CN110850521A - 光波导及ar或vr设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光波导及AR或VR设备。该光波导的一具体实施方式包括光波导本体和设置于所述光波导本体的耦入光栅，所述耦入光栅用于将图像光耦合进入所述光波导本体、并在所述光波导本体内以全反射的方式传播，该光波导还包括驱动电路和设置于所述光波导本体的间隔排列的多个耦出光栅，所述驱动电路，用于通过向多个耦出光栅施加驱动电压，使得多个耦出光栅在一帧图像的显示时段内依次耦出光波导本体内的图像光。该实施方式可在实现高显示亮度和高亮度均匀性的基础上，实现大视场角的AR或VR显示。

Description

光波导及AR或VR设备

技术领域

本发明涉及显示技术领域。更具体地，涉及一种光波导及AR或VR设备。

背景技术

目前，在AR(Augmented Reality，增强现实技术)设备和VR(Virtual Reality，虚拟现实技术)设备中，全息光波导技术得到了广泛应用。全息光波导技术利用平板波导作为光传播媒质，利用全息元件作为光路折叠器件，具有结构简单、重量轻、体积小的优点。

现有的光波导包括光波导本体和设置于光波导本体的耦入光栅及耦出光栅，图像光源出射的图像光经耦入光栅衍射耦入光波导本体，并在光波导本体内以全反射的方式传播，耦出光栅用于将光波导本体内的图像光衍射耦出，供用户观看图像。上述采用常规光波导的AR/VR设备存在显示亮度较低、亮度均匀性较低且视场角(FOV)较小的问题，影响显示效果及用户体验。为提升AR/VR设备视场角，现有技术中提出了采用大尺寸耦出光栅的方案，但这种直接增大耦出光栅的尺寸方案会进一步降低显示亮度和亮度均匀性，带来更严重的亮度低且亮度不均现象；进一步，如图1所示，现有技术中进一步提出了一种在采用大尺寸耦出光栅12的同时，根据大尺寸耦出光栅12中各区域距图像光源(图像光源对应光波导本体10上设置的耦入光栅11的位置)的距离来优化大尺寸耦出光栅12的结构，从而调制耦出效率的方案，此方案虽可在一定程度上提升显示亮度及亮度均匀性，弥补为提升视场角而带来的显示亮度及亮度均匀性损失，但这种渐变光栅的加工制备难度极大，不具备量产性。

因此，需要提供一种新的光波导及AR或VR设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光波导及AR或VR设备，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一方面提供了一种光波导，包括光波导本体和设置于所述光波导本体的耦入光栅，所述耦入光栅用于将图像光耦合进入所述光波导本体、并在所述光波导本体内以全反射的方式传播，该光波导还包括驱动电路和设置于所述光波导本体的间隔排列的多个耦出光栅，所述驱动电路，用于通过向多个耦出光栅施加驱动电压，使得多个耦出光栅在一帧图像的显示时段内依次耦出光波导本体内的图像光。

本发明第一方面提供的光波导，巧妙地利用了基于人眼视觉暂留效应，人眼不会感受到各耦出光栅分时耦出图像光或者说各耦出光栅分时显示的原理，使得显示一帧图像的视场角等同于所有耦出光栅对应的视场角之和，可将间隔排列的所有耦出光栅对应的视场角拼接为一个大的视场角，实现大视场角的AR或VR显示，且相对于现有技术中的常规光波导，可实现耦出光栅尺寸的减小，从而实现显示显示亮度及亮度均匀性的提升。综上，本发明第一方面提供的光波导可在实现高显示亮度和高亮度均匀性的基础上，实现大视场角的AR或VR显示，从各方面提升显示效果，显著提升用户体验，且制备工艺简单、具备量产性。

可选地，所述耦出光栅包括第一透明电极、第二透明电极及位于第一透明电极与第二透明电极之间的交替排列的光致聚合物区和液晶区。此可选方式提供的耦出光栅结构易于制备，且驱动电路通过施加驱动电压可精确控制耦出光栅的开启或关闭，可保证对于显示效果提升的有效性。

可选地，所述驱动电路，进一步用于在由划分一帧图像的显示时段得到的每一子时段内，通过向多个耦出光栅的第一透明电极和第二透明电极施加驱动电压，使得仅一个耦出光栅的光致聚合物区与液晶区的折射率不同。

