CN109116577B - 一种全息隐形眼镜及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全息隐形眼镜，包括：透明基底，贴在眼球表面并与眼球曲面相吻合；透射型全息光栅组，贴附在透明基底的外表面，对透过的光线产生一级衍射作用并在人眼汇聚成像；透明防护层，用于封装透明基底和透射型全息光栅。该全息隐形眼镜可应用于虚拟现实，缩小虚拟现实装置的体积，还可应用于增强现实，扩大增强现实装置的视场角，增强显示效果，提高用户体验。本发明还提供了采用该全息隐性眼镜的虚拟现实装置和增强现实装置。

Description

一种全息隐形眼镜及其应用
技术领域
本发明涉及虚拟现实与增强现实技术领域，尤其涉及一种全息隐形眼镜及其应用。
背景技术
虚拟现实(VR，Virtual Reality)技术是一种使用户沉浸于虚拟世界中，感觉如同“身临其境”的技术，它通常需要用户佩戴一个屏蔽外界真实环境的头盔。增强现实(AR，Augmented Reality)技术是一种将虚拟信息叠加到真实世界的显示技术，用户通过这种技术可以同时观察外界真实环境。虚拟现实和增强现实技术可广泛应用于军事、医疗、教育、制造、娱乐等领域。
随着头戴设备的日益商用化，VR/AR眼镜越来越被大众所熟知，产品也逐渐往消费市场蔓延。其中，AR眼镜被认为具有更广阔的应用潜力，同时，当AR眼镜集成了可选择性遮挡现实世界光线的相关组件后，在某种程度上就兼具了VR眼镜的效果。因此，立足AR眼镜的特点，研究两者共通的三维显示技术，变得很有意义。
目前，市面上已经有相关的虚拟现实及增强现实产品，大多数产品还是基于几何光学的成像原理，将虚拟画面投影至距离人眼无穷远处以供观察。
例如，公开号为CN108051928A的中国专利文献公开了一种虚拟现实眼镜，包括第一调节组件和第二调节组件；所述第一调节组件包括相互连接的第一光楔、第一凸透镜，所述第一光楔连接有第一偏振片；所述第二调节组件包括相互连接的第二光楔、第二凸透镜，所述第二光楔连接有第二偏振片，所述第二偏振片与所述第一偏振片的偏振方向相互垂直。
该虚拟现实头盔和增强现实头盔通常体积会非常庞大，这是为了满足佩戴者的出瞳距离、视场角等要求，这会导致佩戴者行动不便、长时间佩戴增加头部负担等问题。
公开号为CN107991778A的中国专利文献公开了一种多层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、投影镜头和纵向棱镜；所述投影镜头远离纵向棱镜的一端面向显示器，所述显示器所发出的光束依次通过所述投影镜头、纵向棱镜、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。
该发明原理相似的增强现实头盔视场角一般都比较小，如公开号为US201704574的美国专利公开了一种紧凑型头戴显示系统，包括一片结构复杂的波导镜片和成像棱镜，其对角线视场角只有不到30度，远远达不到增强现实技术所要呈现的效果。
发明内容
本发明提供了一种全息隐形眼镜，可应用于虚拟现实，缩小虚拟现实装置的体积，还可应用于增强现实，扩大增强现实装置的视场角，增强显示效果，提高用户体验。
一种全息隐形眼镜，包括：
透明基底，贴在眼球表面并与眼球曲面相吻合；
透射型全息光栅组，贴附在透明基底的外表面，对透过的光线产生一级衍射作用并在人眼汇聚成像；
透明防护层，用于封装透明基底和透射型全息光栅。
优选的，所述的透射型全息光栅组包括相互层叠的3层透射型全息光栅，3层透射型全息光栅分别对色光三原色之一的光线产生一级衍射作用。
所述的色光三原色为红、绿和蓝三色。一般地，一幅彩色图像中的某个像素点的彩色信息一般由红、绿、蓝三中颜色的光按照一定比例混合呈现。透射型全息光栅组中的3层透射型全息光栅分别对红、绿和蓝三种颜色的光产生一级衍射作用，例如某一层透射型全息光栅对红光产生一级衍射作用，但绿光和蓝光可以直接透过而不起衍射作用；同理的，另外两层透射型全息光栅分别对绿光和蓝光产生一级衍射作用，对另外两种光不起作用。
