CN116670561A - 具有边缘耦合介质层的光学系统 - Google Patents

Abstract

显示器可包括将光朝向窥眼箱定向的波导。该波导可包括在界面处边缘耦合的第一介质层和第二介质层。该第一介质层可包括将该光朝向该第二介质层重新定向的百叶窗镜交叉耦合器。该第二介质层可包括将该光耦合出该波导的体积全息图输出耦合器。可在该第一介质层与波导基底之间插置附加层。当该光传播时，这些附加层可帮助将该光限制在该第一介质层内，使得所有光通过该界面进入该第二介质层。这可配置该波导以占据该显示器内最小量的空间，同时还为该窥眼箱提供尽可能明亮且均匀的图像。

Description

具有边缘耦合介质层的光学系统

本申请要求于2020年7月23日提交的美国临时专利申请第63/055,791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

本公开整体涉及光学系统，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。

该显示器可包括产生要提供给窥眼箱的图像光的显示模块。光学波导可将图像光从显示模块朝向窥眼箱定向。光学波导可包括第一波导基底和第二波导基底。第一介质层和第二介质层可插置在第一波导基底与第二波导基底之间。第二介质层可在界面处与第一介质层边缘耦合。输入耦合器诸如输入耦合棱镜可通过第一波导基底将图像光耦合到第一介质层中。第一介质层可经由全内反射传播图像光。

当图像光传播通过第一介质层时，第一介质层中的交叉耦合器可将图像光朝向第二介质层重新定向。第一层可插置在第一波导基底与第一介质层之间。第二层可插置在第二波导基底与第一介质层之间。第一层和第二层可以是电介质层，诸如光学透明粘合剂层。第一层和第二层可具有与第一介质层不同的折射率。在另一合适的布置中，第一层和第二层可以是反射涂覆物。当图像光沿第一介质层传播时，第一层和第二层可用于将图像光限制在第一介质层内，使得所有图像光通过第一介质层与第二介质层之间的界面进入第二介质层。在第二介质层中的输出耦合器可将图像光耦合出波导并朝向窥眼箱。交叉耦合器可包括嵌入在第一介质层中的百叶窗镜。输出耦合器可包括记录在第二介质层中的体积全息图。当以这种方式配置时，波导可占据显示器内最小量的空间，同时还为窥眼箱提供尽可能明亮且均匀的图像。

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具有波导的显示器的例示性光学系统的顶视图，该波导具有输入耦合器、交叉耦合器和输出耦合器。

图3是根据一些实施方案的具有百叶窗镜交叉耦合器和全息输出耦合器的例示性波导的顶视图。

图4是示出了根据一些实施方案的示例性百叶窗镜交叉耦合器和全息输出耦合器可如何形成在不同堆叠介质层中的底视图。

图5是根据一些实施方案的具有形成在相应边缘耦合介质层中的百叶窗镜交叉耦合器和全息输出耦合器的例示性波导的底视图。

图6是根据一些实施方案的例示性波导的底视图，该例示性波导具有形成在第一介质层中的百叶窗镜交叉耦合器、形成在与该第一介质层边缘耦合的第二介质层中的全息输出耦合器，以及减轻第一介质层与第二介质层之间的界面处的光损失的光学透明粘合剂。

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)20内的近眼显示器14。支撑结构20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14的部件安装和固定在用户的头部上或眼睛附近的其他配置。近眼显示器14可包括一个或多个显示模块诸如显示模块14A，以及一个或多个光学系统诸如光学系统14B。显示模块14A可安装在支撑结构诸如支撑结构20中。每个显示模块14A可以发射光22(图像光)，使用光学系统14B中的相关联的一个将该光朝窥眼箱24处的用户眼睛重定向。

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(指令)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)。在本文有时作为示例描述的一种合适的布置中，部件18可包括注视跟踪传感器，该注视跟踪传感器在窥眼箱24处从用户的眼睛收集注视图像数据以实时跟踪用户的注视的方向。

显示模块14A可包括反射显示器(例如，硅基液晶(LCOS)显示器、数字微镜器件(DMD)显示器或其他空间光调制器)、发射显示器(例如，微型发光二极管(uLED)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、基于激光的显示器等)或其他类型的显示器。显示模块14A中的光源可包括uLED、OLED、LED、激光器、这些器件的组合或任何其他所需的发光部件。

