本发明专利技术涉及一种用于个人显示设备的衍射波导元件，该元件包括：在波导平面中延伸的显示波导(10)；耦入衍射光学元件(31)，该耦入衍射光学元件布置在显示波导(10)上或布置在显示波导中，以用于将光线衍射地耦合到显示波导(10)中；以及耦出衍射光学元件(33)，该耦出衍射光学元件布置在显示波导(10)上或布置在显示波导中，以用于将被衍射地耦合的光线耦出显示波导(10)。另外，提供了一种光线倍增器元件(12A)，该光线倍增器元件在光学上处于耦出衍射光学元件(33)的上游，该光线倍增器元件(12A)能够将入射到耦入光栅(31)的光线分离成多条平行光线，这样的多条平行光线在它们进入耦出衍射光学元件(33)之前在波导平面中在空间上移位。此外，本发明专利技术涉及波导显示设备。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】衍射波导元件和衍射波导显示器
本专利技术涉及衍射波导。这样的波导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
波导是许多现代个人显示设备中关键的图像形成元件。可以使用衍射光栅将待显示的图像耦入和耦出波导，以及在波导内对待显式的图像进行修改。例如，可以提供：耦入光栅，用于将来自投射器的图像耦合到波导中；出射光瞳扩展器光栅，用于将广场扩展到波导的一个或多个面内维度上；以及耦出光栅，其将波导的图像耦合至用户的眼睛。与衍射波导元件有关的一个问题是从其耦出的图像的条带化。这是因为在波导中经由全内反射行进的光束可能具有比观看者的眼瞳的直径长的反弹(bounce，弹跳、反射)周期，即，跳跃长度。在这种情况下，像素可能被衍射到瞳孔旁，并且因此对于用户不可见。特别是在大的入射角(相对于波导的法线)的情况下和在使用激光投射器进行图像形成时，这种效应尤其明显，原因在于每个图像像素仅由窄光束组成。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决上述问题，并且提供防止或减少条带化并有助于提供更完整的图像的解决方案。本专利技术是基于下述思想的：提供一种结合波导的耦入衍射光学元件的、能够将入射光线分离成在波导中传播的彼此移位的多条平行光线的光线倍增器元件。倍增器可以被设计成使得在所有入射角下都有至少一条光线，优选地多条光线，出射到观看者的瞳孔，由此防止了条带化。光线倍增器元件可以适于将入射光线分离到一个维度上或两个维度上。具体地，本专利技术由独立权利要求中所述的内容表征。根据第一方面，本专利技术提供一种用于个人显示设备的衍射波导元件，该元件包括：在波导平面中延伸的显示波导；耦入衍射光学元件，该耦入衍射光学元件布置在显示波导上或布置在显示波导中，以用于将光线衍射地耦合到显示波导中；以及耦出衍射光学元件，该耦出衍射光学元件布置在显示波导上或布置在显示波导中，以用于将被衍射地耦合的光线耦出显示波导。另外，提供了一种光线倍增器元件，该光线倍增器元件在光学上处于耦出衍射光学元件的上游，该光线倍增器元件能够将入射到耦入光栅的光线分离成多条平行光线，这样的多条平行光线在它们进入耦出衍射光学元件之前在波导平面中在空间上移位。光线倍增器元件可以设置在耦入衍射光学元件的上游或下游。具体地，在显示波导中，在入射光线的传播方向上，多条平行光线——即包括初始光线和经倍增光线——的密度高于入射光线的跳跃长度。这确保了产生光场的真实光线致密化。根据第二方面，本专利技术提供一种衍射波导显示器，包括：上述类型的衍射波导元件；以及图像投射器，其适于将多条激光光线投射到所述耦入衍射光学元件上，光线在光线倍增器元件中在空间上倍增。由图像投射器发出的初始单光束作为平行的多光线束从耦出光栅出射。具体地，在光线倍增器元件中发生的处于各特定角度的经倍增光线的空间移位与光线在显示波导中的跳跃长度不同，使得发生光线的附加空间散布。在典型的实施方案中，在波导中该移位小于跳跃长度。本专利技术提供了显著的益处。光线倍增器使在波导中传播的光线的反弹密度增加，并因而使在耦出光栅处每单位面积的耦出光线的数量增大。这增加了至少有一条光线出射到观看者的眼瞳的概率，或者完全确保了至少有一条光线出射到观看者的眼瞳。因此，防止了条带化或者至少减少了条带化，并且看到了完整且更为均匀的(无条带的)图像。本专利技术改善了显示器的性能，特别是改善了具有高入射角的、先前易于出现条带化的显示器的性能。应该注意的是，本专利技术不同于常规的出射光瞳扩展器(EPE)光栅，使得多条平行光线沿入射光的传播方向的密度高于跳跃长度。根据现有技术的EPE不能使光场在初始传播方向上致密化，而是仅能在横向方向上致密化。可以在对整体波导设计的改变很小或没有改变的情况下用相对简单的光线倍增器元件来实现本专利技术。投射器不需要任何更改。从属权利要求涉及本专利技术的选定实施方案。在一些实施方案中，光线倍增器元件包括厚度小于所述显示波导的平面倍增器波导。倍增器波导可以被定位成使得其与耦入衍射光学元件直接相互作用，以便在至少一个维度上引起光线倍增。可以提供例如附加的光栅或微反射镜布置，以在其他维度上引起倍增。在一些实施方案中，倍增器波导布置在显示波导的表面上或布置在显示波导的表面下方，与耦入衍射光学元件对准。因此，可以在不增加波导的覆盖区的情况下实现倍增。在一些实施方案中，光线倍增器元件包括适于执行或促进对入射光线的分离的一个或多个微反射镜元件或衍射光栅。