出射光瞳扩展器

技术领域

本发明的实施方式总体上涉及一种出射光瞳扩展器(Exit Pupil Expander，EPE)，例如用于光波导布置，诸如用于基于波导的显示器。

背景技术

一般来说，需要提供与出射光瞳扩展器(EPE)有关的改进。光线通常干涉EPE光栅，并因此导致耦合出的图像的非均匀性。因此，有必要减少由干涉EPE光栅的光线引起的干涉。

例如，US2018/0052501A1讨论了在正交光瞳扩展器(Orthogonal PupilExpander,OPE)中呈现由均匀光栅引起的波干涉的EPE。例如，通过在不同位置改变光栅参数或材料等，可以减少波干涉，并且可以增加输出图像的亮度均匀性。

然而，这种解决方案不能在不改变光栅的振幅响应的情况下独立地调谐衍射光线的相位。也就是说，考虑到US2018/0052501A1，需要提供更多的自由度来修改光波导的操作。改变光栅条的宽度、高度和/或填充因子也不会提供所需的效果。因此，需要提供一种改进的EPE光栅，例如用于光波导布置。

发明内容

根据一些方面，提供了独立权利要求的主题。在从属权利要求中定义了一些实施方式。

根据本发明的第一方面，提供一种出射光瞳扩展器(EPE)光栅，其被分成至少两个片段，其中，所述EPE光栅包括第一片段中的多个光栅条和第二片段中的多个光栅条，所述第一片段的所述多个光栅条被定向到与所述第二片段的所述多个光栅条大致相同的方向，并且在与所述光栅条的方向垂直的方向上未对准。

第一方面的实施方式可包括来自以下项目列表的至少一个特征或以下特征的任意组合：

·所述第一片段的所述多个光栅条和所述第二片段的所述多个光栅条未对准，以使沿着所述EPE光栅中的不同路径传播的光线经历不同的相移；

·所述第二片段中的所述多个光栅条中的每一个与所述第一片段中的对应光栅条相比，在与所述光栅条的方向垂直的方向上偏移一定距离；

·所述第一片段的第一光栅条是所述第二片段的第一光栅条的对应光栅条，并且所述第一片段的第二光栅条是所述第二片段的第二光栅条的对应光栅条；

·所述距离小于所述EPE光栅的周期；

·所述第二片段中的该多个条中的每一个在横向上从所述第一片段中的对应光栅条偏移所述距离；

·所述第二片段中的该多个条中的每一个在垂直方向上从所述第一片段中的对应光栅条偏移所述距离；

·所述EPE光栅是双周期光栅；

·所述EPE光栅的所述第一片段被布置为引起对在所述第一片段中偏转的光线的第一相移，并且所述EPE光栅的所述第二片段被布置为引起对在所述第二片段中偏转的光线的第二相移；

·所述第一相移与所述第二相移不同；

·在所述第一片段中偏转的所述光线的振幅与在所述第二片段中偏转的所述光线的振幅相同；

·对于被引导到所述EPE光栅的光线，所述第二片段在所述第一片段之后；

·所述EPE光栅还包括在第三片段中的多个光栅条，并且所述第三片段中的该多个条中的每一个在与所述光栅条的方向垂直的方向上从该第一片段中的对应光栅条偏移一定距离；

·所述第一片段的后续光栅条之间的距离与所述第二片段的后续光栅条之间的距离相同；

·所述EPE光栅被布置成将来自所述EPE光栅的光传播和耦合出，并且优选地还被布置成作为内耦合器操作；

·所述EPE光栅被布置为保持通过所述EPE光栅中的不同路径传播的光线的振幅不变。

根据本发明的第二方面，提供一种用于显示图像的光波导布置，包括：光波导管；耦入光栅，用于将所述图像衍射地耦合到所述光波导管；耦出光栅，用于将所述图像衍射地耦合到所述光波导管；以及前述权利要求中任一项所述的EPE光栅，其中所述EPE光栅位于所述耦入光栅与所述耦出光栅之间以用于在所述耦出光栅上扩展所述图像的所述出射光瞳。

