CN113424090A - 用于光束整形和照明的光学元件 - Google Patents

Abstract

示例装置可以包括光源、光学元件以及可选的密封剂层。由光源生成的光束可以由光学元件接收，并朝向照明目标(诸如用户眼睛)重定向。光学元件可以包括材料，例如，在光束的波长处折射率至少大约为2的材料。光源可以是半导体光源，诸如发光二极管或激光器。光学元件可由光源的发射表面支撑。在光学元件的出射表面处和/或超材料层内的折射可以有利地修改光束性质，例如，与照亮目标有关的光束性质。在一些示例中，光源和光学元件可以集成到单片式光源模块中。

Description

用于光束整形和照明的光学元件

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2019年2月8日的美国申请号62/802,995、提交于2019年5月1日的美国申请号62/841,728和提交于2020年1月23日的美国申请号16/750,777的权益，这些申请中的每个申请的公开内容均通过本引用以其全部内容并入本文。

概述

根据本公开，提供了一种装置，包括：被配置为通过光发射表面发射光束的光源；以及光学元件，该光学元件由光发射表面支撑并且被配置为沿第一方向接收光束并沿第二方向重定向光束。第二方向与第一方向不同，并且光学元件包括在光束的波长处折射率大于2的材料。

光源和光学元件可以集成到单片式发光模块中。材料可包括半导体。材料可包括砷化物半导体、磷化物半导体或氮化物半导体中的至少一种。

光源可以包括激光器。激光器可以是垂直腔表面发射激光器。光学元件可以形成在激光器的光发射表面上。

装置可以是头戴式装置，并且该装置可以被配置为在用户佩戴该头戴式装置时照亮用户眼睛。装置还可以包括被配置为检测光束从眼睛的反射的光传感器。装置可以是增强现实装置或虚拟现实装置。

光学元件可以包括超材料层(metamaterial layer)。超材料层可以包括纳米结构的布置。纳米结构可以各自具有纳米结构参数，其中该纳米结构参数具有根据在超材料层内的位置变化的空间变化，该空间变化被配置为改善由光束照亮的目标的照明均匀性。纳米结构参数可包括以下中的至少一项：横向尺寸、横截面积、长度尺寸、组成(composition)、纳米结构间距、横截面形状、横截面形状各向异性、横截面均匀性、锥度、折射率、折射率各向异性、涂层厚度、空芯厚度(hollow core thickness)、至少一个成分(component)的体积分数、或取向。纳米结构可以包括纳米柱，并且纳米结构参数可以是纳米柱直径。纳米结构可以包括偏振敏感的纳米结构。

根据本公开，还提供了一种方法，包括：制造具有发射表面的激光器；在激光器的发射表面上形成层；在该层上形成抗蚀剂层，该抗蚀剂层具有由抗蚀剂层的空间非均匀厚度确定的形状；以及将抗蚀剂层的形状蚀刻到该层中以形成具有整形出射表面的光学元件。该光学元件由激光器的发射表面支撑，接收来自激光器的光，并被配置为借助通过整形出射表面的折射而将光重定向以照亮远程目标。

整形出射表面可以是斜面，并且光学元件可以包括棱镜。整形出射表面可以包括弯曲的出射表面。在激光器的发射表面上形成该层可以包括在发射表面上形成钝化层，并然后在钝化层上形成该层。

附图简述

附图示出了多个示例性实施例并且是本说明书的一部分。这些附图与以下描述一起展示并解释了本公开的各种原理。

图1是包括光源和光学元件的装置的示意图。

图2A至图2F示出了具有多种出射表面配置的光学元件。

图3A至图3B定性地示出了目标的照明均匀性。

图4A至图4G示出了与光学元件集成的光源的制造。

图5示出了光源和相关联光学元件在半导体晶片上的阵列状布置。

图6示出了光源和光学元件在单独的半导体晶片上的制造。

图7A示出了包括光源、光学元件和密封剂(encapsulant)层的装置，并且图7B定性地示出了光束均匀性。

图8A至图8C和图9A至图9B示出了包括光源和具有弯曲出射表面的光学元件的示例装置，以及对目标的照明。

图10A至图10D进一步示出了使用包括光源和具有弯曲出射表面的光学元件的装置对目标的照明。

图11示出了支撑光源和相关联光学元件的布置的基底。

图12示出了使用布置在距透镜光学中心不同的径向距离处的多个光源/光学元件组合对视窗(eyebox)的照明。

图13A至图13B示出了包括光源、光学元件和密封剂层的示例装置，并且图13C示出了光学元件的自由形状出射表面，其性质在一些示例中可由超材料层和楔形元件至少近似地复制。

图14示出了使用包括超材料层的光学元件对激光光源进行光束整形。

图15示出了基底表面上纳米柱的示例布置。

图16示出了被配置作为超材料层的纳米柱的阵列。

图17示出了被配置作为超材料层的纳米柱的随机布置。

图18示出了包括超材料层和光学元件的示例装置。

图19示出了与楔形元件组合的示例超材料层的示例相位轮廓(phase profile)。

图20A和图20B分别示出了被配置作为超材料层的纳米柱的大体周期性和随机布置。

图21A和图21B分别示出了单独的楔形元件和与超材料层组合的楔形元件的光束轮廓。

图22示出了示例方法。

图23示出了根据一些实施例的可用于示例性装置的示例控制系统。

图24是可结合本公开的实施例使用的示例性增强现实眼镜的图示。

图25是可结合本公开的实施例使用的示例性虚拟现实头戴式耳机(headset)的图示。

图26是示例性装置的图示，该装置结合了能够跟踪用户的一只或两只眼睛的眼跟踪子系统。

图27A至图27B示出了图26所示的眼跟踪子系统的多个方面的更详细图示。

在整个附图中，相同的附图标记和描述指示类似但不一定相同的要素。尽管本文中描述的示例性实施例容易受到各种修改和替代形式的影响，但具体实施例已在附图中以示例方式示出，并在本文中详细描述。然而，本文中描述的示例性实施例并不旨在限于所公开的特别形式。相反，本公开涵盖了属于本公开的所有修改、等同形式和替代形式。

示例性实施例的详细描述

光源，诸如激光器，可以发射具有各种性质(诸如光束方向和光束轮廓)的光束。正如下文更详细地描述的，本公开描述了用于修改光束性质(例如，以改善目标的照明均匀性)的方法和设备。

本公开的示例包括光学装置，诸如包括密封的光学元件(例如，密封的透镜)的装置，以及与修改由光源发射的光束的性质有关的装置和方法。在一些示例中，装置可以包括由光学介质密封、邻近或基本上邻近光学介质的光学元件。光学元件的折射率可以大于光学介质(或包括光学介质的周围的密封剂层)的折射率。本文中描述的示例光学装置还可包括一个或更多个光源和/或光学元件，诸如用于光束整形和照明的光学元件，和/或包括光学元件的装置、系统和方法。在一些示例中，装置包括被配置为发射光束的光源，诸如激光器。光束(light beam)(其可更简洁地称为束(beam))可具有各种光束性质，诸如光束方向和光束轮廓。本文中描述的示例可包括用于以可对许多应用(包括眼跟踪)有用的方式修改一个或更多个光束性质的方法。

本公开的示例可涉及可用于对来自光源的光束(诸如用于眼跟踪系统的那些光束)进行光束整形和/或光束转向的示例高折射率光学元件。在一些示例中，光学元件和(可选的)光源被嵌入具有中间折射率的密封剂层中。密封剂层(为了简洁，其也可以简称为“密封剂”)可以例如包括光学介质，诸如大体透明的聚合物。在一些示例中，高折射率光学元件可以包括光学介质(诸如半导体，或电介质材料)，其折射率大于1.5，在一些示例中大于2，并且在一些示例中折射率大约为3或更大。密封剂层可以包括光学介质，诸如光学聚合物，其折射率可小于高折射率光学元件的折射率。例如，密封剂层的折射率可以在大约1.3到大约1.8之间，诸如大约1.5。高折射率光学元件可以包括复杂的表面形式，诸如变形的非球面表面。在一些示例中，建模示出，对于具有非球面弯曲出射表面的光学元件，眼睛的照明均匀性得到了改善，甚至对于高投射角也是如此。例如，来自光源的光束可以从大的横向位移，例如从增强现实眼镜的框架附近指向视窗的中心，视窗的照明均匀性得到改善。在一些示例中，高折射率光学元件可以包括磷化镓(GaP)，尽管可以使用其他材料(例如，其他磷化物、砷化物、氮化物、氧化物等)。在一些应用中，光源可以是增强现实或虚拟现实头戴装置的一部分，诸如嵌入增强现实眼镜的透镜或框架中的LED或激光器。在一些示例中，光学配置可以帮助防止光学系统部件内的全内反射(TIR)，TIR可能产生不必要的杂散眩光(strayglare)。在一些示例中，定向光的角度分布在TIR效应发生之前可以具有尖锐的截止(cut-off)。

下面将参考图1至图27B，详细描述示例装置、方法等。图1是包括光源和光学元件的装置的示意图，图2A至图2F示出了具有各种出射表面配置的光学元件。图3A至图3B示出了目标的照明均匀性。图4A至图4G示出了与光学元件集成的光源的制造。图5示出了光源和相关联光学元件在半导体晶片上的布置，并且图6示出了使用单独的半导体晶片制造光源和光学元件。图7A至图13C示出了包括光源和光学元件的示例装置，以及使用这种装置对目标的照明。图14至图21示出了使用包括超材料层的光学元件进行(例如，激光光源的)光束整形的方法。图22示出了制造装置的示例方法。图23示出了根据一些实施例的可用于示例性装置的示例控制系统。图24和图25示出了可与本公开的实施例结合使用的示例性增强现实眼镜和虚拟现实头戴式耳机。图26和图27A至图27B示出了包括眼跟踪的示例性装置。

来自本文中描述的实施例中的任一个的特征可以根据本文中描述的一般原理彼此组合使用。这些和其他的实施例、特征和优点在阅读下面的详细描述后将会得到更充分的理解。

在一些示例中，装置可以包括一个或更多个光源，诸如发光二极管(LED)或激光器，并可以包括一个或更多个量子阱、量子点、2D材料或提供光学转换的任何其他材料。示例光源可以发射出波长在400nm-1600nm波长范围内的光。示例光源也可以在小于140度的发射锥(emission cone)内发射光。

在一些示例中，光是通过位于光源的表面中的一个表面上的孔径(apertures)发射的。光源可以具有一个或更多个孔径。

在一些示例中，光源可使用一种或更多种半导体工艺制造，并可在晶片上制造。支撑一个或更多个光源的晶片可称为发射器晶片。示例光源可以使用以下工艺中的一种或更多种在发射器晶片上制造：掺杂、外延生长、氧化、蚀刻、光刻、剥离和/或任何其他半导体工艺。

由光源发射的光可以通过光学元件传播。光学元件可以位于光源上，与光源相邻、基本上相邻或靠近光源。例如，光学元件可以具有距光源的表面(诸如发射表面)小于250微米的表面。在一些示例中，光学元件可以被定位成直接接触光源表面。

在一些示例中，光学元件可以包括材料(例如，高折射率材料)，诸如半导体或电介质材料。在一些示例中，光学元件可以包括材料，其折射率(例如，在光源的发射波长处)至少大约为2，并且在一些示例中折射率可以至少大约为3。示例材料可以具有能量带隙，该能量带隙大于光源发射的光的光子能量。示例材料包括砷化物半导体(例如GaAs、AlAs、Al_xGa_i-xAs)、磷化物半导体(例如GaP、In_xGa_1-xP)、氮化物半导体(例如GaN、InN、AlN)、氧化物(例如，氧化钛，诸如TiO₂)、其他III-V族半导体、或其他II-VI族材料。

在一些示例中，光学元件可以具有多面的(multi-faceted)3维结构。光学元件的大小(外部尺寸)可以小于1mm×1mm×1mm，诸如小于300×300×300微米，并且在一些示例中可以小于250×250×250微米。

在一些示例中，光通过光学元件的至少两个面进行传播。面也可以称为表面。光可以通过光入射表面被光学元件接收，该光入射表面也可以称为入射表面。光学元件的面中的一个(诸如入射表面)可以是大体上平坦的，并与光源的发射表面平行，例如，平行于孔径的平面，光由光源发射通过该孔径。光可以通过光出射表面离开光学元件，该光出射表面也可以称为出射表面。光学元件的面中的一个或更多个(诸如出射表面)可以具有表面轮廓，该表面轮廓可以包括球面表面、非球面表面、自由形状表面、变形表面、大体上凸的表面或大体上凹的表面，或这些的某种组合。

在一些示例中，光学元件的折射率可根据在透镜内的位置的变化而变化。例如，光学元件可以包括梯度折射率(GRIN)部分。在一些示例中，光学元件的面中的一个或更多个具有表面结构，该表面结构可以是光滑的。在一些示例中，光学元件的面中的一个或更多个具有表面结构，该表面结构可以是粗糙的。例如，表面可以充当漫射器。在一些示例中，表面粗糙度的尺度(scale)可以小于光的波长，例如，比光的波长小一个或更多个(例如，几个)数量级。在一些示例中，光学元件的面中的一个或更多个具有表面结构，该表面结构具有受控量的周期性或非周期性扰动，例如，该扰动的周期性具有光波长或更小的尺度。光学元件可以具有提供衍射光学器件的表面结构(例如，光栅结构)，或可以包括元结构、全息光学元件或偏振体积光栅或全息图。

在一些示例中，光学元件的表面(其也可以称为面)中的一个或更多个可以具有表面结构，并且该表面结构可以包括预定量的周期性或非周期性扰动。在一些示例中，表面结构可包括周期性大于光波长的尺度的扰动，并可包括表面结构(诸如微透镜阵列)。在一些示例中，光学元件的表面中的一个或更多个可以支撑电介质或金属涂层，例如，被配置为将光朝向另一个表面反射的涂层，该另一个表面诸如是光通过其离开光学元件的出射表面。在一些示例中，光学元件的一个或更多个表面可以具有表面结构，该表面结构具有周期性或非周期性扰动以减少可见的闪光。表面结构可以在制造期间创建，例如，作为图案化蚀刻的结果，或在制造后的蚀刻或沉积工艺中创建。

在一些示例中，光学元件的表面(例如，一个或更多个表面)可以具有抗反射涂层，例如，以减少在特别面处的反射。示例抗反射涂层可以对源波长范围或对可见光具有低反射率，或对两者都具有低反射率。

在一些示例中，示例涂层还可以包括散射元件(例如，微粒子(microparticles)、纳米粒子或其他粒子)。在一些示例中，光学元件的面中的一个或更多个可以由于例如基于光束入射角的全内反射或由于反射涂层(诸如金属薄膜)而反射光。在一些示例中，表面可以具有涂层，该涂层包括一种或更多种发射成分，诸如量子点、磷光粉、荧光团、非线性光学材料、激光发光材料或其他光致发光材料中的一种或更多种。在一些示例中，涂层可以例如通过吸收一个波长处的光并发射第二波长处的光，或通过使用非线性光学效应修改光束的波长来改变光的颜色。

在一些示例中，光源可以在发射器晶片上制造。发射器晶片可包括在其上制造光源的基底层，并可包括半导体，诸如氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、砷化铝镓(AlGaAs)、其他半导体或其他电介质材料(例如，蓝宝石，或其他氧化物)、或其他合适材料。在一些示例中，术语发射器晶片可指在制造后仍在晶片上的光源。发射器晶片还可以包括以下中的一个或更多个：钝化层或其他特征(例如，SiO₂)、金属结合焊盘(例如，Au、Ag、Cu、其他金属)、量子阱、分布式布拉格光栅、电介质涂层、和/或背板(诸如玻璃、硅或金属)。

