CN108351516B - 用于改进强度分布的波导光栅 - Google Patents

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Abstract

一种用于将与输入瞳孔相关联的图像再现到输出瞳孔的装置包括平面光学波导，该平面光学波导包括块基板并且还包括输入耦合器、中间组件和输出耦合器。输入耦合器将对应于图像的光耦合进入块基板并且朝向中间组件耦合。中间组件执行水平或垂直瞳孔扩张并且将对应于图像的光朝向输出耦合器引导。输出耦合器执行水平或垂直瞳孔扩张中的另一者，并且将对应于图像的光(从输入耦合器行进到输出耦合器)耦合出波导。输入耦合器、中间组件或输出耦合器包括基于液晶聚合物的表面浮雕光栅或双侧衍射光学元件，用于改进由输出耦合器输出的光的强度分布。

Description

用于改进强度分布的波导光栅
背景
各种类型的计算、娱乐和/或移动设备可用透明或半透明显示器来实现，设备的用户可以透过该透明或半透明显示器来查看周围环境。此类设备(可以被称为透视、混合现实显示设备系统或增强现实(AR)系统)使得用户能够透视设备的透明或半透明显示器以查看周围环境，并且还能够看见虚拟对象(例如，文本、图形、视频等)的图像，这些虚拟对象被生成以供显示以表现为周围环境的一部分和/或表现为覆盖在周围环境上。这些设备(可以被实现为头戴式显示器(HMD)眼镜或其他可穿戴显示设备，但不限于此)通常利用光学波导将例如由显示引擎产生的图像再现到一位置处，设备的用户能够查看该位置处的图像作为增强现实环境中的虚拟图像。尽管这仍然是一项新兴技术，但是存在与利用波导向用户显示虚拟对象的图像相关联的某些挑战。
概述
本文描述的某些实施例涉及一种用于将与输入瞳孔相关联的图像再现到输出瞳孔的装置。该装置包括平面光学波导，该平面光学波导包括块基板并且还包括输入耦合器、中间组件以及输出耦合器。输入耦合器将对应于图像的光耦合进入块基板并且朝向中间组件耦合。中间组件执行水平或垂直瞳孔扩张并且将对应于图像的光朝向输出耦合器引导。输出耦合器执行水平或垂直瞳孔扩张中的另一者，并且将对应于图像的光(从输入耦合器行进到输出耦合器)耦合出波导。在某些实施例中，中间组件可以被消除，在此情形中，输入耦合器将耦合进入块基板的光朝向输出耦合器引导。在某些实施例中，输入耦合器、中间组件(如果存在)或输出耦合器中的一者或多者包括基于液晶聚合物(LCP)的表面浮雕光栅(SRG)。在某些实施例中，输入耦合器、中间组件(如果存在)或输出耦合器中的一者或多者包括双侧衍射光学元件(DOE)。基于LCP的SRG和双侧DOE可以被用于改进由输出耦合器输出的光的强度分布。
提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并非旨在标识出要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦非旨在用作辅助确定要求保护的主题的范围。
附图简述
图1A、1B和1C分别是可用于将与输入瞳孔相关联的图像再现到经扩张的输出瞳孔的示例性波导的前视图、俯视图和侧视图。
图2是参考图1A、1B和1C介绍的示例性波导的侧视图，并且还示出了显示引擎，该显示引擎生成包括由输入耦合器耦合进入波导的角内容的图像，并且还示出了正在查看眼框(eye box)内邻近输出耦合器的图像的眼睛。
图3(类似于图1A，因为它提供波导的前视图)被用于说明由输入耦合器耦合进入波导的光如何通过全内反射(TIR)从输入耦合器行进到中间组件，以及通过TIR从中间组件行进到输出耦合器，在输出耦合器处光退出波导。
图4概念性地解说了在先前附图中介绍的示例性波导的中间组件可如何导致多回路干扰。
图5A被用于概念性地解说如何在波导内再现瞳孔。图5B解说了沿图5A中示出的线B-B的示例性瞳孔分布。图5C解说了对应于在波导内再现的瞳孔之间没有瞳孔交叠的情景的替换瞳孔分布。图5D解说了基本上均匀的瞳孔分布。
图6被用于解说在使用光学波导执行成像时(更具体来说执行瞳孔再现时)可能出现的局部和全局强度方面的非均匀性。
图7是根据本发明的技术的某些实施例的利用液晶聚合物(LCP)涂层来改进退出波导的光的强度均匀性的波导的俯视图。
图8是根据本发明的技术的某些实施例的利用具有失配折射率的材料来改进退出波导的光的强度均匀性的波导的俯视图。
图9A和9B分别是根据本发明的技术的某些实施例的波导的俯视图和侧视图，该波导包括双侧衍射光学元件(DOE)以改进退出波导的光的强度均匀性。
图10是根据本发明的技术的某些实施例的包括嵌入在波导中的可切换液晶(LC)层来改进退出波导的光的强度均匀性的波导的俯视图。
图11是根据本发明的技术的某些实施例的包括用于改进退出波导的光的强度均匀性的混合光栅的波导的俯视图，混合光栅中的每一者是表面浮雕光栅(SRG)和对应的体布拉格(Bragg)光栅的混合。
图12解说了波导的输入耦合器的衍射光栅的示例性k向量和对应的示例性k向量角度。
详细描述
本发明的技术的某些实施例涉及用于将与输入瞳孔相关联的图像再现到输出瞳孔的装置。此类装置可包括波导。如下文更详细地讨论的，在波导被用于执行瞳孔再现(也被称为图像再现)的情况下，可能发生局部和全局强度的非均匀性，这可导致在查看再现图像时出现不期望的暗和亮边缘以及暗斑点。本文描述的某些实施例可以被用于改进强度分布并且藉此可以被用于在查看时改进再现图像。
在之后的描述中，相同的标号或参考标记贯穿全文将被用来指代相同的部分或元件。另外，三位标号中的第一位或四位标号中的前两位标识了该标号首次出现的附图。
图1A、1B和1C分别是可用于将与输入瞳孔相关联的图像再现到经扩张的输出瞳孔的示例性平面光学波导100的前视图、俯视图和侧视图。如此处所使用的，术语“输入瞳孔”指代孔径，对应于图像的光穿过该孔径被覆盖在波导的输入耦合器上。如此处所使用的，术语“输出瞳孔”指代孔径，对应于图像的光穿过该孔径退出波导的输出耦合器。平面光学波导100在之后常常被更简洁地称为光学波导100或甚至更简洁地被称为波导100。如下文参考图2更详细地讨论的，波导100被用来再现以及可能还扩张的图像可以使用显示引擎来生成。
参考图1A、1B和1C，平面光学波导100包括具有输入耦合器112和输出耦合器116的块基板106。输入耦合器112被配置成将与关联于输入瞳孔的图像相对应的光耦合进入波导的块基板106。输出耦合器116被配置成将与关联于输入瞳孔的图像相对应的光(在平面光学波导100中从输入耦合器112行进到输出耦合器116)耦合出波导100以使得光从输出瞳孔被输出并且被成像。
块基板106(可以由玻璃或光学塑料制成，但不限于此)包括第一主平面表面108以及与第一主平面表面108相对且平行的第二主平面表面110。第一主平面表面108可替换地被称为前侧主表面108(或更简单地前侧表面108)，并且第二主平面表面110可替换地被称为背侧主表面110(或更简单地背侧表面110)。如术语“块”在此处所使用的，基板被认为是“块”基板，其中基板的厚度(其主表面之间)至少是该基板被用作其光学传输介质的光的波长的十倍(即10x)。例如，在光(基板被用作其光学传输介质的光)是具有620nm波长的红光的情况下，在基板的厚度(其主表面之间)至少是6200nm，即至少6.2μm的情况下，基板将被认为是块基板。根据某些实施例，块基板106在其主平面表面108与110之间具有至少25μm的厚度。在具体实施例中，块基板106具有在25μm到1000μm范围内的厚度(其主表面之间)。块基板106以及更一般地波导100是透明的，这意味着它允许光穿透，从而使得用户能够透视波导100并且观察波导100的与用户眼睛相对侧上的对象。
图1A、1B和1C中的平面光学波导100也被示为包括中间组件114，中间组件114可以替换地被称为中间区域114。在波导100包括中间组件114的情况下，输入耦合器112被配置成将光耦合进入波导100(且更具体地进入波导100的块基板106)并且在中间组件114的方向上耦合。中间组件114被配置成在输出耦合器116的方向上重新引导该光。此外，中间组件114被配置成执行水平或垂直瞳孔扩张中的一者，并且输出耦合器116被配置成执行水平或垂直瞳孔扩张中的另一者。例如，中间组件114可以被配置成执行水平瞳孔扩张，并且输出耦合器116可以被配置成执行垂直瞳孔扩张。替换地，如果中间组件114被重新定位到例如图1A中示出的输入耦合器112下方以及输出耦合器116左侧，则中间组件114可以被配置成执行垂直瞳孔扩张，并且输出耦合器116可以被配置成执行水平瞳孔扩张。在某些实施例中，中间组件被配置为折叠光栅。在其他实施例中，中间组件是基于镜面的组件而非基于光栅的组件。
输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以在此处被统称为波导的光学组件112、114和116或更简洁地被称为组件112、114和116。
波导包括输入耦合器和输出耦合器但不包括中间组件也是可能的。在此类实施例中，输入耦合器将被配置成将光耦合进入波导并且在朝向输出耦合器的方向上进行耦合。在此类实施例中，输出耦合器可以取决于实现提供水平或垂直瞳孔扩张中的一者。
在图1A中，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116被示为具有矩形外围形状，但也可具有替换的外围形状。例如，输入耦合器112可替换地具有圆形外围形状，但并不限于此。对于另一示例，中间组件可具有三角形或六边形外围形状，但并不限于此。此外，要注意外围形状中的每一者(例如在通常为矩形或三角形的情况下)的角可以被斜切或圆化，但并不限于此。这些仅仅是输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116的若干示例性外围形状，但它们并非旨在是全涵盖的。
如可以从图1B和1C中最佳地领会的，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116全部被示为被提供在波导100的同一表面(即，背侧表面110)之中或之上。在此类情形中，输入耦合器112可以是透射式的(例如，透射式光栅)，中间组件114可以是反射式的(例如，反射式光栅)，而输出耦合器116也可以是反射式的(例如，又一反射式光栅)。输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以替换地全部被提供在波导100的前侧表面110中。在此类情形中，输入耦合器112可以是反射式的(例如，反射式光栅)，中间组件114可以是反射式的(例如，又一反射式光栅)，而输出耦合器116也可以是透射式的(例如，透射式光栅)。
替换地，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以全部被嵌入(也被称为沉浸)在块基板106中。例如，块基板106可以被分成(与主表面108和110平行的)两个半块，并且输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以被提供(例如，被蚀刻进入)在这两个半块的内表面之一中，并且这两个半块的内表面可以彼此粘合。替换地，块基板106可以被分成(与主表面108和110平行的)两个半块，并且输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以被提供在这两个半块的内表面之间。用于将输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116嵌入块基板106的其他实现也是可能的，并且在本文所述的实施例的范围内。输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116中的一者被提供在波导108的前侧表面108之中或之上，而组件112、114和116中的另一者被提供在背侧表面110之中或之上，而组件112、114和116中的最后一者被嵌入或沉浸在块基板106中也是可能的。更一般地，除非另外指明，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116中的任何单独一者可以被提供在块基板106的主平面表面108或110中的任一者之中或之上或者被嵌入其间。
