CN111624696A - 光波导装置以及ar显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光波导装置和AR显示设备，其中，光波导装置包括波导单元，以及在波导单元表面的点光栅组；其中，点光栅组包括至少两种点光栅，每种点光栅均在波导单元表面离散均匀分布，且各种点光栅均匀混合分布；每种点光栅均用于对耦入波导单元的光束进行衍射并按照预定角度范围耦出；且每种点光栅的光栅周期不同，以使各种点光栅可衍射的光束入射的角度范围各不相同。本申请中在光波导装置的波导单元上设置点阵分布的多种点光栅，且每种点光栅可衍射的光束的入射角各不相同，扩大了波导单元上对光束进行颜色的光栅的种类，进而在不增大光波导装置的尺寸的基础上，扩大光波导装置的视场角，提升AR显示设备的使用体验。

Description

光波导装置以及AR显示设备

技术领域

本发明涉及波导技术领域，特别是涉及一种光波导装置以及AR显示设备。

背景技术

增强现实技术(Augmentedreality，简称AR)是一种将虚拟信息叠加到真实场景上的一种技术，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，通过计算机等技术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。

光波导装置是实现增强现实技术的关键部件之一。在进行增强显示的场景显示时，需要通过投影设备将需要叠加在真实场景的画面光束投影在光波导装置上，通过光波导装置对投影光束的传导方向进行偏转，使得投影光束投射进入人眼内。

随着AR技术被广泛地应用到各行各业，以及业内对该技术的研究更加深入，结构紧凑轻薄的AR显示设备是AR技术发展的热门方向之一；而目前AR显示设备的视场角大小受限于光波导装置的尺寸，使得AR显示设备大视场角的需求和结构紧凑轻薄的需求相矛盾。

发明内容

本发明的目的是提供一种光波导装置以及AR显示设备，能够在不增大波导单元的尺寸的基础上，增大波导单元的视场角，增大AR显示设备的显示效果。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光波导装置，包括波导单元，以及在波导单元表面的点光栅组；

其中，所述点光栅组包括至少两种点光栅，每种所述点光栅均在所述波导单元表面离散均匀分布，且各种所述点光栅均匀混合分布；

每种所述点光栅均用于对耦入所述波导单元的光束进行衍射并按照预定角度范围耦出；且每种所述点光栅的光栅周期不同，以使各种所述点光栅可衍射的光束入射的角度范围各不相同。

在本申请的另一可选地实施例中，所述点光栅组包含的多种点光栅中至少有一种点光栅为可对多个不同角度范围入射的光束进行衍射的复用光栅。

在本申请的另一可选地实施例中，每种所述点光栅均为可对一个角度范围入射的光束进行衍射的光栅。

在本申请的另一可选地实施例中，每种所述点光栅分别为可衍射的光束波段范围不同的光栅。

在本申请的另一可选地实施例中，所述点光栅组包含的多种点光栅中至少有一种点光栅为可对多个不同波段入射的光束进行衍射的复用光栅。

在本申请的另一可选地实施例中，每种所述点光栅均为可对一个光束波段范围入射的光束进行衍射的光栅，且各种所述点光栅可衍射的光束的波段范围各不相同。

在本申请的另一可选地实施例中，所述点光栅组包含的多种点光栅分别为可衍射的光束的波段至少包括红色光波波段、绿色光波波段以及蓝色光波波段的光栅。

在本申请的另一可选地实施例中，所述点光栅为圆形面光栅、椭圆形面光栅、正多边形光栅中的一种或多种面光栅。

在本申请的另一可选地实施例中，所述点光栅的直径不大于4mm。

本申请还提供了一种AR显示设备，包括如上任一项所述的光波导装置和投影设备；

所述投影设备用于向所述光波导装置发射投影光束；

所述光波导装置用于利用波导单元表面的点光栅组对所述投影光束进行衍射并按照预定角度范围出射。

本发明所提供了光波导装置和AR显示设备，其中，光波导装置包括波导单元，以及在波导单元表面的点光栅组；其中，点光栅组包括至少两种点光栅，每种点光栅均在波导单元表面离散均匀分布，且各种点光栅均匀混合分布；每种点光栅均用于对耦入波导单元的光束进行衍射并按照预定角度范围耦出；且每种所述点光栅的光栅周期不同，以使各种点光栅可衍射的光束入射的角度范围各不相同。

