具有颜色交叉耦合的显示波导组件的制作方法

1.本公开总体上涉及光学显示器系统和设备，并且尤其涉及波导显示器及其部件。
2.背景
3.在某些类型的显示器系统(诸如用于增强现实(ar)应用的可穿戴显示器、抬头(heads
‑
up)显示器、俯视(heads
‑
down)显示器等)中，电子显示器可以被放置成远离用户的直接视线。可以在这样的系统中使用以将图像从显示投影仪带到系统的用户的一种方法是通过光学波导。光学波导还能够在小的设备体积内扩展来自微型显示器的图像光束，这对于必须紧凑和轻巧的可穿戴显示器是有利的。然而，光学波导通常提供有限的视野(特别是当图像光是多色的时)。
4.附图简述
5.将参考表示其示例实施例的附图更详细地描述本文公开的实施例，其中相同的元件用相同的附图标记表示，并且在附图中：
6.图1a是使用具有颜色交叉耦合的波导组件向用户传输图像的波导显示系统的示意等轴视图；
7.图1b是图1a的波导显示器的显示投影仪的示意框图；
8.图2a是示出第一颜色通道耦合到波导和第一颜色通道的输入fov的示意图；
9.图2b是示出第二颜色通道耦合到图2a的显示波导和第二颜色通道的输入fov的示意图；
10.图3a是示出用于所选择的颜色通道的显示波导的输入fov和输出fov的示意图；
11.图3b是示出通过在波导的相对面具有两个输出光栅的显示波导来传输光的示意图；
12.图4是示意性地示出显示波导的输入fov作为坐标为“波长”(λ)和“入射角”(α)的平面内的面积的图形；
13.图5是三波导堆叠的示意截面图，该三波导堆叠被配置为在不具有颜色交叉耦合的情况下在不同的波导中分别传输三个颜色通道。
14.图6是示意性示出在(λ,α)平面中图5的三波导堆叠的三个波导的输入fov的图形；
15.图7是被配置用于传输在第二颜色通道中具有交叉耦合的三个颜色通道的双波导堆叠的示意截面图；
16.图8是示意性示出在(λ,α)平面中图7的双波导堆叠的两个波导的输入fov的图形；
17.图9是三波导叠堆的示意截面图，该三波导叠堆被配置为传输在每个通道中具有交叉耦合的三个颜色通道以针对多色光加宽该叠堆的fov。
18.图10是示意性在(λ,α)平面中被配置为支持更宽的fov的图9的三波导堆叠的三个波导的输入fov的图形。
19.图11是示出了针对折射率的波导计算的(λ,α)平面中图9的三波导堆叠的三个波导的输入fov的图形；
20.图12是具有2d fov和垂直对准的内耦合器的波导的示例布局的示意图；
21.图13是示出在k空间中在图12的波导中形成2d fov的示意图；
22.图14是示出根据实施例的图12的波导在入射角为θx、θy的平面中的2d fov的图形；
23.图15a是示出根据实施例的示例双波导堆叠的第一波导(wg1)在入射角平面中的第一(蓝色)颜色通道的2d fov的图形；
24.图15b是示出根据实施例的示例双波导堆叠的第一波导(wg1)在入射角平面中的第二(绿色)颜色通道的2d fov的图形；
25.图15c是示出根据实施例的示例双波导堆叠的第一波导(wg1)在入射角平面中的第三(红色)颜色通道的2d fov的图形；
26.图15d是示出根据实施例的示例双波导堆叠的第二波导(wg2)在入射角平面中的第一(蓝色)颜色通道的2d fov的图形；
27.图15e是示出根据实施例的示例双波导堆叠的第二波导(wg2)在入射角平面中的第二(绿色)颜色通道处的2d fov的图形；
28.图15f是示出根据实施例的示例双波导堆叠的第二波导(wg2)在入射角平面中的第三(红色)颜色通道的2d fov的图形；
29.图16是使用具有图12的布局的波导组件的双目ned的示意性前视图；
30.图17a是示出具有并排的内耦合器和外耦合器的波导组件的示例布局的示意图；
31.图17b是示出图17a的示例布局中的光栅矢量的矢量图的示意图；
32.图17c是使用两个波导组件的ned的示意性平面图，其中两个波导组件具有图17a的布局，并且内耦合器处于中间；
33.图18a是示出了2d波导组件的示例布局的示意图，其中内耦合器从外耦合器的出射光瞳(exit pupil)对角偏移；
34.图18b是示出图17a的示例布局中的光栅矢量的矢量图的示意图；
35.图18c是使用两个波导组件的ned的示意平面图，该两个波导组件具有并排对角偏移的内耦合器；
36.图19是示出了同一颜色的光束在具有不同楔角的波导中传播后的发散(“颜色分裂”)的双波导堆叠的示意截面图；
37.图20是示出用于制造具有颜色交叉耦合以减少非理想波导中的颜色分裂的波导堆叠的方法的一般步骤的流程图；
38.图21是示出根据图20的方法测量显示波导的参考光束的出射角的装置的示意图；
39.图22是基于所测量的出射角使用波导装仓(binning)的图20的方法的实施例的流程图；
40.图23是根据实施例的用于制造在三个波导之间具有颜色交叉耦合的波导堆叠的波导选择方法的流程图。
41.详细描述
42.在以下描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了具体细节(诸如特定的光路和电子电路、光学部件和电子部件、技术等)以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将明显的是，可以在偏离这些具体细节的其他实施例中实践本发明。在其他情况下，省略了众所周知的方法、设备和电路的详细描述，以免模糊示例实施例的描述。本文中叙述
原理、方面和实施例及其特定示例的所有陈述旨在涵盖其结构上的等同物和功能上的等同物。另外，意图使这种等同物包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物(即，所开发的执行相同功能的任何元件)，而不管结构如何。
43.注意，如本文中所使用的，除非明确说明，否则术语“第一”、“第二”等并非旨在暗示顺序排序，而是旨在将一个元素与另一个元素区分开。类似地，除非明确说明，否则方法或过程步骤的顺序排序并不暗示其执行的顺序排序。
44.此外，本文件中可能使用以下缩写和缩略词：hmd(头戴式显示器)；ned(近眼显示器)；vr(虚拟现实)；ar(增强现实)；mr(混合现实)；led(发光二极管)；fov(视场)；tir(全内反射)。
45.在下文可以参考多色光来描述示例实施例，该多色光由三个不同的颜色通道(通常称为具有第一中心波长λ1的第一颜色通道、具有第二中心波长λ2的第二颜色通道和具有第三中心波长λ3的第三颜色通道)组成。为了确定，将假设第二颜色通道在光谱上位于第一颜色通道和第二颜色通道之间，尽管这是惯例问题，并不意味着是限制性的。在至少一些实施例中，为了进一步确定，可以假设λ1<λ2<λ3，这也不是限制性的。第一颜色通道可以被称为蓝色(b)通道或颜色，并且可以表示rgb颜色方案的蓝色通道，第二颜色通道可以被称为绿色(g)通道或颜色，并且可以表示rbg颜色方案的绿色通道，而第三颜色通道可以被称为红色(r)通道或颜色，并且可以表示rgb颜色方案的红色通道。然而，将理解的是，本文描述的实施例可以适于与两个或更多个(或者优选地三个或更多个)颜色通道的任意组合组成的多色光一起使用，其可以表示相关光谱的非重叠部分。
46.本公开的方面涉及一种显示系统，该显示系统包括波导堆叠和耦合到其上的图像光源，其中波导堆叠被配置为接收由图像光源发射的多色图像光，并将在波导堆叠的多色fov中接收的图像光传送到用于呈现给用户的适眼区(eyebox)，其中多色图像光的至少一个颜色通道可以通过波导堆叠的两个或更多个波导传送到适眼区。
47.本公开的方面涉及用于将包括多个颜色通道的图像光从图像光源传送到波导显示器的出射光瞳或眼睛的波导堆叠。波导堆叠可包括彼此堆叠的多个波导，每个波导包括输入耦合器和输出耦合器。每个波导的输入耦合器和输出耦合器在多个颜色通道的每一个颜色通道处限定了波导的视场(fov)，多个波导的fov组合限定了波导堆叠的多色fov。图像光的多个颜色通道可以包括第一颜色通道、第二颜色通道和第三颜色通道，其中第二颜色通道在光谱上位于第一颜色通道和第三颜色通道之间。波导堆叠可以被配置为将图像光的至少一个颜色通道传输到波导堆叠的不同波导内的适眼区。每个输入耦合器可以包括输入衍射光栅，该输入衍射光栅被配置为将一部分图像光耦合到相应的波导中，从而获得在波导中向其输出耦合器传播的内耦合(in
‑
coupled)光。每个输出耦合器可以包括一个或更多个输出衍射光栅，该输出衍射光栅被配置为朝向适眼区将内耦合光从波导中提取出来。在一些实施方式中，至少一个波导的输出耦合器可以包括两个衍射光栅，这两个衍射光栅可以被配置为在二维上扩展内耦合光，并且将扩展的光从波导中提取出来。
48.在一些实施方式中，波导堆叠的多个波导可以包括第一波导和第二波导，每个波导被配置为将图像光的第二颜色通道传输到适眼区。在一些实施方式中，第一波导的输入耦合器和第二波导的输入耦合器被配置成使得从波导堆叠的多色fov的第一部分接收的第二颜色通道的图像光束被通过第一波导传输到适眼区，并且从波导堆叠的多色fov的第二
部分接收的第二颜色通道的图像光束被通过第二波导传输到适眼区。
49.在一些实施方式中，第一波导和第二波导可以被配置成使得第一颜色通道处的第一波导的fov和第三颜色通道处的第二波导的fov共享包括波导堆叠的多色fov的公共fov部分。在一些实施方式中，第一波导和第二波导可以被配置成使得第一颜色通道处的第一波导的fov与第三颜色通道处的第二波导的fov对准。在一些实施方式中，第一波导的输入耦合器可以包括具有第一间距p1的衍射光栅，第二波导的输入耦合器可以包括具有第二间距p2>p1的衍射光栅。在一些实施方式中，λ1/p1通常可以等于λ3/p2，其中λ1和λ3分别是第一颜色通道的中心波长。
