在使用偏振灵敏光栅的近眼显示器中的彩虹效应去除制造技术

在包括被配置用于输入耦合、出射光瞳扩展、以及输出耦合的波导和衍射光学元件(DOE)的近眼光学显示系统中，在显示器中表现的彩虹现象可使用系统前部的偏振滤波器来被去除或减少，使得进入系统的真实世界/杂散光具有特定的偏振状态，例如TM偏振。偏振滤波器与包括衍射光栅结构的下游输出耦合DOE结合使用，所述衍射光栅结构被配置为实现对相反偏振状态(例如TE偏振)的灵敏度。成像器被配置为产生也具有TE偏振状态的虚拟世界图像。偏振灵敏的输出耦合DOE将TE偏振成像光束衍射出光栅用于显示，而来自真实世界的TM偏振光和/或杂散光穿过光栅而没有衍射并且因此不能对显示器中的彩虹效应作出贡献。

Rainbow effect removal in near eye display using polarization sensitive grating

In the near eye optical display system, including the waveguide and the diffractive optical element (DOE), which is configured for input coupling, ejection pupil expansion, and output coupling, the rainbow phenomenon in the display can be removed or reduced using a polarization filter in the front part of the system, making the real world / stray light into the system special. The determined state of polarization, such as TM polarization. The polarization filter is used in combination with the downstream output coupling DOE including the diffraction grating structure, and the diffraction grating structure is configured to realize the sensitivity to the opposite polarization state (for example, TE polarization). The imager is configured to generate virtual world images with TE polarization state. The polarization sensitive output coupling DOE diffracts the TE polarization imaging beam to the grating for display, while the TM polarized light and / or stray light from the real world passes through the grating without diffraction and thus can not contribute to the rainbow effect in the display.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在使用偏振灵敏光栅的近眼显示器中的彩虹效应去除背景衍射光学元件(DOE)是具有周期性结构的光学元件，其通常被用于范围从生物技术，材料处理、传感和测试到技术光学及光学计量的应用中。例如，通过将DOE结合到激光或发射显示器的光学领域，光的“形状”可根据应用需要而被灵活地控制和改变。概述在包括被配置用于输入耦合、出射光瞳扩展、以及输出耦合的波导和衍射光学元件(DOE)的近眼光学显示系统中，由外部真实世界光和/或杂散光被系统透射和衍射出去而引起的在显示器中表现的彩虹现象可使用系统前部的偏振滤波器来去除或减少，使得进入系统的真实世界/杂散光具有特定的偏振状态(例如TM偏振)。偏振滤波器与包括衍射光栅结构的下游输出耦合DOE结合使用，所述衍射光栅结构被配置为实现对相反偏振状态(例如TE偏振)的灵敏度。成像器被配置为产生也具有TE偏振状态的虚拟世界对象。偏振灵敏的输出耦合DOE将TE偏振成像光束衍射出光栅用于显示，而来自真实世界的TM偏振光和/或杂散光穿过光栅而没有衍射，并因此不能对显示器中的彩虹效应作出贡献。