CN112444970B - 一种大视场ar波导 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大视场AR波导，包括光源、与光源对应设置的耦入光学系统和平板光学波导，所述的光源为交替出射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光和偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光的单光源，或所述的光源为出射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光的第一光源和出射偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光的第二光源；平板光学波导设置有耦入部件和耦出部件，耦出部件被配置为将所述光束射向第二视场方向，相位偏转器被配置为将射偏振态为第一偏振态的图像光射向第一视场方向，偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光直接透射相位偏转器不受其影响，第一原视场图像光的视场和第二原视场图像光的视场拼接为大视场，从而由单层波导实现大视场拼接。

Description

一种大视场AR波导
技术领域
本发明涉及波导结构技术领域，尤其涉及一种大视场AR波导。
背景技术
现有应用于增强现实(Augmented Reality，AR)领域的近眼显示模组，大多具有视场角做不大的问题，以现有技术中基于波导的显示模组为例：现有基于波导的显示模组一般都包括图像源、目镜系统、耦入光栅、波导和耦出光栅。图像源发出的光束经目镜系统准直后，通过耦入光栅以一定的角度耦入到波导中进行全反射传输，波导中对应出瞳位置设置的耦出光栅将波导中传输的光束耦出至人眼。如图1所示。图像源1发出的光束经目镜系统2准直后，通过耦入光栅3以一定的角度耦入到波导4中进行全反射传输，波导中对应出瞳位置设置的耦出光栅5将波导中传输的光束耦出至人眼。由于光栅是对入射角度非常敏感的元件，对于耦入光栅来说，不同角度入射光栅的光，其衍射效率和角度也不同，在特定入射角度时处具有最大衍射效率，当入射角度偏离该特定入射角度时，衍射效率会迅速下降(即光栅对此角度的入射光几乎不起衍射作用，近乎透射进光栅)，如图2所示，耦入光栅衍射效率分布曲线图中横坐标是入射到光栅的光束的角度，纵坐标是光栅的衍射效率，图中所示的光栅的有效衍射角带宽为±20°。如图3所示的光束传输图，其中，光线1表示-20°入射光的衍射光路，光线2表示0°入射光的衍射光路，光线3表示+20°入射光的衍射光路；光线1、光线2和光线3被耦入到波导内进行全反射传输后，经耦出光栅耦出波导呈现于人眼。其他角度的入射光(即超出±20°的入射光)，其衍射效率非常低，光线近乎透射过光栅不发生任何角度改变，如图中光线4所示，这束光线虽然也能在波导内全反射传输，但耦出光栅对它也不起衍射作用，它在波导里不能被耦出到人眼。因此，人眼只能观察到±20°的视场角。
在中国专利CN107024769中我们可以看到，现有技术已经想到了运用拼接方式来扩大视场角，这种拼接方式每增加拼接一组视场角即需要增加一组对应的输入光源模组，属于硬件堆砌型拼接，该拼接方案使得近眼显示模组的体积无法实现小型化。
如何解决近眼显示模组大视场和小型化兼顾问题，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种大视场AR波导，用以解决近眼显示模组大视场和小型化兼顾问题。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种大视场AR波导，包括光源、与光源对应设置的耦入光学系统和平板光学波导，
所述的光源为交替出射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光和偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光的单光源，或所述的光源为出射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光的第一光源和出射偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光的第二光源；
所述的耦入光学系统被配置为将相应的光源出射的光束进行准直并射入平板光学波导的相应的耦入部件，第一原视场图像光和第二原视场图像光通过耦入光学系统准直后照射向耦入部件，
平板光学波导设置有与耦入光学系统对应设置的所述耦入部件和将由耦入部件耦入并在平板光学波导内部传播的光束朝人眼方向全部耦出的耦出部件，耦出部件被配置为将所述光束射向第二视场方向，
