CN110161680A - 一种全息波导显示装置及其显示方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种全息波导显示装置，包括波导、全息耦合输入单元、全息耦合输出单元、位于所述波导入光侧的图像源单元及位于所述波导出光侧的图像投射单元，其中，图像源单元包括图像源和中继模块，中继模块位于图像源和波导中间，用于将从所述图像源出射的图像光波放大并准直成相同角度的细光束平行光。本申请中通过图像源单元中的中继模块将图像光波放大并准直成相同角度的细光束平行光，根据实际需求，图像投射单元可以实现对图像光波进行放大和能量分布，从而扩大视场角和大出瞳。
Description
技术领域
本申请涉及波导显示领域，特别涉及一种全息波导显示装置及其显示方法。
背景技术
全息波导显示装置属于头戴式增强技术领域，其关键技术是将全息光学元件代替传统光学元件作为波导耦合器，构成集成度较高的可穿戴成像***。
现有的全息波导显示装置为了扩大视场角大多是基于多片全息光学元件的拼接，比如专利US 9791703B1公开了，采用两片中间光栅将视场角分开成两部分，分别沿两条波导传输路径进行传输，到达耦合输出光栅后，两部分视场角再拼接出一个完整的视场。再比如专利US9933684B2公开了，通过多层全息光栅元件，将视场进一步细分，实现每个视场高质量传输，最终达到人眼，拼接处完整的视场。
为了扩大出瞳大多基于转折光栅复制光瞳，比如专利US9874667B2、专利US9933684B2，均通过转折光栅实现水平扩展，水平扩展后的光瞳进一步传输到耦合输出光栅，再实现垂直扩展，从而实现大出瞳显示的要求。
为了实现彩色显示大多基于多层波导元件，比如专利US9664824B2通过两层额外的元件进行颜色补偿矫正，从而实现无色差显示。再比如专利US995918B2通过三层波导，分别传输红绿蓝光，从而实现彩色显示。
然而，上述方案均采用多个元件的组合实现，这样一方面会增加***的复杂度、尺寸和体积；另一方面复杂的光栅和***结构极大地增加了加工难度和制作成本，降低良品率。
发明内容
本申请提供一种全息波导显示装置，至少解决现有技术中存在的至少一个问题。
为解决上述问题，第一方面，本申请实施例提供全息波导显示装置，包括波导、全息耦合输入单元、全息耦合输出单元、位于所述波导入光侧的图像源单元及位于所述波导出光侧的图像投射单元；其中，所述图像源单元包括图像源和中继模块，所述中继模块位于图像源和波导中间，用于将从所述图像源出射的图像光波准直成相同角度的细光束平行光波。
具体地，所述中继模块包括双远心光路***。
具体地，所述双远心光路***包括第一透镜、第二透镜和小孔，所述小孔位于位于第一透镜的后焦面及第二透镜的前焦面，且所述第二透镜的焦距大于所述第一透镜的焦距。
具体地，所述全息耦合输出单元为散射全息光学元件。
具体地，所述全息耦合输出单元为反射式散射全息体光栅和透射式散射全息体光栅中的一种，所述全息耦合输入单元为反射式全息体光栅和透射式全息体光栅中的一种。
具体地，所述图像投射单元包括半反镜或半反镜阵列，用于将经过所述全息耦合输出单元的图像光波反射到目标观察者。
具体地，所述波导包括平板波导和弯曲波导中的一种。
另一方面，本申请实施例公开一种全息波导显示方法，应用于前述全息波导显示装置，包括从图像源单元输出的相同角度的细光束平行图像光波经过全息耦合输入单元进入波导；经过波导传输后的图像光波经过全息耦合输出单元出射到图像投射单元；经过所述图像投射单元反射的图像光波显示成像。
本申请实施例公开的全息波导显示装置，包括波导、全息耦合输入单元、全息耦合输出单元、位于所述波导入光侧的图像源单元及位于所述波导出光侧的图像投射单元，其中，图像源单元包括图像源和中继模块，中继模块位于图像源和波导中间，用于将从所述图像源出射的图像光波准直成相同角度的细光束平行光波。本申请中通过图像源单元中的中继模块将图像光波放大并准直成相同角度的细光束平行光，根据实际需求，图像投射单元可以实现对图像光波进行放大和能量分布，从而扩大视场角和大出瞳。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本申请的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本申请进行任何限制，在附图中：
