CN114660701A - 单层波导及显示装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种单层波导和显示装置，单层波导包括相对的第一表面和第二表面，第一表面形成有第一入瞳区域、第一扩瞳区域和第一出瞳区域，第二表面形成有第二入瞳区域、第二扩瞳区域和第二出瞳区域；第一出瞳区域和第二出瞳区域边缘对齐设置，第一入瞳区域和第二入瞳区域以第一出瞳区域为中心左右对称，第一扩瞳区域和第二扩瞳区域以第一出瞳区域为中心左右对称。本申请单层波导能够实现图像拼接，以加大视场角，或者能够实现图像重叠，以使得显示亮度色彩更加均匀。

Description

单层波导及显示装置
技术领域
本申请属于显示技术领域，特别涉及一种单层波导及显示装置。
背景技术
要让使用者在佩戴AR眼镜时有强的沉浸感能有好的体验效果，需要AR眼镜尽可能大的视场角去适配人眼的大视场角FOV，需要提高视场角FOV去看到虚拟画面的更大区域。然而如今一般AR眼镜的视场角FOV都不能做到很大，想要提高视场角，就容易造成更大的硬件体积和更小的eye box，会减低佩戴的舒适性和轻便性。
现今在与普通眼镜外形结构接近的AR眼镜上，采用衍射光栅的衍射波导，因为波导材料折射率和光机本身视场角FOV的限制，波导显示模组的FOV加大到60°以上十分困难。采用多层衍射波导叠加的方式，可以拼接任意大小的FOV，然而会加大AR镜片的体积和重量，多层波导和多种光栅模组会增加AR波导制作的难度。
发明内容
本申请提供一种单层波导及显示装置，以解决现有技术中实现大视场角的波导体积大的问题。
为解决上述技术问题，本申请提出一种单层波导，包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面形成有第一入瞳区域、第一扩瞳区域和第一出瞳区域，所述第二表面形成有第二入瞳区域、第二扩瞳区域和第二出瞳区域；所述第一出瞳区域和第二出瞳区域边缘对齐设置，所述第一入瞳区域和所述第二入瞳区域以所述第一出瞳区域为中心左右对称，所述第一扩瞳区域和所述第二扩瞳区域以所述第一出瞳区域为中心左右对称。
在一个实施例中，所述第一表面和所述第二表面由同一光栅模板压印形成入瞳区域、扩瞳区域和出瞳区域。
在一个实施例中，所述第一入瞳区域的光栅方向和所述第一出瞳区域的光栅方向垂直，所述第一扩瞳区域的光栅方向与所述第一入瞳区域的光栅方向呈45°夹角；所述第二入瞳区域的光栅方向和所述第二出瞳区域的光栅方向垂直，所述第二扩瞳区域的光栅方向与所述第二入瞳区域的光栅方向有45°夹角；所述第一扩瞳区域的光栅方向与所述第二扩瞳区域的光栅方向左右对称。
为解决上述技术问题，本申请提出一种显示装置，包括第一光机、第二光机和前述单层波导；所述第一光机设置于所述第一入瞳区域，所述第二光机设置于所述第二入瞳区域。
在一个实施例中，所述第一光机发出的中心光线垂直入射于所述第一入瞳区域，由第一出瞳区域发出的光线形成第一图像；所述第二光机发出的中心光线垂直入射于所述第二入瞳区域，由第二出瞳区域发出的光线形成第二图像；所述第一图像和所述第二图像重合。
在一个实施例中，所述第一光机发出的中心光线和第二光机发出的中心光线在预设方向上以相同入射角分别入射第一入瞳区域和第二入瞳区域，由第一出瞳区域发出的光线和第二出瞳区域发出的光线分别形成第一图像和第二图像，所述第一图像和所述第二图像在所述预设方向上无缝拼接。
在一个实施例中，所述第一光机和第二光机的显示视场角相同。
在一个实施例中，所述第一光机的出光孔到所述第一入瞳区域的中心有第一距离，所述第二光机的出光孔到所述第二入瞳区域的中心有第二距离，所述第一距离和所述第二距离相等，且小于1mm。
在一个实施例中，所述第一光机发出的光线和所述第二光机发出的光线的波矢最大值取决于所述单层波导的折射率。
