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CN112088328B - 利用全息布拉格光栅的2d光瞳扩展器 - Google Patents

利用全息布拉格光栅的2d光瞳扩展器 Download PDF

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CN112088328B
CN112088328B CN201980029720.1A CN201980029720A CN112088328B CN 112088328 B CN112088328 B CN 112088328B CN 201980029720 A CN201980029720 A CN 201980029720A CN 112088328 B CN112088328 B CN 112088328B
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light
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Meta Platforms Technologies LLC
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Abstract

全息布拉格光栅用作用于人工现实的透镜中的波导的输出元件。通过使用布拉格光栅，可以减少波导的数量。输出元件具有写入波导的单个光栅层中的第一超光栅和第二超光栅。第一超光栅具有光栅矢量，其相对于第二超光栅的光栅矢量偏斜，以便为二维输出耦合提供偏转和输出耦合。

Description

利用全息布拉格光栅的2D光瞳扩展器
优先权的交叉引用段落
本申请是标题为“2D PUPIL EXPANDER USING HOLOGRAPHIC BRAGG GRATING”的2018年5月1日提交的美国非临时申请第15/968,576号的继续申请，该美国非临时申请出于所有目的而由此通过引用以其整体并入。
背景
本公开总体上涉及近眼显示系统，且更具体地，涉及具有小形状因子(formfactor)、大视场和/或大适眼区(eyebox)的波导显示器。近眼光场显示器将图像直接投射到用户的眼睛中，其包括近眼显示器和电子取景器。传统的近眼显示器通常具有产生图像光的显示元件，该图像光在到达用户的眼睛之前穿过一个或更多个透镜。此外，虚拟现实(VR)系统和/或增强现实(AR)系统中的近眼显示器具有紧凑、重量轻的设计标准，并且提供了具有大适眼区和宽视场(FOV)的二维扩展。在典型的近眼显示器中，FOV的极限基于满足两个物理条件：(1)耦合到波导中的图像光的全内反射的出现，以及(2)由衍射光栅引起的一级(first order)衍射的存在。用于满足上述两种物理条件的常规方法依赖于沉重且昂贵的部件。此外，设计包括两个空间分离的不同输出光栅元件的具有二维扩展的传统近眼显示器通常会导致大的形状因子。因此，使用传统方法来设计近眼显示器以获得小的形状因子、大的FOV和/或大的适眼区是具有挑战性的。
概述
本公开涉及一种用于光波导的输出耦合器；更具体地但不限于，涉及一种用作用于增强现实(AR)的透镜中的波导的输出耦合器的布拉格光栅(Bragg grating)。针对AR提出的一些系统针对AR显示器的不同波长的光使用不同的输出耦合器。例如，AR显示器可以有三个波导和三个相应的表面浮雕(surface-relief)输出耦合器；一个用于红色，一个用于绿色，以及一个用于蓝色。本公开描述了使用布拉格光栅的系统和/或方法，而不是使用表面浮雕光栅。使用布拉格光栅的一个可能原因是减少AR显示器中波导和/或输出耦合器的数量。代替三个波导和三个输出耦合器用于三种不同的颜色，一个波导和一个输出耦合器可以用来显示三种不同的颜色。
在一些实施例中，使用输入耦合器(例如，折射率匹配棱镜)将光耦合到透镜中的波导中。该透镜是头戴式显示器(如AR眼镜)的一部分。波导支持输入光的角度范围，输入光在波导中通过全内反射从输入耦合器传播到输出耦合器。输出耦合器包括一个、两个或更多个超光栅(super grating)。超光栅是在光学器件中写入两个或更多个光栅的光学器件。光离开波导并向用户的眼睛传输。在一些实施例中，通过曝光光学器件(例如，使用UV光多次曝光衬底)来形成多个布拉格光栅，从而形成超光栅。
附图简述
参考以下附图描述说明性实施例。
图1是近眼显示器的实施例的示意图。
图2是近眼显示器的横截面的实施例。
图3示出了具有单个源组件的波导显示器的实施例的等轴视图。
图4示出了波导显示器的实施例的横截面。
图5是包括近眼显示器的系统的实施例的框图。
图6是具有带输入元件和输出元件的波导的设备的实施例的简化前视图。
图7是具有带输入元件和输出元件的波导的设备的实施例的简化侧视图。
图8是由第一间距限定的布拉格光栅的实施例的简图。
