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CN107272202A - 光学装置和波导显示装置 - Google Patents

光学装置和波导显示装置 Download PDF

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CN107272202A
CN107272202A CN201710457883.2A CN201710457883A CN107272202A CN 107272202 A CN107272202 A CN 107272202A CN 201710457883 A CN201710457883 A CN 201710457883A CN 107272202 A CN107272202 A CN 107272202A
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liquid crystal
crystal layer
holographic polymer
dispersed liquid
polymer dispersed
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丁武文
郑昱
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Beijing Micro Technology Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种光学装置，涉及光学技术领域，包括图像源，中继光学系统，光学处理系统，其中，图像源用于显示图像，中继光学系统用于将图像源显示的图像射向光学处理系统，并成像至无穷远处，光学处理系统用于将同一方向的入射光，依次射向至少两个预设方向。本发明中，光学装置可以使用小尺寸图像源，同时降低了中继光学系统设计的难度及复杂程度。

Description

光学装置和波导显示装置
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及光学装置和波导显示装置。
背景技术
随着科学技术的发展，增强现实显示装置越来越受到人们的重视。为了使增强现实显示装置能够适应不同使用者，并保证在剧烈运动过程中仍然不会出现图像缺失，增强现实显示装置需要具备较大的出瞳直径，同时还要求增强现实显示装置小型化、轻量化。
然而，在现有技术中，一般通过增大图像源的体积、中继光学系统的直径等方式来实现增强现实显示装置的大出瞳、大视场等目的，这使得显示装置的体积重量大幅上升。另外，为了获得较好的显示效果，中继系统透镜组镜片需要离轴倾斜，这使光学畸变及像差等变大，系统设计和系统优化的难度极大提高。
发明内容
本发明实施例提供了一种光学装置和波导显示装置。旨在解决头戴式显示装置中图像源体积较大，以及中继光学系统设计复杂度高的问题。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种光学装置，包括图像源，中继光学系统，光学处理系统，其中，
图像源，用于显示图像；
中继光学系统，用于将图像源显示的图像射向光学处理系统，并成像至无穷远处；
光学处理系统，用于将同一方向的入射光，依次射向至少两个预设方向。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种全息聚合物弥散液晶HPDLC光学装置，包括图像源，中继光学系统，层叠设置的第一HPDLC层和第二HPDLC层，控制器，其中：
图像源，用于显示图像；
中继光学系统，用于将图像源显示的图像射向第一HPDLC层和第二HPDLC层，并成像至无穷远处；
第一HPDLC层和第二HPDLC层与中继光学系统的轴向垂直，且第一HPDLC层和第二HPDLC层的衍射光方向相反；
控制器，用于控制向第一HPDLC层和第二HPDLC层施加电场。
根据本发明实施例的第三方面，提供了一种空间光调制器光学装置，包括图像源，中继光学系统，空间光调制器，控制器，其中，