在一些示例中，光学元件可以直接在发射器晶片上制造，例如，使用一种或更多种半导体工艺，诸如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、光刻或蚀刻(例如，干或湿蚀刻)。

在一些示例中，光学元件可以在与发射器晶片不同的基底(例如，半导体或玻璃载体晶片)上制造。光学元件可以使用一种或更多种工艺制造，该工艺诸如是空间调制的UV、光学或电子束光刻曝光，其利用掩模，使用直接激光写入、蚀刻(例如，干或湿蚀刻)或另一种光刻工艺，或利用直接机器加工工艺，诸如金刚石机器加工、聚焦离子束研磨或激光烧蚀。在一些示例中，晶片的大小可以是直径小于1英寸。

光学元件、基底(包括例如晶片)和/或光源可以包括半导体材料。半导体材料(例如，用于光学元件)可以是砷化物半导体(例如，GaAs、AlGaAs等)、磷化物半导体(例如，GaP)或其他III-V族半导体、或II-VI族半导体(例如，硒化物、硫化物或其他硫族化物材料)。

在半导体晶片上制造的示例光学元件可以用激光切片器、切片锯或类似的工艺切片成单独单元。单独单元可以使用拾取和放置工艺沉积并定位在单独光源的表面之上。单独单元可以使用有机粘合剂(诸如环氧树脂或UV可固化树脂)结合到光源表面。在一些示例中，单独单元可以在没有粘合剂的情况下使用诸如直接晶片结合、表面激活结合或等离子体激活结合的方法结合到光源表面。

在一些示例中，光学元件可以在光学元件晶片上进行图案化，其间距和周期性与发射器晶片上的光源相同。光学元件晶片可以基于发射器晶片之上的设计，例如通过使用基准，以一定的公差被拾取和放置并定位。然后，光学元件晶片可以结合到发射器晶片，例如，使用有机粘合剂，诸如环氧树脂或UV可固化树脂。在一些示例中，光学元件晶片可以在没有粘合剂的情况下使用诸如直接晶片结合、表面激活结合或等离子体激活结合的方法结合到发射器晶片。在将晶片结合在一起后，单独光源/光学元件组合单元可以被切片，例如，使用激光切片器或切片锯。在一些示例中，牺牲层可以沉积在发射器晶片之上，并且可以例如使用诸如化学机械抛光的工艺被平面化。

在一些示例中，光学元件可包括直接生长在发射器晶片的顶表面上的半导体材料，诸如半导体层或其他半导体元件。半导体材料可以通过任何适当的工艺沉积，例如，通过CVD、PVD或另一种沉积技术沉积。

在一些示例中，可以使用一种或更多种半导体制造工艺，诸如光刻或蚀刻(例如，干或湿蚀刻)，从半导体层制造光学元件。类似的方法可用于制造超材料层，例如，作为光学元件的一部分。

示例包括与光学元件有关的装置、系统和工艺。在一些示例中，装置包括光源，诸如LED或激光器。光源可以具有小于300×300×300微米大小的横截面。附加示例包括光源和附加光学元件，诸如光束整形光学元件。

在一些示例中，光学元件用于修改来自光源诸如LED或激光器的光发射。光学元件可包括用于与光相互作用的结构化或非结构化材料。光学元件可以包括但不限于折射光学器件、反射光学器件、色散光学器件、偏振光学器件、衍射光学器件和梯度折射率材料。

图1示出了通常在100处的包括光源110的示例装置，该光源被配置为从115处的发射表面发射光，该光被引导至光学元件120(例如，光束整形光学器件)中。光学元件120可以被空气包围，或者在一些示例中，可以被密封在光学介质中，诸如玻璃、塑料或其他包围介质(未示出)。光学元件120可以具有自由形状表面140，该自由形状表面被配置为在光学元件内将内部光束130重定向(偏转)和整形以形成光束150。光束150可用于照亮目标(未示出)，诸如眼睛。

图2A至图2F示出了可用于光束的光束整形和/或重定向的示例光学元件。从光源延伸并进入相应光学元件的线条表示光线。光学元件内的光线示出为稍细的线条。

图2A示出了包括光源202和光学元件204的装置200。光学元件204可以具有平坦入射表面208(光通过其进入光学元件)和倾斜的(或斜的，或“棱镜的”)出射表面206(光束210通过其离开光学元件)。在该示例中，光学元件可以称为棱镜光学元件，或折射棱镜。

图2B示出了包括光源222和光学元件224的示例装置220。光学元件可以具有平坦入射表面，来自光源的光通过该平坦入射表面进入光学元件，类似于图2A所示。光学元件可以具有自由形状出射表面226，光束(标记为“光”)通过该自由形状出射表面离开光学元件。光学元件可以称为自由形状光学元件，或自由形状透镜。

图2C示出了包括光源232和光学元件234的示例装置230。光学元件可以包括基于微透镜阵列对的科勒扩散器(Kohler diffuser)。光学元件可包括微透镜元件，诸如入射表面内的微透镜元件236，以及出射表面上的微透镜元件238。微透镜元件可以形成在大体透明片的相对侧上。示出了离开光学元件的光入射在受照射表面240上，但其他位置中的目标也可以被照亮。

图2D示出了包括光源262和光学元件264的示例装置260。光进入光学元件，从表面266内部反射，并通过出射表面270离开光学元件，从而形成光束268。光学元件允许照亮与光源有横向位移的目标。然而，从出射表面270的内部反射可能导致杂散的光线。

图2E示出了包括光源282和光学元件284的示例装置280。在该示例中，光学元件284包括转向薄膜，该转向薄膜具有位于平坦基底288上的多个棱镜元件286。平坦基底288为光进入光学元件提供了平坦入射表面，并且然后光可以通过棱镜元件286的斜表面重定向。该配置允许照亮横向位移的目标(未示出)。然而，例如由于光线(示出为实线)从棱镜元件286的内部表面的多次反射，杂散光可能照亮所期望目标区域以外的区域。

图2F示出了包括光源292和光学元件294的示例装置290。在该示例中，光学元件可包括偏心平凹透镜。大体上凹陷的表面296可以是大体上球面的表面，或非球面表面(诸如自由形状表面)。

在一些示例中，密封剂层(下面进一步讨论，光学元件可以至少部分地嵌入其中)可以包括偏心的大体上凹陷的表面，诸如296处所示。偏心的凹陷表面可以具有从光源处横向位移的光学中心(或光轴)。

在一些示例中，光学元件可以被嵌入在具有偏心的凹陷表面的密封剂层中，例如，类似于图2F所示。在该情境下，术语“偏心”可以指光源和/或光学元件不位于凹陷表面的光轴上。

图3A和图3B示出了由不同类型的光束整形光学元件在远场中创建的示例定性光分布。图3A可以表示自由形状表面的照明强度，该表面被配置为从18mm的横向偏移处照亮眼睛。图3B可以表示自由形状表面的照明强度，该表面被配置为从18mm的横向偏移处照亮眼睛。下面进一步讨论自由形状光学元件配置。

图4A至图4G示出了在光源之上制造光学元件(诸如棱镜结构)的示例方法。图4A至图4E示出了在光源之上制造棱镜光学元件。在该示例中，光源可以是垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。光学元件可以包括半导体，诸如砷化物半导体，诸如砷化镓铝(AlGaAs)。图4F至图4G示出了另一个示例光学元件的制造。

图4A示出了在400处的光源，包括基底410、n-掺杂分布式布拉格反射器(n-DBR)412、可选的封闭层414、氧化层416、量子阱结构402、p-掺杂分布式布拉格反射器(p-DBR)418、以及接触层420。接触层上可以形成钝化层422。可以可选地在量子阱结构的每侧上形成封闭层。量子阱结构可以包括交替的阻挡层和量子阱结构的堆叠，并且可以包括GaAs量子阱和AlGaAs阻挡层。氧化层416可以帮助定义量子阱结构的横向范围。光源的发射表面可以位于钝化层422的顶表面内(如图所示)。

在制造了分布式布拉格反射器412和418(或其他类似的光栅结构)，并且沉积了钝化层422之后，可以在钝化层之上例如使用外延或另一种方法来沉积层(例如，包括高折射率材料(诸如GaAs，或AlGasAs)的层)。

图4B示出了光源400(如上面关于图4A讨论的)，其具有在钝化层422上形成的层424(例如，高折射率层)。

随后，可例如使用旋涂或任何其他合适的方法，在层424上沉积抗蚀剂层(例如，光致抗蚀剂层)。使用光刻方法，抗蚀剂层可以被整形为所期望的3维轮廓，该轮廓可以称为抗蚀剂层的形状。

图4C示出了在层424上形成的整形抗蚀剂层426。在该示例中，抗蚀剂层具有大体上棱镜形状。然而，也可以按期望提供其他形状。例如，抗蚀剂液滴的布置可用于提供微透镜元件。

然后，抗蚀剂层426的形状可以例如通过蚀刻转移到该层(例如，可以包括半导体的高折射率层)中。可以使用任何适当的蚀刻方法。

图4D示出了反应性离子蚀刻(RIE)工艺，其将抗蚀剂层(图4C中的426)的形状转移到层(图4C中的424)中，以形成与(图4A的)光源400相关联的呈整形层形式的光学元件430。光学元件430包括具有蚀刻前抗蚀剂层的形状的上部棱镜部分，以及平坦的未蚀刻部分，该未蚀刻部分可称为光学层，在428处示出。后者是可选的，而且光学元件的厚度可以是任何合适的值。在一些示例中，制造工艺可以被修改，以在光源和光学元件之间，或在光学元件内(例如，在光学层和棱镜元件之间)包括超材料层。

然后，结合焊盘触点可以被金属化。图4E示出了在接触层420上形成的金属层432。在该示例中，光学元件430与光源集成到可以称为光源模块的单片式装置440中。

与图4A至图4E有关的上述工艺方法可以被修改以形成其他形状的光学元件。

图4F示出了可替代配置，其示出了在光源450的表面上形成不同形状的光学元件。与图4A所示的光源400类似，光源450可以是垂直腔表面发射激光器，其包括量子阱结构452、基底460、n-DBR层462、氧化层464和468、可选的封闭层464、p-DBR层470以及钝化层472。在钝化层472上可以形成层474(例如，高折射率层或其他透镜材料)。然后可以在层474上形成整形抗蚀剂层476。

图4G示出了上述装置的蚀刻，例如，使用反应性离子蚀刻(RIE)。蚀刻将抗蚀剂层476的形状转移到层474中，以形成光学元件480。光学元件可以包括来自层474的材料，可以具有基于抗蚀剂层476形状的形状，和/或可以包括整形的高折射率层。光学元件480可以直接形成在光源450的发射表面上，并具有出射表面482，来自光源的光束可以通过该出射表面离开光学元件。光源和直接形成在光源上的光学元件的组合可称为“光源模块”，或更简洁地称为“模块”。

在该示例中，光学元件480具有倾斜的出射表面，该倾斜的出射表面也可称为斜出射表面或棱镜出射表面。光学元件可称为棱镜光学元件。在一些示例中，光学元件可以具有弯曲的出射表面，诸如非球面或自由形状表面。出射表面的曲率可以使用各种合适的抗蚀剂图案和蚀刻工艺来实现。例如，抗蚀剂元件可以形成有弯曲表面，然后可以通过蚀刻工艺将该弯曲表面转移到光学元件的表面中。在一些示例中，被配置为提供光束重定向的棱镜出射表面可以与被配置为提供附加光束整形的超材料层组合。

在一些示例中，超材料层可以被包括在光学元件480内。在一些示例中，超材料层可以形成在光源的表面上，并且光学元件可以形成在超材料层上。在一些示例中，光学层(诸如高折射率层)可以形成在光源的发射表面上，超材料层可以形成在光学层上，并且棱镜元件(诸如楔形元件，例如类似于元件480的楔形元件)可以形成在超材料层上。超材料层在下面更详细讨论。在一些示例中，可以在光源上形成结构(诸如下面关于图18所描述的)。

图5示出了作为光源模块510的阵列布置在半导体晶片500上的光源模块510的布置的示意表示，其中每个光源模块包括形成在光源上(例如，直接形成到光源的发射表面上)的光学元件。在加工之后，可以按期望通过切片来创建单独光源模块或光源模块的阵列。单独模块可以包括位于光源的发射表面上或附近的光学元件。点状图案表示可能的光源模块位置的阵列，其中这些点落在晶片500的范围内。

图6示出了另一种示例方法。在该示例中，光源620可以在晶片600上加工，并且光学元件630可以在不同的(第二)晶片610上加工。两个晶片可以彼此对准和结合，使得每个光学元件相对于相应光源的发射表面被定位在适当位置。例如，光学元件的位置可以使得该光学元件通过入射表面从大体上相邻的光源接收光，并使得光通过出射表面离开光学元件。在一些示例中，光学元件可以使用粘合剂结合到光源(或相关联结构)，该粘合剂诸如是聚合物或可光聚合的粘合剂，或是可用UV和/或热量进行固化的其他粘合剂树脂。光源和相应的光学元件之间的对准可以使用一个或两个晶片上的基准标记来促进。适当的横向定位公差可由所使用的光掩模(photomask)确定。根据需要，可以使用合适的间隔物来控制正交于晶片表面的位置对准。

图7A是包括光源710(例如，发光二极管或激光器)的装置700的示意图，该光源可以支撑在透明基底(未示出)上。来自光源710的光进入光学元件730，光学元件可包括高折射率材料，光学元件被密封在密封剂层720中。光可穿过密封剂层720，从而形成被发射到密封剂层外部的环境中的光线740的分布。可以包括可选的外部元件，诸如棱镜结构750，以进一步修改光束轮廓，例如以减少热点。虚线可以表示圆锥体，在该圆锥体内，光线由光源和光学元件的组合发射。

在一些示例中，密封剂层可以包括光学元件被嵌入其中的光学介质。密封剂层可以具有弯曲的出射表面，例如，大体上凹陷的出射表面，由一个或更多个光源生成的光从该出射表面离开密封剂层以照亮目标，例如可佩戴装置(诸如头戴式装置，例如，当用户佩戴该装置时)的用户的眼睛。

图7B示出了嵌入密封剂层(例如，中间折射率介质)中的光源的示例光束轮廓，光源例如是上面关于图7A讨论的光源。在一些示例中，光束可以通过出射表面离开光学元件并进入密封剂层中。在一些示例中，光束可以穿过光学元件的出射表面并进入空气中。

图8A至图8C示出了使用光源与具有平坦下表面和斜顶表面(例如，不平行于平坦下表面)的光学元件组合对目标的照明。光学元件的出射表面可称为棱镜出射表面，并可类似于上面关于图2A讨论的光学元件。光学元件的下表面可以是光束入射表面，光束通过该光束入射表面进入光学元件。斜出射表面可以提供光束偏差，其中光束的方向可以通过折射而改变，例如，在光学元件材料和密封剂(或空气)的相对较低折射率材料之间的界面处的折射。光学元件可具有类棱镜的性质。

