CN103959133B - 光波导和显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光波导(30)，其包括至少第一衍射区域和第二衍射区域，所述第一衍射区域设置成将沿着波导传播的载像光进行衍射，以便在第一维将其展开并将载像光转向第二衍射区域，第二衍射区域设置成将载像光进行衍射，以便在第二维将其展开并从波导中作为可视图像释放。第一衍射区域通过嵌入到波导内部的第一衍射光栅(14)形成，当载像光从所述光栅之上或之下以一个给定角度入射到所述光栅上时，该衍射光栅被设置成与载像光具有基本相似的面形。

Description

光波导和显示设备

技术领域

本发明涉及一种光波导和显示设备，特别涉及一种显示设备，在该显示设备中，载像光入射到波导中，在两个正交的维度上展开，形成一个可视图像并从波导中释放。

背景技术

在本申请人早期的公开号为WO2010/119240的国际专利申请中描述了在显示设备中使用波导的公知形式，参考图4对其进行了描述。在该申请中的波导包括：输入衍射区域42，用于将载像光的输入光瞳44耦合到波导中，通过全内反射进行传播。输入光瞳44指向反射表面46，在该反射表面，朝向转向衍射区域48反射。转向衍射区域48通过与区域48多次交互作用在第一维50展开该光瞳，并将其转向到输出衍射区域52。输出衍射区域52在第二维54展开光瞳，并从具有出射光瞳56的波导中输出载像光。反射表面46的使用允许输入衍射区域42和转向衍射区域48由单一一个光栅58形成。反射表面46可以省略，虽然在该情况下每个衍射区域通过各自的光栅形成。

光栅58的凹槽的定位以60度向X轴倾斜，从而在输入区域42上入射的载像光被衍射并传播到反射表面46，并因此反射从而使主光束传播，并以相对于凹槽的法线呈60度的角度入射到旋转区域48的凹槽中(见插图A)。光线被部分衍射并且在第一维展开(在此为X维)，并通过波导传播到输出低衍射效率(2％～20％)的光栅52，该光栅在X方向上定位(凹槽)。衍射的光束垂直地入射到这个光栅上(见插图B)，并且部分衍射到波导之外，部分衍射在第二维上展开光瞳，此处为Y维，产生出射光瞳56。

上面所描述的波导设计典型实施方式是使用承载于波导表面的光栅52、58，或者使用面形(profile)如较早的专利申请中的如图5所示的用于转向区域48的闪耀光栅面形60的光栅以优化衍射效率。分析显示，有角度的转向衍射区域48，根据需要将光线导向输出衍射区域52，通常会旋转下述光的偏振，即，导向输出衍射区域52的衍射的光和继续传播产生多个进一步交互作用以在一个维上展开输入光瞳的光。

参见图5，不论是否通过反射表面46，主输入光束62显示为从输入衍射区域42(图5中未示出)导向转向衍射区域48。输入光束62具有第一偏振角，即，光线的偏振状态的改变可以通过参考与输入光束62的偏振状态相关的角度被识别出来，即使光线不必是平面偏振的。在与转向区域48的第一交互作用64中，光线的一部分66被导向输出衍射区域52(图5中未示出)，并且光线的一部分68沿着转向区域48继续传播。在第一交互作用64中，光线的部分66、68的偏振角在一个方向上旋转，例如顺时针方向，因此光线66、68的偏振角与输入光束62的偏振角不同。在与光栅48的第二交互作用70中，传播的光线68的一部分72导向输出衍射区域52，并且光线的一部分74沿着转向区域48继续传播。在第二交互作用70中，光线的部分72、74的偏振角以相同的方向旋转，例如顺时针方向。因此，光束72、74的偏振角通常与输入光束62和传播光束68的偏振角不同。在与光栅48的第三交互作用76中，传播光束74的一部分78导向输出衍射区域52，并且光线的一部分80沿着旋转区域继续传播。在第三交互作用76中，部分78、80的偏振角以相同的方向旋转，例如顺时针方向。因此，光束78、80的偏振角通常与输入光束62、传播光束68和传播光束74的偏振角不同，多个进一步的交互作用将发生在传播光束和光栅48之间，虽然只示出三个交互作用。相应地，导向输出衍射区域52的光束66、72、78的偏振角通常相互不同。在图4所示的实施例中，输出衍射区域52对光线的偏振敏感，从而具有一个偏振角的光束将比具有另一个偏振角的光束更优先地朝向观看者衍射。光束66、72、78构成了载像光在X维上光瞳的展开，并因此当光线从波导中输出，以不同亮度产生较亮或较黑的区域时，在出射光瞳56内可以产生垂直条纹。

