一种提高光波视场角的显示装置和显示系统的制作方法

1.本实用新型涉及增强现实(ar)显示技术领域，尤其涉及一种提高光波视场角的显示装置和显示系统。


背景技术：

2.增强现实(ar)显示技术可广泛应用到军事、医疗、建筑、教育、工程、影视、娱乐等领域，并且很有可能智能手机一样成为下一代主流显示手段。
3.常见的ar光学系统主要有以下几类：一、棱镜式：google glass上使用的光学方案，显示屏图像经过凹面反射镜准直再经过半透半反膜反射，最终投向人眼。这种方案一般视场20
°
以下，同时体积也比较大；二、自由曲面反射类：曲面反射类主要利用镜面反射的原理成像，在光传播路径的设计上，可采用birdbath方式，或投影到镀膜曲面上进行反射(称为离轴反射)等光学方案。可以实现较大的视场，但是体积过于巨大，不适合长时间佩戴；
4.三、光波导类：这类方案被认为是最接近目前近视眼镜形态的方案，主要有几何光波导、表面浮雕型光波导、全息光波导三类。几何光波导因为本身工艺的复杂，造成了生产良率较低，单片光学模组成本较贵，同时大部分专利掌握在以色列公司lumus手中；表面浮雕型光波导所使用的蚀刻工艺可以采用半导体行业成熟的制造技术，所以大批量生产时良率较高，成本远低于几何光波导方案。半导体工艺与设计的要求，使得技术和资金壁垒很高；
5.全息光波导可以在曲面形状的单层镜片上进行曝光形成全息膜，所以可以生产出最接近传统有曲面的眼镜的ar产品。而且不需要大型的生产设备，成本只依赖玻璃和全息膜，可以做到最便宜的光波导方案。
6.综上，最有可能应用于消费级的ar光学方案是表面浮雕型光波导和全息光波导。而表面浮雕型光波导需要重资产投入，一般公司很难承受得起，所以全息光波导方案是最可能实现弯道超车的方案，但是该方案的缺点是全息光栅的角度选择性导致视场角受限，在30
°
左右，同时色度均匀性较差，单色30
°
波长差可达近50nm。
7.因此，如何解决全息光栅的角度选择视场角受限及色度均匀性是本领域亟待解决的技术问题


技术实现要素：

8.为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种提高光波视场角的显示装置和显示系统，以增加整个视场中色度均匀性的方法，增加全息波导光学方案在ar技术中的竞争力。
9.根据本实用新型的一个方面，提供一种提高光波视场角的显示装置，包括波导基底；
10.设置在所述波导基底的光波输入区域的第一衍射光学输入元件、第二衍射光学输入元件；
11.第一衍射光学输入元件，用于将入射角为θ1的第一光波耦合进入波导基底，第二衍射光学输入元件用于将入射角为θ2的第二光波耦合进入波导基底，所述θ1的取值范围为a≤θ1≤b，所述θ2的取值范围为c≤θ2≤d，其中a、d相差大于30
°
；优选的a、d相差大于40
°
，最优选为a、d相差大于40
°‑
60
°
。
12.设置在所述波导基底的光波输出区域与第一衍射光学输入元件相配合的第一衍射光学输出元件，以及与第二衍射光学输入元件相配合的第二衍射光学输出元件。
13.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：通过在波导基底两侧添加能够耦合两种角度光波的衍射光学输入元件，且两种衍射光学输入元件的角度选择边界，a、d相差大于30
°
，可以实现大于 30
°
的视场，实际使用中还可以有效将视场角拓展到45
°
或者更大。
14.进一步的，所述第一光波、第二光波由同一光源发射；
15.采用上述进一步技术方案的有益效果在于，可以改善同一光源的视场角，有利于增加色度均匀度，增加本方案在ar技术中的竞争力。
16.进一步的，所述第一光波、第二光波的波长差小于50nm。
17.采用上述进一步技术方案的有益效果在于，降低第一光波、第二光波的波长差，波长差越小，整个视场颜色均匀即色度均匀性会提高。
18.进一步的，所述第一光波、第二光波均为单色光波。
19.采用上述进一步技术方案的有益效果在于，由发光终端发射的光波可以分解为若干单色光，单色光中符合θ1或θ2部分的光波均能够被改善视场角和色度均匀度。
20.进一步的，所述第一光波在波导基底内传播角度为α、所述第二光波在波导基底内传播角度为β， sin
‑1n1/n2≤α(或β)≤tan
‑1l/2h，且α与β的角度相差不少于预设值；其中，n1是外部介质折射率(空气为1)，n2为第一衍射光学输入元件或第二衍射光学输入元件的折射率，θ是波导基底内光线传播角度，l是第一衍射光学输入元件或第二衍射光学输入元件的直径， h是波导基底的厚度，波导基底的厚度可以做到1mm以下。
