TW202405516A - 相位補償式光瞳複製光導 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種光瞳複製光導，其包括一內耦合光柵結構、一外耦合光柵結構及一相位補償層。該外耦合光柵結構具有一空間上變化參數，諸如用於均勻輸出光之外耦合分佈的光柵占空比或光柵厚度。空間上變化之外耦合光柵參數干擾傳播影像光之相位。該相位補償層具有一空間上變化之光學厚度，其補償經干擾相位以平坦化外耦合光之一光學相位剖面，藉此改良該光瞳複製光導之一調變轉換函數。

Description

相位補償式光瞳複製光導
本發明是關於光及成像裝置，且特定言之是關於在視覺顯示器中可用之光瞳複製光導。
視覺顯示器向觀察者提供包括靜止影像、視訊、資料等之資訊。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，僅舉幾個範例。諸如電視機之一些視覺顯示器向若干使用者顯示影像，且諸如近眼顯示器或NED之一些視覺顯示系統意欲向個別使用者顯示影像。
人工實境系統可包括NED，例如耳機或一對眼鏡，其設置以向使用者呈現內容，及視情況，單獨控制台或控制器。NED可在虛擬實境(virtual reality；VR)、擴增實境(augmented reality；AR)或混合實境(mixed reality；MR)應用中顯示虛擬物件或將真實物件之影像與虛擬物件組合。舉例而言，在AR系統中，使用者可藉由觀察「組合器」組件來觀察虛擬物件之影像(例如，電腦產生之影像(computer-generated image；CGI))及周圍環境兩者。可穿戴顯示器之組合器典型地對外部光為透明的，但包括一些光路由特性，以將顯示光引導入使用者之視場中。
由於HMD或NED之顯示器通常穿戴於使用者之頭部上，因此具有較重電池之較大、大型、不平衡及/或較重顯示裝置對於使用者穿戴將為繁瑣的且不舒適的。頭戴式顯示裝置需要提供顯示面板或顯示系統中之其他物件或元件之均一、均勻照明的緊密且高效的照明器。緊密平面光學組件，諸如光導、光柵、菲涅爾(Fresnel)透鏡等，可用於縮減光學區塊之大小及重量。然而，緊密平面光學器件可易於光學失真及像差，其需要解決以得到顯示裝置之最佳性能。
本發明之一態樣為一種光瞳複製光導，其包含：透明材料板；內耦合光柵結構，其耦接至該板以用於將影像光內耦合至該光瞳複製光導之入射光瞳內的該板中，以用於藉由一系列內反射來在該板中傳播該影像光；外耦合光柵結構，其耦接至該板以用於藉由將來自該板之該影像光之複數個橫向偏移部分外耦合來複製該入射光瞳，各經外耦合影像光部分具有一對應經複製光瞳，所述經外耦合影像光部分之所述經複製光瞳形成該光瞳複製光導之出射光瞳；及相位補償層，其由該內耦合光柵結構、該外耦合光柵結構或該板中之至少一個支撐，該相位補償層具有橫向變化光學厚度以用於遍及其對應經複製光瞳來平坦化至少一個影像光部分之光學相位剖面。
本發明之另一態樣為一種顯示裝置，其包含：投影機，其用於提供攜載一角度域中之影像的影像光，該投影機具有一出射光瞳；及光瞳複製光導，其包含：透明材料板；內耦合光柵結構，其耦接至該板以用於將該影像光內耦合至該板中以用於藉由一系列內反射在該板中傳播；外耦合光柵結構，其耦接至該板以用於藉由將來自該板之該影像光之複數個橫向偏移部分外耦合來複製該投影機之該出射光瞳，各經外耦合影像光部分具有一對應經複製光瞳，所述經外耦合影像光部分之所述經複製光瞳形成該光瞳複製光導之出射光瞳；及相位補償層，其具有橫向變化光學厚度以用於遍及其對應經複製光瞳來平坦化至少一個影像光部分之光學相位剖面。
一種製造光瞳複製光導之方法，該方法包含：提供透明材料板；在該板上或該板中形成內耦合光柵結構，其用於將影像光內耦合至該光瞳複製光導之入射光瞳內的該板中，以用於藉由一系列內反射來在該板中傳播該影像光；在該板上或在該板中形成外耦合光柵結構，其藉由將來自該板之該影像光之複數個橫向偏移部分外耦合來複製該入射光瞳，各經外耦合影像光部分具有對應經複製光瞳，所述經外耦合影像光部分之所述經複製光瞳形成該光瞳複製光導之出射光瞳；及將一相位補償層形成於該內耦合光柵結構、該外耦合光柵結構或該板中之至少一者上，該相位補償層具有橫向變化光學厚度以用於遍及其對應經複製光瞳來平坦化至少一個影像光部分之光學相位剖面。
