一种基于双通道波导的近眼显示装置，由投影仪、两层波导组成，投影仪：其视场角包含两个视场角，两个视场角的光线各自具有对应的偏振态，且第一偏振态与第二偏振态互为正交；第一波导：其表面制备有仅反射或透射具有第一偏振态的光线的第一耦入光栅和第一耦出光栅，使得投影仪的第一视场角的光线可在其内部传播；第二波导：其表面制备有仅反射或透射具有第二偏振态的光线的第二耦入光栅和第二耦出光栅，使得投影仪的第二视场角的光线可在其内部传播。本装置通过具有偏振选择性的耦入和耦出光栅将视场角分割为两部分，且两部分的视场角在波导内的传播角度完全相同，从而极大提高视场角上限并保证出瞳处的亮度均匀性。上限并保证出瞳处的亮度均匀性。上限并保证出瞳处的亮度均匀性。
【技术实现步骤摘要】
基于双通道波导的近眼显示装置
[0001]本专利技术涉及的是一种面向增强/虚拟/混合现实的可穿戴显示技术，具体是一种基于双通道波导的近眼显示装置。
技术介绍
[0002]近眼显示(Near
‑
Eye Display，简称NED)能够给用户带来沉浸感，不仅可以改善用户体验，还能提高生产力。为了实现沉浸感，近眼显示需要有一个很大的视场角(Field ofView，简称FOV)。现有技术一般通过增加波导的折射率或通过将光线直接从耦入光栅引导到耦出光栅，从而避开全反射的方式实现。绝大多数的基于波导的近眼显示装置的光线在波导中进行传播时，其视场角始终是完整的。这类方案的缺点是视场角受到全反射条件制约，通常较小。现有的HoloLens2技术采用的衍射波导，将视场角一分为二并分别按照两个不同的方向进行传播。该方案可在一定程度上提升视场角，但缺点是沿着两个不同方向传播的左右视场角很难重合，造成出瞳处的亮度均匀性较差。
[0003]经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN111007589A公开日2020.04.14，公开了一种波导模组、基于波导的显示模组及近眼显示设备，其基于波分复用及偏振分光的原理，使光纤扫描模组调制出包含至少两组波长不同的子视场图像的混合光束，进而通过偏振态生成器将特定波长的光偏振到耦合状态，并通过耦入单元耦入相应的波导，而波导模组包括多层波导，每层波导被耦入不同波长范围的光，光纤扫描模组产生的待显示图像混合光束经波导模组耦出单元耦出后的出射图像拼接即为待显示图像。但该现有技术的主要问题在于所需的光源及波导的个数过多：其光源包含N组，N为大于等于2的整数，每组光源至少包括R、G、B三种发光单元；其波导包含3N层，每层波导对应一种颜色的发光单元。这既增加了装置的复杂度，也不利于产品的成本及良率控制。
技术实现思路
[0004]本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于双通道波导的近眼显示装置，通过具有偏振选择性的耦入和耦出光栅将视场角分割为两部分，且两部分的视场角按照完全相同的方向在波导中进行传播。从而缓解了波导全反射条件对入射视场角度的制约，极大提高视场角上限，同时还保证了出瞳处的亮度均匀性。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术涉及一种基于双通道波导的近眼显示装置，仅由投影仪、第一波导和第二波导所组成，其中：
[0007]投影仪：其视场角包含第一视场角和第二视场角，第一视场角的光线具有第一偏振态，第二视场角的光线具有第二偏振态，且第一偏振态与第二偏振态互为正交；
[0008]第一波导：其表面制备有仅反射或透射具有第一偏振态的光线的第一耦入光栅和第一耦出光栅，使得投影仪的第一视场角的光线可在其内部传播；
[0009]第二波导：其表面制备有仅反射或透射具有第二偏振态的光线的第二耦入光栅和
第二耦出光栅，使得投影仪的第二视场角的光线可在其内部传播。
[0010]所述的第一视场角的光线在第一波导内部传播时的角度与所述的第二视场角的光线在第二波导内部传播时的角度相同。
[0011]所述的投影仪的第一视场角和第二视场角可同时输出，或者分时输出。
[0012]所述的第一偏振态和第二偏振态为线偏振光或圆偏振光。
[0013]所述的第一波导和第二波导由多个平面、曲面或者任意形状的表面所组成。
[0014]所述的第一耦入光栅和第一耦出光栅均为胆甾相液晶光栅，仅反射具有所述的第一偏振态的光线，其反射光谱的中心波长λ
B
和入射角θ
i
满足：其中：m为衍射级次、p为液晶的手性周期、n
e
和n
o
分别为液晶的异常光折射率和寻常光折射率。
[0015]所述的第二耦入光栅和第二耦出光栅均为胆甾相液晶光栅，仅反射具有所述的第二偏振态的光线，其反射光谱的中心波长λ
B
和入射角θ
i
