CN103890637A - 具有使光弯曲及聚焦的衍射光栅的近眼式显示器 - Google Patents

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Abstract

一种近眼式光学系统包含具有透视显示区的光学透射衬底及衍射元件的重复图案。衍射元件的所述重复图案跨越所述光学透射衬底的所述透视显示区安置且被组织成反射衍射光栅，所述反射衍射光栅使投射到所述反射衍射光栅上的计算机产生的图像“CGI”光弯曲及聚焦。所述透视显示区对投射到所述光学透射衬底的外部侧上的外部周围光为至少部分透射的且对投射到所述光学透射衬底的与所述外部侧相对的内部侧上的所述CGI光为至少部分反射的。

Description

具有使光弯曲及聚焦的衍射光栅的近眼式显示器
技术领域
本发明大体来说涉及光学器件的领域，且特定来说(但非排他性地)涉及近眼式光学系统。
背景技术
头戴式显示器(“HMD”)是佩戴于头部上或围绕头部佩戴的显示装置。HMD通常并入有某一种类的近眼式光学系统以在距人眼几厘米内发射光图像。单眼显示器称为单目式HMD，而双眼显示器称为双目式HMD。一些HMD仅显示计算机产生的图像(“CGI”)，而其它类型的HMD能够将CGI叠加于现实世界视图上。这后一种类型的HMD可用作用于实现扩增现实的硬件平台。在扩增现实的情况下，用覆叠的CGI扩增观看者的世界图像(也称为抬头显示器(“HUD”))。
HMD具有众多的实用应用及休闲应用。航空航天应用准许飞行员在不使其眼睛离开飞行路径的情况下看到极其重要的飞行控制信息。公共安全应用包含地图及热成像的战术显示。其它应用领域包含视频游戏、交通运输及电信。随着技术演变，必定存在新发现的实用应用及休闲应用；然而，这些应用中的许多应用由于用于实施现有HMD的常规光学系统的成本、大小、视场及效率而受到限制。
图1图解说明使用安置于波导结构110的背侧上的全息衍射光栅105的常规近眼式光学系统100。波导结构110将来自观看者脸部的前方周围的图像源115的图像光输送到其眼睛120。由于人眼通常不能够聚焦于放置在五到十厘米内的物体上，因此此系统需要插置于波导结构110与图像源115之间的透镜125。通过将图像源115定位于透镜125的焦点内侧，透镜125形成虚拟地从眼睛进一步向后位移的图像。透镜125通常为庞大的元件。
光学系统100使用安置于波导结构110的背侧上的全息衍射光栅105来代替常规平面镜以将光耦入及耦出波导结构110。衍射光栅105为出于耦入及耦出目的而简单地反射或重新引导光的单相衍射光栅。这些单相衍射光栅为效率低下的反射器，因为其仅反射高阶衍射而使含有光学波前中的最大能量部分的一阶衍射通过。除不良光学反射器以外，输入及输出衍射光栅也必须被彼此精确地调谐，输出图像也将遭受色彩分离。实现输入与输出光栅105之间的充足匹配需要对制造公差的极端控制，此通常为困难且昂贵的。最终，光学系统100具有受在耦入与耦出衍射光栅105之间导引光的波导结构110的宽度约束的有限视场。可通过使用高折射率材料稍微地增加光学宽度以改进视场，但最终波导结构110的物理尺寸提供对视场的更大控制。增加波导结构110的宽度导致庞大、沉重而不舒适且难看的目镜。
附图说明
参考以下各图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中在所有各视图中相似参考编号指代相似部件，除非另有规定。
图1(现有技术)图解说明使用用于光弯曲的单相耦入及耦出衍射光栅的常规近眼式光学系统。
图2是图解说明根据本发明的实施例的使用使光弯曲及聚焦的衍射光栅的近眼式光学系统的功能框图。
图3图解说明根据本发明的实施例的被组织成反射并聚焦光的反射衍射光栅的衍射元件的实例性重复图案。
图4是图解说明根据本发明的实施例的用于产生轮廓函数的迭代快速傅里叶变换过程的流程图，所述轮廓函数描述反射并聚焦光的衍射光栅。
