CN109343219A - 一种基于超微结构的增强现实型超薄平面近眼显示系统 - Google Patents

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肖君军
张丁月
秦菲菲
刘真真
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Abstract

本发明提供了一种基于超微结构平面的增强现实型近眼显示系统，该系统利用超微结构的衍射光学元件，平面厚度可以在微米量级，极大缩小了近眼显示系统的体积，而且结构简单只需要微显示器和超微结构平面2个部分，系统的外观近似眼镜，还可以在看到微显示器显示图像的同时观察到外界环境。本发明通过基于平面超微结构的衍射光学元件改变了光线的传播方向，实现将倾斜入射的光线反射并汇聚到人眼处的功能，从而达到减小体积近眼显示系统体积的目的。与现有的近眼显示系统相比，本发明所述的近眼显示系统结构简单，体积小，重量轻，稳定性强，外观接近普通的眼镜，且能实现增强现实的功能。

Description

一种基于超微结构的增强现实型超薄平面近眼显示系统
技术领域
本发明涉及光学器件和系统设计技术领域，尤其涉及一种近眼显示系统。
背景技术
近眼显示系统通常是通过一个光学放大部件将微显示器的图像放大，以离轴形式在人眼处形成一个放大的虚像，使人能看到放大的图像。传统的近眼显示系统的光学放大显示器件是利用透镜，反射镜、光波导等几何光学元件，将光线汇聚到人眼。例如使用多个不同方向的小平面反射镜拼接起来的反射装置或自由曲面反射镜，将微显示器发出的光线反射并汇聚到人眼中。其中，微显示器发光面背对人眼并将光线倾斜入射到反射装置上，反射装置的反射面面向人眼。
采用几何光学元件的近眼显示系统，体积笨重、结构复杂且容易受外界干扰。对于多个小平面反射镜拼接的反射装置，各个平面镜的相对位置难以控制，整个系统比较笨重，体积较大不易携带，不能在看到微显示器显示图像的同时观察到外界环境。
专利文献1(中国专利申请号：201711468207.1)给出了一种护目镜形式的近眼显示系统，它体积大，相对普通眼镜不易携带，无法同时观察外界环境和显示的图像。专利文献2(中国专利申请号：201710539257.8)中的用于头戴设备的近眼显示系统，包括显示部件、反射部件和图像放大部件；多加了图像放大部件，结构较多。专利文献3(中国专利申请号：201721496580.3)中的用于AR眼镜的近眼显示光学模组，包括微显示屏、反射光学元件和成像透镜，多了成像透镜，结构复杂，部件繁多。专利文献4(中国专利申请号：201721580659.4)提供了一种近眼显示装置，使用波导结构作为传输光的器件，体积大，外观与普通的眼镜相差甚远。专利文献5(中国专利申请号：201611029369.0)中的用于单目的近眼显示系统，不能实现增强显示的功能。专利文献6(中国专利申请号：201720943946.0)中的全息近眼显示系统，结构复杂，需要多次反射才能将光线反射至人眼中。
发明内容
为了优化解决当前近眼显示系统笨重，体积庞大，不易携带的问题，提出一种基于微纳结构外观近似眼镜的超薄平面近眼显示系统，并且能实现增强现实的功能。本发明具体通过如下技术方案实现：
一种基于超微结构的增强现实型超薄平面近眼显示系统，所述近眼显示系统包括微显示器和超微结构半反半透平面；其中，所述微显示器位于人眼周围，与竖直方向成第一角度，发出光线的面背对人眼，用于显示出想要呈现在人眼中的图像，发出包含图像信息的光线倾斜入射到所述超微结构半反半透平面上；所述超微结构半反半透平面位于人眼正前方，竖直方向放置，所述超微结构半反半透平面将微显示器发出的光线反射并汇聚到人眼瞳孔处，最终在视网膜上成像；平面的透射率和反射率均为50％左右。
作为本发明的进一步改进，所述微显示的尺寸为1cm*1cm，或者根据产品的配置挑选接近值。
作为本发明的进一步改进，所述超微结构半反半透平面的尺寸为3cm*3cm，或根据实际放大缩小；与眼睛的距离为15mm，或根据需求更近或更远；平面厚度最小在微米量级，或者根据实际需求加厚到想要的厚度；平面上布有亚波长量级的超微结构，通过这些超微结构可以精确的操控光线的反射方向。
