TW202311812A

TW202311812A - 波導裝置

Info

Publication number: TW202311812A
Application number: TW111118078A
Authority: TW
Inventors: 伊恩馬歇爾
Original assignee: 英商Ｂａｅ系統公營股份有限公司
Priority date: 2021-05-14
Filing date: 2022-05-13
Publication date: 2023-03-16
Also published as: WO2022238688A1; EP4338001A1

Abstract

一種用於抬頭式或頭穿戴式顯示器中的波導裝置，該波導裝置包括：具有用於接收影像之入射光瞳的稜鏡；構造成透過該稜鏡將照明導向第一和第二半反射表面的複數個光柵；其中該等半反射表面各自朝出射點反射不同量之照明，以產生輸出影像。

Description

波導裝置

本發明係關於一種改良式波導裝置，尤其是一種增強式稜柱形波導裝置。

已知的一維(1D)波導裝置提供費用低廉的波導裝置，其適於用於頭戴式顯示器(head mounted display，簡稱HMD)、頭穿戴式設備(head worn device，簡稱HWD)等。大多數的一維波導裝置係使用全像圖(holograms)，而這也導致一些光學問題。不使用全像圖的一維波導裝置會來的實用。

這樣的設計是可行的，但已導致了一些缺點。這些缺點包括有消色差(achromatic)且產生銳利(sharp)邊緣的反射。此外，由於光瞳從射線路徑的不同部分重疊，一個光瞳在光瞳照明中會具有清晰的邊界，因此光瞳條帶(pupil banding)成為限制因素。

相較之下，許多波導中所使用的繞射程序(diffraction process)甚至可以擴大展窄頻帶源，以柔化光瞳結構的邊緣。

因此有必要將繞射程序結合到一維波導裝置中，以獲得費用低廉的波導，克服不使用全像圖之一維波導裝置的問題。

本節「發明內容」係提供以簡化的形式介紹一些概念，這些概念將在下節「實施方式」中進一步說明。本節「發明內容」並非意於認定請求保護之專利標的的關鍵特徵或重要特徵，亦非意於作為協助確認請求保護之專利標的的範圍。

根據本發明之一態樣，提出一種用於顯示系統中的波導裝置(100)，該波導裝置包括：稜鏡(102)，其具有用於接收影像之入射光瞳；及複數個光柵(106、108)，其構造成透過該稜鏡將照明導向第一和第二半反射表面(114、116)；其中該等半反射表面(114、116)各自朝出射點(118)反射不同量之照明，以產生輸出影像。

