CN117706768A - 具有圆筒状波导的光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种光学系统，包括：圆筒状波导，该圆筒状波导具有限定共同圆筒轴线的同心的内侧表面和外侧表面；以及输入光学器件，该输入光学器件被布置成接收来自图像源的光并使光进入圆筒状波导，使得在每个入射点处，源自图像源的同一像素的所有光线以相对于表面法线的相同角度和相对于与圆筒轴线正交的平面的相同角度入射在圆筒状波导的表面上，从而耦入光在沿着圆筒状波导传播时保持其方向角。可以使用该光学系统来提供可以形成头戴式显示器的一部分的光学显示设备。

Description

具有圆筒状波导的光学系统
本申请是申请号为2021800645086、申请日为2021年9月17日、发明名称为“具有圆筒状波导的光学系统”的专利申请的分案申请。
技术领域
本公开涉及一种光学系统，该光学系统可以形成光学显示设备(例如头戴式显示器)的一部分。
背景技术
在增强现实领域，使用透明组合器将虚拟图像以叠加在真实世界上的方式显示给用户，该透明组合器将来自投影仪的图像重定向到用户的眼睛。当前的解决方案通常使用由玻璃或塑料衬底制成的平坦或平面透明波导，其中光经由衍射光栅(或类似物)耦入(in-coupled)到波导，并且穿过波导内部(通过全内反射)到达类似的耦出器(out-coupler)，光在耦出器处耦出到用户的眼睛。在该领域中，波导的厚度通常为几毫米，它们也被称为“光导”。
参照图1，其示出了包括平面波导的这种光学系统的示意图。该光学系统包括：对象显示器(图像源)10；准直透镜20；平面波导30；耦入器(in-coupler)40(例如，光栅)；和耦出器50。图示出了来自对象显示器10上的一个点的光线60。这些光垂直于波导的表面入射。还图示出了单条光线70通过波导30并经由耦出器50到达用户眼睛80的路径。波导30的厚度在几毫米的数量级，耦入器40和耦出器50之间的间隔在厘米的数量级，耦入器40的光栅的侧向周期(lateral period)在几分之一微米的数量级。
在这种典型的平面波导设计中，对象显示器10由准直透镜20在该透镜20的焦距处成像。这在水平和竖向(切线和弧矢)平面均上校准了图像承载光。
准直光通过耦入器40耦合到波导中，耦入器40可以是线性衍射光栅或全息光栅(其他选项包括折射型光学器件，诸如棱镜)。其将光以大于临界角的角度衍射到玻璃或塑料波导或衬底30中。
在本文考虑的设计中，衍射光栅、全息光栅、全息图、表面全息图、浮雕全息图、光刻产生的光栅、体光栅或倾斜光栅可以互换使用和互换操作使用。出于光线追踪的目的，重要的是光栅k矢量或动量矢量的光栅周期的侧向分量。特定的材料选择、生产方式和横截面可能会影响衍射效率、衍射级、机械柔性和波长带宽，但不影响像差和分辨率。当线性光栅接收准直光时，线性光栅衍射但保持该准直，即来自给定像素的所有光线改变方向但保持相互平行。
当光照射到波导的外侧表面时，由于全内反射(TIR)，光反射回内部。这些角度由波导的折射率n决定。典型值为n＝1.5，临界角为42度，并且相对于法线的引导角(guidingangle)可能为60到70度。折射率较高的玻璃由于临界角较小而将允许更大的视野(FOV)。
这种方法的一个优点是来自给定像素的所有光线均以相同的角度在平坦波导内传播。因此，允许光线在波导内部重叠或交换(swap)，而不会引起重影或鬼影的问题。
这可能是实现波导主要功能的关键：光瞳复制(pupil replication)。在增强现实(AR)领域，非常期望的是更小的光学器件。这意味着使用小型投影仪。小的投影仪产生小的光瞳(本质上是来自同一像素的光线束)，例如，可以通过查看普通双目显微镜的小光瞳(目镜上方漂浮的小亮点)来识别。
耦出器50(波导输出光栅)可以通过以小于100％的衍射效率(称为分数衍射效率)部分提取光来复制光瞳。例如，10％的衍射效率将提取10％的光，并让剩余的90％进一步传播。该过程将在传播的光与输出光栅50下一次相遇时重复。更先进的可变衍射效率光栅(variablediffraction efficiency grating)有助于平衡不同光瞳复制之间的光强。
这使得通过输出光栅提取光的任务变得鲁棒，因为输出光栅不需要位于特定的位置。波导的出射光瞳可以被视为在整个输出光栅50上延伸的一个连续光瞳。同样的，扩展的光瞳不会以场(显示器上原始像素的位置)的函数沿着输出光栅移动。
通过利用部分衍射先在一个方向上复制光瞳接着在另一个方向上复制光瞳(首先通过中间线性光栅，其次通过输出线性光栅)，实现了二维光瞳扩展。总共，将使用三个或更多个光栅，如在微软公司销售的HoloLens(RTM)的波导以及WaveOptics，Ltd.销售的波导中实现的那样。这种方法的限制是波导30的玻璃必须是平坦的，而消费者习惯于弯曲的玻璃。要将平坦波导与弯曲的处方眼镜结合在一起而不使设备变得更大也是困难的。还存在使用高度弯曲玻璃的应用，例如摩托车头盔的面罩(visor)、军用面罩、战斗机飞行员头盔、潜水面罩、消防隔热面罩、医疗防护、焊接面罩、飞机挡风玻璃、汽车或摩托车挡风玻璃等。试图将平坦波导安装在使用者和面罩之间的有限空间内是具有挑战性的。
还有基于自由空间反射光学器件的组合解决方案，但是这些解决方案通常具有小的眼动范围(eye-boxes)(图像可见的区域)。它们不适用于某些应用，而波导解决方案通常具有较大的眼动范围，这使得它们是期望的。大的眼动范围意味着AR眼镜设计的单一变化可以适应大多数人群，并且用户可以容易地看到虚拟图像。由于用户在瞳孔间距(IPD)上的差异，小的眼动范围意味着AR眼镜可能需要机械地调整或适应特定用户，从而增加了成本和复杂性。
在多种文献中已经建议使用弯曲波导，例如WO-2006/064301A1、US-2010/031571U9、DE-102017119440A1、US-8,842,368B2、US-8,810,913B2、US-9,733,475B1、US-2018/0292593A1、US-2019/0317261A1、GB-2553382B、US-10,048,647B2、US-2016/0195720A1、US-2019/0072767A1、US-2018/0373115A1、US-2019/0369403A1和US-2018/0348527A1。类似的建议在Kalinina、Anastasiia和Andrey Putilin的“Wide-field-of-view augmented reality eyeglasses using curved wedge waveguide(会议演示)”，Digital Optics for Immersive Displays II.Vol.11350,International Society forOptics
and Photonics,2020以及DeHoog、Edward、Jason Holmstedt和Tin
