CN108681067A - 一种扩展视场角的波导显示装置 - Google Patents

一种扩展视场角的波导显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种扩展视场角的波导显示装置，包括光机投影器、第一波导和第二波导。来自光机投影器输出光的不同部分视场角分别被第一波导的输入衍射光学元件和第二波导的输入衍射光学元件耦合至第一波导和第二波导中，并在波导中全反射。光机投影器输出光的偏振态同时包含最大化第一波导和第二波导耦入效率的振动方向。通过本发明表述的技术方案，可有效扩展显示装置的视场角，突破单个波导全反射的限制，并增加显示装置的光学系统效率。

Description

一种扩展视场角的波导显示装置
技术领域
本发明涉及增强现实显示装置(AR)或抬头显示(Head-up)装置，特别涉及一种扩展视场角的波导显示装置。
背景技术
增强现实，是将真实世界信息和虚拟世界信息实时叠加到同一个画面或空间的新技术。通过计算机生成的提示信息、虚拟物体或虚拟场景叠加到真实世界中，实现超越现实的感官体验。由于具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，增强现实在数据模型的可视化、军事武器研发与制造、飞行导航、医疗培训、远程控制、娱乐与艺术等领域均有广泛的应用。
增强现实技术中的显示装置，根据显示原理分为光学投射式和视频投射式两大类。由于分辨率高、无视觉偏差、无时延以及更符合社交习惯等优势，光学透射式增强现实显示系统已成为主流。
为了实现光学透射式的增强现实显示方案，有人设计了基于鸟浴(Bird Bath)或者自由曲面元件的传统光学系统，利用折射和反射实现虚拟和真实世界的叠加，然而此类由传统光学元件组成的显示系统受制于光学总距离，无法做到足够轻薄，实现增强现实显示系统的眼镜化；另外受拉格朗日不变量的牵制，传统光学显示系统的出瞳尺寸有限，通常无法适配瞳距处于两端的用户人群。与传统光学系统相比，基于波导的显示方案有效地解决了以上两个问题。一个单色或者RGB图像被注入波导后，利用光线在平面波导元件内的全反射传输，有效降低了光学元件的厚度，并使用优化的输出元件对传输光线的输出效率进行随位置变化的控制，实现出瞳扩展。但是为了使光线能在波导元件内进行全反射传输，必须将光线在波导与空气界面上的入射角控制在一定范围内，此范围的下限由波导的全反射临界角加上合理的加工装配公差决定，上限由满足出瞳扩展合理的最大步长决定。对于折射率为1.7的波导材料，此入射角范围仅可设在40°–72°，可见其局限性。这一角度范围直接限制了被注入图像的张角范围，也即作为增强现实显示器或抬头显示器中最为关键的性能参数之一的视场角。
不同于专利“双光波导片式增强现实眼镜”(CN106019586A)以横向拼接粘合两个光波导片的方法增大视场角，以及专利“一种基于波导的显示系统”(CN107024769A)只能用于反射式波导，本专利旨在通过衍射光波导叠加的方式扩展增强现实眼镜的视场角。
发明内容
本发明的目的在于针对波导对视场角的限制，提供一种扩展视场角的增强现实显示器。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种扩展视场角的波导显示装置，该装置包括光机投影器、第一波导和第二波导；第一波导的输入衍射光学元件、输出衍射光学元件，以及第二波导的输入衍射光学元件、输出衍射光学元件均选自一维线性衍射光学元件、二维线性衍射光学元件和具有规则衍射柱阵列的光子晶体；光机投影器输出的部分视场角光线经由第一波导的输入衍射光学元件衍射进入第一波导，在第一波导中全反射；剩余部分视场角光线经由第二波导的输入衍射光学元件衍射进入第二波导，在第二波导中全反射；第一波导的输出衍射光学元件和第二波导的输出衍射光学元件输出的视场角拼接为视野完整的虚拟图像。
