CN115016126A - 一种二维扩瞳全息波导彩色显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维扩瞳全息波导彩色显示装置，包括像源、波导介质、耦入元件、第一耦出元件和第二耦出元件；波导介质的表面设置耦入元件、第一耦出元件和第二耦出元件；耦入元件、第一耦出元件、第二耦出元件的矢量和不为零；像源射出的光束被耦入元件全反射，在第一耦出元件处进行一种方向的一维扩展，在第二耦出元件处进行另一种方向的二维扩展；耦入元件与一维扩展方向垂直的边长、第一耦出元件与一维扩展方向垂直的边长相等；第一耦出元件与二维扩展方向垂直的边长、第二耦出元件与二维扩展方向垂直的边长相等。本发明既能够将制备难度大大降低，各光栅之间无需保证矢量和为零，又能提供更大、更均匀性的高透过率出瞳扩展成像效果。

Description

一种二维扩瞳全息波导彩色显示装置

技术领域

本发明涉及波导显示装置，具体为一种二维扩瞳全息波导彩色显示装置。

背景技术

近几年来，增强现实（AR）因国际公司Facebook改名为Meta（元宇宙）而引起了极大的轰动，各大公司纷纷入局AR赛道，不断推动AR技术向前发展，有望革新人们未来对信息的获取方式。作为承载无数美好愿景的新型显示技术，AR技术目前在内容、人机交互等方面已经取得了一定的进展，但作为AR技术的核心功能，成像显示效果目前还不能满足人们的使用需求，同时显示系统的体积、重量等方面也进一步限制AR技术迈向大众市场。

作为目前AR领域十分有潜力的技术方案，衍射光波导相较于其它AR技术（如自由曲面、BirdBath等）在成像质量、系统体积和重量方面都有一定的优势。衍射光波导主要由微像源、准直系统和耦合元件组成。微像源发出的光线经过准直系统后在入耦合光栅发生衍射，后以全反射条件在波导介质中传播，在到达出耦合元件后一部分光直接耦出波导进入人眼，其余部分光继续在波导内传播。作为该技术相较于其它近眼显示技术的主要优点，衍射光波导不仅在外观上与普通眼镜相似，同时在成像上还能够打破拉格朗日光学不变式视场角和出瞳尺寸的限制关系，在不减小视场角的条件下，将光束不断地复制与扩展，从而能够实现更大的出瞳范围。

出瞳尺寸作为衍射光波导技术除视场角外的另一个重要显示指标，表征的是在保证能够观看到完整且清晰图像条件下的人眼移动范围。前面提到衍射光波导技术能够打破拉格朗日光学不变式从而实现更大的出瞳，这对于特定形状的像源来说，简单的一维扩瞳结构就能满足使用要求。但对于Micro LED等新型微像源来说，像源入瞳尺寸更小，这就需要设计更加复杂的波导结构来扩大出瞳，在制备上增加了一定的难度。

目前，衍射光波导几种常见的扩瞳方案有“L”型和“Y”型波导结构，其在制备难度和成像质量上各有优缺点。两种波导结构都至少包含三种不同光栅，简单概括为入耦合光栅、中继光栅和出耦合光栅，为消除各光栅带来的色散，这三种光栅的K矢量之和必须为零，要求在光栅制备过程中需要严格控制曝光角度，这将导致制备难度大大增加。在成像质量上，虽然“Y”型波导结构能够提供更加均匀的出瞳效果，但也会导致透过率降低的问题；而“L”型波导结构虽然可以提供更高的透过率，但是其出瞳均匀性和尺寸仍有待提高。

对于波导显示而言，与视场角一样，出瞳尺寸是衡量波导显示性能的重要指标。对于目前小尺寸的微像源入Micro LED等，现有的一维扩瞳结构无法满足使用需求。因此，在不增加系统体积和重量的前提下，如何降低二维扩瞳波导的制备难度，并实现大出瞳、高质量的显示成像效果的问题亟待解决。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种大大降低制备难度、不增加系统体积和重量、同时具有更大、更均匀性的高透过率出瞳扩展成像效果的二维扩瞳全息波导彩色显示装置。

