CN211826729U - 波导显示装置 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种波导显示装置，包括：图像源、中继光学系统、耦入光栅、波导组和耦出光栅；所述图像源，用于显示图像；所述中继光学系统，设置于所述图像源的下方，用于将所述图像源显示的图像准直射入所述耦入光栅，所述耦入光栅的衍射效率分布为阶跃型；所述耦入光栅，设置于所述波导组的上表面，用于将所述中继光学系统的出射光线耦入所述波导组；所述波导组，包括多个层叠设置的波导板，不同的波导板之间设置有半透半反膜，所述波导组用于将耦入的光线传输至所述耦出光栅；所述耦出光栅，设置于所述波导组的上表面，用于耦出传输至所述耦出光栅的光线。通过该技术方案，可以同时兼顾消除二次衍射现象和观察图像的不连续性。

Description

波导显示装置

技术领域

本公开涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种波导显示装置。

背景技术

全息波导将波导的全反射特性和全息光栅的衍射特性相结合，可实现大视场、大出瞳图像输出，从而被应用于新一代头盔显示系统，而且其具有整体质量和体积更为紧凑的优点。全息波导是将经过光学系统后具有不同角度信息的平行光，以衍射形式耦入波导中，在满足全反射条件时，耦入的平行光以全反射的方式周期性向前传播，在遇到耦出全息光栅时，再衍射耦出，然后进入人眼成像。为消除色散以及尽可能高的衍射效率耦出，耦出光栅一般和耦入光栅周期相同，且镜像对称。全息波导中由于不同视场光线角度不同，其传输周期也不相同。为了减小图像源能量的损失，耦入光栅尺寸不能小于中继透镜出瞳尺寸，但是当耦入光栅尺寸大于光线传播周期时，光线会出现二次衍射现象。由于耦入光栅一般为高衍射效率光栅，这部分视场的图像光线能量几乎全部耦出。于是二次衍射相应视场的图像光线缺失，从而导致最终显示图像部分视场缺失，造成显示图像的信息不完整。另一方面当光瞳尺寸小于光线传输周期时，耦出时相邻周期输出的光束将会不连续，从而导致人眼在系统出瞳范围内观察图像时出现不连续现象，形成光瞳间隙。

所以在全息波导中同时兼顾要消除二次衍射现象以及观察图像的不连续性，这二者之间则无可避免形成无法调合的矛盾。

实用新型内容

为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种波导显示装置，以实现同时兼顾消除二次衍射现象和观察图像的不连续性。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种波导显示装置，包括：图像源、中继光学系统、耦入光栅、波导组和耦出光栅；

所述图像源，用于显示图像；

所述中继光学系统，设置于所述图像源的下方，用于将所述图像源显示的图像准直射入所述耦入光栅，所述耦入光栅的衍射效率分布为阶跃型；

所述耦入光栅，设置于所述波导组的上表面，用于将所述中继光学系统的出射光线耦入所述波导组；

所述波导组，包括多个层叠设置的波导板，不同的波导板之间设置有半透半反膜，所述波导组用于将耦入的光线传输至所述耦出光栅；

所述耦出光栅，设置于所述波导组的上表面，用于耦出传输至所述耦出光栅的光线。

在一个实施例中，优选地，通过光栅衍射效率分布数学模型，确定所述耦入光栅的阶跃型衍射效率分布。

在一个实施例中，优选地，所述耦入光栅和所述耦出光栅包括透/反式平面全息光栅或透/反式体全息光栅。

在一个实施例中，优选地，所述耦入光栅和所述耦出光栅包括表面微结构型光栅。

在一个实施例中，优选地，在所述波导组的端面设置有吸收膜。

在一个实施例中，优选地，所述半透半反膜具有预设透反射比。

在一个实施例中，优选地，耦入所述波导组的光线在所述波导组内的传输角为θ，则θ满足以下条件：

P_θ≤L_θ

其中，P_θ表示传输角为θ的光线在所述波导组内传播一个周期的总距离，L_θ表示传输角为θ的光线在经过波导组传输并通过所述耦出光栅耦出后的出射光瞳之间的距离。

在一个实施例中，优选地，所述耦入光栅的长度满足以下条件：

P_θup≤L_i≤P_θ

其中，P_θup表示传输角为θ的光线在所述波导组中位于最上层的波导板内传输一个周期的第一距离，P_θ表示传输角为θ的光线在所述波导组内传播一个周期的总距离，L_i表示耦入光栅的长度。