进一步地，所述第一波导和/或第二波导还具有传输衍射光学元件，所述传输衍射光学元件选自一维线性衍射光学元件、二维线性衍射光学元件和具有规则衍射柱阵列的光子晶体，传输衍射光学元件将在波导中全反射的光衍射传输至输出衍射光学元件。
进一步地，所述第一波导和第二波导的基底是对可见光透明的光学材料构成的平板结构，其上下表面平行；第一波导与第二波导相互平行放置，两波导间的平行度可以由高精度间隔器保证。
进一步地，所述第二波导的输入衍射光学元件与第一波导的输入衍射光学元件沿着波导面的垂直方向重叠，以保证光机投影器输出的图像不被渐晕，增加系统效率，减少杂散光，提高图像对比度。
进一步地，所述第一波导和第二波导的输入衍射光学元件的周期使得耦入至各自波导的光线入射角范围分别满足各自波导全反射要求；输出衍射光学元件的周期与同一波导上输入衍射光学元件的周期相等。
进一步地，所述光机投影器输出光的偏振态同时包含最大化第一波导和第二波导耦入效率的振动方向。
进一步地，所述第一波导和第二波导的输入衍射光学元件、输出衍射光学元件均为一维线性衍射光学元件，输入光经输入衍射光学元件衍射后直接朝向输出衍射光学元件全反射，在输出衍射光学元件完成一维扩展。
进一步地，所述第一波导和第二波导的输入衍射光学元件均为一维线性衍射光学元件，输出衍射光学元件分别选自二维线性衍射光学元件或者具有规则衍射柱阵列的光子晶体，从输入衍射光学元件进入波导的第一阶衍射级次光线，在波导中全反射，在输出衍射光学元件的二维周期性结构的衍射和透射作用下同时完成光线在两个维度的扩展。一种具体的实现方式如下，但不限于此：
第一波导和第二波导的输入光学元件均为一维线性光栅，两者的齿形方向互相平行，此时与之相匹配的光机投影器被设计输出与波导输入光栅齿形方向相平行的线性偏振态，以优化耦入的衍射效率。
进一步地，所述第一波导和第二波导还具有传输衍射光学元件；输入衍射光学元件、传输衍射光学元件和输出衍射光学元件均为一维线性衍射光学元件，从输入衍射光学元件进入波导的第一阶衍射级次光线，在波导中全反射，在传输衍射光学元件的衍射和透射作用下完成第一维度的扩展，在输出衍射光学元件的衍射和透射作用下将光线耦合出波导到达人眼并完成出瞳第二维度的扩展；一种具体的实现方式如下，但不限于此：
输入衍射光学元件、传输衍射光学元件和输出衍射光学元件均为一维线性光栅，输入区的一维线性光栅将由光机投影器提供的入射光衍射，第一阶衍射级次被耦入至波导中并依靠全反射往传输区传播。波导内全反射光在每一次接触传输光栅时部分直接透射，部分被衍射，衍射光的传输方向产生偏转，朝向波导上的输出区前进。直接透射的光线继续在传输区域全反射直至被衍射向输出区传输，如此完成出瞳第一维度的扩展。来自传输区的光线到达输出区后在每一次接触输出光栅时也是部分直接透射，部分被衍射，衍射光耦合出波导到达人眼，直接透射部分在波导内继续全反射前进直至被衍射耦出波导，完成出瞳第二维度的扩展，其中第二维度与第一维度方向正交。这样由一维线性衍射光学元件构成的波导显示装置通过传输区和输出区完成出瞳的二维扩展。本发明运用于此种波导显示装置时，第一波导和第二波导输入区中的一维线性衍射光学元件齿形方向可互相平行，此时与之相匹配的光机投影器被设计输出与波导输入衍射光学元件齿形相平行的线性偏振态，以优化耦入两个波导的耦入衍射效率；第一波导和第二波导输入区中的一维线性衍射光学元件齿形方向也可互相垂直，此时第一波导中的扩瞳顺序与第二波导中的扩瞳顺序对调，与之相匹配的光机投影器被设计输出同时包含与第一波导输入衍射光学元件齿形平行的振动方向和与第二波导输入衍射光学元件齿形平行的振动方向，以分别使得耦入两个波导的衍射效率得以优化。
进一步地，所述第一波导或第二波导还具有传输衍射光学元件；在具有传输衍射光学元件的波导上，输入衍射光学元件、传输衍射光学元件和输出衍射光学元件均为一维线性衍射光学元件，从输入衍射光学元件进入波导的第一阶衍射级次光线，在波导中全反射，在传输衍射光学元件的衍射和透射作用下完成第一维度的扩展，在输出衍射光学元件的衍射和透射作用下将光线耦合出波导到达人眼并完成出瞳第二维度的扩展；另一个波导的输入衍射光学元件为一维线性衍射光学元件，输出衍射光学元件选自一维线性衍射光学元件、二维线性衍射光学元件、具有规则衍射柱阵列的光子晶体。
