TW202234122A - 包括具有延遲器元件的用於二維擴展的光導光學元件的光學系統 - Google Patents

包括具有延遲器元件的用於二維擴展的光導光學元件的光學系統 Download PDF

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Abstract

一種光學系統，用於將在耦入區域處注入的圖像照射引導至眼動箱以供用戶的眼睛觀看，該光學系統包括由透明材料形成的光導光學元件(Light-guide Optical Element，LOE)，該光導光學元件包括：第一區域，包含具有第一取向的平面的、相互平行的第一組部分反射表面；第二區域，包含具有第二取向的平面的、相互平行的第二組部分反射表面，該第二取向與第一取向不平行；一組相互平行的主外表面，跨第一區域和第二區域延伸；以及光學延遲器，被佈置在第一區域與第二區域之間以使由第一組部分反射表面偏轉的光在到達第二組部分反射表面之前進行偏振旋轉。

Description

包括具有延遲器元件的用於二維擴展的光導光學元件的光學系統
當前公開的主題涉及光學系統，並且更具體地，涉及包括被構造成用於二維圖像擴展的光導光學元件(Light-guide Optical Element，LOE)的光學系統。
近年來，消費者對頭戴式顯示器(Head Mounted Display，HMD)和諸如擴增實境(Augmented Reality，AR)眼鏡的“智慧”眼鏡(本文中統稱為近眼顯示系統)的需求激增。因此，在該快速發展的技術領域中，對更緊湊且重量更輕但仍然提供相對大的視場(Field Of View，FOV)並且產生明亮、高品質的圖像的光學系統的需求不斷增長。
一些已知的光學系統採用波導(本文中也稱為“光導”、“光導光學元件”或“LOE”)，以通過使圖像沿嵌入有一組或更多組部分反射內表面(“小平面”)的基板傳播來擴展輸入圖像。該類型的光學系統的已知問題之一是由於來自非平行小平面的部分反射之間的偏振失配造成少量光的損失。
根據當前公開的主題的一個方面，提供了一種光學系統，用於將在耦入區域處注入的圖像照射引導至眼動箱以供用戶的眼睛觀看，該光學系統包括由透明材料形成的光導光學元件(LOE)，該LOE包括：第一區域，包含具有第一取向的平面的、相互平行的第一組部分反射表面；第二區域，包含具有第二取向的平面的、相互平行的第二組部分反射表面，該第二取向與第一取向不平行；一組相互平行的主外表面，該主外表面跨第一區域和第二區域延伸，使得第一組部分反射表面和第二組部分反射表面二者位於主外表面之間，其中，第二組部分反射表面與主外表面成斜角，使得在LOE內通 過在主外表面處的內反射傳播的圖像照射的從第一區域進入第二區域中的一部分朝向眼動箱耦出LOE，並且其中，第一組部分反射表面被定向成使得來自耦入區域的在LOE內通過在主外表面處的內反射傳播的圖像照射的一部分朝向第二區域偏轉，LOE還包括光學延遲器，所述光學延遲器被佈置在第一區域與第二區域之間，以使由第一組部分反射表面偏轉的光在到達第二組部分反射表面之前進行偏振旋轉。
根據一些方面，光學系統包括緊湊型圖像投影儀(compact image projector)(POD)，該緊湊型圖像投影儀光學耦合至LOE以將圖像照射注入到LOE的耦入區域中，使得圖像照射通過在該組主外表面處的內反射被捕獲在一個維度上。
根據一些方面，POD被構造成生成被準直到無限遠的準直圖像，使得圖像照射跨越與二維角度視場對應的角度範圍。
根據一些方面，第一組部分反射表面被定向成與LOE的主外表面正交。
根據一些方面，圖像照射和圖像照射的共軛二者被偏轉到第二區域中。
根據一些方面，第一組部分反射表面相對於LOE的主外表面傾斜地定向。
根據一些方面，圖像照射或圖像照射的共軛被偏轉到第二區域中。
根據一些方面，第一組部分反射表面相繼地反射在第一區域內傳播的圖像照射的一部分，使得圖像照射經歷第一維度上的擴展。
根據一些方面，第二組部分反射表面相繼地反射在第二區域內傳播的圖像照射的一部分，使得圖像照射經歷第二維度上的擴展。
