用于近眼顯示器的動態有孔波導的制作方法

用于近眼顯示器的動態有孔波導的制作方法
【專利摘要】一種類型的近眼顯示器，其具有用于生成一系列角度相關的射束的圖像發生器和用于向在其內部虛像可見的眼眶傳播角度相關的射束的波導，所述近眼顯示器包括可控輸出孔，其用于諸如在眼眶內重構被更好地限定的光瞳、同時還保留通過可控輸出孔從眼眶觀看周圍環境的可能性的目的。
【專利說明】用于近眼顯示器的動態有孔波導
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于發射特別地用于近眼顯示器的被有角度地編碼的圖像信息的板狀波導系統和用于諸如優化觀看條件的目的的可控輸出孔。
【背景技術】
[0002]緊湊式近眼顯示器常常將板狀(通常是平面的)波導用于向用戶的眼睛發射有角度的圖像信息作為來自位于用戶的視線之外的圖像源的虛擬圖像。圖像信息一般地是在波導的一端附近被輸入，并在波導的另一端附近被輸出。該圖像信息作為沿著波導在內部被反射的多個角度相關的射束而沿著波導傳播。衍射光學裝置常常被用于通過第一入射角范圍向波導中注入被波導在內部反射的圖像信息，以及被用于通過相應范圍的較低入射角來發射圖像信息以便在可以與用戶的眼睛對準的位置上在波導后面中繼或以其它方式形成出射光瞳。波導的輸出端處的衍射光學裝置和波導兩者常常是至少部分透明的，使得用戶還可以通過波導來觀看周圍環境，諸如當圖像信息不在被波導傳送時或者當圖像信息并未填充整個視場時。
[0003]波導顯示器常常局限于使用其中用單個色彩來形成虛擬圖像的單色光。常規衍射光學裝置趨向于通過不同的角度衍射不同的波長，從而產生色像差。可以使用多個波導(例如，堆疊波導)或更復雜的衍射光學裝置來緩解這些像差，但是該解決方案趨向于限制可以通過其來有效地發射圖像信息的不同角度或波長的數目。
[0004]在其內部可以在波導后面的規定位置上(B卩，在設計的眼眶內)看到虛擬圖像的有效出射光瞳尺寸常常被 過度限制，因為衍射光束趨向于在離開平面波導時擴展開。輸出衍射光學裝置的衍射效率隨位置的變化已被用來擴展出射光瞳，但這些變化使衍射光學裝置變得復雜，并且尤其難以在多色光的情況下來實現。
[0005]某些平面光學顯示器還意圖支持同一眼眶內對周圍環境的觀看。此要求對輸出衍射光學裝置施加額外的負擔以保持某個透射率水平。

【發明內容】

[0006]本發明在其優選實施例中的一個或多個中以用于近眼顯示器波導的可控孔為特征。電子控制機構提供了孔內的可變換光柵結構在有源和無源狀態之間以及通過效率的中間狀態的轉換。例如，可以將可變換光柵結構與鄰近配對光學裝置配對，使得可變換光柵結構和配對光柵結構一起形成常見板狀光學裝置。可變換光柵結構優選地由電活性材料形成，其折射率可以電子地從與配對光柵結構的折射率匹配的值(例如，無源狀態)變成與配對光柵結構的折射率不匹配的一個或多個其他值(例如，有源狀態)。
[0007]在輸出孔內，可以將可變換光柵結構和匹配光柵結構附加到波導的正面或背面，從而通過透射或反射進行操作。在可變換光柵結構的無源狀態下，輸出孔在很大程度上充當波導的不中斷表面，支持沿著波導傳播的載像光束的全內反射，同時還支持通過波導的對周圍環境的很大程度上無障礙的觀看。在可變換光柵結構的有源狀態下，輸出孔充當嵌入波導的表面中的衍射光學裝置以便從波導向期望的眼眶中發射載像信息。在變化的程度上，可變換光柵結構的有源狀態可以模糊通過波導的對周圍環境的觀看，諸如通過衍射在眼眶外面的透射光。因此，在無源狀態下，輸出孔打開以便從眼眶內觀看周圍環境、但閉合以觀看沿著波導傳送的圖像，而在有源狀態下，輸出孔打開以便從眼眶內觀看由波導傳送的圖像、但可以被至少部分地閉合以觀看周圍環境。
[0008]可以將可控輸出孔的電子控制機構圖案化以便不同地激活輸出孔的不同區段，SP可變換光柵結構的不同部分。也就是說，可以使得輸出孔的不同區段單獨可訪問，使得可以將一個或多個孔區段切換到有源狀態，同時其他孔區段保持在無源狀態。電子控制結構還可以提供其中可以提高或降低可變換光柵結構與其鄰近配對光學裝置之間的折射率差以調節衍射效率的各種中間狀態。此外，可以使電子控制機構與諸如來自掃描光學裝置的各種載像射束的注入同步，使得可以通過輸出孔的不同部分發射射束并且達不同的持續時間。例如，可以通過輸出孔的一個區段來發射較高入射角射束，并且可以通過輸出孔的不同區段來發射較低入射角射束以便使用更多的可用光來在眼眶內形成更大且更均勻的光瞳。通過與圖像的不同部分的發射(即，圖像的角度構造)同步地跨輸出孔的多個區段來調節激活的持續時間或衍射效率，可以進一步增強利用眼眶光瞳的圖像均勻度。
[0009]可以在近眼顯示器波導的內表面和外表面兩者上形成相似地可控的可變換光柵結構和配對光柵結構，以單獨地控制沿著波導傳送的載像信息的不同部分的發射。例如，通過調節兩個可變換光柵結構內和之間的激活的持續時間、衍射效率或時刻，可以單獨地控制眼眶的兩個正交維度或色彩的不同范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是包括具有可控輸出孔的板狀波導的近眼顯示器的概略頂視圖。