图5是图解说明根据本发明的实施例的具有用硅上液晶显示面板实施的光引擎的近眼式光学系统的功能框图。
图6是图解说明根据本发明的实施例的具有用微机电系统(“MEMS”)扫描镜实施的光引擎的近眼式光学系统的功能框图。
图7是根据本发明的实施例的具有反射涂层的衍射元件的实例性横截面图。
图8是根据本发明的实施例的具有分色角度选择性多层涂层的衍射元件的实例性横截面图。
图9图解说明根据本发明的实施例的用以制作用于形成具有光弯曲及光聚焦性质的衍射光栅的主模的电镀技术。
图10是根据本发明的实施例的离散多相衍射元件的实例性横截面图。
图11是根据本发明的实施例的使用反射衍射光栅的示范双目式头戴式显示器。
具体实施方式
下文描述用于具有使光弯曲及聚焦的衍射光栅的头戴式显示器(“HMD”)目镜的系统、设备及操作方法的实施例。在以下描述中，陈述众多特定细节以提供对所述实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可在无所述特定细节中的一者或一者以上的情况下或借助其它方法、组件、材料等实践本文中所描述的技术。在其它实例中，为避免使某些方面模糊，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作。
在本说明书通篇中对“一个实施例”或“一实施例”的提及意指结合所述实施例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇中各个地方短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现未必全部指代同一实施例。此外，在一个或一个以上实施例中，可以任何适合方式组合所述特定特征、结构或特性。
图2是图解说明根据本发明的实施例的使用使光弯曲及聚焦的衍射光栅的近眼式光学系统200的功能框图。近眼式光学系统200的所图解说明实施例包含衍射光栅205及光引擎210。
光引擎210可用多种不同显示技术(例如，LCoS、LCD、数字微镜、MEMS扫描镜、量子点阵列、OLED等)来实施，但应输出具有窄波长带的光，例如激光源(例如，激光二极管)的输出。光引擎210可耦合到控制器，例如计算机产生的图像(“CGI”)引擎，以输出CGI光215。衍射光栅205由被组织成既反射(例如，弯曲)光又聚焦(例如，放大)光的反射衍射光栅的反射衍射元件的重复图案制作而成。因此，如图2中所图解说明，从光引擎210发射的CGI光215具有发散光锥且倾斜地投射到衍射光栅205上。聚焦经反射CGI光220(例如，更改CGI光215内的每一像素的发散度)且使CGI光220沿着不同于CGI光215的轨线反射。因此，衍射光栅205既使光弯曲又使光聚焦。衍射光栅205的反射特性使得其能够用于将来自外围位置的CGI光215输送到眼睛120的前方。衍射光栅205的聚焦特性使得其能够用于近眼式配置(例如，HMD)中而不需要额外庞大的外部聚焦光学器件。如果衍射光栅205嵌入或以其它方式安置于实质上透明衬底中或实质上透明衬底上，那么其可经修整以供在透视显示器中使用。
图3图解说明根据本发明的实施例的使光反射及聚焦的实例性衍射光栅300。衍射光栅300为衍射光栅205的一个可能实施方案。衍射光栅300的所图解说明实施例包含安置于光学透射衬底310中或光学透射衬底310上的反射衍射元件305。衍射光栅300并不仅仅响应于无图像灯光的照射而产生全息图像；而是，衍射光栅300保存照射到其表面上的图像，同时既反射又放大图像(例如，CGI光215)。
