TWI797370B - 用於擴增實境或虛擬實境顯示之裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種供在一擴增實境顯示中使用之光學結構。該結構包含一波導(52)及一輸入繞射光學結構(54)，該輸入繞射光學結構(54)經組態以接收來自一投影機之光且將該所接收光耦合至該波導(52)中。一輸出繞射光學結構(60)經組態以在一輸入方向上接收來自該輸入繞射光學元件(54)之光，其中該輸出繞射光學結構包括具有不同各別繞射效率之至少一第一繞射光學元件(30)及一第二繞射光學元件(32)，其中該第一繞射光學元件具有一相對高繞射效率且該第二繞射光學元件具有一相對低繞射效率且該等第一及第二繞射光學元件在該波導中或該波導上係重疊於彼此之上。該輸出繞射光學結構(60)包括一第一部分(62)及一第二部分(64)。在該第一部分(62)中，該第一繞射光學元件經組態以將光自該輸入方向朝向該第二部分(64)耦合且該第二繞射光學元件經組態以將光自該輸入方向遠離該第二部分耦合。在該第二部分(64)中，該第一繞射光學元件經組態以將光自該輸入方向朝向該第一部分(62)耦合且該第二繞射光學元件經組態以將光自該輸入方向遠離該第一部分(62)耦合。

Description

用於擴增實境或虛擬實境顯示之裝置
本發明係關於一種供在一擴增實境或虛擬實境顯示(諸如，一耳機或一抬頭顯示)中使用之裝置。特定而言，本發明係關於在一輸出繞射光學元件中提供一經改良光學效率之一波導，該輸出繞射光學元件可同時在兩個維度上擴展光且將其耦合出波導用於由一使用者觀察。
一擴增實境顯示允許一使用者觀察其周圍環境以及經投影影像。在軍事或運輸應用中，經投影影像可重疊於由使用者感知之真實世界上。此等顯示之其他應用包括視訊遊戲及可穿戴裝置，諸如眼鏡。相比之下，在一虛擬實境顯示中，一使用者可僅感知經投影影像且來自其真實世界周圍環境之光被遮蔽。
在一普通擴增實境設置中，在一使用者之前方提供一透明顯示螢幕，使得其可繼續看見實體世界。顯示螢幕通常係一玻璃波導，且提供一投影機至一側。由一繞射光柵(一輸入光柵)將來自投影機之光耦合至波導中。經投影光在波導內全內反射。然後由另一繞射光柵(一輸出光柵)將光耦合出波導使得其可由一使用者觀察到。投影機可提供擴增一使用者之實體世界之視野之資訊及/或影像。
在WO 2016/020643中揭示一種用於在一擴增實境顯示中在兩個維度上擴展輸入光之光學裝置。提供用於將來自一投影機之輸入光耦合至一波導中之一輸入繞射光學元件。光學裝置亦包含具有在波導中重疊於彼此之上之兩個繞射光學元件之一輸出元件，使得兩個光學元件中之每一者可接收來自輸入繞射光學元件之光且將其朝向該對中之另一個繞射光學元件耦合，然後該另一個繞射光學元件可充當朝向一觀察者將光耦合出波導之一輸出繞射光學元件。在一項實施例中，重疊於彼此之上之兩個繞射光學元件係提供在一光子晶體中。此係藉由使一柱陣列配置於波導之表面內或表面上從而相對於周圍波導介質具有一經增加折射率來達成。將WO 2016/020643中之支柱闡述為當自一觀察者之視角在波導之平面中觀察時具有一圓剖面形狀。已發現此配置同時在兩個維度上擴展光且將光耦合出波導方面係非常有效的。有利地，此可改良波導上之空間之使用。然而，已發現此配置亦可產生在波導內提供擴展而不發生朝向一觀察者之任何輸出耦合之某些光路徑。此可產生某一無效率且將期望改良此組態以便增加光學效率(亦即，在一使用者之眼睛處接收之光學功率對自一投影機輸入至系統之光學功率)。本發明之一目標係提供一種可以經增加光學效率在一擴增實境顯示中在兩個維度上擴展光之光學裝置。
