用于耦合入射光的高视场的光学装置
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年9月19日提交的标题为“用于耦合入射到所述光学装置上的超高fov光的光学装置(an optical device for coupling a ultra high fov light incident on said optical device)”的ep19198478.0的优先权。
背景技术：3.本公开涉及光学器件和光子的领域，并且更具体地涉及用于耦合入射在光学装置上的光的光学装置。它可以在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))以及包括显示器和/或轻质成像系统的各种其它电子消费品中获得应用。
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眼镜被认为是下一代人机界面，因此在消费者电子设备和移动装置领域引起了主要工业参与者的极大兴趣。ar/vr眼镜(以及更一般的眼镜防护电子装置)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。此类光学部件还应易于制造和复制。
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。
8.一些类型的ar/vr眼镜利用光学波导，其中光仅在有限的内角度范围内通过tir(对于总内部反射)传播到光学波导中。波导的fov(用于视场)取决于波导的材料。波导的fov可以由通过tir传播到波导中的fov可以由通过tir传播到波导中的的最大跨度表示。通常，并且如图2a所示，可以耦合到波导中的最大角跨度由两条光线限定：具有入射角的临界光线(在图2a中的)和具有入射角的掠射光线(在图2a中的)。该临界光线是刚好以临界角衍射到波导中的光线，这可以通过其中n2(λ)是入射光的波长λ的波导材料的折射指数。高于临界角发生全内反射(tir)。
9.掠射光线是具有输入角的光线，该输入角以掠入射衍射到波导中。上面呈现的波导的理论fov是用于单个模式系统，其中一个单个衍射模式用于承载图像：+1或-1衍射模式。
10.基于光学波导的系统中的视场受到玻璃板的角度带宽的限制。如果我们将一种模式衍射到玻璃板中，则给出fov，作为玻璃板材料的折射指数的函数。折射指数n2的波导的
fov由其中n1是主折射指数介质的(用于空气，n1＝1)。
11.图3示出了用于n2的合理范围的图。对于n2＝1.5，单模式系统的总视场更确切地说限于δθ1＝28.96
°
。可以看出，60度fov是平坦波导的实用限制，因为折射指数高于2.0的材料通常不可用。
12.通过利用波导内部的第二传播方向，可以进一步扩展光学波导的视场，使该视场加倍。例如，在wo2017180403中，提出了具有延长视场的波导，其中使用双模式图像传播。在此方法中，使用衍射模式+1来在一个方向上承载右手侧图像(在内耦合器(in-coupler)上的负入射角)，并且使用-1模式将正入射角传播到波导中的相反方向。图2b示出了此类系统，其中示出了两种衍射模式的临界角和掠射角。在wo2017180403中，由于瞳孔扩张器和波导出口处的外耦合器(out-coupler)，将这两个半图像进行组合，使得用户看到单个图像。系统的益处是使视场加倍，因为每个半图像可以在每个传播方向上使用波导的整个角度带宽。
13.在ep3671293a1中，公开了“一种包括至少一个具有高于波长的光栅间距的衍射光栅的光学装置”，光学波导包括被配置为衍射入射在光学波导上的至少一个给定波长的光的衍射光栅。衍射光栅具有高于至少一个给定波长的光栅间距，并且被配置为以衍射阶|m|＞1衍射入射光，m是衍射阶。
14.使用高于1的衍射阶具有将波长乘以在衍射方程中使用的阶的效果。由于光栅间距是乘积mλ的函数，所以这意味着光栅间距乘以m。在ep3671293a1中示出了用于内耦合器的结构大得多并且开创了制造技术中的新的可能性，因为可以使用纳米压印。此外，对于光栅密度而言，每毫米的更少的线是必要的，并且制造工艺可以更容易地优化，因为结构将大于光的波长，而不是尺寸的亚波长。
15.还在ep3671293a1中示出使用
±
2个衍射阶的光学波导提供约60
°
的fov，折射指数为1.5。因此，可以使用具有折射指数1.5的材料，而不是单个模式中的2，来获得60
°
视场。
16.然而，60
°
fov仍然相对于总人类视场而被限制，在该总人类视场中立体视觉对人类视觉有效并且为约114
°
。
技术实现要素：17.说明书中的“一个实施方案”、“实施方案”、“示例性实施方案”等指示所描述的实施方案可以包含特定特征、结构或特性；但不是每个实施方案必然包括特定特征、结构或特性。而且，此类短语不一定是指相同的实施方案。此外，当结合实施方案描述特定特征、结构或特性时，此类特征、结构或特性可以与其它实施方案结合使用，无论是否明确地描述。
18.根据本公开的方面，公开了一种光学装置。此类光学装置被配置为耦合入射到该光学装置上的光，该光具有一系列波长。光学装置至少包括第一光学波导和第二光学波导，用于引导光的角度范围其中对应于以角度衍射到第一波导中的光线的入射角，其中中的光线的入射角，其中是第一波导材料的折射指数。第一波导根据光传播方向被放置在第二光学波导的前面。第一波导被配置为衍射入射光的第一角度范围和入射光的第二角度范围其中对应于以所确定
