[发明专利]阶梯形波导元件、个人显示设备和产生图像的方法

说明书

本发明提供了一种衍射波导元件、波导叠置件、个人显示器以及形成可视图像的方法。该元件包括：由两个光学表面(102A/B)限定的波导区域(102)，光可以通过全内反射在这两个光学表面(102A/B)之间传播，光学表面(102A/B)具有表面轮廓；以及能够改变波导区域(102)内的光场的至少一个衍射光栅。根据本发明，所述光学表面(102A/B)中的至少一个光学表面的表面轮廓是阶梯形轮廓。

技术领域

本发明涉及光波导。特别地，本发明涉及其上设置有衍射光栅的非平坦波导。这样的波导可以用于增强现实(AR)、虚拟现实(VR)和混合现实(MR)设备和应用，例如近眼显示器(NED)中。

背景技术

在增强现实近眼设备中，可以通过放置在用户的一只或两只眼睛前面的波导来产生可见图像。波导的形状受到对波导功能的物理要求的限制，但是通常这种形状(其可以是例如平面或球形的)从形状因子或外观的角度来看是不可接受的。

US 8,830,584B2公开了最新的球形和非球形波导。特别地，它讨论了如下装置和方法：所述装置和方法用于将出射光瞳扩展器(EPE)与球形或非球形非平面基板以及多个衍射元件一起使用以扩展用于观看的显示器的出射光瞳，从而减少图像扩散，改善图像分辨率并且允许使用较短的焦距。类似的解决方案在P.Saarikko,J.Opt.A:PureAppl.Opt.11(2009),065504中也有讨论。

使用现有技术的波导解决方案，波导的光学特性和性能与其物理形状紧密相关。因此，需要在物理与视觉设计因素之间做出折衷。例如，很难将衍射波导显示器与诸如矫正透镜或非矫正透镜之类的现有光学元件集成在一起。然而，这样的集成将是合乎需要的，以便例如使显示设备具有所谓的眼镜形状因子，这在AR NED中特别常见。

因此，需要改进的波导和基于波导的显示设备。

发明内容

本发明的一个目的是解决上述问题中的至少一些问题，并且提供一种新颖的波导元件，特别是用于个人显示应用。一个特定目的是提供如下解决方案：所述解决方案可以用于使波导的形状与其必须遵循的表面的形状无关，从而可以同时满足物理和视觉要求，即，提供一种提供波导设计的更多自由度的解决方案。

一个特定目的还在于提供一种眼镜形状因子的个人显示器，诸如近眼设备。

这些目的是通过根据独立权利要求的发明来实现的。

根据一个方面，本发明提供了一种衍射波导元件，该衍射波导元件包括：由两个光学表面限定的波导区域，光可以通过全内反射在这两个光学表面之间传播，该光学表面具有表面轮廓；以及至少一个衍射光学元件(DOE)，特别是光栅，其能够改变波导区域内的光场。根据本发明，光学表面中的至少一个光学表面的表面轮廓是阶梯形轮廓。

根据另一方面，本发明提供了一种波导叠置件，该波导叠置件包括多个彼此上下堆叠的上述类型的相似或不相似的波导元件。

根据又一方面，本发明提供了一种个人显示设备，该个人显示设备包括本类型的波导元件或波导叠置件以及图像投影仪，该图像投影仪适于将图像投影到波导元件或波导叠置件以通过波导区域进行传播。光栅可以用作入耦合光栅、出耦合光栅、出射光瞳扩展器光栅。

根据一个方面，本发明提供了一种在近眼显示器中形成可视图像的方法，该方法包括：提供如上所述的波导元件或波导叠置件，将图像投影到布置在波导元件或波导叠置件的第一区域上的入耦合光栅，允许光在波导区域内部或沿着阶梯形轮廓的区域内部传播，以及通过布置在波导元件或波导叠置件的第二区域上的出耦合光栅将光耦合出波导。