具有反射转向阵列的成像光引导制造技术

一种成像光引导，具有波导和入耦合衍射光学元件，该入耦合衍射光学元件形成在波导上并且被设置为将承载图像的光束引导到波导。两个或更多个至少部分地反射的表面的阵列，所述两个或更多个至少部分地反射的表面是平行定向的并且被设置为在第一维度上扩展来自入耦合衍射光学元件的承载图像的光束并且将所扩展的承载图像的光束朝向出耦合衍射光学元件引导。出耦合衍射光学元件形成在波导上并且被设置为在正交于第一维度的第二维度上扩展承载图像的光束并将承载图像的光束朝向观看者眼动范围引导。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有反射转向阵列的成像光引导
本专利技术一般地涉及电子显示器，并且更特别地涉及使用成像光引导以向观看者传递承载图像的光的头戴（近眼）显示器。
技术介绍
头戴显示器（HMD）正被开发用于一系列多种多样的用途，包括军事、商业、工业、消防和娱乐应用。对于这些应用中的许多而言，在形成能够被虚拟地叠加在处于HMD用户的视场中的真实世界图像上的虚拟图像方面存在特别的价值。光学成像光引导将承载图像的光传递到在狭窄空间中的观看者以用于将虚拟图像引导到观看者的光瞳并使能该叠置功能。在这样的常规的成像光引导中，经准直的、被相对地有角度编码的来自图像源的光束被通过诸如入耦合衍射光学元件的输入耦合耦合到平坦波导中，入耦合衍射光学元件可以被安装或形成在平坦波导的表面上或者被掩埋在波导内。这样的衍射光学元件可以被形成为衍射光栅、全息光学元件或者被以其它已知的方式形成。例如，衍射光栅可以是通过表面浮雕形成的。在沿着波导传播之后，被衍射的光可以在波导之外通过相似的输出光栅被导引回去，输出光栅可以被布置以提供沿着虚拟图像的一个维度的光瞳扩展。此外，可以在输入光栅和输出光栅之间沿着波导定位转向光栅以提供在虚拟图像的正交的维度上的光瞳扩展。从波导输出的承载图像的光为观看者提供扩展的眼动范围（eyebox）。虽然常规的成像光引导布置已经提供了在近眼显示光学器件的体积、重量和总体成本上的显著降低，但是光栅的整体效率通常受在每个光栅界面处发生的光学损耗限制。由于每个光栅区域只能针对一个特定的场角度并且针对一个特定的波长而被完全优化，所以跨虚拟图像的视场或者跨同一虚拟图像的可视谱的性能可能极大地变化。这对于对从入耦合衍射光学元件行进到出耦合衍射光学元件的光进行引导的转向光栅也是真实的。因为当光遇到每个衍射光学元件时损失相当大量的输入光能量，所以输入图像源必须足够亮以补偿在呈现给观看者的虚拟图像中的损失的亮度。因此，可以领会的是，存在针对仍然提供想要的光瞳扩展但是在头戴显示器中提供增强的效率的改进的承载图像的光引导的设计的需要。在考虑用于成像的光引导设计时应当注意的是，在波导内行进的承载图像的光被有效地通过输入耦合——无论是使用光栅、全息图、棱镜、镜面的耦合机制还是某种其它机制——编码。在输入处发生的光的任何反射、折射和/或衍射必须被输出对应地解码以便重新形成呈现给观看者的虚拟图像。放置在入耦合衍射光学元件与出耦合衍射光学元件之间的中间位置的转向光栅典型地被选取使得其不引起在编码的光上的任何改变。优选地，转向光栅使波导内的光线束重定向，但是不改变虚拟图像的编码的角度信息。在这样的设计系统中的所得到的虚拟图像不被旋转。进一步地，如果这样的系统确实将旋转引入到虚拟图像，则它将跨不同的场角度和光波长而非均匀地这样做，因此在所得到的虚拟图像中引起不想要的失真或像差。Amitai的题为“Substrate-GuidedOpticalBeamExpander”的美国专利No.6,829,095公开了采用镜面形式的输入耦合和输出耦合，其将承载图像的光束的集合反射进入平坦波导以及反射出平坦波导。输出耦合被划分成反射表面的阵列以用于沿着一个维度扩展出射光瞳。在此被称为转向镜面的反射表面的中间阵列提供了在正交的维度上对出射光瞳进行扩展。各种输入、输出和中间反射表面彼此匹配以保持承载图像的束的想要的角度定向。