衍射图像叠加器、显示设备模组及头戴式显示设备制造技术

本申请公开了一种衍射图像叠加器，可以增大出瞳尺寸，提升用户体验，该衍射图像叠加器包括：第一衍射光学元件DOE和第二DOE，所述第一DOE平行于所述第二DOE；所述第一DOE的第一入射点与所述第二DOE的第二入射点的光栅矢量相同，所述第一入射点用于将满足布拉格条件的入射光线转换为第一衍射光线和第一透射光线，所述第一透射光线入射所述第二入射点，所述第二入射点用于将所述第一透射光线转换为第二衍射光线。衍射光线。衍射光线。

【技术实现步骤摘要】
衍射图像叠加器、显示设备模组及头戴式显示设备


[0001]本申请涉及光学领域，特别涉及一种衍射图像叠加器、显示设备模组及头戴式显示设备。

技术介绍

[0002]增强现实(augmented reality，AR)近眼显示技术，即通过一定的光学系统，使人眼能看到外界真实场景的同时，也能看到计算机产生的虚拟场景的可穿戴式显示系统。在AR系统中，计算组件对用户观察到的真实场景进行分析和处理，继而通过近眼显示技术将生成的虚拟增强信息叠加到真实的场景中，实现真实与虚拟场景的无缝融合，协助用户对现实世界的深度、综合认知。作为AR设备核心技术之一的近眼显示技术，也成为当前工业界和学术界研究热点。
[0003]AR近眼显示技术的核心任务是进行虚实叠加，即允许真实世界的光线和虚拟图像光线同时通过，到达人眼。基于衍射光学的近眼显示技术，因为可以有效缩小光学组件的尺寸和重量，近年来成为研究热点。基于麦克斯韦观察法原理和衍射图像叠加器(diffractive image combiner，DIC)的AR近眼投影方案可以大幅提升AR近眼显示的视场角(field of view，FoV)，即虚拟图像呈现范围相对人眼所张开的角度，例如80度以上。
[0004]受限于DIC器件的角带宽、SLM类像源器件的像素尺寸或激光束视网膜扫描机制的光路局限性，基于麦克斯韦观察法原理和DIC器件的AR近眼投影方案的出瞳(exit pupil)尺寸较小，例如为1毫米，由于人眼瞳孔与Eyebox必须空间上存在重叠区域才能看到虚拟图像，Eyebox太小会导致用户易于丢失图像，严重降低用户体验。

