增强现实光波导显示方法和系统

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1.本技术涉及显示技术领域，尤其涉及一种增强现实光波导显示方法和系统。

背景技术：

2.光学透视型近眼显示设备，可以使用户同时观察到真实场景和由计算机生成的虚拟场景，因此具有很大的潜力。为了增加透射型近眼显示设备的便携性，科研人员们引出了自由曲面光学、投影光学、衍射光学和光学波导技术来降低近眼显示设备的厚度和重量。目前，增强现实设备的衍射器件表面的微结构分布连续，入射光线全部被衍射，难以对入射光分区域选择性衍射，调制自由度低。连续的衍射表面需要对整个入射光束进行调制，为了实现精确的调制效果，整个衍射表面均需要按照设计的衍射结构进行精确加工和制造，部分表面的缺陷会影响整个衍射器件的衍射效果，因此加工面积大，精度要求高，器件成本高。

技术实现要素：

3.本技术的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
4.为此，本技术的第一个目的在于提出一种增强现实光波导显示系统，体积小、加工成本低，能够提高增强现实显示效果。
5.本技术的第二个目的在于提出一种增强现实光波导显示方法。
6.为了实现上述目的，本技术第一方面实施例提出一种增强现实光波导显示系统，包括：
7.图像源和光波导；
8.所述光波导包括基底、耦入光栅和多个耦出光栅组，所述耦入光栅设置在所述基底的一侧，多个所述耦出光栅组呈阵列分布，设置在所述基底的内部或表面；
9.所述图像源向所述耦入光栅发射虚拟图像的信号光，所述耦入光栅对所述信号光进行调制，使得所述信号光在进入所述基底后进行全反射传播；
10.多个所述耦出光栅组对所述信号光进行调制，并由所述基底的正面或背面出射至人眼处。
11.可选的，所述耦出光栅组的分布形式包括一维阵列分布或二维阵列分布，其中，所述二维阵列分布为矩阵式、蜂窝式、菱形式中的至少一种，所述耦出光栅组的形状为矩形、圆形、方形、六边形、平行四边形、椭圆形、三角形中的一种或多种。
12.可选的，所述耦入光栅、所述耦出光栅组为具有微纳三维结构的体光栅。
13.可选的，所述系统还包括透镜组，
14.所述透镜组设置在所述图像源与所述耦入光栅之间的光路上，用于对所述图像源发出的信号光进行准直。
15.可选的，每个耦出光栅组包括多种微观结构不同的耦出光栅。
16.可选的，所述多种微观结构不同的耦出光栅的对光线的角度、波长、偏振状态中至少之一的响应特性不同。
17.可选的，所述系统还包括转折光栅，所述转折光栅设置在与所述耦入光栅相对的所述基底的另一端，
18.所述转折光栅对经所述耦入光栅调制的信号光进行调制，并经所述耦出光栅组继续调制后出射至人眼处。
19.可选的，所述耦出光栅组具有屈光度，所述屈光度用于确定虚拟图像的成像深度。
20.可选的，所述基底的一个或多个表面为自由曲面。
21.可选的，所述多种微观结构不同的耦出光栅具有不同的屈光度，并且对应的成像深度不同。
22.可选的，所述多种微观结构不同的耦出光栅各自对应虚拟图像中的一种颜通道。
23.可选的，所述多种微观结构不同的耦出光栅以预设方式紧密排布。
24.可选的，所述耦出光栅组包括第一耦出光栅阵列和第二耦出光栅阵列，所述第一耦出光栅阵列和所述第二耦出光栅阵列的光栅矢量与所述耦入光栅光栅矢量的矢量和为零。
25.可选的，所述耦入光栅包括第一耦入光栅阵列和第二耦入光栅阵列，所述第一耦入光栅阵列和所述第二耦入光栅阵列交错排布，所述第一耦入光栅阵列中的光栅矢量与所述第二耦入光栅阵列中的光栅矢量不同。
26.可选的，所述耦出光栅组分为多个子区域，每个子区域包含一种耦出光栅或多种微观结构不同的的耦出光栅，多个子区域对应的耦出光栅间隔排布。
27.本技术实施例的增强现实光波导显示系统，体积小、加工成本低，能够提高增强现实显示效果。
28.为了实现上述目的，本技术第二方面实施例提出一种增强现实光波导显示方法，包括：
29.图像源发出的信号光入射光波导的耦入光栅；
30.所述信号光经所述耦入光栅选择性调制后进入所述光波导；
31.所述信号光在所述光波导内全反射传播至所述光波导的耦出光栅组处；
32.所述信号光经所述耦出光栅组选择性调制后出射所述光波导并进入人眼。
33.可选的，方法还包括：
34.在所述信号光传播的同时，来自外界真实场景的光线透射所述光波导并进入所述人眼。
35.可选的，方法还包括：
36.在所述信号光传播至所述耦出光栅组处之前，所述信号光在所述波导内全反射传播至所述光波导的转折光栅处；
37.所述信号光经所述转折光栅选择性调制后继续在所述光波导内全反射传播。
