CN109901259A - 光波导结构、ar设备光学成像系统及ar设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种光波导结构、AR设备光学成像系统及AR设备，所述光波导结构，包括：相互贴合的第一导光板及第二导光板，其中，所述第一导光板具有相对设置的第一主表面及第二主表面，所述第一主表面或第二主表面上设有反射微结构，所述第二导光板贴合于所述反射微结构上，所述反射微结构由若干个依次排列的独立凹凸齿组成。本发明实现了大视场角、超薄厚度及高分辨率的成像效果，大大提升了用户的体验感，制造组装简单，量产良率较高且成本较低。

Description

光波导结构、AR设备光学成像系统及AR设备

技术领域

本发明涉及AR设备光学成像的技术领域，特别涉及一种光波导结构、AR设备光学成像系统及AR设备。

背景技术

目前，AR（Augment Reality）技术已经成为引起越来越多的关注和研究，AR即增强现实技术，就是在真实世界的信息上叠加虚拟的信息，然后通过人类能接受的方式传递给自身，包括视觉、听觉、味觉、触觉等感官，辅助人类的感官去接收本来无法轻易地从现实世界中获取的信息，同时做到实时交互。

对于AR光学显示技术，其经历了离轴光学、棱镜、曲面棱镜及波导光学阶段，其中，几何光波导技术解决了光线横向传送的问题，并具有视场角大和厚度薄的优点，成为越来越多被采用的AR光学成像方案。与其他替代方法相比，几何光波导具有几个优点：首先，与全息波导相比，色差将不是主要的克服问题，这是由于衍射光学组件的性质；其次，光波导结构可以是超薄的，具有类似眼镜的厚度。虽然自由形目镜的厚度通常为几十毫米，但几何光波导的厚度可以在1.5-5毫米之间，并且可以特别轻量化；最后，几何光波导的结构简化，尤其是使用微结构来反射影像光的制造成本预计非常低。

现有的AR设备的光波导通常光学结构较复杂，成像视场角较小，无法满足AR设备高体验的要求。

发明内容

本发明的目的是提出一种光波导结构、AR设备光学成像系统及AR设备，能实现了大视场角、超薄厚度及高分辨率的成像效果，大大提升了用户的体验感。

为达到上述目的，本发明提出了一种光波导结构，包括：

相互贴合的第一导光板及第二导光板，其中，所述第一导光板具有相对设置的第一主表面及第二主表面，所述第一主表面或第二主表面上设有反射微结构，所述第二导光板贴合于所述反射微结构上，所述反射微结构由若干个依次排列的独立凹凸齿组成。

进一步，在上述光波导结构中，所述光波导结构还包括设于所述第一导光板的一端的入光元件，所述入光元件具有楔形内耦合入光面。

进一步，在上述光波导结构中，所述独立凹凸齿包括一直角边、斜角边、横边以及上平边，所述横边连接于所述直角边、斜角边之间，所述上平边连接斜角边的另一端与相邻独立凹凸齿的直角边，所述斜角边距离横边的高度等于直角边的长度。

进一步，在上述光波导结构中，所述多个独立凹凸齿的斜角边与直角边的倾斜角均不相同。

进一步，在上述光波导结构中，所述斜角边与直角边的倾斜角优选为55至64.5度。

进一步，在上述光波导结构中，所述第一导光板的材质为玻璃、树脂、塑料、硅胶、橡胶或UV固化胶，所述第二导光板的材质为玻璃、树脂、塑料、硅胶、橡胶、UV固化胶、水或硅油。

进一步，在上述光波导结构中，所述反射微结构的长度为所述第一导光板长度的1/2.5~1/3。

进一步，在上述光波导结构中，所述独立凹凸齿包括一直角边、斜角边、横边以及上平边，所述横边连接于所述直角边、斜角边之间，所述多个独立凹凸齿的横边长度相同，所述多个独立凹凸齿的斜角边与直角边的倾斜角逐渐变大或逐渐变小。

另，本发明还提供一种AR设备光学成像系统，所述光学成像系统包括微显示模组及上述的光波导结构。

另，本发明还提供一种AR设备，所述AR设备包括上述的AR设备光学成像系统。

本发明一种光波导结构、AR设备光学成像系统及AR设备实现了大视场角、超薄厚度及高分辨率的成像效果，大大提升了用户的体验感，且成本较低。

附图说明

图1为本发明一种光波导结构的第一实施例的结构示意图；

图2为图1中反射微结构的结构示意图；

图3为本发明一种AR设备光学成像系统的第一实施例的结构示意图；

图4为图3的光学成像系统的光学效果图；

图5为本发明一种光波导结构的第二实施例的结构示意图；

图6为图5中反射微结构的结构示意图；

图7为本发明一种AR设备光学成像系统的第二实施例的结构示意图；

图8为图7的光学成像系统的光学效果图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

请参阅图1至图3，图1为本发明一种光波导结构的第一实施例的结构示意图的结构示意图。本实施例中，所述光波导结构100包括相互贴合的第一导光板10及第二导光板20，其中，所述第一导光板10具有相对设置的第一主表面101及第二主表面102，所述第一主表面101或第二主表面102上设有反射微结构I，所述第二导光板20贴合于所述反射微结构I上，所述反射微结构I由若干个依次排列的独立凹凸齿30组成。

