具有复合耦入衍射光学件的图像光导的制作方法

1.本公开大体上涉及电子显示器，并且更具体地，涉及利用具有衍射光学件的图像光导将图像承载光传送给观看者的显示器。


背景技术：

2.一直在开发头戴式显示器(hmd)和虚拟图像近眼显示器以用于一系列不同用途，包含军用、商用、工业、消防和娱乐应用。对于许多这些应用来说，形成虚拟图像是有价值的，所述虚拟图像可在视觉上叠加在位于hmd用户的视场中的现实世界图像上。光学图像光导可在狭窄空间中将图像承载光传送到观看者，以将虚拟图像引导到观看者的瞳孔并实现此叠加功能。
3.尽管常规图像光导布置已使近眼显示光学件的体积、重量和总成本显著降低，但还需要改进。在一些情况下，视窗(eyebox)的大小受到限制，从而迫使hmd设计限制对移动和装置放置的容忍度。另外，光通常可能在视场上不均匀地分布，从而产生热点，例如，视场中心内的光水平较高，而视场周边内的光水平较低。常规图像光导布置的另一困难涉及波导内的光束管理功能。例如，光束扩展和光分布功能可能增加波导的大小以及其制造成本和复杂性。


技术实现要素：

4.在第一示例性实施例中，一种用于传送虚拟图像的图像光导包含衬底，所述衬底可操作以沿着其长度传播图像承载光束。耦入衍射光学件沿着所述衬底形成，并且可操作以将图像承载光束按角度编码形式衍射到所述衬底中。耦出衍射光学件沿着所述衬底形成，其中所述耦出衍射光学件可操作以按角度解码形式衍射来自所述衬底的所述图像承载光束。所述耦入衍射光学件具有三种多个周期性衍射结构，并且所述耦出衍射光学件具有至少两种多个周期性衍射结构。所述耦出衍射光学件的所述两种多个周期性衍射结构平行于所述耦入衍射光学件的所述三种多个周期性衍射结构中的两种。
附图说明
5.附图并入本文中作为说明书的一部分。本文所描述的附图示出当前公开的主题的实施例，并且说明本公开的选定原理和教示。然而，附图并未示出当前公开的主题的所有可能实施方案，并且无意以任何方式限制本公开的范围。
6.图1示出具有放大厚度的图像光导的示意性侧视图，以便示出光从图像源沿着图像光导到可在其内观看虚拟图像的视窗的传播。
7.图2示出图像光导的示意透视图，所述图像光导包含用于管理图像承载光束传播的耦入衍射光学件、转向衍射光学件和耦出衍射光学件。
8.图3a示出根据当前公开的主题的示例性实施例的具有含有三种图案的周期性衍射结构的耦入衍射光学件的图像光导的示意性平面图。
9.图3b示出根据当前公开的主题的示例性实施例的具有含有三种图案的周期性衍射结构的耦入衍射光学件和含有三种图案的周期性衍射结构的耦出衍射光学件的图像光导的示意性平面图。
10.图4a和4b示出根据当前公开的主题的示例性实施例的具有至少部分位于耦入衍射光学件周围的中间衍射光学件的图像光导的示意性平面图。
11.图5示出具有被配置为单个连续衍射图案的耦入和耦出衍射光学件的图像光导的示意性平面图。
12.图6示出根据当前公开的主题的示例性实施例的可操作以扩展且耦出图像承载光束的复合衍射图案的一部分的示意图。
13.图7示出根据当前公开的主题的示例性实施例的具有波导堆叠的成像光导系统。
14.图8示出根据当前公开的主题的示例性实施例的用于使用成像光导进行增强现实观看的近眼显示系统。
具体实施方式
15.应理解，本发明可采用替代定向和步骤顺序，除非明确地指定为相反情况。还应理解，附图中所示以及在以下说明书中描述的特定组件和系统仅仅是本文所定义的发明概念的示例性实施例。因此，除非明确地以其它方式说明，否则与公开的实施例相关的具体尺寸、方向和其它物理特性不应视为限制性的。此外，尽管可能不是这样，但在本技术的此部分内，相同元件在本文所述的各种实施例中通常可用相同附图标号来指代。
16.在本文中使用的情况下，术语“第一”、“第二”等未必表示任何序数、顺序或优先级关系，而除非另外指定，否则仅用以更明确地区分一个元件或一组元件与另一元件或一组元件。
17.在本文中使用时，术语“示例性”意在指示“示例”，并不意图暗示任何优选或理想的实施例。
18.在本文中使用时，术语“观看者”、“操作者”、“观察者”和“用户”被视为等同者，并指代穿戴具有成像光导的装置和/或使用具有成像光导的装置观看图像的人或机器。
19.在本文中使用时，术语“集”是指非空集，因为集的元素或成员的集合的概念在基础数学中被广泛理解。除非另外明确说明，否则术语“子集”在本文中用于指非空适当子集，即，指更大集的子集，其具有一个或多个成员。对于集s，子集可包括整个集s。然而，集s的“适当子集”严格包含在集s中且排除集s的至少一个成员。
20.在本文中使用时，术语“耦合的”、“耦合器”或“耦合”在光学件的上下文中是指光借以从一个光学介质或装置行进到另一光学介质或装置的连接。