該波導裝置所包括之該第一半反射表面(114)係形成於該稜鏡(102)和第一拼接件(110)之間的接面。

該波導裝置所包括之該第二半反射表面(116)係形成於該第一拼接件(110)和第二拼接件(112)之間的接面。

該波導裝置所包括之該第一拼接件(110)和該第二拼接件(112)係由玻璃所製成。

該波導裝置所包括之該等拼接件(110、112)係構造成被接合在適當位置。

該波導裝置所包括之該接合劑使該等半反射表面(114、116)反射該照明。

該波導裝置所包括之該第一和第二拼接件(110、112)係構造成塗覆有與該接合劑發生反應的塗層，以引起該反射。

該波導裝置所包括之該等半反射表面(114、116)係構造成反射大約10%之該照明，並沿著該波導裝置傳遞約90%之該照明。

該波導裝置所包括之該稜鏡(102)係稜柱形一維(1D)稜鏡。

該波導裝置所包括之該稜鏡(102)係由玻璃所製成。

該波導裝置所包括之該波導裝置係構造成使該照明在該稜鏡(102)內進行全內反射。

該波導裝置所包括之該等繞射光柵(106、108)包括一結構，該結構係構造成在該波導裝置內引起繞射，使得光場在該稜鏡(102)中被調變。

該波導裝置所包括之該等繞射光柵(106、108)包括方波形光柵。

該波導裝置所包括之該等繞射光柵(106、108)係由二氧化鈦所製成。

該波導裝置所包括之該等繞射光柵(106、108)之繞射角係構造成沿著該等繞射光柵(106、108)的長度而減少，以使出射該波導裝置之該照明均勻。

該波導裝置所包括之該波導裝置係於該波導裝置之至少一非活性表面上被處理成吸收未被導向該出射點之照明。

該波導裝置所包括之該至少一非活性表面被漆成黑色。

該波導裝置所包括之該照明包含多重階序(multiple orders)，且其中該等階序其中一者係由經處理非活性表面所吸收。

一種顯示系統，其包括根據本發明之另一態樣之該波導裝置。

一種抬頭式顯示器，其包括根據本發明之另一態樣之該波導裝置。

一種頭穿戴式顯示器，其包括根據本發明之另一態樣之該波導裝置。

一種根據本發明之另一態樣之操作光學裝置中之波導裝置的方法，該方法包括：經由入射光瞳(102)，接收被導入稜鏡(104)的影像；經由繞射光柵(106、108)，將照明導向由兩個拼接件(110、112)所形成之兩個半反射表面(114、116)；及經由該等半反射表面，朝向眼框(118)將該照明部分地反射出該波導裝置。

該方法包括以全內反射方式在該稜鏡(102)內反射該照明。

該方法包括將該等繞射光柵(106、108)構造成經由在該波導裝置內之該繞射光柵的結構引起繞射，使得光場在該稜鏡(102)中被調變。

一種根據本發明之另一態樣之製造波導裝置 100的方法，包括：形成稜鏡(104)；在使照射可經由入射光瞳(102)進入該稜鏡的位置，對該稜鏡形成該入射光瞳；對該稜鏡形成繞射光柵(106、108)，以能夠傳遞進入該稜鏡之照明；形成拼接件(110、112)，藉此形成半反射表面(114、116)；其中該等拼接件係定位成將該照明的一部分導向出射點118。

本發明係關於將繞射程序(例如：光柵)結合到棱柱形波導裝置。光柵之製造簡單且相對便宜。其一可能性係加入包括單層材料而無炫耀(blazed)結構的方波光柵。此種光柵可藉由單層塗層的光刻來產生。由於其僅具有單層材料，因此其當前全像圖(current holograms)不具有定向性(directionality)，且同時在數個方向上進行繞射。因此，此種光柵所產生的射線路徑(ray paths)會將光轉移(divert)至明亮的鬼像(ghost images)中，然後透過全內反射(Total Internal Reflection，簡稱TIR)，將其捕集在波導裝置內。

其基本方式係設計一維(1D)稜柱形波導裝置，其透過入射光瞳(entrance pupil)接收輸入，並將其從半反射鏡表面(semi-reflecting mirror surface)反射出來。這會改變射線角度，從而所述光線藉由全內反射被捕集於所述一維主光導結構之內，直到光線與位於併接件接合至波導裝置之處的半反射表面相交為止。為了複製光瞳，一個以上的併接件可被用以產生多個光瞳，以於更大的眼框(eye box)之上複製這些光瞳，從而增加有效瞳孔的大小(但僅限於一個方向上)。其他方向上的光瞳擴展(pupil expansion)係藉由將一或兩個外表面塗布在具有方波光柵結構的一維波導裝置上而達成。在此故意選擇方波，以便能夠利用光刻方法。

方波光柵的選擇中強加了一項設計考量，也就是，使光柵在一個以上的方向上繞射光線。這多個方向會被配置為留在波導裝置內，除非進一步的繞射恢復為原來的方向。因此將波導裝置設計為結合三個構成要素之一體性系統的設計。這些要素包括： ● 稜柱形一維波導裝置，其將照明捕集在波導裝置之內，並在一方向上擴大光瞳；其中所述波導裝置包括兩個以上相接合的玻璃件； ● 光柵，其在另一方向上繞射並擴大光瞳，即，前述方向與在所述稜柱形一維波導裝置中擴大的方向實質垂直；及 ● 眼睛所落入的眼框，其使得未完全包含在波導裝置內的射線可能會漏出而未入射眼框，使觀察者看不見。