光学透射衬底310可由多种实质上或部分透明材料制作，例如玻璃、石英、丙烯酸、透明塑料、PMMA、ZEONEX-E48R等。在一个实施例中，光学透射衬底310可为平坦平面表面或弯曲表面。弯曲表面实施例可促进使用光学透射衬底310作为HMD或眼镜框架的目镜。个别衍射元件305为由反射材料形成或涂覆有反射材料(例如，金属、分色膜等)的三维结构且通过光学透射衬底310的介入间隙分离。在一个实施例中，所述反射材料为部分反射(例如，50％反射)铝或银涂层。这些结构的部分反射性准许充足的外部周围光通过用于透视显示器的衍射光栅300的背侧。或者，所述反射材料可为分色角度选择性多层表面，所述分色角度选择性多层表面对于实质上法向于光学透射衬底310的表面照射的光为实质上透明的，而对以充足倾斜角度投射到衍射光栅300上的CGI光215为实质上反射的。虽然图3图解说明衍射元件305具有矩形平面图轮廓，但其事实上可设计有其它平面图轮廓形状(例如，圆形、三角形、不规则形等)。
如上文所论述，由于衍射光栅300在被用光照射式不形成新的图像而是反射及聚焦现有图像。衍射光栅300包含跨越其表面的重复图案315以执行经组合光弯曲与光聚焦功能。在一个实施例中，重复图案315可在每像素基础上以CGI光215的图像像素与重复图案315的实例之间的一一对应性重复。在其它实施例中，图案315可以比恰好每像素基础甚至更精细的粒度重复。举例来说，在一些实施例中，尽管衍射光栅300内的最小重复图案可小于给定图像像素的照射斑大小，但衍射光栅300仍可在每像素基础上以图案315的实例与给定图像像素之间的一一对应性重复。
图4是图解说明根据本发明的实施例的用于产生轮廓函数的迭代快速傅里叶变换(“FFT”)过程的流程图400，所述轮廓函数描述既使光弯曲又使光聚焦的衍射光栅的物理轮廓。所图解说明过程可用于使用盖师贝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton)迭代算法来制作衍射光栅200或300。所述过程通过界定图像平面处的所要强度分布函数[Ii=1(x，y)]及初始相位函数[Ui=1(x，y)]而开始(框405)。所述图像平面为CGI光220将对焦图像递送到眼睛120的位置。接着对所要强度分布函数及初始相位函数应用FFT(框410)以获得衍射光栅平面处的强度分布函数[Id(x，y)]及相位函数[Ud(x，y)](框415)。在框415处，相位函数[Ud(x，y)]表示衍射光栅的物理轮廓的第一迭代近似。然而，为了改进所述近似，对相位函数[Ud(x，y)]进行迭代。在下一迭代之前，强加边界条件(框420)，借此舍弃强度分布函数[Id(x，y)]且仅使用相位函数[Ud(x，y)]。接着对相位函数[Ud(x，y)]应用逆FFT(框425)以获得在图像平面处返回的强度分布函数[Ii(x，y)]及相位函数[Ui(x，y)]的下一迭代(框430)。在应用下一FFT迭代之前，再次强加边界条件(框435)，借此再次通过FFT运行原始所要强度分布函数[Ii=1(x，y)]连同最近迭代的相位函数[Ui(x，y)](框440)以获得衍射光栅平面处的强度分布函数[Id(x，y)]及相位函数[Ud(x，y)]的下一迭代(框445)。在框420处再次强加衍射光栅平面处的边界条件且执行迭代循环455多次(例如，数百次)直到衍射光栅平面处的相位函数[Ud(x，y)]充足收敛于一解上(决策框450)。此时，相位函数[Ud(x，y)]充足地界定衍射光栅轮廓(框450)。
图5是图解说明根据本发明的实施例的具有用硅上液晶(“LCoS”)显示面板实施的光引擎的近眼式光学系统500的功能框图。光学系统500是光学系统200的一个可能实施方案。光学系统500包含使用激光灯源530、偏振分束器(“PBS”)535及LCoS面板540实施的光引擎510。激光灯源530可使用多种激光源技术(包含激光二极管)来实施。在一个实施例中，激光灯源530输出经偏振光，但在其它实施例中，输出灯光可为未偏振的。
在操作期间，输出灯光(或其单个偏振)从PBS535被反射到LCoS面板540的表面上。LCoS面板540将CGI调制到所述灯光上以产生CGI光215。这样一来，CGI光215的偏振被旋转90度，此后以高效率通过PBS535。如上文所论述，CGI光215由衍射光栅205弯曲并聚焦到眼睛120上。
