成像波导制造技术

光波导组合器，包括光波导基板和光输入区域

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】成像波导
[0001]相关申请数据
[0002]本申请要求于
2021
年4月
12
日提交的美国临时专利申请序列第
63/174,000
号以及
2021
年4月
13
日提交的美国临时专利申请序列第
63/174,385
号的优先权的权益，上述美国临时专利申请的内容并入本文，如同明确阐述一样
。


[0003]本专利技术涉及成像波导，并且更具体地但非排他地涉及用于增强现实设备或混合现实设备的包括衍射光栅区域的成像光波导组合器
。

技术介绍

[0004]用于增强现实设备
(
例如基于近眼的增强现实
(AR)
设备
)
和混合现实
(MR)
设备
(
例如混合现实智能眼镜应用
)
的成像波导已经开发了至少二十年，并且在此期间进行持续的改进
。
许多改进集中于在光学性能以及佩戴者的舒适度两者方面增强功能
。
已经投入了大量努力来减小近眼设备的形状因子，使得近眼设备在外观上变得更类似于常规眼科眼镜，同时被制造得更轻，并且因此更易于长时间使用
。
附图说明
[0005]为了可以更容易地理解本技术，现在将参照附图，在附图中：
[0006]图1示出了当投影仪模块接通时即投影仪模块投影图像承载光时现有技术的典型波导设备的截面图
。
[0007]图2描绘了当投影仪模块关断时由旁观者观看的现有技术的波导设备的立体图
。
[0008]图3描绘了当投影仪模块关断时由旁观者观看的根据一些实施方式的波导设备的立体图
。
[0009]图4描绘了根据一些实施方式的从诸如图3的波导设备的波导设备上方观察的示例性平面图，其指示了波导的不同区域
。
[0010]图5表示根据一些实施方式的表面图案的单元格元素
。
[0011]图6描绘了图4的波导表面在该表面上的不同位置处的光反射率的曲线图
。
[0012]图7示出了根据一些实施方式的波导设备在投影仪模块接通时即投影仪模块投影图像承载光时的横截面图
。
[0013]图8示出了根据一些实施方式的波导设备在投影仪模块关断时即投影仪模块不投影图像承载光时的横截面图
。
[0014]图9示出了根据一个方面的在眼镜中实现的光波导组合器
。
[0015]除非特别指出，否则本说明书中所参照的附图应当理解为不是按比例绘制的，以便更清楚地示出本公开内容的细节
。
在附图中相同的附图标记在若干视图中指示相同的元件
。
本公开内容的其他特征和优点将从附图和下面的详细描述中变得明显
。
具体实施方式
[0016]在以下描述中，为了解释而非限制的目的，阐述了具体细节，例如特定实施方式
、
过程
、
技术等，以便提供对本专利技术的透彻理解
。
然而，对于本领域技术人员来说将明显的是，本专利技术可以在脱离这些具体细节的其他实施方式中实施
。
[0017]波导设计的一个受到较少关注的方面涉及：形成波导的有效图像承载区域的衍射元件对旁观者的可见外观
。
本公开内容描述了改进波导的美学外观的结构和特征，所述波导用于旁观者的
AR
或
MR
智能眼镜以及用于诸如汽车或其他车辆中的平视显示器系统的其他类型的
AR
和
MR
设备
。
[0018]波导组合器的表面的可见反射率的均匀性的改善向旁观者掩饰了衍射表面浮雕光栅区域的存在
。
[0019]光波导组合器的对象侧在本文中被定义为是指组合器的与真实世界对象相同的侧，该真实世界对象可以由光波导组合器的用户通过该光组合器观看
。
光波导组合器的眼睛侧在这里被定义为是指组合器的与组合器的眼动箱相同的一侧
。
[0020]图1示出了增强现实
(AR)
或混合现实
(MR)
透视显示器的工作原理
。
首先由投影仪模块1生成投影的图像
。
所得到的图像承载光2经由输入区域4耦合到透明波导基板3中，然后在所述波导基板内全内反射，并且最后经由输出区域5朝向用户的眼睛6耦出所述波导基板
。
同时，用户经由朝向用户的眼睛6透射穿过透明波导基板3的相关的一组光线8来感知用户的周围环境
7。
[0021]图2描绘了用于在智能眼镜配置中对信息进行增强现实
(AR)
或混合现实
(MR)
显示的现有技术波导组合器
10
的立体图
。
波导组合器
10
具有输入区域
11、
输出区域
12
和其中聚合物层
13
具有平滑表面轮廓的区域
。
透明波导基板
10A
由平面玻璃片形成，其具有高度的表面平坦度和均匀的厚度以及限定的折射率
。
波导组合器
10
的一个主表面涂覆有折射率匹配的聚合物层
13
，而另一个主表面覆盖有抗反射涂层
。
输入区域
11
和输出区域
12
通过纳米压印光刻工艺被压印到聚合物层
13
中
。
因此，输入区域
11
和输出区域
12
是衍射表面浮雕光栅：输入区域
11
呈现线性或伪线性光栅
(
如输入区域
11
的放大图
16
所示
)
，而输出区域
12
是交叉光栅
(
如输出区域
12
的放大图
17
所示
)。
输入区域
11
被设计成将被导向它的图像承载光
(
来自投影仪模块
15)
衍射到波导组合器
10
中
。
耦合到透明波导基板
10A
中的图像承载光通过全内反射被导向输出区域
12
，通过该输出区域，佩戴眼镜
