新型光栅布置制造技术

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，该元件包括波导本体(21)和布置在波导本体(21)上的至少两个光栅区域(23、24)，上述光栅区域中的至少一些适于扩展该元件的出射光瞳。根据本发明专利技术，光栅区域(23、24)相对于彼此被定位，并设置了具有不同光栅矢量的光栅，从而使光栅区域(23、24)相互作用，以在元件的至少一些部分上结合出射光瞳扩展和外耦合的功能。本发明专利技术允许有效地使用波导面积。本发明专利技术允许有效地使用波导面积。本发明专利技术允许有效地使用波导面积。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】新型光栅布置


[0001]本专利技术涉及光学设备。特别地，本专利技术涉及个人显示设备诸如近眼显示器(NED)、头戴式显示器(HMD)和平视显示器(HUD)中使用的衍射波导的光栅布置。更具体地，公开了用于具有紧凑形式因数的大视场波导的光栅布置。

技术介绍

[0002]NED、HMD和HUD通常包括投影器和组合器元件。投影器产生虚拟图像，该虚拟图像在组合器元件的帮助下被叠置在用户的真实世界视图之上。在NED和HMD中，组合器元件通常是半透明的，并且位于距离眼睛1至3cm处。组合器元件可以是半透明镜，或者是更复杂的光学组件，诸如衍射、全息或反射光导，或自由形式的棱镜。衍射波导通常包括内耦合(IC)、出射光瞳扩展(EPE)和外耦合(OC)光栅。在传统的设计中，这些光栅区域在空间上被分离。EPE和OC光栅的大小随着视场(FOV)和眼动范围(eyebox：人眼窗口)大小的增大而增大。这阻碍了这种方法在高FOV(>50度)可穿戴式NED设备中的应用。
[0003]为了举例说明这个问题，在US 2016/0231568 A1中公开的显示器设计被应用于具有15mm
×
10mm(高
×
宽)的眼动范围和20mm眼睛间隙的50度FOV NED显示器时，得到了图1中所示的结构。该结构包括波导11、IC 12、EPE 13和OC 14。由于大FOV，EPE 13在竖向上和水平上都比外耦合光栅14大。光导的总大小为77mm
×
52mm(高
×
宽)，这对于紧凑型眼镜式NED来说太大。
[0004]因此，有必要改进衍射显示方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种其面积得到有效使用的波导元件。具体的目的是提供一种方案，通过它可以增大显示面积与波导总面积的比。
[0006]特别地，它的目的是为高视场衍射波导提供光栅布置，其形式因数与可穿戴式NED兼容，特别地眼镜形式因素的NED和其他紧凑型形式因数的设备。
[0007]一个目的是提供适用于透视或增强现实设备的方案。
[0008]本专利技术是基于在波导元件中结合出射光瞳扩展和外耦合的功能的理念。在实践中，有若干方法可以实现这一点，使用光栅区域位置和其中的光栅图案的适合的配置。
[0009]因此，根据一个方面，提供了一种用于个人显示设备的衍射波导元件，包括波导本体和布置在波导本体上的至少两个光栅区域，上述光栅区域中的至少一些光栅区域适于扩展元件的出射光瞳。根据本专利技术，光栅区域被定位并设置有光栅，使得光栅区域相互作用以在元件的至少一些位置上结合出射光瞳扩展和外耦合的功能。
[0010]一般地，第一和第二光栅区域可以在非叠置或叠置的位置被定位在波导的相同侧或不同侧上。下面将讨论若干示例性配置。
[0011]根据另一方面，提供了一种个人显示设备，包括如本文所公开的波导元件，并且还具有至少一个内耦合区域。另外地，该设备包括至少一个投影器，用于在内耦合光栅上引导
图像，图像从该内耦合光栅衍射到波导中并前进至光栅区域，在该光栅区域处，由于第一和第二光栅，出射光瞳被扩展并且图像被外耦合。
[0012]根据又一方面，提供了一种在个人透视显示设备上提供图像的方法，该方法包括
[0013]‑
使用内耦合器作为传播射线将图像耦合到波导本体中，
[0014]‑
通过布置在波导上的第一光栅，允许内耦合的传播射线的第一部分的出射光瞳在波导中扩展，扩展的射线从上述波导中传播到被布置在波导上的以及光栅矢量与第一光栅不同的第二光栅，以便从其外耦合，
[0015]‑
通过第二光栅，允许内耦合的传播射线的与第一部分不同的第二部分的出射光瞳在波导中扩展，扩展的射线从第二光栅传播到第一光栅，以便从其外耦合。
[0016]本专利技术提供了相当大的益处。主要的好处是与元件的有效外耦合面积相比，元件的占地面积小。这允许例如眼镜镜片大小的显示元件具有大的出射光瞳和FOV。
[0017]如通过后面描述的实施方式举例说明的，本专利技术还允许具有单个投影器和内耦合区域的50
×
90度(水平
×
竖向)的高FOV，以及具有两个投影器和内耦合区域的100
×
90度(H
×
V)的极高FOV，以在波导中被传播(其中波导的折射率为2.0)。
[0018]接下来，参照附图讨论本专利技术的作为其优点的选出的实施方式。
附图说明
[0019]图1示出具有出射光瞳扩展的传统衍射波导。
[0020]图2示出没有专用外耦合光栅的光栅布置。