图像源，用于显示图像；
中继光学系统，用于将图像源显示的图像射向空间光调制器，并成像至无穷远处；
控制器，用于控制空间光调制器对出射光进行调制。
根据本发明实施例的第四方面，提供了一种波导显示装置，包括图像源，中继光学系统，输入耦合器，波导，输出耦合器，光学处理系统，其中，
图像源，用于显示图像；
中继光学系统，用于将图像源显示的图像射向光学处理系统，并成像至无穷远处；
光学处理系统，用于将同一方向的入射光，依次射向至少两个预设方向；
输入耦合器，用于将光学处理系统的出射光耦入波导；
输出耦合器，用于将波导内传播的光耦出。
根据本发明实施例的第五方面，提供了一种波导显示装置，包括图像源，中继光学系统，输入耦合器，波导，输出耦合器，层叠设置的第一HPDLC层和第二HPDLC层，控制器，其中，
图像源，用于显示图像；
中继光学系统，用于将图像源显示的图像射向第一HPDLC层和第二HPDLC层，并成像至无穷远处；
第一HPDLC层和第二HPDLC层与中继光学系统的轴向垂直，且第一HPDLC层和第二HPDLC层的衍射光方向相反；
控制器，用于控制向第一HPDLC层和第二HPDLC层施加电场。
输入耦合器，用于将第一HPDLC层和第二HPDLC层的出射光耦入波导；
输出耦合器，用于将波导内传播的光耦出。
根据本发明实施例的第六方面，提供了一种波导显示装置，提供了一种波导显示装置，包括图像源，中继光学系统，输入耦合器，波导，输出耦合器，空间光调制器，控制器，其中，
图像源，用于显示图像；
中继光学系统，用于将图像源显示的图像射向空间光调制器，并成像至无穷远处；
控制器，用于控制空间光调制器对出射光进行调制。
输入耦合器，用于将空间光调制器的出射光耦入波导；
输出耦合器，用于将波导内传播的光耦出。
本发明实施例公开的光学装置和基于该光学装置的波导显示装置，可以使用小尺寸图像源，且与图像源相配套的驱动电路等其他部件的体积均可以相应减小，同时，由于中继光学系统的入射光线视场角减小，从而降低了中继光学系统设计的难度及复杂程度，并且可以减少中继光学系统包括的镜片数量，进而可以减小中继光学系统的体积。
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，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明实施例公开的一种波导显示装置的示意图；
图2是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；
图3是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；
图4是本发明实施例公开的一种HPDLC层的示意图；
图5是本发明实施例公开的另一种HPDLC层的示意图；
图6是本发明实施例公开的一种控制器的示意图；
图7是本发明实施例公开的一种光在波导和空气界面的折射角度关系的示意图；
图8是本发明实施例公开的一种单层光栅的衍射效率的示意图；
图9是本发明实施例公开的一种组合光栅的衍射效率的示意图；
图10是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；
图11是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；
图12是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；
图13是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；
图14是本发明实施例公开的另一种波导显示装置的示意图；
图15是本发明实施例公开的一种空间光调制器光学装置的示意图；
