具有反射转向阵列的成像光导制造技术

成像光导具有波导以及形成在波导上并且部署为将承载图像的光束引导至波导中的入耦合衍射光学器件。成阵列的两个或更多至少部分反射表面平行地取向并且部署为在第一维度上扩展来自入耦合衍射光学器件的承载图像的光束，并且朝向出耦合衍射光学器件引导经扩展的承载图像的光束。出耦合衍射光学器件形成在波导上并且部署为在与第一维度正交的第二维度上扩展承载图像的光束，并且朝向观看者眼箱引导承载图像的光束。

【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导
本专利技术大体涉及电子显示器，并且更特别地涉及使用成像光导来向观看者传达承载图像的光的头戴式（近眼）显示器。
技术介绍
包括以类似于常规眼镜或太阳镜的形式的近眼显示器的头戴式显示器（HMD）正被研发用于各种各样不同的用途，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应用，存在形成虚拟图像方面的特定值，所述虚拟图像可以在视觉上叠覆在位于HMD用户的视场中的真实世界图像之上。并入各种类型波导的光导将承载图像的光中继给窄空间中的观看者，充当用于将虚拟图像再引导到观看者的瞳孔的出瞳扩展器并且使得能够实现其叠加功能。在常规光导中，来自图像源的经准直的角度相关光束通过输入光学耦合件（诸如，入耦合衍射光栅）耦合至光导衬底（一般被称为波导）中，所述输入光学耦合件可以形成在衬底的表面上或者埋在衬底内。其它类型的衍射光学器件可以用作输入耦合件，包括由交替的可变折射率材料形成的衍射结构，诸如，全息聚合物分散液晶（HPDLC）或者体积全息图。衍射光学器件还可以形成为表面释放衍射光栅。经准直的光束可以通过类似的输出光学耦合件而从波导引导出来，该输出光学耦合件也可以采取衍射光学器件的形式。从波导射出的经准直的角度相关射束在距波导的良视距（eyereliefdistance）处重叠，形成在其内可以观看由图像源生成的虚拟图像的出瞳。在良视距处通过其可以观看虚拟图像的出瞳的区域被称为“眼箱”。输出耦合件还可以布置用于放大出瞳。例如，通过在经准直的射束以其沿输出耦合件传播的方向上使经准直的射束的反射部分部分地偏移，或者通过沿波导从不同位置射出不同角度的经准直的射束，以便在距波导的良视距处更加高效地重叠经准直的射束，可以在一个维度上放大经准直的射束。沿波导位于输入耦合件和输出耦合件之间的所谓的“转向光学器件”可以用于在第二维度上扩展光瞳尺寸。通过使经准直的射束的反射部分偏移以放大射束本身的第二维度，或者通过将经准直的射束引导至输出耦合件的不同区域，使得从不同位置射出不同角度的经准直的射束以便在眼箱内更加高效地重叠，可以实现扩展。转向光学器件还可以采取衍射光学器件的形式，并且特别地，当位于输入耦合件和输出耦合件的衍射光栅之间时，也可以被称为中间光栅。尽管常规成像光导布置已经提供在近眼显示光学器件的体积、重量和总体成本方面的显著降低，但是光栅的总体效率常常受到每一个光栅界面处发生的光学损耗的限制。因为每一个光栅区域可以仅完全优化用于一个特定的视场角和用于一个特定的波长，所以跨虚拟图像的视场或者跨相同虚拟图像的可见光谱的性能可以极大地变化。这对于转向光栅同样如此，所述转向光栅引导从入耦合行进到出耦合衍射光学器件的光。因为相当量的输入光能量在光遇到每一个衍射光学器件时损耗，所以输入图像源必须足够明亮以便补偿呈现给观看者的虚拟图像中的所损耗的明亮度。因而，可以领会到，存在对图像承载光导的改进的设计的需要，所述图像承载光导仍然提供期望的光瞳扩展，但是在头戴式显示器中提供增强的高效性。在考虑用于成像的光导设计中，应当指出的是，在波导内行进的承载图像的光由输入耦合件有效地编码，而不管耦合机制是使用光栅、全息图、棱镜、反射镜还是某种其它机制。