图8A示出了包括光源模块810(例如，光源和光学元件的组合)的装置800。光源可被配置为沿垂直方向(相对于该图)发射光束，并且光学元件可被配置为沿斜方向重定向光束。光源模块提供沿斜方向穿过密封剂层830的光束820。从密封剂层830发出的光线束(raybundle)850可以照亮目标860。光线束850也可以称为照亮目标的光束。目标可包括用户的视窗。密封剂层可以具有大体上凹陷的表面840，并且装置可以在光线束850内形成投射的光线870、880和890，例如以照亮目标860。

在一些示例中，使用具有棱镜出射表面的光学元件，在目标860上的三条光线870、880和890的投射光线密度可以示出随着角度的增大而降低的照明密度。在一些示例中，可以使用具有自由形状出射表面的光学元件，或通过修改密封剂层的出射表面曲率来改善照明强度。

图8B定性地示出了例如使用上面关于图8A讨论的装置照亮目标860的光的示例照明均匀性。曲线图中的Y轴和X轴分别表示垂直和水平方向。然而，该表示的轴标签，以及其他示例的轴标签，可以是任意的。示例装置，诸如上面关于图8A描述的装置，可以在目标区域860上方提供合理的均匀照明。在一些示例中，沿正交方向(其可表示为z)的均匀性也可以得到改善。

图8C按照辐照度等级进一步示出了沿空间轴线的照明均匀性。该图(定性地)示出了沿Y轴的相对照明强度。

图9A至图9B示出了使用光源与具有平坦下表面和自由形状上表面(例如，缺少旋转对称性的非球面表面)的光学元件组合对目标的照明。该光学元件既可提供光束重定向，也可改善对可称为目标的远程物体的照明均匀性。当光束照亮目标时，光束之间相对均匀的间距说明了这点。

图9A示出了装置900，其包括位于910处的光源模块(例如，光源和光学元件的组合)，光源模块至少部分地嵌入密封剂层920中，并被配置为产生照亮目标960的光线束950(或光束)。在该示例中，密封剂层具有平坦出射表面。在一些示例中，光学元件可以具有改善目标的照明均匀性的自由形状出射表面。

图9B示出了使用诸如上面关于图9A描述的装置的照明均匀性的定性表示。

图10A至图10D进一步示出了使用包括光源和具有弯曲出射表面的光学元件的装置对目标的照明。

图10A以横截面示意图示出了包括光源1002和光学元件1006的装置1000。来自光源1002的光通过入射表面1004(这里是平坦入射表面)进入光学元件，穿过光学元件1006，并通过出射表面1008离开光学元件。在该示例中，出射表面是自由形状表面。出射表面1008在横截面的平面中弯曲，并且还包括朝向上部分1012向后弯曲的部分1010(如图所示)。光线束(或光束)1014从光学元件1006发出，经过出射表面1008，并被引导以照亮目标(未示出)。

图10B示出了与上面关于图9A讨论的装置类似的装置，尽管在该示例中，密封剂层具有大体上凹陷的出射表面。示例装置1020包括光源模块1022(其包括光源和光学元件)，以及具有大体上凹陷的出射表面1040的密封剂层1030。光束1024穿过密封剂层1030，并以斜角从光源模块发出。光线束1050(或照亮目标的光束)从密封剂层1030发出，包括照亮目标1060的光线诸如1070、1080和1090。

图10C定性地示出了例如照亮图10B中目标1060的光的示例照明均匀性。该图示的轴标签，以及其他示例的轴标签，可以是任意的。示例装置，诸如上面关于图10A至图10B描述的示例装置，可以在目标上方提供合理的均匀照明。

图10D按照辐照度等级进一步示出了沿空间轴线的照明均匀性。该图(定性地)示出了沿标记为Y轴的特别方向的相对照明强度。

图11示出了具有基底1110(其可以具有眼镜片的形状和尺寸，并且可以包括透明基底)的示例装置1100，该基底具有光源模块(诸如1120、1130和1140)的布置。光源模块可包括与相关联光学元件(例如，高折射率微尺度光学元件)组合的光源。光源模块位置可以相对于透明基底的形状，以预定布置分布在基底1110上。同心圆示出了18mm、36mm和50mm的径向距离，这些距离可以是例如距透镜的光学中心和/或距用户眼睛的光学中心的近似径向距离。光源模块1120、1130和1140在示例位置处示出，并且可以使用其他位置，例如，围绕一个或更多个预定径向距离布置。框架(诸如眼镜框的一部分)可以围绕基底延伸，并且可以被配置为在用户的头部上支撑该装置。

在一些示例中，装置可以包括框架，例如，增强现实眼镜的框架。框架可以包括一个或更多个透镜。透镜可以包括处方透镜或平面窗口。光源可以例如在距光学中心的不同半径处围绕透镜分布。光源的横截面积可以小于300×300微米，并且在用户的视野内可能不容易被察觉。光学元件可以被布置成将来自光源的光束引向视窗；即，可包括瞳孔的眼睛中心的区域。示例光学元件可以改善视窗的照明，例如，以提供更均匀的照明。光可以从眼睛反射，使用光学传感器的布置来检测，并用于眼跟踪。示例装置和系统可允许确定瞳孔外围、注视方向等。

图12示出了示例装置的横截面示意图，其示出了从眼跟踪装置1200对目标1240进行的照明，该目标可表示用户眼睛。眼跟踪装置可以是例如类似于上面关于图11讨论的装置。该图示出了例如在1210处的光源模块。光源模块可以包括光源和光学元件的组合，它们可以至少部分地嵌入密封剂层1220内。在该示例中，密封剂层的面对眼睛的出射表面1250具有大体上凹陷的形状。光源模块可以提供诸如1230和1235的光束。不同的图案线用于示出不同光源模块的照明图案。密封剂层和光源模块被支撑在基底1260上。在一些示例中，基底可以是透明基底，并可以提供装置(诸如还包括近眼显示器的装置)的透镜或窗口，并可以具有弯曲和/或平坦的表面。基底、密封剂层和其他部件，诸如上述的那些部件，可以被支撑在框架1270中。在一些示例中，光源和/或密封剂层可以由框架支撑，并且基底可以被省略。基底可以是透明的以用于增强现实应用，并且可以由被基于眼镜的装置中的框架支撑的窗口或镜头提供。在一些示例中，基底可能不是透明的，例如，作为虚拟现实装置的一部分。在一些示例中，框架1270可以围绕透镜的外围延伸，并且可以是眼镜形状的一部分。框架的形状可以类似于图11所示的形状的外围的形状。在一些示例中，可以具有两个平坦表面，如图所示，这两个平坦表面可以大体上平行，但在一些示例中，基底的至少一个表面可以是弯曲的。在一些示例中，基底可以是透明基底。基底可被配置为允许以下光中的一种或更多种穿过装置并到达用户眼睛：来自周围环境(“现实世界”)的光、增强现实图像光和/或虚拟现实图像光。示例光学元件可被配置为基于光学元件和相关联光源的位置提供不同的偏离角。例如，光源和光学元件的组合可被配置为使得光学元件针对距视窗的较大横向偏移提供较大的偏离角。在一些示例中，光源可被配置为产生至少部分地指向视窗的光束。

由光源生成的光束可以具有初始方向，例如，该方向可以大体上正交于靠近的基底表面，和/或正交于光学元件的入射表面。光束方向可以被认为是中间或平均光束方向，尽管示例光源可以提供发射锥内的光束。在一些示例中，光源和相关联光学元件可以分布在装置上，诸如可佩戴增强现实装置或虚拟现实装置。

图13A至图13C示出了包括光源和相关联光学元件的组合的示例装置。光学元件可包括高折射率材料，例如，具有大于大约2的折射率的材料，诸如具有至少大约3的折射率的材料。光学元件可包括半导体，诸如砷化镓(GaAs，折射率n＝3.5)、砷化铝、其他砷化物半导体、其他半导体材料或其他材料，诸如高折射率材料。

图13A示出了装置1300的一部分，装置1300包括光源1310、光学元件1320和密封剂层1330，该光学元件具有出射表面1322。光源1310和光学元件1320的组合产生光线束1340，该光线束在密封剂层的出射表面1344处被折射，以提供照亮目标的光线束1342。在一些示例中，密封剂层的出射表面1344可以具有大体上凹陷的轮廓。该图还示出了透明基底1346，其可以支撑光源并可以邻近密封剂层。框架(未示出)可用于支撑装置，例如，支撑在用户的头部上，目标可包括用户眼睛，并且该装置可以是眼跟踪装置或具有眼跟踪功能的装置。在一些示例中，密封剂层的厚度可在大约0.5mm和大约5mm之间。

图13B示出了示例装置1350。该装置可包括提供光束1354的光源，该光束通过入射表面1356进入光学元件1360。光束1364通过可包括高折射率材料(其可以是大体上透明的材料)的光学元件1360传播，并在光学元件1360的出射表面1362处作为光束1366折射到密封剂层1370中。密封剂层的出射表面在该图中未示出，但光束1366可以离开密封剂层1370并可以照亮诸如眼睛的目标(在该图中未示出)。在该示例中，光学元件1360具有可以是平坦表面的入射表面1356和可以是自由形状表面的出射表面1362。

图13C示出了包括光源1382和光学元件1384的装置1380，光源和光学元件两者都可以(至少部分地)密封在密封剂层(未示出)中。光学元件1384可以具有非球面的出射表面，诸如自由形状表面1386，光束可以通过该出射表面离开光学元件，该光学元件既改变由光源1382发射的光的主要光线角度，又修改光线束1388内的相对光线角度，例如，光线1390、1392和1394的相对光线角度。弯曲出射表面配置可提供目标照明的改善的均匀性，特别是当目标与光源横向偏移且照明来自斜角时。

例如，光源可以相对于照明目标区域的中心横向偏移(例如，光源可以具有从眼睛中心的径向偏移，例如，如关于图11讨论的)。光学元件的弯曲输出表面可以是自由形状表面，并且可以(例如，围绕输入或输出光束的光轴和/或主光线)缺少旋转对称性。在一些示例中，出射表面可以是变形的非球面表面。在一些示例中，出射表面可以包括光学元件和基本邻近的密封剂层之间的弯曲界面。

然而，在一些示例中，与自由形状光学表面所提供的性质和优点类似的性质和优点可以使用斜出射表面(诸如使用楔形元件所获得的)和超材料层的组合来获得。斜出射表面可以修改主光线角度，例如，以赋予10度和80度之间(诸如20度和60度之间)的偏差。超材料层可以修改光线束内的相对光线角度，以改善目标(诸如眼睛)的照明均匀性。下面进一步讨论包括超材料层的光学元件。

在一些示例中，装置可以包括向光学元件提供光束的光源(例如，支撑在增强现实和/或虚拟现实头戴装置，诸如头戴式耳机、眼镜等上)。在一些示例中，光束可以被光学元件朝向视窗重定向。光学元件可被嵌入在具有中间折射率的介质(诸如光学聚合物)中。光学元件可以具有平坦表面，光束通过该平坦表面进入光学元件，以及出射表面(诸如斜平坦表面或自由形状弯曲出射表面)，光束通过该出射表面离开光学元件。在光学元件和周围介质(例如空气、聚合物或其他介质)之间的界面处的折射可以使光束的路径偏向横向偏移的目标。高折射率材料可包括半导体，诸如GaAs(折射率n＝3.5)、AlGaAs或一种或更多种其他砷化物半导体。

在一些示例中，光学元件可以包括半导体，诸如磷化物半导体，例如磷化镓(GaP)，该半导体可具有大约3.1的折射率。示例光学元件可以包括一种或更多种半导体，诸如以下半导体中的一种或更多种：砷化物、磷化物、氮化物、锑化物、硒化物、硫化物或其他半导体。

在一些示例中，超材料层(其在一些示例中也可称为超层或超表面)可用于例如眼跟踪光束整形应用中的光束整形。

示例眼跟踪装置可包括VCSEL(垂直腔表面发射激光器)。光束整形元件可用于实现对视窗的均匀和分布式照明。在一些示例中，光束整形可以通过使用超材料层的波前操纵来实现。在一些示例中，眼跟踪器可包括一个或更多个光学检测器(诸如光电检测器或成像传感器)以及控制模块，控制模块被配置为从检测到的从眼睛返回的辐射中确定眼睛的取向。

示例装置可以包括一个或更多个光源，其中每个光源与光学元件组合使用。示例光源，诸如LED或激光器，可以具有大小小于1mm×1mm(诸如小于300×300微米)的光源发射区域。发射区域的控制可以使用蚀刻、电约束(electrical confinement)或光学约束(optical confinement)中的一种或更多种来实现。在一些示例中，光源封装大小可以小于1mm×1mm×1mm，诸如尺寸小于300微米×300微米×300微米。

在一些示例中，光学元件可以包括超材料层。与自由形状折射元件不同，超材料层可以是平的，而且厚度是大体上均匀的，这可以允许使用传统的半导体加工进行制造。考虑了超材料层的示例，其包括纳米柱(具有圆柱体、正方形或其他横截面形状)的分布，其中柱间距小于光源的操作波长。纳米柱的大小(诸如直径)可以调整，以适应期望的波前操纵所需要的相位变化。纳米柱的相位延迟可以使用模拟工具，诸如有限差分时域(FDTD)方法、严格耦合波分析(RCWA)等，根据纳米柱直径来计算。因此，超材料层可以视装置应用(诸如眼跟踪应用)的情况引导和/或发散光束。

在一些示例中，装置包括激光器，诸如VCSEL。在一些示例中，激光器可以在近IR范围内操作。在一些示例中，光源可以包括GaAs VCSEL，尽管该示例和其他示例是非限制性的。在一些示例中，超材料层可以位于激光器(诸如VCSEL)的基底材料内，该基底材料可以基于GaAs。在一些示例中，超材料层可以位于基底的表面上(或以其他方式由基底的表面支撑)。

图14示出了使用包括光学元件的装置对示例光源(例如，VCSEL)进行光束整形，其中该光学元件包括超材料层。图14示出了装置(或装置的一部分)1400，包括光源(或发光元件)1420，诸如VCSEL，该光源具有发光表面1425，位于基底1410内。装置包括超材料层1430，该超材料层可以是基底之上的外部层，或是基底的部件。在一些示例中，超材料层1430可以被大体上均匀的层1440包围。超材料层可以在发光表面1425上方延伸，使得来自光源的大部分或基本上所有的光都穿过超材料层。超材料层可以就地(in situ)形成，或者超材料层可以通过任何工艺在其他地方形成，然后定位在基底上或基底内部。超材料层1430和发光表面1425可以通过在图中被标记为“d”的分离距离分开。该分离距离可在0mm-1mm(诸如10nm-500微米，诸如10nm-10微米)的范围内。这些范围和其他范围是示例性的并且不是限制性的，可以是近似的范围，和/或可以是包容性的范围。在一些示例中，基底本身可以是发光元件。

在图14中，示例光线被示出为从光源1420发出并穿过超材料层1430的实线。在该示例中，光学元件包括超材料层，该超材料层被配置为获得所期望的光束轮廓，诸如提供改善的照明均匀性的光束轮廓。光源1420提供光束，该光束可以照亮包括超材料层1430的光学元件。超材料层1430可以包括微结构或纳米结构的布置，诸如柱或其他结构的布置。

