CN115362405A - 用于增强现实或虚拟现实显示器的波导 - Google Patents

Abstract

一种用于增强现实或虚拟现实显示器的波导(1)，包括：输出衍射元件，其包括光子晶体中的多个光学结构(22，28，26)；波导的第一主表面和波导的第二主表面，第一主表面在垂直于波导的平面的方向上与第二主表面分离，其中，光通过在第一主表面与第二主表面之间经历全内反射而沿着波导朝向输出衍射元件传播，其中，多个光学结构(22，28，26)以阵列布置在所述波导的平面中，阵列被配置成接收来自输入方向的光并且将光衍射成多个级，级中的一些级与输入方向成角度地在波导的平面中被衍射以提供跨波导的平面的2D扩展，并且其他级在垂直于波导的平面的方向上朝向观看者耦出；其中，多个光学结构(22，28，26)中的至少一个光学结构(22，28，26)具有在垂直于波导的平面的方向上的轮廓，其中，轮廓沿平行于波导的平面的一个或多个方向变化，使得与波导的第二主表面相比，优先从波导的第一主表面提供耦出级。

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，本发明涉及一种波导，在该波导中输入光在输出元件中在两个正交方向上扩展，并且在优选方向上朝向观看者耦出波导。这可以允许增强现实显示器中的眼动范围的物理扩展，同时确保系统的效率提高。

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图像。在军事或运输应用中，投影图像可以覆盖在用户感知的现实世界上。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设备。

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，并且投影仪设置在一侧。来自投影仪的光通过衍射光栅耦入到波导中。投影的光在波导内被全内反射。然后，光通过另一衍射光栅耦出波导，使得用户可以看到光。投影仪可以提供增强了用户对物理世界的观看的信息和/或图像。

在WO 2016/020643中公开了一种用于在增强现实显示器中二维扩展输入光的光学装置。提供输入衍射光学元件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其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耦出波导。在一个实施方式中，在光子晶体中提供彼此交叠的两个衍射光学元件。这通过具有布置在波导内或波导的表面上的柱阵列来实现，柱阵列具有相对于周围波导介质的折射率变化。WO2016/020643中的柱被描述为当从观看者的角度在波导的平面中观看时具有圆形截面形状。已经发现该布置在同时扩展二维光以及将光耦出波导时非常有效。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。

在WO 2018/178626中公开了一种具有菱形截面形状的柱的光学装置。还示出了改进的菱形截面形状，该改进的菱形具有凹口。具有这些形状而不是圆形截面的柱，已经示出减少了在输出元件中出现具有比其他部分更高的相对亮度的中心条纹，从而在某种程度上减少了输出图像中不期望的“条纹”效应。还提出了其他形状。

这些类型的波导的一个缺点是，当光入射到输出元件上时，将光耦出波导的衍射级可能沿相反方向延伸。这可以包括通过光栅透射并且向外到观看者的级、以及被光栅反射并且向外到观看者的级。一般地，波导系统被设计成使得观看者只观看这些耦出级中的单个。这导致波导效率的降低，因为可以用于形成观看者的图像的光的一部分在该不希望的耦出方向上被浪费。另外，不希望的耦出级还形成图像，该图像可以通过允许外部观看者看到佩戴者正在观看什么而引起隐私问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于增强现实或虚拟现实显示器的波导，该波导包括：输出衍射元件，其包括光子晶体中的多个光学结构；其中，多个光学结构以阵列布置在波导的平面中，阵列被配置成接收来自输入方向的光并且将光衍射成多个级，级中的一些级与输入方向成角度地在波导的平面中被衍射以提供跨波导的平面的2D扩展，并且其他级朝向观看者耦出；其中，多个光学结构中的至少一个光学结构具有在垂直于波导平面的方向上的轮廓，其中，轮廓沿平行于波导的平面的一个或更多个方向变化，使得优先从波导的一个主表面提供耦出级。

优选地，耦出的级在垂直于波导平面的方向上朝向观看者。

优选地，波导包括波导的第一主表面和波导的第二主表面，第一主表面在垂直于波导平面的方向上与第二主表面分离，其中，光通过在第一主表面与第二主表面之间经历全内反射而沿着波导向输出衍射元件传播。

