CN107024769A - 一种基于波导的显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于波导的显示系统，该系统包括：图像分割单元将待显示图像分割为第一子图像和第二子图像；发光单元根据第一子图像和第二子图像生成第一光束和第二光束；耦入单元将第一光束耦入第一波导基片，将第二光束耦入第二波导基片；第一波导基片使第一光束在第一界面发生反射，形成用以对第一子图像成像的第一耦出光束；第二波导基片使第二光束在第二界面发生反射，形成用以对第二子图像成像的第二耦出光束；第一耦出光束成像形成的第一子图像与第二耦出光束成像形成的第二子图像拼接成待显示图像。本发明可以显著增大视场角，避免受极限角度的限制，便于制造结构紧凑、超大视场的显示系统，有利于提高用户对可穿戴显示系统的体验度。

Description

一种基于波导的显示系统
技术领域
本发明涉及波导技术领域，具体地，涉及一种基于波导的显示系统。
背景技术
头盔显示系统以微型显示器件伴随着高分辨率显示器件的发展而逐渐成长起来。特别是虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术的发展以及现代数字化部队的装备需要，使得头盔系统在这些领域占据了重要的地位。目前，其应用领域主要包括：军事、工业生产、模拟训练、3D显示和电子游戏、医疗等。以往基于45°半透半反镜波导，回射屏技术，离轴合成器，自由曲面棱镜等技术的头盔显示系统主要存在不易加工、结构复杂、重量高、体积大、视场小等缺点。相比之下，基于波导的头戴式显示系统结构紧凑、重量小、体积小。现有的基于波导的显示系统分为阵列波导、全息波导和微结构波导。公开号为CN1867853A，名称为“基片导波的光学装置”的中国专利申请主要涉及阵列波导，该结构存在加工难度大、不易实现等缺点；申请号为CN201410226105.9，名称为“一种基于集成化自由曲面光学元件的波导显示器”的中国专利申请涉及一种利用全息波导的显示系统，基于全息结构的波导对环境要求苛刻，同时全息波导的光谱带比较窄，因此它只能对于单色光作用，不利于彩色显示；公开号为CN101896844A，名称为“光导和眼睛视觉光学系统”的中国专利申请涉及一种微结构的波导，基于微结构的波导由于要利用表面浮雕微结构模拟全息波导中的布拉格选择效应，因此连续表面浮雕结构必须做成具有高横纵比的亚波长光栅倾斜结构，因此很难在大规模上进行生产。所有这些波导显示系统都受限于全内反射临界角(即光线在波导内传播的最小入射角度)，因此可实现的视场角比较小。
为了实现大视野的显示，已有的一种解决方案是使用自由曲面棱镜拼接技术。例如申请号为CN201080015063.4，名称为“宽视场高分辨率拼接式头盔显示装置”的中国专利申请中提供了一种拼接式头盔显示装置，包括光学部件，该光学部件包括多个自由形式表面棱镜，每个棱镜为包含第一光学面、第二光学面和第三光学面的楔形棱镜。该方案中，单个自由曲面能实现30度左右的视场角，通过拼接可以实现水平方向70度～100度，垂直方向30度～50度的视场角度。
自由曲面棱镜拼接的方式虽然能实现大的视场，但是存在如下几种缺点：首先，单个自由曲面棱镜的体积已经很大，厚度大于10mm，拼接以后厚度不变，横向尺寸增加，体积更为庞大，不符合现代头戴式显示系统的便携式要求。其次，自由曲面棱镜是一个具有光焦度的楔形光学系统，楔形会使棱镜产生弯曲光线的效应，这种效应会导致外部光线偏离眼睛的光轴。还有，具有光焦度的棱镜使外部景象产生显著的偏移，同时造成巨大的像差，因而系统中需要加入自由曲面补偿棱镜，从而构成组合自由曲面棱镜来解决上述问题，组合自由曲面棱镜能够成功地消除穿透式光学系统的屈光效应和棱镜效应，但是补偿棱镜的引入会增加光学系统的重量和体积，因而不利于其在电子消费领域的发展。
为了实现大视野的显示，已有的另一种解决方案是使用阵列波导显示的方案。例如，公开号为CN1867853A，名称为“基片导波的光学装置”的中国专利申请提供的方案。但是这种解决方案也存在很多缺点：1、受限于全内反射角，在波导内传播的光线的入射角度必须大于全反射角，因此可以在波导中传播的光线角度范围有限，限制了视场角。2、为了确保整个耦出系统的反射面都有光线射出而不至于出现明显的暗区域，波导中传播的光线的角度必须小于耦入面的角度，限制了视场角。3、为了确保不出现二次反射的重影区域，使用选择性涂层对大角度入射的光线全部透射，但是对于相对于掠入射的情况，存在极限角度限制了视场角。
发明内容
本发明实施例的主要目的在于提供一种基于波导的显示系统，以解决现有的头盔显示技术视场角较小、结构不够紧凑的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种基于波导的显示系统，包括：
图像分割单元，用于将待显示图像分割为第一子图像和第二子图像；
发光单元，用于根据所述第一子图像的图像数据生成第一光束，根据所述第二子图像的图像数据生成第二光束；
耦入单元，用于将所述第一光束处理成为准直光并耦入第一波导基片，将所述第二光束处理成为准直光并耦入第二波导基片；
第一波导基片具有两个平行的第一表面、以及设置于两个第一表面之间且与第一表面具有夹角的第一界面，所述第一波导基片使所述第一光束在所述第一表面发生全反射，在所述第一界面的正面发生反射并耦出第一波导基片，形成用以对第一子图像成像的第一耦出光束；
