具有偏振敏感性降低的衍射光栅的显示设备制造技术

闪耀衍射光栅在头戴式显示系统中提供光学元件，以例如将光耦入到波导中或将光从波导耦出。这些闪耀衍射光栅可以被配置为具有降低的偏振敏感性。例如，这种光栅可以以相似的效率水平将不同偏振的光耦入或耦出。闪耀衍射光栅和波导可以形成在诸如铌酸锂的高折射率基板中。在一些实施方式中，闪耀衍射光栅可以包括具有40nm至120nm，例如80nm，的特征高度的衍射特征。衍射特征可以被蚀刻到例如铌酸锂的高折射率基板中。折射率基板中。折射率基板中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有偏振敏感性降低的衍射光栅的显示设备
[0001]相关申请的相交引用
[0002]本申请要求2019年7月19日提交的名称为“DISPLAY DEVICE HAVING DIFFRACTION GRATINGS WITH REDUCED POLARIZATION SENSITIVITY(具有偏振敏感性降低的衍射光栅的显示设备)”的序列号为62/876,205的美国临时申请、以及2019年9月18日提交的名称为“DISPLAY DEVICE HAVING DIFFRACTION GRATINGS WITH REDUCED POLARIZATION SENSITIVITY(具有偏振敏感性降低的衍射光栅的显示设备)”的序列号为62/902,328的美国临时申请的优先权益，在此将其全部内容通过引用的方式并入本文。
[0003]通过引用的并入
[0004]本申请通过引用包含以下每个专利申请的全部内容：2014年11月27日提交的序列号为14/555,585，于2015年7月23日被公开为美国公开2015/0205126的美国申请；2015年4月18日提交的序列号为14/690,401，于2015年10月22日被公开为美国公开2015/0302652的美国申请；2014年3月14日提交的序列号为14/212,961，现为2016年8月16日公开的美国专利9,417,452的美国申请；以及2014年7月14日提交的序列号为14/331,218，于2015年10月29日被公开为美国公开2015/0309263的美国申请。

<br/>[0005]本公开涉及显示系统，更具体地，涉及增强和虚拟现实显示系统。

技术介绍

[0006]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看起来或可以被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及对其它实际的真实世界视觉输入不透明地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作为对用户周围实际世界的可视化的增强。混合现实或“MR”场景是一种AR场景，并且通常涉及整合到自然世界中并响应于自然世界的虚拟对象。例如，在MR场景中，AR图像内容可以被真实世界中的对象遮挡或者被感知为与真实世界中的对象交互。
[0007]参考图1，示出了增强现实场景10，其中，AR技术的用户看到真实世界的公园式设置环境20，该设置环境以人、树、位于背景中的建筑物以及混凝土平台30为特征。除了这些项目之外，AR技术的用户还感知到他“看到”“虚拟内容”，例如站在真实世界平台30上的机器人雕像40，以及飞过的卡通式化身角色50，该角色看上去是大黄蜂的化身，即使这些元素40、50在真实世界中不存在。由于人类视觉感知系统复杂，因此产生便于从其它虚拟或真实世界图像元素当中舒适、自然、丰富地呈现虚拟图像元素的AR技术极具挑战性。
[0008]本文公开的系统和方法解决了与AR和VR技术相关的各种挑战。

