CN106950697B - 多区视场角扩大及波导分层彩色显示方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了多区视场角扩大及波导分层彩色显示方法及系统，该方法包括通过多组输入耦合器和输出耦合器实现波导分区显示，并通过波导分层实现彩色显示；该系统包括：波导、至少两个微显示器、至少两组衍射耦合器，衍射耦合器包括输入耦合器和输出耦合器，输入耦合器和输出耦合器设置在波导的同一侧的两端；波导包括多层反射层，每一反射层反射不同颜色的光线；多个微显示器发出的光线平行入射到对应的输入耦合器中。本发明实施例通过多区曝光设置多组衍射耦合器，并且将波导设置为分层结构，将每个衍射耦合器不同的特定的视场角进行视场叠加，扩大了波导显示系统的视场角，并可以显示彩色图像，提高了波导显示系统显示图像的质量。
Description
技术领域
本发明实施例涉及近眼显示技术领域，具体涉及多区视场角扩大及波导分层彩色显示方法及系统。
背景技术
近眼显示是观察者在看外界真实物体的同时，叠加在真实环境中的图像或者数据等信息也可被观看，因此被广泛应用于各个领域，尤其在军事及消费领域。
现有技术中，常见的近眼显示技术方案有共轴侧视棱镜方案、阵列式半透膜波导方案、自由曲面方案、全息光栅波导方案。共轴侧视棱镜方案有视场角小、分辨率不高、高厚度及光能利用率低等诸多缺点。阵列式半透膜波导方案，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。自由曲面方案的缺点是体积较大，且色散问题难以解决。全息光栅波导方案舍弃了复杂光学系统可以有效缩小系统尺寸和质量，但视场角受限。并且一般的波导显示系统由于不同波长不同颜色的光线，在输入时偏折角度的不同，最终到达输出衍射元件时不同波长的光束能量不均匀，导致色彩失真显示出的彩色图像容易失真。
因此，如何提出一种方案，能够扩大波导显示器的视场角，并且显示彩色图像，提高波导显示系统显示图像的质量，成为亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了多区视场角扩大及波导分层彩色显示方法及系统。
一方面本发明实施例提供了多区视场角扩大及波导分层彩色显示方法，所述方法包括：
多个微显示器显示待显示图像不同区域对应的图像；
多个所述微显示器显示的图像的光线通过波导平行入射到对应的输入耦合器中；
所述输入耦合器将接收到的光线进行耦合后经过所述波导衍射到对应的输出耦合器中；
所述输出耦合器将接收到的光线经过耦合后输出，多组所述输入耦合器和输出耦合器的视场角进行叠加后将所述待显示图像进行显示；
其中，每一组所述输入耦合器和对应的输出耦合器对应有不同角度的视场角，所述波导包括多层反射层，每一反射层反射不同颜色的光线。
进一步地，所述输入耦合器将接收到的光线进行耦合后经过波导衍射到对应的输出耦合器中，包括：
所述输入耦合器耦合后的光线经过所述波导后，不同颜色的光线经过所述波导的不同反射层反射后，输入到对应的输出耦合器中。
另一方面本发明实施例提供多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统，包括：
波导、至少两个微显示器、至少两组衍射耦合器，所述衍射耦合器包括输入耦合器和输出耦合器，所述输入耦合器和所述输出耦合器设置在所述波导的同一侧的两端；
所述波导包括多层反射层，每一反射层反射不同颜色的光线；
多个所述微显示器发出的光线平行入射到对应的所述输入耦合器中，不同的所述衍射耦合器对应不同角度的视场角，同一组所述衍射耦合器中的所述输入耦合器和所述输出耦合器的记录角度的差值大于预设阈值。
进一步地，所述波导包括三层反射层，其中，第一层反射层用于反射红光，第二层反射层用于反射绿光，第三层反射层用于反射蓝光。
进一步地，所述微显示器设置在所述波导的与所述输入耦合器相对的侧面。
进一步地，所述系统还包括准直透镜，所述准直透镜设置在所述微显示器和所述波导之间。
进一步地，所述微显示器的数量与所述输入耦合器的数量相等，且所述微显示器与所述输入耦合器关于所述波导轴对称布置在所述波导的两个侧面。
进一步地，所述输入耦合器具有准直功能。
进一步地，所述系统还包括隔板，所述隔板设置在任意两个所述微显示器之间。
进一步地，所述输入耦合器和所述输出耦合器为体全息光栅。
