[发明专利]用于减少波导显示器中的彩虹的倾斜表面浮雕光栅

说明书

一种波导显示器包括具有两个相对表面的衬底、以及在衬底的两个相对表面的第一表面处的倾斜光栅。倾斜光栅包括多个脊，并且以一个方向上的光栅周期为特征。多个脊以相对于第一表面的表面法线的倾斜角倾斜，并且以高度为特征。多个脊的高度、光栅周期和倾斜角被配置成在由倾斜光栅衍射的环境光之间引起相消干涉。在一些实施例中，在多个脊的高度与光栅周期的整数倍除以倾斜角的正切之间的差小于阈值。

背景

人工现实系统(例如头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)系统)通常包括被配置为呈现描绘虚拟环境中的对象的人工图像的显示器。如在虚拟现实(VR)、增强现实(AR)或混合现实(MR)应用中一样，显示器可以显示虚拟对象或将现实对象与虚拟对象组合。例如，在AR系统中，用户可以通过例如透过透明显示器眼镜或透镜观看(通常称为光学透视(optical see-through))或者通过观看由照相机捕获的周围环境的显示图像(通常称为视频透视)，来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(CGI))和周围环境。

一个示例光学透视AR系统可以使用基于波导的光学显示器，其中投影图像的光可以耦合到波导(例如，衬底)中，在波导内传播，并且在不同位置处从波导耦合出去。在一些实施方式中，可以使用衍射光学元件(例如光栅)将光从波导耦合出去。光栅可以衍射投影图像的光和来自周围环境的光(例如，来自光源(例如灯)的光)。来自周围环境的衍射光对于AR系统的用户来说可能表现为幻影图像(ghost image)。此外，由于光栅的波长相关特性，不同颜色的幻影图像可能出现在不同的位置或角度。这些幻影图像可能会对使用人工现实系统的用户体验产生负面影响。

概述

本公开总体上涉及近眼显示系统，更具体地说，涉及具有减少的眩光(glare)或幻影图像的波导显示器。

在一些实施例中，波导显示器包括具有两个相对表面的衬底、以及在衬底的两个相对表面的第一表面处的倾斜光栅。倾斜光栅包括多个脊(ridge)，且以一个方向上的光栅周期为特征。多个脊以相对于第一表面的表面法线的倾斜角倾斜，并且以高度为特征。多个脊的高度、光栅周期和倾斜角被配置成在由倾斜光栅衍射的环境光之间引起相消干涉。在一些实施例中，在多个脊的高度与光栅周期的整数倍除以倾斜角的正切之间的差小于阈值。在一些实施例中，在多个脊的高度与光栅周期除以倾斜角的正切之间的差小于阈值。在一些实施例中，阈值等于或小于多个脊的高度的10％。在一些实施例中，倾斜角大于50度。在一些实施例中，倾斜光栅包括二维光栅。

在一些实施例中，波导显示器还包括在衬底的两个相对表面的第二表面上的抗反射涂层。在一些实施例中，波导显示器包括在倾斜光栅的表面上的抗反射涂层，该表面与衬底的两个相对表面的第一表面相对。在一些实施例中，波导显示器包括在与衬底的两个相对表面的第一表面相对的倾斜光栅的表面上的涂刷(over-coat)层。

在波导显示器的一些实施例中，倾斜光栅包括表面浮雕光栅(surface-reliefgrating)。在一些实施例中，衬底被配置成通过全内反射在两个相对表面反射显示光，并且倾斜光栅相对于衬底被布置成反射地衍射显示光并且透射地衍射来自波导显示器前面的环境的环境光。在一些实施例中，衬底被配置成通过全内反射在两个相对表面反射显示光，并且倾斜光栅相对于衬底被布置成透射地衍射显示光和来自波导显示器前面的环境的环境光。

在一些实施例中，光栅耦合器包括以光栅周期为特征的倾斜光栅。倾斜光栅包括多个倾斜脊。多个倾斜脊以高度和相对于倾斜光栅的表面法线的倾斜角为特征。在多个倾斜脊的高度与光栅周期的整数倍除以倾斜角的正切之间的差小于阈值。在一些实施例中，多个倾斜脊的高度等于光栅周期除以倾斜角的正切。在一些实施例中，光栅耦合器还包括倾斜光栅上的涂刷层，其中涂刷层填充多个倾斜脊之间的间隙，并且涂刷层的折射率不同于多个倾斜脊的折射率。

在一些实施例中，光学元件包括倾斜光栅，该倾斜光栅被配置成相消干涉由倾斜光栅衍射的环境光的至少一部分。