CN117242392A - 具有穿透式入耦合器光栅的波导组合件 - Google Patents

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Abstract

本文描述了具有穿透式入耦合器光栅的波导组合件。所述波导组合件包括至少一个微显示器；和至少两个波导层的堆叠结构。在本文所述的波导组合件的一种配置中，绿色FOV和蓝色FOV仅在第一波导中传播，并且红色FOV仅在第二波导中传播。在本文所述的波导组合件的另一种配置中，蓝色FOV、红色FOV和绿色FOV仅分别在第一波导、第二波导和第三波导中传播。包括波导层堆叠结构的波导组合件减少了来自第一微显示器和在一些实施方式中来自第二微显示器的重叠图像的亮度不均匀性、颜色不均匀性、双像和其他不均匀性。

Description

具有穿透式入耦合器光栅的波导组合件
背景
技术领域
本公开内容的实施方式总体涉及增强现实波导组合件。更具体地，本文所述的实施方式涉及具有穿透式入耦合器光栅(pass-through in-coupler grating)的波导组合件。
背景技术
虚拟现实通常被认为是计算机产生的模拟环境，其中使用者具有表观实体存在。虚拟现实体验可以以3D形式产生，并且使用头戴式显示器(head-mounted display,HMD)，例如眼镜或其他可穿戴显示设备观看，所述其他可穿戴显示设备具有接近眼睛的显示面板作为透镜来显示替代实际环境的虚拟现实环境。
然而，增强现实使得能够实现如此的体验：在所述体验中使用者仍然可以经由眼镜或其他HMD设备的显示透镜看到周围的环境，而也可以看到被产生以显示并且作为环境的一部分出现的虚拟对象的图像。增强现实可包括任何类型的输入，诸如音频及触觉输入，以及加强或增强使用者体验的环境的虚拟图像、图形及视频。作为一种新兴技术，增强现实面临许多挑战及设计约束。
一种这样的挑战是显示重叠在周围环境上的虚拟图像。波导组合件用于帮助重叠图像。产生的光被输入耦合(in-couple)到波导组合件中，经由增强波导组合件传播，从增强波导组合件输出耦合(out-couple)，并且重叠在周围环境上。使用表面浮雕光栅(surface relief grating)将光耦合进和耦合出增强波导组合件。
波导组合件可包括波导层的堆叠结构，使得红色、绿色和蓝色光通道显示在重叠图像中。重叠图像可包括在波导层堆叠结构中的至少两个波导层中传播的红色视场(fieldof view,FOV)、绿色FOV或蓝色FOV中的至少一者。至少一个FOV在波导层堆叠结构中的至少两个层中的传播可能造成重叠图像的亮度不均匀性、颜色不均匀性、双像(double-images)和其他不均匀性中的一或多者。
相应地，本领域需要具有穿透式入耦合器光栅的波导组合件。
发明内容
在一个实施方式中，提供一种装置。所述装置包括：微显示器，所述微显示器能操作来投射红色光瞳、绿色光瞳和蓝色光瞳；和波导层堆叠结构，所述波导层中的每个波导层具有入耦合器(in-coupler)光栅和出耦合器(out-coupler)光栅。所述波导层堆叠结构包括：第一波导层，所述第一波导层能操作来将绿色通道和蓝色通道输入耦合到第一波导层中并且允许红色通道穿透，使得绿色通道的绿色视场(FOV)和蓝色通道的蓝色FOV仅从第一波导层输出耦合并且红色通道仅由第二波导层输入耦合；和所述第二波导层，所述第二波导层能操作来输入耦合红色通道，使得红色通道的红色FOV仅从第二波导层输出耦合。
