透明波導(dǎo)顯示裝置制造方法
【專利摘要】一個(gè)實(shí)施例提供一種用來(lái)顯示圖像的設(shè)備，所述設(shè)備包括：第一光學(xué)基片，所述第一光學(xué)基片包括至少一個(gè)波導(dǎo)層，所述至少一個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)沿第一方向傳播光，其中所述第一光學(xué)基片的至少一個(gè)波導(dǎo)層包括至少一個(gè)光柵薄層，所述至少一個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)沿所述第一方向從所述第一基片提取所述光；和第二光學(xué)基片，所述第二光學(xué)基片包括至少一個(gè)波導(dǎo)層，所述至少一個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)沿第二方向傳播所述光，其中所述第二光學(xué)基片的至少一個(gè)波導(dǎo)層包括至少一個(gè)光柵薄層，所述至少一個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)沿所述第二方向從所述第二基片提取光。其中所述第一和第二光學(xué)基片的至少一個(gè)的至少一個(gè)光柵薄層包括處于被動(dòng)模式的SBG。
【專利說(shuō)明】透明波導(dǎo)顯示裝置
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)是2013年3月15日提交的美國(guó)申請(qǐng)N0.13/844456的部分延續(xù)申請(qǐng)，N0.13/844456要求2012年11月16日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/796，632和2013年2月4日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/849,853的優(yōu)先權(quán)，這些文獻(xiàn)的每一個(gè)特此通過(guò)引用整體并入。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本申請(qǐng)涉及透明波導(dǎo)顯示裝置【背景技術(shù)】
[0004]需要一種緊湊的透明的數(shù)據(jù)顯示裝置，該數(shù)據(jù)顯示裝置能夠顯示從符號(hào)和字母數(shù)字陣列到高分辨率像素化圖像的圖像內(nèi)容。透明顯示裝置的例子包括HMD，HUD, HDD和其它。在每一種情況下，一個(gè)重要要素是，該顯示裝置應(yīng)當(dāng)是高度透明的，并且顯示的圖像內(nèi)容當(dāng)置于明亮的背景上時(shí)應(yīng)當(dāng)清楚可見(jiàn)。該顯示裝置應(yīng)當(dāng)提供具有增強(qiáng)的色域(gamut)的全色以便最佳數(shù)據(jù)可見(jiàn)性和效果，雖然單色將滿足許多應(yīng)用。頭盔式顯示裝置的一個(gè)重要要素是，該顯示裝置應(yīng)當(dāng)容易連接到被設(shè)計(jì)用于訓(xùn)練的標(biāo)準(zhǔn)頭盔或其復(fù)制品。眼睛間隙和光瞳(pupil)應(yīng)當(dāng)足夠大以在頭運(yùn)動(dòng)期間避免圖像損失，即使對(duì)于苛求的軍事或體育活動(dòng)也應(yīng)如此。圖像生成器應(yīng)當(dāng)是緊湊的固體狀態(tài)并且具有低的功率消耗。在汽車應(yīng)用中，人類工程學(xué)(ergonomic)要求是同樣挑戰(zhàn)性的，并且美學(xué)考慮對(duì)顯示裝置的形狀因子提出另外要求，該顯示裝置理想地應(yīng)當(dāng)能夠在不使用時(shí)隱藏在儀表板內(nèi)。在許多其它應(yīng)用領(lǐng)域中，日益需要更緊湊的、更廉價(jià)的且更高效的設(shè)計(jì)。本發(fā)明人注意到在客機(jī)和小的航空器中對(duì)HUD的漸增的需要。汽車制造商也指望在它們的將來(lái)的模型中提供HUD和HDD。這里描述的系統(tǒng)可以應(yīng)用于用于增強(qiáng)沉浸式團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練(AITT)的頭盔式頭戴顯示裝置，基本上是用于觀察員訓(xùn)練的現(xiàn)場(chǎng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，該現(xiàn)場(chǎng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)提高或替代證明或維持觀察者技能所需的間接火力和航空器出擊。
[0005]上述目標(biāo)沒(méi)有被目前的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。目前的設(shè)計(jì)僅試圖以笨重的形狀因子為代價(jià)同時(shí)提供透視，適當(dāng)?shù)墓馔?，眼睛間隙和視場(chǎng)和高亮度。在許多頭盔式顯示裝置設(shè)計(jì)中，重量分布在最差可能位置中，在眼的前方。用于提供透視顯示裝置的最常用的方法依靠由離軸(off axis)光照亮的反射或衍射遮光板(visor)。在微小的平板中提供高分辨率圖像生成器的微顯示裝置不一定有助于小型化，因?yàn)閷?duì)很高的放大率的需要不可避免地導(dǎo)致大直徑光學(xué)器件。理想的透明顯示裝置是如下的一個(gè):首先，通過(guò)提供具有高透明度的全景透視圖保持情景意識(shí)；并且第二，提供高分辨率寬視場(chǎng)圖像(imagery)。這種系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)也是不引入注目的；即，緊湊的，輕重量的，并且舒適的，其中舒適來(lái)自于具有大方的出射光瞳和眼運(yùn)動(dòng)盒/出射光瞳(>15mm)，適當(dāng)?shù)难劬﹂g隙O 25mm)，人機(jī)工程學(xué)質(zhì)心，無(wú)窮遠(yuǎn)處的焦點(diǎn)，和與保護(hù)頭罩的相容性。目前和將來(lái)的常規(guī)折射光學(xué)器件不能滿足這些要求。其它重要的鑒別器包括:全色能力，視場(chǎng)，像素分辨率，透視性(透明性)，亮度，動(dòng)態(tài)灰度和功率消耗水平。即使數(shù)年富有競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)展之后，基于折射光學(xué)器件的頭戴式顯示裝置表現(xiàn)有限的視場(chǎng)，并且不是充分地緊湊，輕重量，或舒適。
[0006]基于波導(dǎo)技術(shù)的顯示裝置，基片引導(dǎo)的顯示裝置已經(jīng)展示滿足許多這些基本要求的能力。發(fā)現(xiàn)該構(gòu)思已經(jīng)足足有十多年了。特別相關(guān)的是在1999年授予Kaiser OpticalSystems Inc.的美國(guó)專利N0.5，856，842，該美國(guó)專利教導(dǎo)光如何可以在輸入通過(guò)使用衍射元件耦合到波導(dǎo)中并且在輸出通過(guò)使用第二衍射元件離開(kāi)該波導(dǎo)。根據(jù)US5，856，842，入射在波導(dǎo)上的光需要被準(zhǔn)直(collimate)以便在它沿波導(dǎo)傳播時(shí)維持其圖像內(nèi)容。即，光在它進(jìn)入波導(dǎo)前必須被準(zhǔn)直。這可以以各種方式被實(shí)現(xiàn)并且在這里不是問(wèn)題。通過(guò)這種設(shè)計(jì)方法，離開(kāi)波導(dǎo)的光將自然地被準(zhǔn)直，這是使圖像看起來(lái)聚焦在無(wú)窮遠(yuǎn)的所需條件。沿波導(dǎo)的光傳播僅在有限范圍的內(nèi)角上。平行于該表面的光傳播將(通過(guò)限定)沿波導(dǎo)傳播而不反彈。只要相對(duì)于該表面法線的入射角大于某臨界角度，不平行于該表面?zhèn)鞑サ墓鈱⒀夭▽?dǎo)傳播，在該兩個(gè)表面之間來(lái)回反彈。對(duì)于BK-7玻璃，這個(gè)臨界角是近似42度。通過(guò)使用反射涂層(但這不幸地減小該基片的透視性能)或者通過(guò)使用較高折射率材料，這可以略微降低。盡管如此，光將在其上沿波導(dǎo)傳播的內(nèi)角的范圍不顯著地變化。因此，對(duì)于玻璃，內(nèi)角的最大范圍是< 50度。這轉(zhuǎn)化為小于40度，并且當(dāng)考慮其它設(shè)計(jì)因素時(shí)通常更小的離開(kāi)波導(dǎo)的角(即，空氣中的角度)的范圍。到目前為止，基片引導(dǎo)光學(xué)(SGO)技術(shù)還沒(méi)有獲得廣泛接受。這主要由于以下事實(shí):波導(dǎo)光學(xué)可以用于擴(kuò)展出射光瞳，但它們不能用于擴(kuò)展視場(chǎng)或提高數(shù)字分辨率。即，約束在波導(dǎo)內(nèi)可以經(jīng)受TIR的內(nèi)角的范圍的潛在物理學(xué)將通過(guò)波導(dǎo)光學(xué)器件可實(shí)現(xiàn)的視場(chǎng)限制到至多40°，并且將可實(shí)現(xiàn)的數(shù)字分辨率限制到關(guān)聯(lián)成像器的數(shù)字分辨率。然而，基于波導(dǎo)光學(xué)器件的緊湊的，輕重量的HMD的誘惑繼續(xù)激發(fā)興趣。產(chǎn)生大得多的視場(chǎng)的一種方式是將它解析成一組較小的視場(chǎng)(每一個(gè)較小的視場(chǎng)與波導(dǎo)的光學(xué)限制相容)并且足夠快地按時(shí)間順序地顯示它們使得眼睛把它們當(dāng)作統(tǒng)一的寬角度顯示。實(shí)現(xiàn)這個(gè)的一種方式是通過(guò)全息元件，該全息元件可以非?？焖俚仨樞蚪油ê颓袛?，諸如可切換(switchable)布拉格光柵(SBG)。
