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CN115104059A - 混合现实组合器 - Google Patents

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CN115104059A
CN115104059A CN202180013816.6A CN202180013816A CN115104059A CN 115104059 A CN115104059 A CN 115104059A CN 202180013816 A CN202180013816 A CN 202180013816A CN 115104059 A CN115104059 A CN 115104059A
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埃拉德·沙尔林
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Lumus Ltd
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Abstract

一种具有输出耦合器的光波导组合器，该输出耦合器包括嵌入式部分反射电介质镜阵列，该嵌入式部分反射电介质镜阵列将由激光显示引擎生成的虚拟(可选地，彩色)图像扩展并耦合到用户EMB中，其中，该电介质镜被构造成具有：针对激光显示引擎的每个激光发射带的波长带，该波长带包括激光发射带中的以及预期激光发射带发生漂移的波长范围中的光的波长；呈现第一反射率的反射率角度范围；呈现小于第一反射率的第二反射率的透射率角度范围；以及对于入射在小平面上的自然光具有高透射率的透视角度透射率范围。

Description

混合现实组合器
相关申请
本申请依据35 U.S.C 119(e)要求2020年2月24日提交的美国临时申请62/980,469和2020年3月30日提交的美国临时申请63/001,567的权益。
技术领域
本公开内容的实施方式涉及光波导系统，该光波导系统被构造成以相对小的输入孔径从激光显示引擎接收图像，并且递送图像以在扩展输出耦合区域处离开波导，以填充放大的眼睛运动盒来供用户观看。
背景技术
用于向用户提供各种新风格的现实——增强现实(augmented reality，AR)、混合现实(mixed reality，MR)、并行现实(parallel reality)——中的任意者的激增的头戴式显示器(head mounted display，HMD)和智能眼镜将计算机生成的“虚拟图像”叠加在用户看到的用户视野(field of view，FOV)中的真实环境的“真实图像”上。虚拟图像可以例如向用户提供与真实图像、由用户执行的任务和/或明确的或隐含的用户请求相关的信息材料和/或娱乐。呈现给用户的包括真实图像和虚拟图像的图像可以被称为扩展现实(extended reality，XR)图像，并且被构造成向用户提供XR图像的各种硬件中的任何硬件可以被统称为XR显示器。
在XR显示器的光学系统中，计算机控制的显示引擎，例如硅上液晶(liquidcrystal on silicon，LCos)、有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)或激光束扫描(laser beam scanning，LBS)微显示器提供虚拟图像。被称为组合器的光学元件接收由显示引擎提供的虚拟图像并将其叠加在真实图像上以向用户提供XR图像，其中该组合器对环境光透光并且用户通过该组合器观看真实环境。
通常，由显示引擎提供的虚拟图像相对较小，具有小于或等于约5mm的特征尺寸。组合器以相对小的输入孔径接收小的虚拟图像，并且将图像传播到输出耦合器，该输出耦合器通过组合器的出口孔径输出虚拟图像并且输出到眼睛运动盒(eye motion box，EMB)中。当用户的眼睛位于EMB中时，虚拟图像穿过用户的孔径并到达用户的视网膜上，以作为用户通过组合器看到的实际图像的特征出现在XR图像中。为了填充EMB以使得用户可以舒适地看到虚拟图像而不会过度麻烦地将眼睛与组合器对准，组合器通常被构造为具有相对大的、扩展的孔径，组合器通过该孔径将虚拟图像的许多副本传输到EMB中。
实际XR显示器的光学系统通常需要满足人体工程学、技术和经济约束的复杂组合。该光学系统有利地被构造成具有舒适地大的EMB，有利地为小、轻且节能，并且提供清晰的虚拟图像，而不存在诸如图像重影的过度突出的伪影。
发明内容
本公开内容的实施方式的一个方面涉及提供一种具有输出耦合器的光波导组合器，该输出耦合器包括嵌入式电介质部分反射镜阵列，该嵌入式电介质部分反射镜下文中也称为小平面，用于将由激光显示引擎生成的虚拟的、可选地是彩色的图像扩展和耦合到用户EMB中。对于由引擎用于生成虚拟图像的激光器提供的波长带中的光，小平面被构造成以相对大的透射率将第一入射角范围中的入射光反射到用户EMB中。在不同于第一范围的第二入射角范围中，小平面被构造成具有相对低的反射率并且以相对大的透射率透射基本上相同的激光波长带中的光。透射率和反射率在第一角度范围和第二角度范围内以及在激光波长带所跨越的波长范围内呈现出相对较小的变化性。这些小平面被形成为对于来自环境的可见光(也被称为自然光)具有基本消色差的透射。可选地，显示引擎包括至少一个激光器，其向显示引擎提供红、绿和蓝(RGB)带宽中的光，并且显示引擎处理光以生成虚拟RGB彩色图像。在实施方式中，组合器将彩色虚拟图像以相对高的RGB图像分辨率和相对低的图像伪影掺杂引入到EMB中。
