CN111492274A - 光学波导以及衍射波导显示器 - Google Patents

光学波导以及衍射波导显示器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光学波导，包括：能够在波导平面内沿两个维度引导光的波导本体(10)；以及设置在该波导本体(10)的表面上或设置在该波导本体内的衍射光学元件(22A)，该衍射光学元件(22A)沿所述两个维度延伸，并且该衍射光学元件(22A)的每个位置具有对被导引至其的光的衍射光学响应。根据本发明，衍射光学元件(22A)是包括具有不同衍射光学响应的多个区域(24A)的多区域元件。此外，衍射光学元件在所述区域之间的衍射光学响应沿波导平面连续地变化。本发明还涉及一种包括这种波导的衍射波导显示器。

Description

光学波导以及衍射波导显示器
技术领域
本发明涉及光学波导。特别地，本发明涉及包括至少一个用于修整波导内的光场的衍射光学元件的波导。这种波导可以用在个人显示设备中，诸如头戴式显示器(HMD)和平视显示器(HUD)。
背景技术
在众多现代个人显示设备中，波导是重要的图像生成元件。利用衍射光栅，待被显示的图像可以被耦入和耦出波导，也可以在波导内被修整。例如，可以提供用于将来自投射器的图像耦入波导的耦入光栅，用于在波导的一个或多个平面内维度上扩展光场的出射光瞳扩展器光栅，以及将光场耦出波导到达用户眼睛的耦出光栅。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的至少部分缺陷。特别的目的是提供一种允许实现复杂光学功能且能降低光束分裂和/或功率损耗的风险的衍射波导元件。
特别地，本发明由独立权利要求中所述的内容表征。
根据一方面，提供了一种光学波导，其包括：能够在波导平面内沿两个维度引导光的波导本体；以及设置在波导本体的表面上或设置在波导本体内的衍射光学元件，该衍射光学元件沿所述两个维度延伸，且该衍射光学元件的每个位置具有对被导引至其的光的衍射光学响应。根据本发明，衍射光学元件是包括具有不同衍射光学响应的多个区域的多区域元件。此外，衍射光学元件在所述区域之间的衍射光学响沿波导平面连续变化。这种变化可能沿平面的一个或两个维度发生。
根据另一方面，本发明提供了一种衍射波导显示器，包括如上描述的光学波导和用于在光学波导内部提供包含图像的光场的图像投射器。
本发明提供了显著的优点。首先，在区域间无明显分界面(interface，交界、结合面、接口)的多区域DOE允许实现具有复杂光学行为的波导，且无光束分裂的缺陷。在分界面处连续过渡而不是衰退衍射图案提高了DOE的总效率，同时也减少了光束分裂。由此，光可以在波导中发生更多的反弹，并与DOE相互作用，仍然保持其方向和功率，即，以良好的效率朝着预期的方向前进。
与具有明显分界面的DOE相比，连续过渡还使得本发明中的DOE对入射光和在波导中传播的光的位置和角度的变化不那么敏感。因此，DOE的行为更加可预测和稳健。
从属权利要求是针对本发明的选定实施方式。
接下来，本发明的实施方式和其优点将参照附图进行更详细的讨论。
附图说明
图1示出了包括具有连续衍射光学响应的DOE的波导的示意性透视图和示例性响应的三维图。
图2A和2B示出了波导侧视图和两种不同的衍射光学元件的二维响应图，即完全连续的和分段恒定的衍射光学元件的二维响应图。
具体实施方式
定义
术语“衍射光学元件”(DOE)是指波导本体的包括能够衍射光的物理结构的区域。该结构通常包括大小为1μm或更小的特征的图案。通常用在通用个人显示设备中的DOE的示例是耦入光栅、出射光瞳扩展器光栅和耦出光栅。然而，应当注意的是，在本发明中，为了实现连续过渡，DOE的全部或部分可以是非周期性的，由此，本文中的术语DOE还包含了除光栅外的其他结构(从某种意义上说，术语“光栅”通常被理解为一种周期性结构)。