38.本技术实施例的增强现实光波导显示方法，可使人眼同时观察虚拟图像和真实场景，提高增强现实显示效果。
39.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
40.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
41.图1是本技术一个实施例的增强现实光波导显示系统的结构示意图；
42.图2是本技术另一个实施例的增强现实光波导显示系统的结构示意图；
43.图3是本技术又一个实施例的增强现实光波导显示系统的结构示意图；
44.图4是本技术再一个实施例的增强现实光波导显示系统的结构示意图；
45.图5是光波导1a结构对应的光路示意图；
46.图6是光波导1a的主视图；
47.图7是光波导1a的侧视图；
48.图8是光波导1a的俯视图；
49.图9是光波导1b结构对应的光路示意图；
50.图10是光波导1b的主视图；
51.图11是光波导2的主视图；
52.图12是光波导2的侧视图；
53.图13是光波导3结构对应的光路示意图；
54.图14是光波导4结构对应的光路示意图；
55.图15是光波导4的主视图；
56.图16是光波导5的结构示意图；
57.图17是光波导6的结构示意图；
58.图18是光波导7结构对应的光路示意图；
59.图19是光波导7的主视图；
60.图20是光波导8的主视图；
61.图21是耦出光栅820结构示意图；
62.图22是第一耦出光栅阵列821结构示意图；
63.图23是第二耦出光栅阵列822结构示意图；
64.图24是光栅结构及光栅矢量示意图；
65.图25是波导中一种光路的示意图；
66.图26是波导中另一种光路的示意图；
67.图27是波导中又一种光路的示意图；
68.图28是光波导9的结构示意图；
69.图29是耦出光栅920被分成多个矩形长条的第一结构示意图；
70.图30是耦出光栅920被分成多个矩形长条的第二结构示意图；
71.图31是本技术一个实施例的增强现实光波导显示方法的流程图；
72.图32是本技术另一个实施例的增强现实光波导显示方法的流程图；
73.图33是本技术又一个实施例的增强现实光波导显示方法的流程图。
具体实施方式
74.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
75.以下结合具体实施例对本技术作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本技术所要求保护的范围。
76.衍射波导显示方法结合了微纳全息等衍射技术和波导技术，通过衍射元件的衍射效应，对光波进行振幅或者相位调制，利用波导对光波进行定向传播，从而实现将虚拟图像以投影的方式和外部场景图像叠加在一起的目的。因此，波导技术被认为是实现近眼显示设备超薄化最具前景的技术。基于此，本技术提出一种增强现实光波导显示方法和系统。
77.下面参考附图描述本技术实施例的增强现实光波导显示方法和系统。
78.图1是本技术一个实施例的增强现实光波导显示系统的结构示意图。
79.如图1所示，增强现实光波导显示系统包括图像源100和光波导200。
80.所述光波导200包括基底210、耦入光栅220和多个耦出光栅组230。所述耦入光栅220设置在所述基底210的一侧，多个耦出光栅组230设置在所述基底210的内部或表面。
81.所述耦出光栅组的分布形式可包括一维阵列分布或二维阵列分布，其中，所述二维阵列分布为矩阵式、蜂窝式、菱形式中的至少一种。所述耦出光栅组的形状为矩形、圆形、方形、六边形、平行四边形、椭圆形、三角形中的一种或多种
82.在一个实施例中，所述耦入光栅220、耦出光栅组230可以是具有微纳三维结构的体光栅。所述基底210的一个或多个表面为自由曲面。
83.所述图像源100向所述耦入光栅220发射虚拟图像的信号光，所述耦入光栅220对所述信号光进行调制，使得所述信号光在进入所述基底210后进行全反射传播。
84.多个所述耦出光栅组230呈阵列分布。多个所述耦出光栅组230对所述信号光进行调制，并由所述基底210的正面或背面出射至人眼处。在本实施例中，所述耦出光栅组230可以具有一定的屈光度，该屈光度可以确定虚拟图像的成像深度。
85.在本技术的一个实施例中，耦出光栅组230呈离散阵列分布，分布形式为矩阵式、蜂窝式或其他形式。每个耦出光栅组230的尺寸以及相邻两个耦出光栅组230之间的距离可根据实际需求随所在空间位置进行设置，例如设置为小于人眼的瞳孔尺寸。