在一个实施例中，优选地，

P_θ＝P_θup+P_θd1+…+P_θdn

其中，P_θ表示传输角为θ的光线在所述波导组内传播一个周期的总距离，P_θup表示传输角为θ的光线在所述波导组中位于最上层的波导板内传输一个周期的第一距离，P_θd1表示传输角为θ的光线在所述波导组中第一个下层的波导板内传输一个周期的第二距离，P_θdn表示传输角为θ的光线在所述波导组中第n个下层的波导板内传输一个周期的第三距离。

在一个实施例中，优选地，

P_θup+P_θd1+…+P_θdn＝2d_up tanθ+2d_d1 tanθ…+2d_dn tanθ

其中，d_up表示所述最上层的波导板的第一厚度，d_d1表示所述第一个下层的波导板的第二厚度，d_dn表示所述第n个下层的波导板的第三厚度。

本实用新型实施例中，采用多层波导形式，波导板间涂有一定透反射比的半透半反膜层，来扩展光瞳尺寸，保证系统在耦出光栅无光瞳间隙的前提下亦能保证光线在耦入光栅不会发生二次衍射现象的产生。另一方面，由于多层波导的引入又会导致入射到耦出光栅上的光束出现重叠区和非重叠区，使得在波导内沿传输方向的强度分布产生阶跃型变化。本实用新型在确定的光栅衍射效率分布数学模型基础上，设计阶跃型衍射效率分布的耦入光栅，以获得光强均匀分布的耦出光线，使得出瞳光强分布达到一定的均匀性。所以基于本实用新型的波导显示系统具有使整个输出图像拥有更高的均匀性、连续性以及完整性的特性。

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。

图1和图2示出了相关技术中全息平板光波导的原理示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种波导显示装置的结构示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的一种波导显示装置的参数和光路示意图。

图5是根据一示例性实施例示出的又一种波导显示装置的参数和光路示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。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。

图1和图2示出了相关技术中全息平板光波导的原理示意图。如图1和图2所示，携带有微显示器图像的光线经中继光学系统准直后，经入射端全息光栅衍射后耦入平板光波导，在满足全反射条件时，耦入光线可在光波导中以全反射的方式向前传播至耦出端全息光栅区域，经过耦出端的全息光栅衍射输出后进入人眼成像。假设光线在传播一个周期后，如果再次入射到耦入光栅，则光线会发生二次衍射现象，衍射光线会平行于相应的输入视场光线射出光栅。通常情况下，耦入端光栅都是高衍射效率光栅，于是这部分视场的图像光线能量几乎全部损耗，导致发生二次衍射相对应的那部分视场图像光线缺失，最终导致显示图像部分视场缺失，造成显示图像信息不完整。所以为避免各视场光线在耦入光栅上发生二次衍射现象，则耦入光栅水平尺寸需要满足：

L_i≤Min{P_θ}＝P_θmin

但是当P_θ≥L_i，光线在波导中传输时会出现P_θ-L_i的光瞳间隙，最后人眼观察时也必然会出现P_θ-L_i的图像间隙。所以在全息波导中同时兼顾要消除二次衍射现象以及观察图像的不连续性，这二者之间则无可避免形成无法调合的矛盾。

为了解决全息波导中同时兼顾要消除二次衍射现象以及观察图像的不连续性之间的矛盾，提出了本实用新型的波导显示装置。

图3是根据一示例性实施例示出的一种波导显示装置的结构示意图，如图3所示，波导显示装置，包括：图像源31、中继光学系统32、耦入光栅33、波导组34和耦出光栅35；

所述图像源31，用于显示图像。

所述中继光学系统32，设置于所述图像源31的下方，用于将所述图像源显示的图像准直射入所述耦入光栅。

所述耦入光栅33，设置于所述波导组34的上表面，用于将所述中继光学系统的出射光线耦入所述波导组。

所述波导组34，包括多个层叠设置的波导板(图中以3个波导板为例)，不同的波导板之间设置有半透半反膜，所述波导组用于将耦入的光线传输至所述耦出光栅。

所述耦出光栅35，用于耦出传输至所述耦出光栅的光线。

在一个实施例中，优选地，所述半透半反膜具有预设透反射比。

在一个实施例中，优选地，如图4所示，假设耦入所述波导组34的光线在所述波导组内的传输角为θ，则θ满足以下条件：

P_θ≤L_θ

其中，P_θ表示传输角为θ的光线在所述波导组内传播一个周期的总距离，L_θ表示传输角为θ的光线在经过波导组传输并通过所述耦出光栅耦出后的出射光瞳之间的距离。

通过上述条件，便可消除各个视场光线光瞳之间的间隙，实现各离散光瞳之间的拼接，形成满足系统出瞳的扩展光瞳要求。

在一个实施例中，优选地，所述耦入光栅的长度满足以下条件：

P_θup≤L_i≤P_θ

其中，P_θup表示传输角为θ的光线在所述波导组中位于最上层的波导板内传输一个周期的第一距离，P_θ表示传输角为θ的光线在所述波导组内传播一个周期的总距离，L_i表示耦入光栅的长度。

