CN111458886A - 一种具有大视场角的波导ar显示器件及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有大视场角的波导AR显示器件及其实现方法，其中波导AR显示器件包括：光引擎、波导器件、耦入组件和耦出组件；耦入组件和耦出组件均设置于波导器件上；光引擎，用于产生至少两种偏振态的图像；耦入组件，用于将光引擎产生的至少两种偏振态的图像耦入波导器件；波导器件，用于对耦入的至少两种偏振态的图像进行全反射传输；耦出组件，包括与图像偏振态数量相同的耦出元件，耦出组件用于将至少两种偏振态的图像分别从波导器件中耦出，形成拼接视场。本发明通过波导器件传输至少两种偏振态的图像源，再经过耦出组件分别耦出至少两种不同偏振态的图像源，可以在形成视场拼接效果，有助于增大视场角。

Description

一种具有大视场角的波导AR显示器件及其实现方法

技术领域

本发明涉及AR显示技术领域，尤其涉及一种具有大视场角的波导AR显示器件及其实现方法。

背景技术

在一般的波导AR方案中，需要有耦入元件和耦出元件(也可以有扩展元件，用于显示区域的扩展)，实现显示图像与实景的叠加。一种常见的方案是耦入元件、耦出元件、扩展元件都使用光栅。

在光栅波导方案中，最终显示的视场角受到如下几个条件约束：1、波导材料的折射率，折射率越大，能够全反射的角度范围越大，能传输的视场角越大；2、人眼瞳孔的大小，为了防止进入瞳孔的图像的缺失，图像传输的角度应当小于一定的值；3、光栅的工作角带宽，对于靠近视场边界的角度，光栅的衍射效率可能会降低，可能会导致图像边缘的显示出现问题，如图1所示，一般情况下，能够传输的角度α约为40°左右。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，增大视场角，提供一种具有大视场角的波导AR显示器件及其实现方法。

本发明的技术方案如下：本发明提供一种具有大视场角的波导AR显示器件，包括：光引擎、波导器件、耦入组件和耦出组件；所述耦入组件和所述耦出组件均设置于所述波导器件上；

所述光引擎，用于产生至少两种偏振态的图像；所述耦入组件，用于将所述光引擎产生的所述至少两种偏振态的图像耦入所述波导器件；所述波导器件，用于对耦入的所述至少两种偏振态的图像进行全反射传输；所述耦出组件，包括与图像偏振态数量相同的耦出元件，所述耦出元件包括耦出光栅，用于将所述至少两种偏振态的图像分别从所述波导器件中耦出，形成拼接视场。

进一步地，所述耦入组件包括耦入光栅；所述耦出光栅包括偏振敏感光栅。

进一步地，所述光引擎包括：光源、至少两个LCoS芯片和偏振分束器，所述光源通过所述偏振分束器给所述LCoS芯片提供光源，所述LCoS芯片分别反射产生不同偏振态的图像，再经由所述偏振分束器到达所述耦入组件。

或者，所述光引擎包括：图像源和偏振调制器件，所述图像源用于提供至少两幅图像，所述偏振调制器件用于将所述图像源提供的至少两幅图像分别转化为不同偏振态的图像。

进一步地，所述偏振调制器件为偏振转轮。

进一步地，所述耦入光栅为透射式光栅或反射式光栅，所述耦出光栅为透射式光栅或反射式光栅。

进一步地，所述波导器件包括1个波导片，所述耦入光栅为非偏振敏感光栅或偏振敏感光栅。

或者，所述波导器件包括与图像偏振态数量相同的波导片，所述耦入光栅包括与图像偏振态数量相同的偏振敏感光栅。

进一步地，所述与图像偏振态数量相同的波导片层叠设置；所述与图像偏振态数量相同的耦入光栅设于对应的波导片上，用于将所述光引擎产生至少两种偏振态的图像分别耦入对应的波导片，与图像偏振态数量相同的所述耦出光栅分别设于对应的波导片上，用于将所述至少两种偏振态的图像分别耦出。

进一步地，所述光引擎，用于产生两种偏振态的图像，包括P偏振态的图像和S偏振态的图像。

本发明还提供一种具有大视场角的波导AR显示器件的实现方法，包括以下步骤：步骤1：提供至少两种偏振态的图像光源；步骤2：将所述至少两种偏振态的图像光源耦入波导器件中进行全反射传输；步骤3：将所述至少两种偏振态的图像光源分别从所述波导器件的不同位置耦出；步骤4：将耦出的所述至少两种偏振态的图像光源的图像拼接在一起，形成拼接视场。