根據本發明之一態樣，提供一種供在一擴增實境或虛擬實境顯示中使用之光學結構，其包括：一波導；一輸入繞射光學結構，其經組態以接收來自一投影機之光且將該所接收光耦合至該波導中；一輸出繞射光學結構，其經組態以在一輸入方向上接收來自該輸入繞射光學元件之光，其中該輸出繞射光學結構包括具有不同各別繞射效率之至少一第一繞射光學元件及一第二繞射光學元件，其中該第一繞射光學元件具有一相對高繞射效率且該第二繞射光學元件具有一相對低繞射效率且該等第一及第二繞射光學元件在波導中或波導上係重疊於彼此之上，其中該第一繞射光學元件經組態以沿著該輸入方向接收光且將其朝向該第二繞射光學元件耦合，然後該第二繞射光學元件可充當一輸出繞射光學元件從而朝向一觀察者提供輸出耦合級，且其中該第二繞射光學元件經組態以沿著該輸入方向接收光且將其朝向該第一繞射光學元件耦合，然後該該第一繞射光學元件可充當一輸出繞射光學元件從而朝向一觀察者提供輸出耦合級；其中該輸出繞射光學結構包括一第一部分及一第二部分，其中在該第一部分中，該第一繞射光學元件經組態以將光自該輸入方向朝向該第二部分耦合且其中該第二繞射光學元件經組態以將光自該輸入方向遠離該第二部分耦合，且在該第二部分中，該第一繞射光學元件經組態以將光自該輸入方向朝向該第一部分耦合且其中該第二繞射光學元件經組態以將光自該輸入方向遠離該第一部分耦合。
以此方式，該輸出繞射光學結構可具備兩個不同部分。實務中，在該輸出繞射光學結構中可存在兩個側：一左側及一右側，且此等側可具有等同或相反繞射性質。已發現此配置可有利地增加系統之光學效率，此乃因光可藉由一個部分相對強烈地朝向另一部分繞射，隨之該光再次相對強烈地繞射使得其朝向觀察者耦合出該波導。因此，繞射效率可經選擇以在光已在該輸出結構內最初轉向之後，促進朝向一觀察者之光之輸出耦合。此意味著光可優先地在該輸出結構內在兩個維度上擴展且耦合出該波導。此與其中某些光路徑在全內反射下可繼續捕獲在該波導內而不朝向一觀察者耦合出之已知配置形成對比。因此，本配置增加耦合成有用級且呈現至觀察者之眼睛之光之比例。此有利地改良該系統之整體光學效率，此在具有有限電池資源之一可穿戴裝置中係重要的，此乃因此意味著對於顯示之相同亮度可延長電池壽命。
較佳地，該第一部分中之該第一繞射光學元件具有一光柵向量，該光柵向量實質上平行於該第二部分中之該第二繞射光學元件之光柵向量。同樣地，該第一部分中之該第二繞射光學元件較佳地具有一光柵向量，該光柵向量實質上平行於該第二部分中之該第一繞射光學元件之光柵向量。此在該等第一及第二部分兩者中提供強及弱繞射光學元件。較佳地，該等第一及第二繞射光學元件之特徵係彼此圍繞與該輸入方向平行之一軸反射之鏡像。
該等第一及第二繞射光學元件較佳地定向成與輸入方向成+30°及-30°之各別角度。此意味著該等第一及第二繞射光學元件可提供分別在與該輸入方向成±120°之角度之方向上延伸之第一繞射級。已發現此配置允許光路徑在該輸出繞射光學結構內在兩個維度上同時擴展且朝向一觀察者耦合出該波導。
可在該等第一及第二繞射光學元件中使用具有不同各別尺寸之特徵來提供該第一繞射光學元件及該第二繞射光學元件之不同各別繞射效率。舉例而言，可在該等第一及第二繞射光學元件中提供不同各別特徵高度。在此情形中，該等第一及第二繞射光學元件可係表面起伏光柵。該等第一及第二繞射光學元件可提供在相對之波導表面上或其等可彼此疊加在同一波導表面上。
在另一實例中，可沿著由該等第一及第二繞射光學元件分別界定之各別軸提供不同特徵長度。以此方式，可使用具有平行於相關繞射光學元件之溝槽或線之側之特徵提供該等第一及第二繞射光學元件中之每一者。換言之，該等各別特徵之該等側經配置於正交於該相關繞射光學元件之光柵向量之一方向上。在一項實例中，該第二繞射光學元件可由具有與該等各別繞射光學元件對準之側之元件之一點線或一虛線來提供。相比之下，該第一繞射光學元件可具備平行於該等溝槽或線之一連續特徵。該第二繞射光學元件中之點線或虛線中之側之長度可經選擇以控制相對於該第一繞射光學元件之繞射效率之繞射效率。
在又一實例中，可提供不同特徵高度及特徵長度之一組合以產出該等第一及第二繞射光學元件之不同繞射效率。
輸出繞射光學結構較佳地包括配置成一陣列以提供該等第一及第二繞射光學元件之複數個光學結構。該複數個光學結構中之每一者較佳地具有一形狀，當在該波導之平面中觀察時，其具有平行於該等第一及第二繞射光學元件之各別側且其中平行於該第一繞射光學元件之該側或該等側具有至平行於該第二繞射光學元件之該側或該等側的一不同長度以便提供該等第一及第二繞射光學元件之間之繞射效率之差別。較佳地，該等光學結構提供在一光子晶體內。該等光學結構可具備一折射率，該折射率等於或不同於(且一般而言高於)周圍波導介質之折射率。