[0007]衍射光學(xué)元件(DOE)的光學(xué)設(shè)計(jì)益處是熟知的，包括獨(dú)特的且高效的形狀因子和將復(fù)合的光學(xué)功能(諸如光學(xué)功率和擴(kuò)散)編碼到薄層中的能力。提供最高的衍射效率的布拉格光柵(也通常稱為體相光柵或全息圖(hologram))已經(jīng)廣泛用于諸如抬頭顯示裝置(HUD)的裝置。重要的一類布拉格光柵裝置稱為可切換布拉格光柵(SBG)。SBG是通過(guò)將體相光柵或全息圖記錄在聚合物分散液晶(PDLC)混合物中形成的衍射裝置。典型地，通過(guò)首先將光聚合性單體和液晶材料的混合物的薄膜放置在平行玻璃板或基片之間，制造SBG裝置。用來(lái)制造和填充玻璃單元的技術(shù)在液晶顯示器行業(yè)中是熟知的。一個(gè)或兩個(gè)玻璃基片支撐電極(典型地為透明的氧化銦錫(indium tin oxide)膜)用來(lái)施加跨越TOLC層的電場(chǎng)。也可以使用其它類型的透明傳導(dǎo)性涂層。然后，通過(guò)用兩個(gè)相互相干的激光束照亮液體材料而記錄體相光柵，該兩個(gè)相互相干的激光束干涉而形成希望的光柵結(jié)構(gòu)。在記錄過(guò)程期間，單體聚合并且全息聚合物散布液晶(HPDLC)混合物經(jīng)歷相分離，產(chǎn)生散布有透明聚合物的區(qū)域的液晶微滴(drop I e t)密集聚集的區(qū)域。交替的富液晶和貧液晶區(qū)域形成光柵的邊緣平面。作為結(jié)果的體相光柵可以表現(xiàn)很高的衍射效率，該衍射效率可以由跨越TOLC層施加的電場(chǎng)的大小控制。當(dāng)電場(chǎng)通過(guò)透明電極被施加到全息圖(例如，適當(dāng)優(yōu)化的全息圖)時(shí)，LC微滴的自然取向(natural orientation)改變,引起邊緣的折射率調(diào)制減小并且全息圖衍射效率降低到很低水平。注意，該裝置的衍射效率可以通過(guò)施加的電壓在從接近100%效率(不施加電壓)到幾乎零效率(施加充分高的電壓)的連續(xù)的范圍上進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)于自由空間應(yīng)用，SBG可以用于提供傳輸或反射光柵。SBG可以實(shí)施為波導(dǎo)裝置，其中HPDLC形成波導(dǎo)芯或波導(dǎo)附近的短暫耦合層。在這里要被稱為基片引導(dǎo)光學(xué)器件(SGO)的一個(gè)特別構(gòu)造中，用于形成HPDLC單元的平行玻璃板提供總的內(nèi)部反射(TIR)光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。當(dāng)可切換光柵以超過(guò)TIR條件的角度衍射光時(shí)，光“離開(kāi)”SBG。在一系列顯示裝置和傳感器應(yīng)用中，SGO是目前所關(guān)心的。雖然對(duì)HPDLC的許多較早工作已經(jīng)涉及反射全息圖，但傳輸裝置被證明作為光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造塊通用得多。
[0008]典型地，用于SBG的HPDLC包括液晶(LC)，單體，光引發(fā)劑染料，和共引發(fā)劑。該混合物經(jīng)常包括表面活性劑。專利和科學(xué)文獻(xiàn)包含可以用于制造SBG的材料系統(tǒng)和過(guò)程的許多例子。兩個(gè)基本專利是！Sutherland的美國(guó)專利N0.5,942，157,和Tanaka等人的美國(guó)專利5，751，452。兩個(gè)文件都描述適合于制造SBG裝置的單體和液晶材料組合。
[0009]傳輸SBG的一個(gè)已知屬性是，LC分子傾向于垂直于光柵邊緣平面對(duì)齊。LC分子對(duì)齊的效果是，傳輸SBG高效地衍射P極化的光(即，極化矢量在入射平面中的光)，但對(duì)于S極化的光(即，極化矢量垂直于入射平面的光)具有幾乎零的衍射效率。由于當(dāng)入射和反射光之間的夾角是小的時(shí)對(duì)于P極化的任何光柵的衍射效率下降到零，傳輸SBG可能不用于近掠入射(near-grazing incidence)。如果內(nèi)部入射角大于大約42度，空氣中的玻璃光引導(dǎo)件將通過(guò)完全內(nèi)部反射傳播光。因此，如果內(nèi)部入射角在42到大約70度的范圍中，可以使用傳輸SBG實(shí)施本發(fā)明，在這種情況中，由光柵從光導(dǎo)提取的光將主要是P極化的。通常，SBG當(dāng)不施加電壓時(shí)衍射，并且在其它時(shí)間當(dāng)施加電壓時(shí)切換到它們的光學(xué)被動(dòng)(passive)狀態(tài)。但是，SBG可以設(shè)計(jì)成以反向模式操作使得它們當(dāng)施加電壓時(shí)衍射并且在所有其它時(shí)間維持光學(xué)被動(dòng)。本發(fā)明人在2012年8月24日提交的題為IMPROVEMENTS TOHOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/573，066中公開(kāi)用來(lái)制造反向模式SBG的方法。該參考文獻(xiàn)也公開(kāi)如何可以使用柔性塑料基片制造SBG以在近眼應(yīng)用中提供改善的堅(jiān)固性，減小的重量和安全性的益處。
[0010]在先前的文件中，本發(fā)明人已經(jīng)公開(kāi)一種波導(dǎo)(SGO)顯示裝置，通過(guò)將大的視場(chǎng)解析成一組較小的視場(chǎng)(每一個(gè)較小的視場(chǎng)與波導(dǎo)的光學(xué)限制相容)并且如此快速地按時(shí)間順序顯示它們以致眼睛將它們當(dāng)作統(tǒng)一的圖像，該波導(dǎo)顯示裝置產(chǎn)生大的視場(chǎng)。這個(gè)過(guò)程有時(shí)稱為視場(chǎng)鋪設(shè)(tiling)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)的一種方式是通過(guò)全息元件，該全息元件可以非常快速地順序地接通和切斷。在通過(guò)引用整體并入這里的本發(fā)明人的題為“COMPACTHOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY”的國(guó)際申請(qǐng)日為 2010 年 4 月 26 日的較早的PCT申請(qǐng)N0.PCT/GB2010/000835 (并且也由本 申請(qǐng)人:的案卷編號(hào)SBG073PCT引用)中，本發(fā)明人已經(jīng)示出，多個(gè)SBG如何可以在相同的波導(dǎo)中堆疊在一起并且以快速的連續(xù)性被激活，從而按時(shí)間順序鋪設(shè)高分辨率超寬視場(chǎng)。此外，每一個(gè)子視場(chǎng)具有相關(guān)成像器的全數(shù)字分辨率，允許接近或者甚至超過(guò)人眼的視覺(jué)靈敏度極限的圖像的形成。雖然這個(gè)較早文件中公開(kāi)的鋪設(shè)克服標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的孿生缺陷:有限的視場(chǎng)和有限的像素分辨率，但當(dāng)有必要在大的視場(chǎng)上豎直地且水平地鋪設(shè)時(shí)它具有限制。對(duì)于具有適中的FOV和沿僅僅一個(gè)方向的擴(kuò)展的單色顯示裝置，通過(guò)簡(jiǎn)單堆疊光柵平面可以實(shí)現(xiàn)鋪設(shè)。然而，當(dāng)視場(chǎng)沿兩個(gè)方向擴(kuò)展并且添加顏色時(shí)，這種方法所需的層的數(shù)量快速變得不切實(shí)際。每一個(gè)子視場(chǎng)由SBG的角帶寬和衍射效率限制。SBG光柵裝置典型地具有近似±5°的空氣中的角帶寬(受材料性質(zhì)，折射率調(diào)制光束幾何形狀和厚度的影響)。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用較薄的SBG (典型地小于3微米)，實(shí)際上可以實(shí)現(xiàn)較大角度。由較薄的SBG引起的增加的帶寬將導(dǎo)致較低的峰值衍射效率。因此，通常有必要增加折射率調(diào)制。避免對(duì)分離的RGB SBG的需要的一種方式是使用多路傳輸(multiplexecOSBG，其中從光導(dǎo)的相對(duì)端部提供照明作為R和B/G照明，略微損害色域。然而，多路傳輸光柵引起制造復(fù)雜和串?dāng)_的問(wèn)題。
