CN108885310A - 具有二向色性反射器的双通道成像光导 - Google Patents

Abstract

一种用于传达虚拟图像的成像光导有具有用于朝向观看者眼箱指引第一和第二波长范围的光的第一和第二色彩通道的波导。每个色彩通道都具有用来将承载图像的光束衍射到波导中的入耦合衍射光学器件和具有部分反射表面和平行的二向色性滤波器表面的反射器阵列。反射器阵列表面在第一维度上扩展来自入耦合衍射光学器件的通道的相应光束，并且朝向出耦合衍射光学器件引导经扩展的光束。该二向色性表面朝向反射表面反射色彩通道的光并且使其他光透射离开光导。该出耦合衍射光学器件与第一维度正交地扩展承载图像的光束并且朝向观看者眼箱引导进一步扩展的光束。

Description

具有二向色性反射器的双通道成像光导

技术领域

本发明大体涉及用于将多个色彩通道中的承载图像的光传达至观看者以特别在视频护目镜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

包括以类似于常规眼镜或太阳镜的形式的近眼显示器的头戴式显示器（HMD）正被研发用于各种各样不同的用途，包括军事、商业、工业、消防和娱乐应用。对于这些应用中的许多应用，存在形成虚拟图像方面的特定值，所述虚拟图像可以在视觉上叠覆在位于HMD用户的视场中的真实世界图像之上。并入各种类型波导的光导将承载图像的光中继给窄空间中的观看者，充当用于将虚拟图像再引导到观看者的瞳孔的出瞳扩展器并且使得能够实现其叠加功能。

在常规光导中，来自图像源的经准直的角度相关光束通过输入光学耦合件（诸如，入耦合衍射光栅）耦合至光导衬底（一般被称为波导）中，所述输入光学耦合件可以形成在衬底的表面上或者埋在衬底内。其它类型的衍射光学器件可以用作输入耦合件，包括由交替的可变折射率材料形成的衍射结构，诸如，全息聚合物分散液晶（HPDLC）或者体积全息图。衍射光学器件还可以形成为表面释放衍射光栅。经准直的光束可以通过类似的输出光学耦合件而从波导引导出来，该输出光学耦合件也可以采取衍射光学器件的形式。从波导射出的经准直的角度相关射束在距波导的良视距（eye relief distance）处重叠，形成在其内可以观看由图像源生成的虚拟图像的出瞳。在良视距处通过其可以观看虚拟图像的出瞳的区域被称为“眼箱”。

输出耦合件还可以布置用于放大出瞳。例如，通过在经准直的射束以其沿输出耦合件传播的方向上使经准直的射束的反射部分部分地偏移，或者通过沿波导从不同位置射出不同角度的经准直的射束，以便在距波导的良视距处更加高效地重叠经准直的射束，可以在一个维度上放大经准直的射束。

沿波导位于输入耦合件和输出耦合件之间的所谓的“转向光学器件”可以用于在第二维度上扩展光瞳尺寸。通过使经准直的射束的反射部分偏移以放大射束本身的第二维度，或者通过将经准直的射束引导至输出耦合件的不同区域，使得从不同位置射出不同角度的经准直的射束以便在眼箱内更加高效地重叠，可以实现扩展。转向光学器件还可以采取衍射光学器件的形式，并且特别地，当位于输入耦合件和输出耦合件的衍射光栅之间时，也可以被称为中间光栅。

尽管常规光导机构已经提供在显示光学器件的体积、重量和总体成本方面的显著降低，但是仍存在要解决的问题。需要色彩通道的适当分离以便防止在其中色彩被处理并且从错误的色彩通道显示的串扰。串扰可能导致彩色图像数据和所显示的色彩之间的差异，并且还可以是跨图像场可感受到的不良色移的起因。校正该问题的尝试已经包括堆叠方法，在其中将多个波导与可选滤波器堆叠在一起以防止色彩被指引到错误通道。然而，堆叠导致更厚的设备，添加重量，降低亮度，并且尚未提供高度满意的结果。

因而，可以领会到，存在对仍提供光学光导的瞳孔扩展能力的改进的设计的需要，但是在不使图像质量和色彩平衡妥协的情况下允许这些设备变得更薄并且更轻量。

发明内容

本公开的目标是提出当使用紧凑的头戴式设备以及类似的成像装置时的图像呈现技术。有利地，本公开的实施例提供了能够在单一厚度的衬底内处理两个色彩通道的双侧射束扩展器。

本发明的这些和其它方面、目标、特征和优点将从随附权利要求和优选实施例的以下详细描述的概览以及通过参照附图而更加清楚地理解和领会。

根据本公开的一方面，提供了一种用于传达虚拟图像的成像光导，其包括波导、用于将第一波长范围的光沿着波导朝向观看者眼箱指引的第一色彩通道、以及用于将第二波长范围的光沿着波导朝向观看者眼箱指引的第二色彩通道。每个色彩通道都包括入耦合衍射光学器件、反射器阵列以及出耦合衍射光学器件。入耦合衍射光学器件被部署成将承载图像的光束衍射到波导中。该反射器阵列具有至少一个部分反射表面和与该至少一个部分反射表面平行的二向色性滤波器表面。该反射器阵列的表面被部署成在第一维度上扩展来自入耦合衍射光学器件的色彩通道的相应承载图像的光束，并且朝向出耦合衍射光学器件引导经扩展的承载图像的光束。出耦合衍射光学器件被部署成在第二维度上进一步扩展色彩通道的承载图像的光束并且朝向观看者眼箱引导来自波导的色彩通道的进一步扩展的承载图像的光束。

