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映维网Nweon
2024年11月12日

）波导组合器是MR头显的关键组成。在一份专利申请中，
微软
提出了一种采用空间分离的耦入和耦出板设计的波导组合器。

与传统的波导组合器设计相比，单独的耦入和耦出板存在一系列的优势，例如增加视窗尺寸，提升透明体验质量，在制造过程中更容易经受不同的工艺等等。

图4是显示系统105的图例。显示系统包括显示引擎405和光学系统410，用于通过光路412向用户315提供真实世界的虚拟图像和视图。光学系统包括成像光学器件415，以支持光引擎和波导组合器420之间的光学接口。波导425配置为包括全息光学元件（HOE）。

图6示出一种波导组合器420，组合器使用单独的左和右组合器（420L和420R），每个组合器都与各自的显示引擎（405L和405R）和成像光学元件（415L和415R）相关联。每个波导包括EPE功能，并从各自的显示引擎接收一个或多个输入光束，以相对于输入在一个或两个方向产生一个或多个具有扩展出瞳的输出光束。

波导组合器420利用波导425L和425R支持的两个耦出器610L和610R，以及两个耦入器640L和640R。

如图6所示，将一个或多个中间HOE以堆叠板结构布置在左右波导。HOE通常可在波导上以各种配置排列。来自波导组合器420的示例性输出波束650平行于从显示引擎405输出到耦入器640的示例性输入波束655。

如图7所示，与波导组合器420的耦入器的入瞳605相比，波导组合器420配置为在两个方向（即沿着第一和第二坐标轴）提供扩展的出瞳705。如图所示，出瞳在垂直和水平方向都有所扩大。

图9示出中HOE的常规布置视图，而图10提供了头显设备900的前视图。HOE通常使用DO、ROE或两者组合来实现，但是，头显设备并不局限于HOE类型。头显设备900包括一个支持左右透镜的框架905，作为透明波导910L和910R。配置在每个波导之上的是耦入HOE 915，中间HOE 920和耦出HOE 925。

图11示出了虚拟像光在头显器件900的右波导910R中的传播路径。HOE 915R接收来自显示引擎（未示出）的虚拟图像，并将其耦合到中间HOE 920R，中间HOE 920R水平扩展出瞳，并将虚拟图像光向下（即负y方向）耦合到耦出HOE 925R。耦出HOE垂直扩展出瞳，并将虚拟图像光耦合到用户眼睛（未示出）。与入瞳相比，出瞳在两个方向扩展。

图9-11在特定头显设备应用中的表现令人满意，但这种安排存在不适合其他应用的限制。特别是，支持HOE915、920和925的单透明波导位于用户视场内的用户眼睛前方。所以，耦出HOE的设计配置在尺寸和位置方面受到限制。另外，耦入和中间HOE至少部分遮挡波导910，并可能对其透明功能产生负面影响。

尽管HOEs通常使用设计、材料和制造技术来实现合理程度的透明度，但位于用户视场内的HOE可能会导致透光质量和亮度的降低。

图12示出一种替代排列。头显设备包括一个框架1205，它支持左右透镜，并作为波导1210L和1210R。配置在每个波导之上的是耦入HOE 1215，中间HOE 1220和耦出HOE 1225。与上一个示例相比，这里的HOE排列可能对最佳耦出HOE尺寸和用户的透明视野的影响较小，因为耦入和中间HOE从每个波导的中心向外移动。然而，由于所有三个HOE依然位于眼睛前面的公共波导上，所以可能依然需要在设计方面进行权衡。

针对这个问题，微软提出了一种采用空间分离的耦入和耦出板设计的波导组合器。

图13是使用发明所述波导组合器1305的MR头显，组合器包括单独的耦入板和耦出板。图14示出头显设备1300的前视图。图15示出左侧视图。

如图所示，设计使用了空间分离板——每个眼睛两个——耦出板1302包括前波导1310和耦出HOE1325；耦入板1304包括侧波导1308、耦入HOE1315和中间HOE1320。图16为左侧耦入板1304L的侧视图。

如图所示，连接波导1312使得耦入板1304和耦出板1302各自的广域表面不平行。这种非平行配置支持眼镜形状参数的利用，例如，其中耦出板位于头显设备的前透镜，而耦入板位于设备的凹槽中。这种分离设计有利于耦出HOE 1325在前透镜中进行最佳定位和尺寸调整，例如为虚拟图像显示提供大视窗，同时最大限度地减少对透视质量的负面影响。

在说明性示例中，利用ROE架构来支持全彩色虚拟图像，例如，使用由合适显示引擎支持的红、绿、蓝（RGB）颜色模型。DOE架构通常使用一堆波导，每个颜色组件都有一个单独的波导。与DOE架构相比，ROE架构通常可以使用单层波导方法来传播全彩色虚拟图像。

图17显示了使用在一个或多个表面沉积有一层或多层薄膜的堆叠玻璃坯料的ROE制造技术。将玻璃片切割成大小和形状均匀的坯。所述薄板在切割前具有反射器，例如薄膜涂层，或者在所述毛坯在切割后可单独具有反射器或涂层。切割、研磨和/或抛光步骤可以在毛坯、堆或ROE的制造和组装过程中选择性地使用。

堆栈1710沿平行平面以相对于堆栈轴的斜角切割，其中斜角适合于在成品ROE中的镜面元件中实现所需的倾斜量。每个空白的顶部平面表面涂有薄膜涂层1700，薄膜涂层1700包括单层或多层介电材料，选择涂层组合物和厚度以在目标视场提供所需的反射特性。化学和/或物理沉积技术可用于将材料沉积在空白1705的表面之上以形成涂层1700。

图18是ROE 1800的一个说明性实施例，采用完全嵌入。耦入HOE 1315在本实施例中体现为棱镜，棱镜将来自显示引擎405和成像光学元件415的虚拟图像光耦合到波导。

图19是ROE 1900的第二个说明性实施例，采用部分嵌入。镜面元件可以使用与阵列1805中完全嵌入的镜面元件类似的配置选项来实现。部分嵌入提供了波导组合器设计的灵活性。

图20是ROE 2000的第三个说明性实施例，采用fractured镜面元件。fractured镜面元件可以作为菲涅耳元件和/或波导组合器的增益透视或焦深。

图24是说明性多片注射模2400的截面视图，多片注射模2400包括耦入板插入腔2405和耦出板插入腔2410。

图25是注射模2400的截面视图，其中将耦入板1304和耦出板1302作为插入件放置在各自的腔中。

采用插入式注射成型工艺，通过浇口2610将光学透明聚合物2605注射到模具中，如图26所示。

图27是从注射模2400中取出的波导组合器1305L。

图28示出波导组合器1305L，所述组合器修改为包括额外的模制特征。在本例中，输入棱镜2805模制到耦入板1304L中。

图29是用于制造具有分离板的波导组合器流程图。

在2905，提供包括第一腔和第二腔的热塑性注射模具，第一腔和第二腔在模具中非共面。模具同时包括连接第一腔和第二腔的第三腔。

在2910，在模具中放置一维出瞳扩展HOE和耦出HOE。在插入成型工艺中使用模具来形成注射成型波导组合器，其中组合器包括第一HOE板、第二HOE板、以及包含将第一和第二HOE板光学耦合的模塑聚合物的波导。

相关专利

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Microsoft Patent | Waveguide combiner with separate in-coupling and out-coupling plates

名为“Waveguide combiner with separate in-coupling and out-coupling plates”的
微软专利
申请最初在2023年4月提交，并在日前由美国专利商标局公布。