[0011]題為WIDE ANGLE COLOR HEAD MOUNTED DISPLAY 的本發(fā)明人的申請(qǐng)日為 2012 年4月25日的美國(guó)臨時(shí)專利(該美國(guó)臨時(shí)專利也由本 申請(qǐng)人:的案卷編號(hào)SBG109引用)中公開(kāi)的鋪設(shè)問(wèn)題的極好方案是通過(guò)交錯(cuò)(interlace)或細(xì)分(tessellate) SBG而壓縮該堆疊(與僅僅堆疊該光柵相反)。申請(qǐng)N0.61/687，436中公開(kāi)的顯示裝置包括兩個(gè)元件:首先，稱為DigiLens的包括多層細(xì)分的SBG陣列的多層波導(dǎo)裝置；和第二，稱為輸入圖像節(jié)點(diǎn)(IIN)的用來(lái)從一個(gè)或更多個(gè)微顯示裝置提供輸入圖像數(shù)據(jù)的光學(xué)系統(tǒng)，除了微顯示裝置外，該光學(xué)系統(tǒng)還包含激光照明模塊，準(zhǔn)直和中繼光學(xué)波導(dǎo)連接和光柵裝置。為了描述本發(fā)明的目的，將保持相同的術(shù)語(yǔ)。在非?；镜男g(shù)語(yǔ)中，DigiLens提供目鏡，而IIN提供緊湊的圖像產(chǎn)生模塊，根據(jù)本申請(qǐng)的人機(jī)工程學(xué)約束，該圖像產(chǎn)生模塊將典型地位于DigiLens上方或側(cè)部。在申請(qǐng)N0.61/687，436中，共享給定組成(prescription)的所有SBG元件被同時(shí)激活，使得它們將準(zhǔn)直波導(dǎo)圖像光衍射到預(yù)定FOV圖塊(tile)中?？梢员讳佋O(shè)的圖像的數(shù)量?jī)H由輸入顯示裝置刷新速率限制。SBG元件在尺寸上將典型地為數(shù)毫米。雖然這種方法在層方面實(shí)現(xiàn)顯著的經(jīng)濟(jì)性，但它遭受照明波紋(由于用于DigiLens的細(xì)分光柵圖案)，從電極的散射，和一般的光學(xué)和電復(fù)雜性的問(wèn)題。
[0012]本公開(kāi)后面的動(dòng)機(jī)是減小細(xì)分DigiLens的需要。現(xiàn)有技術(shù)的另外問(wèn)題是，將IIN輸出圖像耦合到波導(dǎo)中是非常低效率的，因此導(dǎo)致厚的波導(dǎo)。需要采樣輸入圖像場(chǎng)的更加高效的方式來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]考慮到上述情況，本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)且理解顯示裝置并且更特別地透明顯示裝置的優(yōu)點(diǎn)，該透明顯示裝置組合基片引導(dǎo)光學(xué)器件(SG0)和可切換布拉格光柵(SBG)。
[0014]因此，在一些實(shí)施例的一個(gè)方面中提供的是一種用來(lái)顯示圖像的設(shè)備，該設(shè)備包括:第一光學(xué)基片，所述第一光學(xué)基片包括至少一個(gè)波導(dǎo)層，所述至少一個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)沿第一方向傳播光，其中所述第一光學(xué)基片的至少一個(gè)波導(dǎo)層包括至少一個(gè)光柵薄層(lamina)，所述至少一個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)沿所述第一方向從所述第一基片提取所述光；和第二光學(xué)基片，所述第二光學(xué)基片包括至少一個(gè)波導(dǎo)層，所述至少一個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)沿第二方向傳播所述光，其中所述第二光學(xué)基片的至少一個(gè)波導(dǎo)層包括至少一個(gè)光柵薄層，所述至少一個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)沿所述第二方向從所述第二基片提取光。所述第一和第二光學(xué)基片的至少一個(gè)的至少一個(gè)光柵薄層可以包括被動(dòng)模式的SBG。
[0015]在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一和第二光學(xué)基片的至少一個(gè)的所述至少一個(gè)波導(dǎo)包括多個(gè)光柵薄層，所述多個(gè)的至少兩個(gè)具有相同的表面光柵頻率。
[0016]在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一和第二光學(xué)基片的至少一個(gè)的至少一個(gè)光柵薄層包括在向前和反向模式中的至少一個(gè)中記錄在HPDLC材料中的非切換布拉格光柵。雖然光柵薄層在一些情況中可以是SBG，但它不必須是。也可以使用其它類型的合適材料。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中,所述第一和第二光學(xué)基片包括被動(dòng)模式的SBG。
[0018]在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一和第二光學(xué)基片的至少一個(gè)包括多個(gè)波導(dǎo)層，并且所述多個(gè)波導(dǎo)層的每一個(gè)被構(gòu)造用來(lái)傳播紅色，綠色，藍(lán)色，藍(lán)色/綠色混合的光的至少一種，和多個(gè)子視場(chǎng)(FOV)的一個(gè)。在一種情況中，第一和第二光學(xué)基片的至少一個(gè)包括多個(gè)波導(dǎo)層，并且當(dāng)所述多個(gè)波導(dǎo)層包括三個(gè)波導(dǎo)層時(shí)，該三個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)傳播紅色，綠色和藍(lán)色光。替代地，當(dāng)所述多個(gè)包括兩個(gè)波導(dǎo)層時(shí)，所述三個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)傳播紅色光和混合的藍(lán)色和綠色光。
[0019]在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一和第二光學(xué)基片的至少一個(gè)的至少一個(gè)波導(dǎo)層包括具有重疊(superimposed)的不同顏色組成的全息圖。
[0020]在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一和第二光學(xué)基片的至少一個(gè)中的所述至少一個(gè)波導(dǎo)層是有損耗(lossy)的。
[0021]在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一和第二光學(xué)基片的至少一個(gè)的所述至少一個(gè)光柵薄層具有小于大約3微米的厚度。例如，該厚度可以小于大約2.5微米，2微米，1.5微米，1.2微米，I微米，0.5微米，或者甚至更小。
[0022]在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一和第二光學(xué)基片的至少一個(gè)的所述至少一個(gè)光柵薄層具有沿光傳播的相應(yīng)方向變化的厚度。
[0023]在一個(gè)實(shí)施例中，這里描述的設(shè)備是裝置的一部分，其中該裝置是HMD，HUD，和HDD的至少一者的一部分。