21.在本文中使用时，术语“光束扩展”旨在表示通过与光学元件的多次触碰来复制光束，以在一个或多个方向上提供出瞳扩展。类似地，如本文中所使用，“扩展”光束或光束的一部分旨在表示通过与光学元件的多次触碰来复制光束，以在一个或多个方向上提供出瞳扩展。
22.光学系统，例如hmd，可产生虚拟图像。相比于用于形成真实图像的方法，虚拟图像并非形成于显示表面上。即，如果显示表面位于虚拟图像的感知位置处，则在所述表面上不会形成图像。对于增强现实呈现，虚拟图像具有许多固有优点。例如，虚拟图像的表观大小
不受显示表面的大小或位置限制。另外，虚拟图像的源对象可较小；例如，放大镜提供对象的虚拟图像。与投射真实图像的系统相比，可通过形成看起来距离较远的虚拟图像来提供更真实的观看体验。提供虚拟图像还避免了需要补偿屏幕伪影，而这在投射真实图像时可能是必要的。
23.图像光导可利用来自例如投影仪等光源的图像承载光来显示虚拟图像。例如，来自投影仪的准直的、相对地角度编码的光束通过例如耦入衍射光学件等输入耦合件耦合到平面波导中，所述输入耦合件可安装或形成于平面波导的表面上或埋置在波导内。此类衍射光学件可形成为衍射光栅、全息光学元件(hoe)或以其它已知方式形成。例如，衍射光栅可通过表面起伏形成。在沿着波导传播之后，衍射光可通过例如耦出衍射光学件等类似输出耦合件引导回到波导之外，所述输出耦合件可布置成沿着虚拟图像的一个维度提供扩瞳。另外，转向光栅可定位在波导上/波导中，以在虚拟图像的正交维度中提供扩瞳。来自波导的图像承载光输出为观看者提供扩展的视窗。
24.如图1中所示，图像光导10可包括具有平面平行表面12、14的平面波导22。波导22包含透明衬底s，所述透明衬底例如可由具有平面平行前表面12和后表面14的光学玻璃或塑料构成。在此示例中，耦入衍射光学件ido和耦出衍射光学件odo布置在后表面14上。耦入衍射光学件ido是反射型衍射光栅，其可操作以将图像承载光wi耦合到平面波导22中。然而，耦入衍射光学件ido替代地可以是体积全息图或其它全息衍射元件，或为传入的图像承载光wi提供衍射的其它类型的光学部件。耦入衍射光学件ido可位于平面波导22的前表面12或后表面14上，并且可以是透射型或反射型，这至少部分取决于图像承载光wi接近平面波导22的方向。
25.当用作近眼显示系统的一部分时，耦入衍射光学件ido将图像承载光wi从真实、虚拟或混合图像源18耦合到平面波导22的衬底s中。首先，将任何真实图像或图像维度转换成对图像内的不同位置进行编码的重叠角度相关光束阵列，以呈现给耦入衍射光学件ido。通常，每个束内形成角度相关光束中的一者的光线平行延伸，但角度相关光束通过可在对应于图像的线性维度的两个角度维度中限定的角度彼此相对倾斜。
26.图像承载光wi(通常通过第一衍射级)衍射，由此通过耦入衍射光学件ido重新定向到平面波导22中作为角度编码的图像承载光束wg，以通过从平面平行前表面12和后表面14的全内反射(“tir”)沿着平面波导22的长度维度x进一步传播。尽管根据由tir设定的边界衍射成大体上更密集范围的角度相关光束，但图像承载光wg以可从耦入衍射光学件ido的参数导出的角度编码形式保留图像信息。耦出衍射光学件odo接收编码的图像承载光wg并将图像承载光wg作为图像承载光wo朝向称为视窗e的空间区域衍射(通常也通过第一衍射级)到平面波导22之外，所发送的虚拟图像可在所述视窗内被观看者眼睛看见。通常，耦出衍射光学件odo相对于耦入衍射光学件ido对称地设计，以恢复图像承载光wi在输出的图像承载光wo的角度相关光束之间的原始角度关系。然而，为了增加填充其内可看到虚拟图像的视窗e的角度相关光束之间的一个重叠维度，耦出衍射光学件odo连同平面波导22的有限厚度t一起布置成与图像承载光wg触碰多次，并在每次触碰时仅衍射图像承载光wg的一部分。沿着耦出衍射光学件odo的长度的多次触碰的效果是放大图像承载光wo的每个角度相关光束的一个维度(即，光束扩展)，由此扩展光束在其内重叠的视窗e的一个维度。扩展的视窗e减小了对观看者眼睛观看虚拟图像的位置的敏感度。耦出衍射光学件odo的实施例
可修改原始场点的位置角度关系，从而在有限焦距产生输出虚拟图像。
27.如上文所描述，沿着单个维度具有折射率变化部分的耦出衍射光学件可通过使单个的角度相关光束在其沿着波导的传播方向上在与耦出衍射光学件的触碰之间复制来扩展视窗的一个维度。另外，沿着第二维度具有折射率变化部分的耦出衍射光学件可扩展视窗的第二维度并提供视窗的二维扩展。沿着耦出衍射光学件的第一维度的折射率变化部分可布置成使每个光束的一部分能量在每次与光学件触碰后通过所要的一级衍射衍射到波导之外，同时保留波束的另一部分能量以用于在其原始方向上通过零级衍射进一步传播。沿着耦出衍射光学件的第二维度的折射率变化部分可布置成使每个光束的一部分能量在每次与光学件触碰后通过所要的一级衍射在相对于光束的原始传播方向成角度的方向上衍射，同时保留波束的另一部分能量以用于在其原始方向上通过零级衍射进一步传播。
