CN109445096A - 一种全彩倾斜波导投影显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全彩倾斜波导的投影显示系统，包括微显示屏(101)、自由曲面准直棱镜(102)、倾斜波导板(103)、耦合输入光栅(104)以及耦合输出光栅(105)；平行入射光只从波导表面法线的左侧入射，因此入射角的水平分量恒为正值，此时耦合光栅的周期可大于入射光的最短波长；较大的光栅周期能够使得较大角度范围的全彩入射光被耦合进入波导板内。与现有技术相比，本发明只用一片波导板与一对输入输出光栅实现了大视场角全彩显示；相对于传统的准直镜组，自由曲面的准直棱镜可以简化系统结构，提高系统的紧凑度，更易于成像系统的集成。

Description

一种全彩倾斜波导投影显示系统

技术领域

本发明涉及增强现实显示技术领域，具体涉及一种衍射波导全彩投影显示系统。

背景技术

近年来增强现实技术正在吸引越来越多的目光。该技术能够将虚拟图像投影在真实场景中，从而在不影响使用者观察周围环境的前提下感知投影图像，浏览和处理虚拟信息。增强现实技术的实现依赖近眼投影显示设备。采用光波导技术实现近眼显示可以显著简化系统的结构，降低设备的重量和体积，对增强现实设备的商品化和普及化具有重要意义，因此成为近来的研究热点。

对于基于光栅耦合元件的波导系统，一个关键问题是实现全彩显示。全彩显示对于波导投影显示设备的广泛应用是十分必要的。现有的方案主要基于具有多周期特性的体全息光栅，如多层体全息光栅与复用体全息光栅。多层体全息光栅的每一层均为单次曝光，只对一种波长敏感，将三层重叠可以同时对红绿蓝三基色进行调制，而复用体全息光栅则是经过多次曝光，同时对三基色的光敏感。这些设计中的耦合光栅对不同颜色的光有不同的光栅周期，从而能够将全彩入射光耦合进入波导板内。虽然体全息光栅衍射效率较高，但衍射效率在入射角的变化时无法保持稳定，从而导致系统视场角较小，又由于光栅的多波长特性，无法保证耦合光的单一衍射角，因此会存在杂散光与色彩串扰问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，提供一种全彩倾斜波导投影显示系统，利用倾斜波导与衍射光栅实现全彩大视场角的投影显示。

本发明为一种全彩倾斜波导投影显示系统，该系统包括微显示屏101、自由曲面准直棱镜102，倾斜波导板103，耦合输入光栅104、耦合输出光栅105；其中：

自由曲面准直棱镜102设置在沿微显示屏101发出的发散光的光路上，倾斜波导板103在水平方向被倾斜放置，耦合输入光栅104位于倾斜波导板103靠近自由曲面棱镜102一端，耦合输出光栅105位于倾斜波导板103另一端；

微显示屏101发出携带有图像信息的发散光经过自由曲面棱镜102四个工作面的四次反射和折射，所转化成的各个空间角度的平行光从倾斜波导板表面法线的左侧折射进入倾斜波导板103内并被耦合输入光栅104衍射，耦合输入光栅104将入射光的能量聚集在反射正一级且该级次衍射角大于倾斜波导板103的全反射角，使其被限制在倾斜波导板103内部传播，传播光线在耦合输出光栅105区域被输出光栅多次衍射，在每一次的衍射中的反射零级继续在倾斜波导板103内部传播进行下一次衍射，反射负一级衍射光从倾斜波导板103中出射，进入人眼中在视网膜上成像，出射光位于为波导板倾斜103表面法线右侧。

本发明中的一种全彩倾斜波导的投影显示系统相较于传统的水平波导系统，只用一片波导板与一对输入输出光栅实现了大视场角全彩显示；相对于传统的准直镜组，自由曲面的准直棱镜可以简化系统结构，提高系统的紧凑度，更易于成像系统的集成。

附图说明

图1为本发明中的一种全彩倾斜波导的投影显示系统整体结构示意图；

图2为传统的水平波导系统光路示意图；

图3为本发明中的倾斜波导系统光路示意图；

图4为本发明中的耦合输入光栅结构示意图；

图5为本发明中的耦合输出光栅结构示意图；

图6为本发明中的自由曲面准直棱镜结构示意图；

图7为本发明给出的优选实施例中的衍射效率分布示意图，(a)耦合输入光栅的反射一级的衍射效率分布，(b)耦合输出光栅的反射负一级的衍射效率分布，(c)耦合输出光栅的反射零级的衍射效率分布。

