TW202307493A - 具有光散射減緩的波導陣列照明器 - Google Patents

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傑克 葛利爾
彭楓琳
耿瑩
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Abstract

本發明提供一種波導照明器，其包括：輸入波導；波導分光器，其耦合至該輸入波導；及波導陣列，其耦合至該波導分光器。該波導陣列包括出耦合光柵陣列，其出耦合***光束之部分以形成用於照明顯示面板之出耦合光束部分陣列。這些出耦合光柵可經變跡以減少這些光柵之光散射。此外，沿這些波導之這些出耦合光柵之間的間隙可由間隙光柵及/或平行於這些波導走向之蝕刻凹槽填充。

Description

具有光散射減緩的波導陣列照明器
本發明係關於照明器、視覺顯示裝置及相關組件及模組。 相關申請案之參考
本申請案主張2021年7月15日申請的名稱為「單模態背光照明器（Single Mode Backlight Illuminator）」之美國臨時專利申請案第63/222,224號及2021年9月27日申請的美國非臨時專利申請案第17/486383號的優先權，且這些專利申請案以全文引用之方式併入本文中。
視覺顯示器將包括靜止影像、視訊、資料等的資訊提供至觀察者。視覺顯示器在多樣化領域（包括娛樂、教育、工程、科學、專業訓練、廣告）中具有應用，僅舉幾個實例。諸如電視機之一些視覺顯示器向若干使用者顯示影像，且諸如近眼顯示器（near-eye display；NED）之一些視覺顯示器系統意欲用於個別使用者。
人工實境系統通常包括配置以向使用者呈現內容之NED（例如，頭戴裝置或一副眼鏡）。近眼顯示器可顯示虛擬物件或將真實物件之影像與虛擬物件組合，如在虛擬實境（virtual reality；VR）、擴增實境（augmented reality；AR）或混合實境（mixed reality；MR）應用中。舉例而言，在AR系統中，使用者可藉由經由「組合器」組件觀看來查看與周圍環境疊置之虛擬物件（例如，電腦產生之影像（computer-generated images；CGI））之影像。可穿戴顯示器之組合器典型地對外部光為透明的，但包括一些光路由光學件以將顯示光導引至使用者之視場中。
由於HMD或NED之顯示器通常穿戴於使用者之頭部上，因此具有較重電池之較大、大型、不平衡及/或較重顯示裝置將為繁瑣的且對於使用者穿戴不舒適。因此，頭戴式顯示裝置可得益於緊湊及高效的組態，包括提供顯示面板之照明之高效光源及照明器、高通量目視透鏡（ocular lens）及影像形成元件串中之其他光學元件。
本發明的一態樣為一種波導照明器，其包含：輸入波導，其用於在其中導引輸入光束；波導分光器，其耦合至該輸入波導以用於將該輸入光束***成複數個子光束；波導陣列，其耦合至該波導分光器以用於在該波導陣列中傳播該複數個子光束，該波導陣列中之波導彼此平行地走向，各波導配置以導引該複數個子光束中之子光束；及出耦合光柵陣列，其包含成列之出耦合光柵，各列沿著該波導之長度耦合至該波導陣列中之相應波導，其中各列之這些出耦合光柵配置以用於出耦合在該相應波導中傳播之該子光束之部分，藉此在操作中，這些子光束部分之二維陣列自該波導陣列出耦合。
在根據本發明的前述態樣之波導照明器中，該出耦合光柵陣列中之各列之這些出耦合光柵具有隨著與該波導分光器之距離而逐漸增加之出耦合效率，以用於平坦化經出耦合的這些子光束部分之該二維陣列之光功率的空間分佈。
在根據本發明的前述態樣之波導照明器中，該出耦合光柵陣列中之出耦合光柵在相應波導的長度方向上變跡，使得以下中之至少一者：各出耦合光柵之工作週期在該出耦合光柵之相對末端處小於0.1或大於0.9，且在該出耦合光柵之這些相對末端之間大於0.1且小於0.9；或各出耦合光柵之凹槽深度在該出耦合光柵之這些相對末端處比在該出耦合光柵之中間處更小。
在根據本發明的前述態樣之波導照明器中，該波導陣列包含脊形波導陣列；該出耦合光柵陣列形成於該脊形波導陣列中；各列之這些出耦合光柵包含在該脊形波導陣列中之相應脊形波導中蝕刻至光柵蝕刻深度 D GR 的凹槽；且各列之相鄰出耦合光柵之間的間隙被均一地蝕刻至間隙蝕刻深度 D GAP = aD GR ，其中0＜ a＜1。
在根據本發明的前述態樣之波導照明器中， a＜0.5。
在根據本發明的前述態樣之波導照明器中，該波導陣列包含脊形波導陣列；該出耦合光柵陣列形成於該脊形波導陣列中；各列之這些出耦合光柵包含在光柵間距 P GR 處之在該脊形波導陣列中之相應脊形波導中的凹槽；且各列之相鄰出耦合光柵之間的間隙包含間隙光柵。
在根據本發明的前述態樣之波導照明器中，這些間隙光柵包含以間隙間距 P GAP = bP GR 不平行於該波導陣列中之這些波導走向之凹槽，其中0＜ b＜0.5。
在根據本發明的前述態樣之波導照明器中，這些間隙光柵包含平行於該波導陣列中之這些波導走向之凹槽。
