CN118131388A - 一种采用全息光波导ar显示装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种采用全息光波导AR显示装置，具体通过耦入耦出光栅的衍射调制以及偏振态调控装置对传输光线的偏振态调制转换，使得更多的有效图像光能够在光波导内传输，并不产生其它杂光影响，最终更多的有效光线耦出光波导进入人眼成像。
Description
技术领域
本申请各实施例属于光波导AR显示技术领域，尤其涉及一种采用全息光波导AR显示装置。
背景技术
光波导显示技术是增强现实（AR）领域的重要发展方向，是一种将现实世界信息和虚拟图像信息叠加，从而给用户提供“增强”显示效果的新技术。衍射光波导显示主要包含表面浮雕光栅和全息体光栅两类。其中表面浮雕光栅的光波导显示方案是通过半导体加工工艺，在基底表面生成相应的周期性微纳米结构，从而实现对入射光的衍射调控，这种方案的制备成本相对较高，且光波导显示***衍射效率普遍偏低；而对于体全息光波导显示方案，则是通过两束相干激光对光敏材料进行全息曝光形成折射率差，即生成全息光栅，该方案具备衍射效率高、成本低、易规模化生产等优点。
然而，目前主流的是基于聚合物分散液晶的全息体光栅光波导方案，通常只对P偏振光具有较高的衍射效率，而对S偏振光衍射效率较低，从而导致非偏振光的像源搭配时光能利用率较低。所以，有必要开发出一种可以适配不同偏振光源，并可以有效提高光波导显示效率的AR装置。
发明内容
为了解决或缓解现有技术中的问题。因此，本申请实施例提供了一种采用全息光波导AR显示装置，所述装置包括微型显示***、第一光波导和第二光波导；
所述第一光波导上设有第一耦入光栅和第一耦出光栅；
所述第二光波导上设有第二耦入光栅和第二耦出光栅；
所述第一光波导设置在所述第二光波导上表面，所述第一耦入光栅设置在所述第一光波导上的区域与所述第二耦入光栅设置在所述第二光波导上的区域对应，所述第一耦出光栅设置在所述第一光波导上的区域与所述第二耦出光栅设置在所述第二光波导上的区域对应；
所述第一光波导和所述第二光波导之间设置有第一偏振态调控装置和第二偏振态调控装置，所述第一偏振态调控装置设置在与所述第一耦入光栅或第二耦入光栅对应的区域，所述第二偏振态调控装置设置在与所述第一耦出光栅或所述第二耦出光栅对应的区域，所述第一偏振态调控装置和所述第二偏振态调控装置分别用于对光线偏振态进行调控；
所述微型显示***用于发出准直光线，对于经所述第一耦入光栅透射的准直光线经所述第一光波导后，入射在所述第一偏振态调控装置进行偏振态调控后，随后经所述第二耦入光栅、第二光波导和第二耦出光栅处理后，入射至所述第二偏振态调控装置进行偏振态调控后，经所述第一光波导和第一耦出光栅处理后，进入人眼成像。
作为本申请一优选实施例，所述微型显示***包括：微显示器和准直透镜；
通过所述微显示器发出图像光，所述图像光经所述准直透镜处理后得到准直光线。
作为本申请一优选实施例，所述图像光为偏振光源或无偏振光源。
作为本申请一优选实施例，所述第一耦入光栅、第一耦出光栅、第二耦入光栅和第二耦出光栅均为反射式光栅、透射式光栅或反射式光栅和透射式光栅组合。
作为本申请一优选实施例，所述第一耦入光栅和第一耦出光栅区域之间设置有第一转折光栅；
所述第二耦入光栅和第二耦出光栅区域之间设置有第二转折光栅。
作为本申请一优选实施例，所述第一耦入光栅和第一耦出光栅的光栅周期相同；
所述第二耦入光栅和第二耦出光栅的周期相同。
作为本申请一优选实施例，所述第一偏振态调控装置和第二偏振态调控装置均为电控液晶波片；或，
所述第一偏振态调控装置为电控液晶波片，所述第二偏振态调控装置为半波片。
与现有技术相比，本申请实施例提供了一种采用全息光波导AR显示装置，具体通过耦入耦出光栅的衍射调制以及偏振态调控装置对传输光线的偏振态调制转换，使得更多的有效图像光能够在光波导内传输，并不产生其它杂光影响，最终更多的有效光线耦出光波导进入人眼成像。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分，本领域技术人员应该理解的是，这些附图未必是按比例绘制的，在附图中：