在另一个实施方式中，提供一种装置。所述装置包括：微显示器，所述微显示器能操作来投射红色光瞳、绿色光瞳和蓝色光瞳；和波导层堆叠结构，所述波导层中的每个波导层具有入耦合器光栅和出耦合器光栅。所述波导层堆叠结构包括：第一波导层，所述第一波导层能操作来将绿色通道和蓝色通道输入耦合到第一波导层中并且允许红色通道穿透，使得绿色通道的绿色视场(FOV)和蓝色通道的蓝色FOV仅从第一波导层输出耦合并且红色通道仅由第二波导层输入耦合；和第二波导层，所述第二波导层能操作来输入耦合红色通道，使得红色通道的红色FOV仅从第二波导层输出耦合；和穿透式滤波器，所述穿透式滤波器设置在第一波导层与第二波导层之间或者耦合至第二波导层的下侧表面。
在又一实施方式中，提供一种装置。所述装置包括：至少一个微显示器，所述至少一个微显示器能操作来投射红色光瞳、绿色光瞳和蓝色光瞳中的一或多者；波导层堆叠结构，所述波导层中的每个波导层具有入耦合器光栅和出耦合器光栅。波导层堆叠结构包括：第一波导层，所述第一波导层能操作以将蓝色通道输入耦合到第一波导层中并且允许红色通道穿透，使得蓝色通道的蓝色视场(FOV)仅从第一波导层输出耦合并且红色通道仅由第二波导层输入耦合；所述第二波导层，所述第二波导层能操作以将红色通道输入耦合到第二波导层中，使得红色通道的红色FOV仅从第二波导层输出耦合；和第三波导层，所述第三波导层能操作以将绿色通道输入耦合到第三波导层中，使得绿色通道的绿色FOV仅从第三波导层输出耦合。
附图说明
为了能够详细理解本公开内容的上述特征，可以参考实施方式对以上简要概述的本公开内容进行更特别的描述，实施方式中的一些实施方式在附图中图示。然而，应当注意的是，附图仅图示了示例性实施方式，并且因此不应被视为是对本公开内容的范围的限制，并且可以允许其他同等有效的实施方式。
本公开内容包含至少一幅以彩色执行的图。在要求并且支付必要的费用后，将把带有彩色附图的本公开内容的副本提供给专利局。由于彩色附图是经由EFS-Web以电子方式提交的，因此只提交一组附图。
图1是根据实施方式的波导层的透视前视图。
图2A和图2B是根据实施方式的波导组合件的示意性截面图。
图3A和图3B是根据实施方式的波导组合件的示意性截面图。
为了促进理解，在可能的情况下，已经使用相同的参考数字来表示图中共有的相同元件。预期一个实施方式的元件和特征可以有益地结合在其他实施方式中，而无需进一步叙述。
具体实施方式
本文所述的实施方式涉及具有穿透式入耦合器光栅的波导组合件。所述波导组合件包括至少一个微显示器；和至少两个波导层的堆叠结构。每个波导层包括入耦合器光栅和出耦合器光栅。
图1是波导层100的透视前视图。应当理解的是，下面所述的波导层100是示例性波导层100，并且其他波导层可以与本公开内容的方面一起使用或者经修改以实现本公开内容的方面。
波导层100包括由多个第一结构108限定的入耦合器(in-coupler)光栅102、由多个第二结构110限定的光瞳扩展光栅(pupil expansion grating)104、和由多个第三结构112限定的出耦合器(out-coupler)光栅106。入耦合器光栅102接收来自微显示器的具有某个强度的入射光束(虚拟图像)。入耦合器光栅102的每个第一结构108将入射束分成多个模式，每个束具有一种模式。零阶模式(T0)束在波导层100中被折射回来或丢失，正一阶模式(T1)束被经由波导层100耦合到光瞳扩展光栅104，并且负一阶模式(T-1)束在波导层100中在与T1束相反的方向上传播。理想地，入射束被分成具有入射束的所有强度的T1束，以便将虚拟图像引导到光瞳扩展光栅104。T1束经由波导层100经历全内反射(total-internal-reflection,TIR)，直到T1束与光瞳扩展光栅104的多个第二结构110接触。
