用于增强现实系统的基于波导的光学系统和方法技术方案

一种增强现实光学系统，包括波导结构，该波导结构包括由基板支持的波导层。输入光栅和输出光栅位于波导层内并且横向间隔开。使来自显示器的输入光入射到输入光栅上。输入光耦合到波导层中并且作为多个导模在波导层中行进到输出光栅。输入光栅和输出光栅提供相位匹配，使得由输出光栅沿输出光栅连续地将导模耦合出波导层，以形成输出光。同时，来自场景的光垂直地传输通过输出光栅，使得输出光和来自场景的光由用户的眼睛进行组合以形成增强现实图像。

Waveguide based optical system and method for augmented reality system

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于增强现实系统的基于波导的光学系统和方法本申请根据35U.S.C.§119要求于2017年10月13日提交的美国临时申请序列No.62/572,109的优先权权益，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体并入本文。
本公开涉及增强现实(AR)系统，并且更具体地涉及用于AR系统的基于波导的光学系统和方法。
技术介绍
AR系统用于将虚拟对象添加到用户正在观察的真实视觉场景中。AR系统的示例类型是可穿戴的，并且利用用户佩戴的眼镜、眼罩或头盔的形式的护目镜(eyewear)，并且有时被称为头戴式显示器(HMD)系统。AR系统通常包括光学系统，该光学系统被配置为允许观看对象或场景，同时还向实际对象或直接观看的场景添加增强对象。AR系统通常执行五个主要功能。第一是将增强对象放置在远离用户眼睛的地方。第二是将增强对象变换成缩放(scale)不变和移位(shift)不变的形式。第三是在用户眼前移位变换后的增强对象，同时允许来自真实场景的光线不受干扰地通过。第四是对变换和移位后的增强对象进行缩放，以使用户眼前的眼盒(eyebox)最大化。第五是将来自真实场景和经过变换、移位和缩放的增强对象两者的光线结合起来，并且允许用户眼睛形成增强场景的真实图像。已经提出了几种用于AR系统的不同光学系统设计，包括那些采用一种或多种类型的光学元件(诸如分束器、离轴透镜、镜子(包括微镜)、光导、衍射光学元件(DOE)和全息光学元件(HOE))的各种组合的设计。光导的使用是有利的，因为它们可以提供对AR护目镜特别有用的紧凑的设计。然而，迄今为止使用的光导往往相对较厚，即，它们是由几何光学原理而不是由波导的电磁理论来描述的。由此，它们具有相对有限(窄)的视场(例如，在30°到50°范围内)，并且必须按照非常严格的几何公差(例如，微米级)制造，以便输出的光提供高质量的图像。此外，由于光作为光线而不是作为真正的导波穿过光导，因此光从光导的的输出耦合在光导的输出区域上是离散的而不是连续的。
技术实现思路
本文公开了用于在AR系统中使用以形成用户正在观看的对象或场景的增强图像的一种AR光学系统。该AR光学系统包括波导结构，该波导结构包括由基板支持的波导层。输入光栅和输出光栅位于波导层内并且横向间隔开。使来自显示器的输入光入射到输入光栅上。输入光耦合到波导层中并且作为多个导模在波导层中行进到输出光栅。输入光栅和输出光栅提供相位匹配，使得由输出光栅沿输出光栅连续地将导模耦合出波导层，以形成输出光。同时，来自场景的光垂直地传输通过输出光栅，使得输出光和来自场景的光由用户的眼睛进行组合以形成增强现实图像。本公开的一个方面是用于在操作波长处在增强现实系统中使用的增强现实光学系统。该系统包括：具有在操作波长处的折射率nS、顶表面和底表面的基板；输入光栅和输出光栅，各自形成在基板的顶表面中或顶表面上，并且彼此横向间隔开；波导层，具有主体、顶表面、底表面以及厚度1μm≤THG≤100μm，其中波导层的底表面被支持在基板的顶表面上，使得输入光栅和输出光栅延伸到波导层中，并且其中波导层在操作波长处具有折射率nG≥nS并且支持多个导模；并且其中输入光栅和输出光栅提供相位匹配，使得入射到输入光栅上的输入光耦合到波导层中并且以导模行进到输出光栅，并且由输出光栅耦合出波导层作为输出光。本公开的另一方面是用于观看对象或场景的增强现实系统，其包括：上述增强现实光学系统，其具有前区域和后区域；显示装置，设置在后区域中并生成输入光；以及耦合光学系统，相对于显示装置可操作地布置，并且被配置为在输入视场上将输入光引导到增强现实光学系统的输入光栅。本公开的另一个方面是增强现实光学系统，包括：波导结构，包括折射率nG和在1μm≤THG≤100μm范围内的厚度THG的波导层，该波导结构被支持在具有折射率nS的基板上，其中nG–nS≥0.5，并且其中波导结构支持多个导模；以及输入光栅和输出光栅，各自位于波导层内，其中输入光栅和输出光栅提供相位匹配，并且彼此横向间隔开。本公开的另一个方面是在观看对象或场景时形成增强现实图像的方法。该方法包括：在输入视场上将来自显示图像的显示光引导到波导结构的输入光栅，以形成在波导结构中行进的多个导模；使用波导结构的输出光栅在输出视场上将该多个导模耦合出，其中输出光栅与输入光栅相位匹配并与输入光栅间隔开；利用成像光学系统通过输出光栅观看对象或场景同时利用成像光学系统接收来自输出光栅的输出光；以及利用成像光学系统形成增强图像，该增强图像将显示图像与对象或场景的图像进行组合。本文公开的AR光学系统和AR系统与常规AR光学系统和AR可穿戴系统相比具有优势。一个优点是波导结构允许AR光学系统具有相对较细的形状因数，这对于AR可穿戴系统(诸如AR眼镜和AR眼罩)是重要的。另一个优点是波导结构可以变形(弯曲)，而不会对成像产生实质性的不利影响。另一个优点是使用的材料便宜，设计相对容易制造。另一个优点是波导结构允许相对较大的FOV，例如从50°到70°。另一个优点是，相对较薄的设计允许来自通过AR光学系统观看的对象或场景的光的很好的传输。又一个优点是，与常规光导(其中光提取由于光导的基于光线的功能而是离散的)相比，该波导结构允许在输出光栅的长度上的基本上连续的光提取。附加特征以及优点将在以下具体实施方式中予以阐明，并且部分地从所述描述中对本领域的技术人员而言将变得非常明显或者通过实践如所写描述中描述的实施例和其权利要求书以及所附附图很容易被认识。应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者仅为示例性的，并且它们旨在提供用于理解权利要求书的本质和特性的概观或框架。附图说明各个附图被包括以提供进一步理解，各个附图被并入并且构成本说明书的部分。附图图示了一个或多个实施例，并与具体实施方式一起用来解释各实施例的原理和操作。因此，结合附图，将从以下具体实施方式中更充分地理解本公开，其中：图1是根据本公开的示例基于波导的AR光学系统的升高的示意图。图2是示例AR光学系统图1的横截面图。图3是类似于图2的示例AR光学系统的并且进一步包括盖层的示例AR光学系统的横截面图。图4是类似于图2的示例AR光学系统的并且进一步包括紧邻波导层的底表面的低折射率层的示例AR光学系统的横截面图。图5是AR光学系统的示例波导结构的一部分的示意图，示出了主要在波导层内行进的多个导模。图6A类似于图2，并且示出了本文公开的AR光学系统的基本操作原理。图6B是示出输入角范围和该输入角范围内的三个示例输入角的输入光的特写视图。图6C是示出输出角范围和该输出角范围内的三个示例输出角的输出光的特写视图。图7A到图7D是本文公开的AR光学系统的输入光栅和输出光栅的示例配置的自顶向下视图。图8到图12是包括至少一个弯曲表面的示例AR光学系统的示意横截面图。图13A是AR系统的示例实施例的示意图，该AR系统包括如由用户使用的本文公开的AR光学系统，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在操作波长处在增强现实系统中使用的增强现实光学系统，包括：/n具有在所述操作波长处的折射率n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171013 US 62/572,1091.一种用于在操作波长处在增强现实系统中使用的增强现实光学系统，包括：
具有在所述操作波长处的折射率nS、顶表面和底表面的基板；
输入光栅和输出光栅，各自形成在所述基板的所述顶表面中或所述顶表面上，并且彼此横向间隔开；
波导层，具有主体、顶表面、底表面以及厚度1μm≤THG≤100μm，其中所述波导层的所述底表面被支持在所述基板的所述顶表面上，使得所述输入光栅和所述输出光栅延伸到所述波导层中，并且其中所述波导层在所述操作波长处具有折射率nG≥nS并且支持多个导模；并且
其中所述输入光栅和所述输出光栅提供相位匹配，使得入射到所述输入光栅上的输入光耦合到所述波导层中并且以所述导模行进到所述输出光栅，并且由所述输出光栅耦合出所述波导层作为输出光。


