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用于增强现实或虚拟现实显示器的设备的制作方法

文档序号:24941709发布日期:2021-05-04 11:34
用于增强现实或虚拟现实显示器的设备的制作方法

本发明涉及用于增强现实或虚拟现实显示器例如头戴式耳机或平视显示器的设备。特别地,本发明涉及波导,在该波导中,中间衍射光学结构位于输入光栅与输出衍射光学结构之间。这可以改善来自输出衍射光学结构的光输出的空间均匀性,而不会对角视场产生负面影响。

增强现实显示器允许用户看到他们的周围环境以及投影图像。在军事或运输应用中,投影图像可以叠加(overlay)在用户感知的真实世界上。这些显示器的其他应用包括视频游戏和可穿戴设备,例如眼镜。相比之下,在虚拟现实显示器中,用户只能感知投影图像,并且来自他们真实世界环境的光被遮挡。

在普通的增强现实设置中,在用户面前提供透明显示屏,使得他们可以继续看到物理世界。显示屏通常是玻璃波导,并且投影仪被设置在一侧。来自投影仪的光通过衍射光栅(输入光栅)耦合到波导中。经投射的光在波导内全内反射。光然后通过另一衍射光栅(输出光栅)被耦合到波导以外,使得它可以被用户看到。投影仪可以提供增强用户对物理世界的观看的信息和/或图像。

wo2016/020643中公开了一种用于在增强现实显示器中在两个维度上扩展输入光的光学设备。提供输入衍射光学元件,用于将来自投影仪的输入光耦合到波导中。该光学设备还包括输出元件,该输出元件具有在波导中彼此叠加的两个衍射光学元件,使得两个衍射光学元件中的每一个可以接收来自输入衍射光学元件的光并朝向该对中的另一衍射光学元件耦合该光,该另一衍射光学元件则可以用作将光朝向观看者耦合到波导以外的输出衍射光学元件。在一个实施方式中,彼此叠加的两个衍射光学元件被设置在光子晶体中。这是通过在波导的表面内或表面上布置柱阵列来实现的,该波导相对于周围的波导介质具有增加的折射率。wo2016/020643中的柱被描述为当从观看者的角度在波导的平面中观看时具有圆形截面形状。已经发现这种布置在同时在两个维度上扩展光并将光耦合到波导以外方面非常有效。有利地,这可以改善波导上空间的使用,这可以降低制造成本。

在us6,580,529中描述了另一光学设备。在该设备中,提供第一线性全息光学元件,用于将入射光耦合到衬底波导中。第二线性全息光学元件以与来自第一线性全息元件的光所成的一定角度被设置。第二线性全息光学元件朝向第三线性全息光学元件提供光的单衍射。以这种方式,第二线性全息光学元件可以在衬底波导内提供光的一维扩展。

本发明的目的是在保持广角视场的情况下,改善来自增强现实显示器或虚拟现实显示器中的输出元件的空间均匀性。

根据本发明的方面,提供了一种用于增强现实或虚拟现实显示器的设备,包括:波导;输入衍射光学结构,其被配置成接收来自投影仪的光并将所接收的光耦合到波导中;输出衍射光学结构;以及中间衍射光学结构,其被配置成接收来自输入衍射光学结构的光,提供所接收的光的一维扩展并朝向输出衍射光学结构耦合经扩展的光,其中,输出衍射光学结构被配置成接收来自中间衍射光学结构的光并朝向观看者耦合该光;其中,中间衍射光学结构包括衍射构件,该衍射构件以与从输入衍射光学结构接收的光所成的第一角度定向,以在中间衍射光学结构内提供第一衍射和第二衍射,以便朝向输出衍射光学结构耦合光,其中,第一衍射以第二角度朝向衍射构件耦合来自输入衍射光学结构的光,使得在中间衍射光学结构中的多个间隔位置处提供第二衍射,从而提供光的一维扩展,其中,第二衍射朝向输出衍射光学结构耦合光。优选地,输入衍射光学元件是衍射光栅。

以这种方式,光在中间衍射光学结构内被衍射两次。由第一衍射引入的光学效应通过第二衍射被反作用。换句话说,中间衍射光学结构内的双重衍射可以是自共轭的。

该方法可以允许来自输入衍射光学结构的光的一维扩展,而不会引入任何不希望的光学效应,例如色度和角色散。然后,该扩展光束可以使用输出光学结构朝向观看者耦合,以便在二维区域上提供增强现实或虚拟现实图像。

