CN105393050B - 包括光转向间隙的波导 - Google Patents

Abstract

该技术提供针对包括使光的方向转向的间隙的波导的实施例。位于波导(133)内的多个平面(202a、202b)中的每一者包括间隙群组(250)，使得这些带间隙的平面中的每一者将第一角度范围内的光部分地反射离开波导，并将在第二角度范围内接收到的光沿波导向下透射。在一些示例中，波导是通过将各光学透明部分接合来形成的，并且每一间隙群组被形成在每一光学透明部分的表面中，该表面当与毗邻部分的邻接全平表面绑定时变为接合表面。波导可在显示器中被使用，并且具体地在近眼显示器(NED)中被使用。

Description

包括光转向间隙的波导

背景

波导可以在各种尺寸的显示器中使用，例如从电视机到近眼显示器(NED)。近眼显示器的典型示例是头戴式显示器(HMD)。具体地，一种波导使用内反射镜来使在该波导中的多个位置处的一部分光转向。多层二向色反射镜已被使用。这些反射镜被调谐成部分反射器。然而，具有这样的二向色反射镜的波导是难以制造的，因为要使用多个精确的光涂层来创建该反射镜。二向色反射镜是脆弱的，在它们可以处理的角度范围方面是有限的，并且因机械强度而在较大尺寸的使用方面受限。为了消费者驱动的价格而制造的耐用品质的波导是期望的。

概述

该技术提供由光学透明材料制成的波导的各实施例，该波导在该材料中沿着该波导的长度上的各点处具有间隙，这些间隙使光的方向转向。例如，这些间隙充当反射器。波导在沿着波导的各位置处可包括多个平面。每一平面都包括诸间隙，这些间隙占据该平面的面积的一部分。每一带间隙的平面可同时是使得处于第一角度范围的光从波导射出的部分反射器，同时还是使处于第二角度范围的光沿波导向下的透射器。光处于第一角度范围。波导可用于显示器。显示器的一些示例是近眼显示器(NED)、预期用于远程呈现的大型显示器或者窗口或平视显示器。

本技术提供了使用用于使光转向的间隙的波导的一个或多个实施例。使用用于使光转向的间隙的波导的一实施例包括延伸波导的长度的诸平面表面，包括顶部平面表面。多个带间隙的平面位于被诸平面表面包围的波导内，并且与顶部平面表面汇合的每一带间隙的表面以相同角度倾斜。每一带间隙的平面都包括一组间隙，这些间隙占据该平面的面积的一部分。带间隙的平面中的每一者使在第一角度范围内接收到的光部分地反射离开波导，并使在第二角度范围内接收到的光向下透射波导。

本技术提供了一种用于制造使用用于使光转向的间隙的波导的方法的一个或多个实施例。用于制造使用用于使光转向的间隙的波导的方法的一实施例包括在数量为N个的光学透明平坦部分中的每一者的一个表面中形成诸凹坑的伪随机图案。该图案可看上去是随机的，但在实践中可能被仔细地计算以避免重复特征，这些重复特征会形成像波纹或光斑之类的具有改变亮度的可视伪像。该方法的此实施例还包括使N个带凹坑的光学透明平坦部分以相同的角度倾斜，其中该N个带凹坑的表面中的每一者以相同的方向朝向，并将此N个经倾斜的带凹坑的光学透明平坦部分堆叠成一堆叠，其中N个带凹坑的表面中的每一者均以相同的方向朝向，使得每一带凹坑的表面邻接相应的毗邻光学透明平坦部分的全平表面。该方法的此实施例还包括：通过将N个带凹坑的表面中的每一者的平坦而不带凹坑的部分绑定到相应的毗邻光学透明平坦部分的全平表面以在这些凹坑中的每一者中形成间隙来绑定有N个部分的堆叠；跨该堆叠进行切片以形成包括以相同角度倾斜的N个经绑定的部分的波导；以及磨光切片波导的各外部平面表面以满足全内反射(TIR)平滑标准。