术语“中间DOE”是指其不意在将光直接从其耦出而是改变光线从一层到另一层的传播路径的DOE。然而，由于缺陷，可能会出现一定量的耦出。通常，根据预定义的光学响应，入射中间DOE的传播光中的至少90％在初始层或者新的层中继续传播。
DOE的“衍射光学响应”是指通过DOE由于衍射引起的光的角度和/或光谱分布的变化。具体地说，该响应可以是例如对于固定的入射角度和波长衍射到特定角度的强度。DOE的衍射微观结构图案产生了衍射光学响应。
衍射光学响应的连续变化意味着DOE对于入射光束的位置的微小变化(大约微观结构图案的特征大小)将引起对于至少一种波长的响应的微小变化。通常，这种变化在大范围的入射角度和/或波长内是连续的。
本文中“非周期性的”结构是指一种不具有以固定间隔重复的建造单元的结构。在这种情况下，传统光栅或其区域——在其中相同光栅单元(如二元脊/槽)以规律的周期重复，被视为周期性的结构，即使是为了局部地改变衍射效率而被进行高度调制也是如此。
“多区域”DOE是指具有衍射光学响应不同的若干内部区域的DOE。这些区域具有实际的面积，且在这些区域内的衍射光学响应是恒定的。在具有顺滑过渡的区域之间发生衍射光学响应的连续改变。
选定实施方式的描述
在一些方案中，本文称为的多区域衍射光学元件(DOE)，存在彼此相邻的多个不同的光栅区域，这些光栅区域具有不同的特性，诸如光栅周期、光栅微观结构或光栅线方向，并且因此具有不同的衍射光学响应。这些不同的光栅区域可以具有与最初指向光栅的光束直径差不多相同大小的尺寸，其可以是例如1-3mm。这有个缺点，即两个光栅区域之间的边界区域会对光场造成严重的失真(distortion，扭曲)，因为光束每次入射这样的边界区域时都会被分裂，并且光功率会损耗于杂散的(stray，偏离的)角度。然而，即使利用较窄的光束和/或较大的光栅区域，也存在同样的问题，因为波导内的反弹量通常非常大，因此边界区入射的概率也很大。因此，在复杂的光栅设计中——其中，光束在波导中传播时，在多区域光栅处反弹若干次——这个问题就显得尤为重要。经过多次反弹后，光束被分割，且大量的光功率被损耗。
需要改进的多区域衍射光学元件。
在一些实施方式中，衍射光学元件包括分布在波导平面内的具有不同光学响应的区域。即，DOE是真正的二维的。图1示出了这样的波导的一个示例。
图1示出了波导10，包括在其表面上的示意性DOE12。为了说明在波导平面中连续变化的衍射光学响应，示出了一种示例性的响应。此处的响应是指，根据在波导的平面内的位置，DOE对具有固定光波长的、以35度的入射极角和20度的方位角入射的光透射衍射到特定角度(如，极角10度和方位角33度)的强度。
尽管此处的响应仅针对预定入射角度和波长情况下的预定衍射角度而示意，但是对于多个入射角度和波长，其强度通常是连续变化的。因此，为了示意DOE的全面衍射光学响应，对于若干的入射角度、衍射角度和波长参数设定，可以生成相似的连续响应图。
如图1中的示例，在一些实施方式中，在衍射光学元件的每个位置处，衍射光学响应是非零的。换句话说，在衍射光学元件中没有非衍射区域。
在一些实施方式中，DOE包含至少一个具有非周期性微观结构的区域。在一些情况下，DOE在整个元件范围内是非周期性的。
在一些实施方式中，衍射光学元件的衍射光学响应在整个元件范围内连续变化。即，在DOE中没有恒定光栅区域。
图2A作为截面图示出了图1的情况。连续响应的DOE用数字22A表示，其响应R用数字28A表示。
