用于宽视场显示器的眼镜设备的制作方法

用于宽视场显示器的眼镜设备
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年1月17日提交的题为“用于宽视场显示器的眼镜设备”的ep 20152557的优先权。


背景技术：

3.本公开涉及光学器件和光子领域。本公开可以应用于可适形且可佩戴的光学器件的领域中(即ar/vr眼镜(增强反应/虚拟现实))，并且更具体地说，可以应用于具有单目或双目系统的透视的增强现实眼镜的领域。
4.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/或要求保护的本发明的各种方面有关。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发明的各个方面。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。
5.ar/vr眼镜被视为是下一代人机界面。ar/vr眼镜(以及更一般的眼镜防护电子装置或头戴式装置(也称作hmd))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。
6.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。
7.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。
8.然而，显示器的纵横比与ar/vr眼镜的光学系统所提供的视场(fov)不一定匹配。一般来讲，期望非常宽的fov，但是由于光学系统所提供的fov比显示器的纵横比宽，因此显示器被设置在视场的中心，并且hmd具有小于视场中显示区域的fov。因此，是显示器的纵横比而不是光学系统的光学器件对显示区域强加限制，并且光学系统所提供的视场不被完全使用。


技术实现要素：

9.根据一些实施方案的设备包括：具有耦入器的至少一个波导、被配置成生成第一图像的至少第一显示器，以及具有光轴的透镜系统，该透镜系统被配置成至少将第一图像引导到耦入器上，其中第一显示器朝向透镜系统的光轴的第一侧偏移。
10.在一些实施方案中，该设备还包括第二显示器，该第二显示器被配置成生成第二图像，其中第二显示器朝向光轴的第二侧偏移。在一些实施方案中，第一显示器和第二显示器被布置在光轴的相对侧上。
11.在一些实施方案中，耦入器被配置成使用正衍射级次将所述第一图像耦合到所述波导中，并且使用负衍射级次将所述第二图像耦合到所述波导中。在一些实施方案中，耦入
器可被配置成使用绝对值高于一的衍射级次将第一图像和第二图像耦合到波导中。
12.在一些实施方案中，光轴不与设备的任何显示器相交。
13.在一些实施方案中，波导还包括耦出器和至少一个眼瞳扩展器，该至少一个眼瞳扩展器至少沿着从耦入器到耦出器的第一光学路径。
14.在一些实施方案中，波导还包括耦出器以及第一眼瞳扩展器和第二眼瞳扩展器，该第一眼瞳扩展器和第二眼瞳扩展器沿着从耦入器到耦出器的第一光学路径，该第一眼瞳扩展器和第二眼瞳扩展器被配置成将第一图像引导到耦出器。
15.在一些实施方案中，波导还包括耦出器以及第三眼瞳扩展器和第四眼瞳扩展器，该第三眼瞳扩展器和第四眼瞳扩展器沿着从耦入器到耦出器的第一光学路径。
16.根据一些实施方案的方法包括在第一显示器上生成至少第一图像，并且使用具有光轴的透镜系统，将至少第一图像引导到波导的耦入器上，其中第一显示器朝向透镜系统的光轴的第一侧偏移。
17.在一些实施方案中，方法还包括在第二显示器上生成至少第二图像，并且使用透镜系统，将第二图像引导到波导的耦入器上，其中第二显示器朝向光轴的第二侧偏移。在一些实施方案中，第一显示器和第二显示器被布置在光轴的相对侧上。
18.一些实施方案还包括利用耦入器，使用正衍射级次将第一图像耦合到波导中，并且使用负衍射级次将第二图像耦合到波导中。
19.在一些实施方案中，耦入器被配置成使用绝对值高于一的衍射级次将第一图像和第二图像耦合到波导中。
20.根据本公开的一个方面，公开了一种眼镜设备，该眼镜设备包括：
[0021]-至少一个光显示器引擎，该至少一个光显示器引擎被配置成在所述光显示器引擎的第一显示器上生成至少一个第一图像，
[0022]-波导，该波导被配置成用于将光从光显示器引擎朝向用户眼睛引导，以使所述第一图像对用户可见，
[0023]
其中所述第一显示器在相对于所述光显示器引擎的光轴的一侧上偏移，使得所述第一图像在所述眼镜设备的视场的对应侧上对所述用户可见。
[0024]
根据本公开，眼镜设备被配置成用于在佩戴眼镜设备的用户的视场外围处显示图像。一般来讲，光显示器引擎的显示器以光显示器引擎的光轴为中心。根据本公开，光显示器引擎的显示器从光显示器引擎的光轴偏移，即光显示器引擎的投影透镜的光轴偏移。以此方式，图像不再显示在设备的视场中心，但是图像显示在设备的视场的一侧上，从而在用户的视场的一侧上，使视场的中央部分没有图像。利用这种布置，用户可以通过眼镜设备看到现实世界。因此，虚拟信息可以在用户视场的至少一侧上显示给用户，而不会干扰其视场的中央部分。虚拟信息显示在人类视场的至少一侧上，而不会在fov中心叠加虚拟和现实图像。此方面应用于：
[0025]-驾驶员(飞机、汽车、自行车
……
)用的眼镜，其具有向驾驶员提供的用于补充方向、移位、各种车辆信息(如速度、目标距离、可用燃料以及更多)的信息。
[0026]
信息式眼镜，其允许在不受中央视场干扰的情况下行走(例如，在城市、商店或博物馆)、跑步或骑行。
[0027]-用于给剧院的电影或戏剧添加字幕的眼镜。
[0028]
根据本公开的实施方案，与所述第一图像相关联并且入射到所述波导上的光束的第一极角范围在围绕所述波导上的所述光的正常入射的极角的锥形之外，所述波导被配置成用于引导所述第一极角范围。根据该实施方案，波导优选地被配置成用于引导光束的离轴角度。当第一显示器相对于光轴移位时，投影到用户的图像的光束是离轴的。换句话说，感兴趣的光束不在围绕投影透镜的光轴的锥形中，而是在极角相对于投影透镜的光轴离轴的锥形中。因此，根据该实施方案，波导被配置成用于引导此类离轴极角的范围。
[0029]
根据本公开的另一实施方案，所述波导的折射率高于1.5。波导的fov取决于波导的材料，并且更具体地取决于波导的折射率。因此，使用较高的折射率允许增加波导的视场，从而允许在光学系统的fov的一侧上封装至少一个显示器，并且使没有虚拟信息的中央显示区域更宽。
