CN116670546A - 用于增强现实或虚拟现实显示器的波导 - Google Patents

Abstract

提供了用于增强现实或虚拟现实显示器的波导(60)，并且波导(60)包括：在光子晶体(30；50；70；80)中或上的多个光学结构，其中，所述多个光学结构被布置成阵列以提供在波导(60)中彼此交叠的两个衍射光学元件(H1，H2)，其中，两个衍射光学元件(H1，H2)中的每一个被配置成接收来自输入方向的光并且将光朝向另一个衍射光学元件耦合，该另一个衍射光学元件然后可以用作输出衍射光学元件(20)，提供朝向观看者的耦出级；其中，所述多个光学结构在阵列中的不同位置处具有关于与波导(60)的平面平行的横截面的不同的相应横截面形状，以便在阵列中的不同位置处提供不同的衍射效率，其中，所述多个光学结构的横截面形状的至少一个特性在与输入方向平行的第一轴的方向上是可变的；其中，所述至少一个特性与关于与波导的平面平行的横截面的光学结构的横截面面积有关。

Description

用于增强现实或虚拟现实显示器的波导

技术领域

本发明涉及用于增强现实或虚拟现实显示器的波导。特别地，本发明涉及如下波导，在所述波导中，输入光在输出元件中在两个正交方向上扩展并且朝向观看者从波导耦出。这可以允许在增强现实显示器中眼动范围的物理扩展。

背景技术

增强现实显示器允许用户观看其周围环境以及投影的图像。在军事应用或运输应用中，投影的图像可以被交叠在由用户感知的真实世界上。这些显示器的其他应用包括视频游戏和诸如眼镜的可穿戴装置。

在正常的增强现实设置中，在用户的前面设置透明显示屏，使得用户可以继续看到物理世界。显示屏通常是玻璃波导，并且在一侧设置投影仪。来自投影仪的光通过衍射光栅耦入到波导中。投影的光在波导内全内反射。然后，光通过另一个衍射光栅从波导耦出，使得用户可以观看到光。投影仪可以提供对用户对物理世界的观看进行增强的信息和/或图像。

在WO 2018/178626中公开了一种用于在增强现实显示器中在两个维度中扩展输入光的光学装置。输入衍射光学元件被设置用于将来自投影仪的输入光耦入到波导中。该光学装置还包括输出元件，该输出元件具有在波导中彼此交叠的两个衍射光学元件，使得两个衍射光学元件中的每一个可以接收来自输入衍射光学元件的光并且将光朝向该对中的另一个衍射光学元件耦合，该另一个衍射光学元件然后可以用作输出衍射光学元件，该输出衍射光学元件将光朝向观看者从波导耦出。在光子晶体中设置彼此交叠的两个衍射光学元件。这通过以下来实现：使柱状物的阵列布置在波导内或布置在波导的表面上，柱状物的阵列相对于周围的波导介质具有增加的折射率。WO 2018/178626中的柱状物被描述为具有多个基本上直边，所述多个基本上直的边当从观看者的角度在波导的平面中被观看时在不同角度处具有相应的法向矢量。已经发现该布置在同步地在两个维度中扩展光以及将光从波导耦出方面非常有效。有利地，这可以改善波导上空间的使用，这可以降低制造成本。还发现该布置在减轻输出图像中存在具有比其他部分更高的相对亮度的中心带方面是有效的。

因为已经观察到输出图像中的亮度梯度，所以已知波导存在问题。对用户而言，这种亮度梯度是不期望的，并且本发明的目的是克服和减轻这个问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了用于增强现实或虚拟现实显示器的波导，波导包括：在光子晶体中的多个光学结构；其中，所述多个光学结构被布置成阵列以提供在波导中或在波导上彼此交叠的两个衍射光学元件，其中，两个衍射光学元件中的每一个被配置成接收来自输入方向的光并且将光朝向另一个衍射光学元件耦合，另一个衍射光学元件然后可以用作输出衍射光学元件，提供朝向观看者的耦出级；其中，所述多个光学结构在所述阵列中的不同位置处具有关于与波导的平面平行的横截面的不同的相应横截面形状，以便在阵列中的不同位置处提供不同的衍射效率，其中，所述多个光学结构的横截面形状的至少一个特性在与输入方向平行的第一轴的方向上是可变的；其中，所述至少一个特性与关于与波导的平面平行的横截面的光学结构的横截面面积有关。