在一个实施例中，优选地，

P_θ＝P_θup+P_θd1+…+P_θdn

其中，P_θ表示传输角为θ的光线在所述波导组内传播一个周期的总距离，P_θup表示传输角为θ的光线在所述波导组中位于最上层的波导板内传输一个周期的第一距离，P_θd1表示传输角为θ的光线在所述波导组中第一个下层的波导板内传输一个周期的第二距离，P_θdn表示传输角为θ的光线在所述波导组中第n个下层的波导板内传输一个周期的第三距离。其中，n为波导组中波导板的数量减去1。

在一个实施例中，优选地，

P_θup+P_θd1+…+P_θdn＝2d_up tanθ+2d_d1 tanθ…+2d_dn tanθ

其中，d_up表示所述最上层的波导板的第一厚度，d_d1表示所述第一个下层的波导板的第二厚度，d_dn表示所述第n个下层的波导板的第三厚度。

通过上述各式可知，在满足P_θup≤L_i的前提下，即保证光瞳连续性输出的前提下，适当选取下层波导厚度，即可实现L_i≤P_θ，以消除二次衍射效应。于是本实用新型在保证消除二次衍射现象的前提下，同时也消除了各个视场光线的光瞳间隙，实现了光瞳的扩展，保证最终输出图像的连续性以及完整性。

在一个实施例中，优选地，所述耦入光栅和所述耦出光栅包括透/反式平面全息光栅或透/反式体全息光栅。全息光栅的制作原理是：两束具有特定波面形状的光束干涉，在记录平面上形成亮暗相间的干涉条纹，用全息记录介质记录干涉条纹，经处理得到全息光栅。采用不同的波面形状可以得到不同用途的全息光栅，采用不同的全息记录介质和处理过程可以得到不同类型或不同用途的全息光栅，如正余弦光栅，矩形光栅，平面光栅和体光栅等。本实用新型的实施例中，耦入光栅/耦出光栅可以是透/反式平面全息光栅，也可以是透/反式体全息光栅。

当然，在另一个实施例中，优选地，所述耦入光栅和所述耦出光栅还可以包括表面微结构型光栅。

表面微结构型光栅即表面浮雕光栅，表面微结构型光栅为采用纳米压印的方式将光刻胶固化而成。纳米压印是加工聚合物结构的最常用方法，它采用高分辨率电子束等方法将结构复杂纳米结构图案制在印章上，然后用预先图案化印章使聚合物材料变形而在聚合物上形成结构图形。在热压印工艺中，结构图案转移到被加热软化的聚合物后，通过冷却到聚合物玻璃化温度以下固化，而在紫外压印工艺中是通过紫外光聚合来固化的。微接触印刷通常指将墨材料转移到图案化的金属基表面上，在进行刻蚀工艺。纳米压印技术是在纳米尺度获得复制结构的一种成本低而速度快的方法，它可以大批量重复性地在大面积上制备纳米图案结构，而且所制出的高分辨率图案具有相当好的均匀性和重复性。

另一方面，由于多层波导的引入又会导致入射到耦出光栅上的光束出现重叠区和非重叠区，使得在波导内沿传输方向的强度分布产生阶跃变化。理论上讲，波导板层数越多，输出均匀性越好，但又会使系统中波导板过厚，给实际设计带来不便。为保证输出图像的质量，使整个出瞳光强分布达到一定的均匀性，为此，可通过确定光栅衍射效率分布数学模型，设计阶跃型衍射效率分布的耦入光栅，以获得光强均匀分布的耦出光线。

综上，在该实施例中，采用多层波导形式，波导板间涂有一定透反射比的半透半反膜层，来扩展光瞳尺寸，保证系统在耦出光栅无光瞳间隙的前提下亦能保证光线在耦入光栅不会发生二次衍射现象的产生。另一方面，由于多层波导的引入又会导致入射到耦出光栅上的光束出现重叠区和非重叠区，使得在波导内沿传输方向的强度分布产生阶跃型变化。本实用新型在确定的光栅衍射效率分布数学模型基础上，设计阶跃型衍射效率分布的耦入光栅，以获得光强均匀分布的耦出光线，使得出瞳光强分布达到一定的均匀性。所以基于本实用新型的波导显示系统具有使整个输出图像拥有更高的均匀性、连续性以及完整性的特性。

为了方便理解本实用新型的技术方案，下面以波导组为两层波导板结构为例，详细进行说明。

如图5所示，为避免各视场光线在耦入光栅上发生二次衍射现象，则耦入光栅水平尺寸需要满足：

L_i≤Min{P_θ}＝P_θmin

如果要使P_θ≤L_θ，则：

L_i≤P_θmin≤P_θ≤L_θ≤P_θmax≤L_θmax

得到：

由于系统中采用了多层波导板，则经入射端全息光栅衍射后形成传输角为θ的光线在耦入波导组后在满足全反射条件时，耦入光线在波导组中以全反射的方式向前传播，光线经上层波导板上表面反射后向下入射到两层波导板间的半透半反膜上，则光线会部分向上反射至上层波导板的上表面，部分透射进入下层波导板，并在下层波导板的下表面发生反射，反射光线再进入上层波导并在上层波导板上表面发生反射，依次反复向前传播。

所以传输角为θ的光线在光波导内的一个传播周期P_θ为：

于是便可使在满足P_θup≤L_i，即保证光瞳连续性输出的前提下，适当选取下层波导厚度，即可实现L_i≤P_θ，以消除二次衍射效应。于是该系统在保证消除二次衍射现象的前提下，同时也消除了各个视场光线的光瞳间隙，实现了光瞳的扩展，保证最终输出图像的连续性以及完整性。

本申请的上述技术方案展示的是一维全息波导的光瞳扩展，而全息波导二维扩展过程实质上是两个一维扩展过程的组合，所以本实用新型的上述技术方案亦可用于二维全息波导光瞳扩展，从而使得二维扩展输出的图像具有均匀性、连续性以及完整性。

基于相同的构思，本公开实施例还提供一种增强现实显示设备，包括上述技术方案中任意一项所述的波导显示装置。增强现实显示设备可以是AR眼镜或AR头盔等设备。

进一步可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。

进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种波导显示装置，其特征在于，包括：图像源、中继光学系统、耦入光栅、波导组和耦出光栅；

所述图像源，用于显示图像；

所述中继光学系统，设置于所述图像源的下方，用于将所述图像源显示的图像准直射入所述耦入光栅，所述耦入光栅的衍射效率分布为阶跃型；

所述耦入光栅，设置于所述波导组的上表面，用于将所述中继光学系统的出射光线耦入所述波导组；

所述波导组，包括多个层叠设置的波导板，不同的波导板之间设置有半透半反膜，所述波导组用于将耦入的光线传输至所述耦出光栅；

所述耦出光栅，设置于所述波导组的上表面，用于耦出传输至所述耦出光栅的光线。

2.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，通过光栅衍射效率分布数学模型，确定所述耦入光栅的阶跃型衍射效率分布。

3.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述耦入光栅和所述耦出光栅包括透/反式平面全息光栅或透/反式体全息光栅。

4.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述耦入光栅和所述耦出光栅包括表面微结构型光栅。

5.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，在所述波导组的端面设置有吸收膜。

6.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述半透半反膜具有预设透反射比。

7.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，耦入所述波导组的光线在所述波导组内的传输角为θ，则θ满足以下条件：

P_θ≤L_θ

其中，P_θ表示传输角为θ的光线在所述波导组内传播一个周期的总距离，L_θ表示传输角为θ的光线在经过波导组传输并通过所述耦出光栅耦出后的出射光瞳之间的距离。

8.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述耦入光栅的长度满足以下条件：

P_θup≤L_i≤P_θ

其中，P_θup表示传输角为θ的光线在所述波导组中位于最上层的波导板内传输一个周期的第一距离，P_θ表示传输角为θ的光线在所述波导组内传播一个周期的总距离，L_i表示耦入光栅的长度。

9.根据权利要求7或8所述的波导显示装置，其特征在于，

P_θ＝P_θup+P_θd1+…+P_θdn

其中，P_θ表示传输角为θ的光线在所述波导组内传播一个周期的总距离，P_θup表示传输角为θ的光线在所述波导组中位于最上层的波导板内传输一个周期的第一距离，P_θd1表示传输角为θ的光线在所述波导组中第一个下层的波导板内传输一个周期的第二距离，P_θdn表示传输角为θ的光线在所述波导组中第n个下层的波导板内传输一个周期的第三距离。

10.根据权利要求9所述的波导显示装置，其特征在于，

P_θup+P_θd1+…+P_θdn＝2d_up tanθ+2d_d1 tanθ…+2d_dn tanθ

其中，d_up表示所述最上层的波导板的第一厚度，d_d1表示所述第一个下层的波导板的第二厚度，d_dn表示所述第n个下层的波导板的第三厚度。

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