CN116338968A - 一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法 - Google Patents

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CN116338968A CN202310367502.7A CN202310367502A CN116338968A CN 116338968 A CN116338968 A CN 116338968A CN 202310367502 A CN202310367502 A CN 202310367502A CN 116338968 A CN116338968 A CN 116338968A
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林子健
金华健
周自平
孙志林
叶芸
徐胜
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Abstract

本发明涉及一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法，通过波导系统的输出耦合元件的阵列实现视点间距的调控；设置多个第一输出耦合元件并在波导表面上依次并排紧贴排列构成阵列，用于多次耦出第一类圆偏振光，从而实现多个第一类视点；设置多个第二输出耦合元件并紧贴在第一输出耦合元件的上层依次并排紧贴或间隔排列构成阵列，用于多次耦出第二类圆偏振光，从而实现多个第二类视点；第一、第二输出耦合元件阵列形成的第一、第二类视点符合人眼瞳孔间距进行间隔排列，第一、第二输出耦合元件的直径可达两倍的视点的空间间距，从而在扩大视场角的同时视点的空间间距符合人眼瞳孔间距。该方法可以在保证较大的视场下，兼顾合适的视点间距。

Description

一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法
技术领域
本发明涉及近眼显示技术领域，具体涉及到一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法。
背景技术
增强现实(AR)通过将数字内容与现实世界叠加来使人眼能够同时看到虚拟图像和真实环境。为了获得舒适的视觉体验，AR显示系统需要在保持大的视场的同时兼顾一个大的眼盒。对于视网膜扫描方法，它使用离轴透镜耦合器直接在观察者的视网膜上形成麦克斯韦视图，它的FOV直接由耦合器透镜的f值(F#)决定，因此没有界限，但它受到单个麦克斯韦视图的微小眼盒的影响，要放大眼框，需要将观察点的乘法或转向。对于传统的波导显示，它通过传播光的全内反射(TIR)复制出口瞳孔提供大的眼盒而不会牺牲FOV，但在传统的波导显示器中，光传播角度受到TIR条件下限和上限的限制，以保持外耦合光的良好均匀性，从而设定了总视场的理论极限，这种限制很大程度上是由于采用了外耦合器，它通常是具有固定偏转角但没有任何光功率的光栅。为了在保持大的视场的同时兼顾一个大的眼盒，我们用带有光功率的元件例如透镜阵列代替没有任何光功率的光栅，通过这种方式，我们可以将光传播角度受到的限制转移到带有光功率的元件。
由于结合光波导和视网膜扫描的方法，观察者可直接在视点处观察到清晰的图像或在远处观察由麦克斯韦视图堆叠形成的整体图像。然而，对于眼镜式的AR显示器的正常观看体验，从观看者的眼瞳到眼镜的距离约为1厘米。若想在正常观看体验距离下观察视点的图像并保持大的视场则每个小透镜的尺寸相应的也需要很大。在设计这样的近眼显示系统时也应该考虑人眼的因素，即小透镜的尺寸不应超过人眼瞳孔。因此，结合光波导和视网膜扫描的方法在正常观看体验距离下，合适的视点间距与大的视场角很难同时兼顾。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法，该方法可以在保证较大的视场下，兼顾合适的视点间距。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法，通过波导系统的输出耦合元件的阵列实现视点间距的调控；设置多个相同的第一输出耦合元件，并在波导表面上依次并排紧贴排列构成阵列，用于多次耦出与第一输出耦合元件匹配响应的第一类圆偏振光，从而实现多个第一类视点；设置多个相同的第二输出耦合元件，并紧贴在第一输出耦合元件的上层依次并排紧贴或间隔排列构成阵列，用于多次耦出与第二输出耦合元件匹配响应的第二类圆偏振光，从而实现多个第二类视点；第一输出耦合元件阵列形成的第一类视点与第二输出耦合元件阵列形成的第二类视点符合人眼瞳孔间距进行间隔排列，第一输出耦合元件与第二输出耦合元件的直径可达到两倍的视点的空间间距，从而在有效扩大视场角的同时视点的空间间距符合人眼瞳孔间距。
