CN105954876A

CN105954876A - 大视场近眼显示目镜系统

Info

Publication number: CN105954876A
Application number: CN201610519812.6A
Authority: CN
Inventors: 刘娟; 刘佩琳
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2016-09-21

Abstract

本发明涉及一种大视场近眼显示目镜系统，该系统包括光瞳、扫描式点光源和平板透明波导；所述平板透明波导包括具有预设倾斜角度的侧面，该侧面作为光源入口适于将所述扫描式点光源发出的图像信号耦合进所述平板透明波导内部，并在所述平板透明波导内发生全反射；所述系统还包括设置在所述平板透明波导的顶面或底面上的反射式光耦出元件，所述反射式光耦出元件用于将所述平板透明波导内的图像信号耦合输出并汇聚在所述光瞳内。本发明提供的目镜系统仅采用扫描式点光源、平板透明波导和反射式光耦出元件即可实现增强现实显示技术，具有结构简单、制作难度小、体积小、便于佩戴的优点。

Description

大视场近眼显示目镜系统

技术领域

本发明涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种大视场近眼显示目镜系统。

背景技术

增强现实(Augmented reality,简称AR)显示技术将人工生成的数字辅助信号与人眼实时观察到的真实三维场景进行结合，极大地丰富了人类与真实环境之间的交互能力，在医学、军工和工业制造等领域中存在巨大的应用潜力。但是，目前实现的增强现实显示的系统体积大、结构复杂，不便于佩戴。

发明内容

针对以上缺陷，本发明提供一种大视场近眼显示目镜系统。

本发明提供的大视场近眼显示目镜系统包括光瞳，所述系统还包括扫描式点光源和平板透明波导，其中：

所述平板透明波导包括具有预设倾斜角度的侧面，该侧面作为光源入口适于将所述扫描式点光源发出的图像信号耦合进所述平板透明波导内部，并在所述平板透明波导内发生全反射；

所述系统还包括设置在所述平板透明波导的顶面或底面上的反射式光耦出元件，所述反射式光耦出元件用于将所述平板透明波导内的图像信号耦合输出并汇聚在所述光瞳内。

可选的，所述反射式光耦出元件位于所述平板透明波导远离所述扫描式点光源的一端，且与所述光瞳相对设置。

可选的，所述反射式光耦出元件为自由曲面光学元件。

可选的，所述反射式光耦出元件为体全息光栅。

可选的，所述体全息光栅的厚度在1um～100um。

可选的，所述体全息光栅的材质为透光率大于50％的卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折晶体。

可选的，所述平板透明波导的厚度在1mm～10mm。

可选的，所述平板透明波导的材质为光学玻璃或光学塑料。

本发明提供的大视场近眼显示目镜系统中，扫描式点光源发出的图像信号在具有预设倾斜角度的侧面耦合进平板透明波导，并通过在平板透明波导的顶面和底面发生全反射的方式进行传导，并在反射式光耦出元件位置处耦出平板透明波导，并在光瞳位置处聚合。这样的话，人眼便可以在光瞳位置处看到图像，同时由于平板透明波导为透明介质，因此人眼还可以观看到外界场景，从而实现将虚拟图像叠加在真实场景中的目的，即实现了增强现实显示技术。可见，本发明提供的目镜系统仅采用扫描式点光源、平板透明波导和反射式光耦出元件即可实现增强现实显示技术，因此具有结构简单、制作难度小、体积小、便于佩戴的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1示出了本发明一实施例中光线的传播示意图；

图2示出了本发明另一实施例中光线的传播示意图；

图3示出了图2中光线在体全息光栅处的反射示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本公开保护的范围。

本发明提供一种大视场近眼显示目镜系统，该系统包括光瞳，系统还包括扫描式点光源和平板透明波导，其中：

平板透明波导包括具有预设倾斜角度的侧面，该侧面作为光源入口适于将扫描式点光源发出的图像信号耦合进平板透明波导内部，并在平板透明波导内发生全反射；

系统还包括设置在平板透明波导的顶面或底面上的反射式光耦出元件，反射式光耦出元件用于将平板透明波导内的图像信号耦合输出并汇聚在光瞳内。

本发明提供的大视场近眼显示目镜系统，扫描式点光源发出的图像信号在具有预设倾斜角度的侧面耦合进平板透明波导，并通过在平板透明波导的顶面和底面发生全反射的方式进行传导，并在反射式光耦出元件位置处耦出平板透明波导，并在光瞳位置处聚合。这样的话，人眼便可以在光瞳位置处看到图像，同时由于平板透明波导为透明介质，因此人眼还可以观看到外界场景，从而实现将虚拟图像叠加在真实场景中的目的，即实现了增强现实显示技术。可见，本发明提供的目镜系统仅采用扫描式点光源、平板透明波导和反射式光耦出元件即可实现增强现实显示技术，因此具有结构简单、制作难度小、体积小、便于佩戴的优点。