优选地,第一角度和第二角度基本上相等。以这种方式,光可以在与其被耦合的方向相同的方向上耦合到中间衍射结构以外,因为第一衍射和第二衍射可以彼此抵消。通过提供相等的第一角度和第二角度,第一衍射和第二衍射可以精确地自共轭,使得由第一衍射产生的色度和角色散可以通过第二衍射抵消。

中间衍射光学结构可以包括第一线性光栅和第二线性光栅,其中,第一光栅包括衍射构件,该衍射构件以与从输入衍射光学结构接收的光所成的第一角度定向,以在第一光栅内提供第一衍射和第二衍射。第二线性光栅可以包括衍射构件,该衍射构件以与从输入衍射光学结构接收的光所成的第三角度定向,以在第二光栅内提供第三衍射和第四衍射。第三衍射优选地以第四角度朝向第二光栅的衍射构件耦合光,使得在第二光栅中的多个间隔位置处提供第四衍射,从而提供光的一维扩展,其中,第四衍射朝向输出衍射光学结构耦合光。

优选地,第三角度和第四角度基本上相等。以这种方式,第一光栅和第二光栅可以在不同方向上提供来自输入衍射光学结构的光的相应的一维扩展。

优选地,第一角度和第三角度基本上相等且相反。例如,第一角度可以是+45°,以及第三角度可以是-45°。以这种方式,中间衍射光学结构内的第一光栅和第二光栅可以分别将来自输入衍射光学结构的光转动±90°。因此,第一光栅和第二光栅可以在相等且相反的方向上提供光的一维扩展。然后,第一光栅和第二光栅可以在内部衍射光,将其再一次转动90°,使得它朝向输出衍射光学元件耦合。这在光入射到输出衍射光学元件上之前可以提供有效的一维扩展,而不会引入不希翼的光学效应。可能希翼提供接近±45°的第一角度和第三角度,因为这可以在与光从输入衍射光学结构朝向中间衍射光学结构耦合的方向基本上正交的方向上提供一维扩展。这可以提供对波导上的空间的有效利用以实现紧凑的设计,这对于增强现实应用尤其重要。

在另一示例中,第一角度可以是+(45+δ)°,以及第三角度可以是-(45+δ)°,其中,δ是非零的。已经发现,这可以取决于光是通过中间衍射光学元件内的第一光栅还是第二光栅被衍射而最佳地衍射从输出衍射光学元件耦合到用户的光中的角视场的不同部分。

这可以用于增加在由输出衍射光学元件朝向观看者耦合的光中提供的角视场。通常,第一角视场将被提供用于从输出衍射光学元件的第一侧发出的光,并且第二角视场将被提供用于从第二侧发出的光。第一角视场和第二角视场优选地部分地重叠(overlap),但是每个角视场包括另一个不具有的角度。这可以将用户在水平轴上对角视场的感知增加到约35°。

在一个实施方式中,第一光栅和第二光栅可以在波导中彼此叠加为一对交叉光栅。交叉光栅的使用可以有利地改善设备的紧凑性。在另一实施方式中,第一光栅和第二光栅可以在波导上物理地间隔开。

输出衍射光学结构优选地包括在波导中或波导上彼此叠加的两个衍射光学元件,其中,两个衍射光学元件中的每一个被配置成接收来自中间衍射光学元件的光并朝向另一衍射光学元件耦合该光,该另一衍射光学元件则可以用作朝向观看者提供向外耦合的级的输出衍射光学元件。

在一种布置中,两个衍射光学元件可以以光子晶体提供。以这种方式,光子晶体可以同时在两个维度上扩展光并朝向观看者将其耦合到波导以外。有利地,中间衍射光学元件可以向已经在一个维度上扩展的输出衍射光学结构提供光束。这可以改善来自输出衍射光学元件的光的空间均匀性,并且可以有助于减少否则可能在没有中间衍射光学元件的情况下形成的“暗角”的影响。

根据本发明的另一方面,提供了一种增强现实或虚拟现实头戴式耳机,包括:投影仪,其被配置成提供增强现实或虚拟现实图像;安置件,其用于将头戴式耳机定位在用户的头部;以及如先前定义的设备。

现在参照附图通过示例描述本发明的实施方式,在附图中:

图1是本发明的实施方式中的波导的平面图;

