CN112415743A - 增强现实显示系统 - Google Patents

增强现实显示系统 Download PDF

Info

Publication number
CN112415743A
CN112415743A CN201910776054.XA CN201910776054A CN112415743A CN 112415743 A CN112415743 A CN 112415743A CN 201910776054 A CN201910776054 A CN 201910776054A CN 112415743 A CN112415743 A CN 112415743A
Authority
CN
China
Prior art keywords
augmented reality
display system
reality display
light
filter layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910776054.XA
Other languages
English (en)
Inventor
罗明辉
乔文
李玲
熊金艳
李瑞彬
周振
陈林森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou University
SVG Tech Group Co Ltd
Original Assignee
Suzhou University
SVG Tech Group Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou University, SVG Tech Group Co Ltd filed Critical Suzhou University
Priority to CN201910776054.XA priority Critical patent/CN112415743A/zh
Publication of CN112415743A publication Critical patent/CN112415743A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/011—Head-up displays characterised by optical features comprising device for correcting geometrical aberrations, distortion

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

本发明涉及一种增强现实显示系统，其包括：光源，用于提供图像光线；至少两个衍射波导镜片，所述衍射波导镜片包括镜片本体和设置在所述镜片本体上的功能性区域；设有至少一个用于隔绝非必要光的滤光层，所述滤光层设置在两个所述衍射波导镜片之间，所述滤光层上设有介质光栅。该增强现实显示系统通过在每两个衍射波导镜片之间设置滤光层，可以实现每片衍射波导镜片的波段光单独控制，从而消除光线乱入，避免光线串扰，造成图像色差鬼影等现象，提升体验舒适度。并且，通过调整介质光栅结构参数，可以激发导膜共振，不仅调节方便，而且具有高效率滤光效果。

