CN111948825A - 体全息光波导显示装置和增强现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种体全息光波导显示装置和增强现实显示设备，体全息光波导显示装置，包括：光机系统、波导系统；光机系统，用于出射准直的光线至波导系统；波导系统包括：多个波导基底，和每个波导基底对应的耦入光栅和耦出光栅；耦入光栅，设置在每个波导基底的耦入区域，用于将光机系统射出的光线耦合进入波导基底；波导基底，用于将耦合进入波导基底的光线采用全反射的方式传输至耦出区域；耦出光栅，设置在每个波导基底的耦出区域，用于将传输至耦出区域的光线耦出至人眼；其中，不同的波导基底对应的耦入光栅是通过不同参数的光对光敏材料进行曝光得到的，不同的波导基底对应的耦出光栅是通过不同参数的光对光敏材料进行曝光得到的。

Description

体全息光波导显示装置和增强现实显示设备

本发明要求中国专利申请CN202010375134.7的优先权，该优先权文件的说明书、说明书附图和权利要求书所记载的内容全文引入本发明的说明书并被作为本发明说明书原始记载的一部分。申请人进一步声明，申请人拥有基于该优先权文件修改本发明的说明书和权利要求书的权利。

技术领域

本公开涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种体全息光波导显示装置和增强现实显示设备。

背景技术

增强现实技术简称AR，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息，通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。这种技术不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形多重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。增强现实技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段，这种技术随着随身电子产品运算能力的提升，增强现实的用途越来越广。

目前的增强现实显示设备，对于体全息光波导显示方案，其主要是通过两束干涉光K1和K2进行干涉形成明暗条纹，该明暗条纹对光敏材料进行曝光，形成折射率差，即生成光栅。该技术分为反射式体全息光栅光波导和透射式体全息光栅光波导，反射式光栅中物光和参考光从相反方向入射，干涉形成反射式体光栅，这种情况下，光栅矢量云沿着光栅矢量方向，所以反射式光栅对角度变化不敏感，但是对波长变化比较敏感。而透射式光栅则相反，对波长不敏感，对角度很敏感。

并且现有该方案用于AR显示领域的体全息光波导中时，由于体全息光波导存在波长选择性和角度选择性问题，两者无法兼得。由于光机的光的波长是特定的(或者波长带宽很窄)，同时又要满足大的可视角度(FOV)，因此反射式体全息光栅更优选。同时，光栅的角度选择性和波长选择性还依赖于光栅的厚度和周期。

光机出光为准直光，带有一定FOV，当光机的光线满足反射式体全息光栅的响应角度时(在角度敏感范围之内，超过这个范围衍射效率将大大降低)，光机的光将被光栅所衍射以一定的角度进入到干板内部，该角度满足全反射条件，当该角度的光到达另一处光栅时，全反射条件被破坏，再次发生衍射后出射。

然而在应用反射式体全息光栅作为衍射光波导期间的时候，虽然该方式衍射效率对角度选择性要求不高，相同波长下，参考光在K1±n°方向的光均有很好的衍射效率(全息干板存在一定的可视范围n，不同光敏材料或基底不一样，曝光方式和曝光能量也会对FOV产生差异)，然而现在的AR近眼显示器件对于FOV的要求越来越高，对角度选择性的要求越来越大，当受到材料本身的局限性压制时，就需要采用新的技术方式和方法来增加光栅的响应角度。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种体全息光波导显示装置和增强现实显示设备，用以实现提高波导的最大可视角。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种体全息光波导显示装置，包括：光机系统、波导系统；