Aye的“Field of view of limitations in see-through HMD using
geometric waveguides”，Applied optics 55.22(2016):5924-5930中进行了讨论。
这些文献中的一些只是简单地提到了弯曲波导。这些文献中的其他一些更详细地讨论了弯曲波导，但没有一篇文献解释如何以连续的方式复制光瞳，而不会使来自同一像素的光线在投射到无限远时发散。对于这些方法，通常只有单个光瞳通过波导传播，这不允许光瞳扩展。其他设计依赖于眼球追踪。这些设计通常产生畸变的输出，并且需要复杂的软件来使输入图像预失真。因此，这种解决方案制造起来既昂贵又复杂。
虽然市场上有许多现有的基于平面波导的方法，有许多建议的实现方式，包括上面讨论的那些，但是市场上没有弯曲或圆筒状
(cylindrical)波导的产品。这似乎是由于难以在使光传播通过波导的情况下避免图像在输出至用户时高度畸变(导致质量差)。在实现可以为大众市场制造的产品的同时减轻这个问题仍然是一个挑战。
发明内容
在此背景下，提供了根据权利要求1的光学系统、如权利要求24所限定的光学显示设备以及根据权利要求25的头戴式显示器。其他优选和可选的特征在其他权利要求和本公开的其他地方进行了限定。
光学系统考虑使用具有同心(内和外)表面的圆筒状波导(或称圆柱波导或柱面波导)。使用这种结构的圆筒状波导可以允许光在曲面之间无像差地传播。这有利地与如下输入光学器件一起实现，该输入光学器件布置成接收来自图像源(特别是像素化图像源或具有光输出的图像源，该光输出至少在理论上可以被分解成像素)的光，并将光提供给圆筒状波导。来自图像源的同一像素的所有光线在每个入射点处以相对于入射表面法线的相同角度入射到圆筒状波导上。因此，来自图像源的中心像素的所有光线在圆筒状波导上的任意点处与圆筒表面正交地入射。来自非中心像素的光线在每个入射点处以相对于表面法线的相同角度入射。此外，来自图像源的同一像素的所有光线在每个入射点处以相对于与圆筒轴线(cylindrical axis)正交的平面的相同角度入射到圆筒状波导上。因此，所有光线的传播方向保持不变。
鉴于输入光学器件和波导结构，在圆筒状波导处所接收的光(通常耦入到圆筒状波导)在沿着圆筒状波导传播时保持其方向角。即，来自给定像素的所有光线，无论传播多远，都将以与在每条光线的入射点处光线和表面之间测量的角度相同的角度接近输出光栅。典型地，输入光学器件包括耦入(或注入)光学器件。
耦出光学器件可以布置成接收沿着圆筒状波导传播的光，并将该光作为图像呈现给对象(特别是用户的眼睛，即观察者)。在一些实施例中，图像源(例如，电子显示器)和/或图像源安装装置(图像源可以定位于其上)可以形成光学系统的一部分。
该光学系统可以用于实现光学显示设备(例如，头戴式显示器)。有益的是，图像源被配置成将光导向耦入光学器件。被配置成可由用户穿戴的安装结构(例如，形成耳机、面罩、光学眼镜的一部分)可用于定位光学系统，以至少使得耦出光学器件将光作为图像呈现给用户的眼睛。在优选实施例中，圆筒状波导与眼镜或安装结构的面罩部件集成、嵌入或固定在一起。
耦入光学器件的用于将所接收的光耦合到圆筒状波导中的特定面是衍射光栅。有利的是，使用具有恒定周期的线性衍射光栅。该周期是在沿着光栅表面的侧向(lateral)方向上测量的。耦入线性衍射光栅有益地应用于曲面。这种耦入线性衍射光栅的优选实现使用柔性全息材料。耦入线性衍射光栅可以附接到圆筒状波导的表面(并且优选地与表面吻合而没有空气间隙)。可以考虑不使用耦入光栅(或至少一个这种形式的光栅)的替代结构。例如，波导不需要完全是圆筒状的，如只有一部分波导是具有上述特性的圆筒状。光可以通过另一部分进入波导，因此该另一部分可以形成输入光学器件的一部分。
与用于平坦波导的传统准直光学器件不同，本公开中提出的输入光学器件在经典光学设计术语中不能确切地称为准直器，因为来自像素的光线不是平行的。更确切地说，优选的耦入(投影)光学器件包括这样的光学设备：该光学设备设置成(仅)在穿过(即，既不平行也不完全包括)圆筒轴线的平面(更优选地，垂直于圆筒轴线)内准直或塑形光线。例如，对于眼镜和头盔，圆筒轴线是竖向的，而该平面优选是水平的。这样，光线在该平面中以相同的角度入射到输入光栅上。波前整形(wavefront shaping)设备，例如柱面透镜(cylindrical lens)和/或柱面反射镜(cylindrical mirror)，可以用于这项任务。通常在光学设计最佳实践中，中心像素光线将有利地以正交于波导表面的角度入射，由于对称性，使得像差管理更容易。该平面中的其他像素将产生以其他角度入射到输入光栅上，但是将平行于来自同一像素的其他光线的光线。
然而，在与圆筒轴线正交的平面(例如水平平面)中，光可能不被准直，而是被整形为使得来自同一像素的光线相对于表面法线具有相同的入射角，其中对于每个不同的入射点单独考虑其相应法线。所有表面法线都指向圆筒轴线。
满足这个条件的最简单的波前形状是与波导的圆筒形状同心的圆筒状(柱面)波前。然后，来自中心像素的光线将从波导的圆筒轴线径向传播，并以正交入射接近该表面。该波前有利地通过将图像源(显示器)定位成使图像源的中心在波导轴线上来形成。然后，柱面透镜或柱面反射镜布置成仅在竖向平面中具有光学聚焦能力。
可选地，可以提供另外的或不同的输入光学器件，以便例如优化更多或所有像素的性能和/或最小化投影仪的体积。这可以包括利用在水平平面上聚焦的光学器件来拉近显示器。在使用凹面反射镜的情况下，图像源和/或耦入光学器件可以布置成使得光在被反射然后衍射之前从波导的与反射镜相反的一侧接近波导。
光可以沿平行于圆筒轴线(例如，竖向)的方向(由矢量限定)，或垂直于圆筒轴线(可以是水平的，特别是围绕波导的圆周)的方向(由矢量限定)，或由在平行于圆筒轴线和垂直于圆筒轴线之间的矢量限定的方向(典型的为对角线)传播通过圆筒状波导(例如，在耦入光学器件和耦出光学器件之间)。
耦出光学器件通常包括耦出衍射光栅。原则上，可以使用线性光栅。然而，波导的实际应用是观察者在圆筒内部。因此，在这种情况下，简单的线性光栅可能不适合提取光，因为它会将光聚焦在圆筒轴线处的水平平面中(产生竖向的光线)，而不是在观察者的前方较远的地方。相反，发散透镜特性可以在水平方向上准直光(在竖向方向上光已经被准直)。这可以通过在水平方向上给输出光栅添加负光功率(negative optical power)来实现。以此类推，光栅是棱镜功能和柱面负透镜功能的总和。有许多已知的如何记录这种光栅的示例。与输入光栅相比，这种光栅将不被称为“线性的”。通过在两个平面上添加更多的聚焦(focusing)，可以选择输出光栅以将数字图像放置在距观察者任意距离处。