在实施方式中，波导组合器包括具有第一平行全内反射表面(total internalreflecting，TIR)和第二平行全内反射表面的波导。来自显示引擎的光进入波导，并且从TIR表面重复地反射并且在TIR表面之间来回地反射，以在减小的波导FOV(waveguide FOV，wFOV)沿波导传播，从而到达并且入射在小平面上。在实施方式中，小平面是均匀间隔且平行的，并且以在TIR表面的法线与小平面的法线之间测量的倾角倾斜。wFOV中的光线的平行于TIR法线的分量在每次光线从第一TIR表面反射离开时和在每次光从第二TIR表面反射离开时反转方向。在入射到给定的小平面上之前已经经历了偶数或奇数次反射(从任意的第一次反射开始计算)的wFOV中的光线分别以第一入射角范围或第二入射角范围中的入射角入射到给定的小平面上。根据本公开内容的实施方式，选择仅在第一入射角范围和第二入射角范围中的一个范围内入射在小平面上的光线以用于从波导耦出并且耦合到EMB中，以向用户提供由显示引擎生成的虚拟图像。
为了便于呈现，从其选择wFOV中的光线以提供虚拟图像的入射角的范围可以被称为“图像入射范围”。wFOV在通过波导中的TIR反射被定向以包括沿图像入射范围内的角度方向传播的光线时，可以被称为“图像wFOV”。入射角的非被选择范围可以被称为“共轭入射范围”，并且wFOV在通过波导中的TIR反射被定向以包括沿共轭入射范围内的角度方向传播的光线时，可以被称为“共轭wFOV”。
根据实施方式，确定小平面的倾角以提供图像入射范围与共轭入射范围之间的有利的角度分离。小平面被构造成具有反射率角度范围、透射率角度范围和小平面波长带。对于波长在小平面波长带中的以反射率角度范围中的入射角入射在小平面上的光，小平面呈现出相对高的反射率和随波长和入射角的改变的相对低的变化。类似地，对于波长在小平面波长带中的以透射率角度范围中的入射角入射在小平面上的光，小平面呈现出相对低的反射率和对应的高透射率，以及随波长和入射角的改变的相对低的变化。该小平面波长带跨越以下波长范围：该波长范围包括提供由显示引擎处理以生成虚拟图像的光的激光器的激光发射带宽和预期激光发射带宽可能变化的波长范围，其中激光发射带宽变化的原因是例如由于例如由于工作条件和/或制造公差引起的漂移。
提供本发明内容来以简化的形式介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的选择的构思。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
下面参照在本段之后列出的本文所附的图来描述本公开内容的实施方式的非限制性示例。在一个以上图中出现的相同特征可以在其出现的多个图中用相同标记来标记。标记表示图中的本公开内容的实施方式的给定特征的图标的标记可以用于引用给定特征。图中所示的特征的尺寸是为了方便和清楚地呈现而选择的，并且不一定按比例示出。
图1A示意性地示出了根据本公开内容的实施方式的波导组合器，其包括具有输出耦合器的波导，该输出耦合器包括小平面的阵列，该小平面的阵列在一个方向上扩展组合器的输入孔径以提供扩展的输出，组合器通过该扩展的输出将通过输入孔径接收的虚拟图像传输到EMB中；
图1B示意性地示出了根据本公开内容的实施方式的将来自激光显示引擎的光反射到用户EMB中的图1A中所示的组合器的截面；
图1C示意性地示出了根据本公开内容的实施方式的图1B中所示的组合器的放大部分，在该放大部分处来自激光显示引擎的光进入组合器；
图1D示意性地示出了根据本公开内容的实施方式的图1B中所示的组合器的放大部分，在该放大部分处来自激光显示引擎的光离开组合器进入EMB；
图1E示出了根据本公开内容的实施方式的作为来自激光显示引擎的光在图1A和图1C中所示的小平面上的入射角的函数的反射率和小平面对于自然光的反射率的示意图；
图1F示意性地示出了根据本公开内容的实施方式的图1A和图1B中所示的显示引擎中的激光器的可选激光发射带宽以及图中所示的小平面的匹配小平面波长带；
图1G示出了根据本公开内容的实施方式的对于蓝光的小平面波长带对于图1A和图1B中所示的小平面作为波长的函数的反射率的曲线图；
图2A示意性地示出了根据本公开内容的实施方式的类似于图1A中所示的组合器的波导组合器的截面，该波导组合器包括以中等倾角倾斜的小平面，该小平面将来自激光显示引擎的光反射到用户EMB中；
图2B示出了根据本公开内容的实施方式的作为图2A中所示的小平面上的光的入射角的函数的反射率的示意性曲线图；
图3A示意性地示出了根据本公开内容的实施方式的类似于图1A中所示的组合器的波导组合器的截面，该波导组合器包括以相对大的倾角倾斜的小平面，该小平面将来自激光显示引擎的光反射到用户EMB中；
图3B示出了根据本公开内容的实施方式的作为图2A中所示的小平面上的光的入射角的函数的反射率的示意性曲线图；
图4示意性地示出了根据本公开内容的实施方式的包括提供二维孔径扩展的波导系统的波导组合器的立体图。
具体实施方式
在讨论中，除非另有说明，否则修饰本公开内容的实施方式的一个或多个特征的条件或关系特性的形容词例如“基本上”和“约”应理解成是指该条件或特性被限定为在对于实施方式所意图的应用的实施方式的操作而言可接受的公差内。无论在什么情况下，通过参考示例实例或示例实例列表来说明本公开内容中的一般术语，所参考的一个或多个实例是一般术语的非限制性示例实例，并且一般术语不旨在限于所参考的一个或多个特定示例实例。除非另有说明，否则说明书和权利要求书中的词语“或”被认为是包含性的“或”而不是排他性的或，并且指示其所连接的项目中的至少一个或多于一个项目的任意组合。
