[0001] 本申请涉及近眼显示技术领域，尤其涉及一种光波导、近眼显示设备、视场角扩增方法及存储介质。

[0002] 目前，近眼显示设备中的光波导的视场角FOV(Field of View)通常较小，对角FOV仅约28‑50度，这一缺点是由多方面因素造成的，一方面是由于FOV受到光波导层较小折射率的限制；另一方面是由于近眼显示设备所采用的微显示屏的分辨率有限。较小的视场角会导致近眼显示设备的视觉显示效果差，难以满足用户的使用需求。

[0003] 因此，如何解决目前光波导的视场角范围小成为亟待解决的技术问题。

[0031] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

[0032] 附图中所示的流程图仅是示例说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解、组合或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

[0033] 以上所述，仅为本申请的具体实施例，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

[0034] 下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0035] 如图1所示，本申请的实施例提供了一种光波导100，光波导100至少包括波导层110和可变周期光栅120。

[0036] 具体的，波导层110表面设置有耦入区111和耦出区112。耦入区111用于将光线耦合进波导层110传播，耦出区112用于将在波导层110内传播的光线耦出波导层110。

[0037] 在一实施例中，可变周期光栅120包括光栅本体121和驱动件122，驱动件122与光栅本体121连接。具体的，光栅本体121由柔性材料制成，可变周期光栅120设置于波导层110表面的耦入区111和/或耦出区112内。

[0038] 在一具体实施例中，耦入区111的衍射微结构利用光的衍射、将光机出射的部分信号光耦合入波导层110中，波导层110将光线传播至耦出区112，耦出区112的衍射微结构利用光的衍射可以将在其中传输的光线在一个维度(一维扩瞳)或者两个维度(二维扩瞳)上进行分束和扩展，这样从耦入区入射的一束光线在经过波导传输和耦出后将被扩展成多个光束，即出瞳扩展。耦出区112从波导层110中耦合出的光入射至人眼，在视网膜上形成待显示的图像。其中，衍射微结构包括但不限于表面浮雕光栅、体全息光栅、超构表面、以及前述3种衍射微结构的组合。

[0039] 示例性的，光栅本体121的材料包括聚二甲基硅氧烷、丙烯酸酯或纳米压印树脂。

[0040] 在一实施例中，驱动件122用于驱动光栅本体121收缩或伸展，以调控光栅本体121的光栅周期，可变周期光栅120的光栅周期可调能够改变光波导100的视场方向。

[0041] 如图2所示，图2为本申请实施例提供的一种近眼显示设备的结构示意图。本申请的实施例提供了一种近眼显示设备200，近眼显示设备200包括光机210、控制器220和光波导100，其中，控制器220与光机210和光波导100的驱动件122连接。

[0042] 具体的，光机210用于生成投射图像的光线并向光波导103的耦入区111投射光线，控制器220用于控制光波导100的驱动件122，以驱动光栅本体121伸展或伸缩，以调控可变周期光栅120的光栅周期，可变周期光栅120的光栅周期可调能够改变光波导100的视场方向。

[0043] 在一实施例中，投射图像可以是一组图片，也可以是一系列图片组成的动态视频。

[0044] 示例性的，近眼显示设备100包括AR眼镜、VR眼镜或其他可近眼显示的智能穿戴设备。

[0045] 在一实施例中，驱动件122的数量为至少一个，至少一个驱动件122与光栅本体121的端部连接。

[0046] 示例性的，如图3所示，光栅本体121的一端与一个驱动件122连接，光栅本体121的另一端固定在波导层110上。控制器220与驱动件122电性连接，控制器220在给驱动件122施加电压时，驱动件122在电压作用下发生移动，驱动光栅本体121收缩或者伸展，从而调控光栅本体121的光栅周期。

[0047] 在另一实施例中，驱动件122包括第一驱动件1221和第二驱动件1222，第一驱动件1221、第二驱动件1222分别与光栅本体121的两端部连接。该实施方式可以使得光栅本体
121的光栅周期变化范围更大。

[0048] 示例性的，如图4所示，光栅本体121的两端分别连接一个驱动件122：第一驱动件1221和第二驱动件1222，第一驱动件1221和第二驱动件1222分别与控制器220连接，控制器
220向第一驱动件1221和第二驱动件1222施加电压，使得第一驱动件1221和第二驱动件
1222发生相互靠近或者相互远离，从而驱动光栅本体121收缩或者伸展，从而调控光栅本体
121的光栅周期。

