本發(fā)明涉及一種光波導(dǎo)和顯示設(shè)備，特別涉及一種顯示設(shè)備，在該顯示設(shè)備中，載像光入射到波導(dǎo)中，在兩個(gè)正交的維度上展開，形成一個(gè)可視圖像并從波導(dǎo)中釋放。

背景技術(shù)：
在本申請(qǐng)人早期的公開號(hào)為WO2010/119240的國際專利申請(qǐng)中描述了在顯示設(shè)備中使用波導(dǎo)的公知形式，參考圖4對(duì)其進(jìn)行了描述。在該申請(qǐng)中的波導(dǎo)包括：輸入衍射區(qū)域42，用于將載像光的輸入光瞳44耦合到波導(dǎo)中，通過全內(nèi)反射進(jìn)行傳播。輸入光瞳44指向反射表面46，在該反射表面，朝向轉(zhuǎn)向衍射區(qū)域48反射。轉(zhuǎn)向衍射區(qū)域48通過與區(qū)域48多次交互作用在第一維50展開該光瞳，并將其轉(zhuǎn)向到輸出衍射區(qū)域52。輸出衍射區(qū)域52在第二維54展開光瞳，并從具有出射光瞳56的波導(dǎo)中輸出載像光。反射表面46的使用允許輸入衍射區(qū)域42和轉(zhuǎn)向衍射區(qū)域48由單一一個(gè)光柵58形成。反射表面46可以省略，雖然在該情況下每個(gè)衍射區(qū)域通過各自的光柵形成。光柵58的凹槽的定位以60度向X軸傾斜，從而在輸入?yún)^(qū)域42上入射的載像光被衍射并傳播到反射表面46，并因此反射從而使主光束傳播，并以相對(duì)于凹槽的法線呈60度的角度入射到旋轉(zhuǎn)區(qū)域48的凹槽中(見插圖A)。光線被部分衍射并且在第一維展開(在此為X維)，并通過波導(dǎo)傳播到輸出低衍射效率(2％～20％)的光柵52，該光柵在X方向上定位(凹槽)。衍射的光束垂直地入射到這個(gè)光柵上(見插圖B)，并且部分衍射到波導(dǎo)之外，部分衍射在第二維上展開光瞳，此處為Y維，產(chǎn)生出射光瞳56。上面所描述的波導(dǎo)設(shè)計(jì)典型實(shí)施方式是使用承載于波導(dǎo)表面的光柵52、58，或者使用面形(profile)如較早的專利申請(qǐng)中的如圖5所示的用于轉(zhuǎn)向區(qū)域48的閃耀光柵面形60的光柵以優(yōu)化衍射效率。分析顯示，有角度的轉(zhuǎn)向衍射區(qū)域48，根據(jù)需要將光線導(dǎo)向輸出衍射區(qū)域52，通常會(huì)旋轉(zhuǎn)下述光的偏振，即，導(dǎo)向輸出衍射區(qū)域52的衍射的光和繼續(xù)傳播產(chǎn)生多個(gè)進(jìn)一步交互作用以在一個(gè)維上展開輸入光瞳的光。參見圖5，不論是否通過反射表面46，主輸入光束62顯示為從輸入衍射區(qū)域42(圖5中未示出)導(dǎo)向轉(zhuǎn)向衍射區(qū)域48。輸入光束62具有第一偏振角，即，光線的偏振狀態(tài)的改變可以通過參考與輸入光束62的偏振狀態(tài)相關(guān)的角度被識(shí)別出來，即使光線不必是平面偏振的。在與轉(zhuǎn)向區(qū)域48的第一交互作用64中，光線的一部分66被導(dǎo)向輸出衍射區(qū)域52(圖5中未示出)，并且光線的一部分68沿著轉(zhuǎn)向區(qū)域48繼續(xù)傳播。在第一交互作用64中，光線的部分66、68的偏振角在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)，例如順時(shí)針方向，因此光線66、68的偏振角與輸入光束62的偏振角不同。在與光柵48的第二交互作用70中，傳播的光線68的一部分72導(dǎo)向輸出衍射區(qū)域52，并且光線的一部分74沿著轉(zhuǎn)向區(qū)域48繼續(xù)傳播。在第二交互作用70中，光線的部分72、74的偏振角以相同的方向旋轉(zhuǎn)，例如順時(shí)針方向。因此，光束72、74的偏振角通常與輸入光束62和傳播光束68的偏振角不同。