阅读说明：本技术 包括多层波导的光学设备 (Optical device comprising multilayer waveguide ) 是由 奥克萨那·什拉姆科娃 瓦尔特·德拉齐克 阿诺·舒伯特 于 2019-05-28 设计创作，主要内容包括：提出了一种用于将多色图像传递到眼眶的光学设备,该眼眶位于佩戴所述光学设备的用户的眼睛前方的区域。该光学设备的显著之处在于它包括：光引擎,用于传递所述多色图像,所述光引擎能够生成n个不同的单色光图像光束[C-1,...,C-i,...,C-n],所述n个不同的单色光图像光束的组合对应于所述多色图像,每个单色光图像C-j与波长λ-j相关联,并且其中对于所有所述i∈[1,n],λ-(i+1)＞λ-i,并且其中如果j是奇数的,则所述单色光图像光束C-j处于横向电模式,并且如果j是偶数的,则所述单色光图像光束C-j处于横向磁模式；n-波导元件,彼此堆叠,n是大于或等于三的整数,除了较靠近用户的所述眼睛的波导元件之外,每个波导元件包括衍射光栅、第一输出和第二输出,所述衍射光栅能够通过全内反射仅使所述n个单色光图像之一在该波导元件中偏转,所述第一输出向所述眼眶递送偏转的光,所述第二输出向后一波导元件递送波导元件未偏转的光,其中所述第二输出包括消色差半波片,并且其中较靠近所述用户的所述眼睛的所述波导元件也包括衍射光栅和输出,所述衍射光栅能够通过全内反射仅使所述n个单色光图像之一在该波导元件中偏转,所述输出向所述眼眶递送偏转的光,其中所述光学设备的每个衍射光栅与不同的波长相关联,并且其中所述n-波导的布置顺序根据波长值从最小到最高来完成的,最小波导元件位于较靠近所述光引擎的位置。(An optical device for delivering a multicoloured image to an eyebox located in an area in front of an eye of a user wearing the optical device is presented. The optical device is remarkable in that it comprises: a light engine for delivering the multi-color image, the light engine capable of generating n different monochromatic light image beams [ C ] 1 ，...，C i ，...，C n ]A combination of said n different monochromatic light image beams corresponding to said polychromatic image, each monochromatic light image C j And wavelength lambda j And wherein for all of said i e [1, n ∈]，λ i+1 ＞λ i And wherein if j is an odd number, the monochromatic light image lightBundle C j In transverse electric mode, and if j is an even number, the monochromatic light image beam C j In a transverse magnetic mode; n-waveguide elements stacked on one another, n being an integer greater than or equal to three, each waveguide element, except for the waveguide element closer to the eye of the user, comprising a diffraction grating capable of deflecting only one of the n monochromatic light images in the waveguide element by total internal reflection, a first output delivering deflected light to the eyebox, and a second output delivering light undeflected by the waveguide element to a next waveguide element, wherein the second output comprises an achromatic half-wave plate, and wherein the waveguide element closer to the eye of the user also comprises a diffraction grating capable of deflecting only one of the n monochromatic light images in the waveguide element by total internal reflection, and an output delivering deflected light to the eyebox, wherein each diffraction grating of the optical device is associated with a different wavelength, and wherein the order of placement of the n-waveguides is done according to wavelength values from smallest to highest, the smallest waveguide element being located closer to the light engine.)

包括多层波导的光学设备

技术领域

本公开涉及增强现实眼镜领域。更准确地说，它涉及将画面或图像从光引擎偏转到波导中的内耦合器(in-coupler)，在该波导中，所述画面通过全内反射(TIR)而被转移到提取区。

背景技术

本部分旨在向读者介绍可能与下面描述和/或要求保护的本发明的各个方面相关的技术的各个方面。相信该讨论有助于向读者提供背景信息，以便于更好地理解本发明的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应就此而论来阅读，而不是作为对现有技术的承认。

增强现实眼镜的改进是积极的研究课题。实际上，仍然存在正在进行的研究，用于降低这些设备的功耗、用于扩展视场、用于提供更好的图像质量等。

这些设备的结构和改进的示例在以下文献中描述：US 9,383,582，

应当注意，增强现实眼镜通常包括光源或光引擎(作为白光源，诸如白色LED照射向用户显示图像的液晶显示器(LCD)，或者如文献WO2018-102582中描述的技术)。

此外，这些设备还包括由衍射光栅制成的并且同样用于有限波长范围的内耦合器或内耦合元件(例如，参见WO2017116637或由Jiasheng Xiao等人的题为“Design of achromatic surface microstructure for near-eye display with diffractive waveguide(用于具有衍射波导的近眼显示器的消色差表面微结构的设计)”的文章)。如果多色画面对于产生叠加在视场上的真实彩色虚像是必要的，那么必须具有与光引擎所使用的基色数目一样多的波导。