[0049] 具体的，驱动件122可以随着电压的增加而驱动光栅本体121收缩，或者随着电压的增加而驱动光栅本体121伸展，光栅本体121的伸缩量可以随电压线性变化也可以非线性变化，本申请实施例不做具体限定。

[0050] 通过上述实施方式，可以通过控制器220向驱动件122施加不同大小和方向的电压，使得驱动件122发生位移，从而驱动与驱动件122连接的光栅本体收缩或者伸展，调控投影图像光线耦入时的光栅周期，以及调控投影图像光线耦出时的光栅周期，使得不同光栅周期时，光波导100将投影图像显示到不同的视场方向，从而实现不同时刻投影图像的错位拼接显示，扩增光波导100的视场范围。

[0051] 在一实施例中，驱动件122包括电致伸缩件、磁力驱动件以及静电力驱动件中的一种或多种。

[0052] 在一实施例中，耦入区111和耦出区112的可变周期光栅120所采用的驱动件122可以是同一种，可以是不同中，比如耦入区111采用电致伸缩件驱动耦入区的光栅本体121，耦出区112可以采用电致伸缩件驱动耦出区的光栅本体121，也可以采用磁力驱动件或静电力驱动件或其他驱动方式驱动耦出区的光栅本体121。

[0053] 在一实施例中，电致伸缩件的材料包括铌镁酸铅、铌镁酸铅‑钛酸铅、锆钛酸铅镧或锆钛酸铅钡；通过对电致伸缩件施加电压驱动光栅本体收缩或伸展。

[0054] 在一具体实施例中，如图5a所示，图5a为本申请实施例提供的一种电致伸缩件的结构示意图。对电致伸缩件施加电压时，电致伸缩件的分子在电场中发生极化，沿着电场方向，一个分子的正极与另一个分子的负极衔接，由于正负极相互吸引，使得整个电致伸缩件在电场方向上发生收缩或伸展，直至其内部的弹性力与电引力平衡为止。因此，将电致伸缩件与光栅本体121的一端连接，然后通过对电致伸缩件施加不同大小的电压，驱动电致伸缩件收缩或伸展，进而驱动光栅本体121收缩或者伸展。

[0055] 在一实施例中，磁力驱动件包括永磁件和电磁件，永磁件和电磁件中至少一者与光栅本体的端部连接，另一者固定在波导层上；通过永磁件和电磁件之间形成的引力或斥力驱动光栅本体收缩或伸展。

[0056] 在一具体实施例中，如图5b所示，图5b为本申请实施例提供的一种磁力驱动件的结构示意图。磁力驱动件由能够产生可变磁力的器件(如电磁件和永磁体)构成，通过永磁件和电磁件所产生的磁力作用，实现力或转矩(功率)的无接触传递。比如，将永磁件和电磁体中的任一个与光栅本体121的端部连接，将另一个固定在波导层110上。当施加在电磁体上的电压发生改变时，电磁体与永磁体件可形成引力或斥力，从而对光栅本体121施加作用力，驱动光栅本体121收缩或伸展。

[0057] 在另一实施例中，磁力驱动件也可以由两个电磁体组成，将电磁体中的任一个与光栅本体121的端部连接，将另一个固定在波导层110上。通过给两个电磁体施加电压，使得两个电磁体之间产生同名磁极而形成斥力，或者两个电磁体之间产生异名磁极而形成引力，从而对光栅本体121施加作用力，驱动光栅本体121收缩或伸展。

[0058] 在一实施例中，静电力驱动件包括静电梳齿对，静电梳齿对设于光栅本体上，静电梳齿对中一个静电梳齿与另一个静电梳齿因施加的电压变化形成作用力，驱动光栅本体收缩或伸展。

[0059] 在一具体实施例中，如图5c所示，图5c为本申请实施例提供的一种静电梳齿对的结构示意图。静电梳齿对一般包含至少一个固定梳齿和一个移动梳齿；该固定梳齿和移动梳齿组交错排列，呈叉指状。将移动梳齿与光栅本体121的一端连接，将固定梳齿固定连接在波导层110上。当固定梳齿上的电压发生变化时，静电梳齿对(即固定梳齿与移动梳齿)之间也会形成大小变化的作用力，驱动移动梳齿远离或靠近固定梳齿，进而驱动光栅本体121收缩或者伸展。

[0060] 进一步地，光波导100还包括折射率匹配液；折射率匹配液填充于可变周期光栅120和波导层110之间；其中，折射率匹配液的折射率等于光栅折射率，或者折射率匹配液的折射率等于波导折射率，或者折射率匹配液的折射率介于光栅折射率和波导折射率之间。

