ES2926852T3 - Elemento de guía de onda de difracción y dispositivo de visualización de guía de onda de difracción - Google Patents
Elemento de guía de onda de difracción y dispositivo de visualización de guía de onda de difracción Download PDFInfo
- Publication number
- ES2926852T3 ES2926852T3 ES18891531T ES18891531T ES2926852T3 ES 2926852 T3 ES2926852 T3 ES 2926852T3 ES 18891531 T ES18891531 T ES 18891531T ES 18891531 T ES18891531 T ES 18891531T ES 2926852 T3 ES2926852 T3 ES 2926852T3
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- waveguide
- display
- diffraction
- optical element
- rays
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/0081—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for altering, e.g. enlarging, the entrance or exit pupil
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
- G02B27/0103—Head-up displays characterised by optical features comprising holographic elements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/017—Head mounted
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/017—Head mounted
- G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
- G02B27/4272—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1828—Diffraction gratings having means for producing variable diffraction
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
- G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
- G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
- G02B6/0015—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
- G02B6/0016—Grooves, prisms, gratings, scattering particles or rough surfaces
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
- G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
- G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
- G02B6/0023—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed between the light guide and the light source, or around the light source
- G02B6/0028—Light guide, e.g. taper
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
- G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
- G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
- G02B6/0035—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
- G02B6/004—Scattering dots or dot-like elements, e.g. microbeads, scattering particles, nanoparticles
- G02B6/0043—Scattering dots or dot-like elements, e.g. microbeads, scattering particles, nanoparticles provided on the surface of the light guide
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
Abstract
La invención se refiere a un elemento de guía de ondas difractiva para un dispositivo de visualización personal, el elemento que comprende una guía de ondas de visualización (10) que se extiende en un plano de guía de ondas, un elemento óptico difractivo de acoplamiento (31) dispuesto sobre o dentro de la guía de ondas de visualización (10) para acoplamiento difractivo de rayos de luz en la guía de ondas de visualización (10), y un elemento óptico difractivo de desacoplamiento (33) dispuesto sobre o dentro de la guía de ondas de visualización (10) para acoplar los rayos de luz acoplados difractivamente fuera de la guía de ondas de visualización (10). Además, se proporciona un elemento multiplicador de rayos (12A) ópticamente aguas arriba del elemento óptico difractivo de desacoplamiento (33), el elemento multiplicador de rayos (12A) es capaz de dividir un rayo de luz que ingresa a la rejilla de acoplamiento de entrada (31).) en una pluralidad de rayos paralelos espacialmente desplazados en el plano de la guía de ondas antes de que entren en el elemento óptico difractivo de desacoplamiento (33). La invención se refiere además a un dispositivo de visualización de guía de ondas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Elemento de guía de onda de difracción y dispositivo de visualización de guía de onda de difracción
Campo de la invención
La invención se refiere a guías de ondas de difracción. Dichas guías de ondas se pueden utilizar en dispositivos de visualización personal, como pantallas montadas en la cabeza (HMD) y pantallas de visualización frontal (HUD).
Antecedentes de la invención
Las guías de ondas son elementos clave de formación de imágenes en muchos dispositivos de visualización personales modernos. La imagen que se va a visualizar puede acoplarse dentro y fuera de la guía de ondas, así como modificarse dentro de la guía de ondas, utilizando rejillas de difracción. Por ejemplo, se puede proporcionar una rejilla de acoplamiento interno para acoplar una imagen de un proyector a la guía de ondas, una rejilla expansora de pupila de salida para expandir el campo de luz en una o más dimensiones en el plano de la guía de ondas, y una rejilla de acoplamiento externo rejilla que acopla la imagen de la guía de ondas al ojo del usuario.
Un problema relacionado con los elementos de guía de ondas de difracción es la formación de franjas de la imagen fuera del acoplamiento de los mismos. Esto se debe a que los haces de luz que viajan en la guía de ondas a través de reflexiones internas totales pueden tener un período de rebote, es decir, una longitud de salto mayor que el diámetro de la pupila del ojo del espectador. En este caso, un píxel puede difractarse junto a la pupila y, por lo tanto, no ser visible para el usuario. Este efecto se nota en particular con ángulos de incidencia elevados (respecto al normal de la guía de ondas) y cuando se utiliza un proyector láser para la formación de imágenes, ya que cada píxel de la imagen se compone únicamente de un haz estrecho. Los documentos US 2016/291328 A1, WO 2017/207987 A1 y US 2017/131551 A1 divulgan elementos de guía de ondas para dispositivos de formación de imágenes.
Resumen de la invención
Es un objetivo de la invención resolver el problema mencionado anteriormente y proporcionar una solución que evite o disminuya la formación de franjas y ayude a proporcionar una imagen más integral.
La invención se basa en la idea de proporcionar, en conexión con un elemento óptico de difracción de acoplamiento interno de una guía de ondas, un elemento multiplicador de rayos que sea capaz de dividir los rayos entrantes en una pluralidad de rayos paralelos que se propagan en la guía de ondas desplazadas de los demás. El multiplicador se puede diseñar de manera que al menos un rayo, preferentemente una pluralidad de rayos, salga a la pupila del observador, en todos los ángulos de incidencia, con lo que se evita la formación de franjas. El elemento multiplicador de rayos se puede adaptar para dividir el rayo entrante en una o dos dimensiones.