[0011]圖2是示出了可控輸出孔的各種層的板狀波導的分解圖。
[0012]圖3是近眼顯示器的概略頂視圖，類似于圖1的顯示器但包括可控分段輸出孔。
[0013]圖4示出了包括復合輸入和輸出結構以便單獨地傳播由波導傳送的圖像信息的兩個不同部分的替換近眼顯示器的分解透視圖。
[0014]圖5是包括在波導的輸出孔內具有可控分段中間光柵和可控分段輸出光柵的波導的替換近眼顯示器的分解透視圖。
[0015]圖6是圖像平面的視圖以及源自于圖像平面內的不同位置的準直射束的兩個不同的正交視圖。
[0016]圖7是圖5的波導的一部分的示意圖，示出了在輸入孔處且最初沿著波導傳播的射束的布置。
[0017]圖8是類似于圖7的示意圖，示出了射束通過可控分段中間光柵和可控分段輸出光柵兩者的射束的進一步傳播。
[0018]圖9是用于操作圖5的近眼顯示器的動態圖像控制圖。
【具體實施方式】
[0019]參考圖1，包括也在圖2的視圖中示出的板狀波導12的類型的近眼顯示器10具有輸入孔14和可控輸出孔16。板狀波導12優選地是具有內表面18 (面向用戶眼睛)和外表面20 (面向周圍環境)的透射板，其中內表面和外表面18和20兩者都被暴露于空氣或另一較低折射率介質。
[0020]板狀波導12可以由諸如具有1.527的標稱折射率的BK7玻璃的各種透射光學材料制成，并且具有用于從離軸位置向用戶的視場內的位置透射光的維度，在所述離軸位置處可以注入光。例如，板狀波導可以在限制板狀波導12的尺寸和重量的同時具有用于到達眼睛位置的約60毫米的長度、允許有圖像的第二維度的約30毫米的高度以及用以支持期望形式的光的傳播的約2毫米的厚度。當然，可以針對特定應用使用其他尺寸以便致力于光沿著波導從一個位置到另一個的傳播。另外，板狀波導12具有平面形式(其簡化傳播問題)，但是還可以被彎曲以適應附加要求，包括審美考慮。
[0021]圖像生成器22包括可繞著兩個正交軸26和28樞轉的掃描反射鏡24。掃描反射鏡24被由光源32以及準直光學裝置34 —起形成的準直射束30照亮。可以通過具有不同標稱波長的多個光源或者通過對一個或多個寬帶光源進行濾色來產生多色圖像。掃描反射鏡24的不同角度取向在對應于所生成的圖像內的不同空間位置的兩個維度上通過一定的角度范圍反射準直射束。使光源32的輸出與掃描反射鏡24的角度位置同步的控制器38單獨地產生所生成的圖像的每個像素。
[0022]替換地，可以用與準直光學裝置一起形成實像的可訪問像素的二維陣列來形成圖像生成器22，所述準直光學裝置使來自圖像生成器的光準直，使得來自圖像生成器內的每個像素的光通過在對應于其在二維陣列內的空間位置的兩個維度上參考的唯一角度被準直。還可以使用可訪問像素的線性陣列以及可在一個維度上樞轉的掃描反射鏡一起作為圖像生成器。例如，可以用垂直于頁面延伸的線性陣列(其中準直反射鏡在此維度上被適當地縮放)來替換圖1中32處所示的光源。沿著線性陣列源自于每個像素的光被準直以便通過一定角度范圍形成瞬時的一組準直射束，所述角度范圍對應于所生成的圖像沿著線性陣列的第一空間維度，并且掃描反射鏡使該組準直射束與線性陣列的圖像驅動器同步地樞轉，以便形成對應于與線性陣列正交的所生成的圖像的第二空間維度的一系列不同的各組準直射束。一般地，圖像生成器22提供意圖用于通過輸出孔作為虛像觀看的視頻圖像的傅立葉變換。
[0023]輸入孔14包括衍射光學裝置40，其將角度相關的射束(僅所示的中心射束42)的范圍重新定向成能夠沿著板狀波導12傳播的角度相關的射束(未示出)的相應范圍。該相應范圍的角度相關的射束優選地通過從板狀波導12的內表面和外表面18和20的全內反射而沿著板狀波導12傳播。在衍射光學裝置40在透射模式下工作的情況下，衍射光學裝置40可以在板狀波導12的內表面18中形成或與之配對。替換地，在衍生光學裝置在反射模式下工作的情況下，衍射光學裝置可以在板狀波導12的外表面20中形成或與之配對。
[0024]可以以針對衍射光學裝置已知的各種方式來形成衍射光學裝置40，包括通過蝕亥|J、模壓、微平版印刷或全息照相技術。在圖1和2的所示示例中，用具有1.5的標稱折射率和約0.5微米的節距的模壓環氧樹脂來形成衍射光學裝置40。模壓光柵具有作為波導12的厚度的五倍的倍數的約10毫米的長度、用以適應圖像的另一維度的約20毫米的寬度以及約I微米的深度。同樣，可以針對其他應用的特定要求對各尺寸進行縮放。
[0025]可控輸出孔16包括由被附加于板狀波導12的內表面或外表面18或20的多個層形成的可控光柵50。如圖1和2中所不，可控光柵50被附加于板狀波導12的內表面18。可控光柵50包括可變換光柵結構52以及配對(反向)光柵結構54，使得在可變換光柵結構52的無源狀態(即，去激活狀態)下，兩個光柵結構52和54優選地形成光學同質層。
