TW202305427A - 具有平板波導部分的波導照明器 - Google Patents

Abstract

一種波導照明器包括鄰近的線性及平板波導區域。一輸入光束在一線性波導中導引，分光成複數個子光束以在個別線性波導中傳播至一平板波導區域且在該平板波導區域中形成一輸出光束。一向外耦合器陣列安置於該平板波導區域中。該向外耦合器陣列向外耦合該輸出光束之部分，形成向外耦合光束部分之一陣列用於照明一顯示面板。該向外耦合器陣列之位置與該顯示面板之個別像素的位置協調，藉此改良該顯示面板之光利用效率。

Description

具有平板波導部分的波導照明器

本發明係關於照明器、視覺顯示器裝置以及相關組件及模組。 對相關申請案之參考

本申請案主張2021年7月15日申請的標題為「Single Mode Backlight Illuminator」的美國臨時專利申請案第63/222,224號及2021年9月21日申請的美國非臨時專利申請案第17/481227號的優先權，且所述專利申請案以全文引用之方式併入本文中。

視覺顯示器將包括靜止影像、視訊、資料等的資訊提供至檢視者。視覺顯示器在多樣化領域（包括娛樂、教育、工程、科學、專業訓練、廣告）中具有應用，僅舉幾個實例。一些視覺顯示器（諸如電視機）向若干使用者顯示影像，且一些視覺顯示器系統（諸如近眼顯示器（near-eye display；NED））意欲用於個別使用者。

人工實境系統通常包括經配置以向使用者呈現內容之NED（例如，頭戴裝置或一副眼鏡）。近眼顯示器可顯示虛擬物件或組合真實物件與虛擬物件之影像，如在虛擬實境（virtual reality；VR）、擴增實境（augmented reality；AR）或混合實境（mixed reality；MR）應用中。舉例而言，在AR系統中，使用者可藉由觀察「組合器」組件來檢視與周圍環境疊置的虛擬物件之影像（例如，電腦產生之影像（computer-generated image；CGI））。可佩戴式顯示器之組合器典型地對外部光為透明的，但包括一些光路由光學件，以將顯示光引導至使用者之視場中。

由於HMD或NED之顯示器通常佩戴於使用者之頭部上，因此大型、龐大、不平衡及/或沉重的顯示器裝置將為繁瑣的，且使用者佩戴起來不舒適。因此，頭戴式顯示器裝置得益於緊湊且高效的配置，包括提供顯示面板之照明的高效光源及照明器、高通量眼部透鏡及影像形成元件串中之其他光學元件。

本發明之一態樣為一種波導照明器，其包含：鄰近的線性波導及平板波導區域；在該線性波導區域中之第一輸入波導用於導引第一輸入光束；第一分光器，其耦接至該第一輸入波導以用於將該第一輸入光束分光成複數個子光束；在該線性波導區域中之第一複數個線性波導，其耦接至該第一分光器，用於接收從該第一輸入光束所分光成的該複數個子光束且將該複數個子光束導引至該線性波導與平板波導區域之間的邊界以用於形成在該平板波導區域中傳播之第一輸出光束；及第一向外耦合器陣列，該第一向外耦合器陣列在該平板波導區域中彼此間隔開，用於向外耦合該第一輸出光束之部分，以形成第一陣列之向外耦合光束部分。

本發明之另一態樣為一種顯示器裝置，其包含：波導照明器，其包含：鄰近的線性波導及平板波導區域；在該線性波導區域中之一輸入波導，用於導引一輸入光束；第一分光器，其耦接至該輸入波導以用於將該輸入光束分光成複數個子光束；在該線性波導區域中之複數個線性波導，其耦接至該分光器，用於接收自該輸入光束分光成的該複數個子光束且將其導引至該線性波導與平板波導區域之間的一邊界以用於形成在該平板波導區域中傳播之一輸出光束；及在該平板波導區域中彼此間隔開的向外耦合器之一陣列，用於向外耦合該輸出光束之部分，以形成向外耦合光束部分之一陣列；及顯示面板，其包含經設置且經配置以接收所述向外耦合光束部分之該陣列的顯示像素之一陣列。

本發明之另一態樣為一種用於照明一顯示面板之方法，該方法包含：在波導照明器之第一輸入線性波導中導引第一輸入光束；將該第一輸入光束分光成複數個子光束；在該波導照明器之第一複數個線性波導中將該第一輸入光束之該複數個子光束導引至該波導照明器之平板波導區域；使該第一輸入光束之該複數個子光束在該平板波導區域中傳播以形成在該平板波導區域中傳播的第一輸出光束；及向外耦合該第一輸出光束之部分以形成第一陣列之向外耦合光束部分。

雖然結合各種具體實例及實例描述本教示，但並不意欲本教示限於此等具體實例。相反，如所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，本教示涵蓋各種替代方案及等效物。本文中敍述本揭示之原理、態樣及具體實例以及其特定實例之所有陳述意欲涵蓋其結構等效物及功能等效物兩者。另外，希望此類等效物包括當前已知等效物以及未來開發之等效物兩者，亦即，無論結構如何，所開發之執行相同功能的任何元件。

如本文中所使用，術語「第一」、「第二」等並不意欲暗示順序次序，除非明確陳述，否則意欲區分一個元件與另一元件。類似地，方法步驟之依序次序並不暗示其執行之依序次序，除非明確陳述。

在包括耦接至照明器之像素陣列的視覺顯示器中，光利用之效率取決於由像素佔據之幾何面積與顯示面板之總面積的比率。對於通常用於近眼及/或頭戴式顯示器中之微型顯示器，該比率可小於50%。顯示面板上之彩色濾光片會進一步阻礙高效背光利用，所述彩色濾光片平均透射不超過30%的入射光。除此之外，基於偏光之顯示面板（諸如液晶（liquid crystal；LC）顯示面板）可能存在50%的偏光損耗。所有此等因素均顯著縮減了顯示器的光利用率及總壁插效率，此係不希望的。