本发明实施例提供的多区视场角扩大及波导分层彩色显示方法及系统，通过设置多组衍射耦合器，并且将波导进行分层设置。每个衍射耦合器对应有不同的特定的视场角，不同微显示器发出的光线经过多组衍射耦合器即输入耦合器和输出耦合器的耦合后，实现波导显示系统的视场叠加，进一步扩大了波导显示系统的视场角，并且可以实现彩色光线的反射，避免图像失真，进一步提高了波导显示系统显示图像的质量。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例中多区视场角扩大及波导分层彩色显示方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统的俯视图；
图4为本发明实施例中又一多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统的结构示意图；
图5为本发明实施例中又一多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统的结构示意图；
图6为本发明实施例中又一多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统的结构示意图；
图7为本发明实施例中又一多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统的结构示意图；
图8为本发明实施例中第一个输出耦合器的耦合输出示意图；
图9为本发明实施例中第二个输出耦合器的耦合输出示意图；
图10为本发明实施例中第三个输出耦合器的耦合输出示意图；
图11为本发明实施例中的多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统的视场叠加示意图；
其中，101-输入耦合器；102输入耦合器；103-输入耦合器；201-输出耦合器；202-输出耦合器；203-输出耦合器；3-波导；4-准直透镜；5-微显示器；6-人眼；7-隔板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例中多区视场角扩大及波导分层彩色显示方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种多区视场角扩大及波导分层彩色显示方法包括：
S1、多个微显示器显示待显示图像不同区域对应的图像；
S2、多个所述微显示器显示的图像的光线通过波导平行入射到对应的输入耦合器中；
S3、所述输入耦合器将接收到的光线进行耦合后经过所述波导衍射到对应的输出耦合器中；
S4、所述输出耦合器将接收到的光线经过耦合后输出，多组所述输入耦合器和输出耦合器的视场角进行叠加后将所述待显示图像进行显示；
其中，每一组所述输入耦合器和对应的输出耦合器对应有不同角度的视场角，所述波导包括多层反射层，每一反射层反射不同颜色的光线。
具体地，本发明实施例提供的多区视场角扩大及波导分层彩色显示方法，通过多个微显示器将待显示的图像进行分区显示，微显示器显示的待显示图像的不同区域的图像的光线通过波导，平行入射到对应的输入耦合器中，输入耦合器将接收到的光线进行耦合后，经过波导衍射到对应的输出耦合器中。其中，本发明实施例中将波导进行分层设置，即将波导设置为多层反射层，每一层反射层反射不同颜色的光线。因此，输入耦合器耦合后的光线经过所述波导后，不同颜色的光线经过波导的不同反射层反射后，输入到对应的输出耦合器中。输出耦合器将接收到光线进行耦合后，输出至人眼，本发明实施例中设置有多对输入耦合器和输出耦合器，每一对输入耦合器和输出耦合器的视场角的角度不同，这样通过多对输入耦合器和输出耦合器耦合后输入到人眼的视场角可以实现叠加，进一步扩大波导显示器的视场角。
本发明实施例提供的多区视场角扩大及波导分层彩色显示方法，通过分区曝光的方法制作全息光栅，并对波导进行分层设置。多个微显示器发出的光线经过多对输入耦合器和输出耦合器的耦合后，输入至人眼，每一对输入耦合器和输出耦合器具有特定角度的视场角，实现波导显示系统的视场叠加，进一步扩大了波导显示系统的视场角，并且将波导进行分层设置，可以实现彩色光线的反射，避免图像失真，进一步提高了波导显示系统显示图像的质量。
本发明实施例提供一种多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统，所述系统包括：波导、至少两个微显示器、至少两组衍射耦合器，所述衍射耦合器包括输入耦合器和输出耦合器，所述输入耦合器和所述输出耦合器设置在所述波导的同一侧的两端；
所述波导包括多层反射层，每一反射层反射不同颜色的光线；
