夾心式衍射光學(xué)組合器的制造方法
【專利摘要】一種光學(xué)組合器包含安置于基底夾層的第一側(cè)中的三維“3D”衍射元件形狀的二維“2D”陣列。部分反射元件涂覆所述3D衍射元件形狀中的每一者。所述部分反射元件共同形成反射衍射光柵，所述反射衍射光柵具有用于穿過所述光學(xué)組合器的眼場側(cè)入射于所述反射衍射光柵上的圖像光的放大光學(xué)功率。平面化夾層安置于所述部分反射元件上方且具有實質(zhì)上等于所述基底夾層的折射率的折射率，以使得穿過外部場景側(cè)入射的外部場景光實質(zhì)上無衍射地通過所述光學(xué)組合器，而穿過所述眼場側(cè)入射的所述圖像光經(jīng)由所述反射衍射光柵反射及放大。
【專利說明】夾心式衍射光學(xué)組合器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體來說涉及光學(xué)器件的領(lǐng)域，且特定來說(但非排他地)涉及衍射元件。

【背景技術(shù)】
[0002]在光學(xué)器件的領(lǐng)域中，組合器是從組合器的相同側(cè)(反射/反射或透射/透射)或從組合器的兩個不同側(cè)(反射/透射)將兩個圖像組合在一起的光學(xué)設(shè)備。光學(xué)組合器時常用于允許用戶觀看疊加于外部視圖上的計算機產(chǎn)生圖像(“CGI”)的抬頭顯示器(“HUD”)中。HUD使得用戶能夠在不必將視線從其平常視點移開的情況下觀看CGI。術(shù)語HUD起源于其在航空電子學(xué)中的使用，其使得飛行員能夠在抬頭向前看的同時觀看信息，此與向下看儀器面板相反。常規(guī)HUD包含傾斜二向色板、全息組合器、成角度透明襯底及復(fù)合共軛透鏡。
[0003]存在組合器的兩種版本。第一版本在不對任一場添加任何透鏡處方的情況下組合兩個場(通常為傾斜二向色板或復(fù)合共軛透鏡)。第二版本除組合功能性以外還包含透鏡作用功能性，其通常為用于來自顯示器的場的離軸非球面透鏡作用處方。來自場景的場通常不隨任何透鏡作用功能性改變。透鏡作用功能性通常用于將顯示器的虛擬圖像形成到遠場中或距組合器特定距離處。
[0004]全息組合器通常由于其顯著成本而用于軍事應(yīng)用中，但確實提供高質(zhì)量HUD?？赏ㄟ^將重鉻酸鹽明膠、齒化銀或光聚合物暴露于一對相交激光光束(參考光束及物體光束)來制作全息組合器。將這些光束之間的干涉圖案記錄到全息媒體中，借此在固化之后形成全息組合器。可將全息圖制作為具有僅用于經(jīng)反射波(來自顯示器的波)的光學(xué)功率的復(fù)合鏡，從而使經(jīng)透射波不受擾動。還可將全息圖制作為在透射模式中類似地操作。復(fù)合鏡性質(zhì)反射沿所要方向以給定角度入射的給定波長，而光學(xué)功率性質(zhì)提供透鏡作用功能，例如凹面反射器。此為傳統(tǒng)體積全息圖的布拉格(Bragg)條件。然而，全息組合器具有若干個缺點。其制作昂貴、難以大量生產(chǎn)且具有有限使用壽命(例如，由于溫度、濕度、壓力及其它苛刻環(huán)境條件而開始降級)。
[0005]已在汽車中使用成角度透明襯底組合器在擋風(fēng)玻璃上給駕駛員呈現(xiàn)HUD信息。這些光學(xué)組合器由透明透視襯底制成，外部圖像源在所述襯底上顯示CGI。然而，由于透明透視襯底通常為不具有光學(xué)功率的平坦襯底以便不使外部FOV失真，因此透明襯底必須成角度(例如，接近45度)且使用龐大的外部放大透鏡來擴展顯示區(qū)域上方的CGI。龐大的外部透鏡及透明透視襯底組合器的成角度性質(zhì)使得其不十分有助于緊湊布置，例如頭戴式顯示器(“HMD”)。
[0006]通常在觀測器中使用復(fù)合共軛透鏡組合器來在外部視圖上顯示圖像(例如，瞄準器)。這些光學(xué)組合器包含兩個透鏡。第一透鏡相對于第二透鏡較接近眼睛定位，且包含部分反射涂層以將物體(例如，激光十字線)的虛擬圖像投射到用戶的眼睛中。第一透鏡還提供擴大圖像的光學(xué)功率且在近眼式顯示器的情況中虛擬地使圖像從眼睛向后位移以使其聚焦。第二透鏡與用戶的眼睛相對地與第一透鏡成直線定位且提供與第一透鏡互補的光學(xué)功率以使外部視圖預(yù)失真以彌補第一透鏡對外部視圖的光學(xué)效應(yīng)。復(fù)合透鏡組合器十分有助于觀測器的筒式配置，但另外為龐大且相當沉重的一因此不十分適合在HMD配置中使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]參考以下各圖描述本發(fā)明的非限制性及非詳盡實施例，其中在所有各視圖中相似參考編號指代相似部件，除非另有規(guī)定。所述圖式未必按比例繪制，而重點放在圖解說明正描述的原理上。
