CN110036235B - 具有用于再循环光的外围侧面几何形状的波导 - Google Patents

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Abstract

一种用于将与输入光瞳相关联的图像复制到输出光瞳的装置包括光波导，该光波导包括体衬底、输入耦合器和输出耦合器。体衬底包括第一主侧面和第二主侧面以及外围侧面。输入耦合器将与图像相对应的光耦合到波导中，该图像与输入光瞳相关联。输出耦合器将至少部分通过TIR从输入耦合器到输出耦合器行进通过波导的、与图像相对应的光耦合出波导。至少一个外围侧面包括限定相对于彼此成45度角的第一平面和第二平面的第一表面和第二表面。这样的外围侧面提供了否则将通过外围侧面泄漏出波导的光的有效再循环。

Description

具有用于再循环光的外围侧面几何形状的波导
背景技术
可以利用透明或半透明显示器来实现各种类型的计算、娱乐和/或移动设备，设备的用户可以通过该显示器查看周围环境。可以称为透视、混合现实显示设备系统或增强现实(AR)系统的这种设备使得用户能够透过设备的透明或半透明显示器来查看周围环境，并且还看到被生成用于显示以呈现为周围环境的一部分和/或覆盖在周围环境上的虚拟对象(例如，文本、图形、视频等)的图像。可以实现为头戴式显示器(HMD)眼镜或其他可穿戴的显示设备(但不限于此)的这些设备通常利用光波导来将例如由显示引擎产生的图像复制到设备的用户可以在增强现实环境中查看图像作为虚拟图像的位置。由于这仍然是一种新兴的技术，因此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。
发明内容
本文中描述了再循环光的装置、方法和系统，否则这些光可能耦合出光波导的外围侧面。某些这样的实施例涉及一种用于将与输入光瞳相关联的图像复制到输出光瞳的装置。这种装置包括光波导，该光波导包括体衬底、输入耦合器和输出耦合器。光波导的体衬底包括第一主侧面、与第一主侧面相对的第二主侧面、以及可以在第一主侧面与第二主侧面之间延伸的外围侧面。光波导的输入耦合器被配置为将与图像相对应的光耦合到光波导的体衬底中，该图像与输入光瞳相关联。光波导的输出耦合器被配置为将至少部分通过全内反射(TIR)从输入耦合器到输出耦合器行进通过光波导的、与图像相对应的光耦合出光波导的体衬底。光波导的体衬底的至少一个外围侧面包括限定相对于彼此成45度角的第一平面和第二平面的第一表面和第二表面。这样的外围侧面提供否则可能不期望地通过外围侧面泄漏出光波导的光的有效的再循环。
提供本“发明内容”是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的“具体实施方式”中进一步描述。本“发明内容”不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
附图说明
图1A、1B和1C分别是可以用于将与输入光瞳相关联的图像复制到扩展的输出光瞳的示例性波导的正视图、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，并且还示出了生成包括通过输入耦合器耦合到波导中的角度内容的图像的显示引擎，并且还示出了正在观看靠近输出耦合器的眼动范围内的图像的眼睛。
图3是类似于图2的侧视图，但是示出了相对于第一主侧面和第二主侧面精确地为90度的、涂覆有反射涂层的一个外围侧面。
图4是类似于图2和3的侧视图，但是示出了相对于第一主侧面和第二主侧面并非精确地为90度的、涂覆有反射涂层的一个外围侧面。
图5是根据本技术的一个实施例的包括具有有效地再循环光的几何形状的外围侧面的波导的侧视图，
图6是根据本技术的一个实施例的包括具有有效地再循环光的几何形状的外围侧面的波导的一部分的透视图，并且更具体地，外围侧面包括为平面的并且与第一平面共同延伸的第一表面、为平面的并且与第二平面共同延伸的第二表面、以及在第一表面与第二表面之间延伸的第三表面，其中第一平面和第二平面相对于彼此成45度。
图7A是根据本技术的另一实施例的包括具有有效地再循环光的几何形状的外围侧面的波导的一部分的透视图，并且更具体地，外围侧面包括为多面的并且限定第一平面的第一表面、为平面的并且与第二平面共同延伸的第二表面、以及在第一表面与第二表面之间延伸的第三表面，其中第一平面和第二平面相对于彼此成45度。图7B是沿着图7A中的线B-B的图7A所示的波导的横截面图。
图8是用于概述根据本技术的某些实施例的方法的高级流程图。
具体实施方式
本技术的某些实施例涉及用于将与输入光瞳相关联的图像复制到输出光瞳的装置。这种装置可以包括波导。如下面将进一步详细讨论的，其中波导用于执行光瞳复制(也称为图像复制)，光可能无意地且不期望地通过波导的外围侧面泄漏出波导。这可能降低波导的光学效率并且可能在包括波导的系统中引起不期望的杂散光。本文中描述的某些实施例可以用于减少并且优选地防止光通过光波导的外围侧面无意地和不期望地泄漏出光波导，并且从而可以用于提高波导的光学效率并且减少并且优选地防止包括波导的系统内的杂散光。
在下面的描述中，相同的数字或附图标记将始终用于指代相同的部分或元件。另外，三位数附图标记的第一数字标识首次出现附图标记的图。
图1A、1B和1C分别是可以用于将与输入光瞳相关联的图像复制到扩展的输出光瞳的示例性光波导100的正视图、俯视图和侧视图。本文中使用的术语“输入光瞳”是指与图像相对应的光通过其覆盖在波导的输入耦合器上的孔径。本文中使用的术语“输出光瞳”是指与图像相对应的光通过其离开波导的输出耦合器的孔径。输入光瞳有时也被称为入射光瞳，而输出光瞳有时也被称为出射光瞳。光波导100在下文中通常将更简洁地简称为波导100。如下面将参考图2进一步详细讨论的，波导100用于复制并且可能还扩展的图像可以使用显示引擎来生成。
参考图1A、1B和1C，光波导100包括具有输入耦合器112和输出耦合器116的体衬底106。输入耦合器112被配置为将与和输入光瞳相关联的图像相对应的光耦合到波导的体衬底106中。输出耦合器116被配置为将与和输入光瞳相关联的图像相对应的光(其在光波导100中从输入耦合器112行进到输出耦合器116)耦合出波导100，使得光被输出并且从输出光瞳可见。