根據本發明，背光顯示器之光利用率及壁插效率可藉由提供包括與顯示面板之像素對準的向外耦合器陣列之波導照明器來改良。在照明器發射原色，例如紅色、綠色及藍色，之光的顯示器中，照明光之色彩可與彩色濾光片匹配，或完全省略彩色濾光片。對於基於偏振之顯示器，所發射光之偏振可與預定義輸入偏振狀態匹配。匹配顯示面板之像素的空間分佈、透射波長及/或透射偏振特性使得吾人能夠顯著地改良顯示光之有用部分，該有用部分在其至檢視者之眼睛的途中並未由顯示面板吸收或反射，且因此顯著改良顯示器壁插效率。

與雷射照明組合之單模式或少數模式波導允許高效地控制諸如色彩及方向性之光特性。當光以單一空間模式傳播時，輸出可為繞射受限且高度定向的。單模式傳播亦允許吾人使光在波導上之特定點中向外耦合且併入聚焦像素，所述聚焦像素可將光聚焦至顯示面板之像素中同時避免像素間區域中之散射。雷射照明之窄光譜使得能夠進行大色域顯示。此外，單模式波導可保持偏振，此導致來自背光單元之高度偏振輸出而無需偏振器。

根據本發明，提供一種包含鄰近的線性波導及平板波導區域之波導照明器。一第一輸入波導安置於該線性波導區域中以用於導引一第一輸入光束。一第一分光器耦接至該第一輸入波導以用於將該第一輸入光束分光成複數個子光束。該線性波導區域中之第一複數個線性波導耦接至該第一分光器，用於接收自該第一輸入光束分光成的該複數個子光束且將其導引至該線性波導與平板波導區域之間的一邊界以用於形成在該平板波導區域中傳播之一第一輸出光束。第一向外耦合器陣列安置於該平板波導區域中。所述向外耦合器彼此間隔開，且經配置以用於向外耦合該第一輸出光束之部分，以形成第一陣列之向外耦合光束部分。

在一些具體實例中，該第一複數個線性波導中之每一線性波導包括在該線性波導與平板波導區域之間的該邊界處的一楔形件，用於在將所述子光束耦合至該平板波導區域之前擴展所述子光束。該第一分光器可包括一1×2分光器及一平板干涉腔體。該1×2分光器經由該平板干涉腔體耦接至該第一複數個線性波導。該第一複數個線性波導中的所述線性波導之末端安置於該平板干涉腔體之具有局部干涉最大值的區域中。

在第一輸入光束包含第一色彩通道、第二色彩通道及第三色彩通道之光的具體實例中，該波導照明器可進一步包括在該第一陣列之向外耦合光束部分之一光學路徑中的一體積布拉格光柵（volume Bragg grating；VBG）。該VBG可經配置以重定向所述第一向外耦合光束部分中之該第一色彩通道、該第二色彩通道及該第三色彩通道中之至少兩者之光，使得在該VBG下游之該第一色彩通道、該第二色彩通道及該第三色彩通道之該光實質上以一相同主射線角（chief ray angle）傳播。

該第一向外耦合器陣列可包括光柵向外耦合器，所述光柵向外耦合器用於向外耦合該第一輸出光束之所述部分以形成該第一陣列之向外耦合光束部分。所述光柵向外耦合器可經線性調頻以聚焦所述向外耦合光束部分；替代地或另外，該波導照明器可包括耦接至所述光柵向外耦接器以聚焦所述向外耦合光束部分之一微透鏡陣列。該波導照明器可進一步包括在所述光柵向外耦合器之下游的一色彩選擇性重定向器陣列，其經配置以使得在該色彩選擇性重定向器陣列之下游的該第一色彩通道、該第二色彩通道及該第三色彩通道之該光實質上以一相同主射線角傳播。該色彩選擇性重定向器陣列可包括例如一微稜鏡陣列及/或一線性調頻光柵陣列。

在多色照明器具體實例中，該第一輸入光束可攜載一第一色彩通道之光，且一第二輸入光束可攜載一第二色彩通道之光。該波導照明器可進一步包括在該線性波導區域中之一第二輸入波導，其用於導引該第二輸入光束。一第二分光器可安置於該線性波導區域中。該第二分光器可耦接至該第二輸入波導以用於將該第二輸入光束分光成複數個子光束。第二複數個線性波導可安置於該線性波導區域中。該第二複數個線性波導耦接至該第二分光器，用於接收自該第二輸入光束分光成的該複數個子光束且將其導引至該線性波導與平板波導區域之間的一邊界以用於形成在該平板波導區域中傳播之一第二輸出光束。可提供在該平板波導區域中彼此間隔開的第二向外耦合器陣列，用於向外耦合該第二輸出光束之部分，以形成第二陣列之向外耦合光束部分。

在一些具體實例中，該平板波導區域包含用於分別在其中導引該第一輸出光束及該第二輸出光束的第一平板波導層及第二平板波導層。該第一複數個線性波導及該第二複數個線性波導分別耦接至該第一平板波導層及該第二平板波導層。該第一向外耦合器陣列及該第二向外耦合器陣列分別安置於該第一平板波導層及該第二平板波導層中，且經配置以分別以一實質上相同的主射線角向外耦合該第一輸出光束及該第二輸出光束之所述部分。

在一些具體實例中，該平板波導區域支援第一橫向傳播模式及第二橫向傳播模式。該第一複數個線性波導及該第二複數個線性波導經配置以分別將各別複數個子光束耦合至第一橫向模式及第二橫向模式。該第一向外耦合器陣列及該第二向外耦合器陣列經配置以分別以一實質上相同的主射線角向外耦合該第一輸出光束及該第二輸出光束之所述部分。

在一些具體實例中，該平板波導區域包含用於在該平板波導層中傳播該第一輸出光束的一平板波導層。該第一向外耦合器陣列可包括一稜鏡陣列，該稜鏡陣列漸消地耦接至該平板波導層，用於向外耦合離開該波導照明器的該第一輸出光束之所述部分以形成該第一陣列之向外耦合光束部分。

根據本發明，提供一種顯示器裝置，其包含：本文中所描述之一波導照明器；及一顯示面板，其包含經安置且經配置以接收所述向外耦合光束部分之該陣列的顯示像素之一陣列。所述顯示像素之一間距可實質上等於該向外耦合器陣列之一間距。