提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并非旨在标识出要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦非旨在用作辅助确定要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任一部分中所提及的任何或所有缺点的实现。附图简述图1示出了可结合偏振灵敏光栅的说明性近眼显示系统的框图，该偏振灵敏光栅被配置为减少由来自外部真实世界和/或杂散光的光所引起的显示器中的彩虹效果；图2示出了光在波导中通过全内反射的传播；图3示出了说明性出射光瞳扩展器的视图；图4示出了其中出射光瞳沿两个方向被扩展的说明性出射光瞳扩展器的视图；图5示出了其中利用护目镜来减少真实世界/杂散光的透射的说明性近眼显示器；图6示出了其中利用吸收层来减少真实世界/杂散光的透射的说明性近眼显示器；图7示出了其中利用偏振滤波器来减少真实世界/杂散光的透射的说明性近眼显示器；图8示出了被配置成用于输入耦合、出射光瞳扩展、和输出耦合的三种DOE的说明性布置，其中使用偏振灵敏光栅来实现输出耦合DOE；图9示出了具有直光栅的说明性衍射光栅的一部分的轮廓；图10示出了具有非对称或倾斜的光栅的说明性衍射光栅的一部分的非对称轮廓；图11示出了说明性方法；图12是虚拟现实或混合现实头戴式显示(HMD)设备的说明性示例的图形视图。图13示出了虚拟现实或混合现实HMD设备的说明性示例的框图；以及图14示出了结合出射光瞳扩展器的说明性电子设备的框图。各附图中相同的附图标记指示相同的元素。除非另外指明否则各元素不是按比例绘制的。详细描述图1示出了可结合一个或多个偏振灵敏光栅的说明性近眼显示系统100的框图，该一个或多个偏振灵敏光栅用于阻挡可能导致产生彩虹效应的系统中的外来真实世界杂散光的透射。在说明性实施例中，近眼显示系统使用衍射光学元件(DOE)的组合，该组合提供进入波导的入射光的输入耦合、在两个方向上的出射光瞳扩展、以及离开波导的光的输出耦合。近眼显示系统在工业、商业和消费应用中被频繁使用在例如头戴式显示器(HMD)设备中。其他设备和系统也可使用偏振灵敏光栅，如文所描述的。近眼显示系统100是用于例示各种特征和方面的示例，并且偏振灵敏光栅不必限于使用DOE的近眼显示系统。系统100可包括与光学系统110一起工作以将图像作为虚拟显示递送到用户的眼睛115的成像器105。成像器105可包括例如RGB(红、绿、蓝)发光二极管(LED)、LCOS(硅上液晶)设备、OLED(有机发光二极管)阵列、MEMS(微电子机械系统)设备或任何其他合适的显示器或者以透射、反射或发射方式工作的微显示器。成像器105还可包括反射镜及其他组件，该反射镜及其他组件使得能够组成虚拟显示器并且向光学系统提供一个或多个输入光束。光学系统110可通常包括放大光学器件120、光瞳形成光学器件125以及一个或多个波导130。在近眼显示系统中，成像器实际上不会在诸如玻璃透镜之类的表面上照射图像来为用户创建视觉显示。这是不可行的，因为人眼无法专注于那么接近的事物。近眼光学系统100不是在表面上创建可见图像，而是使用光瞳形成光学器件125来形成光瞳，并且眼睛115充当光链中的最后一个元件，并将来自光瞳的光转换成眼睛的视网膜上的图像作为虚拟显示。波导130促进成像器和眼睛之间的光透射。一个或多个波导可被用于近眼显示系统，因为它们是透明的且因为它们通常小而重量轻(这在诸如HMD设备之类的应用中是期望的，在这类应用中，出于性能和用户舒适的原因，通常试图使大小和重量最小化)。例如，波导130可使成像器105能够靠边定位(例如，位于头部的一侧)，从而在眼睛的前方仅留下相对小的、轻的且透明的波导光学元件。在一个实现中，如图2所示，波导130使用全内反射原理来工作，使得光可被耦合在系统100中的各种光学元件中间。图3示出了说明性出射光瞳扩展器(EPE)305的视图。EPE305通过放大光学器件120接收来自成像器105的输入光束，以相对于成像器的出射光瞳在一个或两个方向上产生具有扩展的出射光瞳的一个或多个输出光束(通常，输入可包括可以由分开的光源产生的多于一个的光束)。经扩展的出射光瞳通常有助于虚拟显示被充分地调整大小以满足给定光学系统的各种设计要求(诸如图像分辨率、视野等)，同时使成像器及相关联的组件相对轻且紧凑。在该说明性示例中，EPE305被配置成支持左眼和右眼两者的双目操作。为了清楚呈现起见，未在图3中示出可被用于诸如扫描镜、透镜、滤波器、分束器、MEMS设备等立体视镜操作的组件。EPE305利用两个输出耦合光栅310L和310R，这两个输出耦合光栅被支撑在波导330和中央输入耦合光栅340上。输入耦合光栅和输出耦合光栅可使用多个DOE来配置，如以下说明性示例中所描述。