[0008]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的夾心式衍射光學(xué)組合器的橫截面圖。
[0009]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的衍射光學(xué)組合器的平面圖。
[0010]圖3是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實施例用于使用光刻制作夾心式衍射光學(xué)組合器的工藝的流程圖。
[0011]圖4A到4F圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實施例用于使用光刻制作夾心式衍射光學(xué)組合器的制作步驟。
[0012]圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例使用兩個夾心式衍射光學(xué)組合器的雙目式頭戴式顯示器的俯視圖。

【具體實施方式】
[0013]本文中描述夾心式衍射光學(xué)組合器的設(shè)備、系統(tǒng)及制作方法的實施例。在以下描述中，陳述眾多特定細節(jié)以提供對所述實施例的透徹理解。然而，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，可在無所述特定細節(jié)中的一或多者的情況下或借助其它方法、組件、材料等實踐本文中所描述的技術(shù)。在其它實例中，為避免使某些方面模糊，未詳細展示或描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作。
[0014]在本說明書通篇中對“一個實施例”或“一實施例”的提及意指結(jié)合所述實施例所描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含于本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，在本說明書通篇中各個地方短語“在一個實施例中”或“在一實施例中”的出現(xiàn)未必全部指代同一實施例。此外，可在一或多個實施例中以任何適合方式組合所述特定特征、結(jié)構(gòu)或特性。
[0015]圖1及2圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的夾心式衍射光學(xué)組合器100。圖1是光學(xué)組合器100的橫截面圖而圖2是其平面圖。光學(xué)組合器100的所圖解說明實施例包含襯底105、基底夾層110、反射衍射光柵115、平面化夾層120、眼場側(cè)125及外部場景側(cè)130。所圖解說明實施例反射衍射光柵115由形成到基底夾層110中的三維(“3D”)衍射元件形狀的二維(“2D”)陣列形成，其中部分反射元件135涂覆到3D衍射元件形狀上且保形于所述形狀。
[0016]光學(xué)組合器100稱為夾心式光學(xué)組合器，因為其將反射衍射光柵115夾在具有實質(zhì)上相等(如果不等同)的折射率的兩個材料層(即，基底夾層110及平面化夾層120)之間。通過如此操作，光學(xué)組合器100同時在反射模式及透射模式兩者中操作，其中每一模式具有不同特性。在反射中，圖像源140定位于光學(xué)組合器100的與用戶的眼睛145相同的側(cè)(即，眼場側(cè)125)上。由于反射衍射光柵115由部分反射元件135構(gòu)成，因此從圖像源140輸出的圖像光150的一部分被往回朝向用戶的眼睛145反射。在透射中，通過在部分反射元件135上面及下面使用相同或類似折射率材料來消除反射衍射光柵115的衍射效應(yīng)。由于部分反射元件135也為部分透射的且夾在實質(zhì)上均勻折射率材料中，因此通過反射衍射光柵115的外部場景光155的部分未被衍射，而是實質(zhì)上無光學(xué)失真地傳遞到眼睛145。通過使光學(xué)組合器100同時在反射模式及透射模式兩者中操作，其可用于將圖像光150覆蓋到外部場景光155上以為用戶提供一種類型的擴增現(xiàn)實。