优选地，该二向色性滤波器表面被形成为使色彩通道的光朝向该至少一个部分反射表面反射并且使其他光透射。第一色彩通道的出耦合衍射光学器件和第二色彩通道的出耦合衍射光学器件优选地被形成在波导的相对表面上并且优选地沿着该相对表面的公法线对准。相比之下，第一色彩通道的反射器阵列和第二色彩通道的反射器阵列优选地部署在波导中的不同位置中。

附图说明

虽然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，但是相信当结合附图考虑时将从下面的描述更好地理解本发明。

图1是示出了布置为合并单目类型衍射射束扩展器的波导的光导的一种可能配置的简化横截面视图的示意图。

图2是示出了布置为合并包括转向光栅的衍射射束扩展器的波导的光导的透视图。

图3是根据本公开的实施例的布置为混合1D射束扩展器的成像光导的透视图，该成像光导使用入耦合和出耦合衍射光学器件和用于使射束转向的反射器。

图4是根据本公开的实施例的布置为混合2D射束扩展器的成像光导的透视图，该成像光导使用入耦合和出耦合衍射光学器件以及用于使射束转向的反射器的阵列。

图5A是示出了使用反射器阵列提供射束扩展器的成像光导的平面视图。

图5B是示出了使用反射器阵列提供射束扩展器的成像光导以及还示出了图像的场点的经扩展的部分的平面视图。

图6A是示出了采用梯度反射器阵列的成像光导的平面视图。

图6B是示出了梯度反射器阵列如何操作的示意图。

图6C是示出了梯度反射器的示例性区的平面视图。

图7A是示出了具有两个色彩通道并且形成在单个衬底上的成像光导的实施例的透视图。

图7B是示出了图7A的成像光导的各个色彩通道的分解视图。

图8是示出了使用本公开的成像光导的用于增强现实观看的显示系统的透视图。

图9A是示出了堆叠的成像光导组件的分解侧视图。

图9B是示出了已组装的堆叠的成像光导组件的侧视图。

具体实施方式

当前的描述特别地针对形成依照本公开的装置的部分或者与依照本公开的装置更加直接地协作的元件。要理解，没有特别地示出或描述的元件可以采取本领域技术人员所公知的各种形式。

在本文中使用它们的情况下，术语“第一”、“第二”等等未必表示任何次序、顺序或优先级关系，而是仅仅用来更加清楚地区分一个元件与另一个元件或者元件集合与另一元件集合，除非以其它方式指定。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，诸如以区别平面（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“用户”被视为等同的并且是指穿戴HMD观看设备的人员。

如本文中所使用，术语“可赋能”涉及在接收到电力时以及可选地在接收到启用信号时执行所指示的功能的部件的集合或者设备。

术语“可致动”具有与能够例如响应于刺激（诸如响应于电气信号）来产生动作的设备或部件有关的其常规含义。

如本文中所使用，术语“集合”是指非空集合，如集合的成员或者元素的集群的概念在初等数学中被广泛理解到的那样。除非以其它方式明确地陈述，否则术语“子集”在本文中用来指具有一个或多个成员的非空真子集（也就是说，较大集合的子集）。对于集合S，子集可以包括完整的集合S。然而，集合S的“真子集”严格地包含在集合S中并且排除集合S的至少一个成员。

在本公开的上下文中，术语“倾斜”意味着是处于并非90度的整数倍的角度。如果它们以至少大约5度或更远离平行的角度或者以至少大约5度或更远离正交的角度从彼此发散或朝向彼此汇聚，两条线、线性结构或平面例如被视为关于彼此倾斜的。

在本公开的上下文中，术语“波长带”和“波长范围”是等同的并且具有如彩色成像的领域中的技术人员所使用的其标准内涵，并且指代被用来在多色图像中形成一种或多种色彩的光波长的范围。将不同的波长带指引通过不同的色彩通道，诸如以便在常规彩色成像应用中提供红、绿和蓝原色。

作为对真实图像投影的可替换形式，光学系统可以产生虚拟图像显示。相比于用于形成真实图像的方法，虚拟图像没有形成在显示表面上。也就是说，如果显示表面定位在虚拟图像的所感知的位置处，没有图像将形成在该表面上。虚拟图像显示器具有用于增强现实显示的数个固有优点。例如，虚拟图像的表观尺寸不受显示表面的尺寸或位置的限制。附加地，用于虚拟图像的源物体可以是小的；作为简单示例，放大镜提供了其物体的虚拟图像。与投影真实图像的系统相比，通过形成看起来相距某一距离的虚拟图像，可以提供更加真实的观看体验。提供虚拟图像还消除了补偿屏幕伪影的任何需要，如在投影真实图像时可能必要的那样。

在本公开的上下文中，术语“耦合”旨在指示两个或更多部件之间的物理关联、连接、关系或链接，使得一个部件的部署影响将其耦合到它的部件的空间部署。对于机械耦合，两个部件不需要直接接触，但是可以通过一个或更多中间部件链接。用于光学耦合的部件允许将光能量输入光学装置或者从光学装置输出。术语“射束扩展器”和“光瞳扩展器”被视为同义的，在本文中可互换地使用。

图1是示出了布置为单目类型光衍射射束扩展器或者出瞳扩展器的光导10的一种常规配置的简化横截面视图的示意图，该光导10包括布置在具有衬底S的透明且平面波导22上的入耦合元件（诸如入耦合衍射光学器件110）和出耦合元件（诸如出耦合衍射光学器件120）。在该示例中，入耦合衍射光学器件110被示出为反射类型的衍射光栅，然而，入耦合衍射光学器件110可以可替换地是布置在波导衬底S的下表面12上的透射性衍射光栅、体积全息图或其他全息衍射元件、或为传入的承载图像的光提供衍射的其他类型的光学部件，其中传入光波WI首先与波导衬底S相互作用。

