背景

顯示系統(tǒng)可被用來(lái)使合需圖像對(duì)用戶(觀看者)可見?？纱┐黠@示系統(tǒng)可嵌入在可穿戴頭戴式套件(headset)中，其被布置為在距人眼一短距離內(nèi)顯示圖像。這種可穿戴頭戴式套件有時(shí)被稱為頭戴式顯示器，并且提供有框架，該框架具有適合安放在用戶(穿戴者)的鼻梁上的中心部分以及適合安放在用戶的耳朵上的左支撐擴(kuò)展部和右支撐擴(kuò)展部。光學(xué)組件被布置在框架中，以便在用戶的眼睛的幾厘米內(nèi)顯示圖像。圖像可以是顯示器(諸如微顯示器)上的計(jì)算機(jī)生成的圖像。光學(xué)組件被布置成將在顯示器上生成的合需圖像的光傳輸?shù)接脩舻难劬σ允沟迷搱D像對(duì)該用戶可見。在其上生成圖像的顯示器可形成光引擎的一部分，以使得圖像本身生成準(zhǔn)直光束，準(zhǔn)直光束可被光學(xué)組件引導(dǎo)以提供對(duì)用戶可見的圖像。

不同種類的光學(xué)組件已被用來(lái)將來(lái)自顯示器的圖像傳遞到人眼。這些光學(xué)組件包括例如透鏡、反射鏡、光學(xué)波導(dǎo)、全息和衍射光柵。在一些顯示系統(tǒng)中，光學(xué)組件是使用光學(xué)器件制造的，所述光學(xué)器件允許用戶看到圖像但是不允許穿過此光學(xué)器件看“現(xiàn)實(shí)世界”。其它類型的顯示系統(tǒng)提供穿過此光學(xué)器件的視野，以使得被顯示給用戶的所生成的圖像覆蓋到現(xiàn)實(shí)世界視圖上。這有時(shí)被稱為“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”。

基于波導(dǎo)的顯示系統(tǒng)通常經(jīng)由波導(dǎo)(光導(dǎo))中的tir(全內(nèi)反射)機(jī)構(gòu)將光從光引擎?zhèn)鬏數(shù)窖劬?。這些系統(tǒng)可合并衍射光柵，所述衍射光柵導(dǎo)致有效光束展開，以輸出光引擎提供的光束的展開版。這意味著，與直接看向光引擎時(shí)相比，看向波導(dǎo)輸出時(shí)圖像在更寬的區(qū)域上可見：只要眼睛在一區(qū)域內(nèi)以使得眼睛能夠接收來(lái)自基本全部展開光束的一些光，整個(gè)圖像將對(duì)用戶可見。這種區(qū)域被稱為眼框(eyebox)。

為了維持圖像質(zhì)量，波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)可按各種方式配置以減輕所傳輸?shù)墓獾氖д妗?/p>

概述

提供本概述以便以簡(jiǎn)化的形式介紹將在以下的詳細(xì)描述中進(jìn)一步描述的一些概念。本概述并不旨在標(biāo)識(shí)出所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不旨在用于限定所要求保護(hù)的主題的范圍。所要求保護(hù)的主題也不限于解決

背景技術(shù)：
部分中指出的任何或所有缺點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)一個(gè)方面，一種用于制造光學(xué)組件的微制造過程包括圖案化階段，在所述圖案化階段中基板的表面的一個(gè)或多個(gè)部分被通過至少以下步驟圖案化。用負(fù)光阻涂覆所述基板的表面的至少一區(qū)域，所述區(qū)域涵蓋所述部分。所述負(fù)光阻在暴露于光時(shí)變得不能顯影。在所述部分的每個(gè)部分上投影形成光柵結(jié)構(gòu)的光。在除了所述部分的所述區(qū)域的整體上投影基本均勻強(qiáng)度的光，由此保留所述部分之外的所述負(fù)光阻不能顯影。對(duì)所述負(fù)光阻進(jìn)行顯影以便將所述光柵結(jié)構(gòu)具體化在覆蓋所述部分的所述光阻中。圖案化所述基板的表面以將所述光柵結(jié)構(gòu)從經(jīng)顯影的光阻施加在所述基板的表面，所述不能顯影的光阻抑制所述部分之外的所述表面區(qū)域的圖案化。所述光學(xué)組件包括經(jīng)圖案化的基板。

附圖說(shuō)明

圖1示出一種可穿戴顯示系統(tǒng)；

圖2示出該顯示系統(tǒng)的一部分的平面圖；

圖3a和3b示出光學(xué)組件的透視和正視圖；

圖4a示出具有在其表面上形成的表面釋放光柵的光學(xué)組件的示意平面圖；

圖4b示出圖4a的光學(xué)組件的示意性說(shuō)明，該光學(xué)組件被示為與入射光交互并且是從側(cè)面觀看的；

圖5a示出直二元表面釋放光柵的示意性說(shuō)明，該直二元表面釋放光柵被示為與入射光交互并且是從側(cè)面觀看的；

圖5b示出斜二元表面釋放光柵的示意性說(shuō)明，該斜二元表面釋放光柵被示為與入射光交互并且是從側(cè)面觀看的；

圖5c示出突出的三角表面釋放光柵的示意性說(shuō)明，該突出的三角表面釋放光柵被示為與入射光交互并且是從側(cè)面觀看的；

圖6示出光學(xué)組件的入耦區(qū)域的一部分的特寫視圖；

圖7a示出顯示系統(tǒng)的一部分的透視圖；

圖7b示出顯示器的個(gè)體像素的平面視圖；

圖7c和7d示出與光學(xué)組件交互的光束的平面和正視圖；

圖7e示出執(zhí)行光束展開的光學(xué)組件的正視圖；

圖7f示出執(zhí)行光束展開的光學(xué)組件的平面圖；

圖7g是彎曲的光學(xué)組件的平面圖；

圖8a和8b是光學(xué)組件的一部分的平面和正視圖；

圖9a示出波導(dǎo)的折疊區(qū)域內(nèi)的光束反射的透視圖；

圖9b解說(shuō)光束展開機(jī)構(gòu)；

圖10示出作為示例性波導(dǎo)的間隙寬度的函數(shù)的mtf的圖；

圖11示出用于制造光學(xué)組件或母版(master)的微制造過程的流程圖；

圖12a示出具有可能影響圖像質(zhì)量的某些特征的示例性光學(xué)組件；

圖12b示出在制造圖12a的組件時(shí)可使用的曝光設(shè)定。

詳細(xì)描述

圖1是頭戴式顯示器的透視圖。頭戴式顯示器包括頭部件(headpiece)，其包括框架2，該框架具有旨在適合安放在穿戴者的鼻梁上的中心部分4和旨在適合安放在用戶的耳朵上的左和右支撐延伸部6、8。盡管支撐延伸部被示出為基本為直的，但是支撐延伸部可以彎曲部結(jié)束以便以傳統(tǒng)眼鏡的方式更舒適地適合安放在耳朵上。

框架2支撐左和右光學(xué)組件(標(biāo)記為10l和10r)，所述光學(xué)組件為波導(dǎo)。本文中為了便于指代，光學(xué)組件10(光學(xué)波導(dǎo)10)將被認(rèn)為是左側(cè)組件或右側(cè)組件之一，因?yàn)檫@些組件除了是彼此的鏡像之外基本等同。因此，涉及左手組件的所有描述也涉及右手組件。稍后參考圖3更詳細(xì)地描述光學(xué)組件。中心部分4容納光引擎，光引擎在圖1中未被示出但在圖2中被示出。

圖2示出了圖1的框架的頂部部分的一區(qū)段的平面圖。從而，圖2示出了光引擎13，該光引擎包括微顯示器15和準(zhǔn)直透鏡20形式的成像光學(xué)器件17。光引擎還包括能夠生成用于微顯示器的圖像的處理器。微顯示器可以是任何類型的圖像源，諸如硅上液晶(lcos)顯示器、透射式液晶顯示器(lcd)、(有機(jī)或無(wú)機(jī))led的矩陣陣列以及任何其它適當(dāng)顯示器。顯示器被在圖2中不可見的電路系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，該電路系統(tǒng)激活顯示器的個(gè)體像素以生成圖像。來(lái)自每個(gè)像素的基本準(zhǔn)直光落在光引擎13的出瞳22上。在出瞳22處，準(zhǔn)直光束被耦合到每個(gè)光學(xué)組件10l、10r中進(jìn)入在每個(gè)組件上提供的相應(yīng)入耦區(qū)域12l、12r。這些入耦區(qū)域在圖1中被清楚示出，但是在圖2中不輕易可見。入耦光隨后被引導(dǎo)穿過橫向于相應(yīng)中間(折疊)區(qū)域14l、14r中的光學(xué)組件的涉及衍射和tir的機(jī)構(gòu)，并且還向下進(jìn)入相應(yīng)的退出區(qū)域16l、16r，所述光在退出區(qū)域退出組件10射向用戶的眼睛。區(qū)域14l、14r、16l和16r在圖1中被示出。以下詳細(xì)地描述了這些機(jī)構(gòu)。圖2示出了用戶的眼睛(右眼或左眼)接收來(lái)自退出區(qū)域(16l或16r)的衍射光。射向用戶的眼睛的輸出光束ob與入射光束ib平行。例如，參見圖2中被標(biāo)記為ib的光束和圖2中被標(biāo)記為ob的兩個(gè)平行的輸出光束。光學(xué)組件10位于光引擎13和眼睛之間，即，顯示系統(tǒng)配置是所謂的透射型的。

其他頭戴件也在本主題的范圍之內(nèi)。例如，顯示器光學(xué)器件可使用頭帶、頭盔或其它適放系統(tǒng)等同地附連到用戶頭部。適放系統(tǒng)的目的是支撐顯示器并向顯示器和其它頭戴系統(tǒng)(諸如跟蹤系統(tǒng)和相機(jī))提供穩(wěn)定性。適放系統(tǒng)還將被設(shè)計(jì)成在人體測(cè)量范圍和頭部形態(tài)中滿足用戶群體，并提供對(duì)顯示系統(tǒng)的舒適支撐。

來(lái)自同一顯示器15的光束可被耦合入組件10l、10r兩者中，以便圖像被雙眼從單一顯示器感知，或分開的顯示器可被用于為每只眼睛生成不同圖像，例如以提供立體圖像。在替代頭戴式套件中，光引擎可安裝在框架的左部和右部之一或兩者上——其中入耦區(qū)域、折疊區(qū)域和退出區(qū)域12、14、16的布置相應(yīng)翻轉(zhuǎn)。

光學(xué)組件10基本透明，以使得用戶不僅能觀看來(lái)自光引擎13的圖像，而且還能透過光學(xué)組件10觀看現(xiàn)實(shí)世界視圖。

光學(xué)組件10具有反射率n，該反射率使得發(fā)生全內(nèi)反射，從入耦區(qū)域沿中間展開區(qū)域14并向下朝著退出區(qū)域16引導(dǎo)光束。

圖3a和3b更詳細(xì)地示出光學(xué)組件。

圖3a示出光學(xué)組件10的透視圖。光學(xué)組件是平的，因?yàn)槠浔砻娴那安亢秃蟛炕酒教?前和后是從穿戴者的視點(diǎn)，如由圖3a中的眼睛的位置所指示的)。該表面的前部和后部彼此平行。光學(xué)組件10基本位于一平面(xy平面)中，其中z軸(被稱為“法線”)從光學(xué)組件10朝著觀看者定向。入耦區(qū)域、折疊區(qū)域和退出區(qū)域12、14和16被示出，每個(gè)區(qū)域由光學(xué)組件的表面上的相應(yīng)表面調(diào)制52、46和56定義，所述調(diào)制從穿戴者的視點(diǎn)看在波導(dǎo)的后部。表面調(diào)制52、46和56中的每一者均形成相應(yīng)的表面釋放光柵(srg)，srg的性質(zhì)將被簡(jiǎn)短描述。取代srg，全息圖可被使用，其提供與srg相同的光學(xué)功能。