图6是图解说明具有用微机电系统(“MEMS”)扫描镜实施的光引擎的近眼式光学系统600的功能框图。光学系统600为光学系统200的一个可能实施方案。光学系统600包含使用激光灯源630及MEMS扫描镜635实施的光引擎610。激光灯源630可使用多种激光源技术(包含激光二极管)来实施。
在操作期间，激光灯源630将单个像素光束615输出到MEMS扫描镜635上，MEMS扫描镜635经定位以反射单个像素光束615并使其跨越衍射光栅205进行光栅扫描以产生到眼睛120的总体CGI光620。虽然一次仅向眼睛120显示单个像素，但人眼的缓慢响应时间导致用户感知总体CGI光620。如上文所论述，在一个实施例中，衍射光栅205上的重复图案在每像素基础上以CGI光615的图像像素之间的一一对应性重复。在一个实施例中，衍射光栅图案可在每像素基础上改变以考虑到投射的CGI光615由于光栅扫描技术所致的角度差。
图7是根据本发明的实施例的具有反射涂层705的衍射元件700的实例性横截面侧视图。衍射元件700表示图3中所图解说明的衍射元件305的一个可能实施方案。衍射元件700的所图解说明实施例为安置于光学透明衬底710上方的隆起结构。衍射元件700包含反射涂层705，借此形成反射衍射光栅。反射涂层705可用例如金属(例如，铝、银等)的多种不同反射材料来实施。在一个实施例中，反射涂层705可由部分反射材料(例如，50％铝反射涂层)例作。部分反射涂层可改进外部光穿过供在透视显示器中使用的衍射光栅的透射率。
衍射元件700可使用多种技术制作到光学透明衬底710上。举例来说，可直接在光学透明衬底710本身上由SU8光致抗蚀剂制成衍射元件700，且可使用激光光刻或到UV光的成角度暴露来实现反射表面的倾斜角度。或者，可通过使用光致抗蚀剂(例如，SU8)图案化光学透明衬底710(例如，玻璃衬底)的表面且接着向光学透明衬底710中蚀刻衍射元件700来制作衍射元件700。蚀刻技术可使用正性或负性光致抗蚀剂两者连同适当的光刻技术。
图8是根据本发明的实施例的具有分色角度选择性多层涂层805的衍射元件800的实例性横截面图。衍射元件800可以类似于衍射元件700的方式制作，只不过倾斜或偏斜光栅表面涂覆有分色角度选择性材料。可选择所述分色材料使得涂层805对倾斜入射的CGI光为反射的，而对具有实质上法向于光学透射衬底810的入射的外部光为实质上透明的。
图9图解说明根据本发明的实施例的用以制作用于形成具有光弯曲及光聚焦性质的衍射光栅的主模的电镀技术。在所图解说明的实施例中，在衬底910的表面上形成衍射结构900。可使用结合图7所描述的技术。或者，可由半导体材料(例如，硅、砷化镓等)制作并使用常规技术蚀刻衬底910以在衬底910上形成隆起衍射光栅结构900。随后，可在表面上方形成电镀层915且接着将其与衬底910分离以形成主模。接着可使用所述主模制作具有压印到表面中的光栅结构的目镜。举例来说，可使用塑料注射模制技术。
图10是根据本发明的实施例的离散多相衍射元件1000的实例性横截面图表示。多相衍射元件1000具有离散阶梯状侧轮廓。类似于上文所揭示的其它衍射元件，多相衍射元件1000涂覆有反射材料1005且安置于光学透射衬底1010上方。离散多相衍射光栅的使用相对于图7、8及9中所图解说明的平滑模拟倾斜表面简化了衍射光栅的制造；然而，所述多相衍射光栅提供比由离散单台阶(例如，矩形横截面)衍射元件制作的衍射光栅大的光学效率。虽然图10将衍射元件1000图解说明为各自具有三个相位，但可使用具有两个或两个以上离散相位的衍射元件。
图11是根据本发明的实施例的使用各自安置于对应目镜1105上的反射衍射光栅1101的示范双目式HMD1100。每一反射衍射光栅1101可用衍射光栅205或300的实施例来实施。目镜1105安装到包含正面部件1110、左镜脚延伸臂1115及右镜脚延伸臂1120的框架组合件。虽然图11图解说明双目式实施例，但HMD1100也可实施为具有仅单个目镜及单个反射衍射光栅的单目式HMD。
