[发明专利]具有相干干扰减轻的波导

说明书

公开了一种适于与相干光源一起工作的光瞳复制波导。波导主体具有用于引导图像光的光束的相对表面。向外耦合元件设置在光束的光路中，用于在沿着光路的多个间隔开的定位处向外耦合光束的部分。电极耦合到波导主体的至少一部分，用于调制光束光路的光路长度，以在由向外耦合元件向外耦合的光束部分之间产生时变相位延迟。

技术领域

本公开涉及视觉显示器和显示系统，尤其涉及可穿戴显示器、部件、模块和相关方法。

背景

头戴式显示器(HMD)、近眼显示器(NED)和其他可穿戴显示系统可用于向用户呈现虚拟场景，或者用动态信息、数据或虚拟对象来增强真实场景。虚拟或增强的场景可以是三维(3D)的，以增强体验并将虚拟对象与用户观察到的真实对象相匹配。可以实时跟踪用户的眼睛位置和凝视方向和/或取向，并且可以根据用户的头部取向和凝视方向动态调整显示的场景，以提供沉浸在模拟或增强环境中的更好体验。

重量轻且紧凑的近眼显示器减轻了对用户头部和颈部的压力，并且穿戴起来通常更舒适。这种显示器的光学块(optics block)可能是整个系统中最重的部分。紧凑型平面光学部件(如波导、光栅、菲涅尔透镜等)可以用来减小光学块的尺寸和重量。然而，紧凑型平面光学器件可能具有与所生成的影像(imagery)的图像质量、出射光瞳尺寸和均匀性、光瞳游离(pupil swim)、视场、视觉伪像等相关的限制。

概述

本发明涉及一种光瞳复制(pupil-replicating)波导，其包括：波导主体，其具有用于在其间引导图像光的光束的相对表面；在光束光路中的向外耦合元件，用于在沿着光路的多个间隔开的定位(location)处向外耦合光束的部分；以及耦合到波导主体的至少一部分的电极，用于调制光束光路的光路长度，以在由向外耦合元件向外耦合的光束部分之间提供时变相位延迟。

在一些实施例中，向外耦合元件和电极之一可以包括相同的导电衍射光栅。

在一些实施例中，波导主体可以包括用于在其中传播图像光的光束的衬底和设置在电极之间的电响应层，该电响应层被配置为在向电极施加电信号时调制光束的光路长度。在这种情况下，电信号可以包括电压，并且电响应层可以包括弹性聚合物材料，该弹性聚合物材料可以在施加电压时因电极之间的静电吸引力而变形，其中弹性聚合物材料可以包括纳米空隙聚合物，该聚合物优选具有0.1微米至20微米之间的厚度。可替代地，电信号可以包括电压，电响应层可以包括液晶层。

在一些实施例中，波导主体可以包括设置在电极之间的电光衬底，并且电光衬底可具有在向电极施加电压时响应于电极之间的电场的折射率。在这种情况下，波导主体的至少一部分可以包括压电材料，用于调制图像光的光束的光路的物理长度。

在一些实施例中，波导主体可以包括用于在其中传播图像光的光束的衬底和耦合到衬底并包括电极之间的电响应层的声学致动器，其中电响应层的厚度通过向电极施加电信号而可变。在这种情况下，声学致动器可以耦合在衬底的一侧，并且可以被配置为在衬底中提供体声波(volume acoustic wave)。可替代地，声学致动器可以机械地耦合到表面之一，并且可以被配置为在该表面中提供表面声波。

本发明还涉及一种可穿戴显示器，其包括用于以帧速率提供携带多个图像帧的图像光的光束的光源和如上所述的光瞳复制波导。该显示器还包括控制器，该控制器可操作地耦合到光瞳复制波导的电极，并被配置为向电极施加电信号以调制光路长度。

在一些实施例中，光路长度的调制速率可以高于帧速率。在这种情况下，每个图像帧可以包括行速率高于帧速率的帧行时间序列，并且光路长度的调制速率可以高于行速率。可替代地，每一帧行可以包括像素速率高于行速率的行像素的时间序列，并且光路长度的调制速率可以高于像素速率。此外，可替代地，光路长度的调制速率可以相对于图像帧的各个像素被更新的速率随机变化。