图1是本申请提供的一种采用全息光波导AR显示装置结构示意图；
图2是本申请实施例1提供的一种采用全息光波导AR显示装置结构示意图；
图3是本申请实施例2提供的一种采用全息光波导AR显示装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1所示，本申请实施例提供了一种采用全息光波导AR显示装置，所述装置包括微型显示***3、第一光波导1和第二光波导2；
所述第一光波导1上设有第一耦入光栅6和第一耦出光栅7；
所述第二光波导2上设有第二耦入光栅8和第二耦出光栅9；
所述第一光波导1设置在所述第二光波导2上表面，所述第一耦入光栅6设置在所述第一光波导1上的区域与所述第二耦入光栅8设置在所述第二光波导2上的区域对应，所述第一耦出光栅7设置在所述第一光波导1上的区域与所述第二耦出光栅9设置在所述第二光波导2上的区域对应；
所述第一光波导1和所述第二光波导2之间设置有第一偏振态调控装置4和第二偏振态调控装置5，所述第一偏振态调控装置4设置在所述第一耦入光栅6或者第二耦入光栅8对应的区域，所述第二偏振态调控装置5设置在所述第一耦出光栅7或所述第二耦出光栅9对应的区域，所述第一偏振态调控装置4和所述第二偏振态调控装置5分别用于对光线偏振态进行调控；
所述微型显示***3用于发出准直光线，对于经所述第一耦入光栅6透射的准直光线经所述第一光波导1后，入射在所述第一偏振态调控装置4进行偏振态调控后，随后经所述第二耦入光栅8、第二光波导2和第二耦出光栅9处理后，入射至所述第二偏振态调控装置5进行偏振态调控后，经所述第一光波导1和第一耦出光栅7处理后，进入人眼10成像。
在本申请实施例中，所述第一偏振态调控装置4和第二偏振态调控装置5均为电控液晶波片；或，所述第一偏振态调控装置4为电控液晶波片，所述第二偏振态调控装置5为半波片。
需要说明的是，此外，耦出区域对应的第二偏振态调控装置5可以用传统的半波片替换，无需使用电控液晶波片，但第一偏振态调控装置4不能用传统半波片替代。
在本申请实施例中，所述微型显示***3包括微显示器31和准直透镜32组件构成，用于出射准直的光线至波导***，其中，微显示器31可以为无偏光源（Micro-LED、DLP），也可以为偏振光源（LCD、OLED、LCOS等）；所述第一光波导1和第二光波导2用于将耦合进入第一光波导1和第二光波导2的光线采用全反射方式传输至耦出区域，第一耦入光栅6用于将微型显示***3射出的光线耦合进入第一光波导1，第二耦入光栅8用于将经过第一偏振态调控装置4处理后的光线进入第一光波导1，第一耦出光栅7用于将经第一光波导1反射的光线耦出至人眼10和将经第二偏振态调控装置5处理的光线耦出至人眼10，第二耦出光栅9用于将经第二光波导2反射的光线耦出至第二偏振态调控装置5。在本申请实施例中，所述第一光波导1和第二光波导2为普通光学透明玻璃，也可以为其它高折射率的玻璃、树脂材料，主要作用是作为全息体光栅的光线传输载体。
其中，第一耦入光栅6、第二耦入光栅8、第一耦出光栅7和第二耦出光栅9的曝光参数可以相同也可以不同，具体以实施方案所用的光栅类型（反射式、透射式）而确定，而第一偏振态调控装置4和第二偏振态调控装置5则是作为相位延迟装置，实现对经过第一偏振态调控装置4和第二偏振态调控装置5的光线的偏振态进行调控。其原理主要是通过控制上下电极的电压，来驱动中间的液晶旋转，从而产生特定的相位延迟(如0相位、Pi相位)，来改变调制相应的偏振态。
在本申请实施例中，所述第一耦入光栅6和第一耦出光栅7的光栅周期相同；所述第二耦入光栅8和第二耦出光栅9的周期相同，可以确保衍射光耦出波导时的视场与耦入视场一致。
作为本申请一优选实施例，所述第一耦入光栅6、第一耦出光栅7、第二耦入光栅8和第二耦出光栅9均为反射式光栅、透射式光栅或反射式光栅和透射式光栅组合。