、
头戴式装置或其他头戴式或近眼式设备
(
其将波导定位在眼睛
14
的前方
)
的人能够感知由图像承载光携带的图像
。
共同拥有的申请
US
专利申请公开
2020/0110261(
其内容通过引用并入本文
)
将这样的波导组合器...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
一种光波导组合器，包括：光波导基板；光输入区域，其中，所述光输入区域包括集成在所述光波导基板中或设置在所述光波导基板上的光输入衍射光栅；光输出区域，其中，所述光输出区域包括集成在所述光波导基板中或设置在所述光波导基板上的光输出衍射光栅；以及至少一个非衍射区域，其中，所述至少一个非衍射区域包括至少一个纳米结构的光学非衍射阵列，其中，所述至少一个纳米结构的光学非衍射阵列集成在所述光波导基板的对象侧中或设置在所述光波导基板的对象侧上，并且至少部分地围绕至少所述光输出衍射光栅，其中，所述至少一个纳米结构的光学非衍射阵列的外部可见反射率基本等于所述光输出衍射光栅的外部可见反射率
。2.
根据权利要求1所述的光波导组合器，其中，能够从所述光输入区域传播到所述光输出区域的图像承载光在所述光波导基板内的全内反射基本不受所述至少一个纳米结构的光学非衍射阵列的影响
。3.
根据权利要求1或2所述的光波导组合器，其中，所述至少一个纳米结构的光学非衍射阵列的折射率与所述光波导基板的折射率基本匹配
。4.
根据权利要求1所述的光波导组合器，其中，所述至少一个纳米结构的光学非衍射阵列完全包围所述光输出衍射光栅和
/
或所述光输入衍射光栅；并且其中，所述至少一个纳米结构的光学非衍射阵列的外部可见反射率基本等于至少所述光输出衍射光栅的外部可见反射率和
/
或所述光输入衍射光栅的外部可见反射率
。5.
根据任何权利要求1所述的光波导组合器，其中，所述光波导基板包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；其中，当使用时，所述第一侧是所述光波导组合器的眼睛侧，并且所述第二侧是所述光波导组合器的对象侧，并且其中，向所述光波导基板的所述第二侧施加涂层，其中，所述至少一个光输入区域包括在所述涂层中图案化的线性表面浮雕光栅；其中，所述至少一个光输出区域包括在所述涂层中图案化的表面浮雕光栅；并且其中，所述非衍射区域包括使用所述至少一个纳米结构的非衍射阵列图案化的所述涂层的附加区域并且围绕所述光输入区域和
/
或所述光输出区域
。6.
根据权利要求5所述的光波导组合器，其中，所述涂层具有与所述波导基板基本相同的折射率
。7.
一种用于增强现实
(AR)
或混合现实
(MR)
设备的成像波导，包括：具有第一主表面和第二主表面的波导，以及施加在所述波导的所述第一主表面上的抗反射涂层；以及施加在所述波导的所述第二主表面上的涂层，其中，所述涂层具有与所述波导基本相同的折射率，并且包括使用线性表面浮雕光栅图案化的第一区域和使用二维表面浮雕光栅图案化的第二区域；其中，所述涂层还包括使用纳米结构的非衍射阵列图案化的附加区域，所述附加区域跨所述波导的所述表面围绕所述第一区域和所述第二区域设置，其中，所述附加区域被构造成表现出与使用衍射表面浮雕光栅图案化的所述区域的外部可见反射率基本相同的外
部可见反射率，同时对经由所述第一线性表面浮雕光栅引入并且经由所述二维表面浮雕光栅引导出所述波导的图像承载光的全内反射具有最小影响
。8.
根据权利要求7所述的波导，其中，利用纳米结构的非衍射阵列图案化的所述附加区域包括单元纳米结构的非衍射阵列
。9.
根据权利要求8所述的波导，其中，所述单元纳米结构的非衍射阵列中的每一个具有至少
50nm、
至少
75nm、
至少
100nm、
至少
125nm、
至少
150nm、
至少
175nm、
至少
200nm
的外边缘尺寸
。10.
根据权利要求8所述的波导，其中，所述单元纳米结构的非衍射阵列中的每一个具有至少
15nm、
至少
25nm、
至少
50nm、
至少
75nm、
至少
100nm
的内部特征直径
。11.
根据权利要求8所述的波导，其中，所述纳米结构的非衍射阵列中的每一个具有深度为至少
15nm、
至少
25nm、
至少
50nm、
至少
75nm、
至少
100nm
的内部特征
。12.
根据权利要求8所述的波导，其中，所述单元纳米结构的非衍射阵列中的每一个具有
100nm
的示例性外边缘尺寸；以及具有
58nm
的横截面尺寸和
55nm
的深度的内部特征
。13.
根据权利要求8所述的波导，其中，所述涂层具有与所述波导的折射率相比不同的折射率
。14.
根据权利要求8所述的波导，还包括至少一个纳米结构的第二非衍射阵列，所述至少一个纳米结构的第二非衍射阵列具有与使用纳米结构的非衍射阵列图案化的所述附加区域的可见反射率不同的可见反射率；所述至少一个纳米结构的第二非衍射阵列限定了在所述波导的对象侧可见的预定义图案
。15.
根据权利要求
14
所述的波导，其中，所述至少一个纳米结构的第二非衍射阵列与使...

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