在一項實施例中，當在該波導之該平面中觀察時，該複數個光學結構中之每一者可具有一平行四邊形形狀。該平行四邊形之主側較佳地與該波導之該等第一及第二部分中之該第一繞射光學元件平行且該平行四邊形之次側較佳地與該波導之該等第一及第二部分中之該第二繞射光學元件平行。該等主側與該等次側之間之大小之差別可引起該等第一及第二繞射光學元件之間之繞射效率之差別。此大小差別可經選擇以達成繞射效率之所期望差別。
該第一部分中之該等光學結構較佳地具有一形狀，該形狀係該第二部分中之光學結構之該形狀圍繞與該輸入方向平行之一反射軸之一鏡像。在一項實施例中，該等光學結構可係平行四邊形，其等係類似的但其等在該輸出繞射光學元件之該等第一及第二部分中呈現於一不同定向上。
該輸入繞射光學元件較佳地沿著該輸出繞射光學結構之該等第一及第二部分之間之一線定位。因此，該輸入方向可界定使該等第一及第二部分彼此分離之一線。
該輸出繞射光學結構可直接或間接接收來自該輸入繞射光學元件之光。在某些配置中，可在該輸入繞射光學結構與該輸出繞射光學結構之間提供一中間繞射光學元件。可包含此一中間繞射光學結構以便在該輸出繞射光學結構處接收光之前提供某一中間光束擴展。
根據本發明之另一態樣，提供一種擴增實境或虛擬實境裝置，其包括：一投影機，其經組態以提供擴增實境或虛擬實境影像；及如先前界定之光學結構。該裝置可進一步包括經組態以供應電力至該投影機之一電池。該光學結構可達成經改良光學效率，此意味著可節省電池資源。
圖1展示一笛卡爾(Cartesian)參考系(x，y，z)內之一波導2之一示意性平面視圖。波導2包括x-y平面中之兩個主面、扁平、平行面且由一透明介質(諸如，玻璃)製成。一輸入繞射光柵4提供於波導2之一表面上，用於藉由繞射將來自一投影機(未展示)之光耦合至波導2中。投影機(未展示)經組態以在實質上垂直於頁面之平面(亦即，平行於z軸)之一方向上提供光。由輸入光柵4繞射且耦合至波導2中之光在平行於y軸(在y-z平面中)之一方向上藉由全內反射朝向一輸出元件行進。輸出元件10朝向一觀察者將光耦合出波導2以便提供擴增實境或虛擬實境影像。在實質上垂直於頁面之平面(亦即，平行於z軸)之一方向上朝向一觀察者將光耦合出輸出元件10。
輸入光柵4具有沿著y軸定向之一光柵向量，具有與光柵中之溝槽之分離成反比之一量值。類似地，可針對其他繞射光柵或繞射光學結構界定一光柵向量。
輸出元件10具有如WO 2016/020643中闡述之一結構。因此，輸出元件10包含在波導中或波導上重疊於彼此之上之兩個繞射光學元件使得兩個繞射光學元件中之每一者可接收來自輸入繞射光學元件之光並將其朝向該對中之另一繞射光學元件耦合，然後該另一繞射光學元件可充當朝向一觀察者將光耦合出波導之一輸出繞射光學元件。此可藉由在一光子晶體中提供重疊於彼此之上之兩個繞射光學元件來達成。以此方式，輸出元件10可同時在兩個維度上擴展光且朝向一觀察者將光耦合出波導。
在一個配置中，輸出元件10可藉由將兩個繞射光學結構疊加於彼此之頂部上來產生。如圖2中所展示，呈一第一角度之一第一繞射光柵20可疊加於呈一第二角度之一第二繞射光柵22之頂部上以提供一交叉光柵24。或者第一及第二繞射光柵20、22可提供於波導之相對表面上。在另一替代方案中，一光子晶體26可具備鑽石形結構之一規則陣列以達成一類似效應。在此實例中，第一及第二繞射光柵20、22及光子晶體26中之有效繞射光學元件具備針對一給定波長之相同繞射效率。一般而言，已認為此係重要的，使得由交叉光柵24或光子晶體26內之第一及第二繞射光柵20、22分別將等同量之光繞射成一第一級。第一及第二繞射光柵20、22可具備相同繞射效率，舉例而言，藉由具有相同特徵高度，其中其等經提供為表面起伏元件。在使用一光子晶體26之情形中，元件之規則陣列及元件本身係關於y軸對稱，y軸對應於其中在輸出元件10處自輸入光柵4接收光之輸入方向。
