CN111133248B - 用于减少从光学成像系统的目镜的杂散光发射的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于头戴式显示器的目镜包括一个或多个第一波导，该一个或多个第一波导被布置为在第一边缘处接收来自空间光调制器的光、将所接收的光中的至少一些引导至与第一边缘相对的第二边缘、以及将所述光中的至少一些提取穿过位于第一边缘与第二边缘之间的一个或多个第一波导的面。目镜还包括第二波导，该第二波导被定位为接收在第二边缘处离开一个或多个第一波导的光、以及将所接收的光引导至一个或多个光吸收器。

Description

用于减少从光学成像系统的目镜的杂散光发射的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年9月28日提交的美国临时申请No.62/564,528的申请日的权益。美国申请No.62/564,528的内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开涉及用于减少光学成像系统中的杂散光发射的部件。
背景技术
成像系统可以用于向用户呈现视觉信息。例如，成像系统可以包括将图像投射到成像表面上的光学部件，使得一个或多个用户可以观看图像。在一些情况下，可以将成像系统合并到头戴式显示设备中，使得以更沉浸的方式呈现视觉信息。例如，头戴式显示器可以用于呈现用于虚拟现实(VR)或增强现实(AR)系统的视觉信息。
发明内容
在一个方面，一种用于头戴式显示器的目镜包括一个或多个第一波导，一个或多个第一波导被布置为：在第一边缘处接收来自空间光调制器的光、将所接收的光中的至少一些引导至与第一边缘相对的第二边缘、以及将该光中的至少一些提取穿过位于第一边缘与第二边缘之间的一个或多个第一波导的面。目镜还包括第二波导，第二波导被定位为接收在第二边缘处离开一个或多个第一波导的光、以及将所接收的光引导至一个或多个光吸收器。
该方面的实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。
在一些实施方式中，目镜可以进一步包括光学结构，该光学结构被布置在一个或多个第一波导的第二边缘之间并且被配置为将来自一个或多个第一波导的光耦合到第二波导中。
在一些实施方式中，目镜可以进一步包括反射器。第二波导可以被布置在反射器与一个或多个第一波导之间。反射器可以被配置为反射从一个或多个第一波导进入第二波导的光，使得光被引导至一个或多个光吸收器。
在一些实施方式中，在用户操作头戴式显示器期间，一个或多个吸收器可以位于用户的视场之外。
在一些实施方式中，目镜可以进一步包括一个或多个附加波导，该一个或多个附加波导被定位为接收在一个或多个第一波导的一个或多个附加边缘处离开一个或多个第一波导的光、以及将从一个或多个附加边缘所接收的光引导至一个或多个附加光吸收器。
在一些实施方式中，在用户操作头戴式显示器期间，一个或多个第一波导可以位于用户的视场内。
在一些实施方式中，一个或多个第一波导可以包括在第一边缘与第二边缘之间延伸的一个或多个衍射光学元件。一个或多个衍射光学元件可以被配置为将该光中的至少一些提取穿过位于第一边缘与第二边缘之间的一个或多个第一波导的面。
在一些实施方式中，一个或多个衍射光学元件中的至少一个可以被设置在一个或多个第一波导的内部。
在一些实施方式中，一个或多个衍射光学元件中的至少一个可以沿一个或多个第一波导的外围设置。
在一些实施方式中，目镜还可以包括第三波导，该第三波导被布置为在第三边缘处接收来自空间光调制器的光、将所接收的光中的至少一些引导至与第三边缘相对的第四边缘、以及将该光中的至少一些提取穿过位于第三边缘与第四边缘之间的第三波导的面。目镜还可以包括第四波导，该第四波导被定位为接收在第四边缘处离开第三波导的光、以及将所接收的光引导至一个或多个第二光吸收器。
在一些实施方式中，第二波导可以限定沿其外围的光栅图案。
在一些实施方式中，第二波导可以与一个或多个第一波导集成。
在一些实施方式中，光栅图案可以限定在第二波导的第一面或第二波导的第二面中的至少一个上。第二波导的第一面可以与第二波导的第二面相对。
在一些实施方式中，第二波导可以与一个或多个第一波导不同。
在一些实施方式中，目镜还可以包括沿光栅图案沉积的光吸收材料。
在一些实施方式中，可以沿第二波导的外围的整体限定光栅图案。
在一些实施方式中，可以沿第二波导的外围的整体沉积光吸收材料。
在一些实施方式中，可以沿第二波导的外围的子集限定光栅图案。
在一些实施方式中，可以沿第二波导的外围的子集沉积光吸收材料。
在一些实施方式中，目镜可以包括光学耦合器子系统，该光学耦合器子系统被配置为接收来自空间光调制器的光、以及沿主发射轴在第一方向上将光朝向一个或多个第一波导的第一边缘引导。
在一些实施方式中，第二波导可以包括在自光学耦合器子系统的第二方向上的外围边缘。第二方向可以与第一方向相反。外围边缘可以相对于主发射轴倾斜。
本文描述的实施方式可以提供各种益处。在一些情况下，本文描述的特征可以减少从光学系统(例如，目镜和/或头戴式显示器)逃逸的杂散光的量。因此，与经历更多杂散光的可比较的系统相比，该光学系统可以向用户呈现更高质量的数字图像。在一些情况下，本文描述的特征可以提高投射的数字图像的分辨率、增加数字图像的对比度、减少不期望的图像伪像的呈现和/或有助于颜色的准确再现。