然而，Amitai描述的类型的一维（1-D）光瞳扩展引导已经证明是昂贵且难以制备的。使用以角度的第二集合定向的镜面阵列来将该概念扩展到二维（2-D）束扩展使已经艰巨的制备任务极大地复杂化，并且引入将是极其难以满足的准直要求。因此，转向光栅和转向镜面这两者已经被匹配并且定向以利用相似类型的输入和输出耦合——即，具有光栅的光栅和具有镜面的镜面——进行工作。然而，如果使用转向光栅来重定向已经使用镜面或棱镜输入的光，则这将在所得到的虚拟图像中产生不想要的效果。作为一个考虑，在成像中所使用的任何类型的反射表面的情况下，可能存在入耦合光的不想要的反转/旋转。从制造性的角度看，使用衍射光学元件将承载图像的光束输入到波导和将承载图像的光束输出到波导之外可以简化许多光学设计问题。然而仍然存在针对允许更好的性能、增加的效率以及紧凑的封装布置以用于在平坦波导内把来自输入耦合的光重定向到输出耦合的光学解决方案的需要。
技术实现思路
本公开的目的是改进在紧凑的头戴（近眼）显示器内的图像呈现技术。有利地，本公开的实施例提供具有成像光引导的可佩戴显示器，该成像光引导提供放大的光瞳大小以用于向观看者呈现高分辨率宽视场（FOV）内容。本公开的实施例中的成像设备使用：（a）用以在提供沿着虚拟图像的一个维度的光瞳扩展的同时将光引导到平坦波导以及将光从平坦波导引导出来的衍射；以及（b）在波导内的用于光的重定向和沿着虚拟图像的第二维度的光瞳扩展的反射。这种新颖的布置提供在增加的光学效率和亮度方面的优点并且允许更紧凑的HMD和相关的显示设计选项，因为当对比于全衍射解决方案时该布置提供图像旋转和反转这两者。根据优选的实施例和所附权利要求的以下的详细描述的回顾并且通过参考随附附图，本专利技术的这些和其它方面、目的、特征和优点将被更清楚地理解和领会。根据本公开的一方面，提供了一种成像光引导，其包括波导、入耦合衍射光学元件、被彼此平行地定向的两个或更多个至少部分地反射的表面的阵列、以及出耦合衍射光学元件。入耦合衍射光学元件将每个表示虚拟图像的像素的多个光束引导到波导。两个或更多个至少部分地反射的表面的阵列在第一维度上扩展来自入耦合衍射光学元件的承载图像的光束并将所扩展的承载图像的光束朝向出耦合衍射光学元件引导。出耦合衍射光学元件在第二维度上扩展承载图像的光束并将承载图像的光束从波导朝向观看者眼动范围引导。附图说明图1是示出单眼类型衍射束扩展器的一种可能配置的简化的横截面视图的示意图；图2是示出具有转向光栅的衍射束扩展器的透视图；图3是示出根据本公开的实施例的用于单方向上的扩展的混合束扩展器的透视图，所述混合束扩展器使用入耦合衍射光学元件和出耦合衍射光学元件以及用于使束转向的反射器；图4是示出根据本公开的实施例的混合2-D束扩展器的透视图，所述混合2-D束扩展器使用入耦合衍射光学元件和出耦合衍射光学元件以及用于使束转向的反射器的阵列；图5A是示出提供使用反射器阵列的束扩展器的成像光引导的平面图；图5B是示出提供使用反射器阵列的束扩展器的成像光引导并且还示出入射图像的场点的扩展部分的平面图；图6A是示出采用梯度反射器阵列的成像光引导的平面图；图6B是示出梯度反射器阵列如何工作的示意图；图6C是示出梯度反射器的示例性区域的平面图；图6D是示出具有梯度反射器阵列的束扩展器的透视图；图7是示出用于使用本公开的成像光引导的增强现实观看的显示系统的透视图；图8是示出使用梯度反射器阵列的本公开的替换实施例的示意图。具体实施方式本描述特别关注于形成根据本专利技术的设备的一部分或更直接地与根据本专利技术的设备协作的元件。要理解的是，没有具体示出或描述的元件可以采取对于本领域技术人员来说熟知的各种形式。