[0017]在一些實施例中，形成到基底夾層110中的個別3D衍射元件形狀的形狀、大小、定向及放置可經(jīng)設(shè)計以提供用于放大圖像光150的光學(xué)功率。此放大配置在例如頭戴式顯示器(“HMD”)及一些類型的抬頭顯示器(“HUD”)(例如觀測器)的近眼式配置中可為特別有用的。提供光學(xué)功率的衍射光柵的通用設(shè)計為眾所周知的。舉例來說，在2009年約翰.威利父子出版公司(John Wiley and Sons)出版的伯納德.克雷斯(Bernard Kress)及帕特里克?梅呂埃(Patrick Meyrueis)的“應(yīng)用數(shù)字光學(xué)器件:從微型光學(xué)器件到納米光子學(xué)(Applied Digital Optics:From Micro-optics to Nanophotonics)，，中論述了衍射光學(xué)器件的設(shè)計。特定來說，此書論述如何設(shè)計及隨后開發(fā)衍射結(jié)構(gòu)(顯微凹槽)且選擇其深度以最大化在特定衍射級中衍射的光量，同時減少在零衍射級及更高衍射級中衍射的光。
[0018]在一個實施例中，反射衍射光柵115為離軸透鏡，其能夠以入射角Al接收輸入光且沿著具有不同于Al的發(fā)射角A2的反射路徑反射圖像光。注意，Al及A2是從光學(xué)組合器100的從其發(fā)射出經(jīng)反射圖像光150的發(fā)射表面的法線測量的。在圖1中，發(fā)射表面與平面化夾層120的眼場側(cè)125 —致。在一個實施例中，入射角Al大于發(fā)射角A2或從法線的傾斜度比發(fā)射角A2大。此使得圖像源140能夠橫向于光學(xué)組合器100定位以便不阻擋外部場景光155。在HMD配置中，離軸透鏡作用準許圖像源140外圍定位于用戶的太陽穴區(qū)域中，借此不遮斷用戶的前向視覺。離軸透鏡作用將發(fā)射角A2重新引導(dǎo)為從法線的傾斜度小于入射角Al，借此將經(jīng)反射圖像光以更接近法線的角度引導(dǎo)到用戶的眼睛中，而非越過眼睛并照射鼻子。使用衍射光學(xué)器件的離軸透鏡作用還提供到反射衍射光柵115的特定角帶寬。這幫助減少由于背側(cè)反射所致的衍射且改進經(jīng)反射圖像光150在外部場景光155上的對比度。
[0019]在圖2中，通過對衍射光柵圖案進行啁啾化并使所述圖案的中心160相對于用戶的視覺中心165偏移來實現(xiàn)離軸透鏡作用。在所圖解說明實施例中，將圖案中心160表示為最大部分反射元件135的中心。隨著圖案從中心160向外延伸,部分反射元件135逐漸變小。在圖1及2中，3D衍射元件形狀具有拋物線橫截面形狀(見圖1)及旋轉(zhuǎn)對稱(圓形或球面透鏡)或非旋轉(zhuǎn)對稱(非球面透鏡)周界形狀(見圖2)。然而，可使用其它橫截面形狀及周界形狀(例如，橢圓形等)來形成反射衍射光柵115。圖2的所圖解說明實施例為16相位等級離軸衍射透鏡；然而，可使用其它數(shù)目個相位等級，最有效透鏡具有無限數(shù)目個相位等級(準模擬表面起伏衍射透鏡)。
[0020]通過用部分反射元件135覆蓋每一 3D衍射元件形狀來形成反射衍射光柵115。部分反射元件135各自保形地涂覆對應(yīng)3D衍射元件形狀，借此形成呈現(xiàn)下伏3D衍射元件形狀的形狀及定向的反射結(jié)構(gòu)。
[0021]部分反射元件135可由多種不同材料制成。在一個實施例中，部分反射元件135由常規(guī)非偏振分束器材料層(例如，薄銀層、Cr02等)制作?？苫谔囟☉?yīng)用(例如，主要在室內(nèi)使用、室外使用、組合使用等)而選擇反射率程度。在一個實施例中，部分反射元件135 包括 10% 反射 10nm Cr02 層。
[0022]在一個實施例中，部分反射元件135由多層二向色薄膜結(jié)構(gòu)制作。二向色膜可經(jīng)形成為在可選擇波長下具有可選擇反射率。另外，二向色膜可經(jīng)設(shè)計以改進反射衍射光柵115的角度選擇性。二向色膜可設(shè)計為對于與圖像光150重疊的特定波長或波長帶且對于圖像光150的入射角具有高反射率，同時對于其它可見光譜波長且對于外部場景光155的法向入射為實質(zhì)上較透明的。以此方式，可改進光學(xué)組合器100的效率，同時還增加經(jīng)透射外部場景光155的亮度。