发明内容

本发明提供一种光波导，其中在工作中，载像光在其中通过全内反射传播，所述波导包括：至少第一衍射区域和第二衍射区域，第一衍射区域设置成将沿着波导传播的载像光进行衍射，从而在第一维将其展开并将载像光转向第二衍射区域，第二衍射区域设置成将载像光进行衍射，从而在第二维将其展开并从波导中作为可视图像进行释放，其中第一衍射区域由嵌入在波导内的第一衍射光栅形成，当在光栅之上或以下从一个特定角度入射到光栅时，该衍射光栅被设置为呈现出与载像光基本相似的面形，从而通过与第一衍射区域连续的交互作用，载像光的偏振以基本上相似的量但以相反方向进行旋转，从而增加从波导释放的可视图像的亮度的均匀度。

在与第一衍射区域进行偶数次交互作用之后转向第二衍射区域的载像光可以具有基本上相同的偏振。此外或者可选地，在与第一衍射区域进行奇数次交互作用之后转向第二衍射区域的载像光可以具有基本相同的偏振。

光栅的面形可以相对于垂直于波导延伸的平面对称，并且与波导的第一主表面和第二主表面通过不同的量间隔开。

第一衍射区域可以具有周期方波，正弦或三角面形。

本发明还提供包括这样的光波导的头盔式的、头戴式的、平视的或其它的显示设备。

附图说明

下面仅以举例的方式参考附图来对本发明进行描述，其中，

图1所示为光波导；

图2所示为该光波导的衍射区域；

图3所示为包括该光波导的显示设备；

图4所示为现有技术的光波导；以及

图5所示为现有技术的光波导的衍射区域。

具体实施方式

参考图1和图2，所示的光波导10具有与上述现有技术的波导一样的多个特征，参考图4和图5并如WO2010/119240所示，该专利申请的内容以引用的方式并入于此。为了简要，本实施例的描述将主要集中在图4和图5所示的现有技术的波导与本发明的波导之间的创造性区别上，特别是转向衍射区域(图4中的区域48)的设置上。

波导10包括输入衍射区域11，用于将载像光的输入光瞳12耦合到波导10中，通过全内反射进行传播。在这个实例中，输入光瞳12导向反射表面13，在反射表面13处将输入光瞳朝向转向衍射区域14进行反射。转向衍射区域14在第一维15通过与区域14多个交互作用对载像光的光瞳进行展开，并将其转向输出衍射区域16。输出衍射区域16在第二维17对载像光的光瞳进行展开，并将其作为出射光瞳180从波导输出。如上所述，反射表面13可以被省略。

在图2中，详细说明从波导取出的一段所示为用于实施转向衍射区域14的衍射光栅18。光栅18的面形设置成与从波导的平面P的上面或下面以给定的任意角度接近光栅18的光的面形相同。光栅18的面形例如可以是图2所示的方波形，或者正弦或三角形。这种规则的、周期的光栅面形分享了垂直于波导10的平面P的平面对称的性质。然而，面形的周期性穿过光栅18时可以变化，同时仍然保持与从波导的平面P的上面或下面以给定的任意角度接近光栅18的光的面形相同。

光栅18嵌入于波导10内部，这与图4和图5中在波导表面形成的现有技术波导不同。光栅18可以在波导的任意平面P延伸，虽然在本实例中，其与在波导10的主表面30、31之间等距地间隔的平面偏移。该偏移足以改进瞳纹和均匀度。光栅18的嵌入式设置导致在光线和光栅18之间产生了比在表面形成的光栅更多的交互作用。

不论是否通过反射表面13，主要的输入光束19从输入衍射区域11(图2中未示出)导向转向衍射区域14的光栅18。输入光束19具有第一偏振角。在与光栅18的第一交互作用20中，光线的一部分21导向输出衍射区域16(图2中未示出)，并且光线的一部分22沿着光栅18继续传播。在第一交互作用20中，两个部分21、22的偏振角以一个方向旋转，例如顺时针方向，因此光束21、22的偏振角与输入光束19的偏振角不同。

在与光栅18的第二交互作用23中，传播光束22的部分24导向输出衍射区域16，并且光线的部分25沿着光栅18继续传播。在第二交互作用23中，两个部分24、25的偏振角以相反的方向旋转，例如逆时针方向。优选地，第二交互作用23使光线的偏振角以与第一交互作用20导致的旋转所相等而相反的量旋转。从而光束24、25的偏振角与输入光束19的偏振角通常相同或基本相同。相应地，传播的主光束25的偏振角因此基本恢复到输入光束19的原始偏振角。

由此可见，与光栅18的连续交互作用引起了衍射光束和传播光束的偏振角的相反旋转。以这种方式，在与旋转光栅18进行奇数次的交互作用之后，衍射光线和传播光线的偏振角相较于输入光束19的偏振角而旋转，并且在与旋转光栅18进行偶数次交互作用之后，衍射光线和传播光线的偏振角通常与输入光束19的偏振角相似或相同。即，朝向输出区域16衍射的光束21、27、28具有普遍一致的第一偏振角，并且朝向输出区域16衍射的光束24、29、32具有普遍一致的第二偏振角。输出衍射区域16对偏振敏感，因此将通常对一系列光束(或者奇数的光束21、27、28，或者偶数的光束24、29、32)进行比其它系列的光束更有效率地衍射。然而，与上面描述的衍射光束66、72、78的偏振角互不相同的现有技术的设置不同，在本发明中，即使一系列光束的衍射效率不高，但是，偶数的光束的偏振角是一致的，并且奇数的光束的偏振角是一致的，从而使输出到观看者的图像的亮度会普遍一致。

