CN113009698A - 一种彩色显示系统和方法及ar眼镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种彩色显示系统和方法及AR眼镜。彩色显示系统包括第一全息波导、第二全息波导、驱动电路和至少两个不同颜色的单色显示器；所述驱动电路用于驱动所述单色显示器发出携带图像信息的单色图像光；若干所述单色图像光通过第一全息波导进行合束，形成彩色图像光；所述彩色图像光进入第二全息波导全反射传输，并从第二全息波导输出；其中，所述单色显示器为单色OLED显示芯片或单色micro LED显示芯片。本发明的彩色显示系统亮度高，而且尤其适用于AR眼镜。

Description

一种彩色显示系统和方法及AR眼镜
技术领域
本发明属于AR领域，具体地说涉及一种彩色显示系统和方法及AR眼镜。
背景技术
近年来，增强现实(AR)成为研究热点，其可以集成真实世界信息和虚拟世界信息，在各领域均有巨大的应用前景，增强现实以头戴式可穿戴设备的形式实现，以AR眼镜为代表。
如果只是单色显示会损失许多图像信息，彩色显示必不可少，现有的AR眼镜的彩色显示一般选用LCOS作为图像源，但是LCOS图像源本身不发光，需要用多色光源对LCOS图像源进行照明，但同时由于另外配置光源又会造成光机体积比较大；若不另外配置光源，就只能选用能够自身发光的图像源，OLED和micro LED显示芯片可以自发光，无需另外配置光源，但是彩色的OLED显示芯片的亮度不够，彩色的micro LED显示芯片还未能成功制备出。
因此，AR眼镜在轻量化和高亮度方面存在着巨大矛盾。
发明内容
针对上述问题，本发明设计了一种彩色显示系统和方法，该彩色显示系统和方法显示的图像亮度高，体积小尤其适用于AR眼镜。
本发明的彩色显示系统，包括第一全息波导、第二全息波导、驱动电路和至少两个不同颜色的单色显示器；所述驱动电路用于驱动所述单色显示器发出携带图像信息的单色图像光；若干所述单色图像光通过第一全息波导进行合束，形成彩色图像光；所述彩色图像光进入第二全息波导全反射传输，并从第二全息波导输出；其中，所述单色显示器为单色OLED显示芯片或单色micro LED显示芯片。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的彩色显示系统，将单色OLED或单色micro LED显示芯片作为图像源得到高亮度的彩色显示图像，相比于传统的利用外加光源对LCOS图像源进行照明的显示系统，该彩色显示系统体积更小、质量更轻，实现了彩色显示的高亮度和轻量化之间的均衡。本技术方案采用两个全息波导相结合，一个全息波导用于合光，一个全息波导用于图像显示，体积小，成本低，尤其适合集成于AR眼镜上，而且能得到高亮度的彩色图像。
优选的，还包括光路变向装置，所述彩色图像光通过光路变向装置改变传输方向后进入第二全息波导传输。本优选方案的有益效果为：通过设置光路变向装置，可以使得第一全息波导和第二全息波导不必平行设置，位置关系更为灵活，即彩色显示系统根据所应用的具体设备调整位置关系时从第一全息波导射出的彩色图像光始终能够入射至第二全息波导，比如将该彩色显示系统用于眼镜时，第一全息波导和第二全息波导垂直设置更合适，则光路变向装置可将彩色图像光的传输方向改变90°。
优选的，所述光路变向装置为等腰直角棱镜。本优选方案的有益效果为：等腰直角棱镜的传光效率更高，而且将彩色图像光的传输方向改变90°可以将第一全息波导集成在眼镜腿的位置，第二全息波导集成在眼镜片的位置，更适配于AR眼镜。
优选的，所述第一全息波导包括第一波导基底和设置在所述第一波导基底上的耦合输出全息光栅和若干耦合输入全息光栅，所述耦合输入全息光栅与所述单色显示器一一对应，且对相应的单色显示器发出的单色图像光敏感；所述彩色显示系统还包括准直装置，所述单色显示器发出的单色图像光通过准直装置进行准直后再通过耦合输入全息光栅耦入第一波导基底，并通过耦出全息光栅耦出第一波导基底，实现合束形成彩色图像光。本优选方案的有益效果为：第一全息波导的多个耦合输入全息光栅，可分别将多种单色图像光耦入第二波导基底。
优选的，所示彩色显示系统还包括光线转向装置，所述准直后的单色图像光通过所述光线转向装置改变方向后再照射至所述耦合输入全息光栅。本优选方案的有益效果为：准直装置是单个透镜或者透镜组，具有一个等效焦距，若增设准直装置，在不选用平凸的非球面透镜等高成本光学元件的情况下，单色显示器与准直装置之间需要间隔一定距离，造成装置整体的宽度加大，设置光线转向装置后可以将单色图像光的传输方向改变，一定程度减小系统的宽度，且不增加成本，光线转向装置优选直角棱镜，即可将单色显示器与准直装置之间的距离由横向(即第一波导基底的宽度方向)转移至纵向(第一波导基底的长度方向)或者深度方向(即第一波导基底长度和宽度构成的平面的垂直线所在的方向)，使得系统宽度降低。