28.耦出衍射光学件odo示为布置在平面波导22的后表面14上的透射型衍射光栅。然而，类似于耦入衍射光学件ido，耦出衍射光学件odo可位于平面波导22的前表面12或后表面14上，并且为透射型或反射型，其组合至少部分地取决于图像承载光wg预期退出平面波导22的方向。
29.如图2中所示，图像光导10可布置成用于在两个维度中，即，沿着既定图像的x轴和y轴两者，扩展视窗e。为实现第二维度的光束扩展，具有光栅向量k0的耦入衍射光学件ido定向成朝向具有光栅向量k1的中间光学件to衍射图像承载光wi的一部分，所述中间光学件定向成在反射模式中朝向耦出衍射光学件odo衍射图像承载光wg的一部分。中间光学件to在本文中可称为转向光栅或转向光学件。在实施例中，中间光学件to为表面起伏光栅。在另一实施例中，中间光学件to是全息光学元件。图像承载光wg的仅一部分通过与中间光学件to的多次触碰中的每次触碰来衍射，由此在一个或多个维度中复制图像承载光wg的每个角度相关光束，从而在一个或多个维度中提供扩瞳。中间光学件还可以或替代地使在波导22内行进的至少一部分图像承载光束wg的传播方向转向。中间光学件to将图像承载光wg朝向耦出衍射光学件odo重定向以在第二维度中纵向扩展视窗e，之后作为图像承载光wo离开平面波导22。例如所描绘的光栅向量k0、k1、k2等光栅向量在正交于衍射光学件的衍射特征(例如，沟槽、线或刻线)的方向上延伸，并且具有与衍射光学件ido、to、odo的周期或间距d(即，沟槽之间的中心距离)相反的量值。耦入衍射光学件ido、中间光学件to和耦出衍射光学件odo可各自具有不同周期或间距d。中间光学件to替代地可包括反射器阵列，如以全文引用的方式并入本文中的us 2021/0215941a1所描述。
30.如图2中所示，耦入衍射光学件ido接收含有一组角度相关光束的传入图像承载光wi，所述角度相关光束对应于由例如投影仪等图像源18生成的图像内的个别像素或等同位置。可操作以生成用于产生虚拟图像的全范围角度编码的光束的图像源18可以是但不限于：结合聚焦光学件的真实显示器、用于更直接地设置光束角度的光束扫描器，或例如结合扫描器使用的一维真实显示器的组合。图像光导10通过在不同定向上提供图像承载光wg与中间光学件to和耦出衍射光学件odo两者的多次触碰而输出图像的两个维度中的一组扩展的角度相关光束。在平面波导22的原始定向上，中间光学件to在y轴方向上提供光束扩展，并且耦出衍射光学件odo在x轴方向上提供类似的光束扩展。衍射光学件ido、odo、to的反射特性和相应周期d连同其相应光栅向量的定向一起提供两个维度的出瞳扩展，同时保留从图像光导10输出为图像承载光wo的图像承载光wi的角度相关光束之间的既定关系。
31.虽然输入到图像光导10中的图像承载光wi由耦入衍射光学件ido编码成不同的一组角度相关光束，但通过考虑耦入衍射光学件ido的系统效应来保留重建图像所需的信息。位于耦入衍射光学件ido与耦出衍射光学件odo之间的中间位置的中间光学件to通常布置成使得其不会在图像承载光wg的编码上引起任何显著变化。耦出衍射光学件odo通常相对于耦入衍射光学件ido以对称方式布置，例如包含享有相同周期的衍射特征。类似地，中间光学件to的周期通常也匹配耦入衍射光学件ido和耦出衍射光学件odo的共同周期。如图2中所示，中间光学件to的光栅向量k1可相对于其它光栅向量k0、k2(全部作为非定向线段)以45度定向。然而，在实施例中，中间光学件to的光栅向量k1以使得图像承载光wg转动120度的方式向耦入衍射光学件ido和耦出衍射光学件odo的光栅向量k0、k2以60度定向。通过将中间光学件to的光栅向量k1相对于耦入衍射光学件ido和耦出衍射光学件odo的光栅向量k0、k2以60度定向，光栅向量k0、k2相对于彼此也以60度定向(也被认为是非定向线段)。通过使光栅向量量值基于中间光学件to以及耦入衍射光学件ido和耦出衍射光学件odo的共同间距，三个光栅向量k0、k1、k2(作为定向线段)形成等边三角形，并且共计成零向量量值，这避免了可能引入包含色度分散在内的不合需要偏差的不对称效应。