[0021]图3A和图3B示出用于图2的光栅布置的(kx，ky)平面中的波矢量图。
[0022]图4示出双面光栅布置。
[0023]图5A示出具有1D和2D光栅的光栅布置。
[0024]图5B示出由六边形光栅产生的可能衍射级。
[0025]图6示出具有2D内耦合器和在第二表面上的小周期扩展光栅的光栅布置。
[0026]图7示出用于图6的内耦合器的(kx，ky)平面中的波矢量图和第二表面的小周期光栅的波矢量。
[0027]图8示出本专利技术的另一实施方式。
[0028]图9示出本专利技术的又一实施方式。
具体实施方式
[0029]如上所述，为了减少光栅所需的表面积，需要将EPE和OC光栅的光学功能相结合。
[0030]在一些实施方式中，在波导上或波导中至少有两个光栅区域，这些区域包括：设置有第一光栅的第一光栅区域，该第一光栅区域被定位在波导本体的第一位置上；以及设置有第二光栅的第二光栅区域，该第二光栅区域被定位在波导本体的第二位置上，该第二位置与第一位置不同。第二光栅被布置成将已经被第一光栅散播的射线——即其出射光瞳已经被扩展——外耦合。另一方面，第一光栅将其出射光瞳已经被第二光栅扩展的射线外耦合。
[0031]图2示出这种元件的示例，其没有专用外耦合区。波导21仅包括内耦合器21以及EPE光栅23和24。EPE光栅24将由EPE光栅23转动的射线外耦合，反之亦然。
[0032]在优选的配置中，内耦合器(G1)和EPE(G2，G3)的光栅矢量被选择成使得它们的总和是零矢量。这在图3A和图3B中例示了50
×
90度(H
×
V)的视场。
[0033]在一些实施方式中，如图2所示，第一和第二光栅区域以非叠置的方式布置在波导本体的相同或不同侧上。
[0034]在替代性实施方式中，第一和第二光栅区域被布置在波导本体的不同侧上，以便它们在波导的主平面中部分地彼此叠置。这有利于增大元件的眼动范围。
[0035]实际上，在图2的光栅布置中，具有小k
y
分量的FOV点受到小眼动范围的影响。眼动范围问题可以通过在波导的不同侧上放置EPE光栅并侧向地扩展它们，使它们在中心区域叠置来解决。这在图4中得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于个人显示设备的衍射波导元件，包括
‑
波导本体，
‑
被布置在所述波导本体上的至少两个光栅区域，所述光栅区域中的至少一些光栅区域适于扩展所述元件的出射光瞳，其中，所述光栅区域相对于彼此被定位，并设置了具有不同光栅矢量的光栅，使得所述光栅区域相互作用，以在所述元件的至少一些部分上结合出射光瞳扩展和外耦合的功能。2.根据权利要求1所述的元件，其中，所述至少两个光栅区域包括
‑
设置有第一光栅的第一光栅区域，所述第一光栅区域被定位在所述波导本体的第一位置上，
‑
设置有第二光栅的第二光栅区域，所述第二光栅区域被定位在所述波导本体的第二位置上，所述第二位置与所述第一位置不同，由此，所述第二光栅被布置成将由所述第一光栅转动的射线外耦合，反之亦然。3.根据权利要求2所述的元件，包括内耦合光栅，所述内耦合光栅适于将从所述波导本体的外侧被引导至其的光朝向第一和第二光栅区域衍射，所述内耦合光栅、第一光栅和第二光栅被选择成使得它们的光栅矢量之和为零矢量。4.根据前述权利要求中任一项所述的元件，其中，所述第一和第二光栅区域以非叠置的方式布置在所述波导本体的相同或不同侧上。5.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的元件，其中，所述第一和第二光栅区域被布置在所述波导本体的不同侧上，使得它们在所述波导的主平面中部分地彼此叠置。6.根据前述权利要求中任一项所述的元件，其中，所述第一和第二光栅是线性光栅。7.根据前述权利要求中任一项所述的元件，其中
‑
所述第一和第二光栅区域被布置为在所述波导的主平面中彼此相距一距离，
‑
在所述第一和第二光栅区域之间设置了具有第三光栅的第三光栅区域，以及
‑
所述第三光栅是双周期性光栅，诸如六边形光栅。8.根据权利要求7所述的元件，其中
‑
第一、第二和第三光栅区域被布置在所述波导本体的相同侧上，
‑
在所述波导本体的相反表面上布置有第四光栅区域，所述第四光栅区域包括第四光栅，所述第四光栅被配置成扩展在一个维度中具有小波矢量分量的射线的出射光瞳。9.根据权利要求8所述的元件，其中，所述第四光栅是周期小于所述第一和第二光栅的线性光栅。10.根据权利要求8或9所述的元件，包括双周期性内耦合光栅，诸如六边形光栅，所述双周期性内耦合光栅适于将从所述波导本体的外侧被引导至其的光朝向第一、第二、第三和第四光栅区域衍射。11.根据权利要求1所述的元件，其中
‑
所述第一光栅区域设置在所述波导本体的第一侧上，所述第一光栅区域包括双周期性第一光栅，
‑
所述第二光栅区域设置在所述波导本体的相反的第二侧上，与所述第一光栅区域叠置或完全对准，所述第二光栅区域包括线性第二光栅，
‑
设置有至少一个双周期性内耦合光栅，所述双周...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤索，
申请(专利权)人：迪斯帕列斯有限公司，
类型：发明
国别省市：