二维扩瞳的双目波导近眼显示装置和增强现实显示设备的制作方法

1.本公开涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种二维扩瞳的双目波导近眼显示装置和增强现实显示设备。


背景技术：

2.增强现实(ar)技术，凭借其独特的可将投影的图像叠加到用户感知的真实环境的特点，使其在军事、工业设计与制造、医疗、娱乐及教育等领域得到了广泛的应用，影响甚至改变各行各业生产生活中的某些信息交互方式，有着巨大的潜在应用价值。
3.在ar近眼显示系统中，最核心的光学硬件部分就是波导耦合元件，而现在大多数的波导耦合元件都只能实现光线在波导传输方向上的出瞳扩展，垂直于波导传输方向的出瞳会随着光线在波导内的传输而逐渐减小，为了保证人眼佩戴位置处的出瞳直径，波导元件前的光机准直系统在垂直于波导传输方向的出瞳就需要足够大，同时如果想要获得较大的视场角，都会导致装置体积的增大，影响用户体验。


技术实现要素：

4.为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种二维扩瞳的双目波导近眼显示装置和增强现实显示设备，从而有效缩小体积及重量，适合人体佩戴，同时由于工艺要求低，易实现，所以极大地降低了制造成本。
5.根据本公开实施例的第一方面，提供一种二维扩瞳的双目波导近眼显示装置，包括：光机系统、耦入衍射光学元件组、垂直扩瞳光波导、全反射镜、玻璃基底和耦出光栅；
6.所述光机系统，用于加载并输出图像，并将准直矫正后的图像出射至所述耦入衍射光学元件组；
7.所述耦入衍射光学元件，设置于所述光机系统的出射光路上，由第一偏振体全息光栅和第二偏振体全息光栅堆叠复合构成，以分别耦入左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束；
8.所述垂直扩瞳光波导，设置于所述玻璃基底的一端的上表面，用于将所述耦入衍射光学元件耦入的左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束进行垂直方向的光线扩展，以耦出多束光线至所述玻璃基底；
9.全反射镜，设置于所述垂直扩瞳光波导的正下方的玻璃基底内，用于将所述垂直扩瞳光波导出射的光线进行预设角度的偏折后，以能满足全反射条件的目标角度入射至所述玻璃基底内；
10.所述玻璃基底，用于将所述垂直扩瞳光波导出射的光线以全反射的形式传输至耦出光栅；
11.所述耦出光栅，设置于所述玻璃基底的另一端的上表面，用于包括左眼耦出衍射光学元件和右眼耦出衍射光学元件，用于分别将光线耦出至人的左眼和右眼，其中，所述左眼耦出衍射光学元件包括第三偏振体全息光栅，所述右眼耦出衍射光学元件包括第四偏振
体全息光栅。
12.在一个实施例中，优选地，所述垂直扩瞳光波导包括：波导板基底和非偏振分光膜阵列，所述非偏振分光膜阵列包括沿垂直方向从上至下倾斜设置的多个非偏振分光膜阵列基片。
13.在一个实施例中，优选地，所述多个非偏振分光膜阵列基片平行且等间距排列，且间距为预设间距，所述非偏振分光膜阵列基片与所述波导板基底之间的倾斜角为预设角度，所述多个非偏振分光膜阵列基片的反射率沿垂直方向从上至下依次递增，且可同时对s偏振光波和p偏振光波进行耦出。
14.在一个实施例中，优选地，所述第一偏振体全息光栅包括第一左旋偏振体全息光栅，所述第二偏振体全息光栅包括第一右旋偏振体全息光栅。
15.在一个实施例中，优选地，所述第三偏振体全息光栅包括第二右旋偏振体全息光栅，所述第四偏振体全息光栅包括第二左旋偏振体全息光栅。
16.在一个实施例中，优选地，所述第一左旋偏振体全息光栅和所述第二左旋偏振体全息光栅镜像对称，所述第一右旋偏振体全息光栅和所述第二右旋偏振体全息光栅镜像对称。
17.在一个实施例中，优选地，所述偏振体全息光栅为基于液晶材料的新型偏振体全息光栅。
18.在一个实施例中，优选地，所述光机系统包括：微像源系统和准直系统；
19.所述微像源系统，设置于所述准直系统的主光轴上，用于加载并输出图像；
20.所述准直系统，位于所述微像源系统的出光面，用于将微像源系统输出的图像进行准直校正后通过耦入衍射光学元件耦入至所述垂直扩瞳光波导内。
