CN111175971A - 一种近眼光学显示系统、增强现实眼镜 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种近眼光学显示系统、一种增强现实眼镜。所述近眼光学显示系统包括微显示器、曲面波导、耦合输出光栅；所述微显示器用于发射携带显示内容的显示光；所述曲面波导包括第一内表面和与所述第一内表面相对的第二内表面，所述第一内表面为凸面，所述第二内表面为凹面，所述曲面波导用于使所述显示光在所述第一内表面和所述第二内表面上发生全反射，并沿所述曲面波导传播；所述耦合输出光栅用于将在所述曲面波导中传播的光线耦合输出所述曲面波导。本申请提供的近眼光学显示系统能够实现大视场角、大出瞳的显示效果。

Description

一种近眼光学显示系统、增强现实眼镜
技术领域
本申请涉及增强现实技术领域，具体地，涉及一种近眼光学显示系统、增强现实眼镜。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种将虚拟信息和现实场景巧妙融合的技术，近年来受到广泛关注。其通过一系列光学元件，将虚拟信息叠加到真实场景中，达到互相补充、互相增强的效果。
AR眼镜是AR技术的一种具体应用。通过AR眼镜既可以看到真实的外部世界，也可以看到虚拟信息。其光学显示系统通常由微型显示屏和光学元件组成。其中，光学组合器的不同，是区分AR显示系统的关键部分。光波导是利用光的全反射原理进行图像传输的光学元件，因其轻薄和外界光线的高穿透特性被认为是消费级AR眼镜的必选光学方案。
但是现有技术中，AR显示系统大多基于传统平板波导，视场角受限，大视场、大出瞳显示困难。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题的至少一个方面，本申请的目的在于提供一种近眼光学显示系统、增强现实眼镜，旨在实现大视场角、大出瞳的显示效果。
为实现上述目的，作为本申请的第一个方面，提供一种近眼光学显示系统，所述近眼光学显示系统包括微显示器、曲面波导、耦合输出光栅；
所述微显示器用于发射携带显示内容的显示光；
所述曲面波导包括第一内表面和与所述第一内表面相对的第二内表面，所述第一内表面为凸面，所述第二内表面为凹面，所述曲面波导用于使所述显示光在所述第一内表面和所述第二内表面上发生全反射，并沿所述曲面波导传播；
所述耦合输出光栅用于将在所述曲面波导中传播的光线耦合输出所述曲面波导。
可选地，所述第一内表面与所述第二内表面在与其垂直的平面上的投影为同心圆弧。
可选地，所述显示光通过耦合输入方式输入所述曲面波导；
其中，所述耦合输入方式包括：
通过耦合输入光栅耦合输入所述曲面波导；
通过直接耦合输入所述曲面波导；
通过自由曲面光学元件耦合输入所述曲面波导。
可选地，当通过耦合输入光栅或直接耦合输入的方式将所述显示光耦合输入所述曲面波导时，所述近眼光学显示系统还包括准直透镜组；
所述准直透镜组设置于所述微显示器与所述曲面波导之间，用于对所述显示光进行准直。
可选地，所述自由曲面光学元件由多个自由曲面组成，还用于对所述显示光进行准直。
可选地，所述耦合输出光栅包括浮雕光栅或全息光栅。
可选地，所述曲面波导由透明的光学玻璃或光学塑料制成。
作为本申请的第二个方面，提供一种增强现实眼镜，所述增强现实眼镜包含上述的近眼光学显示系统。
附图说明
附图是用来提供对本申请的进一步理解，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申请，但并不构成对本申请的限制。在附图中：
图1是本申请提供的近眼光学显示系统的结构示意图；
图2是本申请提供的近眼光学显示系统的出瞳扩展示意图；
图3是本申请提供的近眼光学显示系统的视场角扩展示意图；
图4是本申请提供的增强显示显示系统的一种实施方式的曲面波导在与其表面垂直的平面上的投影示意图；
