[发明专利]三维显示设备

说明书

公开了一种用于三维显示的设备，包括：波导，具有一对相对的面，所述相对的面被配置为沿着波导的长度传播辐射；辐射源，与波导光学地耦合；至少一个棱镜元件，具有与所述波导的一个面光学地耦合的面；以及图像调制材料层，其光学地耦合到波导的一个面。图像调制材料可以光学地耦合到波导的一个面的区域，该区域的至少一部分位于棱镜元件的一个面的周边之外。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年9月20日提交的序列号为62/733,785的美国临时专利申请和于2019年2月25日提交的序列号为62/809,939的美国临时专利申请的权益和优先权，其全部内容通过引用包含于此。

技术领域

本发明涉及三维显示器；更具体地，利用在波导中传播的光的调制的显示器。

背景技术

使用二维图像来显示三维物体具有各种缺点。例如，许多人很难从一组二维图像中预见到三维物体的最终外观，并且可能很难从二维图像中了解物体的相对位置或视线的尴尬。因此，以使图像的各个分量之间的空间关系显而易见的方式来在图像内显示三维物体是有用的。

已知许多类型的三维显示器，但是它们都有局限性。结果，提供具有真实视差的体积图像的三维显示器是积极研究的主题。这样的显示器(有时称为“光场”显示器)不需要观察者配戴特殊的眼镜，并且提供的信息比更常规的立体三维显示器中可获得的信息要多得多。

可用于提供这种体积显示器的一种技术使用在波导中传播的光的调制，例如使用例如在美国专利No.5,812,186中所述的液晶(LCD)技术。然而，液晶材料可能引入光调制的角度依赖性，这会限制这种三维显示器的性能。

美国专利申请No.20170160556描述了使用电泳或电润湿技术来阻止波导中的全内反射从而提供三维图像的一部分。如其中所描述的，可以使用包括多个波导的堆叠来提供完整的图像。

可以通过仅利用单个波导来简化这种三维显示器的设计。对于某些应用，使用单个波导的三维显示器可能是有利的，因为这种设计允许较低的制造成本和更紧凑的显示器。使用单个波导的三维显示器的现有技术示例在图1中示出，并且在上述美国专利No.5,812,186中进行了描述。参考图1(从该专利复制)，可以通过首先使光传播通过波导到片段37然后传播到经由由图像调制材料39制成的开关光学地耦合至片段37的棱镜38来三维地显示波导35的片段36中的(x，z')二维图像。图像调制材料39允许光在所选择的平面中从波导中逸出，并且可以选择的每个平面对应于三维图像的y坐标的不同值。

图1所示的显示器的缺点在于，该显示器提供具有水平视差而不是垂直视差的三维图像，这在某些应用中可能是期望的。另外，由于显示器扫描图像的三个维度中的两个，因此图像调制材料39的切换速率必须非常高(在当前的现有技术中不切实际地很高)。最后，由于图像是通过时分复用产生的，因此不可能提供非透明图像(即，其中前景中的物体阻挡了它们后面的物体的视图的图像)，如同在正常的三维场景中发生一样。

因此，需要利用单个波导的改进的三维显示器。

发明内容

在一个方面，一种用于三维显示的设备，包括：波导，具有一对相对的面，所述相对的面被配置为在所述面之间沿着波导的长度传播辐射；辐射源，与波导光学地耦合，并且被配置成将辐射传输到波导；至少一个棱镜元件，具有与所述波导的至少一个面光学地耦合的面，所述棱镜元件的面具有周边；以及图像调制材料层，其光学地耦合到波导的至少一个面的区域，所述区域的至少一部分位于棱镜元件的面的周边的外部。

在另一方面，一种用于三维显示的设备，包括：波导，具有一对相对的面，所述相对的面被配置为在所述面之间沿着波导的长度传播辐射；辐射源，与波导光学地耦合，并且被配置成将辐射传输到波导；至少一个棱镜元件，具有与所述波导的至少一个面光学地耦合的面；以及图像调制材料层，其光学地耦合到波导的至少一个面，其中所述波导在所述图像调制材料层与所述至少一个棱镜元件之间。