[0023]在一個實施例中，部分反射兀件135由實質(zhì)上反射入射光的一個線性偏振同時實質(zhì)上使正交線性偏振通過的偏振分束器材料制作。在此情況中，圖像源140可經(jīng)設(shè)計以發(fā)射匹配部分反射元件135的反射特定的經(jīng)偏振圖像光。由于周圍光通常具有隨機偏振，因此外部場景光155的大致50%將通過光學(xué)組合器100而到達眼睛145。
[0024]圖像源140可使用多種緊湊圖像源技術(shù)來制作，例如當今在小型投影儀中使用的各種微型顯示器、硅上液晶(“LC0S”)顯示器、背光液晶顯示器、有機發(fā)光二極管(“0LED”)顯示器、量子點陣列顯示器、發(fā)光二極管(“LED”)陣列或其它。CRT管當今仍用于HUD中，但較不可能用于例如透視頭戴式顯示器(HMD)的較小裝置中。光學(xué)組合器100可由多種透明光學(xué)透射材料制作，包含塑料(例如，丙烯酸酯、熱塑性塑料、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、ZE0NEX-E48R、玻璃、石英等)。舉例來說，在一個實施例中，襯底105、基底夾層110及平面化夾層120由塑料制作。在另一實施例中，襯底105為玻璃，而基底夾層110及平面化夾層120由二氧化硅制作。當然，可使用其它材料組合。
[0025]圖3是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的實施例用于使用光刻制作夾心式衍射光學(xué)組合器100的一個實施例的實例性工藝300的流程圖。工藝300描述一種用于在玻璃襯底上使用二氧化硅制作光學(xué)組合器100的實施例的技術(shù)。參考圖4A到4F來描述工藝300。工藝框中的一些或全部在工藝300中出現(xiàn)的次序不應(yīng)視為限制性。而是，受益于本發(fā)明的所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，可以未圖解說明的多種次序或甚至并行地執(zhí)行工藝框中的一些工藝框。
[0026]在工藝框305中，將基底夾層110沉積到由透明材料(例如玻璃、石英、塑料或其它)制作的襯底105上。在此實施例中，基底夾層110為大致Iym厚的二氧化硅層。在工藝框310中，使用灰度級光刻及反應(yīng)性離子蝕刻將3D衍射形狀405的2D陣列形成到基底夾層110中。在工藝框315中，經(jīng)由濺鍍用部分反射材料層覆蓋形狀405。在一個實施例中，部分反射材料層為大致10%反射(可使用其它反射率百分比)。在一個實施例中，所述部分反射材料層為大致10nm厚的Cr02材料。在工藝框320中，將平面化夾層120沉積到部分反射材料層上。在一個實施例中，將平面化夾層120沉積為大致1.5μπι厚。當然，在此階段處，平面化夾層120尚未是平面的。在工藝框325中，在平面化夾層120上方涂覆抗蝕劑材料410。最終，在工藝框330中，在平面化期間移除抗蝕劑材料410，此繼續(xù)進行到導(dǎo)致平面化夾層120的平面頂部的深度?？蓪⒋斯に噷嵤楸壤磻?yīng)性離子蝕刻(RIE)工藝(或CAIBE工藝-化學(xué)輔助離子束蝕刻)，其中抗蝕劑蝕刻速率與下伏Si02蝕刻速率為完全類似的。在一個實施例中，使用化學(xué)機械拋光來移除抗蝕劑層410且對平面化夾層120進行平面化。在一個實施例中，使用具有以相同速率蝕刻抗蝕劑材料410及平面化夾層120兩者的1:1比率的比例反應(yīng)性離子蝕刻。可使用其它標準或定制平面化技術(shù)。
[0027]可使用大量生產(chǎn)技術(shù)來制作光學(xué)組合器100的各種其它實施例。舉例來說，可制作主模組合器以用作用于經(jīng)由注射模制或熱/UV壓印進行塑料復(fù)制的模具?；讑A層110可由經(jīng)注射模制的熱塑性塑料材料制作?？蓪⒉糠址瓷湓?35覆蓋或涂覆到3D衍射形狀的2D陣列上且將平面化夾層120層壓在部分反射材料上方。可代替光刻而使用借助CNC機床進行的金剛石車削以使構(gòu)成光學(xué)組合器的各種彎曲邊緣成形。在其它實施例中，可使用到熱塑性塑料中的熱壓模制或使用上面安置有3D衍射形狀的2D陣列的負像印刻的輥筒進行的塑料壓印來制作基底夾層110。
