CN111656253B - 用于显示应用的波导元件和波导叠置件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种波导显示元件，该元件包括波导本体和布置在波导本体上的入耦合光栅。该入耦合光栅被配置为使用相反的衍射级将入射光以两个分开的方向耦合到波导本体中以分离入射光的视场。此外，通常通过将入耦合光栅设置成适当短的周期来配置入耦合光栅，使得所述耦合仅发生在位于可见波长范围内的阈值波长以下的波长处。本发明还涉及波导叠置件。

Description

用于显示应用的波导元件和波导叠置件
技术领域
本发明涉及基于波导的显示器。特别地，本发明涉及用于此类显示器的光耦合布置。本发明可用于现代个人显示器，诸如头戴式显示器(HMD)和平视显示器(HUD)。
背景技术
为了最大化基于衍射波导的透视增强现实(AR)显示器的视场，一种常见的方法是使用多个彼此上下叠置的波导。为了使优化过程易于管理，希望每个光导仅入耦合单个波长(例如，激光)或窄波长带(例如，单色led的光谱)。先前已经提出了一些基于极化的方法，例如在US2014/0064655A1中。通常，表面浮雕光栅在大视场(FOV)上对极化不是很敏感，这会导致板之间的交叉耦合，并导致均匀白色图像上的颜色变化。
一些常规的入耦合解决方案还需要在波导上具有相对较大的面积和/或对波导的形状因数设置一些不希望的限制，从而对它们在实际应用中的使用进行限制。
因此，需要改进的入耦合方案。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，特别是提供一种新型的波导元件和波导叠置件，通过该波导元件和波导叠置件可以减少交叉耦合和/或更好地利用波导表面区域。
根据一个方面，提供了一种波导显示元件，其包括波导本体和布置在波导本体上的入耦合光栅。入耦合光栅被配置为：使用相反的衍射级将入射光以两个分开的方向耦合到波导本体中以分离入射光的视场。此外，通常通过将入耦合光栅设置成适当短的周期来配置入耦合光栅，使得所述耦合仅发生在位于可见波长范围内的阈值波长以下的波长处。
根据另一方面，提供了一种用于衍射显示器的波导叠堆，该波导叠堆包括至少两个波导层，其中波导层中的至少一个波导层是上述类型的波导元件。
根据又一方面，提供了一种透视显示设备，该透视显示设备包括如上所述的波导或叠置件，以及指向(direct at，对准)入耦合光栅的多色图像投影仪。
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。最值得注意的是，它提供了可用于实现高质量的用户友好型多色显示器的选择性入耦合器。特别地，在保持提供大FOV的能力的同时，防止了层之间的交叉耦合。
从属权利要求涉及本发明的所选择的实施方式。
在一些实施方式中，阈值波长选自500nm至540nm或620nm至660nm的范围，诸如510nm至530nm，或630nm至650nm的范围。阈值波长可以是例如520nm或640nm。这提供了将蓝色和绿色彼此分离以及另一方面将绿色和红色波长彼此分离的可能性。由于颜色的波长范围重叠，特别是当使用不相干的LED光源时，特别是在高-FOV应用中，首次分离是具有挑战性的。
在一些实施方式中，波导本体由折射率高于1.8(诸如1.9至2.1)的透明材料制成。
在一些实施方式中，该元件还包括：在所述入耦合光栅的与所述分开的方向相对应的不同侧上的两个第一反射光栅或第一出射光瞳扩展器光栅；适于分别接收来自两个第一光栅的光的至少一个第二出射光瞳扩展器光栅；以及适于接收来自至少一个第二出射光瞳扩展器光栅的光的单个出耦合光栅。出耦合光栅重构了在入耦合器中分离的视场。通常，在出耦合光栅的不同侧上至少部分地存在单个第二出射光瞳扩展器光栅或两个第二出射光瞳扩展器光栅，在这种情况下，如从第一光栅所见，第二出射光瞳扩展器光栅可以延伸至出耦合光栅的相反侧。这有助于在实际应用中优化对波导表面区域的利用，因为至少一部分的光适于经由出耦合光栅所位于的波导层区域从第一出射光瞳扩展器光栅行进至第二出射光瞳扩展器光栅，并且进一步返回到出耦合光栅。
