CN111194422B - 用于增强现实或虚拟现实显示器的波导 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于在增强现实或虚拟现实显示器中的波导。该波导包括展现出与周围波导介质的折射率差异的多个光学结构(10、20、30、40、50、60、70、80)。光学结构以阵列进行布置，以在波导中提供彼此交叠的至少两个衍射光学元件(H1、H2)。该两个衍射光学元件中的每一个被配置成从输入方向接收光，并且朝向另一衍射光学元件耦合光，该另一衍射光学元件可以用作输出衍射光学元件，该输出衍射光学元件朝向观看者提供向外耦合的级。光学结构具有以下形状：当在波导的平面中观看时，该形状包括多个基本直的边，该多个边具有处于不同角度的相应法向量，这可以有效地减少在与光学结构第一次交互时被耦合到波导外的光的量。
Description
技术领域
本发明涉及用于在增强现实或虚拟现实显示器中使用的波导。特别地，本发明涉及以下波导：输入光在输出元件中沿两个正交方向扩展，并且被耦合到波导外并朝向观看者。这可以允许增强现实显示器中的眼动范围(eyebox)的物理扩展。
背景技术
增强现实显示器允许用户观看他们的周围环境以及投射的图像。在军事或运输应用中，投射的图像可以被叠加在用户感知的真实世界上。这些显示器的其他应用包括视频游戏和可穿戴设备(例如眼镜)。
在正常的增强现实设置中，在用户的前方设置透明的显示屏使得他们可以继续看到物理世界。显示屏通常是玻璃波导，并且在一侧设置投影仪。来自投影仪的光由衍射光栅耦合到波导中。投射的光在波导内被内部全反射。然后由另一衍射光栅将光耦合到波导外，使得光可以被用户观看到。投影仪可以提供增强用户对物理世界的观看的信息和/或图像。
在WO 2016/020643中公开了用于在增强现实显示器中沿两个维度扩展输入光的光学设备。提供了输入衍射光学元件以用于将来自投影仪的输入光耦合到波导中。该光学设备还包括输出元件，该输出元件具有在波导中彼此交叠的两个衍射光学元件，使得两个衍射光学元件中的每一个可以接收来自输入衍射光学元件的光，并且朝一对中的另一衍射光学元件耦合光，该另一衍射光学元件则可以用作将光耦合到波导外朝向观看者的输出衍射光学元件。在一个实施方式中，在光子晶体中设置彼此交叠的两个衍射光学元件。这通过以下方式来实现：使柱阵列布置在波导的表面内或表面上，相对于周围的波导介质具有增大的折射率。WO 2016/020643中的柱被描述为当从观看者的角度在波导的平面内观看时具有圆形截面形状。已经发现这种布置在同时沿两个维度扩展光并且将光耦合到波导外方面非常有效。有利地，这可以改善波导上的空间的使用，这可以降低制造成本。
已经认识到已知波导的问题，因为已经观察到输出图像中的中心条带具有比其他部分高的相对亮度。这种“条带化”效应对于用户而言是不希望的，并且本发明的目的是克服并且减轻这个问题。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种用在增强现实或虚拟现实显示器中的波导，该波导包括：多个光学结构；其中，该多个光学结构以阵列进行布置，以在波导中提供彼此交叠的至少两个衍射光学元件，其中，该两个衍射光学元件中的每一个被配置成从输入方向接收光，并且朝向另一衍射光学元件耦合光，该另一衍射光学元件则可以用作输出衍射光学元件，该输出衍射光学元件朝向观看者提供向外耦合的级；其中，多个光学结构中的至少一个光学结构具有以下形状：当在波导的平面中观看时，该形状具有多个基本直的边，该多个边具有处于不同角度的相应法向量。
以这种方式，已经发现波导可以减小被衍射到会引起条带化效应的级中的光的比例。这可以改善交叠的衍射光学元件的衍射效率，增大朝向另一衍射光学元件转向并耦合的光的比例。这可以减轻在具有圆形截面形状的光学结构的已知波导中观察到的条带化效应。这还可以通过对朝向观看的用户耦合的光进行控制来改善波导的整体效率。