图9是由第二间距限定的布拉格光栅的另一个实施例的简图。
图10是由第三间距限定的布拉格光栅的另一个实施例的简图。
图11是超光栅的实施例的简图。
图12是具有第一超光栅和第二超光栅的输出元件的实施例的简图。
图13是光栅的解空间(solution space)的实施例。
图14是具有密集写入布拉格光栅的超光栅的解空间的实施例。
图15是具有空间地变化的超光栅的输出元件的实施例。
图16是具有空间地变化的间距的超光栅的解空间的实施例。
图17是与输出元件的光栅相互作用的光的矢量路径的简图。
图18示出了用于制造输出元件的过程的流程图的实施例。
附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。本领域的技术人员将从以下描述中容易地认识到，在不脱离本公开的原理或所宣扬的益处的情况下，可以采用所示结构和方法的替代实施例。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，相同类型的各种部件可以通过在参考标记后面加上破折号和在相似部件之间进行区分的第二标记来区分。如果说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的任何一个相似部件，而与第二附图标记无关。
详细描述
在以下描述中，为了解释的目的阐述了具体细节，以便提供对某些创造性实施例的透彻理解。然而，很明显，没有这些具体细节也可以实施各种实施例。附图和描述并不旨在是限制性的。
图1是近眼显示器100的实施例的示意图。近眼显示器100向用户呈现媒体。由近眼显示器100呈现的媒体示例包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从近眼显示器100、控制台或两者接收音频信息，并基于音频信息来呈现音频数据。近眼显示器100通常被配置成作为虚拟现实(VR)显示器进行操作。在一些实施例中，近眼显示器100被修改为作为增强现实(AR)显示器和/或混合现实(MR)显示器来进行操作。
近眼显示器100包括框架105和显示器110。框架105耦合到一个或更多个光学元件。显示器110被配置为供用户观看由近眼显示器100呈现的内容。在一些实施例中，显示器110包括波导显示组件，用于将来自一个或更多个图像的光导向用户的眼睛。
图2是图1所示的近眼显示器100的横截面200的实施例。显示器110包括至少一个波导显示组件210。出射光瞳(exit pupil)230是当用户佩戴近眼显示器100时，眼睛220在适眼区区域中的位置。为了说明的目的，图2示出了与单只眼睛220和单个波导显示组件210相关联的横截面200，但是第二波导显示器用于用户的第二只眼睛。
波导显示组件210被配置成将图像光引导到位于出射光瞳230处的适眼区，并引导到眼睛220。波导显示组件210可以由具有一个或更多个折射率的一种或更多种材料(例如，塑料、玻璃等)组成。在一些实施例中，近眼显示器100包括在波导显示组件210和眼睛220之间的一个或更多个光学元件。
在一些实施例中，波导显示组件210包括一个或更多个波导显示器的堆叠，包括但不限于堆叠式波导显示器、变焦波导显示器等。堆叠式波导显示器是通过堆叠其相应单色源具有不同的颜色的波导显示器而创建的多色显示器(例如，红-绿-蓝(RGB)显示器)。堆叠式波导显示器也是可以被投射在多个平面上的多色显示器(例如，多平面彩色显示器)。在一些配置中，堆叠式波导显示器是可以被投射在多个平面上的单色显示器(例如，多平面单色显示器)。变焦波导显示器是可以调节从波导显示器发射的图像光的焦点位置的显示器。在替代实施例中，波导显示组件210可以包括堆叠式波导显示器和变焦波导显示器。
图3示出了波导显示器300的实施例的等轴视图。在一些实施例中，波导显示器300是近眼显示器100的部件(例如，波导显示组件210)。在一些实施例中，波导显示器300是将图像光导向特定定位的某个其他近眼显示器或其他系统的一部分。
波导显示器300包括源组件310、输出波导320和控制器330。为了说明的目的，图3示出了与单只眼睛220相关联的波导显示器300，但是在一些实施例中，与波导显示器300分离或部分分离的另一个波导显示器向用户的另一只眼睛提供图像光。
源组件310生成图像光355。源组件310生成图像光355并将其输出到位于输出波导320的第一侧面370-1上的耦合元件350。输出波导320是向用户的眼睛220输出扩展的图像光340的光波导。输出波导320在位于第一侧面370-1上的一个或更多个耦合元件350处接收图像光355，并将接收到的输入图像光355引导至导向元件360。在一些实施例中，耦合元件350将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。耦合元件350可以是例如，衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱面元件(prismatic surfaceelement)、和/或全息反射器阵列。