输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以各自被实现为衍射光栅或更一般地衍射式光学元件(DOE)。此类DOE可以使用全息工艺来产生，在此情形中，DOE可以更具体地被称为全息光学元件(HOE)。输入耦合器112可以替换地被实现为棱镜、反射式偏光镜或者可以是基于镜面的。类似地，输出耦合器116可以替换地被实现为棱镜、反射式偏光镜或者可以是基于镜面的。取决于具体配置和实现，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116中的任何一者可以是反射式的、衍射式的或折射式的或其组合，并且可以被实现为例如线性光栅型耦合器、全息光栅型耦合器、棱镜或另一类型的光学耦合器。如上所述，中间组件114可以使用折叠光栅来实现，或者可替换地被实现为基于镜面的瞳孔扩张器，但并不限于此。
在输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116被实现在波导100的表面108和/或110中的一者(或两者)之中或之上的情况下，它们中的一者或多者可以被实现为表面光栅或更具体地被实现为表面浮雕光栅(SRG)。表面光栅是光学组件(诸如块基板106)的表面之中或之上的周期性结构。当周期性结构归因于表面本身的调制或表面上的涂层时，其被称为表面浮雕光栅(SRG)。一个示例性SRG包括在光学组件的表面之中或之上的被均匀直槽间隔区域分隔开的均匀直槽。SRG的衍射的性质取决于入射在光栅上的光的波长和SRG的各种光学特性(例如线间隔、槽深度和槽倾斜角)这两者。SRG可通过合适的微制造工艺来制造，这可涉及蚀刻基板(例如，块基板106)和/或在基板上沉积以在基板之中或之上制造所需周期性微结构以形成光学组件，这随后可被用作生产母版，诸如用于制造进一步光学组件的模具或掩模。SRG是衍射光学元件(DOE)的示例。
在输入耦合器112、中间组件114和/或输出耦合器116是SRG的情况下，每一个此类SRG可以被蚀刻进入块基板106的主平面表面108或110中的一者。在此类实施例中，SRG可以被称为被形成在块基板106“中”。替换地，每一SRG可以被物理地形成在各向同性的涂层中，该各向同性的涂层覆盖块基板106中的主平面表面108或110中的一者，在此情形中，每一个此类SRG可以被称为被形成在块基板106“上”。通过任一种方式，组件112、114和116被认为是波导100的各部件。在其中SRG被形成在各向同性的涂层中的某些实施例中，该各向同性的涂层覆盖块基板106的主平面表面108或110中的一者，SRG被形成在其中的各向同性涂层具有与块基板106相同的折射率。如下文更详细地讨论的，参考图7，根据本发明的技术的具体实施例，一个或多个SRG可以被形成在各向异性涂层中，或者更具体地被形成在液晶聚合物(LCP)涂层中，在此情形中SRG可以被认为是基于LCP的SRG。
具体地参见图1A-1C，在一示例性实施例中，输入耦合器112可具有在垂直(y)方向上延伸的表面光栅，输出耦合器116可具有在水平(x)方向上延伸的表面延伸，而中间组件114可具有相对于水平和垂直方向在对角线(例如，约45度)上延伸的表面光栅。这仅仅是一个示例。其它的变型也是可能的，并且在本发明的技术的实施例的范围内。
更一般地，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可具有各种不同的外围几何形状，可以被提供在块基板的主平面表面中的任一者之中或之上，或者可以被嵌入块基板106中，并且可以使用各种不同类型的光学结构来实现，如可以从以上讨论中领会的并且将进一步从以下讨论中领会的。
一般来说，对应于图像的光(经由输入耦合器112被耦合进入波导)能够通过全内反射(TIR)从输入耦合器112行进穿过波导到达输出耦合器114。TIR是在传播光波以比相对于垂直于表面的临界角更大的角度撞击(例如，块基板106的)介质边界时发生的现象。换言之，临界角(θc)是高于其就发生TIR的入射角，其由斯涅耳定律给出，如本领域公知的。更具体地，斯涅耳定律表明临界角(θc)使用以下等式来指定：
θc＝sin-1(n2/n1)
其中
θc是在介质边界处相遇的两种光学介质的临界角(例如，块基板106和空气或者毗邻块基板106的某一其他介质)，
n1是光在其中朝向介质边界行进的光学介质(例如，块基板106，一旦光被耦合进入其中)的折射率，而
n2是介质边界之外的光学介质(例如，空气或毗邻块基板106的某一其他介质)的折射率。
通过TIR从输入耦合器112行进通过波导100到达输出耦合器114的光的概念可以更好地从图2领会，如下文讨论的。现在参考图2，如图1C中那样，图2示出了波导100的侧视图，但还示出了显示引擎204，显示引擎204生成包括被输入耦合器112耦合进入波导的角度内容的图像。同样在图2中示出了人类眼睛214的表示，人类眼睛214使用波导100来观察使用显示引擎204产生的作为虚拟图像的图像。
显示引擎204可包括例如图像形成器206、准直透镜208和照明器210，但并不限于此。图像形成器206可以使用透射投影技术来实现，其中光源由光学活性材料来调制，并且用白光从背后照亮。这些技术通常是使用具有强大背光和高光能量密度的液晶显示器(LCD)类型的显示器来实现的。照明器210可以提供上述背光。图像形成器206还可使用反射技术来实现，其中外部光被光学活性材料反射并调制。数字光处理(DLP)、硅基液晶(LCOS)以及高通公司的
Figure GDA0002452078300000081
显示技术都是反射技术的示例。替换地，图像形成器206可使用发射技术来实现，其中光由显示器生成，例如，参见来自Microvision公司的PicoPTM显示引擎。发射显示技术的另一示例是微型有机发光二极管(OLED)显示器。诸如eMagin和Microoled等公司提供了微型OLED显示器的示例。图像形成器206单独或者与照明器210相组合地也可被称为微型显示器。准直透镜208被布置成从图像形成器206接收发散显示图像以对显示图像进行准直并且将经准直的图像引导朝向波导100的输入耦合器112。根据一实施例，关联于波导的入射瞳孔可以与关联于图像形成器206的出射瞳孔具有大致相同的大小，例如，在一些实施例中约5mm或更小，但并不限于此。
在图2中，显示引擎204被示为面向波导100的背侧表面110，眼睛214被示为面向与背侧表面110相对且平行的前侧表面108。这提供了潜望镜型配置，其中光在波导100的一侧进入波导，并且在波导100的相对侧退出波导。替换地，输入耦合器112和输出耦合器116可以用如下方式来实现：使得显示引擎204和眼睛214邻近且面向同一主平面表面(108或110)。
波导100可以被纳入透视混合现实显示器设备系统中，但并不限于用于此用途。可为用户的左眼和右眼中的每一者提供波导100和显示引擎204的单独实例。在某些实施例中，此类波导100可以被放置为紧邻透视透镜或在透视透镜之间，透视透镜可以是眼镜中使用的标准透镜并且可以根据任何处方(包括无处方来制造。在透视混合现实显示设备系统被实现为包括框架的头戴式显示器(HMD)眼镜的情况下，显示引擎204可以被定位在框架的侧面以使得它靠近用户的太阳穴。替换地，显示引擎204可以被定位在HMD眼镜的架于用户鼻梁上的中心部分中。用于显示引擎204的其他位置也是可能的。在这些实例中，用户也可被称为佩戴者。在针对用户的左眼和右眼中的每一者存在单独波导的情况下，可能针对波导中的每一者并且因而针对用户的左眼和右眼中的每一者存在单独的显示引擎。一个或多个其他毗邻波导可被用于基于入射在用户眼睛214上以及从用户眼睛发射的红外光来执行眼睛跟踪，如本领域公知的。
图3(类似于图1A，因为它提供了波导100的前视图)现在将被用于说明由输入耦合器112耦合进入波导100的光可如何通过TIR从输入耦合器112行进到中间组件114，以及如何通过TIR从中间组件114行进到输出耦合器116，在输出耦合器116光退出波导100。更具体地，如下文更详细地说明的，波导100内的衍射光束拆分和TIR的组合导致输入光束302(X)的多个版本在输出耦合器116的长度和宽度两者上从输出耦合器116向外衍射，成为处于基本匹配对应输入光束302(X)的相应向内方向
Figure GDA0002452078300000091
的相应向外方向(即，远离波导100)的输出光束306(X)。
在图3中，波导100外部(例如，正在进入或退出)的光束使用阴影来表示，而虚线被用来表示波导100内(即在其内部)的光束。透视被用来指示z方向(即，朝向或远离用户)上的传播，而图3中光束的加宽表示正z(即+z)方向(朝向用户)上的传播。因而，发散虚线表示波导内朝向波导100的前侧主表面108传播的光束，最宽的部分(被示为大的点划圈)表示撞击波导100的前侧主表面108的那些光束，这些光束从波导100的前侧主表面108往回朝向波导100的背侧主表面110被全内反射，这由从最宽的点到最窄的点(被示为小的点划圈)收敛的虚线表示，在最窄的点处光束入射在波导100的背侧主表面110上。
光束入射在中间组件114并且拆分成两根光束的示例性区域被标记为S(意为拆分)，两根光束中的一者在水平方向上行进而另一者在垂直方向上行进。光束入射在输出耦合器116上并且退出波导100的示例性区域被标记为E(意为退出)。
如所解说的，输入光束302(X)例如通过衍射被输入耦合器112耦合进入波导100，并且在水平方向上通过TIR沿输入耦合器的宽度传播。这导致光束302(X)最终在最左侧的拆分区域(S)处撞击中间组件114。当光束302(X)入射在最左侧拆分区域(S)处时，该入射光束302(X)实际上例如通过衍射被拆分为二。此类拆分造成了光束304(X)的新版本(具体来说是一阶衍射模式光束)以及零阶衍射模式光束(即，未受衍射组件影响的光束)，该光束304(X)的新版本在大致向下的垂直(-y)方向上朝向输出耦合器116被引导，该零阶衍射模式光束继续在水平(+x)方向上沿中间组件114的宽度传播，就好像在没有中间组件114的情况下光束会传播的那样(只是以减小的强度)。因而，光束的一部分实际上基本沿着中间组件114的整个宽度继续传播，在各拆分区域(S)处撞击中间组件114，而在每一拆分区域(S)处创建该光束的另一新版本(处于相同的向下方向)。如图3所示，这导致光束的多个版本被引导朝向输出耦合器116并入射在输出耦合器116上，而波束的多个版本被水平分开，从而共同地跨越基本上输出耦合器116的宽度。
同样如图3所示，如在拆分区域(S)处被创建的光束的每一个新版本可能本身在其向下传播期间撞击中间组件114(例如，折叠光栅)。这可导致光束的新版本例如通过衍射进行拆分以创建在水平(+x)方向上引导的波束的又一新版本(其是一阶反射模式光束)加上继续在向下垂直(-y)方向上传播的零阶衍射模式光束。这一现象可以在波导内重复多次，如可以从图3领会的。图3并非是按比例绘制的，因为比图3中解说的多得多的光束反射和拆分可能发生，例如，如可以更好地从图4领会的。
