CN108008538A - 微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜 - Google Patents
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Abstract
本发明要解决的问题是提供一种微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜，包括显示器、微结构波导基板和投影镜头；所述投影镜头远离所述微结构波导基板的一端面向显示器，所述显示器所发出的光束依次通过所述投影镜头、微结构波导基板进入人眼；所述投影镜头用于对所述显示器所发出的光束进行放大有益效果在于：通过实施本发明微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜可以使得搭载该结构的增强现实眼镜眼动范围更大；同时整体的光学结构更小、更轻更加有利于增强智能眼镜的量产化和推广化。
Description
技术领域
本发明涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜。
背景技术
增强现实技术(Augmented Reality，简称AR)，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。这种技术1990年提出。随着随身电子产品CPU运算能力的提升，预期增强现实的用途将会越来越广。
增强现实眼镜(AR眼镜)是增强现实技术一种重要表现手段。现有技术中有多种光学方案觉可以不同程度上实现增强现实的显示效果。
光波导方案就是其中的一种光学方案。光波导(optical waveguide)是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。光波导由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导的传输原理不同于金属封闭波导，在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。光波导的横向尺寸比光的波长大很多时，光的波动性所产生的衍射现象一般可略去不计，可用几何光学定律来处理光在其中的传播问题。如集成光波导和阶跃折射率光纤中，都是利用入射角大于临界角使光在边界上发生全反射，结果光便沿折线路径在其中传播。梯度折射率光纤中，则利用光逐渐往折射率大的方向弯曲的规律，使光线沿曲线路径在其中传播。
我公司16年申过专利号CN201620380830.6的专利，就涉及该领域，但该专利在实施的过程中存在眼动范围较小、整体光学体积过大等缺点，对AR眼镜整机的布局造成了影响，不宜作为新的AR眼镜的实施方案。
目前对于光学器件表面光洁度采用的标准为ISO 10110标准。
发明内容
本发明要解决的问题是：提供一种微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜。
本发明的技术方案如下：一种微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜，包括显示器、微结构波导基板和投影镜头；所述投影镜头远离所述微结构波导基板的一端面向显示器，所述显示器所发出的光束依次通过所述投影镜头、微结构波导基板进入人眼；所述投影镜头用于对所述显示器所发出的光束进行放大，其特征在于：
所述微结构波导基板用于对在波导基板内传输的光束进行反射和分束，即通过微棱镜结构增加了人眼所能观测到的区域；所述微结构波导基板包括由光学树脂一体成型的主体部分，其表面的光洁度满足ISO 10110标准的要求，所述主体表面设有入射面、顶面、底面、补偿面和树脂补偿层，所述树脂补偿层下设有微结构面，且树脂补偿层的外表面与顶面处于相同的水平面；所述入射面为主体表面的一段平面或自由曲面；顶面所在的平面与入射面所在的平面之间的夹角A在20-90°之间；所述的底面所在的平面与顶面所在的表面平行；
所述微结构面为主体表面内陷的一个面，微结构面所在的平面与顶面和底面所在的平面均平行；所述微结构面由若干相同的微结构单元构成，任一所述微结构单元均包括第一微结构单元面和第二微结构单元面，所述第一微结构单元面和第二微结构单元面表面均为平面，其表面的光洁度均满足ISO 10110标准的要求。
进一步，所述入射面为平面或自由曲面。