該顯示器裝置可進一步包括用於將該輸入光束提供至該輸入波導之一光源。該光源可為一偏振光源，使得該輸入光束及該輸出光束以及向外耦合光束部分之該陣列經偏振；顯示像素之該陣列可包括用於調諧向外耦合光束部分之該陣列中的個別光束部分之偏振的可調諧偏振旋轉器之一陣列。該光源可為一單色光源，且該輸入光束可具有一第一色彩通道之一波長。

根據本發明，進一步提供一種用於照明一顯示面板之方法。該方法包括：在一波導照明器之一第一輸入線性波導中導引一第一輸入光束；將該第一輸入光束分光成複數個子光束；在該波導照明器之第一複數個線性波導中將該第一輸入光束之該複數個子光束導引至該波導照明器之一平板波導區域；使該第一輸入光束之該複數個子光束在該平板波導區域中傳播以形成在該平板波導區域中傳播的一第一輸出光束；及向外耦合該第一輸出光束之部分以形成第一陣列之向外耦合光束部分。

該方法可進一步包括在將該複數個子光束耦合至該平板波導區域之前，使該複數個子光束在該第一複數個線性波導之波導楔形件中擴展。該方法可進一步包括：在該波導照明器之一第二輸入線性波導中導引一第二輸入光束；將該第二輸入光束分光成複數個子光束；在該波導照明器之第二複數個線性波導中將該第二輸入光束之該複數個子光束導引至該波導照明器之一平板波導區域；使該第二輸入光束之該複數個子光束在該平板波導區域中傳播以形成在該平板波導區域中傳播的一第二輸出光束；及向外耦合該第二輸出光束之部分以形成第二陣列之向外耦合光束部分。

現參考圖1，波導照明器100包括安置為彼此鄰近且共用共同邊界104之線性波導區域101及平板波導區域102。線性波導區域101包括線性波導結構，且平板波導區域包括平板波導結構。本文中，術語「線性波導」或「線性波導結構」表示在兩個維度中限定光傳播的波導，如光絲。線性波導可為筆直的、彎曲的等。換言之，術語「線性」並不意謂筆直波導區段。線性波導之一個實例為脊型波導。術語「平板波導」或「平板波導結構」表示在一個維度（典型地，豎直維度，亦即，跨越波導晶片的厚度）上限定光傳播的波導。光可自由地在波導晶片之平面中傳播。在兩種情況下，波導可為單模式或少數模式波導，例如，小於12個橫向傳播模式。

輸入波導106安置於波導照明器100之線性波導區域101中。輸入波導106導引用箭頭說明之光束108。光束108可例如由光源110發射。分光器112耦接至輸入波導106以用於將輸入光束108分光成用箭頭說明之複數個子光束114。複數個線性波導116安置於線性波導區域101中。線性波導116耦接至分光器112以用於將自輸入光束108分光成的複數個子光束114導引至線性波導區域101與平板波導區域102之間的邊界104，從而形成在平板波導區域102中傳播的輸出光束118。用具有虛線邊界之大箭頭來說明輸出光束118。輸出光束118之傳播方向取決於子光束114之間的相位關係。對於同相子光束114（典型情況如此），輸出光束118垂直於邊界104傳播，亦即圖1中水平地自左向右。輸出光束118可歸因於繞射而在平板區域102之平面中稍微擴展。

向外耦合器120之陣列安置於平板波導區域102中。例如光柵或漸消型向外耦合器之外部耦合器120在平板波導區域102中彼此間隔開。在操作中，向外耦合器120向外耦合第一輸出光束之部分122以形成第一陣列之向外耦合光束部分122。向外耦合器120之安置可與正被照明之顯示面板之像素的安置相關，以確保部分122大部分穿過顯示面板之像素傳播且不在顯示面板之像素間區域中被阻擋或散射，此舉增大透過顯示面板之光的量，亦即改良光利用率。

與具有線性波導之陣列以及沿著線性波導之光柵向外耦合器的照明器相比，平板波導照明器的優勢為對可引起散射及相關聯干涉效應的製造缺陷具有增大的容限等級。參考圖2用於說明，輸出光束118在平板波導區域102中傳播，遇到粒子缺陷200。輸出光束118之一部分如由箭頭202所展示將散射，該散射若非引起在平板波導區域102之平面中的傳播方向上填充由粒子缺陷200留下的陰影之繞射效應，則可能在輸出光束圖案中產生光斑。因此，與由沿著其長度配備有光柵向外耦合器之線性照明波導陣列攜載的光相比，在平板波導區域102中傳播的光較不易於因製造瑕疵而造成散射。

參考圖3，進一步參考圖1，波導照明器100之每一線性波導116可包括在線性波導區域101與平板波導區域102之間的邊界104處的楔形件300，例如，絕熱楔形件。楔形件300之目的為在將對應子光束114耦合至平板波導區域102之前擴展所述子光束114。由楔形件300擴展的子光束114更均勻地填充平板波導區域102，從而產生在圖1中所示的平板區域102中傳播的輸出光束118的較佳方向性及均一性。

圖1之分光器112之功能為將輸入光束108分光成子光束114。分光器112之許多配置係可能的，例如，1×2分光器或漸消型2×2耦合器之二元樹、多模式干涉（multimode interference；MMI）分光器等。針對非限制性實例參考圖4，分光器組件400包括經由平板干涉腔體404耦接至複數個線性波導116的1×2波導分光器402，該平板干涉腔體為具有周邊405的平板波導之區段。在操作中，1×2分光器402將輸入光束108分光成具有實質上相等光學功率之兩個部分411、412。部分411、412在線性波導421、422中傳播至平板干涉腔體404。部分411、412在平板干涉腔體404中擴展，從而在平板干涉腔體404之對置側面408處經歷光學干涉。線性波導116的末端117安置於平板干涉腔體404的側面408的具有局部干涉最大值的區域中。具有局部干涉最小值的區域安置於線性波導116的末端117之間，使得輸入光束108的光學功率不會在線性波導116的末端117之間損失。

