用于近眼顯示器的光組合器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體上涉及光學元件，且明確地說但非排他地，涉及近眼顯示器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在光學領(lǐng)域中，組合器為從所述組合器的相同側(cè)（反射/反射或透射/透射）或從 所述組合器的兩個不同側(cè)（反射/透射）將兩個圖像組合到一起的光學設(shè)備。很多時候， 光組合器使用于抬頭顯示器（"HUD"）中，其允許用戶觀看疊加到外部視圖之上的計算機生 成的圖像（"CGI"）。HUD使用戶能觀看所述CGI而無需遠離其通常的觀看點來看。術(shù)語 HUD起源于其在航空電子學中的使用，其使飛行員能在抬頭向前看時觀看信息，此與向下看 座艙儀器形成對比。一些常規(guī)的HUD包含全息組合器及有角透明襯底。
[0003]然而，全息組合器具有許多缺點。其制造起來昂貴、難以量產(chǎn)且具有有限的使用期 限（舉例來說，由于溫度、濕度、壓力及其它惡劣的環(huán)境條件而開始劣化）。
[0004] 有角透明襯底組合器已經(jīng)使用于汽車中，其用以在擋風玻璃上向駕駛員呈現(xiàn)HUD信息。這些光組合器由透明透視襯底構(gòu)成，外部圖像源在所述襯底上顯示CGI。然而，由于 所述透明透視襯底通常為沒有屈光力以免使外部FOV失真的平坦襯底，所以所述透明襯底 必須為有角的（舉例來說，接近45度），且使用龐大的外部放大透鏡以在顯示區(qū)域上擴大 CGI。所述透明透視襯底組合器的龐大的外部透鏡及有角性質(zhì)不能使其很好的緊湊布置，例 如頭戴式顯示器（"HMD"）。
【附圖說明】
[0005] 參考以下圖式描述本發(fā)明的非限制性且非詳盡實施例，其中相同元件符號貫穿各 個視圖指代相同部件，除非另有說明。
[0006] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施例的包含三個色彩組合器層的衍射光組合器的系統(tǒng)級 橫截面圖。
[0007]圖2為根據(jù)本發(fā)明的實施例的衍射光組合器的一部分的放大剖視圖。
[0008] 圖3為根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用兩個衍射光組合器的雙眼頭戴式顯示器的俯 視圖。
[0009] 圖4為根據(jù)本發(fā)明的實施例的與遠程裝置通信的HMD控制系統(tǒng)的簡化框圖?！揪唧w實施方式】
[0010] 本文描述用于組合圖像的光學設(shè)備及系統(tǒng)的實施例。在以下描述中，陳述眾多特 定細節(jié)以便提供對所述實施例的詳盡理解。然而，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，可在沒有 一或多個特定細節(jié)的情況下或利用其它方法、組件、材料等等來實踐本文所描述的技術(shù)。在 其它情況中，未詳細展示或描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作以避免混淆某些方面。
[0011] 貫穿此說明書對"一個實施例"或"一實施例"的參考意味著與所述實施例相結(jié)合 而描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含于本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，貫穿此說明書在 多個地方出現(xiàn)短語"在一個實施例中"或"在一實施例中"并不一定都指代相同的實施例。 此外，在一或多個實施例中特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性可以任何合適的方式組合。
[0012] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于組合圖像光150與外部場景光155的衍射光組 合器100的系統(tǒng)級橫截面圖。所說明的衍射光組合器100的實施例包含襯底105、第一色彩 組合器層（"CCL"）161、第二CCL162、第三CCL163、向眼側(cè)（eye-wardside) 125 及外部場 景側(cè)130。第一CCL161包含涂覆有第一濾色器181的第一衍射光柵171，第二CCL162包 含涂覆有第二濾色器182的第二衍射光柵172,且第三CCL163包含涂覆有第三濾光器183 的第三衍射光柵173。每一衍射光柵171、172及173嵌入在透明的、折射率匹配材料133中 (SP，夾在其間）。
[0013] 可使用多種透明任選透射式材料（舉例來說，塑料、丙烯酸、熱塑性塑料、聚甲基 丙烯酸甲酯（PMMA)、ZE0NEX-E48R、玻璃、石英等等）來制造衍射光組合器100的不同層。在 一個實施例中，襯底105及折射率匹配材料133為塑料。在另一實施例中，襯底105為玻璃， 而折射率匹配材料133是由二氧化硅制造而成。當然，可使用其它材料組合。