图16是本发明实施例公开的一种光学装置的示意图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，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，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的结构、产品等而言，由于其与实施例公开的部分相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本发明实施例公开了一种波导显示装置10，包括图像源101，中继光学系统102，输入耦合器103，波导104，输出耦合器105，其中，输入耦合器103可以包括波导耦入光栅。图1和图2分别示出了两种可选的波导显示装置10结构，图1为波导耦入光栅位于波导内部的结构，图2为波导耦入光栅位于波导外部的结构。具体的，
图像源101，用于显示图像；
中继光学系统102，用于将图像源101显示的图像射向输入耦合器103；
输入耦合器103，用于将中继光学系统102的出射光耦入波导104；
输出耦合器105，用于将波导104内传播的光耦出。
可选的，图像源101可以为平面显示屏或曲面显示屏，进一步可选的，图像源101可以为液晶显示屏(英文全称：Liquid Crystal Display，英文缩写：LCD)、硅基液晶(英文全称：Liquid Crystal on Silicon，英文缩写：LCOS)反射式投影显示屏、发光二极管(英文全称：Light Emitting Diode，英文简称：LED)显示屏等。
图像源101显示的图像经由中继光学系统102成像至无穷远处。可选的，中继光学系统102可以为一透镜组，镜片可以采用非球面镜片或者自由曲面镜片，用于校正各像差及色差，也可以采用衍射光学元件来进一步优化成像质量。
如图3所示，图像源101显示的某一像素点，经过中继光学系统102后将变成平行光出射，不同像素点在中继光学系统102后以不同的角度分散，形成角谱。若需要达到预设的视场角，在图像源101的像素间距一定的情况下，图像源101需要的尺寸是图中线段BAC所示的区域，包括实线部分和实线部分两边的虚线部分。本领域技术人员应知，虚线部分的图像相对于中继光学系统102来说是大视场角光线，可能引入较大的球差及畸变等光学像差。通常，可以采用更多的镜片，或采用其他方式校正光学像差，但也会因此增大中继光学系统102的设计难度，另外，也会增加图像源101的体积。
体全息光栅包括固定式体全息光栅和可切换式体全息光栅，可切换式体全息光栅可以采用全息聚合物弥散液晶(英文全称：Holographic polymer dispersed liquidcrystal，英文缩写：HPDLC)来制备。HPDLC是由液晶、聚合物单体组成的预聚物，在两束相干光照射下，利用光致聚合而引发的相分离，形成与干涉条纹亮暗条纹相对应的富聚物区与富液晶区交替出现的周期性排列。如图4所示，不加电场时，HPDLC中存在周期性折射率调制，形成布拉格光栅，满足Bragg衍射条件的入射光以一级衍射方向射出。施加电场时，富液晶区液晶分子将沿电场重新排列，当其寻常光折射率与聚合物基本折射率相匹配时，光栅的折射率将变成均匀一致，入射光将直接透射出去，HPDLC成为一块透明介质。
在波导显示装置10的基础上，本发明实施例进一步公开了一种HPDLC光学装置20，包括图像源101，中继光学系统102，层叠设置的第一HPDLC层203和第二HPDLC层204，控制器205，其中：
图像源101，用于显示图像；
中继光学系统102，用于将图像源101显示的图像射向第一HPDLC层203和第二HPDLC层204，并成像至无穷远处；
第一HPDLC层203和第二HPDLC层204与中继光学系统102的轴向垂直，且第一HPDLC层203和第二HPDLC层204的衍射光方向相反；
控制器205，用于控制向第一HPDLC层203和第二HPDLC层204施加电场。
可选的，中继光学系统102的出射光可以与中继光学系统102的轴向平行。
本发明实施例中，在中继光学系统102后层叠设置两层HPDLC，分别记为第一HPDLC层203和第二HPDLC层204，如图5所示。