本发明在使用时，图像源经过光机投影器输出一个占据大视场角的单色或RGB图像；此视场角可达到60°及以上，高于目前20°–40°的行业水平。由光机投影器输出图像的部分视场角光线经由第一波导输入衍射光学元件进入第一波导，逐次在波导上下两个平行面上获得反射，向输出衍射光学元件传输，光线到达输出衍射光学元件时一部分通过输出衍射光学元件耦合出去，剩余部分继续在波导内全反射前进，当再次到达输出衍射光学元件时，又有一部分被耦出，剩余部分继续全反射前进，再次被部分耦出，以此类推，直至大部分能量被耦出，扩瞳完成，经第一波导传播的视场角部分形成清晰的图像进入人眼。第一波导的输入衍射光学元件经优化设计后只支持接收光机投影器输出的部分视场角，未被接收的信号到达第二波导的输入衍射光学元件。第一波导接收图像的视场和第二波导接收的视场可无缝连接或有部分重叠，使得人眼接收的虚拟图像完整不缺失；当两波导视场部分重叠时，重叠部分经由两输入衍射光学元件效率的优化，使得最终输出至人眼的图像自然过渡、亮度均匀。
附图说明
图1为光学透射式增强现实系统的部件组成示意图；
图2为波导型增强现实眼镜侧边框及其内部所含部件的侧视图；
图3为波导型增强现实眼镜的俯视图；
图4为一维线性衍射二维出瞳扩展左眼光波导的正视图；
图5A为波导型显示装置的侧视图以及波导中最小入射角的光线追迹；
图5B为波导型显示装置的侧视图以及波导中最大入射角的光线追迹；
图6A为本发明实施在一维线性衍射二维出瞳扩展波导中的第一种结构示意图；
图6B为本发明实施在一维线性衍射二维出瞳扩展波导中的第二种结构示意图；
图7A为本发明显示装置的侧视图及第一波导中最小入射角和第二波导中最大入射角的光线追迹；
图7B为本发明显示装置的侧视图及第一波导中最大入射角和第二波导中最小入射角的光线追迹；
图8A为本发明中两波导输出的视场进行无缝拼接；
图8B为本发明中两波导输出的视场有中央重叠区域；
图9A为二维线性衍射二维出瞳扩展波导的正视图；
图9B为二维柱状衍射结构二维出瞳扩展波导的正视图；
图10为本发明实施在二维线性衍射波导中的结构示意图；
图11A为本发明实施在一维线性衍射波导中第一种结构的光路偏振态示意图；
图11B为本发明实施在一维线性衍射波导中第二种结构的光路偏振态示意图；
图11C为本发明实施在二维周期性结构波导中的光路偏振态示意图。
具体实施方式
为了使本发明的实现目标与技术方法易于了解，以下结合附图和具体实施范例对本发明做进一步阐述。
本发明可被运用于基于光波导的光学透视式增强现实系统，如图1所示，增强现实系统1包括左眼光波导2、右眼光波导3、镜框4、计算单元5、位置传感器6、外部空间采集器7以及远程计算系统8。左眼光波导2和右眼光波导3具有较高的透射率使得用户能够清楚地辨识现实世界。配置在眼镜端的计算单元5为左右眼提供相应的图像信号，使得用户获得三维立体视觉体验。计算单元5同时与系统中的各传感器通信，其中包括位置传感器6和外部空间采集器7。位置传感器6为增强现实系统确定在给定坐标系中的位置和方向，这包括沿三个直角坐标轴方向的移动自由度和绕这三个坐标轴的转动自由度。由此，位置传感器6中可以是加速度计、陀螺仪、磁力计和全球定位系统接收器的组合。计算单元5将位置传感器6的输出处理后，将虚拟物体准确地渲染在现实世界中。外部空间采集器7可以是RGB相机、单色相机和深度相机的组合。RGB相机或单色相机获取外界环境的真实场景，深度相机获取场景的深度信息，当深度相机和其它相机的光轴平行并且在时序上同步时，可获得现实场景的完整信息。远程计算系统8可通过有线或者无线通信为眼镜端的计算单元5提供格外的计算能力，也可作为增强现实系统1的唯一计算单元代替眼镜端的计算单元5。