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類具體實例。相反，如所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，本發明教示涵蓋各種替代方案及等效物。本文中敍述本揭露之原理、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，希望此等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，所開發的執行相同功能之任何元件。
如本文中所使用，術語「第一」、「第二」等並不意欲暗示順序排序，而是除非明確陳述，否則意欲將一個元件與另一元件區分開。類似地，除非明確陳述，否則方法步驟之順序排序並不暗示其執行之順序次序。在圖1、圖4、圖7及圖8中，類似附圖標號表示類似元件。
近眼視覺顯示器之光瞳複製光導從投影機攜載影像光束至使用者之眼睛。影像光束經由來自光導之內部表面之多重反射及在光導之內及外耦合光柵結構上之多個繞射而在光瞳複製光導中傳播。各反射或繞射具有與彼反射或繞射相關聯之相移。
可使光導之光柵結構不均勻，以提供影像光之外耦合部分之光功率密度的所需分佈。因此，從不均勻光柵結構繞射及/或照射於光柵結構與無任何光柵之反射表面之間的邊界上之影像光束可具有具有累積失真之相位剖面。失真相位剖面可引起光瞳複製光導之調變轉換函數(modulation transfer function；MTF)之下降，尤其在高空間頻率下。MTF降解引起對比度之損失，以及由影像光束承載之影像的模糊。
根據本發明，可將一相位補償層添加至一光瞳複製光導之層結構。相位補償層具有預定橫向變化之光學厚度，其偏移由空間不均勻光柵結構及介面引起的相位失真，從而改良總體MTF及相關聯影像清晰度及對比度。換言之，相位補償層「平坦化」影像光之輸出相位，從而得到所顯示影像之更高總體品質。
根據本發明，提供一種光瞳複製光導，其包含：透明材料板，耦接至板之內耦合光柵結構，耦接至板之外耦合光柵結構及由內耦合光柵結構、外耦合光柵結構或板中之至少一個支撐之相位補償層。內耦合光柵將影像光內耦合至光瞳複製光導之入射光瞳內之板中，以用於藉由一系列內反射來在板中傳播影像光。外耦合光柵結構藉由將來自板之影像光的複數個橫向偏移部分外耦合來複製入射光瞳，各外耦合影像光部分具有對應經複製光瞳，外耦合影像光部分之經複製光瞳形成光瞳複製光導之出射光瞳。相位補償層具有一橫向變化光學厚度以用於遍及其對應經複製光瞳來平坦化至少一個影像光部分之光學相位剖面。光瞳複製光導可進一步包括由相位補償層支撐之一抗反射層。
相位補償層可設置以用於平坦化至少10%或至少30%的外耦合影像光之光學相位剖面及/或至少10%或至少30%的出射光瞳之總面積之光學相位剖面。對於波長在530 nm與570 nm之間的影像光，該至少一個影像光部分之光學相位剖面可經平坦至π/5內。相位補償層可具有橫向變化物理厚度。至少一個影像光部分之光學路徑可包括無光柵結構之板之表面的區域與支撐內耦合或外耦合光柵結構之板之表面的區域之間的邊界。外耦合光柵結構可包括由板之相對表面支撐的第一及第二光柵層。
在一些具體實例中，外耦合光柵結構及相位補償層可形成由板支撐的堆疊。外耦合光柵結構可包括光柵層，且相位補償層可由光柵層支撐。可藉由噴墨塗佈形成相位補償層。
根據本發明，提供一種顯示裝置，其包含投影機，投影機用於提供攜載角度域中之影像的影像光，投影機具有出射光瞳及上文所描述之光瞳複製光導。對於由投影機提供之影像光之綠色通道，至少一個影像光部分之光學相位剖面可經平坦至π/5內。相位補償層之光學厚度可大於由投影機提供之影像光的綠色通道的一個波長。
根據本發明，進一步提供一種製造光瞳複製光導之方法。方法包括：提供透明材料板；在板上或板中形成內耦合光柵結構，其用於將影像光內耦合至光瞳複製光導之入射光瞳內的板中，以用於藉由一系列內反射來在板中傳播影像光；在板上或在板中形成外耦合光柵結構，其藉由將來自板之影像光之複數個橫向偏移部分外耦合來複製入射光瞳，各經外耦合影像光部分具有對應經複製光瞳，經外耦合影像光部分之經複製光瞳形成光瞳複製光導之出射光瞳；及將相位補償層形成於內耦合光柵結構、外耦合光柵結構或板中之至少一者上，相位補償層具有橫向變化光學厚度以用於遍及其對應經複製光瞳來平坦化至少一個影像光部分之光學相位剖面。形成外耦合光柵結構可包括蝕刻板。形成相位補償層可包括在橫向變化之光學厚度下噴墨塗佈板或外耦合光柵結構中之至少一者。
現參考圖1，光瞳複製光導100包括諸如玻璃、塑膠、金屬氧化物、晶體等之基板或透明材料板102。內耦合光柵結構104耦接至板102且由板支撐。內耦合光柵結構104可包括例如表面起伏光柵、體積光柵、二元光柵、奈米結構等，且可形成於在沈積至板102上之層中的板102中，諸如此類。內耦合光柵結構104之目的為將影像光106內耦合至光瞳複製光導100之入射光瞳108的板102中，以用於藉由一系列內反射(例如全內反射)在板102中傳播影像光106，從而形成鋸齒形傳播路徑106A。在圖1中，傳播路徑106A由實心箭頭鋸齒形線示出。
