用于增强现实显示系统的目镜的制作方法

本公开涉及用于虚拟现实、增强现实和混合现实系统的目镜。

背景技术：

1、现代计算和显示技术促进了虚拟现实、增强现实和混合现实系统的发展。虚拟现实或“vr”系统为用户创建了用于体验的模拟环境。这可通过使用头戴式显示器向用户呈现由计算机生成的图像数据来实现。该图像数据创建了使用户沉浸在模拟环境中的感官体验。虚拟现实场景一般涉及仅呈现由计算机生成的图像数据，而不包括实际真实世界图像数据。

2、增强现实系统一般使用模拟元素来补充真实世界环境。例如，增强现实或“ar”系统可通过头戴式显示器向用户提供周围真实世界环境的视图。然而，也可以在显示器上呈现由计算机生成的图像数据以增强真实世界环境。这种由计算机生成的图像数据可以包括与真实世界环境在情境上相关的元素。此类元素可以包括模拟的文本、图像、对象等。混合现实或“mr”系统是一种ar系统，其还将模拟对象引入真实世界环境中，但是这些对象通常具有更大的交互度。模拟元素通常可以实时地交互。

3、图1示出了示例ar场景1，在此场景中，用户看到真实世界公园设置6，其以人、树木、位于背景中的建筑物以及混凝土平台20为特征。除了这些项目之外，还向用户呈现由计算机生成的图像数据。由计算机生成的图像数据可以包括例如站在真实世界平台20上的机器人雕像10，以及飞过的卡通式化身角色2，其看上去是大黄蜂的化身，尽管这些元素2、10在真实世界环境中实际上并不存在。

技术实现思路

1、在一些实施例中，用于增强现实显示系统的目镜波导包括：具有第一表面和第二表面的透光(optically transmissive)基板；形成在基板的一个表面上或一个表面中的输入耦合(input coupling)光栅(icg)区域，icg区域被配置为接收光束并以引导传播模式将光束耦合到基板中；以及形成在基板的第一表面上或第一表面中的第一组合光瞳扩展器-提取器(extractor)(cpe)光栅区域，第一cpe光栅区域被定位以接收来自icg区域的光束，并且第一cpe光栅区域包括多个衍射特征，其被配置成利用第一相互作用改变光束的传播方向，并利用第二相互作用从目镜波导耦出光束，其中，衍射特征被布置为交替的较高四边形表面和较低四边形表面的行和列。

2、在一些实施例中，用于增强现实显示系统的目镜波导包括：透光基板；输入耦合光栅(icg)区域；以及形成在基板的第一侧上的第一组合光瞳扩展器-提取器(cpe)光栅区域，其中icg区域被配置为接收一组多个输入光束，该组输入光束与一组k矢量相关联，该组k矢量形成位于与目镜波导相关联的k空间环的中心的视场(fov)形状，其中icg区域配置为衍射输入光束，以便将它们作为引导光束耦合到基板中并且以便将fov形状平移到至少部分地在k空间环内的第一位置，其中，利用第一相互作用，第一cpe光栅区域被配置为衍射引导光束以便将fov形状从第一位置平移到至少部分在k空间环内的第二位置和第三位置，但不将fov形状从第一位置直接平移回k空间环的中心，效率大于它将fov形状从第一位置平移到第二位置和第三位置的效率的1％，并且其中，利用第二相互作用，第一cpe光栅区域被配置为衍射引导光束，以便将fov形状从第二位置和第三位置平移到k空间环的中心。

3、在一些实施例中，用于增强现实显示系统的目镜波导包括：具有第一表面和第二表面的透光基板；形成在基板的一个表面上或一个表面中的输入耦合光栅(icg)区域，icg区域被配置为接收光束并以引导传播模式将光束耦合到基板中；形成在基板的第一表面上或第一表面中的第一组合光瞳扩展器-提取器(cpe)光栅区域，第一cpe光栅区域被定位以接收来自icg区域的光束，并且第一cpe光栅区域包括多个衍射特征，其被配置为利用第一相互作用改变光束的传播方向，并且利用第二相互作用将光束从目镜波导耦出，其中衍射特征包括菱形凸脊(diamond shaped raised ridge)。

