CN113646687B - 用于增强现实或虚拟现实的改进的角度均匀性波导 - Google Patents

用于增强现实或虚拟现实的改进的角度均匀性波导 Download PDF

Info

Publication number
CN113646687B
CN113646687B CN202080020381.3A CN202080020381A CN113646687B CN 113646687 B CN113646687 B CN 113646687B CN 202080020381 A CN202080020381 A CN 202080020381A CN 113646687 B CN113646687 B CN 113646687B
Authority
CN
China
Prior art keywords
waveguide
optical
structures
optical structures
diffractive optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202080020381.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113646687A (zh
Inventor
阿尔谢尼·阿莱克谢耶夫
塞巴斯蒂安·德坤塞尔
索菲娅·福克斯
甘淳厚
夏兰·费伦
格莱布·希罗基
穆罕默德·萨利姆·瓦莱拉
王凯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Snap Inc
Original Assignee
Wave Optics Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wave Optics Ltd filed Critical Wave Optics Ltd
Publication of CN113646687A publication Critical patent/CN113646687A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113646687B publication Critical patent/CN113646687B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0081—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for altering, e.g. enlarging, the entrance or exit pupil
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4205—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4272—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G02B2027/0174—Head mounted characterised by optical features holographic

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

公开了一种用于增强现实或虚拟现实显示器中的波导。该波导包括光子晶体中的多个光学结构。多个光学结构被布置在阵列中以提供至少两个衍射光学元件。这两个衍射光学元件中的每一个被配置成：接收来自输入方向的光并且将所述光朝向另一个衍射光学元件耦合，所述另一个衍射光学元件然后能够充当输出衍射光学元件，提供朝向观察者的耦出级。当在波导的平面中被观察时，多个光学结构分别具有如下形状：包括十二个大致上直的边，这十二个边中的六个边在第一角度处具有各自的法向量，并且这十二个边中的另外六个边在与第一角度不同的第二角度处具有各自的法向量。