在與光柵48的第三交互作用76中，傳播光束74的一部分78導(dǎo)向輸出衍射區(qū)域52，并且光線的一部分80沿著旋轉(zhuǎn)區(qū)域繼續(xù)傳播。在第三交互作用76中，部分78、80的偏振角以相同的方向旋轉(zhuǎn)，例如順時(shí)針方向。因此，光束78、80的偏振角通常與輸入光束62、傳播光束68和傳播光束74的偏振角不同，多個(gè)進(jìn)一步的交互作用將發(fā)生在傳播光束和光柵48之間，雖然只示出三個(gè)交互作用。相應(yīng)地，導(dǎo)向輸出衍射區(qū)域52的光束66、72、78的偏振角通常相互不同。在圖4所示的實(shí)施例中，輸出衍射區(qū)域52對(duì)光線的偏振敏感，從而具有一個(gè)偏振角的光束將比具有另一個(gè)偏振角的光束更優(yōu)先地朝向觀看者衍射。光束66、72、78構(gòu)成了載像光在X維上光瞳的展開，并因此當(dāng)光線從波導(dǎo)中輸出，以不同亮度產(chǎn)生較亮或較黑的區(qū)域時(shí)，在出射光瞳56內(nèi)可以產(chǎn)生垂直條紋。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種光波導(dǎo)，其中在工作中，載像光在其中通過全內(nèi)反射傳播，所述波導(dǎo)包括：至少第一衍射區(qū)域和第二衍射區(qū)域，第一衍射區(qū)域設(shè)置成將沿著波導(dǎo)傳播的載像光進(jìn)行衍射，從而在第一維將其展開并將載像光轉(zhuǎn)向第二衍射區(qū)域，第二衍射區(qū)域設(shè)置成將載像光進(jìn)行衍射，從而在第二維將其展開并從波導(dǎo)中作為可視圖像進(jìn)行釋放，其中第一衍射區(qū)域由嵌入在波導(dǎo)內(nèi)的第一衍射光柵形成，當(dāng)在光柵之上或以下從一個(gè)特定角度入射到光柵時(shí)，該衍射光柵被設(shè)置為呈現(xiàn)出與載像光基本相似的面形，從而通過與第一衍射區(qū)域連續(xù)的交互作用，載像光的偏振以基本上相似的量但以相反方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而增加從波導(dǎo)釋放的可視圖像的亮度的均勻度。在與第一衍射區(qū)域進(jìn)行偶數(shù)次交互作用之后轉(zhuǎn)向第二衍射區(qū)域的載像光可以具有基本上相同的偏振。此外或者可選地，在與第一衍射區(qū)域進(jìn)行奇數(shù)次交互作用之后轉(zhuǎn)向第二衍射區(qū)域的載像光可以具有基本相同的偏振。光柵的面形可以相對(duì)于垂直于波導(dǎo)延伸的平面對(duì)稱，并且與波導(dǎo)的第一主表面和第二主表面通過不同的量間隔開。第一衍射區(qū)域可以具有周期方波，正弦或三角面形。本發(fā)明還提供包括這樣的光波導(dǎo)的頭盔式的、頭戴式的、平視的或其它的顯示設(shè)備。附圖說明下面僅以舉例的方式參考附圖來對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，其中，圖1所示為光波導(dǎo)；圖2所示為該光波導(dǎo)的衍射區(qū)域；圖3所示為包括該光波導(dǎo)的顯示設(shè)備；圖4所示為現(xiàn)有技術(shù)的光波導(dǎo)；以及圖5所示為現(xiàn)有技術(shù)的光波導(dǎo)的衍射區(qū)域。具體實(shí)施方式參考圖1和圖2，所示的光波導(dǎo)10具有與上述現(xiàn)有技術(shù)的波導(dǎo)一樣的多個(gè)特征，參考圖4和圖5并如WO2010/119240所示，該專利申請(qǐng)的內(nèi)容以引用的方式并入于此。為了簡要，本實(shí)施例的描述將主要集中在圖4和圖5所示的現(xiàn)有技術(shù)的波導(dǎo)與本發(fā)明的波導(dǎo)之間的創(chuàng)造性區(qū)別上，特別是轉(zhuǎn)向衍射區(qū)域(圖4中的區(qū)域48)的設(shè)置上。