通过3层透射型全息光栅的共同作用，彩色图像透过3层透射型全息光栅后在人眼汇聚成像。
透射型全息光栅的制作方法为：采用波长相同的物光和参考光对全息记录材料进行干涉曝光；
所述的物光和参考光为全息记录材料的敏感光；
所述的物光和参考光的波带宽度小于10nm。
制作透射型全息光栅时所使用的物光和参考光的波带越窄，制作的透射型全息光栅的成像效果越好。
优选的，所述的物光和参考光的波长与色光的三原色之一相同。
另一种技术方案是：透射型全息光栅为表面具有浮雕结构的光栅，表面浮雕结构为对色光三原色之一的光线产生一级衍射作用的结构；表面浮雕结构通过刻蚀或压印而成。
优选的，所述的透明基底的厚度为0.01～0.02mm；所述的透射型全息光栅的厚度为0.01～0.02mm；所述的透明防护层的厚度为0.01～0.02mm。
优选的，透射型全息光栅为曲面，其面型为球壳的一部分，且该球壳的球心位于眼球旋转中心。
该技术方案的全息隐形眼镜和普通的隐形眼镜相似，其用户使用感受和普通隐形眼镜的使用感受一致。
本发明的全息隐形眼镜可以为旋转对称结构和非旋转对称结构。为非旋转对称结构时，可以将全息隐形眼镜的重心调整至位于眼瞳的下方，方便使用者佩戴。
本发明的全息隐形眼镜可应用于虚拟现实和增强现实。
本发明还提供了一种虚拟现实装置，包括：
图像源，用于产生虚拟现实的图像；
全息隐形眼镜，使用时贴于眼球表面，对图像源产生的图像光线产生一级衍射作用并在人眼汇聚成像。
图像源可以为微型显示器，可以产生虚拟现实的图像，图像的各像素点可以不在一个平面内，即微型显示器可以为平面或曲面显示器，或空间光调制器。
优选的，所述的图像源产生的图像为曲面，其面型为球壳的一部分，且该球壳的球心位于眼球旋转中心。
优选的，所述的图像源为透明显示器。
优选的，所述的图像源产生的图像中色光三原色的波带宽度小于10nm。
图像源产生的图像中，红、绿和蓝光线波带较窄时，可以减少杂散光，提高虚拟现实装置的显示效果。
在虚拟现实装置中，由于图像源位于人眼正前方，所以在制作全息隐形眼镜的透射型全息光栅时，物光与参考光的夹角为0°。
优选的，全息隐形眼镜的视场角与图像源产生的图像对眼球旋转中心的张角相等。
这样，人眼看到的虚拟现实图像不会因眼球转动而发生形变或移动，使用户真正实现“以假乱真”的体验。
与现有的虚拟现实装置相比，本发明的虚拟现实装置采用全息隐形眼镜代替常规的光学棱镜，大大缩小了整个装置的体积。
本发明还提供了一种增强现实装置，包括：
图像源，用于产生增强现实的图像；
全息隐形眼镜，使用时贴于眼球表面，对图像源产生的图像光线产生一级衍射作用并在人眼汇聚成像；
环境光线透过全息隐形眼镜后在人眼成像，并且不产生一级衍射作用。
与虚拟现实装置相似，图像源可以为平面或曲面显示器，或空间光调制器。
优选的，所述的图像源产生的图像为曲面，其面型为球壳的一部分，且该球壳的球心位于眼球旋转中心。
优选的，所述的图像源为透明显示器。
优选的，所述的图像源产生的图像中色光三原色的波带宽度小于10nm。
由于环境光线的波带较宽，环境光线经过全息隐形眼镜时衍射效率低，从而人眼几乎察觉不到异样。
定义图像源中心点-人眼连线与人眼平视视线的夹角为a，定义制作全息隐形眼镜的透射型全息光栅时物光与参考光的夹角为b，在增强现实装置中，两者的光栅常数相等，即：λ色光/2sin a等于λ参考光/2sin b。
优选的，全息隐形眼镜的视场角和图像源产生的图像对眼球旋转中心的张角相等。
这样，人眼看到的增强现实图像不会因眼球转动而发生形变或移动，使用户真正实现“以假乱真”的体验。
本发明的增强现实装置与现有的装置相比，视场角得到大大的提高。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)全息隐形眼镜的透射型全息光栅可采用全息曝光或压印的方式进行批量制作，高速稳定，能同时保证生产率和产品良率；
