CN108227072B - 一种扩大出瞳紧凑型纳米结构波导显示方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种扩大出瞳紧凑型纳米结构波导显示方法及系统，所述方法包括：微显示器贴合在波导一侧发出散射光束进入波导中并照射在设置于波导一侧贴设在所述波导斜面上的入射耦合衍射元件上；所述入射耦合衍射元件对所述散射光束进行调制，产生平行光束在所述波导内以全反射的方式进行传播；当所述平行光束在光波导内传输到另一侧设置的出射耦合衍射元件时，所述出射耦合衍射元件对所述平行光束进行调制，产生平行的输出光离开波导，本发明提供的方法，在微显示器和波导之间去除了准直装置，简化了波导显示需要的结构，同时通过在波导一端设置一个斜面，将入射衍射元件设置在斜面上，提高显示系统的衍射效率和视场角，扩大了出瞳直径。

Description

一种扩大出瞳紧凑型纳米结构波导显示方法及系统
技术领域
本发明涉及光波导显示领域，更具体地，涉及一种扩大出瞳紧凑型纳米结构波导显示方法及系统。
背景技术
衍射波导显示方法结合了微纳、全息等衍射技术和波导技术，通过衍射元件的衍射效应，对光波进行振幅或者相位调制，利用波导对光波进行定向传播，从而实现将虚拟图像以投影的方式和外部场景图像叠加在一起的目的。该方法有效解决了光路离轴传输的问题，并具有体积小，重量轻等优点。在衍射波导显示技术里面，衍射元件充当着光学透镜的作用。与普通玻璃透镜相比，衍射光学元件提供“薄膜光学系统”的作用，也就是说这种元件具有比较轻的质量，并且衍射光学元件的功能与底板的形状基本没有关系，易于批量制造，并且生产成本低廉。
传统衍射波导显示方法如图1所示，从微显示器中发出的单色或彩色的光线通过准直中继系统准直之后，耦合输入到衍射光波导组件，经过输入耦合衍射元件的衍射作用后，在波导中传播进入输出耦合衍射元件，经过调制后将光线进行衍射输出。传统衍射波导显示方法中，系统复杂，存在衍射效率不足的问题。另外即使能够通过优化光栅结构参数提高衍射效率，由于光栅角度选择性的特点，此时衍射输出的光线的视场角往往受到限制，不能够满足实际使用需求。另外，由于人眼观看的显示部分有一定大小，而传通波导显示方法由于结构的限制，只能通过扩大微显示器的输入光束直径，或者以消耗视场均匀性和效率为代价，通过输出耦合衍射光学元件多次衍射来提高出瞳面积。还有，当衍射光和衍射光学元件表面法线的夹角过大时，会对所成的图像增加畸变和噪声。
传统的衍射波导显示系统需要在微显示器前边加一个准直系统，把入射光调制成平行光，然后进入波导里面。这样大大增加了系统的复杂程度和重量，不利于实际的使用；另一方面，为了使光波导的出瞳足够人眼观看，一般需要把微型显示器的输出光直径增大，但这样一来，输入耦合器件就需要做的很大，这样不利于系统整体体积和重量的减小，也有的方法是利用在波导里传递的信号光在耦合输出衍射光学元件上多次衍射，或者利用多个半反半透镜来对输入光多次折反射，来达到扩大出瞳的目的，然而这种方法会导致出瞳光束的效率不均匀，还存在间隙性的盲区问题等；进一步的，衍射元件的一个重要参数是“衍射效率”，而很多类型的衍射元件比如光栅的衍射效率和在制造过程中物光，参考光的夹角有关，一般出射和入射光对衍射光学元件表面法线的夹角越大，效率越高。但是这样一来，但是由于角度选择性的问题，高效率光栅的视场角往往受到限制，不能够满足实际的使用需求，而当衍射元件表面法线和入射光、衍射光的夹角过大时，会增大所显示图像的畸变，对比度等多种像差。
发明内容
本发明为解决现有的波导显示系统中系统结构复杂，同时光线出瞳直径受到限制，无法以简单的波导显示结构实现扩大出瞳效果的问题，提供一种波导显示方法及系统。
一方面，本发明提供的方法包括：
微显示器贴合在波导一侧发出散射光束进入波导中并照射在设置于波导一侧贴设在所述波导斜面上的入射耦合衍射元件上；
所述入射耦合衍射元件对所述散射光束进行调制，产生平行光束在所述波导内以全反射的方式进行传播；
当所述平行光束在光波导内传输到另一侧设置的出射耦合衍射元件时，所述出射耦合衍射元件对所述平行光束进行调制，产生平行的输出光离开波导。
其中，所述波导的材质为光学玻璃或光学塑料。
其中，所述微显示器直接贴设在所述波导的一端。