[0030]
根据本公开的另一实施方案，波导包括耦入器，该耦入器用于耦合入射光的极角的所述第一范围，其中所述耦合器包括衍射光栅，所述衍射光栅具有针对掠入射角确定的光栅间距，该掠入射角对应于入射光的所述第一极角范围的极值角值。根据该实施方案，耦入器的光栅间距针对需要耦合到波导中的极角的特定范围确定。由于没有光线在正常入射周围的极角的锥形中击中耦入器，因此耦入器衍射光栅可以被设计成用于较高的掠入射角，从而为耦入器的间距尺寸提供更大的自由度。
[0031]
根据本公开的另一实施方案，光显示器引擎具有第二显示器，所述光显示器引擎被配置成在所述第二显示器上生成第二图像，其中所述第二显示器和所述第一显示器相对于所述光显示器引擎的所述光轴对称地移位，使得所述第二图像在所述眼镜设备的所述视场的另一侧上对用户可见。根据该实施方案，光显示器引擎包括两个显示器，该两个显示器一侧设置一个但不相邻。两个显示器对称地设置在光引擎的光轴的每一侧上。以此方式，虚拟信息可以显示在用户的视场的两侧上，fov的中央部分没有图像。
[0032]
根据本公开的另一实施方案，眼镜设备包括第二光显示器引擎，该第二光显示器引擎被配置成在所述另一个光显示器引擎的显示器上生成至少一个第二图像，其中所述第二光显示器引擎和所述光显示器引擎一侧设置一个，使得所述第二图像在眼镜设备的所述视场的另一侧上对用户可见。根据该替代方案，另一光显示器引擎用于在用户的场内显示第二图像。两个光显示器引擎一侧设置一个，使得由两个光引擎生成的光束由波导引导。两个光显示器引擎被配置成使得其光轴是平行的。
[0033]
根据本公开的另一实施方案，与所述第二图像相关联并且入射到所述波导上的光束的第二极角范围在围绕所述波导上的所述光的正常入射的极角的所述锥形之外，所述波导被配置成用于引导所述第二极角范围。
[0034]
根据本公开的另一实施方案，第一极角范围和第二极角范围相对于光的正常入射是对称的，并且其中耦入器还被配置成用于耦合入射光束的第二极角范围。根据该实施方案，波导被配置成引导入射光的对应于显示器的特定位置的特定角度范围。根据本公开，待耦合的光的角度范围对应于离轴角度范围。由于没有图像在用户的视场的中央部分中显示，因此不需要将跨越入射在波导上的光的入射轴的角度范围的锥形耦合。有利地，相同的耦入器被配置成用于耦合入射光的两个离轴角度范围。
[0035]
根据本公开的另一实施方案，耦入器被配置成将所述第一图像衍射为正衍射级次并且将所述第二图像衍射为负衍射级次。根据该实施方案，耦合器在双模式下工作，其中使
用正和负衍射级次，使得第一图像在波导的一侧上发送，并且第二图像在波导的另一侧上发送。
[0036]
根据本公开的另一实施方案，耦入器被配置成将所述第一图像和所述第二图像衍射为具绝对值高于一的衍射级次。根据该实施方案，使用2或以上的衍射级次允许针对耦入器使用较大间距尺寸，这由此更容易制造。
[0037]
根据本公开的另一实施方案，波导包括至少一个衍射光栅，该至少一个衍射光栅被配置成用于通过偏转角使第一图像偏转，其中至少一个衍射光栅的光栅间距被确定为偏转角的函数，使得第一图像的最大角度范围被偏转。根据该实施方案，波导包括衍射光栅，该衍射光栅被具体配置成用于允许在波导中使以tir(代表全内反射)模式耦合的图像的光束的最大角度范围偏转。换句话说，该实施方案允许通过波导透射图像而不被从tir模式中衍射出的角度裁剪。
[0038]
根据本公开的另一个实施方案，光栅间距λe按如下确定：
[0039]
ο如果则其中φk是偏转角的一半，其中n2是所述波导材料的折射率，是所述波导内的最大掠入射角，m是衍射级次，λ是耦合到所述波导中的光的波长，并且δφ是通过入射角，m是衍射级次，λ是耦合到所述波导中的光的波长，并且δφ是通过得出的偏转光的最大角度，
[0040]
ο如果ο如果则λe＝m
×
λ
×
sin(φ
k-δφ/2)，并且δφ＝sin-1
(sin(2
×
φk)-n)，
[0041]
ο如果ο如果则并且其中并且δ＝(cosφk)
2-4
×
α
×
(α+sinφk)，
[0042]
ο如果则则并且并且
[0043]
根据本公开的另一实施方案，至少一个衍射光栅包括在第一出瞳扩展器中，该第一出瞳扩展器包括在所述波导中并且被配置成将所述图像扩展到一个方向中并将所述图像朝向所述波导中包括的第二出瞳扩展器偏转。
[0044]
根据本公开的另一实施方案，第二出瞳扩展器被配置成将图像扩展到另一方向中并将图像朝向耦出器偏转。
[0045]
根据本公开的另一实施方案，根据以上引用的实施方案中的任一个实施方案，眼镜设备包括一个波导，该波导被配置成用于红色、绿色和蓝色中的每一者。根据该实施方案，当系统是rgb系统时，眼镜设备针对每只眼睛包括三个波导。
[0046]
根据本公开的第二方面，公开了一种波导，该波导包括衍射光栅，该衍射光栅被配置成用于以全内反射(tir)模式使耦合到波导中的光束偏转一定偏转角，其中衍射光栅的光栅间距被确定为偏转角的函数，使得光束的最大角度范围在偏转之后以tir模式保持在所述波导中。根据本公开的此方面，提出了一种衍射光栅，该衍射光栅被具体配置成用于允许在波导中使以tir模式耦合的图像的光束的最大角度范围偏转。换句话说，该公开的方面允许通过波导透射图像而不被从tir模式中衍射出的角度裁剪。
[0047]
根据该方面的实施方案，光栅间距λe按如下确定：
[0048]
ο如果则其中φk是偏转角的一半，其中n2是波导材料的折射率，是波导内的最大掠入射角，m是衍射级次，λ是耦合到波导中的光的波长，并且δφ是通过得出的偏转光的最大角度，
[0049]
ο如果ο如果则λe＝m
×
λ
×
sin(φ
k-δφ/2)，并且δφ＝sin-1
(sin(2
×
φk)-n)，
[0050]
ο如果ο如果则并且其中并且δ＝(cosφk)
2-4
×
α
×
(α+sinφk)，
[0051]
ο如果则则并且并且
[0052]
根据另一实施方案，衍射光栅是出瞳扩展器，所述出瞳扩展器包括在所述波导中，并且被配置成将光束扩展到一个方向中并将光束朝向所述波导中包括的另一出瞳扩展器或所述波导的耦入器偏转。
[0053]
根据第二方面的实施方案，公开了一种眼镜设备，该眼镜设备包括：
[0054]-光引擎，该光引擎被配置成在所述光引擎的网格显示器上生成图像，