Description

用于增强现实或虚拟现实的改进的角度均匀性波导
技术领域
本发明涉及用于增强现实或虚拟现实显示器中的波导。特别地，本发明涉及如下波导，在所述波导中，输入光在输出元件中在两个正交方向上扩展并且朝向观察者耦出波导。这可以允许在增强现实显示器中眼动范围的物理扩展。
背景技术
增强现实显示器允许用户观察其周围环境以及投影图像。在军事或运输应用中，投影图像可以被叠加在由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诸如眼镜的可穿戴设备。
在正常的增强现实装置中，在用户的前方设置透明的显示屏幕，使得用户可以连续观看物理世界。显示屏幕通常是玻璃波导，并且投影仪被设置到一侧。来自投影仪的光通过衍射光栅耦合到波导中。投射的光在波导内被全内反射。然后，光通过另一个衍射光栅耦出波导，使得可以由用户观察到光。投影仪可以提供增强用户对物理世界的观察的信息和/或图像。
在WO 2016/020643中公开了一种用于在增强现实显示器中在两个维度中扩展输入光的光学设备。设置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。光学设备还包括输出元件，该输出元件具有在波导中彼此叠加的两个衍射光学元件，使得两个衍射光学元件中的每一个都可以接收来自输入衍射光学元件的光并将接收到的光朝向该对中的另一衍射光学元件耦合，该另一衍射光学元件可以用作将光朝向观察者耦出波导的输出衍射光学元件。在一个实施方式中，在光子晶体中设置有彼此叠加的两个衍射光学元件。这通过以下来实现：使柱状物的阵列布置在波导内或布置在波导的表面上，使柱状物的阵列相对于周围的波导介质具有增加的折射率。当从观察者的角度在波导的平面中观察时，WO 2016/020643中的柱状物被描述为具有圆形截面形状。已经发现这种布置在同时在两个维度中扩展光以及将光耦出波导方面是非常有效的。有利地，这可以改进波导上的空间的使用，从而可以降低制造成本。
已经认定已知波导具有一个问题，原因是已经观察到输出图像中的中间带具有比其他部分更高的相对亮度。对用户而言，这种“条纹”效应是不期望的，并且本发明的目的是克服和减轻这个问题。
在WO 2018/178626中公开的光学设备旨在解决这个问题。在这种布置中，WO2016/020643的柱状物被用成不同形状的多边形例如平行四边形或修改的平行四边形的阵列替代。
尽管能够减少中间“条纹效应”，但是这些波导仍然遭受跨视场的颜色的角度均匀性降低的问题。朝向视场的边缘的区域比靠近中心的区域显示更低的强度。期望的是，角度均匀性跨用户的视场是一致的，来为用户提供最增强的观察体验。期望在防止中间“条纹效应”的同时还能确保改善的角度均匀性的布置。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种用于增强现实或虚拟现实显示器中的波导，该波导包括：在光子晶体中的多个光学结构；其中，所述多个光学结构被布置在阵列中以提供至少两个衍射光学元件，其中，两个衍射光学元件中的每一个被配置成：接收来自输入方向的光并且将所述光朝向另一个衍射光学元件耦合，所述另一个衍射光学元件然后能够充当输出衍射光学元件，提供朝向观察者的耦出级；其中，当在波导的平面中被观察时，所述多个光学结构分别具有如下形状：包括十二个大致上直的边，十二个边中的六个边在第一角度处具有各自的法向量，并且十二个边中的另外六个边在与第一角度不同的第二角度处具有各自的法向量。
以这种方式，光学结构的布置可以提供改进的跨视场的颜色的角度均匀性。这改进了波导的性能，原因是跨整个角度范围从波导耦出的光的强度更加均匀。这为用户提供了跨他们的整个观察范围的更均匀的显示器。
此外，波导可以降低被衍射成导致条纹效应的级的光的比例。这可以改进叠加的衍射光学元件的衍射效率，从而增加转动并朝向另一个衍射光学元件耦合的光的比例。这可以减轻已经被观察到的具有圆形截面形状的光学结构的已知波导的条纹效应。这也可以通过控制朝向用户耦合以用于观察的光来改进波导的整体效率。
优选地，至少两个衍射光学元件在波导中或在波导上彼此叠加。
光学结构可以具有交叉型形状。交叉形状由两条基本上彼此成120度的相交线构成。
优选地，该形状具有可以总计达大致1800°的内角。以这种方式，光学结构中的每一个的形状可以大致上是十二边形。该形状可以具有四个大致60°的内角、四个大致120°的内角、两个大致240°的内角以及两个大致300°的内角。
阵列中的光学结构可以在平行于光学元件的方向上彼此间隔一定的间隙。光学结构可以具有在平行于光学元件的方向上延伸的物理范围，其中，物理范围和间隙之和限定了晶格常数并且间隙可以被限定为晶格常数的比率。在一些布置中，间隙是晶格常数的10％。在其他布置中，间隙是晶格常数的20％。在其他布置中，间隙可以在晶格常数的1％到50％之间。
使用这种布置，在多个光学结构中的每一个之间都存在间距。换言之，光学结构中的每一个彼此没有直接接触。晶格常数限定了单位晶格的一个边，其中单位晶格限定了光学结构的布置。
优选地，第一角度和第二角度与输入方向大致成±30°。已经发现，这种布置可以有利地将衍射效率提高到所需的级中并且减轻条纹，而且进一步改进角度均匀性。
多个光学结构中的至少一些可以分别包括被附接至相应的相邻光学结构的边的边。在一些布置中，多个光学结构中的至少一些被附接至其四个最靠近的相邻光学结构。
以这种方式，具有交叉形状的相邻光学结构在它们的四个边处接合至最靠近的相邻的成交叉形状的光学结构。这导致形成网格形状的光学结构。换言之，相邻的光学结构之间的间距为零。可以认为，通过相邻的光学结构的边中的四个边在这些相邻的光学结构之间存在连续连接。
有利地，具有网格形状可以提高制造光学结构的容易性。另外，通过更有效地利用输入光，这种布置可以提供改进的提取效率。然而，在一些情况下，最大的角度均匀性可以由多个光学结构提供，每个光学结构具有交叉结构并且彼此间隔开。
