CN104035157A - 一种基于衍射光学元件的波导显示器 - Google Patents

一种基于衍射光学元件的波导显示器 Download PDF

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Abstract

本发明的基于衍射光学元件的波导显示器，包括图像源、输入耦合器、输出耦合器、平板光波导，所述输出耦合器为复用体全息光栅，通过采用此结构，解决了现有基于衍射光学元件的波导显示器的衍射光学元件耦合输出器波导显示器的视场角受限制的问题。可以广泛应用于波导显示器领域。

Description

一种基于衍射光学元件的波导显示器
技术领域
本发明涉及一种波导显示器，尤其涉及一种基于衍射光学元件的波导显示器。
背景技术
现有透视型光学波导显示器，主要由图像源、中继光学系统、输入耦合器、输出耦合器(光束组合器)、以及平板光波导这些部分组成。按输出耦合器(光束组合器，combiner，通常有两个通道，使透射光束进入人眼，同时耦合经波导传播后的像源虚拟图像进入人眼，使人眼能观察到一幅叠加于真实场景之上的虚拟图像)分类，包括基于镀膜反射镜阵列的波导显示器和基于衍射光学元件的波导显示器。基于镀膜反射镜阵列的波导显示器的缺点是无论对于单波长还是整个可见光波段，其鬼像严重。即使可以通过角度选择性等先进镀膜技术来解决，但是该法工艺复杂，成本极高。基于衍射光学元件的波导显示器虽然不会出现鬼像，但是衍射光学元件耦合输出器的缺点是会限制波导显示器的视场角。
基于上述描述，如何解决现有基于衍射光学元件的波导显示器的视场角受限制的问题，成为本领域当务之急。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题就是如何解决现有基于衍射光学元件的波导显示器的视场角受限制的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于衍射光学元件的波导显示器，包括图像源、输入耦合器、输出耦合器、平板光波导，其特征在于，所述输出耦合器为复用体全息光栅，且其光栅矢量方向都相同。
优选地，所述复用体全息光栅为同一个介质材料上记录的2-5张体积全息图。
优选地，所述体积全息图为反射式全息图。
优选地，所述输出耦合器厚度为3μm以上20μm以下，且密接于平板光波z向上方。
优选地，平板光波导z方向厚为2mm以上5mm以下。
优选地，所述基于衍射光学元件的波导显示器整体y方向长50mm以上80mm以下。
优选地，所述输入耦合器包括透射光线的一个自由曲面和反射光线的一个球面，并且集成于平板光波导上，形成一个集成光波导。
优选地，输入耦合器的自由曲面面型为XY多项式。
优选地，输入耦合器z方向厚度为3mm以上10mm以下。
(三)有益效果
本发明的基于衍射光学元件的波导显示器，其输出耦合器为复用体全息光栅，通过采用此结构，解决了现有基于衍射光学元件的波导显示器的衍射光学元件耦合输出器波导显示器的视场角受限制的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：传统的视透型波导显示器的系统结构示意图；
图2：本发明提供的一种基于衍射光学元件的波导显示器的结构示意图；
图3：视场角与衍射效率关系曲线图；
图4：本发明提供的一种基于衍射光学元件的波导显示器中输出耦合器结构放大示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
现有技术中的视透型波导显示器的显示系统如图1所示，包括中继光学系统，从而显示系统的整个体积和重量显著增大，且显示器的视角明显受限制。
本实施例提供一种基于衍射光学元件的波导显示器，包括图像源、输入耦合器、输出耦合器、平板光波导，所述输出耦合器为复用体全息光栅。其中所述复用体全息光栅为同一个介质材料上记录的三张体积全息图。所述体积全息图为反射式全息图，且其光栅矢量方向都相同。
本实施例中，所述输出耦合器厚度为3.2μm，且密接于平板光波z向上方，其缩放视图如图4所示。
平板光波导z方向厚为3mm，基底材料折射率为1.52。
所述基于衍射光学元件的波导显示器整体y方向长65mm。
所述输入耦合器包括透射光线的一个自由曲面和反射光线的一个球面，并且集成于平板光波导上，形成一个集成光波导，如图2所示。
输入耦合器的自由曲面面型为XY多项式。
输入耦合器z方向厚度为10mm。
输出耦合器即复用体全息光栅采用全息记录的方式制作如图4所示，其中N为平板光波导及输出耦合器介质法线，取中心光线Lmc、以及边缘光线Llc、Lrc所对应的入射及衍射角度ψi、(i＝mc，lc，rc)作为物光与参考光角度进行全息曝光记录。具体参数如表1所示：
表1
其中所制作的复用体全息光栅矢量方向kmc、klc、krc、位于yoz平面内且相互平行。
采用0.61英寸的绿光微显示器作为图像源，中心波长为532nm。波导系统器视场达36*27°。输入耦合器畸变小于4％。在30lp/mm处中心视场MTF在0.4以上，边缘视场MTF在0.2以上。全息耦合输出器的衍射效率达到28.7％，整个系统的效率在2％以上。
如图3所示为视场角与衍射效率关系曲线图，从图中可以看出在整个视场范围内衍射均匀性良好，峰值衍射效率达到38.73％。虽然边缘视场衍射效率略有下降，但其平均衍射效率高达28.7％。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于衍射光学元件的波导显示器，包括图像源、输入耦合器、输出耦合器、平板光波导，其特征在于，所述输出耦合器为复用体全息光栅，且其光栅矢量方向都相同。
2.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的波导显示器，其特征在于，所述复用体全息光栅为同一个介质材料上记录的2-5张体积全息图。
3.根据权利要求2所述的基于衍射光学元件的波导显示器，其特征在于，所述复用体全息光栅为同一个介质材料上记录的三张体积全息图，所述体积全息图为反射式全息图。
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的基于衍射光学元件的波导显示器，其特征在于，所述输出耦合器厚度为3μm以上20μm以下，且密接于平板光波z向上方。