波導(dǎo)10包括輸入衍射區(qū)域11，用于將載像光的輸入光瞳12耦合到波導(dǎo)10中，通過全內(nèi)反射進(jìn)行傳播。在這個(gè)實(shí)例中，輸入光瞳12導(dǎo)向反射表面13，在反射表面13處將輸入光瞳朝向轉(zhuǎn)向衍射區(qū)域14進(jìn)行反射。轉(zhuǎn)向衍射區(qū)域14在第一維15通過與區(qū)域14多個(gè)交互作用對(duì)載像光的光瞳進(jìn)行展開，并將其轉(zhuǎn)向輸出衍射區(qū)域16。輸出衍射區(qū)域16在第二維17對(duì)載像光的光瞳進(jìn)行展開，并將其作為出射光瞳180從波導(dǎo)輸出。如上所述，反射表面13可以被省略。在圖2中，詳細(xì)說明從波導(dǎo)取出的一段所示為用于實(shí)施轉(zhuǎn)向衍射區(qū)域14的衍射光柵18。光柵18的面形設(shè)置成與從波導(dǎo)的平面P的上面或下面以給定的任意角度接近光柵18的光的面形相同。光柵18的面形例如可以是圖2所示的方波形，或者正弦或三角形。這種規(guī)則的、周期的光柵面形分享了垂直于波導(dǎo)10的平面P的平面對(duì)稱的性質(zhì)。然而，面形的周期性穿過光柵18時(shí)可以變化，同時(shí)仍然保持與從波導(dǎo)的平面P的上面或下面以給定的任意角度接近光柵18的光的面形相同。光柵18嵌入于波導(dǎo)10內(nèi)部，這與圖4和圖5中在波導(dǎo)表面形成的現(xiàn)有技術(shù)波導(dǎo)不同。光柵18可以在波導(dǎo)的任意平面P延伸，雖然在本實(shí)例中，其與在波導(dǎo)10的主表面30、31之間等距地間隔的平面偏移。該偏移足以改進(jìn)瞳紋和均勻度。光柵18的嵌入式設(shè)置導(dǎo)致在光線和光柵18之間產(chǎn)生了比在表面形成的光柵更多的交互作用。不論是否通過反射表面13，主要的輸入光束19從輸入衍射區(qū)域11(圖2中未示出)導(dǎo)向轉(zhuǎn)向衍射區(qū)域14的光柵18。輸入光束19具有第一偏振角。在與光柵18的第一交互作用20中，光線的一部分21導(dǎo)向輸出衍射區(qū)域16(圖2中未示出)，并且光線的一部分22沿著光柵18繼續(xù)傳播。在第一交互作用20中，兩個(gè)部分21、22的偏振角以一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，例如順時(shí)針方向，因此光束21、22的偏振角與輸入光束19的偏振角不同。在與光柵18的第二交互作用23中，傳播光束22的部分24導(dǎo)向輸出衍射區(qū)域16，并且光線的部分25沿著光柵18繼續(xù)傳播。在第二交互作用23中，兩個(gè)部分24、25的偏振角以相反的方向旋轉(zhuǎn)，例如逆時(shí)針方向。優(yōu)選地，第二交互作用23使光線的偏振角以與第一交互作用20導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)所相等而相反的量旋轉(zhuǎn)。從而光束24、25的偏振角與輸入光束19的偏振角通常相同或基本相同。相應(yīng)地，傳播的主光束25的偏振角因此基本恢復(fù)到輸入光束19的原始偏振角。由此可見，與光柵18的連續(xù)交互作用引起了衍射光束和傳播光束的偏振角的相反旋轉(zhuǎn)。以這種方式，在與旋轉(zhuǎn)光柵18進(jìn)行奇數(shù)次的交互作用之后，衍射光線和傳播光線的偏振角相較于輸入光束19的偏振角而旋轉(zhuǎn)，并且在與旋轉(zhuǎn)光柵18進(jìn)行偶數(shù)次交互作用之后，衍射光線和傳播光線的偏振角通常與輸入光束19的偏振角相似或相同。即，朝向輸出區(qū)域16衍射的光束21、27、28具有普遍一致的第一偏振角，并且朝向輸出區(qū)域16衍射的光束24、29、32具有普遍一致的第二偏振角。