针对小块化波导显示器的光栅配置的制作方法
【专利说明】针对小块化波导显示器的光栅配置
[0001 ] 背景
[0002]波导可被用于各种尺寸的显示器中，例如用于电视机到近眼显示器(NED)。近眼显示器的一个典型示例是头戴式显示器(HMD)。
[0003]在示例性波导显示器(例如Upatnieks的US专利4,711,512中例示的示例波导显示器)中，光通过输入衍射元件被耦合到波导模式中并且通过第二衍射元件耦合出并到达眼睛。由于波导能够支持的角度范围的缘故，数据可在其中被波导显示器显示的实际视野是大约三十(30)度。例如，诸如NP-BK7之类的冕状玻璃具有大约1.52的折射率，这使得玻璃中的用于支持总的内反射的关键角为大约42.2°。在范围的另一端，光可以平行于波导表面行进，但是这不现实，因为光将不会与第二输出衍射元件相交来实现光的出射耦合。此外，各次反射之间的间隔必须被管理使得在出射光孔中不会出现间隙(在诸如入射光控大小、反射角度以及波导的厚度之类的参数之间进行平衡)。因此存在对于超出关键角的角度范围的实际限制。
[0004]—种增加视野(FOV)的方法是采用多个波导层，每个波导层覆盖一个不同的角度部分。如果布拉格光栅被用于将光耦合到波导中并且耦合出波导，则它们通常具有比波导所支持的要低的角度带宽限制。例如，这可被限制于10度的角带宽。在这一空间方法中，层的数量可能开始使得波导变得对于消费者产品而言过厚。还有另一种扩展视野的方法是使用多个可开关光栅，用于在时间上依次足够快地生成视野，因而用户不会注意到闪烁。在一个典型的HMD几何体中，无论使用固定光栅还是可开关光栅、用于空间分层还是时间分层的FOV中，每个光栅所提供的角度带宽可下降到在切线方向小于10度。
[0005]概述
[0006]本技术提供用于创建波导显示器的多个视野(FOV)小块的光栅配置的实施例。一些实施例激活非输出光栅和输出光栅的配对以创建若干个FOV小块。对或配对中的光栅中的至少一个也在另一对或配对中。例如，非输出光栅和第一输出光栅可在第一时间段中被激活以生成第一 FOV小块，而第一非输出光栅和第二输出光栅可在第二时间段中被激活以生成第二 FOV小块。所生成的若干个FOV小块在配对总数上是非输出光栅的总数与输出光栅的总数的乘积。至少一个有源衍射光栅被用于每一个配对中。衍射光栅的一个示例是可开关布拉格光栅。
[0007]本技术还提供波导显示器的实施例，波导显示器包括至少一个具有被复用的K向量的衍射光栅，导致被复用的光栅的入射和衍射的总的角带宽被增加。
[0008]本技术提供一种使用光栅配对来生成波导显示器的视野(FOV)小块的装置的一个或多个实施例。该装置的实施例包括波导显示器和被放置在所示波导显示器内的至少三个衍射光栅，包括用于将图像光从所示波导耦合出的至少一个输出衍射光栅和用于将图像光耦合以沿所述波导内横穿的至少一个非输出衍射光栅。所述至少三个衍射光栅形成总数个光栅配对，所述总数个光栅配对在光栅配对的数目上等于非输出衍射光栅的总数与输出衍射光栅的总数的乘积。每一个光栅配对包括一个非输出光栅和一个输出光栅，并且每一个光栅配对包括至少一个有源光栅。每一个光栅配对包括也在所述总数个光栅配对中的另一个光栅配对中的至少一个光栅。FOV小块的数量等于光栅配对的数量。控制电路系统被通信地耦合到每一个配对中的至少一个有源光栅，用于在较大的FOV更新时间段中的相应的小块时间段期间激活每一个配对，并且在其它光栅配对被激活时在相应的小块时间段期间解除激活每一个配对。因此，控制电路系统控制在所述FOV更新时间段中生成所述若干个FOV小块，并且确保在各配对之间不存在能够使输出显示器图像降级的串扰。
[0009]本技术提供包括至少一个具有被复用的K向量的衍射光栅的波导显示器系统的一个或多个实施例。一种波导显示器系统的实施例，所述波导显示器系统包括至少一个具有多个光栅K向量的光栅，所述系统包括光学地耦合到图像生成单元用于接收供显示的图像光的波导显示器，以及被放置在所示波导显示器内的至少三个衍射光栅，包括用于将图像光从所示波导耦合出的至少一个输出衍射光栅和用于将图像光耦合以沿所述波导横穿的至少一个非输出衍射光栅。所述至少三个衍射光栅形成总数个光栅配对，所述总数个光栅配对在光栅配对的总数上等于非输出衍射光栅的总数与输出衍射光栅的总数的乘积。每个配对包括一个非输出光栅和一个输出光栅用于生成相应的视野(FOV)小块。配对中的光栅中的至少一个是有源光栅。另外，每一个光栅配对包括也在所述总数个光栅中的另一个光栅配对中的至少一个光栅。所述至少三个衍射光栅包括被复用的光栅，该被复用的光栅包括允许该被复用的光栅提高大于十度的FOV小块的被复用的K向量。控制电路系统通信地耦合到每一个配对中的至少一个有源光栅，用于在较大的FOV更新时间段中的相应的小块时间段期间激活每一个配对，并且在其它光栅配对被激活时在相应的小块时间段期间解除激活每一个配对，以便在所述FOV更新时间段中生成所述若干个FOV小块。
