CN112817152B - 一种全息波导及ar显示装置 - Google Patents

一种全息波导及ar显示装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全息波导，包括波导基底、设置在所述波导基底表面由光栅组成的功能区域，所述功能区域将光源发出的入射光耦入至所述波导基底后再经所述波导基底内传递至所述功能区域后耦出，所述波导基底呈曲面，以实现所述入射光线在所述波导基底内全反射角度的增大。本发明还公开了一种AR显示装置，包括上述全息波导。通过功能区域将光源发出的入射光耦入至所述波导基底后再经所述波导基底内传递至所述功能区域后耦出，所述波导基底呈曲面，以实现所述入射光线在所述波导基底内全反射角度的增大，从而实现视场的增大。

Description

一种全息波导及AR显示装置
技术领域
本发明涉及AR显示技术领域，特别是涉及一种全息波导及AR显示装置。
背景技术
随着AR(Augmented Reality增强现实):增强现实技术逐渐被人们认识和接受，近眼显示技术得到了快速发展。增强现实(AR)技术，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，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，用户利用近眼显示装置，把真实世界与电脑图形重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。现有衍射波导基底显示技术是利用衍射光栅实现光线的入射、转折和出射，利用全反射原理实现光线传输，将微投影仪的图像传导至人眼，进而看到虚拟图像。
但现有平面波导基底技术中，受限于布拉格衍射和波导基底全反射原理，波导基底元件的视场角较小，缩小了用户视野范围，影响视觉体验。如图1所示，左侧光线从空气入射至折射率为n的波导基底层，-1级衍射满足衍射方程：d*1*sinθ-d*n*sinα＝-λ(d为周期)；右侧光线从空气入射至折射率为n的波导基底层，+1级衍射满足衍射方程：d*1*sinθ+d*n*sinβ＝λ。由于左侧光线和右侧光线的衍射光线必须都满足全反射传播条件；因此，θ＜arcsin((n-1)/2)，最大视场角θFOV为2θ，θFOV＜2arcsin((n-1)/2)。当波导基底折射率n为1.8时，θFOV为47°。
综上，现有AR显示技术无法兼顾大视场与轻薄化的需求。
前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增大视场的全息波导及AR显示装置。
本发明提供一种全息波导，包括波导基底、设置在所述波导基底表面由光栅组成的功能区域，所述功能区域将光源发出的入射光耦入至所述波导基底后再经所述波导基底内传递至所述功能区域后耦出，所述波导基底呈曲面，以实现所述入射光在所述波导基底内全反射角度的增大。
在其中一实施例中，所述入射光在所述波导基底内实现全反射与所述光栅的周期、所述波长及所述波导基底的折射率有关：
Figure GDA0003988331390000021
其中，λ为入射光的波长，T为光栅的周期，θin为所述入射光的入射角，θd为一级衍射光与法线的夹角，nd为所述波导基底的折射率。
在其中一实施例中，所述全息波导视场角为：
Figure GDA0003988331390000022
其中，R为所述波导基底的曲率，nd为所述波导基底的折射率,d为所述光源到所述功能区域的距离。
在其中一实施例中，当所述入射光的一级衍射光与法线的夹角为90度时，nd取1.8，d/R取-0.3,λ取520nm，T取400nm时，所述全息波导的视场为70°。
在其中一实施例中，所述功能区域包括将光源发出的入射光耦入至所述波导基底的耦入区域，以及经所述波导基底传递后耦出的耦出区域，所述耦入区域和所述耦出区域均为一维光栅，且二者的所述光栅取向互为垂直。
在其中一实施例中，所述耦入区域与所述耦出区域之间设有转折区域，所述转折区域为一维光栅，且其光栅取向与所述耦入区域的光栅取向呈45°角。
在其中一实施例中，所述光栅结构为倾斜光栅或矩形光栅或闪耀光栅或体光栅。
本发明还提供一种AR显示装置，其特征在于，包括上述全息波导。
本发明提供的全息波导，能够利用功能区域将光源发出的入射光耦入至所述波导基底后再经所述波导基底内传递至所述功能区域后耦出，所述波导基底呈曲面，以实现所述入射光线在所述波导基底内全反射角度的增大，从而实现视场的增大。
附图说明
图1为现有的平面型全息波导的入射光在波导内的衍射示意图。
图2为本发明实施例全息波导的结构示意图；
图3为本发明实施例全息波导的入射光在波导内的衍射示意图；
图4为本发明实施例全息波导实现彩色显示的光线传播示意图；
图5为图4另一视角的光线传播示意图；
图6为本发明实施例AR显示装置实现三维近眼显示的示意图；
图7为本发明实施例AR显示装置的佩戴示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参图2至图5，本发明实施例中提供的全息波导，包括波导基底11、设置在波导基底11表面由光栅组成的功能区域13。功能区域13将光源发出的入射光耦入至波导基底11后再经波导基底11内传递至所述功能区域13后耦出。波导基底11呈曲面，以实现入射光线在波导基底11内全反射角度的增大。
