CN107329261B - 一种基于全息波导的头戴式显示器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全息波导的头戴式显示器件，该器件包括入耦合光栅(1)、左视场偏折光栅(2)、右视场偏折光栅(3)、出耦合光栅(4)、矩形波导(5)；入耦合光栅(1)、左视场偏折光栅(2)、右视场偏折光栅(3)、出耦合光栅(4)、贴附于矩形波导(5)的上表面或下表面；入耦合光栅(1)、左视场偏折光栅(2)、右视场偏折光栅(3)、出耦合光栅(4)、矩形波导(5)贴于上表面或下表面由出入瞳光线设计方向决定。本发明利用光瞳重塑方式解决了传统二维扩瞳方式产生的大视场角情况下的视场分离。

Description

一种基于全息波导的头戴式显示器件

技术领域

本发明涉及一种头戴式显示器件，该器件利用波导系统传递图像于佩戴者眼前，实现增强现实的应用。

背景技术

随着技术的发展，显示器件被大量运用在各种各样载体之上。波导系统作为一种离轴光学系统可实现穿透式显示应用，即在不阻挡外界光环境的基础上投射特定图像画面于观看者眼前以实现增强现实的应用。同时，波导式显示方式相较于传统成像方式，由于光线在波导内折叠传播，可在波导不同位置耦合导出，从而不受拉格朗日光学不定式限制，可实现一定视场范围下的均匀扩瞳输出。波导显示系统一般利用耦合部件控制图像光束的进入和离开波导。传统上，波导系统大都利用几何光学设计方法在波导系统的出入端分别设计出入耦合部件。然而，基于形貌和折射率的几何光学设计不可避免的大幅增加了波导系统的尺寸和重量，并且尺寸重量通常随着系统视场角、出瞳大小要求的增大而增大，从而大大限制了波导显示系统的应用范围。

体全息光栅作为一种优良的光栅式耦合器件越发受到重视。这种特殊的光栅特点在于衍射效应受到布拉格条件限制，即当布拉格条件满足时，衍射能量集中于一级或负一级，同时，体全息光栅可实现任意大角度的光线偏转从而为大视场波导传输创造了可能。体全息光栅相较于传统表面浮雕形光栅除了衍射效率高、偏转角大以外，由于表面平整无起伏，同时厚度只有几十微米，易于加载与各种光学系统。在用于波导式显示系统的耦合器件时，体全息光栅另一优势在于其高度的角度选择性，即只对特定波长范围发生衍射。这种波长选择性一方面类似于滤色片，可提高显示色彩纯度，提高显示色域，更重要是对外界环境光影响小，可视作透明材料，从而可作为出瞳耦合器件用于增强显示应用。

但是，对于现有全息波导系统，存在着出瞳不连续，视场分立现象。尽管，现有技术通过二维出瞳扩展方式尽量使出瞳连续均匀，但是，现有技术的设计多只针对特定视场角下的出瞳均匀扩展(一般为中心视场)，从而使得在视场角度较大时出现严重的视场分裂现象。

发明内容

技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种基于体全息光栅的波导显示器件，通过出瞳重构方式，解决了大视场条件下的视场分裂现象。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于全息波导的头戴式显示器件，该器件包括入耦合光栅、左视场偏折光栅、右视场偏折光栅、出耦合光栅、矩形波导；

入耦合光栅、左视场偏折光栅、右视场偏折光栅、出耦合光栅贴附于矩形波导的上表面或下表面；入耦合光栅、左视场偏折光栅、右视场偏折光栅、出耦合光栅、矩形波导贴于上表面或下表面由出入瞳光线设计方向决定；

矩形波导是透明波导材料制作的矩形波导，波导厚度为1～10mm；

入耦合光栅为反射式复合式光栅，其包含2种光栅分量分别为：左视场补偿光栅，以及右视场补偿光栅；入耦合光栅中的左右视场补偿光栅分量，其光栅矢量分别为K1和K2，矢量K1，K2的矢量模相等即|K1|＝|K2|,。

