CN111323923A - 一种增强现实显示的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强现实显示的光学系统，包括用于以预设角度范围内的角度向光波导发射光线的光机；用于传导光线的光波导；贴合光波导的输入端表面设置的第一衍射光栅；贴合在第一衍射光栅背离光波导表面的第二衍射光栅；其中，光线入射至光波导内发生折射形成折射光线，折射光线对第一衍射光栅的入射角在第一衍射光栅的选择衍射角度范围内；且折射光线经过第一衍射光栅衍射后产生的衍射光线，第一衍射光栅的衍射角度范围在第二衍射光栅的选择衍射角度范围内。本申请中在光波导上设置两层衍射光栅，对光机入射光线进行衍射，避免大量的光线因二次衍射而耦出光波导，降低光线在光波导中传播的不均匀性，提高增强现实显示的图像亮度。

Description

一种增强现实显示的光学系统

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，特别是涉及一种增强现实显示的光学系统。

背景技术

增强现实(augment reality，AR)，是将真实世界信息和虚拟世界信息实时叠加到同一个画面或空间的新技术。目前，增强现实显示方案主要包括两种：一种是传统的几何光学系统，受制于几何光学器件的体积，传统几何光学系统无法做到足够轻薄实现增强现实显示系统的眼镜化；另一种是波导显示光学系统。一个单色或者RGB图像被注入波导后，利用光线在平面波导元件内的全反射传输，有效降低了光学元件的厚度，并使用波导上一个或多个光学元件控制图像分步输出，实现出瞳扩展。波导显示光学系统是目前主流的AR方案。

基于波导的显示方案大都采用衍射光学器件如面浮雕光栅光波导、全息光栅光波导等。其中衍射光波导显示技术是利用衍射光栅实现光线的入射、转折和出射，基于全反射原理实现光线传输，能够做到结构紧凑和器件轻便，是目前最具竞争力的AR设备核心光学器件。

如图1所示，图1为现有技术中实现增强现实显示的光学系统的光路示意图；在该光学系统中，光波导10的表面贴合设置有衍射光栅20，光机30按照特定角度范围入射至光波导10中，入射的光线在光波导10中折射后形成折射光线01和折射光线02，入射至衍射光栅20，折射光线通过衍射光栅20产生一部分衍射光线耦入光波导内，另一部分沿直线耦出光波导。

如图1所示，对于折射光线01和折射光线02尽管都可以在衍射光栅20处产生衍射，但产生的衍射光线03和衍射光线04的角度不同，继而使得衍射光线03和衍射光线04经过全反射后，衍射光线03全反射后能够再次入射至衍射光栅20，发生二次衍射，且二次衍射产生的衍射光波射出光波导；而反射光线04却并没有反射至衍射光栅20，而是直接在光波导20内发生全反射而向前传播。

由此可见对于光机30按照预设角度范围内入射的光波导30的光线中，在经过衍射光栅20作用部分衍射光线会发生二次衍射，而另一部分衍射光线则不会发生二次衍射，最终使得传导至光波导另一端的光线不均匀。

发明内容

本发明的目的是提供一种增强现实显示的光学系统，降低光波导传输光线的不均匀性的问题，提升增强现实显示的图像亮度，提高增强现实显示的视觉效果。

为解决上述技术问题，本发明提供一种增强现实显示的光学系统，包括：

用于以预设角度范围内的角度向光波导发射光线的光机；

用于传导所述光线的所述光波导；

贴合所述光波导的输入端表面设置的第一衍射光栅；

贴合在所述第一衍射光栅背离所述光波导表面的第二衍射光栅；

其中，所述光线入射至所述光波导内发生折射形成的折射光线，可通过所述光波导入射至所述第一衍射光栅；

所述折射光线对所述第一衍射光栅的入射角在所述第一衍射光栅的选择衍射角度范围内；且所述折射光线经过所述第一衍射光栅衍射后产生的衍射光线，在所述光波导和空气的界面可发生全反射；

