CN208314330U - 一种单眼大视场近眼显示光学***及头戴式显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单眼大视场近眼显示光学***及头戴式显示设备，所述光学***包括沿光路依次堆叠设置的第一单色平板光学波导、第二单色平板光学波导和第三单色平板光学波导，第一单色输入耦合光栅、第二单色输入耦合光栅和第三单色输入耦合光栅，第一单色输出耦合光栅、第二单色输出耦合光栅和第三单色输出耦合光栅，以及第一中继光栅、第二中继光栅和第三中继光栅；输入耦合光栅用于将与入射平板光学波导的图像单色光耦合到单色平板光学波导中，中继光栅将单色光传输至输出耦合光栅；输出耦合光栅将单色光耦出。将输入的光束依据光颜色的不同分别进行处理，降低了光能量损失，成像质量更好，通过设置多个传输通道达到拼接实现大视场的效果。

Description

一种单眼大视场近眼显示光学***及头戴式显示设备

技术领域

本实用新型涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种单眼大视场近眼显示光学***及头戴式显示设备。

背景技术

增强现实(AR)显示设备使得用户能够透过设备的透明或半透明显示器来观看周围的环境，并且还看到显示器生成的的图像覆盖在周围环境上。这类设备通常为头戴式显示器(HMD)眼镜或其他可佩带的显示设备。设备通常利用光学波导来传输图像，显示器的光需要通过输入耦合部耦合入光学波导，同时光学波导内又需要设置中间部件来扩展光瞳，现有输入耦合部和中间部件的结构使得输入的图像的对角线视场角不能超过35度，特别是中间部件结构的制约，因而现有增强现实显示设备通常只有14-34度的对角线视场角，并且目前通常采用同一光学波导对包含多种颜色的光束进行传导，导致成像质量差。也有现有技术通过将显示设备输入的图像通过一个输入耦合部拆分成两路在光学波导内进行传播，并通过输出耦合部来会聚射出，从而达到增大增强现实显示设备对角线视场角的效果。但这种技术受制于输入耦合部的结构，其仅能将视场角扩展至接近70度，仍不能达到人们对增强现实显示设备大视场的期望，不能满足消费市场的需求。并且输入耦合部的图像拆分和输出耦合部的会聚又带来了会聚图像亮度不均匀的技术问题。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种单眼大视场近眼显示光学***及头戴式显示设备，用以提高成像质量，并采用拼接的方式实现大视场的近眼显示。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型实施例第一方面提供了一种单眼大视场近眼显示光学***，包括：

沿光路依次堆叠设置的第一单色平板光学波导、第二单色平板光学波导和第三单色平板光学波导，

沿光路依次设置的第一单色输入耦合光栅、第二单色输入耦合光栅和第三单色输入耦合光栅，

沿光路依次设置的第一单色输出耦合光栅、第二单色输出耦合光栅和第三单色输出耦合光栅，

以及设置于第一单色平板光学波导上第一中继光栅、设置于第二单色平板光学波导上的第二中继光栅和设置于第三单色平板光学波导上的第三中继光栅；

第一单色输入耦合光栅设置于第一单色平板光学波导上，用于将与入射平板光学波导的图像相对应的第一单色光耦合到第一单色平板光学波导中；第二单色输入耦合光栅设置于第二单色平板光学波导上，用于将与入射平板光学波导的图像相对应的第二单色光耦合到第二单色平板光学波导中；第三单色输入耦合光栅设置于第三单色平板光学波导上，用于将与入射平板光学波导的图像相对应的第三单色光耦合到第三单色平板光学波导中，

第一中继光栅将第一单色输入耦合光栅耦合入第一单色平板光学波导、并在第一单色平板光学波导内全反射传输的第一单色光进行衍射，使其在第一单色平板光学波导内全反射传输至第一单色输出耦合光栅；第二中继光栅将第二单色输入耦合光栅耦合入第二单色平板光学波导、并在第二单色平板光学波导内全反射传输的第二单色光进行衍射，使其在第二单色平板光学波导内全反射传输至第二单色输出耦合光栅；第三中继光栅将第三单色输入耦合光栅耦合入第三单色平板光学波导、并在第三单色平板光学波导内全反射传输的第三单色光进行衍射，使其在第三单色平板光学波导内全反射传输至第三单色输出耦合光栅；

第一单色输出耦合光栅设置于第一单色平板光学波导上，用于将与入射平板光学波导的图像相对应的第一单色光耦出第一单色平板光学波导；第二单色输出耦合光栅设置于第二单色平板光学波导上，用于将与入射平板光学波导的图像相对应的第二单色光耦出第二单色平板光学波导；第三单色输出耦合光栅设置于第三单色平板光学波导上，用于将与入射平板光学波导的图像相对应的第三单色光耦出第三单色平板光学波导，