优选地，波导包括输入衍射光学元件，该输入衍射光学元件与在波导中彼此叠加的所述至少两个衍射光学元件隔开，该输入衍射光学元件被配置成：将光耦合到波导中并且在输入方向上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在波导的一个表面上的包括凹槽的衍射光栅。优选地，输入光栅具有用于将光耦合到波导中的高效率。
波导中的光学结构的阵列可以被称为光子晶体。波导可以被设置在光学显示器中。
多个光学结构可能在折射率方面与周围波导介质存在差异。以这种方式，由于该结构和波导介质之间的折射率的差异，光学结构可以被嵌入在波导中，并且可以产生光学结构的衍射特性。
在大多数布置中，波导的折射率可以大于1.5。
多个光学结构可以是波导的表面上的表面浮雕结构。表面浮雕特征的折射率与包围这些表面浮雕特征的空气的折射率之间的不匹配可以提供期望的衍射特性。在一些实施方式中，可以在光学结构上设置涂层以进一步控制衍射效率。
根据本发明的又一方面，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的方法，所述方法包括以下步骤：在光子晶体中设置多个光学结构；将多个光学结构布置在阵列中以提供至少两个衍射光学元件，其中，两个衍射光学元件中的每一个被配置成：接收来自输入方向的光并且将所述光朝向另一个衍射光学元件耦合，所述另一个衍射光学元件然后能够充当输出衍射光学元件，提供朝向观察者的耦出级；以及当在波导的平面中观察时，分别为多个光学结构提供如下形状：包括十二个大致上直的边，十二个边中的第一半在第一角度处具有各自的法向量，并且十二个边中的第二半在与第一角度不同的第二角度处具有各自的法向量。
优选地，该方法包括向多个光学结构涂敷涂层的步骤。
优选地，至少两个衍射光学元件在波导中或在波导上彼此叠加。
根据又一方面，提供了一种包括上述方面的波导的增强现实或虚拟现实显示器。增强现实或虚拟现实显示器在某些情况下可以是增强现实或虚拟现实耳机、眼镜或护目镜。
附图说明
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(a)和图3(b)是用于已知波导中的两种光子晶体的顶视图；
图4是用于本发明的实施方式中的波导中的光子晶体的顶视图；
图5是用于本发明的实施方式中的波导中的光子晶体的顶视图；
图6(a)和图6(b)示出了具有不同形状的光学结构的许多示例，这些具有不同形状的光学结构可以用于本发明的实施方式中的波导中的光子晶体中；
图7是用于与不同类型的光子晶体相互作用的光的直接到眼睛(STE)级的角效率的曲线图；
图8是用于与不同类型的光子晶体相互作用的光的转动(Tn)级的角效率的曲线图；
图9是用于与不同类型的光子晶体相互作用的光的转动后到眼睛(TEaTn)级的角效率的曲线图；
图10是用于与不同类型的光子晶体相互作用的光的转动级乘以转动后到眼睛(TEaTn)级的角效率的曲线图；
图11是示出均匀性随着用于根据本发明的实施方式的波导中的光子晶体的各种布置如何变化的图；
图12(a)至图12(d)示出了用于波导中的各种光子晶体的跨视场的角度均匀性的图。
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。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来看，光子晶体3包括具有圆形截面形状的柱状物(未示出)。这些柱状物具有相对于周围波导介质的折射率不同的折射率，并且这些柱状物被布置在具有六角对称的阵列中。
当光沿着x轴从输入衍射光栅遇到输出元件2中的光子晶体3时，光通过由光子晶体3中的阵列形成的衍射光学结构中的一个透射或转动±60°。
已经发现，从元件2衍射的输出图像包括中间条纹7，该中间条纹7比其他部分具有更高的相对亮度。人们相信，这种效应是由于由光子晶体3中的阵列形成的衍射光学结构的衍射效率而产生的。具体地，人们相信，从输入衍射光栅1接收的光的很大一部分在其遇到光子晶体3时被衍射到眼睛，而不是被衍射并转动±60°。
图3(a)和图3(b)示出了光学结构的两种现有技术布置，已经发现这两种现有技术布置减少处于中间条纹中的光的很大一部分。图3a中的光学结构10是平行四边形，该平行四边形具有四个大致上直的边和四个顶点。在图3b中，光学结构20是改进的平行四边形，所述改进的平行四边形具有一对中心切口22。
图4是光子晶体12的一部分的顶视图，该光子晶体12是设置在根据本发明的实施方式的波导14内的光学结构30的阵列。波导14可以具有低的折射率，其中n大于1.5。这种布置中的光学结构30是具有十二个大致上直的边的交叉形状或“x”形状。光学结构30跨波导的宽度具有大致上相同的截面形状。在其他实施方式中，可以仅跨波导14的宽度的一部分设置光学结构30。
在一个实施方式中，光学结构30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30可以具有特征高度，使得光学结构30从波导14的表面突出。已经发现，有效的光子晶体可以被创建为具有在30nm至200nm范围内的特征高度。空气通道形成在光学结构30之间的谷中。光学结构30可以具有与n大于1.5的波导介质相同的折射率。光学结构30被具有折射率n＝1的空气包围，并且折射率的这种不匹配可以允许衍射。可以通过在光学结构30的水平表面上涂敷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更高的折射率。在一个实施方式中，被涂敷的涂层具有n～2.4的折射率。