En particular, la invención se caracteriza por lo establecido en las reivindicaciones independientes.
De acuerdo con un primer aspecto, la invención proporciona un elemento de guía de ondas de difracción para un dispositivo de visualización personal, comprendiendo el elemento una guía de ondas de visualización que se extiende en un plano de guía de ondas, un elemento óptico de difracción de acoplamiento interno dispuesto sobre o dentro de la guía de ondas de visualización para acoplar rayos de luz difractivamente en la guía de ondas de visualización, y un elemento óptico de difracción de acoplamiento externo dispuesto sobre o dentro de la guía de ondas de visualización para acoplar los rayos de luz acoplados difractivamente fuera de la guía de ondas de visualización. Además, se proporciona un elemento multiplicador de rayos ópticamente aguas arriba del elemento óptico de difracción de acoplamiento externo, siendo capaz el elemento multiplicador de rayos de dividir un rayo de luz que llega a la rejilla de acoplamiento interno en una pluralidad de rayos paralelos espacialmente desplazados en el plano de guía de ondas antes de que entren en el elemento óptico de difracción de acoplamiento externo. El elemento multiplicador de rayos se puede proporcionar aguas arriba o aguas abajo del elemento óptico de difracción de acoplamiento interno.
En particular, la densidad de la pluralidad de rayos paralelos, es decir, incluyendo el rayo original y los rayos multiplicados, es mayor que la longitud de salto del rayo de luz entrante en la dirección de propagación del rayo de luz entrante en la guía de ondas de visualización. Esto asegura que se produzca una densificación de rayos real del campo de luz.
De acuerdo con un segundo aspecto, la invención proporciona una pantalla de guía de ondas de difracción que comprende un elemento de guía de ondas de difracción del tipo anterior, y un proyector de imágenes adaptado para proyectar una pluralidad de rayos láser sobre dicho elemento óptico de difracción de acoplamiento interno, siendo los rayos multiplicados espacialmente en el elemento multiplicador de rayos. El haz único inicial emitido por el proyector de imágenes sale como un haz paralelo de múltiples rayos desde la rejilla de acoplamiento externo.
En particular, el desplazamiento espacial de los rayos multiplicados en cada ángulo particular que tiene lugar en el elemento multiplicador de rayos es diferente de la longitud de salto de los rayos en la guía de ondas de visualización,
por lo que tiene lugar una dispersión espacial adicional de los rayos. En una realización típica, el desplazamiento es menor que la longitud del salto en la guía de ondas.
La invención ofrece beneficios significativos. El multiplicador de rayos aumenta la densidad de rebote de los rayos que se propagan en la guía de ondas y, por lo tanto, aumenta el número de rayos acoplados externos por unidad de área en la rejilla de acoplamiento externo. Esto aumenta la probabilidad o garantiza completamente que haya al menos un rayo que salga hacia la pupila del ojo del espectador. Así, se evita o al menos se reduce la formación de franjas y se ve una imagen integral y más homogénea (sin franjas).
La invención mejora el rendimiento de la pantalla en particular con ángulos de incidencia elevados, que anteriormente han sido propensos a la formación de franjas.
Cabe señalar que la invención difiere de las rejillas de expansión de pupila de salida (EPE) convencionales en que la densidad de la pluralidad de rayos paralelos es mayor que la longitud del salto en la dirección de propagación de la luz entrante. Los EPE de acuerdo con la técnica anterior son incapaces de densificar el campo de luz en la dirección de propagación original, sino únicamente en la dirección transversal.
La invención se puede implementar con un elemento multiplicador de rayos relativamente simple con cambios menores o sin cambios en el diseño general de la guía de ondas. No se requieren cambios en el proyector.
Las reivindicaciones dependientes se refieren a realizaciones seleccionadas de la invención.
En algunas realizaciones, el elemento multiplicador de rayos comprende una guía de ondas multiplicadora plana que tiene un grosor menor que dicha guía de ondas de visualización. La guía de ondas multiplicadora se puede colocar de manera que interactúe directamente con el elemento óptico de difracción de acoplamiento interno para provocar la multiplicación de rayos en al menos una dimensión. Puede proporcionarse una disposición adicional de rejilla o microespejo, por ejemplo, para provocar la multiplicación en la otra dimensión. En algunas realizaciones, la guía de ondas multiplicadora está dispuesta sobre o debajo de la superficie de la guía de ondas de visualización alineada con el elemento óptico de difracción de acoplamiento interno. Por lo tanto, la multiplicación se puede lograr sin aumentar la huella de la guía de ondas.
En algunas realizaciones, el elemento multiplicador de rayos comprende uno o más elementos de microespejo o rejillas de difracción adaptadas para realizar o facilitar la división del rayo de luz entrante.
En algunas realizaciones, el elemento multiplicador es una zona en la guía de ondas de visualización que tiene dos rejillas de difracción dispuestas en superficies opuestas de la guía de ondas de visualización y en la ruta de propagación de la luz difractada en la guía de ondas por dicho elemento óptico de difracción de acoplamiento interno. Las rejillas de difracción, o más generalmente los elementos ópticos de difracción, provocan el desplazamiento necesario para que los rayos incidan sobre ellas.