再进一步，所述入射面为主体表面的一个自由曲面，其表面的光洁度满足ISO10110标准的要求，其曲面方程满足方程(1)～(3)中的任一个；
这里，N为级数中多项式系数的总数，Ai为第i项扩展多项式的系数；该多项式只是在x，y方向的幂级数；第一项是x，然后是y，接着是x*x，x*y，y*y等等；1次项有2项，2次项有三项，3次项有4项等等；最高次是20，是的多项式非球面系数总数的最大值为230；x和y等位置的数据值都会除以一个归一化半径，得到一个没有量纲的多项式系数；
其中c为曲率半径，k为二次曲面系数，A,B,C,D分别为4,6,8,10阶非球面系数；
该方程为偶次非球面方程(球面为非球面的特例，也属于该范围)。
更进一步，所述自由曲面的入射面上设有面型的中心点Z，有一条过点Z且与入射面表面相切的切线Z’，Z’所在的平面与顶面所在的平面之间的夹角A在20-90°之间。
进一步，所述显示器为OLDE或LCOS。
进一步，所述显示器一侧还设有用于固定所述显示器的显示器固定装置。
进一步，所述投影镜头为一个凸透镜或若干个凸透镜和凹透镜组成的透镜组；所述投影镜头的焦距为15mm-1000mm之间的任一值，所述凸透镜或透镜组中透镜的面型可以为球面、非球面或自由曲面。
进一步，所述主体由光学树脂构成，其射射率1.45-1.7之间，阿贝数在20-60之间；所述入射面的尺寸L1在1mm-30mm之间，顶面的尺寸L2在3mm-30mm之间，底面的尺寸L3在3mm-50mm之间，底面与顶面的距离D1在1mm与10mm之间；所述树脂补偿层的尺寸L5在1mm-30mm之间，树脂补偿层的最小厚度D2在0.05mm-2mm之间；所述第一微结构单元面的尺寸L4在5μm-1mm之间。
进一步，第一微结构单元面所在的平面和第二微结构单元面所在的平面之间的夹角B在5°-75°之间，第二微结构单元面所在的平面与顶面所在的平面之间夹角C在80°-100°之间，所述第一微结构单元面表面设有光学薄膜。
再进一步，所述光学薄膜在可见光和近红外波段的透过率在20-80％之间。
再进一步，当所述树脂补偿层的折射率与所述主体的折射率差的绝对值大于0.05，所述第一微结构单元面表面是否设有光学薄膜均可实施。。
本发明的有益效果在于：通过实施本专利微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜可以使得搭载该结构的增强现实眼镜眼动范围更大；同时整体的光学结构更小、更轻更加有利于增强智能眼镜的量产化和推广化。
附图说明
图1为本发明实施例1中的结构示意图。
图2为本发明实施例2中的结构示意图。
图3为发明实施例1中的微结构波导基板的结构示意图。
图4为发明实施例2中的微结构波导基板的结构示意图。
图5为微结构面的示意图。
图6为微结构单元的示意图。
图7为树脂补偿层的示意图。
图8为实施例1中内部耦合光路的示意图。
图9为实施例1中外部光路的示意图。
图10为本实施例1或2中所采用的投影镜头的结构示意图。
其中：
1、显示器， 2、微结构波导基板，
3、投影镜头， 4、人眼，
21、主体， 22、入射面，
23、顶面， 24、底面
25、补偿面， 26、微结构面，
27、树脂补偿层， 28、微结构单元，
281、第一微结构单元面， 282、第二微结构单元面。
31、凸透镜， 32、凹透镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的2中实施方式做出简要的说明。在实施例1、2中所使用的投影镜头3均为一个凸透镜31和一个凹透镜32组成的透镜组
实施例1——本实施例中入射面22为平面。
如图1所示，一种微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜，包括OLDE或LCOS的显示器1、微结构波导基板2和投影镜头3。所述投影镜头3远离所述微结构波导基板2的一端面向显示器1，所述显示器1所发出的光束依次通过所述投影镜头3、微结构波导基板2进入人眼4。
所述显示器1一侧还设有用于固定所述显示器1的显示器1固定装置(图中未示出)。
如图10所示，所述投影镜头3用于对所述显示器1所发出的光束进行放大,投影镜头3为一个凸透镜31和一个凹透镜32组成的透镜组；所述投影镜头3的焦距为15mm-1000mm之间的任一值，透镜组中透镜的面型可以为球面、非球面或自由曲面。