在本实施例中，波导基底11的两侧表面曲率相同；功能区域13直接设置在波导基底11表面，其曲率也与波导基底11的曲率相同，以实现所述入射光经所述功能区域13衍射后的衍射角的增大。通过波导基底11的曲面的几何特性和衍射特性的结合，从而实现视场角的增大。
入射光在所述波导基底11内实现全反射与光栅的周期、入射光的波长及波导基底11的折射率有关：
Figure GDA0003988331390000041
其中，λ为入射光的波长，T为光栅的周期，θin为所述入射光的入射角，θd为一级衍射光与法线的夹角。全息波导1视场角为：
Figure GDA0003988331390000042
其中，R为所述波导基底11的曲率，nd为所述波导基底11的折射率,d为所述光源到所述功能区域13的距离。
具体地，根据光源，确定光源到功能区域13的距离，以及确定入射光的入射角和波长；根据波导基底11的材质，确定波导基底11的折射率；根据距离、曲率，确定光栅的周期与视场角的关系。其中，入射角度与视场角的关系包括入射角与最大上视场极限的关系，以及入射角与最小下视场极限的关系。入射角与最大上视场极限的关系为：
Figure GDA0003988331390000043
入射角与最小下视场极限的关系为：
Figure GDA0003988331390000044
当入射光的一级衍射光与法线的夹角为90度时，nd取1.8，d/R取-0.3,λ取520nm，T取400nm时，该全息波导1的视场为70°。
功能区域13包括将光源发出的入射光耦入至波导基底11的耦入区域131，以及经波导基底11内传递后耦出的耦出区域135。耦入区域131和耦出区域135均为一维光栅，且二者的光栅取向互为垂直。
耦入区域131与耦出区域135之间设有转折区域133，转折区域133为一维光栅，且其光栅取向与耦入区域131的光栅取向呈45°角。
光栅结构为倾斜光栅或矩形光栅或闪耀光栅或体光栅。
如图4所示，红绿蓝三色图像光线经耦入区域131分别衍射，耦入区域131具备宽带衍射功能，三色图像光线分别按特定角度入射，入射后的衍射光线满足曲面波导基底11内全反射条件，光线传导至转折区域133，经转折区域133衍射，衍射光线传导至耦出区域135，经耦出区域135衍射，三色衍射光线传导至人眼，经人眼合成，实现彩色增强现实显示。
如图5所示，功能性区域组空间分布可以为先水平后垂直排列。水平方向上，光线经耦入区域131衍射，形成衍射光，衍射光经波导基底11内全反射传导至转折区域133，垂直方向上，经转折区域133衍射，衍射光传导至耦出区域135，经耦出区域135出射至人眼。其中，光线从耦入区域131传导至转折区域133，实现水平视场的扩大，从转折区域133传导至耦出区域135，实现垂直方向视场的扩大，双向视场的扩大实现总视场的扩大。
请参考图6和图7，本发明还提供一种AR显示装置，包括上述的全息波导1。
在本实施例中，通过搭配一对全息波导1，耦出区域135分别对应左眼和右眼观看位置，通过双目视差原理，实现三维近眼显示。人眼透过装置，可同时观看到现实空间，具有高环境光透过率。
在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或基板被称作“形成在”、“设置在”或“位于”另一元件上时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。
在本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语的具体含义。
在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本发明的限制。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种全息波导，其特征在于，包括波导基底、设置在所述波导基底表面由光栅组成的功能区域，所述功能区域将光源发出的入射光耦入至所述波导基底后再经所述波导基底内传递至所述功能区域后耦出，所述波导基底呈曲面，以实现所述入射光在所述波导基底内全反射角度的增大；所述入射光在所述波导基底内实现全反射与所述光栅的周期、波长及所述波导基底的折射率有关：
Figure FDA0003988331380000011
其中，λ为入射光的波长，T为光栅的周期，θin为所述入射光的入射角，θd为一级衍射光与法线的夹角，nd为所述波导基底的折射率；所述全息波导视场角为：
Figure FDA0003988331380000012
其中，R为所述波导基底的曲率，nd为所述波导基底的折射率,d为所述光源到所述功能区域的距离。
2.如权利要求1所述的全息波导，其特征在于，当所述入射光的一级衍射光与法线的夹角为90度时，nd取1.8，d/R取-0.3,λ取520nm，T取400nm时，所述全息波导的视场为70°。
3.如权利要求1所述的全息波导，其特征在于，所述功能区域包括将光源发出的入射光耦入至所述波导基底的耦入区域，以及经所述波导基底传递后耦出的耦出区域，所述耦入区域和所述耦出区域均为一维光栅，且二者的所述光栅取向互为垂直。
4.如权利要求3所述的全息波导，其特征在于，所述耦入区域与所述耦出区域之间设有转折区域，所述转折区域为一维光栅，且其光栅取向与所述耦入区域的光栅取向呈45°角。
5.如权利要求1所述的全息波导，其特征在于，所述光栅结构为倾斜光栅或矩形光栅或闪耀光栅或体光栅。
6.一种AR显示装置，其特征在于，包括如权利要求1至5任一项所述的全息波导。
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