本技术提供光学透明波导的一个或多个实施例。光学透明波导的一实施例包括平面表面，这些平面表面包括顶部平面表面和底部平面表面以及接合表面。每一接合表面均具有平坦表面区域和多个间隙，并且每一接合表面从顶部平面表面延伸到底部平面表面，并且相对于顶部平面表面以相同的角度倾斜。

每一接合表面的每一间隙使由该间隙在第一角度范围内接收到的光反射离开波导，并且每一接合表面的每一间隙使在第二角度范围内接收到的光向下通过波导，以实现全内反射。

提供本概述以便以简化形式介绍将在以下的详细描述中进一步描述的一些概念。该概述不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在被用来帮助确定所要求保护的主题的范围。

附图简述

图1是使用用于使光转向的间隙的波导的一实施例的框图。

图2A和2B是示出表面覆盖的图案和比例变化的凹坑或间隙图案的示例的框图。

图3A是用于制造使用用于使光转向的间隙的波导的方法的一实施例的流程图。

图3B是用于制造使用用于使光转向的间隙的波导的方法的更详细示例的流程图。

图3C是示出用于制造使用用于使光转向的间隙的波导的方法的一实施例中的切片步骤的框图。

图3D是从图3B的切片步骤得到的波导的侧视图的框图。

图4A是包括使用间隙的波导的一实施例的近眼显示器(NED)的一实施例的俯视图，该波导与NED系统中的图像生成单元光学地耦合。

图4B是在NED设备的控制电路系统内包括计算机系统的示例硬件组件的框图。

详细描述

如上所述，该技术提供由光学透明材料制成的波导的各实施例，该波导在该材料中沿着该波导的长度上的各点处具有间隙，这些间隙使光的方向转向。在一些示例中这些间隙可充满真空，在其他示例中可充满空气，并且在又一些示例中可充满气体。因此，间隙充当反射镜。一组间隙可被平面中的平坦材料包围，并且这些带间隙的平面沿着波导定位以用于提供在这些位置处离开波导的不同分级的光转向。间隙所占据的平面区域的比例确定反射离开的光的比例(fraction)。光是在某位置处被带间隙的平面部分地反射离开波导还是被透射取决于光接近带间隙的平面的角度。带间隙的平面中的每一者同时使在第一角度范围内接收到的来自平面表面的光部分地反射离开波导，以及将在第二角度范围内接收到的来自平面表面的光向下透射过波导。

如以下所讨论的，在一些实施例中，波导可由为光学透明材料的各部分(例如，光学平面)组成，光学透明材料为例如光学透明塑料或其他典型的波导材料。在被接合在一起之前，每一部分的一个平坦接合表面被挖坑，并且带凹坑的接合表面是每一部分的相同接合表面。对于每一光学部分而言，凹坑的图案以及接合表面上凹坑相对于平坦表面区域的比例可改变，以允许沿着得到的波导的不同分级的光转向。具有其带凹坑的接合表面的部分以某角度倾斜，该角度允许使由带凹坑的接合表面在第一角度范围中接收到的光全内反射，并使在另一角度范围中接收到的光以最小的损失通过。这些部分接着被堆叠并被绑定，使得一个部分的全平表面邻接带凹坑的接合表面。将带凹坑的接合表面的平坦表面区域与全平邻接表面绑定或融合。经绑定的邻接平坦表面和每一凹坑形成间隙。由在接合表面处绑定的各倾斜部分制成的波导是从该堆叠切片而成的，并被磨光。

本技术允许不使用光学涂层、允许更简单的结构、对耐用材料的使用以及更大的角度范围。覆盖接合表面的一部分的各细间隙可充当全内反射(TIR)反射镜。与带涂层的二向色反射镜相比，TIR效果精确地覆盖更大的角度范围，本质上为几乎波导本身可使用的所有角度，而控制表面图案允许对透射和反射的相对比例的精细控制。使用间隙构成反射镜表面与消除表面不连续性或弱点的直接材料融合并不矛盾。

