用于补偿全视倾斜或卷绕/扫视倾斜对增强现实或虚拟现实显示器上呈现的图像的影响的装置和方法制造方法及图纸

公开了用于在增强现实或虚拟现实显示器中使用的光学装置，该光学装置包括波导(12；22；32)以及定位在该波导中或该波导上的输入衍射光学元件(H0；H3；34)，该输入衍射光学元件被配置成接收来自投影仪的光并且将光耦入波导中，使得光在全内反射下被捕获在波导内。输入衍射光学元件在波导的平面中具有输入光栅矢量(G0；G

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于补偿全视倾斜或卷绕/扫视倾斜对增强现实或虚拟现实显示器上呈现的图像的影响的装置和方法


[0001]本公开内容涉及适合在诸如增强现实显示器或虚拟现实显示器的显示器中使用的光学装置。这种光学装置通常包括波导以及用于将光耦入波导并耦出波导的衍射光学元件。虚拟现实显示器和增强现实显示器包括诸如眼镜的可穿戴装置、用于视频游戏的显示器、以及用于军事或运输应用的屏幕。

技术介绍

[0002]增强现实装置通常包括透明显示屏元件，该透明显示屏元件使用户能够感知显示在屏幕上的数据，同时也能够通过该显示元件同时观看真实世界。显示屏可以是玻璃波导，其接收来自将光引导至波导的表面的投影仪的数据。这样的显示屏可以作为用于近眼使用的一副眼镜来提供，或者这样的显示屏可以是例如通常用于机动车辆或飞机的平视显示器实施方案的一部分。来自投影仪的照明光通过输入衍射光栅耦入波导中。一旦光耦入波导中，光就会在波导内经历全内反射。当在波导内经历全内反射的光入射到输出衍射光栅上时，光的一部分被引导出波导朝向用户的眼睛。因此，投影仪可以提供增强用户对真实世界的观看的信息和/或图像。
[0003]在这种显示器中，投射光通常作为单个输入光瞳进入波导，其传播通过波导以产生多个出射光瞳，这些出射光瞳朝向用户的眼睛被耦出波导。出射光瞳是波导表面上的用于投射光的虚拟孔径，并且为了让用户看到投射光，用户的眼睛必须与出射光瞳对准。用户当通过显示屏观察真实世界时通常会使其眼睛移动以进行各种对准，并且不管用户正在看哪里，应期望增强现实分量在被称为可视区(eyebox)的显示器的限定范围内可观看。为了提供增强现实图像，不管可视区内用户的注视方向如何，通常提供出射光瞳扩展和复制，其中，多个出射光瞳在可视区内的不同点处朝向用户耦合。当用户使其眼睛移动时，眼睛变得与波导上不同点处的出射光瞳对准，并且增强现实分量保持可见。
[0004]WO 2016/020643中公开了用于在增强现实显示器中在二维上扩展输入光的光学装置。提供了用于将来自投影仪的输入光耦入波导的输入衍射光学元件。该光学装置还包括输出元件，该输出元件具有在波导中彼此叠加的两个衍射光学元件，使得两个衍射光学元件中的每一个可以接收来自输入衍射光学元件的光，并且将光朝向该对衍射光学元件中的另一衍射光学元件耦合，然后，该另一衍射光学元件可以充当将光朝向观看者耦出波导的输出衍射光学元件。在一个实施方式中，彼此叠加的两个衍射光学元件设置在光子晶体中。这是通过具有布置在波导内或波导表面上的支柱的阵列来实现的，所述支柱的阵列相对于周围的波导介质具有增加的折射率。WO 2016/020643中的支柱当在波导的平面中从观看者的角度观看时被描述为具有圆形截面形状。WO 2018/178626中描述了另一布置，在该布置中，光学结构当在波导的平面中被观看时具有不同的截面形状。
[0005]已经发现这些配置对于其中光可以在平行于波导法向矢量的方向上投射至波导中的布置是有效的。然而，对于实际装置，有时需要将光以不同的角度投射至波导中，而这
可能对提供给观看者的光引入问题和复杂性。
[0006]本专利技术的目的是提供可以用于更多种投影仪角度的光学装置。换言之，本专利技术的目的是增加光学装置可以被容纳在头戴式装置内的灵活性。