当用作虚拟显示系统的部分时，入耦合衍射光学器件110经由适当的前端光学器件（未示出）向波导22的衬底S中耦合来自成像器（诸如投影仪装置）的多个角度相关的传入的承载图像的光束WI中的每一个。输入光束WI被入耦合衍射光学器件110衍射。例如，第一阶衍射光作为射束的角度相关集合WG沿衬底S传播，朝向图1系统中的右方、朝向出耦合衍射光学器件120移动。在光栅或其它类型的衍射光学器件之间，通过全内反射（TIR）沿波导22通道传输或引导光。出耦合衍射光学器件120经由沿其长度（即，沿图1的视图中的x轴线）与传播光束WG的多个衍射相遇而促成射束扩展，并且从每一个相遇向外朝向观察者的眼睛的意图位置引导衍射光。

图2的透视图示出了布置为已知的射束扩展器的成像光导20，所述射束扩展器使用中间转向光栅TG提供关于x和y轴线二者的射束扩展以便将光输出（第一衍射模式）从入耦合衍射光学器件110再引导至出耦合衍射光学器件120。在图2设备中，包含具有周期d的周期性划线的入耦合衍射光学器件110将角度相关的传入的输入光束WI作为角度相关射束WG的集合而衍射到波导22中，通过全内反射在初始方向上朝向中间转向光栅TG传播。中间光栅TG由于其在光学路径上的功能而被称为“转向光栅”，根据其光栅矢量在朝向出耦合衍射光学器件120的方向上再引导来自波导22内的射束WG，由此计及入耦合衍射光学器件110和出耦合衍射光学器件120的光栅矢量之间的角度中的差异。具有衍射元件的角度取向和由间隔周期d确定的间隔几何形状的中间光栅TG不仅再引导经内部反射的射束WG，而且还经由沿初始传播方向（即，沿图2的视图中的y轴线）与光束WG的多个衍射相遇而促成射束扩展。出耦合衍射光学器件120经由沿再引导的传播方向（即，沿图2的视图中的x轴线）与光束WG的多个衍射相遇而促成正交射束扩展。

一般指定为k并且利用下标（其中它们特定于色彩通道内的光）示出的光栅矢量与波导表面的平面平行地延伸，并且分别是在入耦合和出耦合衍射光学器件110和120的周期性方向上。

在考虑用于成像的光导设计时，应当指出的是，在波导内行进的承载图像的光由入耦合光学器件有效地编码，而不管入耦合机制是使用光栅、全息图、棱镜、反射镜还是某种其它机制。发生在输入处的光的任何反射、折射和/或衍射必须相应地由输出解码，以便再形成要呈现给观看者的虚拟图像。

放置在输入和输出耦合件（诸如，入耦合和出耦合衍射光学器件110和120）之间的中间位置处的转向光栅TG典型地选择为最小化编码光上的任何改变。照此，转向光栅的间距优选地与入耦合和出耦合衍射光学器件110和120的间距匹配。此外，通过以使得编码射线束由转向光栅TG的第一反射阶中的一个转向120度的这种方式使转向光栅取向在相对入耦合和出耦合衍射光学器件110和120的大概60度处，可以保留虚拟图像。转向光栅TG的衍射效应在与转向光栅的光栅矢量平行的传入射线的矢量分量上最显著。如此布置的转向光栅再引导波导衬底内的射线束，同时最小化对虚拟图像的编码角度信息的任何改变。这样设计的系统中的结果得到的虚拟图像没有旋转。如果这样的系统的确对虚拟图像引入任何旋转，旋转效应可以是跨光的不同视场角和波长非均匀分布的，因而引起结果得到的虚拟图像中的不想要的畸变或色差。

转向光栅TG的使用保留对光导20的设计的固有几何精度，使得输入射束和输出射束关于彼此对称取向。利用恰当的光栅TG间隔和取向，光栅矢量k将光从入耦合衍射光学器件110引导到出耦合衍射光学器件120。应当指出，形成用于成像光导观看者的图像是虚拟图像，其聚焦在无穷远处或者至少适当地在光导20的前方，但是具有输出图像内容对所保留的输入图像内容的相对取向。围绕z轴线的旋转或者传入光束WI关于x-y平面的角度取向中的改变可以引起来自出耦合衍射光学器件（ODO）120的传出光的旋转或角度取向中的对应对称改变。从图像旋转的角度看，转向光栅TG旨在充当一种类型的光学中继器，提供沿图像的一个轴线的扩展，所述图像通过入耦合衍射光学器件（IOD）110被输入并且再引导至出耦合衍射光学器件（ODO）120。转向光栅TG典型地是斜向或方形光栅，或者可替换地，可以是闪耀光栅。反射表面可以可替换地用于使光朝向出耦合衍射光学器件120转向。

当使用图2的布置时，提供两个不同维度上的射束扩展。转向光栅TG在y方向上扩展来自入耦合衍射光学器件110的衍射射束，出耦合衍射光学器件120在x方向上（即如所示与y方向正交）进一步扩展衍射射束。通过转向光栅TG和出耦合衍射光学器件120二者的射束扩展的组合使射束关于处在波导衬底的平面中的x和y轴线二者有效扩展。

在图2中示出的已知成像光导20已经使用在一些现有的头戴式设备（HMD）设计中以用于向观看者提供图像内容。这种类型的射束扩展器特别好地适于增强现实应用，其中图像内容可以叠覆在真实世界视图上，如通过透明成像光导所看到的那样。

已知成像光导射束扩展器的一个公认缺点涉及色彩质量。通过设计，就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，成像性能逐渐降低。此外，性能不仅仅根据波长来改变，而且入射角的变化也具有更明显的影响，其随着波长差异而改变。因此，当使用已知类型的衍射射束扩展器时，可能跨图像场感知到不期望色移。证明在软件中非常难以补偿色移问题，因为色移的量可能跨图像场变化很大。