图1为本申请一实施例的全息波导显示装置的结构示意图；
图2为本申请实施例中的双远心光路***的结构示意图；
图3为本申请另一实施例的全息波导显示装置的结构示意图；
图4为本申请实施例中透射式和反射式全息耦合输入单元的工作示意图；
图5为本申请实施例中透射式全息耦合输出单元的工作示意图；
图6为本申请另一实施例的全息波导显示装置的结构示意图；
图7为本申请另一实施例的全息波导显示方法。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本申请的实施例公开了全息波导显示装置，包括波导、全息耦合输入单元、全息耦合输出单元、位于所述波导输入侧的图像源单元及位于所述波导输出侧的图像投射单元；其中，所述图像源单元包括图像源和中继模块，所述中继模块位于图像源和波导中间，用于将从所述图像源出射的图像光波准直成相同角度的细光束平行光波。
传统的波导显示装置在图像源生成图像光波后，将图像每一个物点对应的图像光波被准直成不同视场角度的宽平行光，而不同视场角度的宽平行光经全息耦合输入光栅耦合进入波导，并经过波导传输后，最后在人眼晶状体恢复成像点，并在视网膜成像，但是根据耦合波理论，全息耦合光栅存在一定的角度带宽，其只能允许一定角度范围的入射光发生衍射，超过该角度范围的光无法耦合进入波导并在里面发生全反射，这意味着传统全息波导显示视场角受到全息光栅角度带宽的限制。
而本申请公开的全息波导显示装置，图像源单元中的图像源生成图像光波后，中继模块将所述图像光波中各像素点的光准直成相同角度的细光束平行图像光波后，图像光波以相同角度的平行光，入射到全息耦合输入单元上发生衍射，并耦合进入波导传输，各个视场平行光的在波导里的传输角度相同，经过全息耦合输出单元出射，最后由图像投射单元和人眼晶状体共同成像到视网膜，因为中继模块可以根据实际需求对图像源上的图像进行一定的放大，也即是放大了投射在全息耦合输出单元的图像大小，由于将图像大小转变为视场大小的功能发生在图像投射单元一侧，而图像投射单元的视场放大程度直接和图像大小成正相关，所以放大了图像就可以扩大输出图像的视场角。其中，图像源可以是LCD、LCOS、DLP等被动显示器或者OLED等主动显示器，显示器需要有相应的照明、电路等单元。图像光波可以是图像源产生的二维图像光波，也可以是三维图像光波，具体根据图像源产生的图像确定。
中继模块可以是基于几何光学原理设计的光学元件或***，也可是基于标量衍射光学原理设计的衍射元件或***，也可使基于微纳矢量光学原理设计的光学元件或***，其放大率可以根据实际选择而定。
全息耦合输入单元的作用是将中继模块输出的图像光波以一定角度调制耦合输入到波导，全息耦合输出单元的作用是将在波导中传输的图像光波调制耦合输出，并一定的发散角投射到图像投射单元。全息耦合输入单元和全息耦合输出单元可以是单层或多层全息光学元件，可以是单色衍射或多色衍射，如果是多色衍射的全息光学元件，可以通过三色敏感材料波长复用或者单色敏感材料角度复用加工实现。
图像投射单元的作用是将全息耦合输出单元出射的图像光波放大并反射到人眼，形成虚拟场景的像。该图像投射单元可以是基于几何光学原理设计的光学元件或***，也可是基于物理光学原理设计的衍射元件或***，也可使基于微纳光学原理设计的光学元件或***。该图像投射单元针对图像源单元产生图像维度的不同而不同，比如图像源产生的是二维图像时，对应是二维图像投射单元，图像源产生的是三维图像时，对应的是三维图像投射单元。该图像投射单元具有半透明的性质，对外界场景可无畸变无像差的传输到达人眼。
