CN111902765B - 波导显示元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及波导显示元件，该波导显示元件包括：多个彼此叠置的波导层(12A‑C)；以及与每个波导层(12A‑C)相关联的耦入器(16A‑C)，以用于将预定波长带内的光耦合到波导层(12A‑C)中。耦入器(16A‑C)中的每个耦入器包括：布置在波导层(12A‑C)上的中间层(14A‑C)，中间层(14A‑C)具有中间层特性；以及布置在中间层(14A‑C)上的耦入光栅(16A‑C)，该光栅具有光栅特性。每个耦入器的中间层(14A‑C)特性和光栅(16A‑C)特性的组合与其他耦入器的不同。

Description

波导显示元件
技术领域
本发明涉及衍射显示技术。特别地，本发明涉及基于波导的衍射显示波导的耦入装置。这样的波导可以用在个人显示器中，诸如头戴式显示器（HMD），例如近眼显示器（NED）和平视式显示器（HUD）。
背景技术
可以使用波导技术来实施HMD和HUD。光可以被耦合到波导，在该波导中被重定向，并且使用衍射光栅可以将光耦出波导。在多色显示器中，所有颜色分量（波长）可以在单个波导层或不同层中被引导。在一个已知的波导设计中，波导包括多个彼此叠置的层并且每个层被设计成引导不同的波长带。可以通过将耦入光栅侧向分离到波导叠置体的不同位置或者通过使用合适的偏振光和偏振敏感的耦入光栅来选择耦合到每个层的波长带。前一方式使光投射装置复杂化，而后一个方式是非最佳的，因为光栅的偏振敏感度即使最佳时也不是很高。
因此，需要改进的耦入装置。
发明内容
本发明的目的是提供用于基于波导的显示器的改进的波长敏感的耦入器。
该目的通过在本发明的实施方式中所陈述的来实现。
本发明基于的思想是，在具有足够短的波长带的激光的情况下，入射在波导上的输入光射线的角度可以与输出光射线的角度不同。在宽的带宽照明的情况下，关于光导表面法线的输入和输出角度需要始终相同，否则会丢失图像分辨率。因此，利用激光投射器，可以将原色（R，G，B）注入在耦入区域上，使得原色在角度上是分离的或是部分地重叠的。在三层波导叠置体的情况下，其中，每个原色在自己的波导中传播，本发明可以用于将光耦入而在颜色之间没有任何交叉耦合。
因此，根据一个方面，提供了波导显示元件，该波导显示元件包括：多个彼此叠置的波导层；以及与每个波导层相关联的耦入器，以用于将预定波长带内的光耦合到波导层中。耦入器中的每个耦入器包括：布置在波导层上的中间层，中间层具有中间层特性；以及布置在中间层上的耦入光栅，该光栅具有光栅特性。每个耦入器的中间层特性和光栅特性的组合与其他耦入器的不同。
根据另一方面，提供了个人显示设备诸如头戴式显示器（HMD）或平视式显示器（HUD），该个人显示设备包括多色激光投射器和以上类型的波导显示元件，该多色激光投射器适于将光射线以不同的入射角度投射到显示元件的耦入器。
此外，提供了将传播的光射线耦合到波导显示器中的方法，该方法包括：提供以上类型的波导显示元件；并将激光射线以不同的入射角度引导到显示元件，以便将所述射线选择性地耦合到显示元件的不同波导层。
本发明提供了相当大的益处。选择中间层和耦入光栅的特性，使得它们在不同层之间彼此不同，以允许使用不同的入射角度将不同的波长有效地耦合到不同的波导层。
换句话说，在耦入布置结构之间设置在波导层和耦入光栅之间的薄的低折射指数层变得角度敏感，从而可以将颜色分离到不同的层。
与基于偏振的颜色分离相比，本发明提供较高的耦合效率，这增大了亮度和/或允许降低功耗。
而且，不同颜色被衍射的角度可以被控制得比使用现有方案控制得好，而且特别是当使用单个波导层时。例如，利用本发明，可以使每一层中的光射线的跳变长度（hoplength：跳跃距离、跳距），即在波导的单个表面处的相继的全内反射之间的距离被保持成短的。这允许更好地控制颜色并且减少出耦合中的条纹。
与侧向地被分离的耦入区域相比并且还与偏振敏感光栅相比，根据根据本发明的结构的结构易于制造。基本上，在主波导层和光栅之间需要仅一个低折射指数材料的附加薄膜层，并且需要对薄膜层和光栅的特性进行合适的调整。
本发明的其他实施方式针对本发明的选定实施方式。
