CN111656258B - 用于显示应用的衍射出射光瞳扩展器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于显示应用的衍射出射光瞳扩展器装置。该装置包括：第一光导元件(51)，其包括出射光瞳扩展器(53)并且布置在第一平面中；以及第二光导元件(41)，其包括入射耦合器(42)并且被布置在第二平面中。入耦合器与出射光瞳扩展器(43)光学地耦合。此外，第一光导元件(51)被布置成通过反射来约束光在第一平面中的横向传播，并且第一平面和第二平面被布置成相对于彼此成一角度。

Description

用于显示应用的衍射出射光瞳扩展器装置
技术领域
本发明涉及光学设备。特别地，本发明涉及在诸如近眼显示器(NED)、头戴式显示器(HMD)和平视显示器(HUD)之类的显示设备中使用的衍射出射光瞳扩展器。
背景技术
NED、HMD和HUD通常包含两个基本部分：投影仪和组合器元件。投影仪生成虚拟图像，该虚拟图像借助于组合器元件叠加(overlaid)在用户的真实世界视图的顶部。在NED和HMD中，组合器元件通常是半透明的，并且定位成与眼睛的距离为1cm至3cm。组合器元件可以是半透明镜或更复杂的光学组件，诸如衍射光导、全息光导或反射光导、或自由形式的棱镜。
衍射光导通常包含衍射出射光瞳扩展器(EPE)，该衍射出射光瞳扩展器会在一个或两个方向上扩展入耦合光束。光导内部的在两个方向上的光束扩展使得能够使用孔径光阑非常小的投影仪。小孔径光阑减少了投影光学器件的f数(光圈f值，f-number)，并使高视场(FOV)的设计更加容易。孔径光阑的尺寸还与投影仪的尺寸相关：孔径光阑越小，对于固定的FOV，投影仪就越小。
在过去已经提出了几种光导内部的光束扩展的光栅几何形状。在所有这些解决方案中，光导由两个平行的平面表面组成，这两个平面表面将光在光导内部的传播约束在与光导表面的表面法线平行的一个方向上。在其他两个方向上，光可以自由传播和扩散。这通常导致以下问题：对于大FOV，光导的物理尺寸对于可穿戴显示器而言变得过大。
1维EPE光导的缺点是投影仪需要照亮大型入耦合器。这大大增加了投影仪的尺寸，以至于通常不使用具有大FOV(>40度)的1维光导。US7576916B2提出了一种解决方案，其中在主光导的入耦合器前方使用单独的光导来完成在一个维度上的出射光瞳扩展。这种方法的缺点在于，对于实际应用，特别是对于大FOV应用，第一光导变得过宽。当入耦合器的宽度变大并且入耦合的光线将再次撞击入耦合器且部分能量被出耦合时，这也会降低主光导中的入耦合过程的效率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题中的至少一些问题，并特别是提供一种实现具有大出射光瞳的紧凑型衍射光导显示器的解决方案。目的还在于提供一种适于需要大FOV(>40度)的应用的解决方案。
这些目的通过本文所要求保护的发明来实现。
本发明基于以下思想：使用级联的衍射光导元件，其光导平面布置成相对于彼此成一角度。这样，即使使用具有1维EPE的小型第一光导，也可以扩展衍射显示器的出射光瞳而不会使图像失真，如下所述。
因此，本发明提供了一种用于显示应用的衍射出射光瞳扩展器装置，该装置包括：第一光导元件(扩展光导)，其包括出射光瞳扩展器并且布置在第一平面中；以及第二光导元件(主光导)：其包括入射耦合器并且被布置在第二平面中。入耦合器与出射光瞳扩展器光学地耦合。此外，第一光导元件布置成通过反射来约束光在所述第一平面中的横向传播，并且第一平面和第二平面布置成相对于彼此成一角度。
本发明还提供了一种个人显示设备，其包括上述类型的衍射出射光瞳扩展器装置和微型投影仪，该微型投影仪用于将图像投影到显示元件。图像的出射光瞳在第一光导中在第一维度上扩展，并且在第二光导中在第二维度上扩展。
本发明提供了显著的益处。将光在第一光导内部的传播约束在两个方向上使得能够设计出更紧凑、高效、轻便的可穿戴显示器解决方案。由于约束，光不能在横向平面内的扩展光导内部自由扩散，并且光可以在垂直于光传播方向的方向上保持狭窄。
扩展光导可以包括单层波导或多层光导叠置。即使在多层光导叠置的情况下，由于2维光约束，横向尺寸较小，也不会有大的重量增加。还可以使用多层波导来最大化FOV。
主光导优选为单层波导，除了防止在其中形成重影之外，单层波导还确保了低重量、低成本和良好的透视特性。
从属权利要求涉及所选择的实施方式。
