CN116047759A - 波导显示装置和增强现实显示设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种波导显示装置和增强现实显示设备。在本公开的一些实施例中，波导显示装置，包括：波导基底与设置于波导基底上的第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；第一光学元件，用于将射入的光线耦出至波导基底；第二光学元件，用于将波导基底耦入的光线以第一方向和第二方向耦出至第三光学元件；第三光学元件，用于将第二光学元件耦入的光线以第一方向或者第二方向耦出至第二光学元件，以及将第二光学元件耦入的光线耦出至人眼，第二光学元件和第三光学元件分别设于波导基底的上第一表面，减小设备体积，降低设备重量；且耦出至第二光学元件的光线继续沿第一方向或者第二方向在第二光学元件和第三光学元件之间多次传播，以实现二维扩瞳。

Description

波导显示装置和增强现实显示设备
技术领域
本公开涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种波导显示装置和增强现实显示设备。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，AR)近眼显示技术，即通过一定的光学系统，使人眼能看到外界真实场景的同时，也能看到计算机产生的虚拟场景的可穿戴式显示系统。在增强现实系统中，计算组件对用户观察到的真实场景进行分析和处理，继而通过近眼显示技术将生成的虚拟增强信息叠加到真实的场景中，实现真实与虚拟场景的无缝融合，协助用户对现实世界的深度、综合认知。AR设备已经在包括军事、导航、教育、医疗、工业等众多行业领域得到应用，并在电子消费领域面临一个广阔的前景，作为AR设备核心技术之一的近眼显示技术，也成为当前工业界和学术界研究热点。
AR近眼显示技术的核心任务是进行虚实叠加，即允许真实世界的光线和虚拟图像光线同时通过，到达人眼。近眼显示技术包括几何光学叠加器技术和基于衍射光学的近眼显示技术。
目前，基于衍射光学的近眼显示技术的出瞳范围较小，设备体积较大，重量也相对较大。
发明内容
本公开提供一种波导显示装置和增强现实显示设备，波导显示装置出瞳范围较大，体积较小，重量也较轻，有利于产品的小型化设计。本公开的技术方案如下：
本公开实施例提供一种波导显示装置，包括：波导基底与设置于波导基底上的第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；
第一光学元件，位于波导基底的一侧，第一光学元件靠近波导基底的第一表面设置，用于将射入的光线耦出至波导基底，其中，波导基底的第一表面为波导基底远离人眼的一侧表面；
波导基底，用于将第一光学元件耦入的光线耦出至第二光学元件；
第二光学元件，与第三光学元件位于波导基底的另一侧，第二光学元件靠近波导基底的第二表面设置，用于将波导基底耦入的光线以第一方向和第二方向耦出至第三光学元件，其中，波导基底的第二表面为波导基底靠近人眼的一侧表面，其中，第一方向和第二方向为第三光学元件所在平面的方向；
第三光学元件，第二光学元件靠近波导基底的第一表面设置，用于将第二光学元件耦入的光线以第一方向或者第二方向耦出至第二光学元件，以及将第二光学元件耦入的光线耦出至人眼，且耦出至第二光学元件的光线继续沿第一方向或者第二方向在第二光学元件和第三光学元件之间多次传播。
优选地，第二光学元件，用于将波导基底耦入的光线采用全反射的方式以第一方向耦出至第三光学元件；以及将波导基底耦入的光线采用衍射的方式以第二方向耦出至第三光学元件。
优选地，第三光学元件，用于将第二光学元件耦入的光线采用全反射的方式以第一方向或者第二方向耦出至第二光学元件；以及将第二光学元件耦入的光线采用衍射的方式耦出至人眼。
优选地，波导基底，用于将第一光学元件耦入的光线在波导基底内部经过至少一次全反射后将光线耦出至第二光学元件。
优选地，第二光学元件和第三光学元件相对设置，且第二光学元件和第三光学元件的面积相等。
优选地，第三光学元件，用于第二光学元件耦入的光线以垂直于第三光学元件所在平面的方向耦出至人眼。