4、在一些实施例中，用于增强现实显示系统的目镜波导包括：具有第一表面和第二表面的透光基板；形成在基板的一个表面上或一个表面中的输入耦合光栅(icg)区域，icg区域被配置为接收输入光束并将输入光束作为引导光束耦合到基板中；形成在基板的第一表面上或第一表面中的第一组合光瞳扩展器-提取器(cpe)光栅区域，第一cpe光栅区域被定位以接收来自icg区域的引导光束并产生位于多个分布式位置的第一多个衍射光束，并耦出第一多个输出光束；形成在基板的第二表面上或第二表面中的第二cpe光栅区域，第二cpe光栅区域被定位以接收来自icg区域的引导光束并产生位于多个分布式位置的第二多个衍射光束，并且耦出第二多个输出光束；与第一cpe光栅区域相邻的第一再循环(recycler)光栅区域，第一再循环光栅区域被定位并被配置为接收来自第一cpe光栅区域的第一多个衍射光束中的一些并将它们重新引导回朝向第一cpe区域；以及与第二cpe光栅区域相邻的第二再循环光栅区域，第二再循环光栅区域被定位并被配置为接收来自第二cpe光栅区域的第二多个衍射光束中的一些并将它们重新引导回朝向第二cpe区域。

5、在一些实施例中，用于增强现实显示系统的目镜波导包括：透光基板；输入耦合光栅(icg)区域；第一组合光瞳扩展器-提取器(cpe)光栅区域；第二cpe光栅区域；第一再循环光栅区域；第二再循环光栅区域，其中icg区域被配置为接收一组多个输入光束，该组输入光束与一组k矢量相关联，该组k矢量形成位于与目镜波导相关联的k空间环的中心的视场(fov)形状，其中icg区域被配置为衍射输入光束，以便将它们作为引导光束耦合到基板中，并将fov形状平移到至少部分在k空间环内的第一位置，其中第一cpe光栅区域被配置为衍射引导光束，以便将fov形状从第一位置平移到至少部分在k空间环内的第二位置，其中第二cpe光栅区域被配置为衍射引导光束，以便将fov形状从第一位置平移到至少部分在k空间环内的第三位置，其中第一cpe光栅区域被配置为衍射引导光束，以便将fov形状从第三位置平移到k空间环的中心，其中第二cpe光栅区域被配置为衍射引导光束，以便将fov形状从第二位置平移到k空间环的中心，其中第一再循环光栅区域被配置为衍射引导光束，以便将fov形状从第二位置平移到第三位置，并且其中第二再循环光栅区域被配置为衍射引导光束，以便将fov形状从第三位置平移到第二位置。

技术特征：

1.一种用于增强现实显示系统的目镜波导，所述目镜波导包括：

2.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述交替的较高的四边形表面和较低的四边形表面的行和列形成方格图案。

3.根据权利要求2所述的目镜波导，其中，所述方格图案具有基本上50％的占空比。

4.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述四边形表面是矩形。

5.根据权利要求4所述的目镜波导，其中，所述矩形表面的长度和宽度尺寸使得它们的对角线之间的角度基本上是60°。

6.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述较高的四边形表面和所述较低的四边形表面的大小和形状相同。

7.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述衍射特征包括具有菱形晶胞的2d光栅。

8.根据权利要求7所述的目镜波导，其中，所述菱形晶胞包括内切于其中的一个所述较高的四边形表面，以使得该较高的四边形表面的角位于所述菱形晶胞的中点处。

9.根据权利要求8所述的目镜波导，其中，所述2d光栅包括所述菱形晶胞的平铺图案。

10.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述cpe光栅区域呈现出直接耦出衍射，其效率小于传播衍射的1％。

11.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述较高的四边形表面包括具有垂直于所述基板的所述第一表面的侧壁的柱。

12.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述较高的四边形表面包括具有相对于所述基板的所述第一表面倾斜的侧壁的柱。