在一些示例中，超材料层可以位于基底内。在一些示例中，超材料和光源可以邻近或实质上邻近。示例超材料层可以是大体上平坦的，并且超材料层的出射表面(光穿过超材料层后从该出射表面离开)可以是大体上平坦的。在一些示例中，光学元件可以包括一个或更多个超材料层，以及可选的一个或更多个附加的光学层和/或附加的光学元件(诸如楔形元件、光栅、滤光器、孔径、透镜或其他光学部件)。在一些示例中，光学元件可以包括与楔形元件组合的超材料层。例如，楔形元件可以位于超材料层上，或在楔形元件上形成超材料层。

在一些示例中，光源可以提供光束，光束照亮光学元件，诸如包括一个或更多个超材料层的光学元件。示例超材料层可以包括微结构或纳米结构的布置，诸如柱或其他结构的布置。微结构或纳米结构可以包括许多可能的结构几何构造或形状中的一个或更多个。超材料层可以具有一个或更多个功能，诸如光束重定向、光束整形、相位修改，和/或可以具有取决于偏振的性质。示例超材料层可以包括偏振敏感结构(诸如偏振敏感纳米结构)，该偏振敏感结构可以包括矩形结构、椭圆形横截面结构、耦合结构或其他各向异性结构(例如，具有各向异性横截面的纳米柱)，和/或可以包括偏振不敏感结构，诸如纳米立柱(例如，纳米柱)、方形横截面立柱和拥有横向(X-Y)对称性的其他结构。结构(例如，柱或其他结构)的直径(或等效横截面尺寸)、间距和/或长度可以具有空间变化，该空间变化被配置为赋予所期望的光束修改。在一些示例中，超材料层的出射表面可以具有斜(倾斜的)出射表面，例如，由结构高度(诸如柱高度)的空间分布引起的斜出射表面。在一些示例中，超材料层可以具有大体上均匀的厚度。光在出射表面处的折射、和/或由超材料性质变化引起的相位性质的空间变化，可用于修改光束轮廓和光束方向。

图15示出了基底1520的表面1530上的纳米柱(诸如1540和1550)的示例布置1500的视图。在该示例中，装置包括具有空间上变化的纳米柱直径的圆柱形纳米柱。例如，纳米柱1540的直径比纳米柱1550更大。在一些示例中，纳米柱的布置可以被配置作为超材料层。超材料可以包括其他微结构或纳米结构。纳米结构诸如纳米柱可以具有小于1微米的尺寸(诸如直径或其他类似的横截面尺寸或其他尺寸)。微结构可以具有小于1mm，并且在一些示例中小于500微米的一个或更多个尺寸。

图16示出了纳米柱1600的布置的俯视图，包括诸如1610和1620的纳米柱。纳米柱可被配置作为超材料层，并可被配置用于与光源(诸如激光二极管，诸如GaAs VCSEL)一起使用。

在一些示例中，纳米柱可以被布置成大体上规则的阵列，诸如图16所示，并且超材料性质可以具有由纳米柱直径的空间变化(或一些其他横截面尺寸的变化)引起的空间变化。例如，纳米柱1610具有比纳米柱1620更大的横截面直径。

在一些示例中，超材料层可具有纳米结构(诸如纳米柱)的布置，例如，基于具有某种程度对称性的规则布置(其可称为阵列或晶格)(诸如方形晶格、面心方形晶格、六方晶格等)的布置。对于高折射率基底，超材料层可能会引起一些不必要的衍射。使用具有纳米柱的随机分布的超材料层可以抑制衍射。每个超材料单元(例如，纳米结构)的确切位置可以是随机的，同时保持相邻单元之间的距离大于最小值(其可以是亚波长距离)。纳米结构参数(诸如，每个纳米结构(诸如纳米柱)的大小参数，例如直径)可由在纳米结构位置处所期望的相位延迟确定。

在一些示例中，超材料层可以包括元结构(metastructure)的随机分布，诸如纳米结构的随机布置。元结构可以包括微结构和/或纳米结构，诸如纳米柱、其他突起、或其他特征，诸如孔。

图17示出了被配置作为超材料层的纳米柱(诸如具有不同直径的纳米柱1710和1720)的随机布置1700。在一些示例中，纳米结构的位置可以从对应于规则阵列的位置偏移随机选择的距离，例如，沿随机选择的取向偏移。

在一些示例中，超材料层可以与一个或更多个其他光学部件(诸如楔形元件)组合。在需要大的光束弯曲角度(例如，大的折射角度或光束重定向角度)的光束整形应用中，可以添加楔形元件，例如在超材料层之上添加。楔形元件可以充当折射元件，该折射元件可以根据一阶相位延迟重定向光束。然后任何更高阶的相位延迟都可以使用超材料层来实现。示例配置可以允许超材料层的相位延迟的空间变化更小，从而可能实现更精确的波前操纵。

在一些示例中，超材料层可以形成在楔形元件的斜上表面上，或其他位置，诸如在光源的发射表面上，或在密封剂层的出射表面上。在一些示例中，可以省略楔形元件，并且使用超材料层实现光束整形。

图18示出了示例装置1800(诸如光学元件)，其包括超材料层1820，该超材料层在基底1830上具有柱1822(诸如纳米柱)的布置。装置还包括楔形元件1810。在该示例中，光学元件可以包括可以提供光束重定向的楔形元件1810(诸如棱镜或其部分)。在一些示例中，例如通过大约10度和大约80度之间的角度重定向光束，楔形元件可以提供可感知的光束重定向。在一些示例中，超材料层1820具有一个或更多个超材料参数的空间变化(诸如柱直径和/或柱间距)，并且超材料层性质的空间变化可用于光束整形。例如，使用超材料层的光束整形可用于改善由位于相对于目标的横向偏移位置处的光源照亮的目标的照明强度均匀性。例如，使用眼跟踪器的眼睛的照明均匀性可以使用与楔形元件或其他光束重定向元件组合的超材料层来改善。在此情境下，如沿垂直于表面法线的方向所测量的，横向偏移位置可以位于距目标区域的法线可感知的距离处。斜照明可包括使用与目标区域的法线(例如，在目标区域的中心处)成大约10度和大约20度之间的角度的光束进行照明。

在一些示例中，光学元件可包括楔形元件1810和超材料层1820，并且基底1830可包括光源，光学元件可在该光源上形成。在一些示例中，光学元件可包括楔形元件1810、超材料层1820和基底1830。例如，基底1830可包括光学层(其可包括高折射率材料)，或可在光源的发射表面上形成的其他光学层。

在一些示例中，方法可以包括：提供(例如，制造)具有发射表面的光源(诸如激光器或发光二极管)；在发射表面上形成光学层(其可包括高折射率材料)；在光学层上形成超材料层；在超材料层上形成层；在该层上形成抗蚀剂层，其中该抗蚀剂层具有由抗蚀剂层的空间非均匀厚度确定的形状；以及将抗蚀剂层的形状蚀刻到该层中以形成具有整形出射表面的光学元件(其可包括来自该层的材料)。整形出射表面可以基于抗蚀剂层的形状。光学元件可由表面发射激光器的发射表面支撑，接收来自表面发射激光器的光，并可被配置为通过折射将光重定向通过整形出射表面以照亮远程目标。在一些示例中，光学层可以被省略。附加的示例方法可以包括在光源的发射表面形成超材料层，在超材料层上形成层，在该层上形成整形抗蚀剂层，并蚀刻以形成光学元件，光学元件可以包括来自该层的材料，并可以具有由整形抗蚀剂层的形状确定的整形出射表面。

在一些示例中，超材料层可以包括具有亚波长(sub-wavelength)间距的纳米柱的布置。纳米柱的间距和/或直径可以具有被配置为获得所期望的相位轮廓的空间变化。柱之间的间隙可以包括空气、惰性气体(诸如氮气)、或具有明显不同的折射率(例如，至少高或低0.5)的介质。在一些示例中，超材料层可以包括由诸如半导体的材料(例如高折射率材料)形成的元件，诸如纳米柱。在一些示例中，元件之间的间隙可以是开放的(例如，空气填充的)，或在一些示例中，间隙可以填充有材料，诸如氧化物或聚合物材料。

在一些示例中，超材料层可以位于光学元件的上表面上，例如光学元件(诸如楔形元件)的出射表面上。

在一些示例中，超材料层可以位于光源或光源外壳的出射表面上(或附近)，或另一个光学元件(诸如楔形元件)的入射或出射表面附近。光源或其外壳可以具有可以帮助重定向光束(例如，在眼跟踪应用中朝向视窗)的斜出射表面。斜出射表面可以提供与楔形元件类似的功能。在一些示例中，楔形元件可被结合到光源或光源外壳中。

在一些示例中，反射表面可用于将光束引向目标，诸如眼睛或灯箱。超材料层可以位于反射表面上或附近，或位于光束路径内的其他地方。

在一些示例中，超材料层可以位于光束路径(例如，在眼跟踪应用中从光源到视窗的光束路径)内的任何适当位置处。超材料层可与一个或更多个其他光学部件组合使用，以实现例如透镜、面镜、相位板、衍射光栅、窗口、滤光器、全息元件、光束整形光学元件、周围介质或其他光学元件中的一个或更多个的所期望的光束修改。

图19示出了为与楔形元件(诸如图18所示的装置)组合的示例超材料层确定的示例相位轮廓1900。

图20A示出了被配置作为提供图19所示相位变化的超材料层的纳米柱的大体上周期性的布置。大体上在2000处示出的超材料层包括纳米柱，诸如2010和2020。在一些示例中，纳米柱可被布置成大体上规则的阵列。

图20B示出了也被配置为获得图18所示的相位变化的超材料层内纳米结构的随机分布的示例。纳米柱的布置2050包括纳米柱，诸如2060和2070，这些纳米柱在位置上未被布置在规则阵列上。超材料层可以包括微结构和/或纳米结构的随机分布，诸如纳米柱的随机分布。

图21A示出了使用光源和仅包括楔形元件的光学元件在远场处的照明。在该示例中，光学元件将来自光源的光束弯曲成大约40度的角度。图21B示出了使用包括位于超材料层之上的楔形元件的光学元件进行远场照明。该配置提供了合理的均匀照明，其具有所期望的宽广角度范围，在该示例中，该角度范围在一个方向上超过大约0度-60度，并且在另一个方向(正交方向)上超过100度。因此，使用超材料层(例如，超材料层与另一个光学部件(诸如楔形元件)的组合)可用于获得改善的照明均匀性。

在一些示例中，根据本文中描述的原理的超材料层可以包括纳米结构(诸如纳米柱)的布置。纳米结构可以被布置成方形阵列或其他布置。纳米结构间距(例如，邻近的纳米柱的中心到中心间距，其也可以称为晶格常数)可以是亚波长的距离，例如，在0.1λ至0.9λ的范围内(其中λ是光源的中心发射波长)，并且在一些示例中可以在0.1λ至0.8λ的范围内，并且可以大约是发射波长的一半。发射波长可以是近IR波长(例如，在750nm-2500nm范围内，诸如在750nm-1000nm范围内)，或可见光波长(例如，在400nm-750nm范围内)，例如，红-橙色波长(例如，在590nm-750nm范围内)。在一些示例中，纳米结构尺寸(诸如厚度、直径或其他横向尺寸)可以在200nm-1000nm范围内，诸如在300nm和800nm之间，但要符合晶格常数的选择所赋予的(多个)最大实际尺寸。在该情境下，横向尺寸可以是在与伸长方向正交的方向上测量的尺寸(例如，对于纳米柱)，和/或平行于支撑纳米结构的基底测量的尺寸。

在一些示例中，装置包括光学元件(例如，包括透镜或棱镜和/或可包括高折射率材料的超材料层)与光源(诸如，半导体光源，诸如发光二极管或激光二极管，诸如VCSEL)。装置可以被配置例如作为具有位于用户眼睛附近的光源的眼跟踪器用于近眼操作。光源的发射波长可以是近IR发射波长。在一些示例中，装置可以被配置为使得当由用户佩戴时(例如，以产品标签建议的方式或按照惯例)，光源位于近眼位置处。光源可以被配置为在装置被佩戴时位于距眼睛5mm和50mm之间的距离处，例如，位于距眼睛10mm和40mm之间(诸如距眼睛15mm和30mm之间)的距离处。在一些示例中，装置可被配置为使得当装置被佩戴时，光源距眼睛小于大约25mm。在该情境下，可以佩戴装置，例如作为自支撑的物品(诸如眼镜、护眼镜、头戴式耳机、帽子或其他物品)或作为此物品的附件或部件。在一些示例中，用作光学元件(或其一部分)的透镜可具有5mm和50mm之间(例如，10mm和40mm之间，诸如15mm和30mm之间)的焦距，并且在一些示例中，焦距可小于大约25mm。在一些示例中，装置可被配置为对用户来说不显眼。在一些示例中，光源可以具有小于2mm×2mm×2mm(诸如小于1mm×1mm×1mm，诸如小于500×500×500微米，诸如小于300×300×300微米)的外部尺寸。当与近眼接近度组合时，此类尺寸可使光源(以及，例如任何相关联的光学装置部件)不显眼。

在一些示例中，纳米结构可以包括一种或更多种材料(例如，一种或多种高折射率材料)，诸如一种或更多种半导体。在一些示例中，纳米结构可以包括高折射率材料，诸如半导体或电介质材料。在一些示例中，高折射率材料的折射率(在光源的发射波长处)大于2，并且在一些示例中折射率可大约为3或更大。在一些示例中，纳米结构或其他超材料部件可包括可具有能量带隙的材料，该能量带隙大于光源发射光子能量。在一些示例中，纳米结构或其他超材料部件可以包括一种或更多种材料，诸如砷化物半导体(例如，GaAs、AlAs、Al_xGa_1-xAs)、磷化物半导体(例如，GaP、In_xGa_1-xP)、氮化物半导体(例如，GaN、InN、AlN)、氧化物(例如，氧化钛(诸如TiO₂)、氧化铝(蓝宝石)等)、其他III-V族半导体或其他II-VI族材料。

在一些示例中，装置部件(诸如纳米结构或其他超材料部件(诸如用作周围介质的基质材料)、微透镜、光学元件、光源、光学层、透镜或其他装置部件)可包括半导体(诸如砷化物、磷化物或氮化物半导体)、电介质材料(诸如无机氧化物、氮化物、碳化物等)、陶瓷、玻璃(诸如硅酸盐玻璃或氟化物玻璃)、半金属或金属。在一些示例中，装置部件(诸如纳米结构、光学元件或其他装置部件)可以具有大体上均匀的组成。在一些示例中，装置可以包括梯度折射率部件，诸如梯度折射率透镜。

在一些示例中，纳米结构组成可以在超材料层内变化。在一些示例中，超材料或其他纳米结构组成可以具有非均匀的组成，例如，包括在分层、环形、空心或其他形式的非均匀组成中的一种或更多种成分材料。在一些示例中，纳米结构可以具有复合结构，例如，包括一种或更多种半导体和/或一种或更多种金属或其他成分的复合结构。

在一些示例中，纳米结构可以(全部或部分地)嵌入基质材料中。例如，半导体纳米结构的布置可以嵌入基质层，诸如半导体、玻璃、无机材料、聚合物或其他材料的层中。例如，超材料层可以包括嵌入基质材料层中的纳米结构的布置。纳米结构可以包括棒(诸如纳米柱)、粒子(诸如半导体量子点、金属纳米粒子等)或其他纳米结构。在一些示例中，基质材料参数可以在整个超材料层中变化。基质材料参数可包括一个或更多个参数，诸如层厚度、组成、光学性质(诸如折射率，其可以是组成的函数)、添加剂比例、聚合、分子构象(诸如异构，诸如光异构(photoisomerism))、颜色等。纳米结构可以附着到底层基底(例如，沉积在底层基底上)，或通过基质材料分散。基质材料也可以用作包围介质来让光源嵌入和/或密封光源。

