CN111474720A - 光波导显示装置和增强现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种光波导显示装置和增强现实显示设备，光波导显示装置，包括：光机系统、光学输入元件、波导基底、光学输出元件和透镜组；光机系统，用于出射准直的光线至光学输入元件；光学输入元件，设置在波导基底的耦入区域，用于使射入的光线耦合进入波导基底；波导基底，用于将耦合进入波导基底的光线采用全反射的方式传输至光学输出元件；光学输出元件，设置在波导基底的耦出区域，用于将传输至光学输出元件的光线耦出至凹透镜；透镜组，至少包括凹透镜，位于波导基底的一侧，且设置在光学输出元件的光线出射端，用于将光学输出元件耦出的光线进行发散后射入人眼。通过该技术方案，可以使人眼看到的成像更加清晰，提升用户的视觉体验。

Description

光波导显示装置和增强现实显示设备

技术领域

本公开涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种光波导显示装置和增强现实显示设备。

背景技术

增强现实技术简称AR，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息，通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。这种技术不仅展现了真实世界的信息，而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形多重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。增强现实技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段，这种技术随着随身电子产品运算能力的提升，增强现实的用途越来越广。

目前的增强现实显示设备，对于光波导显示方案，其在出瞳入眼区域的清晰度不够。主要原因是光机出射的光要保持严格的准直光，即虚像应该在无穷远处，然而在调节光机的虚像距的时候很难调节到完美的无穷远的虚像距。因此，容易造成虚像距在一个较远的距离，从而使出瞳入眼区域的清晰度不够。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种光波导显示装置和增强现实显示设备，用以实现增强出瞳图像的清晰度，提升用户的视觉体验。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种光波导显示装置，包括：光机系统、光学输入元件、波导基底、光学输出元件和透镜组；

所述光机系统，用于出射准直的光线至所述光学输入元件；

所述光学输入元件，设置在所述波导基底的耦入区域，用于使射入的光线耦合进入所述波导基底；

所述波导基底，用于将耦合进入所述波导基底的光线采用全反射的方式传输至所述光学输出元件；

所述光学输出元件，设置在所述波导基底的耦出区域，用于将传输至所述光学输出元件的光线耦出至所述凹透镜；

所述透镜组，至少包括凹透镜，所述凹透镜位于所述波导基底的一侧，且设置在所述光学输出元件的光线出射端，用于将所述光学输出元件耦出的光线进行发散后射入人眼。

在一个实施例中，优选地，所述透镜组还包括：

凸透镜，位于所述波导基底的另一侧，与所述凹透镜对应设置，用于矫正所述凹透镜对环境光的畸变。

在一个实施例中，优选地，所述凹透镜和所述凸透镜处于同一个光轴。

在一个实施例中，优选地，所述光学输入元件包括表面镀有反光膜的斜面或棱镜，所述光学输出元件包括内嵌于所述波导基底的半透膜阵列。

在一个实施例中，优选地，所述半透膜阵列为平行且倾斜设置的多个半透膜，所述多个半透膜为等间距设置。

在一个实施例中，优选地，所述光学输入元件包括设置在所述波导基底表面的第一衍射光栅，所述光学输出元件包括设置在所述波导基底表面的第二衍射光栅。

在一个实施例中，优选地，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅包括表面浮雕光栅。

在一个实施例中，优选地，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅包括体全息光栅。

在一个实施例中，优选地，所述光机系统包括：微显示器和中继光学系统；

所述微显示器，用于显示图像；

所述中继光学系统，用于将所述微显示器显示的图像准直射入所述光学输入元件。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种增强现实显示设备，包括：

如第一方面任一项所述的光波导显示装置。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明实施例中，光机出射的光线经过光学输入元件耦入波导基底，在波导基底中满足全反射条件，进行全反射传输至光学输出元件，经光学输出元件耦出至凹透镜，经凹透镜发散后射入人眼，这样，通过凹透镜对光学输出元件耦出的光线进行处理，可以使人眼看到的成像更加清晰，提升用户的视觉体验。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1示出了衍射光波导的原理示意图。

图2示出了几何光波导的原理示意图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种光波导显示装置的结构示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的另一种光波导显示装置的具体结构示意图。