[0055]-根据上文引用的实施方案中任一项所述的波导，所述波导被配置成用于将光从光引擎朝向用户眼睛引导，以使所述图像对用户可见。
[0056]
根据本公开的第三方面，公开了一种眼镜设备，该眼镜设备包括根据本公开的第一方面的实施方案的任一种或任何组合的特征和/或根据第二方面的实施方案的任一种或任何组合的特征。
附图说明
[0057]
可以参考以下描述和附图更好地理解本公开，其以示例方式给出并且不限制保护范围，并且其中：
[0058]
图1示出了用于dlp(代表数字光处理)微型显示器的示例性离轴照明系统，
[0059]
图2示出了用于dlp微型显示器的另一示例性离轴照明系统，
[0060]
图3示出了示例性lcos(代表硅基液晶)典型照明系统，
[0061]
图4示出了时间顺序颜色照明的原理，
[0062]
图5示出了示例性非瞳孔形成光学设计，
[0063]
图6示出了示例性瞳孔形成光学设计，
[0064]
图7示出了示例性平面光学系统，
[0065]
图8示出了光学系统的不同显示器纵横比和fov，
[0066]
图9示出了根据本公开的实施方案的光学系统的空间接受区域内的两个内接显示器的示例，
[0067]
图10示出了以波导的折射率n2为函数的水平视场和垂直视场的变型形式，
[0068]
图11a示出了显示器的示例性空间位置，
[0069]
图11b示出了根据本公开的实施方案的角度该角度由光学系统的镜头将其从图11a的显示器上的像素位置转换为角度，
[0070]
图11c示出了根据本公开的实施方案的衍射区域该衍射区域在由褶皱光栅进行衍射之后保持在tir模式中，
[0071]
图11d示出了根据本公开的实施方案的衍射角度该衍射角度表示由具有褶皱光栅的光学装置达到的最大角度范围，
[0072]
图12示出了具有两个显示器的示例性光引擎，
[0073]
图13示出了针对归一化透镜计算的球面角度该归一化透镜是其部件被均匀缩放以便具有总焦距f＝1的透镜，
[0074]
图14示出了在使用光学设计软件模拟的球面角度坐标中的显示器各角的点列图，
[0075]
图15是通过一组两个显示器、投影透镜系统以及具有耦入器区域的波导的示意性横截面视图，
[0076]
图16示出了根据本公开的实施方案的波导内的示例性的示意性光路径，
[0077]
图17示出了临界光线和掠入射光线和衍射光线的定义，
[0078]
图18示出了针对锥形衍射的坐标系，
[0079]
图19示出了衍射到波导中的入射角，
[0080]
图20示出了在波导中处于tir模式的衍射角度，
[0081]
图21示出了双衍射模式，
[0082]
图22示出了以褶皱光栅的光栅取向为函数的接受角，
[0083]
图23示出了以光栅取向为函数的光栅间距，
[0084]
图24a示出了显示器的另一示例性空间位置，
[0085]
图24b示出了根据本公开的实施方案的角度该角度由光学系统的镜头将其从显示器上的像素位置转换为角度，
[0086]
图24c示出了根据本公开的实施方案的衍射区域该衍射区域在由褶皱光栅进行衍射之后保持在tir模式中，
[0087]
图24d示出了根据本公开的实施方案的衍射角度该衍射角度表示由具有褶皱光栅的光学装置达到的最大角度范围，
[0088]
图25示出了根据本公开的实施方案的示例性眼镜设备，其示出了根据本公开的实施方案的显示器的相对于光引擎的投影透镜的光轴的示例性空间位置，
[0089]
图26示出了根据本公开的实施方案的另一示例性眼镜设备，其示出了根据本公开的实施方案的多个显示器的相对于光引擎的投影透镜的光轴的示例性空间位置。
具体实施方式
[0090]
用于增强现实(ar)的基于波导的光学系统通常使用衍射光栅进行内耦合和光瞳扩展。由于眼瞳扩展器(epe)，垂直视场(vfov)(fov)比水平视场(hfov)受限更多。ar应用中使用的微型显示器的典型纵横比为4:3、3:2和16:9。本公开的一些实施方案提供具有较宽视场的光学系统。
[0091]
根据本公开的一个方面，提出了一种眼镜设备，该眼镜设备通过以下方式来利用宽hfov：对每只眼睛使用一个或两个微型显示器以覆盖fov的左侧或右侧上的虚拟图像，同时使fov的中央部分没有增强显示。此类显示器可用于不需要在视场中心显示虚拟信息的应用中。
[0092]
眼镜设备的视场对应于角视场，其中当佩戴眼镜设备的用户通过眼镜设备观看时，眼镜设备为用户渲染图像。水平视场对应于沿水平轴线的视场的部分，水平轴线垂直于佩戴眼镜设备的用户的视线并且具有平行于接合眼球中心的线的方向。
[0093]
不同的技术可用于设计与显示器类型、照明系统、成像系统等有关的头戴式显示器(hmd)。下面给出了用于头戴式显示器的可能技术的简要综述。
[0094]
显示器类型。
[0095]
本文描述的实施方案可以使用以下类型的显示器中的任一者：lcos(硅基液晶)、dlp(数字光投影)和oled(有机发光二极管)，等等。
[0096]
照明系统。
[0097]
oled型的平板微型显示器是发光的，并且不需要照明系统。这简化了设计并减少了对重量的限制。遗憾的是，这在亮度方面付出了代价，因为亮度受到屏幕本身亮度的限制，屏幕本身的亮度低于具有外部光源的其他系统的亮度，而且因为显示器的大的几何广
度使通过成像系统收集的光损耗很大而受到限制。
[0098]
基于lcos或基于dlp的系统通常由一个或多个led照明，并且为了获得投影图像中的颜色，光源按时间顺序提供rgb照明。基于led光源的照明系统由于led的高几何广度而不是最优解，并且此外，针对lcos微型显示器的照明系统由于需要偏振管理而更加费力。偏振管理的一个方面是，为了不失去一个偏振，系统可采用偏振分束器回收。偏振回收是几何广度的至少两倍，使得为了使具体实施具有光效率，所选择光源的原始几何广度是成像光学器件的原始几何广度的至少一半。
[0099]
照明系统还可使用波束形成来保持效率。在许多情况下，光源产生盘形照明，而显示器几何结构为矩形。为了照明整个显示区域，照明占有面积可大于显示器，这导致了光损失。由于期望照明均匀，因此光的占有面积可被选择成是微型显示器区域的几倍。部件可在照明时用于将照明光束转换为与微型显示器尺寸相同的均匀的矩形照明区段。此处，可使用光导管或复眼积分透镜。
[0100]
基于lcos和基于dlp的系统之间的另外的差异是基于dlp的系统需要离轴照明。
[0101]