在一些示例中，纳米结构可以形成在基底层上或以其他方式位于基底层附近。基底层可以具有空间变化的参数，诸如光学参数(诸如折射率)、厚度(例如，楔形元件的示例)或其他可变参数。

图22示出了制造光学装置的示例方法2200。该方法包括提供光源(诸如激光器或发光二极管)2210，并在光源的发射表面上形成光学元件(2220)，其中该光学元件由发射表面支撑，接收来自表面发射激光器的光，并被配置为重定向光以照亮远程目标。该方法还可包括使用来自光源的光束照亮目标(诸如眼睛)，其中光束重定向由光学元件提供(2230)。

在一些示例中，照亮物体(诸如眼睛)的方法包括由光源提供光束，其中光束沿第一方向离开光源，由光学元件接收光束，并由光学元件将光束沿第二方向引向物体。第二方向可以与第一方向具有可感知的角度，例如，在5度和70度之间的光束重定向角度。光学元件可以具有被配置为改善目标的照明均匀性的出射表面。

在一些示例中，装置可包括被配置为发射光束的光源、被配置为沿第一方向接收光束并沿第二方向重定向光束的光学元件以及密封剂层，其中光束通过光学元件的出射表面离开光学元件进入密封剂层中。光学元件可包括高折射率材料，并且高折射率材料在光束的波长处可具有至少大约1.5的折射率，诸如至少大约2的折射率，例如至少大约3的折射率。光源可包括发光二极管或激光器，诸如表面发射激光器。光学元件可以至少部分地嵌入密封剂层中。光学元件的出射表面可以具有非球面弯曲表面，诸如没有旋转对称性的弯曲自由形状表面。光学元件的出射表面的曲率可以被配置为降低目标的照明均匀性，例如，降低到1个标准偏差以下。光学元件可以包括材料(例如，高折射率材料)，诸如半导体或电介质材料中的至少一种。示例光学元件可以包括砷化物半导体、磷化物半导体或氮化物半导体中的至少一种，和/或可以包括氧化物。示例光学元件可以包括在光束的波长处，以及例如在典型的装置环境温度下，具有至少大约2的折射率的材料。在一些示例中，密封剂层可以在光束的波长处具有在大约1.3和大约1.8之间的密封剂折射率，并且可以包括聚合物，诸如光学聚合物。密封剂层可以具有近似凹陷的出射表面，光束通过该出射表面离开密封剂层，例如以照亮目标。示例装置可以是增强现实装置和/或虚拟现实装置。示例装置可以被配置为使得光束被定位成照亮装置的预期用户的眼睛。在一些示例中，示例装置可以包括被配置为照亮预期用户的眼睛的多个光源，并且每个光源可以具有相关联的光学元件。光学元件和/或光源可以至少部分地嵌入在密封剂层内。

在一些示例中，方法包括：使用光源生成光束；由光学元件接收光束；由密封剂层接收来自光学元件的光束，其中光束被光学元件的整形表面(例如斜表面，或非球面弯曲表面，诸如自由形状表面)折射；以及使用从密封剂层接收的光束照亮目标(诸如用户的眼睛)。目标可由多个光束照亮，其中每个光束由多个光源中的相应光源生成。示例方法还可包括检测来自目标的反射光束，诸如闪光，并且还可包括使用检测到的反射光束跟踪用户的眼睛。这些示例方法可由例如增强现实装置和/或虚拟现实装置执行。

在一些示例中，装置包括被配置为发射光束的光源和被配置为沿第一方向接收光束并沿第二方向重定向光束的光学元件。光学元件可包括高折射率材料，诸如半导体。装置可以是或包括眼跟踪装置。在一些示例中，光学元件包括超材料层。超材料层可以包括纳米结构的布置。纳米结构可以具有纳米结构参数，并且纳米结构参数可以具有根据在超材料层内的位置变化的空间变化。该空间变化可以传达相位延迟中的所期望的空间变化，或其他光学性质。纳米结构参数可以包括以下中的一项或更多项：横向尺寸、横截面积、长度尺寸、组成、纳米结构间距、横截面形状、横截面形状各向异性、横截面均匀性、锥度、折射率、折射率各向异性、涂层厚度、空芯厚度、一个或更多个成分的体积分数、取向或周围介质参数。在一些示例中，纳米结构可以包括纳米柱，其中该纳米柱具有直径或其他等效横向尺寸(诸如多边形横截面(诸如正方形、三角形、五边形或其他多边形横截面)的边缘长度)，并且纳米结构参数可包括纳米柱直径(或其他等效尺寸)。

示例包括高折射率和基于超材料的光学元件，例如，包括纳米结构、微透镜、棱镜和/或衍射元件的光学元件。应用包括例如在眼跟踪应用中对来自光源的光束进行光束整形和/或光束转向。光源可以是发光二极管或激光器(例如，垂直腔表面发射激光器或VCSEL)。示例高折射率材料可以包括各种半导体中的一种或更多种。光学元件可以直接在光源上制造，例如，作为超材料层，该超材料层可以包括具有空间变化的纳米结构参数的纳米结构的布置。例如，具有空间变化的折射率的超材料层可以包括具有空间变化的横截面直径的纳米柱的布置。在一些应用中，光源可以是增强或虚拟现实头戴装置的一部分。对于眼跟踪应用，一个或更多个光学元件可用于例如以改善的光束形状、改善的照明性质(诸如照明均匀性)、改善的闪光捕获，和/或改善的算法瞳孔边缘检测将光束引向视窗的中心。装置还可以包括楔形光学元件以将光束引向视窗。在一些示例中，光学元件可以具有附加的部件诸如光学涂层以修改反射或衍射性质。

在一些示例中，光源(诸如VCSEL或LED)可以位于距眼睛中心的一个或更多个预定半径处。在一些示例中，光源可被布置在围绕眼睛中心的一个或更多个环中。在每个半径(例如，光源和眼睛中心之间的横向距离)处的光学元件可以具有不同的自由形状表面设计。光学元件的自由形状出射表面配置可根据环半径而修改。同一环上的每个光源(例如每个VCSEL或LED)的光学元件可以被取向，使得光束指向视窗。

本公开的示例包括用于光束(其被用于进行眼跟踪)的光束整形和/或光束转向的各种示例性高折射率光学元件(诸如微透镜、棱镜和/或衍射元件)。在一些示例中，光学元件直接在光源的发射表面上制造。光源可以是例如发光二极管或激光器(例如，垂直腔表面发射激光器或VCSEL)。示例高折射率材料包括半导体，诸如砷化物半导体(例如GaAs、AlAs、AlGaAs)、磷化物半导体(例如GaP、InP、InGaP)、氮化物半导体(例如InN、GaN、AlN、GaInN等)、其他III-V族或II-VI族半导体或无机电介质材料诸如氧化物(例如二氧化钛)。在一些示例中，高折射率材料的折射率可以是至少大约2，或至少大约3(例如，在光源发射波长和典型操作温度下)。在一些示例中，光学元件可包括半导体，该半导体具有大于来自光源的光的光子能量的带隙。在一些示例中，光学元件可以例如使用半导体加工技术直接在光源上制造。在一些示例中，光学元件可以在单独基底上制造并放置在光源上，例如，用或不用粘合剂结合。在一些示例中，光源和光学元件可以在单独晶片上制造，并然后晶片被对准并结合。在一些应用中，光源可以是增强或虚拟现实头戴装置的一部分，例如，是嵌入增强现实眼镜镜片中的LED。光学元件可用于例如以改善的光束形状、改善的照明性质(诸如照明均匀性)、改善的闪光捕获和/或改善的算法瞳孔边缘检测将光束引向视窗的中心。光学元件可以具有复杂表面形状，诸如自由形状表面。在一些示例中，光学元件可以具有光学涂层，例如以修改反射或衍射性质。

在一些示例中，光学元件可以是具有自由形状弯曲表面的透镜。自由形状表面可以用如下的公式1表示：

在上面公式1中，z表示表面坐标(例如，相对于表示平坦表面的值，例如，相对于在z＝0的平面，并且该项也可以称为下垂度(sag))，c是常数(在一些示例中，c可以称为曲率)，r是距光轴的径向距离(例如，距透镜中心的径向距离)，并且k是常数(例如，有时称为圆锥常数)。对于第二项(在等号的右边)，N可以表示数字表示的阶数(下面进一步讨论)，并且A_i和E_i可以表示系数，诸如以x和/或y的幂描述表面形状的附加系数。

在一些示例中，沿特别方向的表面坐标z可以是距光轴的径向距离(r)的函数，并且公式1中的第二项可以由与径向距离的幂相关联的非球面系数代替，例如，A_irⁱ形式的非球面系数，其中i可以具有一个或更多个值，诸如1、2、3、4、5、6等，A可以称为非球面参数，并且r是径向距离。然而，非球面系数也可能随着径向距离被测量的方向而变化。

在一些示例中，非球面表面可以具有围绕光轴的旋转对称性。然而，在一些示例中，光学元件可以具有缺少此种旋转对称性的非球面表面，其可以称为自由形状表面。自由形状表面可以缺少绕光轴的任何旋转对称性，并且可以缺少任何对称性。在一些示例中，自由形状表面可由与距离(例如，沿特别方向，诸如沿正交x或y方向)的幂相关的一个或更多个系数(其可称为自由形状系数)来描述，该距离沿不同方向可以不同。例如，自由形状表面可由具有公式1形式的公式表示，并且系数A_i和E_i可称为自由形状系数。

自由形状表面可以具有表示沿x方向(例如，与沿x方向的距离的不同幂相关联)、沿y方向(例如，与沿y方向的距离的不同幂相关联)的表面变化的系数，并且可以包括可称为交叉项的系数，该系数具有x和y两者的相关性(例如，xy、xy²等中的项的系数)。在一些示例中，光学元件的表面可以沿特别方向为球面或非球面，并且沿另一方向(诸如沿正交方向)为球面或非球面(例如，具有不同的曲率半径和/或不同的非球面系数)。在一些示例中，装置包括光学元件，该光学元件包括非球面表面(诸如自由形状表面)，该非球面表面例如沿与光轴正交的一个或更多个方向具有一个或更多个非球面或自由形状系数的至少一个非零(例如，可感知的)值。在一些示例中，表面可以是自由形状表面，该自由形状表面具有与表面坐标(例如，公式1的z)对距参考点的距离的一个或更多个幂(例如沿正交的x和y方向测量的距离的幂)的相关性相关联的数字自由形状系数。在一些示例中，自由形状表面可被视为非球面表面的一种类型，例如，缺少对称性的非球面表面。自由形状表面可能缺少围绕光轴的任何旋转对称性，这与球面表面不同。

在一些示例中，自由形状表面可以被配置为使得视窗照明效率至少为80％，并且在一些示例中至少为90％。在一些示例中，照明是大体上均匀的，例如在一个标准偏差内是均匀的。

在一些示例中，自由形状表面的光学性质可以使用棱镜光学元件和超材料层的组合来获得。棱镜光学元件的斜出射表面可以重定向光束。例如，与没有超材料层的棱镜光学元件相比，超材料层的空间可变性质可用于光束整形，并获得改善的照明均匀性。

在一些示例中，控制系统可用于提供以下功能中的一个或更多个：控制由头戴式装置显示的图像，接收并分析传感器数据(例如，接收并分析由光学传感器检测到的反射光，诸如眼闪光，并确定眼跟踪数据)，调整一个或更多个可调整透镜，或控制光源(诸如激光器和/或发光二极管)。在一些示例中，控制系统可以包括显示系统，并可用于调整示出在显示器上的图像。在一些示例中，控制系统可用于调整一个或更多个光学元件的光学性质，诸如透镜的焦距、光学元件的取向、薄膜(诸如电活性薄膜)的变形，或用于调整任何其他光学部件或光源。在一些示例中，控制系统可用于例如响应于环境亮度、特别应用的眼跟踪要求、增强现实或虚拟现实图像元素的重要性来调整光源的光输出功率，或用于实现用户控制的设置，诸如对比度或亮度。

图23示出了用于近眼显示系统(诸如增强现实系统)的示例控制系统的示意图。显示系统2300可包括近眼显示器(NED)2310和控制系统2320，它们可以彼此通信地耦合。近眼显示器2310可包括透镜2312、电活性装置(诸如致动器)2314、显示器2316和一个或更多个传感器2318。传感器可包括至少一个光传感器。控制系统2320可包括控制元件2322、力查找表2324、和生成图像流2328的增强现实逻辑2326。

增强现实逻辑2326可以确定哪些虚拟物体要被显示，以及虚拟物体要被投射到的现实世界位置。增强现实逻辑2326可以生成图像流2328，该图像流由显示器2316以这样的方式显示，即显示器2316中显示的右侧和左侧图像的对准导致朝向所期望的现实世界位置的视觉辐辏(ocular vergence)。

控制元件2322可被配置为控制一个或更多个可调整透镜，例如，位于近眼显示器内的流体透镜。透镜调整可以基于对虚拟物体的期望感知距离(这可以例如包括增强现实图像元素)。

控制元件2322可以使用由增强现实逻辑2326确定的相同定位信息，与力查找表(LUT)2324组合，以确定由电活性装置2314(例如，致动器)施加到透镜2312的力的量，如本文中所描述的。电活性装置2314可响应于控制元件2322，对透镜2312施加适当的力，以调整在显示器2316中显示的虚拟图像的表观调节距离(apparent accommodation distance)，以匹配虚拟图像的表观辐辏距离，由此减少或消除辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict)。控制元件2322可以与传感器2318通信，该传感器可以测量可调整透镜的状态。基于从传感器2318接收到的数据，控制元件2322可以调整电活性装置2314(例如，作为闭环控制系统)。

在一些实施例中，显示系统2300可一次显示多个虚拟物体，并可确定用户正在观看(或可能正在观看)哪个虚拟物体，以识别一个虚拟物体，为其校正表观调节距离。例如，系统可包括眼跟踪系统(未示出)，该眼跟踪系统向控制元件2322提供信息以使控制元件2322能够选择相关虚拟物体的位置。

此外或可替代地，增强现实逻辑2326可以提供关于哪个虚拟物体最重要和/或最可能引起用户注意的信息(例如，基于空间或时间上的接近性、移动和/或附加到虚拟物体的语义重要性指标)。在一些实施例中，增强现实逻辑2326可以识别多个潜在重要虚拟物体，并选择近似于一组潜在重要虚拟物体的虚拟距离的表观调节距离。

控制系统2320可表示用于管理对透镜(例如，可调整透镜)2312的调整的任何合适的硬件、软件或其组合。在一些实施例中，控制系统2320可表示片上系统(SOC)。因此，控制系统2320的一个或更多个部分可包括一个或更多个硬件模块。此外或可替代地，控制系统2320的一个或更多个部分可包括一个或更多个软件模块，当存储在计算装置的存储器中并由计算装置的硬件处理器执行时，该软件模块执行本文中描述的任务中的一个或更多个。

控制系统2320通常可以表示用于为头戴式显示器提供显示数据、增强现实数据和/或增强现实逻辑的任何合适的系统。在一些实施例中，控制系统2320可以包括图形处理单元(GPU)和/或被设计成优化图形处理的任何其他类型的硬件加速器。