优选的，若干所述单色图像光通过第一全息波导进行合束时，若干单色图像光在第一全息波导内以全反射方式传输，若干单色图像光的传输角度相同。本优选方案的有益效果为：全反射传输效率更高，合束出的彩色图像亮度更高，若干单色图像光的传输角度相同更容易得到高质量的彩色图像光；本发明所说的若干单色图像光的传输角度相同，是指显示器中心像素点发出的光传输角度相同，控制若干所述单色图像光传输角度相同可以使得各个光栅之间耦合的光不会发生串扰，而且每个光栅的周期计算更为方便，耦合输出全息光栅的设置位置更容易确定。
优选的，所述第二全息波导包括第二全息波导基底和设置在所述第二波导基底上的耦入全息光栅、、折叠光栅和耦出全息光栅；所述彩色图像光依次经过耦入全息光栅、折叠光栅、耦出全息光栅后输出。本优选方案的有益效果为：从第一全息波导耦出的彩色图像光的光瞳直径小，需要通过第二全息波导进行拓展，实现扩瞳，第二全息波导上设置折叠光栅可以进行二维扩瞳。
优选的，所述光栅均为反射式体全息光栅。反射式体全息光栅更容易制备出更优的体全息光栅，衍射效率更高。
优选的，所述耦入全息光栅位于所述第二波导基底的长度方向，所述合成图像光通过所述折叠光栅后，在第二波导基底内的传输角度改变45°-315°。
本发明的全息波导彩色显示方法，包括以下步骤：将至少两种不同颜色的单色图像光通过第一全息波导进行合光，形成彩色图像光；所述彩色图像光通过第二全息波导进行全反射传输后，从第二全息波导中输出。本发明的全息波导彩色显示的方法，可以得到高亮度的彩色显示图像。
本发明还提供了一种包括上述彩色显示系统的AR眼镜。将上述彩色显示系统集成至AR眼镜时，可以将第二波导设置在眼镜片的位置，第一波导设置在眼镜腿的位置，不会有明显突出部分，得到的AR眼镜便携美观。
附图说明
图1为本发明实施例1中彩色显示系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1中彩色显示系统的另一种优选方案的部分结构示意图；
图3为本发明实施例图2的仰视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
如图1-3所示，本实施例的彩色显示系统包括第一全息波导1、第二全息波导2、驱动电路(图中未示出)和至少两个不同颜色的单色显示器3(即图中的31、32和33，显示器的个数根据需要设置，不限于三个)，以及光路变向装置7和准直装置4(即图中的41、42和43，个数根据需要设置，不限于三个)；本实施例作为优选方案，所述光路变向装置7为等腰直角棱镜，可以将所述彩色图像光8的传输方向改变90°；
其中，单色显示器3为单色OLED显示芯片或单色micro LED显示芯片，若干单色显示器可以均为单色OLED显示芯片或单色micro LED显示芯片，也可以其中几个为单色OLED显示芯片，其余为单色micro LED显示芯片，各个显示器发出的光的颜色可以不同，也可以相同，优选若干可以发出不同颜色的单色显示器；
第一全息波导1包括第一波导基底10和设置在所述第一波导基底10上的若干耦合输入全息光栅11(即图中的111、112和113，耦合输入全息光栅的个数根据需要设置，不限于三个)和耦合输出全息光栅12，所述耦合输入全息光栅11与所述单色显示器3一一对应，且对相应的单色显示器3发出的单色图像光敏感，若干单色显示器3可以设置在第一波导基底10的同侧或两侧，当设置在同侧时，横向(即第一波导基底的宽度方向)宽度距离较小，设置在两侧时，纵向(即第一波导基底的长度方向)距离更小，本实施例作为一种优选方案，包括三个可分别发出红色、绿色、蓝色的单色显示器3，将三个单色显示器3设置在第一波导基底10的同侧，所述第一波导基底10上设有三个分别对红光、绿光、蓝光敏感的耦合输入全息光栅11，所述耦合输出全息光栅12对白光敏感，
本实施例作为一种优选方案，在单色显示器3和第一全息波导1之间设置准直装置4(即图中的41、42和43，个数根据需要设置，不限于三个)；进一步的，本实施例还提供另一种优选方案，如图2所示，本实施例还在准直装置4和第一全息波导1之间设置光线转向装置6(即图2中的61、62和63，个数根据需要设置，不限于三个)，光线转向装置6优选直角棱镜；
第二全息波导2包括第二全息波导基底20和设置在所述第二波导基底20上的耦入全息光栅21、折叠光栅23和耦出全息光栅22；第二波导基底20上的光栅均对白光敏感；
