CN108604018B

CN108604018B - 双面成像光导

Info

Publication number: CN108604018B
Application number: CN201780005866.3A
Authority: CN
Inventors: R.J.舒尔茨; P.J.特拉弗斯
Original assignee: Iqueti
Current assignee: Iqueti
Priority date: 2016-01-06
Filing date: 2017-01-05
Publication date: 2021-02-26
Anticipated expiration: 2037-01-05
Also published as: WO2017120341A1; JP6714704B2; US20200278543A1; JP2019510251A; CN108604018A; EP3400476A4; US11275244B2; EP3400476B1; EP3400476A1

Abstract

一种成像光导具有用于将图像承载光束从图像源输送到眼睛盒的波导，在所述眼睛盒内能观看虚拟图像。第一和第二入耦合衍射光学件沿不同第一和第二路径将图像承载光束的第一和第二集合引导到波导中。沿相应路径部署的第一和第二转向衍射光学件在第一维中扩展第一和第二集合的图像承载光束，并且将第一和第二集合的扩展的图像承载光束引导到第一和第二出耦合衍射光学件。第一和第二出耦合衍射光学件进一步在第二维中扩展所述两个集合的图像承载光束，并将所述两个集合的进一步扩展的图像承载光束从波导朝向眼睛盒引导。

Description

双面成像光导

技术领域

本发明一般涉及用于将图像承载光输送给观看者以便尤其供在视频眼穿戴设备、或者增强或虚拟现实近眼显示器中使用的光学光导。

背景技术

正在开发包括采用类似于常规眼镜或太阳眼镜形式的近眼显示器的头戴式显示器（HMD），以用于包括军事、商业、工业、消防和娱乐应用的一定范围的各种各样用途。对于这些应用中的许多应用，形成可在视觉上叠加在位于HMD用户的视场中的真实世界图像上的虚拟图像是特别有价值的。结合各种类型的波导的光导将图像承载光中继给狭窄空间中的观看者，从而充当用于将虚拟图像重新引导到观看者的瞳孔并能够实现这种叠加功能的出射光瞳扩展器。

在常规光导中，通过可形成在衬底的表面上或埋在衬底内的诸如入耦合（in-coupling）衍射光栅的输入光学耦合将来自图像源的准直角度相关光束耦合到一般称为波导的光导衬底中。可利用其它类型的衍射光学件（optics）作为输入耦合，包括由诸如全息聚合物分散液晶（HPDLC）或体积全息图的变量指数的交替材料形成的衍射结构。也可作为表面起伏衍射光栅形成衍射光学件。可通过类似的输出光学耦合从波导中引导出准直光束，该类似输出光学耦合也可采用衍射光学件的形式。从波导射出的准直角度相关束在离波导的良视距距离处重叠，从而形成出射光瞳，可在所述出射光瞳内观看由图像源生成的虚拟图像。通过其可在良视距距离处观看虚拟图像的出射光瞳的区域称为“眼睛盒（eyebox）”。

输出耦合也可布置用于放大出射光瞳。例如，可通过沿输出耦合将准直束的部分反射部分在准直束传播的方向上偏移或通过将不同角度的准直束沿波导从不同位置射出以便在离波导的良视距距离处更有效地重叠准直束来在一个维度上放大准直束。

可利用沿波导定位在输入耦合和输出耦合之间的所谓的“转向光学件”来在第二维度上扩展光瞳尺寸。可通过偏移准直束的反射部分以便放大束本身的第二维度或通过将准直束引导到输出耦合的不同区域以使得从不同位置射出不同角度的准直束从而在眼睛盒内更有效地重叠来实现扩展。转向光学件也可采用衍射光学件的形式，并且尤其在定位在输入耦合和输出耦合的衍射光栅之间时，转向光学件也可称为中间光栅。

尽管常规光导机制在显示器光学件的体积、重量和总成本方面已经提供了显著降低，但是仍有问题要解决。需要将颜色通道进行合适的分隔以便防止串扰，其中颜色被处理并从错误颜色通道显示。串扰可导致颜色图像数据和显示的颜色之间的不一致，并且还可以是跨图像场可察觉的令人不快的颜色偏移的原因。校正这个问题的尝试已经包括堆叠方法，其中将多个波导与可选滤光器堆叠在一起以便防止将颜色引导到错误通道。但是，堆叠导致更厚的装置，增加重量，减少亮度，并且还没有提供高度满意的结果。