的角度衍射到第一波导中的光线的所确定的入射角，并且该第二角度范围是第一角度范围相对于入射到所述光学装置上的所述光的入射轴的对称角度范围。第一波导还被配置为发射入射光的第三角度范围该第三角度范围在第一角度范围和第二角度范围之间。第一波导包括至少一个衍射光栅，该至少一个衍射光栅具有针对波长范围内的第一波长所确定的光栅间距。第二波导被配置为衍射所述入射光的第三角度范围。第二波导包括至少一个衍射光栅，该至少一个衍射光栅具有针对第一波长所确定的光栅间距。n2是第二波导材料的折射指数。
19.根据本公开的一些实施方案，提出了一种双波导系统。根据所提出的系统的一些实施方案，入射fov被分割并分配到至少两个波导中。以此方式，每个波导允许耦合入射光的不同部分(角度范围)，并且因此扩展由该系统耦合的总fov。第二波导的折射指数可以等于第一波导的折射指数(n3＝n2)。
20.在光学装置用于rgb图像的彩色带的情况下，三个彩色带可以共享波导的角带通。这可以减少光学波导的视场。在一些实施方案中，为了保持由双波导系统提供的完整fov，使用每个波长的两个波导，从而产生用于全rgb系统的一组六个波导。然而，在其它实施方案中，多于一个波长带被多路复用到一个或多个波导中。例如，在一些实施方案中，可以将全rgb系统中使用的波导的数量减小到总共四个波导。
21.因此，根据本公开的实施方案，上面呈现的光学装置还包括第三光学波导和第四光学波导。第三光学波导被配置为衍射入射光的所确定的角度范围，第三光学波导包括至少一个衍射光栅，该至少一个衍射光栅具有针对对应于绿色波长的波长确定的光栅间距，该光栅间距高于与绿色的波长对应的波长。第四光学波导被配置为衍射入射光的另一个确定的角度范围，第四光学波导包括至少一个衍射光栅，该至少一个衍射光栅具有针对对应于红色波长的波长确定的光栅间距，该光栅间距高于对应于红色波长的波长。根据该实施方案，第一光学波导的第一波长对应于蓝色的波长，并且第二光学波导的光栅间距高于第一波长。另外，第三光学波导根据光传播方向被放置在第四光学波导的前面，并且第二光学波导根据光传播方向被放置在第三光学波导的前面。根据该实施方案，全rgb光可以仅使用四个光学波导耦合在引导系统中。根据系统的以上配置，尽管第一光学波导和第二光学波导被配置为蓝色，但是也允许衍射绿色和红色波长的光。第一光学波导衍射对应于蓝色的高角度的角度范围和绿色的高角度的角度范围，而第二光学波导衍射蓝色的剩余角度范围、绿色的另一角度范围，该绿色的另一角度范围包括红色的低角角度范围和高角角度范围的剩余高和部分。因此，被配置用于绿色的第三光学波导可以衍射绿色的剩余低角角度范围和红色的剩余高角度范围和低角度范围的另一部分。因此，被配置用于红色的第四光学波导可以衍射红色的剩余低角角度范围。
22.高角度的角度范围包括具有高于δθ1/2的绝对值的角度。对于一些颜色，在第二波导和第三波导中，存在高角度和低于δθ1/2的角度的混合。根据变型，第四光学波导中的每个第四光学波导的折射指数都可以不同，或全部相似，或者一些是类似的，并且其它光学波导的折射指数是不同的。
23.根据本公开的另一实施方案，入射光的引导的角度范围高于角
度范围[-δθ1/2，δθ1/2]，其中是主介质的折射指数(用于空气，n1＝1)。
[0024]
根据本公开的另一实施方案，第一光学波导、第二光学波导、第三光学波导、第三光学波导和第四光学波导中的任一者被配置为以绝对值等于或大于2的衍射阶衍射入射光，并且第一光学波导、第二光学波导、第三光学波导和第四光学波导中的任一者的该至少一个衍射光栅的光栅间距高于已经确定光栅间距的波长。
[0025]
可以使用过波长光栅和更高的衍射阶(例如，二阶衍射阶)以便耦合非常高的入射角(第一角度范围和第二角度范围)，以将高视场提供给第一波导。
[0026]
根据本公开的另一实施方案，该至少一个衍射光栅包括基础图案，该基础图案包括至少一种介电材料，该基础图案被配置为产生与来自入射到所述至少一个衍射光栅上的所述光的基础图案的边缘相关联的边缘波。
[0027]
根据本公开的另一实施方案，该至少一个衍射光栅包括沉积在具有折射指数n
l
的衬底上的具有折射指数nh的至少一种介电材料，其中n
l
＜nh，并且n
l
是包括所述至少一个衍射光栅的波导的折射指数。根据变型，衍射光栅的折射指数对于系统的光学波导中的每个光学波导可以是不同的或类似的。
[0028]
根据变型，基础图案在衬底的顶部包括具有折射指数nh的所述介电材料的一个块，所述块具有u形。
[0029]
根据另一变型，u形由中心高度块h1分开的高度为h2以及宽度为w2的两块组成，h1低于h2，其中其中θi是入射光相对于该衍射光栅的顶表面的法线的角度，面的法线的角度，n
l
是其中放置衍射光栅的主介质的折射指数。
[0030]
根据另一变型，w1是中心块的宽度，w2是两个块中的每个块的宽度，w1和w2取决于衍射光栅的光栅间距d，其中w1＜d/3并且w1+w2≠d/2。
[0031]
根据本公开的另一方面，公开了一种眼镜防护设备，该眼镜防护设备包括根据上文引用的实施方案中的任一项所述的至少一个光学装置。
[0032]
根据本公开的实施方案，该眼镜防护设备包括光显示器引擎，该光显示器引擎被配置为用于发射图像以显示一组光学器件，该组光学器件被配置为用于将来自光显示引擎的进入光耦合到光学装置，该至少一个光学装置被配置为用于将进入光朝向用户的眼睛引导，以使图像对用户可见。
