CN117795248A - 具有提高容量的光波导结构布置 - Google Patents

具有提高容量的光波导结构布置 Download PDF

Info

Publication number
CN117795248A
CN117795248A CN202280040412.0A CN202280040412A CN117795248A CN 117795248 A CN117795248 A CN 117795248A CN 202280040412 A CN202280040412 A CN 202280040412A CN 117795248 A CN117795248 A CN 117795248A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical signal
variant
optical waveguide
polarization
waveguide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202280040412.0A
Other languages
English (en)
Inventor
卡西米尔·布卢姆斯泰特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dispelix Oy
Original Assignee
Dispelix Oy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dispelix Oy filed Critical Dispelix Oy
Publication of CN117795248A publication Critical patent/CN117795248A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0015—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/0016—Grooves, prisms, gratings, scattering particles or rough surfaces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4261—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element with major polarization dependent properties
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1809—Diffraction gratings with pitch less than or comparable to the wavelength
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1866—Transmission gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
    • G02B5/1871—Transmissive phase gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/105—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type having optical polarisation effects
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/34—Optical coupling means utilising prism or grating

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

根据本发明的示例方面，提供了一种光波导结构布置，包括内耦合结构(103)和光波导(110)，该内耦合结构被设置为将具有可见光谱中的光谱特性的入射光信号衍射成入射光信号的带有第一偏振的第一变体和入射光信号的带有第二偏振的第二变体，其中第一偏振相对于第二偏振至少部分地正交，并且内耦合结构(103)还被设置为将入射光信号的第一变体和第二变体衍射耦合至光波导(110)中；该光波导被设置为将入射光信号的带有第一偏振的第一变体和入射光信号的带有第二偏振的第二变体向眼睛(120)传递，以生成基于波导的显示。