进一步地，所述第一输出耦合元件和第二输出耦合元件为一种使用手性液晶(CLC)偏振全息术制造的具有偏振特性的聚焦衍射元件，第一输出耦合元件将与其手性相同的第一类圆偏振光图像汇聚在人眼处形成第一类视点，第二输出耦合元件将与其手性相同的第二类圆偏振光图像汇聚在人眼处形成第二类视点，且第一输出耦合元件和第二输出耦合元件的F#，即f值相同，以保证第一类视点与第二类视点的视场角相同。
进一步地，第一类视点由第一类圆偏振会聚光形成，第二类视点由第二类圆偏振会聚光形成；视点的排列由第一输出耦合元件阵列和第二输出耦合元件阵列分别衍射的第一类视点和第二类视点交叉排列，由第一输出耦合元件阵列形成的视点间距是人眼瞳孔直径的两倍，由第二输出耦合元件阵列形成的视点间距是人眼瞳孔直径的两倍，则交叉排列的视点的间距符合人眼瞳孔直径距离，且第一输出耦合元件中心与第二输出耦合元件中心的间距也符合人眼瞳孔直径距离。
进一步地，所述视场角不再受到耦出的光传播角的限制，而是受到输出耦合元件的限制，且视场角FOV仅由输出耦合元件的F#决定，或由入瞳直径D和焦距f决定，满足式子
Figure BDA0004167340340000021
由此，视场角可突破传统波导的上限。
进一步地，所述波导系统包括输入耦合区、波导和输出耦合区；所述输入耦合区至少包括具有偏振特性的第一输入耦合元件和第二输入耦合元件，或者由第一和第二输入耦合元件的阵列排布组成；第一输入耦合元件用于将第一类圆偏振光的成像光束以第一衍射角度耦入波导形成全反射光；第二输入耦合元件用于将第二类圆偏振光的成像光束以第二衍射角度耦入下述波导形成全反射光；所述波导表面设有输入耦合区和输出耦合区，用于将输入耦合区衍射的全反射光传播至输出耦合区；所述输出耦合区至少包括具有偏振特性的第一输出耦合元件及其阵列和第二输出耦合元件及其阵列，第一输出耦合元件阵列与第一输入耦合元件匹配响应相同的第一类圆偏振光，用于将第一类圆偏振光汇聚形成第一类视点并重定向进入人眼；第二输出耦合元件与第二输入耦合元件匹配响应相同的第二类圆偏振光，用于将第二类圆偏振光汇聚形成第二类视点并重定向进入人眼。
进一步地，所述第一输入耦合元件和第二输入耦合元件为反射式或透射式的偏振体全息光栅，分别以第一衍射角度和第二衍射角度衍射左旋圆偏振光图像和右旋圆偏振光图像，且第一衍射角度和第二衍射角度相同以保证视点间距相同；所述第一输入耦合元件和第二输入耦合元件在波导表面的同侧或异侧，若在同侧，所述第一输入耦合元件和第二偏输入耦合元件互相并排紧贴或间隔设置；若在异侧，所述第一输入耦合元件和第二偏输入耦合元件的位置在波导厚度方向重叠。
进一步地，所述波导为单层平板波导或单层弯曲波导。
进一步地，所述波导系统可为视网膜投影显示系统，圆偏振光图像光束通过输入耦合区以设定的衍射角以及设定位置耦合进波导进行全反射，最后在输出耦合区经第一输出耦合元件以及第二输出耦合元件将第一类和第二类圆偏振光图像光束在人眼处汇聚成视点，直接投射到人眼视网膜上成像而不受人眼调焦的影响。
进一步地，所述第一输入耦合元件、第二输入耦合元件、第一输出耦合元件和第二输出耦合元件的位置和大小根据所设计的视点间距、视场角在波导的表面严格排列；设波导厚度为d、第一输出耦合元件之间的中心间距为D1、第二输出耦合元件之间的中心间距为D2，则由式子
Figure BDA0004167340340000031