因此，可明白，需要改进的设计，其仍然提供光学光导的光瞳扩展能力，但是允许这些装置更薄且更轻量，而不损害图像质量和颜色平衡。

发明内容

本公开的目的是推进在使用紧凑头戴式装置和类似成像设备时的图像呈现的技术。有利地，本公开的实施例提供能够在单个衬底厚度内处置两个颜色通道的改进双面束扩展器。

通过参考附图并且从回顾以下对优选实施例和随附权利要求的详细描述，将更清楚地理解和明白本公开的这些和其它方面、目的、特性和优点。

根据本公开的方面，提供了一种成像光导，其包括用于将图像承载光束从图像源输送到眼睛盒的波导，在所述眼睛盒内能观看虚拟图像。第一入耦合衍射光学件沿第一路径将所述图像承载光束的第一集合引导到所述波导中。沿所述第一路径部署的第一转向衍射光学件在第一维度中扩展所述第一集合的所述图像承载光束，并且将所述第一集合的所扩展的图像承载光束引导到第一出耦合衍射光学件。所述第一出耦合衍射光学件进一步在第二维度中扩展所述第一集合的所述图像承载光束，并将所述第一集合的所进一步扩展的图像承载光束从所述波导朝向所述眼睛盒引导。第二入耦合衍射光学件沿不同于所述第一路径的第二路径将所述图像承载光束的第二集合引导到所述波导中。沿所述第二路径部署的第二转向衍射光学件在第一维度中扩展所述第一集合的所述图像承载光束，并且将所述第二集合的所扩展的图像承载光束引导到第二出耦合衍射光学件。所述第二出耦合衍射光学件进一步在第二维度中扩展所述第二集合的所述图像承载光束，并将所述第二集合的所进一步扩展的图像承载光束从所述波导朝向所述眼睛盒引导。

所述第一入耦合衍射光学件能具有用于沿所述第一路径将所述图像承载光束的所述第一集合引导到所述波导中的第一入耦合光栅向量，所述第二入耦合衍射光学件能具有用于沿所述第二路径将所述图像承载光束的所述第二集合引导到所述波导中的第二入耦合光栅向量，并且所述第一入耦合光栅向量能远离所述第二入耦合光栅向量来定向。类似地，所述第一出耦合衍射光学件能具有用于将所述图像承载光束的所述第一集合引导出所述波导的第一出耦合光栅向量，所述第二出耦合衍射光学件能具有用于将所述图像承载光束的所述第二集合引导出所述波导的第二出耦合光栅向量，并且所述第一出耦合光栅向量能远离所述第二出耦合光栅向量来定向。所述第一入耦合光栅向量和第二入耦合光栅向量或所述第一出耦合光栅向量和第二出耦合光栅向量中的一者或两者远离彼此25到40度来相对定向。

图像承载束的所述第一集合能包括第一范围的波长，并且图像承载束的所述第二集合能包括不同于所述第一范围的波长的第二范围的波长。备选地，图像承载束的所述第一集合能包括第一范围的角度相关束，并且图像承载束的所述第二集合能包括不同于所述第一范围的角度相关束的第二范围的角度相关束。

附图说明

尽管本说明书以特别指出并明确要求本发明的主题的权利要求结束，但是相信，在结合附图时，从以下描述将更好地理解本发明。

图1是示出作为结合单眼型衍射束扩展器的波导来布置的光导的一个可能配置的简化横截面视图的示意图。

图2是示出作为结合包括转向光栅的衍射束扩展器的波导来布置的光导的透视图。

图3A是示出作为结合双面衍射束扩展器的波导来布置的光导的透视图。

图3B是示出在波导的正表面和背表面上分布用于两个不同颜色通道的组件的图3A实施例的分解图。

图4A是示出具有用于双面衍射束扩展器的相对入耦合衍射光学件的光导的输入端的侧视图。以平面图示出相应光栅定向。

图4B是示出用于两个不同颜色通道的入耦合衍射光学件以及它们的对应光栅向量的相对旋转定向的透视图。

图5是示出根据一种用于通过在波导的相对面之间相对地旋转入耦合和出耦合衍射光学件两者来分隔颜色通道的方法的双面光导的组件的布局的俯视图。

图6是示出根据另一种具有与波导的相对面关联的衍射光学件之中的不同角度关系以用于分隔颜色通道的方法的双面光导的组件的俯视图。

图7是示出对于以斜角度移动经过波导的光的旋转角度与衍射效率的关系的曲线图。

图8是示出具有用于双面衍射束扩展器的相对入耦合衍射光学件的光导的输入端的侧视图，其还示出在这点上的相对颜色通道对束的非计划中的衍射的影响。

图9是示出用于利用本公开的成像光导观看的增强现实的显示系统的透视图。

图10是示出其中相应颜色通道中的出耦合衍射光学件相对于彼此旋转30度的备选实施例的平面图。

图11A是示出堆叠式成像光导组合件的分解侧视图。

图11B是示出装配的堆叠式成像光导组合件的侧视图。

具体实施方式

本描述特别针对形成根据本发明的设备的一部分或与根据本发明的设备更直接协作的元件。将理解，没有特别示出或描述的元件可采用本领域技术人员公知的各种形式。

除非另外规定，否则它们在本文中使用处，术语“第一”、“第二”等不一定表示任何次序、顺序或优先级关系，而是仅仅用于更清楚地区分一个元件或元件集合与另一个元件或元件集合。术语“顶”和“底”不一定指定空间位置，而是提供关于结构的相对信息，以便区分平面（平坦）波导的相对表面。

在本公开的上下文中，术语“观看者”、“操作者”、“观察者”和“使用者”被视为是等效的，并且指穿戴HMD观看装置的人。

如本文中所使用，术语“可激励”涉及在接收功率并且可选地在接收启用信号时执行指示的功能的装置或组件集合。

术语“可致动”具有它的常规含义，例如涉及能够响应于刺激（诸如响应于电信号）而实施动作的装置或组件。

如本文中所使用，术语“集合”是指非空集合，如同在初等数学中广泛理解集合的元素或成员的合集的概念一样。除非另外明确陈述，否则本文中利用术语“子集”来指非空真子集，即，指具有一个或多个成员的更大集合的子集。对于集合S，子集可包括完整集合S。但是，集合S的“真子集”严格包含在集合S中，并排除集合S的至少一个成员。

