CN114051593B

CN114051593B - 近眼显示设备、包括其的增强现实眼镜及其操作方法

Info

Publication number: CN114051593B
Application number: CN202080048090.5A
Authority: CN
Inventors: 尼古拉·维克托罗维奇·穆拉韦夫; 德米特里·叶夫根耶维奇·皮斯库诺夫; 加夫里尔·尼古拉耶维奇·沃斯特里科夫; 安德烈·尼古拉耶维奇·普季林
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2024-05-03
Anticipated expiration: 2040-06-17
Also published as: WO2021010603A1; US20220107501A1; EP3998506A1; CN114051593A; EP3998506B1; EP3998506A4; EP3998506C0

Abstract

提供了一种近眼显示设备、包括近眼显示设备的增强现实设备和近眼显示设备的操作方法。近眼显示设备包括具有第一扩展衍射光栅的第一扩展波导和具有第二衍射光栅的第二波导，并且第一扩展衍射光栅和第二衍射光栅位于不同的平面上。

Description

近眼显示设备、包括其的增强现实眼镜及其操作方法

技术领域

本公开涉及一种近眼显示设备、包括近眼显示设备的增强现实设备、以及近眼显示设备的操作方法。

背景技术

可佩戴近眼显示设备被经常使用。用户需要具有宽视场(FOV)、重量轻、成本低、尺寸小且分辨率高的AR设备、VR设备等。这种可穿戴近眼显示设备可能会取代电视和智能手机。

例如，增强现实眼镜系统需要在大面积上叠加虚拟图像的可能性、重量轻、成本低、分辨率高、对比度高等，以实现使得人眼能够覆盖人所看到的整个区域的宽视角。

当满足这些要求时，近眼显示设备可以提供大面积和宽FOV，使眼睛能够无损失地看到整个图像。有几种方法可以实现这些要求。一些方法可以提供宽FOV，但是不能提供使眼睛能够无损失地看到整个图像的大面积。其它方法可以提供大面积，使眼睛能够无损失地看到整个图像，但是不能提供宽FOV。

不使用出瞳倍增的现有系统配备有输入和输出光栅(全息光学元件(HOE)或衍射光学元件(DOE))。这些系统示意性地如下操作。投影仪在形成平行光束的无限远处形成图像，其中位于波导上的输入全息图或输入衍射元件被放置在投影仪的出瞳中。由于元件的衍射，平行光束在不破坏平行性的情况下被引入波导，然后由于全内反射，光束在波导中扩展并进入输出衍射元件(HOE/DOE)。

在这种情况下，因为通过衍射光栅传输的光束中仅一个衍射级的光束被使用，并且输入和输出光栅只用在一个平面上，所以输入处的宽场变成输出处的狭窄画面。狭窄画面看起来不舒服，因为当眼睛的瞳孔向前看时，只能清楚地看到图像的中心区域。位于狭窄画面边缘的图像部分代表暗区，而当眼睛的瞳孔在竖直方向上移动时，中心部分显示为暗区。换句话说，用户只能看到图像的窄条。

发明内容

技术问题

提供了一种能够提供宽视场(FOV)的近眼显示设备。

提供了一种能够提供宽FOV的增强现实设备。

提供了一种能够提供宽FOV的近眼显示设备的操作方法。

解决方案

根据本公开的一方面，一种近眼显示设备包括：投影系统，被配置为显示图像；第一扩展波导，包括第一表面和与第一表面相对的第二表面，其中来自投影系统的光入射在第一表面或第二表面上；第一扩展衍射光栅，被包括在第一扩展波导中；第二波导，从第一扩展波导发射的光入射在第二波导上；以及第二衍射光栅，被包括在第二波导中，其中第一扩展衍射光栅和第二衍射光栅位于不同的平面上，使得从第一扩展波导发射的0级衍射光入射到第二波导上。

