具有光栅镜的衍射显示元件制造技术

提供了衍射显示元件，该衍射显示元件包括：波导本体；耦入区域(11、21、52、520D)，该耦入区域用于使光衍射地耦合到波导本体中；以及耦出区域(13、31、41、56、560D)，该耦出区域用于使光衍射地耦合出波导本体，所述光适于沿着主要路线从所述耦入区域传播到耦出区域。根据本发明专利技术，该元件还包括至少一个光栅镜(22A、22B、32、33、42、53A、53B、53C、53D、531D、532D、533D、534D)，该至少一个光栅镜位于所述主要路线外部、用于使从所述主要路线分散的光衍射地镜射回所述主要路线。本发明专利技术允许提高基于波导的个人显示器的效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有光栅镜的衍射显示元件
本专利技术涉及衍射显示技术。特别地，本专利技术涉及基于光导的衍射显示元件，该衍射显示元件包括耦入光栅、耦出光栅以及可选地出射光瞳扩展器(EPE)光栅。这样的显示元件可以用于个人显示器中，诸如头戴式显示器(HMD)，例如用于近眼式显示器(NED)和平视式显示器(HUD)。
技术介绍
HMD和HUD可以使用波导技术实现。可以使用衍射光栅使光耦合到波导、使光在波导中重定向或者使光耦合出波导。在一种常规的显示器设计中，光从投射器被引导到耦入光栅，该耦入光栅使进入的光衍射到波导中，在该波导中，进入的光经由全内反射朝向耦出光栅传播。耦出光栅使光衍射出波导，从而对原始显示给耦入光栅的图像进行再现。EPE光栅可以用在耦入光栅与耦出光栅之间，以使显示器的可视区域横向地扩展。基于波导的显示器中的一个问题是波导元件即波导本体和布置在其上的光栅的总效率非常低，典型地为大约0.1％至5％。这是因为光栅的相对较低的耦合效率以及光在元件中行进时发生的其他损耗。因此，存在对改进的波导显示器的需要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提高波导显示器的效率。该目的通过独立权利要求中陈述的内容来实现。本专利技术基于下述概念：向波导元件提供至少一个基于光栅的镜，使得已从耦入光栅朝向耦出光栅的路线分散(stray，杂散)的光返回到该路线。也就是说，原本会损耗的光被镜射回限定光的“正常”路线的光栅之一，并进一步朝向耦出光栅。根据一方面，提供了一种衍射显示元件，包括：波导本体；耦入区域，该耦入区域用于使光衍射地耦合到波导本体中；以及耦出区域，该耦出区域用于使光衍射地耦合出波导本体，所述光适于沿着主要路线从所述耦入区域传播到耦出区域。根据本专利技术，该元件还包括至少一个光栅镜，该至少一个光栅镜位于所述主要路线外部、用于使从所述主要路线分散的光衍射地镜射回所述主要路线。例如，可能由于下述情况而发生从主要路线的分散，所述情况为处于远离主要路线的一个或多个衍射级的衍射，或者光射线行进穿过主要路线上的光栅区域而不与其相互作用。根据另一方面，提供了一种个人图像显示设备，诸如，包括本类型的衍射显示元件和图像投射器，该图像投射器用于使图像瞄准到耦入区域，在该耦入区域中，该图像被衍射地耦合到光导中以经由全内反射行进。图像通过元件的耦出区域朝向看到原始图像的用户的眼睛耦出。该设备可以是头戴式显示器(HMD)，诸如近眼式显示器(NED)或平视式显示器(HUD)。本专利技术提供了显著的益处。首先，本专利技术总体上提高了波导元件的效率，因为镜光栅能够捕获原本会被浪费的光，并因此更多的光被从耦入器引导到耦出器。这具有的益处在于增加了显示器的亮度，或者替代性地可以降低投射器的输出功率。本专利技术的实施方式具有另外的益处。例如，当光栅镜结合耦入光栅或耦出光栅使用时，可以提高图像的均匀性，这将在后面更详细地解释。同样，通过本专利技术，可以减小耦入光栅的大小，这对于显示器的因素和大小要求具有积极的影响。应当注意，波导的边缘不能用作镜(例如，通过用反射材料对它们进行涂覆)，因为它们产生与原始虚拟图像不匹配的镜图像。然而，本基于光栅的镜维持图像的拓扑并因此增强图像。从属权利要求涉及本专利技术的选定实施方式。在一些实施方式中，耦入区域包括具有耦入周期的光栅，并且光栅镜包括具有光栅镜周期的光栅，该光栅镜周期等于耦入周期的一半。这对于典型地具有的光栅线与耦入光栅的光栅线平行的耦入光栅镜或竖向EPE光栅镜而言是特别有益的。在一些实施方式中，耦出区域包括具有耦出周期的光栅，并且光栅镜包括具有光栅镜周期的光栅，该光栅镜周期等于耦出周期的一半。这对于典型地具有的光栅线与耦入光栅的光栅线正交的耦出光栅镜或水平EPE光栅镜而言是特别有益的。在一些实施方式中，光栅镜适于使用第一反射衍射级进行所述镜射。特别地，可以使用第一正阶。在一些实施方式中，光栅镜被配置为将光基本上反射到相对于分散的光的传播方向相反的传播方向上。但是，也可以使用倾斜反射，如这将在后面进行解释。在一些实施方式中，从主要路线看，光栅镜与耦入区域相关联，即位于耦入区域的后面。在一个实施例中，光栅镜适于引导从耦入区域衍射到光栅镜的光的至少一部分经过该耦入区域到达主要路线。这可以用来提高显示器的强度均匀性。在另一实施例中，耦入区域是偏振敏感的，并且该元件包括用于改变镜射光的偏振状态的装置，以防止镜射光通过耦入区域进行耦出。这进一步提高了效率。在一些实施方式中，从主要路线看，光栅镜与耦出区域相关联，即位于耦出区域的后面。