32.衍射到平面波导22中的图像承载光wi由耦入衍射光学件ido有效编码，无论耦入衍射光学件ido是使用光栅、全息图、棱镜、镜子还是一些其它机构。在耦入衍射光学件ido处发生的光的任何反射、折射和/或衍射必须由耦出衍射光学件odo对应地解码以重新形成呈现给观看者的虚拟图像。位于耦入衍射光学件ido与耦出衍射光学件odo之间的中间位置处的中间光学件to通常设计和定向成使得其不会在编码的光上引起任何变化。耦出衍射光学件odo将图像承载光wg解码成其已扩展以填充视窗e的原始或所要形式的角度相关光束。
33.无论中间光学件to以及耦入衍射光学件ido和耦出衍射光学件odo当中是否维持了任何对称性，也无论是否沿着平面波导22发生图像承载光wi的角度相关光束的编码的任何改变，中间光学件to以及耦入衍射光学件ido和耦出衍射光学件odo是相关的，使得从平面波导22输出的图像承载光wo保留或以其它方式维持图像承载光wi的原始或所要形式，以产生既定虚拟图像。
34.字母“r”表示眼睛在视窗e中的观看者可见的虚拟图像的定向。如所示，所表示的虚拟图像中的字母“r”的定向匹配由图像承载光wi编码的字母“r”的定向。传入图像承载光wi相对于x-y平面围绕z轴的旋转或角定向的变化引起来自耦出衍射光学件odo的传出光的旋转或角定向的相应对称变化。从图像定向的方面看，中间光学件to通常充当一种类型的光学中继器，从而沿着图像的一个轴线(例如，沿着y轴)提供图像承载光wg的角度编码光束的扩展。耦出衍射光学件odo进一步沿着图像的另一轴线(例如，沿着x轴)扩展图像承载光wg的角度编码光束，同时维持由图像承载光wi编码的虚拟图像的原始定向。如图2中所示，中间光学件to可以是布置在平面波导22的前表面或后表面上的倾斜或方形光栅。替代地，中间光学件to可以是闪耀光栅(blazed grating)。
35.本公开提供一种具有跨输出孔改进的衍射效率和图像承载光输出强度的图像光导。更具体地，本公开尤其提供一种波导，所述波导具有可操作以在两个维度扩展图像承载光束并朝向视窗输出扩展的图像承载光束的复合耦入衍射光学件和复合耦出衍射光学件。
36.如在图3a中所示，在实施例中，图像光导100可具有在图像光导100的第一表面102上/中形成的耦入衍射光学件ido和耦出衍射光学件odo。替代地，耦入衍射光学件ido和耦
出衍射光学件odo中的一者或两者可形成于与第一表面102相对定位的图像光导100的第二表面上/中。在实施例中，耦入衍射光学件ido包括多组周期性衍射结构。例如，耦入衍射光学件ido可包括与y轴平行的第一组周期性耦入线性光栅结构104、相对于第一组周期性线性光栅结构104旋转/偏移六十度(60
°
)的第二组周期性耦入线性光栅结构106，以及相对于第一组周期性耦入线性光栅结构104旋转/偏移负六十度(-60
°
)的第三组周期性耦入线性光栅结构108。第一组周期性耦入衍射结构104具有正交于周期性衍射结构104延伸的光栅向量k1。第二组周期性耦入衍射结构106和第三组周期性耦入衍射结构108分别具有正交于周期性耦入衍射结构106、108延伸的第二光栅向量k2和第三光栅向量k3。在实施例中，第一组周期性耦入衍射结构104具有与第二组周期性耦入衍射结构106和第三组周期性耦入衍射结构108不同的周期性。
37.在实施例中，耦出衍射光学件odo包括第一组周期性耦出衍射结构110和第二组周期性耦出衍射结构112。第一组周期性耦出衍射结构110和第二组周期性耦出衍射结构112形成复合衍射光学件，所述复合衍射光学件可操作以扩展并耦出来自耦出衍射光学件odo的图像承载光。在实施例中，第一和第二组周期性耦出衍射结构112包括衍射光栅(例如，线性刻线)，并且第一组周期性耦出衍射结构110的衍射光栅与第二组周期性耦出衍射结构112的衍射光栅交叉。在实施例中，如图3a中所示，第一组周期性耦出衍射结构110与第二组周期性耦入衍射结构106平行，并且第二组周期性耦出衍射结构112与第三组周期性耦入衍射结构108平行。第一组周期性耦出衍射结构110还可具有与第二组周期性耦入衍射结构106相同的周期性，并且第二组周期性耦出衍射结构112可具有与第三组周期性耦入衍射结构108相同的周期性。在实施例中，耦出衍射光学件odo具有跨纵向轴线114的双侧对称性。
38.第一组周期性耦出衍射结构110和第二组周期性耦出衍射结构112分别具有正交于周期性衍射结构110、112延伸的第四光栅向量k4和第五光栅向量k5。在实施例中，光栅向量k4从耦入光栅向量k1和从x轴偏移六十度(+60
°
)，并且光栅向量k5从耦入光栅向量k1和x轴偏移负六十度(-60
°
)。