发生在输入处的光的任何反射、折射和/或衍射必须对应地由输出进行解码，以便重新形成呈现给用户的虚拟图像。放置在入耦合和出耦合衍射光学器件之间的中间位置处的转向光栅典型地选择为使得它不会引发关于编码光的任何改变。优选地，转向光栅再引导波导内的任何射线束，但是不会改变虚拟图像的编码角度信息。这样设计的系统中的所得虚拟图像没有旋转。另外，如果这样的系统的确向虚拟图像引入旋转，它将跨光的不同视场角和波长非均匀地这样做，因而引起所得虚拟图像中的不想要的畸变或偏差。Amitai的题为“Substrate-GuidedOpticalBeamExpander”的美国专利号6,829,095公开了以反射镜的形式的输入和输出耦合件，所述反射镜将图像承载光束的集合反射到平面波导中以及从平面波导反射出来。将输出耦合件划分为反射表面的阵列以用于沿一个维度扩展出瞳。在本文中称为转向反射镜的反射表面的中间阵列提供用于在正交维度上扩展出瞳。各种输入、输出和中间反射表面匹配到彼此以便保留图像承载射束的期望角度取向。然而，Amitai描述的类型的一维（1D）光瞳扩展导件已经被证实为是制造起来昂贵且困难的。使用在第二角度集合下取向的反射镜的阵列，将该概念延伸到2D射束扩展，使已经难以对付的制造任务极其复杂，并且引入将极度难以满足的对准要求。因而，转向光栅和转向反射镜二者已经匹配和取向为利用类似类型的输入和输出耦合件（即，光栅与光栅和反射镜与反射镜）进行工作。然而，如果转向光栅用于再引导已经使用反射镜或棱镜输入的光，这将产生结果得到的虚拟图像中的不想要的效应。作为一种考虑，在成像中使用任何类型反射表面的情况下，可以存在入耦合光的不想要的倒转/旋转。从可制造性的角度看，将承载图像的光束输入到波导中以及从波导输出出来的衍射光学器件的使用可以简化一些光学设计问题。然而，仍然存在对允许更好的性能、增加的效率和紧凑的封装布置以用于在平面波导内从输入耦合件向输出耦合见再引导光的光学解决方案的需要。
技术实现思路
本公开的目标是提出紧凑的头戴式（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了具有成像光导的可穿戴显示器，所述成像光导提供了放大的光瞳尺寸以用于向观看者呈现高分辨率的宽视场（FOV）内容。在本公开的实施例中，成像装置使用（a）衍射将光引导到平面波导中以及从平面波导引导出来，而同时沿虚拟图像的一个维度提供光瞳扩展，并且使用（b）波导内的反射以用于沿虚拟图像的第二维度的光瞳扩展和光再引导。这种新颖的布置提供了在增大的光学效率和明亮度方面的优点，并且允许更加紧凑的HMD和相关显示器设计选项，因为在和完全衍射解决方案进行比较时，该布置提供了图像旋转和倒转两者。本专利技术的这些和其它方面、目标、特征和优点将从随附权利要求和优选实施例的以下详细描述的概览以及通过参照附图而更加清楚地理解和领会。根据本公开的一方面，提供了一种成像光导，其包括波导、入耦合衍射光学器件、彼此平行取向的两个或更多的至少部分反射的表面的阵列以及出耦合衍射光学器件。入耦合衍射光学器件将多个光束引导到波导中，每一个光束表示虚拟图像的像素。两个或更多的至少部分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器件的承载图像的光束，并且朝向出耦合衍射光学器件引导经扩展的承载图像的光束。出耦合衍射光学器件在第二维度上扩展承载图像的光束并且朝向观看者眼箱引导来自波导的承载图像的光束。附图说明图1是示出了布置为衍射射束扩展器的单目类型成像光导的一种可能配置的简化横截面视图的示意图。图2是示出了布置为具有转向光栅的衍射射束扩展器的成像光导的透视图。图3是示出了根据本公开的实施例的布置为用于单个方向上的扩展的混合射束扩展器的成像光导的透视图，该成像光导使用入耦合和出耦合衍射光学器件和用于使射束转向的反射器。