在一个实施例中，所述第一入瞳区域的波矢V11，所述第一扩瞳区域的波矢V21和所述第一出瞳区域的波矢V31，在所述单层波导的波矢图中的路径为闭环；所述第二入瞳区域的波矢V12，所述第二扩瞳区域的波矢V22和所述第二出瞳区域的波矢V32，在所述单层波导的波矢图中的路径为闭环。
区别于现有技术，本申请单层波导包括相对的第一表面和第二表面，第一表面形成有第一入瞳区域、第一扩瞳区域和第一出瞳区域，第二表面形成有第二入瞳区域、第二扩瞳区域和第二出瞳区域；第一出瞳区域和第二出瞳区域边缘对齐设置，第一入瞳区域和第二入瞳区域以第一出瞳区域为中心左右对称，第一扩瞳区域和第二扩瞳区域以第一出瞳区域为中心左右对称。输入光分别由第一表面和第二表面的入瞳区域射入，在出瞳区域射出，通过输入光角度调整，在出瞳区域射出后图像会拼接或重叠。本申请利用单层波导的双面光栅结构实现了在图像拼接时大的视场角或重叠时显示的均匀性。本申请用现有的单层波导和现有的光机，保持小的波导体积和重量同时加大FOV，且在成像完全重叠时，可以提高整体画面的均匀性。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
图1是本申请实施例单层波导的侧视图；
图2是图1所示单层波导的俯视图；
图3是图1所示单层波导中光栅结构示意图；
图4是本申请实施例显示装置的俯视图；
图5是图4所示显示装置中单层波导的波矢图；
图6是图4所示显示装置拼接显示的第一示意图；
图7是图4所示显示装置拼接显示的第二示意图；
图8是图4所示显示装置重叠显示的示意图；
图9是图8中重叠显示时色彩的互补示意图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
请参阅图1-3，图1是本申请实施例单层波导的侧视图，图2是图1所示单层波导的俯视图，图3是图1所示单层波导中光栅结构示意图。
本实施例单层波导100包括相对的第一表面11和第二表面12，在第一表面11形成有第一入瞳区域101、第一扩瞳区域102和第一出瞳区域103，第二表面12形成有第二入瞳区域201、第二扩瞳区域202和第二出瞳区域203。
其中，从单层波导100的垂直方向来看，第一出瞳区域103和第二出瞳区域203的边缘对齐设置，即第一出瞳区域103和第二出瞳区域203在垂直方向上是重合的。
第一入瞳区域101和第二入瞳区域201以第一出瞳区域103为中心左右对称，第一扩瞳区域102和第二扩瞳区域202也是以第一出瞳区域103为中心左右对称，由于两出瞳区域是重合的，因而两入瞳区域和两扩瞳区域的对称也可以认为是以第二扩瞳区域203为中心左右对称。
分别由第一表面和第二表面的进入的光线，最后由两出瞳区域发出形成拼接图像，扩大视场角，或形成重合图像，且具有高均匀性。
本实施例中第一表面11和第二表面12的入瞳区域、扩瞳区域和出瞳区域均采用衍射光栅，具体为表面浮雕光栅或体全息光栅。且光栅采用光栅模板压印的方式形成，在第一表面11和第二表面12均采用同一种光栅模板进行压印，因而形成了对称的结构。
在图3中，yx平面上，入瞳区域的光栅方向平行于y方向，出瞳区域的光栅方向平行于x方向，入瞳区域和出瞳区域的光栅方向垂直，扩瞳区域的光栅与y轴夹角45°。
即第一入瞳区域101的光栅方向和第一出瞳区域103的光栅方向垂直，第一扩瞳区域102的光栅方向与第一入瞳区域101的光栅方向呈45°夹角；第二入瞳区域201的光栅方向和第二出瞳区域203的光栅方向垂直，第二扩瞳区域202的光栅方向与第二入瞳区域201的光栅方向有45°夹角；第一扩瞳区域102的光栅方向与第二扩瞳区域202的光栅方向关于x轴方向左右对称。
使用同一种波导光栅模板结构，在波导上的双面压印，既能加大显示FOV又能简化波导制作工艺。