通常，单个衍射光栅被定制为一个波长。因此，用于真彩色图像的波导系统的设计对于这些种类的设备是重要的。

在文献US 8,885,997中，已经提出了一种使用几个波导来传送多色图像或画面的技术。更准确地说，文献US 8,885,997的图32示出了两个波长的示意图和原理。当绿光以TE(横向电)偏振射中第一衍射光栅时，它被耦合到第一波导中。同时，红色TM(横磁)偏振光通过，并且其偏振被第一波导之后的相位延迟器从TM转换成TE。因此，红色TE光将耦合到第二衍射光栅中。只要只有两色带，该系统就工作。然而，如果存在多于两个波导和色带，则图33的实施例示出了旨在提供针对这种情况的解决方案的架构。在输入处的所有波长必须以TM模式被偏振。然后，波长λ₁的光的偏振仅通过投影透镜之后的第一组件而变为TE模式，而其它色带的偏振不变。第一色带偏振后的TE然后耦合进入第一波导。在第一波导之后，存在另一相位延迟器，其仅将具有波长λ₂的光的偏振状态转变为TE模式，而不触及其它波长的状态。并且重复该过程直到最后的色带。然而，使用这种方法，存在问题。实际上，没有波延迟器可以选择性地改变一个波段的偏振状态，同时使光谱的其余部分处于未改变的偏振状态。因此，文献US 8,885,997的技术仅对两个颜色通道有效。

因此，需要提供一种可以与多于两个颜色通道一起使用的解决方案。另外，与文献US 8,885,997的技术相反，获得不强加关于光偏振的要求的技术解决方案将是令人感兴趣的。

所提出的技术是文献US 8,885,997的技术方案的替代方案，其没有这些缺点。

发明内容

说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不一定包括该特定特征、结构或特性。此外，这些短语不一定是指相同的实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，认为结合其它实施例来影响这种特征、结构或特性是在本领域技术人员的知识范围内的，而不管是否明确描述。

本公开涉及一种用于将多色图像递送到眼眶(eye box)的光学设备，该眼眶是位于佩戴所述光学设备的用户的眼睛前方的区域。该光学设备的显著之处在于它包括：

光引擎，用于传递所述多色图像，所述光引擎能够生成n个不同的单色光图像光束[C₁，...，C_i，...，C_n]，所述n个不同的单色光图像光束的组合对应于所述多色图像，每个单色光图像C_j与波长λ_j相关联，并且其中对于所有所述i∈[1，n]，λ_i+1＞λ_i，并且其中如果_j是奇数的，则所述单色光图像光束C_j处于横向电模式，并且如果j是偶数的，则所述单色光图像光束C_j处于横向磁模式；

n-波导元件，彼此堆叠，n是大于或等于三的整数，除了较靠近用户的所述眼睛的波导元件之外，每个波导元件包括衍射光栅、第一输出和第二输出，所述衍射光栅能够通过全内反射仅使所述n个单色光图像之一在该波导元件中偏转，所述第一输出向所述眼眶递送偏转的光，所述第二输出向后一波导元件递送波导元件未偏转的光，其中所述第二输出包括消色差半波片，并且其中较靠近所述用户的所述眼睛的所述波导元件也包括衍射光栅和输出，所述衍射光栅能够通过全内反射仅使所述n个单色光图像之一在该波导元件中偏转，所述输出向所述眼眶递送偏转的光，其中所述光学设备的每个衍射光栅与不同的波长相关联，并且其中所述n-波导的布置顺序根据波长值从最小到最高来完成的，最小波导元件位于较靠近所述光引擎的位置。

其中每个所述衍射光栅由嵌入在具有第一折射率n₁的第一材料中的一系列晶胞(unit cell)限定，每个晶胞位于具有折射率n₄的衬底上，其中每个晶胞具有等于d的长度，其中每个晶胞包括具有矩形横截面的双材料结构，其中每个晶胞包括由具有第二折射率n₂的第一材料制成的第一部分和由具有第三折射率n₃的第二材料制成的第二部分，其中所述双材料结构的所述横截面包括等于W₂+W₃的宽度W，W₂为所述第一部分的宽度并且W₃为所述第二部分的宽度，并且所述第一部分具有第一高度H₂，并且所述第二部分具有第二高度H₃，并且其中所述晶胞的所述长度d大于所述宽度W。