50.在一些实施方式中，波导堆叠的多个波导还可以包括第三波导，其中第三波导的输入耦合器包括具有第三间距p3>p2的衍射光栅。在一些实施方式中，第一波导、第二波导和第三波导中的每一个被配置成将图像光的至少两个颜色通道传输到适眼区，以用于扩展波导堆叠的多色fov。第一波导的fov和第二波导的fov可以在每个颜色通道部分重叠以限定第一共享fov，第二波导的fov和第三波导的fov可以在每个颜色通道部分重叠以限定第二共享fov。在一些实施方式中，第一波导的输入耦合器、第二波导的输入耦合器和第三波导的输入耦合器可以被配置成使得波导堆叠的多色fov在至少一个维度上超过第一波导、第二波导和第三波导中的每一个在第一颜色通道、第二颜色通道和第三颜色通道中的每一个处的fov。在一些实施方式中，第一共享fov和第二共享fov中的每一个在至少一个维度上在第一颜色通道、第二颜色通道和第三颜色通道中的至少一个中不超过20度。
51.在一些实施方式中，至少一个波导的输出耦合器的一个或更多个输出衍射光栅可以被配置成限定波导的适眼区投射区域，图像光从该适眼区投射区域投射到适眼区上，适眼区投射区域具有相对于适眼区限定的水平轴。在一些实施方式中，至少一个波导的输出耦合器的一个或更多个输出衍射光栅可以包括以下项中的至少一项：二维衍射光栅、或设置为彼此成一定角度且与输入衍射光栅成一定角度的两个线性衍射光栅。在一些实施方式中，输入衍射光栅可以具有光栅矢量，该光栅矢量相对于适眼区投射区域的水平轴成小于40度的角度定向。
52.本公开的方面涉及一种近眼显示系统，包括：至少一个光投影仪，该光投影仪被配置为发射包括多个颜色通道的图像光；以及两个波导组件，每个波导组件被配置为将来自至少一个光投影仪的图像光传送到用户的不同眼睛，其中两个波导组件中的每一个波导组件包括用于接收来自至少一个光投影仪的图像光的内耦合器和用于将来自波导组件的图像光传送到用户的眼睛的外耦合器，并且其中内耦合器至少部分地设置在外耦合器之间，或者外耦合器至少部分地设置在内耦合器之间。在近眼显示系统的一些实施方式中，两个波导组件的每个输出耦合器包括适眼区投射区域，图像光从该适眼区投射区域投射到用户的眼睛，其中适眼区投射区域设置在水平轴上，并且其中两个波导组件的内耦合器偏离水平轴。
53.本公开的方面提供了一种用于制造具有颜色交叉耦合的波导堆叠的方法，其中多色图像光的同一颜色通道可以通过波导堆叠的两个不同波导被传送到出射光瞳。该方法可以包括：a)确定在多个第一波导和多个第二波导中的每个波导的第一参考光束的出射角，以及b)基于第一参考光束的出射角，为波导堆叠选择在多个第一波导中的第一波导和在多个第二波导中的第二波导。b)中的选择可以包括选择出射角与预定义的准确度匹配的第一
波导和第二波导。
54.在其一些实施例中，该方法的步骤a)可以包括引导第一参考光束以第一入射角照射(impinge)在每个波导的内耦合器上，并测量第一参考光束离开相应波导的外耦合器的出射角。
55.在至少一些实施方式中，在多个第一波导中的每个波导可以被配置为用于将多色图像光的至少第一颜色通道传送到出射光瞳，在多个第二波导中的每个波导可以被配置为用于将多色图像光的第二颜色通道或第三颜色通道中的至少一个传送到出射光瞳，其中第二颜色通道可以在光谱上位于第一颜色通道和第三颜色通道之间。
56.每个第一波导可以具有限定多色图像光(该多色图像光可以被传送到出射光瞳)在第一波导上的入射角的范围的第一fov，并且每个第二波导可以具有限定多色图像光(该多色图像光可以被传送到出射光瞳)在第二波导上的入射角的范围的第二fov。在一些实施方式中，第一参考光束可以包括第一参考波长，并且第一fov和第二fov可以在第一参考波长处部分重叠，以限定第一共享fov。可以在第一共享fov内选择第一入射角。在一些实施方式中，第一参考波长可以是第二颜色通道的波长。
57.在一些实施方式中，该方法可以包括组合所选择的第一波导和第二波导以形成波导堆叠，从而允许第二颜色通道通过第一波导和第二波导的内耦合器部分地耦合到第一波导和第二波导中。
58.在一些实施方式中，该方法可以包括基于为此测量的出射角来对第一波导和第二波导进行装仓。装仓可以包括：基于为此测量的出射角，将至少一些第一波导分配给多个第一仓(bin)中的一个，使得针对分配给相同的第一仓的第一波导测量的出射角相差不超过第一阈值；以及，基于为此测量的出射角，将至少一些第二波导分配给多个第二仓中的一个，使得针对分配给相同的第二仓的第二波导测量的出射角相差不超过第二阈值。该方法还可以包括分别从匹配的第一仓和第二仓中选择第一波导和第二波导。
59.在一些实施方式中，波导堆叠可以包括第三波导，该第三波导被配置为用于将多色图像光的至少第三颜色通道传送到出射光瞳，并且该方法还可以包括：确定多个第三波导中的每个波导的第一参考光束的出射角；以及基于针对第一波导、第二波导和第三波导确定的出射角，从多个第三波导中选择所选择的第三波导，以用于与波导堆叠中所选择的第一波导和所选择的第二波导进行组合。在一些实施方式中，该方法可以包括选择第三波导中的一个，对于该第三波导，第一参考光束的出射角与以预定义的准确度针对所选择的第一波导和所选择的第二波导测量的出射角相匹配。在一些实施方式中，该方法可以包括基于为此测量的出射角将第一波导、第二波导和第三波导装仓成三组仓。装仓可以包括：基于为此测量的出射角，将第一波导中的每一个分配给多个第一仓中的一个；基于为此测量的出射角，将第二波导中的每一个分配给多个第二仓中的一个；以及，基于为此测量的出射角，将第三波导中的每一个分配给多个第三仓中的一个。然后，可以分别从匹配的第一仓、第二仓和第三仓中为波导堆叠选择第一波导、第二波导和第三波导。
60.在一些实施方式中，波导堆叠可以包括第三波导，该第三波导被配置为用于将多色图像光的至少第三颜色通道传送到出射光瞳，并且该方法可以包括确定来自多个第二波导和多个第三波导中的每个波导的第二参考光束的出射角，并且基于针对第二波导和第三波导确定的第二参考光束的出射角来为波导堆叠选择第三波导中的一个。可以通过将第二
参考光束从多个第二波导和多个第三波导引导到每个波导的内耦合器上，并测量第二参考光束离开波导的外耦合器的出射角来确定第二参考光束的出射角。
61.在一些实施方式中，可以将第二参考光束以不同于第一入射角的第二入射角引导到内耦合器上。在一些实施方式中，第二参考光束可以包括第一颜色通道或第三颜色通道之一的波长。
62.在一些实施方式中，每个第三波导具有第三fov，该第三fov在第二波长与第二fov部分重叠，以限定第二共享fov，并且其中第一参考光束包括第一波长，并且以在第一共享fov内选择的第一入射角被引导到内耦合器上，并且第二参考光束包括第二波长，并且以在第二共享fov内选择的入射角被引导到内耦合器上。
63.在一些实施方式中，该方法可以包括：基于为此测量的第一参考光束的出射角，将第一波导中的每一个分配给多个第一仓中的一个；基于为此测量的第一参考光束的出射角，将第二波导中的每一个分配给多个第二仓中的一个；基于为此测量的第二参考光束的出射角，将第三波导中的每一个分配给多个第三仓中的一个；并且对于每个第二仓，确定针对分配给它的第二波导测量的第二参考光束的出射角的范围；基于第一参考光束的出射角，分别从多个第一仓和多个第二仓中选择匹配的第一仓和第二仓；以及从多个第三仓中选择相对于第二参考光束的出射角与所选择的第二仓匹配的第三仓。
64.现在将参考波导显示器描述本公开的示例实施例。通常，波导显示器可以包括图像光源，诸如电子显示组件、控制器和光学波导，该光学波导被配置为将图像光从电子显示组件传输到出射光瞳以用于向用户呈现图像。图像光源在本文还可以称为显示投影仪或光投影仪。可以结合波导显示器并且其中可以使用本文公开的特征和方法的示例显示系统包括但不限于近眼显示器(ned)、抬头显示器(hud)、俯视显示器等。
65.参考图1a和图1b，示出了根据实施例的波导显示器100。波导显示器100包括电子显示组件110、波导组件120，并且还可以包括显示控制器155。电子显示组件110被配置成生成图像光111，并且可以包括像素化电子显示器114，该像素化电子显示器114可以在光学上随后是光学块116。电子显示组件110在本文还可以被称为显示投影仪或光投影仪。
66.电子显示器114可以是被配置为显示图像的任何合适的电子显示器，例如但不限于液晶显示器(lcd)、有机发光显示器(oled)、无机发光显示器(iled)、有源矩阵有机发光二极管(amoled)显示器或透明有机发光二极管(toled)显示器。在一些实施例中，电子显示器114可以是光源(例如发光二极管(led)、激光二极管(ld)等)的线性阵列的形式，其中每个光源被配置为发射多色光。在其他实施例中，它可以包括二维(2d)像素阵列，其中每个像素被配置为发射多色光。
67.光学块116可以包括一个或更多个光学部件，该光学部件被配置为适当地调节由电子显示器114发射的图像光。这可以包括但不限于扩展、准直、像差校正和/或调整由电子显示器114发射的图像光的传播方向，或者如特定系统和电子显示器可能需要的任何其他合适的调节。光学块116中的一个或更多个光学部件可以包括但不限于一个或更多个透镜、反光镜、光圈、光栅或其组合。在一些实施例中，光学块116可以包括一个或更多个可调整元件，其可操作以相对于其传播角度来扫描由电子显示器114发射的光束。
68.波导组件120可以是波导堆叠123的形式或包括波导堆叠123，该波导堆叠123由两个或更多个彼此依次堆叠的波导组成。波导组件120还包括输入耦合器130，该输入耦合器
130可以设置在它能够接收来自显示组件110的图像光111的位置。输入耦合器130(在本文中其还可以称为内耦合器130)被配置成将图像光111耦合到波导堆叠123中，在波导堆叠123中，图像光111向输出耦合器140传播。输出耦合器140(在本文中其还可以称为外耦合器)可以偏离输入耦合器130，并且被配置为将来自波导组件120的图像光解耦，并且在期望的方向上引导它(例如朝向用户的眼睛166)。外耦合器140可以在尺寸上大于内耦合器130，以在图像光束离开波导时在尺寸上扩展图像光束，从而支持比显示组件110的出射光瞳更大的出射光瞳。在一些实施例中，波导组件120可以对外部光部分透明，并且可以在ar应用中使用。当输入图像光111在内耦合器130上的入射角在一维上(例如在图1a的(z,y)平面上)变化时，波导组件120或下面描述的其实施例和变型以及它包括的单独的波导可以被称为一维(1d)，并且当输入图像光111的入射角在二维上(例如沿着x轴和y轴)变化时，波导组件120或下面描述的其实施例和变型以及它包括的单独的波导可以被称为二维(2d)。在这里和下面的描述中，为了方便起见，使用笛卡尔坐标系(x,y,z)，其中(x,y)平面平行于波导组件120的主面，组件通过该主面接收和/或输出图像光，并且z轴与其垂直。