来自投影系统的光可以入射在第一扩展波导上，并且光入射在第一扩展衍射光栅上的角度可以相对于第一扩展波导的表面的法线具有0至90度的范围。

第一扩展衍射光栅的光栅线可以沿着光从投影系统到第一扩展衍射光栅上的投影而布置。

投影系统的主光束在第一扩展波导的平面上的投影与第一扩展衍射光栅的光栅线之间的锐角可以具有+30度到-30度的范围。

第一扩展衍射光栅可以位于第一扩展波导的、来自投影系统的光入射在其上的第一表面上。

第一扩展波导的第二表面可以具有镜面涂层。

来自投影系统的光可以入射在第一表面上，并且第一扩展衍射光栅可以位于第二表面上。

第二波导可以包括光入射在其上的第一区域、光不进入用户的眼睛的第二区域、以及光进入眼睛的瞳孔的第三区域。

近眼显示设备可以被配置为使得衍射不在第二波导的第二区域中发生。

第二衍射光栅可以被配置为具有第一区域的衍射效率＞第三区域的衍射效率＞第二区域的衍射效率的关系。

第二衍射光栅可以被配置为具有第一区域的衍射效率＞第二区域的衍射效率＝第三区域的衍射效率的关系。

第二衍射光栅的第一区域可以具有高衍射效率，并且第二区域和第三区域可以具有梯度衍射效率。

第二衍射光栅的第一区域可以具有高衍射效率，第二区域可以具有比第一区域低的衍射效率，并且第三区域可以具有梯度衍射效率。

第一扩展波导和第二波导可以构成单片弯曲形状的波导。

第一扩展波导和第二波导中的每一个可以配置有衍射光学元件和全息元件之一。

第二衍射光栅可以在单个表面上包括输入耦合衍射光栅和输出耦合衍射光栅。

根据本公开的一方面，一种增强现实眼镜包括用于左眼的元件和用于右眼的元件。用于左眼的元件和用于右眼的元件中的至少一个包括：投影系统；包括第一表面和与第一表面相对的第二表面的第一扩展波导，其中来自投影系统的光入射在第一表面上；被包括在第一扩展波导中的第一扩展衍射光栅；从第一扩展波导发射的光入射在其上的第二波导；以及被包括在第二波导中的第二衍射光栅。第一扩展衍射光栅和第二衍射光栅位于不同的平面上，使得由第一扩展波导输出的0级衍射光入射到第二波导上。

用于左眼的元件可以与用于右眼的元件分离地定位，并且用于右眼的元件可以与用于右眼的元件耦合。

根据本公开的一方面，一种近眼显示设备的操作方法包括：使来自投影系统的光入射到第一扩展衍射光栅上；从入射到第一扩展衍射光栅上的光束的相应衍射来形成-1级衍射、0级衍射和+1级衍射；从第一扩展波导输出0级衍射光，并且将0级衍射光输入到第二波导；由于全内反射在第一扩展波导中扩展-1级衍射光和+1级衍射光，并且将经扩展的-1级衍射光和经扩展的+1级衍射光反馈到第一扩展衍射光栅，并使经扩展的-1级衍射光和经扩展的+1级衍射光入射到第一扩展衍射光栅上的不同位置；以及从-1级衍射光和+1级衍射光中的每一个形成新的-1级衍射、新的0级衍射和新的+1级衍射。

入射到第二波导上的每个0级衍射光可以经由第二波导通过第二衍射光栅，入射到第二衍射光栅上的每个光线的衍射可以形成-1级衍射、0级衍射和+1级衍射，并且+1级衍射可以被第二波导的表面反射且可以再次入射到第二衍射光栅上，其中第二波导的所述表面与第二波导的面向眼睛的表面相对。

本公开的有益效果

根据实施例的近眼显示设备可以提供宽视场。根据实施例的近眼显示设备可以通过在单个平面上包括输入耦合衍射光栅和输出耦合衍射光栅来降低制造成本。

附图说明

图1是示意性地示出根据实施例的近眼显示设备的视图。

图2是图1的近眼显示设备的平面图。

图3是根据另一实施例的近眼显示设备的示意图。

图4示出根据实施例的根据近眼显示设备的第二衍射光栅的长度的衍射效率。

图5是根据另一实施例的近眼显示设备的示意图。

图6是根据另一实施例的近眼显示设备的示意图。

图7是根据另一实施例的近眼显示设备的示意图。

图8a至图8c是示意性地示出根据实施例的近眼显示设备的视图。

图9和图10是用于解释根据实施例的近眼显示设备的操作方法的视图。

图11示意性地示出根据实施例的近眼显示设备的扩展衍射光栅的结构。

图12是用于解释根据比较示例的近眼显示设备的操作的视图。

图13是用于解释根据实施例的近眼显示设备的操作的视图。

具体实施例

现在将描述根据实施例的近眼显示设备、包括近眼显示设备的增强现实设备、和近眼显示设备的操作方法。

附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中，为了清楚和便于解释，元件的尺寸可能被夸大。虽然诸如“第一”、“第二”等的术语可以用于描述各种组件，但是这些组件不应受限于上述术语。上述术语仅用于将一个组件与另一组件区分。

以单数使用的表达包括复数的表达，除非它在上下文中具有明显不同的含义。当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”或“含有”指定所述要素的存在，但不排除一个或多个其它要素的存在或添加。在附图中，为了解释清楚，元件的尺寸或厚度可能被放大。应当理解的是，当材料层被称为“形成在”衬底或另一层上时，其可以直接或间接地形成在衬底或另一层上。也就是说，例如，可以存在中间层。构成以下实施例中的每一层的材料是示例性的，因此可以使用其它材料。

术语“单元”、“...器或(...机)”、以及“模块”在本说明书中使用时是指其中执行至少一个功能或操作的单元，并且可以被实现为硬件、软件、或硬件和软件的组合。

本文所示和所述的特定实施方式是本公开的说明性示例，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。为了简洁起见，可能不详细描述常规电子器件、控制系统、软件开发和系统的其它功能方面。此外，在所呈现的各个图中示出的连接线或连接器旨在表示各个元件之间的示例性功能关系和/或物理或逻辑耦合。应当注意的是，在实际设备中可以存在许多备选的或额外的功能关系、物理连接或逻辑连接。

术语“一”和“一个”和“该”以及类似指示物的使用应被解释为覆盖单数和复数两者。

构成方法的操作可以以任何适当的顺序执行，除非在此另有说明。除非另外要求，否则本文提供的任何和所有示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在详细解释本公开的技术精神，并不对本公开的范围施加限制。

