CN111830715A - 二维扩瞳的波导显示装置和增强现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种二维扩瞳的波导显示装置和增强现实显示设备，波导显示装置，包括：耦入光栅，用于使输入的光线耦合进入波导基底，耦入光栅包括设置在波导基底的上表面的第一衍射光栅和下表面的第二衍射光栅；波导基底，将耦合进入波导基底的光线采用全反射的方式传输至转折光栅；转折光栅，使传输至转折光栅的光线发生一次扩瞳，并将扩瞳后的光线通过波导基底全反射传输至耦出光栅，转折光栅包括设置在波导基底的上表面的第三衍射光栅和下表面的第四衍射光栅；耦出光栅，输出传输至耦出光栅的光线，其中，耦出光栅包括设置在波导基底的上表面的第五衍射光栅和下表面的第六衍射光栅。通过该技术方案，可以提高光效，改善显示效果。

Description

二维扩瞳的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显示技术领域，尤其涉及一种二维扩瞳的波导显示装置和增强现实显示设备。

背景技术

随着虚拟现实和增强现实技术的发展，近眼式显示设备得到快速发展，增强现实的近眼式显示是一种将光场成像在现实空间的技术，并且可以同时兼顾虚拟和现实的操作。利用传统光学光波导元件耦合图像光进入人眼的方式已经被采用，包括使用棱镜、反射镜、半透半反光光波导、全息及衍射光栅。光波导显示系统是利用全反射原理实现光线传输，结合衍射元件，实现光线的定向传导，进而将图像光导向人眼，使用户可以看到投影的图像。

现有的二维扩瞳衍射光波导技术，光线在经过耦入端衍射后会有大量的0级光透射出波导基底，这样，会导致光效较低，并且显示的图像会存在网栅黑暗条纹现象，降低用户的使用体验。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种二维扩瞳的波导显示装置和增强现实显示设备，用以实现提高光效和减少黑暗条纹，提高用户的视觉体验。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种二维扩瞳的波导显示装置，包括：波导基底、耦入光栅、转折光栅和耦出光栅；

所述耦入光栅，设置在所述波导基底的光线输入区域，用于使输入的光线耦合进入波导基底，其中，所述耦入光栅包括设置在所述波导基底的上表面的第一衍射光栅和设置在所述波导基底的下表面的第二衍射光栅；

所述波导基底，用于将耦合进入所述波导基底的光线采用全反射的方式传输至所述转折光栅；

所述转折光栅，设置在所述波导基底的光线转折区域，用于使传输至所述转折光栅的光线发生一次扩瞳，并将扩瞳后的光线通过所述波导基底全反射传输至所述耦出光栅，所述转折光栅包括设置在所述波导基底的上表面的第三衍射光栅和设置在所述波导基底的下表面的第四衍射光栅；

所述耦出光栅，设置在所述波导基底的光线输出区域，用于输出传输至所述耦出光栅的光线，其中，所述耦出光栅包括设置在所述波导基底的上表面的第五衍射光栅和设置在所述波导基底的下表面的第六衍射光栅。

在一个实施例中，优选地，所述耦入光栅、转折光栅和所述耦出光栅包括表面浮雕光栅。

在一个实施例中，优选地，所述表面浮雕光栅包括微纳米结构光栅。

在一个实施例中，优选地，所述微纳米结构光栅为采用纳米压印的方式将光刻胶固化而成。

在一个实施例中，优选地，所述耦入光栅、所述转折光栅和所述耦出光栅包括体全息光栅。

在一个实施例中，优选地，所述体全息衍射光栅通过对光敏材料进行曝光实现。

在一个实施例中，优选地，耦合进入波导基底的光线与波导基底的夹角角度θ满足以下条件：

θ＞arcsin(n0/n1)

