CN114730084B - 输入耦合器元件、光显示系统和电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输入耦合器元件(61)，其包括：输入偏振体光栅(12)，该输入偏振体光栅被配置为以全内反射方式将输入的偏振电磁波(11)偏转入波导(13)；以及输入偏振管理层(14)，该输入偏振管理层将偏转的电磁波的偏振调整到与要被输入偏振体光栅(12)偏转的电磁波的偏振状态不同的偏振状态。本发明还公开了一种光学显示系统(60、72)，其包括所述输入耦合器元件(61)；以及一种电子装置(70)，其包括所述光学显示系统(60、72)。

Description

输入耦合器元件、光显示系统和电子装置

技术领域

本公开涉及光显示的技术领域，更具体地，涉及输入耦合器元件、光显示系统和电子装置。

背景技术

光显示系统包括输入耦合器和输出耦合器。输入耦合器将图像光引入波导，该图像光是一种电磁波。电磁波在波导中行进到输出耦合器。输出耦合器将电磁波从波导导出并导入观察者的眼睛。

这种光显示系统可以在许多应用中使用，例如近眼显示器(NED)。近眼显示器(NED)利用放大光元件将显示图像放大并投影到可视尺寸/距离。透视型NED也被称为增强现实(AR)显示，其中显示的图像覆盖具有光透视装置的环境。对于这种类型的NED，观看者可以同时看到显示的图像和环境。因此，除了放大光元件外，AR系统还需要光学组合器来组合所显示的图像和环境。光学组合器可以是简单的偏振/非偏振分光棱镜，部分反射凹面反射镜或全息光栅(HG)耦合波导。对于前两者，部分反射元件以一定角度地物理布置，使得显示的光可以按一定角度反射向观察者而不会遮挡环境。然而，这种类型的装置在形状因子和视场(FOV)之间存在权衡。这种装置的示例是Google GlassTM，其中小分束器作为组合器，使得形状因子小且FOV窄。这种装置的对应产品是Meta 2TM，其中使用大的部分反射偏离轴凹面镜，使得形状因子大且FOV宽。

对于使用HG耦合波导的AR装置，HG的薄膜用作耦入光栅，以将准直显示的光引导到紧凑的波导中，然后由耦出光栅将光偏转向用户的眼睛。该配置能够实现纤薄的设计，因此是用于AR装置的优选方法。常见的HG由各向同性材料制成，具有高折射率和低折射率的交替倾斜层。单个HG的角带宽由折射率对比度来确定。基于二色特异性明胶的HG可以提供高达0.15的折射率对比度。然而，这种类型的HG对湿度、温度和其他环境条件敏感，这使得它极其不稳定并且导致光栅结构中的缺陷。如今，大多数显示应用选择光敏聚合物作为记录介质，折射率对比度约为0.035。由此，这种偏转具有高的角度/波长选择性。低对比度HG能够实现几乎100％的环境光透射率；然而，这也意味着显示光的低效率和接受角小，导致视场小(<5°)和能耗更高。为了在保持薄剖面同时具有更大的视场，利用具有多层结构的HG，这不仅降低了透射率，而且显着提高了成本。Microsoft HololensTM中采用了基于表面浮凸结构的HG。这种类型的HG是通过压印(imprint)以产生倾斜的聚合物结构来实现。由于聚合物和空气之间的对比度很大，因此这种类型的HG较之基于光敏聚合物的HGS具有优异的性能。然而，表面浮凸HG非常难以制造。因此，与其他解决方案相比，成本仍然非常高。

发明内容

本公开的一个目的是提供一种用于光显示系统的新技术解决方案。

根据本公开的第一方面，提供一种输入耦合器元件，包括：输入偏振体光栅，其被配置为以全内反射方式将输入的偏振电磁波偏转入波导；以及输入偏振管理层，其将偏转的电磁波的偏振调整到与要被输入偏振体光栅偏转的电磁波的偏振状态不同的偏振状态。

