CN116165737A - 波导光学器件和包括该波导光学器件的近眼显示装置 - Google Patents

波导光学器件和包括该波导光学器件的近眼显示装置 Download PDF

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Abstract

提供了一种波导光学器件和包括该波导光学器件的近眼显示装置。波导光学器件包括传播光的波导、将光输入到波导中的输入耦合器、以及将在波导中传播的光输出到外部的输出耦合器，其中输出耦合器包括布置成彼此间隔开的多个光栅区域。

Description

波导光学器件和包括该波导光学器件的近眼显示装置
技术领域
本公开涉及具有高的光均匀性的波导光学器件和包括该波导光学器件的近眼显示装置。
背景技术
虚拟现实(VR)是使人能够在计算机生成的虚拟世界中体验生活的技术。增强现实(AR)是允许虚拟图像与现实世界中的物理环境或空间混合的技术。VR显示器和AR显示器可以通过近眼显示器来实现，近眼显示器通过使用光学和立体图像的组合将虚拟图像聚焦在一空间上。在这样的近眼显示器中，显示分辨率和处理很重要。
作为近眼显示装置的示例的AR装置使用户能够观看增强现实。AR装置的示例可以包括增强现实(AR)眼镜。AR装置的图像光学系统包括用于生成图像的图像生成器件和用于将生成的图像引导到眼睛的波导。这种AR装置具有宽视角和高图像质量。然而，有必要减少装置本身的重量和尺寸。
最近，基于波导的光学系统已经被研究和开发用于AR装置，诸如AR眼镜。在相关技术的AR装置中，通过使用自由曲面反射或多镜反射或者通过使用诸如衍射光学元件或全息光学元件的输入耦合衍射元件将光输入到波导中。当使用自由曲面反射或多镜反射时，结构可以是简单的并且光传输效率可以是高的，但在视角方面存在限制并且在减小波导尺寸方面存在困难。此外，通过波导传播的光的均匀性低，因此图像质量可能劣化。
发明内容
一示例实施方式提供了一种具有改进的光均匀性的波导光学器件。
另一示例实施方式提供了一种增强现实装置，该增强现实装置包括具有改进的光均匀性的波导光学器件。
另外的方面将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从该描述变得明显，或者可以通过本公开的所呈现的实施方式的实践来了解。
根据本公开的一方面，提供了一种波导光学器件，该波导光学器件包括：波导，包括第一表面和与第一表面相反的第二表面；输入耦合器，配置为将光输入到波导中；以及输出耦合器，配置为将在波导中传播的光输出到外部，其中输出耦合器包括彼此间隔开的多个光栅区域。
输入耦合器提供在第一表面上，输出耦合器提供在第二表面上。
所述多个光栅区域可以在第一方向上彼此间隔开，其中，光在波导中沿第一方向传播。
所述多个光栅区域中的每个可以具有部分被切割的环结构，以及其中所述多个光栅区域彼此间隔开以构成同心半圆形布置结构。
所述多个光栅区域之间的间隔可以彼此相等。
所述多个光栅区域之间的间隔可以在第一方向上减小，其中，光在波导中沿第一方向传播。
输入耦合器可以包括彼此间隔开的多个光栅区域。
输出耦合器的所述多个光栅区域可以具有二维阵列结构。
输出耦合器的所述多个光栅区域之间的间隔可以是约1mm至约5mm。
所述多个光栅区域的面积可以在第一方向上增加，其中，光在波导中沿第一方向传播。
根据本公开的另一方面，提供了一种近眼显示装置，该近眼显示装置包括：图像处理器；显示元件，配置为发射用于形成由图像处理器处理的图像的光；波导，包括第一表面和与第一表面相反的第二表面；输入耦合器，配置为将光输入到波导中；以及输出耦合器，配置为将在波导中传播的光输出到外部，其中输出耦合器包括彼此间隔开的多个光栅区域。
输入耦合器提供在第一表面上，输出耦合器提供在第二表面上。
所述多个光栅区域可以在第一方向上彼此间隔开，其中，光在波导中沿第一方向传播。
所述多个光栅区域中的每个可以具有部分被切割的环结构，以及其中所述多个光栅区域彼此间隔开以构成同心半圆形布置结构。