如在圖3b的平面圖中所示，折疊區(qū)域在橫向(x)方向上具有水平范圍w2(在本文中被稱為展開區(qū)域的“寬度”)且在y方向上具有豎直范圍h2(在本文中被稱為展開區(qū)域的“高度”)，該豎直范圍在橫向方向上沿其寬度w2從光學(xué)組件的內(nèi)邊緣向其外邊緣增大。退出區(qū)域具有水平范圍w3(退出區(qū)域的寬度)和豎直范圍h3(退出區(qū)域的高度)，它們定義了眼框的大小，眼框的大小獨(dú)立于光引擎中的成像光學(xué)器件。入耦srg和折疊srg52、54具有相對(duì)定向角a，折疊srg和退出srg54、56也是如此(注意，疊加在srg52、54、56上的各點(diǎn)線表示垂直于那些srg的光柵線的方向)。

現(xiàn)在將參考圖4a和4b來(lái)描述作為本文所述的頭戴式顯示器的操作基礎(chǔ)的衍射機(jī)構(gòu)的原理。

本文描述的光學(xué)組件可以以反射、折射和衍射方式與光學(xué)組件交互。衍射在傳播波與諸如障礙物或狹縫之類的結(jié)構(gòu)交互時(shí)發(fā)生。衍射可以被描述為波的干涉，并且在該結(jié)構(gòu)在大小上與波的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)最顯著?？梢姽獾墓鈱W(xué)衍射歸因于光的波的性質(zhì)并且可被描述成光波的干涉。可見光具有在大約390和700納米(nm)之間的波長(zhǎng)，并且當(dāng)傳播的光遇到例如規(guī)模在100或1000nm級(jí)別的類似規(guī)模的結(jié)構(gòu)時(shí)，可見光的衍射是最顯著的。

衍射結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例是周期性(大致重復(fù)的)衍射結(jié)構(gòu)。這里，“衍射光柵”是指具有周期性衍射結(jié)構(gòu)的任何光學(xué)組件(的一部分)。周期性結(jié)構(gòu)可引起光的衍射，光的衍射通常在周期性結(jié)構(gòu)具有與光的波長(zhǎng)大小類似的空間周期時(shí)最顯著。周期性結(jié)構(gòu)的類型包括，例如，光學(xué)組件的表面上的表面調(diào)制、折射率調(diào)制、全息圖等。當(dāng)傳播的光遇到周期性結(jié)構(gòu)時(shí)，衍射使得光被分成不同的方向上的多個(gè)光束。這些方向取決于光的波長(zhǎng)，因此衍射光柵引起多色(例如，白)光的色散，由此，多色光被分成在不同方向上行進(jìn)的不同顏色的光束。

當(dāng)周期性結(jié)構(gòu)是在光學(xué)組件的表面上時(shí)，其被稱為表面光柵。當(dāng)周期結(jié)構(gòu)是源自表面本身的調(diào)制時(shí)，其被稱為表面起伏光柵(srg)。srg的一個(gè)示例是在光學(xué)組件的表面中的被均勻直槽間隔區(qū)分隔開的均勻直槽。槽間隔區(qū)在此被稱為“線”、“光柵線”和“填充區(qū)域”。srg的衍射的性質(zhì)取決于入射在光柵上的光的波長(zhǎng)和srg的各種光學(xué)特性(例如線間隔、槽深度和槽傾斜角)這兩者。srg可利用適當(dāng)?shù)奈⒅圃旃に噥?lái)制造，微制造工藝可涉及基板的蝕刻和/或沉積，以在基板上制造合需的周期性微結(jié)構(gòu)以形成光學(xué)組件，其隨后被用作生產(chǎn)母版，諸如用于制造更多的光學(xué)組件的模子。

srg是衍射光學(xué)元件(doe)的示例。當(dāng)doe存在于表面上時(shí)(例如，當(dāng)doe是srg時(shí))，該表面的被該doe橫跨的部分被稱為doe區(qū)域。

圖4a和4b分別從頂部和側(cè)面示出具有外表面s的基本透明的光學(xué)組件10的一部分。表面s的至少一部分呈現(xiàn)構(gòu)成srg44的表面調(diào)制(例如52、54、56)，該srg為微結(jié)構(gòu)。這樣的部分被稱為“光柵區(qū)域”。調(diào)制包括基本平行且加長(zhǎng)(顯著長(zhǎng)于其寬度)的光柵線，且該光柵線在此示例中基本是直的(盡管通常它們不需要是直的)。

圖4b示出光學(xué)組件10，并且具體而言是與傳入照明光束i交互的srg44，所述光束向內(nèi)入射到srg44上。光i在該示例中是白色光，并且因而具有多種顏色分量。光i與srg44交互，該srg將所述光分成向內(nèi)定向到光學(xué)組件10中的幾個(gè)光束。光i的一些也可作為反射光束r0被從表面s反射回來(lái)。零階模式向內(nèi)光束t0和任何反射r0是根據(jù)衍射的一般原理以及其它非零階(±n-階)模式(其可被解釋為波干涉)被創(chuàng)建的。圖4b示出第一階向內(nèi)光束t1,t-1；將理解可以依據(jù)光學(xué)組件10的配置創(chuàng)建或不創(chuàng)建更高階的光束。由于衍射的性質(zhì)取決于波長(zhǎng)，因此，對(duì)于更高階的模式而言，入射光i的不同顏色分量(即波長(zhǎng)分量)當(dāng)存在時(shí)以相對(duì)于彼此而言不同的傳播角度被分成不同顏色的光束，如圖4b所示。

圖5a-5c是不同的示例性srg44a-44c(在此統(tǒng)稱為44)的特寫示意性截面圖，srg44a-44c由(在這些圖中是從側(cè)面觀看的)光學(xué)組件10的表面s的調(diào)制形成的。光束用箭頭標(biāo)注，其厚度指示大致相對(duì)的強(qiáng)度(越高強(qiáng)度的光束以越厚的箭頭示出)。

圖5a示出直二元srg44a的示例。直二元srg44a由在表面s中通過突出槽間隔區(qū)9a被分開的一系列槽7a來(lái)形成，所述槽間隔區(qū)域在此也被稱為“填充區(qū)域”、“光柵線”或簡(jiǎn)稱為“線”。srg44a具有d的空間周期(稱為“光柵周期”)，其是調(diào)制的形狀在其上重復(fù)的距離并且從而是相鄰線/槽之間的距離。槽7a具有深度h，且具有基本上直的壁和基本上平的基底。在圖2a中填充區(qū)域具有高度h和在填充區(qū)的高度h上基本上均勻的標(biāo)記為“w”的寬度(其中w是周期的某個(gè)分?jǐn)?shù)：w＝f*d)。

對(duì)于直二元srg，壁基本上垂直于表面s。出于這個(gè)原因，srg44a引起垂直進(jìn)入到表面的入射光i的對(duì)稱衍射，其中由srg4a所創(chuàng)建的每個(gè)+n階模式光束(例如t1)具有與對(duì)應(yīng)的-n階模式光束(例如t-1)基本相同的強(qiáng)度，通常小于約入射光束i的強(qiáng)度的五分之一(0.2)。

圖5b示出斜二元srg44b的示例。斜二元srg44b也是由表面s中的標(biāo)記為7b的槽形成，所述槽具有由寬度w的線9b所分隔的基本上直的壁和基本上平的基底。然而，與直srg44a相對(duì)比，所述壁相對(duì)于法線傾斜了一定量，在圖25b中由角度β標(biāo)注。當(dāng)沿法線測(cè)量時(shí)槽7b具有深度h。取決于非零傾斜所進(jìn)入的非對(duì)稱性，行進(jìn)離開傾斜方向的±n階模式向內(nèi)光束具有比它們的階模式對(duì)應(yīng)物更高的強(qiáng)度(例如在圖2b的示例中，t1光束被定向離開傾斜的方向并且通常具有比t-1光束更大的強(qiáng)度，但是這取決于例如光柵周期d)；通過增加傾斜達(dá)足夠量，那些對(duì)應(yīng)物可以基本上被消除(即具有基本上為零的強(qiáng)度)。t0光束的強(qiáng)度通常還可以通過斜二元srg被大大減少，這樣，在圖5b的示例中，第一階光束t1通常具有至多約入射光束i的強(qiáng)度的五分之四(0.8)的強(qiáng)度。

二元srg44a和44b可以被看作是嵌入到表面s中的空間波形，該空間波形具有基本為方波的形狀(具有周期d)。在srg44b的情況下，該形狀是傾斜達(dá)β的傾斜方波形狀。

圖5c示出了突出的三角srg44c的示例，其是突出的梯形srg的特殊情況。三角srg44c是由表面s中的槽7c形成，所述槽是三角形狀的(且因此具有可分辨的尖端)并且當(dāng)沿法線測(cè)量時(shí)其具有深度h。填充區(qū)9c采用了三角形、齒狀突起(齒形)的形式，具有與法線成角度β(β是srg44c的傾斜角)的中部。所述齒形具有由d(其是srg44c的光柵周期)分隔開的各尖端，在齒形基底處為w并且在齒形的尖端處變窄到基本上為零的寬度。對(duì)于圖的srg44c，w≈d，但通?？梢允莣<d。所述srg是突起的，其中齒形的尖端在槽的尖端上延伸。構(gòu)建突起的三角形srg是可能的，該圖案基本上消除了傳輸模式t0光束和模式光束，僅留下±n階模式光束(例如僅有t1)。槽具有與中線成角度γ(壁角)的壁。

srg44c可以被看作是嵌入在s中的空間波形，所述空間波形具有基本三角的波形，其傾斜了β。

其它srg也是可能的，例如，其它類型的梯形srg(其可能不在寬度上一直變窄到0)、正弦srg等。這些其它srg也呈現(xiàn)深度h、線寬w、傾斜角β、和壁角γ，其可按與圖5a-c類似的方式定義。

在本顯示系統(tǒng)中，d通常在約250和500nm之間，且h在約30和400nm之間。傾斜角β通常在約0和45度之間(以使得傾斜方向通常高于表面s達(dá)約45和90度之間的量)。

srg具有依據(jù)期望的被衍射的光束(例如t1)的強(qiáng)度相對(duì)于照明光束i的強(qiáng)度而被定義的衍射效率，并且可以由那些強(qiáng)度的比η來(lái)表示。如從上將顯而易見的，斜二元srg可以實(shí)現(xiàn)比非斜srg(例如44a-在t1是期望的光束的情況下僅直至約η≈0.2)更高的效率(例如4b-在t1是期望的光束的情況下直至η≈0.8)。通過突出的三角srg，實(shí)現(xiàn)η≈1的近似最優(yōu)效率是可能的。

返回圖3a和3b，可以看出，入耦區(qū)域12、折疊區(qū)域14和退出區(qū)域16是衍射光柵，衍射光柵的周期性結(jié)構(gòu)由于分別形成入耦srg、折疊srg和退出srg并且分別覆蓋入耦區(qū)域21、折疊區(qū)域14和退出區(qū)域16的光學(xué)組件的表面的調(diào)制52、54、56而出現(xiàn)。

圖6更清晰地示出了入耦srg52，包括示出光束如何與該入耦srg52交互的展開版。圖6示出了光學(xué)組件10的平面圖。光引擎13提供準(zhǔn)直光束，所述準(zhǔn)直光束之一被示出(其對(duì)應(yīng)于顯示器像素)。該光束落在入耦srg52上并且從而導(dǎo)致該光束在組件10中的全內(nèi)反射。中間光柵14將該光束的各版本向下定向到退出光柵16，該退出光柵導(dǎo)致圖像衍射到用戶的眼睛上。光柵12的操作在該展開部分中更詳細(xì)地示出，該展開部分示出了從左側(cè)進(jìn)入并被表示為i的進(jìn)入光束的光線且那些光線被衍射以在光學(xué)組件10中經(jīng)歷tir。圖6中的光柵是圖5b中所示的類型但是也可能是圖5c中所示的類型或者是某種其它斜光柵形狀。

現(xiàn)在將參考圖7a-9b來(lái)描述某些實(shí)施例所基于的光學(xué)原理。

圖7a示出了顯示器15、成像光學(xué)器件17和入耦srg52的透視圖。顯示器15的顯示圖像的區(qū)上的不同幾何點(diǎn)在本文中被稱為圖像點(diǎn)，它們可以是活躍的(當(dāng)前正在發(fā)光)或不活躍的(當(dāng)前沒有發(fā)光)。在實(shí)踐中，個(gè)體像素可被近似為圖像點(diǎn)。