可选地，所述耦出光栅的光致聚合物区与液晶区在该耦出光栅的第一透明电极和第二透明电极未被施加驱动电压的情况下的折射率相同。采用此可选方式，可实现在每一子时段内仅对一个耦出光栅的第一透明电极和第二透明电极施加驱动电压，且施加的驱动电压的电压值不需要保证非常精确，有利于驱动电路通过施加驱动电压精确控制耦出光栅的开启或关闭。

可选地，所述各子时段的时长相等。采用此可选方式，可进一步保证提升亮度均匀性的效果，进一步保证实现大视场角的AR或VR显示的效果，从而进一步保证提升显示效果的有效性，且有利于驱动电路控制耦出光栅的开启或关闭的精确性。

可选地，所述驱动电路通过向多个耦出光栅施加驱动电压，使得多个耦出光栅在一帧图像的显示时段内依次耦出光波导本体内的图像光的驱动频率大于75Hz。采用此可选方式，可保证人眼不会感受到各耦出光栅分时耦出图像光或者说各耦出光栅分时显示，从而可进一步保证实现大视场角的AR或VR显示的效果，进一步保证提升显示效果的有效性。

可选地，所述驱动电路，进一步用于通过向多个耦出光栅施加驱动电压，使得多个耦出光栅在一帧图像的显示时段内按照距所述耦入光栅由近至远的顺序依次耦出光波导本体内的图像光。采用此可选方式，有利于驱动电路控制耦出光栅的开启或关闭的精确性。

可选地，所述多个耦出光栅等间隔排列。采用此可选方式，可进一步保证提升亮度均匀性的效果，进一步保证实现大视场角的AR或VR显示的效果，从而进一步保证提升显示效果的有效性。

本发明第二方面提供了一种AR或VR设备，包括本发明第一方面提供的光波导。

可选地，所述AR或VR设备还包括用于出射图像光的图像光源及设于所述图像光源与所述耦入光栅之间的光学准直器件。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案可在实现高显示亮度和高亮度均匀性的基础上，实现大视场角的AR或VR显示，从各方面提升显示效果，显著提升用户体验，且制备工艺简单、具备量产性。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出现有的一种光波导的俯视图。

图2示出本发明实施例提供的AR设备的截面图。

图3示出耦出光栅的截面图。

图4示出一帧图像的显示时段中的第一子时段的AR设备的视场角示意图。

图5示出一帧图像的显示时段中的第二子时段的AR设备的视场角示意图。

图6示出一帧图像的显示时段的AR设备的视场角示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图2所示，本发明的一个实施例提供了一种AR设备，包括光波导，光波导包括光波导本体20和设置于光波导本体20的耦入光栅21，耦入光栅21用于将图像光耦合进入光波导本体20、并在光波导本体20内以全反射的方式传播，该光波导还包括驱动电路(图中未示出)和设置于光波导本体20的多个耦出光栅22，多个耦出光栅22间隔排列，所述驱动电路，用于通过向多个耦出光栅22施加驱动电压，使得多个耦出光栅22在一帧图像的显示时段内依次耦出光波导本体20内的图像光。

在一个具体示例中，AR设备还包括用于出射图像光的图像光源30及设于图像光源30与耦入光栅21之间的光学准直器件40。可理解的是，尽管图中没有示出，但是，在AR设备中可以设置诸如框架或者支杆的支撑元件，以固定图像光源30、光学准直器件40和光波导的位置。

本实施例提供的AR设备中的光波导，巧妙地利用了基于人眼视觉暂留效应，人眼不会感受到各耦出光栅22分时耦出图像光或者说各耦出光栅22分时显示的原理，使得显示一帧图像的视场角等同于所有耦出光栅22对应的视场角之和，可将间隔排列的所有耦出光栅22对应的视场角拼接为一个大的视场角，实现大视场角的AR显示，且相对于现有技术中的常规光波导，可实现耦出光栅22尺寸的减小，从而实现显示显示亮度及亮度均匀性的提升。综上，本实施例提供的AR设备可在实现高显示亮度和高亮度均匀性的基础上，实现大视场角的AR显示，从各方面提升显示效果，显著提升用户体验，且AR设备中的光波导制备工艺简单，具备量产性。

在本实施例的一些可选的实现方式中，如图3所示，耦出光栅22包括第一透明电极221、第二透明电极222及位于第一透明电极221与第二透明电极222之间的交替排列的光致聚合物区223和液晶区224。