本申请一实施例公开的全息波导显示装置，如图1所述，所述波导显示装置包括波导104、全息耦合输入单元103、全息耦合输出单元105、位于所述波导输入侧的图像源101和中继模块102，以及位于所述波导输出侧的图像投射单元106。其中，中继模块102位于图像源101和波导104中间，用于将从所述图像源出射的图像光波准直成相同角度的细光束平行光波。
在本申请实施例中，图像源101生成目标图像光波210，传输到中继模块102并被准直形成相同角度的细光束平行图像光波202，优选地，所述图像源101为透射式LCD显示屏，所述中继模块为双远心光路***。
上述图像光波202输入到全息耦合输入单元103，经过耦合作用图像光波以一定角度301调制耦合输入到波导104，并以上述固定传输角度301在波导中传输。其中，所述波导可以为平行波导，也可以为弯曲波导；所述传输角度301满足如下公式
式中的为图像信号传播角度，为全内反射的临界角，n为波导单元材料的折射率。
再然后，经过波导传输后的图像光波203通过全息耦合输出单元105输出，并以一定角度302调制耦合到图像投射单元106，最后，所述图像投射单元106将图像光波204投射到目标观察者107，形成放大的图像。其中，上述图像投射单元为半反镜，用于将投射到其上的图像光波反射到目标观察者，可选地，所述图像投射单元也可以是半反镜阵列，具体功能与半反镜相同，不再赘述。
可选地，所述全息耦合输出单元为散射全息光学元件，其由平面波和散射光波干涉得到，再现时，平行光入射，将得到记录时的散射光波。细光束平行图像光上每一条细光束为一个像素点，当其入射到全息耦合输出单元上时，这一细光束将被散射开成一定角度内的光，当这一角度的光被图像投射单元收集并反射到人眼时，光束口径将增大。光束口径和全息耦合输出单元的散射角度正相关，从图像投射单元回来的光具有大口径，从而实现大出瞳。所述全息耦合输入单元和全息耦合输出单元均可以为反射式全息体光栅和透射式全息体光栅中的一种，在本申请实施例中，两者均为透射式全息体光栅，具体地设置位置分别在波导的入光侧和出光侧，如图所示，两者位于波导的不同侧。
本申请实施例公开的全息波导显示装置，图像源单元中的图像源生成目标图像光波，经过中继模块后，所述图像光波被准直成相同角度的细光束平行图像光波后，经过全息耦合输入单元进入波导进行传输并输出，因为中继模块可以根据实际需求对图像源上的图像进行一定的放大，也即是放大了投射在全息耦合输出单元的图像大小，结合图像投射单元的放大功能，所以可以扩大输出图像的视场角。
进一步地，本申请实施例中，全息耦合输出单元为散射全息光学元件，其由平面波和散射光波干涉得到，再现时，平行光入射，将得到记录时的散射光波。细光束平行图像光上每一条细光束为一个像素点，当其入射到全息耦合输出单元上时，这一细光束将被散射开成一定角度内的光，当这一角度的光被图像投射单元收集并反射到人眼时，光束口径将增大。光束口径和全息耦合输出单元的散射角度正相关，从而实现大出瞳。
可选地，本申请实施例中的中继模块为双远心光路***，其具体结构如图2所示，双远心光路***包括两片消球差的第一透镜1021、第二1023和小孔1020组成。其中，图像源101放置在第一透镜1021的前焦面，其发出的光201被透镜1021准直，小孔1020放置在透镜1021的后焦面及第二透镜1023的前焦面，其作为光阑筛选出细束的中心光线，并进一步入射到第二透镜1023，后被准直成所需要的图像光202。由于第二透镜1023的焦距f3大于第一透镜1021的焦距f1，其最终输出的图像光比光源大，实现了图像的扩大，最终实现了扩大视场角和大出瞳的效果。
本申请的另一实施例，如图3所示，全息耦合输入单元为反射式全息体光栅，全息耦合输出单元为透射式全息体光栅，此实施例中，全息耦合输入单元和全息耦合输出单元位于波导的同一侧。容易理解的是，全息耦合输入单元可以为透射式全息体光栅，全息耦合输出单元为反射式全息体光栅，或者两者均为透射式体光栅，在此不做进一步展开说明。
