基于结合有无机材料的聚合物结构的光学元件制造技术

本公开涉及显示系统，更具体地，涉及增强现实显示系统。在一个方面，一种制造光学元件的方法包括提供具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底。该方法还包括在衬底上形成周期性重复的聚合物结构。该方法还包括将衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体。在压力和温度下执行暴露衬底，以使得包括金属前体的金属的无机材料被结合到周期性重复的聚合物结构中，从而形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案。该光学结构具有大于第一折射率的第二折射率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于结合有无机材料的聚合物结构的光学元件相关申请的交叉引用本申请要求2018年1月4日提交的名称为“OPTICALELEMENTSBASEDONPOLYMERICSTRUCTURESINCORPORATINGINORGANICMATERIALS(基于结合有无机材料的聚合物结构的光学元件)”的美国临时专利申请No.62/613,651的优先权的权益，其全部内容通过引用并入本申请。援引并入本申请还通过引用并入下列所有专利申请：2014年11月27日提交的美国申请No.14/555,585，其在2015年7月23日被公开为美国公开No.2015/0205126；2015年4月18日提交的美国申请No.14/690,401，其在2015年10月22日被公开为美国公开No.2015/0302652；2014年3月14日提交的美国申请No.14/212,961，现为2016年8月16日发布的美国专利No.9,417,452；2014年7月14日提交的美国专利申请No.14/331,218，其在2015年10月29日被公开为美国公开No.2015/0309263。
本公开涉及显示系统，更具体地，涉及增强现实现实系统。
技术介绍
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”体验的系统的开发，其中数字再现的图像或其部分以它们看起来真实或可被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景典型涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而对其它实际现实世界视觉输入没有透明性；增强现实或“AR”场景通常涉及将数字或虚拟图像信息呈现为对用户周围的真实世界的可视化的增强。混合现实或“MR”场景是一种AR场景，并且通常涉及集成到自然世界中并对自然世界做出响应的虚拟对象。例如，MR场景可包括看起来被现实世界中的对象阻挡或者以其它方式被感知为与现实世界中的对象交互的AR图像内容。参考图1，描述了增强现实场景1。AR技术的用户看到以人、树、背景中的建筑物和混凝土平台30为特征的真实世界公园状设置20。用户还察觉到他“看到”“虚拟内容”，例如站在真实世界平台30上的机器人像40，以及飞过的卡通状化身角色50，其似乎是大黄蜂的拟人化。这些元素50、40是“虚拟的”，因为它们不存在于真实世界中。因为人类视觉感知系统是复杂的，所以产生促进虚拟图像元素与其它虚拟或真实世界的图像元素的舒适、感觉自然、丰富的呈现的AR技术是有挑战性的。本文所揭示的系统和方法解决与AR和VR技术相关的各种挑战。
技术实现思路
在第一方面，一种制造光学元件的方法包括提供具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底。该方法还包括在衬底上形成周期性重复的聚合物结构。该方法还包括将衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体。在压力和温度下执行暴露衬底，以使得包括金属前体的金属的无机材料被结合到周期性重复的聚合物结构中，从而形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案。光学结构具有大于第一折射率的第二折射率。在第二方面，光学元件包括具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底。光学元件还包括周期性重复的光学结构的图案，该光学结构形成在衬底上并被配置为衍射可见光。光学结构具有大于第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料。在第三方面，一种光学系统包括光学元件。光学元件包括具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底。光学元件还包括周期性重复的光学结构的图案，该光学结构形成在衬底上并被配置为衍射可见光。光学结构具有大于第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料。周期性重复的光学结构包括被布置作为超表面的纳米束。超表面包括多个重复的单位单元，其中每个单位单元包括由一个或多个第一纳米束形成的第一组纳米束和由与一个或多个第一纳米束相邻设置且彼此隔开一个亚波长间隔的一个或多个第二纳米束形成的第二组纳米束。一个或多个第一纳米束和多个第二纳米束在不同的取向方向上伸长。在第四方面，光学系统包括被配置为传播可见光的波导。该光学系统包括具有第一折射率并且在可见光谱中是透明的衬底，以使得可以通过全内反射在其中引导光。该光学系统还包括周期性重复的光学结构的图案，该光学结构形成在衬底上并被配置为衍射可见光。光学结构具有大于第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料。周期性重复的光学结构被布置为相对于入射光的方向以衍射角衍射光并且使衍射光在衬底中在全内反射下传播，或者被布置为相对于在衬底内被引导的光的方向以衍射角来衍射在衬底内在全内反射下被引导的光。在第五方面，头戴式显示装置被配置为将光投射到用户的眼睛以显示增强现实图像内容。头戴式显示装置包括被配置为被支撑在用户的头部上的框架。头戴式显示装置还包括设置在框架上的显示器，其中显示器的至少一部分包括一个或多个波导。一个或多个波导是透明的并且当用户佩戴头戴式显示装置时被布置在用户的眼睛前面的位置，使得透明部分将光从用户前面的一部分环境传输到用户的眼睛以便提供用户前面的该部分环境的视图。头戴式显示装置还包括一个或多个光源和至少一个衍射光栅，该衍射光栅被配置为将来自光源的光耦入到一个或多个波导中或将光从一个或多个波导耦出。至少一个衍射光栅包括具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底。至少一个衍射光栅另外包括周期性重复的光学结构的图案，该光学结构形成在衬底上并且被配置为衍射可见光。光学结构具有大于第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料。在第六方面，一种制造光学元件的方法包括：提供在可见光谱中透明的衬底；在衬底上形成具有第一折射率的周期性重复的聚合物结构；以及将衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体。在压力和温度下执行暴露，以使得将包含金属前体的金属的无机材料结合到周期性重复的聚合物结构中，从而增加周期性重复的聚合物结构的折射率以形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案。在第七方面，一种制造光学元件的方法包括：提供具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底，其中，该衬底具有在其上形成的周期性重复的聚合物结构。该方法另外包括将衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体。在压力和温度下执行暴露，以使得包括金属前体的金属的无机材料被结合到周期性重复的聚合物结构中，从而形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案，其中光学结构具有大于第一折射率的第二折射率。附图说明图1示出了通过AR装置的用户的增强现实(AR)的视图。图2示出了可穿戴显示系统的示例。图3示出了用于模拟用户的三维图像的常规显示系统。图4示出了使用多个深度平面来模拟三维图像的方法的各方面。图5A-5C示出了曲率半径和聚焦半径之间的关系。图6示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。图7示出了由波导输出的出射光束的示例。图8示出了堆叠波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多个不同分量颜色形成的图像。图9A示出了堆叠波导组的示例的截面侧视图，每个堆叠波导包括耦入光学元件。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造光学元件的方法，包括：/n提供具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底；/n在所述衬底上形成周期性重复的聚合物结构；以及/n将所述衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体，/n其中，暴露是在压力和温度下执行的，以使得包括所述金属前体的金属的无机材料被结合到所述周期性重复的聚合物结构中，从而形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案，所述光学结构具有大于所述第一折射率的第二折射率。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180104 US 62/613,6511.一种制造光学元件的方法，包括：
提供具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底；
在所述衬底上形成周期性重复的聚合物结构；以及
将所述衬底暴露于金属前体，然后暴露于氧化前体，
其中，暴露是在压力和温度下执行的，以使得包括所述金属前体的金属的无机材料被结合到所述周期性重复的聚合物结构中，从而形成被配置为衍射可见光的周期性重复的光学结构的图案，所述光学结构具有大于所述第一折射率的第二折射率。