Description

增强现实显示系统
技术领域
本发明涉及一种增强现实显示系统，属于光学技术领域。
背景技术
增强现实(AR)技术，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，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重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。目前主流的近眼式增强现实显示设备大多采用光波导原理。例如，Lumus通过阵列光栅设计实现AR显示，其显示具有扩瞳效果，但存在百叶窗效应，影响观看体验。Microsoft采用三层衍射波导镜片叠加，实现AR显示。在多片叠加实现彩色的方法中，理论上，每片镜片只需对特定波段光工作，其余波段过滤或者吸收掉，然而大多数情况，由于结构设计缺陷或者制备工艺误差等问题，部分干扰光传导路线错误，导致光学串扰，影响体验效果。
请参见图1，现有的增强现实显示系统从光源发出的三种波段的光以一定方向入射至第一衍射波导镜片1-1。其中，某一波段的光经第一衍射波导镜片1-1的第一耦入区域1-11耦入、传导，经第一耦出区域1-12导出。不适用于第一衍射镜片1-1的其余波段光继续向第二衍射波导镜片1-2和第三衍射波导镜片1-3传输，其中一波段的光经第二衍射波导镜片1-2的第二耦入区域1-21耦入、传导，经第二耦出区域1-22导出，最后一波段的光经第三衍射波导镜片1-3的第三耦入区域1-31耦入、传导，经第三耦出区域1-32导出，三中波段的光最后从第三耦出区域1-32汇集至人眼，实现彩色显示。然而，上述情况为理想状况下，在工艺检测环节，匹配于第一衍射波导镜片1-1的光并不能完全经镜片衍射传导，部分光会继续在第二衍射波导镜片1-2和第三衍射波导镜片1-3内以微弱效率传导，还会在两个衍射波导镜片之间反射，这样会形成干扰光，造成光线不均匀匹配，最终影响成像质量，形成较差的观看体验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增强现实显示系统，其通过在衍射波导镜片之间贴合滤光层，消除光线乱入、串扰，提升体验舒适度。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种增强现实显示系统，包括：
光源，用于提供图像光线；
至少两个衍射波导镜片，所述衍射波导镜片包括镜片本体和设置在所述镜片本体上的功能性区域；
并且，设有至少一个用于隔绝非必要光的滤光层，所述滤光层设置在两个所述衍射波导镜片之间，所述滤光层上设有介质光栅。
进一步地，所述滤光层包括基底、设置在所述基底上的介质层以及设置在所述介质层上的所述介质光栅。
进一步地，所述基底选自石英、K9玻璃、聚对苯二甲酸类塑料、压克力或聚二甲基硅氧烷中的任一种。
进一步地，所述介质层为氮化硅材料，所述介质层的厚度为50～200nm。
进一步地，所述介质光栅为硅材料，所述介质光栅周期为250～400nm，占空比为0.4～0.6，高度为30～70nm。
进一步地，所述功能性区域包括耦入区域和耦出区域，所述耦入区域和耦出区域分别将所述图像光线耦合入所述衍射波导镜片、将所述衍射波导镜片内传播过来的图像光线向所述衍射波导镜片外输出。
进一步地，所述功能性区域还包括转折区域，所述转折区域用于改变所述图像光线在所述衍射波导镜片内的传播方向。
进一步地，所述功能性区域中设有由纳米结构形成的周期性光栅结构，所述周期性光栅结构包括倾斜光栅、体光栅或矩形光栅中的任一种。
进一步地，所述滤光层设置在两个所述衍射波导镜片的耦入区域之间。
进一步地，所述滤光层与所述衍射波导镜片之间通过粘连剂连接。
进一步地，所述增强现实显示系统包括第一衍射波导镜片、第二衍射波导镜片以及设置在所述第一衍射波导镜片和第二衍射波导镜片之间的滤光层。
进一步地，所述滤光层用于阻碍绿光，透过品红光。
进一步地，所示光源包括LED、激光、LCD或OLED等。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的增强现实显示系统通过在两个衍射波导镜片之间贴合设置滤光层，用于隔绝非必要光的入射，在图像光线通过前一衍射波导镜片后，部分未完全耦入的图像光线经过滤光层后被介质光栅隔绝，无法进入下一个衍射波导镜片，实现光线过滤。故，该增强现实显示系统通过在每两个衍射波导镜片之间设置滤光层，可以实现每片衍射波导镜片的波段光单独控制，从而消除光线乱入，避免光线串扰，造成图像色差鬼影等现象，提升体验舒适度。并且，通过调整介质光栅结构参数，可以激发导膜共振，不仅调节方便，而且具有高效率滤光效果。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为现有技术中的增强现实显示系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一所示的增强现实显示系统的结构示意图；
图3为图2所示的增强现实显示系统中的第一衍射波导镜片的结构示意图；
图4为本发明实施例二所示的增强现实显示系统中的滤光层的结构示意图；
图5为本发明实施例二所示的增强现实显示系统中的滤光层的衍射效率图；
图6为本发明实施例二所示的增强现实显示系统中的第一衍射波导镜片结构示意图；
图7为本发明所示的增强现实显示系统中的滤光层的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
