波导显示器中的向外耦合抑制制造技术

一种用于投影仪显示器的光瞳复制波导包括透明材料平板，以用于通过全内反射在平板中传播显示光。衍射光栅由平板支撑。衍射光栅包括基底中的多个锥形倾斜的条纹，以用于通过衍射将来自平板的显示光向外耦合到闪耀衍射ord652

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】波导显示器中的向外耦合抑制


[0001]本专利技术涉及可佩戴头戴式装置(headset)，并且尤其涉及用于可佩戴视觉显示头戴式装置的部件和模块。
[0002]背景
[0003]头戴式显示器(HMD)、头盔式显示器、近眼显示器(NED)等正越来越多地用于显示虚拟现实(VR)内容、增强现实(AR)内容、混合现实(MR)内容等。仅举几个例子，这种显示器在包括娱乐、教育、培训和生物医学科学在内的各种领域都获得应用。显示的VR/AR/MR内容可以是三维的(3D)，以增强体验，并且将虚拟对象与用户观察到的真实对象相匹配。可以实时跟踪用户的眼睛位置和凝视方向和/或取向，并且可以根据用户的头部取向和凝视方向动态地调整显示的图像，以提供在模拟或增强环境中的更好的沉浸体验。
[0004]头戴式显示器需要紧凑的显示设备。因为HMD或NED的显示器通常戴在用户的头上，所以大的、笨重的、不平衡的和/或重的显示设备将是累赘的，并且用户佩戴可能会不舒服。
[0005]基于投影仪的显示器提供角域中的图像，用户的眼睛可以直接观察到这些图像，而无需中间屏幕或显示面板。光瞳(pupil)复制波导用于将角域中的图像传送到用户的眼睛。扫描投影仪显示器中缺少屏幕或显示面板使得显示器的尺寸和重量得以减小。
[0006]理想情况下，光瞳复制波导提供足够的方向性，以确保显示的图像只可以被显示器的佩戴者看到，而不可以被外部观察者看到。然而，在许多当前的光瞳复制波导中，一小部分但明显的显示光从显示器中泄漏出来，使得外部观察者能够看到一些显示的图像，并阻碍了与显示器佩戴者的目光(eye)接触。
[0007]专利技术概述
[0008]根据本专利技术的一个方面，提供了一种光瞳复制波导，其包括透明材料平板(slab)，以用于通过全内反射在其中传播显示光。衍射光栅由平板支撑。衍射光栅包括聚合物基底中的由扭曲向列(TN)液晶(LC)材料形成的多个条纹。条纹是倾斜的，以用于通过衍射将来自平板的显示光向外耦合(out
‑
coupling)到闪耀衍射级(blazed diffraction order)中。显示光的较大部分被向外耦合到闪耀衍射级中，而显示光的较小部分被向外耦合到非闪耀衍射级中。TN LC材料对于垂直于TN LC材料分子偏振的光具有普通折射率n
O
，对于平行于TN LC材料分子偏振的光具有非常折射率(extraordinary refractive index)n
E
。入射到衍射光栅上的偏振显示光的折射率对比度具有沿着衍射光栅的厚度方向的折射率对比度分布。折射率对比度在在折射率对比度分布的中间比在折射率对比度分布的两侧更大，由此入射偏振显示光的被向外耦合到非闪耀衍射级中的部分减少。
[0009]在一些实施例中，聚合物基底材料的折射率更接近n
O
而不是更接近n
E
，由此折射率对比度在折射率对比度分布的中间比在折射率对比度分布的两侧更大。折射率对比度分布可以沿着衍射光栅的厚度方向对称，并且可以在两侧基本为零。折射率对比度分布可以是平滑变化的函数，例如高斯函数。TN LC材料可以是聚合物稳定的。在一些实施例中，光瞳复制波导还包括用于将显示光向内耦合(in
‑
coupling)到平板中的输入光栅。
[0010]根据本专利技术的另一方面，提供了一种制造光瞳复制波导的方法。该方法包括在透明材料平板上形成多个倾斜的条纹，以用于通过衍射将来自该平板的显示光向外耦合到闪耀衍射级中，该倾斜的条纹具有第一折射率n1。可以在多个倾斜的条纹和平板上形成均匀层(conforming layer)。均匀层在被均匀层覆盖的倾斜的条纹之间形成间隙。均匀层具有第二折射率n2。在均匀层上形成外涂层，该外涂层填充被均匀层覆盖的倾斜的条纹之间的间隙，并具有第三折射率n3，其中n1>n2>n3或n1<n2<n3。
[0011]根据本专利技术的另外的方面，还提供了一种光瞳复制波导，其包括透明材料平板，以用于通过全内反射在其中传播显示光。衍射光栅由平板支撑。衍射光栅包括多个倾斜的条纹，以用于通过衍射将来自平板的显示光向外耦合到闪耀衍射级中，倾斜的条纹具有第一折射率n1。在多个倾斜的条纹和平板上提供均匀层，均匀层在被均匀层覆盖的倾斜的条纹之间形成间隙。均匀层具有第二折射率n2。在均匀层上形成外涂层，该外涂层设置在被均匀层覆盖的倾斜的条纹之间的间隙中，并具有第三折射率n3，其中n1>n2>n3或n1<n2<n3。衍射光栅沿着衍射光栅厚度方向的有效折射率分布可以是对称的，并且折射率对比度可以在折射率对比度分布的中间比在折射率对比度分布的两侧更大。
