CN110109255A - 基于光波导的扩大ar视场角及减小光机尺度的结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光波导的扩大AR视场角及减小光机尺度的结构。它包括基板，在基板一侧的表面设置第一耦入区域，在第一耦入区域的一侧设置有第一折光区域和第二折光区域，在第一折光区域的下方为第一耦出区，在第二折光区域的下方为第二耦出区。在基板另一侧的表面设置第二耦入区域，在第二耦入区域的一侧设置有第三折光区域和第四折光区域，在第三折光区域的下方为第三耦出区，在第四折光区域的下方为第四耦出区。本发明通过在波导的另一面设置对应元件可以在不改变其他参数的情况下，有效增加耦出区的光阵列密度，同时对光束直径的大小要求更低，增加了光机设计的灵活性。
Description
技术领域
本发明属于增强现实技术（AR）领域，特别涉及一种基于光波导的扩大AR视场角及减小光机尺度的结构。
背景技术
近年来AR领域由于广泛的应用前景和可见的技术突破得到了人们广泛的关注。AR技术能够将虚拟图像投影在真实场景中，从而在不影响使用者观察周围环境的前提下感知投影图像，浏览和处理虚拟信息。增强现实技术的实现依赖近眼投影显示设备，其中AR眼镜成为该领域最具突破性的明星产品。采用光波导技术实现近眼显示可以显著简化AR眼镜系统的结构，降低设备的重量和体积，对增强现实设备的商业化和普及化具有重要的意义。
为提升用户体验，目前急需突破以下关键技术：1、扩大AR视场角，使得AR眼镜使用者获得接近人眼视场范围的体验。2、减小光机尺度，使得AR眼镜设备体积和重量进一步缩小。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于光波导的扩大AR视场角及减小光机尺度的结构。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
基于光波导的扩大AR视场角及减小光机尺度的结构，包括基板，在基板一侧的表面设置第一耦入区域，在第一耦入区域的一侧设置有用于一维扩瞳以及转折光线的第一折光区域和第二折光区域，在第一折光区域的下方为用于二维扩瞳以及导出光线的第一耦出区，在第二折光区域的下方为用于二维扩瞳以及导出光线的第二耦出区。
在基板另一侧的表面设置第二耦入区域，在第二耦入区域的一侧设置有用于一维扩瞳以及转折光线的第三折光区域和第四折光区域，在第三折光区域的下方为用于二维扩瞳以及导出光线的第三耦出区，在第四折光区域的下方为用于二维扩瞳以及导出光线的第四耦出区。
所述的第一折光区域与第四折光区域位置对应，第二折光区域与第三折光区域位置对应，第一耦出区与第四耦出区位置对应，第二耦出区与第三耦出区位置对应。
进一步说，所述的第一耦入区域和第二耦入区域均为圆形。
进一步说，所述的第一耦出区、第二耦出区、第三耦出区和第四耦出区均为长方形。
进一步说，所述的基板采用玻璃。
进一步说，所述的第一耦入区域、第一折光区域、第一耦出区、第二折光区域、第二耦出区、第二耦入区域、第三折光区域、第三耦出区、第四折光区域、第四耦出区由光刻、压印或者全息曝光而成。
本发明的有益效果：本发明通过在波导的另一面设置对应元件,可以在不改变其他参数的情况下，有效增加耦出区的光阵列密度，同时对光束直径的大小要求更低，增加了光机设计的灵活性。
附图说明
图1a为波导结构示意图；
图1b为波导工作原理示意图；
图2 为出瞳示意图；
图3a为相邻出射光线的间距D与全反射角示意图；
图3b 为全反射角与间距D之间的关系示意图，
图4为本发明原理图。
具体实施方式
本发明针对现有AR光波导技术进行了改进，提出了一种基于衍射光学元件的光波导设计方案，从而增加了系统的最大视场角。它由波导基底、couple in（耦入区）、 folding（折光区）、couple out（耦出区）构成。基底可以是玻璃，也可以是别的对光线无吸收的材料构成，couple in、 folding、couple out可以由光刻、压印、或者全息曝光而成。
如图1a所示，couple in 区域1、6负责耦入光线，形状为直径10mm的圆形；folding区域2、4、7、9负责一维扩瞳以及转折光线，形状为10*20mm的长方形；couple out区域3、5、8、10负责二维扩瞳和导出光线，形状为20*30mm的长方形。其中标号为1，2，3，4，5的器件在基板前表面11上；标号为6，7，8，9，10的器件在基板的后表面12上。