技术实现思路

[0009]在一方面，一种头戴式显示系统包括：头戴式框架；光投射系统，其被配置为输出
光以提供图像内容；以及由所述框架支撑的波导。所述波导包括基板，所述基板包括具有至少1.9的折射率的材料。所述基板被配置为引导被耦合到所述波导中的来自所述光投射系统的所述光的至少一部分。所述头戴式显示系统还包括：闪耀衍射光栅，其在所述基板中形成或在被设置于所述基板之上的层中形成。所述闪耀衍射光栅在入射到其上的光的角度范围内对第一偏振具有第一衍射效率，以及在入射到其上的光的所述角度范围内对第二偏振具有第二衍射效率。所述第一衍射效率在所述第二衍射效率的1至2倍之间。
[0010]在另一方面，一种光波导包括：包括具有至少1.9的折射率的材料的基板。所述基板被配置为通过全内反射在所述波导内引导被耦合到所述波导中的光。所述光波导还包括：闪耀衍射光栅，其在所述基板中形成或在被设置于所述基板之上的层中形成的。所述闪耀衍射光栅在入射到其上的光的角度范围上针对第一偏振具有第一衍射效率，并在入射到其上的光的所述角度范围上针对第二偏振具有第二衍射效率。所述第一衍射效率在所述第二衍射效率的1至2倍之间。
附图说明
[0011]图1示出了用户通过AR设备看到的增强现实(AR)的视图。
[0012]图2示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示系统。
[0013]图3A至3C示出了曲率半径与焦半径之间的关系。
[0014]图4A示出了人类视觉系统的适应
‑
聚散(accommodation
‑
vergence)响应的表示。
[0015]图4B示出了用户的一双眼睛的不同适应状态和聚散状态的示例。
[0016]图4C示出了用户经由显示系统观看内容的俯视图表示的示例。
[0017]图4D示出了用户经由显示系统观看内容的俯视图表示的另一示例。
[0018]图5示出了用于通过修改波前发散来模拟三维图像的方法的各方面。
[0019]图6示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。
[0020]图7示出了由波导输出的出射光束的示例。
[0021]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种不同组分颜色形成的图像。
[0022]图9A示出了分别包括耦入光学元件的一组堆叠波导的示例的截面侧视图。
[0023]图9B示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。
[0024]图9C示出了图9A和9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。
[0025]图9D示出了可穿戴显示系统的示例。
[0026]图10A示意性地示出了波导的一部分的截面图，该波导具有设置在其上的例如用于将光耦入到波导中的衍射光栅。
[0027]图10B示出了波导的截面图，其示出了波导的视场(FOV)Δα，该波导具有设置在其上的闪耀衍射光栅。
[0028]图11A示出了用于形成波导的蚀刻工艺，该波导具有设置在其上的单台阶闪耀衍射光栅。
[0029]图11B是单台阶闪耀光致抗蚀剂光栅的扫描电子显微照片。
[0030]图11C示出了用于形成波导的蚀刻工艺，该波导具有设置在其上的多台阶闪耀衍射光栅。
[0031]图11D是多台阶闪耀光致抗蚀剂光栅的扫描电子显微照片。
[0032]图11E示出了衍射光栅的两种不同闪耀几何形状的截面侧视图。
[0033]图12A
‑
12F示出了各种基板的扫描电子显微照片，在基板上形成有具有不同闪耀几何形状的闪耀衍射光栅。
[0034]图13是针对具有不同闪耀几何形状的各种衍射光栅的作为入射角的函数的横向磁(TM)偏振光的衍射效率与横向电(TE)偏振光的衍射效率的比的曲线图。
[0035]图14是针对绿色、蓝色和红色波长的关于具有峰高度或凹槽深度为80nm的衍射特征的衍射光栅的作为入射角的函数的横向磁(TM)偏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种头戴式显示系统，包括：头戴式框架；光投射系统，其被配置为输出光以提供图像内容；以及由所述框架支撑的波导，所述波导包括基板，所述基板包括具有至少1.9的折射率的材料，所述基板被配置为引导被耦合到所述波导中的来自所述光投射系统的所述光的至少一部分；以及闪耀衍射光栅，其在所述基板中形成或在被设置于所述基板之上的层中形成；其中，所述闪耀衍射光栅在入射到其上的光的角度范围内对第一偏振具有第一衍射效率，以及在入射到其上的光的所述角度范围内对第二偏振具有第二衍射效率，所述第一衍射效率在所述第二衍射效率的1至2倍之间。2.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅在所述基板中形成，并被布置成与所述基板光学通信。3.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅在被设置于所述基板之上的层中，并被布置成与所述基板光学通信。4.根据权利要求3所述的头戴式显示系统，其中，所述层物理接触所述基板。5.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，具有至少1.9的折射率的所述材料包括基于锂的氧化物、碳化硅、二氧化锆或二氧化钛。6.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅在被设置于所述基板之上的所述层中形成，并且其中，所述层包括氮化硅、二氧化锆、二氧化钛或碳化硅。7.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅在被设置于所述基板之上的所述层中形成，并且其中，所述层具有低于所述基板的折射率。8.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述材料具有至少2.0至2.7的折射率。9.