CN114755827A - 头戴式显示设备 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例涉及显示技术领域，旨在解决采用衍射光波导的头戴式显示设备中存在的色散问题，并提供一种头戴式显示设备。其中，该头戴式显示设备包括光机、衍射光波导以及调节组件。光机用于出射图像光。衍射光波导包括用于耦入光线的耦入光栅和用于耦出光线的耦出光栅。调节组件位于光机的出光侧，用于将图像光转化为空间错位的不同颜色的光，并使空间错位的不同颜色的光自耦入光栅耦入衍射光波导后，在耦出光栅的特定出瞳位置处以空间重合的状态耦出衍射光波导。该头戴式显示设备可以矫正衍射光波导中的色散现象，提升显示质量。

Description

头戴式显示设备
技术领域
本申请涉及显示技术领域，具体而言，涉及一种头戴式显示设备。
背景技术
现有的头戴式显示设备多采用衍射光波导。根据衍射定律，衍射光波导中，衍射角和衍射效率随波长变化而发生改变。因此，现有的采用衍射光波导的头戴式显示设备中，最终显示的图像存在严重的色散现象，降低了画面显示质量。
发明内容
本申请实施例提供一种头戴式显示设备。该头戴式显示设备包括：
光机，用于出射图像光；
衍射光波导，包括用于耦入光线的耦入光栅和用于耦出光线的耦出光栅；以及
调节组件，位于光机的出光侧，用于将图像光转化为空间错位的不同颜色的光，并使空间错位的不同颜色的光自耦入光栅耦入衍射光波导后，在耦出光栅的特定出瞳位置处以空间重合的状态耦出衍射光波导。
本申请实施例的头戴式显示设备，通过设置调节组件，使不同颜色的光在进入耦入光栅之前的空间错位，刚好补偿该不同颜色的光耦入衍射光波导后在耦出光栅的特定出瞳位置处之前产生的空间错位，进而使该不同颜色的光在耦出光栅的特定出瞳位置处，以空间重合的状态耦出衍射光波导。如此，通过设置调节组件可以矫正衍射光波导中的色散现象，提升显示质量。
一些实施例中，调节组件包括位于光机的出光侧的第一色散元件和与第一色散元件间隔设置的第二色散元件；其中，第一色散元件和第二色散元件至少其中之一为位置可调的色散元件，图像光依次经第一色散元件和第二色散元件后，转化为空间错位的不同颜色的光。
通过调整第一色散元件和第二色散元件中位置可调的那个色散元件，能够调整图像光经第一色散元件和第二色散元件后出射的不同颜色光在耦入光栅处的空间错位的量，使得该空间错位的量能够恰好补偿该不同颜色的光在衍射光波导中经特定扩瞳次数出射至人眼时的空间错位的量，进而矫正色散现象。
一些实施例中，第一色散元件和第二色散元件能够对同一波长的光引起大小相同、方向相反的色散。即，对于同一波长的光，其入射至第一色散元件和第二色散元件后的光线偏转的角度大小相同，方向相反。如此，图像光经第一色散元件后发生特定角度的偏转后，经第二色散元件再次发生方向相反的特定角度的偏转，使得图像光经第一色散元件、第二色散元件偏转后出射的光与图像光平行出射。
一些实施例中，第一色散元件用于将图像光色散为空间上偏转角不同的至少两种颜色的光；第二色散元件用于将空间上偏转角不同的至少两种颜色的光色散为空间上平行且彼此间隔的至少两种颜色的光。其中，至少两种颜色的光可包括蓝光、绿光和红光。
一些实施例中，空间上为平行且彼此间隔的至少两种颜色的光垂直入射至耦入光栅。图像光经调节组件转化后垂直入射至衍射光波导中，能够减少入射光在衍射光波导中光损失，提高显示模组的光效。
一些实施例中，空间上为平行且彼此间隔的至少两种颜色的光包括第一色光和第二色光；定义耦入光栅的边界和耦出光栅的边界的最小距离为S；定义第一色光和第二色光在衍射光波导中的全反射周期长度分别为D1和D2；其中，S为D1的正整数倍，S为D2的正整数倍。如此，第一色光和第二色光在耦入光栅和耦出光栅之间具有整数个传播周期，使得第一色光和第二色光在基底中多次全反射传播后，在耦入光栅的边界和耦出光栅的边界之间的空间错位相同。
一些实施例中，定义图像光在特定出瞳位置处出瞳时所经历的扩瞳次数为N，N为大于等于零的整数；定义耦入光栅处第一色光和第二色光之间的距离为Y；其中，Y与N呈线性关系。
一些实施例中，第一色散元件的出光面与第二色散元件的入光面平行设置；定义第一色散元件的出光面与第二色散元件的入光面之间的距离为X；其中，X与N呈线性关系。
一些实施例中，第一色散元件为透射光栅、透射棱镜、反射棱镜和反射光栅的其中之一；第二色散元件为透射光栅、透射棱镜、反射棱镜和反射光栅的其中之一。
一些实施例中，第一色散元件和第二色散元件为光栅周期相同的透射光栅，第一色散元件和第二色散元件呈中心对称放置。
一些实施例中，第一色散元件和第二色散元件为楔角、折射率和阿贝数分别相同的透射棱镜，第一色散元件和第二色散元件呈中心对称放置。
一些实施例中，第一色散元件和第二色散元件为光栅周期相同的反射光栅，第一色散元件和第二色散元件呈中心对称放置。
一些实施例中，第一色散元件和第二色散元件为楔角、折射率和阿贝数分别相同的反射棱镜，第一色散元件和第二色散元件呈中心对称放置。
一些实施例中，调节组件还包括位置调节结构；位置调节结构与位置可调的色散元件连接；位置调节结构能够使位置可调的色散元件发生以下运动方式中的一者或多者，运动方式包括平移、旋转和摆动。
一些实施例中，通过位置调节结构能够手动地或电动地使位置可调的色散元件发生运动。
一些实施例中，位置调节结构包括马达；马达与位置可调的色散元件连接；马达用于带动位置可调的色散元件运动。
一些实施例中，光机包括显示器及准直元件，显示器出射的光经准直元件准直后得到图像光。如此，使得进入调节组件的各个光角度相同。
一些实施例中，头戴式显示设备包括框架及安装于框架上的两个显示模组；每个显示模组包括一个光机、一个衍射光波导以及一个调节组件；两个显示模组包括的衍射光波导分别对应用户的两只眼睛。
附图说明
图1为现有的头戴式显示设备的结构示意图。
图2为本申请一实施例的头戴式显示设备的结构示意图。
图3为图2中显示模组的结构示意图。
图4为图3所示的显示模组中，第一色光和第二色光在第一色散元件和第二色散元件中传播的光路示意图。