21.采用上述进一步技术方案的有益效果在于，如此不用限制第一衍射光学输入元件、第二衍射光学输入元件安装时的相对位置，只需要第一光波、第二光波在波导基底内发生全反射即可。
22.进一步的，以入射光源的中轴线为基准，向左倾斜的光波为与向右倾斜的光波角度符号相反，所述a的符号为负值，d的符号为正值。
23.采用上述进一步技术方案的有益效果在于，以入射光源的中轴线为基准，设定向左倾斜的光波符号为负，向右倾斜的光波符号为正，优选的a、d数值相等且符号相反，可以入射光源的光波视场角进行相应的扩展。
24.进一步的，所述第一衍射光学输入元件、第二衍射光学输入元件、第一衍射光学输出元件、第二衍射光学输出元件中至少一个为全息光栅；
25.所述全息光栅由光刻胶、光致聚合物、重铬酸盐明胶、光折变晶体、卤化银经过全息曝光或者通过纳米压印技术制得。
26.采用上述进一步技术方案的有益效果在于，增加全息波导光学方案在ar技术中的竞争力。全息曝光或者通过纳米压印技术制得两者的区别是：前者记录介质的厚度不变，全息光栅折射率在变化；后者是记录介质厚度在变化但是全息光栅的折射率不变。
27.进一步的，所述第一衍射光学输入元件、第一衍射光学输出元件的光栅周期相同；和/或所述第二衍射光学输入元件、第二衍射光学输出元件的光栅周期相同。
28.采用上述进一步技术方案的有益效果在于，能够使得入射光源的光波经第一衍射光学输入元件、第一衍射光学输出元件，或者第二衍射光学输入元件、第二衍射光学输出元件耦合后衍射出波导基底，优选的，第一衍射光学输入元件、第一衍射光学输出元件与波导基底距离相同，第二衍射光学输入元件、第二衍射光学输出元件与波导基底距离相同。
29.进一步的，所述波导基底具有相对的两个表面；
30.所述第二衍射光学输入元件与第一衍射光学输入元件位于波导基底同侧的表面或相对的表面上。
31.采用上述进一步技术方案的有益效果在于，进一步降低第一衍射光学输入元件、第二衍射光学输入元件安装时相对位置的限制。
32.进一步的，所述第一光波经第一衍射光学输出元件衍射出波导基地形成第三光波；
33.所述第二光波经第二衍射光学输出元件衍射出波导基地形成第四光波；
34.所述第三光波、第四光波平行或者所述第三光波、第四光波在预设位置交汇。
35.采用上述进一步技术方案的有益效果在于，当同一光源的光波能够同时被第一衍射光学输入元件、第二衍射光学输入元件衍射时第三光波、第四光波平行，当同一光源的不同角度的光波分别被第一衍射光学输入元件、第二衍射光学输入元件衍射时，第三光波、第四光波在预设位置交汇，使得在整个视场里面，颜色的色度均匀。
36.根据本实用新型的另一个方面，提供一种显示装置系统，包括上述任意一项所述的显示装置。
37.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：将第三光波、第四光波在预设位置交汇位置设定为人眼，人眼080可以看到经由显示装置优化后的图像，可以实现大于30
°
的视场，实际使用中可以有效将视场角拓展到45
°
或者更大。
38.进一步的，还包括光源，所述光源和波导基底的光波输入区域之间设有中继系统，所述中继系统用于对光源发出的光波进行准直。
39.采用上述进一步技术方案的有益效果在于，有利于第一衍射光学输入元件、第二衍射光学输入元件对光波进行耦合，实现大于30
°
的视场。
40.根据本实用新型的另一个方面，提供一种显示装置方法，包括以下步骤：
41.接收入射光波；
42.入射角为θ1的第一光波经第一衍射光学输入元件耦合进入波导基底，入射角为θ2的第二光波经第二衍射光学输入元件耦合进入波导基底；其中，所述θ1的取值范围为a≤θ1≤b，所述θ2的取值范围为c ≤θ2≤d，其中a、d相差大于30
°
；
43.第一光波、第二光波在波导基底中以大于全反射的角度传播；
44.第一光波经第一衍射光学输出元件衍射出波导基底，第二光波经第二衍射光学输出元件衍射出波导基底。
45.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：通过将入射光波划分为第一光波、第二光波，且两种光波的角度选择边界，a、d相差大于30
°
，可以实现大于30
°
的视场，实际使用中还可以有效将视场角拓展到45
°
或者更大。
附图说明
46.图1为波导基底的结构示意图；
47.图2为显示装置的结构示意图；
48.图3为不同视锥细胞的光谱响应曲线示意图；
49.图4为显示系统的结构示意图；
50.图5为显示系统工作原理示意图一；
51.图6为显示系统工作原理示意图二；