此实现方式提供的耦出光栅结构易于制备，且驱动电路通过施加驱动电压可精确控制耦出光栅22的开启或关闭，可保证对于显示效果提升的有效性。

在一个具体示例中，耦出光栅22中交替排列的光致聚合物区223和液晶区224的制备方式为：利用相干光照射光致聚合物与液晶混合而成的聚合物，以使得光致聚合物与液晶发生分离，形成如图3所示的交替排列的光致聚合物区223和液晶区224。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述驱动电路，进一步用于在由划分一帧图像的显示时段得到的每一子时段内，通过向多个耦出光栅22的第一透明电极221和第二透明电极222施加驱动电压，使得仅一个耦出光栅22的光致聚合物区223与液晶区224的折射率不同(即，使得仅一个耦出光栅处于可衍射耦出光波导本体中的图像光的开启状态)。

可理解的是：当耦出光栅22的光致聚合物区223与液晶区224的折射率相同时，耦出光栅22处于关闭状态或者说透明状态，其不会耦出在光波导本体20内进行全反射传播的图像光；当耦出光栅22的光致聚合物区223与液晶区224的折射率不相同时，耦出光栅22呈周期性折射率调制的光栅结构，可实现对光波导本体20内进行全反射传播的图像光的调制，即，耦出光栅22处于可衍射耦出光波导本体20内进行全反射传播的图像光的开启状态。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述耦出光栅22的光致聚合物区223与液晶区224在该耦出光栅22的第一透明电极221和第二透明电极222未被施加驱动电压的情况下的折射率相同，即，耦出光栅22在其第一透明电极221和第二透明电极222未被施加驱动电压的情况下处于关闭状态或者说透明状态，不会耦出在光波导本体20内进行全反射传播的图像光。其中，可通过对光致聚合物材料的选择实现其与未被施加驱动电压的液晶的折射率相同。

采用此实现方式，可实现在每一子时段内仅对一个耦出光栅22的第一透明电极221和第二透明电极222施加驱动电压，且施加的驱动电压的电压值不需要保证非常精确(只要施加了驱动电压，使液晶沿着电场方向重新排列即可改变液晶区224的折射率，从而即可使得光致聚合物区223与液晶区224的折射率不相同)，有利于驱动电路通过施加驱动电压精确控制耦出光栅22的开启或关闭。

除上述的实现方式之外，也可将耦出光栅22设置为光致聚合物区223与液晶区224在该耦出光栅22的第一透明电极221和第二透明电极222未被施加驱动电压的情况下的折射率不同，即，通过施加驱动电压改变液晶区224的折射率而使得光致聚合物区223与液晶区224的折射率相同，从而使得耦出光栅22处于可衍射耦出光波导本体20内进行全反射传播的图像光的开启状态，这样，也不用在每一子时段对所有的耦出光栅22施加驱动电压，只需对m-1个耦出光栅22施加相同电压值的驱动电压即可，其中m为耦出光栅22的个数，也可在一定程度上利于驱动电路通过施加驱动电压精确控制耦出光栅22的开启或关闭。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述各子时段的时长相等。

采用此实现方式，可进一步保证提升亮度均匀性的效果，进一步保证实现大视场角的AR或VR显示的效果，从而进一步保证提升显示效果的有效性，且有利于驱动电路控制耦出光栅22的开启或关闭的精确性。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述驱动电路，用于用于通过向多个耦出光栅22施加驱动电压，使得多个耦出光栅22在一帧图像的显示时段内依次耦出光波导本体20内的图像光的驱动频率大于75Hz。

采用此实现方式，可保证人眼不会感受到各耦出光栅22分时耦出图像光或者说各耦出光栅22分时显示，从而可进一步保证实现大视场角的AR或VR显示的效果，进一步保证提升显示效果的有效性。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述驱动电路，进一步用于通过向多个耦出光栅22施加驱动电压，使得多个耦出光栅22在一帧图像的显示时段内按照距所述耦入光栅21由近至远的顺序依次耦出光波导本体20内的图像光。

采用此实现方式，有利于驱动电路控制耦出光栅22的开启或关闭的精确性。

在一个具体示例中，划分一帧图像的显示时段得到的子时段的个数等于耦出光栅22的个数。例如图2所示的光波导包括左、中、右三个耦出光栅22，则一帧图像的显示时段被划分为三个子时段。结合上述实现方式，驱动电路驱动左、中、右三个耦出光栅22依次耦出波导本体20内的图像光以进行一帧图像显示的过程如下：