当单层波导100应用在显示装置中时，在两个入瞳区域分别设置两个光机，如图4所示，图4是本申请实施例显示装置的俯视图。第一光机301设置在第一入瞳区域101，具体通过第一固定架21设置；第二光机302设置在第二入瞳区域201，具体通过第二固定架22设置。
第一光机301与第一表面的光栅区域实现显示，在无穷远处形成第一图像；第二光机302与第二表面的光栅区域实现显示，在无穷远处形成第二图像。若两光机具有相同FOV，则两个显示图像尺寸大小相等、无缝拼接且不完全重合，增大波导显示屏幕，加大整体显示的FOV。当第一图像和第二图像完全重合，可以左右互补提高画面的均匀性。
第一光机301的出光孔到第一入瞳区域101的中心由第一距离，第二光机302的出光孔到第二入瞳区域201的中心由第二距离，第一距离和第二距离相等，且小于1mm。
在显示装置中，光线传播的波矢图可以参阅图5，图5是图4所示显示装置中单层波导的波矢图。
其中，特定波长的光可以沿着左路径和右路径在波导板内传播。第一光机301发出的输入光IN1的波矢可以存在于以初始波矢kx和ky定义的波矢空间的一个区域BOX0a中,第二光机发出的输入光IN2的波矢可以存在于以初始波矢kx和ky定义的波矢空间的一个区域BOX0b中。区域BOX0a、BOX0b的每个角落分别都可以代表一个输入图像IMG0a、IMG0b的角落点的光的波矢。
BND1表示用于满足波导板中的全内反射(TIR)标准的第一边界。BND2表示波导板100中的最大波矢的第二边界。最大波矢可以由波导板的折射率确定。即第一光机301发出的光线和第二光机302发出的光线的波矢最大值取决于所述单层波导的折射率。仅当所述光的波矢在第一边界BND1与第二边界BND2之间的区域ZONE1中时，光才可以在板中波导。如果光的波矢在区域ZONE1之外，则光可能会泄漏出波导板或根本不传播。
对于预定整数mij时(i＝1,2,3j＝1,2)，光栅矢量的光栅周期(d)和方向(θ)可以满足矢量和ΣmijVij＝0，即波矢的传导形成闭合路径。其中i为区域位置标识，如1＝入瞳，2＝扩瞳，3＝出瞳；j为路径标识，如1＝右路径，2＝左路径(例如右侧路径波矢和为m11V11+m21V21+m31V31＝0)。衍射光栅的光栅周期(d)和光栅方向(θ)可以由所述衍射光栅的光栅矢量V确定。光栅矢量V可以定义为具有垂直于衍射光栅的衍射线的方向和由2π/d给出的幅度的矢量，其中d是光栅周期(即条纹间隔)。
入射光IN1从区域BOX0a进入波导，朝光栅方向V11右侧ky正方向传导。其中右传导光B1a的波矢在区域BOX1a中，传导光B1a朝V21方向传导，其波矢在区域BOX2a中，传导光B2a朝V31方向传导，其波矢在区域BOX3a中，最终输出第一图像OUT1；根据波导理论，该波导中三条波矢V11、V21、V31的路径需均为闭环，才可保证波导输入与输出的对称关系。入射光IN2从区域BOX0b进入波导，朝光栅方向V12左侧ky负方向传导。其中传导光B1b的波矢在区域BOX1b中，传导光B1b朝V22方向传导，其波矢在区域BOX2b中，传导光B2b朝V32方向传导，其波矢在区域BOX3b中，最终输出第二图像OUT2；根据波导理论，该波导中三条波矢V12、V22、V32的路径需均为闭环，才可保证波导输入与输出的对称关系。最终输出图像，OUT1在总画面第一区域显示，OUT2在总画面第二区域显示，OUT1和OUT2画面无缝拼接且不完全重合，形成大的显示FOV。
根据光机的不同入射角度，显示图像的拼接方式也不同。若第一光机发出的中心光线和第二光机发出的中心光线在预设方向上以相同入射角分别入射第一入瞳区域和第二入瞳区域，即两光机发出的中心光线相对各自入瞳区域有相同夹角，此后由第一出瞳区域发出的光线和第二出瞳区域发出的光线分别形成第一图像和第二图像，则第一图像和第二图像在所述预设方向上无缝拼接。预设方向可以是水平方向或垂直方向，具体请参阅图6和图7，图6是图4所示显示装置拼接显示的第一示意图，图7是图4所示显示装置拼接显示的第二示意图。