52.图7为能收集的光波角度的中心角度为0度的光栅的视场角示意图；
53.图8为显示系统扩大视场角的原理示意图。
54.图中：001
‑
入射光源；
55.011
‑
第二光波；012
‑
第四光波；021
‑
第一光波；022
‑
第三光波；
56.003
‑
中继系统；
57.031
‑
第一衍射光学输入元件；032
‑
第二衍射光学输入元件；
58.071
‑
第二衍射光学输入元件；072
‑
第二衍射光学输出元件；
59.040、060
‑
粘接层；
60.050、波导基底；051、第一表面；052、第二表面；
61.080
‑
人眼。
具体实施方式
62.为了更好的了解本实用新型的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
63.实施例1：
64.本实施例一种显示装置，包括波导基底050，所述波导基底050 具有相对的第一表面051、第二表面052；
65.所述第一表面051和/或第二表面052上涂覆有粘接层040、060，本实施例粘接层选择全息薄膜；
66.设于所述粘接层的第一衍射光学输入元件031、第二衍射光学输入元件071，与第一衍射光学输入元件相配合的第一衍射光学输出元件032，以及与第二衍射光学输入元件071相配合的第二衍射光学输出元件072；所述第一衍射光学输入元件031、第二衍射光学输入元件 071、第一衍射光学输出元件032、第二衍射光学输出元件072中至少一个为全息光栅，本实施例全部选择全息光栅，优选的，第一衍射光学输入元件031和第一衍射光学输出元件032为一组光栅，光栅周期相同，在一层全息薄膜040中；第二衍射光学输入元件071和第二衍射光学输出元件072为一组光栅，光栅周期相同，在一层全息薄膜060 中；所述全息光栅由光刻胶、光致聚合物、重铬酸盐明胶、光折变晶体、卤化银经过全息曝光或者通过纳米压印技术制得。所述第一衍射光学输入元件、第一衍射光学输出元件的光栅周期相同；所述第二衍射光学输入元件、第二衍射光学输出元件的光栅周期相同。光栅周期相同，光栅周期相同对于全息光栅是指光栅条纹间的距离相同，譬如 1000线的光栅就是指1毫米里面有1000条光栅条纹，光栅条纹间的距离可代表光栅周期。如图5、6所示，所述波导基底具有相对的两个表面即第一表面051、第二表面052；所述第二衍射光学输入元件031 与第一衍射
光学输入元件071位于波导基底同一表面或相对的表面上。
67.所述第一衍射光学输入元件031、第二衍射光学输入元件071位于波导基底的光波输入区域；第一衍射光学输入元件031，用于将入射角为θ1的第一光波021耦合进入波导基底050，第二衍射光学输入元件071用于将入射角为θ2的第二光波011耦合进入波导基底050，所述θ1的取值范围为a≤θ1≤b，所述θ2的取值范围为c≤θ2≤d，其中a、d相差大于30
°
；本实施例中，所述第一光波021、第二光波 011由同一光源发射的单色光波，比如入射光源左边的像素发出光线，经过透镜(中继系统)后光线是向右偏的为θ1，入射光源右边的像素发出的光线，经过透镜后是向左偏的为θ2；所述第一光波、第二光波的波长差小于50nm，比如可以选择40nm、35nm、30nm、25nm、20nm、 18nm、16nm、15nm、12nm；具体减小波长差的原理为，图7可以认为是能收集的光波角度的中心角度为0度的光栅的视场角，耦合进的光线角度范围是
‑
15
°
——15
°
由图7可知，
‑
15
°
视场对应的波长为 510nm左右， 15
°
视场对应的是在550nm左右。如图8所示，假设第一衍射光学输入元件031、第二衍射光学输入元件071两个全息光栅中心角度分别为 5
°
和
‑5°
，分别耦合进的光线角度范围是
‑
10
°
——20
°
和
‑
20
°
——10
°
，叠加起来的视场范围在40
°
左右，可以实现大于30
°
的视场。
‑
15
°
对应的波长由510nm左右偏移至523nm,15
°
对应的波长由550nm偏移至540nm,
‑
15
°
到15
°
之间是两个波长的叠加，总体波长差值在17nm左右，相较图7的50nm得到显著改善(波长差越大，整个视场就会颜色不均匀，即色度均匀性差)。