作为本发明的进一步改进，所述近眼显示系统还包括固定装置，所述固定装置将所述微显示器和超微结构半反半透平面的相对位置固定。
作为本发明的进一步改进，所述微显示器置于人眼斜上方、人眼左侧、或者人眼右侧。
作为本发明的进一步改进，所述超微结构半反半透平面的基板采用低折射率材料，其上的超微结构使用高折射率材料。
作为本发明的进一步改进，所述超微结构半反半透平面的单个超微结构设计成长方体、圆环形、椭圆柱或者V字形等规则的几何形状。
本发明的有益效果是：本发明提供的基于超微结构平面的增强现实型近眼显示系统，利用超微结构的衍射光学元件，平面厚度可以在微米量级，极大缩小了近眼显示系统的体积，而且结构简单只需要微显示器和超微结构平面2个部分，系统的外观近似眼镜，还可以在看到微显示器显示图像的同时观察到外界环境，实现增强显示的功能。
本发明通过基于平面超微结构的衍射光学元件改变了光线的传播方向，实现将倾斜入射的光线反射并汇聚到人眼处的功能，从而达到减小体积近眼显示系统体积的目的。与现有的近眼显示系统相比，本发明所述的近眼显示系统结构简单，体积小，重量轻，稳定性强，外观接近普通的眼镜，且能实现增强现实的功能，是近眼显示系统的必然发展趋势。
附图说明
图1是本发明的基于超微结构的平面近眼显示系统结构图；
图2是超微结构平面的局部示意图；
其中，1为微显示器，2为超微结构半反半透平面，3为人眼。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明提出的基于平面超微结构的近眼显示系统，如图1所述，包括2个部分：微显示器(1)和超微结构半反半透平面(2)。
微显示器(1)，位于人眼(3)斜上方，与竖直方向成一定角度，发出光线的一面背对人眼，用于显示出想要呈现在人眼(3)中的图像，发出包含图像信息的光线倾斜入射到超微结构半反半透平面(2)上。微显示(1)的尺寸约为1cm*1cm，可根据产品的配置挑选接近值。该一定角度的范围在0～90度之间。
超微结构半反半透平面(2)：位于人眼正前方，竖直方向放置，和普通眼镜的位置类似，它将微显示器发出的光线反射并汇聚到人眼(3)瞳孔处，最终在视网膜上成像，通过一个平面实现传统平面反射镜无法实现的功能；平面的透射率和反射率均为50％左右，可以透过外界环境的光线，使人在观察到微显示器显示图像的同时不影响观察外界环境，实现了增强现实型近眼显示系统的功能。超微结构半反半透平面(2)的尺寸约为3cm*3cm，或根据实际放大缩小，与眼睛的距离约15mm，或根据需求更近或更远，与常见的眼镜大小及所在位置都很接近；平面厚度最小可以在微米量级，可根据实际需求加厚到想要的厚度。平面上布有亚波长量级的超微结构，通过这些超微结构可以精确的操控光线的反射方向。
将超微结构半反半透平面(2)与微显示器(1)按照设计的角度和距离固定，就可以组成一个完整功能的近眼显示系统。
所述微显示器(1)和超微结构半反半透平面(2)的相对位置固定，固定装置图中未画出。微显示器位于眼睛周围，倾斜一定角度，只要不遮挡眼睛视线且可以将光线入射到超微结构平面上即可。图1所示为微显示器置于眼睛斜上方，发光面面向超微结构平面。应用时，可以将微显示器置于眼睛的斜上方或左(右)侧，只要发出的光线可以入射到超微结构平面即可设计对应的超微结构平面，实现将光线反射并汇聚到人眼中的功能。
根据广义Snell定律其中，θr是反射角，θi是入射角，λ0是光波长，ni是入(反)射光所在介质的折射率，是界面上的相位梯度，入射角确定的情况下，改变反射界面的相位梯度就可以精确的控制反射角的大小。传统的几何光学元件表面一般不产生相位梯度，即此时广义Snell定律退化为几何光学中的反射定律sin(θr)＝sin(θi)。那么在界面上设计特定的相位梯度，就可以将倾斜入射的平行光线反射并汇聚到垂直方向的一个焦点处。想要实现特定的相位梯度，必须将能产生相位突变的超微结构按照一定规律在平面上排列，才能产生相应的相位梯度分布。