在另一个实施方式中，光学结构30可以被嵌入在波导14介质中。因此，光学结构30可以完全被设置在波导14介质内。这需要光学结构30与波导介质14之间的折射率不匹配以发生衍射。这可以通过创建具有表面浮雕轮廓的波导14来实现，该波导14在一个表面上具有光学结构30。然后，粘合材料可以被涂敷在光学结构30上，并且光学结构30可以被粘合至与波导14具有相同折射率的覆盖件。通过选择与波导介质14具有不同(通常更高)的折射率的粘合材料，可以在原始波导与覆盖件之间创建统一的波导14，其中粘合材料夹在它们之间。在这种设计中，粘合材料具有与光学结构30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30的规则布置可以被认为是许多有效的衍射光栅或衍射光学结构。特别地，可以定义具有沿着y轴对准的光学结构30的光栅H1，其中光学结构的相邻行相隔竖直距离p。光栅H2被布置成具有与x轴成+30°角的光学结构的行，其中相邻的行相隔竖直距离p。最后，光栅H3被布置成具有与x轴成-30°角的光学结构的行，其中相邻的行相隔竖直距离p。可以在斜参考系中根据晶格常数q来限定光子晶体的单位晶格32。值p和q通过表达式q＝p/Cos(30°)相互关联。已经发现，有效的光子晶体可以被创建为具有在200nm至700nm范围内的p值。
当来自输入光栅的沿x轴接收的光入射在光子晶体12上时，光会经历由衍射光学元件的多次同时衍射。光可以被衍射成零级，这是入射光的传播的延续。光也可以通过光栅H1被衍射成第一衍射级。第一级在沿着z轴的正方向上朝向观察者被耦出波导14，这可以被定义为直接到眼睛(STE)级。光也可以通过H2衍射光学结构被衍射成第一衍射级。该第一级被衍射成与x轴成60°，并且该光束继续进行与光子晶体的进一步相互作用。光也可以通过H3衍射光学结构被衍射成第一衍射级。该第一级被衍射成与x轴成60°，并且该光束继续进行与光子晶体的进一步相互作用。随后与H2衍射光学结构的衍射相互作用可以沿正z轴朝向观察者将光耦出波导12。因此，光可以在每个点处被耦出波导，然而光仍然可以继续在波导12内在两个维度中扩展。光子晶体的对称性意味着每个出射光束都具有与输入光束相同的角度和色彩特性，这意味着多色(以及单色)光源可以被用作这种光子晶体布置的输入光束。
光子晶体可以允许光在两个维度中同时且快速的扩展，使得输入光可以充满二维显示屏。这可以允许超紧凑的显示器，原因在于：由于二维光束扩展，波导尺寸可以被保持为最小。
如可以从图4看到的，光学结构的布置具有六角对称。先前已经认定，单位晶格的六角对称是实现均匀明亮的图像的最有效方法。在图4中示出了用于光学结构的布置的单位晶格32的一种表示。如可以看到的，交叉光学结构30在单位晶格内。成交叉形状的光学结构的任何一侧都没有延伸到单位晶格32的边缘。以这种方式，在相邻的光学结构30之间存在间距并且这些相邻的光学结构30彼此不接合。相邻的光学结构之间的间距由图4中的附图标记2a和2b示出。在图4的示例中，间距2a和2b的大小相同。
图5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40的又一示例阵列。单位晶格内的光学结构的形状是如图4中的交叉形状。因此，当被视为单个单位晶格时，光学结构的交叉形状具有12个边。上面关于光学结构30的讨论同样适用于光学结构40。然而，如在图4中被标记为a和b的相邻光学结构40之间的间距在图5中的示例中为零。以这种方式，相邻的单位晶格的光学结构40彼此附接以形成网格状形状。
对于图4中的示例，图5中的阵列中的光学结构40的规则布置可以被认为是许多有效的衍射光栅或衍射光学结构。
在这些布置中，光学结构30、40具有平行于衍射光学结构H2、H3的直边。因此，交叉形状的边与x轴成±30°角，x轴是如下方向，沿着该方向从输入光栅1接收输入光。
当与本领域已知的圆形和非圆形光学结构——包括图3中所示的那些光学结构——相比时，已经发现本发明的光学结构30和40的令人惊讶的优点在于：存在跨视场的颜色的角度均匀性的改善。
与圆形结构相比，这另外增加图4和图5的衍射光学结构H1、H2、H3的衍射效率。这增加了通过结构H2、H3被衍射成第一级的光的比例，并且减少了通过结构H1被衍射成第一级的光的比例。这可以减少已经利用圆形结构观察到的条纹效应，这显著提高了波导14的效用。
图6示出了用于光学结构的两个示例形状的单个单位晶格32，所述光学结构可以用于改善整个视场的角度均匀性。图6(a)中所示的第一光学结构30是如在图4中所示的交叉结构。该交叉结构在平行四边形32内，该平行四边形32表示光学结构30在光子晶体12内的布置。换言之，平行四边形表示单位晶格32。光学结构30的形状是具有12个边的交叉形状。所述边中的六个边——边61、62、63、64、65和66——在第一角度处具有各自的法向量。所述边中的另外六个边——边71、72、73、74、75、76——在与第一角度不同的第二角度处具有各自的法向量。
边61、62、63、64、65和66平行于单位晶格的边81和82。在图4所示的布置中，单位晶格32的边81和82以及边61、62、63、64、65和66平行于光栅H3。
边71、72、73、74、75和76平行于单位晶格的边83和84。在图4所示的布置中，单位晶格32的边83和84以及边71、72、73、74、75和76平行于光栅H2。
该光学结构具有四个大致60°的内角。在边61和76之间、边72和63之间、边73和64之间以及边75和76之间的顶点处的内角均大致为60°。
该光学结构具有四个大致120°的内角。在边61和71之间、边62和72之间、边64和74之间以及边65和75之间的顶点处的内角均大致为120°。
该光学结构具有两个大致240°的内角。这两个内角是边71和62之间的角以及边74和65之间的角。
该光学结构具有两个大致300°的内角。这两个内角在边66和76之间以及在边63和73之间。
晶格常数p等于平行四边形的边中的一个边的长度。如在图4中，交叉的拐角和平行四边形之间的间距由附图标记a和b表示。在当前的布置中，间距a和b是相等的。
图6(b)中所示的第二光学结构40是如在图5中所示的交叉结构。该交叉结构40也在平行四边形32内，平行四边形32表示光学结构10在光子晶体12内的布置。如在单位晶格的水平上所限定的，与交叉结构30类似，交叉结构40具有12个边。光学结构30和第二光学结构40之间的唯一差异在于：在交叉结构40和平行四边形32之间没有间距(a和b)。使单位晶格具有这种布置的光学结构产生形成网格布置的光学结构40。