图5是根据一示例性实施例示出的又一种光波导显示装置的具体结构示意图。

图6是根据一示例性实施例示出的另一种光波导显示装置的具体结构示意图。

图7是根据一示例性实施例示出的又一种光波导显示装置的具体结构示意图。

图8是根据一示例性实施例示出的一种光波导显示装置中光机系统的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1示出了衍射光波导的原理示意图。如图1所示，在波导基底的光波输入区域和光波输出区域均采用衍射光栅，当光机的光照射到光波输入区域的第一衍射光栅11时会发生衍射产生另外一束光，该光线的角度满足全反射条件(θ＞arcsin(n0/n1)，n1为波导折射率，n0为空气折射率)在波导基底12中传播，到达光波输出区域后光线再次经第二衍射光栅13衍射出到达人眼。

图2示出了几何光波导的原理示意图。如图2所示，光机的光波通过反射斜面或棱镜21等耦合进入波导基底22，在波导基底中设置了多个按规律排布的半透半反膜23，经半透半反膜23反射耦出波导基底22，到达人眼。

上述两种方式的光波导显示方案中，存在如下问题：光机出射的光要保持严格的准直光，即虚像应该在无穷远处，然而在调节光机的虚像距的时候很难调节到完美的无穷远的虚像距。因此，容易造成虚像距在一个较远的距离，从而使出瞳入眼区域的清晰度不够。

因此，为了解决上述技术方案，提出了本申请的技术方案。

图3是根据一示例性实施例示出的一种光波导显示装置的结构示意图，如图3所示，光波导显示装置，包括：光机系统31、光学输入元件32、波导基底33、光学输出元件34和透镜组35；

所述光机系统31，用于出射准直的光线至所述光学输入元件32；

所述光学输入元件32，设置在所述波导基底33的耦入区域，用于使射入的光线耦合进入所述波导基底33；

所述波导基底33，用于将耦合进入所述波导基底33的光线采用全反射的方式传输至所述光学输出元件34；

所述光学输出元件34，设置在所述波导基底的耦出区域，用于将传输至所述光学输出元件的34光线耦出至所述凹透镜35；

所述透镜组35，至少包括凹透镜41，凹透镜41位于所述波导基底33的一侧，且设置在所述光学输出元件34的光线出射端，用于将所述光学输出元件34耦出的光线进行发散后射入人眼。

在该实施例中，光机出射的光线经过光学输入元件耦入波导基底，在波导基底中满足全反射条件，进行全反射传输至光学输出元件，经光学输出元件耦出至凹透镜，经凹透镜发散后射入人眼，这样，通过凹透镜对光学输出元件耦出的光线进行处理，可以使人眼看到的成像更加清晰，提升用户的视觉体验。

其中，假设虚像距离为d，那么凹透镜的焦距设置为d，则出射光为平行光，即成像到无穷远处。同时为了适配现在人普遍近视的问题，可以减小凹透镜的焦距(即增加近视眼镜的度数)来适配不同人使成像更加清晰；为了适配远视问题，可以增加凹透镜的焦距(即降低近视镜的度数)。

如图4所示，在一个实施例中，优选地，所述光学输入元件32包括表面镀有反光膜的斜面或棱镜，所述光学输出元件34包括内嵌于所述波导基底的半透膜阵列。

在一个实施例中，优选地，所述半透膜阵列为平行且倾斜设置的多个半透膜，所述多个半透膜为等间距设置。

在一个实施例中，优选地，如图5所示，图4所示的上述光波导显示装置，透镜组还可以包括：

凸透镜51，位于所述波导基底33的另一侧，与所述凹透镜35对应设置，用于矫正所述凹透镜35对环境光的畸变。

在一个实施例中，优选地，所述凹透镜35和所述凸透镜51处于同一个光轴。

在该实施例中，凸透镜的作用是为了矫正波导基底一侧的凹透镜对环境光的畸变，这样就可以实现虚拟图像的清晰显示，同时对环境光没有影响。

如图6所示，在一个实施例中，优选地，所述光学输入元件还可以包括设置在所述波导基底表面的第一衍射光栅32，所述光学输出元件包括设置在所述波导基底表面的第二衍射光栅34。

在一个实施例中，优选地，可以根据具体需要设置不同衍射光栅的具体衍射参数，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅的衍射参数可以相同也可以不同。其中，衍射光栅可以设置在波导基底的一侧表面，也可以设置在波导基底的两侧表面。

