用于大视场部件的鲁棒体系结构的制作方法

背景和相关技术

本申请涉及增强现实显示器，更特别地涉及用于增强现实显示器中的由衍射元件扩展光束的改进的设备和方法。

显示器模块用于便携式设备中，以便以图形的形式显示信息。小大小是便携式设备中的重要方面。然而，便携式设备的小尺寸也对包含在所述设备中的显示器的尺寸设置了限制。传统的小型显示器的典型缺点是有限的视场。通常，观察者看一眼仅可以检查大显示图像的一小部分，而保持足够的分辨率。

例如当设备包括近眼虚拟显示器时，大图像可以通过小设备来显示。成像光学器件可以将由微显示器生成的小真实图像转换成虚拟图像。观察者可以将设备置于他的眼睛附近，使得当由成像光学器件所提供的光照射在他的眼睛上时，他感知在无限距离处显示的大的详细的虚拟图像的印象。

当通过使用衍射束扩展器(也称为出瞳扩展器(epe))来扩展由成像光学器件所提供的光束时，微显示器和成像光学器件可以被制造得更小和/或更轻。

在一些情况下，在现有技术中发现的衍射束扩展器利用复杂的衍射光栅(诸如交叉光栅)和/或使用不同的光栅用于入耦和扩展。然而，很多现有解决方案容易受到制造误差或者不符合要求的亮度或颜色均一性的影响。

需要更加稳健的结构，用于小型、轻量级和具有成本效益的解决方案，在增强现实显示器中提供更大的视场。实现该目标的关键部件是出瞳扩展器，其提供改进的亮度和颜色均一性。

本文中所要求保护的技术方案不限于解决任何确定或者仅在诸如上述的环境中操作的实施例。相反，提供该背景仅仅为了说明其中可以实践本文所描述的一些实施例一个示例性技术领域。

技术实现要素：

本发明涉及用于增强现实显示器中的设备。设备可以包括光学材料的基底，基底具有第一表面和相对的第二表面。设备还可以包括第一衍射光学元件，其具有第一多个光栅线，第一多个光栅线被设置在第一表面上并且限定第一衍射光学元件的第一区域，第一多个光栅线在第一方向上被定向并且具有第一光栅周期。设备还可以具有第二多个光栅线，第二多个光栅线被设置在基底的第二表面上并且限定第一衍射光学元件的第二区域，第二区域邻近第一区域，第二多个光栅线在第二方向上被定向并且具有第二光栅周期。第一光栅线的部分可以与第二光栅线的部分重叠以限定第一衍射光学元件的第三区域，并且形成被配置为接收入射光光束的入耦区。设备还可以具有第二衍射光学元件，第二衍射光学元件被定位为邻近第一衍射光学元件，第二衍射光学元件具有第三多个光栅线，第三多个光栅线被设置在基底的第一表面和第二表面上，第三多个光栅线在第三方向上被定向并且具有第三光栅周期。第一衍射光学元件可以被配置为通过在第一区域和第二区域中的奇数阶衍射展开来扩展所接收到的光束的至少一部分，以及通过在第三区域中的偶数阶衍射展开来扩展所接收到的光束的至少一部分，以及将被扩展的光分量耦合到第二衍射光学元件。最后，第二衍射光学元件被配置为通过第二衍射光学元件中的衍射耦合被耦合、被扩展的衍射光分量中的至少一部分以离开基底。

提供本概要，以便以简化的形式介绍在以下具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本概要既不旨在确定所要求保护的技术方案的关键特征或基本特征，也不旨在用作确定所要求保护的技术方案的范围的辅助。

附加的特征和优点将在以下的描述中阐述，并且将部分地从描述中显而易见，或者可以通过实践本文中的教导来学习。本发明的特征和优点可以借助于在随附的权利要求中特别指出的仪器和组合来实现和获得。根据以下描述和随附的权利要求，本发明的特征将变得更加充分地明显，或者可以通过在下文中所阐述的本发明的实践来学习本发明的特征。

附图说明

为了描述可以获得上述和其它优点和特征的方式，将参照附图中所说明的具体实施例来提供对以上简要描述的技术方案的更具体的描述。理解了这些附图仅描绘典型的实施例并且因此不被认为限制范围，实施例将通过使用附图利用附加的特异性和细节来描述和解释，其中：

图1是虚拟显示器设备的一个实施例的示意性表示。

图2是图1的部分截面。

图3和图4是衍射束扩展器的一个实施例的示意性表示。

图5是图3和图4的衍射束扩展器的k矢量图。

图6是说明用于衍射束展开的方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

参照图1和图2，虚拟显示器设备10可以包括光学引擎20和衍射束扩展器30。光学引擎20可以包括微显示器22和成像光学器件24。成像光学器件24将由微显示器形成的真实图像转换成虚拟图像，该虚拟图像可通过衍射束扩展器30的观察孔56观察到。

