CN107092093A - 波导显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导显示装置，涉及光学技术领域。包括图像源，中继光学系统，输入耦合器，波导，输出耦合器，其中，图像源，用于显示图像，中继光学系统，用于将图像源显示的图像射向输入耦合器，输入耦合器，用于将中继光学系统的出射光耦入波导，输出耦合器，用于将波导内传播的光耦出。本发明中，光学装置可以使用小尺寸图像源，同时降低了中继光学系统设计的难度及复杂程度。

Description

波导显示装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及波导显示装置。

背景技术

随着科学技术的发展，增强现实显示装置越来越受到人们的重视。为了使增强现实显示装置能够适应不同使用者，并保证在剧烈运动过程中仍然不会出现图像缺失，增强现实显示装置需要具备较大的出瞳直径，同时还要求显示装置小型化、轻量化。

然而，在现有技术中，一般通过增大图像源的体积、中继光学系统的直径等方式来实现增强现实显示器的大出瞳、大视场等目的，这使得显示装置的体积重量大幅上升。另外，为了获得较好的显示效果，中继系统透镜组镜片需要离轴倾斜，这使光学畸变及像差等变大，系统设计和系统优化的难度极大提高。

发明内容

本发明实施例提供了一种波导显示装置。旨在解决头戴式显示装置中图像源体积较大，以及中继光学系统设计复杂度高的问题。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

根据本发明实施例，提供了一种波导显示装置，包括图像源，中继光学系统，输入耦合器，波导，输出耦合器，其中，

图像源，用于显示图像；

中继光学系统，用于将图像源显示的图像射向输入耦合器；

输入耦合器，用于将中继光学系统的出射光耦入波导；

输出耦合器，用于将波导内传播的光耦出；

其中，输出耦合器包括耦出光栅，耦出光栅为全息聚合物弥散液晶层或空间光调制器。

可选的，输出耦合器包括层叠设置的第一全息聚合物弥散液晶层和第二全息聚合物弥散液晶层，第一全息聚合物弥散液晶层和第二全息聚合物弥散液晶层的衍射光方向相反；

波导显示装置还包括控制器，用于控制向第一全息聚合物弥散液晶层和第二全息聚合物弥散液晶层施加电场。

可选的，控制器还用于，

在第一时间段内，对第一全息聚合物弥散液晶层施加电场；

在第二时间段内，对第二全息聚合物弥散液晶层施加电场。

可选的，输出耦合器包括空间光调制器；

波导显示装置还包括控制器，用于控制空间光调制器对出射光进行调制。

可选的，控制器还用于，

在第一时间段内，控制空间光调制器的出射光射向第一视场方向；

在第二时间段内，控制空间光调制器的出射光射向第二视场方向。

可选的，图像源还用于，

在第一时间段内，生成第一视场图像；

在第二时间段内，生成第二视场图像。

可选的，第一时间段和第二时间段的时长均等于图像源刷新率的倒数。

可选的，耦出光栅在靠近输入耦合器的一侧衍射效率最低，耦出光栅在远离输入耦合器的一侧衍射效率最高。

可选的，耦出光栅在靠近输入耦合器的一侧的厚度最薄，耦出光栅在远离输入耦合器的一侧的厚度最厚。

可选的，波导显示装置还包括：

设置于波导出瞳位置的第二空间光调制器，用于将波导的出射光聚焦在预设位置。

本发明实施例公开的波导显示装置，在具有较大视场角的情况下，可以使用小尺寸图像源，且与图像源相配套的驱动电路等其他部件的体积均可以相应减小，同时，由于中继光学系统的入射光线视场角减小，从而降低了中继光学系统设计的难度及复杂程度，并且可以减少中继光学系统包括的镜片数量，进而可以减小中继光学系统的体积。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明实施例公开的一种波导显示装置的示意图；

图2是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；

图3是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；

图4是本发明实施例公开的一种HPDLC层的示意图；

图5是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；

图6是本发明实施例公开的一种控制器的示意图；

图7是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；

图8是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；

图9是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；

图10是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；

图11是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；

图12是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；

图13是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的结构、产品等而言，由于其与实施例公开的部分相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本发明实施例公开了一种波导显示装置10，包括图像源101，中继光学系统102，输入耦合器103，波导104，输出耦合器105，其中，输入耦合器103可以包括波导耦入光栅。图1和图2分别示出了两种可选的波导显示装置10结构，图1为波导耦入光栅位于波导内部的结构，图2为波导耦入光栅位于波导外部的结构。具体的，

