本实用新型涉及ar设备技术领域，特别是涉及一种衍射光波导显示装置以及一种衍射光波导显示系统。
背景技术：
增强现实(augmentreality，ar)，是将虚拟世界信息实时叠加到现实图景的新技术。由于增强现实技术强大的多感官体验能力，使得该技术被广泛应用于教育、游戏、工业、零售以及医疗等多个领域。
为了追求增强现实显示设备的轻薄性，以衍射光波导来作为传输媒介的光学显示方案成为了近年来研究的热点。光波导虽然具有最为轻薄的光学体积，却能保证光线在波导内无损地传输，再结合波导表面的一个或多个光学元件控制图像分步输出，实现出瞳扩展，扩大了人眼接收图像的范围，因而成为了目前的主流方案。
基于波导的显示方案大都采用衍射光学器件如面浮雕光栅、体全息光栅等，这一类波导显示技术又被称之为衍射光波导显示技术。其中衍射光波导显示技术是利用衍射光栅实现光能量的耦入、转折和耦出，并基于全反射原理在波导中传输光线，因而能够做到结构紧凑、器件轻便，是目前最具竞争力的增强现实设备核心光学器件。其中，光栅的衍射效率是实现光波导耦入效率和耦出效率的关键参数。
在目前的衍射光波导设计方案中，耦入光栅在宽光谱，多视场角光线入射情况下的平均衍射效率一般较低。可以说，光谱越宽，入射视场角越大，所设计的光栅衍射效率就往往越低。平均衍射效率较低的耦入光栅限制了衍射光波导显示方案的耦出图像亮度和光能量使用效率，使得目前的衍射光波导显示方案耦出图像亮度较暗，光能量使用效率低下。所以如何提高衍射光波导耦出图像的亮度时本领域技术人员急需解决的问题。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种衍射光波导显示装置，耦出图像具有较高的亮度；本实用新型的另一目的在于提供一种衍射光波导显示系统，耦出图像具有较高的亮度。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种衍射光波导显示装置，包括光机、光阑、光波导、耦入光栅和耦出光栅；
所述光波导包括光耦入区域和光耦出区域，所述耦入光栅位于所述光耦入区域表面，所述耦出光栅位于所述光耦出区域表面；所述光机与所述光耦入区域相对设置；
所述耦入光栅包括多个耦入子光栅，多个所述耦入子光栅沿光栅矢量方向分布；由所述光机出射的多个视场角的光线经过所述光阑后在所述光耦入区域的辐射范围不完全重合，至少一个所述耦入子光栅不接收全部所述视场角的光线；任一所述耦入子光栅的可衍射的入射角度仅对应接收光线的视场角，所述耦入子光栅的光栅周期相同。
可选的，任一所述耦入子光栅均不接收全部所述视场角的光线。
可选的，所述耦入子光栅的数量不少于两个，位于所述光耦入区域中间部的所述耦入子光栅接收多个视场角的光线，任一视场角的光线照射多个所述耦入子光栅。
可选的，位于所述光耦入区域两侧边缘部的耦入子光栅仅接收一个对应视场角的光线。
可选的，所述耦入子光栅的数量的取值范围为2个至10个，包括端点值。
可选的，任一所述耦入子光栅的衍射效率的取值范围在0.3至1.0之间，包括端点值。
可选的，所述光阑与所述耦入光栅之间的间距不小于1cm。
可选的，多个所述耦入子光栅位于所述光波导的同一侧。
可选的，多个所述耦入子光栅分别位于所述光波导相对的两侧。本实用新型还提供了一种衍射光波导显示系统，包括如上述任一项所述的衍射光波导显示装置。
本实用新型所提供的一种衍射光波导显示装置，包括光机、光阑、光波导、耦入光栅和耦出光栅；光波导包括光耦入区域和光耦出区域，耦入光栅位于光耦入区域表面，耦出光栅位于光耦出区域表面；光机与光耦入区域相对设置；耦入光栅包括多个耦入子光栅，多个耦入子光栅沿光栅矢量方向分布；由光机出射的多个视场角的光线经过光阑后在光耦入区域的辐射范围不完全重合，至少一个耦入子光栅不接收全部视场角的光线；任一耦入子光栅的可衍射的入射角度仅对应接收光线的视场角，耦入子光栅的光栅周期相同。