可以由玻璃或光学塑料制成(但不限于此)的体衬底106包括第一主侧面108、第二主侧面110以及外围侧面109a、109b、109c和109d。第一主侧面108和第二主侧面110彼此相对且平行。根据某些实施例，主侧面108和110是平面的。根据其他实施例，主侧面108和110是弯曲的。第一主侧面108可以替代地被称为前侧面108，并且第二主侧面110可以替代地被称为后侧面110。外围侧面109a、109b、109c和109d可以单独地称为外围侧面109，或者统称为外围侧面109。由于本文中使用术语“体”，因此衬底被认为是“体”衬底，其中衬底的厚度(在其主侧面之间)是衬底用作其光学传输介质的光的波长的至少十倍(即，10倍)。例如，当光(衬底用作其光学传输介质)是波长为620nm的红光时，衬底将被认为是体衬底，其中衬底的厚度(在其主侧面之间)至少为6200nm，即至少6.2μm。根据某些实施例，体衬底106在其主侧面108和110之间的厚度为至少25μm。在特定实施例中，体衬底106的厚度(在其主侧面之间)在25μm至1000μm的范围内。体衬底106(并且更一般地波导100)是透射的，这表示它允许光通过它，使得用户可以透视波导100并且观察在波导100的相对侧而不是用户的(多个)眼睛上的对象。
图1A、1B和1C中的光波导100还被示出为包括中间组件114，中间组件114可以替代地称为中间区域114。在波导100包括中间组件114的情况下，输入耦合器112被配置为在中间组件114的方向上将光耦合到波导100中(并且更具体地耦合到波导100的体衬底106中)。中间组件114被配置为在输出耦合器116的方向上重定向这种光。此外，中间组件114被配置为执行水平或竖直光瞳扩展中的一个，并且输出耦合器116被配置为执行水平或竖直光瞳扩展中的另一个。例如，中间组件114可以被配置为执行水平瞳孔扩展，并且输出耦合器116可以被配置为竖直瞳孔扩展。替代地，如果中间组件114被重新定位到例如图1A所示的输入耦合器112下方和输出耦合器116左侧，则中间组件114可以被配置为执行竖直瞳孔扩展，并且输出耦合器116可以被配置为执行水平瞳孔扩展。
输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116在本文中可以统称为波导的光学元件112、114和116，或者更简洁地称为组件112、114和116。
波导可以包括输入耦合器和输出耦合器，而不包括中间组件。在这样的实施例中，输入耦合器将被配置为在朝向输出耦合器的方向上将光耦合到波导中。在这样的实施例中，输出耦合器可以提供水平或竖直光瞳扩展中的一种，这取决于实现。
在图1A中，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116被示出为具有矩形外围形状，但是可以具有替代的外围形状。例如，输入耦合器112可以替代地具有圆形外围形状，但不限于此。又例如，中间组件可以具有三角形或六边形外围形状，但不限于此。此外，应当注意，每个外围形状(例如，通常为矩形或三角形)的角部可以被倒角或倒圆，但不限于此。这些仅是输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116的一些示例性外围形状，其并非旨在全部包含。
从图1B和1C可以最好地理解，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116都被示出为设置在波导100的同一侧面(即，后侧面110)中或上。在这种情况下，输入耦合器112可以是透射的(例如，透射光栅)，中间组件114可以是反射的(例如，反射光栅)，并且输出耦合器116也可以是反射的(例如，另外的反射光栅)。输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以替代地全部设置在波导100的前侧面110中。在这种情况下，输入耦合器112可以是反射的(例如，反射光栅)，中间组件114可以是反射的(例如，另外的反射光栅)，并且输出耦合器116也可以是透射的(例如，透射光栅)。
替代地，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116都可以嵌入(也称为浸入)体衬底106中。例如，体衬底106可以分成两个半部(与主侧面108和110平行)，并且输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以设置在(例如，蚀刻到)两个半部的内表面中的一个中，并且两个半部的内表面可以彼此粘合。替代地，体衬底106可以分成两个半部(与主侧面108和110平行)，并且输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以设置在两个半部的内表面之间。用于将输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116嵌入体衬底106中的其他实现也是可能的，并且在本文中描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中的一个也可以设置在波导100的前侧面108中或上，组件112、114和116中的另一个设置在后侧面110中或上，并且组件112、114和116中的最后一个嵌入或浸入在体衬底106中。更一般地，除非另有说明，否则输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116中的任何一个可以设置在体衬底106的主侧面108或110中的任何一个中或上，或者嵌入其间。
