用于近眼显示器的光组合器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明大体上涉及光学元件，且明确地说但非排他地，涉及近眼显示器。
【背景技术】
[0002] 在光学领域中，组合器为从所述组合器的相同侧（反射/反射或透射/透射）或从 所述组合器的两个不同侧（反射/透射）将两个图像组合到一起的光学设备。很多时候， 光组合器使用于抬头显示器（"HUD"）中，其允许用户观看叠加到外部视图之上的计算机生 成的图像（"CGI"）。HUD使用户能观看所述CGI而无需远离其通常的观看点来看。术语 HUD起源于其在航空电子学中的使用，其使飞行员能在抬头向前看时观看信息，此与向下看 座舱仪器形成对比。一些常规的HUD包含全息组合器及有角透明衬底。
[0003]然而，全息组合器具有许多缺点。其制造起来昂贵、难以量产且具有有限的使用期 限（举例来说，由于温度、湿度、压力及其它恶劣的环境条件而开始劣化）。
[0004] 有角透明衬底组合器已经使用于汽车中，其用以在挡风玻璃上向驾驶员呈现HUD信息。这些光组合器由透明透视衬底构成，外部图像源在所述衬底上显示CGI。然而，由于 所述透明透视衬底通常为没有屈光力以免使外部FOV失真的平坦衬底，所以所述透明衬底 必须为有角的（举例来说，接近45度），且使用庞大的外部放大透镜以在显示区域上扩大 CGI。所述透明透视衬底组合器的庞大的外部透镜及有角性质不能使其很好的紧凑布置，例 如头戴式显示器（"HMD"）。
【附图说明】
[0005] 参考以下图式描述本发明的非限制性且非详尽实施例，其中相同元件符号贯穿各 个视图指代相同部件，除非另有说明。
[0006] 图1为根据本发明的实施例的包含三个色彩组合器层的衍射光组合器的系统级 横截面图。
[0007]图2为根据本发明的实施例的衍射光组合器的一部分的放大剖视图。
[0008] 图3为根据本发明的实施例的使用两个衍射光组合器的双眼头戴式显示器的俯 视图。
[0009] 图4为根据本发明的实施例的与远程装置通信的HMD控制系统的简化框图。【具体实施方式】
[0010] 本文描述用于组合图像的光学设备及系统的实施例。在以下描述中，陈述众多特 定细节以便提供对所述实施例的详尽理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可在没有 一或多个特定细节的情况下或利用其它方法、组件、材料等等来实践本文所描述的技术。在 其它情况中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。
[0011] 贯穿此说明书对"一个实施例"或"一实施例"的参考意味着与所述实施例相结合 而描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿此说明书在 多个地方出现短语"在一个实施例中"或"在一实施例中"并不一定都指代相同的实施例。 此外，在一或多个实施例中特定的特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
[0012] 图1为根据本发明的实施例的用于组合图像光150与外部场景光155的衍射光组 合器100的系统级横截面图。所说明的衍射光组合器100的实施例包含衬底105、第一色彩 组合器层（"CCL"）161、第二CCL162、第三CCL163、向眼侧（eye-wardside) 125 及外部场 景侧130。第一CCL161包含涂覆有第一滤色器181的第一衍射光栅171，第二CCL162包 含涂覆有第二滤色器182的第二衍射光栅172,且第三CCL163包含涂覆有第三滤光器183 的第三衍射光栅173。每一衍射光栅171、172及173嵌入在透明的、折射率匹配材料133中 (SP，夹在其间）。
[0013] 可使用多种透明任选透射式材料（举例来说，塑料、丙烯酸、热塑性塑料、聚甲基 丙烯酸甲酯（PMMA)、ZE0NEX-E48R、玻璃、石英等等）来制造衍射光组合器100的不同层。在 一个实施例中，衬底105及折射率匹配材料133为塑料。在另一实施例中，衬底105为玻璃， 而折射率匹配材料133是由二氧化硅制造而成。当然，可使用其它材料组合。