至少一个光学结构可以具有多边形形状。因此，至少一个光学结构可包括至少一个顶点。可以存在通过顶点接合的至少四个基本直的边，并且可能存在通过顶点接合的五个、六个或更多个基本直的边。
至少一个顶点可以呈现圆边缘。认为任何实践实施都将至少在某种程度上涉及圆边缘。
至少一个光学结构可以包括基本垂直于输入方向的至少一个对称轴。至少一个对称轴可以基本平行于输入方向。光学结构可以具有彼此垂直的至少两个对称轴。
每个顶点的内角可以小于180°。这可以改善制造光学结构的容易性，因为产生具有缺口或向内突出的入口的光学结构可能更复杂。
多个边中的一个边的长度可以是阵列中光学结构的间距的大约0.1至0.4的比例。更优选地，多个边中的一个边的长度大约为光学结构的间距的0.2。另外，光学结构的间距可以被称为阵列的晶格常数。
光学结构可以包括与两个相应衍射光学元件基本平行的边。边可以与输入方向基本成±30°的角度。已经发现，这种布置可以有利地改善衍射到所需要的级中的衍射效率并且减轻条带化。
波导可以包括输入衍射光学元件，该输入衍射光学元件被配置成将光耦合到波导中，并且沿输入方向向阵列中的多个光学结构提供光。输入衍射光学元件优选地是波导的一个表面中的包括槽的衍射光栅。优选地，输入光栅具有将光耦合到波导中的高效率。
输入方向可以限定输入轴，并且光学结构可以在相对输入轴切向移位的位置处具有不同的形状。光学结构可以具有以下形状：该形状旨在减少对引起条带化效应的级中的透射，其中所述形状与输入轴对准。这在偏离输入轴的位置处可能不太重要，并且因此阵列的侧部的光学结构可以具有不同的形状。
波导中的光学结构阵列可以被称为光子晶体。波导可以被设置在光学显示器内。
光学结构优选地展现与周围波导介质的折射率差异。以这种方式，光学结构可以被嵌入在波导内，并且由于所述结构与波导介质之间的折射率差异，可以产生它们的衍射特性。
光学结构可以被设置为波导的表面上的表面浮雕特征。表面浮雕特征的折射率与围绕表面浮雕特征的空气的折射率之间的不匹配可以提供所需要的衍射特性。在一些实施方式中，可以在光学结构上设置涂层以控制衍射效率。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于增强现实或虚拟现实显示器的波导的制造方法，该方法包括以下步骤：设置多个光学结构；以阵列布置多个光学结构，以在波导中提供彼此交叠的至少两个衍射光学元件，其中，该两个衍射光学元件中的每一个被配置成从输入方向接收光，并且朝向另一衍射光学元件耦合光，该另一衍射光学元件则可以用作输出衍射光学元件，该输出衍射光学元件朝向观看者提供向外耦合的级；以及为多个光学结构中的至少一个光学结构设置形状，当在波导的平面中观看时，该形状具有多个基本直的边，该多个基本直的边具有处于不同角度的相应法向量。
附图说明
现在参照附图通过示例来描述本发明的实施方式，在附图中：
图1是已知波导的顶视图；
图2是已知波导的另一顶视图；
图3是在本发明实施方式中的波导中使用的光子晶体的顶视图；
图4示出了可以在本发明实施方式中的波导中的光子晶体中使用的具有不同形状的光学结构的多个示例；
图5是在本发明实施方式中的波导中使用的光子晶体的顶视图；
图6是示出在本发明实施方式中针对具有特定形状的光学结构，衍射效率随缺口宽度如何变化的曲线图；以及
图7是示出在本发明实施方式中针对具有另一形状的光学结构，衍射效率随平边宽度如何变化的曲线图。
具体实施方式
图1和图2是已知波导6的顶视图。输入衍射光栅1被设置在波导6的表面上，以用于将来自投影仪(未示出)的光耦合到波导6中。被耦合到波导中的光通过全内反射朝向包括光子晶体3的输出元件2行进。在该示例中，从这些顶视图的角度，光子晶体3包括具有圆形截面形状的柱(未示出)。相对于周围波导介质的折射率，柱具有不同的折射率，并且柱布置为具有六边形对称的阵列。
