光学传输系统以及显示装置

技术领域

本公开涉及光学技术领域，特别是涉及一种光学传输系统以及显示装置。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，简称AR)技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，其将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。

目前的增强现实显示设备，通常是由图像源以及光学传输系统组成，由图像源发出的图像光线，通过光学传输系统传递到人眼中。相关技术中采用衍射光波导片作为光学传输系统的主要结构，最终显示的图像亮度均一性差。

发明内容

本公开提供一种光学传输系统以及显示装置，以提高显示图像的亮度均一性。

本公开提供了一种光学传输系统，用于传输准直后的图像光线，所述图像光线入射至所述光学传输系统的角度范围划分为多个角度区间，所述光学传输系统包括：

光波导、设置在所述光波导表面的多个耦入光栅和多个耦出光栅，所述耦入光栅与所述耦出光栅具有对应关系，不同的耦入光栅对应的耦出光栅不同；

其中，各所述耦入光栅用于将对应的角度区间内的图像光线耦入所述光波导中；所述光波导用于使耦入其中的图像光线产生全反射；所述耦出光栅用于将对应的耦入光栅耦入的图像光线耦出所述光波导，不同的耦入光栅对应的角度区间不同。

在一种可选的实现方式中，所述光波导的数量为多个，多个所述光波导沿着第一方向堆叠设置；

其中，具有对应关系的耦入光栅和耦出光栅设置在同一个光波导沿所述第一方向相对的两个表面上，且分别靠近所述同一个光波导的两个端面设置，所述两个端面沿第二方向相对设置，所述第二方向与所述第一方向垂直。

在一种可选的实现方式中，多个所述光波导包括第一光波导和第二光波导，多个所述耦入光栅包括第一耦入光栅和第二耦入光栅，多个所述耦出光栅包括第一耦出光栅和第二耦出光栅；

其中，所述第一耦入光栅与所述第一耦出光栅具有对应关系，且均设置在所述第一光波导的表面；所述第二耦入光栅与所述第二耦出光栅具有对应关系，且均设置在所述第二光波导的表面。

在一种可选的实现方式中，若所述耦入光栅为反射式光栅，则所述耦入光栅位于所在光波导背离所述图像光线入射的一侧；

若所述耦入光栅为透射式光栅，则所述耦入光栅位于所在光波导靠近所述图像光线入射的一侧。

在一种可选的实现方式中，若所述耦出光栅为反射式光栅，则所述耦出光栅位于所在光波导背离所述图像光线入射的一侧；

若所述耦出光栅为透射式光栅，则所述耦出光栅位于所在光波导靠近所述图像光线入射的一侧。

在一种可选的实现方式中，多个所述耦入光栅分别在所述光波导上的正投影完全交叠；和/或，多个所述耦出光栅分别在所述光波导上的正投影完全交叠。

在一种可选的实现方式中，所述图像光线经过具有对应关系的耦入光栅和耦出光栅发生衍射的衍射级次相同。

在一种可选的实现方式中，具有对应关系的耦入光栅和耦出光栅的光栅周期相同。

在一种可选的实现方式中，所述耦入光栅和/或所述耦出光栅的占空比大于或等于0.4，且小于或等于0.6。

在一种可选的实现方式中，所述耦入光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅；和/或，所述耦出光栅为表面浮雕光栅或体全息光栅。

在一种可选的实现方式中，多个所述角度区间的区间大小相等，且相互无交叠。

在一种可选的实现方式中，所述角度区间内的图像光线入射至对应的耦入光栅所在的平面时形成交叠区域，所述对应的耦入光栅覆盖所述交叠区域。

本公开提供了一种显示装置，包括：显示面板、准直透镜以及任一项所述的光学传输系统；

其中，所述显示面板用于向所述准直透镜发射显示图像的图像光线；

所述准直透镜用于将所述图像光线进行准直，并将准直后的图像光线发射至所述耦入光栅。

在一种可选的实现方式中，所述显示面板、所述准直透镜以及所述耦出光栅出射的光线位于所述光学传输系统的同一侧。

在一种可选的实现方式中，所述显示面板为单色微OLED显示面板。

与现有技术相比，本公开包括以下优点：

本公开提供的光学传输系统以及显示装置，通过将图像光线的视场角划分为多个角度区间，每个角度区间的图像光线由一组耦入光栅和耦出光栅分别进行耦入和耦出光波导，最终多个耦出光栅耦出的图像光线叠加即人眼看到的图像，通过优化各耦入光栅和耦出光栅的参数，可以提高整个视场范围内的亮度均一性，提高用户视觉观看体验。

