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CN110515209A - 基于波导的增强现实显示装置 - Google Patents

基于波导的增强现实显示装置 Download PDF

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CN110515209A
CN110515209A CN201910804476.3A CN201910804476A CN110515209A CN 110515209 A CN110515209 A CN 110515209A CN 201910804476 A CN201910804476 A CN 201910804476A CN 110515209 A CN110515209 A CN 110515209A
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杨濛
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Abstract

本发明涉及一种基于波导的增强现实显示装置，包括图像源，用于显示图像以及根据显示的图像数据生成光束；图像源以预设频率交替显示图像并对应生成具有第一偏振态的第一偏振光和具有第二偏振态的第二偏振光；波导，波导与图像源间隔设置，且波导为单个；第一耦入器，设于波导靠近图像源的一侧，用于将第一偏振光耦入波导；第二耦入器，设于波导远离第一耦入器的一侧，用于将第二偏振光耦入波导；耦出器，设于波导，用于将波导内传播的第一偏振光及第二偏振光在预设区域交替耦出第一子图像与第二子图像，第一子图像与第二子图像交替显示并由于视觉暂留在人眼内融合叠加，以达到增大视场和图像分辨率的目的。

Description

基于波导的增强现实显示装置
【技术领域】
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于波导的增强现实显示装置。
【背景技术】
增强现实(或混合现实)显示技术可以将虚拟图像叠加到真实世界中，达到虚拟信息和现实世界融合的目的。增强现实显示技术能增强真实世界所表达的信息，因此在教育、远程协作、交通导航等领域有广泛的应用前景。基于波导的增强现实显示设备具有结构紧凑、体积小和易于出瞳扩展等优点，已被微软、索尼、Magicleap等公司应用于产品之中。
由于受到波导全反射条件的限制，基于波导的增强现实显示设备的视场一般较小。传统的波导显示装置为了增大视场通常设置两个波导，其中一个波导用于传输图像源根据显示的图像的左半部分的图像数据生成的光束，另一个波导则用于传输图像源根据显示的图像的右半部分的图像数据生成的光束，以达到增大视场角的作用。然而双波导的设置将会增加波导显示装置的厚度和重量，致使用户对该波导显示装置的使用体验度大大降低。
【发明内容】
基于此，有必要提供一种能够增大视场角、且结构紧凑的波导显示装置。
本发明提供一种基于波导的增强现实显示装置，包括：
图像源，用于显示图像以及根据显示的所述图像的图像数据生成光束，所述光束包括以预设频率交替显示的第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光具有第一偏振态，所述第二偏振光具有与所述第一偏振态不同的第二偏振态；
波导，所述波导与所述图像源间隔设置，且所述波导为单个；
第一耦入器，设于所述波导靠近所述图像源的一侧，用于将所述第一偏振光耦入所述波导；
第二耦入器，设于所述波导远离所述第一耦入器的一侧，用于将所述第二偏振光耦入所述波导；
第一耦出器，设于所述波导靠近所述图像源的一侧，所述第一耦出器用于将所述波导内传播的所述第一偏振光在所述预设区域耦出所述第一子图像；及
第二耦出器，设于所述波导远离所述第一耦出器的一侧，所述第二耦出器用于将所述波导内传播的所述第二偏振光在同一所述预设区域耦出第二子图像；
所述第一耦出器的耦出光栅矢量与所述第二耦出器的耦出光栅矢量方向不同，所述第一子图像与所述第二子图像交替显示并由于视觉暂留在人眼内融合叠加。
在其中一个实施例中，所述第一耦入器及所述第一耦出器为透射光栅，所述第二耦入器与所述第二耦出器为反射光栅；
所述第二偏振光经所述第二耦入器耦入所述波导，在所述波导内全反射传递至所述第二耦出器，依次所述第二耦出器及所述第一耦出器耦出至所述预设区域。