在圆筒状波导嵌入已经校正了用户视力的头戴式结构(例如，处方眼镜)的情况下，也可以校正输入光栅和输出光栅以考虑这一点。主要因素是当光在波导内传播时保持光的上述状态，而不管光如何接近和离开整个堆叠的“夹层(sandwich)”。
在优选实施例中，图像源和/或图像源安装装置可以定位于圆筒状波导的内侧表面的一侧(更靠近圆筒轴线)，其中耦入光学器件位于图像源和圆筒状波导的内侧表面之间。作为选择，作为替代，图像源和/或图像源安装装置可以位于圆筒状波导的外侧表面的一侧(远离圆筒轴线的远端)。然后，反射镜(如上所述，其也可以作为充当输入波前整形设备)可以布置成接收来自图像源的光，并将所接收的光朝向圆筒状波导反射。在这样的实施例中，来自图像源的光可以在到达反射镜之前穿过圆筒状波导。
圆筒状波导中的一个中间光栅(或多于一个中间光栅)可以在耦出光学器件之前重新定向光、衍射光和/或将光分束。有利的是，一个或多个中间光栅中的每一个都可以是线性光栅，以保持传播光的角度特性(TIR状态，以及，来自同一像素的所有光线都以相对于表面法线的相同角度和相对于与圆筒轴线正交的平面的相同角度入射到圆筒状波导表面上)，从而允许二维光瞳在没有像差的情况下扩展。
可以使用多个圆筒状波导。然后，耦出光学器件可以为来自每个波导的光创建不同的焦点。
也可以考虑上文和本文其他地方描述的特征的各种组合。也可以考虑制造和/或操作光学系统或光学显示设备的方法。这些可以具有与本文讨论的那些相对应的结构特征。
附图说明
本公开可以以多种方式实施，现在将仅通过示例并参考附图来描述优选实施例，其中：
图1示出了包括平面波导的现有光学系统的示意图；
图2示意性地示出了用于本公开的圆筒状波导；
图3示意性地示出了用于本公开的图2的圆筒状波导的特性；
图4示出了根据本公开的第一实施例的光学系统的示意性俯视图，
图5a示出了根据图4的实施例的透视图；
图5b示出了图5a的实施例的俯视图；
图5c示出了图5a的实施例的侧视图；
图6示出了用于本公开实施例的圆筒状波导和简化的耦出光学器件的示意性俯视图；
图7示出了根据本公开的操作过程的示例流程图；以及
图8示出了根据本公开的第二实施例的光学系统的示意性俯视图。
在整个公开中，在不同的附图中使用相同的附图标记表示相同的特征。
具体实施方式
本公开中提出的新的方法有利地用于增强现实头戴式设备。该方法基于圆筒状波导，并将系统作为一个整体考虑。特别地，该方法可以包括使波导的曲率与输入光的波前相匹配。该系统的制造和校准也是简单和便宜的。此外，波导的圆筒形状更佳地适配于处方眼镜的形状内部，因为在球面之间装配圆筒状波导比装配平面波导板更容易。这可以将总厚度从约15mm减小到约5mm。还可以通过使用空气间隙或折射率变化将波导嵌入处方玻璃内(例如，参见US-2018/0348527A1，其详细说明通过引用并入本文)。
首先参照图2，示意性地示出了用于本公开的圆筒状波导。图示出了：图像源(对象显示器)110；和圆筒状波导120。圆筒状波导120具有两个同心表面，两个同心表面之间的厚度(t)恒定。图像源110位于圆筒状波导120的曲率中心100。图示出了曲率中心100和圆筒状波导120的内侧表面之间的距离(R1)；以及曲率中心100和圆筒状波导120的外侧表面之间的距离(R2)。显然，R2＝R1+t，并且不管这两个距离在圆筒状波导120上的何处测量，均是如此。换言之，这种圆筒状波导120具有公共的曲率中心，并且圆筒状波导120的内侧表面和外侧表面的半径由波导的厚度(t)分开。这种圆筒状波导120的简单同心形状使得大规模生产的制造成本更低，公差更容易控制。
接下来参照图3，其示意性地示出了用于本公开的图2的圆筒状波导的特性。还示出了：柱面透镜135；和衍射光栅140。来自图像源110的中心像素(位于圆筒状波导120的同心表面的曲率半径的中心)的光线由柱面透镜135在一个平面中通过聚焦而准直，这可以被称为波前整形。接受这种波前整形的光线然后被衍射光栅140以角度β耦合到圆筒状波导120中。入射光线在沿光栅表面的每一点都正交于输入光栅的表面。该角度β设定为使得法线和内部光线之间的角度小于波导的临界角，β通常小于48度，并且更优选地为至少30度且上至40度。除了中心像素之外的像素以稍微不同的角度(例如β+1)耦合到波导中，但是该角度在沿着光栅表面的每一点都是恒定的。
上面引用的由DeHoog等人撰写的论文(“Field of view of limitations insee-through HMD using geometric waveguides”)已经表明，如果(且仅当)圆筒状波导的两个表面是同心的，如图2和图3的圆筒状波导120所示，那么光线在内侧表面上反弹(bounce)一次后，在外侧表面上的入射角是相同的。因此，光线在沿波导传播时将保持其方向角，这与选择任何其他表面半径的情况不同。如图3所示，如果光线反弹离开外侧表面时角度为α，那么它将与内侧表面形成角度β，但随后在外侧表面的下一次反弹时形成角度α。换言之，每隔一次在波导表面上的反弹，波导内部的入射角是相同的。来自像素的从光栅的左侧、中间或右侧入射的光线在从外侧表面反弹后，将在整个波导中以相同的角度接近内侧表面。除了中心像素之外的像素将具有不同的α和β值，但上述关系仍然成立。这种特性允许光瞳复制。
已经认识到，通过使来自图像源上同一点的所有光线以相同的角度入射到这种圆筒状波导120上，能够实现高性能和紧凑的光学系统。耦入光学器件，例如柱面透镜135和衍射光栅140，可以被配置成满足这种需求。
尽管典型地讨论了中心光线角度，但是也存在由图像源对象110(例如，微型显示器)生成的向用户生成图像的视场的其他角度。这些其他光线角度以相同的方式通过圆筒状波导120传播。来自视场边缘(对象的边缘)的光线会有一些小的像差(图像质量的损失),但是这对于用户来说很大程度上是不明显的，并且可以通过光学设备(如本领域中众所周知的)来补偿。理想情况下，像差应该保持在1弧分以下，这是人类的视敏度。
这里应该理解的是，这些像差不会随着反弹次数而累积。例如，如果来自给定像素的光线以60.0+/-0.1度的角度范围衍射到波导中，那么在任何数量的反弹和光瞳复制之后，整个系统的角度分辨率将仍然保持+/-0.1度的分辨率，无论这些光线如何交换或混洗。这与随着传输而累积像差的波导形成对比。
在一般意义上并且根据一个方面，可以考虑一种光学系统，包括：具有输入光学器件的圆筒状波导。该圆筒状波导具有同心(凹入)的内侧表面和外侧表面，从而保持了通过圆筒状波导传播的光的角度。同心表面限定了共同的圆筒轴线(共同的中心线)。输入光学器件被布置成接收来自图像源的光，并使光进入圆筒状波导，使得源自图像源上同一点的所有光线在入射点处以相对于表面法线的相同角度入射到圆筒状波导的表面上。输入光学器件还被布置成使得源自图像源上同一点的所有光线在入射点处以相对于与圆筒体轴线正交的平面相同的角度入射到圆筒状波导上。这些特征的组合意味着进入圆筒状波导的光在沿着圆筒状波导传播时保持其方向角。
