CN107966819A - 波导显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波导显示装置，涉及光学技术领域。其中，第一图像源，用于生成S偏振光图像；第二图像源，用于生成P偏振光图像；第一投影光学系统，用于将第一图像源生成的S偏振光图像射向第一输入耦合器；第二投影光学系统，用于将第二图像源生成的P偏振光图像射向第二输入耦合器；第一输入耦合器，用于将第一投影光学系统射出的S偏振光耦入波导；第二输入耦合器，用于将第二投影光学系统射出的P偏振光耦入波导；第一输出耦合器，用于将波导内传播的S偏振光耦出；第二输出耦合器，用于将波导内传播的P偏振光耦出。本发明能够提高显示图像的视场亮度均匀性，提高系统视场角。

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
现有基于光栅的增强现实显示装置，包括图像源、投影光学系统、输入耦合器、波导和输出耦合器，如图1所示。图像源发出的光经投影光学系统变换为各个角度的平行光，输入耦合光栅将各角度平行光衍射至特定角度，以满足在波导中进行全反射的条件，使得光线能在波导中按照全反射进行传播。波导中对应出瞳位置设置的输出耦合器，用于将波导中传输的光耦出，同时实现出瞳扩展。
但对于光栅而言，其衍射效率在不同入射角度时的分布是不平坦的，在特定入射角度时处具有最大衍射效率，当入射角度偏离该特定入射角度时，衍射效率会迅速下降，导致投影光学系统耦合进入波导中有效传播的光能量迅速下降，造成使用者观察到的视场亮度不均匀，并进而造成系统的总视场角较小，这限制了增强现实显示装置所能显示的内容。
发明内容
本发明实施例提供了一种波导显示装置。旨在解决增强现实显示装置中视场亮度不均匀，视场角较小的问题。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，包括第一图像源，第二图像源，第一投影光学系统，第二光学投影系统，第一输入耦合器，第二输入耦合器，波导，第一输出耦合器，第二输出耦合器，其中，
第一图像源，用于生成S偏振光图像；
第二图像源，用于生成P偏振光图像；
第一投影光学系统，用于将第一图像源生成的S偏振光图像射向第一输入耦合器；
第二投影光学系统，用于将第二图像源生成的P偏振光图像射向第二输入耦合器；
第一输入耦合器，用于将第一投影光学系统射出的S偏振光耦入波导；
第二输入耦合器，用于将第二投影光学系统射出的P偏振光耦入波导；
第一输出耦合器，用于将波导内传播的S偏振光耦出；
第二输出耦合器，用于将波导内传播的P偏振光耦出。
可选的，第一输出耦合器，还用于将波导内传播的S偏振光向第一视场方向耦出；
第二输出耦合器，还用于将波导内传播的P偏振光向第二视场方向耦出。
可选的，第一图像源，还用于显示第一视场图像；
第二图像源，还用于显示第二视场图像。
可选的，还包括：
第一反射镜，用于将第一图像源生成的S偏振光图像反射后射向第一输入耦合器；
第二反射镜，用于将第二图像源生成的P偏振光图像反射后射向第二输入耦合器。
可选的，还包括：
第一扩瞳光栅，用于将波导内传播的S偏振光进行出瞳扩展；
第二扩瞳光栅，用于将波导内传播的P偏振光进行出瞳扩展。
可选的，第一输入耦合器和第二输入耦合器分别设置于波导的两面。
可选的，第一输出耦合器和第二输出耦合器分别设置于波导的两面。
可选的，第一输入耦合器和第一输出耦合器对S偏振光敏感，第二输入耦合器和第二输出耦合器对P偏振光敏感。
本发明实施例公开的波导显示装置，能够提高显示图像的视场亮度均匀性，提高系统视场角。
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现有技术中波导显示装置的示意图。
图2是本发明实施例公开的一种波导显示装置的示意图；
图3是本发明实施例公开的一种波导显示装置的衍射级次示意图；
图4是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；
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。
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，包括第一图像源1011，第二图像源1012，第一投影光学系统1021，第二光学投影系统1022，第一输入耦合器1031，第二输入耦合器1032，波导104，第一输出耦合器1051，第二输出耦合器1052，如图2所示，其中，
第一图像源1011，用于生成S偏振光图像；
第二图像源1012，用于生成P偏振光图像；
第一投影光学系统1021，用于将第一图像源1011生成的S偏振光图像射向第一输入耦合器1031；
第二投影光学系统1022，用于将第二图像源1012生成的P偏振光图像射向第二输入耦合器1032；
第一输入耦合器1031，用于将第一投影光学系统1021射出的S偏振光耦入波导104；
第二输入耦合器1032，用于将第二投影光学系统1022射出的P偏振光耦入波导104；
第一输出耦合器1051，用于将波导104内传播的S偏振光耦出；
第二输出耦合器1052，用于将波导104内传播的P偏振光耦出。