输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116每个可以实现为衍射光栅，或者更一般地，实现为衍射光学元件(DOE)。衍射光栅是可以包含周期性结构的光学元件，该周期性结构使得入射光由于称为衍射的光学现象而分裂并且改变方向。分裂(称为光阶(optical order))和角度变化取决于衍射光栅的特性。当周期性结构在光学元件的表面上时，它被称为表面光栅。当周期性结构是由于表面本身的变化而引起时，它被称为表面浮雕光栅(SRG)。例如，SRG可以在光学元件的表面中包括均匀的直槽，这些直槽由均匀的直槽间隔区域分开。沟槽间隔区域可以称为“线”、“光栅线”或“填充区域”。SRG产生的衍射的性质取决于在SRG上入射的光的波长、偏振和角度以及SRG的各种光学特性，诸如折射率(也称为折射指数)、线间距、沟槽深度、沟槽轮廓、沟槽填充率和沟槽倾斜度角度。SRG可以通过合适的微制造工艺来制造，该工艺可以包括在衬底上蚀刻和/或沉积以在衬底上制造期望的周期性微结构以形成光学元件，光学元件然后可以用作生产主体，诸如用于制造其他光学元件的模具或掩模。SRG是衍射光学元件(DOE)的示例。当DOE存在于表面上时(例如，当DOE是SRG时)，由该DOE跨越的该表面的部分可以称为DOE区域。衍射光栅、而不是表面光栅可以替代地是体光栅，诸如布拉格衍射光栅。也可以将一个或多个耦合器制造为SRG，并且然后将其覆盖在另一种材料中，例如，使用铝沉积工艺，从而基本上掩埋SRG，使得包括(多个)SRG的(多个)主要波导表面基本上是光滑的。这种耦合器是表面和体衍射光栅的混合的一个示例。输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116中的任何一个可以是例如表面衍射光栅、或体衍射光栅、或表面和体衍射光栅的混合。每个衍射光栅可以具有由衍射光栅的光栅线的方向指定的优先线性偏振定向，其中具有优先线性偏振定向的光的耦合效率将高于具有非优先线性偏振定向的光的耦合效率。
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，每个这样的SRG可以被蚀刻到体衬底106的主侧面108或110中的一个中。在这样的实施例中，SRG可以称为形成在体衬底106“内”。替代地，每个SRG可以物理地形成在覆盖体衬底106的主侧面108或110中的一个的涂层中，在这种情况下，每个这样的SRG可以称为形成在体衬底106“上”。无论哪种方式，组件112、114和116都被认为是波导100的一部分。
具体参考图1A，在示例性实施例中，输入耦合器112可以具有在竖直(y)方向上延伸的表面光栅，输出耦合器116可以具有在水平(x)方向上延伸的表面光栅，并且中间组件114可以具有相对于水平和竖直方向延伸对角线(例如，～45度)的表面光栅。这只是一个示例。其他变化也是可能的。
更一般地，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以具有各种不同的外围几何形状，可以设置在体衬底的主侧面中或上，或者可以嵌入体衬底106中，并且可以使用各种不同类型的光学结构来实现，如从上面的讨论中可以理解的，并且将从下面的讨论中进一步理解。
通常，与经由输入耦合器112耦合到波导中的图像相对应的光可以通过全内反射(TIR)从输入耦合器112到输出耦合器116行进通过波导。TIR是当传播的光波以大于相对于表面法线的临界角的角度撞击介质边界(例如，体衬底106的介质边界)时发生的一种现象。换言之，临界角(θc)是在其之上发生TIR的入射角，其由Snell定律给出，如本领域中已知的。更具体地，Snell定律指定，临界角(θc)使用以下等式来指定：
θc＝sin-1(n2/n1)
其中
θc是在介质边界处相交的两个光学介质(例如，体衬底106、以及与体衬底106相邻的空气或某种其他介质)的临界角，
n1是光学介质的折射率，其中光朝向介质边界(例如，一旦光在其中耦合时，体衬底106)行进，并且
n2是超出介质边界的光学介质的折射率(例如，与体衬底106相邻的空气或某种其他介质)。
从图2中可以更好地理解通过TIR从输入耦合器112到输出耦合器116行进通过波导100的光的概念，这将在下面讨论。现在参考图2，如图1C所示，图2示出了波导100的侧视图，但是还示出了生成包括通过输入耦合器112耦合到波导中的角度内容的图像的显示引擎204。图2是使用波导100来观察使用显示引擎204产生的图像作为虚拟图像的人眼214的表示。
显示引擎204可以包括例如图像形成器206、准直透镜208和照射器210，但不限于此。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调制，并且背光用白光调制。这些技术通常使用具有强大背光和高光能密度的液晶显示(LCD)型显示器来实现。照射器210可以提供上述背光。图像形成器206也可以使用反射技术来实现，其中外部光由光学活性材料反射和调制。高通公司的数字光处理(DLP)、硅基液晶(LCOS)和Mirasol(TM)显示技术都是反射技术的示例。替代地，图像形成器206可以使用发射技术来实现，其中光由显示器生成，参见例如Microvision公司的PicoP(TM)显示引擎。发射显示技术的另一示例是微有机发光二极管(OLED)显示器。诸如eMagin(TM)和Microoled(TM)等公司提供微OLED显示器的示例。图像形成器206单独地或与照射器210组合也可以称为微显示器。准直透镜208被布置为从成像器206接收发散显示图像，以准直显示图像，并且朝向波导100的输入耦合器112引导准直图像。根据一个实施例，与波导相关联的入射光瞳的大小可以与和图像形成器206相关联的出射光瞳大致相同，例如，在一些实施例中为5mm或更小，但不限于此。
在图2中，显示引擎204被示出为面向波导100的后侧面110，并且眼睛214被示出为面向与后侧面110相对且平行的前侧表面108。这提供了潜望镜类型的配置，其中光在波导100的一侧进入波导，并且在波导100的相对侧离开波导。替代地，输入耦合器112和输出耦合器116可以以某种方式实现使得显示引擎204和眼睛214接近并且面向相同的主侧面(108或110)。
