CN110873962A - 一种基于波导的显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波导的显示系统，包括图像分割单元、光纤扫描模组和波导，图像分割单元用于将待显示图像分割为2个以上子图像；波导为两组堆叠设置的波导，第一组波导设置有角带宽小于预设角度的耦入光栅；光纤扫描模组，包括至少一个扫描制动器，每个扫描制动器上固定有两组扫描光纤，第一组扫描光纤的出射光以小于第一组波导角带宽的角度射入波导，第二组扫描光纤的出射光以大于第一组波导角带宽的角度射入波导；利用光栅对超过其角带宽的入射光几乎不起衍射/反射作用这一特性，使光纤扫描模组可包括多根扫描光纤，且可集成为一个模块，既能提高视场、分辨率、刷新率，又利于近眼显示设备的小型化生产。

Description

一种基于波导的显示系统

技术领域

本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种基于波导的显示系统。

背景技术

现有应用于增强现实(Augmented Reality，AR)领域的近眼显示模组，大多具有视场角做不大的问题，以现有技术中基于波导的显示模组为例：现有基于波导的显示模组一般都包括，图像源1、目镜系统2、耦入光栅3、波导4 和耦出光栅5，如图1所示。图像源1发出的光束经目镜系统2准直后，通过耦入光栅3以一定的角度耦入到波导4中进行全反射传输，波导中对应出瞳位置设置的耦出光栅5将波导中传输的光束耦出至人眼。由于光栅是对入射角度非常敏感的元件，对于耦入光栅来说，不同角度入射光栅的光，其衍射效率和角度也不同，在特定入射角度时处具有最大衍射效率，当入射角度偏离该特定入射角度时，衍射效率会迅速下降(即光栅对此角度的入射光几乎不起衍射作用，近乎透射进光栅)，如图2所示，耦入光栅衍射效率分布曲线图中横坐标是入射到光栅的光束的角度，纵坐标是光栅的衍射效率，图中所示的光栅的有效衍射角带宽为±15°。如图3所示的光束传输图，其中，光线1表示-15°入射光的衍射光路，光线2表示0°入射光的衍射光路，光线3表示+15°入射光的衍射光路；光线1、光线2和光线3被耦入到波导内进行全反射传输后，经耦出光栅耦出波导呈现于人眼。其他角度的入射光(即超出±15°的入射光)，其衍射效率非常低，光线近乎透射过光栅不发生任何角度改变，如图中光线4所示，这束光线虽然也能在波导内全反射传输，但耦出光栅对它也不起衍射作用，它在波导里不能被耦出到人眼。因此，人眼只能观察到±15°的视场角。

在中国专利CN107024769，中我们可以看到，现有技术已经想到了运用拼接方式来扩大视场角，但这种拼接方式每增加拼接一组视场角即需要增加一组对应的输入光源模组，且输入光源的摆放位置分散，该拼接方案使得近眼显示模组的体积无法实现小型化。

如何解决近眼显示模组大视场和小型化兼顾问题，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于波导的显示系统，解现有近眼显示技术视场角小、无法小型化的问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种基于波导的显示系统，包括图像分割单元、光纤扫描模组和波导，其中：所述图像分割单元，用于将待显示图像分割为M个子图像，M为大于等于2的整数；所述波导为两组堆叠设置的波导，设置在光纤扫描模组出光光路上，第一组波导设置有角带宽小于预设角度的耦入光栅；所述光纤扫描模组，包括至少一个扫描制动器，每个扫描制动器上固定有两组扫描光纤，第一组扫描光纤的出射光以小于第一组波导角带宽的角度射入波导，第二组扫描光纤的出射光以大于第一组波导角带宽的角度射入波导，使得第一组波导仅耦入第一组扫描光纤的出射光，第二组波导耦入第二组扫描光纤的出射光；所述光纤扫描模组通过M根扫描光纤将所述M个子图像同时调制射出，两组堆叠设置的波导的耦出单元相距一预设距离，以使两组波导耦出图像拼接为所述待显示图像。

