聚光背光体及使用聚光背光体的近眼显示系统技术方案

一种聚光背光体，包括引导光的光导和衍射光栅，该衍射光栅被配置为将被引导的光的一部分衍射地耦合出以作为衍射地耦合出的光，并且将衍射地耦合出的光聚集到眼框中。一种近眼显示系统，包括该光导以及该衍射光栅，并且进一步包括光阀阵列，该光阀阵列被配置为对衍射地耦合出的光进行调制以在眼框中形成图像。所形成的图像被配置为在该眼框内由用户观看。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】聚光背光体及使用聚光背光体的近眼显示系统相关申请的交叉引用本申请要求于2016年9月5日提交的美国临时专利申请序列号No.62/214,976的优先权，其全部内容通过引用结合于此。关于联邦政府资助研究或开发的声明不适用。
技术介绍
电子显示器是用于向各种各样的设备和产品的用户传递信息的几乎无处不在的媒介。最常采用的电子显示器包括阴极射线管(CRT)、等离子显示面板(PDP)、液晶显示器(LCD)、电致发光显示器(EL)、有机发光二极管(OLED)和主动式矩阵OLED(AMOLED)显示器、电泳显示器(EP)和采用了机电或电流体光调制的各种显示器(例如，数字微镜器件、电润湿显示器等)等。通常，电子显示器可以被分类为有源显示器(即，发光的显示器)或无源显示器(即，对由另一个源提供的光进行调制的显示器)。有源显示器的最明显的示例是CRT、PDP和OLED/AMOLED等。在考虑发光时通常被归类为无源的显示器是LCD和EP显示器。无源显示器尽管经常表现出有吸引力的性能特性(包括但不限于固有的低功耗)，但由于缺乏发光能力，可能在许多实际应用中发现某种程度上有限的使用。除了被分类为有源或无源之外，电子显示器还可以根据电子显示器的预期观看距离来表征。例如，绝大多数电子显示器被预期位于人眼的正常或“自然”调节范围(accommodationrange)内的距离处。如此，电子显示器可以被直接且自然地观看，从而无需额外的光学器件。另一方面，一些显示器被专门设计成比正常调节范围更靠近用户的眼睛。这些电子显示器通常被称为“近眼”显示器，并且通常包括了一些形式的光学器件以便于观看。例如，这些光学器件可以提供物理电子显示器的处于正常调节范围内的虚拟图像，从而使得即使物理电子显示器本身可能无法被直接观看，也能够舒适地进行观看。采用近眼显示器的应用的示例包括但不限于头戴式显示器(HMD)和类似的可穿戴显示器以及一些平视显示器。各种虚拟现实系统以及增强现实系统通常包括近眼显示器，这是由于近眼显示器可以在这些应用中提供比传统显示器更加沉浸式的体验。附图说明参考以下结合附图的详细描述，可以更容易地对根据本文所述原理的示例和实施例的各种特征进行理解，其中相同的附图标记指定相同的结构元件，并且其中：图1A示出了根据与本文所述原理相一致的实施例的示例中聚光背光体的侧视图。图1B示出了根据与本文所述原理相一致的实施例的示例中的图1A的聚光背光体的一部分的横截面图。图1C示出了根据与本文所述原理相一致的实施例的示例中的图1A的聚光背光体的另一部分的横截面图。图1D图示了根据与本文所述原理相一致的实施例的示例中的图1A的聚光背光体的平面图。图2示出了根据与本文所述原理相一致的实施例的示例中作为距离的函数的衍射特征间隔的曲线图。图3A示出了根据与本文所述原理相一致的实施例的示例中聚光背光体的一部分的横截面图。图3B示出了根据与本文所述原理相一致的另一个实施例的示例中聚光背光体的一部分的截面图。图3C示出了根据本文所述原理的另一个实施例的示例中聚光背光体的一部分的横截面图。