[0033]
根据一些实施方案的光学装置包括：第一波导，该第一波导具有第一衍射内耦合器，该第一衍射内耦合器被配置为将入射光的第一角度范围和第二角度范围耦合到该第一波导中，该第一角度范围和第二角度范围是不重叠的，并且发射不耦合到该第一波导中的该入射光的至少一部分；和第二波导，该第二波导具有第二衍射内耦合器，该第二衍射内耦合器被配置为耦合由该第一衍射内耦合器透射的该入射光的至少一部分，该第二波导被配置为耦合该入射光的第三角度范围，该第三角度范围包括该第一角度范围与该第二角度范围之间的角度。
[0034]
在一些实施方案中，该第三角度范围包括从到的角度范围，其中，对于入射光的至少一个波长λ，是在该第二波导中耦合到负临界角的入射光的角度，并且是在第二波导中耦合到正临界角的入射光的角度。
[0035]
在一些实施方案中，第一角度范围包括小于的角度范围，并且第二角度范围包括大于的角度范围。
[0036]
在一些实施方案中，第一角度范围、第二角度范围和第三角度范围一起跨越大于六十度的视场。
[0037]
在一些实施方案中，第一衍射内耦合器被配置为将第一角度范围内的入射光耦合到第一波导中的负方向，并且将第二角度范围内的入射光耦合到第一波导中的正方向。
[0038]
在一些实施方案中，第一衍射内耦合器和第二衍射内耦合器中的至少一者被配置为使用二阶衍射耦合光。
[0039]
在一些实施方案中，第一衍射内耦合器和第二衍射内耦合器均具有大于红光的波长的光栅间距，例如，大于625nm的间距。
[0040]
在一些实施方案中，第一衍射内耦合器具有第一光栅间距d1，并且被配置为使用衍射阶m，并且其中d1/m小于380nm。
[0041]
在一些实施方案中，第二衍射内耦合器具有第二光栅间距d2，并且被配置为使用衍射阶n，并且其中d2/n小于460nm。
[0042]
在一些实施方案中，第一衍射内耦合器具有第一光栅间距d1，其中第一光栅间距在635nm的20％内；并且第二衍射内耦合器具有第二光栅间距d2，其中第二光栅间距在822nm的20％内。
[0043]
在一些实施方案中，根据前述权利要求中任一项所述的光学装置，其中该第二衍射内耦合器具有第二光栅间距d2，该第二光栅间距是该第一衍射内耦合器的第一光栅间距d1的1.2倍至1.4倍。
[0044]
在一些实施方案中，第一衍射内耦合器和第二衍射内耦合器中的至少一者具有包括u形轮廓的基础图案。
[0045]
在一些实施方案中，该光学装置还包括：第三波导，该第三波导具有第三衍射内耦合器，该第三衍射内耦合器被配置为耦合该入射光的不通过该第二衍射内耦合器耦合的至少一部分；和第四波导，该第四波导具有第四衍射内耦合器，该第四衍射内耦合器被配置为耦合该入射光的不通过该第三衍射内耦合器耦合的至少一部分。
[0046]
在一些实施方案中，该光学装置还包括图像生成器，该图像生成器操作，以将表示图像的光引导到该第一衍射内耦合器上；第一衍射外耦合器，该第一衍射外耦合器在该第一波导上；第二衍射外耦合器，该第二衍射外耦合器在该第二波导上。
[0047]
根据一些实施方案的方法包括：将入射光引导到第一波导的第一衍射内耦合器上；通过该第一衍射内耦合器将该入射光的第一角度范围和第二角度范围耦合到该第一波导中，该第一角度范围和第二角度范围是不重叠的；通过第一衍射内耦合器，将不耦合到第一波导的入射光的至少一部分传输到第二波导的第二衍射内耦合器；以及通过该第二衍射内耦合器耦合该入射光的第三角度范围，该第三角度范围包括该第一角度范围与该第二角
度范围之间的角度。
附图说明
[0048]
图1a是波导显示器的横截面示意图。
[0049]
图1b是具有衍射光学部件的第一布局的双目波导显示器的示意图。
[0050]
图1c是具有衍射光学部件的第二布局的双目波导显示器的示意图。
[0051]
图1d是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性分解图。
[0052]
图1e是根据一些实施方案的双波导显示器的横截面示意图。
[0053]
图2a示出了在单模波导中内耦合的临界和掠射光线。
[0054]
图2b示出了在双模波导中内耦合的临界和掠射光线。
[0055]
图3是示出作为其材料的折射指数的函数的波导的视场的曲线图。
[0056]
图4是根据本公开的实施方案的双波导光学装置的示意性横截面图。
[0057]
图5是示出在一些实施方案中使用的内耦合器的基础图案的示例性几何形状的横截面图。
[0058]
图6示出了用于图3所示的系统的第一波导wg1的示例性衍射光栅的衍射性能。
[0059]
图7示出了用于图3所示的系统的第二波导wg2的示例性衍射光栅的衍射性能。
[0060]
图8a至图8c是示出由用于入射光的不同角度的图5的基于u形几何形状的图案产生纳米射流现象的横截面图。
[0061]
图9a是示出根据一些实施方案的折射指数nh＝2.5的示例性第一波导wg1的衍射性能的图。
[0062]
图9b是示出根据一些实施方案的折射指数nh＝2.5的示例性第二波导wg2的衍射性能的图。
[0063]
图10示意性地示出了根据本公开的实施方案的用于rgb成像系统的示例性光学装置。
[0064]
图11示出了在示例性四波导实施方案中的第一波导wg1中的蓝色的衍射性能。