光学系统14B可形成允许观察者(参见例如窥眼箱24处的观察者的眼睛)观察显示器14上的图像的透镜。可存在与用户的相应左眼和右眼相关联的两个光学系统14B(例如，用于形成左透镜和右透镜)。单个显示器14可为双眼产生图像，或者一对显示器14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，可选择由光学系统14B中的部件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14B可包括部件(例如，光学组合器等)以允许来自真实世界图像或对象25的真实世界图像光与虚拟(计算机生成的)图像诸如图像光22中的虚拟图像在光学上组合。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25的真实世界图像并且将该内容与光学系统14B处的虚拟内容进行数字合并的布置)。

如果需要，系统10可包括无线电路和/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14提供图像内容的计算机)通信。在操作期间，控制电路16可将图像内容提供给显示器14。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14的内容可由窥眼箱24处的观察者观看。

图2是可在图1的系统10中使用的例示性显示器14的顶视图。如图2所示，近眼显示器14可包括一个或多个显示模块诸如显示模块14A，以及一个光学系统诸如光学系统14B。光学系统14B可包括光学元件诸如一个或多个波导26。波导26可包括由光学透明材料诸如塑料、聚合物、玻璃等所形成的一个或多个层叠基底(例如，层叠平面和/或弯曲层，在本文中有时称为“波导基底”)。

如果需要，波导26还可包括一层或多层全息记录介质(在本文中有时称为“全息介质”、“光栅介质”或“衍射光栅介质”)，在该全息记录介质上记录一个或多个衍射光栅(例如，全息相位光栅，在本文中有时称为“全息图”)。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，其中可通过控制施加到全息记录介质的电场来调制衍射光。如果需要，可在相同体积的全息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体积全息图或光栅介质中的薄膜全息图。光栅介质可包括光聚合物、明胶诸如重铬酸盐明胶、卤化银、全息聚合物分散液晶或其他合适的全息介质。

波导26上的衍射光栅可包括全息相位光栅诸如体积全息图或薄膜全息图、元光栅或任何其他所需的衍射光栅结构。波导26上的衍射光栅还可包括形成在波导26中的基底的一个或多个表面上的表面起伏光栅、由金属结构的图案形成的光栅等。衍射光栅可例如包括在相同体积的光栅介质内至少部分重叠的多个复用光栅(例如，全息图)(例如，用于以一个或多个对应的输出角度衍射不同颜色的光和/或来自不同输入角度范围内的光)或形成在光栅介质的相应层中的重叠光栅。如果需要，可在光栅介质中形成百叶窗镜(也称为“百叶窗式”镜)，诸如百叶窗部分反射(例如，金属)涂覆物，以用于重新定向图像光22(例如，作为交叉耦合器32和/或输出耦合器30的一部分)。

光学系统14B可包括准直光学器件，诸如成像光学器件34。成像光学器件34(在本文中有时称为成像透镜34)可包括帮助将图像光22朝向波导26定向的一个或多个透镜元件。如果需要，显示模块14A可安装在图1的支撑结构20内，而光学系统14B可安装在支撑结构20的部分之间(例如，以形成与窥眼箱24对准的透镜)。如果需要，可使用其他安装布置。

如图2所示，显示模块14A可生成与要显示到窥眼箱24的图像内容相关联的图像光22。可使用透镜诸如成像光学器件34中的透镜将图像光22进行准直。光学系统14B可用于将从显示模块14A输出的图像光22呈现到窥眼箱24。

光学系统14B可包括一个或多个光学耦合器诸如输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30。在图2的示例中，输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30形成在波导26处或其上。输入耦合器28、交叉耦合器32和/或输出耦合器30可完全入在波导26的基底层内、可部分嵌入在波导26的基底层内、可安装到波导26(例如，安装到波导26的外表面)等。

图2的示例仅为例示性的。可省略这些耦合器中的一个耦合器或多个耦合器(例如，交叉耦合器32)。光学系统14B可包括相对于彼此横向和/或竖直堆叠的多个波导。每个波导可包括耦合器28、耦合器32和耦合器30中的一个耦合器、两个耦合器、全部耦合器或不包括这些耦合器。如果需要，波导26可为至少部分弯曲的或弯折的。

波导26可经由全内反射沿其长度向下引导图像光22。输入耦合器28可被配置为将图像光22从显示模块14A(成像光学器件34)耦合到波导26中，而输出耦合器30可被配置为将图像光22从波导26内耦合到波导26外部并朝向窥眼箱24。例如，显示模块14A可沿+Y方向发射朝向光学系统14B的图像光22。当图像光22撞击输入耦合器28时，输入耦合器28可重定向图像光22，使得该图像光在波导26内经由全内反射朝向输出耦合器30(例如，沿+X方向)传播。当图像光22撞击输出耦合器30时，输出耦合器30可将图像光22朝向窥眼箱24(例如，沿Y轴向后)离开波导26重新定向。例如，在交叉耦合器32形成在波导26处的情况下，交叉耦合器32可在图像光沿波导26的长度向下传播时沿一个或多个方向重新定向图像光22以及/或者可扩展图像光22。如果需要，输出耦合器30可另外或另选地扩展图像光。