一个或多个实施例的细节在下面的附图和描述中阐明。根据说明书和附图以及根据权利要求书，其他特征和优点将显而易见。
附图说明
图1是示例光学系统的示意图。
图2是示例波导装置的立视图。
图3A-3C是示例波导装置的示意图。
图4是示出另一示例光学系统的示意图。
图5是示出包括光吸收组件的另一示例光学系统的示意图。
图6是示出使用图5所示的光学系统的杂散光的示例吸收的示意图。
图7是光吸收组件的示例波导的横截面图。
图8是包括波导装置、光学耦合器子系统和分布波导装置的示例光学组件的图。
图9是多个光学组件的示例布置的图。
图10是示例光学组件的示意图。
图11A-11C是示例光学组件的示意图。
不同附图中相似的数字指示相似的元件。
具体实施方式
图1示出了光学系统100，该光学系统100包括波导装置102、将光光学耦合到波导装置102或从波导装置102光学耦合光的光学耦合器子系统104以及空间光调制器106。
波导装置102包括一个或多个主平面波导108(图1中仅示出了其中的一个)以及与主平面波导108中的至少一些中的每一个相关联的一个或多个衍射光学元件(DOE)110。
如图2所示，主平面波导108每一者都至少具有第一端部112a和第二端部112b，第二端部112b沿主平面波导108的长度114与第一端部112a相对。主平面波导108每一者都具有第一面116a和第二面116b，至少第一面116a和第二面116b(统称为116)形成沿主平面波导108的长度114的至少一部分的至少部分内反射光路(由箭头118a和虚线箭头118b表示，统称为118)。主平面波导108可以采取多种形式，其为以大于相对于面的法线的限定的临界角的角度撞击面116的光提供基本全内反射(TIR)。主平面波导108可以例如采取玻璃、熔融二氧化硅、丙烯酸或聚碳酸酯以及其他材料的面板(pane)或平面的形式。
DOE 110(在图1和图2中由双点划线示出)可以采取使TIR光路118中断的多种形式，从而提供沿主平面波导108的长度114的至少一部分延伸的在主平面波导108的内部122与外部124之间的多个光路(由箭头120a和虚线箭头120b示出，统称为120)。在一些情况下，DOE 110可以有利地使线性衍射光栅的相位函数与圆形或径向对称透镜的相位函数组合，从而允许表观对象和用于表观对象的聚焦平面的定位。这可以在逐帧、逐子帧或甚至逐像素的基础上实现。
参考图1，光学耦合器子系统104将光光学耦合到波导装置102或从波导装置102光学耦合光。如图1所示，光学耦合器子系统可以包括光学元件126，例如反射表面、反射镜、二向色镜或棱镜，以将光光学耦合到主平面波导108的边缘128或从主平面波导108的边缘128光学耦合光。光学耦合器子系统104可以附加地或替代地包括使光准直的准直元件130。
空间光调制器106是控制子系统，该控制子系统包括一个或多个光源132和驱动电子器件134，该驱动电子器件134生成被以空间和/或时间变化的光(例如，空间和/或时间调制的光)的形式编码的图像数据。如上所述，准直元件130可以使光准直，并且准直的光可以被光学耦合到一个或多个主平面波导108中。
如图2所示，光沿主平面波导108传播，并伴随由TIR传播引起的至少一些反射或“弹跳”。注意，一些实施方式可以在内部光路中采用一个或多个反射器，例如可以促进反射的薄膜、电介质涂层、金属化涂层等。光沿主平面波导108的长度114传播，并且在沿长度114的各个位置处与一个或多个DOE 110相交。如下面参照图3A-3C说明的，DOE 110可以被结合到主平面波导108内或者与主平面波导108的面116中的一个或多个(例如，面116a或面116b)邻接或相邻。DOE 110实现至少两个功能。DOE 110使光的角度偏移，从而使光的一部分逃逸TIR并经由主平面波导108的一个或多个面116从内部112射出到外部124。DOE 110还将耦出光聚焦在一个或多个观看距离处。因此，穿过主平面波导108的面116a观看的一些人可以看到位于一个或多个观看距离处的数字图像。
在一些情况下，每个主平面波导108可以基本上沿特定平面(例如，x-y平面)延伸，并且可以引导入射光，使得光以与平面正交或近似正交的方向(例如，z方向上或近似z方向)在一个或多个位置处从主平面波导108出射。在一些情况下，主平面波导108的沿其延伸平面的表面积可以基本上大于其沿其他非平行(例如，正交)平面的表面积。例如，在一些情况下，主平面波导108的沿x-y平面的表面可以比其沿x-z平面或y-z平面的表面积大10倍、大20倍或其他倍数。
虽然图1和图2示出了位于主平面波导108的内部112的与面116间隔开的DOE 110，但是在其他实施方式中，DOE 110可以位于其他位置，例如如图3A-3C所示。
图3A示出了示例波导装置102a，其包括主平面波导108和承载在主平面波导108的外表面或面116上的至少一个DOE 110。例如，DOE 110可以沉积在主平面波导108的外表面或面116b上，例如作为图案化的金属层。