图1A示意性地示出了根据本公开内容的实施方式的波导组合器20，波导组合器20可选地包括具有两个相对大的平行的面表面31和32、边缘表面34的波导30，以及包括嵌入在波导中的平行的、可选等间距的小平面42的阵列的输出耦合器40。为了便于呈现，可以相对于笛卡尔坐标系100的x轴、y轴和z轴来参考波导组合器20的特征的位置。
假设也称为全内反射(total internal reflecting，TIR)表面31和32的面表面31和32任意地平行于坐标系100的xy平面。小平面42平行于x轴并且在沿着x轴朝向yz平面看时看到的逆时针方向上绕x轴旋转倾角β。由波导30的虚线矩形35示意性表示的输入孔径可选地平行于xz平面，并且由虚线矩形36示意性表示的波导的输出耦合区域可选地位于面表面32上。可选地，波导组合器20包括棱镜输入耦合器50，用于将来自显示引擎70生成的虚拟图像的光经由输入孔径35耦合到波导30中。输出耦合器40根据本公开内容的实施方式操作以在y方向上扩展输入孔径35并且将来自通过输入孔径35接收并且在波导30中传播到输出耦合器的虚拟图像的光经由扩展输出耦合区域36反射到EMB 60中以由用户102观看。在随后的图中，用户102可以仅由用户的眼睛来表示。作为示例，在图1中，波导组合器20被示出为生成由虚线矩形72示意性表示的虚拟图像。来自用户102通过波导30看到的环境的自然光由块箭头74示意性地表示。
图1B示出了根据本公开内容的实施方式的波导组合器20沿着图1A中指示的平面A-A的示意性截面以及来自虚拟图像72的光在波导30中的传播以形成由组合器支持的wFOV。
图1B示意性地示出了根据本公开内容的实施方式的来自显示引擎70的dFOV中的虚拟图像72(图1A)的光，该光照射输入耦合器50的面表面51，该输入耦合器将光经由输入孔径35耦合到波导30中。为了便于观察和参考，图1C中放大示出了输入耦合器50、输入孔径35和波导30位于圆202中的部分。在平面A-A中，dFOV分别由正角度α’+和负角度α’-限定，其限定dFOV的角度范围Φ’＝(α’+-α’-)＝(|α’+|+|α’-|)。角度α’+和α’-是界定dFOV的角度范围的光线81和82(图1C)与dFOV的箭头83表示的主光线所成的角度。光线81和82以及它们在波导组合器20中的相应反射和折射分别由实线和虚线表示，并且可以被称为正边界光线和负边界光线。
相对于主光线83，如果平面A-A中来自虚拟图像72(图1A)的光线相对于图1B和随后的图中的主光线分别顺时针或逆时针旋转，则认为该光线的角度是正的或负的。假设主光线83垂直于输入耦合器50的面表面51，并且假设制成输入耦合器和波导30的材料相对于空气的折射率等于相同的折射率ng。
在进入输入耦合器50时，如图1C中放大的输入耦合器的区域202更清楚地示出的，光的折射使角度α’+和α’-以及伴随的dFOV的角度范围Φ’以一因子减小，该因子是折射率ng的函数。在波导组合器20中，对应于α’+和α’-的减小的角度分别由α+和α-表示，并且表征在进入波导组合器20之后来自显示引擎70的光的视场wFOV的减小的角度范围由Φ表示。角度α+和α-是边界光线81和82在折射并进入输入耦合器50之后与波导30中的主光线83形成的角度。边界光线界定在波导组合器20中的wFOV，并且角度限定wFOV的角度范围Φ＝(|α+|+|α-|)。视场wFOV在图1B和图1C以及随后的附图中以阴影示出。
注意，α’+和α’-分别被定义为正角和负角，并且在进入输入耦合器50之后，对应的角α+和α-也分别被定义为正角和负角。然而，随着从TIR表面31或32的每次反射，边界光线81和82反转它们各自相对于主光线83的旋转。作为结果，根据所采用的顺时针旋转为正而逆时针旋转为负的约定，边界光线81和82在从面表面31反射之后相对于主光线83分别顺时针旋转角度α+和α-。然而，在从TIR面表面32反射之后，边界光线81和82相对于主光线83分别逆时针旋转角度-α+和-α-。
在波导30中，如图1B示意性地示出的，wFOV中的光线被TIR面表面31和TIR面表面32全反射，并在TIR面表面31与TIR面表面32间来回反射，直到其到达并入射在输出耦合器40的小平面42上。在每次反射时，wFOV中的光线沿波导法线“nw”的分量(未示出)方向反转。作为结果，wFOV中的光线在被反射并从面表面31反射离开后具有沿正z方向的z分量，并且可以被认为是图中从面表面31朝向面表面32向下传播的“向下”光线。当包含向下光线时，wFOV被定向为面向下，沿正z方向。类似地，光线在被反射和从面表面32反射离开之后具有沿负z方向的z分量并且可以被认为是从面表面32朝着面表面31向上传播的“向上”光线。当面向下时，wFOV可以被区分并且被称为wFOV-Down并且在图1B和随后的图中被标记为wFOV-D。类似地，当面向上时，wFOV可以被区分并且被称为wFOV-Up并且在图1B和随后的图中被标记为wFOV-U。标记“wFOV”笼统地指wFOV-U和FOV-D。
在到达输出耦合器40时，wFOV-U中的向上光线以相对于小平面法线“nf”的入射角的第一范围(在下文中也称为上范围)入射在小平面42上，并且wFOV-D中的向下光线以入射角的第二范围(也称为下下范围)入射在小平面上。根据本公开内容的实施方式，选择wFOV-U或wFOV-D之一中的光线以由小平面42从波导30反射出去、穿过输出耦合区域36并且进入EMB 60，以便用户观看由显示引擎70生成的虚拟图像，例如虚拟图像72(图1A)。对于选择的wFOV-U或wFOV-D中的光线，小平面42被构造成对于相应的上范围或下范围入射角具有相对增强的反射率。对于未被选择的wFOV中的光波，小平面42被构造成具有相对增强的透射率。所选择的wFOV可以被称为图像wFOV，并且未被选择的wFOV可以被称为共轭wFOV。