En algunas realizaciones, el elemento multiplicador de rayos está configurado para dividir el rayo de luz solo por encima del ángulo de incidencia predefinido del rayo entrante. Asimismo, el elemento multiplicador de rayos puede configurarse para proporcionar al menos dos factores de multiplicación diferentes para al menos dos ángulos de incidencia diferentes de los rayos entrantes, respectivamente.
En realizaciones típicas, el elemento de guía de ondas es un elemento iluminado por láser, en el que cada rayo individual que tiene un ángulo de incidencia específico corresponde a un único píxel de la imagen vista por el usuario. Así, el proyector de imágenes es un proyector de rayos láser, tal como un proyector de rayos de exploración.
A continuación, las realizaciones de la invención y sus ventajas se analizan con más detalle con referencia a los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
Las figuras 1A y 1B muestran vistas laterales en sección transversal de una guía de ondas convencional con rayos entrantes que no salen y salen a la pupila del observador, respectivamente.
Las figuras 2A-C muestran guías de ondas laterales en sección transversal con tres tipos diferentes de elementos multiplicadores de rayos según realizaciones de la presente invención.
La figura 3 muestra una vista superior de una guía de ondas de acuerdo con una forma de realización de la invención.
Descripción detallada de las de las realizaciones
Definiciones
El elemento óptico de difracción se refiere aquí a rejillas y otras estructuras ópticas que contienen características regulares o no regulares que tienen al menos una dimensión en el orden de las longitudes de onda de la luz visible, es decir, típicamente menos de 1 |jm, y por lo tanto causa una difracción significativa de la luz. Los ejemplos incluyen rejillas lineales (rejillas unidimensionales) y rejillas bidimensionales. Las rejillas pueden ser rejillas de una sola región (con la misma microestructura y respuesta óptica en toda el área de la rejilla) o rejillas de múltiples regiones (es decir, que contienen zonas que tienen diferentes microestructuras y respuestas ópticas).
La “ longitud de salto” es la distancia entre dos puntos de rebote sucesivos de la luz que se propaga en una guía de ondas a través de reflexiones internas totales sobre la misma superficie de la guía de ondas.
Descripción de realizaciones seleccionadas
Los multiplicadores de haz discutidos en este documento son necesarios, por ejemplo, cuando las guías de ondas de realidad aumentada (AR) se iluminan con luz láser. Para que la imagen producida por una guía de ondas de este tipo aparezca ininterrumpida ante el ojo del observador, es necesario que al menos un rayo láser correspondiente a cada ángulo FOV ilumine la pupila del ojo en todo momento. Por lo general, la pupila del ojo humano tiene un diámetro superior a 2 mm, lo que significa que los haces no deben estar separados entre sí más de esta distancia en la región de acoplamiento externo para garantizar una imagen ininterrumpida en todas las situaciones. Sin embargo, en estructuras de guía de ondas normales, las distancias entre haces después de la expansión de la pupila de salida pueden ser tan grandes como 5 mm y, por lo tanto, los haces deben subdividirse adicionalmente (para la función EPE). Esta subdivisión adicional es el propósito del presente multiplicador de rayos.
Para ilustrar primero el problema que subyace a la invención, la Figura 1A muestra una guía de ondas 10 plana que tiene una rejilla 31 de acoplamiento interno y una rejilla 33 de acoplamiento externo. El rayo 11 a incidente es difractado por la rejilla 31 de acoplamiento interno en el guía de ondas 10, donde se propaga a través de reflexiones internas totales. El ángulo de incidencia del rayo 11A entrante es relativamente alto con respecto a la normal de la guía de ondas, por lo que también el ángulo de difracción es alto y la longitud de salto (período de rebote) dA es larga. Debido al largo período, los rayos 15A, 15B que salen de la guía de ondas en la región de la rejilla 33 de acoplamiento externo no alcanzan la pupila 20 del ojo del espectador. Para que se vea un rayo en un ángulo específico, debe salir dentro de la zona de visión 22 para ese ángulo.
La figura 1B muestra una situación modificada, en la que el ángulo de incidencia del rayo 11B entrante es más bajo, lo que hace también que el ángulo de difracción sea más bajo y la longitud de salto dB más corta. Ahora, un rayo 16 que sale se encuentra con la pupila 20. Incluso si el ojo se mueve, al menos uno de los rayos 15A, 16, 15B que salen siempre se encontrará con la pupila 20.
En términos generales, el presente elemento multiplicador de haz puede ser un componente separado de la guía de ondas principal del elemento de visualización o puede estar integrado como parte de la funcionalidad de la guía de ondas. Se puede realizar utilizando una combinación de rejillas y/o controlando el grosor de la guía de ondas. Los ejemplos no limitantes se discuten a continuación.
En algunas realizaciones, el elemento multiplicador de haz se proporciona aguas arriba de la rejilla de acoplamiento interno aprovechando una guía de ondas adicional que tiene un grosor menor que el grosor de la guía de ondas de visualización principal.
