CN109839738A - 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。包括激光光源，微机电系统MEMS振镜，波导耦入结构，光学衍射结构，波导，其中，激光光源，用于生成激光光束；MEMS振镜，用于控制激光光源生成的激光光束射向波导耦入结构；波导耦入结构，用于将激光光束耦入波导；光学衍射结构，用于将在波导中传播的激光光束沿设计方向耦出。本发明公开的波导显示装置功耗低、发热量小、光通量转换效率高、色域广、对比度高。

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

近眼显示技术越来越广泛的应用于虚拟现实和增强现实显示装置中。现有技术中，近眼显示装置所采用的光学耦出结构主要包括反射阵列、全息光栅和浮雕光栅等方式，共同点是向光波导中耦入不同方向的平行光，该方向范围即视场角，每个视场角的平行光具有一定宽度，通过出瞳扩展将光束宽度扩展，存在亮度低等问题。为了解决该问题，现有技术中多采用LED或UHP灯泡等作为光源，但同时这些光源也存在功耗大、发热量大、光通量转换效率低、色域不广、对比度不高等问题。

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功耗大、发热量大、光通量转换效率低、色域不广、对比度不高等问题。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，包括激光光源，微机电系统MEMS振镜，波导耦入结构，光学衍射结构，波导，其中，

激光光源，用于生成激光光束；

MEMS振镜，用于控制激光光源生成的激光光束射向波导耦入结构；

波导耦入结构，用于将激光光束耦入波导；

光学衍射结构，用于将在波导中传播的激光光束沿设计方向耦出。

可选的，光学衍射结构的各个位置具有相应的设计入射角。

可选的，光学衍射结构对以设计入射角入射的激光光束进行衍射，对以非设计入射角入射的激光光束进行透射。

可选的，光学衍射结构具有设计光焦度，用于将发散球面光波转换为汇聚球面光波，且发散球面光波与汇聚球面光波之间具有设计离轴角。

可选的，光学衍射结构根据入射光锥和出射光锥确定。

可选的，光学衍射结构由双光束曝光制造，其中，第一光束为与入射光锥相同或等效的光束，第二光束为与出射光锥相同或等效的光束。

可选的，设计方向为瞳孔方向

可选的，还包括：

合色系统，用于将激光光源生成的激光光束进行合色；

其中，激光光束至少包括两种颜色的激光光束。

可选的，光学衍射结构用于将合色后的激光光束耦出。

可选的，光学衍射结构包括至少两层光学衍射结构，至少两层光学衍射结构中的每层光学衍射结构分别与激光光束的颜色对应。

本发明实施例公开的技术方案，具有功耗低、发热量小、光通量转换效率高、色域广、对比度高等效果。

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波导显示装置的示意图；

图2是本发明实施例公开的一种设计入射位置的示意图；

图3是本发明实施例公开的一种光学衍射结构获取方法的示意图。

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，包括激光光源101，微机电系统(英文全称：Micro-Electro-Mechanical System，英文简称：MEMS)振镜102，波导耦入结构103，光学衍射结构104，波导105，如图1所示，其中，

激光光源101，用于生成激光光束；

MEMS振镜102，用于控制激光光源101生成的激光光束射向波导耦入结构103；

波导耦入结构103，用于将激光光束耦入波导105；

光学衍射结构104，用于将在波导105中传播的激光光束沿设计方向耦出。

可选的，激光光源101可以为单色光源，也可以为多色光源，当激光光源101位多色光源时，进一步可选的，波导显示装置10还可以包括：

合色系统106，用于将激光光源101生成的激光光束进行合色。

需要注意的是，本领域技术人员在具体实施过程中，可以使用单独设置的合色系统106，也可以将激光光源101和合色系统106集成在一起，成为一个不可分割的结构，只要能够实现相同或等同的功能即可，本发明对此并不限定。

另外，为了实现上述技术方案，本领域技术人员还可以设置与激光光源101配套的激光驱动电路，与MEMS振镜102配套的MEMS驱动电路等，本发明对相关驱动电路及驱动电路算法的实现形式并不限定。

一般的，为了便于佩戴者使用，光学衍射结构104可以用于将在波导105中传播的激光光束沿瞳孔方向耦出。

激光光源101生成的激光光束，在MEMS振镜102的处理后，经波导耦入结构103进入波导105后，在波导105中发生全反射并沿着波导中传播，传播至光学衍射结构104后，不同角度的光线在不同位置发生衍射，沿设计方向耦出。可选的，设计方向可以为瞳孔方向，也可以为其他特定方向，本领域技术人员可以根据实际需要进行设计。

可选的，光学衍射结构104的各个位置具有相应的设计入射角。在光学衍射结构104的任一特定位置，沿设计入射角入射的光线经光学衍射结构104的衍射后，将沿设计方向射出。

当入射光束在波导105内经多次全反射传播后，还会存在沿非设计入射角的光线入射到光学衍射结构104上，经衍射后不会沿设计方向射出，如图2所示。

进一步可选的，光学衍射结构104对以设计入射角入射的激光光束进行衍射，对以非设计入射角入射的激光光束进行透射。进而在波导105的表面完成全反射。进一步可选的，光学衍射结构104可以采用体全息图，利用体全息光栅的布拉格选择性可以抑制非设计光线的衍射。