输入耦合器28、交叉耦合器32和/或输出耦合器30可基于反射光学器件、折射光学器件和/或衍射(例如，全息)光学器件。在耦合器28、耦合器30和耦合器32由反射光学器件和折射光学器件形成的布置中，耦合器28、耦合器30和耦合器32可包括一个或多个反射器(例如，百叶窗镜；微镜、部分镜或其他反射器的阵列)。在耦合器28、耦合器30和耦合器32基于衍射光学器件的布置中，耦合器28、耦合器30和耦合器32可包括衍射光栅(例如，体积全息图、表面起伏光栅等)。换句话说，衍射光学器件、反射光学器件和/或折射光学器件的任何组合可用于形成输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30。作为一个示例，交叉耦合器32可由表面起伏光栅形成，而输出耦合器30由百叶窗镜或体积全息图形成。作为另一示例，输入耦合器28可包括安装到波导26的表面的棱镜，交叉耦合器32可包括嵌入在波导26的第一介质层中的百叶窗镜，并且输出耦合器30可包括衍射光栅结构，诸如记录在波导26的第二介质层(例如，全息记录介质层)中的体积全息图。

图3是波导26的前视图，其示出了输入耦合器28可如何包括安装到波导26的表面的棱镜，交叉耦合器32可包括百叶窗镜，并且输出耦合器30可包括衍射光栅结构诸如体积全息图。如图3所示，输入耦合器28可包括输入耦合棱镜，诸如输入耦合棱镜50。输入耦合棱镜50可安装到波导26的侧表面。

图像光22可遵循从显示模块14A到窥眼箱24(图2)的光学路径。输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30可插置在该光学路径上。交叉耦合器32可插置在输入耦合器28与输出耦合器30之间的光学路径上。输出耦合器30可插置在交叉耦合器32与窥眼箱之间的光学路径上。

输入耦合棱镜50可接收图像光22(例如，沿自图2的显示模块14A的+Y方向)。输入耦合棱镜50可以是反射输入耦合棱镜或透射输入耦合棱镜。输入耦合棱镜50是透射输入耦合棱镜的示例在本文中作为示例被描述。输入耦合棱镜50可通过沿第一方向(例如，沿+Y方向向下进入波导26并且沿-Z方向)重新定向图像光22来将图像光22耦合到波导26中。输入耦合棱镜50可以一定角度将图像光22耦合到波导26中，使得图像光经由全内反射沿波导26(例如，沿-Z方向)传播。

如图3所示，交叉耦合器32可包括百叶窗镜，诸如嵌入波导26的第一介质层内的百叶窗镜42。百叶窗镜42(在本文中有时被称为部分反射百叶窗42)可由嵌入在第一介质层内的部分反射涂覆物形成。百叶窗镜42可沿朝向输出耦合器30的第二方向(例如，沿+X方向)重新定向(反射)耦合到波导26中的图像光22。在被百叶窗镜42反射之后，图像光22可经由全内反射继续传播到输出耦合器30。

百叶窗镜42可例如具有以相对于图3的X轴和Z轴两者的非平行角度取向的镜平面。百叶窗镜42的反射轴垂直于镜平面取向。图像光可以入射角入射到百叶窗镜42上，并且可以反射角从百叶窗镜42反射离开。反射轴可平分入射角和反射角。反射轴可位于X-Z平面内，或者如果期望的话，反射轴还可以相对于X-Z平面的非零角度取向。换句话说，如图3所示，除了以相对于X轴和Z轴的非零角度取向之外，反射轴还可以平面外取向(例如，可具有相对于X-Z平面的正或负的非零平面外分量)。

输出耦合器30可通过沿箭头40的方向(例如，沿-Y方向)将图像光重新定向回窥眼箱来将来自交叉耦合器32的图像光22耦合出波导26。输出耦合器30可例如包括记录在第二介质层中的衍射光栅结构。该衍射光栅结构可包括多个体积全息图。例如，体积全息图的反射轴可以相对于波导26的法向表面与侧表面的非零角度取向以及/或者以相对于X轴和Z轴的非零角度取向。类似地，全息图的恒定折射率的线(例如，全息图的条纹)可以相对于X轴和Z轴的非零角度取向。体积全息图可包括叠加在相同体积的第二介质层中的多重(重叠)全息图以及/或者可包括至少部分不重叠的多个全息图。复用多个全息图可允许衍射光栅结构在入射角和波长的范围内衍射图像光22。

