CN111492302A - 阶梯形波导元件、个人显示设备和产生图像的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种衍射波导元件、波导叠置件、个人显示器以及形成可视图像的方法。该元件包括：由两个光学表面(102A/B)限定的波导区域(102)，光可以通过全内反射在这两个光学表面(102A/B)之间传播，光学表面(102A/B)具有表面轮廓；以及能够改变波导区域(102)内的光场的至少一个衍射光栅。根据本发明，所述光学表面(102A/B)中的至少一个光学表面的表面轮廓是阶梯形轮廓。

Description

阶梯形波导元件、个人显示设备和产生图像的方法
技术领域
本发明涉及光波导。特别地，本发明涉及其上设置有衍射光栅的非平坦波导。这样的波导可以用于增强现实(AR)、虚拟现实(VR)和混合现实(MR)设备和应用，例如近眼显示器(NED)中。
背景技术
在增强现实近眼设备中，可以通过放置在用户的一只或两只眼睛前面的波导来产生可见图像。波导的形状受到对波导功能的物理要求的限制，但是通常这种形状(其可以是例如平面或球形的)从形状因子或外观的角度来看是不可接受的。
US 8,830,584B2公开了最新的球形和非球形波导。特别地，它讨论了如下装置和方法：所述装置和方法用于将出射光瞳扩展器(EPE)与球形或非球形非平面基板以及多个衍射元件一起使用以扩展用于观看的显示器的出射光瞳，从而减少图像扩散，改善图像分辨率并且允许使用较短的焦距。类似的解决方案在P.Saarikko,J.Opt.A:PureAppl.Opt.11(2009),065504中也有讨论。
使用现有技术的波导解决方案，波导的光学特性和性能与其物理形状紧密相关。因此，需要在物理与视觉设计因素之间做出折衷。例如，很难将衍射波导显示器与诸如矫正透镜或非矫正透镜之类的现有光学元件集成在一起。然而，这样的集成将是合乎需要的，以便例如使显示设备具有所谓的眼镜形状因子，这在AR NED中特别常见。
因此，需要改进的波导和基于波导的显示设备。
发明内容
本发明的一个目的是解决上述问题中的至少一些问题，并且提供一种新颖的波导元件，特别是用于个人显示应用。一个特定目的是提供如下解决方案：所述解决方案可以用于使波导的形状与其必须遵循的表面的形状无关，从而可以同时满足物理和视觉要求，即，提供一种提供波导设计的更多自由度的解决方案。
一个特定目的还在于提供一种眼镜形状因子的个人显示器，诸如近眼设备。
这些目的是通过根据独立权利要求的发明来实现的。
根据一个方面，本发明提供了一种衍射波导元件，该衍射波导元件包括：由两个光学表面限定的波导区域，光可以通过全内反射在这两个光学表面之间传播，该光学表面具有表面轮廓；以及至少一个衍射光学元件(DOE)，特别是光栅，其能够改变波导区域内的光场。根据本发明，光学表面中的至少一个光学表面的表面轮廓是阶梯形轮廓。
根据另一方面，本发明提供了一种波导叠置件，该波导叠置件包括多个彼此上下堆叠的上述类型的相似或不相似的波导元件。
根据又一方面，本发明提供了一种个人显示设备，该个人显示设备包括本类型的波导元件或波导叠置件以及图像投影仪，该图像投影仪适于将图像投影到波导元件或波导叠置件以通过波导区域进行传播。光栅可以用作入耦合光栅、出耦合光栅、出射光瞳扩展器光栅。
根据一个方面，本发明提供了一种在近眼显示器中形成可视图像的方法，该方法包括：提供如上所述的波导元件或波导叠置件，将图像投影到布置在波导元件或波导叠置件的第一区域上的入耦合光栅，允许光在波导区域内部或沿着阶梯形轮廓的区域内部传播，以及通过布置在波导元件或波导叠置件的第二区域上的出耦合光栅将光耦合出波导。
本发明提供了显著的益处。首先，本文中讨论的阶梯形几何形状可以用于实现遵循预定义的非平坦表面形状的波导元件，使得实际波导区域的几何形状不同于波导元件遵循的表面的几何形状。因此，本波导几何形状与边界外表面的几何形状无关，并且因此，外表面原则上可以是完全任意的。这与常规的弯曲波导相反，常规的弯曲波导只能匹配具有相同形式的外表面。
简而言之，例如，可以使用阶梯形轮廓在弯曲基板上实现基于波导的显示元件，该元件具有平面元件的光学特性，最显著的是，图像似乎位于无限远处。因此，可以制造“光学上平面的”但物理上非平面的显示元件。同样，可以实现具有预定义的弯曲波导形状并且因此显然具有有限图像距离的显示元件，而与基板的形状无关。因此，可以制作“光学上非平面的”且物理上平面的或非平面的显示元件。这些变型中的一些变型的示例将在本文档的后面给出。
