CN112462519A - 一种出光均匀的光栅波导显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种出光均匀的光栅波导显示装置，包括光栅波导器件、光束复制棱镜、投影系统、一号镜片和二号镜片，所述光栅波导器件一端固定安装有光束复制棱镜，所述光束复制棱镜一侧固定安装有投影系统，所述一号镜片和二号镜片相互平行，所述光栅波导器件分成五个区域，所述光栅波导器件由一号入射光栅、二号入射光栅、一号转折光栅、二号转折光栅和出射光栅组成，所述一号入射光栅位于二号入射光栅一侧。本发明在使用时可提升掉能量利用率，并减少杂光的产生，提升整个光栅波导器件的性能，同时传导光束能量更加的均匀，从而使得器件的显示均匀性更佳。
Description
技术领域
本发明涉及显示设备技术领域，具体为一种出光均匀的光栅波导显示装置。
背景技术
随着虚拟现实和增强现实技术逐渐被人们认识和接受，近眼显示设备得到了快速发展。增强现实技术中的近眼显示可以将虚拟图像叠加到现实景物中，同时兼具透视特性，不影响对现实景物的正常观察。利用传统光学元件将虚拟图像耦合进入人眼的方式已经被采用，包括棱镜、半透半反镜片、自由曲面波导、镜面阵列波导等。光栅波导显示技术是利用衍射光栅实现光线的入射、转折和出射，利用全反射原理实现光线传输，将微显示器的图像传导至人眼，进而看到虚拟图像；由于采用和光纤技术一样的全反射原理，光栅波导显示器件可以做的和普通眼镜镜片一样轻薄透明。且由于对光线的转折是通过镜片表面的衍射光栅来实现的，与底板的形状基本没有关系，因此易于批量制造，生产成本低。
但是，现有的一种出光均匀的光栅波导显示装置存在以下缺点：
光栅波导器件通常由一个入射光栅、一个转折光栅、一个出射光栅组成。入射光栅可以将入射光朝向两个对称的方向衍射(一束称为+1级衍射光，另一束称为-1级衍射光)。其中一束衍射光会经过转折光栅传导至出射光栅，经过出射光栅导出光栅波导器件并传导进人眼而被接收。另一束衍射光则通常无法得到有效利用会成为杂光而损失掉。这既增加了系统的杂光，影响了显示效果，又降低了光能传导效率。另外，只有一个入射光栅和转折光栅，光传导均匀性也较低。
发明内容
本发明的目的在于提供出光均匀的光栅波导显示装置，以解决上述背景技术中，只利用了入射光栅的一个方向的衍射光，能量利用率低，且容易产生杂光，影响整个光栅波导器件的性能，同时只利用入射光栅一个方向的衍射光，传导光束能量均匀性较差，从而使得器件的显示均匀性差的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种出光均匀的光栅波导显示装置，包括光栅波导器件、光束复制棱镜、投影系统、一号镜片和二号镜片，所述光栅波导器件一端固定安装有光束复制棱镜，所述光束复制棱镜一侧固定安装有投影系统，所述一号镜片和二号镜片相互平行，所述光栅波导器件分成五个区域，所述光栅波导器件由一号入射光栅、二号入射光栅、一号转折光栅、二号转折光栅和出射光栅组成，所述一号入射光栅位于二号入射光栅一侧，所述一号转折光栅和二号转折光栅分别位于一号转折光栅和二号转折光栅两端。
优选的，所述光束复制棱镜包含光入射表面、一号光出射表面和二号光出射表面，所述光入射表面、一号光出射表面和二号光出射表面相互平行。
优选的，所述光束复制棱镜内部设置有半透半反光学面和内反射光学面，所述半透半反光学面和内反射光学面相互平行。
优选的，所述光入射表面、一号光出射表面和二号光出射表面相互平行表面均镀有增透膜。
优选的，所述二号镜片为半透半反镜片，所述一号镜片为反射镜片。
优选的，所述投影系统射出光束，所述光束从光入射表面入射到光束复制棱镜得到一号反射光、透射光和二号反射光，所述透射光和二号反射光相互平行。
本发明提供了出光均匀的光栅波导显示装置，具备以下有益效果：