用于解决色移问题的一种方法是使用单独的波导来充当不同原色通道，其中衍射元件被适当地设计成处理不同波长带的光。一种提出的方法堆叠三个波导来产生射束扩展。堆叠可以被用来将单独的红色（R）、蓝色（B）和绿色（G）色彩通道指派给各个波导，其中用于每个波导的衍射部件被适当地设计用于不同波长带的光。使用堆叠的波导与单独衍射光栅和可选彩色滤波器来降低色彩通道之间的串扰。

尽管堆叠方法可以实现一定程度的通道分离，但是堆叠波导解决方案的增加的重量、大小、复杂性和成本可能是显著的。可以容易认识到，将在没有可感知的色彩通道串扰的情况下在单个波导内提供单独的色彩通道的解决方案会有利于帮助总体上降低色移和改善彩色质量。

转向光栅的角度性能可能是有限的。当正确设计时，转向光栅可以最好是用于单个视场角以及在单个波长下的理想解决方案。用于实际再引导光的反射折射次序的效率曲线具有与用于入耦合和出耦合衍射光学器件的那些类似的特性。设计波长的且传播通过系统的中心视场角的射线在一个维度上高效地入耦合（衍射光学器件110）、高效地转向和扩展（光栅TG），并且在正交维度上高效地出耦合和扩展（衍射光学器件120）。相同波长但是来自极端场点的类似射线将相反地不太高效地耦合进来、不太高效地转向以及不太高效地耦合出来。这导致在跨整个角度场均衡性能、色彩平衡和明亮度方面的困难。

常规手持式投影设备（诸如例如微型投影仪）典型地提供具有9:16高宽比的图像内容。常规成像光导设计的角度范围限制进而约束投影仪设备的所允许的取向，典型地阻止了例如HMD中的微型投影仪设备的紧凑封装。作为进一步的约束，总体光效率受限制，如之前所指出的那样。

本公开的实施例提供了用于利用放大的观看光瞳或眼箱形成虚拟图像的光学系统。光学系统包括以单个平面波导部件的形式的成像光导，其具有（i）入耦合元件，诸如入耦合衍射光学器件110，以用于接受入射的承载图像的光束并且使用TIR沿平面部件至少引导来自入射光束的第一阶衍射光；（ii）出耦合元件，诸如出耦合衍射光学器件120，以用于在第一维度上扩展相应承载图像的光束并且向外引导承载图像的光束以便形成虚拟图像；以及（iii）至少具有在反射率方面彼此不同的第一和第二平行反射表面的反射器阵列，其关于优选地与第一维度正交的第二维度扩展相应承载图像的光束，并且部署在从入耦合衍射光学器件朝向出耦合衍射光学器件引导衍射光的角度下以用于形成虚拟图像。在使用衍射光学器件的情况下，入耦合和出耦合衍射光学器件110和120分别优选地具有相同的衍射周期（间距）。

为了帮助提高成像光导射束扩展器的总体效率，本公开的实施例使用包封在波导衬底内、附到波导衬底或者以其它方式形成为波导衬底的部分的一个或多个反射表面，以便执行关于y轴线的转向和射束扩展功能。作为第一示例性实施例，图3示出了布置为波导衬底S上的射束扩展器的光导30，其使用反射器36以用于使承载图像的光束转向。反射器36在光导30的外边缘内或者沿光导30的外边缘形成，相应地在入耦合和出耦合衍射光学器件110和120的周期性的方向上以与光栅矢量的适当角度部署以便提供适当的光学连接。根据本公开的实施例，反射器36反射与入耦合衍射光学器件110的光栅矢量名义上平行的光，使得反射光进而与出耦合衍射光学器件120的光栅矢量名义上平行。虚线示出了用于成像光导内的衍射第一阶光的光路。如虚线所指示，反射器36改变虚拟图像的取向，有效地倒转虚拟图像内容并且在反射器处以中心场主射线的入射角度的两倍旋转图像，如由该图中的字母“R”所示。如所指出，仅在图3布置中使用出耦合衍射光学器件120在一个维度上实现光瞳扩展。

图4是示出了布置为射束扩展器的光导30的透视图，该光导30具有如参照图2和3所描述的相应的入耦合和出耦合衍射光学器件110和120，并且使用反射器阵列32以用于添加第二维射束扩展。这种类型的布置在x和y方向上扩展输出光束。反射器阵列32具有三个镜面反射表面，在图4实施例中示出为反射器34a、34b和34c。阵列中的一些镜面反射表面是部分反射的，使得入射在反射器34a上的一些光透射通过至反射器34b；类似地，入射在反射器34b上的一些光透射通过至反射器34c。对于阵列中的接连的反射器，随着反射器距入耦合或出耦合衍射光学器件110、120进一步分离，反射率增加。序列中最后的或者最后面的反射器（在图4中的示例中的反射器34c）一般具有对于期望光的标称反射比100%并且使不想要的光透射到波导外。

为了提供扩展光瞳中的光的均匀分布，反射器阵列32的接连的反射器34a、34b和34c可以具有不同量的反射率，或者相反地，不同量的透射率。在没有吸收的情况下，用于五反射器实施例的示例性值在以下表格中给出。

表格 用于5反射器阵列的示例性反射率

反射器	反射率	透射率
			1	12%	88%
2	16%	84%
			3	23%	77%
4	38%	62%
			5	100%	---

图5A是布置为射束扩展器的光导40的平面视图，其在使用反射器阵列32时追踪从入耦合衍射光学器件110到出耦合衍射光学器件120的中心场点的轴线光路。在图5A的示例中，反射器阵列32具有四个反射表面，示出为反射器34a、34b、34c和34d。反射器34d仅反射在预期波长带内的光。在预期波长带外的光通过表面34d透射并且透射到波导之外，如在图5A中Q处所示出的。因此，反射器34d用作用于从成像通道移除不想要的波长的一种类型的滤波器。