仅举一个示例，可以使阶梯形波导遵循两个非同心球形表面，这对于要求两个表面同心的常规球形波导是不可能的。另一方面，对于平面波导，如果用阶梯形波导代替平坦波导，则波导功能不受影响。
从普通的(一般的)平面或球形波导到阶梯形式的过渡不会改变波导几何学的基本原理(对于平面波导，并且过渡至对于球形波导而言的零阶)。因此，所建立的设计方法可以成功地应用于阶梯形波导及其之上的衍射光栅的设计。
本波导元件可以用于AR、VR和MR近眼应用，诸如NED，其中特别地，眼镜形状因子要求波导元件适配地贴合在透镜(镜片)的前侧上。它特别是可以用于透视显示器，并且尤其还可以与包括矫正透镜的透镜光学器件一起使用。阶梯形几何形状可以应用于平面波导和球形波导两者，即，分别提供具有无限远或某个有限距离的焦距的图像的波导。
由于阶梯形波导可以遵循任意表面形状，因此可以使用视觉要求来确定波导的形式，而不会不利地影响光学功能的实现。具体地，阶梯形波导元件可以用于匹配眼镜形状因子，其中视觉吸引力要求沿着眼透镜的外表面紧贴地安置元件。实际上，本发明的一个方面包括一种眼镜形状因子的近眼显示设备，其中波导元件被添加到矫正或非矫正透镜之上，并且其中该元件的总体形状与透镜的形状在至少一个区域中相匹配。类似地，阶梯形波导元件可以被设计成在形状上与任何其他外部表面相匹配。
阶梯形波导元件也是可叠置的，这表示，可以实现具有相同或不同的光学表面的曲率的多个单独的阶梯形波导的叠置件。波导的不同曲率允许实现多焦平面元件，这允许实现具有新颖类型的光学特征和改善的用户体验的VR、AR和MR设备。
从属权利要求涉及本发明的选定实施方式。
在一些实施方式中，限定波导的两个光学表面均具有阶梯形轮廓。通过使阶梯形轮廓基本上彼此对应，可以产生具有期望光学特性的“分段恒定厚度”的波导区域，而与波导元件的物理形状无关。
在一些实施方式中，波导区域具有大体上弯曲的形状，诸如球形或非球形形状，其中大体上弯曲的形状由阶梯形轮廓的离散台阶限定。
在一些实施方式中，阶梯形轮廓包括发生所述全内反射的多个主表面。在另外的实施方式中，在成对的主表面之间存在中间表面。在替代实施方式中，没有光学上重要的中间表面，即，阶梯的立板由主表面隐含地限定。
在一些实施方式中，主表面中的至少一些或全部主表面是平面的。因此，对于这些部分，波导元件在光学上表现为平面波导。在一些实施方式中，主表面中的至少一些或全部主表面是弯曲的，诸如是球形或非球形的。
在一些实施方式中，波导区域具有大体上弯曲的形状，并且主表面具有在与大体上弯曲的形状的曲率相反的方向上的曲率。在替代实施方式中，主表面具有在与上述大体上弯曲的形状的曲率相同的方向上的曲率。
在一些实施方式中，主表面被成形为连续表面的部分，诸如具有焦距的球形表面或透镜表面。也就是说，如果将阶梯的立板去除，并且主表面相应地彼此平移，则将出现连续且平滑的表面。
在一些实施方式中，中间表面具有比主表面低的透射率。通过降低中间表面的不透明度，可以减少由中间表面引起的干扰。
在一些实施方式中，中间表面相对于相邻的主表面成基本上直角。可替代地，通过将中间表面中的至少大多数中间表面相对于相邻的主表面成倾斜的角度布置，还可以减少由中间表面引起的干扰。
在一些实施方式中，中间表面彼此平行。
在一些实施方式中，具有阶梯形轮廓的一个或更多个光学表面形成波导元件的外表面的至少一部分。在一些实施方式中，具有阶梯形轮廓的一个或更多个光学表面通过材料的层与元件的外表面至少部分地分开。该材料可以与波导区域本身的材料相同或不同。如果材料相同，则可以避免存在中间表面，该中间表面会降低元件的光学性能。波导元件的外表面轮廓通常是连续的，即光滑的，例如平面或球形的。
波导区域的阶梯形轮廓光学表面可以由波导与空气或真空中空层或低折射率固体材料层之间的界面限定。
在一些实施方式中，波导元件中包含的衍射光学元件包括
-入耦合光栅，用于将定向到其的光线从波导区域的外部耦合到波导区域中，
-出耦合光栅，用于将在波导区域内部传播的光线耦合到波导的外部，或者
-出射光瞳扩展器光栅，用于对在波导区域内传播的光的出射光瞳进行扩展。
还可以存在来自这些组中的一个或更多个组的若干光栅，或者元件中的任何单个光栅可以充当这些功能中的两个或更多个。
在一些实施方式中，波导元件由透射材料制成并且适于允许光以基本上横向于光在波导区域中的传播方向的方式穿过波导元件。例如，这允许将该元件用于透视显示器，诸如AR应用中的HMD和HUD显示器。
