[發明專利]用于增強現實系統的基于波導的光學系統和方法

有效

• 申請號: 201880066623.5
• 申請日: 2018-10-11
• 公開（公告）號: CN111226157B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: J·T·基奇;M·F·克羅爾
• 申請（專利權）人: 康寧股份有限公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01;G02B27/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 陳潔;何焜

一種增強現實光學系統，包括波導結構，該波導結構包括由基板支持的波導層。輸入光柵和輸出光柵位于波導層內并且橫向間隔開。使來自顯示器的輸入光入射到輸入光柵上。輸入光耦合到波導層中并且作為多個導模在波導層中行進到輸出光柵。輸入光柵和輸出光柵提供相位匹配，使得由輸出光柵沿輸出光柵連續地將導模耦合出波導層，以形成輸出光。同時，來自場景的光垂直地傳輸通過輸出光柵，使得輸出光和來自場景的光由用戶的眼睛進行組合以形成增強現實圖像。

本申請根據35U.S.C.§119要求于2017年10月13日提交的美國臨時申請序列No.62/572,109的優先權權益，本申請基于該臨時申請的內容并且該臨時申請的內容通過引用整體并入本文。

技術領域

本公開涉及增強現實(AR)系統，并且更具體地涉及用于AR系統的基于波導的光學系統和方法。

背景技術

AR系統用于將虛擬對象添加到用戶正在觀察的真實視覺場景中。AR系統的示例類型是可穿戴的，并且利用用戶佩戴的眼鏡、眼罩或頭盔的形式的護目鏡(eyewear)，并且有時被稱為頭戴式顯示器(HMD)系統。AR系統通常包括光學系統，該光學系統被配置為允許觀看對象或場景，同時還向實際對象或直接觀看的場景添加增強對象。

AR系統通常執行五個主要功能。第一是將增強對象放置在遠離用戶眼睛的地方。第二是將增強對象變換成縮放(scale)不變和移位(shift)不變的形式。第三是在用戶眼前移位變換后的增強對象，同時允許來自真實場景的光線不受干擾地通過。第四是對變換和移位后的增強對象進行縮放，以使用戶眼前的眼盒(eye box)最大化。第五是將來自真實場景和經過變換、移位和縮放的增強對象兩者的光線結合起來，并且允許用戶眼睛形成增強場景的真實圖像。

已經提出了幾種用于AR系統的不同光學系統設計，包括那些采用一種或多種類型的光學元件(諸如分束器、離軸透鏡、鏡子(包括微鏡)、光導、衍射光學元件(DOE)和全息光學元件(HOE))的各種組合的設計。

光導的使用是有利的，因為它們可以提供對AR護目鏡特別有用的緊湊的設計。然而，迄今為止使用的光導往往相對較厚，即，它們是由幾何光學原理而不是由波導的電磁理論來描述的。由此，它們具有相對有限(窄)的視場(例如，在30°到50°范圍內)，并且必須按照非常嚴格的幾何公差(例如，微米級)制造，以便輸出的光提供高質量的圖像。此外，由于光作為光線而不是作為真正的導波穿過光導，因此光從光導的的輸出耦合在光導的輸出區域上是離散的而不是連續的。

發明內容

本文公開了用于在AR系統中使用以形成用戶正在觀看的對象或場景的增強圖像的一種AR光學系統。該AR光學系統包括波導結構，該波導結構包括由基板支持的波導層。輸入光柵和輸出光柵位于波導層內并且橫向間隔開。使來自顯示器的輸入光入射到輸入光柵上。輸入光耦合到波導層中并且作為多個導模在波導層中行進到輸出光柵。輸入光柵和輸出光柵提供相位匹配，使得由輸出光柵沿輸出光柵連續地將導模耦合出波導層，以形成輸出光。同時，來自場景的光垂直地傳輸通過輸出光柵，使得輸出光和來自場景的光由用戶的眼睛進行組合以形成增強現實圖像。

本公開的一個方面是用于在操作波長處在增強現實系統中使用的增強現實光學系統。該系統包括：具有在操作波長處的折射率n_S、頂表面和底表面的基板；輸入光柵和輸出光柵，各自形成在基板的頂表面中或頂表面上，并且彼此橫向間隔開；波導層，具有主體、頂表面、底表面以及厚度1μm≤THG≤100μm，其中波導層的底表面被支持在基板的頂表面上，使得輸入光柵和輸出光柵延伸到波導層中，并且其中波導層在操作波長處具有折射率n_G≥n_S并且支持多個導模；并且其中輸入光柵和輸出光柵提供相位匹配，使得入射到輸入光柵上的輸入光耦合到波導層中并且以導模行進到輸出光柵，并且由輸出光柵耦合出波導層作為輸出光。