图4是示出了根据本公开的实施例的布置为混合2D射束扩展器的成像光导的透视图，该成像光导使用入耦合和出耦合衍射光学器件以及用于使射束转向的反射器的阵列。图5A是示出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于传达虚拟图像的成像光导，包括：波导；入耦合衍射光学器件，其具有第一光栅矢量并且部署为将承载图像的光束引导至波导中；两个或更多至少部分反射表面的反射器阵列，该至少部分反射表面平行地取向并且部署为在第一维度上扩展来自入耦合衍射光学器件的相应承载图像的光束，并且朝向出耦合衍射光学器件引导经扩展的承载图像的光束；以及出耦合衍射光学器件，其具有与第一光栅矢量平行的第二光栅矢量，并且布置为在与第一维度正交的第二维度上扩展相应承载图像的光束，并且朝向观看者眼箱引导来自波导的承载图像的光束。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.06 US 62/2755521.一种用于传达虚拟图像的成像光导，包括：波导；入耦合衍射光学器件，其具有第一光栅矢量并且部署为将承载图像的光束引导至波导中；两个或更多至少部分反射表面的反射器阵列，该至少部分反射表面平行地取向并且部署为在第一维度上扩展来自入耦合衍射光学器件的相应承载图像的光束，并且朝向出耦合衍射光学器件引导经扩展的承载图像的光束；以及出耦合衍射光学器件，其具有与第一光栅矢量平行的第二光栅矢量，并且布置为在与第一维度正交的第二维度上扩展相应承载图像的光束，并且朝向观看者眼箱引导来自波导的承载图像的光束。2.权利要求1所述的成像光导，其中反射器阵列的所述两个或更多至少部分反射表面包括第一和第二表面，其中第一表面是部分反射且部分透射的，并且第二表面是完全反射的。3.权利要求2所述的成像光导，其中第一表面具有长度和沿长度的至少部分变化的反射率值。4.权利要求3所述的成像光导，其中第一表面的反射率值沿长度从小于10%反射率到大于50%反射率单调地变化。5.权利要求1所述的成像光导，其中入耦合和出耦合衍射光学器件中的至少一个是衍射光栅。6.权利要求1所述的成像光导，其中承载图像的光束的第一部分直接透射通过反射器阵列，并且承载图像的光的剩余部分由所述两个或更多至少部分反射表面反射偶数次。7.权利要求1所述的成像光导，其中入耦合和出耦合衍射光学器件中的至少一个是体积全息图或者由全息聚合物分散液晶形成。8.权利要求1所述的成像光导，其中至少部分反射表面中的一个或多个使用二向色性涂层形成。9.权利要求2所述的成像光导，其中反射器阵列的所述两个或更多至少部分反射表面还包括第三表面，其中第三表面部署在第一和第二表面之间，第三表面是部分反射且部分透射的，并且第三表面具有比第一表面的反射率值大的反射率值。10.权利要求1所述的成像光导，其中出耦合衍射光学器件和入耦合衍射光学器件具有相同的光栅周期。11.权利要求1所述的成像光导，其中反射器阵列相对定位以用于通过倾斜角度在入耦合衍射光学器件和出耦合衍射光学器件之间反射虚拟图像的中心场射线。12.一种形成在平坦衬底上以用于传达虚拟图像的成像光导，包括：a）入耦合衍射光学器件，其形成在衬底上并且具有第一光栅矢量，并且部署为使入射的承载图像的光束衍射以用于沿衬底传播；b）沿衬底或在衬底内平行地部署的第一和第二至少部分反射表面，以及c）出耦合衍射光学器件，其形成在衬底上并且具有与第一光栅矢量平行的第二光栅矢量，并且部署为从衬底向外引导承载图像的光，其中第一至少部分反射表面是部分反射且部分透射的，第二至少...

【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