需要注意的是，控制器205并未在图5中示出，控制器205可以安装在HPDLC光学装置20的任意位置，只需要可以对第一HPDLC层203和第二HPDLC层204进行控制即可。
当控制器205对第一HPDLC层203和第二HPDLC层204施加电场时，图像源101发出的光如左图中实线所示；
当控制器205对第一HPDLC层203施加电场，对第二HPDLC层204不施加电场时，第一HPDLC层203将中继光学系统102出射的光线偏转至第一视场中，如中图所示，实线为图像源101经过中继光学系统102的出射光线，其出射方向被设计成与图中虚线所示的图像源C相同；
相应的，当控制器205对第二HPDLC层203施加电场，对第一HPDLC层204不施加电场时，第二HPDLC层204将中继光学系统102出射的光线偏转至第二视场中，如右图所示，实线为图像源101经过中继光学系统102的出射光线，其出射方向被设计成与图中虚线所示的图像源B相同。
应知，图5中虚线部分在实际系统中并不存在，图5中以虚线标记仅用于清楚简洁的进行示例性描述。
第一HPDLC层203和第二HPDLC层204在控制器205的控制下，使出射光线的角谱发生偏转，可以使角谱与虚拟的图像源B或C所产生的角谱相一致。
本发明实施例公开的HPDLC光学装置20，可以使用小尺寸图像源，且与图像源相配套的驱动电路等其他部件的体积均可以相应减小，同时，由于中继光学系统的入射光线视场角减小，从而降低了中继光学系统设计的难度及复杂程度，并且可以减少中继光学系统包括的镜片数量，进而可以减小中继光学系统的体积。
可选的，如图6所示，控制器205还可以用于，在第一时间段T1内，对第一HPDLC层203和第二HPDLC层204施加电场；
在第二时间段T2内，对第一HPDLC层203施加电场；
在第三时间段T3内，对第二HPDLC层204施加电场。
进一步可选的，T1、T2和T3的时长可以相同，且均为1/3f，其中f为图像刷新率。示例性的，如图像刷新率f为60Hz，则T1＝T2＝T3＝1/180s，此时图像源采用的显示屏应至少具有180Hz的刷新率。
本领域技术人员还可以根据实际需要，灵活确定时间段的数量和各时间段的持续时长，示例性的，控制器205还可以用于，在第一时间段T1内，对第一HPDLC层203施加电场，在第二时间段T2内，对第二HPDLC层204施加电场。
可选的，图像源101还可以用于，在T1内生成中间视场图像，在T2内生成第一视场图像，在T3内生成第二视场图像，其中，中间视场图像、第一视场图像和第二视场图像共同构成完整的视场，用于扩大视场角。
本领域技术人员应知，图像源101生成的图像，可以根据时间段的数量、各时间段的持续时长、以及实际需要的视场角进行确定，示例性的，图像源101还可以用于在T1内生成第一视场图像，在T2内生成第二视场图像。
HPDLC光学装置20的技术方案可以应用于波导显示装置10，具体的，本发明实施例公开了一种波导显示装置30，包括图像源101，中继光学系统102，输入耦合器103，波导104，输出耦合器105，层叠设置的第一HPDLC层203和第二HPDLC层204，控制器205，其中，
图像源101，用于显示图像；
中继光学系统102，用于将图像源101显示的图像射向第一HPDLC层203和第二HPDLC层204，并成像至无穷远处；
第一HPDLC层203和第二HPDLC层204与中继光学系统102的轴向垂直，且第一HPDLC层203和第二HPDLC层204的衍射光方向相反；
控制器205，用于控制向第一HPDLC层203和第二HPDLC层204施加电场。
输入耦合器103，用于将第一HPDLC层203和第二HPDLC层204的出射光耦入波导104；
输出耦合器105，用于将波导104内传播的光耦出。
需要注意的是，本领域技术人员还可以根据本发明实施例公开的技术方案，在具体实施过程中根据需要等同替换波导显示装置30中的至少一个组件，或将HPDLC光学装置20应用于其他显示装置，本发明对此并不限定。
可选的，中继光学系统102的出射光可以与中继光学系统102的轴向平行。