优选地，第一方向与第二方向垂直。
优选地，第二光学元件和第三光学元件平行设置。
优选地，第一光学元件覆盖于波导基底的第一表面。
优选地，第二光学元件覆盖于波导基底的第二表面，第三光学元件覆盖于波导基底的第一表面。
优选地，第一光学元件为一维光栅；第二光学元件和第三光学元件为二维光栅。
优选地，第一光学元件为全息一维光栅，第二光学元件和第三光学元件为全息二维光栅。
本公开实施例提供一种增强现实显示设备，包括：波导显示装置和光机；
波导显示装置包括：波导基底与设置于波导基底上的第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；
第一光学元件，位于波导基底的一侧，第一光学元件靠近波导基底的第一表面设置，用于将光机射入的光线耦出至波导基底，其中，波导基底的第一表面为波导基底远离人眼的一侧表面；
波导基底，用于将第一光学元件耦入的光线耦出至第二光学元件；
第二光学元件，与第三光学元件位于波导基底的另一侧，第二光学元件靠近波导基底的第二表面设置，用于将波导基底耦入的光线以第一方向和第二方向耦出至第三光学元件，其中，波导基底的第二表面为波导基底靠近人眼的一侧表面，其中，第一方向和第二方向为第三光学元件所在平面的方向；
第三光学元件，第二光学元件靠近波导基底的第一表面设置，用于将第二光学元件耦入的光线以第一方向或者第二方向耦出至第二光学元件，以及将第二光学元件耦入的光线耦出至人眼，且耦出至第二光学元件的光线继续沿第一方向或者第二方向在第二光学元件和第三光学元件之间多次传播。
优选地，增强现实显示设备为AR眼镜，AR头戴显示设备和抬头显示设备。
本公开的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
在本公开的一些实施例中，波导显示装置，包括：波导基底与设置于波导基底上的第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；第一光学元件，用于将射入的光线耦出至波导基底，波导基底，用于将第一光学元件耦入的光线耦出至第二光学元件；第二光学元件，用于将波导基底耦入的光线以第一方向和第二方向耦出至第三光学元件；第三光学元件，用于将第二光学元件耦入的光线以第一方向或者第二方向耦出至第二光学元件，以及将第二光学元件耦入的光线耦出至人眼，第二光学元件和第三光学元件分别设于波导基底的上第一表面，省略中继光学元件，减小设备体积，降低设备重量；且耦出至第二光学元件的光线继续沿第一方向或者第二方向在第二光学元件和第三光学元件之间多次传播，以实现二维扩瞳。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理，并不构成对本公开的不当限定。
图1为二维受限体光栅形成阶段的各几何参数示意图；
图2为二维受限体光栅读出阶段的各几何参数示意图；
图3为本公开示例性实施例提供的一种波导显示装置的结构示意图；
图4为本公开示例性实施例波导显示装置的场景示意图；
图5为本公开示例性实施例波导显示装置的分解图；
图6为本公开示例性实施例提供的波导显示装置的光线传播示意图；
图7为本公开示例性实施例光线在XZ方向传播的示意图；
图8为本公开示例性实施例光线在YZ方向传播的示意图；
图9为本公开示例性实施例AR眼镜的结构示意图；
图10为本公开示例性实施例抬头显示设备的场景示意图。
具体实施方式
为了使本领域普通人员更好地理解本公开的技术方案，下面将结合附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
目前，基于衍射光学的近眼显示技术的波导显示装置，包括：耦入衍射元件，中继衍射元件和耦出衍射元件。中继衍射元件位于耦出衍射元件的上方，耦出衍射元件的所剩的空间较小，出瞳范围较小，中继衍射元件所占空间较大，设备体积较大，重量也相对较大，不利于设备的小型化设计。
以下对近眼显示技术的基本原理作出说明：
基于衍射光学的近眼显示技术包括两种：基于表面浮雕光栅的波导器件和基于体全息光栅的波导器件。本公开实施例主要对体全息光栅的波导器件作出说明。