图2是本发明的另一实施方式中的波导的平面图;

图3是图1所示的波导的一部分的示意平面图;

图4是本发明的另一实施方式中的波导的一部分的示意图;

图5是本发明的另一实施方式中的波导的一部分的示意图;

图6a示出了基于图6b中所示的光线路径在20mm×10mm区域内朝向用户的眼睛向外耦合的光线的空间位置;

图6b是使用输入光栅和输出元件获取的光线路径的示意图。

图7a示出了基于图7b中所示的光线路径在20mm×10mm区域内朝向用户的眼睛向外耦合的光线的空间位置;

图7b是图1中所示的波导中获取的光线路径的示意图;

图8a示出了基于图8b中所示的光线路径在20mm×10mm区域内朝向用户的眼睛向外耦合的光线的空间位置;以及

图8b是图5中所示的波导中获取的光线路径的示意图。

图1示出了笛卡尔坐标系(x,y,z)内的波导2的平面图。波导2在x-y平面中包括两个主要的平坦平行面,并且由透明介质例如玻璃制成。输入衍射光栅4被设置在波导2的表面上,用于将来自投影仪(未示出)的光耦合到波导2中。投影仪(未示出)被配置成在垂直于页面的平面(即平行于z轴)的方向上提供光。由输入光栅4耦合到波导2中的光通过全内反射朝向第一中间光栅6和第二中间光栅8行进。第一中间光栅6和第二中间光栅8一起可以被认为是中间衍射光学元件6,8。光从中间衍射光学元件6,8朝向输出元件10耦合,输出元件10将光朝向观看者耦合到波导2以外,以便提供增强现实或虚拟现实图像。光在垂直于页面的平面(即平行于z轴)的方向上朝向观看者耦合到输出元件10以外。

输入光栅4将光耦合到波导2中,使得它在平行于y轴的方向上行进。第一中间光栅6包括如下凹槽,其以与y轴所成的+45°即光从输入光栅4被接收的方向定向。当光遇到第一中间光栅6时,它经历第一衍射成为第一级,并转动90°。如图1的平面图所示,衍射光在负x方向上传播,仍然通过全内反射在波导2内被捕获衍射光在沿第一中间光栅6的长度的多个点处再次与第一中间光栅6相互作用,并且在每个相互作用点处,光被衍射或未被衍射。在光被衍射的情况下,利用第一中间光栅6的第二衍射再一次使光转动90°,使得它在平行于y轴的方向上朝向输出元件10耦合。非衍射光继续在波导2内传播,以在另一点处与第一中间光栅6相互作用。以这种方式,第一中间光栅6提供光在x轴上的一维扩展。从第一中间光栅6朝向输出元件10传播的光在第一中间光栅6内被衍射两次,并且两次转动90°。第一中间光栅6内的两个衍射相互作用相等且相反,使得它们是自共轭的,并且由第一衍射引入的光学效应通过第二衍射被反作用。

来自输入光栅4的一部分光在第一次与第一中间光栅6相互作用时不被衍射;该部分光被透射并且在平行于y轴的方向上朝向第二中间光栅8通过全内反射在波导2内行进。第二中间光栅8包括如下凹槽,其以与y轴所成的-45°即光从输入光栅4被接收的方向定向。当光遇到第二中间光栅8时,光中的一些经历第一衍射成为第一级并且转动90°。衍射光在图1的参考系中在正x方向上传播,仍然通过全内反射在波导2内被捕获。然后,衍射光在沿第二中间光栅8的长度的多个点处遇到第二中间光栅8;光再次被衍射并且被转动90°,使得其以平行于y轴的方向朝向输出元件10传播。以这种方式,第二中间光栅8提供光在正x轴上的一维扩展,正x轴是与第一中间光栅6相反的方向。从第二中间光栅8朝向输出元件10传播的光在第二中间光栅8内被衍射两次,并且两次转动90°。

入射在第二中间光栅8上的光的一部分在第一次相互作用时不被衍射。光的该分量朝向输出元件10在全内反射下继续以平行于y轴的方向传播。因此,在输出元件10处接收的光的中心部分既不被第一中间光栅6衍射,也不被第二中间光栅8衍射。