其中，所述入射耦合衍射元件采用超表面技术中的纳米光学天线技术，所述入射耦合衍射元件上设置有不同结构和尺寸的纳米光学天线。
其中，所述入射耦合衍射元件上设置的纳米天线与所述微显示器照射在所述入射耦合衍射元件上的散射光束的发散角度对应，以使不同角度的散射光束可以经过所述纳米天线调制后形成传输方向一致的平行光束。
其中，所述入射耦合衍射元件用于将所述微显示器的散射光束调整为平行光束，所述平行光束的直径小于所述出射耦合衍射元件的长度。
其中，所述入射耦合衍射元件还用于将所述微显示器的散射光束中的杂波进行过滤。
根据本发明的另一方面，提供一种扩大出瞳紧凑型纳米结构波导显示系统包括：
波导，为立方体，所述波导的一端沿光路方向依次设置微显示器和入射耦合衍射元件，所述波导的另一端设置出射耦合衍射元件；
其中，所述波导的一端设置用于贴设所述入射耦合衍射元件的斜面，以使得所述微显示器与所述入射耦合衍射元件的夹角为锐角。
其中，所述入射耦合衍射元件采用超表面技术中的纳米光学天线技术，所述入射耦合衍射元件上设置有不同结构和尺寸的纳米光学天线。
其中，所述入射耦合衍射元件上设置的纳米天线与所述微显示器照射在所述入射耦合衍射元件上的散射光束的发散角度对应，以使不同角度的散射光束可以经过所述纳米天线调制后形成传输方向一致的平行光束。
本发明提供的方法，在微显示器和波导之间去除了准直装置，简化系统结构，减小系统体积，同时通过在波导一端设置一个斜面，将入射衍射元件设置在斜面上，提高显示系统的衍射效率和视场角，在不增加输入耦合元件面积的前提下，扩大系统的出瞳直径，并且保持出瞳内的出射光束均匀一致，增强了衍射波导显示系统的使用效果。
附图说明
图1为传统衍射波导显示方法的系统结构图；
图2为本发明一实施例提供的一种扩大出瞳紧凑型纳米结构波导显示方法的流程图；
图3为本发明一实施例提供的一种扩大出瞳紧凑型纳米结构波导显示系统的结构图；
图4为本发明另一实施例提供的一种扩大出瞳紧凑型纳米结构波导显示系统的系统结构图和现有技术中波导显示系统的结构图的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参考图2，图2为本发明一实施例提供的一种扩大出瞳紧凑型纳米结构波导显示方法的流程图，所述方法包括：
S1，微显示器贴合在波导一侧发出散射光束进入波导中并照射在设置于波导一侧贴设在所述波导斜面上的入射耦合衍射元件上；
S2所述入射耦合衍射元件对所述散射光束进行调制，产生平行光束在所述波导内以全反射的方式进行传播；
S3当所述平行光束在光波导内传输到另一侧设置的出射耦合衍射元件时，所述出射耦合衍射元件对所述平行光束进行调制，产生平行的输出光离开波导。
具体的，微显示器发出的散射光束，直接进入光波导，入射在入射耦合衍射元件上，其中，所述入射耦合衍射元件设置在所述波导接收入射的散射光束的一端的一个斜面上；其中有一部分的散射光为透射光，直接穿过入射耦合衍射元件，另一部分光通过入射耦合衍射元件进行调制后，形成平行的衍射光束进入波导中，在波导中以全反射的形式进行传播，直至传播到出射耦合衍射元件处，经过出射耦合衍射元件调制后，形成平行的输出光束，从波导中传播出来后进入人眼。
在出射耦合衍射元件调制的平行光束并不能完全的被调制为平行的输出光束，还有一部分会继续在波导内全反射继续沿波导传输，并在波导端面，经折射后离开波导。
通过此方法，在微显示器和波导之间去除了准直装置，简化系统结构，减小系统体积，同时通过在波导一端设置一个斜面，将入射衍射元件设置在斜面上，提高显示系统的衍射效率和视场角，在不增加输入耦合元件面积的前提下，扩大系统的出瞳直径，并且保持出瞳内的出射光束均匀一致，增强了衍射波导显示系统的使用效果，提高了实际使用的舒适度和满意度。
在上述实施例的基础上，所述波导的材质为光学玻璃或光学塑料，所述微显示器直接贴设在所述波导的一端。
具体的，波导为平板光波导，材质为光透明介质，具体的材料可以为透明的光学玻璃或光学塑料，具体材料根据实际情况可以进行替换，微显示器在使用时直接贴合在波导的表面，以使得从所述微显示器中发射出来的散射光可以直接进入波导内，并直接耦合射入所述入射耦合衍射元件。