在一些实施方案中，倍增器元件是显示波导中的具有两个衍射光栅的区段，上述两个衍射光栅布置在显示波导的相对表面上并且处于在通过所述耦入衍射光学元件衍射到波导中的光的传播路径上。衍射光栅或更一般地说是衍射光学元件使入射其中的光线产生所需的移位。在一些实施方案中，光线倍增器元件被配置成仅分离大于入射光线的预定入射角的光线。同样，光线倍增器元件可以被配置成：对于入射光线的至少两种不同的入射角，相应地提供至少两种不同的倍增因数。在典型的实施方案中，波导元件是激光照明的元件，其中具有特定入射角的每个单条光线对应于用户看到的图像的单个像素。因此，图像投射器是激光束投射器，诸如扫描束投射器。接下来，参考附图更详细地讨论本专利技术的实施方案及其优点。附图说明图1A和图1B分别示出了具有未出射到观看者的瞳孔的入射光线和出射到观看者的瞳孔的入射光线的常规波导的截面侧视图。图2A-C示出了根据本专利技术实施方案的具有三种不同类型的光线倍增器元件的波导的截面侧视图。图3示出了根据本专利技术的一种实施方案的波导的俯视图。具体实施方式定义本文的衍射光学元件是指包含规则或不规则特征的光栅和其他光学结构，上述规则或不规则特征的至少一个尺寸为大约可见光波长，即通常小于1μm，并因而引起光的显著衍射。示例包括线光栅(一维光栅)和二维光栅。光栅可以是单区光栅(在整个光栅区域具有相同的微结构和光学响应)或多区光栅(即包含具有不同的微结构和光学响应的区域)。“跳跃长度”是在波导中经由全内反射传播的光在波导的同一表面上的两个连续的反弹点之间的距离。所选实施方案的描述例如，当增强现实(AR)波导被激光照射时，需要本文讨论的光束倍增器。为了使由这样的波导所产生的图像在观察者的眼睛看来是不间断的，必须使与每个FOV角对应的至少一个激光束始终照射眼瞳。通常，人眼的瞳孔具有超过2mm的直径，这意味着在耦出区域处，光束彼此之间被分离开的距离不应超过此距离，以确保在所有情况下图像均是不间断的。然而，在普通的波导结构中，出射光瞳扩展后的光束间距离可能高达5mm，并且因此，光束必须被附加地细分(至EPE功能)。该附加的细分是本光线倍增器的目的。为了首先说明本专利技术背后的问题，图1A示出了具有耦入光栅31和耦出光栅33的平面波导10。入射光线11A被耦入光栅31衍射到波导10中，在该波导中入射光线经由全内反射传播。入射光线11A相对于波导的法线的入射角相对本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.用于个人显示设备的衍射波导元件，所述元件包括：/n-在波导平面中延伸的显示波导，/n-耦入衍射光学元件，所述耦入衍射光学元件布置在所述显示波导上或布置在所述显示波导中，以用于将光线衍射地耦合到所述显示波导中，经耦合的光线在所述显示波导中以传播跳跃长度进行传播，/n-耦出衍射光学元件，所述耦出衍射光学元件布置在所述显示波导上或布置在所述显示波导中，以用于将被衍射地耦合的光线耦出所述显示波导，/n-光线倍增器元件，所述光线倍增器元件处于所述耦出衍射光学元件的上游，所述光线倍增器元件能够将入射到所述耦入衍射光学元件的光线分离成多条平行光线，所述多条平行光线在所述波导平面中、沿所述波导平面的至少一个维度在空间上移位，所述多条平行光线沿入射光的传播方向的密度高于所述跳跃长度。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171222 FI 201761611.用于个人显示设备的衍射波导元件，所述元件包括：
-在波导平面中延伸的显示波导，
-耦入衍射光学元件，所述耦入衍射光学元件布置在所述显示波导上或布置在所述显示波导中，以用于将光线衍射地耦合到所述显示波导中，经耦合的光线在所述显示波导中以传播跳跃长度进行传播，
-耦出衍射光学元件，所述耦出衍射光学元件布置在所述显示波导上或布置在所述显示波导中，以用于将被衍射地耦合的光线耦出所述显示波导，
-光线倍增器元件，所述光线倍增器元件处于所述耦出衍射光学元件的上游，所述光线倍增器元件能够将入射到所述耦入衍射光学元件的光线分离成多条平行光线，所述多条平行光线在所述波导平面中、沿所述波导平面的至少一个维度在空间上移位，所述多条平行光线沿入射光的传播方向的密度高于所述跳跃长度。
2.根据权利要求1所述的元件，其中，所述光线倍增器元件定位在所述耦入衍射光学元件的上游。
3.根据权利要求1所述的元件，其中，所述光线倍增器元件定位在所述耦入衍射光学元件的下游。
4.根据前述权利要求中任一项所述的元件，其中，所述光线倍增器元件适于使入射光线在所述跳跃长度内倍增成至少两倍、诸如至少四倍的移位光束。
5.根据前述权利要求中任一项所述的元件，其中，所述光线倍增器元件包括厚度小于所述显示波导的平面倍增器波导。
6.根据权利要求5所述的元件，其中，所述倍增器波导布置在所述显示波导的表面上或布置在所述显示波导的表面下方，与所述耦入衍射光学元件对准。
7.根据前述权利要求中任一项所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：卡西米尔·布卢姆斯泰特，尤索·奥尔科宁，安蒂·松纳里，
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
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