图1是示意性地示出根据实施例的近眼显示设备10的视图。

近眼显示设备10可以用作用于一只眼睛的独立设备(单眼)。或者，近眼显示设备可以被包括在两只眼睛中的每只眼睛中。当近眼显示设备被耦接用于左眼和右眼时，用户可以观看立体图像。近眼显示器设备可以用在例如增强现实眼镜、增强现实头盔、虚拟现实眼镜等中。

参照图1，近眼显示设备10可以包括投影系统1、来自投影系统1的光入射到其上的第一扩展波导2、以及第二波导3。

图2是近眼显示设备的示意性平面图。

参照图2，第一扩展波导2可以包括第一表面21和与第一表面21相对的第二表面22，其中来自投影系统1的光入射到第一表面21上。例如，第一表面21和第二表面22可以彼此平行。然而，实施例不限于此。

第一扩展衍射光栅2a可以被包括在第一扩展波导2中。例如，第一扩展衍射光栅2a可以被布置在第二表面22上。第一扩展衍射光栅2a可以是例如透射的。

第二扩展衍射光栅3a可以被包括在第二波导3中。第二波导3可以包括由第一扩展波导2输出的光入射在其上的第三表面31和与第三表面31相对的第四表面32。第二扩展衍射光栅3a可以被布置在第三表面31上。例如，第三表面31和第四表面32可以彼此平行。然而，实施例不限于此。

第一扩展波导2和第二波导3可以位于不同的平面上。例如，第一扩展波导2和第二波导3可以位于大于0度且等于或小于180度的角度范围内的不同平面上。例如，第一扩展波导2的第一表面21与第二波导3的第三表面31之间的角度θ可以具有大于0度且等于或小于180度的范围。由第一扩展衍射光栅2a输出的0级衍射光可以以与入射到第一扩展波导2上的光相同的角度从第一扩展波导2发射。因此，入射到第一扩展波导2上的光可以通过第一扩展波导2内的全内反射被广泛地扩展，在没有折射的情况下通过第一扩展波导2，并且可以入射到第二波导3上。第一扩展波导2和第二波导3可以是透明的。

当投影系统1用于用户的两只眼睛中的每只眼睛时，可以使用相同的图像。作为另一示例，当使用用于每只眼睛的每个投影系统和单独波导时，投影系统可以为每只眼睛投影每个图像。投影系统1可以位于第一扩展波导2的横向侧。

例如，可以为右眼和左眼中的每个提供用于显示增强现实的近眼显示设备，以配置用于显示增强现实的眼镜。

参照图2，第二衍射光栅3a可以具有接收光的输入耦合衍射光栅4和输出耦合衍射光栅5被布置在一个表面上的结构。因此，与输入耦合衍射光栅和输出耦合衍射光栅被布置在不同表面上时相比，这种情况可以降低制造成本。

近眼显示设备包括用于右眼的元件和用于左眼的元件，并且每个元件可以包括投影系统1、包括第一扩展衍射光栅2a的第一扩展波导2、和包括第二衍射光栅3a的第二波导3。第二波导3可以包括光输入区域、防止输出光进入眼睛的中间区域、以及当瞳孔在观看图像的同时移动时使得光能够进入眼睛的瞳孔的有用光输出区域。这将在后面详细描述。

根据实施例的显示设备能够避免当竖直和水平地观看图像时视场的限制。换句话说，可以增加视野、眼睛移动、和再现效率，并且眼镜系统具有小的尺寸，因此容易以低成本制造。这些优点通过以下事实来实现：即，输入耦合衍射光栅和输出耦合衍射光栅被配置为单个衍射光栅，并且来自用于复用或扩展来自投影系统的光的扩展衍射光栅的光被耦合到用于向波导输入/从波导输出的衍射光栅。根据实施例，需要注意的是，全息衍射光栅可以用作衍射光栅。

下面的术语用于解释实施例。

眼球移动框(EMB)表示眼睛的内部区域，在该区域中，眼睛可以在眼球移动的同时完全看到整个虚拟图像而没有损失。包括第一扩展衍射光栅的第一扩展波导可以是使出瞳倍增的系统。换句话说，可以在第一扩展波导的输出处形成多个出瞳而不是一个出瞳，并且第一扩展衍射光栅和第一扩展波导可以被布置为彼此靠近或彼此接触，或者可以彼此间隔开一定距离。这种倍增出瞳的形成提供了宽的眼睛移动区域，并且因此允许完全观看整个虚拟图像而没有损失。光束的扩展或复用是指宽度(光束的横向尺寸)的增加，其不会引起失真(像差)。

出瞳(或光学系统的光瞳)表示孔径光阑在由光学系统在光线的直接路线中形成的像空间中的近轴图像。该术语在光学领域是公认的。出瞳的主要性质是整个像场存在于任何时间点。出瞳的倍增可以增大出瞳的尺寸而不增大光学系统的纵向尺寸。

传统光学系统增大了出瞳的尺寸，并且传统光学系统的纵向尺寸增大，而根据实施例的波导光学设备可以增大出瞳的尺寸，但由于光线在波导内的多次反射而不增大纵向尺寸。根据实施例，当波导和衍射光栅的光栅线相对于入射光以特定角度定位时，可以出现扩展特性。这些将在下面讨论。衍射效率是以单位百分比或部分测量的衍射光栅的性质。衍射效率是衍射级之一中包含的能量与入射到衍射光栅上的能量的比率。衍射效率是公知的。