图1是示出使用用于使光转向的间隙的波导123的一实施例的框图。示出了波导的代表性部分。如从平面表面210和212延伸的虚线所指示的，波导在两个方向中继续。代表性中心光线204所示的光(诸如来自显示系统的图像生成单元的图像光)例如通过输入窗口(未示出)耦合到波导123内。光充满波导，反弹离开离开底部和顶部侧面，使得存在许多光学路径，这些光学路径可被示出。任何给定光线都将向下倾斜地接近一些接合表面(如针对通过接合表面202a的光线所示的)，并向上穿过地接近一些接合表面(如针对通过接合表面202b的光线所示的)。在任何给定时间，每一接合表面都具有源自图像的光线，这些光线可以各种角度从波导的上表面或下表面到达。因此，每一接合表面通常处理其光中在来自顶部的路径上的一半，而在同一时间，光的一半在从下面反射的路径上。出于说明的目的，示出了对一个示例性光线204的处理。

光学透明材料208a和208b的代表性波导部分在带凹坑的接合表面202a处被绑定，并且光学透明材料部分208b和208c在带凹坑的接合表面202b处被绑定。(下面讨论了带凹坑的表面的例示。)光学透明材料的一些示例是玻璃、塑料和石英。接合表面202a和202b中的每一者在与顶部平面表面汇合的相应平面中，并且以相同的角度倾斜。示出了两个平面表面210和212，这两个平面表面210和212延伸波导的长度，并通过将由各部分形成的波导的外部表面磨光形成。波导将具有至少两个以上反射光的平面表面，例如在呈矩形形状的波导中。在其他波导配置中平面表面的数量可改变。在该实施例中，带凹坑的接合表面202a使在第一角度范围中接收到的代表性光线204的光反射以从波导射出，而带凹坑的接合表面202b使在第二角度范围中接收到的来自平面表面的光沿着波导通过。这些角度范围是来自波导的平面表面的替换全内反射的结果。

在该示例中，第一角度范围205以角度θ为中心，该角度是由每一带凹坑的接合表面和与平面表面212和210相交的法向平面形成的倾斜角。法向平面是垂直平面。距法向三十(30)度是最优的倾斜角，因为当间隙具有四分之一波长厚度时，处于该角度的光在出现和在通过间隙两者时都将是垂直的。针对部分反射的第一角度范围205包括绕角度θ具有角度偏差的角度。角度偏差是部分基于所使用的光学透明材料来确定的。具有越大折射率的材料允许稍微越宽的角度偏差。例如，具有折射率1.7的玻璃或塑料可允许绕角度θ正或负24度的角度偏差(例如，对于为30度的角度θ，第一角度范围将为约从6度到54度)。对于具有折射率1.5的玻璃或塑料材料，角度偏差可以是绕角度θ正或负20度。从平面表面接收到的光将为了全内反射而向下通过波导的第二角度范围203为相对于接合表面90度加上或减去相同的角度偏差。因此，范围中的中间角不同，但因为使用了相同的角度偏差，第一和第二角度范围中的每一者的尺寸是相同的。

在该实施例中，在以带凹坑的接合表面202a和平面表面212之间形成的角度θ为中心的、约54度到60度的角度范围内的图像光在第一角度范围205内，并且将通过带凹坑的接合表面202a来反射，如从页面出去的中间出射光线206b所指示的。带凹坑的接合表面202b使在以90度为中心的第二角度范围中的从平面表面210接收到的光通过。

在讨论每一表面上的间隙图案之前，先讨论间隙本身的几个属性。每一间隙的与接合表面共享倾斜角的各侧是平行的。例如，如果由接合的平坦表面形成的侧被称为间隙的前侧，则由挖坑过程形成的背侧与前侧平行。优选地，背侧和前侧间隔为四分之一波长。如以下所讨论的，间隙的边缘或边界可采用不同的形状。

在许多示例中，由于间隙的抗反射属性，间隙的前侧和背侧之间的厚度或间隔可以为四分之一波长。从玻璃或塑料到空气或真空或气体或其他间隙填充物的间隙使光的方向转向，例如形成反射或衍射。在本示例中使用反射。存在进入间隙的光的部分反射和从间隙出去的光的部分反射。对于玻璃，这些部分(Fresnel)反射中的每一者都在5％的量级上。这最终会累积，并再次使杂散光、不想要的光以错误的方向向后行进。然而，在间隙的四分之一波长厚度时，入射和出射反射彼此抵消，这抑制了反向反射。由此，四分之一波长间隔或厚度提供良好的抗发射属性。处于半波长、四分之一波长的倍数的其他波长(例如，3/4波长和1又四分之一波长)也具有该属性。由于该属性，减少了不想要的Fresnel反射，但可容忍一些Fresnel反射。

