[发明专利]一种基于波导的显示系统

说明书

本发明提供一种基于波导的显示系统，该系统包括：图像分割单元将待显示图像分割为第一子图像和第二子图像；发光单元根据第一子图像和第二子图像生成第一光束和第二光束；耦入单元将第一光束耦入第一波导基片，将第二光束耦入第二波导基片；第一波导基片使第一光束在第一界面发生反射，形成用以对第一子图像成像的第一耦出光束；第二波导基片使第二光束在第二界面发生反射，形成用以对第二子图像成像的第二耦出光束；第一耦出光束成像形成的第一子图像与第二耦出光束成像形成的第二子图像拼接成待显示图像。本发明可以显著增大视场角，避免受极限角度的限制，便于制造结构紧凑、超大视场的显示系统，有利于提高用户对可穿戴显示系统的体验度。

技术领域

本发明涉及波导技术领域，具体地，涉及一种基于波导的显示系统。

背景技术

头盔显示系统以微型显示器件伴随着高分辨率显示器件的发展而逐渐成长起来。特别是虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术的发展以及现代数字化部队的装备需要，使得头盔系统在这些领域占据了重要的地位。目前，其应用领域主要包括：军事、工业生产、模拟训练、3D显示和电子游戏、医疗等。以往基于45°半透半反镜波导，回射屏技术，离轴合成器，自由曲面棱镜等技术的头盔显示系统主要存在不易加工、结构复杂、重量高、体积大、视场小等缺点。相比之下，基于波导的头戴式显示系统结构紧凑、重量小、体积小。现有的基于波导的显示系统分为阵列波导、全息波导和微结构波导。公开号为CN1867853A，名称为“基片导波的光学装置”的中国专利申请主要涉及阵列波导，该结构存在加工难度大、不易实现等缺点；申请号为CN201410226105.9，名称为“一种基于集成化自由曲面光学元件的波导显示器”的中国专利申请涉及一种利用全息波导的显示系统，基于全息结构的波导对环境要求苛刻，同时全息波导的光谱带比较窄，因此它只能对于单色光作用，不利于彩色显示；公开号为CN101896844A，名称为“光导和眼睛视觉光学系统”的中国专利申请涉及一种微结构的波导，基于微结构的波导由于要利用表面浮雕微结构模拟全息波导中的布拉格选择效应，因此连续表面浮雕结构必须做成具有高横纵比的亚波长光栅倾斜结构，因此很难在大规模上进行生产。所有这些波导显示系统都受限于全内反射临界角(即光线在波导内传播的最小入射角度)，因此可实现的视场角比较小。

为了实现大视野的显示，已有的一种解决方案是使用自由曲面棱镜拼接技术。例如申请号为CN201080015063.4，名称为“宽视场高分辨率拼接式头盔显示装置”的中国专利申请中提供了一种拼接式头盔显示装置，包括光学部件，该光学部件包括多个自由形式表面棱镜，每个棱镜为包含第一光学面、第二光学面和第三光学面的楔形棱镜。该方案中，单个自由曲面能实现30度左右的视场角，通过拼接可以实现水平方向70度～100度，垂直方向30度～50度的视场角度。

自由曲面棱镜拼接的方式虽然能实现大的视场，但是存在如下几种缺点：首先，单个自由曲面棱镜的体积已经很大，厚度大于10mm，拼接以后厚度不变，横向尺寸增加，体积更为庞大，不符合现代头戴式显示系统的便携式要求。其次，自由曲面棱镜是一个具有光焦度的楔形光学系统，楔形会使棱镜产生弯曲光线的效应，这种效应会导致外部光线偏离眼睛的光轴。还有，具有光焦度的棱镜使外部景象产生显著的偏移，同时造成巨大的像差，因而系统中需要加入自由曲面补偿棱镜，从而构成组合自由曲面棱镜来解决上述问题，组合自由曲面棱镜能够成功地消除穿透式光学系统的屈光效应和棱镜效应，但是补偿棱镜的引入会增加光学系统的重量和体积，因而不利于其在电子消费领域的发展。

为了实现大视野的显示，已有的另一种解决方案是使用阵列波导显示的方案。例如，公开号为CN1867853A，名称为“基片导波的光学装置”的中国专利申请提供的方案。但是这种解决方案也存在很多缺点：1、受限于全内反射角，在波导内传播的光线的入射角度必须大于全反射角，因此可以在波导中传播的光线角度范围有限，限制了视场角。2、为了确保整个耦出系统的反射面都有光线射出而不至于出现明显的暗区域，波导中传播的光线的角度必须小于耦入面的角度，限制了视场角。3、为了确保不出现二次反射的重影区域，使用选择性涂层对大角度入射的光线全部透射，但是对于相对于掠入射的情况，存在极限角度限制了视场角。