T1束分成(1)T0束，所述T0束在波导层100中被折射回来或丢失；(2)T1束，所述T1束在光瞳扩展光栅104中经历TIR，直到T1束接触多个第二结构110中的另一个第二结构，和(3)T-1束，所述T-1束经由波导层100耦合到出耦合器光栅106。在光瞳扩展光栅104中经历TIR的T1束继续接触第二结构110，直到经由波导层100耦合到光瞳扩展光栅104的T1束的强度被耗尽，或者经由光瞳扩展光栅104传播的剩余T1束到达光瞳扩展光栅104的末端。必须调谐多个第二结构110来控制经由波导层100耦合到光瞳扩展光栅104的T1束，以便控制耦合到出耦合器光栅106的T-1束的强度，以从使用者的视角调制从微显示器产生的虚拟图像的FOV并且增加使用者可以查看虚拟图像的观察角。
经由波导层100耦合到出耦合器光栅106的T-1束在波导层100中经历TIR，直到T-1束接触多个第三结构112中的第三结构112，其中T-1束被分成(1)T0束，所述T0束在波导层100中被折射回来或丢失；(2)T1束，所述T1束在出耦合器光栅106中经历TIR，直到T1束接触多个第三结构112中的另一个第三结构112；和(3)T-1束，所述T-1束耦合出波导层100。在出耦合器光栅106中经历TIR的T1束继续接触多个第三结构112中的第三结构112，直到经由波导层100耦合到出耦合器光栅106的T-1束的强度被耗尽，或者经由出耦合器光栅106传播的剩余T1束已经到达出耦合器光栅106的末端。从使用者的视角来看，出耦合器光栅106的多个第三结构112进一步调制从微显示器产生的虚拟图像的FOV，并且进一步增加使用者可以查看虚拟图像的观察角。
图2A是波导组合件200A的示意性截面图。图2B是波导组合件200B的示意性截面图。波导组合件200A、200B包括一个微显示器201；和第一波导层204和第二波导层206的堆叠结构202A、202B。微显示器201能操作以将红色光瞳、绿色光瞳和蓝色光瞳投射到第一波导层204的入耦合器光栅102A。第一波导层204和第二波导层206至少包括入耦合器光栅102和出耦合器光栅，诸如出耦合器光栅106。在可以与本文所述的其他实施方式组合的一些实施方式中，第一波导层204或第二波导层206中的至少一者包括光瞳扩展光栅，诸如光瞳扩展光栅104。
入耦合器光栅102A是穿透式入耦合器光栅。入耦合器光栅102A包括多个第一结构，诸如第一结构108。入耦合器光栅102A的多个第一结构能操作以将绿色通道205和蓝色通道207输入耦合到第一波导层204中并且允许红色通道203穿透第一波导层204。绿色通道205和蓝色通道207经由第一波导层204经历TIR，并且作为绿色FOV和蓝色FOV输出耦合。入耦合器光栅102B的多个第一结构能操作以将红色通道203输入耦合到第二波导层206中。红色通道203经由第二波导层206经历TIR，并且作为红色FOV输出耦合。
堆叠结构202B进一步包括红通(red-pass)滤波器208。在可以与本文所述的其他实施方式组合的一个实施方式中，红通滤波器208设置在第一波导层204与第二波导层206之间。在可以与本文所述的其他实施方式组合的另一实施方式中，红通滤波器208耦合到第二波导层206的下侧。红通滤波器208是吸收绿色通道和蓝色通道的，同时允许红色通道203穿透到入耦合器光栅102B。
入耦合器光栅102A被配置为使得多个第一结构具有周期(ΛIC)。ΛIC使得绿色通道205和蓝色通道207能够输入耦合到第一波导层204并且经由所述第一波导层传播，并且使得红色通道203能够穿透。入耦合器光栅102A的ΛIC允许红色通道203穿透，使得红色通道203被输入耦合在第二波导层206中并且经由所述第二波导层传播。也就是说，红色通道203没有在第一波导层204中衍射。为了确定ΛIC，基于λR、λG、和λB(红色通道峰值波长、绿色通道峰值波长和蓝色通道波长)、n(第一波导层204和第二波导层206的基板的折射率)、kFoV(FOV在k空间中沿着入耦合器光栅向量方向的范围)和kmid(沿着入耦合器光栅向量方向从原点到FOV中心的k空间距离，这描述了输入FOV的倾斜)求解三个方程的方程组。