细的四分之一波长间隙确实意味着TIR比率将小于100％，因为一些能量会经由渐失波通过间隙。取决于色彩和入射角，可导致从17％到30％的损失。然而，该减少不是问题，因为间隙被用于部分反射。

在接合表面的一小部分区域中使用处于四分之一波长的间隙对于实现透射表面穿越也非常有利，例如如202b处所示。例如，对于90％左右平坦又光亮并且表面202b的10％被挖坑以包括间隙的带凹坑的接合表面，该表面的带凹坑的部分由于抗反射的四分之一波而透射>95％的光，这意味着5％的光中小于3％的光被反射，即<0.5％>。该损失率足够小从而允许许多透射穿越。

四分之一波长可基于耦合的图像光的色彩的带宽来设置。例如，四分之一波长可针对眼睛最敏感的色彩绿色来设置。由于四分之一波抵消了蓝色和红色，因此这还不算太坏。四分之三波长或1又1/4波长将导致跨光谱更激进的改变；一些地方这种波长将反射得较多，而一些地方这种波长将反射得较少。实际上使用的四分之一波长可被选择来跨整个光谱得到折衷，从而得到对反射的抵消。对于绿色，反射抵消将接近完成，因为四分之一波长是为其设置的。

可使用像3/4和1又1/4等较厚的间隙，从而在透射性的带凹坑的接合表面处消除渐失性但增加反向反射。该折衷在一些设备中可能是较优的。

如果透射中根据色彩的变化是个问题，则幸运地是该变化是根据色彩并根据角度的渐进变化，并使得最终结果是得到的图像上的可预测的变化。这可通过使用源照明中的等级并用提供图像光的图像源补偿像素强度的倍数来补偿。

带间隙的平面中的每一者(如沿着波导的长度的接合表面)实现部分反射。否则，光将不会沿波导向下行进通过前几个反射镜，即使在考虑归因于渐失波的透射性的情况下也是如此。为了行进通过许多带间隙的平面或接合表面(例如，在近眼显示器(NED)中的波导中的40个表面)，仅接合表面的平面的一部分具有间隙。如针对以下各实施例讨论的，接合表面被挖坑以形成间隙。在一些示例中，接合表面(如202a)被挖坑的比例可大致为将在第一角度范围内接收到到的光到达带间隙的平面或带凹坑的接合表面之前将该光部分地反射离开波导的接合表面的数量的倒数。预先确定将供显示的光耦合到波导的进入角，并可预先确定供该进入角的光通过带间隙的平面或接合表面的路径，使得可从设计参数中可靠地标识出沿着波导的每一位置处已发生的部分反射的数量。

增加间隙相对于平坦表面的比例将反射强度保持为接近恒定，因为供显示的光会进一步沿着波导前进并反射。在一些示例中，带凹坑的区域的比例将缓慢改变，直到最后几个反射镜。例如，如果使用20个带凹坑的接合表面，其中十个带凹坑的接合表面将以进入角耦合的光部分地反射在每隔一个接合表面处，则第一部分反射的带凹坑的接合表面上的间隙覆盖比例可能为约1/10或10％。覆盖率随着存在越来越少的表面而增加，从而下一部分反射的带凹坑的表面具有1/9的覆盖，随后下一个这样的表面具有1/8或12.5％的覆盖，并以此推论，直到最后一个表面充当部分反射器，其实际上可以是100％反射镜。最后一个反射表面可被挖坑以实现100％反射，或者它可由其他材料制成。例如，该最后一个反射表面可以是镀铝反射镜。在许多实施例中，每一带间隙的平面的整个平面区域或每一接合表面的表面区域大致相同。

