TW202142920A - 擴增實境或虛擬實境顯示器之波導 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種用於一擴增實境或虛擬實境顯示器之波導(1)，其包括：一輸出繞射元件，其包括一光子晶體中之複數個光學結構(22、28、26)；該波導之一第一主表面及該波導之一第二主表面，該第一主表面在垂直於該波導之一平面之一方向上與該第二主表面分離，其中光藉由在該第一與第二主表面之間經歷全內反射而沿該波導朝向該輸出繞射元件傳播，其中該複數個光學結構(22，28，26)以經構形以接收來自一輸入方向之光且將該光繞射成複數個級之一陣列配置於該波導之一平面中，其中一些級在該波導之該平面中以與該輸入方向成一角度繞射以提供跨該波導之該平面之2D擴展，且其他級在垂直於該波導之該平面之一方向上朝向一觀看者外耦合；其中該複數個光學結構(22、28、26)之該等光學結構(22、28、26)之至少一者在垂直於該波導之該平面之一方向上具有一輪廓，其中該輪廓沿平行於該波導之該平面之一或多個方向變動，使得與該波導之該第二主表面相比，該等外耦合級優先地從該波導之該第一主表面提供。

Description

擴增實境或虛擬實境顯示器之波導

本發明係關於一種用於一擴增實境或虛擬實境顯示器之波導。特定言之，本發明係關於一種波導，其中輸入光在一輸出元件中在兩個正交方向上擴展且在一偏好方向上朝向一觀看者耦合出一波導。此可允許在一擴增實境顯示器中之眼盒之物理膨脹，同時確保系統之改良效率。

一擴增實境顯示器允許一使用者查看其周圍環境以及投影影像。在軍事或運輸應用中，投影影像可疊加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佩戴裝置，諸如眼鏡。

在一正常擴增實境設置中，在一使用者前面提供一透明顯示螢幕使得使用者可繼續看到實體世界。顯示幕通常係一玻璃波導，且一投影儀提供至一側。來自投影儀之光由一繞射光柵耦合至波導中。經投射之光在波導內全內反射。接著，光由另一繞射光柵耦合出波導使得其可由使用者看到。投影儀可提供增大一使用者對實體世界之視野之資訊及/或影像。

WO 2016/020643中揭示一種用於在一擴增實境顯示器中擴展二維中之輸入光之光學裝置。提供一種用於將來自一投影儀之輸入光耦合至一波導中之輸入繞射光學元件。該光學裝置亦包含具有在該波導中彼此疊加之兩個繞射光學元件使得該兩個繞射光學元件之各者可自該輸入繞射光學元件接收光且將其朝向該對中之另一繞射光學元件耦合一輸出元件，其可接著充當將光耦合出該波導外朝向一觀看者之一輸出繞射光學元件。在一實施例中，在一光子晶體中提供彼此疊加之兩個繞射光學元件。此藉由使具有相對於周圍波導介質之一折射率變化之一支柱陣列配置於該波導之表面內或表面上而達成。WO 2016/020643中之支柱被描述為當自一觀看者之角度在波導之平面中觀看時具有一圓形截面形狀。已發現此配置在兩個維度中同時擴展光及將光耦出波導中非常有效。有利地，此可改良波導上之使用空間，其可降低製造成本。

WO2018/178626中揭示一種具有一菱形截面形狀之支柱之光學裝置。亦展示一修改菱形截面形狀，該修改菱形具有凹口。具有此等形狀(而非圓形截面)之支柱已展示為減少具有高於其他部分之一相對亮度之輸出元件中之一中心條紋之出現以在一定程度上減少輸出影像中不期望之「條紋」效應。亦提出其他形狀。

此等類型之波導之一缺點係當光入射於輸出元件上時，將光耦出波導外之繞射級可在相反方向上延伸。此可包含通過光柵透射且輸出至觀看者之級及由光柵反射且輸出至觀看者之級。通常，波導系統經設計使得觀看者僅查看此等外耦合級之一者。此導致波導之效率降低，因為可用於形成觀看者之一影像之光之一部分浪費在此個不需要的外耦合方向上。另外，不需要的耦合級亦形成一影像，其可藉由允許外部觀看者看到佩戴者正在查看之內容而引起隱私問題。

