CN108107576A - 波导显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导显示装置，涉及光学技术领域。包括图像源，投影光学***，输入耦合器，波导，输出耦合器，其中，图像源，用于显示图像；投影光学***，用于将图像源显示的图像射向输入耦合器；输入耦合器，用于将投影光学***的出射光耦入波导；输出耦合器，用于将波导内传播的光耦出；还包括，波导显示装置还包括设置在波导表面的四分之一波片和反射器。本发明能够提高光栅的耦合效率，提高显示图像的视场亮度均匀性，提高***整体的能量利用率。

Description

波导显示装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及波导显示装置。

背景技术

现有基于基于半透半反膜的增强现实显示装置，包括图像源、投影光学***、波导、输入耦合棱镜、输出耦合半透半反膜。图像源出射光经投影光学***变换为各个角度的平行光，各个角度对应图像源上各像素点，为了能保证光在波导中的传输，需要使用输入耦合棱镜或者输入反射镜来将投影光学***的光线偏折，使得光线能在波导中按照全反射原理传播。波导中对应出瞳位置，布置多个输出耦合半透半反膜，来将波导中传输的光耦合处波导，并且并列布置的多个输出耦合半透半反膜实现出瞳的扩展。

但这种装置的光栅耦合效率较低，导致***整体的能量利用率较低，存在显示图像亮度低，亮度不均匀的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种波导显示装置。旨在解决增强现实显示装置中能量利用率低的问题。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

根据本发明实施例，提供了一种波导显示装置，包括图像源，投影光学***，输入耦合器，波导，输出耦合器，其中，

图像源，用于显示图像；

投影光学***，用于将图像源显示的图像射向输入耦合器；

输入耦合器，用于将投影光学***的出射光耦入波导；

输出耦合器，用于将波导内传播的光耦出；

其特征在于，波导显示装置还包括设置在波导表面的四分之一波片和反射器。

可选的，反射器为高反膜。

可选的，在波导和输入耦合器之间，还包括偏振反射器。

可选的，反射器为第一偏振反射器，在波导和输入耦合器之间，还包括第二偏振反射器。

可选的，输入耦合器包括输入耦合光栅，输入耦合光栅包括低衍射效率区和高衍射效率区。

可选的，输入耦合器对应区域的波导为阶梯波导，其他区域的波导为平板波导。

可选的，阶梯波导上设置有吸收层。

本发明实施例公开的波导显示装置，能够提高光栅的耦合效率，提高显示图像的视场亮度均匀性，提高***整体的能量利用率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明实施例公开的一种波导显示装置的示意图；

图2是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；

图3是本发明实施例公开的一种波导显示装置的衍射级次示意图；

图4是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的衍射级次示意图；

图5是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图。

图6是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；

图7是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；

图8是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；

图9是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的结构、产品等而言，由于其与实施例公开的部分相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本发明实施例公开了一种波导显示装置10，包括图像源101，投影光学***102，输入耦合器103，波导104，输出耦合器105，其中，输入耦合器103可以包括波导耦入光栅。图1和图2分别示出了两种可选的波导显示装置10结构，图1为波导耦入光栅位于波导内部的结构，图2为波导耦入光栅位于波导外部的结构。具体的，

图像源101，用于显示图像；

投影光学***102，用于将图像源101显示的图像射向输入耦合器103；

输入耦合器103，用于将投影光学***102的出射光耦入波导104；

输出耦合器105，用于将波导104内传播的光耦出；其中，输出耦合器105包括波导耦出光栅，波导耦出光栅包括与不同波长的光对应的多个单色光栅。

可选的，图像源101可以为平面显示屏或曲面显示屏，进一步可选的，图像源101可以为液晶显示屏(英文全称：Liquid Crystal Display，英文缩写：LCD)、硅基液晶(英文全称：Liquid Crystal on Silicon，英文缩写：LCOS)反射式投影显示屏、发光二极管(英文全称：Light Emitting Diode，英文简称：LED)显示屏等。

图像源101显示的图像经由投影光学***102成像至无穷远处。可选的，投影光学***102可以为一透镜组，镜片可以采用非球面镜片或者自由曲面镜片，用于校正各像差及色差，也可以采用衍射光学元件来进一步优化成像质量。

如图3所示，输入耦合器103为输入耦合光栅时，1级衍射光将按照全反射在波导104内传播，称为传播级次，而0级衍射光的传播角度不变，无法在波导104内传播，称为透射级次。为了提高能量利用率，即提高显示图像的亮度，应提高1级衍射光的衍射效率，降低0级衍射光的衍射效率。但光栅作为对入射角敏感的光学元件，对不同视场的入射光其衍射效率相差较大，对于中心视场耦合效率较高时，则边缘视场衍射效率将很低，这样很容易造成显示图像的边缘视场的亮度偏暗，使得图像的整体亮度出现不均匀。

可选的，波导显示装置10还可以包括设置在波导104表面的四分之一波片106和反射器107，进一步的，反射器107可以但不限定为高反膜或偏振反射器等。

示例性的，如图4所示，在使用薄波导进行轻量化增强现实显示设备设计时，使用光栅进行耦合时，1级衍射光经过全反射后会照射到输入耦合光栅上，会产生多个衍射级次，其中1级反射光和1级透射光均会从波导耦出，2级反射光在波导中传播无法传输图像，只有0级反射光能够在波导中继续传播，传输图像。

