CN111656257A - 出射光瞳扩展器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于衍射显示器的出射光瞳扩展器(EPE)，该EPE包括位于波导上的多个衍射区域和位于衍射区域中的至少一些衍射区域之间的多个非衍射区域。

Description

出射光瞳扩展器
技术领域
本发明涉及衍射显示技术。特别地，本发明涉及包括出射光瞳扩展器(EPE)的基于光导的衍射显示元件。此类显示元件可以用于个人显示器中，诸如头戴式显示器(HMD)，例如近眼显示器(NED)和平视显示器(HUD)。
背景技术
HMD和HUD可以使用波导技术来实现。使用衍射光栅能够将光耦合到波导，重定向到波导中并且耦合到波导之外。在一种常规的显示设计中，光被从投影仪引导到入耦合光栅，入耦合光栅将入射光衍射到波导中，在波导中，光通过全内反射经由EPE光栅向出耦合光栅传播，从而横向扩大显示器的可视区域。EPE通常包括光栅，该光栅的光栅线相对于入耦合光栅的光栅线取向以及光从入耦合光栅入射的传播方向是倾斜的。
像所有的光栅一样，EPE光栅通常也会造成损耗和干扰。这降低了最终形成的图像的亮度和均匀度，并造成图像缺陷，诸如色彩不平衡。
因此，存在对改进的出射光瞳扩展解决方案和改进的波导显示器的需求。
发明内容
本发明的目的是提高波导显示器的图像质量。特别的目的是提高波导显示器的亮度(总效率)、均匀度和/或色彩平衡。一个目的是提供减轻EPE形状的几何约束的EPE解决方案。
该目的通过独立权利要求中所述的内容来实现。
根据一个方面，提供了一种用于衍射显示器的出射光瞳扩展器(EPE)，该EPE包括位于波导上的多个衍射区域(光栅区域)和在衍射区域中的至少一些衍射区域之间的多个非衍射区(非光栅区域)。衍射区域和非衍射区域可以布置成不规则或规则的二维图案。
换句话说，所提供的EPE具有包含多个衍射区域和“空隙”的区域，在该空隙处没有衍射，而仅发生来自波导表面的全内反射。
根据一个方面，提供了一种用于个人显示器的衍射显示元件，该元件包括：波导；用于衍射地将所述图像耦合到波导本体中的入耦合区，用于衍射地将所述图像耦合到所述波导本体之外的出耦合区；以及在入耦合区与出耦合区之间的本公开类型的出射光瞳扩展器(EPE)区，其用于在出耦合区上扩展图像的出射光瞳。
根据一个方面，提供了一种个人显示设备(诸如头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD))，其包括上述类型的衍射显示元件。
本文的EPE是指波导的横向平面中的具有使从一个横向方向入射并且出射到另一横向方向的光的出射光瞳扩大的特性的区。
本发明提供了显著的益处。在EPE内部和EPE的外围边界上包含空隙使得能够优化几何形状更复杂的EPE。通常，EPE形状是使用在波导内部以极端角度传播的光线通过简单的几何计算来计算出的。这导致非最佳的解决方案。本发明有助于经由数值优化寻找EPE解决方案，其在色彩平衡和效率方面展现出比通过简单的几何计算所计算出的EPE形状更好的性能。该方法也可用于寻找允许波导的更紧凑的形状因数的EPE结构。特别是，大视场(>40度)的EPE趋向于增长得很大，以至于总波导尺寸对于具有紧凑的形状因数的可穿戴显示器来说过大。
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，存在：至少一个第一非衍射区域，其定位在第一方向上位于两个衍射区域之间；以及至少一个第二非衍射区域，其定位在与所述第一方向正交的第二方向上位于两个衍射区域之间。在一些实施方式中，存在至少10个不同的(单独的)衍射区域和至少10个不同的(单独的)非衍射区域。
在一些实施方式中，存在具有不同尺寸或形状的至少两个衍射区域和/或至少两个非衍射区域。
在一些实施方式中，衍射区域包括具有不同光栅特性的至少两个区域。这允许执行甚至更复杂的EPE功能。
在一些实施方式中，衍射区域和非衍射区域在波导的表面平面中可分为形状相同的单位区域。
在一些实施方式中，EPE的总面积的至少20％由非衍射区域形成。
在一些实施方式中，所述区域被定位成：使得可以沿着所述区域的两个主光轴绘制至少两条不同的剖面线，使得沿着这些线的衍射/非衍射轮廓是不同的。
在一些实施方式中，在本波导元件中，EPE的衍射区域和非衍射区域被构造成：使得从入耦合区入射的至少大部分的光通过至少一个衍射区域被衍射、通过在至少一个非衍射区域中的全内反射被反弹、并且在朝向出耦合区离开EPE离开之前通过通常与第一衍射区域不同的至少一个衍射区域被再次衍射。
在一些实施方式中，在EPE中提供了EPE的非衍射区域，与用衍射区域代替非衍射区域的情况相比，提高了显示元件的亮度、均匀度或色彩平衡。
在一些实施方式中，EPE的宽度至少与出耦合区的宽度相同。
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示出了由于单个入射光线引起的在EPE结构内部形成的光线路径网络。
图2A示出了根据本发明的示例性EPE，其光学定位于入耦合器与出耦合器之间。
图2B示出了图2A的EPE的一部分的详细视图。
具体实施方式
当光线通过EPE传播时，形成了复杂的光线路径网络，其中能量通常沿两个方向流动。示例性网络如图1所示。圆点示出了由入射光线11的衍射而产生的光线撞击光栅表面的位置。网络结构允许能量沿着网络内部的各点之间的多个光线路径传输。从点A到点B的虚线示出了两个示例路径。在数值优化期间，由于不需要所有可能的路径都进行能量传输，通过也允许在EPE内部和EPE的外围边界上形成空白区域(空隙)，可以增强EPE结构的运行。
图2A示出了将光从投影仪所引导至的入耦合光栅22，该入耦合光栅通常基本垂直于图中的图像平面。光被衍射并且在波导中传播到包括衍射区域24A和非衍射区域(空隙)24B的EPE 24。非衍射区域24B通常是其中没有光栅图案的简单区域，而衍射区域包括光栅。因此，非衍射区域作为普通的波导区域，其中光线经由全内反射反弹而没有衍射。
衍射区域24A通常包括线性(一维)光栅图案。每个衍射区域24A之间的光栅线的取向和光栅的周期通常是相同的，而微特征轮廓(特别是包括填充因数和/或微特征的高度)在所述区域之间可能不同。
衍射区域24A可以是单位区域，例如如图2A所示的矩形单位区域，或者是没有单位光栅线的任意形状的区域(即，没有图2A和2B中绘制的内部边界)。
关于衍射区域24A和非衍射区域24B的形状，本发明不限于正交几何形状。通常，它们可以具有几乎任何复杂的倾斜或弯曲的外部形状。
可以使用本身已知的用于衍射光学设计的计算技术来确定和优化衍射区域和非衍射区域的定位。
入耦合光栅22、EPE 24和出耦合光栅通常布置在平面波导元件上。波导可以是具有两个平行主表面的透明材料(通常是塑料或玻璃)的平面件。此处讨论的所有光栅和衍射区域都可以制造为例如表面浮雕光栅(SRG)、或通过在表面上提供附加材料制造为衍射特征、或其他衍射光学元件(DOE)。在一个示例中，光栅在玻璃波导上包括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。
应当注意，本发明还可以应用于各种其他显示几何形状和构造。
在多层波导、每层承载例如不同波带的情况下，本发明的实施方式可以单独应用于的每层。
本发明的实施方式可用于宽带照明和窄带(包括窄带多波段)照明和投影仪。