两个目镜1105紧固到可佩戴在用户的头部上的眼镜布置中。左镜脚延伸臂1110及右镜脚延伸臂1115搁置于用户的耳朵上而鼻梁架1125搁置于用户的鼻子上。所述框架组合件经成形及定大小以将目镜1105内的透视显示区1130定位于对应眼镜120的前方。当然，可使用具有其它形状的其它框架组合件(例如，具有耳臂及鼻梁架支撑件的护目镜、单一连续头戴式耳机部件、头带或泳镜型眼镜等)。
HMD1100进一步包含光引擎1140，光引擎1140安置于镜脚延伸臂1115及1120的内侧表面上且经定向以通过自由空间空气用CGI光直接照射透视显示区1130。控制器1150(例如，基带管理控制器、图形引擎等)及各种其它电子器件也可装纳于镜脚延伸臂1115、1120或正面部件1110内。
HMD1100的所图解说明实施例能够向用户显示扩增现实。每一目镜的观看区准许用户经由外部场景光1160看到现实世界图像。可由耦合到相应光引擎1140的控制器1150内的一个或两个CGI引擎产生左及右(双目式实施例)CGI光。所述CGI光可被用户观察为叠加在现实世界上的虚拟图像而作为扩增现实。
可从计算机软件及硬件的角度来描述上文所解释的过程。所描述的技术可构成体现在有形或非暂时性机器(例如，计算机)可读存储媒体内的机器可执行指令，当由机器执行时，所述指令将致使所述机器执行所描述的操作。另外，所述过程可体现在硬件内，例如专用集成电路(“ASIC”)或其它。
有形机器可读存储媒体包含以机器(例如，计算机、网络装置、个人数字助理、制造工具、具有一组一个或一个以上处理器的任何装置等)可存取形式提供(即，存储)信息的任何机构。举例来说，机器可读存储媒体包含可记录/不可记录媒体(例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储媒体、光学存储媒体、快闪存储器装置等)。
包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实施例的以上描述并非打算为穷尽性或将本发明限制于所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但如相关领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种修改。
可根据以上详细描述对本发明做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限制于说明书中所揭示的特定实施例。而是，本发明的范围将完全由所附权利要求书来确定，所述权利要求书将根据所创建的权利要求解释原则来加以理解。

Claims (23)

1.一种用于向用户显示计算机产生的图像“CGI”光的头戴式显示器“HMD”，所述HMD包括：
框架组合件，其用以支撑所述HMD以佩戴于所述用户的头部上；
目镜，其紧固到所述框架组合件且经定位以形成透视显示器，所述目镜包含：
光学透射衬底；及
衍射元件的重复图案，其跨越所述光学透射衬底的观看区安置且被组织成既使所述CGI光弯曲又使其聚焦的反射衍射光栅；及
光引擎，其安装到所述框架组合件且经定向以用所述CGI光照射所述反射衍射光栅。
2.根据权利要求1所述的HMD，其中衍射元件的所述重复图案被组织成既使所述CGI光弯曲又对其进行放大以使所述CGI光对焦以供近眼式显示的所述反射衍射光栅。
3.根据权利要求1所述的HMD，其中所述框架组合件包含：
正面部件，其用以支撑所述目镜；及
镜脚延伸臂，其耦合到所述正面部件且当所述HMD由所述用户佩戴时向后朝向所述用户的耳朵延伸，其中所述光引擎安装到所述镜脚延伸臂中的一者。
4.根据权利要求3所述的HMD，其中所述光引擎经定位以在无介入波导光学器件的情况下通过自由空间空气直接照射所述反射衍射光栅。
5.根据权利要求1所述的HMD，其中衍射元件的所述重复图案在每像素基础上以所述光引擎的像素与所述重复图案的实例之间的一一对应性重复。