根据本公开的第二方面，提供一种光显示系统，包括：根据一个实施例的输入耦合器元件；以及输出耦合器元件。

根据本公开的第三方面，提供一种包括根据实施例的光显示系统的电子装置。

根据本公开的实施例，能够提高输入耦合器的性能。

从下文参考附图对根据本公开的示例性实施例的详细描述中，将显见到本公开的其他特征和其优点。

附图说明

并入本说明书并构成本说明书一部分的附图示出本公开的实施例，并且结合其描述，用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明的示例性增强现实应用实施例的光显示系统的顶部示意性平面图。

图2是根据本发明的示例性增强现实应用实施例的光显示系统的顶部示意性平面图。

图3是比较不同配置的光显示系统的曲线图。

图4是根据本发明的示例性增强现实应用实施例的光显示系统的顶部示意性平面图。

图5是偏振体光栅中不同液晶分子取向配置的示意图。

图6是比较具有不同液晶分子取向的偏振体光栅的角性能的曲线图。

图7示出根据实施例的光显示系统的示意图。

图8示出根据实施例的电子装置的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图详细描述本公开的多种示例性实施例。应当注意，在这些实施例中阐述的部件和步骤、数值表达式和数值的相对设置并不会限制本公开的范围，除非另有明确地陈述。

下文对至少一个示例性实施例的描述本质上仅是说明性，绝对无意限制本发明、其应用或用途。

相关领域的技术人员公知的技术、方法和装置可能未做详细论述，但是在适当的情况下理应作为本发明的一部分。

在本文图示和论述的所有示例中，任何具体值应该被解释为仅是说明性和非限制性的。因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

要注意，相似的引用数字和字母指代后续附图中的相似的项，并且因此一旦在一个附图中定义一项，后续附图中可能不一定作进一步论述。

图1示意性地图示波导的输入侧。波导的输入侧是输入耦合器元件。输入耦合器元件可以是离散的或集成到光显示系统中。

如图1所示，输入耦合器元件包括输入偏振体光栅12和输入偏振管理层14。

输入偏振体光栅12被配置为以全内反射方式将输入的偏振电磁波11偏转入波导13。输入偏振体光栅12是例如，反射偏振体光栅。它能够在采用薄波导情况下减小输入侧的漏光。

输入偏振管理层14将偏转的电磁波的偏振调整到与要被输入偏振体光栅12偏转的电磁波的偏振状态不同的偏振状态。

在这样的基于波导的光显示系统(例如基于波导的AR装置)中，在波导的输入侧，由耦入光栅偏转的光通常将通过波导中的全内反射(TIR)来引导。在不采用本文公开的输入偏振管理层14的情况下，如果被引导的光沿相反方向照射耦入光栅，则由于光路的可逆性而漏光，这降低了整体光效率。为了防止再次照射耦入光栅，最常见的解决方案是减小耦入光栅的尺寸或将波导保持在足够的厚度(≥1mm)。

在图1中，电磁波11，如来自输入源的光线，被输入偏振体光栅12偏转。输入偏振体光栅12是偏振选择性的。输入源能够通过多种方式提供期望的偏振电磁波11。偏振电磁波11可以是直线偏振的或圆偏振的。例如，输入源可以包括可编程/可控的(虚拟)图像生成元件，其被调适成生成偏振图像输出。由于输入源不是本公开中所关注的，因此省略其描述。例如，输入偏振体光栅12具有轴向上的扭转结构，其是针对图像生成系统(输入源)的波长和视场而设计的。例如，该扭转结构具有轴向上改变的扭距。再者，该扭转结构具有轴向上逐渐变化的扭距。可选地，该扭转结构具有至少两个光栅层，它们具有不同的扭距。输入偏振体光栅12可以是液晶元件。例如，输入偏振体光栅12中的液晶分子的取向具有轴向上的扭距。输入偏振体光栅12可以通过将两个或更多个薄的子层的偏振体光栅进行级联来实现，其在轴向上具有不同的扭距。例如，输入偏振体光栅中的液晶分子具有轴向上连续变化的扭距。

然后，将偏转的偏振电磁波11在波导13的下侧进行TIR反射，并且再次向输入偏振体光栅12行进。电磁波11将通过输入偏振体光栅12并遇到输入偏振管理层14。输入偏振管理层14优选地是单轴或双轴膜，并且用于调制偏振状态。例如，输入偏振管理层14是单轴膜，其具有垂直于衬底的光轴。