86.在本技术的另一个实施例中，如图2所示，增强现实光波导显示系统还包括透镜组240。所述透镜组240至少包含一个透镜。
87.所述透镜组240设置在所述图像源100与所述耦入光栅220之间的光路上，用于对所述图像源100发出的信号光进行准直。
88.在本技术的又一个实施例中，如图3所示，所述耦出光栅组230设置在所述基底210的表面时，所述耦出光栅组230覆盖至少部分的所述基底210。每个耦出光栅组230包括多种微观结构不同的耦出光栅231。多种微观结构不同的耦出光栅231的对光线的角度、波长、偏振状态中至少之一的响应特性不同。所述多种微观结构不同的耦出光栅231具有不同的屈光度，并且对应的成像深度不同。多种微观结构不同的耦出光栅231各自对应虚拟图像中的一种颜通道。所述多种微观结构不同的耦出光栅231以预设方式紧密排布。因此，耦出光栅组230可以对不同图像光信号进行调制，实现多深度的多幅虚拟图像同时显示，或显示不同颜的图像，且每幅图像有较大的景深。
89.在本技术的再一个实施例中，如图4所示，所述系统还包括转折光栅250。
90.所述转折光栅250设置在与所述耦入光栅220相对的所述基底210的另一端。
91.所述转折光栅250对对经所述耦入光栅220调制的信号光进行调制，并经所述耦出光栅组230继续调制后出射至人眼处。
92.在一个具体实施例中，所述耦入光栅包括第一耦入光栅阵列和第二耦入光栅阵列，所述第一耦入光栅阵列和所述第二耦入光栅阵列交错排布，所述第一耦入光栅阵列中的光栅矢量与所述第二耦入光栅阵列中的光栅矢量不同。
93.在另一个具体实施例中，所述耦出光栅组包括第一耦出光栅阵列和第二耦出光栅阵列，所述第一耦出光栅阵列和所述第二耦出光栅阵列的光栅矢量与所述耦入光栅的光栅矢量的矢量和为零。
94.在又一个具体实施例中，所述耦出光栅组分为多个子区域，每个子区域包含一种耦出光栅或多种微观结构不同的的耦出光栅，多个子区域对应的耦出光栅间隔排布。
95.下面以具体的实施例对增强现实光波导显示系统进行详细描述。
96.实施例1：
97.图5为光波导1a结构对应的光路示意图。
98.如图5所示，微显示器101a发出的信号光，经光波导1a的基底102a上表面的耦入光栅103a调制后被准直，然后进入光波导1a后以平行光形式在光波导1a内全反射传播。
99.光波导1a的基底102a内部嵌入了一系列倾斜放置的小面积光栅组成光栅阵列，作为耦出光栅104a。耦出光栅104a用于将光波导1a内传播的信号光耦出光波导1a。具体地，在光波导1a内传播的信号光会接触到耦出光栅104a中的一个或多个小光栅，被耦出光栅104a调制后反射出光波导1a，并出射至出瞳位置106a处。当人眼位于出瞳位置106a处时，人眼同时接收到虚拟图像光线(微显示器101a发出的信号光)和真实场景光线105a，使得用户可以同时看到虚拟图像和真实场景图像。
100.由于每个耦出光栅104a的尺寸小，每个耦出光栅发出的光线光束直径小，经晶状体聚焦后投影在视网膜上的弥散斑直径小，因此虚拟图像有更高的清晰度和更大的景深。耦出光栅104a的形状、面型可以根据系统需要设置，以实现不同的调制作用。
101.图6为光波导1a的主视图，图7为光波导1a的侧视图，图8为光波导1a的俯视图。从图6可以看出，波导1a内的各耦出光栅104a离散分布，有较大的间隔107a。从图8可以看出，对于微显示器101a发出的信号光，耦出光栅104a紧密排布，使得光波导1a对信号光利用率高。
102.实施例2：
103.图9为光波导1b结构对应的光路示意图。
104.微显示器101b发出的信号光被透镜组108b准直，并入射在光波导1b的基底102b表面上的耦入光栅103b上，然后被耦入光栅103b调制后进入光波导1b，以平行光形式在光波导1b内全反射传播。
105.耦出光栅104b附于光波导1b的基底102b表面上，耦出光栅104b具有衍射调制作用的区域可分为多个光栅阵列105b，各光栅阵列105b中的衍射区域离散分布。此外，同一耦出光栅104b上可有多组光栅阵列，对信号光选择性调制。在光波导1b内传播的信号光被耦出光栅104b上的光栅阵列105b调制后出射光波导1b，出射至出瞳位置107b处。当人眼位于出瞳位置107b处时，人眼同时接收到虚拟图像光线(微显示器101b发出的信号光)和真实场景
光线106b，使得用户可以同时看到虚拟图像和真实场景图像。
106.图10为光波导1b的主视图。从图中可以看出，耦出光栅104b具有衍射调制作用的区域可分为多个光栅阵列105b，各光栅阵列105b中的衍射区域离散分布。同一耦出光栅104b上可有多组光栅阵列，对信号光选择性调制，可以实现不同成像深度或不同颜的图像显示。
