CN106597672A - 一种基于波导的增强现实显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波导的增强现实显示装置，包括可见光波导部分和反射片阵列部分；波导内根据光路依次分为光入射部、光传输部、光出射部，光入射部内设有一倾斜反射面，光传输部为平行波导；反射片阵列部分位于光出射部的下表面，由若干平行的反射片组成，且各反射片在波导上的投影相接。图像源发出的光经倾斜反射面反射后进入光波导，在光传输部内通过全内反射逐次在两个平行面上获得反射，光线到达光出射部时一部分继续在波导内反射，另一部分从波导下表面透射，透射光再由反射片阵列逐一反射，以此扩大出瞳，最终进入人眼，形成清晰完整的图像。本发明装置可有效降低光波导与反射片阵列的光学安装精度，实现增强现实显示装置的低成本制造。

Description

一种基于波导的增强现实显示装置

技术领域

本发明涉及一种基于波导的增强现实显示装置(AR)。

背景技术

增强现实技术，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间和空间范围内很难体验到的实体信息,通过计算机模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

增强现实技术不仅在与虚拟现实技术相类似的应用领域，诸如尖端武器、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等领域具有广泛的应用，而且由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域，具有比虚拟现实技术更加明显的优势。

为了实现光学透射式的增强现实显示方案，有人设计了自由曲面棱镜元件，利用折反光路加补偿棱镜的方式实现了光学透射式的增强现实显示，但鉴于自由曲面棱镜达成曲率的需要，在达到良好视觉体验的情况下，这种方案的光学系统的厚度不能做到非常轻薄，限制了眼镜类增强现实显示的进一步轻薄化；而另外一些设计则使用平面光波导方案，利用光线在平面波导元件内的全内反射传输投影机输出光束，并使用多个反射面截获传输光束实现光学系统出瞳扩展，有效降低了光学元件的厚度，但是目前已有的平面光波导设计方案中，传输部和输出反射部的光学元件合成为一体，光学部分的安装精度相互牵制，制造难度大，成本高，成为其量产和普及的一个较大的困难。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种传输部与反射部独立加工，易于制造的光学波导型增强现实显示装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于波导的增强现实显示装置，包括可见光波导部分和反射片阵列部分；所述可见光波导部分呈长条状，波导内根据光路依次分为光入射部、光传输部、光出射部，光入射部内设有一倾斜反射面，光传输部为平行波导；所述反射片阵列部分位于光出射部的下表面，由若干平行的反射片组成，且各反射片在波导上的投影相接。

进一步地，波导为可见光透明的光学材料构成的平板结构，波导上下表面平行。

进一步地，所述光入射部由平板波导内嵌倾斜反射面构成，下表面为透光面；所述倾斜反射面的倾斜角度设置为使透光面射入的光线反射后与光传输部表面形成的入射角大于等于全反射所需布鲁斯特角。

进一步地，所述光出射部的光波导下表面镀透光膜或添加介质层形成空气隙，使波导内一部分光线继续在波导内反射传输，另一部分光线穿透波导下表面传输。

进一步地，所述反射片阵列的反射片均镀有反射膜，该反射膜可以透过波导外部照射进来的外界光线，同时反射光出射部透射出的光线。

进一步地，将两套该装置在相互垂直的两个维度上叠加使用，实现源图像的二维扩展。

进一步地，将该装置与半透膜阵列组成的一维出瞳扩展装置在相互垂直的两个维度上叠加使用，实现源图像的二维扩展。

本发明在使用时，图像源发出的光束经由光入射部的倾斜反射面反射后进入光波导，在光波导传输部内通过全内反射，逐次在两个平行面上获得反射，向出射部传输，光线到达光波导出射部时一部分光继续在波导内反射前进，另一部分光从波导一个表面透射，透射出的光线再由反射片阵列逐一反射，以此扩大出瞳，最终进入人眼，形成清晰完整的图像。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种光波导部分与反射片阵列部分独立加工，易于制造的光学波导型增强现实显示装置。通过本发明技术方案，光波导部分与反射片阵列部分相互独立，光波导厚度不受反射片厚度的制约，可以使用厚度较薄的光波导进行图像传输，从而减小产品的整体厚度；同时光波导部分与反射片阵列部分的独立加工可以降低制造难度，而且两者的光学安装精度要求较低，可有效实现增强现实显示装置的低成本制造。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明结构中光波导出射部及反射片阵列的细节示意图；

图3为本发明结构中光波导出射部所镀透光膜的反射率曲线图；

图4为本发明结构中反射片阵列所镀反射膜的反射率曲线图；

图5为本发明结构中受抑全内反射实施的原理图；

图6为本发明结构结合半透膜阵列实现图像二维扩展的原理图；

图7为本发明结构在相互垂直的两个维度上叠加使用实现图像二维扩展的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参照图1，基于波导的增强现实显示装置包括可见光波导部分和反射片阵列部分；所述可见光波导部分呈长条状，波导内根据光路依次分为光入射部1、光传输部2、光出射部3，光学波导主体由折射率1.5-1.7，厚度1.7-2.2mm的玻璃平板构成，光入射部1由平板波导内嵌倾斜反射面构成，光入射部1的下表面为透光面，内嵌嵌倾斜反射面与透光面的夹角为25°，光线经由透光面照射到倾斜反射面后向波导左侧反射，且反射后的光相对于波导表面的入射角为50°，大于全反射所需的布鲁斯特角度，保证光线在光传输部2中无损耗传输。

参照图2，光线经由光传输部2传输后，进入光出射部3，部分光线继续反射前进，另一部分光线从波导下表面出射后照射到反射片阵列4，反射片阵列4高度为1.5mm，各反射片相互平行，每个反射片与光波导表面夹角为65°，且各反射片在光波导表面上的投影相接，则由光出射部3照射到反射片阵列4上的光线被反射后以垂直波导表面，最终进入人眼，形成连续完整的图像。