图3B示出了另一示例波导装置102b，其包括主平面波导108和内部紧邻主平面波导108的外表面或面116b而定位的至少一个DOE 110。例如，DOE 110可以经由主平面波导108的材料的选择性的或掩蔽的固化而形成在内部122中。替代地，DOE 110可以是结合到主平面波导108中的不同的物理结构。
图3C示出了另一示例波导装置102c，其包括主平面波导108和形成在主平面波导108的外表面中的至少一个DOE 110。DOE 110可以例如被蚀刻、被图案化或被以其他方式形成在主平面波导108的外表面或面116b中，例如作为沟槽。例如，DOE 110可以采取线性或锯齿状的脊和谷的形式，该线性或锯齿状的脊和谷可以以一个或多个限定的节距(例如，沿长度114延伸的各个元件或特征之间的间隔)间隔开。节距可以是线性函数或可以是非线性函数。
在一些情况下，主平面波导108可以至少部分透明。这种配置允许一个或多个观看者观看相对于观看者的有利位置位于主平面波导108的远侧的物理对象(例如，真实世界)。这可以有利地允许观看者通过波导观看真实世界并同时观看通过波导中继到眼睛的数字图像。
在一些实施方式中，可以将多个波导系统结合到近眼显示器中。例如，可以将多个波导系统结合到头部穿戴式、头戴式或头盔安装式显示器或者其他可穿戴显示器中(例如，结合到位于用户视场内的目镜中以向用户显示数字图像)。
在一些实施方式中，可以将多个波导系统结合到未佩戴的平视显示器(HUD)中(例如，汽车HUD或航空电子HUD，其中显示图像被投射到驾驶员/飞行员的视线内的透明窗口中)。在这样的实施方式中，多个观看者可以观看共享的波导系统或所得的图像场。多个观看者可以例如从与每个观看者相对于波导系统的相应位置匹配的不同观看视角观看或光学感知数字或虚拟对象。
光学系统100不限于使用可见光，而是还可以采用电磁波谱的其他部分中的光(例如，红外或紫外)和/或可以采用“光”的波带(例如，可见光、UV或IR)之外的电磁辐射，例如采用在电磁波谱的微波或X射线部分中的电磁辐射或能量。
在一些实施方式中，扫描光显示器用于将光耦合到多个主平面波导中。扫描光显示器可以包括形成单个光束的单个光源，该单个光束随时间扫描以形成图像。该扫描光束可以被强度调制以形成不同亮度水平的像素。替代地，可以使用多个光源来生成多个光束，这些光束可以通过共享的扫描元件或者通过单独的扫描元件进行扫描以形成图像。这些光源可以包括不同的波长，可见和/或不可见的，它们可以包括不同的几何原点(例如，X、Y或Z)，它们可以以不同的入射角进入扫描仪并且可以产生与一个或多个图像(例如，平面的或体积的、移动的或静态的)的不同部分对应的光。
例如，可以使用振动的光纤扫描光以形成图像，例如如在美国专利申请序列No.13/915,530、国际专利申请序列No.PCT/US2013/045267和美国临时专利申请序列No.61/658,355中所讨论的，其内容通过引用以其整体被包含。光纤可以由压电致动器双轴扫描。替代地，可以单轴或三轴扫描光纤。作为另一种选择，可以采用一个或多个光学部件(例如，旋转的多边形反射器或镜、振荡反射器或镜)来扫描光纤的输出。
光学系统100不限于用于产生图像或用作图像投影仪或光场生成。例如，光学系统100或其变型可以被用作图像捕获设备，诸如数字静态或数字移动图像捕获或相机系统。
如图4所示，在一些情况下，光学系统可以包括分布波导装置402，以沿第一轴(例如，在图4的视图中的垂直轴或Y轴)中继光并且沿第一轴(例如，Y轴)扩展光的有效出射光瞳。分布波导装置402可以例如包括分布平面波导404和与分布平面波导404相关联的至少一个DOE 406(由双点划线示出)。在至少一些方面，分布平面波导404可以与主平面波导108类似或相同，具有与其不同的取向。同样地，在至少一些方面，至少一个DOE 406可以与DOE110类似或相同。例如，分布平面波导404和/或DOE 406可以至少部分地分别包括与主平面波导108和/或DOE 110相同的材料。
中继的和出射光瞳扩展的光从分布波导装置402光学耦合到一个或多个主平面波导108中。主平面波导108沿第二轴(优选正交于第一轴)(例如，在图4的视图中的水平轴或X轴)中继光。注意，第二轴可以是相对于第一轴的非正交轴。主平面波导108沿该第二轴(例如，X轴)扩展光的有效出射光瞳。例如，分布平面波导404可沿垂直轴或Y轴中继和扩展光，并将该光传递到沿水平轴或X轴中继和扩展光的主平面波导108。
以与上述类似的方式，光沿主平面波导108传播，并伴随由TIR传播引起的至少一些反射或“弹跳”。此外，光沿主平面波导108的长度114传播并且在沿长度114的各个位置处与一个或多个DOE 110相交。DOE110使光的角度偏移，从而导致光的一部分逃逸TIR并经由主平面波导108的一个或多个面116(例如，面116a)从内部112射出到外部124。此外，DOE110将耦出光聚焦在一个或多个观看距离处。因此，穿过主平面波导108的面116a观看的一些人可以看到位于一个或多个观看距离处的数字图像。在一些实施方式中，可以将光学系统100的至少一部分结合到头部穿戴式、头戴式或头盔安装式显示器或者其他可穿戴显示器(例如，结合到位于用户视场内的目镜中以向用户显示数字图像)。