图5为图3所示的显示模组中，补偿量Y与间隔X之间的关系示意图。
图6为本申请另一实施例的头戴式显示设备的显示模组的结构示意图。
图7为光经图6所示的第一色散元件后，偏转角与楔角、入射角、出射角的关系示意图。
图8为图6所示的显示模组中，第一色光和第二色光在第一色散元件和第二色散元件中传播的光路示意图。
图9为图6所示的显示模组中，补偿量Y与间隔X之间的关系示意图。
图10为本申请又一实施例的头戴式显示设备的显示模组的结构示意图。
图11为图10所示的显示模组中，第一色光和第二色光在第一色散元件和第二色散元件中传播的光路示意图。
图12为图10所示的显示模组中，补偿量Y与间隔X之间的关系示意图。
图13为本申请再一实施例的头戴式显示设备的显示模组的结构示意图。
图14为光经图13所示的第一色散元件后，偏转角与楔角、入射角、出射角的关系示意图。
图15为图13所示的显示模组中，第一色光和第二色光在第一色散元件和第二色散元件中传播的光路示意图。
图16为图13所示的显示模组中，补偿量Y与间隔X之间的关系示意图。
主要元件符号说明：
头戴式显示设备 100、1
显示模组 10a、10b、10c、10d
光机 11、2
显示器 111
第一准直元件 1121
第二准直元件 1122
调节组件 12a、12b、12c、12d
第一色散元件 121a、121b、121c、121d
出光面 1211
第二色散元件 122a、122b、122c、122d
入光面 1221
衍射光波导 13、3
基底 131、4
耦入光栅 132、5
耦出光栅 133、6
第一边界 1321
第二边界 1331
图像光 L
第一色光 L1
第二色光 L2
第三色光 L3
红光 R
绿光 G
蓝光 B
框架 20
第一镜框 21
第二镜框 22
第一镜腿 23
第二镜腿 24
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
图1为现有的头戴式显示设备的结构示意图。如图1所示，头戴式显示设备1包括光机2和衍射光波导3。衍射光波导3包括基底4和间隔设置于基底4表面的耦入光栅5和耦出光栅6。光机2出射的图像光L在耦入光栅5处进入基底4，在基底4中经过全反射传播后，在耦出光栅6处进入人眼。现有的头戴式显示设备1中，红光R、绿光G和蓝光B在耦入光栅5的相同位置处耦入衍射光波导3。而根据衍射定律，衍射角和衍射效率随着波长变化而发生改变。因此，在耦出光栅6处，不同波长的红光R、绿光G和蓝光B离开衍射光波导3时的出射点的空间位置不同。导致进入人眼中的图像中颜色出现分离，因此最终显示在人眼中的画面存在严重的色散现象，降低了画面显示质量，也给用户造成了严重的不良体验。
本申请实施例提供一种头戴式显示设备。头戴式显示设备包括光机、衍射光波导以及调节组件。其中，光机用于出射图像光。衍射光波导包括用于耦入光线的耦入光栅和用于耦出光线的耦出光栅。调节组件位于光机的出光侧。调节组件用于将图像光转化为空间错位的不同颜色的光，并使空间错位的不同颜色的光自耦入光栅耦入衍射光波导后，在耦出光栅的特定出瞳位置处以空间重合的状态耦出衍射光波导。本申请实施例的头戴式显示设备，通过设置调节组件，使不同颜色的光在进入耦入光栅之前的空间错位，刚好补偿该不同颜色的光耦入衍射光波导后在耦出光栅的特定出瞳位置处之前产生的空间错位，进而使该不同颜色的光在耦出光栅的特定出瞳位置处，以空间重合的状态耦出衍射光波导。如此，通过设置调节组件可以矫正衍射光波导中的色散现象，提升显示质量。
此外，增强现实(Augmented Reality，AR)技术，是指透过光机(也称投影机)的影像的位置及角度精算并加上图像分析技术，让屏幕上的虚拟场景能够与现实世界的真实场景进行结合与互动的技术。本申请一些实施例中，头戴式显示设备也可以为AR显示设备，以向用户提供增强现实内容，通过AR技术将虚拟世界和现实世界相结合，给用户全新的交互体验。本申请一些实施例中，头戴式显示设备可配置为眼镜的形态(如AR眼镜)，也可配置为头盔或护目镜的形态，在此不做限制。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
图2为本申请一实施例的头戴式显示设备的结构示意图。如图2所示，该头戴式显示设备100被配置为眼镜的形态。头戴式显示设备100包括框架20及安装于框架20上的两个显示模组10a。具体地，框架20包括分别对应人的右眼和左眼的第一镜框21和第二镜框22、以及分别连接第一镜框21和第二镜框22的第一镜腿23和第二镜腿24。
显示模组10a包括光机11、衍射光波导13和调节组件12a。其中，第一镜腿23和第二镜腿24上均设置有光机11和调节组件12a。第一镜框21和第二镜框22上分别安装有一个衍射光波导13。
衍射光波导13为透明的，能够直接透射真实世界的光线，因此，用户能够透过衍射光波导13看清真实世界中的真实图像。进一步地，光机11用于出射图像光，以通过衍射光波导13向使用者提供虚拟图像。当用户佩戴头戴式显示设备100时，第一镜框21和第二镜框22上的两个衍射光波导13分别对应用户的两只眼睛，头戴式显示设备100能够将虚拟图像与真实世界相叠加，让用户看到真实图像与虚拟图像结合的图像，达到超越现实的感官体验。
其他实施例中，头戴式显示设备可被配置为头盔的形态，或者护目镜的形态时，其还相应的包括使用户佩戴在头部的框架。该种情况下，光机及调节组件可安装在框架上，在此不做赘述。
图3为图2中显示模组的结构示意图。如图3所示，调节组件12a位于光机11的出光侧。光机11出射的图像光L经调节组件12a后转化为空间错位的不同颜色的光(即，第一色光L1、第二色光L2、第三色光L3)。
衍射光波导13包括透明的基底131及间隔设置于基底131的同一表面的耦入光栅132和耦出光栅133。基底131材质例如为玻璃或塑料。耦入光栅132用于将光耦入衍射光波导13中，衍射光波导13上耦入光栅132所在的区域也称耦入区。耦出光栅133用于将光耦出衍射光波导13，衍射光波导13上耦出光栅133所在的区域也称耦出区。空间错位的不同颜色的光自耦入光栅132耦入衍射光波导13后，在耦出光栅133的特定出瞳位置处以空间重合的状态耦出衍射光波导13，并入射至人眼中。
