CN117031617A - 一种具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器，所述曲面全息波导组合器包括图像源、曲面波导、耦入全息光栅、转折全息光栅和耦出全息光栅，所述图像源发出的光线与所述耦入全息光栅相作用后在所述曲面波导中发生全反射，在曲面波导中进行传播，分别与转折全息光栅和耦出全息光栅相作用后入射到观察者的视野中；所述耦入全息光栅、转折全息光栅和耦出全息光栅均为曲面结构且与曲面波导贴合处具有相同曲率。本发明还公开了上述具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器在抬头显示HUD上的应用。本发明提供的曲面全息波导组合器能实现大出瞳范围的显示效果，且能直接与汽车的前挡风玻璃相结合。
Description
技术领域
本发明涉及抬头显示以及增强现实技术领域，具体涉及一种具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器及其应用。
背景技术
抬头显示(HUD)又叫平视式显示最早用于战斗机上，为了防止飞行员经常低头看仪表盘，从而将重要信息显示在他们视线前面的透明玻璃面板上。后来，在汽车上开始引入HUD，主要的目的是使驾驶员不用转移视线就可以看到一些关键信息，从而能够集中注意力观察路面情况，减少驾驶分心，保证驾驶活动的安全，同时也可以减少驾驶员因为要不断观察远处道路情况与近处导航信息、车辆信息，频繁转换焦距而引发的视觉疲劳。
随着AR技术的成熟，结合AR技术的AR-HUD应用范围更加广阔，能够更加有效的提高驾驶安全性，与其他类型的组合器相比，用于增强现实(AR)的全息波导显示出显著的优势。这是因为由于瞳孔复制，波导可以在不影响视野(FOV)的情况下增加眼盒。如公开号为CN115016128A的中国专利公开了一种基于偏振体全息波导HUD装置，包括准直光学***、波导传输模块、入耦合元件、出耦合元件；入耦合元件和出耦合元件为偏振体全息光栅；第一准直光学***用于将像源发出的光准直进入入耦合元件；入耦合元件用于将经过准直的光耦合进波导传输模块；出耦合元件用于将波导传输模块内传输的光线衍射出波导后形成虚像。以及如公布号为CN217238442U的中国专利公开了一种波导组件及平视显示器，波导组件包括：波导基底；入瞳光栅，设置于波导基底的一侧，所述入瞳光栅用于将入射光线耦合至波导基底中传输；出瞳光栅，设置于波导基底的一侧，所述出瞳光栅用于对波导基底中传输的光线进行耦合，以形成折射光线和反射光线；光反射结构，与出瞳光栅相对设置，所述光反射结构用于反射所述折射光线或者所述反射光线。
但传统上的瞳孔复制仅限于平面波导，而平面波导与空间的融合较差，缺乏美学吸引力，不利于HUD的集成化、小型化。因此，现有的平面波导组合器不足以满足HUD的要求，需要改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器及其应用，能实现大出瞳范围的显示效果，且能直接与汽车的前挡风玻璃相结合。
本发明提供如下技术方案：
一种具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器，所述曲面全息波导组合器包括图像源、曲面波导、耦入全息光栅、转折全息光栅和耦出全息光栅，所述图像源发出的光线与所述耦入全息光栅相作用后在所述曲面波导中发生全反射，在曲面波导中进行传播，分别与转折全息光栅和耦出全息光栅相作用后入射到观察者的视野中；
所述耦入全息光栅、转折全息光栅和耦出全息光栅均为曲面结构且与曲面波导贴合处具有相同曲率。
进一步地，所述曲面波导、耦入全息光栅、转折全息光栅、耦出全息光栅的曲率中心均位于靠近观察者的一侧。
所述的耦入全息光栅、转折全息光栅位于所述曲面波导远离所述观察者的一侧的表面上，同理，所述的耦出全息光栅位于所述曲面波导且靠近观察者的一侧表面上。
其中，所述耦入全息光栅、转折全息光栅、耦出全息光栅在制备时，直接制备于所述曲面波导的表面上。
所述曲面波导选自柱面波导、球面波导或双曲面波导。
进一步地，所述图像源与耦入全息光栅之间布设准直透镜；所述图像源发出的光线经过所述准直透镜后与所述耦入全息光栅相作用，进入所述曲面波导。
进一步地，所述耦入全息光栅和耦出全息光栅针对不同的曲面波导分别附加有不同的光焦度，从而矫正光线在所述曲面波导传播过程中产生的像差。
进一步地，当所述曲面波导为单曲率曲面波导：采用平面波与柱面波曝光来附加单方向光焦度进行矫正；