39.在操作中，入射于第一组周期性耦入衍射结构104、第二组周期性耦入衍射结构106和第三组周期性耦入衍射结构108上的图像承载光束的至少一部分经历衍射，并作为图像承载光wg引导到图像光导100中，以通过tir和/或通过衍射反射在图像光导100内进一步传播。为了示出当前公开的实施例的一个或多个性质，下文尤其在一束图像承载光wi的一个或多个部分的光学路径方面描述图像光导100，所述图像承载光布置成在入射到耦入衍射光学件ido的平面上时正交于所述平面，除非另有说明。然而，本领域技术人员将认识到，这些描述不是限制性的，并且入射于耦入衍射光学件ido上的图像承载光wi可按系统得以优化的任何角度布置。
40.例如，在一束图像承载光wi的中心光线沿着耦入衍射光学件ido的法线入射于耦入衍射光学件ido的情况下，图像承载光wi的一部分入射于第一组周期性耦入衍射结构104、第二组周期性耦入衍射结构106和第三组周期性耦入衍射结构108中的每一者上。在此示例中，图像承载光wi的部分平行于第一光栅向量量k1、第二光栅向量k2和第三光栅向量k3的方向朝向耦出衍射光学件odo引导。第二组周期性耦入衍射结构106和第三组周期性耦入衍射结构108将图像承载光的部分朝向耦出衍射光学件odo的外部区域(在y轴方向上)引导。将入射于耦入衍射光学件ido上的图像承载光的部分朝向耦出衍射光学件odo的外部区
域(在y轴方向上)引导减小了与从耦出衍射光学件odo的中心(在y轴方向上)耦出的图像承载光的强度。此配置减少或消除了视窗中的所谓热点。
41.如在图3b的细节视图中所示，在实施例中，耦出衍射光学件odo包含具有正交于周期性衍射结构113延伸的第六光栅向量k6的第三组周期性耦出衍射结构113。光栅向量k6平行于耦入光栅向量k1和x轴。第一组周期性耦出衍射结构110、第二组周期性耦出衍射结构112和第三组周期性耦出衍射结构113被配置成保留由第一组周期性耦入衍射结构104耦入的图像承载光的至少一部分的对称性。例如，第三组周期性耦出衍射结构113的间距大体与第一组周期性耦入衍射结构104的间距互补。在实施例中，第三组周期性耦出衍射结构113形成有比第一组周期性耦出衍射结构110和第二组周期性耦出衍射结构112更浅的深度，以降低第三组周期性耦出衍射结构113相对于第一组周期性耦出衍射结构110和第二组周期性耦出衍射结构112的衍射效率。此配置减小了第三组周期性耦出衍射结构113的突出性，并且减少由此耦出的图像承载光wg，从而增加在y轴方向上到耦出衍射光学件odo的外边缘的光分布。
42.返回参考图3a，在实施例中，第六光栅向量k6由第一组周期性耦出衍射结构110和第二组周期性耦出衍射结构112隐式限定。具有隐式描述的第三组周期性耦出衍射结构的耦出衍射光学件odo减小但不消除从这些隐式衍射结构耦出的图像承载光wg，以增加在y轴方向上到耦出衍射光学件odo的外边缘的光分布。在一个实施例中，在周期性耦出衍射结构110、112是线性光栅或全息衍射结构的情况下，沿着第一光栅向量k1的方向传播的图像承载光wg的至少一部分经由入射在第一组周期性耦出衍射结构110和第二组周期性耦出衍射结构112中的一个或多个衍射结构上而从图像光导100中衍射出来。例如，沿着第一光栅向量k1的方向传播的图像承载光的至少一部分在入射时利用第一组周期性耦出衍射结构110和第二组周期性耦出衍射结构112重合的位置耦出。
43.继续参考图3a，在实施例中，耦出衍射光学件odo的一部分116围绕耦入衍射光学件ido包裹。换句话说，耦出衍射光学件odo的部分116至少部分地围绕耦入衍射光学件ido延伸，使得入射在耦入衍射光学件ido上垂直于其平面的一束图像承载光被衍射，并且图像承载光wg的部分平行于第二光栅向量k2和第三光栅向量k3引导，并入射于耦出衍射光学件odo的部分116上。如图3a中所示，在实施例中，耦出衍射光学件odo和耦入衍射光学件ido在x轴和y轴方向上通过空间118侧向分离。空间118可以是弓形的，并且不包含任何周期性衍射结构。
44.在实施例中，耦入衍射光学件ido和耦出衍射光学件odo中的周期性衍射结构106、108、110、112的深度相同。在另一实施例中，改变周期性衍射结构104、106、108、110、112的深度以增加所选衍射级的效率。例如，第二组周期性耦入衍射结构106和第三组周期性耦入衍射结构108可具有比第一组周期性耦入衍射结构104以及第一组周期性耦出衍射结构110和第二组周期性耦出衍射结构112更大的深度。
45.如图4a中所示，在实施例中，图像光导100可包含形成于图像光导100的第一表面102上/中的中间衍射光学件tdo。替代地，中间衍射光学件tdo可形成于位于与第一表面102相对的图像光导100的第二表面上/中。中间衍射光学件tdo位于图像承载光wg的路径中，在耦入衍射光学件ido与耦出衍射光学件odo之间。中间衍射光学件tdo和耦入衍射光学件ido在x轴和y轴方向上通过空间118侧向分离。中间衍射光学件tdo的一部分116’围绕耦入衍射
