[发明专利]用于增强现实系统的基于波导的光学系统和方法

说明书

一种增强现实光学系统，包括波导结构，该波导结构包括由基板支持的波导层。输入光栅和输出光栅位于波导层内并且横向间隔开。使来自显示器的输入光入射到输入光栅上。输入光耦合到波导层中并且作为多个导模在波导层中行进到输出光栅。输入光栅和输出光栅提供相位匹配，使得由输出光栅沿输出光栅连续地将导模耦合出波导层，以形成输出光。同时，来自场景的光垂直地传输通过输出光栅，使得输出光和来自场景的光由用户的眼睛进行组合以形成增强现实图像。

本申请根据35U.S.C.§119要求于2017年10月13日提交的美国临时申请序列No.62/572,109的优先权权益，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及增强现实(AR)系统，并且更具体地涉及用于AR系统的基于波导的光学系统和方法。

背景技术

AR系统用于将虚拟对象添加到用户正在观察的真实视觉场景中。AR系统的示例类型是可穿戴的，并且利用用户佩戴的眼镜、眼罩或头盔的形式的护目镜(eyewear)，并且有时被称为头戴式显示器(HMD)系统。AR系统通常包括光学系统，该光学系统被配置为允许观看对象或场景，同时还向实际对象或直接观看的场景添加增强对象。

AR系统通常执行五个主要功能。第一是将增强对象放置在远离用户眼睛的地方。第二是将增强对象变换成缩放(scale)不变和移位(shift)不变的形式。第三是在用户眼前移位变换后的增强对象，同时允许来自真实场景的光线不受干扰地通过。第四是对变换和移位后的增强对象进行缩放，以使用户眼前的眼盒(eye box)最大化。第五是将来自真实场景和经过变换、移位和缩放的增强对象两者的光线结合起来，并且允许用户眼睛形成增强场景的真实图像。

已经提出了几种用于AR系统的不同光学系统设计，包括那些采用一种或多种类型的光学元件(诸如分束器、离轴透镜、镜子(包括微镜)、光导、衍射光学元件(DOE)和全息光学元件(HOE))的各种组合的设计。

光导的使用是有利的，因为它们可以提供对AR护目镜特别有用的紧凑的设计。然而，迄今为止使用的光导往往相对较厚，即，它们是由几何光学原理而不是由波导的电磁理论来描述的。由此，它们具有相对有限(窄)的视场(例如，在30°到50°范围内)，并且必须按照非常严格的几何公差(例如，微米级)制造，以便输出的光提供高质量的图像。此外，由于光作为光线而不是作为真正的导波穿过光导，因此光从光导的的输出耦合在光导的输出区域上是离散的而不是连续的。

发明内容

本文公开了用于在AR系统中使用以形成用户正在观看的对象或场景的增强图像的一种AR光学系统。该AR光学系统包括波导结构，该波导结构包括由基板支持的波导层。输入光栅和输出光栅位于波导层内并且横向间隔开。使来自显示器的输入光入射到输入光栅上。输入光耦合到波导层中并且作为多个导模在波导层中行进到输出光栅。输入光栅和输出光栅提供相位匹配，使得由输出光栅沿输出光栅连续地将导模耦合出波导层，以形成输出光。同时，来自场景的光垂直地传输通过输出光栅，使得输出光和来自场景的光由用户的眼睛进行组合以形成增强现实图像。

本公开的一个方面是用于在操作波长处在增强现实系统中使用的增强现实光学系统。该系统包括：具有在操作波长处的折射率n_S、顶表面和底表面的基板；输入光栅和输出光栅，各自形成在基板的顶表面中或顶表面上，并且彼此横向间隔开；波导层，具有主体、顶表面、底表面以及厚度1μm≤THG≤100μm，其中波导层的底表面被支持在基板的顶表面上，使得输入光栅和输出光栅延伸到波导层中，并且其中波导层在操作波长处具有折射率n_G≥n_S并且支持多个导模；并且其中输入光栅和输出光栅提供相位匹配，使得入射到输入光栅上的输入光耦合到波导层中并且以导模行进到输出光栅，并且由输出光栅耦合出波导层作为输出光。