Claims (12)

1.一种用于显示图像的衍射显示元件，所述元件包括：
-波导，
-入耦合区，所述入耦合区用于衍射地将图像耦合到波导本体中，
-出耦合区，所述出耦合区用于衍射地将所述图像耦合到所述波导本体之外，
-出射光瞳扩展器区，即EPE区，所述EPE区位于所述入耦合区与所述出耦合区之间，用于在所述出耦合区上对所述图像的出射光瞳进行扩展，
其中，所述EPE区包括布置在波导的表面上的多个衍射区域和位于所述衍射区域之间的多个非衍射区域，以及
所述EPE区包括至少10个不同的衍射区域和至少10个不同的非衍射区域，所述至少10个不同的衍射区域和所述至少10个不同的非衍射区域被定位成使得：至少一个第一非衍射区域被定位成在第一方向上位于两个衍射区域之间；以及至少一个第二非衍射区域被定位成在与所述第一方向正交的第二方向上位于两个衍射区域之间。
2.根据权利要求1所述的元件，其中，所述衍射区域和非衍射区域被布置为不规则的二维图案。
3.根据权利要求1所述的元件，其中，所述衍射区域和非衍射区域被布置为规则的二维图案。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的元件，所述元件包括具有不同尺寸或形状的至少两个衍射区域和/或至少两个非衍射区域。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的元件，其中，所述衍射区域包括具有不同光栅特性的至少两个光栅区域。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的元件，其中，所述衍射区域和非衍射区域在所述波导的表面平面中可被分为形状相同的单位区域。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的元件，其中，所述EPE的总面积的至少20％由非衍射区域形成。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的元件，其中，所述衍射区域和非衍射区域被定位成：使得可以沿着所述衍射区域或所述非衍射区域的两个主光轴绘制至少两条不同的剖面线，使得沿着所述线的衍射/非衍射轮廓是不同的。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的元件，其中，所述EPE区的所述衍射区域和非衍射区域被构造成：使得从所述入耦合区入射的至少大部分的光通过至少一个衍射区域被衍射、通过在至少一个非衍射区域中的全内反射被反弹、以及在朝向所述出耦合区离开所述EPE之前通过通常与所述第一衍射区域不同的至少一个衍射区域被再次衍射。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的元件，其中，在所述EPE区中提供了所述EPE区的非衍射区域，与用衍射区域代替所述非衍射区域的情况相比，提高了所述显示元件的亮度、均匀度或色彩平衡。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的元件，其中，所述EPE区的宽度至少与所述出耦合区的宽度相同。
12.一种个人显示设备，诸如头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)，所述个人显示设备包括根据前述权利要求中的任一项所述的衍射显示元件。
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