已發現其可有利於產生由具有一給定波長之不同繞射效率之重疊之第一及第二繞射光柵組成之一輸出元件。如圖3中示意地所展示，此可藉由將具有不等同繞射效率之一第一繞射光柵30及一第二繞射光柵32疊加以提供一交叉光柵34來達成。或者，可直接提供對交叉光柵之一數位近似36。此實例中之第一繞射光柵30在一給定波長下提供與第二繞射光柵32之繞射效率相比之一高繞射效率。與輸入光柵4相比，第一及第二繞射光柵30、32之繞射效率仍然被選擇為低。此係因為輸入光柵4經設計以將來自一投影機之光高效地耦合至波導2中。第一及第二繞射光柵30、32經設計以在波導內提供二維擴展且因此其等具備一較低繞射效率使得光可被擴展而不是立即耦合出波導。
在此等實例中，可藉由調整第一及第二繞射光柵30、32中之繞射特徵之特徵高度來提供繞射效率之差別，如熟習此項技術者將理解。或者，選擇性地控制平行於繞射特徵之溝槽或線之特徵之尺寸。在數位近似36中，第二繞射光柵由第一繞射光柵中之「凹口」表示。有效地，此提供由虛線表示之一第二繞射光柵。提供於第二繞射光柵中之特徵對第一繞射光柵中具有一連續長度之彼等特徵之經減小總體長度可引起繞射效率之一差別，即使使用相同特徵高度。當控制一規則陣列內之元件之形狀時，可在一光子晶體中使用一類似原理。
圖4A及圖4B係一光射線與一數位近似40之間之交互作用之示意性視圖，其係圖3中展示之數位近似36圍繞y軸反射之一鏡像。在圖4A中，在與y軸平行之一方向上提供一入射光束。入射光束一般而言係自一輸入光柵(未展示)接收且在一波導內全內反射。因此，光束之輸入方向與y軸平行。在與數位近似40交互作用後，大多數光將旋即耦合成四個級中之一者：在與y軸平行之一方向上繼續傳播之一零級；在數位近似40內由交叉繞射光柵分別繞射之兩個「轉向」級中之一者，及沿著z軸朝向一使用者之眼睛繞射出波導之一「直視」級。「直視」級由平行於x軸且係數位近似40內之第一及第二繞射光柵之結果之一有效繞射光柵產生。當然，亦產生較高繞射級，但耦合成此等其他級之光之量係顯著較少。
參考圖4A，已發現近似數位40中之第一繞射光柵與第二繞射光柵之間之繞射效率之差別意味著不均勻量光被耦合成第一及第二轉向級。在此實例中，第一繞射光柵(其具有一較高繞射效率)與y軸定向成-30°。具有較低繞射效率之第二繞射光柵與y軸定向成+30°。在一給定波長處，由第一繞射光柵繞射之光轉向至與y軸定向成+120°之一方向42上。由第二繞射光柵繞射之相同波長處之光在與y軸定向成-120°之一方向44上耦合。一較高比例之光耦合至與y軸成+120°之方向42上，且兩個路徑之間之亮度之差別與第一及第二繞射光柵之間之繞射效率之差別成比例。
在圖4A之實例中，一相對小比例之入射光沿著z軸在朝向觀察者之一方向(未展示)上直接繞射出波導。一特定量之光耦合成零級且在實質上平行於y軸之一方向46上於波導內繼續傳播。
圖4B展示在光已由第二繞射光柵最初繞射至相對於y軸定向成-120°之方向44上之後光如何與輸出元件40再次交互作用。在此情況中，光路徑由第一繞射光柵最強烈繞射使得其在沿著z軸之一方向(未展示)上朝向一觀察者耦合出波導。光亦由第二繞射光柵繞射使得其耦合至與y軸平行之一方向48上。然而，一相對小量之光繞射成此級，此乃因第一及第二繞射光柵之間之繞射效率之差別。如之前，一特定量之光沿著傳播之方向44在全內反射下於波導內繼續傳播，在此情況中，方向44與y軸定向成-120°。
圖5係本發明之一實施例中之一波導52之一示意性平面視圖。在此實例中，提供一輸入光柵54用於將光自一投影機(未展示)耦合至波導中。由輸入光柵54繞射之光被捕獲於波導內且在全內反射下在平行於y軸之一方向上傳播。在此情況中，輸出元件60係關於其中光由輸入光柵54朝向輸出元件60耦合之方向對稱地分裂成兩半。在波導52之平面中觀察到，輸出元件60之一第一部分62係提供於左手側上且輸出元件60之一第二部分64係提供於右手側上。
輸出元件60之第一及第二部分62、64中之繞射特徵係不同的。在第一部分62中，提供數位近似40，如圖4A及4B中所展示。在第二部分64中，提供數位近似36，如圖3中所展示。此等係對具有不同繞射效率之若干對交叉光柵之數位近似。
在操作中，當自輸入光柵54沿著輸入方向在輸出元件之第一部分62處接收光時，所接收光被繞射成數個級中之一者，如上文結合圖4A及圖4B所闡述。一顯著比例之所接收光耦合至方向42上，方向42與y軸成+120°之一角度。此經繞射光經導引朝向輸出元件60之第二部分64(亦即，朝向圖5之平面視圖中之右邊)。一較小比例之所接收光耦合至方向44上，方向44與y軸成-120°之一角度。光之此等級然後優先地朝向一觀察者耦合出波導52，如關於圖4A及圖4B之上文所闡述。