由於稜柱形波導裝置和繞射光柵的參數可能會受到影響，因此所述眼框係改善光學系統效能之系統設計的一部分。這可能反而導致波導裝置中所可能捕集到的照明洩出。藉由將觀察者的眼睛透過將顯示器貼合於頭部而侷限於所述眼框中，雜散光也會被限制在觀察者所無法看到的路徑上。影像承載光(image bearing light)入射至第一次反射改變射線角度之處的稜柱形波導裝置中，使得照明藉由全內反射而被捕集。經繞射後，射線角度增大，並受到進一步的全內反射。為了重新生成原射線角度，該影像、射線因此必須與光柵重新交互作用。若影像和射線原來被繞射為+1階，則必須被繞射為-1階，以抵銷前次的繞射，並恢復原來0階的射線方向。

所述影像可包括場景的影像，或可包括如符號等電腦生成影像。所述影像可依據設備的性質和所需用途，進一步從任何類型來源取得。

因此，在本發明的上下文中，提出混合式稜柱形一維波導裝置和正交方波光柵，其可使用量產技術。本發明可擴及全繞射波導，其中稜柱形波導裝置由一個含繞射光柵所代替，但其基本上採用相同的增強型混合式一維配置。或者，兩個正交方波光柵在兩個維度上複製光瞳，而具有更通用性的幾何形狀。

參照圖1，其繪示波導裝置100的一般性光學佈局。所述波導裝置包括入射光瞳102、主要稜鏡104、第一和第二繞射光柵106和108、併接件110和112、第一和第二半反射表面114和116、以及眼框118。

所述入射光瞳102係光學系統中的限制孔徑(constraining aperture)，使得投射至波導裝置的照明僅被允許通過此孔徑。其可包括置於波導裝置上方墊片(shim)中的孔洞，或者其可為投影光學系統中光闌(stop)的虛像(virtual image)。入射光瞳適於為接收影像，或來接收自場景(圖中未示出)的光或照明。

波導裝置的主要稜鏡104包括玻璃的稜柱形一維波導裝置，其先將來自入射光瞳的光反射進入玻璃。所述光藉由全內反射而被捕集，直到其與半反射表面相交為止。

繞射光柵106和108包括塗覆在外表面的方波形光柵，但以具有充分折射率的介電材料塗覆所述表面，以於光柵內產生光場(optical field)，即使對於超出全內反射限制的入射射線角度也一樣。因此光場藉由前述光柵結構而在空間中被調變，因而在波導裝置內造成繞射。光柵材料可為二氧化鈦(titanium dioxide)或任何適當的材料。

拼接件110和112係接合於主要稜鏡的玻璃件。所述拼接件可被接合在適當位置。其被塗覆有與接合劑之光學性質發生反應的合適塗層，以部分地反射與其相交的光。其一般性比例可為10%被反射出波導裝置，且90%沿著波導裝置傳遞。可以理解的是，不同比例值可適用於不同用途。

第一半反射表面114係透過將拼接件接合於主要稜鏡而構成。第一半反射表面將約10%照明反射出波導裝置，並沿著波導裝置將90%照明朝第二半反射表面116傳遞。

所述第二半反射表面116與第一半反射表面114所傳遞的影像進行交互作用，使得第二光瞳被反射到眼框116。如此達成光瞳複製，並使眼框118具有更大照明。所述半反射表面可藉由在主棱鏡104和併接件110之間，以及併接件110和112之間應用半鏡面層來構成。在某些實例中，沒有特定的反射層，且部件之間之接面的形成使得能夠產生半反射層。此可藉由選擇材料，或憑藉將部件互相連接的方式，例如利用形成接點的黏膠連接。

眼框118係假設性平面，其置於眼睛被定位於頭戴式顯示器(HMD)設計中之處，並用以分析所述波導裝置的光學特性。任何使用者所見到的照明，在使用時，應為照明出射於眼框所指示之波導裝置的位置。所述眼框本質上定義出在一般使用時照明離開波導裝置的出射點，並產生顯示予使用者的輸出影像。