所述第一衍射光栅的衍射角度范围在所述第二衍射光栅的选择衍射角度范围内。

在本申请的一种可选地实施例中，还包括：

贴合所述光波导的输出端表面设置的第三衍射光栅；

贴合在所述第三衍射光栅背离所述光波导表面的第四衍射光栅；

其中，所述第一衍射光栅的衍射角度范围在所述第三衍射光栅的选择衍射角度范围内，且不在所述第四衍射光栅的选择衍射角度范围内；

所述第二衍射光栅的衍射角度范围不在所述第三衍射光栅的选择衍射角度范围内，且在所述第四衍射光栅的选择衍射角度范围内。

在本申请的一种可选地实施例中，所述第一衍射光栅的光栅周期大于所述第二衍射光栅的光栅周期；所述第三衍射光栅的光栅周期大于所述第四衍射光栅的光栅周期。

在本申请的一种可选地实施例中，所述第一衍射光栅的光栅周期和所述第三衍射光栅的光栅周期相等；所述第二衍射光栅的光栅周期和所述第四衍射光栅的光栅周期相等。

在本申请的一种可选地实施例中，所述第一衍射光栅和所述第三衍射光栅的光栅周期为0.6λ～0.9λ；其中，λ为所述光机发射的入射光的波长。

在本申请的一种可选地实施例中，所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述第三衍射光栅以及第四衍射光栅的厚度均为20nm～20um。

在本申请的一种可选地实施例中，所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述第三衍射光栅以及第四衍射光栅的衍射效率不低于0.6。

在本申请的一种可选地实施例中，所述光波导为厚度为0.5mm～3mm、折射率为1.5～2.0的透明平板。

本发明所提供的增强现实显示的光学系统，包括用于以预设角度范围内的角度向光波导发射光线的光机；用于传导光线的光波导；贴合光波导的输入端表面设置的第一衍射光栅；贴合在第一衍射光栅背离光波导表面的第二衍射光栅；其中，光线入射至光波导内发生折射形成的折射光线，可通过光波导入射至第一衍射光栅；折射光线对第一衍射光栅的入射角在第一衍射光栅的选择衍射角度范围内；且折射光线经过第一衍射光栅衍射后产生的衍射光线，在光波导和空气的界面可发生全反射；第一衍射光栅的衍射角度范围在第二衍射光栅的选择衍射角度范围内。

本申请中针对光源按照预设角度范围入射至光波导的光线设置两层衍射光栅，并且使得经过第一衍射光栅衍射产生的衍射光线，如果能够进而二次衍射，该衍射光线对第二衍射光栅的入射角度刚好为第二衍射光栅的选择衍射角度范围内，也即是说对该衍射光线产生衍射作用，使其大部分的光线再次耦入光波导内，避免大量的光线耦出光波导，也即是减少了光线在进行二次衍射时耦出光线的比例，从而大大降低光线在光波导中传播的不均匀性，提升增强现实显示的图像亮度，使得AR设备具有更好的使用视觉体验。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中实现增强现实显示的光学系统的光路示意图；

图2为本申请中提供的增强现实显示的光学系统中光波导输入端的光路示意图；

图3为本申请实施例提供的增强现实显示的光学系统中光波导输出端光路示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种增强现实显示的光学系统，降低光波导传输光线的不均匀性的问题，提高增强现实显示的图像亮度，提升视觉效果。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，图2为本申请中提供的增强现实显示的光学系统中光波导输入端的光路示意图。该光学系统可以包括：