图4A示出了根据与本文所述原理相一致的实施例的示例中具有多个衍射光栅段的聚光背光体的侧视图。图4B示出了根据与本文所述原理相一致的实施例的示例中具有多个衍射光栅段的聚光背光体的平面图。图4C示出了根据与本文所述原理相一致的另一实施例的示例中具有多个衍射光栅段的聚光背光体的平面图。图4D示出了根据与本文所述原理相一致的另一个实施例的示例中具有多个衍射光栅段的聚光背光体的平面图。图5A示出了根据与本文所述原理相一致的实施例的示例中近眼显示系统的侧视图。图5B示出了根据与本文所述原理相一致的实施例的示例中近眼显示系统的透视图。图6示出了根据与本文所述原理相一致的实施例的示例中具有两个光阀阵列的近眼显示系统的侧视图。图7示出了根据与本文所述原理相一致的另一个实施例的示例中具有两个光阀阵列的近眼显示系统的侧视图。图8示出了根据与本文所述原理一致的实施例的示例中被配置为头戴式显示器(HMD)的近眼显示系统的透视图。图9示出了根据与本文所述原理相一致的另一个实施例的示例中被配置为头戴式显示器(HMD)的近眼显示系统的透视图。图10示出了根据与本文所述原理相一致的实施例的示例中近眼显示操作的方法的流程图。某些示例和实施例具有除了以上所引附图中所示的特征之外的以及代替所述特征的其他特征。下面参考以上所引附图来详细描述这些和其他特征。具体实施方式根据本文所述原理的实施例提供了一种聚光背光体，其可应用于近眼显示系统。根据各种实施例，该聚光背光体采用衍射光栅，该衍射光栅被配置为将光衍射地耦合出光导。此外，根据各种实施例，衍射光栅被配置为将衍射地耦合出的光聚集到眼框(eyebox)中。在一些实施例中，眼框具有预定的宽度，而在其他实施例中，眼框可能具有预定的宽度和预定的长度二者。根据各种实施例，该聚光背光体可以用在近眼显示系统中。具体而言，根据一些实施例，可以使用本文所述的聚光背光体来实现近眼显示系统(包括但不限于增强现实系统和虚拟现实系统)。这里，“衍射光栅”通常被定义为被布置来提供对入射在衍射光栅上的光的衍射的多个特征(即，衍射特征)。在一些示例中，可以以周期性或准周期性的方式来布置多个特征。例如，衍射光栅可以包括以一维(1D)阵列布置的多个特征(例如，材料表面中的多个槽或脊)。在其他示例中，衍射光栅可以是二维(2D)阵列的特征。例如，衍射光栅可以是材料表面中的凸块或孔的2D阵列。如此，以及通过这里的定义，“衍射光栅”是提供对入射在衍射光栅上的光的衍射的结构。如果光从光导入射在衍射光栅上，则所提供的衍射或衍射散射可能导致(并因此被称为)“衍射地耦合”，这是因为衍射光栅可以通过衍射将光耦合出光导。衍射光栅也通过衍射(即，以衍射角)重新定向或改变光的角度。具体而言，作为衍射的结果，离开衍射光栅的光通常具有与入射到衍射光栅的光(即，入射光)的传播方向不同的传播方向。通过衍射对光的传播方向的改变在这里被称为“衍射重定向”。因此，衍射光栅可以被理解为包括衍射特征的结构，该衍射特征衍射地重定向入射在衍射光栅上的光，并且如果光从光导入射，则衍射光栅还可以衍射地从光导耦合出光。此外，通过这里的定义，衍射光栅的特征被称为“衍射特征”，并可以是在材料表面(即，两种材料之间的边界)处、材料表面中和材料表面上的一个或多个。例如，该表面可以是光导的表面。衍射特征可以包括衍射光的各种结构中的任何一种，包括但不限于在表面处、表面中或表面上的槽、脊、孔和凸块中的一个或多个。例如，衍射光栅可以包括材料表面中的多个基本平行的槽。在另一个示例中，衍射光栅可以包括从材料表面升起的多个平行的脊。衍射特征(例如，槽、脊、孔、凸块等)可以具有提供衍射的各种横截面形状或轮廓中的任一种，包括但不限于正弦曲线轮廓、矩形轮廓(例如，二元衍射光栅)、三角形轮廓和锯齿轮廓(例如，闪耀光栅)中的一个或多个。