[0061] 可以理解地是，折射率是指光在真空中的传播速度与光在传播介质中的传播速度之比。光栅折射率是指光在真空中的传播速度与光在光栅材料本体中的传播速度之比，波导折射率是指光在真空中的传播速度与光在波导层中的传播速度之比。

[0062] 在一实施例中，可变周期光栅120和波导层110之间可以填充折射率匹配液，使得两者之间具有更好的贴合性，避免在光栅和波导之间出现空气层。从而提升光线耦入耦出的效率。折射率匹配液的折射率值优选地等于光栅折射率，或等于波导折射率，或处于光栅折射率和波导折射率之间。

[0063] 本实施例中，在通过光波导显示投影图像时，通过驱动件驱动光栅本体收缩或伸展，调控投影图像的光线耦入时的光栅周期，以及调控投影图像光线耦出时的光栅周期，使得不同光栅周期时，光波导将投影图像显示到不同的时长方向，从而实现不同时刻投影图像的错位拼接显示，最终扩增光波导的视场角范围。

[0064] 以下，将基于该光波导对本申请的实施例提供的视场角扩增方法进行详细介绍。

[0065] 请参照图6，图6为本申请实施例提供的一种视场角扩增方法第一实施例的流程示意图。该视场角扩增方法可以用于视场角扩增系统的服务器中。

[0066] 如图6所示，该视场角扩增方法包括步骤S10至步骤S20。

[0067] S10、获取至少两个投影图像以及各所述投影图像对应的耦合光栅周期；

[0068] 在一实施例中，当待显示图像的视场范围太大，无法通过光波导一次性传播投射时，可以将待显示图像分解成多个投影图像分时复用地传播显示。

[0069] 需要说明的是，投影图像的数量可以大于或者等于2。

[0070] 在一具体实施例中，如图7所示，图7为本申请实施例提供的光波导进行一维扩瞳时的K矢量图。FOV1、FOV2和FOV3为光机在t1、t2和t3时刻显示的3个不同投影图像。t1，t2和t3之间的时间间隔小于人眼可分辨的时间间隔，因此，当光机分时复用地显示不同图像时候，人眼将看到由FOV1，FOV2和FOV3三幅图像相邻拼接的更大视场的拼接图像。

[0071] 具体的，FOV1、FOV2和FOV3三幅图像的相邻拼接是由光波导的耦入区和耦出区的可变周期光栅在t1、t2和t3时刻具有不同的光栅周期实现的。因此，在需要对多个投影图像进行拼接显示时，需要先获取至少两个投影图像的投射顺序以及各个投影图像对应的耦合光栅周期，在向光波导投射各个投影图像时，同步调控光波导的耦合光栅周期，使得不同投影图像通过不同的耦合光栅周期在光波导中耦入和耦出，进而实现不同投影图像的拼接显示，扩增光波导的FOV。

[0072] S20、根据各所述投影图像对应的耦合光栅周期，调节所述光波导的可变周期光栅的光栅周期；以及将各所述投影图像投射至进行光栅周期调节后的所述光波导的耦入区；其中，各所述投影图像的投影时刻对应的间隔时长小于或等于人眼可分辨的时间间隔，进而增加所述近眼显示设备的光波导的视场角。

[0073] 在一具体实施例中，如图7所示，图中Kg11，Kg12和Kg13分别为t1，t2和t3时刻耦入区和耦出区光栅的光栅矢量。

[0074] 其中，光栅矢量的长度为λ/Λi，λ为光机光源光波长，Λi为可变周期光栅在i时刻的周期。

[0075] 具体的，t1时刻耦入区的可变光栅周期受控制器控制变化为Λt1，并形成Kg11的光栅矢量(图中箭头向右)，Kg11将光机投出的图像FOV1的光线耦合进波导层中进行全反射传播，在波导层内进行全反射的该部分光线用a11表示；同时，t1时刻耦出区的可变光栅周期同样受控制器控制变化为Λt1，耦出区的光栅矢量为‑Kg11(图中箭头向左)，a11受到耦出区的光栅矢量‑Kg11的作用后耦出光波导并照射到人眼，从而让用户能观看到图像FOV1。