Description

具有提高容量的光波导结构布置
技术领域
本发明的实施方案涉及光波导结构布置。
背景技术
光波导能够传递光学频率的光。所谓光学或可见频率，是指波长在约400至700纳米范围内的光。光波导已经被用于显示器中，其中来自光场的光可以使用一个或多个波导传递到合适的位置以释放给用户的一只眼睛或两只眼睛。
头戴式显示器(HMD)和平视显示器(HUD)可以使用光波导技术来实现，例如，用于增强现实或虚拟现实类型的应用。在增强现实中，用户看到真实世界的视图并将补充指示叠加在其上。在虚拟现实中，用户被剥夺了其对真实世界的视图，而被提供了对软件定义场景的视图。
通常，需要提供与光波导技术相关的改进。更具体地说，提高光波导结构布置的容量是有用的。
发明内容
根据一些方面，提供了独立权利要求的主题。在从属权利要求中定义了一些实施方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种光波导结构布置，包括内耦合结构和光波导，该内耦合结构被设置为将具有可见光谱中的光谱特性的入射光信号衍射成入射光信号的带有第一偏振的第一变体和入射光信号的带有第二偏振的第二变体，其中第一偏振相对于第二偏振至少部分地正交，并且内耦合结构还被设置为将入射光信号的第一变体和第二变体衍射耦合至光波导；该光波导被设置为将入射光信号的带有第一偏振的第一变体和入射光信号的带有第二偏振的第二变体向眼睛传递，以生成基于波导的显示。
第一方面的示例实施方案可以包括来自以下项目符号列表的至少一个特征或者以下特征的任何组合：
当入射光信号的第一变体和第二变体从内耦合区域向外耦合区域传播时，入射光信号的第一变体的相对强度变化与入射光信号的第二变体的相对强度变化相同或基本相同；
光波导结构布置还包括外耦合结构，该外耦合结构被设置为补偿入射光信号的第一变体和第二变体的偏振态的旋转，当入射光信号的第一变体和第二变体在光波导中传递时，发生旋转；
光谱特性为可见光谱中的明显谱峰，如在某一波长处的谱峰；
入射光信号的第一变体和第二变体具有可见光谱中的光谱特性；
当在光波导中传递时，入射光信号的第一变体和第二变体至少部分地在空间上和在其波矢和波长方面重叠；
内耦合结构被设置为将入射光信号的第一变体引导至波矢环中的第一位置并将入射光信号的第二变体引导至波矢环中的第二位置；
波导由玻璃、塑料或任意其他合适的波导材料制成，该波导材料具有至少1.4的折射率，如至少1.7，优选地该波导材料的折射率至少为2.0；
当入射光信号的第一变体和第二变体在光波导中传递时，入射光信号的第一变体的相对强度变化与入射光信号的第二变体的相对强度变化相同；
光波导结构布置包括外耦合结构，该外耦合结构被设置为从入射光信号的第一变体和第二变体产生用于观察者的组合图像；
第一偏振和第二偏振部分地相互正交，优选地二者完全正交；
光波导结构布置还包括至少一个处理器，该处理器被配置为在入射光信号所表示的图像上产生具有已知偏振分布的入射光信号。
根据本发明的第二方面，提供了一种光学产品，包括光波导结构布置和适用于将入射光信号指向内耦合结构的光源。
根据本发明的第三方面，提供了一种个人显示设备，如头戴式显示器或平视显示器，包括光波导结构布置和/或光学产品。
附图说明
图1示出了根据本发明的至少一些实施方案的示例系统；
图2示出了根据本发明的至少一些实施方案的(kx,ky)平面中的第一示例性波矢图；
图3示出了根据本发明的至少一些实施方案的(kx,ky)平面中的第二示例性波矢图。
具体实施方式
本发明的实施方案涉及光波导结构布置。光波导结构布置可以包括光波导和将图像耦合至光波导中的内耦合结构，例如被设置为衍射地内耦合光信号的内耦合光栅。内耦合结构可以被进一步设置为将与图像有关的光信号分成第一光信号和第二光信号。第一光信号和第二光信号可以分别具有第一偏振和第二偏振。不同的偏振(如竖直和水平偏振或顺时针和逆时针偏振)的使用能够分化第一光信号和第二光信号，即使所述光信号会具有相同的或大致相同的可见光谱中的光谱特性(如波长)、具有相同的或大致相同的传播角度并占据波导外耦合区域中的相同的或大致相同的空间位置。因此，波导容量可以加倍，因为例如两个红光信号可以经由波导内部的相同或几乎相同的路径传递，从而使得可能传递具有波导几何形状的图像的两个部分，该波导几何形状在传统设计中仅具有一个部分的容量，只要独立的偏振态用于传递部分图像即可。