可选的，当反射器107为高反膜时，四分之一波片106可以用于减少1级衍射光再经由输入耦合光栅耦出波导，如图5所示。由于光栅为偏振敏感器件，当使用四分之一波片106来改变衍射光的偏振态，将TE偏振态转变为TM偏振态。TM偏振态的1级衍射光在输入耦合光栅耦出波导的能量会大幅降低，更多的能量保留在0级反射光处，从而在波导104中有效传输，进而提高了***的整体能量利用率。

进一步可选的，四分之一波片106应能适用于大角度入射光，示例性的，四分之一波片106可以采用双折射晶体，且光轴与中心视场对应光线相平行。

可选的，当反射器107为高反膜时，在波导104和输入耦合器103之间，还可以包括偏振反射器108。

示例性的，如图6所示，从投影光学***103出射的光仍为TE偏振模，偏振反射器108对TE偏振模为透射，对TM偏振为反射。1级衍射光同样为TE偏振模，会透过偏振反射器108。之后1级衍射光传播经过四分之一波片后在高反膜107处反射，示例性的，高反膜可以为金属膜或者二氧化钛膜等，反射光再次经过四分之一波片106，之后偏振态转换为TM偏振。TM偏振的1级衍射光会在偏振反射器处发生反射，从而避免1级衍射光照射到输入耦合光栅并耦出波导。

可选的，当反射器107为偏振反射器时，在波导104和输入耦合器103之间，还可以包括偏振反射器108。

示例性的，如图7所示，经过投影光学***103的出射光为TE模，而偏振反射器108对于TE偏振为透射状态，这样TE偏振光入射到输入耦合光栅上，1级衍射光在波导104内传播，0级衍射光透过波导传播经过四分之一波片106，由于四分之一波片106上布置有偏振反射器107，其对TE偏振为反射状态，则0级衍射光会被反射回波导，并再次经过一次四分之一波片106，从而从TE偏振态转变为TM偏振态。反射回的0级偏振光透过输入耦合光栅后，传播至偏振反射器108，图7中已示出偏振反射器108的位置，偏振反射器108对TM偏振为反射状态，则0级衍射光会再被反射回输入耦合光栅，再一次被输入耦合光栅衍射。对于中心视场，由于第一次衍射的耦合效率较高，则0级透射光已经包含很少的能量了，但是对于边缘视场，由于第一次衍射的耦合效率较低，而0级透射光将包含较高的能量，则第二次耦合将提高边缘视场的耦合效率。

进一步可选的，除了中心视场外，其他视场在进行第二次耦合时，光束位置相较于第一次耦合有所偏移，为了保证第二次耦合时光束能够照射到输入耦合光栅上，可以增加输入耦合光栅103的宽度。

可选的，基于上述公开的实施例，输入耦合器103为输入耦合光栅时，可以包括低衍射效率区和高衍射效率区。

示例性的，如图8所示，边缘视场角的1级衍射光只有部分经过一次全反射后会再入射到输入耦合光栅上，因此，可以将这部分光栅使用低耦出效率的结构，其余输入耦合光栅部分使用高耦入效率的耦合光栅。

可选的，基于上述公开的实施例，输入耦合器103对应区域的波导104可以为阶梯波导1041，其他区域的波导104为可以平板波导1042。进一步的，阶梯波导1041上可以设置有吸收层109。

示例性的，如图9所示，输入耦合光栅103处对应一定长度的厚波导，称为阶梯波导1041，其他区域为薄波导，称为平板波导1042。从输入耦合光栅103衍射的1级衍射光可以分为几类，一类是衍射角较小的光，部分衍射光会达到阶梯波导1041边界并全反射进入左侧平板波导1042边界；二类衍射角略大的光，部分照射到阶梯波导1041边界，但是在边界上全反射后会到达吸收层109，部分直接进入平板波导1042传播；三类衍射光直接到达吸收层109，被吸收层109吸收；四类是衍射角较大的衍射光，照射到平板波导1042边界上，位于平板波导1042内的光会再平板波导1042中传播。由此，1级衍射光不会返回输入耦合光栅103，但由于二类衍射光及三类衍射光均会照射到吸收层109，被吸收层109吸收掉，也会造成不同视场亮度不均匀。

本发明实施例公开的技术方案，能够提高光栅的耦合效率，提高显示图像的视场亮度均匀性，提高***整体的能量利用率。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种波导显示装置，包括图像源，投影光学***，输入耦合器，波导，输出耦合器，其中，

所述图像源，用于显示图像；

所述投影光学***，用于将所述图像源显示的所述图像射向所述输入耦合器；

所述输入耦合器，用于将所述投影光学***的出射光耦入所述波导；

所述输出耦合器，用于将所述波导内传播的光耦出；

其特征在于，所述波导显示装置还包括设置在所述波导表面的四分之一波片和反射器。

2.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述反射器为高反膜。

3.根据权利要求2所述的波导显示装置，其特征在于，在所述波导和所述输入耦合器之间，还包括偏振反射器。

4.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述反射器为第一偏振反射器，在所述波导和所述输入耦合器之间，还包括第二偏振反射器。

5.根据权利要求1至4所述的任一波导显示装置，其特征在于，所述输入耦合器包括输入耦合光栅，所述输入耦合光栅包括低衍射效率区和高衍射效率区。

6.根据权利要求1至4所述的任一波导显示装置，其特征在于，所述输入耦合器对应区域的波导为阶梯波导，其他区域的波导为平板波导。

7.根据权利要求1所述的波导显示装置，其特征在于，所述阶梯波导上设置有吸收层。