图6中，两个光机的水平FOV均为2γ。双面压印光栅模组的单层波导100的第一表面11的第一光机301出光中心线IN1以与z轴正方向顺时针旋转夹角γ的角度进入第一入瞳区域101，最终在出瞳区域输出图像，第一显示画面OUT1成像在无穷远处水平正方向左侧；波导100的第二表面12的第二光机302出光中心光线IN2以与的z轴负方向顺时针旋转夹角θ的角度入入瞳，最终在出瞳区域输出图像，第二显示画面OUT2成像在无穷远处水平正方向右侧；其中γ与θ的绝对值相等；第一显示图像OUT1和第二显示图像OUT2无缝拼接且不完全重合，最大能形成单面波导显示图像的2倍大的显示图像400，加大水平方向显示的总FOV。
图7中，两个光机的水平FOV均为2β。双面压印光栅模组的单层波导100的第一表面11的光机301出光中心线IN1以与z轴负方向逆时针旋转夹角β的角度进入入瞳区域101，最终在出瞳区域输出图像，第一显示画面OUT1成像在无穷远处水平正方向右侧；波导100的第二表面12的光机302出光中心光线IN2以与的z轴正方向逆时针旋转夹角α的角度进入入瞳，最终在出瞳区域输出图像，第二显示画面OUT2成像在无穷远处水平正方向左侧；其中β与α的绝对值相等；第一显示图像OUT1和第二显示图像OUT2无缝拼接且不完全重合，最大能形成单层波导显示图像的2倍大的显示图像400，加大水平方向显示的总FOV。
垂直方向的总FOV方向类似水平方向，将光机在垂直方向上以一定的夹角进入入瞳，一个光机显示上半部分图像，另一个光机显示下半部分图像，上下图像无缝拼接且不完全重合，加大单层波导显示垂直方向的FOV。
使用双光机双面波导显示，能够在最大现有光机和波导光栅FOV的基础上，通过波导两面显示的图像左右(上下)无缝拼接，增加在无穷远处波导显示水平方向的屏幕尺寸，加大水平(垂直)方向FOV。
若光机的中心光线垂直入射于单层波导，则最终显示在波导成像的位置完全重合，可左右互补提高画面的均匀性。如图8和图9，图8是图4所示显示装置重叠显示的示意图，图9是图8中重叠显示时色彩的互补示意图。
图8中，波导两面的双光机的中心光线以同样相对各自位置的入瞳垂直入射，最终显示图像完全重合。第一显示画面OUT1从靠近入瞳区域101到远离入瞳区域101(从左到右)的亮度变化趋势是从高到低；同样的，第二显示画面OUT2从靠近入瞳区域201到远离入瞳区域201(从右到左)的亮度变化趋势是从高到低；OUT1和OUT2重合之后形成画面401，左右画面的亮度高低刚好可以互补，提高画面的亮度均匀性。
图9中，为图8显示画面的色彩分布，单层波导单面光栅成像色彩分布为靠近入瞳方向蓝色分布较强，中间为绿色强，远离入瞳方向红色分布较强，双光机和双入瞳区域分布在出瞳区域的两侧，左右画面的红蓝分布刚好可以互补，提高画面的色彩均匀性。
双光机和双入瞳区域分布在出瞳区域的两侧，左右画面的亮度和红蓝色彩分布可以互补，提高AR波导显示画面的均匀性。
本申请使用双面对称的光栅模组的单层波导结构，两面出瞳光栅显示的画面无缝拼接，增大显示屏幕，增加波导整体显示FOV。还可实现显示画面的重合，左右互补提高画面均匀性。
在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。
虽然本说明书已经示出和描述了本申请的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本申请思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本申请的过程中，可以采用对本文所描述的本申请实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本申请的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的器组成、等同或替代方案。

