[发明专利]一种大视场角的全息光波导显示装置及方法

说明书

本发明公开了一种大视场角的全息光波导显示装置及方法，所述显示装置包括：光波导，进一步还包括：分别设置于所述光波导的光线传输区下、上表面的第一、二中继光栅；分别设置于所述光波导两端光线入射区和出射区的耦入光栅和耦出光栅；其中，第一、二中继光栅的光栅周期一致，工作于相同的反射衍射级次。应用本发明可以使得光线入射的视场角不受光波导的全反射条件的限制，提高了显示装置的全息光波导的视场角。

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，特别是指一种大视场角的全息光波导显示装置及方法。

背景技术

AR(Augmented Reality，增强现实)显示设备在显示虚拟图像信息的同时，能够融合真实的背景环境，实现虚拟与现实的有机结合，因此在模拟训练、电子游戏、显微技术、外科手术等诸多领域已获得广泛应用。AR显示设备主要以头戴式为主，因此要求器件的轻薄化以满足长期佩戴的舒适性。在AR显示设备的各种实现方案中，全息光波导技术利用平板波导作为光传播媒质，利用全息元件作为光路折叠器件，具有结构简单、重量轻、体积小的优点，是下一代AR显示的关键技术。

全息光波导的技术原理如图1所示。入射光经耦入光栅发生衍射被耦合进入光波导，光线偏转方向满足光波导的全反射条件，因此光线在光波导内部以全反射的方式向前传播。耦出光栅的结构与耦入光栅对称，因此光线传播到耦出光栅发生衍射，角度恢复为入射光的方向从光波导出射。耦入光栅和耦出光栅可以为透射式或反射式，图1中都为透射式。为了保证人眼在一定范围内都能观察到图像，需要进行光瞳扩展，通过合理的设置耦出光栅的衍射效率分布，使得光线在经过耦出光栅时有部分能量耦出光波导，剩余能量继续向前传播，这样光线多次经过耦出光栅，实现了光瞳的扩展。

根据全息光波导技术的原理可知，当不同视场角的光线入射时，经耦入光栅后偏转的方向必须满足光波导的全反射条件，因此视场角的大小受到全反射条件的限制，视场角的大小如公式一表示：

公式一中θ为半视场角，n1为环境折射率，n2为光波导基底折射率，λmin和λmax为入射光的最小和最大波长。可以通过提高光波导基底折射率的方式来增大视场角，但是对材料的要求较高，而且材料折射率的增大范围有限，因此，目前全息光波导的视场角最大只有50°。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种大视场角的全息光波导显示装置及方法，使得光线入射的视场角不受光波导的全反射条件的限制，提高了显示装置的全息光波导的视场角。

基于上述目的本发明提供一种大视场角的全息光波导显示装置，包括：光波导，进一步还包括：

分别设置于所述光波导的光线传输区下、上表面的第一、二中继光栅；

分别设置于所述光波导两端光线入射区和出射区的耦入光栅和耦出光栅；

其中，第一、二中继光栅的光栅周期一致，工作于相同的反射衍射级次。

进一步，所述显示装置还包括：

设置于所述光波导光线出射区的表面、被所述耦出光栅覆盖的第三中继光栅；

其中，第三中继光栅与第一、二中继光栅的光栅周期一致、工作于相同的反射衍射级次，且第三中继光栅还工作在透射0级。

较佳地，第三中继光栅沿光线传播方向透射0级的衍射效率递增，其工作的反射衍射级次的衍射效率递减。

较佳地，第三中继光栅沿光线传播方向划分N个区域，其中第i个区域的透射0级的衍射效率为η_Ti如下公式二所示：

第i个区域工作的反射衍射级次的衍射效率为η_Ri如下公式三所示：