[0026]可變換光柵結構52優選地由諸如液晶材料的電活性材料形成,該材料填充配對光柵結構54與蓋板56之間的空間。密封裝置55將電活性材料限制在配對光柵結構54與蓋板56之間。出于給定示例的目的，電活性材料可以是可在1.526的折射率(與波導的折射率匹配)至1.808的折射率之間切換的向列液晶混合物BL037。提供用于電活性材料的模腔的配對光柵結構54優選地由類似于常規光柵的固體光學材料諸如通過蝕刻或模壓形成。例如，所示配對光柵結構54由具有1.5的標稱折射率和約0.5微米的節距的模壓環氧樹脂形成。模壓光柵具有約30毫米的長度、約20毫米的寬度以及約一微米的深度。類似于波導12，蓋板56優選地由諸如具有約0.5毫米的厚度的BK7玻璃的透射光學材料形成。同樣，針對其他應用的特定要求，可以使材料匹配并且可以對各尺寸進行縮放。
[0027]諸如可由氧化銦錫(ITO)形成的第一和第二導電層58和60橫跨可變換光柵結構52以便跨可變換光柵結構52形成電場以用于相對于配對光柵結構54來修改可變換光柵結構52的電活性材料的折射率。如所示，在板狀波導12的內表面18與配對衍射結構54之間形成第一導電層58,并且在可變換光柵結構52與蓋板56之間形成第二導電層60。第一和第二導電層58和60可以位于其他層之間，只要可以跨可變換光柵結構52形成適當的電場即可。例如，可以在可變換光柵結構52與配對光柵結構54之間的界面處形成第一導電層58。可以使可變換光柵結構52和配對光柵結構54的順序相反。如所示，控制圖像生成的相同控制器38還在有源與無源狀態之間(包括每個狀態的定時和持續時間)控制可變換光柵結構52的狀態，并且還可以控制場強以便改變有源狀態內的可變換光柵結構52的折射率。替換地，可以使第二控制器與被用于圖像生成的常規控制器同步，以控制可變換光柵結構的狀態，其要求諸如采取電壓形式的簡單的信號，以便控制它們的操作的定時和持續時間且(如果期望的話)還它們的場強。
[0028]優選地，第一和第二導電層58和60、無源狀態下的可變換光柵結構52、配對光柵結構54以及蓋板56的折射率全部充分地與板狀波導12的折射率匹配，使得在可變換光柵結構52的無源狀態下，可控輸出孔16與板狀波導12功能類似，以支持來自圖像生成器22的對角度相關的射束的內部反射，同時還支持到周圍環境的透視能力。換言之，可變換光柵結構52優選地本質上在無源狀態下是不可見的，使得蓋板56的面朝內表面62與板狀波導12的內表面18功能類似，如同未發生板狀波導12的顯著中斷一樣。相反，在有源狀態下，可變換光柵結構52與具有給定效率的常規衍射光學裝置功能類似，以用于將來自板狀波導的角度相關的載像射束重新定向并發射到眼眶66中，以便允許用戶觀看由圖像生成器22形成的圖像的虛像。在使用控制器38來控制可變換光柵結構52的有源和無源狀態之間的定時的情況下，可控輸出孔16可以支持對眼眶66內的所生成的圖像、周圍環境或它們兩者的觀看。雖然示出了尺寸被確定為用于覆蓋可控光柵50的蓋板56，但還可以沿著波導12的長度擴展蓋板56并用折射率匹配的粘合劑將其固定于波導12以沿著波導12的另一長度保持波導12的恒定有效厚度，使得蓋板56的面朝內表面62充當波導12的內表面18以便通過全內反射來傳播角度相關的射束。
[0029]如果可變換光柵結構52以小于百分之百的效率運行，則光可以從每個角度相關的射束通過與可變換光柵結構的兩次或多次碰撞而被發射，以便加寬每個射束64 (僅示出了一個此類射束)。優選地，每個角度相關的射束填充波導，即具有足夠的寬度以使得射束至少幾乎其本身與每個反射重疊，使得可以在沒有顯著間隙的情況下發射較寬射束。較寬射束確保眼眶66被每個不同角度射束64填充，使得可以在整個眼眶66內看到整個虛像。為了在眼眶內構造更均勻的圖像，可以在不同角度射束之間改變可變換光柵結構52的效率或其激活的持續時間，使得在每個射束內的能夠到達眼眶66的光的量被更緊密地平衡。例如，在第一和第二導電層58和60之間產生的電場的強度可以作為掃描反射鏡24 (或其他角度特定的圖像生成器)的即時角度位置的函數而改變，使得在與可變換光柵結構52的一次或多次碰撞時發射的每個射束的百分比改變。通過控制在每個射束沿著板狀波導12被傳播的時段內可變換光柵結構52被激活的持續時間，來相似地平衡或以其它方式調節不同角度射束64的相對輸出。
[0030]在圖3中示出了類似于近眼顯示器10的近眼顯示器70，其被修改成包括可控分段輸出孔72。近眼顯示器70與近眼顯示器10共有的元件共享相同的附圖標記。與前述顯示器10相反，第一導電層74被劃分成單獨可訪問區段74A、74B和74C，每個與鄰接的可訪問區段電隔離以便單獨地激活可變換光柵結構52的相應區段。如所示，可訪問區段74A、74B和74C在角度相關的射束的傳播方向上沿著板狀波導12被定位。可變換光柵結構52的任何一個或多個區段的選擇性激活控制沿著波導的可以從板狀波導12發射各個傳播射束的位置。可以使可變換光柵結構52的不同區段的激活與不同角度射束的輸入(例如掃描反射鏡24的樞轉位置)同步，使得例如可以發射對應于所生成的圖像的一側的最大入射角射束，例如作為通過位于眼眶66前面的可控孔72的第一區段72A的會聚射束76A，可以發射最低入射角射束，例如作為通過位于眼眶66緊后面的可控孔72的第三區段72C的會聚射束76C，并且可以發射中間入射角射束，例如作為通過與眼眶66對準地被定位的可控孔72的第二區段72B的會聚射束76B。通過其從波導發射角度相關的射束的不同發射點允許不同角度射束76A-C朝著眼眶66內的同一重疊點會聚，以便高效地重構并擴大在其內部可以看到整個虛像的眼眶66內的光瞳。
