显示元件、个人显示装置、用于在个人显示器上显示图像的方法及用途制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用于个人显示系统的显示元件、个人显示器，以及方法和用途。该显示元件包括能够通过全内反射来引导光的光导(21)，衍射式输入耦合光栅(22)和衍射式输出耦合光栅(25)。输入耦合光栅适于将导向其的光耦合到光导，以允许光传播到输出耦合光栅。根据本发明专利技术，输入耦合光栅适于将光作为至少两个衍射波前而耦合到至少光导，并且显示元件还包括至少两个不同的出射光瞳扩展光栅(23,24)，它们适于沿着不同的路径分别将所述波前引导到所述外耦合光栅。本发明专利技术允许减小衍射式显示元件的尺寸。

Display element, personal display device, method and use for displaying image on personal display

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】显示元件、个人显示装置、用于在个人显示器上显示图像的方法及用途
本专利技术涉及衍射显示技术。特别是，本专利技术涉及基于光导的衍射显示器，其包括输入耦合光栅、出射光瞳扩展光栅和输出耦合光栅。另外，本专利技术涉及一种在衍射式显示器上显示图像的方法和一种新颖的用途。具体地说，本专利技术涉及个人显示器，例如利用衍射光栅的近眼显示器(NED)。
技术介绍
可以在基于衍射式光导的显示器的输入耦合光栅和输出耦合光栅之间使用附加光栅，即所谓的出射光瞳扩展器(EPE)来扩展该显示器的出射光瞳。通常，如在US6580529B1中描述的那样，衍射式NED的输入耦合光栅使用单个的反射或透射衍射级，其通过出射光瞳扩展器而被引导至输出耦合光栅。为了获得较高的输入耦合效率，需要使用复杂的光栅结构(例如倾斜的或悬垂的结构)，以使所有光进入所采用的衍射级。在US2016/0231568A1中公开了这样一些先进的光栅结构，以及NED显示元件的几何形状。具有2D出射光瞳扩展器的单个光导的最大视场(FOV)取决于光导的折射率和输入耦合光的波段。当波段为460-630nm且光导折射率为2.0时，最大FOV约为33-35度。当前，由于具有较高折射率的玻璃材料会吸收太多的蓝光而不能在光导中使用，因此将折射率限制为2.0。增加FOV的典型方法是将多个光导相互堆叠，以使光导的输入耦合光栅横向地重合。一种方法是为每种原色(红、绿、蓝)使用单个光源。在这种方法中，RGB图像需要三个光导。即使采用堆叠方法，像上面提到的那些现有技术的解决方案在输入耦合中仅利用单个衍射级，导致了大尺寸的EPE光栅。这阻止了它们在高FOV(大于40度)的可穿戴NED设备中的使用。为了说明这个问题，将US2016/0231568A1中所公开的显示设计应用于单色(50-100nm)波段和50度FOV的NED显示器(其具有高15mm、宽10mm的眼动范围和20mm的良视距)上，可获得如图1所示的结构。该结构包括光导11，以及布置在该光导11上的输入耦合光栅12、出射光瞳扩展光栅13和输出耦合光栅14。由于FOV较大，EPE光栅13在垂直和水平方向上都比输出耦合光栅14大。光导的总尺寸为高77毫米、宽52毫米，这对于紧凑型眼镜式NED来说太大了。因此，需要有改进的解决方案，以允许产生具有大FOV的较小的NED。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是克服现有技术中的至少一些问题，并提供一种用于个人显示器的新颖的显示元件。一个具体目的是提供一种需要比现有技术的解决方案中的面积更小的显示元件。一个特定目标是使用较小的光导来实现相同的眼动范围和FOV。另一个目的还在于提供一种显示元件，其允许实现比传统解决方案中的FOV更高的FOV。另外的目的是提供一种采用这种显示元件的个人显示装置、一种在个人显示器上显示图像的改进方法，以及一种新颖的用途。本专利技术基于以下思想：使用入射光的一个以上的衍射级，并且沿着不同的路径经由不同的出射光瞳扩展光栅将衍射级耦合和引导到波导中。这允许在不损害视场、甚至能增加元件的最大视场的情况下制造小尺寸的显示元件。根据一个方面，用于个人显示系统的本专利技术的显示元件包括能够通过全内反射来引导光的光导、衍射式输入耦合光栅和衍射式输出耦合光栅。输入耦合光栅适配在光导上，从而能够将引导到输入耦合光栅的光耦合到光导，在那里使光传播到输出耦合光栅以产生可见的图像。根据本专利技术，输入耦合光栅适于将入射光分成至少两个、尤其是两个衍射波前。该显示元件还包括至少两个、尤其是两个不同的出射光瞳扩展光栅，它们位于光导上且彼此之间相对地横向偏移，以便沿着不同的路径将所述波前分别引导至输出耦合光栅。