上述说明仅是本公开技术方案的概述，为了能够更清楚了解本公开的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本公开的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本公开的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施例，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。需要说明的是，附图中的比例仅作为示意并不代表实际比例。

图1示意性地示出了相关技术中的衍射光波导的结构示意图；

图2示意性地示出了衍射效率与视场角的关系曲线示意图；

图3示意性地示出了一种光学传输系统的结构示意图；

图4示意性地示出了另一种光学传输系统的结构示意图；

图5示意性地示出了多个耦出光栅的衍射效率与视场角的关系曲线示意图；

图6示意性地示出了一种表面浮雕光栅的剖面结构示意图；

图7示意性地示出了各衍射级次对应的衍射效率与光栅占空比的关系曲线图；

图8示意性地示出了一种显示装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

增强现实显示设备，通常是由图像源以及光学传输系统组成，由图像源发出的图像光线，通过光学传输系统传递到人眼中。相关技术中，一般采用衍射光波导片作为光学传输系统的主要结构，如图1所示，衍射光波导片主要由耦入光栅、平板玻璃和耦出光栅三个部分组成。其中，图像源发出的图像光线经过入瞳区域的耦入光栅发生衍射，衍射光线进入平板玻璃中进行全反射，然后再经过出瞳区域的耦出光栅衍射进入人眼，完成图像画面的传输。

发明人发现，采用单片式的衍射光波导片对整个视场角范围内的图像光线进行传输，由于衍射光栅的衍射效率与视场角的大小有关，关系曲线如图2所示，0°中心视场的衍射效率高，越靠近视场边缘，衍射效率越低，人眼在出瞳位置处观察时，明显感觉到中心视场亮度高，边缘视场亮度低，视场内亮度不均的效果。

为了提高显示图像的视场亮度均一性，本公开一实施例提供了一种光学传输系统，用于传输准直后的图像光线，图像光线入射至光学传输系统的角度划分为多个角度区间。

在实际应用中，如图8所示，图像光线可以是由显示面板81发射至准直透镜82，经过准直透镜82准直后的平行光线。准直后的平行光线入射至光学传输系统83的角度范围(后续简称视场角)由多个角度区间构成。

参照图3和图4分别示意性示出了两种光学传输系统的结构示意图。如图3和图4所示，该光学传输系统包括：

光波导31、设置在光波导31表面的多个耦入光栅32和多个耦出光栅33，耦入光栅32与耦出光栅33具有对应关系，不同的耦入光栅32对应的耦出光栅33不同。

其中，各耦入光栅32用于将对应的角度区间内的图像光线耦入光波导31中；光波导31用于使耦入其中的图像光线产生全反射；耦出光栅33用于将对应的耦入光栅32耦入的图像光线耦出光波导31，不同的耦入光栅32对应的角度区间不同。

本实施例中，耦入光栅32可以设置在光波导31靠近图像光线入射的一侧表面，或者设置在光波导31背离图像光线入射的一侧表面，本实施例对此不作限定。

本实施例中，耦出光栅33可以设置在光波导31靠近图像光线入射的一侧表面，或者设置在光波导31背离图像光线入射的一侧表面，本实施例对此不作限定。

如图8所示，光波导31靠近图像光线入射的一侧表面即光波导31靠近准直透镜82或显示面板81的一侧表面，光波导31背离图像光线入射的一侧表面即光波导31背离准直透镜82或显示面板81的一侧表面。

不同的耦入光栅32对应的耦出光栅33不同。具体地，如图3和图4所示，多个耦入光栅32例如可以包括第一耦入光栅321、第二耦入光栅322等，多个耦出光栅33例如可以包括第一耦出光栅331、第二耦出光栅332等，其中，第一耦入光栅321与第一耦出光栅331具有对应关系，第二耦入光栅322与第二耦出光栅332具有对应关系。