21.在一个实施例中，优选地，所述微像源系统的像源包括非偏振型像源。
22.根据本公开实施例的第二方面，提供一种增强现实显示设备，包括：
23.如第一方面任一项所述的二维扩瞳的双目波导近眼显示装置。
24.本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
25.1)本发明中提出的一种二维扩瞳的双目显示波导系统结构简单，可有效缩小体积及重量，适合人体佩戴，同时由于工艺要求低，易实现，所以极大地降低了制造成本。
26.2)本发明中采用由偏振体全息光栅堆叠复合构成的耦入衍射光学元件组，实现了同时衍射左旋偏振光束与右旋偏振光束，可只使用单一像源就可以实现双目显示，而不需要为左右眼各配备一个像源，这无疑对系统的体积、重量、功耗等都有一定的优势。
27.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
28.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
29.图1是根据一示例性实施例示出的一种二维扩瞳的双目波导近眼显示装置的结构示意图。
30.图2是根据一示例性实施例示出的一种二维扩瞳的双目波导近眼显示装置的具体
结构示意图。
具体实施方式
31.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
32.图1是根据一示例性实施例示出的一种二维扩瞳的双目波导近眼显示装置的结构示意图。
33.如图1所示和图2所示，二维扩瞳的双目波导近眼显示装置，包括：光机系统、耦入衍射光学元件组、垂直扩瞳光波导、全反射镜、玻璃基底和耦出光栅；
34.所述光机系统，用于加载并输出图像，并将准直矫正后的图像出射至所述耦入衍射光学元件组；
35.在一个实施例中，优选地，所述光机系统包括：微像源系统和准直系统；
36.所述微像源系统，设置于所述准直系统的主光轴上，用于加载并输出图像；
37.所述准直系统，位于所述微像源系统的出光面，用于将微像源系统输出的图像进行准直校正后通过耦入衍射光学元件耦入至所述垂直扩瞳光波导内。准直系统可由若干个透镜组成，且透镜的材料可为玻璃或pmma。
38.所述耦入衍射光学元件，设置于所述光机系统的出射光路上，由第一偏振体全息光栅pvg1和第二偏振体全息光栅pvg2堆叠复合构成，以分别耦入左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束；其中，pvg1和pvg2材料中的手性掺杂剂的螺旋方向是正交的，于是其中的液晶分子旋转方向相反但周期性保持相同。由于偏振体全息光栅的偏振特性表现为其只对单一旋向的圆偏振光发生衍射，而对于另一正交旋向的圆偏振光则直接透过，从而pvg1_in(左旋)和pvg2_in(右旋)可以分别衍射左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束，以实现高效率的波导耦合。
39.所述垂直扩瞳光波导，设置于所述玻璃基底的一端的上表面，用于将所述耦入衍射光学元件耦入的左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束进行垂直方向的光线扩展，以耦出多束光线至所述玻璃基底；
40.全反射镜，设置于所述垂直扩瞳光波导的正下方的玻璃基底内，用于将所述垂直扩瞳光波导出射的光线进行预设角度的偏折后，以能满足全反射条件的目标角度入射至所述玻璃基底内；
41.所述玻璃基底，用于将所述垂直扩瞳光波导出射的光线以全反射的形式传输至耦出光栅；
42.所述耦出光栅，设置于所述玻璃基底的另一端的上表面，包括左眼耦出衍射光学元件和右眼耦出衍射光学元件，用于分别将光线耦出至人的左眼和右眼，其中，所述左眼耦出衍射光学元件包括第三偏振体全息光栅，所述右眼耦出衍射光学元件包括第四偏振体全息光栅。
43.在一个实施例中，优选地，所述垂直扩瞳光波导包括：波导板基底和非偏振分光膜阵列，所述非偏振分光膜阵列包括沿垂直方向从上至下倾斜设置的多个非偏振分光膜阵列