在一些实施方式中，用图2B示意，在此处用数字22A表示的DOE的至少一些区域中，衍射光学响应28A是恒定的。这些区域24A可以包括周期性衍射光栅。在这些区域之间，即，在中间区域26A处，响应是连续的。这些区域可以包含非周期性微观结构。
在一些实施方式中，DOE的微观结构不包括具有梯度分布(profile，剖面)的部段(section，截面)，特别是不包括横向高度坡，其使微观结构的局部高度并且因此DOE的局部效率逐渐取为零或接近零，或者可替代地，使该高度取为波导元件所包含的相邻光栅的高度。
在一些实施方式中，整个DOE的微观结构的高度是近似恒定的。因此，衍射光学响应的连续变化是通过微观结构的其他特性而非特征高度来实现的。
在可替代的实施方式中，在DOE内存在多个具有不同的非零微观结构高度的近似恒定的高度区域，从一个区域到另一个区域衍射光学响应不断变化。
在本文中，近似恒定高度意味着微观结构的局部高度变化小于10％。
在本文中，微观结构的局部高度定义为，沿波导平面的法向方向在直径为5um的圆形区域内微观结构的最低点与最高点(最低谷到最高峰)之间的高度差，适用于非周期性且不规则的衍射结构以及周期性且规则的衍射结构。
通常地，微观结构高度在20-500nm之间。
横向最大特征尺寸可以变化，例如在10nm到700nm之间变化。
在一些实施方式中，在衍射光学元件的每个位置处，衍射光学元件的光学响应相对于其其他位置是独特的。
具有连续光学响应的波导结构可用于例如增强现实(AR)应用中，其中系统特性的改善需要针对每个FOV角使用多种不同的传播方向。在这种系统中，不能使用将光栅区域划分为相邻子区域的标准方法，在这些子区域中光栅结构保持恒定。这是因为对应于FOV角的光束将被子区域边界细分到这样的程度，即：它们的部分变得高度发散，并且与细分部分相关的到不需要的传播方向的衍射——其导致FOV角串扰——变得显著。
使用具有连续光学响应的结构进一步增加了系统对小误差的容忍度，因为例如，由于制造误差引起的光束或光束行进的轻微不对准(misalignment，失调、偏斜)仅仅对系统的整体输出造成微小的变化。这与具有清晰限定的子区域的系统形成对比，在其中，光束的不对准会导致整体输出的显著变化。
在一些实施方式中，波导是衍射式个人显示器诸如头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)的显示波导，且衍射光学元件是其耦入元件、出射光瞳扩展器元件或耦出元件。DOE还可以是多个波导层之间的中间功率再分配元件(中间DOE)。
实际上，在一些实施方式中，波导是多层式波导，且衍射光学元件是位于两个波导层之间的中间DOE，并且与两个层在光学上相互作用。特别地，可以提供一种波导显示元件，用于将图像从元件的第一横向区域引导到元件的第二横向区域，该元件包括多个彼此叠置(on top of each other，一个叠一个)的波导层，且该元件还包括至少一个布置在波导层中的两个波导层之间的当前类型的中间DOE。中间DOE适于根据其局部衍射光学响应改变层间传播光功率的分布。
根据一个方面，本发明还提供了一种设计光学波导的方法。该方法包括：
选择衍射光学元件的第一区域的第一期望光学响应；
选择衍射光学元件的至少一个第二区域的至少一个第二期望光学响应；
在第一区域和至少一个第二区域之间插入多个位置的多个另外的光学响应，使得形成基本上连续的光学响应分布。
该方法还可以包括：
选择提供第一光学响应的第一衍射图案；
选择提供至少一个第二光学响应的至少一个第二衍射图案；
选择提供所述另外的光学响应的多个其它衍射图案，其中，其它图案的几何特性沿波导从第一区域到至少一个第二区域在空间上连续变化。
根据一方面，本发明提供了一种制造如本文所述的光学波导的方法。该方法包括首先确定如上所述的衍射图案，然后制造具有由所确定的衍射图案组成的衍射光学元件的波导。