107.实施例3：
108.图11为光波导2的主视图，图12为光波导2的侧视图。
109.微显示器201发出的信号光，经光波导2的基底203上表面的耦入光栅202后被调制，从图12的视角来看，由微显示器201中的一个像素发出的发散光，经耦入光栅202调制后被准直。同时，从图11的视角来看，该像素发出的发散光经耦入光栅202调制后变为汇聚光。
110.信号光在光波导2中全反射向下传播，并在向下传播的过程中不被耦出光栅204调制，传播至光波导2下表面的转折光栅205被调制。从图12的视角来看，在光波导2内向下传播的平行光，经转折光栅205调制反射出平行光。从图11的视角来看，在光波导2内向下传播的汇聚光经过焦点后变为发散光，该发散光经转折光栅205调制后反射出平行光。信号光经转折光栅205调制后，以平行光形式全反射向上传播。信号光在光波导2内全反射向上传播的过程中，接触到嵌入在光波导2的基底203内的耦出光栅204被调制，被调制后以平行光出射光波导2，并出射至出瞳位置207处。当人眼位于出瞳位置207处时，用户可以看到虚拟图像。
111.本实施例，通过增加转折光栅205，对光波导内传播的光线进行调制，使原本耦出光波导后无法进入人眼的大视场光线能够进入人眼，极大地增大了系统的视场角。
112.与实施例1-2中的光波导相同，每个耦出光栅204的尺寸小。当用户佩戴增强现实设备时，波导2内的每个耦出光栅因太小无法被聚焦或看见。耦出光栅204的形状、面型同样可以根据系统需要设置，以实现不同的调制作用。由于每个耦出光栅204的尺寸小，每个耦出光栅发出的光线光束直径小，经晶状体聚焦后投影在视网膜上的弥散斑直径小，因此虚拟图像有更高的清晰度和更大的景深。
113.与实施例1-2中的光波导相同，从主视图视角来看，光波导2内的各耦出光栅204离散分布，且有较大的间隔，因此对于透射光波导后进入人眼的外界真实场景光线206具有较小的填充因子，对外界真实场景光线206的遮挡小，能量损失小。从俯视图角度来看，对于微显示器201发出的光线，耦出光栅204为紧密排布，使得光波导对信号光利用率高。
114.该结构的光波导2能实现更大的视场角。
115.实施例4：
116.图13为光波导3结构对应的光路示意图。
117.本实施例与实施例1结构基本相同，区别在于耦出光栅304带有屈光度。在光波导3内传播的平行光，经耦出光栅304调制后为发散光，并出射至出瞳位置306处。当人眼位于出瞳位置306处观察时，由耦出光栅304耦出的光线为发散光，对应的虚拟图像成像在有限远处。通过控制耦出光栅304的屈光度，可控制虚拟图像的成像深度。
118.由于每个耦出光栅304的尺寸小，由每个耦出光栅发出的光线光束直径小，经晶状体聚焦后投影在视网膜上的弥散斑直径小，因此虚拟图像有更高的清晰度和更大的景深。
119.该实施例可控制虚拟图像的深度位置，且图像有较大的景深。
120.实施例5：
121.图14为光波导4结构对应的光路示意图，图15为光波导4的主视图。
122.本实施例与实施例4结构基本相同，如图15所示，区别点在于将耦出光栅304替换为多组耦出光栅404。多组耦出光栅404呈矩阵式排布。利用光栅的选择性，可使耦出光栅404中的不同耦出光栅选择性调制不同图像的光线，分别对应不同的虚拟图像(404a对应第一幅，404b对应第二幅，404c对应第三幅，404d对应第四幅)，实现不同深度的多幅图像同时显示。通过控制光栅组数和每组光栅的对光线的调制作用，可控制图像数量和图像深度位置。例如，耦出光栅404b对应成像深度407b，耦出光栅404c对应成像深度407c。
123.本实施例通过设置多组耦出光栅404，利用光的波长、偏振、角度等特性的不同分别对不同图像进行选择性调制，实现多深度的多幅虚拟图像同时显示，且每幅图像有较大的景深。
124.实施例6：
125.图16为光波导5的结构示意图。
126.光波导5内各个光栅的间距501可根据需求设置为不同，光波导5内各个光栅的倾斜角度502同样可以根据需求设置为不同。光波导5基底的前表面503、后表面504及其他表面的面型可为自由曲面。
127.该结构的光波导5具有更高的自由度，可满足更多设计需要。
128.实施例7：
129.图17为光波导6的结构示意图。
130.本实施例中的耦出光栅601位于光波导6的表面，耦出光栅601为三种不同的耦出光栅组成，且呈阵列分布。三种不同的耦出光栅分别对红、绿、蓝三进行调制，每种光栅分别对应虚拟图像的一个颜通道，对来自像源的彩图像进行调制。调制红绿蓝三的小面积光栅按一定规律紧密排布，组合成像素阵列光栅。三种光栅输出的三图像合成彩图像，实现彩显示。当光栅阵列具有屈光度时，可控制输出的彩虚拟图像的深度。通过设置具有不同屈光度的多种像素阵列光栅，分别对不同的彩图像进行调制，可实现多深度的多幅彩虚拟图像显示。