这些比率是近似的，并且如详细的数字模拟和实际的测量所确定的，实际产物可使用略微不同的比率，以调整系统中的其他因数，诸如渐失和波导损失。对于垂直通过的外部光，波导将看上去几乎是光亮的，因为这样的光仅遇到几分之一的反射。被反射的外部光将大多在相邻的接合表面处在平行的路径上射出。小比例和平行连续性的组合应当使外部光的损失或模糊性最小化。

图2A和2B是示出表面覆盖的图案和比例变化的凹坑图案的示例的框图。图2A是使用凹坑或间隙250的伪随机化的凹坑图案220的一个示例，每一凹坑或间隙具有指示每一间隙的边缘的圆形边界。凹坑或间隙占据带凹坑的接合表面(在本示例中为部分反射的带凹坑的接合表面202a)的表面区域的约10％。仅标记了一个间隙以避免附图的过分拥挤。在图2B中，在该伪随机化的图案240中的凹坑252也具有圆形边界。接合表面202j的表面的约1/5或20％被挖坑或设间隙。每一凹坑的其他边界形状的一些示例包括正方形或环形。凹坑的边缘或边界是衍射的起因，并且衍射形成杂散光，而杂散光会使图像降级。圆形具有最低的边界相对于区域的比率。

这些凹坑将足够宽以有效地成为典型的反射镜，并且不是强衍射的。在一些示例中，凹坑跨越至少30微米。对于5％的反射率，这暗示平均每110微米的线性间隔存在一个凹坑。它有可能变得甚至更大。凹坑尺寸的折衷正控制归因于衍射的杂散光，同时避免可见的结构。

对于显示器，期望通过查看者的眼睛的瞳孔接收到的视图源自这些凹坑中的若干凹坑，使得眼睛接收来自明显无限的图像的相当均匀的光量。在如电视机之类的用户从至少几英尺左右进行查看的显示器的上下文中，凹坑或间隙可相对较大，例如它们可以为如一毫米左右。然而，在其中其距查看者的眼睛约一厘米的近眼显示器中，凹坑的尺寸将足够的小使得查看者的瞳孔包围这些凹坑中的若干个凹坑。随着查看者的眼睛到处移动，眼睛将经过来自一个凹坑的光束的区域，并开始拣取来自另一凹坑的光束。凹坑数是基于使得该体验相当一致来确定的，因此不管查看者正看着哪个方向，该查看者都看见凹坑的平均选择。在人类眼睛的瞳孔为约2000微米的情况下，凹坑尺寸为跨越接合表面约30微米到200微米且与该表面上的下一间隙或凹坑有约110微米的间隔将适合于近眼显示器。

凹坑图案220和240被故意伪随机化，并被故意弄成彼此具有不同的伪随机图案。凹坑的图案是衍射的起因。例如，规则图案形成规则衍射，这些规则衍射可形成如彩虹和处于不想要的角度的图像等事物。图案还可被设计成确保毗邻的带凹坑的表面彼此具有归因于来自相邻表面的透射的或反射的光的系统性遮挡的最小的和无图案的交集。

波阵面的一些模糊可由于通过渐失波传递的光部分的相移而发生，这可在波阵面上压印保持凹坑边界形状的图案的波纹。然而，在最差的情况下，该模糊可对光有每反射入射0.5％的影响，这根据角度和色彩改变。然而，图像将被保留，因为所有凹坑将产生类似的相移。因此，预测到将形成色彩和亮度从波导的一侧到另一侧的细微改变。然而，人类将不会注意到这些色彩和亮度改变，除非他们处于例如沿着显示器的光轴的视图中心。因此，当以图像的部分正被计算的方向看着波导的该部分时，可测量改变以标识其影响。校正可被应用于源像素，这应当会使该区域的改变平衡。移位逐渐地发生，因此校正不需要是精确的。校正可在实验室被测量，并且随后被复制到所有显示系统中。

