一种大眼瞳箱的曲面全息波导显示装置和显示方法

本发明涉及近眼显示领域，更具体地说，本发明涉及一种大眼瞳箱的曲面全息波导显示装置和显示方法。

背景技术：

1、增强现实(augmented reality，ar)作为将真实物理世界和丰富数字信息交织一体的显示技术。波导型近眼显示器作为ar应用、使用过程中的关键设备，在光学透视、外形因素方面具有独特优势，并极大促进了深沉浸感，强感知性的人机交互过程，能够满足人类视觉系统对卓越性能的要求，有利于头显轻量化发展。与平板波导不同，曲面波导合光器展现了更强的空间整合能力，呈现出更具美感的设计，在形态适配和审美吸引力方面具有重要意义。

2、在具有一定光学扩展量的出瞳形成系统中，眼瞳箱尺寸与视场角大小之间存在相互制约的关系，即图像源显示面板的尺寸与光学中继系统产生的数值孔径之积始终保持恒定。波导合光器的优势在于可以利用出瞳扩展的方法突破光学扩展量的限制，以此有效扩展眼瞳箱区域而不牺牲视场角的大小。出瞳扩展技术的应用使得波导型近眼显示器得以将小尺寸微显示器集成其中，并实现外形紧凑、重量轻盈的大眼瞳箱波导合光器。

3、理想的眼瞳箱可通过一维或二维的出瞳扩展技术来实现。在一维出瞳扩展技术中，通过在内反射光路的传播方向上配置狭长的耦出光学元件，循环复制耦入端接收的图像信息，从而沿一维方向延展眼瞳箱区域。相对地，二维出瞳扩展技术依赖两个连续且方向不同的一维出瞳扩展。该技术一般通过置于中间的重定向或转折光栅来实现入瞳信息的复制扩展及重新定向，再通过耦出光学元件进行二次扩展，以达到二维扩瞳的效果。然而，这些扩瞳技术目前主要在平面波导中得到应用，对于曲面波导，碍于曲率所引起的图像畸变，复制并扩展入瞳信息变得具有挑战性。

4、专利文献cn117031617a公开了一种具备二维扩瞳功能的曲面全息波导组合器。该组合器由图像源、曲面波导、耦入全息光栅、转折全息光栅和耦出全息光栅组成。图像源发出的光线首先与耦入全息光栅相互作用，随后在曲面波导内发生全反射并传播。当光线分别与转折全息光栅和耦出全息光栅相互作用后，最终进入观察者的视野。专利文献cn110806645a公开了一种用于增强现实的光栅波导系统。该系统包括一个显示光源、一个与显示光源相对设置的波导元件，以及设置在波导元件上的第一耦入光栅和第一耦出光栅。显示光源发出的光线经过波导元件和第一耦入光栅的作用后，在波导元件中实现全反射，随后通过第一耦出光栅和波导元件的作用进入观察者的视野。但是，上述方案要么涉及对转折全息光栅二维扩瞳功能的额外设计，制备过程变得复制，要么需要适配光栅波导系统的出瞳扩展需求而集成大出瞳投影模组，不利于设备小型化。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种大眼瞳箱的曲面全息波导显示装置和显示方法，通过整合一维或二维扩瞳的平板波导和调制大数值孔径光束的曲面波导，实现了眼瞳箱的有效扩展，同时保持了紧凑的外形和较低的制造成本，提高了光束的耦合效率和传播质量，使得装置在不同空间布局下都能实现高效、无畸变的图像传输。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一方面，本发明提供一种大眼瞳箱的曲面全息波导显示装置，其特点在于，包括：

4、微显示器，用于加载全视场角下的单色或彩色图像；

5、第一中继光学元件组，设置于所述微显示器前方，用于对所述微显示器发出的锥形光束进行准直，形成不同角度的窄光束平行光，并确保由同一像素点产生的不同波长光线传播方向一致，形成统一视场；

6、平板波导模组，作为平板型波导模组，用于接收所述窄光束平行光，并通过全反射传播、重定向和耦出，实现一维或二维出瞳扩展，形成大出瞳的宽光束平行光，且其出瞳与曲面全息波导模组的入瞳位置重合且尺寸匹配，视场角相互对应；

7、曲面全息波导模组，用于接收所述宽光束平行光，通过全反射传播和耦出，形成可在大出瞳区域内观察到的虚拟图像。

8、进一步，还包括第二中继光学元件组设置于所述平板波导模组和所述曲面全息波导模组之间，确保所述平板波导模组出瞳和曲面全息波导模组入瞳之间的共轭关系，即平板波导模组的出瞳成像到曲面全息波导模组的入瞳处。