根據本發明之一態樣，提供一種用於一擴增實境或虛擬實境顯示器之波導，其包括：一輸出繞射元件，其包括一光子晶體中之複數個光學結構；其中該複數個光學結構以經構形以接收來自一輸入方向之光且將該光繞射成複數個級之一陣列配置於該波導之一平面中，其中一些級在該波導之該平面中以與該輸入方向成一角度繞射以提供跨該波導之該平面之2D擴展，且其他級在朝向一觀看者外耦合；其中該複數個光學結構之該等光學結構之至少一者在垂直於該波導之該平面之一方向上具有一輪廓，其中該輪廓沿平行於該波導之該平面之一或多個方向變動，使得該等外耦合級優先地從該波導之該第一主表面提供。

較佳地，正外耦合之該等級在垂直於朝向一觀看者之該波導之該平面之一方向上。

較佳地，該波導包括該波導之一第一主表面及該波導之一第二主表面，該第一主表面在垂直於該波導之該平面之一方向上與該第二主表面分離，其中光藉由經歷該第一與第二主表面之間的全內反射而沿該波導朝向該輸出繞射元件傳播。

較佳地，與該波導之該第二主表面相比，自該波導之該第一主表面提供該等外耦合級。與該波導之該第二主表面相比，此可優先地來自該波導之該第一主表面。

以此方式，該等光學結構之各者可具有在該波導之該平面中(即，跨該波導之該平面)變動之一高度。因此，該等光學結構可具有一閃耀結構。有利的係，此閃耀結構可自該波導之一主表面(即，側)朝向該觀看者優先繞射光。以此方式，可消除或顯著抑制透射抑或反射級。由於該光僅在一單一方向上(透射抑或反射級)自該波導外耦合，因此可提高該輸出繞射光學元件之光學效率。此可有利地改良一可佩戴裝置中之電池保存，或其可降低一投影儀之功率需求。該波導之該平面可在x-y平面中。在此標記中，該光學結構之高度將沿z軸。該等主表面可為該波導之相對側。

跨該波導之該平面上之該2D擴展導致2D光瞳複製。因此，未外耦合之該等級以與該輸入方向成一定角度繞射以提供複數個繞射級。與該輸入方向之該角度可為±60°。替代地，其可為±45°。替代地，其可為不同於該輸入方向之任何其他角度。

在一些配置中，該複數個光學結構之該等光學結構之至少一者之該輪廓可沿平行於該波導之該平面之一或多個方向連續變動。依此方式，該等光學結構之該輪廓可具有在該光學結構上連續改變之一梯度。一連續斜率可提供該等繞射級之效率及方向性之改良控制。

替代地，該複數個光學結構之該至少一者在其輪廓中具有一不連續。在其它配置中，該複數個光學結構之該至少一者包括複數個不連續。依此方式，可藉由在該光學結構中具有一或多個階差來達成該輪廓變動。各階差可具有由垂直於該波導之該平面之垂直部分分離之與該波導之該平面平行之一實質上平坦部分。此可助於該等光學結構之製造，同時亦提供提高相對於該等透射輸出級之該等反射輸出級之效率之所要效應，或反之亦然。

較佳地，該複數個光學結構之至少一些光學結構之該輪廓變動可不同於該複數個光學結構之其他光學結構之該輪廓變動。並非所有光學結構均具有以相同方式變動之一輪廓。由於光學結構之間的該輪廓變動中之差異，因此該等光學結構可具有變化散射特性。在一些配置中，光學結構之該輪廓之該變動跨該輸出繞射元件變動。因此，該輸出繞射元件之不同區域處之該等光學結構在輪廓中可具有不同變動(即，彼此之間)。該輪廓變動可表示為該輪廓變動之一量測，該量測界定可透過其量測該輪廓變動之範圍。

依此方式，該等光學結構之輪廓變動可跨該輸出繞射元件變動以在該輸出繞射元件之特定區域處達成所要散射。例如，在該輸出繞射元件之一第一區域中，該等光學結構均可具有類似輪廓變動，而在該輸出繞射元件之一不同第二區域中，該等光學結構之輪廓變動可不同於該第一區域中之輪廓變動。替代地，該等光學元件之不同輪廓變動可跨該輸出繞射元件隨機分佈。

該輸入方向可界定該波導之該平面中之一第一軸，且該等光學結構透過其在輪廓中變動之該一或多個方向可與該輸入方向成一角度。此角度可為±60°。通常，該輸入光之一比例可由該等光學結構以±60°之一角度繞射。此配置確保，在一初始轉動之後，當光入射於一後續光學結構上時，該光學結構之高度之斜率實質上在相同於光入射於該光學結構上之方向。替代地，該角度可為±45°或任何其他角度。例如，使用上文給出之標記，該輸入方向可沿y軸。