在一些实施方式中，至少部分地实现了层特性的不同组合，使得该耦入器与其他耦入器具有相同的中间层特性和不同的光栅特性。
在一些实施方式中，至少部分地实现了层特性的不同组合，使得与不同波导层相关联的耦入器具有不同的耦入光栅周期。例如，光栅周期可以从元件的入射光侧上的顶部波导层朝向元件的相反侧上的底部波导层增大。
在一些实施方式中，至少部分地实现了层特性的不同组合，使得耦入器与其他耦入器具有相同的光栅特性和不同的中间层特性。在波导层之间可以设置有一个或多个光学带通滤光器或二向色镜。
在一些实施方式中，每个中间层具有的厚度和折射指数小于与其相关联的波导层的厚度和折射指数。
在一些实施例中，每个耦入器的中间层具有的厚度为20 μm或更小，特别地为10 μm或更小，诸如1-10 μm。
在一些实施方式中，波导层具有的折射指数为1.7或以上，诸如为2.0或以上，并且中间层具有的折射指数小于1.8，诸如为1.7或以下。
在一些实施方式中，耦入器具有相同的形状并且在元件的侧向平面中彼此对准。
接下来，参考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示出了单个波导层和布置在其上的耦入器的截面细节侧视图。
图2示出了三个波导层和设置在其上的耦入器的叠置体的截面侧视图。
图3A和图3B分别示出了三个波导的叠置体的第一和第二耦入器的波矢量图。
具体实施方式
图1示出了平面波导层12的截面，该平面波导层具有折射指数n1和厚度t1。波导层12由透明材料制成，并且允许光射线经由全内反射在其中侧向地传播。在波导层12的顶表面上，存在中间层14，该中间层具有折射指数n2和厚度t2。
在中间层的顶部上，存在耦入光栅16，其包括周期地布置的光栅特征件17。光栅可以是一维光栅，即，具有单个周期p的线光栅，或具有在不同方向上的两个主周期的二维光栅（因此，本文中对“周期”的引用适用于周期中的任一周期）。在图1中示出了二元光栅，但是光栅轮廓可以是任意的。其他实施例包括闪耀光栅和倾斜光栅。
波导层12、中间层14和光栅16一起形成颜色/角度敏感层实体10。
通常，n2＜n1并且t2＜t1。典型地，t2＜＜t1。
在一个实施例中，n1=1.5……2.5。优选地，n1≥1.7，诸如2.0。
在一个实施例中，n2=1.1……1.8。优选地，n2≤1.7。
在一个实施例中，t2＜t1/10。典型地，t2＜t1/20。
在一个实施例中，t1=0.2……1.2 mm，诸如0.3……0.7 mm。
在一个实施例中，t2=0.5……50 μm，典型地，t2=1……20 μm。
图2示出了三个叠置的层实体10A-C，即分别地布置在其上的波导层12A-C和中间层14A-C以及耦入光栅16A-C。在一个实施例中，所有波导层12A-C和中间层14A-C基本上相同，但是耦入光栅16A-C的周期彼此不同。这使得将不同波长λA、λB、λC以不同角度引导向叠置体，以选择性地分别耦合到不同的波导层12A-C来作为传播的波。
在一个实施例中，第二光栅16B的周期长于第一光栅16A的周期，并且第三光栅16C的周期长于第二光栅16B的周期。
邻近的耦入光栅16A/16B、16B/16C的周期可以相差例如100-400 nm。在一个实施例中，第一光栅16A的周期为200-300 nm，第二光栅16B的周期为350-450 nm并且第三光栅16C的周期为750-850 nm。
以上实施方式允许将到达元件的所有波长的衍射角度保持成波入射角度小，从而使光射线的跳变长度保持为短。
图3A示出了三个波导叠置体的第一耦入器在（kx、ky）平面中的波矢量图。原色（蓝、绿、红）以不重叠的角度入射到耦入光栅（三个中央FOV框）上。部分地重叠的配置也是可以的。图像具有带有16：9纵横比的52度的对角线视场。在此，对于所有波导，n1=2.0，n2=1.7。耦入光栅的第一衍射级使FOV框沿y方向从中心向上移动。环带内部的、由内半径1.0和外半径n2限定的FOV点表示经由全内反射在主波导内部传播的模式。在n1圆外侧的FOV点是从不存在的禁止模式。可以看出，仅蓝光耦入到1.0/n2环带中。当在耦入光栅下面的n2层足够厚时，不会发生进入到n1/n2环带中的透射衍射并因此绿图像不会耦入。在第一波导之后，可以使用长通滤光器以移除蓝光，并且因此第二光导的耦入器接收仅绿光和红光。在图3B中示出了第二光导的耦入器的波矢量图。在第二光导之后，绿光被带通滤光器移除。最后的光导接收仅红光并因此可以为其使用常规的耦入器。代替带通吸收器，也可以使用二向色镜或其他波长选择部件。