根據一些方面，第一區域被構造成實現x軸方向或y軸方向中的一個方向上的孔徑擴展，並且第二區域被構造成實現x軸方向或y軸方向中的另一個方向上的孔徑擴展。
根據一些方面，第一組部分反射表面和第二組部分反射表面被實現為塗覆有電介質薄膜塗層的內表面，該電介質薄膜塗層被構造成反射在 預定角度範圍內入射在內表面上的光。
根據一些方面，延遲器被佈置在LOE內，使得延遲器在主外表面之間基本上垂直於主外表面延伸。
根據一些方面，延遲器被佈置在LOE內，使得延遲器在主外表面之間以相對於主外表面的斜角延伸。
根據一些方面，延遲器被佈置在LOE內，使得延遲器被定向成基本上平行於主外表面。
根據一些方面，延遲器被定向成基本上與主外表面中的一個主外表面相鄰。
10:近眼顯示系統
12:LOE
14:圖像投影儀(POD)
15:棱鏡
16、16a、16b、18:區域
16’:材料塊
17:部分反射表面
18’:堆疊
19:部分反射表面
20:側部
22:控制器
24:外表面
26:眼動箱(EMB)
27、27a、27b、29:DOE
28:矩形
38:塗覆板
40:延遲器
41:基板
42:第一透明晶體板
X:軸
Y:軸
為了理解本發明並且瞭解在實踐中如何實施本發明，將參照圖式通過非限制性示例的方式來描述實施方式，在圖式中：
圖1A至圖1D示出了根據現有技術的採用用於二維圖像擴展的LOE的近眼顯示系統的示例；
圖2A至圖2B示出了根據現有技術的圖1A至圖1B的LOE的放大視圖；
圖3示出了對於s偏振狀態和p偏振狀態光線在給定入射角下的反射特性；
圖4示出了根據所公開主題的實施方式的具有嵌入式延遲器的LOE；
圖5A至圖5E示出了根據所公開主題的實施方式的延遲器40相對於LOE的多種構造；
圖6A至圖6C示出了生產光學偏振延遲器的已知方法；
圖7A至圖7D示出了根據所公開主題的實施方式的具有嵌入式延遲器的LOE的製造方法的示例；
圖8A至圖8E示出了根據所公開主題的另一實施方式的具有嵌入式延遲器的LOE的製造方法的示例；以及
圖9A至圖9B示出了具有嵌入式延遲器的衍射LOE的示例。
在以下詳細描述中，闡述了許多具體細節以提供對本發明的透徹理解。然而，本領域技術人員將理解，可以在沒有這些具體細節的情況下 實踐當前公開的主題。在其他情況下，未詳細地描述公知的方法、過程和部件，以免使當前公開的主題模糊不清。
作為背景，採用用於圖像擴展的波導的近眼顯示器通常包括投影儀或耦合至投影儀，該投影儀將圖像注入到由透明基板製成的波導中，該波導通過波導的平行外表面之間的全內反射(Total Internal Reflection，TIR)來傳播圖像。嵌入在波導內的諸如部分反射內表面的光學元件在一維波導的情況下將圖像朝向觀看者重定向，或者在二維波導的情況下將圖像重定向到第二波導。在後一種情況下，第二波導再次經由TIR沿與第一波導垂直的軸線傳播圖像，從而在第二維度上擴展圖像。嵌入在第二波導中的小平面將經擴展的圖像朝向觀察者耦出。
儘管本公開內容主要涉及作為耦出方法的部分反射表面，但是應當注意，在適當修改的情況下，本文中描述的技術類似地適用於如下面將參照圖9A至圖9B詳細描述的採用其他光學耦出元件(例如，衍射元件或反射元件和衍射元件的組合等)的波導。類似地，雖然本公開內容主要涉及被構造成用於二維圖像擴展的波導，但是如本領域技術人員會知道的，在適當修改的情況下也可以將本文中所公開的技術應用於一維波導。
圖1A和圖1B示意性地示出了呈近眼顯示器形式的已知裝置(總體表示為近眼顯示系統10)的示例性實現方式，在該近眼顯示器中可以佈置有LOE 12。近眼顯示系統10採用緊湊型圖像投影儀(或“POD”)14，該緊湊型圖像投影儀(或“POD”)14光學耦合至LOE 12以將圖像(本文中也稱為“圖像照射”)注入到LOE 12中，使得圖像光通過在LOE 12的一組相互平行的平面外表面處的內反射被捕獲在一個維度上。光入射在彼此平行並且相對於圖像光的傳播方向傾斜的一組小平面上，其中，每個相繼的小平面將圖像光的一部分偏轉到偏轉方向，其也在基板內通過內反射被捕獲/引導。該第一組小平面未在圖1A和圖1B中單獨示出，但是位於LOE的第一區域(指定的區域16)中。在相繼的小平面處的該部分反射實現了第一維度的光學孔徑擴展。