耦合波理论的数学表述是从波动方程导出的耦合微分方程组，其主要原则是各光波在全息图内部传播过程中不断进行能量交换。Kogelnik耦合波理论广泛用于各种体光栅衍射特性的分析并给出定量的结果，由于Kogelnik理论隐含了参与衍射的光束波面尺寸均为无限大的假设，在此假设下只研究光束沿光栅厚度方向传播过程中的变化，因此Kogelnik理论实质上是一种一维理论。二维理论是假定在沿光栅条纹平面的方向上材料的性质和光波的性质均为变化，通常这一方向指定为光波电场矢量的方向。在垂直于光栅条纹平面的两个方向上光栅的尺寸均有限，因而光波在这两个方向上均匀耦合和变化。
图1为二维受限体光栅形成阶段的各几何参数示意图；图2为二维受限体光栅读出阶段的各几何参数示意图。宽度分别为WR和WS的参考光和信号光入射到介质中，在其内部干涉形成体光栅。选定坐标系使得两束光分别相对于x轴以角度ф0和-ф0入射。所形成的光栅表示为介质介电常量εr的周期性变化：
εr＝εr0+εr1a10a20cos[β0(p10-p20)]；
式中，εr0为平均介电常量，εr1为介电常量变化的幅值。εr0和εr1可以为复值，其虚部分别代表平均吸收率的改变和吸收光栅的调制幅度，pi0为平面光波的波前位相函数，在x-y坐标系中记为pi0＝x cosφ0-(-1)iy sinφ0，i＝1,2分别代表参考光和信号光，a10和a20分别代表两写入光波波阵面上的归一化复振幅分布，β0为写入光波的传播常量。
二维光栅考虑布拉格衍射的范畴，光栅矢量K表示为：
K＝δWs(uR+uS)
光栅矢量K中的布拉格失配参量δ表示为：
Figure BDA0003326200850000051
式中，β＝2π/λ为读出光波的传播常量，λ为读出光波长，Δφ和Δβ分别为读出光的角度和波长对布拉格条件的偏离。
讨论完全重叠型的均匀光栅(κ为常量)的衍射特性，对于二维有限尺寸体光栅，光栅衍射效率定义为：
Figure BDA0003326200850000052
针对上述存在的技术问题，在本公开的一些实施例中，波导显示装置，包括：波导基底与设置于波导基底上的第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；第一光学元件，用于将射入的光线耦出至波导基底，波导基底，用于将第一光学元件耦入的光线耦出至第二光学元件；第二光学元件，用于将波导基底耦入的光线以第一方向和第二方向耦出至第三光学元件；第三光学元件，用于将第二光学元件耦入的光线以第一方向或者第二方向耦出至第二光学元件，以及将第二光学元件耦入的光线耦出至人眼，第二光学元件和第三光学元件分别设于波导基底的上第一表面，省略中继光学元件，第二光学元件和第三光学元件有更大的设计空间，减小设备体积，降低设备重量；且耦出至第二光学元件的光线继续沿第一方向或者第二方向在第二光学元件和第三光学元件之间多次传播，以实现二维扩瞳。
在本实施例中，增强现实显示设备包括但不限于以下几种：AR眼镜，AR头戴显示设备和抬头显示设备。当增强现实显示设备为AR眼镜时，对AR眼镜的类型不作限定，可以为单目式AR眼镜，也可以为双目式AR眼镜。
在一种实施例中，当增强现实显示设备为AR眼镜时，AR眼镜包括镜架、设置于镜架上的波导显示装置和光机，波导显示装置构成AR眼镜的镜片，其中，光机向波导显示装置发送图像光线。波导显示装置在后续各实施例中详细说明，本实施例中不再赘述。
在另一种实施例中，当增强现实显示设备为抬头显示设备时，抬头显示设备包括设备本体、设置于设备本体上的波导显示装置和光机。波导显示装置在后续各实施例中详细说明，本实施例中不再赘述。
在上述各实施例中，光机通过投影方式提供经过准直后的图像源。