本公开涉及一种技术，该技术使用一个波导在另一个波导之上的n个波导，每个波导用于特定的色带，并且整个系统以这样的方式优化：

-将与每个色带相关的每个图像耦合到特定波导中；

-以最大效率将其色带中的所述图像传输到所述眼睛；

-避免色带的拒斥；

-也确保了每个色带中最好的角效率。

在本发明的一个实施例中，建议在一个或几个波导元件内使用欧洲专利申请17306763中描述的衍射光栅。

在一种变型中，所述光学设备显著之处在于，n等于三，并且其中第一波导元件与蓝色相关联，第二波导元件与绿色相关联，第三波导元件与红色相关联。

在本发明的另一实施例中，建议在一个或几个波导元件内使用欧洲专利申请18305263中描述的衍射光栅。在本公开的这种实施例中，波导元件包括具有欧洲专利申请18305263的图8(a)、8(b)、9(a)和9(b)中所示的双材料结构序列的结构。在本发明的另一实施例中，所述双材料结构包括具有单一材料的第一部分和具有单一且不同材料的第二部分。所述第一部分和第二部分具有不同的宽度和高度，如稍后详细描述的。

在一种变型中，该光学设备的显著之处在于，所述第一高度H₂和所述第二高度H₃相等。

在一种变型中，该光学设备的显著之处在于，所述第一宽度W₂和所述第二宽度W₃相等。

在一种变型中，该光学设备的显著之处在于，与蓝色相关联的波导元件具有衍射光栅，该衍射光栅具有以下值：W₂＝80nm，W₃＝112nm，H₂＝170nm，H₃＝130nm，n₂＝1.5，n₃＝2.1，n₄＝n₃，n₁＝1.0和d＝367nm。

在一种变型中，该光学设备的显著之处在于，与绿色相关联的波导元件具有衍射光栅，该衍射光栅具有以下值：W₂＝140nm，W₃＝140nm，H₂＝300nm，H₃＝180nm，n₂＝1.5，n₃＝2.1，n₄＝n₃，n₁＝1.0和d＝424nm。

在一种变型中，该光学设备的显著之处在于，与红色相关联的波导元件具有衍射光栅，该衍射光栅具有以下值：W₂＝180nm，W₃＝150nm，H₂＝360nm，H₃＝220nm，n₂＝1.5，n₃＝2.1，n₄＝n₃，n₁＝1.0和d＝500nm。

在一种变型中，该光学设备的显著之处在于，所述n个不同单色光图像光束[C₁，...，C_i，...，C_n]的波长满足以下性质：ε在10nm左右。

附图说明

通过下面参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的上述和其它方面将变得更加明显，其中：

-图1呈现了根据本公开的一个实施例的光学设备(诸如增强现实眼镜)的一部分；

-图2在左部分中呈现了对应于图1的特征(但没有参考)的示意图，并且在右部分中呈现了对应于根据本公开的一个实施例的光学设备的特征的示意图，用于向用户的第二眼睛递送图像；

-图3示出了根据本公开的一个实施例的在波导元件中使用的衍射光栅的示例；

-图4示出了根据本公开的另一实施例的在波导元件中使用的衍射光栅的示例；

-图5示出了根据本公开的另一实施例的光学设备(诸如增强现实眼镜)的一部分。

具体实施方式

如文献WO2018102834中所提及的，增强现实和虚拟现实设备使用包括输入光栅的波导设备。本公开涉及一种可以在用于多色图像输入的输入光栅内实现的技术。根据本公开的一个实施例的输入光栅的作用是获取来自光引擎(图上称为视场)的图像，并且以通过TIR将光束隧穿到波导(其是平坦玻璃板)中的方式使光束偏转。

图1呈现了根据本公开的一个实施例的光学设备(诸如增强现实眼镜)的一部分。这种光学设备的目的在于引导由光引擎产生的光线或光束101表示的多色图像。

第一波导元件102接收这些光线或光束101。该第一波导元件102包括衍射光栅(未示出)，该衍射光栅仅使所述光束101内的蓝色分量偏转。与蓝色分量相关联的光束在第一波导元件102内被反射，以便到达第一输出，该第一输出将偏转的“蓝色”光朝向用户的所述眼眶107传递。光束101的其它分量(即，除蓝色分量颜色之外的所有其它颜色分量)经由所述衍射光栅的第二输出105传输到第二波导元件103，而不改变传播方向(即，光束101的相同方向)。然而，所述第二输出包括消色差半波片，用于修改剩余光的偏振。在本公开的一个实施例中，所述第一波导中的衍射光栅结构包括所述衍射光栅和所述第二输出。