在一些實施方式中，前述的一組小平面與基板的主外表面正交。在這種情況下，注入的圖像及其共軛二者在區域16內傳播時經歷內反射 並且被偏轉並且成為在偏轉方向上傳播的共軛圖像。在其他實施方式中，第一組小平面相對於LOE的主外表面成斜角。在後一種情況下，注入的圖像或其共軛形成在LOE內傳播的期望的偏轉圖像，同時可以例如通過在小平面上採用角度選擇性塗層來使其他反射最少化，該角度選擇性塗層使得小平面對於由不需要其反射的圖像呈現的入射角的範圍相對透明。
第一組小平面將圖像照射從通過全內反射(TIR)被捕獲在基板內的傳播的第一方向偏轉到也通過TIR被捕獲在基板內的傳播的第二方向。然後，經偏轉的圖像照射進入第二基板區域18，該第二基板區域18可以被實現為相鄰的不同基板或者實現為單個基板的延續，在該第二基板區域18中，耦出佈置(另一組部分反射小平面或衍射光學元件)逐漸將圖像照射的一部分朝向位於被限定為眼動箱的區域內的觀看者的眼睛耦出，從而實現第二維度的光學孔徑擴展。
近眼顯示系統10可以針對每個眼睛分別實現，並且優選地相對於用戶的頭部被支承，其中每個LOE 12面對用戶的對應的眼睛。在此處所示的一個特別優選的選項中，將支承佈置實現為具有用於相對於用戶的耳朵來支承裝置的側部20的眼鏡框架。也可以使用其他形式的支承佈置，包括但不限於頭帶、面罩(visor)或懸掛在頭盔上的裝置。
本文在圖式和請求項中參照X軸和Y軸，X軸在LOE的第一區域的大體延伸方向上水平地(圖1A)或豎直地(圖1B)延伸，Y軸垂直於X軸延伸，即在圖1A中豎直延伸以及在圖1B中水準延伸。
以非常近似的措辭，可以認為LOE 12的第一區域16實現X方向上的孔徑擴展，而LOE 12的第二區域18實現Y方向上的孔徑擴展。應當注意，可以將如圖1A中所示的取向視為“自頂向下”實現方式，在該實現方式中進入LOE的主(第二區域)的圖像照射從上邊緣進入，而將圖1B中所示的取向視為“側向注入”實現方式，在該實現方式中此處被稱為Y軸的軸線水準部地佈置。在其餘的圖式中，將在自頂向下取向或側向注入的上下文中示出本發明的某些實施方式的各種特徵，然而，應當理解，所有這些特徵同樣適用於兩種實現方式。
與本發明的裝置一起採用的POD優選地被構造成生成準直圖 像，即，在該準直圖像中，每個圖像像素的光是被準直到無限遠的平行光束，其中角度方向與像素位置對應。因此，圖像照射跨越與二維角度視場對應的角度範圍。
圖像投影儀14包括至少一個光源，其通常被佈置成照射空間光調製器，例如，矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCOS)晶片。空間光調製器對圖像的每個像素的投影的強度進行調製，從而生成圖像。替選地，圖像投影儀可以包括發光二極體(Light Emitting Diode,LED)的陣列(一般使用微型LED陣列或有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode,OLED)陣列來實現)，或者可能包括掃描佈置(一般使用快速掃描鏡來實現)，該掃描佈置跨投影儀的圖像平面掃描來自雷射光源的照射，同時在逐像素的基礎上隨著運動同步地改變光束的強度，從而針對每個像素投影期望的強度。在所有情況下，提供準直光學器件以生成被準直到無限遠的輸出投影圖像。如本領域公知的，以上部件中的一些或全部一般被佈置在一個或更多個偏振分束器(Polarizing Beam Splitter，PBS)立方體或其他稜鏡佈置的表面上。
可以通過任何合適的光學耦合來實現圖像投影儀14到LOE 12的光學耦合，例如，經由具有成斜角的輸入表面的耦合稜鏡、或者經由反射耦合佈置、經由側邊緣和/或LOE的主外表面之一來實現。耦入構造的細節對於本發明並不重要，並且在此處被示意性地示出為應用於LOE的主外表面之一的楔形稜鏡15的非限制性示例。
將理解的，近眼顯示系統10包括各種附加部件，通常包括用於致動圖像投影儀14的控制器22，其通常採用來自小型板載電池(未示出)或一些其他合適的電源的電力。將理解的，控制器22包括用於驅動圖像投影儀的所有必要的電子部件(例如至少一個處理器或處理電路)，所有這些均如本領域是已知的。
