[發明專利]具有擴大光分布重疊光柵的圖像光導

有效

• 申請號: 202110590556.0
• 申請日: 2018-06-12
• 公開（公告）號: CN113281839B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: R·J·舒爾茨;P·J·特拉弗斯
• 申請（專利權）人: 伊奎蒂公司
• 主分類號: G02B6/10
• 分類號: G02B6/10;G02B5/18;G02B27/01;G02B27/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 申屠偉進;劉春元

用于傳送虛像的圖像光導具有形成為具有入耦合衍射光學器件的平板的傳送圖像承載光的波導，該入耦合衍射光學器件的第一光柵矢量將圖像承載光束衍射到波導中并引導衍射光。出耦合衍射光學器件形成為多個重疊的衍射光柵，其包括具有第一光柵矢量k1的第一光柵圖案和具有第二光柵矢量k2的第二光柵圖案，以用于將擴大的圖像承載光束從波導中擴大并射出到可以在其中看到虛像的擴大的眼盒中。

技術領域

本發明一般地涉及電子顯示器，并且更特別地涉及使用圖像光導與衍射光學器件以向觀看者傳送圖像承載光的顯示器。

背景技術

頭戴顯示器（HMD）正被開發用于一系列多種多樣的用途，包括軍事、商業、工業、消防和娛樂應用。?對于這些應用中的許多而言，在形成能夠被虛擬地疊加在處于HMD用戶的視場中的真實世界圖像上的虛像方面存在價值。?光學圖像光導將圖像承載光傳送到在狹窄空間中的觀看者以用于將虛像引導到觀看者的光瞳并使能該疊置功能。

在這樣的常規的圖像光導中，經準直的、相對角度編碼的來自圖像源的光束被通過諸如入耦合衍射光學器件的輸入耦合件耦合到平面波導中，該輸入耦合件可以被安裝或形成在平面波導的表面上或者被掩埋在波導內。這樣的衍射光學器件可以被形成為衍射光柵、全息光學元件或者被以其它已知的方式形成。例如，衍射光柵可以是通過表面浮雕形成的。在沿著波導傳播之后，被衍射的光可以在波導之外通過相似的輸出光柵被引導回去，該輸出光柵可以被布置成提供沿著虛像的一個維度的光瞳擴大。此外，可以在輸入光柵和輸出光柵之間沿著波導定位轉向光柵以提供虛像的正交的維度上的光瞳擴大。?從波導輸出的圖像承載光為觀看者提供擴大的眼盒（eyebox）。

盡管常規的圖像導光裝置已大大減小了近眼顯示光學器件的體積，重量和總成本，但仍需要進一步的改進。在某些情況下，眼盒的尺寸受到限制，迫使HMD設計限制移動和設備放置的公差。光通常會在視野上可不均勻地分布，從而導致熱點，例如場中心內的較高光水平和場周圍內的較低光水平。波導內的光束管理功能（包括光束擴大和光分布功能）可能會增加波導的尺寸及其制造成本和復雜性。

發明內容

實施例的特征在于用于執行各種功能（包括光瞳擴大，光分布和光束管理）的圖像光導的緊湊設計。例如，代替在需要光導的不同區域專用于正交擴大的單獨階段中擴大圖像承載光束的兩個正交維度，實施例向出耦合衍射光學器件增加用于擴大圖像承載光束的兩個維度的能力，同時在眼盒內的重疊位置射出擴大的圖像承載光束。可以利用附加的設計參數來影響圖像承載光束內部和之間的光分布。出耦合衍射光學器件的附加功能使設計更為緊湊，并能夠在圖像承載光束之間保持所需的角度關系，以便在擴大的眼盒內呈現良好校正的虛像。

根據一個或多個實施例的圖像光導包括具有用于沿著波導的長度傳播圖像承載光束的帶有前表面和后表面的透射性基板的波導。沿著波導形成的入耦合衍射光學器件將來自圖像源的圖像承載光束衍射到波導中，以便以角度編碼的形式沿著波導的長度傳播圖像承載光束。沿著波導的長度與入耦合衍射光學器件間隔開的出耦合衍射光學器件以角度解碼的形式將來自波導的圖像承載光束朝著眼盒衍射，以便觀看來自圖像源的圖像。

出耦合衍射光學器件包括沿著波導的長度重疊的，不同取向的多個光柵圖案。重疊可以發生在波導的同一平面內或不同的大致平行的平面內。?以主要取向布置一個或多個光柵圖案，以便既以角度解碼的形式朝著眼盒又以編碼的形式連續衍射每個圖像承載光束的第一部分以便沿著波導在原始標稱方向進一步傳播。?與入耦合衍射光學器件的類似非零級衍射相匹配的非零級衍射通常負責將連續的第一部分以角度解碼形式從波導中衍射出來，并且零級衍射通常負責進一步傳播在原始標稱方向上的第一部分中的其他部分以便支持與重疊的光柵圖案的連續相遇。以一個或多個非主要取向布置一個或多個其他光柵圖案，以使每個圖像承載光束的第二部分沿著波導從原始標稱傳播方向衍射出去，并進一步在垂直于原始標稱傳播方向的方向上在相對偏移的位置中朝著原始標稱傳播方向沿著波導將每個圖像承載光束的第二部分衍射回去。第二部分的非零級和零級衍射的組合提供第二部分在垂直于原始標稱傳播方向的方向上的連續移位。