在其中一个实施例中，所述第一偏振态和所述第二偏振态分别为S偏振态和P偏振态。
在其中一个实施例中，所述第一偏振态和所述第二偏振态分别为左旋圆偏振态和右旋圆偏振态。
在其中一个实施例中，所述图像源包括用于显示图像的图像显示器和设置于所述图像显示器靠近所述波导的一侧的偏振调制器，所述偏振调制器用于基于所述图像的图像数据生成交替显示的所述第一偏振光和所述第二偏振光。
在其中一个实施例中，所述第一耦入器和所述第二耦入器共光轴对准设置于所述波导的相对两侧。
在其中一个实施例中，所述第一耦出器和所述第二耦出器共光轴对准设置于所述波导的相对两侧。
在其中一个实施例中，所述图像源以大于等于48帧/秒的频率交替形成所述第一偏振光和所述第二偏振光，以使耦出的所述第一子图像和所述第二子图像的显示频率分别大于等于24帧/秒。
在其中一个实施例中，还包括设置在所述图像源与所述波导之间的准直器，所述准直器用于将所述第一偏振光和所述第二偏振光处理成为准直光。
本发明提供一种基于波导的增强现实显示装置，只设置一个波导就能实现视场的扩展。而且通过图像源交替显示左右两个视场的图像来达到提高显示图像分辨率的目的。上述波导显示装置，图像源生成的光束包括以预设频率交替显示的第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光具有第一偏振态，第二偏振光具有与第一偏振态不同的第二偏振态，由于分别位于单个波导两侧的第一耦入器和第二耦入器具有偏振选择性，位于波导靠近图像源一侧的第一耦入器只能对第一偏振光进行衍射，而不能对第二偏振光进行衍射，同时位于波导远离第一耦入器一侧的第二耦入器只能对第二偏振光进行衍射，而不能对第一偏振光进行衍射；因此图像源以预设频率交替生成的第一偏振光和第二偏振光可分别被第一耦入器和第二耦入器耦入波导中，然后通过耦出器分别将波导内传播的第一偏振光和第二偏振光在同一预设区域耦出第一子图像和第二子图像。由于耦出的第一子图像与第二子图像在人眼内交替显示，基于人体视觉的暂留特性，人眼最终会自动将第一子图像与第二子图像融合叠加为一个总图像，因此上述波导显示装置通过单个波导即可实现两个不同视场的叠加翻倍。相比于传统的双波导的波导显示装置而言，降低了波导显示装置的厚度和重量，同时由于第一子图像和第二子图像均具有对应的分辨率，因此融合后的总图像的分辨率等于第一子图像的分辨率和第二子图像的分辨率的叠加，因此本方案可以在保证波导显示装置的结构紧凑前提下，显著增大视场角以及图像的分辨率，大大提高用户的使用体验度。
【附图说明】
图1为传统的基于波导的增强现实显示装置的原理示意图；
图2是本发明一实施例中的基于波导的增强现实显示装置在第一时刻的光路示意图；
图3是本发明一实施例中的基于波导的增强现实显示装置中在与第一时刻相邻的第二时刻的光路示意图；
图4为本发明一实施例中第一偏振光和第二偏振光分别在波导中耦入、偏折到耦出的光栅矢量示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，一般波导显示装置包括波导和安装在波导上的耦入器11、偏折器12及耦出器13，耦入器11用于将光束耦入波导；光束在波导中传递后由为偏折器12偏折以改变光束在波导12内的传输方向，以实现光束在X方向上的扩展；耦出器13用于将波导内的传播的光束耦出，同时实现光束在Y方向上的出瞳扩展。耦入器11、偏折器12及耦出器13可以为全息光学元件(HolographicOpticalElement，HOE)，也可以为衍射光学元件(DiffractiveOpticalElement)，包括体全息光栅、倾斜光栅和闪耀光栅等。
具体的，为便于描述，将光束分别在耦入器11、偏折器12及耦出器13中对应的光栅矢量记为：K1、K2、K3，同时将光束分别在耦入器11、波导12及耦出器13中对应传播的周期记为：Λ1、Λ2、Λ3；光栅矢量的方向与对应的光栅周期方向平行；
K1的大小：|K1|＝2π/Λ1；
K2的大小：|K2|＝2π/Λ2；
K3的大小：|K3|＝2π/Λ3；
如图1所示，光束分别在耦入器11、波导12及耦出器13中对应的光栅矢量K1、K2、K3组成闭合三角形，即K1+K2+K3＝0，此时耦入波导12的光束的传播方向和耦出波导12的光束的传播方向相同。