以这种方式，可以在阵列中的不同点处控制光子晶体的衍射效率，以实现特定的效果。在一个示例中，这可以提供朝向观看者的输出的改善的亮度均匀性。通过改变光学结构沿第一轴的衍射效率，可以改善输出光的亮度均匀性。在一些示例中，光学结构的衍射效率可以沿第一轴增加。在一些示例中，光学结构的衍射效率在阵列的从输入方向接收光的部分处可以是最小的。

优选地，多个光学结构的横截面形状的至少一个特性在与输入方向垂直的第二轴的方向上也是可变的。以这种方式，可以控制光子晶体的衍射效率以实现更多种类的效果。在一些示例中，光学结构沿第二轴的衍射效率可以在远离中心点的正方向和负方向上增加，中心点是在光子晶体中的多个光学结构处接收输入光的点。

在一些实施方式中，关于与波导的平面平行的横截面，多个光学结构的横截面形状的至少一个特性根据距在阵列处从输入方向接收光的点的径向距离是可变的，以便在不同的径向距离处提供不同的衍射效率。以这种方式，可以进一步改善输出光的亮度均匀性。在一个示例中，关于与波导的平面平行的横截面，阵列中处于相同径向距离的光学结构可以各自具有相同的横截面形状。这可以进一步改善输出光的亮度均匀性。

在一些实施方式中，阵列包括多组光学结构，其中，光学结构的横截面形状的至少一个特性在不同组之间是可变的。以这种方式，光学结构的衍射效率可以在离散数目的组中改变。在一些示例中，这可以提供一种光子晶体，该光子晶体不仅提供了耦出光的改善的亮度均匀性，而且也更易于设计、优化和/或制造。优选地，多个光学结构可以均匀地间隔并且规则地分布在多个组中，以便在阵列上形成组的规则网格。优选地，规则网格可以是正方形网格。网格也可以是六边形网格。在组中的每个光学结构可以具有相同的横截面形状，使得每组具有相关联的形状。

优选地，关于与波导的平面平行的横截面，根据到在阵列处从输入方向接收光的点的组的径向距离，在不同组之间可变的光学结构的横截面形状的至少一个特性是可变的，以便在不同的径向距离处提供不同的衍射效率。以这种方式，可以进一步改善输出光的亮度均匀性。在一些示例中，该区域可以对应于阵列的从输入方向接收光的部分。在一个示例中，在波导的平面中，或者换句话说，关于与波导的平面平行的横截面，在距该区域基本相同距离处的组可以各自具有相同的相关联的形状。这可以有利地改善输出光的亮度均匀性。

关于与波导的平面平行的横截面，至少一个特性与光学结构的横截面面积有关。以这种方式，可以根据光学结构在波导的平面中的面积精确地控制光学结构的衍射效率。已经发现，改变光学结构的面积以控制光学结构的衍射效率是比用于控制衍射效率的一些其他技术例如涉及将涂层施加到光学结构的技术更可再现的技术。然而，光学结构可以在几何上彼此相似。

优选地，多个光学结构各自具有阵列中的光学结构的物理尺寸与光学结构的规则间隔之间的比率，并且其中，至少一个特性与该比率有关。更优选地，物理尺寸对应于光学结构在波导的平面中的直边。以这种方式，可以根据该比率精确地控制光学结构的衍射效率。在一些示例中，与改变光学结构的形状的其他特性相比，改变光学结构的直边的长度以控制光学结构的衍射效率可以提高波导的制造的容易度。

优选地，波导还包括输入衍射光学元件，该输入衍射光学元件被配置成将光耦入到波导中并且在输入方向上将光提供给阵列中的多个光学结构。输入衍射光学元件优选地是在波导的一个表面上的包括凹槽的衍射光栅。优选地，输入光栅具有用于将光耦入到波导中的高效率。

在一些实施方式中，两个衍射光学元件在波导中彼此交叠，并且光学结构表现出与周围波导介质的折射率差异。以这种方式，光学结构可以嵌入在波导内，并且由于该结构与波导介质之间的折射率差异，它们的衍射属性可以产生。

在一些实施方式中，两个衍射光学元件在波导上彼此交叠，并且光学结构是波导的表面上的表面浮雕结构。以这种方式，表面浮雕特征的折射率与围绕所述表面浮雕特征的空气的折射率之间的失配可以提供期望的衍射属性。