光学引擎20可以包括微显示器22和成像光学器件24。微显示器22可以是液晶显示器、微机械可移动反射镜阵列、发光二极管阵列或任何其它合适的显示器设备。成像光学器件24可以包括一个或多个光学元件(诸如，透镜、反射镜、棱镜或衍射元件)。从微显示器22的点发射的光线由成像光学器件24大体上准直，以形成平行光线，该平行光线构成由光学引擎20提供的束b0。微显示器22和成像光学器件24之间的距离被设置为使得微显示器22的像素大体上在成像光学器件24的焦距处。提供了多个束b0，以便显示由多个像素组成的虚拟图像。

从光学引擎20的输出孔发射的至少一个束b0照射在衍射束扩展器30的输入孔中。输入束b0的光被耦合到衍射束扩展器30的波导基底中。如下面更详细讨论的，入耦光b1在基底内传播，并与基底内的两个或更多个位置处的光栅相互作用，以将束二维地扩展，并且出射光栅将扩展的输出束b2衍射到观察者的眼睛。

由衍射束扩展器30所提供的放大的束b2为观看者提供在距观看者无限距离处所显示的虚拟图像的印象。作为现象，尽管距离是无限的，但是人类观看者通常认为所显示的虚拟图像离他们只有几米远。

参照图2和图3，衍射束扩展器30可以包括在大体平坦的透明基底36上形成的第一衍射光学元件32和第二衍射光学元件34。基底36具有第一大体平坦的表面38和大体平行于所述第一平坦表面38的第二大体平坦的表面40。基底36是波导，这意味着入耦光可以在基底36内传播，使得所述传播的光可以通过全内反射(tir)被限制在基底36内。

光学引擎20提供输入束b0。照射在第一衍射光学元件32上的输入束b0可以被耦合到基底36，使得对应的入耦束b1在所述基底内通过tir向第二衍射光学元件34传播。

第一衍射光学元件32被设计为满足两个基本的要求。第一是仅将一阶衍射入耦到波导中。第二是满足在波导中实现tir所需的条件。在一个实施例中，第一衍射光学元件32可以具有第一衍射光栅42和第二衍射光栅44，在基底36的平坦表面38或40中的一个平坦表面上形成第一衍射光栅42，在与第一衍射光栅42相对的另一平坦表面38或40上形成第二衍射光栅44。第一衍射光栅42可以具有第一光栅方向和第一光栅周期，并且第二衍射光栅44可以具有第二光栅方向和第二光栅周期。

如图3中示意性图示的，第一衍射光栅42限定第一区域46，第一区域46对应于仅由第一衍射光栅42覆盖的基底36的区(并且其中不存在第一衍射光栅42和第二衍射光栅44之间的重叠)。类似地，第二衍射光栅44限定第二区域48，第二区域48对应于仅由第二衍射光栅44覆盖的基底36的区(并且其中不存在第一衍射光栅42和第二衍射光栅44之间的重叠)。第三区域50是由基底36的区限定的，其中第一衍射光栅42和第二衍射光栅44彼此重叠。在一个实施例中，第三区域50的尺寸和形状被选择为大体上对应于由光学引擎20在衍射束扩展器30的输入表面处产生的入射光束b0的尺寸和形状。这也限定了用于衍射束扩展器30的输入孔52。

第三区域50形成针对衍射束扩展器30的入耦区域。传入或入射束b0在第三区域50中进入衍射束扩展器30，并且第一衍射光学元件32仅将入射束b0的一阶衍射入耦到波导中。被第一衍射光栅42衍射并且未被第二衍射光栅44衍射(即，第二衍射光栅44的零反射阶)的入射光被引导到第一区域46，其中入射光在到达第二衍射光学元件34之前经历奇数阶展开(如图4中示意性说明的)。相反地，未被第一衍射光栅42衍射(即，第一衍射光栅42的零发射阶)但是被第二衍射光栅44衍射的入射光被引导到第二区域48，其中该入射光在到达第二衍射光学元件34之前经历奇数阶展开(如图4中示意性说明的)。最后，由第一衍射光栅42和第二衍射光栅44两者衍射的入耦光被向下引导到第一衍射光栅42和第二衍射光栅44之间的边界区域中，并且在到达第二衍射光学元件34之前经历偶数阶展开。借助于在第一衍射光学元件32中所包含的衍射光栅的相互作用，第一衍射光学元件32在水平方向上扩展入耦束b1。还应当理解，只要区域46、48和50内的总展开导致整体的奇数阶展开，那么由各种区域所执行的展开的类型也可以反转。换言之，第一区域46和第二区域48可以仅仅简单地被设计为执行偶数阶展开，而边界区域可以被设计为执行奇数阶展开，从而导致整体的奇数阶展开。