在一些实施方式中，本个人显示设备包括至少两个衍射光栅，其中一个是位于波导元件的第一区域处的入耦合光栅且其中一个是位于波导元件的第二区域处的出耦合光栅，并且其中，图像投影仪适于将图像投影在入耦合光栅上以耦合到波导区域，并且出耦合光栅适于将图像耦合出波导区域而到达距波导元件一距离处的观看者的眼睛。
在一些实施方式中，波导元件被成形为弯曲的矫正或非矫正透镜，或者被安置在遵循其形状的矫正或非矫正透镜的上部。
在一些实施方式中，包括这样的元件的本波导元件或波导叠置件以眼镜形状因子提供，以使其特别适合于可佩戴显示设备，如智能眼镜。
接下来，参考所附附图更详细地讨论本发明的实施方式及其优点。
附图说明
图1示出了放置在眼睛前面的NED。
图2示出了具有所谓的眼镜形状因子的NED。
图3示出了可用于NED中的总体波导结构。
图4以立体图示出了根据一个实施方式的阶梯形波导元件。
图5以立体图示出了光在阶梯形波导中的传播。
图6-11以剖视图示出了具有阶梯形表面轮廓的波导元件的不同变型。
图12示出了阶梯形波导元件，其中阶梯形表面形成元件的外表面。
图13和14相对应地详细示出了光线在具有直角中间表面和倾斜中间表面的阶梯形波导中的传播。
图15以剖视图示出了阶梯形表面轮廓的又一变型。
图16示出了根据本发明的一个实施方式的多层波导的一个阶梯的剖视细节图。
具体实施方式
定义
本文中的“波导区域”或简称“波导”是指能够经由全内反射在结构内引导光波长、特别是可见光波长的结构。
“波导元件”是指包括至少一个波导区域的实体。波导区域可以包括彼此上下设置的若干分开的波导层。然而，该元件还可以包括其他部分，诸如在波导区域的表面(一个或更多个)上的一个或更多个材料层和/或一个或更多个光栅。
“光学表面”是指在波导元件的边界处或内部的折射界面。
“表面轮廓”指的是当在表面的剖面平面中检查时的该表面的几何形状。应当注意，除非另有说明或很显而易见，否则对本文中的各种可能的表面轮廓的形状的讨论是针对剖面平面进行的。然而，实际上，波导及其光学表面可以具有三维形状，该三维形状具有横向于该平面的尺寸和曲率。
“阶梯形轮廓”指的是具有多个离散(突变)的高度变化的表面轮廓。该轮廓在至少一个剖面平面中具有相对于相邻子表面成一定角度的多个可区分子表面，从而形成类似于阶梯形式的多个台阶。特别地，每个第二子表面(主表面)可以与相邻的每个第二子表面平行或近似平行。波导的总体平面中的台阶的尺寸大于光学衍射极限，使得轮廓本身不会引起光的明显衍射，而是根据期望的几何方案高效地引导光。
“连续轮廓”是指没有离散的高度变化的轮廓，即，平滑的、非阶梯形轮廓。
“阶梯形波导”是指由具有阶梯形轮廓的至少一个光学表面限定的波导区域。“一般的波导”是指仅具有促进光传播的连续光学表面的常规波导。
“波导的总体平面/形状”是指波导的宏观平面/形状，因此忽略了离散的高度变化，这不会显著影响光在其中的整体传播方向。因此，波导的总体形状由适配地穿过阶梯形轮廓的台阶的外拐角的光滑曲线限定，使得整个波导区域保持在该曲线内。
“非平坦”涵盖除完全平面之外的所有其他形状，即“扁平(pancake)”形状。特别地，涵盖球形和非球形的弯曲的形状。应当注意，本文中讨论的波导的总体形状通常是非平坦的，而阶梯形轮廓的子表面可以是平坦的或非平坦的。也就是说，非平坦的波导形状可以由平坦或非平坦的光学表面(即，平坦或非平坦的阶梯)限定。
“主表面”是指阶梯形轮廓表面的子表面，该子表面有助于通过全内反射而沿着波导的总体平面(即，按照传统阶梯术语，阶梯的梯面)和/或经由与诸如位于子表面处的光栅之类的衍射光学元件(DOE)的相互作用来引导光线。“中间表面”是指两个主表面之间的子表面，因此有助于形成阶梯(即，阶梯的立板)。中间表面通常相对于主表面成直角或斜角，中间表面中的每个中间表面连接两个主表面或者以更复杂的几何形状连接甚至更多个主表面。
“平面波导”是指所有主表面(阶梯的梯面)都是平面(即平坦的)的波导。“弯曲波导”是指一些或全部主表面是弯曲的(诸如是球形或非球形的)的波导。
“外表面”是指波导元件的边界表面。外表面可以由阶梯形表面形成，由此其遵循波导的总体形状、或者设置在阶梯形表面的上部的另一材料表面。因此，波导元件的外表面可以遵循或可以不遵循波导区域的总体形状。
“外部表面”是指可以放置波导的另一实体的表面，诸如透镜的表面。
通过光栅改变波导内的光场特别地指的是指将光入耦合到波导中、将光从波导中耦合出、或者以其他方式改变光场的特性，诸如延伸波导的出射光瞳。
选定实施方式的描述