图4是在第一介质层和第二介质层堆叠在彼此顶部上的示例中的波导26的底视图(例如，沿图3的箭头44的方向截取)。如图4所示，波导26可包括相对于第二波导部分26B竖直堆叠的第一波导部分26A。换句话说，第二波导部分26B可插置在第一波导部分26A与显示模块14A之间(图2)。

第一波导部分26A可包括第一介质层(例如，第一介质层62)、第一波导基底64和第二波导基底60。第一介质层62可插置(夹置)在第一波导基底64与第二波导基底60之间。第二波导部分26B可包括第二介质层(例如，第二介质层56)、安装到第二波导基底60的第三波导基底58，以及第四波导基底54。第二介质层56可插置(夹置)在第三波导基底58与第四波导基底54之间。交叉耦合器32(例如，图3的百叶窗镜42)可嵌入在第一介质层62的一些或全部内。输出耦合器30(例如，衍射光栅结构诸如体积全息图)可跨第二介质层56的一些或全部被记录。在图4的示例中，输出耦合器30相对于交叉耦合器32是非重叠的。输入耦合棱镜50可安装到第四波导基底54。

如图4所示，输入耦合棱镜50可将图像光22耦合到波导26中。图像光22可通过第二波导部分26B到达交叉耦合器32。交叉耦合器32中的百叶窗镜(例如，图3的百叶窗镜42)可重定向图像光22，使得图像光经由全内反射沿+X方向传播通过波导部分26A和26B。当图像光命中输出耦合器30时，输出耦合器30可将图像光耦合出第二波导部分26B并朝向窥眼箱(例如，沿-Y方向)，如箭头40所示。以这种方式配置具有堆叠波导部分26A和26B的波导26可允许图像光在没有光线角度误差的情况下传播。然而，以这种方式配置波导26可能导致波导表现出相对大的厚度52，使得波导在系统10内消耗过量的体积和重量。此外，图4的波导26可表现出相对低的光均匀性和吞吐量。

为了减轻这些问题，第一介质层和第二介质层可在波导26内边缘耦合。图5是在第一介质层和第二介质层在波导26内边缘耦合的示例中的波导26的底视图。如图5所示，波导26可包括第一波导基底72和第二波导基底91。波导基底72可插置在波导基底91与显示模块14A之间(图2)。波导26还可包括第一介质层(例如，第一介质层88)和第二介质层(例如，第二介质层90)。第一介质层88可以是全息记录介质或任何其他期望的电介质(例如，塑料介质、玻璃介质、聚合物介质等)。第二介质层90可以是全息记录介质。交叉耦合器32(例如，图3的百叶窗镜42)可嵌入在第一介质层88内。输出耦合器30(例如，衍射光栅结构诸如体积全息图)可被记录在第二介质层90中。

第一波导基底72可具有第一侧表面74和相对的第二侧表面78。侧表面74可形成波导26的外部侧表面。类似地，第二波导基底91可具有第一侧表面80和相对的第二侧表面82。侧表面82可形成波导26的外部侧表面。侧表面74、78、80和/或82可以是平面的(如图5所示)或者可以是完全或部分弯曲的。第一介质层88可具有在第一波导基底72处的第一侧表面84和在第二波导基底91处的相对的第二侧表面86。第二介质层90可具有在第一波导基底72处的第一侧表面76和在第二波导基底91处的相对的第二侧表面79。第一波导基底72可层叠(例如，侧表面78可直接接触)到第一介质层88的侧表面84和第二介质层90的侧表面76上。第二波导基底91可层叠(例如，侧表面80可直接接触)到第一介质层88的侧表面86和第二介质层90的侧表面79上。第一介质层88可具有将侧表面84的边缘耦合到侧表面86的边缘的周边边缘。类似地，第二介质层90可具有将侧表面76的边缘耦合到侧表面79的边缘的周边边缘。

第一介质层88可在界面92处边缘耦合(例如，对接耦合)到第二介质层90，而不是竖直堆叠(例如，如图4所示)到第二介质层。换句话说，第一介质层88的周边边缘可在界面92(本文中有时称为接头92、边缘耦合界面92、边缘耦合接头92或对接耦合接头92)处耦合到(例如，直接接触)

