使用交叉光栅的波导光复用器制造技术

本文描述了一种二维波导光复用器，其能够有效地在二维上复用和分布光信号。二维波导光复用器的示例能够包括波导、第一衍射光栅、和第二衍射光栅，并且第二衍射光栅设置在第一衍射光栅上方并且被布置为使得第一衍射光栅的光栅方向垂直于第二衍射光栅的光栅方向。还公开了制造二维波导光复用器的方法。开了制造二维波导光复用器的方法。开了制造二维波导光复用器的方法。

【技术实现步骤摘要】
使用交叉光栅的波导光复用器
[0001]本申请是申请号为201780083574.1的中国专利申请“使用交叉光栅的波导光复用器”(申请日为2017年11月16日)的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求2016年11月18日提交的美国临时专利申请No.62/424,293的优先权权益，其全部内容通过引用并入于此。
[0004]本申请通过引用并入以下每个专利申请的全部内容：2014年11月27日提交的美国申请No.14/555,585；2015年4月18日提交的美国申请No.14/690,401；2014年3月14日提交的美国申请No.14/212,961；2014年7月14日提交的美国申请No.14/331,218；以及2016年3月16日提交的美国申请No.15/072,290。


[0005]本公开涉及显示系统，并且更具体地涉及光的复用。

技术介绍

[0006]现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的发展，其中，数字再现的图像或其部分以它们看起来是或可能被感知是真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而不透明于其它实际的现实世界的视觉输入；增强现实或“AR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，作为对用户周围的现实世界的可视化的增强。混合现实或“MR”场景是一种AR场景，并且通常涉及集成到自然世界中并响应于自然世界的虚拟对象。例如，在MR场景中，AR图像内容可能被现实世界中的对象阻挡或以其他方式被感知为与现实世界中的对象交互。
[0007]参考图1，描绘了增强现实场景1，其中，AR技术的用户看到以背景中的人、树、建筑为特征的真实世界的公园状的设置1100以及实体平台1120。除了这些项目以外，AR技术的用户也可以感知他“看到”了“虚拟内容”，诸如站在真实世界的平台1120上的机器人雕像1110，以及看起来像飞行的蜜蜂的化身的卡通式的头像角色1130，尽管这些元素1130、1110不存在于真实的世界中。由于人类的视觉感知系统是复杂的，所以开发促进虚拟图像元素在其它虚拟或现实世界图像元素中的舒适的、感觉自然的、丰富的呈现的AR技术是有挑战性的。
[0008]本文公开的系统和方法解决了与AR和VR技术相关的各种挑战。

技术实现思路

[0009]根据一些实施例，本文提供了一种光学元件。在一些实施例中，光学元件包括：波导；具有光栅方向的至少一个或多个第一衍射光栅，该一个或多个第一衍射光栅设置在波导的主表面上；以及具有光栅方向的至少一个或多个第二衍射光栅，该一个或多个第二衍射光栅相对于一个或多个第一衍射光栅设置，以使得一个或多个第一衍射光栅的光栅方向垂直于一个或多个第二衍射光栅的光栅方向。
[0010]在一些实施例中，一个或多个第一衍射光栅设置在波导的底部主表面上，并且一个或多个第二衍射光栅设置在波导的顶部主表面上。在一些实施例中，一个或多个第一衍射光栅设置在波导的顶部主表面上，并且一个或多个第二衍射光栅设置在波导的顶部主表面的上方。在一些实施例中，一个或多个第二衍射光栅通过隔离层与一个或多个第一衍射光栅分离开。在一些实施例中，隔离层包括透明氧化物或聚合物材料。在一些实施例中，一个或多个第一衍射光栅和一个或多个第二衍射光栅各自包括对称衍射光栅。
[0011]在一些实施例中，一个或多个第一衍射光栅还包括具有第一衍射方向的至少一个或多个第一非对称衍射光栅和具有与第一衍射方向反平行的第二衍射方向的至少一个或多个第二非对称衍射光栅，以及该一个或多个第二衍射光栅还包括具有第三优选衍射方向的至少一个或多个第三非对称衍射光栅和具有与第三衍射方向反平行的第四衍射方向的至少一个或多个第四非对称衍射光栅。
[0012]在一些实施例中，一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅包括闪耀光栅、布拉格光栅、液晶光栅、正弦光栅、二元光栅、体积相位光栅或超表面光栅。在一些实施例中，一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅包括液晶材料。在一些实施例中，一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅包括向列型液晶材料。在一些实施例中，一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅包括胆甾型液晶材料。在一些实施例中，一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅包括可聚合液晶材料。在一些实施例中，一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅通过纳米压印工艺形成。在一些实施例中，第一非对称衍射光栅沉积在第一配向层上，以及第三非对称衍射光栅沉积在第二配向层上。
[0013]在一些实施例中，第二非对称衍射光栅直接沉积在第一非对称衍射光栅上，以及第四非对称衍射光栅直接沉积在第三非对称衍射光栅上。在一些实施例中，一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅包括偏振光栅。在一些实施例中，一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅包括偏振光栅，并且其中，非对称衍射光栅的倾斜角对应于胆甾型液晶材料的手性、旋向性和螺旋间距。在一些实施例中，每个非对称衍射光栅的倾斜角对应于液晶材料中的手性掺杂剂的量。在一些实施例中，第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅包括多个液晶材料层，其中用于所述衍射光栅之一的多个液晶材料层中的至少两个具有不同的倾斜角。在一些实施例中，一个或多个第一非对称衍射光栅包括第一圆偏振旋向性，并且一个或多个第二非对称衍射光栅包括与第一圆偏振旋向性正交的第二圆偏振旋向性。在一些实施例中，一个或多个第三非对称衍射光栅包括第三圆偏振旋向性，并且一个或多个第四非对称衍射光栅包括与第三圆偏振旋向性正交的第四圆偏振旋向性。
[0014]根据一些方面，本文描述了在二维上分布光信号的方法。在一些实施例中，一种方法可以包括：经由第一衍射光栅在第一方向上分布光信号，在波导中通过全内反射在第一方向上传播光信号的一部分，经由第一衍射光栅使在第一方向上传播的光信号的一部分在外耦合方向上向外耦合，经由第二衍射光栅在第二方向上分布光信号的一部分，在波导中通过全内反射在第二方向上传播光信号的一部分，以及经由第二衍射光栅使在第二方向上传播的光信号的一部分在外耦合方向上向外耦合。在一些实施例中，第一方向垂直于第二方向。在一些实施例中，光信号在设置在波导的主表面上的多个位置处向外耦合。
附图说明
[0015]图1示出了通过AR设备的用户对增强现实(AR)的视图。
[0016]图2示出了可穿戴显示系统的示例。
[0017]图3示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示系统。
[0018]图4示出了使用多个深度平面来模拟三维图像的方法的方面。
[0019]图5A至图5C示出了曲率半径和焦点半径之间的关系。
[0020]图6示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。
[0021]图7示出了由波导输出的出射光束的示例。
[0022]图8示出了堆叠波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多种不同分量颜色形成的图像。
[0023]图9A示出了各自包括内耦合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学元件，包括：波导；所述波导上的外耦合光学元件，所述外耦合光学元件包括：具有光栅方向的至少一个或多个第一衍射光栅，所述一个或多个第一衍射光栅设置在所述波导的主表面上；以及具有光栅方向的至少一个或多个第二衍射光栅，所述一个或多个第二衍射光栅相对于所述一个或多个第一衍射光栅设置以使得所述一个或多个第一衍射光栅的所述光栅方向垂直于所述一个或多个第二衍射光栅的所述光栅方向；其中，所述至少一个或多个第二衍射光栅或所述至少一个或多个第一衍射光栅被设置在另一个之上；以及内耦合光学元件，其位于所述波导上与所述外耦合光学元件分开的横向偏移位置处。2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述一个或多个第一衍射光栅设置在所述波导的底部主表面上，并且所述一个或多个第二衍射光栅设置在所述波导的顶部主表面上。3.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述一个或多个第一衍射光栅和所述一个或多个第二衍射光栅各自包括对称衍射光栅。4.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述一个或多个第一衍射光栅还包括具有第一衍射方向的至少一个或多个第一非对称衍射光栅和具有与所述第一衍射方向反平行的第二衍射方向的至少一个或多个第二非对称衍射光栅；并且所述一个或多个第二衍射光栅还包括具有第三优选衍射方向的至少一个或多个第三非对称衍射光栅和具有与所述第三衍射方向反平行的第四衍射方向的至少一个或多个第四非对称衍射光栅。5.根据权利要求4所述的光学元件，其中，所述一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅包括闪耀光栅、布拉格光栅、液晶光栅、正弦光栅、二元光栅、体积相位光栅、或超表面光栅。6.根据权利要求5所述的光学元件，其中，所述一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅包括液晶材料。7.根据权利要求6所述的光学元件，其中，所述一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅包括向列型液晶材料。8.根据权利要求6所述的光学元件，其中，所述一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅包括胆甾型液晶材料。9.根据权利要求6所述的光学元件，其中，所述一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅包括可聚合液晶材料。10.根据权利要求6所述的光学元件，其中，所述一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅通过纳米压印工艺形成。11.根据权利要求6所述的光学元件，其中，所述第一非对称衍射光栅沉积在第一配向层上，并且所述第三非对称衍射光栅沉积在第二配向层上。12.根据权利要求11所述的光学元件，其中，所述第二非对称衍射光栅直接沉积在所述第一非对称衍射光栅上，并且所述第四非对称衍射光栅直接沉积在所述第三非对称衍射光
栅上。13.根据权利要求6所述的光学元件，其中，所述一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅包括偏振光栅。14.根据权利要求8所述的光学元件，其中，所述一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅包括偏振光栅，并且其中，非对称衍射光栅的倾斜角对应于所述胆甾型液晶材料的手性、旋向性和螺旋间距。15.根据权利要求13所述的光学元件，其中，每个非对称衍射光栅的倾斜角对应于所述液晶材料中的手性掺杂剂的量。16.根据权利要求13所述的光学元件，其中，所述一个或多个第一、第二、第三和第四非对称衍射光栅光栅包括多个液晶材料层，其中，针对所述衍射光栅中的一个衍射光栅的所述多个液晶材料层中的至少两个液晶材料层具有不同的倾斜角。17.根据权利要求13所述的光学元件，其中，所述一个或多个第一非对称衍射光栅包括第一圆偏振旋向性，并且所述一个或多个第二非对称衍射光栅包括与所述第一圆偏振旋向性正交的第二圆偏振旋向性。18.根据权利要求13所述的光学元件，其中，所述一个或多个第三非对称衍射光栅包括第三圆偏振旋向性，并且所述一个或多个第四非对称衍射光栅包括与所述第三圆偏振旋向性正交的第四圆偏振旋向性。19.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述一个或多个第一衍射光栅和所述一个或多个第二衍射光栅被设置在所述波导的相对侧上。20.根据权利要求1所述的光学元件，其中，所述外耦合光学元件在二维上分布经外耦合的图像光。21.一种显示系统，包括：框架；根据权利要求1
‑
20中任一项所述的光学元件，其被耦合到所述框架；以及图像注入装置，其被配置为将具有图像内容的图像光引导到所述内耦合光学元件上，并且其中，所述内耦合光学元件被配置为将所述图像光内耦合到所述波导中，以使得所述图像光在所述波导内被引导到所述外耦合光学元件。22.一种显示系统，包括：框架；光学元件，其被耦合到所述框架，所述光学元件包括：波导；外耦合光学元件，其包括：具有光栅方向的至少一个或多个第一衍射光栅，所述一个或多个第一衍射光栅设置在所述波导的主表面上；以及具有光栅方向的至少一个或多个第二衍射光栅，所述一个或多个第二衍射光栅相对于所述一个或多个第一衍射光栅设置以使得所述一个或多个第一衍射光栅的所述光栅方向垂直于所述一个或多个第二衍射光栅的所述光栅方向；其中，所述至少一个或多个第二衍射光栅被设置在所述至少一个或多个第一衍射光栅之上并且至少部分重叠所述至少一个或多个第一衍射光栅，并且其中，所述一个或...

【专利技术属性】
技术研发人员：C，
申请(专利权)人：奇跃公司，
类型：发明
国别省市：