根据图5A的实施例，射束扩展不仅由于透射至反射器34a、34b、34c和34d的光的反射而发生，而且还因为反射光的部分由反射器34a、34b、34c和34d进一步反射而发生。因而，相同的光可以在透射或反射的条件之下多次遇到相同的各个反射器34a、34b、34c和34d。示出了这些反射中的一些。还如在图5A中所示出的，反射器34a、34b和34c还部分反射从其他反射器反射的光，使得光的减弱部分在平行反射表面的每一个组合之间传播。指定用于相应表面中的每一个的反射率计及这些附加反射。还可以指出的是，将存在由于吸收以及由于超出反射器本身或目标输出至出耦合衍射光学器件120的光传播的一些不可避免的损耗。

反射器34a、34b、34c和34d的反射表面之间的间隔是用于维持遍及每一个扩展射束的期望强度轮廓的另一考虑。例如，人们将不想要将单独（像素）射束划分为偏转超出与相邻小射束的附近重叠的区的小射束，以便避免在眼箱中可观看到的图像中的间隙或明亮度变化。反射表面之间的恰当反射率和间隔还可以产生跨由多个小射束构成的扩展单独（像素）射束的能量的期望分布。一般地，反射器表面之间的距离不应当超出导件衬底S的厚度的大约2.5倍。

图5B是布置为射束扩展器并且重新绘制以示出从中心场点间隔开的场点的再引导的光导40的平面视图。光的相同角度入射适用于反射器34a、34b、34c和34d中的每一个。因此，通过在反射器的平行表面之间的反射来保留承载图像的射束之间的相对角度关系。

图6A示出了布置为使用波导22的光导50的可替换实施例，所述波导22仅包含由梯度反射器阵列42提供的箱体布置中的两个反射器44a和44b。反射器44b包括具有针对期望波长的可见光的标称反射比100%同时透射不想要的波长的光Q的二向色性滤波器。反射器44a具有沿其长度的变化反射比的梯度涂层，其分配反射器阵列42内部的反射光以便提供射束扩展。短语“梯度反射率”指示反射率值逐渐地改变，优选地，以连续增加或减小的方式，但是也可以包括反射率中的更多的增量改变，如出于制造或光学性能的目的而可以优选的那样。根据本公开的实施例，在反射器44a的长度部分之上的梯度反射率在从小于10%反射率到大于50%反射率的范围之上单调地连续改变。还可以提供用来控制相应的承载图像的光束的强度分布图的其它范围。

图6B是出于清楚起见而选择性地省略图6A的波导22细节的示意图，其示出了梯度反射器阵列42如何操作，重复地反射来自入耦合衍射光学器件110的光，其中可变透射区接连地布置。来自入耦合衍射光学器件110的衍射光输出初始地穿过反射器44a的完全透射区46a并且被反射器44b反射，反射器44b将任何不想要的波长作为光Q透射并将适当的光朝向反射器44a向后反射。反射器44a的部分透射区46b涂敷为提供反射梯度，作为示例，沿反射器44a的长度范围从75%反射到小于50%反射。透射通过反射器44a的光被向外引导朝向出耦合衍射光学器件120。反射器44b在不太反射（诸如，在该示例中66%反射）的反射器44a的片段之上反射已经从区46b返回朝向部分透射区46b反射的入射光。在66%反射的反射器44a的部分之上，大约1/3入射光然后透射至出耦合衍射光学器件120的另一部分。减弱量的光重复地在反射器44a和44b之间来回反射，直至来自入耦合衍射光学器件110的承载图像的光的最终剩余部分通过梯度反射器44a透射至衍射光学器件120。

梯度反射器44a的区46a和46b的一种可能的总体布置在图6C中的侧视图中示出。虚线指示沿梯度反射器44a的反射率的局部值。例如反射器44b可以沿成像光导22的边缘形成。可以容易地领会到，本文中针对图6A-6C示例给出的反射率值图示了用于使梯度反射器44a的反射率变化的一般原理，但是不视为约束性的。在任何实施例中实际使用的反射率值可以取决于各种因素，包括光损耗量、涂层公差和其它性能变量（包括在承载图像的光束内光的期望分布）。可以可替换地提供具有均匀反射率值的子区，该反射率值沿反射器44a的长度改变。

反射器阵列42的梯度反射率可以提供对倾斜角度敏感的附加自由度。尽管简单地扩展各个（像素）射束帮助扩展眼箱，但是典型眼箱仍远小于单个扩展射束的尺寸，因为扩展射束没有在眼箱处完全相交。为了在眼箱处更加完全地相交，在不同方向上传播的各个射束必须从输出光栅内的不同位置出射。为了改进一个维度上相交（即，重叠）的几率，相比另一侧而言，可以将某些角度的射束更多地引导朝向输出光栅的一侧。为了引起这一点，相比其它入射角度，可以使梯度反射表面对于某些入射角度的光选择性地更多反射，使得将不同角度引导朝向输出光栅的不同侧。使用这种方法由于各个（像素）射束在两个维度上角度编码而复杂化。因而，反射灵敏性应当限于维度中的仅一个。

为了得到最佳性能，如上面描述的射束扩展器光学器件可以为每一个单独（像素）射束提供其自身的横向能量分布，使得大多数能量到达眼箱并且射束的非重叠部分包含较少能量。阵列32和42的反射表面将输出的各个（像素）射束构造为相对偏移的小射束的各个集群，其中每一个小射束可以在强度和位置二者上变化。本公开的实施例允许反射中间射束扩展器通过跨至少90度的角度范围将光引导朝向出耦合衍射光学器件120。光可以沿图像的正交轴线或者之间的某一地方（诸如，以如图5A中示出的倾斜角度）接近出耦合衍射光学器件120。用于倾斜角度下的方向的能力可能对于部件定位和封装是有利的。此外，反射器阵列32、42可以提供用于以倾斜角度互连入耦合和出耦合衍射光学器件110、120之间的中心场射线，同时维持（特别是在出耦合衍射光学器件处）与图像的正交轴线x、y中的一个的对准。