尽管在图6(b)中没有标记，但是光学结构40的边以及边之间的角度与图6(a)中所示的光学结构30相同。
如上所述，对于图6中所示的所有光学结构，形状包括大致平行于光子晶体12中的衍射光学结构H1、H2的边。然而，设想了其他可行的实施方式，在这些实施方式中，光学结构具有不平行于结构H1、H2的边。
顶点存在于图6中所示的所有光学结构中。实际上，根据在顶点被检查时所使用的放大的程度，这些顶点将具有稍微成圆形的拐角。
如上所述，波导的角响应由入射光的许多后续衍射事件来限定。由于输入光包括具有不同极角(被表示为θ和φ)的许多光线，所以波导中的衍射级相对于θ角和φ角具有均匀的响应效率是重要的。本发明的光学结构解决了这个问题。
图7是示出了当输入光与分别由光学结构10、20、30和40的阵列形成的图3、图4和图5中所示的光子晶体相互作用时输入光被直接耦合到直接到眼睛(STE)级中的效率的曲线图。如可以看到的，光学结构30提供了最均匀的角响应。
图8是示出了当光与分别由光学结构10、20、30和40的阵列形成的如图3、图4和图5中所示的光子晶体相互作用时光被转动(Tn)的效率的曲线图。这被称为转动级效率。Tn衍射级是当输入光相对于x轴被转动+60°而不是被直接耦出到STE级中时的衍射级。Tn级促进2D图像的扩展。
如可以从图8看到的，交叉光学结构30和40具有比简单的平行四边形10和有切口的平行四边形20光学结构更高的角带宽(如由其半高全宽所指示的)，只不过转动效率略微降低。较高的角带宽有利地导致更均匀的转动。
图9是示出针对分别由光学结构10、20、30和40的阵列形成的如在图3、图4和图5中所示的光子晶体相对于转动后到眼睛(TEaTn)级的效率的曲线图。TEaTn级是光在转动之后下次与光学结构相互作用时被耦出波导到用户眼睛的光。这是造成远离中间条纹区域的图像的亮度的原因。如可以看到的，最高效率的TEaTn级是交叉光学结构40。
图10是示出相对于Tn级乘以TEaTn的效率的曲线图。这显示了远离中间带的结构的光提取效率。如可以看到的，交叉光学结构40提供了最佳的提取效率，表明交叉光学结构40更有效地利用了输入光。
上面讨论的衍射级的有效性决定了中间条纹(条带)是否出现。已经发现，当：
STE级/(Tn级×TEaTn)＝1时，
图像具有最佳的均匀性。然而对于如下的值：
STE级/(Tn级×TEaTn)>3，
中间条纹变得非常明显，从而影响均匀性。
如图11中所示，已经发现，STE级/(Tn级×TEaTn)的值基于光学结构30和40相对于单位晶格32的具体布置而变化。图11示出了光学结构30和40的布置的变化可以如何引起均匀性的变化的图。图11中表示的值G相当于由图6中的a和b表示的距离，使得G＝a＝b。以这种方式，G表示相邻的光学结构之间的间隙的尺寸的一半。如可以从图6看到的，图6中使用的附图标记xy表示交叉的臂状物的尺寸。与晶格常数长度q相比，根据它们的百分比长度来限定G和xy二者。如可以从图11看到的，G和xy的尺寸的改变会引起STE级/(Tn级×TEaTn)的值的改变。当G＝0时，即图6中的光学结构40时，如由图11中的附图标记52所示，xy的最优值约为35％。已经发现，通过变化G，即图6中的光学结构30，可以通过使G＝10％且xy＝43％来获得STE级/(Tn级×TEaTn)的最优值，如由图11中的附图标记54所示。
然而，从图11可以看到，在5％至10％之间的无论何处的G的值都提供了优选的范围(即，在该优选范围内，相邻的光学元件之间的间隙(2G)在晶格常数的值的10％至20％之间)。
可以在图12中找到使用本发明的光学结构30、40的改进的角效率的证明。图12示出了用于各种光学结构的跨波导的视场的角强度的2D图。具体地，在图12中示出了关于(a)平行四边形光学结构10、(b)有切口的平行四边形光学结构20、(c)交叉光学结构30和(d)网格光学结构40的跨视场的角强度。x轴示出了沿x轴的视场(FoVx)，y轴示出了沿y轴的视场(FoVy)。
如可以从图12(a)看到的，对于平行四边形光学结构10，导致具有最高强度的视场的中间部分，显示了中间条纹。如可以从图12(b)看到的，当使用有切口的平行四边形光学结构20时，避免了这个较高强度的中间区域。
图12(c)示出了：与如在图12(a)、图12(b)和图12(d)中所示的其他光学结构相比，交叉光学结构30具有跨视场的颜色的最佳角度均匀性。可以看出：与其他光学结构的强度覆盖相比，图12(c)中的2D图的底角调整(bottom corner)具有更均匀的强度覆盖。图12(d)还示出了：尽管不如图12(c)中的光学结构40那么好，但是与图12(a)和图12(b)中的光学结构10和20的性能相比具有改进的角度均匀性。
尽管交叉光学结构30示出了最佳的角度均匀性，但是网格光学结构40具有制造容易的优点。另外，由于网格光学结构40的形状的简单性，它显示出鲁棒的制造公差，并且在制造过程期间其尺寸的任何小的偏差都不会极大地引起其性能的降低。
这意味着可以使用比常规使用的高斯电子束光刻更便宜且更快的技术，由于需要提供使光学结构的分辨率在100nm以下的控制，因此该常规使用的高斯电子束光刻通常用于平行四边形光学结构10和有切口的平行四边形光学结构20的制造。
可以使用制造光学结构40和光学结构30的替选技术，包括可变形状电子束光刻、双光子聚合光刻或多电子束光刻。可变形状电子束光刻方法使得能够使用较大尺寸的简单几何形状或预定义的掩模来创建结构，这增加了写入速度并降低了制造成本。双光子聚合光刻是如下光学技术，所述光学技术使用双光子聚合的效应来创建衍射极限以下的3D结构。多电子束光刻使用大量的平行电子束来同时曝光晶片的整个区域。多电子束方法实现了超快的写入速度，然而损害了分辨率，因此适合于更简单的形状。
然而，技术人员已知的替选制造方法可以被用于制造光学结构30和40。

