CN107966820B - 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，投影光学系统，输入耦合器，波导，光传输组件，输出耦合器，其中，图像源，用于显示图像；投影光学系统，用于将图像源显示的图像射向输入耦合器；输入耦合器，用于将投影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；光传输组件，设置波导上，与输出耦合器相对。本发明能够在避免出瞳不连续的同时，减小出瞳间距，使系统各位置出瞳均匀一致。

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。

由于波导中全反射光波入射输出耦合光栅时，入射角度较大并且波导厚度较大时，会导致出瞳不连续，存在出瞳亮度不均匀的问题。如图1中实线及虚线之间的间隔即为出瞳不连续间隔。出瞳不连续会影响用户的使用体验。

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出瞳不连续的问题。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，投影光学系统，输入耦合器，波导，光传输组件，输出耦合器，其中，

图像源，用于显示图像；

投影光学系统，用于将图像源显示的图像射向输入耦合器；

输入耦合器，用于将投影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；

光传输组件，设置波导上，与输出耦合器相对。

可选的，光传输组件包括光栅。

可选的，光传输组件包括第二波导。

可选的，第二波导的折射率大于波导的折射率。

可选的，第二波导和波导之间还包括半反半透膜。

可选的，输出耦合器包括输出耦合光栅，第二波导和波导之间还包括光栅。

可选的，光栅和输出耦合光栅为等厚光栅，光栅的长度小于输出耦合光栅的长度。

可选的，输出耦合器包括输出耦合光栅，第二波导和波导之间还包括半透明波纹状全息光栅。

可选的，半透明波纹状全息光栅的长度小于输出耦合光栅的长度。

本发明实施例公开的波导显示装置，能够在避免出瞳不连续的同时，减小出瞳间距，使系统各位置出瞳均匀一致。

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出瞳扩展的原理示意图；

图4是本发明实施例公开的另一种出瞳扩展的原理示意图；

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另一种出瞳扩展的原理示意图；

图7是本发明实施例公开的另一种出瞳扩展的原理示意图；

图8是本发明实施例公开的另一种出瞳扩展的原理示意图；

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一种波导显示装置的局部示意图；

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一种半透明波纹状全息光栅的示意图。

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，投影光学系统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，其中，

图像源101，用于显示图像；

投影光学系统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，用于将投影光学系统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；

光传输组件106，设置波导104上，与输出耦合器105相对。

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显示的图像经由投影光学系统102成像至无穷远处。可选的，投影光学系统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。

可选的，光传输组件106可以包括光栅1061，如图2所示，示例性的，输入耦合器103可以包括输入耦合光栅，输出耦合器105可以包括输出耦合光栅。

当波导厚度较厚，或波导中光波入射到输出耦合光栅时入射角度过大时，均会导致从输出耦合光栅耦出的光波不连续，进而存在出瞳扩展不连续的问题，如图3所示。波导的厚度为d，波导中传播的光波入射到输出耦合光栅的入射角为θ，实现和虚线分别为某一视场的两个边缘光线，两边缘光线的间隔为入瞳直径，或出瞳直径，两者相等，记为Φ₁，波导中传播光两次入射到输出耦合光栅的间距为出瞳间距，记为Φ₂，并且有：

Φ₂＝2d tanθ

当Φ₂＝2d·tanθ＞Φ₁，波导厚度较厚，或者入射角θ较大时，都可能会出现出瞳不连续的问题。为了保证出瞳连续，需要满足：

Φ₂＝2d·tanθ＜Φ₁

示例性的，当波导厚度d＝1.5mm，入瞳直径Φ₁＝5mm时，允许的最大衍射角θ<59°。当最大衍射角受限时，会影响系统的视场角，从而降低系统的使用体验。

本发明实施例中，光束不仅仅在输出耦合光栅的表面发生衍射，在光传输组件106包括的光栅1061表面同样会发生衍射，从而减小出瞳间距，如图4所示，具体的，系统的出瞳间距为：

Φ₃＝d·tanθ

示例性的，在其他参数相同的情况下，为了满足出瞳连续，需要满足Φ₃＝d·tanθ＜Φ₁允许的最大衍射角为θ<73.3°，极大的提高了系统的视场角。

可选的，光传输组件可以包括第二波导1062，如图5所示。

进一步可选的，第二波导1062的折射率大于波导104的折射率。

示例性的，光束由低折射率层入射到高折射率层时，会发生折射，并且由于是从低折射率材料入射到高折射率材料，所以折射角小于入射角。在输出耦合器105处，双层波导结构会减小出瞳间距，如图6所示。其中，Φ₂是使用低折射率的单层波导的出瞳间隔，Φ₄是使用双层波导的出瞳间隔，当高折射率层和低折射率层的厚度相等，均为d/2，有：