技术方案：本发明所述的一种二维扩瞳全息波导彩色显示装置，包括像源、波导介质、耦入元件、第一耦出元件和第二耦出元件；波导介质的表面设置耦入元件、第一耦出元件和第二耦出元件；耦入元件、第一耦出元件、第二耦出元件的矢量和不为零，实现更大的出瞳尺寸同时降低制备难度；像源射出的光束被耦入元件全反射，在第一耦出元件处进行一种方向的一维扩展，在第二耦出元件处进行另一种方向的二维扩展，并最终入射进入人眼等其他光学系统，实现波导介质的二维扩展成像；耦入元件与一维扩展方向垂直的边长、第一耦出元件与一维扩展方向垂直的边长相等；第一耦出元件与二维扩展方向垂直的边长、第二耦出元件与二维扩展方向垂直的边长相等。

进一步地，波导介质为折射率1.3~2.2的光学玻璃或树脂，形状为矩形体或自由曲面体。

进一步地，像源的光束为单色光或混合光，以实现单色或彩色成像。

为了实现更大的出瞳扩展效果，二维扩瞳全息波导彩色显示装置还包括第三耦出元件，第三耦出元件与第二耦出元件关于第一耦出元件对称设置，第一耦出元件将光束分别传播到具有不同偏振光响应的第二耦出元件、第三耦出元件中，第二耦出元件、第三耦出元件在平行于波导介质的方向上的矢量和为零，能够消除色散。

耦入元件为耦入光栅时，第一耦出元件为第一耦出光栅，第二耦出元件为第二耦出光栅，第三耦出元件为第三耦出光栅。为了实现更加均匀的成像效果，耦入光栅为双层不同偏振光响应的体全息光栅（VHG）、PB相位光栅或偏振体全息光栅（PVG），优选为偏振体全息光栅。耦入光栅形状可以是圆形、正方形或长方形。第一耦出光栅为双层不同偏振光响应的体全息光栅、PB相位光栅或偏振体全息光栅，以将像源光线能量尽可能多的耦入波导介质中，优选为偏振体全息光栅。

耦入元件为半透膜时，第一耦出元件为第一半透膜阵列，第二耦出元件为第二半透膜阵列，第三耦出元件为第三半透膜阵列。半透膜阵列能够将一部分光束衍射出波导介质，剩余光线在波导介质内以全反射条件继续传播。

进一步地，波导介质多层设置时，互相平行且用空气间隔，用于将不同单色光限制在各自的波导介质内传播，能够实现较大视场角的同时避免光栅之间发生串扰。波导介质多层设置时，像源、耦入元件的数量与波导介质的数量相同，耦入元件在与波导介质垂直的方向上不重叠。

工作原理：耦入元件将像源发出的光线导入波导介质中进行全反射传播，第一耦出元件将光线向第一维度扩展，其中一部分光被耦出，另一部分的光继续以全反射条件进行传播，当再次到达第二耦出元件时继续被耦出和复制。经过第一耦出元件扩展后的光线簇将作为第二、第三耦出元件的入射光线向第二维度扩展，实现大出瞳成像效果。由于光线经过第一耦出元件时被耦出，所以耦入元件、耦出元件之间无需要求矢量和为零，依然能够实现无串扰成像。另外第二、第三耦出元件可以设置为将光线向不同的方向进行二维扩展，大大增加了出瞳中心的范围。总的来说，相较于“L”和“Y”二维扩展结构，采用本技术方案具有以下独创性效果：由于二维扩展方向的多样性能够实现更大的出瞳范围；此外，耦合元件之间无需要保证矢量和为零，所以在制备时无需对耦合元件矢量方向进行限制，制备简单，便于实现。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、既能够将制备难度大大降低，各光栅之间无需保证矢量和为零，又能够在不增加系统体积和重量的前提下，提供更大、更均匀性的高透过率出瞳扩展成像效果，推动AR技术的进一步发展；