关于光学系统的附加信息可以在美国专利申请序列No.14/331,218中找到，其内容通过引用以其整体被包含。
如上所述，可以从主平面波导108的一个或多个面116(例如，面116a)发射光，以向用户显示数字图像。然而，在一些情况下，杂散光可能以对数字图像没有贡献的方式从光学系统100中的部分逃逸。例如，在一些情况下，光可能从除面116a以外的面从主平面波导108逃逸。作为示例，参考图4，光可能从面116b(面向负z方向)、116c(面向负y方向)、116d(面向正y方向)、116e(面向正x方向)和/或116f(面向x负方向)中的一个或多个逃逸。作为另一示例，由光学耦合器子系统104发射的光中的一些可能逃逸到外部124，而不是被耦合到波导装置102和/或分布波导装置402。作为另一示例，由波导装置402发射的光中的一些可能逃逸到外部124，而不是被耦合到波导装置102。
在一些情况下，杂散光可能会负面地影响光学系统100的性能。例如，杂散光可能会降低由光学系统100渲染的数字图像的图像质量(例如，通过降低投射的数字图像的分辨率、降低数字图像的对比度、引入不希望的图像伪影和/或损害色彩的准确再现)。
为了改善图像质量，光学系统可以包括一个或多个光导引和/或光吸收部件以重定向和/或捕获杂散光。
作为示例，图5示出了光学系统500。光学系统500在许多方面与图4所示的光学系统类似。例如，光学系统500包括波导装置102、通过分布波导装置402将光光学耦合到波导装置102或从波导装置102光学耦合光的光学耦合器子系统104以及空间光调制器106。在一些实施方式中，光学系统500的至少一部分可以被结合到头部穿戴式、头戴式或头盔安装式显示器或者其他可穿戴显示器中(例如，结合到位于用户视场内的目镜中以向用户显示数字图像)。
在该示例中，光学系统500还包括光吸收组件502。光吸收组件502包括一个或多个波导504和一个或多个光吸收元件506。一个或多个波导504位于光学系统500的其他部件(例如，波导装置102、光学耦合器子系统104和/或分布波导装置402)之上或外围附近，以收集由这些部件发射的杂散光。进而，波导504将捕获的光导引至一个或多个光吸收元件506，从而杂散光被吸收(例如，转换成热)。因此，减少了从光学系统500逃逸的杂散光的量。
作为示例，图6示出了从主平面波导108的面116c逃逸的杂散光(如实线箭头602所示出的)。杂散光602撞击沿主平面波导108的外围定位的波导504a并进入波导504a。进而，波导504a将杂散光导引至光吸收元件506a和/或506b(在波导504a内的杂散光的示例路径以虚线箭头604示出)，从而杂散光被吸收。因此，减少了从主平面波导108的面116c到光学系统500的外部的杂散光的量。
波导504可以通过全内反射将捕获的光导引至光吸收元件506。全内反射是当传播的光波以大于相对于表面法线的特定临界角的角度撞击介质边界表面时发生的现象。如果在边界的另一侧的折射率较低，并且入射角大于临界角，则该波将无法穿过而被完全(或基本上完全)反射。临界角是会发生全内反射的入射角。
因此，可以将波导504配置为使得其折射率大于周围介质的折射率。作为示例，如果波导504被定位为具有光学系统100的杂散光可能从其中逃逸的其他部件(例如，波导装置102、光学耦合器子系统104和/或分布波导装置402中的部件)之间的气隙，则可以使用折射率大于空气的物质来构造波导504。作为另一示例，如果波导504被定位为使得它们直接邻接光学系统100的杂散光可能从其中逃逸的其他部件(例如，波导装置102、光学耦合器子系统104和/或分布波导装置402中的部件)，则可以使用折射率大于邻接部件的折射率的物质来构造波导504。
此外，为了促进进入的光通过全内反射沿波导504的长度的传播，每个波导504可以包括一个或多个光学结构，该一个或多个光学结构在光进入到波导504中时修改光的方向，使得该光在波导504内以大于临界角的角度传播。
作为示例，图7示出了波导504和示例的周围介质702的横截面。在一些情况下，介质702可以是空气或一些其他环境物质(例如，如果波导504被定位为具有位于光学系统100的其他部件之间的气隙或其他环境物质)。在一些情况下，介质702可以是光学系统100的另一部件(例如，如果波导504被定位为使得其直接邻接该部件)。
波导504包括沿波导504的表面706定位的光学结构704。当光(例如，从光学系统100的另一部件逃逸的杂散光)入射到表面706上时，光进入波导504，并且其传播方向由光学结构704修改。例如，如图7所示，以垂直于表面706的方向入射到表面706上的光进入波导504，并且通过光学结构704以相对于法线的角度θ1被重定向。如果角度θ1大于波导504与介质702之间的界面的临界角θc，光通过全内反射沿波导504的长度传播(例如，直到其到达一个或多个光吸收元件506)。在一些情况下，临界角θc可以由关系sin(θc)＝n1/n2定义，其中n1是介质602的折射率，n2是波导504的折射率，并且n2>n1。实际上，可以选择n1和/或n2以获得特定θc，该θc使捕获的光能够通过全内反射跨波导504的长度传播，并且n1和/或n2可以根据实施方式而变化。
