CN111830716A - 波导显示装置和增强现实显示设备 - Google Patents
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Abstract
本公开是关于一种波导显示装置和增强现实显示设备，波导显示装置，包括：波导基底、光学输入元件和光学输出元件；光学输入元件设置在波导基底的光波输入区域，用于使输入的光波耦合进入波导基底，其中，光学输入元件包括设置在波导基底的上表面的第一衍射光栅和设置在波导基底的下表面的第二衍射光栅；波导基底，用于将耦合进入波导基底的光波采用全反射的方式传输至光学输出元件；光学输出元件设置在波导基底的光波输出区域，用于输出传输至光学输出元件的光波，其中，光学输出元件包括设置在波导基底的上表面的第三衍射光栅和设置在波导基底的下表面的第四衍射光栅。通过该技术方案，可以提高光效，改善显示效果。
Description
技术领域
本公开涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种波导显示装置和增强现实显示设备。
背景技术
随着虚拟现实和增强现实技术的发展，近眼式显示设备得到快速发展，增强现实的近眼式显示是一种将光场成像在现实空间的技术，并且可以同时兼顾虚拟和现实的操作。利用传统光学光波导元件耦合图像光进入人眼的方式已经被采用，包括使用棱镜、反射镜、半透半反光光波导、全息及衍射光栅。光波导显示系统是利用全反射原理实现光波传输，结合衍射元件，实现光线的定向传导，进而将图像光导向人眼，使用户可以看到投影的图像。
现有的衍射光波导技术，光波在经过耦入端衍射后会有大量的0级光透射出波导基底，这样，会导致光效较低和对面亦可视，降低用户的使用体验。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种波导显示装置和增强现实显示设备。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种波导显示装置，包括：波导基底、光学输入元件和光学输出元件；
所述光学输入元件设置在所述波导基底的光波输入区域，用于使输入的光波耦合进入波导基底，其中，所述光学输入元件包括设置在所述波导基底的上表面的第一衍射光栅和设置在所述波导基底的下表面的第二衍射光栅；
所述波导基底，用于将耦合进入所述波导基底的光波采用全反射的方式传输至所述光学输出元件；
所述光学输出元件设置在所述波导基底的光波输出区域，用于输出传输至所述光学输出元件的光波，其中，所述光学输出元件包括设置在所述波导基底的上表面的第三衍射光栅和设置在所述波导基底的下表面的第四衍射光栅。
在一个实施例中，优选地，所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述第三衍射光栅和所述第四衍射光栅包括表面浮雕光栅。
在一个实施例中，优选地，所述表面浮雕光栅包括微纳米结构光栅。
在一个实施例中，优选地，所述微纳米结构光栅为采用纳米压印的方式将光刻胶固化而成。
在一个实施例中，优选地，所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述第三衍射光栅和所述第四衍射光栅包括体全息光栅。
在一个实施例中，优选地，所述体全息衍射光栅通过对光敏材料进行曝光实现。
在一个实施例中，优选地，耦合进入波导基底的光波与波导的夹角角度θ满足以下条件：
θ＞arcsin(n0/n1)
其中，n1为所述波导基底的折射率，n0为空气的折射率。
在一个实施例中，优选地，可以根据具体需要设置不同衍射光栅的具体衍射参数，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅的衍射参数可以相同也可以不同，所述第三衍射光栅和所述第四衍射光栅的衍射参数可以相同也可以不同。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种增强现实显示设备，包括：
上述第一方面任一项所述的波导显示装置。
在一个实施例中，优选地，所述增强现实显示设备还包括：微显示屏、照明系统和目镜系统；
所述微显示屏、所述照明系统和所述目镜系统沿光波进入所述波导显示装饰的方向依次排列设置。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明实施例中，通过在波导基底的两侧都设置衍射光栅，可以提高光效，改善显示图像的明暗条纹，进而改善显示效果，提升用户的使用体验。
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，并不能限制本公开。
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，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1示出了现有衍射光波导的原理示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种波导显示装置的原理示意图。