所述光机系统，用于出射准直的光线至所述波导系统；

所述波导系统包括：一个波导基底，耦入光栅和耦出光栅；

所述耦入光栅，设置在所述波导基底的耦入区域，用于将所述光机系统射出的光线耦合进入所述波导基底，所述耦入光栅通过不同参数的光对光敏材料进行多次曝光得到；

所述波导基底，用于将耦合进入所述波导基底的光线采用全反射的方式传输至所述耦出区域；

所述耦出光栅，设置在所述波导基底的耦出区域，用于将传输至所述耦出区域的光线耦出至人眼，所述耦出光栅通过不同参数的光对光敏材料进行多次曝光得到；或者

所述波导系统包括：多个波导基底，和每个波导基底对应的耦入光栅和耦出光栅，所述多个波导基底层叠设置；

所述耦入光栅，设置在每个波导基底的耦入区域，用于将所述光机系统射出的光线耦合进入所述波导基底；

所述波导基底，用于将耦合进入所述波导基底的光线采用全反射的方式传输至所述耦出区域；

所述耦出光栅，设置在每个波导基底的耦出区域，用于将传输至所述耦出区域的光线耦出至人眼；

其中，不同的波导基底对应的耦入光栅是通过不同参数的光对光敏材料进行曝光得到的，不同的波导基底对应的耦出光栅是通过不同参数的光对光敏材料进行曝光得到的。

在一个实施例中，优选地，当所述波导系统包括一个波导基底时，所述耦入光栅包括设置在所述波导基底的耦入区域的一侧或两侧的光栅。

在一个实施例中，优选地，当所述波导系统包括一个波导基底时，所述耦出光栅包括设置在所述波导基底的耦出区域的一侧或两侧的光栅。

其中，当波导系统包括一个波导基底上，可以在波导基底上设置一层或多层光敏材料，当设置一层光敏材料时，对光敏材料进行多次曝光；当设置多层光敏材料时，分别对每层光敏材料进行一次曝光。

在一个实施例中，优选地，当所述波导系统包括多个波导基底时，所述耦入光栅包括设置在每个波导基底的耦入区域一侧或两侧的光栅。

在一个实施例中，优选地，当所述波导系统包括多个波导基底时，所述耦出光栅包括设置在每个波导基底的耦出区域一侧或两侧的光栅。

其中，可以在波导基底上设置一层或多层光敏材料，当设置一层光敏材料时，对光敏材料进行多次曝光；当设置多层光敏材料时，分别对每层光敏材料进行一次曝光。

在一个实施例中，优选地，所述耦入光栅和所述耦出光栅包括体全息光栅。

在一个实施例中，优选地，所述参数包括以下至少一项：入射角度和入射波长。

在一个实施例中，优选地，耦合进入波导基底的光线与波导基底的夹角角度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，所述光机系统包括：微显示器和中继光学系统；

所述微显示器，用于显示图像；

所述中继光学系统，用于将所述微显示器显示的图像准直射入所述光学输入元件。

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：

如第一方面任一项所述的体全息光波导显示装置。

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，通过体全息光栅的波长复用和角度复用，可以实现提高波导的最大可视角。

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示出了现有体全息光波导的曝光示意图。

图2示出了现有体全息光波导的显示示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种体全息光波导显示装置的结构示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的一种体全息光波导的曝光示意图。

图5是根据一示例性实施例示出的又一种体全息光波导显示装置的结构示意图。

图6是根据一示例性实施例示出的再一种体全息光波导显示装置的结构示意图。

图7是根据一示例性实施例示出的一种体全息光波导的曝光示意图。

图8是根据一示例性实施例示出的再一种体全息光波导基底的曝光示意图。

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示出了现有体全息光波导的曝光示意图。如图1所示，通过两束干涉光K1和K2进行干涉形成明暗条纹，该明暗条纹对光敏材料进行曝光，形成折射率差，即生成光栅。但是，如图2所示，在上述体全息光波导进行光波导显示时，其可视角范围很窄，仅在K1方向附近。