优选地，与波导的第二主表面相比，从波导的第一主表面提供耦出级。与波导的第二主表面相比，这可以优先地从波导的第一主表面提供。

以这种方式，光学结构中的每一个可以具有在波导的平面中(即，跨波导平面)变化的高度。因此，光学结构可以具有闪耀结构。有利地，该闪耀结构可以优先地从波导的一个主表面(即，侧面)朝向观看者衍射光。以这种方式，可以消除或显着地抑制透射级或反射级。由于光仅在单个方向上(在透射级或反射级上)从波导耦出，可以提高输出衍射光学元件的光学效率。这可以有利地改善可穿戴设备中的电池节省，或者可以降低投影仪的功率需求。波导的平面可以在x-y平面中。在该符号中，光学结构的高度将沿着z轴。主表面可以是波导的相对侧。

在波导平面上的2D扩展产生2D瞳复制。因此，未耦出的级与输入方向成角度衍射，以提供多个衍射级。与输入方向的角度可以是±60°。替选地，其可以是±45°，替选地，其可以是不同于输入方向的任何其他角度。

在一些布置中，多个光学结构中的至少一个光学结构的轮廓可以沿平行于波导的平面的一个或更多个方向连续变化。以这种方式，光学结构的轮廓可以具有在光学结构上连续变化的梯度。连续斜率可以提供对衍射级的效率和方向性的改进控制。

替选地，多个光学结构中的至少一个在其轮廓中具有间断。在其他布置中，多个光学结构中的至少一个包括多个间断。以这种方式，可以通过在光学结构中具有一个或更多个阶梯来实现轮廓的变化。每个阶梯可以具有基本平坦的部分，该基本平坦的部分平行于波导平面，由垂直于波导平面的竖直部分分开。这可以有助于光学结构的制造，同时还提供相对于透射输出级增加反射输出级的效率的期望效果，反之亦然。

优选地，多个光学结构中的至少一些光学结构的轮廓变化可以不同于多个光学结构中的其他光学结构的轮廓变化。不是所有的光学结构都具有以相同方式变化的轮廓。通过在光学结构之间的轮廓变化中具有差异，光学结构可以拥有变化的散射特性。在一些布置中，光学结构的轮廓的变化在输出衍射元件上变化。因此，在输出衍射元件的不同区域处的光学结构可以具有不同的轮廓变化(即，彼此不同)。轮廓中的变化可以表示为轮廓中的变化的量度，该量度定义可以测量轮廓中的变化的程度。

以这种方式，光学结构的轮廓的变化可以在输出衍射元件上变化，以在输出衍射元件的特定区域实现所需的散射。例如，在输出衍射元件的第一区域中，光学结构可以都具有类似的轮廓变化，而在输出衍射元件的不同的第二区域中，光学结构的轮廓变化可以不同于第一区域中的轮廓变化。替选地，光学元件的不同的轮廓变化可以随机分布在输出衍射元件上。

输入方向可以限定波导平面中的第一轴，并且光学结构在轮廓上变化的一个或更多个方向可以与输入方向成角度。该角度可以为±60°。典型地，一部分输入光可以由光学结构以±60°的角度衍射。该布置确保在初始转向之后，当光入射到随后的光学结构上时，光学结构的高度的斜率基本上与光入射到该光学结构上的方向相同。替选地，该角度可以是±45°，或任何其他角度。例如，使用上面给出的符号，输入方向可以沿着y轴。

第一轴的第一侧上的光学结构在轮廓上变化的方向可以与输入方向成第一角度，并且第一轴的第二侧上的光学结构在轮廓上变化的方向可以与输入方向成第二角度。第一轴的第一侧和第一轴的第二侧在波导的平面中由沿着输入方向形成的线分开，该输入方向从光入射在输出衍射元件处的点延伸。以这种方式，在初始转向之后，当光入射在随后的光学结构上时，光学结构的轮廓的斜率与光入射在该光学结构上的方向相同。在一个布置中，第一角度可以是+60°，第二角度可以是-60°。在另一布置中，第一角度可以是+45°，第二角度可以是-45°。在其他布置中，角度可以是任何其他角度。