外耦合光柵結構110耦接至板102且由板支撐。外耦合光柵結構110可包括例如表面起伏光柵、體積光柵、二元光柵、奈米結構。光柵/奈米結構可形成於板102上、板102中、沈積至板102上之層中等。外耦合光柵結構110之目的為藉由將來自板102之影像光106之複數個橫向偏移部分112外耦合來複製入射光瞳108。虛線箭頭112A表示影像光106之各別外耦合部分112之傳播路徑。各外耦合影像光部分112具有對應經複製光瞳114。如所展示，外耦合影像光部分112之經複製光瞳114可重疊以形成光瞳複製光導100之出射光瞳116。
外耦合光柵結構110可具有空間上不均勻光學性質，諸如厚度、折射率、占空比等。光學性質沿著影像光106之傳播路徑106A以預定方式在空間上變化，且更一般而言橫向變化，亦即在XY平面上變化。空間上不均勻光學性質可引起光學相位遍及經繞射影像光部分112之經複製光瞳114在空間上變化。空間上變化光學相位為非所要的，此是因為其惡化光瞳複製光導100之調變轉換函數(MTF)，從而使得由光瞳複製光導100傳送之影像模糊及/或降低影像之小特徵之對比度。
在一些具體實例中，經繞射影像光部分112為彼此不相干w.r.t.，使得遍及不同經複製光瞳114之光學相位分佈彼此不關聯。在此等具體實例中，由各經繞射影像光部分112攜載之影像在使用者之眼睛瞳孔處非相干地添加。在其他具體實例中，經繞射影像光部分112為相干的，且輸出影像由不同經複製光瞳114之波前的相干添加而形成。為了改良MTF以用於非相干及相干光瞳複製具體實例中之任一者或兩者，可提供相位補償層118。相位補償層118可由內耦合光柵結構104、外耦合光柵結構110及/或板102自身支撐。作為非限制性範例，相位補償層118可形成具有外耦合光柵結構110之光柵層的堆疊，該層堆疊由板102支撐。
相位補償層118可具有橫向變化厚度及/或折射率以用於遍及其對應經複製光瞳114平坦化各影像光部分112之光學相位剖面。在本文中，術語「橫向變化」意謂在XY平面上變化，亦即，取決於平行於板102及其支撐之層的平面中的X及/或Y座標。更一般而言，相位補償層118可具有橫向變化或空間變化之光學厚度。光學厚度經定義為局部(亦即在各XY點處)物理或幾何厚度乘以局部折射率。光學厚度可在XY平面上變化，亦即沿著傳播路徑106A(Y軸)及/或在垂直方向上亦即沿著圖1中之X軸變化。在一些具體實例中，相位補償層118可安置於與內耦合104及/或外耦合110光柵結構相同之表面上、相對表面上、板102內部或兩側上或多個位置處。
圖2中示出遍及至少一個經複製光瞳114之光學相位剖面之平坦化/修平/均勻輸出，其中藉由將光柵結構110外耦合至影像光106添加之光學相位延遲210(點線)之橫向分佈與由相位補償層118添加至影像光106之光學相位延遲218(虛線)之橫向分佈疊加。光學相位延遲210、218之兩個橫向分佈彼此鏡像，從而添加高達實質上用厚實線繪示之平坦總相位分佈200。換言之，包括藉由將光柵結構110及相位補償層118外耦合延遲之總相位延遲經平化，亦即實質上並不取決於X、Y座標。
光學相位延遲分佈之平坦化允許至少一個影像光部分112之光學相位剖面遍及其對應經複製光瞳116被平化或「平坦化」。在一些具體實例中，相位補償層118設置以平坦化至少10%或至少30%的經外耦合影像光部分之，或最佳效能，藉由外耦合光柵結構110外耦合全部影像光部分112。對於光瞳複製光導100之相干具體實例，此類平坦化將導致整個出射光瞳116之平坦光學相位剖面。本文中，當應用於光學相位剖面時，術語「平坦」或「平坦化」被視為意謂使影像光之綠色通道平坦至π/5內。對於明確性，綠色通道波長可定義為530 nm與570 nm之間的波長。在包括光瞳複製光導100之相干及非相干具體實例兩者的一些具體實例中，相位補償層118可設置以用於平坦化至少10%或至少30%的出射光瞳116之總面積之光學相位剖面。
圖2中所示出之光學相位分佈之平坦化可藉由使相位補償層118以恆定折射率橫向變化幾何厚度(即物理厚度)、以恆定幾何厚度橫向變化折射率或橫向變化幾何(物理)厚度及折射率兩者來達成。應注意，為方便使用合適方法(諸如噴墨列印)製造，相位補償層118之光學厚度可大於整數數目個波長，方法在下文進一步考慮。