输入偏振管理层14可以具有图案化光轴的液晶层。例如，液晶层的厚度在0.1至5微米之间。可选地，液晶层的双折射率在0.02至0.2之间。例如，所述液晶层是可电寻址的。

在从波导13的上侧进行TIR反射之后，电磁波11再次遇到输入偏振管理层14。由于光路的可逆性，当电磁波11遇到输入偏振体光栅12时，如果电磁波11的偏振没有调整而与原偏振电磁波11的偏振相同，则会被输入偏振体光栅12偏转输出为光线15。由于输入偏振管理层14将电磁波11调整到不同的偏振状态，因此电磁波11将保持其方向，作为光线16。因此，偏振管理层14被设计成光的偏振状态使最大化的光量保持在波导中，如光线16所示。由此，提高了输入耦合器元件的性能，例如光效率。

偏振管理层14可以位于波导13中的任何位置或波导13的表面上。

在一个示例中，如图1所示，波导13具有上侧和下侧。输入的偏振电磁波11从下侧输入，并且输入偏振管理层14设置在输入偏振体光栅12的背面与波导13的上侧之间。在这样的配置中，偏转电磁波通过输入偏振管理层14调整。这将确保输入偏振管理层14的调整效果。

例如，输入偏振管理层14将电磁波11的偏振调整为与要被输入偏振体光栅偏转的电磁波的偏振状态相反的偏振状态。例如，输入偏振体光栅12将左旋或右旋偏振电磁波偏转，并且输入偏振管理层14将该电磁波的偏振调整为右旋或左旋偏振状态。

电磁波11可以是光，例如图像的光。它可以是可见光或红外光或紫外线。输入耦合器元件可以包括波导13。

图2示意性地图示波导管的输出侧。波导管的输出侧是输出耦合器元件。输出耦合器元件可以是离散的或集成到光显示系统中。

如图2所示，输出耦合器元件包括输出偏振体光栅23和输出偏振管理层22。

输出偏振体光栅23选择性地将由波导13引导的偏振电磁波21偏转出波导，如光线24、25、26所示。

例如，输出偏振体光栅23可以具有针对图像生成系统(输入源)的波长和视场设计的轴向上的扭转结构。该扭转结构可具有轴向上改变的扭距。该扭转结构可具有轴向上逐渐变化的扭距。例如，该扭转结构具有至少两个光栅层，它们具有不同的扭距。

例如，输出偏振体光栅23是液晶元件。例如，输出偏振体光栅中的液晶分子的取向具有轴向上的扭距。例如，输出偏振体光栅可以通过将两个或更多个薄的子层的偏振体光栅进行级联来实现，其在轴向上具有不同的扭距。可选地，输出偏振体光栅中的液晶分子具有轴向上连续变化的扭距。

输出偏振管理层22通过将偏振电磁波中期望部分的偏振调整到要由输出偏振体光栅23偏转的偏振状态，来管理要由输出光栅偏转的电磁波21的量。

传统的光显示系统需要出瞳扩展。以基于波导的AR装置作为示例，由于输入光栅和显示器都小，因此AR装置的观察区域(即，出瞳)固然就小。结果，需要出瞳扩展器以在更大的区域上复制平行光线。这种出瞳扩展器往往利用出耦光栅(out-coupling grating)的梯度效率来实现，使得TIR引导的光将在每次遇到光栅时以合理均匀的输出强度部分地耦出(couple out)。

该实施例提供一种用于在不同原理下扩展电磁波或光线21的新方法。在图2的实施例中，来自波导13的输入侧的光线21遇到输出偏振管理层22，优选为单轴或双轴膜，以便调节偏振状态。输出偏振管理层22可以是光轴垂直于波导上侧的单轴膜。

光线21被TIR反射，并在反射时再次遇到偏振管理层22。然后，光遇到输出偏振体光栅23，其选择性地耦出具有某种偏振状态的光21，并透射另一种偏振状态。输出偏振管理层22被设计成管理光线的偏振状态，使得每个TIR反射循环(例如，光线24、25和26)后，期望量值的电磁波21(例如，几乎相等的量的光)被偏转向观察者的瞳孔27。