在图3中，输出耦合器116被示为被定位在中间组件114下方，并且因而光束的向下传播版本最终将入射在输出耦合器116上，它们在输出耦合器116处被引导到与输出耦合器116相关联的各退出区域(E)上。输出耦合器116被配置成使得当光束的一个版本撞击输出耦合器时，那个光束被衍射以创建以向外的方向从该输出耦合器116向外定向的一阶衍射模式光束，该向外的方向基本匹配其中对应于图像点X的原始光束302(X)被输入的唯一向内方向。因为存在基本上跨越输出耦合器116的向下传播的光束的多个版本，跨输出耦合器116的宽度的多个输出光束306(X)被生成(如图3所示)以提供有效的水平光束扩张，这也可被称为水平瞳孔扩张。
此外，输出耦合器116被配置成使得除了向外衍射的光束306(X)在各退出区域(E)处从入射光束中被创建外，零阶衍射模式光束继续按与该入射光束相同的特定方向向下传播。因而，按照图3所解说的方式在其较低部分撞击输出耦合器116会进而导致继续的零阶光束和向外一阶光束两者。因而，还基本上跨输出耦合器116的整个高度生成多个输出光束306(X)以提供有效的垂直光束扩张，这也可被称为垂直瞳孔扩张。
输出光束306(X)以基本匹配原始光束302(X)被输入的唯一输入方向的向外方向被向外地定向。在该上下文中，基本匹配意味着该向外方向按使得用户的眼睛能够将输出光束306(X)的任何组合聚焦到视网膜上的单个点由此重构原始光束302(x)从其被传播或以其他方式被发射的图像点X的方式与输入方向相关。
对于平面波导(即，其前侧和背侧主表面整体基本上平行于xy平面的波导)，输出光束306(S)基本上平行于彼此并且在平行于唯一向内方向
Figure GDA0002452078300000111
的输出传播方向
Figure GDA0002452078300000112
上向外传播，在唯一向内方向上对应的输入光束302(X)被引导向输入耦合器112。即，将对应于图像点X的光束302(X)在向内方向
Figure GDA0002452078300000113
上引导到输入耦合器112致使对应的输出光束306(X)向外且与输出耦合器116平行地被引导(例如，衍射)，每一个对应的输出光束由于波导100的配置在向外传播方向
Figure GDA0002452078300000114
Figure GDA0002452078300000115
上。
在上文描述的示例性实现中，中间组件114(例如，折叠光栅)被配置成提供水平瞳孔扩张，也被称为有效水平光束扩张；而输出耦合器116被配置成提供垂直瞳孔扩张，也被称为有效垂直光束扩张。替换地，中间组件114可以被重新定位在例如输入耦合器112下方以及输出耦合器116侧面，并且组件112、114和116可以被重新配置以使得中间组件114被配置成提供垂直瞳孔扩张，并且输出耦合器116被配置成提供水平瞳孔扩张，如上所述。尽管使用中间组件114来执行水平(或垂直)瞳孔扩张存在显著益处，但中间组件114引起的各种零阶和一阶衍射模式会导致多回路干扰，这在下文参考图4说明。
图4解说了波导100的中间组件114，但并未示出波导的其他组件，诸如输入耦合器112和输出耦合器116。参考图4，其中示出的暗线环路(被标记为IL)解说了在中间组件114内发生的多个干扰回路，它们可以被统称为多回路干扰。多个干扰回路中的每一者类似于使用马赫-策恩德尔干涉仪产生的干扰类型。在每一干扰回路IL中，两个箭头相遇的位置解说了输入光束(例如，输入光束302(X))的零阶反射和一阶反射同时入射在中间组件114的相同位置上的位置。具有箭头的此类暗线表示光在波导100的中间组件114内行进的路径。如果每一路径的光学长度(也被称为光路长度)相同，则当经由不同路径行进到相同点的光束被重新组合时，它们会以导致相长干涉的方式叠加。更具体地，当来自不同路径的光束具有相同光路长度和相同偏振取向并且被成像到人眼视网膜的相同部分上时，光发生相长干涉并且强度等于光束的标量和。然而，由于不同路径之间的机械容差，沿不同路径到(中间组件114上的)同一位置的光的路径长度实际上将是不同的，这可能导致(完全或部分)相消干涉，这会导致在被用户眼睛成像时光强度减弱。更具体地，当来自不同路径的光束具有不同光路长度并且被成像到人眼视网膜的相同部分上时，光发生相消干涉并且强度小于光束的标量和。此类相消干涉可导致暗纹，并且更一般地可导致最终抵达输出耦合器116并退出波导100的光的非均匀强度分布。更一般地，如果不对其进行补偿，多回路干扰可导致强度改变，强度改变对于查看使用波导再现的图像的人眼而言是能够感知的，而这是不合乎需要的。
取决于波导的各个组件112、114和116的取向，这些组件可以以不同强度使入射光偏振衍射。例如，在正交的水平和垂直衍射效率之间可能存在约五比一(即约5:1)的差异。如果没有以某些角度对各个组件112、114和116的具体光栅线取向进行入射偏振优化，则衍射效率可能遭到破坏，这可能导致暗区域出现在使用波导再现的图像中并且被人眼查看到，这是不合乎需要的。
光的偏振指定光波的电场在其中震荡的平面取向。换言之，光的偏振是其电场向量(e向量)取向的状态。光可以是例如非偏振的(e向量的完全无序的杂乱取向)、线偏振的、圆偏振的、或椭圆偏振的。线偏振光可以是例如水平偏振光或垂直偏振光，但并不限于此。成像系统中理想的偏振类型取决于许多因素，包括例如组件112、114和116的类型和取向。对于一个具体示例，简要地回头参考图1A，假定组件112、114和116中的每一者是包括光栅线的SRG型DOE。此外，假定输入耦合器112包括垂直光栅线并且中间组件114包括45度(对角线)光栅线，并且输出耦合器包括水平光栅线。在此类成像系统中，入射在输入耦合器112上的光将被理想地垂直偏振；中间组件114将理想地旋转光的偏振达精确的90度(以使得它变为水平偏振)；并且在入射在输出耦合器116(从波导100向外耦合的位置)上时光将被理想地水平偏振。然而，这并非是通常会发生的情况。中间组件114(例如，其光栅)会导致大部分的偏振旋转，但TIR也会导致角相关的偏振旋转。此外，输入耦合器112和输出耦合器116也会导致某种不期望的偏振旋转。换言之，在此类实现中，中间组件114不是简单地旋转它进行衍射的所有光的偏振达精确的90度，并且因而这导致跨输出耦合器116的偏振非均匀性。
图1A-1C及图2-4中示出并且参考图1A-1C及图2-4描述的示例性波导100用于依赖于瞳孔再现的成像系统。在此类系统中，即依赖于瞳孔再现的系统，输出瞳孔优选地对于所有角度均匀地交叠。当情形并非如此时，例如因为瞳孔彼此相距太远时，强度的角相关空间非均匀性产生，这将它们本身表现为亮暗图像伪像，这是不合乎需要的。
图5A被用于概念性地解说当光通过TIR从输入耦合器112行进到中间组件114以及通过TIR从中间组件114行进到输出耦合器116(在输出耦合器116处光退出波导100)时由实线圆502表示的瞳孔如何被再现。在图5A中，虚线圆中的每一者表示瞳孔502的再现，其也可被简单地称为瞳孔。尽管在图5A中被表示为圆，但每一瞳孔实际上是角度集合。当光退出波导100，邻近输出耦合器116时，人眼(其中具有晶状体)接收与瞳孔相关联的角度集合并且将其转换回图像，例如图2中的显示引擎204产生的图像。在波导100以及更具体地其组件114和/或116被配置成执行瞳孔扩张的情况下，当经扩张的瞳孔被(由人眼的晶状体)转换成图像，所得的图像相对于(例如，由图2中的显示引擎204产生的)原始图像被扩张。
图5B概念性地解说沿图5A中示出的点划线B-B的示例性瞳孔分布，由于每一瞳孔具有高斯强度分布并且毗邻瞳孔仅轻微地彼此交叠，瞳孔分布被示为具有大致正弦函数。如果瞳孔分散得很开从而它们完全不交叠，并且瞳孔中的每一者具有封顶(top-hat)强度分布，则瞳孔分布可能潜在地具有方波函数，例如图5C中示出的，尽管正弦函数(图5B中示出的示例)更有可能。具有正弦或方波函数的瞳孔分布将其本身表现为亮暗图像伪像，这是不合乎需要的。优选地，瞳孔将彼此交叠以达成均匀瞳孔分布，这提供了均匀强度分布函数，如图5D中示出的，这可以例如在瞳孔之间存在50％交叠的情况下达成。更一般地，期望使瞳孔交叠均匀化以提供在波导内行进的入射在输出耦合器116上的光的基本上均匀的瞳孔分布。
图6被用于解说在使用光学波导来执行成像时可能发生的局部和全局强度的非均匀性，其中非均匀性可能由于多回路干扰、非最优偏振和/或非均匀瞳孔分布而发生。更具体地，大致为对角线暗亮纹解说了由于瞳孔分布不均匀而发生的局部强度非均匀性，而暗色斑点(主要在右侧示出)解说由于多回路干扰而发生的局部强度非均匀性。
下文描述的本发明的技术的各实施例可被用于对多回路干扰进行补偿，提供更优化的偏振和/或提供更均匀的瞳孔分布。更一般地，下文描述的本发明的技术的各实施例被用来致使由输出耦合器(例如116)从波导(例如100)输出的光具有更均匀的强度分布，以使得强度中的任何非均匀性对于使用波导查看图像的人眼是不可感知的。
本文描述的某些实施例对多回路干扰进行补偿，并且更具体地通过利用偏振旋转和/或波前相位分集来缓解多回路干扰的负面效应。如果沿不同路径的两个相干偏振光束被重新组合，但沿一条路径的光束的偏振相对于沿另一路径的光束被旋转90度，则两个光束在它们被重新组合时将不会彼此相干。相应地，一条路径中的光相对于另一路径中的光的正交偏振导致光在被成像到人眼视网膜上的同一点上时相互作用较少，这是有利的。下文描述的本发明的技术的某些实施例依赖于这一现象以缓解原本可能由多回路干扰引起的负面效应。某些实施例附加地或替换地提供足够的波前相位分集，以使得相消干涉的效应(例如，由于成像在视网膜上的同一部分上的不同光束完全反相)变为平均化。
在不利用本文描述的本发明的技术的一个或多个实施例的情况下，在波导内行进并且入射在输出耦合器上的光将可能具有大致同质的偏振，并且更具体地将具有相对于彼此相当占主导的一个偏振。本发明的技术的各实施例可以被用于为在波导内行进且入射在输出耦合器上的光提供水平偏振光与垂直偏振光(或者相反)不超过2比1的比率，并且优选地为约1比1。对于入射在输出耦合器(在行进通过波导之后)上的光，在水平偏振光到垂直偏振光(或相反)的比率不超过2比1的情况下，此类光被认为具有基本上异质的偏振分布。
根据某些实施例，行进通过波导的光的波前的相位相对于彼此被偏移，以达成相干干涉与相消干涉之间的平均化。更具体地，根据某些实施例，达成足够的波前相位分集，以使得在其输出耦合器处退出波导的光在其波前中具有基本上异质的相位，以使得基本上存在光的波前相位的均匀分布，例如在0到2π弧度之间。
更一般地，本文描述的本发明的技术的各实施例被用于达成经由输出耦合器(例如116)退出波导(例如100)的光的基本上均匀的强度分布。取决于实现，基本上均匀的强度分布可以是基本上均匀的角强度分布，或基本上均匀的空间强度分布。基本上均匀的强度分布可以是基本上均匀的角强度分布和基本上均匀的空间强度分布两者也是可能的。基本上均匀的角强度分布在其中用户一个或多个眼睛的位置相对于波导固定的应用中尤其有益，例如，在头戴式显示器(HMD)或其他近眼显示器(NED)应用中。基本上均匀的空间强度分布在其中用户一个或多个眼睛的位置相对于波导不固定的应用中尤其有益，例如，在平视显示器(HUD)应用中。使得被波导输出的光具有基本上均匀的强度分布的整体目标使得任何强度非均匀性对于使用波导查看图像的人眼是不可感知的。
强度分布可具有局部强度分布和全局强度分布两方面。局部强度分布指的是与图像中彼此相对紧密的部分相关联的强度分布，例如，与图像的毗邻像素和/或毗邻角内容相关联的强度分布。全局强度分布指的是与整个图像相关联的强度分布，包括图像中相对远离的像素和/或角内容。
在不使用本发明的技术的各实施例或用于对非均匀强度分布进行补偿的替换技术(如果此类替换技术存在的话)的情况下，由输出耦合器从波导输出的光将具有非均匀强度分布，这对于查看使用波导再现的图像的人眼来说是非常引人注意的。更具体地，图像的某些部分会表现得比其他部分显著更亮，而图像的某些部分会表现得比其他部分显著更暗。这种情形的示例可以从上文讨论的图6中领会。