以左侧入射的图像信息为例说明工作原理，如图1b所示，图像源信息从波导左侧入射到couple in区域1，然后被导入基底，并进行全反射传播；然后到达左侧folding区域2，一部分光被衍射然后全反射到下方couple out区域3，最终被耦出；另一部分继续全反射至右侧folding区域4， 然后同样的被衍射然后全反射至的couple out区域5并被耦出，右侧图像信息同上分析。
以单个像素点为例说明本发明是如何增大视场角的，如图2所示，
可以把单个像素点认为是一个点光源，其经过光学系统后，准直成一束平行光A，光束直径为dA，然后入射到couple in区域,最终被couple out区域耦出的相邻出射光线的间距为D，两束光线的最短边界距离L需尽可能小，并小于人眼的瞳孔直径(3mm)，即L=D-dA<3mm,（D<3mm+dA），所以D应尽可能小，而同时dA应尽可能大。但由几何光学限制，dA的取值有限制值。D则是由基底玻璃厚度dGLASS 与光线全反射角θ决定的，如图3a，即tanθ=0.5D/dGLASS，（1/nGLASS<θ<pi/2）。
假设在玻璃基底中传波光线的最大全反射角为θmax，最小全反射角为θmin，如图3b所示，两者需要满足以下两个条件：
（a）Dmax= 2*dGLASS*tanθmax<3mm+dA
θmax<atan[（3mm+dA）/（2dGLASS）]
（b）θmin≥1/nGLASS,
定义Δθ=θmax-θmin，Δθ决定了系统视场角的大小。假设θmin=1/nGLASS，在其它条件一定的情况下，θmax大会导致D变大，从而产生视觉盲区，所以θmax的上限直接影响了视场角的大小。
在本实施例中，通过在波导的另一面放置元件6、7、8、9和10，即可以在不改变其他参数的情况下，有效增加couple out光阵列密度（如图4所示），可以发现，D<2（3mm+dA），θmax<atan[（3mm+dA）/dGLASS]，即有效地让θmax的上限增加了，同时对光束直径dA的大小，要求更低，增加了光机设计的灵活性。
Claims (5)
1.基于光波导的扩大AR视场角及减小光机尺度的结构，包括基板，其特征在于：
在基板一侧的表面设置第一耦入区域（1），在第一耦入区域（1）的一侧设置有用于一维扩瞳以及转折光线的第一折光区域（2）和第二折光区域（4），在第一折光区域的下方为用于二维扩瞳以及导出光线的第一耦出区（3），在第二折光区域的下方为用于二维扩瞳以及导出光线的第二耦出区（5）；
在基板另一侧的表面设置第二耦入区域（6），在第二耦入区域（6）的一侧设置有用于一维扩瞳以及转折光线的第三折光区域（7）和第四折光区域（9），在第三折光区域的下方为用于二维扩瞳以及导出光线的第三耦出区（8），在第四折光区域的下方为用于二维扩瞳以及导出光线的第四耦出区（10）；
所述的第一折光区域（2）与第四折光区域（9）位置对应，第二折光区域（4）与第三折光区域（7）位置对应，第一耦出区（3）与第四耦出区（10）位置对应，第二耦出区（5）与第三耦出区（8）位置对应。
2.根据权利要求1所述的基于光波导的扩大AR视场角及减小光机尺度的结构，其特征在于：所述的第一耦入区域（1）和第二耦入区域（6）均为圆形。
3.根据权利要求1所述的基于光波导的扩大AR视场角及减小光机尺度的结构，其特征在于：所述的第一耦出区（3）、第二耦出区（5）、第三耦出区（8）和第四耦出区（10）均为长方形。
4.根据权利要求1所述的基于光波导的扩大AR视场角及减小光机尺度的结构，其特征在于：所述的基板采用玻璃。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于光波导的扩大AR视场角及减小光机尺度的结构，其特征在于：所述的第一耦入区域（1）、第一折光区域（2）、第一耦出区（3）、第二折光区域（4）、第二耦出区（5）、第二耦入区域（6）、第三折光区域（7）、第三耦出区（8）、第四折光区域（9）、第四耦出区（10）由光刻、压印或者全息曝光而成。
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