69.现在参考图2a和图2b，它们示意性地示出了两种不同波长的光耦合到波导210中，波导210表示波导堆叠123的波导之一。图2a中的入射光的波长λ可以不同(例如小于)图2b中的入射光的波长。图2a可以例如表示波导210对于绿光的操作，而图2b可以例如表示波导210对于红光的操作。波导210可以是平板波导(例如以在可见光中透明的光学材料的薄板的形式，诸如作为非限制性示例的玻璃或合适的塑料或聚合物)，并且具有大于周围介质的折射率的折射率n，并且可以例如在1.4到2.0的范围内。波导210具有两个相对的主面211、212，它们可以名义上彼此平行，图像光可以通过它们进入或离开波导。内耦合器230可以设置在波导210中或上，并且可以是一个或更多个衍射光栅的形式。外耦合器240(其也可以是一个或更多个衍射光栅的形式)在所示的示例中沿y轴与内耦合器230横向偏移。在所示的实施例中，外耦合器240与内耦合器130位于波导210的同一面211，但是在其他实施例中，它可以位于波导的相对面212。一些实施例可以具有可以设置在波导的相对面211、212处的两个输入光栅、和/或可以设置在波导的相对面211、212处的两个输出光栅。体现耦合器230、240的光栅可以是任何合适的衍射光栅(包括体和表面起伏光栅，例如闪耀光栅)。光栅还可以是体全息光栅。在一些实施例中，它们可以以波导本身的材料形成。在一些实施例中，它们可以用一种或多种不同的材料制造，这些材料可以在期望的位置固定到波导的一个面或多个面上。在图2a和图2b所示的示例实施例中，内耦合器230被体现为以透射方式操作的衍射光栅，而外耦合器240被体现为以反射方式操作的衍射光栅。
70.内耦合器230可以被配置为向波导210提供输入视场(fov)234，该视场在本文中还可以被称为接受角。输入fov 234(取决于波长)限定了入射角α的范围，为此入射到内耦合器230上的光被耦合到波导中并向外耦合器240传播。在本说明书的上下文中，“耦合到波导中”是指耦合到波导的导向模式或具有适当低辐射损耗的模式，使得耦合到波导中的光通过全内反射(tir)被捕获在其中，并在波导中以适当低的衰减传播，直到它遇到外耦合器。因此，如果光从波导外部入射到内耦合器230上的入射角在波导210的输入fov 234内，则波导210可以通过tir来捕获特定波长λ的光，并朝向外耦合器240引导捕获的光。波导的输入fov 234至少部分由内耦合器光栅230的间距p和波导的折射率n确定。对于给定的光栅间距p，从空气开始以(y,z)平面中的入射角α入射到光栅230上的光的一阶衍射角β可以从衍射
等式(1)中找到：
71.n
·
sin(β) sin(α)＝λ/p。
ꢀꢀꢀ
(1)
72.这里，如果相应的光线在从法线207到波导的相对面211、212的同一侧，则入射角α和衍射角β为正，否则为负。对于波导210被具有折射率n
c
>1的包层材料(cladding material)包围的实施例，可以容易地修改等式(1)。等式(1)适用于入射平面垂直于内耦合器光栅的凹槽的图像光的光线(即当内耦合器光栅的光栅矢量位于图像光的入射平面内时)。
73.波导内衍射光的tir条件(下文称为内耦合光)由tir等式(2)限定：
74.n
·
sin(β)≥1，
ꢀꢀꢀ
(2)
75.其中等式对应于临界tir角β
c
＝asin(1/n)。波导的输入fov 234跨越在第一fov入射角α1和第二fov入射角α2之间，这在本文中可被称为fov边缘角。对应于图2a中最右侧的入射光线111b的第一fov入射角α1由内耦合光(即，在波导内捕获的光)的临界tir角β
c
限定：
[0076][0077]
对应于图2a中最左侧的入射光线111a的第二fov入射角α2由对内耦合光的最大角β
max
的限制来限定：
[0078][0079]
波导210的输入fov 234在特定波长的宽度|fov|＝|α1‑
α2|可以从等式(3)和(4)进行估计。举例来说，对于β
max
＝75
°
，以及λ/p＝1.3，对于n＝1.5，并且对于n＝1.8，通常，波导的fov随着波导的折射率的增加而增加，或者随着折射率相对于周围介质的上升而增加。
[0080]
如从等式(3)和(4)可以看出，波导210的输入fov 234是输入光的波长λ的函数，使得输入fov 234随着波长的变化而移动其在角度空间中的位置；例如，随着波长的增加，它向输出耦合器240移动。因此，为多色图像光提供足够宽的fov可能是具有挑战性的。
[0081]
参照图3a，由内耦合器230耦合到波导210中的光在波导中向外耦合器240传播。外耦合器240被配置为以波导的输出fov 244内的一个角度或多个角度将至少一部分内耦合光重定向出波导210，波导的输出fov 244内的一个角度或多个角度至少部分地由外耦合器240限定。波导的总fov(即可以通过波导传送给观察者的入射角α的范围)可能受到内耦合器230和外耦合器240的影响。
[0082]
在一些实施例中，体现内耦合器230和外耦合器240的光栅可以被配置成使得它们的光栅矢量k
g
的矢量和基本上等于零，或者等于在特定显示系统可以允许的误差阈值内的适当小幅度的某个净矢量：
[0083][0084]
这里，等式(5)的左手侧(lhs)中的求和是对衍射穿过波导的输入光的所有光栅(包括内耦合器230的一个或更多个光栅、以及外耦合器230的一个或更多个光栅)的光栅矢量k
g
执行的。光栅矢量k
g
是垂直指向光栅的等相平面(即光栅的“凹槽”)的矢量，并且其幅度与光栅间距p成反比，|k
g
|＝2π/p。在等式(5)的条件下，如果波导210是具有平行相对面
211、212的理想平板波导，则图像光的光线通过外耦合器240以与它们进入内耦合器230相同的角度离开波导。在具有单个一维(1d)输入光栅和1d输出光栅的示例实施例中，外耦合器240的光栅间距可以基本上等于内耦合器230的光栅间距。在实施例中，其中内耦合器和外耦合器都是具有相同间距的线性(1d)衍射光栅的形式，并且每个内耦合光线到达外耦合器光栅，该外耦合器光栅将其衍射出波导，波导的fov由其输入fov 234限定。
[0085]
图3b示出了实施例，其中外耦合器240包括设置在波导的相对面的两个衍射光栅241、242。在这样的实施例中，内耦合光211a可以在被衍射光栅241和242顺序衍射之后作为输出光221离开波导。在一些实施例中，衍射光栅241、242的光栅矢量g1和g2可以彼此成一定角度定向。在至少一些实施例中，可以选择它们使得(g0 g1 g2)＝0，其中g0是内耦合器230的光栅矢量。在一些实施例中，两个光栅241、242可以叠加以形成单个2d光栅，该单个2d光栅可以形成在波导的两个相对面中的任一个面上或波导的体内。
[0086]
在下面的描述中，本公开的某些特征将首先通过考虑一维中的波导fov来说明，其中输入光k
in
的波矢量位于(z,y)平面中，并且对于其中内耦合器和外耦合器都是具有相同间距p并且光栅矢量沿着y轴定向的线性光栅的实施例。在这样的实施例中，以满足上面参照等式(3)和(4)描述的tir条件的入射角α照射到内耦合器的每个光束将以相同的角度α离开外耦合器，因此每个波导的fov完全由其一维(即相对于单个入射角)的输入fov来描述。然后将参考示例实施例和图12
‑
15描述2d操作的扩展，其中输入光201和输出光221都可以在二维上成扇形散开(fan out)，因此波导的操作可以由二维(2d)fov表征。
[0087]
参考图4，图2a
‑
3b所示类型的波导的fov 234的波长依赖性示意性地示出为平面(α,λ)中的区域，其中波长λ沿着垂直轴变化，并且(y,z)平面中的入射角α沿着水平轴变化。线301和302表示两个fov边缘角α2(λ)和α1(λ)，它们将fov边界限定为波长λ的函数。fov 234沿α轴的位置取决于内耦合器的光栅间距，而其在固定波长的宽度|fov(λ)|与波导的折射率n正相关。多色显示系统可以用三个或更多个颜色通道操作，该三个或更多个颜色通道在图中表示为具有第一中心波长λ1的第一颜色通道311、具有第二中心波长λ2的第二颜色通道312和具有第三中心波长λ3的第三颜色通道313，其中λ1<λ2<λ3。在下文描述的示例实施例中，显示投影仪可以使用rgb颜色方案，在这种情况下，第一颜色通道311可以是蓝色(b)，第二颜色通道312可以是绿色(g)，而第三颜色通道313可以是红色(r)。其他实施例可以使用另一组颜色通道(通常为三个或更多个)。包含所有三个颜色通道311
‑
313的多色光的波导的净输入fov303可以被称为多色fov或rgb fov，并被表示为fov
rgb
。它由波导210在所有三个颜色通道的输入fov 234的公共部分限定，其在图中表示为fov
b
、fov
g
和fov
r
：
[0088]
fov
rgb
＝fov
r
∩fov
g
∩fov
b
。
[0089]
fov
rgb 303从α2(λ
max
)延伸到α1(λ
min
)，其中λ
min
是输入光的最小波长，而λ
max
是输入光的最大波长。对于rgb光，λ
min
可以限定蓝色通道的短波长边缘，而λ
max
可以限定红色通道的长波长边缘。如从图4中可以清楚地看出，波导210的净多色fov(fov
rgb 303)在每个颜色通道处分别比fov 234窄得多，并且当α2(λ
max
)≤α1(λ
min
)时，对于小n，则可能消失。
[0090]
现在转到图5，示出了示例波导组件400，其由若干个彼此叠置的波导的堆叠组成，每个波导可以是图2a
‑
3b的波导210的实施例。波导组件400可以被配置成从目标fov 403收集由三个颜色通道组成的多色光401，并将收集的光以输出光411的形式传递到出射光瞳444。波导堆叠的多色fov由所有入射角α组成，对于该入射角α，输入光401的每个颜色通道