根据本发明的第三方面，提供一种包括第二方面的光波导布置的个人显示装置，所述个人显示装置是头戴式显示器(head-mounted display，HMD)或平视显示器(head-updisplay，HUD)。

附图说明

图1示出根据本发明的至少一些实施方式的示例性系统；

图2a示出根据本发明的至少一些实施方式的光波导布置的示例；

图2b示出根据本发明的至少一些实施方式的耦入光栅、出射光瞳扩展器和耦出光栅的示例；

图3示出根据本发明的至少一些实施方式的出射光瞳扩展器的示例；

图4示出了根据本发明的至少一些实施方式的偏移光栅条的第一示例；

图5a和5b示出根据本发明的至少一些实施方式的偏移光栅条的第二示例；

图6示出了根据本发明的至少一些实施方式的相移的示例；

图7a和7b示出根据本发明的至少一些实施方式的偏移二维光栅条的示例；

图8示出根据本发明的至少一些实施方式的不同片段中的移动距离的示例性分布。

具体实施方式

本发明的实施方式涉及例如用于光波导布置的出射光瞳扩展器(EPE)光栅。更具体地，本发明的实施方式提供一种EPE光栅，其减少了由干涉EPE光栅的光线引起的干涉效应。根据本发明的实施方式，EPE光栅被分成具有不同相移的至少两个片段。所述至少两个片段中的每一个可以包括多个光栅条，并且每个片段的光栅条可以被布置为当光线沿着通过片段的不同路径传播时，引起不同的相移，诸如根据罗曼(Lohmann)的迂回相位原理(detour-phase principle)控制的不同相移。因此，EPE光栅可以被布置成将沿着不同路径传播的光线的振幅保持为相同，即不改变，以提供用于修改光波导的操作的更多自由度。例如，可以减少由干涉EPE光栅的光线引起的干涉。

EPE光栅可以包括第一片段中的多个光栅条和第二片段中的多个光栅条，其中第一片段的所述多个光栅条与第二片段的所述多个光栅条相比未对准。也就是说，第一片段和第二片段的光栅条可以不是同轴的，并且第二片段中的多个条中的每一个可以在与所述光栅条的方向垂直的方向上从第一片段中的对应光栅条偏移一定距离。也就是说，偏移可以指一个光栅条与对应的光栅条不对准的距离。

图1示出根据本发明的至少一些实施方式的示例系统。该系统可以包括至少一个光源140。例如，至少一个光源140可以包括激光或发光二极管(Light-Emitting Diode,LED)、光源，其中激光源具有比LED更严格地单色的优点。本发明的实施方式不限于任何特定光源，并且可以使用多于一种类型的光源140来实现。可以将至少一个光源140与可选的反射镜130一起布置成在角空间中产生光场，该光场可用于使基于波导的显示器生成其图像。

可以在光场中对图像进行编码。光场在图1中示意性地示出为场100。在一些实施方式中，物理主显示器可以显示光场100的图像，而在其他实施方式中，系统可以不包括物理主显示器，并且图像仅被编码在分布在角空间中的光场100中。来自光场100的光线104或光信号可以直接或通过使用包括例如反射镜和/或透镜的光导管102传送到光波导管110，以生成基于波导的显示器。光导管102在根据特定实施方式的细节的意义上是可选的，它们可以不存在。换句话说，在所有实施方式中不存在光导管102。

在波导管110中，光线104可以通过在光波导管内重复反射而前进，并且与元件112a相互作用，直到其与元件112相互作用，元件112使光线104从波导管110偏转到空气，作为产生光线114的图像朝向眼睛120。例如，元件112和112a可以包括半透半反镜、表面浮雕光栅或其他衍射结构。元件112a可以被布置成例如在波导管110内传播光线104，使得正确地生成波导显示器的图像。来自光场100的不同角度方面的光将与元件112相互作用，使得光线114将在眼睛120的视网膜上产生光场100中编码的图像。

