[发明专利]具有圆筒状波导的光学系统

说明书

一种光学系统，包括：圆筒状波导，该圆筒状波导具有限定共同圆筒轴线的同心的内侧表面和外侧表面；以及输入光学器件，该输入光学器件被布置成接收来自图像源的光并使光进入圆筒状波导，使得在每个入射点处，源自图像源的同一像素的所有光线以相对于表面法线的相同角度和相对于与圆筒轴线正交的平面的相同角度入射在圆筒状波导的表面上，从而耦入光在沿着圆筒状波导传播时保持其方向角。可以使用该光学系统来提供可以形成头戴式显示器的一部分的光学显示设备。

技术领域

本公开涉及一种光学系统，该光学系统可以形成光学显示设备(例如头戴式显示器)的一部分。

背景技术

在增强现实领域，使用透明组合器将虚拟图像以叠加在真实世界上的方式显示给用户，该透明组合器将来自投影仪的图像重定向到用户的眼睛。当前的解决方案通常使用由玻璃或塑料衬底制成的平坦或平面透明波导，其中光经由衍射光栅(或类似物)耦入(in-coupled)到波导，并且穿过波导内部(通过全内反射)到达类似的耦出器(out-coupler)，光在耦出器处耦出到用户的眼睛。在该领域中，波导的厚度通常为几毫米，它们也被称为“光导”。

参照图1，其示出了包括平面波导的这种光学系统的示意图。该光学系统包括：对象显示器(图像源)10；准直透镜20；平面波导30；耦入器(in-coupler)40(例如，光栅)；和耦出器50。图示出了来自对象显示器10上的一个点的光线60。这些光垂直于波导的表面入射。还图示出了单条光线70通过波导30并经由耦出器50到达用户眼睛80的路径。波导30的厚度在几毫米的数量级，耦入器40和耦出器50之间的间隔在厘米的数量级，耦入器40的光栅的侧向周期(lateral period)在几分之一微米的数量级。

在这种典型的平面波导设计中，对象显示器10由准直透镜20在该透镜20的焦距处成像。这在水平和竖向(切线和弧矢)平面均上校准了图像承载光。

准直光通过耦入器40耦合到波导中，耦入器40可以是线性衍射光栅或全息光栅(其他选项包括折射型光学器件，诸如棱镜)。其将光以大于临界角的角度衍射到玻璃或塑料波导或衬底30中。

在本文考虑的设计中，衍射光栅、全息光栅、全息图、表面全息图、浮雕全息图、光刻产生的光栅、体光栅或倾斜光栅可以互换使用和互换操作使用。出于光线追踪的目的，重要的是光栅k矢量或动量矢量的光栅周期的侧向分量。特定的材料选择、生产方式和横截面可能会影响衍射效率、衍射级、机械柔性和波长带宽，但不影响像差和分辨率。当线性光栅接收准直光时，线性光栅衍射但保持该准直，即来自给定像素的所有光线改变方向但保持相互平行。

当光照射到波导的外侧表面时，由于全内反射(TIR)，光反射回内部。这些角度由波导的折射率n决定。典型值为n＝1.5，临界角为42度，并且相对于法线的引导角(guidingangle)可能为60到70度。折射率较高的玻璃由于临界角较小而将允许更大的视野(FOV)。

这种方法的一个优点是来自给定像素的所有光线均以相同的角度在平坦波导内传播。因此，允许光线在波导内部重叠或交换(swap)，而不会引起重影或鬼影的问题。

这可能是实现波导主要功能的关键：光瞳复制(pupil replication)。在增强现实(AR)领域，非常期望的是更小的光学器件。这意味着使用小型投影仪。小的投影仪产生小的光瞳(本质上是来自同一像素的光线束)，例如，可以通过查看普通双目显微镜的小光瞳(目镜上方漂浮的小亮点)来识别。

耦出器50(波导输出光栅)可以通过以小于100％的衍射效率(称为分数衍射效率)部分提取光来复制光瞳。例如，10％的衍射效率将提取10％的光，并让剩余的90％进一步传播。该过程将在传播的光与输出光栅50下一次相遇时重复。更先进的可变衍射效率光栅(variable diffraction efficiency grating)有助于平衡不同光瞳复制之间的光强。