CN114026486A - 具有眩光抑制角度滤光器的光学系统 - Google Patents

Abstract

电子设备可包括具有光学组合器的显示器。该组合器可包括波导和位于波导上的交叉耦合器。该组合器可将来自显示模块的光重定向到眼箱，同时将世界光传递到视场内的眼箱。该交叉耦合器可包括表面起伏光栅或其他宽带光栅。该组合器可包括至少部分地与该交叉耦合器重叠的角度滤光器。该交叉耦合器可包括表面起伏光栅结构或其他宽带光栅。该角度滤光器可包括成角度的吸收器或衍射光栅。该角度滤光器可防止原本将在眼箱处产生分散注意力的眩光的世界光(例如，在该视场之外入射在该波导上的世界光，诸如来自顶置光源的高入射角度光)穿过该交叉耦合器。

Description

具有眩光抑制角度滤光器的光学系统

本专利申请要求于2019年9月19日提交的美国临时专利申请第62/902,613号的优先权，该美国临时专利申请据此全文以引用方式并入本文。

背景技术

本发明整体涉及光学系统，并且更具体地讲，涉及用于显示器的光学系统。

电子设备可包括靠近用户的眼睛呈现图像的显示器。例如，诸如虚拟现实和增强现实头戴式耳机之类的设备可包括具有允许用户观看显示器的光学元件的显示器。

设计设备诸如这些设备可能是有挑战性的。如果稍有不慎，用于显示内容的部件可能是难看且笨重的，并且可能未表现出期望的光学性能水平。

发明内容

电子设备诸如头戴式设备可具有为用户产生图像的一个或多个近眼显示器。头戴式设备可以是一副虚拟现实眼镜，或者可以是增强现实头戴式耳机，其允许观察者观看计算机生成的图像和观察者周围环境中的真实世界对象两者。

近眼显示器可包括产生光的显示单元和将来自显示单元的光朝眼箱重定向的光学系统。该光学系统可以是光学组合器，该光学组合器将来自显示单元的光朝向眼箱重定向，同时还将视场内的真实世界光传递到该眼箱。该光学组合器可包括波导、位于该波导上的输入耦合器、位于该波导上的交叉耦合器和位于该波导上的输出耦合器。该交叉耦合器可包括表面起伏光栅结构或其他宽带光栅。

该波导可包括第一波导基板和第二波导基板以及位于该第一波导基板和该第二波导基板之间的光栅介质。该输出耦合器可形成在该光栅介质中。该波导可包括层叠在该第一波导基板和/或该第二波导基板上方的滤光器基板。滤光器层可包括至少部分地与该交叉耦合器重叠的角度滤光器。该角度滤光器可包括位于滤光器基板中的“软百叶帘”构型的成角度的吸收器、电介质涂层或衍射光栅结构。该角度滤光器可被配置为使在视场内入射在该波导上的世界光通过。同时，该角度滤光器可被配置为防止原本将在眼箱处产生分散注意力的眩光的世界光(例如，在该视场之外入射在该波导上的世界光，诸如来自顶置光源的高入射角度光)穿过该交叉耦合器。

附图说明

图1是根据一些实施方案的具有显示器的例示性系统的图示。

图2是根据一些实施方案的用于显示器的例示性光学系统的顶视图，该光学系统包括波导、输入耦合器、交叉耦合器、输出耦合器。

图3是根据一些实施方案的可将图像光和世界光定向到眼箱的例示性波导的透视图。

图4是根据一些实施方案的具有用于抑制在眼箱处可见的图像眩光的面向外的角度滤光器的例示性波导的顶视图。

图5是根据一些实施方案的具有用于抑制在眼箱处可见的图像眩光的面向内的角度滤光器的例示性波导的顶视图。

图6是根据一些实施方案的具有用于抑制在眼箱处可见的图像眩光的面向内和面向外的角度滤光器的例示性波导的顶视图。

图7是根据一些实施方案的具有交叉耦合器并且具有角度滤光器的例示性波导的顶视图，该交叉耦合器具有表面起伏光栅并且该角度滤光器用于抑制在眼箱处可见的图像眩光。

具体实施方式

图1中示出了一个例示性系统，其具有带有一个或多个近眼显示系统的设备。系统10可以是头戴式设备，其具有一个或多个显示器，诸如安装在支撑结构(壳体)8内的近眼显示器20。支撑结构8可具有一副眼镜(例如，支撑框架)的形状，可形成具有头盔形状的外壳，或者可具有用于帮助将近眼显示器20的部件安装和固定在用户的头部上或眼睛附近的其他构型。近眼显示器20可包括一个或多个显示模块诸如显示模块20A，以及一个或多个光学系统诸如光学系统20B。显示模块20A可安装在支撑结构诸如支撑结构8中。每个显示模块20A可以发射光38(图像光)，使用光学系统20B中的相关联的一个光学系统将该光朝眼箱24处的用户眼睛重定向(作为光38’)。

可使用控制电路16来控制系统10的操作。控制电路16可包括用于控制系统10的操作的存储和处理电路。电路16可包括存储装置，诸如硬盘驱动器存储装置、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。控制电路16中的处理电路可基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、电源管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路以及其他集成电路。软件代码可存储在电路16中的存储器上，并且在电路16中的处理电路上运行，以实现用于系统10的操作(例如，数据采集操作、涉及使用控制信号调节部件的操作、产生图像内容以向用户显示的图像渲染操作等)。