图1示出了用于dlp微型显示器的示例性离轴照明系统。图1的显示器包括高强度气体放电(hid)灯，该hid灯具有抛物面反射器101、会聚透镜102、用于驱动色轮104的色轮马达103、用来将圆形束转换为矩形束的积分复眼透镜系统105、全内反射(tir)棱镜106、数字微镜装置(dmd)107以及投影透镜系统108。
[0102]
图2示出了用于dlp微型显示器的另一示例性离轴照明系统。在该示例中，照明包括三个led光源201(用于红光)、202(用于绿光)和203(用于蓝光)，这三个led光源以时间顺序模式触发并由二向色滤光片207、208引导。光学积分器204将圆形束转换为矩形束。转像系统使导管的矩形端在数字光处理器(dlp)上成映像，在数字微镜装置(dmd)阵列205上生成待显示的图像。dmd阵列的每个像素可以通过移动对应的微镜而处于开启或关闭状态。当像素开启时，微镜将光反射到投影透镜206。当像素关闭时，将光反射到任何其他地方(例如到散热器中)。这些像素在智能眼镜的显示区域中显得很暗，这是因为对这些像素没有透射光线。
[0103]
通过比较，针对硅基液晶(lcos)显示器的照明系统由于偏振管理系统而更加复杂。图3示出了示例性lcos典型照明系统。存在波束形成积分器复眼系统。示例性光引擎具有三个lcos显示器。其不同于如图4所示的时间顺序照明系统。待由此类光引擎显示的图像在lcos面板(蓝色、绿色和红色直接驱动图像光源放大器(d-ila))上生成。图4的示例具有一个用于每个rgb颜色的lcos面板。图3的显示器包括灯301，该灯可以是弧光灯。来自弧光灯的光使用包括积分透镜302的积分透镜系统集成并由偏振器303偏振。分色滤光片304将光分离成蓝色光束、红色光束和绿色光束，该蓝色光束行进到预偏振器305，该红色和绿色光束行进到预偏振器306。蓝光行进到蓝色调谐偏振器307，并且由对应的d-ila(直接驱动图像光源放大器)装置308调制。绿光行进到绿色调谐偏振器309，并且由对应的d-ila装置310调制。红光行进到红色调谐偏振器311，并且由对应的d-ila装置312调制。所调制的光在x-组合器313处重组，并且提供给投影透镜系统314。在图3的系统中，反射镜和分色滤光片为不同的光学路径提供针对不同颜色的不同光轴。例如，用于蓝光的显示器308是沿着光轴315，该光轴是如在x组合器313内反射的透镜系统314的光轴。
[0104]
图4示出了时间顺序颜色照明的原理。时间顺序颜色照明系统是按照从红到绿到
蓝再到红的顺序切换颜色的装置，其中有时会有些白色，以便获得一定的光效率。通过触发一组三个或更多个led，或通过用动态或固态颜色切换器从白光源选择颜色通路来完成切换。
[0105]
图像形成系统。
[0106]
用于hmd的光学设计的当前基本形式是目镜、物镜和投影光学器件。下文描述了示例性目镜和物镜系统。
[0107]
目镜设计为非瞳孔形成设计。图5中示出了此类设计的示例。其不需要与微型显示器501共轭的中间像面。眼睛的瞳孔就是hmd的瞳孔。与瞳孔形成设计相比，此系统更小更简单，但此系统在图像源与虚拟图像之间具有更短的投影距离，从而将整个组件放置在头部的前面，靠近眼睛。
[0108]
第二光学方法是瞳孔形成设计，这种设计更为复杂。图6中示出了该设计的示例。这种设计更像复式显微镜，在复式显微镜中，第一组透镜形成显示器602的中间图像601。此中间图像由第二组透镜转像，在该第二组透镜处形成瞳孔。潜在优点是，瞳孔形成设计提供了从图像平面到眼睛的更多路径长度。这为设计者带来更大自由度，以根据需要插入反射镜(例如，603、604)以使光轴褶皱，并由此使光学部件远离面部移动到更有利的重量和重心位置。一些缺点即，附加的透镜增加了hmd的重量和成本，并且超出出瞳的范围，没有图像。
[0109]
在每种情况下，期望光学设计能够以足够少量的残余像差、手动聚焦(如果需要)以及用双目系统的正确对准来使图像转像。此外，光学设计优选地提供足够大的出瞳(眼框)，使得hmd移位到头部上以及良视距的至少25mm时，用户不会失去图像，从而允许用户佩戴眼镜。
[0110]
下面公开了根据本公开的实施方案的示例性光学系统。
[0111]
本文公开的原理通常应用于光学系统，该光学系统是一种介于非瞳孔和瞳孔形成光学设计之间的混合类型，其基于放置在眼镜板(也称为波导)上的平面光学部件。
[0112]
此光学系统基本上具有非瞳孔系统的架构，但瞳孔由全内反射(tir)通过波导传输并且还由各种光学部件扩展，而不是让眼睛置于光学系统的出瞳处。全内反射是指光线在波导内从周围表面返回到波导中的完全反射。tir模式在入射角大于临界角时发生。
[0113]
图7中示出了示例性系统。图7中所示的眼镜设备包括至少一个光显示器引擎701，该至少一个光显示器引擎被配置成用于发射要显示的至少一个图像。光引擎显示器被例如放置在眼镜设备的镜腿上。眼镜设备还包括光学部件710，该光学部件对应于光引擎显示器的投影透镜。光学部件710被布置成用于将在光显示器引擎的显示器上生成的图像的入射光耦合到波导712。波导(wg)712的目的在于将入射光朝向用户的眼睛引导，以使图像对用户可见。
[0114]
首先，成像光束击中波导的所谓耦入器702，该耦入器是在全内反射(tir)角度处将光束偏转到波导中的衍射光栅。在耦入器之后，图像像被捕获在光纤芯中一样被捕获在眼镜中。然后，在图7中，光束向下传播并击中第二部件703，该第二部件是眼瞳扩展器(epe)。epe具有两个功能。epe的第一个功能是像瞳孔形成系统中的反射镜一样使图像偏转。其最终目标是将虚拟图像和真实图像进行混合。epe的第二个功能是在一个维度中扩展瞳孔，以便允许舒适的观看。还提供了第二epe 704，以将瞳孔扩展到第二方向中。因此，在两个维度上扩展瞳孔。第二epe 704还使成像光束向上偏转。最后，通过耦出器705向眼睛提
取图像。
[0115]
hmd或眼镜设备的特征还可以在于提供给用户的图像数量。用户的一只眼睛可以看到单目图像、呈现给每只眼睛相同图像的双目图像、或每只眼睛接收到具有不同视差的图像以形成立体像对的双目图像。另外，图像也可以是光场形式。设备中使用的显示器数量相应地变化。显示器的数量可以是一只眼睛一个显示器，两只眼睛一个显示器或两个显示器，或每只眼睛各一个显示器。
[0116]
在基于平面光学部件的典型ar系统中，纵向视场由于褶皱光栅epe而减小。在使用双衍射模式的系统中，显示器的与视场角度范围匹配的空间范围是非常宽的。例如，对于波导折射率n2＝1.5的系统，水平视场hfov为48.5，并且垂直视场vfov＝23.7，其对应于2:1的角纵横比。
