具有提高的效率和均匀性的光学组合器制造技术

用于引导显示光的系统、设备和方法采用一个或多个光学组合器，所述光学组合器包括诸如衍射光栅的回收光学器件，所述回收光学器件可以接收在光学组合器的体积中行进的浪费掉的显示光，并且将浪费掉的显示光朝向其它光学器件重定向，因而浪费掉的显示光可以有效地用于产生显示。光学组合器还可以包括均匀化光学器件，该均匀化光学器件可以重新分布不均匀的显示光，以产生更均匀的显示，这进而使得能够使用更高效率的光学器件。用更高效率的光学器件。用更高效率的光学器件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有提高的效率和均匀性的光学组合器

技术介绍

[0001]电子设备在当今世界大部分地区都很常见。集成电路技术的进步使得能够开发出足够小且轻便以供用户携带的电子设备。此类“便携式”电子设备可能包括搭载的(on
‑
board)电力供给(诸如电池或其它电力存储系统)，并且可能是“无线”的(即，被设计成无需任何电线连接到其它非便携式电子系统即可运行)；然而，即使小且轻便的电子设备包括与非便携式电子系统的有线连接，这种小且轻便的电子设备仍然可以被认为是便携式的。例如，麦克风可以被认为是便携式电子设备，无论它是无线操作还是通过有线连接操作。
[0002]电子设备的便携性带来的便利已经催生了庞大的产业。智能手机、音频播放器、膝上型电脑、平板电脑和电子书阅读器都是便携式电子设备的示例。然而，能够携带便携式电子设备的便利性也带来了设备本身拖累人的手的不便。通过使电子设备不仅便携而且可穿戴来解决这个问题。
[0003]可穿戴电子设备是用户无需物理抓持、握持或以其它方式用手抓握住设备即可携带的任何便携式电子设备。例如，可穿戴电子设备可以通过一根或多根皮带、一根或多根带子、一个或多个夹子、粘合剂、别针和扣环、一件衣物、张力或弹性支撑件、过盈配合、符合人体工程学的形式等附接到或联接到用户。可穿戴电子设备的示例包括数字手表、电子臂章、电子戒指、电子踝链或“脚链”、头戴式电子显示单元、助听器等。
[0004]因为它们穿戴在用户的身体上，并且通常对其他人可见，并且通常存在很长时间，所以形状因素(即，尺寸、几何形状和外观)是可穿戴电子设备的主要设计考虑因素。
[0005]头戴式显示器是一种穿戴在用户头上的电子设备，当如此穿戴时，头戴式显示器将至少一个电子显示器固定在用户至少一只眼睛的可视区域内。可穿戴平视显示器是一种头戴式显示器，它使用户能够看到显示的内容，但也不妨碍用户能够看到他们的外部环境。可穿戴平视显示器的“显示”部件要么是透明的，要么位于用户视野的外围，使得它不会完全阻止用户看到他们的外部环境。
[0006]在步枪瞄准镜和可穿戴平视显示器等近眼光学器件中，用户可以看到设备提供的特定内容/图像的眼睛位置范围(相对于设备本身)通常称为“适眼区(eyebox)”。仅从单个或小范围的眼睛位置可见内容的应用具有“小适眼区”，而从广泛的眼部位置可见内容的应用具有“大适眼区”。适眼区可以被认为是位于光学器件附近的空间中的体积。当用户的眼睛(更具体地，用户眼睛的瞳孔)位于该体积内并且面向设备时，用户能够看到设备提供的所有内容。当用户的眼睛位于该体积之外时，用户不能看到设备提供的至少一些内容。
[0007]适眼区是一个重要的属性，它可以极大地影响可穿戴平视(heads
‑
up)显示器的用户体验。例如，如果可穿戴平视显示器在用户正注视前方时有一个以用户瞳孔为中心的小适眼区，则可穿戴平视显示器显示的部分或全部内容可能会在用户稍微偏离中心(诸如稍微向左、稍微向右、稍微向上或稍微向下)凝视时消失。除非可穿戴平视显示器被刻意设计用于提供可瞥视(glanceable)的显示器(即，显示器并不总是可见，而是仅在用户注视某个方向时才可见)，否则对于可穿戴平视显示器通常是有利的是有一个大的适眼区。
[0008]在可穿戴平视显示器的一些实施方式中，光引擎至少部分地位于用户的视野之
外，并且至少一个显示光学器件用于将光从光引擎重定向到用户的眼睛以形成用户可见的显示。一个示例是波导组合器，其中来自光引擎的显示光通过传入耦合器(incoupler)光学器件入耦合到波导组合器的体积中。显示光然后在波导组合器的体积中行进到用户的视野中，并且随后通过传出耦合器(outcoupler)光学器件从波导组合器的体积中出耦合到用户的眼睛，从而形成显示。
[0009]这种重定向光学器件可能效率低下，因为光引擎输出的显示光的很大一部分可能没有被有效地入耦合、出耦合或以其它方式引导以形成可见的显示。结果，光引擎将消耗额外的电力来产生未被有效利用的光，这会缩短电池寿命和/或需要更大的电池。此外，这样的系统还可能要求光引擎能够输出额外的亮光，这可能需要更大的光引擎和/或受到更严格的安全问题和规定的光引擎。鉴于此，需要提高可穿戴平视显示器中重定向光学器件的效率，以减少所需的显示光量。
[0010]诸如上述的那些重定向光学器件可能产生不均匀的显示。光学效率和显示均匀性之间可能存在折衷，其中最均匀的显示通常由效率相对低的光学器件产生。因此，显示功率效率和显示均匀性之间也可能存在折衷。因此，希望提供能够实现高均匀性且对效率的影响最小的显示。

技术实现思路

[0011]根据广泛形态，本公开描述了一种光学组合器，该光学组合器包括：传入耦合器光学器件，该传入耦合器光学器件用于接收来自光学组合器外部的显示光并且将所述显示光重定向以在光学组合器的体积中行进；传出耦合器区域，该传出耦合器区域用于接收在光学组合器的体积中行进的显示光，该传出耦合器区域包括传出耦合器光学器件，该传出耦合器光学器件用于将在光学组合器的体积中行进的显示光的第一部分重定向以从光学组合器的体积退出，该传出耦合器光学器件用于允许在光学组合器的体积中行进的显示光的第二部分传递经过传出耦合器区域而不被重定向为从光学组合器的体积退出；以及第一回收光学器件，该第一回收光学器件用于接收显示光的第二部分，并且将显示光的第二部分重定向以在光学组合器的体积中行进朝向传出耦合器区域返回。
[0012]光学组合器还可以包括扩展器区域，该扩展器区域用于接收来自传入耦合器光学器件的显示光，该扩展器区域包括扩展器光学器件，该扩展器光学器件用于将从传入耦合器光学器件接收的显示光朝向传出耦合器区域重定向。传入耦合器光学器件可以将显示光的第三部分朝向扩展器区域重定向，并且可以将显示光的第四部分远离扩展器区域重定向，并且光学组合器还可以包括第二回收光学器件，该第二回收光学器件用于接收显示光的第四部分，并且将显示光的第四部分朝向扩展器区域重定向。
[0013]扩展器光学器件可以将显示光的第三部分朝向传出耦合器区域重定向，并且可以允许显示光的第四部分传递经过扩展器区域而不被朝向传出耦合器区域重定向。光学组合器还可以包括：第二回收光学器件，该第二回收光学器件用于接收传递经过扩展器区域而不被朝向传出耦合器区域重定向的显示光的第四部分，并且该第二回收光学器件用于将显示光的第四部分朝向扩展器区域重定向，其中扩展器光学器件可以将来自第二回收光学器件的显示光的第四部分远离传出耦合器区域重定向；第三回收光学器件，该第三回收光学器件用于接收被扩展器光学器件远离传出耦合器区域重定向的显示光的第四部分，并且该
第三回收光学器件用于将显示光的第四部分朝向传出耦合器区域重定向。
[0014]传入耦合器光学器件、传出耦合器光学器件和第一回收光学器件可以是表面起伏光栅。传入耦合器光学器件、传出耦合器光学器件和第一回收光学器件可以是光学全息(hologram)。外耦合器光学器件可以是光学光栅，第一回收光学器件可以是光学光栅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光学组合器，包括：传入耦合器光学器件，所述传入耦合器光学器件用于接收来自所述光学组合器外部的显示光并且将所述显示光重定向以在所述光学组合器的体积中行进；传出耦合器区域，所述传出耦合器区域用于接收在所述光学组合器的体积中行进的显示光，所述传出耦合器区域包括传出耦合器光学器件，所述传出耦合器光学器件用于将在所述光学组合器的体积中行进的所述显示光的第一部分重定向为从所述光学组合器的体积退出，所述传出耦合器光学器件允许在所述光学组合器的体积中行进的所述显示光的第二部分传递经过所述传出耦合器区域而不被重定向为从所述光学组合器的体积退出；以及第一回收光学器件，所述第一回收光学器件用于接收所述显示光的所述第二部分并且将所述显示光的所述第二部分重定向以在所述光学组合器的体积中行进朝向所述传出耦合器区域返回。2.根据权利要求1所述的光学组合器，还包括扩展器区域，所述扩展器区域用于接收来自所述传入耦合器光学器件的显示光，所述扩展器区域包括扩展器光学器件，所述扩展器光学器件用于将从所述传入耦合器光学器件接收的显示光重定向为朝向所述传出耦合器区域。3.根据权利要求2所述的光学组合器，其中，所述传入耦合器光学器件用于将显示光的第三部分重定向为朝向所述扩展器区域，并且用于将显示光的第四部分重定向为远离所述扩展器区域，所述光学组合器还包括第二回收光学器件，所述第二回收光学器件用于接收显示光的所述第四部分，并且用于将显示光的所述第四部分重定向为朝向所述扩展器区域。4.根据权利要求2所述的光学组合器，其中，所述扩展器光学器件用于将显示光的第三部分重定向为朝向所述传出耦合器区域，并且用于允许显示光的第四部分传递经过所述扩展器区域而不被重定向为朝向所述传出耦合器区域，其中所述光学组合器还包括：第二回收光学器件，所述第二回收光学器件用于接收传递经过所述扩展器区域而不被重定向为朝向所述传出耦合器区域的所述显示光的第四部分，并且用于将所述显示光的第四部分重定向为朝向所述扩展器区域，所述扩展器光学器件用于将来自所述第二回收光学器件的所述显示光的第四部分重定向为远离所述传出耦合器区域；以及第三回收光学器件，所述第三回收光学器件用于接收被所述扩展器光学器件重定向为远离所述传出耦合器区域的所述显示光的第四部分，并且用于将所述显示光的第四部分重定向为朝向所述传出耦合器区域。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学组合器，其中，所述传入耦合器光学器件、所述传出耦合器光学器件和所述第一回收光学器件是表面起伏光栅。6.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学组合器，其中，所述传入耦合器光学器件、所述传出耦合器光学器件和所述第一回收光学器件是光学全息。7.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学组合器，其中，所述传出耦合器光学器件是光学光栅，所述第一回收光学器件是光学光栅，并且所述第一回收光学器件具有的周期是所述传出耦合器光学器件的周期的一半。8.根据权利要求1至4中的任一项所述的光学组合器，其中，所述传出耦合器光学器件是二维光学光栅，用于接收在所述光学组合器的体积中沿第一方向行进的显示光，将在所
述光学组合器的体积中沿所述第一方向行进的显示光中的一些显示光重定向以沿与所述第一方向不平行的第二方向行进穿过所述光学组合器的体积，并且将沿所述第二方向行进穿过所述光学组合器的体积的显示光中的一些显示光重定向以从所述光学组合器的体积退出。9.根据权利要求8所述的光学组合器，其中，在所述光学组合器的体积中沿所述第一方向行进的所述显示光中的至少一些显示光将传递经过所述传出耦合器区域而不被重定向为沿所述第二方向行进，沿所述第二方向行进的所述显示光中的至少一些显示光将传递经过所述传出耦合器区域而不被重定向为从所述光学组合器的体积退出，所述第一回收光栅用于接收沿所述第二方向行进传递经过所述传出耦合器区域的显示光并且将所述接收的显示光重定向为朝向所述传出耦合器区域。10.根据权利要求1至9中的任一项所述的光学组合器，其中，所述传出耦合器光学器件和所述第一回收光学器件彼此直接相邻。11.根据权利要求1至9中的任一项所述的光学组合器，其中，所述传出耦合器光学器件和所述第一回收光学器件彼此...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒂莫西，
申请(专利权)人：谷歌有限责任公司，
类型：发明
国别省市：