131.由于耦出光栅的尺寸小，由每个耦出光栅发出的光线光束直径小，经晶状体聚焦后投影在视网膜上的弥散斑直径小，因此每个光栅对应的虚拟图像都有更高的清晰度和更大的景深，合成的彩图像也有更高的清晰度和更大的景深。
132.该实施例通过设置三种不同的耦出光栅对虚拟图像的红绿蓝三分别调制，组成像素光栅阵列输出彩图像。仅用单层波导、单层耦出光栅即可实现多深度彩显示，且每幅彩图像有较大的景深。
133.实施例8：
134.图18为光波导7结构对应的光路示意图，图19为光波导7的主视图。
135.本实施例7与实施例5的结构基本相同，区别点在于设置了多个图像源701a、701b，分别作为不同深度图像707a、707b的图像源。耦入光栅703也由多种光栅阵列组成，每种阵列对一个图像源的光线准直，利用光栅的选择性，可使耦入光栅703和耦出光栅704的每种光栅阵列选择性调制不同图像源的光线，每种光栅分别对应一幅虚拟图像，实现不同深度的多幅图像同时显示。通过控制光栅组数和每种光栅的对光线的调制作用，可控制图像数
量和图像深度位置。
136.由于耦出光栅的尺寸小，由每个耦出光栅发出的光线光束直径小，经晶状体聚焦后投影在视网膜上的弥散斑直径小，因此光栅对应的虚拟图像都有更高的清晰度和更大的景深。
137.本实施例设置多个图像源701作为不同深度图像的图像源，便于单独控制各深度图像，通过设置多种耦入光栅703和耦出光栅704(704a、704b)，分别对不同图像源701调制，实现多深度的多幅虚拟图像同时显示，且每幅图像有较大的景深。
138.本技术的光波导中对光线进行调制的衍射光栅可由一个或多个光栅阵列组成，每个阵列由多个小面积光栅组成，各阵列中的小面积光栅离散分布，每个光栅阵列可根据光线的入射位置、波长、入射角度、偏振状态，选择性对光线进行调制，实现大视场大景深多深度的彩增强现实显示。此外，还提高了光学系统设计的自由度。由于光栅阵列中的光栅离散分布，各部分小光栅可单独加工，降低了加工难度，离散结构使得元件加工面积小，成本低，加工时间短。
139.实施例9：
140.图20是光波导8的主视图。光波导8包括波导本体800、位于波导本体800第一区域的耦入光栅810、位于波导本体第二区域的耦出光栅820。耦出光栅820由两组光栅阵列交错拼接组成，即第一耦出光栅阵列821和第二耦出光栅阵列822。其中，第一耦出光栅阵列821和第二耦出光栅阵列822的光栅矢量不同。第一耦出光栅阵列821中的子光栅结构相同，且具有相同的光栅矢量。同理，第二耦出光栅阵列822的子光栅结构相同，具有相同的光栅矢量。耦入光栅810使光耦合入波导本体800内并在波导本体800内全反射传播，第一耦出光栅阵列821和第二耦出光栅阵列822使在波导本体800内传播的光线向两个维度扩展，并耦出波导。
141.图21是耦出光栅820结构示意图，图22是第一耦出光栅阵列821结构示意图，图23是第二耦出光栅阵列822结构示意图。耦出光栅820为阵列结构，由第一耦出光栅阵列821和第二耦出光栅阵列822交错拼接组成。第一耦出光栅阵列821和第二耦出光栅阵列822均包含多个子光栅，属于同一组阵列的子光栅结构相同。第一耦出光栅阵列821中各子光栅和第二耦出光栅阵列822中各子光栅的光栅结构不同，对光线的调制作用不同。总体上，第一耦出光栅阵列821与第二耦出光栅阵列822结构不同，对光线的调制作用不同。
142.图24是光栅结构及光栅矢量示意图。g0为耦入光栅810，为耦入光栅810的光栅矢量，g1为第一耦出光栅阵列821，为第一耦出光栅阵列821的光栅矢量，g2为第二耦出光栅阵列822，为第二耦出光栅阵列822的光栅矢量。g0、g1、g2光栅结构不同，光栅条纹方向不同，可将光线向不同方向偏转，实现不同的光线调制作用。光栅矢量的矢量和为零，因此被g0耦入波导内传播的光线再经过g1、g2调制后可耦出波导，且耦出波导的光线相对于耦入波导前不会引入角度偏移。
143.图25为波导中一种光路的示意图。由光源发出的光线经波导第一区域的耦入光栅810衍射调制后耦入光波导，并在波导内全反射传播。光线传播至波导第二区域的耦出光栅820，光线被第一耦出光栅阵列821衍射调制，0级衍射光沿原路径继续全反射传播并接触到