光机发出的光线在经过光阑时会完全重合，而再从光阑射出时，会形成沿不同视场角传播的光线。耦入光栅由多个耦入子光栅构成，利用多个耦入子光栅衍射特定视场角光线的方法来减小每个耦入子光栅对应的可衍射的入射角度范围，提高耦入子光栅的衍射效率，从而提高整体耦入光栅的平均衍射效率，进而增加最终生成图像的亮度。
本实用新型还提供了一种衍射光波导显示系统，同样具有上述有益效果，在此不再进行赘述。
附图说明
为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例所提供的一种衍射光波导显示装置的结构示意图；
图2为图1中a区域的详细结构示意图。
图中：1.光机、11.光线、2.光阑、3.光波导、4.耦入光栅、41.耦入子光栅、5.耦出光栅。
具体实施方式
本实用新型的核心是提供一种衍射光波导显示装置。在现有技术中，耦入光栅在宽光谱，多视场角光线入射情况下的平均衍射效率一般较低。可以说，光谱越宽，入射视场角越大，所设计的光栅衍射效率就往往越低。平均衍射效率较低的耦入光栅限制了衍射光波导显示方案的耦出图像亮度和光能量使用效率，使得目前的衍射光波导显示方案耦出图像亮度较暗，光能量使用效率低下。
而本实用新型所提供的一种衍射光波导显示装置，包括光机、光阑、光波导、耦入光栅和耦出光栅；光波导包括光耦入区域和光耦出区域，耦入光栅位于光耦入区域表面，耦出光栅位于光耦出区域表面；光机与光耦入区域相对设置；耦入光栅包括多个耦入子光栅，多个耦入子光栅沿光栅矢量方向分布；由光机出射的多个视场角的光线经过光阑后在光耦入区域的辐射范围不完全重合，至少一个耦入子光栅不接收全部视场角的光线；任一耦入子光栅的可衍射的入射角度仅对应接收光线的视场角，耦入子光栅的光栅周期相同。
光机发出的光线在经过光阑时会完全重合，而再从光阑射出时，会形成沿不同视场角传播的光线。所述耦入光栅由多个耦入子光栅构成，利用多个耦入子光栅衍射特定视场角光线的方法来减小每个耦入子光栅对应的可衍射的入射角度范围，提高耦入子光栅的衍射效率，从而提高整体耦入光栅的平均衍射效率，进而增加最终生成图像的亮度。
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参考图1以及图2，图1为本实用新型实施例所提供的一种衍射光波导显示装置的结构示意图；图2为图1中a区域的详细结构示意图。
参见图1以及图2，在本实用新型实施例中，衍射光波导显示装置包括光机1、光阑2、光波导3、耦入光栅4和耦出光栅5；所述光波导3包括光耦入区域和光耦出区域，所述耦入光栅4位于所述光耦入区域表面，所述耦出光栅5位于所述光耦出区域表面；所述光机1与所述光耦入区域相对设置；所述耦入光栅4包括多个耦入子光栅41，多个所述耦入子光栅41沿光栅矢量方向分布；由所述光机1出射的多个视场角的光线11经过所述光阑2后在所述光耦入区域的辐射范围不完全重合，至少一个所述耦入子光栅41不接收全部所述视场角的光线11；任一所述耦入子光栅41的可衍射的入射角度仅对应接收光线11的视场角，所述耦入子光栅41的光栅周期相同。
上述光机1即用于产生计算机模拟的虚拟图像的机器，光机1所发出的光线会携带虚拟图像信息。有关光机1的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。上述光机1会产生不同视场角的光线11，而该光线11会经过耦入光栅4耦入光波导3进行传播。上述光波导3即用于传输光线的结构，光线会在光波导3内以全反射的形式进行传播。在本实用新型实施例中，光波导3包括光耦入区域和光耦出区域，其中外界光线从光耦入区域进入光波导3；待光线传输至光耦出区域时，再从光耦出区域进入人眼。上述光耦入区域表面通常设置有耦入光栅4用于将光机1产生的光线通过衍射耦入光波导3进行传播；而光耦出区域表面通常设置有耦出光栅5用于将光波导3内光线通过衍射作用耦出光波导3。
