本发明涉及近眼显示，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：
1、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。
2、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。
技术实现思路
1、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。
2、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。
3、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。
4、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。
5、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，满足式子由此，视场角可突破传统波导的上限。
6、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。
7、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。
8、进一步地，所述波导为单层平板波导或单层弯曲波导。
9、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。
10、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。
11、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。
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。