需要说明的是，扩瞳次数指光在耦出光栅的区域经全反射的次数。不同扩瞳次数的光同时进入用户的眼睛，但是对于具有不同的双眼瞳距的用户，其能够看到图像的最佳位置经历的扩瞳次数不同。例如，对于用户A扩瞳1次出射的图像观看最佳，而用户B扩瞳次数2次出射的图像观看最佳，那么对于用户A而言，耦出光栅的特定出瞳位置处为扩瞳次数为1次的位置处，用户A在佩戴头戴式显示设备时，其需要通过调节组件调整不同颜色的光在耦入光栅处的空间错位的量，使不同颜色的光经历扩瞳次数为1次时，出射的图像没有色散。而对于用户B而言，耦出光栅的特定出瞳位置处为扩瞳次数为2次的位置处，用户B在佩戴头戴式显示设备时，其需要通过调节组件调整不同颜色的光在耦入光栅处的空间错位的量，使不同颜色的光经历扩瞳次数为2次时，出射得到图像没有色散。
该显示模组10a中，由于不同颜色的光在进入耦入光栅132之前的空间错位，刚好能够补偿该不同颜色的光耦入衍射光波导13后在耦出光栅133的特定出瞳位置处之前产生的空间错位，进而该不同颜色的光在耦出光栅133的特定出瞳位置处，以空间重合的状态耦出衍射光波导13。如此，通过设置调节组件12a可以矫正衍射光波导13中的色散现象，提升显示质量。
请继续参阅图3，光机11包括显示器111、第一准直元件1121和第二准直元件1122。显示器111出射的光经第一准直元件1121和第二准直元件1122准直为平面波前，得到准直的图像光L。如此，使得进入调节组件12a的各个光角度相同。
显示器111例如为有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示器、微型无机发光二极管(Micro Light-Emitting Diode，Micro LED)显示器、液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)显示器、数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device，DMD)和激光束扫描仪(Laser BeamScanning，LBS)中的任意一种。显示器111出射的光为可见光，其包括多个波段的不同颜色的光(例如，红光、绿光和蓝光)。第一准直元件1121和第二准直元件1122例如为准直透镜。
调节组件12a包括间隔设置的第一色散元件121a和第二色散元件122a。第一色散元件121a位于光机11的出光侧。图像光L依次经第一色散元件121a和第二色散元件122a后转化为空间错位的不同颜色的光。
具体地，第一色散元件121a和第二色散元件122a至少其中之一为位置可调的色散元件。通过调整第一色散元件121a和第二色散元件122a中位置可调的那个色散元件，能够调整图像光L经第一色散元件121a和第二色散元件122a后出射的不同颜色光在耦入光栅132处的空间错位的量，使得该空间错位的量能够恰好补偿该不同颜色的光在衍射光波导13中经特定扩瞳次数出射至人眼时的空间错位的量，进而矫正色散现象。
第一色散元件121a和第二色散元件122a能够对同一波长的光引起大小相同、方向相反的色散。即，对于同一波长的光，其入射至第一色散元件121a和第二色散元件122a后的光线偏转的角度大小相同，方向相反。例如，同一波长的入射光经第一色散元件121a后，该入射光顺时针偏转γ度，而同一波长的入射光经第一色散元件121a后，该入射光逆时针偏转γ度。如此，图像光L经第一色散元件121a后发生特定角度的偏转后，经第二色散元件122a再次发生方向相反的特定角度的偏转，使得图像光L经第一色散元件121a、第二色散元件122a偏转后出射的光与图像光L平行出射。
第一色散元件121a和第二色散元件122a可为光栅周期相同的透射光栅。
请继续参阅图3，光机11出射的图像光L垂直衍射光波导13的方向出射。如此，图像光L经第一色散元件121a后被色散为空间上偏转角不同且颜色不同的多个光束。该空间上偏转角不同且颜色不同的多个光束经第二色散元件122a后，再次偏转并产生与第一色散元件121a大小相同、方向相反的色散。如此，该空间上偏转角不同且颜色不同的多个光束经第二色散元件122a后被转化为空间上平行于图像光L且彼此间隔的不同颜色的光束。该空间上平行且彼此间隔的光束垂直耦入衍射光栅中。
由于图像光L经调节组件12a转化后垂直入射至衍射光波导13中，能够减少入射光在衍射光波导13中光损失，提高显示模组10a的光效。其他实施例中，于图像光L经调节组件12a转化后也可以为非垂直入射至衍射光波导13的，在此不做限制。
具体地，第一色光L1、第二色光L2、第三色光L3分别为蓝光、绿光和红光。红光波段例如为635nm至680nm。绿光波段例如为520nm至560nm，蓝光波段例如为450nm至490nm。其他实施例中，图像光L经第一色散元件121a后被色散为两种或大于三种颜色的光，在此不做限制。
请继续参阅图3，基底131的厚度为T，耦入光栅132包括靠近耦出光栅133的第一边界1321，耦出光栅133包括靠近耦入光栅132的第二边界1331。耦入光栅132的边界和耦出光栅133的边界的最小距离第一边界1321和第二边界1331之间的距离S。
根据衍射公式：
n1sinθi-n2sinθm＝mλ/d(公式一)；
公式一中，n1和n2分别为空气和衍射光波导的基底的折射率，θi是入射角，θm是衍射角，m是衍射级次(m为整数，例如，0、±1、±2等)，λ是入射光的波长，d是衍射光栅的光栅周期(又称光栅常数)；已知第一色光L1的波长、第二色光L2的波长、基底131的折射率、耦入光栅132的光栅周期，可以计算出第一色光L1的衍射角和第二色光L2的衍射角。
定义耦入光在衍射光波导中两次相邻的全反射位置之间的距离为全反射周期长度。