参考图1，在用于增强现实应用的近眼设备中，通过放置在眼睛12附近(通常距离眼睛12本身几cm)的设备10来产生叠加在眼睛12的正常视野上的图像。该配置可以使得该设备为一只或两只眼睛提供图像，但是也可以通过使用两个分离的设备(每只眼睛一个设备)来实现双眼功能。这里，从单眼或每只眼分开的角度来描述本发明，但是本发明同样适用于双眼设置。
参考图2，近眼设备的一种可能的形状因子是“眼镜”形状因子，其中近眼设备代替眼镜片(无视觉矫正)或位于眼镜片的上部(视觉矫正)。在这样的配置中，图像例如通过投影仪或其他显示设备在眼镜架中作为图像束21产生，该图像束照射波导的入耦合区域22。从那里，光场由波导23传输到束扩展和出耦合区域24并且位于其内。从束扩展和出耦合区域发出的光场照射观察者的眼睛的瞳孔25。所示出的仅是这种设备的一个特定示例，许多不同的变型和配置是可能的。本发明和以下描述特别专注于波导23的几何形状(表面形式)。
图3以剖面平面示出了典型的平面波导结构。波导33包括发生全内反射的两个主表面33A、33B，以及发生波传播的波导本身。在此，我们将主表面示出为平面，但是通常，本发明同样适用于具有弯曲表面的波导，特别是球形表面的截面。
主表面33A、33B中的一个或两个可以被衍射结构完全或部分覆盖，该衍射结构可以对波导本身内部的光场进行改性。衍射结构可以用作如图3所示的入耦合光栅32或出耦合光栅34、或出射光瞳扩展器光栅(未示出)。入耦合光栅32将从波导33的外部定向的光31A耦合到波导33中。入耦合光31B在波导中传播，直到其撞击并且被出耦合光栅34耦合出。如同在AR应用中一样，在透视显示器的情况下，允许来自环境的光38(除需要最大耦合效率的入耦合区域)以便以最小失真穿过该结构。
波导本身通常具有恒定的折射率，但是在本发明的范围内，也可以考虑其他波导结构，诸如梯度折射率轮廓和与衍射光栅间隔开的恒定折射率材料的叠置件，或者甚至是波导本身的叠置件。
接下来，参考图4-15描述阶梯形波导元件的不同实施方式。
图4示出了一种可能的波导40。波导40适于装配在两个预定义的表面48A、48B之间(即，在预定义的总体波导形状内)，使得其实现了预定义的近眼显示器的光学功能。根据本发明，这是通过为波导提供阶梯形表面轮廓来实现的。在本文中，波导的两个表面具有阶梯形形式，使得阶梯40A-G的边缘的位置遵循波导40两侧的预定义的边界表面48A、48B的形状。
边界表面48A、48B可以是实际表面或仅是虚拟设计标准，如稍后将更详细讨论的。在前一种情况下，来自波导的光场将在进入眼睛之前通过这些表面中的一个表面，并且可以在设计中补偿该表面的光焦度(optical power)。
对边界表面的几何形状没有根本的限制，只要它们之间的空间可以被具有有限数目的阶梯的表面轮廓划分为物理结构，优选地划分为整体体积的波导材料。
图5示出了在平面(平坦)阶梯51、52、53(即，具有平面主表面的阶梯)的情况下，波59在阶梯形波导中的传播。阶梯51、52、53可以被认为是具有相同折射率的平面波导的叠置件。因此，在它们的界面中没有折射发生，并且主表面的平面中的传播方向保持不变。实际上，与一般的平面波导的功能的唯一区别在于，在波导的一侧上的连续光线命中的位置之间的距离(跳距)受阶梯形波导在该点的总厚度的影响，而不受(一般的)波导厚度的常数的影响。除了这一变化，阶梯形波导的基本功能与一般的波导的功能没有什么不同，即使对于阶梯形波导，波导的厚度对于不同的“台阶”也有所不同。
因为在设计/优化波导之上的衍射结构时可以考虑跳距，因此，适用于平面波导的所有设计方法也可以直接应用于阶梯形波导。由于这种方法通常是非凡的，并且强烈依赖于平面几何形状，因此阶梯形方法提供了一种方便且直接的方式来将这些方法的可用性扩展到遵循预定外表面的波导(参见图4)。
平面阶梯阶梯形波导62、72、82的附加示例在图6-8中示出，这些图示出了不同的台阶大小可以用于产生遵循相同的预定表面60A、60B的阶梯形波导，即，实现相同的总体波导形状，但是在其他方面是不同的。为了方便起见，仅示出了波导结构的平面剖面，此后我们将遵循的惯例并不意味着对本发明的范围的任何限制。在图6和图7中，第一表面轮廓和第二表面轮廓62A、62B；72A、72B具有在水平方向上彼此对准的阶梯(中间表面)。图6中的阶梯高度小于图7中的阶梯高度。在图8中，第一表面82A和第二表面82B中的阶梯是交错的，即，彼此不对准。然而，所得到的波导82实现与图6和图7的波导62、72相同的总体波导形状。