用于以预设角度范围内的角度向光波导10发射光线的光机30；

用于传导光线的光波导10；

贴合光波导10的输入端表面设置的第一衍射光栅21；

贴合在第一衍射光栅21背离光波导10表面的第二衍射光栅22；

其中，光机30发射的光线入射至光波导10内发生折射形成的折射光线，可通过光波导10入射至第一衍射光栅21；

折射光线对第一衍射光栅21的入射角在第一衍射光栅21的选择衍射角度范围内；

折射光线经过第一衍射光栅21衍射后产生的衍射光线，在光波导10和空气的界面可发生全反射；

第一衍射光栅21的衍射角度范围在第二衍射光栅22的选择衍射角度范围内。

具体地，如图2所示，在实际进行光线传输时，光机30作为入射光线的光源，向光波导10中投射二维或者三维图像，也即是说光机30投射到光波导10光线并不是只有一个入射角，图2中以两个不同入射角度入射的光线为例进行说明。

如图2所示，光机30发射的光线入射至光波导10内之后，即可产生折射，形成折射光线11和折射光线12，折射光线11和折射光线12入射至第一衍射光栅21之后，可以发射衍射。

需要说明的是，对于衍射光栅而言，对能够发生衍射的光线的入射角存在角度选择性，只能对特定入射角度范围内入射的光线产生衍射，否则则发生透射或者反射。因此为了保证光机30投射到光波导10的光线发生折射后，均能够经过第一衍射光栅21发射衍射，需要控制光机30投射到光波导10的光线的入射角在预设角度范围内。

进一步地，折射光线11入射到第一衍射光栅21，产生衍射形成衍射光线13耦入至光波导10，另外还有部分光线透射出光波导10，以图2中的上下为基准，衍射光线13传导至光波导10的下界面时，发生全反射，因为衍射光线的衍射角度较大，全反射后传导至光波导10的上界面时，已经超出第一衍射光栅10的长度，因此，衍射光线13会在光波导10中反复全反射传导至光波导10的输出端。

而对于折射光线12入射到第一衍射光栅21，同样会产生耦入光波导的衍射和耦出光波导10的透射，形成的衍射光线14因为折射角度较小，会再次入射至第一衍射光栅21，而因为衍射光线14入射的角度并不在第一衍射光栅21的选择衍射角度范围内，因此可从第一衍射光栅21透射至第二衍射光栅22，因为衍射光线14入射的角度在第二衍射光栅22的可发生衍射的选择衍射角度范围内，因此，可通过第二衍射光栅22发生二次衍射形成衍射光线15，该衍射光线15也并不在第一衍射光栅21的选衍射角度范围内，衍射光线15直接透过第一衍射光栅21耦入光波导10内，通过全反射向光波导的输出端传输。当然对于衍射光线14而言入射至第二衍射光栅22时，还发生了部分的反射，反射的光线入射至第一衍射光栅21时，基于光路的可逆性，该反射的光线一部分会发生衍射耦出光波导10，另一部分入射至光波导10内继续全反射传导。因为第二衍射光栅21可以采用高衍射效率的衍射光栅，因此衍射光线14产生的衍射光线占据了大部分的能量，只有少量能量被产生反射，而反射光线中也仅仅只有部分能量衍射射出光波导10外。

将图1中的光路和图2中的光路对比可知，本申请中经过二次衍射的光线耦出的光线能量，远少于图1中经过二次衍射的光线耦出的光线能量。由此可见，本申请中在对按照预设角度范围内的角度入射的光线，采用了两层贴合的光栅，即可大大减少二次衍射耦出的光线能量，进而降低部分光线进行二次衍射而另一部分光线不进行二次衍射导致的光线传输不均匀的问题，增加光波导10传输出光线进行增强现实显示的图像亮度，提高增强现实显示的视觉效果。

另外，为了进一步的减少二次衍射耦出的光线，可以采用衍射效率较高的第一衍射光栅21和第二衍射光栅22，具体地，可采用衍射效率不小于0.6的衍射光栅，具体地可以是0.6、0.8、1.0等。那么，第一衍射光栅21在对折射光线11和折射光线12衍射导入光波导10中时，可以减少射出光线的能量，同时，在衍射光线14全反射后发生二次衍射时第二衍射光栅22对光线的衍射能量也增大而反射光线能量减少，那么反射光线再经过第一衍射光栅21衍射耦出的光线能量也就大大减少，进而整体上较少了耦出光波导10的光线能量。

