[發明專利]具有使光彎曲及聚焦的衍射光柵的近眼式顯示器

有效

• 申請號: 201280051632.X
• 申請日: 2012-08-08
• 公開（公告）號: CN103890637A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 伊赫桑·賽義迪;巴巴克·阿米爾帕爾維茲;繆瀟宇
• 申請（專利權）人: 谷歌公司
• 主分類號: G02B27/02
• 分類號: G02B27/02
• 代理公司: 北京律盟知識產權代理有限責任公司 11287
• 代理人: 江葳

技術領域

本發明大體來說涉及光學器件的領域，且特定來說(但非排他性地)涉及近眼式光學系統。

背景技術

頭戴式顯示器(“HMD”)是佩戴于頭部上或圍繞頭部佩戴的顯示裝置。HMD通常并入有某一種類的近眼式光學系統以在距人眼幾厘米內發射光圖像。單眼顯示器稱為單目式HMD，而雙眼顯示器稱為雙目式HMD。一些HMD僅顯示計算機產生的圖像(“CGI”)，而其它類型的HMD能夠將CGI疊加于現實世界視圖上。這后一種類型的HMD可用作用于實現擴增現實的硬件平臺。在擴增現實的情況下，用覆疊的CGI擴增觀看者的世界圖像(也稱為抬頭顯示器(“HUD”))。

HMD具有眾多的實用應用及休閑應用。航空航天應用準許飛行員在不使其眼睛離開飛行路徑的情況下看到極其重要的飛行控制信息。公共安全應用包含地圖及熱成像的戰術顯示。其它應用領域包含視頻游戲、交通運輸及電信。隨著技術演變，必定存在新發現的實用應用及休閑應用；然而，這些應用中的許多應用由于用于實施現有HMD的常規光學系統的成本、大小、視場及效率而受到限制。

圖1圖解說明使用安置于波導結構110的背側上的全息衍射光柵105的常規近眼式光學系統100。波導結構110將來自觀看者臉部的前方周圍的圖像源115的圖像光輸送到其眼睛120。由于人眼通常不能夠聚焦于放置在五到十厘米內的物體上，因此此系統需要插置于波導結構110與圖像源115之間的透鏡125。通過將圖像源115定位于透鏡125的焦點內側，透鏡125形成虛擬地從眼睛進一步向后位移的圖像。透鏡125通常為龐大的元件。

光學系統100使用安置于波導結構110的背側上的全息衍射光柵105來代替常規平面鏡以將光耦入及耦出波導結構110。衍射光柵105為出于耦入及耦出目的而簡單地反射或重新引導光的單相衍射光柵。這些單相衍射光柵為效率低下的反射器，因為其僅反射高階衍射而使含有光學波前中的最大能量部分的一階衍射通過。除不良光學反射器以外，輸入及輸出衍射光柵也必須被彼此精確地調諧，輸出圖像也將遭受色彩分離。實現輸入與輸出光柵105之間的充足匹配需要對制造公差的極端控制，此通常為困難且昂貴的。最終，光學系統100具有受在耦入與耦出衍射光柵105之間導引光的波導結構110的寬度約束的有限視場。可通過使用高折射率材料稍微地增加光學寬度以改進視場，但最終波導結構110的物理尺寸提供對視場的更大控制。增加波導結構110的寬度導致龐大、沉重而不舒適且難看的目鏡。

附圖說明

參考以下各圖描述本發明的非限制性及非詳盡實施例，其中在所有各視圖中相似參考編號指代相似部件，除非另有規定。

圖1(現有技術)圖解說明使用用于光彎曲的單相耦入及耦出衍射光柵的常規近眼式光學系統。

圖2是圖解說明根據本發明的實施例的使用使光彎曲及聚焦的衍射光柵的近眼式光學系統的功能框圖。

圖3圖解說明根據本發明的實施例的被組織成反射并聚焦光的反射衍射光柵的衍射元件的實例性重復圖案。

圖4是圖解說明根據本發明的實施例的用于產生輪廓函數的迭代快速傅里葉變換過程的流程圖，所述輪廓函數描述反射并聚焦光的衍射光柵。

圖5是圖解說明根據本發明的實施例的具有用硅上液晶顯示面板實施的光引擎的近眼式光學系統的功能框圖。

圖6是圖解說明根據本發明的實施例的具有用微機電系統(“MEMS”)掃描鏡實施的光引擎的近眼式光學系統的功能框圖。

圖7是根據本發明的實施例的具有反射涂層的衍射元件的實例性橫截面圖。

圖8是根據本發明的實施例的具有分色角度選擇性多層涂層的衍射元件的實例性橫截面圖。

圖9圖解說明根據本發明的實施例的用以制作用于形成具有光彎曲及光聚焦性質的衍射光柵的主模的電鍍技術。

圖10是根據本發明的實施例的離散多相衍射元件的實例性橫截面圖。

圖11是根據本發明的實施例的使用反射衍射光柵的示范雙目式頭戴式顯示器。

具體實施方式

下文描述用于具有使光彎曲及聚焦的衍射光柵的頭戴式顯示器(“HMD”)目鏡的系統、設備及操作方法的實施例。在以下描述中，陳述眾多特定細節以提供對所述實施例的透徹理解。然而，相關領域的技術人員將認識到，可在無所述特定細節中的一者或一者以上的情況下或借助其它方法、組件、材料等實踐本文中所描述的技術。在其它實例中，為避免使某些方面模糊，未詳細展示或描述眾所周知的結構、材料或操作。