一种大视场角的全息光波导显示装置及方法与流程

本发明涉及光波导技术领域，特别是指一种大视场角的全息光波导显示装置及方法。

背景技术：

ar(augmentedreality，增强现实)显示设备在显示虚拟图像信息的同时，能够融合真实的背景环境，实现虚拟与现实的有机结合，因此在模拟训练、电子游戏、显微技术、外科手术等诸多领域已获得广泛应用。ar显示设备主要以头戴式为主，因此要求器件的轻薄化以满足长期佩戴的舒适性。在ar显示设备的各种实现方案中，全息光波导技术利用平板波导作为光传播媒质，利用全息元件作为光路折叠器件，具有结构简单、重量轻、体积小的优点，是下一代ar显示的关键技术。

全息光波导的技术原理如图1所示。入射光经耦入光栅发生衍射被耦合进入光波导，光线偏转方向满足光波导的全反射条件，因此光线在光波导内部以全反射的方式向前传播。耦出光栅的结构与耦入光栅对称，因此光线传播到耦出光栅发生衍射，角度恢复为入射光的方向从光波导出射。耦入光栅和耦出光栅可以为透射式或反射式，图1中都为透射式。为了保证人眼在一定范围内都能观察到图像，需要进行光瞳扩展，通过合理的设置耦出光栅的衍射效率分布，使得光线在经过耦出光栅时有部分能量耦出光波导，剩余能量继续向前传播，这样光线多次经过耦出光栅，实现了光瞳的扩展。

根据全息光波导技术的原理可知，当不同视场角的光线入射时，经耦入光栅后偏转的方向必须满足光波导的全反射条件，因此视场角的大小受到全反射条件的限制，视场角的大小如公式一表示：

公式一中θ为半视场角，n1为环境折射率，n2为光波导基底折射率，λmin和λmax为入射光的最小和最大波长。可以通过提高光波导基底折射率的方式来增大视场角，但是对材料的要求较高，而且材料折射率的增大范围有限，因此，目前全息光波导的视场角最大只有50°。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种大视场角的全息光波导显示装置及方法，使得光线入射的视场角不受光波导的全反射条件的限制，提高了显示装置的全息光波导的视场角。

基于上述目的本发明提供一种大视场角的全息光波导显示装置，包括：光波导，进一步还包括：

分别设置于所述光波导的光线传输区上、下表面的第一、二中继光栅；

分别设置于所述光波导两端光线入射区和出射区的耦入光栅和耦出光栅；

其中，第一、二中继光栅的光栅周期一致，工作于相同的反射衍射级次。

进一步，所述显示装置还包括：

设置于所述光波导光线出射区的表面、被所述耦出光栅覆盖的第三中继光栅；

其中，第三中继光栅与第一、二中继光栅的光栅周期一致、工作于相同的反射衍射级次，且第三中继光栅还工作在透射0级。

较佳地，第三中继光栅沿光线传播方向透射0级的衍射效率递增，其工作的反射衍射级次的衍射效率递减。

较佳地，第三中继光栅沿光线传播方向划分n个区域，其中第i个区域的透射0级的衍射效率为ηti如下公式二所示：

第i个区域工作的反射衍射级次的衍射效率为ηri如下公式三所示：

ηri＝1-ηti(公式三)

进一步，所述显示装置还包括：

微显示器，用于显示二维图像，向所述耦入光栅发射带有图像信息的光线。

较佳地，所述微显示器具体用于在显示二维图像时，对于光线传播到所述耦出光栅的折反次数越多的图像区域，显示的亮度更高。

本发明还提供一种大视场角的全息光波导显示方法，包括：

光线入射到设置于光波导的光线入射区的耦入光栅后发生衍射；

经所述耦入光栅衍射的光线经设置于所述光波导的光线传输区上、下表面的第一、二中继光栅多次反射衍射，在所述光波导中传播；

在所述光波导中传播的光线入射到设置于所述光波导光线出射区的耦出光栅后，经所述耦出光栅衍射后射出。

进一步，在所述光波导中传播的光线入射到设置于所述光波导光线出射区的耦出光栅之前，还包括：

在所述光波导中传播的光线入射到设置于所述光波导光线出射区的表面、被所述耦出光栅覆盖的第三中继光栅；

入射到第三中继光栅的光线，一部分透射到所述耦出光栅，经所述耦出光栅衍射后射出；另一部分在第三中继光栅与第一/二中继光栅间进行至少一次反射衍射，终由第三中继光栅透射到所述耦出光栅射出。