在上述各实施例的基础上，所述入射耦合衍射元件采用超表面技术中的纳米天线技术，所述入射耦合衍射元件上设置有不同结构和尺寸的纳米天线。
所述入射耦合衍射元件上设置的纳米天线与所述微显示器照射在所述入射耦合衍射元件上的散射光束的发散角度对应，以使不同角度的散射光束可以经过所述纳米天线调制后形成传输方向一致的平行光束。
具体的，超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。超表面可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。根据面内的结构形式，超表面可以分为两种：一种具有横向亚波长的微细结构，一种为均匀膜层。
通过在所述入射耦合衍射元件的表面上设置不同结构和尺寸的纳米天线，可以实现对入射的散射光束进行精准的调制。
选用纳米结构的天线作为衍射元器件，可以摆脱传统光栅的限制，比如在拥有高衍射效率的同时，还可以保持很大的视场角。所述入射耦合衍射装置上纳米天线的结构和尺寸根据微显示器发射的散射光束入射在入射耦合衍射元件上的光波来调整，由于散射光束入射在入射耦合衍射元件上时在不同位置的发散角度都不相同，因此在入射耦合衍射元件上不同位置的纳米天线的规格也不同，入射耦合衍射元件上设置的纳米天线与所述微显示器照射在所述入射耦合衍射元件上的散射光束的发散角度对应，以使不同角度的散射光束可以经过所述纳米天线调制后形成传输方向一致的平行光束。
通过此方法，实现了对散射光束在入射耦合衍射元件上进行精确调制，保证了在大视场边缘也可以保持输出图像的畸变和像差在很小的水平，提高输出图像的质量。
在上述各实施例的基础上，所述入射耦合衍射元件用于将所述微显示器的散射光束调整为平行光束，所述平行光束的直径小于所述出射耦合衍射元件的长度。
具体的，在入射耦合衍射元件调制的平行光束最终能够刚好全部传递到所述出射耦合衍射元件所在区域内，并且能够被所述出射耦合衍射元件耦合输出，由于所述出射耦合衍射元件的效率可能低于100％，因此会有剩余未耦合的平行光继续传播到所述光波导端面，经折射后离开所述光波导。所述平行光束的直径小于所述出射耦合衍射元件的长度。
波导内传输的平行光到达出射耦合衍射元件处，并照射在出射耦合衍射元件上的时候，所述出射耦合衍射元件的长度需要略大于所述平行光束的直径，从而保证输出光束的完整性。另外，由于所述平行光束在输出耦合衍射元件调制过程中，还是会有一部分光束未被耦合输出，继续被所述波导进行了全反射，因此所述出射耦合衍射元件的长度不能过长，不能使下一次全反射的平行光束也入射到出射耦合衍射元件而使得输出光束产生信息重叠。
通过此方法，实现了对波导内平行光束的输出调制，使得平行光束中所有的信息可以被调制输出，不会产生信息丢失或信息重叠。
在上述各实施例的基础上，所述入射耦合衍射元件还用于将所述微显示器的散射光束中的杂波进行过滤。
具体的，从所述微显示器中发射的散射光束中必然有部分杂波，因此在所述入射耦合衍射元件对所述散射光束进行调制的时候，会同时过滤掉所述散射光束中的杂波，所述杂波通过所述入射耦合衍射元件直接透射出去。
通过此方法，实现对微显示器发射的散射光中的杂波进行过滤，提高了输出图像的质量。
参考图3，图3为本发明一实施例提供的一种扩大出瞳紧凑型纳米结构波导显示系统的结构图，所述系统包括：
波导，为立方体，所述波导的一端沿光路方向依次设置微显示器和入射耦合衍射元件，所述波导的另一端设置出射耦合衍射元件；
其中，所述波导的一端设置用于贴设所述入射耦合衍射元件的斜面，以使得所述微显示器与所述入射耦合衍射元件的夹角为锐角。
具体的，如图3所示，本发明实施例的系统包括微显示器1，入射耦合衍射元件201，出射耦合衍射元件202，光波导3。微显示器1发出的散射光束，直接进入光波导，入射在入射耦合衍射元件上；其中有一部分的散射光为透射光，直接穿过入射耦合衍射元件，另一部分光通过入射耦合衍射元件进行调制后，形成平行的衍射光束进入波导中，在波导中以全反射的形式进行传播，直至传播到出射耦合衍射元件处，经过出射耦合衍射元件调制后，形成平行的输出光束，从波导中传播出来后进入人眼。
如图3所示，在波导接收所述微显示器向波导内发射散射光束的一端设置有用于贴设所述入射耦合衍射元件的斜面，使得所述微显示器与所述入射耦合衍射元件的夹角为锐角。