[0117]
通常，显示器具有16:9、3:2或4:3的空间纵横比。图8以与fov范围相同的尺度对所讨论的纵横比进行比较。在图8中，顶部矩形对应于通过耦入器和褶皱器的系统透射的最大显示尺寸，以用于具有n2＝1.5的波导板。三个较低矩形对应于空间纵横比分别为16:9、3:2和4:3的显示器。
[0118]
在顶层示出的最匹配系统fov的显示器是纵横比为16:9的显示器。16:9是在最小程度上破坏水平视场的纵横比。根据本文公开原理中的一个原理，提供了一种光学系统，其中空间场可水平地封装一个或多个显示器，同时保持fov的中心而没有任何显示的信息。此类系统可操作，以仅在外围上显示虚拟信息而不在观察者fov的中心显示。
[0119]
图9中示出了此类显示区域的示例。在fov 901的每一侧示出了纵横比为4:3的两个显示器。在一些实施方案中，显示器可以在一侧或多侧上稍微扩展超出视场，以提供对视场的更大利用。
[0120]
如图8所示，在fov的每一侧上插入纵横比为4:3的两个显示器可能不可行。图8的fov 801不够宽，无法在其间以大间隙并排封装两个显示器。这就需要极宽的水平fov。
[0121]
即使只有一个显示器移位到fov的一侧以使fov的中央部分没有图像，情况也是如此。例如，如果期望仅在fov的一侧上显示虚拟信息，则图8的fov 801可能不够宽。如图8中可见，纵横比为4:3的显示器仍然需要占多于一半的fov 801。
[0122]
fov随波导的折射率而变化。可以看出，针对水平和垂直fov的变化，获得了极为不同的行为。为此，比较了针对具有双衍射模式的系统的hfov和vfov的变化。
[0123]
hfov方程为：
[0124][0125]
而vfov方程为：
[0126][0127]
其中φk是epe光栅的取向。其通常等于45
°
。变量n2是波导的折射率。角度是针对光栅的设计参数，并且角度的值可以设定为：栅的设计参数，并且角度的值可以设定为：
[0128]
示例性值为
[0129]
利用这些等式，图10是以n2为函数的视场的曲线图(以度为单位)。曲线图清楚地显示，与垂直fov 1002相比，水平fov 1001在n2增长的情况下增长得更快。
[0130]
根据本公开的实施方案，提供了一种波导，该波导具有折射率，从而允许在fov的左侧或右侧封装一个显示器或封装两个显示器：一个显示器在视场的左侧，另一个在视场的右侧，并且在这两种情况下仍然在视觉系统的中央部分留下一个无障碍的视野。
[0131]
根据本公开的示例性光学系统可以是眼镜设备，诸如图7中所示的眼镜设备。示例性参数如下：波导的折射率是n2＝1.9，光栅被设计为λ＝625nm、m＝
±
2、λi＝697.3nm、λe＝652.4nm，其中m是衍射阶数，并且λi和λe分别是耦入器和耦出器的光栅间距。
[0132]
通过系统透射的总归一化显示尺寸为2.65
×
0.78，其实际上是10:3的宽纵横比。归一化显示尺寸意指在使用焦距等于1mm的投影透镜时，显示器将具有的尺寸。
[0133]
归一化尺寸为1.04
×
0.78的两个4:3的显示器可以封装在该区域，并且在视场中没有显示任何东西的中央区域的大小为0.57
×
0.78。
[0134]
为了设计提供上述功能的光学系统，可以根据波导的折射率确定水平视场(hfov)和视场(vfov)。选择具有特定折射率(例如高于1.5)的波导，并且确定由该波导给出的hfov和vfov。
[0135]
一些实施方案可以使用一个显示器。其他实施方案可以使用两个显示器。可以根据要渲染的纵横比来执行对显示器的选择。在一些实施方案中，使用纵横比为4:3的两个显示器，但在其他实施方案中使用其他纵横比。显示器可以被布置成提供用于水平视场的有效使用。例如，显示器可以放置在相对于投影透镜光轴的空间位置处，使得入射在耦入器上的光束在hfov的外围处从光学系统射出。
[0136]
在一些实施方案中，如图25所示，显示器disp1在光显示器引擎lde的投影透镜的光轴的一侧上移位距离d，d是投影透镜的光轴与显示器disp1的中心之间的距离。投影透镜的光轴沿着正交坐标系的z轴。显示器disp1在xz面中移位距离d，该xz面通常对应于眼镜设备的水平平面。
[0137]
在光引擎lde的显示器disp1上生成的图像的光束被耦合到波导wg中并由波导wg朝向用户的眼睛引导，以使图像im1在系统的水平视场hfov的一侧上对用户可见，这在图25示意性地示出。
[0138]
在图26的实施方案中，示出了光显示器引擎lde的两个显示器disp1和disp2。显示器中的每一个显示器在投影透镜的光轴的一侧上对称地移位相同的距离d'，该d'对应于光轴与显示器中心之间的距离。以与图25类似的方式，投影透镜的光轴沿着正交坐标系的z轴。显示器disp1和disp2在xz面中移位距离d'，该xz面通常对应于眼镜设备的水平平面。
[0139]
在一些实施方案中，距离d'可以选择如下：其中w
tot
是通过系统透射的总归一化显示尺寸的宽度，并且w
disp
是封装在系统的一侧上的显示器的宽度。例如，使用上文给出的值，d'＝tan(2.65/2-1.04/2)。在光引擎lde的显示器disp1和disp1中的每一者上生成的图像的光被耦合到波导wg中并由波导wg朝向用户的眼睛引导，以使图像im1和im2分别在系统的水平视场hfov的每一侧上对用户可见，这在图26示意性地示出。
[0140]
图11a示出了光引擎的两个显示器的示例性空间定位。此处，显示器1101、1102被表示为使得投影透镜的光轴垂直于显示器的图像平面。
[0141]
可以看出，两个显示器以不相交的方式放置，从而在显示器之间留下中央空间。每个显示器沿水平方向从投影透镜的光轴移位距离d'，并且沿垂直方向以投影透镜的光轴为中心。
[0142]
图11b示出了角度该角度由光学系统的镜头将其从显示器上的像素位置转换为角度。图11b表示在耦入器之前耦合到波导中的输入角。可以看出，边缘1110与1112之间存在缺失区域，在该缺失区域内没有增添到波导的信息。仅闭合区域间的角度存在于耦入器中并在tir模式中衍射，并且因此传送至眼睛。
[0143]
图11c示出了衍射区域该衍射区域在由光学系统的第一epe褶皱光栅进行衍射之后保持在tir模式中。图11d示出了第一epe输出的衍射角度该衍射角度表示在具有上述参数的光学装置中达到的最大角度范围。