圖像光學(xué)器件17通?？杀唤茷橹髅?principleplane)(薄透鏡近似)，或者在一些情況下，可被更精確地近似為主面對(duì)(厚透鏡近似)，主面的位置由其構(gòu)成透鏡的性質(zhì)和布置確定。在這些近似中，成像光學(xué)器件17所導(dǎo)致的任何折射被近似為在該(一個(gè)或多個(gè))主面處發(fā)生。為了避免不必要的復(fù)雜化，將結(jié)合成像光學(xué)器件17的薄透鏡近似并且從而結(jié)合圖7a中被標(biāo)記為31的單主面來(lái)描述各實(shí)施例的原理，但是顯然，不適合這種近似的更復(fù)雜的成像光學(xué)器件仍可被用來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的效果。

成像光學(xué)器件17具有光學(xué)軸30和前焦點(diǎn)，并且相對(duì)于光學(xué)組件10被定位以使得光學(xué)軸30與入耦srg52在入耦srg52的幾何中心處或附近相交，其中前焦點(diǎn)大致位于顯示器上的圖像點(diǎn)x0處(即，與顯示器的正面位于相同平面中)。該顯示器上的另一任意圖像點(diǎn)x被示出，且現(xiàn)在將結(jié)合x來(lái)描述各實(shí)施例所基于的原理，而不喪失一般性。在下文中，術(shù)語(yǔ)“對(duì)于每個(gè)x”或類似術(shù)語(yǔ)被用作用來(lái)表示“對(duì)于每個(gè)圖像點(diǎn)(包括x)”或類似表述的簡(jiǎn)略表述，這將在上下文中顯而易見。

在活躍時(shí)，圖像點(diǎn)(包括被標(biāo)記為x和x0的圖像點(diǎn))擔(dān)當(dāng)個(gè)體照明點(diǎn)源，光從該照明點(diǎn)源以基本各向同性的方式傳播穿過顯示器15前方的半空間。被感知為較亮的圖像區(qū)域中的圖像點(diǎn)發(fā)出比被感知為較暗的圖像區(qū)域更高強(qiáng)度的光。被感知為黑色的圖像點(diǎn)不發(fā)光或僅發(fā)出極低強(qiáng)度的光(不活躍的圖像點(diǎn))。特定圖像點(diǎn)發(fā)出的光的強(qiáng)度可隨著圖像的改變而改變，例如在顯示器15上顯示視頻時(shí)。

每個(gè)活躍圖像點(diǎn)提供對(duì)圖像光學(xué)器件17的準(zhǔn)直區(qū)域a的基本均勻照明，該準(zhǔn)直區(qū)域a為基本圓形的且具有直徑d，直徑d取決于諸如構(gòu)成透鏡的直徑等因素(d可以是1-10mm量級(jí)的，但這僅是示例)。這在圖7a中針對(duì)圖像點(diǎn)x示出，圖7a示出了錐32(x)內(nèi)來(lái)自x的任何傳播的光入射在準(zhǔn)直區(qū)域a上。成像光學(xué)器件準(zhǔn)直化入射在準(zhǔn)直區(qū)域a上的任何光32(x)以形成直徑為d的經(jīng)準(zhǔn)直光束34(x)(輸入光束)，該光束被朝著光學(xué)組件10的入耦光柵52定向。光束34(x)從而入射在入耦光柵52上。屏蔽組件(未示出)可被布置成阻止從x發(fā)出的來(lái)自椎32(x)外的任何未經(jīng)準(zhǔn)直的光到達(dá)光學(xué)組件10。

與圖像點(diǎn)x相對(duì)應(yīng)的光束34(x)在向內(nèi)傳播方向上朝著入耦srg52定向，其可通過傳播向量來(lái)描述(此處，加粗字體被用來(lái)表示3維向量，此類向量上的帽表示單位向量)。向內(nèi)傳播方向取決于x在圖像中的位置并且還對(duì)于x是唯一的。該唯一傳播方向可按照方位角φin(x)(其為x軸和在xy平面中的投影之間的角度)以及極角θin(x)(其為z軸和如在z軸和兩者所處的平面(注意，該平面通常不是xz平面)中所測(cè)量的之間的角度)來(lái)參數(shù)化。記號(hào)φin(x)、θin(x)被采用來(lái)表示前面提到的對(duì)x的依賴關(guān)系；如所指示的，φin(x)、θin(x)對(duì)于該x而言是唯一的。注意，在本文中，此類單位向量和將此類向量參數(shù)化的此類極角/方位角在本文中有時(shí)被稱為“方向”(因?yàn)楹笳弑硎酒渫耆珔?shù)化)，且出于同樣原因，有時(shí)方位角孤立地被指代為xy方向。還要注意，“向內(nèi)”在本文中被用來(lái)指代朝著波導(dǎo)的傳播(當(dāng)觀察者感知到傳播朝著波導(dǎo)的后面時(shí)具有正的z分量且當(dāng)傳播朝著波導(dǎo)的前面時(shí)具有負(fù)的z分量)。

成像光學(xué)器件具有主點(diǎn)(principlepoint)p，主點(diǎn)為光學(xué)軸30與主面31相交的點(diǎn)且通常位于準(zhǔn)直區(qū)域a的中心處或中心附近。向內(nèi)的方向和光學(xué)軸30具有角分隔β(x)，該角分隔等于自p開始x和x0對(duì)向的角。如果光學(xué)軸平行于z軸(情況未必如此)則β(x)＝θin(x)。

顯而易見，以上適用于每個(gè)活躍圖像點(diǎn)且成像光學(xué)器件因此被布置成將當(dāng)前在顯示器15上的圖像基本準(zhǔn)直化為多個(gè)輸入光束，每個(gè)輸入光束對(duì)應(yīng)于唯一方向并在該唯一方向上傳播，該唯一方向是通過相應(yīng)活躍圖像點(diǎn)(在實(shí)踐中為活躍像素)的位置確定的。也就是說(shuō)，成像光學(xué)器件17實(shí)際上將每個(gè)活躍點(diǎn)源x轉(zhuǎn)換為唯一向內(nèi)方向中的經(jīng)準(zhǔn)直光束。顯而易見，這可被等效地陳述為所有活躍圖像點(diǎn)的各輸入光束在無(wú)限遠(yuǎn)處形成與當(dāng)前在顯示器17上的真實(shí)圖像相對(duì)應(yīng)的虛擬圖像。此性質(zhì)的虛擬圖像在本文中有時(shí)被稱為該圖像的虛擬版本(或類似稱呼)。

與圖像點(diǎn)x0相對(duì)應(yīng)的輸入光束(未示出)將平行于光學(xué)軸30朝著入耦srg52的幾何中心或在該幾何中心附近傳播。

如同所提及的，在實(shí)踐中，顯示器15的個(gè)體像素可被近似為單個(gè)圖像點(diǎn)。這在圖7b中說(shuō)明，圖7b是示出顯示器15的主面31和兩個(gè)相鄰像素xa、xb的的平面示意圖，該顯示器的中心與自主點(diǎn)p起的角δβ對(duì)向。在像素xa、xb活躍時(shí)從所述像素發(fā)出的光實(shí)際上被轉(zhuǎn)換為具有等于δβ的角度分隔的經(jīng)準(zhǔn)直光束34(xa)、34(xb)。顯而易見，為了說(shuō)明的目的，像素xa、xb的尺度已被放得很大。

光束被高度準(zhǔn)直化，具有不大于與自p起的個(gè)體像素所對(duì)向的角度(～δβ)的角度范圍，例如，通常具有不超過約1/2毫弧度的角度范圍。如鑒于前文所顯而易見的，這提高了穿戴者感知的最終圖像的圖像質(zhì)量。

圖7c和7d分別示出了該光學(xué)組件的一部分的示意平面圖(xz)和正視圖(yz)。如這些圖中所指示的，入耦光柵52導(dǎo)致光束34(x)的衍射，由此導(dǎo)致第一(±1)階模式光束在光學(xué)組件10內(nèi)在新方向上傳播，該新方向大致朝向折疊srg54(即，具有正的x分量)。新方向可通過方位角和極角φ(x)來(lái)參數(shù)化——其中|φ(x)|≤|φin(x)|和θ(x)——其中|θ(x)|>|θin(x)|，其也可通過圖像點(diǎn)x的位置來(lái)確定且對(duì)于圖像點(diǎn)x是唯一的。光柵52被配置成使得第一階模式是唯一重要的衍射模式，其中此新光束的強(qiáng)度從而實(shí)質(zhì)上匹配輸入光束的強(qiáng)度。如同上面提及的，斜光柵可被用來(lái)實(shí)現(xiàn)此所需效果(被定向遠(yuǎn)離入耦srg52的光束將例如對(duì)應(yīng)于光束t1，如在圖4b或4c中所示)。以此方式，光束34(x)在新方向上被耦合至光學(xué)組件10的入耦區(qū)域12中。

該光學(xué)組件具有衍射率n且被配置成使得極角θ(x)滿足以下給出的全內(nèi)反射準(zhǔn)則：

(1):對(duì)于每個(gè)x，sinθ(x)＞1/n。

顯而易見，來(lái)自成像光學(xué)器件17的每個(gè)光束輸入從而在大致水平(+x)方向(從x軸偏移φ(x)<φin(x))上通過全內(nèi)反射(tir)傳播穿過光學(xué)組件10。以此方式，光束34(x)被從入耦區(qū)域12耦合到折疊區(qū)域14中，光束在折疊區(qū)域中沿折疊區(qū)域14的寬度傳播。

圖7e示出了從類似于穿戴者的視點(diǎn)來(lái)看的光學(xué)組件10的整體的正(xy)視圖。如下面更詳細(xì)地解釋的，光學(xué)組件10內(nèi)的衍射光束分割和全內(nèi)反射的組合導(dǎo)致每個(gè)輸入光束34(x)的多個(gè)版本從退出srg沿退出區(qū)域16的寬度和高度兩者在相應(yīng)的向外方向(也就是說(shuō)，遠(yuǎn)離光學(xué)組件10)上作為輸出光束38(x)向外衍射，該向外方向與相應(yīng)輸入光束34(x)的相應(yīng)向內(nèi)方向基本上匹配。

在圖7e中，在光學(xué)組件10外的光束被使用陰影表示，而點(diǎn)線被用來(lái)表示光學(xué)組件10內(nèi)的光束。透視被用來(lái)指示在z方向上的傳播，其中圖7e中的光束的加寬(或變窄)表示在正的(或負(fù)的)z方向上的傳播；即朝著(或遠(yuǎn)離)穿戴者。從而，發(fā)散的點(diǎn)線表示光學(xué)組件10內(nèi)的朝著光學(xué)組件10的前壁傳播的光束；最寬部分表示擊中光學(xué)組件10的前壁的那些光束，所述光束被從前壁全內(nèi)朝著后壁反射回去(在后壁上形成各srg)，其被用從最寬點(diǎn)到最窄點(diǎn)會(huì)聚的點(diǎn)線表示，光束在最窄點(diǎn)上入射到后壁上。各光束入射到折疊srg和退出srg的區(qū)域被標(biāo)記為s和e且出于將變得明顯的理由分別被稱為分割區(qū)域和退出區(qū)域。

如所示，輸入光束34(x)通過入耦srg52借助前述衍射被耦合入波導(dǎo)中，且在方向φ(x),±θ(x)(每當(dāng)光束被反射時(shí)極角的符號(hào)改變但大小不變)上通過itr沿入耦區(qū)域12的寬度傳播。如將顯而易見的，這導(dǎo)致光束34(x)最終擊中在最左側(cè)的分割區(qū)s的折疊srg。