根据本发明的第二方面，提供了一种制造用于增强现实或虚拟现实显示器的波导的方法，包括以下步骤：在光子晶体中提供多个光学结构；将所述多个光学结构布置成阵列以提供在波导中或在波导上彼此交叠的两个衍射光学元件，其中，两个衍射光学元件中的每一个被配置成接收来自输入方向的光并且将光朝向另一个衍射光学元件耦合，另一个衍射光学元件然后可以用作输出衍射光学元件，提供朝向观看者的耦出级；为所述多个光学结构在阵列中的不同位置处提供关于与波导的平面平行的横截面的不同的相应横截面形状，以便在阵列中的不同位置处提供不同的衍射效率，其中，所述多个光学结构的横截面形状的至少一个特性在与输入方向平行的第一轴的方向上是可变的；其中，对于与波导的平面平行的横截面，所述至少一个特性与光学结构的横截面面积有关。

附图说明

图1是已知波导的顶视图；

图2是已知波导的侧视图；

图3是用于已知波导的已知光子晶体的一部分的顶视图；

图4A示出了可以在本发明的实施方式中的波导中的光子晶体中使用的光学结构的示例；

图4B示出了可以在本发明的实施方式中的波导中的光子晶体中使用的光学结构的另一个示例；

图4C示出了可以在本发明的实施方式中的波导中的光子晶体中使用的光学结构的另一个示例；

图4D示出了可以在本发明的实施方式中的波导中的光子晶体中使用的光学结构的另一个示例；

图4E示出了可以在本发明的实施方式中的波导中的光子晶体中使用的光学结构的另一个示例；

图5是用于本发明的第一实施方式中的波导中的光子晶体的顶视图；

图6是本发明的第一实施方式的侧视图；

图7是用于本发明的第二实施方式中的波导中的光子晶体的顶视图；

图8是用于本发明的第三实施方式中的波导中的光子晶体的顶视图；

图9是用于本发明的第四实施方式中的波导中的光子晶体的顶视图；

图10是示出当衍射成一级中之一的光与由图4A至图4E的光学结构中之一的阵列形成的光子晶体相互作用时该光的分数强度的曲线图；以及

图11是示出当衍射成直接到眼睛(straight to eye)级的光与由图4A至图4E的光学结构中之一的阵列形成的光子晶体相互作用时该光的分数强度的曲线图。

附图说明

图1是已知波导6的顶视图。在波导6的表面上设置输入衍射光栅1，输入衍射光栅1用于将来自投影仪(未示出)的光耦入到波导6中。耦入到波导6中的光通过全内反射朝向包括已知光子晶体3的输出元件2行进。在该示例中，已知的光子晶体3包括柱状物(未示出)，所述柱状物当从图1的顶视图角度在波导的平面中被观看时，具有包括多个直边的横截面形状。这些柱状物具有相对于周围波导介质的折射率不同的折射率，并且这些柱状物被布置成具有六边形对称性的阵列。

当光沿x轴从输入衍射光栅1遇到输出元件2中的已知光子晶体3时，光通过由已知光子晶体3中的阵列形成的衍射光学结构中的一个朝向观看者透射或者在x-y平面中转动±60°。光也可以被衍射成零级，并且通过全内反射继续传播通过波导6，并进一步沿x轴再次遇到已知光子晶体3。

图2是已知波导6的侧视图。箭头示出了分别通过输入衍射光栅1耦入波导6的光和通过输出元件2从波导6耦出的光。从输出元件2耦出的光形成图像，该图像可以在增强现实应用中递送给观看者。

光的相对亮度由箭头的相对粗度示出。如通过沿x轴减小的箭头的相对粗度可以看到的，输出图像的亮度可以沿传播方向减小。人们相信，这种效应是由于由已知光子晶体3中的阵列形成的衍射光学结构的衍射效率而产生的。具体地，人们相信从输入衍射光栅1接收的光的很大一部分在其遇到已知光子晶体3时朝向眼睛衍射，而不是传播通过波导6以进一步沿x轴被光子晶体3的一部分衍射到眼睛。这可以在输出图像的部分处引起较高的相对亮度，该输出图像的部分是由朝向x轴的负端发生的光与已知光子晶体3之间的衍射产生的。

图3是已知光子晶体3的一部分的顶视图，已知光子晶体3是在波导6内设置的光学结构4的阵列。波导6可以具有n～1.5的低折射率。在该布置中的光学结构4是可以被认为是具有两个矩形向内凹口的平行四边形的多边形。光学结构4被示出在规则尺寸的较大平行四边形5内，规则尺寸的较大平行四边形5指示在已知光子晶体3内的光学结构4的间隔。光学结构4沿波导6的长度即沿x轴的方向具有基本上相同的横截面形状，并且因此在光学结构4相应的较大平行四边形5内占据基本上相同的面积。

