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，耦出光栅的衍射效率函数都覆盖了全视场角的光线，但是人眼在接收图像时，并不会接收耦出光栅耦出的全部光线，在人眼两侧会有大量的光线被浪费，从而导致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；
所述耦出光栅包括多个耦出子光栅，多个所述耦出子光栅沿光栅矢量方向分布；位于所述光耦出区域最左侧的耦出子光栅的可衍射的出射角度不对应向左的视场角，位于所述光耦出区域最右侧的耦出子光栅的可衍射的出射角度不对应向右的视场角，所述耦出子光栅所耦出的光线在人眼视场范围内重合；所述耦出子光栅的光栅周期相同。
可选的，位于所述光耦出区域最左侧的耦出子光栅的可衍射的出射角度仅对应向右传播的视场角，位于所述光耦出区域最右侧的耦出子光栅的可衍射的出射角度仅对应向左的视场角。
可选的，位于所述光耦出区域中间部的耦出子光栅的可衍射的出射角度对应多个视场角，任一所述视场角的光线由多个所述耦出子光栅耦出光波导。
可选的，所述耦出子光栅的数量的取值范围为2个至20个，包括端点值。
可选的，所述耦出子光栅和所述耦入光栅的光栅周期相同。
可选的，所述耦出子光栅的衍射效率的取值范围在0.05至1.0之间，包括端点值。
可选的，多个所述耦出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。
可选的，所述耦出子光栅衍射效率随所述光波导内光线传播距离的增加而依次增加。
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；耦出光栅包括多个耦出子光栅，多个耦出子光栅沿光栅矢量方向分布；位于光耦出区域最左侧的耦出子光栅的可衍射的出射角度不对应向左的视场角，位于光耦出区域最右侧的耦出子光栅的可衍射的出射角度不对应向右的视场角，耦出子光栅所耦出的光线在人眼视场范围内重合；耦出子光栅的光栅周期相同。
在传统的衍射光波导显示方案中，不同视场的光线从耦出光栅表面出射到人眼所在的平面时，其光线的出瞳范围是不断变大的。其出瞳范围包含了可以接收全部视场角信息的人眼视场区域，以及人眼视场区域两侧不能完整成像的损耗区域。而上述光耦出区域最左侧的耦出子光栅的可衍射的出射角度不对应向左的视场角，可以减少光耦出区域最左侧的耦出子光栅向人眼视场左侧损耗区域发射光线的量；同时上述位于光耦出区域最右侧的耦出子光栅的可衍射的出射角度不对应向右的视场角，可以减少光耦出区域最右侧的耦出子光栅向人眼视场右侧损耗区域发射光线的量，从而减小人眼视场范围之外损耗区域的范围，甚至消除损耗区域，而把光线尽可能多的集中至人眼视场范围内，从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为现有技术中衍射光波导显示装置的结构示意图；
图2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。
图中：1.光机、2.光波导、3.耦入光栅、4.耦出光栅、41.耦出子光栅、5.光线。
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。参见图1，图1为现有技术中衍射光波导显示装置的结构示意图。在现有技术中，耦出光栅4的衍射效率函数都覆盖了全视场角的光线，但是人眼在接收图像时，并不会接收耦出光栅4耦出的全部光线，在人眼视场范围两侧会存在损耗区域，有大量的光线被浪费，从而导致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；耦出光栅包括多个耦出子光栅，多个耦出子光栅沿光栅矢量方向分布；位于光耦出区域最左侧的耦出子光栅的可衍射的出射角度不对应向左的视场角，位于光耦出区域最右侧的耦出子光栅的可衍射的出射角度不对应向右的视场角，耦出子光栅所耦出的光线在人眼视场范围内重合；耦出子光栅的光栅周期相同。
在传统的衍射光波导显示方案中，不同视场的光线从耦出光栅表面出射到人眼所在的平面时，其光线的出瞳范围是不断变大的。其出瞳范围包含了可以接收全部视场角信息的人眼视场区域，以及人眼视场区域两侧不能完整成像的损耗区域。而上述光耦出区域最左侧的耦出子光栅的可衍射的出射角度不对应向左的视场角，可以减少光耦出区域最左侧的耦出子光栅向人眼视场左侧损耗区域发射光线的量；同时上述位于光耦出区域最右侧的耦出子光栅的可衍射的出射角度不对应向右的视场角，可以减少光耦出区域最右侧的耦出子光栅向人眼视场右侧损耗区域发射光线的量，从而减小人眼视场范围之外损耗区域的范围，甚至消除损耗区域，而把光线尽可能多的集中至人眼视场范围内，从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2，图2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。