該第一軸之一第一側上之該等光學結構透過其在輪廓中變動之該方向可與該輸入方向成一第一角度且該第一軸之一第二側上之該等光學結構在輪廓中之變動之該方向可與該輸入方向成一第二角度。該第一軸之該第一側及該第一軸之該第二側位於由沿自光入射於該輸出繞射元件之點延伸之該輸入方向形成之一線分離之該波導之該平面中。依此方式，在一初始轉動之後，當光入射於一後續光學結構上時，該光學結構之該輪廓之該斜率在光入射於該光學結構上之相同方向上。在一配置中，該第一角度可為+60°且第二角度可為-60°。在另一配置中，該第一角度可為+45°且該第二角度可為-45°。在其他配置中，角度可為任何其他角度。

在一些配置中，該第一軸上之該等光學結構在該輸入方向上輪廓變動。因此，提供來自該輸入光柵之光之該初始繞射之該光學結構可具有沿由該輸入方向界定之一軸變動之一輪廓。此確保在使用該輸出光柵之該輸入光之該初始繞射之後，該光優先在單一預期方向上繞射(即，依透射抑或反射級)。

在一些配置中，該複數個光學結構之至少一者經配置使得該至少一光學結構之該輪廓在遠離光入射於該至少一光學結構上之一點之一方向上具有一負梯度。此引起優先選擇反射繞射級且優先抑制透射繞射級。在一些配置中，所有複數個光學結構可依此一方式配置。換言之，光入射之該光學結構之該側之該輪廓高於或具有大於最遠離大於光入射之該側之該光學結構之該側之輪廓之一實體範圍。該實體範圍在z軸上。此意謂輪廓斜率自光入射之該光學結構之該側向下。此斜率可為連續或為階差式。依此方式，與最遠離光入射之該側之該光學結構之截面相比，該光學結構在光入射之該截面處在z軸上延伸較高。

替代地或另外，該複數個光學結構之至少一者經配置使得該至少一光學結構之該輪廓在遠離光入射於該至少一光學結構上之一點之一方向上具有一正梯度。此引起優先選擇透射繞射級且優先抑制反射繞射級。在一些配置中，所有複數個光學結構可依此一方式配置。換言之，光入射之光學結構之該側之該輪廓低於或具有小於最遠離光入射之該側最遠之該光學結構之該側之該輪廓之一實體範圍。此意謂該等輪廓斜率自光入射之該光學結構之該側向上。此斜率可為連續或為階差式。依此方式，與光入射至之該光學結構之該截面相比，該光學結構在最遠離光入射之該截面之z軸中延伸較高。

較佳地，該波導可包括與該繞射輸出光學元件分離之一輸入繞射光學元件，該輸入繞射光學元件經構形以將光耦合至該波導中且在該輸入方向上將光提供至該陣列中之該複數個光學結構。

當在該波導之該平面中觀看時，該複數個光學結構可分別具有一形狀，包括具有不同角度處之各自法向量之複數個實質上直側。換言之說，當在x-y平面中觀看時，該光學結構之該截面可為具有含不同角度之各自法向量之複數個實質上直側之一形狀。例如，其可為如WO2018/178626中所描述之一凹口菱形形狀。替代地，其可具有一不同截面形狀，諸如圓形或矩形。

該波導中之該光學結構陣列可稱為一光子晶體。該波導可提供於一光學顯示器內。

該等光學結構較佳地表現出與一周圍介質之折射率之差異。以此方式，該等光學結構可嵌入一波導內且可歸因於結構與波導介質之間的折射率之一差異而產生該等光學結構之繞射性質。

該等光學結構可提供為該波導之一表面上之表面離隙特徵。該等表面離隙特徵之折射率與其周圍空氣之間的不匹配可提供所要繞射性質。在一些實施例中，可在該等光學結構上提供一塗層以控制繞射效率。

較佳地，該波導係一平面平板波導。光透過波導之傳播係當光入射且在該波導之該平面中自該波導之該第一主表面且在該波導之該平面中自該波導之該第二主表面反射時經由全內反射。以此方式，當光自各面反射時，其沿該波導自該輸入繞射元件朝向該輸出繞射元件傳播。

