TW202219571A - 波導總成 - Google Patents
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Abstract
揭示一種波導總成。該波導總成包括一第一波導平板及一第二波導平板。該第一波導平板係配置成接收影像承載光，且平行於一第一軸放大該影像承載光之一光瞳尺寸。該第一波導平板包括一第一輸入耦合裝置及一第一輸出耦合區，該第一輸入耦合裝置係配置成根據全內反射(TIR)耦合影像承載光進入該第一波導平板，該第一輸出耦合區係配置成藉由反射而去耦影像承載光離開該第一波導平板。該第二波導平板係配置成將來自該第一波導平板之輸出耦合影像承載光的至少一部耦合入該第二波導平板，且平行於一第二軸放大該光瞳尺寸，該第二軸係與該第一軸大致正交。
該第二波導平板包括一繞射輸入耦合區及一透射繞射輸出耦合區，一使用者可經由此同時地觀看真實世界影像及該輸出耦合影像承載光。
Description
對於擴增實境，期望顯示器之視野要大。由於使用者之身體特徵的差異，亦期望顯示器包含大出瞳(exit pupil)而考慮到顯示器之通用型設備及考慮到使用者眼睛相對於顯示器表面之運動。為了縮小用於顯示器影像之光學器件的總尺寸，同時提供一大FOV及出瞳，則使用光瞳擴展技術。
無。
無。
可使用包括一繞射光柵之一波導100達成光瞳擴展，如圖1中圖示者。波導100包括一輸入光柵110及一輸出光柵120。該輸出光柵構造成輸出一光離開該波導且在單一維中擴展光。一光柵係一週期性結構，其可將光分裂且繞射至不同方向。此等週期性結構經常被稱為線，且應在本說明任何部分皆如此稱呼。
可使用二個正交波導達成二維中之擴展，如圖2中圖示者。每一波導上之光柵線大致彼此正交。一輸入光瞳係使用輸入光柵110a耦合入第一波導100a。該輸入光瞳係在輸出光柵120a內擴展且藉該輸出光柵從波導100a輸出耦合。
第二波導100b係配置成，使得第二擴展光柵120b之光柵線係與第一擴展光柵120a之光柵線大致正交，且使得藉輸出光柵120a而從該第一波導輸出之光係藉輸入光柵110b耦合入第二波導100b。第二波導100b之輸出光柵120b係用於在與該第一方向正交之一第二方向上擴展光瞳，且從該第二波導輸出光。
如圖2a及圖2b中顯示之配置係因使用低效率光柵來用於實施該第一波導與該第二波導之間的交叉耦合而無效率。由於圖2a及圖2b中之配置使用繞射光柵，因此其亦具有固有之視野(FOV; Field of View)及波長頻寬限制。
針對具有一固定節距輸入光柵之單一繞射波導，其難以在一大FOV上耦合一大波長範圍，這係因某些特定波長之繞射角落於玻璃基板之TIR條件外。
因此，針對包括多重波長(即，全彩)之一寬FOV影像，具有此設置之水平擴展器及垂直擴展器二者通常需要多重堆疊之波導。具有固定節距輸入光柵之單一波導顯示於圖3a中。當輸入紅光時，如圖3a中顯示者，全紅FOV係根據TIR耦合。然而，當輸入藍光時，如圖3b中顯示者，藍FOV無法藉TIR限制而未耦合，因此該FOV大部分射出。
一變型係利用一光瞳擴展器，其利用反射耦合元件而非繞射元件。這係在圖4中圖示者。
包括譬如一稜鏡等一反射或透射輸入耦合裝置之一波導並不具有與一繞射光柵相同之色彩限制，且多重波長可在一較大FOV上耦合。因此，對比於圖3a及圖3b之配置，單一波導可用於根據TIR限制一全彩、寬FOV影像。附接至波導平板之一反射輸出結構亦可依較一典型繞射光柵更有效率之方式輸出波導光。
僅僅用於光瞳擴展之一反射輸出耦合器(即在一水平擴展器之情況下)不具有透射/透視之需求，因此可塗佈以用於高反射(高效率反射鏡塗層)，具有一均衡效率以產生一均勻輸出。