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括衍射特征，所述衍射特征包括由凹槽间隔开的峰。10.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括衍射特征，所述衍射特征包括多条直线。11.根据权利要求10所述的头戴式显示系统，其中，所述多条直线包括不连续的直线。12.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括衍射特征，所述衍射特征包括从所述基板的表面突出的多个柱。13.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括具有10至150nm的峰高度或凹槽深度的衍射特征。14.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述衍射特征是不对称的。15.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅具有250至350nm的节距。16.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，闪耀衍射光栅具有300至450nm的节距。17.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述基板是平面的，并且所述闪耀衍射光栅相对于所述基板的所述平面具有10至30度的闪耀角。
18.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率是所述第二衍射效率的1至1.5倍。19.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围是至少6度。20.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述角度范围相对于所述基板的所述平面在
±
3度之间。21.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述第一偏振和所述第二偏振包括具有不同偏振角的第一线性偏振和第二线性偏振。22.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述第一偏振和所述第二偏振包括在正交方向上定向的第一线性偏振和第二线性偏振。23.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述第一偏振包括横向磁偏振和横向电偏振中的一个，以及其中，所述第二偏振包括横向电偏振和横向磁偏振中的另一个。24.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述第一衍射效率包括在所述可见光谱上平均的横向磁偏振光和横向电偏振光中的一个的衍射效率，以及其中，所述第二衍射效率包括在所述可见光谱上平均的横向磁偏振光和横向电偏振光中的另一个的衍射效率。25.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅针对具有所述第一偏振的红色光波长的衍射效率是针对具有所述第二偏振的所述红色波长的衍射效率的1至2倍。26.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅针对具有所述第一偏振的绿色光波长的衍射效率是针对具有所述第二偏振的所述绿色波长的衍射效率的1至1.5倍。27.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅针对具有所述第一偏振的蓝色光波长的衍射效率是针对具有所述第二偏振的所述蓝色光波长的衍射效率的0.7至1倍。28.根据权利要求1所述的头戴式显示器系统，其中，所述波导被包括在目镜中，所述目镜被配置为将光引导到佩戴所述头戴式显示器的用户的眼睛。29.根据权利要求28所述的头戴式显示系统，其中，所述目镜被设置在所述框架上，并且被配置为将来自所述光投射系统的光引导到所述用户的所述眼睛中以将增强现实图像内容显示到所述用户的所述视场，所述目镜的至少一部分是透明的，并且在所述用户佩戴所述头戴式显示系统时被设置在所述用户的所述眼睛前方的位置，其中，所述透明的部分将来自所述用户的前方的物理环境的一部分的光透射到所述用户的所述眼睛以提供所述用户的前方的所述物理环境的所述部分的视图。30.根据权利要求28所述的头戴式显示系统，其中，所述目镜包括所述至少一个波导，并且所述至少一个波导对可见光是透明的，以使得所述用户能够通过所述波导观看。31.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述波导包括耦入光学元件，所述耦入光学元件用于将来自所述光投射系统的光耦合到所述波导中以在其中被引导。32.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述波导包括耦出光学元件，所述耦出光学元件用于将来自所述光投射系统的光从所述波导耦出并且将所述光引导到所述用户的眼睛以将所述图像内容呈现给所述观看者。
33.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括被配置为将来自所述光投射系统的光耦入到所述波导中的耦入光栅ICG。34.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括被配置为将在所述波导内被引导的来自所述光投射系统的光从所述波导耦出的耦出光栅EPE。35.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述闪耀衍射光栅包括以一维1D阵列形成的衍射特征。36.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：K，
申请(专利权)人：奇跃公司，
类型：发明
国别省市：