当光从输入衍射光栅沿x轴遇到输出元件2中的光子晶体3时，光被光子晶体3中的阵列所形成的衍射光学结构中的一个衍射光学结构透射或转向±60°。
已经发现，从元件2衍射的输出图像包括中心条带7，中心条带7具有比其他部分高的相对亮度。认为这种效应是由于光子晶体3中的阵列所形成的衍射光学结构的衍射效率而产生的。特别地，认为从输入衍射光栅1接收的光中的很大一部分在其遇到光子晶体3时被衍射到眼睛，而不是被衍射并转向±60°。
图3是光子晶体12的一部分的顶视图，光子晶体12是设置在波导14内的光学结构10的阵列。波导14可以具有低折射率，其中n～1.5。这种布置中的光学结构10是具有四个基本直的边和四个顶点的平行四边形。横跨波导的宽度，光学结构10具有基本相同的截面形状。在其他实施方式中，可以仅横跨波导14的宽度的一部分来设置光学结构10。
在一个实施方式中，光学结构10可以被设置在波导14的一个表面上。在这种布置中，光学结构10可以具有特征高度，使得光学结构10从波导14的表面突出。已经发现，在30nm至200nm的范围内的特征高度的情况下可以产生有效光子晶体。在光学结构10之间的谷中形成空气通道。光学结构10可以具有与n～1.5的波导介质相同的折射率。光学结构10被具有折射率n＝1的空气围绕，并且折射率的这种不匹配可以实现衍射。可以通过在光学结构10的水平表面上施加薄膜涂层来控制衍射效率。涂层材料通常(但不总是)具有比波导14高的折射率。在一个实施方式中，施加n～2.4的折射率的涂层。
在另一实施方式中，光学结构10可以被嵌入在波导14介质中。因此，光学结构10可以被完全设置在波导14介质内。这需要光学结构10与波导介质14之间的折射率不匹配，以便发生衍射。这可以通过产生具有表面浮雕轮廓(光学结构10在一个表面上)的波导14来实现。然后可以将结合材料施加在光学结构10上，并且这可以被结合到具有与波导14相同的折射率的覆盖件上。通过选择具有与波导介质14不同(通常更高)的折射率的结合材料，可以在原始波导与覆盖件之间产生统一的波导14，并且结合材料被夹在原始波导与覆盖件之间。在该设计中，结合材料具有与光学结构10相同的形状，但是具有与周围波导介质不同的折射率。
阵列中的光学结构10的规则布置可以被认为是许多有效衍射光栅或衍射光学结构。特别地，可以限定光栅H1，其中光学结构10沿y轴对齐并且光学结构的相邻行间隔距离q。光栅H2被布置成使光学结构10的行与x轴成+30°的角度，其中相邻行间隔距离p，p被称为晶格常数。最后，光栅H3被布置成使光学结构的行与x轴成-30°的角度，其中相邻行间隔距离p。值p和q通过表达式q＝2pCos(30°)彼此相关。已经发现，在340nm至650nm的范围内的p值的情况下可以产生有效光子晶体。
当沿x轴接收的来自输入光栅的光入射到光子晶体12上时，所述光经历各种衍射光学元件的多个同时衍射。光可以被衍射到零级(zero order)中，其是入射光的传播的延续。光也可以通过光栅H1衍射到第一衍射级中。第一级沿z轴的正方向耦合到波导14外，朝向观看者，观看者可以被限定为直达眼睛级(straight to eye order)。光也可以通过H2衍射光学结构衍射到第一衍射级中。该第一级以与x轴成+60°进行衍射，并且该光束继续与光子晶体进行进一步交互。光也可以通过H3衍射光学结构衍射到第一衍射级中。该第一级以与x轴成+60°进行衍射，并且该光束继续与光子晶体进行进一步交互。与H2衍射光学结构的后续衍射交互可以将光沿正z轴耦合到波导12外，朝向观看者。因此，可以在每个点处将光耦合到波导外，但是光也可以继续在波导12内在两个维度上扩展。光子晶体的对称性意味着每个出射光束具有与输入光束相同的角度和色彩特性，这意味着利用该光子晶体布置，多色(以及单色)光源可以用作输入光束。