作为示例，在波导30中，小平面42以相对小的倾角β被定向，并且wFOV-U和wFOV-D中的光线从小平面的相对侧入射到小平面上。根据本公开内容的实施方式，选择wFOV-U作为图像wFOV，并且选择wFOV-U中的光线以使其通过输出耦合区域36从波导30反射出去以提供EMB 60中的输出视场O-FOV，用于观看由显示引擎70生成的虚拟图像。为了便于呈现和参考，图1B中由圆204指示的区域在图1D中放大示出。
图1D中的放大区域204示出了波导30的放大部分，其包括小平面42、EMB 60和用户102所看到的O-FOV，以及与本公开内容的实施方式相关的角度和用户看到的虚拟图像例如由显示引擎70提供的虚拟图像72。该图示意性地示出了来自向上导向的正边界光线81和负边界光线82的光，其被输出耦合器40(图2A)中的给定小平面42反射到EMB 60中作为正边界输出光线91和负边界输出光线92。光线91和92界定了用户102所见的输出视场O-FOV。作为示例，假设O-FOV具有与视场dFOV(图1C)相同的角度范围Φ’，视场dFOV包括由棱镜输入耦合器50接收的由输入耦合器经由输入孔径35引入波导30的光。波导30中的边界输出光线91和92与由小平面42从主光线83反射的O-FOV的输出主光线93分别成角度α+和α-。可选地，输出光线91和输出光线92也与面表面31和面表面32的法线nw成角度α+和α-。边界输出光线91和92在进入EMB 60时被折射而与输出主光线93中的光分别成角度α’+和α’-。
入射在小平面42上的负边界光线82相对于法线nw成角度γ-，其中，小平面将来自从负边界光线82的光反射成负边界输出光线92。类似地，入射在小平面42上的正边界光线81相对于法线nw成角度γ+，其中，小平面将来自正边界光线81的光反射成正边界输出光线91。角度γ-和γ+分别是倾角β与角度α-和α+的函数，并且可以被写为：
1)γ-＝(2β-α-)；以及
2)γ+＝(2β-α+)，
其中，注意到，通过定义，“逆时针”角度α-具有负值，而“顺时针”角度α+具有正值。由表达式1)和2)提供的关系对于wFOV中的任何光线都是有效的，并且如果α表示wFOV中的任何光线与主光线83成的角度，则对于任何α该角度γ可以被写为，
3)γ＝(2β-α)。
因此，wFOV-U中的光线以相对于小平面法线nf的入射角φu入射到小平面42上，该入射角φu由以下表达式给出，
4)φu＝(γ-β)＝(β-α)，
以及被选择作为图像入射范围的入射角的相关联的上范围包括(β-α+)与(β-α-)之间的所有入射角，并且可以由以下表达式给出，
5)
Figure BDA0003790789030000081
类似地，wFOV-D中的光线以相对于法线nf的入射角φd入射到该小平面上，该入射角φd可以由以下表达式给出，
6)φd＝(γ+β)＝(3β-α).，
以及被选为共轭入射范围的相关联的Down-Rang可以被写为，
7)
Figure BDA0003790789030000091
根据本公开内容的实施方式，为了减轻与EMB 60中的虚拟图像相关联的伪影的出现，有利的是wFOV-U中的所有光线都入射在小平面42的同一侧上并且wFOV-D中的所有光线都入射在小平面42的同一侧上。wFOV-U中的光线入射在小平面42上的侧根据实施方式可以是wFOV-D中的光线入射在小平面上的小平面的同一侧或不同侧。
作为示例，波导组合器20和视场wFOV被构造成使得wFOV-U中的所有光线都入射到小平面42的面向面表面32的一侧上，并且wFOV-D中的所有光线都入射到小平面的相对侧上，也就是说，面向面表面31的侧。为了提供在相对侧上的入射，波导组合器20被构造成使得对于波导组合器支持的wFOV中的任何光线，γ的余角大于小平面42的倾角β。用符号表示，
8)(90-γ)＞β，
在替换γ且注意到α+＞α-时，上式要求组合器20中的倾角β满足根据本公开内容的实施方式的由以下表达式给出的第一约束，
9)β＜(30°+α-/3)。
为了提供wFOV中的光从面表面31和面表面32的全内反射，要求对于wFOV中的任何光线，角度γ大于波导30的临界角θc，这导致组合器20中的倾角β满足的第二约束：
10)
Figure BDA0003790789030000092
可以将由表达式9)和表达式10)给出的约束组合成提供对组合器20的倾角β的限制的单个表达式，
11)(θc+α+)/2＜β＜(30°+α-/3)。
作为示例，假设|α+|＝|α-|＝Φ/2，那么对组合器20中的倾角β的约束可以被表达为视场wFOV的函数，
12)(θc+Φ/2)/2＜β＜(30°+Φ/6)。
以用户102在EMB 60中看到的输出视场O-FOV的角度范围Φ′来表示，对β的约束可以由表达式11近似，
13)(θc+Φ′/2ng)/2＜β＜(30°+Φ′/6ng)，
其中ng是形成波导组合器20的材料的折射率。
作为数值示例，假设对于波长为约550nm的绿光ng等于1.51，绝对值|α+|和|α-|都等于约13°，并且Φ′的对角程度(diagonal extent)为约30°，并且长宽比(aspect ratio)为16∶9。对于β等于约26°，入射角的上范围反射率角度范围有利地从约17°至35°延伸，并且下范围透射率角度范围有利地从约66°至约84°延伸。有利地，上范围内的光线的反射率在约9％与约11％之间，并且可选地大于约10％，并且下范围内的光线的反射率小于约1.5％，并且可选地小于约1％。入射到小平面上的环境自然光74(图1A)的角度“透视”(“See-Thru”)范围有利地从约5°延伸到约45°，并且呈现出基本上大于或等于约85％的消色差透射率。