Claims (9)

1.一种被配置成用于增强现实或虚拟现实显示器的波导，包括：
在光子晶体中的多个光学结构；
其中，所述多个光学结构被布置在阵列中以提供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：接收来自输入方向的光并且将所述光朝向另一个衍射光学元件耦合，所述另一个衍射光学元件然后能够充当输出衍射光学元件，提供朝向观察者的耦出级；
其中，当在所述波导的平面中被观察时，所述多个光学结构中的每个光学结构分别具有如下十字形状：包括十二个大致上直的边，所述边中的六个边在第一角度处具有各自的法向量，并且所述边中的另外六个边在与所述第一角度不同的第二角度处具有各自的法向量，并且其中，所述阵列中的相邻光学结构在与所述衍射光学元件平行的方向上彼此间隔一定的间隙，其中，所述光学结构具有在与所述光学元件平行的方向上延伸的物理范围，其中，晶格常数由所述物理范围和所述间隙之和来限定，并且所述间隙可以被定义为所述晶格常数的比率；
其中，当在所述波导的平面中被观察时，所述多个光学结构中的每个光学结构以具有平行四边形形状的晶胞中的光子晶体被布置，其中，所述晶格常数限定所述晶胞的一侧；
其中，所述阵列中的多个光学结构的布置具有六边形对称性；以及
输入衍射光学元件，所述输入衍射光学元件与在所述波导中彼此叠加的所述至少两个衍射光学元件隔开，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在所述输入方向上向所述阵列中的多个光学结构提供光。
2.根据权利要求1所述的波导，其中，所述形状具有总计达大致1800°的内角。
3.根据任一前述权利要求所述的波导，其中，所述间隙在所述晶格常数的范围的1％至50％之间。
4.根据任一前述权利要求所述的波导，其中，所述第一角度和所述第二角度与所述输入方向大致成±30°。
5.根据任一前述权利要求所述的波导，其中，所述多个光学结构在折射率方面与周围波导介质存在差异。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的波导，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。
7.一种用于增强现实或虚拟现实显示器的波导的制造的方法，包括以下步骤：
在光子晶体中设置多个光学结构；
将所述多个光学结构布置在阵列中以提供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：接收来自输入方向的光并且将所述光朝向另一个衍射光学元件耦合，所述另一个衍射光学元件然后能够充当输出衍射光学元件，提供朝向观察者的耦出级；以及
当在所述波导的平面中观察时，分别为所述多个光学结构各自提供如下十字形状：包括十二个大致上直的边，所述边中的第一半在第一角度处具有各自的法向量，并且所述边中的第二半在与所述第一角度不同的第二角度处具有各自的法向量，其中，所述阵列中的相邻光学结构在与所述衍射光学元件平行的方向上彼此间隔一定的间隙，其中，所述光学结构具有在与所述光学元件平行的方向上延伸的物理范围，其中，晶格常数由所述物理范围和所述间隙之和来限定，并且所述间隙可以被定义为所述晶格常数的比率；
其中，当在所述波导的平面中被观察时，所述多个光学结构中的每个光学结构以具有平行四边形形状的晶胞中的光子晶体被布置，其中，所述晶格常数限定所述晶胞的一侧；
其中，所述阵列中的多个光学结构的布置具有六边形对称性；
设置输入衍射光学元件，所述输入衍射光学元件与在所述波导中彼此叠加的所述至少两个衍射光学元件隔开，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在所述输入方向上向所述阵列中的多个光学结构提供光。
8.根据权利要求7所述的方法，包括向所述多个光学结构涂敷涂层的步骤。
9.一种增强现实或虚拟现实显示器，包括根据权利要求1至6中任一项所述的波导。
CN202080020381.3A 2019-03-19 2020-02-03 用于增强现实或虚拟现实的改进的角度均匀性波导 Active CN113646687B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1903708.4 2019-03-19
GBGB1903708.4A GB201903708D0 (en) 2019-03-19 2019-03-19 Improved angular uniformity waveguide for augmented or virtual reality
PCT/GB2020/050246 WO2020188234A1 (en) 2019-03-19 2020-02-03 Improved angular uniformity waveguide for augmented or virtual reality