本公开实施例中，图3为本公开示例性实施例提供的一种波导显示装置1的结构示意图；图5为本公开示例性实施例波导显示装置的分解图。如图3、5所示，波导显示装置1包括：波导基底11与设置于波导基底11上的第一光学元件12、第二光学元件13和第三光学元件14。第一光学元件12，位于波导基底11的一侧，第一光学元件12靠近波导基底11的第一表面设置，用于将射入的光线耦出至波导基底11，其中，波导基底11的第一表面为波导基底11远离人眼的一侧表面；波导基底11，用于将第一光学元件12耦入的光线耦出至第二光学元件13；第二光学元件13，与第三光学元件14位于波导基底11的另一侧，第二光学元件13靠近波导基底11的第二表面设置，用于将波导基底11耦入的光线以第一方向和第二方向耦出至第三光学元件14，其中，波导基底11的第二表面为波导基底11靠近人眼的一侧表面，其中，第一方向和第二方向为第三光学元件14所在平面的方向；第三光学元件14，第二光学元件13靠近波导基底11的第一表面设置，用于将第二光学元件13耦入的光线以第一方向或者第二方向耦出至第二光学元件13，以及将第二光学元件13耦入的光线耦出至人眼，且耦出至第二光学元件13的光线继续沿第一方向或者第二方向在第二光学元件13和第三光学元件14之间多次传播。
本公开实施例波导显示装置，包括：波导基底与设置于波导基底上的第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；第一光学元件，用于将射入的光线耦出至波导基底，波导基底，用于将第一光学元件耦入的光线耦出至第二光学元件；第二光学元件，用于将波导基底耦入的光线以第一方向和第二方向耦出至第三光学元件；第三光学元件，用于将第二光学元件耦入的光线以第一方向或者第二方向耦出至第二光学元件，以及将第二光学元件耦入的光线耦出至人眼，第二光学元件和第三光学元件分别设于波导基底的上第一表面，省略中继光学元件，减小设备体积，降低设备重量；且耦出至第二光学元件的光线继续沿第一方向或者第二方向在第二光学元件和第三光学元件之间多次传播，以实现二维扩瞳。
图4为本公开示例性实施例波导显示装置1的场景示意图。如图3、4所示，光线射入至第一光学元件12的表面，第一光学元件12将射入的光线经过波导基底11、第二光学元件13和第三光学元件14作用后，在图3中所示的X轴和Y轴方向进行二维扩瞳后，将光线射入人眼，在人眼前形成虚拟视场。
需要说明的是，图3中的坐标轴X轴平行于波导显示装置1的长度方向或虚拟视场的水平轴，坐标轴Y轴平行于波导显示装置1的宽度方向；坐标轴Z轴垂直于波导显示装置或者平行于波导显示装置1的厚度方向。
图6为本公开示例性实施例提供的波导显示装置1的光线传播示意图。图7为本公开示例性实施例光线在XZ方向传播的示意图。图8为本公开示例性实施例光线在YZ方向传播的示意图。
需要说明的是，图6、图7以光机射出的光线中的任意一条光线L1为例作出说明。图7、图8中的光线L′1为波导基底11射入第二光学元件13的光线。以下实施例以任意一条光线L1作出说明。
在上述实施例中，如图4-8所示，光机射出的光线L1，射入第一光学元件12，经过第一光学元件12被衍射到波导基底11中，波导基底11，用于将第一光学元件12耦入的光线耦出至第二光学元件13，其中，波导基底11将第一光学元件12耦入的光线耦出至第二光学元件13包括但不限于以下几种光线处理方式：
光线处理方式一：波导基底11，用于将第一光学元件12耦入的光线经过波导基底11直接耦出至第二光学元件13。在此光线处理方式下，可以调节第一光学元件12和第二光学元件13的相对位置，以将耦入的光线经过波导基底11直接耦出至第二光学元件13。
光线处理方式二：波导基底11，用于将第一光学元件12耦入的光线在波导基底11内部经过至少一次全反射后将光线耦出至第二光学元件13。如图4所示，第一光学元件12耦入的光线在波导基底11中满足全反射条件，第一光学元件12耦入的光线在经过全反射后形成光线L′1射入第二光学元件13。
在一种可选实施例中，第一方向与第二方向垂直。优选地，第一方向与坐标轴X轴平行，第二方向与坐标轴Y轴平行。需要说明的是，第一方向和第二方向也可以不与坐标轴X轴或者坐标轴Y轴平行，此时，在人眼前形成倾斜的虚拟视场。
在一可选实施例中，第一光学元件12、第二光学元件13和第三光学元件14为纳米结构以对入射光线进行衍射。