在本公开的上下文中，术语“斜的”意味着以不是90度的整数倍的角度。例如，如果两条线、线性结构或平面以至少约5度或更大的角度远离平行，或以至少约5度或更大远离正交而从彼此分叉或朝向彼此汇聚，那么认为它们相对于彼此是斜的。

在本公开的上下文中，术语“波长波段”和“波长范围”是等效的，并具有如由彩色成像领域的技术人员所使用的其标准含义，并且指用于在多色图像中形成一个或多个颜色的光波长范围。通过不同颜色通道来引导不同波长波段，以便在常规彩色成像应用中提供红、绿和蓝原色。

作为真实图像投射的备选方案，光学系统可产生虚拟图像显示。与用于形成真实图像的方法相比，不在显示器表面上形成虚拟图像。即，如果将显示器表面放置在虚拟图像的感知位置，那么将不会在该表面上形成图像。对于增强现实显示器，虚拟图像显示器具有多个固有优点。例如，虚拟图像的表观尺寸不受显示器表面的尺寸或位置的限制。另外，虚拟图像的源对象可以是小的；作为简单实例，放大镜提供它的对象的虚拟图像。与投射真实图像的系统相比，可通过形成看起来离开某个距离的虚拟图像来提供更逼真的观看体验。提供虚拟图像还消除了如在投射真实图像时可能必需的补偿屏幕伪像的任何需要。

在本公开的上下文中，术语“耦合”打算指示两个或更多个组件之间的物理关联、连接、关系或链接，以使得一个组件的部署影响与它耦合的组件的空间部署。对于机械耦合，两个组件无需直接接触，而是可通过一个或多个中间组件链接。用于光学耦合的组件允许将光能输入到光学设备或从光学设备输出光能。术语“束扩展器”和“光瞳扩展器”视为同义，它们在本文中可互换使用。

图1是示出作为单眼型衍射光束扩展器或出射光瞳扩展器来布置的光导10的一种常规配置的简化横截面视图的示意图，光导10包括布置在具有衬底S的透明且平面波导22上的诸如入耦合衍射光学件110的输入耦合元件和诸如出耦合（out-coupling）衍射光学件120的输出耦合元件。在该实例中，入耦合衍射光学件110示为是反射型衍射光栅；但是，备选地，入耦合衍射光学件110可以是布置在波导衬底S的下表面12上的透射衍射光栅、体积全息图或其它全息衍射元件、或对进入的图像承载光提供衍射的其它类型的光学组件，其中进入光波WI首先与波导衬底S交互。

当作为虚拟显示系统的一部分使用时，入耦合衍射光学件110经由合适的前端光学件（未示出）将来自成像器的多个角度相关的进入图像承载光束WI中的每个光束耦合到波导22的衬底S中。通过入耦合衍射光学件110来衍射输入光束WI。例如，第一级衍射光作为角度相关的束WG的集合沿衬底S传播，以便朝向图1系统中的右边、朝向出耦合衍射光学件120移动。在光栅或其它类型的衍射光学件之间，通过全内反射（TIR）沿波导22导引或引导光。出耦合衍射光学件120经由与沿它的长度（即沿图1的视图中的x轴）的传播光束WG的多次衍射相遇而有助于束扩展，并将来自每次相遇的衍射光向外引导朝向观察者的眼睛的所意图的位置。

图2的透视图示出作为已知束扩展器布置的成像光导20，其利用中间转向光栅TG沿x轴和y轴提供束扩展，以便将光输出（第一衍射模式）从入耦合衍射光学件110重新引导到出耦合衍射光学件120。在图2装置中，包含具有周期d的周期性划线的入耦合衍射光学件110将角度相关的进入输入光束WI衍射到波导22中以作为角度相关束WG的集合，其通过全内反射在朝向中间转向光栅TG的初始方向中传播。中间光栅TG之所以称为“转向光栅”是因为它在光学路径中的功能，根据它的光栅向量将束WG从波导22内在朝向出耦合衍射光学件120的方向中重新引导，从而解决入耦合衍射光学件110和出耦合衍射光学件120的光栅向量之间的角度差。具有衍射元件的角度定向和由间隔周期d确定的间隔几何结构的中间光栅TG不仅重新引导内部反射的束WG，而且还经由与沿传播的方初始向（即沿图2的视图中的y轴）的光束WG的多次衍射相遇而有助于束扩展。出耦合衍射光学件120经由与沿传播的重新引导方向（即沿图2的视图中的x轴）的光束WG的多次衍射相遇而有助于正交束扩展。

一般标明为k并用下标（其中它们对于颜色通道内的光是特定的）示出的光栅向量与波导表面的平面平行地延伸，并且分别在入耦合和出耦合衍射光学件110和120的周期性的方向中。

在考虑用于成像的光导设计时，应注意，通过入耦合光学件来有效地编码在波导内行进的图像承载光，无论入耦合机制是利用光栅、全息图、棱镜、镜还是某种其它机制。必须通过输出来对应地解码在输入处进行的光的任何反射、折射和/或衍射，以便重新形成呈现给观看者的虚拟图像。