[0065]
图12示出了在示例性四波导实施方案中的第二波导wg2中的蓝色的衍射性能。
[0066]
图13示出了在示例性四波导实施方案中的第一波导wg1中的绿色的衍射性能。
[0067]
图14示出了在示例性四波导实施方案中的第二波导wg2中的绿色的衍射性能。
[0068]
图15示出了在示例性四波导实施方案中的第三波导wg3中的绿色的衍射性能。
[0069]
图16示出了在示例性四波导实施方案中的第一波导wg1中的红色的衍射性能。
[0070]
图17示出了在示例性四波导实施方案中的第二波导wg2中的红色的衍射性能。
[0071]
图18示出了在示例性四波导实施方案中的第三波导wg3中的红色的衍射性能。
[0072]
图19示出了在示例性四波导实施方案中的第四波导wg4中的红色的衍射性能。
[0073]
图20是根据本公开的实施方案的示例性衍射光栅的一部分的示意性透视图。
[0074]
图21是示出根据一些实施方案的示例性四波导显示器的分解示意性透视图。
具体实施方式
[0075]
示例性波导架构的概述
[0076]
本文描述了波导显示系统和方法。图1a中示出了示例性波导显示装置。图1a是操
作中的波导显示装置的示意性横截面侧视图。图像由图像生成器102投影。图像生成器102可以使用各种技术中的一种或多种技术来投影图像。例如，图像生成器102可以是激光束扫描(lbs)投影仪、液晶显示器(lcd)、发光二极管(led)显示器(包括有机led(oled)或微型led(μled)显示器)、数字光处理器(dlp)、硅上液晶(lcos)显示器或其它类型的图像生成器或光引擎。
[0077]
表示由图像生成器102生成的图像112的光通过衍射内耦合器106耦合到波导104中。内耦合器106将表示图像112的光衍射成一个或多个衍射阶。例如，作为表示图像的底部的一部分的光线中的一条光线108由内耦合器106衍射，并且衍射阶110中的一个衍射阶(例如，二阶)处于能够通过全内反射传播通过波导104的角度。
[0078]
通过衍射内耦合器106耦合到波导104中的光110的至少一部分通过衍射外耦合器114耦合出波导。耦合出波导104的至少一些光复制耦合到波导中的光的入射角。例如，在图示中，外耦合的光线116a、116b和116c复制内耦合的光线108的角度。由于离开外耦合器的光复制进入内耦合器的光的方向，所以波导基本上复制原始图像112。用户的眼睛118可以聚焦在复制的图像上。
[0079]
在图1a的示例中，外耦合器114仅通过每次反射外耦合光的一部分，允许单个输入束(诸如光束108)生成多个并行输出光束(诸如光束116a、116b和116c)。以此方式，即使眼睛不与外耦合器的中心完全对准，来源于图像的每个部分的至少一些光可能到达用户的眼睛。例如，如果眼睛118向下移动，即使光束116a和116b没有进入眼睛，光束116c也可以进入眼睛，因此尽管位置偏移，用户仍然可以感知到图像112的底部。因此，外耦合器114部分地操作为竖直方向上的出射瞳孔扩展器。波导还可以包括一个或多个额外出射瞳孔扩展器(图1a中未示出)，以在水平方向上扩展出射瞳孔。
[0080]
在一些实施方案中，波导104相对于源自波导显示器外部的光至少部分透明。例如，来自真实世界物体(诸如物体122)的至少一些光120穿过该波导104，允许该用户在使用该波导显示器时看到真实世界物体。由于来自真实世界物体的光120也穿过衍射光栅114，因此将存在多个衍射阶并因此存在多个图像。为了最小化多个图像的可见性，期望衍射阶零(不被114偏差)对于光120具有很大的衍射效率以及零阶，而较高的衍射阶能量较低。因此，除了扩展和外耦合虚拟图像之外，外耦合器114优选地被配置为通过实际图像的零阶。在此类实施方案中，由波导显示器显示的图像可能似乎叠加在真实世界上。
[0081]
在一些实施方案中，如下文进一步详细描述的，波导显示器包括多于一个波导层。每个波导层可以被配置为优先将具有特定波长范围和/或入射角的光从图像生成器输送到观看者。
[0082]
如图1b和图1c所示，具有内耦合器、外耦合器和瞳孔扩展器的波导显示器可以具有各种不同配置。图1b中示出了一个双目波导显示器的示例性布局。在图1b的示例中，显示器分别包括左眼和右眼的波导152a、152b。波导包括作为外耦合器和水平瞳孔扩展器操作的内耦合器154a、154b、瞳孔扩展器156a、156b和部件158a、158b。瞳孔扩展器156a、156b沿内耦合器和外耦合器之间的光学路径布置。图像生成器(未示出)可以提供给每只眼睛，并且被布置成投射表示相应内耦合器上的图像的光。
[0083]
图1c中示出了另一双目波导显示器的示例性布局。在图1c的示例中，显示器分别包括左眼和右眼的波导160a、160b。波导包括内耦合器162a、162b。来自图像的不同部分的
光可以由内耦合器162a、162b耦合到波导内的不同方向。朝向左侧行进的内耦合光穿过瞳孔扩展器164a、164b和165a、165b，而朝向右侧行进的内耦合光穿过瞳孔扩展器166a、166b和167a、167b。已经穿过瞳孔扩展器，使用外耦合器168a、168b将光耦合出波导，以基本上复制在内耦合器162a、162b处提供的图像。
[0084]