光学件ido包裹。换句话说，中间衍射光学件tdo的部分116’至少部分地围绕耦入衍射光学件ido延伸，使得大体上平行于第二光栅向量k2和第三光栅向量k3的图像承载光wg的部分入射于中间衍射光学件tdo的部分116’上。
46.继续参考图4a，中间衍射光学件tdo和耦出衍射光学件odo在x轴方向上通过第二空间120侧向分离。中间衍射光学件tdo包括第一组周期性中间衍射结构122和第二组周期性中间衍射结构124。在实施例中，第一组周期性中间衍射结构122和第二组周期性中间衍射结构124具有与第一组周期性耦出衍射结构110和第二组周期性耦出衍射结构112相同的定向、周期性和对称性。在实施例中，第一组周期性中间衍射结构122和第二组周期性中间衍射结构124的光栅向量k7、k8在量值和方向上与光栅向量k4、k5相等。在另一实施例中，第一组周期性中间衍射结构122和第二组周期性中间衍射结构124的光栅向量k7、k8具有与光栅向量k4、k5不同的量值和方向。中间衍射光学件tdo的一个优点是，在耦出衍射光学件odo的定位中具有更大的自由度。
47.入射于第一组周期性中间衍射结构122和第二组周期性中间衍射结构124上的图像承载光的一部分可从图像光导100耦出。然而，在中间衍射光学件tdo处耦出的这种图像承载光在视窗外部，因此不影响虚拟图像的形成。
48.如图4b中所示，在实施例中，耦入衍射光学件ido包括两种多个周期性衍射结构106、108。例如，耦入衍射光学件ido可包含相对于x轴旋转/偏移小于三十度的角(例如，25
°
)的第一组周期性线性光栅结构106，以及相对于x轴旋转/偏移小于负三十度(例如，-25
°
)的角的第二组周期性线性光栅结构108。第一组周期性耦入光栅结构106和第二组周期性耦入光栅结构108是交叉的。第一组周期性耦入衍射结构106包括第一周期，并且第二组周期性耦入衍射结构108包括第二周期。在实施例中，第二周期等于第一周期。第一组周期性耦入衍射结构106限定第一光栅向量k2，并且第二组周期性耦入衍射结构108限定第二光栅向量k3。
49.图像光导100包含至少部分位于耦入的图像承载光wg的一部分的路径内的第一中间衍射光学件tdo1。在实施例中，在图像承载光大体上垂直于其平面入射于耦入衍射光学件ido上的情况下，第一中间衍射光学件tdo1至少部分地位于大体上平行于第一光栅向量k2传播的图像承载光的路径内。第一中间衍射光学件tdo1的部分116a至少部分地围绕耦入衍射光学件ido延伸，使得大体上平行于第一光栅向量k2衍射的图像承载光入射于第一中间衍射光学件tdo1的部分116a上。图像光导100还包含至少部分位于耦入的图像承载光wg的一部分的路径内的第二中间衍射光学件tdo2。在实施例中，在图像承载光大体上垂直于其平面入射于耦入衍射光学件ido上的情况下，第二中间衍射光学件tdo2至少部分地位于大体上平行于第二光栅向量k3传播的图像承载光的路径内。第二中间衍射光学件tdo2的部分116b至少部分地围绕耦入衍射光学件ido延伸，使得大体上平行于第二光栅向量k3衍射的图像承载光入射于第二中间衍射光学件tdo2的部分116b上。
50.如在图5中所示，图像光导200可具有在图像光导200的第一表面202上/中形成的耦入衍射光学件ido和耦出衍射光学件odo。耦入衍射光学件ido和耦出衍射光学件odo可被配置为单个连续衍射图案，所述图案具有相对于y轴方向旋转/偏移六十度(60
°
)的第一组周期线性光栅结构206，以及相对于y轴方向旋转/偏移负六十度(-60
°
)的第二组周期线性光栅结构208。在实施例中，包括耦入衍射光学件ido的第一组周期性线性光栅结构206和第
二组周期性线性光栅结构208的深度比包括耦出衍射光学件odo的周期性线性光栅结构206、208的深度大。在包括衍射光栅的衍射光学件中，增加光栅深度引起衍射效率的改进。
51.在本公开的实施例中，周期性结构可以是但不限于直线衍射特征、圆形柱或椭圆形柱。例如，图6示出具有包括圆形柱302的衍射特征的复合衍射图案300。可类似地配置图像光导100、200的耦入衍射光学件ido和耦出衍射光学件odo。
52.所属领域的技术人员将认识到，在图4a-6中所示的衍射图案的一个或多个实施例中，耦入衍射光学件ido和/或耦出衍射光学件odo包含第三组周期性衍射结构104、113，其中第三组周期性衍射结构可如上文相对于图3a所论述为隐式的。