进一步，在所述光线入射到设置于光波导的光线入射区的耦入光栅后发生衍射前，还包括：

微显示器显示二维图像，向所述耦入光栅发射带有图像信息的光线；其中，对于光线传播到所述耦出光栅的折反次数越多的图像区域，显示的亮度更高。

本发明实施例的大视场角的全息光波导显示装置中，通过在光波导的光线传输区上、下表面分别设置第一、二中继光栅，使得耦入光栅对入射光的偏转角度可以不必满足光波导基底的全反射条件，光线在光波导中不再以全反射的方式传播，因此传播角度不受全反射条件的限制，提高了光波导内光路传播的角带宽，即提高了全息光波导的视场角，并且对光波导基底材料的折射率没有特殊要求。

更优地，本发明实施例的大视场角的全息光波导显示装置中，在光波导的光线出射区设置被耦出光栅覆盖的第三中继光栅，第三中继光栅与第一、二中继光栅的光栅周期一致、工作于相同的反射衍射级次，且第三中继光栅还工作在透射0级。这样，光线入射到第三中继光栅时，有部分能量透射至耦出光栅，经耦出光栅衍射后射出；剩余能量继续向前传播，这样光线多次经过第三中继光栅进而再由耦出光栅衍射射出，实现了光瞳的扩展。

更优地，本发明实施例的大视场角的全息光波导显示装置中，第三中继光栅的衍射效率呈梯度分布，从而保证扩展光瞳后出射光的均匀性。

更优地，本发明实施例的大视场角的全息光波导显示装置中，微显示器可以对图像源显示的图像亮度预先进行不均化处理：在显示二维图像时，对于光线传播到所述耦出光栅的折反次数越多的图像区域，显示的亮度更高，从而补偿从耦出光栅射出的不同视场角图像的亮度不均匀。

附图说明

图1为现有技术的全息光波导的技术原理示意图；

图2为本发明实施例提供的一种大视场角的全息光波导显示装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的不同的视场角入射的光线，其在光波导中传播时折反的次数不同的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种大视场角的全息光波导显示方法流程图；

图5a为本发明实施例提供的大视场角的全息光波导显示装置内光线传播的角度示意图；

图5b为本发明实施例提供的大视场角的全息光波导显示装置内光线耦出过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

本发明的技术方案中，通过在光波导的上下表面设置中继光栅，使得光波导内光线的传播不再受全反射条件的限制，提高了全息光波导技术的视场角，降低了对光波导基底材料折射率的要求。

下面结合附图详细说明本发明技术方案。

本发明实施例提供的一种大视场角的全息光波导显示装置，结构如图2所示，包括：光波导、耦入光栅201、耦出光栅202、第一中继光栅203、第二中继光栅204。

为便于描述，本文中将光线射入光波导的区域称为光波导的光线入射区，将光线射出光波导的区域称为光波导的光线出射区；将光线射入光波导后，从光线出射区射出之前，在光波导中传播的区域称为光波导的光线传输区。其中，光波导的光线入射区和光线出射区分别位于光波导的两端。

其中，上述的光波导具体可以是平板波导，上述的耦入光栅201和耦出光栅202分别设置于所述光波导两端的光线入射区和光线出射区；第一中继光栅203、第二中继光栅204分别设置于所述光波导的光线传输区上、下表面。

其中，耦入光栅201和耦出光栅202的光栅周期相同；耦入光栅201可以是反射式光栅或透射式光栅，耦出光栅202可以是透射式光栅。

第一中继光栅203、第二中继光栅204的光栅周期一致、且工作于相同的反射衍射级次；比如，第一、二中继光栅均工作于反射+1级衍射级次，或均工作于反射-1级衍射级次。较佳地，第一、二中继光栅工作的反射衍射级次的衍射效率设计为100％，以减少光线在光波导中传播的损耗。

更优地，考虑到本发明技术方案应用于光瞳扩展，本发明实施例提供的一种大视场角的全息光波导显示装置中还可包括：设置于所述光波导的光线出射区的表面、被所述耦出光栅覆盖的第三中继光栅205。