第二介质层90的周边边缘。以这种方式，第一介质层88的侧表面84可与第二介质层90的侧表面76共面，并且第一介质层88的侧表面86可与第二介质层90的侧表面79共面。以这种方式布置第一介质层和第二介质层可将波导26配置为表现出基本上小于(例如，至少小50％)图4的厚度52的厚度70。

如图5所示，输入耦合棱镜50可将图像光22耦合到第一介质层88中。第一介质层88中的交叉耦合器32(例如，图3的百叶窗镜42)可将图像光22朝向输出耦合器30(例如，沿+X方向)重新定向。由交叉耦合器32反射的图像光22可经由全内反射沿波导26向下传播。在传播通过第一介质层88期间，图像光22可经由全内反射在波导基底72的侧表面74与波导基底91的侧表面82之间反射。这可使得图像光的第一部分通过界面92进入第二介质层90，如箭头94所示，而图像光的第二部分通过波导基底72和/或波导基底91进入第二介质层90，如箭头96所示。第二介质层90中的输出耦合器30可将至少一些图像光22耦合出波导26并朝向窥眼箱(例如，如箭头40所示)。

第二介质层90可具有与第一介质层88不同的本体折射率。这可使得通过界面92的图像光的部分(例如，如箭头94所示)以与通过波导基底72和91进入第二介质层90的图像光的部分(例如，如箭头94所示)不同的角度进入第二介质层90。图像光在进入第二介质层90时的这种角度差异可能导致到达窥眼箱24的图像光的不期望的光损失和不均匀性。

为了减轻这些问题，波导26可设置有用于当图像光经由全内反射传播通过第一介质层88时将图像光22限制在第一介质层88内的结构。图6是示出了波导26可如何设置有用于当图像光传播通过第一介质层88时将图像光22限制在第一介质层88内的结构的图示。

如图6所示，可在第一介质层88上设置附加层诸如光学透明粘合剂层100和102，以在传播期间将图像光22限制在第一介质层88内。光学透明粘合剂层100可插置在波导基底72的侧表面78与第一介质层88的侧表面84之间(例如，光学透明粘合剂层100可层叠到侧表面78和侧表面84两者上并且与侧表面78和侧表面84直接接触)。如果需要，光学透明粘合剂层100可帮助将波导基底72粘附到第一介质层88。类似地，光学透明粘合剂层102可插置在波导基底91的侧表面80与第一介质层88的侧表面86之间(例如，光学透明粘合剂层102可与侧表面86和侧表面80两者直接接触)。如果需要，光学透明粘合剂层102可帮助将波导基底91粘附到第一介质层88。第一介质层88可插置在光学透明粘合剂层100与102之间。光学透明粘合剂层100和102可与第一介质层88的一些或全部重叠(例如，最多到界面92)，而不延伸超过界面92或与第二介质层90重叠。如果需要，第二介质层90可在没有光学透明粘合剂层的情况下形成(例如，侧表面76可直接接触波导基底72的侧表面78，并且侧表面79可直接接触波导基底91的侧表面79，如图6所示)。

第一介质层88可具有第一折射率n1(例如，本体折射率)。第二介质层90可具有不同于(例如小于)第一折射率n1的第二体积折射率n2(例如，本体折射率)。光学透明粘合剂100可具有不同于(例如小于)第一折射率n1的第三折射率n3。可选择第三折射率n3，使得第一折射率n1与第三折射率n3之间的差异足够大，使得图像光22在光学透明粘合剂层100和102与第一介质层88之间的界面处反射(例如，折射率n1与n3之间的差异的绝对值可以是0.3或更大、0.4或更大、0.5或更大、0.6或更大、0.7或更大、0.2或更大、1.0或更大等)。作为一个示例，第一折射率n1可以是2.0、1.8、介于1.8和2.2之间、介于1.7和2.5之间、大于1.7、大于1.8、大于1.9、大于1.6、大于2.0或其他值。第二折射率n2可以是1.5、1.4、介于1.2和1.7之间或任何其他值。第三折射率n3可以是1.5、1.4、1.6、介于1.4和1.6之间、介于1.3和1.7之间、小于1.8、小于1.7、小于1.6、小于1.5、小于1.4等。