如图2所示，光机投影器9可放置在眼镜侧边框内，以使系统紧凑。光机投影器9中的微显示器11投射的图像，经透镜组10和左眼光波导2的输入衍射光学元件12耦合进入左眼光波导2。微显示器11可以使用透射式液晶显示器(LCD)依靠液晶分子对背光的投射调制形成图像，也可使用反射式的调制方式，其中常用的有数字光处理器(DLP)和硅基液晶(LCoS)。微显示器11还可使用自发光的有机发光二极管(OLED)和微发光二极管(MicroLED)。透镜组10由一片或多片透镜组成。
眼镜的俯视示意如图3所示，用于成像的右眼光波导3固定在镜框4中，经输入衍射光学元件12衍射的光线进入右眼光波导3之后全反射，传播至输出元件13后逐次耦合输出至人眼。
本发明可应用于基于一维线性衍射波导的增强现实装置。一维线性衍射波导的正视图如图4所示，此结构能够完成出瞳的二维扩展。左眼光波导2上的光学元件包括输入衍射光学元件12。光机投影仪的输入图像以与左眼光波导2平面的正交方向为中心视野的传播方向。输入衍射光学元件12对输入光进行衍射，使得第一衍射级次满足左眼光波导2的全反射条件，在左眼光波导2中朝着传输衍射光学元件13前进。左眼光波导2内全反射光在每一次与传输衍射光学元件13接触时，可以被透射或衍射。由传输衍射光学元件13衍射产生的第一衍射级次的传输方向发生偏转，满足左眼光波导2的全反射条件，在左眼光波导2内朝向输出衍射光学元件14前进。在传输衍射光学元件13直接透射的光继续在传输衍射光学元件13全反射直至被衍射向输出衍射光学元件14传输，由此完成出瞳在沿传输衍射光学元件13长度方向的一维扩展。来自传输区的光线在每一次接触输出衍射光学元件14时也被部分透射部分衍射，衍射光耦合出左眼光波导2到达人眼，直接透射部分在左眼光波导2内继续全反射前进直至被衍射耦出，由此完成出瞳沿垂直于输出衍射光学元件齿形方向的一维扩展。光线在前后两个维度上的扩展方向相互垂直，因此图4中的波导显示装置通过传输衍射光学元件13和输出衍射光学元件14可完成二维扩展。波导显示装置的实现方式也可区别于图4所示结构，仅包括输入衍射光学元件和输出衍射光学元件，而无传输衍射光学元件。在此实现方式中，输入光经输入衍射光学元件衍射后直接朝向输出衍射光学元件全反射，在输出衍射光学元件上完成一维扩展。
参考图5A和5B，波导中最小入射角和最大入射角的光线追迹如图中所示。当光从折射率较大的光密介质传播进入折射率较小的光疏介质，入射角大于临界角θc时，光在介质界面上只存在反射，不存在折射，此现象被称为全反射。全反射临界角θc是发生全反射的最小入射角，它的值可通过折射定律计算，取决于两种介质的折射率比值：
θc＝sin-1(n2/n1) (1)
其中为n1为光线所在光密介质的折射率，n2为相邻光疏介质的折射率。在此，光密介质是波导的基底15，通常为玻璃或者树脂，其折射率是波导基底材料的折射率，通常为1.5–1.7。光疏介质为空气。
如图5A所示，微显示器11右边缘像素发出的光线16通过光机投影器9中的透镜组10准直后与输入衍射光学元件法线方向成θi_L，经输入衍射光学元件12衍射后，第一衍射级次与法线方向成θS_L。输入衍射光学元件的周期d与入射角θi_L和出射角θs_L之间的关系遵循方程：
λ＝dsinθi_L+nsdsinθs_L (2)
其中λ是入射光波长，并且θi_L为系统水平视场角的一半，也即θi_L＝HFOV/2，d为衍射光学元件的周期，ns为波导基底材料的折射率。因此，设计输入衍射光学元件周期时需要在满足系统参数条件下，使得θs_L大于全反射临界角。除全反射角外θs_L的设定还需考虑合理的加工装配公差。如图5B所示，微显示器11左边缘像素发出的光线19通过光机投影器9中的透镜组10准直后与输入衍射光学元件法线方向成θi_R，经输入衍射光学元件12衍射后，第一衍射级次与法线方向成θs_H，为光波导中的最大入射角，此上限角度需满足以上方程以及出瞳扩展的最大合理步长。对于折射率为1.7的波导基底材料，表1列出了满足设计要求的一套系统参数举例。
表1
ns 1.7
HFOV 30°
λ 525nm
θi_L 15°
θs_L 40°
θi_R -15°