该实施方式中的输出元件10是扩展衍射光学出射光瞳,如wo2016/020643中所描述。因此,输出元件10包括一对交叉线性光栅或光子晶体结构。在两种情况下,输出元件10包括在波导2中或在波导2上彼此叠加的两个衍射光学元件。输出元件10中的两个衍射光学元件中的每一个被配置成在基本上平行于y轴的方向上从第一中间光栅6或第二中间光栅8接收光。然后,输出元件10内的每个衍射光学元件可以朝向该对中的另一衍射光学元件耦合所接收的光,该另一衍射光学元件则可以用作沿z轴将光朝向观看者耦合到波导2以外的输出衍射光学元件。

输出元件10中彼此叠加的两个衍射光学元件设置有与y轴成±30°即光从第一中间光栅6和第二中间光栅8被接收的方向的衍射光学构件。因此,光通过与y轴成±60°的相应叠加衍射光学构件被衍射。因此,光在输出元件10内在v形锥内扩展,包含在距第一次与输出元件10的相互作用的点的±60°之间。通过使用第一中间光栅6和第二中间光栅8在一个维度上扩展光,可以提供多个这样的v形锥,其从输出元件10的顶部处的沿x轴的各个点发出。以这种方式,可以在输出元件10内提供改善的光的空间分布。这在不引入角度或色度色散的情况下被实现,因为在第一中间光栅6和第二中间光栅8的每一个内发生两次相等且相反的衍射相互作用;这意味着由第一中间光栅6中的第一衍射相互作用产生的任何不利光学效应被第一中间光栅6中的第二衍射相互作用抵消(并且对于第二中间光栅8同样)。

可以控制第一中间光栅6和第二中间光栅8的衍射效率,以便改善在相对于x轴的不同位置处朝向输出元件10耦合的光的亮度的均匀性。这可以在光栅6,8中的涂层厚度或构件高度与沿x轴的远离光从输入光栅4被接收的中心点的位置成比例时被实现。通过提高远离中心点的位置处的衍射效率,可以增加衍射光而不是非衍射光的相对比例。因此,尽管随着级朝向输出元件10转动,光束的绝对亮度可以在x方向上减小,但是在x方向上距中心点具有更大间隔的位置处可以衍射更高比例的光。这可以确保来自第一中间光栅6和第二中间光栅8的一维地扩展的光沿着x轴的均匀亮度。

图2示出了另一波导102的平面图。在这种布置中,在输入光栅104与输出元件110之间提供单个中间光栅106。输入光栅104被设置在波导102的表面上,用于将光从投影仪(未示出)耦合到波导102中。该实施方式中的中间光栅106包括在波导102中彼此叠加的一对线性光栅。这些交叉光栅分别设置有与y轴成±45°角即在中间光栅106处从输入光栅104接收光的方向的凹槽。在不同的实施方式中,交叉光栅可以设置在波导2的同一表面上或相对的表面上。

具有与y轴成+45°的凹槽的线性光栅衍射来自输入光栅104的光,使得它转动90°,使得它在图2的参考系中在负x方向上(即,向左)传播。然后,该光将再次被+45°的凹槽衍射,使得光再一次转动90°并且在平行于y轴的方向上朝向输出元件110耦合。

具有-45°的凹槽的线性光栅将衍射光,使得它转动90°,使得它在正x方向上传播。然后,该光将再次被-45°的凹槽衍射,使得光再一次转动90°并且在平行于y轴的方向上朝向输出元件110耦合。以这种方式,中间光栅106可以在正x方向和负x方向上为从输入光栅104中心地接收的光束提供光的一维扩展。

在图2的实施方式中使用交叉光栅作为中间光栅106提供了紧凑的优点,这对于增强现实显示器是特别希望的。然而,在一些布置中,空间分离的光栅(在y轴上)可能是优选的,例如图1的实施方式中的第一中间光栅6和第二中间光栅8。这是因为交叉光栅内的第二衍射会在正y轴上远离输出元件110衍射一些光。对于首先被+45°的凹槽衍射并随后被-45°的凹槽衍射(以及首先被-45°的凹槽衍射并随后被+45°的凹槽衍射)的光,会出现这种情况。这可能导致系统中的光损失,这在没有应用对策的情况下可能降低效率。

该实施方式中的输出元件110是线性光栅,其跨具有平行于x轴的凹槽的二维区域设置。图2中所示的实施方式的输出元件110可以一起设置有图1中所示的实施方式的第一中间光栅6和第二中间光栅8。同样,图1中所示的实施方式的输出元件10可以设置有图2中所示的实施方式的中间光栅106。