图像源101，用于显示图像；

中继光学系统102，用于将图像源101显示的图像射向输入耦合器103；

输入耦合器103，用于将中继光学系统102的出射光耦入波导104；

输出耦合器105，用于将波导104内传播的光耦出。

可选的，图像源101可以为平面显示屏或曲面显示屏，进一步可选的，图像源101可以为液晶显示屏(英文全称：Liquid Crystal Display，英文缩写：LCD)、硅基液晶(英文全称：Liquid Crystal on Silicon，英文缩写：LCOS)反射式投影显示屏、发光二极管(英文全称：Light Emitting Diode，英文简称：LED)显示屏等。

图像源101显示的图像经由中继光学系统102成像至无穷远处。可选的，中继光学系统102可以为一透镜组，镜片可以采用非球面镜片或者自由曲面镜片，用于校正各像差及色差，也可以采用衍射光学元件来进一步优化成像质量。

如图3所示，图像源101显示的某一像素点，经过中继光学系统102后将变成平行光出射，不同像素点在中继光学系统102后以不同的角度分散，形成角谱。若需要达到预设的视场角，在图像源101的像素间距一定的情况下，图像源101需要的尺寸是图中线段BAC所示的区域，包括实线部分和实线部分两边的虚线部分。本领域技术人员应知，虚线部分的图像相对于中继光学系统102来说是大视场角光线，可能引入较大的球差及畸变等光学像差。通常，可以采用更多的镜片，或采用其他方式校正光学像差，但也会因此增大中继光学系统102的设计难度，另外，也会增加图像源101的体积。

体全息光栅包括固定式体全息光栅和可切换式体全息光栅，可切换式体全息光栅可以采用全息聚合物弥散液晶(英文全称：Holographic polymer dispersed liquidcrystal，英文缩写：HPDLC)来制备。HPDLC是由液晶、聚合物单体组成的预聚物，在两束相干光照射下，利用光致聚合而引发的相分离，形成与干涉条纹亮暗条纹相对应的富聚物区与富液晶区交替出现的周期性排列。如图4所示，不加电场时，HPDLC中存在周期性折射率调制，形成布拉格光栅，满足Bragg衍射条件的入射光以一级衍射方向射出。施加电场时，富液晶区液晶分子将沿电场重新排列，当其寻常光折射率与聚合物基本折射率相匹配时，光栅的折射率将变成均匀一致，入射光将直接透射出去，HPDLC成为一块透明介质。

空间光调制器可以对光波的空间分布进行调制，一般来说，空间光调制器可以对光波的相位、振幅、强度、频率或偏振态等进行调制，空间光调制器可以包括密布排列的二维阵列，每个阵列单元可以独立的受电信号控制，改变自身的光学特性，对照射在其上的光波进行调制。其中，液晶空间光调制器可以将液晶层作为光调制材料。在液晶层上的各区域施加不同的电场时，可以引起液晶分子排列方向和位置的变化，从而导致各阵列单元的折射率的变化，对入射光进行相位调制。当对不同位置的光叠加不同相位时，可以使光的传播方向发生偏转。

可选的，输出耦合器105可以包括耦出光栅，耦出光栅可以为HPDLC，空间光调制器，或HPDLC和空间光调制器的组合。

可选的，中继光学系统102的出射光可以与中继光学系统102的轴向平行。

可选的，输出耦合器105可以为层叠设置的第一HPDLC层201和第二HPDLC层202，其中，第一HPDLC层201和第二HPDLC层202的衍射光方向相反。

波导显示装置10还可以包括控制器203，用于控制向第一HPDLC层201和第二HPDLC层202施加电场。

本发明实施例中，输出耦合器105包括的层叠设置两层HPDLC，分别记为第一HPDLC层201和第二HPDLC层202，如图5所示。

需要注意的是，控制器203并未在图5中示出，控制器203可以安装在波导显示装置10的任意位置，只需要可以对第一HPDLC层201和第二HPDLC层202进行控制即可。

当控制器203对第一HPDLC层201施加电场，对第二HPDLC层202不施加电场时，出瞳的光线如图5中的实线所示；

当控制器203对第一HPDLC层201不施加电场，对第二HPDLC层202施加电场时，出瞳的光线如图5中的虚线所示。

本发明实施例公开的波导显示装置10，在具有较大视场角的情况下，可以使用小尺寸图像源，且与图像源相配套的驱动电路等其他部件的体积均可以相应减小，同时，由于中继光学系统的入射光线视场角减小，从而降低了中继光学系统设计的难度及复杂程度，并且可以减少中继光学系统包括的镜片数量，进而可以减小中继光学系统的体积。

可选的，如图6所示，控制器203还可以用于，在第一时间段T1内，对第一HPDLC层201施加电场；

在第二时间段T2内，对第二HPDLC层202施加电场。

进一步可选的，T1和T2的时长可以相同，且均为1/2f，其中f为图像刷新率。示例性的，如图像刷新率f为60Hz，则T1＝T2＝1/120s，此时图像源采用的显示屏应至少具有120Hz的刷新率。