在一些布置中，第一轴上的光学结构在输入方向上的轮廓变化。因此，提供来自输入光栅的光的初始衍射的光学结构可以具有沿着由输入方向限定的轴变化的轮廓。这确保了在利用输出光栅对输入光进行初始衍射时，光优先在单个预期方向上(即，在透射级或反射级上)被衍射。

在一些布置中，多个光学结构中的至少一个被布置成使得至少一个光学结构的轮廓在远离光入射到至少一个光学结构上的点的方向上具有负梯度。这使得反射衍射级被优先选择并且透射衍射级被优先抑制。在一些布置中，可以以这种方式布置所有的多个光学结构。换言之，在光学结构的光入射一侧的轮廓比在光学结构的离光入射一侧最远的一侧的轮廓更高，或者具有更大的物理范围。这意味着轮廓从光学结构的光入射一侧向下倾斜。该斜率可以是连续的或阶梯式的。以这种方式，与光学结构离光入射一侧最远的部分相比，光学结构在光入射处的部分在z轴上延伸得更高。

替选地或附加地，多个光学结构中的至少一个被布置成使得至少一个光学结构的轮廓在远离光入射在该至少一个光学结构上的点的方向上具有正梯度。这使得透射衍射级被优先选择并且反射衍射级被优先抑制。在一些布置中，可以以这种方式布置所有的多个光学结构。换言之，在光学结构的光入射一侧的轮廓比在光学结构的离光入射一侧最远的一侧的轮廓低，或具有较小的物理范围。这意味着轮廓从光学结构的光入射一侧向上倾斜。该斜率可以是连续的或阶梯式的。以这种方式，与光学结构的光入射的部分相比，光学结构在光入射的最远部分处沿z轴延伸得更高。

优选地，波导可以包括与衍射输出光学元件分离的输入衍射光学元件，该输入衍射光学元件被配置成将光耦入到波导中并且沿输入方向上将光提供给阵列中的多个光学结构。

当在波导的平面中观看时，多个光学结构可以分别具有包括多个基本上直的边的形状，多个基本上直的边具有处于不同角度的各自的法向矢量。换言之，当在x-y平面中观看时，光学结构的截面可以是具有多个基本上直的边的形状，多个基本上直的边具有处于不同角度的各个法向矢量。例如，它可以是如WO 2018/178626中所述的凹口的菱形形状。替选地，其可以具有不同的截面形状，例如圆形或矩形。

波导中的光学结构阵列可以被称为光子晶体。波导可以被设置在光学显示器内。

光学结构优选地表现出与周围介质的折射率差异。以这种方式，光学结构可以嵌入在波导内，并且由于结构与波导介质之间的折射率的差异，可以产生它们的衍射特性。

光学结构可以被设置为波导表面上的表面起伏特征。表面起伏特征的折射率与围绕它们的空气之间的失配可以提供所需的衍射特性。在一些实施方式中，可以在光学结构上设置涂层以控制衍射效率。

优选地，波导是平板波导。当光从波导的平面中的波导的第一主表面和波导的平面中的波导的第二主表面入射和反射时，光通过波导的传播经由全内反射。以这种方式，当光从每个面反射时，其沿着波导从输入衍射元件朝向输出衍射元件传播。

根据另一方面，提供了一种包括上述方面的波导的增强现实或虚拟现实显示器。

根据另一方面，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：提供包括光子晶体中的多个光学结构的输出衍射元件；布置多个光学结构，其中多个光学结构以阵列布置在波导的平面中，阵列被配置成接收来自输入方向的光并且将光衍射成多个级，级中的一些级与输入方向成角度地在波导的平面中被衍射以提供跨波导的平面的2D扩展，并且其他级朝向观看者耦出，并且其中，多个光学结构中的至少一个光学结构具有在垂直于波导的平面的方向上的轮廓，其中，轮廓沿平行于波导的平面的一个或更多个方向变化，使得优先从波导的一个主表面提供耦出级。