(1)、本发明采用两个入射光栅+两个转折光栅+出射光栅的光栅波导结构，两个转折光栅布置与入射光栅的两侧，使得入射光栅产生的两个方向的衍射光可以分别进入两个转折光栅，出射光栅布置于两个转折光栅的一侧，使得入射光栅产生的衍射光经过两个转折光栅的衍射传导后均可以入射到出射光栅。
(2)、两个入射光栅交错布置，使得两个入射光栅产生的衍射光经过两个转折光栅的衍射后，向出射光栅传导的光束中间无间隙，通过采用一个光束复制棱镜将投影系统的光束进行复制，使得装置只需配置一个投影系统即可使得具有两个入射光栅的光栅波导器件正常工作。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的光栅波导器件结构示意图；
图3为本发明的光束复制棱镜结构示意图；
图4为本发明的剖面结构示意图；
图5为本发明的一号镜片和二号镜片结构示意图。
图中：210、投影系统；300、光栅波导器件；312a、一号入射光栅；312b、二号入射光栅；314a、一号转折光栅；314b、二号转折光栅；316、出射光栅；400、光束复制棱镜；41、内反射光学面；42、半透半反光学面；43、光入射表面；44、一号光出射表面；45、二号光出射表面；430、一号镜片；440、二号镜片；51、光束；52、一号反射光；53、透射光；54、二号反射光。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-5所示，本发明提供技术方案：一种出光均匀的光栅波导显示装置，包括光栅波导器件300、光束复制棱镜400、投影系统210、一号镜片430和二号镜片440，所述光栅波导器件300一端固定安装有光束复制棱镜400，所述光束复制棱镜400一侧固定安装有投影系统210，所述一号镜片430和二号镜片440相互平行，所述光栅波导器件300分成五个区域，所述光栅波导器件300由一号入射光栅312a、二号入射光栅312b、一号转折光栅314a、二号转折光栅314b和出射光栅316组成，所述一号入射光栅312a位于二号入射光栅312b一侧，所述一号转折光栅314a和二号转折光栅314b分别位于一号转折光栅314a和二号转折光栅314b两端。
所述光束复制棱镜400包含光入射表面43、一号光出射表面44和二号光出射表面45，所述光入射表面43、一号光出射表面44和二号光出射表面45相互平行。
所述光束复制棱镜400内部设置有半透半反光学面42和内反射光学面41，所述半透半反光学面42和内反射光学面41相互平行。
所述光入射表面43、一号光出射表面44和二号光出射表面45相互平行表面均镀有增透膜。
所述二号镜片440为半透半反镜片，所述一号镜片430为反射镜片。
所述投影系统210射出光束51，所述光束51从光入射表面43入射到光束复制棱镜400得到一号反射光52、透射光53和二号反射光54，所述透射光53和二号反射光54相互平行。
需要说明的是，一种出光均匀的光栅波导显示装置，在工作时，显示装置由光栅波导器件300、光束复制棱镜400和投影系统210组成。光栅波导器件的结构如图2所示。波导器件由光学基板和位于光学基板表面的光栅组成，光栅可以是表面浮雕光栅，全息光栅等。光栅分成五个区域，组成了光栅波导器件五个主要功能区域:两个入射光栅区域(312a,312b),两个转折光栅区域(314a,314b)和一个出射光栅区域(316)。入射光栅312a、312b用于将具有一定视场角、一定入瞳直径的虚拟图像光束导入光栅波导器件300中。入射光栅312a、312b会将入射光朝向两个近似相对的方向衍射，一部分朝向转折光栅区域314a传导这部分光通常为+1级衍射光，一部分朝向转折光栅314b传导这部分光通常为-1级衍射光。两部分衍射光经过转折光栅314a、314b的转折传导后，均会进入出射光栅区域316并得到有效利用。因此这种结构可以使入射光栅产生的不同方向的衍射光束均得到有效利用，可以极大的提高光能传导效率，并减少杂光。