第二波导元件103接收这些不包括蓝色光分量的光线或光束。所述第二波导元件103包括衍射光栅(未示出)，该衍射光栅仅使所接收的光束内的绿色分量偏转。与绿色分量相关联的光束在第二波导元件103内被反射，以便到达第一输出，该第一输出将偏转的“绿色”光朝向用户的所述眼眶107递送。光束101的其它分量(即，除蓝色和绿色分量颜色之外的所有其它颜色分量)经由衍射光栅的第二输出106传输到第三波导元件104，而不改变传播方向(即，光束101的相同方向)。此外，第二输出106包括消色差半波片，用于改变透射到另一波导元件的剩余光的偏振。

第三波导元件104接收这些不包括蓝和绿色光分量的光线或光束。

所述第三波导元件104包括衍射光栅(未示出)，该衍射光栅仅使所接收的光束内的红色分量偏转。与红色分量相关联的光束在第三波导元件104内被反射，以便到达第一输出，该第一输出将偏转的“红色”光朝向用户的所述眼眶107递送。

因此，所述第三波导元件104不包括消色差半波片。

图2在左部分中呈现了对应于图1的特征(但没有参考标记)的示意图，并且在右部分中呈现了对应于根据本公开的一个实施例的光学设备的特征的示意图，用于向用户的第二只眼睛递送图像。

这种光学设备的目的在于引导由光引擎产生的光线或光束201表示的多色图像。

第一波导元件202接收这些光线或光束201。第一波导元件202包括衍射光栅(未示出)，其仅使光束201内的蓝色分量偏转。与蓝色分量相关联的光束在第一波导元件202内被反射，以便到达第一输出，该第一输出将偏转的“蓝色”光朝向用户的所述眼框207递送。所述光束201的其它分量(即，除蓝色分量颜色之外的所有其它颜色分量)经由所述衍射光栅的第二输出205被传输到第二波导元件203，而不改变传播方向(即，光束201的相同方向)。此外，所述第二输出205包括消色差半波片，用于改变透射到另一波导元件的剩余光的偏振。

第二波导元件203接收这些不包括蓝色光分量的光线或光束。第二波导元件203包括衍射光栅(未示出)，该衍射光栅仅使所接收的光束内的绿色分量偏转。与绿色分量相关联的光束在第二波导元件203内被反射，以便到达第一输出，该第一输出将偏转的“绿色”光朝向用户的所述眼眶207递送。光束201的其它分量(即，除蓝色和绿色分量颜色之外的所有其它颜色分量)经由衍射光栅的第二输出206传输到第三波导元件204，而不改变传播方向(即，光束201的相同方向)。此外，所述第二输出206包括消色差半波片，用于改变透射到另一波导元件的剩余光的偏振。

第三波导元件204接收这些不包括蓝和绿色光分量的光线或光束。

第三波导元件204包括衍射光栅(未示出)，其仅使所接收的光束内的红色分量偏转。与红色分量相关联的光束在第三波导元件204内被反射以便到达第一输出，该第一输出将偏转的“红色”光朝向用户的所述眼眶207递送。

图1的和图2的左部中的多层波导元件包括1级衍射光栅，而图2的右部中的多层波导元件包括1级衍射光栅。

图3示出了根据本公开的一个实施例的在波导元件中使用的衍射光栅的示例。

这种衍射光栅也在欧洲专利申请18305263中详细描述。

图4示出了根据本公开的另一实施例的在波导元件中使用的衍射光栅的示例。

在这样的实施例中，与图3的实施例相反，由具有折射率n₂的单一材料制成的部件的尺寸和由具有折射率n₃的单一材料制成的部件的尺寸不同。

图5示出了根据本公开的另一实施例的光学设备(诸如增强现实眼镜)的一部分。

在本公开的另一实施例中，用于递送光束101和201的光引擎可以生成具有n个颜色分量[C₁，...，C_i，...，C_n]的光束，标记为501，每个颜色分量C_j与波长λ_j相关联，并且其中对于所有这些i∈[1，n]，λ_i+1＞λ_i，并且其中颜色分量的偏振满足以下性质：如果i＝2k+1，则pol(C_i)＝TE，否则pol(C_i)＝TM。

另外，所述波长应当满足以下特性：ε在10nm左右。

因此，在本公开的一个实施例中，光学设备包括n个波导元件(如图1和2的实施例中那样彼此堆叠，具有三个波导元件)，并且仅能偏转最小波长的波导元件502被定位成较靠近光引擎。n个波导元件的排列遵循n个颜色分量[C₁，…，C_i，...，C_n]的顺序。因此，标记为503的i-波导元件只能偏转颜色分量C_i并透射颜色分量[C_i+1，...，C_n]。最后一个波导元件(其位置较靠近用户的眼睛505)仅使所接收的光束的颜色分量C_n偏转。

如图1和图2的实施例中那样，图5中的波导元件包括如前所述的衍射光栅，并且还包括消色差半波片，如消色差半波片506和消色差半波片507。