进一步地，提供所述至少两种偏振态的图像光源的方式包括：通过偏振分束方式或时分复用方式提供所述至少两种偏振态的图像光源。

进一步地，将所述至少两种偏振态的图像光源分别从所述波导器件的不同位置耦出包括：通过设置在所述波导器件上的偏振敏感光栅将所述至少两种偏振态的图像光源分别从所述波导器件的不同位置耦出。

采用上述方案，本发明通过波导器件传输至少两种偏振态的图像源，再经过使用耦出组件分别耦出至少两种不同偏振态的图像源，从而可以在观察空间形成视场拼接效果，进而达到增大AR显示器件的视场角的目的。

附图说明

图1为现有技术中光栅波导图像传输示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明实施例一的结构示意图。

图4为本发明实施例二的结构示意图。

图5为本发明实施例三的结构示意图。

图6为本发明实施例四的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

请参阅图2，在本方案中，本发明提供一种具有大视场角的波导AR显示器件，包括：光引擎100、波导器件200、耦入组件300和耦出组件400；所述耦入组件300和所述耦出组件400均设置于所述波导器件上。所述光引擎100，用于产生至少两种偏振态的图像；所述耦入组件300，用于将所述光引擎100产生的所述至少两种偏振态的图像耦入所述波导器件200；所述波导器件200，用于对耦入的所述至少两种偏振态的图像进行全反射传输；所述耦出组件400，包括与图像偏振态数量相同的耦出元件，用于将所述至少两种偏振态的图像分别从所述波导器件中耦出，形成拼接视场。

本方案中，所述光引擎100的形式可以为LCoS模组、LCD模组、OLED模组、Micro LED模组等形式，只要能产生至少两种偏振态的图像即可；所述耦入组件300只要能将所述光引擎100产生的至少两种偏振态的图像耦入所述波导器件200即可，耦入组件300可以包括耦入光栅，耦入光栅具体可以为非偏振敏感全息光栅或偏振敏感光栅，如浮雕光栅或全息光栅，耦入光栅的呈现形式可以是透射式或反射式；所述波导器件200只要能够实现有耦入的图像进行全反射传输即可；所述耦出组件400只要能够将所述波导器件200内的至少两种偏振态图像分别耦出形成拼接视场即可。具体实现时，耦出组件400可包括：与图像偏振态数量相同的耦出光栅，该耦出光栅具体采用与偏振态图像数量相同的偏振敏感光栅，如具有偏振敏感的全息光栅或浮雕光栅，由于偏振敏感光栅能够对不同偏振态的图像进行不同角度的耦出，在耦出时可实现两个视场的拼接，从而达到视场增大的效果。

本方案中由所述光引擎100提供至少两种偏振态的图像，通过所述耦入组件300将所述至少两种偏振态的图像耦入所述波导器件200内进行全反射传输，在波导传输中，每种偏振态的图像各自满足上述视场角约束，在耦出端，所述耦出组件400能够对不同偏振态的图像进行不同角度的耦出，在耦出时实现视场的拼接，从而达到视场增大的效果。

请参阅图3，图3为本发明第一实施例的结构示意图，在本实施例中，所述偏振态图像的数量为2，所述光引擎提供两幅不同偏振态的图像的方式采用偏振分束的方式，本实施中光引擎具体包括光源11、第一LCoS芯片13、第二LCoS芯片14和偏振分束器12。所述光源11产生的光线通过所述偏振分束器12分别到达所述第一LCoS芯片13和第二LCoS芯片14，所述第一LCoS芯片13和第二LCoS芯片14分别反射产生两种偏振态的图像，再经由所述偏振分束器14到达所述耦入组件3a处。所述波导器件2a在本实施例中为一片波导片，所述耦入组件3a设于所述波导片一端，所述耦出组件4a设于所述波导片另一端。所述耦入组件3a可以选用同时对两种偏振态的图像起作用的非偏振敏感光栅；也可以由两个不同的光栅分别耦入对应的偏振态的图像，如偏振敏感光栅。所述耦出组件4a为两个耦出光栅，具体为两个偏振敏感光栅，所述耦入组件3a将两种偏振态的图像均耦入所述波导器件2a内传输，再经由所述耦出组件4a耦出两种偏振态的图像，在观察空间形成视场拼接效果，从而增大视场角，并且所述耦出组件2的两耦出光栅紧挨着设置，实现无缝连接，从而使得显示的画面达到无缝拼接的效果，提升用户体验。

请参阅图4，本发明还提供第二实施例，本实施例中，与第一实施例相比，不同点在于，所述光引擎采用时分复用的方式，具体包括：图像源15和偏振调制器件。本实施例中，所述偏振调制器件为偏振转轮16。所述图像源15以高帧率的形式提供两幅图像，所述偏振转轮16两端分别为两片不同偏振态的偏振片，所述偏振转轮16转动对两幅图像进行调制，该偏振转轮16的旋转频率与图像源15切换提供的两幅不同偏振态的图像的频率一致，使得其中一幅图像为一种偏振态，另一幅图像为另一种偏振态。两种偏振态的图像再经由所述耦入组件3b耦入所述波导器件2b，最后经由耦出组件4b耦出，其具体原理与第一实施例相同，在此不再赘述。