上述所有的交互作用都發生在光通量(optical flux)的近場分佈中，使得遠場中的射線角度重疊。藉由使繞射光柵和反射表面在適當時候準確地平行或正交，可確保遠場對準。

參照圖2，其繪示波導裝置的額定(nominal)射線軌跡。所述「額定射線軌跡」一詞意指射線所通過但不具有非零階繞射的路徑，其僅透過折射、反射和零階繞射與波導裝置交互作用。在這種情況下，射線220透過入射光瞳102入射波導裝置100，並從標示為202的主棱鏡的表面反射出去。此反射改變射線角度以藉由全內反射將光線捕集在波導裝置中。

由於射線204僅會經歷零階繞射，因此會一直被捕集在波導裝置中，直到反射出半反射表面114和116且射線角度變回原始值為止。所述射線不再藉由全內反射捕集，而射線206朝眼框118出射波導裝置。

另一射線路徑208可生成為從額定射線軌跡「漫射」，即，其為雜散光路徑。在雜散光路徑的情況下，射線被導向波導裝置邊緣210，波導裝置210被漆上黑色以吸收不需要的光。波導裝置之未被構造成將光從入射光瞳導向眼框的任一表面可被處理成吸收光，藉此防止光從波導裝置離開。如上所示，一示範例係將上述表面漆成黑色，但可利用其他方式或性質防止雜散光從波導漏出。

光瞳複製和擴展係藉由如圖3中所示之額外的射線路徑所建立。如上述，射線透過入射光瞳102入射。當其與繞射光柵106交互作用，其被分成零階300、+1階302和-1階304。為了清楚起見，+/-的命名可視為任意。

所述+/-1階與繞射光柵106和108在例如是304處重新交互作用，使得某些光會被繞射回原來的零階中。

半反射表面114和116將此重建的零階(沿額定路徑或重構路徑)從波導裝置反射至眼框118。

管理雜散光路徑係實施如下。繞射光柵106和108的性質，配合波導裝置的反射表面，同時作用以使光瞳複製並有效地擴大。部分設計程序係為了確保所產生的較大的瞳孔在單位面積通量上具有最佳的通量均勻性。這樣會導致取捨。最佳的設計可能故意允許雜散光路徑以實現更好的均勻性。

作為設計取捨的一部分之管理雜散光路徑的方法繪示於圖4中。當繞射全量內納入考量時，射線路徑將分成數條射線，如圖4中所示。當射線在繞射光柵106和108處被繞射成多重階序400時，產生了無法被觀察者視為雜散光的射線路徑。這是因為光線沿著這些角度前進時將會產生鬼像。若這些射線與光柵106和108重新交互作用，它們會重新建立正確的原零階射線路徑，在這種情況下，射線可被反射至眼框118，而無需限制。但是，如果射線透過不同的射線路徑離開波導裝置，則必須被抑制。以下將說明一些用以消除雜散光的方法。

在雜散光所經過以到達波導裝置邊緣402的光線路徑中，這些邊緣被漆成黑色，因此可吸收光。在半反射表面處避開反射的射線路徑也會被黑色端404所吸收。為使眼框118之照明406的均勻性更佳，藉由加寬光柵線之間的間距來減小繞射光柵106和108的繞射較為有利。如此允許標示為406的光線路徑在從半反射表面114和116反射之後，即超出全內反射的限制。波導裝置的幾何形狀被設計成引導這些雜散光路徑(未示出)遠離眼框118。因為頭戴式顯示器是設計為使觀察者可將眼睛落於眼框之中，意思就是不會觀察到雜散光。整體而言，與光柵多次重新交互作用的結果是光瞳在垂直和水平方向上皆被複製。

波導裝置100可以在抬頭式顯示器(head-up display，簡稱HUD)、頭戴式顯示器或任何其他類型的光學裝置的環境中使用。該用途的特徵在於，將光從入瞳102引導到棱鏡104中。然後，光被繞射光柵106和108透過全內反射導向棱鏡的遠端，其中兩個半反射表面114和116係藉由兩個併接件110和112所構成。在半反射表面處，光從波導裝置被導向眼框118。