优选的，每组扫描光纤至少包括一根扫描光纤，当每组扫描光纤包括多根扫描光纤时，属于同一组扫描光纤的多根光纤出射的光相互平行。

优选的，当每组扫描光纤包括多根扫描光纤时，每组扫描光纤的多根光纤调制的光束在入射到波导基片前相互拼接。

优选的，所述耦出单元为耦出光栅或耦出反射镜阵列。

优选的，所述每组波导中均设置有中继单元，用于沿垂直于耦出单元的扩瞳方向的方向扩瞳。

优选的，所述图像分割单元分割出的多个子图像中相邻子图像具有相同图像区域。

优选的，第一组扫描光纤静止状态和第二组扫描光纤静止状态的夹角大于耦入光栅角带宽与扫描光纤最大扫描角度之和的1/2。

优选的，第二组扫描光纤垂直于波导设置，第二扫描光纤的出射端设置为斜面，其斜角β满足如下公式：

n为光纤材料的折射率，α为第二组扫描光纤的出射光与波导垂直线形成的夹角。

优选的，第二组扫描光纤静止状态时与波导垂直，第二组扫描光纤的出射端设置一层光栅结构，光栅结构的光栅周期d满足如下公式：

d sinα＝mλ

其中，λ为出射波长,α为第二组扫描光纤的出射光与波导垂直线形成的夹角，m可取0、±1、±2……，相应得到的光谱称零级光谱、一级光谱、二级光谱……，+、-号分别表示入射角和衍射角在法线的同侧或异侧。.

优选的，第一组扫描光纤静止状态时垂直于波导设置。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提出了一种新的基于波导的图像拼接方案，利用光栅对超过其角带宽的入射光几乎不起衍射/反射作用这一特性，设计了本发明的基于波导的显示系统，在本发明方案中，光纤扫描模组可包括多根扫描光纤，且可集成为一个模块，既能提高视场、分辨率、刷新率，又利于近眼显示设备的小型化生产，即本发明采用了一种全新思路解决近眼显示模组大视场和小型化兼顾问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为现有技术中增强现实领域近眼显示模组的示意图；

图2为图1所示近眼显示模组的耦入光栅衍射效率分布曲线图；

图3为图1所示近眼显示模组中不同角度光束的传输路径图；

图4为本发明实施例基于波导的显示系统的结构示意图；

图5为图4中光纤扫描模组的第一结构示意图；

图6为图4中光纤扫描模组的第二结构示意图；

图7为图4中光纤扫描模组的第三结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明利用了光栅对超过其角带宽的入射光几乎不起衍射/反射作用这一特性，设计了本发明的基于波导的显示系统，本发明实施例基于波导的显示系统包括图像分割单元、光纤扫描模组和波导，其中：

图像分割单元，用于将待显示图像分割为M个子图像，M为大于等于2 的整数；

所述波导为两组堆叠设置的波导，设置在光纤扫描模组出光光路上，第一组波导设置有角带宽小于预设角度的耦入光栅；

所述光纤扫描模组，包括至少一个扫描制动器，每个扫描制动器上固定有两组扫描光纤，第一组扫描光纤的出射光以小于第一组波导角带宽的角度射入波导，第二组扫描光纤的出射光以大于第一组波导角带宽的角度射入波导，使得第一组波导仅耦入第一组扫描光纤的出射光，第二组波导耦入第二组扫描光纤的出射光；优选方案为第一组扫描光纤的出射光以垂直波导的方式射入波导。

所述光纤扫描模组通过M根扫描光纤将所述M个子图像同时调制射出，两组堆叠设置的波导的耦出单元相距一预设距离，以使两组波导耦出图像拼接为所述待显示图像。每组扫描光纤可以为一根扫描光纤，也可以为多根扫描光纤，当每组扫描光纤包括多根扫描光纤时，属于同一组扫描光纤的多根光纤出射的光相互平行。

下面结合图4～7详细介绍本发明实施例，在图4～7中，均以光纤扫描模组包括一个扫描制动器，每个扫描制动器上固定有两根扫描光纤为例。

参见图4，图4中右下角为将要显示于人眼的完整视场图像S，通过图像分割单元110将其分割为第一视场角图像S1和第二视场角图像S2。第一光源 121调制出该第一视场角图像S1的图像光束并导入第一扫描光纤131，第二光源122调制出该第二视场角图像S2的图像光束并导入第二扫描光纤132。该第一扫描光纤131和第二扫描光纤132为固定于同一扫描制动器上的两根光纤，其中，第一扫描光纤131垂直于波导设置，第二扫描光纤132与波导垂直线133 成一定夹角α，即第一扫描光纤静止时的出射光垂直进入波导层，第二扫描光纤静止时，以夹角α的出射光进入波导层。