可理解的是，光瞳是指对通过光束起限制作用的光学元件,它可以是光学元件(如透镜、反射镜等)本身的边框，也可以是另外设置的带圆孔的不透光屏。

可理解的是，扫描式点光源是指以预设时间间隔发出图像信号的点光源。在实际应用时，只要前后两次发出的图像信号之间的时间间隔小于预设值，即扫描频率足够高，就能使人眼看到连续的图像。

可理解的是，扫描式点光源发出的图像信号应当在以一定的入射角耦合进平板透明波导中，以使图像信号能够通过在顶面和底面发生全反射的方式进行传导。

在具体实施时，反射式光耦出元件位于平板透明波导远离扫描式点光源的一端，且与光瞳相对设置。

在具体实施时，平板透明波导的厚度可在1mm～10mm之内。

在具体实施时，平板透明波导的材质可以为光学玻璃或光学塑料，当然还可以采用其他材质，在实际应用时可以根据需要自行选择，本发明不做限定。

在具体实施时，反射式光耦出元件可以为自由曲面光学元件，也可以为体全息光栅，当然还可以是其他光学元件，在实际应用时可以根据需要自行选择，本发明不做限定。

下面以自由曲面光学元件作为反射式光耦出元件进行说明：

如图1所示，扫描式点光源A在不同时刻发出光线L7、L8，光线L7、L8为在x0y平面上的平面波，这两束光线均通过具有预设倾斜角度α的侧面r1进入平板透明波导G中，并在G的顶面r2和底面r3发生全反射。当图像信号传导至自由曲面光学元件F的自由曲面r5处时被其反射，最终被聚到光瞳P中，被人眼观察到。两束光线的时间间隔小于预设值，由于视觉暂留原理，人眼可以观察到连续的二维图像。同时，人眼在光瞳处还可以观察到外界的真实场景。其中，图1中的S表示图像的虚拟显示平面。

下面以体全息光栅作为反射式光耦出元件进行说明：

如图2所示，扫描式点光源A在不同时刻发出光线L7、L8，光线L7、L8为在x0y平面上的平面波，这两束光线均通过具有预设倾斜角度α的侧面r1进入平板透明波导G中，并在G的顶面r2和底面r3发生全反射。当图像信号传导至体全息光栅H的反射面r4时被反射，最终被聚到光瞳P中，被人眼观察到。两束光线的时间间隔小于预设值，由于视觉暂留原理，人眼可以观察到连续的二维图像。同时，人眼在光瞳处还可以观察到外界的真实场景。其中，图2中的S表示图像的虚拟显示平面。

由于本例中采用的是体全息光栅，相当于一个衍射元件，不同于上述的自由曲面光学元件、平面镜等中的几何反射，体全息光栅可以实现衍射式反射。参考图3，当光LS入射到体全息光栅H的反射表面r4时，若为几何反射，则反射光线为虚线La，但是体全息光栅为衍射式反射，因此光线LS与光栅矢量L2之间的夹角小于入射角γ，而反射光线Lb与光栅矢量L2之间的夹角等于入射光线LS与光栅矢量L2之间的夹角，因此反射光线Lb与光栅矢量L2之间的夹角小于入射角γ，反射光线Lb与反射表面矢量L1之间的夹角ψ更小于入射角γ。

相对于上例中的自由曲面光学元件，体全息光栅能够将以不同角度传播的光线汇聚到光瞳处，有助于系统的尺寸和质量的减少。而且体全息光栅对外界光线没有影响，可以自然的观察外界景物。

可理解的是，体全息光栅作为一种耦合输出全息光学元件，能够将两束平面波按照一定角度干涉叠加，两束干涉平面波的相干叠加为：

其中，I_e为生成的体全息光栅，分别为两束干涉平面波的波失，为光栅波矢，表示干涉条纹峰值强度面的法线方向。

假设干涉条纹的空间周期为Δ，则根据光栅方程有：

其中，λ为两记录光束的波长，为两平面波的夹角。

体全息光栅与平面光栅的不同之处在于：两个干涉光波位于记录干涉面的两侧，因此当体全息光栅使用时还需满足布拉格条件：

其中，为布拉格角。

在该例中，经扫描式点光源发出的图像信号以一定的角度入射至平板透明波导中，为满足信号在波导内全反射，因此传播角度应满足：

式中，为复振幅信号传播角，为全反射角，n为波导的折射率。

根据简单的几何关系可得出传播角与布拉格角之间的关系为：

在具体实施时，体全息光栅的厚度可以在1um～100um。

在具体实施时，体全息光栅的材质为透光率大于50％的卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折晶体。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或者部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。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。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种大视场近眼显示目镜系统，包括光瞳，其特征在于，所述系统还包括扫描式点光源和平板透明波导，其中：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反射式光耦出元件位于所述平板透明波导远离所述扫描式点光源的一端，且与所述光瞳相对设置。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反射式光耦出元件为自由曲面光学元件。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反射式光耦出元件为体全息光栅。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述体全息光栅的厚度在1um～100um。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述体全息光栅的材质为透光率大于50％的卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折晶体。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述平板透明波导的厚度在1mm～10mm。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述平板透明波导的材质为光学玻璃或光学塑料。