2.一种光学元件，包括：
具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底；以及
周期性重复的光学结构的图案，所述周期性重复的光学结构被形成在所述衬底上并且被配置为衍射可见光，所述光学结构具有大于所述第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料。


3.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述聚合物材料具有小于所述第二折射率的体折射率，以及所述无机材料具有高于所述第二折射率的体折射率。


4.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述第二折射率大于1.7并且比所述第一折射率大至少0.2。


5.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述衬底具有大于1.5的折射率。


6.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述聚合物材料包括光致抗蚀剂。


7.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述无机材料包括过渡金属氧化物。


8.根据权利要求7所述的光学元件，其中，所述无机材料包括金属氧化物。


9.根据权利要求7所述的光学元件，其中，所述金属氧化物包括选自包括以下项的组的氧化物：氧化铝、氧化锌、氧化锆，氧化铪、和氧化钛。


10.根据权利要求7所述的光学元件，其中，所述无机材料被结合到所述光学结构的表面区域中，并且所述光学结构的芯区域没有在其中结合无机材料。


11.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述周期性重复的光学结构中的相邻光学结构被空间隔开，其中，所述衬底的在所述空间中的表面没有在其上设置所述无机材料。


12.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述周期性重复的光学结构中的相邻光学结构被空间隔开，其中，所述衬底的在所述空间中的表面在其上形成有在其中结合有所述无机材料的聚合物材料层，所述层具有小于所述光学结构的高度的厚度。


13.根据权利要求12所述的光学元件，其中，在所述空间中形成的所述聚合物材料层的整个厚度都与所述无机材料结合。


14.根据权利要求12所述的光学元件，其中，在所述空间中形成的所述聚合物材料层有部分厚度在表面区域与所述无机材料结合，并有部分厚度未与所述无机材料结合。


15.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述衬底被配置为使得由周期性重复的光学结构衍射的可见光在全内反射下传播。


16.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述周期性重复的光学结构包括超表面。


17.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述衬底被配置为使得可见光在其中在全内反射下被引导并被周期性重复的光学结构衍射出所述衬底。


18.根据权利要求2所述的光学元件，其中，所述衬底被配置为使得可见光在其中在全内反射下被引导并被周期性重复的光学结构衍射以便更改光束通过全内反射在所述衬底内传播的方向。


19.一种光学系统，包括：
光学元件，包括：
具有第一折射率并且在可见光谱中透明的衬底，以及
周期性重复的光学结构的图案，所述周期性重复的光学结构被形成在所述衬底上并被配置为衍射可见光，所述光学结构具有大于第一折射率的第二折射率并且包括在其中结合有无机材料的聚合物材料，
其中，所述周期性重复的光学结构包括被布置为超表面的纳米束，所述超表面包括多个重复的单位单元，每个单位单元包括：
由一个或多个第一纳米束形成的第一组纳米束；以及
由一个或多个第二纳米束形成的第二组纳米束，所述一个或多个第二纳米束与所述一个或多个第一纳米束相邻设置并且以亚波长间隔彼此隔开，
其中，所述一个或多个第一纳米束和所述多个第二纳米束在不同的取向方向上伸长。


20.根据权利要求19所述的光学系统，其中，所述单位单元以小于或等于约10nm至1μm的周期重复。


21.根据权利要求19所...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·M·韦斯特，C·佩罗兹，M·梅利，
申请(专利权)人：奇跃公司，
类型：发明
国别省市：美国;US