[发明专利]具有光栅镜的衍射显示元件

说明书

提供了衍射显示元件，该衍射显示元件包括：波导本体；耦入区域(11、21、52、520D)，该耦入区域用于使光衍射地耦合到波导本体中；以及耦出区域(13、31、41、56、560D)，该耦出区域用于使光衍射地耦合出波导本体，所述光适于沿着主要路线从所述耦入区域传播到耦出区域。根据本发明，该元件还包括至少一个光栅镜(22A、22B、32、33、42、53A、53B、53C、53D、531D、532D、533D、534D)，该至少一个光栅镜位于所述主要路线外部、用于使从所述主要路线分散的光衍射地镜射回所述主要路线。本发明允许提高基于波导的个人显示器的效率。

技术领域

本发明涉及衍射显示技术。特别地，本发明涉及基于光导的衍射显示元件，该衍射显示元件包括耦入光栅、耦出光栅以及可选地出射光瞳扩展器(EPE)光栅。这样的显示元件可以用于个人显示器中，诸如头戴式显示器(HMD)，例如用于近眼式显示器(NED)和平视式显示器(HUD)。

背景技术

HMD和HUD可以使用波导技术实现。可以使用衍射光栅使光耦合到波导、使光在波导中重定向或者使光耦合出波导。在一种常规的显示器设计中，光从投射器被引导到耦入光栅，该耦入光栅使进入的光衍射到波导中，在该波导中，进入的光经由全内反射朝向耦出光栅传播。耦出光栅使光衍射出波导，从而对原始显示给耦入光栅的图像进行再现。EPE光栅可以用在耦入光栅与耦出光栅之间，以使显示器的可视区域横向地扩展。

基于波导的显示器中的一个问题是波导元件即波导本体和布置在其上的光栅的总效率非常低，典型地为大约0.1％至5％。这是因为光栅的相对较低的耦合效率以及光在元件中行进时发生的其他损耗。

因此，存在对改进的波导显示器的需要。

发明内容

本发明的目的是提高波导显示器的效率。

该目的通过独立权利要求中陈述的内容来实现。

本发明基于下述概念：向波导元件提供至少一个基于光栅的镜，使得已从耦入光栅朝向耦出光栅的路线分散(stray，杂散)的光返回到该路线。也就是说，原本会损耗的光被镜射回限定光的“正常”路线的光栅之一，并进一步朝向耦出光栅。

根据一方面，提供了一种衍射显示元件，包括：波导本体；耦入区域，该耦入区域用于使光衍射地耦合到波导本体中；以及耦出区域，该耦出区域用于使光衍射地耦合出波导本体，所述光适于沿着主要路线从所述耦入区域传播到耦出区域。根据本发明，该元件还包括至少一个光栅镜，该至少一个光栅镜位于所述主要路线外部、用于使从所述主要路线分散的光衍射地镜射回所述主要路线。

例如，可能由于下述情况而发生从主要路线的分散，所述情况为处于远离主要路线的一个或多个衍射级的衍射，或者光射线行进穿过主要路线上的光栅区域而不与其相互作用。

根据另一方面，提供了一种个人图像显示设备，诸如，包括本类型的衍射显示元件和图像投射器，该图像投射器用于使图像瞄准到耦入区域，在该耦入区域中，该图像被衍射地耦合到光导中以经由全内反射行进。图像通过元件的耦出区域朝向看到原始图像的用户的眼睛耦出。该设备可以是头戴式显示器(HMD)，诸如近眼式显示器(NED)或平视式显示器(HUD)。

本发明提供了显著的益处。首先，本发明总体上提高了波导元件的效率，因为镜光栅能够捕获原本会被浪费的光，并因此更多的光被从耦入器引导到耦出器。这具有的益处在于增加了显示器的亮度，或者替代性地可以降低投射器的输出功率。

本发明的实施方式具有另外的益处。例如，当光栅镜结合耦入光栅或耦出光栅使用时，可以提高图像的均匀性，这将在后面更详细地解释。

同样，通过本发明，可以减小耦入光栅的大小，这对于显示器的因素和大小要求具有积极的影响。

应当注意，波导的边缘不能用作镜(例如，通过用反射材料对它们进行涂覆)，因为它们产生与原始虚拟图像不匹配的镜图像。然而，本基于光栅的镜维持图像的拓扑并因此增强图像。