多层波导显示元件制造技术

本发明专利技术涉及一种波导显示元件，用于将图像从该元件的第一横向区域引导到该元件的第二横向区域，该元件包括多个彼此叠置的波导层(40A‑E)。该元件还包括布置在所述波导层中的两个波导层之间的至少一个中间衍射光学元件(44AB、44BC、44AD、44DE)。中间衍射光学元件(44AB、44BC、44AD、44DE)适于改变传播的光功率在层之间的分布。本发明专利技术还涉及包括这种元件的衍射显示设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多层波导显示元件
本专利技术涉及衍射波导显示元件，其可以用在个人显示设备诸如头戴式显示器(HMD)和平视式显示器(HUD)中。
技术介绍
衍射波导元件通常包括单个波导层或多个堆叠层。在若干层的情况下，待显示的图像的视场中的不同颜色或不同部分可以被引导到不同层中。在该情况下，每个层包括用于将图像的一部分耦合到层的单独的耦入光栅，以及用于将图像的一部分耦合到元件之外的单独的耦出光栅。US2017131546A1、D2_EP2733517A1和CN106526730A公开了可以具有多层的波导。考虑到人们可以做出的设计选择，所公开的方案是相对有限的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的限制并且提供了给出新的设计自由的波导。本专利技术是以提供多层波导为基础的，在该多层波导中，在层之间存在一个或多个光栅或其他的衍射光学元件，以用于在光于波导中传播的同时使光功率在层之间重新分布。因此，沿着光的传播路径，在一个横向点处的层之间的光功率的比与另一横向点处的层之间的光功率的比不同。这与其中在同一层中一旦光耦入直到光从该层耦出都保持不变的现有方案相反。特别地，本专利技术由独立权利要求中所陈述的内容表征。因此，根据一个方面，本专利技术提供了用于将图像从元件的第一横向区域引导到元件的第二横向区域的波导显示元件，该元件包括多个彼此叠置(ontopofeachother，一个叠一个、一层压一层)的波导层。元件还包括布置在所述波导层中的两个波导层之间的至少一个中间衍射光学元件。中间衍射光学元件适于改变传播的光功率在层之间的分布。本专利技术给出了显著的益处。最为重要的，本专利技术提供了新的设计自由。一经耦合以在一个层中传播的光直到被耦出都不必须停留在该层，而是可以移动到相邻层一次或多次。这允许完全实现新的显示产品。通过将功率从下面的层选择性地传输到耦出层，人们可以控制耦出光在空间上的量。因此，可以通过一个或多个中间DOE代替耦出光栅的直接调制来实施耦出调制。在阶梯状轮廓的波导的情况下，中间DOE可以用于使光“攀爬”阶梯。在阶梯之间，更多的层可以用于光传播和/或耦入/耦出，并且在不连续的阶梯区，光被聚集(pack，打包、缩整)到较少数量的层或仅一个层。可替代地，或者除此以外，在阶梯的位置处可以准确地进行从一个层到另一层的目标过渡。阶梯状轮廓是有益的，例如当实施具有明确的聚焦平面的波导时。在耦入中，本专利技术可以用于帮助激光束的倍增，以便在耦出时提供较密集的光束场，以用于防止用户看到图像分条(striping，条带化)。还存在其他用于本专利技术的使用情况。本专利技术可以用在窄波长波导诸如激光照射波导中，但也能够应用于宽带应用中。应该注意的是，本专利技术涉及改变传播的光的功率分布。也就是说，例如耦合到波导之外的且穿过中间层而未在其中传播的——或者其不意在在中间层中传播达显著程度的——光并不是本专利技术的焦点，且在呈现方面不会改变功率分布。从属权利要求针对于本专利技术选择性的实施方式。至少一个中间DOE的衍射光学响应在元件的区域内可以是不恒定的或者恒定的。在恒定的元件的情况下，可以实现光功率从一个层到另一层的横向恒定偏移。在不恒定的元件的情况下，可以实现例如功率的局部偏移或横向变化的功率偏移分布。局部功率重新分布给出了新的可能性，其中的一些在本文中被详细例示。在一些实施方式中，元件在所述第二横向区域处包括位于所述层中的第一层上的耦出DOE，并且中间DOE适于根据在所述第二区域内的位置来将光功率从与所述第一层相邻的第二层传递到该第一层，以便控制从波导中耦合出的光的分布。这允许使用均衡且高效率的耦出光栅作为耦出DOE来实施用于显示器的复杂输出功能。在一些实施方式中，波导具有阶梯状轮廓，该阶梯状轮廓包括沿着光从所述第一区域到所述第二区域的传播路径的至少一个不连续的梯级，并且中间DOE适于控制光在所述层之间的分布，以有助于传播的光功率通过该梯级。在一些实施方式中，波导元件的层中的至少一个层在梯级上连续成连续层，并且中间DOE适于增加连续层中的在梯级之前的光功率，以用于帮助光“攀爬该阶梯”。在一些实施方式中，元件包括在所述第一横向区域处的多个耦入衍射光学元件，耦入衍射光学元件与所述层相关联，以用于将最初的光功率耦合到层中。在一些实施方式中，中间DOE被设置在具有不同厚度的波导层之间，使得被导引到较薄的层的光线的量被倍增且通过中间光学元件被耦合到较厚的层。这在连贯的窄光束激光照射的情况下具有特别的关联性。在一些实施方式中，中间DOE覆盖元件的从第一横向区域(图像耦入区域)到第二横向区域(图像耦出区域)的区域。在该情况下，DOE通常具有不恒定的衍射光学响应，使得在其一个位置处的耦合效率比在其另一位置处的耦合效率高。在一些实施方式中，波导元件包括至少三个波导层和至少两个这样的在成对的波导层之间的中间衍射光学元件。波导层可以是堆叠层，在堆叠之前，每个中间DOE被制造到波导层中的一个波导层上。波导层还可以由单件式光引导材料形成，该单件式光引导材料通过装配所述中间衍射光学元件而被划分开。在一些实施方式中，位于任意两个波导层之间的中间DOE在层之间提供了在空间上连续的光学相互作用，通常存在沿着两个方向的连续光传输，并且光功率的净流至少在DOE的某一位置处是朝向层中的一个层的。接下来，参考所附附图更详细的讨论本专利技术的实施方式及其优点。附图说明图1至图5示出了根据本专利技术的示例性多层波导的截面侧视图。图6至图8以截面图例示了具有阶梯状表面轮廓的波导元件的不同变形。具体实施方式定义术语“衍射光学元件”(DOE)指的是波导本体的包括能够对光进行衍射的物理结构的区域。该结构通常包括大小为1μm或更小的特征的图案。DOE可以是周期的或非周期的，并且在其区域上可以具有恒定(单区)的衍射光学响应或者不恒定的衍射光学响应。不恒定的衍射光学响应DOE可以是多区DOE。术语“中间DOE”指的是不意在使光从其直接耦出，而是意在改变光线从一层到另一层的传播路径的DOE。然而，由于瑕疵，可能发生一定量的耦出。通常，根据预定的光学响应，入射该中间DOE的传播光的至少90％在原始层或者在新的层中继续传播。DOE的“衍射光学响应”指的是通过DOE由于衍射引起的光的角度和/或光谱分布的改变。为具体化，该响应可以是例如对于固定入射角度和波长的到特定角度的衍射强度。DOE的衍射微观结构图案生成了衍射光学响应。“多区”DOE指的是具有若干内部区的DOE，若干内部区具有不同的衍射光学响应。在一些设计中，上述区具有真实区域，并且在那些区内的衍射光学响应是恒定的。在区之间发生衍射光学响应的平稳的改变。在可替代的设计中，区是非常小的，因此基本上在整个DOE中发生平稳的改变。这些设计的组合也是有可能的。“阶梯状轮廓”意指具有多个不连续的(突然的)高度改变的表面轮廓。轮廓具有多个可区分的子表面，多个可区分的子表面在至本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种波导显示元件，用于将图像从所述元件的第一横向区域引导到所述元件的第二横向区域，所述元件包括多个彼此叠置的波导层，其中，所述元件还包括布置在所述波导层中的两个波导层之间的至少一个中间衍射光学元件，所述中间衍射光学元件适于改变传播的光功率在所述层之间的分布，其中，所述波导具有阶梯状轮廓，所述阶梯状轮廓沿着光从所述第一区域到所述第二区域的传播路径包括至少一个不连续的梯级，并且所述中间衍射光学元件适于控制光在所述层之间的分布，以有助于传播的光功率通过所述梯级。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171222 FI 201761561.一种波导显示元件，用于将图像从所述元件的第一横向区域引导到所述元件的第二横向区域，所述元件包括多个彼此叠置的波导层，其中，所述元件还包括布置在所述波导层中的两个波导层之间的至少一个中间衍射光学元件，所述中间衍射光学元件适于改变传播的光功率在所述层之间的分布，其中，所述波导具有阶梯状轮廓，所述阶梯状轮廓沿着光从所述第一区域到所述第二区域的传播路径包括至少一个不连续的梯级，并且所述中间衍射光学元件适于控制光在所述层之间的分布，以有助于传播的光功率通过所述梯级。