优选地，耦出的级在垂直于波导平面的方向上朝向观看者。

优选地，波导包括波导的第一主表面和波导的第二主表面，第一主表面在垂直于波导平面的方向上与第二主表面分离，其中，光通过在第一主表面与第二主表面之间经历全内反射而沿着波导向输出衍射元件传播。

优选地，与波导的第二主表面相比，从波导的第一主表面提供耦出级。与波导的第二主表面相比，这可以优先地从波导的第一主表面提供。

附图说明

现在参照附图通过示例的方式描述本发明的实施方式，在附图中：

图1A和图1B示出了已知波导的俯视图和边缘视图；

图2A示出了其中输出观看位置来自波导的与输出光栅所在位置相对的主表面的波导；

图2B示出了其中输出观看位置来自波导的输出光栅所在位置相同的主表面；

图3A至图3F示出了用于在根据本发明的衍射输出元件中使用的光学结构的多种不同布置；

图4示出了根据本发明的示例输出光栅，示例输出光栅被配置成确保反射级以比透射耦出级更高的效率从波导耦出；以及

图5示出了根据本发明的图4的示例输出光栅，示例输出光栅被配置成确保反射级以比透射耦出级更高的效率从波导耦出，从而示出了当在波导平面中观看时光学结构的形状。

具体实施方式

图1A示出了WO 2016/020643中公开的波导1的俯视图，图1B示出了WO 2016/020643中公开的波导1的边缘视图。

在波导1的表面上设置输入衍射光栅2，输入衍射光栅2用于将来自投影仪(未示出)的光耦入到波导1中。耦入到波导中的光通过全内反射朝向包括光子晶体的输出元件4行进。在该示例中，光子晶体包括柱。柱具有相对于周围波导介质的折射率不同的折射率，并且柱被布置成具有六边形对称的阵列。可以将柱称为纳米结构、衍射光学结构或光学结构。

从图1A可以看出，来自输入光栅2的光沿着输入光路径8朝向输出光栅4耦合。从图1B可以看出，光通过全内反射在波导1的第一主表面5与第二主表面7之间传播。位置6a示出了输入光首先与由光学结构的阵列形成的光栅相互作用的点。然后，光在位置6a处衍射成多个衍射级。

光的一部分以±60°衍射成由路径10a和路径10b所示的转向级。

光的其他部分被衍射出波导成为所谓的输出级。这些可以在图1B中被视为反射级12b和透射级12a。在图1A中示出了平面外的反射级12a，尽管如图1B所示存在两个级。反射级12b是光在用输出光栅4衍射之后返回通过波导1并且随后离开波导的地方。透射级12a是光在波导1的与输出光栅4所定位的同一侧上从输出光栅4穿出以及穿出波导1的地方。因此，反射级12b和透射级12b在彼此相反的方向上，从波导1的不同的各个主表面延伸。反射级12b穿出波导1的第一主表面5。透射级12a穿出波导1的第二主表面7。

在位置6a处衍射之后，转向级10a、转向级10b中的每一个中的光然后在位置6b、位置6c处被这些位置处的光学结构的阵列衍射，从而产生另外的转向级和另外的输出级。另外的输出级在图1B中示出为反射级14b和透射级14a。

可以理解，反射级和透射级都能够形成图像。然而，在常规的波导系统中，典型的设计规定观看者实际只利用反射级或透射级。这可以在图2A和图2B中看到。

图2A示出了其中观看者的观看位置16b来自波导1的与输出光栅4位于其上的主表面相对主表面5的波导1，在该布置中，反射级12b将图像提供给观看位置16b。

图2B示出了其中观看者的观看位置16a来自波导1的输出光栅4位于其上的主表面7的替选类型的波导1。在该布置中，透射级12a向观看位置16a提供图像。

在常规的系统中，例如在上面引用的现有技术中公开的这些系统中，即使仅使用透射级或反射级中的一个来产生图像，另一个级仍然存在。这意味着在远离眼睛的方向上存在图像形成级。这意味着该光损失，这降低了系统的效率。这也会导致隐私问题，因为面向用户的第三方可能能够观看用户正在观看的信息。