需要说明的是，所述第一耦入光栅6、第一耦出光栅7、第二耦入光栅8和第二耦出光栅9为全息体光栅，也可称为聚合物分散液晶全息体光栅，第一耦入光栅6和第一耦出光栅7位于第一光波导1中间，所述第二耦入光栅8和第二耦出光栅9位于第二光波导2中间。
作为本申请一优选实施例，所述第一耦入光栅6和第一耦出光栅7区域之间设置有第一转折光栅；所述第二耦入光栅8和第二耦出光栅9区域之间设置有第二转折光栅。本申请实施例通过设置转折光栅是为了扩展出瞳，可以在两个方向进行光线传输，即二维扩瞳全息光波导；无折转光栅的只在一个方向进行光线传输，一般称为一维扩瞳全息光波导。
另外，在本申请实施例中，第一光波导1和第二光波导2之间除电控液晶波片之外，无需填充其它物质，即空气填充，用于确保上下两层光波导内的光线可以满足全反射传输条件，且不会进入到其它层传输，保证了光线传输的步长以及避免了其它杂光的影响。
需要说明的是，本申请还可进一步推广用于二维扩瞳的AR光波导显示方案，只需分别在光波导的耦入、耦出区域之间再增加一片折转光栅，保持其他结构装置不变，从而就可以提高整个光波导***的显示光效，增强AR光波导的显示效果。
本申请实施例一种采用全息光波导AR显示装置，具体通过耦入耦出光栅的衍射调制以及偏振态调控装置对传输光线的偏振态调制转换，使得更多的有效图像光线能够在光波导内传输，并不产生其它杂光影响，最终更多的有效光线耦出光波导进入人眼10成像。
以下以具体的实施例详细说明本申请的技术方案：
实施例1
如图2所示，对于入射光源为偏振光源，本实施例1以入射光源为P偏振光、全息光栅为反射式光栅进行说明（也可以为透射式光栅，原理类似下文不做详细介绍）。
当微显示***出射的准直P偏振光，入射至第一光波导1的耦入区域，在第一耦入光栅6的衍射作用下，0级光直接透射，而1级衍射光被反射，由于第一光波导1的下表面与空气接触，所以1级衍射光能够以全反射的形式在第一光波导1中传输，直至入射到第一耦出光栅7处，并在第一耦出光栅7的次衍射作用下耦合出第一光波导1，进入人眼10成像。需要说明的是，通常低阶的衍射光能量较强，高阶级次的可以认为不存在，或者能量非常低，不对整体光波导显示***产生影响。且光波导通常利用的光级次为1级或者-1级，0级作为未被利用的相对较高的衍射级次，需要考虑再次利用。
而在第一耦入光栅6透射出的0级光，经过第一偏振态调控装置4，并通过控制电压驱动使得第一偏振态调控装置4的相位延迟为0，从而使得透射的0级光偏振态不发生改变，即仍然为P偏振光；而当透射的0级偏振光入射到第二光波导2的耦入区域时，在第二耦入光栅8的衍射作用下被反射并以全反射的形式在第二光波导2中传输，直至传输到耦出区域，并在第二耦出光栅9衍射作用下耦合出第二光波导2，由于此时耦出的光线为P偏振光，所以直接进入到第一光波导1的第一耦出光栅7时，会再次发生衍射导致光线偏折使得与第一光波导1耦出的光线不一致，从而出现重影，所以，需要对耦合出第二光波导2的光线进行调控，即需要通过第二偏振态调控装置5的调控，使得耦出光线的偏振态由P偏振转换成S偏振，这样S偏振光经过第一耦出光栅7时不会被调制，而是直接进入人眼10成像。通过本申请的显示装置，可以充分利用耦入光栅区域透射的0级光，提升光机的能量利用率，并进一步提高整个光波导显示***的光效，增强AR光波导的显示效果。
实施例2
如图3所示，对于入射光源为无偏振光源，那么入射光源可以看作P偏振光和S偏振光组合，本实施例2同样以全息光栅为反射式光栅进行说明（也可以为透射式光栅，原理类似下文不做详细介绍）。
首先，微显示***出射的为无偏准直光线，可以将光线分解为相互垂直的P偏振光和S偏振光，图中水平双箭头代表P偏振光，圆的黑点代表S偏振光。当无偏振光源入射至第一光波导1的耦入区域，在第一耦入光栅6的衍射作用下，P偏振光的0级光直接透射，而1级衍射光被反射，由于第一光波导1的下表面与空气接触，所以1级衍射光能够以全反射的形式在第一光波导1中传输，直至入射到第一耦出光栅7处，并在第一耦出光栅7的次衍射作用下耦合出第一光波导1，进入人眼10成像；