波导层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。中间层也是透明的并且通常是塑料或玻璃层。在一个实施例中，中间层被设置为涂覆层。光栅可以被制作为例如表面凹凸光栅（SRG），或者通过在表面上设置附加材料被制作为衍射特征件或者其他衍射光学元件（DOE）。在一个实施例中，光栅包括由至少一种氧化物或氮化物材料，诸如TiO2、Si3N4和HfO2制成的线性特征件。

Claims (18)

1.一种波导显示元件，包括：
多个彼此叠置的波导层，以及
与每个波导层相关联的耦入器，用于将具有预定入射角度的预定颜色的光耦合到所述波导层中，所述预定颜色对于每个耦入器是不同的，所述耦入器中的每个耦入器包括：
布置在相关联的波导层上的中间层，所述中间层具有中间层特性，所述中间层特性包括厚度和折射指数；以及
布置在所述中间层上的耦入光栅，所述光栅具有光栅特性，所述光栅特性包括光栅周期、光栅材料和光栅类型，并且
每种不同颜色的光的预定入射角度是不同的，每个耦入器的中间层特性和光栅特性被确定为使得以预定角度入射的相关联的预定颜色的光耦合到相关联的波导层中，同时避免耦入以不同入射角度入射的其他预定颜色的光，
并且，每个耦入器的中间层特性和光栅特性的组合与其他耦入器是不同的。
2.根据权利要求1所述的元件，其中，所述耦入器与其他耦入器具有相同的中间层特性和不同的光栅特性。
3.根据权利要求1或2所述的元件，其中，与不同的波导层相关联的耦入器具有不同的耦入光栅周期。
4.根据权利要求3所述的元件，其中，所述光栅周期从所述元件的入射光侧上的顶部波导层朝向所述元件的相反侧上的底部波导层增大。
5.根据权利要求1所述的元件，其中，所述耦入器与其他耦入器具有相同的光栅特性和不同的中间层特性。
6.根据权利要求5所述的元件，还包括在所述波导层之间的一个或多个光学带通滤光器或二向色镜。
7.根据权利要求1或2所述的元件，其中，每个中间层具有的厚度和折射指数小于与其相关联的波导层的厚度和折射指数。
8.根据权利要求1或2所述的元件，其中，每个耦入器的所述中间层具有的厚度为20 μm或更小。
9.根据权利要求1或2所述的元件，其中，每个耦入器的所述中间层具有的厚度为10 μm或更小。
10.根据权利要求1或2所述的元件，其中，每个耦入器的所述中间层具有的厚度为1 μm-10 μm。
11.根据权利要求1或2所述的元件，其中，所述波导层具有的折射指数为1.7或以上，并且所述中间层具有的折射指数小于1.8。
12.根据权利要求1或2所述的元件，其中，所述波导层具有的折射指数为2.0或以上。
13.根据权利要求1或2所述的元件，其中，所述中间层具有的折射指数为1.7或以下。
14.根据权利要求1或2所述的元件，其中，所述耦入器具有相同的形状，并且在所述元件的侧向平面中彼此对准。
15.一种个人显示设备，包括多色激光投射器和根据前述权利要求中任一项所述的波导显示元件，所述多色激光投射器适于将光射线以不同的入射角度投射到所述显示元件的耦入器。
16.根据权利要求15所述的个人显示设备，其中，所述个人显示设备为头戴式显示器（HMD）或平视式显示器（HUD）。
17.一种将传播的光射线耦合到波导显示器中的方法，包括：
提供根据权利要求1至14中任一项所述的波导显示元件，
将光射线以不同的入射角度引导到所述显示元件，以便将所述射线选择性地耦合到所述显示元件的不同波导层。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述光射线包括处于至少三个不同波长带的光射线，所述波长带中的每个波长带被以不同的入射角度引导到所述显示元件。
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