[发明专利]显示元件、个人显示装置、用于在个人显示器上显示图像的方法及用途

说明书

本发明涉及用于个人显示系统的显示元件、个人显示器，以及方法和用途。该显示元件包括能够通过全内反射来引导光的光导(21)，衍射式输入耦合光栅(22)和衍射式输出耦合光栅(25)。输入耦合光栅适于将导向其的光耦合到光导，以允许光传播到输出耦合光栅。根据本发明，输入耦合光栅适于将光作为至少两个衍射波前而耦合到至少光导，并且显示元件还包括至少两个不同的出射光瞳扩展光栅(23,24)，它们适于沿着不同的路径分别将所述波前引导到所述外耦合光栅。本发明允许减小衍射式显示元件的尺寸。

技术领域

本发明涉及衍射显示技术。特别是，本发明涉及基于光导的衍射显示器，其包括输入耦合光栅、出射光瞳扩展光栅和输出耦合光栅。另外，本发明涉及一种在衍射式显示器上显示图像的方法和一种新颖的用途。具体地说，本发明涉及个人显示器，例如利用衍射光栅的近眼显示器(NED)。

背景技术

可以在基于衍射式光导的显示器的输入耦合光栅和输出耦合光栅之间使用附加光栅，即所谓的出射光瞳扩展器(EPE)来扩展该显示器的出射光瞳。通常，如在US6580529B1中描述的那样，衍射式NED的输入耦合光栅使用单个的反射或透射衍射级，其通过出射光瞳扩展器而被引导至输出耦合光栅。为了获得较高的输入耦合效率，需要使用复杂的光栅结构(例如倾斜的或悬垂的结构)，以使所有光进入所采用的衍射级。在US2016/0231568A1中公开了这样一些先进的光栅结构，以及NED显示元件的几何形状。

具有2D出射光瞳扩展器的单个光导的最大视场(FOV)取决于光导的折射率和输入耦合光的波段。当波段为460-630nm且光导折射率为2.0时，最大FOV约为33-35度。当前，由于具有较高折射率的玻璃材料会吸收太多的蓝光而不能在光导中使用，因此将折射率限制为2.0。增加FOV的典型方法是将多个光导相互堆叠，以使光导的输入耦合光栅横向地重合。一种方法是为每种原色(红、绿、蓝)使用单个光源。在这种方法中，RGB图像需要三个光导。

即使采用堆叠方法，像上面提到的那些现有技术的解决方案在输入耦合中仅利用单个衍射级，导致了大尺寸的EPE光栅。这阻止了它们在高FOV(大于40度)的可穿戴NED设备中的使用。为了说明这个问题，将US2016/0231568A1中所公开的显示设计应用于单色(50-100nm)波段和50度FOV的NED显示器(其具有高15mm、宽10mm的眼动范围和20mm的良视距)上，可获得如图1所示的结构。该结构包括光导11，以及布置在该光导11上的输入耦合光栅12、出射光瞳扩展光栅13和输出耦合光栅14。由于FOV较大，EPE光栅13在垂直和水平方向上都比输出耦合光栅14大。光导的总尺寸为高77毫米、宽52毫米，这对于紧凑型眼镜式NED来说太大了。

因此，需要有改进的解决方案，以允许产生具有大FOV的较小的NED。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有技术中的至少一些问题，并提供一种用于个人显示器的新颖的显示元件。一个具体目的是提供一种需要比现有技术的解决方案中的面积更小的显示元件。一个特定目标是使用较小的光导来实现相同的眼动范围和FOV。

另一个目的还在于提供一种显示元件，其允许实现比传统解决方案中的FOV更高的FOV。

另外的目的是提供一种采用这种显示元件的个人显示装置、一种在个人显示器上显示图像的改进方法，以及一种新颖的用途。

本发明基于以下思想：使用入射光的一个以上的衍射级，并且沿着不同的路径经由不同的出射光瞳扩展光栅将衍射级耦合和引导到波导中。这允许在不损害视场、甚至能增加元件的最大视场的情况下制造小尺寸的显示元件。