其中，所述第一导光板10为衬底导波的载体，本实施例中，所述导光板10大致为矩形，即所述第一主表面101与第二主表面102为相互平行的平面，所述光波导结构100还包括设于所述第一导光板10的一端的入光元件40，所述入光元件40具有楔形内耦合入光面，用于将入射光导入到第一导光板10中。本实施例中，所述入光元件40为棱镜，所述第一导光板10与入光元件40一体成型。

本实施例中，所述反射微结构I设于第一主表面101上，所述第二导光板20设有与反射微结构I对应的微结构，反射微结构I的第一齿、第二齿…依次排列，使得所述第一导光板10与第二导光板20能紧密贴合，所述反射微结构I为全反射面，所述第二主表面102为部分透射部分反射面，优选为半透半反面。所述独立凹凸齿30的齿与齿间距在0.03mm到3mm之间，最佳间距为0.05至1mm。

本实施例中，所述独立凹凸齿30包括一直角边301、斜角边302、横边303以及上平边304，所述横边303连接于所述直角边301、斜角边302之间，所述上平边304连接斜角边302的另一端与相邻独立凹凸齿30的直角边301。所述斜角边302距离横边303的高度等于直角边301的长度，即所述多个独立凹凸齿30的深度均相同。

当所述第一导光板10为PMMA材料时，通过使用lighttools软件，将每一独立凹凸齿30中的横边303长度及斜角边302与直角边301的倾斜角设为变数，经由优化调整后发现，所述斜角边302与直角边301的倾斜角最佳为61.6度。

本发明中，所述反射微结构I中的多个独立凹凸齿30的斜角边302与直角边301的倾斜角可不相同，所述多个独立凹凸齿30的间距（即所述横边303的长度）也不相同。

当多个独立凹凸齿30的斜角边302与直角边301的倾斜角均相同，但横边303长度不同时，可通过调整横边303的长度使得由微结构左边进入光瞳光量与微结构右边进入光瞳光量相近，通过使用lighttools软件，将每一独立凹凸齿30中所述横边303长度设为变数，经由优化调整后，所述横边303长度范围为0.05mm~0.85mm，这样可使虚像左右边影像亮度相同。即本实施例中，所述多个独立凹凸齿30的斜角边302与直角边301的倾斜角均相同，所述横边303长度范围为0.05mm~0.85mm。

当各多个独立凹凸齿个使用的斜角边302与直角边301的倾斜角采用渐近变大，当横边303长度相同时，所述斜角边302与直角边301的倾斜角的范围为55.5~64.5度，即可通过调整倾斜角变化使得由微结构左右边进入光瞳杂散光造成重影现象减轻。即所述多个独立凹凸齿30的横边303长度相同，所述多个独立凹凸齿30的斜角边302与直角边301的倾斜角逐渐变大或逐渐变小，具体地，所述斜角边302与直角边301的倾斜角范围为15至60度，其中，所述倾斜角优选为55~64.5度。

所述第一导光板10的材质可以为玻璃、树脂等中的任意一种，其折射率的范围为1.49~1.86；所述第二导光板20的材质为玻璃、树脂、塑料、硅胶、橡胶、UV固化胶、水或硅油，其折射率范围为1.33~1.86。所述第二导光板20的材质为水时，结构设计上，在所述第一导光板10的反射微结构I上方充满水，并盖上玻片。

需要说明的是，当所述光反射微结构I设置于第一主表面101时，所述第一导光板10材质的光折射率大于第二导光板20材质的光折射率；当所述光反射微结构I设置于第二主表面102时，所述第一导光板材质10的光折射率小于第二导光板材质20的光折射率。

所述反射微结构I长度是由FOV与ERF决定，即

d = P + 2´ERF´tanq +2´ t´tanq¢

这里d是反射微结构I最小长度；P是眼动范围（Eye Box）；q是出射角，即FOV/2；t是波导厚度；q¢是屈光角，即光由波导板出射至空气角度。本实施例中FOV为40度，P是10毫米，ERF是20毫米(Eye relief ，容眼距），导光折射率是1.495，t是3毫米，故d最小需26.85毫米，故所述反射微结构I的长度可占所述第一导光板10长度的比例1/2.5~1/3之间。优选的，本实施例中，所述反射微结构I的长度为所述第一导光板10长度的1/3。