13.根据权利要求12所述的目镜波导，其中，所述倾斜的侧壁是对称的。

14.根据权利要求12所述的目镜波导，其中，所述倾斜的侧壁是非对称的从而形成闪耀光栅。

15.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述较高的四边形表面的高度在空间上是渐变的。

16.根据权利要求15所述的目镜波导，其中，所述较高的四边形表面具有随着与所述icg区域的距离的增加而增加的高度。

17.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，在所述衍射特征之上形成涂层。

18.根据权利要求17所述的目镜波导，其中，所述涂层包括具有比所述衍射特征的折射率更高的折射率的材料。

19.根据权利要求18所述的目镜波导，其中，所述涂层的所述折射率至少是2.0。

20.根据权利要求18所述的目镜波导，其中，所述涂层是保形的。

21.根据权利要求18所述的目镜波导，其中，所述涂层不厚于100nm。

22.根据权利要求21所述的目镜波导，其中，所述涂层不厚于60nm。

23.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述第一cpe光栅区域的所述多个衍射特征在至少两个方向上呈现出周期性。

24.根据权利要求23所述的目镜波导，其中，所述第一cpe光栅区域的所述多个衍射特征在相对于彼此以基本上60°的角度定向的第一方向和第二方向上呈现出周期性。

25.根据权利要求24所述的目镜波导，其中，所述icg区域包括在相对于所述第一方向和所述第二方向以基本上60°的角度定向的第三方向上呈现出周期性的多个衍射特征。

26.根据权利要求1所述的目镜波导，还包括形成在所述基板的所述第二表面上或所述第二表面中的第二cpe光栅区域，所述第二cpe光栅区域包括多个衍射特征，所述多个衍射特征被配置为利用第一相互作用改变所述光束的传播方向，以及利用第二相互作用将所述光束从所述目镜波导中耦出。