本发明旨在防止这些不希望的透射级或反射级的问题，使得仅产生透射级或反射级。

图3A至图3F示出了用于衍射输出元件中的光学结构的多个不同的布置。图3A示出了具有如WO 2018/178626中所述的有凹口的菱形形状的光学结构20。可以看出，光学结构20具有平坦的均匀轮廓。具有这种轮廓的光学结构导致存在透射级和反射级二者，如图1B所示。

已经发现，通过修改光学结构20的轮廓，如图3A所示，可以抑制透射输出级或反射输出级中的一个。具体地，这可以通过具有在光学结构上变化的轮廓来实现。

图3B示出了是具有变化轮廓的这种结构的示例的光学结构22。在波导的平面中，光学结构22具有光学结构20的凹口菱形形状。然而，光学结构22的轮廓是变化的。这种轮廓的变化是在跨波导平面的方向上。因此，光学结构22在光学结构22的一端到相对端之间具有梯度或斜率。可以看出，光学结构22的轮廓从光学结构22的一侧到另一侧连续变化。当从图3B的角度来观看时，这相对于垂直方向成角度。该斜面从凹口平行四边形的最长边101与竖直方向成该角度地延伸到最长边103，即，跨光学元件的对角线。当在波导的平面中观看时，这是沿y轴和x轴。

图3C示出了光学结构24，其是可以选择性地抑制透射级或反射级的光学结构的另一示例。可以看出，光学结构24具有变化的轮廓。间断28将光学结构24的轮廓的两个区域30a、30b分开。第一区域30a高于第二区域30b，从而产生轮廓变化。这在两个区域之间的间断28处创建阶梯。阶梯以及因此的间断从一侧到相对侧延伸穿过光学结构的整个范围。阶梯(和间断)与垂直方向成角度地延伸穿过光学结构，如图3C所示。该角度垂直于发生轮廓变化的角度。轮廓的变化是从光学结构24的边101到边103。换言之，间断以平行于凹口平行四边形的边103、边101的角度定位。间断28沿上述角度定位在光学结构24的中央。垂直于波导平面的光学结构的物理范围可以被认为是其高度。阶梯的高度是光学结构的高度的一半。还可以看出，可以认为在光学结构的边缘103与输出光栅4的周围区域之间存在另一阶梯29。

图3D示出了光学结构26，其是可以选择性地抑制透射级或反射级的光学结构的另一示例。可以看出，光学结构26具有变化的轮廓。光学结构26具有四个间断32a至32d，每个间断位于光学结构26的五个不同的平坦区域34a至34e之间。间断32a至32d中的每一个是将光学结构26的轮廓的两个相邻平坦区域30a至30e分开的竖直部分。间断中的每一个在边101与边103之间的光学结构上等距间隔。区域30a至30e的高度在光学结构上减小，从而产生轮廓的变化。如果光学结构33的边缘和输出光栅4的周围区域作为另一阶梯，则这产生五个阶梯。间断32a至32e(以及因此的阶梯)中的每一个以如上关于图3C所述的角度布置，并且每一个延伸穿过光学结构的范围。如图3D所示，阶梯中的每一个具有相同的高度。这是光学结构26最高点高度的20％。然而，在其他布置中，每个阶梯的高度可以相对于彼此变化。

有利地，通过具有如在光学结构24和光学结构26中的阶梯，光学结构比光学结构22更容易制造，同时仍然提供抑制透射级或反射级的效果。

图3E示出了光学结构25，其是具有变化的轮廓的这种结构的另一示例。在波导的平面中，光学结构25具有光学结构20的凹口菱形形状。然而，光学结构25的轮廓变化。这种轮廓的变化是在跨波导平面的方向上。因此，光学结构25在光学结构25的一端到相对端之间具有梯度或斜率。可以看出，光学结构25的轮廓从光学结构25的一侧到另一侧连续变化。当从图3E的角度观看时，该梯度在光学结构的顶点107与顶点105之间。顶点105和顶点107是凹口平行四边形截面的两个最大边之间的顶点。与图3B中的光学结构不同，当在图3E中观看时，图3E中所示的光学结构25的轮廓沿着竖直轴变化，即，当在波导的平面中观看时沿着y轴变化，而不是与所述轴成角度。