当第一色光L1和第二色光L2垂直入射至衍射光波导13时，入射角为零。
根据图3中的几何关系，θm1和θm2分别为第一色光L1和第二色光L2的衍射角。
第一色光L1在衍射光波导13中的全反射周期长度D1为：
D1＝2Ttanθm1(公式二)。
第二色光L2在衍射光波导13中的全反射周期长度D2为：
D2＝2Ttanθm2(公式三)。
其中，S为D1的正整数倍，同时，S为D2的正整数倍。如此，第一色光L1和第二色光L2在第一边界1321和第二边界1331之间均具有整数个传播周期，使得第一色光L1和第二色光L2在基底131中多次全反射传播后，在第一边界1321和第二边界1331处的空间错位相同。
为简化模型，使从第二色散元件122a出射的第一色光L1和第二色光L2与入射到第一色散元件121a的图像光L平行，第一色散元件121a和第二色散元件122a的光栅周期相同，且第一色散元件121a和第二色散元件122a呈中心对称放置。第一色散元件121a的出光面1211与第二色散元件122a的入光面1221平行设置。第一色散元件121a的出光面1211与第二色散元件122a的入光面1221之间的距离为X(以下也称间隔X)。在耦入光栅132处，第一色光L1和第二色光L2垂直于光轴方向的距离为Y(以下也称补偿量Y)。定义图像光L在特定出瞳位置处出瞳时所经历的扩瞳次数为N，N为大于等于零的整数。以下结合图4说明间隔X、补偿量Y及扩瞳次数N之间的关系。
如图4所示，图像光L垂直入射至第一色散元件121a后被色散为偏转角分别为β1和β2的第一色光L1和第二色光L2。偏转角分别为β1和β2的第一色光L1和第二色光L2经第二色散元件122a后，再次发生衍射色散，得到空间上平行且彼此间隔的第一色光L1和第二色光L2。该空间上平行且彼此间隔的第一色光L1和第二色光L2与图像光L平行。
根据图4中的几何关系，得到：
Y＝X|tanβ1-tanβ2|＝k1×X(公式四)。
其中，入射光的波长一定的情况下，β1和β2为与第一色散元件121a的光学特性(如第一色散元件121a的衍射级数和光栅周期)有关的常数。因此，Y与X呈线性关系。
参图5所示，补偿量Y与间隔X呈线性相关的，其斜率k1为|tanβ1-tanβ2|。
进一步地，若使该补偿量Y刚好能够补偿第一色光L1和第二色光L2耦入衍射光波导13后，在耦出光栅133的特定出瞳位置处(扩瞳次数N处)之前产生的空间错位，需要满足该补偿量Y等于第一色光L1和第二色光L2在耦入光栅132的边界和耦出光栅133的边界的最小距离S内及耦出光栅133的扩瞳次数N处的空间错位之和。
由于S为D1和D2的正整数倍，第一色光L1和第二色光L2在第一边界1321和第二边界1331之间均具有整数个传播周期，使得第一色光L1和第二色光L2在基底131中多次全反射传播后，在第一边界1321和第二边界1331处的空间错位相同。因此，需要满足该补偿量Y等于第一色光L1和第二色光L2在耦出光栅133处经扩瞳次数N产生的空间错位。
即：Y＝N×|D1-D2|(公式五)。
当波长为λ1的第一色光L1和波长为λ2的第二色光L2垂直入射至耦入光栅132时，入射角θi为零。
结合公式一、公式二、公式三、公式五得到：
Y＝2TN|tan[arcsin(mλ1/dn2)]-tan[arcsin(mλ2/dn2)]|(公式六)。
公式六中，m、λ1、λ2、d、n2均为常数。因此，补偿量Y与扩瞳次数N呈线性关系。
结合公式四和公式六得到：
X＝2TN|tan[arcsin(mλ1/dn2)]-tan[arcsin(mλ2/dn2)]|/|tanβ1-tanβ2|(公式七)。
公式七中，T、m、λ1、d、n2、λ2、β1、β2均为常数。因此，X与N呈线性关系。
由此可知，扩瞳次数N与第一色散元件121a和第二色散元件122a之间的距离X具有线性关系。对应于不同的扩瞳次数N，第一色散元件121a和第二色散元件122a之间的距离X是确定的。因此，通过调节第一色散元件121a和第二色散元件122a之间的间隔X的值，使不同颜色的光在耦入光栅132处得到的补偿量Y能够弥补，该不同颜色的光在衍射光波导13中传播的空间错位，使其经特定的扩瞳次数N后，以空间重合的状态耦出至人眼。
具体地，调节组件12a还包括位置调节结构(图未示)。第一色散元件121a和第二色散元件122a中至少其一为位置可调的色散元件。位置调节结构与位置可调的色散元件连接。位置调节结构能够使位置可调的色散元件发生以下运动方式中的一者或多者，运动方式包括平移、旋转和摆动。位置调节结构可与第一色散元件121a和第二色散元件122a中的一个或两个连接，以带动与其连接的第一色散元件121a或第二色散元件122a沿光轴方向平移，来调节间隔X的值，来实现调整补偿量Y的目的。
可选地，位置调节结构可通过带动第一色散元件121a和第二色散元件122a中位置可调的色散元件旋转或摆动来达到调整补偿量Y的目的。可选地，位置调节结构可带动第一色散元件121a和第二色散元件122a中位置可调的色散元件发生平移、旋转和摆动等运动方式的组合，来实现调整补偿量Y的目的。
具体地，用户能够通过位置调节结构手动地或电动地使位置可调的色散元件发生运动。头戴式显示设备100包括控制器。位置调节结构包括手动位移台和/或与控制器电性连接地电动位移台。头戴式显示设备100被配置为AR眼镜形态时，手动位移台或电动位移台可位于AR眼镜的镜腿位置。其他实施例中，头戴式显示设备被配置为头盔式显示设备的形态时，手动位移台或电动位移台可位于头盔式显示设备的框架的任意位置。电动位移台包括电性连接控制器的马达。马达与位置可调的色散元件连接。马达用于在控制器的控制下驱动位置可调的色散元件运动。
控制器例如设置有手动和电动两种模式。手动模式下，用户可手动调节手动位移台，使手动位移台带动可调的色散元件运动。电动模式下用户可向控制器发生指令，使控制器控制马达带动可调的色散元件运动。