返回參考圖1，平板波導區域102配備有隔開的向外耦合器120以用於向外耦合輸出光束118的部分122。向外耦合器120可基於自平板區域102繞射輸出光束118之部分122的繞射光柵。部分122之繞射角取決於波長，且因此對於不同色彩通道之光將通常不同。此在其中波導照明器100用作用於背光照明或正面照明彩色顯示器的光源的應用中可能成問題。參考圖5作為說明，波導照明器500為圖1之波導照明器100的具體實例。波導照明器500包括彼此間隔開且耦接至平板波導區域502之平板核心530的光柵向外耦合器520，用於向外耦合輸出光束518之部分522。在波導照明器500中，輸出光束518包括三個色彩通道之光：紅色光束522R、綠色光束522G及藍色光束522B。紅色光束518R、綠色光束518G及藍色光束518B以不同主射線（中心射線）角向外耦合。紅色光束522R之主射線以點線箭頭展示，綠光522G之主射線以實線箭頭展示，且藍光522B之主射線以虛線箭頭展示。自圖5中可見，向外耦合光部分522按波長有角度地分散。又，在需要向外耦合光部分不按波長分散的應用中，所有色彩之光需要以相同主射線角向外耦合，使得不同色彩之子光束在相同方向上共同傳播。

參考圖6，波導照明器600為圖5之波導照明器500的具體實例，包括類似元件，且與發射第一色彩通道、第二色彩通道及第三色彩通道之光（例如，紅色光束522R、綠色光束522G及藍色光束522B）的多波長光源一起操作。為了補償波長分散，波導照明器600包括在包括紅色光束522R、綠色光束522G及藍色光束522B之向外耦合光束部分522之陣列的光學路徑中的體積布拉格光柵（VBG） 632。VBG可經配置以按波長選擇性方式重定向光。因此，VBG 632可經配置以重定向向外耦合光束部分522中之第一色彩通道、第二色彩通道及第三色彩通道中之至少兩者之光，使得在VBG下游之第一色彩通道、第二色彩通道及第三色彩通道之光實質上以相同主射線角傳播。舉例而言，VBG 632可經配置以在重定向紅光522R及藍光522B的同時不重定向綠光522G，從而使輸出光622之輸出紅色光束622R、輸出綠色光束622G及輸出藍色光束622B具有實質上平行的主射線，如圖6中所說明。

在波導照明器之一些具體實例中，向外耦合光束部分經重新聚焦以提供所要光束發散特性。例如參考圖7，波導照明器700為圖5之波導照明器500的具體實例，包括類似元件，且與發射第一色彩通道、第二色彩通道及第三色彩通道之光（具體言之，紅色光束522R、綠色光束522G及藍色光束522B）的多波長光源（圖中未示）一起操作。波導照明器700進一步包括耦接至光柵向外耦合器520之微透鏡731的陣列。在圖7中，展示兩個此類微透鏡731及兩個此類光柵向外耦合器520，其中個別光柵線由黑色正方形表示。微透鏡731可經配置以聚焦向外耦合光束部分522R、522G及522B。微稜鏡732之陣列安置於光柵向外耦合器520下游，經配置以使得在微稜鏡732之陣列下游的紅色光束722R、綠色光束722G及藍色光束722B實質上以相同主射線角傳播。在圖7中，紅色光線722R以點線箭頭展示，綠色光線722G以實線箭頭展示，且藍色光線722B以虛線箭頭展示。針對每一色彩通道之光展示三個此類射線，包括一主射線707及兩個邊緣射線709。微稜鏡732（圖7中展示兩個）充當重定向器，其執行使所有色彩通道之主射線707平行的功能，與圖6之VBG 632類似。可使用其他類型之色彩或波長選擇性重定向器，例如基於光柵之色彩選擇性重定向器。亦可使用組合微透鏡731之聚焦功能與微稜鏡732之光束重定向功能的線性調頻光柵陣列。此外，亦可線性調頻光柵向外耦合器，以聚焦向外耦合光束部分。

轉至圖8，波導照明器800為圖1之波導照明器100的具體實例，包括類似元件，且與發射第一色彩通道、第二色彩通道及第三色彩通道之光（具體言之，組合為輸出光束818的紅色光束分量822R、綠色光束分量822G及藍色光束分量822B）的多波長光源（圖中未示）一起操作。圖8之波導照明器800包括消散地耦接至平板波導部分802的平板波導層830的稜鏡832之陣列。稜鏡832執行圖1之波導照明器100的向外耦合器120之功能。圖8之波導照明器800之稜鏡832漸消地向外耦合來自波導照明器800的輸出光束818之紅色光束分量822R、綠色光束分量822G及藍色光束分量822B之部分，具體係藉由首先以銳角向外耦合至稜鏡832中且接著自圖8中的稜鏡832之頂面向下反射（例如藉由全內反射或TIR），以形成不同色彩通道之向外耦合光束部分之陣列。由於漸消型向外耦合之方向相比於光柵向外耦合器之情況對向外耦合光之波長較不敏感，因此紅色光束分量822R、綠色光束分量822G及藍色光束分量822B之部分實質上彼此平行地射出波導照明器800。

在一些具體實例中，波導照明器可包括多個圖1之結構，每個色彩通道一個。由不同輸入光束攜載的不同色彩通道之光可耦合至個別輸入線性波導中。舉例而言，對於第二色彩通道，第二輸入波導可提供於線性波導區域101中以用於導引攜載第二色彩通道之光的第二輸入光束。第二分光器可設置於線性波導區域101中。第二分光器可耦接至第二輸入波導以用於將第二輸入光束分光成複數個子光束；第二複數個線性波導可提供於線性波導區域101中。該第二複數個線性波導可耦接至該第二分光器，用於接收自第二輸入光束分光成的複數個子光束且將其導引至該線性波導與平板波導區域之間的邊界以用於形成在平板波導區域中傳播之第二輸出光束。以類似方式，向外耦合器之第二陣列可在平板波導區域102中彼此間隔開，用於向外耦合第二輸出光束之部分，以形成向外耦合光束部分之第二陣列。