因在視線內使用多重反射表面，而難以最佳化一反射輸出耦合結構來保持一視場內具有最小化假影之透明透視路徑。相較之下，典型之繞射輸出耦合結構可最佳化成高度透視且具有最小假影，尤其當嵌入一玻璃基板內時，這係因使用之奈米尺寸繞射結構無法藉人眼感知。
因此，結合一反射光瞳擴展器與一繞射光瞳擴展器可產生一結合之二維光瞳擴展器，其包括二技術之最佳品質。
參考圖5a至圖5d說明依據一些範例之一波導總成500。波導總成500包括一第一波導平板500a及一第二波導平板500b。
第一波導平板500a係配置成接收影像承載光(image-bearing light)，且平行於一第一軸放大該影像承載光之光瞳。第一波導平板500a包括一第一輸入耦合裝置510a，配置成根據全內反射(TIR)耦合光進入該第一波導平板。第一波導平板500a亦包括一第一輸出耦合區520a，配置成藉由反射而在平行於一第一軸之一方向上擴展光瞳。第一輸出耦合區520a亦配置成耦合該影像承載光離開第一波導平板500a。
以圖5a中側視圖及圖5b中俯視圖來圖示第一波導平板500a。
第二波導平板500b係配置成，將來自第一波導平板500a之輸出耦合光的至少一部耦合入第二波導平板500b，且在與一第二軸大致平行之一方向上擴展該影像承載光。該第二軸係與該第一軸大致正交。
第二波導平板500b包括一繞射輸入耦合區510b及一透射繞射輸出耦合區520b，一使用者可經由此同時地觀看真實世界影像及該輸出耦合影像承載光。
以圖5c中俯視圖及圖5d中側視圖來圖示第二波導平板500b。
包括使用反射技術之第一輸出耦合區520a的第一波導平板500a可在單一平板配置內攜載一大FOV及光譜範圍。包括第一輸出耦合區520a之第一波導平板500a可最佳化成高度有效率且均衡化以達均勻，而無需透視。
在一些範例中，可藉較佳地非線性地變化結構之尺寸、形狀、及間距來實施均衡。
在一些範例中，該光柵之高度或深度(例如數10微米到數100微米)可變化，較佳地在數10微米到數100微米之範圍中。
在一些範例中，鄰接特徵之間的間距可變化，較佳地在數10微米到數1000微米之範圍中(例如，數10微米到數1000微米)。
在一些範例中，閃耀面之角度可變化，較佳地在20度到35度之範圍中。
特徵之梯度可最佳化，以針對一特定設置產生最佳輸出均勻性，例如取決於所需之FOV及輸出區域。
使用繞射技術之第二波導平板500b可最佳化成高度透視且具有最小透視假影，同時在一大區域上擴展垂直光瞳。
在一些範例中，第一輸入耦合裝置510a附接至波導平板500a之外側。這可容許第一輸入耦合裝置510a分離地製造，且接合或膠合至第一波導平板500a之外側。
在一些範例中，第一輸入耦合裝置510a可包括一稜鏡裝置，譬如一稜鏡或複數個稜鏡。一稜鏡輸入裝置可最佳化，以輸入耦合一寬範圍之波長及一大FOV。
在一些範例中，該影像承載光可橫越第一輸出耦合區520a均勻地去耦。
在一些範例中，第一波導平板500a及第二波導平板500b其中至少一個可呈彎曲及/或非平面。
由於該使用者無需看穿第一波導平板500a，因此第一波導平板500a或第一輸出耦合區520a可大致反射及/或非透射。
為了滿足一具有多重波長之較寬FOV的需求，與第二波導平板500b相似之多重波導平板可用於一共面波導總成600中。這係在圖6中圖示。多重波長波導總成包括一水平波導平板610、一第一垂直波導平板620、及一第二垂直波導平板630。水平波導平板610係與第一波導平板510大致相似，且包括一輸出耦合區(圖6中未顯示)，配置成藉由反射而在平行於一第一軸之一方向上擴展光瞳。該輸出耦合區亦配置成，將離開水平波導平板610之影像承載光朝第一垂直波導平板620及第二波導平板630耦合。