可以通过其中一个内耦合器耦合到该堆叠的至少一个波导中，然后通过其中一个外耦合器朝向出射光瞳444耦合出波导。通过在堆叠的三个波导中传播输入光401，波导组件400可以被配置为支持多色fov 403，多色fov 403在宽度上基本上等于或大于堆叠的任何一个波导的单色fov。
[0091]
在图5所示的示例中，波导组件400由三个波导组成，这三个波导被布置为形成具有第一波导421、第二波导422和第三波导423的3波导堆叠，其中第二波导422夹在波导421和423之间。这些波导中的每一个可以是波导210的实施例。小间隙425、426(例如空气间隙)可以将第一波导421与第二波导422分开，并将第二波导422与第三波导423分开；这些间隙可以促进每个波导中的内耦合光的tir条件。
[0092]
为了便于将输入光401耦合到波导中，第一波导421设置有可称为第一内耦合器的内耦合器431，第二波导422设置有可称为第二内耦合器的内耦合器432，而第三波导423设置有可称为第三内耦合器的内耦合器433。波导421、422和423被布置在堆叠中(其中内耦合器431、432和433光学对准)，使得输入光401的通过第一内耦合器431传输而没有耦合到第一波导421中的部分可以被接收到第二内耦合器431中，并且输入光401的通过第一内耦合器431和第二内耦合器432传输而没有耦合到第一波导421或第二波导422中的部分可以被接收到第三内耦合器431中。
[0093]
内耦合器431、432、433中的每一个可以是上文参考图2a
‑
3b描述的内耦合器230的实施例，并且可以是具有间距p
i
(i＝1、2或3)的衍射光栅的形式或包括该衍射光栅。这里，p1表示第一内耦合器431的光栅间距，p2表示第二内耦合器432的光栅间距，而p3表示第三内耦合器433的光栅间距。如上文参考波导210的输入fov 234所述，对于波导的给定折射率n，每个光栅间距p
i
限定了输入光的每个颜色通道的相应波导421、422或423的输入fov。在本文描述的示例实施例中，光栅以一阶操作，然而利用衍射光栅的更高阶衍射的实施例在本公开的范围内。在一些实施例中，每个光栅的一阶衍射效率可以例如在10％至50％的范围内，其中入射光的一部分(例如50％至90％)传输到堆叠中的下一个波导而没有被衍射。
[0094]
波导421、422、423中的每一个还可以包括从相应的内耦合器431、432或433横向偏移的外耦合器441、442或443。当内耦合器431、432在堆叠中光学对准时,外耦合器441、442、443可以与相应波导中的内耦合器相等地偏移，以便光学对准。外耦合器441、442、443中的每一个可以是上述波导210的外耦合器240的实施例。在下面参考图6描述的示例实施例中，外耦合器441、442、443中的每一个可以是与该波导的内耦合器具有相同间距的线性光栅的形式。
[0095]
在一些实施例中，波导组件400可以被配置成使得每个波导fov在角度空间中与不同颜色通道处的堆叠的目标多色fov 403对准。波导组件400还可以被配置为使得输入光401的每个颜色通道沿着不同的波导421、422或423到达出射光瞳444，使得每个波导传输单个颜色通道。例如，第一波导421可以被配置为捕获和引导从目标fov 403收集的输入光401的第一颜色通道311(例如蓝色)，第二波导422可以被配置为捕获和引导从目标fov 403收集的输入光401的第二颜色通道312(例如绿色)，而第三波导423可以被配置为捕获和引导从目标fov 403收集的输入光401的第三颜色通道313(例如红色)。可以选择每个内耦合器431、432、433的光栅间距p
i
(i＝1、2、3)以支持相应颜色通道的堆叠的目标多色fov 403。这可以通过选择三个波导421、422、423的内耦合器的光栅间距来实现，使得对于三个波导中
的每一个来说，内耦合器的光栅间距p
i
与相应颜色通道的中心波长的比率基本相同：
[0096][0097]
图6示意性地示出了如由三个波导的内耦合器限定的并且当等式(7)的条件成立时，波导组件400的三个波导在(α,λ)平面中的fov。如由第一输入耦合器431的光栅间距p1限定的第一波导421的fov被表示为fov1 451，其中相应的区域用实线勾勒出。如由第二输入耦合器432的光栅间距p2限定的第二波导422的fov被表示为fov2 452，其中相应的区域由短划线勾勒出。如由第三输入耦合器433的光栅间距p3限定的第三波导423的fov被表示为fov3 453，其中相应的区域由虚线勾勒出。
[0098]
第一颜色通道311处的第一波导421的fov(表示为451b)、第二颜色通道312处的第二波导422的fov(表示为452g)和第三颜色通道313处的第三波导423的fov(表示为453r)基本上对齐，其中它们的公共部分由单通道fov 451b、fov 452g和fov 453b中最窄的一个限定。在其中波导421、422、423中的每一个由折射率在各个通道之间变化不大的相同材料制成的实施例中，单通道fov 451b、fov 452g和fov 453b中的每一个可以具有大致相同的宽度，这限定了堆叠的目标多色fov 403的最大宽度。
[0099]
在一些实施例中，三个波导421、422和423的输入fov 451、fov 452和fov 453可以在一些颜色通道处部分重叠。因此，在顶部波导的内耦合器处以一定入射角接收的一个颜色通道的光可能潜在地耦合到两个或三个波导中。为了阻挡不期望的颜色通道沿着错误的波导到达出射光瞳444，在一些实施例中，波导堆叠400可以包括一个或更多个滤色器，该一个或更多个滤色器可以设置在间隙425、426中的一个或两个中、或者在内耦合器431
‑
433的位置处、或者在外耦合器441
‑
443的位置处。举例来说，在图5所示的实施例中，其中顶部波导421被配置为引导输入光401的蓝色通道“b”，其后是波导422，该波导422被配置为引导输入光401的绿色通道“g”，吸收蓝光的蓝色滤色器可以设置在第一波导421和第二波导422之间以阻挡蓝光进入第二内耦合器432，吸收绿光的绿色滤色器可以设置在第二波导422和第三波导423之间，以阻挡绿光进入第三内耦合器433。吸收红光的红色滤色器可以设置在第二波导422和第三波导423之间的外耦合器位置，以阻挡可能已经耦合到第二波导422中的红光到达出射光瞳444。
[0100]
在一些实施例中，如果波导堆叠被配置成允许至少一个颜色通道(例如第二颜色通道312)通过不同的波导到达出射光瞳444，则基本上相同的目标多色fov 403可以由仅由两个波导组成的波导堆叠支持。实际上，从图6可以推断出，如果fov1 451和fov3 453重叠，并且输入光401的第二颜色通道312被允许由波导421和423引导，则产生fov2 452的第二波导422可能是不必要的。
[0101]
参考图7，示出了波导组件500，其由具有第一内耦合器531和第一外耦合器541的第一波导521以及具有第二内耦合器532和第二外耦合器542的第二波导522组成。波导521、522被布置成形成2波导堆叠，其中内耦合器531与内耦合器532光学对准，并且外耦合器541与外耦合器542光学对准。可以在波导之间提供小间隙504来帮助tir。
[0102]
波导组件500被配置成将第二颜色通道312耦合到第一波导521和第二波导522中，使得第二颜色通道312可以在两个波导521、522中的任一个内被引导到出射光瞳555(这取决于入射角)。其中输入光的至少一个颜色通道被不同的波导引导到目的地的布置(在本文
被称为颜色交叉耦合)可以使得波导堆叠能够支持更宽的目标多色fov。
[0103]
在图8中，第一波导521和第二波导522的fov被示为坐标平面(α,λ)中的两个倾斜带区域551、552。在图6中用实线示意性地勾勒出的第一波导521的fov 551可被称为第一fov，并被表示为fov1或fov1(λ)。在图6中由点划线示意性地勾勒出的第二波导522的fov 552可被称为第二fov，并被表示为fov2或fov2(λ)。第一内耦合器和第二内耦合器531、532可以被配置为使得第一波导521的fov 551(fov 1)与第二波导522的fov 552(fov 2)部分重叠(限定重叠fov 556)。
[0104]
在一些实施例中，可以选择第二波导522的内耦合器532的光栅间距p2和第一波导521的内耦合器531的光栅间距p1，使得它们的比率p2/p1大于第二(g)颜色通道312和第一(b)颜色通道311的中心波长的比率λ2/λ1。在图8所示的实施例中，在第一颜色通道311处的fov1 551(551b)显示为与在第三颜色通道313(r)处的fov2 552(552r)对准(限定了波导堆叠500的多色fov 503)。在一些实施例中，第一内耦合器531的光栅间距p1和第二内耦合器532的光栅间距p2之间的以下关系可以成立：
[0105][0106]
其中的相等性可以理解为具有 \
‑
10％的准确度。
[0107]
在第二颜色通道312处，堆叠的目标多色fov 503与第一波导521和第二波导522的输入fov 551和552中的每一个部分重叠，使得在第二颜色通道处，第一波导521支持目标多色fov 503的第一部分561，而第二波导521支持目标多色fov 503的剩余部分562(有一些重叠)。因此，第一波导521和第二波导522组合起来在所有三个颜色通道处支持波导堆叠500的目标多色输入fov 450的全部范围。
[0108]
波导组件500可被视为波导组件400的变型，其中第二波导422被移除并用第三波导423代替。因此，第一波导521可以类似于波导组件400的第一波导421，其中内耦合器531被配置为在第一颜色通道311(b)处支持目标fov 503的整个宽度，并且在第二颜色通道312处支持目标fov 503的第一部分561，如图8所示。第二波导522可以类似于波导组件400的第三波导423，其中内耦合器532被配置为在第三颜色通道313(r)处支持目标fov 503的整个宽度，并且在第二颜色通道312处支持目标fov 503的第二部分562。