进一步地，当所述曲面波导为双曲率波导：采用方向不同的柱面波曝光来分别附加两个方向光焦度进行矫正。
本发明还提供了一种上述具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器在抬头显示HUD上的应用。
进一步地，所述具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器直接集成到汽车前挡风玻璃上。
本发明还提供了一种具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器在增强现实眼镜场景上的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明提供的具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器，利用耦入全息光栅和耦出全息光栅处附加光焦度的方法调节并矫正光线在曲面波导中传播产生的像差，利用曲面波导的结构实现更大的出瞳范围以及更大的视场角，同时减少了形状因素对波导的限制，可以将曲面波导直接集成到汽车的前挡风玻璃上，节省很大的空间。
附图说明
图1为本发明实施例二维扩瞳的曲面全息波导组合器示意图；
图2为图1另一视角的光线传播示意图；
图3为光在曲面波导中的传播原理图；
图4为本发明曲面波导曲率与附加光焦度大小的关系；
图5为本发明附加光焦度调节后光线在曲面波导传播结果图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
如图1所示，本实施例提供了一种具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器，包括：图像源1、曲面波导2、耦入全息光栅3、转折全息光栅4、耦出全息光栅5、图像源1与耦入全息光栅3之间的准直透镜6。其中，耦入全息光栅3、转折全息光栅4和耦出全息光栅5均为曲面结构且与曲面波导2贴合处具有相同曲率。
本实施例的波导工作时，来自图像源1的光线经过准直透镜6准直以后经过耦入全息光栅3入射到曲面波导2后进行全反射传播，经过转折全息光栅4后继续传播至耦出全息光栅5，由于耦出全息光栅5的存在打破了全反射，发生透射后进入观察者人眼中，完成了图像信息的传递。
值得注意的是，本实施例的耦入全息光栅3可位于曲面波导2远离观察者的一侧，也可位于曲面波导2靠近观察者的一侧；同理，耦出全息光栅5也是如此。
当耦入全息光栅3位于曲面波导2靠近观察者的一侧时，本发明实施例的光栅波导的工作过程可以是：来自图像源1的光线经过准直透镜6准直以后入射到曲面波导2后继续传播至耦入全息光栅3，与其相作用后进行全反射传播，经过转折全息光栅4后继续传播至耦出全息光栅5发生透射后进入观察者人眼中。
当耦出全息光栅5位于曲面波导2远离观察者的一侧时，本发明实施例的光栅波导的工作过程与上述相似，不同为光线最终传播到耦出全息光栅5时会发生反射进入观察者人眼中。
另外需注意的是，本发明实施例中的曲面波导2、耦入全息光栅3、转折全息光栅4、耦出全息光栅5的曲率中心均位于靠近观察者的一侧。
参阅图3至图5，曲面波导矫正的原理主要为：全息光栅衍射、全反射、全息光栅附加光焦度等原理实现的。
具体地，如图3所示，光线在曲面波导2传播时如果不进行校正，入射光束将被注入过程中波导曲面所诱导的折射以及传播过程中波导曲面上的多次TIR反射所重塑，从而在发散和聚焦之间来回切换，如光线段11、13以及光线段12、14所示。
对于厚度固定的曲面波导，光线在每次全反射(TIR)后都会产生一些额外的光焦度，导致在经过与曲率半径相比厚度相对较大的波导长时间传播后产生散光和离焦像差，这是由于两个曲面的曲率半径不同产生的。为了在曲面波导内部传播光，当光通过TIR与顶部和底部表面相互作用时，光必须在膨胀和聚焦之间进行平衡，从而允许耦出全息光栅能够以很小的像差来耦出光。同时，全反射与波长无关，因此曲面波导允许一定带宽的光谱在通过波导进行传播。
进一步地，以圆柱面曲面波导为例，由于其只在一个方向上存在曲率，所以离焦只发生在一个方向上，另一个方向保持不受干扰。在一维曲面波导中全反射(TIR)时所经历的主要像差是由于光与具有不同光焦度的曲面波导前后表面相互作用而产生的累积散光。
因此当曲面波导2为单曲率曲面波导时，在制备耦入全息光栅3时，只需要附加沿着曲率方向的光焦度，同时在耦出全息光栅5附加同方向的负光焦度，即可将其像差矫正。