多个所述微显示器发出的光线平行入射到对应的所述输入耦合器中，不同的所述衍射耦合器对应不同角度的视场角，同一组所述衍射耦合器中的所述输入耦合器和所述输出耦合器的记录角度的差值大于预设阈值。
具体地，图2为本发明实施例中多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统的结构示意图，如图2所示，本发明实施例提供的多区视场角扩大及波导分层彩色显示方法及系统包括：波导3，三个微显示器5以及三组衍射耦合器，其中每一组衍射耦合器中包括一个输入耦合器和一个输出耦合器，输入耦合器和输出耦合器都是衍射光学元件。如图1所示，输入耦合器101和输出耦合器201组成一组衍射耦合器，输入耦合器102和输出耦合器202组成一组衍射耦合器，输入耦合器103和输出耦合器203组成一组衍射耦合器。图3为本发明实施例中多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统的俯视图，如图3所示，输入耦合器和输出耦合器设置在波导3的同一侧面的两端。微显示器5是图像源，三个微显示器5发出的光线经过波导3后分别平行入射到输入耦合器101、102和103中，再分别经过输出耦合器201、202和203耦合后，输入至人眼6。每组衍射耦合器具有不同角度的视场角，最终不同角度不同视场的图像相叠加，从而增大进入人眼的图像视场。可以将一个图像划分成多个区域，不同区域的图像分别通过不同的微显示器显示，发射到不同的衍射耦合器中，实现图像的叠加，以扩大视场角度。其中，本发明实施例中的波导3可以选用平板光波导，输入耦合器和输出耦合器可以选用体全息光栅，当然根据需要也可以选择其他的波导以及输入耦合器和输出耦合器。
此外，虽然本发明实施例提供的多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统中的输入耦合器和输出耦合器的数量为至少两个，但是输入耦合器和输出耦合器的数量不能无限多，需要满足同一组衍射耦合器中的输入耦合器的记录角度和输出耦合器的记录角度的差值大于预设阈值。其中，预设阈值的大小可以根据布拉格衍射条件进行设置，因为如果两个记录角度的差小于布拉格衍射条件的角度选择性，在光耦合过程中将会发生串扰。
其中波导3包括多层反射层，每一反射层反射不同颜色的光线，图4为本发明实施例中又一多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统的结构示意图，如图4所示，本发明实施例将波导分为3层反射层，第一层反射层用于反射红光，第二层反射层用于反射绿光，第三层反射层用于反射蓝光。波长越长其偏折角度越大，因而，如图4所示，最上层为红光，中间层为绿光，最下层为蓝光。分层后红蓝绿三束光打在输出耦合器的同一位置，因而不会出现因能量配比不均匀导致的图像色彩失真。图4中所绘仅为一对衍射耦合器的彩色图像显示光路，其他两对与此相同，可以理解的是，第一层反射层是反射红光透绿光和蓝光，第二层反射层是反射绿光透蓝光，第三层反射层是反蓝光。
需要说明的是，图2中示出的仅仅是波导的结构示意图，没有显示出波导的分层情况，实际使用时，波导可以分为多个反射层，经过波导的每一束光线波导将自动分颜色的反射到输出耦合器中。
本发明实施例提供的多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统，通过设置多组衍射耦合器以及将波导分层设置，每个衍射耦合器对应有不同的特定的视场角，波导的每一层反射层反射不同颜色的光线。不同微显示器发出的光线经过多组衍射耦合器即输入耦合器和输出耦合器的耦合后，实现波导显示系统的视场叠加，并且可以实现彩色图像的显示，进一步扩大了波导显示系统的视场角，提高了波导显示系统显示图像的质量。
在上述实施例的基础上，所述微显示器设置在所述波导的与所述输入耦合器相对的侧面。
具体地，如图2所示，将微显示器5设置在于输入耦合器101、102、103相对的波导的侧面，此外，如图2所示，所述系统还包括准直透镜4，所述准直透镜4设置在所述微显示器5和所述波导3之间。这样微显示器5发出的光线可以经过准直透镜4的准直后，进入波导3平行入射到对应的输入耦合器中，方便输入耦合器和输出耦合器的耦合。当然根据需要，也可以将微显示器和衍射耦合器设置在波导的同一侧面，只要能实现微显示器发射的入射光线经输入耦合器的耦合，波导控制入射光线的光路由输出耦合器耦合输出即可。