具体的，体布拉格光栅角度选择性强，角带宽窄，且实现成本较低，利用该方法制成的光学衍射结构104的特定位置只对特定入射角和特定波长的光线产生明显的衍射效果，对其他角度或波长的光线几乎不产生衍射。即，非设计光线入射到光学衍射结构104上时，会继续以全反射形式在波导105中传播，只有在入射到特定的设计位置，形成以设计入射角入射时，光线才会有明显的衍射从而被耦出。

进一步可选的，不同于体布拉格光栅，光学衍射结构104还可以采用具有较大的衍射角带宽的材料制成，同时，为了实现较大视场角，该材料还应具有较薄的体光栅厚度和较高的折射率调制度。

可选的，光学衍射结构104具有设计光焦度，用于将发散球面光波转换为汇聚球面光波，且发散球面光波与汇聚球面光波之间具有设计离轴角。

具体的，光学衍射结构104具有不均匀的光栅结构，也不具有分段均匀的光栅结构，典型的，光学衍射结构104的衍射特性在整个体积内非均匀的随空间位置渐变变化，具有光焦度。光焦度的具体特征是能将一特定空间分布的发散球面波转换成另一特定空间分布的汇聚球面波，并且两波之间有明显的离轴角。

可选的，光学衍射结构104可以根据入射光锥和出射光锥确定。具体的，光学衍射结构104可以由双光束曝光制造，其中，第一光束为与入射光锥相同或等效的光束，第二光束为与出射光锥相同或等效的光束。

如图3所示，可以采用全息法制造光学衍射结构104，全息法采用双光束曝光，第一光束采用与入射光束完全相同的光束，第二光束采用与所需出射光线具有同样波前，但是入射到全息材料上的光束。得到的全息图即为所需要的光学衍射结构104。

本领域技术人员可以使用反射式全息图的曝光方式，获取反射式光学衍射结构104，也可以使用透射式全息图的曝光方式，获取透射式光学衍射结构104，还可以采用与使用光线不同波长的光线，用不同的波前及入射方式曝光得到同样的光学衍射结构104。

此外，光学衍射结构104在具有角度选择性的同时，还具有波长选择性。因而经一次曝光获取的光学衍射结构104仅对单波长使用，即只能显示一种颜色的画面。

特别的，为了显示彩色画面，激光光源101还可以用于生成至少包括两种颜色的激光光束，波导显示装置10还可以包括合色系统，用于将激光光源101生成的多色激光光束进行合色。相应的，光学衍射结构104可以用于将合色后的激光光束耦出。

可选的，波导显示装置10可以包括多个光学衍射结构104，一般的，光学衍射结构104的数量与激光光束的颜色数量相同。示例性的，当激光光束包括三种颜色的光束时，波导显示装置10可以包括层叠设置的三层光学衍射结构104，由于每层光学衍射结构104很薄，所以这并不会显著地增加整体厚度。

可选的，波导显示装置10还可以包括在单层全息材料中通过复用技术写入的多个光学衍射结构104，即在同一体积材料中通过多次曝光写入多个光学衍射结构104，使多个光学衍射结构104之间互不影响。通过复用技术实现多色显示的技术方案能够更加有效的控制结构体积，且实现方案更为简单。

本发明实施例公开的光学衍射结构104，可以是一个体积衍射结构，该结构在整个体积内是一个非均匀结构，致使在各个位置的衍射特性并不相同。经过本发明实施例公开的技术方案，波导显示装置10在平面波导上利用光学衍射结构104实现了光焦度。

本发明实施例公开的技术方案，使用激光光源，具有功耗低、发热量小、光通量转换效率高、色域广、对比度高等效果，且同时使用平面波导，良好的控制了装置的体积。

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 (10)

1.一种波导显示装置，包括激光光源，微机电系统MEMS振镜，波导耦入结构，光学衍射结构，波导，其中，

所述激光光源，用于生成激光光束；

所述MEMS振镜，用于控制所述激光光源生成的所述激光光束射向所述波导耦入结构；

所述波导耦入结构，用于将所述激光光束耦入所述波导；

所述光学衍射结构，用于将在所述波导中传播的所述激光光束沿设计方向耦出。

2.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述光学衍射结构的各个位置具有相应的设计入射角。

3.根据权利要求2所述的波导显示装置，其特征在于，所述光学衍射结构对以所述设计入射角入射的所述激光光束进行衍射，对以非所述设计入射角入射的所述激光光束进行透射。

4.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述光学衍射结构具有设计光焦度，用于将发散球面光波转换为汇聚球面光波，且所述发散球面光波与所述汇聚球面光波之间具有设计离轴角。

5.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述光学衍射结构根据入射光锥和出射光锥确定。

6.根据权利要求5所述的波导显示装置，其特征在于，所述光学衍射结构由双光束曝光制造，其中，第一光束为与所述入射光锥相同或等效的光束，第二光束为与所述出射光锥相同或等效的光束。

7.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述设计方向为瞳孔方向。

8.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，还包括：

合色系统，用于将所述激光光源生成的所述激光光束进行合色；

其中，所述激光光束至少包括两种颜色的激光光束。

9.根据权利要求8所述的波导显示装置，其特征在于，所述光学衍射结构用于将合色后的激光光束耦出。

10.根据权利要求9所述的波导显示装置，其特征在于，所述光学衍射结构包括至少两层光学衍射结构，所述至少两层光学衍射结构中的每层光学衍射结构分别与所述激光光束的颜色对应。