第一单色输出耦合光栅、第二单色输出耦合光栅和第三单色输出耦合光栅射出光束的方向均朝向用户眼睛所处的一侧。如第一单色输出耦合光栅、第二单色输出耦合光栅和第三单色输出耦合光栅均向第一单色平板光学波导一侧射出光束或第一单色输出耦合光栅、第二单色输出耦合光栅和第三单色输出耦合光栅均向第三单色平板光学波导一侧射出光束。

本实用新型将输入的光束依据光颜色的不同分别进行处理，由单色波导对单色进行传输，降低了光能量损失，成像质量更好。

当入射平板光学波导的光束沿从第一单色平板光学波导一侧入射时，入射光束依次经过第一单色输入耦合光栅、第二单色输入耦合光栅和第三单色输入耦合光栅的衍射；当入射平板光学波导的光束沿从第三单色平板光学波导一侧入射时，入射光束依次经过第三单色输入耦合光栅、第二单色输入耦合光栅和第一单色输入耦合光栅的衍射。

所述的第一单色平板光学波导、第二单色平板光学波导和第三单色平板光学波导构成平板光学波导，所述的沿同一光路依次设置的第一单色输入耦合光栅、第二单色输入耦合光栅和第三单色输入耦合光栅构成一个输入耦合光栅，与同一个输入耦合光栅相对应的第一中继光栅、第一中继光栅和第三中继光栅构成一个中继光栅，与同一个输入耦合光栅相对应且沿同一光路依次设置的第一单色输出耦合光栅、第二单色输出耦合光栅和第三单色输出耦合光栅构成输出一个耦合光栅，所述的平板光学波导具有多个输入耦合光栅以及与各输入耦合光栅一一对应设置的中继光栅和输出耦合光栅，每个输入耦合光栅均用于将与其对应且具有相应子视场角且与入射光瞳关联的图像的全部光束耦合入平板光学波导，通过衍射每一光束使得所述光束在平板光学波导内满足所述平板光学波导的内部全反射条件，并将每一光束引导至相应的中继光栅，中继光栅通过衍射每一光束，将每一光束引导到相应的输出耦合光栅，输出耦合光栅将每一光束向外衍射，使得每一光束不满足平板光学波导的内部全反射条件，所述输出耦合光栅向外衍射的全部光束离开平板光学波导并形成图像，该图像与相应输入耦合光栅耦合入平板光学波导的全部光束相关联的图像相对应并具有相应的子视场角；各输出耦合光栅向外衍射的具有相应子视场角的图像均可从同一出射光瞳处被观看且相互拼接，构成一个具有相应大视角的完整图像，该完整图像的大视场角是由各输出耦合光栅向外衍射的图像相对应的子视场角合并得到。

从而本实用新型是将多个与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的光束分别从平板光学波导的不同输入耦合光栅耦入平板光学波导，不同图像的光束经过各自相对应的中继光栅和输出耦合光栅后一并被引导至出射光瞳，从而可以在出射光瞳同时观察到所述射出平板光学波导的多个图像，每个图像分别用于某个子视场角范围内的图像显示，通过图像拼接，增大设备的单眼视场角。由于每个与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的光束分别通过一个独立的输入耦合光栅耦合入平板光学波导，又采用与输入耦合光栅一一对应设置的中继光栅和输出耦合光栅将各个图像的光束独立进行引导，因而输入的与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的数量不受限制，本实用新型的每个输出耦合光栅均能够输出最大35°左右的对角线视场角，因而本实用新型整体能获得目标范围内的所有视场角，远远大于现有设备所能达到的70°的极限。同时本实用新型也不存在一个输出耦合光栅需要会聚两个入射光束源的问题，输出的图像亮度均匀一致，不需要额外的调节部件或对输入的图像进行调制。

与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的个数可以为两个、三个、四个或任意多个，只需在平板光学波导上设置相应数量的输入耦合光栅以及与之对应的中继光栅和输出耦合光栅。每个所述的与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像为一个整体图像的局部图像，最后多个局部图像拼接构成完整的整体图像，从而增大设备的单眼视场角，任意两个与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像可以水平拼接或垂直拼接。根据设备的使用需要，所述的多个输出耦合光栅可以以任意需要的形式进行排列，如：可以沿水平方向依次排列，也可以沿垂直方向依次排列，也可以呈矩阵排列等，从而实现了各输出耦合光栅出射的图像的水平拼接、垂直拼接、矩阵拼接等。