(2)全息隐形眼镜结构紧凑，整个全息隐形眼镜和普通的隐形眼镜相似，其佩戴感受也相似；
(3)虚拟现实装置和增强现实装置的视场角大：全息隐形眼镜紧贴人眼角膜佩戴，其直径覆盖了人眼瞳孔及其移动范围，所以视场角等同于人眼的视场角，使用户真正实现“沉浸式”的体验。
附图说明
图1为全息隐形眼镜使用时的示意图；
图2为透射型全息光栅的制作方法示意图；
图3为透射型全息光栅的成像示意图；
图4为全息隐形眼镜的成像质量点列图；
图5为全息隐形眼镜应用于虚拟现实装置时成像示意图，其中：(a)为人眼看正前方时正前方图像成像示意图；(b)为人眼看正前方时眼角余光看边缘成像示意图；(c)为人眼球转动时观看边缘图像成像示意图；
图6为全息隐形眼镜应用于增强现实装置时成像示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，在使用时，全息隐形眼镜贴附于人眼球上，全息隐形眼镜包括贴在眼球表面的透明基底105，向外依次为第一透射型全息光栅104、第二透射型全息光栅103、第三透射型全息光栅102以及透明防护层101。光线依次透过透明防护层101、第三透射型全息光栅102、第二透射型全息光栅103、第一透射型全息光栅104以及透明基底105进入人眼，再依次透过人眼角膜201、房水202以及瞳孔203成像。
3层透射型全息光栅分别对红、绿和蓝色光产生一级衍射作用。
如图2所示，透射型全息光栅的制作方法为：采用波长相同的物光和参考光对全息记录材料进行干涉曝光，两束光发生干涉现象而在全息记录材料上留下极细密的条纹，也即生成了全息图。干涉条纹可以记录在平面上或者曲面上。
在物光的光路中可以加入实际使用情况反算求得的透镜组使物光产生相应的波前，从而达到消像差的目的。制作过程中需要严格控制曝光条件，如此便可以实现高效率生产。
采用的物光和参考光的波带宽度在10nm以内，并与色光的三原色之一相同。
当使用与原来物光相同的重建光照射该全息图时，人眼可在透射光中看到图像，如图2、3所示，夹角a等于夹角b。
透明基底105、第一透射型全息光栅104、第二透射型全息光栅103、第三透射型全息光栅102以及透明防护层101的厚度可独立为0.01～0.02mm。
如图4所示的是全息隐形眼镜用作虚拟现实用途时，在光学设计软件中反向仿真得到的点列图；人眼只对5度范围左右的信息敏感，由图4可以看到该全息隐形眼镜正负2.5度的点列图为弧矢方向细、子午方向宽的“长条型”光斑，可以知道其成像质量是好的。
应用例1虚拟现实装置
图5中，(a)为人眼看正前方时，正前方图像的成像示意图；(b)为人眼看正前方时，眼角余光看边缘成像示意图；(c)为人眼转动，观看边缘图像成像示意图。
如图5所示，虚拟现实装置包括产生虚拟现实图像的显示器3，全息隐形眼镜1。使用时，全息隐形眼镜1贴附在人眼球表面，显示器3位于人眼正前方。显示器3为曲面显示器。
显示器3产生的图像光学透过全息隐形眼镜1，经过第一透射型全息光栅104、第二透射型全息光栅103、第三透射型全息光栅102的衍射作用，在人眼瞳孔203汇聚成像。
显示器3为曲面显示器。显示器3产生的图像的红、绿和蓝光的波带宽度在10nm以下。
如图5中(b)所示，虚拟现实装置中需要保证全息隐形眼镜的视场角α2和显示器对眼球旋转中心的张角α1相等。具体的，水平方向上和垂直方向上全息隐形眼镜的视场角和显示器对眼球旋转中心的张角均相等。这样，显示器产生的虚拟现实图像不会随着人眼的转动发生漂移，使用户能真正实现“沉浸式”的体验。
用于虚拟现实装置的全息隐形眼镜中的透射型全息光栅，在制作时，物光的中心光线和参考光的中心光线(或平行参考光的任意光线)的夹角为0°。
应用例2增强现实眼镜