图1E示出了可以被制造成基本上符合上面讨论的数值规格的小平面42的反射率的曲线图210。该曲线图包括反射率曲线212，其给出波导30中的小平面42的作为小平面上光的入射角的函数的反射率。沿曲线图210的纵坐标示出了以百分比表示的反射率，并且沿横坐标示出了光在小平面42上的入射角。被选为图像wFOV和反射率角度范围的入射角的上范围由阴影区域218示意性地表示。被选为透射率角度范围和共轭wFOV的入射角的下范围由阴影区域216示意性地表示。虚线帽函数214指示根据本公开内容的实施方式小平面对自然光74(图1A)的“透视”角度范围。
假设显示引擎70包括提供R光、G光和B光的激光二极管(laser diode，LD)，显示引擎处理所提供的R光、G光和B光以产生虚拟图像，则小平面42被设计成使得对于预期LD发射激光的每个R、G、B激光带宽，小平面的反射率作为入射角的上范围和下范围的波长的函数是相对恒定的。可选地，关于相应的R、G和B小平面波长带中的波长，小平面的反射率的变化小于5％。在一实施方式中，变化小于2％。
LD通常以1nm至2nm(纳米)FWHM(full width half max，半高全宽)之间的相对窄波长带中的波长发出激光。然而，LD激光发射带宽可能例如对于LD工作温度的每摄氏度(℃)变化而偏移多达0.1nm至0.35nm，并且工作温度可能容易地变化多达20℃。此外，制造公差可以允许相同类型LD发出激光的中心激光发射波长有多达5nm的变化。根据实施方式，小平面42有利地被构造成对于等于或大于约20nm的上范围入射角和下范围入射角，针对LD产生的R光、G光和B光中的每一个具有小平面波长带。有利地，对于每个小平面，带内波长的波长带反射率变化小于平均反射率的3％，以提供小于或等于约0.02的CIE 1931xy色度空间中的色域色度差异半径“△CG”。
作为示例，图1F示意性地示出了根据本公开内容的实施方式的显示引擎70中的LD的R、G和B激光发射带宽的激光发射带宽120R、120G和120B以及小平面42的对应小平面波长带121RW、121GW、121BW。图1G示出了曲线232的曲线图230，该曲线图给出了对于可见光谱中的蓝色波长范围作为波长的函数的小平面42的反射率。在插图234中，曲线232的一部分在插图234中被放大，并且被标记以示出约445nm至约455nm之间的以约450nm的蓝色波长为中心的曲线的区域，该区域以曲线表示作为小平面波长带121BW中的波长的函数的反射率。对于小平面波长带121BW中的波长，小平面42的反射率等于约4.8％，并且对于波长带中的波长反射率变化小于约5％。
具有针对图1E所示的入射角透视范围、上范围和下范围的反射率以及图1F所示的R、G、B小平面波长带的小平面42可以包括部分反射电介质镜。可以通过在预先形成的棱镜的表面上沉积部分反射涂层并将棱镜结合在一起来制造部分反射电介质镜。棱镜可以通过将硅酸盐材料(例如BK-7)研磨和抛光成所需形状，或者通过将合适的聚合物或溶胶-凝胶注射成型来制造。涂层可以由各种合适材料中的任何材料形成，例如二氧化铪(Hafniumdioxide，HfO2)、氟化镁(Magnesium fluoride，MgF2)和/或五氧化二钽(Tantalumpentoxide，Ta2O5)。
图2A示意性地示出了根据本公开内容的实施方式的另一波导组合器320。波导组合器320类似于波导组合器20并且具有分别为图像wFOV和共轭wFOV选择的wFOV-U和wFOV-D。然而，波导组合器320包括波导330，该波导330具有以大于波导组合器20中的小平面42的倾角的倾角β倾斜的小平面342。此外，与波导组合器20不同，波导组合器320被构造成使得wFOV-D和wFOV-U两者中的光线都入射在小平面242的同一侧上，也就是说，面向TIR面表面32的侧。
为了提供波导组合器320所呈现的同一侧入射，与从波导组合器20执行的计算类似的计算导致对波导组合器320的以下约束。对于所有的γ，
14)
Figure BDA0003790789030000111
15)
Figure BDA0003790789030000123
16)(30°+α+/3)＜β＜(45°+α-/2)或(30°+Φ/6)＜β＜(45°-Φ/4)；
波导组合器32的角度上范围和下范围变为，
17)
Figure BDA0003790789030000121
以及
18)
Figure BDA0003790789030000122
其中φu和φd分别是wFOV-U和wFOV-D中的光波的入射角。
作为波导330的数值示例，对于约550nm的波长ng等于约1.5，绝对值|α+|和|α-|等于约13°，并且Φ′具有约30°的对角程度和16∶9的长宽比，β可以等于约35°。被选择为图像wFOV的入射角的上范围即反射率角度范围有利地从约26°延伸到约44°，并且其特征在于可选地在约9％与11％之间的平均反射率，可选地等于或大于10％。被选择用于共轭wFOV的下范围即透射率角度范围有利地从约66°延伸到约84°，并且其特征在于小于或等于约5％的平均反射率，并且可选地等于或小于2％。透视范围有利地从约15°延伸到约55°，并且其特征在于等于或大于约85％的透射率。
图2B示出了可以可选地以与制造小平面42的方式类似的方式制造以以基本上符合上面讨论的数值规格的小平面242的反射率的曲线图350。该曲线图包括反射率曲线312，其给出波导330中小平面242的作为小平面上的光的入射角的函数的反射率。沿着曲线图351的纵坐标示出了以百分比表示的反射率，并且沿着横坐标示出了光在小平面242上的入射角。被选择为图像wFOV和反射率角度范围的入射角的上范围由阴影区域351示意性地表示。被选择为透射率角度范围和共轭wFOV的入射角的下范围由阴影区域352示意性地表示。根据本公开内容的实施方式，虚线帽函数353指示小平面对于自然光74(图1A)的“透视”角度范围。