第二波导基片具有两个平行的第二表面、以及设置于两个第二表面之间且与第二表面具有夹角的第二界面，所述第二波导基片使所述第二光束在所述第二表面发生全反射，在所述第二界面的正面发生反射并耦出第二波导基片，形成用以对第二子图像成像的第二耦出光束；
所述第一界面与所述第二界面相距一预设距离，以使所述第一耦出光束成像形成的第一子图像与所述第二耦出光束成像形成的第二子图像拼接成所述待显示图像。
借助于上述技术方案，本发明将整幅待显示图像分割成两个子图像，再采用两层波导基片分别对两个子图像进行成像，相比于现有技术，本发明可以显著增大视场角，避免受极限角度的限制，便于制造结构紧凑、超大视场的显示系统，有利于提高用户对可穿戴显示系统的体验度。
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是本发明提供的基于波导的显示系统的结构框图；
图2是第一光束在第一波导基片中传输的示意图；
图3是第一光束在第一波导基片中传输时的光学几何示意图；
图4是第一光束在第一波导基片中传输时的光学几何示意图；
图5是实施例一提供的基于波导的显示系统的结构示意图；
图6是实施例二提供的基于波导的显示系统的结构示意图；
图7是实施例三提供的基于波导的显示系统的结构示意图；
图8是实施例四提供的基于波导的显示系统的结构示意图；
图9是实施例五提供的基于波导的显示系统的结构示意图；
图10是具有视频获取单元的基于波导的显示系统的结构示意图；
图11是具有图像校正单元的基于波导的显示系统的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
发明原理
本发明提供的一种基于波导的显示系统，首先将待显示图像分割为两个子图像，然后发出根据这两个子图像生成的两簇光束，再将这两簇光束分别耦入两个波导基片中，每个波导基片将耦入其中的光束耦出以成像形成相应的子图像，最终这两个成像形成的子图像共同拼接成待显示图像。
由于利用了两个波导基片分别耦出光束成像形成子图像，再由子图像拼接成整幅的待显示图像，相比于仅利用一个波导基片耦出光束形成整幅待显示图像的情况，本发明能显著增大视场角，有利于提高用户的体验度。
示例性系统
如图1所示，为本发明提供的一种基于波导的显示系统的示例性系统，该显示系统包括：图像分割单元3、发光单元4、耦入单元5、第一波导基片1、第二波导基片2。
图像分割单元3，用于将待显示图像分割为第一子图像和第二子图像(以下统称为“子图像”)。
发光单元4，用于根据第一子图像的图像数据生成第一光束，根据第二子图像的图像数据生成第二光束。
耦入单元5，用于将所述第一光束处理成为准直光并耦入第一波导基片1，将所述第二光束处理成为准直光并耦入第二波导基片2。
第一波导基片1具有两个平行的第一表面、以及一个或多个平行的第一界面，第一界面设置于两个第一表面之间且与第一表面具有夹角。第一波导基片1使所述第一光束在第一表面发生全反射，并在所述第一界面的正面反射形成耦出第一波导基片1且用以成像形成第一子图像的第一耦出光束。
第二波导基片2具有两个平行的第二表面、以及一个或多个平行的第二界面，第二界面设置于两个第二表面之间且与第二表面具有夹角。第二波导基片2使所述第二光束在第二表面发生全反射，并在所述第二界面的正面反射形成耦出第二波导基片2且用以成像形成第二子图像的第二耦出光束。
所述第一界面与所述第二界面相距一预设距离，以使所述第一耦出光束成像形成的第一子图像与所述第二耦出光束成像形成的第二子图像拼接成所述待显示图像。
以下分别对图像分割单元3、发光单元4、耦入单元5、第一波导基片1、第二波导基片2进行详细介绍。
(1)图像分割单元3可以是沿水平视场或垂直视场分割待显示图像。例如，假设待显示图像的水平视场为H，垂直视场为V，第一子图像的水平视场为H1，垂直视场为V1，第二子图像的水平视场为H2，垂直视场为V2，当沿水平视场分割时，H＝H1+H2，V＝V1＝V2，而当沿垂直视场分割时，V＝V1+V2，H＝H1＝H2。
具体实施时，为了确保最终显示给人眼的图像是完整的待显示图像，即第一子图像和第二子图像能够连续地拼接形成完整的待显示图像，可选地，可以令第一子图像和第二子图像具有一部分相同的图像区域，二者拼接时，令这部分相同的图像区域重合，以确保图像是连续的。例如，假设待显示图像的整个视场为M，第一子图像的视场为M1+M0，第二子图像的视场为M2+M0，重合的图像区域对应的视场为M0，则M＝M1+M0+M2。
(2)发光单元4可以是采用如OLED(organic light-emitting diode，有机发光二极管)显示器这种主动发光型的图像显示器，也可以是采用如LCOS(Liquid Crystal on Silicon，液晶附硅)显示器或LCD液晶显示器这种被动发光型的图像显示器。若采用OLED显示器，则不需要额外的照明光源，直接根据子图像的图像数据控制有机发光二极管发光形成相应的光束，若采用被动发光型的图像显示器件，则还需要额外的照明光源，由照明光源照射在根据子图像的图像数据排列的液晶分子上形成相应的光束。
