[發明專利]一種波導顯示裝置

在審

• 申請號: 201810821522.6
• 申請日: 2018-07-24
• 公開（公告）號: CN108873350A
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發明（設計）人: 樓歆曄;吳興坤;黃河;林濤;李晴
• 申請（專利權）人: 上海鯤游光電科技有限公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜;邱啟旺

本發明公開了一種波導顯示裝置，包括波導基底、輸入衍射光學元件和輸出衍射光學元件。輸入衍射光學元件采用高耦合效率的衍射結構。通過調制敏感結構參數，對輸出衍射光學元件在有效區域內沿波導出瞳擴展路徑的衍射折射率分布進行優化，使其在單位面積上輸出的光通量保持恒定。通過本發明的技術方案，可有效增加波導顯示裝置在有效出瞳范圍內輸出圖像的亮度均勻性，提高顯示裝置的光學系統效率，并降低制造成本。

技術領域

本發明涉及增強現實顯示裝置(AR)或抬頭顯示(Head-up)裝置，特別涉及一種增加出瞳輸出圖像的亮度均勻性，并提高系統傳輸效率的波導顯示裝置。

背景技術

增強現實，是將真實世界信息和虛擬世界信息實時疊加到同一個畫面或空間的新技術。通過計算機生成的提示信息、虛擬物體或虛擬場景疊加到真實世界中，實現超越現實的感官體驗。由于具有能夠對真實環境進行增強顯示輸出的特性，增強現實在數據模型的可視化、軍事武器研發與制造、飛行導航、醫療培訓、遠程控制、娛樂與藝術等領域均有廣泛的應用。

增強現實技術中的顯示裝置，根據顯示原理分為光學透射式和視頻透射式兩大類。由于分辨率高、無視覺偏差、無時延以及更符合社交習慣等優勢，光學透射式增強現實顯示系統已成為主流。

為了實現光學透射式的增強現實顯示方案，有人設計了基于鳥浴(Bird Bath)或者自由曲面元件的傳統光學系統，利用折射和反射實現虛擬和真實世界的疊加，然而此類由傳統光學元件組成的顯示系統受制于光學總距離，無法做到足夠輕薄，實現增強現實顯示系統的眼鏡化；另外受拉格朗日不變量的牽制，傳統光學顯示系統的出瞳尺寸有限，通常無法適配瞳距處于兩端的用戶人群。與傳統光學系統相比，基于波導的顯示方案有效地解決了以上兩個問題。一個單色或者RGB圖像被注入波導后，利用光線在平面波導元件內的全反射傳輸，有效降低了光學元件的厚度，并使用波導上一個或多個光學元件控制圖像分步輸出，實現出瞳擴展。在基于出瞳擴展的波導顯示裝置中，波導中的光能量在分步輸出過程中逐漸衰減，并且衍射波導上輸入和輸出光學元件的衍射效率較低，系統能量損失明顯。因此，如何實現出瞳范圍內圖像亮度均勻，提高系統傳輸效率，是提升增強現實顯示器或抬頭顯示器用戶體驗和系統性能的關鍵問題。

專利“大出瞳全息波導眼鏡系統”(CN104280885A)描述的干涉光強轉化相位的方法只能用于折射率調制的全息光柵波導。專利“光學顯示系統”(CN107690599A)和“OpticalWaveguide”(US9329325B2)采用在單片光波導上鍍一層或多層漸變薄膜的方法來改變衍射效率，但漸變鍍膜工藝復雜并且由于此工藝步驟需在單片光波導上進行，因而制造成本高。

發明內容

鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種增加出瞳輸出圖像的亮度均勻性，提高系統效率，并降低制造成本的技術。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種波導顯示裝置，包括波導基底、輸入衍射光學元件和輸出衍射光學元件；

輸入衍射光學元件，用于將光機投影器的輸出光耦合輸入至波導基底中。

波導基底，用于將從輸入衍射光學元件耦合輸入的光進行全反射向輸出衍射光學元件傳播。

輸出衍射光學元件，用于將波導基底中全反射的光在每次接觸輸出衍射光學元件時部分衍射和部分透射，衍射光耦合出波導至人眼，直接透射部分在波導基底中繼續全反射直至被衍射耦合輸出，完成出瞳擴展。

所述輸入衍射光學元件被優化設計為具有高耦合衍射效率，用來提高顯示系統效率，減小功耗。輸入衍射光學元件可選自閃耀光柵、非對稱表面浮雕光柵或其它具有高耦合效率的衍射結構。

所述波導基底可采用對可見光透明的光學材料構成的平板結構，其上下表面平行；輸入衍射光學元件/輸出衍射光學元件可與波導基底表面緊密貼合，也可嵌入波導基底的材料內部。