具体的，在本实用新型实施例中上述光波导3通常为透明平板，其可由玻璃、树脂等材料制备而成，该光波导3折射率的取值范围通常在1.5至2.0之间，包括端点值；该光波导3的厚度通常在0.8mm至5mm之间，包括端点值。上述耦入光栅4以及耦出光栅5，可由银盐材料、pp膜、液晶聚合物等基底材料制备生成，也可以由光刻胶材料雕琢而成。上述耦入光栅4以及耦出光栅5的厚度通常在20nm到20um之间，包括端点值。上述耦入光栅4的周期应该在0.6至1.0个入射光中心波长之间，包括端点值；而上述耦入光栅4的周期与耦出光栅5的周期通常需要相同，以保证光线可以以一定的入射角通过耦入光栅4进入光波导3传播之后，以同样的角度耦出光波导3，保证图像完整。在本实用新型实施例中，上述耦入光栅4以及耦出光栅5通常为体光栅结构，具体可为表面浮雕光栅或体全息光栅均可，在本实用新型实施例中不做具体限定。
上述光机1需要与光波导3中的光耦入区域相对设置，而光机1产生的光线11需要经过光阑2在射入耦入光栅4，且光阑2与耦入光栅4之间通常需要具有一定的距离，以保证光机1产生的光线11在照射到耦入光栅4时，不同视场角的光线11不会完全重合。通常情况下，上述光阑2需要设置在光耦入区域与光机1之间，且光阑2与耦入光栅4之间的距离通常不小于1cm。具体的，上述光阑2可以贴在光机1的出瞳面，可以设置在光机1与光波导3之间的空间，也可以设置在光机内部均可，通常需要保证光阑2与耦入光栅4之间具有一定的空间使得光线在经过光阑2后会发生一定的扩散。具体的，在本实用新型实施例中，上述耦入光栅4可以在光波导3朝向光机1一侧设置，也可以在光波导3背向光机1一侧设置均可，相应的上述耦出光栅5同样可以在光波导3朝向光机1一侧设置，也可以在光波导3背向光机1一侧设置均可，在本实用新型实施例中不做具体限定。
在本实用新型实施例中，所述耦入光栅4包括多个耦入子光栅41，多个所述耦入子光栅41通常沿光栅矢量分布，以保证至少有一个耦入子光栅41不会接收到全部视场角的光线11，即上述耦入子光栅41通常沿光线11经过所述光阑2后的扩展方向分布。上述耦入光栅4在本实用新型实施例中具体是由多个耦入子光栅41紧密拼接而成，多个耦入子光栅41沿光线经过光阑2后的扩展方向分布，即若光线在经过光阑2后沿横向扩展，则在本申请中多耦入子光栅41也沿横向分布。需要说明的是，上述耦入子光栅41的光栅周期相同，以保证光线11在耦入光波导3之后不会发生串扰。在本实用新型实施例中，所述耦入子光栅41的光栅周期相同。保证不同耦入子光栅41的光栅周期相同，可以保证同一入射方向的光线在不同耦入子光栅41的衍射角一样。此时可以避免光波导3内信息发生串扰，进而避免重影情况的发生。
上述光机1发射的光线11在经过光阑2时，会完全重合；而在从光阑2向耦入光栅4传播过程中，至少可以划分为沿向左、居中、向右三个视场角传播的光线11，其分别对应向左、居中、向右三个视场角。而在本实用新型实施例中，至少一个耦入子光栅41不接收全部视场角的光线11，通常情况下该不接收全部视场角光线11的耦入子光栅41位于光耦入区域的边缘，例如若该耦入子光栅41为位于光耦入区域中最左侧的耦入子光栅41，则该耦入子光栅41至少不接收上述视场角向右的光线11；若该耦入子光栅41为位于光耦入区域中最右侧的耦入子光栅41，则该耦入子光栅41至少不接收上述视场角向左的光线11。并且在本实用新型实施例中，任一所述耦入子光栅41的可衍射的入射角度仅对应接收光线11的视场角。即至少一个耦入子光栅41的可衍射的入射角度不需要对应全部视场角，仅需要对应部分视场角即可，从而有效降低耦入子光栅41平均可衍射的入射角度所对应的范围。当降低耦入子光栅41平均可衍射的入射角度所对应的范围时，通过合理的设计可以有效增加单个耦入子光栅41的衍射效率，从而增加整体衍射光栅的衍射效率。