计算出第一衍射角度θ1和第二衍射角度θ2，再根据第一衍射角度θ1、第二衍射角度θ2以及波导的全内反射推导出第一输入耦合元件和第二输入耦合元件的位置且第一输入耦合元件的大小不超过2D1，第二输入耦合元件的大小不超过2D2，光栅内部的光栅倾斜角、光栅周期均由所需要设计的衍射角以及工作波长得出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本方法采用波导进行扩瞳并实现视网膜投影显示，不仅可以扩大视场角，扩展眼盒，而且在保证大的视场角的同时，可有效缩短相邻视点的间距，更符合人眼正常的观察体验。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法的应用结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法的应用结构中的左旋圆偏振光光线传播示意图；
图3为本发明实施例1提供的可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法的应用结构中的右旋圆偏振光光线传播示意图；
图4为本发明实施例1中左旋反射式偏振体全息光栅的工作示意图；
图5为本发明实施例1中左旋透射式偏振体全息光栅的工作示意图；
图6为本发明实施例1中视点间距调控方法的工作示意图；
图7为本发明实施例2提供的可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法的一种应用结构示意图；
图8为本发明实施例2提供的可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法的另一种应用结构示意图；
图9为本发明实施例2提供的可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法的又一种应用结构示意图；
图10为本发明实施例3提供的可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法的应用结构示意图；
图11为本发明实施例3提供的一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法的应用结构中所具有的凝视匹配效果的示意图。
其中的附图标记说明如下：
图1中：100-平板波导；101-左旋反射式偏振体全息光栅；102-右旋反射式偏振体全息光栅；103-右旋左旋反射式偏振液晶透镜；104-左旋反射式偏振液晶透镜；105-人眼；201-左旋的平行光束；202-左旋的全反射光束；203-左旋的会聚光；204-右旋的平行光束；205-右旋的全反射光束；206-右旋的汇聚光；301-第一类视点；302-第二类视点；
图2中：100-平板波导；101-左旋反射式偏振体全息光栅；102-右旋反射式偏振体全息光栅；103-右旋左旋反射式偏振液晶透镜；104-左旋反射式偏振液晶透镜；105-人眼；201-左旋的平行光束；202-左旋的全反射光束；203-左旋的会聚光；301-第一类视点；
图3中：100-平板波导；101-左旋反射式偏振体全息光栅；102-右旋反射式偏振体全息光栅；103-右旋左旋反射式偏振液晶透镜；104-左旋反射式偏振液晶透镜；105-人眼；204-右旋的平行光束；205-右旋的全反射光束；206-右旋的汇聚光；302-第二类视点；
图4中：101-左旋反射式偏振体全息光栅；1-线性偏振光束；2-右旋圆偏振光束；3-左旋圆偏振光束；
图5中：106-左旋透射式偏振体全息光栅；2-右旋圆偏振光束；3-左旋圆偏振光束；
图6中：103-右旋左旋反射式偏振液晶透镜；104-左旋反射式偏振液晶透镜；105-人眼；203-左旋的会聚光；206-右旋的汇聚光；301-第一类视点；302-第二类视点；
图7中：100-平板波导；101-左旋反射式偏振体全息光栅；106-左旋透射式偏振体全息光栅；103-右旋左旋反射式偏振液晶透镜；104-左旋反射式偏振液晶透镜；105-人眼；201-左旋的平行光束；202-左旋的全反射光束；203-左旋的会聚光；205-右旋的全反射光束；206-右旋的汇聚光；301-第一类视点；302-第二类视点；
图8中：100-平板波导；106-左旋透射式偏振体全息光栅；107-右旋透射式偏振体全息光栅；108-右旋透射式偏振液晶透镜；109-左旋透射式偏振液晶透镜；105-人眼；201-左旋的平行光束；202-左旋的全反射光束；203-左旋的会聚光；204-右旋的平行光束；205-右旋的全反射光束；206-右旋的汇聚光；301-第一类视点；302-第二类视点；