参见图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、光波导2、耦入光栅3和耦出光栅4；所述光波导2包括光耦入区域和光耦出区域，所述耦入光栅3位于所述光耦入区域表面，所述耦出光栅4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；所述耦出光栅4包括多个耦出子光栅41，多个所述耦出子光栅41沿光栅矢量方向分布；位于所述光耦出区域最左侧的耦出子光栅41的可衍射的出射角度不对应向左的视场角，位于所述光耦出区域最右侧的耦出子光栅41的可衍射的出射角度不对应向右的视场角，所述耦出子光栅41所耦出的光线在人眼视场范围内重合；所述耦出子光栅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。上述光波导2即用于传输光线的结构，光线会在光波导2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2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2；待光线传输至光耦出区域时，再从光耦出区域射出至外界，通常情况下从光耦出区域射出的光线会直接进入人眼。上述光耦入区域表面通常设置有耦入光栅3用于将光机1产生的光线通过衍射耦入光波导2进行传播；而光耦出区域表面通常设置有耦出光栅4用于将光波导2内光线通过衍射作用耦出光波导2。
具体的，在本实用新型实施例中上述光波导2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2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2的厚度通常在0.8mm至5mm之间，包括端点值上述耦入光栅3以及耦出光栅4。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3以及耦出光栅4的厚度通常在20nm到20um之间，包括端点值。上述耦入光栅3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3的周期与耦出光栅4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3进入光波导2传播之后，以同样的角度耦入光波导2，保证图像完整。在本实用新型实施例中，上述耦入光栅3以及耦出光栅4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。而上述光机1通常需要与光波导2的光耦入区域相对设置，以保证光机1所产生的光线可以耦入光波导2。
具体的，在本实用新型实施例中，上述耦入光栅3可以在光波导2朝向光机1一侧设置，也可以在光波导2背向光机1一侧设置均可，相应的上述耦出光栅4同样可以在光波导2朝向光机1一侧设置，也可以在光波导2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，所述耦出光栅4包括多个耦出子光栅41，多个所述耦出子光栅41沿光栅矢量分布。上述耦出光栅4在本实用新型实施例中通常具体是由多个耦出子光栅41拼接而成，光波导2内光线会依次经过各个耦出子光栅41，被各个耦出子光栅41耦出光波导2。
在本实用新型实施例中，从所述光耦出区域耦出的光线5通常包括至少三个不同视场角的光线5。上述从光波导2中光耦出区域传播至外界的光线5在传播过程中，至少可以划分为沿向左、居中、向右三个视场角传播的光线5，其分别对应向左、居中、向右三个出射方向。而在本实用新型实施例中，位于所述光耦出区域最左侧的耦出子光栅41的可衍射的出射角度不对应向左的视场角，即在光耦出区域最左侧的耦出子光栅41耦出的光线不会继续向左侧传播；相应的，位于所述光耦出区域最右侧的耦出子光栅41的可衍射的出射角度不对应向右的视场角，即在光耦出区域最右侧的耦出子光栅41耦出的光线不会继续向右侧传播，从而有效减小人眼视场两侧损耗区域的范围。
需要说明的是，在本实用新型实施例中，所述耦出子光栅所耦出的光线在人眼视场范围内重合，即从人眼视场内的任意一个区域用户可以接受全部耦出子光栅41所耦出光线5携带的信息，但是由于人眼视场范围大于人眼入瞳，所以用户并非是可以接收全部耦出子光栅41所耦出的光线。
还需要说明的是，上述耦出子光栅41的光栅周期需要相同，以保证光线在光波导3内不会发生串扰。保证不同耦出子光栅41的光栅周期相同，可以保证同一视场角的光线在不同耦出子光栅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。
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、光波导2、耦入光栅3和耦出光栅4；光波导2包括光耦入区域和光耦出区域，耦入光栅3位于光耦入区域表面，耦出光栅4位于光耦出区域表面；光机1与光耦入区域相对设置；耦出光栅4包括多个耦出子光栅41，多个耦出子光栅41沿光栅矢量方向分布；位于光耦出区域最左侧的耦出子光栅41的可衍射的出射角度不对应向左的视场角，位于光耦出区域最右侧的耦出子光栅41的可衍射的出射角度不对应向右的视场角，耦出子光栅41所耦出的光线在人眼视场范围内重合；耦出子光栅41的光栅周期相同。
在传统的衍射光波导显示方案中，不同视场的光线从耦出光栅表面出射到人眼所在的平面时，其光线的出瞳范围是不断变大的。其出瞳范围包含了可以接收全部视场角信息的人眼视场区域，以及人眼视场区域两侧不能完整成像的损耗区域。而上述光耦出区域最左侧的耦出子光栅41的可衍射的出射角度不对应向左的视场角，可以减少光耦出区域最左侧的耦出子光栅41向人眼视场左侧损耗区域发射光线的量；同时上述位于光耦出区域最右侧的耦出子光栅41的可衍射的出射角度不对应向右的视场角，可以减少光耦出区域最右侧的耦出子光栅41向人眼视场右侧损耗区域发射光线的量，从而减小人眼视场范围之外损耗区域的范围，甚至消除损耗区域，而把光线尽可能多的集中至人眼视场范围内，从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，位于所述光耦出区域最左侧的耦出子光栅41的可衍射的出射角度仅对应向右传播的视场角，位于所述光耦出区域最右侧的耦出子光栅41的可衍射的出射角度仅对应向左的视场角。此时，通过上述两个耦出子光栅41可以尽可能缩小以至于消除人眼视场两侧的损耗区域，从而尽可能多的将光线集中在人眼视场范围内，提高生成图像的亮度。
