CN111512190B - 具有新颖的光栅配置的波导显示器和显示元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种波导显示器及其显示元件、以及一种设计波导元件的方法。该元件包括波导和布置波导上或布置在波导内的至少一个光栅，至少一个光栅被布置为将可见光耦合到波导中、耦合在波导内和/或从波导耦合出。根据本发明，光栅的周期在5μm或更大的范围内。本发明增加了基于光栅的显示元件的设计自由度，并且实现了更好的颜色和FOV控制。

Description

具有新颖的光栅配置的波导显示器和显示元件
技术领域
本发明涉及基于光栅的波导显示器及其波导元件。特别地，本发明涉及用于这种显示器的入耦合、光瞳扩展和出耦合光栅。
背景技术
头戴式显示器(HMD)和平视显示器(HUD)可以使用波导技术来实现。可以使用衍射光栅将光耦合到波导，重定向到波导中或耦合出波导。在一种常规的显示器设计中，光从投影仪被引导到一维入耦合(in-coupling)光栅，该一维入耦合光栅将传入光的波长衍射到波导中，在该波导中，光经由全内反射朝着出耦合(out-coupling)光栅传播。出耦合光栅将光衍射出波导，从而再现最初显示到入耦合光栅的图像。可以在入耦合光栅与出耦合光栅之间使用出射光瞳扩展器光栅以横向扩展显示器的可视区域。光栅的周期大约是可见光的波长。
最近，在扩展波导显示器的视场(FOV)(特别是在HMD领域)方面已经付出了很多努力。在基本配置中，FOV基本上受到为波导而选择的材料的限制，但是有很多尝试使视在FOV变大以改善用户体验。例如，Optics Express.23.3534.10.1364/OE.23.003534的Han J.等人的“Portable waveguide display system with a large field of view byintegrating freeform elements and volume holograms(结合自由形式元件和体积全息图的便携式大视场波导显示系统)”讨论了使用体积全息图扩展FOV。FOV限制还提出了几种多层设计，其中将原始光的不同颜色定向并且传播到不同波导层中，以实现更好的颜色控制和再现。
然而，需要替代和改进的装置来增加设计自由度、FOV并且在波导显示器中提供更好的色彩控制。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的至少一些问题，并且提供一种新颖的波导显示元件和利用这样的元件的波导显示设备。
特别的目标包括实现提供新的设计自由度的光栅结构，该光栅结构可以例如用于增加元件的FOV或更好地控制颜色。一个具体目的是提供一种实现光栅的至少部分消色差的光栅配置。
本发明基于提供一种光栅，该光栅的周期明显大于可见光的波长。特别地，与最大可见光波长(700nm)相比，该周期至少是其五倍，并且通常为5μm或更大。这样的光栅对于大于该周期的入射光束仍然是衍射的，如通常在显示应用中的情况一样，但是它们的衍射不限于常规的几个衍射级(+/-1和0)。
在第一方面，本发明提供了一种波导显示元件，该波导显示元件包括波导和布置在该波导上或布置在该波导内的至少一个光栅，该至少一个光栅被布置为将可见光耦合到波导中、耦合在波导内和/或从波导耦合出，其中光栅的周期在5μm或更大、诸如5μm-1000μm的范围内。光栅的每个周期可以包括在各周期之间重复的一维或二维非周期性微结构图案。
根据第二方面，提供了一种波导显示设备，该波导显示设备包括波导显示元件，该波导显示元件包括波导区域、适于将传入光耦合到波导中的入耦合光栅以及适于将光从波导出耦合到用户的眼睛中的出耦合光栅。至少一个光栅的周期在5μm或更大的范围内。另外，提供了一种能够照射入耦合光栅的图像投影仪。
根据第三方面，提供了一种方法，该方法包括
-选择具有厚度和材料的波导，
-选择波导上的一个或多个光栅区域，
-选择波导的至少一个光学性能目标以用于经由上述一个或多个光栅区域进行光衍射，
-提供包含光栅模型的光栅优化处理器，该光栅模型以光栅的周期和光栅单元的微结构中的至少一者作为变量，
-保持光栅的周期在5μm以上，运行光栅优化处理器以优化光栅模型的至少一个变量，使得当光栅被放置在上述一个或多个光栅区域上时满足上述光学性能目标。
该方法可以可选地包括根据光栅模型和至少一个优化变量来制造具有光栅的波导。
特别地，本发明的特征在于独立权利要求中所述的内容。
本发明提供了显著的益处。与常规的短周期光栅相比，所提出的解决方案可以利用更多的衍射级。与常规光栅相比，衍射角的划分更精细，并且因此可以在波导内部携带的图像数据的量更大。