在一些已知的示例中，光学结构4可以设置在波导6的一个表面上。在该布置中，光学结构4可以具有特征高度，使得光学结构4从波导6的表面突出。已经发现，有效的光子晶体可以创建为具有在30nm至200nm范围内的特征高度。空气通道形成在光学结构4之间的谷中。光学结构4可以具有与n～1.5的波导介质相同的折射率。光学结构4由折射率n＝1的空气包围，并且折射率的这种不匹配可以允许衍射。

在另一个已知的实施方式中，光学结构4可以嵌入在波导6介质中。因此，光学结构4可以完全设置在波导6介质内。这需要光学结构4与波导介质6之间的折射率不匹配以便发生衍射。这可以通过创建具有表面浮雕轮廓的波导6来实现，该波导6在一个表面上具有光学结构4。然后，粘合材料可以涂敷在光学结构4上，并且光学结构4可以粘合至与波导6具有相同折射率的覆盖件。通过选择与波导介质6相比具有不同(通常更高)的折射率的粘合材料，可以在原始波导与覆盖件之间创建一体的波导6，其中粘合材料夹在原始波导与覆盖件之间。在该示例设计中，粘合材料具有与光学结构4相同的形状，但是具有与周围波导介质不同的折射率。

可以认为阵列中的光学结构4的规则布置是许多叠加的有效的衍射光栅或衍射光学结构。特别地，可以定义具有沿y轴对准的光学结构4的光栅H1，其中光学结构的相邻行相隔距离q。光栅H2被布置成具有与x轴成+30°的角度的光学结构4的行，其中，相邻行相隔距离p，距离p已知为点阵常数。最后，光栅H3被布置成具有与x轴成-30°的角度的光学结构4的行，其中，相邻行相隔距离p。值p和q通过表达式q＝2pCos(30°)彼此相关。已经发现，有效的光子晶体可以被创建为具有在340nm至650nm范围内的p值。

通过提供叠加第二光栅H2的第一光栅H3，可以完全或部分地形成光学结构4，使得光栅H3的光学结构4之间的空间或谷与光栅H2的光学结构4相交，以及反之亦然。该布置产生多个光学结构4，所述多个光学结构4也形成叠加光栅H2和光栅H3的光栅H1。

当从输入光栅的沿x轴接收的光入射在已知光子晶体3上时，光通过各种衍射光学元件经历多次同步衍射。光可以被衍射成零级，这是入射光的传播的延续。光也可以通过光栅H1被衍射成第一衍射级。一级在沿z轴的正方向上朝向观看者从波导6耦出，如图2所示，这可以被定义为直接到眼睛级。光也可以通过H2衍射光学结构被衍射成第一衍射级。该一级被衍射成与x轴成+60°，并且该光束继续进行以与已知光子晶体3的进一步相互作用。光也可以通过H3衍射光学结构被衍射成第一衍射级。该一级被衍射成与x轴成-60°，并且该光束继续进行以与已知光子晶体3的进一步相互作用。随后与H2衍射光学结构的衍射相互作用可以沿正z轴朝向观看者将光从波导6耦出。因此，光可以在每个点处被从波导6耦出，然而光仍然可以继续在波导6内在两个维度中扩展。已知光子晶体3的对称性意味着每个出射光束都具有与输入光束相同的角度和色彩属性，这意味着多色(以及单色)光源可以被用作这种光子晶体布置下的输入光束。

已知光子晶体3可以允许光在两个维度中的同步且快速的扩展，使得输入光可以充满二维显示屏。这可以允许超紧凑的显示器，原因在于：由于二维光束扩展，波导6尺寸可以被保持为最小。

在该布置中，光学结构4具有与衍射光学结构H2、H3平行的直边。因此，平行四边形的边与x轴成±30°角，x轴是如下方向，沿该方向从输入光栅1接收输入光。

已经发现，衍射光学结构H1、H2、H3的不同部分的衍射效率可以通过改变光学结构4在其各自平行四边形5内的形状来控制。这可以增加或减少衍射成零级的光的比例，这取决于光学结构4的形状如何改变。在一个示例中，已经发现，减小朝向x轴的负端定位的光学结构的尺寸同时保持几何形状增加了被那些光学结构衍射成零级的光的比例。这具有的效果是，在朝向眼睛衍射之前，更多的光到达朝向x轴的正端定位的光学结构。这有利地改善了输出图像中的亮度均匀性，并且减轻了已经在已知波导6中观察到的亮度梯度。