本發明的另一態樣為一種顯示裝置，其包含：波導照明器，其包含：輸入波導，其用於在其中導引輸入光束；波導分光器，其耦合至該輸入波導以用於將該輸入光束***成複數個子光束；波導陣列，其耦合至該波導分光器以用於在該波導陣列中傳播該複數個子光束，該波導陣列中之波導彼此平行地走向，各波導配置以導引該複數個子光束中之子光束；及出耦合光柵陣列，其包含成列之出耦合光柵，各列沿著該波導之長度耦合至該波導陣列中之相應波導，其中各列之這些出耦合光柵配置以用於出耦合在該相應波導中傳播之該子光束之部分，藉此在操作中，這些子光束部分之二維陣列自該波導陣列出耦合；及顯示面板，其包含安置且配置以接收經出耦合的這些子光束部分之該二維陣列的顯示像素陣列。
在根據本發明的另一態樣之顯示裝置中，該出耦合光柵陣列中之各列之這些出耦合光柵具有隨著與該波導分光器之距離而逐漸增加之出耦合效率，以用於平坦化經出耦合的這些子光束部分之該二維陣列之光功率的空間分佈。
在根據本發明的另一態樣之顯示裝置中，該出耦合光柵陣列中之出耦合光柵在該波導陣列中之波導的長度方向上變跡以減少該出耦合光柵陣列之光散射。
在根據本發明的另一態樣之顯示裝置中，這些顯示像素之間距實質上等於該出耦合光柵陣列之間距。
根據本發明的另一態樣之顯示裝置進一步包含用於將該輸入光束提供至該輸入波導之光源。
在根據本發明的另一態樣之顯示裝置中，該光源為偏振光源，其中該輸入光束及經出耦合的這些子光束部分被偏振；且其中該顯示像素陣列包含用於調諧個別子光束部分之偏振的可調諧偏振旋轉器陣列。
在根據本發明的另一態樣之顯示裝置中，該光源包含單色光源，其中該輸入光束具有第一色彩通道之波長。
本發明的又一態樣為一種用於減少波導照明器中之光散射的方法，該波導照明器包含：波導分光器，其用於將輸入光束***成複數個子光束；波導陣列，其耦合至該波導分光器以用於在該波導陣列中傳播該複數個子光束，各波導配置以導引該複數個子光束中之子光束；及出耦合光柵陣列，其包含形成於相應波導中之成列之出耦合光柵，這些出耦合光柵用於出耦合在這些相應波導中傳播之這些子光束之部分，該方法包含：使這些出耦合光柵之一列之出耦合光柵之阻抗與這些出耦合光柵之該列之這些出耦合光柵之間的間隙之阻抗匹配。
在根據本發明的又一態樣之方法中，匹配這些出耦合光柵之該阻抗包含使該出耦合光柵陣列中之出耦合光柵在相應波導之長度方向上變跡，使得各出耦合光柵的工作週期在該出耦合光柵之相對末端處小於0.1或大於0.9，在該出耦合光柵之這些相對末端之間為0.1與0.9之間。
在根據本發明的又一態樣之方法中，該波導陣列包含脊形波導陣列，且該出耦合光柵陣列藉由將這些脊形波導蝕刻至光柵蝕刻深度 D GR 而形成於該脊形波導陣列中；且其中匹配這些出耦合光柵之阻抗包含將各列之相鄰出耦合光柵之間的間隙均一地蝕刻間隙蝕刻深度 D GAP = a D GR ，其中0＜ a＜1。
在根據本發明的又一態樣之方法中，該波導陣列包含脊形波導陣列，且該出耦合光柵陣列形成於該脊形波導陣列中；且其中匹配這些出耦合光柵之阻抗包含以比這些出耦合光柵之間距小至少兩倍之間距在相鄰出耦合光柵之間的間隙中形成間隙光柵。
在根據本發明的又一態樣之方法中，該波導陣列包含脊形波導陣列，且該出耦合光柵陣列形成於該脊形波導陣列中；且其中匹配這些出耦合光柵之阻抗包含在相鄰出耦合光柵之間的間隙中形成間隙光柵，這些間隙光柵包含平行於該脊形波導陣列中之這些脊形波導走向之凹槽。
儘管結合各種具體實例及實例描述本教示，但並不意欲本教示限於此類具體實例。相反，如所屬領域中具有通常知識者將瞭解，本教示涵蓋各種替代物及等效物。本文中敍述本發明之原理、態樣及具體實例以及其特定實例之所有陳述意欲涵蓋其結構及功能等效物兩者。此外，希望此類等效物包括當前已知等效物以及未來開發之等效物兩者，亦即，無論結構如何，所開發之執行相同功能的任何元件。
如本文中所使用，術語「第一」、「第二」諸如此類並不意欲暗示順序次序，而是除非明確陳述，否則意欲區分一個元件與另一元件。類似地，方法步驟之順序次序並不暗示其執行之順序次序，除非明確陳述。在圖3至圖7中，類似標號指代類似元件。
在包括耦合至照明器之像素陣列的視覺顯示器中，光利用之效率取決於由像素佔據之幾何面積與顯示面板之總面積的比率。對於經常用於近眼及/或頭戴式顯示器中之微型顯示器，歸因於較小像素尺寸，比率可低於50%。顯示面板上之彩色濾光片會進一步阻礙高效背光利用率，這些彩色濾光片平均透射不超過30%之入射光。除此之外，諸如液晶（liquid crystal；LC）顯示面板之基於偏振之顯示面板可存在50%的偏振損耗。所有此等因素可顯著降低顯示器的光利用率及總壁插效率（overall wall plug efficiency），此為非期望的。
根據本發明，可藉由提供包括與顯示面板之像素對準的出耦合器陣列的波導照明器來改良背光顯示器之光利用率及壁插效率。在照明器發射例如紅色、綠色及藍色之原色光的顯示器中，照明光之色彩可與彩色濾光片匹配，或可完全省略彩色濾光片。對於基於偏振之顯示器，所發射光之偏振可與預定義輸入偏振狀態匹配。匹配顯示面板之像素之空間分佈、透射波長及/或透射偏振特性使得吾人能夠增加顯示光之有用部分，該有用部分在其至觀察者之眼睛的途中並未由顯示面板吸收或反射，且因此改良顯示器之壁插效率。