导向元件360将接收到的输入图像光355重定向到去耦元件(decouplingelement)365，使得接收到的输入图像光355经由去耦元件365从输出波导320去耦合。导向元件360是输出波导320的第一侧面370-1的一部分或固定到输出波导320的第一侧面370-1。去耦元件365是输出波导320的第二侧面370-2的一部分或固定到输出波导320的第二侧面370-2，使得导向元件360与去耦元件365相对。导向元件360和/或去耦元件365可以是例如，衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱面元件、和/或全息反射器阵列。
第二侧面370-2表示沿x维度和y维度的平面。输出波导320可以由有助于图像光355的全内反射的一种或更多种材料组成。输出波导320可以由例如硅、塑料、玻璃和/或聚合物组成。输出波导320具有相对小的形状因子。例如，输出波导320可以沿x维度约50mm宽，沿y维度约30mm长，并且沿z维度约0.5-1mm厚。
控制器330控制源组件310的扫描操作。控制器330确定源组件310的扫描指令。在一些实施例中，输出波导320将扩展的图像光340输出到用户的眼睛220，具有大视场(FOV)。例如，提供给用户的眼睛220的扩展的图像光340(在x和y上)具有60度和/或更大和/或150度和/或更小的对角线FOV。输出波导320被配置成提供适眼区，其长度为20mm或更大和/或等于或小于50mm；和/或宽度为10mm或更大和/或等于或小于50mm。
图4示出了波导显示器300的横截面400的实施例。横截面400包括源组件310和输出波导320。源组件310根据来自控制器330的扫描指令生成图像光355。源组件310包括源410和光学系统415。源410是生成相干光或部分相干光的光源。源410可以是，例如，激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。
光学系统415包括一个或更多个光学部件，光学部件调整来自源410的光。调整来自源410的光可以包括例如，根据来自控制器330的指令来扩展、准直和/或调节定向。一个或更多个光学部件可以包括一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。在一些实施例中，光学系统415包括具有多个电极的液体透镜，液体透镜允许用阈值的扫描角度来扫描光束，以将光束移到液体透镜外部的区域。从光学系统415(还有源组件310)发射的光被称为图像光355。
输出波导320接收图像光355。耦合元件350将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。在耦合元件350是衍射光栅的实施例中，衍射光栅的间距被选择成使得全内反射在输出波导320中发生，并且图像光355在输出波导320中朝向去耦元件365进行内部传播(例如，通过全内反射)。
导向元件360将图像光355重定向到去耦元件365，用于与输出波导320去耦。在导向元件360是衍射光栅的实施例中，衍射光栅的间距被选择成使得入射图像光355以相对于去耦元件365的表面倾斜的角度离开输出波导320。
在一些实施例中，导向元件360和/或去耦元件365在结构上类似。离开输出波导320的扩展的图像光340沿着一个或更多个维度被扩展(例如，可以沿着x维度被拉长)。在一些实施例中，波导显示器300包括多个源组件310和多个输出波导320。每个源组件310发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的特定波段的单色图像光。每个输出波导320可以以一定的间隔距离堆叠在一起，以输出多色的扩展的图像光340。
图5是包括近眼显示器100的系统500的实施例的框图。系统500包括近眼显示器100、成像设备535、以及输入/输出接口540，它们各自耦合到控制台510。
近眼显示器100是向用户呈现媒体的显示器。由近眼显示器100呈现的媒体示例包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从近眼显示器100和/或控制台510接收音频信息，并基于该音频信息向用户呈现音频数据。在一些实施例中，近眼显示器100也可以充当AR眼镜。在一些实施例中，近眼显示器100利用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理、现实世界环境的视图。
近眼显示器100包括波导显示组件210、一个或更多个位置传感器525和/或惯性测量单元(IMU)530。波导显示组件210包括源组件310、输出波导320和控制器330。