根据实施例，投影系统1相对于第一扩展衍射光栅2a和第一扩展波导2倾斜一定角度。当第一扩展衍射光栅2a被应用于第一扩展波导2时，第一扩展衍射光栅2a的光栅线可以被定向为使得入射光的一些接收衍射级沿着具有全内反射的第一扩展波导2行进。

入射到第一扩展衍射光栅2a上的光在三个方向上传播，但是形成0、-1和+1衍射级。衍射光栅可以根据许多方法来创建。例如，可以通过掩模蚀刻或纳米压印来形成浮雕衍射光栅，并且可以将全息衍射光栅记录为干涉图案。例如，波导之间(第一扩展波导与第二波导之间)的理论角度范围和对应衍射光栅之间(第一扩展衍射光栅与第二衍射光栅之间)的理论角度范围可以是例如+90度到-90度。第一扩展衍射光栅2a的光栅周期的范围可以是例如相对于可见颜色的1200nm至400nm。第二衍射光栅3a的光栅周期的范围可以是例如700nm至200nm。

第一扩展波导2和第二波导3中的每个可以配置有衍射光学元件和全息元件之一。

所提出的设备可以使用任何合适的材料制造，例如玻璃、聚合物或晶体。在本公开中，材料和参数不限于所列举的那些，这对于本领域技术人员将是显而易见的。然而，所有选项并不限制本公开，因为这些选项对于本领域技术人员是显而易见的。

图2是根据另一实施例的近眼显示设备100的视图。

近眼显示设备100可以包括提供图像的投影系统101、来自投影系统101的光入射到其上的第一扩展波导102、以及来自第一扩展波导102的光入射到其上的第二波导103。

第一扩展波导102可以包括第一表面121和面对第一表面121的第二表面122。来自投影系统101的光可以入射到第一扩展波导102的第一表面121上。第一扩展衍射光栅102a可以位于第一表面121上。

反射涂层104可以形成在第一扩展波导102的第二表面122上。反射涂层104可以提高第一扩展波导102的光学效率。与第一扩展衍射光栅102a位于第二表面122上的情况相比，本实施例可以提高光学效率。反射涂层104可以防止当第一扩展衍射光栅102a位于第二表面122上时发生光损失。

第一扩展衍射光栅102a可以被包括在第一扩展波导102中，使得第一扩展衍射光栅102a与第一扩展波导102之间的边界具有各种几何图形中的任何一种，例如，矩形、多边形、或具有弓形面的任意几何图形。换句话说，第一扩展衍射光栅102a与第一扩展波导102相交的边界面可以具有各种几何图形中的任意一种。或者，根据形成衍射结构的方法，第一扩展衍射光栅102a可以直接形成在第一扩展波导102的表面上。

第一扩展衍射光栅102a可以是对称型或非对称型。另一边界轮廓可能影响图像的性能和眼睛图像的均匀性。可以根据诸如在不同位置获得图像强度分布的给定图片或补偿来自投影系统的在视场上的不均匀的图像亮度的物镜之类的物镜来选择第一扩展衍射光栅102a与第一扩展波导102之间的边界轮廓。

第二衍射光栅103a可以具有多个具有不同衍射效率的区域。通过与用于显示增强现实的设备的所有元件组合，衍射效率的各种结构可以补偿视场中的不均匀亮度并且提高眼睛所看到的图像的均匀性。

图4示出根据第二波导103的衍射效率的多个区域。

参照图4，第二衍射光栅103a的整个区域可以被分成若干区域。例如，第二衍射光栅103a可以包括光输入到其中的第一区域I、输出光不进入眼睛的第二区域II、以及输出光进入眼睛的有用的第三区域III。在眼球移动范围内观看时，当移动眼睛的瞳孔时，来自有用的第三区域III的光可以进入眼睛的瞳孔。例如，第一区域I可以包括输入耦合衍射光栅，并且第三区域III可以包括输出耦合衍射光栅。

如图4所示，第二衍射光栅103a可以在第一区域I、第二区域II和第三区域III中具有不同的衍射效率。第二衍射光栅103a的第一区域I、第二区域II和第三区域III的相应衍射效率分布被示意性地示出在曲线图中。

第二衍射光栅103a可以以各种形式提供衍射效率。

例如，下面将描述图4的a)。

因为从第一扩展波导102发射的光入射到第二波导103上，所以光输入到的第二衍射光栅103a的第一区域I可以具有最大衍射效率。第一区域I可以具有最低的损失。第二衍射光栅103a的最大衍射效率可以向用户提供高图像亮度和宽亮度。

第二区域II可以具有最小衍射效率。在理想情况下，第二区域II的衍射效率可以是0。

第三区域III可以在有用的光输出场中具有相对低的衍射效率，从而确保均匀的图像输出，即均匀的图像亮度。结果，可以建立第一区域I的衍射效率＞第三区域III的衍射效率＞第二区域II的衍射效率的关系。

接下来，将描述图4的b)。

因为第一区域I是第二衍射光栅103a的、光入射在其上的区域，所以第一区域I可以具有最大衍射效率，并因此从第一扩展波导102发射的光可以具有最低的损失且可以入射到第二衍射光栅103a中。最大衍射效率可以提供高图像亮度，并因此可以为用户提供宽亮度设置。