上述两个实施例中，所述波导器件2均为一片波导片，该波导片同时用于传输两种偏振态的图像，可以在较小的镜片厚度下尽可能提升显示效果，而作为耦入器件的耦入光栅只有一个时，应对两种偏振态均有作用，可以将两种偏振态的图像均耦入波导片中进行全反射传输。所述耦入光栅可以选择为浮雕光栅，也可以采用全息光栅。

请参阅图5，本发明还提供第三实施例，在本实施例中，所述光引擎100a提供两种偏振态的图像所述波导器件包括层叠设置的第一波导片21和第二波导片22，所述耦入组件包括第一耦入光栅31和第二耦入光栅32，所述耦出组件包括第一耦出光栅41和第二耦出光栅42。所述第一耦入光栅31、第二耦入光栅32、第一耦出光栅41、第二耦出光栅42均为偏振敏感光栅。所述第一耦入光栅31、第一耦出光栅41均设于所述第一波导片21上，且分别设于所述第一波导片21两端，且设置于所述第一波导片21靠近人眼一侧；所述第二耦入光栅32、第二耦出光栅42均设于所述第二波导片22上，且分别设于所述第二波导片22两端，且设置于所述第一波导片21靠近人眼一侧；两耦出光栅在靠近人眼这一侧面上的投影紧挨设置。所述第一耦入光栅31用于将两种偏振态图像中的一种图像耦入所述第一波导片21，所述第二耦入光栅32用于将另种偏振态图像中的另一种图像耦入所述第二波导片22，所述第一波导片21和第二波导片22分别用于全反射传输对应的一种偏振态图像，所述第一耦出光栅41和第二耦出光栅42分别用于耦出对应的波导片中的图像并形成拼接视场。本方案可以实现两条通道分别传输两种偏振态的图像。采用本实施例的两片波导片的结构，可以进一步增大视场角。

请参阅图6，本发明还提供第四实施例，在本实施例中，所述光引擎100b提供三种不同偏振态的图像，所述耦入组件包括第一耦入光栅33、第二耦入光栅34和第三耦入光栅35，所述耦出组件包括第一耦出光栅43、第二耦出光栅44和第三耦出光栅45，所述耦入光栅和耦出光栅均为偏振敏感光栅，只对应一种偏振态起作用。所述波导器件包括层叠设置的第一波导片23、第二波导片24和第三波导片25，所述第一耦入光栅33、第一耦出光栅43均设于所述第一波导片23上，所述第二耦入光栅34、第二耦出光栅44均设于所述第二波导片24设置上，所述第三耦入光栅35、第三耦出光栅25均设于所述第三波导片25设置，第一耦出光栅43、第二耦出光栅44和第三耦出光栅45在靠近人眼这一侧面上的投影紧挨设置，每一耦入光栅分别将一种偏振态的图像耦入对应的一片波导片中，再经波导片传输以后由对应的耦出光栅耦出，形成拼接视场。本实施例中，可以实现将三种不同偏振态的图像分别由三条通道来传输。

在上述提供的第三实施例和第四实施例中，光引擎提供偏振态的图像也可以为偏振分束的方式或时分复用的方式。

另外，本发明中的波导片可以采用玻璃或树脂等常规材料。耦出光栅均采用偏振敏感材料制成，一种耦出光栅只对应一种偏振态起作用。

值得一提的是，本发明中的耦入光栅可以选用为透射式光栅，此时耦入光栅位于波导片上更接近人眼的一侧，或者耦入光栅可以选用为反射式光栅，位于波导片上相对远离人眼的一侧；或者耦出光栅也可以采用反射式光栅，此时耦出光栅位于波导片上相对远离人眼的一侧，或者耦出光栅也可以采用透射式光栅，此时耦出光栅位于波导片上更接近人眼的一侧。可以理解的是，当耦入光栅选用透射式光栅时，耦出光栅可以采用反射式光栅或透射式光栅；当耦入光栅选用反射式光栅时，耦出光栅可以采用反射式光栅或透射式光栅；本发明中，当光引擎提供的偏振态图像的数量为2时，这两种偏振态图像可以分别为P偏振态图像和S偏振态图像。