此類多通道波導照明器900之非限制性說明性實例呈現於圖9中。多通道波導照明器900之平板波導區域902包括每色彩通道一個平板波導層，在此實例中，包括用於分別傳播紅色輸出光束918R、綠色輸出光束918G及藍色輸出光束918B的三個單模式平板波導層930R、930G及930B。單模式平板波導層930R、930G及930B耦接為簡潔起見圖中未示的線性波導的各別陣列。可在雙色系統中提供用於兩個色彩通道的至少兩個平板波導層。

仍參考圖9，紅色向外耦合器920R、綠色向外耦合器920G及藍色向外耦合器920B（例如基於光柵之向外耦合器）之陣列分別安置於第一平板區域及第二平板區域中，且經配置以分別向外耦合紅色輸出光束918R、綠色輸出光束918G及藍色輸出光束918B之部分922R、922G及922B。由於不同色彩通道之光在不同平板波導層930R、930G及930B中傳播且藉由不同向外耦合器920R、920G及920B向外耦合，因此所述向外耦合器可經配置以實質上以相同主射線907角且視情況以邊緣射線909之間的相同圓錐角向外耦合光束部分922R、922G及922B。

轉至圖10，波導照明器1000之平板波導區域1002包括可導引若干橫向傳播模式（在此實例中，第0、第1及第2橫向模式）的少數模式平板波導層1030。為簡潔起見圖中未示之複數個線性波導經配置以將不同色彩通道之各別複數個子光束耦合至少數模式平板波導層1030之不同橫向傳播模式，以傳播為紅色輸出光束1018R、綠色輸出光束1018G及藍色輸出光束1018B。具體言之，紅色輸出光束1018R可以第0橫向傳播模式傳播，綠色輸出光束1018G可以第1橫向傳播模式傳播，且藍色輸出光束1018B可以第2橫向傳播模式傳播。對應向外耦合器1020R、1020G及1020B經配置以分別自第0、第1及第2橫向傳播模式向外耦合紅色輸出光束1018R、綠色輸出光束1018G及藍色輸出光束1018B之部分1022R、1022G及1022B。為此，如圖10中所說明，向外耦合器1020R、1020G及1020B可以不同深度位準安置於少數模式核心層1030中。由於不同色彩通道之光以不同橫向傳播模式傳播且藉由不同向外耦合器1020R、1020G及1020B向外耦合，因此所述向外耦合器可經配置以實質上以相同主射線1007角且視情況以邊緣射線1009之間的相同圓錐角向外耦合光束部分1022R、1022G及1022B。

現參考圖11，顯示器裝置1100包括耦接至顯示面板1102之波導照明器100。例如在色彩通道之波長下的單色光源之光源1101可以光學方式耦接至照明器100以用於將光束108提供至照明器100。顯示面板1102包括經安置且經配置以自照明器100接收向外耦合光束部分122之陣列的顯示像素1120之陣列。為確保有效地使用光束部分122，可使顯示像素1120之位置及間距與向外耦合器120之陣列之位置及間距在X方向及Y方向兩者上匹配。

顯示面板1102可包括液晶（liquid crystal；LC）層1104，其中顯示像素1120經配置以可控制地轉換或調諧個別光束部分122之偏振狀態，例如旋轉線性偏振狀態。在此具體實例中，光源1101可為發射線性偏振光的偏振光源。可提供線性偏振器1128以將由顯示像素1120賦予之光束部分122之偏振分佈轉換成表示待顯示之影像的光學功率密度分佈。影像在線性域中，其中所顯示之影像之像素座標對應於顯示像素1120之XY座標。

眼部透鏡1130可用於在人眼窗口（eyebox）1126處將線性域中之影像轉換成角度域中之影像以供眼睛1180直接觀測。本文中，術語「角度域中之影像」係指所顯示之影像之像素座標對應於光束部分122之射線角度的影像。在具有可調諧偏振旋轉器之具體實例中，光源1101可發射偏振光，且波導照明器100可保留彼偏振狀態。應進一步注意，可使用本文所揭示之波導照明器中之任一者代替顯示器裝置1100之波導照明器100。可使波導照明器100對外部光1114透明。

參考圖12，進一步參考圖1，用於照明顯示面板之方法1200包括在波導照明器（例如，圖1之波導照明器100）之第一輸入線性波導（例如，輸入線性波導106）中導引（1202）第一輸入光束，例如光束108（圖1）。將第一輸入光束分光（圖12；1204）成複數個子光束114。將第一輸入光束108之複數個子光束114在波導照明器100之複數個線性波導116中導引（1206）至波導照明器100之平板波導區域102。使複數個子光束114在平板波導區域102中傳播（1208），以形成在平板波導區域102中傳播之第一輸出光束，例如輸出光束118。向外耦合（1210）第一輸出光束之部分以形成第一陣列之向外耦合光束部分，亦即，圖1中之光束部分122。可在複數個線性波導116之楔形件（例如，圖3的楔形件300）中擴展（1207）該複數個子光束，隨後將複數個子光束114耦合至平板波導區域102。

在其中照明光包括複數個色彩通道的具體實例中，可針對每一色彩通道執行方法1200。舉例而言，方法1200可進一步包括：在波導照明器之第二輸入線性波導中導引（1212）第二色彩通道之第二輸入光束；將第二輸入光束分光（1214）成複數個子光束；將該第二輸入光束之該複數個子光束在波導照明器之第二複數個線性波導中導引（1216）至波導照明器之平板波導區域；使該第二輸入光束之該複數個子光束在平板波導區域中傳播（1218），以形成在平板波導區域中傳播的第二輸出光束；及向外耦合（1220）第二輸出光束之部分以形成向外耦合光束部分之第二陣列。線性波導結構可安置於波導照明器100之線性波導區域101中。可用本文中所考慮之波導照明器中的任一者執行方法1200。

轉至圖13，虛擬實境（VR）近眼顯示器1300包括框架1301，其對於每隻眼睛支撐：光源1302；波導照明器1306，其以可操作方式耦接至光源1302且包括本文中所揭示之波導照明器中的任一者；顯示面板1318，其包括顯示像素陣列，其中波導照明器1306中的向外耦合光柵之位置與顯示面板1318之偏振調諧像素之位置協調；及眼部透鏡1332，其用於將由顯示面板1318產生的線性域中的影像轉換為角度域中的影像以供在人眼窗口1326處直接觀測。複數個人眼窗口照明器1362（展示為黑點）可置放於波導照明器1306的面對人眼窗口1326之一側上。可針對每一人眼窗口1326提供眼睛追蹤相機1342。