上述的光栅对某单色图像光敏感即该光栅只对该颜色所对应波长的图像光进行衍射，光栅对白光敏感即该光栅可将全部可见光对应波长的图像光进行衍射；本实施例的光栅均为反射式体全息光栅；波导基底的材质可以是玻璃或塑料，成本更低。
所述驱动电路用于驱动所述单色显示器3发出携带图像信息的单色图像光(即图中51、52和53，个数不限于三个，由耦合输入全息光栅11和单色显示器3决定)，驱动单色显示器发光的驱动电路可以为一个整体的驱动电路，也可以为与单色显示器3对应的若干驱动电路；若干单色图像光通过准直装置4进行准直，进一步的，准直后的单色图像光还可以通过光线转向装置6转向，然后分别通过相应的耦合输入全息光栅11耦入第一全息波导基底10内以相同的传输角度进行全反射传输，并通过耦合输出全息光栅12耦出第一波导基底10，实现合束形成彩色图像光8；
所述彩色图像光8通过光路变向装置7改变传输方向，然后彩色图像光8通过耦入全息光栅21耦入第二全息波导基底20内进行全反射传输，依次传输至第二波导基底20上的折叠光栅23、耦出全息光栅22后，耦出第二波导基底20，进入人眼形成彩色图像；本实施例作为优选方案，所述耦入全息光栅21位于所述第二波导基底20的长度方向，所述彩色图像光8通过所述折叠光栅23后，在第二波导基底20内的传输角度改变45°-315°。
本实施例还提供一种应用上述彩色显示系统的全息波导彩色显示方法，显色方法包括以下步骤：
步骤1：将至少两种不同颜色的单色图像光通过第一全息波导进行合光，形成彩色图像光；
步骤2：所述彩色图像光通过第二全息波导进行全反射传输后进入人眼形成彩色图像。
本实施例还提供一种包括上述彩色显示系统的AR眼镜。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；基于本发明的实施例，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。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种彩色显示系统，其特征在于，包括第一全息波导、第二全息波导、驱动电路和至少两个不同颜色的单色显示器；
所述驱动电路用于驱动所述单色显示器发出携带图像信息的单色图像光；
若干所述单色图像光通过第一全息波导进行合束，形成彩色图像光；
所述彩色图像光进入第二全息波导全反射传输，并从第二全息波导输出；
其中，所述单色显示器为单色OLED显示芯片或单色micro LED显示芯片。
2.根据权利要求1所述的彩色显示系统，其特征在于，还包括光路变向装置，所述彩色图像光通过光路变向装置改变传输方向后进入第二全息波导。
3.根据权利要求1所述的彩色显示系统，其特征在于，所述第一全息波导包括第一波导基底和设置在所述第一波导基底上的耦合输出全息光栅和若干耦合输入全息光栅，所述耦合输入全息光栅与所述单色显示器一一对应，且对相应的单色显示器发出的单色图像光敏感；
所述彩色显示系统还包括准直装置，所述单色显示器发出的单色图像光通过准直装置进行准直后通过耦合输入全息光栅耦入第一波导基底，并通过耦出全息光栅耦出第一波导基底，实现合束形成彩色图像光。
4.根据权利要求3所述的彩色显示系统，其特征在于，所示彩色显示系统还包括光线转向装置，所述准直后的单色图像光通过所述光线转向装置改变方向后再照射至所述耦合输入全息光栅。
5.根据权利要求1所述的彩色显示系统，其特征在于，若干所述单色图像光通过第一全息波导进行合束时，若干单色图像光在第一全息波导内以全反射方式传输，若干单色图像光的传输角度相同。
6.根据权利要求1所述的彩色显示系统，其特征在于，所述第二全息波导包括第二全息波导基底和设置在所述第二波导基底上的耦入全息光栅、折叠光栅和耦出全息光栅；
所述彩色图像光依次经过耦入全息光栅、折叠光栅、耦出全息光栅后从第二波导基底输出。
7.根据权利要求6所述的彩色显示系统，其特征在于，所述耦入全息光栅位于所述第二波导基底的长度方向，所述彩色图像光通过所述折叠光栅后，在第二波导基底内的传输角度改变45°-315°。
8.根据权利要求3-7中任一项所述的彩色显示系统，所述光栅均为反射式体全息光栅。
9.一种AR眼镜，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的彩色显示系统。
10.一种全息波导彩色显示的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将至少两种不同颜色的单色图像光通过第一全息波导进行合光，形成彩色图像光；
将所述彩色图像光通过第二全息波导进行全反射传输，并从第二全息波导中输出。
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