其中n_低为低折射率层的折射率，n_高为高折射率的折射率，且n_高>n_低。由此可得：Φ₄<Φ₂。

高折射率波导层的使用，使得出瞳间隔减小，从而解决出瞳不连续的问题。

示例性的，光束在高、低折射率层界面处，不仅仅会发生折射，同样会发生反射。发生反射时，光束传播路径如图7所示，图中标识出了在高低折射率层之间多次反射及透射的光线路径。

高折射率层及低折射率层之间的界面处发生反射的光束，会入射到输出耦合器105处，从而发生衍射，耦出的出射光进入人眼，实现出瞳扩展。相较于高折射率层上表面反射的光，高折射率层及低折射率层之间界面反射光所对应的出瞳间距更小，可解决出瞳不连续问题。其中Φ₂是使用单层波导时的出瞳间距，Φ₅是使用双层波导时的出瞳间距，且Φ₅＝d·tanθ。为了保证出瞳亮度的均匀，本领域技术人员可以根据需要设计高折射率层及低折射率层之间的界面的反射率，如有必要可以在界面处进行膜系设计，以达到所需的反射率。

进一步可选的，第二波导106和波导104之间还可以包括半反半透膜。

示例性的，若第二波导106和波导104具有相同或相近的折射率，可以借助半透半反膜来减小出瞳间距，如图8所示。其中，Φ₆＝d·tanθ为使用出瞳间距，明显的，Φ₆<Φ₂。半透半反膜经过设计，可以保证反射光与透射光具有相同的能量。

进一步可选的，第二波导106和波导104之间还可以包括光栅，如图9所示。

示例性的，波导显示装置10包括的第二波导106，可以为单层波导结构，还可以为多层波导结构，图9中示出了多层波导结构的示意图，本领域技术人员应知，当第二波导106为单层波导结构时，第二波导106，波导104，以及第二波导106和波导104之间包括的光栅也可以实现本发明的技术效果。

可选的，不同波导层之间包括的光栅的长度可以不相同，示例性的，光栅的长度小于输出耦合光栅的长度。为了降低光栅设计加工的难度，各光栅层可以具有相同结构参数，即光栅和输出耦合光栅可以为等厚光栅，光栅层可以为体全息光栅或者表面浮雕光栅或者半透明波纹状全息光栅，有助于提高出瞳扩展的均匀性。此外，各光栅层长度不同，在靠近输入耦合器103端，光栅层数较少，总的输出耦合效率较低，在远离输入耦合器103端，光栅层数较多，总的输出耦合效率较高。

使用多层光栅配合多层波导的方案，所用光栅为等厚光栅，设计及加工难度均较低，通过多层堆叠的方式，可以避免进行不等厚光栅设计及加工，降低工艺难度。

可选的，不同波导层之间可以同时包括光栅和半透半反膜，以降低出瞳间距，如图10所示，实现方式可以参考前文中的描述，此处不再赘述。

可选的，第二波导106和波导104之间还可以包括半透明波纹状全息光栅，半透明波纹状全息光栅可以通过堆叠不同厚度的薄膜，用于替代不等厚光栅。不同层光栅之间的界面可以实现半透半反的功能，如图11所示。示例性的，第二波导106可以由多层波导构成，多层波导之间夹有半透明波纹状全息光栅层。半透明波纹状全息光栅是层状结构的薄膜，每个波纹状全息光栅均是由多层薄膜堆叠构成，多层薄膜由不同材料构成，具有不同的折射率，通过设计多层膜组成，可以实现光栅的衍射功能。典型半透明波纹状全息光栅结构如图12所示。各层波纹状薄膜厚度可以相同，也可以不同，波纹状全息光栅各层可以由两种材料交替堆叠构成，也可以有多重材料交替堆叠构成，通过多层材料堆叠，可以实现特定的波长选择。

进一步可选的，半透明波纹状全息光栅的长度可以小于输出耦合光栅的长度，具体长度的确定方式可以参考前文，此处不再赘述。

本发明实施例公开的技术方案，能够在避免出瞳不连续的同时，减小出瞳间距，使系统各位置出瞳均匀一致。

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，包括图像源，投影光学系统，输入耦合器，波导，光传输组件，输出耦合器，其中，

所述图像源，用于显示图像；

所述投影光学系统，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，用于将所述投影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；

所述光传输组件，设置所述波导上，与所述输出耦合器相对；

所述波导的厚度d满足：

Φ₂＝2d·tanθ<Φ₁

其中，Φ₁为入瞳直径，Φ₂为出瞳间距，θ为所述波导中传播的光波入射到所述输出耦合器的入射角。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光传输组件包括光栅。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光传输组件包括第二波导。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二波导的折射率大于所述波导的折射率。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第二波导和所述波导之间还包括半反半透膜。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述输出耦合器包括输出耦合光栅，所述第二波导和所述波导之间还包括光栅。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光栅和所述输出耦合光栅为等厚光栅，所述光栅的长度小于所述输出耦合光栅的长度。

8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述输出耦合器包括输出耦合光栅，所述第二波导和所述波导之间还包括半透明波纹状全息光栅。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述半透明波纹状全息光栅的长度小于所述输出耦合光栅的长度。

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