图1示出了根据本发明的至少一些实施方案的示例系统。系统可以包括一组光源140。例如，光源140可以包括激光或发光二极管(LED)光源，其中激光源具有的优势是它们比LED更严格地是单色的。光源140与其他光学部件(例如MEMS反射镜130)一起形成光学系统，该光学系统可以被构造成在角空间中生成光场。图像在光场中编码。光场在图1中被示意性地示为场100。在一些实施方案中，物理主显示器可以显示光场100的图像，而在其他实施方案中，系统可以不包括物理主显示器，并且图像仅在分布于角空间中的光场中编码。来自光场100的光信号104可以直接或通过使用包括例如反射镜和/或透镜的光导102传递到光波导110以生成基于波导的显示。光导102是可选的，因为根据特定实施方案的具体情况，它们可以不存在。换句话说，并非在所有实施方案中都存在光导102。
来自光源140的光信号104可以指向内耦合结构103，如部分反射镜、表面浮凸光栅或其他衍射结构。例如，内耦合结构103可以包括一个或多个内耦合光栅和/或棱镜。内耦合结构103可以被设置为将光线104引导至光波导110中。也就是说，内耦合结构103可以将图像衍射耦合至光波导110。如图1所示，在一些实施方案中，例如，内耦合结构103可以在光波导110的表面上或靠近该表面。然而，在一些实施方案中，光波导110可以包括内耦合结构103。
但是在一些实施方案中，内耦合元件可以不存在，并且在这种情况下，例如可以通过直接照射光波导110的侧表面来使光信号104进入光波导110。
在波导110中，光信号104可以通过在波导内部被重复反射、与元件112a相互作用直到它与元件112相互作用而从波导110偏转到空气，而朝向眼睛120前进，作为图像产生光信号114。元件112a和112可以位于光波导110的任一侧或两侧上，其中光波导110的一侧指的是朝向眼睛120的一侧或“外界”侧。例如，元件112和112a可以包括部分反射镜、表面浮凸光栅或其他衍射结构。元件112a可以被设置为例如在波导110内部传播光场100，使得波导显示中的图像被正确生成。来自光场100的不同角度方面的光将与元件112相互作用以使光信号114将在眼睛120的视网膜上产生在光场100中编码的图像。
元件112可以使光信号104在多个退出位置离开波导110。结果，用户将在其眼睛120前方感知在光场100中编码的图像。由于波导110可以至少部分地透明，所以如果基于波导的显示例如是头戴式，用户也可以有利地通过波导110看到其现实生活周围环境。由于元件112的作用，光从波导110释放，即，元件112可以被称为外耦合元件或结构。
图1所示的示例系统包括三个光源140和可以被配置为控制光源140的至少一个处理器150。这是本公开不限于的示例，相反，可以存在少于三个或多于三个的光源140。光源140可以被认为是单色的，因为它们可以产生具有单个峰值波长的窄光谱带的光，如在激光器中，或者它们的光谱带可以更宽，如在LED中。具有更复杂的光谱分布的光源也是可能的。
为了产生在角空间中的光场100中编码的彩色图像，光源140可以例如由处理器150编程控制。在存在反射镜130的实例中，光源140和反射镜130可以彼此同步，使得来自光源140的光以受控的方式照射角空间100的特定角区域，从而在其中产生彩色图像的表示，该表示复现从外部源(例如虚拟现实或增强现实计算机)接收的静止或移动输入图像。从外部源接收的静止或移动图像可以包括例如数字图像或数字视频源。因此，在光场100中编码的图像可以通过提供适当选择的输入图像来配置。
为了在光场100的角空间中的给定方面产生特定颜色，例如，可以通过一组至少三个光源140来照射角空间中的该给定方面。然后，当来自光场100的角空间中的给定方面的光在波导110中行进到元件112(可能经由元件112a)时，该特定颜色由光信号114复现，在元件112处，光以对应于角空间100中的给定方面的角度存在。
本发明的实施方案目的在于提高光波导110的容量。这种改进的光波导可以用于例如头戴式显示器(HMD)和平视显示器(HUD)中，它们可以使用光波导技术来实现，例如，用于增强现实或虚拟现实类型的应用。人眼(的视网膜)几乎对偏振不敏感，即在正常观察条件下通常无法辨别不同的偏振态(海丁格尔刷表明，在理想条件下，人类可以微弱地检测到偏振态，但这种效果与显示目的无关)。例如，这种不敏感可以用于智能手机显示器中，当通过偏振器观察时，它可能会显示“彩虹”效果。
根据本发明的实施方案，当进入波导110时，两个光信号可以各自独立地通过波导传递，只要它们对应于两个正交偏振态或至少部分正交的偏振态。引起不同的偏振态的装置可以是或可以不是波导的内耦合结构布置的一部分。在一些示例实施方案中，内耦合光栅103被设计为产生带有正交偏振或至少部分地互相正交的偏振的两个光信号。在一些示例实施方案中，入射到内耦合光栅103中的光信号可能已经包括正交偏振的第一和第二信号。