在上述实施例中，第二光学元件13，用于将波导基底11耦入的光线采用全反射的方式以第一方向耦出至第三光学元件14；以及将波导基底11耦入的光线采用衍射的方式以第二方向耦出至第三光学元件14。如图6、7所示，第一光学元件12耦入的光线在经过全反射后形成光线L′1射入第二光学元件13的A1点，光线L′1在A1点满足全反射条件，第二光学元件13在A1点采用全反射的方式沿坐标轴X轴的方向反射至第三光学元件14的B点，其中，第二光学元件13在A1点反射的光线为零级光线；第二光学元件13在A1点采用衍射的方式沿坐标轴Y轴的方向耦出至第三光学元件14的C点，其中，第二光学元件13在A1点采用衍射的方式生成的光线为衍射级次光线。
在上述实施例中，第三光学元件14，用于将第二光学元件13耦入的光线采用全反射的方式以第一方向或者第二方向耦出至第二光学元件13；以及将第二光学元件13耦入的光线采用衍射的方式耦出至人眼。其中，第三光学元件14，用于第二光学元件13耦入的光线以垂直于第三光学元件14所在平面的方向耦出至人眼。如图6、8所示，第二光学元件13耦入的光线在B点满足全反射条件，第三光学元件14用于将第二光学元件13耦入的在B点的光线采用全反射的方式沿坐标轴X轴的方向反射至第二光学元件13的A2点，同时第三光学元件14用于将第二光学元件13耦入的在B点的光线采用衍射的方式耦出至人眼；第二光学元件13耦入的光线在C点满足全反射条件，第三光学元件14用于将第二光学元件13耦入的在C点的光线采用全反射的方式沿坐标轴Y轴的方向反射至第二光学元件13的A5点，同时第三光学元件14用于将第二光学元件13耦入的在C点的光线采用衍射的方式耦出至人眼。
在上述实施例中，且第三光学元件14耦出至第二光学元件13的光线继续沿第一方向或者第二方向在第二光学元件13和第三光学元件14之间多次传播。如图7、8所示，第三光学元件14耦出至第二光学元件13的光线继续沿坐标轴X轴和坐标轴Y轴的方向在第二光学元件13三光学元件14之间多次传播，实现二维扩瞳。
需要说明的是，如图6所示，图中A1点、A2点、A3点、A4点和A5点对零级光线和衍射级次光线的调制完全相同，光线强度根据实际视场亮度均匀性的要求，在实际加工中可设置掩膜版来控制光栅效率。
在一种可选实施例中，第二光学元件13和第三光学元件14相对设置，且第二光学元件13和第三光学元件14的面积相等。第二光学元件13和第三光学元件14相对设置，无需设置中继光学元件，为第二光学元件13和第三光学元件14留出设计空间，第二光学元件13和第三光学元件14可以采用更大的面积，提高扩瞳范围，合理地设置出瞳区域位置，保证合理的观察范围，第二光学元件13和第三光学元件14的面积相等，可以同时加工第二光学元件13和第三光学元件14，提高元件的生产效率。
在一种可选实施例中，第一光学元件12、第二光学元件13和第三光学元件14靠近波导基底11的表面设置。如图3-8所示，第一光学元件12覆盖于波导基底11的第一表面。第二光学元件13覆盖于波导基底11的第二表面，第三光学元件14覆盖于波导基底11的第一表面。本公开实施例对第一光学元件12、第二光学元件13和第三光学元件14，可以根据实际情况作出调整。例如，第一光学元件12、第二光学元件13和第三光学元件14可以以全封闭的形式内嵌于波导基底11内部，或者，波导基底11的表面设置凹槽，第一光学元件12、第二光学元件13和第三光学元件14以半封闭的形式暗安装于波导基底11表面的凹槽内。
在一种可选实施例中，第二光学元件13和第三光学元件14平行设置。第二光学元件13和第三光学元件14可以采用相同的光栅结构参数，以对光线进行对称的调制。
在一种可选实施例中，第一光学元件12为一维光栅；一维光栅包括但不限于下列任意一种光栅：倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅和体光栅。第二光学元件13和第三光学元件14为二维光栅。第一光学元件12为全息一维光栅，第二光学元件13和第三光学元件14为全息二维光栅。本公开第二光学元件13和第三光学元件14采用全息二维光栅，可以大幅提高衍射波导的效率。
以下结合图6-图8对本公开实施例的技术方案作出详细说明：
如图4所示，第一光学元件12耦入的光线在波导基底11中满足全反射条件，第一光学元件12耦入的光线在经过全反射后形成光线L′1射入第二光学元件13。