尤其與雷射照明組合的單模態或較少模態波導（例如，傳播至多若干側向傳播模態之光之脊形波導）允許有效地控制諸如色彩及方向性之光特性。由於光以單一空間模態傳播時，輸出光可為繞射受限且高度定向的。單模態傳播亦允許吾人在波導上之特定點中出耦合光，且甚至併入可將光聚焦至顯示面板之像素中同時避免像素間區域中之散射的聚焦像素。雷射照明之窄光譜使得能夠進行較大色域顯示。此外，單模態波導可保留偏振，其在無需偏振器的情況下產生來自偏振選擇性顯示器之背光單元的高度偏振輸出。
單模態或較少模態波導可使用繞射光柵以在脊形波導陣列之特定點中出耦合光。光柵藉由繞射來出耦合光。較小百分比之光亦可散射，尤其在前向方向上。散射光可歸因於照明光之相干性質而經歷光學干涉。光學干涉可干擾輸出照明圖案。根據本發明，繞射光柵出耦合器之散射可藉由使光柵之阻抗匹配於光柵間波導區域之阻抗而減少。可藉由例如使光柵變跡、蝕刻光柵間區域、用光柵結構填充光柵間區域及藉由如本文中所揭示之其他方法來匹配阻抗。
根據本發明，提供一種波導照明器，該波導照明器包含：輸入波導，其用於在輸入波導中導引輸入光束；波導分光器，其耦合至輸入波導以用於將輸入光束***成複數個子光束；及波導陣列，其耦合至波導分光器以用於在波導陣列中傳播複數個子光束。波導陣列中之波導彼此平行地走向，各波導配置以導引複數個子光束中之子光束。波導照明器進一步包括包含成列的出耦合光柵之出耦合光柵陣列。各列沿著波導之長度耦合至波導陣列中之相應波導。各列之出耦合光柵配置以用於出耦合在相應波導中傳播之子光束之部分，藉此在操作中，子光束部分之二維陣列自波導陣列出耦合。
出耦合光柵陣列之各列之出耦合光柵可具有隨著與波導分光器之距離而逐漸增加之出耦合效率，以用於平坦化出耦合子光束部分之二維陣列之光功率之空間分佈。在一些具體實例中，出耦合光柵陣列中之出耦合光柵在相應波導的長度方向上變跡，使得滿足以下條件中之至少一者：各出耦合光柵之工作週期在出耦合光柵之相對末端處小於0.1或大於0.9，且在出耦合光柵之相對末端之間大於0.1且小於0.9；或各出耦合光柵之凹槽深度在出耦合光柵之相對末端處比在出耦合光柵之中間處更小。
在波導陣列包含脊形波導陣列之具體實例中，出耦合光柵陣列可形成於脊形波導陣列中。各列之出耦合光柵可包括在脊形波導陣列中之相應脊形波導中經蝕刻至光柵蝕刻深度 D GR 的凹槽。為了平衡阻抗，各列之相鄰出耦合光柵之間的間隙可經均一地蝕刻至間隙蝕刻深度 D GAP = aD GR ，其中0＜ a＜1，例如 a＜0.5。在一些具體實例中，各列之出耦合光柵包含在光柵間距 P GR 處之在脊形波導陣列中之相應脊形波導中的凹槽。為了平衡阻抗，各列之相鄰出耦合光柵之間的間隙可包括間隙光柵。間隙光柵可包括以間隙間距 P GAP = bP GR 不平行於波導陣列中之波導走向之凹槽，其中0＜ b＜0.5，或在一些具體實例中，平行於波導陣列中之波導走向之凹槽。
根據本發明，提供一種顯示裝置，該顯示裝置包含本發明之波導照明器及顯示面板，該顯示面板包含經安置且配置以接收出耦合子光束部分之二維陣列的顯示像素陣列。顯示像素之間距可實質上等於出耦合光柵陣列之間距。
在一些具體實例中，顯示裝置進一步包括用於將輸入光束提供至輸入波導之光源。光源可為例如提供偏振輸入光束及偏振出耦合子光束部分之偏振光源。光源亦可為單色光源，其中輸入光束具有一些色彩通道之波長。輸入光束可包括複數個色彩通道。
根據本發明，進一步提供一種用於減少如本文中所揭示之波導照明器中之光散射的方法。方法包含使出耦合光柵之列之出耦合光柵之阻抗與出耦合光柵之列的出耦合光柵之間的間隙之阻抗匹配。
在方法之一些具體實例中，匹配出耦合光柵之阻抗包含使出耦合光柵陣列中之出耦合光柵在相應波導之長度方向上變跡，使得各出耦合光柵的工作週期在出耦合光柵之相對末端處小於0.1或大於0.9，在出耦合光柵之相對末端之間為0.1與0.9之間。
在波導陣列包含脊形波導陣列及出耦合光柵陣列藉由將脊形波導蝕刻至如本文所揭示之光柵蝕刻深度 D GR 而形成於脊形波導陣列中的具體實例中，匹配出耦合光柵之阻抗可包括將各列之相鄰出耦合光柵之間的間隙均一地蝕刻間隙蝕刻深度 D GAP = a D GR ，其中0＜ a＜1，及/或以比出耦合光柵之間距小至少兩倍之間距在相鄰出耦合光柵之間的間隙中形成間隙光柵。間隙光柵可包括平行於脊形波導陣列中之脊形波導走向之凹槽。
現參考圖1，波導照明器100包括支撐輸入波導106之基板101，該輸入波導用於導引由例如雷射源之光源110提供之輸入光束108。在本文中，術語「波導」指示將光傳播限定在兩個維度（如光線）中且在單一橫向模態中或在若干橫向模態（例如，至多12個傳播模態）中導引光的光導引結構。波導可為筆直的、彎曲的等。線性波導之一個實例為脊型波導。波導照明器100可實施於光子積體電路（photonic integrated circuit；PIC）中。
波導分光器112耦合至輸入波導106。波導分光器112之功能為將輸入光束108***成複數個子光束114。波導116之陣列耦合至波導分光器112以用於在陣列中之波導116中導引子光束114。波導116如所說明彼此平行走向。各波導116配置以將子光束114中之一者自波導分光器112導引至波導116之末端129。