技术实现思路

[0005]本申请实施例提供了一种基于微纳光学技术的衍射图像叠加器，用于拓展系统出瞳尺寸，可以提升用户体验。
[0006]本申请实施例第一方面提供了一种衍射图像叠加器，包括：第一衍射光学元件DOE和第二DOE，所述第一DOE平行于所述第二DOE；所述第一DOE的第一入射点与所述第二DOE的第二入射点的光栅矢量相同，所述第一入射点用于将满足布拉格条件的入射光线转换为第一衍射光线和第一透射光线，所述第一透射光线入射所述第二入射点，所述第二入射点用于将所述第一透射光线转换为第二衍射光线。
[0007]本申请实施例提供的衍射图像叠加器，包括至少两层衍射光学元件DOE，第一DOE的第一入射点可以用于将投射角度位于布拉格域内的入射光线转换为第一衍射光线和第一透射光线，其中第一衍射光线构成系统的第一出瞳，第一透射光线可以入射至第二DOE的第二入射点，第二入射点将入射的第一透射光线转换为第二衍射光线，第二衍射光线构成系统的第二出瞳。由于第一入射点的光栅矢量与第二入射点的光栅矢量相同，因此，第二衍射光线平行于第一衍射光线，根据第一出瞳和第二出瞳确定的出瞳尺寸大于只具有单层衍射光学元件的衍射图像叠加器的出瞳尺寸，因此，本申请提供的衍射图像叠加器出瞳尺寸
增加，用户不易丢失图像，可以提升用户体验。
[0008]以布拉格条件入射的光线在第一入射点入射，第一透射光线传播至第二入射点入射，可以保证第一衍射光线和第二衍射光线相互平行，用户在观察虚拟图像时不会发生串扰。
[0009]在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一DOE设有第一光栅区域，所述第二DOE设有第二光栅区域，所述第一光栅区域用于将投射角度位于布拉格域内的第一平行入射光束转换为第一衍射光束和第一透射光束，所述第一衍射光束汇聚在第一聚焦点，所述第一透射光束入射至所述第二光栅区域，所述第二光栅区域用于将所述第一透射光束转换为第二衍射光束，所述第二衍射光束汇聚在第二聚焦点，所述第一聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离与所述第二聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离相等。
[0010]在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一DOE设有第一光栅区域，所述第二DOE设有第二光栅区域，所述第一光栅区域用于将投射角度位于布拉格域内的第一平行入射光束转换为第一衍射光束和第一透射光束，所述第一衍射光束衍射汇聚在第一聚焦点，所述第一透射光束入射至所述第二光栅区域，所述第二光栅区域用于将所述第一透射光束转换为第二衍射光束，所述第二衍射光束衍射汇聚在第二聚焦点，所述第一聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离与所述第二聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离相等。所述第一入射点位于所述第一光栅区域，所述第二入射点位于所述第二光栅区域。所述第一光栅区域的衍射结构与所述第二光栅区域的衍射结构存在等比例缩放的关系，具体的，在所述DOE延伸的平面方向，所述第二光栅区域的衍射结构为所述第一光栅区域的衍射结构的等比例放大。
[0011]本申请实施例提供的衍射图像叠加器，由于第一聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离与所述第二聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离相等，且位于所述衍射图像叠加器的同侧，即第一聚焦点和第二聚焦点的连线平行于所述衍射图像叠加器的任一DOE所在的平面，因此，第一DOE的衍射光束构成的视场角与第二DOE衍射光束构成的视场角相同，同一像点发射的光束在经不同DOE衍射后呈现在用户眼中的虚拟图像重叠，不会发生串扰。
[0012]在第一方面的一种可能的实现方式中，所述入射光线与所述第一衍射光线位于所述第一DOE的同侧；或者，所述入射光线与所述第一衍射光线位于所述第一DOE的异侧。
[0013]本申请实施例提供的衍射图像叠加器，若各DOE采用反射式DOE实现，则入射光线与所述第一衍射光线位于所述第一DOE的同侧，即微投影引擎和用户观测的人眼可以位于同侧；若各DOE采用透射式DOE实现，则入射光线与所述第一衍射光线位于所述第一DOE的异侧，即微投影引擎与用户观测的人眼可以位于异侧，由此，可以设计不同的近眼显示投影方案，提高了方案实现的灵活性。
[0014]在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一DOE为微纳光学器件，包括体全息光栅VHG、表面起伏光栅SRG、超表面或微透镜阵列；所述第二DOE为微纳光学器件，包括体全息光栅VHG、表面起伏光栅SRG、超表面或微透镜阵列。
[0015]本申请实施例提供的衍射图像叠加器，衍射光学元件的类型可以有多种，提高了方案实现的多样性。
[0016]在第一方面的一种可能的实现方式中，所述DIC还包括平行于所述第二DOE的第三DOE，所述第二DOE位于所述第一DOE和所述第三DOE之间，所述第三DOE的第三入射点与所述
第二入射点的光栅矢量相同，所述第二入射点还用于将所述第一透射光线转换为第二衍射光线和第二透射光线，所述第二透射光线入射所述第三入射点，所述第三光栅区域用于将所述第二透射光线转换为第三衍射光线。
[0017]本申请实施例提供的衍射图像叠加器，可以包括第三DOE，第三DOE上的第三入射点与所述第二入射点和所述第一入射点的光栅矢量均相同，出射的第三衍射光线构成第三子出瞳，可以进一步扩展出瞳尺寸，此外，出射的第二衍射光线和第三衍射光线相互平行，同一像点发射的光线在经不同DOE衍射后呈现在用户眼中为同一虚拟图像，不会发生串扰。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种衍射图像叠加器，其特征在于，包括：第一衍射光学元件DOE和第二DOE，所述第一DOE平行于所述第二DOE；所述第一DOE的第一入射点与所述第二DOE的第二入射点的光栅矢量相同，所述第一入射点用于将满足布拉格条件的入射光线转换为第一衍射光线和第一透射光线，所述第一透射光线入射所述第二入射点，所述第二入射点用于将所述第一透射光线转换为第二衍射光线。2.根据权利要求1所述的衍射图像叠加器，其特征在于，所述第一DOE设有第一光栅区域，所述第二DOE设有第二光栅区域，所述第一入射点位于所述第一光栅区域，所述第二入射点位于所述第二光栅区域，所述第一光栅区域用于将投射角度位于布拉格域内的第一平行入射光束转换为第一衍射光束和第一透射光束，所述第一衍射光束汇聚在第一聚焦点，所述第一透射光束入射至所述第二光栅区域，所述第二光栅区域用于将所述第一透射光束转换为第二衍射光束，所述第二衍射光束汇聚在第二聚焦点，所述第一聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离与所述第二聚焦点到所述衍射图像叠加器的距离相等。3.根据权利要求1或2所述的衍射图像叠加器，其特征在于，所述入射光线与所述第一衍射光线位于所述第一DOE的同侧；或者，所述入射光线与所述第一衍射光线位于所述第一DOE的异侧。4.根据权利要求1或2所述的衍射图像叠加器，其特征在于，所述第一DOE包括体全息光栅VHG、表面起伏光栅SRG、超表面或微透镜阵列；所述第二DOE包括体全息光栅VHG、表面起伏光栅SRG、超表面或微透镜阵列。5.根据权利要求1至4中任一项所述的衍射图像叠加器，其特征在于，所述衍射图像叠加器还包括平行于所述第二DOE的第三DOE，所述第二DOE位于所述第一DOE和所述第三DOE之间，所述第三DOE的第三入射点与所述第二入射点的光栅矢量相同，所述第二入射点还用于将所述第一透射光线转换为第二衍射光线和第二透射光线，所述第二透射光线入射所述第三入射点，所述第三光栅区域用于将所述第二透射光线转换为第三衍射光线。6.根据权利要求5所述的衍射图像叠加器，其特征在于，所述第三DOE设有第三光栅区域，所述第一光栅区域用于将投射角度位于布拉格域内的第一平行入射光束转换为第一衍射光束和第一透射光束，所述第一衍射光束汇聚在第一聚焦点，所述第一透射光束入射所述第二光栅区域，所述第二光栅区域用于将所述第一透射光束转换为第二衍射光束和第二透射光束，所述第二衍射光束汇聚在第二聚焦点，所述第二透射...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘娟，邢志浩，段鑫慧，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：