[发明专利]具有宽视场的波导显示系统

说明书

实施方案包括可包括在波导显示器中的光学系统。示例性光学系统包括具有第一透射衍射内耦合器(DG1)和第一衍射外耦合器(DG6)的第一波导以及具有第二透射衍射内耦合器(DG2)、反射衍射内耦合器(DG3)、第二衍射外耦合器(DG4)和第三衍射外耦合器(DG5)的第二波导。该第二透射衍射内耦合器(DG2)在输入区域中被布置在该第一透射衍射内耦合器(DG1)与该反射衍射内耦合器(DG3)之间。

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年3月23日提交的名称为“Waveguide Display System withWide Field of View”的欧洲专利申请第20315042.0号和2020年4月23日提交的名称为“Full-Color Waveguide Combiner”的欧洲专利申请第20315216.0号的优先权，所述两个专利申请据此全文以引用方式并入。

背景技术

本公开涉及光学器件和光子的领域，并且更具体地涉及包括至少一个衍射光栅的光学装置。它可以在可适形且可佩戴的光学器件的领域中(例如，AR/VR眼镜(增强现实/虚拟现实))以及包括显示器和/或轻质成像系统(包括平视显示器(HUD))的各种其他电子消费产品中获得应用，如例如在汽车工业中。

本部分意图向读者介绍本领域的各个方面，这些方面可与下文描述和/或要求保护的本公开的各种方面有关。此讨论被认为有助于向读者提供背景信息，以促进更好地理解本文所述的系统和方法的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应当从这个角度来解读，而不是承认现有技术。

AR/VR眼镜被视为是新一代人机界面。AR/VR眼镜(以及更一般的眼镜防护电子装置)的开发与许多挑战相关联，包括减少此类装置的尺寸和重量以及改进图像质量(就对比度、视场、颜色深度等而言)，该图像质量应足够真实，以实现真正的沉浸式用户体验。

光学的图像质量和物理尺寸之间的权衡促动研究超紧凑光学部件，该超紧凑光学部件可以用作更复杂的光学系统(诸如AR/VR眼镜)的构建块。期望此类光学部件易于制造和复制。

在此类AR/VR眼镜中，各种类型的折射和衍射透镜和波束形成部件用于将来自微型显示器或投影仪的光引导到人眼，从而允许形成与用肉眼看到的物理世界的图像叠加的(在有AR眼镜的情况下)或由相机捕捉(在有VR眼镜的情况下)的虚拟图像。

一些类型的AR/VR眼镜利用光学波导，其中光仅在有限的内角度范围内通过TIR(指代全内反射(Total Internal Reflection))传播到光学波导中。波导的FoV(指代视场(Field of View))取决于波导的材料以及其他因素。

波导的FoV可以表达为通过TIR传播到波导中的的最大跨度。在一些情况下，如图17所示，可以耦合到波导中的最大角跨度可以由两条光线表达：具有入射角的临界光线(图17中的)和具有入射角的掠射光线(图17中的)。该临界光线是刚好以由限定的临界角衍射到波导中的光线，其中n₂是波导材料的折射率，并且λ是入射光的波长。高于临界角发生全内反射(TIR)。掠射光线是具有输入角的光线，该光线以可以是的掠射入射衍射到波导中。上面呈现的波导的理论FoV是用于单个模式系统，其中一个单个衍射模式用于承载图像：+1或-1衍射模式。

基于光学波导的一些系统中的视场受到玻璃板的角度带宽的限制。如果我们将一种模式衍射到玻璃板中，则给出FoV，作为玻璃板材料的折射指数的函数。折射率为n₂的波导的FoV由下式给出：

图18示出了用于n₂的合理范围的图。对于n₂＝1.5，单模式系统的总视场更确切地说限于Δθ₁＝28.96度。可以看出，60度FoV是一些类型的波导的实用限制，因为使用折射率高于2.0的材料通常是不可行的。

通过利用波导内部的第二传播方向，可以进一步扩展光学波导的视场，使该视场加倍。