[发明专利]具有反射转向阵列的成像光引导

说明书

一种成像光引导，具有波导和入耦合衍射光学元件，该入耦合衍射光学元件形成在波导上并且被设置为将承载图像的光束引导到波导。两个或更多个至少部分地反射的表面的阵列，所述两个或更多个至少部分地反射的表面是平行定向的并且被设置为在第一维度上扩展来自入耦合衍射光学元件的承载图像的光束并且将所扩展的承载图像的光束朝向出耦合衍射光学元件引导。出耦合衍射光学元件形成在波导上并且被设置为在正交于第一维度的第二维度上扩展承载图像的光束并将承载图像的光束朝向观看者眼动范围引导。

技术领域

本发明一般地涉及电子显示器，并且更特别地涉及使用成像光引导以向观看者传递承载图像的光的头戴（近眼）显示器。

背景技术

头戴显示器（HMD）正被开发用于一系列多种多样的用途，包括军事、商业、工业、消防和娱乐应用。对于这些应用中的许多而言，在形成能够被虚拟地叠加在处于HMD用户的视场中的真实世界图像上的虚拟图像方面存在特别的价值。光学成像光引导将承载图像的光传递到在狭窄空间中的观看者以用于将虚拟图像引导到观看者的光瞳并使能该叠置功能。

在这样的常规的成像光引导中，经准直的、被相对地有角度编码的来自图像源的光束被通过诸如入耦合衍射光学元件的输入耦合耦合到平坦波导中，入耦合衍射光学元件可以被安装或形成在平坦波导的表面上或者被掩埋在波导内。这样的衍射光学元件可以被形成为衍射光栅、全息光学元件或者被以其它已知的方式形成。例如，衍射光栅可以是通过表面浮雕形成的。在沿着波导传播之后，被衍射的光可以在波导之外通过相似的输出光栅被导引回去，输出光栅可以被布置以提供沿着虚拟图像的一个维度的光瞳扩展。此外，可以在输入光栅和输出光栅之间沿着波导定位转向光栅以提供在虚拟图像的正交的维度上的光瞳扩展。从波导输出的承载图像的光为观看者提供扩展的眼动范围（eyebox）。

虽然常规的成像光引导布置已经提供了在近眼显示光学器件的体积、重量和总体成本上的显著降低，但是光栅的整体效率通常受在每个光栅界面处发生的光学损耗限制。由于每个光栅区域只能针对一个特定的场角度并且针对一个特定的波长而被完全优化，所以跨虚拟图像的视场或者跨同一虚拟图像的可视谱的性能可能极大地变化。这对于对从入耦合衍射光学元件行进到出耦合衍射光学元件的光进行引导的转向光栅也是真实的。因为当光遇到每个衍射光学元件时损失相当大量的输入光能量，所以输入图像源必须足够亮以补偿在呈现给观看者的虚拟图像中的损失的亮度。

因此，可以领会的是，存在针对仍然提供想要的光瞳扩展但是在头戴显示器中提供增强的效率的改进的承载图像的光引导的设计的需要。

在考虑用于成像的光引导设计时应当注意的是，在波导内行进的承载图像的光被有效地通过输入耦合——无论是使用光栅、全息图、棱镜、镜面的耦合机制还是某种其它机制——编码。在输入处发生的光的任何反射、折射和/或衍射必须被输出对应地解码以便重新形成呈现给观看者的虚拟图像。

放置在入耦合衍射光学元件与出耦合衍射光学元件之间的中间位置的转向光栅典型地被选取使得其不引起在编码的光上的任何改变。优选地，转向光栅使波导内的光线束重定向，但是不改变虚拟图像的编码的角度信息。在这样的设计系统中的所得到的虚拟图像不被旋转。进一步地，如果这样的系统确实将旋转引入到虚拟图像，则它将跨不同的场角度和光波长而非均匀地这样做，因此在所得到的虚拟图像中引起不想要的失真或像差。

Amitai的题为“Substrate-Guided Optical Beam Expander”的美国专利No. 6,829,095公开了采用镜面形式的输入耦合和输出耦合，其将承载图像的光束的集合反射进入平坦波导以及反射出平坦波导。输出耦合被划分成反射表面的阵列以用于沿着一个维度扩展出射光瞳。在此被称为转向镜面的反射表面的中间阵列提供了在正交的维度上对出射光瞳进行扩展。各种输入、输出和中间反射表面彼此匹配以保持承载图像的束的想要的角度定向。