如图3、7所示，微结构波导基板2用于对在波导基板内传输的光束进行反射和分束，即通过微棱镜结构增加了人眼4所能观测到的区域。所述微结构波导基板2包括由光学树脂一体成型的主体21部分，其表面的光洁度满足ISO 10110标准的要求，所述主体21表面设有入射面22、顶面23、底面24、补偿面25和树脂补偿层27，所述树脂补偿层27下设有微结构面26，且树脂补偿层27的外表面与顶面23处于相同的水平面；所述入射面22为主体21表面的一段平面或自由曲面；顶面23所在的平面与入射面22所在的平面之间的夹角A在20-90°之间；所述的底面24所在的平面与顶面23所在的表面平行。主体21由光学树脂构成，其射射率1.45-1.7之间，阿贝数在20-60之间；所述入射面22的尺寸L1在1mm-30mm之间，顶面23的尺寸L2在3mm-30mm之间，底面24的尺寸L3在3mm-50mm之间，底面24与顶面23的距离D1在1mm与10mm之间；所述树脂补偿层27的尺寸L5在1mm-30mm之间，树脂补偿层27的最小厚度D2在0.05mm-2mm之间；所述第一微结构单元28面的尺寸L4在5μm-1mm之间。
如图5、6所示，微结构面26为主体21表面内陷的一个面，微结构面26所在的平面与顶面23和底面24所在的平面均平行；所述微结构面26由若干相同的微结构单元28构成，任一所述微结构单元28均包括第一微结构单元面281和第二微结构单元面282，所述第一微结构单元面281和第二微结构单元面282表面均为平面，其表面的光洁度均满足ISO10110标准的要求。第一微结构单元面281所在的平面和第二微结构单元面282所在的平面之间的夹角B在5°-75°之间，第二微结构单元面282所在的平面与顶面23所在的平面之间夹角C在80°-100°之间，所述第一微结构单元面281表面设有光学薄膜，光学薄膜在可见光和近红外波段的透过率在20-80％之间。
当所述树脂补偿层27的折射率与所述主体21的折射率差的绝对值大于0.05，所述第一微结构单元面281表面是否设有光学薄膜均可实施。。
工作方式：如图1、8、9所示，光线由显示器1发出，进入投影镜头3，然后进入微结构波导基板2，光线经过入射面22入射进入增强现实平面波导光学器件，然后在顶面23发生全反射，然后再底面24发生全反射进入微结构面26，在微结构面26上光线被分成两部分，一部分延原有路线继续传播，该部分光线为杂散光，一部分反射后，经过底面24出射进入人眼4
外界光路经所述树脂补偿层27入射进入增强现实平面波导光学器件，在所述的微结构面26，一部分光线继续传播，经过所述底面24出射进入人眼4，另一部分光线反射成为杂散光。
实施例2——本实施例中入射面22为曲面。
如图2、4，其余结构同实施例1，不同之处在于所述入射面22为自由曲面。
所述入射面22为主体21表面的一个自由曲面，其表面的光洁度满足ISO 10110标准的要求，其曲面方程满足方程(1)～(3)中的任一个；
这里，N为级数中多项式系数的总数，Ai为第i项扩展多项式的系数；该多项式只是在x，y方向的幂级数；第一项是x，然后是y，接着是x*x，x*y，y*y等等；1次项有2项，2次项有三项，3次项有4项等等；最高次是20，是的多项式非球面系数总数的最大值为230；x和y等位置的数据值都会除以一个归一化半径，得到一个没有量纲的多项式系数；
其中c为曲率半径，k为二次曲面系数，A,B,C,D分别为4,6,8,10阶非球面系数；
该方程为偶次非球面方程(球面为非球面的特例，也属于该范围)。
所述自由曲面的入射面22上设有面型的中心点Z，有一条过点Z且与入射面22表面相切的切线Z’，Z’所在的平面与顶面23所在的平面之间的夹角A在20-90°之间。
实施例2的工作方式与实施例1相似，故省略。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (11)
1.一种微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜，包括显示器、微结构波导基板和投影镜头；所述投影镜头远离所述微结构波导基板的一端面向显示器，所述显示器所发出的光束依次通过所述投影镜头、微结构波导基板进入人眼；所述投影镜头用于对所述显示器所发出的光束进行放大，其特征在于：
所述微结构波导基板用于对在波导基板内传输的光束进行反射和分束，即通过微棱镜结构增加了人眼所能观测到的区域；所述微结构波导基板包括由光学树脂一体成型的主体部分，其表面的光洁度满足ISO 10110标准的要求，所述主体表面设有入射面、顶面、底面、补偿面和树脂补偿层，所述树脂补偿层下设有微结构面，且树脂补偿层的外表面与顶面处于相同的水平面；所述入射面为主体表面的一段平面或自由曲面；顶面所在的平面与入射面所在的平面之间的夹角A在20-90°之间；所述的底面所在的平面与顶面所在的表面平行；
