用于虚拟和增强现实近眼显示器的自由曲面型纳米结构表面制造技术

一种近眼显示器组件包括以下部件中的至少一者：合并器、副镜、以及具有自由曲面型纳米结构的波导。自由曲面型纳米结构表面包括自由曲面型表面、纳米结构表面或者自由曲面型表面和纳米结构表面的组合。自由曲面型纳米结构表面可以集成到以紧凑折叠的几何形状的近眼显示器中的合并器中或者副镜中，其中，变形的或者自由曲面的光学器件可以光学地处于图像源和自由曲面型纳米结构表面中间。纳米结构表面可以包括可操作地跨越在可见光波谱上的元光栅。元光栅可以包括超原子，其配置成提供在反射中所需的波长的给定效率。

Free Surface Nanostructure surface for virtual and augmented reality near eye display

A near - eye display assembly includes at least one of the following components: a combiner, a pair mirror, and a waveguide with a free - form nanostructure. The surface of the free surface nanostructure consists of the surface of free surface, the surface of nanoscale structure or the combination of the surface of the free surface and the surface of the nanostructure. The free curved surface nano structure can be integrated into the combiner near eye display compact folding geometry in or in the secondary, the deformation of the free surface or optical devices can be in the middle of optical image source and free surface nano structure surface. The surface of the nanostructure can include the operable strides across the visible light wave spectrum. A meta grating may include a super atom, which is configured to provide the given efficiency of the wavelength required in the reflection.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于虚拟和增强现实近眼显示器的自由曲面型纳米结构表面关于联邦资助的研究或者改进的声明不适用。参考序列表不适用。
技术介绍
近眼显示器是一种可佩带的装置，其在用户的视觉场前方形成显示。该显示器可以透明或者不透明。例如，透明显示器可以覆盖真实世界的视野上方的信息和图片，而不透明的显示器仅仅将来自近眼显示器的信息呈现给观察者。
技术实现思路
根据本文中示出的多个方面，提供了一种近眼显示器组件，包括：图像源；以及合并器、副镜、以及光学耦合到所述图像源的波导中的至少一个；其中，合并器、副镜、以及波导中的至少一个包括自由曲面型纳米结构表面，所述纳米结构表面具有至少部分地由具有多个超原子的单元格限定的元光栅。根据本文中示出的另外的方面，提供了一种近眼显示器组件，具有合并器和可操作地连接到图像源的副镜中至少一者，其中，所述合并器和所述副镜中的至少一者包括自由曲面型纳米结构表面，另外，其中，所述自由曲面型纳米结构表面包括自由曲面型表面、纳米结构表面或者自由曲面型表面和纳米结构表面二者的组合。根据本文中示出的另外的方面，提供了一种近眼显示器组件，具有合并器和可操作地连接到合并器的副镜，其中，合并器和副镜中至少一者包括至少部分地由具有多个超原子的单元格限定的元光栅。根据另一方面，提供了一种近眼显示器组件，具有可释放地接合佩戴者的头部的框架；以及可操作地连接到所述框架的合并器和可操作地连接到所述合并器和所述框架中的一者的副镜，其中，所述合并器和副镜的至少一者包括自由曲面型纳米结构，所述结构具有至少部分地由具有多个超原子的单元格限定的元光栅，所述单元格内的超原子具有不同长宽比，并且尺寸和空间设定成提供在主体可见光波谱内的至少50％的效率。