圖3示出相位補償層118之光學厚度橫向分佈，其展示由外耦合光柵結構110添加之光學路徑長度310(點線)之橫向分佈，該橫向分佈與由相位補償層118添加之光學路徑長度318的橫向分佈疊加。光學路徑長度在本文中被定義為沿著幾何路徑長度之光學路徑之積分乘以局部折射率。
為外耦合光柵結構110光學路徑長度310及相位補償層118光學路徑長度橫向分佈318之總和的總體路徑長度由實線300示出。總體光學路徑長度展示橫向座標(亦即，在此情況下為Y座標)上之一些殘餘相依性。對於最佳MTF性能，總體路徑長度可變化不大於綠色通道之波長之十分之一或不大於光學相位單元中之π/5。應進一步注意，相位補償層之光學厚度或光學路徑長度不需要小於一個波長；例如，在圖3中，光學厚度大於影像之綠色通道之一個波長λ。
現參考圖4，光瞳複製光導400為圖1之光瞳複製光導100的具體實例。圖4之光瞳複製光導400包括藉由蝕刻板102及將光柵層411旋轉塗佈至經蝕刻板102上形成之外耦合光柵410。相位補償層418可沈積於光柵層411上且由光柵層支撐。可藉由噴墨塗佈形成相位補償層418，如下文參考圖5進一步解釋。抗反射層422(圖4)可沈積於相位補償層418上，且由相位補償層支撐。在此具體實例中，外耦合光柵410沿著Y軸為非均勻的，亦即，外耦合光柵410之光柵厚度及強度(亦即，繞射效率)在Y方向上增加。
在操作中，在板102內部傳播之影像光106照射至外耦光柵410上。影像光之一部分(為簡潔起見圖中未示)從板102向外繞射，而剩餘部分經由相位補償層418傳播且從抗反射層422內部地反射，從而經由相位補償層418及外耦合光柵410再次傳播。影像燈106之平坦波前407A可在如由不平坦波前407B指示之傳播後略微擾動。擾動可由影像光部分之光學路徑產生，該光學路徑包括在無光柵結構之板之表面的區域之間的邊界499(圖4中之邊界499的左側)及支撐光柵結構(邊界499之右側)的板之表面的區域，例如，內耦合或外耦合光柵。舉例而言，在圖4中，板102支撐外耦光柵410。相位補償層418之功能將減少或完全消除此類擾動而不管其起源，藉此遍及至少一個經複製光瞳改良光瞳複製光導400之MTF，且改良總體顯示影像品質。
轉而參考圖5A至圖5D，進一步參考圖4，圖4之光瞳複製光導400可藉由在板102中定向蝕刻或奈米壓印光柵結構509製造(圖5A)。定向性蝕刻可藉由非電漿類蝕刻方法(諸如濕式化學物質、原子層蝕刻、晶體琢面蝕刻等)或藉由基於電漿之蝕刻(諸如(但不限於)物理或化學蝕刻)執行。定向蝕刻導致在板102中形成傾斜通道508。通道508具有橫向變化深度，例如在圖5A中，通道深度從左向右增加。光柵層411可旋轉塗佈至板102的經蝕刻表面上，從而用光柵層材料填充傾斜通道508且形成外耦光柵410(圖5B)。旋轉塗佈材料可包括例如氮化矽、二氧化鈦、有機物、無機物、金屬有機物、奈米粒子等。
相位補償層418可噴墨塗佈至光柵層411上(圖5C)。為此，分配噴嘴512可沿著平行於板102之頂部表面之一或兩個垂直軸線(例如，呈矩形或光柵化圖案)在板102上平移，以利用相位補償材料514將光柵層411塗佈至可控制空間可變厚度，從而形成具有預定光學厚度分佈之相位補償層418。相位補償層418可包括此類材料，例如氮化矽、二氧化鈦、二氧化矽、一氧化矽、有機物、無機物、金屬有機物、奈米粒子等。經沈積材料可藉由紫外光固化。最後，抗反射層422可塗佈(例如使用物理或化學氣相沈積方法旋轉塗佈或沈積)至相補償層418上，(圖5D)。
圖6中進一步示出一種製造諸如圖1之光瞳複製光導100或在圖4之光瞳複製光導400之光瞳複製光導的方法之流程圖。提供例如玻璃、塑膠、透明氧化物、晶體等之透明材料板(602)以供處理。圖6之步驟602之板對應於圖1及圖4之板102。板102可為平面平行或彎曲的。
內耦合光柵結構形成(604)於板102上或板102中。內耦合光柵結構(例如圖1之內耦合光柵結構104)設置以用於將例如影像光106(圖1及圖4)之影像光內耦合至光瞳複製光導之入射光瞳108內的板102中，以用於藉由來自板102之相對表面之一系列內反射來在板中傳播，如圖1中最佳地所見。組態內耦合光柵結構可包括，例如選擇光柵材料、選擇條紋間距及傾斜角度、選擇光柵結構之長度、寬度及位置等。
外耦合光柵結構可形成(606)於板102上或板102中。上文參考圖5A至圖5D已描述之用於形成圖4之外耦合光柵結構411之範例製程作為此方法步驟之一個實施，亦即包括蝕刻及回填如圖5A至圖5D中所示之傾斜通道508。所製造外耦合光柵結構可設置以用於藉由外耦合來自板102(圖1)之影像光的複數個橫向偏移部分112來複製入射光瞳，各外耦合影像光部分具有對應經複製光瞳114，外耦合影像光部分112之經複製光瞳114形成光瞳複製光導之出射光瞳116。