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113646687A CN113646687A (zh) 2021-11-12
CN113646687B true CN113646687B (zh) 2023-04-14

Family

ID=66380978

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080020381.3A Active CN113646687B (zh) 2019-03-19 2020-02-03 用于增强现实或虚拟现实的改进的角度均匀性波导
CN202020348889.3U Active CN212460098U (zh) 2019-03-19 2020-03-18 用于增强现实或虚拟现实显示器中的波导和显示器

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202020348889.3U Active CN212460098U (zh) 2019-03-19 2020-03-18 用于增强现实或虚拟现实显示器中的波导和显示器

Country Status (6)

Country Link
US (2) US11953685B2 (zh)
EP (1) EP3942346B1 (zh)
CN (2) CN113646687B (zh)
GB (1) GB201903708D0 (zh)
TW (1) TWI737204B (zh)
WO (1) WO2020188234A1 (zh)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201903708D0 (en) 2019-03-19 2019-05-01 Wave Optics Ltd Improved angular uniformity waveguide for augmented or virtual reality
WO2022167125A1 (en) * 2021-02-05 2022-08-11 Wave Optics Ltd. Device and method for compensating effects of pantoscopic tilt or wrap/sweep tilt on an image presented on an augmented reality or virtual reality display
CN113093384A (zh) * 2021-03-15 2021-07-09 深圳珑璟光电技术有限公司 一种ar眼镜
CN113703094B (zh) * 2021-09-07 2023-07-14 Oppo广东移动通信有限公司 波导结构和电子设备
WO2023104914A1 (en) * 2021-12-10 2023-06-15 Snap Inc. Waveguide and diffraction grating for augmented reality or virtual reality display for reducing the visible appearance of grating structures
CN118382824A (zh) * 2021-12-10 2024-07-23 斯纳普公司 用于增强现实或虚拟现实显示器的衍射光栅、衍射波导组合器和头戴式耳机
CN116068768A (zh) 2022-03-15 2023-05-05 嘉兴驭光光电科技有限公司 衍射光波导以及具有其的显示设备
CN114637067B (zh) 2022-03-15 2022-09-02 北京驭光科技发展有限公司 衍射光波导及显示设备
CN114994825B (zh) * 2022-05-13 2023-03-10 嘉兴驭光光电科技有限公司 衍射光波导及其设计方法和形成方法、以及显示设备
CN115079323A (zh) * 2022-08-24 2022-09-20 北京亮亮视野科技有限公司 二维耦出光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备
CN115166884B (zh) * 2022-09-08 2022-11-29 北京亮亮视野科技有限公司 二维超表面光栅、二维衍射光波导和近眼显示设备
CN117761823A (zh) * 2022-09-19 2024-03-26 歌尔光学科技有限公司 光波导器件及头戴显示设备

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004045709A (ja) * 2002-07-11 2004-02-12 Nec Corp 結合光導波路
CN1726412A (zh) * 2002-12-16 2006-01-25 诺基亚有限公司 用于平衡衍射效率的衍射光栅元件
WO2013083049A1 (zh) * 2011-12-06 2013-06-13 Cheng Dewen 显示装置和系统及其显示方法
GB201502098D0 (en) * 2014-08-03 2015-03-25 Wave Optics Ltd Optical device
JP2016133715A (ja) * 2015-01-21 2016-07-25 株式会社豊田中央研究所 光入出力素子、光偏向装置および光放射装置
EP3343267A1 (en) * 2016-12-30 2018-07-04 Nokia Technologies Oy Polychromatic light out-coupling apparatus, near-eye displays comprising the same, and method of out-coupling polychromatic light
WO2018125574A1 (en) * 2016-12-31 2018-07-05 Vuzix Corporation Imaging light guide with expanded light distribution
GB201813535D0 (en) * 2018-08-20 2018-10-03 Wave Optics Ltd Optical structure for augmented reality display
WO2018178626A1 (en) * 2017-03-30 2018-10-04 Wave Optics Ltd Waveguide for an augmented reality or virtual reality display
CN108681067A (zh) * 2018-05-16 2018-10-19 上海鲲游光电科技有限公司 一种扩展视场角的波导显示装置
GB201815516D0 (en) * 2018-09-24 2018-11-07 Wave Optics Ltd Device for augmented reality or virtual reality display