如上文所解釋，在第一部分62中繞射之光之一顯著比例在方向42上朝向第二部分64延伸。此等光路徑然後遭遇輸出元件之第二部分64中之繞射結構。在此情況中，第一繞射元件係定向成+30°，其正交於傳入射線之路徑。因此，具有較高繞射效率之第一繞射元件優先地經配置以將射線耦合出波導52且沿著z軸朝向一觀察者。
輸出元件60之第二部分64有效地係第一部分62圍繞y軸反射之一鏡像。因此，與第一部分62相比，相反繞射交互作用發生在第二部分64內。當沿著y軸自輸入光柵54在第二部分64處接收光時，所接收光優先地繞射至與y軸成-120°之一角度之一方向上。光之此等經繞射級朝向左邊(當在圖5之平面視圖中觀察時)，朝向第一部分62延伸。一較小比例之光在第二部分64中繞射至與y軸成+120°之一角度之一方向上，且此等路徑延伸至圖5之平面視圖中之右邊。此等級然後優先地繞射出波導52且沿著z軸朝向一觀察者。
自第二部分64朝向第一部分62與y軸成-120°繞射之光路徑入射於第一部分之繞射結構上。數位近似40包括與y軸定向成-30°之一第一繞射光學元件，其係在正交於傳入射線之一方向上。因此，在第二部分64處接收之射線優先地轉向至與y軸成-120°之路徑且然後優先地沿著z軸朝向一觀察者耦合出波導。此配置意味著更強烈地促進自波導52之輸出耦合，從而遵循二維擴展，此有利地改良系統之光學效率。此減少浪費之光且在一擴增實境系統內意味著對於輸出之相同亮度電池壽命可延長。
圖6係圖5中展示之波導之一示意性平面視圖，其展示可採用之光學路徑中之某些路徑。此圖式展示第一及第二部分62、64如何優先地朝向彼此繞射光。已經轉向之所接收光然後優先地朝向一使用者耦合出波導。繞射效率仔之細選擇可允許跨越輸出元件60之均勻照明同時最佳化光學效率。
圖7提供如何在輸出元件60之第二部分64中可結構化一光子晶體之一實例，如以上在圖5及圖6中所繪示。當在波導之平面中觀察時，光子晶體70包括塑形為平行四邊形之複數個元件72。在一項實施例中，可將元件72提供於波導之一個表面上。在此配置中，元件72可具有一特徵高度使得其等自波導之表面突出。已發現可產生具有在30 nm至200 nm之範圍中之特徵高度之一有效光子晶體。空氣通道可然後形成於元件72之間之波谷中。元件72可具有與波導介質相同之折射率，其中n~1.5。元件72由具有一折射率(n=1)之空氣環繞，且折射率之此不匹配可允許繞射。繞射效率可藉由將一薄膜塗層施加於元件72之水平表面上來控制。塗層材料通常(但不總是)將具有比波導高之一折射率。在一項實施例中，施加具有n~2.4之一折射率之一塗層。
在另一實施例中，元件72可嵌入於波導介質內。元件72可因此完全提供於波導介質內。此需要元件72與波導介質之間之一折射率不匹配，以便使繞射發生。此可藉由藉助一個表面上之元件72產生具有一表面起伏輪廓之一波導。然後可將一接合材料施加於元件72上且此可經接合至具有與波導相同之折射率之一覆蓋件。藉由選擇具有與波導介質不同(通常較高)之一折射率之一接合材料，可在原始波導與覆蓋件之間產生一統一波導，其中接合材料被夾在中間。在此設計中，接合材料具有與元件72相同之形狀，但與周圍波導介質不同之一折射率。
陣列中之元件72之規則配置可被認作為若干個有效繞射光柵或繞射光學結構。特定而言，將一光柵H2界定為與y軸成+30°之一角度之若干列光學結構10係可能的，其中毗鄰列藉由一距離p分離，稱為晶格常數。光柵H3配置有與y軸成-30°之一角度之若干列光學結構，其中毗鄰列藉由一距離p分離。光柵H1可界定於與x軸對準之一方向上，其中毗鄰列之光學結構藉由一有效距離q分離。光柵H1可被認作為光柵H2與光柵H3之組合之一產物。值p及值q係藉由表達式q=pCos(30°)彼此相關。已發現可產生具有在340 nm至650 nm之範圍中之p值之一有效光子晶體。