出耦合光柵120之陣列由波導照明器100之基板101支撐，或本身可形成於波導116中。出耦合光柵120之各列119沿著波導116之長度耦合至波導陣列中之波導116，以用於出耦合在波導116中傳播之子光束114中之一者的部分122。藉由出耦合光柵120之所有列119所出耦合之部分122形成子光束部分122之二維陣列。部分122自波導陣列出耦合，且以例如銳角或直角之一角度離開波導照明器100至基板101。出耦合子光束部分122之二維陣列之出耦合光柵120的X間距及Y間距可經選擇以使待由波導照明器100照明之顯示面板之X間距及Y間距匹配，以確保各子光束部分122照明顯示面板之特定像素（圖中未示）。
當所有出耦合光柵120之出耦合效率如藉由圖2A中之筆直實線201A所指示沿著列119中的任一者相同時，子光束部分122之出耦合光功率如藉由指數虛線202A所指示隨著與波導分光器112之距離而呈指數地減小。此發生係由於在各出耦合之情況下，子光束114損失功率，且因此，較小功率之相同出耦合百分比導致下一子光束部分122之較小出耦合光功率。
在許多應用中，期望所有子光束部分122之光功率處於同一層級。為此，出耦合器之各列119之出耦合光柵120可成為具有隨著與波導分光器112之距離而逐漸增加之出耦合效率，如在圖2B中藉由彎曲實線201B所指示，以用於使出耦合子光束部分122之二維陣列之光功率的空間分佈均衡或平坦化，如藉由虛線直線202B所指示。
取決於出耦合器類型，可以數種方式達成出耦合效率之逐漸增加。藉助於非限制性實例，光柵工作週期、長度、高度及/或寬度可在光柵與光柵間變化以實現出耦合器子光束部分120之光功率的空間均一性。
參考圖3，波導照明器300為圖1之波導照明器100之具體實例，且包括與圖1之波導照明器100類似的元件。具體言之，圖3之波導照明器300包括藉由基板301支撐之波導316之陣列。出耦合光柵320之陣列耦合至波導316之陣列，以用於出耦合子光束314之部分322之二維陣列，類似於圖1之波導照明器100。為簡潔起見，圖3展示波導照明器300之波導316中之一者及三個出耦合光柵320，這些出耦合光柵形成於波導316中且配置以用於出耦合在波導316中傳播之子光束314之部分322。
子光束314之能量之一部分出耦合為前向散射光333。此情形發生係由於出耦合光柵320之阻抗與光柵間區域或間隙321之阻抗不匹配，這些光柵間區域或間隙為出耦合光柵320之間的波導316之部分。此類光散射可能為非期望的，此係由於散射光可歸因於輸入光束108之相干性質而經歷光學干涉。光學干涉可使出耦合光點122之所需圖案畸變，從而引起非期望的及不可預測的局部光功率密度變化。
可藉由使出耦合光柵320之阻抗與出耦合光柵320之間的間隙321之阻抗匹配來減少圖3中所說明之散射。可以多種方式實現阻抗匹配，如下文詳細地描述。
首先參考圖4A，波導照明器400A為圖1之波導照明器100之具體實例，且包括與波導照明器100類似的元件。特定言之，圖4A之波導照明器400A包括藉由基板401支撐之波導416之陣列，例如脊形波導。波導416之陣列自諸如例如圖1之波導照明器100之分光器112的分光器接收子光束414。出耦合光柵420A之陣列（圖4A）耦合至波導416之陣列，以用於出耦合子光束414之部分422之二維陣列，類似於圖1之波導照明器100。圖4A展示波導416中之一者及三個出耦合光柵420A之放大視圖，這些出耦合光柵形成於波導416中且配置以用於出耦合在波導416中傳播之子光束414之部分422。
出耦合光柵420A在波導416之長度方向上（亦即，在圖4A中沿著自左至右延伸的波導416）在相對末端431、432處變跡。出耦合光柵420A以工作週期變跡。工作週期定義為光柵凹槽或條紋之寬度 W與光柵之間距 P的比率。舉例而言，各出耦合光柵420A之工作週期在出耦合光柵420A之相對末端431、432處可小於0.1或大於0.9，且在出耦合光柵420A之相對末端431、432之間可大於0.1且小於0.9。
參考圖4B，波導照明器400B類似於圖4A之波導照明器400A。圖4B之波導照明器400B與圖4A的波導照明器400A之間的差異為在圖4B之波導照明器400B中，出耦合光柵420B以深度 D變跡，而非工作週期 W/ P。出耦合光柵420B之深度 D沿著相應波導416變化，在出耦合光柵420B之相對末端431、432處最小且在接近於出耦合光柵420B中間或在出耦合光柵中間處最大，如所說明。在一些具體實例中，出耦合光柵可以深度 D及工作週期 W/ P兩者變跡。
參考圖5，波導照明器500為圖1之波導照明器100之具體實例，且包括與波導照明器100類似的元件。特定言之，圖5之波導照明器500包括基板501上之波導516之陣列，例如脊形波導。波導516之陣列自諸如圖1之波導照明器100的分光器112之分光器接收子光束514。出耦合光柵520之陣列（圖5）耦合至波導516之陣列，以用於出耦合子光束514之部分522之二維陣列，類似於圖1之波導照明器100。圖5展示波導516中之一者及耦合光柵520之列之三個出耦合光柵520的放大視圖，這些出耦合光柵形成於波導516中且配置以用於出耦合在波導516中傳播之子光束514之部分522。