通常选取放置在诸如入耦合和出耦合衍射光学件110和120的输入和输出耦合之间的中间位置的转向光栅TG，以便使所编码的光上的任何变化最小化。因此，转向光栅的间距优选与入耦合和出耦合衍射光学件110和120的间距匹配。另外，可通过采用通过转向光栅TG的第一反射级之一将所编码的射线集束转向120度的这种方式将转向光栅定向在对于入耦合和出耦合衍射光学件110和120约60度来保留虚拟图像。转向光栅TG的衍射效果在与转向光栅的光栅向量平行的进入射线的向量分量上最显著。如此布置的转向光栅在导衬底内重新引导射线集束，同时使对于虚拟图像的所编码的角度信息的任何变化最小化。此类设计的系统中的所得虚拟图像没有旋转。如果此类系统确实对虚拟图像引入了任何旋转，那么旋转效果可跨不同场角（field angle）和光的波长来非均匀地分布，从而在所得虚拟图像中造成不想要的失真或色差。

如本文中所描述的某些实施例所预想的转向光栅TG的使用保留了光导20的设计所固有的几何精度，使得输入束和输出束相对于彼此对称定向。通过适当的光栅TG间隔和定向，光栅向量k将光从入耦合衍射光学件110引导到出耦合衍射光学件120。应注意，为成像光导观看者形成的图像是虚拟图像，它聚焦在无穷远处或至少很好地聚焦在光导20的前面，但是保留了输出图像内容对输入图像内容的相对定向。进入光束WI相对于x-y平面的围绕z轴的旋转或角度定向中的变化可能会造成来自出耦合衍射光学件（ODO）120的外出光的旋转或角度定向中对应的对称变化。从图像定向的方面来看，转向光栅TG旨在充当一类光学中继，其沿通过入耦合衍射光学件（IDO）110输入并重新引导到出耦合衍射光学件（ODO）120的图像的一个轴提供扩展。转向光栅TG通常是倾斜或方形光栅，或者备选地，它可以是闪耀光栅。备选地，可利用反射表面来将光转向朝向出耦合衍射元件120。

当利用图2的布置时，提供两个不同维度中的束扩展。如所示的，转向光栅TG在y方向中扩展来自入耦合衍射光学件110的衍射束。如所示的，出耦合衍射光学件120在与y方向正交的x方向中进一步扩展衍射束。

已在多种现有头戴式装置（HDM）设计中利用图2中示出的已知成像光导20来将图像内容提供给观看者。这种类型的束扩展器特别适合于增强现实应用，其中可将图像内容叠加在如通过透明成像光导所看到的真实世界视图上。

已知的成像光导束扩展器的一个公认缺点与颜色质量有关。通过设计，针对特定波长来优化衍射光栅，其中随着波长进一步偏离指定波长而逐渐使成像性能降级。此外，不仅性能根据波长偏移，而且入射角度中的变化具有随波长差异而变化的更显著的效应。因为此，在利用已知类型的衍射束扩展器时，可能跨图像场察觉到不合乎需要的颜色偏移。颜色偏移问题证明极难用软件来补偿，因为颜色偏移的量可能跨图像场而广泛变化。

用于解决颜色偏移问题的一个方法是利用分隔的波导来服务不同的原色通道，其中合适地设计衍射元件以便处置不同波长波段的光。一种提出的方法是堆叠多个波导以便实现束扩展。可利用堆叠来将分隔的红（R）、蓝（B）和绿（G）颜色通道委派给各个波导，其中针对不同波长波段的光来合适地设计每个波导的衍射组件。利用具有分隔的衍射光栅和可选颜色滤光器的堆叠式波导来减少颜色通道之间的串扰。

尽管堆叠方法可实现某种程度的通道分隔，但是堆叠式波导解决方案的增加的重量、尺寸、复杂度和成本可能是相当大的。可容易地明白，将在单个波导内提供分隔的颜色通道而不会有可感知的颜色通道串扰的解决方案将有利于帮助减少颜色偏移并改善整体颜色质量。

双面成像光导

图3A是示出在单个衬底上形成的、并且具有两个颜色通道C_R和C_BG的成像光导100的实施例的透视图。颜色通道C_R和C_BG可集中在至少相隔例如50 nm的波长处。成像光导100作为双面衍射束扩展器而被形成，从而消除对于为了减少颜色通道串扰的堆叠式波导解决方案的需要。两个颜色通道的图像承载光入射在入耦合衍射光学件110_BG上，入耦合衍射光学件110_BG将两个颜色通道之一的光衍射到光导100中。