需要说明的是：本发明的“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等用语只是参考附图对本发明进行说明，不作为限定用语。
实施例一
请参见图2至图4，本发明一实施例所示的增强现实显示系统，包括：
激光光源(未图示)，用于提供入射图像光线，诚然，在其他实施例中，还可以是LED、LCD或OLED等其他光源。在激光光源照射处设置有第一衍射波导镜片2-1和第二衍射波导镜片2-2，每个衍射波导镜片都包括镜片本体和设置在镜片本体上的功能性区域，具体的：第一衍射波导镜片2-1包括第一镜片本体2-10、设置在第一镜片本体2-10上的第一耦入区域2-11、以及设置在第一镜片本体2-10上的第一耦出区域2-12；第二衍射波导镜片2-2包括第二镜片本体2-20、设置在第二镜片本体2-20上的第二耦入区域2-21、以及设置在第二镜片本体2-20上的第二耦出区域2-22。并且，在第一衍射波导镜片2-1和第二衍射波导镜片2-2之间设有一个滤光层2-3，该滤光层2-3上设有介质光栅2-31，通过光学衍射实现非必要光的隔绝。
在本实施例中，第一衍射波导镜片2-1和第二衍射波导镜片2-2上的功能性区域主要包括耦入区域(第一耦入区域2-11和第二耦入区域2-21)和耦出区域(第一耦出区域2-12和第二耦出区域2-22)。本实施例中，耦入区域和耦出区域中都设有由纳米结构形成的周期性光栅结构(未图示)，其可以是倾斜光栅、体光栅或矩形光栅中的任一种或多种，其为现有技术，在此不做详细说明。入射图像光线耦合至衍射波导镜片，首先进入耦入区域，经纳米结构衍射，衍射光线角度满足波导全反射，光线沿全反射方向传导，耦合至耦出区域，再经纳米结构衍射，光线输出至人眼。诚然，在其他实施例中，还可以采用三区域式或多区域式的衍射波导镜片。
在本实施例中，该滤光层2-3设置在第二耦入区域2-21和第一衍射波导镜片2-1之间，以保证其滤光效果。从光源发出的三种波段光以一定方向入射至第一衍射波导镜片2-1，适用于第一衍射波导镜片2-1的其中一波段光经镜片耦入、传导，并在第一耦出区域2-12导出。部分未完全耦入的图像光线在经过滤光层2-3后，被隔绝不能进入至第二衍射波导镜片2-2。而适用于第二衍射波导镜片2-2的剩余波段光继续经镜片耦入、传导，并在第二耦出区域2-22导出。此种设计使得本发明的增强现实显示系统可以实现每片镜片的波段光单独控制，避免光线串扰和图像色差鬼影等现象的产生。
如图4所示，在本实施例中，滤光层2-3包括基底2-32、设置在基底2-32上的介质层2-33以及设置在介质层2-33上的介质光栅2-31，且该介质光栅2-31为亚波长介质光栅。其中，通过对该滤光层2-3的结构参数进行设计，可激发导膜共振，导模共振通常表现为介质光栅2-31的异常反射或透射，即当入射光波长，入射角或光栅结构参数微小变化时，透射率或反射率发生异常变化。导模共振的发生，是由于光栅结构可以看作周期调制的平面波导，当高级次衍射波的横向传播波矢与光栅波导所支持的导模传播常数相同时，衍射波耦合成传导波，导波在传输过程中，进一步受到光栅调制，产生泄漏模，进而引起能量重新分布。当光栅周期小于入射波波长时，在空气中只有0级传播波。因此对于亚波长光栅，导模共振只影响反射波和0级透射波。在共振条件下，波导光栅产生全反射，光波不能透过光栅，但是只要略微偏离共振条件，光波的反射率迅速减少，下降到零。利用导模共振效应，可以实现窄带反射/透射滤光器件。
本发明中，基底2-32可以石英、K9玻璃、聚对苯二甲酸类塑料、压克力或聚二甲基硅氧烷等软硬基底构成。介质层2-33为氮化硅材料，厚度在50～200nm之间。介质光栅2-31为硅材料，且介质光栅2-31的光栅周期在250～400nm之间，占空比在0.4～0.6之间，高度在30-70nm之间。通过对该滤光层2-3的结构参数进行设计，可激发导膜共振，实现高效率滤光。
在一实施例中，基底2-32为压克力，介质层2-33的为厚度90nm，介质光栅2-31的光栅周期为309nm，占空比0.5，高度44nm。请结合图5，图5为上述参数情况下的衍射效率曲线。可以看到，在波长520nm处，透射效率为零，即表示该滤光层2-3严格阻断520nm波长光通过；而在代表红波段(波长600nm左右)和蓝波段(波长450nm左右)，其透射率大于90％，即表示该滤光层2-3不阻碍其余波段光通过，表明所设计滤光层2-3具有较好的滤光功能。本发明采用上述滤光层2-3设计，可以实现通过第一衍射波导镜片的部分绿色干扰光严格拦截，而需要耦入第二衍射波导镜片的红色和蓝色波段光高效率通过，可避免色散，提升显示质量。在其他实施例中，通过滤光层的参数设计，还可实现对红色和蓝色波段光的阻隔。
实施例二
请参见图6，在本实施例中，本发明的增强现实显示系统其他结构与实施例一相同，不同之处在于本实施例中的衍射波导镜片3-1采用图示的三区域式的衍射波导镜片，具体的，该衍射波导镜片3-11包括镜片本体3-10，设置在镜片本体3-10上的耦入区域3-11、转折区域3-12以及耦出区域3-13。入射图像光线耦合至衍射波导镜片3-1，首先进入耦入区域3-11，经纳米结构衍射，衍射光线角度满足波导全反射，光线沿全反射方向传导，耦合至转折区域12，经结构衍射使光线转折，传导至耦出区域3-13，经纳米结构衍射，光线输出至人眼。其中，图像光从波导镜片耦入区域3-11入射，经转折区域3-12传导至耦出区域3-13，从耦出区域3-13出射，实现水平和竖直方向视场扩大。