更具体地，在不使用本发明的技术的各实施例或用于对非均匀强度分布进行补偿的替换技术(如果此类替换技术存在的话)的情况下，可能在图像的角内容中每一度数存在至少百分之十的改变，例如，诸如图像的毗邻像素中。换言之，局部强度分布可能由图像的角内容中每一度数中的至少百分之十的强度变化来表征。此外，在不使用本发明的技术的各实施例或用于对非均匀强度分布进行补偿的替换技术(如果此类替换技术存在的话)的情况下，可能在图像的整个角内容中存在至少百分之六十的强度变化。换言之，全局强度分布可能由图像的整体角内容中至少百分之六十的强度变化来表征。
本文描述的本发明的技术的各实施例旨在用于提供基本上均匀的强度分布，其中强度变化对于查看使用波导再现的图像的人眼将是不可感知的。更具体地，本发明的技术的各实施例可用于在由输出耦合器(例如116)从波导输出的光中提供基本上均匀的强度分布，这意味着在图像的角内容中每一度数中存在不超过百分之二的强度变化(例如，诸如图像的毗邻像素中)并且在图像的整体角内容上存在不超过百分之三十的强度变化。换言之，本发明的技术的各实施例可用于达成局部强度分布以及达成全局强度分布，该局部强度分布由图像的角内容中每一度数中不超过百分之二的强度变化来表征，该全局强度分布由图像的整体角内容上不超过百分之三十的强度变化来表征。相应地，本发明的技术的各实施例可用于与不使用此类实施例相比改进局部均匀性达至少5倍，并且改进全局均匀性达至少2倍。
液晶聚合物(LCP)涂层
现在参考图7，根据本发明的技术的某些实施例，波导700包括液晶聚合物(LCP)涂层702，其被提供在块基板106的主平面表面的至少一者(例如108)上。在此类实施例中，LCP涂层702将在入射在LCP涂层702上的光束通过TIR行进穿过波导100的块基板106的同时引发光束中的空间相关的偏振变化。LCP涂层702可以被添加到波导100以提供更同质的偏振并且补偿由中间组件114引起的多回路干扰。另外，如果LCP涂层702足够厚以增加波前相位分集，则LCP涂层702也可提供更均匀的瞳孔分布。
LCP涂层702是光学各向异性且双折射材料，该材料具有取决于偏振和光的传播方向的折射率(也被称为折射率)。相应地，当在块基板106内行进的光入射在LCP涂层702上时，涂层的双折射致使光通过偏振拆分成采取略有差异的路径的两条射线。考虑传播通过波导100的光的经组合的横向电场(TE)和横向磁场(TM)模式，LCP涂层702充当传播通过它的光的偏振状态的延迟器(retarder)(即偏振旋转器)。延迟(即偏振旋转)程度因变于液晶分子的对准与LCP涂层702(也可被称为LCP膜)厚度。当光传播通过LCP涂层时，偏振状态被改变并且(在没有LCP涂层的情况下)原本相消相干的两个光束不再相消相干，这有助于改进输出的均匀性。
在某些实施例中，LCP涂层702具有单光轴双折射，这意味着存在支配光学各向异性的单个方向，而与该单个方向垂直(或者以相对于该单个方向的给定角度)的所有方向在光学上都是等效的。在LCP涂层具有单光轴双折射的情况下，LCP涂层沿三个轴中的一者具有不同的折射率(例如，x方向上的折射率不同于y方向和z方向上的折射率)。在其他实施例中，LCP涂层具有双光轴双折射，在此情形中LCP涂层沿所有三个轴可具有不同的折射率。
在组件112、114和116全部被提供在块基板106的同一主平面表面(例如110)之中或之上的情况下，LCP涂层可以被施加在相对的主平面表面(例如108)上，如图7所示。在组件112、114和116被嵌入在块基板106中的情况下，LCP涂层可以被施加在主平面表面(例如，108和/或110)中的一者或两者上。在组件112、114或116中的至少一者被提供在主平面表面中的一者(例如110)之中或之上，而组件112、114或116中的至少另一者被提供在主平面表面中的另一者(例如108)之中或之上的情况下，LCP涂层可以被提供在组件112、114和116中的任何一者(或全部)的相对侧上，例如，以使得LCP涂层与组件112、114和116中的一者(或全部)(部分或完全)交叠。换言之，第一LCP涂层可以覆盖主平面表面中的一者(例如110)的一个或多个部分，而第二LCP涂层可以覆盖主平面表面中的另一者(例如108)的一个或多个部分。两个LCP涂层可以都由相同的LCP涂层材料制成，或者由不同的LCP涂层材料制成，并且两个LCP涂层的厚度可以彼此相同或者不同。
LCP涂层702可以覆盖整个主平面表面(例如108和/或110)如图7所示，或者仅覆盖其部分。例如，LCP涂层702可以覆盖在空间上与整个输入耦合器112交叠(在x和y方向上)(或者仅与输入耦合器112的一部分交叠)的主平面表面的一部分，在空间上与整个中间组件114交叠(或者仅与中间组件114的一部分交叠)的主平面表面的一部分，和/或在空间上与整个输出耦合器116交叠(或者仅与输出耦合器116的一部分交叠)的主平面表面的一部分。
根据具体实施例，LCP涂层702的厚度在约100nm到1500nm的范围内。相应地，在此类实施例中，LCP涂层702比块基板106显著更薄。在LCP涂层被提供在波导的主平面表面两者上的情况下，LCP涂层的厚度可以彼此相同或不同，如上所述。此外，如上所述，LCP涂层的类型可以彼此相同或不同。
如果LCP涂层仅仅与输入耦合器112或其部分相一致，则LCP涂层将有助于使得通过输入耦合器112进入波导100的光束的偏振随机化，因为此类光的部分反射离开块基板106与LCP涂层702之间的边界704，而此类光的其他部分衍射进入LCP涂层702。换言之，在此类实施例中，LCP涂层702将有助于提供在波导内行进并且最终退出波导的光的异质偏振分布。然而，如果LCP涂层不与中间组件114相一致，则LCP涂层将不会缓解如上例如参考图4所述的多回路干扰的负面效应。
LCP涂层702可以遍布该涂层用经定义的取向来图案化。分子的图案化可以在LCP涂层的任何维度中发生，并且也可以是均匀的或完全随机的。LCP涂层的厚度可以从非常薄(约100nm)变为非常厚(>1μm)，如上所述。LCP涂层可以使用光控对准层或其他液晶对准技术来图案化，诸如但不限于，摩擦聚酰亚胺、玻璃表面上的物理浮雕结构、单层涂层等。LCP涂层中可被调节的属性包括但不限于，涂层厚度、异常和正常折射率、液晶角度、图案化的任何维度中的周期性、相对于表面浮雕光栅的图案化的方向性、经图案化液晶区域与未经图案化液晶区域之间的特征的锐度等。
失配折射率涂层或基板
现在参考图8，根据本发明的技术的某些实施例，波导800包括透明平面光学组件802，其具有与块基板106(组件112、114和116被形成于其中或其上的)不同的折射率并且被定位在毗邻且粘合到块基板106的主平面表面108或110中的一者。更具体地，块基板106具有折射率n1，而光学组件具有折射率n2，其中n2≠n1。平面光学组件802(也可被称为毗邻光学组件802)的厚度是基板被用作其光学传输介质的光的波长的至少十倍(即10x)，并且因而平面光学组件802也是块基板，只是与(组件112、114和116被形成于其中或其上的)块基板106不同的块基板。换言之，毗邻平面光学组件802是相对于(组件112、114和116被形成于其中或其上的)块基板106具有失配的折射率的涂层或基板(例如平板)。
只要光学组件各自的折射率彼此不同达至少0.05，则它们就被认为彼此具有不同的折射率。相反，如果光学组件各自的折射率彼此不同达小于0.05，则它们就被认为具有基本上相同的折射率。如果光学组件各自的折射率彼此不同达至少0.2，则它们就被认为具有显著不同的折射率。
在图8中，标号804表示块基板106与毗邻平面光学组件802之间的物理边界。毗邻平面光学组件802可以由玻璃或光学塑料制成。替换地，毗邻平面光学组件802可以是被沉积在块基板106的主平面表面108或110中的一者上的涂层。在某些实施例中，毗邻平面光学组件802由各向同性材料制成，在此情形中平面光学组件802在所有方向(例如，x、y和z方向)上具有相同的光学属性。在其他实施例中，毗邻平面光学组件802由各向异性材料制成，在此情形中，平面光学组件802在不同方向上具有不同光学属性(例如，x方向上的光学属性不同于y和z方向中的至少一者上的光学属性)。在一具体示例中，相对于(组件112、114和116被形成于其中或其上的)块基板106具有失配折射率的平面光学组件802可以是LCP涂层。换言之，LCP涂层702(上文参考图7描述的)可以是相对于块基板106具有失配折射率的平面光学组件802(参考图8描述)。
在某些实施例中，毗邻平面光学组件802(无论是由各向同性材料还是由各向异性材料制成)可以被配置成充当用于光的某些偏振和/或角度的选择性反射器。在毗邻平面光学组件802是各向异性的情况下，涂层的轴向分量可以在相对于波导几何形状的不同几何形状中被施加(取决于不同DOE的方向)以优化性能。
具体地参考图8，带箭头的实线806表示(由输入耦合器112)被耦合进入块基板106，并且传播通过具有折射率为n1的块基板106，朝向边界804(在块基板106与毗邻平面光学组件802之间具有折射率n2)的光。如菲涅尔等式和斯涅耳定律所指明的，在块基板106内行进的光以低于临界角(如由斯涅耳定律所指定的)的入射角入射在边界804上的情况下，入射在边界804(在块基板106与毗邻平面光学组件802之间)上的光的第一部分反射离开边界804并且停留在块基板106中，而在块基板106内行进并且入射在边界804上的光的另一部分被折射进入毗邻平面光学组件802。在图8中，带箭头的虚线808对应于在边界804被反射的光，而带箭头的虚线810对应于在边界804被折射的光。在(由与边界804相对的平面光学组件802的主平面表面)进一步反射之后，该光中的一些将被反射离开边界804(在块基板106与毗邻平面光学组件802之间)并且停留在毗邻平面光学组件802内，而该光中的一些将被折射回到块基板106中。这一现象将沿波导的长度继续，以使得光的一些部分将与光的其他部分行进不同的路径长度。这将具有提供波前相位分集的效果，波前相位分集可以在光入射在输出耦合器116上的时候提供光的均匀波前相位分布。值得注意的是，仅仅在图8中示出了一些光的反射和折射，以便不使得附图过于混乱。在块基板内行进且入射在边界804上的光超过临界角(如由斯涅耳定律所指定的)的情况下，入射在边界804(在块基板106与毗邻平面光学组件802之间)上的光会经历TIR，并且该光中没有任何部分将被折射进入毗邻平面光学组件802。
在波导包括易于受到多回路干扰的中间组件114(如上参考图4描述的)的情况下，对于在被重新组合之前行进若干不同路径长度的光(要被成像在人眼视网膜上的同一点上)存在益处。如上所述，如果来自不同路径的光束具有相同的光路长度和相同的偏振取向并且被成像到人眼视网膜的相同部分上，则光发生相干干涉并且强度等于光束的标量和，这将是有利的，但在实践中对于所有可能的光路来说却是非常难以达成的。相反，如果来自不同路径的光束具有不同的光路长度，以使得它们相位相差恰好180度具有相同的偏振取向，则会发生完全相消干涉，从而实质上破坏使用波导再现的预期图像或瞳孔。更具体地，如果两束相关光束完全相位错开(即180度或π弧度)，如果光束被成像到人眼视网膜的同一点上则会发生相消干涉，这将导致暗色图像伪像，而这是不合乎需要的。通过致使(要被成像到人眼视网膜上的同一点上的)光行进通过多个不同路径长度，通过使用毗邻平面光学组件802(其相对于组件114、116和118被包括在其中或其上的块基板106具有失配的折射率)，相消干涉将被平均化，这对于对多回路干扰进行补偿具有有益效果。换言之，增加毗邻平面光学组件802(其相对于(组件112、114和116被形成于其中或其上的)块基板106具有失配的折射率)的目的之一在于对由中间组件114引起的多回路干扰进行补偿。