第一方程是第二方程是/> 并且第三方程是/>求解ΛIC并且具有入耦合器光栅102A确保了输出耦合的绿色FOV和输出耦合的蓝色FOV是来自第一波导层204的绿色通道205和蓝色通道207的，并且输出耦合的红色FOV来自第二波导层206。红通滤波器208吸收剩余的绿光和蓝光，使得绿色FOV和蓝色FOV仅在第一波导层204中传播。波导组合件200A、200B包括仅在第一波导层204中传播的绿色FOV和蓝色FOV，和仅在第二波导层206中传播的红色FOV。具有堆叠结构202A、202B的波导组合件200A、200B减少了来自一个微显示器201的重叠图像的亮度不均匀性、颜色不均匀性、双像和其他不均匀性。
表1显示了基于波导组合件200A、200B的配置的潜在ΛIC。
表1
图3A是波导组合件300A的示意性剖视图。图3B是波导组合件300B的示意性剖视图。波导组合件300A、300B包括至少一个微显示器301；和第一波导层304、第二波导层306和第三波导层308的堆叠结构302A、302B。至少一个微显示器301能操作以经由第一波导层304和第二波导层306将绿色光瞳投射到第三波导层308的入耦合器光栅102C。微显示器301能操作以将红色光瞳和蓝色光瞳投射到第一波导层304的入耦合器光栅102A。在可以与本文所述的其他实施方式组合的一些实施方式中，第一微显示器能操作以投射绿色光瞳，并且第二微显示器能操作以投射红色光瞳和蓝色光瞳。第一波导层304、第二波导层306和第三波导层308至少包括入耦合器光栅102和出耦合器光栅，诸如出耦合器光栅106。在可以与本文所述的其他实施方式组合的一些实施方式中，第一波导层304、第二波导层306和第三波导层308中的至少一者包括光瞳扩展光栅，诸如光瞳扩展光栅104。
入耦合器光栅102A是穿透式入耦合器光栅。入耦合器光栅102A包括多个第一结构，诸如第一结构108。入耦合器光栅102A的多个第一结构能操作以将蓝色通道207输入耦合到第一波导层304中，并且允许红色通道203穿过第一波导层304。蓝色通道207经由第一波导层304经历TIR，作为蓝色FOV输出耦合。入耦合器光栅102B的多个第一结构能操作以将红色通道203输入耦合到第二波导层306中。红色通道203经由第二波导层306经历TIR，并且作为红色FOV输出耦合。入耦合器光栅102C的多个第一结构能操作以将绿色通道205输入耦合到第三波导层308中。绿色通道205经由第二波导层306经历TIR，并且作为绿色FOV输出耦合。
虽然图3A和图3B的堆叠结构302A、302B被描绘为第一波导层304设置在第二波导层306之上并且第二波导层306设置在第三波导层308之上，但是在一些实施方式中，第三波导层308可设置在第一波导层304与第二波导层306之间，在其他实施方式中，第三波导层308设置在第一波导层304之上，所述第一波导层设置在第二波导层306之上。堆叠结构302A、302B中的层是有序的，使得能操作来输入耦合蓝色通道207的第一波导层304比能操作来输入耦合红色通道203的第二波导层更靠近微显示器301。
堆叠结构302B进一步包括红通滤波器310。在可以与本文所述的其他实施方式组合的一个实施方式中，红通滤波器310设置在第一波导层304与第二波导层306之间，或者耦合到第二波导层306的下侧。红通滤波器310是吸收蓝色通道的，同时允许红色通道203穿透到入耦合器光栅102B。