De acuerdo con esto, la Figura 2A muestra una realización, donde se proporciona un elemento 12A multiplicador de rayos en la guía de ondas 10. El elemento 12A aquí comprende una guía de ondas multiplicadora que es más delgada y de menor área que la guía de ondas 10 principal. La rejilla de acoplamiento interno está ubicada aguas abajo del elemento multiplicador entre la guía de ondas del multiplicador y la guía de ondas 10 de visualización. El rayo 11 incidente rebota dentro de la guía de ondas del multiplicador con un período de rebote corto, y en cada rebote en la rejilla 31 de acoplamiento interno, parte de la luz se difracta en la guía de ondas 10 de visualización. Por lo tanto, el rayo se multiplica y al menos uno, aquí dos, rayos 16A, 16B salen a la pupila 20 del ojo.
La figura 2B muestra una realización en la que el elemento 12B multiplicador de rayos está formado por dos finas guías de ondas 31A, 31B de multiplicación/multiplicadoras y un DOE 31C intermedio entre ellas. Cuando la luz 11 incidente ingresa al elemento 12B multiplicador, las partes delgadas interactúan de manera que la cantidad de rayos se multiplica cuando escapan a la guía de ondas 10 principal para propagarse hacia la rejilla 33 de acoplamiento externo. En este ejemplo, cuatro rayos 16A-D golpean la pupila 20 del ojo.
En algunas realizaciones, se proporcionan dos o más capas delgadas que tienen diferentes espesores. En realizaciones adicionales, se proporciona una rejilla de orden cero (rejilla que tiene solo órdenes de difracción cero) entre al menos un par de capas.
En algunas realizaciones, la luz se propaga en las capas delgadas apiladas en diferentes direcciones, lo que también proporciona una configuración de multiplicador de haz eficiente.
La figura 2C muestra una realización en la que el elemento 12C multiplicador de rayos comprende dos rejillas 14A, 14B multiplicadoras dispuestas en superficies opuestas de la guía de ondas 10 de visualización. Las rejillas están adaptadas para difractar los rayos en un ángulo más bajo, de nuevo con el resultado de que uno o más haces 16A, 16B salen hacia la pupila 20 del ojo. Cuando el rayo acoplado interno inicial golpea la primera rejilla 14A multiplicadora en un primer lado (aquí el lado inferior) de la guía de ondas 10, una primera parte continúa “normalmente” a través de la reflexión interna total y la segunda parte del mismo se dirige por difracción reflexiva hacia la segunda rejilla 14A multiplicadora en el segundo lado (aquí el lado superior) de la guía de ondas 10. Desde ese punto, el segundo rayo se difracta reflexivamente nuevamente y continúa en el mismo ángulo de propagación que el primer rayo, pero desplazado del mismo. Por lo tanto, ambos rayos “encajan” en el tubo de vista 22 de la pupila del ojo.
En una realización, las rejillas 14A, 14B multiplicadoras son similares entre sí, es decir, tienen los mismos períodos y orientaciones de rejilla (o más generalmente vectores de rejilla).
En el ejemplo de la figura 2C, el factor de multiplicación es dos, pero al extender el ancho del elemento 12C multiplicador de rayos, es decir, las rejillas 14A, 14B multiplicadoras del mismo, se puede lograr un factor de multiplicación de más de dos.
En el ejemplo de la figura 2C, la multiplicación de rayos en una sola dimensión se muestra por simplicidad. Sin embargo, mediante el uso de rejillas multirregionales y/o rejillas bidimensionales periódicas, se puede lograr la multiplicación en dos dimensiones.
En una realización, las rejillas 14A, 14B multiplicadoras se sustituyen por algún elemento óptico que realiza esencialmente la misma función óptica. Por ejemplo, con una disposición de espejos parcialmente transmisivos, se puede lograr el mismo efecto de división del haz que mantiene el ángulo.
En algunas realizaciones, el elemento multiplicador se proporciona como una capa delgada de guía de ondas encima de la capa principal más gruesa de guía de ondas en la región de la rejilla de acoplamiento externo. A medida que la luz se filtra desde la guía de ondas principal hacia la guía de ondas delgada, la longitud de su salto se acorta. La longitud de salto más corta acorta la distancia de los rayos salientes que se acoplan por fuera de la rejilla de acoplamiento externo/DOE que se encuentra en la parte superior de la capa delgada.
También se puede proporcionar una cascada de tipos similares o diferentes de elementos multiplicadores de rayos para aumentar el factor de multiplicación.
En realizaciones típicas, el elemento multiplicador es capaz de proporcionar un factor de multiplicación de al menos 4, en particular al menos 9, como 4 - 100, para haces de ángulo de incidencia alta, es decir, haces en los ángulos límite FOV del elemento de visualización. En particular, el elemento de multiplicación puede configurarse para proporcionar al menos 9 haces por área de pupila que tengan un diámetro de 2 mm para todos los ángulos dentro del FOV del dispositivo de visualización.
La figura 3 ilustra la invención como una vista superior de la guía de ondas 10. Aquí, el elemento 12 multiplicador de rayos está alineado con la rejilla 31 de acoplamiento interno para replicar el haz 11 original en haces 11' adicionales desplazados en dos dimensiones. y propagándose en la misma dirección. Los haces 11, 11' viajan a una rejilla 32 de expansión de la pupila de salida (EPE) para aumentar la pupila de salida en una o dos dimensiones. Desde la rejilla 32 EPE, los rayos continúan hacia la rejilla 33 de acoplamiento externo, desde la cual los haces 16, 16' desacoplados, correspondientes a los haces 11, 11' originales y replicados y se extienden por toda la rejilla 33 de acoplamiento externo, salen paralelos entre sí. Por lo tanto, se mantiene la integridad, es decir, las posiciones relativas de los píxeles, de la imagen y se mejora la homogeneidad de la imagen. Los círculos 19 discontinuos ilustran el tamaño original de la pupila, es decir, aquí el área de la rejilla 31 de acoplamiento interno, que se replica varias veces en la rejilla 33 de acoplamiento externo.