这些提出的原理不仅适用于平面波导，而且还可以直接适用于弯曲波导，诸如球形波导。例如，球形波导包括两个同心球形表面(波导的主表面)，光场的光线在这两个同心球形表面之间反弹。在这样的波导中，相对于与主表面同心的任何特定球形表面的光线角度是传播的常数，即，从一跳到下一跳是不变的。实际上，即使我们将波导主表面中的一个或两个波导主表面替换为另一同心球形表面，该角度也不会改变。因此，类似于平面波导，当主表面由具有不同曲率的半径的多个同心球形表面(台阶)表示时，球形波导也支持光线方向恒定。
球形阶梯形波导92、102、112的示例在图9-图11中示出。在所有情况下，第一光学表面和第二光学表面92A、92B；102A、102B、112A、112B限定具有弯曲的总体形状的波导92：102；112。在图9的情况下，主表面是球形的，曲率与限定总体形状的预定表面90A、90B在相反的方向上。在图10的情况下，主表面与预定表面100A、100B之间的曲率在相同的方向上(但是大小通常不相等)。图11示出了预定表面110A、110B的主表面的曲率彼此不同的情况。
可以使用较小或较大的阶梯来实现相同的总体形状。在具有适度弯曲的形状的近眼应用中，阶梯的梯面(在图6-图12的平面中的主表面尺寸)可以是例如2-30mm，例如5-20mm，并且阶梯的立板(在图6-图12的平面中的中间表面方向)可以是例如50-1000μm，例如100-200μm。
包括阶梯形波导和它所遵循的预定表面的组合或由其组成的完整系统可以采用不同的实现方式。最直接的实施方式是用仅提供隐含参考的预定表面(即，在物理产品中不存在)简单地实现波导自身。这在本文中被称为“A型”元件或“裸”阶梯形波导，并且在图12中示出。因此，阶梯形表面形成波导的外表面。在这种配置中，波导结构的平面(球形)模型提供实际波导的工作的准确(零阶)描述。这对于很多应用已经足够。图6-图11所示的阶梯形波导几何形状中的任何阶梯形波导几何形状都可以实现为A型元件。
在一些实施方式中，在物理产品中明确存在预定义的表面，即，被实现为与阶梯形表面分开的实际外部光学表面。这在本文中被称为“B型”元件，并且在图6-图11和图15中示出。当预定义的表面的光焦度足够小时，或者当它们提供期望的或可以容忍的效果时，可以将它们简单地添加到阶梯形波导设计中。在“B型”元件中，为了发生全内反射，在波导62、72、82、92、102、112与外表面60A/B、70A/B、80A/B、90A/B、100A/B、110A/B之间的材料层可以是折射率低得多的材料。替代地或附加地，可以在各层的界面的位置处提供空气或真空中空部，这使折射率之间的差异以及因此元件的FOV之间的差异最大化。在又一实施方式中，在各层之间存在薄的低折射率固体材料界面层。参考图6-图11和图15，中空层或界面层位于主表面62A/B、72A/B、82A/B、92A/B、102A/B、112A/B、152A/B(以及中间表面(如果存在))的位置处，并且未在图中特别绘制。
在波导的主表面处的中空层或低折射率界面层的情况下，中空层的厚度可以例如为10μm或更大，诸如10-100μm，其足以限定波导。
在“B型”元件的一些实施方式中，必须改变波导几何形状以补偿分离的外表面的添加的光学功能。这种补偿可以利用波导的非平面的主表面来实现，例如通过用球形波导代替平面波导或通过改变球形波导的曲率来实现，例如如图9-11所示。具有非平面主表面和分开的外表面的“B型”元件的这种特定情况称为“C型”元件。
如图所示，在波导的横向剖面平面中，中间表面通常短于主表面。在一种典型的配置中，主表面在其每个位置处大致平行于波导的总平面，即，从该平面偏离不超过20度，通常不超过10度。中间表面相对于邻近主表面可以成30-150度，诸如45-135度角，特别地是70-110度角。
在典型的透视近眼显示应用中，生成被显示给眼睛的图像的光学系统不应当干扰从环境传输到眼睛的光线(图3：38)。实际上，无法完全避免这样的干扰，但是应当使其尽可能减小。对于平面波导，主表面的反射以及这些表面上的光栅结构是主要的干扰源，并且这些干扰可以被充分合理地控制。球形波导还由于其主表面的光焦度而引入透镜效应。这种效应很难补偿，但是通常可以容忍。
如图13所示，在裸阶梯形波导管(A型元件)中，波导结构的中间表面135A、135B、137B为光场提供了另外的干扰源。实际上，穿过波导的光线13A、13B、13D或在波导内部传播的光线13C可能会被这些表面135A、135B、137B反射(不希望的反射点和折射点在图13中圈出)，并且因此到达眼睛的角度是不正确的或是意外的。