系统10可包括输入输出电路诸如输入-输出设备12。输入-输出设备12可用于允许由系统10从外部装置(例如，拴系计算机、便携式设备(诸如手持设备或膝上型计算机)或其他电气装置)接收数据，并且允许用户向头戴式设备10提供用户输入。输入-输出设备12还可用于收集有关在其中操作的系统10(例如，头戴式设备10)的环境的信息。设备12中的输出部件可允许系统10向用户提供输出，并且可用于与外部电子装置通信。输入-输出设备12可包括传感器和其他部件18(例如，用于采集与系统10中的显示器上的虚拟对象数字地合并的真实世界对象的图像的图像传感器、加速度计、深度传感器、光传感器、触觉输出设备、扬声器、电池、用于在系统10和外部电子装置之间通信的无线通信电路等)。

显示模块20A可以是液晶显示器、有机发光二极管显示器、基于激光的显示器、反射显示器或其他类型的显示器。光学系统20B可形成允许观察者(例如眼箱24处的观察者的眼睛)观察显示器20上的图像的镜头。可以存在与用户的相应左眼和右眼相关联的两个光学系统20B(例如，用于形成左镜头和右镜头)。单个显示器20可为双眼产生图像，或者一对显示器20可用于显示图像。在具有多个显示器(例如，左眼显示器和右眼显示器)的配置中，可以选择由光学系统20B形成的透镜的焦距和位置，使得显示器之间存在的任何间隙对于用户将是不可见的(例如，使得左显示器和右显示器的图像无缝地重叠或合并)。

如果需要，光学系统20B可包含部件(例如，光学组合器等)以允许来自真实世界图像或对象28的真实世界图像光与虚拟(计算机生成的)图像诸如图像光38中的虚拟图像被在光学上组合。在这种类型的系统(有时称为增强现实系统)中，系统10的用户可查看真实世界内容和覆盖在真实世界内容之上的计算机生成的内容两者。基于相机的增强现实系统也可用于设备10中(例如，相机捕获对象28的真实世界图像并且将该内容与光学系统20B处的虚拟内容进行数字合并的布置)。

如果需要，系统10可以包括无线电路和/或其他电路，以支持与计算机或其他外部装置(例如，向显示器20提供图像内容的计算机)通信。在操作期间，控制电路16可以将图像内容提供给显示器20。可以远程接收该内容(例如，从耦接到系统10的计算机或其他内容源)和/或可以由控制电路16生成该内容(例如，文本、其他计算机生成的内容等)。由控制电路16提供给显示器20的内容可以由眼箱24处的观察者观看。

图2是可以在图1的系统10中使用的例示性光学系统20B的顶视图。如图2所示，光学系统20B可包括光学元件，诸如波导50、输入光学器件58、输出光学器件60、输入耦合器52、交叉耦合器54和输出耦合器56。输入光学器件58可包括将图像光38传递到输入耦合器52的准直透镜或其他光学部件。可通过显示模块20A(图1)中的显示单元向光学系统20B提供图像光38。该显示单元可以是基于液晶显示器、有机发光二极管显示器、阴极射线管、等离子显示器、投影仪显示器(例如，基于微镜阵列的投影仪)、硅显示器上的液晶，或其他合适类型的显示器的显示单元。光学系统20B可用于将从显示单元输出的光38呈现给眼箱24。

波导结构诸如光学系统20B中的波导50可由聚合物、玻璃或能够经由全内反射引导光的其他透明基板的一个或多个堆叠层形成。输入耦合器52、交叉耦合器54和输出耦合器56可各自部分地或完全地嵌入波导50内或安装到波导50的表面。光学耦合器52、54和56中的一些光学耦合器可安装到波导50的表面，而耦合器52、54和56中的其他耦合器嵌入波导50内。如果需要，可省略耦合器52、54和56中的一者或多者。输出光学器件63可包括有助于将由输出耦合器56耦合出波导50的光38聚焦到眼箱24上的透镜。如果需要，可省略输入光学器件58和/或输出光学器件63。

输入耦合器52可被配置为将来自显示模块的光38耦合到波导50中，而输出耦合器56可被配置为将来自波导50内的光38耦合出波导50并朝向眼箱24(作为光38’)。例如，当来自输入光学器件58的光38入射到输入耦合器52时，输入耦合器52可重定向光38，使得该光经由全内反射在波导50内朝向输出耦合器56(例如，沿X轴的方向)传播。当光38入射到输出耦合器56时，输出耦合器56可以将光38朝向眼箱24(例如，沿Z轴作为光38’)离开波导50重定向。