各列之出耦合光柵520包含在脊形波導之陣列中之相應脊形波導516中蝕刻至光柵蝕刻深度 D GR 的凹槽。各列之相鄰出耦合光柵520之間的間隙521可均一地蝕刻至間隙蝕刻深度 D GAP = aD GR ，其中0＜a＜1。換言之，間隙521均一地蝕刻至小於出耦合光柵之凹槽之深度 D GR 的深度 D GAP 。間隙521之蝕刻深度 D GAP 取決於出耦合光柵520之工作週期，且可選擇以便使間隙之阻抗與出耦合光柵520之阻抗匹配，藉此減少子光束514之前向散射。在一些具體實例中，參數 a＜0.5，亦即間隙蝕刻深度 D GAP 小於光柵蝕刻深度 D GR 的一半。
參考圖6A，波導照明器600為圖1之波導照明器100的具體實例，且包括類似元件。特定言之，圖6之波導照明器600包括基板601上之波導616之陣列，例如脊形波導。波導616之陣列自諸如圖1之波導照明器100的分光器112之分光器接收子光束614。出耦合光柵620之陣列（圖6A）形成於波導616之陣列中，以用於出耦合子光束614之部分622之二維陣列，類似於圖1之波導照明器100。圖6A展示波導616中之一者及耦合光柵620之列之三個出耦合光柵620的放大視圖，這些出耦合光柵形成於波導616中且配置以用於出耦合在波導616中傳播之子光束614之部分622。
各列之出耦合光柵620包含在脊形波導之陣列中之相應脊形波導616中蝕刻的凹槽。各列之相鄰出耦合光柵620之間的間隙621包括間隙光柵630。間隙光柵630可具有足夠精細以防止子光束部分622之繞射之間距。光柵630之目的為使間隙之阻抗與出耦合光柵620之阻抗匹配，藉此減少子光束614之前向散射。舉例而言，間隙光柵630間距 P GAP 可等於 bP GR ，其中0＜ b＜0.5。換言之，間隙光柵630間距可小於出耦合光柵620之間距的一半。圖6B說明間隙光柵630可具有相對於出耦合光柵620成角度之凹槽。間隙光柵630之凹槽可不平行於波導陣列中之波導616走向。
參考圖7，波導照明器700類似於圖6A及圖6B之波導照明器600，且包括類似元件，諸如藉由基板701支撐之波導716之陣列，及例如形成於波導716中的耦合至波導716之陣列的出耦合光柵720之陣列。圖7之波導照明器700與圖6A及圖6B之波導照明器600之間的差異為在圖7之波導照明器700中，間隙光柵730之間隙凹槽737平行於波導716走向。間隙凹槽737之此類定向確保在間隙光柵730上可不發生在波導716中傳播之光之繞射。光柵730之目的為減少前向散射。
現參考圖8，進一步參考圖1，顯示裝置800包括圖1之波導照明器100或本文所揭示之耦合至顯示面板802（圖8）的任何其他波導照明器。例如在色彩通道及/或偏振光源之波長下之單色光源的光源801可以光學方式耦合至照明器100以用於將光束108提供至照明器100。顯示面板802包括經安置且配置以自照明器100接收出耦合子光束部分122之陣列之顯示像素820之陣列。為了確保有效地使用子光束部分122，可使顯示像素820之間距與出耦合器120之陣列之間距在X方向及Y方向兩者上匹配。舉例而言，顯示像素820之間距可等於出耦合器120之陣列的間距，從而使得各子光束部分122能夠經由相應顯示像素820傳播。
顯示面板802可包括液晶（LC）層804，其中顯示像素820配置以可控地轉換或調諧個別子光束部分122之偏振狀態，例如旋轉線性偏振狀態。在此具體實例中，光源801可為發射線性偏振光的偏振光源。可提供線性偏振器828以將藉由顯示像素820賦予之子光束部分122之偏振分佈轉換為表示待顯示之影像的光功率密度分佈。影像在線性域中，意謂所顯示之影像之像素座標對應於顯示像素820之XY座標。目視透鏡830可用於在動眼眶（eyebox）826處將線性域中之影像轉換為角度域中之影像以供眼睛880直接觀測。本文中，術語「角度域中之影像」指所顯示之影像之像素座標對應於子光束部分122之射線角度的影像。在具有可調諧偏振旋轉器之具體實例中，光源801可發射偏振光，且波導照明器100可保留彼偏振狀態。應進一步注意，可使用本文所揭示之波導照明器中之任一者代替顯示器裝置800之波導照明器100。可使波導照明器100對外部光814透明。
參考圖9，進一步參考圖1及圖3，用於減少波導照明器（諸如圖1之波導照明器100或圖3之波導照明器300）中之光散射之方法900，包括使出耦合光柵（例如，出耦合光柵之列119之出耦合光柵120（圖1））之阻抗（圖9；901）與出耦合光柵之間的間隙（例如，出耦合光柵320之列之間隙321（圖3））之阻抗匹配以減少散射光（例如，前向散射光333）之光功率。
可使用多個途徑實現用於減少散射光之量之阻抗匹配901，這些途徑可單獨或組合使用。在一個具體實例中，匹配出耦合光柵之阻抗包含使出耦合光柵之陣列中之出耦合光柵在相應波導之長度方向上變跡（902），使得出耦合光柵420A（圖4A）之相對末端431、432處之各出耦合光柵的工作週期小於0.1或大於0.9，出耦合光柵420A之相對末端431、432之間為0.1與0.9之間，及/或各出耦合光柵420B之蝕刻深度D在出耦合光柵420B之相對末端431、432處比在耦合光柵420B（圖4B）的中間更小。在波導陣列包含脊形波導陣列及出耦合光柵陣列可藉由均一地蝕刻脊形波導（例如，圖5之波導照明器500）而形成於脊形波導陣列中之具體實例中，匹配出耦合光柵之阻抗可包括將各列之相鄰出耦合光柵之間的間隙均一地蝕刻（圖9；904）間隙蝕刻深度 D GAP = a D GR ，其中0＜ a＜1且 D GR 為光柵蝕刻深度。匹配阻抗亦可包括例如以比出耦合光柵之間距小至少兩倍之間距在（如在出耦合光柵620之間具有間隙光柵621的圖6A及圖6B之波導照明器600中的）相鄰出耦合光柵之間的間隙中形成間隙光柵（圖9；906）。匹配阻抗亦可包括形成（圖9；908）具有凹槽的間隙光柵，這些凹槽平行於如例如圖7之波導照明器700中的脊形波導之陣列中之脊形波導走向。