技术实现思路

[0007]根据本专利技术的一方面，提供了用于在增强现实或虚拟现实显示器中使用的光学装置，其包括：波导；定位在波导内或波导上的输入衍射光学元件，其被配置成接收来自投影仪的光并将光耦入波导中，使得光在全内反射下被捕获在波导内，其中，输入衍射光学元件在波导的平面中具有输入光栅矢量；第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，其在波导的平面中分别具有第一光栅矢量和第二光栅矢量，其中，第一衍射光学元件被配置成接收来自输入衍射光学元件的光并且将光耦合朝向第二衍射光学元件，并且其中，第二衍射光学元件被配置成接收来自第一衍射光学元件的光并且将光朝向观看者耦出波导，其中，输入光栅矢量、第一光栅矢量和第二光栅矢量具有不同的相应大小，并且其中，输入光栅矢量、第一光栅矢量和第二光栅矢量的矢量加法求和为零。
[0008]以该方式，矢量加法的图形表示类似于其中每条边具有不同的长度的不等边三角形。已经发现，这产生了光的不对称扩展，该不对称扩展可以补偿由投影仪相对于波导中或波导上的输入光栅之间的输入角度引入的不对称性。这可以有利地允许波导被结合到头戴式装置内，即使投影仪与波导之间存在会以其他方式引入不期望的光学效应的角度。具体地，这可以提高工业设计者将全视(pantoscopic)倾斜角或卷绕(wrap)倾斜角结合到增强现实头戴式装置或虚拟现实头戴式装置的能力。
[0009]在实施方式中，第一衍射光学元件和第二衍射光学元件可以在波导内或波导上彼此叠加。这有利地通过同时扩展波导内的光并且将光耦出波导而在波导上提供更紧凑的覆盖区。
[0010]该装置优选地包括包含多个光学结构的输出元件，其中，多个光学结构被布置在阵列中以提供第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，其中，第一衍射光学元件和第二衍射光学元件中的每一个被配置成接收来自输入衍射光学元件的光并且将光耦合朝向另一衍射光学元件，该另一衍射光学元件然后能够充当输出衍射光学元件，从而提供朝向观看者的耦出级。多个光学结构优选地在光子晶体中。光子晶体上折射率的规律变化可以产生创建第一衍射光学元件和第二衍射光学元件的阵列。
[0011]阵列可以包括多个单元格，其中，每个单元格是具有其中两对边具有不相等长度的四条边的平行四边形，并且其中，至少一个光学结构设置在每个单元格内。每个单元格内的光学结构可以具有包括形成闭合多边形的多个直边的形状。优选地，每个光学结构的直边中的至少一些平行于四边形单元格的边。阵列包括具有不相等大小的一对晶格矢量和也具有不相等绝对大小的一对光栅矢量。光栅矢量优选地在正交于晶格矢量的方向上定向。
[0012]每个光学结构可以具有由两个交叠的平行四边形形成的形状。该交叠的平行四边形优选地在几何上相似。这可以为光学结构创建有凹口的平行四边形形状。已经发现，该布置有利地减少了沿与光从输入衍射光学元件耦合朝向阵列的方向平行的中心条带朝向观看者耦出的光的量。因此，针对光学结构的形状的选择可以提高耦合至观看者的角度图像的均匀性。
[0013]每个光学结构可以具有包括弯曲边的形状。例如，光学结构可以是圆形或椭圆形的形状。光学结构还可以包括弯曲边和直边的组合。可以设想，在不损害本专利技术提供的有利效果的情况下，光学结构可以是任意的形状。
[0014]波导优选地具有两个主表面，两个主表面中的每一个具有法向矢量并且第一衍射光学元件和第二衍射光学元件在平行于相应法向矢量的方向上彼此分开。在另一种布置中，第一衍射光学元件和第二衍射光学元件沿垂直于相应法向矢量的轴线彼此分开。这可以提供在波导内或波导上彼此横向地分开的第一衍射光学元件和第二衍射光学元件。第一衍射光学元件和第二衍射光学元件可以设置在波导的同一主表面上或者设置在不同的相应主表面上。
[0015]光学装置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于在增强现实或虚拟现实显示器中使用的光学装置，包括：波导；被定位在所述波导内或所述波导上的输入衍射光学元件，其被配置成接收来自投影仪的光并且将所述来自投影仪的光耦入所述波导中，使得所述来自投影仪的光在全内反射下被捕获在所述波导内，其中，所述输入衍射光学元件在所述波导的平面中具有输入光栅矢量；第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件在所述波导的平面中分别具有第一光栅矢量和第二光栅矢量，其中，所述第一衍射光学元件被配置成接收来自所述输入衍射光学元件的光并且将所述来自所述输入衍射光学元件的光朝向所述第二衍射光学元件耦合，并且其中，所述第二衍射光学元件被配置成接收来自所述第一衍射光学元件的光并且将所述来自所述第一衍射光学元件的光朝向观看者耦出所述波导，其中，所述输入光栅矢量、所述第一光栅矢量和所述第二光栅矢量具有不同的相应大小，并且其中，所述输入光栅矢量、所述第一光栅矢量和所述第二光栅矢量的矢量加法求和为零。2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件在所述波导内或所述波导上彼此叠加。3.根据权利要求2所述的光学装置，还包括包含多个光学结构的输出元件，其中，所述多个光学结构被布置在阵列中以提供所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件，其中，所述第一衍射光学元件和所述第二衍射光学元件中的每一个被配置成接收来自所述输入衍射光学元件的光并且将所述来自所述输入衍射光学元件的光朝向另一衍射光学元件耦合，所述另一衍射光学元件然后能够充当输出衍射光学元件，从而提供朝向观看者的耦出级。4.根据权利要求3所述的光学装置，其中，所述阵列包括多个单元格，其中，每个单元格是具有不相等长度的边的平行四边形的形状，并且其中，至少一个光学结构设置在每个单元格内。5.根据权利要求4所述的光学装置，其中，每个单元格内的所述光学结构具有包括形成闭合多边形的多个直边的形状。6.根据权利要求5所述的光学装置，其中，每个光学结构的所述直边中的至少一些平行于所述平行四边形单元格的边。7.根据权利要求6所述的光学装置，其中，所述光学结构具有由两个交叠的平行四边形形成的形状。8.根据权利要求4所述的光学装置，其中，每个单元格内的所...

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