[0144]
在一些实施方案中，在中央部分的宽度相对较窄的情况下，左侧显示器可以通过仅显示黑色带而具有其右侧裁剪，而右侧显示器可以具有由黑色显示条带提供的左边界，以便为fov的中央部分提供更大面积，在该中央部分未示出任何内容。这可以例如通过裁剪在光引擎的显示器上生成的图像的右侧或左侧并将图像的这些部分设定为黑色像素来完成。
[0145]
上述提供的示例的视场为：水平＝105.9，垂直＝42.6，对角＝108.2。
[0146]
根据本公开的实施方案，由于不存在击中耦入器的光线，该耦入器针对法向入射周围的极角的锥形(在图11b中可以看出，边缘1110和1112之间的每个入射极角缺失)，耦入器可以被配置成在波导中掠入射的情况下，获得比更高的角度。对于此目的，在以下方程中，例如
[0147][0148]
在其他实施方案中，对于可以使用其他值。这个角度可以低于图11b的图表中的角度，在该图表中，边缘1110、1112横穿水平轴线。
[0149]
图12是根据一些实施方案的显示器系统和投影透镜系统的示意性透视图。虽然显示器1201和1202在光轴1205的相对侧上彼此间隔开，但是这两个显示器都将光供应到相同的投影透镜系统1203。在此示例中，显示器不与光轴1205相交。内耦合光栅旨在放置在出瞳位置(示出为大约在1204处)。在出瞳位置处，光学设计软件可以计算球面坐标中的点列图，并且将其整体形式与针对具有归一化焦距的透镜计算的点列图进行比较。因为非常难以设计容纳高于100度的水平fov的透镜，所以尺寸和纵横比是不同的，但是至少允许进行视觉比较，并且这是与图13和图14进行比较的情况，其中图13示出了针对归一化透镜计算的球面角度而图14示出了利用光学设计软件模拟的球面角度
[0150]
图15是通过一组两个显示器1501、1502、投影透镜系统1503以及具有耦入器区域1505的波导1504的示意性横截面视图。图15示出了来自显示器1501和1502的示例性光线的通道。根据实施方案，来自上部(如页面上所示)显示器1501的光一旦耦合到波导中，就在向上方向上行进，并且来自下部显示器1502的光一旦耦合到波导中，就在向下方向上行进。图
15的横截面可以表示通过显示器系统的水平分层，其中例如显示器1501位于左侧，而显示器1502位于右侧。
[0151]
在虚拟信息显示在hvof两侧的情况下，为两只眼睛配备有用于增强现实的完整ar头戴式耳机的实施方案可对于每只眼睛具有此类一个透镜和两个显示器，这对于头戴式耳机而言，共计两个投影透镜、四个显示器和两个波导。
[0152]
在虚拟信息仅显示在hfov的一侧上的情况下，为两只眼睛配备有用于增强现实的完整ar头戴式耳机可对于每只眼睛具有此类一个透镜和一个显示器，这对于头戴式耳机而言，共计两个投影透镜、两个显示器和两个波导。
[0153]
图16示意性地示出了具有其平面光学部件的一对对称波导。在使用两个波导的实施方案中，两个波导可以彼此相同，或者两个波导可以是例如彼此的镜像。
[0154]
在波导1600处，投影透镜的出瞳可与耦入器1601匹配。图像中的一个朝向眼瞳扩展器1602衍射为正衍射级次(例如，+2级次)，并且另一个图像朝向眼瞳扩展器1603衍射为负衍射级次(例如，-2级次)。
[0155]
根据一些实施方案，使用二级衍射，这允许使用相对较大的间距尺寸。然而，其他实施方案是可能的，并且可以使用任何正或负级次。
[0156]
根据本公开的实施方案，从第一显示器光引擎发射的成像光束在耦入器处耦合在波导中并衍射为正二级次。成像光束在波导内部朝向第一epe1602反射，其中该成像光束在一个方向上得到扩展并朝向第二epe 1604偏转。第二epe使成像光束扩展到第二方向上，并使其朝向耦出器1605偏转。耦出器将图像从显示器衍射出波导，并且向用户提供在其视场的一侧上的成像器件上显示的增强信息。
[0157]
根据本公开的实施方案，当系统中存在第二光显示器引擎时，来自第二显示器的图像衍射成负二级次。然而，其他实施方案是可能的，并且可使用任何负级次。
[0158]
来自第二显示器的成像光束在波导内部朝向第三epe 1603反射，其中该成像光束在一个方向上得到扩展并朝向第四epe 1606偏转。第四epe使成像光束扩展到第二方向上，并使其朝向耦出器1605偏转。耦出器将图像从显示器衍射出波导，并且向用户提供在其视场的另一侧上的成像器件上显示的增强信息。应注意，第一epe 1602和第三epe 1603具有相同的间距尺寸。类似地，第二epe 1604和第四epe 1606具有相同的间距尺寸。
[0159]
到目前为止，该原理已公开为单色系统，其中每只眼睛仅一个波导。
[0160]
根据另一实施方案，如果期望完整的颜色系统，则每只眼睛可使用多于一个波导。例如，每个颜色可以针对一个波导。这导致对于rgb系统，每只眼睛三个波导。在这种情况下，针对集成到其中的相应波导的颜色设计用于每个rgb颜色的衍射光栅。
[0161]
本公开还涉及一种衍射光栅，该衍射光栅被配置成用于以全内反射模式使耦合到波导中的光束偏转一定偏转角，其中衍射光栅的光栅间距被确定为偏转角的函数，使得光束的最大角度范围在偏转之后以tir模式保持在所述波导中。
[0162]
根据本文公开的原理，公开了一种包括此类衍射光栅的波导。
[0163]
在典型的成像系统中，光学器件使用折射和反射光学部件(透镜和反射镜)在共轭平面之间传输图像。在这些系统中，在图像和瞳孔平面中限定光束尺寸和光阑，在该图像和瞳孔平面之间的空间传播是均匀的。用于增强现实(ar)的基于波导的光学系统通常使用衍射光栅作为用于一系列功能的光学部件。这些衍射光栅的主要功能是以有效且紧凑的方式
使光束褶皱或偏转。如上所述，此类衍射光栅用于扩展瞳孔。
[0164]
另一功能是使波导内部的图像偏转以改变其传播方向。在这些功能中，平面波导光学器件能够使光束褶皱或分离，像反射镜一样，其同时通过在高折射率材料中进行各种反射(tir模式)来增加光学路径。这给系统带来紧凑性。
[0165]
衍射光栅用于将图像耦合到波导中，图像在波导中以tir模式进一步传播。困难在于使图像偏转并仍处于tir模式中，同时匹配射入光束的最佳形状和范围。为此目的，期望tir衍射光栅被配置成在另一方向上透射最大可能的fov。
[0166]
根据本文公开的原理，设计了一种波导，该波导以tir模式使成像光束偏转，从而避免针对由水平和垂直fov(hfov和vfov)限定的矩形区段光束的程度损失和瞳孔掩蔽。