图4A至图4E示出了具有不同形状的光学结构31、32、33、34、35的多个示例，光学结构31、32、33、34、35可以用于本发明的实施方式中的波导中的光子晶体中。光学结构31、32、33、34、35在规则平行四边形15内示出，该规则平行四边形15指示当光学结构31、32、33、34、35用于光子晶体中时的规则间隔p。平行四边形15的上顶点和下顶点具有120°角。点阵常数p等于较大平行四边形15的边中的一个边的长度。图像的顶视图示出了当在光子晶体中被设置时将在波导的平面中观看到的光学结构31、32、33、34、35。可以看出，光学结构31、32、33、34、35各自在波导的平面中的其各自的平行四边形15内占据减小的投影面积，同时保持几何上类似的形状。这导致光学结构31、32、33、34、35的每一个之间的衍射效率降低。根据光学结构31、32、33、34、35各自的投影面积与规则平行四边形15的面积之比来定义光学结构31、32、33、34、35中的每一个的“标记与空间”或“MS”比是有用的。标记与空间比可以是讨论给定光学结构的衍射效率的有用度量。光学结构31、32、33、34、35分别具有75、70、65、60和55的标记与空间比。光学结构31、32、33、34、35的衍射效率随着标记与空间比的增大或减小而增大或减小。

在图4A至图4E中，光学结构31、32、33、34、35具有类似的几何形状，但是由于光学结构31、32、33、34、35的尺寸不同而具有不同的衍射效率。替选地或者除了改变规则平行四边形15内的形状的尺寸之外，在其他示例中，光学结构31、32、33、34、35的衍射效率可以通过改变如在波导的平面中观看的几何形状或轮廓来改变。如果光学结构31、32、33、34、35的投影面积在规则平行四边形15内保持恒定，同时几何形状改变，那么光学结构31、32、33、34、35的衍射效率将改变，但是光学结构31、32、33、34、35的标记与空间比将不改变。可以设想，在其他示例实施方式中，光学结构31、32、33、34、35的衍射效率可以改变，同时保持恒定的标记与空间比。

图5是根据本发明的第一实施方式的波导的顶视图。输入衍射光栅10设置在波导60的表面上，用于将光从投影仪(未示出)耦入到波导60中。耦入到波导60中的光通过全内反射沿x轴朝向包括第一光子晶体30的输出元件20行进。在该示例中，第一光子晶体30与已知的光子晶体3相同，除了形成第一光子晶体30的光学结构的阵列包括图4A的光学结构31、图4C的光学结构33和图4E的光学结构35的混合。与已知的光子晶体3类似，第一光子晶体30的光学结构可以被认为是三个叠加的有效衍射光栅，其将光衍射成零级、一级中之一或衍射成直接到眼睛级。

在图5中突出显示了第一光子晶体30的第一区域45。在第一区域45中，形成第一光子晶体30的阵列包括多个图4E的具有55的标记与空间比的光学结构35。突出显示了第二区域43，其中，该阵列包括多个图4C的具有65的标记与空间比的光学结构33。突出显示了第三区域41，其中，该阵列包括多个图4A的具有75的标记与空间比的光学结构31。相对于x轴，第二区域43位于第一区域45之后和第三区域41之前。突出显示的区域之外的阵列中的光学结构可以与图4E的光学结构35相同。

当来自输入衍射光栅10的光遇到第一光子晶体30时，光首先遇到第一区域45。遇到第一区域45的一些光沿z轴被衍射成直接到眼睛级，并且一些光沿x轴被衍射成零级。一些光也被衍射成一级，并且在x-y平面中转动±60°。衍射成零级的光接着遇到第二区域43。较低强度的光从第一区域45入射在第二区域43上，因为入射在第一区域45上的一些光被衍射成直接到眼睛级，或者转动±60°远离第二区域43。然而，第二区域43中的光学结构的标记与空间比大于第一区域45中的光学结构的标记与空间比，并且因此遇到第二区域43的更大比例的光被衍射成直接到眼睛级。以这种方式，可以补偿入射在第一区域45和第二区域43上的强度的差异，从而使得第一区域45和第二区域43能够将类似强度的光衍射成直接到眼睛级。这减轻了在输出图像中观察到的亮度梯度。