在一个实施方式中，尽管可能存在不期望的反射和/或折射，但是中间表面135A、135B、137B具有与主表面134A、134B、136A、136B、138B相同的光学特性。它们也可以正交于横截面中的主表面定向，如图13所示。
在替代实施方式中，在波导的任一侧或两侧的中间表面135A、135B、137B已经被涂黑，即，变为不透明的，使得没有光从相对应的方向到达眼睛。这消除了不希望的反射和/或折射。在一个实施方式中，中间表面135A、135B、137B被部分地涂黑，由此它们的透射率可以例如为主表面134A、134B、136A、136B、138B的透射率的10-90％。
如图14所示，在一个实施方式中，中间表面145A、145B、147B相对于它们的邻近主表面144A、144B、146A、146B、148B的法线方向成倾斜角度。该角度通常可以是例如1-60度。这可以用于减少不希望的反射和/或折射，和/或使它们在视觉上更加可忍受。
在不希望的反射或吸收形式下，由波导的非主表面引起的对阶梯形波导的透明特性的破坏很小，和/或可以通过设计选择(诸如斜的表面法线和附加的衍射结构的使用)来减少。如果需要，这些影响还可以在整个波导组件的优化过程中减轻。
在一个实施方式中，通过定向表面使得它们的法线垂直于通过波导从环境传输进入眼睛的光线的平均传播方向，减小了非主表面145A、145B、147B对穿过波导的光线14A-D的影响。这种配置在图14中具体示出。然而，改变非主表面的定向并不能从根本上消除它们对在波导内部传播的光线(如图13中的光线13C)的影响。然而，这种影响可以通过用于完成波导设计的优化过程在某种程度上进行补偿，因为这些光线携带能量/强度离开图像本身并且是重影的来源，这两种属性通常都会导致优化绩效函数降低。
阶梯形几何形状的益处包括，波导几何形状从根本上不受其必须遵循的表面的几何形状的影响，并且因此，阶梯形波导可以用于几乎任何外表面几何形状。而且，波导内部的光线间角度关系不受外表面几何形状的影响。因此，可以将针对相对应的一般的波导(遵循其自然曲率的波导)的现有设计模式直接应用于遵循阶梯形波导的表面的设计。实现特定焦平面距离的常规球形波导可以转换成阶梯形波导。
可以在波导的阶梯形表面和/或外表面上提供一个或更多个衍射光栅。最典型地，这种光栅(一个或更多个)是
-入耦合光栅，用于将定向到其的光线从波导元件的外部耦合到其波导区域中，和/或
-出耦合光栅，用于将在波导区域内部传播的光线耦合到波导元件的外部，和/或
-出射光瞳扩展器光栅，用于对在波导区域内传播的光的出射光瞳进行扩展。
取决于其目的，光栅(一个或更多个)可以装配在单个主表面的区域内，或者它们也可以与阶梯的台阶重叠，从而跨越若干相邻的主表面。
在特别适用于AR应用的典型实施方式中，波导元件由透明材料制成并且适于允许光以基本上横向于光在波导中的传播方向的方式穿过波导元件。
阶梯形波导叠置件可以包括彼此上下安置的两个或更多个在本文中描述的阶梯形波导元件。无论是由阶梯形表面(A型元件)还是分开的表面(B型元件)组成，彼此面对的波导的外表面都可以被成形为彼此紧密配合。叠置件中的每个单独的波导可以包括一个或更多个光栅，诸如针对不同波长在入耦合光栅和/或出耦合光栅中分开。
在一些实施方式中，叠置的元件中的每个元件的光学表面中的每个光学表面具有相同的曲率，并且因此具有相同的焦平面。例如，这允许在元件之间分离单个图像的颜色。
在一些实施方式中，叠置的元件中的至少两个元件具有曲率不同的主表面，其中曲率中的每个曲率对应于不同的焦平面。因此，叠置件同时具有很多焦平面。作为这种布置的一种有用的应用，这允许以不同的视距呈现图像。至少两个元件中的每个元件可以被单独地控制，或者相同的图像可以被投影到这两个元件中的每个元件。
在一些实施方式中，叠置件包括具有不同波导曲率的至少两个元件和具有相同波导曲率的至少两个元件。因此，叠置件可以同时用于不同的目的。
图15示出了“B型”或“C型”元件的特定实施方式，其中波导150包括第一外表面150A和第二外表面150B，并且其中波导152的主表面152A、152B由真空或空气的内部中空部形成，例如，在单一材料内部，优选地为整体的材料层。定位并形成中空部以提供用于波导152的阶梯形轮廓，而根本没有中间表面。也就是说，它们为波导区域限定了不连续的光学表面，其中中间表面没有明确示出。如果在波导区域152与围绕波导150的真空/空气之间的材料的折射率与波导区域152本身的折射率相匹配，则是这种情况。对于这种阶梯形波导，阶梯形几何形状本身不会为观察者的眼睛所看到的环境得图像引入干扰。然而，即使未明确呈现非主表面，它们对在波导中传播的光线的影响仍然存在(某些光线从波导中逸出)，并且因此，在没有明显外部表面的阶梯形波导情况下，保证了与上面讨论的相同或相似的考虑。