平板光学波导靠近人眼侧的表面设置有相位偏转器，平板光学波导远离人眼侧的表面设置有环境光起偏器，相位偏转器被配置为将射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光射向第一视场方向，而不改变偏振态为第二偏振态的光束的出射方向；环境光起偏器用于将环境光全部转换为偏振态为第二偏振态的光，从而使环境光不受相位偏转器的影响。
偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光的相位经相位偏转器进行偏转后出射，偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光直接透射相位偏转器不受其影响，最终第一原视场图像光的第一视场与第二原视场图像光的第二视场相对于耦出部件的垂线呈镜像关系，第一视场与第二视场紧密拼接或有部分重合，即第一原视场图像光的第一视场和第二原视场图像光的第二视场拼接为大视场，该大视场最大可为两个原视场的和。进一步具体来说，没有引入相位偏转器时，第一原视场图像光和第二原视场图像光全程共光路，当引入相位偏转器时，其对第一偏振态第一原视场图像光的相位进行偏转，偏转至与第二视场相拼接的第一视场，那么此时出射的视场实际上是耦出第一原视场图像光和耦出第二原视场图像光拼接的大视场，当耦出的第一原视场图像光的第一视场和耦出的第二原视场图像光的第二视场为边缘拼接，即拼接部为无重合部且紧密拼接时，所述大视场即为两个原视场的和。此时，第一偏振态的第一幅图像与第二偏振态的第二幅图像拼接为大视场。
所述的第一偏振态为S，第二偏振态为P；或所述的第一偏振态为P，第二偏振态为S。
为了尽量减小重合部面积以尽量达到所述的边缘拼接，进一步优选的，耦入光学系统准直后的第一原视场图像光中远离拼接部的边缘图像光入射耦入部件的入射角度为80°到100°，以使得该边缘视场光线从平板光学波导的耦出部件以80°到100°的出射角出射。同理，优选的，耦入光学系统准直后的第二原视场图像光中靠近拼接部的边缘图像光入射耦入部件的入射角度为80°到100°，以使得该边缘视场光线从平板光学波导的耦出部件以80°到100°的出射角出射。
进一步优选的，耦入光学系统准直后的第一原视场图像光和第二原视场图像光靠近拼接部的边缘视场的光线垂直入射耦入部件，此时，被耦出部件耦出的第一原视场图像光和第二原视场图像光靠近拼接部的边缘视场的光线也是垂直耦出，此时第一视场和第二视场为紧密拼接，且重合部面积最小；此时，第一原视场图像光和第二原视场图像光准直后的另一个边缘视场的光线倾斜入射耦入部件，则被耦出部件耦出的第一原视场图像光和第二原视场图像光倾斜耦出。
进一步的，耦入部件用于将光源出射的光束全部耦合进入第一平板光学波导使得所述光束满足第一平板光学波导的内部全反射条件。
进一步的，所述的第一原视场图像光和第二原视场图像光分别携载有不同视场的图像信息，两个图像信息在数字端能够组合成为大视场图像信息。具体是指：将一个大视场分割为两个小视场分别由第一原视场图像光和第二原视场图像光携载，这两个小视场即为所述第一原视场和第二原视场。
进一步的，波导能够传播最大的视场角设计为不小于第一原视场或第二原视场的视场角。优选的，第一原视场和第二原视场的视场角相同，波导能够传播最大的视场角设计为第一原视场或第二原视场的视场角；当第一原视场和第二原视场的视场角不同时，波导能够传播最大的视场角设计为第一原视场和第二原视场的视场角中角度更大的视场角。
所述的单光源以时分复用或偏振复用的方式交替出射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光和偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光。
进一步可选的，所述的单光源连接有偏振开关，偏振开关使其出射光在第一偏振态和第二偏振态两个偏振态来回切换，在第一偏振态时，调制为第一幅图像，在第二偏振态时，调制为第二幅图像。
进一步可选的，所述的单光源为光纤扫描器，光纤扫描器的扫描光纤采用保偏光纤，光纤扫描器采用两个扫描器光源分别出射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光和偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光，两个扫描器光源均对准扫描光纤的偏振轴耦入扫描光纤，从而实现同时传输第一偏振态和第二偏振态光。
进一步可选的，所述的耦入光学系统包括依次设置的准直光学器件和视场偏转器件，准直光学器件用于对相应光源出射的光束进行准直，视场偏转器件用于将经准直光学器件准直后的第一原视场图像光中远离拼接部的边缘图像光入射耦入部件的入射角度为80°到100°和将经准直光学器件准直后的第二原视场图像光中靠近拼接部的边缘图像光入射耦入部件的入射角度为80°到100°。
所述的视场偏转器件包括离轴光学系统、光楔或光栅等可用于偏转光线传播角度的器件。
本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：
单层波导实现大视场拼接，偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光的相位经相位偏转器进行偏转后出射，偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光直接透射相位偏转器不受其影响，最终第一原视场图像光的视场与第二原视场图像光的视场相对于耦出部件的垂线呈镜像关系，即第一原视场图像光的视场和第二原视场图像光的视场拼接为大视场，该大视场最大可为两个原视场之和。较蝴蝶型波导相比，不需要重叠多余的视场来实现视场拼接，可以最大限度的将波导中可传输视场实现翻倍式拼接。
附图说明
图1为现有技术中增强现实领域近眼显示模组的示意图；
图2为图1所示近眼显示模组的耦入光栅衍射效率分布曲线图；
图3为单光源发出的图像光中远离拼接部的边缘图像光的光路示意图；
图4为单光源发出的图像光中靠近拼接部的边缘图像光的光路示意图；
图5为单光源全视场图像光的光路示意图；
图6为光源为第一光源和第二光源的全视场图像光的光路示意图；
图7为耦入光学系统包含视场偏转器件的单光源全视场图像光的光路示意图；
图8为耦入光学系统包含视场偏转器件、光源为第一光源和第二光源的全视场图像光的光路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种大视场AR波导，包括光源、与光源对应设置的耦入光学系统2和平板光学波导3，
所述的光源为交替出射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光和偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光的单光源11，如图5、图6所示；或所述的光源为出射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光的第一光源12和出射偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光的第二光源13，如图7，图8所示；
所述的耦入光学系统2被配置为将相应的光源出射的光束进行准直并射入平板光学波导3的相应的耦入部件4，第一原视场图像光和第二原视场图像光通过耦入光学系统2准直后照射向耦入部件4，
平板光学波导3设置有与耦入光学系统2对应设置的所述耦入部件4和将由耦入部件4耦入并在平板光学波导3内部传播的光束朝人眼方向全部耦出的耦出部件5，耦出部件5被配置为将所述光束射向第二视场方向，
平板光学波导3靠近人眼侧的表面设置有相位偏转器6，平板光学波导3远离人眼侧的表面设置有环境光起偏器7，相位偏转器6被配置为将射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光射向第一视场方向，而不改变偏振态为第二偏振态的光束的出射方向；环境光起偏器7用于将环境光全部转换为偏振态为第二偏振态的光，从而使环境光不受相位偏转器6的影响。
本实施例中所述的耦入光学系统2的数量、耦入部件4的数量与光源的数量相同且一一对应。当光源为单光源11时，耦入光学系统2和耦入部件4的数量也均为一个如图5、图6所示；当光源包括第一光源12和第二光源13时，耦入光学系统2和耦入部件4的数量也均为两个，且耦入光学系统2与第一光源12和第二光源13一一对应设置，耦入部件4与耦入光学系统2一一对应设置，如图7，图8所示。
偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光的相位经相位偏转器6进行偏转后出射，偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光直接透射相位偏转器6不受其影响，最终第一原视场图像光的第一视场与第二原视场图像光的第二视场相对于耦出部件5的垂线呈镜像关系，第一视场与第二视场紧密拼接或有部分重合，即第一原视场图像光的第一视场和第二原视场图像光的第二视场拼接为大视场，该大视场最大可为两个原视场的和。进一步具体来说，没有引入相位偏转器6时，第一原视场图像光和第二原视场图像光全程共光路，当引入相位偏转器6时，其对第一偏振态第一原视场图像光的相位进行偏转，偏转至与第二视场相拼接的第一视场，那么此时出射的视场实际上是耦出第一原视场图像光和耦出第二原视场图像光拼接的大视场，当耦出的第一原视场图像光的第一视场和耦出的第二原视场图像光的第二视场为边缘拼接，即拼接部为无重合部且紧密拼接时，所述大视场即为两个原视场的和。此时，第一偏振态的第一幅图像与第二偏振态的第二幅图像拼接为大视场。
如图3所示，当到达相位偏转器6之前，由单光源11发出的第二偏振态光和第一偏振态光同光程，当到达相位偏转器后，第一偏振态光的相位被偏转，从而向第一视场方向出射，而第二偏振态光未被偏转，向第二视场方向出射。
所述的第一偏振态为S，第二偏振态为P；或所述的第一偏振态为P，第二偏振态为S。
以人眼位置相对于平板波导的位置为后，第一视场和第二视场优选的是左右分布或右左分布，对此不作限制，当然也可以上下分布或下上分布。
如图4所示，为了尽量减小重合部面积以尽量达到所述的边缘拼接，进一步优选的，耦入光学系统2准直后的第一原视场图像光中远离拼接部的边缘图像光入射耦入部件4的入射角度为80°到100°，以使得该边缘视场光线从平板光学波导3的耦出部件5以80°到100°的出射角出射。同理，优选的，耦入光学系统2准直后的第二原视场图像光中靠近拼接部的边缘图像光入射耦入部件4的入射角度为80°到100°，以使得该边缘视场光线从平板光学波导3的耦出部件5以80°到100°的出射角出射。
当耦入光学系统2准直后的第一原视场图像光和第二原视场图像光靠近拼接部的边缘视场的光线垂直入射耦入部件4时，则被耦出部件5耦出的第一原视场图像光和第二原视场图像光靠近拼接部的边缘视场的光线也是垂直耦出；第一原视场图像光和第二原视场图像光直接投射使得准直后的另一个边缘视场的光线倾斜入射耦入部件4，则被耦出部件5耦出的第一原视场图像光和第二原视场图像光倾斜耦出，参考图3、图4所示。
进一步的，耦入部件4用于将光源出射的光束全部耦合进入第一平板光学波导3使得所述光束满足第一平板光学波导3的内部全反射条件。
进一步的，所述的第一原视场图像光和第二原视场图像光分别携载有不同视场的图像信息，两个图像信息在数字端能够组合成为大视场图像信息。具体是指：将一个大视场分割为两个小视场分别由第一原视场图像光和第二原视场图像光携载，这两个小视场即为所述第一原视场和第二原视场。
进一步的，波导能够传播最大的视场角设计为不小于第一原视场或第二原视场的视场角。优选的，第一原视场和第二原视场的视场角相同，波导能够传播最大的视场角设计为第一原视场或第二原视场的视场角；当第一原视场和第二原视场的视场角不同时，波导能够传播最大的视场角设计为第一原视场和第二原视场的视场角中角度更大的视场角。
所述的单光源11以时分复用或偏振复用的方式交替出射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光和偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光。
进一步可选的，所述的单光源11连接有偏振开关，偏振开关使其出射光在第一偏振态和第二偏振态两个偏振态来回切换，在第一偏振态时，调制为第一幅图像，在第二偏振态时，调制为第二幅图像。
进一步可选的，所述的单光源11为光纤扫描器，光纤扫描器的扫描光纤采用保偏光纤，光纤扫描器采用两个扫描器光源分别出射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光和偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光，两个扫描器光源均对准扫描光纤的偏振轴耦入扫描光纤，从而实现同时传输第一偏振态和第二偏振态光。
进一步可选的，如图7、图8所示，所述的耦入光学系统2包括依次设置的准直光学器件21和视场偏转器件22，准直光学器件21用于对相应光源出射的光束进行准直，视场偏转器件22用于将经准直光学器件准直后的第一原视场图像光中远离拼接部的边缘图像光入射耦入部件的入射角度为80°到100°和将经准直光学器件准直后的第二原视场图像光中靠近拼接部的边缘图像光入射耦入部件的入射角度为80°到100°。
所述的视场偏转器件22包括离轴光学系统、光楔或光栅等可用于偏转光线传播角度的器件。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。
本发明实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：
单层波导实现大视场拼接，偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光的相位经相位偏转器6进行偏转后出射，偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光直接透射相位偏转器6不受其影响，最终第一原视场图像光的视场与第二原视场图像光的视场相对于耦出部件5的垂线呈镜像关系，即第一原视场图像光的视场和第二原视场图像光的视场拼接为大视场，该大视场最大可为两个原视场之和。较蝴蝶型波导相比，不需要重叠多余的视场来实现视场拼接，可以最大限度的将波导中可传输视场实现翻倍式拼接。
本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (13)

1.一种大视场AR波导，其特征在于，包括光源、与光源对应设置的耦入光学系统和平板光学波导，
所述的光源为交替出射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光和偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光的单光源，或所述的光源包括出射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光的第一光源和出射偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光的第二光源；
所述的耦入光学系统被配置为将相应的光源出射的光束进行准直并射入平板光学波导的相应的耦入部件，
平板光学波导设置有与耦入光学系统对应设置的所述耦入部件和将由耦入部件耦入并在平板光学波导内部传播的光束朝人眼方向全部耦出的耦出部件，耦出部件被配置为将所述光束射向第二视场方向，
平板光学波导靠近人眼侧的表面设置有相位偏转器，平板光学波导远离人眼侧的表面设置有环境光起偏器，相位偏转器被配置为将射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光射向第一视场方向，而不改变偏振态为第二偏振态的光束的出射方向；环境光起偏器被配置为将环境光全部转换为偏振态为第二偏振态的光。
2.如权利要求1所述的一种大视场AR波导，其特征在于，所述的第一偏振态为S，第二偏振态为P；或所述的第一偏振态为P，第二偏振态为S。
3.如权利要求1或2所述的一种大视场AR波导，其特征在于，所述的第一原视场图像光和第二原视场图像光分别携载有不同视场的图像信息，两个图像信息在数字端能够组合成为大视场图像信息。
4.如权利要求1或2所述的一种大视场AR波导，其特征在于，所述的单光源以时分复用或偏振复用的方式交替出射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光和偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光。
5.如权利要求3所述的一种大视场AR波导，其特征在于，所述的单光源以时分复用或偏振复用的方式交替出射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光和偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光。
6.如权利要求4所述的一种大视场AR波导，其特征在于，所述的单光源连接有偏振开关，偏振开关使其出射光在第一偏振态和第二偏振态两个偏振态来回切换，在第一偏振态时，调制为第一幅图像，在第二偏振态时，调制为第二幅图像。
7.如权利要求5所述的一种大视场AR波导，其特征在于，所述的单光源连接有偏振开关，偏振开关使其出射光在第一偏振态和第二偏振态两个偏振态来回切换，在第一偏振态时，调制为第一幅图像，在第二偏振态时，调制为第二幅图像。
8.如权利要求4所述的一种大视场AR波导，其特征在于，所述的单光源为光纤扫描器，光纤扫描器的扫描光纤采用保偏光纤，光纤扫描器采用两个扫描器光源分别出射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光和偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光，两个扫描器光源均对准扫描光纤的偏振轴耦入扫描光纤。
9.如权利要求5所述的一种大视场AR波导，其特征在于，所述的单光源为光纤扫描器，光纤扫描器的扫描光纤采用保偏光纤，光纤扫描器采用两个扫描器光源分别出射偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光和偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光，两个扫描器光源均对准扫描光纤的偏振轴耦入扫描光纤。
10.如权利要求1或2所述的一种大视场AR波导，其特征在于，偏振态为第一偏振态的第一原视场图像光的相位经相位偏转器进行偏转后出射，偏振态为第二偏振态的第二原视场图像光直接透射相位偏转器，最终第一原视场图像光的第一视场与第二原视场图像光的第二视场相对于耦出部件的垂线呈镜像关系。
11.如权利要求1所述的一种大视场AR波导，其特征在于，耦入部件用于将光源出射的光束全部耦合进入第一平板光学波导使得所述光束满足第一平板光学波导的内部全反射条件。
12.如权利要求1所述的一种大视场AR波导，其特征在于，耦入光学系统准直后的第一原视场图像光中远离拼接部的边缘图像光入射耦入部件的入射角度为80°到100°，耦入光学系统准直后的第二原视场图像光中靠近拼接部的边缘图像光入射耦入部件的入射角度为80°到100°。
13.如权利要求1所述的一种大视场AR波导，其特征在于，所述的耦入光学系统包括依次设置的准直光学器件和视场偏转器件，准直光学器件用于对相应光源出射的光束进行准直，视场偏转器件用于将经准直光学器件准直后的第一原视场图像光中远离拼接部的边缘图像光入射耦入部件的入射角度为80°到100°和将经准直光学器件准直后的第二原视场图像光中靠近拼接部的边缘图像光入射耦入部件的入射角度为80°到100°。
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