[发明专利]具有使光弯曲及聚焦的衍射光栅的近眼式显示器

说明书

技术领域

本发明大体来说涉及光学器件的领域，且特定来说(但非排他性地)涉及近眼式光学系统。

背景技术

头戴式显示器(“HMD”)是佩戴于头部上或围绕头部佩戴的显示装置。HMD通常并入有某一种类的近眼式光学系统以在距人眼几厘米内发射光图像。单眼显示器称为单目式HMD，而双眼显示器称为双目式HMD。一些HMD仅显示计算机产生的图像(“CGI”)，而其它类型的HMD能够将CGI叠加于现实世界视图上。这后一种类型的HMD可用作用于实现扩增现实的硬件平台。在扩增现实的情况下，用覆叠的CGI扩增观看者的世界图像(也称为抬头显示器(“HUD”))。

HMD具有众多的实用应用及休闲应用。航空航天应用准许飞行员在不使其眼睛离开飞行路径的情况下看到极其重要的飞行控制信息。公共安全应用包含地图及热成像的战术显示。其它应用领域包含视频游戏、交通运输及电信。随着技术演变，必定存在新发现的实用应用及休闲应用；然而，这些应用中的许多应用由于用于实施现有HMD的常规光学系统的成本、大小、视场及效率而受到限制。

图1图解说明使用安置于波导结构110的背侧上的全息衍射光栅105的常规近眼式光学系统100。波导结构110将来自观看者脸部的前方周围的图像源115的图像光输送到其眼睛120。由于人眼通常不能够聚焦于放置在五到十厘米内的物体上，因此此系统需要插置于波导结构110与图像源115之间的透镜125。通过将图像源115定位于透镜125的焦点内侧，透镜125形成虚拟地从眼睛进一步向后位移的图像。透镜125通常为庞大的元件。

光学系统100使用安置于波导结构110的背侧上的全息衍射光栅105来代替常规平面镜以将光耦入及耦出波导结构110。衍射光栅105为出于耦入及耦出目的而简单地反射或重新引导光的单相衍射光栅。这些单相衍射光栅为效率低下的反射器，因为其仅反射高阶衍射而使含有光学波前中的最大能量部分的一阶衍射通过。除不良光学反射器以外，输入及输出衍射光栅也必须被彼此精确地调谐，输出图像也将遭受色彩分离。实现输入与输出光栅105之间的充足匹配需要对制造公差的极端控制，此通常为困难且昂贵的。最终，光学系统100具有受在耦入与耦出衍射光栅105之间导引光的波导结构110的宽度约束的有限视场。可通过使用高折射率材料稍微地增加光学宽度以改进视场，但最终波导结构110的物理尺寸提供对视场的更大控制。增加波导结构110的宽度导致庞大、沉重而不舒适且难看的目镜。

附图说明

参考以下各图描述本发明的非限制性及非详尽实施例，其中在所有各视图中相似参考编号指代相似部件，除非另有规定。

图1(现有技术)图解说明使用用于光弯曲的单相耦入及耦出衍射光栅的常规近眼式光学系统。

图2是图解说明根据本发明的实施例的使用使光弯曲及聚焦的衍射光栅的近眼式光学系统的功能框图。

图3图解说明根据本发明的实施例的被组织成反射并聚焦光的反射衍射光栅的衍射元件的实例性重复图案。

图4是图解说明根据本发明的实施例的用于产生轮廓函数的迭代快速傅里叶变换过程的流程图，所述轮廓函数描述反射并聚焦光的衍射光栅。

图5是图解说明根据本发明的实施例的具有用硅上液晶显示面板实施的光引擎的近眼式光学系统的功能框图。

图6是图解说明根据本发明的实施例的具有用微机电系统(“MEMS”)扫描镜实施的光引擎的近眼式光学系统的功能框图。

图7是根据本发明的实施例的具有反射涂层的衍射元件的实例性横截面图。

图8是根据本发明的实施例的具有分色角度选择性多层涂层的衍射元件的实例性横截面图。

图9图解说明根据本发明的实施例的用以制作用于形成具有光弯曲及光聚焦性质的衍射光栅的主模的电镀技术。

图10是根据本发明的实施例的离散多相衍射元件的实例性横截面图。

图11是根据本发明的实施例的使用反射衍射光栅的示范双目式头戴式显示器。

具体实施方式

下文描述用于具有使光弯曲及聚焦的衍射光栅的头戴式显示器(“HMD”)目镜的系统、设备及操作方法的实施例。在以下描述中，陈述众多特定细节以提供对所述实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可在无所述特定细节中的一者或一者以上的情况下或借助其它方法、组件、材料等实践本文中所描述的技术。在其它实例中，为避免使某些方面模糊，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作。