在第二区域43与第三区域41之间发生相同的效应。被第二区域43衍射成零级的一些光接着遇到第三区域41。较低强度的光从第二区域43入射在第三区域41上，因为入射在第二区域43上的一些光被衍射成直接到眼睛级，或者被转动±60°。然而，第三区域41中的光学结构的标记与空间比大于第二区域43中的光学结构的标记与空间比，并且因此遇到第三区域41的更大比例的光被衍射成直接到眼睛级。因此，可以补偿入射在第二区域43和第三区域41上的强度的差异，使得第二区域43和第三区域41能够将类似强度的光衍射成直接到眼睛级。以这种方式，第一区域45、第二区域43和第三区域41可以将类似强度的光从波导60耦出。第一光子晶体30因此可以提供更均匀的输出图像。特别地，图像的各部分——其源自利用第一区域45、第二区域43和第三区域41的直接到眼睛的衍射——相对于彼此更加均匀。通过改变整个阵列上的光学结构的标记与空间比，并且更逐渐地改变它们，可以进一步改善输出图像的均匀性，如下面参照进一步的实施方式所述。

图6示出了波导60的侧视图。箭头示出了分别通过输入衍射光栅10和输出元件20耦入和耦出波导60的光。从输出元件20耦出的光形成图像，该图像可以在增强现实应用中递送给观看者。光的相对亮度由箭头的相对粗度示出。如关于图2可以看到的，与图2的已知波导6相比，耦出光的亮度沿x轴更均匀地分布。这可以归因于第一光子晶体30的衍射光学结构的改变的衍射效率。

图7示出了根据本发明的第二实施方式的波导60的顶视图。如参照图5所述，输入衍射光栅10设置在波导60的表面上，用于将光从投影仪(未示出)耦入到波导60中。耦入到波导60中的光通过全内反射沿x轴朝向包括第二光子晶体50的输出元件20行进。第二光子晶体50与第一光子晶体30的不同之处在于第二光子晶体50中的光学结构的标记与空间比沿x轴的方向持续增加。应当注意，认为任何实际应用都将在某种程度上实现离散的标记与空间比的变化。在图7中，交叠在第二光子晶体50上的箭头的粗度以图形方式表示阵列中的光学结构在沿x轴的不同点处的增加的标记与空间比或该示例中等效地增加的尺寸。在一个示例中，光学结构的标记与空间比可以从第二光子晶体50的第一侧51处的55(MS)持续增加到第二光子晶体50的第二侧52处的75(MS)，第一侧51首先接收从输入衍射光栅10入射的光，第二侧52在光传播通过第二光子晶体50的方向上远离第一侧51。在来自输入衍射光栅10的光沿与x轴成一角度的轴将光朝向第一光子晶体50耦合的其他实施方式中，光学结构的标记与空间比可以在轴的方向上增加。

通过提供其中光学结构具有持续改变的标记与空间比的阵列，可以相对于图5的实施方式进一步改善输出图像的均匀性。在第一光子晶体30中，第二区域43中的光学结构相对于第一区域45的增加的标记与空间比使得第二区域43能够将更多的光衍射成直接到眼睛级——从而抵消第二区域43从第一区域45接收的强度的下降。在图7的实施方式中，在沿x轴的方向的每个连续光学结构之间实现了类似的效果。然而，因为标记与空间比沿第二光子晶体50的长度更逐渐地增加，所以输出图像的均匀性相对于图5的实施方式进一步改善。

在图7的示例实施方式中，阵列中在相同y坐标处的光学结构可以具有相同的标记与空间比。在一些示例实施方式中，光学结构的标记与空间比可以沿x轴的方向线性地增加。在其他示例中，光学结构的标记与空间比可以指数地或单调地增加。

图8示出了根据本发明的第三实施方式的波导60的顶视图。如参照图5和图7所述，输入衍射光栅10设置在波导60的表面上，用于将光从投影仪(未示出)耦入到波导60中。耦入到波导60中的光通过全内反射沿x轴朝向包括第三光子晶体70的输出元件20行进。第三光子晶体70与第二光子晶体50的不同之处在于，第三光子晶体70中的光学结构的标记与空间比也沿y轴的方向改变。在图8中，交叠在第三光子晶体70上的箭头的粗度以图形方式表示阵列中的光学结构在沿x轴和y轴的不同点处的增加的标记与空间比。光学结构的标记与空间比根据光学结构沿x轴从光子晶体70的第一侧71到第二侧72的位置而增加。

在该实施方式中，光学结构的标记与空间比也相对于y轴变化。在一个示例中，光学结构的标记与空间比可以朝向第三光子晶体70的第三侧73和第四侧74增加，但是朝向平行于x轴的中心轴减小。中心轴可以对应于光从输入衍射光栅10朝向第三光子晶体70耦合所沿的轴。光学结构的标记与空间比可以在从中心轴的正方向和负方向上线性增加。替选地，该增加可以是指数增加或单调增加。