27.根据权利要求26所述的目镜波导，其中，所述第一cpe光栅区域和所述第二cpe光栅区域是相同的。

28.根据权利要求26所述的目镜波导，其中，所述基板具有足够大的厚度以防止所述光束在已经被耦合为所述引导传播模式之后与所述icg区域相互作用。

29.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述光束是准直的并且具有5mm或更小的直径。

30.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述透光基板是平面的。

31.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述目镜波导被结合到用于增强现实显示系统的目镜中。

32.根据权利要求31所述的目镜波导，其中，所述目镜被配置为在多个深度平面处显示彩色图像。

33.一种用于增强现实显示系统的目镜波导，所述目镜波导包括：

34.根据权利要求33所述的目镜波导，其中，所述k空间环的中心、所述第一位置和所述第二位置限定k空间中的第一等边三角形。

35.根据权利要求34所述的目镜波导，其中，所述k空间环的中心、所述第一位置和所述第三位置限定k空间中的第二等边三角形。

36.根据权利要求35所述的目镜波导，其中，k空间中的所述第一等边三角形和所述第二等边三角形共享一条边。

37.根据权利要求33所述的目镜波导，还包括形成在所述基板的第二侧上的第二cpe光栅区域，

38.根据权利要求37所述的目镜波导，其中，所述第二cpe光栅区域增加来自所述目镜波导的输出光束的密度。

39.根据权利要求38所述的目镜波导，其中，所述第二cpe光栅区域将所述输出光束的密度增加到至少四倍。

40.一种用于增强现实显示系统的目镜波导，所述目镜波导包括：

41.根据权利要求40所述的目镜波导，其中，所述菱形凸脊以基本上60°的角度相交。

42.根据权利要求40所述的目镜波导，其中，所述菱形凸脊在其间形成菱形气隙。

43.根据权利要求42所述的目镜波导，其中，所述菱形气隙在相对的顶点之间具有“a”尺寸和“b”尺寸，并且其中，a/b比率是0.1至0.6。

44.根据权利要求43所述的目镜波导，其中，所述a/b比率是0.2至0.5。

45.根据权利要求40所述的目镜波导，其中，所述cpe光栅区域呈现出直接耦出衍射，其效率小于传播衍射的1％。

46.根据权利要求40所述的目镜波导，其中，在所述衍射特征上形成涂层。

47.根据权利要求46所述的目镜波导，其中，所述涂层包括具有比所述衍射特征的折射率更高的折射率的材料。

48.根据权利要求47所述的目镜波导，其中，所述涂层的所述折射率至少是2.0。

49.根据权利要求47所述的目镜波导，其中，所述涂层是保形的。

50.根据权利要求47所述的目镜波导，其中，所述涂层不厚于100nm。

51.根据权利要求50所述的目镜波导，其中，所述涂层不厚于60nm。

52.根据权利要求40所述的目镜波导，其中，所述第一cpe光栅区域的所述多个衍射特征在至少两个方向上呈现出周期性。

53.根据权利要求52所述的目镜波导，其中，所述第一cpe光栅区域的所述多个衍射特征在相对于彼此以基本上60°的角度定向的第一方向和第二方向上呈现出周期性。

54.根据权利要求53所述的目镜波导，其中，所述icg区域包括在相对于所述第一方向和所述第二方向以基本上60°的角度定向的第三方向上呈现出周期性的多个衍射特征。

55.根据权利要求40所述的目镜波导，还包括形成在所述基板的所述第二表面上或所述第二表面中的第二cpe光栅区域，所述第二cpe光栅区域包括多个衍射特征，所述多个衍射特征被配置为利用第一相互作用改变所述光束的传播方向，以及利用第二相互作用将所述光束从所述目镜波导中耦出。

56.根据权利要求55所述的目镜波导，其中，所述第一cpe光栅区域和所述第二cpe光栅区域是相同的。

57.根据权利要求55所述的目镜波导，其中，所述基板具有足够大的厚度以防止所述光束在已经被耦合为引导传播模式之后与所述icg区域相互作用。

58.根据权利要求40所述的目镜波导，其中，所述光束是准直的，并且具有5mm或更小的直径。

59.根据权利要求40所述的目镜波导，其中，所述透光基板是平面的。

60.根据权利要求40所述的目镜波导，其中，所述目镜波导被结合到用于增强现实显示系统的目镜中。

61.根据权利要求60所述的目镜波导，其中，所述目镜被配置为在多个深度平面处显示彩色图像。

62.一种用于增强现实显示系统的目镜波导，所述目镜波导包括：

63.根据权利要求62所述的目镜波导，其中，所述第一cpe光栅区域被配置为耦出所述第二多个衍射光束，并且所述第二cpe光栅区域被配置为耦出所述第一多个衍射光束。

64.根据权利要求63所述的目镜波导，其中，所述第一多个衍射光束和所述第二多个衍射光束交替地与所述第一cpe光栅区域和所述第二cpe光栅区域相互作用。

65.根据权利要求62所述的目镜波导，其中，所述第一cpe光栅区域和所述第二cpe光栅区域均包括多个周期性重复的衍射线，并且其中，所述第一cpe光栅区域的所述衍射线相对于所述第二cpe光栅区域的所述衍射线以基本上60°的角度定向。

66.根据权利要求65所述的目镜波导，其中，所述第一cpe光栅区域和所述第二cpe光栅区域的所述衍射线具有相同的周期。

67.根据权利要求65所述的目镜波导，其中，使用公共主模板形成所述第一cpe光栅区域和所述第二cpe光栅区域的所述衍射线。

68.根据权利要求65所述的目镜波导，其中，所述icg区域包括多个周期性重复的衍射线，并且其中，所述icg区域的所述衍射线相对于所述第一cpe区域的所述衍射线和所述第二cpe光栅区域的所述衍射线以基本上60°的角度定向。

69.根据权利要求68所述的目镜波导，其中，所述icg区、所述第一cpe光栅区域和所述第二cpe光栅区域的所述衍射线具有相同的周期。

70.根据权利要求65所述的目镜波导，其中，所述第一再循环光栅区域和所述第二再循环光栅区域包括多个周期性重复的衍射线，并且其中，所述第一再循环光栅区域和所述第二再循环光栅区域的所述衍射线相对于所述第一cpe光栅区域的所述衍射线和所述第二cpe光栅区域的所述衍射线以基本上30°的角度定向。

71.根据权利要求62所述的目镜波导，其中，所述第一cpe光栅区域和所述第二cpe光栅区域重叠至少90％。

72.根据权利要求62所述的目镜波导，其中，所述第一cpe光栅区域和所述第二cpe光栅区域具有相同的大小。

73.根据权利要求72所述的目镜波导，其中，所述第一cpe光栅区域和所述第二cpe光栅区域彼此对准。

74.根据权利要求62所述的目镜波导，其中，所述第一cpe光栅区域被配置为通过在至少两个方向上衍射来自所述icg区域的所述引导光束的功率的部分来产生所述第一多个衍射光束。