图3B是示出在单个波导衬底S上形成的、并且具有两个颜色通道的图3A的成像光导100的实施例的分解图。该分解图在视觉上分别将衬底S的正表面和背表面F和Bk彼此分隔。必须强调，只存在衬底S的单个波导；衬底S的每个表面具有服务所述两个颜色通道之一的衍射结构。右边（正表面F）部分上示出的组件主要用于一个通道；左边（背表面Bk）上示出的组件用于第二通道。在所示实例中，为绿光和蓝光（从约450-550 nm）提供一个颜色通道C_BG；为红光（从约610-780 nm）提供第二颜色通道C_R。颜色通道C_BG具有形成在衬底S的正表面F上的衍射元件110_BG、120_BG和TG_BG。颜色通道C_R具有形成在衬底S的后表面或背表面Bk上的衍射元件110_R、120_R和TG_R。对于相应颜色通道，入耦合衍射光学件110_R和110_BG沿平行的正表面和背表面F和Bk的共同法线彼此对准。类似地，出耦合衍射光学件120_R和120_BG也沿正表面和背表面F和Bk的共同法线对准。相应的转向光栅TG_R、TG_BG未被类似地对准。

应注意，能够利用多种颜色通道布置及其相关联带宽范围中的任何布置和范围，诸如包括位于一个颜色通道内的绿和红波长波段以及位于另一个颜色通道中的蓝波长波段。

串扰关注

颜色通道之间的串扰可能是包括利用多个堆叠式波导的布置在内的任何类型的成像系统的问题，但对于利用单个波导的设计所特别关注。战胜串扰的一种方法在角度和距离两方面尽可能多地分隔光导内的光学路径。对于如图3A和3B中所示的实例，通过角度和距离两者将颜色通道C_R中的红光的路径与颜色通道C_BG中的蓝-绿光的路径分隔，使得不会出现光“泄漏”到错误颜色路径或者“泄露”可忽略不计。尽管这个目标简单明了，但是用于实现该目标的常规方法尚未非常成功。然而，本公开的实施例提供用于颜色通道分隔的方法，其使得有可能设计并使用在单个衬底上形成的光瞳扩展器。

为了更好地理解本文中提出的解决方案，鉴于上文概述的串扰防止策略，有启发性的是检查光学系统的不同部分的行为。图4A是示出入耦合衍射光学件110_BG和110_R的布置和行为的侧视图。用虚线BG示出的蓝/绿光通过入耦合衍射光学件110_BG衍射到波导衬底S中，并经由TIR在衬底S内传播。当该光沿衬底移动时，该光的一部分从入耦合衍射光学件110_R反射，并且还从入耦合衍射光学件110_BG反射。由实线R指示的红光通过入耦合衍射光学件110_BG透射，并在反射中通过入耦合衍射光学件110_R衍射以便经由TIR在衬底S内传播。

由于它是侧视图，所以图4A无法示出从衬底S的平面中的每个入耦合衍射光学件110所衍射的光之间的角度差。返回到图3B的透视图片刻，可看到，R和BG光束根据光栅旋转从入耦合110_R和110_BG追踪不同路径。在图4A和4B中，通过在图4A中相对于上和下入耦合衍射光学件110_BG和110_R的俯视图和图4B中的透视图中示出的旋转角度Φ来表示对应于光栅向量k_R和k_BG之间的角度距离的光栅旋转。

对应于光栅向量k_R和k_BG的光栅方向确定通过每个入耦合衍射光学件110_R和110_BG所衍射的光的路径。当R和BG光束的路径彼此正交时，达到路径之间的峰值间隔；当旋转角度Φ为90度或非常接近90度时，出现这种最大路径间隔。当角度Φ从90度稍微减小时，光进入到错误路径中和引起的串扰变得越来越有可能。

在每个颜色通道C_BG和C_R中，相应转向光栅TG_BG和T_GR以标称60度的角度重新引导来自波导的入射光。转向光栅TG_BG和T_GR被特别设计和定向以便提供这种行为，并且一般进行操作以便接受衍射光输入并在该相对固定的角度提供重新引导的光输出。

彼此面对（沿共同法线在相对表面上形成）的出耦合衍射光学件120_BG和120_R利用正交的输入光来提供最佳性能。然后，出耦合衍射光学件120_BG和120_R具有其彼此正交的相对光栅角度。在出耦合光学件120_BG和120_R处，随着光栅角度和入射角度从正交偏离，颜色通道串扰的概率随之增加。

在不做出至少某种类型的妥协的情况下，无法满足如上文所概述的入耦合和出耦合衍射光栅的最佳性能所需的相应角度上的几何约束。例如，转向光栅基于间距P_new提供转向角度θ的某一小程度的可调整性，P_new一般可基于输入间距P_input利用下式计算：

因此，为了使来自具有350 nm间距的入耦合衍射光栅110的光转向，将需要具有305 nm间距的转向光栅TG，以便提供55度的转向角度θ。实现更小的转向角度将需要可能易于太难或费成本来制造的非常高的间距。例如，对于50度的转向角度θ将需要272 nm间距光栅。因此，尽管有可能将转向角度调整几度，但是更实际得多的是对入耦合衍射光学件110_R及110_BG和出耦合衍射光学件120_R及120_BG之间的相应旋转角度Φ _IN和Φ _OUT进行一定调整以便达到小于理想正交角度的角度。

调整光栅旋转角度使得组件在常规波导占用空间（footprint）内适配并使得面对面衍射光栅的旋转角度相差最大可能角度，得到图5中所示的束扩展器140设计。为清楚起见，将覆盖或面对面的光栅示为略微偏移；实际上，如之前所描述的，面对面的入耦合和出耦合光学件彼此精确对准。这里，入耦合衍射光学件110_BG和110_R的光栅旋转之间的角度Φ _IN是60度。出耦合120_BG和120_R具有在波导的平面中相对于彼此以角度Φ _OUT类似地旋转60度的它们的光栅向量。