圖1C至圖1D示意性地示出了具有三種類型的嵌入式元件的現有近眼顯示系統10的另一示例。如圖1A至圖1B所示，圖像投影儀(POD)14將圖像注入到LOE 12中，其中光通過TIR在一個維度上被限制到位於LOE的兩個平行主外表面之間的區域。圖像的光線在波導內部以某個角度取向傳播，直到它們被位於區域16a和區域16b中的兩組相互平行的小平面中的一組 反射。這兩個相互平行的小平面將光線重定向到不同的角度取向，該不同的角度取向也通過TIR在一個維度上被限制到在LOE的兩個平行主表面之間的區域。然後，光線分別被區域16a和區域16b中的小平面第二次反射，使得光線返回到在被注入到LOE中時它們的原始取向。最後，光線被區域18中的第三組相互平行的小平面反射，該第三組相互平行的小平面重定向光線，使得注入的圖像從LOE耦出並且朝向觀察者的眼睛所在的眼動箱傳播。
現在轉到圖2A，更詳細地示出了近眼顯示器的實現方式的光學特性。具體地，示出了由透明材料形成的光導光學元件(LOE)12的更詳細視圖，LOE 12包括：第一區域16，其包含具有第一取向的平面的、相互平行的第一組部分反射表面17；以及第二區域18，其包含具有第二取向的平面的、相互平行的第二組部分反射表面19，該第一取向與第二取向不平行。一組相互平行的主外表面24跨第一區域16和第二區域18延伸，使得第一組部分反射表面17和第二組部分反射表面19二者位於主外表面24之間。最優選地，該組主外表面24是各自跨第一區域16和第二區域18的整體連續的一對表面，但是在區域16與區域18之間厚度減小或增大的選項也落入本發明的範圍內。區域16和區域18可以被緊接地並置，使得區域16和區域18在邊界處接觸，邊界可以是直邊界或一些其他形式的邊界，或者取決於特定應用，可以存在置於區域16與區域18之間的一個或更多個附加LOE區域，以提供各種附加的光學功能或機械功能。儘管本發明不限於任何特定的製造技術，但是在某些特別優選的實現方式中，通過採用連續的外部板來實現特別高品質的主外表面，在該連續的外部板之間夾有分別形成的區域16和區域18以形成複合LOE結構。
可以通過反向追蹤圖像照射路徑來理解LOE的光學特性。第二組部分反射表面19與主外表面24成斜角，使得在LOE 12內通過主外表面處的內反射傳播的圖像照射的從第一區域16到第二區域18中的部分朝向眼動箱26耦出LOE。第一組部分反射表面17被定向成使得來自耦入區域(耦合稜鏡15)的在LOE 12內通過主外表面處的內反射傳播的圖像照射的部分朝向第二區域18偏轉。
在圖2A中通過從LOE的右側上的POD孔徑朝向LOE的左側 展開的照射錐來表示來自圖像投影儀14的投影圖像的一個維度的角度展開。在此處示出的非限制性示例中，POD的中心光軸限定LOE內與X軸對準的傳播方向，並且角度展開(在LOE內)大致為±16°。(應當注意，由於折射率的改變，角度FOV在空氣中變大。)在第一區域16中示出了第一組部分反射表面17，並且在第二區域18中示出了第二組部分反射表面19。
近眼顯示器被設計成向使用者的眼睛提供投影圖像的完整視場，用戶的眼睛位於由“眼動箱”(Eye-Motion Box，EMB)26指定的允許位置範圍(即，一般被表示為矩形的形狀，其與眼瞳將從其觀看投影圖像的LOE的平面間隔開)內的某個位置處。為了到達眼動箱，必須通過第二組部分反射表面19從第二區域18朝向EMB 26耦出光。為了提供完整圖像視場，EMB中的每個點必須從LOE接收圖像的整個角度範圍。從EMB回溯視場指示了較大矩形28，相關照射從該矩形28朝向EMB耦出LOE。
圖2A示出了與投影圖像的左下像素對應的FOV的第一末端。耦入到LOE中的具有與投影儀的光學孔徑對應的寬度的光束被示出為從POD向左和向上傳播並且從一系列部分反射表面17被部分地反射。如此處所示，僅小平面的子集生成對提供由使用者觀看的圖像中的對應像素有用的反射，並且僅這些小平面的子區域有助於該像素的觀察圖像。用粗黑線示出了相關區域，並且示出了從第一組部分反射表面(小平面)17反射並且然後被第二組部分反射表面(小平面)19耦出到達EMB 26的四個拐角的重定向圖像中的該像素對應的光線。