θs_H 72°
d 388nm
进一步地，输出衍射光学元件14与输入衍射光学元件12的周期相等，因此当波导中全反射传播的最小入射角光线17遇到输出衍射光学元件14时，逐次耦合出波导的光线群18的出射角θo_L与光线16在注入输入衍射光学元件12时的入射角θi_L相等，即等于系统水平视场角的一半。同理，当波导中全反射传播的最大入射角光线20遇到输出衍射光学元件14时，逐次耦合出波导的光线群21的出射角θo_R与光线19在注入输入衍射光学元件12时的入射角θi_R相等，也等于系统水平视场角的一半。由此，人眼观察到由光机投影器9和波导组成的显示系统的完整输出图像，此图像包含系统成像所要求的所有视场。然而如以上范例所示，由于光线在波导中无损传播需满足全反射条件，显示系统的视场角因此受限。
本发明的目的在于针对波导对视场角的限制，提供一种扩展视场角的波导显示装置，此装置包括第一波导、第二波导和光机投影器。参照图6A中所示的本发明实施在一维线性衍射光学二维出瞳扩展波导中的第一种结构，第一波导22包括输入衍射光学元件24、传输衍射光学元件25和输出衍射光学元件26，第二波导23包括输入衍射光学元件27、传输衍射光学元件28和输出衍射光学元件29。系统图像的部分视场角光线经由第一波导22的输入衍射光学元件24衍射，第一衍射级次进入第一波导22，在传输衍射光学元件25区域全反射并完成出瞳的一维扩展，向输出衍射光学元件26区域传输，并通过输出衍射光学元件26的衍射将光线耦合出第一波导22并完成出瞳的第二维扩展。第一波导22的输入衍射光学元件经优化设计后只接收光机投影器输出的部分视场角，未被接收的部分到达第二波导23的输入衍射光学元件27，在第二波导23中完成出瞳的二维扩展。在此结构的发明中，第二波导23的输入衍射光学元件27与第一波导22的输入衍射光学元件24大小相同，齿形方向一致，衍射区域沿波导面的垂直方向完全重叠，以保证图像不被渐晕，增加系统效率，减少杂散光，提高图像对比度。另外，为保证完整的图像在整个显示系统的出瞳区域内均可见，第二波导23的输出衍射光学元件29与第一波导22的输出衍射光学元件26，设计为大小相同，位置相同，齿形方向一致。
如图6B中所示的本发明实施在一维线性衍射光学二维出瞳扩展波导中的第二种结构中，第一波导22与图6A中的相同，第二波导32包括输入衍射光学元件33、传输衍射光学元件34和输出衍射光学元件35。输入衍射光学元件33的齿形方向与第一波导22中输入衍射光学元件24的齿形方向互相垂直，未被第一波导22接收的部分图像到达第二波导32的输入衍射光学元件33被衍射后，第一衍射级次向+Y方向前进，到达位于下方的传输衍射光学元件34，在传输区完成+Y方向上的第一维出瞳扩展。传输衍射光学元件34将第一维扩展后的光线衍射至+X方向，向输出衍射光学元件35前进。输出衍射光学元件35的齿形方向与第一波导的输出衍射光学元件26的齿形方向垂直，以实现第二波导32在+X方向上的第二维出瞳扩展。在此结构中，第二波导32的输入衍射光学元件33与第一波导22的输入衍射光学元件24大小相同，齿形方向正交，衍射区域在沿波导面的垂直方向完全重叠，以保证图像不被渐晕。进一步地，为保证在显示系统的出瞳内的任意位置均可见完整的图像，第二波导32的输出衍射光学元件35与第一波导22的输出衍射光学元件26需设计为大小相同，位置沿轴向重叠，齿形方向正交。
参照图7A和7B中显示的四条典型的光线追迹，可明确本发明的实施原理和设计思路。如图7A所示，由微显示器11右边缘像素发出的光线36通过光机投影器9中的透镜组10准直后与第一波导22的输入衍射光学元件24法线方向成αi_L，经第一波导22的输入衍射光学元件24衍射后，第一衍射级次与法线方向成αS_L。由微显示器11左边缘像素发出的光线39通过光机投影器9中的透镜组10准直后与第二波导23的输入衍射光学元件27法线方向成βi_R，经第二波导23的输入衍射光学元件27衍射后，第一衍射级次与法线方向成βS_H。