这提高了显示器的整体效率，并且还提高了图像的均匀性。在一些实施方式中，该元件还包括形成主要路线的一部分的出射光瞳扩展器(EPE)区域。存在下述两个光栅镜，所述两个光栅镜与EPE区域相关联，即位于EPE区域的后面(从主要路线看)、横向地在其不同侧上。这也提高了显示器的整体效率，这在使用EPE时具有特别的意义，这是因为其原本会导致显著的损耗，同时增加显示器的出射光瞳。在典型的实施方式中，光栅镜的至少大部分，典型地整个光栅镜，位于被耦入区域和耦出区域以及可选地出射光瞳扩展器区域横向地跨越的区段的外部。该区段在本文中被称为“主要传播区段”，其包含光打算从耦入器行进到耦出器并进一步行进出波导的主要路线。在一些实施方式中，光栅镜在主要镜射方向上的尺寸比要被镜射的传播光的跳行长度大。这确保了最大效率。单个波导上的光栅镜的数量可以例如为一、二、三或四个。以上提及的四个典型位置将在下面详细举例说明。接下来，参考所附附图更详细地讨论本专利技术的实施方式及其优点。附图说明图1示出了传统光栅设置机构的俯视图。图2A和图2B示出了与耦入光栅相关联的光栅镜的详细俯视图。图3示出了与EPE光栅相关联的光栅镜的详细俯视图。图4A示出了与耦出光栅相关联的光栅镜的详细俯视图。图4B示出了在图4A的配置中发生的镜射事件的k空间表示。图5A至图5D示出了在其不同位置包括波导镜的波导元件的波导全视图。图6示出了光的主要传播区段和路径。具体实施方式图1示出了用于衍射光导的传统光栅配置。光导表面包括耦入光栅11、出射光瞳扩展(EPE)光栅12和耦出光栅13。如所讨论的，像这样的衍射光导的总效率典型地相对较低。所有的光栅都导致一些光损耗。耦入器通过+/-1衍射级产生射线15和14。射线14的能量被损耗。EPE光栅使射线15的一部分入射能量朝向耦出器转向，并且其余的入射能量经由射线16被损耗。耦出器使来自EPE的射线部分地耦出，但射线17保留在耦出器之后的光导内部。通常不希望的、导致损耗的射线14、16、17在文中统称为“分散的光”或“分散的射线”。通过本专利技术的实施方式，通过使分散的射线14、16和17重定向到耦出器上，提高了光导的总效率。如所讨论的，这有利地使用充当镜的光栅来执行，从而能够使光基本上反射回其原始传播方向。总而言之，分散的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种衍射显示元件，包括：/n-波导本体，/n-耦入区域，所述耦入区域用于使光衍射地耦合到所述波导本体中，/n-耦出区域，所述耦出区域用于使光衍射地耦合出所述波导本体，所述光适于沿着主要路线从所述耦入区域传播到所述耦出区域，/n其中，所述元件还包括至少一个光栅镜，所述至少一个光栅镜位于所述主要路线外部、用于使从所述主要路线分散的光衍射地镜射回所述主要路线，/n-从所述主要路线看，所述光栅镜位于所述耦入区域的后面，并且/或者/n-所述耦出区域包括相组合的耦出光栅和出射光瞳扩展光栅，并且在所述耦出区域的至少两个侧上设置有光栅镜，并且/或者/n-所述元件还包括位于所述主要路线上的出射光瞳扩展器区域，并且在所述出射光瞳扩展器区域的两个不同侧上存在从所述主要路线看位于所述出射光瞳扩展器区域的后面的两个光栅镜。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180206 FI 201851051.一种衍射显示元件，包括：
-波导本体，
-耦入区域，所述耦入区域用于使光衍射地耦合到所述波导本体中，
-耦出区域，所述耦出区域用于使光衍射地耦合出所述波导本体，所述光适于沿着主要路线从所述耦入区域传播到所述耦出区域，
其中，所述元件还包括至少一个光栅镜，所述至少一个光栅镜位于所述主要路线外部、用于使从所述主要路线分散的光衍射地镜射回所述主要路线，
-从所述主要路线看，所述光栅镜位于所述耦入区域的后面，并且/或者
-所述耦出区域包括相组合的耦出光栅和出射光瞳扩展光栅，并且在所述耦出区域的至少两个侧上设置有光栅镜，并且/或者
-所述元件还包括位于所述主要路线上的出射光瞳扩展器区域，并且在所述出射光瞳扩展器区域的两个不同侧上存在从所述主要路线看位于所述出射光瞳扩展器区域的后面的两个光栅镜。


2.根据权利要求1所述的元件，其中，所述耦入区域包括具有耦入周期的光栅，并且所述耦出区域包括具有耦出周期的光栅，并且所述光栅镜包括具有光栅镜周期的光栅，所述光栅镜周期等于所述耦入周期或所述耦出周期的一半。


3.根据前述权利要求中任一项所述的元件，其中，所述光栅镜适于使用第一反射衍射级进行所述镜射。


4.根据前述权利要求中任一项所述的元件，其中，所述光栅镜被配置为将光基本上反射到相对于分散的光的传播方向的相反传播方向上。


5.根据前述权利要求中任一项所述的元件，其中，所述光栅镜适于引导从所述耦入区域衍射到所述光栅镜的光的至少一部分经过所述耦入区域到达所述主要路线，特别是朝向其上的出射光瞳扩展器光栅。


6.根据前述权利要求中任一项所述的元件，其中，所述耦入区域是偏振敏感的，并且所述元...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤索·奥尔科宁，彼得里·米奥哈宁，
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