此處以及貫穿說明書，將注意，此處示出在LOE內傳播期間光線的僅面內傳播方向，但是光線實際上遵循來自兩個主外表面的重複內反射的Z字形路徑，並且一整個維度的圖像視場通過光線相對於主外表面的與Y維度上的像素位置對應的傾斜角來編碼。通過一個附加示例的方式，用點劃線示出了在EMB的左上拐角處觀看到的與圖像的左上末端對應的偏轉和耦出光線。圖2B示意性地示出了圖2A的LOE，該LOE現在旋轉了90度並且為了幫助使LOE視覺化而從圖2A中移除了光線和眼動箱。
將第一組部分反射表面17和第二組部分反射表面19實現為塗覆有部分反射塗層(優選地為電介質薄膜塗層)的內表面，其被特別設計成 部分地反射在預定的角度範圍內入射在表面上的光，每個角度與給定的場相關聯，由此角度範圍與投影圖像的整個FOV相關聯。應當注意，入射在小平面上的光包括跨由照射源確定的相對寬的波長光譜的不同波長的光。還應當注意，一般而言，注入圖像可以是偏振的或非偏振的，並且在每種情況下必須相應地設計小平面塗層。例如，在注入圖像是非偏振的(即，包括p偏振光和s偏振光二者)的情況下，必須將塗層設計成考慮p偏振光線和s偏振光線二者的反射效果。
通過限定，根據特定光線相對於光線入射的表面的法線的角度取向(即，場k向量，平面波的取向)來限定光的偏振狀態。因此，與一個表面相比，偏振入射光線可以具有某個偏振狀態，而與不同的表面相比，可以具有另一偏振狀態。因此，清楚的是，當光在具有許多表面的光學系統內傳播時，根據入射光線的方向和光線入射的表面的角度取向來限定入射光線的偏振狀態。如根據圖2A明顯的是，當光傳播通過近眼顯示器時，光入射在平行外表面(本文中也稱為“面”)24、第一組小平面和第二組小平面上，這些小平面中的每一個相對於彼此具有不同的角度取向。因此，可以將與特定場相關聯的偏振光線描述為具有相對於外表面(LOE面)24的第一偏振狀態、相對於第一組部分反射表面17的第二偏振狀態以及相對於第二組部分反射表面19的第三偏振狀態。由於光線相對於表面的偏振狀態影響光線離開該表面的反射率，因此理想地，需要將第一組部分反射表面17的部分反射塗層設計成不同於第二組部分反射表面19的部分反射塗層，以在每組小平面中實現足夠高的反射率。此外，在一定偏振和角度範圍設計具有所需光學特性的光學塗層通常是極其困難的。例如，如果完全可能的話，在布魯斯特角附近設計針對p偏振光的高反射塗層是極其困難的。因此，第一組第一組部分反射表面17與第二組第二組部分反射表面19之間的照射光的偏振失配可能限制特定塗層要求的可行性，並且可能迫使對初始偏振狀態進行折衷。此外，如果沿著LOE 12在任何點處相對於主外表面24的偏振狀態是s偏振光和p偏振光的組合，則偏振將在TIR時旋轉，從而造成來自不同小平面的光的反射率上的顯著差異，並且對於不同場，這可能經常在輸出圖像中引起暗條紋。
如上所述，現有LOE的缺點是入射光的偏振可能在LOE的不 同區域中變化，並且可能相對於不同組的小平面和相對於LOE的主外表面是不同的。這通常導致注入圖像相對於主表面的“不純”偏振。由於TIR對s偏振光和p偏振光產生的不同相位，因此當光在LOE內傳播時，注入圖像的偏振可能旋轉和變化。這可能使小平面的薄光學塗層的設計顯著複雜化，並且可能降低輸出效率並且引起投影的輸出圖像中的局部或全域非均勻性。
同樣如上所述，特定光線在入射表面時的反射程度根據光線相對於表面的偏振狀態而變化。圖3示出了針對第一組小平面和第二組小平面的示例性塗層設計的作為入射角的函數的反射率。顯然，p偏振光的反射率在布魯斯特角附近下降到零。為此，通常優選的是，為了塗層設計的最大效率以及簡單性，通過顯示器傳播的光相對於第一組部分反射表面17和第二組部分反射表面19是s偏振的，或至少大部分是s偏振的。
因此，發明人已經發現，可以通過使在第一組小平面與第二組小平面之間傳播的光的偏振旋轉，使得光相對於兩組小平面總是s偏振的(或至少大部分是s偏振的)，來提高採用被構造成用於二維擴展的LOE的近眼顯示系統的效率以及簡單性。注意，“效率”意味著最初耦入至近眼顯示系統的投影光更多地朝向觀察者反射，從而產生更亮和/或更均勻的輸出圖像。
