CN111630437B

CN111630437B - 具有光栅镜的衍射显示元件

Info

Publication number: CN111630437B
Application number: CN201980009148.2A
Authority: CN
Inventors: 尤索·奥尔科宁; 彼得里·米奥哈宁
Original assignee: Dispelix Oy
Current assignee: Dispelix Oy
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2039-01-30
Also published as: EP3729175B1; WO2019155117A1; EP3729175C0; US11650427B2; JP2021512357A; KR20200115528A; CA3087595A1; EP3729175A4; CN111630437A; FI129084B; US20210215942A1; FI20185105A1; EP3729175A1

Abstract

提供了衍射显示元件，该衍射显示元件包括：波导本体；耦入区域(11、21、52、520D)，该耦入区域用于使光衍射地耦合到波导本体中；以及耦出区域(13、31、41、56、560D)，该耦出区域用于使光衍射地耦合出波导本体，所述光适于沿着主要路线从所述耦入区域传播到耦出区域。根据本发明，该元件还包括至少一个光栅镜(22A、22B、32、33、42、53A、53B、53C、53D、531D、532D、533D、534D)，该至少一个光栅镜位于所述主要路线外部、用于使从所述主要路线分散的光衍射地镜射回所述主要路线。本发明允许提高基于波导的个人显示器的效率。

Description

具有光栅镜的衍射显示元件

技术领域

本发明涉及衍射显示技术。特别地，本发明涉及基于光导的衍射显示元件，该衍射显示元件包括耦入光栅、耦出光栅以及可选地出射光瞳扩展器(EPE)光栅。这样的显示元件可以用于个人显示器中，诸如头戴式显示器(HMD)，例如用于近眼式显示器(NED)和平视式显示器(HUD)。

背景技术

HMD和HUD可以使用波导技术实现。可以使用衍射光栅使光耦合到波导、使光在波导中重定向或者使光耦合出波导。在一种常规的显示器设计中，光从投射器被引导到耦入光栅，该耦入光栅使进入的光衍射到波导中，在该波导中，进入的光经由全内反射朝向耦出光栅传播。耦出光栅使光衍射出波导，从而对原始显示给耦入光栅的图像进行再现。EPE光栅可以用在耦入光栅与耦出光栅之间，以使显示器的可视区域横向地扩展。

基于波导的显示器中的一个问题是波导元件即波导本体和布置在其上的光栅的总效率非常低，典型地为大约0.1％至5％。这是因为光栅的相对较低的耦合效率以及光在元件中行进时发生的其他损耗。

因此，存在对改进的波导显示器的需要。

发明内容

本发明的目的是提高波导显示器的效率。

该目的通过独立权利要求中陈述的内容来实现。

本发明基于下述概念：向波导元件提供至少一个基于光栅的镜，使得已从耦入光栅朝向耦出光栅的路线分散(stray，杂散)的光返回到该路线。也就是说，原本会损耗的光被镜射回限定光的“正常”路线的光栅之一，并进一步朝向耦出光栅。

根据一方面，提供了一种衍射显示元件，包括：波导本体；耦入区域，该耦入区域用于使光衍射地耦合到波导本体中；以及耦出区域，该耦出区域用于使光衍射地耦合出波导本体，所述光适于沿着主要路线从所述耦入区域传播到耦出区域。根据本发明，该元件还包括至少一个光栅镜，该至少一个光栅镜位于所述主要路线外部、用于使从所述主要路线分散的光衍射地镜射回所述主要路线。

例如，可能由于下述情况而发生从主要路线的分散，所述情况为处于远离主要路线的一个或多个衍射级的衍射，或者光射线行进穿过主要路线上的光栅区域而不与其相互作用。

根据另一方面，提供了一种个人图像显示设备，诸如，包括本类型的衍射显示元件和图像投射器，该图像投射器用于使图像瞄准到耦入区域，在该耦入区域中，该图像被衍射地耦合到光导中以经由全内反射行进。图像通过元件的耦出区域朝向看到原始图像的用户的眼睛耦出。该设备可以是头戴式显示器(HMD)，诸如近眼式显示器(NED)或平视式显示器(HUD)。

本发明提供了显著的益处。首先，本发明总体上提高了波导元件的效率，因为镜光栅能够捕获原本会被浪费的光，并因此更多的光被从耦入器引导到耦出器。这具有的益处在于增加了显示器的亮度，或者替代性地可以降低投射器的输出功率。