需说明的是，上述实施例中，为简化模型，设置S为D1的正整数倍，S为D2的正整数倍；第一色散元件和第二色散元件为光栅周期相同的透射光栅，并呈中心对称放置；本领域技术人员可知，当S不是D1或D2的正整数倍，第一色散元件和第二色散元件的光栅周期不同的透射光栅时，通过调整第一色散元件和第二色散元件的位置，获得不同颜色的光在耦入光栅处的空间错位(即补偿量)，使该补偿量补偿不同颜色的光因在衍射光波导中传播产生的空间错位，进而在耦出光栅的特定出瞳位置处以空间重合的状态耦出衍射光波导。
图6为本申请另一实施例的头戴式显示设备的显示模组的结构示意图。显示模组10b与图3所示的显示模组10a的区别在于；调节组件12b中，第一色散元件121b和第二色散元件122b为透射棱镜。
为简化模型，使从第二色散元件122b出射的第一色光L1和第二色光L2与入射到第一色散元件121b的图像光L平行，第一色散元件121b和第二色散元件122b的楔角、折射率和阿贝数(Abbe number)分别相同，且第一色散元件121b和第二色散元件122b呈中心对称放置。第一色散元件121b的出光面1211与第二色散元件122b的入光面1221平行设置。第一色散元件121b的出光面1211与第二色散元件122b的入光面1221之间的距离为X(以下也称间隔X)。在耦入光栅132处，第一色光L1和第二色光L2垂直于光轴方向的距离为Y(以下也称补偿量Y)。阿贝数用来衡量介质的光线色散程度的光学参数。通常，光线色散程度越大，阿贝数越小；反之光线色散程度越小，阿贝数越大。
如图7所示，第一色散元件121b的楔角为α1，光以入射角θ1入射至第一色散元件121b后，在入光面上的折射角为θ1 ’，在出光面上的入射角为θ2，在出光面上的出射角为θ2 ’，偏转角为δ。
光经第一色散元件121b的偏转角δ可由公式八计算得到。
Figure BDA0003588013750000091
公式八中，α1为第一色散元件121b的楔角，θ1为光在第一色散元件121b上的入射角，θ1 ’为光在第一色散元件121b的入光面上的折射角，θ2为光在第一色散元件121b的出光面上的入射角，θ2 ’为光线在第一色散元件121b上的出射角，n(λ)为第一色散元件121b对波长为λ光线的折射率。其中，当透射棱镜的楔角、折射率和阿贝数一定时，偏转角δ与入射光的波长有关。
如图8所示，入射角为θ1的图像光L经第一色散元件121b后被色散为偏转角分别为β3和β4的第一色光L1和第二色光L2。偏转角分别为β3和β4的第一色光L1和第二色光L2经第二色散元件122b后，再次发生折射色散。由于第一色散元件121b和第二色散元件122b的楔角、折射率和阿贝数分别相同，第一色散元件121b和第二色散元件122b呈中心对称放置。因此，第一色光L1和第二色光L2都以θ1出射(即平行于图像光L出射)。
根据图8中的几何关系，得到：
Y＝X|tanβ3-tanβ4|＝k2×X(公式九)。
其中，入射光的波长一定的情况下，β3和β4为与第一色散元件121b的光学特性(如，第一色散元件121b的楔角、折射率和阿贝数)有关的常数。因此，Y与X呈线性关系。
参图9所示，补偿量Y与间隔X呈线性相关的，其斜率k2为|tanβ3-tanβ4|。
进一步地，若使该补偿量Y刚好能够补偿第一色光L1和第二色光L2耦入衍射光波导13后，在耦出光栅133的特定出瞳位置处(扩瞳次数N处)之前产生的空间错位，需要满足该补偿量Y满足公式六。
结合公式九和公式六得到：
X＝2TN|tan[arcsin(mλ1/dn2)]-tan[arcsin(mλ2/dn2)]|/|tanβ3-tanβ4|(公式十)。
公式十中，T、m、λ1、d、n2、λ2、β3、β4均为常数。因此，X与N呈线性关系。
由此可知，扩瞳次数N与第一色散元件121b和第二色散元件122b之间的距离X具有线性关系。对应于不同的扩瞳次数N，第一色散元件121b和第二色散元件122b之间的距离X是确定的。因此，通过调节第一色散元件121b和第二色散元件122b之间的间隔X的值，使不同颜色的光在耦入光栅132处得到的补偿量Y能够弥补，该不同颜色的光在衍射光波导13中传播的空间错位，使其经特定的扩瞳次数N后，以空间重合的状态耦出至人眼。
同理，调节组件12b还可包括与上述调节组件12a相同的位置调节结构，以调节第一色散元件121b和第二色散元件122b中位置可调的色散元件，在此不做赘述。
同样需要说明的是，上述实施例中，为简化模型，设置S为D1的正整数倍，S为D2的正整数倍；第一色散元件和第二色散元件为楔角、折射率和阿贝数分别相同的透射棱镜，并呈中心对称放置；本领域技术人员可知，当S不是D1或D2的正整数倍，第一色散元件和第二色散元件为楔角不同、或折射率不同、或阿贝数不同的透射棱镜时，通过调整第一色散元件和第二色散元件的位置，获得不同颜色的光在耦入光栅处的空间错位(即补偿量)，使该补偿量补偿不同颜色的光因在衍射光波导中传播产生的空间错位，进而在耦出光栅的特定出瞳位置处以空间重合的状态耦出衍射光波导。
图10为本申请又一实施例的头戴式显示设备的显示模组的结构示意图。显示模组10c与图3所示的显示模组10a的区别在于；调节组件12c中，第一色散元件121c和第二色散元件122c为反射光栅。
为简化模型，使从第二色散元件122c出射的第一色光L1和第二色光L2与入射到第一色散元件121c的图像光L平行，第一色散元件121c和第二色散元件122c的光栅周期相同，且第一色散元件121c和第二色散元件122c呈中心对称放置。第一色散元件121c的出光面1211与第二色散元件122c的入光面1221平行设置。第一色散元件121c的出光面1211与第二色散元件122c的入光面1221之间的距离为X(以下也称间隔X)。在耦入光栅132处，第一色光L1和第二色光L2垂直于光轴方向的距离为Y(以下也称补偿量Y)。