所述多个光栅区域之间的间隔可以彼此相等。
所述多个光栅区域之间的间隔可以在第一方向上减小，其中，光在波导中沿第一方向传播。
输入耦合器可以包括彼此间隔开的多个光栅区域。
输出耦合器的所述多个光栅区域可以具有二维阵列结构。
输出耦合器的所述多个光栅区域之间的间隔可以是约1mm至约5mm。
所述多个光栅区域的面积可以在第一方向上增加，其中，光在波导中沿第一方向传播。
所述多个光栅区域的衍射效率可以在第一方向上增加，其中，光在波导中沿第一方向传播。
根据本公开的另一方面，提供了一种波导光学器件，该波导光学器件包括：波导，包括第一表面和与第一表面相反的第二表面；输入耦合器，配置为将光输入到波导中，该波导在第一方向上传播光；以及输出耦合器，配置为将在波导中传播的光输出到外部，其中输出耦合器包括：第一区域，其是第一光栅区域；第二区域，在第一方向上与第一区域相邻，第二区域是第一非光栅区域；第三区域，在第一方向上与第二区域相邻，第三区域是第二光栅区域；以及第四区域，在第一方向上与第三区域相邻，第四区域是第二非光栅区域。
第一光栅区域的第一衍射效率可以小于第二光栅区域的第二衍射效率。
第一光栅区域的第一面积小于第二光栅区域的第二面积。
附图说明
从以下结合附图的描述中，本公开的某些实施方式的以上和其它方面、特征和优点将更加明显，附图中：
图1是示意性地示出根据一示例实施方式的近眼显示装置的图；
图2是示意性地示出根据一示例实施方式的波导光学器件的图；
图3是示意性地示出根据另一实施方式的波导光学器件的图；
图4是示意性地示出根据另一实施方式的波导光学器件的图；
图5是示意性地示出根据另一实施方式的波导光学器件的图；
图6是示意性地示出其中输入耦合器的光栅区域布置为彼此间隔开的波导光学器件的图；
图7是示意性地示出其中输入耦合器的光栅区域布置为彼此间隔开的波导光学器件的图；
图8是示意性地示出具有其中输入耦合器和输出耦合器布置在波导的同一表面上的结构的波导光学器件的图；
图9A显示了由根据比较示例的显示装置显示的图像，图9B显示了由根据本公开的一示例实施方式的显示装置显示的图像；
图10是根据一示例实施方式的包括波导光学器件的电子设备的框图；以及
图11是示出其中用户佩戴根据一示例实施方式的近眼显示装置的示例的图。
具体实施方式
现在将详细参照实施方式，其示例在附图中示出，其中相同的附图标记始终指代相同的元件。在这点上，所给出的实施方式可以具有不同的形式而不应被解释为限于在这里阐述的描述。因此，以下仅通过参照附图描述实施方式以说明各方面。如在这里使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关列出项目的任何和所有组合。诸如“……中的至少一个”的表述，当在一列元素之后时，修饰整列元素而不修饰该列中的个别元素。
在下文中，将参照附图详细描述根据各种实施方式的波导光学器件和包括该波导光学器件的近眼显示装置。在以下附图中，相同的附图标记指代相同的元件，并且为了清楚和描述的方便，附图中元件的尺寸可能被夸大。诸如“第一”或“第二”的术语可以用于描述各种元素，但元素不应受该术语限制。这些术语仅用于将一个元素与另一元素区分开。
单数表述也包括复数含义，只要不与上下文不一致即可。此外，当一元件被称为“包括”一部件时，该元件可以额外地包括其它部件而不是排除其它部件，只要没有特别的相反记载。在以下附图中，为了描述的清楚，附图中每个元件的尺寸或厚度可能被夸大。此外，当一材料层被称为“在”另一个衬底或层“上”时，该材料层可以直接在所述另一衬底或层上，或者第三层也可以存在于它们之间。此外，在以下实施方式中构成每个层的材料是示例性的，也可以使用除了所描述的材料之外的其它材料。
此外，说明书中描述的术语，诸如“……器(件)”、“……单元”、“……模块”等，表示执行至少一个功能或操作的单元，其可以实现为硬件或软件或其组合。
