[发明专利]一种全息波导显示装置

说明书

本发明公开了一种全息波导显示装置，包括多角度准直微显示器、透镜组、平板波导、入耦合全息光学衍射元件和出耦合全息光学衍射元件；入耦合全息衍射光学元件和出耦合光学元件构成的望远镜光学系统，将微显示器画面位于人眼前一定距离处投射成正立的放大的虚像，从而实现大视场的效果，同时通过全息波导结构可将传统的同轴望远光学系统光路转折进入人眼，形成可用于穿透式头戴显示的离轴光学系统。本发明基于传统的望远镜光学系统原理，结合全息波导结构，将同轴望远系统转变为适用于穿透式头戴显示的离轴光学系统，解决了传统全息波导显示装置视场小、出瞳小的问题，具备光学结构简单紧凑，制备加工容易，成本低，重量轻等优点。

技术领域

本发明属于头戴显示技术领域，尤其涉及一种全息波导显示装置。

背景技术

近年来，许多科研人员一直在研究一种全息波导结构，该结构输入和输出光学耦合元件为镜像对称的反射型体全息光栅，入耦合体全息光栅和出耦合体全息光栅贴合在波导两侧。该结构显示原理为微显示器发出的图像首先经过准直光学系统准直，然后经入耦合全息光栅衍射进入全息波导中，最终经输出全息光栅将图像耦合进入人眼。

经研究，该全息波导显示构型的视场主要由准直光学系统和体全息光栅的角度波长带宽决定。然而，体全息光栅的角度选择性和波长选择性很好，从而限制了该全息波导显示系统的视场角，仅能达到10度-20度。因此，人们提出各种解决方案来扩大全息波导视场。

日本索尼公司的Mukawa等人发现当入射光轴靠近体全息光栅的光栅矢量K，体全息光栅的布拉格选择性会降低，该方法可在一定程度上扩大视场角。北京理工大学的韩建等人提出了一种全息波导显示系统，该显示系统采用自由曲面作为入耦合光学元件，出耦合光学元件为三种光栅倾角和周期不同的反射型全息光栅，三种光栅依次沿x方向贴合于波导一侧，从而可使水平视场达到18度。类似的，浙江大学的余超等人提出一种全息波导结构，出入耦合光学元件都为空间变化的反射型全息光栅。实验结果表明该结构水平视场角可扩大至19.99度，垂直视场角可扩大至6.36度。此外，上海交通大学吴一士等人仿真了一种复合全息光栅结构来扩大光栅的衍射角度带宽，该复合全息光栅包具有五种不同光栅周期和光栅倾角，然而，该方案要求用于制备该光栅的全息记录材料的折射率调制度很高，并且该光栅曝光工艺很复杂。

上述几种方案中输入输出光学耦合元件都为反射型体全息光栅，且视场扩大效果并不理想，设计和工艺都比较复杂。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种全息波导显示装置，该装置可扩大全息波导显示系统的视场。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种全息波导显示装置，包括多角度准直微显示器、透镜组、平板波导、入耦合全息光学衍射元件和出耦合全息光学衍射元件；所述多角度准直微显示器位于透镜组下方，所述透镜组位于平板波导输入区下方；所述入耦合全息光学衍射元件位于平板波导输入区，出耦合全息光学衍射元件位于平板波导输出区；所述多角度准直微显示器将二维图像转换为具有多角度图像信息的准直光束，所述具有多角度图像信息的准直光束经透镜组折射后进入平板波导输入区，经入耦合光学衍射元件衍射后在平板波导中以全反射方式传播至输出区，最后由出耦合光学衍射元件将图像信息衍射进入人眼。

进一步地，所述多角度准直微显示器包括微显示器和准直光学系统，所述微显示器输出二维图像，所述准直光学系统将微显示器各像素点的发散光转化为包含图像信息的多角度准直光束。

进一步地，所述平板波导为平板光学玻璃或平板光学树脂，厚度为1-15mm，折射率为1.3-2.0。

进一步地，所述平板波导输入区的入耦合全息光学衍射元件和输出区的出耦合全息光学衍射元件可位于平板波导的上表面、下表面或波导内部。

进一步地，所述透镜组为双胶合透镜组或不同焦距和口径的凸凹透镜组。