本领域技术人员还可以根据实际需要，灵活确定时间段的数量和各时间段的持续时长。

可选的，图像源101还可以用于，在T1内生成第一视场图像，在T2内生成第二视场图像，其中，第一视场图像和第二视场图像共同构成完整的视场，用于扩大视场角。示例性的，如图5所示，X+方向的视场为第一视场，X-方向的视场为第二视场。当第一视场图像和第二视场图像进行快速切换，示例性的，刷新率大于120Hz时，相应于完整视场图像刷新率为60Hz，此时可以认为观察到的完整视场图像是连续的，且视场角较大。

本领域技术人员应知，图像源101生成的图像，可以根据时间段的数量、各时间段的持续时长、以及实际需要的视场角进行确定。

可选的，输出耦合器105还可以为层叠设置的第一HPDLC层301，第二HPDLC层302，第三HPDLC层303和第四HPDLC层304，其中，第一HPDLC层301和第二HPDLC层302的衍射光方向相反，第三HPDLC层303和第四HPDLC层304的衍射光方向相反。

如图7所示，第一HPDLC层301的出射光射向X+方向，第二HPDLC层302的出射光射向X-方向，第三HPDLC层303的出射光射向Y+方向，第四HPDLC层304的出射光射向Y-方向。

可选的，控制器203还可以用于，在第一时间段T1内，对第一HPDLC层301，第二HPDLC层302和第三HPDLC层303施加电场；

在第二时间段T2内，对第一HPDLC层301，第二HPDLC层302和第四HPDLC层304施加电场；

在第三时间段T3内，对第一HPDLC层301，第三HPDLC层303和第四HPDLC层304施加电场；

在第四时间段T4内，对第二HPDLC层302，第三HPDLC层303和第四HPDLC层304施加电场。

进一步可选的，T1、T2、T3和T4的时长可以相同，且均为1/4f，其中f为图像刷新率。示例性的，如图像刷新率f为60Hz，则T1＝T2＝T3＝T4＝1/240s，此时图像源采用的显示屏应至少具有240Hz的刷新率。

本领域技术人员还可以根据实际需要，灵活确定时间段的数量和各时间段的持续时长。

可选的，图像源101还可以用于，在T1内生成第一视场图像，在T2内生成第二视场图像，在T3内生成第三视场图像，在T4内生成第四视场图像，共同构成完整的视场，用于在二维平面上扩展视场角。本领域技术人员可以在具体实施过程中，协调控制器203和图像源101的控制和显示时序，完成扩大视场角的目标。

如图8所示，其中，耦出光栅在靠近输入耦合器103的一侧衍射效率最低，耦出光栅在远离输入耦合器103的一侧衍射效率最高。

由于输出耦合器105需要进行X方向的出瞳扩展，得益于耦出光栅，可以非常方便的对出瞳进行扩展。在X方向上使用耦出光栅进行出瞳扩展时，耦出光栅在靠近输入耦合器103的一侧的光强最强，随着耦合输出，远离输入耦合器103的位置的光强逐渐减弱，因而需要更高的衍射效率才能保证整个光瞳范围内的输出光强的均匀性。

进一步可选的，耦出光栅在靠近输入耦合器103的一侧的厚度最薄，耦出光栅在远离输入耦合器103的一侧的厚度最厚，如图9所示。其中，越厚的耦出光栅厚度，衍射效率越高。整个耦出光栅的厚度可以根据具体实施过程中的目标和需求，进行相应的优化设计以使输出光强均匀分布，也可以按照设计值在某一或某些位置上，根据光强分布的需求进行设计。

可选的，输出耦合器105还可以包括空间光调制器401。

波导显示装置10还可以包括控制器402，用于控制空间光调制器401对出射光进行调制。

本领域技术人员在具体实施过程中，可以认为空间光调制器401可以用于替代第一HPDLC层201和第二HPDLC层202，用于控制出射光的传播方向。

可选的，控制器402还可以用于，在第一时间段T1内，控制空间光调制器401的出射光射向第一视场方向；

在第二时间段T2内，控制空间光调制器401的出射光射向第二视场方向。

对T1、T2的相关描述，可以参考前述实施例中的描述，此处不再赘述。

可选的，图像源101还可以用于，在T1内生成第一视场图像，在T2内生成第二视场图像，其中，第一视场图像和第二视场图像共同构成完整的视场，可以用于扩大视场角。

本领域技术人员可以根据本发明公开的内容，确定使用空间光调制器替代第一HPDLC层301，第二HPDLC层302，第三HPDLC层303和第四HPDLC层304，在二维平面进行视场角扩展的技术方案。