请参阅图1及图2，本发明一种衬底导波的光波导结构的第一实施例的光路原理如下：

首先，微显示模组发出的成像光线以一定角度入射到入光元件40中，经由入光元件40进入到第一导光板10中，并由第一主表面101与第二主表面102全反射传导至反射微结构I；接着，所述成像光线经由独立凹凸齿30的直角边301、斜角边302反射，所述反射光线则以特殊角（未发生全反射）穿过第二主表面102进入人眼中；以此类推，所有在各个梯形凹槽30的直角边301、斜角边302产生的反射光均从第二主表面102进入人眼中；同时，外部环境的光线经由第二导光板20上方入射，穿过第二导光板20及第一导光板10进入人眼，从而实现了微显示模组显示的图像通过光波导导入人眼成像。

请参阅图3，本发明还提供一种AR设备光学成像系统，所述光学成像系统包括微显示模组50（包括依次设置的微显示屏、偏振片及透镜组）及上述的衬底导波的光波导结构100，所述微显示模组50发出的成像光线经由光波导结构100进入人眼成像。本实施例中，所述光学成像系统的瞳孔直径（Pupil Diameter）为4 mm，所述光学成像系统的容眼距（EyeRelief）为20 mm，所述光学成像系统的视场角为40度。

请参阅图4，通过光学效果图可以看出，本发明第一实施例取得了大视场角、超薄厚度及高分辨率的成像效果。

另，本发明还提供一种AR设备，所述AR设备包括上述AR设备光学成像系统。

请参阅图5及图6，图5为本发明一种衬底导波的光波导结构的第二实施例的结构示意图。相比于第一实施例，本实施例的区别仅在于：所述光波导结构100’的第一导光板10’具有相对设置的第一主表面101’及第二主表面102’，所述第一主表面101’与第二主表面102’相互平行，所述第一主表面101’或第二主表面102’上设有反射微结构I’，所述第二导光板20’贴合于所述反射微结构I’上，所述反射微结构I’由若干个依次排列的独立凹凸齿30’组成，所述独立凹凸齿30’包括一直角边301’、斜角边302’以及连接于所述直角边301’、斜角边302’之间的横边303’， 所述斜角边302’距离横边303’的高度大于直角边301’的长度，即所述独立凹凸齿30’的深度依次逐渐变大。

本实施例中，所述斜角边302’与直角边301’的倾斜角为59.5度。

本发明中，所述反射微结构I中的多个独立凹凸齿30的斜角边302与直角边301的倾斜角可不相同，所述多个独立凹凸齿30的间距（即所述横边303的长度）也不相同。

当多个独立凹凸齿30’的斜角边302’与直角边301’的倾斜角均相同，但横边303’长度不同时，可通过调整横边303’的长度使得由微结构左边进入光瞳光量与微结构右边进入光瞳光量相近，所述横边303’长度范围为0.04mm~0.80mm，这样可使虚像左右边影像亮度相同。即本实施例中，所述多个独立凹凸齿30’的斜角边302’与直角边301’的倾斜角均相同，所述横边303长度范围为0.04mm~0.80mm。

当各多个独立凹凸齿个使用的斜角边302’与直角边301’的倾斜角采用渐近变大，但横边303’长度相同时，可通过调整倾斜角变化使得由微结构左右边进入光瞳杂散光造成重影现象减轻，所述斜角边302’与直角边301’的倾斜角的范围为53.5~61.5度。即所述多个独立凹凸齿30’的横边303’长度相同，所述多个独立凹凸齿30’的斜角边302’与直角边301’的倾斜角逐渐变大或逐渐变小，具体地，所述斜角边302’与直角边301’的倾斜角范围为35~72度，其中，所述倾斜角优选为55.5~64.5度。

所述光波导结构100’还包括设于所述第一导光板10’的一端的入光元件40，所述入光元件40具有楔形内耦合入光面，用于将入射光导入到第一导光板10’中。本实施例中，所述入光元件40为棱镜，所述第一导光板10’与入光元件40一体成型。

所述第一导光板10’的材质可以为玻璃、树脂等中的任意一种，其折射率为1.49~1.86；所述第二导光板20’的材质为玻璃、树脂、塑料、硅胶、橡胶、UV固化胶、水或硅油，其折射率范围为1.33~1.86。所述第二导光板20’的材质为水时，结构设计上，即在所述第一导光板10’的反射微结构I’上方充满水，并盖上玻片。