9、优选的，所述第二中继光学元件组包括第一中继透镜和第二中继透镜，且第一中继透镜和第二中继透镜的光轴重合，第一中继透镜的后焦点与第二中继透镜的前焦点重合，并且第二中继光学系统同第一耦出光学元件、第二耦入光学元件的光轴重合。

10、进一步，还包括中继光学元件贴附于所述曲面全息波导模组的内表面或外表面，确保所述平板波导模组的出瞳与所述曲面全息波导模组的入瞳成共轭关系。

11、优选的，所述平板波导模组沿径向与曲面全息波导模组前后排列，切向上交错布置；

12、所述平板波导模组，包括平板波导、第一耦入光学元件、重定向光学元件和第一耦出光学元件；来自所述第一中继光学元件组的窄光束平行光被所述第一耦入光学元件耦入，在所述平板波导内全反射传播，并通过重定向光学元件实现出瞳扩展，再由所述第一耦出光学元件衍射而出；

13、曲面全息波导模组，包括曲面波导、第二耦入光学元件和第二耦出光学元件；来自所述平板波导模组的宽光束平行光被所述第二耦入光学元件耦入，在所述曲面波导内全反射传播，并通过第二耦出光学元件衍射输出，形成无畸变的全视场图像。

14、优选的，所述第一耦出光学元件调制光场中的各视场宽光束平行光向中心视场平行光会聚，形成出瞳，共同构成曲面全息波导模组的入瞳。

15、优选的，所述第二耦入光学元件、第二耦出光学元件在保证一定相对位置关系的条件下，被布置在曲面波导的内表面或外表面上；所述的第二耦入光学元件、第二耦出光学元件构造点的建立位置应基于曲面波导的面型进行精确计算，实现沿曲面波导切向传播时无畸变累积的图像传输。

16、优选的，所述的第二耦入光学元件和第二耦出光学元件可以由以下任一形式组成：一层三色复合衍射光学元件；一层二色复合衍射光学元件与一层单色衍射光学元件高度分布叠加；三层不同单色衍射光学元件高度分布叠加；根据衍射效率和衍射均匀性进行合理选择。

17、另一方面，本发明还提供一种使用上述大眼瞳箱的曲面全息波导显示装置的显示方法，其特点在于，包括：

18、步骤1：通过微显示器加载全视场下的单色或彩色图像；

19、步骤2：利用第一中继光学元件组对来自所述微显示器各视场光束准直，形成窄光束平行光；

20、步骤3：通过平板波导模组进行一维或二维出瞳扩展，耦出宽光束平行光；

21、步骤4：利用曲面全息波导模组引导波前切向传播，并耦出无畸变的全视场图像，形成的虚拟图像可以在较广阔的区域内同真实环境画面完美融入人眼。

22、优选的，在所述步骤3和步骤4之间，还包括：根据所述平板波导模组出瞳的位置，选取中继光学元件或第二中继光学元件组，将宽光束波前调制以满足曲面全息波导模组的调制条件和入瞳要求。

23、优选的，所述的第一中继光学元件组是单透镜、双胶合透镜或多个透镜组成的透镜组。

24、优选的，所述的第二中继光学元件组由两个中继透镜组成；中继透镜是单透镜、双胶合透镜或多个透镜组成的透镜组。

25、所述的曲面全息波导模组作为头戴式显示器自由形式曲面屏幕的整体或部分。

26、与现有技术相比较，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

27、1.本发明装置采用平板波导模组将由微显示器、第一中继光学元件组构成的小出瞳投影模组转化为大出瞳的投影模组，且未牺牲视场角，为曲面全息波导模组提供覆盖全视场角图像信息的宽幅光束。该方式简化了大出瞳投影模组的结构，降低了模组体积，为形成头戴显示的轻量化小型化提供了关键元件。

28、2.本发明使用曲面全息波导模组作为曲面合光器，其作为头戴式显示器自由形式曲面屏幕的整体或部分，直接接收全视场角图像信息，或者间接通过中继光学元件或第二中继光学元件组接收全视场角图像信息，为用户提供浓缩了全视场信息的大眼瞳箱区域，满足用户对曲面屏幕下虚实信息交融的需求。

29、3.本发明中的曲面全息波导模组能够实现光线在沿曲面波导切向传播时，图像传输无畸变累积。特殊设计下的体全息光栅可以确保在每一个视场下，曲面波导内外表面的光斑尺寸保持对应一致，进而保证波导介质内全反射的图像信息耦出时无畸变。