[0024]在一些實(shí)施例的另一方面中提供的是一種用來(lái)顯示圖像的設(shè)備，該設(shè)備包括:用來(lái)提供圖像調(diào)制光的輸入圖像節(jié)點(diǎn)；第一光學(xué)基片，所述第一光學(xué)基片包括至少一個(gè)波導(dǎo)層，所述至少一個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)沿第一方向傳播調(diào)制光，其中所述第一光學(xué)基片的至少一個(gè)波導(dǎo)層包括至少一個(gè)光柵薄層，所述至少一個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)沿所述第一方向從所述第一基片提取所述調(diào)制光；第二光學(xué)基片，所述第二光學(xué)基片包括至少一個(gè)波導(dǎo)層，所述至少一個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)沿第二方向傳播所述調(diào)制光，其中所述第二光學(xué)基片的至少一個(gè)波導(dǎo)層包括至少一個(gè)光柵薄層，所述至少一個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)沿所述第二方向從所述第二基片提取調(diào)制光。所述第一光學(xué)基片的至少一個(gè)光柵薄層可以被構(gòu)造用來(lái)將所述調(diào)制光耦合到所述第一基片中。所述第二光學(xué)基片的至少一個(gè)光柵薄層可以被構(gòu)造用來(lái)將從所述第一基片提取的所述調(diào)制光耦合到所述第二基片中。所述第一和第二光學(xué)基片的至少一個(gè)的所述至少一個(gè)光柵薄層可以具有k矢量，所述k矢量沿光傳播的相應(yīng)方向變化。
[0025]在一個(gè)實(shí)施例中，所述輸入圖像節(jié)點(diǎn)包括微顯示裝置，激光器和準(zhǔn)直光學(xué)器件的至少一個(gè)。微顯示裝置可以是常用的任何類型的微顯示裝置，包括例如發(fā)射微顯示裝置。發(fā)射微顯示裝置可以是OLED，QPI等等。
[0026]在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一和第二光學(xué)基片的至少一個(gè)的至少一個(gè)光柵薄層具有變化的厚度。例如，該厚度可以沿一個(gè)方向增加，該方向是以下方向的至少一個(gè):(i)平行于光傳播的方向jP(ii)垂直于光傳播。替代地，該厚度可以沿前述方向增加并且隨后減小(或者反過(guò)來(lái))。該幾何形狀不受限制。
[0027]在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一和第二光學(xué)基片的至少一個(gè)的至少一個(gè)光柵薄層包括SBG,該SBG處于切換模式或處于被動(dòng)模式。
[0028]在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一和第二基片的至少一個(gè)中的所述至少一個(gè)光柵薄層包括至少兩種不同單色組成的多路傳輸光柵。
[0029]在一個(gè)實(shí)施例中，所述設(shè)備包括多個(gè)光柵薄層，所述多個(gè)光柵薄層具有相同的表面光柵頻率但具有不同的k矢量，其中所述多個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)將輸入圖像視場(chǎng)分成多個(gè)角間隔。
[0030]在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一和第二光學(xué)基片的至少一個(gè)在至少一個(gè)垂直平面中彎曲。
[0031 ] 在一個(gè)實(shí)施例中，從第一和第二光學(xué)基片提取的光在任何視場(chǎng)方向中提供均勻的照明。
[0032]在一些實(shí)施例的另一方面中提供的是一種顯示圖像的方法，該方法包括:將來(lái)自輸入圖像的調(diào)制光耦合到第一光學(xué)基片中；從所述第一基片提取所述光；和將從所述第一基片提取的光耦合到所述第二基片中。所述第一光學(xué)基片可以包括至少一個(gè)波導(dǎo)層，所述至少一個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)沿第一方向傳播光，其中所述第一光學(xué)基片的至少一個(gè)波導(dǎo)層包括至少一個(gè)光柵薄層，所述至少一個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)沿所述第一方向從所述第一基片提取光。所述第二光學(xué)基片可以包括至少一個(gè)波導(dǎo)層，所述至少一個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)沿第二方向傳播光，其中所述第二光學(xué)基片的至少一個(gè)波導(dǎo)層包括至少一個(gè)光柵薄層，所述至少一個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)沿所述第二方向從所述第二基片提取光。所述第一和第二光學(xué)基片的至少一個(gè)的至少一個(gè)光柵薄層可以包括被動(dòng)模式的SBG。
[0033]在一個(gè)實(shí)施例中，該方法還包括將所述輸入圖像采樣到多個(gè)角間隔中，所述多個(gè)角間隔的每一個(gè)具有有效出射光瞳，所述有效出射光瞳是全光瞳的尺寸的一部分。在一個(gè)例子中，這驚人地提供以下優(yōu)點(diǎn):與已存在裝置相比，第一波導(dǎo)的厚度可以小得多。因此，可以有利地影響輸入光柵的尺寸和放置。
[0034]在一個(gè)實(shí)施例中，該方法還包括通過(guò)修改所述第一和第二光學(xué)基片的至少一個(gè)的至少一個(gè)光柵薄層的以下參數(shù)的至少一個(gè)，改善所述圖像的顯示:光柵厚度，折射率調(diào)制，k矢量滾動(dòng)曲線(profile)，表面光柵周期，和全息圖-基片折射率差。
[0035]在另一實(shí)施例中提供的是一種用來(lái)顯示圖像的設(shè)備，該設(shè)備包括:用來(lái)提供圖像調(diào)制光的輸入圖像節(jié)點(diǎn)；第一和第二光學(xué)波導(dǎo)基片；第一光學(xué)裝置，所述第一光學(xué)裝置用來(lái)將圖像調(diào)制光耦合到所述第一基片中；和第二光學(xué)裝置，所述第二光學(xué)裝置用來(lái)將從所述第一基片提取的光耦合到所述第二基片中。所述第一光學(xué)基片包括至少一個(gè)波導(dǎo)層，所述至少一個(gè)波導(dǎo)層沿第一方向傳播光。每一個(gè)波導(dǎo)層包含至少一個(gè)光柵薄層，該至少一個(gè)光柵薄層用于從第一基片提取光，該光提取沿第一方向進(jìn)行。第二光學(xué)基片包括至少一個(gè)波導(dǎo)層。每一個(gè)波導(dǎo)層沿第二方向傳播光。每一個(gè)波導(dǎo)層包含至少一個(gè)光柵薄層，該至少一個(gè)光柵薄層用于從第二基片提取光以便顯示，該光提取沿第二方向進(jìn)行。在一個(gè)實(shí)施例中，第一光學(xué)基片選擇性地采樣圖像調(diào)制光的若干部分，每一個(gè)部分的特征在于角場(chǎng)或空間場(chǎng)。
[0036]應(yīng)當(dāng)理解，下面更詳細(xì)地討論的前述構(gòu)思和另外構(gòu)思的所有組合(只要這種構(gòu)思不相互矛盾)被構(gòu)想為這里公開(kāi)的發(fā)明主題的一部分。特別地，在本公開(kāi)的結(jié)尾出現(xiàn)的要求保護(hù)的主題的所有組合被構(gòu)想為這里公開(kāi)的發(fā)明主題的一部分。也應(yīng)當(dāng)理解，也可以出現(xiàn)在通過(guò)引用并入的任何公開(kāi)內(nèi)容中的在這里明確使用的術(shù)語(yǔ)應(yīng)當(dāng)具有與這里公開(kāi)的特別構(gòu)思最一致的含義。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0037]本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，附圖主要用于說(shuō)明性目的并且不意圖限制這里描述的發(fā)明主題的范圍。附圖不一定是按比例的；在一些例子中，這里公開(kāi)的發(fā)明主題的各個(gè)方面可以在圖中被夸大示出或放大以方便不同特征的理解。在圖中，相似的附圖標(biāo)記通常指相似的特征(例如，功能上類似且/或結(jié)構(gòu)上類似的元件)。
[0038]圖1A是切向平面中的布拉格光柵的光學(xué)幾何的示意圖；
[0039]圖1B是矢面中的布拉格光柵的光學(xué)幾何的示意圖；
[0040]圖2A是示出一個(gè)實(shí)施例中的第一操作狀態(tài)的示意性側(cè)正視圖；
[0041]圖2B是示出一個(gè)實(shí)施例中的第二操作狀態(tài)的示意性側(cè)正視圖；
[0042]圖2C是一個(gè)實(shí)施例的示意性前視正視圖；
[0043]圖3是一個(gè)實(shí)施例的部件的示意性三維視圖；
[0044]圖4是一個(gè)實(shí)施例的部件的示意性側(cè)正視圖；