水平波導平板610係配置成平行於一第一軸擴展光瞳。第一垂直波導平板620及第二垂直波導平板630係配置成與水平波導平板610共面，且配置成平行於一第二軸擴展光瞳，其中該第二軸係與該第一軸大致正交。第一垂直波導平板620與第二垂直波導平板630係沿一第三軸偏置，以一最小間隙偏置。該第一及第二垂直波導平板係與第二波導平板500b大致相似。
該間隙可包括一氣隙，或可填滿譬如一光學膠等一材料。
在共面波導總成600中，FOV係在從水平波導平板610射出時有效地分裂，這係起因於在水平波導平板610內進行之光程。該二個垂直波導平板可配置成，僅接收該FOV之一部，且將其耦合入各自波導。該等垂直波導平板上之二個輸入耦合光柵的光柵節距將很可能不同，這係因相異光柵節距可用於最佳化FOV之相異部的耦合效率。
共面波導總成600亦可包括二個以上垂直波導平板。
在一些範例中，水平波導平板610、第一垂直波導平板620、及第二垂直波導平板630其中至少一個可呈彎曲及/或非平面。
在一些範例中，第一波導平板500a及第二波導平板500b其中至少一個可由接合在一起之一個或一個以上基板形成。光塗層可被包含於此等接合基板之間。
在一些範例中，該光塗層可包括一分光塗層。一分光塗層將光分裂成一透射及反射分量。分光塗層典型地由低及高指數介電材料(例如氟化鎂、二氧化矽、二氧化鈦)或金屬材料(例如鋁、銀)形成。
倘該分光塗層係置於不相等厚度之基板或平板之間(例如基板1係1毫米厚，且基板2係2毫米厚)，則射線開始分裂多次而造成許多射線生成由單一源射線生成。這係在圖7a至圖7b及圖8a及圖8b中圖示者。
在圖7a中，單一射線係根據TIR沿波導平板傳播。當該射線從波導平板輸出時，如圖7b中顯示者，在輸出射線之間有間隙。
在圖8a中，二個不同厚度之波導平板係使用一分光塗層而接合在一起。該單一射線係與該分光塗層交互作用，且被分裂成一透射束及一反射束。隨後之反射及透射束亦與該分光塗層交互作用。此程序重複多次。
當光係從該波導平板放射時，如圖8b中顯示者，光瞳之間的間隙係較圖7b之範例縮小。
圖6圖示出光在輸入至第二垂直波導平板630之前通過第一垂直波導平板620。然而，在一些範例中，輸入至第二垂直波導平板630中之光可從水平波導平板610依一直接光程輸入至第二波導平板630。一直接光程係指，光不致在輸入至第二垂直波導平板630之前與其他元件交互作用。光可接著與第一垂直波導620交互作用，例如倘第一波導平板620與該第二波導平板係如關於圖8a及圖8b描述者接合在一起時。
多重分離波導總成可用於提供一雙目總成，如圖9及圖10中圖示者。在圖9顯示之配置中，該等反射波導平板係配置於該使用者之眼睛上方。在圖10顯示之一變型配置中，該等反射波導平板係配置於該使用者眼睛之旁側。
在一些範例中，圖9及圖10中顯示之配置可用作為擴增實境眼鏡。在一些範例中，圖9及圖10中顯示之配置可用於一頭戴式顯示器或抬頭顯示器中。
100:波導
100a:第一波導
100b:第二波導
110:輸入光柵
110a:輸入光柵
110b:輸入光柵
120:輸出光柵
120a:輸出光柵
120b:輸出光柵
500:波導總成
500a:第一波導平板
500b:第二波導平板
510a:第一輸入耦合裝置
510b:繞射輸入耦合區
520a:第一輸出耦合區
520b:透射繞射輸出耦合區
600:共面波導總成
610:水平波導平板
620:第一垂直波導平板
630:第二垂直波導平板
圖1圖示出構造成在單維中擴展一影像承載光瞳之一波導。
圖2a係在二維中擴展一影像承載光瞳之一波導總成的擴展圖示。
圖2b係在二維中擴展一影像承載光瞳之一波導總成的圖示。