在出射耦合衍射元件调制的平行光束并不能完全的被调制为平行的输出光束，还有一部分会继续在波导内全反射继续沿波导传输，并在波导端面，经折射后离开波导。
通过此系统，在微显示器和波导之间去除了准直装置，简化系统结构，减小系统体积，同时通过在波导一端设置一个斜面，将入射衍射元件设置在斜面上，提高显示系统的衍射效率和视场角，在不增加输入耦合元件面积的前提下，扩大系统的出瞳直径，并且保持出瞳内的出射光束均匀一致，增强了衍射波导显示系统的使用效果，提高了实际使用的舒适度和满意度。
在上述各实施例的基础上，所述入射耦合衍射元件采用超表面技术中的纳米天线技术，所述入射耦合衍射元件上设置有不同结构和尺寸的纳米天线。
所述入射耦合衍射元件上设置的纳米天线与所述微显示器照射在所述入射耦合衍射元件上的散射光束的发散角度对应，以使不同角度的散射光束可以经过所述纳米天线调制后形成传输方向一致的平行光束。
具体的，超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。超表面可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。根据面内的结构形式，超表面可以分为两种：一种具有横向亚波长的微细结构，一种为均匀膜层。
通过在所述入射耦合衍射元件的表面上设置不同结构和尺寸的纳米天线，可以实现对入射的散射光束进行精准的调制。
选用纳米结构的天线作为衍射元器件，可以摆脱传统光栅的限制，比如在拥有高衍射效率的同时，还可以保持很大的视场角。所述入射耦合衍射装置上纳米天线的结构和尺寸根据微显示器发射的散射光束入射在入射耦合衍射元件上的光波来调整，由于散射光束入射在入射耦合衍射元件上时在不同位置的发散角度都不相同，因此在入射耦合衍射元件上不同位置的纳米天线的规格也不同，入射耦合衍射元件上设置的纳米天线与所述微显示器照射在所述入射耦合衍射元件上的散射光束的发散角度对应，以使不同角度的散射光束可以经过所述纳米天线调制后形成传输方向一致的平行光束。
通过此系统，实现了对散射光束在入射耦合衍射元件上进行精确调制，保证了在大视场边缘也可以保持输出图像的畸变和像差在很小的水平，提高输出图像的质量。
在上述各实施例的基础上，所述入射耦合衍射元件用于将所述微显示器的散射光束调整为平行光束，所述平行光束的直径小于所述出射耦合衍射元件的长度。
具体的，在入射耦合衍射元件调制的平行光束最终能够刚好全部传递到所述出射耦合衍射元件所在区域内，并且能够被所述出射耦合衍射元件耦合输出，由于所述出射耦合衍射元件的效率可能低于100％，因此会有剩余未耦合的平行光继续传播到所述光波导端面，经折射后离开所述光波导。所述平行光束的直径小于所述出射耦合衍射元件的长度。
波导内传输的平行光到达出射耦合衍射元件处，并照射在出射耦合衍射元件上的时候，所述出射耦合衍射元件的长度需要略大于所述平行光束的直径，从而保证输出光束的完整性。另外，由于所述平行光束在输出耦合衍射元件调制过程中，还是会有一部分光束未被耦合输出，继续被所述波导进行了全反射，因此所述出射耦合衍射元件的长度不能过长，不能使下一次全反射的平行光束也入射到出射耦合衍射元件而使得输出光束产生信息重叠。
通过此系统，实现了对波导内平行光束的输出调制，使得平行光束中所有的信息可以被调制输出，不会产生信息丢失或信息重叠。
在上述各实施例的基础上，所述入射耦合衍射元件还用于将所述微显示器的散射光束中的杂波进行过滤。
具体的，从所述微显示器中发射的散射光束中必然有部分杂波，因此在所述入射耦合衍射元件对所述散射光束进行调制的时候，会同时过滤掉所述散射光束中的杂波，所述杂波通过所述入射耦合衍射元件直接透射出去。
通过此系统，通过实现对微显示器发射的散射光中的杂波进行过滤，提高了输出图像的质量。
在本发明的另一实施例中，把入射耦合衍射元件放置在光波导的一个侧面上，该侧面和波导上用于眼睛观看的前、后表面所在平面具有一定的倾角，该倾斜角在0度到90度之间，具体角度可以根据实际需求来设定。微显示器发出的图像光信号直接通过波导表面进入波导内部，由于没有准直系统，该光信号为发散光。该发散光束倾斜地进入入射耦合衍射光学元件。选用纳米结构天线作为入射衍射元件，可以摆脱传统光栅的限制，比如在拥有高衍射效率的同时，还可以保持很大的视场角，由于经过精准调制，使得纳米天线的结构和入射到该天线位置散射光束的散射角度相对应，保证了调制的精度，同时在大视场边缘也可以保持输出图像的畸变和像差在很小的水平，提高输出图像的质量。在光线传播到出射耦合衍射元件后，通过所述出射耦合衍射元件进行调制后，形成输出光束，输出光线离开波导，进入人眼。