[0031]雖然用被示出為僅具有三個不同的可控輸出孔區段72A-C，但可以將可控輸出孔72劃分成更多單獨可訪問區段，以便更精細地控制通過其從波導12發射各個角度射束、例如76A-C的位置和區域。然而，將多個輸出孔區段72A-C (和任何其他的)相對于彼此確定尺寸和間距，使得孔區段72A-C提供以超過用于指引光通過孔區段72A-C的可變換光柵結構52的預定影響的最小總體衍射影響獨立地調節光的通過。每個角度相關的射束優選地填充波導，即具有足夠的寬度以使得射束本身至少幾乎與每個反射重疊，使得可以從沿著波導12的最佳位置發射每個射束以便填充眼眶66。可以在掃描反射鏡24 (或其他角度特定圖像生成器)的每個不同角度位置處改變可控孔72的每個不同區段72A-C內的場強以及區段72A-C被激活的時刻和持續時間以在眼眶66內重構具有期望性質的光瞳。
[0032]例如，除控制沿著波導12的從眼眶發射每個角度相關的射束的位置，還可以控制通過一個或多個輸出孔區段72A-G發射每個射束的效率。在通過可控輸出孔72的一個或多個區段72A-C發射每個射束的情況下，還可以控制光在每個射束76A-C的不同部分內的分布。作為控制從波導12發射每個射束或射束部分的衍射效率的替換或除此之外，還可以控制孔72的每個區段72A-C在每個射束的傳播期間保持在有源狀態的持續時間，以相似地調節輸出分布和效率。可以控制對不同角度射束76A-C之間的光分布以及每個射束76A、76B或76C內的光分布的附加控制，以便改善眼眶66內的不同眼睛位置處的圖像均勻度并擴大在其內部整個虛像可見的眼眶66的區域。
[0033]在圖4中示出了包括具有可控輸出孔的板狀波導82的近眼顯示器80的另一示例。類似于前述實施例，由被準直光88照亮且可繞著兩個正交軸樞轉的掃描反射鏡86來形成圖像生成器。可以通過具有不同標稱波長的多個光源或者通過對一個或多個寬帶光源的濾色來產生多色圖像。掃描反射鏡86的不同角度取向在對應于生成的圖像內的不同空間位置的兩個維度上通過一定的角度范圍反射準直射束88。如上所述，還可以使用其他類型的圖像生成器，但是優選地所生成的圖像的至少一個維度由在時間上可辨別的(例如，相繼生成的)不同角度射束組成。
[0034]接收準直的角度相關的射束的板狀波導82的輸入孔90包括第一輸入衍射光學裝置92，其在第一(例如垂直)方向上衍射由準直射束傳送的光的第一部分94 (例如，第一頻譜部分)以用于通過全內反射沿著波導82進一步傳播，并將由準直射束傳送的光的第二部分96 (例如，第二頻譜部分)發射到第二輸入衍射光學裝置98。由準直射束傳送的光的第二部分96被第二輸入衍射光學裝置98在第二 (例如水平)方向上衍射以用于通過全內反射沿著波導82進一步傳播。第一和第二中間衍射光學裝置100和102將由準直射束傳送的光的第一和第二部分94和96在第三(例如水平)和第四(例如垂直)方向上重新定向以用于沿著波導82朝向可控輸出孔84進一步傳播。可以由具有與傳播射束94和96成銳角地被定向的光柵刻線的光柵結構來形成中間衍射光學裝置100和102兩者。
[0035]可控輸出孔84包括被附加于板狀波導82的內表面106的第一可控輸出光柵104和被附加于板狀波導82的外表面100的第二可控輸出光柵108。第一可控輸出光柵104提供將光直接地從波導82朝著眼眶(未示出)衍射。第二可控輸出光柵108提供將光通過波導82和第一可控輸出光柵104兩者朝著同一眼眶衍射。
[0036]兩個可控輸出光柵104和108提供單獨地發射表示不同圖像點的每個不同角度射束中的不同部分94和96。例如，可以優化兩個可控輸出光柵104和108中的每一個以便發射每個不同角度射束的不同頻譜部分。在這方面，可以優化第一可控輸出光柵104以便衍射接近于可見光譜的紅色端的一個或多個較短波長，并且可以優化第二可控輸出光柵108以便衍射接近可見光譜的紫色端的一個或多個較長波長。可以優化兩個可控輸出光柵104和108，使得每個角度射束的不同波長部分被以類似量衍射。
[0037]可控輸出光柵104和108中的每一個包括可變換光柵結構112或114以及配對光柵結構116或181，使得在可變換光柵結構112或114的無源狀態(即去激活狀態)下，兩個光柵結構112和116或114和116優選地形成光學同質層。可變換光柵結構112和114中的每一個優選地由諸如液晶材料之類的電活性材料形成，該材料填充配對光柵結構116或118與蓋板120或122之間的空間。可控輸出光柵104和108中的每一個還包括第一分段導電層124或126和第二導電層130或132，諸如可由氧化銦錫(ITO)形成，其橫跨可變換光柵結構112和114中的每一個以便跨可變換光柵結構112和114形成電場，并且從而相對于配對光柵結構116和118修改可變換光柵結構112和114的電活性材料的折射率。