当来自输入衍射光栅10的光遇到第三光子晶体70时，一些光被光栅H2或光栅H3中的一个衍射成一级，并且被转动±60°。转动的光继续在正y方向或负y方向以及正x方向上传播。与中心轴相比，较低强度的光可以入射在第三光子晶体70的第三侧73和第四侧74上，因为一部分转动的光在到达第三侧73或第四侧74之前被衍射成直接到眼睛级。因此，与中心轴相比第三侧73和第四侧74可以耦出较低强度的光。如果这种影响没有减轻，则这可以在输出图像中产生亮度梯度。然而，在第三光子晶体70中，光学结构的标记与空间比朝向第三侧73和第四侧74增加，并且因此朝向第三侧73和第四侧74遇到光学结构的光的更大比例被衍射成直接到眼睛级。以这种方式，可以补偿与中心轴相比入射在第三侧73和第四侧74上的强度的差异，从而使得第三侧73和第四侧74附近的光学结构能够将与中心轴中的光学结构相比相似的光强度衍射成直接到眼睛级。这减轻了在输出图像中由第三光子晶体70的第三侧73和第四侧74的衍射所产生的图像部分之间的观察到的亮度梯度。因此，通过持续地和逐渐地改变跨第三光子晶体70的x轴和y轴的光学结构的标记与空间比，可以实现沿输出图像的两个轴的改善的亮度均匀性。

在另一个示例中，光学结构的标记与空间比可以根据光学结构到第三光子晶体70的首先接收来自输入衍射光栅10的光的区域的径向距离而改变。在图8的示例中，该区域基本上对应于第三光子晶体70的第一侧71。已经发现，这样的配置是改变阵列中光学结构的衍射效率的特别有效的方式，以实现更均匀的输出光亮度。本领域技术人员将理解，在其他示例中，可以在阵列中的不同区域处从替选输入方向接收光。在这样的示例中，光学结构的标记与空间比可以随着距所述不同区域的距离的增加而增加。

图9示出了根据本发明的第四实施方式的波导60的顶视图。如参照图5至图8所述，输入衍射光栅10设置在波导60的表面上，用于将光从投影仪(未示出)耦入到波导60中。耦入到波导60中的光通过全内反射沿x轴朝向包括第四光子晶体80的输出元件20行进。与第三光子晶体70一样，第四光子晶体80的光学结构具有沿阵列的x轴和y轴改变的标记与空间比。然而，阵列中的光学结构被布置在光学结构的组的规则网格中。这些组在图9中被描绘为由虚线框线划分的第四光子晶体80的区域。每组包括多个具有相同衍射效率的相邻光学结构。在图9的示例中，每组内的光学结构各自具有相同的标记与空间比和相同的几何形状，并且因此每组内的光学结构也具有相同的衍射效率。以这种方式，每组具有关联的标记与空间比。标记与空间比可以以与先前的光子晶体类似的方式在x轴和y轴的方向上逐组改变，以便提供光子晶体，该光子晶体提供耦出光的更均匀的亮度。然而，因为第四光子晶体80中的光学结构被捆扎成相同几何尺寸和形状的组，所以第四光子晶体80可以更容易设计、制造和优化。

在一个示例中，与每组相关联的标记与空间比可以随着这些组沿x轴的位置成比例地增加。替选地，增加可以是指数的、线性的或单调的。替选地或另外，与每组相关联的标记与空间比可以远离中心轴沿y轴在正方向和负方向增加。在示例中，中心轴可以对应于光从输入衍射光栅10朝向第四光子晶体80耦合所沿的轴。在另一示例中，每组的标记与空间比可以根据每组到第一组81的径向距离而增加，第一组81是第四光子晶体80中首先从输入衍射光栅10接收光的组。这样的示例在改善由第四光子晶体80产生的输出图像的均匀性方面特别有效。

在根据图5至图9的实施方式中，通过改变光学结构的尺寸来改变构成光子晶体的光学结构的衍射效率，以便实现不同的标记与空间比。如前所述，可以使用替选方法，例如通过改变光学结构的几何形状或者通过改变形状而不改变光学结构在波导平面中的投影面积来改变衍射效率。可以设想，在其他示例实施方式中，第一光子晶体30、第二光子晶体50、第三光子晶体70和第四光子晶体80的光学结构的衍射效率可以在这些替选方法中的任何一种中改变，以实现类似的结果。

已经发现，与其他已知方法例如通过将涂层施加到具有变化厚度的光学结构相比，改变构成光子晶体的光学结构的形状是改变衍射效率的更可再现的方式。

图10是示出当衍射成一级中之一的光与由图4A至图4E的光学结构中之一的阵列形成的光子晶体相互作用时该光的分数强度的曲线图。相对于光在输入衍射光栅上的入射角绘制由衍射元件H2或H3中的一个衍射成一级中的一个并转动±60°的光的分数强度。接连的绘图线示出了分数强度如何随着增加的标记与空间比而增加。因此，图10示出了增加光学结构的标记与空间比如何使衍射成一级中的一个的光的比例增加。