波导100可以并入透视混合现实显示设备系统中，但不限于与其一起使用。可以为用户的左眼和右眼中的每个提供波导100和显示引擎204的单独实例。在某些实施例中，(多个)这种波导100可以位于透视透镜的旁边或之间，透视透镜可以是眼镜中使用的标准透镜并且可以制成任何处方(包括没有处方)。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可以位于框架的侧面使得其位于用户的太阳穴附近。替代地，显示引擎204可以位于HMD眼镜的中央部分，该中央部分位于用户的鼻梁上方。显示引擎204的其他位置也是可能的。在这些情况下，用户也可以称为穿戴者。在用户的左眼和右眼中的每个都存在单独的波导的情况下，对于每个波导并且因此对于用户的左眼和右眼中的每个，可以存在单独的显示引擎。如本领域中已知的，一个或多个另外的相邻波导可以用于基于在用户的(多个)眼睛214上入射和从用户的眼睛214反射的红外光来执行眼睛跟踪。
如图2所示，通过输入耦合器112耦合到波导100中的光可以通过TIR从输入耦合器112到中间组件114行进，并且通过TIR从中间组件114到输出耦合器116行进，光在输出耦合器116处离开波导100。更具体地，波导100内的衍射光束分离和TIR的组合导致输入光束的多个版本在输出耦合器116的长度和宽度两者中从输出耦合器116向外衍射。
还如图2所示，在沿着朝向输出耦合器116的传播方向行进(例如，通常从外围侧面109c朝向外围侧面109d)之后，耦合到波导100中的一些光可以不通过输出耦合器116耦合出波导100，并且因此可以到达外围侧面109d并且最终通过外围侧面109d泄漏出波导100。这可能降低波导100的光学效率并且可能在包括波导100的系统中引起不期望的杂散光。类似地，光可能不期望地泄漏出一个或多个其他外围侧面109a、109b和/或109c。本文中使用的术语波导的光学效率是指通过波导的输入耦合器耦合到波导中的光量除以通过波导的输出耦合器耦合出波导的光量。
在图2中，通过外围侧面109d泄漏出的光的部分标记为222。在图2中，泄漏出外围侧面109d的光222被示出为以与光在外围侧面上入射时具有的角度相同，但是该角度实际上可能由于波导的体衬底106的折射率和与外围侧面109d相邻的空气或其他介质的折射率之间的差异而改变。
一种改善波导100的光学效率的技术是用反射材料涂覆一个或多个外围侧面109，如图3所示。更具体地，在图3中，外围侧面109d被示出为涂覆有反射材料302，反射材料302也可以称为反射涂层302。可以用作反射涂层的示例性材料包括但不限于铝、金、银、金合金或银合金、或介电材料(诸如氟化镁)、或其组合。反射涂层302将引起在波导100内行进的到达外围侧面109d(涂覆有反射涂层302)的光在相反方向上反射离开外围侧面109d。反射离开反射涂覆的外围侧面109d的光线(以稍微更粗的线示出并且标记为304)可以称为再循环光。如果反射涂覆的外围侧面109d相对于主侧面108和110精确地成90度，则再循环光相对于主侧面108和110的入射角与光在反射涂覆的外围侧面109d上入射时的入射角相同。问题在于，如果反射涂覆的完全平面的外围侧面109d相对于主侧面108和110不精确地为90度，则可能产生重影，如将参考图4更详细地解释的。由于制造公差，很难制造外围侧面109使得它相对于主侧面108和110精确地为90度。现在将参考图4描述外围侧面109相对于主侧面108和110不精确地为90度的不利影响。
在图4中，被示出为相对于主侧面108和110不精确地为90度的外围侧面109d涂覆有反射涂层302。反射涂层302将引起在波导100内行进的到达外围侧面109d(涂覆有反射涂层302)的光沿着相反方向反射离开外围侧面109d。反射离开反射涂覆的外围侧面109d的光线(以稍微更粗的线示出并且标记为404)可以称为再循环光。如图4所示，由于反射涂覆的外围侧面109d相对于主侧面108和110不是精确地为90度，因此再循环光404相对于主侧面108和110的入射角不同于光在反射涂覆的外围侧面109d上入射时的入射角。这将导致再循环光以不同于光在反射涂覆的外围侧面109d上入射之前已经从输出耦合器116衍射出的角度衍射出输出耦合器116。这将导致由光波导呈现给用户眼睛的虚拟图像的不期望的重影。这样的重影基本上是期望的虚拟图像的副本，其在位置上偏移并且叠加在期望的虚拟图像之上。下面描述的本技术的某些实施例有效地再循环光而不会引起这种重影。
图5是根据本技术的一个实施例的包括具有有效地再循环光的几何形状的外围侧面109d的波导100的侧视图。参考图5，外围侧面109d被示出为包括限定相对于彼此成45度角的第一平面512和第二平面514的表面502和504。外围侧面109d(其包括限定相对于彼此成45度角的第一平面512和第二平面514的表面502和504)被配置为再循环在光波导100的体衬底106内在朝向外围侧面109d的传播方向上行进之后在外围侧面109d上入射的光(对应于图像)。更具体地，当光在表面502或504中的一个上入射时(以相对于第一主侧面和第二主侧面108和110的入射角在光波导100的体衬底106内在朝向外围侧面109d的传播方向520上行进之后)，该光朝向外围侧面109d的另一表面502或504反射，并且然后以相对于第一主侧面和第二主侧面的相同入射角沿着与传播方向520相反的方向从该另一表面反射。
在图5中，外围侧面109d也被示出为包括在表面502和504之间延伸的表面506。因此，在图5中，外围侧面109d与为平面的第一主侧面108和第二主侧面110之间的边缘是倒角边缘。在一个替代实施例中，外围侧面109d的表面502和504以45度角彼此相交，并且因此没有表面506。在这种替代实施例中，外围侧面与为平面的第一主侧面和第二主侧面之间的边缘是斜角边缘。
根据一个实施例，表面502是与第一平面512共同延伸的平面表面，并且表面504是与第二平面514共同延伸的平面表面。换言之，在这样的实施例中，表面502和第一平面512彼此等同，并且表面504和第二平面514彼此等同。