在光子晶體70中，元件72具有一平行四邊形形狀，其具有主平行側及次平行側。主側具有一長度Ma且次側具有一長度Mi。具有長度Ma之主側對準以產生光柵H3。具有長度Mi之次側對準以產生光柵H2。歸因於助力於光柵之特徵之不同大小，光柵H3之繞射效率高於光柵H2之繞射效率。
當沿著y軸接收之來自一輸入光柵之光入射於光子晶體70上時，其經受藉由各種繞射光學元件之多個同時繞射。光可繞射成一零級，其係入射光沿著y軸之傳播之一連續。光亦可由光柵H1繞射成一第一繞射級。第一級係沿著z軸在一正方向上朝向一觀察者耦合出波導14，其可界定為直視級。光亦可由H2繞射光學結構繞射成一第一繞射級。一相對小比例之入射光繞射成此級，此乃因光柵H2之相對低繞射效率。繞射級在與y軸成+120°之一方向上延伸，且此光束繼續以與光子晶體進行進一步交互作用。光亦可由H3繞射光學結構繞射成一第一繞射級。光優先地耦合成此級，此乃因光柵H3之相對高繞射效率。此第一級繞射成與y軸成-120°，且此光束繼續以與光子晶體進行進一步交互作用。
輸出元件60之第一部分62可包含類似於圖7中展示之彼等元件之平行四邊形元件72，但其等圍繞平行於y軸之一反射軸反射。以此方式，一光子晶體可提供於輸出元件之第一及第二部分62、64中以產生類似於使用重疊光柵產生之彼效應之一效應。
2:波導 4:輸入繞射光柵/輸入光柵 10:輸出元件/光學結構列 20:第一繞射光柵 22:第二繞射光柵 24:交叉光柵 26:光子晶體 30:第一繞射光柵/第一繞射光學元件 32:第二繞射光柵/第二繞射光學元件 34:交叉光柵 36:數位近似 40:數位近似/輸出元件 42:方向 44:方向 46:方向 48:方向 52:波導 54:輸入光柵/輸入繞射光學結構/輸入繞射光學元件 60:輸出元件/輸出繞射光學結構 62:第一部分 64:第二部分 70:光子晶體 72:元件/平行四邊形元件 +30°:角度 -30°:角度 H1:光柵 H2:光柵/繞射光學結構 H3:光柵/繞射光學結構 Mi:長度 Ma:長度 p:距離 q:有效距離 x:軸 y:軸 z:軸
現在藉助參考各圖式藉由實例之方式闡述本發明之實施例，其中： 圖1係一已知波導之一示意性平面視圖，其並非本發明之一實施例； 圖2係展示其中光柵可組合成一輸出元件之方式之一示意圖，其並非本發明之一實施例； 圖3係展示在本發明之一實施例中可依其將光柵組合成一輸出元件之方式之一示意圖； 圖4A及圖4B圖解說明在本發明之一實施例中承擔與一繞射光學結構交互作用之光路徑； 圖5係本發明之一實施例中之一2D光學結構之一平面視圖； 圖6圖解說明可在圖5中展示之光學結構中採用之光路徑；及 圖7係在本發明之一實施例中供在一光學結構中使用之一光子晶體之一平面視圖。
52:波導
54:輸入光柵/輸入繞射光學結構/輸入繞射光學元件
60:輸出元件/輸出繞射光學結構
62:第一部分
64:第二部分
x:軸
y:軸
z:軸

Claims (12)

  1. 一種供在一擴增實境或虛擬實境顯示中使用之光學結構，其包括： 一波導； 一輸入繞射光學結構，其經組態以接收來自一投影機之光且將該所接收光耦合至該波導中； 一輸出繞射光學結構，其經組態以在一輸入方向上接收來自該輸入繞射光學元件之光，其中該輸出繞射光學結構包括具有不同各別繞射效率之至少一第一繞射光學元件及一第二繞射光學元件，其中該第一繞射光學元件具有一相對高繞射效率且該第二繞射光學元件具有一相對低繞射效率，且該等第一及第二繞射光學元件在該波導中或該波導上重疊於彼此之上，其中該第一繞射光學元件經組態以沿著該輸入方向接收光且將其朝向該第二繞射光學元件耦合，然後該第二繞射光學元件可充當一輸出繞射光學元件，從而朝向一觀察者提供輸出耦合級，且其中該第二繞射光學元件經組態以沿著該輸入方向接收光且將其朝向該第一繞射光學元件耦合，然後該第一繞射光學元件可充當一輸出繞射光學元件，從而朝向一觀察者提供輸出耦合級； 其中該輸出繞射光學結構包括一第一部分及一第二部分，其中在該第一部分中，該第一繞射光學元件經組態以朝向該第二部分耦合來自該輸入方向之光且其中該第二繞射光學元件經組態以遠離該第二部分將來自該輸入方向之光耦合，且在該第二部分中該第一繞射光學元件經組態以將光自該輸入方向朝向該第一部分耦合且其中該第二繞射光學元件經組態以將光自該輸入方向遠離該第一部分耦合。