图3A是用于制造使用用于使光转向的间隙的波导的方法的一实施例的流程图。在步骤302，在数量为N个的光学透明平坦部分中的每一者的一个表面中形成伪随机化的凹坑图案。例如，可以使用接触压印或研磨技术。接触压印涉及针对模板的模压成型。在一些实施例中，研磨可以是其中研磨点(patter)因用电离子进行蚀刻而转移的等离子或电化学研磨。在步骤304，使N个带凹坑的光学透明平坦部分以相同的角度倾斜，其中此N个带凹坑的表面中的每一者以相同的方向朝向，并在步骤306，堆叠此N个经倾斜的带凹坑的光学透明平坦部分，其中N个带凹坑的表面中的每一者均以相同的方向朝向，使得每一带凹坑的表面邻接相应的毗邻光学透明平坦部分的全平表面。在步骤308，通过将N个带凹坑的表面中的每一者的平坦而不带凹坑的部分绑定到相应的毗邻光学透明平坦部分的全平表面以在这些凹坑中的每一者中形成间隙来绑定N个部分。在步骤310，经绑定的N个部分的外部平面表面被磨光以满足全内反射(TIR)平坦性标准。

图3B是用于制造使用用于使光转向的间隙的波导的方法的更详细示例的流程图。该方法实施例可在真空环境中(使得真空填满间隙)或在纯净、惰性气体(诸如氮气)中执行。步骤322、324和326提供将凹坑压印在光学透明部分(其在本示例中是光学品质平面)的一侧上的示例方式。图3C示出光学品质平面356的示例。仅一个平面被标记以防止使附图过度拥挤。对于真空焊接后者，在步骤320，将光学平面加热到达到对于模压成型凹坑来说足够暖并允许在堆叠各表面后对这些表面进行真空焊接的温度。

蚀刻、研磨或接触压纹、被很好地开发以供在制造光盘(诸如DVD)时使用的工艺均是用于执行这种压印的工艺的示例。在步骤322，初始化循环计数器，并且将迭代限制设为N，N为预先确定的被压印的光学品质平面的数量。在步骤324，通过制造机器设置针对当前光学品质平面(i)的凹坑图案(i)以供压印在当前光学平面(i)上。在步骤326，例如使用接触压纹将所设置的凹坑图案(i)压印在光学品质平面(i)的一侧上。在步骤328，循环计数器如根据i＝i+1进行迭代。在指定结束循环的步骤330，确定这是否是最后一个平面，即光学平面N。该循环继续，直到用其各自的随机化的图案压印了所有N个光学平面。

光学平面356可能已使用各干净的表面(其可能被绑定)来产生。或者任选地，在步骤332，可用表面活性剂处理光学品质平面的压印有凹坑的表面以激活这些带凹坑的表面。在冷却步骤之前的整个过程中，可将这些光学平面维持在允许进行真空焊接的温度。在其他示例中，在准备好进行堆叠步骤时，可将这些平面再次加热到这样的温度。

在步骤334，使这N个光学平面以某一角度(优选地距法线30度)倾斜。在步骤336，当带凹坑的光学平面处于允许进行真空焊接的温度时，将这些经倾斜的光学平面356堆叠。图3C示出了经堆叠的光学平面的示例。在步骤337，将每一带凹坑的接合表面中不带凹坑的平面部分真空焊接到堆叠中的邻接光学平面的全平表面。被进行真空焊接的表面通常非常干净。在步骤338，均匀地并缓慢地冷却经真空焊接的光学平面的堆叠，以保持经焊接平面的对准。真空焊接是干净、透明、坚固和耐久的。

在步骤340，在堆叠已满足冷却标准以允许例如用锯进行切片后，将预定数量的经堆叠的经真空焊接的平面水平切片成波导，诸如图3D中示出的波导。在步骤342，磨光经切片的波导的外部平面表面，以满足外部表面的全内反射(TIR)平坦性标准。这样的标准的示例是反射镜表面平坦性。

图3C是示出用于制造使用用于使光转向的间隙的波导的方法的一实施例中的切片步骤的框图。行352和354示出跨N个带凹坑的、经倾斜的、经由真空焊接堆叠和绑定的光学平面356的切片行。图3D是用于将图像光引向查看者的波导的、通过图3C的切片步骤得到的显示侧视图的框图。在该示例中，每一接合表面具有相同的均匀整体表面区域，其包括其带凹坑的和不带凹坑的部分。仅一个带凹坑的接合表面360被标记以避免使附图过度拥挤。