[0045]圖5是代表一個(gè)實(shí)施例中的圖像的形成的流程圖；
[0046]圖6是一個(gè)實(shí)施例的示意性側(cè)正視圖；
[0047]圖7是一個(gè)實(shí)施例的示意性側(cè)視正視圖；
[0048]圖8是一個(gè)實(shí)施例的示意性側(cè)視正視圖；
[0049]圖9是示出一個(gè)實(shí)施例的衍射效率特性的圖；
[0050]圖10是一個(gè)實(shí)施例中的水平光束擴(kuò)展器的示意性剖視圖；
[0051 ]圖11是提供一個(gè)實(shí)施例中使用的SBG的衍射效率特性的表；
[0052]圖12A是示出一個(gè)實(shí)施例的第一操作狀態(tài)的示意性三維視圖；
[0053]圖12B是示出一個(gè)實(shí)施例的第二操作狀態(tài)的示意性三維視圖；
[0054]圖13A是示出一個(gè)實(shí)施例的第三操作狀態(tài)的示意性三維視圖；
[0055]圖13B是示出一個(gè)實(shí)施例的第四操作狀態(tài)的示意性三維視圖；
[0056]圖14A是本發(fā)明的HMD實(shí)施的第一方面的藝術(shù)家的印象；
[0057]圖14B是本發(fā)明的HMD實(shí)施的第二方面的藝術(shù)家的印象；
[0058]圖14C是本發(fā)明的HMD實(shí)施的第三方面的藝術(shù)家的印象；
[0059]圖15是一個(gè)實(shí)施例中使用的楔形輪廓(profile)波導(dǎo)光柵的示意性剖視圖；
[0060]圖16是一個(gè)實(shí)施例的示意性側(cè)正視圖；
[0061]圖17是示出一個(gè)實(shí)施例的衍射效率對(duì)角特性的圖；
[0062]圖18是一個(gè)實(shí)施例的示意性側(cè)正視圖；
[0063]圖19A是示出一個(gè)實(shí)施例的第一操作狀態(tài)的示意性側(cè)正視圖；
[0064]圖19B是示出一個(gè)實(shí)施例的第二操作狀態(tài)的示意性側(cè)正視圖；
[0065]圖20A是示出一個(gè)實(shí)施例中的輸入圖像節(jié)點(diǎn)的第一操作狀態(tài)的示意性側(cè)正視圖；
[0066]圖20B是示出一個(gè)實(shí)施例中的輸入圖像節(jié)點(diǎn)的第二操作狀態(tài)的示意性側(cè)正視圖；
[0067]圖21是包含傾斜光柵條的HBE的示意性平面圖；
[0068]圖22是使用包含傾斜光柵條的HBE的一個(gè)實(shí)施例的示意性三維視圖；[0069]圖23A是示出一個(gè)實(shí)施例提供的HUD的第一操作狀態(tài)的示意性側(cè)正視圖；
[0070]圖23B是示出一個(gè)實(shí)施例提供的HUD的第二操作狀態(tài)的示意性側(cè)正視圖；
[0071]圖24是一個(gè)實(shí)施例提供的HUD的示意性側(cè)正視圖；
[0072]圖25是一個(gè)實(shí)施例提供的HUD的示意性側(cè)正視圖；
[0073]圖26是現(xiàn)有技術(shù)準(zhǔn)直圖像顯示裝置的示意圖；
[0074]圖27是根據(jù)本發(fā)明的原理的HUD的示意性側(cè)正視圖；
[0075]圖28是全息鏡的示意性側(cè)正視圖；
[0076]圖29是一個(gè)實(shí)施例提供的HUD的示意性側(cè)正視圖；
[0077]圖30是一個(gè)實(shí)施例提供的HUD的示意性側(cè)正視圖；
[0078]圖31是一個(gè)實(shí)施例提供的HUD的示意性側(cè)正視圖；
[0079]圖32A是一個(gè)實(shí)施例提供的彩色顯示裝置的三維視圖；
[0080]圖32B是示出一個(gè)實(shí)施例提供的彩色顯示裝置中使用的光源的光譜特性的圖；
[0081]圖32C是示出一個(gè)實(shí)施例提供的彩色顯示裝置中使用的光源的光譜特性的表；
[0082]圖33是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的集成在擋風(fēng)玻璃中的HUD的剖視圖；
[0083]圖34是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的集成在擋風(fēng)玻璃中的HUD的剖視圖；
[0084]圖35是一個(gè)實(shí)施例提供的顯示裝置的三維視圖；
[0085]圖36是一個(gè)實(shí)施例提供的顯示裝置的三維視圖；
[0086]圖37是一個(gè)實(shí)施例提供的彩色顯示裝置的示意性側(cè)正視圖；
[0087]圖38是一個(gè)實(shí)施例提供的彩色顯示裝置的示意性三維視圖；
[0088]圖39A是一個(gè)實(shí)施例的示意性側(cè)正視圖；
[0089]圖39B是一個(gè)實(shí)施例的示意性前正視圖；
[0090]圖40是一個(gè)實(shí)施例中的集成在擋風(fēng)玻璃中的HUD的剖視圖；
[0091]圖41是示出一個(gè)實(shí)施例中的HUD中的圖像形成的流程圖；
[0092]圖42A是示出一個(gè)實(shí)施例中的多路傳輸DigiLens的第一衍射效率對(duì)角特性的圖；
[0093]圖42B是示出一個(gè)實(shí)施例中的多路傳輸DigiLens的第二衍射效率對(duì)角特性的圖；
[0094]圖43是一個(gè)實(shí)施例中的彩色多路傳輸顯示裝置的示意性三維視圖；
[0095]圖44是一個(gè)實(shí)施例中的彩色多路傳輸顯示裝置中使用的DigiLens的示意性側(cè)正視圖；
[0096]圖45是一個(gè)實(shí)施例中的顯示裝置的實(shí)施例的三維圖，在該顯示裝置中設(shè)置有三個(gè)HBE波導(dǎo)和三個(gè)DigiLens波導(dǎo)；
[0097]圖46是通過(guò)IIN示出投影光闌(projected stop)的形成的示意性側(cè)正視圖；
[0098]圖47是示出光從IIN耦合到HBE波導(dǎo)中的示意性平面圖；
[0099]圖48示出圖47的HBE波導(dǎo)的細(xì)節(jié)。圖像輸入端部示出光束與光柵的相互作用；
[0100]圖49是一個(gè)實(shí)施例中的四層HBE的示意性剖視圖；
[0101]圖50是示出圖49的實(shí)施例中使用的光柵的表；
[0102]圖51是示出圖49的實(shí)施例中的重疊DE對(duì)(versus)角曲線(profile)的圖；
[0103]圖52是一個(gè)實(shí)施例中的楔形SBG光柵的三維視圖；[0104]圖53A是一個(gè)實(shí)施例中的HBE的第一操作狀態(tài)的示意圖；
[0105]圖53B是一個(gè)實(shí)施例中的HBE的第二操作狀態(tài)的示意圖；
[0106]圖53C是一個(gè)實(shí)施例中的HBE的第三操作狀態(tài)的示意圖；
[0107]圖54A-54B示出一個(gè)實(shí)施例中的投影方案，該投影方案不導(dǎo)致在該描述中較早討論的類型的投影光瞳；該光瞳可以形成在投影透鏡內(nèi)(圖54A)，或者使用孔口 562形成在投影透鏡前面(圖54B)。
[0108]圖55示出在一個(gè)實(shí)施例中使用滾動(dòng)k矢量光柵來(lái)最大化進(jìn)入光的峰值DE的示意圖；
[0109]圖56是示出在一個(gè)實(shí)施例中典型的光線傳播過(guò)包含滾動(dòng)k矢量光柵的波導(dǎo)部分580的不意圖；
[0110]圖57是示出一個(gè)實(shí)施例中的HBE 590和VBE 591的平面圖；
[0111]圖58示出一個(gè)實(shí)施例中的HBE和VBE的示意性側(cè)正視圖；
[0112]圖59是示出一個(gè)實(shí)施例中的波導(dǎo)內(nèi)的光束傳播的HBE的展開(kāi)視圖；
[0113]圖60示出在一個(gè)實(shí)施例中使用接觸復(fù)制過(guò)程用來(lái)制造HBE的設(shè)備；
[0114]圖61A-61C分別示出一個(gè)實(shí)施例中的HBE590的Z=L端部的橫截面(錐形透鏡的較寬端部被覆蓋)，透鏡的平面圖，和HBE的Z=O端部(透鏡的較窄端部被覆蓋)；
[0115]圖62A-62C示出從基部621和末端620的圓錐體產(chǎn)生圓錐截面；該圓錐體在圖62A中以側(cè)視圖被示出并且在圖62B中以前視圖被示出；沿切割線從基部投影的切出鏡片的視圖在圖62C中被示出；
[0116]圖63示出一個(gè)實(shí)施例中的波導(dǎo)的基本結(jié)構(gòu)；
[0117]圖64是波導(dǎo)的圖不,其中輸入光柵635A-635C被堆疊。在一個(gè)實(shí)施例中，每一個(gè)光柵具有獨(dú)特的k矢量636A-636C ；
[0118]圖65不出在一個(gè)實(shí)施例中輸入光柵沿波導(dǎo)傳播方向彼此相鄰地布置；
[0119]圖66不出在一個(gè)實(shí)施例中圖64-65中不出的原理也可以應(yīng)用于輸出光柵；