眼睛追蹤相機1342之目的為判定使用者之兩隻眼睛之位置及/或位向。人眼窗口照明器1362照明對應人眼窗口1326處之眼睛，以使眼睛追蹤相機1342獲得眼睛之影像並且提供參考反射，亦即閃光。閃光可充當所擷取眼睛影像中之參考點，從而藉由判定眼睛瞳孔影像相對於閃光影像之位置來促進眼睛凝視方向判定。為了避免因人眼窗口照明器1362之光分散使用者之注意力，可使得人眼窗口照明器發射對於使用者而言不可見之光。舉例而言，紅外光可用於照明人眼窗口1336。

現參考圖14，HMD 1400為AR/VR可佩戴式顯示系統之實例，為了較大程度沉浸至AR/VR環境中，該AR/VR可佩戴式顯示系統圍封使用者之面部。HMD 1400可產生完全虛擬的3D影像。HMD 1400可包括可緊固在使用者頭部周圍的前本體1402及條帶1404。前本體1402經配置以用於以可靠且舒適之方式置放在使用者之眼睛前方。顯示系統1480可安置於前本體1402中以向使用者呈現AR/VR影像。顯示系統1480可包括本文中所揭示之顯示器裝置及照明器中之任一者。前本體1402之側面1406可為不透明或透明的。

在一些具體實例中，前本體1402包括定位器1408及用於追蹤HMD 1400之加速度之慣性量測單元（inertial measurement unit；IMU）1410，及用於追蹤HMD 1400之位置的位置感測器1412。IMU 1410為基於自位置感測器1412中之一或多者接收到之量測信號而產生指示HMD 1400之位置之資料的電子裝置，所述位置感測器回應於HMD 1400之運動而產生一或多個量測信號。位置感測器1412之實例包括：一或多個加速度計、一或多個陀螺儀、一或多個磁力計、偵測運動之另一合適類型的感測器、用於IMU 1410之錯誤校正的一種類型之感測器，或其某一組合。位置感測器1412可位於IMU 1410外部、IMU 1410內部，或在外部與在內部之某一組合。

定位器1408由虛擬實境系統之外部成像裝置追蹤，使得虛擬實境系統可追蹤整個HMD 1400之位置及位向。由IMU 1410及位置感測器1412所產生之資訊可與藉由追蹤定位器1408所獲得之位置及位向進行比較，以改良HMD 1400之位置及位向之追蹤準確度。當使用者在3D空間中移動及轉動時，準確位置及位向對於向使用者呈現適當虛擬景物為至關重要的。

HMD 1400可進一步包括深度相機組件（depth camera assembly；DCA）1411，其擷取描述環繞HMD 1400中之一些或所有之局部區域之深度資訊的資料。為了在3D空間中判定HMD 1400之位置及位向之較佳準確度，深度資訊可與來自IMU 1410之資訊進行比較。

HMD 1400可進一步包括用於即時判定使用者眼睛之位向及位置的眼睛追蹤系統1414。眼睛之所獲得位置及位向亦允許HMD 1400判定使用者之凝視方向且相應地調整由顯示系統1480所產生之影像。所判定凝視方向及聚散角度可用於調整顯示系統1480以減少聚散調節衝突。方向及聚散亦可用於如本文中所揭示之顯示器的出射光瞳轉向。此外，經判定聚散及凝視角度可用於與使用者交互、突出物體、將物體帶到前景、產生額外物體或指標等。亦可提供音訊系統，其包括例如建置於前本體1402中之一組小揚聲器。

本揭示之具體實例可包括人工實境系統，或可結合人工實境系統來實施。人工實境系統在向使用者呈現之前以某一方式調整經由感測所獲得之關於外部世界的感官資訊，諸如可視資訊、音訊、接觸（體感）資訊、加速度、平衡等。藉助於非限制性實例，人工實境可包括虛擬實境（VR）、擴增實境（AR）、混合實境（MR）、複合實境或其某一組合及/或衍生物。人工實境內容可包括完全生成內容或與所擷取（例如，真實世界）內容組合之生成內容。人工實境內容可包括視訊、音訊、軀體或觸覺反饋或其某一組合。此內容中之任一者可在單個通道中或在多個通道中呈現，諸如在對觀察者產生三維效應之立體視訊中。

此外，在一些具體實例中，人工實境亦可與用於例如在人工實境中創建內容及/或以其他方式用於人工實境中（例如，在人工實境中執行活動）之應用、產品、配件、服務或其某一組合相關聯。提供人工實境內容之人工實境系統可實施於各種平台上，包括穿戴式顯示器，諸如連接至主機電腦系統之HMD、獨立式HMD、具有眼鏡之形狀因數的近眼顯示器、行動裝置或計算系統，或能夠將人工實境內容提供至一或多個觀察者之任何其他硬體平台。

本發明之範疇不受本文所描述之特定具體實例限制。實際上，其他各種具體實例及修改，除本文中所描述之彼等之外，將自前述描述及附圖對於所屬技術領域中具有通常知識者可顯而易見。因此，此等其他具體實例及修改意欲屬於本發明之範圍內。另外，儘管本文中已出於特定目的在特定環境中之特定實施方式之上下文中描述本揭示，但所屬技術領域中具有通常知識者將認識到，其有效性不限於此，且本揭示可出於任何數目個目的有益地實施於任何數目個環境中。因此，下文闡述之申請專利範圍應鑒於如本文中所描述之本發明之全部範圍及精神來解釋。