圖3a圖示出具有一固定節距光柵之單一波導，其中紅光耦合入該波導。
圖3b圖示出具有與圖3a相同之固定節距光柵的相同單一波導，其中藍光耦合入該波導。
圖4圖示出利用反射耦合元件而非繞射元件之一光瞳擴展器。
圖5a圖示出一反射波導平板之一側視圖。
圖5b圖示出一反射波導平板之一俯視圖。
圖5c圖示出一透射波導平板之一俯視圖。
圖5d圖示出一透射波導平板之一側視圖。
圖6圖示出包括3個波導平板之一共面波導配置。
圖7a圖示出在一波導中根據TIR之單一射線。
圖7b圖示出耦合離開該波導之該單一射線。
圖8a圖示出包括二個接合在一起之波導平板的一波導中侷限之單一射線。
圖8b圖示出從包括二個接合在一起之波導平板的該波導輸出之該單一射線。
圖9圖示出一雙眼配置。
圖10圖示出一變型雙眼配置。
Claims (17)
- 一種波導總成，其包括： 一第一波導平板，配置成接收影像承載光，且平行於一第一軸放大該影像承載光之一光瞳尺寸，該第一波導平板包括一第一輸入耦合裝置及一第一輸出耦合區，該第一輸入耦合裝置係配置成根據全內反射(TIR)耦合影像承載光進入該第一波導平板，該第一輸出耦合區係配置成藉由反射而去耦影像承載光離開該第一波導平板； 一第二波導平板，配置成將來自該第一波導平板之輸出耦合影像承載光的至少一部耦合入該第二波導平板，且平行於一第二軸放大該光瞳尺寸，該第二軸係與該第一軸大致正交；其中 該第二波導平板包括一繞射輸入耦合區及一透射繞射輸出耦合區，一使用者可經由此同時地觀看真實世界影像及該輸出耦合影像承載光。
- 如請求項1之波導總成，其中該第一輸出耦合區係附接至該第一波導平板之一外表面。
- 如請求項1或2之波導總成，其中該影像承載光係橫越該輸出耦合區均勻地去耦。
- 如請求項1至3中任一項之波導總成，其中該第一輸入耦合裝置包括一稜鏡裝置。
- 如請求項1至4中任一項之波導總成，其中該第一輸出耦合區係大致完全反射及/或非透射。
- 如請求項1至5中任一項之波導總成，其尚包括一第三波導平板，配置成將來自該第一波導平板而未耦合入該第二波導平板之影像承載光根據TIR耦合入該第三波導平板，及其中該第三波導平板包括一透射繞射輸出耦合區，一使用者可經由此同時地觀看真實世界影像及該輸出耦合影像承載光。
- 如請求項6之波導總成，其中耦合入該第三波導平板之光不致在輸入至該第二波導之前與該第二波導平板交互作用。
- 如請求項6或7之波導總成，其中該第二波導平板之輸入耦合區與該第三波導平板之輸入耦合區具有不同的光柵節距尺寸。
- 如請求項6至8中任一項之波導總成，其中該第三波導平板係與該第二波導平板在該第一軸及第二軸上共面，且在一第三軸上偏置，該第三軸係與該第一軸及該第二軸正交。
- 如請求項6至9中任一項之波導總成，其中該第二波導平板與該第三波導平板係接合在一起。
- 如請求項10之波導總成，其中該第二波導平板與該第三波導平板係呈不同厚度。
- 如請求項1至11中任一項之波導總成，其中該第二波導係呈彎曲及/或非平面。
- 如請求項1至12中任一項之波導總成，其中該第一波導平板係配置成接收準直影像承載光。
- 如請求項1至13中任一項之波導總成，其尚包括一準直裝置，以輸出藉該第一波導接收之一準直出瞳。
- 一種雙眼配置，其包括一如請求項1至14中任一項之第一波導總成，以提供一第一影像至一使用者眼睛；及一如請求項1至14中任一項之第二波導總成，以提供一第二影像至一使用者眼睛。
- 一種擴增實境眼鏡，其包括一如請求項15之雙眼總成。
- 一種頭戴式顯示器或抬頭顯示器，其包括一如請求項1至14中任一項之波導總成。
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