波導裝置100可以如下製成。製造具有欲應用所需之形狀和大小的稜鏡104。所述稜鏡係優選地由玻璃所製成。在使影像可經由入射光瞳進入稜鏡的位置，對該稜鏡加上所述入射光瞳102。對所述波導裝置加上繞射光柵106和108。舉例來說，將其加到稜鏡的不同兩側上。對棱鏡加上併接件110、112，從而產生半反射表面114、116。所述拼接件經定位以將一部分的光導向出射點118，並藉由接合劑及/或使照射在其上的光部分反射的層，連接至稜鏡且互相連接。波導裝置的其他表面可被處理成防止雜散光從波導裝置漏出。

本發明實現了許多優點。所述波導裝置可以大量製造。繞射光柵因為是一種對稱、無炫耀的方波光柵，因此僅限於可以藉由光刻複製的形式來構成。棱鏡可以藉由合適的固持和平面拋光方式製成。所得波導裝置小而精巧。所述波導裝置的長度經縮減以配合與標準相關的一維設計標準，例如QS2000。因此，所述波導裝置更易於包裝於頭戴式顯示器中，且適於未來的駕駛艙的應用。因為不需要用於炫耀(blazing)，因此繞射程序更易於控制，且光刻程序比複製方式更具有可重製性。因此，可降低成本並提升品質。

以上所述之波導裝置可用於任何適當的設備中，包括但不限於，頭戴式顯示器、頭穿戴式顯示器、抬頭式顯示器(HUD)、低頭式設備(head down devices，簡稱HDDs)等。本發明包括這種具有如其中所述的波導裝置的設備。此外，所述設備和波導裝置可分開，並構成包括所述設備和波導裝置之套件的部件。

雖然本發明中的說明係針對照明為光(即正常光譜)，但可以理解的是，所述波導裝置可與所述光譜之外的不同波長一起使用。

雖然本發明已配合一些實施例說明如上，但本發明並未意於侷限本文中所述的特定形式。相反地，本發明的範圍僅由以下所附之發明申請專利範圍所限定。此外，儘管某一特徵似乎是結合特定實施例進行說明，但是本領域技術人員應可知道所說明的實施例其各種特徵可依據本發明進行組合。在發明申請專利範圍中，「包括」一詞並未排除其他元件或步驟的存在。

進一步而言，權利請求項中的特徵順序並非暗示必須執行特徵的任何特定順序，特別是，方法權利請求項中各個步驟的順序，並非暗示這些步驟必須按照此順序執行。反之，所述步驟可按照任何適合的順序執行。此外，單數的引用並未排除複數。因此，對「一(a或an)」、「第一(first)」、「第二(second)」等的引用不排除其為複數。在發明申請專利範圍中，「包括」或「包含」等詞並未排除其他元件的存在。

100:波導裝置 102:入射光瞳 104:稜鏡 106:第一繞射光柵 108:第二繞射光柵 110,112:併接件 114:第一半反射表面 116:第二半反射表面 118:眼框 202:主棱鏡的表面 204,206:射線 208:射線路徑 210,402:波導裝置邊緣 300:零階 302:+1階 304:-1階 404:黑色端 406:照明