本发明的实施方式具有另外的益处。例如，当光栅镜结合耦入光栅或耦出光栅使用时，可以提高图像的均匀性，这将在后面更详细地解释。

同样，通过本发明，可以减小耦入光栅的大小，这对于显示器的因素和大小要求具有积极的影响。

应当注意，波导的边缘不能用作镜(例如，通过用反射材料对它们进行涂覆)，因为它们产生与原始虚拟图像不匹配的镜图像。然而，本基于光栅的镜维持图像的拓扑并因此增强图像。

从属权利要求涉及本发明的选定实施方式。

在一些实施方式中，耦入区域包括具有耦入周期的光栅，并且光栅镜包括具有光栅镜周期的光栅，该光栅镜周期等于耦入周期的一半。这对于典型地具有的光栅线与耦入光栅的光栅线平行的耦入光栅镜或竖向EPE光栅镜而言是特别有益的。

在一些实施方式中，耦出区域包括具有耦出周期的光栅，并且光栅镜包括具有光栅镜周期的光栅，该光栅镜周期等于耦出周期的一半。这对于典型地具有的光栅线与耦入光栅的光栅线正交的耦出光栅镜或水平EPE光栅镜而言是特别有益的。

在一些实施方式中，光栅镜适于使用第一反射衍射级进行所述镜射。特别地，可以使用第一正阶。

在一些实施方式中，光栅镜被配置为将光基本上反射到相对于分散的光的传播方向相反的传播方向上。但是，也可以使用倾斜反射，如这将在后面进行解释。

在一些实施方式中，从主要路线看，光栅镜与耦入区域相关联，即位于耦入区域的后面。在一个实施例中，光栅镜适于引导从耦入区域衍射到光栅镜的光的至少一部分经过该耦入区域到达主要路线。这可以用来提高显示器的强度均匀性。在另一实施例中，耦入区域是偏振敏感的，并且该元件包括用于改变镜射光的偏振状态的装置，以防止镜射光通过耦入区域进行耦出。这进一步提高了效率。

在一些实施方式中，从主要路线看，光栅镜与耦出区域相关联，即位于耦出区域的后面。这提高了显示器的整体效率，并且还提高了图像的均匀性。

在一些实施方式中，该元件还包括形成主要路线的一部分的出射光瞳扩展器(EPE)区域。存在下述两个光栅镜，所述两个光栅镜与EPE区域相关联，即位于EPE区域的后面(从主要路线看)、横向地在其不同侧上。这也提高了显示器的整体效率，这在使用EPE时具有特别的意义，这是因为其原本会导致显著的损耗，同时增加显示器的出射光瞳。

在典型的实施方式中，光栅镜的至少大部分，典型地整个光栅镜，位于被耦入区域和耦出区域以及可选地出射光瞳扩展器区域横向地跨越的区段的外部。该区段在本文中被称为“主要传播区段”，其包含光打算从耦入器行进到耦出器并进一步行进出波导的主要路线。

在一些实施方式中，光栅镜在主要镜射方向上的尺寸比要被镜射的传播光的跳行长度大。这确保了最大效率。

单个波导上的光栅镜的数量可以例如为一、二、三或四个。以上提及的四个典型位置将在下面详细举例说明。

接下来，参考所附附图更详细地讨论本发明的实施方式及其优点。

附图说明

图1示出了传统光栅设置机构的俯视图。

图2A和图2B示出了与耦入光栅相关联的光栅镜的详细俯视图。

图3示出了与EPE光栅相关联的光栅镜的详细俯视图。

图4A示出了与耦出光栅相关联的光栅镜的详细俯视图。

图4B示出了在图4A的配置中发生的镜射事件的k空间表示。

图5A至图5D示出了在其不同位置包括波导镜的波导元件的波导全视图。

图6示出了光的主要传播区段和路径。

具体实施方式

图1示出了用于衍射光导的传统光栅配置。光导表面包括耦入光栅11、出射光瞳扩展(EPE)光栅12和耦出光栅13。如所讨论的，像这样的衍射光导的总效率典型地相对较低。所有的光栅都导致一些光损耗。耦入器通过+/-1衍射级产生射线15和14。射线14的能量被损耗。EPE光栅使射线15的一部分入射能量朝向耦出器转向，并且其余的入射能量经由射线16被损耗。耦出器使来自EPE的射线部分地耦出，但射线17保留在耦出器之后的光导内部。通常不希望的、导致损耗的射线14、16、17在文中统称为“分散的光”或“分散的射线”。

通过本发明的实施方式，通过使分散的射线14、16和17重定向到耦出器上，提高了光导的总效率。如所讨论的，这有利地使用充当镜的光栅来执行，从而能够使光基本上反射回其原始传播方向。