[0012]在该方法和装置的一些实施例中，通过压印或蚀刻形成多个倾斜的条纹。均匀层可以通过原子层沉积(ALD)形成。外涂层可以通过旋涂形成。
[0013]应当理解，被讨论为适合包含在本文描述的任何方面中的任何特征也适合以任何组合包含在任何其他方面中。
[0014]附图简述
[0015]现在将结合附图描述示例性实施例，其中：
[0016]图1是光瞳复制波导的侧剖视图；
[0017]图2是图1的光瞳复制波导的放大剖视图，其示出了显示光衍射到闪耀衍射级和非闪耀衍射级中；
[0018]图3A是光瞳复制波导的衍射光栅的介电常数图；
[0019]图3B是在图3A的衍射光栅处的显示光相对于入射角的、到闪耀衍射级中的衍射效率的曲线图；
[0020]图3C是在图3A的衍射光栅处的显示光相对于入射角的、到非闪耀衍射级中的衍射效率的曲线图；
[0021]图4A是光瞳复制波导的衍射光栅的介电常数图，该衍射光栅包括具有不同折射率对比度的三层的堆叠；
[0022]图4B是在图4A的衍射光栅处的显示光相对于入射角的、到闪耀衍射级中的衍射效率的曲线图；
[0023]图4C是在图4A的衍射光栅处的显示光相对于入射角的、到非闪耀衍射级中的衍射效率的曲线图；
[0024]图5A是光瞳复制波导的衍射光栅的介电常数图，该衍射光栅包括具有不同折射率对比度的三层的堆叠和延伸穿过所有三层的可变折射率倾斜条纹；
[0025]图5B是在图5A的衍射光栅处的显示光相对于入射角的、到闪耀衍射级中的衍射效率的曲线图；
[0026]图5C是在图5A的衍射光栅处的显示光相对于入射角的、到非闪耀衍射级中的衍射
效率的曲线图；
[0027]图6A是光瞳复制波导的衍射光栅的介电常数图，该衍射光栅包括具有不同折射率对比度的三层的堆叠和延伸穿过所有三层的高折射率倾斜条纹；
[0028]图6B是在图6A的衍射光栅处的显示光相对于入射角的、到闪耀衍射级中的衍射效率的曲线图；
[0029]图6C是在图6A的衍射光栅处的显示光相对于入射角的、到非闪耀衍射级中的衍射效率的曲线图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光瞳复制波导，包括：透明材料平板，其用于通过全内反射在其中传播显示光；衍射光栅，其由所述平板支撑并且包括聚合物基底中的由扭曲向列(TN)液晶(LC)材料形成的多个条纹，其中，所述条纹是倾斜的以通过衍射将来自所述平板的显示光向外耦合到闪耀衍射级中，其中，所述显示光的较大部分向外耦合到所述闪耀衍射级中，而所述显示光的较小部分向外耦合到非闪耀衍射级中；其中，所述TN LC材料对于垂直于所述TN LC材料的分子偏振的光具有普通折射率n
O
，而对于平行于所述TN LC材料的分子偏振的光具有非常折射率n
E
，其中，入射到所述衍射光栅上的偏振显示光的折射率对比度具有沿着所述衍射光栅的厚度方向的折射率对比度分布；其中，折射率对比度在所述折射率对比度分布的中间比在所述折射率对比度分布的两侧更大，由此入射偏振显示光的被向外耦合到所述非闪耀衍射级中的部分减少。2.根据权利要求1所述的光瞳复制波导，其中，所述聚合物基底材料的折射率更接近n
O
而不是更接近n
E
，由此，所述折射率对比度在所述折射率对比度分布的中间比在所述折射率对比度分布的两侧更大。3.根据权利要求1或权利要求2所述的光瞳复制波导，其中，所述折射率对比度分布沿着所述衍射光栅的厚度方向对称。4.根据任一前述权利要求所述的光瞳复制波导，其中，所述折射率对比度分布在两侧基本为零。5.根据任一前述权利要求所述的光瞳复制波导，其中，所述TN LC材料是聚合物稳定的。6.根据任一前述权利要求所述的光瞳复制波导，其中，所述折射率对比度分布是平滑变化的函数；可选地，其中，所述平滑变化的函数是高斯函数。7.根据任一前述权利要求所述的光瞳复制波导，还包括用于将显示光向内耦合到所述平板中的输入光栅。8.一种制造光瞳复制波导的方法，所述方法包括：在透明材料平板上形成多个倾斜的条纹，以用于通过衍射将来自所述平板的显示光向外耦合到闪耀衍射级中，所述倾斜的条纹具有第一折射率n1；在所述多个倾斜的条纹...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱塞佩，
申请(专利权)人：脸谱科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：