实施方式中描述的特定实施方式仅仅是示例性的，而不以任何方式限制本公开的范围。为了简洁起见，可以省略对相关技术电子构造、控制系统、软件和系统的其它功能方面的描述。此外，附图中所示的元件之间的线或连接元件旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或物理或逻辑联接，并且许多替代或附加的功能关系、物理连接或逻辑连接可以存在于一实际的设备中。
术语“该”和与其类似的其它指示词应被理解为包括单数形式和复数形式。
方法的操作可以以任何合适的顺序执行，除非在这里另有说明或与上下文明显矛盾。此外，所有示例术语(例如，“诸如”或“等”)用于描述的目的，而不旨在限制本公开的范围，除非由权利要求限定。
图1是示出根据一示例实施方式的近眼显示装置100的图，图2是示出近眼显示装置100的波导光学器件的图。
近眼显示装置100包括：显示元件110，发射用于形成图像的光；波导140，引导来自显示元件110的光；输入耦合器130，将光输入到波导140中；以及输出耦合器150，将在波导140中传播的光输出到外部。
显示元件110可以包括液晶显示器(LCD)、硅上液晶(LCoS)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、发光二极管(LED)显示器、投影仪等。显示元件110可以处理图像信号以生成二维(2D)图像或三维(3D)图像。显示元件110可以包括计算机生成的全息(CGH)单元以生成全息图像。根据一示例实施方式，显示元件110可以包括被配置为处理图像信号以生成二维(2D)图像或三维(3D)图像从而生成全息图像的存储器和/或处理器。显示元件可以与处理器配对以显示图像。
从显示元件110输出的图像可以入射在波导140上，然后通过波导140传送到用户的眼睛E。在本公开中，术语‘图像’包括用于显示相应图像的图像光的概念。
波导140可以包括光入射在其上的第一表面141、以及与第一表面141相反的第二表面142。输入耦合器130可以提供在第一表面141和第二表面142中的至少一个上。图1示出了其中输入耦合器130提供在第一表面141上的示例。透镜120可以进一步提供在显示元件110和输入耦合器130之间。透镜120可以将从显示元件110发射的图像光准直以使其入射在输入耦合器130上。
参照图2，输出耦合器150可以包括多个光栅区域151。所述多个光栅区域151可以彼此间隔开，并且可以在光栅区域151之间提供非光栅区域152。当输出耦合器150的光栅区域151间断地布置时，可以提高通过波导140传播的光的亮度均匀性。当波导140应用于眼镜型近眼显示装置时，波导140可以形成为在眼镜的透镜部分中非常薄，因此，可以提高用户的佩戴便利性。
同时，光栅区域151之间的间隔可以彼此相等。然而，本公开不限于此，光栅区域151之间的间隔可以不彼此相等。根据一示例实施方式，光栅区域151之间的间隔可以在任一方向上减小。例如，光栅区域151之间的间隔可以在光的传播方向(例如，Y方向)上减小。根据一示例实施方式，光栅区域151之间的间隔可以在光的传播方向(例如，Y方向)上逐渐减小。例如，靠近输入耦合器130的两个相邻光栅区域151之间的间隔可以小于比靠近输入耦合器130的所述两个相邻光栅区域151更远离输入耦合器130的两个相邻光栅区域151之间的间隔。光栅区域151之间的间隔可以为约1mm至约5mm。或者，光栅区域151之间的间隔可以是约2mm至约4mm。
通过波导140传播的光在从波导140发出之前(例如当它到达光栅区域151时)被衍射若干次。光栅区域151的衍射效率可以根据波导140的位置调整，从而调整从波导140发出的光的均匀性。在一示例实施方式中，可以通过交替布置光栅区域151和非光栅区域152来提高在特定动眼框(eye box)区域中观察到的光的均匀性。