IMU 530是一种电子设备，其基于从一个或更多个位置传感器525接收的测量信号，生成指示近眼显示器100相对于近眼显示器100的初始位置的估计位置的快速校准数据。
成像设备535根据从控制台510接收的校准参数来生成慢速校准数据。成像设备535可以包括一个或更多个相机和/或一个或更多个摄像机。
输入/输出接口540是允许用户向控制台510发送动作请求的设备。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。
控制台510根据从成像设备535、近眼显示器100和输入/输出接口540中的一个或更多个接收的信息来向近眼显示器100提供媒体以呈现给用户。在图5所示的示例中，控制台510包括应用储存器545、跟踪模块550和引擎555。
应用储存器545存储用于由控制台510执行的一个或更多个应用。应用是一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于呈现给用户的内容。应用的示例包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
跟踪模块550使用一个或更多个校准参数来校准系统500，并且可以调节一个或更多个校准参数以减小近眼显示器100的位置确定中的误差。
跟踪模块550使用来自成像设备535的慢速校准信息来跟踪近眼显示器100的移动。跟踪模块550还使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器100的参考点的位置。
引擎555执行系统500内的应用，并从跟踪模块550接收近眼显示器100的位置信息、加速度信息、速度信息和/或预测的未来位置。在一些实施例中，引擎555接收的信息可以用于产生信号(例如，显示指令)给波导显示组件210，该信号确定呈现给用户的内容类型。
图6是具有波导604、输入元件608和输出元件612的设备600的实施例的简化前视图。设备600是波导显示组件210的一部分，其是用于人工现实头戴式装置(headset)的显示器110(例如，安装在用于近眼显示器100的框架105中的显示器110)的一部分。波导604被配置成将光从输入元件608引导到输出元件612。在一些实施例中，波导604是输出波导320。输入元件608被配置成将来自源(例如，来自源组件310)的光耦合到波导604中。输出元件612被配置成将光从波导604输出耦合到适眼区616。当用户佩戴人工现实头戴式装置时，适眼区616被配置成位于用户的眼睛220处。在一些实施例中，输入元件608类似于耦合元件350。在一些实施例中，输入元件608包括棱镜和/或输出元件612是全息光栅。
图7是设备600的一个实施例的简化侧视图。输出元件612包括一个光栅层704。在一些实施例中，输出元件612仅包括一个光栅层(例如，代替导向元件360和去耦元件365)。使用多次曝光在光栅层704中写入两个不同的超光栅。利用多重化曝光，波导604可以将光去耦，例如红-绿-蓝(RGB)三种带宽的光，其中光源的每个带宽与波导内的视场角(例如，角度40-75度)相差30nm+/-10％(例如，全宽，半最大)，同时提供小尺寸和低重量。透视质量可以是好的，因为布拉格条件是针对对于透视光将是不同的显示光路(例如，对于显示光路的角度选择性)。
输入元件608是用于将光耦合到波导604中的棱镜。与使用光栅元件相比，通过棱镜元件的耦合可以非常有效(例如，透射率>90％)。棱镜与波导604折射率匹配。在一些实施例中，输入元件608是波导604(例如，波导604被切割以适应更大的光束)(未示出)和/或光栅的倾斜侧。
光栅层704对光的偏转和去耦是由超光栅引起的衍射。在一些示例中，去耦的光可以来自一级衍射。超光栅是布拉格光栅。布拉格光栅可以通过多种方式形成。在一些实施例中，使用以下项中一种或更多种来形成光栅：将材料(例如，波导604的包层和/或芯的一部分)暴露于电磁辐射(例如，紫外(UV)光)；堆叠具有不同折射率的材料(例如薄膜)，使用具有不同折射率的树脂，使用离子注入来改变材料的折射率，和/或将材料暴露于热梯度。波导604在波导的横向方向上部分暴露，使得布拉格光栅不延伸穿过波导604的整个芯。波导604的横向宽度w是从波导604的第一侧708到波导604的第二侧712测量的。光栅层704具有从第一侧708向第二侧712测量的深度d。深度d等于或大于宽度w的5％、10％或15％，以及等于或小于宽度w的80％、50％、40％或30％。在一些实施例中，(下面讨论的)超光栅形成在波导604的同一侧上(例如，形成在第一侧708上)。在一些实施例中，第一超光栅形成在波导604的一侧(例如，第一侧708)附近，以及第二超光栅形成在波导604的另一侧(例如，第二侧712)附近。在一些实施例中，光栅层704被添加到波导604(例如，形成在波导604外部的材料层中，然后结合到波导604的第一侧708)。
