具有圆筒状波导的光学系统的制作方法

本公开涉及一种光学系统，该光学系统可以形成光学显示设备(例如头戴式显示器)的一部分。

背景技术：

1、在增强现实领域，使用透明组合器将虚拟图像以叠加在真实世界上的方式显示给用户，该透明组合器将来自投影仪的图像重定向到用户的眼睛。当前的解决方案通常使用由玻璃或塑料衬底制成的平坦或平面透明波导，其中光经由衍射光栅(或类似物)耦入(in-coupled)到波导，并且穿过波导内部(通过全内反射)到达类似的耦出器(out-coupler)，光在耦出器处耦出到用户的眼睛。在该领域中，波导的厚度通常为几毫米，它们也被称为“光导”。

2、参照图1，其示出了包括平面波导的这种光学系统的示意图。该光学系统包括：对象显示器(图像源)10；准直透镜20；平面波导30；耦入器(in-coupler)40(例如，光栅)；和耦出器50。图示出了来自对象显示器10上的一个点的光线60。这些光垂直于波导的表面入射。还图示出了单条光线70通过波导30并经由耦出器50到达用户眼睛80的路径。波导30的厚度在几毫米的数量级，耦入器40和耦出器50之间的间隔在厘米的数量级，耦入器40的光栅的侧向周期(lateral period)在几分之一微米的数量级。

3、在这种典型的平面波导设计中，对象显示器10由准直透镜20在该透镜20的焦距处成像。这在水平和竖向(切线和弧矢)平面均上校准了图像承载光。

4、准直光通过耦入器40耦合到波导中，耦入器40可以是线性衍射光栅或全息光栅(其他选项包括折射型光学器件，诸如棱镜)。其将光以大于临界角的角度衍射到玻璃或塑料波导或衬底30中。

5、在本文考虑的设计中，衍射光栅、全息光栅、全息图、表面全息图、浮雕全息图、光刻产生的光栅、体光栅或倾斜光栅可以互换使用和互换操作使用。出于光线追踪的目的，重要的是光栅k矢量或动量矢量的光栅周期的侧向分量。特定的材料选择、生产方式和横截面可能会影响衍射效率、衍射级、机械柔性和波长带宽，但不影响像差和分辨率。当线性光栅接收准直光时，线性光栅衍射但保持该准直，即来自给定像素的所有光线改变方向但保持相互平行。

6、当光照射到波导的外侧表面时，由于全内反射(tir)，光反射回内部。这些角度由波导的折射率n决定。典型值为n＝1.5，临界角为42度，并且相对于法线的引导角(guidingangle)可能为60到70度。折射率较高的玻璃由于临界角较小而将允许更大的视野(fov)。

7、这种方法的一个优点是来自给定像素的所有光线均以相同的角度在平坦波导内传播。因此，允许光线在波导内部重叠或交换(swap)，而不会引起重影或鬼影的问题。

8、这可能是实现波导主要功能的关键：光瞳复制(pupil replication)。在增强现实(ar)领域，非常期望的是更小的光学器件。这意味着使用小型投影仪。小的投影仪产生小的光瞳(本质上是来自同一像素的光线束)，例如，可以通过查看普通双目显微镜的小光瞳(目镜上方漂浮的小亮点)来识别。

9、耦出器50(波导输出光栅)可以通过以小于100％的衍射效率(称为分数衍射效率)部分提取光来复制光瞳。例如，10％的衍射效率将提取10％的光，并让剩余的90％进一步传播。该过程将在传播的光与输出光栅50下一次相遇时重复。更先进的可变衍射效率光栅(variablediffraction efficiency grating)有助于平衡不同光瞳复制之间的光强。

10、这使得通过输出光栅提取光的任务变得鲁棒，因为输出光栅不需要位于特定的位置。波导的出射光瞳可以被视为在整个输出光栅50上延伸的一个连续光瞳。同样的，扩展的光瞳不会以场(显示器上原始像素的位置)的函数沿着输出光栅移动。