例如，第一光信号可以使用顺时针偏振并且第二光信号可以使用逆时针偏振，但是更复杂的布置也是可能的。波导110可以被设计(优化)为使得其对光场强度(在内耦合区域和任何特定的外耦合区域之间的总光场强度的变化)的影响(几乎)是偏振不敏感的。这可以通过要求所有光场-波导相互作用对偏振不敏感来确保，但更实际的做法是只要求整个端到端通道对偏振不敏感。事实上，这是典型要求的扩展，即所有感兴趣波长的强度以相同的方式(颜色均匀性)并以感兴趣的每个传播角度映射到每个外耦合区域/结构，以包括偏振态之间的均匀性。
使用例如所谓的希尔伯特空间的偏振恒等式能够表明，强度的偏振无关映射足以保持从内耦合光栅到任何特定外耦合光栅的偏振态的正交性。然而，偏振态将由波导内部的传播以不同的量旋转，这取决于波长、传播角度和外耦合位置，并且这种旋转必须由外耦合光栅来考虑，以便正确地组合部分图像。因此，必须对偏振态的旋转进行建模，并将其纳入波导设计过程(优化)。
图2示出了根据本发明的至少一些实施方案的(kx,ky)平面中的第一示例性波矢图。例如，第一示例性波矢图可以展示图1的光波导110的波矢图。图2示出了当光场与波导中的光栅相互作用时，表示图像矩形200的像素的归一化波矢分量(我们注意到，矩形用于说明目的，尽管图像形状可以是任意的，此外，对于观看者来说是矩形的图像在波矢图中实际上具有枕形表示)，即，图1的光信号104(由图2中的黑点标记)可以如何相对于其在内圆内的原始位置(输入/输出状态)移动(通常分为不同的位置)。光信号104可以具有可见光谱中的光谱特性，如在某一波长处的明显谱峰。光信号104可以例如具有原色(蓝、绿、红)的波长。
如图2所示，对应于图像框200中的像素(箭头201表示像素的归一化波矢的2D投影，为了简洁，归一化波矢仅在矩形200内部标绘)和光信号104的归一化波矢分量可以被内耦合光栅(如图1中波导(如110)中的内耦合结构103)的光栅感应矢量205从波矢图的内圆内(表示内耦合至波导和从波导向外耦合的传播角)偏移到图的圆环中的第一位置210，其表示通过全内反射在波导内部传播的波导模式。然后，像素的归一化波矢分量可以被光波导110的光栅感应矢量215偏移到图内的至少一个其他位置220。
在一些实施方案中，折射率可以为n1＝1(波导周围的空气)和n2＝2(波导材料)。环(半径n1的圆和半径n2的圆之间)可以被称为图的外部或简单的环，并且内周长n1内的面积可以被称为图的内圆。在图的内圆中，光信号104可以在波导的外部(在空气中)或波导的内部传播，而环仅对应于波导内部的传播。在一些实施方案中，波导可以由玻璃、塑料或任何其他合适的波导材料制成。在一些实施方案中，波导材料的折射率可以为至少1.4或至少1.7或至少2.0。环形区域的面积涉及光波导110的用于以单波长和单偏振态发射光的容量。
最终，对应于图像框200中的像素和光信号104的归一化波矢分量可以被外耦合光栅或结构(一般而言)(如图1中的外耦合元件112)的光栅感应矢量225从图中的位置220偏移回到内圆，这使得光场避开波导。
本发明处理的挑战在于当图像被带到光波导110时，图像尺寸和分辨率受到波导容量的限制(即，不可能随意增大图像尺寸或提高分辨率)。分辨率受到波导内部的可辨别角方向的数量(与波导厚度有关)的限制，但此处我们对图像尺寸(图像的角范围)的限制感兴趣，这与波导和周围材料的折射率之间的差别有关。
具体地，波导的容量为图中的环形区域的面积，并且该容量可以被分为两部分；对应于传播方向(像素)的空间范围(在图中)及其分辨率，其对应于可辨别像素的数量。此处，我们将仅在提及前一性质时使用该术语。由于环形区域内部的位置还表示波导内部的传播方向，当图像要从波导的一个部分(内耦合区域)转发到波导的其他部分(外耦合区域/结构)时，不是所有的容量都能被(直接)利用。也就是说，尽管回溯是一个选项，但是主传播方向必须是从内耦合区域到外耦合区域/结构。
此外，当光栅用于引导波导中的光时，图像区域可以在使用光栅时在图中偏移，但不会缩放或旋转，并且偏移的距离取决于难以控制的方式中的波长。因此，经常需要分割图像区域，例如当大视场图像需要通过波导传递时。由于图像的不同部分不能通过环中的相同区域发送，因为这将导致图像中的串扰，所以具有挑战性的是获得不同的部分图像以从内耦合区域传播到感兴趣的外耦合区域，更不用说以引起均匀图像强度的方式这样做了。
本发明的实施方案寻求通过使用正交或至少部分地正交的偏振态使波导的容量加倍来减轻这种挑战。特别地，环中的每个位置及传播方向可以包含图像的两部分。例如，图像可以被分成两部分，从而第一半图像(例如左侧像素)使用第一偏振传递，并且第二半图像(例如右侧像素)使用第二偏振传递。也可以用其他方式将图像分成第一偏振和第二偏振，例如将像素的奇数列选到第一半图像并将像素的偶数列选到第二半图像。
我们注意到，尽管部分图像可能在波导的不同位置处在波矢图中重叠，这里的设计原理是，只要图像的重叠部分在内耦合时具有正交偏振态，并且内耦合和外耦合之间的相对强度变化对于所有偏振态(任意两个正交状态)都是相同的，就可以在外耦合时分别恢复部分图像。
