[發(fā)明專利]衍射波導(dǎo)元件和衍射波導(dǎo)顯示器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201880082846.0
• 申請(qǐng)日: 2018-12-11
• 公開（公告）號(hào): CN111492303B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 卡西米爾·布盧姆斯泰特;尤索·奧爾科寧;安蒂·松納里
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 迪斯帕列斯有限公司
• 主分類號(hào): G02B27/01
• 分類號(hào): G02B27/01;G02B5/18;G02B27/42;G02B6/00;G02B27/10
• 代理公司: 成都超凡明遠(yuǎn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51258
• 代理人: 王暉;吳莎

本發(fā)明涉及一種用于個(gè)人顯示設(shè)備的衍射波導(dǎo)元件，該元件包括：在波導(dǎo)平面中延伸的顯示波導(dǎo)；耦入衍射光學(xué)元件，該耦入衍射光學(xué)元件布置在顯示波導(dǎo)上或布置在顯示波導(dǎo)中，以用于將光線衍射地耦合到顯示波導(dǎo)中；以及耦出衍射光學(xué)元件，該耦出衍射光學(xué)元件布置在顯示波導(dǎo)上或布置在顯示波導(dǎo)中，以用于將被衍射地耦合的光線耦出顯示波導(dǎo)。另外，提供了一種光線倍增器元件，該光線倍增器元件在光學(xué)上處于耦出衍射光學(xué)元件的上游，該光線倍增器元件能夠?qū)⑷肷涞今钊牍鈻诺墓饩€分離成多條平行光線，這樣的多條平行光線在它們進(jìn)入耦出衍射光學(xué)元件之前在波導(dǎo)平面中在空間上移位。此外，本發(fā)明涉及波導(dǎo)顯示設(shè)備。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及衍射波導(dǎo)。這樣的波導(dǎo)可以用在個(gè)人顯示設(shè)備，諸如頭戴式顯示器(HMD)和平視式顯示器(HUD)中。

背景技術(shù)

波導(dǎo)是許多現(xiàn)代個(gè)人顯示設(shè)備中關(guān)鍵的圖像形成元件。可以使用衍射光柵將待顯示的圖像耦入和耦出波導(dǎo)，以及在波導(dǎo)內(nèi)對(duì)待顯式的圖像進(jìn)行修改。例如，可以提供：耦入光柵，用于將來自投射器的圖像耦合到波導(dǎo)中；出射光瞳擴(kuò)展器光柵，用于將廣場(chǎng)擴(kuò)展到波導(dǎo)的一個(gè)或多個(gè)面內(nèi)維度上；以及耦出光柵，其將波導(dǎo)的圖像耦合至用戶的眼睛。

與衍射波導(dǎo)元件有關(guān)的一個(gè)問題是從其耦出的圖像的條帶化。這是因?yàn)樵诓▽?dǎo)中經(jīng)由全內(nèi)反射行進(jìn)的光束可能具有比觀看者的眼瞳的直徑長的反彈(bounce，彈跳、反射)周期，即，跳躍長度。在這種情況下，像素可能被衍射到瞳孔旁，并且因此對(duì)于用戶不可見。特別是在大的入射角(相對(duì)于波導(dǎo)的法線)的情況下和在使用激光投射器進(jìn)行圖像形成時(shí)，這種效應(yīng)尤其明顯，原因在于每個(gè)圖像像素僅由窄光束組成。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是解決上述問題，并且提供防止或減少條帶化并有助于提供更完整的圖像的解決方案。

本發(fā)明是基于下述思想的：提供一種結(jié)合波導(dǎo)的耦入衍射光學(xué)元件的、能夠?qū)⑷肷涔饩€分離成在波導(dǎo)中傳播的彼此移位的多條平行光線的光線倍增器元件。倍增器可以被設(shè)計(jì)成使得在所有入射角下都有至少一條光線，優(yōu)選地多條光線，出射到觀看者的瞳孔，由此防止了條帶化。光線倍增器元件可以適于將入射光線分離到一個(gè)維度上或兩個(gè)維度上。

具體地，本發(fā)明由本發(fā)明的實(shí)施方式中所述的內(nèi)容表征。

根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供一種用于個(gè)人顯示設(shè)備的衍射波導(dǎo)元件，該元件包括：在波導(dǎo)平面中延伸的顯示波導(dǎo)；耦入衍射光學(xué)元件，該耦入衍射光學(xué)元件布置在顯示波導(dǎo)上或布置在顯示波導(dǎo)中，以用于將光線衍射地耦合到顯示波導(dǎo)中；以及耦出衍射光學(xué)元件，該耦出衍射光學(xué)元件布置在顯示波導(dǎo)上或布置在顯示波導(dǎo)中，以用于將被衍射地耦合的光線耦出顯示波導(dǎo)。另外，提供了一種光線倍增器元件，該光線倍增器元件在光學(xué)上處于耦出衍射光學(xué)元件的上游，該光線倍增器元件能夠?qū)⑷肷涞今钊牍鈻诺墓饩€分離成多條平行光線，這樣的多條平行光線在它們進(jìn)入耦出衍射光學(xué)元件之前在波導(dǎo)平面中在空間上移位。光線倍增器元件可以設(shè)置在耦入衍射光學(xué)元件的上游或下游。

具體地，在顯示波導(dǎo)中，在入射光線的傳播方向上，多條平行光線——即包括初始光線和經(jīng)倍增光線——的密度高于入射光線的跳躍長度。這確保了產(chǎn)生光場(chǎng)的真實(shí)光線致密化。

根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供一種衍射波導(dǎo)顯示器，包括：上述類型的衍射波導(dǎo)元件；以及圖像投射器，其適于將多條激光光線投射到所述耦入衍射光學(xué)元件上，光線在光線倍增器元件中在空間上倍增。由圖像投射器發(fā)出的初始單光束作為平行的多光線束從耦出光柵出射。

具體地，在光線倍增器元件中發(fā)生的處于各特定角度的經(jīng)倍增光線的空間移位與光線在顯示波導(dǎo)中的跳躍長度不同，使得發(fā)生光線的附加空間散布。在典型的實(shí)施方案中，在波導(dǎo)中該移位小于跳躍長度。

本發(fā)明提供了顯著的益處。光線倍增器使在波導(dǎo)中傳播的光線的反彈密度增加，并因而使在耦出光柵處每單位面積的耦出光線的數(shù)量增大。這增加了至少有一條光線出射到觀看者的眼瞳的概率，或者完全確保了至少有一條光線出射到觀看者的眼瞳。因此，防止了條帶化或者至少減少了條帶化，并且看到了完整且更為均勻的(無條帶的)圖像。