[0120]圖67示出描述一個(gè)實(shí)施例的過(guò)程的流程圖；
[0121]圖68示出一個(gè)實(shí)施例中的單色形式的設(shè)計(jì)的光線蹤跡；
[0122]圖69示出一個(gè)實(shí)施例中的圖63的IIN的近似尺寸；
[0123]圖70提供一個(gè)實(shí)施例中的圖64的光學(xué)布局的展開(kāi)視圖；
[0124]圖71A和71B示出使用代表微顯示裝置投影光學(xué)器件的簡(jiǎn)化的薄透鏡的一個(gè)實(shí)施例中的HBE內(nèi)的投影光闌的形成；
[0125]圖72示出一個(gè)實(shí)施例，其中包括其輸入端部處的耦合光柵和兩種不同組成的交替的SGB條的HBE以45度傾斜；
[0126]圖73示出從IIN通過(guò)DigiLens的單個(gè)層的光束傳播,示出在一個(gè)實(shí)施例中沿到出射光瞳的路徑發(fā)生的四個(gè)方向改變；
[0127]圖74示出一個(gè)實(shí)施例中的提出的頭盔式顯示裝置的近眼幾何形狀的平面圖；
[0128]圖75示出一個(gè)實(shí)施例中的提出的頭盔式顯示裝置的近眼幾何形狀的側(cè)視圖；
[0129]圖76示出一個(gè)實(shí)施例中的提出的頭盔式顯示裝置的近眼幾何形狀的前視圖；
[0130]圖77示出在一個(gè)實(shí)施例中DigiLens ?孔口相對(duì)于F0V，眼睛間隙和眼盒的關(guān)系；
[0131]圖78示出一個(gè)實(shí)施例中的部分雙眼重疊；[0132]圖79示出另一實(shí)施例中的部分雙眼重疊；
[0133]圖80示出一個(gè)實(shí)施例中的透明波導(dǎo)顯示裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0134]下面是涉及創(chuàng)造性透明顯示裝置的各種構(gòu)思和創(chuàng)造性透明顯示裝置的實(shí)施例的更詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)理解，由于公開(kāi)的構(gòu)思不限于任何特別實(shí)現(xiàn)方式，在上面被引入并且在下面被更詳細(xì)地討論的各種構(gòu)思可以以許多方式的任何方式被實(shí)現(xiàn)。主要為了說(shuō)明性目的，提供具體的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的例子。
[0135]現(xiàn)在將參考附圖僅通過(guò)例子的方式進(jìn)一步描述本發(fā)明。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將顯然的是，本發(fā)明可以通過(guò)如下面的描述中公開(kāi)的本發(fā)明的一些或全部被實(shí)施。為了說(shuō)明本發(fā)明的目的，光學(xué)設(shè)計(jì)和視覺(jué)顯示的本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的光學(xué)技術(shù)的熟知特征已經(jīng)被省略或簡(jiǎn)化以便不模糊本發(fā)明的基本原理。除非另外聲明，關(guān)于光線或光束方向的術(shù)語(yǔ)“同軸(on-axis)”指的是平行于軸線的傳播，該軸線是關(guān)于本發(fā)明描述的光學(xué)部件的表面的法線。在下面的描述中，術(shù)語(yǔ)光、光線、光束和方向可以可互換地并且彼此關(guān)聯(lián)地使用，以表示沿直線軌跡的光能的傳播方向。將使用光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)人員常用的術(shù)語(yǔ)給出以下描述的若干部分。也應(yīng)當(dāng)注意，在本發(fā)明的以下描述中，短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”的重復(fù)使用不一定指相同的實(shí)施例。
[0136]通過(guò)至今還沒(méi)有被利用到數(shù)據(jù)的SBG的兩個(gè)基本性質(zhì)(第一，垂直于衍射平面的平面中的布拉格(Bragg)光柵的相對(duì)寬的角帶寬，并且第二，由將SBG制成非常薄引起的寬的角帶寬)，使得本發(fā)明成為可能。結(jié)果，將FOV圖塊(tile)的尺寸限制到大約10° χ10°的約束在這種情況中不適用，因此導(dǎo)致上述細(xì)分(tessellation)方法。結(jié)果，現(xiàn)在可以使用較少的較大圖塊。如下面的描述中示出的，所需FOV可以被分成兩個(gè)圖塊，每一個(gè)圖塊具有一個(gè)DigiLens (數(shù)字透鏡)。其它數(shù)量的圖塊也是可能的。關(guān)于光學(xué)設(shè)計(jì)，這個(gè)新的方法可以最小化(如果不是完全消除)照明波紋的問(wèn)題。通過(guò)使DigiLens被動(dòng)，可以避免從電極散射的問(wèn)題和接線細(xì)分元件大矩陣的重要問(wèn)題。被動(dòng)SBG在其HPDLC公式和記錄過(guò)程方面與切換SDBG沒(méi)有什么不同。僅有的差異是不需要電極。SBG的衍射性質(zhì)通常在切向平面中被規(guī)定。在用于在平面中衍射光的光柵設(shè)計(jì)中，切向平面是包含入射和衍射光線矢量和光柵矢量的平面。按照幾何光學(xué)理論，垂直于切向平面的平面稱為矢面(sagittalplane)。圖1示出傳輸SBG 90的基本幾何光學(xué)，該傳輸SBG包含諸如91的傾斜邊緣，光柵矢量K垂直于該邊緣。在布拉格光柵中，許多輸入和輸出光線將滿足布拉格條件，只要入射光線和k矢量衍射光線和K矢量之間的角度滿足布拉格方程。(注意，在實(shí)際中，根據(jù)布拉格光柵的Kogelnik理論,對(duì)于具有偏離布拉格光線(on-Bragg)方向的小的角或波長(zhǎng)偏差的偏離布拉格(off-Bragg)角度，將獲得合理高的衍射)。在圖1中，這些偏離布拉格光線由包圍同布拉格光線900,901 (位于圖的平面內(nèi)中)的光線錐面902，903示出。如圖1A中所示，布拉格光線邊緣截距(interc印t)的軌跡是圓904。如圖1B中所示，光線905，906也將是布拉格的。根據(jù)圖1A的幾何形狀的考慮，應(yīng)當(dāng)清楚，切向平面中的布拉格衍射角帶寬被錐面902，903到切向平面上的投影限制。然而，請(qǐng)看圖1B，應(yīng)當(dāng)清楚矢面中的有效角帶寬(“ABW”)非常大，這是由于它由錐面904到矢面中的投影提供。實(shí)際上，矢狀(sagittal)帶寬主要受由波導(dǎo)設(shè)定的TIR角度約束限制。由于布拉格光柵的大的矢面(即，為了我們的目的的水平平面)角帶寬(典型地大約4X切向帶寬)，可以為大多數(shù)顯示應(yīng)用實(shí)現(xiàn)目前的水平FOV目標(biāo)。實(shí)際上，該帶寬僅由TIR角度范圍限制，該TIR角度范圍可以在波導(dǎo)中被維持。
[0137]本發(fā)明人已經(jīng)演示，薄的SBG光柵提供很寬的角帶寬。使用低折射率(index)調(diào)制SBG RMLCM公式做出的實(shí)驗(yàn)SBG波導(dǎo)已經(jīng)顯示出使用I微米(micron)厚的SBG層，具有21°的FWHM帶寬。
[0138]在下面的描述中，多次提及光柵，該光柵應(yīng)當(dāng)通常被理解為意指布拉格光柵，并且合意地為SBG。在許多情況中，SBG將以如上所述的它們的正常切換模式進(jìn)行操作。然而，在一些情況中，SBG將在被動(dòng)(例如，完全被動(dòng))模式中被使用，即，它們將不是可切換的。非切換SBG優(yōu)于常規(guī)被動(dòng)全息圖，因?yàn)镠PDLC的LC部件引起比常規(guī)全息光聚合物中可以實(shí)現(xiàn)的高得多的折射率調(diào)制。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，該顯示裝置將使用切換和非切換SBG的混合。然而，DigiLens輸出光柵將總是被動(dòng)的(非切換的)。在一特別種類的實(shí)施例中，該顯示裝置將使用所有被動(dòng)SBG。