满足：其中：m为衍射级次、p为液晶的手性周期、n
e
和n
o
分别为液晶的异常光折射率和寻常光折射率。
[0016]所述的第一耦入光栅、第一耦出光栅、第二耦入光栅以及第二耦出光栅具有多周期结构，从而覆盖更宽的光谱。
[0017]所述的第一耦出光栅和第二耦出光栅均由单个或多个子光栅所组成，其中：每个子光栅的位置、光栅矢量以及衍射效率均可单独调整，从而实现均匀的出瞳扩展。
[0018]所述的第一视场角的光线在第一波导内部传播时的最小角度θ
min
为全反射的临界角，最大角度θ
max
满足：其中：W1为第一耦出光栅的长度、D1为第一波导的厚度、N1为在第一耦出光栅上发生的全反射次数。
[0019]所述的第二视场角的光线在第二波导内部传播时的最小角度θ
min
为全反射的临界角，最大角度θ
max
满足：其中：W2为第二耦出光栅的长度、D2为第二波导的厚度、N2为在第二耦出光栅上发生的全反射次数。
附图说明
[0020]图1为本专利技术的结构示意图；
[0021]图2为实施例的光栅布局图；
[0022]图3为实施例的波矢图；
[0023]图4为实施例的视场角、出瞳距以及出瞳的示意图；
[0024]图5为实施例的光栅的波长与反射率关系图；
[0025]图6为实施例的光栅的入射角(相对于光栅法线)与反射率关系图；
[0026]图7为实施例的光线追迹图；
[0027]图8为实施例的经过出瞳扩展或复制后的出瞳区域的亮度分布图。
具体实施方式
[0028]如图1所示，为本实施例涉及一种基于双通道波导的近眼显示装置，包括：
[0029]投影仪101：其视场角包含第一视场角102和第二视场角103，第一视场角102的光
线具有第一偏振态，第二视场角103的光线具有第二偏振态，第一偏振态与第二偏振态互为正交；
[0030]第一波导201：其表面制备有仅反射具有第一偏振态的光线的第一耦入光栅202和第一耦出光栅203，使得投影仪101的第一视场角102的光线可在其内部传播；
[0031]第二波导301：其表面制备有仅反射具有第二偏振态的光线的第二耦入光栅302和第二耦出光栅303，使得投影仪101的第二视场角103的光线可在其内部传播。
[0032]所述的第一、第二耦入光栅202、302和第一、第二耦出光栅203、303优选均采用胆甾相液晶光栅，仅反射具有第一或第二偏振态的光线，其反射光谱的中心波长λ
B
和入射角θ
i
满足：其中：m为衍射级次、p为液晶的手性周期、n
e
和n
o
分别为液晶的异常光折射率和寻常光折射率。
[0033]优选地，投影仪101的第一视场角102和第二视场角103为同时输出。
[0034]优选地本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于双通道波导的近眼显示装置，其特征在于，仅由投影仪、第一波导和第二波导所组成，其中：投影仪：其视场角包含第一视场角和第二视场角，第一视场角的光线具有第一偏振态，第二视场角的光线具有第二偏振态，且第一偏振态与第二偏振态互为正交；第一波导：其表面制备有仅反射或透射具有第一偏振态的光线的第一耦入光栅和第一耦出光栅，使得投影仪的第一视场角的光线可在其内部传播；第二波导：其表面制备有仅反射或透射具有第二偏振态的光线的第二耦入光栅和第二耦出光栅，使得投影仪的第二视场角的光线可在其内部传播；所述的第一视场角的光线在第一波导内部传播时的角度与所述的第二视场角的光线在第二波导内部传播时的角度相同。2.根据权利要求1所述的基于双通道波导的近眼显示装置，其特征是，所述的投影仪的第一视场角和第二视场角可同时输出，或者分时输出。3.根据权利要求1所述的基于双通道波导的近眼显示装置，其特征是，所述的第一偏振态和第二偏振态为线偏振光或圆偏振光。4.根据权利要求1所述的基于双通道波导的近眼显示装置，其特征是，所述的第一波导和第二波导由多个平面、曲面或者任意形状的表面所组成。5.根据权利要求1所述的基于双通道波导的近眼显示装置，其特征是，所述的第一耦入光栅和第一耦出光栅均为胆甾相液晶光栅，仅反射具有所述的第一偏振态的光线，其反射光谱的中心波长λ
B
和入射角θ
i
满足：其中：m为衍射级次、p为液晶的手性周期、n
e
和n
o
分别为液晶的异常光折射率和寻常光折射率。6.根据权利要求1所述的基于双...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈超平，阴斐炀，邵徽武，叶玉宁，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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