如图2及图3所示，本发明一实施例中的基于波导的增强现实显示装置10包括图像源100、波导300、第一耦入器400、第二耦入器500和耦出器，为了更加直观，本实施例的波导显示装置10没有偏折器，但这不影响本发明的核心思想，在本发明的其他实施例中，也可以通过在波导300的表面设置偏折器以改变光束在波导300内的传播。本实施例中，耦出器包括位于波导300相对两侧的第一耦出器600及第二耦出器700，图像源100用于显示图像以及根据显示的图像的图像数据生成光束，该光束包括以预设频率交替显示的第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光具有第一偏振态，第二偏振光具有与第一偏振态不同的第二偏振态。
波导300与图像源100间隔设置，且波导300为单个；第一耦入器400设于波导300靠近图像源100的一侧，第一耦入器400用于将第一偏振光耦入波导300；第二耦入器500设于波导300远离第一耦入器400的一侧，第二耦入器500用于将第二偏振光耦入波导300；第一耦出器600设于波导300，第一耦出器600用于将波导300内传播的第一偏振光在预设区域耦出第一子图像；第二耦出器700设于波导300远离第一耦出器600的一侧，第二耦出器700用于将波导300内传播的第二偏振光在同一预设区域耦出第二子图像，第一子图像与第二子图像在人眼内交替显示并由于视觉暂留融合叠加。
如图2所示，在第一时刻时，图像源100显示图像，并根据图像数据生成对应的第一偏振光，由于分别位于单个波导300两侧的第一耦入器400和第二耦入器500具有偏振选择性，位于波导300靠近图像源100一侧的第一耦入器400只能对第一偏振光进行衍射，而不能对第二偏振光进行衍射，同时位于波导300远离第一耦入器400一侧的第二耦入器500只能对第二偏振光进行衍射，而不能对第一偏振光进行衍射；对应的，第一耦出器600和第二耦出器700也具有偏振选择性，第一耦出器600只能衍射第一偏振光，而第二耦出器700只能衍射第二偏振光。因此，当前图像源100生成的第一偏振光只能被第一耦入器400耦入波导300中，然后在波导300内以全反射的形状向前传播，到达预设区域后被第一耦出器耦出波导300，在人眼中形成第一子图像。优选的，第一耦入器400与第一耦出器600均为透射型光栅。
如图3所示，在相邻的第二时刻时，图像源100生成第二偏振光，因此，当前图像源100生成的第二偏振光只能被第二耦入器500耦入波导300中，然后第二耦出器700将波导300内传播的第二偏振光在同一预设区域耦出该第二子图像。具体地，所述第二偏振光经所述第二耦入器500耦入所述波导300，在所述波导300内全反射传递至所述第二耦出器700，依次所述第二耦出器700及所述第一耦出器600耦出至所述预设区域。优选的，所述第二耦入器500与所述第二耦出器700为反射型光栅。由于第一时刻耦出的第一子图像与第二时刻耦出的第二子图像交替显示，并且在人眼内基于人体视觉的暂留特性，人眼最终会自动将第一子图像与第二子图像融合叠加为一个总图像，因此上述波导显示装置10通过单个波导300即可实现两个不同视场的叠加翻倍，相比于传统的双波导的波导显示装置而言，降低了波导显示装置10的厚度和重量。同时由于不同时刻显示的第一子图像和第二子图像均具有对应的分辨率，因此融合后的总图像的分辨率等于第一子图像的分辨率和第二子图像的分辨率的叠加，因此本方案可以在保证波导显示装置10的结构紧凑前提下，显著增大视场角以及图像的分辨率，大大提高用户的使用体验度。
优选地，图像源100以大于等于48帧/秒的频率交替形成第一偏振光和第二偏振光，以使耦出的第一子图像和第二子图像的显示频率分别大于等于24帧/秒，由此确保人眼最终看到的画面是连续的。
进一步地，第一耦入器400和第二耦入器500共光轴对准设置于波导300的相对两侧。具体的，第一耦入器400和第二耦入器500共光轴对准设置于波导300厚度方向的相对两侧。
在一实施例中，第一偏振态和第二偏振态分别为S偏振态和P偏振态。可以理解的是，在其他实施例中，第一偏振态和第二偏振态分别为左旋圆偏振态和右旋圆偏振态。
如图1及图2所示，进一步地，在本实施例中，第一耦出器600和第二耦出器700共光轴对准设置于波导300的相对两侧。具体的，第一耦出器600和第二耦出器700共光轴对准设置于波导300厚度方向的相对两侧。