首先，在一帧图像的显示时段的第一个子时段内，驱动电路向中间和右侧的两个耦出光栅22施加驱动电压，由于左、中、右三个耦出光栅22的光致聚合物区223与液晶区224分别在所属耦出光栅22的第一透明电极221和第二透明电极222未被施加驱动电压的情况下的折射率相同，因此在一帧图像的显示时段的第一个子时段内，(距耦入光栅21最近)的左侧耦出光栅22处于开启状态，中间和右侧的两个耦出光栅22处于关闭状态，如图4所示，在第一个子时段内的视场角为FOV1；

接着，在一帧图像的显示时段的第二个子时段内，驱动电路向左侧和右侧的两个耦出光栅22施加驱动电压，中间耦出光栅22处于开启状态，左侧和右侧的两个耦出光栅22处于关闭状态，如图5所示，在第二个子时段内的视场角为FOV1+FOV2；

最后，在一帧图像的显示时段的第三个子时段内，驱动电路向左侧和中间的两个耦出光栅22施加驱动电压，右侧耦出光栅22处于开启状态，左侧和中间的两个耦出光栅22处于关闭状态，如图6所示，在第三个子时段内的视场角为最大视场角FOV1+FOV2+FOV3，而基于人眼视觉暂留效应，人眼不会感受到左、中、右三个耦出光栅22分时显示，即，人眼不会感受到FOV1、FOV2、FOV3的分时显示，最终实现了大视场角的AR显示，且具有高亮度及高亮度均匀性的显示效果。

上述为一帧图像的显示过程，之后，可参照上述过程再依次显示后续图像帧，其中，显示每一帧图像过程中，左、中、右三个耦出光栅22处于开启状态的切换频率大于75Hz，可理解的是，此处的切换频率的具体值应随帧数与刷新率的不同而进行适应性设置。

在本实施例的一些可选的实现方式中，多个耦出光栅22等间隔排列，即，多个耦出光栅22中相邻耦出光栅22之间的距离相等。

采用此实现方式，可进一步保证提升亮度均匀性的效果，进一步保证实现大视场角的AR或VR显示的效果，从而进一步保证提升显示效果的有效性。

在一个具体示例中，本实施例中的AR设备为AR头戴设备，具体可为AR眼镜等。另外，VR设备也可采用本实施例提供的AR设备中的光波导，即，本实施例提供的AR设备中的光波导同样适用于VR设备。且VR设备也包括图像光源及光学准直器件。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种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、物品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，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种光波导，包括光波导本体和设置于所述光波导本体的耦入光栅，所述耦入光栅用于将图像光耦合进入所述光波导本体、并在所述光波导本体内以全反射的方式传播，其特征在于，该光波导还包括驱动电路和设置于所述光波导本体的间隔排列的多个耦出光栅，所述驱动电路，用于通过向多个耦出光栅施加驱动电压，使得多个耦出光栅在一帧图像的显示时段内依次耦出光波导本体内的图像光。

2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述耦出光栅包括第一透明电极、第二透明电极及位于第一透明电极与第二透明电极之间的交替排列的光致聚合物区和液晶区。

3.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，所述驱动电路，进一步用于在由划分一帧图像的显示时段得到的每一子时段内，通过向多个耦出光栅的第一透明电极和第二透明电极施加驱动电压，使得仅一个耦出光栅的光致聚合物区与液晶区的折射率不同。

4.根据权利要求3所述的光波导，其特征在于，所述耦出光栅的光致聚合物区与液晶区在该耦出光栅的第一透明电极和第二透明电极未被施加驱动电压的情况下的折射率相同。

5.根据权利要求3所述的光波导，其特征在于，所述各子时段的时长相等。

6.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述驱动电路通过向多个耦出光栅施加驱动电压，使得多个耦出光栅在一帧图像的显示时段内依次耦出光波导本体内的图像光的驱动频率大于75Hz。

7.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述驱动电路，进一步用于通过向多个耦出光栅施加驱动电压，使得多个耦出光栅在一帧图像的显示时段内按照距所述耦入光栅由近至远的顺序依次耦出光波导本体内的图像光。

8.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述多个耦出光栅等间隔排列。

9.一种AR或VR设备，其特征在于，包括如权利要求1-8中任一项所述的光波导。

10.根据权利要求9所述的AR或VR设备，其特征在于，所述AR或VR设备还包括用于出射图像光的图像光源及设于所述图像光源与所述耦入光栅之间的光学准直器件。

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