优选的，入耦合光栅中的左右视场补偿光栅分量K1和K2关于yz平面镜像对称即θ1+θ2＝180°。

优选的，入耦合光栅是双层体全息光栅，或者在同一全息体材料两次曝光形式制备得出。

优选的，入耦合光栅形状是圆形或长方形，由入瞳光学系统形状决定；其尺寸大小小于20mm。

优选的，左视场补偿光栅：以波导内全反射条件耦合进入波导传播，同时为之后的左视场偏折光栅提供相位补偿，消除鬼像和光栅色散；

右视场补偿光栅：以波导内全反射条件耦合进入波导传播，同时为之后的右视场偏折光栅提供相位补偿，消除鬼像和光栅色散。

有益效果：本发明利用在传统波导显示系统中增加左右视场偏折光栅在传播过程中重新产生光瞳，从而解决了传统波导显示系统中的大视场情况下的视场分裂现象。

进一步的本发明通过在入耦合光栅中增加补偿光栅分量，补偿了由于左右视

场偏折光栅产生的相位变化，从而解决了光栅器件产生的鬼像和色散问题。

附图说明

图1基于体全息光栅波导显示器件的透视图,

图2复合式入耦合光栅光栅矢量示意图,

图3a是左视场偏折光栅光栅矢量示意图,

图3b是右视场偏折光栅光栅矢量示意图,

图4出耦合光栅光栅矢量示意图,

图5包含边缘视场光线的体全息光栅波导显示器件俯视图,

图6包含中心视场光线的体全息光栅波导显示器件主视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明公开了一种基于全息波导的头戴式显示器件。该显示器件包含一种基于体全息光栅的新型波导结构，该波导平面包含4块体全息光栅区域，分别用于入耦合、左视场偏折、右视场偏折、出耦合。其中入耦合光栅为复合光栅，即包含多个光栅分量。该光栅波导结构利用光瞳重塑方式解决了传统二维扩瞳方式产生的大视场角情况下的视场分离。同时，该系统考虑到了光栅产生的鬼像，色散等效应，利用使用复合光栅作为入耦合光栅，抵消了左右视场偏折光栅造成的相位积累，从而保证了图像传播质量。

本发明的硬件结构如图1所示，本发明提供的一种基于全息波导的头戴式显示器件，该器件包括入耦合光栅1、左视场偏折光栅2、右视场偏折光栅3、出耦合光栅4、矩形波导5；

入耦合光栅1、左视场偏折光栅2、右视场偏折光栅3、出耦合光栅4贴附于矩形波导5的上表面或下表面；入耦合光栅1、左视场偏折光栅2、右视场偏折光栅3、出耦合光栅4、矩形波导5贴于上表面或下表面由出入瞳光线设计方向决定；

矩形波导5是透明波导材料制作的矩形波导，波导厚度为1～10mm；

入耦合光栅1为反射式复合式光栅，其包含2种光栅分量分别为：左视场补偿光栅1.1，以及右视场补偿光栅1.2；入耦合光栅1中的左右视场补偿光栅分量，其光栅矢量分别为K1和K2，矢量K1，K2的矢量模相等即|K1|＝|K2|。

入耦合光栅1中的左右视场补偿光栅分量K1和K2关于yz平面镜像对称即θ1+θ2＝180°。

入耦合光栅1是双层体全息光栅，或者在同一全息体材料两次曝光形式制备得出。

入耦合光栅1形状是圆形或长方形，由入瞳光学系统形状决定；其尺寸大小小于20mm。

左视场补偿光栅：以波导内全反射条件耦合进入波导传播，同时为之后的左视场偏折光栅提供相位补偿，消除鬼像和光栅色散；

右视场补偿光栅：以波导内全反射条件耦合进入波导传播，同时为之后的右视场偏折光栅提供相位补偿，消除鬼像和光栅色散。

入耦合光栅1为反射式复合式光栅，其包含2种光栅分量分别为：左视场补偿光栅1.1，以及右视场补偿光栅1.2。其光栅分量示意图如图2所示。由体全息光栅理论，体全息光栅光栅参数可由光栅矢量表征。对于入耦合光栅1中的左右视场补偿光栅分量，如图2所示，其光栅矢量分别为K1和K2。

补偿光栅分量1.1和1.2需保持特定关系。更具体的，矢量K1，K2的矢量模相等即|K1|＝|K2|,同时在z轴方向分量应保持相等，即保持作为优选，K1，K2关于yz平面镜像对称即θ1+θ2＝180°。工作方式上，矢量K1对应的光栅分量1.1作用于右方视场，即对平面yz右方射入光束发生衍射，即矢量K2对应的光栅分量1.2作用于左方视场，即对平面yz左方射入光束发生衍射。值得说明的是光栅分量1.1和1.2的响应角度分布应该有一定的重叠以保证中心视场的衍射。

入耦合光栅1光栅在xy平面上分别存在x方向光栅矢量分量±K_x1和y方向光栅分量K_y1，其中光栅分量1.1和1.2在y方向光栅分量相同等于K_y1，而x方向上存在两个矢量分量K_x1和-K_x1对应左右视场。