100:波導照明器 101:線性波導區域 102:平板波導區域 104:邊界 106:輸入波導 108:光束 110:光源 112:分光器 114:子光束 116:線性波導 117:末端 118:輸出光束 120:向外耦合器 122:向外耦合光束部分 200:粒子缺陷 202:箭頭 300:楔形件 400:分光器組件 402:1×2波導分光器 404:平板干涉腔體 405:周邊 408:側面 411:部分 412:部分 421:線性波導 422:線性波導 500:波導照明器 502:平板波導區域 518:輸出光束 520:光柵向外耦合器 522:部分 522B:藍色光束 522G:綠色光束 522R:紅色光束 530:平板核心 600:波導照明器 622:輸出光 622B:輸出藍色光束 622G:輸出綠色光束 622R:輸出紅色光束 632:體積布拉格光柵 700:波導照明器 707:主射線 709:邊緣射線 722B:藍色光線 722G:綠色光線 722R:紅色光線 731:微透鏡 732:微稜鏡 800:波導照明器 802:平板波導部分 818:輸出光束 822B:藍色光束分量 822G:綠色光束分量 822R:紅色光束分量 830:平板波導層 832:稜鏡 900:多通道波導照明器 902:平板波導區域 907:主射線 909:邊緣射線 918B:藍色輸出光束 918G:綠色輸出光束 918R:紅色輸出光束 920B:藍色向外耦合器 920G:綠色向外耦合器 920R:紅色向外耦合器 922B:部分 922G:部分 922R:部分 930B:單模式平板波導層 930G:單模式平板波導層 930R:單模式平板波導層 1000:波導照明器 1002:平板波導區域 1007:主射線 1009:邊緣射線 1018B:藍色輸出光束 1018G:綠色輸出光束 1018R:紅色輸出光束 1020B:向外耦合器 1020G:向外耦合器 1020R:向外耦合器 1022B:部分 1022G:部分 1022R:部分 1030:少數模式平板波導層/少數模式核心層 1100:顯示器裝置 1101:光源 1102:顯示面板 1104:液晶層 1114:外部光 1120:顯示像素 1126:人眼窗口 1128:線性偏振器 1130:眼部透鏡 1180:眼睛 1200:方法 1202:步驟 1204:步驟 1206:步驟 1207:步驟 1208:步驟 1210:步驟 1212:步驟 1214:步驟 1216:步驟 1218:步驟 1220:步驟 1300:虛擬實境（VR）近眼顯示器 1301:框架 1302:光源 1306:波導照明器 1318:顯示面板 1326:人眼窗口 1332:眼部透鏡 1342:眼睛追蹤相機 1362:人眼窗口照明器 1400:HMD 1402:前本體 1404:條帶 1406:側面 1408:定位器 1410:慣性量測單元 1411:深度相機組件 1412:位置感測器 1414:眼睛追蹤系統 1480:顯示系統

現將結合圖式描述例示性具體實例，其中：

[圖1]為本發明之波導照明器之示意性平面圖；

[圖2]為圖1之波導照明器的平板波導區域之平面圖，其展示由平板波導區域中之缺陷引起之光散射；

[圖3]為如請求項1之波導照明器的絕熱楔形件陣列的示意性平面圖；

[圖4]為如請求項1之波導照明器之分光器具體實例的平面圖；

[圖5]為圖1之波導照明器的平板區域中之光柵向外耦合器的側視橫截面圖；

[圖6]為包括用於補償由圖5之光柵向外耦合器發射的光之分散的體積布拉格光柵（volume Bragg grating；VBG）之波導照明器具體實例的側視橫截面圖；

[圖7]為包括用於補償由圖5之光柵向外耦合器發射的光之分散的透鏡-稜鏡組合之波導照明器具體實例的側視橫截面圖；

[圖8]為可用於如請求項1之波導照明器中的漸消型稜柱形向外耦合器之側視橫截面圖；

[圖9]為具有多層平板波導區域的如請求項1之波導照明器之一具體實例的側視橫截面圖；

[圖10]為具有少數模式平板波導區域的圖1之波導照明器之一具體實例的側視橫截面圖；

[圖11]為使用圖1之波導照明器的近眼顯示器之示意圖；

[圖12]為根據本發明的用於照明顯示面板之方法的流程圖；

[圖13]為具有一副眼鏡之外觀尺寸的本發明之擴增實境（AR）顯示器之視圖；及

[圖14]為本發明之頭戴式顯示器（head-mounted display；HMD）之三維視圖。

100:波導照明器

101:線性波導區域

102:平板波導區域

104:邊界

106:輸入波導

108:光束

110:光源

112:分光器

114:子光束

116:線性波導

118:輸出光束

120:向外耦合器

122:向外耦合光束部分

Claims (20)