[0028]圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例使用一對夾心式衍射光學(xué)組合器501的雙目式HMD500的俯視圖。每一光學(xué)組合器501可用光學(xué)組合器100的實施例來實施。光學(xué)組合器501安裝到包含鼻梁架505、左耳臂510及右耳臂515的框架組合件。雖然圖5圖解說明雙目式實施例，但HMD 500也可實施為單目式HMD。
[0029]兩個光學(xué)組合器501緊固到可佩戴在用戶的頭部上的眼鏡布置中。左耳臂510及右耳臂515擱置于用戶的耳朵上而鼻組合件505擱置于用戶的鼻子上。所述框架組合件經(jīng)成形及定大小以將每一光學(xué)組合器501定位于用戶的對應(yīng)眼睛145的前方。當然，可使用具有其它形狀的其它框架組合件(例如，具有耳臂及鼻梁架支撐件的護目鏡、單一連續(xù)頭戴式耳機部件、頭帶或泳鏡型眼鏡等)。
[0030]HMD 500的所圖解說明實施例能夠向用戶顯示擴增現(xiàn)實。每一光學(xué)組合器501準許用戶經(jīng)由外部場景光155看到現(xiàn)實世界圖像。可由安裝到左耳臂及右耳臂510的圖像源140產(chǎn)生左及右(雙目式實施例)圖像光150。圖像光150被用戶觀察為疊加在現(xiàn)實世界上的虛擬圖像而作為擴增現(xiàn)實。在一些實施例中，外部場景光155可經(jīng)阻擋或經(jīng)選擇性地阻擋以提供太陽遮陰特性且增加圖像光150的對比度。
[0031]盡管3D衍射形狀的2D陣列的顯微結(jié)構(gòu)連同暴行的部分反射元件135 —起產(chǎn)生光學(xué)組合器效應(yīng)，但光學(xué)組合器501 (或100)的宏觀形狀可包含總體曲率以包含校正透鏡作用處方。舉例來說，襯底105及/或基底夾層110的外部場景側(cè)可包含賦予校正透鏡作用處方的第一曲率。另外(或替代地)，平面化夾層120的眼場側(cè)表面可包含賦予校正透鏡作用處方的第二曲率。第一曲率與第二曲率可為不同的，且在一個實施例中，兩個曲率中的一者可為平坦的，而另一者為彎曲的。
[0032]包含發(fā)明摘要中所描述內(nèi)容的本發(fā)明的所圖解說明實施例的以上描述并非打算為窮盡性或?qū)⒈景l(fā)明限制于所揭示的精確形式。盡管出于說明性目的而在本文中描述本發(fā)明的特定實施例及實例，但如相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，可在本發(fā)明的范圍內(nèi)做出各種修改。
[0033]可根據(jù)以上詳細描述對本發(fā)明做出這些修改。所附權(quán)利要求書中所使用的術(shù)語不應(yīng)理解為將本發(fā)明限制于說明書中所揭示的特定實施例。相反，本發(fā)明的范圍將完全由所附權(quán)利要求書來確定，所述權(quán)利要求書將根據(jù)所創(chuàng)建的權(quán)利要求解釋原則來加以理解。
【權(quán)利要求】
1.一種具有眼場側(cè)及外部場景側(cè)的光學(xué)組合器，所述光學(xué)組合器包括: 基底夾層，其具有第一折射率且包含面向所述眼場側(cè)的第一側(cè)； 三維“3D”衍射元件形狀的二維“2D”陣列，其安置于所述基底夾層的所述第一側(cè)中；部分反射元件，每一部分反射元件涂覆所述3D衍射元件形狀中的一者且保形于所述一者，其中所述部分反射元件共同形成反射衍射光柵，所述反射衍射光柵具有用于穿過所述光學(xué)組合器的所述眼場側(cè)入射于所述反射衍射光柵上的圖像光的放大光學(xué)功率；及平面化夾層，其安置于所述部分反射元件上方，具有實質(zhì)上等于所述基底夾層的所述第一折射率的第二折射率，以使得穿過所述外部場景側(cè)入射的外部場景光實質(zhì)上無衍射地通過所述光學(xué)組合器，而穿過所述眼場側(cè)入射的所述圖像光經(jīng)由所述反射衍射光柵反射及放大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組合器，其中所述基底夾層包含與所述第一側(cè)相對且面向所述外部場景側(cè)的第二側(cè)，所述光學(xué)組合器進一步包括: 光學(xué)透射襯底，其在物理上配合到所述基底夾層的所述第二側(cè)以提供對所述基底夾層及所述反射衍射光柵的機械支撐。