总而言之，分散的光可以包括例如：逸出耦入区域、进入与被直接引导到所述主要路线的光相反的衍射级的光；逸出耦出区域而没有从该耦出区域耦出的光；逸出出射光瞳扩展器区域、朝向其原始传播方向的光；或者逸出出射光瞳扩展器区域、进入与耦出区域相反的方向的光。本发明的实施方式在所有这些情况下提供了益处。

在一个实施例中，光栅镜是线性(一维)光栅，该线性光栅具有的周期恰好是元件的耦入光栅的周期的一半。这两个光栅之间的光栅线方向典型地是相同的或倾斜90度，这取决于使用光栅镜的位置。应当注意，尽管文中举例说明了其中EPE导致光的传播方向上的90度变化的正交几何形状，但是本发明也可以以任何其他几何形状进行使用。

图2A示出了带有光栅镜22A的耦入光栅21(“耦入器”)。耦入器22A的第一衍射级产生朝向主要路线的射线23、26，而负的第一级产生朝向光栅镜22A传播的射线24、28。倾斜射线24从光栅镜22A的反射产生与射线23平行从而绕过耦入器21而朝向主要传播路径的射线25。如图5A中更具体地示出的，该配置可以例如用于增加亮度，特别是增加图像的角部区域上的亮度。在常规配置中，该区域遭受低亮度的影响。

具有低入射角的射线28朝向耦入器21反射回去作为射线29，从而其一部分被耦入器耦出。这通常是不希望的，但是可以至少部分地通过使用偏振敏感的耦入器21和改变入射光的偏振状态的光栅镜22来防止。替代性地，在耦入器21和光栅镜22A之间的波导的表面上可以存在偏振改变元件。

图2B示出了其中光栅镜部分地布置在耦入器周围的替代性实施方式。在此，耦入器21的几乎一半周缘被光栅镜22B围绕。这可以用于通过“捕获”分散的光来进一步提高效率。

光栅镜22A、22B具有原本与耦入器21的光栅矢量(G_IC)相同的光栅矢量(G_{M_IC})，但是其是两倍长，即G_{M_IC}＝2G_IC。这意味着耦入器21的光栅凹槽与光栅镜22A、22B是平行的，但是光栅镜22A、22B的周期是耦入器21的周期的仅一半。光栅镜22A、22B在射线传播方向上需要很长，使得每个射线将与光栅镜22A、22B相互作用至少一次。这些有利原理通常也适用于其他实施方式。

在图3中，使用两个光栅镜32、33来增强EPE光栅31的效率。当入射射线34与EPE光栅31相互作用时，生成竖向输出射线36和水平输出射线38。水平输出射线35朝向耦出器传播。竖向输出射线36撞击竖向地布置的光栅镜32，并朝向EPE光栅反射回来。竖向光栅镜32具有光栅矢量G_{VM_EPE}＝-2G_IC。由于EPE光栅矢量的方向，朝向耦入器传播的射线37部分地分成射线38，这些射线朝向具有光栅矢量G_{HM_EPE}＝-2G_OC的水平光栅镜33向上传播，其中G_OC是耦出光栅的光栅矢量。反射的射线39再次与EPE光栅相互作用。光射线在EPE内部衍射并分裂。一部分衍射的射线最终到达耦出器，并且一些在竖向光栅镜上。这意味着，如果光栅镜将具有100％的效率，则光将基本上仅朝向耦出器逸出，并且没有光会损耗。

图4A示出了具有光栅镜42的耦出器41。已经行进通过该耦出器的射线43从光栅镜衍射，产生反射射线44。该反射射线行进通过耦出器41并且朝向眼睛部分地耦出。光栅镜42具有光栅矢量G_{M_OC}＝2G_OC。

图4B示出了虚拟图像的归一化波矢量分量如何通过耦出器41和光栅镜42的光栅矢量在(k_x、k_y)平面中移位。耦出器41使图像盒从“折射率圆环”内部的第一位置45移动到中心中的第二位置46，而光栅镜42使图像从第一位置45移动到仍在“圆环”内部的第三位置47，传播到相反的方向中。当光射线经由光导内部的全内反射传播时，(k_x、k_y)归一化的波矢量具有大于1(空气的折射率)但小于波导的折射率(n_wg)的长度。矢量(k_x、k_y)越长，当在波导表面之间传播时，射线进行的跳跃越长。