在所示实施例中，光在第一反弹(bounce)716-1、第二反弹716-2和第三反弹716-3处从光栅704衍射。光在第二反弹716-2处从波导耦合出去(例如，第一反弹716-1处的一些光被偏转以在第二反弹716-2上去耦)，在第三反弹716-3处从波导耦合出去(例如，第二反弹716-2处的一些光被偏转以在第三反弹716-3上去耦)，等等。
输出元件612包括全息布拉格光栅。在2018年1月8日提交的标题为“Volume BraggGrating for Waveguide Display”的美国专利申请第15/864,859号中讨论了全息布拉格光栅，该美国专利申请出于所有目的通过引用并入。输出元件612由多次曝光形成，以形成两个超光栅，该超光栅：(1)偏转由输入元件608耦合的光；以及(2)使被偏转的光去耦。在一些实施例中，偏转和/或去耦是一级衍射。
图8是第一光栅800-1的实施例的简图。第一光栅800-1是布拉格光栅。布拉格光栅具有较低折射率和较高折射率的交替区域。第一光栅800-1是周期性的，由间距p-1限定。间距由光栅方程得出：p*sin(θm-θi)＝m*λ，其中p为间距(也称光栅常数)，θm为衍射角，θi为入射角，m为级数，以及λ为衍射光波长。第一光栅800-1由第一光栅矢量804-1定义，该第一光栅矢量804-1具有在光栅800-1向入射光束施加的光方向的改变方向上的定向(例如，倾斜)和与间距p成比例的长度。
图9是第二光栅800-2的实施例的简图。第二光栅800-2类似于第一光栅800-1，除了第二光栅800-2由比p-1长的第二间距p-2限定，并且由比第一光栅矢量804-1长的第二光栅矢量804-2限定。
图10是第三光栅800-3的实施例的简图。第三光栅800-3类似于第二光栅800-2，除了第三光栅800-3由比第二间距p-2长的第三间距p-3限定，并且由比第二光栅矢量804-2长的第三光栅矢量804-3限定。
图11是超光栅1100的实施例的简图。超光栅1100是光栅800的组合，光栅800具有在相同方向上定向的光栅矢量804。超光栅1100是通过将波导604多次暴露于UV光而形成的。超光栅1100由超光栅矢量1104定义。在一些实施例中，超光栅1100是n个光栅800的组合，其中n等于或大于10、100、500或600并且等于或小于1000、2500或5000(例如，n＝50、100、500、1000、2000或3000)。
图12是具有第一超光栅1100-1和第二超光栅1100-2的输出元件612的实施例的简图。第一超光栅矢量1104-1定义了第一超光栅1100-1。第二超光栅矢量1104-2定义了第二超光栅1100-2。第一超光栅1100-1偏离第二超光栅1100-2(例如，第一超光栅矢量1104-1相对于第二超光栅矢量1104-2偏斜(skew))。在一些实施例中，第一超光栅1100-1和第二超光栅1100-2都被写入同一层和/或同时写入(例如，一次进行两次曝光以一次形成两个布拉格光栅；每个超光栅1100中有一个布拉格光栅)。通过具有两个相对于彼此偏斜定向的超光栅，输出元件612可以将二维光输出耦合(例如，通过使用来自输出元件612的两次反弹)。
第一超光栅1100-1和第二超光栅1100-2可以在一侧(例如，与在波导604的两侧写入的表面浮雕光栅相反)写入相同的介质(例如全息介质)。因此，在一些实施例中，第一超光栅1100-1、第二超光栅1100-2和/或其他超光栅1100是在相同的光学介质中并且在光学介质的同一侧上。在一些实施例中，第一超光栅1100-1写在一侧(例如，第一侧708)上，而第二超光栅1100-2写在另一侧(例如，第二侧712)上，使得第一超光栅1100-1在z方向上与第二超光栅1100-2分离。
图13是光栅800的解空间1300的实施例。如’859申请中所述，布拉格光栅以一定的波长和角度衍射光。例如，光栅800——关于其的解空间1300在图13中描绘——以62度的入射角衍射绿光(例如，532nm)。解线(solution line)1304示出了一个光栅800衍射的角度和波长组合。
图14是具有光栅800的密集写入的超光栅1100的解空间1400的实施例。解空间1400由n条解线1304组成，每条解线1304对应于一个光栅800。图14示出了第一解线1304-1、第二解线1304-2至解线1304-n。