2、由于出耦合光栅中处人眼观测的区域只有单层光栅，能够实现更高的透过率；

3、能够在进行二维扩展时向多个方向扩展，具有更大的设计自由度和出瞳尺寸；

4、设置多层波导介质，每一层波导介质之间平行且存在空气间隔，将光线限制在各自的波导介质内进行传播，能够实现较大的视场角的同时避免光栅之间的串扰现象；

5、第二耦出元件、第三耦出元件在平行于波导介质的方向上的矢量和为零，有利于消除色散现象。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的光束一维度扩展示意图；

图3是本发明实施例1的光束二维度扩展示意图；

图4是本发明实施例1的光束扩展矢量图；

图5是本发明实施例2的结构示意图；

图6是本发明实施例2的光束扩展矢量图；

图7是本发明实施例2的光束的第一种方向的二维扩展示意图；

图8是本发明实施例2的光束的第一种方向的二维扩展示意图；

图9是本发明实施例2的光束的第一种方向的二维扩展示意图；

图10是本发明实施例3的结构示意图；

图11是本发明实施例4的剖视图；

图12是本发明实施例5的结构示意图；

图13是本发明实施例5的主视图；

图14是本发明实施例6的结构示意图；

图15是本发明实施例6的光束一维度扩展示意图；

图16是本发明实施例6光束一维度扩展主视图；

图17是本发明实施例6的光束扩展示意图。

具体实施方式

以下各实施例中，各层波导介质2的耦入元件3、耦出元件的矢量和不为零。耦入元件3包括耦入元件一301、耦入元件二302、耦入元件三303。耦出元件包括第一耦出元件4、第二耦出元件5、第三耦出元件6、红光耦出元件一401、绿光耦出元件一402、蓝光耦出元件一403、红光耦出元件二501、绿光耦出元件二502、蓝光耦出元件二503、红光耦出元件三601、绿光耦出元件三602、蓝光耦出元件三603。

实施例1

如图1，二维扩瞳全息波导彩色显示装置的波导介质2是具有1.3~2.2折射率的光学玻璃和树脂，形状为矩形体。波导介质2的上表面的一侧设有耦入元件3，另一侧设有紧密连接的第一耦出元件4和第二耦出元件5，下方设有像源1。耦入元件3、第一耦出元件4、第二耦出元件5的矢量和不为零。耦入元件3与一维扩展方向垂直的边长、第一耦出元件4与一维扩展方向垂直的边长相等；第一耦出元件4与二维扩展方向垂直的边长、第二耦出元件5与二维扩展方向垂直的边长相等。一维扩展方向与二维扩展方向不同。像源1的光束为可见光。耦入元件3为正方形的耦入光栅，第一耦出元件4为矩形的第一耦出光栅，第二耦出元件5为矩形的第二耦出光栅。耦入光栅为双层PVG，分别能够对左旋和右旋可见光进行衍射。第一耦出光栅为双层不同偏振光响应的PVG，第二耦出光栅能够对左旋（右旋）圆偏振光响应。波导介质2的厚度为1cm，耦入元件3的厚度为10μm，第一耦出元件4的厚度为10μm，第二耦出元件5的厚度为10μm。

如图2~4，像源1发出的准直光束打到耦入光栅上，然后被以满足全反射条件的传播角度在波导介质2中沿+x方向传播，到达第一耦出光栅后一部分光被衍射，另一部分光以全反射条件继续传播，并在到达第一耦出光栅后被衍射。光束在此传播过程中被不断地衍射和复制形成了光线簇一7，实现了在+x方向的一维出瞳扩展。经过第一耦出光栅衍射形成的光线簇一7作为第二耦出光栅的入射光线，一部分光直接透过第二耦出光栅，另一部分光被以全反射条件在在波导内往-y方向传播，当再次到达第二耦出光栅时，一部分光被衍射出波导，另一部分光仍以全反射条件传播，光束在这个过程中往-y方向上不断地被复制与扩展，最终形成了可入射人眼或其他光学系统的光线簇二8。

在制备时，耦入光栅和第一耦出光栅可以在同一层波导介质2上曝光得到。为了得到双层耦合元件，分别制备不同偏振光响应的波导片，然后进行胶合。另外，无需对曝光光路调整，将第二耦出光栅偏移一定角度进行曝光，最后将带有光栅的波导片封装在一起即可。偏移角度为设计的第一、二维度光线扩展方向的夹角。