所述的中继光栅被配置为将引导至中继光栅的每一光束进行水平扩束和垂直扩束中的一种扩束，所述的输出耦合光栅被配置为将引导至输出耦合光栅的每一光束进行水平扩束和垂直扩束中的另一种扩束。

平板光学波导的输出耦合光栅被配置于用户单眼的前方，以形成对用户单眼可见的图像。平板光学波导是基本透明的，以使得用户不仅可以观看入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像，还可以透过平板光学波导观看来自现实世界的图像。从而使得本实用新型可用于增强现实显示设备，将所述拼接形成的图像叠加于现实世界中，达到提高增强显示设备视场角的技术效果。

上述的单眼大视场近眼显示光学***可以结合到混合现实显示设备或增强现实显示设备中，但不限于此。上述单眼大视场近眼显示光学***的单个实施例可以提供给用户的左眼和右眼中的每一个。因而本实用新型另一方面提供一种头戴式显示设备，包括上述的任意一种单眼大视场近眼显示光学***和用于佩戴于用户头部的头戴部件，单眼大视场近眼显示光学***安装在所述头戴部件上并被定位成其输出耦合光栅将光束引导到佩戴者的眼睛上。

所述的头戴式显示设备具有一个单眼大视场近眼显示光学***，单眼大视场近眼显示光学***被定位成其输出耦合光栅将光束引导到佩戴者的左眼或右眼上。

所述的头戴式显示设备具有两个单眼大视场近眼显示光学***，其中一个单眼大视场近眼显示光学***被定位成其输出耦合光栅将光束引导到佩戴者的左眼上，另外一个单眼大视场近眼显示光学***被定位成其输出耦合光栅将光束引导到佩戴者的右眼上。

所述的头戴部件包括框架、头盔或头带等可以佩戴于用户头上的部件。

本实用新型实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

本实用新型将输入的光束依据光颜色的不同分别进行处理，由单色波导对单色进行传输，降低了光能量损失，成像质量更好。

将多个与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的光束分别从平板光学波导的不同输入耦合光栅耦入平板光学波导，不同图像的光束经过各自相对应的中继光栅和输出耦合光栅后一并被引导至出射光瞳，从而可以在出射光瞳同时观察到所述射出平板光学波导的多个图像，每个图像分别用于某个子视场角范围内的图像显示，通过图像拼接，增大设备的单眼视场角。。

附图说明

图1为本实用新型的单眼大视场近眼显示光学***的一种实施例的俯视结构示意图；

图2为图1所示实施例的左视结构示意图；

图3为图1所示实施例的平板光学波导结构示意图；

图4为本实用新型的单眼大视场近眼显示光学***的另一种实施例的平板光学波导结构示意图；

图5为本实用新型的单眼大视场近眼显示光学***的第三种实施例的平板光学波导结构示意图；

图6为本实用新型的单眼大视场近眼显示光学***的第四种实施例的平板光学波导结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1、图2所示，本实用新型实施例第一方面提供一种单眼大视场近眼显示光学***包括：

沿光路依次堆叠设置的第一单色平板光学波导13a、第二单色平板光学波导13b和第三单色平板光学波导13c，

沿光路依次设置的第一单色输入耦合光栅1311、第二单色输入耦合光栅1312和第三单色输入耦合光栅1323，

沿光路依次设置的第一单色输出耦合光栅1331、第二单色输出耦合光栅1332和第三单色输出耦合光栅1333，

以及设置于第一单色平板光学波导13a上第一中继光栅1311、设置于第二单色平板光学波导13b上的第二中继光栅1312和设置于第三单色平板光学波导13c上的第三中继光栅1323；

第一单色输入耦合光栅1311设置于第一单色平板光学波导13a上，用于将与入射平板光学波导13的图像相对应的第一单色光耦合到第一单色平板光学波导13a中；第二单色输入耦合光栅1312设置于第二单色平板光学波导13b上，用于将与入射平板光学波导13的图像相对应的第二单色光耦合到第二单色平板光学波导13b中；第三单色输入耦合光栅1323设置于第三单色平板光学波导13c上，用于将与入射平板光学波导13的图像相对应的第三单色光耦合到第三单色平板光学波导13c中，

第一中继光栅1311将第一单色输入耦合光栅1311耦合入第一单色平板光学波导13a、并在第一单色平板光学波导13a内全反射传输的第一单色光进行衍射，使其在第一单色平板光学波导13a内全反射传输至第一单色输出耦合光栅1331；第二中继光栅1312将第二单色输入耦合光栅1312耦合入第二单色平板光学波导13b、并在第二单色平板光学波导13b内全反射传输的第二单色光进行衍射，使其在第二单色平板光学波导13b内全反射传输至第二单色输出耦合光栅1332；第三中继光栅1323将第三单色输入耦合光栅1323耦合入第三单色平板光学波导13c、并在第三单色平板光学波导13c内全反射传输的第三单色光进行衍射，使其在第三单色平板光学波导13c内全反射传输至第三单色输出耦合光栅1333；