在一些实施方式中，第一光导元件包括垂直于第一平面布置的横向侧壁。通过在横向侧壁处的反射来实现横向光约束。侧壁优选地具有抛光质量以确保精确的反射。侧壁可以布置成通过全内反射(TIR)来反射光，或者它们可以设置有反射涂层，诸如金属涂层。
两个光导之间的角度可以是例如1度至70度，通常是20度至60度，诸如45度。
在一些实施方式中，衍射出射光瞳扩展器适于在第一维度上扩展出射光瞳，而出耦合器适于在垂直于第一维度的第二维度上扩展出射光瞳。通常，平面之间的角度是围绕与第一维度平行的旋转轴线限定的。
接下来，参照随附附图更详细地描述本发明的所选择的实施方式。
附图说明
图1示出了52度FOV图像的在(kx，ky)平面中的波矢图。
图2例示了光在没有二维光约束的情况下在光导中的扩散。
图3示出了具有二维光约束的光束扩展光导的在(kx，ky)平面中的波矢图。
图4示出了具有一维出射光瞳扩展的主光导。
图5示出了具有二维光约束的扩展光导。
图6和7示出了具有扩展光导的主光导的侧视图和透视图。
具体实施方式
在一些实施方式中，提供了级联的衍射光导，其中出射光瞳在耦合到第二光导之前在第一光导中在第一维度上进行扩展。第一光导能够进行二维光约束，即，不仅像通常一样垂直于光导平面约束，而且还横向地约束。约束的副作用，即所形成的镜像，是通过将光导或至少它们的光学界面布置成相对于彼此成一角度来处理的。因此，可以防止镜像从第二光导出耦合。
衍射光导中的二维出射光瞳扩展通常使用光导内部的两个主要传播方向。由于虚拟图像通常具有16：9的宽高比，与具有2维EPE的光导相比，具有一维出射光瞳扩展的光导可以支持更高的FOV。这在图1中通过波矢图进行了例示。假设光导驻留在xy平面中，因此可以经由归一化波矢的x分量和y分量来分析光传播。该示例中的光导具有2.0的折射率。位于限定为半径1.0和半径2.0的圆环中的FOV点经由全内反射在光导中传播。半径2.0的圆之外的点被禁止且永远不存在。中心FOV框表示来自投影仪的入射光线的波矢。在此假设52度的FOV具有16：9的宽高比。可以看出，当FOV框位于6点钟位置处时，可见光波长内的整个FOV都适配于1.0/2.0的圆环，而在3点钟位置，红光的FOV部分重叠2.0的圆边界。这两个位置在具有2维EPE的传统光导中都是需要的，而具有1维EPE的光导仅需要6点钟位置。
图2例示了来自入耦合器21的在光导20中的光扩散。
可以通过使用二维光约束来解决光扩散。光不仅从光导的主表面反射，而且从光导的侧壁反射。这种方法并不常用，因为来自光导的侧壁的反射会产生镜像，该镜像也将出耦合。本发明通过使用不使镜像出耦合的构造解决了镜像问题。这是通过如下方式实现的：倾斜光导以使来自投影仪的图像出现在波矢图中的非中心位置，而是由于倾斜而产生偏移。这在图3中例示。这里，假设围绕x轴倾斜45度。入耦合器(IC)将光入耦合到1.0/2.0的圆环，并且来自侧壁(与y轴平行的表面法线)的镜面反射(M)在圆环内部使图像在y方向上上下偏移。出耦合器(OC)将反射镜移到2.0半径的圆的外部。这些模式不存在，因此出耦合器仅对镜像进行TIR反射，而对正常图像进行出耦合。
图4例示了可以与具有本公开的具有2维光约束的扩展光导一起使用的主光导41。光导41具有入耦合器42和出耦合器43。入耦合器42布置在光导41的第一位置上，并且其光栅线被定向为使光朝向出耦合器43衍射，该出耦合器位于入耦合器42的侧部。出耦合器适于在光的传播方向上扩展出射光瞳。入耦合器42的面积通常至少对应于扩展光导的出射光瞳扩展器在主光导平面处的投影，以便最大程度地捕获从那里到达的光。
图5示出了扩展光导51。它具有入耦合器52和1维出射光瞳扩展器53(还用作扩展光导51的出耦合器以馈送主光导41的入耦合器42)。在光传播期间，光从光导54A、54B的侧壁反射。为了避免图像失真，侧壁具有光学表面质量(优选为抛光的光学质量)，并且还恰好垂直于光导的主表面。入耦合器52和出射光瞳扩展器53的光栅线定向可以相对于它们的主轴线倾斜，例如45度。
在图6和图7中示出了具有主光导41和扩展光导51的整个***。在光导41、51的平面之间存在角度α。用户的眼睛瞳孔所应位于的眼框由附图标记73表示。
在图6中，示出了来自合适的微型投影仪的初始光从上方(即扩展光导51的侧部)到达入耦合器52。在替代的构造中，初始光从相反方向到达。在一个实施方式中，并且如图6所示，投影仪被定向为垂直于第二光导41的平面，并且相对于第一光导51的平面倾斜。