2.根据权利要求1所述的增强现实系统，其特征在于，在所述操作波长处，所述基板折射率nS≤1.5并且所述波导层折射率nG≥2。


3.根据权利要求2所述的增强现实系统，其特征在于，所述多个导模的数量在500和1000之间。


4.根据权利要求1或2所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述波导层具有在25μm≤THG≤50μm范围内的厚度THG。


5.根据权利要求1或2所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述波导层具有在30μm≤THG≤40μm范围内的厚度THG。


6.根据前述权利要求中任一项所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述波导层包括聚合物并且所述基板包括玻璃。


7.根据前述权利要求中任一项所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述基板包括玻璃材料，并且其中所述波导包括氧化物材料和氟化物材料中的至少一种。


8.根据权利要求1-5中任一项所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述基板包括玻璃材料，其中所述输入光栅和所述输出光栅包括聚合物，并且其中所述波导层包括氧化物材料、或氧化物材料和氟化物材料的组合。


9.根据权利要求1-5中任一项所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述基板包括聚合物材料，并且所述波导层包括氧化物材料、或氧化物材料和氟化物材料的组合。


10.根据权利要求9所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述聚合物材料包括热塑性塑料。


11.根据权利要求9或10所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述波导层包括硅。


12.根据前述权利要求中任一项所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述波导层和所述基板各自是平面的。


13.根据前述权利要求中任一项所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述波导层和所述基板中的至少一个具有弯曲表面。


14.根据前述权利要求中任一项所述的增强现实光学系统，进一步包括设置在所述波导层的所述顶表面上的盖层，其中所述盖层具有折射率nC<nG。


15.根据前述权利要求中任一项所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述输入光栅包括线性输入光栅元件，并且其中所述输出光栅包括线性输出光栅元件。


16.根据前述权利要求中任一项所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述输入光栅包括二维输入光栅元件，并且其中所述输出光栅包括二维输出光栅元件。


17.根据前述权利要求中任一项所述的增强现实光学系统，其特征在于，所述输出光具有在50°≤FOV≤70°范围内的视场(FOV)。


18.根据前述权...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·T·基奇，M·F·克罗尔，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US