如图7B所示，由微显示器11的中心像素发出的输出光30与第一波导22的法线方向一致，经第一波导22的输入衍射光学元件24衍射后，第一衍射级次与法线方向成αs_H。未被耦合的光线31继续行进至第二波导23的输入衍射光学元件27，经衍射后，第一衍射级次与法线方向成βs_L。为了有效利用波导内有限的全反射角度范围，本发明装置中第一波导22的输入衍射光学元件24被设计为具有特定的周期di1，使得αs_L等于第一波导22中的最小入射角，αs_H等于第一波导22中的最大入射角。第一波导23的输入衍射光学元件24被设计为具有特定的周期di2，使得βs_H等于第二波导23中的最大入射角，s_L等于第二波导23中的最小入射角。对于折射率为1.7的波导基底材料，表2列出了满足本发明设计要求的一套系统参数举例。与表1列出的未实施本发明的系统装置比较可看出，本发明装置在无需改变波导材料和设计结构的条件下可显著地扩展视场角。
表2
ns 1.7
HFOV 63.2°
λ 525nm
αi_L 31.6°
αs_L 40°
αs_H 72°
βi_R -31.6°
βs_H 72°
βs_L 40°
di1 325nm
di2 480m
如图8A所示，本发明中第一波导输出的视场47和第二波导输出的视场48可进行无缝连接，形成完整视场49，即人眼可观察到完整图像。两波导输出的视场也可部分重叠，如图8B所示，重叠部分经由两输入衍射光学元件效率的优化，可使最终输出至人眼的图像自然过渡、亮度均匀。以上表2的例子对应的是图8A中的视场无缝连接的情况。以下表3列出了一个中央视场有10°重叠区域的系统参数设计举例。
表3
ns 1.7
HFOV 51.8°
λ 525nm
αi_L 25.9°
αS_L 40°
αi_R -5°
αs_H 72°
βi_R -25.9°
βs_H 72°
βi_L 5°
βs_L 40°
di1 343nm
di2 445nm
本发明也可运用于基于二维周期性衍射结构的光波导中。图9A和9B分别为二维线性衍射波导50和二维柱状结构衍射波导53及光路的正视图。与一维衍射波导同时需要传输衍射光学元件和输出衍射光学元件以完成出瞳的二维扩展所不同的是，二维周期性衍射结构只需在二维线性衍射波导50的输出区52或二维柱状结构衍射波导53的输出区55即可完成出瞳的二维扩展，得到大尺寸的视窗。如图10所示，二维线性衍射的第一波导56与第二波导57可平行放置，其中第一波导的输入区58和第二波导的输入区60沿轴向对准，第一波导的输出区59和第二波导的输出区61沿轴向对准，两个波导接收来自同一光机投影器输出的不同区域的视场角，以达到扩展视场角的目的。
衍射光学元件的衍射效率对入射光的偏振态具有选择性，当入射光偏振方向与齿形方向一致时，衍射效率最大，当入射光偏振方向与齿形方向垂直时，衍射效率被抑制。因此，为增加波导显示系统的光传输效率，光机投影器输出光的偏振态需按照第一波导与第二波导的输入衍射光学元件的结构予以优化。如图11A所示，在本发明实施在一维线性衍射波导的第一种结构中，第一波导22输入衍射光学元件24的齿形与第二波导23输入衍射光学元件27的齿形方向平行，光机投影器9的输出光30的偏振方向应设为与两输入区齿形方向一致的s偏振态，使得光在两个波导的耦入效率均最大化。如图11B所示，在本发明实施在一维线性衍射波导的第二种结构中，第一波导22输入衍射光学元件24的齿形与第二波导32输入衍射光学元件33的齿形方向正交，光机投影器9的输出光30的偏振方向应同时包含s和p偏振态，使得s偏振态以高衍射效率耦入第一波导22，p偏振态以高衍射效率耦入第二波导32。如图11C所示，在本发明实施在二维周期性结构波导中，第一波导56输入衍射光学元件58的齿形与第二波导57输入衍射光学元件60的齿形方向平行，光机投影器9的输出光30的偏振方向应设为与两输入区齿形方向一致的p偏振态，使得光在两个波导的耦入效率均最大化。