请参见图7，以上实施例中，本发明的滤光层可以采用以下制备方法进行制备：
S1，选择合适的基底，如石英、K9玻璃、聚对苯二甲酸类塑料、压克力或聚二甲基硅氧烷等，然后在基底上镀一层氮化硅材料。
S2，在第一步基础上旋涂光刻胶。
S3，采用干涉曝光技术在光刻胶上制备光栅图案。
S4，在光刻胶光栅图案上蒸镀一层硅。
S5，采用丙酮等溶液浸泡超声，剥离光刻胶，即可形成设有介质光栅的滤光层。
以上实施例中，仅相邻两个衍射波导镜片之间都设有一个滤光层，在其他实施例中，当设有三个或以上衍射波导镜片时，可以仅在其中一对相邻两个衍射波导镜片之间设置滤光层，且其数目并无限制。
综上所述：本发明的增强现实显示系统通过在两个衍射波导镜片之间贴合设置滤光层，用于隔绝非必要光的入射，在图像光线通过前一衍射波导镜片后，部分未完全耦入的图像光线经过滤光层后被介质光栅隔绝，无法进入下一个衍射波导镜片，实现光线过滤。故，该增强现实显示系统通过在每两个衍射波导镜片之间设置滤光层，可以实现每片衍射波导镜片的波段光单独控制，从而消除光线乱入，避免光线串扰，造成图像色差鬼影等现象，提升体验舒适度。并且，通过调整介质光栅结构参数，可以激发导膜共振，不仅调节方便，而且具有高效率滤光效果，相比传统反射滤光和吸收滤光，其滤光特性更优。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种增强现实显示系统，其特征在于，包括：
光源，用于提供图像光线；
至少两个衍射波导镜片，所述衍射波导镜片包括镜片本体和设置在所述镜片本体上的功能性区域；
并且，设有至少一个用于隔绝非必要光的滤光层，所述滤光层设置在两个所述衍射波导镜片之间，所述滤光层上设有介质光栅，并通过调整所述介质光栅结构参数以激发导膜共振。
2.如权利要求1所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述滤光层包括基底、设置在所述基底上的介质层以及设置在所述介质层上的所述介质光栅。
3.如权利要求2所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述基底选自石英、K9玻璃、聚对苯二甲酸类塑料、压克力或聚二甲基硅氧烷中的任一种。
4.如权利要求2所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述介质层为氮化硅材料，所述介质层的厚度为50～200nm。
5.如权利要求2所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述介质光栅为硅材料，所述介质光栅周期为250～400nm，占空比为0.4～0.6，高度为30～70nm。
6.如权利要求1所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述功能性区域包括耦入区域和耦出区域，所述耦入区域和耦出区域分别将所述图像光线耦合入所述衍射波导镜片、将所述衍射波导镜片内传播过来的图像光线向所述衍射波导镜片外输出。
7.如权利要求6所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述功能性区域还包括转折区域，所述转折区域用于改变所述图像光线在所述衍射波导镜片内的传播方向。
8.如权利要求7所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述功能性区域中设有由纳米结构形成的周期性光栅结构，所述周期性光栅结构包括倾斜光栅、体光栅或矩形光栅中的任一种。
9.如权利要求8所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述滤光层设置在两个所述衍射波导镜片的耦入区域之间。
10.如权利要求1所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述滤光层与所述衍射波导镜片之间通过粘连剂连接。
11.如权利要求1至10中任一项所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述增强现实显示系统包括第一衍射波导镜片、第二衍射波导镜片以及设置在所述第一衍射波导镜片和第二衍射波导镜片之间的滤光层。
12.如权利要求11所述的增强现实显示系统，其特征在于，所述滤光层用于阻碍绿光，透过品红光。
CN201910776054.XA 2019-08-22 2019-08-22 增强现实显示系统 Pending CN112415743A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910776054.XA CN112415743A (zh) 2019-08-22 2019-08-22 增强现实显示系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910776054.XA CN112415743A (zh) 2019-08-22 2019-08-22 增强现实显示系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112415743A true CN112415743A (zh) 2021-02-26