此处，我们确定这种方法的局限为难题在于制造具有良好控制的梯度效率的光栅。再者，我们确定梯度效率将导致环境光的梯度透射，从而导致眼镜的梯度灰色外观。因此，我们提出过偏振管理来控制光的偏转量。

输出偏振管理层22可以设在波导13中的任何位置或波导13的表面上。如图2所示，波导13具有上侧和下侧，并且电磁波24、25、26从下侧输出。例如，输出偏振管理层22可以设置在上侧，或者输出偏振管理层22可以设置在输出偏振体光栅23的前侧与下侧之间或设置在下侧。

在一个示例中，如图2所示，输出偏振管理层22设置在输出偏振体光栅23的背侧与上侧之间。由此，能够避免漏光。

输出偏振管理层22可以将电磁波中期望部分的偏振调整到与波导中正在引导的电磁波的偏振状态相反的偏振状态。例如，波导13中引导的电磁波21是左旋或右旋偏振电磁波，而输出偏振管理层22将电磁波21中期望部分的偏振调整为右旋或左旋偏振状态。

输出偏振管理层22可以是液晶层。可选地，输出偏振管理层22具有图案化的光轴。由此，即使在输出耦合器被制造之后，主动地控制输出强度分布仍是可能的。例如，液晶层的厚度在0.1至5微米之间。可选地，所述液晶层的双折射在0.02至0.2之间，液晶层可以是可电寻址的。这样能够实现能电控制出瞳位置的大出瞳(large exit-pupil)。

由此，输出偏振管理层22是可控以便调整沿着输出管理元件的多个不同位置处期望部分的偏振。例如，通过输出偏振体光栅23偏转出输出耦合器元件的电磁波的强度沿着输出耦合器元件从波导的一侧到输出耦合器元件的另一端是均匀的。或者，通过输出偏振体光栅23偏转出输出耦合器元件的电磁波的强度沿着输出耦合器元件从波导的一侧到输出耦合器元件的另一端是不均匀的。或者，通过控制输出偏振管理层22来调整期望部分在沿着输出偏振管理层22的多个不同位置的偏振，来控制由输出偏振体光栅23偏转出输出耦合器元件的电磁波的强度，以跟踪观察者眼睛的瞳孔。

电磁波21可以是光，例如图像的光。它可以是可见光或红外光或紫外线。输出耦合器元件可以包括波导13。

输出耦合器可以是全息光栅。表面浮凸光栅或偏振体光栅。

图3是将设有和未设有附加的偏振管理膜层(如图2中的输出偏振管理层22)的两个输出均匀性进行比较的示例性能曲线图。在该具体示例中，分析了-10°至10°的准直光。波导的折射率为1.56。PVG的双折射率为0.15。输入耦合器元件的膜厚度选为2μm，对于右旋圆偏振光，同轴效率为95％，以及并且输出耦合器元件选为0.4μm，对于右旋圆偏振光，同轴效率为20％(因此，非偏振的环境光的透射率为90％)。波长为532nm。输入耦合器元件的宽度为4.8mm，输出耦合器元件的宽度为14.3mm，以及用于偏振管理层的液晶LC膜的宽度为16.7mm。用作偏振管理层的LC膜的双折射率为0.1，以及该LC膜的厚度为2.13μm。5个方位角的角度为60.6°、41.0°、38.0°、10.6°和77.9°。将LC膜分成长度相等的5个不同的分段(section)，并且它们中的每一个具有不同的方位角φ。绘制输出强度的标准偏差以表示均匀性。在图3的曲线图中，水平轴是光的入射角，而垂直轴是光的输出均匀性的标准偏差。在图3中，实线表示设有偏振管理层的系统的结果，并且虚线表示没有偏振管理层的系统的结果。该偏振管理方法将该示例性设计中的标准偏差从平均值0.79％显著地降低到0.43％。