在图5中，朝向外围侧面109d行进的光的传播方向520被示出为负y方向。这种光可以完全在同一yz平面(平行于页面)内行进，在这种情况下，由外围侧面109d再循环并且由此沿着与传播方向520相反的方向行进的光也将完全在同一yz平面(平行于页面)内行进。换言之，如果沿着传播方向520行进的光相对于yz平面以零度行进，则由外围侧面109d再循环并且由此沿着与传播方向520相反的方向行进的光也将相对于yz平面以零度行进。然而，更有可能的是，沿着传播方向520朝向外围侧面109d行进的光也将相对于yz平面以某个角度行进，并且因此具有x分量。
假定在传播方向520上朝向外围侧面109d行进的光相对于yz平面以某个角度行进(并且因此具有x分量)，如果表面502是与第一平面512共同延伸的平面表面，并且表面504是与第二平面514共同延伸的平面表面，则由外围侧面109d再循环的光将在与传播方向520相反的方向上相对于yz平面以符号相反的角度行进(与在传播方向520上行进的光相比)。换言之，正交平面(在该示例中为xy平面)中的再循环光的角度的符号将被反转。例如，如果沿着传播方向520行进的光的x分量为正7度，则再循环光的x分量将为负7度(如果表面502是与第一平面512共同延伸的平面表面，并且表面504是与第二平面514共同延伸的平面表面)。再循环光的角度的这种偏移可能导致不期望的重影。
根据本技术的特定实施例，为了保持正交平面中(再循环光的)角度的符号，表面502和504中的一个被实现为包括多个峰和多个谷的多面表面，而表面502和504中的另一个被实现为平面表面。更具体地，多面表面的每个峰由相对于彼此成90度的一对相邻小平面形成，多面表面的每个谷由相对于彼此成90度的一对相邻小平面形成，并且峰共同限定多面表面的平面(512或514)。相对于彼此成90度的每对相邻小平面(多面表面)以与屋顶五棱镜的屋顶部分类似的方式起作用。从图7中可以理解这些实施例的其他细节，图7在下面描述。
图6是波导100的一部分的透视图，波导100具有外围侧面109d，外围侧面109d包括为平面的并且与第一平面612共同延伸的表面602、为平面的并且与第二平面614共同延伸的表面604、以及在表面602和604之间延伸的表面606，其中第一平面612和第二平面614相对于彼此成45度。虽然未在图6中具体示出，但是波导100包括输入耦合器112和输出耦合器116，并且还可以包括中间组件114，每个以上面参考图1A、1B、1C和2描述的方式起作用。如上所述，利用图6的配置，由外围侧面109d再循环的光将沿着与传播方向620相反的方向以相对于yz平面符号相反的角度行进(与在传播方向620上行进的光相比)。换言之，正交平面(在该示例中为xy平面)中的再循环光的角度的符号将被反转。例如，如果沿着传播方向620行进的光的x分量为正7度，则再循环光的x分量将为负7度，这可能导致不期望的重影。
根据某些实施例，表面602和604涂覆有反射涂层，其示例在上面关于参考参考图3和4描述的反射涂层302进行了描述。根据替代实施例，如果波导100可以被设计为使得在外围侧面109d上入射的基本上所有光(在波导内行进之后)将经历TIR，则表面602和604不需要涂覆反射涂层。
图7A是波导100的一部分的透视图，波导100具有包括多面表面702和平面表面704的外围侧面109d。图7B是沿着图7A中的线B-B的图7A所示的波导100的横截面图。虽然未在图7中具体示出，但是波导100包括输入耦合器112和输出耦合器116，并且还可以包括中间组件114，每个以上面参考图1A、1B、1C和2描述的方式起作用。参考图7A和7B，多面表面702包括共同限定第一平面712的多个峰707。平面表面704与第二平面714共同延伸并且由此限定第二平面714。第一平面712和第二平面714相对于彼此成45度。多面表面702的每个峰707由相对于彼此成90度的一对相邻的小平面703形成。多面表面702还包括多个谷709，每个谷709由相对于彼此成90度的一对相邻小平面703形成。如上所述，利用图7的配置，保持正交平面(在该示例中为xy平面)中的再循环光的角度的符号。例如，如果沿着传播方向720行进的光的x分量为正7度，则再循环光的x分量也将为正7度。更具体地，当光在多面表面702的一个小平面703上入射时，该光将在被反射离开多面表面702之前朝向相邻的一个小平面703(其中两个小平面相对于彼此成90度并且相交以形成峰)被引导。这是在正交平面(在该示例中为xy平面)中保留再循环光的角度的符号。
根据某些实施例，表面702和704涂覆有反射涂层，其示例在上面关于参考参考图3和4描述的反射涂层302进行了描述。根据替代实施例，如果波导100可以被设计为使得在外围侧面109d上入射的基本上所有光(当在波导内行进时)将经历TIR，则表面702和704不需要涂覆反射涂层。
在图7A和7B中，表面702被示出为多面的，并且表面704被示出为平面的。替代地，表面702可以是平面的，并且表面704可以是多面的，并且外围侧面109d将以在正交平面(在该示例中为xy平面)中保持再循环光的角度的符号的方式类似地有效地再循环光，。
参考图5、6、7A和7B示出并且描述的外围侧面几何形状解耦了主侧面108和110与外围侧面109d之间的对准误差。制造具有彼此平行的第一主侧面108和第二主侧面110的波导100相对容易。制造具有限定相对于彼此成45度角的第一平面和第二平面(例如，512和514、或612和614、或712和714)的一对表面(例如，502和504、602和604、或702和704)的外围侧面109也相对容易。然而，如上所述，参考图3和4，很难制造相对于第一主侧面108和第二主侧面110精确地成90度的外围侧面109，这使得在完全平面的外围侧面109上增加反射涂层是不切实际的。以上参考图5、6、7A和7B描述的本技术的实施例通过利用对相对于波导100的主侧面108和110的对准不敏感的外围侧面几何形状来克服该问题。换言之，只要外围侧面109包括限定相对于彼此成45度角的第一平面和第二平面(例如，512和514、或612和614、或712和714)的一对表面(例如，502和504、602和604、或702和704)，外围侧面109的各部分相对于主侧面108和110的角度并不重要。