技术上实现超微结构平面是利用平面上亚波长尺度的周期性超微结构阵列(如图2所示)改变光束的相位、振幅等特性，改变相位特性即产生相位突变。超微结构表面的基板一般采用低折射率材料，其上的超微结构使用高折射率材料。单个超微结构可以设计成多种形状，例如长方体、圆环形、椭圆柱、V字形等等，其大小在亚波长量级，图2所示为长方体。通过修改这些超微结构的几何参数可以实现0～2π全范围的相位突变。超微结构产生相位突变的方式有两种，一种是通过改变结构的尺寸产生不同的极化效应，实现0到2π之间全范围的相位突变。另一种是利用PB相位(Pancharatnam-Berry phase)概念，即微结构的旋转角度为θ时产生2θ的相位突变，那么只要旋转0～π就可以实现0到2π之间全范围的相位突变。在利用PB相位的超微结构中，当入射光为左旋偏振光时，透射的右旋偏振光可以产生附加相位，同时反射的左旋偏振光也产生附加相位。不同的微结构产生的相位突变不同，通过设计超微结构的排列产生相应的相位梯度，改变出射光的角度，从而将倾斜入射的平行光反射并汇聚到人眼中。
普通显示器显示的彩色是由红绿蓝三种波长的光按一定比例混合而成的，那么实现彩色显示有两种方案。第一种是分别设计对红光、绿光及蓝光波段独立响应的结构单元，将数个红绿蓝响应单元组成一个像素，该像素即可反射任意比例红绿色混色的光线，从而实现彩色显示的功能。第二种是设计一个对红绿蓝三个波段都能响应的结构单元，无论什么颜色的光线入射均能产生设计的相位突变，也能实现彩色显示的功能。设计结构单元使其透射率和反射率均为50％左右，使人眼不但能接收到微显示器发出的光线也能接收到外界环境发出的光线，即可以看到微显示器显示的画面叠加上真实环境之上，实现增强现实的功能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于超微结构的增强现实型超薄平面近眼显示系统，其特征在于：所述近眼显示系统包括微显示器和超微结构半反半透平面；其中，所述微显示器位于人眼周围，与竖直方向成第一角度，发光面背对人眼，用于显示出想要呈现在人眼中的图像，发出包含图像信息的光线倾斜入射到所述超微结构半反半透平面上；所述超微结构半反半透平面位于人眼正前方，竖直方向放置，所述超微结构半反半透平面将微显示器发出的光线反射并汇聚到人眼瞳孔处，最终在视网膜上成像；平面的透射率和反射率均为50％左右。
2.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于：所述微显示的尺寸为1cm*1cm，或者根据产品的配置挑选接近值。
3.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于：所述超微结构半反半透平面的尺寸为3cm*3cm，与眼睛的距离为15mm，或者尺寸和与眼睛的距离均根据实际情况调节；平面厚度最小在微米量级，或者根据实际需求加厚到想要的厚度；平面上布有亚波长量级的超微结构，通过这些超微结构以精确的操控光线的反射方向。
4.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于：所述近眼显示系统还包括固定装置，所述固定装置将所述微显示器和超微结构半反半透平面的相对位置固定。
5.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于：所述微显示器置于人眼斜上方、人眼左侧、或者人眼右侧。
6.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于：所述超微结构半反半透平面的基板采用低折射率材料，其上的超微结构使用高折射率材料。
7.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于：所述超微结构半反半透平面的单个超微结构设计成长方体、圆环形、椭圆柱或者V字形。
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