发光单元4需要根据两个子图像的图像数据分别生成相应的光束，具体实施时可以采用独立的两个图像显示器分别显示第一子图像和第二子图像的方式来生成第一光束和第二光束，但是对于例如头盔显示等应用领域来说，这种采用独立的两个图像显示器的方式会占用较多的空间，且成本较高，考虑到这些，具体实施时还可以利用统一的图像显示器采用依次显示第一子图像和第二子图像的方式依次生成第一光束和第二光束。
(3)耦入单元5需要将发光单元4生成的第一光束和第二光束分别耦入第一波导基片1和第二波导基片2中，由于存在两个波导基片，具体实施时可以采用独立的两个耦入通道分别将第一光束和第二光束耦入对应的波导基片中，但是对于例如头盔显示等应用邻域来说，这种采用独立的两个耦入通道的方式会占用较多的空间，且成本较高，考虑到这些，具体实施时还可以利用统一的耦入通道采用依次耦入的方式将第一光束和第二光束依次耦入对应的波导基片中。
具体实施时，为了从整体上解决空间占用和降低成本的问题，还可以同时利用统一的图像显示器和统一的耦入通道，采用依次发光和依次耦入的方式，依次生成第一光束和第二光束，并依次将第一光束和第二光束耦入对应的波导基片中。
(4)如图2所示为第一波导基片1的示意图，包括相互平行的第一表面11、第一表面12，以及第一界面13，第一界面13的正面与第一表面12之间的夹角为α。成为准直光的第一光束耦入第一波导基片1之后，在第一表面11和12上发生全反射，到达第一界面13的正面发生反射并从第一表面12耦出形成第一耦出光束14，第一耦出光束14在人眼视网膜上成像形成第一子图像。第一耦出光束是从第一表面12中耦出，本文中将“第一表面12”也称为“第一耦出表面12”。
为了确保第一光束在第一表面11和12上发生全反射，需要满足条件①：ie≥iTIR。
条件①中，ic为第一光束的中心光线在第一表面11的入射角；为第一光束的发散角；第一光束的边缘光线在第一表面11的入射角的变化范围是 ie为第一光束的边缘光线在第一表面11的最小入射角；iTIR为第一表面11和12的全反射角。
参考图2，第一光束(准直光，属于基模高斯光束)在第一波导基片1中传输时，一部分光线在第一界面13的正面发生反射形成耦出第一波导基片1的第一耦出光束14，一部分光线在第一界面13发生折射形成第一折射光束15，第一折射光束15在第一表面11发生全反射，然后到达第一界面13的反面。如果第一折射光束15在第一界面13的反面发生反射，就会形成重像，而这种重像会影响人眼观看第一耦出光束14成像形成的第一子图像，因此并不希望第一折射光束15在第一界面13的反面发生反射。参考图2可知，由于第一界面13与第一表面12或11之间具有夹角，第一折射光束15到达第一界面13的反面时是属于大角度入射(入射角度比较大，一般大于45°)，这种情况下，为了尽可能地确保第一折射光束15不会在第一界面13的反面发生反射，可选地，具体实施时，可在第一界面13的反面涂布一涂层，这一涂层的作用是吸收或透射入射至该涂层的表面且入射角度大于或等于某一预设角度的光线。具体实施时，可根据第一界面13和第一表面12或11之间的夹角大小以及第一光束在第一波导基片1中的传输情况，分析第一折射光束15中所有光线在第一界面13的反面的入射角度，确定第一折射光束15中那些可能在第一界面13的反面发生反射并形成重像的光线的入射角度，将其中最小的入射角度确定为该预设角度的大小，然后利用一定的材料在第一界面13的反面涂布涂层，并使该涂层具有特殊的表面结构，以使该涂层具备吸收或透射入射至其表面且入射角度大于或等于该预设角度的光线的作用。其中，可通过改变涂层的材料和表面结构决定是吸收还是透射大于或等于该预设角度的光线。具体实施时，这种涂层可以是利用钛、氟化钙、硫化锌等材料堆叠成的膜层。
但是根据光学原理可知，对于入射角接近于90度的光线来说，是无法完全消去发射光的，考虑到这一点，为了进一步尽可能地确保第一折射光束15不会在第一界面13的反面发生反射，需要满足条件②：θe≤θLimit。
条件②中，θc为第一折射光束15的中心光线在第一界面13的反面的入射角；为第一折射光束15的发散角(与第一光束的发散角一致)；第一折射光束15的边缘光线在第一界面13的反面的入射角的变化范围是θe为第一折射光束15的边缘光线在第一界面13的反面的最大入射角；θLimit为第一界面13的全反射角。
如图3所示，L1、L2是第一表面11和12的法线，L3是第一界面13的法线，α是第一界面13的正面与第一耦出表面12之间的夹角，M是第一光束与第一表面12的交点，N’是第一折射光束15与第一表面11的交点，S是第一折射光束15与第一界面13的交点，T是法线L2与第一表面11的交点，Q是法线L3与第一表面的交点，O’是法线L1与第一表面12的交点，根据光学几何关系可知：
∠QST＝α
∠QS N’＝θc
∠TSN’＝∠SN’O’＝∠MN’O’＝ic
∠QS N’＝θc＝∠QST+∠TSN’＝α+ic
从而可得：θc＝ic+α(公式1)
如图4所示，L4是第一表面11和12的法线，L5是第一界面13的法线，γout是第一耦出光束14与法线L4之间的夹角，M是第一光束与第一表面12的交点，N是第一光束与第一界面13的交点，O是法线L4与第一表面12的交点，P是法线L5与第一表面12的交点，M’是第一折射光束15与第一表面12的交点，N’是第一折射光束15与第一表面11的交点，O’是法线L1与第一表面12的交点，根据光学几何关系可知：