附图标记：

101、微显示屏，102、自由曲面准直棱镜，103、倾斜波导板，104、耦合输入光栅，105、耦合输出光栅，106、人眼；401、金属反射层，402、高折射率的透光薄膜，403、高折射率波导，501、高折射率波导，502、高折射率的透光薄膜，601、602、603、604、自由曲面棱镜的三个自由曲面的第一、第二、第三、第四工作面。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

以下描述和附图将充分展示本发明的具体实施方案。如图1所示，为本发明的一种全彩倾斜波导投影显示系统的结构示意图。该系统包括微显示屏101、自由曲面准直棱镜102，倾斜波导板103、波导板表面的耦合输入光栅104以及耦合输出光栅105。其中，微显示屏101发出携带有图像信息的发散光，经过自由曲面棱镜102三个自由曲面的四次折反作用，发散光被准直为各角度的平行光；平行光从倾斜放置的倾斜波导板103表面法线的左侧折射进入倾斜波导板103中并被耦合输入光栅104衍射；入射光的能量被聚集在反射正一级，且该级次的衍射角大于波导材料折射率对应的全反射角，使得反射正一级衍射光被限制在倾斜波导板103内部，向耦合输出光栅105传播。在耦合输出衍射中，反射负一级从倾斜波导板103内出射，传向人眼106并在视网膜上成像，衍射零级会继续沿着原始路径传播，被耦合输出光栅105多次重复衍射。由此可以扩大出射光范围，实现出瞳扩展。光栅周期的选择需保证各波长所有视场的入射光能够被耦合进入波导板内。平行入射光只从波导表面法线的左侧入射，因此入射角的水平分量恒为正值，此时耦合光栅的周期可大于入射光的最短波长；较大的光栅周期能够使得较大角度范围的全彩入射光被耦合进入波导板内。

图2为传统的水平波导系统的光路示意图。θ_H和θ_V为空气中的入射光的空间角度在水平与竖直平面内的角度分量。为保证在输入衍射中反射正一级衍射光的存在且反射正一级的衍射角大于全反射角，如下公式需被满足：

上式中，n₀和n₁为空气和波导材料的折射率，λ为入射光波长，对于红、绿、蓝色光，典型波长分别为656.1纳米，587.6纳米，486.3纳米，T为光栅周期，θ_H和θ_V分别是入射角的水平分量和竖直分量。

对于传统的水平波导系统，入射角的水平分量和竖直分量θ_H和θ_V都为对称分布，即如果视场角水平方向为α，竖直方向为β，则θ_H变化范围为-α/2～α/2，θ_V变化范围为-β/2～β/2。在此种情况下，为满足公式右侧关系，光栅周期T需小于入射光最小波长486.3纳米，所以当入射光为红光时，λ/T大于1.35(＝656.1/486.3)。因为常见的玻璃或聚合物的折射率n₁一般小于1.8，所以从公式左侧关系可知，如果光栅的周期为单一固定值的话，无法将大角度范围的全彩光耦合进入波导板。所以现存方案主要是采用多周期的体全息光栅作为耦合元件。但是由于此类体全息光栅的多周期特性，无法保证单一入射光对应单一的衍射角，因此会存在杂散光的干扰以及色彩串扰的问题。

如图3所示，为本发明中的倾斜波导系统光路示意图。采用高折射率玻璃作波导板材料，波导板在横向平面内被逆时针旋转，旋转角度大小为γ。为了得到对称视场分布，入射光被相应在横向平面内逆时针旋转2γ。此时水平角度分量θ_H变化范围为γ-α/2～γ+α/。2当γ大于α/2时，θ_H恒为正值，光栅周期T在此种情况下可以大于输入光的最短波长，因此上述公式的左侧关系会更容易被满足，相应的全彩入射光的角度范围也会得到扩展。相较于水平放置的传统波导系统，本发明中倾斜放置的波导系统可以扩大被耦合输入的光线的角度范围。