增加毗邻平面光学组件802(其相对于(组件112、114和116被形成于其中或其上的)块基板106具有失配的折射率)的另一目的在于改进并且优选地达成基本上均匀的瞳孔分布，或更一般地减少瞳孔再现伪像。例如，回头参考图5A-5D，增加毗邻平面光学组件802(其相对于块基板106具有失配的折射率)可以被用于将原本具有对应于图5B或5C中示出的函数的瞳孔分布的波导改变为基本上均匀的瞳孔分布函数，如图5D中所示。
在某些实施例中，毗邻平面光学组件802的折射率n2大于块基板的折射率n1(即n2>n1)。在其他实施例中，毗邻平面光学组件802的折射率n2小于块基板的折射率n1(即n2<n1)。在毗邻平面光学组件802的折射率n2小于块基板106的折射率n1的情况下，由于存在副TIR条件而存在进一步的优势。例如，如果n1＝1.7而n2＝1.5，则TIR发生的临界角是相对于边界804法向的62.9度。相应地，在块基板106中行进且以大于62.9度的入射角(相对于边界804法向)入射在边界804上的光将会永不折射出块基板106进入毗邻平面光学组件802。这些高入射角对于瞳孔再现是问题最大的。在这些实施例中，波导的表面厚度对于与具有较低入射角的光相比具有较高入射角的光来说将会变小，其中光或者光的至少一部分将传播通过块基板106和毗邻平面光学组件802两者。相应地，反射节点之间的距离对于具有高入射角的光束(与具有较低入射角的光束相比)来说也将变短，并且输出分布的空间剖面将由于更紧密交叠的瞳孔而变得更同质。
毗邻平面光学组件802(相对于块基板106具有失配的折射率)可以被附连到或以其他方式用各种不同方式被施加到块基板106。例如，在被实现为涂层材料的情况下，涂层材料可以通过各种制造工艺来施加，包括但不限于层压、湿法涂敷(例如旋涂)、沉积技术等。
在图8中，毗邻平面光学组件802(相对于块基板106具有失配的折射率)被示为被添加到毗邻块基板106的主平面侧中的仅一者。在其他实施例中，两个毗邻平面光学组件(相对于块基板106具有失配的折射率)可以被添加，以使得它们毗邻块基板106的两侧主平面(即，一个毗邻每一个相对侧)。在此类实施例中，被添加到毗邻块基板106的相对两侧主平面的两个毗邻平面光学组件可具有彼此相同的折射率，或彼此不同的折射率。在还有一些其他实施例中，块基板106可以被分成两半(平行于主表面108和110)，并且平面光学组件802(相对于块基板106具有失配的折射率)可以被嵌入在这两半之间，在此它可充当容体层。
基于液晶聚合物(LCP)的表面浮雕光栅(SRG)
衍射光栅是具有周期性结构的光学组件。当周期性结构是在光学组件的表面上时，其被称为表面光栅。当周期性结构归因于表面本身的变化时，其被称为表面浮雕光栅(SRG)。例如，SRG可包括在光学组件的表面中的被均匀直槽间隔区域分隔开的均匀直槽。槽间隔区域可被称为“线”、“光栅线”和“填充区”。SRG的衍射的性质取决于入射在SRG上的光的波长以及SRG的各种光学特性两者，光学特性诸如线间隔、槽深度和槽倾斜角。SRG可通过合适的微制造工艺来制造，这可涉及蚀刻基板和/或在基板上沉积以在基板上制造所需周期性微结构以形成光学组件，这随后被用作生产母版，诸如用于制造进一步光学组件的模具或掩模。SRG是衍射光学元件(DOE)的示例。当表面上存在DOE时(例如，当DOE是SRG时)，该表面的由DOE横跨的部分可被称为DOE区。
如上所述，在图1A-1C的讨论中，输入耦合器112、中间组件114和/或输出耦合器116可以是SRG。在这种情形中，可以通过将SRG蚀刻进入块基板106的主平面表面108或110中的一者中来在块基板106“中”形成SRG，或者可以通过将SRG形成在覆盖块基板106的主平面表面108或110中的一者的各向同性涂层中来在块基板108“上”形成SRG。
在本发明的技术的具体实施例中，代替在覆盖块基板106的主平面表面108或110中的一者的各向同性涂层中形成SRG，取而代之在液晶聚合物(LCP)涂层中形成一个或多个SRG。相应地，在组件112、114或116中的任何一者是形成在LCP涂层中的SRG的情况下，该组件可以被称为基于LCP的SRG。换言之，回头参考图1A、1B和1C，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116中的任何一者、两者或全部可以被实现为基于LCP的SRG。在此类实施例中，SRG由LCP制成的效果将在光每次与基于LCP的SRG进行相互作用时发生。
LCP涂层(如上参考图7讨论的各实施例的讨论中所描述的)是光学各向异性且双折射材料，该材料具有取决于光的偏振和光的传播方向的折射率(也被称为折射率)。更具体地，各向同性聚合物涂层在所有方向上具有均匀的折射率，而各向异性双折射LCP涂层沿材料的至少一个轴具有不同的折射率(对于单光轴双折射材料，一个轴不同于另外两个轴；对于双光轴双折材料，所有三个轴都可能不同)。
将组件112、114和/或116中的一者或多者形成为基于LCP的SRG使得对入射在SRG上的光的折射/衍射具有更多控制。这是因为传播的不同偏振和角度会经历基于LCP的SRG的不同折射率，并且会导致衍射效率和均匀性方面的差异。
SRG形成于其中的LCP可以通过对准层或全息技术来对准。例如，在某些实施例中，经组合的纳米压印光刻可被用于达成期望的物理表面结构，并且全息暴露可被用于达成期望的液晶对准。其它实现也是可能的，且在本发明的技术的各实施例内。
如果恰适地取向，基于LCP的SRG可类似于波延迟片那样运作并且旋转传入光束的偏振状态。例如，如果输入耦合器112和输出耦合器116两者都是基于LCP的SRG，在输出耦合器116具有与输入耦合器112正交的光栅线的情况下，这应当增加波导的光学效率。另外，将中间组件114实现为基于LCP的SRG还应当增加波导的光学效率。
在输入耦合器112、中间组件114和/或输出耦合器116是基于LCP的SRG的情况下，每一个此类基于LCP的SRG可以被形成在块基板106的主平面表面108或110中的一者上。输入耦合器112、中间组件114或输出耦合器116中的至少一者是形成在块基板106的主平面表面中的一者(例如108)上的基于LCP的SRG，而输入耦合器112、中间组件114或输出耦合器116中的至少另一者是形成在块基板106的主平面表面中的另一者(例如110)上的基于LCP的SRG也是可能的。
在波导100包括被实现为基于LCP的SRG的中间组件114的实施例中，被中间组件114的表面浮雕光栅线反射和衍射的各个光束结果将具有异质偏振分布。这是有益的，因为异质偏振分布补偿了在不对其进行补偿的情况下会引起局部强度的非均匀性的多回路干扰的负面效应。
双侧衍射光学元件
如上所述，在图1A、1B和1C的讨论中，在某些实施例中，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以全部被实现为SRG。此类SRG可以全部被定位在波导100的块基板106的主平面表面108或110中的同一者之中或之上。替换地，输入耦合器112、中间组件114或输出耦合器116中的至少一者是形成在块基板106的主平面表面中的一者(例如108)上的SRG，而输入耦合器112、中间组件114或输出耦合器116中的至少另一者是形成在块基板106的主平面表面中的另一者(例如110)上的SRG也是可能的。
在本发明的技术的某些实施例中，现在将参考图9A和9B进行讨论，输入耦合器、中间组件或输出耦合器中的任何一者、两者或全部可以被实现为双侧SRG或更一般地双侧DOE。图9A和9B分别是波导900的俯视图和侧视图，其中输入耦合器、中间组件和输出耦合器中的每一者被实现为双侧DOE。波导900的前视图可以看上去例如与图1A中示出的波导100的前视图相同或类似。此类波导900的前视图并未被包括，因为前视图不会示出输入耦合器、中间组件和输出耦合器如何被实现为双侧DOE，因为块基板106的平面主表面108或110中的一者上的DOE会与主平面表面的另一者上的DOE完全交叠。
参考图9A和9B，在输入耦合器是双侧DOE的情况下，输入耦合器包括在主平面表面110上的DOE 112a以及在另一主平面表面108上的DOE 112b。相应地，此类输入耦合器可以被指代为输入耦合器112a-b。在中间组件是双侧DOE的情况下，中间组件包括在主平面表面110上的DOE 114a以及在另一主平面表面108上的DOE 114b，并且因而可以被指代为中间组件114a-b。类似地，在输出耦合器是双侧DOE的情况下，输出耦合器包括在主平面表面110上的DOE 116a以及在另一主平面表面108上的DOE 116b，并且因而可以被指代为输出耦合器116a-b。输入耦合器112a-b、中间组件114a-b以及输出耦合器116a-b可以被共同指代为双侧DOE组件112a-b、114a-b和116a-b。
根据某些实施例，与组件112a-b、114a-b或116a-b中的一者相关联的一对DOE中的每一DOE的光栅周期和取向被精确匹配，以不负面地影响成像系统的调制传递函数(MTF)和/或产生双重成像。例如，对于组件112a-b，DOE 112a的光栅周期和取向被精确匹配到(即与其相同)DOE 112b的光栅周期和取向。类似地，对于组件114a-b，DOE 114a的光栅周期和取向被精确匹配到DOE 114b的光栅周期和取向；并且对于组件116a-b，DOE 116a的光栅周期和取向被精确匹配到DOE 116b的光栅周期和取向。
根据某些实施例，被包括在相对的一对DOE中，与组件112a-b和116a-b中的一者相关联的是透射式光栅和反射式光栅。例如，对于组件112a-b，DOE 112a可以是透射式光栅而DOE 112b可以是反射式光栅。对于另一示例，对于组件116a-b，DOE 116a可以是反射式光栅而DOE 116b可以是透射式光栅。其它变型也是可能的，且在本发明的技术的各实施例内。在中间组件是双侧DOE的情况下，两个DOE应当是反射式光栅，因为中间组件不旨在将光耦合出波导。换言之，对于组件114a-b，DOE 114a和DOE 114b两者应当都是反射式光栅。
对于单侧DOE波导，在它们与DOE交互时，仅仅在传播通过块基板(例如106)的光中引入偏振和相位变化。通过双侧DOE取向，在DOE被包括在块基板106的主平面侧108和110两者之中或之上的情况下，引发双倍数目的衍射相互作用，其中与DOE的每一次相互作用引发相位和偏振变化。更具体地，双侧DOE的使用会增加在波导内行进的光的波前的相位分集，因为未被(一对DOE的)第一DOE衍射但被(该一对DOE的)第二DOE衍射的光在入射在(该一对DOE的)第二DOE之前将已经行进较大的路径长度(已经行进通过块基板106的厚度)。此外，在来自DOE的每一次衍射和/或反射致使偏振旋转的情况下，在块基板106的两个主平面侧108和110之中或之上包括DOE会引发双倍数目的偏振旋转，这将提供异质偏振分布。相应地，包括双侧DOE可被用于对由中间组件114(如果存在的话)引起的多回路干扰进行补偿，提供(在已经行进通过波导100之后)入射在输出耦合器116上的光的异质偏振分布，并且提供基本上均匀的瞳孔分布，并且藉此，此类实施例可被用于在输出耦合器116处退出波导100的光中提供基本上均匀的强度分布。
双侧DOE的另一益处在于它们提供了与单侧DOE系统相比更好的系统效率，因为未被一对DOE中的第一DOE衍射的任何光的至少一部分在光首次入射时将可能被该一对DOE中的第二DOE衍射。