在此在它们被使用之处，术语“第一”、“第二”等不一定表示任何序数、顺序或优先级关系，而是简单地用于更清楚地将一个元件或一组元件与另一个元件或另一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于传递虚拟图像的成像光引导，包括：波导；入耦合衍射光学元件，被设置为将承载图像的光束引导到波导；两个或更多个至少部分地反射的表面的反射器阵列，所述两个或更多个至少部分地反射的表面被平行地定向并且被设置以在第一维度上扩展来自所述入耦合衍射光学元件的相应的承载图像的光束并将所扩展的承载图像的光束朝向出耦合衍射光学元件引导；以及所述出耦合衍射光学元件，其被设置以在正交于第一维度的第二维度上扩展相应的承载图像的光束，并将来自波导的承载图像的光束朝向观看者眼动范围引导。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.10 US 14/8506941.一种用于传递虚拟图像的成像光引导，包括：波导；入耦合衍射光学元件，被设置为将承载图像的光束引导到波导；两个或更多个至少部分地反射的表面的反射器阵列，所述两个或更多个至少部分地反射的表面被平行地定向并且被设置以在第一维度上扩展来自所述入耦合衍射光学元件的相应的承载图像的光束并将所扩展的承载图像的光束朝向出耦合衍射光学元件引导；以及所述出耦合衍射光学元件，其被设置以在正交于第一维度的第二维度上扩展相应的承载图像的光束，并将来自波导的承载图像的光束朝向观看者眼动范围引导。2.如权利要求1所述的成像光引导，其中反射器阵列的所述两个或更多个至少部分地反射的表面包括第一表面和第二表面，其中：第一表面是部分反射的并且是部分透射的，以及第二表面是完全反射的。3.如权利要求2所述的成像光引导，其中第一表面具有长度和沿着所述长度的至少一部分变化的反射率值。4.如权利要求3所述的成像光引导，其中第一表面的反射率值沿着所述长度从小于10％的反射率单调变化到大于50％的反射率。5.如权利要求1所述的成像光引导，其中所述入耦合衍射光学元件和所述出耦合衍射光学元件中的至少一个是衍射光栅。6.如权利要求1所述的成像光引导，其中所述入耦合衍射光学元件和所述出耦合衍射光学元件中的至少一个是体积全息图或者是由全息聚合物分散液晶形成的。7.如权利要求1所述的成像光引导，其中所述至少部分地反射的表面中的一个或多个是使用二向色涂层形成的。8.如权利要求2所述的成像光引导，其中反射器阵列的所述两个或更多个至少部分地反射的表面进一步包括第三表面，其中：第三表面被设置在第一表面和第二表面之间，第三表面是部分地反射的并且是部分地透射的，以及第三表面具有大于第一表面的反射率值的反射率值。9.如权利要求1所述的成像光引导，其中所述两个或更多个至少部分地反射的表面中的一个沿着基板的边缘安放。10.如权利要求1所述的成像光引导，其中所述出耦合衍射光学元件和所述入耦合衍射光学元件具有相同的光栅周期。11.如权利要求1所述的成像光引导，其中反射器阵列被相对地定位以用于通过倾斜角度在所述入耦合衍射光学元件和所述出耦合衍射光学元件之间反射虚拟图像的中心场光线。12.一种形成在平坦基板中的成像光引导，用于传递虚拟图像并且包括：a）入耦合衍射光学元件，形成在基板上并且被设置为对入射的承载图像的光束进行衍射以用于沿着基板传播；b）第一至少部分地反射的表面和第二至少部分地反射的表面，被沿着基板平行地设置或者被在基板内平行地设置，以及c）出耦合衍射光学元件，形成在基板上并且被设置为将承载图像的光从基板向外部引导，其中：第一至少部分地反射的表面是部分反射的并且是部分透射的，第二至少部分地反射的表面是更完全反射的，以及第一部分反射并且部分透射的表面被布置为：（a）把由第二更完全反射的表面反射的承载图像的光束的部分朝向第二更完全反射的表面反射回去；以及（b）把由第二更完全反射的表面反射的承载图像的光束的部分朝向出耦合衍射光学元件透射。13.如权利要求12所述的成像光引导，其中第一部分反射并且部分透射的表面具有长度和沿着所述长度的至少一部分变化的反射率值。14.如权利要求13所述的成像光引导，其中第一部分反射并且部分透射的表面的不同的反射率值范围...

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