图3F示出了光学结构27，其是可以选择性地抑制透射级或反射级的光学结构的另一示例。图3F中所示的光学结构27可以被认为是图4中所示的光学结构42和光学结构44的组合。与图3E中的光学结构一样，图3F中所示的光学结构27的轮廓沿竖直轴变化，而不是与所述轴成角度。然而，两个间断38a和38b将光学结构27的轮廓的两个区域39a和39b分开。第一区域39a高于第二区域39b，从而产生轮廓变化。这在两个区域之间的间断38a、间断38b处产生阶梯。区域39b具有有四个边的菱形截面形状，而区域39a具有有10个边的截面形状。间断38a、间断38b在截面平面中彼此成直角并且各自从光学结构27的不同侧延伸以在光学结构27的中心点41处相交。垂直于波导的平面的光学结构27的物理范围可以被认为是其高度。阶梯38的高度是光学结构高度的一半。光学结构27可以被认为是图3E中所示的光学结构25的改进的阶梯状版本。

图3B至图3F中所示的光学结构中的每一个可以用于如图1B中所示的输出光栅4，但在透射或反射中提供优先耦出，使得其主要来自波导的第一主表面5或第二主表面7。

图4示出了示例输出光栅4，其被配置成确保反射级从波导优先地耦出(与透射级相比)。来自输入光栅2的光沿着输入光路径8入射到输出光栅4上。输入光最初从由位置40a处的光学结构阵列形成的光栅衍射。这如关于图1所描述的。在该位置40a，光学结构具有如图3E所示的轮廓，或者具有如图3F所示的一个或更多个阶梯的光学结构。这产生如关于图1所述的转向级10a和转向级10b。然而，在输入光与位置40a处的光学结构阵列相互作用时产生的耦出级优先是反射级，而透射级被抑制。

来自转向级10b的光入射到由位置40b处的光学结构的阵列提供的光栅上。该位置40b处的光学结构42的轮廓在图4的插图(a)中示出。光学结构42具有类似于图3C中所示的光学结构24的阶梯状轮廓。然而，光学结构42具有在与转向级10b相同的方向上变化的轮廓。这与输入方向成-60°角。在位置40b处，来自转向级10b的光朝向在垂直于波导的平面中延伸最远的光学结构42的一侧(即，最高侧或具有垂直于波导平面的最大物理范围的一侧)入射(即，在使用图4中所示符号的z轴上)。由于该位置40b处的光学结构42的阵列具有该轮廓，来自位置40b处的光学结构42的耦出级优先是反射级52，而透射级被抑制。

来自转向级10a的光入射到由位置40c处的光学结构的阵列提供的光栅上。在该位置处的光学结构44的轮廓如图4的插图(b)所示。光学结构44具有与图3C所示的光学结构24类似的阶梯状轮廓。然而，光学结构44具有在与转向级10a的方向相同的方向上变化的轮廓。这与输入方向成+60°角。在位置40c处，来自转向级10a的光朝向在垂直于波导的平面中延伸最远的光学结构44的一侧(即，最高侧或具有垂直于波导平面的最大物理范围的一侧)入射。由于该位置40c处的光学结构44的阵列具有该轮廓，来自位置40c处的光学结构44的耦出级优先是反射级54，而透射级被抑制。

波导的平面由x-y平面限定，如图1A和图4所示。当从图4所示的波导平面观看时，相对于输入方向布置在输出光栅左侧的所有光学结构是如插图(a)所示的光学结构。这是在相对于输入方向的-x方向上的所有光学结构。