[0038]第一分段導電層124和126形成在配對衍射結構116或118的內表面或外表面106或110之間，并且第二導電層130和132形成在可變換光柵結構112或114與蓋板120或122之間。然而，可以使兩個導電層124和130或126和132反向或位于其他層之間，只要可以跨可變換光柵結構112或114形成適當電場即可。還可以使第一可控輸出光柵104的可變換和配對光柵結構112和116以及第二可控輸出光柵108的可變換和配對光柵結構114和118反向。控制器(未示出)控制在第一導電層124或126和第二導電層130或132的每個不同區段(被示出為通過垂直條被劃分)之間產生的場，以便選擇性地將可變換光柵結構112或114的相應部分在有源和無源狀態之間控制，并且還可以控制場強以便改變可變換光柵結構112或114的各個部分的折射率以及各個部分被保持在有源狀態內的時刻和持續時間。
[0039]可以使用第一可控輸出光柵104的任何一個或多個部分的選擇性激活來控制沿著波導82的可以從波導82發射各個傳播射束的第一部分94 (例如，第一頻譜部分)的位置(例如，可變換光柵結構112的區段)。第二可控輸出光柵108的任何一個或多個部分的選擇性激活控制沿著波導的可以從波導82發射各個傳播射束的第二部分96(例如，第二頻譜部分)的位置(例如可變換光柵結構114的區段)。可以使兩個可控輸出光柵104和108的不同部分的激活與不同角度射束的輸入(例如，掃描反射鏡的樞轉位置)同步，以控制從波導82發射每個不同角度射束的每個部分94或96的位置、強度以及空間分布。可以如上所述地在時刻、持續時間以及衍射效率方面(例如通過調節場強)控制第一和第二可控輸出光柵104和108中的每一個的各部分，以用于諸如在眼眶內重構光瞳的目的以及用于擴大光瞳并使其均勻化且使用更多的可用光。
[0040]另外，可以使第一和第二可控輸出光柵104和108的不同部分相互同步，使得當第二可控輸出光柵108的一部分被激活時，第一可控輸出光柵104的相應部分被去激活，以通過第一可控輸出光柵104朝著眼眶發射衍射光部分96。也就是說，可以使得來自第二可控輸出光柵108的衍射光意圖通過的第一可控輸出光柵104的部分透明，以便在沒有進一步衍射的情況下通過第一可控輸出光柵104透射衍射光。 [0041]圖5中所描述的近眼顯示器140包括圖像生成器142、波導144以及控制器146。類似于前述實施例的圖像生成器，圖像生成器142產生一組角度相關的射束作為圖像的角度變換，其意圖在眼眶154內作為虛像被觀察到。例如，圖像生成器142可以包括可訪問二維陣列148以及準直光學裝置150 (如所示)、可訪問一維陣列以及準直光學裝置和一維導向反射鏡，或者光源、準直光學裝置以及二維射束導向器。一維或二維陣列充當光源或至少調制來自其他源的光。可以一次一個地或以如由控制器146確定或至少監視的規定群組來生成對應于圖像像素的每個角度相關的射束。折疊反射鏡152使該組角度相關的射束重新定向在朝向波導144的方向上。替換地，可以與可訪問線性陣列或準直光源相組合地控制折疊反射鏡152本身，以便產生圖像的一個或兩個維度。
[0042]可以與前述實施例的波導類似地形成波導144并確定尺寸。相似地，輸入孔156包括用于向波導144中注入角度相關的射束以便優選地通過全內反射進一步傳播的輸入衍射光學裝置158。
[0043]圖6提供了在X-Y平面中的圖像160以及由準直光學裝置150形成的角度相關的射束的兩個正交投影的前視圖。水平的正交投影示出了通過角度α被相對地定向的三個準直射束2、5和8，其中射束5沿著垂直于圖像160延伸的光軸162傳播，射束2相對于軸162以角度-α定向，并且射束8相對于軸162以角度+α定向。角度α被示出水平投影中的實際長度。垂直的正交投影示出了通過角度Θ被相對地定向的三個準直射束4、5和6，其中射束5 (再一次地)沿著軸162傳播，射束4相對于軸162以角度-Θ定向，并且射束6相對于軸162以角度+ Θ定向。角度Θ被示出垂直投影中的實際長度。在X-Y平面內限定的圖像160內的每個像素具有由用于角度α和Θ的不同值限定的唯一角度變換。
[0044]圖7是入射在輸入孔156的輸入衍射光學裝置158上且隨后入射在波導144的內表面164上的包括圖6的射束2、4、5、6和8的九個重疊射束1_9的示意性圖示。射束1_9中的每一個被示出為具有圓形輪廓和有限尺寸以示出射束1-9之間的相對位移。輸入衍射光學裝置158將射束1-9衍射到波導144中，將每個射束的角度α轉換成波導144內的相應入射角Φ(根據衍射定律)。雖然在垂直傳播方向上每個射束1-9趨向于本身在波導144的內表面164上的入射點處重疊(稱為填充波導)，但射束1-9入射在內表面164上的點趨向于根據它們的不同入射角而在垂直傳播方向上相互分離。用波導144內的射束行1-2-3、4-5-6以及7-8-9之間的分離來圖示此現象。射束列1-4-7、2-5-9以及3_6_9入射在輸入衍射光學裝置158上的不同角度Θ直接轉換成波導144的平面內的不同傳播方向，其是用射束列1-4_7、2_5_9以及3-6-9之間的角度分尚來圖不的且被稱為“行走”。