波导投影显示设备对于衍射光栅元件有以下要求：1、入射光的能量需集中在被使用到的有效级次上，即输入衍射的反射正一级，输出衍射的反射负一级以及反射零级；2、同时为了实现不同视场的均匀耦合，对于输入与输出耦合光栅，当入射角变化时，衍射效率需要保持稳定；3、在输出耦合衍射中，由于多次衍射，出射光线的照度会逐渐减弱，照度分布成指数衰减规律，因此在输出耦合的衍射中，反射负一级的衍射效率需保持在一个较低的值，从而减小出射光的衰减速率，以提高出瞳内照度的均匀性。

如图4所示，为本发明中的耦合输入光栅结构示意图。光栅面型为三角形的闪耀结构。其中，底层为金属反射层401，中间为高折射率的透光薄膜402，上层为高折射率波导403。通过优化光栅的高度和薄膜厚度可以实现高效率输入耦合，且当入射光角度变化时，效率可以保持稳定。

如图5所示，为本发明的耦合输出光栅结构示意图。光栅面型为占空比为一比一的矩形。其中，下层为高折射率波导材料501，上面覆盖一层高折射率的透光薄膜502。通过优化光栅的高度和薄膜厚度可以实现将衍射效率集中在反射零级与反射负一级上，反射零级衍射效率远大于反射负一级，且当入射光角度变化时，效率可以保持稳定。

图6为本发明中的自由曲面棱镜的结构示意图。该棱镜由三个自由曲面组成，分别标号为601(602)、603和604。601和602为棱镜同一个面的两侧。从微显示屏1发出来的带有图像信息的发散光从第四工作面604进入棱镜，在第二工作面602被全反射，然后在第三工作面603被再次反射，最后从第一工作面601出射。本发明中的自由曲面棱镜的设计基于波导板系统，对光线进行逆向追迹，即从出瞳位置追迹至微显示面板。在光学设计中引入平板波导板的目的是将从出瞳位置逆向进入波导板的平行光的光路折叠，折叠后的平行光的横向宽度等于它在波导内两次连续全反射之间的横向传播距离。因此不同于一般的准直镜组，本发明中的自由曲面棱镜可以将由微显示屏各点发出的发散光准直为横向宽度不同的平行光，各视场的平行光束的横向宽度等于它在波导内两次连续全反射之间的横向传播距离。这样设计的目的是使得在投影系统的出瞳内所有视场的出射光都恰好能够连续分布。

本发明的优选实施例如下：

其中，波导材料选用N-laf33玻璃(折射率1.79)、倾斜角为30°，光栅周期为635纳米，系统的全彩视场角在对角线方向为35°(水平视场28°，竖直视场22°)。输入光栅的金属反射层为银，中间为二氧化钛层，上层为N-laf33玻璃，光栅深度为111.7纳米，二氧化钛厚度为59.4纳米。耦合输出光栅表面同样镀二氧化钛薄膜，光栅深度为25.4纳米，二氧化钛厚度为27.0纳米。由于光栅周期为固定值，当入射光波长不同时，衍射角范围也不相同。在给定参数下，红绿蓝三色光在输入衍射中的入射角和输出衍射中的衍射角水平分量的变化范围，以及对应的衍射效率分布如图7所示。TE偏振方向平行于光栅刻槽，TM偏振方向垂直于光栅刻槽。可选波导板尺寸，长度为57.6毫米，宽度为34毫米，厚度为1.5毫米，其中耦合输入光栅部分长度为14毫米，耦合输出光栅部分长度为23.6毫米，中间连接部分的波导长度为20毫米。自由曲面棱镜为PMMA材料，三个面的表达式均为XY多项式。经优化后，在系统出瞳距为20毫米处，出瞳直径达到10毫米。

本发明中的杂散光只来自于耦合输出衍射中更高级次的衍射光。除了反射负一级作为有效的成像光束出射，红、绿、蓝光的反射负二级以及蓝光的反射负三级也可以从波导板靠近人眼的一侧出射，但因为这些高反射衍射级次杂散光的水平角度分量都为负值，传播方向为负Y_t方向，所以杂散光的角度在视场角范围之外，不会影响到投影的图像。又因为在输出耦合中，高衍射级次的效率非常低，与有效级次相比可以忽略不计。因此杂散光也不会在投影图像之外造成严重的鬼像。综上，本发明中的投影图像不会受到杂散光的影响。