控制系统2320可以在各种类型的系统(诸如增强现实眼镜)中实现。控制系统可用于控制显示器、光源、可调整透镜、图像渲染、传感器分析等的一个或更多个的操作。在一些实施例中，控制系统可集成到眼部佩戴装置的框架中。可替代地，控制系统的全部或一部分可以在远离眼部佩戴物的系统中，并且例如被配置为经由有线或无线通信控制眼部佩戴物中的电活性装置(例如，致动器)、显示部件或其他光学部件。

控制系统，其在一些示例中也可以称为控制器，可以控制光源的操作，并且在一些情况下，可以控制光学系统，这可以包括控制一个或更多个透镜。在一些实施例中，控制器可以是显示装置的图形处理单元(GPU)。在一些实施例中，控制器可包括一个或更多个不同的或附加的处理器。由控制器执行的操作可以包括获取用于显示的内容，并将内容划分为离散区段(section)。控制器可指示光源使用对应于最终显示给用户的图像中的相应行的发光器，按顺序呈现离散区段。控制器可以指示光学系统调整光。例如，控制器可以控制光学系统将呈现的离散区段扫描到光输出的耦合元件的不同区域。每个离散部分可以在出射光瞳处的不同位置呈现。虽然每个离散区段在不同的时间呈现，但离散区段的呈现和扫描可能发生得足够快，使得用户眼睛将不同的区段整合成单个图像或一系列图像。控制器还可以向光源提供扫描指令，该扫描指令包括与光源的单独源元件对应的地址和/或施加到单独源或显示元件的电偏压。

示例控制系统(其也可称为控制器)可以包括图像处理单元。控制器或部件图像处理单元，可以包括通用处理器和/或专门用于执行本文中描述的特征的一个或更多个专用电路。在一个实施例中，通用处理器可以耦合到存储器装置以执行使处理器执行本文中描述的某些过程的软件指令。在一些实施例中，图像处理单元可以包括专门用于执行某些特征的一个或更多个电路。图像处理单元可以是与控制器和驱动器电路分离的独立单元，但在一些实施例中，图像处理单元可以是控制器或驱动器电路的子单元。换句话说，在这些实施例中，控制器或驱动器电路执行图像处理单元的各种图像处理过程。图像处理单元也可以称为图像处理电路。

本文中描述装置的眼科应用可包括具有平的前面(或其他弯曲的)基底和可调整的眼侧凹面或凸面膜表面的眼镜。应用包括光学器件、增强现实或虚拟现实头戴式耳机。示例装置可包括头戴式显示器装置，诸如增强现实和/或虚拟现实装置。

本公开的实施例可包括各种类型的人工现实系统或与这些系统一起实现。人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的一种的形式现实，其可包括例如虚拟现实、增强现实、混合现实、混杂现实，或其一些组合和/或衍生品。人工现实内容可以包括完全由计算机生成的内容或计算机生成的内容与捕获(例如，现实世界)内容的组合。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈，或其某种组合，其中任一个都可以在单个通道或多个通道中呈现(诸如向观众产生三维(3D)效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实也可以与应用、产品、配件、服务或其一些组合相关联，这些应用、产品、配件、服务或其一些组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式用于人工现实(例如，以在人工现实中执行活动)。

人工现实系统可以以各种不同的形式因素和配置来实现。一些人工现实系统可以被设计成在没有近眼显示器(NED)的情况下工作。其他的人工现实系统可以包括NED，该NED也提供对现实世界的可视性(诸如，例如，图24中的增强现实系统2400)，或者使用户在视觉上沉浸在人工现实中(诸如，例如，图25中的虚拟现实系统2500)。尽管一些人工现实装置可以是独立系统，但其他人工现实装置可以与外部装置通信和/或协作，以向用户提供人工现实体验。此类外部装置的示例包括手持控制器、移动装置、台式计算机、用户佩戴的装置、一个或更多个其他用户佩戴的装置，和/或任何其他合适的外部系统。

转向图24，增强现实系统2400可以包括具有框架2410的眼部佩戴装置2402，该框架被配置为在用户眼睛前面容纳左显示装置2415(A)和右显示装置2415(B)。显示装置2415(A)和2415(B)可以一起或独立作用，以向用户呈现一个图像或一系列图像。尽管增强现实系统2400包括两个显示器，但本公开的实施例可以在具有单个NED或两个以上NED的增强现实系统中实现。

在一些实施例中，增强现实系统2400可以包括一个或更多个传感器，诸如传感器2440。传感器2440可以响应于增强现实系统2400的运动而生成测量信号，并且可以位于框架2410的基本上任何部分上。传感器2440可以表示各种不同的感测机构中的一个或更多个，诸如位置传感器、惯性测量单元(IMU)、深度相机组件、结构光发射器和/或检测器、光传感器，或其任何组合。在一些示例中，光传感器可被配置为检测由眼睛反射的光，诸如由眼跟踪系统的光源提供的光。在一些实施例中，增强现实系统2400可以包括或可以不包括传感器2440，或者可以包括一个以上的传感器。在其中传感器2440包括IMU的实施例中，IMU可以基于来自传感器2440的测量信号生成校准数据。传感器2440的示例可以包括但不限于加速度计、陀螺仪、磁力计、光传感器、检测运动的其他合适类型的传感器、用于IMU的误差校正的传感器、或其某种组合。

在一些示例中，增强现实系统2400还可以包括具有统称为声学换能器2420的多个声学换能器2420(A)-2420(J)的麦克风阵列。声学换能器2420可以表示检测由声波引起的气压变化的换能器。每个声学换能器2420可以被配置为检测声音并将检测到的声音转换成电子格式(例如，模拟或数字格式)。图25中的麦克风阵列可以包括例如十个声学换能器：2420(A)和2420(B)，它们可以被设计成放置在用户的对应耳朵内，声学换能器2420(C)、2420(D)、2420(E)、2420(F)、2420(G)和2420(H)，它们可以定位在框架2410上的各个位置处，和/或声学换能器2420(I)和2420(J)，它们可以定位在对应颈带2405上。

在一些实施例中，声学换能器2420(A)-(F)中的一个或更多个可用作输出换能器(例如，扬声器)。例如，声学换能器2420(A)和/或2420(B)可以是耳塞或任何其他合适类型的耳机或扬声器。

麦克风阵列的声学换能器2420的配置可以变化。尽管增强现实系统2400在图24中示为具有十个声学换能器2420，但声学换能器2420的数量可以大于或小于十。在一些实施例中，使用较多数量的声学换能器2420可增加收集的音频信息的量和/或提高音频信息的灵敏度和准确度。相反，使用较少数量的声学换能器2420可减少相关联控制器2450处理收集的音频信息所需的计算能力。此外，麦克风阵列的每个声学换能器2420的位置可以变化。例如，声学换能器2420的位置可包括用户身上的定义的位置、框架2410上的定义的坐标、与每个声学换能器2420相关联的取向、或其某种组合。

声学换能器2420(A)和2420(B)可以定位在用户耳朵的不同部位上，诸如耳廓后面、耳屏后面，和/或外耳或耳窝内。或者，除了耳道内的声学换能器2420之外，还可以在耳朵上或围绕耳朵具有附加的声学换能器2420。将声学换能器2420定位在用户的耳道旁可以使麦克风阵列能够收集关于声音如何到达耳道的信息。通过将声学换能器2420中的至少两个定位在用户头部的任一侧上(例如，作为双耳麦克风)，增强现实装置2400可以模拟双耳听觉，并围绕用户头部捕获3D立体声场。在一些实施例中，声学换能器2420(A)和2420(B)可以经由有线连接2430连接到增强现实系统2400，并且在其他实施例中，声学换能器2420(A)和2420(B)可以经由无线连接(例如，蓝牙连接)连接到增强现实系统2400。在其他实施例中，声学换能器2420(A)和2420(B)可以完全不与增强现实系统2400结合使用。

框架2410上的声学换能器2420可以以各种不同的方式定位，包括沿太阳穴的长度、跨鼻梁、在显示装置2415(A)和2415(B)的上面或下面，或其一些组合。声学换能器2420也可以被取向，使得麦克风阵列能够检测围绕佩戴增强现实系统2400的用户的宽范围的方向上的声音。在一些实施例中，在增强现实系统2400的制造期间可以执行优化过程，以确定麦克风阵列中每个声学换能器2420的相对定位。

在一些实施例中，增强现实系统2400可以包括或连接到外部装置(例如，配对装置)，诸如颈带2405。颈带2405通常表示任何类型或形式的配对装置。因此，下面关于颈带2405的讨论也可以应用于各种其他配对装置，诸如充电盒、智能手表、智能电话、腕带、其他可佩戴装置、手持控制器、平板计算机、膝上型计算机、其他外部计算装置等。

如图所示，颈带2405可以经由一个或更多个连接器耦合到眼部佩戴装置2402。连接器可以是有线或无线的，并且可以包括电气和/或非电气(例如，结构)部件。在一些情况下，眼部佩戴装置2402和颈带2405可以独立操作，它们之间没有任何有线或无线连接。尽管图24示出了眼部佩戴装置2402和颈带2405的部件在眼部佩戴装置2402和颈带2405上的示例位置，但这些部件可以位于其他地方和/或以不同方式分布在眼部佩戴装置2402和/或颈带2405上。在一些实施例中，眼部佩戴装置2402和颈带2405的部件可以位于与眼部佩戴装置2402、颈带2405配对的一个或更多个附加的外围装置或其一些组合上。

将外部装置(诸如颈带2405)与增强现实眼部佩戴装置配对可以使眼部佩戴装置能够实现一副眼镜的形状因素，同时仍提供足够的电池和计算能力用于扩展功能。增强现实系统2400的电池电力、计算资源和/或附加特征中的一些或全部可以由配对装置提供，或者在配对装置和眼部佩戴装置之间共享，因此减小了眼部佩戴装置整体的重量、热量分布和形状因素，同时仍保留所期望的功能。例如，由于用户在他们肩部上可容忍的重量负荷比他们在他们头部上可容忍的重量负荷更重，因此颈带2405可以允许原本会包括在眼部佩戴装置上的部件被包括在颈带2405中。颈带2405还可以具有更大的表面积，可以在该表面积上将热量扩散和分散到周围环境。因此，颈带2405可允许比原本在独立眼部佩戴装置上可能实现的更大的电池和计算能力。由于在颈带2405中承载的重量可比在眼部佩戴装置2402中承载的重量对用户的侵害性更小，比起用户容忍佩戴沉重的独立眼部佩戴装置，用户可以更长时间地容忍佩戴较轻的眼部佩戴装置并且承载或佩戴配对装置，由此使用户能够更充分地将人工现实环境结合到其日常活动中。

颈带2405可以与眼部佩戴装置2402和/或其他装置通信耦合。这些其他装置可以向增强现实系统2400提供某些功能(例如，跟踪、定位、深度映射、处理、存储等)。在图24的实施例中，颈带2405可以包括两个声学换能器(例如，2420(I)和2420(J))，它们是麦克风阵列的一部分(或者潜在地形成它们自己的麦克风子阵列)。颈带2405还可以包括控制器2425和电源2435。

颈带2405的声学换能器2420(I)和2420(J)可以被配置为检测声音，并将检测到的声音转换成电子格式(模拟或数字)。在图24的实施例中，声学换能器2420(I)和2420(J)可以定位在颈带2405上，由此增大颈带声学换能器2420(I)和2420(J)与定位在眼部佩戴装置2402上的其他声学换能器2420之间的距离。在一些情况下，增大麦克风阵列的声学换能器2420之间的距离可以改善经由麦克风阵列执行的波束整形的准确度。例如，如果声音由声学换能器2420(C)和2420(D)检测，并且声学换能器2420(C)和2420(D)之间的距离大于例如声学换能器2420(D)和2420(E)之间的距离，则确定的检测到的声音的源位置可以比由声学换能器2420(D)和2420(E)检测到声音的情况更准确。

颈带2405的控制器2425可以处理由颈带2405上的传感器和/或增强现实系统2400生成的信息。例如，控制器2425可以处理来自麦克风阵列的信息，该信息描述由麦克风阵列检测到的声音。对于每个检测到的声音，控制器2425可以执行到达方向(DOA)估计，以估计检测到的声音从哪个方向到达麦克风阵列。随着麦克风阵列检测到声音，控制器2425可以用信息填充音频数据集。在增强现实系统2400包括惯性测量单元的实施例中，控制器2425可以从位于眼部佩戴装置2402上的IMU计算所有惯性和空间计算。连接器可以在增强现实系统2400和颈带2405之间以及增强现实系统2400和控制器2425之间传递信息。该信息可以呈光学数据、电气数据、无线数据的形式或任何其他可传输的数据形式。将由增强现实系统2400生成的信息的处理移动到颈带2405可以减少眼部佩戴装置2402中的重量和热量，使其对用户更舒适。

颈带2405中的电源2435可以向眼部佩戴装置2402和/或颈带2405提供电力。电源2435可以包括但不限于锂离子电池、锂聚合物电池、原生锂电池、碱性电池或任何其他形式的电力存储设备。在一些情况下，电源2435可以是有线电源。将电源2435包括在颈带2405上而不是眼部佩戴装置2402上可有助于更好地分配重量和由电源2435生成的热量。

如上所述，代替将人工现实与实际现实融合，一些人工现实系统可以用虚拟体验来基本上取代用户对现实世界的感官感知中的一个或更多个。该类型的系统的一个示例是头戴式显示系统，诸如图25中的虚拟现实系统2500，其大部分或完全覆盖用户的视野。虚拟现实系统2500可包括前刚性主体2502和被成形为适合用户头部的带2504。虚拟现实系统2500还可以包括输出音频换能器2506(A)和2506(B)。此外，尽管在图25中未示出，但前刚性主体2502可以包括一个或更多个电子元件，该电子元件包括一个或更多个电子显示器、一个或更多个惯性测量单元(IMU)、一个或更多个跟踪发射器或检测器、和/或用于创造人工现实体验的任何其他合适的装置或系统。

人工现实系统可包括各种类型的视觉反馈机构。例如，增强现实系统2400和/或虚拟现实系统2500中的显示装置可包括一个或更多个液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器、有机LED(OLED)显示器、数字光投影(DLP)微型显示器、硅上液晶(LCoS)微型显示器和/或任何其他合适类型的显示屏。这些人工现实系统可包括用于双眼的单个显示屏，或可为每只眼睛提供显示屏，这可允许为变焦调整或校正用户的屈光不正提供附加的灵活性。这些人工现实系统中的一些还可以包括具有一个或更多个透镜(例如，传统的凹透镜或凸透镜、菲涅尔透镜、可调整液体透镜等)的光学子系统，用户可以通过这些透镜观看显示屏。这些光学子系统可用于各种目的，包括准直(例如，使物体看起来处于比其物理距离更大的距离)、放大(例如，使物体看起来比其实际大小更大)和/或中继(到例如观看者的眼睛)光。这些光学子系统可用于非瞳孔形成架构(诸如单透镜配置，其直接使光准直但导致所谓的枕形失真)和/或瞳孔形成架构(诸如多透镜配置，其产生所谓的桶形失真以抵消枕形失真)。