∠MNO＝∠MN’O’＝ic
∠PNO＝α
∠M’NO＝γout
∠MNP＝∠M’NP＝∠M’NO+∠PNO＝γout+α
∠MNO＝ic＝∠MNP+∠PNO＝γout+α+α
从而可得：ic＝2α+γout(公式2)
具体实施时，当该显示系统同时满足以上条件①和②时，将公式1和公式2代入条件①和②可得：
(公式3)
(公式4)
公式3和公式4中，参数θLimit、iTIR、取决于第一波导基片1中第一表面11、12以及第一界面13所采用的材料。对于某一具体的显示系统来说，参数θLimit、iTIR、是固定值，在这一前提条件下，根据公式3的变形式和公式4的变形式 研究α与的变化关系，可以得出的最大值为：
(公式5)
由于第一耦出光束14的发散角等于耦入到第一波导基片1中的第一光束的发散角，即，都是因此，第一耦出光束14的发散角的最大值为
(5)第二光束在第二波导基片2中的传输情况与第一光束在第一波导基片1中的传输情况类似，可以参考以上对第一光束传输情况的介绍。
第二波导基片2包括两个相互平行的第二表面，以及第二界面，第二界面的正面与第二耦出表面(即耦出第二耦出光束的第二表面)之间的夹角为α′。成为准直光的第二光束耦入第二波导基片2之后，在第二表面上发生全反射，到达第二界面的正面发生反射并耦出第二波导基片2形成第二耦出光束，第二耦出光束在人眼视网膜上成像形成第二子图像。
为了确保第二光束在第二表面发生全反射，需要满足条件③：i′e≥iTIR。
条件③中，i′c为第二光束的中心光线在第二表面的入射角；为第二光束的发散角；第二光束的边缘光线在第二表面的入射角的变化范围是 i′e为第二光束的边缘光线在第二表面的最小入射角；iTIR为第二表面的全反射角(第一波导基片1与第二波导基片2的材质相同，第二表面的全反射角与第一表面的全反射角相等)。
第二光束(准直光，属于基模高斯光束)在第二波导基片2中传输时，一部分光线在第二界面的正面发生反射形成耦出第二波导基片2的第二耦出光束，一部分光线在第二界面发生折射形成第二折射光束，第二折射光束在第二表面发生全反射，然后到达第二界面的反面。如果第二折射光束在第二界面的反面发生反射，就会形成重像，而这种重像会影响人眼观看第二耦出光束成像形成的第二子图像，因此并不希望第二折射光束在第二界面的反面发生反射。由于第二界面与第二表面之间具有夹角，第二折射光束到达第二界面的反面时是属于大角度入射(入射角度比较大，一般大于45°)，这种情况下，为了尽可能地确保第二折射光束不会在第二界面的反面发生反射，可选地，具体实施时，可在第二界面的反面涂布一涂层，这一涂层的作用是吸收或透射入射至其上且入射角度大于或等于某一预设角度的光线。具体实施时，可根据第二界面和第二表面之间的夹角大小以及第二光束在第二波导基片2中的传输情况，分析第二折射光束中所有光线在第二界面的反面的入射角度，确定第二折射光束中那些可能在第二界面的反面发生反射并形成重像的光线的入射角度，将其中最小的入射角度确定为该预设角度的大小，然后利用一定的材料在第二界面的反面涂布涂层，并使该涂层具有特殊的表面结构，以使该涂层具备吸收或透射入射至其表面且入射角度大于或等于该预设角度的光线的作用。其中，可通过改变涂层的材料和表面结构决定是吸收还是透射大于或等于该预设角度的光线。具体实施时，这种涂层可以是利用钛、氟化钙、硫化锌等材料堆叠成的膜层。
但是根据光学原理可知，对于入射角接近于90度的光线来说，是无法完全消去发射光的，考虑到这一点，为了进一步尽可能地确保第二折射光束不会在第二界面的反面发生反射，需要满足条件④：θ′e≤θLimit。
条件④中，θ′c为第二折射光束的中心光线在第二界面的反面的入射角；为第二折射光束的发散角(与第二光束的发散角一致)；第二折射光束的边缘光线在第二界面的反面的入射角的变化范围是θ′e为第二折射光束的边缘光线在第二界面的反面的最大入射角；θLimit为第二界面的全反射角(第一界面与第二界面的材质相同，第二界面的全反射角与第一界面的全反射角相等)。
α′是第二界面的正面与第二耦出表面之间的夹角，γ′out是第二耦出光束与第二表面的法线之间的夹角，根据光学几何关系可得：
θ′c＝i′c+α′(公式6)
i′c＝2α′+γ′out(公式7)
具体实施时，当该显示系统同时满足以上条件③和④时，将公式6和公式7代入条件③和④可得：
(公式8)
(公式9)
公式8和公式9中，参数θLimit、iTIR取决于第二波导基片2中第二表面以及第二界面所采用的材料。对于某一具体的显示系统来说，参数θLimit、iTIR、是固定值，在这一前提条件下，根据公式8的变形式和公式9的变形式研究α′与的变化关系，可以得出的最大值为：
(公式10)
由于第二耦出光束的发散角等于耦入到第二波导基片2中的第二光束的发散角，即，都是因此，第二耦出光束的发散角的最大值为
(6)第一耦出光束的发散角的最大值为第二耦出光束的发散角的最大值为根据公式5和公式10，第一子图像与第二子图像拼接形成的整个待显示图像的视场角最大值为：
(公式11)
如果是采用单层波导基片传输一簇光束来成像整幅待显示图像的情况，从波导基片中耦出的光束应是垂直于波导基片的表面出射，然后到达人眼视网膜成像，例如仅采用第一波导基片1传输一簇光束来显示整幅的待显示图像，耦出的光束垂直出射则有γout＝0°，其视场角的最大值为：
(公式12)