对于小显示器而言，得到的波导可具有几毫米(mm)的厚度。对于近眼显示器而言，波导在从查看者的眼睛开始的深度方向上可具有仅几个毫米的厚度。然而，波导可被制成不同的尺寸。在电视机的大尺寸被设为使得面板示出看上去为远图像的事物的尺寸时，可使用从一厘米到几厘米厚度的波导。

如图3C所示，各接合可被堆叠得相当近，间隔可能是波导厚度的一半(1/2)。这确保观察者看见来自多个带凹坑的接合表面的平滑贡献。在一个示例中，波导具有40个带凹坑的接合表面。

图4A是包括使用间隙的波导的一实施例的近眼显示器(NED)的一实施例的俯视图，该波导与NED设备2中的图像生成单元120光学地耦合。标记出了波导123内的代表性的倾斜的带凹坑的接合表面270。近眼显示器具有眼镜形状因素。为了示出显示器光学系统14(在该情况下是针对右眼的14r)的各个组件，顶部框架部分覆盖显示器14r的一部分以及图像生成单元120未被描绘。箭头142表示显示器光学系统14l的光轴。当设备2被佩戴时，眼睛空间140近似用户眼睛的位置。

在该示例中，显示器14r是光学透视显示器，但在其他实施例中，它可以是视频观看显示器。显示器14r包括波导123，波导包括带间隙的平面，如带凹坑的接合表面270。仅一个接合表面被标记以避免使附图过度拥挤。输入窗口207经由光学耦合的准直透镜122从图像生成单元120接收经准直的图像光。波导123将接收到的图像光引向用户眼睛空间140，同时还允许来自现实世界的光朝着用户的眼睛空间的方向通过，由此允许用户除了观看来自图像生成单元120的虚拟特征的图像外，还具有关于在NED设备2前面的空间的实际直接视图。

在所示的实施例中，图像生成单元120在右侧的外壳130r中，该外壳130r还支持面向外的相机113r，该面向外的相机113r收集用户前面的场景的图像数据。外壳130r还由眼镜的镜腿臂102r支持。图像生成单元120包括一个或多个LED以及产生图像光的微显示器。在该实施例中，鼻梁104支持话筒110和控制电路系统136。在眼镜的框架内提供电连接(未示出)。

图5B是在NED设备的控制电路系统内包括计算机系统的示例硬件组件的框图。控制电路系统136提供支撑头戴式、近眼显示器设备2的其他组件的各种电子装置。在该示例中，显示设备2的控制电路系统136包括：处理单元210；处理单元210可访问的存储器244，该存储器244用于存储处理器可读指令和数据；通信地耦合到处理单元210的通信模块137，该通信模块137可充当用于将NED设备连接到另一计算机系统的网络接口。电源239为控制电路系统136的各组件及显示设备2的其他组件(如捕捉设备113、话筒110、其他传感器单元)提供电力，并为用于将图像数据显示在显示器14上的电源汲取组件(诸如光源和如微显示器等与图像生成单元相关联的电子电路系统以及图像生成单元120中的照明单元222)提供电力。

处理单元210可包括一个或多个处理器，包括中央处理单元(CPU)和图形处理单元(GPU)。存储器244表示系统可使用的各种类型的存储器，诸如在执行期间供应用使用的随机存取存储器(RAM)、用于传感器数据(包括捕捉到的图像数据和显示数据)的缓冲器、用于指令和系统数据的只读存储器(ROM)或闪存、用于存储其他项(其一些示例是为其生成表示图像数据的图像光的应用)的其他类型的非易失性存储器。在该示例中，数据总线270的电连接会连接传感器单元257、显示驱动器246、处理单元210、存储器244和通信模块137。数据总线270还通过控制电路系统的所有被示出的元件都连接到以汲取电力的功率总线272从电源239得到电力。