具体而言，在波导传播期间，即使重叠的部分图像占据波矢图中的重叠区域，也没有必要明确要求重叠的部分图像是正交偏振的。部分图像的不同偏振态可以例如在光源处或在内耦合期间(预内耦合、内耦合区域或使用多个光栅)生成。
图3示出了根据本发明的至少一些实施方案的(kx,ky)平面中的第二示例性波矢图。例如，第二示例性波矢图可以展示图1的光波导110的波矢图。与图2类似，图3示出了对应于图像框200的像素和图像点的位置(即图1的光信号104(用黑点标记))的归一化波矢分量可以如何响应于光栅相互作用而相对于环移动。
更具体地，图3展示了图像框200的像素的归一化波矢分量可以如何被内耦合光栅(如图1中的内耦合结构103)的光栅感应矢量205a和205b从图的内圆(在波导110外部和内部传播的场)分别偏移(衍射)到环形区域(波导110中的波导模式)内的第一位置210a和第二位置210b。内耦合光栅可以被设置为将进入的光信号104衍射为光信号104的带有第一偏振的第一变体104a和光信号104的带有第二偏振的第二变体104b。
内耦合光栅可以被进一步设置为将光信号104的第一变体104a和第二变体104b衍射耦合至光波导110。光信号104的第一变体104a和第二变体104b在波矢图中可以在彼此的顶部，即，光信号104的第一变体104a和第二变体104b的位置可以至少部分地重叠。由于使用正交偏振态或至少部分地正交的偏振态，因此当从波导向外耦合信号时，光信号104的第一变体104a和第二变体104b可以分离。
第一偏振可以至少部分地正交于第二偏振，从而在光波导110已经将光信号104的带有第一偏振的第一变体104a和光信号104的带有第二偏振的第二变体104b传递到外耦合光栅之后实现光线104a和104b的分化，这样可以随后组合两个部分图像来产生朝向眼睛传递的图像，从而生成基于波导的显示。
在实施方案中，外耦合光栅或结构被设置为从光信号的第一变体和第二变体在观察者的眼睛的视网膜(或任何其他相关录制设备)上产生组合图像。因此，图3中的图像框220a和220b在映射到波矢图的内圆时分离。第一变体104a的强度可以与内圆(在输出处)内部的第二变体104b的强度相同或基本相同，只要确保它们的相对变化在足够的程度上是相等的。
通常，光信号在波导内部传递时跳入波矢环(在内圆和外圆之间)，并且当向外耦合时，它被映射到内圆内部。使用正交的偏振或至少部分地正交的偏振，如果光信号104的第一变体104a和光信号104的第二变体104b的强度在从内耦合区域向任何外耦合区域进行波导传播期间相等地(或大致相等地)变化，则将光信号104的第一变体104a和光信号104的第二变体104b在外耦合时分离是可能的。
在将进入的光信号104衍射成光信号104的带有第一偏振的第一变体104a和光信号104的带有第二偏振的第二变体104b时，表示图像200的像素的归一化波矢分量可以被矢量(如图3中的光栅感应矢量215)从第一位置210a偏移到至少一个其他位置220a以及从第二位置210b偏移到至少一个其他位置220b。也就是说，光信号104的第一变体104a可以从第一位置210a偏移到至少一个其他位置220a。光信号104的第二变体104b可以类似地从第二位置210b偏移到至少一个其他位置220b。所述其他位置220a和220b可以在一些点处重叠，即，光信号104的第一变体104a和第二变体104b可以至少部分地在相同位置传递。尽管如此，光信号104的第一变体104a和第二变体104b可以因为使用不同的偏振而在末端分化。
光信号104可以具有可见光谱中的光谱特性，并且光信号104的第一变体104a和第二变体104b可以具有与光信号104相同的可见光谱中的光谱特性。尽管如此，由于光信号的第一变体104a和光信号的第二变体104b具有不同的偏振，因此光信号104的第一变体104a和第二变体104b可以在外耦合光栅/结构处分化。因此，如果当光信号104的第一变体104a和第二变体104b在光波导110中传递时发生的偏振态旋转可以被外耦合光栅考虑在内，则光波导110的通道容量可以加倍。
在一些实施方案中，光信号104的第一变体104a和第二变体104b的偏振可以被混合，但是如果光信号104的第一变体104a和第二变体104b的偏振态是正交的，则无论如何，光信号104的第一变体104a和第二变体104b可以在外耦合光栅/结构处分化。
光信号104的第一变体104a和光信号104的第二变体104b在退出前可以经由不同的路径行进，例如，如果它们在其从内耦合区域向外耦合区域的路上通过几个光栅。然而，如果光信号的第一变体的相对强度变化与光信号的第二变体的相对强度变化在光波导110中传递时相等，则光信号的第一变体和第二变体可以在外耦合时分离。