如图1所示，在一实施例中，图像源100包括用于显示图像的图像显示器120和设置于图像显示器120靠近波导300的一侧的偏振调制器140，偏振调制器140用于基于图像的图像数据生成交替显示的第一偏振光和所述第二偏振光。具体的，图像显示器120可以为微型有机发光二极管(MicroOLED)、硅基液晶(LCoS)、数字光处理器(DLP)和微机电激光扫描显示(MEMSLaserScanningDisplay)。微显示器以预设频率交替显示左视场的第一子图像和右视场的第二子图像，快速偏振调制器以相同的频率将生成第一子图像的光束转化为具有第一偏振态的第一偏振光，把第二子图像的光束转化为具有第二偏振态的第二偏振光。
在一实施例中，上述波导显示装置10还包括控制器，控制器与图像显示器120及偏振调制器140电连接，控制器用于控制图像显示器120及偏振调制器140的工作。
如图2及图3所示，在一实施例中，上述波导显示装置10还包括设置在图像源100与波导300之间的准直器800，准直器800用于将第一偏振光和第二偏振光处理成为准直光。具体在本实施例中，准直器800设置在偏振调制器200与波导300之间。
如图4所示，针对本实施例中的波导显示装置10，定义空气的折射率为n0，波导300的折射率为n1，波矢空间图中内虚圆21为光束在波导300内发生全反射(totalinternalreflection，TIR)的边界。矩形框代表显示图像的光束在波矢空间中的分布范围，在本实施例中，该光束包括图以预设频率交替显示的第一偏振光和第二偏振光。光束在波导300内发生全反射的条件为：kx 2+ky 2＞k0 2，因此内虚圆21的半径为n0；外虚圆22为光束出瞳连续性的边界，外虚圆22的半径小于n1，因此光栅矢量的大小大于此外虚圆的半径的光束则不能满足出瞳连续性条件。耦入光栅提供的光栅矢量能将空气中的图像的光束(矩形)从波矢空间中心移动到内虚圆21的半径和外虚圆22之间，表示图像的光束能被完全耦入到波导300之中。
具体地，第一偏振光分别在第一耦入器400、偏折器以及第一耦出器600中对应的光栅矢量分别为图4所示中第一带箭头实线23、第二带箭头实线24以及第三带箭头实线25；第二偏振光分别在第二耦入器500、偏折器以及第二耦出器700中对应的光栅矢量分别为图4所示中第四带箭头实线26、第五带箭头实线27以及第六带箭头实线28；结合图2和图3所示，耦出的光束的传播方向相对于于耦入的光束的传播方向发生一定角度的偏转，以此在人眼中形成左视场的图像；耦出的光束的传播方向相对耦入的光束的传播方向会发生一定角度的偏转，以此在人眼中形成右视场的图像。因此，本方案中第一偏振光分别在第一耦入器400、偏折器以及第一耦出器600中对应的光栅矢量之和、与第二偏振光分别在第二耦入器500、偏折器以及第二耦出器700中对应的光栅矢量之和不再为零，使得耦出波导300的光束的传播方向相对耦入波导300的光束的传播方向发生了偏转，两个偏振光的耦出光栅矢量方向不同因此由各自对应的耦出器耦出。
由于第一偏振光分别在第一耦入器400、偏折器以及第一耦出器600中对应的光栅矢量之和，和/或第二偏振光分别在第二耦入器500、偏折器以及第二耦出器700中对应的光栅矢量之和不为零会导致耦出的第一子图像和/或第二子图像发生色散，不利于最终图像的色彩显示。在本方案中，可通过波长带宽很窄的MEMS激光扫描显示器显示上述第一子图像和第二子图像。
上述波导显示装置10，图像源100生成的光束包括以预设频率交替显示的第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光具有第一偏振态，第二偏振光具有与第一偏振态不同的第二偏振态，由于分别位于单个波导300两侧的第一耦入器400和第二耦入器500具有偏振选择性，位于波导300靠近图像源100一侧的第一耦入器400只能对第一偏振光进行衍射，而不能对第二偏振光进行衍射，同时位于波导300远离第一耦入器400一侧的第二耦入器500只能对第二偏振光进行衍射，而不能对第一偏振光进行衍射；因此图像源100以预设频率交替生成的第一偏振光和第二偏振光可分别被第一耦入器400和第二耦入器500耦入波导300中，然后通过耦出器分别将波导300内传播的第一偏振光和第二偏振光在同一预设区域耦出第一子图像和第二子图像。由于耦出的第一子图像与第二子图像在人眼内交替显示，基于人体视觉的暂留特性，人眼最终会自动将第一子图像与第二子图像融合叠加为一个总图像，因此上述波导显示装置10通过单个波导300即可实现两个不同视场的叠加翻倍，相比于传统的双波导的波导显示装置而言，降低了波导显示装置10的厚度和重量，同时由于第一子图像和第二子图像均具有对应的分辨率，因此融合后的总图像的分辨率等于第一子图像的分辨率和第二子图像的分辨率的叠加，因此本方案可以在保证波导显示装置10的结构紧凑前提下，显著增大视场角以及图像的分辨率，大大提高用户的使用体验度。