图11是示出当衍射成直接到眼睛级的光与由图4A至图4E的光学结构中的一个阵列形成的光子晶体相互作用时该光的强度分数的曲线图。相对于光在输入衍射光栅上的入射角绘制由衍射元件H1衍射成直接到眼睛级的光的分数强度。接连的绘图线示出了分数强度如何随着增加的标记与空间比而增加。从图11中明显看出，通过使用具有增加的标记与空间比的光学结构，可以实现耦入到直接到眼睛级的光的有效增强。

Claims (11)

1.一种用于增强现实或虚拟现实显示器的波导，包括：

在光子晶体中的多个光学结构；

其中，所述多个光学结构被布置成阵列，以提供在所述波导中或在所述波导上彼此交叠的两个衍射光学元件，其中，所述两个衍射光学元件中的每一个被配置成：接收来自输入方向的光并且将所述光朝向另一个衍射光学元件耦合，所述另一个衍射光学元件然后能够用作输出衍射光学元件，提供朝向观看者的耦出级；

其中，所述多个光学结构在所述阵列中的不同位置处具有关于与所述波导的平面平行的横截面的不同的相应横截面形状，以便在所述阵列中的不同位置处提供不同的衍射效率，其中，所述多个光学结构的横截面形状的至少一个特性在与所述输入方向平行的第一轴的方向上是可变的；

其中，所述至少一个特性与关于与所述波导的平面平行的横截面的所述光学结构的横截面面积有关。

2.根据权利要求1所述的波导，其中，所述多个光学结构的横截面形状的所述至少一个特性在与所述输入方向垂直的第二轴的方向上也是可变的。

3.根据权利要求2所述的波导，其中，关于与所述波导的平面平行的横截面，所述多个光学结构的横截面形状的所述至少一个特性根据距在所述阵列处从所述输入方向接收光的点的径向距离是可变的，以便在不同的径向距离处提供不同的衍射效率。

4.根据权利要求2所述的波导，其中，所述阵列包括多组光学结构，其中，所述光学结构的横截面形状的所述至少一个特性在不同组之间是可变的。

5.根据权利要求4所述的波导，其中，关于与所述波导的平面平行的横截面，在不同组之间可变的所述光学结构的横截面形状的所述至少一个特性根据到在所述阵列处从所述输入方向接收光的点的所述组的径向距离是可变的，以便在不同的径向距离处提供不同的衍射效率。

6.根据前述权利要求中任一项所述的波导，其中，所述多个光学结构各自具有所述阵列中的所述光学结构的物理尺寸与所述光学结构的规则间隔之间的比率，并且其中，所述至少一个特性与所述比率有关。

7.根据权利要求6所述的波导，其中，所述物理尺寸对应于所述光学结构的直边。

8.根据前述权利要求中任一项所述的波导，包括输入衍射光学元件，所述输入衍射光学元件被配置成将光耦入到所述波导中并且在所述输入方向上将光提供到所述阵列中的所述多个光学结构。

9.根据前述权利要求中任一项所述的波导，其中，所述两个衍射光学元件在所述波导中彼此交叠，并且所述光学结构表现出与周围波导介质的折射率差异。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的波导，其中，所述两个衍射光学元件在所述波导上彼此交叠，并且所述光学结构是所述波导的表面上的表面浮雕结构。

11.一种制造用于增强现实或虚拟现实显示器的波导的方法，包括以下步骤：

在光子晶体中设置多个光学结构；

将所述多个光学结构布置成阵列以提供在所述波导中或在所述波导上彼此交叠的两个衍射光学元件，其中，所述两个衍射光学元件中的每一个被配置成：接收来自输入方向的光并且将所述光朝向另一个衍射光学元件耦合，所述另一个衍射光学元件然后能够用作输出衍射光学元件，提供朝向观看者的耦出级；

为所述多个光学结构在所述阵列中的不同位置处提供关于与所述波导的平面平行的横截面的不同的相应横截面形状，以便在所述阵列中的不同位置处提供不同的衍射效率，其中，所述多个光学结构的横截面形状的至少一个特性在与所述输入方向平行的第一轴的方向上是可变的；

其中，所述至少一个特性与关于与所述波导的平面平行的横截面的所述光学结构的横截面面积有关。