用于近眼显示器的动态有孔波导制造技术

一种类型的近眼显示器，其具有用于生成一系列角度相关的射束的图像发生器和用于向在其内部虚像可见的眼眶传播角度相关的射束的波导，所述近眼显示器包括可控输出孔，其用于诸如在眼眶内重构被更好地限定的光瞳、同时还保留通过可控输出孔从眼眶观看周围环境的可能性的目的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于近眼显示器的动态有孔波导
本专利技术涉及用于发射特别地用于近眼显示器的被有角度地编码的图像信息的板状波导系统和用于诸如优化观看条件的目的的可控输出孔。
技术介绍
紧凑式近眼显示器常常将板状（通常是平面的）波导用于向用户的眼睛发射有角度的图像信息作为来自位于用户的视线之外的图像源的虚拟图像。图像信息一般地是在波导的一端附近被输入，并在波导的另一端附近被输出。该图像信息作为沿着波导在内部被反射的多个角度相关的射束而沿着波导传播。衍射光学装置常常被用于通过第一入射角范围向波导中注入被波导在内部反射的图像信息，以及被用于通过相应范围的较低入射角来发射图像信息以便在可以与用户的眼睛对准的位置上在波导后面中继或以其它方式形成岀射光瞳。波导的输出端处的衍射光学装置和波导两者常常是至少部分透明的，使得用户还可以通过波导来观看周围环境，诸如当图像信息不在被波导传送时或者当图像信息并未填充整个视场时。波导显示器常常局限于使用其中用单个色彩来形成虚拟图像的单色光。常规衍射光学装置趋向于通过不同的角度衍射不同的波长，从而产生色像差。可以使用多个波导（例如，堆叠波导）或更复杂的衍射光学装置来缓解这些像差，但是该解决方案趋向于限制可以通过其来有效地发射图像信息的不同角度或波长的数目。在其内部可以在波导后面的规定位置上（即，在设计的眼眶内）看到虚拟图像的有效岀射光瞳尺寸常常被过度限制，因为衍射光束趋向于在离开平面波导时扩展开。输出衍射光学装置的衍射效率随位置的变化已被用来扩展岀射光瞳，但这些变化使衍射光学装置变得复杂，并且尤其难以在多色光的情况下来实现。某些平面光学显示器还意图支持同一眼眶内对周围环境的观看。此要求对输出衍射光学装置施加额外的负担以保持某个透射率水平。
技术实现思路
本专利技术在其优选实施例中的一个或多个中以用于近眼显示器波导的可控孔为特征。电子控制机构提供了孔内的可变换光栅结构在有源和无源状态之间以及通过效率的中间状态的转换。例如，可以将可变换光栅结构与邻近配对光学装置配对，使得可变换光栅结构和配对光栅结构一起形成常见板状光学装置。可变换光栅结构优选地由电活性材料形成，其折射率可以电子地从与配对光栅结构的折射率匹配的值（例如，无源状态）变成与配对光栅结构的折射率不匹配的一个或多个其他值（例如，有源状态）。在输出孔内，可以将可变换光栅结构和匹配光栅结构附加到波导的正面或背面，从而通过透射或反射进行操作。在可变换光栅结构的无源状态下，输出孔在很大程度上充当波导的不中断表面，支持沿着波导传播的载像光束的全内反射，同时还支持通过波导的对周围环境的很大程度上无障碍的观看。在可变换光栅结构的有源状态下，输出孔充当嵌入波导的表面中的衍射光学装置以便从波导向期望的眼眶中发射载像信息。在变化的程度上，可变换光栅结构的有源状态可以模糊通过波导的对周围环境的观看，诸如通过衍射在眼眶外面的透射光。因此，在无源状态下，输出孔打开以便从眼眶内观看周围环境、但闭合以观看沿着波导传送的图像，而在有源状态下，输出孔打开以便从眼眶内观看由波导传送的图像、但可以被至少部分地闭合以观看周围环境。可以将可控输出孔的电子控制机构图案化以便不同地激活输出孔的不同区段，即可变换光栅结构的不同部分。