可选的，输入耦合器103还可以包括层叠设置的第一波导耦入光栅和第二波导耦入光栅。进一步可选的，第一波导耦入光栅在第一角度范围内的衍射效率大于或等于预设衍射效率，第二波导耦入光栅在第二角度范围内的衍射效率大于或等于预设衍射效率，其中，第一角度范围与第二角度范围的和大于或等于预设视场角。
由于在波导中的总视场角要小于空气中的总视场角，示例性的，当波导的平均折射率为1.51，空气折射率为1时，光在波导和空气界面的折射角度关系如图7所示，若要实现空气中30°的视场角，波导中总视场角约为19.4°，则输入耦合器需要在19.4°的视场范围内均具有较高的衍射效率，示例性的，衍射效率阈值为50％。
若单层光栅的衍射效率如图8所示，为了满足波导内20°视场角阈值的要求，可以使用两层组合光栅，即由第一波导耦入光栅和第二波导耦入光栅层叠而成的组合光栅，其衍射效率如图9所示。两层组合光栅满足在±10°范围内具有高于50％的衍射效率，即满足20°视场角阈值的要求。
可选的，输出耦合器105可以包括耦出光栅，如图10所示，其中，耦出光栅在靠近输入耦合器103的一侧衍射效率最低，耦出光栅在远离输入耦合器103的一侧衍射效率最高，具体的，图10中，通过灰度的不同指代衍射效率的不同。
由于输出耦合器105需要进行X方向的出瞳扩展，得益于耦出光栅，可以非常方便的对出瞳进行扩展。在X方向上使用耦出光栅进行出瞳扩展时，耦出光栅在靠近输入耦合器103的一侧的光强最强，随着耦合输出，远离输入耦合器103的位置的光强逐渐减弱，因而需要更高的衍射效率才能保证整个光瞳范围内的输出光强的均匀性。
进一步可选的，耦出光栅在靠近输入耦合器103的一侧的厚度最薄，耦出光栅在远离输入耦合器103的一侧的厚度最厚，如图11所示。其中，越厚的耦出光栅厚度，衍射效率越高。整个耦出光栅的厚度可以根据具体实施过程中的目标和需求，进行相应的优化设计以使输出光强均匀分布，也可以按照设计值在某一或某些位置上，根据光强分布的需求进行设计。
可选的，波导显示装置30还可以包括：设置于波导104出瞳位置的空间光调制器106，用于将波导104的出射光聚焦在预设位置。
通过程序调节，空间光调制器106可以实现不同程度屈光度调节，以适应不同使用者的视力条件。对于正常视力的使用者，可以控制空间光调制器106将出射光聚焦于无穷远处，如图12所示。
对于近视使用者，可以控制空间光调制器106将出射光线发散，并确定合适的屈光度，如图13所示，近视使用者可以清晰的观察到显示的图像内容，同时，周围环境光线通过空间光调制器106后，也会被空间光调制器106发散，使得近视使用者可以无需佩戴近视眼镜，也可清晰的观察周围环境。
对于远视使用者，可以控制空间光调制器106将出射光线汇聚，并确定合适的屈光度，如图14所示，远视使用者可以清晰的观察到显示的图像内容，同时，周围环境光线通过空间光调制器106后，也会被空间光调制器106汇聚，使得远视使用者可以无需佩戴远视眼镜，也可清晰的观察周围环境。
本发明实施例还公开一种空间光调制器光学装置40，如图15所示，包括图像源101，中继光学系统102，空间光调制器403，控制器404，其中，
图像源101，用于显示图像；
中继光学系统102，用于将图像源101显示的图像射向空间光调制器403，并成像至无穷远处；
控制器404，用于控制空间光调制器403对出射光进行调制。
需要注意的是，控制器404并未在图15中示出，控制器404可以安装在空间光调制器光学装置40的任意位置，只需要可以对空间光调制器403进行控制即可。
其中，空间光调制器403可以对光波的空间分布进行调制，一般来说，空间光调制器403可以对光波的相位、振幅、强度、频率或偏振态等进行调制，空间光调制器403可以包括密布排列的二维阵列，每个阵列单元可以独立的受电信号控制，改变自身的光学特性，对照射在其上的光波进行调制。其中，液晶空间光调制器可以将液晶层作为光调制材料。在液晶层上的各区域施加不同的电场时，可以引起液晶分子排列方向和位置的变化，从而导致各阵列单元的折射率的变化，对入射光进行相位调制。当对不同位置的光叠加不同相位时，可以使光的传播方向发生偏转。