75.根据权利要求74所述的目镜波导，其中，所述两个方向中的一个方向对应于零阶衍射光束。

76.根据权利要求62所述的目镜波导，其中，所述第二cpe光栅区域被配置为通过在至少两个方向上衍射来自所述icg区域的所述引导光束的功率的部分来产生所述第二多个衍射光束。

77.根据权利要求76所述的目镜波导，其中，所述两个方向中的一个方向对应于零阶衍射光束。

78.根据权利要求62所述的目镜波导，其中，所述第一多个衍射光束在第一方向上传播，并且其中，所述第二多个衍射光束在相对于所述第一方向基本上60°的角度的第二方向上传播。

79.根据权利要求62所述的目镜波导，其中，所述输入光束是准直的，并且具有5mm或更小的直径。

80.根据权利要求62所述的目镜波导，其中，所述透光基板是平面的。

81.根据权利要求62所述的目镜波导，其中，所述目镜波导被结合到用于增强现实显示系统的目镜中。

82.根据权利要求81所述的目镜波导，其中，所述目镜被配置为在多个深度平面处显示彩色图像。

83.根据权利要求62所述的目镜波导，

84.根据权利要求83所述的目镜波导，其中，所述k空间环的中心、所述第一位置和所述第二位置限定k空间中的第一等边三角形。

85.根据权利要求84所述的目镜波导，其中，所述k空间环的中心、所述第一位置和所述第三位置限定k空间中的第二等边三角形。

86.根据权利要求85所述的目镜波导，其中，k空间中的所述第一等边三角形和所述第二等边三角形共享一条边。

87.一种用于增强现实显示系统的目镜波导，所述目镜波导包括：

88.根据权利要求87所述的目镜波导，其中，所述k空间环的中心、所述第一位置和所述第二位置限定k空间中的第一等边三角形。

89.根据权利要求88所述的目镜波导，其中，所述k空间环的中心、所述第一位置和所述第三位置限定k空间中的第二等边三角形。

90.根据权利要求89所述的目镜波导，其中，所述k空间中的所述第一等边三角形和所述第二等边三角形共享一条边。

91.根据权利要求87所述的目镜波导，其中，所述第一cpe光栅区域和所述第二cpe光栅区域被形成在所述透光基板的相对侧上或相对侧中。

92.根据权利要求87所述的目镜波导，其中，所述引导光束交替地与所述第一cpe区域和所述第二cpe区域相互作用。

93.根据权利要求87所述的目镜波导，其中，与所述第一cpe光栅区域相关联的一阶光栅矢量具有和与所述第二cpe光栅区域相关联的一阶光栅矢量相同的幅度。

94.根据权利要求93所述的目镜波导，其中，与所述icg区域相关联的一阶光栅矢量具有和与与所述第一cpe光栅区域向关联的一阶光栅矢量以及与所述第二cpe光栅区域相关联的一阶光栅矢量相同的幅度。

95.根据权利要求93所述的目镜波导，其中，与所述第一再循环区域或所述第二再循环区域相关联的一阶光栅矢量等于±(cpe1–cpe2)，其中，cpe1是与所述第一cpe区域相关联的一阶光栅矢量，以及cpe2是与所述第二cpe区域相关联的一阶光栅矢量。

96.根据权利要求87所述的目镜波导，其中，所述目镜波导被结合到用于增强现实显示系统的目镜中。

97.根据权利要求96所述的目镜波导，其中，所述目镜被配置为在多个深度平面处显示彩色图像。

技术总结
一种用于增强现实显示系统的目镜波导。该目镜波导可以包括具有输入耦合光栅(ICG)区域的光学透射基板。ICG区域可以接收光束并以引导传播模式将光束耦合到基板中。该目镜波导还可以包括组合光瞳扩展器‑提取器(CPE)光栅区域，该区域接收来自ICG区域的光束并通过利用第一相互作用改变光束的传播方向，并利用第二相互作用将光束耦出。CPE光栅区域的衍射特征可以排列成交替的较高和四边形表面的行和列，或者衍射特征可以包括菱形凸脊。目镜波导还可以包括一个或多个再循环光栅区域。

技术研发人员：V·K·刘,S·巴拉加瓦,B·M-J·博恩,林滇敏,P·圣希莱尔,V·辛格,K·罗
受保护的技术使用者：奇跃公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14