在一些实施方案中，光信号的第一变体和第二变体的偏振在光波导110中传递时可以旋转。在这种情况下，可以对这种旋转建模以促进外耦合光栅的设计，该外耦合光栅能够在光信号的第一变体和第二变体之间分离，以便用正确的方式组合它们用于显示。
例如，可以对内耦合区域和某一退出位置之间的偏振旋转建模，以看到第一和第二光信号的偏振如何在光波导中传递时旋转。一旦发现偏振旋转了多少，同时保持它们的相互正交性或至少部分相互正交性，就可以选择合适的外耦合光栅行为，该行为可以在第一和第二光信号之间分离。也就是说，可能有必要对具有不同偏振态的两个图像如何从内耦合光栅传播到外耦合光栅进行建模，从而能够在部分图像之间分离，以便将它们组合回一个图像。因此，在内耦合区域和外耦合区域之间可能存在偏振映射，然后可以基于该映射来选择合适的外耦合光栅。
在一些实施方案中，光波导结构布置可以包括至少一个处理器，如图1的处理器150。该至少一个处理器可以被配置为产生光信号104的已知偏振分布。也就是说，该至少一个处理器产生的偏振分布可以使得例如(一组)内耦合光栅可以将光信号104衍射成具有相互正交偏振态的第一变体104a和第二变体104b。
替代地，或另外地，该至少一个处理器可以被配置为直接为光信号的第一变体104a和第二变体104b生成给定偏振态。由于偏振态是二维的，期望产生具有正交偏振态的部分图像。选择两个图像的偏振态，从而当图像在波矢图中内耦合之后立即重叠时，它们具有正交的或至少部分地正交的偏振。这意味着每个图像的偏振态在整个图像上可以是固定的，或者它可以具有任何分布，只要其他图像在重叠区域具有正交的偏振态。偏振态分布对于不同的波长来说可以是相同的或不同的。在一些实例中，可以仅部分满足正交性条件，例如由于设计和制造约束，系统性能相应下降。例如，可以直接使用该至少一个处理器或者通过启用(预)内耦合光栅来为图像的右侧和左侧选择特定的正交偏振态。
应当理解，所公开的本发明的实施方案不限于本文所公开的特定结构、工艺步骤或材料，而是扩展到相关领域的普通技术人员将认识到的其等价物。还应当理解，本文所采用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而不旨在限制。
在整个说明书中对一个实施方案或实施方案的引用意味着结合该实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定都指同一实施方案。在使用诸如大约或基本上的术语来参考数值的情况下，还公开了确切的数值。
如本文所用，为了方便起见，多个项目、结构元素、组成元素和/或材料可以在公共列表中呈现。然而，这些列表应被理解为列表中的每个成员都被单独标识为一个单独且唯一的成员。因此，这种列表上的任何一个成员都不应仅根据其在一个共同群体中的表现而被解释为事实上等同于同一列表中的任何其他成员，而没有相反的迹象。另外，本发明的各种实施方案和实施例可与本发明的各个部件的替代方案一起在本文中提及。应当理解，这样的实施方案、实施例和替代方案不应被解释为彼此事实上的等价物，而是应被视为本发明的独立和自主的表示。
此外，在一个或多个实施方案中，可以以任何合适的方式组合所描述的特征、结构或特性。在前面的描述中，提供了许多具体细节，例如长度、宽度、形状等的示例，以提供对本发明的实施方案的全面理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本发明可以在没有一个或多个特定细节的情况下实践，或者使用其他方法、部件、材料等来实践。在其他情况下，没有详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免混淆本发明的各方面。
虽然上述实施例在一个或多个特定应用中说明了本发明的原理，但对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在不行使发明能力的情况下，并且在不偏离本发明的原理和概念的情况下可以在形式、用法和实施细节方面进行许多修改。因此，本发明并非旨在受到限制，除非受到以下权利要求的限制。
在本文件中，动词“包括”和“包含”用作开放限制，既不排除也不要求存在未列举的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中所述的特征是可相互自由组合的。此外，应理解的是，在整个文件中使用“一个”或“一”，即单数形式并不排除复数。
工业实用性
本发明的至少一些实施方案在工业上应用于HMD和HUD。
首字母缩略词列表
HMD 头戴式显示器
HUD 平视显示器
LED 发光二极管
附图标记列表