光子晶体可以使得光在两个维度上同时且快速地扩展，使得输入光可以填充二维显示屏。这可以实现超紧凑的显示器，因为由于二维光束扩展，波导大小可以被保持成最小。
在这种布置中，光学结构10具有与衍射光学结构H2、H3平行的直边。因此，平行四边形的边与x轴成±30°，x轴是从输入光栅1接收输入光的方向。
已经发现非圆形光学结构10的令人惊讶的优点，即衍射光学结构H1、H2、H3的衍射效率显著增加。这增加了通过结构H1、H2、H3衍射到第一级中的光的比例，并且减少了衍射到零级中的光的比例，被衍射到零级中的光通过全内反射继续在波导12中传播。这可以减少在圆形结构的情况下观察到的条带化效应，这显著改善了波导14的实用性。
图4示出了光学结构10的可以用于进一步降低条带化效应的其他形状的许多示例。第一光学结构10具有与图3中所示形状类似的形状。第一光学结构10是在较大平行四边形16内示出的简单的平行四边形，该较大平行四边形16指示光子晶体12内的光学结构10的间隔。上顶点与下顶点具有120°的角度。晶格常数p等于较大平行四边形16的边中的一条边的长度。第二光学结构20是具有一对中央缺口22的修改的平行四边形。在这种布置中，每个缺口22由平行于衍射光学结构H2、H3和外平行四边形的相应主边的两条边形成。可以限定缺口宽度24，并且缺口宽度24可以在不同的实施方式中不同。缺口22包括顶点26，该顶点26具有大于180°的内角。第三光学结构30是具有平行于x轴的两个表面的另一修改的平行四边形。可以限定“平边(flat-sided)”长度34，其是平行于x轴的边的长度；平边长度34可以在不同的实施方式中不同。第三光学结构30具有多个顶点，所述多个顶点中的每一个具有小于180°的内角。提供了第四光学结构40，其类似于第二光学结构20，但是仅包括一个缺口42。提供了第五光学结构50，其在一侧具有缺口52，并且在另一侧具有平行于x轴的平坦部分54。提供了第六光学结构60，其类似于第三光学结构30，但是仅具有一个“平边”长度64。第七光学结构70被设置有与第一光学结构10类似的形状，但是具有减小的尺寸。第八光学结构80被设置有与第二光学结构20类似的形状，第八光学结构80具有上缺口82和下缺口82。缺口82由第一缺口宽度84和第二缺口宽度85限定，其中，第二缺口宽度85大于第一缺口宽度84。因此，第八光学结构80具有由两个相似且部分交叠的不同大小的平行四边形组成的形状。第一光学结构10、第二光学结构20、第三光学结构30和第七光学结构70在x轴和y轴上具有对称性。第四光学结构40、第五光学结构50和第六光学结构60仅在y轴上具有对称性。第八光学结构80仅在x轴上具有对称性。
在图4中所示的所有光学结构中，多边形包括与光子晶体12中的衍射光学结构H1、H2基本平行的边。然而，设想了其他可行的实施方式，其中光学结构具有不平行于结构H1、H2的边。
顶点存在于图4中所示的所有光学结构中。实际上，取决于在查看这些顶点时使用的放大程度，这些顶点将具有略微的圆角。
图5是具有规则的第二光学结构20阵列的光子晶体12的示例。
图6是示出在光与图5中所示的由第二光学结构20阵列形成的光子晶体12交互时光被耦合到直达眼睛级的效率的曲线图。该曲线图示出了当缺口宽度24变化时(同时保持在x轴和y轴上的对称性)，直达眼睛级的效率如何变化。针对s偏振和p偏振绘制了效率。在该曲线图中，当缺口宽度为零时，s偏振具有较高的效率。应该注意，缺口宽度为零实际上对应于第一光学结构10的简单平行四边形形状。可以看出，当缺口宽度24在晶格常数p的0.15至0.25的范围内时，直达眼睛衍射效率降低到最小。在实践中，部分地基于意图在波导中使用的光的中心波长来选择晶格常数p。