En este ejemplo, el factor de multiplicación ilustrado es 2x2, es decir, 4, pero también se pueden implementar otros factores de multiplicación simétricos o no simétricos, como se entiende a partir de los ejemplos descritos anteriormente.
Para mayor claridad, los ejemplos ilustrados muestran el efecto de multiplicación de rayos para un solo ángulo de incidencia. Sin embargo, se ve el mismo efecto en una gama más amplia de ángulos que se encuentran con la rejilla de acoplamiento interior y el elemento multiplicador de rayos. Mediante la colocación adecuada del elemento multiplicador de rayos con respecto al proyector de imágenes y su dimensionamiento, se puede controlar el rango de ángulos e incluso se pueden proporcionar diferentes factores de multiplicación para diferentes ángulos.
En algunas realizaciones, el factor de multiplicación para al menos algunos ángulos de incidencia altos está configurado para ser más alto que el factor de multiplicación para al menos algunos ángulos de incidencia bajos (para los cuales la longitud del salto es inherentemente más corta y el problema menos relevante).
Las realizaciones de la invención se pueden utilizar en diversos dispositivos de visualización personal, dispositivos de realidad aumentada (AR), realidad virtual (VR) y realidad mixta (MR), como pantallas cercanas al ojo (NED) y otros dispositivos de visualización montados en la cabeza (HMD), así como pantallas de visualización frontal (HUD), en sus diferentes formas.
Aunque no se trata aquí en detalle, la guía de ondas o capas individuales de la misma pueden comprender, además del acoplamiento de entrada, el expansor de pupila de salida y las rejillas de acoplamiento de salida, también otros elementos ópticos de difracción, como rejillas de redirección del haz.
Claims (5)
1. Elemento de guía de ondas difracción para un dispositivo de visualización personal, el elemento que comprende
- una guía de ondas (10) de visualización que se extiende en un plano de guía de ondas,
- un elemento (31) óptico de difracción de acoplamiento dispuesto sobre o dentro de la guía de ondas (10) de visualización para acoplar difractivamente los rayos de luz en la guía de ondas (10) de visualización, propagándose los rayos de luz acoplados en la guía de ondas (10) de visualización con una longitud de salto de propagación,
- un elemento (33) óptico de difracción de acoplamiento externo dispuesto sobre o dentro de la guía de ondas (10) de visualización para acoplar los rayos de luz acoplados difractivamente fuera de la guía de ondas (10) de visualización,
- un elemento (12A, 12B, 12C) multiplicador de rayos aguas arriba del elemento (33) óptico de difracción de acoplamiento externo,
siendo capaz el elemento (12A, 12B, 12C) multiplicador de rayos de dividir un rayo de luz entrante al elemento (31) óptico de difracción de acoplamiento interno en una pluralidad de rayos paralelos espacialmente desplazados en el plano de la guía de ondas en al menos una dimensión del mismo, siendo la densidad de la pluralidad de rayos paralelos en la dirección de propagación de la luz incidente mayor que dicha longitud de salto,
caracterizado por exactamente uno de:
- el elemento (12A) multiplicador de rayos comprende una guía de ondas multiplicadora que tiene un grosor menor que el grosor de dicha guía de ondas (10) de visualización y está dispuesta aguas arriba y alineada con el elemento (31) óptico de difracción de acoplamiento interno, y
- siendo el elemento (12C) multiplicador de rayos una zona en dicha guía de ondas de visualización que tiene dos rejillas (14A, 14B) de difracción dispuestas en superficies opuestas de la guía de ondas de visualización y en la trayectoria de propagación de la luz difractada en la guía de ondas por dicho elemento (31) óptico de difracción de acoplamiento interno, y estando dispuesto aguas abajo del elemento (31) óptico de difracción de acoplamiento interno para dividir los rayos de luz acoplados en la guía de ondas (10) de visualización por el elemento (31) óptico de difracción de acoplamiento interno.
2. El elemento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el elemento (12A, 12B, 12C) multiplicador de rayos está adaptado para multiplicar un rayo entrante en al menos dos, tal como al menos cuatro, haces desplazados dentro de dicha longitud de salto.
3. El elemento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el elemento (12A, 12B, 12C) multiplicador de rayos está adaptado para dividir cada rayo entrante al elemento (31) óptico de difracción de acoplamiento interno en una pluralidad de rayos paralelos en dos dimensiones.
4. El elemento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el elemento (12A, 12B, 12C) multiplicador de rayos está configurado para dividir el rayo de luz solo por encima de un ángulo predefinido de incidencia del rayo entrante.
5. El elemento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el elemento (12A, 12B, 12C) multiplicador de rayos está configurado para proporcionar al menos dos factores de multiplicación diferentes para al menos dos ángulos de incidencia diferentes de los rayos entrantes, respectivamente.