耦出光栅阵列中的其他子光栅，1级衍射光向第一衍射方向继续全反射传播，并被第二耦出光栅阵列822衍射调制。0级衍射光沿原路径继续全反射传播并接触到耦出光栅阵列中的其他子光栅，1级衍射光被耦合出波导，并保持与耦入波导前相同的传播方向。该过程中，光线经波导第一区域的耦入光栅810衍射调制后进入波导，全反射传播至波导第二区域的耦出光栅820，依次经第一耦出光栅阵列821、第二耦出光栅阵列822衍射调制后耦出波导。
144.图26为波导中另一种光路的示意图。该光路与图25中的光路对称。由光源发出的光线经波导第一区域的耦入光栅810衍射调制后耦入光波导，并在波导内全反射传播。光线传播至波导第二区域的耦出光栅820，光线被第二耦出光栅阵列822衍射调制，0级衍射光沿原路径继续全反射传播并接触到耦出光栅阵列的其他子光栅，1级衍射光向第二衍射方向继续全反射传播，并被第一耦出光栅阵列821衍射调制，0级衍射光沿原路径继续全反射传播并接触到耦出光栅阵列的其他子光栅，1级衍射光被耦合出波导，并保持与耦入波导前相同的传播方向。该过程中，光线经波导第一区域的耦入光栅810衍射调制后进入波导，全反射传播至波导第二区域的耦出光栅820，依次经第二耦出光栅阵列822、第一耦出光栅阵列821衍射调制后耦出波导。
145.图27为波导中的又一种光路示意图。由光源发出的光线经波导第一区域的耦入光栅810衍射调制后耦入光波导，并在波导内全反射传播。光线传播至波导第二区域的耦出光栅820，一部分光线被第一耦出光栅阵列821衍射调制，向第一方向全反射传播；一部分光线被第二耦出光栅阵列822衍射调制，向第二方向全反射传播；一部分光线沿原方向继续全反射传播，并接触耦出光栅阵列中的其他子光栅，重复上述的衍射调制过程。向第一方向全反射传播的光线，在传播过程中接触到第二耦出光栅阵列822中的子光栅，一部分光线被第二耦出光栅阵列822衍射调制后耦出波导，一部分光线沿原方向继续传播并被第二耦出光栅阵列822中的其他子光栅耦出波导，实现出瞳扩展。向第二方向全反射传播的光线，在传播过程中接触到第一耦出光栅阵列821中的子光栅，一部分光线被第一耦出光栅阵列821衍射调制后耦出波导，一部分光线沿原方向继续传播并被第一耦出光栅阵列821中的其他子光栅耦出波导，实现出瞳扩展。在该光路中，光线被波导第一区域的耦入光栅810耦合入波导内，沿一维方向全反射传播。光线传播至波导第二区域的耦出光栅820后，在耦出光栅820中两组耦出光栅阵列的相互作用下，使光线扩展为向至少两个维度传播，实现光束扩展，同时扩展后的光线被耦出光栅820耦合出波导。耦出光栅820同时实现光束扩展作用和耦出作用，提升了波导空间利用率。
146.本实施例的波导光学装置，利用位于波导第一区域的耦入光栅将光耦合进波导内全反射传播，位于波导第二区域的耦出光栅阵列，使波导内传播的光线向至少两个方向扩展，同时将光线耦合出波导，使输出光束增多，实现出瞳扩展作用，提高了输出光线均匀性。位于第二区域的耦出光栅阵列，在较小的区域内可同时实现光线扩瞳和光线耦出作用，可节省光栅面积，提高波导空间利用率。
147.实施例10：
148.本实施例提供的装置与实施例9中的类似，不同之处在于本实施例中的位于波导本体第一区域的耦入光栅为阵列结构，由两组光栅阵列交错拼接组成。
149.如图28所示，光波导9包括波导本体900、位于波导本体第一区域的耦入光栅910、位于波导本体第二区域的耦出光栅920。耦入光栅910由第一耦入光栅阵列911和第二耦入
光栅阵列912两组光栅阵列交错拼接组成。第一耦入光栅阵列911和第二耦入光栅阵列912的光栅矢量不同。第一耦入光栅阵列911中的子光栅结构相同，具有相同的光栅矢量。第二耦入光栅阵列912中的子光栅结构相同，具有相同的光栅矢量。耦出光栅920由第一耦出光栅阵列921和第二耦出光栅阵列922两组光栅阵列交错拼接组成，第一耦出光栅阵列921和第二耦出光栅阵列922的光栅矢量不同(与上一实施例结构一致，图中不再详细描述)。第一耦出光栅阵列921中的子光栅结构相同，具有相同的光栅矢量。第二耦出光栅阵列922中的子光栅结构相同，具有相同的光栅矢量。
150.耦入光栅910使光耦合入波导内并使光线能在波导内沿至少两个维度扩展，实现预扩展作用，使得耦入进波导的光线在波导内沿不同维度向波导第二区域传播，使光从多处不同位置进入第二区域，提升光线在第二区域的填充率，使第二区域的耦出光栅920能够耦出更多光线，提高了光线能量利用率和耦出光栅利用率，有助于提升不同视场光线的均匀性。位于波导第二区域的耦出光栅920使在波导内传播的光线向至少两个维度扩展，对光线进一步扩展，并将光线耦合出波导。提升了输出光束的数量，实现出瞳扩展，并提升了不同视场输出光线的均匀性。位于第二区域的耦出光栅阵列，在较小的区域内可同时实现光线扩瞳和光线耦出作用，可节省光栅面积，提高波导空间利用率。