然后，元件112可以使光线104在出射位置离开波导管110。结果，用户将在其眼睛120前方感知光场100中编码的图像。由于波导管110可以至少部分地是透明的，因此例如在基于波导的显示器是头戴式显示器的情况下，用户还可以通过波导管110有利地看到他的现实生活环境。由于元件112a和112的作用，光在多个元件112处以多个角度从波导管110释放。在基于波导的显示器中，可以存在多个波导管110，其传送模拟眼睛120前方的不同表观深度的光，以及可选地，为了图示清楚起见未在图1中示出的用户的另一只眼睛。

特别地，本发明的实施方式涉及出射光瞳扩展器(EPE)，例如用于光波导布置，用于诸如基于光导的衍射显示器，包括例如耦入光栅、EPE光栅和耦出光栅。光波导管能够传输光频率光。光频率或可见光频率是指波长在大约400到700纳米之间的光。可以在显示器中采用光波导管，其中可以使用一个或多个波导管将来自光场的光传送到合适的位置以用于释放用户的一个眼睛或两个眼睛。

本发明的实施方式可以例如用在利用衍射光栅的头戴式显示器(HMD)和平视显示器(HUD)中。HMD和HUD可以使用光波导技术来实现，例如用于增强现实或虚拟现实类型的应用。在增强现实中，用户看到真实世界的视图并在其上叠加补充指示。在虚拟现实中，用户被剥夺了他对真实世界的视野，而是提供了对软件定义的场景的视野。通常，需要提供与EPE光栅相关的改进，例如用于光波导布置。

图2a示出根据本发明的至少一些实施方式的光波导布置的示例。光波导布置200可以包括光波导管110、耦入光栅202、耦出光栅204和EPE光栅206。在图2的示例中，可以使用光波导布置200的耦入光栅202与耦出光栅204之间的EPE光栅206来扩展光波导布置200的出射光瞳。

如图2a所示，例如来自图1的光源140(诸如投影仪)的光线104可以被引导到耦入光栅202。耦入光栅202可以被布置为将光线104引导到光波导管110中。也就是说，耦入区域202可以将图像衍射地耦合到光波导管110中。如图2a中所示，在一些实施方式中，例如，耦入光栅202可以在光波导管110的表面上。然而，在一些实施方式中，光波导管110可以在其中包括耦入光栅202。类似地，光波导管110可以包括耦出光栅204和/或EPE光栅206，或者耦入光栅202和/或EPE光栅206可以在光波导管110的表面上。

光线104可以经由波导管内的内部反射经由EPE光栅206朝向耦出光栅204传播，以横向延伸显示器的可视区域。在一些示例实施方式中，EPE光栅206因此可以在耦入光栅202与耦出光栅204之间沿着光线104的路径，以扩展耦出光栅204上的图像的出射光瞳。此外，耦出光栅204可以经由光线114将图像从光波导管110朝向眼睛120衍射地耦合出。

图2a示出包括耦入光栅202、耦出光栅204和EPE光栅206的示例。然而，在一些实施方式中，EPE光栅206可经布置以将光扩展并耦合出EPE光栅206。EPE光栅206还可以被布置为作为内耦合器操作。例如，在2D结构的情况下，整个光栅区域可以由相同的光栅制成，光线从该光栅耦合进、扩展和耦合出。

图2b示出根据本发明的至少一些实施方式的耦入(in-coupling，IC)光栅、EPE光栅和耦出(out-coupling，OC)光栅的示例。例如，当使用LED投影仪作为光源140时，光线通常干涉EPE光栅206，从而导致耦出图像中的不均匀性(例如，条纹)。因此，本发明的实施方式提供一种改进的EPE，其提供用于修改光波导的操作的更多自由度，例如以最小化图像中的不均匀性。

图3示出根据本发明的至少一些实施方式的EPE光栅的示例。如图3的示例中所示，EPE光栅，例如图2中的EPE光栅206可划分成片段。图3中的虚线示出所述片段的边界。例如，如图3所示，EPE光栅可以至少划分为第一片段310和第二片段320。更具体地，EPE光栅可以被划分为引起不同相移的片段，诸如根据罗曼(Lohmann)的迂回相位原理(detour-phaseprinciple)控制的相移。通过适当选择相移，可以减少干涉效应。