此外，本发明允许完全分离不同波段(诸如常用的红色、蓝色和绿色波段)的行为。例如，光栅结构可以被设计为使得对于每个波段和每个入射角利用不同的衍射级，这些波段在波导内部基本上被衍射到相同的角度。这与常规的短周期光栅相反，在常规的短周期光栅中，通常只有第一衍射级可用于沿着波导的光传输，从而导致不同波段的衍射角不同。因此，借助于本发明，消色差波导元件是可行的。
这些因素为波导显示器提供了新的设计自由度。在常规的光栅中，尽管可以改变光栅轮廓以在衍射级之间划分功率，但是在可以定向功率的情况下，没有或只有很少的“备用”衍射级可用。在大周期光栅中，衍射级的数量较高，并且光栅的微结构也很宽，从而提供了更多的设计选项。例如，这使得波导的消色差成为可能。
本发明允许为不同目的而定制光栅。在一些常规的光栅设计过程中，首先计算有限的一组光栅的行为，并且然后选择在相关应用中具有最佳性能(但通常仍然远非最优)的光栅。借助于本发明，可以从根本上改进该设计方案：可以在更高程度上区分波导和光栅的设计并且分别对其进行优化。具体地，波导优化会导致一组所需要的光栅响应，这些光栅响应然后作为光栅优化的目标。当使用大周期光栅时可获取的附加自由度使得可以找到针对后者优化问题的良好解决方案，这是短周期光栅无法实现的壮举。
HMD和HUD设备的用户体验也可以得到改善。例如，以如本文中描述的受控方式将不同颜色衍射到(近似)相同的角度允许增加元件的FOV。而且，通过将不同FOV角范围定向到不同衍射级中来利用衍射级角度的更精细的角划分，可以实现FOV的进一步增加，从而实质上在波导内部执行FOV的压缩/解压缩。
从属权利要求涉及本发明的选定实施例。
光栅可以是一维或二维周期性的。在光栅在两个维度上是周期性的情况下，在两个维度中的每个维度中的周期优选地在5μm或更大的范围内。
在一些实施例中，光栅适于在波导中产生到不同传播角的衍射效率的依据波长的划分和依据入射角的划分。例如，光栅可以适于使用不同衍射级将具有相同入射角的至少两个不同波长衍射到大约(+/-5度)相同的衍射角中。这种行为/光栅在本文中称为消色差多阶行为/光栅。在另一实施例中，在这个意义上，光栅对于至少三个不同的波段和对于具有角度间隔为至少30度的至少两个入射角是消色差的。
在一些实施例中，光栅适于以至少60度的视场将光耦合到波导中或从波导中耦合出。
接下来，参考附图更详细地讨论本发明的选定实施例及其优点。
附图说明
图1A和1B分别示出了其上布置有两个二维大周期光栅的显示元件的侧视图和俯视图。
图1C和1D分别示出了大周期光栅的单个周期的微结构的侧视图和俯视图。
图2示出了在本发明中可用的更精细的一组衍射角。
图3A和3B对应地示出了在常规光栅和根据本发明的一个实施例的大周期光栅上的不同波段的行为。
具体实施方式
定义
“(光栅)单位元件”是指在一个维度或两个维度上在光栅内部重复的最大非周期性单元。光栅单元的一个尺寸或两个横向尺寸分别确定光栅的一个或多个周期。
“特征”是指单位元件内部的几何结构。
除非另有说明，否则术语“波段”在本文中是指宽度为20nm或更小、特别地是10nm或更小的波段。在RGB元件或显示器中，这些波段可以例如相应地从600nm-750nm、495nm-600nm和450nm-495nm的波长范围中选择。波段的数目也可以大于3，诸如4-6。
“消色差”光栅在本文中是指对于针对固定的入射角和强度的不同波长生成近似相同的响应(即，近似相同的角强度分布)的光栅。在本文中，“近似相同的响应”是指对于到达相同角度(角度精确度为5度，特别地是2度)的所有波长，相对强度分布在-/+10％以内。相对强度被确定为衍射到特定角度的光强度与入射光的强度的比例。
尽管针对仅构成有限数目的窄波长范围的工作范围，可以使用目前公开的原理来制造基本上完全消色差的光栅。但是，该术语在本文中具有较宽的含义，并且涵盖满足上述条件的光栅。在实际应用中，通常，对于相关设备中使用的传入光的极端入射角满足消色差条件就足够了。在极端角度之间，具有不同波长的光线的分布可以更自由地重叠。
本文中使用的波导显示设备和元件是指产生至少基本保持要显示的图像的相对像素位置的可视图像的设备和元件。
选定实施例的描述
图1A和1B以横截面侧视图和俯视图示出了示例性波导元件。该元件包括在波导本体10上相对于彼此横向定位的入耦合光栅12和出耦合光栅16。光栅12、16包括重复的单位元件14、18，该单位元件的边长为P，对应于光栅12、16的周期。取决于应用，光栅的整体尺寸(例如，出耦合光栅16的尺寸D)可以是例如周期P的100-10000倍。
在一些实施例中，光栅是一维光栅，在这种情况下，合适的周期范围是5μm-1000μm，诸如10μm-500μm。