53.如图7中所示，在实施例中，堆叠的图像光导组件400包含与第二图像光导404耦合的第一图像光导402。第一图像光导402和第二图像光导404可各自为上文所描述的图像光导100、200中的一者。图像光导402、404形成于机械耦合的单独衬底s1、s2上。例如，图像光导402、404可经由粘合剂耦合。在实施例中，堆叠的图像光导组件400提供两个单独的颜色通道。如图7中所示，第一图像光导402具有用于红光的红色通道cr(例如，在630-660nm范围内)，第二图像光导404具有用于蓝光b的蓝色通道cb(例如，在440-470nm范围内)。在实施例中，第一图像光导402和第二图像光导404是形成多色图像光导组件400的大体单色板。
54.来自投影仪18的入射于堆叠的图像光导组件400上的蓝光透射通过第一图像光导402的耦入衍射光学件ido1，并在第二图像光导404的耦入衍射光学件ido2处衍射。然后，衍射的蓝光通过tir传送通过第二图像光导衬底s2，并被引导到第二图像光导404的耦出衍射光学件odo2。来自投影仪18的入射于堆叠的图像光导组件400上的红光在第一图像光导402的耦入衍射光学件ido1处衍射。然后，衍射的红光通过tir传送通过第一图像光导衬底s1，并被引导到第一图像光导402的耦出衍射光学件odo1。
55.图8的透视图示出使用本公开的一个或多个图像光导用于增强现实观看的显示系统60。显示系统60示为具有右眼光学系统64r的hmd，所述右眼光学系统具有用于右眼的图像光导66r。显示系统60包含可通电以生成图像的图像源18，例如微投影仪(picoprojector)或类似装置。在实施例中，显示系统60包含左眼光学系统，所述左眼光学系统包含一个或多个图像光导和第二图像源。生成的图像可以是用于3d观看的立体图像对。由显示系统60形成的虚拟图像可呈现为叠加或重叠到由观看者通过图像光导66r所见的现实世界场景内容上。还可提供对于那些熟悉增强现实可视化技术的人熟悉的额外部件，例如安装在hmd的框架上以用于观看场景内容或观看者凝视跟踪的一个或多个相机。
56.本文所述的实施例的一个或多个特征可组合以产生未描绘的额外实施例。尽管上文已详细地描述了各种实施例，但应理解，它们是以举例而非限制的方式呈现。相关领域的技术人员将显而易见，所公开的主题可在不脱离其范围、精神或基本特性的情况下以其它特定形式、变化和修改来体现。因此，上述实施例在所有方面都应视为仅具说明性而非限制性。本发明的范围由所附权利要求书指示，并且在其等同物意义和范围内的所有改变预期包涵在其中。

技术特征：
1.一种用于传送虚拟图像的图像光导，包括：衬底，其能操作以沿着其长度传播图像承载光束；耦入衍射光学件，其沿着所述衬底形成，其中所述耦入衍射光学件能操作以将所述图像承载光束按角度编码形式衍射到所述衬底中；以及耦出衍射光学件，其沿着所述衬底形成，其中所述耦出衍射光学件能操作以按角度解码形式衍射来自所述衬底的所述图像承载光束；其中所述耦入衍射光学件包括第一、第二和第三多个周期性耦入衍射结构；其中所述耦出衍射光学件包括与所述第二和第三多个周期性耦入衍射结构平行布置的第一和第二多个周期性耦出衍射结构。2.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述耦入衍射光学件限定第一光栅向量、第二光栅向量和第三光栅向量。3.根据权利要求2所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述耦出衍射光学件限定第四光栅向量和第五光栅向量，并且所述第一和第二多个周期性耦出衍射结构具有与所述第二和第三多个周期性耦入衍射结构的周期性等同的周期性。4.根据权利要求2所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述耦出衍射光学件位于所述第一光栅向量的路径中。5.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述耦出衍射光学件的一部分至少部分地围绕所述耦入衍射光学件定位，并且弓形空间位于所述耦入衍射光学件与所述耦出衍射光学件之间，其中所述弓形空间不包含任何周期性衍射结构。6.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，另外包括：中间衍射光学件，其位于所述耦入衍射光学件与所述耦出衍射光学件之间的光学路径中，其中所述中间衍射光学件包括：第一多个周期性中间衍射结构，其与所述第三多个周期性耦入衍射结构平行定向，以及第二多个周期性中间衍射结构，其与所述第二多个周期性耦入衍射结构平行定向，其中所述中间衍射光学件的一部分至少部分地围绕所述耦入衍射光学件定位，并且弓形空间位于所述耦入衍射光学件与所述中间衍射光学件之间，其中所述弓形空间不包含任何周期性衍射结构。