圖4示意性地示出了與圖2B中所示的LOE類似的但是現在包括光學延遲器40的LOE的示例，該光學延遲器40沿著第一組部分反射表面17(其在所示的示例中與外表面正交)與第二組部分反射表面19之間的光路徑定位，並且被構造成使光在從第一組部分反射表面17反射之後並且在從第二組部分反射表面19反射之前進行偏振旋轉。因此，假設輸入至LOE的光相對於第一組部分反射表面17是s偏振的，在從第一組部分反射表面17反射之後，光將相對於第二組部分反射表面19大部分是p偏振的。然後，延遲器40使偏振旋轉，使得光現在相對於第二組部分反射表面19是s偏振的(或至少大部分是s偏振的)。由於現在第一組部分反射表面17和第二組部分反射表面19都相對於每組小平面的相應表面反射s偏振光，因此不需要單獨考慮塗層設計。此外，與主外表面相比，延遲器使得在波導內部傳播的光大部分是純偏振的，並且因此當光在波導內傳播時，偏振不會由於TIR而旋轉。如下面將進一步詳細描述的，可以以各種方式實現延遲器40，包括但不限於半波片。
如圖5A至圖5E所示，延遲器40可以物理地位於LOE內的各種可能的位置處，並且以各種不同的角度定向。例如，如圖5A所示，延遲器可以在平行面之間跨LOE的厚度(圖中的z軸)延伸，並且被定向成大致垂直於LOE面。圖5B示出了其中延遲器40被定向成相對於LOE的面成角度並且不平行於第二組部分反射表面19的另一構造。圖5C示出了延遲器40被定向成平行於第二組部分反射表面19的另外的構造。
圖5D示出了其中延遲器40被定向成平行於LOE的面並且物理地位於面之間的某一點(該點可以是面之間的中間點，但不一定限於此)的又一構造。最後，圖5E示出了其中延遲器40被定向成平行於顯示器的面並且物理地位於與面中的一個面相鄰的又一構造。
應當注意，在所有情況下，延遲器應當被定尺寸成、定位成和/或成角度為使得所有或基本上所有從第一組部分反射表面17反射的光在被第二組部分反射表面19反射之前穿過延遲器。
還應當注意，儘管由延遲器執行的功能目前為止被描述為僅使光的偏振旋轉，但是在一些情況下，可以期望的是，延遲器也執行附加的功能。例如，參照圖5D所示的構造，延遲器40可以包括具有50%反射率的塗層。這將使延遲器40能夠另外地用作“混合器”並且使所傳播的光線混合，從而提高輸出圖像的強度均勻性。先前已經在PCT公開WO 2021001841A1中描述了具有嵌入式混合器元件的近眼顯示器。
可以以各種方式實現延遲器40，包括但不限於如半波片或塗覆的內表面。合適的塗層包括例如電介質、雙折射、薄膜聚合物、晶體延遲器、幾何相位光柵延遲器等。在一些實施方式中，例如在圖5C所示的構造中，可以將延遲器實現為施加至第二組小平面中的第一小平面的塗層。
現在將參照圖6A至圖8E描述具有延遲器元件的LOE的示例性製造方法。
圖6A至圖6C示意性地示出了用於生產適於在LOE內佈置的光學延遲器的已知方法。在圖6A中，延遲器由諸如石英的晶體材料製成。將由雙折射材料製成的第一透明晶體板42接合至透明基板41。基板41優選地由與LOE相同的材料製成。然後，例如通過雙面拋光使組合的結構變薄，直 到實現所需的雙折射材料的厚度。圖6B至圖6C示出了其中可以通過在基板41上塗覆電介質塗層(均質的或非均質的)(圖6B)，或者通過將多晶薄膜接合至基板41(圖6C)來生產延遲器的替選的方法。
接下來，根據已知方法形成包括第二組小平面的LOE區域。圖7A示意性地示出了通過堆疊和接合一系列平坦且透明的塗覆板38並且沿著相對於板的平坦表面的平行對角線平面對堆疊進行切片(圖7A)來形成LOE區域18。然後，對切片進行拋光以形成多個LOE區域18(圖7B)。可以以類似的方式形成區域16。
為了形成包括延遲器的最終LOE結構，提出了兩種替選方法。圖7C至圖7D示出了第一方法，其中將單個延遲器元件接合至在一側的單個LOE區域16以及在相對側的單個LOE區域18(圖7C)以形成最終LOE(圖7D)。
在圖8A至圖8B中示出了第二方法，其中將多個LOE區域18堆疊並且接合在一起(圖8A)，並且將跨越堆疊18’的厚度的延遲器元件接合至堆疊的邊緣(圖8B至圖8C)。接下來，如圖8D至圖8E所示，將表示多個形成但未切片的LOE區域16的材料塊16’(即，如在LOE區域16生產的中間階段生產的)接合至延遲器元件的另一側，並且將組合的塊切片成多個LOE(圖8E)，每個LOE包括兩組小平面之間的嵌入式延遲器。