本实施例中，对于每一个耦入光栅32耦入光波导31中的图像光线，由与该耦入光栅32对应的耦出光栅33耦出光波导31。

不同的耦入光栅32耦入光波导31中的图像光线的角度区间不同。对于每一个耦入光栅32来说，该耦入光栅32耦入光波导31中的图像曲线的角度区间，与该耦入光栅32对应的耦出光栅33耦出光波导31的图像光线的角度区间可以相同。

下面以图像光线入射至光学传输系统的视场角划分为第一角度区间和第二角度区间，多个耦入光栅32包括第一耦入光栅321和第二耦入光栅322，多个耦出光栅33包括第一耦出光栅331和第二耦出光栅332为例对本实施例提供的技术方案进行说明。

如图3和图4所示，第一耦入光栅321用于将第一角度区间的图像光线耦入光波导31中，第一角度区间的图像光线经过第一耦入光栅321发生衍射后，衍射光线入射至光波导31表面的角度满足全反射条件，可以在光波导31中发生全反射，最终由与第一耦入光栅321对应的第一耦出光栅331衍射出光学传输系统，衍射出的图像光线的角度范围可以为第一角度区间。

如图3和图4所示，第二耦入光栅322用于将第二角度区间的图像光线耦入光波导31中，第二角度区间的图像光线经过第二耦入光栅322发生衍射后，衍射光线入射至光波导31表面的角度满足全反射条件，可以在光波导31中发生全反射，最终由与第二耦入光栅322对应的第二耦出光栅332衍射出光学传输系统，衍射出的图像光线的角度范围可以为第二角度区间。

需要说明的是，第一角度区间之外的图像光线经过第一耦入光栅321发生衍射后的衍射光线可以不满足在光波导31内发生全反射的条件。第二角度区间之外的图像光线经过第二耦入光栅322发生衍射后的衍射光线可以不满足在光波导31内发生全反射的条件。

本实施例中，多个角度区间的区间大小可以相等或不相等，本实施例对此不作限定。例如，图像光线的视场角可以为-20°到20°、-25°到25°或者-10°到20°等。当视场角为-25°到25°时，可以将视场角划分为-25°到0°和0°到25°两个相等的角度区间，或者划分为-25°到5°和5°到25°两个不相等角度区间，等等。

在具体实现中，多个角度区间之间可以相互无交叠，确保光学传输系统最终输出的图像无重影，进一步提高显示图像的亮度均一性。

下面以图像光线入射至光学传输系统的视场角为-20°到20°，该视场角平均划分为第一角度区间-20°到0°，和第二角度区间0°到20°为例，对耦出光栅33出射的图像光线的亮度进行说明。

其中，第一耦入光栅321和第一耦出光栅331对第一角度区间内的图像光线进行作用，耦出光线的中心视场角即第一角度区间的中心-10°；第二耦入光栅322和第二耦出光栅332对第二角度区间内的图像光线进行作用，耦出光线的中心视场角即第二角度区间的中心10°。

参照图5示意性示出了进行角度区间划分后的衍射效率与视场角的关系曲线示意图。如图5所示，曲线1对应第一耦出光栅331的衍射效率，可以表示第一耦出光栅331出射的图像光线的亮度分布；曲线2对应第二耦出光栅332的衍射效率，可以表示第二耦出光栅33出射的图像光线的亮度分布。人眼最终看到的图像亮度为第一耦出光栅331和第二耦出光栅332出射的图像光线的叠加，如图5中的曲线3，可以看出叠加后的图像亮度在整个视场范围内的均一性明显提高。该光学传输系统最终出射的图像光线的视场角范围可以与入射至该图像传输系统的图像光线的视场角范围一致。

本实施例提供的光学传输系统，通过将图像光线的视场角划分为多个角度区间，每个角度区间的图像光线由一组耦入光栅32和耦出光栅33分别进行耦入和耦出光波导31，最终多个耦出光栅33耦出的图像光线叠加即人眼看到的图像，通过优化各耦入光栅32和耦出光栅33的参数，可以提高整个视场范围内的亮度均一性，提高用户视觉观看体验。