[0167]
根据本文公开的原理，衍射光栅被设计成使具有hfov和vfov的图像偏转。要确定的光栅参数是取向和光栅间距。限制在于使已经处于tir模式的图像偏转，这意味着波导内部的图像的每个光线在由临界角和掠射角值限定的范围内具有其主要极角值。每个光线还具有方位角值的范围。因此，衍射光栅处于锥形支架中。在由光栅进行偏转后，极角应仍然包含在临界角与掠射角之间，从而保持在tir模式中。光束在该衍射之后的传播方向朝向另一方向取向。下文论述衍射光栅的期望特性，其在取向和光栅间距尺寸方面满足上述功能，并且使针对最高可能视场的操作最大化。
[0168]
根据本公开，给出了分析解决方案，使得衍射光栅被设计用于大的视场。下文提供一组方程以对衍射光栅进行设定，其还给出对系统的限制、约束和可能性的更多见解。在角传输功能方面的性能由此被完全限定，并且这允许避免衍射过程中图像内容和能量的损失。在系统设计上获得的精确性也避免了设备的过度规格化，然后为给定传送范围提供最佳紧凑性。
[0169]
以下描述中提供了一些解释和数学基础知识，以便帮助理解本文公开的原理。
[0170]
耦入器的锥形衍射。
[0171]
一般来讲，衍射光栅被分析和配置用于平面内衍射，这意味着入射光线和衍射光线都位于垂直于衍射光栅的同一平面中。然而，用于照亮耦入器的光引擎产生的光线不仅有极性偏转还具有方位偏转。在以下解释中，光线将在球面坐标中由其极角和方位角来描述，其方向被归一化。
[0172]
在波导之前且入射到耦入器上的光线具有坐标(θi,φi)，,θi是极角，并且φi是方位角。一般来讲，该光线处于空气中并由波导的耦入器光栅衍射到该波导中作为(θd,φd)。在波导内部，此光线需要处于tir模式，这意味着：
[0173]
其中n2是波导折射率，是波导的掠射限值，并且临界角。图17示出了临界光线和掠入射光线以及衍射光线。
[0174]
图18示出了针对锥形衍射的坐标系。在此图中，入射波向量和衍射波向量在x-y平面上的投影表示为和还存在光栅向量，该光栅向量垂直于光栅线并乘以衍射级次m。
[0175]
归一化和右侧的坐标系(x,y,z)具有基数入射波向量入射波向量被示出有其球面角度(θ_i,φ_i)。入射波向量具有极角θi和方位角φi。其投
影到x-y平面为向量并且在数学上为：衍射光线是衍射和折射的组合。波导的折射率为n2。
[0176]
波向量在极角θi和方位角φi的情况下入射在光栅上。
[0177][0178]
衍射波具有波向量该波向量具有极角θd和方位角φd，
[0179][0180]
此外，光栅向量是
[0181][0182]
其中λ是光栅间距。
[0183]
锥形衍射方程公式可以应用于投影波向量：
[0184][0185]
并且对于衍射波向量的平面外分量，方程是：
[0186][0187]
其中m是衍射级次，并且k
xd
和k
yd
是由锥形衍射方程公式应用于投影波矢量的先前的方程组计算的。最后，一组锥形衍射方程，如下
[0188][0189]
其中n1＝1是主介质(例如空气)的折射率。
[0190]
目标是当θi从0度变化到90度且φi从0度变化到360度时，计算球面坐标(φd,φd)。对于耦入器分析，衍射光栅沿着x轴，这意味着φk＝0。可以通过解出针对(θd,φd)的锥形方程来计算衍射波向量的方向：
[0191][0192][0193]
在极线图中分析该组方程，其中径向坐标是极角，并且方位角是φ，如图19所示。绘制了针对其中m＝1的系统的角度值，λ＝625nm，n2＝1.5并且λ＝500nm。极性坐标示出了入射角度(θi,φi)。在图19中，曲线1901表示掠射限值，其指示以掠射角(75
°
，在这种情况下)衍射到波导中的入射光的角度。曲线1902表示tir限值，其指示以临界角衍射到波导中的入射光的角度。角度在曲线1901和1902之间的入射光将通过全内反射在波导中传播。
[0194]
图20示出了波导中的衍射角度。极性坐标示出了衍射角度(θd,φd)。曲线2201表示
掠射角(此处为75
°
)，曲线2202表示临界角。弯曲虚线2203包封波导中衍射光的角度。光线具有由曲线2201、2202和2203包封的弧形区域内的角度，该光线能够在波导内传播。
[0195]
可以看出，衍射波向量具有优选的方向，优选方向是x方向并且在光栅向量的方向上，并且如预期的，该方向垂直于光栅线。极性图还示出了tir限值。高于此tir限值等参曲线的衍射光线在波导内部处于tir模式，而超出该值的光线仅穿过波导。在成为掠射限值的75度处还存在掠射限值等参曲线，这是因为高于75度的掠射衍射光线被认为难以提取。这种图表更综合地示出了用于入射光线的耦入器的行为以及衍射光线的情况。
[0196]
双衍射模式。
[0197]
内耦合光栅还可以被设计成将像场的一半耦合到在一个方向上传播的波导中，并且将另一半耦合到在第二方向上传播的波导中。
[0198]
根据本公开的另一实施方案，如上文所论述，内耦合光栅可被配置成将两个图像耦合到波导中，其中一个图像传播到波导中的一个方向上，并且另一个图像传播到波导中的第二方向上。图21示出了此类双衍射模式，其中负衍射级次朝向左侧耦合，并且正衍射级次朝向右侧耦合。
[0199]
此类系统的优点是，在到达眼瞳之前重组两个图像半部，然后呈现为视场的大约两倍。在两个图像耦合到波导中的情况下，此双模式还可以用于在视场的一侧上显示两个图像中的每个图像。
[0200]
可用于选择内耦合光栅间距尺寸的方程是：
[0201][0202]
此处出现的附加角度是其是波导内部的最大掠入射角。通常，这个值被设定为第二角度是并且该值控制两个衍射模式之间的重叠量。
[0203]
根据实施方案的褶皱光栅的取向和间距尺寸。
[0204]
对于根据一些实施方案计算epe间距尺寸，假设成像光束通过耦合到波导中。可以使用单模式或双模式衍射光栅。在以下的任何情况下，波导内部的一个方向被认为在例如光束上，所述光束的传播方向为φd＝0。类似原因可用于其他光束，该光束的方向为φd＝π。
[0205]
对于在φd＝0处的传播方向，方位角从φd＝-30大约扩展到φd＝30
°
，而极角从tir角扩展到θd＝75
°
。
[0206]
还假设内耦合光栅和偏转光栅位于波导的同一侧，并且两者均设置有相同取向的笛卡尔坐标系。图18示出了在tir内耦合衍射光栅处的坐标系。偏转光栅相对于内耦合光栅的第一个差异在于，偏转光栅上的入射波向量是并且衍射波向量被称为