6. Una pantalla de guía de ondas de difracción que comprende
- un elemento de guía de ondas de difracción de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
- un proyector de imágenes adaptado para proyectar una pluralidad de rayos láser sobre dicho elemento (31) óptico de difracción de acoplamiento interno, siendo los rayos espacialmente multiplicados en dicho elemento (12A, 12B, 12C) multiplicador de rayos.
7. El dispositivo de visualización de acuerdo con la reivindicación 6, en la que el proyector de imágenes es un proyector láser.
8. Un dispositivo de visualización de guía de ondas de difracción de acuerdo con la reivindicación 7, en la que el proyector láser comprende un espejo microelectromecánico para proporcionar dicha pluralidad de rayos en diferentes ángulos sobre dicho elemento óptico de difracción de acoplamiento interno.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20176161A FI129400B (en) | 2017-12-22 | 2017-12-22 | Diffractive waveguide element and diffractive waveguide display |
| PCT/FI2018/050905 WO2019122508A1 (en) | 2017-12-22 | 2018-12-11 | Diffractive waveguide element and diffractive waveguide display |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2926852T3 true ES2926852T3 (es) | 2022-10-31 |
Family
ID=66993163
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES18891531T Active ES2926852T3 (es) | 2017-12-22 | 2018-12-11 | Elemento de guía de onda de difracción y dispositivo de visualización de guía de onda de difracción |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11846787B2 (es) |
| EP (1) | EP3710883B1 (es) |
| JP (1) | JP7227253B2 (es) |
| KR (1) | KR102679655B1 (es) |
| CN (1) | CN111492303B (es) |
| CA (1) | CA3087321A1 (es) |
| ES (1) | ES2926852T3 (es) |
| FI (1) | FI129400B (es) |
| WO (1) | WO2019122508A1 (es) |
Families Citing this family (42)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB0718706D0 (en) | 2007-09-25 | 2007-11-07 | Creative Physics Ltd | Method and apparatus for reducing laser speckle |
| US11726332B2 (en) | 2009-04-27 | 2023-08-15 | Digilens Inc. | Diffractive projection apparatus |
| US9274349B2 (en) | 2011-04-07 | 2016-03-01 | Digilens Inc. | Laser despeckler based on angular diversity |
| WO2016020630A2 (en) | 2014-08-08 | 2016-02-11 | Milan Momcilo Popovich | Waveguide laser illuminator incorporating a despeckler |
| EP2842003B1 (en) | 2012-04-25 | 2019-02-27 | Rockwell Collins, Inc. | Holographic wide angle display |
| US9933684B2 (en) | 2012-11-16 | 2018-04-03 | Rockwell Collins, Inc. | Transparent waveguide display providing upper and lower fields of view having a specific light output aperture configuration |
| WO2016042283A1 (en) | 2014-09-19 | 2016-03-24 | Milan Momcilo Popovich | Method and apparatus for generating input images for holographic waveguide displays |
| US10437064B2 (en) | 2015-01-12 | 2019-10-08 | Digilens Inc. | Environmentally isolated waveguide display |
| US9632226B2 (en) | 2015-02-12 | 2017-04-25 | Digilens Inc. | Waveguide grating device |
| WO2017060665A1 (en) | 2015-10-05 | 2017-04-13 | Milan Momcilo Popovich | Waveguide display |
| JP6895451B2 (ja) | 2016-03-24 | 2021-06-30 | ディジレンズ インコーポレイテッド | 偏光選択ホログラフィー導波管デバイスを提供するための方法および装置 |
| EP3548939A4 (en) | 2016-12-02 | 2020-11-25 | DigiLens Inc. | UNIFORM OUTPUT LIGHTING WAVEGUIDE DEVICE |
| US10545346B2 (en) | 2017-01-05 | 2020-01-28 | Digilens Inc. | Wearable heads up displays |
| JP7456929B2 (ja) | 2018-01-08 | 2024-03-27 | ディジレンズ インコーポレイテッド | 導波管セルを製造するためのシステムおよび方法 |
| JP7404243B2 (ja) | 2018-01-08 | 2023-12-25 | ディジレンズ インコーポレイテッド | 導波管セル内のホログラフィック格子の高スループット記録のためのシステムおよび方法 |
| CN114721242B (zh) | 2018-01-08 | 2025-08-15 | 迪吉伦斯公司 | 用于制造光学波导的方法 |
| WO2020149956A1 (en) | 2019-01-14 | 2020-07-23 | Digilens Inc. | Holographic waveguide display with light control layer |
| US20200247017A1 (en) | 2019-02-05 | 2020-08-06 | Digilens Inc. | Methods for Compensating for Optical Surface Nonuniformity |
| EP3924759B1 (en) | 2019-02-15 | 2025-07-30 | Digilens Inc. | Methods and apparatuses for providing a holographic waveguide display using integrated gratings |