执行多次曝光(例如，UV曝光)以产生n个光栅800，光栅矢量804在相同的方向上但是长度不同(例如，相同的倾斜但是不同的间距)。曝光密集进行，因此相邻入射角的间隔小于1、2或3弧分和/或大于0.1弧分。因此，对于基本上所有的角度(例如，在40度和75度之间)，对于光谱(例如，从400nm到700nm或诸如从450-490nm、520-560nm和635-700nm的光带)都存在布拉格条件。支持的入射锥角包括来自输入元件608的光的角度以及输入耦合光(incoupled light)偏转后的角度(例如，输出元件612的一级衍射)。输出元件612支持视场(FOV)和光谱的偏转和输出耦合(out-coupling)。在一些实施例中，n＝显示器的像素数+/-10％。因此，对于2000像素的显示器，n＝2000+/-10％。利用多重化曝光，一个波导显示器可以从一系列角度去耦RGB光谱的光(例如，具有30-nm带宽、±5或10％的RGB波段)。
在一些实施例中，稀疏写入与宽带光结合使用，以减少超光栅1100中光栅800的数量。在超光栅1100的给定位置，存在衍射红光的第一数量的光栅g1、衍射绿光的第二数量的光栅g2和衍射蓝光的第三数量的光栅g3。在一些实施例中，一个光栅可以衍射红光、绿光和蓝光，因此g1+g2+g3可以小于超光栅1100的光栅总数n。对于稀疏写入，g1、g2和/或g3等于或大于1、5、10、15或20，并且等于或小于20、30、50或100。在一些实施例中，给定位置处的超光栅1100的光栅总数n等于或大于15、20或30，并且等于或小于30、50、100、300或500。在一些实施例中，红光的波长等于620nm和750nm或在620nm和750nm之间；绿光的波长等于495nm和570nm或在495nm和570nm之间；并且蓝光的波长等于450nm和495nm或在450nm和495nm之间。
超光栅1100的去耦效率可以根据光栅800是稀疏写入还是密集写入而变化。对于稀疏写入，给定位置(例如，在第二反弹716-2和/或在第三反弹716-3)的去耦效率可以等于或大于85％、90％、95％、98％或100％。去耦效率可以很高，因为对于给定的输入角度，不同位置的光栅输出耦合不同波长的光。对于密集写入，给定位置处的去耦效率可以小于50％(例如，在5％和30％之间；在第二反弹716-2和/或在第三反弹716-3)。在一些实施例中，当光传播通过波导604时，去耦效率增加。稀疏光栅可以被配置为对于较窄的波段(例如小于50nm)具有高的去耦效率，而密集光栅可以被配置为对于较宽的波段(例如大于50nm)具有变化的去耦效率。
图15是具有超光栅1502的输出元件612的实施例。超光栅1502在空间上变化。超光栅1502包括多个光栅。多个光栅在相同的方向上定向。多个光栅中的每一个在空间上变化，使得超光栅1502在不同位置具有不同组的间距。在一些实施例中，超光栅1502是通过叠加多个啁啾光栅(chirped grating)形成的。超光栅1502可以通过粗曝光(coarse exposure)形成。以这种方式，对于具有宽光谱的给定入射角，一些波长将在第一位置从第一反弹衍射(偏转或去耦)，而尚未衍射的其他波长在第二次反弹之后在第二位置衍射，并且其他组波长在其他位置衍射，以此类推，直到第q位置。因此，光谱中的光在波导中经过几次反弹(例如，q＝4、5或6)后最终将被衍射。因此，不需要在每个位置进行密集曝光(例如，在给定位置可以使用少于100次曝光，而不是1000次曝光)。第二位置的光栅不具有与第一位置的光栅相同的间距。因此，第一位置处的第一超光栅矢量1504-1不同于第二位置处的第二超光栅矢量1504-2，并且不同于第q位置处的第q超光栅矢量1504-q。第一超光栅矢量1504-1、第二超光栅矢量1504-2和第q超光栅矢量1504-q具有相同的方向和不同的幅度。第一超光栅矢量1504-1、第二超光栅矢量1504-2和第q超光栅矢量1504-q具有不同的幅度，因为多个光栅的间距随位置变化。第二超光栅可以与在不同方向上定向的光栅一起使用，以二维方式将光从波导604耦合出去。第二超光栅也可以具有空间地变化的间距。
图16是具有多个在空间上变化的光栅的超光栅1502的解空间1600的实施例。第一组解1604-1以实线示出。第二组解1604-2以虚线示出。第一组解1604-1是第一位置处的多个光栅的解线1304。第二组解1604-2是在第二位置的多个光栅的解线1304。第一组解1604-1不同于第二组解1604-2。在一些实施例中，对于第三位置、第四位置和/或第五位置，存在第三组、第四组和/或第五组解。申请人已经通过模拟确定五个位置足以将400nm至700nm的光谱中的光输出耦合。
图17是与输出元件612的光栅800相互作用的光的矢量路径的简图。光通过输入元件608耦合到波导604中。在一些实施例中，输入元件608如输入矢量1704所描绘地(例如，通过输入光栅)将方向改变施加到光。由第一光栅矢量1708-1描绘了来自第一光栅的衍射(导向或去耦)。由第二光栅矢量1708-2描绘了来自第二光栅的衍射(导向或去耦)。在光被输入元件608改变方向、被第一光栅衍射以及在第一光栅之后被第二光栅衍射之后，光具有与光进入输入元件608的方向(见图左侧的矢量)相似的方向(例如，k矢量或波矢量)。由输入元件608改变方向、由第二光栅衍射并在由第二光栅衍射后由第一光栅衍射的光也具有与进入输入元件608的光的方向(见图右侧的矢量)相似的方向(例如，k矢量或波矢量)。当投影到轴1716上时，第一光栅矢量1708-1和第二光栅矢量1708-2的和为零。