本实施例中，矩形体的波导介质2可以替换为自由曲面体的波导介质2。耦入光栅PVG可以替换为VHG或PB相位光栅。第一耦出光栅PVG可以替换为VHG或PB相位光栅。

实施例2

如图5~6，本实施例在实施例1的基础上，在波导介质2的表面增设第三耦出元件6，第三耦出元件6与第二耦出元件5关于第一耦出元件4对称设置，第一耦出元件4将光束分别传播到具有不同偏振光响应的第二耦出元件5、第三耦出元件6中。第二耦出元件5为第二耦出光栅，能够对左旋（右旋）圆偏振光响应；第三耦出元件6为第三耦出光栅，能够对右旋（左旋）圆偏振光响应。第二耦出元件5、第三耦出元件6的大小、厚度均相同。

像源1射出的光束首先经过耦入元件3衍射进入到波导介质2，以全反射条件传播到第一耦出光栅后产生第一维度（x轴方向）扩展。扩展后的光线作为第二耦出光栅、第三耦出光栅的入射光线，分别向第二维度（y轴方向）的两个方向进行扩展。一部分光线簇一7经过第二耦出光栅在+y方向扩展，另一部分光线簇一7经过第三耦出光栅在-y方向上扩展，形成光线簇二8。经过第一耦出光栅的不同偏振光能够在向第二维度的两个方向传播，形成更大的出瞳范围。

如图7~9，光线先在第一维度（x轴方向）上进行扩展，然后可以沿y方向斜上方、y方向、y方向斜下方进行扩展，这三种扩展方式都可以实现二维扩瞳效果。为了消除色散，第二耦出元件5、第三耦出元件6在y方向上的矢量和为零。

耦入元件3、第一耦出元件4、第二耦出元件5与实施例1中描述的制备方法相同，第三耦出元件6仍在原有曝光装置的基础上，将带有第三耦出元件6的波导片偏移一定的角度，此角度为第三耦出元件光线扩展方向和第一维度光线扩展方向的夹角。最后对波导片进行封装。

实施例3

如图10，为实现彩色扩瞳显示，本实施例在实施例2的基础上，在波导介质2的下方佘有像源一101、像源二102、像源三103，分别为红、绿、蓝三种像源。在波导介质2的上表面设置耦入元件一301、耦入元件二302、耦入元件三303，能够分别对红、绿、蓝三种波段的光进行响应，耦入元件一301、耦入元件二302、耦入元件三303与第一耦出元件4处在同一直线上，均为双层PVG耦出光栅。第一耦出元件4能够单独对红、绿、蓝三种不同波段的左旋光、右旋光进行响应，第二耦出元件5能够对红、绿、蓝三种不同波段的左旋（右旋）光进行单独响应，第三耦出元件6能够对红、绿、蓝三种不同波段的右旋（左旋）光进行单独响应。

实施例3的制备方法如实施例2描述的相同，分别制备不同的耦合元件，再将不同耦合元件封装到同一波导片即可。

实施例4

如图11，为了实现较大的视场角而避免光栅之间的串扰现象，二维扩瞳全息波导彩色显示装置波导介质一201、波导介质二202，两者之间由于空气的存在避免了光线的串扰现象。每一层波导均能够对其内部的光线进行二维扩展。波导介质一201上有像源一101、耦入元件一301，波导介质二202上有像源二102、耦入元件二302，像源一101为红蓝光像源，像源二102为绿光像源。耦出元件在每一层波导中对不同波长范围的光响应与该层的耦入光栅相同。

该实施例中的波导介质一201、波导介质二202单元结构的制备方法如实施例2所述相同，在对波导介质一201、波导介质二202进行封装时耦合元件所在区域保留一定的空气层，空气层厚度为10μm。