其中，n1为所述波导基底的折射率，n0为空气的折射率。

在一个实施例中，优选地，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅的衍射参数相同或不同，所述第三衍射光栅和所述第四衍射光栅的衍射参数相同或不同，所述第五衍射光栅和所述第六衍射光栅的衍射参数相同或不同。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种增强现实显示设备，包括：

上述第一方面任一项所述的波导显示装置。

在一个实施例中，优选地，所述增强现实显示设备还包括：微显示屏、照明系统和目镜系统；

所述微显示屏、所述照明系统和所述目镜系统沿光线进入所述波导显示装饰的方向依次排列设置。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明实施例中，通过在波导基底的两侧都设置耦入光栅，转折光栅和耦出光栅，可以提高光效，改善显示图像的明暗条纹，进而改善显示效果，提升用户的使用体验。

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示出了现有二维扩瞳衍射光波导的原理示意图。

图2示出了现有二维扩瞳衍射光波导的传播路径S1的前视图。

图3示出了现有二维扩瞳衍射光波导的传播路径S2的右视图。

图4示出了现有二维扩瞳衍射光波导的耦出区域的衍射效率示意图。

图5示出了现有二维扩瞳衍射光波导的耦出区域的耦出区域的图像亮度分布示意图。

图6是根据一示例性实施例示出的一种二维扩瞳的波导显示装置的平面示意图。

图7是根据一示例性实施例示出的一种二维扩瞳的波导显示装置的传播路径S1的前视图。

图8是根据一示例性实施例示出的一种二维扩瞳的波导显示装置的传播路径S2的右视图。

图9是根据一示例性实施例示出的一种二维扩瞳的波导显示装置的耦出区域的衍射效率示意图。

图10是根据一示例性实施例示出的一种二维扩瞳的波导显示装置的耦出区域的图像亮度分布示意图。

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示出了现有二维扩瞳衍射光波导的原理示意图。如图1所示，在波导基底一侧的光线输入区域转折区域和光线输出区域均采用衍射光栅。但是光线在经光线输入区域衍射后，会有大量的0级光透射出波导，进而导致光效较低和对面亦可视，降低用户的使用体验。其中，0级光是光直射到光栅上没有经过衍射直接投过去的光。0级光一般肉眼能看到，强度高。0级光是0order light，对于普通的光栅来说(凹面，全息等)，衍射后的光能量大部分集中在0级光中，是不能利用的。

传统的二维扩瞳波导光线在传播过程中会有一次转折，类似于两次一维扩瞳的叠加，所以光线可先后分为两个传播路径S1和S2。

其中，图2示出了传播路径S1的前视图。如图2所示，当光机的光照射到光线输入区域的耦入光栅21时会发生衍射产生另外一束光，该光线的角度满足全反射条件在波导基底中满足全反射条件，全反射传播到达转折区域的转折光栅22后，发生一次一维扩瞳，扩瞳后衍射产生的光线将在波导内继续全反射传播，如图2所示会衍射出数条衍射光线23(图2中的黑点)，这些光线之间的距离为d1，这些光线的具体传播方向可参考图3。

图3示出了传播路径S2的右视图。如图3所示，由转折光栅22产生的数条光线从转折光栅22往耦出光栅24全反射传播，到达耦出光栅24后各束光线会再一次分别发生一次一维扩瞳，这些光线之间的距离为出瞳距d2，继而耦出至人眼。其最终成像效果如图4和图5所示，其中，图4示出了耦出区域的衍射效率示意图，图5示出了耦出区域的图像亮度分布示意图。如图4和图5所示，图中每一个小圆对应一束出射光的衍射图像，每一个小圆均是中心衍射效率高，边缘衍射效率低。这就造成一个问题，显示的图像会存在网栅黑暗条纹现象。

因此，为了提高光效，改善显示效果，提出了本申请的技术方案。

图6是根据一示例性实施例示出的一种二维扩瞳的波导显示装置的平面示意图，如图6所示，二维扩瞳的波导显示装置，包括：波导基底61、耦入光栅62、转折光栅63和耦出光栅64；

