[發(fā)明專利]一種光柵波導(dǎo)顯示裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011547773.3
• 申請日: 2020-12-24
• 公開（公告）號(hào): CN112630969B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李海峰;曹潤蒼;劉旭
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B27/01
• 分類號(hào): G02B27/01;G02B27/00;G02B5/18;G02B6/10
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發(fā)明公開了一種光柵波導(dǎo)顯示裝置，其包括波導(dǎo)基底，光柵工作機(jī)構(gòu)，第一光柵耦入?yún)^(qū)及第二光柵耦入?yún)^(qū)。其中波導(dǎo)基底為對可見光透明的光學(xué)平板結(jié)構(gòu)，其中設(shè)置在光學(xué)波導(dǎo)基底某一側(cè)的第一光柵耦入?yún)^(qū)域?qū)⒔?jīng)過光學(xué)系統(tǒng)分光后的兩束光線耦合入波導(dǎo)基底，其中設(shè)置在光學(xué)波導(dǎo)基底同一側(cè)的光柵工作機(jī)構(gòu)用于將光線擴(kuò)展并耦出波導(dǎo)基底，設(shè)置在波導(dǎo)基底的另一側(cè)的耦入光柵通過復(fù)耦入的方式提高光線耦入效率。本發(fā)明通過對稱式耦入方案，簡化了光學(xué)波導(dǎo)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)耦入光線強(qiáng)度及提升系統(tǒng)顯示均勻性，提升人眼感知效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示裝置(AR)領(lǐng)域，特別涉及一種光柵波導(dǎo)顯示裝置。

背景技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)，是通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)模擬虛擬圖形，將虛擬信息疊加到真實(shí)的物理環(huán)境中，從而提供給用戶以超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)，在不影響獲取環(huán)境信息的前提下提供更多的信息。現(xiàn)如今在教育領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、娛樂領(lǐng)域、工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域都產(chǎn)生了極大的應(yīng)用價(jià)值。

傳統(tǒng)光學(xué)透射式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示方案通過自由曲面棱鏡、半反半透鏡陣列、全息及衍射光柵等方式實(shí)現(xiàn)了將光線通過波導(dǎo)重定向，將圖像的成像光導(dǎo)向人眼方向，以達(dá)到縮小視方光機(jī)結(jié)構(gòu)、減少視覺遮擋的目的。

現(xiàn)有二維擴(kuò)瞳衍射光波導(dǎo)技術(shù)多采用耦入光柵、折轉(zhuǎn)光柵、耦出光柵的組合設(shè)計(jì)，在耦入光柵、折轉(zhuǎn)光柵區(qū)域不顯示圖像，可用顯示區(qū)域大小受限。因此一些設(shè)計(jì)提出使用入瞳、擴(kuò)瞳、耦出一體化的基于二維光柵的平面光波導(dǎo)。但這種光波導(dǎo)在耦入面由于光機(jī)的作用不用作顯示，二維光柵在耦入時(shí)會(huì)有一部分光沿其他方向出射，會(huì)有大量光效浪費(fèi)，同時(shí)其均勻性受光柵調(diào)制影響，設(shè)計(jì)難度較大。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，本發(fā)明提出一種光柵波導(dǎo)顯示裝置，為基于表面浮雕光柵的二維擴(kuò)瞳方式，通過兩塊擺放位置對稱，光柵形狀角度相對稱的第一光柵耦入?yún)^(qū)的輸入衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光線的對稱耦入，兩塊位于另一側(cè)的第二光柵耦入?yún)^(qū)的輸入衍射光學(xué)元件用以提高耦入光線的光效，通過二維光柵工作機(jī)構(gòu)對稱地傳播擴(kuò)瞳，改善圖像的均勻性，使其擁有較大的眼動(dòng)范圍及圖像均勻性，提高用戶的視覺體驗(yàn)。耦入?yún)^(qū)域采用一維光柵設(shè)計(jì)，方案成熟，結(jié)構(gòu)簡單衍射效率高，便于量產(chǎn)。

為達(dá)上述及其它目的，本發(fā)明提出一種光柵波導(dǎo)顯示裝置，包括光機(jī)系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、波導(dǎo)基底、光柵工作機(jī)構(gòu)、第一光柵耦入?yún)^(qū)及第二光柵耦入?yún)^(qū)；所述第一光柵耦入?yún)^(qū)以及第二光柵耦入?yún)^(qū)分別具有左右兩塊輸入衍射光學(xué)元件，且均為一維線性衍射光學(xué)元件；所述光柵工作機(jī)構(gòu)為第一周期線與第二周期線夾角60°的二維衍射光學(xué)元件。

所述光機(jī)系統(tǒng)輸出的光束經(jīng)過分光系統(tǒng)分為平行的第一束光和第二束光，第一束光和第二束光分別經(jīng)由第一光柵耦入?yún)^(qū)的左右兩塊輸入衍射光學(xué)元件進(jìn)入波導(dǎo)基底，在波導(dǎo)基底中全反射形成第一傳播陣列；進(jìn)入第一光柵耦入?yún)^(qū)左側(cè)輸入衍射光學(xué)元件光束的剩余0級(jí)光經(jīng)由第二光柵耦入?yún)^(qū)左側(cè)輸入衍射光學(xué)元件衍射進(jìn)入波導(dǎo)基底，進(jìn)入第一光柵耦入?yún)^(qū)右側(cè)輸入衍射光學(xué)元件光束的剩余0級(jí)光經(jīng)由第二光柵耦入?yún)^(qū)右側(cè)輸入衍射光學(xué)元件衍射進(jìn)入波導(dǎo)基底，兩束剩余0級(jí)光在波導(dǎo)基底中全反射形成第二傳播陣列，所述第一傳播陣列與第二傳播陣列角度相同；第一傳播陣列與第二傳播陣列通過由光柵工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行二維傳播、擴(kuò)瞳和出瞳，形成兩組虛擬圖像，相互疊加后形成可視圖像。

進(jìn)一步地，所述波導(dǎo)基底是對可見光透明的光學(xué)材料構(gòu)成的平板結(jié)構(gòu)，其上下表面平行。用于將耦入進(jìn)波導(dǎo)基底的光線通過全反射的傳遞方式傳輸至光柵工作機(jī)構(gòu)各處。

進(jìn)一步地，所述分光系統(tǒng)由膠合的棱鏡及分光膜組成，起到將入射光束分為強(qiáng)度相等的平行的兩束光束的作用。

進(jìn)一步地，所述第一光柵耦入?yún)^(qū)及第二光柵耦入?yún)^(qū)為表面浮雕光柵，包括微納米結(jié)構(gòu)光柵或體全息衍射光柵。

進(jìn)一步地，所述第一光柵耦入?yún)^(qū)包括：

第一光柵耦入?yún)^(qū)左側(cè)輸入衍射光學(xué)元件，為一維線性光柵，設(shè)置在光柵工作機(jī)構(gòu)同側(cè)的波導(dǎo)基底的一面上，用于透射衍射第一束光使其沿二維光柵工作機(jī)構(gòu)第一周期線方向傳播，并滿足衍射角度大于全反射的臨界角。