如图11所示，图像光L入射至第一色散元件121c后被衍射色散为偏转角分别为β5和β6的第一色光L1和第二色光L2。偏转角分别为β5和β6的第一色光L1和第二色光L2经第二色散元件122c后，分别再次衍射色散。由于第一色散元件121c和第二色散元件122c的光栅周期相同，第一色散元件121c和第二色散元件122c呈中心对称放置。偏转角分别为β5和β6的第一色光L1和第二色光L2经第二色散元件122c后，得到空间上平行且彼此间隔的第一色光L1和第二色光L2。其中，该空间上平行且彼此间隔的第一色光L1和第二色光L2与图像光L平行。
根据图11中的几何关系，得到：
Y≈X|tanβ5-tanβ6|＝k3×X(公式十一)。
其中，入射光的波长一定的情况下，β5和β6与第一色散元件121c的光学特性(如第一色散元件121c的衍射级次和光栅周期)有关的常数。因此，Y与X呈线性关系。
参图12所示，补偿量Y与间隔X呈线性相关的，其斜率k3为|tanβ5-tanβ6|。
进一步地，若使该补偿量Y刚好能够补偿第一色光L1和第二色光L2耦入衍射光波导13后，在耦出光栅133的特定出瞳位置处(扩瞳次数N处)之前产生的空间错位，需要满足该补偿量Y满足公式六。
结合公式十一和公式六得到：
X＝2TN|tan[arcsin(mλ1/dn2)]-tan[arcsin(mλ2/dn2)]|/|tanβ5-tanβ6|(公式十二)。
公式十二中，T、m、λ1、d、n2、λ2、β5、β6均为常数。因此，X与N呈线性关系。
由此可知，扩瞳次数N与第一色散元件121c和第二色散元件122c之间的距离X具有线性关系。对应于不同的扩瞳次数N，第一色散元件121c和第二色散元件122c之间的距离X是确定的。因此，通过调节第一色散元件121c和第二色散元件122c之间的间隔X的值，使不同颜色的光在耦入光栅132处得到的补偿量Y能够弥补，该不同颜色的光在衍射光波导13中传播的空间错位，使其经特定的扩瞳次数N后，以空间重合的状态耦出至人眼。
同理，调节组件12c还可包括与上述调节组件12a相同的位置调节结构，以调节第一色散元件121c和第二色散元件122c中位置可调的色散元件，在此不做赘述。
同样需要说明的是，上述实施例中，为简化模型，设置S为D1的正整数倍，S为D2的正整数倍；第一色散元件和第二色散元件为光栅周期相同的反射光栅，并呈中心对称放置；本领域技术人员可知，当S不是D1或D2的正整数倍，第一色散元件和第二色散元件为光栅周期不同的反射光栅时，通过调整第一色散元件和第二色散元件的位置，获得不同颜色的光在耦入光栅处的空间错位(即补偿量)，使该补偿量补偿不同颜色的光因在衍射光波导中传播产生的空间错位，进而在耦出光栅的特定出瞳位置处以空间重合的状态耦出衍射光波导。
图13为本申请再一实施例的头戴式显示设备的显示模组的结构示意图。显示模组10d与图3所示的显示模组10a的区别在于；调节组件12d中，第一色散元件121d和第二色散元件122d为反射棱镜。
为简化模型，使从第二色散元件122d出射的第一色光L1和第二色光L2与入射到第一色散元件121d的图像光L平行，第一色散元件121d和第二色散元件122d的楔角、折射率和阿贝数分别相同，且第一色散元件121d和第二色散元件122d呈中心对称放置。第一色散元件121d的出光面1211与第二色散元件122d的入光面1221平行设置。第一色散元件121d的出光面1211与第二色散元件122d的入光面1221之间的距离为X(以下也称间隔X)。在耦入光栅132处，第一色光L1和第二色光L2垂直于光轴方向的距离为Y(以下也称补偿量Y)。
如图14所示，第一色散元件121d的楔角为α3，光以入射角θ1入射至第一色散元件121d后，在入光面上的折射角为θ1 ’，在出光面上的入射角为θ2，在出光面上的出射角为θ2 ’，偏转角为δ。
光经第一色散元件121d的偏转角δ可由公式十三计算得到：
Figure BDA0003588013750000111
公式十三中，α3为第一色散元件121d的楔角，θ1为光在第一色散元件121d上的入射角，θ1 ’为光在第一色散元件121d的入光面上的折射角，θ2为光在第一色散元件121d的出光面上的入射角，θ2 ’为光线在第一色散元件121d上的出射角，n(λ)为第一色散元件121d对波长为λ光线的折射率。其中，当反射棱镜的楔角、折射率和阿贝数一定时，偏转角δ与入射光的波长。
如图15所示，入射角为θ1的图像光L经第一色散元件121d后被色散为偏转角分别为β7和β8的第一色光L1和第二色光L2。偏转角分别为β7和β8的第一色光L1和第二色光L2经第二色散元件122d后，再次发生折射色散。由于第一色散元件121d和第二色散元件122d的楔角、折射率和阿贝数分别相同，第一色散元件121d和第二色散元件122d呈中心对称放置。因此，第一色光L1和第二色光L2都将以θ1出射(即平行于图像光L出射)。
根据图15中的几何关系，得到：
Y≈X|tanβ7-tanβ8|＝k4×X(公式十四)。
其中，入射光的波长一定的情况下，β7和β8为与第一色散元件121d的光学特性(如，第一色散元件121d的楔角、折射率和阿贝数)有关的常数。因此，Y与X呈线性关系。
参图16所示，补偿量Y与间隔X呈线性相关的，其斜率k4为|tanβ7-tanβ8|。
进一步地，若使该补偿量Y刚好能够补偿第一色光L1和第二色光L2耦入衍射光波导13后，在耦出光栅133的特定出瞳位置处(扩瞳次数N处)之前产生的空间错位，需要满足该补偿量Y满足公式六。
结合公式十四和公式六得到：
X＝2TN|tan[arcsin(mλ1/dn2)]-tan[arcsin(mλ2/dn2)]|/|tanβ7-tanβ8|(公式十五)。
公式十五中，T、m、λ1、d、n2、λ2、β7、β8均为常数。因此，X与N呈线性关系。
由此可知，扩瞳次数N与第一色散元件121d和第二色散元件122d之间的距离X具有线性关系。对应于不同的扩瞳次数N，第一色散元件121d和第二色散元件122d之间的距离X是确定的。因此，通过调节第一色散元件121d和第二色散元件122d之间的间隔X的值，使不同颜色的光在耦入光栅132处得到的补偿量Y能够弥补，该不同颜色的光在衍射光波导13中传播的空间错位，使其经特定的扩瞳次数N后，以空间重合的状态耦出至人眼。