在另一方面中，提供一种近眼显示器组件，具有图像源和光学耦合到所述图像源的波导；其中，所述波导包括自由曲面型纳米结构，所述结构具有至少部分地由具有多个超原子的单元格限定的元光栅。根据另一方面，提供了一种近眼显示器组件，具有框架；可操作地连接到框架作为第一反射表面的合并器；以及可操作地连接到框架作为第二反射表面的副镜；其中，所述合并器和副镜的每一者包括自由曲面型纳米结构，其中，所述下垫面形状可以为自由曲面或者覆盖在表面本身上的纳米结构表面可以形成自由曲面型表面，或者二者的组合，其中，自由曲面的特性被配置成校正由所述第一反射表面和所述第二反射表面的倾斜和偏心引起的像差。附图说明图1a和图1b示意性示出了集成了元栅板的近眼显示器的第一方面；图2a和图2b示意性示出了集成了元栅板的近眼显示器的第二方面；图3a和图3b示意性示出了集成了元栅板的近眼显示器的第三方面；图4a和图4b示意性示出了集成了元栅板的近眼显示器的第四方面；图5为元栅板的单元格的俯视平面图；图6为图5的单元格的侧面截面图；图7为图5的单元格的四个超原子的各个响应的视图，显示了在四个超原子均匀周期阵列上的通常入射平面波对波长的幅度；图8为图5的单元格的四个超原子的各个响应的视图，显示了在四个超原子均匀周期阵列上的通常入射平面波对波长的复杂偏置系数的相位(r＝|r|eiΦ)；图9为基于反射率对波长而预测的绝对效率的视图；图10为作为极化、入射角和波长的函数的格式光栅和元光栅的m＝+1模拟绝对光栅效率的比较；图11为作为细化宽阔视野的入射角的函数的元光栅的效率；图12为采用波导的近眼显示器的一个方面的示例性呈现。具体实施方式近眼显示器将图像信息在观看瞳孔(也被称为“眼盒”)内呈现给观察者，当与观察者的眼睛的瞳孔对准时，在观察者的视野内产生虚拟图像。近眼显示器的合并器或者波导从观察者的视野的外部的位置朝向观察者的眼睛传输图像信息。由合并器或者波导传输的图像信息可以具有规律的编码形式，以将虚拟图像投影到观察者的眼睛中。合并器为光学设备，其从合并器的相同侧(反射/反射，透射/透射)或者从合并器的两个不同侧(反射/透射)，将两个图像组合在一起。合并器可以用在头顶的显示器(“HUD”)，有时也被称为头部安装的显示器(“HMD”)或者近眼显示器，其允许用户观看在外部视野上叠加的计算机产生的图像(“CGI”)。HUD使得用户观看CGI，而无需偏离其通常的观看点。通常来说，有两种形式的合并器。第一种形式组合两个场，而无需添加任何透镜到任一场(例如，倾斜的分色板)。第二种形式包括透镜功能器件(除了组合功能性之外)，其可以为用于来自显示器的场的全球、偏离轴圆锥、非球面或自由曲面透镜。该透镜功能器件用于将源自显示器的虚拟图像置于远场或者在距离合并器特定距离，并且给图像某种视野，以使得用户将虚拟图像聚焦在目标尺寸上。透镜功能器件被配置成提供通过待显示的视野的像差的足够的校正。透镜功能器件还可被配置成提供用于单个用户的眼睛的校正。波导(有时也被称为光导)包括但不限于衍射、全息、偏振或反射波导。纳米结构表面的多个方面可用于将光耦合到波导或者不与波导耦合。图像信息产生在观看者的视野的外部，例如沿着眼镜框的眼镜腿。电子视频显示器数据通过图像源或者发生器而转化成图像信息，例如，与聚焦光学器件组合的光学图案发生器，包括但不限于空间光调制器，聚焦光学器件以一定角度转换空间图案或者通过扫描直接产生空间图案的角度转换的光学器件。图像源包括用于产生或者将光图案传输到合并器的任何装置。图像源包括图像发生器，例如但不限于基于发光二极管(LED)和垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的激光扫描源发生器；微显示器，包括但不限于液晶显示器、反射式或透射型显示器以及有机发光二极管(OLED)，其还可以与在扫描光学路径或者位置靠近或者抵靠微显示器的变形的或者自由曲面的光学元件或者透镜组合，以控制像差。具有双轴对称的非对称表面被称为变形表面。非对称性超出双轴对称或者环形形状的非对称表面为自由曲面型表面。因此，图像源可以包括诸如OLED显示器的发射微显示器和/或反射式微显示器，例如LCoS(硅上液晶)显示器或DLP(数字光处理)装置。在某些方面中，分离的微显示器可用于显示的每种颜色的光，而在其他方面中，可以使用一个微显示器(例如，通过显示颜色场序列图像)。同样地，在一些方面中，分离的图像源可用于观察者的左眼和右眼。这可便于显示立体图像。在这些方面中，分离的合并器可用于产生分离的左眼图像和右眼图像。合并器或者波导可以可操作地连接到可由观察者佩戴在头部上的眼镜。眼镜包括框架，框架具有安置在耳朵上的左镜腿和右镜腿，和安置在鼻子上的鼻片。