图5中示出的布置切实可行，并且在单个衬底上提供双通道解决方案。但是，该布置的颜色通道串扰仍然是清楚可感知的，这指示颜色路径甚至会在所使用的相对高的光栅旋转角度处不注意地“泄漏”到彼此中。图5的配置的颜色串扰的持续性强烈暗示进一步损害所期望的角度旋转将是不合乎需要的。

虽然起因于通道接近的串扰仍然是必须考虑的因素，但比60度小得多的光栅旋转角度差Φ相比图5的布置能够提供更有益的性能。意外地，已发现小于40度的相应旋转角度对于减少的串扰是有益的，其中衍射光栅或其它衍射光学件在衬底的相对面上彼此面对，诸如对于入耦合衍射光学件110和出耦合衍射光学件120。

在图6中，针对开发此未预期的特征而示出备选配置。如图6中所示，仅大约30度的入耦合衍射光学件110_R和110_BG之间的光栅角度差Φ _IN相比图5的布置中的更大得多的60度角度Φ展现了更小的颜色通道串扰。因此，已发现串扰在集中于90度和30度两者的角度Φ附近被最小化。通过此配置（其中入耦合衍射光学件110_R和110_BG之间的光栅角度差Φ _IN大约是30度），转向角度θ能被最优地设置于大约60度，并且出耦合衍射光学件120R及120BG之间的光栅角度差Φ _OUT还能被最优地设置于大约90度。

图7的曲线图示出来自针对红光所设计的具有略微小于红波长的光栅间距（这里为约510 nm）的衍射光栅的第一级反射衍射的特征行为。对于当光束将通过TIR行进穿过波导衬底时以大约40度的入射角度入射的475 nm的蓝光，针对旋转角度Φ绘制了衍射效率。该曲线图示出用于转向光栅TG的一般行为特征。除此之外，图7的曲线图还暗示在特定入射角度对颜色通道串扰的一个作用因素可能是入耦合衍射光学件其本身。

当入耦合衍射光学件110_BG和110_R的衍射光栅发生旋转使得角度Φ低于约40度时，衍射效率小于20%，从而使得出现以40度的角度入射的光的非常小的第一级衍射。当情况如此时，以40度的蓝/绿入射光束可仅仅从红色入耦合110_R光栅表面反射，如常规TIR中那样。但是，当旋转角度Φ增加高于50度时，第一级反射衍射急剧增加。在60度，第一级反射衍射逼近最大值，对于目标波长接近为75%。

注意，图7示出以TIR角度入射（超过40度入射）的光的行为。如上所述，对于转向光栅TG的设计来利用这种相同效应。但是，在波导的入耦合区域中，在入耦合衍射光学件110_R和110_BG之间也可能出现不合乎需要的转向光栅效应。在出现这种非意图效应的情况下，它可使得一个或另一个入耦合衍射光学件表现得像如来自相对入耦合衍射光学件的光的转向光栅而不是允许TIR。在接近于80%的效率时，相对的入耦合接着开始使光从其意图TIR路径转移并将一些所转移的光重新引导到意图用于相对颜色通道的路径中。即，红光现在不注意地耦合到蓝-绿光路径中，并且反之亦然。

图8针对蓝-绿光BG示意性地示出这个问题。用实线示出该BG光的意图路径。为清楚起见，省略了红光的路径。用虚线格式示出的第二BG光路径144指示本应从入耦合衍射光学件110_R被反射的一些BG光现在已代替地被衍射，并且无意地转移到红光路径。因此，在入耦合衍射光学件110_R和110_BG处于相对高的旋转角度（例如，Φ= 60度）的情况下，可观察到高度的颜色串扰。这种相同效应对于入射在入耦合衍射光学件110_BG上的红光也可能成立，从而将一些红光有效地转移到蓝-绿路径。

将图8与图4A进行比较并回顾图7的曲线图，示出的是在光栅分别旋转了最大旋转角度Φ= 90度的情况下，对来自入耦合衍射光学件110R和110BG的串扰的角度贡献未出现。申请人已发现此串扰效应对于旋转角度Φ= 40度到25度也是忽略不计的。因此，即使常规设计实践将避免低于角度Φ= 60度的低旋转角度，但申请人已例示了在显著较低角度范围的旋转（诸如图6的系统中示出的Φ= 30度的角度）相比60度旋转提供了更好的性能，具有可感知地较小的颜色通道串扰。假定角度输入场对于每个颜色通道都不超过大约+/- 15度，则颜色通道串扰能保持在低级别甚至在低旋转角度Φ。

如图6中所示，在30到35度之间的范围中的旋转角度Φ对于提供具有减少的颜色通道串扰的双面成像光导100是作用良好的。通过所示出的角度布置，引导到出耦合衍射光学件120的来自两个颜色通道C_BG和C_R的光被移位了90度，从而允许出耦合衍射光学件120之间的旋转角度处于此有利的90度值。