光学透明粘合剂层100和102的存在可在光学透明粘合剂层与第一介质层88之间(例如，在第一介质层88的侧表面84和86处)建立清晰的折射率边界。这可能导致当图像光经由全内反射传播通过第一介质层88时，图像光22从光学透明粘合剂层100和102与第一介质层88之间的界面(例如，侧表面84和86)反射而不进入波导基底72和91。换句话说，当图像光22经由全内反射沿第一介质层88传播时，光学透明粘合剂层100可阻挡图像光22进入波导基底72，并且光学透明粘合剂层102可阻挡图像光22进入波导基底91。通过当图像光经由全内反射传播通过第一介质层88时将图像光22限制在第一介质层88内，所有图像光可通过界面92进入第二介质层90，从而减轻与通过波导基底72和91进入第二介质层90的光相关联的任何损失(例如，如图5的箭头96所示)。输出耦合器30(例如，衍射光栅结构诸如体积全息图)可然后将通过界面92的图像光22衍射出波导26并朝向窥眼箱，如箭头40所示。这可用于为窥眼箱提供尽可能明亮且均匀的图像，同时还允许波导26表现出相对紧凑的厚度70。

图6的示例仅为例示性的。如果需要，光学透明粘合剂层100和102可以是具有折射率n3的任何其他期望的电介质层(例如，光学透明粘合剂层100和102可以是非粘性的电介质层或电介质涂覆物)。在另一合适的布置中，光学透明粘合剂层100和102可用反射层(例如，金属涂覆物或其他涂覆物)代替，这些反射层反射图像光22并且由此用于在传播期间将图像光22限制在第一介质层88内。

根据一个实施方案，提供了一种光学波导，该光学波导包括：第一波导基底和第二波导基底；第一介质层和第二介质层，该第一介质层和该第二介质层插置在第一波导基底与第二波导基底之间，该第二介质层与第一介质层边缘耦合，并且该第一介质层被配置为经由全内反射传播图像光；百叶窗镜，该百叶窗镜在第一介质层中并且被配置为将图像光朝向第二介质层重新定向；体积全息图，这些体积全息图在第二介质层中并且被配置为将图像光耦合出光学波导；第一层，该第一层插置在第一介质层与第一波导基底之间；和第二层，该第二层插置在第一介质层与第二波导基底之间，当图像光经由全内反射沿第一介质层传播时，该第一层被配置为阻挡图像光进入第一波导层，并且该第二层被配置为阻挡图像光进入第二波导层。

根据另一实施方案，第二介质层在界面处与第一介质层边缘耦合，并且图像光被配置为通过界面从第一介质层进入第二介质层。

根据另一实施方案，图像光被配置为经由全内反射沿第二介质层传播。

根据另一实施方案，当图像光经由全内反射沿第二介质层传播时，图像光被配置为进入第一波导基底和第二波导基底。

根据另一实施方案，第一层和第二层是电介质层。

根据另一实施方案，这些电介质层包括光学透明粘合剂。

根据另一实施方案，第一介质层具有第一折射率，第二介质层具有不同于第一折射率的本体折射率，并且光学透明粘合剂具有小于第一折射率的第二折射率。

根据另一实施方案，第一层和第二层包括反射涂覆物。

根据一个实施方案，提供了一种被配置为在窥眼箱处显示图像光的显示系统，该显示系统包括：第一波导基底和第二波导基底；第一介质层和第二介质层，该第一介质层和该第二介质层插置在第一波导基底与第二波导基底之间，该第二介质层与第一介质层边缘耦合，并且该第一介质层具有第一折射率；交叉耦合器，该交叉耦合器在第一介质层中，该第一介质层被配置为当图像光传播通过第一介质层时经由全内反射传播图像光，并且该交叉耦合器被配置为当图像光传播通过第一介质层时将图像光朝向第二介质层重新定向；输出耦合器，该输出耦合器在第二介质层中并且被配置为将图像光耦合出第二介质层并朝向窥眼箱；第一电介质层，该第一电介质层插置在第一介质层与第一波导基底之间；和第二电介质层，该第二电介质层插置在第一介质层与第二波导基底之间，第一电介质层和第二电介质层具有不同于第一折射率的第二折射率。

根据另一实施方案，该第一介质层具有耦合到第一电介质层的第一侧表面，该第一介质层具有与第一侧表面相对并且耦合到第二电介质层的第二侧表面，并且第一侧表面和第二侧表面被配置为当图像光传播通过第一介质层时反射图像光。