本申请中在光波导装置的波导单元上设置点阵分布的多种点光栅，且每种点光栅可衍射的光束的入射角各不相同，那么整个点光栅组即可实现对多种不同入射角入射的光束进行衍射出射，并按照可被人眼观察接收的预设角度输出；相对于常规的光波导装置中波导元件表面仅仅采用一个面光栅衍射出射光束的方式而言，本申请中扩大了波导单元上对光束进行颜色的光栅的种类，并利用每种光栅可衍射不同入射角度的光束这一特性，进而在不增大光波导装置的尺寸的基础上，扩大光波导装置的视场角，提升AR显示设备的使用体验。

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为本申请实施例提供的光波导装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的光波导装置的光路示意图；

图3为本申请实施例提供的光波导装置的另一结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种光波导装置以及AR显示设备，可以在保证AR显示设备在不能增大设备尺寸的基础上，扩大视场角。

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1和图2所示，图1为本申请实施例提供的光波导装置的结构示意图，图2为本申请实施例提供的光波导装置的光路示意图，该光波导装置可以包括：

波导单元10，以及在波导单元10表面的点光栅组；

具体地，如图1和图2所示，波导单元10相当于是一个透光的平板结构，可以是玻璃材质也可以是其他材质。在平板结构的波导单元10的一个表面上设置有多个小面积的点光栅11，各个点光栅11形成点光栅组。

其中，该点光栅组包括至少两种点光栅11，每种点光栅11均在波导单元10表面离散均匀分布，且各种点光栅11均匀混合分布；

每种点光栅11均用于对耦入波导单元10的光束进行衍射并按照预定角度范围耦出；且每种点光栅11的光栅周期不同，以使各种点光栅11可衍射的光束入射的角度范围各不相同。

参考图1和图2，在本实施例中波导单元10表面设置有面积较小的点光栅11均匀离散的分布在波导单元10的表面。

当投影设备20发出的投影光束从波导单元的一个表面耦入波导单元10内，该投影光束在波导单元10中传播，并入射至波导单元10设置有点光栅组的表面，也即是入射到各个点光栅11上。

各个点光栅10即可分别对入射至各个波导单元11的投影光束进行衍射，使得投影光束能够按照预定范围内的角度从波导单元10内耦出。

显然经过投影设备20投影耦入波导单元内的光束并非是平行光束，而是发散光束；相应地入射至各个点光栅的投影光束的入射角大小各不相同；而本申请中的点光栅组包含多种不同种类的点光栅11，且每种点光栅11可衍射的入射光线的角度范围也并不相同，那么各种不同点光栅11可衍射的入射光线的总的角度范围相对于一种光栅而言，也就在一定程度上扩大。

相对于目前现有技术的光波导装置中，在波导元件的表面设置一整个大的面光栅，对耦入波导元件10内的投影光束进行耦出至人眼内的技术方案中，本申请中采用了多个离散分布的点光栅11，也即是相当于增大了波导元件10表面的光栅数量。在此基础上，本申请中又进一步地在波导单元10上设置多种不同种类的点光栅11，使得不同种类的点光栅11可进行衍射的光线的入射角范围不同，也即是说整个波导单元10的平面中，所有点光栅11可进行衍射的光线的入射角范围也就具有多个，从而增大了点光栅11可衍射光线的入射角进而增大了整个波导单元10可衍射的投影光束入射角，也即是增大波导单元10的视场角。

具体地，对于光栅而言，其可衍射的光线的入射角主要由光栅周期决定，因此可以通过设置每种点光栅11不同的光栅周期，实现每种不同点光栅11可衍射的入射光线的入射角不同。

另外，本申请中的光波导装置主要应用于AR显示设备，波导单元10表面的点光栅11衍射出射的光线是需要入射到人眼，而显然人眼可接收的光线的视场范围有限，因此应当进一步地保证波导单元10耦出的光线尽可能多的被人眼识别到，因此就要求各个点光栅11对光线衍射出射的角度应当满足一定的条件，使得衍射出射的光线在预设角度范围内。需要说明的是，该预设角度范围是基于人眼的视场角的范围划定的，在该预设角度范围内出射的投影光线均可被佩戴AR显示设备的用户的眼睛接收到。

当然，本申请中所提供的光波导装置也并不排除可以应用到出AR显示设备之外的其他应用场景的可能性，相应地，各个点光栅11对衍射出射光线的预设角度范围，可以基于实际的应用需求进行设定，对此，本申请中不做具体限制。

