[发明专利]波导光栅设备

说明书

一种光学波导包括至少两个TIR表面并且包含光栅。具有沿第一传播方向的第一角度范围的输入TIR光经历至少两次衍射。每次衍射将光指向到沿第二传播方向的唯一的TIR角度范围中。

相关申请的引用

以下专利申请的全部内容通过引用包含于此：名为“紧凑型边缘照明衍射显示器”的US专利申请13/506,389，名为“光学显示器”的美国专利8,233,204，名为“提供透明显示器的方法和装置”的PCT申请US2006/043938，名为“可穿戴数据显示器”的PCT申请GB2012/000677，名为“紧凑型边缘照明眼镜显示器”的美国专利申请13/317,468，名为“全息广角显示器”的美国专利申请13/869,866，以及名为“透明波导显示器”的美国专利申请US8,224,133，名为“激光照明设备”的美国专利US8,565,560，名为“全息照明系统”的美国专利6,115,152，名为“使用可切换布拉格光栅的紧凑型图像传感器”的PCT申请PCT/GB/2013/000005，名为“全息聚合物分散液晶材料及设备的改进”的PCT申请PCT/GB2012/000680，名为“全息波导眼睛跟踪器”的PCT申请PCT/GB2014/000197，名为“跟踪3D空间中的对象的全息波导”的US临时专利申请62/071,534，名为“眼睛跟踪装置”的PCT/GB2013/000210，名为“眼睛跟踪装置”的PCT申请GB2013/000210。

背景技术

本发明涉及波导设备，且更特别地，涉及一种波导全息光栅。目前，在一些显示器和传感器应用中考虑波导光学，对于这样的显示器和传感器应用，波导将多种光学功能集成到薄的、透明的、轻质衬底中的能力起着关键作用。这样的新方法正激励着新产品开发，包括用于增强现实(AR)和虚拟现实(VR)的近眼显示器、用于航空和公路运输的紧凑型平视显示器(HUD)、以及用于生物测量和激光雷达(LIDAR)应用的传感器。波导在能够用衬底有效引导的光线角度范围方面受限。在上面的引用中提出的一个方案是使用全息光栅进行光的耦合入以及耦合出。但是，虽然传输全息光栅有效地实施这些功能，它们较窄的角度带宽对能够通过波导传输的图像内容施加更严格的角度限制。使用上面的引用中包含的技术，能够通过堆叠或复用光栅来克服这些角度限制。堆叠目前被全息散射所限制，而可在一个波导中复用的光栅的数量被目前的材料调制一致性所限制。一个可能的非常有用的类型的光栅(称为折叠光栅)对于允许将要在一个光栅层中实现的光束传播方向和扩束的改变是唯一的。但是，已发现原型折叠光栅具有较窄的角度带宽。因此，存在对于具有实现(address)波导的全角度能力的波导折叠光栅的需要。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种具有实现波导的全角度能力的角度带宽的波导折叠光栅。

本发明的第一实施例中实现了本发明的目的，在第一实施例中，提供了一种具有至少两个TIR表面的光学波导，该光学波导包含光栅。具有沿第一传播方向的第一角度范围的输入TIR光经历至少两次衍射，其中，来自所述第一角度范围的每条光线及其对应的衍射光线位于所述光栅的衍射锥，其中，每次衍射提供沿第二传播方向的唯一的TIR角度范围。

在一个实施例中，来自所述第一角度范围的每条光线及其对应的衍射光线偏离所述光栅的k-矢量一角度，所述角度比衍射效率为峰值衍射效率的预定义部分时的角度小。

在一个实施例中，每个所述唯一的TIR角度范围提供唯一的衍射效率相对的角度特性。在一个实施例中，所述衍射效率相对的角度特性不重叠。在一个实施例中，所述衍射效率相对的角度特性重叠。

在一个实施例中，所述两次衍射产生的衍射光线矢量的角度分离等于衍射锥角。

在一个实施例中，所述光栅为提供许多次衍射的漏栅，其中，仅两次衍射特征在于所述衍射锥上的唯一一对入射和衍射光线矢量。

在一个实施例中，所述光栅是布拉格光栅或SBG，且所述光栅被记录在HPDLC光栅、均匀调制光栅或反向模式HPDLC光栅中的一个中。