根据另一实施方案，该第二介质层在界面处与第一介质层边缘耦合，并且图像光通过界面从第一介质层进入第二介质层。

根据另一实施方案，该第一电介质层包括光学透明粘合剂。

根据另一实施方案，该第二电介质层包括光学透明粘合剂。

根据另一实施方案，该第一折射率大于或等于1.6，并且该第二折射率小于或等于1.6。

根据另一实施方案，该交叉耦合器包括嵌入在第一介质层中的百叶窗镜。

根据另一实施方案，该输出耦合器包括第二介质层中的体积全息图。

根据另一实施方案，该交叉耦合器包括嵌入在第一介质层中的百叶窗镜。

根据另一实施方案，该第二介质层具有小于第一折射率的本体折射率。

根据另一实施方案，该显示系统包括输入耦合棱镜，该输入耦合棱镜被安装到第一波导基底并且被配置为将图像光耦合到第一介质层中。

根据一个实施方案，提供了一种显示系统，该显示系统包括：第一介质层，该第一介质层具有相对的第一侧表面和第二侧表面；第二介质层，该第二介质层在界面处与第一介质层边缘耦合；第一层，该第一层具有层叠到第一介质层上的光学透明粘合剂；第二层，该第二层具有层叠到第二介质层上的光学透明粘合剂；输入耦合器，该输入耦合器被配置为将图像光耦合到第一介质层中，该第一介质层被配置为经由全内反射传播图像光，具有光学透明粘合剂的第一层和第二层被配置为当图像光经由全内反射传播通过第一介质层时将图像光限制在第一介质层内，图像光被配置为通过界面从第一介质层进入第二介质层，并且该第二介质层被配置为在图像光已通过界面之后经由全内反射传播图像光；交叉耦合器，该交叉耦合器在第一介质层中并且被配置为当图像光经由全内反射传播通过第一介质层时将图像光朝向第二介质层重新定向；和输出耦合器，该输出耦合器在第二介质层中并且被配置为当图像光经由全内反射传播通过第二介质层时将图像光朝向窥眼箱重新定向。

根据另一实施方案，该输入耦合器包括棱镜，该交叉耦合器包括嵌入在第一介质层中的百叶窗镜，并且该输出层包括记录在第二介质层中的体积全息图。

根据另一实施方案，该显示系统包括第一波导基底和第二波导基底，该第一波导基底直接接触具有光学透明粘合剂的第一层和第二介质层的第一侧表面；该第二波导基底直接接触具有光学透明粘合剂的第二层和第二介质层的第二侧表面。

根据另一实施方案，具有光学透明粘合剂的第一层和第二层具有与第一介质层不同的折射率。

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 (23)

1.一种光学波导，所述光学波导包括：

第一波导基底和第二波导基底；

第一介质层和第二介质层，所述第一介质层和所述第二介质层插置在所述第一波导基底与所述第二波导基底之间，其中所述第二介质层与所述第一介质层边缘耦合，并且其中所述第一介质层被配置为经由全内反射传播图像光；

百叶窗镜，所述百叶窗镜在所述第一介质层中并且被配置为将所述图像光朝向所述第二介质层重新定向；

体积全息图，所述体积全息图在所述第二介质层中并且被配置为将所述图像光耦合出所述光学波导；

第一层，所述第一层插置在所述第一介质层与所述第一波导基底之间；和

第二层，所述第二层插置在所述第一介质层与所述第二波导基底之间，其中当所述图像光经由全内反射沿所述第一介质层传播时，所述第一层被配置为阻挡所述图像光进入所述第一波导层，并且所述第二层被配置为阻挡所述图像光进入所述第二波导层。

2.根据权利要求1所述的光学波导，其中所述第二介质层在界面处与所述第一介质层边缘耦合，并且其中所述图像光被配置为通过所述界面从所述第一介质层进入所述第二介质层。

3.根据权利要求2所述的光学波导，其中所述图像光被配置为经由全内反射沿所述第二介质层传播。

4.根据权利要求3所述的光学波导，其中当所述图像光经由全内反射沿所述第二介质层传播时，所述图像光被配置为进入所述第一波导基底和所述第二波导基底。

5.根据权利要求1所述的光学波导，其中所述第一层和所述第二层是电介质层。

6.根据权利要求5所述的光学波导，其中所述电介质层包括光学透明粘合剂。

7.根据权利要求6所述的光学波导，其中所述第一介质层具有第一折射率，所述第二介质层具有不同于所述第一折射率的本体折射率，并且所述光学透明粘合剂具有小于所述第一折射率的第二折射率。

8.根据权利要求1所述的光学波导，其中所述第一层和所述第二层包括反射涂覆物。

9.一种被配置为在窥眼箱处显示图像光的显示系统，所述显示系统包括：

第一波导基底和第二波导基底；

第一介质层和第二介质层，所述第一介质层和所述第二介质层插置在所述第一波导基底与所述第二波导基底之间，其中所述第二介质层与所述第一介质层边缘耦合，并且其中所述第一介质层具有第一折射率；