图4B还示出了在光栅反射之后，图像点48的位置(由黑点标记)相对于单位圆如何变化。距离变大。这意味着在光栅反射之后，射线以较长的跳跃传播。对于相较于内边界较靠近外边界的(k_x、k_y)点，发生相反的情况。因此，光栅镜可以用于当向下和向上传播的射线的平均跳跃长度变得较均等时在耦出器处获得较均匀的强度分布。这也意味着可以将耦入器在一个尺寸上做得较小，因为典型地根据射线在光导内部进行的最大跳跃长度来限定耦入器的大小。耦入器越小，投射器越小，并且眼镜的形状因素越好。耦出器处较均匀的强度分布还意味着在视场和人眼窗口(eyebox)上白色的均匀性变得较好。

图5A至图5D借助于示例性的波导50详细地描述了上述实施方式，该波导包括耦入器52、EPE光栅54和耦出器56。在图5A中，存在被定位在耦入器52的后面的耦入光栅镜53A。镜53A和EPE54被相对于耦入器52定位，使得EPE能够捕获在“错误”方向上离开耦入器还进入至少一些倾斜角度的射线。这增加了前部角部区域中的图像的均质性。如以上参考图2A和图2B所讨论的，还可以通过直接使用水平射线进行捕获，特别是利用偏振，来实现效率的改进。

图5B示意性地示出了分别使用与EPE光栅54相邻的水平镜光栅53B和竖向镜光栅53C的益处。可以看出，水平地通过EPE的光的一部分被竖向地布置的镜光栅53C镜射回来。通过EPE将镜射光的显著部分进一步引导到水平地布置的镜光栅53B，并进一步朝向耦出器56反射回来。

图5C示出了镜光栅53B在耦出器56后面的益处。

图5D示出了其中双重周期性的耦出/瞳扩展光栅560D被水平光栅镜(533D、534D)和竖向光栅镜(531D、532D)围绕的光栅配置。耦入光栅520D可以是正常线性光栅或双重周期性光栅。耦入光栅520D可以位于相组合的耦出/瞳扩展光栅560D的外边界内，如图5D所示，或者在其一侧上。

在所有情况下，镜光栅优选地具有与该镜光栅相关联的光栅的相应尺寸相同的宽度或比与该镜光栅相关联的光栅的相应尺寸大的宽度。镜光栅的垂直平面内的尺寸，即在主传播方向上的长度，优选地比经由波导中的全内反射传播的射线的跳行(跳跃)长度大，跳行长度取决于基板的厚度、所使用的波长以及由光栅确定的射线的传播角度。

在一些实施方式中，镜光栅具有基本上矩形的形状。典型地，光栅镜的与其光栅矢量平行的尺寸(长度)比沿着光栅线的尺寸(宽度)短。

最后，图6示出了被耦入光栅、耦出光栅和EPE光栅横向地跨越的主要传播区段62(即，以最小周长完全包封光栅的区段；像围绕光栅放置的橡胶带)。因此，主要路线整个地由这些光栅及波导的性质来限定，从而射线的主要传播路径保留在该区段内部。镜光栅位于该区段外部。然而，不排除镜光栅的一些部分将会在主要传播区段62内部，例如，如在图2B的配置中可能是这种情况。然而，典型地，每个镜光栅的至少50％，诸如至少75％在该区段62外部。

在其中不需要大的出射光瞳的一些应用中，可以省略EPE光栅。

替代EPE光栅，或除了EPE光栅之外，该元件可以包括一个或多个中间光栅，一个或多个中间光栅适于修改波导内部的光场。一个或多个附加光栅镜可以与这样的附加光栅相关联。

虽然在就制造的简单性而言是有益的典型的实施方式中，光栅镜与和该光栅镜相关联的光栅位于波导的相同表面上，但是它也可以位于另一表面上。同样不排除在两个表面上都存在镜光栅。

应当注意，本发明还可以应用于各种其他显示器几何形状和配置。例如，视场(FOV)或总波长范围可以通过合适的光栅布置来分裂，使得FOV或波长至少部分地沿着不同的路线传播。在这些情况下，本文讨论的镜光栅和原理可以单独地用于所有这些光栅和路线。

在多层波导——每个层承载例如不同的波长带——的情况下，本发明的实施方式可以单独地应用于每个层。

本发明的实施方式可以用于宽带照明和窄带(包括窄多带)照明及投射器。

波导可以是具有两个平行主表面的透明材料的平面件，该透明材料典型地是塑料或玻璃。例如，所有光栅52、53A至53D、54、56可以被制造为表面起伏光栅(SRG)，或者通过提供附加材料到表面上作为衍射特征或其他衍射光学元件(DOE)而被制造。在一个实施例中，光栅包括在玻璃波导上的由至少一种氧化物或氮化物材料诸如TiO₂、Si₃N₄和HfO₂制成的线性特征。