在图2的示例中，交叉耦合器54光学插置在输入耦合器52和输出耦合器56之间。在该示例中，输入耦合器52可将光38朝向交叉耦合器54重定向。交叉耦合器54可在第一方向上扩展光38，并且还可将经扩展的光耦合(重定向)回到波导50中。波导50将由交叉耦合器54扩展的光经由全内反射传播到输出耦合器56。如果需要，输出耦合器56然后可在不同于(例如，垂直于)第一方向的第二方向上扩展从交叉耦合器54接收的光。如果需要，输出耦合器56可向耦合出波导的光提供光焦度。考虑其中通过输入耦合器52耦合到波导50中的光38包括光瞳的示例。交叉耦合器54和输出耦合器56对光38的扩展可用于在多个(例如，正交)维度上扩展光瞳，从而允许相对较大的眼箱24填充有在眼箱的整个区域上具有足够且基本上均匀的强度的光38的光瞳。

输入耦合器52、交叉耦合器54和输出耦合器56可以基于反射光学器件和折射光学器件，或者可以基于全息(例如，衍射)光学器件。在耦合器52、54、或56由反射光学器件和折射光学器件形成的布置中，耦合器可包括一个或多个反射器(例如，微镜、部分镜或其他反射器的阵列)。在耦合器52、54或56基于全息光学器件的布置中，耦合器52、54和56可包括全息介质诸如光聚合物、明胶诸如重铬酸盐明胶、卤化银、分散有全息聚合物的液晶，或其他合适的体积全息介质。全息记录(例如，在本文中有时称为全息图的全息相位光栅)可存储在全息介质中。全息介质在本文中有时可被称为光栅介质。

全息记录可存储为光敏光学材料诸如全息介质内的光学干涉图案(例如，不同折射率的交替区域)。该光学干涉图案可产生全息相位光栅，当用给定光源照射该全息相位光栅时，该全息相位光栅衍射光以产生全息记录的三维重建。全息相位光栅可以是用永久干涉图案编码的不可开关的衍射光栅，或者可以是可开关的衍射光栅，其中可以通过控制施加到全息记录介质的电场来调制射光。如果需要，可在相同体积的光栅介质内记录多个全息相位光栅(全息图)(例如，叠加在相同体积的光栅介质内)。全息相位光栅可以是例如光栅介质中的体积全息图。

如果需要，耦合器52、54和56中的一者或多者可使用其他类型的衍射光栅结构诸如表面起伏光栅结构来实现。表面起伏光栅结构包括经机械切割、蚀刻或以其他方式形成于表面起伏光栅介质中的衍射光栅(例如，表面起伏光栅)。面起伏光栅衍射入射到表面起伏光栅上的光。表面起伏光栅不是调制光栅介质中的折射率(如执行以产生全息相位光栅诸如体积全息图)，而是通过改变介质跨其横向区域的物理厚度来产生表面起伏光栅。如果需要，可在相同体积的表面起伏光栅介质内多路复用多个表面起伏光栅(例如，两个表面起伏光栅)。元光栅可用于另一种合适的布置中。

在有时在本文中作为示例描述的一种合适的布置中，输入耦合器52是非衍射输入耦合器(例如，不包括衍射光栅诸如表面起伏光栅或全息相位光栅的输入耦合器)。例如，输入耦合器52可包括输入棱镜(例如，透射棱镜或反射棱镜)、波导50的成角度表面(边缘)等。使用非衍射输入耦合器诸如输入棱镜可允许光38耦合到波导50中，而不产生原本与使用衍射元件的输入耦合相关联的色散。在另一种合适的布置中，输入耦合器52可使用衍射光栅诸如体积全息图或其他光栅结构来形成。在这些情况下，由输入耦合器引入的任何色散可在光衍射出波导时被输出耦合器反转(例如，在输出耦合器包括全息相位光栅诸如体积全息图的情况下)。

交叉耦合器54可包括衍射光栅结构，该衍射光栅结构衍射由(非衍射)输入耦合器52耦合到波导50中的光38。交叉耦合器54中的光栅结构可包括表面起伏光栅结构(例如，一个或多个表面起伏光栅)或相位光栅结构诸如体全息光栅结构(例如，一组至少部分重叠的体积全息图)。在一种合适的布置中，交叉耦合器54中的光栅结构可被配置为使光38衍射偶数次。衍射中的至少一次衍射可用于在第一方向上(例如，沿Y轴进入和/或离开图2的平面)扩展光38。衍射中的至少一次衍射可用于将经扩展的光以一定角度重定向回到波导50中，使得光通过全内反射传播到输出耦合器54。通过使光衍射偶数次，与使光衍射一次相关联的任何色散效应可通过使光衍射对应的后续次数来反转。这可用于减轻传送到输出耦合器56的光的色散。

输出耦合器56可包括衍射光栅结构，诸如体全息光栅结构或其他全息相位光栅。在另一种合适的布置中，输出耦合器56可包括反射镜结构诸如百叶窗反射镜。输出耦合器56可反射或衍射光38。输出耦合器56对光38的反射/衍射可用于在第二方向上(例如，沿着X轴)扩展光38，并且用于将经扩展的光朝向眼箱24耦合出波导50。

在图2的示例中，波导50是光学组合器，该光学组合器将真实世界光60(在本文中有时称为环境光60或世界光60)与来自显示模块20A的图像光38组合(例如，用于增强现实显示系统)。在这种情况下，输出耦合器56可将光38’提供到眼箱24。光38’可包括经由全内反射沿着波导50传播的图像光38和来自外部真实世界对象28的世界光60(例如，光38’可使数字生成的图像数据与来自系统10前方的真实世界场景的光叠加)。