也就是说，可以使得输出孔的不同区段单独可访问，使得可以将一个或多个孔区段切换到有源状态，同时其他孔区段保持在无源状态。电子控制结构还可以提供其中可以提高或降低可变换光栅结构与其邻近配对光学装置之间的折射率差以调节衍射效率的各种中间状态。此外，可以使电子控制机构与诸如来自扫描光学装置的各种载像射束的注入同步，使得可以通过输出孔的不同部分发射射束并且达不同的持续时间。例如，可以通过输出孔的一个区段来发射较高入射角射束，并且可以通过输出孔的不同区段来发射较低入射角射束以便使用更多的可用光来在眼眶内形成更大且更均匀的光瞳。通过与图像的不同部分的发射（即，图像的角度构造）同步地跨输出孔的多个区段来调节激活的持续时间或衍射效率，可以进一步增强利用眼眶光瞳的图像均匀度。可以在近眼显示器波导的内表面和外表面两者上形成相似地可控的可变换光栅结构和配对光栅结构，以单独地控制沿着波导传送的载像信息的不同部分的发射。例如，通过调节两个可变换光栅结构内和之间的激活的持续时间、衍射效率或时刻，可以单独地控制眼眶的两个正交维度或色彩的不同范围。附图说明图1是包括具有可控输出孔的板状波导的近眼显示器的概略顶视图。图2是示出了可控输出孔的各种层的板状波导的分解图。图3是近眼显示器的概略顶视图，类似于图1的显示器但包括可控分段输出孔。图4示出了包括复合输入和输出结构以便单独地传播由波导传送的图像信息的两个不同部分的替换近眼显示器的分解透视图。图5是包括在波导的输出孔内具有可控分段中间光栅和可控分段输出光栅的波导的替换近眼显示器的分解透视图。图6是图像平面的视图以及源自于图像平面内的不同位置的准直射束的两个不同的正交视图。图7是图5的波导的一部分的示意图，示出了在输入孔处且最初沿着波导传播的射束的布置。图8是类似于图7的示意图，示出了射束通过可控分段中间光栅和可控分段输出光栅两者的射束的进一步传播。图9是用于操作图5的近眼显示器的动态图像控制图。具体实施方式参考图1，包括也在图2的视图中示出的板状波导12的类型的近眼显示器10具有输入孔14和可控输出孔16。板状波导12优选地是具有内表面18（面向用户眼睛）和外表面20（面向周围环境）的透射板，其中内表面和外表面18和20两者都被暴露于空气或另一较低折射率介质。板状波导12可以由诸如具有1.527的标称折射率的BK7玻璃的各种透射光学材料制成，并且具有用于从离轴位置向用户的视场内的位置透射光的维度，在所述离轴位置处可以注入光。例如，板状波导可以在限制板状波导12的尺寸和重量的同时具有用于到达眼睛位置的约60毫米的长度、允许有图像的第二维度的约30毫米的高度以及用以支持期望形式的光的传播的约2毫米的厚度。当然，可以针对特定应用使用其他尺寸以便致力于光沿着波导从一个位置到另一个的传播。另外，板状波导12具有平面形式（其简化传播问题），但是还可以被弯曲以适应附加要求，包括审美考虑。图像生成器22包括可绕着两个正交轴26和28枢转的扫描反射镜24。扫描反射镜24被由光源32以及准直光学装置34一起形成的准直射束30照亮。可以通过具有不同标称波长的多个光源或者通过对一个或多个宽带光源进行滤色来产生多色图像。扫描反射镜24的不同角度取向在对应于所生成的图像内的不同空间位置的两个维度上通过一定的角度范围反射准直射束。使光源32的输出与扫描反射镜24的角度位置同步的控制器38单独地产生所生成的图像的每个像素。替换地，可以用与准直光学装置一起形成实像的可访问像素的二维阵列来形成图像生成器22，所述准直光学装置使来自图像生成器的光准直，使得来自图像生成器内的每个像素的光通过在对应于其在二维阵列内的空间位置的两个维度上参考的唯一角度被准直。还可以使用可访问像素的线性阵列以及可在一个维度上枢转的扫描反射镜一起作为图像生成器。