[0109]
在一些实施例中，波导组件500可以在第一波导521和第二波导522之间不存在滤色器。在一些实施例中，波导组件500可以至少不存在阻挡第二颜色通道的光的滤色器(例如不存在吸收绿色的滤色器)。在一些实施例中，被配置为阻挡第一颜色通道311的光的滤色器(未示出)(例如被配置为吸收蓝光的蓝色滤色器)可以被放置在第一波导521和第二波导522之间，以在波导组件中不存在吸收绿色的滤色器的情况下，阻挡没有耦合到第一波导中的第一颜色通道的光耦合到第二波导522中。
[0110]
在操作中，在目标fov 503内以入射角α0入射到第一内耦合器531的第一颜色通道311的光束401b至少部分地被第一内耦合器531耦合到第一波导521中，并且被第一波导中的tir引导朝向外耦合器541，该外耦合器541被配置为将光束401b解耦出该波导以传播到出射光瞳555。穿过第一波导521的第三颜色通道的光束401r至少部分地被第二内耦合器532耦合到第二波导522中，并且被第二波导中的tir引导朝向外耦合器542，该外耦合器542被配置为将光束401r重定向到出射光瞳555。在波导组件500中不存在绿色滤色器的情况
662的角宽度w12＝|α
11
(λ)
‑
α
22
(λ)|、w23＝|α
12
(λ)
‑
α
23
(λ)|与颜色通道311、312、313中的至少一个颜色通道处的fov2 652的角宽度w2＝|α
12
(λ)
‑
α
22
(λ)|相比足够小。
[0116]
波导组件600的多色fov 603的宽度可以通过适当地缩小共享fov部分fov12 661、fov23 662(诸如通过调整光栅间距比率p1/p3而不消除fov重叠)来增加。举例来说，波导621
‑
623的内耦合器和外耦合器可以被配置成使得共享fov部分fov21 661和fov23 662中的每一个的宽度(w12和w23)在三个颜色通道311、312、313之一处不超过fov2652的角宽度的20％。在示例实施例中，内耦合器631
‑
633可以被配置成使得w12和w23中的每一个在三个颜色通道311、312、313之一处不超过10
°
。在另一个实施例中，w12和w23中的每一个在三个颜色通道311、312、313之一处不超过5
°
。
[0117]
在一些实施例中，内耦合器和外耦合器可以被配置成使得第一波导621在第一颜色通道311处的fov(在图10中被表示为651b的fov1(λ1))延伸超过第三波导623在第三颜色通道313处的输入fov(在图10中被表示为653r的fov3(λ3))，在这种情况下，波导组件的多色fov603可以比单色波导fov(fov1(λ1)或fov3(λ3))中的任一个宽。这可以对应于条件|α
11
(λ1)|>|α
13
(λ3)|，或者配置内耦合器631、633的衍射光栅，使得
[0118][0119]
波导组件600然后可以被配置成使得输入光401的第三颜色通道313(其可以对应于rgb光的红色分量)部分耦合到第二波导622中，并且部分耦合到第三波导623中(这取决于输入光401的第三颜色通道313在组件的多色fov 603内的入射角)。
[0120]
在一些实施例中，波导621、622、623的内耦合器光栅和外耦合器光栅还可以被配置成使得第二颜色通道312处的多色fov 603可以部分地由第二波导的fov(fov 2)支持，并且部分地由第三波导的fov(fov 3)支持。因此，取决于入射角，输入光401的第二颜色通道312可以部分地通过第二波导622并且部分地通过第三波导632传输到出射光瞳644。第一颜色通道311处的多色fov 603可以部分地由第二波导的fov(fov 2 652)支持并且部分地由第一波导的fov(fov 1 651)支持。因此，取决于入射角，输入光401的第一颜色通道311可以部分地通过第二波导622和部分地通过第一波导631传输到出射光瞳644。
[0121]
在图10所示的实施例中，在第二颜色通道312处的fov2 652(在图中以652g表示)偏离在第三颜色通道313处的fov1 651(在图中以651r表示)，并且在第一颜色通道311处的fov1 651(在图中以651b表示)偏离在第二颜色通道312处的fov2 652(在图中以652g表示)。这可以对应于配置内耦合器631、632、633的衍射光栅，使得
[0122][0123]
其中k1和k2是可以各自大于1的数值系数。在一些实施例中，k1和k2中的每一个可以是大约1.2或更大。在一些实施例中，k1可以不同于k2。在由等式(10)限定的条件下，波导组件600的三个波导中的每一个波导可以捕获从多色fov 603接收的输入光的两个颜色通道并将其传输到出射光瞳644，从而支持多色fov 603，该多色fov 603在三个颜色通道311
‑
313中的任何一个处比每个波导的fov更宽。
[0124]
在一些实施例中，波导组件600可以在波导621和623之间不存在滤色器，使得输入光的三个颜色通道中的任何一个颜色通道或者颜色通道中的至少两个颜色通道可以通过
在三个波导中的至少两个波导中传播而到达出射光瞳644。在一些实施例中，可以在间隙625、626中的一个或两个中设置一个或更多个滤色器，以便通过特定波导阻挡特定颜色通道到达出射光瞳644，同时通过在三个波导621、622、623中的至少两个波导中传播每个颜色通道来允许颜色通道中的至少两个颜色通道到达出射光瞳644。例如，在一些实施例中，蓝色阻挡滤色器671可以放置在间隙626中，以阻挡蓝光进入可以被配置用于红色通道和绿色通道的第三波导623。在一些实施例中，堆叠中的波导621
‑
623的顺序可以不同于图9所示的顺序。
[0125]
上文参照图7
‑
10描述的类型的波导组件(其中在目标多色fov中接收的至少一个颜色通道可以通过两个或更多个波导传输到出射光瞳)可以在波导显示器(诸如ned)中提供显著的优势。实际上，在一些实施例中，它们能够用更少的波导来支持目标fov，从而使波导组件更薄和/或更轻。举例来说，具有波导(其具有折射率)的图7的波导组件500可以被配置为仅用两个波导来提供大约40
°
的目标fov，从而实现更薄的组件。在本说明书的上下文中，“大约(about)”、“基本上”和“大约(approximately)”可以意为 \
‑
10％。同样通过示例的方式，具有波导(其具有折射率)的图9的波导组件600可以被配置为支持可以比用单色波导宽20％至90％的目标fov(例如对于1d实施例高达80
°
)，或者具有较轻波导(其具有折射率)的大约40度的目标fov，从而减轻组件的重量。
[0126]
在图4、图6、图8和图10中，为了说明的目的，单个波导的fov的边缘用平行直线示意性地表示。尽管可以理解，fov边缘角α1(λ)和α2(λ)通常是波长的非线性函数。图11示出了对于n＝1.8的波导组件600的实施例的各个波导的输入fov(fov1、fov2和fov3)的仿真结果，并且内耦合器被配置为针对1d传播提供80
°
的目标fov，如在图中由矩形681所示。fov1的fov边缘用实线示出，fov2的fov边缘用短划线示出，而fov3的fov边缘用虚线示出。图11还示出了在两个波导之间共享的fov部分(fov12 611和fov23 662)，在输入光的光谱的短波长范围变得更窄。
[0127]
图4
‑
11描述了当入射角在一个平面(例如(y,z))上变化时示例实施例在一维上的操作，并且fov是相对于一个入射角限定的，因此可以被称为1d fov。它们可以直接涉及当每个波导的内耦合器和外耦合器是具有共线光栅矢量g0、g1的线性光栅的形式时的实施例，该共线光栅矢量g0、g1可以具有基本相同的幅度(如由它们各自的间距所限定的)。
[0128]
在一些实施例中，输入光可以在在波导组件不同的入射平面中被引导。在这样的实施例中，相关fov可以在二维(2d)角度空间中限定。这样的2d fov可以例如根据水平的fov和垂直的fov(或者x
‑
fov和y
‑
fov)来描述。此外，在一些实施例中，输出耦合器可以包括两个或更多个具有不同定向的光栅矢量的线性光栅、或者可以由两个或更多个叠加的线性光栅组成的2d光栅或者它们的组合。
[0129]
参照图12，在平面图中示出了2d波导810，该2d波导810具有输入线性光栅形式的内耦合器830和由彼此成一定角度定向的两个输出线性衍射光栅841和842组成的外耦合器840。在一些实施例中，光栅841和842可以是形成在波导的相对面的线性衍射光栅。在一些实施例中，它们可以在波导的任一面或其体中彼此叠加，以形成2d光栅。从波导的fov入射到内耦合器830上的光801可以被内耦合器830耦合到波导中，以朝向外耦合器840传播，在波导的平面中尺寸扩大，如内耦合光线811a和811b所示。光栅841、842被配置为使得从它们
中的每一个离开的连续衍射将内耦合光重定向出波导。光线811a可以是内耦合光的光线，其在进入外耦合器840所处的波导区域时，首先被第一光栅841衍射，然后在波导内传播一定距离后被第二光栅842衍射出波导。光线811b可以是内耦合光的光线，其首先被第二光栅842衍射，然后被第一光栅841衍射出波导。在外耦合光具有最佳特性的地方(例如在它具有用于观看的期望尺寸的地方)指示适眼区投射区域850；它通常位于离内耦合器830一定距离处。
[0130]
参照图13，内耦合光的tir条件可以由(k
x
,k
y
)平面中的环900图形表示，其中k
x
和k
y
表示光波矢量k＝(k
x
,k
y
)在波导平面上投影的坐标：
[0131]
和
[0132]
这里n
m
是光在其中传播的介质的折射率，并且角度θ
x
和θ
y
限定了光在波导平面中的x轴和y轴上投影的传播方向；这些角度还可以表示角度空间的坐标，其中可以限定波导的2d fov。(k
x
,k
y
)平面在本文还可以被称为k空间，而波矢量k＝(k
x
,k
y
)被称为k矢量。
[0133]
tir环900是由表示临界tir角β
c
的tir圆901和对应于最大内耦合角β
max