图9中：100-平板波导；101-左旋反射式偏振体全息光栅；102-右旋反射式偏振体全息光栅；108-右旋透射式偏振液晶透镜；109-左旋透射式偏振液晶透镜；105-人眼；201-左旋的平行光束；202-左旋的全反射光束；203-左旋的会聚光；204-右旋的平行光束；205-右旋的全反射光束；206-右旋的汇聚光；301-第一类视点；302-第二类视点；
图10中：110-弯曲波导；101-左旋反射式偏振体全息光栅；102-右旋反射式偏振体全息光栅；103-右旋左旋反射式偏振液晶透镜；104-左旋反射式偏振液晶透镜；105-人眼；201-左旋的平行光束；202-左旋的全反射光束；203-左旋的会聚光；204-右旋的平行光束；205-右旋的全反射光束；206-右旋的汇聚光；301-第一类视点；302-第二类视点；
图11中：6：第一主光线；7：第二主光线；8：第三主光线；9：第四主光线；10：第五主光线；105-人眼。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明提供了一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法，该方法通过波导系统的输出耦合元件的复制排列实现视点间距的调控；第一输出耦合元件复制多个，并在波导表面上依次并排紧贴排列构成阵列，用于多次耦出与第一输出耦合元件匹配响应的第一类圆偏振光，从而复制多个第一类视点；第二输出耦合元件复制多个，并紧贴在第一输出耦合元件的上层依次并排紧贴或间隔排列构成阵列，用于多次耦出与第二输出耦合元件匹配响应的第二类圆偏振光，从而复制多个第二类视点；第一输出耦合元件阵列形成的第一类视点与第二输出耦合元件阵列形成的第二类视点符合人眼瞳孔间距进行间隔排列，且间距在2mm～8mm之间也可以更大，因此，第一输出耦合元件与第二输出耦合元件的直径可达到两倍的视点的空间间距，从而有效扩大了视场角，同时视点的空间间距符合人眼瞳孔间距。
其中，所述第一输出耦合元件和第二输出耦合元件包括但不限于一种使用手性液晶(CLC)偏振全息术制造的离轴反射式或透射式手性透镜、或是离轴反射式或透射式的超表面等具有偏振特性的聚焦衍射元件，第一输出耦合元件将与其手性相同的第一类圆偏振光图像汇聚在人眼处形成第一类视点，第二输出耦合元件将与其手性相同的第二类圆偏振光图像汇聚在人眼处形成第二类视点，且第一输出耦合元件和第二输出耦合元件的F#，即f值相同，以保证第一类视点与第二类视点的视场角相同。
所述第一类视点与第二类视点的不同在于，第一类视点由第一类圆偏振会聚光形成，第二类视点由另外一种、即第二类圆偏振会聚光形成；视点的排列由第一输出耦合元件阵列和第二输出耦合元件阵列分别衍射的第一类视点和第二类视点交叉排列，由第一输出耦合元件阵列形成的视点间距可以是人眼瞳孔直径的两倍，由第二输出耦合元件阵列形成的视点间距可以是人眼瞳孔直径的两倍，则交叉排列的视点的间距符合人眼瞳孔直径距离，且第一输出耦合元件中心与第二输出耦合元件中心的间距也符合人眼瞳孔直径距离。
所述视场角不再受到耦出的光传播角的限制，而是受到输出耦合元件的限制，且视场角FOV仅由输出耦合元件的F#决定，或由入瞳直径D和焦距f决定，满足式子
Figure BDA0004167340340000061
Figure BDA0004167340340000071
由此，视场角可突破传统波导的上限。
所述波导系统包括输入耦合区、波导和输出耦合区；所述输入耦合区至少包括具有偏振特性的第一输入耦合元件和第二输入耦合元件，或者由第一和第二输入耦合元件的阵列排布组成；第一输入耦合元件用于将第一类圆偏振光的成像光束以第一衍射角度耦入波导形成全反射光；第二输入耦合元件用于将第二类圆偏振光的成像光束以第二衍射角度耦入下述波导形成全反射光；所述波导表面设有输入耦合区和输出耦合区，用于将输入耦合区衍射的全反射光传播至输出耦合区；所述输出耦合区至少包括具有偏振特性的第一输出耦合元件及其阵列和第二输出耦合元件及其阵列，第一输出耦合元件阵列与第一输入耦合元件匹配响应相同的第一类圆偏振光，用于将第一类圆偏振光汇聚形成第一类视点并重定向进入人眼；第二输出耦合元件与第二输入耦合元件匹配响应相同的第二类圆偏振光，用于将第二类圆偏振光汇聚形成第二类视点并重定向进入人眼。