參考圖10，虛擬實境（VR）近眼顯示器1000包括用於支撐之框架1001，針對各眼睛：光源1002；波導照明器1006，其以操作方式耦合至光源1002且包括本文所揭示之波導照明器中之任一者；顯示面板1018，其包括顯示像素陣列，其中波導照明器1006中之出耦合光柵的位置與顯示面板1018之偏振調諧像素的位置相協調；及目視透鏡1032，其用於將由顯示面板1018產生之線性域中之影像轉換為角度域中的影像以供在動眼眶1026處直接觀測。展示為黑色圓點之複數個動眼眶照明器1062可置放於波導照明器1006之面向動眼眶1026的一側上。可針對各動眼眶1026提供眼睛追蹤攝影機1042。
眼睛追蹤攝影機1042之目的為判定使用者之兩隻眼睛的位置及/或定向。動眼眶照明器1062照明相應動眼眶1026處之眼睛，從而允許眼睛追蹤攝影機1042獲得眼睛之影像以及提供參考反射，亦即閃光。閃光可充當所擷取的眼睛影像中之參考點，從而藉由判定眼睛瞳孔影像相對於閃光影像之位置來促進眼睛凝視方向判定。為了避免因動眼眶照明器1062之光分散使用者之注意力，可使得動眼眶照明器發射對於使用者不可見之光。舉例而言，紅外光可用於照明動眼眶1026。
現參考圖11，HMD 1100為AR/VR可穿戴式顯示系統之實例，為了更大程度沉浸至AR/VR環境中，該AR/VR可穿戴式顯示系統圍封使用者之面部。HMD 1100可產生完全虛擬的3D影像。HMD 1100可包括可緊固在使用者頭部周圍之前主體1102及條帶1104。前主體1102配置以用於以可靠且舒適之方式置放於使用者之眼睛前方。顯示系統1180可安置於前主體1102中以向使用者呈現AR/VR影像。顯示系統1180可包括本文中所揭示之顯示裝置及照明器中之任一者。前主體1102之側1106可為不透射的或透明的。
在一些具體實例中，前主體1102包括***1108及用於追蹤HMD 1100之加速度之慣性量測單元（inertial measurement unit；IMU）1110，及用於追蹤HMD 1100之位置的位置感測器1112。IMU 1110為基於自位置感測器1112中之一或多者接收到之量測信號而產生指示HMD 1100的位置之資料之電子裝置，這些位置感測器回應於HMD 1100之運動而產生一或多個量測信號。位置感測器1112之實例包括：一或多個加速度計、一或多個陀螺儀、一或多個磁力計、偵測運動之另一合適類型的感測器、用於IMU 1110之錯誤校正的一種類型之感測器或其某一組合。位置感測器1112可位於IMU 1110外部、IMU 1110內部或其某一組合。
***1108由虛擬實境系統之外部成像裝置追蹤，使得虛擬實境系統可追蹤整個HMD 1100之位置及定向。由IMU 1110及位置感測器1112產生之資訊可與藉由追蹤***1108所獲得之位置及定向進行比較，以改良HMD 1100之位置及定向之追蹤準確性。當使用者在3D空間中移動及轉動時，準確位置及定向對於向使用者呈現適當虛擬景物至關重要。
HMD 1100可進一步包括深度攝影機組合件（depth camera assembly；DCA）1111，其擷取描述環繞HMD 1100中之一些或所有之局部區域的深度資訊之資料。為了在3D空間中更準確地判定HMD 1100之位置及定向，深度資訊可與來自IMU 1110之資訊進行比較。
HMD 1100可進一步包括用於即時判定使用者眼睛之定向及位置的眼睛追蹤系統1114。眼睛之所獲得位置及定向亦允許HMD 1100判定使用者之凝視方向且相應地調整由顯示系統1180產生之影像。所判定凝視方向及聚散角度可用於調整顯示系統1180以減少聚散調節衝突。方向及聚散度亦可用於如本文中所揭示之顯示器的出射光瞳轉向。另外，經判定聚散度及凝視角度可用於與使用者互動、突顯物體、將物體帶到前景、產生額外物體或指標等。亦可提供音訊系統，其包括例如建置於前主體1102中之一組小揚聲器。
本發明之具體實例可包括人工實境系統，或可結合人工實境系統實施。人工實境系統在向使用者展示之前以某一方式調整經由感測獲得之關於外部世界之感觀資訊，諸如視覺資訊、音訊、接觸（體感）資訊、加速度、平衡等。藉助於非限制性實例，人工實境可包括虛擬實境（VR）、擴增實境（AR）、混合實境（MR）、複合實境或其某一組合及/或衍生物。人工實境內容可包括完全生成內容或與所擷取（例如，真實世界）內容組合之生成內容。人工實境內容可包括視訊、音訊、軀體或觸覺反饋或其某一組合。此內容中之任一者可在單一通道中或在多個通道中呈現，諸如在對觀察者產生三維效應之立體視訊中。另外，在一些具體實例中，人工實境亦可與用於例如在人工實境中創建內容及/或以其他方式用於人工實境中（例如，在人工實境中執行活動）之應用、產品、配件、服務或其某一組合相關聯。提供人工實境內容之人工實境系統可實施於各種平台上，包括穿戴式顯示器，諸如連接至主機電腦系統之HMD、獨立式HMD、具有眼鏡之形狀因數的近眼顯示器、行動裝置或計算系統，或能夠向一或多個觀察者提供人工實境內容之任何其他硬體平台。