第一单色输出耦合光栅1331设置于第一单色平板光学波导13a上，用于将与入射平板光学波导13的图像相对应的第一单色光耦出第一单色平板光学波导13a；第二单色输出耦合光栅1332设置于第二单色平板光学波导13b上，用于将与入射平板光学波导13的图像相对应的第二单色光耦出第二单色平板光学波导13b；第三单色输出耦合光栅1333设置于第三单色平板光学波导13c上，用于将与入射平板光学波导13的图像相对应的第三单色光耦出第三单色平板光学波导13c，

第一单色输出耦合光栅1331、第二单色输出耦合光栅1332和第三单色输出耦合光栅1333射出光束的方向均朝向用户眼睛所处的一侧。如第一单色输出耦合光栅1331、第二单色输出耦合光栅1332和第三单色输出耦合光栅1333均向第一单色平板光学波导13a一侧射出光束或第一单色输出耦合光栅1331、第二单色输出耦合光栅1332和第三单色输出耦合光栅1333均向第三单色平板光学波导13c一侧射出光束。

本实用新型将输入的光束依据光颜色的不同分别进行处理，由单色波导对单色进行传输，降低了光能量损失，成像质量更好。

上述中的第一单色、第二单色和第三单色分别为红、绿、蓝中的一种且各不相同。

以第一单色、第二单色和第三单色分别为R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)为例，光束先射入红色平板光学波导13a，经由红色输入耦合光栅1311衍射该光束中的R光束，使得R光束满足红色平板光学波导13a的内部全反射条件；G光束和B光束从红色输入耦合光栅1311射出并射入绿色平板光学波导13b，经由绿色输入耦合光栅1312衍射该光束中的G光束，使得G光束满足绿色平板光学波导13b的内部全反射条件；B光束从绿色输入耦合光栅1312射出并射入蓝色平板光学波导13c，经由蓝色输入耦合光栅1312反射该光束中的B光束后并将B光束射入绿色平板光学波导13b，使得B光束满足蓝色平板光学波导13c的内部全反射条件。

蓝色输出耦合光栅1333衍射由蓝色输入耦合光栅1312衍射并在蓝色平板光学波导13c内全反射的B光束，使得所述B光束不满足蓝色平板光学波导13c的内部全反射条件而从蓝色平板光学波导13c射出，并依次透过绿色平板光学波导13b及绿色输出耦合光栅1332和红色平板光学波导13a及红色输出耦合光栅1331而射出；绿色输出耦合光栅1332衍射由绿色输入耦合光栅1312衍射并在绿色平板光学波导13b内全反射的G光束，使得所述G光束不满足绿色平板光学波导13b的内部全反射条件而从绿色平板光学波导13b射出，并依次透过红色平板光学波导13a及红色输出耦合光栅1331而射出；红色输出耦合光栅1331衍射由红色输入耦合光栅1311衍射并在红色平板光学波导13a内全反射的R光束，使得所述R光束不满足红色平板光学波导13a的内部全反射条件而从红色平板光学波导13a射出。

当入射平板光学波导13的光束沿从第一单色平板光学波导13a一侧入射时，入射光束依次经过第一单色输入耦合光栅1311、第二单色输入耦合光栅1312和第三单色输入耦合光栅1323的衍射；当入射平板光学波导13的光束沿从第三单色平板光学波导13c一侧入射时，入射光束依次经过第三单色输入耦合光栅1323、第二单色输入耦合光栅1312和第一单色输入耦合光栅1311的衍射。

所述的第一单色平板光学波导13a、第二单色平板光学波导13b和第三单色平板光学波导13c构成平板光学波导13，所述的沿同一光路依次设置的第一单色输入耦合光栅1311、第二单色输入耦合光栅1312和第三单色输入耦合光栅1323构成一个输入耦合光栅131，与同一个输入耦合光栅131相对应的第一中继光栅1311、第一中继光栅1312和第三中继光栅1323构成一个中继光栅132，与同一个输入耦合光栅131相对应且沿同一光路依次设置的第一单色输出耦合光栅1331、第二单色输出耦合光栅1332和第三单色输出耦合光栅1333构成输出一个耦合光栅133，所述的平板光学波导13具有多个输入耦合光栅131以及与各输入耦合光栅131一一对应设置的中继光栅132和输出耦合光栅133，每个输入耦合光栅131均用于将与其对应且具有相应子视场角且与入射光瞳关联的图像的全部光束耦合入平板光学波导13，通过衍射每一光束使得所述光束在平板光学波导13内满足所述平板光学波导的内部全反射条件，并将每一光束引导至相应的中继光栅132，中继光栅132通过衍射每一光束，将每一光束引导到相应的输出耦合光栅133，输出耦合光栅133将每一光束向外衍射，使得每一光束不满足平板光学波导的内部全反射条件，所述输出耦合光栅133向外衍射的全部光束离开平板光学波导13并形成图像，该图像与相应输入耦合光栅131耦合入平板光学波导的全部光束相关联的图像相对应并具有相应的子视场角；各输出耦合光栅133向外衍射的具有相应子视场角的图像均可从同一出射光瞳处被观看且相互拼接，构成一个具有相应大视角的完整图像，该完整图像的大视场角是由各输出耦合光栅133向外衍射的图像相对应的子视场角合并得到。