实施例2，作为优选，包含两种光栅分量的入瞳耦合光栅1可以是双层体全息光栅，或者在同一全息体材料两次曝光形式制备得出。

在具体实施中，入耦合光栅形状可以使圆形，长方形，或其他形状，应该由入瞳光学系统形状决定。其尺寸大小一般小于20mm。

如图3所示，左视场偏折光栅2、右视场偏折光栅3的光栅矢量于平面xz共面，同时，关于平面yz镜面对称。所以左视场偏折光栅2、右视场偏折光栅3在xy平面内只存在x方向上的光栅分量K_x2和K_x3。同时与如耦合光栅x方向光栅矢量对应，即K_x3＝K_x1＝-K_x2，所以整个系统，在x方向上光栅矢量和为0，从而在x方向上消除了光栅产生的鬼像效应和相位改变。

出耦合光栅4的光栅矢量如图4所示，出耦合光栅4光栅矢量K5处于yz面内，所以只存在y方向K_y5。出耦合光栅4用于抵消入耦合光栅1光栅矢量的y方向分量K_y1从而将光线以原方向导出波导。同时保持系统在y方向上光栅矢量和为0。

包含边缘视场光线的体全息光栅波导显示器件如图5所示。图5中，黑色线段和灰色线段分别表示左右边缘视场。圆点表示传播光线入射到光栅表面，并发生衍射时的位置。作为优选，入耦合光栅1应保证尽可能大的衍射效率，根据体全息衍射特性，其衍射效率可接近100％。对于左右视场偏折光栅2，3，应保证入射能量一部分发生衍射而另一部分继续在波导内传播，从而扩大光束直径以扩大出瞳。所以左右视场偏折光栅2，3的衍射效率随位置不同而不同，应根据实际情况计算的出。出耦合光栅4将传播光线以原角度耦合导出波导。图5中黑色阴影部分表示最终出瞳大小和位置。值得注意的是，出瞳包含完整的视场角范围，保证了出瞳视场的连续和完整。

图6显示了本发明波导显示器件的主视图，显示屏7中心像素点发出的光线，在准直系统8准直后，垂直入射波导5。该准直光线被入耦合光栅1，以全反射角θ_TIR衍射耦合进入波导，并在波导中传播。最终由出耦合光栅4重新以垂直方向导出波导被人眼接收。值得注意的是，当光线接触到出耦合光栅4后，仅一部分能量衍射离开波导，剩余能量沿原方向继续传播，并在其后重复多次出射以次达到扩瞳的效果。

本发明相较于传统利用二维出瞳扩展的方法，不但同样利用波导传播特点在二维扩展出瞳，同时创新性的利用补偿光栅加偏转光栅的方式完成了光瞳重构。同时，系统的总相位改变在二维方向都保持为0，保证了图像的传播质量，减少了鬼像发生的几率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于全息波导的头戴式显示器件，其特征在于，该器件包括入耦合光栅(1)、左视场偏折光栅(2)、右视场偏折光栅(3)、出耦合光栅(4)、矩形波导(5)；

入耦合光栅(1)、左视场偏折光栅(2)、右视场偏折光栅(3)、出耦合光栅(4)贴附于矩形波导(5)的上表面或下表面；入耦合光栅(1)、左视场偏折光栅(2)、右视场偏折光栅(3)、出耦合光栅(4)贴于矩形波导(5)上表面或下表面由出入瞳光线设计方向决定；

矩形波导(5)是透明波导材料制作的矩形波导，波导厚度为1～10mm；

入耦合光栅(1)为反射式复合式光栅，其包含2种光栅分量分别为：左视场补偿光栅(1.1)，以及右视场补偿光栅(1.2)；入耦合光栅(1)中的左右视场补偿光栅分量，其光栅矢量分别为K1和K2，矢量K1，K2的矢量模相等即|K1|＝|K2|。

2.根据权利要求1所述的基于全息波导的头戴式显示器件，其特征在于，入耦合光栅(1)中的左右视场补偿光栅分量K1和K2关于yz平面镜像对称即θ1+θ2＝180°。

3.根据权利要求1所述的基于全息波导的头戴式显示器件，其特征在于，入耦合光栅(1)是双层体全息光栅，或者在同一全息体材料两次曝光形式制备得出。

4.根据权利要求1所述的基于全息波导的头戴式显示器件，其特征在于，入耦合光栅(1)形状是圆形或长方形，由入瞳光学系统形状决定；其尺寸大小小于20mm。

5.根据权利要求1所述的基于全息波导的头戴式显示器件，其特征在于，左视场补偿光栅：以波导内全反射条件耦合进入波导传播，同时为之后的左视场偏折光栅提供相位补偿，消除鬼像和光栅色散；

右视场补偿光栅：以波导内全反射条件耦合进入波导传播，同时为之后的右视场偏折光栅提供相位补偿，消除鬼像和光栅色散。