如图6、7所示，第一光学元件12耦入的光线在经过全反射后形成光线L′1射入第二光学元件13的A1点，光线L′1在A1点满足全反射条件，第二光学元件13在A1点采用全反射的方式沿坐标轴X轴的方向反射至第三光学元件14的B点，其中，第二光学元件13在A1点反射的光线为零级光线；第二光学元件13在A1点采用衍射的方式沿坐标轴Y轴的方向耦出至第三光学元件14的C点，其中，第二光学元件13在A1点采用衍射的方式生成的光线为衍射级次光线。
如图6、8所示，第二光学元件13耦入的光线在B点满足全反射条件，第三光学元件14用于将第二光学元件13耦入的在B点的光线采用全反射的方式沿坐标轴X轴的方向反射至第二光学元件13的A2点，同时第三光学元件14用于将第二光学元件13耦入的在B点的光线采用衍射的方式耦出至人眼；第二光学元件13耦入的光线在C点满足全反射条件，第三光学元件14用于将第二光学元件13耦入的在C点的光线采用全反射的方式沿坐标轴Y轴的方向反射至第二光学元件13的A5点，同时第三光学元件14用于将第二光学元件13耦入的在C点的光线采用衍射的方式耦出至人眼。
如图7、8所示，第三光学元件14耦出至第二光学元件13的光线继续沿坐标轴X轴和坐标轴Y轴的方向在第二光学元件13三光学元件14之间多次传播，实现二维扩瞳。
图9为本公开示例性实施例AR眼镜的结构示意图，以AR眼镜场景为例，结合图3-图8对本公开的技术方案作出说明：
如图9所示，AR眼镜8包括镜架801和设置于镜架801上的波导显示装置1与光机，其中，镜架801包括眼镜框和连接于眼镜框两侧的镜腿，光机可以设置于眼镜框上，也可以设置于两侧的镜腿上。
采用本公开实施例的波导显示装置1，第二光学元件13和第三光学元件14分别设于波导基底11的上第一表面，省略中继光学元件，为第二光学元件13和第三光学元件14的设置提供较大的设计空间，增加波导显示装置1的扩瞳范围，增加人眼通过AR眼镜观看现实场景中的虚拟图像的可观察范围，AR眼镜相对人眼偏上、偏下、偏左或偏右都能通过AR眼镜观看现实场景中的虚拟图像，提升用户体验，AR眼镜可以适用不同AR佩戴习惯的用户。
图10为本公开示例性实施例抬头显示设备的场景示意图。以抬头显示设备场景为例，结合图3-图8对本公开的技术方案作出说明：
如图10所示，设置于车辆前方玻璃上的增强现实显示设备，增强现实显示设备包括波导显示装置1和光机。车辆前方的部分玻璃可以作为增强现实显示设备的波导基底11；第一光学元件12、第二光学元件13和第三光学元件14可以设置于部分玻璃的表面。
采用本公开实施例的波导显示装置1，第二光学元件13和第三光学元件14分别设于波导基底11的上第一表面，省略中继光学元件，为第二光学元件13和第三光学元件14的设置提供较大的设计空间，增加波导显示装置1的扩瞳范围，增加人眼通过抬头显示设备观看现实场景中的虚拟图像的可观察范围，通过合理设置第二光学元件13和第三光学元件14的位置和大小，可以调整抬头显示设备观看现实场景中的虚拟图像的可观察范围。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (13)

1.一种波导显示装置，其特征在于，包括：波导基底与设置于所述波导基底上的第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；
所述第一光学元件，位于所述波导基底的一侧，所述第一光学元件靠近所述波导基底的第一表面设置，用于将射入的光线耦出至所述波导基底，其中，所述波导基底的第一表面为所述波导基底远离人眼的一侧表面；
所述波导基底，用于将所述第一光学元件耦入的光线耦出至所述第二光学元件；
所述第二光学元件，与所述第三光学元件位于所述波导基底的另一侧，所述第二光学元件靠近所述波导基底的第二表面设置，用于将所述波导基底耦入的光线以第一方向和第二方向耦出至所述第三光学元件，其中，所述波导基底的第二表面为所述波导基底靠近人眼的一侧表面，所述第一方向和所述第二方向为所述第三光学元件所在平面的方向；
所述第三光学元件，所述第二光学元件靠近所述波导基底的第一表面设置，用于将所述第二光学元件耦入的光线以所述第一方向或者所述第二方向耦出至所述第二光学元件，以及将所述第二光学元件耦入的光线耦出至人眼，且所述耦出至所述第二光学元件的光线继续沿所述第一方向或者所述第二方向在所述第二光学元件和所述第三光学元件之间多次传播。