在以上替選方法的每一個中，最終的LOE可能需要在兩個面上進行成形和拋光，以使面之間精確平行。在一些實施方式中，如本領域中已知的，可以將透明蓋板接合至面。
儘管在本文中目前為止主要在基於部分反射內表面的LOE的上下文中描述了本發明，但是應當理解，本發明的原理也可以在以下光導光學元件中有利地實現，該光導光學元件採用衍射光學元件(Diffractive Optical Element，DOE)以實現光學孔徑維度擴展和/或從波導朝向觀察者耦出圖像照射中的一者或兩者。
作為非限制性示例，圖9A至圖9B示出了利用衍射波導實現的光學系統的實施方式的示例，該光學系統用於將在耦入區域處注入的圖像照射引導至眼動箱，以供用戶的眼睛觀看。該光學系統包括由透明材料形成的 LOE 12，該LOE 12包括：包含第一DOE 27的第一區域、包含第二DOE 29的第二區域、以及一組相互平行的主外表面24。主外表面跨第一區域和第二區域延伸，使得第一DOE 27和第二DOE 29二者位於主外表面24之間。在圖9A示出的示例中，圖像照射被注入到第一區域的一端中，並且在其沿著第一區域的長度在一個方向上傳播的情況下傳播，直到圖像照射被一個或更多個DOE 27偏轉到第二區域中。在圖9B示出的示例中，圖像照射被注入到第一區域的中間部分中，並且在相反的方向上傳播，直到圖像照射被兩個或更多個DOE 27a、DOE 27b偏轉到第二區域中。在任一情況下，圖像照射通過一個或更多個DOE 29從第二區域耦出至眼動箱(未示出)。
如圖9A至圖9B所示，LOE還包括光學延遲器40，該光學延遲器40被佈置在第一區域與第二區域之間，以使由第一DOE(即，在圖9A的情況下的DOE 27，以及在圖9B的情況下的DOE 27a、DOE 27b)偏轉的光在到達第二DOE 29之前進行偏振旋轉。
應當注意，在一些實施方式中，實際上可以將第一DOE和第二DOE中的每一個實現為一對DOE。在這種情況下，“第一DOE”應當被理解為包括第一對DOE，而“第二DOE”應當被理解為包括第二對DOE。
DOE的非限制性示例包括例如表面光柵和/或體光柵(例如，全息光柵)。在一些實施方式(未示出)中，LOE可以在第一區域和第二區域中的一個區域中包括DOE，並且在第一區域和第二區域中的另一個區域中包括小平面。例如，第一區域可以包含DOE，而第二區域包含小平面，或者替選地，第一區域可以包含小平面，而第二區域包含DOE。應當理解，可以通過首先使用以上討論的已知方法之一製造沒有嵌入式延遲器的波導，並且然後將全息光柵結構“寫入”到波導上來製造衍射LOE。
應當理解，如本領域技術人員會知道的，在根據需要進行適當的修改的情況下，以上參照圖4在具有小平面的LOE的上下文中描述的嵌入式延遲器也可以用於在其他形式的LOE中，例如用於在區域16或區域18中具有“部分”小平面的LOE中(例如，如在WO 2020/049542A1中更詳細地描述的)。
應當理解，本發明在其應用方面不限於本文中包含的說明書中 闡述的細節或圖式中示出的細節。本發明能夠具有其他實施方式並且能夠以各種方式實踐和執行。因此，應當理解，本文中採用的措辭和術語是出於描述的目的，而不應當被認為是限制性的。因此，本領域技術人員將理解，可以容易地將本公開內容所基於的構思作為基礎來設計用於執行當前公開的主題的若干目的的其他結構、方法和系統。
14:圖像投影儀(POD)
16、18:區域
17:部分反射表面
19:部分反射表面
24:外表面
40:延遲器

Claims (15)

  1. 一種光學系統，用於將在耦入區域處注入的圖像照射引導至眼動箱以供用戶的眼睛觀看，所述光學系統包括由透明材料形成的光導光學元件(LOE)，所述光導光學元件包括：
    第一區域，包含具有第一取向的平面的、相互平行的第一組部分反射表面；
    第二區域，包含具有第二取向的平面的、相互平行的第二組部分反射表面，所述第二取向與所述第一取向不平行；