此外，应当注意，制造包括限定相对于彼此成45度角的第一平面和第二平面(例如，512和514、或612和614、或712和714)的一对表面(例如，502和504、602和604、或702和704)的外围侧面109相对容易。例如，可以使用一个或多个高精度斜角工具来产生本文所述的倒角或斜角几何形状。替代地，可以使用模具生产具有带有本文所述的期望几何形状之一的一个或多个外围侧面的波导。其他制造技术的使用也是可能的并且在本技术的实施例的范围内。
在图5、6、7A和7B中，外围侧面109d被描述为具有其中限定相对于彼此成45度角的第一平面和第二平面(例如，512和514、或612和614、或712和714)的一对表面(例如，502和504、602和604、或702和704)的几何形状。替代地或另外地，光波导100的一个或多个其他外围侧面(例如，109a、109b和/或109c)可以具有相同的几何形状以提供在波导内行进的同时在其上入射的光的有效再循环。在附加外围侧面109上利用该外围侧面几何形状可以进一步提高波导的光学效率。如上所述，本文中使用的术语波导的光学效率是指通过波导的输入耦合器耦合到波导中的光量除以通过波导的输出耦合器耦合出波导的光量。
代替制造具有限定相对于彼此成45度的第一平面和第二平面的一对表面的外围侧面109，替代选项是制造具有相对于彼此成90度的一对平面表面的外围侧面109。例如，参考图5，代替使(外围侧面109d的)平面表面602和604相对于彼此成45度，平面表面602和604可以相对于彼此成90度，并且可以消除侧面606使得平面表面以90度角相交。这种替代方案被认为不如本文所述的本技术的实施例(其中外围侧面包括限定相对于彼此成45度角的第一平面和第二平面的第一表面和第二表面)。这是因为对于波导100的体衬底106的给定厚度，45度布置允许更大的孔径用于再循环光而不会产生比90度布置更多的重影。另外，如果光线在波导内通过TIR以大于45度的角度(相对于波导的主侧面的法线)行进之后在外围侧面的表面上入射，则90度布置将仅再循环光线而不会产生重影。这是因为，这样的光线仅会反射离开相对于彼此成90度的(外围侧面的)表面中的一个。相比之下，45度布置将再循环光线而不会产生重影，即使光线在波导内通过TIR以小于45度的角度(相对于波导的主侧面的法线)行进之后在外围侧面的表面上入射。
虽然未在所有上述附图中具体示出，但是本文中描述的每个光波导可以与显示引擎一起使用，该显示引擎可以与上面参考图2描述的显示引擎204相同或相似，但不限于此。例如，显示引擎(例如，204)可以面向(多个)光波导之一的背侧面，并且用户的眼睛(例如，穿戴HMD眼镜的人的眼睛)可以面向与背侧面相对并且平行于背侧面的前侧面，以提供潜望镜类型的配置，其中光在波导的一个侧面上进入波导并且在波导的相对侧面离开波导。替代地，输入耦合器和输出耦合器可以以使得显示引擎和用户的眼睛能够靠近并且面向光波导的相同主侧面的方式来实现。
本文中描述的光波导可以结合到透视混合现实显示设备系统中。可以使用相同的波导来从输入耦合器到输出耦合器转向与图像相关联的多种不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的光。替代地，三个波导可以彼此相邻地堆叠，每个波导用于从其相应的输入耦合器到其输出耦合器转向与图像相关联的不同颜色(例如，红色、绿色或蓝色)的光。一个波导处理两种颜色(例如，绿色和蓝色)的光，而另一波导处理第三种颜色(例如，红色)的光也是可能的。其他变化也是可能的。
图8是用于概述根据本技术的某些实施例的方法的高级流程图。可以与包括光波导的近眼或抬头显示系统一起使用的这种方法可以使用光波导将与输入光瞳相关联的图像复制到输出光瞳。这种光波导至少包括输入耦合器和输出耦合器，并且还可以包括中间组件
参考图8，步骤802涉及产生与图像相对应的光，并且步骤804涉及将与图像相对应的光耦合到光波导中。更具体地，步骤804可以涉及将与和输入光瞳相关联的图像相对应的光耦合到光波导的体衬底中。根据一个实施例，步骤802使用显示引擎来执行，该显示引擎可以与上面参考图2描述的显示引擎204相同或类似，但不限于此。根据一个实施例，在步骤804将与图像相对应的光耦合到光波导中是使用光波导(例如，100)的输入耦合器(例如，112)来执行的。
仍然参考图8，步骤806涉及将至少部分通过全内反射(TIR)从输入耦合器到输出耦合器行进通过光波导的与图像相对应的光耦合出光波导的体衬底。根据一个实施例，步骤804使用光波导(例如，100)的输出耦合器(例如，116)来执行。
步骤808涉及再循环在包括限定相对于彼此成45度角的第一平面和第二平面的第一表面和第二表面的外围侧面之一上入射(在与图像相对应的光的一部分在光波导的体衬底内沿着朝向外围侧面之一的传播方向行进之后)的与图像相对应的光的至少一部分(并且优选地全部)。在步骤808执行的光的再循环使用限定相对于彼此成45度角的第一平面和第二平面的第一表面和第二表面来执行。以上参考图5、6、7A和7B描述了这种表面和平面的示例性细节。例如，再次参考图5，步骤808可以涉及使用表面502或504中的一个来朝向表面502或504中的另一个反射在耦合到波导100中之后在表面502或504之一上入射的与图像相对应的光的一部分。这些光在光波导100的体衬底106内以相对于第一主侧面108和第二主侧面110的入射角沿着传播方向520朝向外围侧面109d行进之后，可以在表面502或504之一上入射。步骤808还可以涉及使用表面502或504中的另一表面来以相对于第一主侧面108和第二主侧面110的相同入射角沿着与传播方向520相反的方向反射入射到该表面中的与图像相对应的光的一部分。