5.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的波导显示器，其特征在于，平板光波导z方向厚为2mm以上5mm以下。
6.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的波导显示器，其特征在于，所述基于衍射光学元件的波导显示器整体y方向长50mm以上80mm以下。
7.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的波导显示器，其特征在于，所述输入耦合器包括透射光线的一个自由曲面和反射光线的一个球面，并且集成于平板光波导上，形成一个集成光波导。
8.根据权利要求7所述的基于衍射光学元件的波导显示器，其特征在于，输入耦合器的自由曲面面型为XY多项式。
9.根据权利要求7所述的基于衍射光学元件的波导显示器，其特征在于，输入耦合器z方向厚度为3mm以上10mm以下。
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Cited By (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106909047A (zh) * 2017-04-20 2017-06-30 北京理工大学 多层计算全息色像差消除及视度纠正波导显示方法和系统
US9791703B1 (en) 2016-04-13 2017-10-17 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguides with extended field of view
CN107462993A (zh) * 2017-09-04 2017-12-12 北京灵犀微光科技有限公司 图像显示装置
CN108351614A (zh) * 2015-10-23 2018-07-31 微软技术许可有限责任公司 全息显示器
CN108363206A (zh) * 2018-01-30 2018-08-03 北京理工大学 一种宽视角的波导显示器
US10067347B2 (en) 2016-04-13 2018-09-04 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguides with improved intensity distributions
US10095045B2 (en) 2016-09-12 2018-10-09 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide comprising a bragg polarization grating
CN109073889A (zh) * 2016-02-04 2018-12-21 迪吉伦斯公司 全息波导光学跟踪器
WO2020146451A1 (en) * 2019-01-11 2020-07-16 Facebook Technologies, Llc Volume bragg gratings for near-eye waveguide display
CN111474721A (zh) * 2020-05-07 2020-07-31 谷东科技有限公司 波导显示装置和增强现实显示设备
JP2020536280A (ja) * 2017-10-04 2020-12-10 アコニア ホログラフィックス、エルエルシー 櫛状シフト式スキューミラー
WO2021027677A1 (zh) * 2019-08-09 2021-02-18 蒋晶 波导型光学组件、近眼显示装置、图像投射方法、光学元件制造方法和光束合成器制造方法
US10969585B2 (en) 2017-04-06 2021-04-06 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide display with increased uniformity and reduced cross-coupling between colors
US11169379B2 (en) 2019-08-23 2021-11-09 Facebook Technologies, Llc Spatially multiplexed volume Bragg gratings with varied refractive index modulations for waveguide display
CN114442212A (zh) * 2022-02-14 2022-05-06 杭州光粒科技有限公司 光栅光学器件及其制备方法
US11442151B2 (en) 2015-01-20 2022-09-13 Digilens Inc. Holographic waveguide LIDAR
US11480788B2 (en) 2015-01-12 2022-10-25 Digilens Inc. Light field displays incorporating holographic waveguides
US11592614B2 (en) 2019-08-29 2023-02-28 Digilens Inc. Evacuated gratings and methods of manufacturing
US11662590B2 (en) 2013-05-20 2023-05-30 Digilens Inc. Holographic waveguide eye tracker
US11726329B2 (en) 2015-01-12 2023-08-15 Digilens Inc. Environmentally isolated waveguide display
US11754842B2 (en) 2015-10-05 2023-09-12 Digilens Inc. Apparatus for providing waveguide displays with two-dimensional pupil expansion
US11994674B2 (en) 2012-05-11 2024-05-28 Digilens Inc. Apparatus for eye tracking