相位補償層可形成(608)於內耦合光柵結構、外耦合光柵結構或板自身中之至少一者上。舉例而言，相位補償層418可藉由噴墨列印形成於光柵層411上(圖5C)。相位補償層418具有空間變化之光學厚度，亦即空間變化之物理厚度、空間變化之折射率或兩者，以用於遍及其經複製光瞳來平坦化至少一個影像光部分之光學相位剖面。在一些具體實例中，影像光部分之至少10%、至少30%或所有影像光部分可具有平坦化光學相位剖面，如上文所解釋。
參考圖7，顯示裝置750包括光學耦接至光瞳複製光導700之投影機760。投影機760包括小型顯示面板762及準直器764，例如光學耦接至顯示面板762之透鏡。顯示面板762及準直器764藉由主體766以固定分開關係支撐，以提供攜載遍及出射光瞳708之角域中之影像的影像光106。本文中，術語「角度域中之影像」意謂其中線性或空間域中之影像的不同元件(亦即，由顯示面板顯示之影像之像素)由影像光之對應光線之角度表示的影像，所述光線攜載對應於影像像素之亮度及/或色彩值的光功率位準及/或色彩組成。舉例而言，安置於顯示面板762之中心處的顯示面板762之第一像素771發射由準直器764準直成藉由實線展示之直線準直光束781的光。安置於顯示面板762之中心外的顯示面板762之第二像素772發射由準直器764準直成以虛線展示之偏斜的經準直光束782之光。可使用其他類型之投影機760，例如包括可傾斜反射器之掃描光束投影機。
光瞳複製光導700為圖1之光瞳複製光導100或圖4之光瞳複製光導400之具體實例。光瞳複製光導700包括諸如玻璃、塑膠、透明氧化物、晶體等之板702。內耦合光柵結構704由板702支撐以用於將影像光106內耦合至板702中，以用於藉由一系列內反射來在板702中之傳播，如藉由影像光106之傳播路徑106A(圖7中之點線)所指示。外耦合光柵結構包括頂部光柵710A及視情況由板702之相對表面支撐之底部光柵710B，以用於藉由外耦合來自板702之影像光106之複數個橫向偏移部分112來複製投影機760之出射光瞳708。各外耦合影像光部分112具有對應經複製光瞳。外耦合影像光部分112之經複製光瞳組合在一起以形成光瞳複製光導700之出射光瞳716。外耦合影像光部分112之經複製光瞳可彼此重疊。內耦合光柵704及頂部外耦合光柵710A及底部外耦合光柵710B之光柵參數經選擇以便保護影像光106之角度分佈，藉此遍及整個出射光瞳716傳送由影像光106攜載之角度域中之影像以供使用者之眼睛770觀測。繼續範例，用第一像素771及第二像素772及其等發射直線準直影像光束781及偏斜準直影像光束782，直線準直光束781分裂成複數個直線輸出準直子光束791，且偏斜準直光束782分裂成複數個偏斜輸出準直子光束792。
光瞳複製光導700進一步包括相位補償層718，其類似於圖1之光瞳複製光導100之相位補償層118、圖4之光瞳複製光導400之相位補償層418，且以類似方式操作。相位補償層718具有空間上變化之光學厚度以用於遍及其對應經複製光瞳來平坦化至少一個影像光部分或子光束之光學相位剖面。在一些具體實例中，對於由投影機760提供之影像光的綠色通道，至少10%、30%或整個100%之一個影像光部分或子光束的相位剖面經平化或平坦化(例如)至π/5內。應注意，在此範例中，各影像光部分之光學相位剖面可受到頂部外耦合光柵710A及底部外耦合光柵710B兩者影響。光瞳複製光導700之整個光學堆疊可對光譜之可見部分中的外部光752透明，從而使得顯示裝置750之使用者能夠看到與由投影機760產生之人工成像疊加的外部世界。
轉而參考圖8，擴增實境(augmented reality；AR)近眼顯示器850包括具有一對眼鏡之外觀尺寸之框架801。對於各眼睛，框架801支撐：投影機860、諸如圖1之光瞳複製波導100、圖4之光瞳複製波導400或圖7之光瞳複製波導700等光學耦接至投影機860之光瞳複製波導800、眼動追蹤攝影機805及複數個照明器877。照明器877可藉由光瞳複製波導800支撐以用於照明眼框816，其經定義為可藉由使用者之眼睛(圖中未示)觀測到可接受品質之影像的區域。
投影機860提供攜載在角度域中之影像的光束之扇形，該影像待由置放於眼框816中之使用者之眼睛查看。光瞳複製波導800接收光束之扇形且提供光束之扇形中之各光束之多個橫向偏移的平行複本，從而在整個眼框816上方延伸所投影影像。多發射器雷射源可用於投影機860中。多發射器雷射晶片之各發射器可設置以以同一色彩通道之發射波長發射影像光。同一多發射器雷射晶片之不同發射器的發射波長可佔據具有雷射源之光譜寬度的光譜帶。