如上面参考图5和6所解释的，两个表面(例如，502和504、或602和604)可以是与第一平面和第二平面(例如，512和514、或612和614)共同延伸并且限定第一平面和第二平面的平面表面。替代地，如上面参考图5、7A和7B所解释的，表面之一(例如，502或702)可以是多面表面702，并且表面中的另一个可以是平面表面(例如，504或704)。如上所述，这样的多面表面包括多个峰和多个谷，每个峰由多面表面的相对于彼此成90度的一对相邻小平面形成，并且每个谷类似地由多面表面的相对于彼此成90度的一对相邻小平面形成。在这样的实施例中，多面表面的峰共同限定第一平面和第二平面中的一个平面，并且第一表面和第二表面中的另一表面是平面的并且限定第一平面和第二平面中的另一平面。多面表面的使用在相对于光波导的第一主侧面和第二主侧面(例如，108和110)的正交平面中保留了在外围侧面上入射之后在与传播方向相反的方向上反射的与图像相对应的光的一部分的标记。
如上所述，参考图8描述的方法可以使用至少包括输入耦合器和输出耦合器的光波导来执行，并且还可以包括中间组件。在光波导包括输入耦合器(例如，112)和输出耦合器(例如，116)但不包括中间组件(例如，114)的情况下，输入耦合器朝向输出耦合器引导其耦合到光波导中的光，并且输出耦合器可以提供水平光瞳扩展或垂直光瞳扩展中的一个。在光波导还包括中间组件的情况下，输入耦合器可以用于朝向中间组件引导与图像相对应的光(其耦合到光波导的体衬底中)。中间组件可以用于执行水平光瞳扩展或垂直光瞳扩展中的一个并且朝向输出耦合器引导与图像相对应的光，并且输出耦合器可以用于执行水平光瞳扩展或垂直光瞳扩展中的另一个。参考图8概述的方法的其他细节从图1A、1B、1C、2-6、7A和7B的上述讨论可以理解。
尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本主题，但是应当理解，所附权利要求书中限定的主题不必限于上述具体特征或动作。而是，上述具体特征和动作被公开作为实现权利要求的示例形式。

Claims (21)

1.一种用于在将与输入光瞳相关联的图像复制到输出光瞳时使用的装置，所述装置包括：
光波导，包括体衬底、输入耦合器和输出耦合器；
所述光波导的所述体衬底，包括第一主侧面、与所述第一主侧面相对的第二主侧面和外围侧面；
所述光波导的所述输入耦合器，被配置为将与所述图像相对应的光耦合到所述光波导的所述体衬底中，所述图像与所述输入光瞳相关联；以及
所述光波导的所述输出耦合器，被配置为将与所述图像相对应的光耦合出所述光波导的所述体衬底，所述光至少部分通过全内反射(TIR)从所述输入耦合器到所述输出耦合器行进通过所述光波导，
其中所述光波导的所述体衬底的所述外围侧面中的外围侧面包括限定相对于彼此成45度角的第一平面和第二平面的第一表面和第二表面，以及
其中所述第一表面和所述第二表面将在所述第一表面和所述第二表面上入射的光平行于与所述图像相对应的所述光引导到所述输出耦合器以用于输出。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述外围侧面被配置为再循环与所述图像相对应的所述光的一部分，与所述图像相对应的所述光的所述一部分在所述光波导的所述体衬底内沿着朝向所述外围侧面的传播方向行进之后在所述第一表面和所述第二表面上入射。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述外围侧面被配置为引起在被耦合到所述波导中之后在所述光波导的所述体衬底内以相对于所述第一主侧面和所述第二主侧面的入射角沿着朝向所述外围侧面的传播方向行进之后在所述第一表面和所述第二表面中的一个表面上入射的与所述图像相对应的所述光的一部分朝向所述外围侧面的所述第一表面和所述第二表面中的另一表面反射，并且然后以相对于所述第一主侧面和所述第二主侧面的相同入射角沿着与所述传播方向相反的方向从所述第一表面和所述第二表面中的另一表面反射。
4.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述第一表面包括多面表面，所述多面表面包括多个峰和多个谷；
所述多个峰中的每个峰由所述多面表面的相对于彼此成90度的一对相邻小平面形成；
所述多个谷中的每个谷由所述多面表面的相对于彼此成90度的一对相邻小平面形成；
所述多个峰共同限定所述第一平面；以及
所述第二表面是平面的并且限定所述第二平面。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一表面和所述第二表面均是平面的，并且平面的所述第一表面和平面的所述第二表面分别限定相对于彼此成45度的所述第一平面和所述第二平面。
6.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述第一表面限定在所述外围侧面与所述第一主侧面之间的第一倒角或斜角边缘；以及
所述第二表面限定在所述外围侧面与所述第二主侧面之间的第二倒角或斜角边缘。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括：
在所述外围侧面与所述第一主侧面和所述第二主侧面之间的倒角的边缘；以及
其中所述外围侧面还包括在所述第一表面与所述第二表面之间延伸的第三表面。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括：
在所述外围侧面与所述第一主侧面和所述第二主侧面之间的斜角的边缘；以及
其中所述外围侧面的所述第一表面和所述第二表面以45度角彼此相交。
9.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述光波导还包括中间组件；
所述输入耦合器被配置为朝向所述中间组件引导被耦合到所述波导的所述体衬底中的、与所述图像相对应的所述光，所述图像与所述输入光瞳相关联；
所述中间组件被配置为执行水平光瞳扩展或垂直光瞳扩展中的一个光瞳扩展，并且朝向所述输出耦合器引导与所述图像相对应的所述光；以及
所述输出耦合器被配置为执行水平光瞳扩展或垂直光瞳扩展中的另一光瞳扩展。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一表面和所述第二表面涂覆有反射材料。
