[实用新型]近眼显示设备

说明书

一种近眼显示设备，其包括衍射光波导装置。该衍射光波导装置包括光波导基底，第一光栅结构，第二光栅结构以及第三光栅结构。该光波导基底具有第一区域、第二区域以及第三区域，并且该第二区域位于该第一区域和该第三区域之间。该第一光栅结构被形成于该光波导基底的该第一区域，用于将图像光从该光波导基底的该第一区域耦入，以在该光波导基底内从该第一区域传输至该第二区域。该第二光栅结构被形成于该光波导基底的该第二区域，用于将耦入光分束成不同衍射级次的衍射光，以在该光波导基底内沿着不同的传播方向从该第二区域传输至该第三区域的不同位置。该第三光栅结构被形成于该第三区域，用于将图像光从该第三区域耦出。

技术领域

本实用新型涉及增强现实技术领域，特别是涉及近眼显示设备。

背景技术

增强现实作为一种将虚拟世界信息与真实世界信息“无缝”集成的技术，是将微型投影仪上的像素通过光学显示屏投射的人眼中，并同时透过光学显示屏看到真实世界，即将通过微型投影仪提供的虚拟内容与真实环境实时地叠加到了同一个画面或空间以同时存在，使用户获得虚拟与现实融合的体验。

为了实现增强现实显示方案，目前通常使用光波导技术，即当传输介质的折射率大于周围介质的折射率且在波导中的入射角大于全反射临界角时，光可以在波导内发生全反射以进行无泄漏地传输。这样，来自投影仪的图像光被耦合进入波导后，图像光就在波导内继续无损地传播，直至被后续结构耦出。目前，市面上的波导通常被分为几何阵列波导和衍射光波导，其中衍射光波导又被分为体全息波导和表面浮雕光栅波导。虽然衍射光波导的本质都是通过光栅将入射光耦入或耦出波导，但表面浮雕光栅波导因具有极高的设计自由度和由纳米压印加工带来的可量产性，而在众多方案中具有明显的优势。

具体到增强现实中的光波导(以下简称AR波导)，其技术参数主要包括视场角FOV、视距eye relief、动眼框尺寸eyebox等。视场角通常用对角线角度表示，如40°，对应16:9比例画幅的视场角约为35°(H)*20°(V)；视距通常在20-25mm左右，基本能满足大部分用户的佩戴需求，包括佩戴近视或远视眼镜的用户；动眼眶尺寸决定了用户眼睛可自由移动的范围，尺寸越大丢失图像的可能性就越小，因而适应性更广。动眼眶的水平尺寸需要能够适应人眼的出瞳距范围并给用户不同的水平佩戴基准留足余量，动眼眶的垂直尺寸需要适配用户的垂直佩戴基准，一般认为动眼眶尺寸15mm(H)*10mm(V)可满足用户体验的基本需求。AR波导以高效率和良好的均匀性为优化目标，高效率的目的是在相同微投输入下能实现较高的亮度输出，使人眼看到的画面足够明亮；均匀性包括FOV均匀性，即人眼看到的全视场画面具有较好的亮度、颜色均匀性，和eyebox均匀性，即人眼在eyebox不同位置(或不同瞳距、鼻梁高度的用户佩戴时)接收到的亮度差异尽量小，并且期望不同位置均具有较好的FOV均匀性。

为了简化衍射光波导的设计，同时增加光能利用率，现有的一种光波导装置通常采用一维光栅耦入、二维光栅扩瞳耦出的系统结构，如图1A所示。从耦入区域11P衍射的光线进入正下方的扩瞳耦出区域12P后向两边扩束(即+1级次方向的光线和-1级次方向的光线)，再加上原来0级次方向的光线，一共有三个传播方向，即光线在这三个方向上一边传播一边耦出。然而，由于如图1A所示的扩瞳耦出区域12P的左右两个顶角处光线无法到达，即该处没有光线耦出，因此人眼在该处会观察到一定的视角缺失，即所谓的视场暗角。可以想到，在其他视场角下，如图1B所示，由于光线衍射的对称性，该扩瞳耦出区域12P上始终有至少一个角落会出现视场暗角，这严重影响了光波导显示图像的均匀性和完整性。