當(dāng)光束34(x)入射到分割區(qū)s上時(shí)，該入射光束34(x)實(shí)際上通過衍射一分為二以創(chuàng)建該光束的新版本42(x)(具體而言，-1反射模式光束)，該新版本在特定的且大致向下(-y)的方向φ'(x),±θ'(x)上朝著退出區(qū)域16被定向，這是由于折疊srg54具有特定配置(稍后將描述該特定配置)以及由于零階反射模式光束(鏡像反射光束)，其在相同方向φ(x),±θ(x)上沿該光束的寬度繼續(xù)傳播，就如在不存在折疊srg的情況下光束34(x)所做的一樣(盡管是以降低的強(qiáng)度)。從而，光束34(x)實(shí)際上基本沿著折疊區(qū)域14的整個(gè)寬度繼續(xù)傳播，在各分割區(qū)s擊中折疊srg，在每個(gè)分割區(qū)s處創(chuàng)建該光束的另一新版本(在相同的特定向下方向φ'(x),±θ'(x)上)。如圖7e中所示，這導(dǎo)致光束34(x)的多個(gè)版本被耦合入退出區(qū)域16中，退出區(qū)域被水平分開以便共同地基本橫跨退出區(qū)域16的寬度。

如同也在圖7e中所示，在分割區(qū)s處創(chuàng)建的該光束的新版本42(x)自身可在其向下傳播期間擊中折疊srg。這將導(dǎo)致創(chuàng)建0階模式，其在方向φ'(x),±θ'(x)上繼續(xù)大致向下傳播并且可被視為該光束的繼續(xù)傳播，但是可能導(dǎo)致通過衍射創(chuàng)建非0階模式光束40(x)(另一新版本)。然而，在同一srg處通過此類雙重衍射創(chuàng)建的任何此類光束40(x)將沿折疊區(qū)域14的寬度與被耦合入光學(xué)組件10的原始光束34(x)在基本相同的方向φ(x),±θ(x)上傳播(參見下文)。從而，盡管具有通過折疊srg的多次衍射的可能性，光束34(x)(對(duì)應(yīng)于圖像點(diǎn)x)的各版本在光學(xué)組件10內(nèi)的傳播實(shí)際上限于2個(gè)xy方向：大致水平方向(φ(x),±θ(x))，以及特定且大致向下的方向(φ'(x),±θ'(x))，后者將在后面簡(jiǎn)短地討論。

在折疊區(qū)域14內(nèi)的傳播從而是高度規(guī)則的，與特定圖像點(diǎn)x相對(duì)應(yīng)的所有光束版本以所示方式基本上約束于類似格子的結(jié)構(gòu)。

退出區(qū)域16位于折疊區(qū)域14之下且從而光束42(x)的向下傳播的版本被耦合入退出區(qū)域16，在該退出區(qū)域中光束被引導(dǎo)到輸出srg的各退出區(qū)e上。退出srg56被配置成使得當(dāng)光束的一版本擊中輸出srg時(shí)，該光束被衍射以創(chuàng)建在向外方向上被從退出srg56向外定向的第一階模式光束，該向外方向與其中對(duì)應(yīng)于圖像點(diǎn)x的原始光束34(x)被輸入的唯一向內(nèi)方向基本匹配。因?yàn)榇嬖诳缤顺鰠^(qū)域16的寬度的向下傳播的該光束的多個(gè)版本，所以跨退出區(qū)域16的寬度生成多個(gè)輸出光束(如在圖7e中所示)以提供有效的水平光束展開。

而且，退出srg56被配置成使得除了向外衍射的光束38(x)在各退出區(qū)e處被從入射光束創(chuàng)建之外，0階衍射模式光束在與該入射光束相同的特定方向上繼續(xù)向下傳播。這進(jìn)而以在圖7e中所示的方式在較低的退出區(qū)域16s處擊中退出srg，從而導(dǎo)致繼續(xù)0階以及向外第一階光束。從而，還基本上跨退出區(qū)域16的高度生成多個(gè)輸出光束38(x)以提供基本豎直的光束展開。

輸出光束38(x)在向外方向上被向外定向，該向外方向與原始光束34(x)被輸入的唯一輸入方向基本匹配。在此上下文中，基本匹配的意思是向外方向與向內(nèi)方向按照以下方式相關(guān)：其使得穿戴者的眼睛將輸出光束38(x)的任何組合聚焦到視網(wǎng)膜上的單個(gè)點(diǎn)，從而重構(gòu)圖像點(diǎn)x(見下)。

對(duì)于平光學(xué)組件(即，其前表面和后表面在整體上基本平行于xy平面)，輸出光束基本彼此平行(至少在兩個(gè)相鄰顯示器像素所對(duì)向的角度δβ內(nèi))且在輸出傳播方向上向外傳播，該向外傳播方向平行于該唯一向內(nèi)方向對(duì)應(yīng)的輸入光束34(x)在該唯一向內(nèi)方向上被定向至入耦srg52。也就是說(shuō)，在向內(nèi)方向上將對(duì)應(yīng)于圖像點(diǎn)x的光束34(x)定向至入耦srg52導(dǎo)致相應(yīng)的輸出光束38(x)從退出區(qū)域16向外且平行地衍射，每個(gè)輸出光束均在向外傳播方向上，這是由于各srg的配置(見下)。

如現(xiàn)在將參考圖7f描述的，這使得觀看者的眼睛在看向退出區(qū)域16時(shí)重構(gòu)圖像。圖7f示出了光學(xué)組件10的平面(xz)視圖。輸入光束34(x)被入耦到光學(xué)組件10，導(dǎo)致以上面討論的方式在各退出區(qū)e創(chuàng)建多個(gè)平行的輸出光束38(x)。這可被等效表達(dá)為在對(duì)應(yīng)于所有圖像點(diǎn)的各輸出光束處形成與相應(yīng)輸入光束相同的虛擬圖像(在無(wú)限遠(yuǎn)處)。

因?yàn)閷?duì)應(yīng)于圖像點(diǎn)x的光束38(x)全部基本平行，所以被眼睛37接收的一個(gè)或多個(gè)光束38(x)的任何光就像眼睛37感知在無(wú)限遠(yuǎn)處的圖像(即，遠(yuǎn)方圖像)那樣被聚焦。眼睛37從而將如此接收的光聚焦到單個(gè)視網(wǎng)膜點(diǎn)上，就像該光正被直接從成像光學(xué)器件17接收一樣，從而在視網(wǎng)膜上重構(gòu)圖像點(diǎn)x(即像素)。如顯而易見的，對(duì)每個(gè)活躍圖像點(diǎn)(像素)同樣如此，以使得眼睛37重構(gòu)當(dāng)前在顯示器15上的整個(gè)圖像。

然而，與直接從光學(xué)器件17接收?qǐng)D像不同——對(duì)于每個(gè)x僅發(fā)出直徑為d的相應(yīng)的單個(gè)光束34(x)——輸出光束39(x)被在顯著更寬的面積(即，基本上退出區(qū)域的面積)上發(fā)出，這實(shí)質(zhì)上大于輸入光束的面積(～d²)。眼睛接收到光束38(x)的哪個(gè)(哪些)部分不重要，因?yàn)樗泄馐劢沟较嗤囊暰W(wǎng)膜點(diǎn)——例如，假設(shè)在圖7f中眼睛37要水平移動(dòng)(±x)，則顯然圖像仍將被感知到。從而，不需要為比如說(shuō)具有不同瞳距的觀看者對(duì)顯示系統(tǒng)進(jìn)行適配，除了使得退出區(qū)域16足夠?qū)捯灶A(yù)期瞳距的合理范圍之外。盡管與眼睛分開更遠(yuǎn)的觀看者相比，眼睛更靠近在一起的觀看者通常將接收來(lái)自退出區(qū)域16的更靠近入耦區(qū)域12那一側(cè)的光，然而兩個(gè)觀看者仍將感知到相同的圖像。而且，隨著眼睛27旋轉(zhuǎn)，在圖像仍保持可見的同時(shí)圖像的不同部分被朝著觀看者的視野的中心帶動(dòng)(因?yàn)楣馐鄬?duì)于眼睛的光學(xué)軸的角度改變)，由此允許觀看者根據(jù)需要將其注意力集中到圖像的不同部分。

被對(duì)應(yīng)任何兩個(gè)相鄰像素xa、xb的輸入光束呈現(xiàn)的相同的相對(duì)角分隔δβ也被對(duì)應(yīng)的輸出光束集合38(xa),38(xb)呈現(xiàn)——從而相鄰像素被眼睛37聚焦到相鄰的視網(wǎng)膜點(diǎn)。光束的所有各版本在穿過光學(xué)組件10傳播時(shí)保持高度準(zhǔn)直，從而阻止聚焦到視網(wǎng)膜上的像素圖像的明顯交疊，由此保留了圖像銳度。

應(yīng)當(dāng)注意，圖7a-7g不是按照比例的且具體而言，為了清楚，與實(shí)踐中通常期望的相比，光束直徑通常相對(duì)于諸如顯示器15等組件被減小。

現(xiàn)在將參考圖8a和8b描述入耦srg52的配置，圖8a和8b示出了折疊光柵52的一部分的平面示意圖和正視圖。注意，在圖8a和8b中，為了清楚，光束由箭頭表示(即，其面積未被表示)。

圖8a示出了分別位于顯示器15的左側(cè)遠(yuǎn)端和右側(cè)遠(yuǎn)端的兩個(gè)圖像點(diǎn)xl、xr，來(lái)自所述圖像點(diǎn)的光由光學(xué)器件17準(zhǔn)直以生成向內(nèi)方向(θin(xl),φin(xl)),(θin(xr),φin(xr))上的相應(yīng)輸入光束34(xl)、34(xr)。如圖所示，這些光束被入耦srg52耦合到光學(xué)組件10中，如所示——所示的在入耦srg52處創(chuàng)建的入耦光束是通過入射在srg52上的光束的衍射創(chuàng)建的第一階(+1)模式光束。被耦合到波導(dǎo)中的光束34(xl),34(xr)在由極角θ(xl),θ(xr)定義的方向上傳播。

圖8b示出了在顯示器15的右上側(cè)遠(yuǎn)端和右下側(cè)遠(yuǎn)端的兩個(gè)圖像點(diǎn)xr1和xr2。注意，在此圖中，點(diǎn)劃線表示在光學(xué)組件10后的方面(-z)。在光學(xué)組件10內(nèi)的方向上的對(duì)應(yīng)光束34(xl),34(xr)具有極角φ(xl),φ(xr)。

這些角度θ(x),φ(x)通過(透射)光柵等式給出：

nsinθ(x)sinφ(x)＝sinθin(x)sinφin(x)(2)

其中srg52具有光柵周期d1，光束光具有波長(zhǎng)λ，且n是光學(xué)組件的折射率。

從(2)、(3)中明確示出θ(xl)＝θmax且θ(xr)＝θmin，即，耦合入組件10的任何光束以在范圍[θ(xr),θ(xl)]內(nèi)的初始極角傳播；并且φ(xr2)＝φmax且φ(xr1)＝φmin(在此示例中≈–φmax)，即，耦合入該組件的任何光束初始地以在范圍[φ(xr1),φ(xr2)](≈[–φ(xr2),φ(xr2)])內(nèi)的方位角傳播。

現(xiàn)在將參考圖9a-9b描述折疊srg54的配置。注意，在圖9a和9b中，為了清楚，光束再次用箭頭表示，而不表示其面積。在這些圖中，點(diǎn)線表示垂直于折疊srg光柵線的定向，劃線表示垂直于入耦srg光柵線的定向，且點(diǎn)劃線表示垂直于退出srg光柵線的定向。

圖9a示出了耦合入光學(xué)組件10的折疊區(qū)域14的光束34(x)的透視圖，該光束已被從光學(xué)組件10的前壁反射并且從而在方向(φ(x),-θ(x))中朝著折疊srg54行進(jìn)。點(diǎn)線(其垂直于折疊srg光柵線)被示出以表示折疊srg的定向。

折疊srg54和入耦srg52具有相對(duì)定向角a(該角為其相應(yīng)光柵線之間的夾角)。當(dāng)在xy平面中測(cè)量時(shí)，該光束從而與折疊srg光柵線成角度α+φ(x)(參見圖9b)。光束34入射在折疊srg54上，折疊srg將光束34衍射到不同組件中。創(chuàng)建了0階反射模式(鏡面反射)光束，其繼續(xù)在方向(φ(x),+θ(x))中傳播，就像光束34(x)因?yàn)椴淮嬖谡郫Bsrg54的反射而會(huì)做的那樣(盡管是以減小的強(qiáng)度)。此鏡面反射光束可被實(shí)際上視為光束34(x)的延伸并且由于這個(gè)原因也被標(biāo)記為34(x)。還創(chuàng)建了第一階(-1)反射模式光束42(x)，其可實(shí)際上被認(rèn)為是該光束的新版本。