例如，可以用垂直于页面延伸的线性阵列（其中准直反射镜在此维度上被适当地缩放）来替换图1中32处所示的光源。沿着线性阵列源自于每个像素的光被准直以便通过一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于近眼显示器的波导系统，包括透射波导，用于以多个不同角度射束的形式传送图像信息以便形成虚像，输入孔，用于接收所述多个不同角度射束并用于沿着透射波导引导所述多个不同角度射束，可控输出孔，用于从波导朝着从其能够观看所述虚像的眼眶发射所述多个不同角度射束，并用于提供通过可控输出孔和波导从眼眶对周围环境的观看，以及所述可控输出孔包括可变换衍射光栅，其可在用于将来自波导的所述多个不同角度射束朝着从其能够观看所述虚像的眼眶衍射的第一状态与用于恢复通过所述可控输出孔和所述波导从眼眶对所述周围环境的观看的第二状态之间进行切换。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.08.23 US 13/216,0451.一种用于近眼显示器的波导系统，包括波导，用于以多个不同角度射束的形式传送图像信息以便形成虚像，输入孔，用于接收所述多个不同角度射束并用于沿着所述波导引导所述多个不同角度射束，可控输出孔，用于从波导朝着从其能够观看所述虚像的眼眶发射所述多个不同角度射束，并用于提供通过可控输出孔和波导从眼眶进行的对周围环境的观看，以及所述可控输出孔包括可变换衍射光栅，其可在用于将来自波导的所述多个不同角度射束朝着从其能够观看所述虚像的眼眶衍射的第一状态与用于恢复通过所述可控输出孔和所述波导从眼眶对所述周围环境的观看的第二状态之间进行切换。2.根据权利要求1所述的波导系统，其中，所述可变换衍射光栅在第一状态下充当衍射光栅且在第二状态下不充当衍射光栅。3.根据权利要求2所述的波导系统，其中，所述可变换衍射光栅在第二状态下充当透射板。4.根据权利要求1所述的波导系统，其中，所述可变换衍射光栅包括由电活性材料形成的可变换光栅结构、配对光栅结构以及横跨可变换光栅结构以便在第一和第二状态之间改变所述电活性材料的折射率的电极。5.根据权利要求1所述的波导系统，其中，所述可控输出孔包括多个孔区段，在所述孔区段内部，所述可变换衍射光栅的不同部分可独立地在第一和第二状态之间进行切换。6.根据权利要求5所述的波导系统，还包括控制器，所述控制器用于与一系列不同角度射束的接收同步地在第一和第二状态之间切换所述可变换衍射光栅的不同部分，以便从所述可控输出孔的不同区段朝着所述眼眶发射所述不同角度射束以便使所述不同角度射束在眼眶内重叠。7.根据权利要求6所述的波导系统，还包括可控中间衍射光栅，其具有可在不同状态之间独立地切换以便沿着第一维度调整所述不同角度射束之间的相对位置的不同部分。8.根据权利要求7所述的波导系统，其中，所述控制器与所述可控中间衍射光栅的不同部分同步地切换所述可变换衍射光栅的不同部分，以便在第二维度上调整所述不同角度射束之间的相对位置，使得所述不同角度射束在两个维度上朝着眼眶内的重叠位置会聚。9.一种近眼显示器，包括：图像生成器，用于生成一系列角度相关的射束，波导，用于传播所述一系列角度相关的射束，所述波导具有用于从图像生成器接收所述一系列角度相关的射束的输入孔和用于从波导朝着眼眶发射所述角度相关的射束的可控输出孔，以及所述可控输出孔具有多个独立可控部分，以及控制器，其使图像生成器与可控输出孔同步，以便从可控输出孔的不同部分发射不同的角度相关的射束以便使所述角度相关的射束...

【专利技术属性】
技术研发人员：PJ特拉弗斯，RJ舒尔茨，
申请(专利权)人：伊奎蒂公司，
类型：发明
国别省市：美国;US