而第一耦入光栅6对S偏振光不敏感，几乎无调制作用，即直接透过第一耦入光栅6入射到第一偏振态调控装置4处。且由于此时第一偏振态调控装置4在电压驱动的调控下，产生Pi的相位延迟，并将所有经过第一偏振态调控装置4的光线偏振方向旋转90度，即将0级透射的P偏振光转换成S偏振光，并直接透过第二耦入光栅8出射到外界环境；所以无偏振光源中的S偏振光则在第一偏振态调控装置4的调控下转换成P偏振光，并入射进第二光波导2中，在入射到第二光波导2的耦入区域时，经过第二耦入光栅8的衍射作用以全反射的形式在第二光波导2中传输，直至传输到耦出区域，并在第二耦出光栅9衍射作用下耦合出第二光波导2。由于此时的光线为P偏振光，所以直接进入到第一光波导1的第一耦出光栅7时，会再次发生衍射导致光线偏折使得与第一光波导1耦出的光线不一致，从而出现重影，所以需要对耦合出第二光波导2的光线进行调控，即需要通过第二偏振态调控装置5的调控，使得耦出光线的偏振态由P偏振转换成S偏振，这样S偏振的光线经过第一耦出光栅7时不会被调制，而是直接进入人眼10成像。因此，通过本申请提供的显示装置，可以对显示像源的不同偏振态分别进行调制，从而将显示光机的能量利用率提升一倍，并进一步提高整个光波导显示***的光效，增强AR光波导的显示效果。
在实施例2中，原则上可以在第二光波导2下方设置多个第二光波导2，每个第二光波导2之间均设置有第一偏振态调控装置4和所述第二偏振态调控装置5，以进一步提升无偏振光的显示光效。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种采用全息光波导AR显示装置，其特征在于，所述装置包括微型显示***、第一光波导和第二光波导；
所述第一光波导上设有第一耦入光栅和第一耦出光栅；
所述第二光波导上设有第二耦入光栅和第二耦出光栅；
所述第一光波导设置在所述第二光波导上表面，所述第一耦入光栅设置在所述第一光波导上的区域与所述第二耦入光栅设置在所述第二光波导上的区域对应，所述第一耦出光栅设置在所述第一光波导上的区域与所述第二耦出光栅设置在所述第二光波导上的区域对应；
所述第一光波导和所述第二光波导之间设置有第一偏振态调控装置和第二偏振态调控装置，所述第一偏振态调控装置设置在与所述第一耦入光栅或第二耦入光栅对应的区域，所述第二偏振态调控装置设置在与所述第一耦出光栅或所述第二耦出光栅对应的区域，所述第一偏振态调控装置和所述第二偏振态调控装置分别用于对光线偏振态进行调控；
所述微型显示***用于发出准直光线，对于经所述第一耦入光栅透射的准直光线经所述第一光波导后，入射在所述第一偏振态调控装置进行偏振态调控后，随后经所述第二耦入光栅、第二光波导和第二耦出光栅处理后，入射至所述第二偏振态调控装置进行偏振态调控后，经所述第一光波导和第一耦出光栅处理后，进入人眼成像。
2.如权利要求1所述的一种采用全息光波导AR显示装置，其特征在于，所述微型显示***包括：微显示器和准直透镜；
通过所述微显示器发出图像光，所述图像光经所述准直透镜处理后得到准直光线。
3.如权利要求2所述的一种采用全息光波导AR显示装置，其特征在于，所述图像光为偏振光源或无偏振光源。
4.如权利要求1所述的一种采用全息光波导AR显示装置，其特征在于，所述第一耦入光栅、第一耦出光栅、第二耦入光栅和第二耦出光栅均为反射式光栅、透射式光栅或反射式光栅和透射式光栅组合。
5.如权利要求1所述的一种采用全息光波导AR显示装置，其特征在于，所述第一耦入光栅和第一耦出光栅区域之间设置有第一转折光栅；
所述第二耦入光栅和第二耦出光栅区域之间设置有第二转折光栅。
6.如权利要求1所述的一种采用全息光波导AR显示装置，其特征在于，所述第一耦入光栅和第一耦出光栅的光栅周期相同；
所述第二耦入光栅和第二耦出光栅的周期相同。
7.如权利要求1所述的一种采用全息光波导AR显示装置，其特征在于，所述第一偏振态调控装置和第二偏振态调控装置均为电控液晶波片；或，
所述第一偏振态调控装置为电控液晶波片，所述第二偏振态调控装置为半波片。
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