如所指示的，該光束42(x)的新版本在特定方向(φ'(x),θ'(x))中傳播，該特定方向由已知(反射)光柵等式給出：

nsinθ'(x)sin(a十φ'(x))＝nsinθ(x)sin(a十φ(x))(4)

其中折疊srg具有光柵周期d2，光束光具有波長(zhǎng)λ，且n是光學(xué)組件10的折射率。

如圖9b中所示(圖9b示出光學(xué)組件10的正視示意圖)，光束34(x)被以方位角φ(x)耦合入入耦區(qū)域12中并且從而與折疊srg54成xy角φ(x)+α。

當(dāng)其首先被折疊srg54衍射時(shí)光束34(x)的第一新版本42a(x)(-1模式)被創(chuàng)建，且當(dāng)其接下來(lái)被折疊srg54衍射時(shí)第二新版本42b(x)(-1模式)被創(chuàng)建(以此類推)，所述新版本均在xy方向φ'(x)上傳播。以此方式，光束34(x)實(shí)際上被分割為多個(gè)版本，這些版本被水平分開(跨折疊區(qū)域14的寬度)。這些版本被朝著退出區(qū)域16向下定向并且從而被耦合入退出區(qū)域16中(由于水平分開所以基本跨退出區(qū)域16的寬度)?？梢钥闯?，該多個(gè)版本從而入射在退出srg56的各退出區(qū)(被標(biāo)記為e)上，所述退出區(qū)e位于沿該退出區(qū)域16的寬度上。

這些新的、向下(-y)傳播的版本自身可再次遇到折疊srg，如圖所示。然而，從(4)、(5)可以示出，通過本身是通過原始光束(例如，34(x))在同一srg處的較早衍射創(chuàng)建的第一階反射模式光束的入射光束(例如，42a(x)，-1模式)的srg處的衍射創(chuàng)建的任何第一階反射模式光束(例如，40a(x)，+1模式)將還原到原始光束的方向(例如，φ(x)，±θ(x)，其為40a(x)的衍射的方向)。從而，折疊區(qū)域14內(nèi)的傳播約束于類似菱形的格子，如從圖9b的幾何形狀可見。被標(biāo)記為42ab(x)的光束是在42b(x)遇到折疊srg54時(shí)創(chuàng)建的鏡面反射光束和在40a(x)在基本相同位置遇到該折疊srg時(shí)創(chuàng)建的-1模式光束的疊加；被標(biāo)記為42ab(x)的光束是在40a(x)遇到折疊srg54時(shí)創(chuàng)建的鏡面反射光束和在42b(x)在基本相同位置遇到該折疊srg時(shí)創(chuàng)建的+1模式光束的疊加(以此類推)。

退出srg和入耦srg52、56以相對(duì)定向角a’(該角為其相應(yīng)光柵線之間的夾角)定向。在每個(gè)退出區(qū)處，遇到該區(qū)的版本被衍射，以使得除了在方向φ′(x)，±θ′(x)上向下傳播的0階反射模式光束之外，將在由下式給出的向外方向(φout(x)，θout(x))上遠(yuǎn)離光學(xué)組件10傳播的第一階(+1)透射模式光束38(x)：

sinθout(x)sin(a′+φout(x))＝nsinθ′(x)sin(a′+φ′(x))(6)

輸出方向θout(x)，φout(x)是波導(dǎo)外(在空氣中傳播)的輸出光束的方向。對(duì)于平波導(dǎo)，在下述情況下式(6)，(7)均成立：在退出光柵在該波導(dǎo)的前方時(shí)——在此情況下輸出光束是第一階透射模式光束(可以看出，式(6)，(7)對(duì)應(yīng)于已知透射光柵等式)——而在退出光柵在波導(dǎo)的后方時(shí)(如圖7f中所示)——在此情況下輸出光束對(duì)應(yīng)于第一階反射模式光束，所述光束在從后退出光柵初始反射之后在以下給出的方向θ′outx，φ′out(x)上在光學(xué)組件10內(nèi)傳播：

nsinθ′out(x)sin(a′+φ′out(x))＝nsinθ′(x)sin(a′+φ′(x))(6′)

這些光束隨后在光學(xué)組件的前表面處被折射，并且從而在由斯內(nèi)爾定律給出的方向θin(x)，φin(x)中退出光學(xué)組件：

sinθout(x)＝nsinθ′out(x)(8)

φout(x)＝φout(x)(9)

顯而易見，等式(6),(7)的條件簡(jiǎn)單沿襲自(6’),(7’),(8)和(9)。注意，前表面處的這種折射盡管在圖7f中無(wú)法輕易可見，然而仍舊在圖7f的布置中發(fā)生。

從等式(2-7)可以示出，當(dāng)

d＝d1＝d3(10)

時(shí)(即，當(dāng)入耦和退出srg52、56的周期基本匹配時(shí))；

d2＝d/(2cosa)；(11)

以及

a′＝2a；(12)

則(θout(x)，φout(x))＝(θin(x)，φin(x))

而且，當(dāng)條件

被滿足時(shí)，除了上面提及的第一階和0階反射模式，沒有模式被通過衍射在折疊srg54處創(chuàng)建。也就是說(shuō)，當(dāng)滿足此準(zhǔn)則時(shí)沒有附加的不合需光束在折疊區(qū)域中被創(chuàng)建。條件(13)對(duì)于從約0到70度的大范圍的a被滿足。

換言之，當(dāng)這些準(zhǔn)則被滿足時(shí)，退出srg56實(shí)際上擔(dān)當(dāng)入耦srg52的逆，將針對(duì)與其交互的光束的每個(gè)版本的入耦srg衍射的影響翻轉(zhuǎn)，由此輸出實(shí)際上該光束34(x)的在與被輸入到組件10的原始光束相同方向上的具有基本是退出srg56的面積的面積的二維展開版本(＞＞d²，并且如所指出的，獨(dú)立于成像光學(xué)器件17)，由此向外衍射的光束形成與向內(nèi)輸入的光束基本相同，但是在大得多的面積上能被感知的虛擬圖像。

在圖9b的示例中，a≈45°，即，從而折疊srg和退出srg54、56分別與入耦srg52在基本上45和90度定向，其中折疊區(qū)的光柵周期然而，這僅是一個(gè)示例且實(shí)際上，顯示系統(tǒng)的總效率通常在a≥50°時(shí)增加。

以上考慮了平光學(xué)組件，但是適當(dāng)彎曲的光學(xué)組件(即，具有基本沿z方向延伸的曲率半徑)可被配置成擔(dān)當(dāng)有效透鏡以使得輸出光束30(x)不再是高度準(zhǔn)直的且不再是平行的，但是具有特定的相對(duì)方向和角度分隔，以使得每個(gè)追蹤回到公共會(huì)聚點(diǎn)——這在圖7g中示出，其中公共會(huì)聚點(diǎn)被標(biāo)記為q。而且，當(dāng)每個(gè)圖像點(diǎn)被考慮時(shí)，所有不同活躍圖像點(diǎn)的各會(huì)聚點(diǎn)位于基本相同平面(被標(biāo)記為50)上，該平面位于距眼睛37的距離l處，以使得眼睛可相應(yīng)地聚焦以感知整個(gè)圖像，就像圖像在距離l遠(yuǎn)處一樣。這可等效地被陳述為各輸出光束形成當(dāng)前顯示圖像的與對(duì)應(yīng)輸入光束基本相同的虛擬版本，但是在距眼睛37的距離l處而不是在無(wú)限遠(yuǎn)處。彎曲的光學(xué)組件特別適用于不能正確聚焦遠(yuǎn)處圖像的近視眼。

注意，一般而言，折疊和退出區(qū)域的“寬度”不必是其水平范圍——一般而言，折疊或退出區(qū)域14、16的寬度是在該區(qū)域中光被從入耦區(qū)域12耦合入折疊區(qū)域14的大致方向上的區(qū)域范圍(在以上示例中為水平的，但是更一般地在基本垂直于入耦區(qū)域12的光柵線的方向上)。

注意，光引擎13的以上布置僅是示例。例如，基于所謂掃描的替代光引擎可提供單個(gè)光束，在同時(shí)調(diào)制其強(qiáng)度和/或顏色時(shí)，該單個(gè)光束的定向被快速調(diào)制。如將顯而易見的，以等效于通過用準(zhǔn)直光學(xué)器件準(zhǔn)直顯示器上的(真實(shí))圖像的光來(lái)創(chuàng)建的虛擬圖像的這種方式來(lái)模擬虛擬圖像。

制作包括srg的光學(xué)組件通常涉及使用微制造技術(shù)。

微制造是指微米規(guī)模和更小規(guī)模的期望結(jié)構(gòu)的制造。微制造可涉及在基板上的蝕刻和/或沉積，以在基板上創(chuàng)建合需的微結(jié)構(gòu)。

濕刻涉及使用液體蝕刻劑來(lái)選擇性地移除例如沉積在板的表面上的膜的各部分和/或板本身的表面的各部分。蝕刻劑與基板(例如板/膜)化學(xué)地起反應(yīng)以移除基板(例如板/膜)的暴露給蝕刻劑的部分。選擇性蝕刻可以通過在基板/膜上沉積合適的保護(hù)層來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述保護(hù)層僅僅將基板(例如板/膜)的部分暴露給蝕刻劑以供化學(xué)反應(yīng)并保護(hù)了剩余部分免受蝕刻劑的化學(xué)反應(yīng)。保護(hù)層可以由光阻或其它保護(hù)性掩模層來(lái)形成。

干刻涉及選擇性地(例如使用類似的光阻掩模)將基板(例如板/膜)暴露給高能粒子的轟擊以移除基板(例如板/膜)的暴露給所述粒子的部分(有時(shí)稱為“濺射”)。一種示例是在其中各部分被暴露給離子束的離子束蝕刻。作為與那些暴露的部分的離子化學(xué)反應(yīng)以移除它們(有時(shí)稱為“化學(xué)濺射”)和/或取決于它們的動(dòng)能物理移除那些部分(有時(shí)稱為“物理濺射”)的結(jié)果可以移除那些部分。

與蝕刻相反，沉積-諸如離子束沉積或基于沉浸的沉積-涉及將材料施加到基板(例如板/膜)，而不是從基板(例如板/膜)移除材料。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)“圖案化基板的表面”或類似術(shù)語(yǔ)涵蓋在板或膜上的所有此類蝕刻/沉積，且板或膜上的此類蝕刻/沉積被稱為在基板的表面上施加結(jié)構(gòu)。

用于制造光學(xué)組件的傳統(tǒng)技術(shù)涉及例如首先用鉻層或其它保護(hù)性掩膜層(例如另一金屬層)涂覆主板的表面的待圖案化區(qū)(合需表面區(qū))。主板和膜構(gòu)成基板。掩模層被正光阻覆蓋。正光阻是指在暴露于光時(shí)變得可顯影的光阻，即具有使得已暴露于光的那些部分(且僅那些部分)在用來(lái)在曝光后對(duì)光阻顯影的顯影流體中能溶解的成分的光阻。形成合需光柵圖案(光柵結(jié)構(gòu))的光——例如，使用雙束激光干涉以生成形成干涉圖案形式的光柵結(jié)構(gòu)的光而創(chuàng)建的——隨后被投影到光阻上以便僅光帶位置處的光阻被曝光。光阻隨后被顯影以移除曝光部分，保留掩膜層的選擇性部分可見(即，僅顯露選擇性部分)且剩余部分被黑暗邊緣位置處的未被曝光的光阻所覆蓋。隨后可以使用傳統(tǒng)的蝕刻技術(shù)(例如初始濕刻或離子束蝕刻工藝)來(lái)移除掩模層的未被覆蓋部分，所述蝕刻技術(shù)移除了掩模的未被覆蓋部分而不移除被光阻覆蓋的部分，并且所述蝕刻技術(shù)基本上不影響板本身。板本身的蝕刻——諸如進(jìn)一步濕刻或進(jìn)一步的離子束蝕刻——隨后被執(zhí)行，以將圖案從經(jīng)蝕刻的掩膜層轉(zhuǎn)移到基板本身。