[0076] 同理，在t2时刻，耦入区的可变光栅周期受控制器控制变化为Λt2，并形成Kg12的光栅矢量(图中箭头向右)，Kg12将光机投出的图像FOV2的光线耦合进波导层进行全反射传播，在波导层内进行全反射的该部分光线用a12表示；同时，t2时刻耦出区的可变光栅周期同样受控制器控制变化为Λt2，耦出区的光栅矢量为‑Kg12(图中箭头向左)，a12受到耦出区的光栅矢量‑Kg12的作用后耦出光波导并照射到人眼，从而让用户能观看到图像FOV2。

[0077] 同理，在t3时刻，耦入区的可变光栅周期受控制器控制变化为Λt3，并形成Kg13的光栅矢量(图中箭头向右)，Kg13将光机投出的图像FOV3的光线耦合进波导层进行全反射传播，在波导层内进行全反射的该部分光线用a13表示；同时，t3时刻耦出区的可变光栅周期同样受控制器控制变化为Λt3，耦出区的光栅矢量为‑Kg13(图中箭头向左)，a13受到耦出区的光栅矢量‑Kg13的作用后耦出光波导并照射到人眼，从而让用户能观看到图像FOV3。

[0078] 因为各投影图像中任意两张投影图像对应的投射时刻的时间间隔小于或等于人眼可分辨的时间间隔，因此人眼所看到的图像是FOV1，FOV2和FOV3三幅图像的相邻拼接图像，如图8所示。

[0079] 需要注意的是，为了保持图像的持续显示，FOV1、FOV2和FOV3将交替循环进行，如FOV1、FOV2、FOV3，FOV1、FOV2、FOV3，……。其中，一个循环周期内包含所有投影图像，且每一个投影图像有且只有一个，即FOV1、FOV2、FOV3为一个循环周期，而为了保证拼接图像的持续显示，相邻两个循环周期的时间间隔小于或等于人眼可分辨的时间间隔。

[0080] 在另一实施例中，不同投影图像之间可以存在部分重叠，以实现更顺滑的图像拼接效果，防止出现拼缝，如图9所示。

[0081] 进一步地，根据各所述投影图像对应的耦合光栅周期，调节所述光波导的耦入区的可变周期光栅的光栅周期为第一光栅周期，并调节所述光波导的耦出区的可变周期光栅的光栅周期为第二光栅周期；以及根据所述第一光栅周期，将各所述投影图像投射至进行光栅周期调节后的所述光波导的耦入区，并根据所述第二光栅周期，将各所述投影图像从所述光波导的耦出区耦出。

[0082] 在一具体实施例中，如图10所示，图10b和图10c为光波导进行二维扩瞳时的K矢量图，FOV1，FOV2和FOV3为光机在t1，t2和t3时刻显示的不同图像，光波导耦入区和耦出区的衍射微结构为可变周期光栅，光波导转折区的衍射微结构可以是可变周期光栅也可以是固定周期光栅，对此不做限定。为了便于说明，本申请实施例光波导转折区的衍射微结构采用固定周期光栅。因不同时刻图像显示的过程相同，本申请实施例仅以t1时刻为例进行说明。

[0083] 具体的，在t1时刻，控制器控制光机显示FOV1的图像，同时控制器将耦入区的可变光栅周期调整为λ/Kg11，从而使耦入区的光栅本体具有光栅矢量Kg11；同时控制器将耦出区的可变光栅周期调整为λ/Kg31，从而使耦出区的光栅本体具有光栅矢量Kg31。将光波导转折区的光栅周期固定为λ/Kg2其光栅矢量为Kg2。

[0084] 具体的，FOV1图像光线经过耦入区的可变周期光栅衍射后被耦合进波导层中进行全反射，耦合进波导层中进行全反射的光线用a11表示，a11经过光栅矢量Kg2的作用后将改变在波导层内全反射的方向，并朝着耦出区传播，这部分光线用a21表示。最后，a21到达耦出区，被耦出区的光栅矢量Kg31作用后耦出光波导并进入人眼，此时人眼可观察到FOV1图像。在之后的t2和t3时刻，人眼将继续观察到FOV2图像和FOV3图像。因为t1，t2和t3之间的时间间隔小于人眼可分辨的时间间隔，因此人眼所看到的图像是FOV1，FOV2和FOV3三幅图像的相邻拼接图像。

[0085] 可以理解的是，上述实施例中采用的光机是大视场的光机进行图像投射，在进行图像投射时需要将光机的大视场图像进行分割，配合相应的光栅周期，在光波导内进行分时分块传输，最终耦出光波导后再次拼接成大视场图像。本申请实施例还提供另一种小视场的光机投射的投影图像的扩增方法。