比较公式11和公式12可知，可见采用双层波导基片所能达到的视场角最大值明显大于采用单层波导基片所能达到的视场角最大值。
(7)为了确保第一耦出光束与第二耦出光束成像形成的第一子图像和第二子图像能够顺利拼接，具体实施时，可根据到人眼的距离来设置第一界面和第二界面的位置，例如，使第一界面和第二界面相距一定的距离，以确保不阻挡第一耦出光束与第二耦出光束的耦出，且使第一耦出光束和第二耦出光束在人眼视网膜上成像形成的第一子图像和第二子图像能够顺利拼接成完整的待显示图像。
(8)一般情况下，人眼相对于显示系统是居中的，若要保证第一耦出光束和第二耦出光束在人眼视网膜上所成的像(第一子图像和第二子图像)也是居中的，就要使第一耦出光束和第二耦出光束的耦出方向都朝向人眼所在的居中位置。
具体实施时，可以通过设置第一界面、第二界面相对于第一表面、第二表面的倾斜角度，以及调整第一光束和第二光束耦入相应波导基片的方向，确保第一耦出光束和第二耦出光束的耦出方向都朝向人眼所在的居中位置。
如图11所示，该基于波导的显示系统还可以包括：图像校正单元7，用于对图像分割单元3分割得到的第一子图像和第二子图像进行梯形校正，以确保第一耦出光束和第二耦出光束在人眼视网膜上所成的像是标准的矩形，而非梯形。
(9)本发明中，第一波导基片1的入口端和第二波导基片2的入口端可以是位于整个显示系统的同一侧或相对立的两侧。
当第一波导基片1的入口端和第二波导基片2的入口端是位于整个显示系统的同一侧时，可以采用统一的图像显示器和统一的耦入通道，也可以采用两个独立的图像显示器和两个独立的耦入通道。
当第一波导基片1的入口端和第二波导基片2的入口端是位于整个显示系统的两侧时，一般采用两个独立的图像显示器和两个独立的耦入通道。
(10)本发明中，第一波导基片1的入口端和第二波导基片2的入口端可以制作成与耦入单元5相配合的斜面形式，以便耦入单元5将第一光束和第二光束耦入相应的波导基片。
具体实施时，也可在耦入单元5中增设棱镜(例如全反射棱镜)来帮助将第一光束和第二光束耦入相应的波导基片中。
(11)本发明中，对于成像形成第一子图像，人眼收到的光线来自于第一光束在平行的多个第一界面的正面上的反射，对于成像形成第二子图像，人眼收到的光线来自于第二光束在平行的多个第二界面的正面上的反射，根据已有的光学知识，假设Reye是人眼到波导基片的距离，deye是人眼瞳孔的直径，要实现的视场角，需使得波导基片的出瞳Ep满足以下公式：
(公式13)
根据公式13可知，若想增大出瞳值，可以通过增加第一波导基片1中平行设置的第一界面的数量，以及增加第二波导基片2中平行设置的第二界面的数量来实现，但考虑到生产成本和空间占用大小的问题，具体实施时，可以根据实际需要设置第一界面和第二界面的数量，本发明对此不作具体限定。
(12)本发明提供的基于波导的显示系统可以用于显示静态的图片，也可以用于显示动态的视频流。
如图10所示，该基于波导的显示系统还可以包括：视频获取单元6，用于获取一视频流，并将所述视频流中依次出现的每一帧图像确定为所述待显示图像发送给所述图像分割单元3。
所述图像分割单元3对接收的待显示图像依次进行分割，并将分割得到的第一子图像和第二子图像发送给所述发光单元4。
所述发光单元4根据依次接收的第一子图像和第二子图像生成第一光束和第二光束，以使成像形成的第一子图像和第二子图像所拼接成的待显示图像组成所述视频流。
基于人眼的视觉暂留现象，为了确保人眼最终看到的视频流是动态连续的，应使得第一光束成像形成的第一子图像和第二光束成像形成的第二子图像所拼接成的待显示图像的帧率大于或等于24帧/秒，这就意味着，针对视频流中的不同待显示图像，所述发光单元4应以大于或等于24束/秒的频率生成所述第一光束和所述第二光束。
例如，人眼最终看到的视频流的帧率是24帧/秒，在采用独立的两个图像显示器分别生成第一光束和第二光束的实施例中，每个图像显示器按照24帧/秒的帧率显示相应的子图像并发出相应的光束即可，而对于采用统一的图像显示器依次生成第一光束和第二光束的实施例中，就需要图像显示器按照48帧/秒的帧率轮流显示第一子图像和第二子图像，并轮流发出第一光束和第二光束。
具体实施时，一般根据视频获取单元6获取的视频流的帧率来设定发光单元4中图像显示器显示相应子图像的帧率(也即发出相应光束的频率)，以达到使人眼最终看到的视频流的帧率与视频获取单元6获取的视频流的帧率相一致。
(13)在本发明提供的基于波导的显示系统中，第一耦出光束和第二耦出光束中的光线是平行光，相当于物体在无穷远，具有正常视力(视力1.5)的人眼可以看到无穷远处的物体，因此正常视力的人通过该基于波导的显示系统可以看到清晰的像。
但是由于完全平行光无法被近视眼的人看清楚(近视眼无法看到无穷远的物体)，为了解决近视眼用户通过该基于波导的显示系统看到清晰成像的问题，具体实施时，可以在两个波导基片的耦出侧安装一定度数的凹透镜，以便相应近视度数的人群观看到清晰的成像。这就不需要近视眼用户使用该基于波导的显示系统时再另外佩戴近视眼镜了，有利于提高用户体现度。
类似的，对于远视眼的用户来说，可以在两个波导基片的耦出侧安装一定度数的凸透镜，以便相应远视度数的用户观看到清晰的成像。这就不需要远视眼用户使用该基于波导的显示系统时再另外佩戴远视眼镜了，有利于提高用户体现度。
为了使得整个显示系统更紧凑一些，较佳的，可以将凹透镜或凸透镜与波导基片做成一体。