可以通过使用光在光栅区域151中的衍射和光在波导140中的全反射来向用户提供图像。准直光可以被输入耦合器130以大于临界角的角度衍射，然后通过波导140传播。光可以通过输入耦合器130在第一方向(X方向)上扩展，并且可以通过输出耦合器150在第二方向(Y方向)上扩展。
图3是示出输出耦合器150的光栅区域151的布置结构的另一示例的图。光栅区域151可以布置为例如部分被切割的环的结构。此外，光栅区域151可以布置为彼此间隔开成同心半圆形布置结构。此外，光栅区域151可以配置为具有不同的衍射效率。例如，光栅区域151可以配置为使得光栅区域151的衍射效率在由光被波导140引导的方向上逐渐增加。
通常，在具有连续提供在其整个区域中的光栅的波导中，当光在波导中全反射并且然后在输出耦合器中衍射时，在输出耦合器中光栅的其中光没有到达的区域可以根据光的入射角分量存在。此外，部分扩展光可能在另一方向上传播而不到达动眼框。因此，当输出耦合器的光栅连续提供在波导中时，光的均匀性降低。
在根据一示例实施方式的近眼显示装置中，输出耦合器150的多个光栅区域151可以稀疏地布置以提高光的均匀性。具体地，可以减少反射次数以提高光均匀性。
参照图4，输出耦合器150可以包括第一光栅区域1511、第二光栅区域1512、第三光栅区域1513、第四光栅区域1514和第五光栅区域1515。非光栅区域152可以提供在光栅区域之间。光栅区域的面积可以在光的传播方向(例如，Y方向)上逐渐增加。例如，输出耦合器150可以被配置为具有以下关系：(第一光栅区域1511的面积)<(第二光栅区域1512的面积)<(第三光栅区域1513的面积)<(第四光栅区域1514的面积)<(第五光栅区域1515的面积)。光栅的间距也可以在光传播的方向上变化。
或者，当第一光栅区域1511的正一级衍射光(或负一级衍射光)的衍射效率为E1、第二光栅区域1512的正一级衍射光(或负一级衍射光)的衍射效率为E2、第三光栅区域1513的正一级衍射光(或负一级衍射光)的衍射效率为E3、第四光栅区域1514的正一级衍射光(或负一级衍射光)的衍射效率为E4并且第五光栅区域1515的正一级衍射光(或负一级衍射光)的衍射效率为E5时，可以满足E1<E2<E3<E4<E5的关系。
当输出耦合器150包括六个光栅区域时，六个光栅区域的衍射效率(例如，E1、E2、E3、E4、E5和E6)可以配置为如下表1。这仅是一示例，并且光栅区域的衍射效率可以根据光栅区域的形状和尺寸被各种各样地配置。
[表1]
正一级衍射效率(％) 负一级衍射效率(％) 零级衍射效率(％)
E1 14 14 72
E2 15 15 70
E3 25 25 50
E4 35 35 30
E5 45 45 10
E6 50 50 0
光栅的方向和周期可以设计成在适当的方向和角度上扩展入射光。每个光栅区域的衍射效率可以通过进行优化计算来调整亮度均匀性而确定。参照表1，在提供具有图3所示结构的光栅区域的情况下，可以使用光栅的正一级衍射光和负一级衍射光。作为计算每个光栅区域的衍射效率的结果，第一光栅区域对正一级衍射光和负一级衍射光的衍射效率为14％，其余72％的光被全反射，然后传送到第二光栅区域。第二光栅区域、第三光栅区域、第四光栅区域、第五光栅区域和第六光栅区域对正一级衍射光和负一级衍射光的衍射效率可以分别为15％、25％、35％、45％和50％。在第六光栅区域中，对正一级衍射光和负一级衍射光的衍射效率之和可以为100％，从而衍射由其它先前光栅区域衍射的所有剩余光。
可以通过调整光栅区域的X方向长度和Y方向长度中的至少一个来调整每个光栅区域的面积。这里，例如，光栅区域的X方向长度彼此相等，并且可以通过分别调整光栅区域的Y方向长度来不同地调整光栅区域的面积。
参照图5，输出耦合器150的光栅区域151可以布置成具有二维阵列结构。如上所述，可以通过将光栅区域151布置为彼此间隔开成矩阵结构来提高X方向和Y方向上的光的均匀性。