Claims

1.一种衍射显示元件，包括：

波导本体（50），

耦入区域（52），所述耦入区域用于使光衍射地耦合到所述波导本体中，

耦出区域（56、560D），所述耦出区域用于使光衍射地耦合出所述波导本体（50），所述光适于沿着主要路线从所述耦入区域（52）传播到所述耦出区域（56、560D），

其中，所述元件还包括至少一个光栅镜（53A-C、531D、532D、533D、534D），所述至少一个光栅镜位于所述主要路线外部、用于使从所述主要路线分散的光衍射地镜射回所述主要路线，

其特征在于，

从所述主要路线看，一个光栅镜（53A）位于所述耦入区域（52）的后面。

2.根据权利要求1所述的元件，其中，所述耦入区域包括具有耦入周期的光栅，并且所述耦出区域包括具有耦出周期的光栅，并且所述光栅镜包括具有光栅镜周期的光栅，所述光栅镜周期等于所述耦入周期的一半或所述耦出周期的一半。

3.根据权利要求1或2所述的元件，其中，所述一个光栅镜适于使用第一反射衍射级进行所述镜射。

4.根据权利要求1或2所述的元件，其中，所述一个光栅镜被配置为将光基本上反射到相对于分散的光的传播方向的相反传播方向上。

5.根据权利要求1或2所述的元件，其中，所述一个光栅镜适于引导从所述耦入区域衍射到所述一个光栅镜的光的至少一部分经过所述耦入区域到达所述主要路线。

6.根据权利要求5所述的元件，其中，所述一个光栅镜适于引导从所述耦入区域衍射到所述一个光栅镜的光的至少一部分经过所述耦入区域、朝向所述主要路线上的出射光瞳扩展器区域到达所述主要路线。

7.根据权利要求1或2所述的元件，其中，所述耦入区域是偏振敏感的，并且所述元件包括用于改变镜射光的偏振状态的装置，以防止镜射光通过所述耦入区域进行耦出。

8.根据权利要求1或2所述的元件，其中，从所述主要路线看，另一个光栅镜位于所述耦出区域的后面。

9.根据权利要求1或2所述的元件，还包括位于所述主要路线上的出射光瞳扩展器区域，并且在所述出射光瞳扩展器区域的两个不同侧上存在从所述主要路线看位于所述出射光瞳扩展器区域的后面的两个其他光栅镜。

10.根据权利要求1或2所述的元件，其中，所述耦出区域包括相组合的耦出光栅和出射光瞳扩展光栅，并且在所述耦出区域的至少两个侧上设置有其他光栅镜。

11.根据权利要求10所述的元件，其中，在所述耦出区域的四个侧上设置有其他光栅镜。

12.根据权利要求9所述的元件，其中，所述分散的光包括下述中的至少一者：

逸出所述耦入区域、进入与被直接引导到所述主要路线的光相反的衍射级的光；

逸出所述耦出区域而没有从所述耦出区域耦出的光；

逸出出射光瞳扩展器区域、朝向其原始传播方向的光；

逸出出射光瞳扩展器区域、进入与所述耦出区域相反的方向的光。

13.根据权利要求1或2所述的元件，其中，所述耦入区域包括布置在波导本体的表面上的耦入光栅，并且所述一个光栅镜与所述耦入光栅位于所述波导本体的相同表面上，并且/或者耦出区域包括布置在所述波导本体的表面上的耦出光栅，并且所述一个光栅镜与所述耦出光栅位于所述波导本体的相同表面上。

14.根据权利要求1或2所述的元件，其中，所述一个光栅镜的至少50%位于被所述耦入区域和所述耦出区域横向地跨越的区段的外部。

15.根据权利要求14所述的元件，其中，所述一个光栅镜的整体位于被所述耦入区域和所述耦出区域横向地跨越的区段的外部。

16.根据权利要求中14所述的元件，其中，所述区段还被出射光瞳扩展器区域横向地跨越。

17.根据权利要求1或2所述的元件，其中，所述一个光栅镜在主要镜射方向上的尺寸比耦入到所述元件的光的跳行长度大。

18.根据权利要求1或2所述的元件，包括多个光栅镜。

19.一种个人显示设备，包括根据前述权利要求中任一项所述的衍射显示元件和用于将图像呈现给耦入区域的图像投射器。

20.根据权利要求19所述的个人显示设备，所述个人显示设备为头戴式显示器（HMD）或平视式显示器（HUD）。