图4示意性地示出波导的输出侧，即，如上所述的输出耦合器元件。来自波导的输入侧的电磁波(如光线41)遇到偏振管理层42(优选为液晶层)以调制偏振状态。光线41被TIR反射，并在反射时再次遇到偏振管理层42。然后，光遇到输出耦合光栅43，其选择性地耦出具有某种偏振状态的光，并透射另一种偏振状态的光。偏振管理层42可通过设计的电极图案来电寻址，以管理光线的偏振状态，使得每次TIR反射循环(例如，光线44、45和46)后，光线在瞳孔67的位置附近具有最大化的输出强度分布(即，光线的强度对应于光线46较高，并且对于光线44较低)。

图5示意性地示出啁啾偏振体光栅的配置。液晶分子51的取向在平行于衬底52的横向方向上周期性扭转。液晶分子取向可以具有轴向上不同的扭转结构，该轴与衬底52垂直。在配置53中，液晶分子具有轴向上恒定的扭距。在配置54中，偏振体光栅可以通过将配置53中的两个或更多个薄子层的偏振体光栅级联来实现，只是在轴向上具有不同的扭距。在配置55中，液晶分子具有轴向上连续变化的扭距。利用定制的扭转行为，能够进一步提高偏振体光栅的光谱和角性能。

图6示出示例性性能曲线图，其比较了轴向上具有均匀扭距与梯度变化扭距的偏振光栅的角衍射性能。通过轴向上的不恒定扭转率，偏振体光栅的高效率带宽可以从25°显著地提高到55°。

图7示出根据实施例的光显示系统的示意图。如图7所示，光学显示系统60包括输入耦合器元件61和输出耦合器元件63，两者均如上所述。光学显示系统60还包括波导62。

光学显示系统60还可包括眼睛跟踪模块64。眼睛跟踪模块64能够检测观看者眼睛的位置，例如，检测瞳孔的位置。可以基于检测到的位置来控制输出耦合器元件63的输出偏振管理层以调整沿着输出偏振管理层的多个不同位置处期望部分的偏振，以跟踪观看者眼睛的瞳孔。由此，输出耦合器元件63的输出偏振管理层是电可寻址的，并且被配置为控制光的偏振状态，使得当被所述输出耦合器耦出时，光的强度将在观察者的瞳孔附近被最大化。

此处，我们提出一种用于基于波导的光学显示系统，例如AR显示器的偏振体光栅(PVG)。该偏振体光栅可以是反射型的，并且能够减少采用薄波导的输入侧的漏光量，并且能够实现大出瞳。该偏振体栅极可以具有电控制出瞳位置的能力。反射型PVG可以选择性地偏转线偏振光(US6567573 B1；也称为全息聚合物分散液晶或H-PDLC)或选择性地偏转圆偏振光，如[Y.Weng、D.Xu、Y.Zhang、X.Li和S.T.Wu的“一种具有高效率和大衍射角的偏振体光栅”，Opt.快报24(16),17746-17759(2016)]中所报道。

在示例性非限制实施例中，该光学显示系统包括其偏振由偏光镜定义的显示模块。该显示光由输入耦合器元件准直和偏转，该输入耦合器元件包括偏振相关光栅，例如反射型PVG。一旦偏转，显示光被引导到波导中。偏振管理层，优选为单轴膜或双轴膜，被部署成对引导的光的偏振状态进行调制，从而如果引导的光再次照射输入耦合器，则由于输入耦合器的选择性，偏转的光被最小化。这样缓解了局限，并且能够实现更薄的波导或更大的输入耦合区域。

在示例性非限制实施例中，该光学显示系统包括显示模块，显示模块的偏振由偏光镜定义。该显示光由输入耦合器准直和偏转，该输入耦合器是偏振相关光栅，例如反射型PVG。一旦偏转，显示光被引导到波导中。偏振管理层，优选为单轴膜或双轴膜或液晶层，被部署成对引导的光的偏振状态进行调制，使得当引导的光入射到输出耦合器时，输出耦合器元件的偏振选择性将导致逐渐耦出，并导致足够大的眼箱(eye box)的耦出光的期望分布。可选地，偏振管理层可以是通过施加电压可寻址的液晶层，使得时间平均输出强度在图像的每个帧中是均匀的。