[0014] 图像源140定位在衍射光组合器100的与用户的眼睛145相同的侧（举例来说，向 眼侧125)上。图像源140以一角度定位以将图像光150投影到衍射光组合器100上。图 像源140可包含用于例如硅上液晶（"LCOS"）显示器、背光液晶显示器、有机发光二极管 ("OLED"）显示器、量子点阵列显示器、发光二极管（"LED"）阵列或其它的多种微显示器 及微微投影仪中的多种紧凑型图像源技术。现今，CRT管仍然用于HUD中，但可能较少用于 例如透视头戴式显示器（HMD)的较小装置中。
[0015] 在上文一些技术中，图像源140可包含作为背光的LED或像素级上的LED。在一 个实施例中，三种不同的LED色彩组合以形成所述图像光。在一个实施例中，使用红绿蓝 ("RGB"）LED配置。作为一实例，红LED可具有接近625nm的主波长，绿LED可具有接近 530nm的主波长，且蓝LED可具有接近470nm的主波长。每一LED的总光谱发射可集中在所 述主波长中的每一者的大约25nm内，意味着每一LED在50nm带宽内发射其大部分光（举 例来说，半峰全宽"FWHM"）。
[0016] 在上文一些技术中，图像源140可包含光源，所述光源包含发射三种不同光色彩 的激光器。所述三种不同光色彩可为红、绿及蓝。激光器光的每一色彩可具有大约O.lnm 的带宽。
[0017] 图2为根据本发明的实施例的衍射光组合器100的一部分的放大剖视图。在所说 明的实施例中，滤光器181、182及183涂覆其相应的衍射光栅171、172及173。在所说明的 实施例中，滤光器181及182为分别反射蓝及绿光的反射滤色器。在一个实施例中，滤色器 181、182为反射带通滤光器且实质上反射在所选频率中的光。第三滤光器183可部分地反 射可见光。举例来说，第三滤光器183可为部分反射（举例来说，50/50分束器）及部分透 射式滤光器。可将小于lOOnm的二氧化铝或二氧化铬（Cr02)层安置在衍射光栅173上以 形成所述部分反射及部分透射式滤光器。在部分反射可见光的另一实例中，第三滤光器183 反射红光且透射非红可见光。第三滤光器183可为反射红光的带通滤光器。滤光器181、 182及183可经配置以反射与给定实例不同的光色彩。
[0018] 当图像光150到达第一CCL161的第一滤色器183时，第一滤色器181反射图像 光150的蓝分量151。在一个实施例中，第一滤色器181反射与来自在图像源140的光源 (或蓝LED像素）中的蓝LED的蓝LED发射对应的50nm波段。在另一实施例中，第一滤色 器181反射与来自在图像源140的光源中的蓝激光器的蓝激光器发射对应的0.lnm波段。 当然，第一滤色器181可反射与这些实例不同的带宽。由于第一滤色器181安置在衍射光 栅171的结构上，所以图像光150的蓝分量151受衍射光栅171的衍射特性影响。
[0019] 第一衍射光栅171经配置以从图像源140接收图像光150且以在实质上与眼睛 145垂直的方向上引导蓝光的衍射级反射（使用第一滤色器181)蓝光以便将图像呈现给用 户。为了实现此反射，衍射光栅171的角度必须被调谐到图像源140从其投影的固定（且 已知）的角度以适当地将所希望的光色彩引导到眼睛145中。换句话说，为了设计衍射光 栅171，设计者必须考虑所希望的待反射的光色彩、所希望的光色彩将照射衍射光栅171的 角度及用以将所希望的光色彩实质上垂直引导进入眼睛145的所需要的衍射级。应理解， 衍射光栅171、172及173的所说明的衍射结构仅为说明性的，且根据特定设计变量，可使用 其它衍射结构来将图像光150反射到眼睛145中。
[0020] 在图1中，可观察到，当相应的衍射光栅反射图像光150 (包含蓝分量151、绿分量 152及红分量153)时，所述据图像光违反了反射定律。这是因为在图1及2中，衍射光栅 171、172及173经调谐而以负衍射级（而另一级被抑制）反射其相应的光色彩。以特定的 衍射级反射所述色彩可促使在实质上与眼睛145垂直的方向上将相应色彩引导到眼睛145 中。
[0021] 参看图2,因为衍射光栅171嵌入在具有相同衍射折射率的折射率匹配材料133 中，所以第一滤色器181未反射的色彩"看"不到衍射光栅171-一对其来说几乎是透明的。 因此，第一滤色器181未反射的图像光150的色彩继续通过光组合器100传播直到到达衍 射光栅172。以下情况可为有利的：滤光器181、182及183相对薄以使得所述滤光器与折 射率匹配材料133之间的任何折射率差异最低程度地影响通过安置在衍射结构上的滤光 器而行进的图像光。
[0022] 在到达衍射光栅172之后，第二滤色器182反射图像光15