而对于图1中，因为折射光线02经过两次衍射，第一次衍射是耦入光波导10，第二次衍射是耦出光波导10，若是衍射光栅20的衍射效率较大，尽管可以增大第一次衍射耦入的光线能量，但是同时也会增加第二次衍射耦出的光线能量，因此，并不能采用衍射效率较高的光栅，也就导致经过光波导10的光线整体的传输效率降低。由此可见，本申请中的光学系统还能够提高光波导10传输效率。

综上所述，本申请中对光机30以预设角度范围内的角度向光波导10内的投射光线，并通过两层不同的衍射光栅对入射至光波导10内的光线进行衍射，进而改变光线传输方向，使得光线可以在光波导10内全反射传播，并利用两层不同的衍射光栅在最大程度上减少衍射过程中耦出光波导10的光线能量，降低因部分光线二次衍射造成的光线传输的不均匀性，提高光学系统对光线传输的能力，增加增强现实显示的图像亮度，提高增强现实显示的视觉效果。

基于上述实施例，如图2和3所示，图3为本申请实施例提供的增强现实显示的光学系统中光波导输出端的光路示意图，在本申请的另一可选地实施例中，还可以进一步地包括：

贴合光波导10的输出端表面设置的第三衍射光栅23；

贴合在第三衍射光栅23背离光波导表面的第四衍射光栅24；

其中，第一衍射光栅21的衍射角度范围在第三衍射光栅23的选择衍射角度范围内，且不在第四衍射光栅24的选择衍射角度范围内；

第二衍射光栅22的衍射角度范围不在第三衍射光栅23的选择衍射角度范围内，且在第四衍射光栅24的选择衍射角度范围内。

具体地，光波导10的输入端也即是光机30入射光线的一端，而光波导10的输出端也就是将光波导10中传输的光线导出的一端，导出后的光线入射至人眼内，从重新形成光机30投射的图像。

为了将全反射的光线从光波导10中导出，本实施例中在光波导10的输出端也同样设置两层衍射光栅，也即是图3中的第三衍射光栅23和第四衍射光栅24，衍射光线13和衍射光线15经过多次全反射后分别入射至第三衍射光栅23和第四衍射光栅24。其中衍射光线13的入射角在第三衍射光栅23的选择衍射角度范围内，而不在第四衍射光栅24的选择衍射角度范围内。衍射光线13先从第三衍射光栅23透射至第四衍射光栅24发生反射，反射的光线通过第三衍射光栅23和第四衍射光栅24交界面入射至第三衍射光栅23，发生衍射生成光线18。

需要说明的是，之所以衍射光线13第一次入射至第三衍射光栅23时，直接透射，是因为从光波导10中向第三衍射光栅23入射的角度并不是第三衍射光栅23的选择衍射角度，而是从另一表面入射的角度。

对于衍射光线15的入射角不在第三衍射光栅23的选择衍射角度范围内，而在第四衍射光栅24的选择衍射角度范围内，因此衍射光线15透过第三衍射光线23入射至第四衍射光栅24发生衍射，衍射光线再入射至第三衍射光线23时，可再次发生衍射形成衍射光线17。

衍射光线18和衍射光线17传输至光波导10的下界面不再发生全反射，而是发生折射导出并入射至供人眼。这一部分的光路原理和光波导10的输入端发生的衍射原理近似，在此不再赘述。