图5是图4的局部放大示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本申请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申请，并不用于限制本申请。
本实施方式提供一种近眼光学显示系统，如图1所示，所述近眼光学显示系统包括微显示器1、曲面波导2、耦合输出光栅3。
所述微显示器1用于发射携带显示内容的显示光。
在本实施方式中，所述微显示器1可以是自发光的有源器件，比如发光二极管面板，例如micro-OLED或micro-LED；也可以是需要外部光源照明的液晶显示屏，例如透射式的LCD或反射式的LCOS；还可以是基于微机电系统(MEMS)技术的数字微镜阵列或激光束扫描仪。由于不同的应用场景对于微显示器的体积、亮度、分辨率等的要求可能不能，在具体实施过程中，可以根据应用场景和技术的需要，选择合适的显示器件作为所述微显示器1。此外，不同的显示器件发出的显示光的偏振态可能不同，为满足光学设计的要求，可以在所述微显示器1的出光侧添加偏光片，以改变显示光的偏振态。
所述曲面波导2包括第一内表面21和与所述第一内表面21相对的第二内表面22，所述第一内表面21为凸面，所述第二内表面22为凹面，所述曲面波导2用于使所述显示光在所述第一内表面21和所述第二内表面22上发生全反射，并沿所述曲面波导2传播。
在传统的近眼光学显示系统中，大多采用了平面波导。所述平面波导具有相互平行的上下表面，光在相互平行的上下表面上发生全反射并向前传播，传输到眼睛前方再释放出来。由于平面波导的上下表面平行，因此平面波导只是传输图像，不会对图像产生放大、缩小等效果，可以理解为“平行光进，平行光出”。因此，使用上述平面波导的传统近眼光学显示系统不仅不容易获得大出瞳，其视场角也受到限制。
有鉴于此，在本实施方式中，采用了曲面波导，可以有两方面的有益效果：
(1)获得大出瞳。如图2所示，相互平行的光线L1和光线L2之间的距离为d1，进入所述曲面波导2后，在所述第一内表面21上发生全反射。因为所述第一内表面21为凸面，光线L2相比光线L1获得了更大的入射角。在曲面光波导2中，光线的入射角越大，出射角也就越大，出射光线与曲面波导2的内表面的夹角就越小，意味着出射光线发生下一次全反射前，在曲面波导2中传播的距离越长。可以用光线在所述第二内表面上发生相邻两次全反射时的反射点之间的弧长度量所述传播距离。假设，光线L1在点A1处发生在所述第二内表面上的第n次全反射，在点B1处发生在所述第二内表面上的第n+1次全反射，点A1和B1之间的弧长为S1；光线L2在点A2处发生在所述第二内表面上的第n次全反射，在点B2处发生在所述第二内表面上的第n+1次全反射，点A2和点B2之间的弧长为S2。基于以上分析可得，S2>S1。当光线L1和L2传输到曲面波导2的输出端，经过耦合输出光栅3平行输出曲面波导2时，其距离d2>d1。也即获得了更大的出瞳。
(2)获得大视场角。假设
Figure BDA0002253572300000041
为入射光与视野垂直方向的夹角，即视场角，θ为光线的入射角。对于平面波导，如图3(a)所示，入射角θ1等于视场角
Figure BDA0002253572300000042
在光波导中，最大入射角受到光栅角带宽或全反射角的限制，当满足入射光满足所述最大入射角条件时，平面波导的最大视场角
Figure BDA0002253572300000043
等于其能衍射的最大入射角θ1max。
对于表面为凹面的曲面波导，如图3(b)所示，R为曲面半径，d为像元到曲面的距离，其入射角θ2和入射光与视野垂直方向的夹角
Figure BDA0002253572300000044
满足如下关系：
Figure BDA0002253572300000045
Figure BDA0002253572300000046
所以，入射角θ2小于入射光与视野垂直方向的夹角
Figure BDA0002253572300000051