第二区域II和第三区域III可以具有小于最大衍射效率的平均衍射效率。平均衍射效率表示所使用的衍射光栅类型的最大效率的平均值，可以指代最大效率与最小效率之间的中间值。因此，可以建立第一区域I的衍射效率＞第二区域II的衍射效率＝第三区域III的衍射效率的关系。

接下来，将描述图4的c)。

因为第一区域I是第二衍射光栅103a的、光入射在其上的区域，所以第一区域I可以具有最大衍射效率，并因此从第一扩展波导102发射的光可以具有最低的损失且可以入射到第二衍射光栅103a中。

第二区域II和第三区域III可以具有梯度衍射效率。衍射效率可以具有从第二区域II到第三区域III逐渐增大的分布。在这种情况下，与图4的a)相比，近眼显示设备的总体光学效率可以增加。

接下来，将描述图4的d)。

第二区域II可以具有最小衍射效率。

第三区域III可以具有梯度衍射效率。

在图4的d)的情况下，第二波导103具有良好的光学效率。在图4的b)的情况下，易于制造第二衍射光栅。

图5是根据另一实施例的近眼显示设备200的透视图。

近眼显示设备200可以包括投影系统201、第一扩展波导202和第二波导203。第一扩展衍射光栅202a可以被包括在第一扩展波导202中。第一扩展波导202可以包括第一表面221和面对第一表面221的第二表面222。例如，第一扩展衍射光栅202a可以被布置在第二表面222上。第二扩展衍射光栅203a可以被包括在第二波导203中。来自投影系统201的光可以朝向第一扩展波导202的第二表面222入射。

第二波导203可以包括光输入到其中的第一区域I、输出光不进入眼睛的第二区域II、以及输出光进入眼睛的有用的第三区域III。在眼球移动范围内观看时，当移动眼睛的瞳孔时，来自有用的第三区域III的光可以进入眼睛的瞳孔。

在第二波导203的第二区域II中可能不发生衍射。换句话说，第二区域II的衍射效率可以是0。

例如，第二波导203的第二区域II可以不包括第二衍射光栅203a，或者可以具有零衍射效率。第二区域II可以不具有任何用于输出光的功能负载。光可以不通过第二波导203的第二区域II从第二波导203发射，并且由于全内反射而可以沿着第二波导203传播得更远。因此，可以减少光损失。

图6是根据另一实施例的近眼显示设备300的视图。

近眼显示设备300可以包括投影系统301、第一扩展波导302和第二波导303。根据本实施例，第一扩展波导302和第二波导303可以彼此一体地形成。第一扩展衍射光栅302a可以被包括在第一扩展波导302中。第一扩展波导302可以包括第一表面321和面对第一表面321的第二表面322。例如，第一扩展衍射光栅302a可以被布置在第二表面321上。然而，实施例不限于此，并且第一扩展衍射光栅可以被布置在第二表面322上。第二扩展衍射光栅303a可以被包括在第二波导303中。来自投影系统301的光可以入射到第一扩展波导302的第一表面321上。

第一扩展波导302和第二波导303可以配置有单片弯曲波导。第一扩展波导302可以构成波导的在一个方向上弯曲的部分，并且第二波导303可以构成同一波导的在另一方向上弯曲的部分。本实施例有利于制造基于近眼显示设备的眼镜。本实施例的操作原理与上面给出的描述相同。

图7是根据另一实施例的显示设备400的视图。

显示设备400可以包括投影系统401、第一扩展波导402和第二波导403。第一扩展波导402可以包括第一表面421和面对第一表面421的第二表面422。第一表面421和第二表面422可以彼此平行。第一扩展衍射光栅402a可以被布置在第一扩展波导402的第一表面421上。反射涂层404可以被布置在第二表面422上。

第二扩展衍射光栅403a可以被包括第二波导403中。来自投影系统401的光可以入射在第一扩展波导402的第一扩展衍射光栅402a上。第二波导403可以包括第三表面431和面对第三表面431的第四表面432。第三表面431和第四表面432可以彼此平行。第二扩展衍射光栅403a可以被布置在第四表面432上。由第一扩展波导402输出的光可以入射到第四表面432上。

第一扩展波导402和第二波导403可以例如彼此平行地布置。第一扩展波导402的第一表面421的一部分可以被布置为通过与第二波导403的第四表面432的一部分重叠而面对第二波导403的第四表面432的该部分。第一扩展波导402和第二波导403可以被布置为彼此分开。例如，第二波导403可以位于第一扩展波导402之上。本实施例能够很好地应用于增强现实头盔安装系统。

根据实施例的近眼显示设备可应用于例如增强现实眼镜。

增强现实眼镜可以包括用于左眼的第一元件和用于右眼的第二元件。

参考图8a，增强现实眼镜可以包括用于生成和发送针对左眼的图像的第一元件和用于生成和发送针对右眼的图像的第二元件。

参照图1，第一元件和第二元件中的每个可以包括投影系统1和具有第一扩展衍射光栅2a的第一扩展波导2。用于左眼的第一元件的第二波导3和第二衍射光栅3a可以被布置在布置于左眼上的左镜框LGF上。用于右眼的第二波导3和第二衍射光栅3a可以被布置在布置于右眼上的右镜框RGF上。根据本实施例，可以将不同的图像提供给左眼和右眼，因此可以提供立体图像。