另外，对于第三衍射光栅23和第四衍射光栅24并不一定设置在图3中的上界面位置，也可以是下界面，对此本申请中不做限定。

基于上述任意实施例，对于衍射光栅而言，其对入射光线角度的选择性主要有光栅的光栅周期、光栅厚度以及倾斜角度等等几何结构决定，而对光线的衍射角度主要有光栅的光栅周期确定。因此，要实现第一衍射光栅21的衍射角度范围在第二衍射光栅22的选择衍射角度范围内，则可设置第一衍射光栅21的光栅周期大于第二衍射光栅22的光栅周期。同理，可设置第三衍射光栅23的光栅周期大于第四衍射光栅24的光栅周期。

可选地，基于光路可逆的原理，第一衍射光栅21的光栅周期可以和第三衍射光栅21的光栅周期相等；第二衍射光栅22的光栅周期可以和第四衍射光栅24的光栅周期相等。

具体地，对于第一衍射光栅21和第三衍射光栅23的光栅周期，具体可以为0.6λ～0.9λ；其中，λ为光机30发射的入射光的波长。

可选地，对于第一衍射光栅21、第二衍射光栅22、第三衍射光栅23以及第四衍射光栅24的厚度具体可以是20nm～20um。

采用纳米至微米级厚度的光栅，有利于光学系统的小型化发展趋势，避免光学系统占用过多的空间。

可选地，本申请中的光波导10具体可以采用厚度为0.5mm～3mm、折射率为1.5～2.0的透明平板，例如透明玻璃平板，也可以采用其他类型的光波导，对此本申请中不做具体限定。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

Claims (8)

1.一种增强现实显示的光学系统，其特征在于，包括：

用于以预设角度范围内的角度向光波导发射光线的光机；

用于传导所述光线的所述光波导；

贴合所述光波导的输入端表面设置的第一衍射光栅；

贴合在所述第一衍射光栅背离所述光波导表面的第二衍射光栅；

其中，所述光线入射至所述光波导内发生折射形成的折射光线，可通过所述光波导入射至所述第一衍射光栅；

所述折射光线对所述第一衍射光栅的入射角在所述第一衍射光栅的选择衍射角度范围内；且所述折射光线经过所述第一衍射光栅衍射后产生的衍射光线，在所述光波导和空气的界面可发生全反射；

所述第一衍射光栅的衍射角度范围在所述第二衍射光栅的选择衍射角度范围内。

2.如权利要求1所述的增强现实显示的光学系统，其特征在于，还包括：

贴合所述光波导的输出端表面设置的第三衍射光栅；

贴合在所述第三衍射光栅背离所述光波导表面的第四衍射光栅；

其中，所述第一衍射光栅的衍射角度范围在所述第三衍射光栅的选择衍射角度范围内，且不在所述第四衍射光栅的选择衍射角度范围内；

所述第二衍射光栅的衍射角度范围不在所述第三衍射光栅的选择衍射角度范围内，且在所述第四衍射光栅的选择衍射角度范围内。

3.如权利要求2所述的增强现实显示的光学系统，其特征在于，所述第一衍射光栅的光栅周期大于所述第二衍射光栅的光栅周期；所述第三衍射光栅的光栅周期大于所述第四衍射光栅的光栅周期。

4.如权利要求3所述的增强现实显示的光学系统，其特征在于，所述第一衍射光栅的光栅周期和所述第三衍射光栅的光栅周期相等；所述第二衍射光栅的光栅周期和所述第四衍射光栅的光栅周期相等。

5.如权利要求2所述的增强现实显示的光学系统，其特征在于，所述第一衍射光栅、和所述第三衍射光栅的光栅周期为0.6λ～0.9λ；其中，λ为所述光机发射的入射光的波长。

6.如权利要求2所述的增强现实显示的光学系统，其特征在于，所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述第三衍射光栅以及第四衍射光栅的厚度均为20nm～20um。

7.如权利要求2所述的增强现实显示的光学系统，其特征在于，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅的衍射效率不低于0.6。

8.如权利要求1至7任一项所述的增强现实显示的光学系统，其特征在于，所述光波导为厚度为0.5mm～3mm、折射率为1.5～2.0的透明平板。

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