[实用新型]用于增强现实显示器的光学结构及增强现实显示器

说明书

公开了一种用于增强现实显示器的光学结构及增强现实显示器。彩色投影仪(2)以包括三原色(即，红色、绿色和蓝色)的窄光束发出图像。在所投影的光束的路径中设置有一对波导(4、6)。第一输入光栅(8)接收来自投影仪(2)的光并对接收到的光进行衍射，使得经衍射的光的第一原色波长和第二原色波长被耦合到第一波导(6)中，并且使得经衍射的光的第二原色波长和第三原色波长沿朝向第二波导4的方向被耦合出第一波导。第二输入衍射光栅(10)接收耦合出第一波导(6)的光并对第二原色和第三原色进行衍射，使得它们被耦合到第二波导(4)中。

技术领域

本实用新型涉及在全色的增强现实或虚拟现实显示器(例如，耳机或平视显示器)中使用的光学结构。特别地，本实用新型涉及一对波导，其具有使来自投影仪的三原色在两个波导之间分离的衍射光学元件。

背景技术

增强现实显示器使得用户能够看到他们的周围环境以及投影的图像。在军事或运输应用中，投影的图像可以被叠加在用户所感知的真实世界上。这些显示器的其他应用包括视频游戏和可穿戴设备(例如，眼镜)。相比之下，在虚拟现实显示器中，用户只能感知到投影的图像而来自他们的真实世界环境的光是被遮挡的。

在通常的增强现实装置中，在用户的前方设置有透明的显示屏以使他们仍旧能看到物理世界。显示屏通常是玻璃波导，并且在一侧设置有投影仪。来自投影仪的光被衍射光栅(输入光栅)耦合到波导中。投影的光在波导内被全内反射。然后，另一衍射光栅(输出光栅)将光耦合出波导以使其可以被用户看见。投影仪可以提供增强用户对物理世界的视角的信息和/或图像。

增强现实显示器领域中的一个挑战是提供全色图像。迄今为止，已经证明这很难不引入不期望的光学效应。在一种方法中，彩色光被分离为三个基本分量：红色、绿色和蓝色。然后，经由专用波导将每个基本分量朝向观看者分开地耦合。这需要三个波导的堆叠，而这对于某些应用来说可能会变得不期望地体积庞大。

WO 2011/131978描述了试图仅使用两个波导来提供全色图像的光学元件。根据该技术，为了提供全色观看，三原色分量在两个波导之间被分离并且被重新组合成朝向观看者提供的光。该技术需要使用具有小周期的衍射光栅，而这难以制造。

本实用新型的目的是提供一种可以使用更简单的制造原理来实现的、用于仅使用两个波导来提供全色图像的替选技术。

实用新型内容

根据本实用新型的一方面，提供了一种用于在增强现实显示器中使用的光学结构，该光学结构包括第一波导和第二波导，其中，第一波导包括：第一输入衍射光学元件，其被配置成接收来自投影仪的光并对接收到的光进行衍射，使得经衍射的光的第一原色波长和第二原色波长被耦合到第一波导中以在第一波导内被全内反射，并且使得经衍射的光的第二原色波长和第三原色波长沿朝向第二波导的方向耦合出第一波导；以及第一输出衍射光学元件，其被配置成接收并衍射第一波导内的全内反射光，以将该全内反射光朝向观看者耦合出第一波导；其中，第二波导包括：第二输入衍射光学元件，其被配置成接收被第一输入衍射光学元件耦合出第一波导的衍射光，并且对接收到的光进行衍射，使得经衍射的光的第二原色波长和第三原色波长被耦合到第二波导中以在第二波导内被全内反射；以及第二输出衍射光学元件，其被配置成接收并衍射第二波导内的全内反射光，以将该全内反射光朝向观看者耦合出第二波导。

在这种布置中，第一输入衍射光学元件和第二输入衍射光学元件相对于由投影仪朝向第一波导耦合的光的输入方向彼此横向错开。以这种方式，可以在无需首先与第二输入衍射光学结构相互作用的情况下将光投射到第一输入衍射光学元件上。

本实用新型提供了用于将三原色耦合到两个堆叠的波导中的技术。不寻常的是，本技术将已经被第一波导上的输入衍射光学元件衍射的光耦合到第二波导中。这可以有利地降低第二输入衍射光学元件的制造复杂度。