本發明之範圍不受本文中所描述之特定具體實例限制。實際上，除本文中所描述之彼等之外，其他各種具體實例及修改將自前述描述及隨附圖式對於所屬領域中具通常知識者顯而易見。因此，此類其他具體實例及修改意欲屬於本發明之範圍內。另外，儘管本文中已出於特定目的在特定環境中之特定實施方式之上下文中描述本發明，但所屬領域中具有通常知識者將認識到，其有效性不限於此，且本發明可出於任何數目個目的有益地實施於任何數目個環境中。因此，下文所闡述之申請專利範圍應鑒於如本文中所描述之本發明之全部範圍及精神來解釋。
100:波導照明器 101:基板 106:輸入波導 108:輸入光束 110:光源 112:波導分光器 114:子光束 116:波導 119:列 120:出耦合光柵 122:部分/出耦合光點 129:末端 201A:筆直實線 201B:彎曲實線 202A:指數虛線 202B:虛線直線 300:波導照明器 301:基板 314:子光束 316:波導 320:出耦合光柵 321:間隙 322:部分 333:前向散射光 400A:波導照明器 400B:波導照明器 401:基板 414:子光束 416:波導 420A:出耦合光柵 420B:出耦合光柵 422:部分 431:相對末端 432:相對末端 500:波導照明器 501:基板 514:子光束 516:波導 520:出耦合光柵 521:間隙 522:部分 600:波導照明器 601:基板 614:子光束 616:波導 620:出耦合光柵 621:間隙 622:部分 630:間隙光柵 700:波導照明器 701:基板 716:波導 720:出耦合光柵 730:間隙光柵 737:間隙凹槽 800:顯示裝置 801:光源 802:顯示面板 804:液晶層 814:外部光 820:顯示像素 826:動眼眶 828:線性偏振器 830:目視透鏡 880:眼睛 900:方法 901:步驟 902:步驟 904:步驟 906:步驟 908:步驟 1000:虛擬實境近眼顯示器 1001:框架 1002:光源 1006:波導照明器 1018:顯示面板 1026:動眼眶 1032:目視透鏡 1042:眼睛追蹤攝影機 1062:動眼眶照明器 1100:HMD 1102:前主體 1104:條帶 1106:側 1108:*** 1110:慣性量測單元 1111:深度攝影機組合件 1112:位置感測器 1114:眼睛追蹤系統 1180:顯示系統 D:深度 D GAP:間隙蝕刻深度 D GR:光柵蝕刻深度 P:間距 P GAP:間隙間距 P GR:光柵間距 W:寬度 X:方向 Y:方向
現將結合圖式描述例示性具體實例，其中： [圖1]為本發明之波導照明器之示意性平面視圖； [圖2A]為對於在空間上均一之出耦合效率之情況下，出耦合效率及出耦合光功率相對於光在圖1之照明器之波導中行進的距離之組合曲線圖； [圖2B]為對於在空間上不均一之出耦合效率之情況下，出耦合效率及出耦合光功率相對於光在圖1之照明器之波導中行進的距離之組合曲線圖； [圖3]為展示藉由本發明之波導照明器之光柵出耦合器的前向散射之波導照明器之側向橫截面放大視圖； [圖4A]為具有光柵出耦合器之變跡工作週期之波導照明器具體實例的側向橫截面放大視圖； [圖4B]為具有光柵出耦合器之變跡光柵深度之波導照明器具體實例的側向橫截面放大視圖； [圖5]為具有光柵出耦合器之間的蝕刻間隙之波導照明器具體實例的側向橫截面放大視圖； [圖6A]為具有形成於光柵出耦合器之間的間隙光柵之波導照明器具體實例之側向橫截面放大視圖； [圖6B]為圖6A之波導照明器之俯視圖； [圖7]為具有形成於光柵出耦合器之間的波導平行間隙光柵之波導照明器具體實例的側向橫截面放大視圖； [圖8]為使用本發明之波導照明器之近眼顯示器的示意圖； [圖9]為用於減少根據本發明之波導照明器中之光散射的方法具體實例之圖； [圖10]為具有一副眼鏡之形狀因數的本發明之擴增實境（AR）顯示器之視圖；及 [圖11]為本發明之頭戴式顯示器（head-mounted display；HMD）的三維視圖。
100:波導照明器
101:基板
106:輸入波導
108:輸入光束
110:光源
112:波導分光器
114:子光束
116:波導
119:列
120:出耦合光柵
122:部分/出耦合光點
129:末端

Claims (20)

  1. 一種波導照明器，其包含： 輸入波導，其用於在其中導引輸入光束； 波導分光器，其耦合至該輸入波導以用於將該輸入光束***成複數個子光束； 波導陣列，其耦合至該波導分光器以用於在該波導陣列中傳播該複數個子光束，該波導陣列中之波導彼此平行地走向，各波導配置以導引該複數個子光束中之子光束；及 出耦合光柵陣列，其包含成列之出耦合光柵，各列沿著該波導之長度耦合至該波導陣列中之相應波導，其中各列之這些出耦合光柵配置以用於出耦合在該相應波導中傳播之該子光束之部分，藉此在操作中，這些子光束部分之二維陣列自該波導陣列出耦合。