圖12a示出了另一光學(xué)組件10’，其類似于圖3a和3b的光學(xué)組件10，但是具有一些重要的差別，現(xiàn)在將對(duì)其進(jìn)行描述。如所示，該另一光學(xué)組件10’具有與光學(xué)組件10的srg類似的srg52’(入耦)、54’(折疊)、56’(退出)，其中在它們之間具有大間隙(＞＞100μm)，包括在入耦srg和折疊srg52’、54'之間。由于此大間隔，在制造該另一光學(xué)組件10’時(shí)，可沿上面畫出輪廓的線使用正光阻技術(shù)進(jìn)行激光干涉暴露(簡(jiǎn)單地通過在激光干涉暴露期間在主板(基板)前方應(yīng)用不同形狀的陰影掩模)。

這在圖12b中被示出，圖12b從該側(cè)示出了在雙光束激光干涉暴露過程期間的主板70’。板70’被用鉻層72’涂覆，鉻層本身被用光阻74’涂覆，該光阻74’為正光阻。板70’和膜72’構(gòu)成基板。干涉圖案通過兩個(gè)激光束67i、67ii的干涉創(chuàng)建。陰影掩模69’被用來(lái)阻止圖案落到基板的表面的合需部分(例如，被入耦srg52’跨越的部分)之外以使得僅被曝光的光阻是覆蓋干涉圖案的光帶落在其上的合需部分的部分(在圖12b中被曝光的光阻用黑色示出并被標(biāo)記為74’e)。隨后可針對(duì)待圖案化的任何其它部分(例如，針對(duì)被54’和56’跨越的部分)重復(fù)這一過程。隨后可對(duì)正光阻顯影以移除曝光部分74’e，且按上面概述的方式將基板圖案化。

然而，陰影掩模導(dǎo)致doe區(qū)域的邊緣附近的失真。失真是由于光散射、陰影掩模的不完美接觸以及陰影掩模的有限的厚度(其實(shí)際上使其邊緣附近的圖案模糊)。在本文中，在其邊緣附近呈現(xiàn)的光柵結(jié)構(gòu)的不均勻性(由制造期間的這種陰影化所導(dǎo)致的類型的或類似類型的)被稱為“邊緣失真”。邊緣失真在圖12b中由標(biāo)簽d指示。

當(dāng)對(duì)光阻顯影時(shí)，邊緣失真連同光柵結(jié)構(gòu)變得具體化在被顯影的光阻中，并且作為結(jié)果在板70’被蝕刻時(shí)被轉(zhuǎn)移到板70’的表面。結(jié)果是，最終光學(xué)組件10’(其包括圖案化的板或從圖案化的板制造)也呈現(xiàn)出相應(yīng)的邊緣失真，如由圖12a中圍繞各doe區(qū)域的邊緣的被標(biāo)記為d的點(diǎn)線所指示的。

而且，不僅創(chuàng)建邊緣失真，還有在以此方式對(duì)基板曝光時(shí)定位陰影掩模69’是困難的，并且因此減小srg52’、54’之間的間隙的大小而無(wú)需冒srg52’、54’之間的交疊的風(fēng)險(xiǎn)是困難的。

返回圖3b，與圖12a的該另一光學(xué)組件10’不同，光學(xué)組件10的入耦區(qū)域和折疊區(qū)域12、14基本毗連，因?yàn)樗鼈儽环珠_最多窄邊界區(qū)域18，該邊界區(qū)域具有沿分開邊界區(qū)域18的公共邊界19(即垂直于公共邊界19)測(cè)量的寬度w。也就是說(shuō)，入耦區(qū)域和折疊區(qū)域在沿公共邊界18的寬度中被分開小距離w。而且，光學(xué)組件10的入耦srg、折疊srg和退出srg52、54、56沒有上面描述的那種邊緣失真。已經(jīng)觀察到，這種配置產(chǎn)生了比該另一光學(xué)組件10’的圖像質(zhì)量更好的圖像質(zhì)量。

特別而言，已經(jīng)觀察到，當(dāng)沿公共邊界19(間隙)的入耦區(qū)和折疊區(qū)12、14的分隔w沿公共邊界19的長(zhǎng)度被減小為w≤wmax時(shí)(即，假設(shè)入耦區(qū)域和折疊區(qū)域沿公共邊界19的長(zhǎng)度在寬度上被分開不超過wmax)(其中wmax≈100μm(微米))，則可獲得圖像質(zhì)量的改善。在實(shí)踐中，觀察到改善的間隙大小可對(duì)于波導(dǎo)的厚度有一定依賴性。例如，對(duì)于具有約0.6mm或更小厚度(在z方向的范圍，如在附圖中所示)的波導(dǎo)，當(dāng)wmax大致為50μm或更小時(shí)觀察到圖像質(zhì)量的劇烈改善。這一特殊情況在圖10中示出，圖10示出了在針對(duì)圖10包括的一個(gè)情況中mtf(模轉(zhuǎn)移函數(shù))的曲線作為間隙寬度的函數(shù)而下降。在間隙從50μm減小時(shí)mtf的增大在圖10中清晰可見。如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，模轉(zhuǎn)移函數(shù)(mtf)是光學(xué)系統(tǒng)將各種水平的細(xì)節(jié)從物體轉(zhuǎn)移到圖像的能力的度量。1.0(或100％)的mtf表示完美對(duì)比度保留，而小于此值的值意味著越來(lái)越多的對(duì)比度丟失——直到mtf為0(或0％)，此時(shí)線對(duì)(線對(duì)是一條黑線和一條白線的序列)完全不能再被區(qū)分。對(duì)于較厚的波導(dǎo)(例如約1mm厚度)，對(duì)于至多100μm的間隙大小仍舊期望改善。

圖3b的公共邊界19是弓形的(在此示例中為基本半圓形的)，其中入耦區(qū)12和折疊區(qū)14具有沿公共邊界19成弓形的(在此情況下為基本半圓形的)邊。入耦區(qū)12的邊整體上基本成圓形。

本公開意識(shí)到，傳統(tǒng)微制造技術(shù)不適合制造圖3b的光學(xué)組件10。特別而言，現(xiàn)有技術(shù)不適于制造呈現(xiàn)必要的入耦-折疊區(qū)分隔w≤wmax且沒有邊緣失真，同時(shí)仍舊準(zhǔn)確維持上面參考圖9b描述的各srg52、54和56之間的合需角度定向關(guān)系的光學(xué)組件。

現(xiàn)在將參考圖11描述用于制造光學(xué)組件的微制造工藝。如鑒于下文將變得顯而易見的，圖11的工藝可被用來(lái)制造圖3b中示出的在入耦區(qū)和折疊區(qū)之間具有必要的小間隔、沒有邊緣失真、并且還呈現(xiàn)高精確度的合需角度定向的類型的光學(xué)組件。

也就是說(shuō)，本公開提供了一種新穎的干涉微影方法，其允許在光學(xué)組件的表面上制造彼此分開100微米或更小的光柵。這用傳統(tǒng)干涉微影方法通常是不可實(shí)現(xiàn)的。

圖11在左手側(cè)示出了該工藝的流程圖，并且在右手側(cè)針對(duì)該工藝的每個(gè)步驟，示出了適于說(shuō)明在該步驟操縱板70的方式的示例性主板70的平面圖和/或側(cè)視圖。每個(gè)側(cè)視圖是沿相應(yīng)平面圖中示出的點(diǎn)劃線所取的橫截面。

板表面的上部用鉻膜72涂覆。板70和膜72構(gòu)成基板，基板的合需表面區(qū)(具體而言，在此示例中為由鉻層72定義的表面區(qū))在執(zhí)行該工藝時(shí)被選擇性蝕刻以創(chuàng)建入耦srg和折疊srg52、54。入耦srg52在合需表面區(qū)的第一部分62(入耦部分)上制造，而折疊srg54在合需表面區(qū)的第二有區(qū)別(即，非交疊)且基本毗連部分64(折疊部分)上制造，沿(預(yù)想的)公共邊界19具有減小的分隔w≤wmax。對(duì)于圖3a和3b中示出的光學(xué)組件10，從穿戴者的視角看，合需區(qū)對(duì)應(yīng)于該組件的表面的后部。

最終蝕刻基板構(gòu)成光學(xué)組件，該光學(xué)組件可并入顯示系統(tǒng)(例如圖1的顯示系統(tǒng)2)中，或者可被用作用于制造更多的光學(xué)組件的生產(chǎn)母版，例如，用于從聚合物模塑此類組件的模具(或者的確可被用于制造此類模具)，在此情況下被制造在基板的表面上的srg52、54通過制造(例如模塑)過程被轉(zhuǎn)移到那些組件(的后部)。

在圖11的步驟s4，鉻層72被用負(fù)光阻膜74涂覆，負(fù)光阻膜即在暴露于光時(shí)變得不可顯影的光阻，即具有使得已被暴露于光的那些部分(且僅那些部分)一旦被暴露則變得在被用來(lái)對(duì)光阻顯影的顯影流體中基本不可溶解的成分的光阻，以使得被暴露部分(且僅那些部分)保持到顯影后。這包括涂覆最終旨在用入耦srg52圖案化的入耦部分62以及最終旨在用折疊srg54圖案化的折疊部分64。

在步驟s6，實(shí)質(zhì)上大于入耦部分62且涵蓋該入耦部分的區(qū)域被暴露(在此示例中被示出為包含合需的圓形區(qū)域62的矩形)于光，其形成合需的入耦光柵結(jié)構(gòu)(即，srg52的結(jié)構(gòu))。通過定向兩個(gè)激光束67i、67ii以在干涉布置中重合，創(chuàng)建在入射在光阻74上時(shí)形成具有光柵周期d的合需入耦光柵結(jié)構(gòu)的干涉圖案。干涉圖案包括交替的亮帶和暗帶，由此光阻的僅亮帶所坐落的部分被曝光(經(jīng)曝光的光阻在圖11中用黑色示出并被標(biāo)記為70e)；然而，與正光阻不同，這些曝光部分70e將變得不可顯影，而暗帶位置中的未曝光部分保持可顯影。

陰影掩模69被用來(lái)將干擾圖案約束至較大區(qū)域。該較大區(qū)域足夠大，以不僅涵蓋入耦表面部分62而且還使得陰影掩模所創(chuàng)建的所有邊緣失真d位于入耦部分62之外(一般而言，較寬的區(qū)域足以使得在預(yù)想的公共邊界19附近基本上沒有邊緣失真，即使在入耦部分62的邊緣附近的別處存在一定的邊緣失真)。

出于即將討論的理由，啞光柵部分63也同時(shí)被暴露于相同(或類似)的干涉圖案。

曝光部分62、63實(shí)際上可以是任何形狀或大小的，但是來(lái)自可能的其它曝光的過度曝光一定不能達(dá)到合需曝光部分的任何“活躍部分”(即，在s6旁的圖示中，其它曝光必須不與圓形入耦部分62交疊)。

作為使用掩模的替代，干涉圖案可被投影到合需表面區(qū)的整體上以便在合需表面區(qū)上完全沒有陰影化效果。

在曝光步驟s6期間，板70被圖11中未示出的激光干涉曝光設(shè)定(曝光系統(tǒng))中的機(jī)械鉗制或其它固定方法支撐以在進(jìn)行曝光時(shí)將其相對(duì)于曝光系統(tǒng)(特別而言，相對(duì)于光束67i、67ii)保持穩(wěn)定。在步驟s6之后，主板70被從激光干涉曝光設(shè)定卸載。

在步驟s8，卸載的板70被暴露于基本均勻強(qiáng)度的光65，但是在要暴露光阻的地方有光掩模80并從而避免來(lái)自入耦和啞光柵區(qū)域62、63之外的區(qū)域的光阻顯影。即，入耦部分62和啞區(qū)63上的光掩模80被用來(lái)阻止部分62、63暴露于均勻光65。從而，均勻光65被投影在除入耦部分和啞部分(因?yàn)樗鼈儽还庋谀?0覆蓋)之外的合需表面區(qū)的整體上，從而除了覆蓋入耦部分和啞部分62、63的光阻之外的所有光阻變得完全不可顯影。從而光掩模定義部分62、63(即，部分62、63具有與被用來(lái)保護(hù)這些部分的相應(yīng)光掩模80相同的大小和形狀)，而不是在s6中使用的陰影掩模定義部分62、63。掩模對(duì)齊設(shè)備被用來(lái)將光掩模80準(zhǔn)確定位在基板上的正確位置上。掩模對(duì)準(zhǔn)設(shè)備具有用于生成供曝光的均勻光的組件(例如，紫外燈、光學(xué)器件等)以及用于將光掩模80定位到正確位置的機(jī)械器件。