在一些实施例中，输入元件608不改变光的方向；光以计算出的偏移角输入(例如，以偏移输入1712输入)，使得光将在一个方向上衍射出波导，就好像输入元件608已经将光的方向改变了输入矢量1704的量。在一些实施例中，偏移角度与使用输入元件608改变光的方向的组合等同于以等于输入矢量1704的量来改变光。在一些实施例中，光以已知的偏移角度(例如，因为波导是倾斜的)耦合到波导(例如，波导604)中，并且计算光栅矢量1708，使得输入角度不同于输出角度。
图18是用于制造输出元件的过程1800的流程图的实施例。过程1800开始于步骤1804，获得波导(例如，波导604)。在步骤1808中，(例如，通过对光栅层进行UV曝光)创建第一布拉格光栅(例如，第一超光栅1100-1的光栅)。第一布拉格光栅具有第一定向(例如，第一超光栅矢量1104-1的定向)。在步骤1812中，(例如，通过对光栅层的UV曝光)创建第二布拉格光栅(例如，第二超光栅1100-2的光栅)。第二布拉格光栅具有第二定向(例如，第二超光栅矢量1104-2的定向)。第一布拉格光栅和第二布拉格光栅是输出元件612的一部分。第一超光栅在空间上与第二超光栅重叠。在一些实施例中，第一超光栅在空间上与第二超光栅分离。
本发明的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(mixed reality，MR)、混杂现实(hybrid reality)或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，现实世界)内容组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，且其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观众产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式使用(例如在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观众提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
本公开的实施例的前述描述为了说明的目的被提出；它并不意图为无遗漏的或将本公开限制到所公开的精确形式。相关领域中的技术人员可以认识到，按照上面的公开，许多修改和变化是可能的。
本描述的一些部分从对信息的操作的算法和符号表示方面描述本公开的实施例。数据处理领域的技术人员通常使用这些算法描述和表示来向本领域的其他技术人员有效地传达他们工作的实质。这些操作虽然在功能上、计算上或逻辑上进行了描述，但应理解为将由计算机程序或等效电路、微代码等来实现。此外，将操作的这些布置称为模块有时候也被证明是方便的而不失一般性。所描述的操作和它们的相关模块可以体现在软件、固件和/或硬件中。
可以利用一个或更多个硬件或软件模块单独地或与其他设备组合地来执行或实现所描述的步骤、操作或过程。在一些实施例中，软件模块用计算机程序产品来实现，该计算机程序产品包括包含计算机程序代码的计算机可读介质，该计算机程序代码可以由计算机处理器来执行，以执行所描述的任何或所有步骤、操作或过程。
本公开的实施例也可以涉及用于执行所描述操作的装置。该装置可以为所需目的而专门构造，和/或它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性激活或重新配置的通用计算设备。这种计算机程序可以存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质中，或者任何类型的适于存储电子指令的介质中，其可以耦合到计算机系统总线。此外，说明书中提到的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多个处理器设计来提高计算能力的架构。
本公开的实施例也可以涉及由本文所述的计算过程产生的产品。这样的产品可以包括由计算过程产生的信息，其中信息被存储在非暂时性的、有形的计算机可读介质上且可以包括计算机程序产品或本文所述的其他数据组合的任何实施例。
在说明书中使用的语言主要出于可读性和指导性的目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制发明的主题。因此，意图是本公开的范围不由该详细描述限制，而是由在基于其的申请上发布的任何权利要求限制。因此，实施例的公开意图对本公开的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附权利要求中阐述了本公开的范围。