图9的透视图示出利用本公开的成像光导来观看三维（3-D）增强现实的显示系统60。显示系统60示为是HMD，其中左眼光学系统54l具有用于左眼的束扩展器140l以及对应的右眼光学系统54r具有用于右眼的束扩展器140r。可提供诸如微微投射器或类似装置的图像源52，它可激励以便为每只眼睛生成分隔的图像，这些图像作为具有对于竖立图像显示所需的图像定向的虚拟图像而被形成。生成的图像可以是立体图像对以便于3-D观看。由光学系统形成的虚拟图像可看起来像是叠加或覆盖在由观看者所看到的真实世界场景内容上。还可提供增强现实虚拟化领域中的技术人员所熟悉的额外组件，诸如安装在HMD的框架上以用于观看场景内容或观看者注视跟踪的一个或多个摄像机。

根据本公开的备选实施例，如图10中所示，相应旋转角度的关系可被反转，使得面对面入耦合衍射光学件110_R和110_BG（在图6定向中被定向Φ= 30度）以相对于彼此90度而被定向，并且面对面出耦合120_R和120_BG以相对于彼此仅30度而被旋转。如在入耦合衍射光学件处具有仅30度旋转的图6实施例一样，通过图10布置，串扰类似地较不可感知，在图10布置中，在入耦合衍射光学件处存在90度旋转Φ= 90度。更一般地来陈述，在不同通道的入耦合衍射光学件分别以30度或以90度来旋转的情况下，串扰能被减少。因为具有光的变化角度入射的衍射光学件的变化行为，所以通过面对面衍射光栅的30或90度相应旋转，对于在那些相同组件被60度旋转的情况下的串扰级别，颜色串扰能被减少。

尽管在以上实例中，波导衬底S的前表面和后表面支持用于分隔输送不同颜色通道的衍射光学件的配对，相对面的衍射光学件还能被布置以用于输送视场的不同部分，其中相对面的衍射光学件被优化以用于输送不同角度范围的图像承载光束。即，衍射光学件能被优化以用于衍射不同范围的波长或不同范围的入射角度或所述两者的组合。

另外，用于输送不同范围的波长或视场的不同角度特异部分的双面光导能与堆叠中的其它单或双面光导进行组合（如之前对于单面波导所实践的）以进一步分隔视场的不同范围或波长或部分的输送。例如，能将三种分隔的颜色通道提供给复合成像光导，其针对第一和第二波长波段使用布置为束扩展器的双面光导并针对第三波长波段使用布置为束扩展器的第二单面光导来形成。

以简化形式且未意图示出实际比例的图11A的分解侧视图图解和图11B的组合侧视图示出具有双面光导100的堆叠式成像光导组合件200，所述双面光导100与单面成像光导22耦合。光导100和22形成在可以黏性地或机械地耦合的分隔波导衬底S1和S2上，使得堆叠式成像光导组合件200提供三种分隔的颜色通道。图11A示出一个备选布置，其中双面光导100具有用于红光R（在630-660 nm范围中）的红色通道CR和用于绿光G（在500-540 nm范围中）的绿色通道CG。然后，成像光导22具有用于蓝光B（在440-470 nm范围中）的单个蓝色通道CB。图11A示出此堆叠式布置的相应颜色通道中光的路径。蓝光B透射经过入耦合衍射光学件110_G和110_R两者并在入耦合衍射光学件110_B处被衍射。所衍射的蓝光B随后通过TIR沿波导衬底S1来输送，经过转向光栅TG_B，并到出耦合衍射光学件120_B。红光R也在入耦合衍射光学件110_G处被输入、在入耦合衍射光学件110_R处被反射地衍射、并通过TIR输送到转向光栅TG_R并输送到出耦合衍射光学件120_R。绿光G也在入耦合衍射光学件110_G处被输入并在那被衍射。此束经由TIR输送经过波导衬底S2到转向光栅TG_G并输送到出耦合衍射光学件120_G。如本文描述的双通道实施例一样，在堆叠式布置中使用的双面束扩展器上的入耦合衍射光学件被旋转使得其相应光栅向量在衬底S1内彼此分开25-40度。

能领会的是，图11A和11B中示出的实施例是堆叠式成像光导组合件200及其颜色通道C_R、C_G、C_B的多种可能布置之一。双面光导100能被堆叠在单面成像光导22之上或之下。两个双面光导100的耦合能以类似方式提供四种颜色通道。

成像光导制造

可利用各种工艺来制造和装配成像光导。入耦合衍射光学件110和出耦合衍射光学件120可例如是衍射光栅、或形成为体积全息图、或从全息聚合物分散液晶形成。入耦合和出耦合衍射光学件中的至少一个衍射光学件可以是表面起伏衍射光栅。成像光导的波导衬底是透明光学材料，通常是具有足以支持入耦合衍射光学件、转向光栅和出耦合衍射光学件之间的TIR透射的折射指数的玻璃或光学聚合物材料。

入耦合衍射光学件110、转向光栅TG和出耦合衍射光学件120具有适合其相应颜色通道的不同光栅周期。通常，光栅间距或光栅周期是颜色通道的中心波长的从75到约90百分比的值。例如，在示范实施例中，红色通道（620-670 nm）的入耦合衍射光学件110_R具有510 nm的周期、205 nm的深度、50/50填充和45度倾斜。