[0010]本技术提高了一种用于使用衍射光栅配对将波导显示器的图像数据显示在按时间排序的视野(FOV)小块中的方法的一个或多个实施例，每一个衍射光栅配对与相应的FOV小块相关联。该方法的实施例包括由所述波导显示器从光学耦合的图像生成单元接收与所述FOV小块相关联的图像部分以供在一时间段期间显示，所述时间段是FOV更新时间段的子时间段。在所述时间段期间与所述FOV小块相关联的当前光栅配对被激活，当前光栅配对包括非输出衍射光栅和输出衍射光栅。在小块过渡时间段期间，所述当前光栅配对被解除激活。在所述FOV更新时间段中，为下一光栅配对重复之前的步骤，直到每一个FOV小块已被显示。每一个光栅配对中的至少一个光栅也在另一光栅配对中。下一光栅配对通常包括当前非输出衍射光栅或当前输出衍射光栅中的任一者。
[0011]提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并非旨在标识出要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦非旨在用作辅助确定要求保护的主题的范围。
[0012]附图简述
[0013]图1A是包括其中可运行本技术的各实施例的波导的一实施例的近眼显示器(NED)的一实施例的俯视图。
[0014]图1B是NED设备的控制电路系统内包括计算机系统在内的各示例硬件组件的框图。
[0015]图2解说了NED设备中的波导显示器的一部分的框图，其中包括用于使用光栅配对来按时间顺序生成各个FOV小块的装置的一个实施例。
[0016]图3A和3B解说了波导显示器内的光栅配置的一个实施例，该光栅配置包括非输出衍射光栅和多个有源输出衍射光栅，用于按时间顺序生成各个FOV小块。
[0017]图3C和3D解说了波导显示器内的光栅配置的一个实施例，该光栅配置包括输出衍射光栅和多个有源输出衍射光栅，用于按时间顺序生成各个FOV小块。
[0018]图3E是一种根据本技术的用于使用一个或多个衍射光栅配对来将图像数据显示在各个视野(FOV)小块中的方法的一个实施例的流程图。
[0019]图4是描绘一体积光栅中的被复用的K向量的解说。
[0020]图5A解说了典型的布拉格光栅的光栅衍射效率对视野角的曲线。
[0021 ]图5B解说了图5A的布拉格光栅和另一布拉格光栅的各自的光栅衍射效率对视野角的曲线。
[0022]图5C解说了组合了图5B中呈现的两个布拉格光栅的全息衍射效率对视野角的曲线。
[0023]图6A和6B解说了用于生成具有多个被复用的K向量的衍射光栅的接触复制全息记录过程中的各步骤的示例。
[0024]详细描述
[0025]本文中描述了用于扩展波导显示器尤其是基于波导的近眼显示器(NED)的视野(FOV)的技术。在许多实施例中，波导是平面的并且由光学透明材料(诸如玻璃或塑料)来制成。光基于全内反射(TIR)穿过波导。然而，为了让用户在大的出射光孔上看到图像，光中的一些继续经由TIR沿波导前进，而图像光的一些部分被沿波导的长度引导离开波导，例如射向与NED相关联的用户眼镜区域。波导中的光的传播路径基于全内反射(TIR)的原理以及用于改变光的方向的波导结构内的衍射光栅的放置和激活来预先确定。衍射光栅衍射在入射角带宽内接收的入射光。这一入射带宽之外的光穿过光栅而不是被衍射，并且继续在波导中传播。另外，衍射光栅具有衍射效率，因此甚至是带宽Gi内接收的所有光都不被衍射而是继续向下传播到波导。
[0026]在以下描述的一些实施例中，波导显不器包括具有非输出衍射光栅和输出衍射光栅的非配对，并且配对中的光栅中的至少一个是有源的。非输出光栅耦合光以沿波导横穿，并且非输出衍射光栅的不例是输入光栅和折叠光栅。输入光栅将光親合到波导。在多层次波导中，输入光栅可将未经耦合地穿过另一波导层的光耦合到其相关联的波导层。一个或多个折叠光栅可被放置在波导层内。折叠光栅重新引导在其入射角带宽内接收的光。在一些示例中，折叠光栅可被放置成接收来自输入光栅或输入透镜系统的光。输出光栅将