在不同实施方案中，波导显示器的不同特征可以设置在波导的不同表面上。例如(如图1a的配置中)，内耦合器和外耦合器都可以布置在波导的前表面上(远离用户的眼睛)。在其它实施方案中，内耦合器和/或外耦合器可以在波导的后表面上(朝向用户的眼睛)。内耦合器和外耦合器可以在波导的相对表面上。在一些实施方案中，内耦合器、外耦合器和瞳孔扩展器中的一者或多者可以存在于波导的两个表面上。图像生成器可以朝向波导的前表面或朝向波导的后表面布置。内耦合器不一定在波导与图像生成器的同一侧上。波导中的任何瞳孔扩展器可以布置在波导的前表面上、后表面上或两个表面上。在具有多于一个波导层的显示器中，不同的层可以具有内耦合器、外耦合器和瞳孔扩展器的不同配置。
[0085]
图1d是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性分解视图，包括图像生成器170、第一波导(wg1)172和第二波导(wg2)174。图1e是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性侧视图，包括图像生成器176、第一波导(wg1)178和第二波导(wg2)180。第一波导包括第一透射衍射内耦合器(dg1)180和第一衍射外耦合器(dg6)182。第二波导具有第二透射衍射内耦合器(dg2)184、反射衍射内耦合器(dg3)186、第二衍射外耦合器(dg4)188和第三衍射外耦合器(dg5)190。不同的实施方案可以使用第一波导和第二波导上的光学部件(诸如瞳孔扩展器的不同布置)的不同布置。
[0086]
虽然图1a至图1e示出了在近眼显示器中使用波导，但是相同原理可以用于其它显示技术，诸如用于汽车或其他用途的平视显示器。
[0087]
用于宽视场的示例性光栅配置
[0088]
根据本公开的方面，提出了提供超高视场的光学装置。此类光学装置基于高阶衍射模式和超波长光栅。根据本公开，光学装置包括波导，该波导包括特定衍射光栅，该特定衍射光栅可以用于将光耦合到光学装置中和/或从光学装置中外耦合光。根据本发明原理，衍射光栅被配置为以绝对值等于或大于2的衍射阶衍射入射光。根据本公开的另一方面，此类光学装置可用于ar/vr眼镜。
[0089]
根据本公开的实施方案，在图4中公开了示例性系统。
[0090]
图4是双波导光学装置的内耦合区域的示意性横截面视图，该双波导光学装置使用较高阶模式(具有高于1的衍射阶的绝对值)和用于高视场的过波长光栅。
[0091]
在图4中，名称以字母θ开始的角度位于空气中。名称以φ开始的角度位于该波导中并测量已经衍射的光线的角度。如前所述，c是空气或波导中的临界光线，g是掠射光线。
[0092]
图4示出了包括第一光学波导wg1和第二光学波导wg2的光学装置的内耦合器部分。此类光学装置被配置为用于引导入射光的角度范围包括一系列波长。对应于以临界角衍射到第一波导wg1中的临界光线的入射角，其中是该第一波导材料的折射指数。我们使用n3作为该第二波导材料的折射指数。如图4所示，第一波导wg1根据光传播方向被放置在第二光学波导wg2的前面。因此，入射光首先由第一波导wg1透射或衍射，并且然后由第一波导wg1透射的入射光的一部分被第
二波导wg2透射或衍射。(如本公开中所使用的，离开具有衍射阶零的衍射光栅的光被称为“透射”，而离开具有非零衍射阶的衍射光栅的光被称为已经被衍射)。
[0093]
第一波导包括具有超波长光栅的间距的衍射光栅，该间距被配置用于二阶衍射。这允许将非常高的入射角耦合到第一波导wg1中。与使用一阶衍射时所需的光栅间距相比，使用二阶衍射的示例性实施方案允许使用更高的光栅间距来耦合极高入射角。
[0094]
从图4可以观察到，角度范围和将第一波导wg1的内部分别衍射成角度范围和可以看出，角度范围是角度范围相对于入射到该光学装置上的该光的入射轴的对称角度范围。
[0095]
在之间的角度范围以非常高的效率透射穿过第一波导wg1的衍射光栅，该角度范围包括在此处称为透射光束的光束t0。
[0096]
在第一波导wg1中，由入射光的负角度表示的图像的左手侧将在负方向上(朝向左侧)传播到波导wg1中，而由入射光的正角度表示的图像的右手侧将在正方向上(朝向右侧)传播。在示例性实施方案中，耦合到负方向上的光行进到第一组一个或多个眼睛瞳孔扩展器(诸如图1c的眼瞳孔扩展器164a、165a)，然后通过外耦合器(诸如图1c的耦合器168a)耦合出波导，而耦合到正方向的光行进到第二组一个或多个眼瞳孔扩展器(诸如图1c的眼睛瞳孔扩展器166a、167a)，然后通过外耦合器耦合出波导。
[0097]
透射光束t0具有来自的角度范围，该掠射光线位于该法线的附近。透射光束t0将在第二波导wg2上的第二光栅上衍射，并且正入射角将在波导wg2中朝向右侧传播，而负入射角将朝向左传播到wg2中。
[0098]
第二光栅与第一个光栅不同，因为该第二光栅具有不同的间距大小。在一些实施方案中，两个波导wg1和wg2的内耦合器衍射光栅可以具有强调纳米射流波的几何结构。内耦合器光栅可以具有大体上相同的横截面形状。在一些实施方案中，包括在波导wg2中的第二光栅具有被配置为用于二阶衍射的超波长光栅的间距。
[0099]
根据本实施方案，第一光栅和第二光栅被配置为通过光栅间距，用于衍射如上文针对给定波长的光所指定的光的特定相应角度范围，如下所示。
[0100]
以下四个衍射等式可用于计算相应两个波导wg1和wg2中的每个波导的衍射光栅的间距大小d1和d2以及由图3中所示的光学装置耦合的总视场：