本领域技术人员在具体实施过程中，可以认为空间光调制器403可以用于替代HPDLC光学装置20或波导显示装置30中的第一HPDLC层203和第二HPDLC层204，并可以用于控制出射光的传播方向。
图像源101和中继光学系统102的相关描述，可以参考前述实施例中的描述，此处不再赘述。
可选的，中继光学系统102的出射光可以与中继光学系统102的轴向平行。
可选的，控制器404还可以用于，在第一时间段T1内，控制空间光调制器403的出射光射向中间视场方向；
在第二时间段T2内，控制空间光调制器403的出射光射向第一视场方向；
在第三时间段T3内，控制空间光调制器403的出射光射向第二视场方向。
可选的，可选的，图像源101还用于，在T1内生成中间视场图像，在T2内生成第一视场图像，在T3内生成第二视场图像，其中，中间视场图像、第一视场图像和第二视场图像共同构成完整的视场，用于扩大视场角。
对T1、T2、T3的相关描述，可以参考前述实施例中的描述，此处不再赘述。
空间光调制器光学装置40的技术方案可以应用于波导显示装置10，具体的，本发明实施例公开一种波导显示装置50，包括图像源101、中继光学系统102、输入耦合器103、波导104、输出耦合器105、空间光调制器403，控制器404，其中，
图像源101，用于显示图像；
中继光学系统102，用于将图像源101显示的图像射向空间光调制器403，并成像至无穷远处；
控制器404，用于控制空间光调制器403对出射光进行调制；
输入耦合器103，用于将空间光调制器403的出射光耦入波导104。
输出耦合器105，用于将波导104内传播的光耦出。
波导显示装置50的各个组件的相关描述，已在前文中予以记载，本领域技术人员可以结合本发明公开的内容，在具体实施过程中选用相应的技术方案，此处不再赘述。
可选的，输入耦合器103可以包括层叠设置的第一波导耦入光栅和第二波导耦入光栅。进一步可选的，第一波导耦入光栅在第一角度范围内的衍射效率大于或等于衍射效率阈值，第二波导耦入光栅在第二角度范围内的衍射效率大于或等于衍射效率阈值，其中，第一角度范围与第二角度范围的和大于或等于视场角阈值。
可选的，输出耦合器105可以包括波导耦出光栅。进一步可选的，耦出光栅在靠近输入耦合器103的一侧衍射效率最低，耦出光栅在远离输入耦合器103的一侧衍射效率最高，示例性的，耦出光栅在靠近输入耦合器103的一侧的厚度最薄，耦出光栅在远离输入耦合器103的一侧的厚度最厚。
可选的，波导显示装置50还可以包括设置于波导104出瞳位置的空间光调制器106，用于将波导104的出射光聚焦在预设位置。
本发明还公开了一种光学装置60，如图16所示，包括图像源101，中继光学系统102，光学处理系统603，其中，
图像源101，用于显示图像；
中继光学系统102，用于将图像源101显示的图像射向光学处理系统603，并成像至无穷远处；
光学处理系统603，用于将同一方向的入射光，依次射向至少两个预设方向。
其中，可选的，光学处理系统603可以包括第一HPDLC层203、第二HPDLC层204、和控制器205。第一HPDLC层203、第二HPDLC层204、和控制器205已在前文予以描述，此处不再赘述。
可选的，当中继光学系统102的出射光与中继光学系统102的轴向平行时，光学处理系统603可以用于将与中继光学系统102的轴向平行的入射光，依次射向至少两个预设方向。
可选的，光学处理系统603还可以包括空间光调制器403和控制器404。空间光调制器403和控制器404已在前文予以描述，此处不再赘述。
本领域技术人员还可以根据本发明公开的内容，采用HPDLC层与空间光调制器相结合的技术方案，确定光学处理系统的具体实现方式，本发明对此并不限定。示例性的，光学处理系统603还可以包括HPDLC层504，空间光调制器505，控制器506，其中，
控制器506可以用于在第一时间段T1内，向HPDLC层504施加电压，并控制空间光调制器505的出射光射向第一视场方向，此时，光学处理系统603的出射光射向第一视场方向；
在第二时间段T2内，控制空间光调制器505的出射光射向中间视场方向，此时，光学处理系统603的出射光射向第二视场方向。