最终的可视图像形成在单个输出耦合光栅上，作为通过不同的出射光瞳扩展器传播的两个波前之和。根据本专利技术的个人显示装置(例如近眼显示装置)包括用于投射图像的图像源，以及如上所述的至少一个衍射式显示元件，用于在所述输出耦合光栅上显示投射到其所述输入耦合光栅上的图像。可以提供两个这样的显示元件，使用者的每只眼睛各一个。该设备例如可以是增强现实显示器，例如眼镜式集成显示器。根据本专利技术的用于在个人显示器上产生图像的方法包括将光引导到布置在光导上的输入耦合光栅，所述光导能够通过全内反射来横向地引导光，使得光作为两个在不同方向上传播的不同的衍射波前而耦合到光导。衍射波前被引导至两个不同的出射光瞳扩展光栅，以扩展显示器的出射光瞳。最后，将光从出射光瞳扩展光栅引导到单个输出耦合光栅，以产生最终的可视图像。通常，光基本上在光导平面的法线方向上被引导到输入耦合光栅。根据本专利技术的用途包括使用基于衍射级分离的入射光和该分离的光的重组来在衍射式显示元件上产生图像。更具体地说，本专利技术的特征在于独立权利要求中所述的内容。本专利技术提供了明显的好处。首先，本专利技术允许减小衍射式显示元件的横向尺寸。这是因为与可提供相当的FOV的单个较大的出射光瞳扩展器相比，两个出射光瞳扩展器可以更有效地布置在光导上。使用本专利技术的实施例，与传统的光栅和光栅布局相比，实际上可以进一步增加最大视场。更具体地说，与目前最先进的方法相比，本专利技术允许在光导中引导甚至要大15％的视场(FOV)。特别是，通过所提出的输入耦合和出射光瞳扩展结构，可以利用输入耦合光的第一正、负级，这允许使用可以相对容易地制造而不牺牲效率的二元光栅。在输出耦合光栅上，不同的衍射级波前会重新组合。与目前最先进的方法相比，本专利技术需要较小的总光导面积，这最终为NED设备提供了更好的外形尺寸。从属权利要求涉及本专利技术的一些选定实施例。在一些实施例中，该元件包括两个出射光瞳扩展光栅，其基本上横向地位于输入耦合光栅的相对侧上。在一个实施例中，光栅相对于输入耦合光栅对称地呈扇形区域定位，并且优选地在其紧邻区域内，因此能产生领结形的几何形状。在一些实施例中，输出耦合光栅相对于出射光瞳扩展光栅对称地定位。光栅的光栅线布置成使得出射光瞳扩展光栅将光引导至形成最终图像的输出耦合光栅。在一些实施例中，光导具有渐缩的形状，其中，输入耦合光栅和出射光瞳扩展光栅位于其较宽的一端，而输出耦合光栅位于其较窄的一端。这样，可以最佳地利用光导的空间。在一些实施例中，输入耦合光栅适于通过分别将光衍射成正的和相应的负的衍射级来将两个波前耦合到衬底。这些衍射级可以包括第一正的和负的透射级，或者第一正的和负的反射级，这取决于输入耦合光栅相对于光导和图像源的位置。在一些实施例中，输入耦合光栅包括双周期性光栅。在一个典型的实施例中，光栅在两个正交的方向上是周期性的，其中之一与两个EPE光栅的对称轴对准，该对称轴也可以是输入耦合光栅和/或输出耦合光栅的对称轴。在一些实施例中，输入耦合光栅在两个正交的横向方向上都是周期性的，使得它在第一正交方向上将光主要耦合到第一正级和负级，而在另一个正交方向上将光主要耦合到第一正级或负级。在一些替代实施例中，输入耦合光栅包括单周期光栅，或者包括具有单周期光栅的不同的输入耦合区域。在一些实施例中，输入耦合光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于个人显示器的显示元件，所述显示元件包括：/n通过全内反射来引导光的光导，/n衍射式输入耦合光栅，和/n衍射式输出耦合光栅，/n其中，所述输入耦合光栅适于将引导到其上的光耦合到光导，以允许光传播到所述输出耦合光栅，其中所述输入耦合光栅适于将光作为至少两个衍射波前耦合至所述光导，所述显示元件还包括至少两个不同的出射光瞳扩展光栅，其适于将所述波前分别沿着不同的路径引导到所述输出耦合光栅，其中，所述输入耦合光栅适于通过将光分别衍射到第一正透射级和第一负透射级或者第一正反射级和第一负反射级而将所述至少两个衍射波前耦合到所述光导。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170503 FI 201753891.一种用于个人显示器的显示元件，所述显示元件包括：
通过全内反射来引导光的光导，
衍射式输入耦合光栅，和
衍射式输出耦合光栅，
其中，所述输入耦合光栅适于将引导到其上的光耦合到光导，以允许光传播到所述输出耦合光栅，其中所述输入耦合光栅适于将光作为至少两个衍射波前耦合至所述光导，所述显示元件还包括至少两个不同的出射光瞳扩展光栅，其适于将所述波前分别沿着不同的路径引导到所述输出耦合光栅，其中，所述输入耦合光栅适于通过将光分别衍射到第一正透射级和第一负透射级或者第一正反射级和第一负反射级而将所述至少两个衍射波前耦合到所述光导。