参照图6，输入耦合器130可以包括多个光栅区域131。输入耦合器130的光栅区域131可以在X方向上彼此间隔开。Y方向是指光通过波导140传输的方向，X方向是指在波导140的平面上与Y方向垂直的方向。如图6所示，输入耦合器130和输出耦合器150可以布置在同一表面上。图6示出了输入耦合器130包括两个光栅区域131的示例。
参照图7，输入耦合器130包括在X方向上彼此间隔开的四个光栅区域131。在这种情况下，可以提高光在X方向上的均匀性。光栅之间的间距或节距可以变化。此外，输出耦合器150的光栅区域151可以在Y方向上彼此间隔开以提高光在Y方向上的均匀性。
图8是示出其中输入耦合器130和输出耦合器150一起提供在波导140的第二表面142上的示例的图。
图9A显示了由根据比较示例的近眼显示装置(其中输出耦合器包括一个光栅区域)显示的图像，图9B显示了由根据一示例实施方式的近眼显示装置(其中输出耦合器包括多个光栅区域)显示的图像。在图9B中显示的根据示例实施方式的图像的均匀性相对地大于在图9A中显示的根据比较示例的图像的均匀性。
图10是根据一示例实施方式的包括波导光学器件220的电子设备200的框图。电子设备200可以包括根据一示例实施方式的波导光学器件220。电子设备200可以提供在网络环境270中。在网络环境270中，电子设备200可以通过网络250(例如，短距离无线通信网络或远距离无线通信网络)与另一电子设备255(例如，智能电话)或与服务器260通信。
电子设备200可以包括用于形成图像的显示元件210、用于传播从显示元件210传送的光的波导光学器件220、以及用于处理图像的图像处理器230。此外，电子设备200可以包括能够通过网络250与电子设备255或服务器260通信的通信模块240。参照图1至图9描述的实施方式可以应用于波导光学器件220。
从电子设备255发送的图像可以通过通信模块240接收，并通过波导光学器件220显示在近眼显示装置上。
图11是示出其中用户佩戴根据一示例实施方式的近眼显示装置的示例的图。近眼显示装置可以包括提供图像的显示元件110、将显示元件110提供的图像引导到用户的眼睛的波导140、以及提供在波导140中的输入耦合器130和输出耦合器150。波导140、输入耦合器130和输出耦合器150可以提供在透镜部分160中。
同时，图像处理器230可以通过使用利用优化的全息图生成算法来补偿考虑到虚拟图像的各个位置中的像差的光学像差。
根据一示例实施方式的近眼显示装置可以应用于虚拟现实(VR)装置、增强现实(AR)装置、混合现实(MR)装置、平视显示装置等。虚拟现实是使人能够体验到他们可能几乎不曾体验的环境，就好像他们正实际上在与真实的周围情况进行交互一样的技术，而增强现实是在现实空间中实时增强虚拟信息以使用户能够与增强的虚拟信息进行交互从而提高工作效率的技术。混合现实(MR)是包括VR和AR的概念，是将真实空间与虚拟空间融合以创造其中真实物体和虚拟物体彼此实时交互的新空间。作为VR的优势的沉浸感和作为AR的优势的现实的组合可以以各种形式应用于各种领域，包括头戴式显示器(HMD)和智能眼镜。
在根据一示例实施方式的波导光学器件中，输出耦合器的光栅区域被布置为彼此间隔开，因此，可以提高通过波导传输的光的均匀性。
根据一示例实施方式的近眼显示装置可以通过提高光的均匀性来提供具有均匀图像质量的图像。
应理解，在这里描述的实施方式应仅被认为是描述性的，而不是为了限制的目的。每个实施方式内的特征或方面的描述通常应被认为可用于其它实施方式中的其它类似特征或方面。尽管已经参照附图描述了一个或更多个实施方式，但本领域普通技术人员将理解，在不背离如由所附权利要求及其等同物限定的精神和范围的情况下，可以在这里进行在形式和细节上的各种改变。
本申请基于2021年11月25日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2021-0164868号并要求该韩国专利申请的优先权，其公开内容通过全文引用合并于此。

Claims (23)

1.一种波导光学器件，包括：
波导，包括第一表面和与所述第一表面相反的第二表面；