考虑同一显示系统可适应于具有不同视力的用户使用，较佳的，可以在两个波导基片的耦出侧安装一变焦透镜(例如液体透镜、液晶透镜等)，这样就可以根据用户的视力情况动态地改变透镜的焦距，以使得最终的成像能够与用户的视力相匹配。
实施例一
本实施例如图5所示的基于波导的显示系统，包括：图像分割单元(图5中未示出)、第一图像显示器51、第一准直器52、第一波导基片53、第二图像显示器54、第二准直器55、第二波导基片56。
本实施例中，第一波导基片53的入口端和第二波导基片56的入口端分别位于整个显示系统的两侧；第一图像显示器51和第一准直器设置于第一波导基片53的入口端，第二图像显示器54和第二准直器设置于第二波导基片56的入口端。
本实施例中，图像分割单元将待显示图像分割为第一子图像和第二子图像后，将第一子图像发送给第一图像显示器51，将第二子图像发送给第二图像显示器54。第一图像显示器51显示第一子图像并发出第一光束，第一光束经过第一准直器处理后变成准直光，然后耦入第一波导基片53中，最终形成从第一波导基片53中耦出的第一耦出光束，该第一耦出光束到达人眼视网膜完成对第一子图像的成像；第二图像显示器54显示第二子图像并发出第二光束，第二光束经过第二准直器处理后变成准直光，然后耦入第二波导基片56中，最终形成从第二波导基片56中耦出的第二耦出光束，该第二耦出光束到达人眼视网膜完成对第二子图像的成像。
本实施例中，对于同一待显示图像分割出的第一子图像和第二子图像，第一图像显示器51发出第一光束的过程与第二图像显示器54发出第二光束的过程可以是同时执行的，也可以是依次执行的；如果这两个过程是同时执行的，则第一耦出光束和第二耦出光束就是同时在人眼视网膜上成像形成第一子图像和第二子图像；如果这两个过程是依次执行的，则第一耦出光束和第二耦出光束就是依次在人眼视网膜上成像形成第一子图像和第二子图像，并依赖人眼的视觉暂留现象，实现两个子图像的拼接。
本实施例中，两个波导基片的入口端分别位于整个显示系统的两侧，分别采用了两个独立的图像显示器和两个独立的耦入通道(第一准直器52和第二准直器55)，这种设置方式的优点是第一界面和第二界面可倾斜的角度范围更广一些，最终所能达到的视场角的最大值也会更大一些，但是相比于采用统一的发光单元和耦入通道的设置方式，本实施例的制作成本会更高，所占用的空间也更大一些。
本实施例中，第一图像显示器51、第二图像显示器54可以采用OLED显示器或LCOS显示器或液晶显示器LCD。
实施例二
本实施例如图6所示的基于波导的显示系统，包括：图像分割单元(图6中未示出)、第一图像显示器61、第一准直器62、第一波导基片63、第二图像显示器64、第二准直器65、第二波导基片66。
本实施例中，第一波导基片63的入口端和第二波导基片66的入口端均位于整个显示系统的同一侧；第一图像显示器61和第一准直器62设置于第一波导基片63的入口端，第二图像显示器64和第二准直器65设置于第二波导基片66的入口端。
本实施例中，图像分割单元将待显示图像分割为第一子图像和第二子图像后，将第一子图像发送给第一图像显示器61，将第二子图像发送给第二图像显示器64；第一图像显示器61发出用于显示第一子图像的第一光束，第一光束经过第一准直器62处理后变成准直光，然后耦入第一波导基片63中，最终形成从第一波导基片63中耦出的第一耦出光束，该第一耦出光束到达人眼视网膜完成对第一子图像的成像；第二图像显示器64发出用于显示第二子图像的第二光束，第二光束经过第二准直器65处理后变成准直光，然后耦入第二波导基片66中，最终形成从第二波导基片66中耦出的第二耦出光束，该第二耦出光束到达人眼视网膜完成对第二子图像的成像。
本实施例中，对于同一待显示图像分割出的第一子图像和第二子图像，第一图像显示器61发出第一光束的过程与第二图像显示器64发出第二光束的过程可以是同时执行的，也可以是依次执行的；如果这两个过程是同时执行的，则第一耦出光束和第二耦出光束就是同时在人眼视网膜上成像形成第一子图像和第二子图像；如果这两个过程是依次执行的，则第一耦出光束和第二耦出光束就是依次在人眼视网膜上成像形成第一子图像和第二子图像，并依赖人眼的视觉暂留现象，实现两个子图像的拼接。
本实施例中，两个波导基片的入口端位于整个显示系统的同一侧，分别采用了两个独立的图像显示器和两个独立的耦入通道，相比于实施例一，本实施例中第一界面和第二界面可倾斜的角度范围要小一些，最终成像所达到的视场角最大值也会偏小一些。
本实施例中，第一图像显示器61、第二图像显示器64可以采用OLED显示器或LCOS显示器或液晶显示器LCD，第一准直器62、第二准直器65可以采用准直器。
实施例三
本实施例如图7所示的基于波导的显示系统，包括：图像分割单元(图7中未示出)、图像显示器71、第一分光单元72、偏振调制单元73、准直单元74、第二分光单元75、第一棱镜76，第二棱镜77、第一波导基片78、第二波导基片79。
本实施例中，第一波导基片的入口端和第二波导基片的入口端位于整个显示系统的同一侧；图像显示器71、第一分光单元72、偏振调制单元73、准直单元74、第二分光单元75也都设置于整个显示系统的该侧。