  2. 如請求項1之光學結構，其中該第一部分中之該第一繞射光學元件具有一光柵向量，該光柵向量實質上平行於該第二部分中之該第二繞射光學元件之該光柵向量。
  3. 如請求項1之光學結構，其中該等第一及第二繞射光學元件之溝槽或繞射線與該輸入方向定向成+30°及-30°之各別角度。
  4. 如請求項1至3中任一項之光學結構，其中在該等第一及第二繞射光學元件中使用具有不同各別尺寸之特徵來提供該第一繞射光學元件及該第二繞射光學元件之不同各別繞射效率。
  5. 如請求項4之光學結構，其中在該等第一及第二繞射光學元件中提供不同各別特徵高度。
  6. 如請求項4之光學結構，其中沿著由該等第一及第二繞射光學元件分別界定之各別軸提供不同各別特徵長度。
  7. 如請求項1至3中任一項之光學結構，其中該輸出繞射光學結構包括經配置成一陣列以提供該等第一及第二繞射光學元件之複數個光學結構，其中該複數個光學結構中之每一者具有一形狀，當在該波導之平面中觀察時，其具有平行於該等第一及第二繞射光學元件之各別側，且其中平行於該第一繞射光學元件之該側或該等側具有至平行於該第二繞射光學元件之該側或該等側之一不同長度以便提供該等第一及第二繞射光學元件之間之繞射效率之差別。
  8. 如請求項7之光學結構，其中當在該波導之該平面中觀察時，該複數個光學結構中之每一者具有一平行四邊形形狀，其中該平行四邊形之主側與該波導之該等第一及第二部分中之該第一繞射光學元件平行且該平行四邊形之次側與該波導之該等第一及第二部分中之該第二繞射光學元件平行。
  9. 如請求項7之光學結構，其中該第一部分中之該等光學結構具有一形狀，該形狀係該第二部分中之光學結構之該形狀圍繞與該輸入方向平行之一反射軸之一鏡像。
  10. 如請求項1至3中任一項之光學結構，其中該輸入繞射光學元件係定位於該輸出繞射光學結構之該等第一及第二部分之間。
  11. 一種擴增實境或虛擬實境裝置，其包括： 一投影機，其經組態以提供擴增實境或虛擬實境影像；及 如前述請求項中任一項之光學結構。
  12. 如請求項11之擴增實境或虛擬實境裝置，其進一步包括經組態以供應電力至該投影機之一電池。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102255150B1 (ko) * 2018-08-22 2021-05-24 주식회사 엘지화학 회절 도광판 및 이를 포함하는 디스플레이 장치
GB201903708D0 (en) * 2019-03-19 2019-05-01 Wave Optics Ltd Improved angular uniformity waveguide for augmented or virtual reality
JP2022525922A (ja) * 2019-03-20 2022-05-20 マジック リープ， インコーポレイテッド 光を収集するためのシステム
KR20230112674A (ko) * 2020-12-10 2023-07-27 스냅 인코포레이티드 광학 장치
WO2023005418A1 (zh) * 2021-07-30 2023-02-02 Oppo广东移动通信有限公司 光学结构和光学装置
EP4445189A1 (en) 2021-12-10 2024-10-16 Snap Inc. Optical assembly for augmented reality or virtual reality display
KR20240065311A (ko) * 2021-12-10 2024-05-14 스냅 인코포레이티드 증강 현실 또는 가상 현실 디스플레이를 위한 웨이브가이드
CN115128720B (zh) * 2022-08-30 2022-11-29 北京亮亮视野科技有限公司 二维超表面光栅、光波导、显示装置和头戴式设备

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160291328A1 (en) * 2012-04-25 2016-10-06 Rockwell Collins, Inc. Holographic wide angle display