以下將參考附圖，透過以示例的方式，說明本發明的實施例，其中：

圖1係示例波導結構的示意圖；

圖2係射線軌跡(ray trace)的示意圖；

圖3係繪示不同折射階序與其通過波導結構之進程的俯視示意圖；及

圖4係繪示管理雜散光路徑之概念的示意圖。

在所有附圖中，相同的參考標號係使用來標示相似的特徵。

100:波導裝置

102:入射光瞳

104:稜鏡

106:第一繞射光柵

108:第二繞射光柵

110,112:併接件

114:第一半反射表面

116:第二半反射表面

118:眼框

Claims

一種用於顯示系統中的波導裝置(100)，該波導裝置包括：稜鏡(102)，其具有用於接收影像之入射光瞳；及複數個光柵(106、108)，其構造成透過該稜鏡將照明導向第一和第二半反射表面 (114、116)；其中該等半反射表面 (114、116)各自朝出射點(118)反射不同量之照明，以產生輸出影像。
如請求項1之波導裝置，其中該第一半反射表面(114)形成於該稜鏡(102)和第一拼接件(110)之間的接面。
如請求項2之波導裝置，其中該第二半反射表面(116)形成於該第一拼接件(110)和第二拼接件(112) 之間的接面。
如請求項2或3之波導裝置，其中該第一拼接件(110)和該第二拼接件(112)係由玻璃所製成。
如請求項2至4中任一項之波導裝置，其中該等拼接件(110，112)係構造成被接合在適當位置。
如請求項2至5中任一項之波導裝置，其中該接合劑使該等半反射表面(114、116)反射該照明。
如請求項6之波導裝置，其中該第一和第二拼接件(110、112)係構造成塗覆有與該接合劑發生反應的塗層，以引起該反射。
如請求項1至7中任一項之波導裝置，其中該等半反射表面(114、116)係構造成反射大約10%之該照明，並沿著該波導裝置傳遞約90%之該照明。
如請求項1至8中任一項之波導裝置，其中該稜鏡(102)係稜柱形一維(1D)稜鏡。
如請求項1至9中任一項之波導裝置，其中該稜鏡(102)係由玻璃所製成。
如請求項1至10中任一項之波導裝置，其中該波導裝置係構造成使該照明在該稜鏡(102)內進行全內反射。
如請求項1至11中任一項之波導裝置，其中該等繞射光柵(106、108)包括一結構，該結構係構造成在該波導裝置內引起繞射，使得光場在該稜鏡(102)中被調變。
如請求項1至12中任一項之波導裝置，其中該等繞射光柵(106、108)包括方波形光柵。
如請求項1至13中任一項之波導裝置，其中該等繞射光柵(106、108)係由二氧化鈦所製成。
如請求項1至14中任一項之波導裝置，其中該等繞射光柵(106、108)之繞射角係構造成沿著該等繞射光柵(106，108)的長度而減少，以使出射該波導裝置之該照明均勻。
如請求項1至15中任一項之波導裝置，其中該波導裝置係於該波導裝置之至少一非活性表面上被處理成吸收未被導向該出射點之照明。
如請求項16之波導裝置，其中該至少一非活性表面被漆成黑色。
如請求項16或17之波導裝置，其中該照明包含多重階序，且其中該等階序其中一者係由經處理非活性表面所吸收。
一種顯示系統，其包括如請求項1至18中任一項之波導裝置。
一種抬頭式顯示器，其包括如請求項1至19中任一項之波導裝置。
一種頭戴式顯示器，其包括如請求項1至19中任一項之波導裝置。
一種操作光學裝置中的波導裝置的方法，該方法包括：經由入射光瞳(102)，接收被導入稜鏡(104)的影像；經由繞射光柵(106、108)，將照明導向由兩個拼接件(110、112)所形成之兩個半反射表面(114、116)；及經由該等半反射表面，朝向眼框(118)將該照明部分地反射出該波導裝置。
如請求項22之方法，其進一步包括以全內反射方式在該稜鏡(102)內反射該照明。
如請求項22或23之方法，其進一步包括將該等繞射光柵(106、108)構造成經由在該波導裝置內之該繞射光柵的結構引起繞射，使得光場在該稜鏡(102)中被調變。
一種製造波導裝置100的方法，包括：形成稜鏡(104)；在使影像可經由入射光瞳(102)進入該稜鏡的位置，對該稜鏡形成該入射光瞳；對該稜鏡形成繞射光柵(106、108)，以能夠傳遞進入該稜鏡之照明；形成拼接件(110、112)，藉此形成半反射表面(114、116)；其中該等拼接件係定位成將該照明的一部分導向出射點118。