除了使用显示屏或代替使用显示屏，本文中描述的一些人工现实系统可以包括一个或更多个投影系统。例如，增强现实系统2400和/或虚拟现实系统2500中的显示装置可以包括微型LED投影仪，该投影仪将光(使用例如波导)投射到显示装置(诸如允许环境光穿过的透明组合器透镜)中。显示装置可以将投射的光朝向用户瞳孔折射，并可以使用户能够同时观看人工现实内容和现实世界两者。显示装置可以使用各种不同的光学部件中的任一种来实现这一点，这些光学部件包括波导部件(例如全息、平面、衍射、偏振和/或反射波导元件)、光操纵表面和元件(诸如衍射、反射和折射元件以及光栅)、耦合元件等。人工现实系统也可以被配置有任何其他合适类型或形式的图像投影系统，诸如虚拟视网膜显示器中使用的视网膜投影仪。

本文中描述的人工现实系统也可以包括各种类型的计算机视觉部件和子系统。例如，增强现实系统2400和/或虚拟现实系统2500可以包括一个或更多个光学传感器(其也可以称为光传感器)，诸如二维(2D)或3D相机、结构化光传输器和检测器、飞行时间深度传感器、单光束或扫射激光测距仪、3D LiDAR传感器和/或任何其他合适类型或形式的光学传感器。人工现实系统可以处理来自这些传感器中的一个或更多个的数据，以识别用户的位置，映射现实世界，为用户提供关于现实世界环境的情境，和/或执行各种其他功能。

本文中描述的人工现实系统还可以包括一个或更多个输入和/或输出音频换能器。输出音频换能器可包括音圈扬声器、带状扬声器、静电扬声器、压电扬声器、骨传导换能器、软骨传导换能器、耳屏振动换能器(tragus-vibration transducer)和/或任何其他合适类型或形式的音频换能器。类似地，输入音频换能器可包括电容式麦克风、动圈式麦克风、带状麦克风和/或任何其他类型或形式的输入换能器。在一些实施例中，单个换能器可用于音频输入和音频输出两者。

在一些实施例中，本文中描述的人工现实系统还可包括触觉的(即触觉)反馈系统，该反馈系统可结合到头戴装置、手套、紧身衣、手持控制器、环境装置(例如，椅子、地垫等)和/或任何其他类型的装置或系统。触觉反馈系统可以提供各种类型的皮肤反馈，包括振动、力、牵引、纹理和/或温度。触觉反馈系统也可以提供各种类型的动觉反馈(kinesthetic feedback)，诸如运动和顺应性。触觉反馈可以使用马达、压电致动器、流体系统和/或各种其他类型的反馈机构来实现。触觉反馈系统可以独立于其他人工现实装置。在其他人工现实装置内，和/或结合其他人工现实装置实现。

通过提供触觉感觉、听觉内容和/或视觉内容，人工现实系统可以在各种情境和环境下创造整个虚拟体验或增强用户的现实世界体验。例如，人工现实系统可以在特别环境内帮助或扩展用户的感知、记忆或认知。一些系统可以增强用户在现实世界中与其他人的互动，或者可以实现在虚拟世界中与其他人进行更多的沉浸式互动。人工现实系统也可用于教育目的(例如，用于学校、医院、政府组织、军事组织、商业企业等中的教学或培训)、娱乐目的(例如，用于玩视频游戏、听音乐、观看视频内容等)和/或无障碍目的(例如，作为助听器、助视器等)。本文中公开的实施例可以在这些情境和环境中的一个或更多个和/或在其他情境和环境中实现或增强用户的人工现实体验。

在一些实施例中，本文中描述的系统还可以包括眼跟踪子系统，该眼跟踪子系统被设计成识别和跟踪用户的(多只)眼睛的各种特性，诸如用户的注视方向。短语“眼跟踪”在一些示例中可以指测量、检测、感测、确定和/或监测眼睛的位置、取向和/或运动的过程。所公开的系统可以以各种不同的方式测量眼睛的位置、取向和/或运动，包括通过使用各种基于光学的眼跟踪技术、基于超声波的眼跟踪技术等。眼跟踪子系统可以以多种不同的方式配置，并可以包括各种不同的眼跟踪硬件部件或其他计算机视觉部件。例如，眼跟踪子系统可以包括各种不同的光学传感器，诸如二维(2D)或3D相机、飞行时间深度传感器、单光束或扫射激光测距仪、3D LiDAR传感器和/或任何其他合适类型或形式的光学传感器。在该示例中，处理子系统可以处理来自这些传感器中的一个或更多个的数据，以测量、检测、确定和/或以其他方式监测用户的(多只)眼睛的位置、取向和/或运动。光学传感器也可以称为光传感器。

图26是示例性系统2600的图示，该系统结合了能够跟踪用户的(多只)眼睛的眼跟踪子系统。如图26所描绘的，系统2600可以包括光源2602、光学子系统2604、眼跟踪子系统2606，和/或控制子系统2608。在一些示例中，光源2602可以为图像(例如，将呈现给观看者的眼睛2601)生成光。光源2602可以表示各种合适装置中的任一个。例如，光源2602可以包括二维投影仪(例如，LCoS显示器)、扫描源(例如，扫描激光器)或其他装置(例如，LCD、LED显示器、OLED显示器、有源矩阵OLED显示器(AMOLED)、透明OLED显示器(TOLED)、波导、或能够生成用于向观看者呈现图像的光的一些其他显示器)。在一些示例中，图像可以表示虚拟图像，虚拟图像可以指从来自空间中的点的光线的表观发散形成的光学图像，而不是从光线的实际发散形成的图像。

在一些实施例中，光学子系统2604可以接收由光源2602生成的光，并基于所接收的光，生成包括图像的会聚光2620。在一些示例中，光学子系统2604可以包括可能与致动器和/或其他装置组合的任何数量的透镜(例如，菲涅尔透镜、凸透镜、凹透镜)、孔径、滤光器、面镜、棱镜和/或其他光学部件。特别地，致动器和/或其他装置可以平移和/或旋转光学部件中的一个或更多个，以更改会聚光2620的一个或更多个方面。此外，各种机械耦合可用于保持任何适当组合中的光学部件的相对间距和/或取向。

在一个实施例中，眼跟踪子系统2606可以生成指示观看者的眼睛2601的注视角的跟踪信息。在该实施例中，控制子系统2608可以至少部分地基于该跟踪信息控制光学子系统2604的各个方面(例如，会聚光2620的入射角)。此外，在一些示例中，控制子系统2608可以存储并利用历史跟踪信息(例如，在给定的持续时间，诸如前一秒或其部分内的跟踪信息的历史)来预测眼睛2601的注视角(例如，眼睛2601的视轴和解剖轴之间的角度)。在一些实施例中，眼跟踪子系统2606可以检测从眼睛2601的一些部分(例如，角膜、虹膜、瞳孔等)发出的辐射以确定眼睛2601的当前注视角。在其他示例中，眼跟踪子系统2606可以采用波前传感器以跟踪瞳孔的当前位置。

任何数量的技术可用于跟踪眼睛2601。一些技术可涉及用红外光照亮眼睛2601，并用被调整为对红外光敏感的至少一个光学传感器测量反射。关于红外光如何从眼睛2601反射的信息可以被分析以确定一个或更多个眼睛特征(诸如角膜、瞳孔、虹膜和/或视网膜血管)的(一个或更多个)位置、(一个或更多个)取向和/或(一个或更多个)运动。

在一些示例中，由眼跟踪子系统2606的光传感器捕获的辐射可以被数字化(即，转换为电子信号)。此外，传感器可以将该电子信号的数字表示传输到一个或更多个处理器(例如，与包括眼跟踪子系统2606的装置相关联的处理器)。眼跟踪子系统2606可以包括各种不同配置的各种传感器中的任一个。例如，眼跟踪子系统2606可以包括对红外辐射有反应的红外检测器。红外检测器可以是热检测器、光子检测器和/或任何其他合适类型的检测器。热检测器可包括对入射红外辐射的热效应有反应的检测器。

在一些示例中，一个或更多个处理器可以处理由眼跟踪子系统2606的(多个)传感器生成的数字表示，以跟踪眼睛2601的移动。在另一个示例中，这些处理器可以通过执行由存储在非暂时性存储器上的计算机可执行指令表示的算法来跟踪眼睛2601的移动。在一些示例中，片上逻辑(例如，专用集成电路或ASIC)可用于执行此类算法的至少一些部分。如上所述，眼跟踪子系统2606可被编程为使用(多个)传感器的输出来跟踪眼睛2601的移动。在一些实施例中，眼跟踪子系统2606可以分析由传感器生成的数字表示，以从反射的变化中提取眼睛旋转信息。在一个实施例中，眼跟踪子系统2606可以使用角膜反射或闪光(也称为浦肯野图像(Purkinje image))和/或眼睛的瞳孔2622的中心作为特征来随时间推移进行跟踪。

在一些实施例中，眼跟踪子系统2606可以使用眼睛的瞳孔2622的中心和红外或近红外的非准直光来创造角膜反射。在这些实施例中，眼跟踪子系统2606可以使用眼睛的瞳孔2622的中心和角膜反射之间的矢量来计算眼睛2601的注视方向。在一些实施例中，所公开的系统可以在跟踪用户眼睛之前针对个人执行校准过程(使用例如监督或无监督技术)。例如，校准过程可以包括指导用户查看显示器上显示的一个或更多个点，同时眼跟踪系统记录对应于与每个点相关联的每个注视位置的值。

在一些实施例中，眼跟踪子系统2606可以使用两种类型的红外和/或近红外(也称为主动光)眼跟踪技术：明瞳和暗瞳眼跟踪，它们可以基于照明源相对于所用光学元件的位置来区分。如果照明与光路同轴，那么眼睛2601可以充当回射器，因为光线从视网膜反射离开，由此产生类似于摄影中的红眼效应的明瞳效应。如果照明源偏离光路，那么眼睛的瞳孔2622可能看起来是暗的，因为来自视网膜的回射被引导远离传感器。在一些实施例中，明瞳跟踪可以产生更大的虹膜/瞳孔对比度，允许利用虹膜着色(iris pigmentation)进行更强健的眼跟踪，并可以以减少的干扰为特征(例如，由睫毛和其他遮蔽特征引起的干扰)。明瞳跟踪也可允许在从完全黑暗到非常明亮的环境的范围内的照明条件下进行跟踪。

在一些实施例中，控制子系统2608可以控制光源2602和/或光学子系统2604，以减少可能由眼睛2601引起或影响的图像的光学像差(例如，色像差和/或单色像差)。在一些示例中，如上所述，控制子系统2608可以使用来自眼跟踪子系统2606的跟踪信息来执行此种控制。例如，在控制光源2602时，控制子系统2608可以更改由光源2602生成的光(例如，通过图像渲染的方式)以修改(例如，预变形)图像，使得减少由眼睛2601引起的图像的像差。

所公开的系统可以跟踪瞳孔的位置和相对大小两者(由于例如瞳孔扩张和/或收缩)。在一些示例中，用于检测和/或跟踪瞳孔的眼跟踪装置和部件(例如，传感器和/或源)对于不同类型的眼睛可能是不同的(或以不同方式校准)。例如，对于不同颜色的眼睛和/或瞳孔类型、大小等不同的眼睛，传感器的频率范围可能不同(或单独校准)。因此，本文中描述的各种眼跟踪部件(例如，红外源和/或传感器)可能需要针对每个单独用户和/或眼睛进行校准。

所公开的系统可以在具有或没有眼科校正(诸如由用户佩戴的接触镜提供的眼科校正)的情况下跟踪双眼。在一些实施例中，眼科校正元件(例如可调整透镜)可直接结合到本文中描述的人工现实系统。在一些示例中，用户眼睛的颜色可能需要修改对应的眼跟踪算法。例如，眼跟踪算法可能需要至少部分地基于棕色眼睛和例如蓝色眼睛之间不同的颜色对比度进行修改。

图27A至图27B示出了图26所示的眼跟踪子系统的各个方面的更详细图示。如图27A所示，眼跟踪子系统2700可以包括至少一个源2704和至少一个传感器2706。可包括光源、光学元件和密封剂层的源2704，通常可表示能够发射辐射的任何类型或形式的元件。在一些示例中，源2704可以生成可见辐射、红外辐射和/或近红外辐射。在一些示例中，源2704可以朝向用户眼睛2702辐射电磁波谱的非准直红外和/或近红外部分。源2704可以使用各种采样速率和速度。例如，所公开的系统可使用具有较高采样速率的源，以便捕获用户眼睛2702的注视性眼动(fixational eye movements)和/或正确测量用户眼睛2702的眼跳动力学(saccade dynamics)。如上所述，任何类型或形式的眼跟踪技术可用于跟踪用户眼睛2702，这些技术包括基于光学的眼跟踪技术、基于超声波的眼跟踪技术等。

传感器2706通常表示能够检测辐射(诸如从用户眼睛2702反射的辐射)的任何类型或形式的元件。传感器2706的示例包括但不限于电荷耦合器件(CCD)、光电二极管阵列、基于互补金属氧化物半导体(CMOS)的传感器装置等。在一些示例中，传感器2706可以表示具有预定参数的传感器，该预定参数包括但不限于专门为眼跟踪选择和/或设计的动态分辨率范围、线性度和/或其他特性。

如上详述，眼跟踪子系统2700可以生成一个或更多个闪光。如上详述，闪光2703可以表示来自用户眼睛的结构的辐射(例如，来自红外源(诸如源2704)的红外辐射)的反射。在各种实施例中，闪光2703和/或用户瞳孔可以使用由处理器(在人工现实装置内部或外部)执行的眼跟踪算法来跟踪。例如，人工现实装置可以包括处理器和/或存储器装置以便在本地执行眼跟踪，和/或包括收发器以发送和接收在外部装置(例如，移动电话、云服务器或其他计算装置)上执行眼跟踪所需的数据。

图27B示出了由眼跟踪子系统(诸如眼跟踪子系统2700)捕获的示例图像2705。在该示例中，图像2705可以包括用户瞳孔2708和该瞳孔附近的闪光2710两者。在一些示例中，瞳孔2708和/或闪光2710可以使用基于人工智能的算法(诸如基于计算机视觉的算法)来识别。在一个实施例中，图像2705可以表示一系列帧中的单个帧，该系列帧可以被连续分析以便跟踪用户的眼睛2702。此外，瞳孔2708和/或闪光2710可以在一段时间内被跟踪以确定用户的注视。

在一些示例中，眼跟踪子系统2700可以被配置为识别并测量用户的瞳孔间距离(IPD)。在一些实施例中，眼跟踪子系统2700可以在用户佩戴人工现实系统时测量和/或计算用户的IPD。在这些实施例中，眼跟踪子系统2700可以检测用户眼睛的位置，并可以使用该信息来计算用户的IPD。

如上所述，本文中公开的眼跟踪系统或子系统可以以各种方式跟踪用户的眼睛位置和/或眼睛移动。在一些示例中，一个或更多个光源和/或光学传感器可以捕获用户眼睛的图像。然后，眼跟踪子系统可以使用捕获的信息来确定用户的瞳孔间距离、眼睛间距离和/或每只眼睛的3D位置(例如，用于失真调整目的)，包括每只眼睛的扭转和旋转(即，滚动、俯仰和偏航)的量值和/或注视方向。在一些示例中，红外光可由眼跟踪子系统发射并从每只眼睛反射。反射光可由光学传感器接收或检测，并进行分析以从由每只眼睛反射的红外光的变化中提取眼睛旋转数据。