可选的，波导显示装置10还可以包括：设置于波导104出瞳位置的空间光调制器106，用于将波导104的出射光聚焦在预设位置。

通过程序调节，空间光调制器106可以实现不同程度屈光度调节，以适应不同使用者的视力条件。对于正常视力的使用者，可以控制空间光调制器106将出射光聚焦于无穷远处，如图10所示。

对于近视使用者，可以控制空间光调制器106将出射光线发散，并确定合适的屈光度，如图11所示，近视使用者可以清晰的观察到显示的图像内容，同时，周围环境光线通过空间光调制器106后，也会被空间光调制器106发散，使得近视使用者可以无需佩戴近视眼镜，也可清晰的观察周围环境。

对于远视使用者，可以控制空间光调制器106将出射光线汇聚，并确定合适的屈光度，如图12所示，远视使用者可以清晰的观察到显示的图像内容，同时，周围环境光线通过空间光调制器106后，也会被空间光调制器106汇聚，使得远视使用者可以无需佩戴远视眼镜，也可清晰的观察周围环境。

本发明还公开了一种波导显示装置50，如图13所示，包括图像源101，中继光学系统102，输入耦合器103，波导104，输出耦合器105，其中，

可选的，输出耦合器105可以包括HPDLC层501与空间光调制器502，波导显示装置50还可以包括控制器503，其中，

控制器503可以用于在第一时间段T1内，对HPDLC层501施加电场，并控制空间光调制器502的出射光射向第一视场方向，此时，输出耦合器105的出射光射向第一视场方向；

在第二时间段T2内，不对HPDLC层501施加电场，控制空间光调制器502的出射光射向中间视场方向，此时，输出耦合器105的出射光射向第二视场方向。

可选的，输出耦合器105还可以包括多种空间光调制器和HPDLC层的组合方式，并通过控制器完成光路切换，以便在一维直线或二维平面上扩展视场角。

上述仅为示例，本领域技术人员还可以在不付出创造性努力的情况下，组合出更多可选的实施方式。

本发明实施例公开的波导显示装置，在具有较大视场角的情况下，可以使用小尺寸图像源，且与图像源相配套的驱动电路等其他部件的体积均可以相应减小，同时，由于中继光学系统的入射光线视场角减小，从而降低了中继光学系统设计的难度及复杂程度，并且可以减少中继光学系统包括的镜片数量，进而可以减小中继光学系统的体积。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种波导显示装置，包括图像源，中继光学系统，输入耦合器，波导，输出耦合器，其中，

所述图像源，用于显示图像；

所述中继光学系统，用于将所述图像源显示的所述图像射向所述输入耦合器；

所述输入耦合器，用于将所述中继光学系统的出射光耦入所述波导；

所述输出耦合器，用于将所述波导内传播的光耦出；

其中，所述输出耦合器包括耦出光栅，所述耦出光栅为全息聚合物弥散液晶层或空间光调制器。

2.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述输出耦合器包括层叠设置的第一全息聚合物弥散液晶层和第二全息聚合物弥散液晶层，所述第一全息聚合物弥散液晶层和所述第二全息聚合物弥散液晶层的衍射光方向相反；

所述波导显示装置还包括控制器，用于控制向所述第一全息聚合物弥散液晶层和所述第二全息聚合物弥散液晶层施加电场。

3.根据权利要求2所述的波导显示装置，其特征在于，所述控制器还用于，

在第一时间段内，对所述第一全息聚合物弥散液晶层施加电场；

在第二时间段内，对所述第二全息聚合物弥散液晶层施加电场。

4.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述输出耦合器包括空间光调制器；

所述波导显示装置还包括控制器，用于控制所述空间光调制器对出射光进行调制。

5.根据权利要求4所述的波导显示装置，其特征在于，所述控制器还用于，

在第一时间段内，控制所述空间光调制器的出射光射向第一视场方向；

在第二时间段内，控制所述空间光调制器的出射光射向第二视场方向。

6.根据权利要求2-5所述的任一波导显示装置，其特征在于，所述图像源还用于，

在所述第一时间段内，生成第一视场图像；

在所述第二时间段内，生成第二视场图像。

7.根据权利要求3或5所述的波导显示装置，其特征在于，所述第一时间段和所述第二时间段的时长均等于所述图像源刷新率的倒数。

8.根据权利要求1-7所述的任一波导显示装置，其特征在于，所述耦出光栅在靠近所述输入耦合器的一侧衍射效率最低，所述耦出光栅在远离所述输入耦合器的一侧衍射效率最高。

9.根据权利要求8所述的波导显示装置，其特征在于，所述耦出光栅在靠近所述输入耦合器的一侧的厚度最薄，所述耦出光栅在远离所述输入耦合器的一侧的厚度最厚。

10.根据权利要求1-9所述的任一波导显示装置，其特征在于，还包括：

设置于所述波导出瞳位置的第二空间光调制器，用于将所述波导的出射光聚焦在预设位置。