2.根据权利要求1所述的元件，其中，所述至少一个衍射光学元件具有在所述元件范围内不恒定的衍射光学响应。


3.根据权利要求1所述的元件，其中，所述至少一个衍射光学元件具有在整个所述元件范围内恒定的衍射光学响应。


4.根据前述权利要求中任一项所述的元件，其中，
-所述元件在所述第二横向区域处包括位于所述层中的第一层上的耦出衍射光学元件，
-所述中间衍射光学元件适于根据在所述第二横向区域内的位置来将光功率从与所述第一层相邻的第二层传递到所述第一层，以便控制从所述波导耦出的光的分布。


5.根据权利要求4所述的元件，其中，所述中间衍射光学元件适于将不均匀的光功率分布从所述第二层传递到所述第一层。


6.根据前述权利要求中任一项所述的元件，其中，所述层中的至少一个层关于所述梯级连续以作为连续层，并且所述中间衍射光学元件适于使所述连续层中的在所述梯级之前的光功率增加。


7.根据前述权利要求中任一项所述的元件，其中，所述元件在所述第一横向区域处包括多个耦入衍射光学元件，所述耦入衍射光学元件与所述层相关联，以用于将最初的光功率耦合到所述层中。


8.根据前述权利要求中任一项所述的元件，其中，所述中间衍射光学元件被设置在具有不同厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡西米尔·布卢姆斯泰特，
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