从而本实用新型是将多个与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的光束分别从平板光学波导的不同输入耦合光栅耦入平板光学波导，不同图像的光束经过各自相对应的中继光栅和输出耦合光栅后一并被引导至出射光瞳，从而可以在出射光瞳同时观察到所述射出平板光学波导的多个图像，每个图像分别用于某个子视场角范围内的图像显示，通过图像拼接，增大设备的单眼视场角。由于每个与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的光束分别通过一个独立的输入耦合光栅耦合入平板光学波导，又采用与输入耦合光栅一一对应设置的中继光栅和输出耦合光栅将各个图像的光束独立进行引导，因而输入的与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的数量不受限制，本实用新型的每个输出耦合光栅均能够输出最大35°左右的对角线视场角，因而本实用新型整体能获得目标范围内的所有视场角，远远大于现有设备所能达到的70°的极限。同时本实用新型也不存在一个输出耦合光栅需要会聚两个入射光束源的问题，输出的图像亮度均匀一致，不需要额外的调节部件或对输入的图像进行调制。

各输出耦合光栅133向外衍射的具有相应子视场角的图像均可从同一出射光瞳处被观看且相互拼接，构成一个具有相应大视角的完整图像，该完整图像的大视场角是由各输出耦合光栅133向外衍射的图像相对应的子视场角合并得到

从而本实用新型是将多个与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的光束分别从平板光学波导的不同输入耦合光栅耦入平板光学波导，不同图像的光束经过各自相对应的中继光栅和输出耦合光栅后一并被引导至出射光瞳，从而可以在出射光瞳同时观察到所述射出平板光学波导的多个图像，每个图像分别用于某个子视场角范围内的图像显示，通过图像拼接，增大设备的单眼视场角。由于每个与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的光束分别通过一个独立的输入耦合光栅耦合入平板光学波导，又采用与输入耦合光栅一一对应设置的中继光栅和输出耦合光栅将各个图像的光束独立进行引导，因而输入的与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的数量不受限制，本实用新型的每个输出耦合光栅均能够输出最大35°左右的对角线视场角，因而本实用新型整体能获得目标范围内的所有视场角，远远大于现有设备所能达到的70°的极限。同时本实用新型也不存在一个输出耦合光栅需要会聚两个入射光束源的问题，输出的图像亮度均匀一致，不需要额外的调节部件或对输入的图像进行调制。

如图3、图4、图5、图6所示，与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的个数可以为两个、三个、四个或任意多个，只需在平板光学波导上设置相应数量的输入耦合光栅以及与之对应的中继光栅和输出耦合光栅。每个所述的与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像为一个整体图像的局部图像，最后多个局部图像拼接构成完整的整体图像，从而增大设备的单眼视场角，任意两个与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像可以水平拼接或垂直拼接。根据设备的使用需要，所述的多个输出耦合光栅133可以以任意需要的形式进行排列，如：可以沿水平方向依次排列，也可以沿垂直方向依次排列，也可以呈矩阵排列等，从而实现了各输出耦合光栅133出射的图像的水平拼接、垂直拼接、矩阵拼接等。例如，对于任意两个水平拼接的与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像，其中一个图像的水平视场角为a°-b°，另一个图像的水平视场角为b°-c°或d°-a°，这两个图像经过平板光学波导不同的输入耦合光栅、中继光栅和输出耦合光栅传导，且该两个输出耦合光栅水平排列，则这两个输出耦合光栅出射的图像水平拼接得到的图像的水平视场角即为a°-c°或d°-b°。又例如，对于任意两个垂直拼接的与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像，其中一个图像的垂直视场角为a°-b°，另一个图像的垂直视场角为b°-c°或d°-a°，则这两个图像经过平板光学波导不同的输入耦合光栅、中继光栅和输出耦合光栅传导，且该两个输出耦合光栅垂直排列，则这两个输出耦合光栅出射的图像垂直拼接得到的图像的水平视场角即为a°-c°或d°-b°。同理，多个局部图像拼接就能获得目标水平视场角和目标垂直视场角。