在玻璃衬底坯的恰当表面准备之后，例如使用纳米压印方法在波导衬底S的一个或两个外部表面上形成衍射组件。入耦合与出耦合中的至少一个可以是表面起伏衍射光栅。

已特别参考目前优选的实施例详细描述了本发明，但是将理解的是，在本发明的精神和范畴内，可实现改变和修改。因此，目前公开的实施例在所有方面视为是说明性而不是限制性的。本发明的范畴由随附权利要求所指示，并且在其等效物的含义和范围内出现的所有改变都意图被涵盖于其中。

Claims

1.一种成像光导，包括：

波导，用于将图像承载光束从图像源输送到眼睛盒，在所述眼睛盒中能够观看虚拟图像；

第一入耦合衍射光学件，部署成沿第一路径将所述图像承载光束的第一集合引导到所述波导中；

第一转向衍射光学件，沿所述第一路径部署并布置成在第一维度中扩展所述第一集合的所述图像承载光束，并且将所述第一集合的所扩展的图像承载光束引导到第一出耦合衍射光学件；

所述第一出耦合衍射光学件，布置成进一步在第二维度中扩展所述第一集合的所述图像承载光束，并将所述第一集合的所进一步扩展的图像承载光束从所述波导朝向所述眼睛盒引导；

第二入耦合衍射光学件，部署成沿不同于所述第一路径的第二路径将所述图像承载光束的第二集合引导到所述波导中；

第二转向衍射光学件，沿所述第二路径部署并布置成在第一维度中扩展所述第二集合的所述图像承载光束，并且将所述第二集合的所扩展的图像承载光束引导到第二出耦合衍射光学件；以及

所述第二出耦合衍射光学件，布置成进一步在第二维度中扩展所述第二集合的所述图像承载光束，并将所述第二集合的所进一步扩展的图像承载光束从所述波导朝向所述眼睛盒引导；

其中所述第一入耦合衍射光学件具有第一入耦合光栅向量，而所述第二入耦合衍射光学件具有第二入耦合光栅向量；并且

其中所述第一入耦合光栅向量远离所述第二入耦合光栅向量25到40度来定向。

2.如权利要求1所述的成像光导，其中所述第一出耦合衍射光学件具有用于将所述图像承载光束的所述第一集合引导出所述波导的第一出耦合光栅向量，所述第二出耦合衍射光学件具有用于将所述图像承载光束的所述第二集合引导出所述波导的第二出耦合光栅向量，并且所述第一出耦合光栅向量远离所述第二出耦合光栅向量来定向。

3.如权利要求2所述的成像光导，其中所述第一出耦合光栅向量远离所述第二出耦合光栅向量90度来定向。

4.如权利要求1所述的成像光导，其中所述波导包括具有与背表面平行的前表面的衬底，所述第一入耦合衍射光学件和所述第二入耦合衍射光学件沿所述衬底的所述前表面和背表面的共同法线对准，并且所述第一转向衍射光学件和所述第二转向衍射光学件不沿所述衬底的所述前和背表面的共同法线对准。

5.如权利要求1所述的成像光导，其中所述波导包括具有与背表面平行的前表面的衬底，所述第一出耦合衍射光学件和所述第二出耦合衍射光学件沿所述衬底的所述前表面和背表面的共同法线对准，并且所述第一转向衍射光学件和所述第二转向衍射光学件未沿所述衬底的所述前表面和背表面的共同法线对准。

6.如权利要求1所述的成像光导，其中所述第一入耦合衍射光学件是体积全息图。

7.如权利要求1所述的成像光导，其中所述第一入耦合衍射光学件是衍射光栅。

8.如权利要求1所述的成像光导，其中所述波导包括平面衬底。

9.如权利要求1所述的成像光导，其中图像承载束的所述第一集合包括第一范围的波长，并且图像承载束的所述第二集合包括不同于所述第一范围的波长的第二范围的波长。

10.如权利要求1所述的成像光导，其中图像承载束的所述第一集合包括第一范围的角度相关束，并且图像承载束的所述第二集合包括不同于所述第一范围的角度相关束的第二范围的角度相关束。

11.一种成像光导，包括：

其中所述第一出耦合衍射光学件具有第一出耦合光栅向量，而所述第二出耦合衍射光学件具有第二出耦合光栅向量；并且

其中所述第一出耦合光栅向量远离所述第二出耦合光栅向量25到40度来定向。

12.如权利要求11所述的成像光导，其中所述第一入耦合衍射光学件具有用于沿所述第一路径将所述图像承载光束的所述第一集合引导到所述波导中的第一入耦合光栅向量，所述第二入耦合衍射光学件具有用于沿所述第二路径将所述图像承载光束的所述第二集合引导到所述波导中的第二入耦合光栅向量，并且所述第一入耦合光栅向量远离所述第二入耦合光栅向量来定向。

13.如权利要求11所述的成像光导，其中所述波导包括具有与背表面平行的前表面的衬底；所述第一入耦合衍射光学件和所述第二入耦合衍射光学件沿所述衬底的所述前表面和背表面的第一共同法线对准；所述第一转向衍射光学件和所述第二转向衍射光学件不沿所述衬底的所述前和背表面的共同法线对准；并且所述第一出耦合衍射光学件和所述第二出耦合衍射光学件沿所述衬底的所述前表面和背表面的第二共同法线对准。