在一些实施方式中，入耦合光栅适于使用第一正衍射级和第一负衍射级(诸如所述第一正透射衍射级和第一负透射衍射级)将光耦合到波导层中。
接下来，参考随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示出了例示根据一个实施方式的本发明的操作和益处的波矢图。
图2以俯视图例示了具有单个第二EPE光栅的一个实际波导布局。
图3以俯视图例示了具有两个第二EPE光栅的另一实际波导布局。
图4示出了例示图3的实施方式的操作和益处的波矢图。
图5以侧视图例示了根据一个实施方式的波导叠置件。
具体实施方式
在一个实施方式中，本方法包括使用入耦合器唯一地仅入耦合低于阈值的波长，该入耦合器通过+/-第1衍射级将FOV分成两部分，并且展现出小光栅周期，使得高于阈值的波长仅经历零级衍射。
在图1中对此进行了例示，该图示出了对具有平行于y轴的光栅矢量的入耦合光栅的波矢分析。假设光导的折射率为2.0，其位于xy平面中，并且虚拟图像的对角线FOV为52度，宽高比为16：9。+/-第1级将FOV框从中心移到圆环中。圆环的内半径由空气的折射率(＝1.0)定义，而外半径由波导的折射率(＝2.0)定义。圆环内部的FOV点经由波导内部的全内反射传播。圆环外部的FOV点是永远不存在的禁用模式。从图1可以看出，只有520nm以下的波长耦合到光导中。在450nm处的总FOV可以通过将以+/-第1级入耦合的FOV部分进行组合而获得。这同样适用于所有波长于小于450nm且仍保留在圆环内部的波长。这意味着，例如，如果入射光由B＝[430,450]nm和G＝[520,550]nm的波段组成，则入耦合器仅耦合B波长，而G波长通过具有零级衍射的光栅传播。
所提出的入耦合方案可以与传统的波导光栅配置一起使用。图2给出了示例。入耦合光栅21被两个反射光栅22、23围绕，这两个反射光栅使出射光瞳扩展(EPE)光栅24上的入耦合光线26A、26B转向，最终使在出耦合光栅25上的光线27B、28B转向。
图3提出了替代方案。入耦合内光栅31伴随有第一EPE光栅32A、32B，该第一EPE光栅使光在第二EPE光栅33A、33B上转向并展开。光由出耦合光栅34A出耦合。通过以这种配置适当地选择光栅矢量，可以使光线馈送通过EPE光栅33A、33B上的出耦合器而没有任何衍射。这可以从图4所示的波矢分析示例中看出。出耦合器将来自第一EPE光栅的光线衍射到圆环外部，即不发生衍射。光通过EPE光栅上的出耦合器传输，使得光栅面积更小，从而使波导具有更佳的形状因数。
所例示的入耦合方案可以直接用于RGB波导叠置件。图5示出了示例性叠置件。波导51A、51B和51C被指定分别用于蓝光、绿光和红光，并且它们包含入耦合光栅52A、52B、52C。为了防止蓝光入耦合绿光和红光的波导，在波导51A与51B之间放置了将蓝光反射回波导51A的光学滤波器53A。以类似的方式，在波导51B与51C之间放置了反射绿光的光学滤波器。波导51C仅接收红光。滤波器53A和53B也可以是吸收式滤波器。
所有提出的实施方式都可以与在波导显示器领域中已知的非相干(LED)和相干(激光)光图像投影仪以及投影方案一起使用。
本发明的实施方式最适合用于透视近眼显示(NED)设备或其他HMD。
引文列表
专利文献
US 2014/0064655 A1

Claims (14)

1.一种波导显示元件，所述波导显示元件包括：
-波导本体，
-布置在所述波导本体上的入耦合光栅，
-两个第一反射光栅或第一出射光瞳扩展器光栅，所述两个第一反射光栅或第一出射光瞳扩展器光栅位于所述入耦合光栅的不同侧上，
其中，所述入耦合光栅被配置为使用相反的衍射级将入射光以两个分开的方向耦合到所述波导本体中以分离所述入射光的视场，所述两个分开的方向与所述入耦合光栅的不同侧对应，所述入耦合光栅还被配置为使得所述耦合仅发生在位于可见波长范围内的阈值波长以下的波长处，其中，所述入耦合光栅具有足够短的周期以防止将所述阈值波长以上的波长耦合到所述波导本体中；