可选的，图像源1011和1012可以为平面显示屏或曲面显示屏，进一步可选的，图像源可以为液晶显示屏(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1011和1012显示的图像分别经由投影光学系统1021和1022成像至无穷远处。可选的，投影光学系统可以为一透镜组，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。
可选的，输入耦合器可以包括输入耦合光栅，输出耦合器可以包括输出耦合光栅。
如图3所示，输入耦合器为输入耦合光栅时，1级衍射光将按照全反射在波导内传播，称为传播级次，而0级衍射光的传播角度不变，无法在波导内传播，称为透射级次。为了提高能量利用率，即提高显示图像的亮度，应提高1级衍射光的衍射效率，降低0级衍射光的衍射效率。但光栅作为对入射角敏感的光学元件，对不同视场的入射光其衍射效率相差较大，对于中心视场耦合效率较高时，则边缘视场衍射效率将很低，这样很容易造成显示图像的边缘视场的亮度偏暗，使得图像的整体亮度出现不均匀，系统的总视场角较小。
本实施例中，可选的，第一图像源1011发出的光为S偏振光，经第一投影光学系统1021后变为各个方向的平行光，然后由第一输入耦合器1031耦入波导104，经全反射传播至第一输出耦合器1051，然后由第一输出耦合器1051将S偏振光耦合出波导104。同样的，第二图像源1012发出的光为P偏振光，经第二投影光学系统1022后变为各个方向的平行光，然后由第二输入耦合器1032耦入波导104，经全反射传播至第二输出耦合器1052，然后由第二输出耦合器1052将P偏振光耦合出波导104。
示例性的，本实施例中的第一输入耦合器1031，第二输入耦合器1032，第一输出耦合器1051和第二输出耦合器1052均可由各种类型的光栅等器件制成。
可选的，第一输出耦合器1051，还可以用于将波导104内传播的S偏振光向第一视场方向耦出；
第二输出耦合器1052，还可以用于将波导104内传播的P偏振光向第二视场方向耦出。
示例性的，如图2所示，虚线表征S偏振光，实线表征P偏振光，第一输出耦合器1051耦出的S偏振光偏向X轴负方向，即第一视场方向，对于观察者来说，S偏振光图像可以形成右侧视场图像。同样的，第二输出耦合器1052耦出的P偏振光偏向X轴正方向，即第二视场方向，对于观察者来说，P偏振光图像可以形成左侧视场图像。由此，波导显示装置10可以为观察者提供更大的视场角。
可选的，与之相配合，第一图像源1011，还可以用于显示第一视场图像；
第二图像源1012，还可以用于显示第二视场图像。
其中，第一视场图像和第二视场图像可以拼接为完整的图像，在为观察者提供了更大的视场角的同时，也能呈现更多的图像内容。
为了减小波导显示装置10的尺寸，可以使用折叠光路，如图4所示，包括：
第一反射镜1061，用于将第一图像源1011生成的S偏振光图像反射后射向第一输入耦合器1021；
第二反射镜1062，用于将第二图像源1012生成的P偏振光图像反射后射向第二输入耦合器1022。
本发明实施例公开的波导显示装置10，还可以进行二维出瞳扩展，如图5所示。
可选的，波导显示装置10还可以包括：
第一扩瞳光栅1071，用于将波导104内传播的S偏振光进行出瞳扩展；
第二扩瞳光栅1072，用于将波导104内传播的P偏振光进行出瞳扩展。
可选的，第一输入耦合器1021和第二输入耦合器1022可以分别设置于波导104的两面。
可选的，第一输出耦合器1051和第二输出耦合器1052可以分别设置于波导104的两面。
本领域技术人员应知，在具体实施过程中，第一输入耦合器1021和第二输入耦合器1022也可以设置于波导104的同一面上，类似的，第一输出耦合器1051和第二输出耦合器1052也可以设置于波导104的同一面上。
第一图像源1011发出的光为S偏振光，经第一投影光学系统1021后变为各个方向的平行光，然后由第一输入耦合器1031耦入波导104，经全反射传播至第一输出耦合器1051，然后由第一输出耦合器1051将S偏振光耦合出波导104。同样的，第二图像源1012发出的光为P偏振光，经第二投影光学系统1022后变为各个方向的平行光，然后由第二输入耦合器1032耦入波导104，经全反射传播至第二输出耦合器1052，然后由第二输出耦合器1052将P偏振光耦合出波导104。
图5中，第一图像源1011发出的光为S偏振光，经第一投影光学系统1021后变为各个方向的平行光，然后由第一输入耦合器1031耦入波导104，经全反射传播至第一扩瞳光栅1071，实现第一方向上的出瞳扩展，扩瞳后的光束传输至第一输出耦合器1051，然后由第一输出耦合器1051将S偏振光耦出波导104，并实现在第二方向上的出瞳扩展。示例性的，第一方向可以为X方向，第二方向可以为Z方向，需要注意的是，第一方向和第二方向可以根据实际使用需求灵活设置，且第一方向和第二方向可以不互相垂直。同样的，第二图像源1012发出的光为P偏振光，经第二投影光学系统1022后变为各个方向的平行光，然后由第二输入耦合器1032耦入波导104，经全反射传播至第二扩瞳光栅1072，实现第一方向上的出瞳扩展，扩瞳后的光束传输至第二输出耦合器1052，然后由第二输出耦合器1052将P偏振光耦出波导104，并实现在第二方向上的出瞳扩展。