在一些实施例中，光栅是二维光栅，由此其在每个周期性方向上的周期可以是例如5μm-75μm，诸如10μm-50μm。
该元件还可以包括引导光栅、出射光瞳扩展器光栅等。
不同光栅的单位元件14、18可以相似或不同。然而，该周期在典型实施例中是相同的。
图1C和1D以横截面侧视图和俯视图示出了示例性单位元件。该单位元件具有基本上非周期性的表面轮廓15，以便不减小光栅的有效周期。该结构由微观特征组成，该微观特征的平均大小为f并且最大高度为h。本文中，f被定义为从谷底到相邻峰值的顶部的平均距离。
特征尺寸f可以是例如10nm-700nm并且最大高度h是例如20nm-500nm。
图2示出了更精细的衍射角划分。尽管常规的小周期光栅能够针对入射光21以角度α有效地产生仅单个传播衍射级光束22，而本光栅可以使光束24A、24B、24C、24D……以角度αA、αB、αC、αD……以若干传播衍射级进行衍射。
图3A和3B示出了如何利用光栅单元的更精细的角度划分和设计来产生到不同角度的衍射效率的依据波长的划分和依据入射角的划分。在该示例中，示出了消色差光栅。
图3A示出了具有相同入射角的λ1、λ2、λ3处的三个波段在常规光栅32A处表现如何。人们将色散衍射视为分别到角度β1、β2、β3的第一传播衍射级N1，色散的量取决于波段的宽度。
在图3B中，光栅被替换为大周期光栅32B，该大周期光栅32B被配置为将波段λ1的大部分光衍射到衍射级N3，将波段λ2的大部分光衍射到衍射级N2，将波段λ3的大部分光衍射到衍射级N1，这些衍射级具有基本相同的角度，即β1’＝β2＝β3’。波段λ1和波段λ3的杂散光到达杂散衍射级NS1和NS3，这些衍射级具有的角度βS1和βS1不同于β1’＝β2＝β3’。光栅可以被配置为对于多个入射角进行相同的操作。必须注意，在图3B中仅示出了一些杂散衍射级，但是实际上，少量(受控)光不可避免地被衍射到所有可用级。
在一个实施例中，不同的入射角范围被衍射到不同的衍射级中。
因此，所建议的光栅结构/配置可以用于将被衍射光的角度范围“压缩”/“解压缩”到较小/较大范围，这可以用于增加元件的FOV。
在典型的实施例中，传入光的大部分能量被引导到小于所有可用衍射级的集合的一组衍射级(主衍射级)。如在光栅优化中确定的，剩余级(二次衍射级)可以用于携带杂散光，以使到主衍射级的功率最大化或满足其他设计目标。主衍射级的数目可以例如为10或更小，诸如5或更小。
当在光场的归一化波矢量空间(k空间，其长度除以k)中进行检查时，常规的光栅会引入线性位移，该线性位移的方向和大小取决于衍射级，而不取决于波长。与此相反，本光栅可以引起非线性位移，该非线性位移可以用于例如针对窄波段的较小集合实现角扩展的压缩/解压缩以及基本上消色差行为。
在一个实施例中，本方法包括
-选择具有厚度和材料的波导，
-选择波导上的一个或多个光栅区域，
-选择波导的至少一个光学性能目标以用于经由上述一个或多个光栅区域进行光衍射，
-提供光栅模型，该光栅模型以光栅的周期和光栅单元的微结构中的至少一者作为变量，
-保持光栅的周期在5μm以上，优化光栅模型的至少一个变量，使得当光栅被放置在上述一个或多个光栅区域上时满足上述光学性能目标。
在另一实施例中，至少一个性能目标包括针对具有相同入射角的诸如红色、绿色和蓝色波段之类的至少三个分离波段中的每个波段使用不同衍射级将至少三个分离波段基本上向相同角度进行的衍射。在另一实施例中，至少一个性能目标包括该条件对于若干不同入射角(诸如对于至少100个入射角)而言成立。
在另一实施例中，该方法包括制造在上述一个或多个光栅区域上具有上述光栅的波导。
本光栅的详细的亚微米级结构取决于性能目标，并且依赖于使用大量衍射级(尤其是≥10)作为光目标的原理。在一个实施例中，到二次衍射级的衍射没有被迫为零，而是被允许携带一部分光以增加设计的自由度以实现性能目标。通常，为了优化结构，例如可以应用优化策略和构想，诸如上述的不迫使二次衍射级为零的优化策略和构想，这些优化策略和构想是从所谓的计算机生成全息图(CGH)的设计中得知的。对于光栅计算，我们建议使用最近开发的公开可用的快速方法获取现实的计算时间，诸如2012年的J.Quant.Spectrosc.Ra.,113,158-171的A.Shcherbakov和A.V.Tishchenko的“New fastand memory-sparing method for rigorous electromagnetic analysis of 2Dperiodic dielectric structures(2D周期性介质结构的严格电磁分析的新的快速和存储节约方法)”以及2017年的EOS Topical Meeting on Diffractive Optics，P.23的A.Junker和K.-H.Brenner的“High mode count rigorous simulation of diffractiveoptical elements by an iterative solution approach(采用迭代求解方法对衍射光学元件进行高模计数的严格模拟)”中讨论的方法。