如图6所示，增强现实装置包括产生增强现实图像的显示器3，全息隐形眼镜1。使用时，全息隐形眼镜1贴附在人眼球表面，与虚拟现实装置的不同之处在于显示器3的安装位置不同，该位置位于人眼侧前方。
全息隐形眼镜1对显示器3产生的图像光线产生一级衍射作用并在人眼汇聚成像；外界的环境光线透过全息隐形眼镜后在人眼成像，并且不产生一级衍射作用。
显示器3为曲面显示器。显示器3产生的图像的红、绿和蓝光的波带宽度在10nm以下。
如图6所示，增强现实装置中保证全息隐形眼镜的视场角β2和显示器对眼球旋转中心的张角β1相等。具体的，水平方向上和垂直方向上全息隐形眼镜的视场角和显示器3对眼球旋转中心的张角均相等。这样，显示器产生的增强现实图像不会随着人眼的转动发生漂移，使用户能真正实现“沉浸式”的体验。
如图6所示，m、n为显示器3边缘的成像物点，其像点分别位于无穷远的M、N处；j为显示器3中间的成像物点，其像点位于无穷远的J处；其中，各物点指向眼球旋转中心的虚拟光线与对应于该虚拟光线的像点光线之间的夹角c都应当是相等的。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种虚拟现实装置，其特征在于，包括：
图像源，用于产生虚拟现实的图像；
全息隐形眼镜，使用时贴于眼球表面，对图像源产生的图像光线产生一级衍射作用并在人眼汇聚成像；所述的全息隐形眼镜包括：
透明基底，贴在眼球表面并与眼球曲面相吻合；
透射型全息光栅组，贴附在透明基底的外表面，对透过的光线产生一级衍射作用并在人眼汇聚成像；所述的透射型全息光栅组包括相互层叠的3层透射型全息光栅，3层透射型全息光栅分别对色光三原色之一的光线产生一级衍射作用；
透明防护层，用于封装透明基底和透射型全息光栅；
全息隐形眼镜的视场角与图像源产生的图像对眼球旋转中心的张角相等。
2.根据权利要求1所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述的图像源产生的图像中色光三原色的波带宽度小于10nm。
3.根据权利要求1所述的虚拟现实装置，其特征在于，透射型全息光栅的制作方法为：采用波长相同的物光和参考光对全息记录材料进行干涉曝光；
所述的物光和参考光为全息记录材料的敏感光；
所述的物光和参考光的波带宽度小于10nm。
4.根据权利要求1所述的虚拟现实装置，其特征在于，透射型全息光栅为表面具有浮雕结构的光栅，表面浮雕结构为对色光三原色之一的光线产生一级衍射作用的结构；表面浮雕结构通过刻蚀或压印而成。
5.一种增强现实装置，其特征在于，包括：
图像源，用于产生增强现实的图像；
全息隐形眼镜，使用时贴于眼球表面，对图像源产生的图像光线产生一级衍射作用并在人眼汇聚成像；所述的全息隐形眼镜包括：
透明基底，贴在眼球表面并与眼球曲面相吻合；
透射型全息光栅组，贴附在透明基底的外表面，对透过的光线产生一级衍射作用并在人眼汇聚成像；所述的透射型全息光栅组包括相互层叠的3层透射型全息光栅，3层透射型全息光栅分别对色光三原色之一的光线产生一级衍射作用；
透明防护层，用于封装透明基底和透射型全息光栅；
环境光线透过全息隐形眼镜后在人眼成像，并且不产生一级衍射作用；
全息隐形眼镜的视场角与图像源产生的图像对眼球旋转中心的张角相等。
6.根据权利要求5所述的增强现实装置，其特征在于，所述的图像源产生的图像中色光三原色的波带宽度小于10nm。
7.根据权利要求5所述的增强现实装置，其特征在于，透射型全息光栅的制作方法为：采用波长相同的物光和参考光对全息记录材料进行干涉曝光；
所述的物光和参考光为全息记录材料的敏感光；
所述的物光和参考光的波带宽度小于10nm。
8.根据权利要求5所述的增强现实装置，其特征在于，透射型全息光栅为表面具有浮雕结构的光栅，表面浮雕结构为对色光三原色之一的光线产生一级衍射作用的结构；表面浮雕结构通过刻蚀或压印而成。
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