第一扫描光纤131的出射光束1310经目镜系统准直后进入第一波导141，第一波导上的耦入光栅1411将出射光束1310耦入第一波导141中进行全反射传输，直至传输到第一波导上的第一耦出单元1412将其耦出第一波导。

第二扫描光纤132的出射光束1320经目镜系统准直后进入第一波导141 的耦入光栅1411，这里出射光束1320必须是大于第一波导上的耦入光栅1411 的角带宽进入，由于光栅对超过其角带宽的入射光几乎不起衍射/反射作用，因此出射光束1320直接透射过该耦入光栅1411进入第二波导142。第二波导 142中设置反射镜1421将出射光束1320耦入第二波导142中进行全反射传输，直至第二耦出单元将其耦出第二波导。

从第一波导和第二波导耦出的图像光束最终拼接成一个完整的视场图像。

本发明实施例中第一耦出单元和第二耦出单元可以是光栅或反射镜，即将各自波导中传输的光耦出波导完成拼接即可。

在图4实施例中，光纤扫描模组每扫描一个位置即出射两个不同视场子图像的各自一个像素点，比如原来完整视场图像S的像素点为1000个，扫描器需要扫描1000个位置才能完成整个图像的扫描；而现在扫描器只需要扫描500 个位置即可完成整个图像的扫描，可提高图像刷新率。

关于α角度设计：第一组扫描光纤静止状态和第二组扫描光纤静止状态的夹角大于耦入光栅角带宽与扫描光纤最大扫描角度之和的1/2。以图5为例，比如耦入光栅1411的角带宽为±15度(即耦入光栅的角带宽为30度)，则第二扫描光纤132静止状态与波导垂直线133的夹角必须大于15度。由于扫描光纤的扫描角度大概为±(20°-30°)，假设为±20度(即扫描光纤的扫描角度为 40度)，则第二扫描光纤132静止状态与波导垂直线133的夹角α应该大于35 度。

对于扫描光纤131可以以任一角度设置与扫描器上，只要扫描过程中其出射光满足第一组波导设置的耦入光栅角带宽条件，被耦入第一组波导即可，当然其优选设置为垂直波导方向设置。

对于光纤扫描模组，每个扫描制动器上固定的两组扫描光纤的出射光形成夹角，既可以采取如图5的方式(即两组扫描光纤静止状态时，两组光纤之间呈夹角)，也可以通过其他方式实现两组扫描光纤的出射光形成夹角，在此不做限制，下面结合图6、图7介绍光纤扫描模组的另外两种实施方式。

在一种实施例中，光纤扫描模组的第二组扫描光纤静止状态时垂直于波导设置，其出射端设置为斜面，其斜角β满足如下公式：

n为光纤材料的折射率，α为第二组扫描光纤的出射光与波导垂直线形成的夹角。

以图6为例，第一扫描光纤131静止状态时垂直于波导设置，第二扫描光纤132还可以设计成出射端为斜面的光纤(斜角为β度)。假如第二扫描光纤 132的出射光与与波导垂直线133的夹角α为35°。则第二扫描光纤的出射端面倾斜角β应满足以下要求：

其中，n为光纤材料的折射率，比如二氧化硅的折射率 1.45。

在另一种实施例中，光纤扫描模组的第二组扫描光纤静止状态时垂直于波导设置，第二组扫描光纤的出射端设置一层光栅结构，光栅结构的光栅周期d 满足如下公式：

d sinα＝mλ，其中，λ为出射波长,α为第二组扫描光纤的出射光与波导垂直线形成的夹角，m可取0、±1、±2……，相应得到的光谱称零级光谱、一级光谱、二级光谱……，+、-号分别表示入射角和衍射角在法线的同侧或异侧。

以图7为例，上述第二扫描光纤132还可以在出射端面设计一层光栅结构 1320(光栅周期为d nm)。假如第二组扫描光纤的出射光与波导垂直线形成的夹角α，则第二扫描光纤的出射端面的光栅周期为d应满足以下要求：

d sinα＝mλ，其中，α为出光夹角；选择一级衍射光时，m＝1；λ为出射波长。

本发明实施例中，当每组扫描光纤包括多根扫描光纤时，当每组扫描光纤包括多根扫描光纤时，属于同一组扫描光纤的多根光纤出射的光相互平行，每组扫描光纤的多根光纤调制的光束在入射到波导基片前相互拼接。

