TW201947263A - 用於擴增實境顯示器之光學結構 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種擴增實境顯示器。一彩色投影儀2以一窄光束發射一影像，該窄光束包括三種原色：紅色、綠色及藍色。一對波導4、6經提供於該經投影光束之路徑中。一第一輸入光柵8自該投影儀2接收光且繞射該經接收光，使得呈第一原色及第二原色之該光之經繞射波長耦合至該第一波導6中，且使得呈第二原色及第三原色之該光之經繞射波長在朝向該第二波導4之一方向上耦合出該第一波導。一第二輸入繞射光柵10接收耦合出該第一波導6之光且繞射該第二原色及該第三原色，使得其等耦合至該第二波導4中。

Description

用於擴增實境顯示器之光學結構

本發明係關於一種用於一全色擴增實境或虛擬實境顯示器(諸如一頭戴式耳機或一抬頭顯示器)中之光學結構。特定而言，本發明係關於具有致使來自一投影儀之三種原色在兩個波導之間分裂之繞射光學元件之一對波導。

一擴增實境顯示器允許一使用者觀看其等的環境以及經投影影像。在軍事或運輸應用中，經投影影像可經重疊於由使用者感知之真實世界上。此等顯示器之其他應用包含視訊遊戲及可穿戴裝置，諸如眼鏡。相比之下，在一虛擬實境顯示器中，一使用者僅可感知經投影影像且來自其等真實世界環境之光被遮擋。

在一正常擴增實境設定中，在一使用者前方提供一透明顯示螢幕，使得其等可繼續看實體世界。顯示螢幕通常係一玻璃波導，且一投影儀被提供至一側。來自投影儀之光藉由一繞射光柵(一輸入光柵)耦合入波導。經投影光在波導內被全內反射。接著光藉由另一繞射光柵(一輸出光柵)耦合出波導，使得一使用者可觀看光。投影儀可提供擴增一使用者對實體世界之視野之資訊及/或影像。

擴增實境顯示器領域之一個挑戰係提供全色影像。迄今為止，此已被證明在不引入非期望光學效應之情況下係困難的。在一種方法中，將彩色光分裂成三個主要分量：紅色、綠色及藍色。接著，各主要分量經由一專用波導分別朝向一觀看者耦合。此需要一三波導堆疊，其對於一些應用而言可能係非期望地龐大的。

WO 2011/131978描述一種試圖僅使用兩個波導提供全色影像之光學元件。根據此技術，三個原色分量在兩個波導之間分裂且在朝向一觀看者提供之光中重組以便提供全色觀看。此技術需要使用可能難以製造之具有小週期之繞射光柵。

本發明之一目的係提供一種用於僅使用可使用更簡單製造原理達成之兩個波導提供全色影像之替代技術。

根據本發明之一態樣，提供一種用於一擴增實境顯示器中之光學結構，該光學結構包括一第一波導及一第二波導，其中該第一波導包括：一第一輸入繞射光學元件，其經組態以自一投影儀接收光且繞射該經接收光，使得呈第一原色及第二原色之該光之經繞射波長耦合至該第一波導中以在該第一波導內全內反射，且使得呈第二原色及第三原色之該光之經繞射波長在朝向該第二波導之一方向上耦合出該第一波導；及一第一輸出繞射光學元件，其經組態以在該第一波導內接收且繞射經全內反射光以便將該經全內反射光朝向一觀看者耦合出該第一波導；其中該第二波導包括：一第二輸入繞射光學元件，其經組態以接收藉由該第一輸入繞射光學元件耦合出該第一波導之經繞射光且繞射該經接收光，使得呈該第二原色及該第三原色之該光之經繞射波長耦合至該第二波導中，以在該第二波導內全內反射；及一第二輸出繞射光學元件，其經組態以在該第二波導內接收且繞射經全內反射光以便將該經全內反射光朝耦合出該第二波導向該觀看者。

在此配置中，第一輸入繞射光學元件及第二輸入繞射光學元件相對於光藉由一投影儀朝向第一波導耦合之一輸入方向彼此橫向偏移。以此方式，光可投影至第一輸入繞射光學元件上，而不首先與第二輸入繞射光學結構相互作用。

此提供一種將三種原色耦合至兩個堆疊式波導中之技術。不同尋常的是，本技術將已藉由第一波導上之輸入繞射光學元件繞射之光耦合至第二波導中。此可有利地降低第二輸入繞射光學元件之製造複雜性。

較佳地，第一輸入繞射光學元件係一反射繞射光柵。替代地，第一輸入繞射光學元件可經提供為一透射繞射光柵。然而，反射配置可能係較佳的，此係因為其可以一更高效率配置。第二輸入繞射光學元件可為一透射繞射光柵。

較佳地，繞射光學元件具有由繞射光學特徵之間隔定義之一週期。第二輸出繞射光學元件之週期之倒數較佳地等於第一輸入繞射光學元件之週期之倒數加上第二輸入繞射光學元件之週期之倒數。換言之，第一輸入繞射光學元件之光柵向量及第二輸入繞射光學元件之光柵向量相加以產生第二輸出繞射光學元件之光柵向量。較佳地，第一輸出繞射光學元件之光柵向量等於第一輸入繞射光學元件之光柵向量。以此方式，自第一輸出繞射光學元件及第二輸出繞射光學元件朝向一觀看者輸出之光與自一投影儀輸入至光學結構之光共軛。此確保可提供全色光而不引入非期望光學效應。