EPE光栅206的每个片段可包括多个光栅条，并且不同片段的光栅条可以被布置为当光线沿着穿过片段的不同路径传播时在每个片段处产生具有不同相移的入射光线的经衍射版本。例如，EPE光栅206的第一片段310可以包括至少第一光栅条和第二光栅条，并且EPE光栅206的第二片段320可以包括至少第一光栅条和第二光栅条，并且第一片段和第二片段的光栅条可以被布置成引起不同的相移，以减少由干涉EPE光栅206的光线引起的干涉。

在本发明的一些示例实施方式中，罗曼(Lohmann)的迂回相位原理(detour-phaseprinciple)可以用于减少EPE光栅中的干涉，使得当光从光栅衍射时，其产生具有由光栅的特性确定的特定相位和振幅的一组反射和透射衍射级。如果光栅条的相对位置在光栅的周期内偏移，则引起相移，该相移可以根据以下等式确定，例如对于1维情况：

t

其中，d表示光栅的周期，ds是光栅条的位置的偏移，m是所讨论的光信号的衍射级(例如，-2，-1，0，1，2)，t

因此，例如根据罗曼(Lohmann)的迂回相位原理(detour-phase principle)，通过与相邻片段(诸如第一片段310)相比偏移一个片段(诸如第二片段320)的光栅条，可以实现不同的相移。因此可以减少由干涉EPE光栅206的光线引起的干涉。衍射光线的振幅保持不变。

也就是说，振幅分布可以由于整个EPE光栅206而改变，但是EPE光栅206可以被布置为例如根据罗曼(Lohmann)的迂回相位原理(detour-phase principle)来控制相移，使得在单个光栅的情况下振幅不改变。因此，可以在不改变振幅的情况下控制衍射光线的相位。因此，提供更多自由度用于修改波导的操作。例如，在初始设计阶段期间，可以首先设计没有相位的波导，然后当修改相移以减少干扰时，可以保持振幅相同。

偏移的大小也可以根据片段而变化，并且可以被优化，从而可以最小化干涉的影响。替代地或附加地，片段的大小可以变化。也就是说，第一片段310可以具有第一尺寸并且第二片段320可以具有第二尺寸，其中第一尺寸与第二尺寸不同。

关于图3的示例，入射光线104可以被引导朝向EPE光栅的第一片段310的光栅条。第一片段310的光栅条可以将入射光线104衍射到第0级光线104a和第1级光线104b。光栅条在第一片段310中的位置不影响第0级光线104a的相位，但其影响第1级光线104b的相位。第0级光线104a可以被称为非偏转光线，而1级光线104b可以被称为偏转光线。其他非零衍射级的光线(即，m＝(-2，-1，1，2))可以被称为偏转光线。

也就是说，第0级光线104a可以是直线连续即不转向的光线。第1级光线104b可以是不笔直地继续的光线即转向的光线。

衍射的第0级光线104a可以进一步从第一片段310朝向第二片段320的光栅条引导，并且第二片段320的光栅条可以将输入的第0级光线104a衍射到第0级光线104c和第1级光线104d。同样，光栅条在第二片段320的位置不影响第0级光线104c的相位，但其影响第1级光线104d的相位。此外，第0级光线104c可以被称为非偏转光线，而第1级光线104d可以被称为偏转光线。

此外，衍射的第1级光线104b可以进一步从第一片段310朝向第三片段330的光栅条引导，并且第三片段330的光栅条可以将光线104b衍射为未偏转的光线104e和偏转的光线104f。光线可以类似地引导通过EPE的若干片段。