在一些具體實例中，投影機860可包括以同一色彩通道或不同色彩通道之波長發射光的兩個或更多個多發射器雷射晶片。對於擴增實境(AR)應用，光瞳複製波導800可為透明或半透明的，以使得使用者能夠觀察外部世界以及投影至各眼睛中且與外部世界視圖疊加之影像。投影至各眼睛中之影像可包括以模擬視差安置之物件，以便看起來浸沒於真實世界視圖中。
眼睛追蹤攝影機805之目的為判定使用者之兩個眼睛之位置及/或定向。一旦已知使用者之眼睛的位置及定向，即可判定凝視會聚距離及方向。可動態調整由投影機860顯示之影像以考慮使用者之凝視，以用於使用者浸沒於所顯示擴增實境景物中之較好保真度，及/或提供與可在現實世界中未發現之擴增實境互動之特定功能。
在操作中，照明器877在對應眼框816處照明眼睛，以使得眼睛追蹤攝影機805能夠獲得眼睛之影像，以及提供參考反射，亦即閃光。閃光可充當捕獲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。為了避免利用照射光使得使用者分散注意力，後者可製成對使用者不可見。舉例而言，紅外光可用於照明眼框816。
由眼睛追蹤攝影機805獲得之影像可即時處理以判定使用者之兩個眼睛的眼睛凝視方向。在一些具體實例中，影像處理及眼睛位置/定向判定功能可藉由AR近眼顯示器850之中央控制器(圖中未示)執行。中央控制器亦可將控制信號提供至投影機805，以根據所判定眼睛位置、眼睛定向、凝視方向、眼睛輻輳等生成待顯示給使用者之影像。
轉而參考圖9，HMD 900為AR/VR穿戴顯示系統之範例，為了較大程度浸沒於AR/VR環境中，該AR/VR穿戴顯示系統圍封使用者之面部。HMD 900可產生完全虛擬3D影像。HMD 900可包括可緊固在使用者之頭部周圍的前主體902及條帶904。前主體902設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980可安置於前主體902中以向使用者呈現AR/VR影像。顯示系統980可包括本文所揭示之顯示器及光瞳複製光導中之任一者。前主體902之側906可為不透明或透明的。
在一些具體實例中，前主體902包括用於HMD 900之追蹤加速度之定位器908及慣性量測單元(measurement unit；IMU)910，及用於追蹤HMD 900之位置之位置感測器912。IMU 910為基於自位置感測器912中之一或多者接收到之量測信號而產生指示HMD 900之位置之資料的電子裝置，所述位置感測器回應於HMD 900之運動而產生一或多個量測信號。位置感測器912之範例包括：一或多個加速計、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 910之錯誤校正的一種類型的感測器，或其某一組合。位置感測器912可位於IMU 910外部、IMU 910內部，或在外部與在內部之某一組合。
定位器908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 900之位置及定向。由IMU 910及位置感測器912產生之資訊可與藉由追蹤定位器908獲得之位置及定向進行比較，以用於改良HMD 900之位置及定向之追蹤準確度。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是至關重要的。
HMD 900可進一步包括深度攝影機總成(depth camera assembly；DCA)911，其捕獲描述環繞HMD 900中之一些或所有之局部區域的深度資訊之資料。為了在3D空間中判定HMD 900之位置及定向之較佳準確度，深度資訊可與來自IMU 910之資訊進行比較。
HMD 900可進一步包括用於即時判定使用者眼睛之定向及位置的眼睛追蹤系統914。眼睛之所獲得位置及位向亦允許HMD 900判定使用者之凝視方向且相應地調整由顯示系統980產生之影像。所判定凝視方向及輻輳角度可用於調整顯示系統980以減少輻輳調節衝突。方向及輻輳亦可用於如本文中所揭示之顯示器的出射光瞳轉向。此外，所判定之輻輳及凝視角度可用於與使用者互動、突顯物件、將物件帶至前景、產生額外物件或指標等。亦可提供音訊系統，其包括例如建置至前主體902中之一組小型揚聲器。