也就是说，耦出光栅202覆盖于第三中继光栅205外侧，即第三中继光栅205的一侧朝向光波导内部，另一侧则覆盖耦出光栅202；耦出光栅202与第三中继光栅205的大小尺寸一致。其中，第三中继光栅205与第一、二中继光栅的光栅周期一致、工作于相同的反射衍射级次，且第三中继光栅还工作在透射0级。这样，光线入射到第三中继光栅205时，有部分能量透射至耦出光栅202，经耦出光栅202衍射后射出；剩余能量继续向前传播，这样光线多次经过第三中继光栅205进而再由耦出光栅202衍射射出，实现了光瞳的扩展。

更优地，为保证扩展光瞳后出射光的均匀性，第三中继光栅的衍射效率呈梯度分布；具体地，第三中继光栅205沿光线传播方向透射0级的衍射效率递增，其工作的反射衍射级次的衍射效率沿光线传播方向递减。

具体地，第三中继光栅205沿光线传播方向划分n个区域，其中第i个区域的透射0级的衍射效率为ηti如下公式二所示：

第i个区域工作的反射衍射级次的衍射效率为ηri如下公式三所示：

ηri＝1-ηti(公式三)

由于第三中继光栅205被设计为工作在两个衍射级次：第一、二中继光栅工作的反射衍射级次和透射0级，且第三中继光栅205第i个区域的透射0级的衍射效率为ηti，第i个区域工作的反射衍射级次的衍射效率为ηri，这样在每个区域从第三中继光栅205透射的光能量是相等的，使得从耦出光栅202耦出的光线亮度均匀。

进一步，本发明实施例提供的一种大视场角的全息光波导显示装置还可包括：微显示器206。

微显示器206用于显示二维图像，向耦入光栅201发射带有图像信息的发散光。

对于全息光栅，虽然其衍射效率理论上能达到100％，但在实际的设计加工中很难做到，因此光线在传输过程中有一定的能量损失。对于不同的视场角入射的光线，其在光波导中传播时折反的次数有可能不同，如图3所示，虚线所示光路与实线所示光路传播到耦出光栅时经历了不同的折反次数，在第一、二中继光栅的实际衍射效率不为100％的情况下，这两条光路的能量损失是不同的，因此在光线从耦出光栅射出时看到的不同视场角的图像亮度会不均匀。

为了补偿从耦出光栅射出的不同视场角图像的亮度不均匀，本发明实施例提供的一种大视场角的全息光波导显示装置中微显示器206可以对图像源显示的图像亮度预先进行不均化处理。

因此，更优地，微显示器206可以在显示二维图像时，对于光线传播到所述耦出光栅的折反次数越多的图像区域，显示的亮度更高。

具体地，微显示器206对于光线传播到所述耦出光栅的折反次数为k-j的图像区域，显示的亮度为lk-j＝η^2j×lk；其中，η为第一、二中继光栅工作的反射衍射级次的实际衍射效率；lk为所述微显示器对于光线传播到所述耦出光栅的折反次数为k的图像区域所显示的亮度；k为最高折反次数；j为小于k的自然数。

进一步，本发明实施例提供的一种大视场角的全息光波导显示装置还可包括：设置于所述微显示器206与耦入光栅201之间的准直透镜207。

准直透镜207用于将所述微显示器206发射的发散光进行准直后射入所述耦入光栅201。

基于上述的大视场角的全息光波导显示装置，本发明实施例提供的一种大视场角的全息光波导显示方法，具体流程如图4所示，包括如下步骤：

步骤s401：光线入射到耦入光栅201。

具体地，微显示器206显示二维图像，通过准直透镜207向所述耦入光栅201发射带有图像信息的光线；其中，对于光线传播到所述耦出光栅的折反次数越多的图像区域，微显示器206显示的亮度更高；具体地，对于光线传播到所述耦出光栅的折反次数为k-j的图像区域，显示亮度可以为lk-j＝η^2j×lk；其中，η为第一、二中继光栅工作的反射衍射级次的实际衍射效率；lk为所述微显示器对于光线传播到所述耦出光栅的折反次数为k的图像区域所显示的亮度；k为最高折反次数；j为小于k的自然数。