入耦合器光栅102A被配置为使得多个第一结构具有周期(ΛIC)。ΛIC使得蓝色通道207能够输入耦合到第一波导层204并且经由所述第一波导层传播，并且使得红色通道203能够穿透。入耦合器光栅102A的ΛIC允许红色通道203穿透，使得红色通道203被输入耦合在第二波导层306中并且经由所述第二波导层传播。也就是说，红色通道203没有在第一波导层304中衍射。为了确定ΛIC，基于λR和λB(红色通道峰值波长和蓝色通道波长)、n(第一波导层304和第二波导层306的基板的折射率)、kFoV(FOV在k空间中沿着入耦合器光栅向量方向的范围)和kmid(沿着入耦合器光栅向量方向从原点到FOV中心的k空间距离，这描述了输入FOV的倾斜)求解三个方程的方程组。
第一方程是第二方程是/> 并且第三方程是/>求解ΛIC并且具有入耦合器光栅102A确保输出耦合的蓝色FOV来自第一波导层304，输出耦合的红色FOV来自第二波导层306，并且输出耦合的绿色FOV来自第三波导层308。红通滤波器310吸收剩余的蓝光，使得蓝色FOV仅在第一波导层304中传播。波导组合件300A、300B提供仅分别在第一波导层304、第二波导层306和第三波导层308中传播的蓝色FOV、红色FOV和绿色FOV。具有堆叠结构302A、302B的波导组合件300A、300B减少了来自微显示器的重叠图像的亮度不均匀性、颜色不均匀性、双像和其他不均匀性。
表2显示了基于波导组合件300A、300B的配置的潜在ΛIC。
表2
总之，本文描述了具有穿透式入耦合器光栅的波导组合件。所述波导组合件包括至少一个微显示器；和至少两个波导层的堆叠结构。在本文所述的波导组合件的一种配置中，绿色FOV和蓝色FOV仅在第一波导中传播，并且红色FOV仅在第二波导中传播。在本文所述的波导组合件的另一种配置中，蓝色FOV、红色FOV和绿色FOV仅分别在第一波导、第二波导和第三波导中传播。包括波导层堆叠结构的波导组合件减少了来自第一微显示器和在一些实施方式中来自第二微显示器的重叠图像的亮度不均匀性、颜色不均匀性、双像和其他不均匀性。
尽管前面针对本公开内容的实例，但是在不脱离本公开内容的基本范围的情况下可以设计本公开内容的其他和进一步实例，并且本公开内容的范围由所附权利要求书确定。

Claims (17)

1.一种光学增强现实系统，包括：
微显示器，所述微显示器能操作以投射红色光瞳、绿色光瞳和蓝色光瞳；
波导层堆叠结构，所述波导层中的每个波导层具有入耦合器光栅和出耦合器光栅，所述波导层堆叠结构包括：
第一波导层，所述第一波导层能操作来将绿色通道和蓝色通道输入耦合到所述第一波导层中并且允许红色通道穿透，使得所述绿色通道的绿色视场(FOV)和所述蓝色通道的蓝色FOV仅从所述第一波导层输出耦合并且所述红色通道仅由第二波导层输入耦合；和
所述第二波导层，所述第二波导层能操作来输入耦合所述红色通道，使得所述红色通道的红色FOV仅从所述第二波导层输出耦合。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述第一波导层的所述入耦合器光栅包括多个具有周期(ΛIC)的第一结构，所述多个第一结构能操作以将所述绿色通道和所述蓝色通道输入耦合到所述第一波导层中并且允许所述红色通道穿透，使得所述红色FOV仅从所述第二波导层输出耦合。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述ΛIC是通过求解所述ΛIC的方程组来选择的，所述方程组包括：
和
其中λR、λG、和λB对应于红色通道峰值波长、绿色通道峰值波长和蓝色通道波长，n是所述第一波导层和所述第二波导层的折射率，kFoV是FOV在k空间中沿着入耦合器光栅向量方向的范围，并且kmid是沿着所述入耦合器光栅向量方向的k空间距离。
4.如权利要求1所述的系统，其中穿透式滤波器设置在所述第一波导层与所述第二波导层之间，或者耦合至所述第二波导层的下侧表面。
5.一种光学增强现实系统，包括：
微显示器，所述微显示器能操作以投射红色光瞳、绿色光瞳和蓝色光瞳；