7.根据权利要求6所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中第二空间位于所述中间衍射光学件与所述耦出衍射光学件之间，其中所述第二空间不包含任何周期性衍射结构。8.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述衬底是堆叠的图像光导组件中的第一衬底，并且能操作以沿着其长度传播图像承载光束的第二衬底与所述第一衬底耦合，其中所述第一衬底和所述第二衬底包括形成多色图像光导组件的单色光通道。9.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述第二多个周期性耦入衍射结构中的每个周期性耦入衍射结构相对于所述第一多个周期性耦入衍射结构中的每个周期性耦入衍射结构以60
°
定位。10.根据权利要求9所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述第一和第二多个周期性耦入衍射结构中的每个周期性耦入衍射结构具有比所述周期性耦出衍射结构中的每
个周期性耦出衍射结构更大的深度。11.一种用于传送虚拟图像的图像光导，包括：衬底，其能操作以沿着其长度传播图像承载光束；耦入衍射光学件，其沿着所述衬底形成，其中所述耦入衍射光学件能操作以将所述图像承载光束按角度编码形式衍射到所述衬底中，其中所述耦入衍射光学件包括第一多个周期性耦入衍射结构和第二多个周期性耦入衍射结构；耦出衍射光学件，其沿着所述衬底形成，其中所述耦出衍射光学件能操作以按角度解码形式衍射来自所述衬底的所述图像承载光束，其中所述耦出衍射光学件包括具有与所述第一多个周期性耦入衍射结构等同的周期性的第一多个周期性耦出衍射结构，以及具有与所述第二多个周期性耦入衍射结构等同的周期性的第二多个周期性耦出衍射结构，第一中间衍射光学件，其位于所述耦入衍射光学件与所述耦出衍射光学件之间的第一光学路径中，其中所述第一中间衍射光学件包括与所述第二多个周期性耦入和耦出衍射结构平行定向的第一多个周期性中间衍射结构，以及第二中间衍射光学件，其位于所述耦入衍射光学件与所述耦出衍射光学件之间的第二光学路径中，其中所述第二中间衍射光学件包括与所述第一多个周期性耦入和耦出衍射结构平行定向的第二多个周期性中间衍射结构，其中所述第一中间衍射光学件的一部分至少部分地围绕所述耦入衍射光学件定位，并且其中所述第二中间衍射光学件的一部分至少部分地围绕所述耦入衍射光学件定位。12.根据权利要求11所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中弓形空间位于所述耦入衍射光学件与所述第一中间衍射光学件和所述第二中间衍射光学件之间，其中所述弓形空间不包含任何周期性衍射结构。13.根据权利要求11所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中入射于所述耦入衍射光学件上的图像承载光的一部分在所述第一中间衍射光学件与所述第二中间衍射光学件之间朝向所述耦出衍射光学件传播。14.根据权利要求11所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述第二多个周期性耦入衍射结构与所述第一多个周期性耦入衍射结构交叉。15.根据权利要求14所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述第一多个周期性耦出衍射结构与所述第二多个周期性耦出衍射结构交叉。

技术总结
本发明涉及一种用于传送虚拟图像的图像光导，其包含衬底，所述衬底可操作以沿着其长度传播图像承载光束。耦入衍射光学件沿着所述衬底形成，并且可操作以将图像承载光束按角度编码形式从图像源衍射到所述衬底中。耦出衍射光学件沿着所述衬底形成，其中所述耦出衍射光学件可操作以按角度解码形式衍射来自所述衬底的所述图像承载光束。所述耦入衍射光学件具有三种多个周期性耦入衍射结构，并且所述耦出衍射光学件具有至少两种多个周期性耦出衍射结构。所述两种多个周期性耦出衍射结构与所述三种多个周期性耦入衍射结构中的两种平行。三种多个周期性耦入衍射结构中的两种平行。三种多个周期性耦入衍射结构中的两种平行。


技术研发人员：R
受保护的技术使用者：伊奎蒂公司
技术研发日：2022.01.21
技术公布日：2023/9/22