1. 一種波導照明器，其包含： 鄰近的線性波導及平板波導區域； 在該線性波導區域中之第一輸入波導用於導引第一輸入光束； 第一分光器，其耦接至該第一輸入波導以用於將該第一輸入光束分光成複數個子光束； 在該線性波導區域中之第一複數個線性波導，其耦接至該第一分光器，用於接收從該第一輸入光束所分光成的該複數個子光束且將該複數個子光束導引至該線性波導與平板波導區域之間的邊界以用於形成在該平板波導區域中傳播之第一輸出光束；及 第一向外耦合器陣列，該第一向外耦合器陣列在該平板波導區域中彼此間隔開，用於向外耦合該第一輸出光束之部分，以形成第一陣列之向外耦合光束部分。
2. 如請求項1之波導照明器，其中該第一複數個線性波導中之每一線性波導包括在該線性波導與平板波導區域之間的該邊界處的一楔形件，用於在將所述子光束耦合至該平板波導區域之前擴展所述子光束。
3. 如請求項1之波導照明器，其中該第一分光器包含一1×2分光器及一平板干涉腔體，其中該1×2分光器經由該平板干涉腔體耦接至該第一複數個線性波導，其中該第一複數個線性波導中的所述線性波導之末端安置於該平板干涉腔體之具有局部干涉最大值的區域中。
4. 如請求項1之波導照明器，其中該第一向外耦合器陣列包含光柵向外耦合器，用於向外耦合該第一輸出光束之所述部分以形成該第一陣列之向外耦合光束部分。
5. 如請求項4之波導照明器，其中該第一輸入光束包含第一色彩通道、第二色彩通道及第三色彩通道之光，該波導照明器進一步包含在該第一陣列之向外耦合光束部分之光學路徑中的體積布拉格光柵（VBG），其中該VBG經配置以重定向所述第一陣列之向外耦合光束部分中之該第一色彩通道、該第二色彩通道及該第三色彩通道中之至少兩者之光，使得在該VBG下游之該第一色彩通道、該第二色彩通道及該第三色彩通道之該光實質上以一相同主射線角傳播。
6. 如請求項4之波導照明器，其中存在以下情況中之至少一者： 所述光柵向外耦合器經線性調頻以聚焦所述向外耦合光束部分；或 該波導照明器包含微透鏡陣列，該微透鏡陣列耦接至所述光柵向外耦接器以聚焦所述向外耦合光束部分； 該波導照明器進一步包含在所述光柵向外耦合器之下游的色彩選擇性重定向器陣列，其經配置以使得在該色彩選擇性重定向器陣列之下游的該第一色彩通道、該第二色彩通道及該第三色彩通道之該光實質上以一相同主射線角傳播。
7. 如請求項6之波導照明器，其中該色彩選擇性重定向器陣列包含微稜鏡陣列。
8. 如請求項6之波導照明器，其中該色彩選擇性重定向器陣列包含線性調頻光柵之一陣列。
9. 如請求項1之波導照明器，其中該第一輸入光束攜載第一色彩通道之光，該波導照明器進一步包含： 在該線性波導區域中之第二輸入波導，其用於導引第二色彩通道之第二輸入光束； 在該線性波導區域中之第二分光器，其耦接至該第二輸入波導以用於將該第二輸入光束分光成複數個子光束； 在該線性波導區域中之第二複數個線性波導，其耦接至該第二分光器，用於接收從該第二輸入光束所分光成的該複數個子光束且將該複數個子光束導引至該線性波導與平板波導區域之間的一邊界以用於形成在該平板波導區域中傳播之第二輸出光束；及 在該平板波導區域中彼此間隔開的第二向外耦合器陣列，用於向外耦合該第二輸出光束之部分，以形成第二陣列之向外耦合光束部分。
10. 如請求項9之波導照明器，其中： 該平板波導區域包含用於分別在其中導引該第一輸出光束及該第二輸出光束的第一平板波導層及第二平板波導層； 該第一複數個線性波導及該第二複數個線性波導分別耦接至該第一平板波導層及該第二平板波導層；及 該第一向外耦合器陣列及該第二向外耦合器陣列分別安置於該第一平板波導層及該第二平板波導層中，且經配置以分別以一實質上相同的主射線角向外耦合該第一輸出光束及該第二輸出光束之所述部分。
11. 如請求項9之波導照明器，其中： 該平板波導區域支援第一橫向傳播模式及第二橫向傳播模式； 該第一複數個線性波導及該第二複數個線性波導經配置以分別將各別複數個子光束耦合至該第一橫向模式及該第二橫向模式；且 該第一向外耦合器陣列及該第二向外耦合器陣列經配置以分別以一實質上相同的主射線角向外耦合該第一輸出光束及該第二輸出光束之所述部分。
12. 如請求項1之波導照明器，其中： 該平板波導區域包含用於在其中傳播該第一輸出光束的平板波導層；且 該第一向外耦合器陣列包含稜鏡陣列，該稜鏡陣列漸消地耦接至該平板波導層，用於向外耦合離開該波導照明器的該第一輸出光束之所述部分以形成該第一陣列之向外耦合光束部分。
13. 一種顯示器裝置，其包含： 波導照明器，其包含： 鄰近的線性波導及平板波導區域； 在該線性波導區域中之一輸入波導，用於導引一輸入光束； 第一分光器，其耦接至該輸入波導以用於將該輸入光束分光成複數個子光束； 在該線性波導區域中之複數個線性波導，其耦接至該分光器，用於接收自該輸入光束分光成的該複數個子光束且將其導引至該線性波導與平板波導區域之間的一邊界以用於形成在該平板波導區域中傳播之一輸出光束；及 在該平板波導區域中彼此間隔開的向外耦合器之一陣列，用於向外耦合該輸出光束之部分，以形成向外耦合光束部分之一陣列；及 顯示面板，其包含經設置且經配置以接收所述向外耦合光束部分之該陣列的顯示像素之一陣列。
14. 如請求項13之顯示器裝置，其中所述顯示像素之一間距實質上等於向外耦合器之該陣列之一間距。
15. 如請求項13之顯示器裝置，其進一步包含用於將該輸入光束提供至該輸入波導之光源。
16. 如請求項15之顯示器裝置，其中該光源為偏振光源，其中該輸入光束及該輸出光束以及向外耦合光束部分之該陣列經偏振； 其中顯示像素之該陣列包含用於調諧向外耦合光束部分之該陣列中的個別光束部分之偏振的可調諧偏振旋轉器之一陣列。
17. 如請求項15之顯示器裝置，其中該光源包含單色光源，其中該輸入光束有第一色彩通道之波長。
18. 一種用於照明一顯示面板之方法，該方法包含： 在波導照明器之第一輸入線性波導中導引第一輸入光束； 將該第一輸入光束分光成複數個子光束； 在該波導照明器之第一複數個線性波導中將該第一輸入光束之該複數個子光束導引至該波導照明器之平板波導區域； 使該第一輸入光束之該複數個子光束在該平板波導區域中傳播以形成在該平板波導區域中傳播的第一輸出光束；及 向外耦合該第一輸出光束之部分以形成第一陣列之向外耦合光束部分。
19. 如請求項18之方法，其進一步包含在將該複數個子光束耦合至該平板波導區域之前，使該複數個子光束在該第一複數個線性波導之波導楔形件中擴展。
20. 如請求項18之方法，其進一步包含： 在該波導照明器之第二輸入線性波導中導引第二輸入光束； 將該第二輸入光束分光成複數個子光束； 在該波導照明器之第二複數個線性波導中將該第二輸入光束之該複數個子光束導引至該波導照明器之平板波導區域； 使該第二輸入光束之該複數個子光束在該平板波導區域中傳播以形成在該平板波導區域中傳播的第二輸出光束；及 向外耦合該第二輸出光束之部分以形成第二陣列之向外耦合光束部分。

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