本发明实施例公开的波导显示装置，采用了自由曲面棱镜作为准直光学元件，使用一块倾斜波导以及一对衍射光栅实现了全彩大视场角显示。系统的耦合输入光栅为闪耀型，耦合输出光栅的面型为矩形。相较于现有的使用多周期体全息光栅的全彩波导系统，本发明具有大视场的优势，且不会受到杂散光的干扰。此种紧凑的波导结构可以显著降低增强现实设备的体积,简化系统的结构，提高了设备的便携性，具有广泛的应用前景。

应当理解的是，本发明并不局限上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围内进行各种修改和改变。例如，若耦合光栅的周期大于列举的可选值，可以增大波导板的倾斜角度使得视场角范围内的入射光被耦合进入波导系统，从而达到相同的效果。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种全彩倾斜波导投影显示系统，其特征在于，该系统包括微显示屏(101)、自由曲面准直棱镜(102)、倾斜波导板(103)、耦合输入光栅(104)以及耦合输出光栅(105)，其中：

自由曲面准直棱镜(102)设置在沿微显示屏(101)发出的发散光的光路上，倾斜波导板(103)在水平方向被倾斜放置，耦合输入光栅(104)位于倾斜波导板(103)靠近自由曲面棱镜(102)一端，耦合输出光栅(105)位于倾斜波导板(103)另一端；

微显示屏(101)发出携带有图像信息的发散光经过自由曲面棱镜(102)四个工作面的四次反射和折射，所转化成的各个空间角度的平行光从倾斜波导板(103)表面法线的左侧折射进入倾斜波导板(103)内，并被耦合输入光栅(104)衍射。耦合输入光栅(104)将入射光的能量聚集在反射正一级且该级次衍射角大于倾斜波导板(103)的全反射角，使其被限制在倾斜波导板(103)内部传播，传播光线在耦合输出光栅(105)区域被输出光栅多次衍射，在每一次的衍射中的反射零级继续在倾斜波导板(103)内部传播进行下一次衍射，反射负一级衍射光作为出射光从倾斜波导板(103)中出射，进入人眼中在视网膜上成像，出射光位于为倾斜波导板(103)表面法线右侧。

2.如权利要求1所述的一种全彩倾斜波导投影显示系统中的微显示屏(101)，其特征在于，可选地，所述微显示屏(101)为高分辨率液晶显示屏、发光二极管显示屏或有机发光二极管显示屏。

3.如权利要求1所述的一种全彩倾斜波导投影显示系统中的自由曲面棱镜(102)，其特征在于，微显示屏(101)发出来的带有图像信息的发散光从第四工作面(604)进入自由曲面棱镜(102)，在第二工作面(602)被全反射，然后在第三工作面(603)被再次反射，最后从第一工作面(601)出射；经所述的自由曲面棱镜(102)准直后，各个视场的平行光束的横向宽度等于它在波导内两次连续全反射之间的横向传播距离。

4.如权利要求1所述的一种全彩倾斜波导投影显示系统，其特征在于，所述的波导板(103)为倾斜放置，且倾斜角度大于水平方向视场角的一半，使得各视场的平行光束只从波导表面法线左侧入射。

5.如权利要求1所述的一种全彩倾斜波导投影显示系统中的倾斜波导板(103)，其特征在于，可选的，材料为高折射率的超薄平板玻璃或聚合物。

6.如权利要求1所述的一种全彩倾斜波导投影显示系统中的耦合输入光栅(104)，其特征在于，结构为反射式闪耀光栅，由三层材料构成，下层为金属反射层，中间层为高折射率透光薄膜，最上层为高折射率的波导材料。

7.如权利要求6所述的一种全彩倾斜波导投影显示系统中的耦合输入光栅(104)，其特征在于，可选地，所述下层金属反射层为银，所述中间层为二氧化钛薄膜，所述最上层的波导材料为高折射率玻璃或聚合物。

8.如权利要求1所述的一种全彩倾斜波导投影显示系统中的耦合输出光栅(105)，其特征在于，结构为透射式矩形结构光栅，占空比为1:1；由两层材料构成，下层为高折射率波导材料，上层为覆盖在光栅表面上的一层高折射率透光薄膜。

9.如权利要求8所述的一种全彩倾斜波导投影显示系统中的耦合输出光栅(105)，其特征在于，可选的，所述波导材料为高折射率玻璃或聚合物，所述高折射率透光薄膜为二氧化钛材料。