在不同片段中偏转的光线可以具有不同的相位，即，不同片段可以引起不同相移以偏转光线，但是偏转的光线(和非偏转的光线)的振幅可以相同。例如，第一片段310可以被布置为引起在第一片段310中偏转的光线104b的第一相移，并且第二片段320可以被布置为引起在第二片段320中偏转的光线104d的第二相移。第一相移可以与第二相移不同，而在第一片段310中偏转的光线的振幅可以与在第二片段320中偏转的光线的振幅相同。沿着不同路径传播的光线可能撞击相同位置并干涉，但是这种干涉可以通过调整光线的相位来控制。

每个片段的光栅条可以被布置成相同的方向305，但是至少一些片段的光栅条可以相对于相邻片段中的对应光栅条偏移到与光栅条的方向305垂直的方向315，以使沿着不同路径传播的衍射光线具有不同的相移。例如，第二片段320的该多个条中的每一个可以在与所述光栅条的方向305垂直的方向315上从第一片段310的对应光栅条移动、即偏移一定距离。

也就是说，可以通过在一个片段中的后续光栅条之间的距离内移动光栅条，将相移实现为偏转的光线。未偏转的光线104a、104c、104e的相位可以不偏移，并且无论相移如何，所有衍射级的振幅可以保持相同。

图4示出根据本发明的至少一些实施方式的偏移光栅条的第一示例。更具体地，图4示出第二片段的第一光栅条321和第二光栅条322分别与第一片段320的对应第一光栅条311和第二光栅条312相比如何在与所述光栅条的方向305垂直的方向315上偏移距离410。也就是说，第一片段310的第一光栅条311可以是第二片段320的第一光栅条321的对应光栅条，第一片段310的第二光栅条312可以是第二片段320的第二光栅条322的对应光栅条。

因此，第二片段320的第一光栅条321可以从第一片段310的对应光栅条、即第一光栅条311偏移距离410。类似地，第二片段320的第二光栅条322也可以从第一片段310的对应光栅条、即第二光栅条312偏移距离410。因此，与第二片段320的相应第一光栅条321和第二光栅条322相比，第一片段310的第一光栅条311和第二光栅条312将在与光栅条的方向305垂直的方向315上未对准相，从而使得沿着EPE光栅中的不同路径传播的光线经历不同的相移，即使衍射的光线的振幅保持相同。也就是说，与第一片段310的对应光栅条相比，第二片段320的所有光栅条可以偏移相同距离410。

距离410可以小于一个片段的相邻光栅条之间的距离420。也就是说，距离410可以小于EPE光栅的周期。例如，如果EPE光栅在EPE光栅的周期内包括两个光栅条，则两个光栅条可以偏移相同的量。

图5a和5b示出根据本发明的至少一些实施方式的偏移光栅条的第二示例。更具体地，图5a和5b示出第二片段320的该多个条中的每一个如何在与光栅条的方向305垂直的方向315上(例如在横向上)从第一片段310的对应光栅条偏移距离ds。距离ds(如等式(1)中所示)可以对应于图4中的距离410。一个片段的后续光栅条(诸如第一片段310的第一光栅条311和第二光栅条312)之间的距离由d(如等式(1)中所示)表示，其可以对应于图4中的距离420。

也就是说，图5b中的第二片段320的第一光栅条321与图5a中的第一片段310的第一光栅条311相比可以偏移距离ds，并且图5b中的第二片段320的第二光栅条322与图5a中的第一片段的第二光栅条312相比可以偏移距离ds。因此，通过在一个片段中的后续光栅条之间的距离内(即，在周期d内)移动一个片段的光栅条与另一片段的光栅条相比，可以将相移实现为衍射级，即偏转的光线。如图5b所示，例如，在一维光栅条的情况下，在光栅条的平面上，例如在横向上，第二片段320的第一光栅条321与第一片段310的第一光栅条311相比可以偏移距离ds。横向可以指从EPE光栅的一侧延伸到EPE光栅的另一侧的方向。

图5a和5b示出光栅条311、312、321和322的截面图。光栅条通常可以具有各种形状。然而，本发明的实施方式不限于光栅条的任何特定形状。例如，光栅条的横截面轮廓也可以是矩形或三角形。此外，光栅条的宽度、高度、填充因子或任何其它特性可根据片段而变化，例如，第一片段310的光栅条与第二片段320相比可以具有不同宽度。