2.根据权利要求1所述的显示元件，其特征在于，所述显示元件包括两个不同的出射光瞳扩展光栅，它们基本上横向地位于所述输入耦合光栅的相对的两侧。


3.根据权利要求1或2所述的显示元件，其特征在于，所述输出耦合光栅相对于所述出射光瞳扩展光栅对称地定位。


4.根据前述权利要求中任一项所述的显示元件，其特征在于，所述出射光瞳扩展光栅相对于所述输入耦合光栅对称地布置为扇形区域。


5.根据前述权利要求中任一项所述的显示元件，其特征在于，所述输入耦合光栅包括双周期性光栅。


6.根据权利要求5所述的显示元件，其特征在于，所述输入耦合光栅在两个正交的横向方向上是周期性的，使得其在第一正交方向上将光主要输入耦合到第一正级和第一负级，并在另一正交方向上将光主要输入耦合到第一正级或第一负级。


7.根据权利要求1到5中任一项所述的显示元件，其特征在于，所述输入耦合光栅包括单周期光栅。


8.根据前述权利要求中任一项所述的显示元件，其中，所述输入耦合光栅的光栅矢量适于将具有方向单位矢量和负θx的波引导到第一出射光瞳扩展光栅，将正θx的波引导到第二出射光瞳扩展光栅。


9.根据前述权利要求中任一项所述的显示元件，其特征在于，所述输入耦合光栅、出射光瞳扩展光栅和输出耦合光栅的一个或多个光栅矢量被选择为使得当所述波前通过所述输出耦合光栅而从所述光导输出耦合时，所述波前具有与入射在所述输入耦合光栅上的相同的正交波矢量分量。


10.根据前述权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤索·奥肯宁，安蒂·桑纳莉，
申请(专利权)人：迪斯帕列斯有限公司，
类型：发明
国别省市：芬兰;FI