通常情况下，在本实用新型实施例中，任一所述耦入子光栅41均不接收全部所述视场角的光线，以尽可能缩小每一个耦入子光栅41对应视场角的范围，从而进一步增加每一个耦入子光栅41的衍射效率。
本实用新型实施例所提供的一种衍射光波导显示装置，包括光机1、光阑2、光波导3、耦入光栅4和耦出光栅5；光波导3包括光耦入区域和光耦出区域，耦入光栅4位于光耦入区域表面，耦出光栅5位于光耦出区域表面；光机1与光耦入区域相对设置；耦入光栅4包括多个耦入子光栅41，多个耦入子光栅41沿光栅矢量方向分布；由光机1出射的多个视场角的光线11经过光阑2后在光耦入区域的辐射范围不完全重合，至少一个耦入子光栅41不接收全部视场角的光线11；任一耦入子光栅41的可衍射的入射角度仅对应接收光线11的视场角，耦入子光栅41的光栅周期相同。1经过光阑2后的扩展方向分布；光线11在经过光阑2后包括至少三个视场角的光线11，任一耦入子光栅41均不接收全部视场角的光线11；任一耦入子光栅41的可衍射的入射角度仅对应接收的光线11的视场角。
光机1发出的光线11在经过光阑2时会完全重合，而再从光阑2射出时，会形成沿不同视场角传播的光线11。耦入光栅4由多个耦入子光栅41构成，利用多个耦入子光栅41衍射特定视场角光线的方法来减小每个耦入子光栅41对应的可衍射的入射角度范围，提高耦入子光栅41的衍射效率，从而提高整体耦入光栅4的平均衍射效率，进而增加最终生成图像的亮度。
有关本实用新型所提供的一种衍射光波导显示装置的具体内容将在下述实用新型实施例中做详细介绍。
区别于上述实用新型实施例，本实用新型实施例是在上述实用新型实施例的基础上，进一步的介绍衍射光波导显示装置的具体结构。其余内容已在上述实用新型实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。
在本实用新型实施例中，所述耦入子光栅41的数量不小于两个，位于所述光耦入区域中间部的耦入子光栅41接收多个视场角的光线11，任一视场角的光线11照射多个所述耦入子光栅41。由于任一视场角对应的光线11，且位于光耦入区域中间部的耦入子光栅41接收多个视场角的光线11，使得在本实用新型实施例中相邻视场角的光线11在传播至耦入光栅4时具有部分重叠，此时，可以有效简化衍射光波导显示装置的结构，降低衍射光波导显示装置的尺寸。
具体的，在本实用新型实施例中，位于光耦入区域两侧边缘部的耦入子光栅41仅接收一对应视场角的光线。此时，在光耦入区域中至少设置有四个耦入子光栅41，其中两个耦入子光栅41位于光耦入区域的中间部，两个耦入子光栅41位于光耦入区域的边缘部，置于上述中间部的两个耦入子光栅41两侧。具体的，在本实用新型实施例中视场角通常分为向左、向右以及居中，此时在本实用新型实施例中视场角向左的光线11可以照射光耦入区域中最左侧的耦入子光栅41，以及中间偏左的耦入子光栅41；视场角居中的光线11可以照射照射光耦入区域中位于中间部的两个耦入子光栅41；视场角向右的线11可以照射光耦入区域中最右侧的耦入子光栅41，以及中间偏右的耦入子光栅41。
此时，在本实用新型实施例中位于所述光耦入区域两侧边缘部的耦入子光栅41仅对应一视场角的光线11，即位于最左侧的耦入子光栅41仅接收上述视场角向左的光线11，而位于最右侧的耦入子光栅41仅接收上述视场角向左的光线11。此时，可以进一步提高位于光耦入区域两侧边缘部的耦入子光栅41的衍射效率，从而提高光线耦入光波导3的量。通常情况下，在本实用新型实施例中所述耦入子光栅41的数量通常在2个至10个之间，包括端点值，以保证衍射光波导显示装置整体结构不至于过于复杂。
需要说明的是，上述各个耦入子光栅41的尺寸可以相等也可以不等，在本实用新型实施例中不做具体限定。上述任一耦入子光栅41的衍射效率的取值范围通常在0.3至1.0之间，包括端点值，以保证耦入光栅4具有较高的衍射效率。