控制电路系统进一步包括显示驱动程序246，该显示驱动程序246用于选择数字控制数据(例如控制比特)来表示图像数据，该图像数据可由微显示器电路系统259和图像生成单元120的不同的有源组件驱动器(如照明单元122)对数字控制数据进行解码得到。有源组件驱动器的一个示例是显示照明驱动器247，其将数字控制数据转换成用于驱动照明单元222的模拟信号，照明单元222包括一个或多个光源，如一个或多个发光二极管(LED)等。要应用于源像素的校正(诸如用于调整在波导123的不同区中针对图像数据测量到的色彩和亮度变化的校正)可使得照明灰度的像素强度的补偿倍数可被存储在存储器244中，并由显示照明驱动程序247在能够访问存储器244的控制电路系统136的控制下应用。

控制器电路系统136可包括本文中没有示出但涉及NED设备的其他功能(诸如提供音频输出、标识头部取向和位置信息)的其他控制单元。

尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述特定特征或动作。更确切而言，上述具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式公开的。

Claims (10)

1.一种波导，包括：

平面表面，所述平面表面包括彼此平行的顶部平面表面和底部平面表面；以及

由相同材料构成的多个部分，所述多个部分之间形成接合表面，每一接合表面具有平坦的表面区域和多个间隙，并从所述顶部平面表面延伸到所述底部平面表面，每一间隙包括凹坑，并且其中

每一接合表面相对于所述顶部平面表面以相同的角度倾斜；

每一接合表面中的每一间隙将由该间隙在第一角度范围内接收到的光发射离开所述波导；以及

每一接合表面中的每一间隙将在第二角度范围内接收到的光向下通过所述波导，以实现全内反射。

2.如权利要求1所述的波导，其特征在于，每一接合表面相对于所述顶部平面表面倾斜的所述相同角度为相对于所述顶部平面表面的平面法线30度。

3.如权利要求1所述的波导，其特征在于，还包括：

每一接合表面使得一定比例的表面区域被相应数量的间隙占据，并且通过相应的接合表面在第一角度范围内接收到的光的比例基于被所述相应数量的间隙占据的表面区域的比例来确定，通过所述相应的接合表面在第一角度范围内接收到的光通过所述相应的接合表面反射离开所述波导。

4.如权利要求1所述的波导，其特征在于，接合表面中的每一间隙由该接合表面中的相应凹坑以及绑定到该接合表面的平坦表面区域的毗邻的全平表面形成。

5.如权利要求4所述的波导，其特征在于，绑定到所述接合表面的所述平坦表面区域的所述毗邻的全平表面被真空焊接。

6.如权利要求1所述的波导，其特征在于，所述间隙的厚度为约四分之一波长。

7.如权利要求3所述的波导，其特征在于，相应的部分输出反射接合表面的被相应数量的间隙占据的表面区域的比例基于在光到达该相应的接合表面之前将要被该光穿过的接合表面的数量的倒数。

8.如权利要求1所述的波导，其特征在于，进一步包括每一接合表面的间隙是以伪随机化的图案定位的，并且每一接合表面具有不同的伪随机化的间隙图案。

9.如权利要求1所述的波导，其特征在于，还包括所述间隙中的每一者在所述接合表面的表面中具有圆形边缘边界。

10.一种制造使用用于使光转向的间隙的波导的方法，包括：

在数量为N个的由相同材料制成的光学透明平坦部分中的每一者的一个表面中形成伪随机化的凹坑图案；

使N个带凹坑的光学透明平坦部分以相同的角度倾斜，其中所述N个带凹坑的表面中的每一者以相同的方向朝向；

将N个经倾斜的带凹坑的光学透明平坦部分堆叠在一堆叠中，其中所述N个带凹坑的表面中的每一者以相同的方向朝向，以使得每一带凹坑的表面邻接相应的毗邻光学透明平坦部分的全平表面；

通过将所述N个带凹坑的表面中的每一者的平坦而不带凹坑的部分绑定到相应的毗邻光学透明平坦部分的全平表面以在所述凹坑中的每一者中形成间隙来绑定有N个部分的堆叠；

跨所述堆叠进行水平切片以形成包括以所述相同的角度倾斜的N个经绑定的部分的波导，以及

磨光经切片的波导的外部平面表面以满足全内反射平滑标准。