輸出衍射區(qū)域16對(duì)偏振敏感，因此將通常對(duì)一系列光束(或者奇數(shù)的光束21、27、28，或者偶數(shù)的光束24、29、32)進(jìn)行比其它系列的光束更有效率地衍射。然而，與上面描述的衍射光束66、72、78的偏振角互不相同的現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)置不同，在本發(fā)明中，即使一系列光束的衍射效率不高，但是，偶數(shù)的光束的偏振角是一致的，并且奇數(shù)的光束的偏振角是一致的，從而使輸出到觀看者的圖像的亮度會(huì)普遍一致。需要注意的是，對(duì)主光束的設(shè)置已經(jīng)在圖1和圖2中有所描述。在圖1中示出了主光束21、24、27、28、29、32沿著X維15展開。在首次出現(xiàn)時(shí)，可以看到，由于輸出區(qū)域16的不同的衍射效率，奇數(shù)的光束和偶數(shù)的光束的偏振的不同將使條帶增加。然而必須理解的是除了主光束，還將有光線的散射，如此從旋轉(zhuǎn)光柵衍射的光束將趨于疊加并消除任何條帶。參見圖1，輸入衍射區(qū)域11和轉(zhuǎn)向衍射區(qū)域14可以由嵌入到波導(dǎo)10內(nèi)的單一光柵33形成。單一光柵33從制造的角度來說是有優(yōu)勢的，光柵33能夠在一個(gè)制造步驟中形成，能夠使輸入?yún)^(qū)域11的邊緣相對(duì)于轉(zhuǎn)向區(qū)域14的邊緣更準(zhǔn)確地對(duì)齊?；蛘撸斎?yún)^(qū)域11和轉(zhuǎn)向區(qū)域14可以通過各自的光柵形成，在這種情況下，就不需要反射表面13。例如，如果光學(xué)系統(tǒng)的要求是輸入?yún)^(qū)域通過表面光柵形成的話，這個(gè)后面提到的設(shè)置可以是優(yōu)選的。在更進(jìn)一步的設(shè)置中，轉(zhuǎn)向區(qū)域14和輸出區(qū)域16可以通過單一一個(gè)嵌入的光柵形成，在這種情況下，需要一個(gè)反射表面，這個(gè)反射表面位于轉(zhuǎn)向區(qū)域14和輸出區(qū)域16之間的光學(xué)通路上，就如上面引用的本申請(qǐng)人之前的申請(qǐng)中更加詳細(xì)地描述的那樣。用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向區(qū)域14的光柵18的面形可以通過傳統(tǒng)方式形成，該傳統(tǒng)方式對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的，例如蝕刻或者全息技術(shù)。適當(dāng)?shù)那度胧焦鈻趴梢匀绫旧暾?qǐng)人之前的專利申請(qǐng)WO2010/122330所描述的方式進(jìn)行制造。在一個(gè)實(shí)施例中，通過光學(xué)復(fù)制從一個(gè)合適的標(biāo)準(zhǔn)型面在玻璃基底上制造合適的面形。在表面上涂覆至少一層電介質(zhì)材料，例如二氧化鈦、二氧化硅或氧化鎂。然后使用合適的光學(xué)膠粘劑將第二個(gè)玻璃基底層壓在所述被涂覆的表面上。一個(gè)實(shí)例設(shè)計(jì)是使用N-BK7玻璃和折射率契合的膠結(jié)物，涂覆有25nm～50nm厚度的二氧化鈦的435nm周期以及50nm深度的方波光柵面形。圖1和圖2描述的光波導(dǎo)10可以形成平視顯示器、頭戴式或頭盔式的顯示器或者其它的顯示設(shè)備的一部分。舉例而言，圖3所示的頭盔式的顯示器34安裝在觀看者36所佩戴的頭盔35上。根據(jù)圖像處理器39提供的圖像數(shù)據(jù)，光源37照亮一個(gè)微型投影儀38用于將載像光射入到波導(dǎo)10中。圖像通過波導(dǎo)10傳播并且衍射出來作為具有均勻亮度的可視圖像180進(jìn)入到觀看者的眼中。