的最大角度圆902界定的k空间的区域。tir圆901内的状态表示未耦合的光，即入射到内耦合器830上的入射光或通过外耦合器光栅841、842之一耦合出波导的光。标记为g0、g1和g2的箭头分别表示内耦合器830的光栅矢量、第一外耦合器光栅841的光栅矢量和第二外耦合器光栅842的光栅矢量。在图中，它们形成了两个闭合的三角形，该三角形描述了k空间中的两个可能的路径，入射光在被三个光栅中的每一个光栅衍射一次后，可以沿着该两个可能的路径返回到k空间中的相同状态，从而保持了从波导的输入到输出的角度空间中的传播方向。每个衍射可以由相应的光栅矢量表示为(k
x
,k
y
)平面上的位移。区域920、930组合起来表示波导在(k
x
,k
y
)平面中的fov，并且可以分别被称为第一部分fov区域和第二部分fov区域。它们由内耦合器光栅和外耦合器光栅以及波导的折射率限定，并且表示在输入光栅830上连续衍射和在输出光栅841、842之一上第一次衍射之后、以及在两个输出光栅中的另一个上随后衍射之后返回到环900的内部盘中的相同(k
x
,k
y
)位置的留在环900内的光(表示未耦合光)的所有k矢量。第一部分fov区域920可以通过识别通过在输入光栅830、第一输出光栅841和第二输出光栅842上的连续衍射而成像到其自身的所有(k
x
,k
y
)状态来确定，每个状态可以由相应的光栅矢量表示为(k
x
,k
y
)平面中的移位。第二部分fov区域930可以通过识别通过输入光栅830、第二输出光栅842和第一输出光栅841上的连续衍射而成像到其自身的所有(k
x
,k
y
)状态来确定。
[0134]
图14通过示例的方式说明了在特定波长λ的角度空间中波导810的第一部分fov和第二部分fov 920、930，其中水平轴和垂直轴分别表示输入光在x轴方向和y轴方向上的入射角θ
x
和θ
y
(两者都以度为单位)。(0,0)点对应于垂直入射。组合起来，部分fov 920、930限定了波长λ处的波导810的全fov 950，其包含可以传送给用户的所选择的颜色或波长的输入光的所有入射光线。在一些实施例中，适合在全fov 950内的矩形区域955可以限定波导的有用的单色fov。
[0135]
角度空间中每个部分fov 920、930的位置、大小和形状以及因此的波导的全2d fov取决于输入光的波长λ、输入光栅和输出光栅的间距p0、p1和p2与入射光的波长λ的比率以及光栅的相对定向。因此，通过选择光栅的间距大小和相对定向，波导的2d fov可以被适
1050的第二部分1021g(图15e)接收的另一绿色光束通过波导wg2传输到适眼区。在其他实施例中，wg2可以是堆叠中面向光源的顶部波导。
[0141]
图15a
‑
15e示出了根据示例实施例的两个波导的2d fov，这两个波导具有由两个线性衍射光栅组成的外耦合器，这两个线性衍射光栅可以被叠加或可以不被叠加。在其他实施例中，能够支持2d fov的相同或类似波导可以被组合以形成三波导堆叠，通常如上文参考图9所述。这样的波导可以被配置为使得每个颜色通道的光被通过不同的波导传送到出射光瞳，如上文针对1d波导参考图10和图11所一般性描述的。在一些实施例中，堆叠的第一波导可被配置为传输从图像光源接收的图像光的蓝色通道和绿色通道，堆叠的第二波导可被配置为传输接收的光的蓝色通道、绿色通道和红色通道，而堆叠的第三波导可被配置为传输绿色通道和红色通道。通过根据入射方向使每个通道的入射光能够被捕获并传输到两个不同波导内的出射光瞳，三个波导的组合可以支持多色fov，其在至少一个维度上(即沿着x
‑
fov轴或y
‑
fov轴)比三个通道中任一个处的任何一个波导的fov更宽。
[0142]
图16示意性地示出了双目近眼显示器(ned)1100的示例布局，该双目近眼显示器(ned)1100包括由一个框架或多个框架1115支撑的两个波导组件1110a、1110b。波导组件1110a、1110b中的每一个被配置为将图像光从显示投影仪1160a或1160b传送到用户的不同眼睛。每个波导组件1110a、1110b包括内耦合器1130a、1130b和外耦合器1140a、1140b，其中每个内耦合器与相应的外耦合器竖直对准。在一些实施例中，波导组件1110a、1110b可以是如上所述的具有两个或更多个波导的波导堆叠的形式，并且可以被配置为在波导之间提供颜色交叉耦合(如上所述)。在一些实施例中，堆叠的每个波导可以是上面参考图12描述的波导810的实施例。在其他实施例中，波导组件1110a、1110b中的每一个可以由单个波导形成。每个内耦合器1130a、1130b可以是具有光栅矢量g0的线性光栅的形式，对于堆叠的每个波导，光栅矢量g0可以被相同地定向，但是长度不同，如由相应光栅的光栅间距所限定的。在一些实施例中，可以选择堆叠中各个波导的内耦合器的光栅间距，以在波导之间提供颜色交叉耦合，例如，如上文参考图7
‑
11和图15a
‑
15f所述。每个外耦合器1040a、1040b可以是两个1d光栅的形式，其中各自光栅的光栅矢量g1和g2彼此成一定角度定向。这些光栅可以设置在每个波导的相对面处，或者在波导面之一处叠加。对于每个波导，外耦合器光栅矢量g1和g2的长度可以不同，与相应的内耦合器匹配。
[0143]
每个外耦合器1140a、1140b包括适眼区投射区域1151a、1151b，该适眼区投射区域还可以被称为波导的出射光瞳，并且在操作中图像光从该适眼区投射区域被投射到用户的眼睛。适眼区是可以向用户的眼睛呈现高质量图像的几何区域，并且在操作中用户的眼睛期望位于该几何区域。适眼区投射区域1151a、1151b可以设置在连接它们的中心的轴1101上。轴1101可以适当地与佩戴ned的用户的眼睛对准，或者至少平行于连接用户眼睛的线，并且可以被称为水平轴(x轴)。在图示的实施例中，内耦合器1130a、1130b垂直地设置在相应的适眼区投射区域1151a、1151b上，沿着竖直维度(y轴)具有偏移1103，该偏移例如可以在20
‑
40mm的范围内。该偏移可以导致竖直维度中的ned的相对大的尺寸，这可能是不希望的。
[0144]
图17a以平面图示意性示出了波导组件1210的示例布局。波导组件1210可以是两个或更多个波导的堆叠的形式、或者包括两个或更多个波导的堆叠。在该实施例中，分别以1230和1240表示的波导的内耦合器和外耦合器水平偏移，这增加了组件水平维度的尺寸，
但是减少了组件在竖直维度的尺寸。每个内耦合器1230可以是具有光栅矢量g0的1d光栅的形式，对于叠层的每个波导，光栅矢量g0可以是被相同地定向，但是长度不同，如由各自的光栅的光栅间距限定的。每个外耦合器1240可以是两个1d光栅的形式，其中各自的光栅的光栅矢量g1和g2彼此成一定角度定向。这些光栅可以设置在每个波导的相对面处，或者在波导面之一处叠加以形成2d光栅。对于每个波导，外耦合器光栅矢量g1和g2的长度可以不同，与相应的内耦合器匹配。对于堆叠的每个波导，内耦合器的光栅和外耦合器的光栅可以被配置为满足图17b所示的矢量图。在一些实施例中，可以选择堆叠中的各个波导的内耦合器和外耦合器的光栅间距，以在波导之间提供彩色交叉耦合，例如如上文参考图7
‑
11和图15a
‑
15f所述。适眼区投射区域1250水平偏离内耦合器1230。
[0145]
图17c示意性地示出了利用由框架1215支撑的两个波导组件1210a、1210b的ned 1200(每个波导组件用于用户的一只眼睛)。波导组件1210a、1210b具有图17a所示的布局，其中内耦合器1230a和1230b水平设置在外耦合器1240a和1240b之间，并且以相同的水平轴为中心。波导组件1210a、1210b(波导组件1210a、1210b中的每一个都可以是波导组件1210的实施例，对于每只眼睛具有相同的内外耦合器布局)可以被配置为使得适眼区投射区域1251a、1251b位于用户眼睛的前方。内耦合器1230a、1230b可以设置有公共微显示投影仪或两个单独的微显示投影仪1060，其可以被设置为向相应的内耦合器1230a或1230b投射图像光。通过将内耦合器1230a、1230b设置在外耦合器1240a、1240b的侧面，ned 1200可以在竖直维度上小于ned 1100，这可以更好地适合于人脸。在所示的实施例中，内耦合器1230a、1230b设置在外耦合器1240a、1240b的近侧，并位于外耦合器1240a和1240b之间。在该实施例的变型中，内耦合器1230a和1230b可以设置在各自的外耦合器1240a和1240b的相对侧，使得外耦合器1240a和1240b位于内耦合器1230a和1230b之间。
[0146]
图18a示意性地以平面图示出了根据实施例的波导组件1310的示例布局。在这种布局中，一个内耦合器或多个内耦合器1330与一个外耦合器或多个外耦合器1340的适眼区投射区域1350对角偏移(即在水平维度上和竖直维度上偏移)，并且设置在外耦合器的较小侧。波导组件1310可以是两个或更多个波导的堆叠的形式、或者包括两个或更多个波导的堆叠，每个波导具有相应的内耦合器1330和外耦合器1340。每个内耦合器1230可以是具有光栅矢量g0的1d光栅的形式，对于叠层的每个波导，光栅矢量g0可以是被相同地定向，但是长度不同，如由各自的光栅的光栅间距限定的。在一些实施例中，可以选择堆叠中各个波导的内耦合器的光栅间距，以在波导之间提供颜色交叉耦合，例如，如上文参考图7
‑
11、图15a
‑
15e所述。每个外耦合器1340可以是两个线性光栅的形式，其中各自的光栅的光栅矢量g1和g2彼此成一定角度定向。这些光栅可以设置在每个波导的相对面处，或者在波导面之一处叠加。对于每个波导，外耦合器光栅矢量g1和g2的长度可以不同，与相应的内耦合器匹配。对于堆叠的每个波导，内耦合器的光栅和外耦合器的光栅可以被配置为满足图18b中所示的矢量图，其中内耦合器光栅1330的光栅矢量g0与适眼区投射区域1350的水平轴1250成角度γ定向。在一些实施例中，γ小于45度，并且可以例如在10度至40度的范围内，其中外耦合器1330位于外耦合器1340的较小侧。
[0147]