优选地，输入光学器件包括耦入光学器件，耦入光学器件被配置成将光耦合到圆筒状波导的表面(在优选实施例中，为内侧表面)中。有利的是，耦出光学器件被布置成接收沿着圆筒状波导传播的光，并将该光作为图像呈现给对象。可选地，光学系统可以包括图像源(显示器，例如微型显示器)和/或用于图像源的安装装置(图像源安装装置)。
可以考虑根据本公开的其他方面。例如，光学显示设备可以包括：如本文所述的光学系统，该光学系统包括：图像源，其被配置成将光导向耦入光学器件；以及安装结构，特别是被配置成可由用户穿戴的安装结构。安装结构可以将光学系统定位成使得耦出光学器件将光作为图像呈现给用户的眼睛。例如，安装结构可以包括眼镜框、面罩或头盔结构或其他可穿戴的安装结构。可选地，可以考虑包括这种光学显示设备的头戴式显示器。在这种情况下，安装结构可以包括眼镜或面罩部件。有利的是，圆筒状波导与眼镜或面罩部件集成、嵌入或固定在一起。
可以考虑另一个方面是制造和/或操作这种光学系统的方法。例如，制造光学系统的方法可以包括：提供具有同心的内侧表面和外侧表面的圆筒状波导；以及布置输入光学器件(例如，包括耦入光学器件)以接收来自图像源的光并使光进入圆筒状波导，使得源自图像源上的同一点的所有光线在入射点处以相对于表面法线的相同角度和相对于与圆筒轴线正交的平面的相同角度入射到圆筒状波导的表面上。该方法还可以包括配置耦出光学器件以接收沿着圆筒状波导传播的光，并将该光作为图像呈现给对象。类似地，操作光学系统的方法可以包括：将来自图像源的光引导到圆筒状波导的输入光学器件，使得源自图像源上的同一点的所有光线在入射点处以相对于表面法线的相同角度和相对于与圆筒轴线正交的平面的相同角度入射到圆筒状波导上。优选地，沿着圆筒状波导传播的光作为图像呈现给对象(通过耦出光学器件)。
下面将讨论进一步优选的、可选的和有利的特征，尤其适用于本文公开的所有方面。首先讨论一个具体实施例。
现在参照图4，其中示出了根据本公开第一实施例的光学系统的示意性俯视图。在该图中，页面平面(以及任何与之平行的平面)被认为是水平的，而从页面引出的垂直平面(以及任何与之平行的平面)被认为是竖向的。因此，圆筒状波导120可以被具象化为，例如，类似于位于平坦表面上的柱面面罩。该简化图中还示出了耦出衍射光栅150。图像源110被放置在离圆筒状波导120的距离等于波导的曲率半径的位置。如上所述，柱面透镜135在一个平面中对输入光进行准直(或塑形或增加能量(adds power))，特别是在竖向平面中增加能量。然后将其作为输入与线性衍射光栅140相匹配，当线性衍射光栅140应用于圆筒状波导120的曲面时，线性衍射光栅140沿着旋转对称的波导来传播图像承载光(即，可以围绕圆筒轴线旋转波导的图像，同时来自给定像素的光线将相对于波导表面保持相同角度)。这使得系统对于输出衍射光栅150的布置而言是恒定的，消除了精确对准的需要。输出衍射光栅150通过向相对平面(水平平面)中的光施加负聚焦能力(即发散)来进行补偿，以向用户(未示出)提供扩展的眼动范围(eyebox)，该眼动范围的输出设定在无穷远处。这允许光瞳复制来扩大输出眼动范围。
因此，这种设计在圆筒状波导120内产生波前，该波前可以沿着整个波导旋转对称地传播。从点光源110发射的球面波前在水平平面(如上所述，图4页面的平面)上符合波导120本身的曲率，并且通过柱面透镜135在竖向平面(如上所述，在从图4页面引出的方向上的平面)中增加了能量。这意味着经过两次反弹后，光线的角度映射回自身，并无限重复。因此，光瞳可以被复制(提取多次)以一维(水平)地扩展眼动范围。竖向眼动范围的尺寸由柱面透镜135的竖向尺寸设定。它还放宽了对准容差(因为耦出器相对于输入光瞳的位置不是关键的)、波导厚度的选择和中心光线引导角度。
接下来参照图5a，示出了根据图4的实施例的透视图。在图5b中，示出了图5a的实施例的俯视图，在图5c中，示出了图5a的实施例的侧视图。在一个平面中被准直的光101耦合到圆筒状波导120中，光线102通过波导120传播并被衍射光栅150耦出，以向用户眼睛160提供投影光103。
在该具体实施例中，图像源或对象110是微型显示器，并且其与圆筒状波导120相距的距离与波导的曲率半径相同。这是通过将图像源110物理地定位在这个距离或者通过光学设备(例如，透镜)将图像源110虚拟地布置在这个距离来实现的。该图像由柱面平凸透镜135在一个平面中准直到位于圆筒状波导120的凹形内侧表面上的耦入衍射光栅140上。柱面透镜135被定向成使得柱面透镜135的聚焦力(focusing power)在与圆筒状波导120相对的平面中。例如，如果弯曲的波导是水平取向的(取向像头盔面罩或放在桌子上)，它在水平平面上具有光功率，并且将来自曲率半径处的点光源的光反射到竖向线中。柱面透镜135然后被定向在相对的竖向平面中，并且在竖向平面中具有光功率，并且将来自曲率半径处的点光源的光聚焦到水平线中。
因此，图像承载光在进入波导之前仅在一个平面(水平平面)中被准直，并且圆筒状波导120的曲率使光在垂直(竖向)平面中一致。这允许进入波导的光的整个光瞳沿着波导传播，允许输出上的光瞳扩展。
柱面透镜135的焦距决定了对象的放大率，并且透镜135被设置在距离对象110一个焦距的距离处。如果柱面透镜135被放置在紧挨圆筒状波导120处，那么柱面透镜135将具有大约等于波导曲率半径的焦距。例如，面罩形波导的典型曲率半径为200mm，这意味着对象在200mm之外，柱面透镜的焦距为200mm。为了紧凑，从波导到对象的200mm距离可以通过用反射镜折叠光路或用透镜虚拟地光学设置物距来减小。
柱面透镜135的选择(直径和/或焦距)决定了竖向眼动范围的尺寸(由透镜的直径决定)，焦距决定了显示器110的放大率，并因而决定了图像的视场(FOV)(连同显示器的尺寸)。典型地，多元件透镜用于柱面透镜135(例如在照相机中使用的)，多元件透镜在整个FOV上提供良好的图像质量(在整个视场上的小光斑尺寸RMS)。这对于光瞳复制系统精确地重叠光瞳并提供高分辨率的图像来说是特别期望的。尽管单色解决方案是可能的，但是对于全彩色微型显示器，该透镜系统能够理想地消色差。弯曲波导120的FOV可以很大程度上由类似的因素确定，但是由于围绕用户的曲线的性质，与平面波导相比，FOV将被扩展。这在上面引用的DeHoog等人的论文(“Field of view of limitations in see-through HMDusing geometric waveguides”)中示出。
耦入衍射光栅140是线性光栅，其在光栅线之间具有相等的表面间距(节距)(或者等效地，在体全息光栅中具有相等的条纹间距)。光栅可以用光刻或干涉方法制作。所有光线在一个平面中被准直，在光栅表面的整个宽度上正交入射(与表面成90度)，然后在波导内以相同的角度衍射，这使得可以进行光瞳复制。