双通道成像光导。

图7A是示出了具有两个色彩通道C_R和C_BG并且形成在单个衬底上的成像光导100的实施例的透视图。例如，色彩通道C_R和C_BG可以以分开至少50nm的波长为中心。成像光导100被形成为双侧混合射束扩展器，其中衍射、反射和滤波部件被布置成消除对堆叠的波导解决方案的需要以便防止色彩通道串扰。用于两个色彩通道的承载图像的光入射在将光分离到两个色彩通道之一中的入耦合衍射光学器件上。来自两个通道的输出承载图像的光被指引至观看者眼箱E。

图7B是示出了具有两个色彩通道C_BG和C_R并且形成在单个波导衬底上的图7A的成像光导100的实施例的分解视图。该分解视图在视觉上将在波导衬底的前表面F和后表面Bk上形成的部件彼此分开。每个表面都具有充当两个色彩通道之一的衍射和反射结构。在所示出的示例中，一个色彩通道C_BG被提供用于绿色和蓝色光（从约450 - 550 nm）；第二色彩通道C_R被提供用于红色光（从约610 - 780 nm）。色彩通道C_BG具有形成在衬底S的前表面上的衍射光学器件元件110_BG和120_BG，并且具有反射器阵列80_BG。色彩通道C_R具有衍射光学器件元件110_R、120_R，并且具有形成在波导衬底S的后部或后表面上的反射器阵列80_R。在图7A和7B的视图中入射光来自从右到左的单个方向。从出耦合衍射光学器件输出的两个色彩通道的光去到观看者眼箱E。对于相应的色彩通道，入耦合衍射光学器件110_R和110_BG沿着公法线彼此对齐以便使前表面F和后表面Bk平行。类似地对齐出耦合衍射光学器件120_R和120_BG。然而，相应的反射器阵列80_BG和80_R不会根据通过波导衬底S的不同色彩通道路径对齐。如先前关于图4、5A和5B中的反射器阵列32所描述的，反射器阵列80_R和80_BG可以有具有不同反射率的多个表面。备选地，如关于图6A和6B中的阵列42所描述的，反射器阵列80_R和80_BG中的一个或二者可以是梯度反射器阵列。最外面的反射表面可以是通过透射来丢弃相对通道的不想要的光的二向色性滤波器，使得两个色彩通道之间的串扰的机会被显著降低。

应该指出，可以使用色彩通道以及它们的相关联的带宽范围的许多备选布置中的任一个，诸如包括一个色彩通道内的绿色和红色波长带以及另一色彩通道中的蓝色波长带。

串扰关注点。

色彩通道之间的串扰可能是包括使用多个堆叠波导的布置的任何类型的成像系统具有的问题，但是对于使用单个波导的任何类型的设计是特别关注点。设计者可用于战胜串扰的方法包括在波导内提供就角度和距离二者来说尽可能多的单独的光学路径。对于图7A和7B中示出的示例，通过将红色光的路径与蓝色-绿色光的路径分开来降低串扰，使得光至错误彩色路径的“泄漏”不会发生或者可忽略。

根据上面概述的串扰预防策略，检查光学系统的不同部分的行为是有指导意义的。暂时返回到图7B的透视图，可以看到R和BG光根据光栅旋转来追踪来自入耦合件110的不同路径，如由它们的不同光栅矢量k_R和k_BG所指示的。即使在光学系统中在该点处发生一定量的串扰，也可以处理通过表面34d（图5A、5B实施例）或表面44b（图6A、6B实施例）提供的二向色性滤波器以在对应的色彩通道中提供滤波器特性。例如，用于红色通道C_R的低通滤波器可以被布置成从通道移除任何蓝色-绿色光BG，因为该光被透射出波导而不是被反射。类似地，用于蓝色-绿色通道C_BG的高通滤波器可以被布置成从通道移除任何红色光R，因为该光被透射出波导而不是被反射。

可以通过在入耦合衍射光学器件110_R和110_BG之间提供适当相对角度的光栅方向来获得附加的色彩串扰降低。对应于针对每个入耦合件110的光栅矢量k_R和k_R的光栅方向确定被每个入耦合衍射的光的路径。当R和BG光的路径彼此正交时实现路径之间的峰值分离。例如，图7B示出对于两个色彩通道的光栅旋转角产生彼此分开90度的光栅矢量k_R、k_BG。

图8的透视图示出了使用本公开的成像光导的用于三维（3D）增强现实观看的显示系统60。将显示系统60示出为HMD，其具有用于左眼的具有光导140l的左眼光学系统54l和用于右眼的具有光导140r的对应的右眼光学系统54r。可以提供图像源52（诸如，微型投影仪或类似设备），其可赋能以便生成用于每一个眼睛的分离图像，形成为具有针对笔直图像显示的图像取向的虚拟图像。所生成的图像可以是用于3D观看的立体图像对。由光学系统形成的虚拟图像可以看起来叠覆或叠置到由观看者看到的真实世界场景内容上。还可以提供增强现实可视化领域中的技术人员熟悉的附加部件，诸如，安装在HMD的框架上以用于观看场景内容或观看者凝视追踪的一个或多个相机。

