板802上形成浮雕图案的压印光刻系统800。在一些示例中，基板802可以包括第一波导302和/或第二波导304。基板802可以耦合到基板卡盘804。在一些示例中，基板卡盘804可以包括真空卡盘、销型卡盘、沟槽型卡盘、电磁卡盘等。在一些示例中，基板802和基板卡盘804可以进一步定位在空气轴承806上。空气轴承806提供围绕x轴、y轴和/或z轴的运动。在一些示例中，基板802和基板卡盘804定位在平台上。空气轴承806、基板802和基板卡盘804也可以定位在基座608上。在一些示例中，自动操作(robotic)系统180将基板802定位在基板卡盘804上。

基板802可以包括与基板卡盘804相对定位的平坦表面811。在一些示例中，基板802可以与基板802上基本均匀(恒定)的厚度相关联。

压印光刻系统800还包括压印光刻柔性模板812，该柔性模板取决于设计考虑被耦合到一个或多个辊814。辊814提供柔性模板812的至少一部分的移动。这种移动可以选择性地提供与基板802重叠的柔性模板812的不同部分。在一些示例中，柔性模板812包括图案化表面，其包括多个特征，例如间隔开的凹槽和突起。然而，在一些示例中，其它配置的特征也是可能的。图案化表面可以限定任何原始图案，该原始图案形成要在基板802上形成的图案的基础。也就是说，图案化表面可以分别在第一波导302和/或第二波导304上形成突起308、602。在一些示例中，柔性模板812可以耦合到模板卡盘，例如真空卡盘、销型卡盘、沟槽型卡盘、电磁卡盘等。

压印光刻系统800还可以包括流体分配系统820。流体分配系统820可以用于在基板802上沉积可聚合材料。可聚合材料可以使用诸如滴分配、旋涂、浸涂、化学气相沉积(cvd)、物理气相沉积(pvd)、薄膜沉积、厚膜沉积等之类的技术以定位在基板802上。在一些示例中，可聚合材料作为多个小液滴定位在基板802上。

参考图8和图9，压印光刻系统800还可以包括能量源822，该能量源通过耦合以将能量导向基板802。在一些示例中，辊814和空气轴承806被配置为将柔性模板812和基板802的期望部分定位在期望位置。压印光刻系统800可以由与空气轴承806、辊814、流体分配系统820和/或能量源822连通的处理器调节，并且可以根据存储在存储器中的计算机可读程序进行操作。

在一些示例中，辊814、空气轴承806或两者改变柔性模板812与基板802之间的距离以限定其间由可聚合材料填充的期望体积。例如，柔性模板812接触可聚合材料。在期望体积被可聚合材料填充后，能量源822产生能量(例如，宽带紫外辐射)，使可聚合材料符合基板102表面和柔性模板122的图案化表面的一部分的形状来凝固和/或交差链接(cross-link)，从而限定基板302上的图案化的层950。在一些示例中，图案化的层950可以包括残留层952和显示为突起954和凹槽956的多个特征。在一些示例中，突起954包括突起308、602。

图10示出了用于生成虚拟内容显示的示例方法。过程800被示为在逻辑流程图中排列的参考动作的集合。描述动作的顺序不旨在被解释为限制，任何数量的所描述的动作可以以其它顺序和/或并行地进行组合以实现该过程。

光束320被引导到目镜300的第一侧310(1002)。在一些示例中，光束320被透射到目镜300的第一波导302内。光束320的第一部分由第一波导302的第一衍射元件312朝向目镜300的第二波导304偏转(1004)。在一些示例中，光束320的第一部分与光的第一相位相关联。光束320的第二部分由位于目镜300的第一侧310上的突起308朝向目镜300的第二波导304偏转(1006)。在一些示例中，光束320的第二部分与不同于第一相位的光的第二相位相关联。光束320的第一部分和第二部分中的一些部分由第二波导304的第二衍射元件314偏转，以提供与虚拟图像相关联的出射光束330(1008)。在一些示例中，出射光束330基于第一相位和第二相位。