在图2所示类型的增强现实系统中，如果稍有不慎，则以特定角度入射在波导50上的真实世界光可能产生原本不会自然到达眼箱24的非期望眩光。图3是波导50的透视图，其示出了一些真实世界光可如何产生非期望眩光。

如图3所示，来自真实世界对象28的世界光60可穿过波导50到达眼箱24(例如，作为光38’的一部分)。波导50可被配置为在对应的视场(例如，显示器的视场)内将世界光60提供到眼箱24。可能期望视场尽可能大(例如，以允许观察者观看尽可能多的内容)。

然而，以特定角度入射在波导50上的世界光诸如世界光64可能产生非期望眩光诸如眩光66(有时在本文中称为眩光66)。眩光66可以传递到眼箱24(例如，经由波导50上的衍射光学元件诸如波导50上的交叉耦合器的衍射和/或通过透射穿过波导50)。这可能导致分散注意力的眩光出现在眼箱24处的用户视野内，尽管世界光64入射在眼箱24的视场之外的波导50上(例如，世界光64原本在眼箱24处将不可见)。

如图3所示，世界光64可从波导50前方入射(例如，从位于波导50前方并且与眼箱24相对的半球内的对象62入射)。除此之外或另选地，世界光64可从波导50后方入射(例如，从位于波导50后方的半球内的对象62’入射)。世界光64通常可以任何角度入射，使得其产生在眼箱24处可见的眩光66(例如，世界光64可以从眼箱24和显示器20的视场的外部入射)。在实施过程中，世界光64可相对于波导50的侧向表面(例如，位于图3的X-Y平面中的波导50的平坦表面)的法向轴(例如，平行于Z轴)以相对高的角度入射。例如，世界光64可以相对于法向轴成大于25度、大于26度、大于30度、大于40度、大于45度、大于60度等的角度入射。因此，世界光64在本文中有时称为引起眩光的世界光64或高角度世界光64。对象62和62’可包括例如顶灯(例如，吊灯或用户头部上方的灯)、太阳、月亮和/或产生引起眩光的世界光64的任何其他反光和/或发光对象。

为了使分散注意力的眩光66在眼箱24处的存在最小化，波导50可包括角度滤光器，该角度滤光器防止响应于在波导50处接收到引起眩光的世界光64而形成眩光66。图4是示出可设置在波导50上用于抑制眩光66的角度滤光器的一个示例的顶视图。

如图4所示，波导50可包括一个或多个波导基板，诸如基板70和基板72。波导基板70和72可以是透明的。全息记录介质诸如光栅介质68可插置(层叠)在基板70和基板72之间。光栅介质68的侧向(例如，平坦)表面80可(直接)接触基板72。光栅介质68的侧向表面76可(直接)接触基板70。输出耦合器56可形成在光栅介质68内(例如，使用记录在光栅介质68中的体积全息图或其他全息相位光栅、嵌入在光栅介质68中的百叶窗反射镜等)。如果需要，任选的抗反射涂层可在输出耦合器56处层叠到表面80和/或表面76上。例如，抗反射涂层可防止在写入(记录)输出耦合器56内的全息相位光栅期间光栅介质68内的非期望的光反射。

图像光38可耦合到波导50中(例如，使用图2的输入耦合器52)，并且可经由全内反射在X方向上传播。输出耦合器56可以将图像光导向(例如，衍射)出波导50并朝向眼箱24作为光38’的一部分。光38’还可包括通过基板70接收的世界光60。

角度滤光器诸如角度滤光器86可形成在层叠于基板70的侧向表面78上方的基板84(在本文中有时称为角度滤光器基板84或滤光器基板84)之上或之内。基板84可通过气隙74与表面78分开，或者可使用光学透明的粘合剂粘附到表面78。

基板84可包括一个或多个角度滤光器，诸如角度滤光器86。角度滤光器86可形成在波导50的光学插置在输入耦合器和输出耦合器56之间的侧向区域内(例如，在光从波导耦合出来之前，插置在经由全内反射传播光38的波导50的一部分内)。这仅仅是例示性的，并且一般来讲，如果需要，角度滤光器86可以围绕输出耦合器56的一个或多个侧面(例如，所有侧面)。角度滤光器86不需要占据基板84的全部。角度滤光器86可相对于输出耦合器56不重叠，或者可与输出耦合器56部分或完全重叠。

在一种合适的布置中，角度滤光器86可包括成角度的(倾斜的或倾侧的)吸收器，诸如成角度的吸收器88。成角度的吸收器88可具有侧向区域，这些侧向区域被取向成相对于侧向表面78成非平行角度和/或相对于侧向表面78的法向轴成非平行角度。除此之外或另选地，如果需要，成角度的吸收器可倾斜出页面的平面(例如，成角度的吸收器的法向轴可被取向成在X-Z平面内相对于-Z轴线成非零角度和/或取向成在Y-Z平面内相对于-Z轴线成非零角度)。