本实施例中，所述反射微结构I’的长度为所述第一导光板10’长度的1/2.4，所述反射微结构I’的长度可占所述第一导光板10’长度的比例1/2.2~1/2.8。

本实施例的光波导结构的光路原理与第一实施例相同，在此就不在赘述。本实施例通过倾斜设计，可提供更大FOV。

请参阅图7，本发明还提供一种AR设备光学成像系统，所述光学成像系统包括微显示模组50（包括依次设置的微显示屏、偏振片及透镜组）及上述的衬底导波的光波导结构100’，所述微显示模组50发出的成像光线经由光波导结构100’进入人眼成像。

本实施例中，所述光学成像系统的瞳孔直径（Pupil Diameter）为4 mm，所述光学成像系统的容眼距（Eye Relief）为20mm，所述光学成像系统的视场角为41.5度。

请参阅图8，通过光学效果图可以看出，本发明第二实施例取得了大视场角、超薄厚度及高分辨率的成像效果。

另，本发明还提供一种AR设备，所述AR设备包括上述AR设备光学成像系统。

需要说明的是，本发明中的AR设备为AR眼镜、AR头盔等。

相比于现有技术，本发明一种光波导结构、AR设备光学成像系统及AR设备具有如下有益效果：

唯一要克服问题是光反射微结构部分在生产制造时注塑成型的精度要维持一致性，就能提供具有高图像质量的虚拟图像。

由于光反射微结构由一组宽度为几百微米的独立凹凸齿组成，以反射来自微显示器的影像光。这组独立凹凸齿相对于导光基板成一倾斜角度，使得当光束到达凹凸齿时，光线将偏离TIR状态并透过波导的另一侧并最终到达眼睛的瞳孔。微结构凹凸齿周期性地布置，在每个凹凸齿之间具有小的平坦透明表面， 使得图像通过凹凸齿耦合到眼睛瞳孔中，而真实世界场景可以通过平坦的透明表面看到。因此，虚拟图像和透视场景可以与该半反射半透射输出耦合结构组合，而且由于每个凹凸齿太靠近眼球并且它们的尺寸与眼睛瞳孔的尺寸相比太小，因此眼睛不能聚焦在镜子上，故看不到由每个凹凸齿引起的遮挡伪影。

采用具有多个独立凹凸齿的反射微结构的光波导结构传输显示图像，并通过优化光波导结构的结构参数，实现了大视场角、超薄厚度及高分辨率的成像效果，大大提升了用户的体验感，制造组装简单，量产良率较高且成本较低。

综上，本发明一种光波导结构、AR设备光学成像系统及AR设备实现了大视场角、超薄厚度及高分辨率的成像效果，大大提升了用户的体验感，且成本较低。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (10)

1.一种光波导结构，其特征在于，包括：相互贴合的第一导光板及第二导光板，其中，所述第一导光板具有相对设置的第一主表面及第二主表面，所述第一主表面或第二主表面上设有反射微结构，所述第二导光板贴合于所述反射微结构上，所述反射微结构由若干个依次排列的独立凹凸齿组成。

2.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述光波导结构还包括设于所述第一导光板的一端的入光元件，所述入光元件具有楔形内耦合入光面。

3.根据权利要求2所述的光波导结构，其特征在于，所述独立凹凸齿包括一直角边、斜角边、横边以及上平边，所述横边连接于所述直角边、斜角边之间，所述上平边连接斜角边的另一端与相邻独立凹凸齿的直角边，所述斜角边距离横边的高度等于直角边的长度。

4.根据权利要求3所述的光波导结构，其特征在于，所述多个独立凹凸齿的斜角边与直角边的倾斜角均不相同。

5.根据权利要求4所述的光波导结构，其特征在于，所述斜角边与直角边的倾斜角优选为55至64.5度。

6.根据权利要求5所述的光波导结构，其特征在于，所述第一导光板的材质为玻璃、树脂、塑料、硅胶、橡胶或UV固化胶，所述第二导光板的材质为玻璃、树脂、塑料、硅胶、橡胶、UV固化胶、水或硅油。

7.根据权利要求6所述的光波导结构，其特征在于，所述反射微结构的长度为所述第一导光板长度的1/2.5~1/3。

8.根据权利要求2所述的光波导结构，其特征在于，所述独立凹凸齿包括一直角边、斜角边、横边以及上平边，所述横边连接于所述直角边、斜角边之间，所述多个独立凹凸齿的横边长度相同，所述多个独立凹凸齿的斜角边与直角边的倾斜角逐渐变大或逐渐变小。

9.一种AR设备光学成像系统，其特征在于，所述光学成像系统包括微显示模组及如权利要求1-8任一项所述的光波导结构。

10.一种AR设备，其特征在于，所述AR设备包括如权利要求10所述的AR设备光学成像系统。