  2. 如請求項1之波導照明器，其中該出耦合光柵陣列中之各列之這些出耦合光柵具有隨著與該波導分光器之距離而逐漸增加之出耦合效率，以用於平坦化經出耦合的這些子光束部分之該二維陣列之光功率的空間分佈。
  3. 如請求項1之波導照明器，其中該出耦合光柵陣列中之出耦合光柵在相應波導的長度方向上變跡，使得以下中之至少一者： 各出耦合光柵之工作週期在該出耦合光柵之相對末端處小於0.1或大於0.9，且在該出耦合光柵之這些相對末端之間大於0.1且小於0.9；或 各出耦合光柵之凹槽深度在該出耦合光柵之這些相對末端處比在該出耦合光柵之中間處更小。
  4. 如請求項1之波導照明器，其中： 該波導陣列包含脊形波導陣列； 該出耦合光柵陣列形成於該脊形波導陣列中； 各列之這些出耦合光柵包含在該脊形波導陣列中之相應脊形波導中蝕刻至光柵蝕刻深度 D GR 的凹槽；且 各列之相鄰出耦合光柵之間的間隙被均一地蝕刻至間隙蝕刻深度 D GAP = aD GR ，其中0＜ a＜1。
  5. 如請求項4之波導照明器，其中 a＜0.5。
  6. 如請求項1之波導照明器，其中： 該波導陣列包含脊形波導陣列； 該出耦合光柵陣列形成於該脊形波導陣列中； 各列之這些出耦合光柵包含在光柵間距 P GR 處之在該脊形波導陣列中之相應脊形波導中的凹槽；且 各列之相鄰出耦合光柵之間的間隙包含間隙光柵。
  7. 如請求項6之波導照明器，其中這些間隙光柵包含以間隙間距 P GAP = bP GR 不平行於該波導陣列中之這些波導走向之凹槽，其中0＜ b＜0.5。
  8. 如請求項6之波導照明器，其中這些間隙光柵包含平行於該波導陣列中之這些波導走向之凹槽。
  9. 一種顯示裝置，其包含： 波導照明器，其包含： 輸入波導，其用於在其中導引輸入光束； 波導分光器，其耦合至該輸入波導以用於將該輸入光束***成複數個子光束； 波導陣列，其耦合至該波導分光器以用於在該波導陣列中傳播該複數個子光束，該波導陣列中之波導彼此平行地走向，各波導配置以導引該複數個子光束中之子光束；及 出耦合光柵陣列，其包含成列之出耦合光柵，各列沿著該波導之長度耦合至該波導陣列中之相應波導，其中各列之這些出耦合光柵配置以用於出耦合在該相應波導中傳播之該子光束之部分，藉此在操作中，這些子光束部分之二維陣列自該波導陣列出耦合；及 顯示面板，其包含安置且配置以接收經出耦合的這些子光束部分之該二維陣列的顯示像素陣列。
  10. 如請求項9之顯示裝置，其中該出耦合光柵陣列中之各列之這些出耦合光柵具有隨著與該波導分光器之距離而逐漸增加之出耦合效率，以用於平坦化經出耦合的這些子光束部分之該二維陣列之光功率的空間分佈。
  11. 如請求項9之顯示裝置，其中該出耦合光柵陣列中之出耦合光柵在該波導陣列中之波導的長度方向上變跡以減少該出耦合光柵陣列之光散射。
  12. 如請求項9之顯示裝置，其中這些顯示像素之間距實質上等於該出耦合光柵陣列之間距。
  13. 如請求項9之顯示器裝置，其進一步包含用於將該輸入光束提供至該輸入波導之光源。
  14. 如請求項13之顯示裝置，其中該光源為偏振光源，其中該輸入光束及經出耦合的這些子光束部分被偏振；且 其中該顯示像素陣列包含用於調諧個別子光束部分之偏振的可調諧偏振旋轉器陣列。
  15. 如請求項13之顯示裝置，其中該光源包含單色光源，其中該輸入光束具有第一色彩通道之波長。
  16. 一種用於減少波導照明器中之光散射的方法，該波導照明器包含：波導分光器，其用於將輸入光束***成複數個子光束；波導陣列，其耦合至該波導分光器以用於在該波導陣列中傳播該複數個子光束，各波導配置以導引該複數個子光束中之子光束；及出耦合光柵陣列，其包含形成於相應波導中之成列之出耦合光柵，這些出耦合光柵用於出耦合在這些相應波導中傳播之這些子光束之部分，該方法包含： 使這些出耦合光柵之一列之出耦合光柵之阻抗與這些出耦合光柵之該列之這些出耦合光柵之間的間隙之阻抗匹配。
  17. 如請求項16之方法，其中匹配這些出耦合光柵之該阻抗包含使該出耦合光柵陣列中之出耦合光柵在相應波導之長度方向上變跡，使得各出耦合光柵的工作週期在該出耦合光柵之相對末端處小於0.1或大於0.9，在該出耦合光柵之這些相對末端之間為0.1與0.9之間。
  18. 如請求項16之方法，其中該波導陣列包含脊形波導陣列，且該出耦合光柵陣列藉由將這些脊形波導蝕刻至光柵蝕刻深度 D GR 而形成於該脊形波導陣列中；且 其中匹配這些出耦合光柵之阻抗包含將各列之相鄰出耦合光柵之間的間隙均一地蝕刻間隙蝕刻深度 D GAP = a D GR ，其中0＜ a＜1。
  19. 如請求項16之方法，其中該波導陣列包含脊形波導陣列，且該出耦合光柵陣列形成於該脊形波導陣列中；且 其中匹配這些出耦合光柵之阻抗包含以比這些出耦合光柵之間距小至少兩倍之間距在相鄰出耦合光柵之間的間隙中形成間隙光柵。
  20. 如請求項16之方法，其中該波導陣列包含脊形波導陣列，且該出耦合光柵陣列形成於該脊形波導陣列中；且 其中匹配這些出耦合光柵之阻抗包含在相鄰出耦合光柵之間的間隙中形成間隙光柵，這些間隙光柵包含平行於該脊形波導陣列中之這些脊形波導走向之凹槽。
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