成角度的吸收器88可包括阻挡入射在吸收器的侧向区域上的光的吸收性(例如，黑色或不透明)材料(例如，金属和/或电介质涂层)。可选择成角度的吸收器88的角度以允许世界光60穿过层84(例如，其中世界光可通过输出耦合器56耦合出波导作为光38’的一部分)，同时还阻挡(吸收)引起眩光的世界光64(例如，成角度的吸收器88的角度可使得引起眩光的世界光64入射到成角度的吸收器88的侧向区域上，从而被成角度的吸收器88吸收)。角度滤光器86可包括不重叠或者部分或完全重叠(例如，多路复用)的成不同角度(例如，用于阻挡引起眩光的世界光64的不同光线)的多组成角度的吸收器88。这样，成角度的吸收器88可以“软百叶帘”构型来提供，该构型阻挡引起眩光的图像光穿过波导50(并因此避免产生图3的眩光66)，同时仍然允许旨在在眼箱24处接收的世界光60能够被用户看到。这可限制分散用户注意力的眩光的存在，同时仍然允许用户在相对较大的视场上查看真实世界光60。

在另一种合适的布置中，角度滤光器86可包括衍射光栅结构(例如，基板84可为光栅介质)。衍射光栅结构可包括不重叠或者部分或完全重叠(多路复用)的一个或多个衍射光栅。衍射光栅可包括相位光栅，诸如体积全息图、薄膜全息图、其他全息图、元光栅、表面起伏光栅(例如，由基板84的一个表面中的沟槽或凹口形成的光栅)、图案化到基板84的一个表面上的三维金属结构或其他衍射光栅。

在该布置中，衍射光栅可以被配置为将引起眩光的世界光64衍射远离输出耦合器56，而不衍射旨在在眼箱24处接收的世界光60。例如，角度滤光器86中的衍射光栅可与引起眩光的世界光64(例如，与以引起眩光的世界光64的入射角入射的光)布拉格匹配或几乎布拉格匹配，而不与世界光60(例如，与以世界光60的入射角入射的光)布拉格匹配。角度滤光器86中的衍射光栅可以不朝输出耦合器56取向的输出角度(例如，在波导50中包括交叉耦合器54的情况下，远离交叉耦合器54的操作输入角度)衍射引起眩光的世界光64。例如，衍射光栅可将引起眩光的世界光64衍射(反射)远离波导50，如光线64’所示(例如，衍射光栅可包括反射全息图)。在另一种合适的布置中，衍射光栅可以包括透射全息图，该透射全息图以输出角衍射引起眩光的世界光64，使得引起眩光的世界光64不产生图3的眩光66。衍射光栅可包括多个(例如，多路复用)光栅，每个光栅衍射光的对应波长范围(例如，使得角度滤光器86可以衍射由图3的对象62产生的所有颜色处的所有引起眩光的世界光64)。角度滤光器86可例如包括在基板84的相同体积内重叠(叠加)的一个或多个光栅，在基板84的相同体积内重叠的四个或更多个光栅，在基板84的相同体积内重叠的六个或更多个光栅，在基板84的相同体积内重叠的40个或更多个光栅，在基板84的相同体积内重叠的100个或更多个光栅，在基板84的相同体积内重叠的1000个或更多个光栅，等等。在另一种合适的布置中，角度滤光器86可由一个或多个电介质涂层形成。

在另一种合适的布置中，基板84和角度滤光器86可层叠在基板72的侧向表面82下方(例如，在波导50的与眼箱24相同的一侧处)。图5是在基板84和角度滤光器86层叠在基板72的侧向表面82下方的示例中的波导50的顶视图。

如图5所示，基板84可层叠在基板72的侧向表面82下方。基板84可通过气隙90与表面82分开，或者可使用光学透明的粘合剂粘附到表面82。在角度滤光器86包括成角度的吸收器88的情况下，成角度的吸收器88可被取向成阻挡从后方(例如，从波导50的面向眼箱24的一侧)入射在波导50上的引起眩光的世界光64。这种引起眩光的世界光可例如由图3的对象62’产生。在角度滤光器86包括衍射光栅的情况下，衍射光栅可以以不产生图3的眩光66的输出角衍射引起眩光的世界光64(例如，如图5的衍射光线64’所示)。

在另一种合适的布置中，如图6所示，图4和图5的布置可组合在一起，使得波导50包括位于波导50的前方和后方两者处的角度滤光器86。如图6所示，波导50可包括形成于层叠在基板70上方的第一基板84上的第一角度滤光器86-1(例如，如图4所示)，并且可包括形成于层叠在基板72下方的第二基板84上的第二角度滤光器86-2(例如，如图5所示)。图6的角度滤光器可例如共同防止来自图3的对象62和62’两者的引起眩光的世界光64产生眩光66。

图4至图6的示例仅为例示性的。如果需要，可将各自具有其自身的角度滤光器86的两个或更多个基板84层叠在基板70上方和/或基板84下方。波导50可在任何期望数量的基板84中包括任何期望数量的角度滤光器。可将附加基板层叠在基板84上方和/或下方(例如，基板84可包括插置在附加基板之间的光栅介质)。基板84可安装到显示器20中的其他波导上。如果需要，波导50可以是弯曲的。可将一个或多个间隔部插置在图4和图6的气隙74中和/或图5的气隙5中，以帮助保持基板84与基板70和/或基板72之间的间距。