2.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第二光学元件，用于将所述波导基底耦入的光线采用全反射的方式以所述第一方向耦出至所述第三光学元件；以及将所述波导基底耦入的光线采用衍射的方式以所述第二方向耦出至所述第三光学元件。
3.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第三光学元件，用于将所述第二光学元件耦入的光线采用全反射的方式以所述第一方向或者所述第二方向耦出至所述第二光学元件；以及将所述第二光学元件耦入的光线采用衍射的方式耦出至人眼。
4.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述波导基底，用于将所述第一光学元件耦入的光线在所述波导基底内部经过至少一次全反射后将光线耦出至所述第二光学元件。
5.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第二光学元件和所述第三光学元件相对设置，且所述第二光学元件和所述第三光学元件的面积相等。
6.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第三光学元件，用于将所述第二光学元件耦入的光线以垂直于所述第三光学元件所在平面的方向耦出至人眼。
7.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向垂直。
8.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第二光学元件和所述第三光学元件平行设置。
9.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第一光学元件覆盖于所述波导基底的第一表面。
10.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第二光学元件覆盖于所述波导基底的第二表面，所述第三光学元件覆盖于所述波导基底的第一表面。
11.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第一光学元件为一维光栅；所述第二光学元件和所述第三光学元件为二维光栅。
12.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括：波导显示装置和光机；
所述波导显示装置包括：波导基底与设置于所述波导基底上的第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件；
所述第一光学元件，位于所述波导基底的一侧，所述第一光学元件靠近所述波导基底的第一表面设置，用于将所述光机射入的光线耦出至所述波导基底，其中，所述波导基底的第一表面为所述波导基底远离人眼的一侧表面；
所述波导基底，用于将所述第一光学元件耦入的光线耦出至所述第二光学元件；
所述第二光学元件，与所述第三光学元件位于所述波导基底的另一侧，所述第二光学元件靠近所述波导基底的第二表面设置，用于将所述波导基底耦入的光线以第一方向和第二方向耦出至所述第三光学元件，其中，所述波导基底的第二表面为所述波导基底靠近人眼的一侧表面，所述第一方向和所述第二方向为所述第三光学元件所在平面的方向；
所述第三光学元件，所述第二光学元件靠近所述波导基底的第一表面设置，用于将所述第二光学元件耦入的光线以所述第一方向或者所述第二方向耦出至所述第二光学元件，以及将所述第二光学元件耦入的光线耦出至人眼，且所述耦出至所述第二光学元件的光线继续沿所述第一方向或者所述第二方向在所述第二光学元件和所述第三光学元件之间多次传播。
13.根据权利要求12所述的增强现实显示设备，其特征在于，所述增强现实显示设备为AR眼镜，AR头戴显示设备和抬头显示设备。
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