当满足最大入射角条件时，曲面波导的最大视场角
Figure BDA0002253572300000052
等于其能衍射的最大入射角θ2max。
对于表面为凸面的曲面波导，如图3(c),其入射角θ3和入射光与视野垂直方向的夹角
Figure BDA0002253572300000053
满足如下关系：
Figure BDA0002253572300000054
所以，入射角θ3小于入射光与视野垂直方向的夹角
Figure BDA0002253572300000055
当满足最大入射角条件时，曲面波导的最大视场角
Figure BDA0002253572300000056
等于其能衍射的最大入射角θ3max。
可见，曲面波导突破了平面波导的平面结构对视场角的限制，从而获得更大的视场角。
所述耦合输出光栅3用于将在所述曲面波导2中传播的光线耦合输出所述曲面波导2。
要想使所述微显示器1产生的虚像传递到人眼，需要将在所述曲面波导2中传播的显示光按照预定角度输出所述曲面波导2。本实施方式中，在所述曲面波导2的输出端设置了耦合输出光栅3来完成上述输出过程。所述耦合输出光栅3是一个具有周期结构的光学元件，所述周期结构在材料中引起了一个折射率的周期性变化，这个周期一般是微纳米级别的，与可见光波长(450-700nm)一个量级，以对光线产生有效的操控。当所述显示光入射到所述耦合输出光栅3上时，会被分成若干个衍射级，每一个衍射级沿着不同的方向继续传播下去，通过设计光栅的折射率、光栅形状、厚度、占空比等参数，可以将某一衍射级(即某一方向)的衍射效率优化到最高，从而使大部分显示光在衍射后从所述曲面波导2输出，射入人眼。本实施方式采用的耦合输出光栅3为微纳米结构，能够有效节省光学元件的空间，并获得比传统光学器件大的自由度。
本实施方式提供的近眼光学显示系统，使用了曲面波导，使得输入所述曲面波导的显示光的不同部分具有不同的入射角，在传播过程中对显示图像进行了放大，获得了大出瞳；曲面波导的曲面结构还突破了原有的平面波导显示系统对视场角的限制，能够实现大视场角、大出瞳的显示效果。
为了确保显示图像在曲面波导2的输出端被放大时仍保持原长宽比，在本实施方式中，所述第一内表面21与所述第二内表面22设置为相互平行的曲面，且在与其垂直的平面上的投影为同心圆弧。图3给出了所述第一内表面21和所述第二内表面22在与其垂直的平面上的投影的示意图。如图3所示，所述第一内表面的半径为r，所述第二内表面的半径为R。
假设有光线以入射角θ入射到所述第一内表面21，并发生全反射。因所述第一内表面21与所述第二内表面为圆弧面，所以在所述第二内表面22上发生的相邻两次全反射的反射点之间的弧长相等，所述弧长S与入射角θ满足如下关系：
Figure BDA0002253572300000061
如图4所示，假设两条平行光线L1和L2的间距为d1,光线L1的入射角为θ1，光线L2的入射角为θ2，基于上述弧长S与入射角θ的关系可得，光线L1在所述第二内表面22上发生的相邻两次全反射的反射点之间的弧长，与光线L2在所述第二内表面22上发生的相邻两次全反射的反射点之间的弧长的差ΔS与θ1、θ2满足如下关系：
Figure BDA0002253572300000062
用d1近似光线L1与光线L2之间所述第二内表面22的弧长，可得：
Figure BDA0002253572300000063
当θ1与θ2相差很小时，
Figure BDA0002253572300000064
假设光线L1与光线L2各在所述第二内表面22上经过n次全反射后到达所述曲面波导2的输出端，经过耦合输出光栅3平行输出曲面波导2时，两条平行光线的间距为d2，d2与d1满足如下关系：
Figure BDA0002253572300000065
对于同一曲面波导2，n为定值，即(2nR/r+1)为常数，因此，d2与d1成正比。