[0086] 如图11所示，图11为本申请实施例提供的小视场光机投射图像的视场扩增示意图。

[0087] 进一步地，根据各所述投影图像对应的耦合光栅周期，调节所述光波导的耦出区的可变周期光栅为各所述投影图像对应的第三光栅周期；以及根据固定光栅周期，将各所述投影图像投射至所述光波导的耦入区，并根据所述第三光栅周期，将各所述投影图像从所述光波导的耦出区耦出。

[0088] 具体的，小视场光机投射的图像可以一次性完整的投射到光波导中，因此，可以将光波导的耦入区光栅的光栅周期以及光波导转折区的光栅周期固定，仅将光波导的耦出区设置为可变周期光栅。

[0089] 在一具体实施例中，小视场光机分时地显示不同图像，如在t1时刻显示FOV1的画面，t2时刻显示FOV2的画面，同时耦出区的可变周期光栅的光栅周期也相应地变化，如t1时刻周期对应的光栅矢量为Kg31，t2时刻周期对应的光栅矢量为Kg32，使得最终耦出的图像FOV1，FOV2，FOV3……能够拼接成一个大FOV的图像。

[0090] 在一实施例中，光机的光源优选窄带宽光源，如激光或窄带宽LED等。

[0091] 本实施例提供一种视场角扩增方法，通过调节可变周期光栅的光栅周期，使得不同投影图像通过不同的耦合光栅周期耦入和耦出光波导，实现不同光栅周期时，各投影图像显示在不同的视场方向，从而实现多个不同投影图像的拼接显示，通过限制任意两个投影图像对应的投影时刻的时间间隔小于人眼可分辨的时间间隔，使得不同投影图像可以同时显示在人眼中，由此，实现不同时刻投影图像的错位拼接显示，从而实现了光波导视场角范围的扩增。

[0092] 上述实施例提供的方法可以实现为一种计算机程序的形式，该计算机程序可以在如图12所示的计算机设备上运行。

[0093] 请参阅图12，图12是本申请实施例提供的一种计算机设备的结构示意性框图。该计算机设备可以是服务器。

[0094] 参阅图12，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口，其中，存储器可以包括非易失性存储介质和内存储器。

[0095] 非易失性存储介质可存储操作系统和计算机程序。该计算机程序包括程序指令，该程序指令被执行时，可使得处理器执行任意一种视场角扩增方法。

[0096] 处理器用于提供计算和控制能力，支撑整个计算机设备的运行。

[0097] 内存储器为非易失性存储介质中的计算机程序的运行提供环境，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行任意一种视场角扩增方法。

[0098] 该网络接口用于进行网络通信，如发送分配的任务等。本领域技术人员可以理解，图12中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

[0099] 应当理解的是，处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field‑Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。其中，通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

[0100] 其中，在一个实施例中，所述处理器用于运行存储在存储器中的计算机程序，以实现如下步骤：

[0101] 获取至少两个投影图像以及各所述投影图像对应的耦合光栅周期；

[0102] 根据各所述投影图像对应的耦合光栅周期，调节所述光波导的可变周期光栅的光栅周期；以及

[0103] 将各所述投影图像投射至进行光栅周期调节后的所述光波导的耦入区；其中，各所述投影图像的投影时刻对应的间隔时长小于或等于人眼可分辨的时间间隔，进而增加所述近眼显示设备的光波导的视场角。

[0104] 在一个实施例中，所述处理器在实现所述根据各所述投影图像对应的耦合光栅周期，调节所述光波导的可变周期光栅的光栅周期；以及将各所述投影图像投射至进行光栅周期调节后的所述光波导的耦入区时，用于实现：

[0105] 根据各所述投影图像对应的耦合光栅周期，调节所述光波导的耦入区的可变周期光栅的光栅周期为第一光栅周期，并调节所述光波导的耦出区的可变周期光栅的光栅周期为第二光栅周期；以及

[0106] 根据所述第一光栅周期，将各所述投影图像投射至进行光栅周期调节后的所述光波导的耦入区，并根据所述第二光栅周期，将各所述投影图像从所述光波导的耦出区耦出。

[0107] 本申请的实施例中还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序中包括程序指令，所述处理器执行所述程序指令，实现本申请实施例提供的任一种视场角扩增方法。

[0108] 其中，所述计算机可读存储介质可以是前述实施例所述的计算机设备的内部存储单元，例如所述计算机设备的硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是所述计算机设备的外部存储设备，例如所述计算机设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。

[0109] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。