微显示器206发射的光线入射到设置于光波导的光线入射区的耦入光栅后201发生衍射。例如，如图5a所示，某一视场角的光线入射到反射式的耦入光栅201后发生衍射，衍射角θ1可以不必满足全反射条件。

步骤s402：光线经设置于所述光波导的光线传输区上、下表面的第一、二中继光栅多次反射衍射，在所述光波导中传播。

具体地，经所述耦入光栅201衍射的光线经设置于所述光波导的光线传输区上、下表面的第一、二中继光栅多次反射衍射，在所述光波导中传播；例如，如图5a所示，经所述耦入光栅201衍射的光线，以角度θ1入射到第一中继光栅203，对于第一中继光栅203此光线的入射角i2＝θ1，光线在第一中继光栅203发生衍射，例如衍射级次为+1级，衍射效率为100％，衍射角为θ2；此光线入射到第二中继光栅204，入射角i3＝θ2，由于第一中继光栅203与第二中继光栅204有相同的光栅周期，因此，此光线在第二中继光栅204上同一级次(+1级)的衍射角θ3＝i2。由此可知，光线将在第一中继光栅203和第二中继光栅204之间以“锯齿形”的方式周期性在光波导中向前传播。

由于光线在光波导中不再以全反射的方式传播，因此传播角度不受全反射条件的限制，提高了光波导内光路传播的角带宽，即提高了全息光波导的视场角，并且对光波导基底材料的折射率没有特殊要求。

步骤s403：光线入射到设置于所述光波导光线出射区的耦出光栅202后，经所述耦出光栅202衍射后射出。

较佳地，对于在所述光波导的光线出射区的表面设置了第三中继光栅205、第三中继光栅205被所述耦出光栅202覆盖的情况，在光线入射到设置于所述光波导光线出射区的耦出光栅202之前，所述光波导中传播的光线首先入射到设置于所述光波导光线出射区的表面、被所述耦出光栅覆盖的第三中继光栅205；进而，入射到第三中继光栅205的光线，一部分透射到所述耦出光栅202，经所述耦出光栅衍射后射出；另一部分在第三中继光栅与第一/二中继光栅间进行至少一次反射衍射，终由第三中继光栅205透射到所述耦出光栅202射出。

具体地，光线从本发明实施例提供的大视场角的全息光波导显示装置内耦出过程可以如图5b所示。第三中继光栅205与第一、二中继光栅有相同的光栅周期，因此光线入射到第三中继光栅205后在同一反射衍射级次具有相同的衍射角；而以透射0级衍射从第三中继光栅205出射的光线不改变方向进入耦出光栅202，入射角io＝θ1，由于耦出光栅202与耦入光栅201的光栅周期相等，因此经耦出光栅202衍射后按照原入射到耦入光栅201的方向出射，即光线恢复原视场角方向传播。

本发明实施例的大视场角的全息光波导显示装置中，通过在光波导的光线传输区上、下表面分别设置第一、二中继光栅，使得耦入光栅对入射光的偏转角度可以不必满足光波导基底的全反射条件，光线在光波导中不再以全反射的方式传播，因此传播角度不受全反射条件的限制，提高了光波导内光路传播的角带宽，即提高了全息光波导的视场角，并且对光波导基底材料的折射率没有特殊要求。

更优地，本发明实施例的大视场角的全息光波导显示装置中，在光波导的光线出射区设置被耦出光栅覆盖的第三中继光栅，第三中继光栅与第一、二中继光栅的光栅周期一致、工作于相同的反射衍射级次，且第三中继光栅还工作在透射0级。这样，光线入射到第三中继光栅时，有部分能量透射至耦出光栅，经耦出光栅衍射后射出；剩余能量继续向前传播，这样光线多次经过第三中继光栅进而再由耦出光栅衍射射出，实现了光瞳的扩展。

更优地，本发明实施例的大视场角的全息光波导显示装置中，第三中继光栅的衍射效率呈梯度分布，从而保证扩展光瞳后出射光的均匀性。

更优地，本发明实施例的大视场角的全息光波导显示装置中，微显示器可以对图像源显示的图像亮度预先进行不均化处理：在显示二维图像时，对于光线传播到所述耦出光栅的折反次数越多的图像区域，显示的亮度更高，从而补偿从耦出光栅射出的不同视场角图像的亮度不均匀。

本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。