图3是图1中所示的波导2的一部分的示意图。已经发现,与直接传播到输出元件10而不被第一中间光栅6或第二中间光栅8衍射的光相比,由第一中间光栅6(和第二中间光栅8)生成的双重衍射可以在某些情况下致使轻微的角视场减小。视框12在角度空间中示出。视框12表示从图1中的输出元件10输出的光的角视场。对于未被衍射的光,在x轴上接近35°并且在y轴上接近20°(即从观看者的角度水平地和垂直地),实现了广角视场。已经发现,第一中间光栅6对来自输入光栅4的光的双重衍射可以致使更高的角度以逃避波导2内的全内反射。这可以致使已经通过第一中间光栅6或第二中间光栅8在一个维度上扩展的光的角视场的减小。来自图1中所示的第一中间光栅6和第二中间光栅8的一维扩展光的角视场可以是大约26°。在没有校正的情况下,这可能对用户产生一些不希望的观看状况,因为未被第一中间光栅6或第二中间光栅8衍射并且接着仅由输出元件10衍射的光可以具有广角视场,然而,由第一中间光栅6和第二中间光栅8衍射的光可以具有减小的视场,导致全角度图像的左区域和右区域的不均匀性。

图4是本发明的另一实施方式中的波导的一部分的示意图。在该示例中,第一中间光栅6的凹槽以与y轴成+(45+δ)°的角度即光从输入光栅4被接收的方向定向。在光朝向输出元件10耦合之前,光被第一中间光栅6衍射两次。在这种配置中,与未被衍射的光相比,双衍射光的角视场仍然减小。然而,角视场在视框12内移动。特别地,角视场朝向负x方向移动。这意味着通常占据输出元件10的左手侧的来自第一中间光栅6的光朝向左移动。

图5是本发明的另一实施方式中的波导的一部分的示意图。在该示例中,第一中间光栅6的凹槽以与y轴成+(45+δ)°的角度定向。第二中间光栅8的凹槽以与y轴成-(45+δ)°的角度定向。以这种方式,来自第一中间光栅6的双衍射光被提供有向左移动的大约26°的角视场,然而来自第二中间光栅8的双衍射光被提供有向右移动的大约26°的角视场。这些角视场在视框12中重叠,使得它们一起提供大约35°的整体视场,这与未被衍射的光的角视场相同。因此,即使从第一中间光栅6和第二中间光栅8提供较小的角视场,用户的眼睛也能感知到大约35°的广角视场。来自第一中间光栅6和第二中间光栅8的“缺失”角度可以由朝向输出元件10直接传播而不经历第一中间光栅6或第二中间光栅8的任何衍射的该部分光提供。

δ的值可以在一些实施方式中是约2°,而在其他实施方式中是约5°。可以设想,可以使用非零且小于10°的δ值。双衍射在第一中间光栅6和第二中间光栅8中都是自共轭的,这允许这些光栅设置有不同角度的凹槽。

图6b是使用如wo2016/020643中描述的输入光栅和输出元件获取的光线路径的示意图。图6a示出了输出元件10上的相互作用的位置,其产生到眼睛的向外耦合的光线。图6a中的区域被限制为20mm(水平)×10mm(垂直)以保持清晰度。可以看出,光线在两个维度上扩展,并且同时以v形区域内的六边形阵列耦合到波导以外,因为光在从第一次与输出元件相互作用的点开始与y轴成±60°的角度之间衍射。

图7b是图1中所示的波导中获取的光线路径的示意图。图7a示出了输出元件10上的相互作用的位置,其在与图6a相同的区域内产生到眼睛的向外耦合的光线。在这种情况下,提供多个v形扩展锥,每个v形扩展锥从第一次与输出元件10的相互作用的相应点发出。光束以六边形阵列耦合到每个v形锥以外。光束在x轴上的一个维度上扩展,并且这改善了来自视框的输出的空间均匀性,因为来自各个v形锥的六边形阵列部分地重叠。

图8b是在δ=5°的实施方式下图5中所示的波导中获取的光线路径的示意图。图8a示出了输出元件10上的相互作用的位置,其在与图6a和图7a相同的区域内产生到眼睛的向外耦合的光线。可以看出,光耦合到输出元件以外的点的数量是增加的。这有利地改善了用户在增强现实或虚拟现实设备中的体验。

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