波导层堆叠结构，所述波导层中的每个波导层具有入耦合器光栅和出耦合器光栅，所述波导层堆叠结构包括：
第一波导层，所述第一波导层能操作来将绿色通道和蓝色通道输入耦合到所述第一波导层中并且允许红色通道穿透，使得所述绿色通道的绿色视场(FOV)和所述蓝色通道的蓝色FOV仅从所述第一波导层输出耦合并且所述红色通道仅由第二波导层输入耦合；
所述第二波导层，所述第二波导层能操作来输入耦合所述红色通道，使得所述红色通道的红色FOV仅从所述第二波导层输出耦合；和
穿透式滤波器，所述穿透式滤波器设置在所述第一波导层与所述第二波导层之间，或者耦合至所述第二波导层的下侧表面。
6.一种光学增强现实系统，包括：
至少一个微显示器，所述至少一个微显示器能操作以投射红色光瞳、绿色光瞳和蓝色光瞳中的一或多者；
波导层堆叠结构，所述波导层中的每个波导层具有入耦合器光栅和出耦合器光栅，所述波导层堆叠结构包括：
第一波导层，所述第一波导层能操作以将蓝色通道输入耦合到所述第一波导层中并且允许红色通道穿透，使得所述蓝色通道的蓝色视场(FOV)仅从所述第一波导层输出耦合，并且所述红色通道仅由第二波导层输入耦合；
所述第二波导层，所述第二波导层能操作以将所述红色通道输入耦合到所述第二波导层中，使得所述红色通道的红色FOV仅从所述第二波导层输出耦合；和
第三波导层，所述第三波导层能操作以将绿色通道输入耦合到所述第三波导层中，使得所述绿色通道的绿色FOV仅从所述第三波导层输出耦合。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述第一波导层的所述入耦合器光栅包括具有周期(ΛIC)的多个第一结构，所述多个第一结构能操作以将所述蓝色通道输入耦合到所述第一波导层中并且允许所述红色通道穿透，使得所述红色FOV仅从所述第二波导层输出耦合。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述ΛIC是通过求解所述ΛIC的方程组来选择的，所述方程组包括：
和
其中λR和λB对应于红色通道峰值波长和蓝色通道波长，n是所述第一波导层和所述第二波导层的折射率，kFoV是FOV在k空间中沿着入耦合器光栅向量方向的范围，并且kmid是沿着所述入耦合器光栅向量方向的k空间距离。
9.如权利要求6所述的系统，其中穿透式滤波器设置在所述第一波导层与所述第二波导层之间，或者耦合至所述第二波导层的下侧表面。
10.如权利要求6所述的系统，其中所述第一波导层设置为比所述第二波导层更靠近所述至少一个微显示器。
11.如权利要求6所述的系统，其中所述第一波导层设置在所述第二波导层上，并且所述第二波导层设置在所述第三波导层上。
12.如权利要求6所述的系统，其中所述第一波导层设置在所述第三波导层上，并且所述第三波导层设置在所述第二波导层上。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述第三波导层能操作以允许所述红色通道穿透，使得所述红色通道仅由所述第二波导层输入耦合。
14.如权利要求12所述的系统，其中穿透式滤波器设置在所述第一波导层与所述第三波导层之间、所述第三波导层与所述第二波导层之间，或者耦合到所述第二波导层的下侧表面。
15.如权利要求6所述的系统，其中所述第三波导层设置在所述第一波导层上，并且所述第一波导层设置在所述第二波导层上。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述第三波导层能操作以允许所述蓝色通道和所述红色通道穿透到所述第一波导层。
17.如权利要求15所述的系统，其中穿透式滤波器设置在所述第一波导层与所述第二波导层之间，或者耦合至所述第二波导层的下侧表面。
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