图3示出了现有衍射光波导的出瞳距和显示效果示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的一种波导显示装置的出瞳距和显示效果的示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
图1示出了现有衍射光波导的原理示意图。如图1所示，在波导基底的光波输入区域和光波输出区域均采用衍射光栅，当光机的光照射到光波输入区域的第一衍射光栅11时会发生衍射产生另外一束光，该光线的角度满足全反射条件在波导基底12中传播，到达光波输出区域后光线再次经第二衍射光栅13衍射出到达人眼。其中，光波在经第一衍射光栅11衍射后，会有大量的0级光透射出波导，进而导致光效较低和对面亦可视，降低用户的使用体验。其中，0级光是光直射到光栅上没有经过衍射直接投过去的光。0级光一般肉眼能看到，强度高。0级光是0order light，对于普通的光栅来说(凹面，全息等)，衍射后的光能量大部分集中在0级光中，是不能利用的。
因此，为了提高光效，改善显示效果，提出了本申请的技术方案。
图2是根据一示例性实施例示出的一种波导显示装置的原理示意图，如图2所示，波导显示装置，包括：波导基底21、光学输入元件22和光学输出元件23；
所述光学输入元件22设置在所述波导基底21的光波输入区域，用于使输入的光波耦合进入波导基底，其中，所述光学输入元件22包括设置在所述波导基底21的上表面的第一衍射光栅221和设置在所述波导基底21的下表面的第二衍射光栅222；
所述波导基底21，用于将耦合进入所述波导基底21的光波采用全反射的方式传输至所述光学输出元件23；
所述光学输出元件23设置在所述波导基底21的光波输出区域，用于输出传输至所述光学输出元件的光波，其中，所述光学输出元件23包括设置在所述波导基底21的上表面的第三衍射光栅231和设置在所述波导基底21的下表面的第四衍射光栅232。
上述实施例中，通过设置在波导基底的上下表面的衍射光栅同时对耦入的光线进行衍射，可以提高光效，并且，在光线输出端也通过设置在波导基底的上下表面的衍射光栅进行衍射，可以使波导的出瞳距较小，从而改善显示图像的明暗条纹，进而改善显示效果。
具体地，本申请的上述技术方案如何提高光效和减小出瞳距，下面结合图3和图4进行详细说明。其中，在主光线在波导中全反射时的角度和基底厚度可知的情况下，光线每经过一次耦出区域的光栅面即发生一次衍射，两次衍射之间的距离即出瞳距。
当采用如图1的现有技术的衍射光波导进行光波衍射时，由于只有波导基底的上表面的衍射光栅对光波进行衍射，因此，其出瞳距较大，其对应的出瞳距和显示效果如图3所示。
而当采用本申请的波导显示装置进行光波衍射时，如图2所示，由于在输入区域的波导基底的上下表面均设置了衍射光栅，这样，可以将波导基底的上表面衍射后透射出的0级光再次利用，在波导基底的下表面再发生一次衍射，进而提高光效。而在光波输出区域，由于波导基底的上下表面均设置衍射光栅，因此，可以同时对传输过来的两路光波进行衍射输出，这样，如图4所示，就减小了波导的出瞳距，从而改善显示图像的明暗条纹，改善显示效果。
在一个实施例中，优选地，可以根据具体需要设置不同衍射光栅的具体衍射参数，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅的衍射参数可以相同也可以不同，所述第三衍射光栅和所述第四衍射光栅的衍射参数可以相同也可以不同。其中，第一衍射光栅进而第一衍射光栅可以对应平行设置于光波输入区域的上表面和下表面，第三衍射光栅和第四衍射光栅可以对应平行设置于光波输出区域的上表面和下表面。
在一个实施例中，优选地，所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述第三衍射光栅和所述第四衍射光栅包括表面浮雕光栅。其中，表面浮雕光栅为振幅调制。当第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述第三衍射光栅和所述第四衍射光栅为表面浮雕光栅时，图2中波导基底的上下表面的空白部分可以为空气。
在一个实施例中，优选地，所述表面浮雕光栅包括微纳米结构光栅。
在一个实施例中，优选地，所述微纳米结构光栅为采用纳米压印的方式将光刻胶固化而成。纳米压印是加工聚合物结构的最常用方法，它采用高分辨率电子束等方法将结构复杂纳米结构图案制在印章上，然后用预先图案化印章使聚合物材料变形而在聚合物上形成结构图形。在热压印工艺中，结构图案转移到被加热软化的聚合物后，通过冷却到聚合物玻璃化温度以下固化，而在紫外压印工艺中是通过紫外光聚合来固化的。微接触印刷通常指将墨材料转移到图案化的金属基表面上，在进行刻蚀工艺。纳米压印技术是在纳米尺度获得复制结构的一种成本低而速度快的方法，它可以大批量重复性地在大面积上制备纳米图案结构，而且所制出的高分辨率图案具有相当好的均匀性和重复性。