在一些情况下，光学结构704可以是定位在表面706上或在表面706上限定的光栅。光栅可以衍射进入波导504的光，使得光沿与入射角不同的方向传播。
例如，可以将光栅蚀刻到表面705上(例如，通过沿表面605蚀刻脊或标线)。作为另一示例，可以将附加的光学导电结构定位在表面706上(例如，粘附、接合、熔融或以其他方式固定到表面706)。此外，取决于实施方式，光栅的尺寸可以不同。在一些情况下，取决于预期入射在波导504上的杂散光，可以使用不同的节距。例如，具有330nm节距的光栅可以用于修改蓝色杂散光的传播方向。作为另一示例，具有380nm节距的光栅可以用于修改绿色杂散光的传播方向。作为另一示例，具有470nm节距的光栅可以用于修改红色杂散光的传播方向。在一些情况下，光栅可以是二元的(例如，以逐步的方式在两个高程之间交替)、多阶的(例如，以连续的方式在三个高程之间交替)和/或闪耀的(例如，具有重复的成角度的高程)。节距可以是线性函数或可以是非线性函数。此外，光栅的占空比(例如，具有第一高程的光栅的长度vs光栅的总长度)可以变化。例如，在一些情况下，占空比可以是50％或一些其他百分比(例如10％、20％、30％或任何其他百分比)。
在一些情况下，光学结构7084可以是更改光的传播的其他结构。例如，光学结构704中的至少一些可以是透镜和/或表面等离子体。
波导504可以使用各种材料来构造。作为示例，可以使用玻璃、熔融二氧化硅、丙烯酸、聚碳酸酯和/或其他材料来构造波导504。
在一些情况下，波导504可包括反射器以促进光沿波导504的长度的传播。例如，波导504可包括沿其外围的一个或多个表面(例如，沿背离杂散光的源的表面)的反射器，使得在波导504内传播的光被反射离开该表面，并且不会逃逸。作为示例，如图7所示，波导504可以包括沿背离入射光的源的表面710(例如，与表面706相对)定位的反射器708。通过波导504传播的光被反射器708反射，并且基本上不能穿过表面710到达外部。
在一些情况下，反射器可以是在波导504的表面上限定或定位在波导504的表面上的平面。在一些情况下，可以通过对波导504的表面进行金属化来实现反射器(例如，以在表面上沉积反射金属物质的层，例如铝或银)。
在一些情况下，波导504的光栅也可以被金属化(例如，以产生闪耀的反射器)。例如，闪耀反射器的横截面可以包括在“队列”中的一系列直角三角形(例如，端部对端部放置的重复的直角三角形的系列)。例如，这对于以相对于法线获得更大角度的方式在波导504内导引光可能是有用的。作为示例，该布置可以用于增加衍射效率。此外，这种布置可以使更有效地导引更大的入射角。
光吸收元件506吸收入射在其上的光中的一些或全部(例如，通过将光转换成热)。可以将光吸收元件506为使得它们邻接波导504的一个或多个端部，使得沿波导504的长度传播的光入射到光吸收元件506上并被吸收。在一些情况下，光吸收元件506可以被定位为使得它们在光学系统的操作期间位于用户的视场之外。例如，如果光学系统被用作头戴式显示器的目镜的一部分，则光吸收元件506可以被定位为使得当用户佩戴头戴式显示器时其位于用户的视场之外。在一些情况下，光吸收元件506可以由诸如焦油或可UV固化的黑色聚合物材料的光学深色材料(例如，“炭黑”)构造。
在图6所示的示例中，从主平面波导108的面116c逃逸的杂散光被重定向并被光吸收组件502吸收。然而，这仅是说明性示例。应当理解，光吸收组件502可以用于经由适当定位的波导504和光吸收元件506吸收由光学系统的任何部件发射的杂散光。作为示例，光吸收组件502可以用于吸收从面116b-f中的一个或多个发射的杂散光。作为另一示例，光吸收组件502可以用于吸收从光学耦合器子系统104(例如，光学元件126和/或准直元件130)发射的杂散光。作为另一示例，光吸收组件502可以用于吸收从分布波导装置402发射的杂散光。
此外，尽管在图5和图6中示出了光吸收组件502的示例布置，但是应当理解，这仅是说明性示例。实际上，光吸收组件502的布置取决于实施方式。
作为示例，图8示出了示例光学组件800。光学组件800包括一体形成为单个部件的波导装置102(例如，包括主平面波导108)、光学耦合器子系统104和分布波导装置402。光学组件800的一部分或整体可以包括玻璃、熔融二氧化硅、丙烯酸或聚碳酸酯以及其他材料。
光学组件800可以与空间光调制器106结合使用，以向用户显示数字图像。例如，光学组件800的至少一部分可以结合到头部穿戴式、头戴式或头盔安装式显示器或者其他可穿戴显示器中(例如，结合到位于用户视场内的目镜中以向用户显示数字图像)。
以与上述类似的方式，光学耦合器子系统104被配置为通过分布波导装置402将光光学耦合到波导装置102或从波导装置102光学耦合光。分布波导装置402被配置为沿第一轴802中继光，并沿第一轴802扩展光的有效出射光瞳。此外，中继的和出射光瞳扩展的光被从分布波导装置402耦合到波导装置102中。波导装置102(例如，使用主平面波导108)沿第二轴804中继光，并沿第二轴804扩展光的有效出射光瞳。在一些情况下，第二轴804可以与第一轴802正交。在一些情况下，第二轴804可以与第一轴线802非正交。