基片。
44.在一个实施例中，优选地，所述多个非偏振分光膜阵列基片平行且等间距排列，且间距为预设间距，所述非偏振分光膜阵列基片与所述波导板基底之间的倾斜角为预设角度，所述多个非偏振分光膜阵列基片的反射率沿垂直方向从上至下依次递增，且可同时对s偏振光波和p偏振光波进行耦出。
45.其中，垂直扩瞳光波导板基底的厚度为1.5mm-2mm之间。多个非偏振分光膜阵列基片可以是五个非偏振分光膜阵列基片。五个非偏振分光膜阵列基片的反射率沿垂直方向从上而下依次递增，分别为1/5，1/4，1/3，1/2，和1。通过对膜系的优化设计，所述五个非偏振分光膜阵列基片可同时对s偏振光波(偏振矢量垂直于该平面)以及p偏振光波(偏振矢量在这个平面内)进行光的耦出，且能保证出射亮度的均匀性。
46.在一个实施例中，优选地，所述第一偏振体全息光栅包括第一左旋偏振体全息光栅，所述第二偏振体全息光栅包括第一右旋偏振体全息光栅。
47.在一个实施例中，优选地，所述第三偏振体全息光栅包括第二右旋偏振体全息光栅，所述第四偏振体全息光栅包括第二左旋偏振体全息光栅。
48.在一个实施例中，优选地，所述第一左旋偏振体全息光栅和所述第二左旋偏振体全息光栅镜像对称，所述第一右旋偏振体全息光栅和所述第二右旋偏振体全息光栅镜像对称。
49.其中，左眼部分的耦出偏振体全息光栅为右旋偏振体全息光栅pvg2_out，且与耦入偏振体全息光栅pvg2_in镜像对称，以消除色散；同样的，右眼部分的耦出偏振体全息光栅为左旋偏振体全息光栅pvg1_out，且与耦入偏振体全息光栅pvg1_in镜像对称，以消除色散。
50.在一个实施例中，优选地，所述偏振体全息光栅为基于液晶材料的新型偏振体全息光栅。
51.在一个实施例中，优选地，所述微像源系统的像源包括非偏振型像源。
52.上述二维扩瞳的双目波导近眼显示装置的工作原理如下：微像源系统发出的光经过准直系统后入射到耦入衍射光学元件。由于微像源系统一般选用oled显示屏，此类像源系统发射的光束为非偏振光，非偏振光可视为包含等量的左旋偏振光与右旋偏振光分量。于是微像源系统发射的非偏振光束经由耦入衍射光学元件组分别衍射出等量的左旋偏振光束与右旋偏振光束，并分别被衍射朝向两个方向耦合进入垂直扩瞳光波导内。垂直扩瞳光波导将衍射耦入的两束左旋圆偏振光束与右旋圆偏振光束进行垂直方向的光线扩展，以耦出多束光线至玻璃基底。通过对非偏振分光膜阵列基片膜层分光比的优化控制，可使产生的各个分光束携带有相同的图像信息和强度。然后扩展光束经由垂直扩瞳光波导正下方并内嵌在玻璃基底内的全反射镜反射后，耦入到玻璃基底内。光线在玻璃基底以全反射的形式向前传输至耦出光栅，由于耦出光栅各由一个偏振体全息光栅构成，其中左眼部分的耦出偏振体全息光栅为右旋偏振体全息光栅，右眼部分的耦出偏振体全息光栅为左旋偏振体全息光栅，并分别与耦入衍射光学元件组镜像对称，所以最后两个方向的传输光束由耦出光栅分别耦出至左右眼成像。这样便可只使用单一像源就可以实现双目显示，而不需要为左右眼各配备一个像源，这无疑对系统的体积、重量、功耗等都有一定的优势。
53.根据本公开实施例的第二方面，提供一种增强现实显示设备，包括：
54.如第一方面任一项所述的二维扩瞳的双目波导近眼显示装置。
55.基于相同的构思，本公开实施例还提供一种增强现实显示设备，包括上述技术方案中任意一项所述的双目波导近眼显示装置。增强现实显示设备可以是ar眼镜或ar头盔等设备。
56.进一步可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
57.进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
58.进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
59.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
60.应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。