被包括在主平面表面108或110中的一者之中或之上的DOE可以被蚀刻进入块基板106的主平面表面108或110中的一者中，在此情形中，每一次此类DOE可以被称为被形成在块基板106“中”。替换地，每一DOE(例如，其可以是SRG)可以被物理地形成在覆盖块基板106的主平面表面108或110中的一者的涂层中，在此情形中，每一个此类DOE可以被称为被形成在块基板106“上”。此类涂层可以是各向同性的，或者替换地可以是各向异性的LCP涂层，它们的益处在上文讨论过。例如，对于每一个双侧DOE，DOE中的一者或两者可以是基于LCP的SRG。
形成在主平面表面108或110中的一者之中或之上的DOE可以按照与DOE被形成在主平面表面108中的另一者之中或之上的相同或不同的方式来形成。用任一种方式，组件112a-b、114a-b和116a-b被认为是波导900的各部件。
在某些实施例中，在组件112a、114a和116a是被形成在覆盖主平面表面110的涂层中的DOE，并且组件112b、114b和116b是被形成在覆盖另一主平面表面108的涂层中的DOE的情况下，覆盖相对主平面表面110和108的涂层可以是相同或不同类型的涂层材料，并且可以是相同或不同厚度。
波导的输入耦合器、中间组件和输出耦合器中的每一者可以被实现为双侧DOE。替换地，波导的输入耦合器、中间组件或输出耦合器中的一者或多者可以被实现为双侧DOE，而这些组件中的其他组件则不被实现为双侧DOE。输入耦合器或输出耦合器中的一者或多者被实现为双侧DOE并且波导根本不包括中间组件也是可能的。
可切换液晶层
根据本发明的技术的某些实施例，波导包括可切换液晶(LC)层，该可切换液晶层可被用于改进在输出耦合器处退出波导的光的局部非均匀性。在某些此类实施例中，LC层中的图案可以在眼框中的不同点处被选择性地导通或关断，如下文更详细地讨论的。可切换(LC)层是容体层的示例，该容体层可以被嵌入块基板内以致使由输出耦合器从波导输出的光与没有容体层的情况下相比具有更均匀的强度分布。
现在将参考图10来描述此类实施例的示例，图10是波导1000的俯视图，波导1000包括被嵌入在波导1000的主平面表面1010和1008之间的可切换液晶(LC)层1020。更具体地，可切换LC层1020被夹在一对块基板106a和106b之间。块基板106a、106b中的每一者可以由相同块材料制成，并且可具有相同的折射率。替换地，块基板106a、106b可以彼此由不同材料制成，并且可具有彼此不同的折射率，这提供了上文参考图8讨论的益处。为简单起见，除非另外指定，在讨论图10时，假定块基板106a和106b由相同材料制成并且具有相同的折射率。块基板106a、106b的厚度可以彼此相同或不同。为简单起见，除非另外指定，假定块基板106a和106b的厚度是相同的。
在某些实施例中，透明电极(其形状和大小限定了可使用可切换LC层1020产生的液晶像素的形状和大小)可以在可切换LC层1020的两侧上被图案化，例如，在块基板106a和106b的内表面上或毗邻块基板106a和106b的内表面。替换地，透明电极可以是被图案化在可切换LC层1020的仅一侧上或毗邻可切换LC层1020的仅一侧的指叉式电极，例如在块基板106a和106b中的仅一者的内表面上或毗邻块基板106a和106b中的仅一者的内表面。此类透明电极可以由例如氧化铟锡(ITO)制成，但并不限于此。在其中透明指叉式电极被图案化在可切换LC层1020的仅一侧上或毗邻可切换LC层1020的仅一侧的某些实施例中，可切换LC层可以是包括对准组件(例如，对准子层)以对LC分子的顶部或底部进行取向的扭曲向列(TN)LC层。
电场的选择性施加(例如通过在电极对(可以是相对的或指叉式)之间施加电压)可被用于选择性地导通或关断特定液晶像素，它们也可更简洁地称为像素。此类电极可以例如其中包括波导1000的系统的控制器1030来控制，如上所述，该系统可以是成像系统，诸如HMD、NED、或HUD系统，但并不限于此。此类控制器1030可以由微控制器、微处理器、或专用集成电路(ASIC)或分立电路系统来实现，但并不限于此。
根据本发明的技术的具体实施例，电极可以被单独寻址(即，单独导通或关断)以改变可切换LC层1020中的光学属性(例如，折射率)并且藉此改变波导在眼框各个不同位置处的光学属性。
LC层1020可充当波导1000内的反射表面，只要LC层1020的折射率不同于周围块基板106a和106b的折射率。例如，其中行进通过块基板106a的光入射在边界(在块基板106a与LC层1020之间)上时，入射在边界上的光的一部分(如取决于在边界处相遇的两个介质的折射率以及入射角)可以通过TIR反射回到块基板106a中，而光的另一部分折射进入LC层1020，经历某种程度的延迟(即偏转旋转)并且进入另一块基板106b以在波导1000中继续TIR。延迟的这一引入将改变通过波导的光的偏振状态，并且帮助克服瞳孔再现非均匀性问题，这在上文参考图5A描述。
在某些实施例中，液晶像素中的每一者(被控制器1030单独寻址)可以例如通过在与像素相关联的电极对之间不施加电压或施加预定的非零电压来关断或导通。在其他实施例中，液晶像素可以被导通到不同程度，以使得存在比单纯全关或全开更多的状态(即，三个或更多个)。在此类后者实施例中，取决于它们的用途，个体像素或像素群可以通过将像素调谐到正确水平来进行校准。例如，可以执行校准以优化图像质量的某些测量，诸如强度均匀性。其它变型也是可能的，且在本发明的技术的各实施例内。
在其中波导1000包括可切换LC层1020的实施例中，液晶像素的大小应当足够大，以使得像素在被导通时不充当衍射光栅。这应当通过使得像素大小在水平和垂直两个方向上(即平行于主平面表面的方向上)至少是波导1000被用作其光学传输介质中的光的波长的至少一千倍(即1000x)来确保。例如，对于具有波长为620nm的红光，像素大小应当至少是630μm。在某些实施例中，像素在水平和垂直两个方向上各自至少为1000μm(即，至少1mm)，这应当确保它们不会用作衍射光栅，尽管微小的边缘或孔径衍射可能是无法避免的。更一般地，基本上所有像素(即至少90％)中的每一者的大小在平行于平面光学波导的块基板的第一和第二主平面表面的水平和垂直两个方向上至少是波导被用作其光学传输介质中的光的波长的一千倍。
定义像素的电极可以被图案化以与输入耦合器112、中间组件114或输出耦合器116中的任何一者、两者或全部相一致。电极的形状和图案对于组件112、114和116中的每一者可以是相同的，或者对于组件112、114和116中的不同者可以是不同的。
在各实施例中，诸如参考图10描述的实施例，其中两个块基板(例如106a和106b)之间嵌入了另一光学组件(例如，可切换LC层1020)，这两个块基板(例如106a和106b)可以被统称为其中嵌入有嵌入式光学组件的块基板，或者更具体地在块的主平面表面之间嵌入有嵌入式光学组件的块基板。根据某些实施例，液晶像素可以在时间上被调整(例如抖动)以随着时间跨各个像素提供不同的光路长度。经时间调节(例如抖动)的液晶像素可被用于提供增加的光路长度分集，增加的相位分集，以及增加的偏振分集，以藉此提供均匀强度分布方面的附加改进。在此类实施例中，切换速度可以在约2到4微秒的量级上，在此情形中，LC层1020应当包括快速切换液晶。
在其中包括波导1000的系统还包括提供眼睛跟踪能力的眼睛跟踪子系统的某些实施例中，某些液晶像素可以取决于如使用眼睛跟踪子系统所确定的注视位置和/或注视角度被导通或关断(完全导通或关断或者导通或关断到不同的程度)。例如，可以执行校准以确定要导通哪些像素(以及像素应当被导通到什么程度)以优化针对各种不同注视位置和/或注视角度的图像质量的某种测量(诸如强度均匀性)。对于更具体的示例，取决于不同的注视位置和/或注视角度，指定要导通哪些像素(以及像素应当被导通到什么程度)的信息可以被存储在表中或者以其他方式被存储在控制器1030中或者与其相关联的数据存储(例如存储器)中。眼睛跟踪子系统可以向控制器1030实时提供注视位置和/或注视角度，藉此使得控制器1030能够实时确定要导通和关断哪些像素(以及像素应当被导通到什么程度)。其它变型也是可能的，且在本文描述的各实施例的范围内。
混合SRG-VBG光栅
根据本发明的技术的某些实施例，波导包括一个或多个混合光栅，该一个或多个混合光栅可被用于在输出耦合器处退出波导的光中提供基本上均匀的局部和全局强度分布。更具体地，此类混合光栅可包括SRG和体布拉格光栅(VBG)并且因而可以被称为混合SRG-VBG光栅。VBG是具有周期性折射率变化的透明光栅，以使得在满足所谓的布拉格条件的某一波长周围的某一波长范围(带宽)中可达到高折射效率。VBG可被包括在块基板内或作为容体层被嵌入块基板内以致使由输出耦合器从波导输出的光与没有容体层的情况下相比具有更均匀的强度分布。
现在将参考图11来描述此类实施例的示例，图11是波导1100的俯视图，波导1100包括被嵌入在波导1100的主平面表面1110和1108之间的VBG层1020。更具体地，VBG层1020被夹在一对块基板106a和106b之间。块基板106a、106b中的每一者可以由相同块材料制成，并且可具有相同的折射率。替换地，块基板106a、106b可以彼此由不同材料制成，并且可具有彼此不同的折射率，这提供了上文参考图8讨论的益处。为简单起见，除非另外指定，在讨论图11时，假定块基板106a和106b由相同材料制成并且具有相同的折射率。块基板106a、106b的厚度可以彼此相同或不同。为简单起见，除非另外指定，假定块基板106a和106b的厚度是相同的。
在某些实施例中，诸如参考图11描述的实施例，其中存在在它们之间嵌入有另一光学组件(例如，VBG)的两个块基板(例如106a和106b)，这两个块基板(例如106a和106b)可以被统称为其中嵌入有嵌入式光学组件的块基板，或者更具体地在块基板的主平面表面之间嵌入有嵌入式光学组件的块基板。
在其中波导1100包括嵌入在波导1100的主平面表面1110与1108之间的VBG层1120的某些实施例中，组件112、114和116中的每一者被实现为SRG。在此类实施例中，各种不同的VBG可以被形成在VBG层1020内，以使得单独的VBG对应于输入耦合器112、中间组件114和/或输出耦合器116中的任何一者、两者或全部。例如，第一VBG 1122可以与输入耦合器112一致且完全交叠，第二VBG 1124可以与中间组件114一致且完全交叠，并且第三VBG1126可以与输出耦合器116一致且完全交叠。在这种情形中，输入耦合器112和第一VBG1122可以被统称为SRG-VBG混合输入光栅，中间组件114和第二VBG 1124可以被统称为SRG-VBG混合中间光栅，并且输出耦合器116和第三VBG 1126可以被统称为SRG-VBG混合输出光栅。更一般地，此类对可以被称为SRG-VBG混合光栅。在此类实施例中，第一、第二和第三VBG1122、1124和1126也可分别被称为输入VBG 1122、中间VBG 1124和输出VBG 1126。
根据某些实施例，SRG-VBG混合光栅的SRG和对应的VBG的光栅周期和取向被精确地彼此匹配以免负面地影响成像系统的调制传递函数(MTF)和/或产生双重成像。例如，对于SRG-VBG混合输入光栅，输入VBG 1122的光栅周期和取向被精确匹配到(即与其相同)SRG输入耦合器112的光栅周期和取向。类似地，对于SRG-VBG混合中间光栅，中间VBG 1124的光栅周期和取向被精确地匹配到SRG中间组件114的光栅周期和取向；而对于SRG-VBG混合输出光栅，输出VBG 1126的光栅周期和取向被精确地匹配到SRG输出耦合器116的光栅周期和取向。
对于任何个体SRG-VBG混合光栅，SRG和VBG两者可以都是透射式光栅，两者可以都是反射式光栅，或者一者可以是透射式光栅而另一者是透射式光栅。