同理，调节组件12d还可包括与上述调节组件12a相同的位置调节结构，以调节第一色散元件121d和第二色散元件122d中位置可调的色散元件，在此不做赘述。
同样需要说明的是，上述实施例中，为简化模型，设置S为D1的正整数倍，S为D2的正整数倍；第一色散元件和第二色散元件为楔角、折射率和阿贝数分别相同的反射棱镜，并呈中心对称放置；本领域技术人员可知，当S不是D1或D2的正整数倍，第一色散元件和第二色散元件为楔角不同、或折射率不同、或阿贝数不同的反射棱镜时，通过调整第一色散元件和第二色散元件的位置，获得不同颜色的光在耦入光栅处的空间错位(即补偿量)，使该补偿量补偿不同颜色的光因在衍射光波导中传播产生的空间错位，进而在耦出光栅的特定出瞳位置处以空间重合的状态耦出衍射光波导。
进一步地，为简化模型，调节组件12a、调节组件12b、调节组件12c、调节组件12d中，第一色散元件和第二色散元件均为同类型的色散元件。其他实施例中，第一色散元件为透射棱镜、透射光栅、反射棱镜和反射光栅的其中之一；第二色散元件为透射棱镜、透射光栅、反射棱镜和反射光栅的其中之一，第一色散元件和第二色散元件可配置为不同类型的色散元件。例如，第一色散元件和第二色散元被配置为一个为透射棱镜，另一个为透射光栅。或者第一色散元件和第二色散元被配置为一个为反射棱镜，另一个为反射光栅。其中，当第一色散元件和第二色散元件的元件类型及参数完全一致时，便于光路设计，利于计算不同颜色光经第一色散元件及第二色散元件的偏转量。
以下结合具体数值进行说明。
实施例一：
第一色光L1为蓝光(以下也称B光)，其波长λ1为455nm。第二色光L2为绿光(以下也称G光)，其波长λ2为550nm。衍射光波导13的基底131的折射率n2为1.8，基底131的厚度T为0.5mm。耦入光栅132和耦出光栅133的光栅周期相同，均为400nm。第一色光L1和第二色光L2均垂直入射至耦入光栅132。
根据公式一，G光的衍射角为49.81deg，B光的衍射角为39.19deg。
根据公式二，G光的全反射周期长度为1.184mm，B光的全反射周期长度为0.81mm。
耦入光栅132的边界和耦出光栅133的边界的最小距离S为15.39mm。其中，15.39mm＝1.184mm×19＝0.81mm×13。
如果不进行补偿，对应扩瞳次数N为0、1、2、3、4，G光和B光之间的位置差依次为0、0.37mm、0.74mm、1.11mm、1.48mm。
为使从耦出区特定的出瞳位置处，G光和B光重合，显示模组10a中，第一色散元件121a和第二色散元件122a均为透射光栅，透射光栅的光栅周期均为1000nm，光经第二色散元件122a的衍射级次m2与其经第一色散元件121a时衍射级次m1的相反数(即，m2＝-m1)。衍射级次m2和m1分别为正负1。第一色散元件121a和第二色散元件122a中心对称放置。计算得到扩瞳次数N、间隔X与补偿量Y的关系为：对应扩瞳次数N为0、1、2、3、4，间隔X依次为NA、2.15mm、4.53mm、6.92mm、9.31mm，补偿量Y依次为0、0.37mm、0.74mm、1.11mm、1.48mm。
实施例二
第一色光L1的波长λ1、第二色光L2的波长λ2、基底131的折射率n2、基底131的厚度T、耦入光栅132的光栅周期、耦出光栅133的光栅周期、耦入光栅132的边界和耦出光栅133的边界的最小距离S、第一色光L1和第二色光L2入射至耦入光栅132的入射角均与实施例一相同。因此，实施例二中，如果不进行补偿，对应扩瞳次数N为0、1、2、3、4，G光和B光之间的位置差与实施例一相同，依次为0、0.37mm、0.74mm、1.11mm、1.48mm。
为使从耦出区特定的出瞳位置处，G光和B光重合。显示模组10b中，第一色散元件121b和第二色散元件122a均为透射棱镜，透射棱镜的楔角均为45°。计算得到扩瞳次数N、间隔X与补偿量Y的关系为：对应扩瞳次数N为0、1、2、3、4，间隔X依次为NA、10.78mm、22.10mm、33.42mm、44.74mm，补偿量Y依次为0、0.37mm、0.74mm、1.11mm、1.48mm。
实施例三
第一色光L1的波长λ1、第二色光L2的波长λ2、基底131的折射率n2、基底131的厚度T、耦入光栅132的光栅周期、耦出光栅133的光栅周期、耦入光栅132的边界和耦出光栅133的边界的最小距离S、第一色光L1和第二色光L2入射至耦入光栅132的入射角均与实施例一相同。因此，实施例三中，如果不进行补偿，对应扩瞳次数N为0、1、2、3、4，G光和B光之间的位置差与实施例一相同，依次为0、0.37mm、0.74mm、1.11mm、1.48mm。
为使从耦出区特定的出瞳位置处，G光和B光重合。显示模组10c中，第一色散元件121c和第二色散元件122c均为反射光栅，光栅周期为1000nm，与光轴倾斜角度为15°。计算得到扩瞳次数N、间隔X与补偿量Y的关系为：对应扩瞳次数N为0、1、2、3、4，间隔X依次为NA、0.63mm、1.26mm、1.90mm、2.53mm，补偿量Y依次为0、0.37mm、0.74mm、1.11mm、1.48mm。
实施例四
第一色光L1的波长λ1、第二色光L2的波长λ2、基底131的折射率n2、基底131的厚度T、耦入光栅132的光栅周期、耦出光栅133的光栅周期、耦入光栅132的边界和耦出光栅133的边界的最小距离S、第一色光L1和第二色光L2入射至耦入光栅132的入射角均与实施例一相同。因此，实施例四中，如果不进行补偿，对应扩瞳次数N为0、1、2、3、4，G光和B光之间的位置差与实施例一相同，依次为0、0.37mm、0.74mm、1.11mm、1.48mm。
为使从耦出区特定的出瞳位置处，G光和B光重合。显示模组10d中，第一色散元件121d和第二色散元件122d均为楔角为45°的反射棱镜。计算得到扩瞳次数N、间隔X与补偿量Y的关系为：对应扩瞳次数N为0、1、2、3、4，间隔X依次为NA、5.32mm、7.45mm、9.50mm、11.7mm，补偿量Y依次为0、0.37mm、0.74mm、1.11mm、1.48mm。