实施例5

如图12~13，为实现更大的视场角，二维扩瞳全息波导彩色显示装置波导介质一201、波导介质二202、波导介质三203。波导介质一201上有像源一101、耦入元件一301、红光耦出元件一401、红光耦出元件二501、红光耦出元件三601。波导介质二202上有像源二102、耦入元件二302、绿光耦出元件一402、绿光耦出元件二502、绿光耦出元件三602。波导介质三203上有像源三103、耦入元件三303、蓝光耦出元件一403、蓝光耦出元件二503、蓝光耦出元件三603，像源一101为红光像源，像源二102为绿光像源，像源三103为蓝光像源，耦入元件一301、耦入元件二302、耦入元件三303能够分别对红、绿、蓝三种不同波段的光进行响应。三层波导结构均能实现二维扩瞳显示效果，并且每一层波导结构之间平行且存在空气间隔，将光线限制在各自的波导介质内进行传播，防止光线串扰。该全息波导彩色显示装置在实现大视场输出的同时，能够实现二维出瞳扩展效果。耦入元件一301、耦入元件二302、耦入元件三303均为双层PVG，耦出元件采用实施例2的类似设计。

红光像源射出的红光首先经过耦入元件一301衍射进入到波导介质一201，以全反射条件传播到红光耦出光栅一后产生第一维度（x轴方向）扩展，再通过红光耦出元件二501、红光耦出元件三601，分别向第二维度（y轴方向）的两个方向进行扩展。绿光像源射出的绿光首先经过耦入元件二302衍射进入到波导介质二202，以全反射条件传播到绿光耦出光栅一后产生第一维度（x轴方向）扩展，再通过绿光耦出元件二502、绿光耦出元件三602，分别向第二维度（y轴方向）的两个方向进行扩展。蓝光像源射出的蓝光首先经过耦入元件三303衍射进入到波导介质三203，以全反射条件传播到蓝光耦出光栅一后产生第一维度（x轴方向）扩展，再通过蓝光耦出元件二503、蓝光耦出元件三603，分别向第二维度（y轴方向）的两个方向进行扩展。

该实施例的制备方法如实施例4相同，各波导介质2之前保留一定的空气层进行封装，各空气层的厚度为10μm。

实施例6

如图14~17，二维扩瞳全息波导彩色显示装置的波导介质2是具有1.3~2.2折射率的光学玻璃和树脂，形状为矩形体。波导介质2的上表面的一侧设有耦入元件3，另一侧设有紧密连接的第一耦出元件4和第二耦出元件5，下方设有像源1。耦入元件3为半透膜，第一耦出元件4为第一半透膜阵列，第二耦出元件5为第二半透膜阵列。半透膜阵列可以等效为衍射光栅中的等折射率面，能够对输入光线中的一部分进行反射，另一部分光线直接透过半透膜，反射的光会以全反射条件继续在波导介质2中传播。为消除色散，半透膜之间保持相互平行。

像源1发出光束经过耦入元件3被反射进波导介质2中，以全反射条件传播到第一耦出元件4，然后一部分光被反射出波导介质2，另一部分继续以全反射条件传播，光线在此过程中实现第一维度扩展。第一维度扩展后的光线将作为第二耦合元件的输入光线。为简要表示，本实施例只在+y方向上进行第二维度扩展。

为保持高光学效率，耦入元件3的反射率应尽可能高，从而使像源1光束能尽可能多的进入波导介质2中，第一耦出元件4的半透膜阵列各反射面的反射率依次增大，使一维扩展后的光线能量尽可能的均匀，第二耦出元件5的各反射面反射率在+y方向上依次增大，提高出瞳均匀性。

耦入元件3、第一耦出元件4、第二耦出元件5均与波导介质2的表面成45°夹角。波导介质2的厚度为2cm，耦入元件3的厚度为10μm，第一耦出元件4的厚度为10μm，第二耦出元件5的厚度为10μm。

该实施例中耦入元件3、第一耦出元件4的半透膜阵列在同一波导介质2中制备，另外第二耦出元件5的半透膜阵列制备时不需考虑与耦入元件3、第一耦出元件4的半透膜阵列形成矢量和的约束关系，可单独制备，最后封装在一起即可。半透膜阵列的制备方式为玻璃冷加工工艺，根据光线扩展方向，将半反半透膜加工到玻璃内部。