本实施例中，耦入光栅32可以采用表面浮雕光栅或体全息光栅，本实施例对此不作限定。

本实施例中，耦出光栅33可以采用表面浮雕光栅或体全息光栅，本实施例对此不作限定。

在实际应用中，可以根据光波导31的折射率确定图像光线在光波导31内传播的全反射临界角，根据该全反射临界角以及射向耦入光栅32的平行图像光线的角度区间，可以设计耦入光栅32的光栅参数，以使该角度区间内的图像光线经过耦入光栅32后，形成射入光波导31的衍射光线，且衍射光线射向光波导31的表面的入射角均大于上述全反射临界角。

对于每个耦入光栅32，与该耦入光栅32对应的角度区间内的图像光线射向该耦入光栅32的入射角、经该耦入光栅32衍射后的衍射角、该耦入光栅32的光栅参数以及图像光线的波长之间满足光栅方程，因此，可以根据光栅方程确定每一个耦入光栅32的光栅参数。

其中，光栅参数可以包括以下至少之一：折射率、占空比、光栅高度、倾斜角度以及光栅周期等。

具有对应关系的耦入光栅32与耦出光栅33的光栅周期可以相同，本实施例对此不作限定。

通过优化设计耦入光栅和耦出光栅的占空比、光栅高度、倾斜角度等参数，可以提高光栅的衍射效率。参照图6示出了一种表面浮雕光栅的剖面结构示意图。可选地，该光栅的材料可以选用Tio

如图6所示，光栅的占空比为光栅宽度a与光栅周期d的比值。可选地，耦入光栅32的占空比可以大于或等于0.4，且小于或等于0.6。耦出光栅33的占空比可以大于或等于0.4，且小于或等于0.6。参照图7示意性地示出了各衍射级次对应的衍射效率与光栅占空比的关系曲线图。如图7所示，当光栅的占空比为0.5时，-1级对应的衍射效率最高，达到90％以上。

可选地，多个耦入光栅32分别在光波导31上的正投影可以部分交叠或完全交叠，这样可以减少图像光线从显示面板81入射至光学传输系统的传输路径上所需要设置的光学部件的数量，从而节省整个显示设备的空间、体积和重量，降低成本。

可选地，多个耦出光栅33分别在光波导31上的正投影可以部分交叠或完全交叠，这样可以减少图像光线从光学传输系统至人眼的传输路径上所需要设置的光学部件的数量，从而节省整个显示设备的空间、体积和重量，降低成本。

可选地，角度区间内的图像光线入射至该角度区间对应的耦入光栅32所在的平面时形成交叠区域，该角度区间对应的耦入光栅32覆盖交叠区域。具体地，角度区间内的图像光线入射至该角度区间对应的耦入光栅32上，该角度区间内各个角度的图像光线在对应的耦入光栅32所在的平面上形成交叠区域，当对应的耦入光栅32覆盖该交叠区域时，可以接收到角度区间内各个角度的图像光线，从而确保人眼看到视场角范围内的完整图像。

图像光线经过具有对应关系的耦入光栅32和耦出光栅33发生衍射的衍射级次可以相同。例如，衍射级次可以均为1级或-1级等，具体的衍射级次可以根据衍射效率的大小确定。

本实施例中，光波导31的数量可以为一个，如图3所示；还可以为多个，如图4所示的光波导31的数量为两个，光波导31的数量还可以为3、4、5等等，本实施例对光波导31的数量不作限定。

如图4所示，当光波导31的数量为多个时，多个光波导31可以沿第一方向堆叠设置。多个光波导31可以间隔设置。相邻的两个光波导31之间可以填充有折射率低于相邻的两个光波导31材料的介质，这样才可以使图像光线在光波导31中发生全内反射。折射率低于相邻的两个光波导31材料的介质例如可以是空气等。

通过增加光波导31的数量可以增加耦入光栅32和耦出光栅33的数量，从而可以细化角度区间的划分，进一步提高显示图像的亮度均一性。另外，通过增加耦入光栅32和耦出光栅33的数量，还可以增加图像光线的颜色种类，从而实现颜色更加丰富的彩色图像的显示。

其中，具有对应关系的耦入光栅32和耦出光栅33设置在同一个光波导31沿第一方向相对的两个表面上，且分别靠近同一个光波导31的两个端面设置，两个端面沿第二方向相对设置，第二方向与第一方向垂直。