Claims (14)

1.一种光波导结构布置，包括：
内耦合结构，被设置为将具有可见光谱中的光谱特性的入射光信号衍射成所述入射光信号的带有第一偏振的第一变体和所述入射光信号的带有第二偏振的第二变体，其中所述第一偏振相对于所述第二偏振至少部分地正交，并且所述内耦合结构还被设置为将所述入射光信号的所述第一变体和所述第二变体衍射耦合至光波导中；以及
光波导，被设置为将所述入射光信号的带有所述第一偏振的所述第一变体和所述入射光信号的带有所述第二偏振的所述第二变体向眼睛传递，以生成基于波导的显示。
2.根据权利要求1所述的光波导结构布置，其中当所述入射光信号的所述第一变体和所述第二变体从所述内耦合结构向外耦合结构传播时，所述入射光信号的所述第一变体的相对强度变化与所述入射光信号的所述第二变体的相对强度变化相同或基本相同。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的光波导结构布置，还包括外耦合结构，所述外耦合结构被设置为补偿所述入射光信号的所述第一变体和所述第二变体的偏振态的旋转，当所述入射光信号的所述第一变体和所述第二变体在所述光波导中传递时，发生所述旋转。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光波导结构布置，其中所述光谱特性为可见光谱中的明显谱峰，如在某一波长处的谱峰。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光波导结构布置，其中所述入射光信号的所述第一变体和所述第二变体具有可见光谱中的所述光谱特性。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光波导结构布置，其中当在所述光波导中传递时，所述入射光信号的所述第一变体和所述第二变体至少部分地在空间上和在其波矢和波长方面重叠。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光波导结构布置，其中所述内耦合结构被设置成将所述入射光信号的所述第一变体引导至波矢环中的第一位置并将所述入射光信号的所述第二变体引导至所述波矢环中的第二位置。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光波导结构布置，其中所述光波导由玻璃、塑料或任意其他合适的波导材料制成，所述波导材料具有至少1.4的折射率，如至少1.7，优选地所述波导材料的折射率至少为2.0。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光波导结构布置，其中当所述入射光信号的所述第一变体和所述第二变体在所述光波导中传递时，所述入射光信号的所述第一变体的相对强度变化与所述入射光信号的所述第二变体的相对强度变化相同。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光波导结构布置，其中所述光波导结构布置包括外耦合结构，所述外耦合结构被设置为从所述入射光信号的所述第一变体和所述第二变体产生用于观察者的组合图像。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光波导结构布置，其中所述第一偏振和所述第二偏振部分地相互正交，优选地二者完全正交。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光波导结构布置，还包括至少一个处理器，所述处理器被配置为在所述入射光信号所表示的图像上产生具有已知偏振分布的光信号。
13.一种光学产品，包括根据前述权利要求中任一项所述的光波导结构布置和适用于将所述入射光信号指向所述内耦合结构的光源。
14.一种个人显示设备，如头戴式显示器或平视显示器，其包括根据权利要求1-12中任一项所述的光波导结构布置和/或根据权利要求13所述的光学产品。
CN202280040412.0A 2021-06-10 2022-06-06 具有提高容量的光波导结构布置 Pending CN117795248A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20215677A FI20215677A1 (en) 2021-06-10 2021-06-10 Optical waveguide arrangement with improved performance
FI20215677 2021-06-10
PCT/FI2022/050390 WO2022258885A1 (en) 2021-06-10 2022-06-06 An optical waveguide arrangement with improved capacity