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100470281C (zh) * 2005-06-17 2009-03-18 索尼株式会社 光学设备，以及虚拟图像显示器
CN101881936A (zh) * 2010-06-04 2010-11-10 谈顺毅 全息波导显示器及其全息图像的生成方法
WO2013028687A2 (en) * 2011-08-23 2013-02-28 Vuzix Corporation Dynamic apertured waveguide for near-eye display
CN202975475U (zh) * 2012-11-14 2013-06-05 中航华东光电有限公司 全息光波导头盔显示器光学系统
CN103688208A (zh) * 2010-12-24 2014-03-26 奇跃公司 人体工程学头戴式显示设备和光学系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100470281C (zh) * 2005-06-17 2009-03-18 索尼株式会社 光学设备，以及虚拟图像显示器
CN101881936A (zh) * 2010-06-04 2010-11-10 谈顺毅 全息波导显示器及其全息图像的生成方法
CN103688208A (zh) * 2010-12-24 2014-03-26 奇跃公司 人体工程学头戴式显示设备和光学系统
WO2013028687A2 (en) * 2011-08-23 2013-02-28 Vuzix Corporation Dynamic apertured waveguide for near-eye display
CN202975475U (zh) * 2012-11-14 2013-06-05 中航华东光电有限公司 全息光波导头盔显示器光学系统