本揭露之具體實例可包括人工實境系統，或與人工實境系統一起實施。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)、混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產生之內容或與所捕獲之(例如，真實世界)內容組合之所產生內容。人工實境內容可包括視訊、音訊、軀體或觸覺回饋或其某一組合。此內容中之任一者可在單一通道中或在多個通道中呈現，諸如在對檢視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產生內容及/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)之應用程式、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、具有眼鏡之外觀尺寸的近眼顯示器、行動裝置或計算系統，或能夠向一或多個觀察者提供人工實境內容之任何其他硬體平台。
本發明之範圍不受本文中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，將自前述描述及隨附圖式對於所屬技術領域中具有通常知識者可顯而易見。因此，此類其他具體實例及修改意欲屬於本發明之範疇內。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發明，但所屬領域中具有通常知識者將認識到，其有效性不限於此，且本發明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，下文所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:光瞳複製光導 102:板 104:內耦合光柵結構 106:影像光 106A:傳播路徑 108:入射光瞳 110:外耦合光柵結構 112:橫向偏移部分 112A:傳播路徑 114:對應經複製光瞳 116:出射光瞳 118:相位補償層 200:總相位分佈 210:光學相位延遲 218:光學相位延遲 300:實線 310:光學路徑長度 318:光學路徑長度 400:光瞳複製光導 407A:平坦波前 407B:不平坦波前 410:外耦合光柵 411:光柵層 418:相位補償層 422:抗反射層 499:邊界 508:通道 509:光柵結構 512:分配噴嘴 514:相位補償材料 600:步驟 602:步驟 604:步驟 606:步驟 608:步驟 700:光瞳複製光導 702:板 704:內耦合光柵 708:出射光瞳 710A:頂部光柵 710B:底部光柵 716:出射光瞳 718:相位補償層 750:顯示裝置 752:外部光 760:投影機 762:顯示面板 764:準直器 766:主體 770:眼睛 771:第一像素 772:第二像素 781:直線準直光束 782:偏斜準直光束 791:直線輸出準直子光束 792:偏斜輸出準直子光束 800:光瞳複製波導 801:框架 805:眼動追蹤攝影機 816:眼框 850:近眼顯示器 860:投影機 877:照明器 900:頭戴式顯示器 902:前主體 904:條帶 906:側 908:定位器 910:慣性量測單元 911:深度相機總成 912:位置感測器 914:眼睛追蹤系統 980:顯示系統 X:座標 Y:座標
將結合圖式描述例示性具體實例，在圖式中： [圖1]為本發明之經相位補償之光瞳複製光導的側橫截面圖； [圖2]為遍及圖1之光瞳複製光導之經複製光瞳的外耦合光柵結構及相位補償層之光學相位之交疊空間分佈的圖； [圖3]為遍及圖1的光瞳複製光導之經複製光瞳的外耦合光柵結構及相位補償層之光程長度之交疊空間分佈的圖，其示出光學相位平坦化/路徑長度均衡之準確度； [圖4]為圖1之光瞳複製光導之光柵層的放大側橫截面圖，其展示非光柵與光柵之間的過渡區； [圖5A]至[圖5D]為圖4之光瞳複製光導處於不同製造階段的側橫截面視圖。 [圖6]為製造圖1或圖4之光瞳複製光導之一種方法的流程圖。 [圖7]為根據具體實例之本發明之近眼顯示器的示意圖； [圖8]為具有一副眼鏡之外觀尺寸之本發明的擴增實境(AR)顯示器之視圖；且 [圖9]為本發明之頭戴式顯示器(head-mounted display；HMD)之三維視圖。
100:光瞳複製光導
102:板
104:內耦合光柵結構
106:影像光
106A:傳播路徑
108:入射光瞳
110:外耦合光柵結構
112:橫向偏移部分
112A:傳播路徑
114:對應經複製光瞳
116:出射光瞳