图18c示意性地示出了利用由框架1315支撑的两个波导组件1310a、1310b的ned 1300(每个波导组件用于用户的一只眼睛)。波导组件1310a、1310b具有图18a所示的布局，其中内耦合器1330a和1330b与各自的外耦合器1340a、1340b的适眼区投射区域1351a、
1351b对角偏移。在图示的实施例中，内耦合器1330a、1330b位于外耦合器1340a和1340b之间，并且在水平轴1301上方，在水平轴1301上设置有适眼区投射区域1351a、1351b。在其他实施例中，内耦合器1330a、1330b可以大致位于外耦合器1340a和1340b之间，并且在适眼区投射区域的水平轴1301下方。在一些实施例中，内耦合器1330a、1330b可以位于外耦合器1340a和1340b的相对侧，在水平轴1301的上方或下方，其中外耦合器通常位于内耦合器之间。这样的布局(其中内耦合器与外耦合器的适眼区投射区域对角偏移，并且至少部分地位于外耦合器的竖直范围内)可以具有内耦合器和相关联微显示器1360相对于人脸特征来说更小的竖直维度和更符合人体工程学的定位的优点。
[0148]
可能期望的是，入射到彼此平行的波导组件上的任何两条输入光线还将全部作为平行光线通过外耦合器离开波导组件。对于主要相对面彼此完全平行的波导，这可以通过将外耦合器的衍射光栅与内耦合器的衍射光栅适当匹配来实现，例如满足同一波导的内耦合器的光栅矢量和外耦合器的光栅矢量的零和(sum
‑
to
‑
zero)条件(5)。
[0149]
参考图19，示出了波导堆叠组件的一部分，其中第一波导1410设置在第二波导1420上，每个波导包括成对光学对准的内耦合器和偏移外耦合器。波导1410、1420可以各自是上文描述的可用于将图像光传送到显示系统的出射光瞳的任何波导的实施例。然而，在实际实施方式中，波导堆叠中的波导1410、1420中的每一个的主面1411、1412和1421、1422可能不完全彼此平行。在图19中，这种非理想性用相应波导的相对面之间的非零楔角γ1和γ2来表示。两个波导的这些楔角可能不同(γ1≠γ2)，导致外耦合器的出射角θ
e1
和θ
e2
不同。由于内耦合器1431、1432被配置为支持不同的输入fov，例如具有不同的光栅间距，特定颜色通道的光束1401将被内耦合器以不同的角度衍射到波导中，并且将在它们到达相应波导的外耦合器的途中经历离开波导面的不同数量的tir反射。因此，耦合到波导1410、1420中的特定颜色通道的光束将以不同的出射角θ
e1
和θ
e2
离开这些波导。这些出射角可以基于楔角和内耦合光线在每个波导中经历的反弹(bounce)次数n1、n2来估计。它们之间的角度偏移δθ可以估计为
[0150]
δθ＝|θ
e1
‑
θ
e2
|＝|n1·
γ1/2
‑
n2·
γ2/2|
[0151]
对于薄波导，每个波导中的反弹次数n
i
可能很大，使得即使小的楔角也可能导致相同颜色的出射光线之间相当大的角度偏移δθ。根据波导制造公差，离开不同波导的同色光束之间的这种不希望的角度偏移可能容易超过波导显示器(诸如ned)中可以允许的角度不准确度。如果满足以下条件，则出射角θ
e1
和θ
e2
可以在理论上匹配：
[0152]
n1·
γ1＝n2·
γ2[0153]
然而，基于楔角选择波导对在技术上可能是复杂的。此外，使用传统技术制造的波导(诸如玻璃平板波导)的楔角可能以可能难以预测或测量的方式在波导中变化。
[0154]
因此，本公开的方面提供了一种用于制造波导堆叠的方法，其中通过将颜色通道耦合到两个或更多个波导中来支持堆叠的多色fov，并且其中形成叠层的波导被选择为关于出射角匹配。
[0155]
在至少一些实施例中，该方法可以包括提供(例如通过获取或产生)多个第一波导和多个第二波导，每个波导包括内耦合器和偏移外耦合器。内耦合器和外耦合器对于每个第一波导可以是名义上相同的第一相应配置，而对于每个第二波导可以是名义上相同的第二相应配置。因此，每个第一波导可以名义上由第一fov表征，而每个第二波导可以名义上
由不同的第二fov表征。每个第一波导可以被配置用于在波导堆叠中传输第一颜色通道(例如蓝色)，并且每个第二波导可以被配置用于传输第二颜色通道或第三颜色通道中的至少一个(例如绿色或蓝色中的至少一个)。
[0156]
第一波导可以是例如波导521或621、或者是波导810的第一(wg1)实施例，而第二波导可以是例如波导522或622、或者是波导810的第二(wg2)实施例。第一波导的fov和第二波导的fov可以各自支持堆叠的目标多色fov的至少一个颜色通道(例如绿色)，并且至少部分重叠以限定第一共享fov(例如如图8中的556或图10中的661所示)。
[0157]
在一些实施例中，该方法还可以包括在波导堆叠中将来自多个第一波导的第一波导与来自多个第二波导的第二波导组合，该第二波导关于光出射角与第一波导匹配。这可以包括将第一波导定位在第二波导上，以便允许在第一波导和第二波导之一的输入耦合器处接收的第二颜色通道的光通过其输入耦合器至少部分耦合到第一波导和第二波导中的另一个中。
[0158]
参考图20和图21，以上总体上概括的波导堆叠的制造过程可以包括用于为波导堆叠选择波导的方法1500，该方法1500又可以包括：(1510)确定在多个第一波导和多个第二波导中的每个波导的参考光束1501的出射角θ
e
，以及(1520)为堆叠选择具有匹配的出射角θ
e
的第一波导中的一个和第二波导中的一个。步骤1520可以包括选择第一波导和第二波导，对于第一波导和第二波导，在步骤1510测量的出射角与期望的准确度匹配，即相差不超过阈值角度误差δθ
th
。在一些实施例中，该阈值角度误差可以对应于显示系统中电子显示器的像素间距的一部分(例如，像素间距的四分之一)对着的角度，在该显示系统中将使用波导堆叠。在一些实施例中，δθ
th
可以在0.1
°
和0.001
°
之间的范围内。举例来说，δθ
th
＝ \
‑
0.5弧分。步骤或操作1510可以包括以参考角度将参考光束投射到被测试的波导的内耦合器上，该参考角度对于每个第一波导和第二波导可以是相同的。
[0159]
在一些实施例中，导向每个第一波导或第二波导的内耦合器的参考光束1501可以处于预期操作的光谱中间的颜色通道内(例如在上文描述的第二颜色通道312内)的波长。为了清楚起见，下面描述的示例实施例将参考rgb光来描述，对于rgb光，测试光束1501可以是绿色光束(g)。然而，该方法不限于此，并且基于本描述，对其他配色方案的扩展或者不同颜色或者不同的多个颜色的参考光束的使用将是明显的。
[0160]
参考图21，示例波导测试装置1580可以包括用于将待测试的波导保持在预定位置的支撑件1521，其中为了说明起见，示出了波导1550。还可以包括光源1505，其被配置为发射处于测试波长λ
t
的参考光束1501，参考光束1501以期望的测试角度α
t
照射在被测试的波导1550的内耦合器1531上。测试波长λ
t
还可以称为第一参考波长。检测器1515可以被设置成在参考光束在被测试的波导1550中传播并通过波导外耦合器1541从波导离开之后接收参考光束或其至少一部分。光源1505可以是例如但不限于基于led或基于激光的光源；通常可以使用能够以期望的参考波长发射准直光束1501的任何光源。检测器1515例如可以是具有足够分辨率的检测器阵列的形式，并且被定位以便能够分辨出射角θ中优选小于δθ
th
的变化。
[0161]
在待测试的波导旨在用于1d操作的实施例中，检测器1515可以是线性检测器阵列的形式。在被测试的波导旨在用于2d操作的实施例中，检测器1515可以是2d检测器阵列的形式，并且装置1580可以被配置为测量两个不同平面中的出射角θ，例如，它可以被配置为
测量(x,z)平面中的出射角θ
x
和(y,z)平面中的出射角θ
y
，其中z轴垂直于波导指向出射光瞳。
[0162]
参考图22，示出了方法1600的流程图，该方法1600用于为具有颜色交叉耦合的波导堆叠选择一对波导，这可以被视为方法1500的实施例。在方法1600之前可以是提供(例如通过获取或制造)多个第一波导和多个第二波导，每个波导包括内耦合器和外耦合器，如上所述。内耦合器和外耦合器对于每个第一波导可以具有名义上相同的第一配置，而对于每个第二波导可以具有名义上相同的第二配置。
[0163]
第一波导和第二波导可以是例如波导521和522、621和622或者622和623、或者上文参照图15a
‑
15f描述的波导wg1和wg2。第一波导的内耦合器和外耦合器可以限定第一fov(诸如图8或图10的fov1)，其在第一颜色通道和第二颜色通道(例如蓝色和绿色)处至少部分地与堆叠的目标多色fov重叠。第二波导的内耦合器和外耦合器可以限定第二fov(诸如图8或图10的fov2)，其在第二颜色通道和第三颜色通道(例如绿色和红色)处至少部分地与堆叠的目标多色fov重叠。第二fov至少在第二颜色通道(例如绿色)中与第一fov部分重叠，以限定第一共享fov(例如如图8中的556或图10和图11中的661所示)。
[0164]
根据实施例，方法1600可以包括以下步骤或操作：(1601)测量对于来自多个第一波导的第一波导中的每一个来说参考光束的出射角θ
e
；(1602)基于测量的出射角θ
e
，将第一波导中的每个或至少一些分配给多个第一仓中的一个；(1603)测量对于来自多个第二波导的第二波导中的每一个来说参考光束的出射角θ
e
；(1604)基于测量的出射角θ
e
，将第二波导中的每个或至少一些分配给多个第二仓中的一个；以及，从匹配的第一仓和第二仓(即对应于出射角的匹配范围的仓)中选择第一波导和第二波导。
[0165]
步骤或操作1601和1603可以包括以相同的参考入射角α
t
用相同颜色或相同参考波长的参考光束1501照射被测试的波导的内耦合器。参考光束可以被选择以便在第一波导和第二波导的输入fov的共享部分内(诸如图8中的563或图10中的661所示)。举例来说，参考光束1501可以是垂直入射到波导的绿色光束。
[0166]
步骤或操作1602、1604可以包括根据出射角的测量值将波导分配到不同的逻辑仓，和/或基于测量的出射角将波导放置到不同的物理仓(例如不同的容器)中。举例来说，在步骤或操作1602中，具有在范围[θ