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7432649B2 (en) * 2005-02-22 2008-10-07 Corning, Incorporated Coupled waveguides for light extraction
US7871760B2 (en) * 2005-03-31 2011-01-18 Pgt Photonics S.P.A. Method to fabricate a redirecting mirror in optical waveguide devices
JP4900572B2 (ja) * 2006-03-20 2012-03-21 国立大学法人京都大学 ２次元フォトニック結晶
WO2008045462A2 (en) * 2006-10-10 2008-04-17 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Display device with diffractive optics
US8160411B2 (en) 2006-12-28 2012-04-17 Nokia Corporation Device for expanding an exit pupil in two dimensions
JP2009163114A (ja) 2008-01-09 2009-07-23 Soken Chem & Eng Co Ltd 波長分波光学素子
GB201500693D0 (en) * 2015-01-16 2015-03-04 Wave Optics Ltd Display System
US9513480B2 (en) * 2015-02-09 2016-12-06 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide
US9864208B2 (en) * 2015-07-30 2018-01-09 Microsoft Technology Licensing, Llc Diffractive optical elements with varying direction for depth modulation
US10038840B2 (en) * 2015-07-30 2018-07-31 Microsoft Technology Licensing, Llc Diffractive optical element using crossed grating for pupil expansion
US10007117B2 (en) * 2015-09-10 2018-06-26 Vuzix Corporation Imaging light guide with reflective turning array
US9791696B2 (en) * 2015-11-10 2017-10-17 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide gratings to improve intensity distributions
US9989763B2 (en) * 2015-12-04 2018-06-05 Microsoft Technology Licensing, Llc Imaging using multiple different narrow bands of light having respective different emission peaks
US10067347B2 (en) * 2016-04-13 2018-09-04 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguides with improved intensity distributions
US10725223B2 (en) 2016-08-22 2020-07-28 Magic Leap, Inc. Multi-layer diffractive eyepiece with wavelength-selective reflector
EP3603058B1 (en) * 2017-03-22 2024-07-03 Magic Leap, Inc. Depth based foveated rendering for display systems
JP7213831B2 (ja) * 2017-06-13 2023-01-27 ビュージックス コーポレーション 拡大された光分配を行う重合格子を備えた画像光ガイド
CN107238037A (zh) * 2017-06-19 2017-10-10 横店集团得邦照明股份有限公司 一种折反衍射高光色均匀全光谱led照明系统
US10393930B2 (en) * 2017-06-30 2019-08-27 Microsoft Technology Licensing, Llc Large-field-of-view waveguide supporting red, green, and blue in one plate
GB2578328A (en) * 2018-10-24 2020-05-06 Wave Optics Ltd Device for augmented reality or virtual reality display
US11237393B2 (en) * 2018-11-20 2022-02-01 Magic Leap, Inc. Eyepieces for augmented reality display system
US20200264378A1 (en) * 2019-02-15 2020-08-20 Digilens Inc. Methods and Apparatuses for Providing a Holographic Waveguide Display Using Integrated Gratings
GB201903708D0 (en) * 2019-03-19 2019-05-01 Wave Optics Ltd Improved angular uniformity waveguide for augmented or virtual reality

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004045709A (ja) * 2002-07-11 2004-02-12 Nec Corp 結合光導波路
CN1726412A (zh) * 2002-12-16 2006-01-25 诺基亚有限公司 用于平衡衍射效率的衍射光栅元件
WO2013083049A1 (zh) * 2011-12-06 2013-06-13 Cheng Dewen 显示装置和系统及其显示方法
GB201502098D0 (en) * 2014-08-03 2015-03-25 Wave Optics Ltd Optical device
CN106575034A (zh) * 2014-08-03 2017-04-19 威福光学有限公司 出射光瞳扩展的衍射光学波导装置
JP2016133715A (ja) * 2015-01-21 2016-07-25 株式会社豊田中央研究所 光入出力素子、光偏向装置および光放射装置
EP3343267A1 (en) * 2016-12-30 2018-07-04 Nokia Technologies Oy Polychromatic light out-coupling apparatus, near-eye displays comprising the same, and method of out-coupling polychromatic light
WO2018125574A1 (en) * 2016-12-31 2018-07-05 Vuzix Corporation Imaging light guide with expanded light distribution
WO2018178626A1 (en) * 2017-03-30 2018-10-04 Wave Optics Ltd Waveguide for an augmented reality or virtual reality display
CN108681067A (zh) * 2018-05-16 2018-10-19 上海鲲游光电科技有限公司 一种扩展视场角的波导显示装置
GB201813535D0 (en) * 2018-08-20 2018-10-03 Wave Optics Ltd Optical structure for augmented reality display
GB201815516D0 (en) * 2018-09-24 2018-11-07 Wave Optics Ltd Device for augmented reality or virtual reality display

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
韩昕彦 ; 余飞鸿 ; .基于层叠阵列波导的穿透式视频眼镜设计.光学学报.2015,(05),全文. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN212460098U (zh) 2021-02-02
EP3942346A1 (en) 2022-01-26
TW202040215A (zh) 2020-11-01
US20220171193A1 (en) 2022-06-02
GB201903708D0 (en) 2019-05-01
TWI737204B (zh) 2021-08-21
US20240210704A1 (en) 2024-06-27
US11953685B2 (en) 2024-04-09
WO2020188234A1 (en) 2020-09-24
CN113646687A (zh) 2021-11-12
EP3942346B1 (en) 2024-05-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113646687B (zh) 用于增强现实或虚拟现实的改进的角度均匀性波导
US20230032474A1 (en) Waveguide for an augmented reality or virtual reality display
JP6714797B2 (ja) 射出瞳を拡大する回折光導波路装置
CN211528820U (zh) 光学结构和增强现实或虚拟现实装置
JP2017528739A5 (zh)
CN112752991B (zh) 用于增强现实或虚拟现实显示器的设备
US20240045205A1 (en) Waveguide for augmented reality or virtual reality display
KR20230018363A (ko) 증강 현실 또는 가상 현실 디스플레이를 위한 도파관
CN118265932A (zh) 用于增强现实或虚拟现实显示器的波导

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20231121

Address after: California, USA

Patentee after: SNAP Inc.

Address before: Abbington, Oxfordshire, UK

Patentee before: WAVE OPTICS LTD.