151.实施例11：
152.光波导9包括波导本体900、位于波导本体第一区域的耦入光栅910、位于波导本体第二区域的耦出光栅920。耦入光栅910由第一耦入光栅阵列911和第二耦入光栅阵列912两组光栅阵列交错拼接组成。第一耦入光栅阵列911和第二耦入光栅阵列912的光栅矢量不同。第一耦入光栅阵列911中的子光栅结构相同，具有相同的光栅矢量。第二耦入光栅阵列912中的子光栅结构相同，具有相同的光栅矢量。耦出光栅920由第一耦出光栅阵列921和第二耦出光栅阵列922两组光栅阵列交错拼接组成，第一耦出光栅阵列921和第二耦出光栅阵列922的光栅矢量不同。第一耦出光栅阵列921中的子光栅结构相同，具有相同的光栅矢量。第二耦出光栅阵列922中的子光栅结构相同，具有相同的光栅矢量。
153.与实施例10的不同之处在于，所述耦出光栅组分为多个子区域，每个子区域包含一种耦出光栅或多种微观结构不同的的耦出光栅，多个子区域对应的耦出光栅间隔排布。如图29所示，位于波导第二区域的耦出光栅920被分成多个矩形长条，沿y负方向间隔排布，且相同长度内，矩形长条的宽度逐渐增加。各矩形长条耦出光栅920均由第一耦出光栅阵列921和第二耦出光栅阵列922交错拼接组成。该结构的波导光学装置，光线被第一区域的耦入光栅910耦合进入波导，沿着y负方向传播至第二区域被耦出光栅920进行光束扩展并耦合出波导。沿着y负方向，第二区域的耦出光栅920面积逐渐增加，光线耦出率逐渐增加。
154.本实施例中的波导结构，耦出光栅920在实施例10的基础上(具有光束扩展和耦出作用)，沿y负方向面积逐渐增加，光线耦出率逐渐增加。通过控制耦出光栅920间隔及面积增长，来分配波导内传播的光线在耦出光栅920各部分的耦出能量分布，能更有效的提高波导耦出光线能量分布的均匀性。
155.更优的，耦出光栅920可沿x、y两个方向间隔分布，如图30所示。该实施例中，通过控制耦出光栅920沿两个方向的间隔排布，可分配波导内传播的光线在耦出光栅920部分沿x、y两个方向的耦出能量分布，可进一步提高波导耦出光线能量分布的均匀性。
156.为实现上述目的，本技术还提出一种增强现实光波导显示方法。
157.本方法利用上一方面实施例的增强现实光波导显示系统来实现。
158.如图31所示，增强现实光波导显示方法包括：
159.s1，图像源发出的信号光入射光波导的耦入光栅。
160.s2，信号光经耦入光栅选择性调制后进入光波导。
161.s3，信号光在光波导内全反射传播至光波导的耦出光栅组处。
162.s4，信号光经耦出光栅组选择性调制后出射光波导并进入人眼。
163.在本技术的另一个实施例中，如图32所示，方法还包括：
164.s5，在信号光传播的同时，来自外界真实场景的光线透射光波导并进入人眼。
165.在本技术的又一个实施例中，如图33所示，方法还包括：
166.s6，在信号光传播至耦出光栅组处之前，信号光在波导内全反射传播至光波导的转折光栅处。
167.s7，信号光经转折光栅选择性调制后继续在光波导内全反射传播。
168.本技术实施例的增强现实光波导显示方法，可使人眼同时观察虚拟图像和真实场景，提高增强现实显示效果。
169.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
170.应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
171.需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

技术特征：

1.一种增强现实光波导显示系统，其特征在于，包括：图像源和光波导；所述光波导包括基底、耦入光栅和多个耦出光栅组，所述耦入光栅设置在所述基底的一侧，多个所述耦出光栅组呈阵列分布，设置在所述基底的内部或表面；所述图像源向所述耦入光栅发射虚拟图像的信号光，所述耦入光栅对所述信号光进行调制，使得所述信号光在进入所述基底后进行全反射传播；多个所述耦出光栅组对所述信号光进行调制，并由所述基底的正面或背面出射至人眼处。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，包括：所述耦出光栅组的分布形式包括一维阵列分布或二维阵列分布，其中，所述二维阵列分布为矩阵式、蜂窝式、菱形式中的至少一种，所述耦出光栅组的形状为矩形、圆形、方形、六边形、平行四边形、椭圆形、三角形中的一种或多种。