在一項實施例中，第一輸入光柵之週期可為約440 nm且第二輸出光柵之週期可為約335 nm。此意謂著第二輸入光柵之週期應為約1400 nm，其比有較小週期之光柵明顯更容易製造。

較佳地，第一原色、第二原色及第三原色分別係紅色、綠色及藍色。在其他實施例中，可使用不同原色，諸如黃色、青色及品紅色。

根據本發明之另一態樣，提供一種擴增實境顯示器，其包括：如先前所定義之光學結構；及一投影儀，其經組態以將具有第一原色、第二原色及第三原色之光導向第一輸入繞射光學元件。

圖1係一擴增實境顯示器之一側視圖。提供以一窄光束發射一影像之一彩色投影儀2，該窄光束包括三種原色：紅色、綠色及藍色。一對波導4、6經提供於經投影光束之路徑中。波導4、6係光學透明的，且在此實施例中由具有約1.7之一折射率n之玻璃製成。波導4、6具有彼此平行且如圖1中所觀看延伸出頁面之平面之第一主表面及第二主表面。為簡單起見，波導被稱為「藍色」波導4及「紅色」波導6。此並非指代波導本身之色彩，因為其等係光學透明的。相反，其指代各自波導經組態以攜帶之光之主要色彩。

沿著投影儀2之光學軸之射線直接透射穿過透明藍色波導4且成平行於藍色波導4之表面法線之一角度透射穿過紅色波導6之一第一表面。自投影儀2之角度來看，具有一440 nm週期之一反射輸入繞射光柵8經定位於紅色波導6之後表面上，其中該週期經定義為各自光柵槽之間的距離。反射輸入繞射光柵8經組態以繞射入射於其上之光。當然，根據光柵方程式，繞射角係波長相關的。因此，在遠離反射輸入繞射光柵8發出之一角展度中提供一色彩光譜。

選擇反射輸入繞射光柵8之週期，使得在繞射之後，紅色波長在紅色波導6內全內反射。一比例之綠色波長亦在紅色波導6內全內反射。然而，藍色波長係成低於全內反射臨界角之一角度繞射。因此，光之藍色波長及一些綠色波長在紅色波導6內避開全內反射且替代地折射。光之經折射波長傳播至紅色波導6與藍色波導4之間的一氣隙中且經接收於藍色波導4之一表面上之一第二輸入繞射光柵10處。

第二輸入繞射光柵10具備約1404 nm之一週期。第二輸入繞射光柵10經組態以繞射經接收光，使得經接收之紅色波長及綠色波長成高於全內反射臨界角之一角度耦合至藍色波導4中。因此，藍色波長及綠色波長被繞射兩次：首先由第一輸入繞射光柵8繞射且接著由第二輸入繞射光柵10繞射，使得其等在藍色波導4內全內反射。第二輸入繞射光柵10處接收之射線已成角度，且此允許使用一方波類型之結構而非一傾斜結構最佳化1404 nm週期光柵。另外，因為第二輸入繞射光柵10之週期係藍色波長及綠色波長之倍數，所以可使用諸如「區域編碼」光柵之技術，例如如在Optics Communications，第266卷(2006)，第697至703頁中所描述。

在紅色波導6內全內反射之光延伸朝向一第一輸出繞射光學元件14。第一輸出繞射光學元件14具備相對低效率以便充當一擴展光柵且提供光束在至少一個維度中且較佳地在兩個維度中之擴展。第二輸出繞射光學元件12類似於第一輸出繞射光學元件14，但具備一不同週期。在此實例中，第一輸出繞射光學元件14具有約440 nm之一週期且第二輸出繞射光學元件12具有約335 nm之一週期。

第一輸入繞射光柵8及第二輸入繞射光柵10相對於投影儀2輸出光之方向彼此偏移。在一替代實施例中，如圖2中所展示，藍色波導4經提供於一較低位置處，使得來自投影儀2之光直接接收於紅色波導6處，而不首先透射穿過藍色波導4。

如WO 2016/020643中所描述，此實施例中之第一輸出繞射光學元件12及第二輸出繞射光學元件14係擴展性繞射光學出射光瞳。因此，第一輸出元件14及第二輸出元件12包括一對交叉線性光柵或一光子晶體結構。在兩種情況下，輸出元件12、14各包括在波導2中或上彼此重疊之兩個繞射光學元件。接著，各自輸出元件12、14內之各繞射光學元件可將經接收光朝向該對中之另一繞射光學元件耦合，該另一繞射光學元件接著可充當將光朝向一觀看者耦合出紅色波導6或藍色波導4之一輸出繞射光學元件。重疊式繞射光學元件之光柵週期對於紅色波導6中之第一輸出繞射光學元件14而言係440 nm且對於藍色波導4中之第二輸出繞射光學元件12而言係335 nm。