根據一進一步態樣，提供一種擴增實境或虛擬實境顯示器，其包括以上態樣之波導。

根據一進一步態樣，提供一種用於一擴增實境或虛擬實境顯示器之一波導之製造方法，其包括以下步驟：提供包括一光子晶體中之複數個光學結構之一輸出繞射元件；配置該複數個光學結構，其中該複數個光學結構以經構形以接收來自一輸入方向之光且將該光繞射成複數個級之一陣列配置於該波導之一平面中，其中一些級在該波導之該平面中以與該輸入方向成一定角度繞射以提供跨該波導之該平面之2D擴展，且其他級朝向一觀看者外耦合，且其中該複數個光學結構之該等光學結構之至少一者在垂直於該波導之該平面之一方向上具有一輪廓，其中該輪廓沿平行於該波導之該平面之一或多個方向變動，使得從該波導之一主表面優先提供該等外耦合級。

較佳地，正外耦合之該等級在垂直於朝向一觀看者之該波導之該平面之一方向上。

較佳地，該波導包括該波導之一第一主表面及該波導之一第二主表面，該第一主表面在垂直於該波導之一平面之一方向上與該第二主表面分離，其中光藉由在該第一與第二主表面之間經歷全內反射而沿該波導朝向該輸出繞射元件傳播。

較佳地，與該波導之該第二主表面相比，自該波導之該第一主表面提供該等外耦合級。與該波導之該第二主表面相比，此可優先來自該波導之該第一主表面。

圖1A展示波導1之一俯視圖，且圖1B展示波導1之邊緣視圖，如WO 2016/020643中所揭示。

一輸入繞射光柵2提供於波導1之一表面上以將來自一投影儀(圖中未展示)之光耦合至波導1中。耦合至波導中之光藉由全內反射朝向包含一光子晶體之一輸出元件4行進。在此實例中，光子晶體包含支柱。支柱具有相對於周圍波導介質之折射率之一不同折射率且支柱配置於具有六邊形對稱性之一陣列中。支柱可稱為奈米結構、繞射光學結構或光學結構。

如可自圖1A看見，來自輸入光柵2之光沿輸入光路徑8朝向輸出光柵4耦合。如可自圖1B可看見，光由波導1之一第一主表面5與一第二主表面7之間的全內反射傳播。位置6a展示輸入光首先與由光學結構陣列形成之光柵交互作用之點。接著，光在位置6a處繞射成若干繞射級。

光之一部分以±60°繞射成由路徑10a及路徑10b展示之轉動級。

光之一進一步部分自波導繞射出來進入所謂之輸出級。此等在圖1B中可被看作反射級12b及透射級12a。平面外之反射級12a在圖1A中展示，儘管兩個級如圖1B中所展示來呈現。反射級12b係光在與輸出光柵4繞射之後通過波導1且接著隨後自波導中傳出之位置。透射級12a係光自輸出光柵4傳出且自輸出光柵4定位於其中之波導1之相同側上之波導1傳出之位置。因此，反射級12b及透射級12b在彼此相反之方向上自波導1之不同各自主表面延伸。反射級12b自波導1之第一主表面5傳出。透射級12a自波導1之第二主表面7傳出。

在位置6a處繞射之後，轉動級10a 10b之各者中之光接著在位置6b 6c處由此等位置處之光學結構陣列繞射以產生進一步轉動級及進一步輸出級。進一步輸出級在圖1B中展示為反射級14b及透射級14a。

可理解反射級及透射級兩者均能夠形成一影像。然而，在習知波導系統中，典型設計規定僅反射或透射級由一觀看者實際利用。此可在圖2A及圖2B中看見。

圖2A展示一波導1，其中觀看者之觀看位置16b來自與輸出光柵4位於其上之主表面相對之波導1之主表面5。在此配置中，反射級12b將影像提供至觀看位置16b。

圖2B展示一替代類型之波導1，其中觀看者之觀看位置16a來自輸出光柵4位於其上之波導1之主表面7。在此配置中，透射級12a將影像提供至觀看位置16a。

在習知系統中(諸如上文引用之先前技術中所揭示之系統)，即使僅使用透射或反射級之一者來產生影像，但另一級仍存在。此意謂在遠離眼睛之方向上存在一影像形成順序。此意謂此光會丟失，其降低系統之效率。此亦可引起隱私問題，因為面對使用者之第三方可能夠查看使用者正在查看之資訊。

本發明係針對防止不需要的透射或反射級之此等問題，使得僅產生透射或反射級。

圖3A至圖3F展示用於一繞射輸出元件之光學結構之許多不同配置。圖3A展示具有如WO2018/178626中所描述之一凹口菱形形狀之光學結構20。如可見，光學結構20具有一平坦均勻輪廓。如圖1B中所展示，具有此一輪廓之一光學結構導致出現透射及反射級兩者。