| US20220283377A1 (en) | 2019-02-15 | 2022-09-08 | Digilens Inc. | Wide Angle Waveguide Display |
| JP2022525165A (ja) | 2019-03-12 | 2022-05-11 | ディジレンズ インコーポレイテッド | ホログラフィック導波管バックライトおよび関連する製造方法 |
| EP3980825A4 (en) | 2019-06-07 | 2023-05-03 | Digilens Inc. | WAVEGUIDES WITH TRANSMITTING AND REFLECTING GRIDS AND RELATED MANUFACTURING PROCESSES |
| JP2022546413A (ja) | 2019-08-29 | 2022-11-04 | ディジレンズ インコーポレイテッド | 真空回折格子および製造方法 |
| CN114207354B (zh) * | 2019-09-16 | 2024-06-21 | 鲁姆斯有限公司 | 具有光束倍增的图像显示系统 |
| KR102601442B1 (ko) * | 2019-10-07 | 2023-11-13 | 주식회사 엘지화학 | 홀로그래픽 도광판 |
| CN111751312B (zh) * | 2020-08-18 | 2023-08-08 | 杭州谱析光晶半导体科技有限公司 | 一种基于光场重构器件的室内空气质量监测系统及方法 |
| WO2022150841A1 (en) | 2021-01-07 | 2022-07-14 | Digilens Inc. | Grating structures for color waveguides |
| CN114815233B (zh) * | 2021-01-18 | 2023-06-27 | 宁波舜宇光电信息有限公司 | 增强现实的显示设备 |
| CN114911096B (zh) * | 2021-02-10 | 2025-06-03 | 未来(北京)黑科技有限公司 | 显示装置、抬头显示器、交通设备以及光源装置 |
| KR20230153459A (ko) | 2021-03-05 | 2023-11-06 | 디지렌즈 인코포레이티드. | 진공 주기적 구조체 및 제조 방법 |
| CN112904585B (zh) * | 2021-04-21 | 2022-11-08 | 南昌三极光电有限公司 | 一种光学系统 |
| EP4330740A4 (en) * | 2021-04-30 | 2025-03-12 | Magic Leap, Inc. | Waveguide with thin illumination layer and manufacturing method |
| CN113625446B (zh) * | 2021-07-15 | 2024-02-02 | 嘉兴驭光光电科技有限公司 | Ar光波导的设计方法及用于ar眼镜的光波导 |
| WO2023075291A1 (en) * | 2021-10-25 | 2023-05-04 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Mid-air imaging device and method of its operation, projection optical system for mid-air imaging device, interaction mid-air imaging display system, method for operating the interaction mid-air imaging display system |
| GB2614066B (en) * | 2021-12-21 | 2024-06-26 | Envisics Ltd | Compact head-up display and waveguide therefor |
| WO2023188656A1 (ja) * | 2022-03-31 | 2023-10-05 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 光学系、及び、画像表示装置 |
| WO2023186146A1 (en) | 2022-04-01 | 2023-10-05 | Lumos Health Inc. | Ophthalmic devices for light therapy |
| US20230359031A1 (en) * | 2022-05-09 | 2023-11-09 | Visera Technologies Company Limited | Waveguide structure and display device using the same |
| DE112023003215T5 (de) * | 2022-07-26 | 2025-05-15 | Sony Group Corporation | Lichtleiterplatteneinheit und Bildanzeigevorrichtung |
| KR102803868B1 (ko) * | 2022-11-14 | 2025-05-09 | 한국기계연구원 | Ar 및 vr 기기를 위한 웨이브가이드용 미세 경사 구조체 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 미세 경사 구조체 |
| WO2024105653A1 (en) * | 2022-11-20 | 2024-05-23 | Lumus Ltd. | Optical systems including two-dimensional expansion light-guide optical elements with intermediate expansion region |
| DE102024205613A1 (de) | 2024-06-18 | 2025-12-18 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Wellenleitvorrichtung für eine Datenbrille, Datenbrille und Verfahren zum Betreiben einer Wellenleitvorrichtung |
Family Cites Families (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7418170B2 (en) * | 2004-03-29 | 2008-08-26 | Sony Corporation | Optical device and virtual image display device |
| DE602006010215D1 (de) | 2005-09-07 | 2009-12-17 | Bae Systems Plc | Projektionsanzeige mit einem stabartigen wellenleiter mit rechteckigem querschnitt und einem plattenartigen wellenleiter, die jeweils ein beugungsgitter aufweisen |
| US7659905B2 (en) | 2006-02-22 | 2010-02-09 | Ebay Inc. | Method and system to pre-fetch data in a network |
| WO2008081070A1 (en) | 2006-12-28 | 2008-07-10 | Nokia Corporation | Device for expanding an exit pupil in two dimensions |
| US7589901B2 (en) | 2007-07-10 | 2009-09-15 | Microvision, Inc. | Substrate-guided relays for use with scanned beam light sources |
| CN101945612B (zh) | 2008-02-14 | 2013-09-25 | 诺基亚公司 | 用于确定注视方向的设备和方法 |
| US8531773B2 (en) | 2011-01-10 | 2013-09-10 | Microvision, Inc. | Substrate guided relay having a homogenizing layer |
| US8760745B2 (en) * | 2011-05-02 | 2014-06-24 | Microvision, Inc. | Substrate guided relay with image compensation |
| WO2013033274A1 (en) * | 2011-08-29 | 2013-03-07 | Vuzix Corporation | Controllable waveguide for near-eye display applications |