一旦例如使用本文讨论的原理进行设计，衍射光学元件就可以使用已知的光学微加工技术来制造。
本发明的实施方式可以以其不同的形式用于各种不同的个人显示设备，增强现实(AR)、虚拟现实(VR)和混合现实(MR)设备，例如近眼显示器(NED)和其他头戴式显示器(HMD)，以及平视显示器(HUD)。

Claims (13)

1.一种光学波导，包括：
-能够在波导平面内沿两个维度引导光的波导本体(10)；以及
-设置在所述波导本体(10)的表面上或设置在所述波导本体内的衍射光学元件(22A)，所述衍射光学元件(22A)沿所述两个维度延伸，并且所述衍射光学元件(22A)的每个位置具有对被导引至该位置的光的衍射光学响应；
其中，
-所述衍射光学元件(22A)是包括具有不同衍射光学响应的多个区域的多区域元件，并且
其特征在于，
-所述区域中的至少一些区域是恒定响应区域(24A)，在所述恒定响应区域内所述衍射光学响应是恒定的；并且
-所述衍射光学元件(22A)在所述恒定响应区域(24A)之间包括中间区域(26A)；
-所述中间区域(26A)的所述衍射光学响应沿所述波导平面连续地变化。
2.根据权利要求1所述的光学波导，其中，所述恒定响应区域(24A)沿所述波导平面的两个维度分布在所述衍射光学元件(22A)中。
3.根据权利要求1或2所述的光学波导，其中，每个所述恒定响应区域(24A)具有基本上非零的衍射光学响应。
4.根据任一项前述权利要求所述的波导，其中，所述衍射光学元件(22A)在整个元件(22A)范围内是基本上非周期性的。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的光学波导，其中，所述区域(24A)中的至少一些区域包括周期性的衍射光栅。
6.根据任一项前述权利要求所述的波导，其中，所述衍射光学元件(22A)至少在所述中间区域(26A)处包括限定所述衍射光学响应的基本上非周期性的微观结构。
7.根据任一项前述权利要求所述的波导，其中，连续变化的所述衍射光学响应是关于预定的入射角度和波长衍射到至少一个预定角度的强度。
8.根据任一项前述权利要求所述的波导，其中，所述中间区域(26A)的所述衍射光学响应对于多个入射角度和/或波长连续地变化。
9.根据任一项前述权利要求所述的波导，其中，所述波导是衍射式个人显示器诸如头戴式显示器或平视显示器的显示波导，并且所述衍射光学元件(22A)是所述显示波导的耦入衍射光学元件、出射光瞳扩展器衍射光学元件或耦出衍射光学元件，或用于所述功能中两个或多个功能的组合式衍射光学元件。
10.根据任一项前述权利要求所述的波导，其中，所述波导是多层式波导，并且，所述衍射光学元件(22A)是位于两个波导层之间的中间衍射光学元件，并与所述两个层在光学上相互作用。
11.根据任一项前述权利要求所述的波导，其中，所述衍射光学元件(22A)由限定其衍射光学响应的非周期性或部分非周期性的微观结构构成，所述微观结构的局部高度变化小于10％。
12.根据任一项前述权利要求所述的波导，其中，所述衍射光学元件(22A)由限定其衍射光学响应的微观结构构成，所述微观结构没有梯度高度分布，使所述微观结构的局部高度取为零或接近零，或者可替代地，使所述高度取为所述波导元件包含的相邻衍射光学元件的高度。
13.一种衍射波导显示器，包括：
-光学波导，包括用于修整波导内部的光场的多区域衍射结构；
-图像投射器，用于在所述光学波导内部提供包含图像的光场；
其特征在于，所述光学波导是根据任一项前述权利要求所述的波导。
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