如以上参考其他实施方式所讨论的，在该实施方式中，主表面152A、152B也可以是平坦的或非平坦的，诸如球形的。同样地，以元件的FOV为代价。中空部可以被替换为低折射率固体界面层。
最后，图16示出了波导区域的内部结构的一种可能的实现方式。代替仅单个波导层，它包括多个层10A-E，其中至少一个层在阶梯上不间断地连续。在阶梯的每一侧，存在若干层，本文中分别是三个层10A、10B、10C/10A、10D、10E。光最初耦合到多个第一侧层10A、10B、10C。在阶梯的上游，提供有至少一个衍射光学元件14AB、14BC，这些衍射光学元件适于改变层10A、10B、10C之间的光的功率分布，使得光在阶梯之前被“填充(packed)”到连续层10A。在该层中，所有功率都被传递到阶梯的第二侧。因此，光可以方便地“爬上”阶梯。在第二侧，可以使用中间衍射光学元件14AD、14DE再次在层10A、10D、10E之间重新分配光功率。
在所有实施方式中，波导区域的材料可以是折射率(n)为2.0或更大的高折射率玻璃。可替代地，它可以由高折射率(n≥1.7)塑料制成。在包括较低折射率界面层和/或在波导区域上的单独的外表面形成层的B型和C型实施方式中，该层可以例如由n≤1.4(诸如n≤1.3)的塑料形成。
在所讨论的实施方式中的所有实施方式中，波导中包含的一个或更多个光栅、或更一般地衍射光学元件(DOE)，可以位于主表面上或主表面之间，而不管主表面是外表面还是元件中的包括中空部的内部光学接口。在典型的实施方式中，一个或更多个光栅至少位于波导的主表面上。光栅(一个或更多个)可以穿透或可以不穿透到下一层中，取决于元件的类型，该下一层可以是空气或真空中空层或固体低折射率层。
光栅材料可以是例如氧化物或氮化物，诸如金属氧化物，例如TiO2。
一个或更多个光栅可以在单个或若干阶梯上延伸。在一个实施方式中，输出光栅在至少两个阶梯的区域上延伸，以便提供朝向其至少一侧泄漏的显示元件。这样，可以实现具有低光学畸变的非平面显示元件。
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非专利文献
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Claims (28)

1.一种衍射波导元件，所述波导元件包括：
-由两个光学表面限定的波导区域，光能够通过全内反射在所述两个光学表面之间传播，所述光学表面具有表面轮廓；
-至少一个衍射光学元件，所述衍射光学元件能够经由衍射改变所述波导区域内的光场，
其中，
-所述光学表面中的至少一个光学表面的所述表面轮廓是阶梯形轮廓，并且所述波导区域具有大体上弯曲的形状，所述大体上弯曲的形状是由所述阶梯形轮廓的离散台阶限定的。
2.根据权利要求1所述的波导元件，其中，所述至少两个光学表面中的两个光学表面的所述表面轮廓都是阶梯形轮廓。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的波导元件，其中，所述大体上弯曲的形状是球形或非球形形状。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的波导元件，其中，所述阶梯形轮廓包括：发生所述全内反射的多个主表面；以及可选的，在所述主表面之间的中间表面。
5.根据权利要求4所述的波导元件，其中，所述主表面中的至少一些主表面是平的。
6.根据权利要求4或5所述的波导元件，其中，所述主表面中的至少一些主表面是弯曲的，诸如是球形或非球形的。
7.根据权利要求6所述的波导元件，其中，所述波导区域具有大体上弯曲的形状，并且所述主表面具有在与所述大体上弯曲的形状的曲率相反的方向上的曲率。
8.根据权利要求6所述的波导元件，其中，所述波导区域具有大体上弯曲的形状，并且所述主表面具有在与所述大体上弯曲的形状的曲率相同的方向上的曲率。
9.根据权利要求4至8中的任一项所述的波导元件，其中，所述中间表面中的至少一些中间表面具有比所述主表面低的透射率。
10.根据权利要求4至9中的任一项所述的波导元件，其中，所述中间表面相对于邻近的所述主表面成基本上直角。