所述耦入光栅62，设置在所述波导基底61的光线输入区域，用于使输入的光线耦合进入波导基底61，其中，所述耦入光栅62包括设置在所述波导基底的上表面的第一衍射光栅和设置在所述波导基底的下表面的第二衍射光栅；

所述波导基底61，用于将耦合进入所述波导基底61的光线采用全反射的方式传输至所述转折光栅63；

所述转折光栅63，设置在所述波导基底61的光线转折区域，用于使传输至所述转折光栅的光线发生一次扩瞳，并将扩瞳后的光线通过所述波导基底61全反射传输至所述耦出光栅64，所述转折光栅63包括设置在所述波导基底的上表面的第三衍射光栅和设置在所述波导基底的下表面的第四衍射光栅；

所述耦出光栅64，设置在所述波导基底61的光线输出区域，用于输出传输至所述耦出光栅64的光线，其中，所述耦出光栅64包括设置在所述波导基底61的上表面的第五衍射光栅和设置在所述波导基底61的下表面的第六衍射光栅。

在一个实施例中，优选地，可以根据具体需要设置不同衍射光栅的具体衍射参数，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅的衍射参数可以相同也可以不同，所述第三衍射光栅和所述第四衍射光栅的衍射参数可以相同也可以不同，所述第五衍射光栅和所述第六衍射光栅的衍射参数可以相同也可以不同。其中，第一衍射光栅和第二衍射光栅可以对应平行设置于光线输入区域的上表面和下表面，第三衍射光栅和第四衍射光栅可以对应平行设置于光线转折区域的上表面和下表面，第五衍射光栅和第六衍射光栅可以对应平行设置于光线输出区域的上表面和下表面。

在一个实施例中，优选地，所述耦入光栅62、转折光栅63和所述耦出光栅64包括表面浮雕光栅。

其中，表面浮雕光栅为振幅调制。当耦入光栅、转折光栅和耦出光栅为表面浮雕光栅时，图6中波导基底的上下表面的空白部分可以为空气。

在一个实施例中，优选地，所述表面浮雕光栅包括微纳米结构光栅。

在一个实施例中，优选地，所述微纳米结构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。

在一个实施例中，优选地，所述耦入光栅62、所述转折光栅63和所述耦出光栅64包括体全息光栅。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，本申请可以采用体全息光栅，当然，也可以根据用途不同，采用其他类型的光栅，具体不做限制。

在一个实施例中，优选地，所述体全息衍射光栅通过对光敏材料进行曝光实现。当耦入光栅、转折光栅和耦出光栅为表面浮雕光栅时，图6中波导基底的上下表面的空白部分可以为未曝光的光敏材料或空气。

在一个实施例中，优选地，耦合进入波导基底的光线与波导基底的夹角角度θ满足以下条件：

θ＞arcsin(n0/n1)

其中，n1为所述波导基底的折射率，n0为空气的折射率。

上述实施例中，通过设置在波导基底的上下表面的衍射光栅同时对耦入的光线进行衍射，可以提高光效，并且，在光线转折区域和光线输出端也通过设置在波导基底的上下表面的衍射光栅进行衍射，可以使波导的出瞳距较小，从而改善显示图像的明暗条纹，进而改善显示效果。

具体地，本申请的上述技术方案如何提高光效和减小出瞳距，下面结合图7至和图10进行详细说明。其中，在主光线在波导中全反射时的角度和基底厚度可知的情况下，光线每经过一次耦出区域的光栅面即发生一次衍射，两次衍射之间的距离即出瞳距。

图7是根据一示例性实施例示出的一种二维扩瞳的波导显示装置的传播路径S1的前视图。如图7所示，传播路径S1中，光线经过第一衍射光栅71后有大量的0级光透射到达第二衍射光栅72并再次利用，大大提高光效。光线在往转折光栅区域传播时两束衍射光线均会在第三衍射光栅73和第四衍射光栅74发生衍射，提高光线密度，此时光线之间的距离为d1，同时上下两表面均存在一次衍射(图中黑点处)。这些衍射出的转折光线的具体传播过程如图8所示。