[0101][0102][0103][0104]
[0105]
质是空气的实施方案中，n1＝1。一些值是已知的，＝1。一些值是已知的，等是设计参数。根据本公开的实施方案，选择和以大约相等75
°
。m和n分别对应于该第一衍射光栅和第二衍射光栅的衍射阶。
[0106]
应当注意，这些值是设计参数，并且可以选择其它值。可以根据该图像必须在提取之前行进到该波导中的距离、tir反弹的数目和该波导的厚度来选择为和选择的值。
[0107]
根据示例性实施方案，比如，选择为-3
°
。根据设计条件，其它值也是可能的，诸如，是否期望在最终图像的中间叠加左图像和右图像，或者是否期望左右图像没有交叉。在示例性实施方案中，-3
°
的值将意味着由左图像和右图像组成的最终图像包括中间的黑色带。然而，在一些应用中，不需要存在此种带，并且可以选择的其它值。
[0108]
可以针对间距大小求解先前的一组方程。从最后一个：
[0109][0110]
方程中替换，我们可以获得第二光栅的临界入射角：
[0111][0112]
对于实施方案，其中
[0113][0114]
并且
[0115][0116]
这些方程可以用于计算每个波导和最终视场的间距大小、部分视场。表1示出了根据先前求解的方程组的一些示例性实际参数和计算值：
[0117][0118]
表1
[0119]
还应注意，在以上给出的示例中，相应地第一波导和第二波导的折射指数是相同的，n3＝n2，并且假定主介质的折射指数是空气，n1＝1。然而，在一些实施方案中，第一波导和第二波导具有不同的折射指数。
[0120]
如表1中所见，示例性系统实现137.7度的视场，该视场大于足以覆盖总人类视场，其中立体视场对于人类视觉是有效的，其约为114度。
[0121]
如表1中所见，使用二阶衍射，两个衍射光栅的间距大于红光的波长，例如，大于625nm。通过这两个内耦合器使用一阶衍射的类似实施方案将使用d1＝317.5nm和d2＝411nm。通过使用一阶衍射，将较小光栅间距称为提供如本文所述的宽视场。例如，d2＝411nm的值小于蓝光的波长，约460nm，并且d1＝317.5nm的值小于最短可见波长，约380nm。可以实施此类实施方案。然而，小的光栅间距的大小可以使制造困难。较高衍射阶的使用允许更宽的视场，其中内耦合器具有更大的间距。例如，在第一衍射内耦合器具有第一光栅间距d1的情况下，并且被配置为使用衍射阶m，d1/m的值也可以小于380nm，即使d1本身可以(如果m＞1)更大。类似地，在第二衍射内耦合器具有第二光栅间距d2的情况下，并且被配置为使用衍射阶n，d2/n的值可以小于460nm，即使d2本身可以(如果n＞1)更大。在一些实施方案中，第一内耦合器和第二内耦合器使用不同的衍射阶。
[0122]
在一些实施方案中，内耦合器的参数可以在如上所计算的参数的20％内。在一些实施方案中，内耦合器的参数可以在如上所计算的参数的10％内。
[0123]
在表1中计算的参数中，第二衍射内耦合器具有第二光栅间距d2，该第二光栅间距
是第一衍射内耦合器的第一光栅间距d1的大约1.29倍。在一些实施方案中，第二衍射内耦合器具有第二光栅间距d2，该第二光栅间距是第一衍射内耦合器的第一光栅间距d1的1.2倍至1.4倍。
[0124]
在一些实施方案中，随着波导的折射指数的变化，可以针对具有两个波导的一个波长实现接近180度的视场。利用一组六个波导，可以实施全rgb系统。通过多路复用每个波导的多于一个波长，如下文更详细地描述，可以使用四个波导来实施全rgb系统。
[0125]
根据本公开的实施方案，每个波导wg1和wg2的衍射光栅包括包含至少一种介电材料的基础图案。该基础图案被配置为生成与从入射到该衍射光栅上的光的基础图案的边缘相关联的边缘波。此类基础图案在以下中也被称为纳米射流波元件。在下文中，将呈现基础图案的示例性几何形状。
[0126]
也可以使用衍射光栅的几何形状的其它实施方案，诸如上文引用的ep3671293a1中公开的实施方案。另外，呈现方程组以证明从该周期的该单个元件中的边缘衍射现象到衍射光栅的总响应的输入，该现象公开于“通过边缘衍射的近场聚焦(near field focusing by edge diffraction)”，a.boriskin，v.drazic，r.keating，m.damghanian，o.shramkova，l.blond
ꢀé
，optics letters，第43卷，第16页，第4053-4056页(2018)。
[0127]
使用comsol多重物理量软件进行模拟。模拟假设系统由线性偏振平面波e＝{0，0，1}(te)照射。考虑纳米射流元件的参数对系统功能的影响。如上所述的文件中证明，纳米射流(nj)波束形成现象与系统的边缘相关联。基于如boriskin等人中公开的楔形衍射现象的分析，可以在电磁波的法线发射的情况下，确定在较密集的介质中的纳米射流束的偏差角θb(相对于水平轴线的θi＝90
°
)。
[0128][0129]
是主介质的折射指数，nh是根据本公开的实施方案的较高指数材料的折射指数。
[0130]
纳米射流束的产生可以被理解为由垂直边缘衍射的边缘波和折射平面波之间的相长干涉的结果。最后，边缘波(ew)将在楔形内部传播，偏差角度等于θ
ew
≈2θb。
[0131]
还应注意，除非另有说明，否则在以下中，n1＝n
l