在图8b的增强现实眼镜中，第一元件(用于左眼)可以耦合到第二元件(用于右眼)。例如，第一元件(用于左眼)的第二波导3可以共同用于第二元件(用于右眼)中。对于左眼和右眼中的每个，可以包括投影系统1和第一扩展波导2。对于左眼和右眼公共的具有用于输入/输出的第二衍射光栅3a的第二波导3可以被布置在位于左眼和右眼上的公共框架GF上。第二波导3可以将左眼和右眼的相应视场彼此组合。

第一元件和第二元件中的每个包括投影系统1和具有第一扩展衍射光栅2a的第一扩展波导2，并且第一元件和第二元件分别位于左眼和右眼的横向侧。在该实施例中，两个投影系统1具有用于同步它们的操作的单个公共驱动器，但是可以不提供立体图像。

图8c示出增强现实眼镜的另一示例。

根据本实施例，第一元件(用于左眼)可以耦合到第二元件(用于右眼)。换句话说，第一元件可以共同用于左眼和右眼。包括第二衍射光栅3a的第二波导3可以被布置在位于左眼和右眼上的公共镜框GF上。根据本实施例，第一元件(用于左眼)和第二元件(用于右眼)可以包括单个投影系统1和单个第一扩展波导2，并且投影系统1和第一扩展波导2可以被布置在左眼或右眼的横向侧上。

图9和图10是用于解释根据实施例的近眼显示设备的操作方法的视图。将参照图3的实施例描述根据实施例的近眼显示设备的操作方法。

根据实施例，+1级光、0级光和-1级光都可以被使用。参照图9，第一扩展衍射光栅102a和第一衍射光栅103a可以位于不同的平面上，并且光可以以与光的输入角相同的角度输出。因此，眼睛看到的图像不受坐标轴的限制。图像明亮，扩大了眼睛移动区域，并且图像对于用户更加方便。例如，诸如DMD投影仪、LCoS投影仪、SLM投影仪或激光扫描投影仪之类的小型投影仪可以用作投影系统101。

图9和图10示出了当第一扩展衍射光栅102a被布置在第一扩展波导102的第一表面121上时，光如何在第一扩展波导102中被扩展。

如图9和图10所示，包括第一扩展衍射光栅102a的第一扩展波导102可以被布置在投影系统101的出瞳的区域上。第一扩展波导102可以通过使用典型的方法由任何合适的材料制造，例如玻璃、塑料或晶体材料。

参照图11，应当注意的是，第一扩展衍射光栅102a的光栅线110如何相对于入射光定位是重要的。图11是示出第一扩展衍射光栅102a的光栅线110相对于入射光的相对布置的视图。第一扩展衍射光栅102a可以将入射光衍射为-1级光、0级光和+1级光。在这种情况下，所有衍射级都是有用的。扩展(倍增)来自投影系统101的光所需的条件是布置在投影系统101的场中心的传播方向上的第一扩展衍射光栅102a的光栅线110的布局位置。

本领域普通技术人员知道诸如角场和线性场之类的概念。然而，在本申请中，角场与场中心和场边缘的项相关。换句话说，第一扩展衍射光栅102a的光栅线110可以根据入射光在第一扩展衍射光栅102a上的投影而被定位。投影系统101的主光束在第一扩展波导102的平面上的投影与光栅线110之间的锐角α可以在-30度到+30度的范围内。

如图9和图10所示，来自投影系统101的光束可以入射到第一扩展衍射光栅102a上，并且作为衍射的结果，该光束可以被分为相对于入射角以特定角度扩展的若干光线(衍射级)。0级衍射光可以从这些若干光线中获得，并且这些光线不仅可以不改变-1级衍射相对于入射光的扩展方向，而且可以不改变+1级衍射相对于入射光的扩展方向。

-1级衍射光和+1级衍射光可以相对于入射光以对称角度扩展。0级衍射光106可以通过第一扩展波导102，并可以以与入射光的入射角θ₁相同的出射角θ₂从第一扩展波导102发射，并且可以入射到第二波导103的第二衍射光栅103a上。入射角θ₁和出射角θ₂是基于第一扩展衍射光栅102a的法线。

-1级衍射光和+1级衍射光保留在第一扩展波导102中，从第一扩展波导102传播，被第二表面122(即，与第一扩展衍射光栅102a相对的表面)反射，并且经由全内反射被反馈到第一扩展衍射光栅102a。-1级衍射光和+1级衍射光中的每一个经历衍射，结果，再次形成0级光、-1级光和+1级光，从而形成第一扩展区域111。0级衍射光从第一扩展波导102发射，并进入第二波导103的第二衍射光栅103a。如上所述，-1级光和+1级光中的每一个可以在第一扩展波导102中扩展以形成第二扩展区域112。每个衍射光可以再次衍射为新的0级、新的-1级和新的+1级。虽然在附图中仅示出了第一扩展区域和第二扩展区域，但是可以形成更多扩展区域。结果，如图9所示，相对于进入第一扩展波导102的光，出瞳可以被第一扩展区域111和第二扩展区域112倍增。