图8是根据一示例性实施例示出的一种二维扩瞳的波导显示装置的传播路径S2的右视图。如图8所示，传播路径S2中，由转折光栅区域产生的数条光线从转折区域往耦出光栅区域全反射传播，到达耦出光栅区域后各束光线会再一次于第五衍射光栅75和第六衍射光栅76分别发生衍射，这些光线之间的距离为出瞳距d2。最终成像效果如图9和图10所示。图9中每一个小圆对应一束出射光的衍射图像，每一个小圆均是中心衍射效率高，边缘衍射效率低。相比于现有技术而言，二维扩瞳的出瞳距d1和d2均大大降低，可以改善显示图像的明暗条纹，显示的图像的网栅明暗条纹现象将大大降低，同时耦出区域上下表面两次衍射将大大提高耦出区域的图像亮度。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种增强现实显示设备，包括：

上述第一方面任一项所述的二维扩瞳的波导显示装置。

在一个实施例中，优选地，所述增强现实显示设备还包括：微显示屏、照明系统和目镜系统；

所述微显示屏、所述照明系统和所述目镜系统沿光线进入所述波导显示装饰的方向依次排列设置。

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发明后，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)

1.一种二维扩瞳的波导显示装置，其特征在于，包括：波导基底、耦入光栅、转折光栅和耦出光栅；

所述耦入光栅，设置在所述波导基底的光线输入区域，用于使输入的光线耦合进入波导基底，其中，所述耦入光栅包括设置在所述波导基底的上表面的第一衍射光栅和设置在所述波导基底的下表面的第二衍射光栅；

所述波导基底，用于将耦合进入所述波导基底的光线采用全反射的方式传输至所述转折光栅；

所述转折光栅，设置在所述波导基底的光线转折区域，用于使传输至所述转折光栅的光线发生一次扩瞳，并将扩瞳后的光线通过所述波导基底全反射传输至所述耦出光栅，所述转折光栅包括设置在所述波导基底的上表面的第三衍射光栅和设置在所述波导基底的下表面的第四衍射光栅；

所述耦出光栅，设置在所述波导基底的光线输出区域，用于输出传输至所述耦出光栅的光线，其中，所述耦出光栅包括设置在所述波导基底的上表面的第五衍射光栅和设置在所述波导基底的下表面的第六衍射光栅。

2.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、转折光栅和所述耦出光栅包括表面浮雕光栅。

3.根据权利要求2所述的波导显示装置，其特征在于，所述表面浮雕光栅包括微纳米结构光栅。

4.根据权利要求3所述的波导显示装置，其特征在于，所述微纳米结构光栅为采用纳米压印的方式将光刻胶固化而成。

5.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、所述转折光栅和所述耦出光栅包括体全息光栅。

6.根据权利要求5所述的波导显示装置，其特征在于，所述体全息衍射光栅通过对光敏材料进行曝光实现。

7.根据权利要求6所述的波导显示装置，其特征在于，耦合进入波导基底的光线与波导基底的夹角角度θ满足以下条件：

θ＞arcsin(n0/n1)

其中，n1为所述波导基底的折射率，n0为空气的折射率。

8.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅的衍射参数相同或不同，所述第三衍射光栅和所述第四衍射光栅的衍射参数相同或不同，所述第五衍射光栅和所述第六衍射光栅的衍射参数相同或不同。

9.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括：

如权利要求1至8中任一项所述的二维扩瞳的波导显示装置。

10.根据权利要求9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还包括：微显示屏、照明系统和目镜系统；

所述微显示屏、所述照明系统和所述目镜系统沿光线进入所述波导显示装置的方向依次排列设置。

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