全息波导显示装置和增强现实显示设备制造方法及图纸

本公开是关于一种全息波导显示装置和增强现实显示设备，全息波导显示装置，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，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，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，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。

【技术实现步骤摘要】
全息波导显示装置和增强现实显示设备
本公开涉及增强现实显示
，尤其涉及一种全息波导显示装置和增强现实显示设备。
技术介绍
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。
技术实现思路
为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种全息波导显示装置和增强现实显示设备，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，提供一种全息波导显示装置，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，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，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，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，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：Pθ≤Lθ其中，Pθ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，Lθ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：Pθup≤Li≤Pθ其中，Pθup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，Pθ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，Li表示耦入光栅的长度。在一个实施例中，优选地，Pθ＝Pθup+Pθd1+....+Pθdn其中，Pθ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，Pθup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，Pθd1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，Pθdn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，Pθup+Pθd1+....+Pθdn＝2duptanθ+2dd1tanθ....+2ddntanθ其中，dup表示所述最上层的波导板的第一厚度，dd1表示所述第一个下层的波导板的第二厚度，ddn表示所述第n个下层的波导板的第三厚度。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，所述耦入光栅的衍射效率为阶跃型，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，所述半透半反膜具有预设透反射比。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全息波导显示装置。本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本专利技术实施例中，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。本专利技术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。所以基于本专利技术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全息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全息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全息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：Li≤Min{Pθ}＝Pθmin但是当Pθ≥Li，光线在波导中传输时会出现Pθ-Li的光瞳间隙，最后人眼观察时也必然会出现Pθ-Li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。为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全息波导显示装置，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；/n所述图像源，用于显示图像；/n所述中继光学系统，用于将所述图像源显示的图像准直射入所述耦入光栅；/n所述耦入光栅，用于将所述中继光学系统的出射光线耦入所述波导组；/n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；/n所述耦出光栅，用于耦出传输至所述耦出光栅的光线。/n

【技术特征摘要】
1.一种全息波导显示装置，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，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，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，用于耦出传输至所述耦出光栅的光线。


2.根据权利要求1所述的全息波导显示装置，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：
Pθ≤Lθ
其中，Pθ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，Lθ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。


3.根据权利要求1所述的全息波导显示装置，其特征在于，所述耦入光栅的长度满足以下条件：
Pθup≤Li≤Pθ
其中，Pθup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，Pθ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，Li表示耦入光栅的长度。


4.根据权利要求2或3所述的全息波导显示装置，其特征在于，
Pθ＝Pθup+Pθd1+….+Pθdn
其中，Pθ表示传输角为θ的光线在所述波导组内传播...

【专利技术属性】
技术研发人员：李艳，崔海涛，钱进，毛鹏轩，
申请(专利权)人：谷东科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44