另外，相对于输入方向布置在输出光栅右侧的所有光学结构是如插图(b)所示的光学结构。这是在相对于输入方向在+x方向上的所有光学结构。

位于输入方向上的任何光学结构具有关于图3E或图3F所示的光学结构所描述的轮廓。

尽管图4示出了插图(a)和插图(b)中光学结构的形状，示出了轮廓的变化，但在图4中的输出光栅4上并未示出波导平面中光学结构的实际形状4。为了清楚起见，图5中示出了波导平面中的光学结构的形状。从图5可以看出，当在x-y平面中自顶向下观看时，光学结构42、光学结构44、光学结构25中的每一个具有凹口的菱形形状。尽管在图5中实际上仅示出了每个位置40a、40b、40c中的单个光学结构，但是在每个位置中将存在彼此偏移的光学结构的阵列，每个光学结构在波导的该位置中具有相同的形状。也可以在光学结构42和光学结构44上清楚地看到指示阶梯的位置的间断28，其取向如以上关于图4所讨论的。

在仅期望透射级的替选布置中，每个光学结构的轮廓可以在与图4所示的方向相反的方向上变化。例如，光学结构40b和光学结构40c可以在垂直于平面的方向上从光朝向光学结构入射的点增加高度或物理范围。这对于沿输入方向放置的光学结构也是正确的。

已经发现，对于每个光学结构的轮廓均匀的输出光栅，平均反射亮度为203nits/L，并且平均透射亮度为141nits/L。这提供了1.45的反射亮度与透射亮度之比。这在输出光栅中具有图3A所示的光学结构20。

已经发现，对于每个光学结构的轮廓如图4所示变化的输出光栅，平均反射亮度为330nits/L，并且平均透射亮度为110nits/L。这提供了3.00的反射亮度与透射亮度之比。

这些结果示出，在输出光栅中使用具有变化轮廓的光学结构可以用于优先在朝向观看者的方向上衍射光，减少在相反方向上的不希望的衍射。可以看出，使用这些结构(其可以被称为伪闪耀结构)使眼睛处的亮度增加了60％。

如上所述，可以理解，通过以相反的方式定向轮廓的变化，可以优先选择透射级而不是透射级。

已经详细描述了本公开内容的方面，明显的是，在不脱离如所附权利要求中限定的本公开内容的各方面的范围的情况下，修改和变化是可能的。由于在不脱离本公开内容的各方面的范围的情况下可以对上述构造、产品和方法进行各种改变，因此旨在将包含在上述描述中并且在附图中示出的所有内容解释为说明性的而不是限制性的。

上述光学结构可以是3D纳米结构元件或柱，轮廓的变化可以被认为是纳米结构的高度或其垂直于波导平面的物理范围的变化。因此，垂直于波导平面的纳米结构的高度或物理范围可以变化。在其他布置中，光学结构可以由波导中具有折射率的操作表面的层提供。这些表面的轮廓(即，在垂直于波导的平面的方向上的位置)可以以上述方式变化。

在以上示出的实施方式中，沿输入方向8布置的光学结构被描述为具有在与输入方向相同的方向上变化的轮廓。然而，在其他布置中，这种结构的轮廓可以是均匀的(即，没有闪耀)，例如图3A所示的光学结构20。在其他布置中，只有沿输入方向的第一光学结构可以具有该轮廓。

在其他布置中，沿输入方向的光学结构可以具有如图4中插图(a)和/或插图(b)所示的光学结构的轮廓。这是因为该非常中心的线的宽度可以很小，例如约0.5μm宽。因此，沿着该中心线的光学结构的轮廓可以对整个图像的方向性具有最小的影响。

在图3C、图3D和图3F所示的示例中，光学结构可以具有阶梯状轮廓。阶梯的数目不限于这些图中所示的示例。例如，阶梯的数目可以是1、2、3、4、5或更多个阶梯。

Claims (14)

1.一种用于增强现实或虚拟现实显示器的波导，包括：

输出衍射元件，其包括光子晶体中的多个光学结构；

所述波导的第一主表面和所述波导的第二主表面，所述第一主表面在垂直于所述波导的平面的方向上与所述第二主表面分离，其中，光通过在所述第一主表面与所述第二主表面之间经历全内反射而沿着所述波导向所述输出衍射元件传播；