如果需要，可将用于形成图2的交叉耦合器54的一个或多个基板插置在基板84与基板70和/或基板72之间。图7是示出用于形成图2的交叉耦合器54的基板可如何插置在基板84和基板70之间的顶视图。

如图7所示，附加基板诸如基板94可层叠在基板70的侧向表面78上方。基板94可包括用于形成图2的交叉耦合器54的衍射光栅结构。衍射光栅结构可包括例如体积全息图、薄膜全息图或其他全息图(例如，基板94可以是光栅介质)、表面起伏光栅或其他光栅结构。在图7的示例中，基板94用于形成交叉耦合器的表面起伏光栅结构98。表面起伏光栅结构98可包括由基板94(在本文中有时称为表面起伏光栅基板94或交叉耦合器基板94)的厚度中的脊(峰)和谷(最小值)限定的一个或多个表面起伏光栅。

在图7的示例中，表面起伏光栅结构98是二元结构，其中光栅由与峰相关联的第一厚度或与谷相关联的第二厚度限定。这仅是例示性的。如果需要，表面起伏光栅结构98可以是非二元的(例如，可以包括遵循任何期望轮廓的任何期望数量的厚度，可以包括相对于Y轴成非平行条纹角度的峰等)。

基板94可呈现出相对较高的折射率(例如，该折射率大于光栅介质68的本体折射率)。基板94可使用光学透明的粘合剂层92粘附到基板70的表面70，或者可通过气隙与表面78分开。在另一种合适的布置中，基板94可包括用于形成交叉耦合器54(图2)的非衍射(例如，反射)结构，诸如百叶窗反射镜。

如图7所示，具有角度滤光器86的基板84可层叠在基板94上方。基板84可通过气隙96与基板94分开，或者可使用光学透明的粘合剂粘附到基板94。间隔部诸如间隔部97可形成在气隙96内以保持基板94和基板84之间的间距。由于表面起伏光栅诸如图7的表面起伏光栅结构98是衍射相对较宽带宽的光的宽带衍射器，因此表面起伏光栅结构98可能特别易受引起眩光的世界光64的影响(例如，表面起伏光栅结构98可响应于接收到引起眩光的世界光64而产生图3的眩光66)。角度滤光器86可与表面起伏光栅结构98部分地或完全地重叠，从而与图2的交叉耦合器54部分地或完全地重叠。角度滤光器86可阻挡或衍射引起眩光的光64，以防止引起眩光的光64传递到基板94和表面起伏光栅结构98，从而抑制图3的眩光66。同时，角度滤光器86可允许世界光60穿过基板84和基板94，而不阻挡或衍射世界光60。

图7的示例仅为例示性的。如果需要，可将基板94层叠在基板72下方。表面起伏光栅结构98可形成在基板94的面向光栅介质68的表面中，或者形成在基板94的背向光栅介质68的表面中。基板84和角度滤光器86可层叠在基板72的表面82下方(或在基板94层叠在基板72下方的情况下，层叠在基板94下方)。波导50可包括多个基板94，每个基板具有相应的表面起伏光栅结构(例如，堆叠在基板70上方或基板72下方的多个基板94、堆叠在基板70上方的第一基板94和堆叠在基板72下方的第二基板94等)。一般来讲，波导50可包括层叠在光栅介质68的一侧或两侧上的任何期望数量的基板94和层叠在光栅介质68的一侧或两侧上的任何期望数量的基板84(例如，其中基板94插置在光栅介质68和至少一个基板84之间)。

在另一种合适的布置中，波导50可包括基板94上方的基板84和角度滤光器86以及基板72下方的附加基板和角度滤光器(例如，如图6所示)。表面起伏光栅结构98无需形成在单独的基板94上，并且如果需要，可被图案化在基板70的表面78中、基板70的表面76中(例如，表面起伏光栅结构98可嵌入光栅介质68内)、基板72的表面80中或基板72的表面82中。交叉耦合器54可包括波导50的不同表面中(例如，光栅介质68的一侧或两侧上的一个或多个基板94的一个或两个表面、表面78、表面76、表面80和/或表面82中)的多个表面起伏光栅结构。在另一种合适的布置中，角度滤光器86可与图4的表面起伏光栅结构98和交叉耦合器54不重叠。

当以这种方式配置时，波导50中的一个或多个角度滤光器86可防止引起眩光的世界光64在眼箱24处产生分散注意力的眩光66(图3)，同时仍然允许世界光60在相对较宽视场内传递到眼箱24。将对引起眩光的世界光64的滤除转交到角度滤光器86可允许光栅介质68和/或基板94中的光栅结构被优化以扩展眼箱24的视场，适应系统10的小外形，使吞吐量最大化，并且/或者优化颜色均匀性而不是滤除引起眩光的世界光64。

根据一个实施方案，提供了一种光学组合器，该光学组合器被配置为将由显示模块产生的显示光朝向眼箱重定向并且被配置为使世界光朝向该眼箱传递，该光学系统包括：波导，该波导具有插置在第一波导基板和第二波导基板之间的光栅介质；输入耦合器，该输入耦合器被配置为将该显示光耦合到该波导中；输出耦合器，该输出耦合器位于该光栅介质中并且被配置为将该显示光耦合出该波导；交叉耦合器，该交叉耦合器位于该波导上并且被配置为朝向该输出耦合器衍射该显示光；以及角度滤光器，该角度滤光器位于该波导上并且至少部分地与该交叉耦合器重叠，该角度滤光器被配置为透射该世界光，同时防止引起眩光的世界光传递到该交叉耦合器。