在本实用新型实施例中，所述光机1与从所述光耦出区域射出光线的方向位于所述光波导3的同一侧。上述从光耦出区域射出光线的方向即人眼接收图像的一侧。将光机1与人眼接收图像的位置设置在光波导3的同一侧，使得衍射光波导显示装置更符合眼镜结构，其中光机1可以位于眼镜腿的位置，从而便于制备出更符合用户穿戴的衍射光波导显示装置。当然，上述光机1与从光耦出区域射出光线的方向也可以位于光波导3的异侧，视具体情况而定，在本实用新型实施例中不做具体限定。
上述多个所述耦入子光栅41可以位于所述光波导3的同一侧，多个所述耦入子光栅41也可以分别位于所述光波导3相对的两侧均可，在本实用新型实施例中不做具体限定，视具体情况而定。
本实用新型实施例所提供的一种衍射光波导显示装置，可以使得各个耦入子光栅41对应视场角范围较小的光线11从而具有较高的衍射效率，从而增加最终生成图像的亮度；同时有效减小衍射光波导显示装置的体积，使得衍射光波导显示装置更加符合眼镜结构。
在上述实施例的基础上，本实用新型实施例还提供了一种衍射光波导显示系统，包括如上述任一实用新型实施例的衍射光波导显示装置。
需要说明的是，本实施例中所提供的衍射光波导显示系统具有与上述实施例中所提供的衍射光波导显示装置相同的有益效果，并且对于本实施例中所涉及到的衍射光波导显示装置的具体介绍请参照上述实施例，本申请在此不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
最后，还需要说明的是，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，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本实用新型所提供的一种衍射光波导显示装置以及一种衍射光波导显示系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
1.一种衍射光波导显示装置，其特征在于，包括光机、光阑、光波导、耦入光栅和耦出光栅；
所述光波导包括光耦入区域和光耦出区域，所述耦入光栅位于所述光耦入区域表面，所述耦出光栅位于所述光耦出区域表面；所述光机与所述光耦入区域相对设置；
所述耦入光栅包括多个耦入子光栅，多个所述耦入子光栅沿光栅矢量方向分布；由所述光机出射的多个视场角的光线经过所述光阑后在所述光耦入区域的辐射范围不完全重合，至少一个所述耦入子光栅不接收全部所述视场角的光线；任一所述耦入子光栅的可衍射的入射角度仅对应接收光线的视场角，所述耦入子光栅的光栅周期相同。
2.根据权利要求1所述的衍射光波导显示装置，其特征在于，任一所述耦入子光栅均不接收全部所述视场角的光线。
3.根据权利要求2所述的衍射光波导显示装置，其特征在于，所述耦入子光栅的数量不少于两个，位于所述光耦入区域中间部的所述耦入子光栅接收多个视场角的光线，任一视场角的光线照射多个所述耦入子光栅。
4.根据权利要求3所述的衍射光波导显示装置，其特征在于，位于所述光耦入区域两侧边缘部的耦入子光栅仅接收一个对应视场角的光线。
5.根据权利要求4所述的衍射光波导显示装置，其特征在于，所述耦入子光栅的数量的取值范围为2个至10个，包括端点值。
6.根据权利要求4所述的衍射光波导显示装置，其特征在于，任一所述耦入子光栅的衍射效率的取值范围在0.3至1.0之间，包括端点值。
7.根据权利要求1所述的衍射光波导显示装置，其特征在于，所述光阑与所述耦入光栅之间的间距不小于1cm。
8.根据权利要求1所述的衍射光波导显示装置，其特征在于，多个所述耦入子光栅位于所述光波导的同一侧。
9.根据权利要求1所述的衍射光波导显示装置，其特征在于，多个所述耦入子光栅分别位于所述光波导相对的两侧。
10.一种衍射光波导显示系统，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项权利要求所述的衍射光波导显示装置。
技术总结