在一替代組態中，第一輸出繞射光學元件14及第二輸出繞射光學元件12可為簡單線性繞射光柵以便提供經全內反射光在紅色波導6及藍色波導4內之一維擴展。

重要的是，在本配置中避免非期望光學效應且由投影儀2發射之彩色影像以輸出提供給觀看者。部分地，此係藉由仔細選擇第一輸入繞射光柵8及第二輸入繞射光柵10以及第一輸出繞射光學元件14及第二輸出繞射光學元件12之光柵週期來達成。特定而言，已發現，重要的是維持光束共軛。此係在紅色波導6中達成，此係因為第一輸入繞射光柵8之週期相同於第一輸出繞射光學元件14之週期。藍色波導4需要額外考量，此係因為光已其在接收於第二輸入繞射光柵10處時繞射一次。可針對具有等於光柵週期之倒數之一幅值之各光柵定義一光柵向量。針對藍色波導4，第一輸入繞射光柵8之光柵向量之幅值加上第二輸入繞射光柵10之光柵向量之幅值應等於第二輸出繞射光學元件12之光柵向量之幅值。

圖3係本發明之另一實施例中之一擴增實境顯示器之一側視圖。在此實施例中，與圖1及圖2之實施例相比，插入藍色波導4及紅色6之位置。來自投影儀2之光最初入射於紅色波導6上，且在此實施例中，第一輸入繞射光柵8經提供為一透射光柵。光係由第一輸入繞射光柵8繞射，使得光之紅色波長及一些綠色波長耦合至紅色波導6中以在紅色波導6內全內反射。光之藍色波長及一些綠色波長係由第一輸入繞射光柵8成低於全內反射臨界角之角度繞射。因此，此等波長避開全內反射且朝向藍色波導4折射至一氣隙中。在此實例實施例中，自投影儀2之角度來看，藍色波導4上之第二輸入繞射光柵10經提供為藍色波導4之前表面上之一透射光柵。第二輸入繞射光柵10經組態以成高於藍色波導4內之全內反射臨界角之角度繞射藍色波長及綠色波長。因此，藍色(及一些綠色)波長耦合至藍色波導4中以在藍色波導4內全內反射。

紅色波導6包含一第一輸出繞射光學結構14且藍色波導4包含一第二輸出繞射光學結構12，且此等具有類似於關於先前實施例所描述之性質。

2‧‧‧彩色投影儀

4‧‧‧第二波導/藍色波導

6‧‧‧第一波導/紅色波導

8‧‧‧第一輸入光柵/反射輸入繞射光柵

10‧‧‧第二輸入繞射光柵

12‧‧‧第二輸出繞射光學元件

14‧‧‧第一輸出繞射光學元件

現參考圖式，以實例方式描述本發明之實施例，其中：

圖1係本發明之一實施例中之一擴增實境顯示器之一側視圖；

圖2係本發明之另一實施例中之一擴增實境顯示器之一側視圖；及

圖3係本發明之另一實施例中之一擴增實境顯示器之一側視圖。

Claims (6)

1. 一種用於一擴增實境顯示器中之光學結構，該光學結構包括一第一波導及一第二波導， 其中該第一波導包括： 一第一輸入繞射光學元件，其經組態以自一投影儀接收光且繞射該經接收光，使得呈第一原色及第二原色之該光之經繞射波長耦合至該第一波導中以在該第一波導內全內反射，且使得呈第二原色及第三原色之該光之經繞射波長在朝向該第二波導之一方向上耦合出該第一波導；及 一第一輸出繞射光學元件，其經組態以在該第一波導內接收且繞射經全內反射光以便將該經全內反射光朝向一觀看者耦合出該第一波導； 其中該第二波導包括： 一第二輸入繞射光學元件，其經組態以接收藉由該第一輸入繞射光學元件耦合出該第一波導之經繞射光且繞射該經接收光，使得呈該第二原色及該第三原色之該光之經繞射波長耦合至該第二波導中，以在該第二波導內全內反射；及 一第二輸出繞射光學元件，其經組態以在該第二波導內接收且繞射經全內反射光以便將該經全內反射光朝向該觀看者耦合出該第二波導。
2. 如請求項1之光學結構，其中該第一輸入繞射光學元件係一反射繞射光柵。
3. 如請求項1或請求項2之光學結構，其中該第二輸入繞射光學元件係一透射繞射光柵。
4. 如請求項1或請求項2之光學結構，其中該等繞射光學元件具有作為繞射光學特徵之間隔之一週期，且其中該第二輸出繞射光學元件之該週期之倒數等於該第一輸入繞射光學元件之該週期之倒數加上該第二輸入繞射光學元件之該週期之倒數。
5. 如請求項1或請求項2之光學結構，其中該第一原色、該第二原色及該第三原色分別係紅色、綠色及藍色。
6. 一種擴增實境顯示器，其包括： 如請求項1至5中任一項之光學結構；及 一投影儀，其經組態以將具有第一原色、第二原色及第三原色之光導向第一輸入繞射光學元件。