本发明的实施例可以以其不同形式用于各种个人显示设备、增强现实(AR)、虚拟现实(VR)和混合现实(MR)设备中，例如近眼显示器(NED)和其他头戴式显示器(HMD)以及平视显示器(HUD)。

Claims (15)

1.一种波导图像显示元件，包括波导和布置在所述波导上或布置在所述波导内的至少一个光栅，至少一个所述光栅被布置为将可见光耦合到所述波导中、耦合在所述波导内和/或从所述波导耦合出，其中，所述光栅的周期在5μm或更大的范围内，其中，所述光栅的每个周期包括在各周期之间重复的非周期性微结构图案，其中，所述光栅是消色差光栅，以使用不同衍射级将具有相同入射角的至少两个不同波长衍射到近似相同的衍射角中。
2.根据权利要求1所述的显示元件，其中，所述光栅的周期在5μm-1000μm。
3.根据权利要求1所述的显示元件，其中，所述光栅的周期在5μm-75μm的范围内。
4.根据权利要求1所述的显示元件，其中，所述光栅的周期在10μm或更大的范围内。
5.根据权利要求1所述的显示元件，其中，对于二维光栅，所述光栅的周期在10μm-50μm的范围内，并且对于一维光栅，所述光栅的周期在10μm-500μm的范围内。
6.根据权利要求1所述的显示元件，其中，所述光栅在两个维度上是周期性的，在所述两个维度中的每个维度中的所述周期在5μm或更大的范围内。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的显示元件，其中，所述光栅适于在所述波导中产生对不同传播角的衍射效率进行的依据波长的划分和依据入射角的划分。
8.根据权利要求7所述的显示元件，其中，对于在至少20度的角度范围上散布的至少50个入射角的至少三个不同波段，所述光栅是消色差的。
9.根据权利要求1至6中的任一项所述的显示元件，其中，所述光栅适于以至少60度的视场将光耦合到所述波导中或从所述波导耦合出。
10.根据权利要求1至6中的任一项所述的显示元件，所述显示元件是适合于近眼显示器即NED、头戴式显示器即HMD或平视显示器即HUD设备的图像显示元件。
11.一种波导显示设备，包括：
-根据权利要求1至10中任一项所述的波导图像显示元件，所述波导图像显示元件包括波导和适于将传入光耦合到所述波导中的入耦合光栅，以及
-出耦合光栅，所述出耦合光栅适于将光从所述波导出耦合到用户的眼睛中，
-图像投影仪，所述图像投影仪能够照射所述入耦合光栅，
其中，所述入耦合光栅和所述出耦合光栅中的至少一者的周期在5μm或更大的范围内。
12.一种设计和制造波导元件的方法，所述方法包括：
-选择具有厚度和材料的波导，
-选择所述波导上的一个或多个光栅区域，
-选择所述波导的至少一个光学性能目标以用于经由所述一个或多个光栅区域进行光衍射，
-提供光栅的优化处理器，所述光栅的优化处理器包含光栅模型，所述光栅模型以所述光栅的周期和所述光栅的单元的微结构中的至少一者作为变量，
-保持所述光栅的周期在5μm以上，运行所述光栅的优化处理器以优化所述光栅模型的至少一个变量，使得所述光栅在被放置在所述一个或多个光栅区域上时满足所述光学性能目标，
其中，所述光栅的每个周期包括在各周期之间重复的非周期性微结构图案，其中，所述光栅是消色差光栅，以使用不同衍射级将具有相同入射角的至少两个不同波长衍射到近似相同的衍射角中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，至少一个所述性能目标包括针对具有相同入射角的至少三个分离的波段中的每个波段使用不同衍射级将所述至少三个分离的波段基本上向相同角度进行的衍射。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述至少三个分离的波段是红色、绿色或蓝色的波段。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的方法，其中，所述方法包括制造在所述一个或多个光栅区域上具有所述光栅的所述波导。
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