本申请实施例的头戴式显示设备，能够实现在衍射光波导中实现不同波长的出射位置相同，提高头戴显示设备的色彩性能。
以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。

Claims (18)

1.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括：
光机，用于出射图像光；
衍射光波导，包括用于耦入光线的耦入光栅和用于耦出光线的耦出光栅；以及
调节组件，位于所述光机的出光侧，用于将所述图像光转化为空间错位的不同颜色的光，并使所述空间错位的不同颜色的光自所述耦入光栅耦入所述衍射光波导后，在所述耦出光栅的特定出瞳位置处以空间重合的状态耦出所述衍射光波导。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述调节组件包括
第一色散元件，位于所述光机的出光侧；以及
第二色散元件，与所述第一色散元件间隔设置；
其中，所述第一色散元件和所述第二色散元件至少其中之一为位置可调的色散元件，所述图像光依次经所述第一色散元件和所述第二色散元件后，转化为所述空间错位的不同颜色的光。
3.根据权利要求2所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述第一色散元件和所述第二色散元件能够对同一波长的光引起大小相同、方向相反的色散。
4.根据权利要求3所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述第一色散元件用于将所述图像光色散为空间上偏转角不同的至少两种颜色的光；所述第二色散元件用于将空间上偏转角不同的所述至少两种颜色的光色散为空间上平行且彼此间隔的至少两种颜色的光。
5.根据权利要求4所述的头戴式显示设备，其特征在于，空间上为平行且彼此间隔的所述至少两种颜色的光垂直入射至所述耦入光栅。
6.根据权利要求5所述的头戴式显示设备，其特征在于，空间上为平行且彼此间隔的所述至少两种颜色的光包括第一色光和第二色光；
定义所述耦入光栅的边界和所述耦出光栅的边界的最小距离为S；
定义所述第一色光和所述第二色光在所述衍射光波导中的全反射周期长度分别为D1和D2；
其中，所述S为所述D1的正整数倍，所述S为所述D2的正整数倍。
7.根据权利要求6所述的头戴式显示设备，其特征在于，定义所述图像光在所述特定出瞳位置处出瞳时所经历的扩瞳次数为N，N为大于等于零的整数；
定义所述耦入光栅处所述第一色光和所述第二色光之间的距离为Y；
其中，所述Y与所述N呈线性关系。
8.根据权利要求7所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述第一色散元件的出光面与所述第二色散元件的入光面平行设置；
定义所述第一色散元件的出光面与所述第二色散元件的入光面之间的距离为X；
其中，所述X与所述N呈线性关系。
9.根据权利要求8所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述第一色散元件为透射光栅、透射棱镜、反射棱镜和反射光栅的其中之一；所述第二色散元件为透射光栅、透射棱镜、反射棱镜和反射光栅的其中之一。
10.根据权利要求9所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述第一色散元件和所述第二色散元件为光栅周期相同的透射光栅，所述第一色散元件和所述第二色散元件呈中心对称放置。
11.根据权利要求9所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述第一色散元件和所述第二色散元件为楔角、折射率和阿贝数分别相同的透射棱镜，所述第一色散元件和所述第二色散元件呈中心对称放置。
12.根据权利要求9所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述第一色散元件和所述第二色散元件为光栅周期相同的反射光栅，所述第一色散元件和所述第二色散元件呈中心对称放置。
13.根据权利要求9所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述第一色散元件和所述第二色散元件为楔角、折射率和阿贝数分别相同的反射棱镜，所述第一色散元件和所述第二色散元件呈中心对称放置。
14.根据权利要求2至13中任意一项所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述调节组件还包括位置调节结构；
所述位置调节结构与所述位置可调的色散元件连接；
所述位置调节结构能够使所述位置可调的色散元件发生以下运动方式中的一者或多者，所述运动方式包括平移、旋转和摆动。
15.根据权利要求14所述的头戴式显示设备，其特征在于，通过所述位置调节结构能够手动地、或电动地使所述位置可调的色散元件发生运动。
16.根据权利要求15所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述位置调节结构包括马达；
所述马达与所述位置可调的色散元件连接；
所述马达用于带动所述位置可调的色散元件运动。
17.根据权利要求16所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述光机包括显示器及准直元件，所述显示器出射的光经所述准直元件准直后得到所述图像光。
18.根据权利要求17所述的头戴式显示设备，其特征在于，所述头戴式显示设备包括框架及安装于所述框架上的两个显示模组；
每个所述显示模组包括一个所述光机、一个所述衍射光波导以及一个所述调节组件；
两个所述显示模组包括的所述衍射光波导分别对应用户的两只眼睛。
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