此外，以与上述类似的方式，光沿主平面波导108传播，并伴随由TIR传播引起的至少一些反射或“弹跳”。此外，光沿主平面波导108传播并且在沿长度的各个位置处与主平面波导108中的一个或多个DOE相交。DOE 110使光的角度偏移，从而使光的一部分逃逸TIR并经由主平面波导108的一个或多个面从光学组件800的内部射出到外部。此外，DOE 110将耦出光聚焦在一个或多个观看距离处。因此，穿过主平面波导108的面(例如，从页面上方的位置、在朝向主平面波导108的方向)观看的一些人可以看到位于一个或多个观看距离处的数字图像。
在该示例中，光学组件800还包括光吸收组件502。以与上述类似的方式，光吸收组件502包括一个或多个波导504和一个或多个光吸收元件506。一个或多个波导504围绕光学组件800的外围定位，使得它们围绕或基本围绕光学组件800的部件(例如，波导装置102、光学耦合器子系统104和分布波导装置402)并收集由这些部件发射的杂散光。进而，波导504将捕获的光导引至一个或多个光吸收元件506，从而杂散光被吸收。因此，减少了从光学组件800逃逸的杂散光的量。
尽管在图8中示出了光吸收组件502的示例布置，但是，这仅是说明性示例。实际上，取决于实施方式，每个波导504和光吸收元件506的位置可以不同。此外，实际上，光吸收组件502可以包括与图8所示的不同数量的波导504和/或光吸收元件506。
在一些情况下，可以结合使用多个光学组件800以向用户显示数字图像。例如，图9示出了按顺序布置(例如，按堆叠，其中光学组件彼此对准)的八个光学组件800a-h。为了便于图示，示出了光学组件800之间具有间隙(例如，“分解图”)。然而，实际上，该组中的每一个之间的距离可以小于图8中所示的距离。例如，该组可以定位为使得每个光学组件800a-h邻接或紧邻每个相邻光学组件800a-h。
在一些实施方式中，可以将光学组件800a-h中的至少一部分结合到头部穿戴式、头戴式或头盔安装式显示器或者其他可穿戴显示器中(例如，结合到位于用户的视场内的目镜中以向用户显示数字图像)。
此外，在一些情况下，光学组件800a-h中的每一个可以被配置为使用不同的相应颜色和/或不同的景深来投射数字图像，使得当光学组件800a-h被用户观看(例如，从位置902，沿垂直于光学组件800a-h的方向904)时，由光学组件800a-h中的每一个投射的数字图像被重叠，从而呈现出单个多色的深度依赖的图像(例如，看起来是三维的多色图像)。
此外，如图9所示，光学组件800a-h中的每一个可以包括相应的光吸收组件502a-h，以捕获且吸收杂散光，从而提高数字图像的图像质量。
在一些情况下，光吸收组件502a-h中的每一个的厚度可以基本上等于或小于其相应的光学组件800a-h的其余部分的厚度。例如，这可能是有用的，因为它使得光学组件800a-h能够彼此紧邻放置，或者使得它们彼此邻接而没有阻碍。
在上述示例实施方式中的一个或多个中，光吸收元件可以被定位在波导的纵向端部以吸收光。例如，参考图8，光吸收元件506可以被定位在波导502中的每一个的纵向端部处(例如，定位在基本上与通过波导传播的光的轴垂直的表面上)，使得每个光吸收元件位于两个相邻的波导之间。入射到波导上的光被导引至该波导的纵向端部，从而被光吸收元件吸收。
然而，在一些情况下，光吸收元件可以沿波导的一个或多个侧向或外围边缘定位(例如，定位在与通过波导传播的光的轴基本平行的表面上)。作为示例，图10示出了根据俯视图的光学组件1000的示意图。光学组件1000可以类似于图8所示的光学组件800。例如，光学组件1000包括一体形成为单个部件的波导装置102(例如，包括主平面波导108)、光学耦合器子系统104和分布波导装置402。光学组件1000的一部分或整体可以包括玻璃、熔融二氧化硅、丙烯酸、聚碳酸酯、铌酸锂、钽酸锂或颗粒掺杂的聚合物树脂以及其他材料。
图10的插图A示出了光学组件1000的一部分的横截面图。如图10的插图A所示，沿波导装置102的外围边缘1004在波导装置102的顶面和底面中的至少一个上限定光栅1002的图案。此外，在光栅1002之上沉积光吸收材料的层1006。波导装置102沿光传播轴1010将杂散光1008(例如，从主平面波导108和/或分布波导装置402逃逸的杂散光)朝向外围边缘1004引导，并伴随由TIR传播引起的一些反射或“弹跳”。在到达光栅1002时，杂散光1008的传播角度被更改以促进杂散光进入光吸收材料1006。杂散光1008从波导装置102发射并被光吸收材料1006吸收。因此，杂散光1008被包含在光学组件1000内，从而提高数字图像的图像质量。