弯曲波导上的光栅通常意味着由于波导的弯曲，准直光不会在整个光栅宽度上正交入射。对此的通常解决方案包括改变光栅的节距以对此进行补偿，或者直接在曲面上记录全息图，或者在曲面上进行光刻，这是复杂且昂贵的。在根据本公开的优选实施例中，耦入光栅140被制造为平坦衬底上的平面线性光栅(如本领域中众所周知的，并且与可变光栅相比，制造起来相对便宜和简单)。光栅140可以制作在任何柔性全息材料上，例如制作在光敏聚合物(例如，由Covestro AG销售的Bayfol(RTM)，或卤化银薄膜)上，然后附着(层压)到波导的圆筒表面上，与圆筒表面相吻合。光栅140是折射率匹配的，优选地通过层压(或另一种折射率匹配的胶水或液体)，使得光栅吻合圆筒表面的形状，并且优选地，使得没有空气间隙。在平坦衬底上记录全息图，然后移除柔性全息材料并将柔性全息材料层压在平面或圆筒状衬底上(仅在一个维度上弯曲)，是简单且便宜的，而在曲面上记录或在球面上层压(在两个维度上弯曲)则更加困难。
也可以蚀刻倾斜的光栅(slanted grating)，并使用压花(embossing)或紫外线固化树脂技术。然后，可以将光栅转移到圆筒状波导上。
光栅节距被设计成以期望的内角来衍射微型显示器110的中心波长。因为光栅名义上被设计成以一个角度衍射正交入射光，所以光栅具有倾斜角，并且节距通常被指定为沿光栅的平面表面测量的光栅之间的间隔。对于输入耦合器(input coupler)，即线性光栅，节距保持不变。
对于平面波导，两个耦合器通常都是线性的并且是相同的。该系统就像潜望镜，将微型显示器的放大图像叠加在真实世界上呈现给观察者。该系统的总体设计意味着显示器的位置像素信息通过准直转换成角度信息，然后在人类视网膜上返回成位置信息。
传统上，对于平坦波导，输入和输出光栅是线性的、平行的并且具有相同的周期以消除色差。这对于使用宽带光源，例如发光二极管(LED)是很重要的。根据本公开的输出光栅沿着波导具有的可变的周期，并且不会在每个地方都消除色差。然而，中心处的输出光栅的周期可以被选择为与输入光栅的周期相同，以最小化这种色差。
作为替代，可以使用窄带光源，诸如激光光源、超发光发光二极管(SLED)或陷波滤波窄带(notch filtered narrow band)LED。窄带光源可以帮助使色差最小化。它们也可以限制输出图像的FOV，但薄全息体光栅可以用来减轻这种影响。例如，全息体光栅的典型厚度可以至少为3微米，最大为6微米。这可以提供大约20nm半峰全宽(FWHM)的典型光谱带宽和空气中的大约6度FWHM的角度带宽。
圆筒状波导可以形成已经校正用户视力的头戴式结构(例如，处方眼镜)的一部分。然后，耦入光栅140和耦出衍射光栅150也可以考虑这一点，而不影响光在波导内部的传播及其有效的耦出。
作为示例，当波导嵌入在传统的处方弯月形正透镜中时，外覆透镜(outercovering lens)可以具有凸球面和凹柱面。内衬透镜(inner liner lens)可以具有凸柱面和凹球面。因此，透视光学特性将由最外侧的凸表面和最内侧的凹表面来限定，这些表面将根据穿戴者的处方来选择。经由圆筒状波导提供的数字图像的焦点将独立地由最内侧的表面以及输出光栅光学特性(光功率)来限定。本领域的技术人员将同样在透视和数字图像中结合散光，以适应眼镜商的处方。
输出光栅可被选择为，通过在两个平面上增加更多的聚焦将数字图像放置在离观察者任意距离处。在竖向平面中，耦入到波导的光被准直，但是来自耦出光栅的光输出不需要被准直。为了允许多光瞳提取，可以在耦出光栅150的第一部分仅提取部分光。为了平衡跨越耦合光栅150提取的光的均匀性，耦出光栅150的远端(比照耦入光栅140)优选地具有比近(接收)端更高的效率。输出光栅的衍射效率有利地选择为在输出光栅150的接收端足够低，以允许有足够的光瞳复制(例如，5-25％)，但是在远端足够高，以获得令人满意的亮度(例如，20-100％)。
回到上面讨论的方面的一般意义，可以理解的是，耦入光学器件可以包括耦入线性衍射光栅，该光栅被布置成将所接收的光耦合到圆筒状波导中。这有利地具有恒定的周期。耦入线性衍射光栅有益地应用于曲面，特别是与之折射率匹配的曲面(没有空气间隙)。
在另一个一般意义上，根据另一方面，可以考虑一种光学系统，包括：圆筒状波导，具有同心的内侧表面和外侧表面；以及耦入线性衍射光栅，该耦入线性衍射光栅应用于曲面并被布置成将所接收的光耦合到圆筒状波导中。可选地，该光学系统可以进一步包括耦出线性衍射光栅，该光栅被布置成接收沿着圆筒状波导传播的光并将该光作为图像呈现给对象。在一个优选实施例中，波前整形设备可以被配置成将所接收的光在单个平面中准直或塑形(conform)，并将准直的光导向耦入线性衍射光栅。例如如下所述，可以进一步考虑制造和/或操作这种光学系统的方法。以下进一步的特征可以应用于本文公开的任何方面。
在又一方面，可以考虑一种制造弯曲线性衍射光栅的方法。该方法包括：在平面表面上形成线性衍射光栅；以及将线性衍射光栅附接到(圆筒状)衬底的曲面上，使得线性衍射光栅与曲面相吻合。类似于本文考虑的其他方面，下文(以及本文其他地方)讨论的附加特征可以类似地应用于该方面。
现在讨论适用于所有方面的附加特征。例如，耦入线性衍射光栅可以由柔性全息材料制成。可选地，耦入线性衍射光栅附接到(和/或吻合于)圆筒状波导的内侧表面。在优选实施例中，耦入线性衍射光栅具有直光栅。耦入线性衍射光栅的光栅厚度和角度带宽可以被配置成在耦入线性衍射光栅的宽度上(基本上)均匀的可见范围颜色透射。
优选地，输入光学器件包括波前整形设备(可以认为是准直器的一种形式)，波前整形设备被配置成将所接收的光准直在仅单个平面中或将所接收的光塑形。更优选地，(输入)波前整形设备被配置成使得单个平面穿过圆筒状波导的圆筒轴线。例如，波前整形设备可以是柱面形状的。在优选实施例中，波前整形设备包括平凸透镜和/或多元件透镜。有益的是，波前整形设备的取向相对于圆筒状波导的取向是正交的。
下文中将再次讨论其他的一般特征。现在描述根据本公开的附加具体示例。
参照图6，其示出了圆筒状波导120的示意性俯视图和包括耦出衍射光栅150的耦出光学器件的简化图。与图4一样，该图中的页面平面(以及任何与之平行的平面)被认为是水平的，而从页面引出的垂直平面(以及任何与之平行的平面)被认为是竖向的。因此，圆筒状波导120可以被具象化为，例如，类似于位于平坦表面上的柱面面罩。在该简化图中还示出了柱面负透镜155，这将在下面进一步讨论。从耦出衍射光栅150输出的光线151在竖向平面中被准直，并在水平平面中聚焦，如线152所示。从柱面负透镜155输出的光线156在水平平面和竖向平面两者中被准直，并且具有无限焦距。这是简化图，因为柱面负透镜155实际上光学集成在耦出衍射光栅150内。因此，光功率包含在耦出器内的全息图中，以补偿和实现输出处水平和竖向两个平面中的准直。因此，耦出衍射光栅150起到柱面透镜的作用，以补偿由耦入光学器件引入的圆柱曲率，并且如下所述，以这种方式，基本上在无穷远处准直图像。