已發現透過修改圖3A中所展示之光學結構20之輪廓，可抑制透射或反射輸出級之一者。具體而言，此可透過具有跨光學結構變動之一輪廓來達成。

圖3B展示係具有一變化輪廓之此一結構之一實例之光學結構22。在波導之平面中，光學結構22具有光學結構20之凹口菱形形狀。然而，光學結構22之輪廓變動。此輪廓變動在跨波導之平面之一方向上。因此，光學結構22在光學結構22之一端至相對端之間具有一梯度或斜率。如可見，光學結構22之輪廓自光學結構22之一側至另一側連續變動。當自圖3B中之透視圖觀看時，此相對於垂直方向成一角度。斜率以至垂直之此角度(即，跨光學元件之一對角線)自凹口平行四邊形之最長側101延伸至最長側103。當在波導之平面中觀看時，此係沿y軸及x軸。

圖3C展示係可選擇性地抑制透射或反射級之一光學結構之一進一步實例之光學結構24。如可見，光學結構24具有一變化輪廓。不連續28將光學結構24之輪廓之兩個區域30a 30b分離。第一區域30a高於第二區域30b以產生輪廓變動。此在兩個區域之間的不連續28處產生一階差。階差及因此不連續跨光學結構之整個範圍自一側延伸至相對側。如圖3C中所觀看，階差(及不連續)以與垂直方向成一角度跨光學結構延伸。此角度垂直於輪廓變動透過其發生之角度。輪廓變動自光學結構24之側101至側103。換言之，不連續以平行於凹口平行四邊形之側103 101之一角度定位。不連續28沿上述角度定位於光學結構24之中心處。垂直於波導之平面之光學結構之實體範圍可視為其高度。階差之高度係光學結構之高度之一半。亦可看見一進一步階差29可倍視為存在於光學結構之邊緣103與輸出光柵4之周圍區域之間。

圖3D展示係能夠選擇性地抑制透射或反射級之一光學結構之一進一步實例之光學結構26。如可見，光學結構26具有一變化輪廓。光學結構26具有各位於光學結構26之五個不同平坦區域34a至34e之間的四個不連續32a至32d。不連續32a至32d之各者係將光學結構26之輪廓之兩個相鄰平坦區域30a至30e分離之垂直區段。不連續之各者跨側101與側103之間的光學結構等距間隔。區域30a至30e之高度跨光學結構減小以產生輪廓變動。若將光學結構33之邊緣及輸出光柵4之周圍區域視為一進一步階差，則此產生五個階差。不連續32a至32e (及因此階差)之各者以如上文相對於圖3C所描述之一角度配置，且各跨光學結構之範圍延伸。如圖3D中所展示，階差之各者具有相同高度。此係光學結構26之最高點之高度之20%。然而，在其它配置中，階差之各者之高度可相對於彼此變動。

有利地，藉由具有階差，如在光學結構24及光學結構26中，光學結構比光學結構22更容易製造，同時仍提供抑制透射抑或反射級之效應。

圖3E展示係具有一變化輪廓之此一結構之進一步實例之光學結構25。在波導之平面中，光學結構25具有光學結構20之凹口菱形形狀。然而，光學結構25之輪廓變動。此輪廓變動在跨波導之平面之一方向上。因此，光學結構25在光學結構25之一端至相對端之間具有一梯度或斜率。可看見，光學結構25之輪廓自光學結構25之一側至另一側連續變動。當自圖3E中之透視圖觀看時，此梯度在光學結構之頂點107與頂點105之間。頂點105及頂點107係凹口平行四邊形截面之兩個最大側之間的頂點。與圖3B中之光學結構不同，當在圖3E中觀看時，圖3E中所展示之光學結構25之輪廓沿垂直軸變動，即當在波導之平面中觀看時沿y軸變動，而非與該軸成一角度。

圖3F展示係能夠選擇性地抑制透射或反射級之一光學結構之一進一步一實例之光學結構27。圖3F中所展示之光學結構27可被視為係圖4中所展示之光學結構42及光學結構44之一組合。如同圖3E中之光學結構，圖3F中所展示之光學結構27之輪廓沿垂直軸變動，而非與該軸成一角度。然而，兩個不連續38a及38b將光學結構27之輪廓之兩個區域39a及39b分離。第一區域39a高於第二區域39b以產生輪廓變動。此在兩個區域之間的不連續38a 38b處產生一階差。區域39b具有含四個側之一菱形截面形狀，而區域39a具有含10個邊之一截面形狀。不連續38a 38b在截面中彼此成直角且各自光學結構27之不同側延伸以在光學結構27之中心點41處相遇。垂直於波導之平面之光學結構27之實體範圍可被視為其高度。階差38之高度係光學結構之高度之一半。光學結構27可被視為圖3E中所展示之光學結構25之一修改階差版本。