框架成型和尺寸设定成将每一光学合并器，或者波导定位在观察者的对应的眼睛的前方。可以理解的是，可以使用具有其他形状的框架(例如，眼罩，具有耳朵臂和鼻梁支撑件、一个连续的头部设定构件、头带、护目镜类型的眼镜等)。术语眼镜包括校正透镜、太阳镜、保护透镜、具有透镜或者具有或者无校正透镜的框架，以及任何其他头部安装件以用于可操作地将近眼显示器定位并且保持在观察者的视野内。因此，眼镜可以将副镜定位在接近合并器或者与合并器间隔开。替代或者除了眼镜透镜，合并器或者波导可以可操作地连接到框架，并且将来自观察者的视野外部的图像信息以以下形式而传送到观察者的视野内：使得观察者的眼睛前方的近眼显示器的厚度最小化。合并器占据了对应于这样的空间的有限体积的空间：在该空间内，眼镜透镜通常保持在眼镜框架内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种近眼显示器组件，包括：(a)图像源；以及(b)合并器、副镜、以及光学耦合到所述图像源的波导中的至少一个；其中，合并器、副镜、以及波导中的所述至少一个包括自由曲面型纳米结构表面，所述纳米结构表面具有至少部分地由具有多个超原子的单元格限定的元光栅。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.02 US 62/142,3271.一种近眼显示器组件，包括：(a)图像源；以及(b)合并器、副镜、以及光学耦合到所述图像源的波导中的至少一个；其中，合并器、副镜、以及波导中的所述至少一个包括自由曲面型纳米结构表面，所述纳米结构表面具有至少部分地由具有多个超原子的单元格限定的元光栅。2.如权利要求1所述的近眼显示器组件，其中，所述单元格包括至少四个超原子。3.如权利要求1或2所述的近眼显示器组件，其中，在所述单元格中的所述超原子中每一者具有不同的长宽比。4.如权利要求1-3中任一项所述的近眼显示器组件，其中，所述元光栅被选择成具有跨越可见光波谱的至少20％的效率。5.如权利要求1-4中任一项所述的近眼显示器组件，包括：合并器和光学耦合到所述合并器的副镜，其中，所述合并器和所述副镜处于偏离轴折叠的几何形状，其中，所述合并器和所述副镜中的至少一者包括自由曲面型纳米结构表面，所述纳米结构表面具有至少部分地由具有多个超原子的单元格限定的元光栅。6.如权利要求1-5中任一项所述的近眼显示器组件，其中，所述超原子中的每一者具有大于1nm的尺寸。7.如权利要求6所述的近眼显示器组件，其中，所述超原子中的每一者具有大于10nm的尺寸。8.如权利要求1-7中任一项所述的近眼显示器组件，包括合并器，其中，所述合并器包括一定量的钻孔，所述钻孔尺寸和空间被设定成使得所述合并器基本上对于观察者透明。9.如权利要求1-8中任一项所述的近眼显示器组件，其中，所述元光栅被选择成具有在跨越至少60度的入射角上的至少20％效率。10.如权利要求1-9中任一项所述的近眼显示器组件，包括合并器和副镜，其中，所述合并器和副镜二者包括自由曲面型表面。11.如权利要求1-10中任一项所述的近眼显示器组件，其中，所述单元格具有的长度大约555.5nm、并且宽度大约221nm，第一超原子的长度大约105nm、宽度大约84.6nm，第二超原子的长度大约105nm、宽度大约47.7nm，第三超原子的长度大约50nm、宽度大约177nm，第四超原子的长度大约105nm、宽度大约150nm。12.如权利要求1所述的近眼显示器组件，其中，所述自由曲面型纳米结构表面包括自由曲面型表面。13.如权利要求1所述的近眼显示器组件，包括可释放地接合佩戴者头部的框架，以及可操作地连接到所述框架的合并器和副镜，其中，合并器、副镜的至少一个包括自由曲面型纳米结构表面，所述纳米结构表面具有至少部分地由具有多个超原子的单元格限定的元光栅，所述单元格内的超原子具有不同长宽比，并且尺寸和间隔设定成提供在主体可见光波谱内的给定预定效率。14.如权利要求13所述的近眼显示器组件，其中，所述图像源沿着光学路径而光学耦合到所述副镜，还包括在光学路径上的光学元件，其中，所述光学元件为球形，非球面，变形，变形非球面或自由曲面光学元件或透镜中的一者。15.如权利要求13或14所述的近眼显示器组件，其中，所述单元格具有四个超原子，每一者具有不同的长宽比。16.如权利要求13-15中任一项所述的近眼显示器组件，其中，所述合并器和所述副镜中的每一者包括自由曲面型纳米结构表面，所述纳米结构表面具有至少部分地由具有多个超原子的单元格限定的元光栅，...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·罗兰，N·瓦米瓦克斯，A·基特，A·鲍尔，
申请(专利权)人：罗切斯特大学，
类型：发明
国别省市：美国,US