本实现方式中，光波导31沿第一方向相对的两个表面包括光波导31靠近图像光线入射的一侧表面(即图4中所示光波导的下表面)以及光波导31背离图像光线入射的一侧表面(即图4中所示光波导的上表面)。具有对应关系的耦入光栅32和耦出光栅33可以均设置在同一个光波导31靠近图像光线入射的一侧表面，或者均设置在同一个光波导31背离图像光线入射的一侧表面，或者其中一个设置在同一个光波导31靠近图像光线入射的一侧表面，另一个设置在同一个光波导31背离图像光线入射的一侧表面。

如图3和图4所示，耦入光栅32可以靠近端面a设置，与该耦入光栅32具有对应关系的耦出光栅33可以靠近端面b设置，端面a和端面b两个端面沿着第二方向相对设置。端面a连接光波导31靠近图像光线入射的一侧表面和光波导31背离图像光线入射的一侧表面，端面b连接光波导31靠近图像光线入射的一侧表面和光波导31背离图像光线入射的一侧表面。

若耦入光栅32为反射式光栅，则耦入光栅32位于该耦入光栅32所在光波导31背离图像光线入射的一侧；若耦入光栅32为透射式光栅，则耦入光栅32位于该耦入光栅32所在光波导31靠近图像光线入射的一侧。

其中，耦入光栅32所在光波导31即耦入光栅32将图像光线耦入至其中的光波导31。

若耦出光栅33为反射式光栅，则耦出光栅33位于该耦出光栅33所在光波导31背离图像光线入射的一侧；若耦出光栅33为透射式光栅，则耦出光栅33位于该耦出光栅33所在光波导31靠近图像光线入射的一侧。

其中，耦出光栅33所在光波导31即耦出光栅33将图像光线从其中耦出的光波导31。

本实现方式中，各个光波导31表面上设置有不同的耦入光栅32。如图4所示，多个光波导31包括第一光波导311和第二光波导312，多个耦入光栅32包括第一耦入光栅321和第二耦入光栅322，多个耦出光栅33包括第一耦出光栅331和第二耦出光栅332。

其中，第一耦入光栅321与第一耦出光栅331具有对应关系，且均设置在第一光波导311的表面；第二耦入光栅322与第二耦出光栅332具有对应关系，且均设置在第二光波导312的表面。

如图4所示，第一耦入光栅321为透射式光栅，设置在第一光波导311靠近图像光线入射的一侧表面，第一耦出光栅331为反射式光栅，设置在第一光波导311背离图像光线入射的一侧表面。第二耦入光栅322与第二耦出光栅332均为透射式光栅，均设置在第二光波导312靠近图像光线入射的一侧表面。

本公开一实施例还提供了一种显示装置，参照图8示意性示出了一种显示装置的结构示意图。如图8所示，该显示装置包括：显示面板81、准直透镜82以及如任一实施例提供的光学传输系统83。

其中，显示面板81用于向准直透镜82发射显示图像的图像光线。

准直透镜82用于将图像光线进行准直，并将准直后的图像光线发射至耦入光栅32。

本实施例中，显示面板81发出的图像光线经过准直透镜82准直后的平行光线入射至光学传输系统83，经光学传输系统83出射至人眼，完成图像画面的传输。

本实施例中，图像光线可以为单色光线。可选地，显示面板81可以为单色微OLED显示面板81，本实施例对此不作限定。

本实施例中，准直透镜82可以采用三片非球面透镜构成，本实施例对此不作限定。

在一种可选的实现方式中，显示面板81、准直透镜82以及耦出光栅33出射的光线位于光学传输系统83的同一侧。

将显示面板81、准直透镜82与人眼视场(即耦出光栅33出射的光线的一侧)设置在光学传输系统83的同一侧，使得显示装置更符合眼镜结构，其中显示面板81和准直透镜82可以位于眼镜腿的位置，便于制备出更符合用户穿戴习惯的增强现实显示装置。当然，显示面板81与人眼视场也可以位于光学传输系统83的异侧，视具体情况而定，本实施例对此不作限定。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

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、商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、商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、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本公开所提供的一种光学传输系统以及显示装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开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公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

本文中所称的“一个实施例”、“实施例”或者“一个或者多个实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性包括在本公开的至少一个实施例中。此外，请注意，这里“在一个实施例中”的词语例子不一定全指同一个实施例。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本公开的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的精神和范围。