图3A示意性地示出了根据本公开内容的实施方式的另一波导组合器420。波导组合器420类似于图2A所示的波导组合器320，但是包括具有以大于组合器波导330中的小平面342的倾角的倾角β倾斜的小平面442的波导430。然而，波导组合器420如同波导组合器320一样被构造成使得wFOV-D和wFOV-U两者中的光线都入射在波导组合器420中小平面342的同一侧(面向面表面32的侧)，与波导组合器320中不同，wFOV-D是图像wFOV并且wFOV-U是共轭wFOV。
对于波导组合器420，
19)γ±＝180°-2β-α±，或γ＝180°-2β-α.，并且注意到对于组合器420，γ-＞γ+，为了提供其中wFOV-D而不是wFOV-U是图像wFOV的波导组合器420的构造，满足以下约束：
20)
Figure BDA0003790789030000131
21)β＞45°-α-/2，并且
22)
Figure BDA0003790789030000132
23)β＜90°-(α++θc)/2
组合表达式21和23给出了关于β的约束的以下表达式，
24)45°-α-/2＜β＜90°-(α++θc)/2
波导组合器420的角度上范围(即透射率范围)和角度下范围(即反射率范围)可以被写为，
25)
Figure BDA0003790789030000133
以及
26)
Figure BDA0003790789030000134
图3B提供了示出针对波导430中的小平面442的上范围(透射率范围)451、下范围(反射率范围)452和透视范围453的角度位置和范围的曲线图450。
作为波导430的数值示例，假设对于550nm的波长ng等于约1.51，绝对值|α+|和|α-|等于约13°，并且Φ′具有约30°的对角线长度和16∶9的长宽比，β可以等于63.5°。入射角的上范围即透射率角度范围有利地从约2°延伸到约20°，并且具有有利地小于约5％并且可选地小于或约等于2.0％的相对低的平均反射率。被选择用于反射角度范围和图像FOV的下范围有利地从约55°延伸到约75°，并且具有约9％与约11％之间并且可选地大于或等于10％的相对高的平均反射率。透视范围有利地从约40°延伸到约80°，并且其特征在于等于或大于约85％的透射率。
图3B示出了可以可选地以与制造小平面42的方式类似的方式制造以基本上符合上面讨论的数值规格的小平面342的反射率的曲线图450。该曲线图包括反射率曲线412，其给出了波导430中小平面342的作为小平面上光的入射角的函数的反射率。沿着曲线图351的纵坐标示出了以百分比表示的反射率，并且沿横坐标示出了小平面342上的光的入射角。被选择为共轭wFOV和透射率角度范围的入射角的上范围由阴影区域451示意性地表示。被选择为反射率角度范围和图像wFOV的入射角的下范围由阴影区域452示意性地表示。根据本公开内容的实施方式，虚线帽函数453指示小平面对于自然光74(图1A)的透视角度范围。
更一般地，假设vu表示在包含在波导组合器20、320或420的波导30、330或430中的wFOV-U中——但不一定在分别针对图1B、2B或3B中的波导组合器示出的平面A-A中——的向上光线的传播方向上的归一化矢量。然后，波导的小平面上的向上光线相对于该小平面的法线的入射角φu可以由以下表达式给出，
27)φu＝cos-1(vu·nf)，
其中nf是与该小平面正交的矢量。类似地，如果vd表示包含在wFOV-D中但不一定在平面A-A中的向下光线的传播方向，则光线在波导的小平面上的入射角φd可以被写为：
28)φd＝cos-1(vd·nf)＝cos-1((vu-2vu·nW)·nf)，
其中nW是波导的TIR面表面的法向矢量。
以上参照平面A-A所讨论的根据本公开内容的实施方式的对波导组合器的约束可以被概括为vu和/或vd的函数。例如对于波导组合器420，等式24)和25)可以被重写，
29)
Figure BDA0003790789030000141
以及
30)
Figure BDA0003790789030000142
注意，在以上讨论中，已经假设根据实施方式的组合器波导中的每个小平面被设计成对于R光、G光和B光中的每一个具有反射率和透射率角度范围。然而，本公开内容的实施方式的实践不限于具有针对R光、G光和B光中的每一个的角度范围的小平面。根据实施方式的小平面可以被设计成用于不同于R、G和B的颜色，并且可被构造成用于多于或少于三种颜色。例如，每个小平面可被设计成用于R、G或B中的仅一个或仅两个。
还注意到，小平面之间的间距可以例如有利地不同于图1B、图2A或图3A中所示的间距，其中，小平面之间的间距被称为小平面面距“P”，可以由表达式P＝ηLcosβ来定义，其中L是TIR面之间的小平面的长度，并且η是系数，通常小于一。在图1B和图2A中，η基本上等于1并且面距P被示出为基本上等于P＝Lcosβ。在图3A中，η基本上等于0.7并且P＝0.7Lcosβ。更小的面距P可以有利地向根据实施方式的波导组合器提供的虚拟图像提供空间完整性。
根据本公开内容的实施方式，以上通过示例讨论的波导组合器在沿着y轴的一个方向上扩展输入孔径35(例如如图1A中所示)。根据本公开内容的实施方式，可以通过用在x方向上扩展输入孔径的波导组合器替换图1A中所示的波导组合器中的输入耦合器50来提供沿两个方向(例如x方向以及y方向)扩展输入孔径的波导组合器。