其中，所述多个光学结构以阵列布置在所述波导的所述平面中，所述阵列被配置成接收来自输入方向的光并且将光衍射成多个级，所述级中的一些级与所述输入方向成角度地在所述波导的平面中被衍射以提供跨所述波导的平面的2D扩展，并且其他级在垂直于所述波导的平面的方向上朝向观看者耦出；

其中，所述多个光学结构中的至少一个光学结构具有在垂直于所述波导的所述平面的所述方向上的轮廓，其中，所述轮廓沿平行于所述波导的所述平面的一个或更多个方向变化，使得与所述波导的所述第二主表面相比，优先从所述波导的所述第一主表面提供耦出级。

2.根据权利要求1所述的波导，其中，所述多个光学结构中的所述至少一个光学结构的所述轮廓沿平行于所述波导的所述平面的所述一个或更多个方向连续变化。

3.根据权利要求1所述的波导，其中，所述多个光学结构中的至少一个在其轮廓中具有间断。

4.根据权利要求3所述的波导，其中，所述多个光学结构中的至少一个包括多个间断。

5.根据任一前述权利要求所述的波导，其中，所述多个光学结构中的至少一些的轮廓的变化与所述多个光学结构中的其他光学结构的轮廓变化不同。

6.根据权利要求5所述的波导，其中，光学结构的轮廓变化在所述输出衍射元件上变化，使得在所述输出衍射元件的不同区域处的光学结构具有彼此不同的轮廓变化。

7.根据权利要求5或6所述的波导，其中，所述输入方向限定所述波导的所述平面中的第一轴，并且所述光学结构的轮廓变化的所述一个或更多个方向与所述输入方向成角度。

8.根据权利要求7所述的波导，其中，所述第一轴的第一侧上的所述光学结构在轮廓上变化的方向与所述输入方向成第一角度，并且所述第一轴的第二侧上的光学结构在轮廓上变化的方向与所述输入方向成第二角度，其中，所述第一轴的第一侧和所述第一轴的第二侧在所述波导的所述平面中由沿着输入方向形成的线分开，所述输入方向从光入射在所述输出衍射元件处的点延伸。

9.根据任一前述权利要求所述的波导，其中，所述多个光学结构中的至少一个被布置成使得所述至少一个光学结构的所述轮廓在远离光入射到所述至少一个光学结构上的点的方向上具有负梯度。

10.根据任一前述权利要求所述的波导，其中，所述多个光学结构中的至少一个被布置成使得所述至少一个光学结构的所述轮廓在远离所述光入射到所述至少一个光学结构上的点的方向上具有正梯度。

11.根据任一前述权利要求所述的波导，包括与所述输出衍射元件分离的输入衍射光学元件，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沿所述输入方向将光提供给所述阵列中的所述多个光学结构。

12.根据任一前述权利要求所述的波导，其中，当在所述波导的所述平面中观看时，所述多个光学结构分别具有包括多个基本上直的边的形状，所述多个基本上直的边具有处于不同角度的各自的法向矢量。

13.一种包括根据权利要求1至12中任一项所述的波导的增强现实或虚拟现实显示器。

14.一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：

提供包括光子晶体中的多个光学结构的输出衍射元件；

布置所述多个光学结构，其中，所述波导包括所述波导的第一主表面和所述波导的第二主表面，所述第一主表面在垂直于所述波导的平面的方向上与所述第二主表面分离，其中，光通过在所述第一主表面与所述第二主表面之间经历全内反射而沿着所述波导向所述输出衍射元件传播；

其中，所述多个光学结构以阵列布置在所述波导的平面中，所述阵列被配置成接收来自输入方向的光并且将光衍射成多个级，所述级中的一些级与所述输入方向成角度地在所述波导的平面中被衍射以提供跨所述波导的平面的2D扩展，并且其他级在垂直于所述波导的平面的方向上朝向观看者耦出，并且其中，所述多个光学结构中的至少一个光学结构具有在垂直于所述波导的平面的方向上的轮廓，其中，所述轮廓沿平行于所述波导的所述平面的一个或更多个方向变化，使得与所述波导的所述第二主表面相比，优先从所述波导的所述第一主表面提供耦出级。

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