所述第一输入耦合元件和第二输入耦合元件为反射式或透射式的偏振体全息光栅，分别以第一衍射角度和第二衍射角度衍射左旋圆偏振光图像和右旋圆偏振光图像，且第一衍射角度和第二衍射角度必须应该相同以保证视点间距相同；所述第一输入耦合元件和第二输入耦合元件可在波导表面的同侧或异侧，若在同侧，所述第一输入耦合元件和第二偏输入耦合元件互相并排紧贴或间隔设置；若在异侧，所述第一输入耦合元件和第二偏输入耦合元件的位置在波导厚度方向重叠。
所述波导可以为单层平板波导或单层弯曲波导。若为弯曲波导，则弯曲波导外侧面曲率和内侧面曲率可以不相同。
在本实施例中，所述波导系统可为视网膜投影显示系统，圆偏振光图像光束通过输入耦合区以特定的衍射角以及特定位置耦合进波导进行全反射，最后在输出耦合区经第一输出耦合元件以及第二输出耦合元件将第一类和第二类圆偏振光图像光束在人眼处汇聚成视点，直接投射到人眼视网膜上成像而不受人眼调焦的影响。
所述第一输入耦合元件、第二输入耦合元件、第一输出耦合元件和第二输出耦合元件的位置和大小根据所设计的视点间距、视场角在波导的表面严格排列；设波导厚度为d、第一输出耦合元件之间的中心间距为D1、第二输出耦合元件之间的中心间距为D2，则由式子
Figure BDA0004167340340000072
可以计算出第一衍射角度θ1和第二衍射角度θ2，再根据第一衍射角度θ1、第二衍射角度θ2以及波导的全内反射推导出第一输入耦合元件和第二输入耦合元件的位置且第一输入耦合元件的大小不超过2D1，第二输入耦合元件的大小不超过2D2，光栅内部的光栅倾斜角、光栅周期均由所需要设计的衍射角以及工作波长得出。
实施例1
图1示出了这种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法的波导系统，包括：平板波导100、左旋反射式偏振体全息光栅101、右旋反射式偏振体全息光栅102、左旋反射式偏振液晶透镜104及其阵列、右旋反射式偏振液晶透镜103及其阵列。具体而言，左旋反射式偏振体全息光栅101、右旋反射式偏振体全息光栅102紧贴波导表面的同侧的上表面且两者互相并排紧贴或间隔设置，左旋反射式偏振液晶透镜104及其阵列紧贴波导表面的另一侧的上表面，、右旋反射式偏振液晶透镜103及其阵列紧贴左旋反射式偏振液晶透镜104及其阵列的上表面。
具体地，左旋的平行光束201和右旋的平行光束204分别提供左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的两幅相同的准直图像，可选择DLP、LCoS、LCD等显示器或激光扫描系统产生图像并由准直系统形成单一波长不同角度的宽光束的左旋的平行光束201和右旋的平行光束204，并继续向前方传播经过波导到输入耦合区中。第一输入耦合元件和第二输入耦合元件，即左旋反射式偏振体全息光栅101和右旋反射式偏振体全息光栅102，左旋反射式偏振体全息光栅101和右旋反射式偏振体全息光栅102的位置分别与左旋的平行光束201和右旋的平行光束204对应。左旋反射式偏振体全息光栅101和右旋反射式偏振体全息光栅102将左旋的平行光束201和右旋的平行光束204以第一衍射角度θ1和第二衍射角度θ2衍射进平板波导100内部形成左旋的全反射光束202和右旋的全反射光束205，满足全反射条件沿输出耦合区方向继续向前传播至第一输出耦合元件和第二输出耦合元件，即左旋反射式偏振液晶透镜104和右旋反射式偏振液晶透镜103，左旋的全反射光束202和右旋的全反射光束205分别在左旋反射式偏振液晶透镜104和右旋反射式偏振液晶透镜103被衍射成左旋的会聚光203和右旋的会聚光206形成第一类视点301和第二类视点302，人眼105在第一类视点301和第二类视点302处观察到图像。左旋的全反射光束202和右旋的全反射光束205在达到左旋反射式偏振液晶透镜104和右旋反射式偏振液晶透镜103时会发生部分衍射且未发生部分衍射的的左旋的全反射光束202和右旋的全反射光束205会继续在平板波导100中传播达到下一个左旋反射式偏振液晶透镜104和右旋反射式偏振液晶透镜103再进行部分衍射以实现出瞳扩展，当设计好每个左旋反射式偏振液晶透镜104和右旋反射式偏振液晶透镜103的衍射效率时能够提高出瞳的均匀性。
