[发明专利]衍射波导元件和衍射波导显示器

说明书

本发明涉及一种用于个人显示设备的衍射波导元件，该元件包括：在波导平面中延伸的显示波导；耦入衍射光学元件，该耦入衍射光学元件布置在显示波导上或布置在显示波导中，以用于将光线衍射地耦合到显示波导中；以及耦出衍射光学元件，该耦出衍射光学元件布置在显示波导上或布置在显示波导中，以用于将被衍射地耦合的光线耦出显示波导。另外，提供了一种光线倍增器元件，该光线倍增器元件在光学上处于耦出衍射光学元件的上游，该光线倍增器元件能够将入射到耦入光栅的光线分离成多条平行光线，这样的多条平行光线在它们进入耦出衍射光学元件之前在波导平面中在空间上移位。此外，本发明涉及波导显示设备。

技术领域

本发明涉及衍射波导。这样的波导可以用在个人显示设备，诸如头戴式显示器(HMD)和平视式显示器(HUD)中。

背景技术

波导是许多现代个人显示设备中关键的图像形成元件。可以使用衍射光栅将待显示的图像耦入和耦出波导，以及在波导内对待显式的图像进行修改。例如，可以提供：耦入光栅，用于将来自投射器的图像耦合到波导中；出射光瞳扩展器光栅，用于将广场扩展到波导的一个或多个面内维度上；以及耦出光栅，其将波导的图像耦合至用户的眼睛。

与衍射波导元件有关的一个问题是从其耦出的图像的条带化。这是因为在波导中经由全内反射行进的光束可能具有比观看者的眼瞳的直径长的反弹(bounce，弹跳、反射)周期，即，跳跃长度。在这种情况下，像素可能被衍射到瞳孔旁，并且因此对于用户不可见。特别是在大的入射角(相对于波导的法线)的情况下和在使用激光投射器进行图像形成时，这种效应尤其明显，原因在于每个图像像素仅由窄光束组成。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，并且提供防止或减少条带化并有助于提供更完整的图像的解决方案。

本发明是基于下述思想的：提供一种结合波导的耦入衍射光学元件的、能够将入射光线分离成在波导中传播的彼此移位的多条平行光线的光线倍增器元件。倍增器可以被设计成使得在所有入射角下都有至少一条光线，优选地多条光线，出射到观看者的瞳孔，由此防止了条带化。光线倍增器元件可以适于将入射光线分离到一个维度上或两个维度上。

具体地，本发明由本发明的实施方式中所述的内容表征。

根据第一方面，本发明提供一种用于个人显示设备的衍射波导元件，该元件包括：在波导平面中延伸的显示波导；耦入衍射光学元件，该耦入衍射光学元件布置在显示波导上或布置在显示波导中，以用于将光线衍射地耦合到显示波导中；以及耦出衍射光学元件，该耦出衍射光学元件布置在显示波导上或布置在显示波导中，以用于将被衍射地耦合的光线耦出显示波导。另外，提供了一种光线倍增器元件，该光线倍增器元件在光学上处于耦出衍射光学元件的上游，该光线倍增器元件能够将入射到耦入光栅的光线分离成多条平行光线，这样的多条平行光线在它们进入耦出衍射光学元件之前在波导平面中在空间上移位。光线倍增器元件可以设置在耦入衍射光学元件的上游或下游。

具体地，在显示波导中，在入射光线的传播方向上，多条平行光线——即包括初始光线和经倍增光线——的密度高于入射光线的跳跃长度。这确保了产生光场的真实光线致密化。

根据第二方面，本发明提供一种衍射波导显示器，包括：上述类型的衍射波导元件；以及图像投射器，其适于将多条激光光线投射到所述耦入衍射光学元件上，光线在光线倍增器元件中在空间上倍增。由图像投射器发出的初始单光束作为平行的多光线束从耦出光栅出射。

具体地，在光线倍增器元件中发生的处于各特定角度的经倍增光线的空间移位与光线在显示波导中的跳跃长度不同，使得发生光线的附加空间散布。在典型的实施方案中，在波导中该移位小于跳跃长度。

本发明提供了显著的益处。光线倍增器使在波导中传播的光线的反弹密度增加，并因而使在耦出光栅处每单位面积的耦出光线的数量增大。这增加了至少有一条光线出射到观看者的眼瞳的概率，或者完全确保了至少有一条光线出射到观看者的眼瞳。因此，防止了条带化或者至少减少了条带化，并且看到了完整且更为均匀的(无条带的)图像。