输入耦合器，配置为将光输入到所述波导中；以及
输出耦合器，配置为将在所述波导中传播的所述光输出到外部，
其中所述输出耦合器包括彼此间隔开的多个光栅区域。
2.根据权利要求1所述的波导光学器件，其中所述输入耦合器提供在所述第一表面上，所述输出耦合器提供在所述第二表面上。
3.根据权利要求1所述的波导光学器件，其中所述多个光栅区域在第一方向上彼此间隔开，所述光在所述波导中沿所述第一方向传播。
4.根据权利要求1所述的波导光学器件，其中所述多个光栅区域中的每个具有部分被切割的环结构，以及其中所述多个光栅区域彼此间隔开以构成同心半圆形布置结构。
5.根据权利要求1所述的波导光学器件，其中所述多个光栅区域之间的间隔彼此相等。
6.根据权利要求1所述的波导光学器件，其中所述多个光栅区域之间的间隔在第一方向上减小，所述光在所述波导中沿所述第一方向传播。
7.根据权利要求1所述的波导光学器件，其中所述输入耦合器包括彼此间隔开的多个光栅区域。
8.根据权利要求1所述的波导光学器件，其中所述输出耦合器的所述多个光栅区域具有二维阵列结构。
9.根据权利要求1所述的波导光学器件，其中所述输出耦合器的所述多个光栅区域之间的间隔为1mm至5mm。
10.根据权利要求1所述的波导光学器件，其中所述多个光栅区域的面积在第一方向上增加，所述光在所述波导中沿所述第一方向传播。
11.一种近眼显示装置，包括：
图像处理器；
显示元件，配置为发射用于形成由所述图像处理器处理的图像的光；
波导，包括第一表面和与所述第一表面相反的第二表面；
输入耦合器，配置为将光输入到所述波导中；以及
输出耦合器，配置为将在所述波导中传播的所述光输出到外部，
其中所述输出耦合器包括彼此间隔开的多个光栅区域。
12.根据权利要求11所述的近眼显示装置，其中所述输入耦合器提供在所述第一表面上，所述输出耦合器提供在所述第二表面上。
13.根据权利要求11所述的近眼显示装置，其中所述多个光栅区域在第一方向上彼此间隔开，所述光在所述波导中沿所述第一方向传播。
14.根据权利要求11所述的近眼显示装置，其中所述多个光栅区域中的每个具有部分被切割的环结构，以及其中所述多个光栅区域彼此间隔开以构成同心半圆形布置结构。
15.根据权利要求11所述的近眼显示装置，其中所述多个光栅区域之间的间隔彼此相等。
16.根据权利要求11所述的近眼显示装置，其中所述多个光栅区域之间的间隔在第一方向上逐渐减小，所述光在所述波导中沿所述第一方向传播。
17.根据权利要求11所述的近眼显示装置，其中所述输入耦合器包括彼此间隔开的多个光栅区域。
18.根据权利要求11所述的近眼显示装置，其中所述输出耦合器的所述多个光栅区域具有二维阵列结构。
19.根据权利要求11所述的近眼显示装置，其中所述输出耦合器的所述多个光栅区域之间的间隔为1mm至5mm。
20.根据权利要求11所述的近眼显示装置，其中所述多个光栅区域的面积在第一方向上增加，所述光在所述波导中沿所述第一方向传播。
21.一种波导光学器件，包括：
波导，包括第一表面和与所述第一表面相反的第二表面；
输入耦合器，配置为将光输入到所述波导中，所述波导在第一方向上传播所述光；以及
输出耦合器，配置为将在所述波导中传播的所述光输出到外部，
其中所述输出耦合器包括：
第一区域，其是第一光栅区域；
第二区域，在所述第一方向上与所述第一区域相邻，所述第二区域是第一非光栅区域；
第三区域，在所述第一方向上与所述第二区域相邻，所述第三区域是第二光栅区域；以及
第四区域，在所述第一方向上与所述第三区域相邻，所述第四区域是第二非光栅区域。
22.根据权利要求21所述的波导光学器件，其中所述第一光栅区域的第一衍射效率小于所述第二光栅区域的第二衍射效率。
23.根据权利要求21所述的波导光学器件，其中所述第一光栅区域的第一面积小于所述第二光栅区域的第二面积。
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