-单个出耦合光栅，所述单个出耦合光栅用于对所述视场进行重构；以及
-至少部分地位于所述出耦合光栅的不同侧上的两个第二出射光瞳扩展器光栅，其中，如从所述第一出射光瞳扩展器光栅所见，所述第二出射光瞳扩展器光栅延伸至所述出耦合光栅的相反侧，
其中，两个所述第二出射光瞳扩展器光栅适于分别接收来自所述两个第一反射光栅或第一出射光瞳扩展器光栅的光；以及所述单个出耦合光栅适于接收来自至少一个所述第二出射光瞳扩展器光栅的光，以及
其中，所述出耦合光栅的光栅矢量被配置成使得光能够馈送通过所述第二出射光瞳扩展器光栅上的出耦合光栅而没有任何衍射。
2.根据权利要求1所述的波导显示元件，其中，所述阈值波长在500nm至540nm或620nm至660nm的范围内。
3.根据权利要求1所述的波导显示元件，其中，所述阈值波长在510nm至530nm或630nm至650nm的范围内。
4.根据权利要求1所述的波导显示元件，其中，所述阈值波长为520nm或640nm。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的波导显示元件，其中，所述波导本体的折射率高于1.8。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的波导显示元件，其中，所述波导本体的折射率为1.9-2.1。
7.根据权利要求1所述的波导显示元件，其中，至少部分的所述光适于经由所述出耦合光栅所位于的波导层区域从所述第一出射光瞳扩展器光栅行进至所述第二出射光瞳扩展器光栅，以及进一步返回到所述出耦合光栅。
8.根据权利要求1至4中的任一项所述的波导显示元件，其中，所述入耦合光栅适于使用第一正衍射级和第一负衍射级，将光耦合到波导层中。
9.根据权利要求1至4中的任一项所述的波导显示元件，其中，所述入耦合光栅适于使用第一正透射衍射级和第一负透射衍射级，将光耦合到波导层中。
10.一种用于衍射显示器的波导叠置件，所述波导叠置件包括至少两个波导层，其中，所述波导层中的至少一个波导层是根据前述权利要求中的任一项所述的波导显示元件。
11.根据权利要求10所述的波导叠置件，所述波导叠置件包括至少三个波导层，所述至少三个波导层中的至少两个波导层是根据权利要求1至9中的任一项所述的波导显示元件并且所述至少三个波导层中的至少两个波导层具有不同的阈值波长。
12.根据权利要求11所述的波导叠置件，其中：
-所述波导层中的第一波导层包括第一入耦合光栅，所述第一入耦合光栅适于将仅在第一阈值波长以下的光耦合到第一波导层，
-所述波导层中的第二波导层包括第二入耦合光栅，所述第二入耦合光栅适于将仅在第二阈值波长以下的、高于所述第一阈值波长的光耦合到第二波导层，
-第三波导层包括第三入耦合光栅，所述第三入耦合光栅被配置为将在所述第二阈值波长以上的光耦合到第三波导层，
所述波导叠置件还包括：
-第一波长滤波器元件，所述第一波长滤波器元件被布置在所述第一波导层与所述第二波导层之间，并且被布置成防止所述第一阈值波长以下的波长进入所述第二入耦合光栅，
-第二波长滤波器元件，所述第二波长滤波器元件被布置在所述第二波导层与所述第三波导层之间，并且被布置成防止所述第二阈值波长以下的波长进入所述第三入耦合光栅。
13.根据权利要求12所述的波导叠置件，其中，所述第一波长滤波器和/或所述第二波长滤波器是反射式滤波器或吸收式滤波器。
14.一种透视显示设备，所述透视显示设备包括：
-根据前述权利要求中的任一项所述的波导显示元件或波导叠置件，
-波导显示器图像投影仪，所述波导显示器图像投影仪指向入耦合光栅，并且能够呈现包括所述阈值波长以上和所述阈值波长以下的波长的多色图像。
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