11.根据权利要求4至9中的任一项所述的波导元件，其中，所述中间表面中的至少大部分中间表面相对于邻近的所述主表面成斜角。
12.根据权利要求4至11中的任一项所述的波导元件，其中，所述主表面被成形为连续表面的部分，诸如具有焦距的球形表面或透镜表面。
13.根据权利要求4至12中的任一项所述的波导元件，其中，所述中间表面彼此平行。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的波导元件，其中，所述波导元件具有外表面，并且具有所述阶梯形轮廓的一个或更多个所述光学表面形成所述外表面的至少一部分。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的波导元件，其中，所述波导元件的外表面具有连续表面轮廓，并且具有所述阶梯形轮廓的一个或更多个所述光学表面通过材料的层与所述外表面至少部分地分开。
16.根据权利要求15所述的波导元件，其中，限定所述波导区域的所述光学表面由所述材料中的中空部形成，所述中空部限定所述阶梯形轮廓的主表面。
17.根据权利要求16所述的波导元件，其中，所述材料的层具有与所述波导区域相同的折射率。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的波导元件，其中，所述至少一个衍射光学元件包括：
-入耦合光栅，所述入耦合光栅用于将定向到所述入耦合光栅的光线从所述波导区域的外部耦合到所述波导区域中，和/或
-出耦合光栅，所述出耦合光栅用于将在所述波导区域内部传播的光线耦合到所述波导的外部，和/或
-出射光瞳扩展器光栅，所述出射光瞳扩展器光栅用于对在所述波导区域内传播的光的出射光瞳进行扩展。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的波导元件，其中，所述衍射光学元件布置在所述光学表面上或所述波导区域中。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的波导元件，其中，所述波导元件由透射材料制成，并且适于允许光以基本上横向于光在所述波导区域中的传播方向的方式穿过所述波导元件。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的波导元件，其中，所述波导区域包括多个波导层，所述多个波导层中的至少一个波导层在所述阶梯形轮廓的至少一个阶梯上作为连续层延伸，并且在所述层之间设置有至少一个中间衍射光学元件以用于改变所述层之间的传播光功率分布。
22.一种波导叠置件，所述波导叠置件包括多个彼此上下堆叠的根据前述权利要求中的任一项所述的波导元件。
23.根据权利要求22所述的叠置件，其中，所述元件中的至少两个元件的所述光学表面具有不同的曲率，其中，所述曲率中的每个曲率对应于不同的焦平面。
24.一种个人显示设备，所述个人显示设备包括：
-根据前述权利要求中的任一项所述的波导元件或波导叠置件，以及
-图像投影仪，所述图像投影仪适于将图像投影到所述波导元件或波导叠置件以通过所述波导区域进行传播。
25.根据权利要求24所述的个人显示设备，所述个人显示设备包括至少两个衍射光栅，所述至少两个衍射光栅中的一个衍射光栅是定位在所述波导元件的第一区域处的入耦合光栅，并且所述至少两个衍射光栅中的一个衍射光栅是定位在所述波导元件的第二区域处的出耦合光栅；并且其中，所述图像投影仪适于将所述图像投影在所述入耦合光栅上以耦合到所述波导区域，并且所述出耦合光栅适于将所述图像耦合出所述波导区域而到达距所述波导元件一距离处的观看者的眼睛。
26.根据权利要求24或25所述的个人显示设备，其中，所述波导元件被成形为弯曲的矫正或非矫正透镜，或者被安置在遵循所述波导元件的形状的弯曲的矫正或非矫正透镜的上部。
27.根据权利要求24至26中的任一项所述的个人显示设备，其中，所述波导元件或波导叠置件以眼镜形状因子提供。
28.一种在近眼显示器中形成可视图像的方法，所述方法包括：
-提供根据权利要求1至23中的任一项所述的波导元件或波导叠置件，
-将图像投影到布置在所述波导元件或波导叠置件的第一区域上的入耦合光栅，
-允许光在所述波导区域内部或沿着所述阶梯形轮廓的区域内部传播，
-通过布置在所述波导元件或波导叠置件的第二区域上的出耦合光栅将光耦合出所述波导。
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