本发明所有实施例中，“待显示图像”可以是一幅完整图像，也可以是一幅完整图像中的局部图像，即本发明实施例中的一种基于波导的显示系统本身可以作为一个独立模组单独处理完整视场画面，也可以作为拼接模组中的一部分，只处理局部视场画面，与多个类似系统拼接后实现完整视场画面。

在本发明所有实施例中，作为一种优选的实施方式，每组波导中均设置有中继单元，用于沿垂直于耦出单元的扩瞳方向的方向扩瞳，中继单元可以为中继光栅，也可以为反射镜阵列。以图4有中继光栅为例，图中耦出单元在Y 方向进行扩瞳，中继光栅则在X方向进行扩瞳。

在本发明所有实施例中，图像分割单元将待显示图像分割为若干个子图像时，相邻子图像可以具有或不具有相同图像区域，当相邻子图像具有相同图像区域视，相邻子图像在拼接中会存在一些重叠的部分，但最终呈现在人眼的仍是上述待显示图像。

本发明提出了一种新的基于波导的图像拼接方案，利用光栅对超过其角带宽的入射光几乎不起衍射/反射作用这一特性，设计了本发明的基于波导的显示系统，在本发明方案中，光纤扫描模组可包括多根扫描光纤，且可集成为一个模块，既能提高视场、分辨率、刷新率，又利于近眼显示设备的小型化生产，即本发明采用了一种全新思路解决近眼显示模组大视场和小型化兼顾问题。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种基于波导的显示系统，其特征在于，包括图像分割单元、光纤扫描模组和波导，其中：

所述图像分割单元，用于将待显示图像分割为M个子图像，M为大于等于2的整数；

所述波导为两组堆叠设置的波导，设置在光纤扫描模组出光光路上，第一组波导设置有角带宽小于预设角度的耦入光栅；

所述光纤扫描模组，包括至少一个扫描制动器，每个扫描制动器上固定有两组扫描光纤，第一组扫描光纤的出射光以小于第一组波导角带宽的角度射入波导，第二组扫描光纤的出射光以大于第一组波导角带宽的角度射入波导，使得第一组波导仅耦入第一组扫描光纤的出射光，第二组波导耦入第二组扫描光纤的出射光；

所述光纤扫描模组通过M根扫描光纤将所述M个子图像同时调制射出，两组堆叠设置的波导的耦出单元相距一预设距离，以使两组波导耦出图像拼接为所述待显示图像。

2.如权利要求1所述的显示系统，其特征在于，每组扫描光纤至少包括一根扫描光纤，当每组扫描光纤包括多根扫描光纤时，每组扫描光纤的多根光纤调制的光束在入射到波导基片前相互拼接。

3.如权利要求2所述的显示系统，其特征在于，所述耦出单元为耦出光栅或耦出反射镜阵列。

4.如权利要求3所述的显示系统，其特征在于，所述每组波导中均设置有中继单元，用于沿垂直于耦出单元的扩瞳方向的方向扩瞳。

5.如权利要求4所述的显示系统，其特征在于，所述图像分割单元分割出的多个子图像中相邻子图像具有相同图像区域。

6.如权利要求1至5任一项所述的显示系统，其特征在于，第一组扫描光纤静止状态和第二组扫描光纤静止状态的夹角大于耦入光栅角带宽与扫描光纤最大扫描角度之和的1/2。

7.如权利要求1至5任一项所述的显示系统，其特征在于，第二组扫描光纤垂直于波导设置，第二扫描光纤的出射端设置为斜面，其斜角β满足如下公式：

n为光纤材料的折射率，α为第二组扫描光纤的出射光与波导垂直线形成的夹角。

8.如权利要求1至5任一项所述的显示系统，其特征在于，第二组扫描光纤静止状态时与波导垂直，第二组扫描光纤的出射端设置一层光栅结构，光栅结构的光栅周期d满足如下公式：

dsinα＝mλ

其中，λ为出射波长,α为第二组扫描光纤的出射光与波导垂直线形成的夹角，m可取0、±1、±2……，相应得到的光谱称零级光谱、一级光谱、二级光谱……，+、-号分别表示入射角和衍射角在法线的同侧或异侧。

9.如权利要求8所述的显示系统，其特征在于，第一组扫描光纤静止状态时垂直于波导设置。

10.如权利要求9所述的显示系统，其特征在于，第一组扫描光纤静止状态时垂直于波导设置。

Images