进一步地图1中，示出了波导单元10表面点光栅的布局方式。在实际应用过程中，考虑到投影设备20投射的投影光束一般耦入到波导单元10后，入射到波导单元10设置点光栅11的表面的投影范围也是有限的，因此，在实际应用过程中，可以仅仅只在波导单元10表面局部区域内设置多个均匀分布的点光栅11。当然，基于不同的波导单元10，其表面点光栅11的分布区域，可以根据投影光束的投影面积进行调整。

另外，为了保证能够衍射投影光束的点光栅11区域能够对投影光束进行均匀耦出，使得人眼接收到的画面颜色亮度上都尽可能的均匀，在设置不同种类的点光栅11时，应当保证各种点光栅11之间混合的均匀性。如图1所示，图1中采用不用填充色代表不同种类的点光栅11，各种不同的点光栅11混合设置。

综上所述，本申请通过在波导单元上采用小面积的多个点光栅代替大面积单个面光栅，增大波导单元上光栅的数量，并进一步地增加点光栅的种类，从而实现点光栅可衍射的投影光线的入射角的范围，进而增大波导单元的视场角；因此本申请中在不增加波导单元的尺寸厚度的基础上，增大了波导单元的视场角。

基于上述任意实施例，在本申请的一种可选地实施例中，该点光栅组中的多种点光栅11进一步地可以为复用光栅。

具体地，对于每种点光栅11而言，可以是对多个入射角度范围内入射的光线进行衍射出射，而每个种类点光栅11可以衍射的入射光线的入射角度范围并不相同。由此，即可在很大程度上扩到整个波导单元10表面上点光栅11可衍射的总的入射较大的范围。

当然，在实际应用过程中，考虑到点光栅11的尺寸本身就较小，为了简化点光栅11的制备难度，各个点光栅11也可以采用非复用光栅。而多种不同的非复用光栅的可衍射的入射角度范围不同，也可以实现整个波导单元10可衍射的入射光线的角度范围。

基于上述实施例，本申请中还进一步地考虑到，在实际应用过程中光波导装置需要衍射的投影光束的波段也往往不是单波段的光束。最常见的是需要将红色、蓝色以及绿色的波段光线均进行颜色至人眼。

为此，在本申请的另一可选地实施例中，还可以进一步地包括：

每种点光栅11可衍射的光束波段范围不同，且各种点光栅11可衍射的光束的波段范围各不相同。

具体地，在点光栅11可衍射的光束波段范围上区分，点光栅11的种类至少可以区分为三种，例如一种点光栅11可衍射的波段范围为红色波段范围，一种点光栅11可衍射的波段范围为绿色波段范围，一种点光栅11可颜色的波段范围为蓝色波段范围。当然可以相当的是，也可设置也颜色其他波段范围的光束的点光栅，具体地，可以根据用户自身的需求进行设定，对此，本申请中不做具体限制。

进一步地，对于每一种点光栅11而言，可以是对多个不同波段范围的光束进行衍射的复用光栅。同样的也可以为了简化各个点光栅11的制备，采用多种仅仅能够衍射一种颜色对应的波段范围的光栅。

如前所述，对于波导单元10表面的点光栅11种类的划分，是基于两方面进行划分的，一方面是点光栅11可衍射的入射光束对应的入射角范围，另一方面可以是点光栅11可衍射的入射光束对应的光束波段范围。在实际应用过程中，各个点光栅11对可衍射的入射光线的入射角范围和光束波段范围的特性是相互独立，互不干扰的。

例如，对于某两种点光栅11而言，可衍射的光束波段范围是相同的，从可衍射的光束波段范围的角度上来看，这两种点光栅11属于同一种光栅，而这两种点光栅11可衍射的入射光线的入射角度范围则是不同的，从这一角度来看，就属于两种不同种类的点光栅11。

对于点光栅11向人眼衍射出射的光线的均匀性的角度而言，各种不同类型的点光栅11应当尽可能的在可衍射光线的入射角度范围和颜色波段范围上都采用复用光栅，以尽量在保证点光栅组可衍射的光线的入射角度范围和波段范围大的基础上，减少点光栅11的种类，增大同种点光栅11在波导单元10表面分布的密集程度。

而对于点光栅11制备的难度上而言，点光栅11为非复用光栅，其制备的复杂度相对于复用光栅相对更低，有利于简化波导单元10的制作过程。

在实际应用过程中，可以根据实际应用场景的需要选择合适的点光栅11，对此本申请中不做具体限制。

基于上述任意实施例，在本申请的点光栅组中，各个点光栅11具体可以是圆形面光栅、椭圆形面光栅、正方形面光栅、三角形面光栅或者其他正多边形光栅，对此本申请中并不做具体限制。