圖3B至3F中所展示之光學結構之各者可用於圖1B中所展示之一輸出光柵4中但在透射抑或反射中提供優先外耦合，使得其主要來自波導之第一主表面5抑或第二主表面7。

圖4展示一實例性輸出光柵4，經構形以確保反射級優先地外耦合出波導(與透射級相比)。來自輸入光柵2之光沿輸入光路徑8入射於輸出光柵4上。輸入光最初自位置40a處之光學結構陣列形成之光柵繞射。此如相對於圖1中所展示。在此位置40a處，光學結構具有如圖3E中所展示之一輪廓，或具有諸如圖3F中所展示之一或多個階差之一光學結構。此既而導致如相對於圖1所描述之轉動級10a 10b。然而，在輸入光與位置40a處之光學結構陣列交互作用之後產生之外耦合級優先係反射級50，而抑制透射級。

來自轉動級10b之光入射於由位置40b處之光學結構陣列提供之光柵上。此位置40b處之光學結構42之輪廓如圖4之插圖(a)中所展示。光學結構42具有類似於圖3C中所展示之光學結構24之一階差式輪廓。然而，光學結構42具有在相同於轉動級10b之方向上變動之一輪廓。此與輸入方向成一-60°角。在位置40b處，來自階差轉動級10b之光朝向在垂直於波導之平面中延伸得最遠(即，在使用圖4中所展示之標記z軸中)之光學結構42之側(即，最高側或具有垂直於波導之平面之最大實體範圍之側)入射。在此位置40b處之光學結構42陣列具有此輪廓之情況中，來自位置40b處之光學結構42之外耦合級優先係反射級52，且抑制透射級。

來自轉動級10a之光入射於由位置40c處光學結構陣列提供之光柵上。此位置處之光學結構44之輪廓如圖4之插圖(b)中所展示。光學結構44具有類似於圖3C中所展示之光學結構24之一階差式輪廓。然而，光學結構44具有在與轉動級10a之方向相同之方向上變動之一輪廓。此與輸入方向成一+60°角。在位置40c處，來自轉動級10a之光朝向在垂直於波導之平面中延伸得最遠之光學結構44之側(即，最高側或具有垂直於波導之平面之最大實體範圍之側)入射。在此位置40c處之光學結構44陣列具有此輪廓之情況中，來自位置40c處之光學結構44之外耦合級優先係反射級54，且抑制透射級。

波導之平面由x-y平面界定，如圖1A及圖4中所展示。當在如圖4中所展示之波導之平面中觀看時，相對於輸入方向配置於輸出光柵之左側之所有光學結構均係如插圖(a)中所展示之光學結構。此係相對於輸入方向之-x方向上之所有光學結構。

另外，相對於輸入方向配置於輸出光柵之右側上之所有光學結構均係如插圖(b)中所展示之光學結構。此係相對於輸入方向之+x方向上之所有光學結構。

位於輸入方向上之任何光學結構具有相對於圖3E或圖3F中所展示之光學結構所描述之輪廓。

儘管圖4展示插圖(a)及(b)中光學結構之形狀以展示輪廓變動，但圖4中之輸出光柵4上未展示波導之平面中之光學結構之實際形狀。為闡明起見，圖5中展示波導之平面中之光學結構之形狀。如自圖5可見，當在x-y平面上自上而下觀看時，光學結構42、44 25之各者具有凹口菱形形狀。儘管圖5中僅展示各位置中之一單一光學結構40a 40b 40c，但實際上，各位置中將存在各在波導之該位置中具有相同形狀之彼此偏移之一光學結構陣列。指示階差之位置之不連續28亦可在光學結構42及44上清楚地看見，其定向如上文相對於圖4所討論。

在一替代配置中，在僅需要透射級之情況中，光學結構之各者之輪廓可在與圖4中所展示之相反方向上變動。例如，自光朝向光學結構入射之點，光學結構40b及40c可在垂直於平面之方向上增加高度或實體範圍。對於沿輸入方向之光學結構，情況亦可如此。