为了达到良好的增强现实效果，本实施例设计的光出射部3下表面的反射率参照图3，反射片阵列4的反射率参照图4，确保波导上方照射过来的光线5能透射过光出射部3和反射片阵列4进入人眼。

为了解决由于光出射部3部分透射带来波导内光传输强度减弱，进而引起最终图像在光传输方向上亮度逐渐变弱的问题，本发明提出了以下四种解决方案：

1.反射片阵列4的第一反射片6、第二反射片7等镀相同的反射膜，光波导的光出射部3下表面按照反射片阵列4划分成第一镀膜区域8、第二镀膜区域9等，由右向左依次镀上透射率逐渐增大的光学介质膜(透光膜)，通过调整第一镀膜区域8、第二镀膜区域9等的透过率实现不同反射部分的亮度均匀。

2.光波导的光出射部3下表面镀一层相同的光学介质膜，则从右往左照射到反射片第一反射片6、第二反射片7等的光强度逐渐减弱，通过在第一反射片6、第二反射片7等上依次镀大入射角度下反射率逐渐增大的反射膜实现不同部分的亮度均匀。

3.反射片阵列的第一反射片6、第二反射片7等镀特性相同的反射膜，光波导的光出射部3下表面按照反射片阵列划分成第一镀膜区域8、第二镀膜区域9等，参照图5，根据受抑全内反射(Frustrated Total Internal Reflection，FTIR)原理，在光波导下表面添加一层低折射率(1.3-1.4)介质层10，分离反射镜阵列片(高折射率，与光波导片折射率接近)与光波导片(高折射率)之间的间隔空气隙11，通过控制所述添加介质层的厚度可以任意控制反射光与透射光之比，故可通过调整第一镀膜区域8、第二镀膜区域9等反射部下方低折射率的厚度，以台阶型低折射率厚度实现不同部分的亮度均匀。

4.光波导的光出射部3下表面添加一层介质层且控制光波导与所添加介质层的中间空气隙的厚度相同，则从右往左照射到第一反射片6、第二反射片7等的光强度逐渐减弱，通过在第一镀膜区域8、第二镀膜区域9等上依次镀反射率逐渐增大的反射膜，角度反射率与FTIR透过率相匹配的镀膜层，实现亮度均匀各个反射图像。

由于本发明将图像传输所用光学波导与图像反射截取所用的反射片阵列分立开来，两部分可以单独制造，然后再进行胶合组装，各自控制所需光学精度，尤其是光入射部1、光传输部2、光出射部3部分的平行表面要求，独立于反射片阵列4的多片反射片的平行和衔接要求，且反射片阵列4相对于光入射部1、光传输部2、光出射部3的角度精度只需达到±0.5°，即可实现无明显视场差异的增强现实视场叠加，相比于其他增强现实眼镜的方案，制造及安装难度都大大降低。

以上实施例描述的都是图像在一个维度上的出瞳扩展，通过由常规的半透膜阵列组成的一维出瞳扩展装置加上本发明的结构，或者将本发明结构在相互垂直的两个维度上叠加使用，都可以实现源图像的二维扩展：

参照图6，源图像12经过准直后进入半透膜阵列构成的第一传输层13中，由多片半透膜依次反射后实现垂直方向的出瞳扩展；被半透膜阵列反射后的光束进入第二传输层14中，依次经过第二传输层14中本发明结构所述的光入射部、光传输部、光出射部，然后由反射片阵列15反射后进入人眼，实现水平方向的出瞳扩展。耦合进入波导中，各视场平行光束在波导内的传播；波导中半透膜阵列依据折反射定律，使各视场平行光束能量部分出射；通过水平视场扩展和垂直视场扩展实现出瞳扩展的穿透式显示。

参照图7，源图像16经过准直后进入第三传输层15，依次经过第三传输层17中本发明结构所述的光入射部、光传输部、光出射部，然后由反射片阵列18反射后实现垂直方向的出瞳扩展；被反射片阵列18反射后的光束进入第四传输层19中，依次经过第四传输层19中本发明结构所述的光入射部、光传输部、光出射部，然后由反射片阵列20反射后进入人眼，实现水平方向的出瞳扩展。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，包括可见光波导部分和反射片阵列部分；所述可见光波导部分呈长条状，波导内根据光路依次分为光入射部、光传输部、光出射部，光入射部内设有一倾斜反射面，光传输部为平行波导；所述反射片阵列部分位于光出射部的下表面，由若干平行的反射片组成，且各反射片在波导上的投影相接。

2.根据权利要求1所述的基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，波导为可见光透明的光学材料构成的平板结构，波导上下表面平行。

3.根据权利要求1所述的基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，所述光入射部由平板波导内嵌倾斜反射面构成，下表面为透光面；所述倾斜反射面的倾斜角度设置为使透光面射入的光线反射后与光传输部表面形成的入射角大于等于全反射所需布鲁斯特角。

4.根据权利要求1所述的基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，所述光出射部的光波导下表面镀透光膜或添加介质层形成空气隙，使波导内一部分光线继续在波导内反射传输，另一部分光线穿透波导下表面传输。

5.根据权利要求1所述的基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，所述反射片阵列的反射片均镀有反射膜，该反射膜可以透过波导外部照射进来的外界光线，同时反射光出射部透射出的光线。

6.根据权利要求1所述的基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，将两套该装置在相互垂直的两个维度上叠加使用，实现源图像的二维扩展。

7.根据权利要求1所述的基于波导的增强现实显示装置，其特征在于，将该装置与半透膜阵列组成的一维出瞳扩展装置在相互垂直的两个维度上叠加使用，实现源图像的二维扩展。