由于在耦入光学器件处的不对称准直，耦出光学器件对水平(近)输出图像平面和竖向(远或无限远)输出图像平面的不同焦点位置，以在两个平面中提供聚焦在无穷远处的图像，从而向观察者提供高质量的图像。通过将光学光功率编码到输出光栅中来实现该补偿。这种方法在本领域中是已知的，但不是为了这个目的。如图6所示，这等同于在平面输出光栅和用户之间放置一个负光功率等于波导曲率半径的发散柱面透镜155(平凹柱面透镜；如果波导的曲率半径是200mm，那么该透镜的焦距将是-200mm)。透镜155垂直于输入柱面透镜135取向。如果输入透镜135在竖向平面中聚焦(或具有光功率)，则输出补偿透镜/光栅将在水平平面中聚焦(或具有光功率)，以产生球面准直输出。如上所述，耦出光栅150的中心具有与输入光栅相同的表面节距(也称为侧向节距或面内节距)，以允许色散补偿。
该图像在无限远处呈现给用户160。这通常是期望的使用情况，因为这意味着当用户聚焦于现实世界中的远处对象时，虚拟图像将出现在焦点上，这在例如战斗机飞行员或摩托车骑手使用面罩时是典型的。使用具有光瞳扩展的平面波导的消费者电子设备也具有无限远的图像。
输出光栅可以具有变化的衍射光栅效率，或者相对低的输出效率(例如，10％)。这可以在全息耦出器的记录期间实现。虽然希望的是输入光栅140具有最大的衍射效率(意味着入射到其上的大部分光耦入到波导中)，但是输出光栅150可以具有低的或可变的效率，允许光瞳扩展。一小部分光在与输出光栅150的第一次相互作用中耦出，而大部分光继续沿波导向下游反弹，并且一部分光在第二次相互作用中输出，依此类推。这允许在水平平面上有扩大的眼动范围。
如本领域中已知的，全息波导光栅(线性耦出器或动力耦出器)可以通过将全息材料暴露于两个相干光束来制造，其中波导光束通过棱镜耦合到全息材料中。可以使用三种不同波长(例如，红、绿和蓝，RGB)的激光器将三个光栅复用到单个全息层中，以允许观察者从RGB微型显示器看到大致白色的图像。作为替代，可以堆叠三个单独的层，每种颜色一层。
通过将多个光栅复用到单个全息层中，可以增加提供给用户的FOV，在该FOV上可以看到均匀明亮、色彩均匀的图像。这可以通过改变记录角度来实现。作为替代，可以堆叠多个角度复用层。
输入和输出光栅可以是反射全息图、透射全息图或它们的任意组合。这将从上述理论中理解，因为期望的效果仅基于光栅节距的侧向分量。可以方便地选择横向(横截面)节距或周期，以适应反射或透射光栅的几何形状。还可以理解，上述线性光栅意味着在侧向(lateral direction)上是线性的，但是可以具有可变的横向(transverse)特性。
输出光的准直特性意味着可以实现大的眼睛间隙(eye relief，即，眼睛可以在输出表面后面最佳地看到图像的距离)。这通常是期望的，特别是对于具有头盔面罩而不是眼镜的应用。眼睛间隙越大，FOV通常越小。
真实世界的景象在很大程度上不被波导的弯曲所改变。眼镜的正常曲率半径为250mm，面罩的正常曲率半径为150-200mm。任何大于100mm的曲率(此处就是这种情况)对真实世界的扭曲都不会被用户注意到。除非通过附加的重叠透镜(或多个透镜)进行补偿，否则将只有非常小的散光效应。
回到本公开的一般意义上，耦出光学器件可以被认为包括耦出衍射光栅。特别地，耦出衍射光栅可以被配置成充当柱面透镜(例如，仅在一个维度上聚焦)。附加地或作为替代，耦出线性衍射光栅可以具有弯曲光栅。在优选实施例中，耦出线性衍射光栅可以：具有内部光栅角，该内部光栅角被布置成将所接收的光在平面中准直或者在预定距离处将所接收的光在切线平面和弧矢平面中聚焦，和/或在耦出衍射光栅的最接近从输入光学器件接收的光的端部处的输出或衍射效率不超过25％(可选地，20％、15％或10％)。
该耦出光学器件可以包括输出波前整形设备，该输出波前整形设备被配置成将所接收的光在与输入波前整形设备的单个平面正交的单个平面中准直。附加地或作为替代，耦出光学器件可以包括柱面负透镜。优选地，这些方面集成在耦出衍射光栅中。
耦出线性衍射光栅可以具有与耦入线性衍射光栅相同的表面节距。在一些实施例中，耦出线性衍射可以具有与耦入线性衍射光栅的内部光栅角相反取向的内部光栅角。这尤其用于来自图像源的光和到达观察者的光(或耦入光学器件和耦出光学器件)彼此在同一侧的情况。这可以称为“U”光栅。作为替代，耦入光栅和耦出光栅的角度不是相反取向的，至少一些光将在耦入光的相对侧被耦出(换言之，观察者相对于耦入光将在另一侧)。这可以称为“Z”光栅。
从另一个角度来看，也可以根据对称性来解释根据本公开的方案。这些方案使用圆筒状波导和柱面对称的波前，两者都围绕它们的共同轴线旋转对称。
考虑显示器或其他图像生成设备上的像素。可以将来自该像素的光波前整形为柱面状。记录在平坦衬底上并层压到圆筒状波导上的线性衍射光栅将沿着表面具有恒定的周期。然后，每条光线都将被偏转相同的角度，导致光场围绕旋转轴线对称。如上所述，在圆筒表面之间发射的光线将在任意数量的反射下保持两个表面上的两个入射角。这意味着，在每两次反射后，波将与自身完全重合。因此不会产生重影。这样的光场可以传播任何距离，而没有任何光线变得与其他光线不同。
此外，还实现了输出光栅处的光瞳复制。光的部分耦出发生在与耦出光学器件的初始相互作用中，剩下的光在下一次相互作用中传播和耦输。在这种情况下，不同的相互作用完美匹配，不会造成鬼影。当所有光线到达耦出光栅时，无论光栅的位置或任何一条光线的位置如何，光栅都可以将光线衍射出波导，因为它们都将相似地到达。
使用与耦入光栅具有相同周期的线性耦出光栅将光线再次衍射成新的柱面状波前。众所周知，衍射光学元件可以以累积的方式组合几种功能。像柱面透镜一样，耦出光栅也具有一维聚焦能力。这将把经衍射的光转换成准直光。接收到这种光线的观察者将会在无穷远处看到一个类似星星的点。
对于其他像素，也可以适用上述解释。如上所述，来自这些其他像素的波前不必是精确的柱面状。这是因为来自非中心像素的光线以与“完美”法线(垂直)角度稍有不同的角度入射到耦入光学器件上。然而，通过在它们各自的交点处均以相对于表面法线基本相同的角度撞击耦入器，所产生的光线将形成围绕圆筒轴线旋转对称的光线场，并且以难以分辨的方式传播。
使用现代光学设计，可以设计形成这种具有小误差的光场的投影仪，理想的误差为1弧分(人的视敏度)。
参照图7，其示出了根据本公开的实施例的操作过程的示例流程图。在显示步骤210中，在图像源110(例如，微型显示器)上显示动态图像。在第一准直步骤220中，由在竖向平面中具有光功率的柱面透镜135(或者等效地，如下面将讨论的柱面反射镜)将图像承载光在竖向平面中准直。在第一入射步骤230中，图像承载光(对于单个光瞳)正交于圆筒状波导120的表面(通常是内侧表面)入射到圆筒状波导120上。在耦入步骤240中，图像承载光经由线性衍射光栅140以恒定角度(对于来自同一像素的所有光线)耦入。由于圆筒状波导120具有同心的内侧表面和外侧表面，在传播步骤250中，耦入光在同心表面之间旋转对称地传播。在初始耦出步骤260中，在与耦出衍射光栅150的初始相互作用中，提取图像承载光的第一部分。然后，在进一步的耦出步骤270中，与耦出衍射光栅150的后续相互作用(反弹)导致对传播的光的进一步提取，从而提供光瞳复制。第二准直步骤280中，耦出衍射光栅150的光学效应在水平平面中添加负柱面光功率(negative cylindrical power)。最后，在输出步骤290中，使用户的眼睛160看到叠加在真实世界上的无限远处的球面准直图像。