可选的，本发明实施例公开的波导显示装置10，第一输入耦合器1031和第一输出耦合器1051可以对S偏振光敏感，对P偏转光不敏感，第二输入耦合器1032和第二输出耦合器1052对P偏振光敏感，对S偏转光不敏感。亦即，第一输入耦合器1031和第一输出耦合器1051不会或很少对P偏转光进行衍射，第二输入耦合器1032和第二输出耦合器1052不会或很少对S偏转光进行衍射。
进一步可选的，第一扩瞳光栅1071可以对S偏振光敏感，对P偏振光不敏感，第二扩瞳光栅1072可以对P偏振光敏感，对S偏振光不敏感。
本发明公开的实施例及相关附图中，术语“第一”、“第二”仅为示例，并非特指附图中所标识的位置。例如，第一输入耦合器1031、第二输入耦合器1032、第一输出耦合器1051和第二输出耦合器1052仅为示意性的标注，在具体实施过程中，其对P偏振光和S偏振光的敏感或不敏感，可以进行互换。本领域技术人员可以在本发明公开的实施例的基础上，将相关组件对P偏振光和S偏振光的敏感性进行调整、互换，这也在本发明的保护范围之内。
例如，可选的，本发明实施例公开的波导显示装置10，第一输入耦合器1031和第一输出耦合器1051可以对P偏振光敏感，对S偏转光不敏感，第二输入耦合器1032和第二输出耦合器1052对S偏振光敏感，对P偏转光不敏感。亦即，第一输入耦合器1031和第一输出耦合器1051不会或很少对S偏转光进行衍射，第二输入耦合器1032和第二输出耦合器1052不会或很少对P偏转光进行衍射。
在此情况下，第一输入耦合器1031，可以用于将P偏振光耦入波导104；
第二输入耦合器1032，可以用于将S偏振光耦入波导104；
第一输出耦合器1051，用于将波导104内传播的P偏振光耦出；
第二输出耦合器1052，用于将波导104内传播的S偏振光耦出。
类似的，第一图像源1011也可以用于生成P偏振光图像，第二图像源1012也可以用于生成S偏振光图像，不再赘述。
本发明实施例公开的波导显示装置10，其包括的各个输入耦合器、输出耦合器或光栅，可以具有相同的周期和结构，也可以具有不同的周期及不同的结构，本发明对此并不限定。
本发明实施例公开的技术方案，能够提高显示图像的视场亮度均匀性，提高系统视场角。
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 (9)

1.一种波导显示装置，包括第一图像源，第二图像源，第一投影光学系统，第二光学投影系统，第一输入耦合器，第二输入耦合器，波导，第一输出耦合器，第二输出耦合器，其中，
所述第一图像源，用于生成S偏振光图像；
所述第二图像源，用于生成P偏振光图像；
所述第一投影光学系统，用于将所述第一图像源生成的所述S偏振光图像射向所述第一输入耦合器；
所述第二投影光学系统，用于将所述第二图像源生成的所述P偏振光图像射向所述第二输入耦合器；
所述第一输入耦合器，用于将所述第一投影光学系统射出的S偏振光耦入所述波导；
所述第二输入耦合器，用于将所述第二投影光学系统射出的P偏振光耦入所述波导；
所述第一输出耦合器，用于将所述波导内传播的所述S偏振光耦出；
所述第二输出耦合器，用于将所述波导内传播的所述P偏振光耦出。
2.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第一输出耦合器，还用于将所述波导内传播的所述S偏振光向第一视场方向耦出；
所述第二输出耦合器，还用于将所述波导内传播的所述P偏振光向第二视场方向耦出。
3.根据权利要求2所述的波导显示装置，其特征在于，所述第一图像源，还用于显示第一视场图像；
所述第二图像源，还用于显示第二视场图像。
4.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，还包括：
第一反射镜，用于将所述第一图像源生成的所述S偏振光图像反射后射向所述第一输入耦合器；
第二反射镜，用于将所述第二图像源生成的所述P偏振光图像反射后射向所述第二输入耦合器。
5.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，还包括：
第一扩瞳光栅，用于将所述波导内传播的所述S偏振光进行出瞳扩展；
第二扩瞳光栅，用于将所述波导内传播的所述P偏振光进行出瞳扩展。
6.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第一输入耦合器和所述第二输入耦合器分别设置于所述波导的两面。
7.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第一输出耦合器和所述第二输出耦合器分别设置于所述波导的两面。
8.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第一输入耦合器和所述第一输出耦合器对S偏振光敏感，所述第二输入耦合器和所述第二输出耦合器对P偏振光敏感。
9.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第一输入耦合器和所述第一输出耦合器对P偏振光敏感，所述第二输入耦合器和所述第二输出耦合器对S偏振光敏感。
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