例如图1-图3所示，给出了与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的数量为两个、两个输出耦合光栅133沿水平方向排列、两个出射的图像水平拼接的实施例的结构图，其中一个图像源11的图像通过平板光学波导13传输后对应的视场角为零度到最大水平视场角(如40°)，另一个图像源11的图像通过平板光学波导13传输后对应的视场角为负的最大水平视场角(如-40°)到零度，正负只代表相应的方向，通过拼接就可以实现80°的视场角。

如图4给出了与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的数量为四个、四个输出耦合光栅133呈矩阵排列、四个出射的图像呈矩阵拼接的实施例的结构图，该实施例既增大了水平视场角，也增大了垂直视场角。如图5、6给出了与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的数量为四个、四个输出耦合光栅133沿水平方向依次排列、四个出射的图像水平拼接的实施例的结构图，从而增大了水平视场角。

作为优选的，输出耦合光栅133尽量位于平板光学波导13的中间位置，但不限于此。输入耦合光栅131可以设置于平板光学波导13的任意位置，并不受限制，但为了方便配置用于发射图像光束的光引擎，并且尽量降低对用户视场的影响，输入耦合光栅131可以设置于平板光学波导13的边缘或边角处。

所述的中继光栅132被配置为将引导至中继光栅132的每一光束进行水平扩束和垂直扩束中的一种扩束，所述的输出耦合光栅133被配置为将引导至输出耦合光栅133的每一光束进行水平扩束和垂直扩束中的另一种扩束。

所述的水平扩束或垂直扩束是指将入射至光栅的每一光束沿着该光栅的宽度的方向被引导到该光栅的多个扩展区域上，光栅的多个扩展区域实现对每一光束的扩展，以形成该光束的多个平行子光束，达到扩展光束的出瞳直径的效果。对于进行水平扩束的光栅而言，该光栅的多个扩展区域沿水平方向依次设置，对于进行垂直扩束的光栅而言，该光栅的多个扩展区域沿垂直方向依次设置。通过调节各扩展区的衍射效率实现扩束并保证扩展出瞳的光亮度均匀性。

进一步的，各与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像在其构成的所述完整图像中所处的方位与该与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像所对应的输出耦合光栅133在平板光学波导13中所处的方位相一致。从而使得各输出耦合光栅133向外衍射的光束形成的图像均处于拼接构成完整图像所需的位置。

平板光学波导13的输出耦合光栅133被配置于用户单眼的前方，以形成对用户单眼可见的图像。平板光学波导13是基本透明的，以使得用户不仅可以观看入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像，还可以透过平板光学波导13观看来自现实世界的图像。从而使得本实用新型可用于增强现实显示设备，将所述拼接形成的图像叠加于现实世界中，达到提高增强显示设备视场角的技术效果。

以用户眼睛相对于平板光学波导13所处的位置为后，所述的平板光学波导13包括前后两个相互平行的表面。平板光学波导13的输入耦合光栅131、中继光栅132和输出耦合光栅133均可布设于平板光学波导13的表面或内部。输入耦合光栅131、中继光栅132和输出耦合光栅133均可为透射光栅或反射光栅，根据上述光栅布设位置的不同和光路的需要选用相应类型的光栅。

所述的与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的光束由光引擎提供，光引擎包括图像源11和目镜光学器件12，图像源11包括微显示器，微显示器可以为数字光处理(DLP)显示器、硅基液晶(LCOS)显示器、LCD显示器、OLED显示器、光纤扫描显示器和MEMS扫描图像显示***中的任意一种。优选的所述的微显示器采用光纤扫描显示器，其具有体积小、重量轻的特点，其结合本实用新型中需要配置多个图像源11的客观特点，能够使得采用本实用新型的设备的实用性、便捷性得到明显提升。而类似数字光处理(DLP)显示器、硅基液晶(LCOS)显示器、LCD显示器、OLED显示器、光纤扫描显示器和MEMS扫描图像显示***均具有部件结构复杂、体积大、重量大的特点，一个显示***或模组采用一个上述显示器就已具有相当大的体积和重量，特别是对于头戴设备，一个显示***采用两个或多个上述显示器带来的大体积、大重量是不能被用户接受的。

所述的目镜光学器件12一般包括准直透镜，其用于放大成像并将图像源11发射的全部光束进行准直，并将准直后的全部光束射入平板光学波导13，进一步的，准直后的全部光束射向平板光学波导13的输入耦合光栅131。输入耦合光栅131的面积大于目镜光学器件12射出的光束的直径，从而保证目镜光学器件12出射的、用于形成具有相应视场角的图像的全部光束耦合入平板光学波导13。