虽然已经描述了具体的实施例，但是本领域技术人员将意识到可以进行各种变型和替换。具体地，耦入和耦出光学器件可以与上述特定设计显著不同。
如上所示，可以将光源放置在最靠近圆筒状波导的内侧表面处，并且可以使用柱面透镜来准直光。不是必须使用柱面透镜。例如，可以使用柱面反射镜作为替代，并且柱面反射镜将潜在地具有所有相同的特性和益处。同样可以将光源放置在外侧表面和用于使光准直的柱面反射镜之后，例如在光穿过波导之后。
许多设计可以用于优化所有像素的性能，并使投影仪的体积最小化。这包括利用在竖向平面中聚焦的光学器件来拉近显示器。例如，凹面镜可以用于在被反射然后衍射之前，从与该凹面镜相反的一侧接近波导的光。这类似于经典光学器件中无焦系统的像差管理。然而，这些像差的处理在本公开中被重新表述为柱坐标系统。
参照图8，示出了根据第二实施例的光学系统的示意性俯视图。在该实施例中，柱面透镜135由柱面反射镜136代替。使用这种柱面反射镜，图像源110不必位于更靠近圆筒状波导120的内侧表面。为简单起见，未示出输入衍射光栅140，但是它存在于与所描述的其他实施例相同的位置处。在所示的实施例中，图像源110比圆筒状波导120的内侧表面更靠近圆筒状波导120的外侧表面。从图像源110到输入衍射光栅的光程长度保持与圆筒状波导120的曲率半径相同。例如，200mm的面罩形波导的典型曲率半径将意味着对象在200mm之外，并且柱面反射镜具有400mm的曲率半径。然而，图像源110和输入衍射光栅之间的距离与该半径不同。再次可以看出，入射光线正交于输入光栅的表面。柱面反射镜136产生的波前与柱面透镜135产生的波前基本相同，因此具有类似的特性。对于本文公开的其他实施例，所有其他变型和选项可以应用于根据本实施例的实施方案。
圆筒状波导的取向可以改变。上述实施例将圆筒状波导的圆筒轴线竖向取向(因此圆筒状波导在水平方向延伸)，因为这是对准面罩的正常方式。然而，这不是必须的。可以考虑其他方向。附加地或作为替代，光可以通过不同的表面(例如在波导的不同侧)进入和离开圆筒状波导。可以相应地定位耦入光栅和耦出光栅来实现这一点。在一些实施例中，可以设置多于一个的耦入光栅和/或耦出光栅。
耦入光栅和耦出光栅每个都可以是反射型光栅或透射型光栅，并且可以放置在波导的内侧表面或外侧表面上(或者波导的另一个表面上)。本领域技术人员将理解这里所示实施例的这些变化。
线性输入光栅可以具有任何取向角度。光不需要在圆筒体圆周方向上重新定向(垂直于圆筒轴线，在上述实施例中是水平的)。光可以沿着圆筒轴线(竖向)定向。作为替代，光可以指向45度或任何其他对角线方向。这允许设计自由度，例如将投影模块方便地定位在眼镜腿(眼镜)处。这对于实现用于2D光瞳扩展的中间光栅也是有意义的。中间线性光栅可以将光重新定向和/或分束，同时对于来自同一像素的光线，保持每个重新定向的光线的相应角度相同。
该系统允许使用激光或LED灯，这允许灵活性。通常，使用LED光，例如LCOS(硅上液晶)加上LED或microLED微型显示器，但是如果期望高效率并因此期望高亮度，也可以使用激光。也可以使用激光束镜扫描系统(MEMS，微光电机械系统)。激光在成本、斑点(分辨率损失)和眼睛安全方面存在一些缺点。
如果折射元件(例如，棱镜)与衍射式的耦入器或耦出器一起用作耦入器或耦出器，那么未补偿的色散可能使得只能使用窄带光源(例如，激光器)。此外，折射式耦合器往往体积大且昂贵。
通过向波导输出添加球面光功率，可以在不同的焦距处设置虚拟图像。也可以在波导前后增加一对额外的透镜(第二个透镜，以补偿第一个透镜对真实世界的影响)，将焦距设置得更近。另一种可能性是添加电可寻址可切换(基于液晶的)全息输出光栅，该光栅可以被打开或关闭以便为图像提供不同的焦平面。附加地或作为替代，输入光栅可以以相同的方式切换，以提供更大的FOV，这可以通过角度复用光栅来实现。该切换可以与时分复用微型显示器同步。
可选地，可以通过使用多个(堆叠的)圆筒状波导来实现多个焦平面。光将如上所述传播，但是在光栅产生不同焦点的情况下出射。这种方法在“Optical architecturesfor augmented,virtual and mixed reality headsets”(2020),B.C.Kress,SPIE press中有详细描述。
进一步向圆筒状波导的输出添加轴对称光功率(类似普通球面透镜的光功率)，将导致在有限距离(比如1m)处看到该点。
圆筒状波导可以形成更大(整体)波导结构的一部分，其中可以仅一部分是圆筒状的。可以考虑不需要耦入光学器件的实施例。例如，光可以由波导的非圆筒状部分处(例如，由于嵌入的图像源)进入波导或光可以源自该处，并且波前整形可以在该部分中进行。因此，波导的这部分可以形成输入光学器件的一部分。
竖向眼动范围也可以通过竖向移位的多个输入投影仪来扩展。用于在平面波导中扩展竖向眼动范围的典型方法使用“转向(turn)”光栅，该“转向”光栅竖向传播光瞳以产生2D出射光瞳扩展。有多种竖向扩展眼动范围的方法，包括诸如在Vuzix Corporation或DigiLens Inc.的产品中实现的输入、转向和输出光栅。一种可选择的方法是使用“蝴蝶”转向光栅，该光栅扩展眼动范围，并且还通过在输入处将FOV分成两部分并在输出处重新组合来扩展FOV(如微软公司销售的HoloLens(RTM)所使用的，并且在上文引用的B.C.Kress的书中描述)。另一种选择是使用互易多路复用光栅，该光栅波导一部分光，并通过扩展的眼动范围耦出一部分光(如WaveOptics，Ltd.的产品中所使用的)。
所有这些现有的技术都受益于使用由线性光栅和平坦波导传送的准直光。根据使用圆筒状波导的本公开，通过中间线性光栅分束光和复制光瞳的这些技术可以在光耦入圆筒状波导之后实现。然后，光最终可以通过具有负柱面聚焦功能的光栅耦出。
根据本公开的实施例的旋转对称结构允许输入光栅和输出光栅放置在同心圆筒状波导上的任何地方。例如，与上面讨论的典型的平面水平配置一样，取向可以是竖向的或者与波导成一定角度(例如，在面罩实现中)。这允许在最终设计中灵活放置投影仪和眼动范围位置。它还允许前面段落中讨论的光瞳复制和竖向眼动范围扩展方法。