尽管EPE305被描绘为具有平面配置，但是其他形状也可被使用，包括例如曲面或部分球形的形状，在这些情形中，其上所设置的光栅是非共面的。如图4所示，EPE305可被配置成在两个方向上(即，沿着第一和第二坐标轴中的每一个)提供经扩展的出射光瞳。如图所示，出射光瞳在垂直和水平两个方向上被扩展。应当理解，出于简单描述起见，术语“方向”、“水平的”和“垂直的”主要被用来在本文所示出和描述的说明性示例中建立相对朝向。这些术语对其中近眼显示设备的用户是直立和面向前方的使用场景而言可能是直观的，而对于其他使用场景则可能不太直观。所列出的术语不应被解释为限制具有偏振灵敏光栅的DOE的配置(以及其中的使用场景)的范围。使用衍射光栅的近眼显示系统可能易受显示器中可见的彩虹效应的影响，这些彩虹效应是由系统对来自外部真实世界和/或杂散光的光线的透射和折射引起的。彩虹效应可具有与显示器上显示的虚拟图像以及用户通过光学显示器看到的外部真实世界的内容相同的亮度，并且因此可能阻挡图像和/或以其他方式损害显示效果已经实现了各种解决方案来阻挡会导致彩虹效应的显示系统中的这种真实世界/杂散光的透射和折射。如图5所示，使用护目镜515可以阻挡真实世界/杂散光505碰撞在波导510与眼睛115相对的的一侧上(注意到，为了清楚起见，在图中省略了显示系统的其他组件)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学系统，包括：配置成将杂散光或来自真实世界对象的光滤波成第一偏振状态的偏振滤波器；光学材料的基板；设置在所述基板上的第一衍射光学元件(DOE)，所述第一DOE具有输入表面并被配置成输入耦合光栅以接收具有第二偏振状态的一个或多个光束作为输入；以及设置在所述基板上并被配置用于沿着第一方向对所述一个或多个光束进行光瞳扩展的第二DOE，设置在所述基板上的第三DOE，所述第三DOE具有输出表面并被配置用于沿着第二方向对所述一个或多个光束进行光瞳扩展，并且进一步被配置为输出耦合光栅以作为来自所述输出表面的输出显示器，将一个或多个光束与相对于所述输入扩展的光瞳进行输出耦合，其中所述输出耦合光栅被配置成对所述第二偏振状态灵敏，使得仅处于所述第二偏振状态的光束被输出耦合为来自所述第三DOE的输出。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.16 US 14/942,4081.一种光学系统，包括：配置成将杂散光或来自真实世界对象的光滤波成第一偏振状态的偏振滤波器；光学材料的基板；设置在所述基板上的第一衍射光学元件(DOE)，所述第一DOE具有输入表面并被配置成输入耦合光栅以接收具有第二偏振状态的一个或多个光束作为输入；以及设置在所述基板上并被配置用于沿着第一方向对所述一个或多个光束进行光瞳扩展的第二DOE，设置在所述基板上的第三DOE，所述第三DOE具有输出表面并被配置用于沿着第二方向对所述一个或多个光束进行光瞳扩展，并且进一步被配置为输出耦合光栅以作为来自所述输出表面的输出显示器，将一个或多个光束与相对于所述输入扩展的光瞳进行输出耦合，其中所述输出耦合光栅被配置成对所述第二偏振状态灵敏，使得仅处于所述第二偏振状态的光束被输出耦合为来自所述第三DOE的输出。2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述输出耦合光栅被进一步配置为使处于所述第一偏振状态的经滤波的光穿过而没有衍射，以防止所述输出显示器中产生彩虹效应。3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，至少一个DOE中的光栅特征根据光栅非对称性、光栅深度、或光栅填充因子中的一个或多个来被配置。4.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述光栅非对称性是使用倾斜光栅或闪耀光栅中的一者来实现的。5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述偏振滤波器被设置在所述光学系统的面向前的部分上，杂散光或来自所述真实世界对象的光在其上发生碰撞。6.一种支持包括来自虚拟世界的元素和来自真实世界的元素的混合现实体验的电子设备，包括：数据处理单元；光学引擎，所述光学引擎可操作地连接到所述数据处理单元以便从所述数据处理单元接收图像数据；成像器，所述成像器可操作地连...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·瓦柳斯，
申请(专利权)人：微软技术许可有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US