图4示意性地示出了根据本公开内容的实施方式的波导组合器500，其在两个(可选地，正交的)方向上扩展输入孔径535以提供扩展的输出耦合区域536，波导组合器通过该扩展的输出耦合区域将光引导到EMB560中。
根据本公开内容的实施方式，波导组合器500可选地包括棱镜输入耦合器550、第一波导530和第二波导630。输入耦合器550通过输入孔径535接收来自激光显示引擎570生成的虚拟图像的光，并将该光输入到波导530中。波导530分别包括任意地与坐标系100的xy平面平行的第一TIR面表面531和第二TIR面表面532，以及包括顶表面532和底表面534。根据本公开内容的实施方式，波导具有包括多个平行小平面542的输出耦合器540。可选地，这些小平面垂直于面表面531和面表面532并且围绕z轴旋转倾角β*。可选地，这些小平面均匀地间隔。从输入耦合器550接收的光中的光线在TIR面表面531与TIR面表面532之间反复全反射并在其之间来回反射，直到它们到达并入射在输出耦合器540的小平面542上。小平面542沿x轴方向分布在相对延伸的距离上，并且使光线沿大致负y轴的方向从波导530反射出去并且穿过在x方向上扩展输入孔径535的延伸输出孔径545进入波导630中。波导630可以是被构造成经由诸如输入孔径535的输入孔径接收来自显示引擎所生成的图像的光并经由诸如输出耦合区域545的基本上在单个方向上扩展的输出耦合区域将所接收的光从波导投射出去的任何波导。
作为示例，假设波导630类似于波导30，包括小平面42以及TIR面表面31和TIR面表面32，该TIR面表面31和TIR面表面32平行于xy平面并且可选地分别与面表面531和面表面532连续。波导630沿负y方向扩展波导530的545中的图像，并且将其从波导530接收的光通过在x方向和y方向两者上延伸的输出耦合区域536反射到EMB 560中。注意，尽管波导630被假设成类似于图1A中所示的波导30，但是波导630可以类似于各种波导例如包括小平面并且根据本公开内容的实施方式构造的波导330(图2A)或波导430(图3A)中的任何波导。
式25)和26)可以被链接以使对波导组合器500为EMB 560提供的输出视场的期望约束相关。使波导530中相对于面表面531和532传播的向上和向下导向的光线由矢量vu(530)和vd(530)表示，然后
31)vd(630)＝(vu(630)-(2vu(630)·nW)nW，
其中nW是波导组合器500中的面表面531、532、31和32的法线，并且向上和向下导向的光线被任意地认为分别沿负z方向和正z方向行进。在波导530中传播的向上导向的光线组和向下导向的光线组中的一组被小平面542反射到波导630中。作为示例，假设vu(530)光线被反射到波导630中。然后，由于小平面542的反射不改变光线在z方向上的传播分量，所以由小平面542反射之后的vu(530)光线作为相对于面表面31和面表面32的向上导向的光线进入波导630。使进入波导630之后的向上导向光线由vu(630)表示。然后，作为由波导530中的小平面542反射到波导630中的结果，在进入波导630时，光线vu(630)具有由下式给出的方向
32)vu(630)＝vu(530)-2(vu(530)·nf(542)nf。
在由面表面32反射之后，向上导向的vu(630)“变成”向下导向的光线vd(630)，其中
33)vd(630)＝vu(630)-2(vu(630)·nW)nW。
波导630中的向上导向的光线和向下导向的光线分别包含在如图1A、图2A和图3A示意性示出的向上导向的视场wFOV-U和向下导向的视场wFOV-D中。并且根据实施方式，选择波导630中的wFOV-U和wFOV-D中的一个中的光线以用于由小平面42反射穿过输出视场O-FOV中的输出耦合区域536进入EMB 560中。对O-FOV中的光线的期望约束可以被反向传播以协调(harmonize)对波导30和530中的小平面42和542进行表征的倾角β和β*。
在本申请的说明书和权利要求书中，动词“包括”、“包含”和“具有”及其变化形式中的每个都用于指示动词的一个或多个宾语不必是动词的一个或多个主语的部件、元件或部分的完整列表。
本申请中对本公开内容的实施方式的描述是通过示例的方式提供的，而不是旨在限制本公开内容的范围。所描述的实施方式包括不同的特征，并非所有的特征都是所有实施方式中所需要的。一些实施方式仅利用一些特征或特征的可能组合。本领域技术人员将想到所描述的本公开内容的实施方式的变型以及包括在所描述的实施方式中提到的特征的不同组合的实施方式。本发明的范围仅由权利要求书限定。

Claims (27)

1.一种波导组合器，包括：
第一波导，其包括具有法线“nw”的第一平行全内反射面表面和第二平行全内反射面表面；
输入孔径，光通过所述输入孔径进入所述第一波导；
与输出耦合区域相关联的输出耦合构造，所述输出耦合构造在至少一个方向上扩展所述输入孔径，并且进入所述第一波导的光通过所述输出耦合构造离开所述第一波导；以及
输出耦合器，其包括多个平行小平面，所述多个平行小平面嵌入在所述第一波导中并且具有在nw与小平面的法线“nf”之间的小平面倾角β，所述小平面将沿所述第一波导传播并且入射在所述小平面上的光通过所述输出耦合区域反射出去，所述小平面具有：
针对由激光器提供的光的至少一个激光发射带中的每个激光发射带的小平面波长带，所述小平面波长带包括所述激光发射带中的以及预期所述激光发射带发生变化的波长范围中的光的波长；
反射率角度范围，其对于波长在所述小平面波长带中的在所述第一波导中传播并且在第一入射角范围内入射在所述小平面上的光呈现第一反射率；