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組合器，其中所述反射衍射光柵包括離軸衍射透鏡，所述離軸衍射透鏡接收以第一角度入射于所述眼場側(cè)上的所述圖像光且沿著具有第二角度的反射路徑反射所述圖像光，其中所述第一角度相對于所述平面化夾層的發(fā)射表面的法線的傾斜度大于所述第二角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組合器，其中所述部分反射元件各自包括二向色膜，其中所述反射衍射光柵對所述圖像光的反射率既為波長相依又為角度相依的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組合器，其中所述部分反射元件各自包括反射偏振膜，所述反射偏振膜實質(zhì)上反射第一線性偏振同時實質(zhì)上使正交于所述第一線性偏振的第二線性偏振通過。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組合器，其中所述部分反射元件各自包括非偏振分束器膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組合器，其中所述基底夾層及所述平面化夾層包括塑料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組合器，其中所述基底夾層及所述平面化夾層包括二氧化硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組合器，其中所述光學(xué)組合器的所述外部場景側(cè)具有不同于所述眼場側(cè)的第二曲率的第一曲率，以使得所述光學(xué)組合器的宏觀形狀包括校正透鏡。
10.一種用于組合圖像光與外部場景光的頭戴式顯示器“HMD”，所述HMD包括: 圖像源，其用以產(chǎn)生所述圖像光； 光學(xué)組合器，其包含: 基底夾層，其包含面向所述光學(xué)組合器的眼場側(cè)的第一側(cè)；三維“3D”衍射元件形狀的二維“2D”陣列，其安置于所述基底夾層的所述第一側(cè)中；部分反射元件，每一部分反射元件涂覆所述3D衍射元件形狀中的一者，其中所述部分反射元件共同形成反射衍射光柵，所述反射衍射光柵具有用于從所述眼場側(cè)入射于所述反射衍射光柵上的所述圖像光的放大光學(xué)功率；及 平面化夾層，其安置于所述部分反射元件上方，具有實質(zhì)上等于所述基底夾層的折射率的折射率，以使得從外部場景側(cè)入射的所述外部場景光實質(zhì)上無衍射地通過所述光學(xué)組合器，而從所述眼場側(cè)入射的所述圖像光經(jīng)由所述反射衍射光柵反射及放大；及 框架組合件，其用以支撐所述圖像源及所述光學(xué)組合器，用于佩戴于用戶的頭部上，其中所述光學(xué)組合器定位于所述用戶的眼睛前方。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的HMD，其中所述基底夾層包含與所述第一側(cè)相對且面向所述外部場景側(cè)的第二側(cè)，所述光學(xué)組合器進一步包括: 光學(xué)透射襯底，其在物理上配合到所述基底夾層的所述第二側(cè)以提供對所述基底夾層及所述反射衍射光柵的機械支撐。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的HMD，其中所述反射衍射光柵包括離軸衍射透鏡，所述離軸衍射透鏡接收以第一角度入射于所述眼場側(cè)上的所述圖像光且沿著具有第二角度的反射路徑反射所述圖像光，其中所述第一角度相對于所述平面化夾層的發(fā)射表面的法線的傾斜度大于所述第二角度。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的HMD，其中所述部分反射元件各自包括二向色膜，其中所述反射衍射光柵對所述圖像光的反射率既為波長相依又為角度相依的。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的HMD，其中所述圖像源相對于所述光學(xué)組合器安裝到所述框架，以使得所述圖像光在所述反射衍射光柵上的入射角處于或接近所述反射衍射光柵的最大角反射率。