68.所述第一衍射光学输出元件032、第二衍射光学输出元件072位于波导基底050的光波输出区域，用于将第一衍射光学输入元件031、第二衍射光学输入元件071耦合入的光波衍射出波导基底050，具体的，所述第一光波021经第一衍射光学输出元件衍射出波导基底形成第三光波022；所述第二光波011经第二衍射光学输出元件072衍射出波导基底形成第四光波012；所述第三光波022、第四光波012平行或者所述第三光波022、第四光波012在预设位置交汇，可实现整个视场中色彩的均匀性。如图3所示，增加色度均匀性的原因是，视网膜上的感光细胞中有三种视锥细胞(s、m、l)对不同波长的刺激是不一样的，图3展示了不同视锥细胞的光谱响应曲线。三条曲线对应三种视锥细胞。分别对应短波长(s)、中波长(m)和长波长(l)。假设入射光源的主波长525nm，当视场角在 15
°
或
‑
15
°
(大视场角)左右时，从光栅中输出的光线对应的波长为500nm或550nm，波导输出效果就是左侧偏蓝、右侧偏黄，为了将黄色区域的波长拉成偏绿，所以在大视场角的区域设置主波长540nm(可根据实际需求设定，也可以设定为530nm)，将550nm的光线拉到540nm附近，可实现整个视场中色彩的均匀性。
69.如图4所示，本实施例，提供一种应用上述显示装置的显示装置系统，除包括显示装置外，还包括入射光源001，所述入射光源001 和波导基底050的光波输入区域之间设有中继系统003，所述中继系统003用于对光源发出的光波进行准直。
70.入射光源001选择显示芯片，所述的显示芯片可以选用oled芯片、micro led芯片或者slm芯片；中继系统003可以选用凸透镜。本系统由以下几个部分组成：显示芯片001、中继系统003、显示装置 (全息波导)组成，主要应用于增强现实智能眼镜中，还包括用于安装所述显示系统的载体(如眼镜)；
71.用于支持显示系统工作的设备，所述设备包括但不限于驱动板、电池、摄像镜头、深度镜头、红外镜头、触控板、麦克风。
72.本实施例，提供提高光波视场角的显示装置的显示方法，如下：
73.步骤1：接收入射光波；
74.步骤2：入射角为θ1的第一光波经第一衍射光学输入元件耦合进入波导基底，入射角为θ2的第二光波经第二衍射光学输入元件耦合进入波导基底；其中，所述θ1的取值范围为a≤θ1≤b，所述θ2的取值范围为c≤θ2≤d，其中a、d相差大于30
°
；优选的，第一光波、第二光波由同一光源发射的单色光波，且波长差小于50nm。其中，所述第一光波在波导基底内传播角度为α、所述第二光波在波导基底内传播角度为β，sin
‑1n1/n2≤α(或β)≤tan
‑1l/2h，且α与β的角度相差不少于预设值；其中，n1是外部介质折射率(空气为1)，n2 为第一衍射光学输入元件或第二衍射光学输入元件的折射率，θ是波导基底内光线传播角度，l是第一衍射光学输入元件或第二衍射光学输入元件的直径，h是波导基底的厚度。
75.步骤3：第一光波、第二光波在波导基底中以大于全反射的角度传播；
76.步骤4：第一光波经第一衍射光学输出元件衍射出波导基底，第二光波经第二衍射光学输出元件衍射出波导基底。
77.步骤5：所述第一光波经第一衍射光学输出元件衍射出波导基底形成第三光波；所述第二光波经第二衍射光学输出元件衍射出波导基底形成第四光波；所述第三光波、第四光波平行或者所述第三光波、第四光波在预设位置(如人眼)交汇。
78.以下举例说明，如图5、6所示，以入射光源001的中轴线为基准，向左倾斜的光波为与向右倾斜的光波角度符号相反，所述左倾光波的符号为负值，右倾光波的符号为正值，本实施例，第一光波021为左部分光线，第二光波011为右部分光线，其中，
‑
25
°
≤θ1≤0，0≤θ2≤25
°
；显示芯片(或者显示器)001发出光线，显示芯片是放置在透镜(中继系统)003的焦平面上的，显示芯片001上的像素发出的光线经过透镜都是平行光，平行光的方向平行该像素点和透镜中心点的连线。
79.左部分光线021经过中继系统003准直后，照射在体全息光栅071 上，衍射光线在波导050内以大于全反射的角度传播，到达体全息光栅072时，衍射出射波导，形成光线022；显示芯片001右部分光线 011经过中继系统003准直后，照射在体全息光栅031上，衍射光线在波导050内以大于全反射的角度传播，到达体全息光栅032时，衍射出射波导，形成光线012；体全息光栅031和体全息光栅032为一组光栅，光栅周期相同，在一层全息薄膜040中；体全息光栅071和体全息光栅072为一组光栅，光栅周期相同，在一层全息薄膜060中；薄膜040和薄膜060贴附在波导基底050的两侧或同侧。
80.在光线022和光线012交汇的区域，人眼080可以看到优化后的图像。
81.以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述实用新型构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。