已發現對於其中光學結構之各者之輪廓係均勻的之一輸出光柵，平均反射照度係203 nits/L，且平均透射照度係141 nits/L。此提供反射照度與透射照度之一比1.45。此係在整個輸出光柵中具有圖3A中所展示一光學結構20。

已發現對於其中光學結構之各者之輪廓如圖4中所展示變動之一輸出光柵，平均反射照度係330 nits/L且平均透射照度係110 nits/L。此提供反射照度與透射照度之一比3.00。

此等結果展示在輸出光柵中使用具有變化輪廓之光學結構可用於優先地在朝向觀看者之方向上繞射光以減少相反方向上之不需要的繞射。可見，此等結構之使用(可稱為偽閃耀結構)使眼睛之照度提高60%。

如上文所描述，應理解藉由以相反方式定向輪廓變動，可優先選擇透射級而非反射級。

已詳細描述本發明之態樣，顯而易見，在不背離如隨附申請專利範圍中界定之本發明之態樣之範疇之情況下，修改及變動係可行。由於可在不背離本發明之態樣之範疇之情況下進行上述構造、產品及方法之各種改變，因此意欲含於以上描述中及附圖中所展示之所有物質應解譯為繪示性而非限制性。

上述光學結構可為3D奈米結構元件或支柱，輪廓變動可被視為係奈米結構之高度或其垂直於波導之平面之實體範圍中之一變動。因此，垂直於波導之平面之奈米結構之高度或實體範圍可變動。在其它配置中，光學結構可由具有折射率之一操作表面之波導中之層提供。此等表面之輪廓(即，垂直於波導之平面之方向上之位置)可以如上文所描述之方式變動。

在上文所展示之實施例中，沿輸入方向8配置之光學結構被描述為具有在相同於輸入方向之一方向上變動之一輪廓。然而，在其它配置中，此等結構之輪廓可係均勻的(即，無閃耀)，諸如如圖3A中所展示之光學結構20。在其它配置中，僅沿輸入方向之第一光學結構可具有此輪廓。

在其它配置中，沿輸入方向之光學結構可具有如圖4中所展示之插圖(a)及/或(b)中所展示之光學結構之一輪廓。此係因為此中心線之寬度可較小，諸如約0.5 µm寬。因此，沿此中心線之光學結構之輪廓可整體上對影像之方向性具有最小影響。

在圖3C、圖3D及圖3F中所展示之實例中，光學結構可具有一階差式輪廓。階差之數目不受限於此等圖中所展示之實例。例如，階差之數目可為1、2、3、4、5或更多個階差。

1:波導 2:輸入繞射光柵 4:輸出光柵 5:主表面 6a:位置 6b:位置 6c:位置 7:主表面 8:輸入方向 10a:路徑 10b:路徑 12a:透射級 12b:反射級 14a:透射級 14b:反射級 16a:觀看位置 16b:觀看位置 20:光學結構 22:光學結構 24:光學結構 25:光學結構 26:光學結構 27:光學結構 28:不連續性 29:階差 30a至30e:平坦區域 32a至32d:不連續 33:光學結構 34a至34e:平坦區域 38:階差 38a:不連續 38b:不連續 39a:第一區域 39b:第二區域 40a:位置 40b:位置 40c:位置 41:中心點 42:光學結構 44:光學結構 50:反射級 52:反射級 54:反射級 101:側 103:側 105:頂點 107:頂點

現參考圖式以實例之方式描述本發明之實施例，其中： 圖1A及圖1B展示一已知波導之一俯視圖及邊緣視圖； 圖2A展示一波導，其中輸出觀看位置係來自與輸出光柵之位置相對之波導之主表面； 圖2B展示一波導，其中輸出觀看位置係來自輸出光柵位於其上之波導之相同主表面； 圖3A至圖3F展示根據本發明之用於一繞射輸出元件中之光學結構之許多不同配置； 圖4展示根據本發明之經構形以確保反射級自波導以高於透射外耦合級之效率外耦合之一實例性輸出光柵；及 圖5展示根據本發明之經構形以確保反射級以高於透射外耦合級之效率自波導外耦合以展示當在波導之平面中觀看時光學結構之形狀之圖4之實例性輸出光柵。

2:輸入繞射光柵

8:輸入方向

10a:路徑

10b:路徑

40a:位置

40b:位置

40c:位置

42:光學結構

44:光學結構

50:反射級

52:反射級

54:反射級

Claims (14)