所述微结构面为主体表面内陷的一个面，微结构面所在的平面与顶面和底面所在的平面均平行；所述微结构面由若干相同的微结构单元构成，任一所述微结构单元均包括第一微结构单元面和第二微结构单元面，所述第一微结构单元面和第二微结构单元面表面均为平面，其表面的光洁度均满足ISO 10110标准的要求。
2.根据权利要求1所述的一种微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜，其特征在于：所述入射面为平面或自由曲面。
3.根据权利要求2所述的一种微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜，其特征在于：所述入射面为主体表面的一个自由曲面，其表面的光洁度满足ISO 10110标准的要求，其曲面方程满足方程(1)～(3)中的任一个；
这里，N为级数中多项式系数的总数，Ai为第i项扩展多项式的系数；该多项式只是在x，y方向的幂级数；第一项是x，然后是y，接着是x*x，x*y，y*y等等；1次项有2项，2次项有三项，3次项有4项等等；最高次是20，是的多项式非球面系数总数的最大值为230；x和y等位置的数据值都会除以一个归一化半径，得到一个没有量纲的多项式系数；
其中c为曲率半径，k为二次曲面系数，A,B,C,D分别为4,6,8,10阶非球面系数；
该方程为偶次非球面方程(球面为非球面的特例，也属于该范围)。
4.根据权利要求2所述的一种微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜，其特征在于：所述自由曲面的入射面上设有面型的中心点Z，有一条过点Z且与入射面表面相切的切线Z’，Z’所在的平面与顶面所在的平面之间的夹角A在20-90°之间。
5.根据权利要求1所述的一种微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜，其特征在于：所述显示器为OLDE或LCOS。
6.根据权利要求1所述的一种微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜，其特征在于：所述显示器一侧还设有用于固定所述显示器的显示器固定装置。
7.根据权利要求1所述的一种微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜，其特征在于：所述投影镜头为一个凸透镜或若干个凸透镜和凹透镜组成的透镜组；所述投影镜头的焦距为15mm-1000mm之间的任一值，所述凸透镜或透镜组中透镜的面型可以为球面、非球面或自由曲面。
8.根据权利要求1所述的一种微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜，其特征在于：所述主体由光学树脂构成，其射射率1.45-1.7之间，阿贝数在20-60之间；所述入射面的尺寸L1在1mm-30mm之间，顶面的尺寸L2在3mm-30mm之间，底面的尺寸L3在3mm-50mm之间，底面与顶面的距离D1在1mm与10mm之间；所述树脂补偿层的尺寸L5在1mm-30mm之间，树脂补偿层的最小厚度D2在0.05mm-2mm之间；所述第一微结构单元面的尺寸L4在5μm-1mm之间。
9.根据权利要求1所述的一种微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜，其特征在于：第一微结构单元面所在的平面和第二微结构单元面所在的平面之间的夹角B在5°-75°之间，第二微结构单元面所在的平面与顶面所在的平面之间夹角C在80°-100°之间，所述第一微结构单元面表面设有光学薄膜。
10.根据权利要求9所述的一种微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜，其特征在于：所述光学薄膜在可见光和近红外波段的透过率在20-80％之间。
11.根据权利要求9所述的一种微棱镜波导结构近眼显示视频眼镜，其特征在于：当所述树脂补偿层的折射率与所述主体的折射率差的绝对值大于0.05，所述第一微结构单元面表面是否设有光学薄膜均可实施。
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