因此，为了解决上述技术方案，提出了本申请的技术方案。

图3是根据一示例性实施例示出的一种体全息光波导显示装置的结构示意图，如图3所示，体全息光波导显示装置，包括：光机系统31、波导系统32；

所述光机系统31，用于出射准直的光线至所述波导系统；

所述波导系统32包括：一个波导基底321，耦入光栅322和耦出光栅323；

所述耦入光栅322，设置在所述波导基底的耦入区域的一侧或两侧，用于将所述光机系统射出的光线耦合进入所述波导基底。其中，如图4所示，所述耦入光栅322通过不同参数的光对光敏材料进行多次曝光得到(图中以两次曝光为例)，其中，不同参数的光包括：不同角度和/或不同波长的光。

所述波导基底321，用于将耦合进入所述波导基底321的光线采用全反射的方式传输至所述耦出区域；

所述耦出光栅323，设置在所述波导基底321的耦出区域，用于将传输至所述耦出区域的光线耦出至人眼，所述耦出光栅通过不同参数的光对光敏材料进行多次曝光得到。

在一个实施例中，优选地，所述耦入光栅和所述耦出光栅包括体全息光栅。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。

这样，通过体全息光栅的角度复用和/或波长复用，可以提高波导的最大可视角，并保持较高的衍射效率。

在一个实施例中，优选地，当所述波导系统包括一个波导基底时，所述耦入光栅包括设置在所述波导基底的耦入区域的一侧或两侧的光栅。

在一个实施例中，优选地，当所述波导系统包括一个波导基底时，所述耦出光栅包括设置在所述波导基底的耦出区域的一侧或两侧的光栅。

其中，图3示出的是耦入光栅和耦出光栅位于波导基底的耦入区域和耦出区域的一侧时的实施例。

如图5所示，耦入光栅322和耦出光栅323还可以位于波导基底321的耦入区域和耦出区域的两侧。具体的，第一次曝光前干板基底上先涂敷一层光敏材料，第一次曝光定影后再在基底背面涂敷上第二层光敏材料，然后继续第二次曝光。这样，通过设置在波导基底的上下表面的耦入光栅同时对耦入的光线进行衍射，可以提高光效，并且，在光线耦出端也通过设置在波导基底的上下表面的耦出光栅进行衍射，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。这样既扩展可视角范围，又保持很高的衍射效率，同时还能够保证厚度基本不增加。

在一个实施例中，优选地，当所述波导系统包括多个波导基底时，所述耦入光栅包括设置在每个波导基底的耦入区域一侧或两侧的光栅。

在一个实施例中，优选地，当所述波导系统包括多个波导基底时，所述耦出光栅包括设置在每个波导基底的耦出区域一侧或两侧的光栅。

下面以耦入光栅和耦出光栅设置在波导基底的一侧为例，详细说明本技术方案。

图6是根据一示例性实施例示出的另一种体全息光波导显示装置的结构示意图。

如图6所示，体全息光波导显示装置，包括：光机系统61、波导系统62；

其中，所述波导系统62包括：多个波导基底621(图中以两个波导基底为例，当然，也可以是更多个波导基底层叠设置)，和每个波导基底对应的耦入光栅622和耦出光栅623，所述多个波导基底层叠设置；

所述耦入光栅622，设置在每个波导基底621的耦入区域，用于将所述光机系统射出的光线耦合进入所述波导基底621；

所述波导基底621，用于将耦合进入所述波导基底621的光线采用全反射的方式传输至所述耦出区域；

所述耦出光栅623，设置在每个波导基底621的耦出区域，用于将传输至所述耦出区域的光线耦出至人眼；

其中，如图7所示，不同的波导基底对应的耦入光栅是通过不同参数的光对光敏材料进行曝光得到的，不同的波导基底对应的耦出光栅是通过不同参数的光对光敏材料进行曝光得到的。

当然，还可以在一个波导基底上设置多层光敏材料，如图8所示，第一次曝光前在干板基底上先涂敷一层光敏材料，第一次曝光定影后在第一层光敏材料上再涂敷上第二层光敏材料，然后继续第二次曝光。这样，既扩展可视角范围，保持很高的衍射效率，同时还能够保证厚度基本不增加。