在一些情况下，可以选择光栅1002和光吸收材料1006的宽度W，使得杂散光1008在其通过TIR传播通过波导装置102时沿宽度W弹跳至少两次。因此，光栅1002和光吸收材料1006可以跨多个不同的弹跳光不断地提取和吸收杂散光。例如，这在改善光吸收的性能上可能是有用的。例如，在杂散光宽度W内的第一次弹跳时，光栅1002和光吸收材料1006可能仅能够吸收光的一部分(例如，吸收90％的光，留下10％的剩余光)。在杂散光宽度W内的第二次弹跳时，光栅1002和光吸收材料1006可吸收剩余光中的一些或全部(例如，吸收90％的剩余光，留下原始光的1％的剩余光)。此外，在波导102的外围边缘1004附近的该光栅图案1002在将较高折射率的基板用作波导的实施例中尤其有用，因为光以TIR反射回来的趋势较高。实际上，光吸收材料可能没有足够高的折射率来匹配较高折射率基板的折射率(例如，n>1.8)。因此，在这些情况下，在波导的外围边缘的至少一部分附近沿足够大的宽度W使用光栅和光吸收材料可以改善光学装置的光性能特性。
可以关于光的特定波长来调谐光栅图案1002的尺寸和设计。例如，可以选择光栅图案以将来自高折射率波导的红光最佳地耦出到低折射率光吸收材料中。本领域技术人员将理解，可以关于绿色、蓝色或任何其他波长的光来调谐光栅图案。在一些实施例中，高折射率波导可以支持一种以上波长的光的全内反射。在这样的实施例中，可以将光栅图案设计为耦出一种以上波长的光。实现将多个波长或大范围波长耦出的一种方法是，关于第一波长调谐光栅图案的第一部分、关于第二波长调谐光栅图案的第二部，依此类推，直到波导支持足够多的波长。在一些实施例中，第一部分沿波导的外围边缘，第二部分朝向波导的中心与第一部分相邻。
在一些情况下，光吸收材料1006可以是与用于构造上述光吸收元件506的材料类似的材料。例如，光吸收材料1006可以是诸如焦油或可UV固化的黑色聚合物材料的光学深色的材料(例如，“炭黑”)。此外，在一些情况下，光吸收材料1006可以以液体形式(例如，注入到外围边缘1004和/或模具上)施加到外围边缘1004，并且被固化成固体形式。在一些情况下，光栅1002可用于调节光吸收材料1006在外围边缘1004上的体积和/或分布。例如，可以选择光栅1002的尺寸(例如，每个光栅的高度、每个光栅的宽度、光栅的节距、光栅方向、由光栅限定的空间的体积等)以控制当光吸收材料1006为液体形式时(例如，通过毛细力)的光吸收材料1006的沉积并提高光衍射/提取效率。
在图10所示的示例中，光栅1002和光吸收材料1006围绕波导装置102的整个外围边缘1004分布。然而，不必如此。作为示例，可以沿外围边缘1004的一个或多个选定部分(例如，沿波导装置102的遇到较大量杂散光的部分)来限定光栅1002。作为另一示例，也可以沿外围边缘1004的一个或多个选定部分沉积光吸收材料1006。参考图10，在一些情况下，边缘段1012a-c可包括光栅1002和光吸收材料1006，而边缘段1012d-f中省略光栅1002和光吸收材料1006。实际上，取决于实施方式，其他配置也是可能的。
在一些情况下，光学组件的形状也可以被设计为促进杂散光的吸收。例如，光学组件可以被成形为使得由特定部件发射的杂散光更可能从该部件反射离开，使得其不会重新耦合到光学组件100的光路。
作为示例，图11A示出了根据俯视图的光学组件1100a的示意图。光学组件1100a可以类似于图8和图10所示的光学组件800和1000。例如，光学组件1100a包括一体形成为单个部件的波导装置102(例如，包括主平面波导108)、光学耦合器子系统104和分布波导装置402。光学组件1000的一部分或整体可以包括玻璃、熔融二氧化硅、丙烯酸或聚碳酸酯以及其他材料。在一些实施例中，光学组件1000包括高折射率材料，诸如高折射率玻璃、聚合物、掺杂的聚合物、铌酸锂或钽酸锂。
在该示例中，光学耦合器子系统104被配置为沿主发射轴1102a发射光1104。然而，由于实际限制(例如，物理和设计限制)，光学耦合器子系统104还在与主发射轴1102a相反的方向上沿次发射轴1102b发射一些杂散光1106。如图11A中的插图A所示，波导装置102的在杂散光1106的路径中的外围边缘1108基本垂直于第二发射轴1102b。因此，杂散光1106中的至少一些从外围边缘1108反射，并朝向光学耦合子系统104和分布波导装置402传播回去。这可能负面地影响光学组件的性能(例如，由于将杂散光重新耦合到光学组件的光路，这可能会降低数字图像的图像质量)。
通过设计光学组件使得波导装置102的外围边缘相对于主发射轴1102a和次发射轴1102b倾斜(例如，基本上不与轴1102a和1102b垂直)，可以减轻这些影响。作为示例，图11B示出了根据俯视图的光学组件1100b的一部分的示意图。在该示例中，光学组件1100b沿次发射轴1102b包括两个外围边缘1110a和1110b。外围边缘1110a和1110b相对于主发射轴1102a和次发射轴1102b倾斜。因此，杂散光1106未被反射回光学耦合子系统104(例如，而是沿轴1112a和1112b传播)。因此，杂散光不太可能重新耦合到光学组件的光路。
作为另一示例，图11C示出了根据俯视图的光学组件1100c的一部分的示意图。在该示例中，光学组件1100c沿次发射轴1102b包括外围边缘1114。外围边缘1110a和1110b相对于主发射轴1102a和次发射轴1102b倾斜。因此，杂散光1106未被反射回光学耦合子系统104(例如，而是沿轴1116传播)。因此，杂散光不太可能重新耦合到光学组件的光路。
在一些情况下，光学组件可以被配置为使得沿次发射轴1102b发射的杂散光在遇到光学组件(例如，波导装置102、分布波导装置402和/或光学耦合器子系统104)的光路之前基本弹跳最少两次。例如，这在减少重新耦合到光路的光量方面可能是有益的。
尽管本文示出并描述了用于减少杂散光发射的几种示例技术，但是应当理解，它们不是相互排斥的。在一些情况下，可以结合使用两种或更多种所描述的技术以以特定方式吸收杂散光和/或导引杂散光，以改善光学组件的性能。作为示例，一个或多个光吸收元件(例如，如相对于图5、6、8和9所示的和所描述的)、一个或多个光栅(例如，如相对于图7和10所示和所描述的)、位于光学部件的外围边缘上的光发射材料的一个或多个部分(例如，如相对于图10所示和所描述的)和/或基本上不平行于次发射轴的一个或多个外围边缘(例如，如相对于图11A-11C所示和所描述的)可以单独地或以任何组合地使用，以减少相对于光学组件的杂散光出射。
已描述了多个实施例。然而，将理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种变型。因此，其他实施例在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于头戴式显示器的目镜，包括：
一个或多个第一波导，其被布置为：在第一边缘处接收来自空间光调制器的光、将所接收的光中的至少一些引导至与所述第一边缘相对的第二边缘、以及将所述光中的至少一些提取穿过位于所述第一边缘与所述第二边缘之间的所述一个或多个第一波导的面；
第二波导，其被定位为接收在所述第二边缘处离开所述一个或多个第一波导的光、以及将所接收的光引导至一个或多个光吸收器，
第三波导，其被布置为在第三边缘处接收来自所述空间光调制器的光、将所接收的光中的至少一些引导至与所述第三边缘相对的第四边缘、将所述光中的至少一些提取穿过位于所述第三边缘与所述第四边缘之间的所述第三波导的面；以及
第四波导，其被定位为接收在所述第四边缘处离开所述第三波导的光、以及将所接收的光引导至一个或多个第二光吸收器。
2.根据权利要求1所述的目镜，还包括光学结构，其被布置在所述一个或多个第一波导的所述第二边缘之间并且被配置为将来自所述一个或多个第一波导的光耦合到所述第二波导中。
3.根据权利要求1所述的目镜，还包括反射器，所述第二波导被布置在所述反射器与所述一个或多个第一波导之间，所述反射器被配置为反射从所述一个或多个第一波导进入所述第二波导的光，使得所述光被引导至所述一个或多个光吸收器。
4.根据权利要求1所述的目镜，其中，在用户操作所述头戴式显示器期间，所述一个或多个吸收器位于所述用户的视场之外。
5.根据权利要求1所述的目镜，还包括一个或多个附加波导，其被定位为接收在所述一个或多个第一波导的一个或多个附加边缘处离开所述一个或多个第一波导的光、以及将从所述一个或多个附加边缘所接收的光引导至一个或多个附加光吸收器。
6.根据权利要求1所述的目镜，其中，在用户操作所述头戴式显示器期间，所述一个或多个第一波导位于所述用户的视场内。
7.根据权利要求1所述的目镜，其中，所述一个或多个第一波导包括在所述第一边缘与所述第二边缘之间延伸的一个或多个衍射光学元件，其中，所述一个或多个衍射光学元件被配置为将所述光中的至少一些提取穿过位于所述第一边缘与所述第二边缘之间的所述一个或多个第一波导的面。
8.根据权利要求7所述的目镜，其中，所述一个或多个衍射光学元件中的至少一个被设置在所述一个或多个第一波导的内部。
9.根据权利要求7所述的目镜，其中，所述一个或多个衍射光学元件中的至少一个沿所述一个或多个第一波导的外围设置。
10.根据权利要求1所述的目镜，其中所述第二波导限定沿其外围的光栅图案。
11.根据权利要求10所述的目镜，其中，所述第二波导与所述一个或多个第一波导集成。
12.根据权利要求11所述的目镜，其中，所述光栅图案被限定在所述第二波导的第一面或所述第二波导的第二面中的至少一个上，所述第二波导的所述第一面与所述第二波导的所述第二面相对。
13.根据权利要求10所述的目镜，其中，所述第二波导与所述一个或多个第一波导不同。
14.根据权利要求10所述的目镜，还包括沿所述光栅图案沉积的光吸收材料。
15.根据权利要求14所述的目镜，其中，沿所述第二波导的所述外围的整体限定所述光栅图案。
16.根据权利要求14所述的目镜，其中，沿所述第二波导的所述外围的整体沉积所述光吸收材料。
17.根据权利要求14所述的目镜，其中，沿所述第二波导的所述外围的子集限定所述光栅图案。
18.根据权利要求14所述的目镜，其中，沿所述第二波导的所述外围的子集沉积所述光吸收材料。
19.根据权利要求1所述的目镜，包括光学耦合器子系统，其被配置为接收来自所述空间光调制器的所述光、以及沿主发射轴在第一方向上将所述光朝向所述一个或多个第一波导的所述第一边缘导引。
20.根据权利要求19所述的目镜，其中，所述第二波导包括在自所述光学耦合器子系统的第二方向上的外围边缘，所述第二方向与所述第一方向相反，所述外围边缘相对于所述主发射轴倾斜。
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