[0139]在圖2中示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的原理的透明顯示裝置。提供薄的高度透明的目鏡(或HUD組合器)的DigiLens ?包括兩個(gè)波導(dǎo)101，102，該兩個(gè)波導(dǎo)用來(lái)將視場(chǎng)的上和下半部投影到眼盒(eye box)(未示出)中。該波導(dǎo)各包括夾在透明基片之間的非可切換SBG層。每一個(gè)波導(dǎo)具有標(biāo)記為DIG1-1I，DIG1-Ol和DIG1-12，DIG1-02的可切換的輸入光柵和非切換(被動(dòng))輸出光柵，該可切換的輸入光柵和非切換輸出光柵也分別由附圖標(biāo)記107，109和108，110指示。該波導(dǎo)被半波膜(HWF) 106分開(kāi)。(注意，在下面要描述的其它實(shí)施例中，HWF將布置在DIG1-1光柵之間，并且DIG1-O光柵將被空氣(或低折射率材料)分開(kāi))。后面將討論的輸入圖像節(jié)點(diǎn)(IIN) 103包含微顯示裝置，激光模塊，光束擴(kuò)展裝置，準(zhǔn)直和中繼光學(xué)器件。在圖2A-2B中提供示意性側(cè)正視圖并且在圖2C中提供前視正視圖。圖2A-2B表示用于該顯示裝置的兩個(gè)切換狀態(tài)的從IIN通過(guò)DigiLens層的光線路徑。在第一狀態(tài)中，光柵DIG1-1l是有效的，并且衍射入射P極化光1000從IIN103到TIR路徑1001中。TIR光沿如1002指示的其光衍射出波導(dǎo)。輸出光柵是有損耗的，即衍射效率顯著小于1，使得引導(dǎo)光的一部分在每一個(gè)光束-光柵相互作用衍射出。剩余的光繼續(xù)經(jīng)受重復(fù)的TIR和衍射，直到所有的光已經(jīng)從波導(dǎo)被提取。通過(guò)小心優(yōu)化衍射效率(該衍射效率取決于折射率調(diào)制，光柵厚度和其它參數(shù))，實(shí)現(xiàn)跨越輸出孔口的均勻照明。通常，在最靠近IIN的波導(dǎo)的端部處需要低的衍射效率，并且在最末端需要最高效率。注意，由于有損耗的提取，相比于在較高的角度下，更多峰值能量(在0° )耦合到DigiLens中。因此，在有損耗的光柵的端部，較寬角度的光可用于提取。雖然短語(yǔ)“有損耗的光柵”用在一些實(shí)施例中，但該短語(yǔ)包括“有損耗的波導(dǎo)”。不受任何理論限制，但這是因?yàn)椤坝袚p耗”可能由于可能沿波導(dǎo)導(dǎo)致均勻的損失的光柵效率和波導(dǎo)作用的組合。
[0140]這有助于均勻化峰值和邊緣角變化，特別地在DE曲線變窄的波導(dǎo)的較厚端。衍射的光1002的極化被HWF旋轉(zhuǎn)過(guò)90° (變成S極化的)，并且因此穿過(guò)第二波導(dǎo)102而不偏離，這是由于對(duì)于S極化的光，SBG具有相對(duì)低的DE。注意，一個(gè)DigiLens雄〕層發(fā)出S極化的光，而另一個(gè)發(fā)出P極化的光。然而，每一個(gè)SBG層是P衍射的。
[0141]由標(biāo)記HBE1，HBE2指示(也由附圖標(biāo)記(104，105)指示)的水平光束擴(kuò)展器(HBE)是多層SBG波導(dǎo)，該多層SBG波導(dǎo)使用有損耗的高ABW光柵來(lái)跨越大的光瞳(pupil)擴(kuò)展圖像光。在上述實(shí)施例中，HBE沿DigiLens的頂邊緣延伸。后面將更詳細(xì)地討論HBE。注意前和后DigiLens.元件之間的空氣間隙。這可以被合適的低(接近I)折射率材料取代。由于輸出圖像光是P和S極化光的混合，因此可能有必要將四分之一波膜安裝在DigiLens的輸出表面上以便與偏光式眼裝置相容，否則該偏光式眼裝置將導(dǎo)致?lián)p失視場(chǎng)的一半。
[0142]雖然稱為HBE (并且在較早的文件中稱為VBE)，術(shù)語(yǔ)水平的和豎直的在這種情況下僅為了說(shuō)明本發(fā)明。實(shí)際上，本發(fā)明允許注釋的許多不同構(gòu)造和實(shí)現(xiàn)光束控制的數(shù)種不同方式，光束擴(kuò)展可以是豎直的或水平的。關(guān)于術(shù)語(yǔ)波導(dǎo)，應(yīng)當(dāng)注意，這些可以實(shí)際上包括成層地堆疊的多個(gè)隔離的波導(dǎo)。最后，關(guān)于光柵部件，應(yīng)當(dāng)理解，三個(gè)光柵部件的每一個(gè)可以包含成層的復(fù)式光柵堆疊，該多個(gè)成層的光柵堆疊相鄰地布置在單個(gè)層中或全息地多路傳輸在單個(gè)層中。公開(kāi)的顯示裝置的基本構(gòu)造塊是包含光柵(通常是布拉格光柵)的波導(dǎo)。如將看到的，在某些實(shí)施例中，通過(guò)少到一個(gè)波導(dǎo)層，可以實(shí)現(xiàn)該功能。然而，波導(dǎo)層的數(shù)量將取決于視場(chǎng)的尺寸和所需的顏色。該光柵可以是可切換的(SBG)或者它可以是被動(dòng)的，即，非可切換的。雖然在原理上，任何類型的布拉格光柵可以用于提供被動(dòng)光柵。使用沒(méi)有電極的SBG具有強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。SBG材料的優(yōu)點(diǎn)是，LC和聚合物的混合物提供的折射率調(diào)制高于常規(guī)全息聚合物材料的折射率調(diào)制。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，輸出波導(dǎo)部件僅使用非細(xì)分的被動(dòng)光柵。這最小化從電極散射和照明不均勻的潛在問(wèn)題。T術(shù)語(yǔ)光柵用于指布拉格光柵，除非另外指定。被動(dòng)光柵意指不被電切換的光柵。
[0143]在圖3-4中更詳細(xì)地示出該顯示裝置。為了另外有助于理解準(zhǔn)直的顯示裝置(例如，HMD)如何工作，最初的焦點(diǎn)在該設(shè)計(jì)的單色型式上。在結(jié)構(gòu)上，HWD的單色和彩色實(shí)現(xiàn)是非常類似的。如將見(jiàn)到的，重要的差異是，單色結(jié)構(gòu)可以通過(guò)較少波導(dǎo)層被實(shí)現(xiàn)并且具有在IIN和HBE中使用一些被動(dòng)光柵部件的可能性，而彩色實(shí)現(xiàn)由于同時(shí)管理紅色，綠色和藍(lán)色光通道的角含量的較大困難，需要IIN和HBE的大多數(shù)部件是可切換的。在兩種情況中，DigiLens ?保持被動(dòng)部件。
[0144]雖然本發(fā)明在透明視覺(jué)顯示的領(lǐng)域中具有許多應(yīng)用，但首先考慮一種特別應(yīng)用，即用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)應(yīng)用的頭盔式顯示裝置。在這種情況中，目標(biāo)是滿足52° H x30° V單眼視場(chǎng)規(guī)范，同時(shí)實(shí)現(xiàn)所有的我們的最初目標(biāo)，即高的透明度，高的分辨率，超緊湊(薄)形狀因子，輕重量和大方的出射光瞳。在表I中總結(jié)目標(biāo)規(guī)范。
[0145]表1:目標(biāo)HMD規(guī)范
【權(quán)利要求】
1.一種用于顯示圖像的波導(dǎo)設(shè)備，所述波導(dǎo)設(shè)備包括: 第一光學(xué)基片，所述第一光學(xué)基片包括至少一個(gè)波導(dǎo)層，所述至少一個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)沿第一方向傳播光，其中所述第一光學(xué)基片的所述至少一個(gè)波導(dǎo)層包括至少一個(gè)光柵薄層，該至少一個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)沿所述第一方向從所述第一基片提取所述光；和 第二光學(xué)基片，所述第二光學(xué)基片包括至少一個(gè)波導(dǎo)層，所述至少一個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)沿第二方向傳播所述光，其中所述第二光學(xué)基片的所述至少一個(gè)波導(dǎo)層包括至少一個(gè)光柵薄層，該至少一個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)沿所述第二方向從所述第二基片提取光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)設(shè)備，其中所述第一光學(xué)基片和所述第二光學(xué)基片的至少一者的至少一個(gè)光柵薄層包括處于被動(dòng)模式的SBG。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的波導(dǎo)設(shè)備，其中所述第一光學(xué)基片和所述第二光學(xué)基片的至少一者的至少一個(gè)光柵薄層包括處于切換模式的SBG。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波導(dǎo)設(shè)備，其中所述第一光學(xué)基片和所述第二光學(xué)基片都包括處于被動(dòng)模式的SBG。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一 項(xiàng)所述的波導(dǎo)設(shè)備，其中所述第一光學(xué)基片和所述第二光學(xué)基片的至少一者的所述至少一個(gè)波導(dǎo)層包括多個(gè)光柵薄層，所述多個(gè)光柵薄層中的至少兩個(gè)光柵薄層具有相同的表面光柵頻率。