CN210243962U - 用于增强现实显示器的光学结构及增强现实显示器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于增强现实显示器的光学结构及增强现实显示器。彩色投影仪(2)以包括三原色(即，红色、绿色和蓝色)的窄光束发出图像。在所投影的光束的路径中设置有一对波导(4、6)。第一输入光栅(8)接收来自投影仪(2)的光并对接收到的光进行衍射，使得经衍射的光的第一原色波长和第二原色波长被耦合到第一波导(6)中，并且使得经衍射的光的第二原色波长和第三原色波长沿朝向第二波导4的方向被耦合出第一波导。第二输入衍射光栅(10)接收耦合出第一波导(6)的光并对第二原色和第三原色进行衍射，使得它们被耦合到第二波导(4)中。
Description
技术领域
本实用新型涉及在全色的增强现实或虚拟现实显示器(例如，耳机或平视显示器)中使用的光学结构。特别地，本实用新型涉及一对波导，其具有使来自投影仪的三原色在两个波导之间分离的衍射光学元件。
背景技术
增强现实显示器使得用户能够看到他们的周围环境以及投影的图像。在军事或运输应用中，投影的图像可以被叠加在用户所感知的真实世界上。这些显示器的其他应用包括视频游戏和可穿戴设备(例如，眼镜)。相比之下，在虚拟现实显示器中，用户只能感知到投影的图像而来自他们的真实世界环境的光是被遮挡的。
在通常的增强现实装置中，在用户的前方设置有透明的显示屏以使他们仍旧能看到物理世界。显示屏通常是玻璃波导，并且在一侧设置有投影仪。来自投影仪的光被衍射光栅(输入光栅)耦合到波导中。投影的光在波导内被全内反射。然后，另一衍射光栅(输出光栅)将光耦合出波导以使其可以被用户看见。投影仪可以提供增强用户对物理世界的视角的信息和/或图像。
增强现实显示器领域中的一个挑战是提供全色图像。迄今为止，已经证明这很难不引入不期望的光学效应。在一种方法中，彩色光被分离为三个基本分量：红色、绿色和蓝色。然后，经由专用波导将每个基本分量朝向观看者分开地耦合。这需要三个波导的堆叠，而这对于某些应用来说可能会变得不期望地体积庞大。
WO 2011/131978描述了试图仅使用两个波导来提供全色图像的光学元件。根据该技术，为了提供全色观看，三原色分量在两个波导之间被分离并且被重新组合成朝向观看者提供的光。该技术需要使用具有小周期的衍射光栅，而这难以制造。
本实用新型的目的是提供一种可以使用更简单的制造原理来实现的、用于仅使用两个波导来提供全色图像的替选技术。
实用新型内容
根据本实用新型的一方面，提供了一种用于在增强现实显示器中使用的光学结构，该光学结构包括第一波导和第二波导，其中，第一波导包括：第一输入衍射光学元件，其被配置成接收来自投影仪的光并对接收到的光进行衍射，使得经衍射的光的第一原色波长和第二原色波长被耦合到第一波导中以在第一波导内被全内反射，并且使得经衍射的光的第二原色波长和第三原色波长沿朝向第二波导的方向耦合出第一波导；以及第一输出衍射光学元件，其被配置成接收并衍射第一波导内的全内反射光，以将该全内反射光朝向观看者耦合出第一波导；其中，第二波导包括：第二输入衍射光学元件，其被配置成接收被第一输入衍射光学元件耦合出第一波导的衍射光，并且对接收到的光进行衍射，使得经衍射的光的第二原色波长和第三原色波长被耦合到第二波导中以在第二波导内被全内反射；以及第二输出衍射光学元件，其被配置成接收并衍射第二波导内的全内反射光，以将该全内反射光朝向观看者耦合出第二波导。
在这种布置中，第一输入衍射光学元件和第二输入衍射光学元件相对于由投影仪朝向第一波导耦合的光的输入方向彼此横向错开。以这种方式，可以在无需首先与第二输入衍射光学结构相互作用的情况下将光投射到第一输入衍射光学元件上。
本实用新型提供了用于将三原色耦合到两个堆叠的波导中的技术。不寻常的是，本技术将已经被第一波导上的输入衍射光学元件衍射的光耦合到第二波导中。这可以有利地降低第二输入衍射光学元件的制造复杂度。
优选地，第一输入衍射光学元件是反射衍射光栅。替选地，可以将第一输入衍射光学元件设置为透射衍射光栅。然而，反射布置是优选的，因为它可以以更高的效率来布置。第二输入衍射光学元件可以是透射衍射光栅。
优选地，衍射光学元件具有由衍射光学特征的间隔限定的周期。第二输出衍射光学元件的周期的倒数优选地等于第一输入衍射光学元件的周期的倒数加上第二输入衍射光学元件的周期的倒数。换句话说，将第一输入衍射光学元件和第二输入衍射光学元件的光栅矢量相加而得到第二输出衍射光学元件的光栅矢量。优选地，第一输出衍射光学元件的光栅矢量等于第一输入衍射光学元件的光栅矢量。以这种方式，从第一输出衍射光学元件和第二输出衍射光学元件朝向观看者输出的光与从投影仪输入到光学结构的光共轭。这确保了可以在不引入不期望的光学效应的情况下提供全色光。