如图1所示，不同圆偏振光图像的光路分布需要根据输入耦合元件即左旋反射式偏振体全息光栅101和右旋反射式偏振体全息光栅102与第一输出耦合元件和第二输出耦合元件即左旋反射式偏振液晶透镜104和右旋反射式偏振液晶透镜103的位置分布一一对应。如图2、3所示，对于左旋圆偏振光路，左旋反射式偏振体全息光栅101与左旋反射式偏振液晶透镜104对左旋的平行光束201匹配响应，左旋反射式偏振体全息光栅101将左旋的平行光束201以第一衍射角度θ1耦入进平板波导100形成左旋的全反射光202，左旋的全反射光201经过第一个左旋反射式偏振液晶透镜104时部分耦出平板波导100衍射成为左旋的会聚光203形成第一类视点301，该视点的视场角由第一输出耦合元件，即左旋反射式偏振液晶透镜104的f值(F#)决定。对于右旋圆偏振光路，右旋反射式偏振体全息光栅102与右旋反射式偏振液晶透镜103对右旋的平行光束204匹配响应，右旋反射式偏振体全息光栅102将右旋的平行光束204以第二衍射角度θ2耦入进平板波导100形成右旋的全反射光205，右旋的全反射光205经过第一个右旋反射式偏振液晶透镜103时部分耦出平板波导100衍射成为右旋的会聚光206形成第二类视点302，该视点的视场角由第二输出耦合元件，即右旋反射式偏振液晶透镜103的f值(F#)决定。
输入耦合元件以左旋的偏振体全息光栅为例，图4示出了本实施例提供的反射式偏振体全息光栅的具体工作方式，线性偏振光束1经过左旋反射式偏振体全息光栅101使左旋圆偏振光束3发生布拉格衍射，右旋圆偏振光束2直接透过。图5示出了本实施例提供的透射式偏振体全息光栅的具体工作方式，右旋圆偏振光束2经过左旋透射式偏振体全息光栅106直接透过，左旋圆偏振光束经过左旋透射式偏振体全息光栅106发生布拉格衍射并使旋性变为右旋圆偏振光束2。
本实施例用于扩大视场的近眼显示视点间距调控方法如图6所示，主要通过波导系统的输出耦合元件的复制排列实现视点间距的调控。左旋反射式偏振液晶透镜104复制多个并依次并排紧贴排列构成阵列，可用于多次耦出与左旋反射式偏振液晶透镜104匹配响应的第一类圆偏振光，衍射成左旋的会聚光203从而形成多个的第一类视点301；右旋反射式偏振液晶透镜103复制多个，并紧贴在左旋反射式偏振液晶透镜104阵列的上层依次并排紧贴或间隔排列构成阵列，可用于多次耦出与右旋反射式偏振液晶透镜103匹配响应的第二类圆偏振光，衍射成右旋的会聚光206从而复制多个的第二类视点302。相邻的第一类视点301的间距D3与相邻的左旋反射式偏振液晶透镜104之间的中心间距D1相等；相邻的第二类视点302的间距D4与相邻的右旋反射式偏振液晶透镜103之间的中心间距D2相等。第一类视点301与第二类视点302符合人眼瞳孔的间距进行间隔排列，且间距在2mm～8mm之间也可以更大，因此，相邻左旋反射式偏振液晶透镜104之间的中心间距D1和相邻的右旋反射式偏振液晶透镜103之间的中心间距D2都可以为人眼瞳孔间距的两倍以上。由于本发明的视场角直接由耦合器透镜决定且右旋反射式偏振液晶透镜103和左旋反射式偏振液晶透镜104的f值(F#)相同，以保证第一类视点与第二类视点的视场角相同，满足式子
Figure BDA0004167340340000101
可以得到一个大的视场角同时视点的空间间距又能缩小到符合人眼瞳孔的大小。
实施例2
如图7-9所示，本实施例包括了除实施例1外的几种平板波导系统。本实施例中的其余设置与实施例1均相同，与实施例1不同的是输入耦合区的输入耦合元件与输出耦合区的输出耦合元件。
如图7所示，该波导系统与实施例1不同的是输入耦合区的输入耦合元件为左旋反射式偏振体全息光栅101和左旋透射式偏振体全息光栅106并分别紧贴在波导表面的上下表面，为了形成第一类视点301和第二类视点302，需经过波导系统后形成第一类的圆偏振光和第二类的圆偏振光。
由图4、5的偏振体全息光栅的工作方式可以理解的是，左旋的平行光束201向前方传播到输入耦合区中，首先经过左旋透射式偏振体全息光栅106将衍射50％为右旋的全反射光束205，剩下的50％左旋的平行光束201进行0阶透射穿过波导到达左旋反射式偏振体全息光栅101衍射为左旋的全反射光束202，通过控制左旋反射式偏振体全息光栅101和左旋透射式偏振体全息光栅106的厚度可以调整左旋的平行光束201的衍射效率。该波导系统同样形成了两种圆偏振光路以实现本发明的扩大视场的近眼显示视点间距调控方法。