上述仅为示例，本领域技术人员还可以在不付出创造性努力的情况下，组合出更多的实施方式。
本发明还公开了一种波导显示装置70，包括图像源101，中继光学系统102，输入耦合器103，波导104，输出耦合器105，光学处理系统603，其中，
图像源101，用于显示图像；
中继光学系统102，用于将图像源101显示的图像射向光学处理系统603，并成像至无穷远处；
光学处理系统603，用于将同一方向的入射光，依次射向至少两个预设方向；
输入耦合器103，用于将光学处理系统603的出射光耦入波导104；
输出耦合器105，用于将波导104内传播的光耦出。
其中，图像源101，中继光学系统102，输入耦合器103，波导104，输出耦合器105，光学处理系统603已在前文予以描述，此处不再赘述。
可选的，当中继光学系统102的出射光与中继光学系统102的轴向平行时，光学处理系统603可以用于将与中继光学系统102的轴向平行的入射光，依次射向至少两个预设方向。
可选的，输入耦合器103可以包括层叠设置的第一波导耦入光栅和第二波导耦入光栅。进一步可选的，第一波导耦入光栅在第一角度范围内的衍射效率大于或等于衍射效率阈值，第二波导耦入光栅在第二角度范围内的衍射效率大于或等于衍射效率阈值，其中，第一角度范围与第二角度范围的和大于或等于视场角阈值。
可选的，输出耦合器105可以包括波导耦出光栅。进一步可选的，耦出光栅在靠近输入耦合器103的一侧衍射效率最低，耦出光栅在远离输入耦合器103的一侧衍射效率最高，示例性的，耦出光栅在靠近输入耦合器103的一侧的厚度最薄，耦出光栅在远离输入耦合器103的一侧的厚度最厚。
可选的，波导显示装置70还可以包括设置于波导104出瞳位置的空间光调制器106，用于将波导104的出射光聚焦在预设位置。
本发明实施例公开的光学装置和基于该光学装置的波导显示装置，可以使用小尺寸图像源，且与图像源相配套的驱动电路等其他部件的体积均可以相应减小，同时，由于中继光学系统的入射光线视场角减小，从而降低了中继光学系统设计的难度及复杂程度，并且可以减少中继光学系统包括的镜片数量，进而可以减小中继光学系统的体积。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (19)

1.一种光学装置，其特征在于，包括图像源，中继光学系统，光学处理系统，其中，
所述图像源，用于显示图像；
所述中继光学系统，用于将所述图像源显示的所述图像射向所述光学处理系统，并成像至无穷远处；
所述光学处理系统，用于将同一方向的入射光，依次射向至少两个预设方向。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述光学处理系统包括层叠设置的第一全息聚合物弥散液晶层和第二全息聚合物弥散液晶层，控制器；
所述中继光学系统，用于将所述图像源显示的所述图像射向所述第一全息聚合物弥散液晶层和所述第二全息聚合物弥散液晶层，并成像至无穷远处；
所述第一全息聚合物弥散液晶层和所述第二全息聚合物弥散液晶层与所述中继光学系统的轴向垂直，且所述第一全息聚合物弥散液晶层和所述第二全息聚合物弥散液晶层的衍射光方向相反；
所述控制器，用于控制向所述第一全息聚合物弥散液晶层和所述第二全息聚合物弥散液晶层施加电场。
3.根据权利要求2所述的光学装置，其特征在于，所述控制器还用于，
在第一时间段内，对所述第一全息聚合物弥散液晶层和所述第二全息聚合物弥散液晶层施加电场；
在第二时间段内，对所述第一全息聚合物弥散液晶层施加电场；
在第三时间段内，对所述第二全息聚合物弥散液晶层施加电场。
4.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述光学处理系统包括空间光调制器和控制器；
所述中继光学系统，用于将所述图像源显示的所述图像射向所述空间光调制器，并成像至无穷远处；
所述控制器，用于控制所述空间光调制器对出射光进行调制。
5.根据权利要求4所述的光学装置，其特征在于，所述控制器还用于，
在第一时间段内，控制所述空间光调制器的出射光射向中间视场方向；
