[发明专利]衍射光栅

说明书

本发明涉及一种选择性衍射光栅及其应用。该光栅包括成周期性交替图案的具有第一色散曲线(n₁)的第一材料和具有与第一色散曲线(n₁)不同的第二色散曲线(n₂)的第二材料。根据本发明，第一色散曲线和第二色散曲线(n‑i、n2)在两个或更多个不同波长(λ₁、λ₂)处彼此相交。

技术领域

本发明涉及衍射光学器件。特别地，本发明涉及可用于将光耦合到在衍射显示元件和设备中使用的波导中的光栅。本发明可以用于个人显示设备，诸如头戴式显示器(HMD)和平视显示器(HUD)。这样的显示器通常包括波导和布置在波导之上或之中的至少一个光栅。

背景技术

在许多现代个人显示设备中，波导是关键的成像元件。使用布置在波导的主平面中(通常在其表面上)的衍射光栅，可以将要显示的图像耦合到波导中并且耦合出波导，以及在波导内进行修改。例如，可以提供用于将图像从投影仪的耦合到波导中的入耦合光栅、用于在波导的一个或更多个内平面维度上扩展光场的出射光瞳扩展光栅、以及将光场耦合出波导到达用户的眼睛的出耦合光栅。

可以将各层承载不同波长的波导布置成叠置件，以便提供多色显示器。这种叠置件的入耦合布置与出耦合布置的目的是在各层之间实现完全的波长分离。然而，在实践中，意图用于一层的光线中的至少一部分光线被耦合到另一层。为此，在需要对波长进行良好控制的示例或其他应用中，需要改进的解决方案。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于特别是在基于波导的显示应用中改善对波长的控制的新颖解决方案。

一个特别的目的是提供用于改善多色波导、波导叠置件和显示设备的入耦合布置和/或出耦合布置中的颜色分离的新颖解决方案。

所述目的通过独立权利要求中限定的本发明来实现。

在一方面，本发明提供了一种选择性衍射光栅，其包括具有第一色散曲线的第一材料和具有与第一色散曲线不同的第二色散曲线的第二材料的周期性交替图案。第一色散曲线和第二色散曲线在两个或更多个不同波长处彼此相交，从而使光栅在这些波长处完全透明。这些波长可以称为相交波长。

在一方面，本发明提供了一种包括上述类型的光栅的波导。该光栅可以是例如入耦合光栅或出耦合光栅。在一个实施方式中，提供了一种光栅的叠置件，每个光栅被分别使用本文公开的原理适配成对于波长中的两个波长是透明的并且对于波长中的一个波长是“可见”的。

在一方面，本发明提供了具有多层的波导叠置件，其中至少一层是上述类型的波导。通常，各层中的每层包括彼此对准的入耦合光栅和/或出耦合光栅。例如，将本发明的光栅放置在最顶部的波导层上，允许与相交波长相对应的两个波长通过最顶层而不与之相互作用，并且在最顶层中对第三波长进行耦合。

本发明的对选择性透明的衍射光栅进行制造的方法包括：

-选择两个或更多个不同的波长，

-使用至少两种不同材料来选择衍射图案构造，

-选择具有不同的色散曲线的至少两种不同的固体材料，所述色散曲线在所述两个或更多个不同波长处彼此相交，

-使用所述衍射图案构造和其中的不同的固体材料来制造光栅。

本发明提供了显著的益处。

这两个相交波长完全控制了用单个波导或使用每层仅意图承载一种颜色的波导的叠置件实现的三色显示波导元件中的颜色。可以将相交波长设置成使得仅所使用的波长中的一个波长与光栅相互作用并修改波导中的光场。其他两个波长连续穿过光栅和波导而没有相互作用。

具体地说，在当前完全与波长不相关的控制下，可以仅使用一个波导且仍可以实现三种颜色的波长间隔与三个单独的单色波导的波长间隔相同。