在一个实施方式中，第一输入光栅的周期可以约为440nm，并且第二输出光栅的周期可以约为335nm。这意味着第二输入光栅的周期应该约为1400nm，这样的第二输入光栅显然比具有更小周期的光栅更易于制造。
优选地，第一原色、第二原色和第三原色分别是红色、绿色和蓝色。在其他实施方式中，可以使用不同的原色，例如，黄色、青色和洋红色。
根据本实用新型的另一方面，提供了一种增强现实显示器，包括：如前文定义的光学结构；以及投影仪，该投影仪被配置成将具有第一原色、第二原色和第三原色的光导向第一输入衍射光学元件。
附图说明
现在参照附图通过示例来描述本实用新型的实施方式，在附图中：
图1是本实用新型的实施方式中的增强现实显示器的侧视图；
图2是本实用新型的另一实施方式中的增强现实显示器的侧视图；以及
图3是本实用新型的另一实施方式中的增强现实显示器的侧视图。
具体实施方式
图1是增强现实显示器的侧视图。设置有彩色投影仪2，其以包括三原色(即，红色、绿色和蓝色)的窄光束发出图像。在所投影的光束的路径中设置有一对波导4、6。波导4、6是光学透明的并且在该实施方式中由折射率n约为1.7的玻璃制成。如图1所示，波导4、6具有彼此平行并且延伸到页面的平面之外的第一主表面和第二主表面。为简单起见，将上述波导称为“蓝色”波导4和“红色”波导6。这并不是指波导本身的颜色，因为它们是光学透明的。而是指各个波导被配置以携带的光的主要颜色。
沿投影仪2的光轴的光线以与蓝色波导4的表面法线平行的角度直接透过透明蓝色波导4并且透过红色波导6的第一表面。从投影仪2的角度看，在红色波导6的后表面上放置有周期为440nm的反射输入衍射光栅8，其中，周期被限定为各个光栅槽之间的距离。反射输入衍射光栅8被配置成对入射在其上的光进行衍射。根据光栅方程，衍射角当然是与波长相关的。因此，以远离反射输入衍射光栅8发出的角度分散提供了一系列颜色。
反射输入衍射光栅8的周期被选择为使得在衍射之后红色波长在红色波导6内被全内反射。绿色波长的一部分也在红色波导6内被全内反射。然而，蓝色波长以小于全内反射的临界角的角度被衍射。因此，光的蓝色波长和一些绿色波长在红色波导6内逃过了全内反射而被折射。经折射的光的波长被传播到红色波导6与蓝色波导4之间的气隙中，并且在蓝色波导4的表面上的第二输入衍射光栅10处被接收。
第二输入衍射光栅10设置有约1404nm的周期。第二输入衍射光栅10被配置成对接收到的光进行衍射，使得接收到的蓝色波长和绿色波长以大于全内反射的临界角的角度耦合到蓝色波导4中。因此，蓝色波长和绿色波长被衍射两次：首先被第一输入衍射光栅8衍射并且然后被第二输入衍射光栅10衍射，使得这些波长在蓝色波导4内被全内反射。在第二输入衍射光栅10处接收的光线已经角度倾斜，并且这允许使用方波型结构而不是倾斜结构来优化1404nm周期光栅。另外，由于第二输入衍射光栅10的周期是蓝色波长和绿色波长的倍数，所以可以使用诸如“区域编码”光栅的技术，如例如在Optics Communications第266卷(2006)第697-703页中所描述的那样。
在红色波导6内被全内反射的光朝向第一输出衍射光学元件14延伸。第一输出衍射光学元件14被设置成具有相对低的效率以便用作扩展光栅并且在至少一个维度上(并且优选地在两个维度上)提供光束的扩展。第二输出衍射光学元件12与第一输出衍射光学元件14类似，但是设置有不同的周期。在该示例中，第一输出衍射光学元件14具有约440nm的周期而第二输出衍射光学元件12具有约335nm的周期。
第一输入衍射光栅8和第二输入衍射光栅10相对于由投影仪2输出光的方向彼此错开。在替选实施方式中，如图2所示，蓝色波导4被设置在较低的位置处，使得来自投影仪2的光直接在红色波导6处被接收而无需首先透过蓝色波导4。
该实施方式中的第一输出衍射光学元件14和第二输出衍射光学元件12是如WO2016/020643中描述的扩展的衍射光学出射光瞳。因此，第一输出元件14和第二输出元件12包括一对的交叉线性光栅或光子晶体结构。在两种情况下，输出元件12、14各自包括在波导2中或在波导2上彼此重叠的两个衍射光学元件。然后，各个输出元件12、14内的每个衍射光学元件可以朝向该对中的另一衍射光学元件耦合接收到的光，然后，所述另一衍射光学元件可以用作将光朝向观看者耦合出红色波导4或蓝色波导6的衍射光学元件。针对红色波导6中的第一输出衍射光学元件14的叠加的衍射光学元件的光栅周期是440nm，而针对蓝色波导4中的第二输出衍射光学元件12的叠加的衍射光学元件的光栅周期是335nm。