是主介质的折射指数，nh表示高折射指数材料的折射指数，n
l
＜n
2，3
＜nh，其中n2和n3可以是衬底的指数(可以是玻璃)。在模拟示例中，nh对于所有衍射光栅是相同的，但是在一些实施方案中，对于每个光学波导，可以是不同的。
[0132]
下面参考图5描述在图4中所示的双系统中使用的边缘波或纳米射流束波元件的示例性几何形状。
[0133]
根据该示例，基础图案由具有折射指数nh并且具有u形的单个材料的块502组成，该块放置在具有折射指数n2的衬底504的顶部上。在图5中，可以看出，块502具有两个高度为h2并且宽度为w2的折射指数为nh的单一材料块，该两个块由高度为h1并且宽度为w1的折射指数为nh的相同单个材料的带隔开。此类基础图案被放置在具有折射指数n
l
的主介质中，比如，空气。
[0134]
在几何结构上，高指数nh单个材料可以沉积并且电子束形成在玻璃衬底me3上。不需要玻璃蚀刻，并且没有多个电子束光刻，因此提供了微制造的潜在优点。
[0135]
工作示例是使用上文给出的表1中计算的间距大小和特征502的指数nh＝2.105的材料第一波导wg1的内耦合器光栅将具有间距大小d1＝635nm，并且u形结构将具有w1＝160nm、h1＝20nm、w2＝140nm和h2＝225nm。对于第二波导wg2，间距大小为d1＝822nm，并且参数是w1＝260nm、h1＝50nm、w2＝120nm和h2＝225nm。
[0136]
图6示出了用于第一波导wg1的内耦合器光栅的模拟衍射性能。可以看出，对于角度范围[-72，-30]和[30，72]度，
±
2衍射阶具有高效率和高均匀性，并且对于
±
30度视场具有非常高的透射效率。
[0137]
图7示出了第二波导wg2的光栅的性能。可以看出，对于穿过第一波导wg1的光栅的
±
30度的透射视场，实现了非常高的衍射效率和在该角度范围内的均匀性。
[0138]
图8a至图8c示出了图5中所示的u形基础图案的横截面图，具有法线入射电磁波802(图8a)，其中θi＝0
°
相对于法线轴y，并且具有倾斜入射电磁波804(图8b)和806(图8c)。
[0139]
一些实施方案使用对称的u形元元件，该元元件组合具有折射指数nh、宽度w2和高度h2的两个类似的介电块。在一些实施方案中，具有折射指数nh、宽度w1和高度h1的第三块被放置在(参见图8a)之间，并且n
l
是主介质(例如，空气)的折射指数，其中nh＜n2＜nh。在基于纳米射流的元件系统中，四个纳米射流与具有高度h2的块的两个外部和两个内部边缘相关联。由系统内部边缘产生的纳米射流由nj
int
表示，由系统外部边缘产生的纳米射流由nj
ext
表示。对于法线入射的情况，所有纳米射流的辐射角均相同(θb)。两个附加内部边缘的存在导致中心纳米射流的强度降低(在法线入射的情况下，我们沿着单个块元元件的对称轴线观察到其具有总宽度w1+2w2和高度h2)，并且导致侧块的强度的增加。
[0140]
对于倾斜入射，存在具有辐射角θ
′b的第一对纳米射流和具有辐射角θ
″b的第二对(参见图8b和图8c)：
[0141][0142][0143]
过元元件的组成部分的边缘产生的纳米射流的反射(nj
int，r
和nj
ext，r
)导致在衬底附近产生新的纳米射流热点(在nj
int，r
和nj
ext
之间(参见图8b和图8c)以及在nj
ext，r
和nj
int
之间(参见图8c)的交叉点)并且在元元件内部产生总功率的不对称再分配。例如，图8b和图8c的比较展示了电磁波入射角度由于系统的不同边缘反射由于系统的不同边缘反射而对以角度θ’b
产生的纳米射流的影响。
[0144]
如上所述的示例性实施方案可以抑制
±
1个衍射阶，并且显著增加小入射角的
±
2个衍射阶的强度，并且减小高入射角的强度。
[0145]
还可以观察到，u形拓扑结构可以提高衍射均匀性。适当选择衍射光栅的元件的折射指数nh和适当选择这些元件的大小，可以增加耦合到对应波导中的强度。在图9a至图9b中呈现了具有在上表1中计算的间距大小和光聚合物指数为nh＝2.5的材料的两个衍射光栅的衍射性能。在图9a中示出的具有模拟结果的第一波导的光栅具有间距大小d1＝635nm，并且u形结构具有w1＝180nm、h1＝10hm、w2＝120nm、h2＝180nm。对于第二波导，使用在图9b
中示出的模拟结果时，间距大小为d2＝822nm，并且参数是w1＝280nm、h1＝20nm、w2＝120nm、h2＝170nm。
[0146]
根据本公开的另一实施方案，公开了一种提供用于rgb图像的高视场的光学装置。考虑以上公开的波导的组合，用于全rgb系统。通过配置对应于红色(625nm)、绿色(530nm)和蓝色(460nm)的三个波长的衍射光栅，示例性实施方案提供使用四个波导而不是六个的全rgb系统。
[0147]
图10示意性地示出了根据本实施方案的示例性rgb系统。为了正确读取图，这四个波导(wg1-wg4)从波导wg1开始呈现。作为输入，存在红色、绿色、蓝色中的每种颜色的144度视场的rgb图像，并且这三种颜色重叠。(在图10中，示出了不连贯的波导，以便说明每种颜色的行为的差异。)
[0148]
在示例性实施方案中，这四个波导放置在彼此的顶部上，但不接触。可以使用至少一些nm，例如，15nm或更大的距离。
[0149]