从图6中明显的是，可以通过使用图5中所示的具有规则的第二光学结构阵列的光子晶体来实现对耦合到直达眼睛级的光的有效抑制，其中，缺口宽度24在晶格常数p的0.15至0.25的范围内。在实践中，可能期望避免将效率完全降低到零，否则光的缺失可能在输出图像中产生有效的暗条带。
图7是示出在光与由第三光学结构30阵列形成的光子晶体12交互时光被耦合到直达眼睛级的效率的曲线图。该曲线图示出了当平边长度34变化时(同时保持在x轴和y轴上的对称性)效率如何变化。针对s偏振和p偏振绘制了效率。在该曲线图中，当平边宽度为零时，s偏振具有较高的效率。应该注意，平边宽度为零实际上对应于第一光学结构10的简单平行四边形形状。可以看出，当平边宽度34在晶格常数p的0.25至0.35的范围内时，衍射效率降低到最小。
Claims (16)
1.一种用在增强现实或虚拟现实显示器中的波导，包括：
在光子晶体中的多个光学结构；
其中，所述多个光学结构以阵列进行布置，以在所述波导中提供彼此交叠的两个衍射光学元件，其中，所述两个衍射光学元件中的每一个被配置成从输入方向接收光，并且朝向另一衍射光学元件耦合光，所述另一衍射光学元件则能够用作输出衍射光学元件，所述输出衍射光学元件朝向观看者提供向外耦合的级；
其中，所述多个光学结构各自具有形状，当在所述波导的平面中观看时所述形状包括多个基本直的边，所述多个基本直的边具有处于不同角度的相应法向量。
2.根据权利要求1所述的波导，其中，所述多个光学结构各自包括至少一个顶点。
3.根据权利要求1或2所述的波导，其中，所述多个光学结构各自包括至少四个基本直的边。
4.根据权利要求1或2所述的波导，其中，所述边中的一条边的长度是所述阵列中的光学结构的间距的0.1至0.4的比例。
5.根据权利要求1或2所述的波导，其中，所述多个光学结构各自包括与所述两个衍射光学元件基本平行的边。
6.根据权利要求1或2所述的波导，其中，所述多个光学结构各自包括与所述输入方向基本成±30°角的边。
7.根据权利要求1或2所述的波导，其中，所述多个光学结构各自具有多个顶点，并且其中，每个顶点的内角小于180°。
8.根据权利要求1或2所述的波导，包括输入衍射光学元件，所述输入衍射光学元件与所述波导中彼此交叠的所述两个衍射光学元件分离开，所述输入衍射光学元件被配置成将光耦合到所述波导中，并且沿所述输入方向向所述阵列中的所述多个光学结构提供光。
9.根据权利要求1或2所述的波导，其中，所述多个光学结构各自包括基本垂直于所述输入方向的至少一个对称轴。
10.根据权利要求1或2所述的波导，其中，所述多个光学结构各自包括基本平行于所述输入方向的至少一个对称轴。
11.根据权利要求1或2所述的波导，其中，所述多个光学结构各自具有彼此垂直的至少两个对称轴。
12.根据权利要求1或2所述的波导，其中，所述输入方向限定输入轴，并且所述光学结构在相对所述输入轴移位的位置处具有不同的形状。
13.根据权利要求1或2所述的波导，其中，所述多个光学结构展现与周围波导介质的折射率差异。
14.根据权利要求1或2所述的波导，其中，所述多个光学结构是所述波导的表面上的表面浮雕结构。
15.一种用于增强现实或虚拟现实显示器的波导的制造方法，包括以下步骤：
在光子晶体中设置多个光学结构；
以阵列布置所述多个光学结构，以在所述波导中提供彼此交叠的至少两个衍射光学元件，其中，所述两个衍射光学元件中的每一个被配置成从输入方向接收光，并且朝向另一衍射光学元件耦合光，所述另一衍射光学元件则能够用作输出衍射光学元件，所述输出衍射光学元件朝向观看者提供向外耦合的级；以及
为所述多个光学结构分别设置形状，当在所述波导的平面中观看时，所述形状具有至少一个对称轴以及多个基本直的边，所述多个基本直的边具有处于不同角度的相应法向量。
16.根据权利要求15所述的方法，包括：对所述多个光学结构施加涂层的步骤。
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