转折光栅314a可以将入射光栅312a、312b的一部分衍射光束通常为+1级衍射光束沿垂直向上的方向扩展，同时产生朝向出射光栅316传导的衍射光束。转折光栅314b可以将入射光栅312a、312b的另外一部分衍射光束通常为-1级衍射光束沿垂直向下的方向扩展，同时产生朝向出射光栅316传导的衍射光束，出射光栅316可以将光束沿水平方向扩展，同时将光能量传导出光栅波导器件300，从而使得光栅波导器件300所传导的图像光束从出瞳出射并被人眼感知，使人看到虚拟图像。
这种结构中，入射光栅312a、312b产生的两束衍射光均携带虚拟图像的显示及视场角信息，在同样的出射光栅316尺寸的情况下y轴方向的宽度，这种结构的每一侧的衍射光在转折光栅中沿y轴或负y轴传导的光程要短于传统的光栅波导结构，近乎是传统光程的一半，因为衍射光在转折光栅中沿y轴或负y轴方向传导过程中能量会衰减，导致传导光束能量不均匀，衰减程度与衍射光在转折光栅中沿y轴或负y轴传导的光程成正比，因此本专利中的光栅波导结构可以显著提高光束传导均匀性，从而显著提高整个光栅波导显示装置的显示均匀性。
光栅波导器件300中，有两个入射光栅区域312a，312b，入射光栅312a与入射光栅312b未处于相同的水平位置，而是相互错开，使得沿水平方向观察，转折光栅314a与转折光栅314b之间几乎无间隙。这样可以使得转折光栅314a向出射光栅316传导的光与转折光栅314b向出射光栅316传导的光之间无间隙。
如果转折光栅314a向出射光栅316传导的光与转折光栅314b向出射光栅316传导的光之间存在间隙，这个间隙会导致出射光栅316对应的区域无出射光线，即产生暗带。由于间隙D存在于光栅波导器件的中央区域，因此，暗带也位于中央区域。中央区域是光栅波导器件工作时人眼接受光栅的主要区域，此区域的暗带会严重影响光栅波导器件的工作性能。
通过设置两个入射光栅312a，312b，并对两个入射光栅交错布置，避免了光栅波导器件中央区域出现暗带，使得光线传导更均匀，从而保证了光栅波导的优异性能。
光束复制棱镜400的结构如图3所示。棱镜材质可以是光学玻璃或塑料。光束复制棱镜400包含三个透光表面43、44和45，其中43为光入射表面，44和45为光出射表面。棱镜还包括一个半透半反光学面42，位于光束复制棱镜400的内部，可以将入射到其上的光束分成两部分，一部分透射，一部分反射。一个内反射光学面41，可以将入射到其上的光束反射。投影系统210发出的光束51从光入射表面43入射到光束复制棱镜400中，光束入射到半透半反光学面42时，会分成两束光，一束透射光53，透射过棱镜从透光表面45出射；一束反射光52，会入射到内反射光学面41，经过内反射光学面41的反射，产生反射光54，反射光54透过透光表面44出射。通过设置透光表面43、44、45及内反射光学面41、半透半反光学面42，五个光学面之间的夹角，可以使得射出透射光53和54互相平行。一种通常的实施方法是，内反射光学面41与半透半反光学面42互相平行，三个透光表面43、44和45互相平行。三个透光表面43、44和45可以镀有增透膜，以增加透光性能。半透半反光学面42通常的透射与反射能量比为1：1，以使得透射光53和54能量相同和近似相同，保证光束的均匀性。
图4所示为光束复制棱镜400的另外一种替代实施方案。此实施方案中，包含两个平行放置的薄光学镜片430和440，材质可以是玻璃、塑料或其他光学材质。二号镜片440为半透半反镜片，可以将入射到其上的光束分成两束，一束为透射光，一束为反射光。一号镜片430为反射镜片。光束入射到半透半反镜片440上，被分成两束光，透射光穿过二号镜片440继续向下传导，反射光会朝向一号镜片430传导，经过一号镜片430的反射后向下传导，由于一号镜片430和二号镜片440平行放置，依据光学反射定律，二号镜片440的透射光与一号镜片430的反射光互相平行。