眼睛跟踪是一种现有的技术，可以为AR设备添加额外的功能。这通常通过照射眼睛的红外(IR)光源和检测反射光并确定眼睛凝视方向的照相机来实现。在空间有限的区域(例如面罩或眼镜)中，这可能是不可行的。向波导添加紧凑的眼睛跟踪功能可以通过如上所述的输入和输出光栅来实现，但是输入和输出光栅衍射红外光(例如850nm)。光栅可以简单地将IR光引导到眼睛上，或者从眼睛反射的IR光可以通过TIR从眼动范围位置处的光栅耦合到输出光栅，从而耦合到照相机。
进一步参考上面讨论的公开内容的一般意义。例如，在优选实施例中，圆筒状波导的曲率半径至少为100mm。
在实施例中，波前整形设备可以包括凹面(柱面)镜。可选地，图像源和/或图像源安装装置可以比圆筒状波导的内侧表面更靠近圆筒状波导的外侧表面。然后，可以布置反射镜(其优选为波前整形设备)来接收来自图像源的光，并将所接收的光朝向圆筒状波导反射。在一些实施例中，反射镜和图像源和/或图像源安装装置被配置成使得来自图像源的光在到达反射镜之前穿过圆筒状波导。在一些实施例中，接近圆筒状波导的输入光学器件(例如，耦入光栅)和接近圆筒状波导的耦出光学器件(例如，耦出光栅)的相应部分位于圆筒状波导的相对侧。
在一些实施例中，输入光学器件还包括一个或多个球面透镜。附加地或作为替代，耦出光学器件还包括一个或多个球面透镜。球面透镜可以用于改变光的光程长度和/或改变光的聚焦。在实施例中，输入光学器件还可以包括与圆筒状波导集成的波导部分。有利的是，形成输入光学器件的至少一部分的波导部分是非圆筒(柱)形的和/或不具有同心表面。在一些实施例中，可以只有部分波导形状是圆筒状的。
在一些实施例中，可以在圆筒状波导中设置一个或多个中间光栅。一个或多个中间光栅中的一个、一些或全部可以是线性的。一个或多个中间光栅可以被布置成在耦出光学器件之前将光重新定向、衍射和/或分束。然而，来自同一像素的光线的相对角度有利地保持相同。中间光学线性光栅有利地保持了传播光的角度特性(TIR状况，并且来自同一像素的所有光线以相对于表面法线的相同角度和相对于与圆筒轴线正交的平面的相同角度入射到圆筒状波导表面上)，从而允许没有像差的二维光瞳扩展。
耦出光学器件可以包括具有以下一个或多个特征的耦出衍射光栅：布置成折射所接收的光的内部光栅角；沿着耦出衍射光栅长度的可变衍射效率；以及可切换衍射光栅结构(switchablediffraction grating configuration，例如，允许输出光的调制)。可选地，耦入衍射光栅可以具有可切换衍射光栅结构。
可以设置多个圆筒状波导。例如，可以设置具有同心的内侧表面和外侧表面的第二圆筒状波导。第一和第二(或多个)圆筒状波导可以堆叠。多个圆筒状波导中的一些或全部可以具有共同的圆筒轴线。在所有这些情况下，输入光学器件可以布置成使一些所接收的光进入多个圆筒状波导中的每一个，使得对于每个圆筒状波导，源自图像源的同一像素的所有光线在每个入射点处以相对于表面法线的相同角度和相对于与相应圆筒轴线正交的平面的相同角度入射在相应圆筒状波导的表面上，耦入光由此在沿着相应圆筒状波导传播时保持其方向角。有益的是，耦出光学器件可以布置成将沿着每个圆筒状波导传播的光聚焦在不同的焦点处。例如，耦出光学器件可以布置成将沿着第一圆筒状波导传播的光聚焦在第一焦点处，并将沿着第二圆筒状波导传播的光聚焦在与第一焦点不同的第二焦点处。可以考虑具有多个图像源的实施例，这些图像源有利地彼此竖向移位。
本文公开的所有特征可以以任何组合方式进行组合(除了其中至少一些这样的特征和/或步骤相互排斥的组合之外)。特别地，本发明的优选特征适用于本发明的所有方面，并且可以以任何组合方式使用。同样，在非必要组合中描述的特征可以单独使用(不组合使用)。

Claims (13)

1.一种光学系统，包括：
圆筒状波导，所述圆筒状波导具有第一主表面和第二主表面，所述第一主表面和所述第二主表面同心相对、和限定共同圆筒轴线；
输入光学器件，所述输入光学器件包括准直输入反射镜和耦入衍射光栅；以及
图像源；
其中，所述输入反射镜被布置成靠近所述波导的第一表面，并且所述图像源被布置成靠近所述波导的第二表面，使得来自所述图像源的光穿过所述波导，被所述反射镜反射，通过所述耦入衍射光栅耦合到所述波导中，并且围绕所述圆筒状波导传播。
2.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述输入光学器件被布置成接收来自所述图像源的光，将来自所述图像源的光反射并衍射到所述波导中，使得得源自所述图像源的同一像素的所有光线在每个入射点处以相对于表面法线的相同角度和相对于与所述圆筒轴线正交的平面的相同角度入射在所述圆筒状波导的表面上，从而耦入光在沿着所述圆筒状波导传播时保持其方向角。
3.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述耦入衍射光栅是线性衍射光栅，所述线性衍射光栅具有恒定的周期，并被布置成将光衍射耦合到所述波导中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述耦入衍射光栅由柔性全息材料制成。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其中，所述柔性全息材料是一种光聚合物。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述输入反射镜是凹面镜。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述输入反射镜是柱面凹面镜。
8.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述输入反射镜是球面凹面镜。
9.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述输入反射镜仅在所述竖向平面上具有聚焦能力。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，其中，所述输入光学器件被配置成，相对于与所述圆筒轴线正交的平面的角度，将源自所述图像源的同一像素的入射在所述圆筒状波导表面上的所有光线设置成使得所述光线沿平行于所述圆筒轴线的方向或垂直于所述圆筒轴线的方向或由平行于所述圆筒轴线和垂直于所述圆筒轴线之间的矢量限定的方向传播通过所述圆筒状波导。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光学系统，还包括所述图像源和/或图像源安装装置，所述图像源和/或所述图像源安装装置限定了所述图像源的中心像素的位置，并且其中所述图像源的所述中心像素的位置和所述圆筒状波导之间的光程长度与所述圆筒状波导的曲率半径基本相同。
12.一种光学显示设备，包括根据前述权利要求中任一项所述的光学系统。
13.一种头戴式显示器，包括根据权利要求12所述的光学显示设备。
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