CN108490609A - 增强现实眼镜的显示模组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了增强现实眼镜的显示模组，所述显示模组包括：微型有机发光二极管显示器、目镜系统和基于金属线栅偏振片的平板波导，所述平板波导由光传输部和成像部组成，所述成像部包括：依次平行排列的多个玻璃板以及金属线栅偏振片每两个所述玻璃板之间设置有所述金属线栅偏振片。该增强现实眼镜克服现有技术中的平板波导增强现实眼镜还存在以下问题：1、光耦合器采用全息衍射光栅方式的，光栅彩虹效应导致色彩均匀性不好，同时系统光效比较低；2，光耦合器采用半反射膜阵列的，容易出现鬼像，同时光出射区域亮度均匀性不好控制。
Description
技术领域
本发明涉及增强现实眼镜领域，具体地，涉及一种增强现实眼镜的显示模组。
背景技术
增强现实眼镜现已在诸多领域展示出其巨大的应用价值和发展潜力，但为了适应佩戴时轻型化、小型化的发展要求，传统增强现实眼镜的传像系统通常会设计的非常复杂而难以加工，比如有报道的采用多项式组合镜的离轴透射型头戴显示器和采用自由曲面棱镜的透射型头戴显示器，虽有样机问世，但并没有被市场广泛接受，因此没有批量投入市场销售。
基于平板光波导元件的增强现实眼镜相比传统眼镜的结构，不仅降低了加工难度，而且具有更加紧凑的体积和更轻的重量，极大地提高了增强现实眼镜的人机功效。但现有平板波导增强现实眼镜还存在以下问题：1、光耦合器采用全息衍射光栅方式的，光栅彩虹效应导致色彩均匀性不好，同时系统光效比较低；2，光耦合器采用半反射膜阵列的，容易出现鬼像，同时光出射区域亮度均匀性不好控制。
因此，提供一种在使用过程中色彩均匀性好，系统光效高，而且光出射区域亮度均匀性易控制的增强现实眼镜的显示模组是本发明亟需解决的问题。
发明内容
根据上述技术问题，本发明的目的是克服现有技术中的平板波导增强现实眼镜还存在以下问题：1、光耦合器采用全息衍射光栅方式的，光栅彩虹效应导致色彩均匀性不好，同时系统光效比较低；2，光耦合器采用半反射膜阵列的，容易出现鬼像，同时光出射区域亮度均匀性不好控制；从而提供一种在使用过程中色彩均匀性好，系统光效高，而且光出射区域亮度均匀性易控制的增强现实眼镜的显示模组。
为了实现上述目的，本发明提供了一种增强现实眼镜的显示模组，所述显示模组包括：微型有机发光二极管显示器、目镜系统和基于金属线栅偏振片的平板波导，所述平板波导由光传输部和成像部组成，所述成像部包括：依次平行排列的多个玻璃板以及金属线栅偏振片每两个所述玻璃板之间设置有所述金属线栅偏振片；其中，所述目镜系统用于将所述微型有机发光二极管显示器显示图像形成准直光束，并射向所述平板波导，所述光传输部用于利用折射方式耦合图像光束进入所述平板波导，并把图像光束传输至所述成像部，所述成像部利用所述金属线栅偏振片将入射光束耦合出所述成像部，从而投射进观察着眼睛，使观察者看到放大的虚像。
优选地，所述金属线栅偏振片的结构参数包括：线栅周期、金属线高度以及占空比，采用时域有限差分法分析了金属线栅偏振片的线栅周期、占空比及金属线高度对偏振特性的影响。
优选地，所述金属线栅偏振片的线栅周期设置为190-210nm、金属线高度设置为90-110nm以及占空比设置为0.4-0.6。
优选地，所述金属线栅偏振片的线栅周期设置为200nm、金属线高度设置为100nm以及占空比设置为0.5。
优选地，所述金属线栅偏振片的侧壁倾角范围是0°～15°。
优选地，依次采用采用全息干涉、等离子刻蚀、溅射镀膜以及等离子体增强化学气相沉积技术，在K9玻璃基底上制作了适用于可见光波长范围的铝材质的所述金属线栅偏振片。
优选地，所述金属线栅偏振片的线栅掩膜图形采用全息光刻技术制备。
优选地，采用掩埋型金属纳米光栅的制作技术实现精准线栅掩膜图形转移。
根据上述技术方案，本发明提供的增强现实眼镜的显示模组是克服现有技术中的平板波导增强现实眼镜还存在以下问题：1、光耦合器采用全息衍射光栅方式的，光栅彩虹效应导致色彩均匀性不好，同时系统光效比较低；2，光耦合器采用半反射膜阵列的，容易出现鬼像，同时光出射区域亮度均匀性不好控制。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的一种优选的实施方式中提供的增强现实眼镜的显示模组的结构示意图；
图2是本发明的一种优选的实施方式中提供的增强现实眼镜的显示模组中的基于金属线栅偏振片的平板波导的截面图；
图3是本发明的一种优选的实施方式中提供的增强现实眼镜的显示模组中金属线栅偏振片消光特性与侧壁倾角及入射光波长范围的关系图；
图4是本发明的一种优选的实施方式中提供的增强现实眼镜的显示模组中金属线栅偏振片消光特性与侧壁倾角及入射光波长范围的关系图；
图5是本发明的一种优选的实施方式中提供的增强现实眼镜的显示模组中金属线栅偏振片消光特性与入射光入射角及波长范围的关系图。
附图标记说明
1微型有机发光二极管显示器 2目镜系统
3平板波导 4成像部
5光传输部 6金属偏振片
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，“上、下、内、外”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。
如图1-5所示，本发明提供了一种增强现实眼镜的显示模组，所述显示模组包括：微型有机发光二极管显示器1、目镜系统2和基于金属线栅偏振片的平板波导3，所述平板波导3由光传输部5和成像部4组成，所述成像部4包括：依次平行排列的多个玻璃板以及金属线栅偏振片6每两个所述玻璃板之间设置有所述金属线栅偏振片6；其中，所述目镜系统2用于将所述微型有机发光二极管显示器1显示图像形成准直光束，并射向所述平板波导3，所述光传输部5用于利用折射方式耦合图像光束进入所述平板波导3，并把图像光束传输至所述成像部4，所述成像部4利用所述金属线栅偏振片6将入射光束耦合出所述成像部4，从而投射进观察着眼睛，使观察者看到放大的虚像。
根据上述技术方案，本发明提供的增强现实眼镜的显示模组是克服现有技术中的平板波导增强现实眼镜还存在以下问题：1、光耦合器采用全息衍射光栅方式的，光栅彩虹效应导致色彩均匀性不好，同时系统光效比较低；2，光耦合器采用半反射膜阵列的，容易出现鬼像，同时光出射区域亮度均匀性不好控制。
对于金属线栅偏振片入射光透射和反射情况，入射到金属线栅偏振片6的光束，S波光束被反射耦出波导为观察者成像，P波光束透射通过金属线栅偏振片，入射到波导上表面，通过全反射又被反射到金属线栅偏振片；由于金属线栅偏振片对P波光束是透射的，故没有反射。从而有效避免了采用半透反射膜阵列光耦合器的鬼像问题。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述金属线栅偏振片的结构参数包括：线栅周期、金属线高度以及占空比，采用时域有限差分法分析了金属线栅偏振片的线栅周期、占空比及金属线高度对偏振特性的影响。所述金属线栅偏振片的特征在于：其偏振性能是由TM波和TE波在通过金属线栅偏振片时的不对称型引起的；偏振特性是由金属线栅偏振片自身的参数和使用条件决定的。所述金属线栅偏振片有三个主要的结构参数，分别是线栅周期、占空比和金属线高度。本发明利用时域有限差分法(Finite Difference Time DomainFDTD)分析了金属线栅偏振片的线栅周期、占空比及金属线高度对偏振特性的影响，其准确性更高；其中，
所述线栅周期是一个非常重要的参量，决定了入射光波能产生有效偏振的最短波长。1907年Lord Rayleigh给出了其与基底材料折射率及入射光的波长和入射角关系的一个试验结论，可以表示为：
式中：Λ表示线栅周期，λ表示入射光的波长，θ为入射光的入射角，n为基底材料折射率，m开始出现衍射光的衍射级；
所述占空比即线栅宽度a与周期Λ之比，用以调节金属线栅偏振片消光特性与反射性能(或透射性能)的平衡；
所述金属线高度H对金属线栅偏振片的消光特性影响最为明显。
在本发明的一种优选的实施方式中，本发明利用时域有限差分法分析了金属线栅偏振片的线栅周期、占空比及金属线高度对偏振特性的影响，同时考虑加工工艺难度所述金属线栅偏振片的线栅周期设置为190-210nm、金属线高度设置为90-110nm以及占空比设置为0.4-0.6。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述金属线栅偏振片的线栅周期设置为200nm、金属线高度设置为100nm以及占空比设置为0.5。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述金属线栅偏振片的侧壁倾角范围是0°～15°；图2和图3显示了本发明金属线栅偏振片消光比偏振特性与金属线栅结构参数侧壁倾角，及使用条件入射光波长范围的关系。从图中可以看出，在整个可见光波段，侧壁倾角在0°～15°范围内，消光比偏振特性表现都比较好。随着金属线栅侧壁倾角增大，P波透过率变化不大，但S波透过率却增加了好几倍，从接近0.33％变化到1.08％，增大了18倍，从而导致金属线栅偏振片消光比从31.2dB降低到19.3dB。因此，为了获得具有优良偏振性能的金属线栅，应尽量制作侧壁陡直的线栅结构。