根据另一个实施方案，交叉耦合器包括表面起伏光栅。

根据另一个实施方案，该输出耦合器包括体积全息图。

根据另一个实施方案，该光学组合器包括滤光器基板，该滤光器基板包括该角度滤光器并且层叠在该交叉耦合器上方。

根据另一个实施方案，该角度滤光器包括嵌入在该滤光器基板中的多个成角度的吸收器。

根据另一个实施方案，该世界光在该眼箱的视场内入射到该波导上，该引起眩光的世界光在该视场之外入射到该波导上，并且该多个成角度的吸收器被取向成阻挡入射在该视场之外的该引起眩光的世界光，而不阻挡入射在该视场内的该世界光。

根据另一个实施方案，该角度滤光器包括位于该基板中的衍射光栅结构。

根据另一个实施方案，该世界光在该眼箱的视场内以第一角度入射到该波导上，该引起眩光的世界光在该视场之外以第二角度入射到该波导上，并且该衍射光栅结构与入射到该波导上的光布拉格匹配，并且被配置为将该引起眩光的世界光衍射远离该交叉耦合器。

根据另一个实施方案，该衍射光栅结构包括选自由以下项组成的组的光栅结构：薄膜全息图、体积全息图、元光栅和表面起伏光栅。

根据另一个实施方案，该交叉耦合器形成于交叉耦合器基板中，该滤光器基板通过气隙与该交叉耦合器基板分开，并且该光学组合器还包括该气隙中的将该滤光器基板与该交叉耦合器基板分开的间隔部。

根据另一个实施方案，该光学组合器包括：交叉耦合器基板，该交叉耦合器包括位于该交叉耦合器基板上的衍射光栅；以及滤光器基板，该滤光器基板包括该角度滤光器并且层叠在该交叉耦合器上方，该交叉耦合器基板插置在该第一波导基板和该滤光器基板之间。

根据一个实施方案，提供了一种光学系统，该光学系统包括第一波导基板；第二波导基板；光栅介质，该光栅介质插置在该第一波导基板与该第二波导基板之间；输出耦合器，该输出耦合器形成在该光栅介质中，该输出耦合器被配置为透射真实世界光并同时朝向眼箱衍射图像光，该眼箱具有对应的视场；滤光器基板，该滤光器基板层叠在该第一波导基板上方；以及角度滤光器，该角度滤光器位于该滤光器基板中，该角度滤光器被配置为防止入射在该视场之外的真实世界光穿过该滤光器基板。

根据另一个实施方案，该角度滤光器被配置为透射入射在该视场内的所述真实世界光。

根据另一个实施方案，该第一波导基板插置在该滤光器基板和该光栅介质之间，并且该光栅介质插置在该第一波导基板和该眼箱之间。

根据另一个实施方案，该角度滤光器包括选自由以下项组成的组的结构：衍射光栅结构，该衍射光栅结构被配置为将入射在该视场之外的真实世界光衍射远离该第一波导基板；以及成角度的吸收器结构，该成角度的吸收器结构被取向成下述角度，该角度将该成角度的吸收器结构配置为阻挡入射在该视场之外的真实世界光，同时透射入射在该视场内的真实世界光。

根据另一个实施方案，该第一波导基板插置在该滤光器基板和该光栅介质之间，并且该第一波导基板插置在该光栅介质和该眼箱之间。

根据另一个实施方案，该角度滤光器包括选自由以下项组成的组的结构：衍射光栅结构和成角度的吸收器结构。

根据另一个实施方案，该光学系统包括至少部分地与该角度滤光器重叠的交叉耦合器。

根据一个实施方案，提供了一种显示器，该显示器包括：波导，该波导被配置为经由全内反射传播图像光并且被配置为朝向眼箱透射世界光；交叉耦合器，该交叉耦合器包括位于该波导上的表面起伏光栅结构，该表面起伏光栅结构被配置为衍射该图像光；以及角度滤光器，该角度滤光器位于该波导上并且至少部分地与该表面起伏光栅结构重叠，该角度滤光器被配置为阻挡世界光以在该眼箱处产生眩光的入射角传递到该表面起伏光栅结构。

根据另一个实施方案，该角度滤光器包括选自由以下项组成的组的结构：衍射光栅结构和成角度的吸收器结构。

前述内容仅为示例性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。

Claims (20)

1.一种光学组合器，所述光学组合器被配置为将由显示模块产生的显示光朝向眼箱重定向并且被配置为使世界光朝向所述眼箱传递，所述光学系统包括：

波导，所述波导具有插置在第一波导基板和第二波导基板之间的光栅介质；

输入耦合器，所述输入耦合器被配置为将所述显示光耦合到所述波导中；

输出耦合器，所述输出耦合器位于所述光栅介质中并且被配置为将所述显示光耦合出所述波导；

交叉耦合器，所述交叉耦合器位于所述波导上并且被配置为朝向所述输出耦合器衍射所述显示光；以及

角度滤光器，所述角度滤光器位于所述波导上并且至少部分地与所述交叉耦合器重叠，其中所述角度滤光器被配置为透射所述世界光，同时防止引起眩光的世界光传递到所述交叉耦合器。