118:相位補償層
X:座標
Y:座標

Claims (20)

  1. 一種光瞳複製光導，其包含： 透明材料板； 內耦合光柵結構，其耦接至該板以用於將影像光內耦合至該光瞳複製光導之入射光瞳內的該板中，以用於藉由一系列內反射來在該板中傳播該影像光； 外耦合光柵結構，其耦接至該板以用於藉由將來自該板之該影像光之複數個橫向偏移部分外耦合來複製該入射光瞳，各經外耦合影像光部分具有一對應經複製光瞳，所述經外耦合影像光部分之所述經複製光瞳形成該光瞳複製光導之出射光瞳；及 相位補償層，其由該內耦合光柵結構、該外耦合光柵結構或該板中之至少一個支撐，該相位補償層具有橫向變化光學厚度以用於遍及其對應經複製光瞳來平坦化至少一個影像光部分之光學相位剖面。
  2. 如請求項1之光瞳複製光導，其中該相位補償層設置以用於平坦化至少10%的所述經外耦合影像光部分之光學相位剖面。
  3. 如請求項1之光瞳複製光導，其中該相位補償層設置以用於平坦化至少10%的該出射光瞳之一總面積之一光學相位剖面。
  4. 如請求項1之光瞳複製光導，其中對於一波長在530 nm與570 nm之間的該影像光，該至少一個影像光部分之該光學相位剖面經平坦至π/5內。
  5. 如請求項1之光瞳複製光導，其中該相位補償層具有一橫向變化物理厚度。
  6. 如請求項1之光瞳複製光導，其中該至少一個影像光部分之光學路徑包括無光柵結構之該板之表面的區域與支撐該內耦合或該外耦合光柵結構之該板之該表面的區域之間的邊界。
  7. 如請求項1之光瞳複製光導，其中該外耦合光柵結構包含由該板之相對表面支撐的第一光柵層及第二光柵層。
  8. 如請求項1之該光瞳複製光導，其中該外耦合光柵結構及該相位補償層形成由該板支撐之堆疊。
  9. 如請求項8之該光瞳複製光導，其中該外耦合光柵結構包含光柵層，其中該相位補償層由該光柵層支撐。
  10. 如請求項1之該光瞳複製光導，其中藉由噴墨塗佈形成該相位補償層。
  11. 如請求項10之光瞳複製光導，其進一步包含由該相位補償層支撐之抗反射層。
  12. 一種顯示裝置，其包含： 投影機，其用於提供攜載一角度域中之影像的影像光，該投影機具有一出射光瞳；及 光瞳複製光導，其包含： 透明材料板； 內耦合光柵結構，其耦接至該板以用於將該影像光內耦合至該板中以用於藉由一系列內反射在該板中傳播； 外耦合光柵結構，其耦接至該板以用於藉由將來自該板之該影像光之複數個橫向偏移部分外耦合來複製該投影機之該出射光瞳，各經外耦合影像光部分具有一對應經複製光瞳，所述經外耦合影像光部分之所述經複製光瞳形成該光瞳複製光導之出射光瞳；及 相位補償層，其具有橫向變化光學厚度以用於遍及其對應經複製光瞳來平坦化至少一個影像光部分之光學相位剖面。
  13. 如請求項12之顯示裝置，其中該相位補償層設置以用於平坦化至少30%的所述經外耦合影像光部分之光學相位剖面。
  14. 如請求項12之顯示裝置，其中對於由該投影機提供之該影像光之綠色通道，該至少一個影像光部分之該光學相位剖面經平坦至π/5內。
  15. 如請求項12之顯示裝置，其中該至少一個影像光部分之光學路徑包括無光柵結構之一板之表面的區域與支撐該內耦合或該外耦合光柵結構之該板之該表面的區域之間的邊界。
  16. 如請求項12之顯示裝置，其中至少在一個位置處，該相位補償層之該光學厚度大於由該投影機提供之該影像光之綠色通道的一個波長。
  17. 如請求項12之顯示裝置，其中該外耦合光柵結構及該相位補償層形成由該板支撐之層堆疊。
  18. 一種製造光瞳複製光導之方法，該方法包含： 提供透明材料板； 在該板上或該板中形成內耦合光柵結構，其用於將影像光內耦合至該光瞳複製光導之入射光瞳內的該板中，以用於藉由一系列內反射來在該板中傳播該影像光； 在該板上或在該板中形成外耦合光柵結構，其藉由將來自該板之該影像光之複數個橫向偏移部分外耦合來複製該入射光瞳，各經外耦合影像光部分具有對應經複製光瞳，所述經外耦合影像光部分之所述經複製光瞳形成該光瞳複製光導之出射光瞳；及 將一相位補償層形成於該內耦合光柵結構、該外耦合光柵結構或該板中之至少一者上，該相位補償層具有橫向變化光學厚度以用於遍及其對應經複製光瞳來平坦化至少一個影像光部分之光學相位剖面。
  19. 如請求項18之方法，其中形成該外耦合光柵結構包含蝕刻該板。
  20. 如請求項18之方法，其中形成該相位補償層包含以該橫向變化之光學厚度噴墨塗佈該板或該外耦合光柵結構中之至少一者。
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