第二衍射光学元件34具有第三衍射光栅54，第三衍射光栅54具有第三光栅方向和第三光栅周期。然后，从第一衍射光学元件32被耦合到第二衍射光学元件34的光在竖直方向扩展，并且被出耦，以通过观察孔56离开基底36。本领域技术人员将理解，本文中所阐述的教导可以容易地被适配为提供仅具有一个出射光栅54(例如，单目的)或者具有两个出射光栅54(例如，立体的)的衍射束扩展器30。

应当理解，在图1-图4中所阐述的各种元件的表示仅仅是示意性表示，不一定反映本文中所阐述的原理的具体应用的实际形状或尺寸，并且示意性表示为说明本文中所阐述的原理。如上所述，每个光栅42、44和54的特定光栅方向和光栅周期是相互依存的，并且应该给予以下因素来优选地进行选择：虚拟显示器设备的特定几何形状；仅将一阶衍射入耦到衍射束扩展器中；以及满足波导内tir所需的条件。对第一因素尤为重要，同样重要的是提供的灵活性，允许对波导板偏斜以调节和/或弥补某些人类因素(例如，颅骨形状、ipd范围等)。偏斜波导板也被发现有助于减少“鬼图像”或“彩虹”。

光栅42、44和54的特定光栅方向和光栅周期是基于构成显示器设备10的各种部件的尺寸和形状来确定的，包括入射光束的尺寸和形状、基底36的尺寸和形状以及观察孔56的尺寸、形状和配置及其从用户眼睛的取向和间距。在实践中，从光栅54开始，选择必需的适当的光栅方向和光栅周期，以有效地耦合在视场等方面具有所需特性的扩展的出射光束，这是相当常见的。衍射光学元件54的出耦的尺寸和形状通常由人体解剖学的视场和ipd范围限定。光栅方向和周期也取决于发射的光通过波导36传播的路径。一旦选择了光栅54的特性，就可以确定将光转向到第一区域46和实现奇数阶展开所需的光栅42的方向和周期。类似地，也可以计算用于将光转向到第二区域48以及用于执行奇数阶展开的光栅44的方向和周期特性。

基于众所周知的衍射等式，可以得到确定针对特定应用的光栅42、44和54中的每个光栅的特定的光栅方向和光栅周期所需的理论和计算。如果选择坐标系使得光栅槽平行于xy坐标平面，则线性光栅的光栅等式可以用耦合等式对的形式来表示：

kx，m＝kx，in+m2πcos(φ)/d

ky，m＝ky，in+m2πsin(φ)/d

其中kx,m和ky,m分别表示整数衍射阶m的波矢的x和y分量，kx,in和ky,in分别是入射波的波矢的x和y分量，d是光栅周期，并且φ是关于xy平面中的x方向的光栅矢量的取向(即，调制方向)。

本文中所讨论的体系结构提供了至少优于现有技术的以下优点。因为第一衍射光学元件32使用相同的光栅来提供偶数阶展开和奇数阶展开，所以这两种展开之间的能量自动平衡，导致在出射光束中产生更好的亮度和颜色均一性。使用两个线性光栅(在具有重叠区的基底的相对两侧形成，以形成入耦区域)使得设备更容易制造，并且不易受到制造误差的影响。通过采用针对入耦的两个线性倾斜光栅可以提高入耦效率。允许波导板的柔性偏斜，这给予更大的自由度来考虑各种人为因素(颅骨形状、ipd范围等)。允许非常大的fov。如果使用高折射率(诸如1.9)材料，则利用比如4:3或16:9的标准纵横很容易获得90+对角fov。

光栅42、44和54是衍射元件。光栅42、44和54可以是通过模压或压花或折射率调制光栅实现的表面起伏光栅。光栅42、44和54还可以是由双折射材料制成的偏振光栅。光栅42、44和54的轮廓可以例如是正弦的、二元矩形的或闪耀的(blazed)。然而，光栅42、44和54的轮廓可以是二元倾斜的或正弦倾斜的。一个或多个光栅42、44和54可以嵌入在基底36中。衍射束扩展器30还可以包括三个以上的衍射元件42、44和54。输入光栅42、44和输出光栅54可以是倾斜的或闪耀的表面起伏光栅，以便最大化将光耦合到基底36内和基底36外的效率。衍射束扩展器30可以包括一个或多个光学吸收结构来消除杂散光。一般来说，倾斜光栅是优选的，因为它们能够使更多的光转向正一衍射阶而不是负一衍射阶，这提供了更大的效率。