本发明还提供一种具有大视场角的波导AR显示器件的实现方法，包括：步骤1：提供至少两种偏振态的图像光源；提供所述至少两种偏振态的图像光源的方式包括：通过偏振方式或时分复用方式提供所述至少两种偏振态的图像光源步骤2：将所述至少两种偏振态的图像光源耦入波导器件中进行全反射传输；步骤3：将所述至少两种偏振态的图像光源分别从所述波导器件的不同位置耦出；步骤4：将耦出的所述至少两种偏振态的图像光源的图像拼接在一起，形成拼接视场。其中，所述步骤1中提供所述至少两种偏振态的图像光源的方式包括：通过偏振方式或时分复用方式提供所述至少两种偏振态的图像光源。其中，偏振分束方式与时分复用方式在前文已经详细介绍，此处不再赘述。

另外，步骤3中将所述至少两种偏振态的图像光源分别从所述波导器件的不同位置耦出包括：通过设置在所述波导器件上的偏振敏感光栅将所述至少两种偏振态的图像光源分别从所述波导器件的不同位置耦出。其中，偏振敏感光栅，如具有偏振敏感的全息光栅或浮雕光栅，由于偏振敏感光栅能够对不同偏振态的图像进行不同角度的耦出，在耦出时可实现两个视场的拼接，从而达到视场增大的效果。采用本方法，可以将至少两种偏振态的图像光源在耦出时实现视场拼接效果，从而达到视场增大的效果。

综上所述，本发明通过波导器件传输至少两种偏振态的图像源，再经过耦出组件分别耦出至少两种不同偏振态的图像源，可以在观察空间形成视场拼接效果，有助于增大视场角。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有大视场角的波导AR显示器件，其特征在于，包括：光引擎、波导器件、耦入组件和耦出组件；所述耦入组件和所述耦出组件均设置于所述波导器件上；

所述光引擎，用于产生至少两种偏振态的图像；所述耦入组件，用于将所述光引擎产生的所述至少两种偏振态的图像耦入所述波导器件；所述波导器件，用于对耦入的所述至少两种偏振态的图像进行全反射传输；所述耦出组件，包括与图像偏振态数量相同的耦出元件，所述耦出元件包括耦出光栅，用于将所述至少两种偏振态的图像分别从所述波导器件中耦出，形成拼接视场。

2.根据权利要求1所述的具有大视场角的波导AR显示器件，其特征在于，所述耦入组件包括耦入光栅；所述耦出光栅为偏振敏感光栅。

3.根据权利要求2所述的具有大视场角的波导AR显示器件，其特征在于，所述光引擎包括：光源、至少两个LCoS芯片和偏振分束器，所述光源通过所述偏振分束器给所述LCoS芯片提供光源，所述LCoS芯片分别反射产生不同偏振态的图像，再经由所述偏振分束器到达所述耦入组件。

4.根据权利要求2所述的具有大视场角的波导AR显示器件，其特征在于，所述光引擎包括：图像源和偏振调制器件，所述图像源用于提供至少两幅图像，所述偏振调制器件用于将所述图像源提供的至少两幅图像分别转化为不同偏振态的图像。

5.根据权利要求2至4任一项所述的具有大视场角的波导AR显示器件，其特征在于，所述波导器件包括1个波导片，所述耦入光栅为非偏振敏感光栅或偏振敏感光栅。

6.根据权利要求2至4任一项所述的具有大视场角的波导AR显示器件，其特征在于，所述波导器件包括与图像偏振态数量相同的波导片，所述耦入光栅包括与图像偏振态数量相同的偏振敏感光栅。

7.根据权利要求6所述的具有大视场角的波导AR显示器件，其特征在于，所述与图像偏振态数量相同的波导片层叠设置；所述与图像偏振态数量相同的耦入光栅设于对应的波导片上，用于将所述光引擎产生的至少两种偏振态的图像分别耦入对应的波导片，与图像偏振态数量相同的所述耦出光栅分别设于对应的波导片上，用于将所述至少两种偏振态的图像分别耦出。

8.一种具有大视场角的波导AR显示器件的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：提供至少两种偏振态的图像光源；

步骤2：将所述至少两种偏振态的图像光源耦入波导器件中进行全反射传输；

步骤3：将所述至少两种偏振态的图像光源分别从所述波导器件的不同位置耦出；

步骤4：将耦出的所述至少两种偏振态的图像光源的图像拼接在一起，形成拼接视场。

9.根据权利要求8所述的具有大视场角的波导AR显示器件的实现方法，其特征在于，提供所述至少两种偏振态的图像光源的方式包括：通过偏振分束方式或时分复用方式提供所述至少两种偏振态的图像光源。

10.根据权利要求8或9所述的具有大视场角的波导AR显示器件的实现方法，其特征在于，将所述至少两种偏振态的图像光源分别从所述波导器件的不同位置耦出包括：通过设置在所述波导器件上的偏振敏感光栅将所述至少两种偏振态的图像光源分别从所述波导器件的不同位置耦出。

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