[0207]
第二个差异在于，其入射波向量和衍射波向量两者都在波导内，而在耦入器的情况中，入射波向量处于空气中。假设未知光栅间距(待确定的)为λe。
[0208]
通过应用光栅方程，则：
[0209]
其中
[0210]
根据这些方程，极性衍射角的值通过以下来计算：
[0211]
(sinθe)2＝(α
×
cosφ
k-sinθd×
cosφd)2+(α
×
sinφ
k-sinθd×
sinφd)2，
[0212]
并且由于耦入器衍射射线的条件是因此由偏转光栅衍射的光线的值的范围可以类似地设定。光线应全部保持在tir模式中，无论其入射方向(θd,φd)是：
[0213][0214]
利用两个条件，下面提供了一组两个三段式方程，从中可以得出针对间距λe的下部边界和上部边界：
[0215][0216][0217]
针对每个方程的有意义的解决方案是：
[0218][0219][0220]
并且因此光栅间距尺寸为：
[0221][0222][0223]
其中间距处于间隔中。
[0224]
在以上两个方程式中，提供光栅间距尺寸，对方位角φd存在依赖性。此方位角可以变化。可以探索的值的范围是其中上部间距尺寸始终大于下部间距尺寸的域。如果从此域得出方位角，那么不存在可能满足最后方程的间距尺寸，因为这将导致这是不可能的。
[0225]
由于随着方位角的增大而减小且随着方位角值的减小而增大，并且由于期望对称地处理正和负方位角，存在针对以及γ＝-β的最大值β＝maxφd和
最小值γ＝minφd。然后，偏转光栅可被配置成具有以下特性：
[0226]
·
其最大接受角为β，这意味着该装置接受用于光栅的φk特定取向的最大可能的图像视场。
[0227]
·
其他设计不可能具有更大的视场。
[0228]
·
达到此的对应间距尺寸是唯一的。
[0229]
为了找出视场和间距尺寸，将解决以下关系：
[0230][0231]
事实上，应当寻求以θd为函数的最大值和最小值。但是，针对最大值和最小值的类似结果在寻求以x＝sinθd为函数的最大值和最小值时获得。这种变化是可改变的，大大简化了导数及其的解决方案。
[0232]
取决于φ
k-β的值，函数在以下三点中的一点处达到其最小值：
[0233][0234][0235][0236]
通过类似的方式，在以下点中的一个点处达到其最大值：
[0237][0238][0239][0240]
其中n是tir的正弦与掠射角之间的比率：
[0241][0242]
为了解决关系(1)，将在用于褶皱光栅间距的最大尺寸和最小尺寸的一组3个先前方程之间并且根据褶皱光栅的取向φk的值来区分四种不同的情况。根据本公开的实施方案，这四种情况允许完全定义tir衍射光栅的参数，以使波导内部的成像光束偏转。
[0243][0244][0245]
并且图像被偏转了角度2φk。
[0246]
图22中示出了角度接受度的曲线，并且图23中示出了最佳间距尺寸。两条曲线的每个区段都与先前表格中指示的区段相对应。图22示出了针对n＝1.5，λ＝625nm，m＝2，并且的情况，以光栅取向φk(以角度计)为函数的垂直视场δφ(以角度计)。在图22中，区段1由虚线标记2201表示，区段2由虚线标记2202表示，区段3由虚线标记2203表示，区段4由虚线标记2204表示。图23示出了针对与图22相同的情况，以光栅取向φk(以角度计)为函数的光栅间距λe(以nm计)。在图23中，区段1由虚线标记2301表示，区段2由虚线标记2302表示，区段3由虚线标记2303表示，并且区段4由虚线标记2304表示。
[0247]
根据光栅取向的间隔，考虑四种不同的情况。最高角度的接受角在φk＝45
°
处。一旦接受角远离该值，角度带宽就会下降。
[0248]
根据本公开的实施方案，提出了一种波导，该波导具有耦入器和光栅，该光栅用于使图像在视场方面在波导中偏转90
°
，其中光栅根据上文公开的原理进行配置。
[0249]
根据本公开的实施方案，提出了一种系统，该系统包括显示器，该显示器具有矩形形状并且其图像通过波导的耦入器增添到系统的波导中。所提出的系统允许通过系统透射由显示器生成的图像，而不会被从tir方案中衍射的角度裁剪。
[0250]
在增添到波导中之前，由显示器矩阵上的位置(x，y)处的每个像素发出的每个球面波由归一化焦距为1mm的透镜转变为在平面波方向(θi,φi)上。假设系统具有处于双衍射模式的耦入器，因此在图24a至图24d中，仅表示显示器场的一半。
[0251]
此类可视化有助于示出可以使用的最大水平显示长度如图24a上的线2240)，以及最大垂直显示长度如线2241。在图24b上，水平视场是线2242(≈25度)的最大θ
i,
，而垂直视场是线2243(≈
±
12度)的最大θ
i,
。具有耦入器和褶皱光栅的系统具有48.5
°
的水平fov和23.7
°
的垂直fov。
[0252]
垂直fov的纵横比是有问题的，通常期望显示器具有16:9的纵横比。这意味着仅水平视场的较小部分可用于端部，并且为了获得更好的垂直fov，可以使用更高折射率的波导。
[0253]
根据本公开的实施方案，根据以上公开的原理配置的褶皱衍射光栅可以集成在图16中所示的光学系统中。例如，波导的第一和第二epe可以根据上述公开的原理使用表中定义的四种情况方程来配置，这取决于光学系统用于偏转光束的偏转角。
[0254]
虽然已经说明和描述了目前被认为是本发明的优选实施方案的内容，但是本领域技术人员将理解，可以进行各种其他修改，并且在不脱离本发明的真实范围的情况下可以取代等效物。另外，在不脱离本文描述的中心发明概念的情况下，可以进行许多修改以适应本发明的教导的特定情况。此外，本发明的实施方案可以不包含上文所描述的所有特征。因此，本发明旨在不限于所公开的特定实施方案，而是包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。
[0255]
当解释描述及其相关权利要求时，本发明诸如“包含”、“包括”、“结合”、“含有”、“是”和“具有”应被解释为非排他性的方式，即解释为允许也不存在明确定义的其他项目或部件。对单数的引用也应被解释为对复数的参考，反之亦然。
[0256]
本领域技术人员将容易理解，可以修改描述中公开的各种参数，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合公开的和/或受权利要求书保护的各种实施方案。