    一組相互平行的主外表面，所述主外表面跨所述第一區域和所述第二區域延伸，使得所述第一組部分反射表面和所述第二組部分反射表面二者位於所述主外表面之間，
    其中，所述第二組部分反射表面與所述主外表面成斜角，使得在所述光導光學元件內通過在所述主外表面處的內反射傳播的圖像照射的從所述第一區域進入所述第二區域中的部分朝向所述眼動箱耦出所述光導光學元件，以及
    其中，所述第一組部分反射表面被定向成使得來自所述耦入區域的在所述光導光學元件內通過在所述主外表面處的內反射傳播的圖像照射的部分朝向所述第二區域偏轉，
    所述光導光學元件還包括光學延遲器，所述光學延遲器被佈置在所述第一區域與所述第二區域之間，以使由所述第一組部分反射表面偏轉的光在到達所述第二組部分反射表面之前進行偏振旋轉。
  2. 如請求項1所述的光學系統，還包括緊湊型圖像投影儀(POD)，所述緊湊型圖像投影儀光學耦合至所述光導光學元件以將所述圖像照射注入到所述光導光學元件的耦入區域中，使得所述圖像照射通過在所述一組主外表面處的內反射被捕獲在一個維度上。
  3. 如請求項2所述的光學系統，其中，所述緊湊型圖像投影儀被構造成生成被準直到無限遠的準直圖像，使得所述圖像照射跨越與二維角度視場對應的角度範圍。
  4. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第一組部分反射表面被定向成與所述光導光學元件的主外表面正交。
  5. 如請求項4所述的光學系統，其中，所述圖像照射和所述圖像照射的共軛二者被偏轉到所述第二區域中。
  6. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第一組部分反射表面相對於所述光導光學元件的主外表面傾斜地定向。
  7. 如請求項6所述的光學系統，其中，所述圖像照射或所述圖像照射的共軛被偏轉到所述第二區域中。
  8. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第一組部分反射表面相繼地反射在所述第一區域內傳播的所述圖像照射的一部分，使得所述圖像照射經歷第一維度上的擴展。
  9. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第二組部分反射表面相繼地反射在所述第二區域內傳播的所述圖像照射的一部分，使得所述圖像照射經歷第二維度上的擴展。
  10. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第一區域被構造成實現x軸方向或y軸方向中的一個方向上的孔徑擴展，並且所述第二區域被構造成實現所述x軸方向或y軸方向中的另一個方向上的孔徑擴展。
  11. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述第一組部分反射表面和所述第二組部分反射表面被實現為塗覆有電介質薄膜塗層的內表面，所述電介質薄膜塗層被構造成反射在預定角度範圍內入射在所述內表面上的光。
  12. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述延遲器被佈置在所述光導光學元件內，使得所述延遲器在所述主外表面之間基本上垂直於所述主外表面延伸。
  13. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述延遲器被佈置在所述光導光學元件內，使得所述延遲器在所述主外表面之間以相對於所述主外表面的斜角延伸。
  14. 如請求項1所述的光學系統，其中，所述延遲器被佈置在所述光導光學元件內，使得所述延遲器被定向成基本上平行於所述主外表面。
  15. 如請求項14所述的光學系統，其中，所述延遲器被定向成基本上與所述主外表面中的一個主外表面相鄰。
TW110135622A 2021-02-16 2021-09-24 包括具有延遲器元件的用於二維擴展的光導光學元件的光學系統 TWI839640B (zh)

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