如將顯而易見的，當(dāng)在s6被投影時(shí)要保留光柵結(jié)構(gòu)的任何記錄的僅有的光阻是覆蓋入耦部分和啞部分的光阻——在這些部分之外，光柵結(jié)構(gòu)的所有記錄被有意損壞。入耦部分和啞部分62、63之外的完全曝光的光阻包括光阻的經(jīng)受邊緣失真d的所有部分，從而從光阻完全移除邊緣失真的任何記錄。由于該工藝的性質(zhì)，基本不存在對(duì)光柵圖案的失真。

在步驟s10，光阻被顯影以通過使用顯影流體僅移除該光阻的還未被暴露于光的那些部分來(lái)具體化入耦srg光柵結(jié)構(gòu)。所有被曝光的、未被顯影的光阻74e基本保持不被步驟s10的顯影改變。如在附圖中(圖11中的s10右側(cè))所示，部分62、63外基本沒有光阻在步驟s10被移除；僅有的被移除的光阻是入耦部分和啞部分62、63中的對(duì)應(yīng)于在s6投影在光阻上的干涉圖案的暗帶位置的未曝光光阻的線。

在步驟s11，鉻蝕刻規(guī)程被執(zhí)行以用入耦srg圖案蝕刻鉻層72(但不蝕刻板70本身)，諸如鉻硬掩模72的干刻。在蝕刻步驟s11中，光阻擔(dān)當(dāng)蝕刻掩模以將鉻層72的蝕刻約束于僅針對(duì)入耦光柵表面部分和啞光柵表面部分，由此從光阻向入耦部分和啞部分62、63施加結(jié)構(gòu)。然而，部分62、63外的經(jīng)曝光的、未顯影的光阻74e抑制那些部分62、63外的蝕刻，以使得沒有結(jié)構(gòu)被施加在那些部分9之外的鉻72上(即，在那些部分之外，鉻基本不被改變)。

一旦鉻72已被如此蝕刻，則曝光的光阻74e被移除(s12)且用新鮮的、未經(jīng)曝光的負(fù)光阻74重新涂覆鉻72(s13)。

如同上面所指示的，入耦srg和折疊srg之間的相對(duì)定向角旨在為在上面的等式(11)中定義并在圖9b中示出的a(其中入耦srg和退出srg具有根據(jù)等式(12)的相對(duì)定向角2a)。這可通過在同樣由相同機(jī)械夾具或其它固定方法再次支撐的(與先前在s6使用的)相同的曝光系統(tǒng)上重新加載板70并將該板70旋轉(zhuǎn)一定量來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述量與相對(duì)于曝光系統(tǒng)的a匹配，以使得任何后續(xù)投影的圖案通過a被定向到原始入耦srg圖案(s14)。通過使用適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)板70的高度精確的旋轉(zhuǎn)是可能的。

然而，由于機(jī)械止動(dòng)器的不精確，板70的位置不與步驟s6中的位置精確相同。這在圖11的步驟s14旁邊的平面圖中示出，其中角度α被示出為表示由板70的加載/卸載帶來(lái)的相對(duì)于在先前的曝光步驟s6處的板的初始定向的輕微旋轉(zhuǎn)。

出于這種理由，在s14旋轉(zhuǎn)板70之前，首先測(cè)量s6和s14中的板位置之間的偏移α。測(cè)量使用邊緣圖案81完成。邊緣圖案81在板被旋轉(zhuǎn)時(shí)改變且這可被用來(lái)以好于0.001度的分辨率測(cè)量板的角度。

為了創(chuàng)建邊緣圖案81，啞光柵部分被重新暴露至其在步驟s6被暴露至的相同干涉圖案(或至少具有相同角度定向的干涉圖案)，如在圖11的右手側(cè)所示。盡管在啞光柵頂部上存在光阻，邊緣圖案是清晰的。邊緣圖案因?yàn)楦缮鎴D案和啞光柵之間的交互的結(jié)果而被創(chuàng)建，且當(dāng)角度對(duì)齊好于例如0.01度時(shí)具有邊緣間隔——通常是幾毫米量級(jí)的——并且從而在偏移α為約五千分之一度是清晰可見，且其隨著α朝著0減小而增大，在α達(dá)到0時(shí)變?yōu)樽畲笾?實(shí)際上為無(wú)限大)。邊緣間隔由偏移α來(lái)確定并且反過來(lái)可被用來(lái)測(cè)量α。

這使得在啞光柵頂上的光阻保持部分暴露；如將顯而易見的，這是不重要的。注意，啞光柵部分63從折疊光柵部分64足夠偏移以使得在折疊光柵部分頂上的光阻在創(chuàng)建邊緣圖案81時(shí)保持不暴露。

一旦已測(cè)量了α，則在步驟s16，將板70從該初始定向旋轉(zhuǎn)一定量，該量＝a-α(由此在旋轉(zhuǎn)中計(jì)入α)，以使得板70現(xiàn)在以高精確度相對(duì)于其在s6的初始位置具有定向a。

在步驟s18，實(shí)質(zhì)上大于折疊部分64并涵蓋折疊部分64的區(qū)域被再次通過定向兩個(gè)激光束67i、67ii以在干涉布置中重合來(lái)被暴露，從而以等效于s6的方式將光阻的落在亮帶上的部分保持不顯影(但是沒有任何附加啞光柵區(qū)域被暴露)。在s18，干涉圖案在入射到光阻上時(shí)具有周期d/(2cosa)。陰影掩模69再次被用于將干涉圖案約束到此區(qū)域，該區(qū)域足夠大以不僅涵蓋折疊表面部分64而且使得由陰影掩模創(chuàng)建的所有邊緣失真d位于入耦部分62之外(或至少不在公共邊界16處)。

入耦光柵頂上的一些或全部光阻將很可能在s18被暴露，這是不重要的，因?yàn)槠鋵?duì)已經(jīng)被蝕刻到下層鉻72中的入耦圖案沒有影響。

除了折疊部分64外的所有其它區(qū)域隨后通過適當(dāng)?shù)墓庋谀?0被暴露(s19)于均勻光65，該光掩模處于適當(dāng)位置以等效于步驟s8的方式阻止折疊部分64(且僅該部分)的暴露。這使得覆蓋入耦部分62的(以及覆蓋最終旨在被蝕刻以形成退出光柵56的退出部分的)所有光阻保持被曝光并且因此不被顯影。光阻隨后以等效于步驟s10的方式被顯影以僅移除未曝光部分(s20)，鉻再次被蝕刻以將折疊srg圖案從光阻轉(zhuǎn)移到鉻，且在蝕刻之后光阻被移除(等效于s11-s12)。入耦部分被經(jīng)曝光并且因此未被顯影的光阻70e保護(hù)，由此保留已經(jīng)蝕刻入鉻中的入耦光柵圖案。

使用光掩模80來(lái)定義入耦部分和折疊部分允許以比簡(jiǎn)單地使用陰影掩模來(lái)定義doe區(qū)域時(shí)(如在上面概述的正光阻技術(shù)中)精確得多地控制doe區(qū)域的位置。從而將那些部分的分隔減小為w≤wmax同時(shí)仍舊保持那些部分的分隔(即，不使被蝕刻的圖案交疊)成為可能。

盡管在圖11中未明確示出，然而將顯而易見，覆蓋最終旨在用于退出srg56(豎直地在入耦srg和折疊srg52、54的下方)的光柵區(qū)域的鉻不受s11和s22兩者的蝕刻影響，因?yàn)樵谶@兩個(gè)步驟中其被未被顯影的光阻保護(hù)。

可重復(fù)類似過程來(lái)將合需折疊光柵結(jié)構(gòu)蝕刻到鉻中，同樣使用邊緣圖案來(lái)實(shí)現(xiàn)入耦光柵結(jié)構(gòu)和退出光柵結(jié)構(gòu)之間的高度精確的2a角度定向。本配置中的退出光柵距輸入光柵相對(duì)更遠(yuǎn)。從而輸入光柵和退出光柵可被用足夠大的陰影掩模暴露于相同光阻層以避免邊緣失真。

一旦所有三個(gè)結(jié)構(gòu)已被蝕刻到鉻中，板70本身經(jīng)受蝕刻過程(例如，離子束蝕刻)，其中鉻現(xiàn)在擔(dān)當(dāng)蝕刻掩模，由此光柵結(jié)構(gòu)被從經(jīng)蝕刻的鉻72轉(zhuǎn)移到板70本身從而以極好的角度精確度、srg52、54之間的窄間隙w≤wmax以及沒有邊緣失真的良好質(zhì)量邊緣在板本身上形成合需的入耦srg、退出srg和折疊srg52、54、56。

注意，啞光柵圖案不被蝕刻到板本身中，因?yàn)槠湓谧罱K光學(xué)組件中是不需要的。

一旦板本身已被蝕刻，鉻被移除且板70可(例如在圖1中示出的類型的顯示系統(tǒng)中使用)被用于模塑更多的光學(xué)組件，或真正制造這些模具。

已經(jīng)證明，使用圖11的過程，基板可被圖案化，其沒有邊緣失真、入耦區(qū)域和折疊區(qū)域14、16之間的實(shí)際相對(duì)定向角恒定為arccos(d1/(2d2))(參見上面的等式11、12)和/或入耦srg和退出srg12、16之間的相對(duì)定向角的一半(參見上面的等式13)在±千分之一度內(nèi)(如從使用本技術(shù)制造的基板的代表性統(tǒng)計(jì)群體所測(cè)量的)。然而，在一些實(shí)踐上下文中，千分之二度可能仍舊是可接受的角度誤差。

盡管上文使用啞光柵用于重對(duì)齊，然而在其它實(shí)施例中使用退出光柵用于重對(duì)齊也是可能的。輸入和退出光柵在實(shí)踐中在不將板取出激光系統(tǒng)中的樣本保持器的情況下進(jìn)行，因?yàn)樗鼈兎珠_～1厘米并且從而使得容易用標(biāo)準(zhǔn)掩模來(lái)陰影化。退出光柵相對(duì)較大且從而退出光柵的制造(其距折疊光柵足夠遠(yuǎn))可被用于在板被插回激光系統(tǒng)以用于折疊光柵干涉暴露時(shí)的重對(duì)齊。

盡管在以上中間金屬層被沉積在主板和基板之間，然而替代地，光阻層可替換地被直接施加到基板和光阻的選擇性區(qū)域以使得光阻以與前述掩模類似的方式發(fā)揮功能。然而，使用單獨(dú)的金屬掩模層可以便利于蝕刻的更好的選擇性。

注意，盡管圖11的過程是參考蝕刻來(lái)描述的，然而所述技術(shù)可被適配以按照顯而易見的方式轉(zhuǎn)而通過沉積來(lái)實(shí)現(xiàn)圖案化。

根據(jù)第一方面，提供一種顯示系統(tǒng)，其包括光學(xué)波導(dǎo)和光引擎。所述光學(xué)波導(dǎo)具有入耦光柵、中間光柵和退出光柵。所述光引擎被配置成生成多個(gè)輸入光束。每個(gè)光束基本準(zhǔn)直且在唯一向內(nèi)方向上被定向到所述入耦光柵，由此所述多個(gè)輸入光束形成虛擬圖像。所述中間光柵和退出光柵具有實(shí)質(zhì)上大于所述光束的直徑的寬度。所述入耦光柵被布置成將每個(gè)光束耦合到中間光柵中，其中所述光束被引導(dǎo)到所述中間光柵的在沿所述中間光柵的寬度的方向上的多個(gè)分割區(qū)上。所述中間光柵被布置成在所述分割區(qū)分割該光束以提供該光束多個(gè)基本平行版本。那多個(gè)版本被耦合到所述退出光柵上，其中所述多個(gè)版本被引導(dǎo)到所述退出光柵的多個(gè)退出區(qū)上。所述退出區(qū)位于沿所述退出光柵的寬度的方向上。所述退出光柵被布置成向外衍射該光束的所述多個(gè)版本。該多個(gè)輸入光束由此導(dǎo)致多個(gè)退出光束退出該波導(dǎo)，該多個(gè)退出光束形成該虛擬圖像的一版本。所述入耦光柵和所述中間光柵基本上毗連，沿公共邊界在寬度上分開不超過100微米(且任選地不超過50微米)。