在上述实施例的基础上，所述微显示器的数量与所述输入耦合器的数量相等，且所述微显示器与所述输入耦合器关于所述波导轴对称布置在所述波导的两个侧面。
具体地，如图2所示，微显示器5和输入耦合器的数量相等，都是3个，当然，根据需要还可以设置为其他数量，本发明实施例不作具体限定。将多个微显示器5和多个输入耦合器轴对称布置在波导3的两侧，微显示器5发出的光线经过准直透镜进入波导后，平行入射到与之对称的输入耦合器中。
在上述实施例的基础上，所述输入耦合器具有准直功能。
具体地，图5为本发明实施例中又一多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统的结构示意图，如图5所示，本发明实施例中的多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统没有设置准直透镜，微显示器5发出的光线直接进入波导3入射到对应的输入耦合器中。本发明实施例直接利用输入耦合器进行光线的准直，即输入耦合器不仅需要具备耦合功能还需要具备准直功能。
此外，在上述实施例的基础上，所述系统还包括隔板，所述隔板设置在任意两个所述微显示器之间。
具体地，因为不同的微显示器可能会发生窜扰，因此，如图2和图5所示，在任意两个微显示器之间设置隔板7，以避免微显示器发出的光线照射到相邻的的微显示器中，从而影响成像质量。为使隔板反射光线尽量少，本发明实施例选用黑色隔板，且隔板不宜过大，起到遮光隔挡作用即可。
需要说明的是，本发明实施例提供的多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统，其中的衍射耦合器中的输入耦合器和输出耦合器可以任意配合，如图2所示，输入耦合器101和输出耦合器201组成一组衍射耦合器，输入耦合器102和输出耦合器202组成一组衍射耦合器，输入耦合器103和输出耦合器203组成一组衍射耦合器；实际应用时，也可以将输入耦合器101和输出耦合器203组成一组衍射耦合器，输入耦合器102和输出耦合器202组成一组衍射耦合器，输入耦合器103和输出耦合器201组成一组衍射耦合器，当然还可以是其他组合，即根据需要可以调整输入耦合器和输出耦合器的配合方式。其中，可以通过设计光线在波导内的路径，控制光线在波导内全反射的次数和角度，控制输入耦合器和输出耦合器的配合。例如：可以通过合理设计波导长度，全反射次数以及全反射角度，使得第一个输入耦合器输出的光线经过波导的传输后正好打在第一个输出耦合器上。
下面介绍本发明实施例中的多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统的不同工作方式，如图2所示，本发明实施例中的三个微显示器5发出的光线经三组准直透镜4进入波导3，三个微显示器显示的图像分别经过三组衍射耦合器的耦合即：衍射光学元件输入耦合器101和输出耦合器201的耦合，输入耦合器102和输出耦合器202的耦合和输入耦合器103和输出耦合器203的耦合后分别输入人眼6。
如图5所示，本发明实施例中的三个微显示器5发出的光线直接进入波导3，输入耦合器101、102和103(衍射光学元件)既有耦合输入功能，也有准直功能。三个微显示器显示的图像分别经过三组衍射耦合器的耦合即：衍射光学元件输入耦合器101和输出耦合器201的耦合，输入耦合器102和输出耦合器202的耦合和输入耦合器103和输出耦合器203的耦合分别后输入人眼6。
图6为本发明实施例中又一多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统的结构示意图，如图6所示，本发明实施例中的三个微显示器5发出的光线经三组准直透镜4进入波导3，三个微显示器显示的图像分别经过三组衍射耦合器的耦合即：衍射光学元件输入耦合器101和输出耦合器203的耦合，输入耦合器102和输出耦合器202的耦合和输入耦合器103和输出耦合器201的耦合后分别输入人眼6。
图7为本发明实施例中又一多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统的结构示意图，如图7所示，本发明实施例中的三个微显示器5发出的光线直接进入波导3，输入耦合元件(衍射光学元件)既有耦合输入功能，也有准直功能。三个微显示器显示的图像分别经过三组衍射耦合器的耦合即：经过衍射光学元件输入耦合器101和输出耦合器203的耦合，输入耦合器102和输出耦合器202的耦合和输入耦合器103和输出耦合器201的耦合后分别输入人眼6。