图10示出(行r1)每种颜色的输入视场，并且第二行(r2)显示耦合到第一波导wg1中的每种颜色中的角度空间。下一行(r3)示出了每种颜色的通过波导wg1透射的角度空间。
[0150]
对于第二波导wg2，图示再次示出了(r4)角度空间，该角度空间耦合到波导中，以此类推到最后一个。可以看出，通过多路复用颜色和角度空间的不同组合，四个波导可以耦合144度的非常宽的视场。
[0151]
第一波导(wg1)的光栅被配置为用于蓝色以获得在[30、72]和[-72、-30]度的角度范围内的
±
2衍射阶的高衍射效率。该光栅的间距大小为d1＝267nm，并且u形结构具有w1＝120nm、h1＝20nm、w2＝100nm、h2＝160nm。
[0152]
在对应于绿色的波长下，此类衍射光栅在角度范围[-72、-48.5]和[48.5、72]度内提供了
±
2衍射阶的高衍射效率，在[-48.5、48.5]度下提供0阶的高透射率。红色通过具有0阶的高透射率的衍射光栅。
[0153]
第二波导的光栅(wg2)被配置为将蓝色的其余部分与在角度范围[-30、30]度内的
±
2衍射阶的高衍射效率耦合。它具有间距大小d2＝605nm，并且参数是w1＝180nm、h1＝30nm、w2＝100nm、h2＝160nm。在绿色下，此衍射光栅在角度范围[-48.8、-13.4]和[13.4、48.8]度内具有强烈的
±
2衍射阶，并且在[-13.4、13.4]度下具有0阶的高透射率。在对应于红色的波长下，该衍射光栅在角度范围[-72、-33.1]和[33.1、72]度内提供了
±
2衍射阶的高衍射效率，并且在[-33.1、33.1]度下提供了0阶的高透射率。
[0154]
第三波导(wg3)的光栅被配置为用于绿色以获得角度范围[-30，30]度内的
±
2衍射阶的高衍射效率。该光栅具有间距大小d3＝697nm，并且u形结构具有w1＝220nm、h1＝30nm、w2＝110nm、h2＝180nm。
[0155]
在对应于红色的波长下，该衍射光栅在角度范围[-52.5、-15.9]和[15.9、82.5]度内提供了
±
2衍射阶的高衍射效率，并且在[-15.9、15.9]度下提供了0阶的高透射率。第四波导(wg4)的光栅被配置为用于红色以获得角度范围[-30，30]度内的
±
2衍射阶的高衍射效率。该光栅具有间距大小d4＝822nm，并且参数是w1＝260nm、h1＝50nm、w2＝120nm、h2＝225nm。
[0156]
在一些实施方案中，使用四个波导的堆叠，d1＜d2＜d3＜d4。
[0157]
在图11至图19中，呈现了具有光聚合物指数为nh＝2.105的材料的四个衍射光栅
的衍射性能。
[0158]
图11示出了第一波导wg1中的蓝色的衍射性能。图12示出了第二波导wg2中的蓝色的衍射性能。图13示出了第一波导wg1中的绿色的衍射性能。图14示出了第二波导wg2中的绿色的衍射性能。图15示出了第三波导wg3中的绿色的衍射性能。图16示出了第一波导wg1中的红色的衍射性能。图17示出了第二波导wg2中的红色的衍射性能。图18示出了第三波导wg3中的红色的衍射性能。图19示出了第四波导wg4中的红色的衍射性能。
[0159]
应注意，第一波导wg1的最小间距大小467nm大于蓝色波长。相反，用于蓝色的
±
1个衍射阶的使用将针对小于300nm的光栅间距。使用表现出边缘波效应以配置
±
2阶衍射的光栅的u形结构允许使用基本上较大的光栅周期。
[0160]
图20示出可用于上文公开的波导中的一个或多个波导的示例性衍射光栅的一部分。在图20的实施方案中，衍射光栅的基础图案具有u形结构，如图5所示。根据本公开的实施方案，根据以上公开的实施方案中的任一个实施方案的光学装置可以用作ar/vr眼镜中的波导。根据该实施方案，波导可以被配置为用于内耦合进入到光学装置中的光中或用于从光学装置中提取光，这取决于衍射光栅在波导上形成的位置。
[0161]
根据本公开的实施方案，公开了一种眼镜防护设备，该眼镜防护设备包括根据以上公开的实施方案中的任一项所述的光学装置。例如，如图1c所示的单眼或双目波导显示器可以包含两个或更多个波导的堆叠，如图1d所示。在图21的示例中，图像生成器2170可以提供耦合到波导2172、2174、2176、2178中的图像。波导2172的内耦合器可以如上文针对图10中的wg1所描述的那样配置。波导2174的内耦合器可以如上文针对图10中的wg2所描述的那样配置。波导2176的内耦合器可以如上文针对图10中的wg3所描述的那样配置。波导2178的内耦合器可以如上文针对图10中的wg4所描述的那样配置。在一些实施方案中，可以使用两组图像生成器和所附波导来在一组ar或vr眼镜中提供立体显示器。
[0162]
在本公开中，有时使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等修饰词来区分不同特征。这些修饰词并不意味着暗示任何特定的操作顺序或部件的布置。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等可以在不同实施方案中具有不同的含义。例如，在一个实施方案中，作为“第一”部件的部件可以是不同实施方案中的“第二”部件。
[0163]
尽管上文以特定组合描述了特征和元件，但是本领域的普通技术人员将理解，每个特征或元件可单独使用或以与其他特征和元件的任何组合来使用。