在第二时间段内，控制所述空间光调制器的出射光射向第一视场方向；
在第三时间段内，控制所述空间光调制器的出射光射向第二视场方向。
6.根据权利要求3或5所述的光学装置，其特征在于，所述图像源还用于，
在所述第一时间段内，生成中间视场图像；
在所述第二时间段内，生成第一视场图像；
在所述第三时间段内，生成第二视场图像。
7.根据权利要求3或5所述的光学装置，其特征在于，所述第一时间段、所述第二时间段和所述第三时间段均等于所述图像源刷新率的倒数。
8.一种波导显示装置，其特征在于，包括图像源，中继光学系统，输入耦合器，波导，输出耦合器，光学处理系统，其中，
所述图像源，用于显示图像；
所述中继光学系统，用于将所述图像源显示的所述图像射向所述光学处理系统，并成像至无穷远处；
所述光学处理系统，用于将同一方向的入射光，依次射向至少两个预设方向；
所述输入耦合器，用于将所述光学处理系统的出射光耦入所述波导；
所述输出耦合器，用于将所述波导内传播的光耦出。
9.根据权利要求8所述的显示装置，其特征在于，所述光学处理系统包括层叠设置的第一全息聚合物弥散液晶层和第二全息聚合物弥散液晶层，控制器；
所述中继光学系统，用于将所述图像源显示的所述图像射向所述第一全息聚合物弥散液晶层和所述第二全息聚合物弥散液晶层，并成像至无穷远处；
所述第一全息聚合物弥散液晶层和所述第二全息聚合物弥散液晶层与所述中继光学系统的轴向垂直，且所述第一全息聚合物弥散液晶层和所述第二全息聚合物弥散液晶层的衍射光方向相反；
所述控制器，用于控制向所述第一全息聚合物弥散液晶层和所述第二全息聚合物弥散液晶层施加电场。
10.根据权利要求9所述的显示装置，其特征在于，所述控制器还用于，
在第一时间段内，对所述第一全息聚合物弥散液晶层和所述第二全息聚合物弥散液晶层施加电场；
在第二时间段内，对所述第一全息聚合物弥散液晶层施加电场；
在第三时间段内，对所述第二全息聚合物弥散液晶层施加电场。
11.根据权利要求8所述的显示装置，其特征在于，所述光学处理系统包括空间光调制器和控制器；
所述中继光学系统，用于将所述图像源显示的所述图像射向所述空间光调制器，并成像至无穷远处；
所述控制器，用于控制所述空间光调制器对出射光进行调制。
12.根据权利要求11所述的显示装置，其特征在于，所述控制器还用于，
在第一时间段内，控制所述空间光调制器的出射光射向中间视场方向；
在第二时间段内，控制所述空间光调制器的出射光射向第一视场方向；
在第三时间段内，控制所述空间光调制器的出射光射向第二视场方向。
13.根据权利要求10或12所述的显示装置，其特征在于，所述图像源还用于，
在所述第一时间段内，生成中间视场图像；
在所述第二时间段内，生成第一视场图像；
在所述第三时间段内，生成第二视场图像。
14.根据权利要求10或12所述的显示装置，其特征在于，所述第一时间段、所述第二时间段和所述第三时间段均等于所述图像源刷新率的倒数。
15.根据权利要求8-14所述的任一显示装置，其特征在于，所述输入耦合器包括层叠设置的第一波导耦入光栅和第二波导耦入光栅。
16.根据权利要求15所述的显示装置，其特征在于，所述第一波导耦入光栅在第一角度范围内的衍射效率大于或等于衍射效率阈值，所述第二波导耦入光栅在第二角度范围内的衍射效率大于或等于所述衍射效率阈值，所述第一角度范围与所述第二角度范围的和大于或等于视场角阈值。
17.根据权利要求8-16所述的任一显示装置，其特征在于，所述输出耦合器还包括波导耦出光栅，所述耦出光栅在靠近所述输入耦合器的一侧衍射效率最低，所述耦出光栅在远离所述输入耦合器的一侧衍射效率最高。
18.根据权利要求17所述的显示装置，其特征在于，所述耦出光栅在靠近所述输入耦合器的一侧的厚度最薄，所述耦出光栅在远离所述输入耦合器的一侧的厚度最厚。
19.根据权利要求8-18所述的任一显示装置，其特征在于，还包括：
设置于所述波导出瞳位置的第二空间光调制器，用于将所述波导的出射光聚焦在预设位置。
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