6.根据权利要求1所述的HMD，其中所述衍射元件各自包括反射表面且所述衍射元件通过所述光学透射衬底上的介入间隙与邻近衍射元件分离。
7.根据权利要求6所述的HMD，其中所述衍射元件各自包括具有倾斜于所述光学透射衬底的表面定向的所述反射表面的结构。
8.根据权利要求6所述的HMD，其中所述衍射元件各自包括具有涂覆有所述反射表面的阶梯轮廓的多相结构。
9.根据权利要求6所述的HMD，其中所述反射表面包括部分反射金属涂层。
10.根据权利要求6所述的HMD，其中所述反射表面包括分色角度选择性多层表面，所述分色角度选择性多层表面对沿着所述CGI光从其始发的第一角度入射的光为实质上反射的且对沿着实质上法向于所述光学透射衬底的表面的第二角度入射的外部光为实质上透明的。
11.根据权利要求1所述的HMD，其中所述光引擎包括：
激光二极管灯，其用以输出灯光；
硅上液晶“LCoS”面板，其用以响应于所述灯光的照射而反射所述CGI光；及
偏振分束器“PBS”，其定位于所述激光二极管灯与所述LCoS面板之间以将所述灯光重新引导到所述LCoS面板上且将所述CGI光传递到所述目镜。
12.根据权利要求1所述的HMD，其中所述光引擎包括：
激光二极管源，其用以可控地输出单个像素光束；及
微机电系统“MEMS”扫描镜，其经定位以反射所述单个像素光束并使其跨越所述反射衍射光栅进行光栅扫描以形成所述CGI光。
13.根据权利要求1所述的HMD，其中所述光学透射衬底包括具有弯曲表面的衬底。
14.一种用于头戴式显示器的设备，所述设备包括：
光学透射衬底，其具有透视显示区；及
衍射元件的重复图案，其跨越所述光学透射衬底的所述透视显示区安置且被组织成反射衍射光栅，所述反射衍射光栅反射及放大投射到所述反射衍射光栅上的计算机产生的图像“CGI”光，
其中所述透视显示区对投射到所述光学透射衬底的外部侧上的外部周围光为至少部分透射的且对投射到所述光学透射衬底的与所述外部侧相对的内部侧上的所述CGI光为至少部分反射的。
15.根据权利要求14所述的设备，其中衍射元件的所述重复图案在每像素基础上以所述CGI光的图像像素与所述重复图案的实例之间的一一对应性重复。
16.根据权利要求14所述的设备，其中所述衍射元件各自包括反射表面且所述衍射元件通过所述光学透射衬底上的介入间隙与邻近衍射元件分离。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述衍射元件各自包括具有倾斜于所述光学透射衬底的表面定向的所述反射表面的结构。
18.根据权利要求16所述的设备，其中所述衍射元件各自包括具有涂覆有所述反射表面的阶梯轮廓的离散多相结构。
19.根据权利要求16所述的设备，其中所述反射表面包括部分反射金属涂层。
20.根据权利要求16所述的设备，其中所述反射表面包括分色角度选择性多层表面，所述分色角度选择性多层表面对沿着所述CGI光从其始发的第一角度入射的光为实质上反射的且对沿着实质上法向于所述光学透射衬底的表面的第二角度入射的外部光为实质上透明的。
21.根据权利要求14所述的设备，其进一步包括：
框架组合件，其用以支撑所述光学透射衬底以佩戴于用户的头部上；及
光引擎，其安装到所述框架组合件且经定向以用所述CGI光从所述内部侧照射所述反射衍射光栅。
22.根据权利要求21所述的设备，其中所述光引擎包括：
激光二极管灯，其用以输出灯光；
硅上液晶“LCoS”面板，其用以响应于所述灯光的照射而反射所述CGI光；及
偏振分束器“PBS”，其定位于所述激光二极管灯与所述LCoS面板之间以将所述灯光重新引导到所述LCoS面板上且将所述CGI光传递到所述透视显示区。
23.根据权利要求21所述的设备，其中所述光引擎包括：
激光二极管源，其用以可控地输出单个像素光束；及
微机电系统“MEMS”扫描镜，其经定位以反射所述单个像素光束并使其跨越所述反射衍射光栅进行光栅扫描以形成所述CGI光。
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