根据本公开的备选实施例，提供具有三个单独的色彩通道的成像光导，该三个单独的色彩通道是使用用于第一和第二波长带的双侧射束扩展器和用于第三波长带的第二单侧射束扩展器来形成的。图9A的侧视图分解视图和图9B的组装视图以简化形式并且不旨在示出实际标度的情况下示出堆叠的成像光导组件200，其具有与单侧成像光导22耦合的双侧光导100。光导100和22形成在可黏结或机械耦合的单独波导衬底S1和S2上，使得堆叠的成像光导组件200提供三个单独的色彩通道。图9A示出一个备选布置，在其中双侧光导100具有用于红色光R（在630-660nm范围中）的红色通道C_R和用于绿色光G（在500-540nm范围中）的绿色通道C_G；然后成像光导22具有用于蓝色光B（在440-470nm范围中）的单个蓝色通道C_B。图9A示出用于该堆叠布置的相应色彩通道中的光的路径。蓝色光B透射通过两个入耦合衍射光学器件110_G和110_R并且在入耦合衍射光学器件110_B处衍射。然后经过衍射的蓝色光B通过波导衬底S1中的TIR传达，通过反射器阵列32_B沿着一个轴线扩展，并且指引到出耦合衍射光学器件120_B。红色光R也在入耦合衍射光学器件110_G处输入，在入耦合衍射光学器件110_R处反射地衍射并且通过反射器阵列32_R沿着一个轴线扩展，并且去到出耦合衍射光学器件120_R。绿色光G也在入耦合衍射光学器件110_G处输入并且在那里衍射。该射束经由TIR通过波导衬底S2传达，通过反射器阵列32_G沿着一个轴线扩展，并且去到出耦合衍射光学器件120_G。关于本文中描述的双通道实施例，使在堆叠布置中使用的双侧射束扩展器上的入耦合衍射光学器件旋转，使得它们的相应光栅矢量在衬底S1内彼此成25-40度。在衬底S1和S2之间提供足够的气隙G以允许TIR。

可以认识到，图9A和9B中示出的实施例是堆叠的成像光导组件200以及其色彩通道C_R、C_G、C_B的许多可能布置中的一个。双侧光导100可以被堆叠在单侧成像光导22上面或下面。两个双侧光导100的耦合可以以类似方式提供四个色彩通道。

射束扩展器制造。

入耦合衍射光学器件110和出耦合衍射光学器件120例如可以是衍射光栅或者形成为体积全息图，或由全息聚合物分散液晶来形成。成像光导100的波导衬底S通常是玻璃或具有用于支持入耦合衍射光学器件110和出耦合衍射光学器件120之间的TIR传输的足够折射率的其他光学材料。

入耦合衍射光学器件110和出耦合衍射光学器件120具有适合于它们的相应色彩通道的不同光栅周期。通常光栅间距或光栅周期是从针对色彩通道的中心波长的百分之75至约90的值。例如，在一个示例性实施例中，用于红色通道（620-670nm）的入耦合衍射光学器件110_R具有510nm的周期、205nm的深度、50/50填充和45度倾斜。

在玻璃衬底坯件的恰当表面准备之后，可以使用例如纳米压印方法在成像光导的一个或两个外表面上形成衍射部件。

入耦合件和出耦合件中的至少一个可以是表面浮雕衍射光栅。

二向色性滤波器是一种类型的薄膜干涉滤波器，其被处理或形成以提供波长选择性滤波器特性，其结果是在具有不同折射率的材料的交错层之间的边界处入射波和反射波之间发生的干涉效应。干涉滤波器常规包括由具有不同折射率的两种或更多种电介质材料的多个交替层组成的电介质堆叠。在常规薄膜干涉滤波器中，沉积在衬底上的滤波器堆叠的相应交错层中的每一个都是非常薄的，例如具有大约光的四分之一波长的光学厚度（物理厚度乘以层的折射率）。具有使至少一个波长带反射并且使紧邻第一带的至少第二波长带透射以使得滤波器能够通过重新指引反射带来将两个波长带分开的滤波器特性的滤波器常规被称为“二向色性”滤波器。

根据本公开的实施例形成或配置的光学滤波器通常可以采用薄膜干涉滤波器的基本结构。在该基本结构中，多个极薄的离散材料层以某种交替或另外交错的图案作为滤波器堆叠沉积在衬底的表面上，其中滤波器堆叠中的各个层之间的光学折射率突然变化，而不是不断地或逐渐地变化。该多个层包括具有第一折射率n_L的至少多个第一层，其与具有大于第一折射率的第二折射率n_H的多个第二层交错。具有既不等于n_H也不等于n_L的折射率的一个或多个附加层也可以在滤波器堆叠中。在常规薄膜设计中，两个离散层是交替的，形成具有非常接近某一基础波长的四分之一波长厚度的厚度。将第三材料或其他附加材料添加到薄膜堆叠中帮助微调滤波器响应。高和低折射率材料中的折射率之间的数值差影响用于形成具有特定透射特性的滤波器所需的薄膜层的数目。在高和低折射率材料的折射率之间的差足够大的情况下，需要更少的交替层来实现相同的透射率（密度）值。

可以使用各种各样的材料来形成滤波器堆叠中的多个离散材料层。在这样的材料之中，非限制性提及由金属、金属氧化物和非金属氧化物、透明聚合物材料以及所谓的“软”涂层（诸如氟化铝钠(Na₃AlF₆)和硫化锌(ZnS)）制成。进一步非限制性提及由从二氧化硅（SiO₂）、五氧化二钽（Ta₂O₅）、五氧化铌（Nb₂O₅）、二氧化铪（HfO₂）、二氧化钛（TiO₂）和五氧化二铝（Al₂O₅）选择的金属氧化物制成。交错的材料层可以包括至少两种不同材料。作为非限制性示例，该滤波器可以包括多个不同的交替Nb₂O₅和SiO₂层，它们分别具有2.3和1.5的折射率。备选地，根据本公开的滤波器可以使用具有至少三个不同材料（诸如不同的Nb₂O₅、SiO₂和Ta₂O₅层）的交错图案，每个层都具有特有的折射率。当然，还可以在交错的层图案内使用多于三种材料和材料的其他组合。