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，包括：所述耦入光栅、所述耦出光栅组为具有微纳三维结构的体光栅。4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括透镜组，所述透镜组设置在所述图像源与所述耦入光栅之间的光路上，用于对所述图像源发出的信号光进行准直。5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，每个耦出光栅组包括多种微观结构不同的耦出光栅。6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述多种微观结构不同的耦出光栅的对光线的角度、波长、偏振状态中至少之一的响应特性不同。7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括转折光栅，所述转折光栅设置在与所述耦入光栅相对的所述基底的另一端，所述转折光栅对经所述耦入光栅调制的信号光进行调制，并经所述耦出光栅组继续调制后出射至人眼处。8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，包括：所述耦出光栅组具有屈光度，所述屈光度用于确定虚拟图像的成像深度。9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基底的一个或多个表面为自由曲面。10.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述多种微观结构不同的耦出光栅具有不同的屈光度，并且对应的成像深度不同。11.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述多种微观结构不同的耦出光栅各自对应虚拟图像中的一种颜通道。12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述多种微观结构不同的耦出光栅以预设方式紧密排布。13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述耦出光栅组包括第一耦出光栅阵列和第二耦出光栅阵列，所述第一耦出光栅阵列和所述第二耦出光栅阵列的光栅矢量与所述耦入光栅的光栅矢量的矢量和为零。14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述耦入光栅包括第一耦入光栅阵列和第
二耦入光栅阵列，所述第一耦入光栅阵列和所述第二耦入光栅阵列交错排布，所述第一耦入光栅阵列中的光栅矢量与所述第二耦入光栅阵列中的光栅矢量不同。15.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述耦出光栅组分为多个子区域，每个子区域包含一种耦出光栅或多种微观结构不同的的耦出光栅，多个子区域对应的耦出光栅间隔排布。16.一种增强现实光波导显示方法，其特征在于，该方法基于如权利要求1-15任一项所述的增强现实光波导显示系统实现，包括以下步骤：图像源发出的信号光入射光波导的耦入光栅；所述信号光经所述耦入光栅选择性调制后进入所述光波导；所述信号光在所述光波导内全反射传播至所述光波导的耦出光栅组处；所述信号光经所述耦出光栅组选择性调制后出射所述光波导并进入人眼。17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，方法还包括：在所述信号光传播的同时，来自外界真实场景的光线透射所述光波导并进入所述人眼。18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，方法还包括：在所述信号光传播至所述耦出光栅组处之前，所述信号光在所述波导内全反射传播至所述光波导的转折光栅处；所述信号光经所述转折光栅选择性调制后继续在所述光波导内全反射传播。

技术总结

本申请公开了一种增强现实光波导显示方法和系统，该增强现实光波导显示系统包括：图像源和光波导；所述光波导包括基底、耦入光栅和多个耦出光栅组，所述耦入光栅设置在所述基底的一侧，多个耦出光栅组呈阵列分布，设置在所述基底的内部或表面；所述图像源向所述耦入光栅发射虚拟图像的信号光，所述耦入光栅对所述信号光进行调制，使得所述信号光在进入所述基底后进行全反射传播；多个耦出光栅组对所述信号光进行调制，并由所述基底的正面或背面出射至人眼处。本申请的增强现实光波导显示系统，体积小、加工成本低，能够提高增强现实显示效果。效果。效果。