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种扩展视场角的波导显示装置，其特征在于，包括光机投影器、第一波导和第二波导；第一波导的输入衍射光学元件、输出衍射光学元件，以及第二波导的输入衍射光学元件、输出衍射光学元件均选自一维线性衍射光学元件、二维线性衍射光学元件和具有规则衍射柱阵列的光子晶体；光机投影器输出的部分视场角光线经由第一波导的输入衍射光学元件衍射进入第一波导，在第一波导中全反射；剩余部分视场角光线经由第二波导的输入衍射光学元件衍射进入第二波导，在第二波导中全反射；第一波导的输出衍射光学元件和第二波导的输出衍射光学元件输出的视场角拼接为视野完整的虚拟图像。
2.根据权利要求1所述的一种扩展视场角的波导显示装置，其特征在于，所述第一波导和/或第二波导还具有传输衍射光学元件，所述传输衍射光学元件选自一维线性衍射光学元件、二维线性衍射光学元件和具有规则衍射柱阵列的光子晶体，传输衍射光学元件将在波导中全反射的光衍射传输至输出衍射光学元件。
3.根据权利要求1所述的一种扩展视场角的波导显示装置，其特征在于，所述第一波导和第二波导的基底是对可见光透明的光学材料构成的平板结构，其上下表面平行；第一波导与第二波导相互平行放置。
4.根据权利要求1所述的一种扩展视场角的波导显示装置，其特征在于，所述第二波导的输入衍射光学元件与第一波导的输入衍射光学元件沿着波导面的垂直方向重叠。
5.根据权利要求1所述的一种扩展视场角的波导显示装置，其特征在于，所述第一波导和第二波导的输入衍射光学元件的周期使得耦入至各自波导的光线入射角范围分别满足各自波导全反射要求；输出衍射光学元件的周期与同一波导上输入衍射光学元件的周期相等。
6.根据权利要求1所述的一种扩展视场角的波导显示装置，其特征在于，所述光机投影器输出光的偏振态同时包含最大化第一波导和第二波导耦入效率的振动方向。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种扩展视场角的波导显示装置，其特征在于，所述第一波导和第二波导的输入衍射光学元件、输出衍射光学元件均为一维线性衍射光学元件，输入光经输入衍射光学元件衍射后直接朝向输出衍射光学元件全反射，在输出衍射光学元件完成一维扩展。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种扩展视场角的波导显示装置，其特征在于，所述第一波导和第二波导的输入衍射光学元件均为一维线性衍射光学元件，输出衍射光学元件分别选自二维线性衍射光学元件或者具有规则衍射柱阵列的光子晶体，从输入衍射光学元件进入波导的第一阶衍射级次光线，在波导中全反射，在输出衍射光学元件的二维周期性结构的衍射和透射作用下同时完成光线在两个维度的扩展。
9.根据权利要求1-6任一项所述的一种扩展视场角的波导显示装置，其特征在于，所述第一波导和第二波导还具有传输衍射光学元件；输入衍射光学元件、传输衍射光学元件和输出衍射光学元件均为一维线性衍射光学元件，从输入衍射光学元件进入波导的第一阶衍射级次光线，在波导中全反射，在传输衍射光学元件的衍射和透射作用下完成第一维度的扩展，在输出衍射光学元件的衍射和透射作用下将光线耦合出波导到达人眼并完成出瞳第二维度的扩展。
10.根据权利要求1-6任一项所述的一种扩展视场角的波导显示装置，其特征在于，所述第一波导或第二波导还具有传输衍射光学元件；在具有传输衍射光学元件的波导上，输入衍射光学元件、传输衍射光学元件和输出衍射光学元件均为一维线性衍射光学元件，从输入衍射光学元件进入波导的第一阶衍射级次光线，在波导中全反射，在传输衍射光学元件的衍射和透射作用下完成第一维度的扩展，在输出衍射光学元件的衍射和透射作用下将光线耦合出波导到达人眼并完成出瞳第二维度的扩展；另一个波导的输入衍射光学元件为一维线性衍射光学元件，输出衍射光学元件选自一维线性衍射光学元件、二维线性衍射光学元件、具有规则衍射柱阵列的光子晶体。
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