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的HMD，其中所述部分反射元件各自包括反射偏振膜，所述反射偏振膜實質(zhì)上反射第一線性偏振同時實質(zhì)上使正交于所述第一線性偏振的第二線性偏振通過。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的HMD，其中所述部分反射元件各自包括非偏振分束器膜。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)組合器，其中所述光學(xué)組合器的所述外部場景側(cè)具有不同于所述眼場側(cè)的第二曲率的第一曲率，以使得所述光學(xué)組合器的宏觀形狀包括校正透鏡。
18.一種制作具有眼場側(cè)及外部場景側(cè)的光學(xué)組合器的方法，所述方法包括: 蝕刻基底夾層的第一側(cè)以在所述基底夾層的面向所述眼場側(cè)的所述第一側(cè)中形成三維“3D”衍射元件形狀的二維“2D”陣列； 用部分反射層覆蓋3D衍射元件形狀的所述2D陣列以形成反射衍射光柵，所述反射衍射光柵具有用于從所述光學(xué)組合器的所述眼場側(cè)入射于所述反射衍射光柵上的圖像光的放大光學(xué)功率； 在所述部分反射層上方形成平面化夾層，其中所述平面化夾層具有實質(zhì)上等于所述基底夾層的第二折射率的第一折射率；及對所述平面化夾層進行平面化。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其進一步包括: 將所述基底夾層沉積于透明襯底層上，其中所述基底夾層的面向所述外部場景側(cè)的第二側(cè)在物理上配合到所述透明襯底層。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述透明襯底層包括塑料或玻璃，且所述基底夾層及所述平面化夾層包括二氧化硅。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中對所述平面化夾層進行平面化包括: 用抗蝕劑層涂覆所述平面化夾層，所述抗蝕劑層以與所述平面化夾層相同的速率進行蝕刻；及 執(zhí)行所述抗蝕劑層及所述平面化夾層的比例1:1蝕刻，直到所述抗蝕劑層被移除且所述平面化夾層經(jīng)平面化為止。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中對所述平面化夾層進行平面化包括: 將所述平面化夾層化學(xué)機械拋光為平面。 平面化夾層，其安置于所述部分反射元件上方，具有實質(zhì)上等于所述基底夾層的折射率的折射率，以使得從外部場景側(cè)入射的所述外部場景光實質(zhì)上無衍射地通過所述光學(xué)組合器，而從所述眼場側(cè)入射的所述圖像光經(jīng)由所述反射衍射光柵反射及放大；及
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述反射衍射光柵包括離軸衍射透鏡，所述離軸衍射透鏡用于接收以第一角度入射于所述眼場側(cè)上的所述圖像光且用于沿著具有第二角度的反射路徑反射所述圖像光，其中所述第一角度相對于所述平面化夾層的發(fā)射表面的法線的傾斜度大于所述第二角度。
24.根據(jù)權(quán)利要求81所述的方法，其中所述部分反射層包括二向色膜，其中所述反射衍射光柵對所述圖像光的反射率既為波長相依又為角度相依的。
25.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述部分反射層包括反射偏振膜，所述反射偏振膜實質(zhì)上反射第一線性偏振同時實質(zhì)上使正交于所述第一線性偏振的第二線性偏振通過。
26.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述部分反射層包括非偏振分束器膜。
【文檔編號】G02B5/18GK104204871SQ201380010124
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月2日
【發(fā)明者】貝爾納·C·克雷斯 申請人:谷歌公司