[发明专利]一种光栅波导显示装置

说明书

本发明公开了一种光栅波导显示装置，其包括波导基底，光栅工作机构，第一光栅耦入区及第二光栅耦入区。其中波导基底为对可见光透明的光学平板结构，其中设置在光学波导基底某一侧的第一光栅耦入区域将经过光学系统分光后的两束光线耦合入波导基底，其中设置在光学波导基底同一侧的光栅工作机构用于将光线扩展并耦出波导基底，设置在波导基底的另一侧的耦入光栅通过复耦入的方式提高光线耦入效率。本发明通过对称式耦入方案，简化了光学波导的设计结构，增强耦入光线强度及提升系统显示均匀性，提升人眼感知效果。

技术领域

本发明涉及增强现实显示装置(AR)领域，特别涉及一种光栅波导显示装置。

背景技术

增强现实(AR)技术，是通过计算机图形学模拟虚拟图形，将虚拟信息叠加到真实的物理环境中，从而提供给用户以超越现实的感官体验，在不影响获取环境信息的前提下提供更多的信息。现如今在教育领域、军事领域、娱乐领域、工业生产领域都产生了极大的应用价值。

传统光学透射式增强现实显示方案通过自由曲面棱镜、半反半透镜阵列、全息及衍射光栅等方式实现了将光线通过波导重定向，将图像的成像光导向人眼方向，以达到缩小视方光机结构、减少视觉遮挡的目的。

现有二维扩瞳衍射光波导技术多采用耦入光栅、折转光栅、耦出光栅的组合设计，在耦入光栅、折转光栅区域不显示图像，可用显示区域大小受限。因此一些设计提出使用入瞳、扩瞳、耦出一体化的基于二维光栅的平面光波导。但这种光波导在耦入面由于光机的作用不用作显示，二维光栅在耦入时会有一部分光沿其他方向出射，会有大量光效浪费，同时其均匀性受光栅调制影响，设计难度较大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种光栅波导显示装置，为基于表面浮雕光栅的二维扩瞳方式，通过两块摆放位置对称，光栅形状角度相对称的第一光栅耦入区的输入衍射光学元件实现光线的对称耦入，两块位于另一侧的第二光栅耦入区的输入衍射光学元件用以提高耦入光线的光效，通过二维光栅工作机构对称地传播扩瞳，改善图像的均匀性，使其拥有较大的眼动范围及图像均匀性，提高用户的视觉体验。耦入区域采用一维光栅设计，方案成熟，结构简单衍射效率高，便于量产。

为达上述及其它目的，本发明提出一种光栅波导显示装置，包括光机系统、分光系统、波导基底、光栅工作机构、第一光栅耦入区及第二光栅耦入区；所述第一光栅耦入区以及第二光栅耦入区分别具有左右两块输入衍射光学元件，且均为一维线性衍射光学元件；所述光栅工作机构为第一周期线与第二周期线夹角60°的二维衍射光学元件。

所述光机系统输出的光束经过分光系统分为平行的第一束光和第二束光，第一束光和第二束光分别经由第一光栅耦入区的左右两块输入衍射光学元件进入波导基底，在波导基底中全反射形成第一传播阵列；进入第一光栅耦入区左侧输入衍射光学元件光束的剩余0级光经由第二光栅耦入区左侧输入衍射光学元件衍射进入波导基底，进入第一光栅耦入区右侧输入衍射光学元件光束的剩余0级光经由第二光栅耦入区右侧输入衍射光学元件衍射进入波导基底，两束剩余0级光在波导基底中全反射形成第二传播阵列，所述第一传播阵列与第二传播阵列角度相同；第一传播阵列与第二传播阵列通过由光栅工作机构进行二维传播、扩瞳和出瞳，形成两组虚拟图像，相互叠加后形成可视图像。

进一步地，所述波导基底是对可见光透明的光学材料构成的平板结构，其上下表面平行。用于将耦入进波导基底的光线通过全反射的传递方式传输至光栅工作机构各处。

进一步地，所述分光系统由胶合的棱镜及分光膜组成，起到将入射光束分为强度相等的平行的两束光束的作用。

进一步地，所述第一光栅耦入区及第二光栅耦入区为表面浮雕光栅，包括微纳米结构光栅或体全息衍射光栅。

进一步地，所述第一光栅耦入区包括：

第一光栅耦入区左侧输入衍射光学元件，为一维线性光栅，设置在光栅工作机构同侧的波导基底的一面上，用于透射衍射第一束光使其沿二维光栅工作机构第一周期线方向传播，并满足衍射角度大于全反射的临界角。