本实施例中，图像分割单元将待显示图像分割为第一子图像和第二子图像后，将第一子图像和第二子图像发送给图像显示器71；图像显示器71依次显示第一子图像和第二子图像，在显示第一子图像时发出第一光束，显示第二子图像时发出第二光束；第一分光单元72将第一光束和第二光束分光处理成P-偏振光；偏振调制单元73直接透射P-偏振光的第一光束，并使P-偏振光的第二光束偏转成为S-偏振光后再透射；准直单元74将P-偏振光的第一光束和S-偏振光的第二光束处理成准直光；第二分光单元75直接透射成为准直光且为P-偏振光的第一光束，并反射成为准直光且为S-偏振光的第二光束；第一棱镜76将成为准直光且为P-偏振光的第一光束耦入第一波导基片78；第二棱镜77将成为准直光且为S-偏振光的第二光束耦入第二波导基片79。
本实施例中，对于同一待显示图像分割出的第一子图像和第二子图像，第一图像显示器71发出第一光束的过程与第二图像显示器71发出第二光束的过程是依次执行的；第一耦出光束和第二耦出光束依次在人眼视网膜上成像形成第一子图像和第二子图像，并依赖人眼的视觉暂留现象，实现两个子图像的拼接。
本实施例中，第一棱镜76和第二棱镜77的作用是帮助将第一光束和第二光束分别耦入不同的波导基片中。
本实施例中，两个波导基片的入口端位于整个显示系统的同一侧，采用了统一的图像显示器71和统一的耦入通道，相比于实施例一和实施例二，本实施例所占用的空间更小一些，有利于制作更紧凑的显示系统。
本实施例中，第一分光单元72、所述第二分光单元75可以采用偏振分光棱镜或者偏振分束器；偏振调制单元73可以采用偏振调制器或扭曲向列型TN液晶面板。
实施例四
如图8所示，本实施例是在实施例三的基础上进行了改进，具体是在第一波导基片78和第二波导基片79的耦出侧(即形成第一耦出光束和第二耦出光束的一侧)增加一凹透镜81，以适用于近视用户使用。
本实施例中，凹透镜81的度数可以是固定的，也可以是动态变化的，例如采用液晶变焦透镜，可以动态地改变焦距，从而改变度数。
实施例五
如图9所示，本实施例是在实施例三的基础上进行了改进，具体是在第一波导基片78和第二波导基片79的耦出侧(即形成第一耦出光束和第二耦出光束的一侧)增加一凸透镜91，以适用于远视用户使用。
本实施例中，凸透镜91的度数可以是固定的，也可以是动态变化的，例如采用液晶变焦透镜，可以动态地改变焦距，从而改变度数。
综上，本发明提供的基于波导的显示系统具有如下有益效果：
(1)通过将整幅待显示图像分割成两个子图像，再采用两层波导基片分别对两个子图像进行成像，相比于现有技术，可以显著增大视场角；
(2)通过条件①和③的约束，确保第一耦出光束和第二耦出光束顺利耦出相应的波导基片，完成在人眼视网膜上的成像；
(3)通过在第一界面和第二界面的反面涂布涂层的方式，消去大量会导致重像的反射光，有利于提高图像清晰程度；
(4)通过条件②和④的约束，进一步确保不会因反射光形成重像，进一步提高图像的清晰程度；
(5)通过采用统一的图像显示器和耦入通道的方式，降低制作成本，减小空间占用，有利于制造结构紧凑、超大视场的显示系统，提高用户对可穿戴显示系统的体验度；
(6)通过设置透镜为近视用户和远视用户提供便利。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrativelogical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrativecomponents)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。
本发明实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元，或装置都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。
本发明实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。
在一个或多个示例性的设计中，本发明实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。

Claims (22)

1.一种基于波导的显示系统，其特征在于，包括：
图像分割单元，用于将待显示图像分割为第一子图像和第二子图像；
发光单元，用于根据所述第一子图像的图像数据生成第一光束，根据所述第二子图像的图像数据生成第二光束；
耦入单元，用于将所述第一光束处理成为准直光并耦入第一波导基片，将所述第二光束处理成为准直光并耦入第二波导基片；
第一波导基片具有两个平行的第一表面、以及设置于两个第一表面之间且与第一表面具有夹角的第一界面，所述第一波导基片使所述第一光束在所述第一表面发生全反射，在所述第一界面的正面发生反射并耦出第一波导基片，形成用以对第一子图像成像的第一耦出光束；
第二波导基片具有两个平行的第二表面、以及设置于两个第二表面之间且与第二表面具有夹角的第二界面，所述第二波导基片使所述第二光束在所述第二表面发生全反射，在所述第二界面的正面发生反射并耦出第二波导基片，形成用以对第二子图像成像的第二耦出光束；
所述第一界面与所述第二界面相距一预设距离，以使所述第一耦出光束成像形成的第一子图像与所述第二耦出光束成像形成的第二子图像拼接成所述待显示图像。
2.根据权利要求1所述的基于波导的显示系统，其特征在于，