需要注意的是，对主光束的设置已经在图1和图2中有所描述。在图1中示出了主光束21、24、27、28、29、32沿着X维15展开。在首次出现时，可以看到，由于输出区域16的不同的衍射效率，奇数的光束和偶数的光束的偏振的不同将使条带增加。然而必须理解的是除了主光束，还将有光线的散射，如此从旋转光栅衍射的光束将趋于叠加并消除任何条带。

参见图1，输入衍射区域11和转向衍射区域14可以由嵌入到波导10内的单一光栅33形成。单一光栅33从制造的角度来说是有优势的，光栅33能够在一个制造步骤中形成，能够使输入区域11的边缘相对于转向区域14的边缘更准确地对齐。或者，输入区域11和转向区域14可以通过各自的光栅形成，在这种情况下，就不需要反射表面13。例如，如果光学系统的要求是输入区域通过表面光栅形成的话，这个后面提到的设置可以是优选的。在更进一步的设置中，转向区域14和输出区域16可以通过单一一个嵌入的光栅形成，在这种情况下，需要一个反射表面，这个反射表面位于转向区域14和输出区域16之间的光学通路上，就如上面引用的本申请人之前的申请中更加详细地描述的那样。

用于实现转向区域14的光栅18的面形可以通过传统方式形成，该传统方式对于相关领域的技术人员是显而易见的，例如蚀刻或者全息技术。

适当的嵌入式光栅可以如本申请人之前的专利申请WO2010/122330所描述的方式进行制造。在一个实施例中，通过光学复制从一个合适的标准型面在玻璃基底上制造合适的面形。在表面上涂覆至少一层电介质材料，例如二氧化钛、二氧化硅或氧化镁。然后使用合适的光学胶粘剂将第二个玻璃基底层压在所述被涂覆的表面上。一个实例设计是使用N-BK7玻璃和折射率契合的胶结物，涂覆有25nm～50nm厚度的二氧化钛的435nm周期以及50nm深度的方波光栅面形。

图1和图2描述的光波导10可以形成平视显示器、头戴式或头盔式的显示器或者其它的显示设备的一部分。举例而言，图3所示的头盔式的显示器34安装在观看者36所佩戴的头盔35上。根据图像处理器39提供的图像数据，光源37照亮一个微型投影仪38用于将载像光射入到波导10中。图像通过波导10传播并且衍射出来作为具有均匀亮度的可视图像180进入到观看者的眼中。

Claims (5)

1.一种光波导，其中在工作中，载像光在该光波导中通过全内反射进行传播，该光波导包括：至少第一衍射区域和第二衍射区域，所述第一衍射区域设置成用于将沿着光波导传播的载像光进行衍射，以便在第一维将其展开并将载像光转向到第二衍射区域，所述第二衍射区域设置成将载像光进行衍射，以便在第二维将其展开并从光波导中作为可视图像释放，其中，所述第一衍射区域通过嵌入到光波导内部的第一衍射光栅形成，当载像光从所述光栅之上或之下以一个给定角度入射到所述光栅上时，该衍射光栅被设置为呈现出与载像光基本相似的面形，从而通过与所述第一衍射区域持续的交互作用，当进行奇数次交互作用后，所述载像光的偏振角旋转，且该奇数次交互作用的光束的偏振角是一致的，当进行偶数次交互作用后，所述载像光的偏振角以与奇数次交互作用导致的上述偏振角旋转基本相似的量但以相反方向进行旋转，且该偶数次交互作用的光束的偏振角是一致的，从而增加从光波导中释放的可视图像的亮度的均匀度。

2.如权利要求1所述的光波导，其中当载像光经过与第一衍射区域进行偶数次交互作用后转向到第二衍射区域时，载像光具有基本相同的偏振，和/或当载像光经过与第一衍射区域进行奇数次交互作用后转向到第二衍射区域时，载像光具有基本相同的偏振。

3.如权利要求1或2所述的光波导，其中所述第一衍射光栅的面形基本上关于垂直于光波导延伸的平面对称，并且其中所述第一衍射光栅与光波导的第一主表面和第二主表面以不同的量间隔开。

4.如前述任意一项权利要求所述的光波导，其中所述第一衍射光栅具有周期性的方波、正弦或三角面形。

5.一种头盔式的、头戴式的或平视的显示设备，包括上述任意一项权利要求所述的光波导。