11、通过利用部分衍射先在一个方向上复制光瞳接着在另一个方向上复制光瞳(首先通过中间线性光栅，其次通过输出线性光栅)，实现了二维光瞳扩展。总共，将使用三个或更多个光栅，如在微软公司销售的hololens(rtm)的波导以及waveoptics，ltd.销售的波导中实现的那样。这种方法的限制是波导30的玻璃必须是平坦的，而消费者习惯于弯曲的玻璃。要将平坦波导与弯曲的处方眼镜结合在一起而不使设备变得更大也是困难的。还存在使用高度弯曲玻璃的应用，例如摩托车头盔的面罩(visor)、军用面罩、战斗机飞行员头盔、潜水面罩、消防隔热面罩、医疗防护、焊接面罩、飞机挡风玻璃、汽车或摩托车挡风玻璃等。试图将平坦波导安装在使用者和面罩之间的有限空间内是具有挑战性的。

12、还有基于自由空间反射光学器件的组合解决方案，但是这些解决方案通常具有小的眼动范围(eye-boxes)(图像可见的区域)。它们不适用于某些应用，而波导解决方案通常具有较大的眼动范围，这使得它们是期望的。大的眼动范围意味着ar眼镜设计的单一变化可以适应大多数人群，并且用户可以容易地看到虚拟图像。由于用户在瞳孔间距(ipd)上的差异，小的眼动范围意味着ar眼镜可能需要机械地调整或适应特定用户，从而增加了成本和复杂性。

13、在多种文献中已经建议使用弯曲波导，例如wo-2006/064301a1、us-2010/031571u9、de-102017119440a1、us-8,842,368b2、us-8,810,913b2、us-9,733,475b1、us-2018/0292593a1、us-2019/0317261a1、gb-2553382b、us-10,048,647b2、us-2016/0195720a1、us-2019/0072767a1、us-2018/0373115a1、us-2019/0369403a1和us-2018/0348527a1。类似的建议在kalinina、anastasiia和andrey putilin的“wide-field-of-view augmented reality eyeglasses using curved wedge waveguide(会议演示)”，digital optics for immersive displays ii.vol.11350,international society foroptics

14、and photonics,2020以及dehoog、edward、jason holmstedt和tin

15、aye的“field of view of limitations in see-through hmd using

16、geometric waveguides”，applied optics 55.22(2016):5924-5930中进行了讨论。

17、这些文献中的一些只是简单地提到了弯曲波导。这些文献中的其他一些更详细地讨论了弯曲波导，但没有一篇文献解释如何以连续的方式复制光瞳，而不会使来自同一像素的光线在投射到无限远时发散。对于这些方法，通常只有单个光瞳通过波导传播，这不允许光瞳扩展。其他设计依赖于眼球追踪。这些设计通常产生畸变的输出，并且需要复杂的软件来使输入图像预失真。因此，这种解决方案制造起来既昂贵又复杂。

18、虽然市场上有许多现有的基于平面波导的方法，有许多建议的实现方式，包括上面讨论的那些，但是市场上没有弯曲或圆筒状

19、(cylindrical)波导的产品。这似乎是由于难以在使光传播通过波导的情况下避免图像在输出至用户时高度畸变(导致质量差)。在实现可以为大众市场制造的产品的同时减轻这个问题仍然是一个挑战。

技术实现思路

1、在此背景下，提供了根据权利要求1的光学系统、如权利要求24所限定的光学显示设备以及根据权利要求25的头戴式显示器。其他优选和可选的特征在其他权利要求和本公开的其他地方进行了限定。