[0045]如圖8中所示，并且進一步參考圖5，垂直傳播和行走的射束1-9遇到可控中間光柵170。類似于先前所述的可控光柵，可控中間光柵170包括可變換光柵結構172以及配對光柵結構174，使得在可變換光柵結構172的無源狀態(即去激活狀態)下，光柵結構172和174優選地形成光學同質層。可變換光柵結構172優選地由諸如液晶材料的電活性材料形成，該材料填充配對光柵結構174與蓋板176之間的空間。可控中間光柵170還包括第一分段導電層178和第二導電 層180，諸如可由氧化銦錫(ITO)形成，其橫跨可變換光柵結構172以跨可變換光柵結構172形成電場，并且從而相對于配對光柵結構174修改可變換光柵結構172的電活性材料的折射率。作為可控中間光柵170的替換，可以使用其他可控中間結構，諸如基于折射或反射機制的光學路由設備，特別是當不要求該結構支持通過波導144的受影響部分對周圍環境的觀看時。還可以與通過保持或破壞沿著波導144的相應部分的內反射來控制對光柵的訪問的可控折射結構相組合地使用永久光柵。
[0046]在波導144的內表面164與配對衍射結構174之間形成第一分段導電層178,并且在可變換光柵結構172與蓋板176之間形成第二導電層180。然而,可以使兩個導電層178和180反向或位于其他層之間，只要可以跨可變換光柵結構172形成適當電場即可。還可以使可控中間光柵170的可變換和配對光柵結構172和174反向。控制器146控制在第一導電層178和第二導電層180的每個不同區段(被示出為通過水平條被劃分)之間產生的場，以便選擇性地將可變換光柵結構172的相應部分184在有源和無源狀態之間控制，并且還可以控制場強以便改變可變換光柵結構172的各個部分的折射率以及各個部分被保持在有源狀態內的時刻和持續時間。
[0047]雖然第一分段導電層被劃分成垂直區分的多個部分184的堆疊，但可變換和配對光柵結構172和174具有與垂直方向成銳角地被定向的光柵刻線，以便使大體上垂直傳播的射束1-9重新定向在大體上水平的方向上。例如，可以使光柵刻線以45度被定向以便在水平方向上衍射垂直傳播的射束2、5和8 (B卩，Θ =0)。考慮到其余射束1、3、4、6、7和9通過非零角度Θ的初始傾斜，可以在大體上水平的方向上衍射它們。
[0048]可以使用可控中間光柵170的任何一個或多個部分184經由控制器146的選擇性激活來控制沿著波導144的各傳播射束沿著波導144在水平方向上被進一步衍射的垂直位置。可以使可控中間光柵170的不同縱向部分184的激活與不同角度射束1-9的輸入同步。如圖8中所示，垂直部分的數目減少并被分別標記為部分YpY2和Y3,以便簡化對其控制的說明。
[0049]例如，為了將射束8重新定向在水平方向上，僅激活可控中間光柵170的部分Y3以確保射束8不在水平方向上被衍射直至到達部分Y3的垂直位置。用射束8到波導144中的入射來定時部分Y3的選擇性激活。部分Y1和Y2保持被去激活，使得射束8繼續在垂直方向上傳播直至到達部分Y3。
[0050]為了使射束2重新定向在水平方向上，與射束2到波導144中的注入同步地激活可控中間光柵170的部分I。由于射束2意圖被部分Y1衍射，所以可以出于其他目的控制部分Y2和Y3的狀態，諸如用于處理保持為未被衍射的任何殘余光。可以通過與射束1、3、
4、5、6、7和9到波導144中的各自注入同步地激活可控中間光柵170的部分Y2來使其余射束1、3、4、5、6、7和9重新定向在水平方向上。部分Y1保持去激活以支持射束1、3、4、5、6、7和9到部分Y2中的進一步傳播。在實踐中，可以將可控中間光柵170劃分成遠遠超過僅三個部分，并采取不同的尺寸和形狀，以提供與它們到波導144中的各自注入同步地在水平方向上更精確地且高效地衍射各射束1、3、4、5、6、7和9以及與其他圖像像素相關聯的任何中間射束。
[0051]在波導144的內表面164上形成的可控輸出光柵190在可控輸出孔188內接收水平傳播的射束1-9。同樣地，類似于前述可控光柵，可控輸出光柵190包括可變換光柵結構192、配對光柵結構194和蓋板196以及橫跨可變換光柵結構192以便跨可變換光柵結構192形成電場的第二導電層200和第一分段導電層198。可以形成并控制可控輸出光柵190的各種層，類似于針對先前所述的可控輸出光柵所述的層。
[0052]然而，可變換和配對光柵結構192和194具有優選地在橫穿傳播方向的垂直方向上被定向以便從波導144發射射束1-9的光柵刻線。另外，第一分段導電層198優選地以二維可控陣列(示為棋盤形圖案)的形式被形成，以便更精確地控制從波導144發射各射束1-9的位置。
[0053]在圖8中，出于簡化的目的示出了被劃分成標記為X1Y1至x3y3的九個部分的輸出孔188的可控輸出光柵190。九個部分Xiyi至x3y3被與射束1、3、4、5、6、7和9到波導144中的各自注入同步地被分別控制，以便在對應于它們到波導144中的注入點但被間隔開的相對位置(參見疊加在輸入孔156的輸入衍射光學裝置158上的射束的位置)上從波導144發射射束1、3、4、5、6、7和9，以便從波導144在給定眼睛釋放(relief )位置處構造出射光瞳。