当曲面波导2为双曲率曲面波导，由于其两个方向均存在曲率，所以离焦在两个方向上均会发生，因此在制备耦入全息光栅3和耦出全息光栅5时，需要对两个方向均附加光焦度来实现像差矫正的目的。
本发明实施例的耦合全息光栅的曝光方法与传统的平面波与平面波或球面波曝光有所不同。由于上述对曲面波导的像差矫正需附加单方向的光焦度，因此在本发明的全息光栅曝光中采用柱面波与平面波曝光的方法来实现单方向光焦度的附加。而对于双曲曲面波导附加两个方向的光焦度，采用两束正交的柱面波曝光的方法来实现。
具体地，如图4所示，列举出了曲面波导2的曲率与所需附加光焦度大小的关系。本发明实施例中的曲面波导为曲率为168.175-171.45mm，以双锥面波导为例，如图5所示，在耦入全息光栅3处分别附加两个方向的光焦度，沿着传播方向的光焦度大小为2.13D，垂直于传播方向的光焦度大小为1.10D。经过矫正后光线段21与光线段22的大小尺寸不发生变化，因此图像在传播过程中不会发生变形。耦出全息光栅5同样附加光焦度，会在光线耦出时将曲面波导2中传播的光的转化成平行光入射到人眼中。
值得注意的是，耦合元件(耦入全息光栅3、转折全息光栅4和耦出全息光栅5)均为体相位光栅，直接制备于曲面波导2上，具体制备方法为：首先将感光材料涂布于曲面波导2表面，用全息摄影方法曝光并记录柱面光波和平面光波的相干条纹，制备出表面具有体相位光栅的曲面波导2。
需要说明的是，本发明实施例的曲面全息波导组合器，不仅可以应用于抬头显示场景，也可以应用于增强现实眼镜场景。
综上所述，本发明的有益效果如下：
1、相对于传统的平面波导，本发明的曲面波导具有更大的视场角，在二维扩瞳的情况下可以获得更大的出瞳范围。
2、在汽车的抬头显示(HUD)中，该曲面全息波导组合器可以直接集成到汽车的前挡风玻璃上，大大的减小了HUD的***体积，同时也更加美观。
在本文中，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，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器，其特征在于，所述曲面全息波导组合器包括图像源、曲面波导、耦入全息光栅、转折全息光栅和耦出全息光栅，所述图像源发出的光线与所述耦入全息光栅相作用后在所述曲面波导中发生全反射，在曲面波导中进行传播，分别与转折全息光栅和耦出全息光栅相作用后入射到观察者的视野中；
所述耦入全息光栅、转折全息光栅和耦出全息光栅均为曲面结构且与曲面波导贴合处具有相同曲率。
2.根据权利要求1所述的具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器，其特征在于，所述曲面波导、耦入全息光栅、转折全息光栅、耦出全息光栅的曲率中心均位于靠近观察者的一侧。
3.根据权利要求1所述的具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器，其特征在于，所述曲面波导选自柱面波导、球面波导或双曲面波导。
4.根据权利要求1所述的具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器，其特征在于，所述图像源与耦入全息光栅之间布设准直透镜；所述图像源发出的光线经过所述准直透镜后与所述耦入全息光栅相作用，进入所述曲面波导。
5.根据权利要求1所述的具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器，其特征在于，所述耦入全息光栅和耦出全息光栅针对不同的曲面波导分别附加有不同的光焦度。
6.根据权利要求5所述的具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器，其特征在于，当所述曲面波导为单曲率曲面波导：采用平面波与柱面波曝光来附加单方向光焦度进行矫正；
当所述曲面波导为双曲率波导：采用方向不同的柱面波曝光来分别附加两个方向光焦度进行矫正。
7.一种权利要求1-6任一所述的具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器在抬头显示HUD上的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器直接集成到汽车前挡风玻璃上。
9.一种权利要求1-6任一所述的具有二维扩瞳的曲面全息波导组合器在增强现实眼镜场景上的应用。
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