在示例性非限制实施例中，该光学显示系统包括其偏振由偏光镜定义的显示模块。该显示光由输入耦合器准直和偏转，该输入耦合器是偏振相关光栅，例如反射型PVG。一旦偏转，显示光被引导到波导中。使用眼睛跟踪模块跟踪用户的眼睛。电可寻址偏振管理层，优选为液晶层，被部署成对引导的光的偏振状态进行调制，使得当到达耦出光栅时，偏振被可寻址液晶层调制并根据眼睛位置形成局部最高强度，从而最大化进入用户眼睛的光线。

该光学显示系统可以是硅基液晶显示器(LCoS)、微液晶显示器(LCD)、微有机发光二极管显示器(OLED)、数字光处理器(DLP)或微发光二极管显示器(LED)或本领域公知的其他类型的显示器。例如，可以针对不同光谱部分，设置额外的波导和对应的体光栅。此处，对于另一只眼睛使用对称的设置，以便能够实现双目显示。

图8示出根据实施例的电子装置的示意图。

电子装置70包括如上所述的光学显示系统72。该电子装置可以是近眼显示器，优选为增强现实显示器。

如图8所示，电子装置70可以是眼镜，其包括眼镜透镜71。光学显示系统72可以例如放置在眼镜透镜71上。电子装置70还可包括用于产生图像或其他功能的电子电路73。

尽管是通过示例详细演示本发明的一些具体实施例，但是本领域技术人员应该理解，上述示例仅旨在作为说明性的而不是限制本公开的范围。

Claims (9)

1.一种输入耦合器元件，包括：

输入偏振体光栅，所述输入偏振体光栅被配置为以全内反射方式将输入的偏振电磁波偏转入波导；以及

输入偏振管理层，所述输入偏振管理层将偏转的电磁波的偏振调整到与要被所述输入偏振体光栅偏转的电磁波的偏振状态不同的偏振状态；

所述波导具有上侧和下侧，所述输入的偏振电磁波从所述下侧被输入，并且所述输入偏振管理层被设置在所述输入偏振体光栅的背面与所述波导的上侧之间。

2.根据权利要求1所述的元件，其中，所述输入偏振管理层将被偏转的电磁波的偏振调整为与要被所述输入偏振体光栅偏转的电磁波的偏振状态相反的偏振状态。

3.根据权利要求1所述的元件，其中，所述输入偏振体光栅将左旋或右旋偏振电磁波偏转，并且所述输入偏振管理层将所述电磁波的偏振调整为右旋或左旋偏振状态。

4.一种光学显示系统，包括：

根据权利要求1至3中任一项所述的输入耦合器元件；以及

输出耦合器元件。

5.根据权利要求4所述的光学显示系统，其中，所述输出耦合器元件包括：

输出偏振体光栅，所述输出偏振体光栅选择性地将由所述波导引导的所述偏振电磁波偏转出所述波导；以及

输出偏振管理层，所述输出偏振管理层通过将所述偏振电磁波中期望部分的偏振调整到要由所述输出偏振体光栅偏转的偏振状态，来管理要由所述输出偏振体光栅偏转的电磁波的量。

6.根据权利要求5所述的光学显示系统，其中，所述电磁波从所述下侧输出，以及

其中，所述输出偏振管理层被设置在所述输出偏振体光栅的背侧与所述上侧之间或被设置在所述上侧上，或所述输出偏振管理层被设置在所述输出偏振体光栅的前侧与所述下侧之间或设置在所述下侧上。

7.根据权利要求5或6所述的光学显示系统，其中，所述波导中引导的电磁波是左旋或右旋偏振电磁波，以及所述输出偏振管理层将所述电磁波中期望部分的偏振调整为右旋或左旋偏振状态。

8.根据权利要求7所述的光学显示系统，还包括：

眼睛跟踪模块，所述眼睛跟踪模块检测观看者眼睛的位置，以及

其中，基于检测到的位置来控制所述输出偏振管理层以调整沿着所述输出偏振管理层的多个不同位置处期望部分的偏振，以跟踪观看者眼睛的瞳孔。

9.一种电子装置，包括根据权利要求4至8中任一项所述的光学显示系统。