本文采用的术语“调节”指的是通过改变眼睛的光焦度以聚焦于对象或图像元素的处理。换句话说，“调节”是眼睛聚焦的能力。这里，“调节范围”或等同的“调节距离”被定义为对象距眼睛的最小距离，在该距离处眼睛可以看到对象的清晰或“对焦”的图像。换句话说，通过这里的定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚光背光体，包括：光导，被配置为沿着所述光导的长度引导光；以及所述光导的表面处的衍射光栅，所述衍射光栅被配置为将被引导的光的一部分从所述光导衍射地耦合出以作为衍射地耦合出的光，并且将所述衍射地耦合出的光聚集到位于与光导表面相邻并与光导表面间隔开的眼框中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.05 US 62/214,9761.一种聚光背光体，包括：光导，被配置为沿着所述光导的长度引导光；以及所述光导的表面处的衍射光栅，所述衍射光栅被配置为将被引导的光的一部分从所述光导衍射地耦合出以作为衍射地耦合出的光，并且将所述衍射地耦合出的光聚集到位于与光导表面相邻并与光导表面间隔开的眼框中。2.根据权利要求1所述的聚光背光体，其中，所述眼框是位于与所述光导表面平行的平面中的二维眼框，并且其中，所述衍射光栅包括多个弯曲衍射特征，所述多个弯曲衍射特征被配置为在两个正交的方向上将所述衍射地耦合出的光聚集到所述眼框的平行平面中。3.根据权利要求2所述的聚光背光体，其中，所述多个弯曲衍射特征包括具有曲率中心的同心弯曲脊和同心弯曲槽中的一个或两者。4.根据权利要求1所述的聚光背光体，其中，所述衍射光栅包括在相邻衍射特征之间具有特征间隔的衍射特征，所述特征间隔作为距所述光导的光入口边缘的距离的函数而线性减小。5.根据权利要求1所述的聚光背光体，其中，所述衍射光栅被配置为根据第一衍射级将所述被引导的光部分衍射地耦合出。6.根据权利要求1所述的聚光背光体，其中，所述眼框的宽度小于约25毫米(25mm)。7.根据权利要求1所述的聚光背光体，其中，所述眼框位于距所述光导小于用户眼睛的正常调节距离的距离处。8.根据权利要求1所述的聚光背光体，其中，所述衍射光栅包括由间隔分开的多个衍射光栅段，所述多个衍射光栅段被配置为协同地将所述衍射地耦合出的光聚集到所述眼框中。9.根据权利要求1所述的聚光背光体，其中，所述聚光背光体在与所述光导表面正交的方向上是光学透明的。10.一种近眼显示器，包括根据权利要求1所述的聚光背光体，所述近眼显示器还包括位于所述光导和所述眼框之间的光阀阵列，所述光阀阵列被配置为对所述衍射地耦合出的光进行调制以在所述眼框中提供图像，其中，所述图像被配置为在所述眼框内由用户观看。11.一种近眼显示系统，包括：光导，被配置为引导光；光学耦合到所述光导的衍射光栅，所述衍射光栅被配置为将被引导的光的一部分衍射地耦合出，并且将衍射地耦合出的光聚集到与所述光导的表面相邻的眼框中；以及位于所述光导和所述眼框之间的光阀阵列，所述光阀阵列被配置为对所述衍射地耦合出的光进行调制以在所述眼框中形成图像，其中，所形成的图像被配置为在所述眼框内由用户观看。12.根据权利要求11所述的近眼显示系统，其中，所述衍射光栅包括在相邻衍射特征之间具有特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：DA法塔尔，
申请(专利权)人：镭亚股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US