在来自第一扩展波导102的0级衍射光入射到第二波导103上之后，0级衍射光入射到第二波导103中的第二衍射光栅103a上，并因此朝向眼睛行进，并且再次形成0级光、-1级光和+1级衍射光。-1级衍射光被扩展到眼睛之外，因此可能变得无用。0级衍射光可以通过第二波导103，并且可以在与来自投影系统101的初始光束相同的方向上从第二波导103发射。只有以0级衍射光的角度扩展的+1级衍射光可以在第二波导103中经历CIR，并且可以保留在第二波导103中。+1级衍射光从第二波导103的内部再次进入第二衍射光栅103a，并且再次被分成0级、+1级和-1级，并且新的0级衍射光从第二波导103发射且进入眼睛。然后，当新的+1级衍射光沿着第二波导103进一步扩展时，可以重复上述过程，并且每一个0级衍射光都可以如上所述地进入眼睛。

由于上述光扩展，存在多个出瞳(参见图9的111和112)并且这些出瞳彼此间隔开，因此可以广泛地形成眼睛能够移动的场，即，从眼睛的视场不出现图像的场。因此，眼球移动区域可以被广泛地形成。因为根据实施例的近眼显示设备扩展光并使用所有衍射级，所以根据实施例的近眼显示设备可以减少来自投影系统101的光的损失。

当第一扩展衍射光栅102a位于来自投影系统101的光入射在其上的第一扩展波导102的第一表面121上时，来自投影系统101的光可以入射在第一扩展衍射光栅102a上，并可以被衍射为+1级光、0级光和-1级光。0级衍射光从第一扩展波导102输出，并进入第二衍射光栅103a。

当第一扩展波导102的第二表面122包括反射涂层104并且第一扩展衍射光栅102a位于第一扩展波导102的第一表面121上时，-1级衍射和0级衍射都被反射涂层104反射，并且通过第一扩展波导102的第一表面121发射。

当第一扩展衍射光栅102a位于第二表面122上时，来自投影系统101的光进入第一扩展波导102，在穿过第一扩展衍射光栅102a的同时被衍射为+1级、0级和-1级，并且0级衍射光从第一扩展波导102的第二表面122输出且进入第二衍射光栅103a。

如上所述，为了有效地倍增光，来自投影系统101的光可以入射在第一扩展波导102上，并且进入第一扩展衍射光栅102a的角度可以在相对于第一扩展波导102的第一表面121的法线的0到90度的范围内。来自投影系统101的光入射在第一扩展波导102的第一表面121与第一表面121的法线之间。如上所述，投影系统101的主光束在第一扩展波导102的第一表面121上的投影与光栅线110之间的锐角可以在±30度的范围内。

根据实施例，形成在第二波导103上的第二衍射光栅103a可以用于接收来自第一扩展波导102的入射光并且将光输出到眼睛区域。由于包括第一扩展衍射光栅102a的第一扩展波导102的位置，第二衍射光栅103a的相同光栅线的方向可以用于将光输入到第二波导103，并且将光从第二波导103输出到眼睛区域。这是因为包括第一扩展衍射光栅102a的第一扩展波导102位于与包括第二衍射光栅103a的第二波导103所在平面不同的平面上。

为了清楚起见，现在将通过与图12和图13的比较示例的比较来描述根据各种实施例的优点。

图12示出根据比较示例的典型增强现实设备的元件。

图12的典型增强现实设备包括投影系统1101、波导1102、和包括在波导1102中的衍射光栅1103。来自投影系统1101的辐射通过狭窄辐射区域(a)进入波导1102。在光穿过衍射光栅1103之后，仅一个衍射级进入波导1102，并且在光进入眼睛的区域中不存在视场的不同区域的交叉。视场的下部沿着波导1102倾斜地扩展到区域(b)，并且当眼睛看视场的中心或顶部时，没有光进入眼睛的瞳孔。因为输出光仅通过狭窄区域(c)从视场的中心部分出来，所以当眼睛看视场的中心部分时，结果，仅看到图像的狭窄条带。

然而，如图13所示，当根据实施例使用第一扩展波导2时，由第一扩展波导2扩展的光输入到第二波导3中的扩展区域(A)，并且经扩展的光在与区域(B)和区域(C)相交的同时进入眼睛的瞳孔。可以提供眼睛移动的宽视场，同时保持图像的下部和图像的上部。

在常规技术中已知的解决方案中，当视场的宽度受限时，由于全内反射被干扰，图像的边缘是清晰的，但是用作图像边缘的光不进入眼睛移动的视场，因此不能被看到。然而，根据各种实施例的近眼显示设备可以使得用户能够以宽视场看到整个图像。

由于其宽视场，所要求保护的公开可以向用户提供眼睛移动的宽视场，并且可以在例如游戏或电影中提供有趣的存在。高分辨率可以提供真实的存在。用户可以看到与真实世界几乎相同的所有细节。用户可以使用包含显示增强现实的设备的眼镜观看电影，并且可以使其自身完全沉浸于虚拟世界中。

根据实施例的近眼显示设备可以用于需要具有高分辨率图像和宽视场的AR/VR、HUD和HMD设备中。使用所提出的设备在包括日光的明亮环境照明中显示增强现实的增强现实眼镜可以提供明亮且清晰的图像。