如图8所示，该波导系统与实施例1不同的是输入耦合区的输入耦合元件为左旋透射式偏振体全息光栅106和右旋透射式偏振体全息光栅107，输出耦合区的输出耦合元件为右旋透射式偏振液晶透镜108和左旋透射式偏振液晶透镜109。所述左旋透射式偏振体全息光栅106和右旋透射式偏振体全息光栅107附着在波导的下表面且两者互相并排紧贴，位置分别与左旋的平行光束201和右旋的平行光束204对应。所述的右旋透射式偏振液晶透镜108及其阵列附着在波导的下表面，所述的左旋透射式偏振液晶透镜109及其阵列紧贴在所述右旋透射式偏振液晶透镜108及其阵列的下表面并在波导厚度方向上重叠。该波导系统同样形成了两种圆偏振光路以实现本发明的扩大视场的近眼显示视点间距调控方法。
如图9所示，该波导系统与实施例1不同的是输出耦合区的输出耦合元件为右旋透射式偏振液晶透镜108和左旋透射式偏振液晶透镜109。所述的左旋透射式偏振液晶透镜109及其阵列附着在波导的下表面，所述的右旋透射式偏振液晶透镜108及其阵列紧贴在所述左旋透射式偏振液晶透镜109及其阵列的下表面并在波导厚度方向上重叠。该波导系统同样形成了两种圆偏振光路以实现本发明的扩大视场的近眼显示视点间距调控方法。
实施例3
如图10所示，本实施例中的其余设置与实施例1均相同，与实施例1不同的是波导为弯曲波导110，输入耦合区的输入耦合元件即左旋反射式偏振体全息光栅101、右旋反射式偏振体全息光栅102和输出耦合区的输出耦合元件即左旋反射式偏振液晶透镜104、右旋反射式偏振液晶透镜103均有一定的柔性，该波导系统对比于平板波导更符合公众的社会标准并且可以实现更大的FOV。
可选地，本实施例的波导系统输入耦合区的输入耦合元件可以为图7中的左旋反射式偏振体全息光栅101和左旋透射式偏振体全息光栅106，也可以为图8中的左旋透射式偏振体全息光栅106和右旋透射式偏振体全息光栅107。本实施例的波导系统输出耦合区的输出耦合元件也可以为图8中的右旋透射式偏振液晶透镜108和左旋透射式偏振液晶透镜109，根据所需的两种圆偏振光路进行组合。
第一类圆偏振光汇聚形成的第一类视点和第二类圆偏振光汇聚形成第二类视点与眼睛105的关系如图11所示，由该波导系统形成的第一类视点阵列和第二类视点阵列不再是一条直线上间隔排列，而是由一定的弧度进行间隔排列，其弧度由波导的上下表面曲率决定。当眼睛105注视前方时即第三主光线8的方向与眼睛105注视方向相同，通过波导系统的图像在视野的正中间；当眼睛105注视其他方向时即第一主光线6、第二主光线7、第四主光线9、第五主光线10或其他的主光线能与眼睛105注视方向相同，通过波导系统的图像依然能保持在视野的正中间。该波导系统进入人眼的主光线的方向和眼镜注视方向相匹配的效果，更符合良好的观看体验且同样形成了两种圆偏振光路以实现本发明的扩大视场的近眼显示视点间距调控方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法，其特征在于，通过波导系统的输出耦合元件的阵列实现视点间距的调控；设置多个相同的第一输出耦合元件，并在波导表面上依次并排紧贴排列构成阵列，用于多次耦出与第一输出耦合元件匹配响应的第一类圆偏振光，从而实现多个第一类视点；设置多个相同的第二输出耦合元件，并紧贴在第一输出耦合元件的上层依次并排紧贴或间隔排列构成阵列，用于多次耦出与第二输出耦合元件匹配响应的第二类圆偏振光，从而实现多个第二类视点；第一输出耦合元件阵列形成的第一类视点与第二输出耦合元件阵列形成的第二类视点符合人眼瞳孔间距进行间隔排列，第一输出耦合元件与第二输出耦合元件的直径可达到两倍的视点的空间间距，从而在有效扩大视场角的同时视点的空间间距符合人眼瞳孔间距。
2.根据权利要求1所述的一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法，其特征在于，所述第一输出耦合元件和第二输出耦合元件为一种使用手性液晶偏振全息术制造的具有偏振特性的聚焦衍射元件，第一输出耦合元件将与其手性相同的第一类圆偏振光图像汇聚在人眼处形成第一类视点，第二输出耦合元件将与其手性相同的第二类圆偏振光图像汇聚在人眼处形成第二类视点，且第一输出耦合元件和第二输出耦合元件的F#，即f值相同，以保证第一类视点与第二类视点的视场角相同。