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117795248A true CN117795248A (zh) 2024-03-29

Family

ID=82019533

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202280040412.0A Pending CN117795248A (zh) 2021-06-10 2022-06-06 具有提高容量的光波导结构布置

Country Status (7)

Country Link
EP (1) EP4352409A1 (zh)
JP (1) JP2024523008A (zh)
KR (1) KR20240017861A (zh)
CN (1) CN117795248A (zh)
FI (1) FI20215677A1 (zh)
TW (1) TW202307491A (zh)
WO (1) WO2022258885A1 (zh)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017162999A1 (en) * 2016-03-24 2017-09-28 Popovich Milan Momcilo Method and apparatus for providing a polarization selective holographic waveguide device
US10551622B2 (en) * 2016-10-26 2020-02-04 Microsoft Technology Licensing, Llc Field of view tiling in waveguide-based near-eye displays
WO2019136166A1 (en) * 2018-01-04 2019-07-11 President And Fellows Of Harvard College Angle-dependent or polarization-dependent metasurfaces with wide field of view
CN110471185A (zh) * 2019-08-28 2019-11-19 瑞声通讯科技(常州)有限公司 波导增强现实显示装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022258885A1 (en) 2022-12-15
JP2024523008A (ja) 2024-06-25
TW202307491A (zh) 2023-02-16
FI20215677A1 (en) 2022-12-11
EP4352409A1 (en) 2024-04-17
KR20240017861A (ko) 2024-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10585287B2 (en) Waveguide display with a small form factor, a large field of view, and a large eyebox
US11256100B2 (en) Head-mounted display with pivoting imaging light guide
US8885997B2 (en) NED polarization system for wavelength pass-through
US11209650B1 (en) Waveguide based display with multiple coupling elements for artificial reality
EP3794400B1 (en) Optical structure for augmented reality display
EP2887128B1 (en) NED polarization system for wavelength pass-through
US11194158B2 (en) Light guide with beam separator for dual images
FI129586B (en) Waveguide display element with many pupils and display device
US11009707B2 (en) Optical systems for electronic devices with displays
US11686938B2 (en) Augmented reality device for providing 3D augmented reality and operating method of the same
US11209652B2 (en) Light guide with polarization separator for dual images
CN114830009A (zh) 具有透明波导结构的透明照明层
KR20150071612A (ko) 근안 디스플레이를 위한 파장 통과 제어용 편광 시스템 및 방법
EP3887888B1 (en) Exit pupil expansion via curved waveguide
CN117795248A (zh) 具有提高容量的光波导结构布置
CN113759551A (zh) 影像显示装置
US11863912B2 (en) Lighting unit and display with wavelength-selective illumination
US11789271B2 (en) Display apparatus for providing expanded viewing window
CN116762024A (zh) 具有透明照明器的显示设备
EP4381227A1 (en) Imaging light guide apparatus with light security

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination