用于增强现实显示器的光学装置制造方法及图纸

提供了用于控制增强现实显示器中的光的光学装置。光学装置包括波导和被配置成将光耦合到波导中的衍射光学元件。衍射光学元件包括结构化光栅元件的阵列，结构化光栅元件基于重复的单位单元布置，其中，每个单位单元包括限定不规则光栅结构的至少两个光栅元件，所述不规则光栅结构使得衍射光学元件产生不对称衍射响应。还提供了制造光学装置的方法。射响应。还提供了制造光学装置的方法。射响应。还提供了制造光学装置的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于增强现实显示器的光学装置


[0001]本专利技术涉及用于控制增强现实显示器中的光的光学装置。特别地，本专利技术涉及包括用于将光耦合到波导中的衍射光学元件的光学装置。本专利技术还提供了制造用于增强现实显示器的光学装置的方法、以及包括光学装置的增强现实显示器。增强现实显示器包括可穿戴装置，例如眼镜、用于视频游戏的显示器、以及用于军事或交通应用的屏幕，其投射图像以叠加在观看者的真实世界环境上。

技术介绍

[0002]在常规的增强现实显示器中，在用户前方设置有透明的显示屏幕，使得用户可以连续看到物理世界。显示屏幕可以用作玻璃波导，在波导的一侧设置有投影仪。显示屏幕例如可以是车辆上的窗户或一副眼镜的透镜或多个透镜。来自投影仪的光通过衍射光栅耦合到波导中。投射的光在波导内全内反射。然后，光通过另一衍射光栅耦合出波导，使得可以被用户观看到。投影仪可以提供增强用户对物理世界的观看的信息和/或图像。
[0003]用于将光耦合到波导中的衍射光栅在增强现实显示器中起到特定作用，并且因此，设计了专门的光栅来高效地实现该作用。特别地，输入光栅必须将光耦合到波导中并将其定向成朝向输出光栅。为了使图像亮度最大化，期望该过程在一个衍射阶中尽可能高效，即尽可能多的光被全内反射并沿特定路径角度定向成朝向输出光栅。在过去已经通过使用闪耀光栅结构或倾斜光栅结构作为输入光栅，实现了一个衍射阶中的高效率。在WO 2008081070 A1中可以找到该构思的示例，其使用闪耀输入光栅或倾斜输入光栅。虽然闪耀光栅和倾斜光栅例如以负衍射阶为代价提高了沿正衍射阶的衍射效率，但是应当注意，闪耀光栅和倾斜光栅制造起来相对困难且昂贵，并且如果对于不同类型的增强现实显示器需要不同的闪耀角度或倾斜角度，则该问题可能进一步恶化，因为这将需要生产这些已经昂贵的光栅的多个不同版本。
[0004]鉴于与常规的输入光栅结构和输出光栅结构相关联的高成本和制造难度，期望提供用于控制增强现实显示器中的光的光学装置，所述光学装置能够更容易生产而不会损害其在增强现实系统内的其专门作用的实现。

技术实现思路

[0005]根据专利技术的第一方面，提供了一种用于控制增强现实显示器中的光的光学装置，该光学装置包括：波导；以及衍射光学元件，其被配置成将光耦合到波导中；其中，衍射光学元件包括结构化光栅元件的阵列，结构化光栅元件基于重复的单位单元来布置，其中，每个单位单元包括限定不规则光栅结构的至少两个光栅元件，所述不规则光栅结构使得衍射光学元件产生不对称衍射响应。
[0006]特别地，专利技术人已经发现，可以使用由基于不规则光栅结构的重复的单位单元限定的光栅结构来产生可以将光有效地耦合到增强现实显示器的波导中的专门的衍射响应，以及这些光栅结构可以比闪耀光栅或倾斜光栅更容易且成本有效地产生。这些结构背后的
理论在以下文献中讨论：Lin,D.,Melli,M.,Poliakov,E等人，“Optical metasurfaces for high angle steering at visible wavelengths”，Sci Rep 7，2286(2017)；以及Ashutosh Patri等人，“Large
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Angle,Broadband,and Multifunctional Directive Waveguide Scatterer Gratings”，ACS Photonics 2019，6，12，3298
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3305，2019年11月13日。
[0007]在本上下文中，由光栅元件限定的不规则光栅结构被认为意指在一个或更多个特性上——特别是在光栅元件的高度、宽度和/或形状、其与下一相邻光栅元件的间隔以及/或者形成光栅元件的一种或多种材料上——彼此变化的至少两个光栅元件。这可以与规则光栅结构进行对比，规则光栅结构即包括具有相同形状、大小、间隔和材料的光栅元件的阵列。由于规则光栅结构中的每个光栅元件是相同的，因此对于每个光栅元件，由光栅元件及其相邻光栅元件支持的电磁场分布之间的干涉将是相同的。在这样的规则光栅结构中，通过各个光栅元件例如闪耀光栅或倾斜光栅的不对称来产生不对称。相比之下，在本专利技术中，使用元件本身的不规则布置来产生不对称衍射响应，这是因为每个光栅元件将支持不同的电磁场分布，并且因此在每个单位单元内的光栅元件之间，一个光栅元件和下一光栅元件的分布之间的干涉将不同。例如，单位单元本身在单位单元的重复方向上可以是不对称的，以产生不对称衍射响应。然后，单位单元的重复提供了由整个光学装置上的单位单元内的光栅元件的不规则布置限定的该不对称衍射响应。不对称衍射响应将被理解为意指在正衍射阶与负衍射阶之间存在不对称。通常，衍射到正衍射阶中的一个或更多个中的光比衍射到对应的负衍射阶中的光多，反之亦然。该不对称可以用于在被配置成将光耦合到波导中的阶中实现较高的效率。
[0008]将认识到，对于给定的增强现实系统，例如根据诸如光在装置上的入射角、使用的光的波长、波导内的全内反射角等的因素，一些不规则光栅结构将比其他光栅结构更有效，并且将在下面描述用于识别特别适合于这样的标准的布置的技术。从另一个角度来看，可以选择不规则光栅结构，并且可以产生增强现实系统以利用由所述装置例如通过改变光在装置上的入射角、使用的光的波长和波导内的全内反射角产生的特定衍射响应。
[0009]如以上所提及的，优选地，由每个单位单元内的光栅元件限定的不规则光栅结构通过光栅元件在光栅元件的高度、宽度、间隔和/或形状以及/或者形成每个光栅元件的一种或多种材料中的一个或更多个方面的变化来提供。光栅元件的高度可以在与光学装置的平面垂直的方向上测量。光栅元件的宽度可以沿单位单元的重复方向测量。光栅元件的间隔可以测量为相邻光栅元件之间的底部到底部的距离。光栅元件的形状可以包括光栅元件例如沿单位单元的重复方向的截面形状。在一些情况下，一个或更多个光栅元件可以由多个层形成，可选地具有不同宽度和厚度，从而导致复杂形状的光栅元件。光栅元件也可以由涂覆至基板层的一种或更多种材料例如涂覆至玻璃的树脂形成。在光栅元件包括多个层的情况下，这些层可以是不同材料的，例如树脂层和树脂层上的高折射率光学涂层或金属层，并且这些不同材料将影响光栅元件的响应，并且因此影响其与相邻光栅元件的响应的干涉。
[0010]特别优选的是，通过高度、宽度和间隔的变化、通常同时保持光栅元件的形状固定来产生不规则光栅结构。当提及光栅元件的形状固定时，应将认识到，该形状的宽高比可以由于光栅元件的高度和/或宽度的不同改变而变化。当调整光栅元件的响应分布以调谐衍射元件的干涉分布时，更多变量的使用提供了更多的保真度。然而，这必须与在计算上估计
变量的变化的结果的难度平衡，其中更多的变量意味着可以评估的更多不同的可能光栅结构，以及与制造所产生的光栅元件的变化的成本和复杂性平衡。专利技术人已经发现，高度宽度和间隔的变化提供了衍射响应的控制水平与设计和制造装置的难度之间的良好平衡。
[0011]优选地，光栅元件形成在基板的表面上或表面中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于控制增强现实显示器中的光的光学装置，所述光学装置包括：波导；以及衍射光学元件，所述衍射光学元件被配置成将光耦合到所述波导中；其中，所述衍射光学元件包括结构化光栅元件的阵列，所述结构化光栅元件基于重复的单位单元来布置，其中，每个单位单元包括限定不规则光栅结构的至少两个光栅元件，所述不规则光栅结构使得所述衍射光学元件产生不对称衍射响应。2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，由每个单位单元内的所述至少两个光栅元件限定的所述不规则光栅结构通过所述光栅元件在所述光栅元件的高度、宽度、间隔和/或形状以及/或者形成每个光栅元件的一种或多种材料中的一个或更多个方面的变化来提供。3.根据权利要求1或2所述的光学装置，其中，每个光栅元件在轮廓上基本上为矩形。4.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，每个单位单元包括限定所述不规则光栅结构的至少三个光栅元件。5.根据权利要求所述的光学装置，其中，所述衍射光学元件包括基板，并且其中，所述结构化光栅元件形成到所述基板的表面中。6.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，所述衍射光学元件包括结构化光栅元件的一维阵列。7.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中，所述单位单元沿重复方向的大小小于750nm，优选地小于600nm，更优选地小于500nm，最优选地小于450nm。8.一种增强现实显示器，包括根据前述权利要求中任一项所述的光学装置。9.根据权利要求8所述的增强现实显示器，还包括：投影仪，所述投影仪用于投射限定要显示的图像的光，其中，所述衍射光学元件被配置成将所投射的光耦合到所述波导中；以及输出衍射光学元件，所述输出衍射光学元件被配置成将光耦合出所述波导以显示所述图像。10.一种制造适合于控制增强现实显示器中的光的光学装置的方法，所述方法包括：设置波导；设置衍射光学元件，所述衍射光学元件被配置成将光耦合到所述波导中，其中，所述衍射光学元件包括结构化光栅...

【专利技术属性】
技术研发人员：格莱布，
申请(专利权)人：斯纳普公司，
类型：发明
国别省市：