Cited By (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11994674B2 (en) 2012-05-11 2024-05-28 Digilens Inc. Apparatus for eye tracking
US11662590B2 (en) 2013-05-20 2023-05-30 Digilens Inc. Holographic waveguide eye tracker
US11740472B2 (en) 2015-01-12 2023-08-29 Digilens Inc. Environmentally isolated waveguide display
US11480788B2 (en) 2015-01-12 2022-10-25 Digilens Inc. Light field displays incorporating holographic waveguides
US11726329B2 (en) 2015-01-12 2023-08-15 Digilens Inc. Environmentally isolated waveguide display
US11442151B2 (en) 2015-01-20 2022-09-13 Digilens Inc. Holographic waveguide LIDAR
US11754842B2 (en) 2015-10-05 2023-09-12 Digilens Inc. Apparatus for providing waveguide displays with two-dimensional pupil expansion
CN108351614A (zh) * 2015-10-23 2018-07-31 微软技术许可有限责任公司 全息显示器
CN109073889A (zh) * 2016-02-04 2018-12-21 迪吉伦斯公司 全息波导光学跟踪器
CN109073889B (zh) * 2016-02-04 2021-04-27 迪吉伦斯公司 全息波导光学跟踪器
US10983340B2 (en) 2016-02-04 2021-04-20 Digilens Inc. Holographic waveguide optical tracker
US10067347B2 (en) 2016-04-13 2018-09-04 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguides with improved intensity distributions
US9791703B1 (en) 2016-04-13 2017-10-17 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguides with extended field of view
US10095045B2 (en) 2016-09-12 2018-10-09 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide comprising a bragg polarization grating
US10969585B2 (en) 2017-04-06 2021-04-06 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide display with increased uniformity and reduced cross-coupling between colors
CN106909047B (zh) * 2017-04-20 2019-06-04 北京理工大学 多层计算全息色像差消除及视度纠正波导显示方法和系统
CN106909047A (zh) * 2017-04-20 2017-06-30 北京理工大学 多层计算全息色像差消除及视度纠正波导显示方法和系统
CN107462993A (zh) * 2017-09-04 2017-12-12 北京灵犀微光科技有限公司 图像显示装置
JP2020536280A (ja) * 2017-10-04 2020-12-10 アコニア ホログラフィックス、エルエルシー 櫛状シフト式スキューミラー
US11782273B2 (en) 2017-10-04 2023-10-10 Akonia Holographics Llc Comb-shifted skew mirrors
JP7042903B2 (ja) 2017-10-04 2022-03-28 アコニア ホログラフィックス、エルエルシー 櫛状シフト式スキューミラー
CN108363206A (zh) * 2018-01-30 2018-08-03 北京理工大学 一种宽视角的波导显示器
WO2020146451A1 (en) * 2019-01-11 2020-07-16 Facebook Technologies, Llc Volume bragg gratings for near-eye waveguide display
US11067811B2 (en) 2019-01-11 2021-07-20 Facebook Technologies, Llc Volume bragg gratings for near-eye waveguide display
CN113302431A (zh) * 2019-01-11 2021-08-24 脸谱科技有限责任公司 用于近眼波导显示器的体布拉格光栅
WO2021027677A1 (zh) * 2019-08-09 2021-02-18 蒋晶 波导型光学组件、近眼显示装置、图像投射方法、光学元件制造方法和光束合成器制造方法
US11624917B2 (en) 2019-08-23 2023-04-11 Meta Platforms Technologies, Llc Spatially multiplexed volume Bragg gratings with varied thicknesses for waveguide display
US11187904B2 (en) 2019-08-23 2021-11-30 Facebook Technologies, Llc Multiple projector field-of-view stitched waveguide display
US11175511B2 (en) 2019-08-23 2021-11-16 Facebook Technologies, Llc Field-of-view stitched waveguide display
US11169379B2 (en) 2019-08-23 2021-11-09 Facebook Technologies, Llc Spatially multiplexed volume Bragg gratings with varied refractive index modulations for waveguide display
US11947117B2 (en) 2019-08-23 2024-04-02 Meta Platforms Technologies, Llc Spatially multiplexed volume Bragg gratings with varied refractive index modulations for waveguide display
US11592614B2 (en) 2019-08-29 2023-02-28 Digilens Inc. Evacuated gratings and methods of manufacturing
US11899238B2 (en) 2019-08-29 2024-02-13 Digilens Inc. Evacuated gratings and methods of manufacturing
CN111474721A (zh) * 2020-05-07 2020-07-31 谷东科技有限公司 波导显示装置和增强现实显示设备
CN114442212A (zh) * 2022-02-14 2022-05-06 杭州光粒科技有限公司 光栅光学器件及其制备方法

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CN104035157B (zh) 2017-12-26

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