一般来说，可以使用光学涂覆领域中的技术人员公知的沉积方法和技术来制造根据本公开的滤波器。例如，这些滤波器可以利用能够沉积多个离散交替材料层的计算机控制的离子束喷溅系统来制成，其中每个层的厚度可以被精确控制。

已经特别参照当前优选的实施例详细地描述了本发明，但是将理解到，可以在本发明的精神和范围内实现变化和修改。当前公开的实施例因此在所有方面中认为是说明性而非约束性的。本发明的范围由随附权利要求书指示，并且在其等同方案的含义和范围内的所有改变都意图涵盖在其中。

Claims (11)

1.一种用于传达虚拟图像的成像光导，包括：

波导；

用于将第一波长范围的光指引通过波导的第一色彩通道，其包括：

（i）第一入耦合衍射光学器件，其被部署成沿着第一方向将第一波长带的承载图像的光束衍射到波导中；

（ii）第一反射器阵列，其具有至少一个部分反射表面和与该至少一个部分反射表面平行取向的二向色性滤波器表面，其中该第一反射器阵列的表面被部署成在第一维度上扩展来自第一入耦合衍射光学器件的相应承载图像的光束，并且朝向第一出耦合衍射光学器件引导经扩展的承载图像的光束；

（iii）第一出耦合衍射光学器件，其被部署成在第二维度上进一步扩展第一波长带的承载图像的光束并且朝向观看者眼箱引导来自波导的第一波长带的进一步扩展的承载图像的光束；

用于将第二波长范围的光指引通过波导的第二色彩通道，其包括：

（i）第二入耦合衍射光学器件，其被部署成沿着第二不同方向将第二波长带的承载图像的光束衍射到波导中；

（ii）第二反射器阵列，其具有至少一个部分反射表面和与该至少一个部分反射表面平行的二向色性滤波器表面，其中该第二反射器阵列的表面被部署成在第一维度上扩展来自第二入耦合衍射光学器件的相应承载图像的光束，并且朝向第二出耦合衍射光学器件引导经扩展的承载图像的光束；

（iii）第二出耦合衍射光学器件，其被部署成在第二维度上进一步扩展第二波长带的承载图像的光束并且朝向观看者眼箱引导来自波导的第二波长带的进一步扩展的承载图像的光束。

2.根据权利要求1所述的成像光导，其中该第二反射器阵列的二向色性滤波器表面被形成为使第二波长带的光朝向至少一个部分反射表面反射并且使其他光透射。

3.根据权利要求1所述的成像光导，其中该第一入耦合衍射光学器件和第二入耦合衍射光学器件形成在波导的相对表面上并且沿着相对表面的公法线对齐，并且其中该第一反射器阵列和第二反射器阵列被部署在波导中的不同位置中。

4.根据权利要求3所述的成像光导，其中该第一出耦合衍射光学器件和第二出耦合衍射光学器件形成在波导的相对表面上并且沿着相对表面的公法线对齐。

5.根据权利要求1所述的成像光导，其中该第一入耦合衍射光学器件是体积全息图。

6.根据权利要求1所述的成像光导，其中该第一入耦合衍射光学器件是衍射光栅。

7.根据权利要求1所述的成像光导，其中该波导是具有平行取向的相对侧表面的平面波导。

8.一种用于传达虚拟图像的成像光导，其包括波导并且具有用于沿着波导朝向观看者眼箱指引第一波长范围的光的第一色彩通道和用于沿着波导朝向观看者眼箱指引第二波长范围的光的第二色彩通道，其中每个色彩通道包括：

（i）入耦合衍射光学器件，其被部署成将承载图像的光束衍射到波导中；

（ii）反射器阵列，其具有至少一个部分反射表面和与该至少一个部分反射表面平行的二向色性滤波器表面，其中该反射器阵列的表面被部署成在第一维度上扩展来自入耦合衍射光学器件的色彩通道的相应承载图像的光束，并且朝向出耦合衍射光学器件引导经扩展的承载图像的光束；以及

（iii）出耦合衍射光学器件，其被部署成在第二维度上进一步扩展色彩通道的承载图像的光束并且朝向观看者眼箱引导来自波导的色彩通道的进一步扩展的承载图像的光束。

9.根据权利要求8所述的成像光导，其中该二向色性滤波器表面被形成为使色彩通道的光朝向至少一个部分反射表面反射并且使其他光透射。

10.根据权利要求8所述的成像波导，其中该波导是多于一个波导中的第一个并且第二波导耦合至第一波导并且提供用于将第三波长范围的光传达通过第二波导的第三色彩通道，其包括：

（i）第三入耦合衍射光学器件，其被部署成将第三波长范围的承载图像的光束衍射到第二波导中；

（ii）第三反射器阵列，其具有至少一个部分反射表面和与该至少一个部分反射表面平行的二向色性滤波器表面，其中该第三反射器阵列的表面被部署成扩展来自第三入耦合衍射光学器件的相应承载图像的光束，并且朝向第三出耦合衍射光学器件引导经扩展的承载图像的光束；以及

（iii）第三出耦合衍射光学器件，其被部署成进一步扩展第三波长带的承载图像的光束并且朝向观看者眼箱引导来自第二波导的第三波长带的进一步扩展的承载图像的光束。

11.根据权利要求8所述的成像光导，其中该第三反射器阵列的二向色性滤波器表面被形成为使第三波长带的光朝向第三反射器阵列的至少一个部分反射表面反射并且使其他光透射。