根据图4可见，在微显示器发出的光束直径相同的时候，同时在波导内光束的反射角相同时。在传统的波导显示方法中，由于入射耦合衍射元件和出射耦合衍射元件所在平面互相平行，而从输入耦合衍射元件输出到输出耦合衍射元件的光是平行光，因此，系统的出瞳等于输入耦合衍射元件的直径，而本实施例提供的系统，由于入射耦合衍射元件是倾斜的，它所对应在和输出耦合衍射元件平面方向的面积远大于微显示器的光束直径。这种扩大出瞳直径的方法和以前多次衍射或者多次透反射等扩大出瞳的方法相比，结构更加简单，紧凑，扩大出瞳之后的光束也更加均匀，并且没有间隙性的盲区问题。另外，由于本系统是利用扩大出射光束直径的方法来扩大出瞳，因此，所展示的图像也是一个放大的图像。这种方法所显示的图形较大便于观看，更加适合实际应用。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种扩大出瞳紧凑型纳米结构波导显示方法，其特征在于，包括：
微显示器贴合在波导一侧发出散射光束进入波导中并照射在设置于波导一侧贴设在所述波导斜面上的入射耦合衍射元件上；
所述入射耦合衍射元件对所述散射光束进行调制，产生平行光束在所述波导内以全反射的方式进行传播；
当所述平行光束在光波导内传输到另一侧设置的出射耦合衍射元件时，所述出射耦合衍射元件对所述平行光束进行调制，产生平行的输出光离开波导。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波导的材质为光学玻璃或光学塑料。
3.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于，所述微显示器直接贴设在所述波导的一端。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射耦合衍射元件采用超表面技术中的纳米光学天线技术，所述入射耦合衍射元件上设置有不同结构和尺寸的纳米光学天线。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述入射耦合衍射元件上设置的纳米天线与所述微显示器照射在所述入射耦合衍射元件上的散射光束的发散角度对应，以使不同角度的散射光束可以经过所述纳米天线调制后形成传输方向一致的平行光束。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射耦合衍射元件用于将所述微显示器的散射光束调整为平行光束，所述平行光束的直径小于所述出射耦合衍射元件的长度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射耦合衍射元件还用于将所述微显示器的散射光束中的杂波进行过滤。
8.一种基于权利要求1-7任一所述方法的扩大出瞳紧凑型纳米结构波导显示系统，其特征在于，包括：
波导，为立方体，所述波导的一端沿光路方向依次设置微显示器和入射耦合衍射元件，所述波导的另一端设置出射耦合衍射元件；
其中，所述波导的一端设置用于贴设所述入射耦合衍射元件的斜面，以使得所述微显示器与所述入射耦合衍射元件的夹角为锐角。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述入射耦合衍射元件采用超表面技术中的纳米光学天线技术，所述入射耦合衍射元件上设置有不同结构和尺寸的纳米光学天线。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述入射耦合衍射元件上设置的纳米天线与所述微显示器照射在所述入射耦合衍射元件上的散射光束的发散角度对应，以使不同角度的散射光束可以经过所述纳米天线调制后形成传输方向一致的平行光束。
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