CN110927975A

CN110927975A - 一种波导显示系统、增强现实眼镜

Info

Publication number: CN110927975A
Application number: CN201911321903.9A
Authority: CN
Inventors: 刘娟; 施学良
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2020-03-27

Abstract

本申请提供一种波导显示系统、一种增强现实眼镜。所述波导显示系统包括微显示器、波导、衍射光学元件；所述微显示器用于发射携带显示内容的显示光；所述波导的输入端具有倾斜端面，所述微显示器的中轴线垂直于所述倾斜端面，所述倾斜端面与所述波导的表面成预定角度，以使入射到所述波导中的所述显示光按照预定路径沿所述波导传播；所述衍射光学元件为渐变衍射光学元件，位于所述波导的输出端，用于对在所述波导中传输的所述显示光进行调制并耦合输出所述波导。本申请提供的波导显示系统具有轻薄紧凑的结构，同时能够获得大视场角。

Description

一种波导显示系统、增强现实眼镜

技术领域

本公开涉及光学领域，具体地，涉及一种波导显示系统、一种增强现实眼镜。

背景技术

波导是一种对电磁波进行定向引导的结构，能够使入射到其中的光线沿着波导进行传播；衍射光学元件能够通过衍射作用使光线的传播方向发生改变。由波导和衍射光学元件组成的衍射波导显示系统实现了光线的离轴传输，成为增强现实(AugmentedReality，AR)技术和虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术的有效解决方案。

但是，传统的衍射波导显示系统结构复杂、重量大、成本高，而且无法在保证大视角场的同时获得轻薄的体积。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题的至少一个方面，本申请提供一种波导显示系统、一种增强现实眼镜。

作为本申请的第一个方面，提供一种波导显示系统，所述波导显示系统包括微显示器、波导、衍射光学元件；

所述微显示器用于发射携带显示内容的显示光；

所述波导的输入端具有倾斜端面，所述微显示器的中轴线垂直于所述倾斜端面，所述倾斜端面与所述波导的表面成预定角度，以使入射到所述波导中的所述显示光按照预定路径沿所述波导传播；

所述衍射光学元件为渐变衍射光学元件，位于所述波导的输出端，用于对在所述波导中传输的所述显示光进行调制并耦合输出所述波导。

可选地，所述微显示器紧贴所述倾斜端面设置。

可选地，所述预定角度为第一预定角度，以使垂直于所述倾斜端面入射到所述波导中的所述显示光能在所述波导的表面上发生全反射。

可选地，所述波导包括覆盖在所述表面上的增反膜；

所述增反膜用于增加所述显示光在所述波导的表面上反射时的反射能量。

可选地，所述预定角度为第二预定角度，以使垂直于所述倾斜端面入射到所述波导中的所述显示光通过所述波导直接照射到所述衍射光学元件上。

可选地，所述衍射光学元件为渐变光栅。

可选地，所述衍射光学元件为透射型衍射光学元件或反射型衍射光学元件。

作为本申请的第二个方面，提供一种增强现实眼镜，其特征在于，所述增强现实眼镜包含上述的波导显示系统。

本申请提供的波导显示系统，在波导的输入端设置倾斜端面，使入射到所述波导中的显示光能够按照预定路径进行传播，同时在波导的输出端采用了渐变衍射光学元件，能够对显示光进行调制并从波导中耦合输出，同时实现大视场角。本申请提供的波导显示系统不需要准直系统对显示光进行准直，也不需要耦合输入衍射元件，降低了波导显示系统的复杂程度、减轻了重量、节约了制造成本，能够在获得大视场角的同时，使波导显示系统具有轻薄紧凑的结构。

附图说明

附图是用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本申请，但并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1是本申请中波导显示系统的一种实施方式的结构示意图；

图2是本申请中波导显示系统的另一种实施方式的结构示意图；

图3是本申请中波导显示系统的又一种实施方式的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本申请的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请，并不用于限制本申请。

经本申请的发明人研究发现，传统衍射波导显示系统一般需要在微显示器前加一个准直系统，以把显示光调制成平行光，然后入射到波导中。准直系统的存在增加了波导显示系统的复杂程度和重量，也提高了制造成本。而如果不采用中继光学系统准直成像光束，由于物距和像距的关系，以及图像源尺寸的限制，会导致成像视场角小。为了增大显示的视场角，通常需要较大口径的成像系统，而大口径的成像系统的焦距一般都较大，对应的轴向厚度也较大，因此不利于制作轻薄紧凑的显示系统，也就是说，无法同时满足结构轻薄紧凑和大视场角的要求。另一个方面，传统衍射波导显示系统一般需要两个耦合输入衍射元件和耦合输出衍射元件两个耦合衍射元件，同时存在两个衍射元件进一步增加了波导显示系统结构复杂度，提高了制造成本。

有鉴于此，作为本实施方式的第一个方面，提供一种波导显示系统，如图1所示，所述波导显示系统包括微显示器1、波导2、衍射光学元件3；

所述微显示器1用于发射携带显示内容的显示光；

所述波导2的输入端具有倾斜端面21，所述微显示器1的中轴线AA’垂直于所述倾斜端面21，所述倾斜端面21与所述波导2的表面成预定角度，以使入射到所述波导中的所述显示光按照预定路径沿所述波导2传播；

所述衍射光学元件3为渐变衍射光学元件，位于所述波导2的输出端，用于对在所述波导2中传输的所述显示光进行调制并耦合输出所述波导2。

在本实施方式中，所述微显示器1可以是自发光的有源器件，比如发光二极管面板，例如micro-OLED或micro-LED；也可以是需要外部光源照明的液晶显示屏，例如透射式的LCD或反射式的LCOS；还可以是基于微机电系统(MEMS)技术的数字微镜阵列或激光束扫描仪。由于不同的应用场景对于微显示器的体积、亮度、分辨率等的要求可能不同，在具体实施过程中，可以根据应用场景和技术的需要，选择合适的显示器件作为所述微显示器1。此外，不同的显示器件发出的显示光的偏振态可能不同，为满足光学设计的要求，可以在所述微显示器1的出光侧添加偏光片，以改变显示光的偏振态。

在本实施方式中，在所述波导2的输入端设置有倾斜端面21，所述倾斜端面21与所述波导2的表面成预定角度，当光线经倾斜端面21入射到波导2中时，就可以沿预定路径在波导2中传播。而使微显示器1的中轴线AA’垂直于所述倾斜端面21，就可以使微显示器1发射的显示光沿着波导2中的上述预定路线进行传播，同时还能够最大程度地减少显示光在倾斜端面21上发生反射造成的能量损耗。

在本实施方式中，采用了渐变衍射光学元件对在波导2中传输的所述显示光进行调制并耦合输出所述波导2。衍射光学元件是利用衍射效应对光波进行振幅或者相位调制的光学元件，具有高度的设计灵活性。通常情况下，微显示器1发射的显示光为球面光，而在本实施方式中，微显示器1发射的显示光在入射到波导2中之前没有经过准直，因此当显示光经过在波导2中的传播到达衍射光学元件3时，会呈现一定的周期特性。在本实施方式中，利用衍射光学元件高度的设计灵活性，结合微显示器1发射的显示光的周期特性，制作出具有特定周期的渐变衍射光学元件作为本实施方式中的衍射光学元件3，从而可以对波导2中传播的显示光进行调制，例如，通过调制使发散的入射光出射成会聚、发散或者平行的出射光，从而使出射光进入人眼并形成放大的图像，也就是获得了大视场角。

需要说明的是，经过本发明的显示系统所形成的放大图像可以是实像或者虚像，也可以成像在无穷远。

本实施方式对所述衍射光学元件3如何设置不做特殊限定，例如，所述衍射光学元件3可以紧贴在波导2的上表面上，也可以紧贴在波导2的下表面上。

在本实施方式中，设置了与波导2的表面成预定角度的倾斜端面21，使得入射的显示光可以在波导2中沿预定路径进行传播，衍射光学元件3可以直接对非平行的显示光进行调制并耦合输出波导2，因此，本实施方式提供的波导显示系统不需要准直系统对显示光进行准直，也不需要借助耦合输入衍射元件改变入射到波导2中的显示光的传播方向。

本实施方式提供的波导显示系统，在波导的输入端设置倾斜端面，使入射到所述波导中的显示光能够按照预定路径进行传播，同时在波导的输出端采用了渐变衍射光学元件，能够对显示光进行调制并从波导中耦合输出，同时实现大视场角。本实施方式提供的波导显示系统省去了准直系统和耦合输入衍射元件，降低了波导显示系统的复杂程度、减轻了重量、节约了制造成本，能够在获得大视场角的同时，使波导显示系统具有轻薄紧凑的结构。

本实施方式对于微显示器1与倾斜端面21的位置关系不做特殊限定，只要满足微显示器1的中轴线AA’与倾斜端面21垂直即可。图1仅示例性的画出了微显示器1与倾斜端面21之间具有一定距离的情况。作为一种可选的实施方式，所述微显示器1紧贴所述倾斜端面21设置。此外，微显示器1还可以与倾斜端面21分开一定距离设置。

作为一种可选地实施方式，如图2所示，将倾斜端面21与波导2的表面的预定角度设置为第一预定角度，使得垂直于所述倾斜端面21入射到所述波导2中的显示光能在所述波导2的表面上发生全反射。此时，入射到波导2中的显示光可以通过多次全反射在波导2中进行传播并最终到达衍射光学元件3。

当显示光在波导2的上下表面上经过多次全反射时，会有一定的能量损耗。为了降低上述能量损耗，当倾斜端面21与波导2的表面的预定角度设置为第一预定角度时，如图2所示，在波导2的上下表面上还设置有增反膜4，用于增加所述显示光在所述波导的表面上反射时的反射能量。

具体地，在本实施方式中，所述增反膜4可以设置在显示光在波导2的上下表面上进行反射的位置。

作为一种可选地实施方式，如图3所示，将倾斜端面21与波导2的表面的预定角度设置为第二预定角度，使得垂直于所述倾斜端面21入射到所述波导2中的显示光通过所述波导2直接照射到所述衍射光学元件3上。

本实施方式对衍射光学元件3的具体结构不做特殊限定，只要能对非平行光进行调制并能使发散的入射光出射成会聚、发散或者平行的出射光的衍射光学元件都属于本申请的保护范围。作为一种可选地实施方式，所述衍射光学元件3为渐变光栅。此外，衍射光学元件3还可以是超构表面、二维材料结构、微米或纳米器件、或者其他衍射元件。

可选地，在本实施方式中，所述衍射光学元件3可以是透射型衍射光学元件，也可以是反射型衍射光学元件。如图3所示，图3(a)中的衍射光学元件3为反射型衍射光学元件，图3(b)中的衍射光学元件3为透射型衍射光学元件。

下面结合具体实施例对本实施方式提供的波导显示系统做进一步说明。

实施例一

在本实施例中，如图3(a)所示，波导2输入端的倾斜端面21与波导的上表面的夹角为锐角。微显示器1紧贴着波导2的倾斜端面21。波导2的上表面上贴有衍射光学元件3，为反射型衍射光学元件。微显示器1发出的发散光束直接从波导2的倾斜端面21进入波导2，直接照射在衍射光学元件3上。在被衍射光学元件3调制后，成像光束被反射出波导2，进入人眼形成放大的像。

实施例二

本实施例和实施例一不同的地方有，如图3(b)所示，微显示器1距离波导2的倾斜端面21的距离不同，波导2的倾斜端面21和上表面的夹角为钝角，衍射光学元件3在波导2的下表面上，为透射型衍射光学元件。微显示器1发出的发散光束直接从波导2的倾斜端面21进入波导2，直接照射在衍射光学元件3上。在被衍射光学元件3调制后，成像光束透过衍射光学元件3离开波导2，进入人眼形成放大的像。

实施例三

本实施例和实施例一不同的地方有，如图2所示，波导2的长度较长，波导2的上、下表面上涂有增反膜4。微显示器1发出的发散光束直接从波导2的倾斜端面21进入波导，在波导2的上、下表面上反射一次或者多次后进入贴在波导2上表面上的衍射光学元件3。在被衍射光学元件3调制后，成像光束被衍射光学元件3反射离开波导2，进入人眼形成放大的像。

作为本实施方式的第二个方面，提供一种增强现实眼镜，其特征在于，所述增强现实眼镜包含上述的波导显示系统。

上文已经对所述波导显示系统的原理和有益效果进行了详细说明，此处不再赘述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本申请的原理而采用的示例性实施方式，然而本申请并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本申请的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种波导显示系统，其特征在于，所述波导显示系统包括微显示器、波导、衍射光学元件；

所述微显示器用于发射携带显示内容的显示光；

2.根据权利要求1所述的波导显示系统，其特征在于，所述微显示器紧贴所述倾斜端面设置。

3.根据权利要求1所述的波导显示系统，其特征在于，所述预定角度为第一预定角度，以使垂直于所述倾斜端面入射到所述波导中的所述显示光能在所述波导的表面上发生全反射。

4.根据权利要求3述的波导显示系统，其特征在于，所述波导包括覆盖在其表面上的增反膜；

5.根据权利要求1所述的波导显示系统，其特征在于，所述预定角度为第二预定角度，以使垂直于所述倾斜端面入射到所述波导中的所述显示光通过所述波导直接照射到所述衍射光学元件上。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的波导显示系统，其特征在于，所述衍射光学元件为渐变光栅。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的波导显示系统，其特征在于，所述衍射光学元件为透射型衍射光学元件或反射型衍射光学元件。

8.一种增强现实眼镜，其特征在于，所述增强现实眼镜包含权利要求1至7任意一项所述的波导显示系统。