上述的单眼大视场近眼显示光学***可以结合到混合现实显示设备或增强现实显示设备中，但不限于此。上述单眼大视场近眼显示光学***的单个实施例可以提供给用户的左眼和右眼中的每一个。因而本实用新型另一方面提供一种头戴式显示设备，包括上述的任意一种单眼大视场近眼显示光学***和用于佩戴于用户头部的头戴部件，单眼大视场近眼显示光学***安装在所述头戴部件上并被定位成其输出耦合光栅133将光束引导到佩戴者的眼睛上。

所述的头戴部件上还设置多个光引擎，每个光引擎均用于形成所述与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的光束。

所述的头戴式显示设备具有一个单眼大视场近眼显示光学***，单眼大视场近眼显示光学***被定位成其输出耦合光栅133将光束引导到佩戴者的左眼或右眼上。

所述的头戴式显示设备具有两个单眼大视场近眼显示光学***，其中一个单眼大视场近眼显示光学***被定位成其输出耦合光栅133将光束引导到佩戴者的左眼上，另外一个单眼大视场近眼显示光学***被定位成其输出耦合光栅133将光束引导到佩戴者的右眼上。

作为一个优选的实施例两个单眼大视场近眼显示光学***共用一个平板光学波导13，然后在该平板光学波导13的所需部位分别设置用于两个单眼大视场近眼显示光学***的输入耦合光栅131、中继部件132、输出耦合光栅133。

所述的头戴部件包括框架、头盔或头带等可以佩戴于用户头上的部件。

所述的光引擎可以位于头戴部件的侧面，使其位于用户两个眼睛的外侧；也可以位于用户的鼻梁的上方；也可以位于用户两个眼睛的上方或下方。优选的是位于不影响用户视野的位置。由于本申请的图像源11及其对应的目镜光学器件12既可以位于平板光学波导13的后侧，也可以位于平板光学波导13的前侧，如图1所示，因而可以轻松的在头戴部件上设置所需数量的图像源11及其对应的目镜光学器件12。进一步的，作为优选的图像源11，光纤扫描显示器体积小、重量轻的特点，使得本实用新型的实用性进一步提升，使得本实用新型的头戴式显示设备同时具有良好的显示性能和佩戴舒适性。

应该注意的是上述实施例对本实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本实用新型可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。

本实用新型实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

本实用新型将输入的光束依据光颜色的不同分别进行处理，由单色波导对单色进行传输，降低了光能量损失，成像质量更好。

将多个与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的光束分别从平板光学波导的不同输入耦合光栅耦入平板光学波导，不同图像的光束经过各自相对应的中继光栅和输出耦合光栅后一并被引导至出射光瞳，从而可以在出射光瞳同时观察到所述射出平板光学波导的多个图像，每个图像分别用于某个子视场角范围内的图像显示，通过图像拼接，增大设备的单眼视场角。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种单眼大视场近眼显示光学***，其特征在于，包括：

沿光路依次堆叠设置的第一单色平板光学波导、第二单色平板光学波导和第三单色平板光学波导，

沿光路依次设置的第一单色输入耦合光栅、第二单色输入耦合光栅和第三单色输入耦合光栅，

沿光路依次设置的第一单色输出耦合光栅、第二单色输出耦合光栅和第三单色输出耦合光栅，

以及设置于第一单色平板光学波导上第一中继光栅、设置于第二单色平板光学波导上的第二中继光栅和设置于第三单色平板光学波导上的第三中继光栅；

第一单色输入耦合光栅设置于第一单色平板光学波导上，用于将与入射平板光学波导的图像相对应的第一单色光耦合到第一单色平板光学波导中；第二单色输入耦合光栅设置于第二单色平板光学波导上，用于将与入射平板光学波导的图像相对应的第二单色光耦合到第二单色平板光学波导中；第三单色输入耦合光栅设置于第三单色平板光学波导上，用于将与入射平板光学波导的图像相对应的第三单色光耦合到第三单色平板光学波导中，

第一中继光栅将第一单色输入耦合光栅耦合入第一单色平板光学波导、并在第一单色平板光学波导内全反射传输的第一单色光进行衍射，使其在第一单色平板光学波导内全反射传输至第一单色输出耦合光栅；第二中继光栅将第二单色输入耦合光栅耦合入第二单色平板光学波导、并在第二单色平板光学波导内全反射传输的第二单色光进行衍射，使其在第二单色平板光学波导内全反射传输至第二单色输出耦合光栅；第三中继光栅将第三单色输入耦合光栅耦合入第三单色平板光学波导、并在第三单色平板光学波导内全反射传输的第三单色光进行衍射，使其在第三单色平板光学波导内全反射传输至第三单色输出耦合光栅；