[0054]例如，與通過輸入孔156注入射束5同步地激活部分x2y2以便在中心位置上通過兩者都等于零的相應角度α和Θ從可控輸出孔188發射射束5。部分Xly2被同時地去激活，使得射束5在沒有中斷的情況傳播到部分x2y2。另外，其余部分也優選地保持被去激活以保留通過波導144對周圍環境的觀看，除了必須在眼眶154的視場內形成期望虛像的情況。
[0055]相似地，與射束7通過輸入孔156的注入同步地激活部分x3y3以便在橫向偏移位置上通過等于給定正值的相應角度α和等于給定負值的相應角度Θ從可控輸出孔188發射射束7。優選地將任何中間部分、諸如部分Xly2、Xly3、X2y2和x2y3去激活以確保射束7到部分x3y3的不中斷傳播，在該部分x3y3中，最終從波導144發射射束7。可以相似地將其余部分中的任何一個或多個去激活以保留通過波導144對周圍環境的期望觀看。
[0056]可以相似地在對應于其注入點的相對位置上通過相應角度α和Θ通過可控輸出孔 188 的期望部分 X3Y1^ X2Y1^ X1Y1^ X3Y2> XiY2> X2Ys 和 XiY3 發射其余射束 1、2、3、4、7、8 和 9中的每一個，以便構造在其內部生成的虛像可見的眼眶154內的光瞳。可以通過在眼眶154內使每個射束1-9重疊來優化光瞳尺寸。通過相對地調整每個射束1-9被可控中間光柵170或可控輸出光柵190衍射的效率、持續時間或區域來進一步增強均勻度。可以改變可控輸出光柵190的各可激活部分Xiyi至x3y3的數目、形狀以及相對布置來相似地控制具有角度α和Θ的中間或其他值的其他像素傳送射束的傳播。可以使用附加的(即更精細分布的)可控部分來進行射束內調整。可以同時地激活可控部分的不同集群(雖然針對不同時段或以不同效率)以控制每個射束內的光的空間分布以及從波導144發射的每個射束之間的光分布。還可以與中間輸出光柵170協作地控制可控輸出光柵190以調整眼眶154的橫向、垂直或眼睛釋放位置，全部通過控制從可控輸出孔188發射每個射束的位置來實現。可以通過控制從可控輸出孔188發射的射束的尺寸和位置兩者來控制被光瞳占用的眼眶154內的視場的面積和出射光瞳的尺寸兩者。可控輸出孔188的其他部分的去激活至少保留在未被生成的虛像占用的區域上對周圍環境的部分觀看。
[0057]在圖9中提供了與近眼顯示器140相關聯的動態孔控制圖。通過圖形用戶界面或其他接口為用戶提供對與控制器145相關聯的系統存儲器的訪問，以調整近眼顯示器140的參數。例如，用戶可以輸入用于對出射光瞳的尺寸、橫向位置、垂直位置以及眼睛釋放進行定位的偏好，其形成在其內部可以對準用戶的眼瞳以便觀看由近眼顯示器140產生的虛像的虛擬孔。對于在公共框架內具有多個近眼顯示器140的雙筒鏡系統而言，用戶還可以指定出射光瞳之間的光瞳間距離。另外，用戶可以輸入用于相對于來自周圍環境的穿過波導的光的對比度或亮度的偏好，以及用于通過波導144的視場內的虛像的圖像均勻度和相對位置的偏好。
[0058]控制器146協調圖像生成器142、可控中間光柵170和可控輸出光柵190的操作，優選地基于逐個像素或以一起經受處理的像素群組的形式，諸如按照圖像的各個區域。另外，可以同時地傳播并仍分別地控制在可控中間光柵170的不同部分列和可控輸出光柵190的不同部分行中傳播的角度相關的射束。例如，可以使射束1、5和9 一起傳播，同時仍獨立地從可控輸出光柵190的部分X3Y1' x2y2和Xj3被發射。
[0059]優選地基于逐個像素可控制的圖像生成器142以及可基于逐個部分可控制的可控中間和輸出光柵170和190 —起工作以提供通過其每個角度射束的尺寸、形狀、位置、光分布以及總體強度可以被控制、并且在眼眶154內相對于彼此被空間重疊并在強度方面被平衡的集成輸出孔控制。為了在強度方面進行射束內或射束間調整，可以控制單獨部分的衍射效率或激活時段。可以將對虛像有貢獻的來自可控輸出孔188的即時光衍射不需要的任何部分去激活，以便保持波導144通過輸出孔144的透視能力。
[0060]雖然用單個波導示出了每個實施例，但具有類似輸入和可控輸出孔的波導堆疊也可以用于分別地傳播包括不同波長帶的圖像信息的不同部分。可以將濾色器或其他射束修改光學裝置放置在堆疊波導之間以提供附加功能。替換地，可以將超過一個的可控光柵堆疊在一起以便進一步控制光經由可控輸出孔的通過。例如，可以使用一個可控輸出光柵的防護玻璃作為用于第二可控輸出光柵的基板。對多個可控輸出光柵的控制將類似于對圖4和5的可控光柵104、108、170和190的控制。
[0061]還已經一般地將可控光柵描述為被激活以便執行衍射功能以及被去激活以便執行透射功能。替換地，可以將可控光柵激活以便執行透射功能以及將其去激活以便執行衍射功能，諸如通過將電活性材料用于可變換光柵結構，其需要激活以使其折射率與配對光柵結構的折射率匹配。
[0062]本領域的技術人員將認識到，在本發明的總體教導內可以進行這些及其他修改和添加。上文針對一個實施例所述的特征和規范可以容易地應用于在本文中描述或結合本描述容易理解的其他實施例。
【權利要求】