以上的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，包括：
图像源，用于显示图像以及根据显示的所述图像的图像数据生成光束，所述光束包括以预设频率交替显示的第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光具有第一偏振态，所述第二偏振光具有与所述第一偏振态不同的第二偏振态；
波导，所述波导与所述图像源间隔设置，且所述波导为单个；
第一耦入器，设于所述波导靠近所述图像源的一侧，用于将所述第一偏振光耦入所述波导；
第二耦入器，设于所述波导远离所述第一耦入器的一侧，用于将所述第二偏振光耦入所述波导；
第一耦出器，设于所述波导靠近所述图像源的一侧，所述第一耦出器用于将所述波导内传播的所述第一偏振光在所述预设区域耦出所述第一子图像；及
第二耦出器，设于所述波导远离所述第一耦出器的一侧，所述第二耦出器用于将所述波导内传播的所述第二偏振光在同一所述预设区域耦出第二子图像；
所述第一偏振光的耦出光栅矢量与所述第二偏振光的耦出光栅矢量方向不同，所述第一子图像与所述第二子图像交替显示并由于视觉暂留在人眼内融合叠加。
2.根据权利要求1所述的基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，所述第一耦入器及所述第一耦出器为透射光栅。
3.根据权利要求2所述的基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，所述第二耦入器与所述第二耦出器为反射光栅；
所述第二偏振光经所述第二耦入器耦入所述波导，在所述波导内全反射传递至所述第二耦出器，依次经所述第二耦出器及所述第一耦出器耦出至所述预设区域。
4.根据权利要求1所述的基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，所述第一偏振态和所述第二偏振态分别为S偏振态和P偏振态。
5.根据权利要求1所述的基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，所述第一偏振态和所述第二偏振态分别为左旋圆偏振态和右旋圆偏振态。
6.根据权利要求1所述的基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，所述图像源包括用于显示图像的图像显示器和设置于所述图像显示器靠近所述波导的一侧的偏振调制器，所述偏振调制器用于基于所述图像的图像数据生成交替显示的所述第一偏振光和所述第二偏振光。
7.根据权利要求1所述的基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，所述第一耦入器和所述第二耦入器共光轴对准设置于所述波导的相对两侧。
8.根据权利要求3所述的基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，所述第一耦出器和所述第二耦出器共光轴对准设置于所述波导的相对两侧。
9.根据权利要求1所述的基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，所述图像源以大于等于48帧/秒的频率交替形成所述第一偏振光和所述第二偏振光，以使耦出的所述第一子图像和所述第二子图像的显示频率分别大于等于24帧/秒。
10.根据权利要求1所述的基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，还包括设置在所述图像源与所述波导之间的准直器，所述准直器用于将所述第一偏振光和所述第二偏振光处理成为准直光。
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