如图5所示，投影系统210发出的带有图像信息的光线投射到光束复制棱镜400上，光束复制棱镜400会将投影系统210发出的一束光调制成两束互相平行的光束。光束复制棱镜400的出光位置与光栅波导器件300的入射光栅相对应，从光束复制棱镜400发出的两束平行光束入射到光栅波导器件300的两个入射光栅312a，312b，经过光栅波导器件300的传导扩展出射后，入射到人眼而被感知。
投影系统210用于产生带有图像信息的投射光束，其可以为LCOS微投影系统、DLP微投影系统、OLED微投影系统、Micro LED微投影系统、LBS激光扫描微投影系统等等。LCOS微投影系统和DLP微投影系统通常包含微显示器LCOS或DMD，背光LED或激光及光学镜片组等；OLED微投影系统和Micro LED微投影系统通常包含微显示器OLED或Micro LED和光学镜片组；LBS激光扫描微投影系统通常包含激光光源，准直系统和扫描器件MEMS或扫描光纤等。
通常的光栅波导显示装置只有一个入射光栅，入射光栅衍射后传导至转折光栅以及转折光栅传导至出射光栅316的光束密度较小，为了保证光束出光均匀性，需要投影系统210具有较大的光束直径。本方案中，光栅波导有两个入射光栅，光束密度近乎是传统光栅波导显示装置的两倍，这样就可以允许投影系统210具有小的光束直径，而光束直径减小会使得投影系统210的体积尺寸大幅减小，从而有利于减小整个显示装置的尺寸。
本方案通过光束复制棱镜400可以将投影系统210发出的一束光调制为两束平行光，使得具有两个入射光栅的光栅波导器件300可以正常工作。不需要设置两个投影系统，从而在保证系统功能的同时，简化了结构，减小了复杂性和体积。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种出光均匀的光栅波导显示装置，其特征在于：包括光栅波导器件(300)、光束复制棱镜(400)、投影系统(210)、一号镜片(430)和二号镜片(440)，所述光栅波导器件(300)一端固定安装有光束复制棱镜(400)，所述光束复制棱镜(400)一侧固定安装有投影系统(210)，所述一号镜片(430)和二号镜片(440)相互平行，所述光栅波导器件(300)分成五个区域，所述光栅波导器件(300)由一号入射光栅(312a)、二号入射光栅(312b)、一号转折光栅(314a)、二号转折光栅(314b)和出射光栅(316)组成，所述一号入射光栅(312a)位于二号入射光栅(312b)一侧，所述一号转折光栅(314a)和二号转折光栅(314b)分别位于一号转折光栅(314a)和二号转折光栅(314b)两端。
2.根据权利要求1所述的一种出光均匀的光栅波导显示装置，其特征在于：所述光束复制棱镜(400)包含光入射表面(43)、一号光出射表面(44)和二号光出射表面(45)。
3.根据权利要求2所述的一种出光均匀的光栅波导显示装置，其特征在于：所述光入射表面(43)、一号光出射表面(44)和二号光出射表面(45)相互平行。
4.根据权利要求1所述的一种出光均匀的光栅波导显示装置，其特征在于：所述光束复制棱镜(400)内部设置有半透半反光学面(42)和内反射光学面(41)，所述半透半反光学面(42)和内反射光学面(41)相互平行。
5.根据权利要求3所述的一种出光均匀的光栅波导显示装置，其特征在于：所述光入射表面(43)、一号光出射表面(44)和二号光出射表面(45)相互平行表面均镀有增透膜。
6.根据权利要求1所述的一种出光均匀的光栅波导显示装置，其特征在于：所述二号镜片(440)为半透半反镜片。
7.根据权利要求1所述的一种出光均匀的光栅波导显示装置，其特征在于：所述一号镜片(430)为反射镜片。
8.根据权利要求1所述的一种出光均匀的光栅波导显示装置，其特征在于：所述投影系统(210)射出光束(51)，所述光束51从光入射表面(43)入射到光束复制棱镜(400)得到一号反射光(52)、透射光(53)和二号反射光(54)，所述透射光(53)和二号反射光(54)相互平行。
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