第一单色输出耦合光栅设置于第一单色平板光学波导上，用于将与入射平板光学波导的图像相对应的第一单色光耦出第一单色平板光学波导；第二单色输出耦合光栅设置于第二单色平板光学波导上，用于将与入射平板光学波导的图像相对应的第二单色光耦出第二单色平板光学波导；第三单色输出耦合光栅设置于第三单色平板光学波导上，用于将与入射平板光学波导的图像相对应的第三单色光耦出第三单色平板光学波导，

第一单色输出耦合光栅、第二单色输出耦合光栅和第三单色输出耦合光栅射出光束的方向均朝向用户眼睛所处的一侧。

2.如权利要求1所述的一种单眼大视场近眼显示光学***，其特征在于，所述的第一单色平板光学波导、第二单色平板光学波导和第三单色平板光学波导构成平板光学波导，沿同一光路依次设置的第一单色输入耦合光栅、第二单色输入耦合光栅和第三单色输入耦合光栅构成一个输入耦合光栅，与同一个输入耦合光栅相对应的第一中继光栅、第一中继光栅和第三中继光栅构成一个中继光栅，与同一个输入耦合光栅相对应且沿同一光路依次设置的第一单色输出耦合光栅、第二单色输出耦合光栅和第三单色输出耦合光栅构成输出一个耦合光栅，所述的平板光学波导具有多个输入耦合光栅以及与各输入耦合光栅一一对应设置的中继光栅和输出耦合光栅，每个输入耦合光栅均用于将与其对应且具有相应子视场角且与入射光瞳关联的图像的全部光束耦合入平板光学波导，通过衍射每一光束使得所述光束在平板光学波导内满足所述平板光学波导的内部全反射条件，并将每一光束引导至相应的中继光栅，中继光栅通过衍射每一光束，将每一光束引导到相应的输出耦合光栅，输出耦合光栅将每一光束向外衍射，使得每一光束不满足平板光学波导的内部全反射条件，所述输出耦合光栅向外衍射的全部光束离开平板光学波导并形成图像，该图像与相应输入耦合光栅耦合入平板光学波导的全部光束相关联的图像相对应并具有相应的子视场角；各输出耦合光栅向外衍射的具有相应子视场角的图像均可从同一出射光瞳处被观看且相互拼接，构成一个具有相应大视角的完整图像，该完整图像的大视场角是由各输出耦合光栅向外衍射的图像相对应的子视场角合并得到。

3.如权利要求2所述的一种单眼大视场近眼显示光学***，其特征在于，所述的多个输出耦合光栅沿水平方向依次排列或沿垂直方向依次排列或呈矩阵排列。

4.如权利要求2所述的一种单眼大视场近眼显示光学***，其特征在于，所述的中继光栅被配置为将引导至中继光栅的每一光束进行水平扩束和垂直扩束中的一种扩束，所述的输出耦合光栅被配置为将引导至输出耦合光栅的每一光束进行水平扩束和垂直扩束中的另一种扩束。

5.如权利要求2或3所述的一种单眼大视场近眼显示光学***，其特征在于，与入射光瞳相关并具有相应子视场角的图像的个数为两个、三个、四个或任意多个。

6.如权利要求2所述的一种单眼大视场近眼显示光学***，其特征在于，所述的平板光学波导的输出耦合光栅被配置于用户单眼的前方，以形成对用户单眼可见的图像。

7.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括如权利要求1-6中任意一项所述的单眼大视场近眼显示光学***和用于佩戴于用户头部的头戴部件，单眼大视场近眼显示光学***安装在所述头戴部件上并被定位成其输出耦合光栅将光束引导到佩戴者的眼睛上。

8.如权利要求7所述的一种头戴式显示设备，其特征在于，所述的头戴式显示设备具有一个单眼大视场近眼显示光学***，单眼大视场近眼显示光学***被定位成其输出耦合光栅将光束引导到佩戴者的左眼或右眼上。

9.如权利要求7所述的一种头戴式显示设备，其特征在于，所述的头戴式显示设备具有两个单眼大视场近眼显示光学***，其中一个单眼大视场近眼显示光学***被定位成其输出耦合光栅将光束引导到佩戴者的左眼上，另外一个单眼大视场近眼显示光学***被定位成其输出耦合光栅将光束引导到佩戴者的右眼上。

10.如权利要求7所述的一种头戴式显示设备，其特征在于，所述的头戴部件包括框架、头盔或头带等可以佩戴于用户头上的部件。