在一个实施例中，优选地，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅包括表面浮雕光栅。

在一个实施例中，优选地，所述表面浮雕光栅包括微纳米结构光栅。

在一个实施例中，优选地，所述微纳米结构光栅为采用纳米压印的方式将光刻胶固化而成。纳米压印是加工聚合物结构的最常用方法，它采用高分辨率电子束等方法将结构复杂纳米结构图案制在印章上，然后用预先图案化印章使聚合物材料变形而在聚合物上形成结构图形。在热压印工艺中，结构图案转移到被加热软化的聚合物后，通过冷却到聚合物玻璃化温度以下固化，而在紫外压印工艺中是通过紫外光聚合来固化的。微接触印刷通常指将墨材料转移到图案化的金属基表面上，在进行刻蚀工艺。纳米压印技术是在纳米尺度获得复制结构的一种成本低而速度快的方法，它可以大批量重复性地在大面积上制备纳米图案结构，而且所制出的高分辨率图案具有相当好的均匀性和重复性。

在一个实施例中，优选地，所述第一衍射光栅32和所述第二衍射光栅34包括体全息光栅。

全息光栅的制作原理是：两束具有特定波面形状的光束干涉，在记录平面上形成亮暗相间的干涉条纹，用全息记录介质记录干涉条纹，经处理得到全息光栅。采用不同的波面形状可以得到不同用途的全息光栅，采用不同的全息记录介质和处理过程可以得到不同类型或不同用途的全息光栅，如正余弦光栅，矩形光栅，平面光栅和体光栅等，本申请可以采用体全息光栅，当然，也可以根据用途不同，采用其他类型的光栅，具体不做限制。

在一个实施例中，优选地，如图7所示，图6所示的上述光波导显示装置还可以包括：

凸透镜71，位于所述波导基底33的另一侧，与所述凹透镜35对应设置，用于矫正所述凹透镜35对环境光的畸变。

在一个实施例中，优选地，所述凹透镜35和所述凸透镜71处于同一个光轴。

在该实施例中，凸透镜的作用是为了矫正波导基底一侧的凹透镜对环境光的畸变，这样就可以实现虚拟图像的清晰显示，同时对环境光没有影响。

如图8所示，在一个实施例中，优选地，所述光机系统31包括：微显示器81和中继光学系统82；

所述微显示器81，用于显示图像；

所述中继光学系统82，用于将所述微显示器显示的图像准直射入所述光学输入元件。

基于相同的构思，本公开实施例还提供一种增强现实显示设备，包括上述技术方案中任意一项所述的光波导显示装置。增强现实显示设备可以是AR眼镜或AR头盔等设备。

进一步可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。

进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种光波导显示装置，其特征在于，包括：光机系统、光学输入元件、波导基底、光学输出元件和透镜组；

所述光机系统，用于出射准直的光线至所述光学输入元件；

所述光学输入元件，设置在所述波导基底的耦入区域，用于使射入的光线耦合进入所述波导基底；

所述波导基底，用于将耦合进入所述波导基底的光线采用全反射的方式传输至所述光学输出元件；

所述光学输出元件，设置在所述波导基底的耦出区域，用于将传输至所述光学输出元件的光线耦出至所述凹透镜；

所述透镜组，至少包括凹透镜，所述凹透镜位于所述波导基底的一侧，且设置在所述光学输出元件的光线出射端，用于将所述光学输出元件耦出的光线进行发散后射入人眼。

2.根据权利要求1所述的光波导显示装置，其特征在于，所述透镜组还包括：

凸透镜，位于所述波导基底的另一侧，与所述凹透镜对应设置，用于矫正所述凹透镜对环境光的畸变。

3.根据权利要求1所述的光波导显示装置，其特征在于，所述凹透镜和所述凸透镜处于同一个光轴。

4.根据权利要求1所述的光波导显示装置，其特征在于，所述光学输入元件包括表面镀有反光膜的斜面或棱镜，所述光学输出元件包括内嵌于所述波导基底的半透膜阵列。

5.根据权利要求4所述的光波导显示装置，其特征在于，所述半透膜阵列为平行且倾斜设置的多个半透膜，所述多个半透膜为等间距设置。

6.根据权利要求1所述的光波导显示装置，其特征在于，所述光学输入元件包括设置在所述波导基底表面的第一衍射光栅，所述光学输出元件包括设置在所述波导基底表面的第二衍射光栅。

7.根据权利要求6所述的光波导显示装置，其特征在于，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅包括表面浮雕光栅。

8.根据权利要求6所述的光波导显示装置，其特征在于，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅包括体全息光栅。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的光波导显示装置，其特征在于，所述光机系统包括：微显示器和中继光学系统；

所述微显示器，用于显示图像；

所述中继光学系统，用于将所述微显示器显示的图像准直射入所述光学输入元件。

10.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括：

如权利要求1至9中任一项所述的光波导显示装置。

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