上述实施例中不同组的微显示器和准直系统用隔板7分开，避免其相互窜扰。
图8为本发明实施例中第一个输出耦合器的耦合输出示意图，图9为本发明实施例中第二个输出耦合器的耦合输出示意图，图10为本发明实施例中第三个输出耦合器的耦合输出示意图，图11为本发明实施例中的多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统的视场叠加示意图。如图8图10所示，上述实施例中的输出耦合器201、202和203的对应的视场角度均为24度，但是输出耦合器201、202和203的耦合输出角度不同，即视场角的角度不同。如图11所示，不同角度的视场角叠加后，即可增大视场角，扩大人眼的视场范围。其中不同衍射耦合器的耦合输出角度可以根据需要进行调整，原则上为了增大整体的视场角，可以将单个衍射耦合器的输出视场角设置为最大。
本发明实施例提供的多区视场角扩大及波导分层彩色显示方法及系统，通过设置多组衍射耦合器，即通过多区曝光的方法，即多次曝光得到多组输入输出耦合器，并且将波导进行分层设置。每组衍射耦合器对应有不同的特定的视场角，最终不同角度不同视场的图像相叠加，从而增大进入人眼的图像视场。即不同微显示器发出的光线经过多组衍射耦合器即输入耦合器和输出耦合器的耦合后，实现波导显示系统的视场叠加，进一步扩大了波导显示系统的视场角，并且可以实现彩色光线的反射，避免图像失真，进一步提高了波导显示系统显示图像的质量。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
Claims (8)
1.多区视场角扩大及波导分层彩色显示方法，其特征在于，所述方法包括：
多个微显示器显示待显示图像不同区域对应的图像；
多个所述微显示器显示的图像的光线通过波导平行入射到对应的输入耦合器中，且微显示器的数量与输入耦合器的数量相等；
所述输入耦合器将接收到的光线进行耦合后经过所述波导反射到对应的输出耦合器中，所述输入耦合器耦合后的光线经过所述波导后，不同颜色的光线经过所述波导的不同反射层反射后，输入到对应的输出耦合器中；
所述输出耦合器将接收到的光线经过耦合后输出，多组所述输入耦合器和输出耦合器的视场角进行叠加后将所述待显示图像进行显示；
其中，每一组所述输入耦合器和对应的输出耦合器对应有不同角度的视场角，所述波导包括多层反射层，每一反射层反射不同颜色的光线。
2.多区视场角扩大及波导分层彩色显示系统，其特征在于，所述系统包括：波导、至少两个微显示器、至少两组衍射耦合器，所述衍射耦合器包括输入耦合器和输出耦合器，所述输入耦合器和所述输出耦合器设置在所述波导的同一侧的两端；
微显示器的数量与输入耦合器的数量相等；
所述波导包括多层反射层，每一反射层反射不同颜色的光线；
多个所述微显示器发出的光线平行入射到对应的所述输入耦合器中，不同的所述衍射耦合器对应不同角度的视场角，同一组所述衍射耦合器中的所述输入耦合器和所述输出耦合器的记录角度的差值大于预设阈值，所述输入耦合器耦合后的光线经过所述波导后，不同颜色的光线经过所述波导的不同反射层反射后，输入到对应的输出耦合器中；
所述波导包括三层反射层，其中，第一层反射层用于反射红光，第二层反射层用于反射绿光，第三层反射层用于反射蓝光。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述微显示器设置在所述波导的与所述输入耦合器相对的侧面。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括准直透镜，所述准直透镜设置在所述微显示器和所述波导之间。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述微显示器的数量与所述输入耦合器的数量相等，且所述微显示器与所述输入耦合器关于所述波导轴对称布置在所述波导的两个侧面。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述输入耦合器具有准直功能。
7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括隔板，所述隔板设置在任意两个所述微显示器之间。
8.根据权利要求2-7任意一项所述的系统，其特征在于，所述输入耦合器和所述输出耦合器为体全息光栅。
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