3.根据权利要求1所述的一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法，其特征在于，第一类视点由第一类圆偏振会聚光形成，第二类视点由第二类圆偏振会聚光形成；视点的排列由第一输出耦合元件阵列和第二输出耦合元件阵列分别衍射的第一类视点和第二类视点交叉排列，由第一输出耦合元件阵列形成的视点间距是人眼瞳孔直径的两倍，由第二输出耦合元件阵列形成的视点间距是人眼瞳孔直径的两倍，则交叉排列的视点的间距符合人眼瞳孔直径距离，且第一输出耦合元件中心与第二输出耦合元件中心的间距也符合人眼瞳孔直径距离。
4.根据权利要求1所述的一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法，其特征在于，所述视场角不再受到耦出的光传播角的限制，而是受到输出耦合元件的限制，且视场角FOV仅由输出耦合元件的F#决定，或由入瞳直径D和焦距f决定，满足式子
Figure FDA0004167340330000011
由此，视场角可突破传统波导的上限。
5.根据权利要求1所述的一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法，其特征在于，所述波导系统包括输入耦合区、波导和输出耦合区；所述输入耦合区至少包括具有偏振特性的第一输入耦合元件和第二输入耦合元件，或者由第一和第二输入耦合元件的阵列排布组成；第一输入耦合元件用于将第一类圆偏振光的成像光束以第一衍射角度耦入波导形成全反射光；第二输入耦合元件用于将第二类圆偏振光的成像光束以第二衍射角度耦入下述波导形成全反射光；所述波导表面设有输入耦合区和输出耦合区，用于将输入耦合区衍射的全反射光传播至输出耦合区；所述输出耦合区至少包括具有偏振特性的第一输出耦合元件及其阵列和第二输出耦合元件及其阵列，第一输出耦合元件阵列与第一输入耦合元件匹配响应相同的第一类圆偏振光，用于将第一类圆偏振光汇聚形成第一类视点并重定向进入人眼；第二输出耦合元件与第二输入耦合元件匹配响应相同的第二类圆偏振光，用于将第二类圆偏振光汇聚形成第二类视点并重定向进入人眼。
6.根据权利要求5所述的一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法，其特征在于，所述第一输入耦合元件和第二输入耦合元件为反射式或透射式的偏振体全息光栅，分别以第一衍射角度和第二衍射角度衍射左旋圆偏振光图像和右旋圆偏振光图像，且第一衍射角度和第二衍射角度相同以保证视点间距相同；所述第一输入耦合元件和第二输入耦合元件在波导表面的同侧或异侧，若在同侧，所述第一输入耦合元件和第二偏输入耦合元件互相并排紧贴或间隔设置；若在异侧，所述第一输入耦合元件和第二偏输入耦合元件的位置在波导厚度方向重叠。
7.根据权利要求5所述的一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法，其特征在于，所述波导为单层平板波导或单层弯曲波导。
8.权利要求1所述的一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法，其特征在于，所述波导系统可为视网膜投影显示系统，圆偏振光图像光束通过输入耦合区以设定的衍射角以及设定位置耦合进波导进行全反射，最后在输出耦合区经第一输出耦合元件以及第二输出耦合元件将第一类和第二类圆偏振光图像光束在人眼处汇聚成视点，直接投射到人眼视网膜上成像而不受人眼调焦的影响。
9.根据权利要求1所述的一种可扩大视场的近眼显示视点间距调控方法，其特征在于，所述第一输入耦合元件、第二输入耦合元件、第一输出耦合元件和第二输出耦合元件的位置和大小根据所设计的视点间距、视场角在波导的表面严格排列；设波导厚度为d、第一输出耦合元件之间的中心间距为D1、第二输出耦合元件之间的中心间距为D2，则由式子
Figure FDA0004167340330000021
计算出第一衍射角度θ1和第二衍射角度θ2，再根据第一衍射角度θ1、第二衍射角度θ2以及波导的全内反射推导出第一输入耦合元件和第二输入耦合元件的位置且第一输入耦合元件的大小不超过2D1，第二输入耦合元件的大小不超过2D2，光栅内部的光栅倾斜角、光栅周期均由所需要设计的衍射角以及工作波长得出。
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