在一个实施例中，优选地，所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述第三衍射光栅和所述第四衍射光栅还可以包括体全息光栅。全息光栅的制作原理是：两束具有特定波面形状的光束干涉，在记录平面上形成亮暗相间的干涉条纹，用全息记录介质记录干涉条纹，经处理得到全息光栅。采用不同的波面形状可以得到不同用途的全息光栅，采用不同的全息记录介质和处理过程可以得到不同类型或不同用途的全息光栅，如正余弦光栅，矩形光栅，平面光栅和体光栅等，本申请可以采用体全息光栅，当然，也可以根据用途不同，采用其他类型的光栅，具体不做限制。
在一个实施例中，优选地，所述体全息衍射光栅通过对光敏材料进行曝光实现。当第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述第三衍射光栅和所述第四衍射光栅为体全息光栅时，图2中波导基底的上下表面的空白部分可以是未曝光的光敏材料。
在一个实施例中，优选地，耦合进入波导基底的光波与波导的夹角角度θ满足以下条件：
θ＞arcsin(n0/n1)
其中，n1为所述波导基底的折射率，n0为空气的折射率。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种增强现实显示设备，包括：
上述第一方面任一项所述的波导显示装置。
在一个实施例中，优选地，所述增强现实显示设备还包括：微显示屏、照明系统和目镜系统；
所述微显示屏、所述照明系统和所述目镜系统沿光波进入所述波导显示装饰的方向依次排列设置。
进一步可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开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，其特征在于，包括：波导基底、光学输入元件和光学输出元件；
所述光学输入元件设置在所述波导基底的光波输入区域，用于使输入的光波耦合进入波导基底，其中，所述光学输入元件包括设置在所述波导基底的上表面的第一衍射光栅和设置在所述波导基底的下表面的第二衍射光栅；
所述波导基底，用于将耦合进入所述波导基底的光波采用全反射的方式传输至所述光学输出元件；
所述光学输出元件设置在所述波导基底的光波输出区域，用于输出传输至所述光学输出元件的光波，其中，所述光学输出元件包括设置在所述波导基底的上表面的第三衍射光栅和设置在所述波导基底的下表面的第四衍射光栅。
2.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述第三衍射光栅和所述第四衍射光栅包括表面浮雕光栅。
3.根据权利要求2所述的波导显示装置，其特征在于，所述表面浮雕光栅包括微纳米结构光栅。
4.根据权利要求3所述的波导显示装置，其特征在于，所述微纳米结构光栅为采用纳米压印的方式将光刻胶固化而成。
5.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述第三衍射光栅和所述第四衍射光栅包括体全息光栅。
6.根据权利要求5所述的波导显示装置，其特征在于，所述体全息衍射光栅通过对光敏材料进行曝光实现。
7.根据权利要求6所述的波导显示装置，其特征在于，耦合进入波导基底的光波与波导的夹角角度θ满足以下条件：
θ＞arcsin(n0/n1)
其中，n1为所述波导基底的折射率，n0为空气的折射率。
8.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅的衍射参数相同或不同，所述第三衍射光栅和所述第四衍射光栅的衍射参数相同或不同。
9.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括：
如权利要求1至8中任一项所述的波导显示装置。
10.根据权利要求9所述的波导显示装置，其特征在于，所述增强现实显示设备还包括：微显示屏、照明系统和目镜系统；
所述微显示屏、所述照明系统和所述目镜系统沿光波进入所述波导显示装饰的方向依次排列设置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Cui Haitao Inventor after: Li Yan Inventor after: Qian Jin Inventor before: Yong Haibo Inventor before: Li Yan Inventor before: Cui Haitao Inventor before: Qian Jin |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201027 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |