CN112612138A - 一种波导显示系统 - Google Patents

Abstract

提供一种波导显示系统和方法。该系统包括：图像源，用于产生成像光束；中继准直系统，用于将所述成像光束准直成相同角度的第一平行光；耦合输入器，用于将所述第一平行光耦入下述波导形成第二平行光；波导，用于将所述第二平行光以全反射的方式向下述耦合输出器传播；耦合输出器，用于将所述第二平行光衍射成会聚光，并离开所述波导，进入下述第一偏振光栅；第一偏振光栅，用于将所述会聚光分成以不同的角度出射的两束旋转方向相反的圆偏振光；以及第二偏振光栅，两束旋转方向相反的圆偏振光经由该第二偏振光栅衍射出横向错位的两束成像光束进入眼睛。该系统结构简单，在实现视网膜显示的同时，扩大出瞳直径，并且可以观看外部真实场景。

Description

一种波导显示系统

技术领域

本发明属于视网膜投影显示技术领域，具体涉及一种波导显示系统和方法。

背景技术

增强现实技术的目标是将计算机生成的虚拟图像、场景或者系统提示信息叠加到真实场景的显示技术。该技术能够将虚拟信息应用到真实世界，通过计算机系统提供的信息有效提高用户对现实世界的感知能力和交互体验，因而受到了研究人员的高度关注。但是对于通常的头戴显示系统，存在虚拟显示图像和实际场景距离不匹配的问题，即存在辐辏聚焦矛盾。视网膜投影显示技术不需要经过眼睛晶状体的焦距调节，直接将图像清晰投影到视网膜上，因此人眼无论看向远处还是近处的真实场景，虚拟显示的图像永远是清晰的，因此可以克服传统头戴近眼显示系统辐辏聚焦矛盾的问题。

但是视网膜投影显示技术中，通过人眼瞳孔的显示光线会聚到一点，因此该类显示技术存在出瞳直径小的问题。为了扩大视网膜投影显示系统的出瞳直径，可以利用人眼跟踪系统探测人眼瞳孔的位置，然后将投影光线的会聚点投影到瞳孔位置，但是这样会增加系统的复杂程度和成本，且反应速度较慢；还有相关的技术采用多个光引擎调制出多个出瞳，光融合器对生成的多个出瞳进行拼接，以增大出瞳范围，但这样也会增加系统的成本和功耗。

鉴于上述，本发明旨在提供一种波导显示系统和方法，来解决上述的一个或多个技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中的一个或多个技术问题，根据本发明一方面，提供一种波导显示系统，其特征在于包括：

图像源，用于产生成像光束；

中继准直系统，用于将所述成像光束准直成相同角度的第一平行光；

耦合输入器，用于将所述第一平行光耦入下述波导形成第二平行光；

波导，用于将所述第二平行光以全反射的方式向下述耦合输出器传播；

耦合输出器，用于将所述第二平行光衍射成会聚光，并离开所述波导，进入下述第一偏振光栅；

第一偏振光栅，用于将所述会聚光分成以不同的角度出射的两束光，该两束光为旋转方向相反的圆偏振光；以及

第二偏振光栅，与所述第一偏振光栅类型相同且平行于所述第一偏振光栅间隔布置，两束旋转方向相反的圆偏振光经由该第二偏振光栅衍射出横向错位的两束成像光束进入眼睛。

根据本发明又一方面，横向错位的两束成像光束的传播方向与进入第一偏振光栅之前的会聚光的传播方向相同。

根据本发明又一方面，所述横向错位的两束成像光束用于扩大出瞳范围。

根据本发明又一方面，外部真实场景的光线透过波导和耦合输出器后被第一偏振光栅和第二偏振光栅调制，并不改变原来的传播方向，外部真实场景进入眼睛。

根据本发明又一方面，所述波导显示系统为视网膜投影显示系统。

根据本发明又一方面，所述图像源包括LCD、LCOS、DLP、OLED或激光扫描系统。

根据本发明又一方面，所述耦合输入器和耦合输出器为反射式或透射式。

根据本发明又一方面，所述耦合输出器输出单个或多个会聚光。

根据本发明又一方面，第一偏振光栅与耦合输出器紧贴或间隔设置。

根据本发明又一方面，还提供了一种波导显示方法，其特征在于包括以下步骤：

产生成像光束；

将所述成像光束准直成相同角度的第一平行光；

将所述第一平行光耦入波导形成第二平行光；

通过所述波导将所述第二平行光以全反射的方式向耦合输出器传播；

所述耦合输出器将所述第二平行光衍射成会聚光进入第一偏振光栅；

第一偏振光栅将所述会聚光分成以不同的角度出射的两束光，该两束光为旋转方向相反的圆偏振光；

两束旋转方向相反的圆偏振光经由第二偏振光栅衍射出横向错位的两束成像光束进入眼睛；

外部真实场景的光线透过所述波导和耦合输出器后被第一偏振光栅和第二偏振光栅调制，并不改变原来的传播方向，外部真实场景进入眼睛。

与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：

系统结构简单；在实现视网膜显示的同时，扩大了出瞳直径；可以观看外部真实场景；成本低；反应速度快。

附图说明

为了能够理解本发明的上述特征的细节，可以参照实施例，得到对于简要概括于上的发明更详细的描述。附图涉及本发明的优选实施例，并描述如下：

图1为根据本发明第一种优选实施例的波导显示装置的结构示意图；

图2为图1中的波导显示装置的中继准直系统的结构示意图；

图3a为图1中的波导显示装置的(透射式)全息耦合输入器的工作示意图；

图3b为图1中的波导显示装置的(透射式)耦合输出器的工作示意图；

图4a为图1中的波导显示装置的第一偏振光栅的工作示意图；

图4b为图1中的波导显示装置的第二偏振光栅的工作示意图；

图5为图1中的波导显示装置中真实场景光线的传播示意图；

图6为根据本发明第二种优选实施例的波导显示装置的结构示意图；

图7为根据本发明第三种优选实施例的波导显示装置的结构示意图；

图8为图7中的波导显示装置的中继准直系统的结构示意图；

图9为根据本发明第四种优选实施例的波导显示装置的结构示意图；

图10为图9中的波导显示装置的耦合输出器工作示意图；

图11a为图9中的波导显示装置的第一偏振光栅的工作示意图；

图11b为图9中的波导显示装置的第二偏振光栅的工作示意图。

具体实施方式

现在将对于各种实施例进行详细说明，这些实施例的一个或更多个实例分别绘示于图中。各个实例以解释的方式来提供，而非意味作为限制。例如，作为一个实施例的一部分而被绘示或描述的特征，能够被使用于或结合任一其他实施例，以产生再一实施例。本发明意在包含这类修改和变化。

在以下对于附图的描述中，相同的参考标记指示相同或类似的结构。一般来说，只会对于个别实施例的不同之处进行描述。除非另有明确指明，否则对于一个实施例中的部分或方面的描述也能够应用到另一实施例中的对应部分或方面。

实施例1

根据本发明一种优选实施方式，参见图1，提供了一种波导显示系统，其特征在于包括：

图像源101，用于产生成像光束201；

中继准直系统102，用于将所述成像光束201准直成相同角度的第一平行光202；

耦合输入器103，用于将所述第一平行光202耦入下述波导104形成第二平行光203；

波导104，用于将所述第二平行光203以全反射的方式向下述耦合输出器105传播；

耦合输出器105，用于将所述第二平行光203衍射成会聚光204，并离开所述波导104，进入下述第一偏振光栅106；

第一偏振光栅106，用于将所述会聚光204分成以不同的角度出射的两束光，该两束光为旋转方向相反的圆偏振光2051和2052；以及

第二偏振光栅107，与所述第一偏振光栅106类型相同且平行于所述第一偏振光栅106间隔布置，两束旋转方向相反的圆偏振光2051和2052经由该第二偏振光栅107衍射出横向错位的两束成像光束2061和2062进入眼睛。

根据本发明又一优选实施方式，横向错位的两束成像光束2061和2062 的传播方向与进入第一偏振光栅106之前的会聚光204的传播方向相同。

根据本发明又一优选实施方式，所述横向错位的两束成像光束2061和 2062用于扩大出瞳范围。

根据本发明又一优选实施方式，外部真实场景的光线透过波导104和耦合输出器105后被第一偏振光栅106和第二偏振光栅107调制，并不改变原来的传播方向，外部真实场景进入眼睛。

根据本发明又一优选实施方式，所述波导104显示系统为视网膜投影显示系统。

根据本发明又一优选实施方式，所述图像源101包括LCD、LCOS、 DLP、OLED或激光扫描系统。

根据本发明又一优选实施方式，所述耦合输入器103和耦合输出器105 为反射式或透射式。

根据本发明又一优选实施方式，所述耦合输出器105输出单个或多个会聚光204。

根据本发明又一优选实施方式，第一偏振光栅106与耦合输出器105紧贴或间隔设置。

根据本发明又一优选实施方式，还提供了一种波导104显示方法，其特征在于包括以下步骤：

产生成像光束201；

将所述成像光束201准直成相同角度的第一平行光202；

将所述第一平行光202耦入波导104形成第二平行光203；

通过所述波导104将所述第二平行光203以全反射的方式向耦合输出器 105传播；

所述耦合输出器105将所述第二平行光203衍射成会聚光204进入第一偏振光栅106；

第一偏振光栅106将所述会聚光204分成以不同的角度出射的两束光，该两束光为旋转方向相反的圆偏振光2051和2052；

两束旋转方向相反的圆偏振光2051和2052经由第二偏振光栅107衍射出横向错位的两束成像光束2061和2062进入眼睛；

外部真实场景的光线透过所述波导104和耦合输出器105后被第一偏振光栅106和第二偏振光栅107调制，并不改变原来的传播方向，外部真实场景进入眼睛。

与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：

系统结构简单；在实现视网膜显示的同时，扩大了出瞳直径；可以观看外部真实场景；成本低；反应速度快。

实施例2

根据本发明一种优选实施方式，参见图1，提供一种波导显示系统，包括图像源、中继准直系统、耦合输入器、波导、耦合输出器、两个同类型并且相互平行的偏振光栅。

其中，所述图像源产生成像光束，经过中继准直系统准直成相同角度的平行光。

耦合输入器将平行的成像光束耦入波导，并且在波导内表面反射的角度大于全反射角度，因此可以通过全反射的方式向耦合输出器传播。

成像光线被耦合输出器衍射成会聚光，并离开波导。

成像光线进入第一个偏振光栅，被分成两束光，以不同的角度出射，这两束光线的为旋转方向相反的圆偏振光。

两束旋转方向相反的圆偏振成像光束进入第二个偏振光栅，由于第二个偏振光栅和第一个偏振光栅完全相同。因此，从第二个偏振光栅衍射出的两束成像光束的传播方向又回到在进入第一个偏振光栅之前的成像光束的传播方向。

由于两束成像光束在第一偏振光栅和第二偏振光栅之间传播的过程中产生一个横向位移，因此两束成像光束会有横向错位，从而实现扩大出瞳的目的。

类似的，外部场景的真实光线透过波导和耦合输出器后，被两个偏振光栅调制后，并不会改变原来的传播方向，因此该系统也可以实现观看外部真实场景的功能。

优选地，耦合输出器产生会聚光束。

优选地，会聚的线偏振光经过第一个偏振光栅，产生两个旋转方向相反的圆偏振光，这两束光束以不同的角度离开偏振光栅；

优选地，第一个偏振光栅和耦合输出器可以紧贴着，也可以分开；

优选地，第一个偏振光栅和第二个偏振光栅之间具有一定的距离，不能相互紧贴；

优选地，第二个偏振光栅和第一个偏振光栅是相同类型的；

优选地，图像源可以是LCD，LCOS，DLP等被动型显示器，也可以是 OLED等主动显示器；此时的中继准直系统需要有滤波的功能，即只让小部分光线离开中继准直系统，而遮挡其他大部分光束；

优选地，图像源可以是激光扫描系统；

优选地，耦合输入器和耦合输出器可以是反射式的，也可以是透射式的；

优选地，耦合输出器的输出光为会聚光；

优选地，耦合输出器可以输出单个会聚光，也可以输出多个会聚光。

根据本发明一种优选实施方式，如图1所示，还提供了一种所述波导显示系统，包括图像源101、中继准直系统102、耦合输入器103、波导 104、耦合输出器105、两个同类型并且相互平行的偏振光栅106和107。

图像源101产生成像光线201，传输到中继准直系统102被准直成相同角度的平行成像光线202。

成像光束202输入到耦合输入器103，经过耦合作用，被衍射的成像光束203以角度301在波导104内传播。角度301应该满足如下公式：

上式中，θ为光束在波导内传播的角度，n为波导的折射率。

成像光线经过全反射的方式进入耦合输出器105，被调制成会聚光 204，并投向偏振光栅106。

偏振光栅106将光线204分成两束旋转方向相反的圆偏振光2051和 2052，并以不同的角度出射，传播一段距离后进入第二个偏振光栅107。

需要注意的是，左旋(右旋)圆偏振光进入偏振光栅106(107)会以右旋(左旋)圆偏振光出射。由于偏振光栅107和偏振光栅106类型相同，因此会再次对成像光束2051和2052进行相同的角度调制，衍射光分别为 2061和2062。光束2061和2062的传播方向和光束204相同。

由于偏振光栅106和107之间存在距离，因此两束光线2061和2062会在产生横向位移，从而扩大系统的出瞳直径。

优选地，图像源可以是LCD，LCOS，DLP等被动型显示器，也可以是 OLED等主动显示器。这两类显示器，每像素点会发射出一束发散光束，为了实现视网膜投影显示，需要进行滤波和准直的工作。图2为图1中的中继准直系统102，包含两个透镜1021和1023。图像源101放置于1021 的前焦平面上，每个发散光束201经过透镜1021以后，都会变成平行光束，并且不同像素对应的出射光线的传播方向均不相同。光阑1022放置在透镜1021的后焦平面和透镜1023的前焦面，只有经过光阑透光部分光束不被过滤，并被透镜1023准直成平行光202。

优选地，如图3(a)所示为耦合输入器103的具体工作方式，同一角度的成像光束202被耦合输入器103衍射成具有角度的平行光203；如图3 (b)所示，同一角度光束203入射耦合输出器105后，不同位置的光线以不同角度衍射，形成会聚于一点的会聚光204。该实施例中，耦合输入器 103和耦合输出器105均为透射式光学元件，也可以均是反射式光学元件，如此的话，耦合输入器103和耦合输出器105设置在波导104的同一表面。反射光学元件的工作原理和对应透射式元件相同。

优选地，偏振光栅106和107的功能是能够把旋转相反的圆偏振光分别朝相反的方向调制，同时改变光线的偏振方向。如图4(a)所示，成像光束204经过偏振光栅106后，调制为两束旋转方向相反的圆偏振光2051和 2052，并且传播方向分别为3021和3022。如图4(b)所示，经过一段距离的传播以后，光束2051(2052)以角度3021(3022)进入偏振光栅 107，并均以和光束204相同角度离开偏振光栅107。

优选地，由于偏振光栅106和107之间存在一定距离，光束2051和 2052的传播角度不同，而从偏振光栅出射的光束2061和2062传播角度相同。因此两光束会聚点存在一定的横向错位，从而扩大了系统的出瞳直径。

优选地，如图5所示，外部真实场景光线207进入系统，透射波导104 和耦合输出器105，然后被偏振光栅106分成两束光线2081和2082，但是经过偏振光栅107再次调制，变成2091和2092，这两束光线的传播方向和外部真实场景光线207的传播方向相同，因此，外部场景可以被人眼 108正常观看。

实施例3

根据本发明一种优选实施方式，图6为根据本发明优选实施例的波导显示装置的结构示意图，与实施例2不同的是，耦合输入器103为反射式元件，耦合输出器105为透射式元件。耦合输入器103也可以为透射式，同时耦合输出器105为反射式元件。两个耦合器件分别放置于波导的两个不同表面。

实施例4

根据本发明一种优选实施方式，图7为根据本发明优选实施例的波导显示装置的结构示意图，与实施例3不同的是，图像源101为激光扫描显示系统，成像光束201中，每根光线各代表一个视场。因此不需要进行滤波，中继准直系统如图8所示，只包含一个透镜102，激光扫描图像源101放置于透镜102的前焦平面，发散光束201被准直成平行光束202。

实施例5

根据本发明一种优选实施方式，图9为根据本发明优选实施例的波导显示装置的结构示意图，与实施例3不同的是，耦合输出器105将成像光束 203调制成两个不同方向的会聚光，最终在人眼108前方形成四个会聚点。

优选地，如图10所示，耦合输出器105为复用全息光学元件，平行光 203入射后，出射两束会聚光2041和2042，会聚点互相分离，但是焦距相同。

优选地，如图11(a)所示，会聚光束2041经过偏振光栅106产生两束不同方向传播的会聚光2051和2052，传播一段距离后，经过偏振光栅107调制，变成和2041相同的会聚方向的会聚光2061和2062，并会聚于两点。会聚光束2042页产生相同的调制，最终形成两束会聚光2063和2064，如图11(b)所示。

优选地，通过使用复用全息光学元件105，产生两个互相分离的会聚光，进一步增加系统出瞳处会聚点的个数，从而进一步扩展了系统的出瞳直径。

与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：

系统结构简单；在实现视网膜显示的同时，扩大了出瞳直径；可以观看外部真实场景；成本低；反应速度快。

虽然前述内容是关于本发明的实施例，但可在不背离本发明的基本范围的情况下，设计出本发明其他和更进一步的实施例，本发明的范围由权利要求书确定。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，这些实施例中不互相违背的技术特征可彼此结合。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)

1.一种波导显示系统，其特征在于包括：

图像源，用于产生成像光束；

中继准直系统，用于将所述成像光束准直成相同角度的第一平行光；

耦合输入器，用于将所述第一平行光耦入下述波导形成第二平行光；

波导，用于将所述第二平行光以全反射的方式向下述耦合输出器传播；

耦合输出器，用于将所述第二平行光衍射成会聚光，并离开所述波导，进入下述第一偏振光栅；

第一偏振光栅，用于将所述会聚光分成以不同的角度出射的两束光，该两束光为旋转方向相反的圆偏振光；以及

第二偏振光栅，与所述第一偏振光栅类型相同且平行于所述第一偏振光栅间隔布置，两束旋转方向相反的圆偏振光经由该第二偏振光栅衍射出横向错位的两束成像光束进入眼睛。

2.根据权利要求1所述的波导显示系统，其特征在于横向错位的两束成像光束的传播方向与进入第一偏振光栅之前的会聚光的传播方向相同。

3.根据权利要求2所述的波导显示系统，其特征在于所述横向错位的两束成像光束用于扩大出瞳范围。

4.根据权利要求1-3任一项所述的波导显示系统，其特征在于外部真实场景的光线透过波导和耦合输出器后被第一偏振光栅和第二偏振光栅调制，并不改变原来的传播方向，外部真实场景进入眼睛。

5.根据权利要求1-3任一项所述的波导显示系统，其特征在于所述波导显示系统为视网膜投影显示系统。

6.根据权利要求1-3任一项所述的波导显示系统，其特征在于所述图像源包括LCD、LCOS、DLP、OLED或激光扫描系统。

7.根据权利要求1-3任一项所述的波导显示系统，其特征在于所述耦合输入器和耦合输出器为反射式或透射式。

8.根据权利要求1-3任一项所述的波导显示系统，其特征在于所述耦合输出器输出单个或多个会聚光。

9.根据权利要求1-3任一项所述的波导显示系统，其特征在于第一偏振光栅与耦合输出器紧贴或间隔设置。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述的波导显示系统进行显示的方法，其特征在于包括以下步骤：

产生成像光束；

将所述成像光束准直成相同角度的第一平行光；

将所述第一平行光耦入波导形成第二平行光；

通过所述波导将所述第二平行光以全反射的方式向耦合输出器传播；

所述耦合输出器将所述第二平行光衍射成会聚光进入第一偏振光栅；

第一偏振光栅将所述会聚光分成以不同的角度出射的两束光，该两束光为旋转方向相反的圆偏振光；

两束旋转方向相反的圆偏振光经由第二偏振光栅衍射出横向错位的两束成像光束进入眼睛；

外部真实场景的光线透过所述波导和耦合输出器后被第一偏振光栅和第二偏振光栅调制，并不改变原来的传播方向，外部真实场景进入眼睛。

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