min
,θ
min
δθ
th
)内测量的θ的第一波导可被分配给仓(a,1)，具有在范围[θ
min
δθ
th
,θmin 2δθ
th
)内测量的出射角θ的第一波导可被分配给仓(a,2)，以此类推，使得具有在范围[θ
min
(i
‑
1)
·
δθ
th
,θ
min
i
·
δθ
th
)内测量的θ的第一波导被分配给仓(a,i)；这里，θ
min
可以是在特定实施例中可以支持的最小出射角，并且“a”是指示第一波导的标签。类似地，在步骤或操作1604中，具有在范围[θ
min
,θ
min
δθ
th
)内测量的θ的第二波导可被分配给仓(b,1)，具有在范围[θ
min
δθ
th
,θmin 2δθ
th
)内测量的θ的第二波导可被分配给仓(b,2)，以此类推，使得具有在范围[θ
min
(i
‑
1)
·
δθ
th
,θ
min
i
·
δθ
th
)内测量的θ的第二波导可被分配给仓(b,i)；这里“b”是指示第二波导的标签。在步骤或操作1605中，具有匹配角度指示符“i”的来自仓(a,i)的一个波导和来自仓(b,i)的一个波导可以被选择作为波导堆叠的第一波导和第二波导。应当理解，可以以各种方式标注或标记仓，以唯一地指示波导的类型(即其在波导堆叠中的预期位置和测量的出射角的范围)。
[0167]
被配置用于测试2d波导的方法的实施例可以包括沿着两个维度测量参考光束的出射角(例如出射角θx和θy)，记录所测量的出射角θx和θy，并且选择在θx和θy处以预定准
确度彼此匹配的第一波导和第二波导。
[0168]
方法1600可以直接扩展到具有颜色交叉耦合的三波导堆叠的一些实施例，对于这些实施例，堆叠的所有三个波导的fov在颜色通道之一处共享公共fov部分。在这样的实施例中，相同参考波长或颜色和相同参考入射角的参考光束1501可以用于堆叠的第一波导、第二波导和第三波导，并且类似于第一波导和第二波导，可以基于出射角将第三波导装仓。在这样的实施例中，方法1600可以使用三组仓，并且步骤或操作905可以包括从第三组仓中的匹配仓中选择波导，其中匹配基于出射角θ。
[0169]
在例如图9和图10中所示的三波导堆叠组件的一些实施例中，目标多色fov的任何部分都不能在图像光的任何颜色通道处被所有三个波导支持，因此可能没有特定颜色或波长的单个参考光束(其可以以相同的角度耦合到堆叠的三个波导中的每一个波导中)。在这样的实施例中，该方法可以包括使用两种不同的参考光束，其可以具有两种不同的颜色(即两个不同的参考波长)和/或可以以不同的角度入射；第一参考光束可用于匹配第一波导和第二波导，而第二参考光束可用于匹配堆叠的第二波导和第三波导。该方法然后可以包括，例如，a)从一组第二波导中选择第二波导；b)从一组第一波导中选择关于测量的第一出射角匹配第二波导的第一波导；以及c)从一组第三波导中选择关于测量的第二出射角匹配第二波导的第三波导。
[0170]
参考图23，示出了方法1610的流程图，该方法1610用于为具有颜色交叉耦合的三波导堆叠选择第一波导、第二波导和第三波导，这可以被视为方法1500的实施例。方法1610的实施例可以用于1d波导和2d波导。
[0171]
方法1610之前可以是提供(例如获取或制造)多个第一波导、多个第二波导和多个第三波导，每个波导包括内耦合器和外耦合器，如上所述。内耦合器和外耦合器对于每个第一波导可以具有名义上相同的相应第一配置，对于每个第二波导可以具有名义上相同的相应第二配置，而对于每个第三波导可以具有名义上相同的相应第三配置。第一波导可以被配置为具有第一fov(例如图10的fov1 651)，第二波导可以被配置为具有第二fov(例如fov2 652)，并且第三波导可以被配置为具有第三fov(例如fov3 653)。第一波导的fov和第二波导的fov(fov1和fov2)可以部分重叠以限定第一共享fov(诸如图10中所示的共享fov部分661)。第二波导的fov和第三波导的fov(fov2和fov3)可以部分重叠以限定第二共享fov(例如图10中所示的共享fov部分662)。
[0172]
方法1610可以包括：(1611)用第一波导和第二波导的fov的共享部分内的第一参考光束照射在该一组第一波导和该一组第二波导中的每个波导的输入耦合器；(1612)对于在该一组第一波导和该一组第二波导中的每个波导，测量从其外耦合器离开的第一参考光束的出射角，并将每个波导的一个或多个测量角度记录为一个或多个第一出射角θ
e1
；(1613)用第二波导和第三波导的fov的共享部分内的第二参考光束照射在该一组第二波导和该一组第三波导中的每个波导的输入耦合器；(1614)对于来自该一组第二波导和该一组第三波导的每个波导，测量从其外耦合器离开的第二参考光束的出射角，并将每个第二波导和第三波导的一个或多个测量角度记录为一个或多个第二出射角θ
e2
；(1615)选择具有与预定义的准确度相匹配的一个或多个第一出射角θ
e1
的第一波导和第二波导；以及(1616)对于在1615选择的第二波导，从该一组第三波导中选择第三波导，该第三波导在预定义的准确度内相对于一个或多个第二出射角θ
e2
与所选择的第二波导相匹配。
[0173]
在一些实施例中，步骤或操作(1612)可以包括基于所测量的一个或多个第一出射角θ
e1
将每个或至少一些第一波导分配给在一组第一仓中的仓，以及基于所测量的一个或多个第一出射角θ
e1
将每个第二波导分配给在一组第二仓中的仓。步骤或操作(1614)可以包括基于测量的一个或多个第二出射角θ
e2
将每个或至少一些第三波导分配给在一组第三仓中的仓。它还可以包括识别该一组第二仓的每个仓中的波导的第二出射角θ
e2
的范围。步骤或操作1615可以包括分别从第一仓和第二仓中选择关于一个或多个第一出射角θ
e1
匹配的第一波导和第二波导。步骤或操作1616可以包括从关于第二出射角θ
e2
匹配所选择的第二仓的第三仓中选择第三波导。所选择的第一波导、第二波导和第三波导然后可以被组合以形成波导堆叠，该波导堆叠在波导之间具有颜色交叉耦合并且具有目标多色fov，该目标多色fov在至少两个颜色通道的每一个中由至少两个波导支持。
[0174]
在一些实施例中，第一参考光束和第二参考光束可以是以两个不同的角度α
t1
和α
t2
入射到被测试的波导1550的内耦合器上的相同颜色或波长的光束。第一测试入射角α
t1
可以在所选择的颜色通道处的第一波导和第二波导的共享fov部分(例如图10中第二颜色通道312处的共享fov661)内。第二测试入射角α
t2
可以在所选择的颜色通道处的第二波导和第三波导的共享fov部分(例如第二颜色通道312处的共享fov 662)内。在预期操作的光谱中间的颜色通道(诸如图10中的通道312)中，选择参考光束的波长可能是有利的。举例来说，在一些实施例中，第一参考光束可以是以与法线成
‑
10
°
的入射角入射到被测试的波导的内耦合器上的绿色光束，而第二参考光束可以是以与法线成 10
°
的入射角入射到被测试的波导的内耦合器上的绿色光束。应当理解，测试角度α
t1
、α
t2
的 \
‑
10
°
值仅作为示例，并且在不同的实施例中可以不同，并且应该在多色fov的一部分中选择，该多色fov由所选择的颜色通道中的第一波导和第二波导或者所选择的颜色通道中的第二波导和第三波导支持。
[0175]
在一些实施例中，第一参考光束和第二参考光束可以是不同颜色或波长的光束，它们可以以相同的入射角或不同的入射角入射到被测试的波导1550的内耦合器上。第一参考光束可以是第一颜色通道(例如蓝色)中的第一参考波长的光束。第二参考光束可以是第二参考波长的光束，其例如可以属于第三颜色通道(例如红色)。第一参考光束和第二参考光束可以以相同的入射角被导向被测试的波导的内耦合器。举例来说，对于三波导堆叠(针对其在图11中示出了三个波导的输入fov)的实施例，第一参考光束和第二参考光束可以都是垂直入射的，因为垂直入射(α＝0)是在第一波导和第二波导的共享fov部分661(fov1∩fov2，针对蓝光(图11中的“b”))内，并且还在第二波导和第三波导的共享fov部分662(fov2∩fov3，针对红光(图11中的“r”))内。类型“a∩b”的表达式中的符号“∩”表示集合“a”和集合“b”的交集。
[0176]
在以上描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了具体细节(例如特定的架构、接口、技术等)以便提供对本发明的透彻理解。在一些情况下，省略了对公知设备、电路和方法的详细描述，以免不必要的细节使本发明的描述模糊。本文中叙述本发明的原理、方面和实施例以及其特定示例的所有陈述旨在包括其结构和功能等同物。另外，意图使这种等同物包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物(即，所开发的执行相同功能的任何元件)，而不管结构如何。此外，应当理解，上文描述的每个示例实施例可以包括参考其他示例实施例描述的特征。此外，在受益于本描述的情况下，上文描述的示例实施例可以被修改，并且它们的变化和其他实施例对于本领域技术人员而言可以变得明显。例如，尽管上文描述的
示例波导组件包括在波导之间具有颜色交叉耦合的双波导堆叠和三波导堆叠，但是在其他实施例中，在波导之间具有颜色交叉耦合的四个或更多波导的堆叠可以用于传送具有更宽多色fov的三个或更多个颜色通道。此外，可以设想实施例，其中上文描述的至少一些内耦合器和外耦合器的衍射光栅可以在更高阶衍射下操作。在另一个示例中，在一些实施例中，波导堆叠的不同波导可以具有不同的材料和/或具有不同的折射率、和/或具有不同的厚度。基于本说明书，所描述的实施例的其他变化对于本领域技术人员而言可以变得明显。
[0177]
因此，虽然已经参照如附图中所示的示例实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离如由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中影响各种细节上的改变。