从各个点光栅11投影成像的角度而言，最为优选的可以是点中心对称的面光栅。

从各个点光栅11最大程度上能够反射投影光线入射至人眼的角度而言，各个点光栅11中间间隙更小布局更紧凑，更利于避免光线从各个点光栅11之间缝隙中透射或反射损失。因此，也可以考虑采用彼此之间可以相互不留缝隙的拼接的点光栅11，具体地，如图3所示，图3为本申请实施例提供的光波导装置的另一结构示意图。图3中各个点光栅11均为正方形，各个点光栅11之间不预留有缝隙，但是各个相邻点光栅11之间可反射的光线的入射角以及波段可以不相同。

当然，图1和图3中均是以各个点光栅呈阵列排布的为例进行示意说明的，但是在实际应用过程中，对于各个点光栅的具体排布形式并不做具体限制，只要保证各个不同种类的点光栅混合均匀布局即可。

另外，为了避免人眼可识别出波导单元10上的点光栅11，可以将各个点光栅11的尺寸设置在人眼可识别尺寸的范围内，因为人眼的可识别的尺寸在4mm～6mm，因此各个点光栅11的直径尺寸不大于4mm。

需要说明的是，在图1中是以各个点光栅11的大小面积相同的方式设置各种不同种类的点光栅11，但在实际应用过程中，并不必然要求将各个点光栅11的形状、大小均设置成相同。例如，不同种类的点光栅可以考虑采用不同直径的圆形面光栅，但是为了保证对不同光线入射的均匀性，对于不同波段范围内可衍射出射的点光栅11的面积占点光栅组总面积的比例应当相同，避免出现颜色不均匀的问题。

本申请中还提供了一种AR显示设备，该AR显示设备中包括投影设备和上述任意实施例提供的光波导装置。

具体地该光波导装置接收投影设备投影入射的投影光束，并通过波导单元上的点光栅对入射过来的光束进行衍射出射，使得投影光束的光路发生变化，进而入射至人眼中，使得人眼在透过光波导观看到现实中的画面的基础上，还能够看到叠加在现实画面上的虚拟画面。且本申请中的波导单元上对投影光束的光路进行改变的是点光栅，能够在一定程度上增大点光栅的种类，进而增大波导单元的视场角，为用户提供更好的显示效果。

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。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

Claims (10)

1.一种光波导装置，其特征在于，包括波导单元，以及在所述波导单元表面的点光栅组；

其中，所述点光栅组包括至少两种点光栅，每种所述点光栅均在所述波导单元表面离散均匀分布，且各种所述点光栅均匀混合分布；

每种所述点光栅均用于对耦入所述波导单元的光束进行衍射并按照预定角度范围耦出；且每种所述点光栅的光栅周期不同，以使各种所述点光栅可衍射的光束入射的角度范围各不相同。

2.如权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，所述点光栅组包含的多种点光栅中至少有一种点光栅为可对多个不同角度范围入射的光束进行衍射的复用光栅。

3.如权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，每种所述点光栅均为可对一个角度范围入射的光束进行衍射的光栅。

4.如权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，每种所述点光栅分别为可衍射的光束波段范围不同的光栅。

5.如权利要求4所述的光波导装置，其特征在于，所述点光栅组包含的多种点光栅中至少有一种点光栅为可对多个不同波段入射的光束进行衍射的复用光栅。

6.如权利要求4所述的光波导装置，其特征在于，每种所述点光栅均为可对一个光束波段范围入射的光束进行衍射的光栅，且各种所述点光栅可衍射的光束的波段范围各不相同。

7.如权利要求4所述的光波导装置，其特征在于，所述点光栅组包含的多种点光栅分别为可衍射的光束的波段至少包括红色光波波段、绿色光波波段以及蓝色光波波段的光栅。

8.如权利要求1至7任一项所述的光波导装置，其特征在于，所述点光栅为圆形面光栅、椭圆形面光栅、正多边形光栅中的一种或多种面光栅。

9.如权利要求8所述的光波导装置，其特征在于，所述点光栅的直径不大于4mm。

10.一种AR显示设备，其特征在于，包括如上1至9任一项所述的光波导装置和投影设备；

所述投影设备用于向所述光波导装置发射投影光束；

所述光波导装置用于利用波导单元表面的点光栅组对所述投影光束进行衍射并按照预定角度范围耦出。

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