| FR2983976B1 (fr) * | 2011-12-13 | 2017-10-20 | Optinvent | Guide optique a elements de guidage superposes et procede de fabrication |
| GB2500631B (en) * | 2012-03-27 | 2017-12-27 | Bae Systems Plc | Improvements in or relating to optical waveguides |
| EP2842003B1 (en) * | 2012-04-25 | 2019-02-27 | Rockwell Collins, Inc. | Holographic wide angle display |
| US9019615B2 (en) | 2012-06-12 | 2015-04-28 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Wide field-of-view virtual image projector |
| WO2014080155A1 (en) * | 2012-11-20 | 2014-05-30 | Milan Momcilo Popovich | Waveguide device for homogenizing illumination light |
| JP6287095B2 (ja) | 2013-11-19 | 2018-03-07 | セイコーエプソン株式会社 | 光学デバイス及び電子機器 |
| NZ764905A (en) * | 2014-05-30 | 2022-05-27 | Magic Leap Inc | Methods and systems for generating virtual content display with a virtual or augmented reality apparatus |
| WO2016141372A1 (en) | 2015-03-05 | 2016-09-09 | Magic Leap, Inc. | Improved manufacturing for virtual and augmented reality systems and components |
| AU2016245280A1 (en) | 2015-04-08 | 2017-10-19 | Dispelix Oy | Optical see-through display element and device utilizing such element |
| US10007117B2 (en) * | 2015-09-10 | 2018-06-26 | Vuzix Corporation | Imaging light guide with reflective turning array |
| US9915825B2 (en) * | 2015-11-10 | 2018-03-13 | Microsoft Technology Licensing, Llc | Waveguides with embedded components to improve intensity distributions |
| TWI652515B (zh) * | 2016-03-30 | 2019-03-01 | 中強光電股份有限公司 | 穿戴式裝置及導光元件 |
| GB2550958B (en) * | 2016-06-03 | 2022-02-23 | Bae Systems Plc | Waveguide structure |
| JP7033329B2 (ja) | 2017-04-04 | 2022-03-10 | 国立大学法人福井大学 | 映像生成装置及び映像生成方法 |
| CN107390380B (zh) * | 2017-05-12 | 2021-08-10 | 上海誉沛光电科技有限公司 | 一种显示装置、导光平板及多层悬浮显示设备 |
-
2017
- 2017-12-22 FI FI20176161A patent/FI129400B/en active IP Right Grant
-
2018
- 2018-12-11 ES ES18891531T patent/ES2926852T3/es active Active
- 2018-12-11 US US16/954,932 patent/US11846787B2/en active Active
- 2018-12-11 KR KR1020207019839A patent/KR102679655B1/ko active Active
- 2018-12-11 JP JP2020533563A patent/JP7227253B2/ja active Active
- 2018-12-11 CA CA3087321A patent/CA3087321A1/en active Pending
- 2018-12-11 WO PCT/FI2018/050905 patent/WO2019122508A1/en not_active Ceased
- 2018-12-11 CN CN201880082846.0A patent/CN111492303B/zh active Active
- 2018-12-11 EP EP18891531.8A patent/EP3710883B1/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA3087321A1 (en) | 2019-06-27 |
| CN111492303A (zh) | 2020-08-04 |
| KR102679655B1 (ko) | 2024-06-28 |
| JP2021508075A (ja) | 2021-02-25 |
| US20200333615A1 (en) | 2020-10-22 |
| EP3710883A4 (en) | 2021-08-04 |
| EP3710883B1 (en) | 2022-08-24 |
| CN111492303B (zh) | 2022-11-29 |
| WO2019122508A1 (en) | 2019-06-27 |
| FI20176161A1 (en) | 2019-06-23 |
| FI129400B (en) | 2022-01-31 |
| KR20200105670A (ko) | 2020-09-08 |
| US11846787B2 (en) | 2023-12-19 |
| JP7227253B2 (ja) | 2023-02-21 |
| EP3710883A1 (en) | 2020-09-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| ES2926852T3 (es) | Elemento de guía de onda de difracción y dispositivo de visualización de guía de onda de difracción | |
| KR102815999B1 (ko) | 격자 미러를 갖춘 회절 디스플레이 소자 | |
| EP3625617B1 (en) | Projector configuration with subdivided optical aperture for near-eye displays, and corresponding optical systems | |
| ES2738499T3 (es) | Guía de onda óptica y dispositivo de visualización | |
| ES2862398T3 (es) | Pantalla de proyección | |
| US20160370693A1 (en) | Image display device | |
| FI128407B (en) | Projection objective and waveguide display device | |
| US9880383B2 (en) | Display device | |
| WO2015136850A1 (ja) | 表示装置 | |
| BR112015032419B1 (pt) | Aparelho de exibição, aparelho de exibição de projeção, e, método para exibir uma imagem | |
| TW202142903A (zh) | 用於減輕重影的光學裝置 | |
| US20160327852A1 (en) | Display apparatus | |
| KR102682840B1 (ko) | 레이저 프로젝터 및 회절 디스플레이 기구 | |
| KR102743739B1 (ko) | 반사기 표면을 구비한 도파관 디스플레이 소자 | |
| US9664920B2 (en) | Optical element | |
| CN117425850A (zh) | 光学系统以及图像显示装置 | |
| FI129439B (en) | Diffractive display element with grating mirror | |
| CN115461667B (zh) | 光学装置 |