2.根据权利要求1所述的光学组合器，其中所述交叉耦合器包括表面起伏光栅。

3.根据权利要求2所述的光学组合器，其中所述输出耦合器包括体积全息图。

4.根据权利要求1所述的光学组合器，还包括：

滤光器基板，所述滤光器基板包括所述角度滤光器并且层叠在所述交叉耦合器上方。

5.根据权利要求4所述的光学组合器，其中所述角度滤光器包括嵌入在所述滤光器基板中的多个成角度的吸收器。

6.根据权利要求5所述的光学组合器，其中所述世界光在所述眼箱的视场内入射到所述波导上，其中所述引起眩光的世界光在所述视场之外入射到所述波导上，并且其中所述多个成角度的吸收器被取向成阻挡入射在所述视场之外的所述引起眩光的世界光，而不阻挡入射在所述视场内的所述世界光。

7.根据权利要求4所述的光学组合器，其中所述角度滤光器包括所述基板中的衍射光栅结构。

8.根据权利要求7所述的光学组合器，其中所述世界光在所述眼箱的视场内以第一角度入射到所述波导上，其中所述引起眩光的世界光在所述视场之外以第二角度入射到所述波导上，并且其中所述衍射光栅结构与入射到所述波导上的光布拉格匹配，并且被配置为将所述引起眩光的世界光衍射远离所述交叉耦合器。

9.根据权利要求8所述的光学组合器，其中所述衍射光栅结构包括选自由以下项组成的组的光栅结构：

薄膜全息图、体积全息图、元光栅和表面起伏光栅。

10.根据权利要求4所述的光学组合器，其中所述交叉耦合器形成于交叉耦合器基板中，所述滤光器基板通过气隙与所述交叉耦合器基板分开，并且所述光学组合器还包括所述气隙中的将所述滤光器基板与所述交叉耦合器基板分开的间隔部。

11.根据权利要求1所述的光学组合器，还包括：

交叉耦合器基板，其中所述交叉耦合器包括位于所述交叉耦合器基板上的衍射光栅；以及

滤光器基板，所述滤光器基板包括所述角度滤光器并且层叠在所述交叉耦合器上方，其中所述交叉耦合器基板插置在所述第一波导基板和所述滤光器基板之间。

12.一种光学系统，包括：

第一波导基板；

第二波导基板；

光栅介质，所述光栅介质插置在所述第一波导基板与所述第二波导基板之间；

输出耦合器，所述输出耦合器形成在所述光栅介质中，所述输出耦合器被配置为在朝向眼箱衍射图像光时透射真实世界光，其中所述眼箱具有对应的视场；

滤光器基板，所述滤光器基板层叠在所述第一波导基板上方；以及

角度滤光器，所述角度滤光器位于所述滤光器基板中，其中所述角度滤光器被配置为防止入射在所述视场之外的真实世界光穿过所述滤光器基板。

13.根据权利要求12所述的光学系统，其中所述角度滤光器被配置为透射入射在所述视场内的所述真实世界光。

14.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述第一波导基板插置在所述滤光器基板和所述光栅介质之间，并且其中所述光栅介质插置在所述第一波导基板和所述眼箱之间。

15.根据权利要求14所述的光学系统，其中所述角度滤光器包括选自由以下项组成的组的结构：衍射光栅结构，所述衍射光栅结构被配置为将入射在所述视场之外的所述真实世界光衍射远离所述第一波导基板；以及成角度的吸收器结构，所述成角度的吸收器结构被取向成下述角度，所述角度将所述成角度的吸收器结构配置为阻挡入射在所述视场之外的所述真实世界光，同时透射入射在所述视场内的所述真实世界光。

16.根据权利要求12所述的光学系统，其中所述第一波导基板插置在所述滤光器基板和所述光栅介质之间，并且其中所述第一波导基板插置在所述光栅介质和所述眼箱之间。

17.根据权利要求16所述的光学系统，其中所述角度滤光器包括选自由以下项组成的组的结构：衍射光栅结构和成角度的吸收器结构。

18.根据权利要求12所述的光学系统，还包括：

交叉耦合器，所述交叉耦合器至少部分地与所述角度滤光器重叠。

19.一种显示器，包括：

波导，所述波导被配置为经由全内反射传播图像光并且被配置为朝向眼箱透射世界光；

交叉耦合器，所述交叉耦合器包括位于所述波导上的表面起伏光栅结构，所述表面起伏光栅结构被配置为衍射所述图像光；以及

角度滤光器，所述角度滤光器位于所述波导上并且至少部分地与所述表面起伏光栅结构重叠，其中所述角度滤光器被配置为阻挡世界光以在所述眼箱处产生眩光的入射角传递到所述表面起伏光栅结构。

20.根据权利要求19所述的显示器，其中所述角度滤光器包括选自由以下项组成的组的结构：衍射光栅结构和成角度的吸收器结构。

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