由以上分析可知，将所述第一内表面21与所述第二内表面22设置为相互平行的曲面，且在与其垂直的平面上的投影为同心圆弧这样的结构，能够使显示图像的各部分在曲面波导2的输出端被等比例的放大，使输出的显示图像仍保持原长宽比，从而在扩大视场角的同时，保证了显示效果。
进一步地，在本实施方式中，所述显示光通过耦合输入方式输入所述曲面波导。
可以通过耦合输入光栅耦合输入所述曲面波导。所述耦合输入光栅与所述耦合输出光栅的结构和原理相似，在此不再赘述。
也可以通过直接耦合输入所述曲面波导。
当通过耦合输入光栅或直接耦合输入的方式将所述显示光耦合输入所述曲面波导时，所述近眼光学显示系统还包括准直透镜组。所述准直透镜组设置于所述微显示器与所述曲面波导之间，用于对所述显示光进行准直，使所述显示光变为平行光，并以特定角度射入所述曲面波导2，所述特定角度为使所述显示光能够在所述第一内表面21上发生全反射的角度。
还可以通过自由曲面光学元件耦合输入所述曲面波导。所述自由曲面光学元件由多个自由曲面组成，能对所述显示光进行准直，使所述显示光变为平行光，并以特定角度射入所述曲面波导2，所述特定角度为使所述显示光能够在所述第一内表面21上发生全反射的角度。
在本实施方式中，所述耦合输出光栅3包括浮雕光栅或全息光栅。
浮雕光栅是通过光刻技术等传统微纳米半导体制造工艺在元件表面形成的光栅。现有浮雕光栅技术已经成熟并被广泛应用，但浮雕光栅的加工难度较大，生产成本较高。
全息光栅是利用全息干涉技术制成的光栅，相比浮雕型光栅，全息光栅具有结构简单、成本低廉的优点，但技术还不够成熟，仍处于发展阶段。
在本实施方式中，所述曲面波导2可以由透明的光学玻璃或光学塑料制成。
作为本申请的第二个方面，提供一种增强现实眼镜，其特征在于，所述增强现实眼镜包含上述的近眼光学显示系统。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本申请的原理而采用的示例性实施方式，然而本申请并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本申请的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种近眼光学显示系统，其特征在于，所述近眼光学显示系统包括微显示器、曲面波导、耦合输出光栅；
所述微显示器用于发射携带显示内容的显示光；
所述曲面波导包括第一内表面和与所述第一内表面相对的第二内表面，所述第一内表面为凸面，所述第二内表面为凹面，所述曲面波导用于使所述显示光在所述第一内表面和所述第二内表面上发生全反射，并沿所述曲面波导传播；
所述耦合输出光栅用于将在所述曲面波导中传播的光线耦合输出所述曲面波导。
2.根据权利要求1所述的近眼光学显示系统，其特征在于，所述第一内表面与所述第二内表面在与其垂直的平面上的投影为同心圆弧。
3.根据权利要求1所述的近眼光学显示系统，其特征在于，所述显示光通过耦合输入方式输入所述曲面波导；
其中，所述耦合输入方式包括：
通过耦合输入光栅耦合输入所述曲面波导；
通过直接耦合输入所述曲面波导；
通过自由曲面光学元件耦合输入所述曲面波导。
4.根据权利要求3所述的近眼光学显示系统，其特征在于，当通过耦合输入光栅或直接耦合输入的方式将所述显示光耦合输入所述曲面波导时，所述近眼光学显示系统还包括准直透镜组；
所述准直透镜组设置于所述微显示器与所述曲面波导之间，用于对所述显示光进行准直。
5.根据权利要求3所述的近眼光学显示系统，其特征在于，
所述自由曲面光学元件由多个自由曲面组成，还用于对所述显示光进行准直。
6.根据权利要求1所述的近眼光学显示系统，其特征在于，所述耦合输出光栅包括浮雕光栅或全息光栅。
7.根据权利要求1所述的近眼光学显示系统，其特征在于，所述曲面波导由透明的光学玻璃或光学塑料制成。
8.一种增强现实眼镜，其特征在于，所述增强现实眼镜包含权利要求1至7任意一项所述的近眼光学显示系统。
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