1. 一種用於一擴增實境或虛擬實境顯示器之波導，其包括： 一輸出繞射元件，其包括一光子晶體中之複數個光學結構； 該波導之一第一主表面，及該波導之一第二主表面，該第一主表面在垂直於該波導之一平面之一方向上與該第二主表面分離，其中光藉由在該第一與第二主表面之間經歷全內反射而沿該波導朝向該輸出繞射元件傳播； 其中該複數個光學結構以經構形以接收來自一輸入方向之光且將該光繞射成複數個級之一陣列配置於該波導之一平面中，其中一些級在該波導之該平面中以與該輸入方向成一角度繞射以提供跨該波導之該平面之2D擴展，且其他級在垂直於該波導之該平面之一方向上朝向一觀看者外耦合； 其中該複數個光學結構之該等光學結構之至少一者在垂直於該波導之該平面之一方向上具有一輪廓，其中該輪廓沿平行於該波導之該平面之一或多個方向變動，使得與該波導之該第二主表面相比，該等外耦合級優先地從該波導之該第一主表面提供。
2. 如請求項1之波導，其中該複數個光學結構之該等光學結構之至少一者之該輪廓沿平行於該波導之該平面之一或多個方向連續變動。
3. 如請求項1之波導，其中該複數個光學結構之該至少一者在其輪廓中具有一不連續。
4. 如請求項3之波導，其中該複數個光學結構之該至少一者包括複數個不連續。
5. 如請求項1至4中之任一項之波導，其中該複數個光學結構之至少一些光學結構之該輪廓變動不同於該複數個光學結構之其他光學結構之該輪廓變動。
6. 如請求項5之波導，其中光學結構之該輪廓變動跨該輸出繞射元件變動，使得該輸出繞射元件之不同區域處之光學結構具有彼此不同之輪廓變動。
7. 如請求項5之波導，其中該輸入方向界定該波導之該平面中之一第一軸，且該等光學結構透過其在輪廓上變動之該一或多個方向與該輸入方向成一角度。
8. 如請求項7之波導，其中該第一軸之一第一側上之該等光學結構透過其在輪廓中變動之該方向可與該輸入方向成一第一角度且該第一軸之一第二側上之該等光學結構在輪廓中之變動之該方向可與該輸入方向成一第二角度，其中該第一軸之該第一側及該第一軸之該第二側位於由沿自光入射於該輸出繞射元件之點延伸之該輸入方向形成之一線分離之該波導之該平面中。
9. 如請求項1至4中之任一項之波導，其中該複數個光學結構之至少一者經配置使得該至少一光學結構之該輪廓在遠離光入射於該至少一光學結構上之一點之一方向上具有一負梯度。
10. 如請求項1至4中之任一項之波導，其中該複數個光學結構之至少一者經配置使得該至少一光學結構之該輪廓在遠離光入射於該至少一光學結構上之一點之一方向上具有一正梯度。
11. 如請求項1至4中任一項之波導，其包括與該輸出繞射元件分離之一輸入繞射光學元件，該輸入繞射光學元件經構形以將光耦合至該波導中且在該輸入方向上將光提供至該陣列中之該複數個光學結構。
12. 如請求項1至4中任一項之波導，其中當在該波導之該平面中觀看時，該複數個光學結構可分別具有一形狀，其包括具有不同角度處之各自法向量之複數個實質上直側。
13. 一種擴增實境或虛擬實境顯示器，其包括如請求項1至12中任一項之波導。
14. 一種用於一擴增實境或虛擬實境顯示器之一波導之製造方法，其包括以下步驟： 提供包括一光子晶體中之複數個光學結構之一輸出繞射元件； 配置該複數個光學結構，其中該波導包括該波導之一第一主表面及該波導之一第二主表面，該第一主表面在垂直於該波導之一平面之一方向上與該第二主表面分離，其中光藉由經歷該第一與第二主表面之間的全內反射而沿該波導朝向該輸出繞射元件傳播； 其中該複數個光學結構以經構形以接收來自一輸入方向之光且將該光繞射成複數個級之一陣列配置於該波導之該平面中，其中一些級在該波導之該平面中以與該輸入方向成一定角度繞射以提供跨該波導之該平面之2D擴展，且其他級在垂直於該波導之該平面之一方向上朝向一觀看者外耦合，且其中該複數個光學結構之該等光學結構之至少一者在垂直於該波導之該平面之一方向上具有一輪廓，其中該輪廓沿平行於該波導之該平面之一或多個方向變動，使得與該波導之該第二主表面相比，從該波導之該第一主表面優先提供該等外耦合級。

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