Claims (15)

1.一种设备，包括：
波导；和
超光栅，其中：
所述超光栅包括多个光栅；
所述多个光栅是叠加的；
所述多个光栅中的每个被配置成将光从所述波导耦合出去；和
所述超光栅在空间上变化，使得所述超光栅在第一位置具有第一组间距，并且在第二位置具有第二组间距，以在所述第一位置将给定输入角的一些波长的光从所述波导输出耦合，并在所述第二位置将所述给定输入角的其他波长的光从所述波导输出耦合；
其中：
所述超光栅是第一超光栅，并且所述设备还包括第二超光栅；
所述第二超光栅的光栅具有不同于所述第一超光栅的所述多个光栅的定向的定向；
所述第一超光栅包括第一光栅；
所述第二超光栅包括第二光栅；
所述第二光栅在空间上与所述第一光栅重叠并且与所述第一光栅在所述波导的同一侧；以及
所述第一光栅和所述第二光栅都被配置成将光从所述波导耦合出去。
2.根据权利要求1所述的设备，其中：所述超光栅在所述第一位置的去耦效率等于或大于85％。
3.根据权利要求1所述的设备，其中：所述超光栅包括15个或更多个光栅以及300个或更少个光栅。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个光栅是布拉格光栅。
5.一种方法，包括：
将材料暴露于电磁辐射，以形成波导的输出耦合器的第一光栅，其中所述第一光栅在空间上变化，以在所述输出耦合器的第一位置将给定输入角的第一波长的光从所述波导输出耦合，并在第二位置将所述给定输入角的第二波长的光从所述波导输出耦合；和
将所述材料暴露于电磁辐射以形成所述输出耦合器的第二光栅，其中：
所述第二光栅在空间上变化，以在所述输出耦合器的所述第一位置将所述给定输入角的第三波长的光从所述波导输出耦合，并在所述第二位置将所述给定输入角的第四波长的光从所述波导输出耦合；并且
所述第一光栅与所述第二光栅叠加；
其中：
所述第一光栅和所述第二光栅具有相同的定向，并且是超光栅的一部分；
所述超光栅是第一超光栅；并且所述方法还包括将所述材料暴露于电磁辐射以形成叠加在所述第一超光栅上的第二超光栅；
所述第二超光栅具有与所述第一超光栅不同的定向；
所述第二超光栅的光栅在空间上与所述第一超光栅的光栅重叠并且与所述第一超光栅的光栅在所述波导的同一侧；以及
所述第一超光栅的光栅和所述第二超光栅的光栅都被配置成将光从所述波导耦合出去。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括在所述材料中形成平行于所述第一光栅和所述第二光栅两者的15个或更多个光栅和300个或更少个光栅。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述15个或更多个光栅和300个或更少个光栅具有空间变化。
8.根据权利要求5所述的方法，还包括使所述材料曝光以形成所述输出耦合器的第三光栅，其中对于所述给定输入角的光，在所述第一位置，所述第一光栅从所述波导输出耦合红光，所述第二光栅从所述波导输出耦合绿光，并且所述第三光栅从所述波导输出耦合蓝光。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述电磁辐射是紫外(UV)光。
10.根据权利要求5所述的方法，还包括使用所述波导作为增强现实显示器的一部分。
11.一种设备，包括：
波导；
由第一定向限定的第一光栅；
由第二定向限定的第二光栅，其中：
所述第二定向不同于所述第一定向；
所述第一光栅和所述第二光栅是叠加的；
所述第一光栅被配置成将光从所述波导耦合出去；并且
所述第二光栅被配置成将光从所述波导耦合出去；
其中：
所述第一光栅是第一超光栅的一部分；
所述第二光栅是第二超光栅的一部分；
所述第一超光栅包括具有与所述第一定向平行的定向的多个光栅；
所述第二超光栅包括具有与所述第二定向平行的定向的多个光栅；以及
所述第二光栅在空间上与所述第一光栅重叠并且与所述第一光栅在所述波导的同一侧。
12.根据权利要求11所述的设备，其中：
所述第一超光栅在光栅层中；和
所述第二超光栅在所述光栅层中，使得所述第一超光栅叠加在所述第二超光栅上。
13.根据权利要求11所述的设备，其中：
所述第一光栅和所述第二光栅是输出元件的一部分；
所述设备包括输入元件；
所述输入元件被配置成将来自源的光耦合到所述波导中；以及
所述波导被配置成将光从所述输入元件引导到所述输出元件。
14.根据权利要求11所述的设备，其中所述第一光栅是布拉格光栅，并且所述第二光栅是布拉格光栅。
15.根据权利要求11所述的设备，其中：
所述设备还包括框架，所述框架被配置为支撑用于人工现实系统的显示器；和
所述波导是所述人工现实系统的显示器的一部分。
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