WO2017162999A1 (en) * 2016-03-24 2017-09-28 Popovich Milan Momcilo Method and apparatus for providing a polarization selective holographic waveguide device

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016020630A2 (en) * 2014-08-08 2016-02-11 Milan Momcilo Popovich Waveguide laser illuminator incorporating a despeckler
GB2529003B (en) 2014-08-03 2020-08-26 Wave Optics Ltd Optical device
DE102015122055B4 (de) * 2015-12-17 2018-08-30 Carl Zeiss Ag Optisches System sowie Verfahren zum Übertragen eines Quellbildes
WO2017120341A1 (en) * 2016-01-06 2017-07-13 Vuzix Corporation Double-sided imaging light guide
US10185151B2 (en) * 2016-12-20 2019-01-22 Facebook Technologies, Llc Waveguide display with a small form factor, a large field of view, and a large eyebox
IL268135B2 (en) * 2017-01-23 2024-03-01 Magic Leap Inc Eyepiece for virtual, augmented or mixed reality systems
GB201705160D0 (en) * 2017-03-30 2017-05-17 Wave Optics Ltd Waveguide for an augmented reality or virtual reality display
CN108873350A (zh) * 2018-07-24 2018-11-23 上海鲲游光电科技有限公司 一种波导显示装置
US10838132B1 (en) * 2018-08-21 2020-11-17 Facebook Technologies, Llc Diffractive gratings for eye-tracking illumination through a light-guide
US11454809B2 (en) * 2018-10-16 2022-09-27 Meta Platforms Technologies LLC Display waveguide assembly with color cross-coupling

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160291328A1 (en) * 2012-04-25 2016-10-06 Rockwell Collins, Inc. Holographic wide angle display
WO2017162999A1 (en) * 2016-03-24 2017-09-28 Popovich Milan Momcilo Method and apparatus for providing a polarization selective holographic waveguide device

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