1.一種用于近眼顯示器的波導系統，包括 透射波導，用于以多個不同角度射束的形式傳送圖像信息以便形成虛像， 輸入孔，用于接收所述多個不同角度射束并用于沿著透射波導引導所述多個不同角度射束， 可控輸出孔，用于從波導朝著從其能夠觀看所述虛像的眼眶發射所述多個不同角度射束，并用于提供通過可控輸出孔和波導從眼眶對周圍環境的觀看，以及 所述可控輸出孔包括可變換衍射光柵，其可在用于將來自波導的所述多個不同角度射束朝著從其能夠觀看所述虛像的眼眶衍射的第一狀態與用于恢復通過所述可控輸出孔和所述波導從眼眶對所述周圍環境的觀看的第二狀態之間進行切換。
2.權利要求1的波導系 統，其中，所述可變換衍射光柵在第一狀態下充當衍射光柵且在第二狀態下不充當衍射光柵。
3.權利要求2的波導系統，其中，所述可變換衍射光柵在第二狀態下充當透射板。
4.權利要求1的波導，其中，所述可變換衍射光柵包括由電活性材料形成的可變換光柵結構、配對光柵結構以及橫跨可變換光柵結構以便在第一和第二狀態之間改變所述電活性材料的折射率的電極。
5.權利要求1的波導系統，其中，所述可控輸出孔包括多個孔區段，在所述孔區段內部，所述可變換衍射光柵的不同部分可獨立地在第一和第二狀態之間進行切換。
6.權利要求5的波導系統，還包括控制器，所述控制器用于與一系列不同的角度射束的接收同步地在第一和第二狀態之間切換所述可變換衍射光柵的不同部分，以便從所述可控輸出孔的不同區段朝著所述眼眶發射所述不同的角度射束以便使所述不同角度射束在眼眶內重疊。
7.權利要求6的波導系統，還包括可控中間衍射光柵，其具有可在不同狀態之間獨立地切換以便沿著第一維度調整所述不同角度射束之間的相對位置的不同部分。
8.權利要求7的波導系統，其中，所述控制器與所述可控中間衍射光柵的不同部分同步地切換所述可變換衍射光柵的不同部分，以便在第二維度上調整所述不同角度射束之間的相對位置，使得所述不同角度射束在兩個維度上朝著眼眶內的重疊位置會聚。
9.一種近眼顯示器，包括: 圖像生成器，用于生成一系列角度相關的射束， 波導，用于傳播所述一系列角度相關的射束，所述波導具有用于從圖像生成器接收所述一系列角度相關的射束的輸入孔和用于從波導朝著眼眶發射所述角度相關的射束的可控輸出孔，以及 所述可控輸出孔具有多個獨立可控部分，以及 控制器，其使圖像生成器與可控輸出孔同步，以便從可控輸出孔的不同部分發射不同的角度相關的射束以便使所述角度相關的射束在眼眶內重疊。
10.權利要求9的近眼顯示器，其中，可控輸出孔的每個獨立可控部分可在用于從波導朝著眼眶發射所述角度相關的射束中的一個或多個的第一狀態與用于在波導內進一步傳播所述一個或多個角度相關的射束的第二狀態之間進行切換。
11.權利要求10的近眼顯示器，其中，所述可控輸出孔的獨立可控部分被布置成二維陣列，并且所述控制器通過不同的獨立可控部分引導所述不同的角度相關的射束，使得所述不同的角度射束在兩個維度上朝著眼眶內的重疊位置會聚。
12.權利要求9的近眼顯示器，其中，所述波導包括具有多個部分的可控中間結構，所述多個部分是獨立可控的，以便沿著第一維度調整所述不同的角度相關的射束之間的相對位置。
13.權利要求12的近眼顯示器，其中，所述可控輸出孔的不同部分是獨立可控的，以便沿著第二維度調整所述不同的角度相關的射束之間的相對位置。
14.權利要求13的近眼顯示器，其中，所述控制器與圖像生成器同步地控制可控中間結構和可控輸出孔兩者的不同部分，使得所述不同的角度射束在兩個維度上朝著眼眶內的重疊位置會聚。
15.權利要求14的近眼顯示器，其中，所述可控中間結構的所述多個部分對應于中間可變換衍射光柵的可控部分，所述中間可變換衍射光柵的所述可控部分每個可在不同狀態之間切換以便沿著第一維度調整所述不同的角度相關的射束之間的相對位置。
16.權利要求15的近眼顯示器，其中，所述可控輸出孔的所述多個部分對應于輸出可變換衍射光柵的可控部分，所述輸出可變換衍射光柵的所述可控部分每個可在不同狀態之間切換以便沿著第二維度調整所述不同的角度相關的射束之間的相對位置。
17.一種在保留從眼眶通過波導對周圍環境的觀看的同時沿著波導向眼眶傳送圖像信息的方法，包括步驟: 通過波導的輸入孔接收多個不同的角度射束以便傳送用于形成虛像的信息， 沿著波導將所述多個不同的角度射束引導到可控輸出孔， 將所述可控輸出孔在用于將來自波導的所述多個不同的角度射束朝著能夠從其觀看所述虛像的眼眶衍射的第一狀態與用于提供通過所述可控輸出孔和所述波導從眼眶進行的對周圍環境觀看的第二狀態之間進行切換。
18.權利要求17的方法，其中，切換的步驟包括:與一系列不同的角度射束的接收同步地將可控輸出孔的多個孔區段在第一和第二狀態之間進行切換，以便從所述不同的孔區段朝著眼眶發射所述不同的角度射束以使所述不同的角度射束在眼眶內重疊。
19.權利要求18的方法，包括通過可控輸出孔的不同孔區段引導所述不同的角度相關的射束以使得所述不同的角度射束在兩個維度上朝著眼眶內的重疊位置會聚的步驟。
【文檔編號】G06K9/20GK104025121SQ201280051981
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2012年8月21日 優先權日:2011年8月23日
【發明者】P.J.特拉弗斯, R.J.舒爾茨 申請人:伊奎蒂公司