[发明专利]用于近眼显示器的动态有孔波导

说明书

技术领域

本发明涉及用于发射特别地用于近眼显示器的被有角度地编码的图像信息的板状波导系统和用于诸如优化观看条件的目的的可控输出孔。

背景技术

紧凑式近眼显示器常常将板状（通常是平面的）波导用于向用户的眼睛发射有角度的图像信息作为来自位于用户的视线之外的图像源的虚拟图像。图像信息一般地是在波导的一端附近被输入，并在波导的另一端附近被输出。该图像信息作为沿着波导在内部被反射的多个角度相关的射束而沿着波导传播。衍射光学装置常常被用于通过第一入射角范围向波导中注入被波导在内部反射的图像信息，以及被用于通过相应范围的较低入射角来发射图像信息以便在可以与用户的眼睛对准的位置上在波导后面中继或以其它方式形成岀射光瞳。波导的输出端处的衍射光学装置和波导两者常常是至少部分透明的，使得用户还可以通过波导来观看周围环境，诸如当图像信息不在被波导传送时或者当图像信息并未填充整个视场时。

波导显示器常常局限于使用其中用单个色彩来形成虚拟图像的单色光。常规衍射光学装置趋向于通过不同的角度衍射不同的波长，从而产生色像差。可以使用多个波导（例如，堆叠波导）或更复杂的衍射光学装置来缓解这些像差，但是该解决方案趋向于限制可以通过其来有效地发射图像信息的不同角度或波长的数目。

在其内部可以在波导后面的规定位置上（即，在设计的眼眶内）看到虚拟图像的有效岀射光瞳尺寸常常被过度限制，因为衍射光束趋向于在离开平面波导时扩展开。输出衍射光学装置的衍射效率随位置的变化已被用来扩展岀射光瞳，但这些变化使衍射光学装置变得复杂，并且尤其难以在多色光的情况下来实现。

某些平面光学显示器还意图支持同一眼眶内对周围环境的观看。此要求对输出衍射光学装置施加额外的负担以保持某个透射率水平。

发明内容

本发明在其优选实施例中的一个或多个中以用于近眼显示器波导的可控孔为特征。电子控制机构提供了孔内的可变换光栅结构在有源和无源状态之间以及通过效率的中间状态的转换。例如，可以将可变换光栅结构与邻近配对光学装置配对，使得可变换光栅结构和配对光栅结构一起形成常见板状光学装置。可变换光栅结构优选地由电活性材料形成，其折射率可以电子地从与配对光栅结构的折射率匹配的值（例如，无源状态）变成与配对光栅结构的折射率不匹配的一个或多个其他值（例如，有源状态）。

在输出孔内，可以将可变换光栅结构和匹配光栅结构附加到波导的正面或背面，从而通过透射或反射进行操作。在可变换光栅结构的无源状态下，输出孔在很大程度上充当波导的不中断表面，支持沿着波导传播的载像光束的全内反射，同时还支持通过波导的对周围环境的很大程度上无障碍的观看。在可变换光栅结构的有源状态下，输出孔充当嵌入波导的表面中的衍射光学装置以便从波导向期望的眼眶中发射载像信息。在变化的程度上，可变换光栅结构的有源状态可以模糊通过波导的对周围环境的观看，诸如通过衍射在眼眶外面的透射光。因此，在无源状态下，输出孔打开以便从眼眶内观看周围环境、但闭合以观看沿着波导传送的图像，而在有源状态下，输出孔打开以便从眼眶内观看由波导传送的图像、但可以被至少部分地闭合以观看周围环境。

可以将可控输出孔的电子控制机构图案化以便不同地激活输出孔的不同区段，即可变换光栅结构的不同部分。也就是说，可以使得输出孔的不同区段单独可访问，使得可以将一个或多个孔区段切换到有源状态，同时其他孔区段保持在无源状态。电子控制结构还可以提供其中可以提高或降低可变换光栅结构与其邻近配对光学装置之间的折射率差以调节衍射效率的各种中间状态。此外，可以使电子控制机构与诸如来自扫描光学装置的各种载像射束的注入同步，使得可以通过输出孔的不同部分发射射束并且达不同的持续时间。例如，可以通过输出孔的一个区段来发射较高入射角射束，并且可以通过输出孔的不同区段来发射较低入射角射束以便使用更多的可用光来在眼眶内形成更大且更均匀的光瞳。通过与图像的不同部分的发射（即，图像的角度构造）同步地跨输出孔的多个区段来调节激活的持续时间或衍射效率，可以进一步增强利用眼眶光瞳的图像均匀度。

可以在近眼显示器波导的内表面和外表面两者上形成相似地可控的可变换光栅结构和配对光栅结构，以单独地控制沿着波导传送的载像信息的不同部分的发射。例如，通过调节两个可变换光栅结构内和之间的激活的持续时间、衍射效率或时刻，可以单独地控制眼眶的两个正交维度或色彩的不同范围。

附图说明

图1是包括具有可控输出孔的板状波导的近眼显示器的概略顶视图。

图2是示出了可控输出孔的各种层的板状波导的分解图。