[发明专利]夹心式衍射光学组合器

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(但非排他地)涉及衍射元件。

背景技术

在光学器件的领域中，组合器是从组合器的相同侧(反射/反射或透射/透射)或从组合器的两个不同侧(反射/透射)将两个图像组合在一起的光学设备。光学组合器时常用于允许用户观看叠加于外部视图上的计算机产生图像(“CGI”)的抬头显示器(“HUD”)中。HUD使得用户能够在不必将视线从其平常视点移开的情况下观看CGI。术语HUD起源于其在航空电子学中的使用，其使得飞行员能够在抬头向前看的同时观看信息，此与向下看仪器面板相反。常规HUD包含倾斜二向色板、全息组合器、成角度透明衬底及复合共轭透镜。

存在组合器的两种版本。第一版本在不对任一场添加任何透镜处方的情况下组合两个场(通常为倾斜二向色板或复合共轭透镜)。第二版本除组合功能性以外还包含透镜作用功能性，其通常为用于来自显示器的场的离轴非球面透镜作用处方。来自场景的场通常不随任何透镜作用功能性改变。透镜作用功能性通常用于将显示器的虚拟图像形成到远场中或距组合器特定距离处。

全息组合器通常由于其显著成本而用于军事应用中，但确实提供高质量HUD。可通过将重铬酸盐明胶、卤化银或光聚合物暴露于一对相交激光光束(参考光束及物体光束)来制作全息组合器。将这些光束之间的干涉图案记录到全息媒体中，借此在固化之后形成全息组合器。可将全息图制作为具有仅用于经反射波(来自显示器的波)的光学功率的复合镜，从而使经透射波不受扰动。还可将全息图制作为在透射模式中类似地操作。复合镜性质反射沿所要方向以给定角度入射的给定波长，而光学功率性质提供透镜作用功能，例如凹面反射器。此为传统体积全息图的布拉格(Bragg)条件。然而，全息组合器具有若干个缺点。其制作昂贵、难以大量生产且具有有限使用寿命(例如，由于温度、湿度、压力及其它苛刻环境条件而开始降级)。

已在汽车中使用成角度透明衬底组合器在挡风玻璃上给驾驶员呈现HUD信息。这些光学组合器由透明透视衬底制成，外部图像源在所述衬底上显示CGI。然而，由于透明透视衬底通常为不具有光学功率的平坦衬底以便不使外部FOV失真，因此透明衬底必须成角度(例如，接近45度)且使用庞大的外部放大透镜来扩展显示区域上方的CGI。庞大的外部透镜及透明透视衬底组合器的成角度性质使得其不十分有助于紧凑布置，例如头戴式显示器(“HMD”)。

通常在观测器中使用复合共轭透镜组合器来在外部视图上显示图像(例如，瞄准器)。这些光学组合器包含两个透镜。第一透镜相对于第二透镜较接近眼睛定位，且包含部分反射涂层以将物体(例如，激光十字线)的虚拟图像投射到用户的眼睛中。第一透镜还提供扩大图像的光学功率且在近眼式显示器的情况中虚拟地使图像从眼睛向后位移以使其聚焦。第二透镜与用户的眼睛相对地与第一透镜成直线定位且提供与第一透镜互补的光学功率以使外部视图预失真以弥补第一透镜对外部视图的光学效应。复合透镜组合器十分有助于观测器的筒式配置，但另外为庞大且相当沉重的—因此不十分适合在HMD配置中使用。

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。所述图式未必按比例绘制，而重点放在图解说明正描述的原理上。

图1是根据本发明的实施例的夹心式衍射光学组合器的横截面图。

图2是根据本发明的实施例的衍射光学组合器的平面图。

图3是图解说明根据本发明的实施例用于使用光刻制作夹心式衍射光学组合器的工艺的流程图。

图4A到4F图解说明根据本发明的实施例用于使用光刻制作夹心式衍射光学组合器的制作步骤。

图5是根据本发明的实施例使用两个夹心式衍射光学组合器的双目式头戴式显示器的俯视图。

具体实施方式

本文中描述夹心式衍射光学组合器的设备、系统及制作方法的实施例。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或多者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。