在替选配置中，第一输出衍射光学元件14和第二输出衍射光学元件12可以是简单的线性衍射光栅，以便提供对红色波导4和蓝色波导6内的全内反射光的一维扩展。
重要的是，在本布置中避免了不期望的光学效应，并且在对观看者的输出中提供了由投影仪2发出的彩色图像。在某种程度上，这是通过仔细选择第一输入衍射光栅8和第二输入衍射光栅10以及第一输出衍射光学元件14和第二输出衍射光学元件12的光栅周期来实现的。特别地，已经发现重要的是要保持光束共轭。这在红色波导6中实现，因为第一输入衍射光栅8的周期与第一输出衍射光学元件14的周期相同。对于蓝色波导4需要另外的考虑因素，因为当在第二输入衍射光栅10处接收到光时该光已经被衍射过一次。可以针对每个光栅定义幅值等于光栅周期的倒数的光栅矢量。对于蓝色波导4，第一输入衍射光栅8的光栅矢量的幅值加上第二输入衍射光栅10的光栅矢量的幅值应当等于第二输出衍射光学元件12的光栅矢量的幅值。
图3是本实用新型的另一实施方式中的增强现实显示器的侧视图。在该实施方式中，与图1和图2的实施方式相比，蓝色波导4和红色波导6的位置被互换。来自投影仪2的光最初入射在红色波导6上，并且在该实施方式中，第一输入衍射光栅8被设置为透射光栅。第一输入衍射光栅8对光进行衍射，使得光的红色波长和一些绿色波长耦合到红色波导6中，以在红色波导6内被全内反射。光的蓝色波长和一些绿色波长被第一输入衍射光栅8以小于全内反射的临界角的角度衍射。因此，这些波长逃过全内反射并被折射到朝向蓝色波导4的气隙中。在该示例性实施方式中，从投影仪2的角度看，蓝色波导4上的第二输入衍射光栅10被设置为在蓝色波导4的前表面上的透射光栅。第二输入衍射光栅10被配置成以大于蓝色波导4内的全内反射的临界角的角度对蓝色波长和绿色波长进行衍射。因此，蓝色(和一些绿色)波长被耦合到蓝色波导4中以在蓝色波导4内被全内反射。
红色波导6包括第一输出衍射光学结构14并且蓝色波导4包括第二输出衍射光学结构12，并且这些光学结构具有与关于前述实施方式所述的那些光学结构类似的特性。
Claims (6)
1.一种用于增强现实显示器的光学结构，所述光学结构包括第一波导和第二波导，
其中，所述第一波导包括：
第一输入衍射光学元件，其被配置成：接收来自投影仪的光并对接收到的光进行衍射，使得经衍射的光的第一原色波长和第二原色波长被耦合到所述第一波导中以在所述第一波导内被全内反射，并且使得经衍射的光的第二原色波长和第三原色波长沿朝向所述第二波导的方向被耦合出所述第一波导；以及
第一输出衍射光学元件，其被配置成接收并衍射所述第一波导内的全内反射光，以将全内反射光朝向观看者耦合出所述第一波导；
其中，所述第二波导包括：
第二输入衍射光元件，其被配置成接收被所述第一输入衍射光学元件耦合出所述第一波导的衍射光，并且对接收到的光进行衍射，使得经衍射的光的第二原色波长和第三原色波长被耦合到所述第二波导中以在所述第二波导内被全内反射；以及
第二输出衍射光学元件，其被配置成接收并衍射所述第二波导内的全内反射光，以将全内反射光朝向所述观看者耦合出所述第二波导。
2.根据权利要求1所述的光学结构，其中，所述第一输入衍射光学元件是反射衍射光栅。
3.根据权利要求1或2所述的光学结构，其中，所述第二输入衍射光学元件是透射衍射光栅。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光学结构，其中，衍射光学元件具有作为衍射光学特征的间隔的周期，并且其中，所述第二输出衍射光学元件的周期的倒数等于所述第一输入衍射光学元件的周期的倒数加上所述第二输入衍射光学元件的周期的倒数。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光学结构，其中，第一原色、第二原色和第三原色分别是红色、绿色和蓝色。
6.一种增强现实显示器，包括：
根据前述权利要求中任一项所述的光学结构；以及
投影仪，其被配置成将具有第一原色、第二原色和第三原色的光导向第一输入衍射光学元件。
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