在一个实施例中，优选地，所述参数包括以下至少一项：入射角度和入射波长。

在一个实施例中，优选地，耦合进入波导基底的光线与波导基底的夹角角度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，所述光机系统包括：微显示器和中继光学系统；

所述微显示器，用于显示图像；

所述中继光学系统，用于将所述微显示器显示的图像准直射入所述光学输入元件。

基于相同的构思，本公开实施例还提供一种增强现实显示设备，包括上述技术方案中任意一项所述的光波导显示装置。

其中，增强现实显示设备可以是AR眼镜或AR头盔等设备。

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)

1.一种体全息光波导显示装置，其特征在于，包括：光机系统、波导系统；

所述光机系统，用于出射准直的光线至所述波导系统；

所述波导系统包括：一个波导基底，耦入光栅和耦出光栅；

所述耦入光栅，设置在所述波导基底的耦入区域，用于将所述光机系统射出的光线耦合进入所述波导基底，所述耦入光栅通过不同参数的光对光敏材料进行多次曝光得到；

所述波导基底，用于将耦合进入所述波导基底的光线采用全反射的方式传输至所述耦出区域；

所述耦出光栅，设置在所述波导基底的耦出区域，用于将传输至所述耦出区域的光线耦出至人眼，所述耦出光栅通过不同参数的光对光敏材料进行多次曝光得到；或者

所述波导系统包括：多个波导基底，和每个波导基底对应的耦入光栅和耦出光栅，所述多个波导基底层叠设置；

所述耦入光栅，设置在每个波导基底的耦入区域，用于将所述光机系统射出的光线耦合进入所述波导基底；

所述波导基底，用于将耦合进入所述波导基底的光线采用全反射的方式传输至所述耦出区域；

所述耦出光栅，设置在每个波导基底的耦出区域，用于将传输至所述耦出区域的光线耦出至人眼；

其中，不同的波导基底对应的耦入光栅是通过不同参数的光对光敏材料进行曝光得到的，不同的波导基底对应的耦出光栅是通过不同参数的光对光敏材料进行曝光得到的，所述波导基底上的光敏材料为一层或多层，当所述光敏材料为一层时，对所述光敏材料进行多次曝光，当所述光敏材料为多层时，分别对每层光敏材料进行曝光。

2.根据权利要求1所述的体全息光波导显示装置，其特征在于，当所述波导系统包括一个波导基底时，所述耦入光栅包括设置在所述波导基底的耦入区域的一侧或两侧的光栅。

3.根据权利要求1所述的体全息光波导显示装置，其特征在于，当所述波导系统包括一个波导基底时，所述耦出光栅包括设置在所述波导基底的耦出区域的一侧或两侧的光栅。

4.根据权利要求1所述的体全息光波导显示装置，其特征在于，当所述波导系统包括多个波导基底时，所述耦入光栅包括设置在每个波导基底的耦入区域一侧或两侧的光栅。

5.根据权利要求1所述的体全息光波导显示装置，其特征在于，当所述波导系统包括多个波导基底时，所述耦出光栅包括设置在每个波导基底的耦出区域一侧或两侧的光栅。

6.根据权利要求1所述的体全息光波导显示装置，其特征在于，所述耦入光栅和所述耦出光栅包括体全息光栅。

7.根据权利要求1所述的体全息光波导显示装置，其特征在于，所述参数包括以下至少一项：入射角度和入射波长。

8.根据权利要求1所述的体全息光波导显示装置，其特征在于，耦合进入波导基底的光线与波导基底的夹角角度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。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的体全息光波导显示装置，其特征在于，所述光机系统包括：微显示器和中继光学系统；

所述微显示器，用于显示图像；

所述中继光学系统，用于将所述微显示器显示的图像准直射入所述光学输入元件。

10.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括：

如权利要求1至9中任一项所述的体全息光波导显示装置。

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