具体地，如图4所示描述了全息耦合输入单元为透射式和反射式的工作模式。图像光202入射到透射式全息耦合输入单元103被衍射成同一角度的平行光。具体来说，光线R1被衍射成r1，光线R2被衍射成r2，光线R3被衍射成r3。反射式的全息耦合输入单元和透射式全息耦合输入单元工作模式一致，均工作在布拉格衍射条件下，在此不再赘述。
全息耦合输出单元为透射式的工作模式如图5所示，被准直的光线203入射到透射式全息耦合输出单元105被散射成一定角度的发散光。具体来说，光线r1被衍射成t1范围的光线，光线r2被衍射成t2范围的光线，光线r3被衍射成t3范围的光线。反射式的全息耦合输入单元和透射式全息耦合输入单元工作模式一致，在此不再赘述。关于透射式的全息耦合输出单元的制造方法。平行光线401入射到散射元件501被散射成一定角度的发散光402，这一角度范围和上述实施例中t1、t2、t3大小相同，该发散光为物光。另一束倾斜平面波403入射，该倾斜平面波为参考光。物光和参考光在全息基板502上干涉形成全息耦合输出单元。再现时的光路和上述实施例中的全息耦合输出单元的工作模式。
在该实施例中，全息波导显示装置的其他结构如上述实施例，在此不做赘述。
本申请的另一实施例，如图6，其整体结构与第一个实施例相似，不同在于波导为弯曲波导，弯曲波导较平板波导可以实现人眼角的人体工程学共形设计。图像投射单元为凹面放大镜阵列，对应的入射到全息耦合输出单元上的图像为集成成像中的子图像阵列，每一幅子图像分别对应一个凹面放大镜。根据集成成像原理，该波导显示装置实现了三维显示。
本申请的另一实施例公开了一种全息波导显示方法，其应用于前述全息波导显示装置，如图7所示。具体包括，从图像源单元输出的相同角度的细光束平行图像光波经过全息耦合输入单元进入波导；经过波导传输后的图像光波经过全息耦合输出单元出射到图像投射单元；经过所述图像投射单元反射的图像光波显示成像。
其中，所述图像源单元包括图像源和中继模块，所述中继模块将图像光波放大并准直成相同角度的细光束平行光，根据实际需求，图像投射单元可以实现对图像光波进行放大和能量分布，从而扩大视场角和大出瞳。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种全息波导显示装置，其特征在于，包括波导、全息耦合输入单元、全息耦合输出单元、位于所述波导入光侧的图像源单元及位于所述波导出光侧的图像投射单元；其中，所述图像源单元包括图像源和中继模块，所述中继模块位于图像源和波导中间，用于将从所述图像源出射的图像光波放大并准直成相同角度的细光束平行光波。
2.根据权利要求1所述的全息波导显示装置，其特征在于，所述中继模块包括双远心光路***。
3.根据权利要求2所述的全息波导显示装置，其特征在于，所述双远心光路***包括第一透镜、第二透镜和小孔，所述小孔位于位于第一透镜的后焦面及第二透镜的前焦面，且所述第二透镜的焦距大于所述第一透镜的焦距。
4.根据权利要求1所述的全息波导显示装置，其特征在于，所述全息耦合输出单元为散射全息光学元件。
5.根据权利要求4所述的全息波导显示装置，其特征在于，所述全息耦合输入单元为反射式散射全息体光栅和透射式散射全息体光栅中的一种，所述全息耦合输入单元为反射式全息体光栅和透射式全息体光栅中的一种。
6.根据权利要求1所述的全息波导显示装置，其特征在于，所述图像投射单元包括半反镜或半反镜阵列，用于将经过所述全息耦合输出单元的图像光波反射到目标观察者。
7.根据权利要求1所述的全息波导显示装置，其特征在于，所述波导包括平板波导和弯曲波导中的一种。
8.一种全息波导显示方法，应用于权利要求1-7任一项所述全息波导显示装置，其特征在于，包括：
从图像源单元输出的相同角度的细光束平行图像光波经过全息耦合输入单元进入波导；
经过波导传输后的图像光波经过全息耦合输出单元出射到图像投射单元；
经过所述图像投射单元反射的图像光波显示成像。
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