2、光学系统考虑使用具有同心(内和外)表面的圆筒状波导(或称圆柱波导或柱面波导)。使用这种结构的圆筒状波导可以允许光在曲面之间无像差地传播。这有利地与如下输入光学器件一起实现，该输入光学器件布置成接收来自图像源(特别是像素化图像源或具有光输出的图像源，该光输出至少在理论上可以被分解成像素)的光，并将光提供给圆筒状波导。来自图像源的同一像素的所有光线在每个入射点处以相对于入射表面法线的相同角度入射到圆筒状波导上。因此，来自图像源的中心像素的所有光线在圆筒状波导上的任意点处与圆筒表面正交地入射。来自非中心像素的光线在每个入射点处以相对于表面法线的相同角度入射。此外，来自图像源的同一像素的所有光线在每个入射点处以相对于与圆筒轴线(cylindrical axis)正交的平面的相同角度入射到圆筒状波导上。因此，所有光线的传播方向保持不变。

3、鉴于输入光学器件和波导结构，在圆筒状波导处所接收的光(通常耦入到圆筒状波导)在沿着圆筒状波导传播时保持其方向角。即，来自给定像素的所有光线，无论传播多远，都将以与在每条光线的入射点处光线和表面之间测量的角度相同的角度接近输出光栅。典型地，输入光学器件包括耦入(或注入)光学器件。

4、耦出光学器件可以布置成接收沿着圆筒状波导传播的光，并将该光作为图像呈现给对象(特别是用户的眼睛，即观察者)。在一些实施例中，图像源(例如，电子显示器)和/或图像源安装装置(图像源可以定位于其上)可以形成光学系统的一部分。

5、该光学系统可以用于实现光学显示设备(例如，头戴式显示器)。有益的是，图像源被配置成将光导向耦入光学器件。被配置成可由用户穿戴的安装结构(例如，形成耳机、面罩、光学眼镜的一部分)可用于定位光学系统，以至少使得耦出光学器件将光作为图像呈现给用户的眼睛。在优选实施例中，圆筒状波导与眼镜或安装结构的面罩部件集成、嵌入或固定在一起。

6、耦入光学器件的用于将所接收的光耦合到圆筒状波导中的特定面是衍射光栅。有利的是，使用具有恒定周期的线性衍射光栅。该周期是在沿着光栅表面的侧向(lateral)方向上测量的。耦入线性衍射光栅有益地应用于曲面。这种耦入线性衍射光栅的优选实现使用柔性全息材料。耦入线性衍射光栅可以附接到圆筒状波导的表面(并且优选地与表面吻合而没有空气间隙)。可以考虑不使用耦入光栅(或至少一个这种形式的光栅)的替代结构。例如，波导不需要完全是圆筒状的，如只有一部分波导是具有上述特性的圆筒状。光可以通过另一部分进入波导，因此该另一部分可以形成输入光学器件的一部分。

7、与用于平坦波导的传统准直光学器件不同，本公开中提出的输入光学器件在经典光学设计术语中不能确切地称为准直器，因为来自像素的光线不是平行的。更确切地说，优选的耦入(投影)光学器件包括这样的光学设备：该光学设备设置成(仅)在穿过(即，既不平行也不完全包括)圆筒轴线的平面(更优选地，垂直于圆筒轴线)内准直或塑形光线。例如，对于眼镜和头盔，圆筒轴线是竖向的，而该平面优选是水平的。这样，光线在该平面中以相同的角度入射到输入光栅上。波前整形(wavefront shaping)设备，例如柱面透镜(cylindrical lens)和/或柱面反射镜(cylindrical mirror)，可以用于这项任务。通常在光学设计最佳实践中，中心像素光线将有利地以正交于波导表面的角度入射，由于对称性，使得像差管理更容易。该平面中的其他像素将产生以其他角度入射到输入光栅上，但是将平行于来自同一像素的其他光线的光线。

8、然而，在与圆筒轴线正交的平面(例如水平平面)中，光可能不被准直，而是被整形为使得来自同一像素的光线相对于表面法线具有相同的入射角，其中对于每个不同的入射点单独考虑其相应法线。所有表面法线都指向圆筒轴线。