扩展光导和主光导的入耦合器、出射光瞳扩展器和出耦合器通常包括衍射光栅，该衍射光栅在本文中可以是一维(线性)光栅，然而也可以使用用于相同目的其他类型的衍射光学元件。
扩展光导可以包括多层以最大化FOV。
在一些实施方式中，第一光导元件的横向宽度等于或小于光线在第二光导中的最大跳跃长度，即，在光导的表面上传播的光线的连续反射点之间的距离。
它也可以具有比主光导更高的折射率，这是因为扩展光导的尺寸太小，以至于甚至可以使用奇特的玻璃材料(例如TiO2)而不会显著增加成本或重量。
扩展光导的折射率通常被选择为介于1.7与2.3之间，而主光导的折射率相同或更小。
本发明的基本思想可以在实践中以各种方式来实现。因此，本发明及其实施方式决不限于上述示例，而是可以随权利要求的范围而变化。
引文列表
专利文献
US 7576916 B2。

Claims (12)

1.一种用于显示应用的衍射出射光瞳扩展器装置，所述装置包括：
–第一光导元件，所述第一光导元件包括出射光瞳扩展器并且布置在第一平面中，
–第二光导元件，所述第二光导元件包括入耦合器并且布置在第二平面中，所述入耦合器与所述出射光瞳扩展器光学地耦合，
其中，
–所述第一光导元件布置成通过反射来约束光在所述第一平面中的横向传播，并且
–所述第一平面和所述第二平面被布置成相对于彼此成一角度，–所述第一光导元件的所述出射光瞳扩展器是出射光瞳扩展器光栅，所述出射光瞳扩展器光栅适于在第一维度上扩展所述出射光瞳，–所述第二光导元件的所述入耦合器是入耦合器光栅，
–所述角度是20度至60度，所述角度是围绕与所述第一维度平行的轴线限定的；
–所述第一光导元件包括被布置成与所述第一平面垂直的横向侧壁，并且所述第一光导元件被布置成通过在所述横向侧壁处的反射来约束光的传播；
–所述第二光导元件还包括与所述第二光导元件的入耦合器光学地耦合的出耦合器；
–所述横向约束产生在所述第一光导元件中传播的初始图像的镜像，并且
–所述角度被选择为使得所述出耦合器对所述镜像进行反射而对正常图像进行出耦合。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述侧壁具有光学质量。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述侧壁被布置成通过全内反射来反射光，或者所述侧壁设置有反射涂层。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述出耦合器适于在与所述第一维度垂直的第二维度上扩展所述出射光瞳。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述第一光导元件还包括与所述出射光瞳扩展器光学地耦合的入耦合器。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，当垂直于所述第二平面进行检查时，所述第一光导的所述入耦合器位于所述第二光导元件的覆盖区的外部。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其中，所述入耦合器和出射光瞳扩展器包括光栅，所述光栅的光栅线相对于所述光导的主轴线是倾斜的。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述第一光导元件包括多个光导层。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述第一光导元件的横向宽度等于或小于所述第二光导中的光线的最大跳跃长度。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述第一光导元件包括具有比所述第二光导元件更高的折射率的光导材料。
11.一种个人显示设备，所述个人显示设备包括：
–显示元件，所述显示元件包括根据前述权利要求中的任一项所述的衍射出射光瞳扩展器装置，以及
–微型投影仪，所述微型投影仪用于将图像投影到所述显示元件。
12.一种级联的衍射光导元件的用途，所述级联的衍射光导元件包括根据权利要求1-10中的任一项所述的用于显示应用的衍射出射光瞳扩展器装置的第一光导元件和第二光导元件，所述级联的衍射光导元件的光导平面被布置成相对于彼此成一角度，以扩大衍射显示器的出射光瞳。
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