[发明专利]用于增强现实或虚拟现实显示器的波导

说明书

提供了用于增强现实或虚拟现实显示器的波导(60)，并且波导(60)包括：在光子晶体(30；50；70；80)中或上的多个光学结构，其中，所述多个光学结构被布置成阵列以提供在波导(60)中彼此交叠的两个衍射光学元件(H1，H2)，其中，两个衍射光学元件(H1，H2)中的每一个被配置成接收来自输入方向的光并且将光朝向另一个衍射光学元件耦合，该另一个衍射光学元件然后可以用作输出衍射光学元件(20)，提供朝向观看者的耦出级；其中，所述多个光学结构在阵列中的不同位置处具有关于与波导(60)的平面平行的横截面的不同的相应横截面形状，以便在阵列中的不同位置处提供不同的衍射效率，其中，所述多个光学结构的横截面形状的至少一个特性在与输入方向平行的第一轴的方向上是可变的；其中，所述至少一个特性与关于与波导的平面平行的横截面的光学结构的横截面面积有关。

技术领域

本发明涉及用于增强现实或虚拟现实显示器的波导。特别地，本发明涉及如下波导，在所述波导中，输入光在输出元件中在两个正交方向上扩展并且朝向观看者从波导耦出。这可以允许在增强现实显示器中眼动范围的物理扩展。

背景技术

增强现实显示器允许用户观看其周围环境以及投影的图像。在军事应用或运输应用中，投影的图像可以被交叠在由用户感知的真实世界上。这些显示器的其他应用包括视频游戏和诸如眼镜的可穿戴装置。

在正常的增强现实设置中，在用户的前面设置透明显示屏，使得用户可以继续看到物理世界。显示屏通常是玻璃波导，并且在一侧设置投影仪。来自投影仪的光通过衍射光栅耦入到波导中。投影的光在波导内全内反射。然后，光通过另一个衍射光栅从波导耦出，使得用户可以观看到光。投影仪可以提供对用户对物理世界的观看进行增强的信息和/或图像。

在WO 2018/178626中公开了一种用于在增强现实显示器中在两个维度中扩展输入光的光学装置。输入衍射光学元件被设置用于将来自投影仪的输入光耦入到波导中。该光学装置还包括输出元件，该输出元件具有在波导中彼此交叠的两个衍射光学元件，使得两个衍射光学元件中的每一个可以接收来自输入衍射光学元件的光并且将光朝向该对中的另一个衍射光学元件耦合，该另一个衍射光学元件然后可以用作输出衍射光学元件，该输出衍射光学元件将光朝向观看者从波导耦出。在光子晶体中设置彼此交叠的两个衍射光学元件。这通过以下来实现：使柱状物的阵列布置在波导内或布置在波导的表面上，柱状物的阵列相对于周围的波导介质具有增加的折射率。WO 2018/178626中的柱状物被描述为具有多个基本上直边，所述多个基本上直的边当从观看者的角度在波导的平面中被观看时在不同角度处具有相应的法向矢量。已经发现该布置在同步地在两个维度中扩展光以及将光从波导耦出方面非常有效。有利地，这可以改善波导上空间的使用，这可以降低制造成本。还发现该布置在减轻输出图像中存在具有比其他部分更高的相对亮度的中心带方面是有效的。

因为已经观察到输出图像中的亮度梯度，所以已知波导存在问题。对用户而言，这种亮度梯度是不期望的，并且本发明的目的是克服和减轻这个问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了用于增强现实或虚拟现实显示器的波导，波导包括：在光子晶体中的多个光学结构；其中，所述多个光学结构被布置成阵列以提供在波导中或在波导上彼此交叠的两个衍射光学元件，其中，两个衍射光学元件中的每一个被配置成接收来自输入方向的光并且将光朝向另一个衍射光学元件耦合，另一个衍射光学元件然后可以用作输出衍射光学元件，提供朝向观看者的耦出级；其中，所述多个光学结构在所述阵列中的不同位置处具有关于与波导的平面平行的横截面的不同的相应横截面形状，以便在阵列中的不同位置处提供不同的衍射效率，其中，所述多个光学结构的横截面形状的至少一个特性在与输入方向平行的第一轴的方向上是可变的；其中，所述至少一个特性与关于与波导的平面平行的横截面的光学结构的横截面面积有关。