图6示出根据本发明的至少一些实施方式的相移的示例。更具体地，图6示出作为ds/d比率的函数的相移的示例。在图6中，第一衍射级的电场分量的相位作为罗曼(Lohmann)位移ds的函数。

图7a和7b示出根据本发明的至少一些实施方式的偏移二维光栅条的示例。也就是说，图7a和7b示出双周期光栅条的示例。

更具体地，图7a和7b示出本发明的实施方式如何应用于二维EPE光栅。图7a示出第一片段310的第一光栅条311的位置，并且图7b示出第二片段320的第一光栅条321的位置。从图7b可以看出，在二维光栅的情况下，第二片段320的第一光栅条321可以在光栅条的平面上偏移，即在横向dx上偏移，并且也可以在与光栅条的平面垂直的平面上偏移，即在垂直方向dy上偏移。垂直方向可以指从EPE光栅的底部延伸到EPE光栅的顶部的方向。类似于图5a和5b中所示的示例，图7a和7b中所示的光栅条也可以具有任何形状或其他特性，例如矩形或三角形形状。

图8示出根据本发明的至少一些实施方式的不同片段中的移动距离的示例性分布。图8中示出耦入光栅202、耦出光栅204和EPE光栅206。如图8中所示，EPE光栅206的片段(例如，第一片段310和第二片段320)可经布置以引起不同相移为衍射光线，同时通过将不同片段的光栅条移动不同距离而使衍射光线的振幅保持为相同，从而减少由干涉EPE光栅206的光线引起的干涉。

应当理解，所公开的本发明的实施方式不限于本文中所公开的特定结构、工艺步骤或材料，而是延伸到相关领域普通技术人员将认识到的等同物。还应当理解，此处使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而不旨在限制。

在本说明书中对一个实施方式或一个实施方式的引用意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，在本说明书的各个地方出现的短语“在一实施方式中”或“在一个实施方式中”并不一定都指同一个实施方式。在使用例如大约或基本上的术语来参考数值的情况下，还公开了精确的数值。

如本文所使用的，为了方便起见，多个项目、结构元素、组成元素和/或材料可以在共同列表中呈现。然而，这些列表应当被解释为列表的每个成员被单独地标识为单独且唯一的成员。因此，这些列表中的任何单个成员不应仅根据其在共同组中的陈述而被解释为事实上等同于同一列表中的任何其他成员，而没有相反的指示。另外，本发明的各种实施方式和示例可在本文中连同其各种组件的替代方案一起参考。应当理解，这样的实施方式、示例和替代方案不应被解释为彼此的事实上等同物，而是应被认为是本发明的独立且自主的表示。

此外，在一个或多个实施方式中，可以以任何合适的方式组合所描述的特征、结构或特性。在前面的描述中，提供了许多具体细节，例如长度、宽度、形状等的示例，以提供对本发明实施方式的透彻理解。然而，相关领域的普通技术人员将认识到，本发明可以在没有一个或多个具体细节的情况下实施，或者使用其他方法、组件、材料等来实施。在其他情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免模糊本发明的方面。

虽然前面的例子在一个或多个特定应用中说明了本发明的原理，但是对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，可以在形式、使用和实现细节上进行许多修改，而无需运用创造性的能力，并且不脱离本发明的原理和概念。因此，除了由下面提出的权利要求书限定之外，并不意图限制本发明。

动词“包括”和“包含”在本文档中用作开放限制，它们既不排除也不要求存在未提及的特征。除非另有明确说明，从属权利要求中所述的特征可相互自由组合。此外，应当理解，在本文献中使用“一”或“一个”这样的单数形式并不排除多个。

工业应用性

本发明的至少一些实施方式在HMD和HUD中发现工业应用。

缩略词列表

HMD：头戴式显示器；

HUD：平视显示器；

LCOS：硅基液晶；

LED：发光二极管；

MEMS：微机电系统。

参考标记列表