透射率角度范围，其对于波长在所述小平面波长带中的在所述第一波导中传播并且在第二入射角范围内入射在所述小平面上的光呈现第二反射率，所述第二反射率小于所述第一反射率；以及
透视角度透射率范围，其对于在第三入射角范围内入射在所述小平面上的自然光具有高透射率。
2.根据权利要求1所述的波导组合器，其中，针对所述反射率角度范围内的入射角和所述小平面波长带中的波长的平均反射率在约9％与约11％之间。
3.根据权利要求2所述的波导组合器，其中，所述小平面针对所述反射率角度范围内的入射角和所述小平面波长带中的波长的反射率的变化小于所述平均反射率的约2.5％。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的波导组合器，其中，所述反射率角度范围的角度宽度大于或等于约15°或约20°。
5.根据权利要求1至4所述的波导组合器，其中，所述反射率角度范围的下限为约2°、约25°或约50°。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的波导组合器，其中，针对所述透射率角度范围内的入射角和所述小平面波长带中的波长的平均反射率在约0.5％与约5％之间。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的波导组合器，其中，所述透射率角度范围的角宽度大于或等于约15°或约30°。
8.根据前述权利要求中任一项所述的波导组合器，其中，所述透射率角度范围的下限为约2°、约50°或约60°。
9.根据前述权利要求中任一项所述的波导组合器，其中，对于每个小平面波长带，所述带中的波长的反射率相对于所述波长带中的平均反射率的变化小于上限，使得CIE 1931xy色度空间中的色域色度差异半径“ΔCG”小于或等于约0.02。
10.根据权利要求9所述的波导组合器，其中，如果所述小平面波长带中的波长的平均反射率由R表示，并且所述小平面波长带中的波长的反射率与R之间的最大差由ΔR表示，则|ΔR|/R小于或等于约3％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的波导组合器，其中，所述至少一个激光发射带包括红色、绿色和/或蓝色激光发射带中的至少一个或多于一个的任何组合。
12.根据前述权利要求中任一项所述的波导组合器，其中，针对所述至少一个激光发射带中的激光发射带的所述小平面波长带的带宽大于或等于所述激光发射带的带宽的三倍或者大于或等于所述激光发射带的带宽的四倍。
13.根据前述权利要求中任一项所述的波导组合器，其中，所述透视角度范围的透射率大于或约等于85％。
14.根据前述权利要求中任一项所述的波导组合器，其中，所述透视角度范围的角宽度大于或等于30°或40°。
15.根据前述权利要求中任一项所述的波导组合器，其中，所述透视范围的下限为约5°、15°或40°。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的波导组合器，其中，(90°-γ)＞β，γ＞θc，其中γ表示nw与在所述第一波导中传播并且所述输出耦合器将来自其的光通过所述输出耦合区域从所述第一波导反射出去的光线在所述面表面上的入射方向之间的角度，并且θc表示所述第一波导对于波长在所述小平面波长带中的光的临界角。
17.根据权利要求16所述的波导组合器，其中，倾角β满足约束(θc+α+)/2＜β＜(30°+α-/3)，其中，α+和α-是在与所述面表面和所述小平面垂直的平面中所述面表面的法线与所述小平面将入射光从所述第一波导反射出去的方向所成的角度，并且其中，α+大于α-，并且如果相对于所述法线顺时针旋转则为正，并且如果相对于所述法线逆时针旋转则为负，并且其中，α+和α-分别确定限定在所述第一波导中传播的光的视场wFOV的γ的最小值和最大值。
18.根据权利要求17所述的波导组合器，其中，所述反射率角度范围跨越入射角全范围φ，其中，(β-α+)≤φ≤(β-α-)。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的波导组合器，其中，所述透射率角度范围跨越入射角全范围φ，其中，(3β-α+)≤φ≤(3β-α-)。
20.根据权利要求1至15中任一项所述的波导组合器，其中，β＞(90°-γ)。
21.根据权利要求20所述的波导组合器，其中，倾角β满足约束（30°+α+/3)＜β＜(45°+α-/2)。
22.根据权利要求21所述的波导组合器，其中，所述反射率角度范围跨越入射角全范围φ，其中，(β-α+)≤φ≤(β-α-）。
23.根据权利要求21或权利要求22所述的波导组合器，其中，所述透射率角度范围跨越入射角全范围φ，其中(180°-3β+α-)≤φ≤(180°-3β+α+)。
24.根据权利要求20所述的波导组合器，其中，倾角β满足约束45°-α-/2＜β＜90°-(α++θc)/2。
25.根据权利要求24所述的波导，其中，所述反射率角度范围跨越入射角全范围φ，其中，(β+α-)≤φ≤(β+α+)。
26.根据权利要求24或权利要求35所述的波导组合器，其中，所述透射率角度范围跨越入射角全范围φ，其中(180°-3β-α+)≤φu≤(180°-3β-α-)。
27.根据前述权利要求中任一项所述的波导组合器，包括第二波导，所述第二波导具有第二输入孔径和第二输出耦合区域，通过所述第二输入孔径接收的光通过所述第二输出耦合区域离开所述第二波导并且进入所述第一波导，并且其中，所述第二输出耦合区域相对于所述第二输入孔径在与所述第一波导的输出孔径被扩展的所述至少一个方向不同的方向上被扩展。
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