眼跟踪子系统可以使用各种不同的方法中的任一种来跟踪用户眼睛。例如，光源(例如，红外发光二极管)可以将点图案发射到用户的每只眼睛上。然后，眼跟踪子系统可以检测(例如，经由耦合到人工现实系统的光学传感器)并分析来自用户的每只眼睛的点图案的反射，以识别用户的每个瞳孔的位置。因此，眼跟踪子系统可以跟踪每只眼睛的多达六个自由度(即，3D位置、滚动、俯仰和偏航)，并且被跟踪量的至少一个子集可以组合自用户的两只眼睛，以估计注视点(即用户正在查看的虚拟场景中的3D位置或定位)和/或IPD。

在一些情况下，用户瞳孔和显示器之间的距离可能会随着用户眼睛移动以在不同方向上进行查看而改变。随着观看方向的改变，瞳孔和显示器之间的变化距离可称为“瞳孔游离(pupil swim)”，并可能促成用户感知到的失真，因为随着瞳孔和显示器之间的距离改变，光在不同位置聚焦。因此，测量相对于显示器的不同的眼睛位置和瞳孔距离处的失真并为不同的位置和距离生成失真校正，可以允许通过跟踪用户眼睛的3D位置并应用与用户的每只眼睛在给定时间点的3D位置相对应的失真校正来减轻由瞳孔游离引起的失真。因此，知道用户眼睛中的每只眼睛的3D位置可以允许通过为每个3D眼睛位置应用失真校正来减轻由眼睛瞳孔与显示器之间的距离变化引起的失真。此外，如上所述，知道用户眼睛中的每只眼睛的位置也可以使得眼跟踪子系统能够针对用户的IPD进行自动调整。

在一些实施例中，显示子系统可以包括各种附加的子系统，这些附加子系统可以结合本文中描述的眼跟踪子系统进行工作。例如，显示子系统可以包括变焦子系统、场景渲染模块和/或辐辏处理模块。变焦子系统可使左显示元件和右显示元件改变显示装置的焦距。在一个实施例中，变焦子系统可以通过移动显示器、光学器件或两者来物理地改变显示器和通过其观看的光学器件之间的距离。此外，将两个透镜相对于彼此移动或平移也可用于改变显示器的焦距。因此，变焦子系统可以包括移动显示器和/或光学器件以改变它们之间距离的致动器或马达。该变焦子系统可以与显示子系统分离或集成到该显示子系统中。变焦子系统也可以集成到其致动子系统和/或本文中描述的眼跟踪子系统中，或与其致动子系统和/或眼跟踪子系统分离。

在一些示例中，显示子系统可以包括辐辏处理模块，该辐辏处理模块被配置为基于由眼跟踪子系统确定的注视点和/或注视线的估计交叉点来确定用户的辐辏深度。辐辏可指两只眼睛同时在相反方向上移动或旋转以保持可由人眼自然和自动执行的单个双眼视觉。因此，用户眼睛所辐辏的位置是用户正在查看的地方，并且通常也是用户眼睛所聚焦的位置。例如，辐辏处理模块可以使注视线三角化，以估计与注视线的交叉点相关联的距用户的距离或深度。然后，与注视线的交叉点相关联的深度可用作调节距离的近似值，该调节距离可识别用户眼睛所指向的距用户的距离。因此，辐辏距离可允许确定用户眼睛可被聚焦的位置以及距用户眼睛的深度(眼睛在该深度处聚焦)，由此为虚拟场景提供渲染调整的信息(诸如聚焦的物体或平面)。

辐辏处理模块可与本文中描述的眼跟踪子系统协作，以对显示子系统进行调整从而考虑到用户的辐辏深度。当用户聚焦于远处的事物时，用户瞳孔可能比用户聚焦于近处的事物时分开稍微更远。眼跟踪子系统可以获得关于用户辐辏或聚焦深度的信息，并可以调整显示子系统，使其在用户眼睛聚焦或辐辏于近处的事物时更接近在一起，并且在用户眼睛聚焦或辐辏于远处的事物时分开更远。

由上述眼跟踪子系统生成的眼跟踪信息也可以用于例如修改不同的计算机生成的图像的呈现方式的各个方面。例如，显示子系统可被配置为基于由眼跟踪子系统生成的信息，修改计算机生成的图像的呈现方式的至少一个方面。例如，计算机生成的图像可以基于用户的眼睛移动进行修改，使得如果用户向上查看，则计算机生成的图像可以在屏幕上向上移动。类似地，如果用户向侧面或向下查看，则计算机生成的图像可以在屏幕上向侧面或向下移动。如果用户眼睛闭上，则计算机生成的图像可以暂停或从显示器移除，并且一旦用户眼睛重新睁开则恢复。

上述眼跟踪子系统可以以各种方式结合到本文中描述的各种人工现实系统中的一个或更多个中。例如，系统2600和/或眼跟踪子系统2700的各种部件中的一个或更多个可以结合到图24中的增强现实系统2400和/或图25中的虚拟现实系统2500中，以使这些系统能够执行各种眼跟踪任务(包括本文中描述的眼跟踪操作中的一个或更多个)。

示例实施例

示例1.一种装置可以包括光源和光学元件，所述光源被配置为通过所述光源的光发射表面发射光束，所述光学元件由所述光发射表面支撑并且被配置为沿第一方向接收所述光束并沿第二方向重定向所述光束，其中所述第二方向与所述第一方向不同，所述光学元件包括在所述光束的波长处折射率大于2的材料。

示例2.根据示例1所述的装置，其中所述光源和所述光学元件集成到单片式发光模块中。

示例3.根据示例1或2所述的装置，其中所述材料包括半导体。

示例4.根据示例1至3中任一项所述的装置，其中所述半导体包括砷化物半导体、磷化物半导体或氮化物半导体。

示例5.根据示例1至4中任一项所述的装置，其中所述光源包括激光器。

示例6.根据示例1至5中任一项所述的装置，其中所述激光器是垂直腔表面发射激光器。

示例7.根据示例1至6中任一项所述的装置，其中所述光学元件在所述激光器的所述光发射表面上形成。

示例8.根据示例1至7中任一项所述的装置，其中所述装置是头戴式装置，并且所述装置被配置为使用所述光束照亮用户眼睛。

示例9.根据示例1至8中任一项所述的装置，其中所述装置还包括光传感器，所述光传感器被配置为检测所述光束从眼睛的反射。

示例10.根据示例1至9中任一项所述的装置，其中所述装置是增强现实装置或虚拟现实装置。

示例11.根据示例1至10中任一项所述的装置，其中所述光学元件包括超材料层。

示例12.根据示例10所述的装置，其中所述超材料层包括纳米结构的布置。

示例13.根据示例10至11中任一项所述的装置，其中所述纳米结构各自具有纳米结构参数，其中所述纳米结构参数具有根据在所述超材料层内的位置变化的空间变化，并且所述空间变化被配置为改善由所述光束照亮的目标的照明均匀性。

示例14.根据示例10至13中任一项所述的装置，其中所述纳米结构参数包括以下中的一项或更多项：横向尺寸、横截面积、长度尺寸、组成、纳米结构间距、横截面形状、横截面形状各向异性、横截面均匀性、锥度、折射率、折射率各向异性、涂层厚度、空芯厚度、至少一个成分的体积分数、或取向。

示例15.根据示例10至14中任一项所述的装置，其中所述纳米结构包括纳米柱，所述纳米柱具有直径，并且所述纳米结构参数是纳米柱直径。

示例16.根据示例10至14中任一项所述的装置，其中所述纳米结构包括偏振敏感的纳米结构。

示例17.一种方法，包括制造具有发射表面的激光器，在所述激光器的所述发射表面上形成层，在所述层上形成抗蚀剂层，所述抗蚀剂层具有由所述抗蚀剂层的空间非均匀厚度确定的形状，以及将所述抗蚀剂层的所述形状蚀刻到所述层中以形成具有整形出射表面的光学元件，其中所述光学元件由表面发射激光器的所述发射表面支撑，接收来自表面发射激光器的光，并被配置为借助通过所述整形出射表面的折射而将所述光重定向以照亮远程目标。

示例18.根据示例17所述的方法，其中所述整形出射表面是斜表面，并且所述光学元件包括棱镜。

示例19.根据示例17至18中任一项所述的方法，其中所述整形出射表面包括弯曲的出射表面。

示例20.根据示例17至19中任一项所述的方法，其中在所述激光器的所述发射表面上形成所述层包括在所述发射表面上形成钝化层，然后在所述钝化层上形成所述层。

如上详述，本文中描述和/或示出的装置和系统可广泛包括能够执行计算机可读指令的任何类型或形式的计算装置或系统，诸如本文中描述的模块内包含的那些指令。在一些配置中，这些装置可以包括至少一个存储器装置和至少一个物理处理器。

在一些示例中，术语“存储器装置”通常是指能够存储数据和/或计算机可读指令的任何类型或形式的易失性或非易失性存储装置或介质。在一些示例中，存储器装置可以存储、加载和/或维持本文中描述的模块中的一个或更多个。存储器装置的示例包括但不限于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存、硬盘驱动器(HDD)、固态驱动器(SSD)、光盘驱动器、缓存、上述存储器装置中的一种或更多种的变化或组合，或任何其他合适的储存存储器。

在一些示例中，术语“物理处理器”通常是指能够解释和/或执行计算机可读指令的任何类型或形式的硬件实现的处理单元。在一些示例中，物理处理器可以访问和/或修改存储在上述存储器装置中的一个或更多个模块。物理处理器的示例包括但不限于微处理器、微控制器、中央处理单元(CPU)、实现软核处理器的现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、上述处理器中的一个或更多个的部分、上述处理器中的一个或更多个的变化或组合，或任何其他合适的物理处理器。

虽然作为单独元件讨论，但本文中描述和/或示出的示例模块可以表示单个模块或应用的部分。此外，在某些实施例中，这些模块中的一个或更多个可表示一个或更多个软件应用或程序，该软件应用或程序在由计算装置执行时可使该计算装置执行一个或更多个任务。例如，本文中描述和/或示出的模块中的一个或更多个可以表示被存储和配置为在本文中描述和/或示出的计算装置或系统中的一个或更多个上运行的模块。这些模块中的一个或更多个也可以表示被配置为执行一个或更多个任务的一个或更多个专用计算机的全部或部分。

此外，本文中描述的模块中的一个或更多个可以将数据、物理装置和/或物理装置的表示从一种形式变换为另一种形式。例如，本文中陈述的模块中的一个或更多个可以接收要变换的数据，变换数据，输出变换的结果以执行功能，使用变换的结果以执行功能，以及存储变换的结果以执行功能。此外或可替代地，本文中陈述的模块中的一个或更多个可以通过在计算装置上执行、在计算装置上存储数据和/或以其他方式与计算装置相互作用，将处理器、易失性存储器、非易失性存储器和/或物理计算装置的任何其他部分从一种形式变换为另一种形式。在一些示例中，数据可以包括与用户眼睛中的一只或两只有关的配置数据(例如，角膜的外表面轮廓、晶状体焦点、注视方向、注视时间、注视轨迹、眼睛调节数据、瞳孔直径和/或眼睛辐辏数据)。

在一些实施例中，术语“计算机可读介质”通常可指能够存储或承载计算机可读指令的任何形式的装置、载体或介质。计算机可读介质的示例包括但不限于传输型介质，诸如载波，以及非传输型介质，诸如磁存储介质(例如硬盘驱动器、磁带驱动器和软盘)、光学存储介质(例如紧凑光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)和蓝光光盘)、电子存储介质(例如固态驱动器和闪存介质)，以及其他分配系统。

本文中描述和/或示出的工艺参数和步骤序列只是举例说明，并且可以按期望进行改变。例如，尽管本文中示出和/或描述的步骤可以以特别顺序示出或讨论，但这些步骤不一定需要按照示出或讨论的顺序来执行。本文中描述和/或示出的各种示例性方法也可以省略本文中描述或示出的步骤中的一个或更多个，或包括除所公开的那些步骤之外的附加步骤。

以下美国申请的公开内容通过本引用以其全部内容并入本文：美国临时申请号62/803,001和62/802,995(两者均提交于2019年2月8日)、提交于2019年5月1日的美国临时申请号62/841,728、以及提交于2019年12月19日的美国申请号16/720,024。

除非另有说明，否则在说明书和权利要求中使用的术语“连接到”和“耦合到”(和它们的衍生形式)应被理解为既允许直接又允许间接(即经由其他元件或部件)连接。此外，在说明书和权利要求中使用的术语“一个”或“一件”应被理解为意思是“...中的至少一个”。最后，为了便于使用，在说明书和权利要求中使用的术语“包括(including)”和“具有”(和它们的衍生形式)可与“包括(comprising)”一词互换并具有相同的意义。

提供前面的描述是为了使本领域的其他技术人员能够最好地利用本文中公开的示例性实施例的各个方面。该示例性描述并不意图详尽无遗，也不意图局限于所公开的任何精确形式。在不背离本公开的精神和范围的情况下，许多修改和变化是可能的。本文中公开的实施例应被视为在所有方面都是说明性的而不是限制性的。在确定本公开的范围时，应参考所附权利要求及其等同形式。

Claims (15)

1.一种装置，包括：

光源，其被配置为通过光发射表面发射光束；以及

光学元件，其由所述光发射表面支撑并且被配置为沿第一方向接收所述光束并沿第二方向重定向所述光束，其中：

所述第二方向与所述第一方向不同；以及

所述光学元件包括在所述光束的波长处折射率大于2的材料。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源和所述光学元件集成到单片式发光模块中。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述材料包括半导体。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述材料包括砷化物半导体、磷化物半导体或氮化物半导体中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述光源包括激光器；并且可选地，其中所述激光器是垂直腔表面发射激光器；并且进一步可选地，其中所述光学元件形成在所述激光器的光发射表面上。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是头戴式装置，并且所述装置被配置为当用户佩戴所述头戴式装置时照亮用户的眼睛。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述装置还包括被配置为检测所述光束从眼睛的反射的光传感器；并且可选地，其中所述装置是增强现实装置或虚拟现实装置。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述光学元件包括超材料层。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述超材料层包括纳米结构的布置。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述纳米结构各自具有纳米结构参数，其中所述纳米结构参数具有根据在所述超材料层内的位置变化的空间变化，所述空间变化被配置为改善由所述光束照亮的目标的照明均匀性；并且可选地，其中所述纳米结构参数包括以下中的至少一项：横向尺寸、横截面积、长度尺寸、组成、纳米结构间距、横截面形状、横截面形状各向异性、横截面均匀性、锥度、折射率、折射率各向异性、涂层厚度、空芯厚度、至少一个成分的体积分数、或取向。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述纳米结构包括纳米柱，并且所述纳米结构参数是纳米柱直径；并且可选地，其中所述纳米结构包括偏振敏感的纳米结构。

12.一种方法，包括：

制造具有发射表面的激光器；

在所述激光器的所述发射表面上形成层；

在所述层上形成抗蚀剂层，所述抗蚀剂层具有由所述抗蚀剂层的空间非均匀厚度确定的形状；以及

将所述抗蚀剂层的所述形状蚀刻到所述层中以形成具有整形出射表面的光学元件，

其中所述光学元件由所述激光器的所述发射表面支撑，接收来自所述激光器的光，并被配置为借助通过所述整形出射表面的折射而将所述光重定向以照亮远程目标。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述整形出射表面是斜表面，并且所述光学元件包括棱镜。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述整形出射表面包括弯曲的出射表面。

15.根据权利要求12所述的方法，其中在所述激光器的所述发射表面上形成所述层包括在所述发射表面上形成钝化层，然后在所述钝化层上形成所述层。

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