Claims (10)

1.一种单层波导，其特征在于，所述单层波导包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面形成有第一入瞳区域、第一扩瞳区域和第一出瞳区域，所述第二表面形成有第二入瞳区域、第二扩瞳区域和第二出瞳区域；
所述第一出瞳区域和第二出瞳区域边缘对齐设置，所述第一入瞳区域和所述第二入瞳区域以所述第一出瞳区域为中心左右对称，所述第一扩瞳区域和所述第二扩瞳区域以所述第一出瞳区域为中心左右对称。
2.根据权利要求1所述的单层波导，其特征在于，所述第一表面和所述第二表面由同一光栅模板压印形成入瞳区域、扩瞳区域和出瞳区域。
3.根据权利要求1所述的单层波导，其特征在于，所述第一入瞳区域的光栅方向和所述第一出瞳区域的光栅方向垂直，所述第一扩瞳区域的光栅方向与所述第一入瞳区域的光栅方向呈45°夹角；
所述第二入瞳区域的光栅方向和所述第二出瞳区域的光栅方向垂直，所述第二扩瞳区域的光栅方向与所述第二入瞳区域的光栅方向有45°夹角；
所述第一扩瞳区域的光栅方向与所述第二扩瞳区域的光栅方向左右对称。
4.一种显示装置，其特征在于，所述显示装置包括第一光机、第二光机和权利要求1～3中任一项所述的单层波导；
所述第一光机设置于所述第一入瞳区域，所述第二光机设置于所述第二入瞳区域。
5.根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于，所述第一光机发出的中心光线垂直入射于所述第一入瞳区域，由第一出瞳区域发出的光线形成第一图像；所述第二光机发出的中心光线垂直入射于所述第二入瞳区域，由第二出瞳区域发出的光线形成第二图像；所述第一图像和所述第二图像重合。
6.根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于，所述第一光机发出的中心光线和第二光机发出的中心光线在预设方向上以相同入射角分别入射第一入瞳区域和第二入瞳区域，由第一出瞳区域发出的光线和第二出瞳区域发出的光线分别形成第一图像和第二图像，所述第一图像和所述第二图像在所述预设方向上无缝拼接。
7.根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于，所述第一光机和第二光机的显示视场角相同。
8.根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于，所述第一光机的出光孔到所述第一入瞳区域的中心有第一距离，所述第二光机的出光孔到所述第二入瞳区域的中心有第二距离，所述第一距离和所述第二距离相等，且小于1mm。
9.根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于，所述第一光机发出的光线和所述第二光机发出的光线的波矢最大值取决于所述单层波导的折射率。
10.根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于，所述第一入瞳区域的波矢V11，所述第一扩瞳区域的波矢V21和所述第一出瞳区域的波矢V31，在所述单层波导的波矢图中的路径为闭环；
所述第二入瞳区域的波矢V12，所述第二扩瞳区域的波矢V22和所述第二出瞳区域的波矢V32，在所述单层波导的波矢图中的路径为闭环。
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