每一VBG可以是通过将体相位光栅或全息图记录在聚合物分散型液晶(PDLC)混合物中而形成的衍射式器件。参考图11，每一VBG可以例如通过首先将光可聚合性单体和液晶材料的混合物置于块基板106a和106b的相对平行内平面表面之间来制造。VBG接着可以通过用两束相互相干的激光束(它们进行相干以形成期望光栅结构)照射液体材料来被记录。在记录过程期间，单体聚合化和PDLC混合物经历相分离，从而造成被液晶微液滴密集填充的区域，散布有清晰聚合物的区域。交替的丰富液晶区域和缺乏液晶区域形成光栅的边缘面。所得的VBG可能展现出非常高的衍射效率。
在某些实施例中，VBG可以是可切换布拉格光栅(SBG)，在此情形中，块基板106a和106b的内平面表面中的一者或两者可支持用于跨PDLC层施加电场的透明电极。在此类实施例中，当电场经由透明电极被施加到SBG时，LC液滴的自然取向被改变，从而致使边缘的折射率调制减小并且全息衍射效率降低到非常低的水平。注意到，器件的衍射效率可以通过所施加的电场(例如电压)在从没有电压被施加的接近100％效率到足够高的电压被施加的几乎0效率的连续范围上来调节。此类电极可以例如由其中包括波导1100的系统的控制器1130来控制，如上所述，该系统可以是成像系统，诸如HMD、NED、或HUD系统，但并不限于此。此类控制器1130可以由微控制器、微处理器、或专用集成电路(ASIC)或分立电路系统来实现，但并不限于此。在VBG不是可切换的情况下，控制器1130不必被包括。
如上所述，VBG被嵌入其间的块基板106a、106b可具有相同的折射率，或者替换地可以彼此由不同材料制成并且可彼此具有不同的折射率。这后一种情形实际上将参考图11描述的SRG-VBG混合光栅实施例与上文参考图8描述的失配折射率实施例相组合。
如果组件112、114和116各自仅被实现为SRG，则在光与SRG相互作用时仅在传播通过块基板的光中引入偏振和相位变化。通过SRG-VBG光栅，双倍数目的衍射相互作用被引发，其中与光栅的每一次相互作用引发相位和偏振变化，藉此使输出分布同质化。
更具体地，SRG-VBG混合光栅的使用将增大在波导内行进的光的波前的相位分集，由于未被(混合光栅中的)SRG衍射但被(混合光栅的)VBG衍射(或者相反)的光在入射在VBG上之前将已经行进较长的路径长度(例如，已经行进通过块基板106a的厚度)。此外，在来自光栅的每一次衍射和/或反射致使相位旋转的情况下，包括SRG和VBG两者将引发双倍数目的偏振旋转，这将提供异质偏振分布。相应地，包括SRG-VBG混合光栅可被用于对由中间组件114(如果存在的话)引起的多回路干扰进行补偿，提供(在已经行进通过波导100之后)入射在输出耦合器116上的光的异质偏振分布，并且提供基本上均匀的瞳孔分布，并且藉此，此类实施例可被用于在输出耦合器116处退出波导100的光中提供基本上均匀的强度分布。
SRG-VBG混合光栅的另一益处在于它们应当提供与单独SRG相比更好的衍射效率，因为未被SRG衍射的任何光的至少一部分在光首次入射之际将可能被对应的VBG衍射，或者相反。
使用VBG的另一优势在于角带宽可以例如通过将VBG调谐到未被对应SRG有效衍射的角度来被高度调谐到一组输入角，以进一步改进强度均匀性。
衍射光栅(诸如VGB)的K向量按照定义与衍射光栅的边缘平面呈法向(即垂直)。术语k向量的角度如此处所使用的指的是k向量相对于衍射光栅的表面法向的角度。换言之，尽管每一k向量垂直于各自的边缘平面，但每一k向量可具有相对于衍射光栅的表面法向的不同的k向量角度。根据某些实施例，输入VBG 1122具有滚动k向量，其在输入VBG 1122的边界之间逐渐改变，以便改变输入VBG 1122的衍射效率。例如，参考图12，其中示出了多个边缘平面中的两个示例性边缘平面1202，而其他边缘平面未示出。此类边缘平面1202定义光栅周期性(Λ)，它们也可被称为边缘、光栅平面或布拉格平面。同样在图12中示出的是与衍射光栅的表面呈法向的虚线1204。还示出了两个k向量，每一个k向量垂直于各自的边缘平面1202，并且每一个k向量具有相对于衍射光栅的表面法向不同的k向量角度。替换地，k向量可包括针对输入VBG 1122的不同部分的两个或更多个不同k向量，它们被用于优化到显示器视野中心的角带宽。在此实施例中，输入VBG具有改进显示器视野末端处的衍射效率的两个不同k向量以改进系统的全局非均匀性将是有利的。
应当理解，可切换体布拉格光栅可以被像素化并且被部分开启以便优化跨光栅表面的衍射效率。这可以与眼睛跟踪器相结合地使用以优化针对特定眼睛位置的衍射效率曲线。另外，如果SBG足够快，则它可以在时间上被抖动以改进像素切换时间上的亮度均匀性。
上文描述的本发明的技术的各实施例可以被用于各种不同的组合。例如，LCP涂层106可以被添加到包括一个或多个SRG-VBG混合光栅的波导。对于另一示例，如上文已经描述的，包括一个或多个SRG-VBG混合光栅的波导还可包括毗邻平面光学组件，该毗邻平面光学组件相对于其上或其中提供SRG的块基板具有失配的折射率。对于另一示例，波导可在其主平面表面中的一者之中或之上包括基于LCP的SRG，并且可在其另一主平面表面上包括LCP涂层(其中不包括光栅)。对于又一个示例，在波导包括一个或多个SRG-VBG混合光栅的情况下，混合光栅中的一个或多个的SRG可以是基于LCP的SRG。这些仅仅是本文所描述的技术的各实施例能够被组合的若干示例性方式，但它们并不旨在是全涵盖的。
本文描述的某些实施例涉及一种用于将与输入瞳孔相关联的图像再现到输出瞳孔的装置。此类装置可包括平面光学波导，该平面光学波导包括块基板，并且还包括输入耦合器、中间组件和输出耦合器，它们中的任一者被形成在块基板之中、之上或被嵌入块基板内。在某些实施例中，输入耦合器被配置成将与关联于输入瞳孔的图像相对应的光耦合进入波导的块基板并且朝向中间组件耦合，中间组件被配置成执行水平或垂直瞳孔扩张中的一者并且引导对应于图像的光朝向输出耦合器，并且输出耦合器被配置成执行水平或垂直瞳孔扩张中的另一者并且将对应于图像的光(在平面光学波导中从输入耦合器行进到输出耦合器)耦合出波导以使得光从输出瞳孔被输出和成像。块基板可包括第一主平面表面以及与第一主平面表面相对且平行的第二主平面表面。在某些实施例中，中间组件未被包括。
在某些实施例中，毗邻平面光学组件毗邻块基板的第一和第二主平面表面中的一者，并且被配置成致使由输出耦合器从波导输出的光具有与没有毗邻平面光学组件的情况相比更均匀的强度分布。在某些实施例中，毗邻平面光学组件包括以下至少一者：液晶聚合物(LCP)涂层或基板、或具有与块基板的折射率不同的折射率的涂层或基板。
在某些实施例中，从输入耦合器行进到输出耦合器的光的一部分通过TIR仅在块基板内行进，并且从输入耦合器行进到输出耦合器的光的另一部分行进通过块基板且通过毗邻平面光学组件两者。毗邻平面光学组件可以被配置成缓解在没有毗邻平面光学组件的情况下中间组件原本将会引起的多回路干扰的负面效应。毗邻平面光学组件也可被配置成对在波导内行进的光的偏振随机化。例如，毗邻平面光学组件可以被配置成使在波导内行进的光的偏振随机化，以使得在波导内行进的入射在输出耦合器上的光具有基本上异质偏振分布。在某些实施例中，毗邻平面光学组件被配置成使在波导内行进的光的波前的相位偏移，以使得由输出耦合器从波导输出的光的波前具有基本上异质相位分布。在某些实施例中，毗邻平面光学组件被配置成在波导内行进的入射在输出耦合器上的光中提供基本上均匀的瞳孔分布。
毗邻平面光学组件可以是各向同性的。替换地，毗邻平面光学组件可以是各向异性的。在某些实施例中，毗邻平面光学组件是双折射的。在某些实施例中，毗邻平面光学组件包括LCP涂层。在具体实施例中，毗邻平面光学组件包括又一块基板，其中毗邻平面光学组件的折射率不同于块基板的折射率。在某些实施例中，中间组件不存在。
根据某些实施例，输入耦合器、中间组件或输出耦合器中的一者或多者包括被形成在液晶聚合物(LCP)涂层中的表面浮雕光栅(SRG)。在一些实施例中，输入耦合器、中间组件或输出耦合器中的一者或多者作为SRG被形成于其中的LCP涂层可覆盖块基板的主平面表面中的一者。输入耦合器、中间组件或输出耦合器中作为SRG被形成于LCP涂层中的一者或多者可以被配置成旋转入射到其上的光的偏振。在某些实施例中，输入耦合器、中间组件和输出耦合器中的每一者作为SRG被形成于LCP涂层中。在中间组件包括被形成于LCP涂层中的SRG的情况下，在中间组件是被形成于各向同性材料之中或之上的SRG的情况下这应当缓解由中间组件引起的多回路干扰的负面效应。
根据某些实施例，输入耦合器、中间组件或输出耦合器中的一者或多者包括双侧衍射光学元件(DOE)。在此类实施例中，每一双侧DOE可包括第一光栅和对应的第二光栅，第一光栅被形成于波导的块基板的第一主平面表面之中或之上，对应的第二光栅被形成于块基板的第二主平面表面之中或之上。根据某些实施例，对于每一个双侧DOE，双侧DOE的第一和第二光栅(分别被形成于块基板的第一和第二主平面表面之中或之上)的光栅周期和取向彼此匹配。在某些实施例中，对于每一个双侧DOE，双侧DOE的第一和第二光栅中的至少一者包括表面浮雕光栅(SRG)。在某些实施例中，对于至少一个双侧DOE，第一和第二光栅中的一者包括透射式光栅，而另一者包括反射式光栅。在某些实施例中，中间组件包括双侧DOE，其中中间组件的第一和第二光栅包括反射式光栅。在某些实施例中，中间组件不存在。
根据某些实施例，可切换液晶(LC)层被嵌入在波导的块基板的第一和第二主平面表面之间，其中可切换LC层被配置成致使被输出耦合器输出的光具有与没有可切换LC层的情况下相比更均匀的强度分布。在某些实施例中，可切换LC层不同于输入耦合器、中间组件和输出耦合器中的任何一者并且不提供输入耦合器、中间组件和输出耦合器中的任何一者的功能。可切换LC层可包括第一和第二主平面侧，其中至少一侧包括其上被图案化的透明电极，透明电极指定在各对透明电极之间施加电场时被形成的像素大小。在某些实施例中，基本上所有像素中的每一者的大小在平行于平面光学波导的块基板的第一和第二主平面表面的水平和垂直两个方向上至少是波导被用作其光学传输介质的光的波长的至少一千倍。在某些实施例中，基本上所有像素中的每一者的大小在平行于平面光学波导的块基板的第一和第二主平面表面的水平和垂直两个方向上至少是1mm。在某些实施例中，像素被配置成不作为衍射光栅来操作。一种装置还可包括控制器，该控制器被配置成选择性导通和关断个体像素。在某些实施例中，控制器可以被配置成选择性寻址个体像素，并且在与各个体像素相关联的各对电极之间选择性施加三个或更多个不同电压中的一者。LC层可以被配置成缓解在没有LC层的情况下中间组件引起的多回路干扰的负面效应。
在某些实施例中，输入耦合器、中间组件或输出耦合器中的一者或多者包括混合SRG-VBG光栅，混合SRG-VBG光栅包括表面浮雕光栅(SRG)和对应的体布拉格光栅(VBG)。每一混合SRG-VBG光栅可包括被形成于块基板的第一和第二主平面表面中的一者之中或之上的SRG，以及被嵌入在块基板的第一和第二主平面表面之间的对应的一致且完全交叠的VBG。在某些实施例中，对于每一混合SRG-VBG光栅，SRG和对应的VBG的光栅周期和取向被彼此匹配。在某些实施例中，对于每一个个体混合SRG-VBG光栅，SRG和对应的VBG两者都是透射式光栅或两者都是反射式光栅。在某些实施例中，对于至少一个混合SRG-VBG光栅，VBG包括可切换布拉格光栅(SBG)。在中间组件包括混合SRG-VBG光栅的情况下，这应当缓解在中间组件仅包括SRG的情况下由中间组件引起的多回路干扰的负面效应。
本发明的技术的某些实施例涉及用于平面光学波导的方法，该平面光学波导包括具有一对相对的主平面表面的块基板，并且该波导还包括输入耦合器、中间组件和输出耦合器，输入耦合器、中间组件和输出耦合器中的任一者被形成于块基板之中、之上或嵌入在块基板内。此类方法可包括：产生图像，使用输入耦合器将对应于图像的光耦合进入波导的块基板并且朝向中间组件耦合，使用中间组件来执行水平或垂直瞳孔扩张中的一者并且引导对应于图像的光朝向输出耦合器，并且使用输出耦合器来执行水平或垂直瞳孔扩张中的另一者并且将对应于图像的光(在平面光学波导中从输入耦合器行进到输出耦合器)耦合出波导。此类方法也可在不存在中间组件的情况下被使用。