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的波導(dǎo)設(shè)備，其中，在向前和反向模式的至少一種模式中，所述第一光學(xué)基片和所述第二光學(xué)基片的至少一者的所述至少一個(gè)光柵薄層包括非切換布拉格光柵，所述非切換布拉格光柵被記錄在HPDLC、POLICRYPS、POLIPHEM和SVHOE的至少一者中。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的波導(dǎo)設(shè)備，其中所述第一光學(xué)基片和所述第二光學(xué)基片的至少一者包括多個(gè)波導(dǎo)層，并且所述多個(gè)波導(dǎo)層的每一個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)傳播紅色光、綠色光、藍(lán)色光、藍(lán)色/綠色混合的光的至少一種，和多個(gè)子視場(chǎng)(FOV)中的一個(gè)FOV。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的波導(dǎo)設(shè)備，其中所述第一光學(xué)基片和所述第二光學(xué)基片的至少一者的所述至少一個(gè)波導(dǎo)層包括具有重疊的不同顏色組成的全息圖。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的波導(dǎo)設(shè)備，其中所述第一光學(xué)基片和所述第二光學(xué)基片的至少一者中的所述至少一個(gè)波導(dǎo)層是有損耗的。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的波導(dǎo)設(shè)備，其中所述第一光學(xué)基片和所述第二光學(xué)基片的至少一者的所述至少一個(gè)光柵薄層具有小于大約3微米的厚度。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的波導(dǎo)設(shè)備，其中所述第一光學(xué)基片和所述第二光學(xué)基片的至少一者的所述至少一個(gè)光柵薄層具有變化的厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的波導(dǎo)設(shè)備，其中所述變化的厚度是沿著光傳播的相應(yīng)方向。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的波導(dǎo)設(shè)備，其中所述第一光學(xué)基片和所述第二基片的至少一者中的所述至少一個(gè)光柵薄層包括具有至少兩種不同單色組成的多路傳輸光柵。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的波導(dǎo)設(shè)備，該波導(dǎo)設(shè)備包括多個(gè)光柵薄層，所述多個(gè)光柵薄層具有相同的表面光柵頻率但具有不同的k矢量，其中所述多個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)將輸入圖像視場(chǎng)分成多個(gè)角間隔。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的波導(dǎo)設(shè)備，其中所述第一光學(xué)基片和所述第二光學(xué)基片的至少一者在至少一個(gè)垂直平面中彎曲。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的波導(dǎo)設(shè)備，其中從所述第一光學(xué)基片和所述第二光學(xué)基片提取的所述光在任何視場(chǎng)方向中提供一致的照明。
17.一種裝置，所述裝置包括前述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)所述的波導(dǎo)設(shè)備，其中所述裝置是HMD、HUD和HDD的至少一者的一部分。
18.一種用于顯示圖像的設(shè)備，所述設(shè)備包括: 用于提供圖像調(diào)制光的輸入圖像節(jié)點(diǎn)； 根據(jù)前述權(quán)利要求的任何一項(xiàng)中限定的波導(dǎo)設(shè)備，所述第一光學(xué)基片的至少一個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)沿所述第一方向傳播所述調(diào)制光，所述第一光學(xué)基片的至少一個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)沿所述第一方向從所述第一基片提取所述調(diào)制光，所述第二光學(xué)基片的至少一個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)沿所述第二方向傳播所述調(diào)制光，并且所述第二光學(xué)基片的至少一個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)沿所述第二方向從所述第二基片提取所述調(diào)制光； 其中， 所述第一光學(xué)基片的至 少一個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)將所述調(diào)制光耦合到所述第一基片; 所述第二光學(xué)基片的至少一個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)將從所述第一基片提取的所述調(diào)制光耦合到所述第二基片；并且 所述第一光學(xué)基片和所述第二光學(xué)基片的至少一者的所述至少一個(gè)光柵薄層具有k矢量，所述k矢量沿光傳播的相應(yīng)方向變化。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中所述輸入圖像節(jié)點(diǎn)包括微顯示裝置、激光器和準(zhǔn)直光學(xué)器件中的至少一者。
20.一種顯示圖像的方法，所述方法包括: 將來(lái)自輸入圖像的調(diào)制光耦合到第一光學(xué)基片； 從所述第一基片提取所述光；和 將從所述第一基片提取的光耦合到第二基片； 其中: 所述第一光學(xué)基片包括至少一個(gè)波導(dǎo)層，所述至少一個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)沿第一方向傳播光，其中所述第一光學(xué)基片的至少一個(gè)波導(dǎo)層包括至少一個(gè)光柵薄層，所述至少一個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)沿所述第一方向從所述第一基片提取光；并且 所述第二光學(xué)基片包括至少一個(gè)波導(dǎo)層，所述至少一個(gè)波導(dǎo)層被構(gòu)造用來(lái)沿第二方向傳播光，其中所述第二光學(xué)基片的至少一個(gè)波導(dǎo)層包括至少一個(gè)光柵薄層，所述至少一個(gè)光柵薄層被構(gòu)造用來(lái)沿所述第二方向從所述第二基片提取光；并且 優(yōu)選地，所述第一光學(xué)基片和第二光學(xué)基片的至少一者的至少一個(gè)光柵薄層包括處于被動(dòng)模式的SBG。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，該方法還包括將所述輸入圖像采樣到多個(gè)角間隔，所述多個(gè)角間隔的每一個(gè)角間隔具有有效出射光瞳，所述有效出射光瞳是全光瞳的尺寸的一部分。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的方法，該方法還包括通過(guò)修改所述第一光學(xué)基片和所述第二光學(xué)基片的至少一者的至少一個(gè)光柵薄層的以下參數(shù)的至少一者來(lái)改善所述圖像的顯示: 光柵厚度、折射率調(diào)制、k矢量、表面光柵周期、和全息圖-基片折射率差。
23.根據(jù)權(quán)利要求20到22的任何一項(xiàng)所述的方法，使用權(quán)利要求1到19的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備 。
【文檔編號(hào)】G02B5/18GK103823267SQ201310557623
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月16日
【發(fā)明者】R·D·布朗, A·J·格蘭特, W·L·亨德里克, M·M·波波維奇, J·H·斯坦利, J·D·瓦爾德恩 申請(qǐng)人:羅克韋爾柯林斯公司, Sbg實(shí)驗(yàn)室有限公司