尽管已经结合一些实施例描述了本公开，但是应当理解的是，本公开不限于这些具体实施例。相反，假设本公开覆盖了可以被包括在权利要求的精神和范围内的所有替代、修改和等同物。此外，即使在权利要求改变时，本公开也保持所要求保护的公开的所有等同物。

Claims

1.一种近眼显示设备，包括：

投影系统，被配置为显示图像；

第一扩展波导，包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，其中来自所述投影系统的光入射在所述第一表面或所述第二表面上；

第一扩展衍射光栅，被包括在所述第一扩展波导中；

第二波导，从所述第一扩展波导发射的光入射在所述第二波导上；以及

第二衍射光栅，被包括在所述第二波导中，

其中，来自所述投影系统的光入射到包括在所述第一扩展波导中的所述第一扩展衍射光栅上，以从光束的相应衍射形成-1级衍射、0级衍射和+1级衍射，

其中，所述第一扩展衍射光栅和所述第二衍射光栅位于不同的平面上，使得从所述第一扩展波导发射的0级衍射光入射到所述第二波导上，

其中，-1级衍射光和+1级衍射光由于全内反射而在所述第一扩展波导中扩展，

其中，经扩展的-1级衍射光和经扩展的+1级衍射光反馈到所述第一扩展衍射光栅，并且所述经扩展的-1级衍射光和所述经扩展的+1级衍射光入射到所述第一扩展衍射光栅上的不同位置，以及

其中，从所述经扩展的-1级衍射光和所述经扩展的+1级衍射光中的每一个形成新的-1级衍射、新的0级衍射和新的+1级衍射。

2.根据权利要求1所述的近眼显示设备，其中来自所述投影系统的光入射在所述第一扩展波导上，并且所述光入射在所述第一扩展衍射光栅上的角度相对于所述第一扩展波导的表面的法线具有0至90度的范围。

3.根据权利要求1所述的近眼显示设备，其中所述第一扩展衍射光栅的光栅线沿着光从所述投影系统到所述第一扩展衍射光栅上的投影而布置。

4.根据权利要求1所述的近眼显示设备，其中所述投影系统的主光束在所述第一扩展波导的平面上的投影与所述第一扩展衍射光栅的光栅线之间的锐角具有+30度到-30度的范围。

5.根据权利要求1所述的近眼显示设备，其中所述第一扩展衍射光栅位于所述第一扩展波导的、来自所述投影系统的光入射在其上的所述第一表面上。

6.根据权利要求5所述的近眼显示设备，其中所述第一扩展波导的所述第二表面具有镜面涂层。

7.根据权利要求1所述的近眼显示设备，其中所述第二波导包括光入射在其上的第一区域、光不进入用户的眼睛的第二区域、以及光进入眼睛的瞳孔的第三区域。

8.根据权利要求7所述的近眼显示设备，其中所述近眼显示设备被配置为使得衍射不在所述第二波导的所述第二区域中发生。

9.根据权利要求7所述的近眼显示设备，其中所述第二衍射光栅被配置为具有以下关系：所述第一区域的衍射效率＞所述第三区域的衍射效率＞所述第二区域的衍射效率。

10.根据权利要求7所述的近眼显示设备，其中所述第二衍射光栅被配置为具有以下关系：所述第一区域的衍射效率＞所述第二区域的衍射效率＝所述第三区域的衍射效率。

11.根据权利要求7所述的近眼显示设备，其中所述第二衍射光栅的所述第一区域具有高衍射效率，并且所述第二区域和所述第三区域具有梯度衍射效率。

12.根据权利要求1所述的近眼显示设备，其中所述第一扩展波导和所述第二波导构成单片弯曲形状的波导。

13.一种增强现实眼镜，包括：

用于左眼的元件和用于右眼的元件，

其中，所述用于左眼的元件和所述用于右眼的元件是根据权利要求1至12中任一项所述的近眼显示设备。

14.一种近眼显示设备的操作方法，所述操作方法包括：

使来自投影系统的光入射到第一扩展衍射光栅上；

从入射到所述第一扩展衍射光栅上的光束的相应衍射来形成-1级衍射、0级衍射和+1级衍射；

从第一扩展波导输出0级衍射光，并且将所述0级衍射光输入到第二波导；

由于全内反射在所述第一扩展波导中扩展-1级衍射光和+1级衍射光，并将经扩展的-1级衍射光和经扩展的+1级衍射光反馈到所述第一扩展衍射光栅，并且使所述经扩展的-1级衍射光和所述经扩展的+1级衍射光入射到所述第一扩展衍射光栅上的不同位置；以及

从所述经扩展的-1级衍射光和所述经扩展的+1级衍射光中的每一个形成新的-1级衍射、新的0级衍射和新的+1级衍射。

15.根据权利要求14所述的操作方法，其中入射到所述第二波导上的每个0级衍射光经由所述第二波导通过第二衍射光栅，入射到所述第二衍射光栅上的每个光线的衍射形成-1级衍射、0级衍射和+1级衍射，并且所述+1级衍射被所述第二波导的表面反射且再次入射到所述第二衍射光栅上，其中所述第二波导的所述表面与所述第二波导的面向眼睛的表面相对。