在本实用新型实施例中，通常情况下任一耦出子光栅41的可衍射的出射角度均不对应全部视场角，以尽可能增加每一个耦出子光栅41的衍射效率，从而增加耦出光栅4整体的衍射效率。而位于所述光耦出区域中间部的耦出子光栅41的可衍射的出射角度可以对应多个视场角，同时任一所述视场角的光线由多个所述耦出子光栅41耦出光波导。此时耦出子光栅41与视场角之间为多对多的关系，从而可以减少耦出子光栅41的数量，简化耦出光栅4的结构，使得衍射光波导显示装置的结构更加紧凑，从而减少衍射光波导显示装置的体积。通常情况下，在本实用新型实施例中所述耦出子光栅41的数量的取值范围通常在2个至20个，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。
而在实际情况中，上述人眼视场的范围通常是固定的。而在本实用新型实施例中，具体会调整各个耦出子光栅41对应的可衍射光线的视场角范围，使得各个耦出子光栅41所耦出的光线会在人眼视场内重合，以保证用户在使用过程中可以获得完整的图像。
在本实用新型实施例中，上述各个耦出子光栅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。上述任一耦出子光栅41的衍射效率的取值范围通常在0.05至1.0之间，包括端点值，以保证耦出光栅4具有较高的衍射效率。通常情况下，在本实用新型实施例中所述耦出子光栅41和所述耦入光栅3的光栅周期需要相同，以保证从耦入光栅3耦入的光线5可以以相同的入射角度从耦出光栅4向光波导2外界耦出。
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2的同一侧。上述从光耦出区域射出光线的方向即人眼视场所在一侧。将光机1与人眼视场设置在光波导2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2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。
上述多个所述耦出子光栅41可以位于所述光波导2的同一侧，多个所述耦出子光栅41也可以分别位于所述光波导2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。在本实用新型实施例中，沿所述光波导2内光线传输方向，所述耦出子光栅41的衍射效率依次增加。即所述耦出子光栅41衍射效率需要随所述光波导2内光线传播距离的增加而依次增加。由于光线在依次经过各个耦出子光栅41时会不断的耦出光波导2，使得光波导2内光线依次经过耦出子光栅41时，其强度越来越低。为了保证整个光耦出区域耦出光线具有良好的均匀性，在本实用新型实施例中沿光波导2内光线传输方向，耦出子光栅41的衍射效率可以依次增加，从而保证在光耦出区域中沿光波导2内光线传输方向，光线耦出光波导2的强度保持稳定，从而使得最终形成的图像明暗稳定，不会沿光波导2内光线传输方向发生衰减。
本实用新型实施例所提供的一种衍射光波导显示装置，可以在保证提高最终形成图像亮度的同时，保证图像明暗稳定，不会沿光波导2内光线传输方向发生衰减。
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；
所述耦出光栅包括多个耦出子光栅，多个所述耦出子光栅沿光栅矢量方向分布；位于所述光耦出区域最左侧的耦出子光栅的可衍射的出射角度不对应向左的视场角，位于所述光耦出区域最右侧的耦出子光栅的可衍射的出射角度不对应向右的视场角，所述耦出子光栅所耦出的光线在人眼视场范围内重合；所述耦出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，位于所述光耦出区域最左侧的耦出子光栅的可衍射的出射角度仅对应向右传播的视场角，位于所述光耦出区域最右侧的耦出子光栅的可衍射的出射角度仅对应向左的视场角。
3.根据权利要求1所述的衍射光波导显示装置，其特征在于，位于所述光耦出区域中间部的耦出子光栅的可衍射的出射角度对应多个视场角，任一所述视场角的光线由多个所述耦出子光栅耦出光波导。
4.根据权利要求1所述的衍射光波导显示装置，其特征在于，所述耦出子光栅的数量的取值范围为2个至20个，包括端点值。
5.根据权利要求1所述的衍射光波导显示装置，其特征在于，所述耦出子光栅和所述耦入光栅的光栅周期相同。
6.根据权利要求1所述的衍射光波导显示装置，其特征在于，所述耦出子光栅的衍射效率的取值范围在0.05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，多个所述耦出子光栅位于所述光波导的同一侧。
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分别位于所述光波导相对的两侧。
9.根据权利要求1至8任一项权利要求所述的衍射光波导显示装置，其特征在于，所述耦出子光栅衍射效率随所述光波导内光线传播距离的增加而依次增加。
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