交叉耦合器，所述交叉耦合器在所述第一介质层中，其中所述第一介质层被配置为经由全内反射传播所述图像光，并且所述交叉耦合器被配置为当所述图像光传播通过所述第一介质层时将所述图像光朝向所述第二介质层重新定向；

输出耦合器，所述输出耦合器在所述第二介质层中并且被配置为将所述图像光耦合出所述第二介质层并朝向所述窥眼箱；

第一电介质层，所述第一电介质层插置在所述第一介质层与所述第一波导基底之间；和

第二电介质层，所述第二电介质层插置在所述第一介质层与所述第二波导基底之间，其中所述第一电介质层和所述第二电介质层具有不同于所述第一折射率的第二折射率。

10.根据权利要求9所述的显示系统，其中所述第一介质层具有耦合到所述第一电介质层的第一侧表面，所述第一介质层具有与所述第一侧表面相对并且耦合到所述第二电介质层的第二侧表面，并且所述第一侧表面和所述第二侧表面被配置为当所述图像光传播通过所述第一介质层时反射所述图像光。

11.根据权利要求10所述的显示系统，其中所述第二介质层在界面处与所述第一介质层边缘耦合，并且其中所述图像光通过所述界面从所述第一介质层进入所述第二介质层。

12.根据权利要求9所述的显示系统，其中所述第一电介质层包括光学透明粘合剂。

13.根据权利要求12所述的显示系统，其中所述第二电介质层包括光学透明粘合剂。

14.根据权利要求9所述的显示系统，其中所述第一折射率大于或等于1.6，并且所述第二折射率小于或等于1.6。

15.根据权利要求9所述的显示系统，其中所述交叉耦合器包括嵌入在所述第一介质层中的百叶窗镜。

16.根据权利要求9所述的显示系统，其中所述输出耦合器包括所述第二介质层中的体积全息图。

17.根据权利要求16所述的显示系统，其中所述交叉耦合器包括嵌入在所述第一介质层中的百叶窗镜。

18.根据权利要求16所述的显示系统，其中所述第二介质层具有小于所述第一折射率的本体折射率。

19.根据权利要求9所述的显示系统，还包括：

输入耦合棱镜，所述输入耦合棱镜安装到所述第一波导基底并且被配置为将所述图像光耦合到所述第一介质层中。

20.一种显示系统，包括：

第一介质层，所述第一介质层具有相对的第一侧表面和第二侧表面；

第二介质层，所述第二介质层在界面处与所述第一介质层边缘耦合；

第一层，所述第一层具有层叠到所述第一介质层上的光学透明粘合剂；

第二层，所述第二层具有层叠到所述第二介质层上的光学透明粘合剂；

输入耦合器，所述输入耦合器被配置为将图像光耦合到所述第一介质层中，其中所述第一介质层被配置为经由全内反射传播所述图像光，其中具有光学透明粘合剂的所述第一层和所述第二层被配置为当所述图像光经由全内反射传播通过所述第一介质层时将所述图像光限制在所述第一介质层内，其中所述图像光被配置为通过所述界面从所述第一介质层进入所述第二介质层，并且其中所述第二介质层被配置为在所述图像光已通过所述界面之后经由全内反射传播所述图像光；

交叉耦合器，所述交叉耦合器在所述第一介质层中，并且被配置为当所述图像光经由全内反射传播通过所述第一介质层时将所述图像光朝向所述第二介质层重新定向；和

输出耦合器，所述输出耦合器在所述第二介质层中，并且被配置为当所述图像光经由全内反射传播通过所述第二介质层时将所述图像光朝向窥眼箱重新定向。

21.根据权利要求20所述的显示系统，其中所述输入耦合器包括棱镜，所述交叉耦合器包括嵌入在所述第一介质层中的百叶窗镜，并且所述输出层包括记录在所述第二介质层中的体积全息图。

22.根据权利要求21所述的显示系统，还包括：

第一波导基底，所述第一波导基底直接接触具有光学透明粘合剂的所述第一层和所述第二介质层的第一侧表面；和

第二波导基底，所述第二波导基底直接接触具有光学透明粘合剂的所述第二层和所述第二介质层的第二侧表面。

23.根据权利要求22所述的显示系统，其中具有光学透明粘合剂的所述第一层和所述第二层具有与所述第一介质层不同的折射率。