实施例7

本实施例在实施例6的基础上，增加第三耦出元件6，第三耦出元件6与第二耦出元件5关于第一耦出元件4对称设置。第三耦出元件6为第三半透膜阵列。像源1发出光束经过耦入元件3被反射进波导介质2中，以全反射条件传播到第一耦出元件4，然后一部分光被反射出波导介质2，另一部分继续以全反射条件传播，光线在此过程中实现第一维度扩展。第一维度扩展后的光线将作为第二耦合元件、第三耦合元件的输入光线，分别在+y、-y方向上进行第二维度扩展。

该实施例的制备方法与实施例6相同，第三耦出元件6按照所需光线扩展方向进行制备，无需要求各光栅之间的矢量和约束关系，最后进行封装即可。

Claims (10)

1.一种二维扩瞳全息波导彩色显示装置，其特征在于：包括像源（1）、波导介质（2）、耦入元件（3）、第一耦出元件（4）和第二耦出元件（5）；所述波导介质的（2）表面设置耦入元件（3）、第一耦出元件（4）和第二耦出元件（5）；所述耦入元件（3）、第一耦出元件（4）、第二耦出元件（5）的矢量和不为零；所述像源（1）射出的光束被耦入元件（3）全反射，在第一耦出元件（4）处进行一种方向的一维扩展，在第二耦出元件（5）处进行另一种方向的二维扩展；所述耦入元件（3）与一维扩展方向垂直的边长、第一耦出元件（4）与一维扩展方向垂直的边长相等；所述第一耦出元件（4）与二维扩展方向垂直的边长、第二耦出元件（5）与二维扩展方向垂直的边长相等。

2.根据权利要求1所述的一种二维扩瞳全息波导彩色显示装置，其特征在于：所述波导介质（2）为折射率1.3~2.2的光学玻璃或树脂，形状为矩形体或自由曲面体。

3.根据权利要求1所述的一种二维扩瞳全息波导彩色显示装置，其特征在于：所述像源（1）的光束为单色光或混合光。

4.根据权利要求1所述的一种二维扩瞳全息波导彩色显示装置，其特征在于：还包括第三耦出元件（6），所述第三耦出元件（6）与第二耦出元件（5）关于第一耦出元件（4）对称设置，所述第二耦出元件（5）将光束分别传播到具有不同偏振光响应的第二耦出元件（5）、第三耦出元件（6）中，所述二耦出元件（5）、第三耦出元件（6）在平行于波导介质的方向上的矢量和为零。

5.根据权利要求4所述的一种二维扩瞳全息波导彩色显示装置，其特征在于：所述耦入元件（3）为耦入光栅时，所述第一耦出元件（4）为第一耦出光栅，所述第二耦出元件（5）为第二耦出光栅，所述第三耦出元件（6）为第三耦出光栅。

6.根据权利要求5所述的一种二维扩瞳全息波导彩色显示装置，其特征在于：所述耦入元件（3）为双层不同偏振光响应的体全息光栅、PB相位光栅或偏振体全息光栅。

7.根据权利要求5所述的一种二维扩瞳全息波导彩色显示装置，其特征在于：所述第一耦出光栅为双层不同偏振光响应的体全息光栅、PB相位光栅或偏振体全息光栅。

8.根据权利要求4所述的一种二维扩瞳全息波导彩色显示装置，其特征在于：所述耦入元件（3）为半透膜时，所述第一耦出元件（4）为第一半透膜阵列，所述第二耦出元件（5）为第二半透膜阵列，所述第三耦出元件（6）为第三半透膜阵列。

9.根据权利要求1所述的一种二维扩瞳全息波导彩色显示装置，其特征在于：所述波导介质（2）多层设置时，互相平行且用空气间隔，用于将不同单色光限制在各自的波导介质（2）内传播。

10.根据权利要求9所述的一种二维扩瞳全息波导彩色显示装置，其特征在于：所述波导介质（2）多层设置时，像源（1）、耦入元件（3）的数量与波导介质（2）的数量相同，所述耦入元件（3）在与波导介质（2）垂直的方向上不重叠。

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