一种方法可包括：使用毗邻平面光学组件(该毗邻平面光学组件毗邻波导的块基板的第一和第二主平面表面中的一者)以致使由输出耦合器从波导输出的光具有与没有毗邻平面光学组件的情况相比更均匀的强度分布。在某些实施例中，毗邻平面光学组件包括以下至少一者：液晶聚合物(LCP)涂层或基板、或具有与块基板的折射率不同的折射率的涂层或基板。上文汇总了毗邻平面光学组件的使用，并且因而不必进行重复。
一种方法可包括：使用形成于液晶聚合物(LCP)涂层中的一个或多个表面浮雕光栅(SRG)以致使由输出耦合器从波导输出的光具有与没有毗邻平面光学组件的情况相比更均匀的强度分布。
一种方法可包括：使用一个或多个双侧衍射光学元件(DOE)以致使由输出耦合器从波导输出的光具有与没有双侧DOE的情况相比更均匀的强度分布。
一种方法可包括：使用被嵌入在波导的块基板的第一和第二主平面表面之间的可切换液晶(LC)层以致使由输出耦合器输出的光具有与没有可切换LC层的情况下相比更均匀的强度分布。
一种方法可包括：使用一个或多个混合SRG-VGB光栅以致使由输出耦合器从波导输出的光具有与没有混合SRG-VGB光栅的情况相比更均匀的强度分布。
本发明的技术的某些实施例涉及透视混合现实显示设备系统。此类系统可包括显示引擎和平面光学波导。显示引擎被配置成产生图像。平面光学波导可包括块基板，并且还可包括输入耦合器、中间组件和输出耦合器，它们中的任一者被形成在块基板之中、之上或被嵌入块基板内。输入耦合器被配置成将对应于图像的光耦合进入波导的块基板并且朝向中间组件耦合。中间组件被配置成执行水平或垂直瞳孔扩张中的一者并且将对应于图像的光朝向输出耦合器引导。输出耦合器被配置成执行水平或垂直瞳孔扩张中的另一者，并且将对应于图像的光(在平面光学波导中从输入耦合器行进到输出耦合器)耦合出波导。在某些实施例中，中间组件未被包括。以上提供了输入耦合器、中间组件和输出耦合器的其他示例性细节，并且因而不必进行重复。
在此类系统中，可以使用用于致使由输出耦合器从波导输出的光具有更均匀的强度分布的各种技术中的任何一者或多者。例如，在某些实施例中，毗邻平面光学组件包括以下至少一者：液晶聚合物(LCP)涂层或基板、或具有与块基板的折射率不同的折射率的涂层或基板。如上所述，此类毗邻平面光学组件可以被配置成缓解在没有毗邻平面光学组件的情况下由中间组件引起的多回路干扰的负面效应，使在波导内行进的光的偏振随机化，使在波导内行进的光的波前的相位偏移以使得由输出耦合器从波导输出的光的波前具有基本上异质的相位分布，和/或在波导内行进的入射在输出耦合器上的光中提供基本上均匀的瞳孔分布。在某些实施例中，输入耦合器、中间组件或输出耦合器中的一者或多者包括双侧衍射光学元件(DOE)。在某些实施例中，输入耦合器、中间组件或输出耦合器中的一者或多者包括被形成在液晶聚合物(LCP)涂层中的表面浮雕光栅(SRG)。在某些实施例中，可切换液晶(LC)层被嵌入在波导的块基板的主平面表面之间以致使由输出耦合器输出的光具有与没有可切换LC层的情况下相比更均匀的强度分布。在某些实施例中，输入耦合器、中间组件或输出耦合器中的一者或多者包括混合SRG-VBG光栅以致使由输出耦合器从波导输出的光具有与没有混合SRG-VBG光栅的情况相比更均匀的强度分布。在某些实施例中，容体层被嵌入在块基板的主平面表面之间，其中容体层被配置成致使被输出耦合器输出的光具有与没有容体层的情况下相比更均匀的强度分布。容体层可包括对应于输入耦合器、中间耦合器和输出耦合器中的每一者的单独的体布拉格光栅(VBG)。VBG中的每一者可包括可切换布拉格光栅(SBG)。在某些实施例中，容体层包括不同于输入耦合器、中间组件或输出耦合器中的任何一者并且不提供输入耦合器、中间组件或输出耦合器中的任何一者的功能的可切换液晶层。以上提供了各实施例的附加细节，并且因而不必进行重复。
尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本发明主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于以上所描述的具体特征或动作。更确切而言，以上所描述的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 (16)

1.一种用于将与输入瞳孔相关联的图像再现到输出瞳孔的装置，所述装置包括：
平面光学波导，所述平面光学波导包括块基板并且还包括输入耦合器、中间组件以及输出耦合器；
所述输入耦合器被配置成将与关联于所述输入瞳孔的图像相对应的光耦合进入所述波导的所述块基板并且朝向所述中间组件耦合；
所述中间组件被配置成执行水平或垂直瞳孔扩张中的一者并且将对应于所述图像的光朝向所述输出耦合器引导；以及
所述输出耦合器被配置成执行水平或垂直瞳孔扩张中的另一者，并且将在所述平面光学波导中从所述输入耦合器行进到所述输出耦合器的、对应于所述图像的光耦合出所述波导以使得对应于所述图像的光从所述输出瞳孔被输出和成像；
其中所述输入耦合器、所述中间组件或所述输出耦合器中的一者或多者包括被形成在液晶聚合物LCP涂层中的表面浮雕光栅SRG。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述块基板包括第一主平面表面以及与所述第一主平面表面相对且平行的第二主平面表面；以及
所述输入耦合器、所述中间组件或所述输出耦合器中的所述一者或多者作为SRG被形成于其中的LCP涂层覆盖所述块基板的所述第一和第二主平面表面中的一者。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输入耦合器、所述中间组件或所述输出耦合器中作为SRG被形成于所述LCP涂层中的所述一者或多者被配置成旋转入射到其上的光的偏振。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输入耦合器、所述中间组件和所述输出耦合器中的每一者作为SRG被形成于所述LCP涂层中。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：
所述块基板包括第一主平面表面以及与所述第一主平面表面相对且平行的第二主平面表面；以及
所述输入耦合器、所述中间组件和所述输出耦合器中的每一者作为SRG被形成于其中的LCP涂层覆盖所述块基板的所述第一和第二主平面表面中的相同一者。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中间组件包括被形成于LCP涂层中的SRG，这缓解在所述中间组件是被形成于各向同性材料之中或之上的SRG的情况下由所述中间组件引起的多回路干扰的负面效应。
7.一种用于将与输入瞳孔相关联的图像再现到输出瞳孔的装置，所述装置包括：
平面光学波导，所述平面光学波导包括块基板并且还包括输入耦合器、中间组件以及输出耦合器，所述块基板包括第一主平面表面以及与所述第一主平面表面相对且平行的第二主平面表面；
所述输入耦合器被配置成将与关联于所述输入瞳孔的图像相对应的、在特定波长范围内的光耦合进入所述波导的所述块基板并且朝向所述中间组件耦合；
所述中间组件被配置成执行水平或垂直瞳孔扩张中的一者并且将对应于所述图像的、在所述特定波长范围内的光朝向所述输出耦合器引导；以及
所述输出耦合器被配置成执行水平或垂直瞳孔扩张中的另一者，并且将在所述平面光学波导中从所述输入耦合器行进到所述输出耦合器的、对应于所述图像的、在所述特定波长范围内的光耦合出所述波导以使得对应于所述图像的、在所述特定波长范围内的光从所述输出瞳孔被输出和成像；
其中所述输入耦合器、所述中间组件或所述输出耦合器中的一者或多者包括双侧衍射光学元件DOE，所述双侧DOE包括
透射式光栅，所述透射式光栅被形成于所述块基板的所述第一主平面表面之中或之上，所述透射式光栅具有第一光栅周期和取向，并且被配置成透射在所述特定波长范围内的光；以及
反射式光栅，所述反射式光栅被形成于所述块基板的所述第二主平面表面之中或之上，所述反射式光栅具有与第一光栅周期和取向相同的第二光栅周期和取向，并且被配置成反射在所述特定波长范围内的光。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，对于每一个所述双侧DOE，所述双侧DOE的所述第一和第二光栅包括表面浮雕光栅SRG。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，对于每一个所述双侧DOE，所述SRG中的至少一者包括被形成于液晶聚合物LCP涂层中的SRG。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，对于至少一个所述双侧DOE，所述双侧DOE的所述第一和第二光栅中的至少一者包括基于液晶聚合物LCP的表面浮雕光栅SRG。
11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述中间组件包括所述双侧DOE，并且其中所述中间组件的所述第一和第二光栅包括反射式光栅。
12.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述输入耦合器、所述中间组件和所述输出耦合器中的每一者包括所述双侧DOE。
13.一种透视混合现实显示设备系统，包括：
显示引擎，所述显示引擎被配置成产生图像；以及
平面光学波导，所述平面光学波导包括块基板并且还包括输入耦合器、中间组件和输出耦合器，所述输入耦合器、中间组件和输出耦合器中的任何一者被形成于所述块基板之中、之上或被嵌入所述块基板内；
所述输入耦合器被配置成将与图像相对应的光耦合进入所述波导的所述块基板并且朝向所述中间组件耦合；
所述中间组件被配置成执行水平或垂直瞳孔扩张中的一者并且将对应于所述图像的光朝向所述输出耦合器引导；
所述输出耦合器被配置成执行水平或垂直瞳孔扩张中的另一者，并且将在所述平面光学波导中从所述输入耦合器行进到所述输出耦合器的、对应于所述图像的光耦合出所述波导；
所述块基板包括第一主平面表面以及与所述第一主平面表面相对且平行的第二主平面表面；以及其中所述输入耦合器、所述中间组件或所述输出耦合器中的一者或多者包括双侧衍射光学组件DOE；以及
其中每一个所述双侧DOE包括第一光栅和对应的第二光栅，所述第一光栅被形成于所述块基板的所述第一主平面表面之中或之上，并且所述对应的第二光栅被形成于所述块基板的所述第二主平面表面之中或之上；以及
其中对于至少一个所述双侧DOE，所述双侧DOE中被形成于所述块基板的第二主平面表面之中或之上的第二光栅具有与所述双侧DOE中被形成于所述块基板的第一主平面表面之中或之上的第一光栅相同的光栅周期或取向。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，对于每一个所述双侧DOE，所述双侧DOE的所述第一和第二光栅包括表面浮雕光栅SRG。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，对于每一个所述双侧DOE，所述SRG中的至少一者包括基于液晶聚合物LCP的SRG。
16.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述输入耦合器、所述中间组件和所述输出耦合器中的每一者包括所述双侧DOE。
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