[0014] 圖像源140定位在衍射光組合器100的與用戶的眼睛145相同的側(cè)（舉例來說，向 眼側(cè)125)上。圖像源140以一角度定位以將圖像光150投影到衍射光組合器100上。圖 像源140可包含用于例如硅上液晶（"LCOS"）顯示器、背光液晶顯示器、有機發(fā)光二極管 ("OLED"）顯示器、量子點陣列顯示器、發(fā)光二極管（"LED"）陣列或其它的多種微顯示器 及微微投影儀中的多種緊湊型圖像源技術(shù)?，F(xiàn)今，CRT管仍然用于HUD中，但可能較少用于 例如透視頭戴式顯示器（HMD)的較小裝置中。
[0015] 在上文一些技術(shù)中，圖像源140可包含作為背光的LED或像素級上的LED。在一 個實施例中，三種不同的LED色彩組合以形成所述圖像光。在一個實施例中，使用紅綠藍 ("RGB"）LED配置。作為一實例，紅LED可具有接近625nm的主波長，綠LED可具有接近 530nm的主波長，且藍LED可具有接近470nm的主波長。每一LED的總光譜發(fā)射可集中在所 述主波長中的每一者的大約25nm內(nèi)，意味著每一LED在50nm帶寬內(nèi)發(fā)射其大部分光（舉 例來說，半峰全寬"FWHM"）。
[0016] 在上文一些技術(shù)中，圖像源140可包含光源，所述光源包含發(fā)射三種不同光色彩 的激光器。所述三種不同光色彩可為紅、綠及藍。激光器光的每一色彩可具有大約O.lnm 的帶寬。
[0017] 圖2為根據(jù)本發(fā)明的實施例的衍射光組合器100的一部分的放大剖視圖。在所說 明的實施例中，濾光器181、182及183涂覆其相應(yīng)的衍射光柵171、172及173。在所說明的 實施例中，濾光器181及182為分別反射藍及綠光的反射濾色器。在一個實施例中，濾色器 181、182為反射帶通濾光器且實質(zhì)上反射在所選頻率中的光。第三濾光器183可部分地反 射可見光。舉例來說，第三濾光器183可為部分反射（舉例來說，50/50分束器）及部分透 射式濾光器?？蓪⑿∮趌OOnm的二氧化鋁或二氧化鉻（Cr02)層安置在衍射光柵173上以 形成所述部分反射及部分透射式濾光器。在部分反射可見光的另一實例中，第三濾光器183 反射紅光且透射非紅可見光。第三濾光器183可為反射紅光的帶通濾光器。濾光器181、 182及183可經(jīng)配置以反射與給定實例不同的光色彩。
[0018] 當圖像光150到達第一CCL161的第一濾色器183時，第一濾色器181反射圖像 光150的藍分量151。在一個實施例中，第一濾色器181反射與來自在圖像源140的光源 (或藍LED像素）中的藍LED的藍LED發(fā)射對應(yīng)的50nm波段。在另一實施例中，第一濾色 器181反射與來自在圖像源140的光源中的藍激光器的藍激光器發(fā)射對應(yīng)的0.lnm波段。 當然，第一濾色器181可反射與這些實例不同的帶寬。由于第一濾色器181安置在衍射光 柵171的結(jié)構(gòu)上，所以圖像光150的藍分量151受衍射光柵171的衍射特性影響。
[0019] 第一衍射光柵171經(jīng)配置以從圖像源140接收圖像光150且以在實質(zhì)上與眼睛 145垂直的方向上引導藍光的衍射級反射（使用第一濾色器181)藍光以便將圖像呈現(xiàn)給用 戶。為了實現(xiàn)此反射，衍射光柵171的角度必須被調(diào)諧到圖像源140從其投影的固定（且 已知）的角度以適當?shù)貙⑺Ｍ墓馍室龑У窖劬?45中。換句話說，為了設(shè)計衍射光 柵171，設(shè)計者必須考慮所希望的待反射的光色彩、所希望的光色彩將照射衍射光柵171的 角度及用以將所希望的光色彩實質(zhì)上垂直引導進入眼睛145的所需要的衍射級。應(yīng)理解， 衍射光柵171、172及173的所說明的衍射結(jié)構(gòu)僅為說明性的，且根據(jù)特定設(shè)計變量，可使用 其它衍射結(jié)構(gòu)來將圖像光150反射到眼睛145中。
[0020] 在圖1中，可觀察到，當相應(yīng)的衍射光柵反射圖像光150 (包含藍分量151、綠分量 152及紅分量153)時，所述據(jù)圖像光違反了反射定律。這是因為在圖1及2中，衍射光柵 171、172及173經(jīng)調(diào)諧而以負衍射級（而另一級被抑制）反射其相應(yīng)的光色彩。以特定的 衍射級反射所述色彩可促使在實質(zhì)上與眼睛145垂直的方向上將相應(yīng)色彩引導到眼睛145 中。
[0021] 參看圖2,因為衍射光柵171嵌入在具有相同衍射折射率的折射率匹配材料133 中，所以第一濾色器181未反射的色彩"看"不到衍射光柵171-一對其來說幾乎是透明的。 因此，第一濾色器181未反射的圖像光150的色彩繼續(xù)通過光組合器100傳播直到到達衍 射光柵172。以下情況可為有利的：濾光器181、182及183相對薄以使得所述濾光器與折 射率匹配材料133之間的任何折射率差異最低程度地影響通過安置在衍射結(jié)構(gòu)上的濾光 器而行進的圖像光。
[0022] 在到達衍射光柵172之后，第二濾色器182反射圖像光15