9、满足这个条件的最简单的波前形状是与波导的圆筒形状同心的圆筒状(柱面)波前。然后，来自中心像素的光线将从波导的圆筒轴线径向传播，并以正交入射接近该表面。该波前有利地通过将图像源(显示器)定位成使图像源的中心在波导轴线上来形成。然后，柱面透镜或柱面反射镜布置成仅在竖向平面中具有光学聚焦能力。

10、可选地，可以提供另外的或不同的输入光学器件，以便例如优化更多或所有像素的性能和/或最小化投影仪的体积。这可以包括利用在水平平面上聚焦的光学器件来拉近显示器。在使用凹面反射镜的情况下，图像源和/或耦入光学器件可以布置成使得光在被反射然后衍射之前从波导的与反射镜相反的一侧接近波导。

11、光可以沿平行于圆筒轴线(例如，竖向)的方向(由矢量限定)，或垂直于圆筒轴线(可以是水平的，特别是围绕波导的圆周)的方向(由矢量限定)，或由在平行于圆筒轴线和垂直于圆筒轴线之间的矢量限定的方向(典型的为对角线)传播通过圆筒状波导(例如，在耦入光学器件和耦出光学器件之间)。

12、耦出光学器件通常包括耦出衍射光栅。原则上，可以使用线性光栅。然而，波导的实际应用是观察者在圆筒内部。因此，在这种情况下，简单的线性光栅可能不适合提取光，因为它会将光聚焦在圆筒轴线处的水平平面中(产生竖向的光线)，而不是在观察者的前方较远的地方。相反，发散透镜特性可以在水平方向上准直光(在竖向方向上光已经被准直)。这可以通过在水平方向上给输出光栅添加负光功率(negative optical power)来实现。以此类推，光栅是棱镜功能和柱面负透镜功能的总和。有许多已知的如何记录这种光栅的示例。与输入光栅相比，这种光栅将不被称为“线性的”。通过在两个平面上添加更多的聚焦(focusing)，可以选择输出光栅以将数字图像放置在距观察者任意距离处。

13、在圆筒状波导嵌入已经校正了用户视力的头戴式结构(例如，处方眼镜)的情况下，也可以校正输入光栅和输出光栅以考虑这一点。主要因素是当光在波导内传播时保持光的上述状态，而不管光如何接近和离开整个堆叠的“夹层(sandwich)”。

14、在优选实施例中，图像源和/或图像源安装装置可以定位于圆筒状波导的内侧表面的一侧(更靠近圆筒轴线)，其中耦入光学器件位于图像源和圆筒状波导的内侧表面之间。作为选择，作为替代，图像源和/或图像源安装装置可以位于圆筒状波导的外侧表面的一侧(远离圆筒轴线的远端)。然后，反射镜(如上所述，其也可以作为充当输入波前整形设备)可以布置成接收来自图像源的光，并将所接收的光朝向圆筒状波导反射。在这样的实施例中，来自图像源的光可以在到达反射镜之前穿过圆筒状波导。

15、圆筒状波导中的一个中间光栅(或多于一个中间光栅)可以在耦出光学器件之前重新定向光、衍射光和/或将光分束。有利的是，一个或多个中间光栅中的每一个都可以是线性光栅，以保持传播光的角度特性(tir状态，以及，来自同一像素的所有光线都以相对于表面法线的相同角度和相对于与圆筒轴线正交的平面的相同角度入射到圆筒状波导表面上)，从而允许二维光瞳在没有像差的情况下扩展。

16、可以使用多个圆筒状波导。然后，耦出光学器件可以为来自每个波导的光创建不同的焦点。

17、也可以考虑上文和本文其他地方描述的特征的各种组合。也可以考虑制造和/或操作光学系统或光学显示设备的方法。这些可以具有与本文讨论的那些相对应的结构特征。