下面的示例旨在进一步说明上面所讨论的原理。该示例提供了代表性的衍射束扩展器30，其在折射率为1.9的材料中具有非常大的视场(即，90度对角)，其旨在用于虚拟显示器设备10中，该虚拟显示器设备10被设计成佩戴人类用户的头部上，其中观察孔56定位在用户眼睛中的一个或两个眼睛附近。在该环境内，基底36的厚度一般可以在大约0.5毫米到大约2毫米的范围内，基底可以在大约3厘米到10厘米的长度和宽度的范围内。第一衍射光学元件32可以在大约1毫米到大约5毫米的长度和宽度范围内。第二衍射光学元件34可以具有从大约10毫米到大约100毫米的宽度，以及从大约10毫米到大约70毫米的长度。第一衍射光栅42可以在第一平坦表面38上形成，并且可以在长度和宽度上为从大约1毫米到大约5毫米。类似地，第二衍射光栅44可以在第二平坦表面40上形成，并且可以在长度和宽度上从大约1毫米到大约5毫米。大多数第二衍射光栅44偏离第一衍射光栅42，并且被定位为邻近第一衍射光栅42，除了形成输入孔52的两个光栅之间的重叠区之外，该重叠区构成区域50，区域50形成入耦区域50，用于接收入射光束并将光束入耦到衍射束扩展器30中。入耦区域50的大小和形状优选地与入射传入光束的大小和形状相匹配，以使入耦效率最大化。例如，入耦区域50可以是圆形的、椭圆形的或矩形的。在圆形输入孔的情况下，输入孔52通常可以在直径大约1毫米到大约5毫米的范围内。类似地，在矩形输入孔的情况下，输入孔52通常可以对角地在大约1毫米到大约7毫米的范围内。

在该示例中，第一衍射光栅42是在第一平坦表面38上形成的倾斜表面起伏光栅，其中光栅方向被定向为大约-50°的角度，光栅周期大约为250纳米。第二衍射光栅44也是在第二平坦表面40上形成的倾斜表面起伏光栅，其中光栅方向被定向为大约65°的角度，光栅周期大约为320纳米。

也可以在第一平坦表面38或第二平坦表面40上形成第三衍射光栅54，该第三衍射光栅54也限定了观察孔56，其中尺寸为大约5厘米到大约8厘米的宽度和大约3厘米到大约6厘米的长度。第三衍射光栅42也是一个倾斜表面起伏光栅，其中光栅方向被定向为大约-5°的角度，光栅周期大约为260纳米。第一衍射光栅42、第二衍射光栅44和第三衍射光栅54也可以是折射率调制光栅或偏振光栅。

图5图示了前述代表性示例的k矢量图。

现在下面的讨论指的是可以执行的若干方法和方法行为。虽然方法行为可以按某种顺序进行讨论或在流程图中图示为以特定顺序发生，但是除非特别说明或要求，否则不需要特定排序，因为行为取决于在执行行为之前正在完成的另一行为。

该应用还涉及衍射束扩展的方法。参考图6，一个这种方法可以包括以下行为。方法通过以下来开始行为100：在光学基底上提供第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，第一衍射光学元件具有第一多个光栅线和第二多个光栅线，第一多个光栅线被设置在第一表面上并且限定第一衍射光学元件的第一区域，第一多个光栅线在第一方向上被定向并且具有第一光栅周期，第二多个光栅线被设置在基底的第二表面上并且限定第一衍射光学元件的第二区域，第二区域邻近第一区域，第二多个光栅线在第二方向上被定向并且具有第二光栅周期，并且其中第一光栅线的部分与第二光栅线的部分重叠以限定第一衍射光学元件的第三区域，第三区域形成用于接收输入光束的入耦区，并且第二衍射光学元件被定位在邻近第一衍射光学元件，第二衍射光学元件具有第三多个光栅线，第三多个光栅线被设置在基底的第一表面和第二表面上，第三多个光栅线在第三方向上被定向并且具有第三光栅周期。在步骤102中，方法继续进行用于由光学引擎将输入光束发射到入耦区的行为。如步骤104中所指示，方法还可以包括由第一衍射光学元件通过在第一区域和第二区域中的奇数阶衍射展开来扩展所接收到的输入光束的至少一部分。此外，在步骤106中，方法可以包括通过在第三区域中的偶数阶衍射展开来扩展所接收到的输入光束的至少一部分。然后，在步骤108中，将被扩展的光分量从第一衍射光学元件耦合到第二衍射光学元件。最后，如110所指示的，由第二衍射光学元件通过第二衍射光学元件中的衍射将被扩展的衍射光分量中的至少一部分出耦以离开基底。

本发明可以以其它具体形式来实施，而不脱离其精神或特点。所描述的实施例在所有方面仅被视作说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围是通过随附的权利要求而不是通过上述描述来指示的。在权利要求的含义和范围内的所有改变都将包含在其范围内。