11.一种用于在光波导内使用的方法，所述光波导包括体衬底、输入耦合器和输出耦合器，所述光波导的所述体衬底包括第一主侧面、与所述第一主侧面相对的第二主侧面和外围侧面，所述方法包括：
使用所述光波导的所述输入耦合器，将与图像相对应的光耦合到所述光波导的所述体衬底中，所述图像与输入光瞳相关联；
使用所述输出耦合器，将与所述图像相对应的光耦合出所述光波导的所述体衬底，所述光至少部分通过全内反射(TIR)从所述输入耦合器到所述输出耦合器行进通过所述光波导；以及
再循环与所述图像相对应的所述光的一部分，在与所述图像相对应的所述光的所述一部分在所述光波导的所述体衬底内沿着朝向包括限定相对于彼此成45度角的第一平面和第二平面的第一表面和第二表面的所述外围侧面中的一个外围侧面的传播方向行进之后，所述光的所述一部分在所述外围侧面中的所述一个外围侧面上入射，所述再循环使用限定相对于彼此成45度角的第一平面和第二平面的所述第一表面和所述第二表面来执行，
其中所述第一表面和所述第二表面将在所述第一表面和所述第二表面上入射的光平行于与所述图像相对应的所述光引导到所述输出耦合器以用于输出。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述再循环包括：
使用所述第一表面和所述第二表面中的一个表面朝向所述第一表面和所述第二表面中的另一表面反射与所述图像相对应的所述光的一部分，与所述图像相对应的所述光的所述一部分在被耦合到所述波导中之后，在所述光波导的所述体衬底内以相对于所述第一主侧面和所述第二主侧面的入射角沿着朝向所述外围侧面中的所述一个外围侧面的传播方向行进之后，在所述第一表面和所述第二表面中的一个表面上入射；以及
使用所述第一表面和所述第二表面中的所述另一表面来反射与所述图像相对应的所述光的所述一部分，与所述图像相对应的所述光的所述一部分以相对于所述第一主侧面和所述第二主侧面的相同入射角沿着与所述传播方向相反的方向入射到所述另一表面中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述外围侧面中的所述一个外围侧面的所述第一表面和所述第二表面中的一个表面包括多面表面，所述多面表面包括多个峰和多个谷，所述多个峰中的每个峰由所述多面表面的相对于彼此成90度的一对相邻小平面形成，所述多个谷中的每个谷由所述多面表面的相对于彼此成90度的一对相邻小平面形成，所述多个峰共同限定所述第一平面和所述第二平面中的一个平面，并且所述第一表面和所述第二表面中的另一表面是平面的并且限定所述第一平面和所述第二平面中的另一平面；以及
所述再循环包括使用所述多面表面来在相对于所述第一主侧面和所述第二主侧面的正交平面中保持与所述图像相对应的所述光的所述一部分的符号，与所述图像相对应的所述光的所述一部分在所述外围侧面中的所述一个外围侧面上入射之后沿着与所述传播方向相反的所述方向被反射。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述外围侧面中的所述一个外围侧面的所述第一表面和所述第二表面均是平面的，并且平面的所述第一表面和平面的所述第二表面分别限定相对于彼此成45度的所述第一平面和所述第二平面。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述光波导还包括中间组件，并且所述方法还包括：
使用所述输入耦合器朝向所述中间组件引导被耦合到所述光波导的所述体衬底中的、与所述图像相对应的所述光；以及
使用所述中间组件执行水平光瞳扩展或垂直光瞳扩展中的一个光瞳扩展，并且朝向所述输出耦合器引导与所述图像相对应的所述光；以及
使用所述输出耦合器执行水平光瞳扩展或垂直光瞳扩展中的另一光瞳扩展。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一表面和所述第二表面涂覆有反射材料。
17.一种近眼或抬头显示系统，包括：
光波导，包括体衬底、输入耦合器和输出耦合器；
显示引擎，被配置为产生图像，并且将与所述图像相对应的光朝向所述光波导的所述输入耦合器引导；
所述光波导的所述体衬底，包括第一主侧面、与所述第一主侧面相对的第二主侧面和外围侧面；
所述光波导的所述输入耦合器，被配置为将与所述图像相对应的光耦合到所述光波导的所述体衬底中；以及
所述光波导的所述输出耦合器，被配置为将与所述图像相对应的光耦合出所述光波导的所述体衬底，所述光至少部分通过全内反射(TIR)从所述输入耦合器到所述输出耦合器行进通过所述光波导，
其中所述光波导的所述体衬底的所述外围侧面中的外围侧面包括限定相对于彼此成45度角的第一平面和第二平面的第一表面和第二表面，以及
其中所述第一表面和所述第二表面将在所述第一表面和所述第二表面上入射的光平行于与所述图像相对应的所述光引导到所述输出耦合器以用于输出。
18.根据权利要求17所述的显示系统，其中：
所述第一表面包括多面表面，所述多面表面包括多个峰和多个谷；
所述多个峰中的每个峰由所述多面表面的相对于彼此成90度的一对相邻小平面形成；
所述多个谷中的每个谷由所述多面表面的相对于彼此成90度的一对相邻小平面形成；
所述多个峰共同限定所述第一平面；以及
所述第二表面是平面的并且限定所述第二平面。
19.根据权利要求17所述的显示系统，其中所述第一表面和所述第二表面均是平面的，并且平面的所述第一表面和平面的所述第二表面分别限定相对于彼此成45度的所述第一平面和所述第二平面。
20.根据权利要求17所述的显示系统，其中：
所述光波导还包括中间组件；
所述输入耦合器被配置为朝向所述中间组件引导被耦合到所述波导的所述体衬底中的、与所述图像相对应的所述光；
所述中间组件被配置为执行水平光瞳扩展或垂直光瞳扩展中的一个光瞳扩展，并且朝向所述输出耦合器引导与所述图像相对应的所述光；以及
所述输出耦合器被配置为执行水平光瞳扩展或垂直光瞳扩展中的另一光瞳扩展。
21.根据权利要求17所述的显示系统，其中所述第一表面和所述第二表面涂覆有反射材料。
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