所述第一界面的反面涂布有第一涂层，该第一涂层用于吸收或透射入射角度大于或等于第一预设角的光线；
所述第二界面的反面涂布有第二涂层，该第二涂层用于吸收或透射入射角度大于或等于第二预设角的光线。
3.根据权利要求2所述的基于波导的显示系统，其特征在于，所述耦入单元还用于使耦入第一波导基片的第一光束在历经第一界面的折射、第一表面的全反射之后入射至第一界面的反面时，其边缘光线的入射角度小于或等于第一界面的全反射角；以及，
所述耦入单元还用于使耦入第二波导基片的第二光束在历经第二界面的折射、第二表面的全反射之后入射至第二界面的反面时，其边缘光线的入射角度小于或等于第二界面的全反射角。
4.根据权利要求1所述的基于波导的显示系统，其特征在于，所述第一波导基片的入口端与所述第二波导基片的入口端分别位于所述基于波导的显示系统的两侧。
5.根据权利要求1所述的基于波导的显示系统，其特征在于，所述第一波导基片的入口端与所述第二波导基片的入口端位于所述基于波导的显示系统的同一侧。
6.根据权利要求1所述的基于波导的显示系统，其特征在于，
所述发光单元包括：
第一图像显示器，用于根据所述第一子图像的图像数据生成第一光束；
第二图像显示器，用于根据所述第二子图像的图像数据生成第二光束；
所述耦入单元包括：
第一准直器，用于将所述第一光束处理成为准直光；
第二准直器，用于将所述第二光束处理成为准直光。
7.根据权利要求6所述的基于波导的显示系统，其特征在于，所述耦入单元还包括：第一棱镜和第二棱镜；
所述第一棱镜，用于将成为准直光的第一光束反射至第一波导基片中；
所述第二棱镜，用于将成为准直光的第二光束反射至第二波导基片中。
8.根据权利要求6所述的基于波导的显示系统，其特征在于，所述第一图像显示器生成第一光束与所述第二图像显示器生成第二光束是同时进行的。
9.根据权利要求6所述的基于波导的显示系统，其特征在于，所述第一图像显示器生成第一光束与所述第二图像显示器生成第二光束是依次进行的。
10.根据权利要求1所述的基于波导的显示系统，其特征在于，
所述发光单元包括：
图像显示器，用于根据所述第一子图像的图像数据和所述第二子图像的图像数据依次生成第一光束和第二光束；
所述耦入单元包括依次排布的第一分光单元、偏振调制单元、准直单元、第二分光单元；
第一分光单元，用于将所述发光单元发出的第一光束和第二光束分光处理成P-偏振光；
偏振调制单元，用于直接透射P-偏振光的第一光束，使P-偏振光的第二光束偏转成为S-偏振光后再透射；
准直单元，用于准直P-偏振光的第一光束和S-偏振光的第二光束；
第二分光单元，用于直接透射成为准直光且为P-偏振光的第一光束，并反射成为准直光且为S-偏振光的第二光束。
11.根据权利要求10所述的基于波导的显示系统，其特征在于，所述耦入单元还包括：第一棱镜和第二棱镜；
所述第一棱镜，用于将成为准直光且为P-偏振光的第一光束反射至第一波导基片中；
所述第二棱镜，用于将成为准直光且为S-偏振光的第二光束反射至第二波导基片中。
12.根据权利要求10所述的基于波导的显示系统，其特征在于，所述第一分光单元和/或所述第二分光单元为偏振分光棱镜。
13.根据权利要求10所述的基于波导的显示系统，其特征在于，所述第一分光单元和/或所述第二分光单元为偏振分束器。
14.根据权利要求10所述的基于波导的显示系统，其特征在于，所述偏振调制单元为偏振调制器。
15.根据权利要求10所述的基于波导的显示系统，其特征在于，所述偏振调制单元为扭曲向列型TN液晶面板。
16.根据权利要求1所述的基于波导的显示系统，其特征在于，所述基于波导的显示系统还包括：
透镜，设置于所述第一波导基片和所述第二波导基片的耦出侧，用于透射所述第一耦出光束和第二耦出光束。
17.根据权利要求16所述的基于波导的显示系统，其特征在于，所述透镜为以下几种中的一种：凹透镜，凸透镜，变焦透镜。
18.根据权利要求1所述的基于波导的显示系统，其特征在于，所述第一子图像和第二子图像具有相同的图像区域。
19.根据权利要求1所述的基于波导的显示系统，其特征在于，所述发光单元包括有机发光二极管OLED显示器或液晶附硅LCOS显示器或液晶显示器LCD。
20.根据权利要求1所述的基于波导的显示系统，其特征在于，还包括：视频获取单元，用于获取一视频流，并将所述视频流中依次出现的每一帧图像确定为所述待显示图像发送给所述图像分割单元；
所述图像分割单元对接收的待显示图像依次进行分割，并将分割得到的第一子图像和第二子图像发送给所述发光单元；
所述发光单元根据依次接收的第一子图像和第二子图像生成第一光束和第二光束，以使成像形成的第一子图像和第二子图像所拼接成的待显示图像组成所述视频流。
21.根据权利要求20所述的基于波导的显示系统，其特征在于，所述发光单元以大于或等于每秒24束的频率生成所述第一光束和所述第二光束，以使所述第一光束成像形成的第一子图像和所述第二光束成像形成的第二子图像所拼接成的待显示图像的帧率大于或等于每秒24帧。
22.根据权利要求1所述的基于波导的显示系统，其特征在于，还包括：图像校正单元，用于对所述图像分割单元分割得到的第一子图像和第二子图像进行梯形校正，然后将校正后的第一子图像和第二子图像发送给所述发光单元。
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