图4显示了本发明金属线栅偏振片消光比偏振特性在整个可见光波段与入射光入射角的关系，入射光从空气中入射到线栅表面，入射角由正入射到偏离正入射方向60°变化。从图中可以看出，随着入射光的入射角的增加金属线栅偏着性能略微提高，且单调增加，这主要是两个因素引起的，一是基底的反射和透射是与偏振态有关的，随着入射光入射角的增加，S波的透过率自然地降低。同时，P波在达到布儒斯特角前，透过率随着入射光入射角的增大而增大。二是随着入射光入射角的增加，金属线栅区域的有效厚度也相应增加。因为S波把线栅区域等效成了有吸收的材料，增加有效厚度将增大S波的衰减，而对于P波来说，线栅区域等效为有微弱吸收的介质材料，对其透过率影响不大。结合以上两个方面的因素，随着入射光入射角的增加，线栅消光比偏振特性随之提高了。
在本发明的一种优选的实施方式中，依次采用采用全息干涉、等离子刻蚀、溅射镀膜以及等离子体增强化学气相沉积技术，在K9玻璃基底上制作了适用于可见光波长范围的铝材质的所述金属线栅偏振片。
在本发明的一种优选的实施方式中，所述金属线栅偏振片的线栅掩膜图形采用全息光刻技术制备。
在本发明的一种优选的实施方式中，采用掩埋型金属纳米光栅的制作技术实现精准线栅掩膜图形转移：首先由全息光刻技术制备掩膜图，接着利用金属剥离技术将光刻胶干涉图样转移到金属Cr上，金属Cr厚度为0.15nm；接下来再以金属Cr图样为掩膜，利用干法刻蚀技术在基底K9玻璃上刻蚀出700nm深的沟槽，沟槽占空比为0.5，沟槽侧壁垂直性非常好；然后采用溅射工艺在沟槽内以及脊背残余金属Cr表面镀制一层铝膜，沟槽内铝膜厚度需要控制在360nm到400nm范围内；接着通过金属Cr腐蚀液将脊背上残余的金属Cr以及溅射的铝膜一起剥离掉形成金属线栅。金属线栅形成后采用等离子体增强化学气相沉积技术在整个光栅表面生长一层SiO2保护膜，为使生长的SiO2保护膜能覆盖整个光栅表面，生长过程中先向左倾斜45°生长，再向右倾斜45°生长，最后水平放置生长，实现保护膜连成一片，覆盖整个光栅表面。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (8)
1.一种增强现实眼镜的显示模组，其特征在于，所述显示模组包括：微型有机发光二极管显示器(1)、目镜系统(2)和基于金属线栅偏振片的平板波导(3)，所述平板波导(3)由光传输部(5)和成像部(4)组成，所述成像部(4)包括：依次平行排列的多个玻璃板以及金属线栅偏振片(6)每两个所述玻璃板之间设置有所述金属线栅偏振片(6)；其中，
所述目镜系统(2)用于将所述微型有机发光二极管显示器(1)显示图像形成准直光束，并射向所述平板波导(3)，所述光传输部(5)用于利用折射方式耦合图像光束进入所述平板波导(3)，并把图像光束传输至所述成像部(4)，所述成像部(4)利用所述金属线栅偏振片(6)将入射光束耦合出所述成像部(4)，从而投射进观察着眼睛，使观察者看到放大的虚像。
2.根据权利要求1所述的增强现实眼镜的显示模组，其特征在于，所述金属线栅偏振片(6)的结构参数包括：线栅周期、金属线高度以及占空比，采用时域有限差分法分析了金属线栅偏振片(6)的线栅周期、占空比及金属线高度对偏振特性的影响。
3.根据权利要求2所述的增强现实眼镜的显示模组，其特征在于，所述金属线栅偏振片(6)的线栅周期设置为190-210nm、金属线高度设置为90-110nm以及占空比设置为0.4-0.6。
4.根据权利要求3所述的增强现实眼镜的显示模组，其特征在于，所述金属线栅偏振片(6)的线栅周期设置为200nm、金属线高度设置为100nm以及占空比设置为0.5。
5.根据权利要求1所述的增强现实眼镜的显示模组，其特征在于，所述金属线栅偏振片(6)的侧壁倾角范围是0°～15°。
6.根据权利要求1所述的增强现实眼镜的显示模组，其特征在于，依次采用采用全息干涉、等离子刻蚀、溅射镀膜以及等离子体增强化学气相沉积技术，在K9玻璃基底上制作了适用于可见光波长范围的铝材质的所述金属线栅偏振片(6)。
7.根据权利要求1所述的增强现实眼镜的显示模组，其特征在于，所述金属线栅偏振片(6)的线栅掩膜图形采用全息光刻技术制备。
8.根据权利要求7所述的增强现实眼镜的显示模组，其特征在于，采用掩埋型金属纳米光栅的制作技术实现精准线栅掩膜图形转移。
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