根據(jù)第二方面，提供了一種用于顯示系統(tǒng)的光學(xué)波導(dǎo)，所述光學(xué)波導(dǎo)具有入耦光柵、中間光柵和退出光柵。所述入耦光柵被布置成接收多個(gè)輸入光束，每個(gè)輸入光束基本準(zhǔn)直且以唯一向內(nèi)方向被定向到所述入耦光柵，由此所述多個(gè)輸入光束形成虛擬圖像。所述中間光柵和退出光柵具有實(shí)質(zhì)上大于所述光束的直徑的寬度。所述入耦光柵被布置成將每個(gè)光束耦合到中間光柵中，其中所述光束被引導(dǎo)到所述中間光柵的在沿所述中間光柵的寬度的方向上的多個(gè)分割區(qū)上。所述中間光柵被布置成在所述分割區(qū)分割該光束以提供該光束的被耦合到所述退出光柵中的多個(gè)基本平行版本，在退出光柵中所述多個(gè)版本被引導(dǎo)到所述退出光柵的多個(gè)退出區(qū)上，所述退出區(qū)位于沿所述退出光柵的寬度的方向上。所述退出光柵被布置成向外衍射該光束的所述多個(gè)版本，所述多個(gè)輸入光束從而導(dǎo)致多個(gè)退出光束退出所述波導(dǎo)，所述多個(gè)退出光束形成所述虛擬圖像的一版本。所述入耦光柵和所述中間光柵基本上毗連，沿公共邊界在寬度上分開不超過100微米(且任選地不超過50微米)。

在實(shí)施例中，所述入耦光柵和所述中間光柵可至少在所述公共邊界的附近區(qū)域中基本不呈現(xiàn)邊緣失真。

所述入耦光柵和所述中間光柵具有相對(duì)定向角，所述相對(duì)定向角是所述入耦光柵和所述退出光柵之間的相對(duì)定向角的一半，達(dá)到在千分之二度內(nèi)，且可能在千分之一度內(nèi)。

所述入耦光柵具有光柵周期d1，所述中間光柵具有光柵周期d2，且所述入耦和所述中間光柵可具有相對(duì)定向角，所述相對(duì)定向角為arccos(d1/(2d2))，達(dá)到在千分之二度內(nèi)，且可能在千分之一度內(nèi)。

所述公共邊界是弓形的，所述入耦光柵和所述中間光柵具有沿所述公共邊界成弓形的邊緣。例如，所述公共邊界可以是基本半圓形的，所述入耦光柵和所述中間光柵的邊緣沿所述公共邊界成基本半圓形。例如，所述入耦光柵的所述邊緣可以基本上為圓形。

所述中間光柵可具有在沿其寬度且遠(yuǎn)離所述入耦光柵的方向上增加的高度。

所述第一方面的所述顯示系統(tǒng)可由用戶可穿戴。例如，所述顯示系統(tǒng)可嵌入在可穿戴頭戴式套件中，所述退出光柵在被穿戴時(shí)位于所述用戶的眼睛的前方以使得所述圖像對(duì)所述用戶可見。

所述顯示系統(tǒng)可包括兩個(gè)此類光學(xué)波導(dǎo)，每個(gè)光學(xué)波導(dǎo)向所述用戶的一只不同的眼睛提供圖像光。

根據(jù)第三方面，一種用于制造光學(xué)組件的微制造過程包括圖案化階段，在所述圖案化階段中基板的表面的一個(gè)或多個(gè)部分被通過至少以下步驟圖案化。用負(fù)光阻涂覆所述基板的表面的至少一區(qū)域，所述區(qū)域涵蓋所述部分。此所述負(fù)光阻在暴露于光時(shí)變得不能顯影。在所述部分的每個(gè)部分上投影形成光柵結(jié)構(gòu)的光。在除了所述部分的所述區(qū)域的整體上投影基本均勻強(qiáng)度的光，由此保留所述部分之外的所述負(fù)光阻不能顯影。對(duì)所述負(fù)光阻進(jìn)行顯影以便將所述光柵結(jié)構(gòu)具體化在覆蓋所述部分的所述光阻中。圖案化所述基板的表面以將所述光柵結(jié)構(gòu)從經(jīng)顯影的光阻施加在所述基板的表面上，所述不能顯影的光阻抑制所述部分之外的所述表面區(qū)域的圖案化。所述光學(xué)組件包括經(jīng)圖案化的基板。

在實(shí)施例中，所述微制造過程可包括第一此類圖案化階段，所述第一此類圖案化階段之后跟隨有第二此類圖案化階段，其中在所述第二階段施加在所述基板的表面上的第二光柵結(jié)構(gòu)與在所述第一階段施加在所述基板的表面上的第一光柵結(jié)構(gòu)偏移一非零角度。

所述第一階段的所述投影步驟在所述基板被以第一定向支撐在曝光系統(tǒng)中的情況下執(zhí)行，且其中所述第二階段可包括：在所述第二階段的投影步驟之前，在執(zhí)行所述第二階段的投影步驟之前相對(duì)于所述曝光系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)所述基板至第二定向，其中所述第二定向與所述第一定向偏移所述非零角度。

所述基板可在所述第一階段的所述投影步驟之后被從所述曝光系統(tǒng)移除并在執(zhí)行所述第二階段的所述投影步驟之前重新加載到所述曝光系統(tǒng)中，其中所述第二階段可包括：在重新加載所述基板之后但是在將所述基板旋轉(zhuǎn)至所述第二定向之前，通過將形成光柵結(jié)構(gòu)的光投影到所述基板的表面上的在所述第一階段中已經(jīng)被圖案化的部分上來(lái)創(chuàng)建邊緣圖案，其中所述邊緣圖案在將所述基板旋轉(zhuǎn)至所述第二定向時(shí)被使用以計(jì)入所述基板離開所述第一定向的任何非預(yù)想旋轉(zhuǎn)，所述非預(yù)想旋轉(zhuǎn)是由移除和重新加載所述基板導(dǎo)致的。

所述第一光柵結(jié)構(gòu)可具有與所述第二光柵結(jié)構(gòu)不同的周期。

可在所述第一階段圖案化的具有所述第一光柵結(jié)構(gòu)的第一部分和在所述第二階段圖案化的具有所述第二光柵結(jié)構(gòu)的第二部分具有公共邊界，其中在所述第一階段第一陰影掩模被用來(lái)將形成所述第一光柵結(jié)構(gòu)的光約束到大于所述第一部分且涵蓋所述第一部分的第一區(qū)域，其中在所述第二階段，第二陰影掩模被用來(lái)將形成所述第二光柵結(jié)構(gòu)的光約束到大于所述第二部分且涵蓋所述第二部分的第二區(qū)域，且其中所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域足夠大以使得至少在所述公共邊界的附近區(qū)域內(nèi)所述第一部分和所述第二部分沒有分別由所述第一掩模和所述第二掩模創(chuàng)建的邊緣失真。

所述第一部分和所述第二部分沿所述公共邊界在寬度上分開不超過50微米。

對(duì)于所述部分的至少一個(gè)部分，陰影掩?？稍诘谝煌队安襟E中被用來(lái)將形成光柵結(jié)構(gòu)的光約束到大于該部分且涵蓋該部分的區(qū)域，所述區(qū)域足夠大以使得該部分完全沒有由所述掩模創(chuàng)建的邊緣失真。

所述基板可初始包括其上沉積了金屬膜的主板，其中所述金屬膜在第三方面的圖案化步驟中被圖案化以將所述光柵結(jié)構(gòu)從所述光阻施加在所述金屬膜上。

所述過程可包括圖案化所述板以將所述光柵結(jié)構(gòu)從所述金屬膜施加到所述板上，以及隨后移除所述金屬膜，其中所述光學(xué)組件包括移除了所述金屬膜的經(jīng)圖案化的板。

所述公共邊界可以是弓形的。例如，所述第一部分和所述第二部分之一可以是基本上圓形的。

所述第一部分和所述第二部分之一具有在沿其寬度且遠(yuǎn)離所述第一部分和所述第二部分的另一部分的方向上增大的高度。

一種根據(jù)本文公開的任何制作過程制造的光學(xué)組件本身可被用來(lái)制造至少一個(gè)進(jìn)一步的光學(xué)組件。所述進(jìn)一步的光學(xué)組件例如可使用所述光學(xué)組件從聚合物模塑。

所述進(jìn)一步的光學(xué)組件可被用于顯示系統(tǒng)中。

第四方面提供了通過本文公開的任何制造過程制造的產(chǎn)品。

所述進(jìn)一步的光學(xué)組件可被用來(lái)制造至少一個(gè)又進(jìn)一步的光學(xué)組件。所述又進(jìn)一步的光學(xué)組件例如可被使用所述進(jìn)一步的光學(xué)組件從聚合物模塑。

根據(jù)第五方面，一種光學(xué)組件具有第一衍射光柵和第二衍射光柵，所述第一光柵通過所述光學(xué)組件的表面的第一部分中的第一系列的基本平行的、延長(zhǎng)的槽形成，所述第二光柵通過所述光學(xué)組件的表面的與所述第一部分有區(qū)別的第二部分中的第二系列的基本平行的、延長(zhǎng)的槽形成。所述第二光柵與所述第一光柵偏移一非零角度。所述第一部分和所述第二部分基本上毗連，沿公共邊界在寬度上分開不超過100微米(可任選地不超過50微米)。所述第一光柵和所述第二光柵至少在所述公共邊界的附近區(qū)域中基本不呈現(xiàn)邊緣失真。

提供一種包括顯示器、光學(xué)波導(dǎo)和準(zhǔn)直光學(xué)器件的顯示系統(tǒng)。在所述顯示器上生成圖像。所述光學(xué)波導(dǎo)具有入耦光柵、中間光柵和退出光柵。所述準(zhǔn)直光學(xué)器件被布置成將所述圖像基本準(zhǔn)直為多個(gè)輸入光束。每個(gè)光束通過準(zhǔn)直來(lái)自相應(yīng)圖像點(diǎn)的光形成，該光束被在唯一向內(nèi)方向上定向到所述入耦光柵，所述唯一向內(nèi)方向取決于該點(diǎn)在所述圖像中的位置。所述多個(gè)輸入光束由此形成所述圖像的虛擬版本。所述中間光柵和退出光柵具有實(shí)質(zhì)上大于所述光束的直徑的寬度。所述入耦光柵被布置成將每個(gè)光束耦合到中間光柵中，其中所述光束被引導(dǎo)到所述中間光柵的在沿所述中間光柵的寬度的方向上的多個(gè)分割區(qū)上。所述中間光柵被布置成在所述分割區(qū)分割該光束以提供該光束的多個(gè)基本平行版本。那多個(gè)版本被耦合到所述退出光柵上，其中所述多個(gè)版本被引導(dǎo)到所述退出光柵的多個(gè)退出區(qū)上。所述退出區(qū)位于沿所述退出光柵的寬度的方向上。所述退出光柵被布置成基本平行地且在向外方向上向外衍射該光束的所述多個(gè)版本，所述向外方向基本匹配該光束被入耦的所述唯一向內(nèi)方向。所述多個(gè)輸入光束從而導(dǎo)致多個(gè)退出光束退出所述波導(dǎo)，所述多個(gè)退出光束形成所述圖像的基本相同的虛擬版本。所述入耦光柵和所述中間光柵基本上毗連，沿公共邊界在寬度上分開不超過100微米(且任選地不超過50微米)。

盡管用結(jié)構(gòu)特征和/或方法動(dòng)作專用的語(yǔ)言描述了本發(fā)明主題，但可以理解，所附權(quán)利要求書中定義的主題不必限于上述具體特征或動(dòng)作。更確切而言，上述具體特征和動(dòng)作是作為實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求的示例形式公開的。