Family

ID=74779601

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910776054.XA Pending CN112415743A (zh) 2019-08-22 2019-08-22 增强现实显示系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112415743A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113126324A (zh) * 2021-03-12 2021-07-16 艾普偏光科技(厦门)有限公司 一种导模共振波导光栅可见光变色的镜片及其制备方法
CN113759553A (zh) * 2021-09-03 2021-12-07 融信信息科技有限公司 一种全息波导显示装置
CN113791470A (zh) * 2021-09-24 2021-12-14 北京枭龙科技有限公司 共振光栅波导结构及近眼显示装置
CN114217438A (zh) * 2021-11-29 2022-03-22 歌尔股份有限公司 光栅结构、镜片及头戴显示设备

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113126324A (zh) * 2021-03-12 2021-07-16 艾普偏光科技(厦门)有限公司 一种导模共振波导光栅可见光变色的镜片及其制备方法
CN113759553A (zh) * 2021-09-03 2021-12-07 融信信息科技有限公司 一种全息波导显示装置
CN113759553B (zh) * 2021-09-03 2024-04-09 融信信息科技有限公司 一种全息波导显示装置
CN113791470A (zh) * 2021-09-24 2021-12-14 北京枭龙科技有限公司 共振光栅波导结构及近眼显示装置
CN114217438A (zh) * 2021-11-29 2022-03-22 歌尔股份有限公司 光栅结构、镜片及头戴显示设备
CN114217438B (zh) * 2021-11-29 2023-11-21 歌尔股份有限公司 光栅结构、镜片及头戴显示设备

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112415743A (zh) 增强现实显示系统
JP7121116B2 (ja) 拡張現実システムのための導波路ベース光学システム及び方法
JP7304874B2 (ja) 超高屈折率接眼レンズ基板ベースの視認光学系アセンブリアーキテクチャ
CN210166574U (zh) 增强现实显示系统
CN109073882B (zh) 具有出射光瞳扩展器的基于波导的显示器
US10914874B2 (en) Metasurface devices for display and photonics devices
US8233204B1 (en) Optical displays
CN104536088B (zh) 齿形镶嵌平面波导光学器件
CN1324347C (zh) 可佩戴的显示系统
CN108885310A (zh) 具有二向色性反射器的双通道成像光导
US20120206812A1 (en) Laminated diffractive optical element and optical system
US20070008624A1 (en) Optical image display system and image display unit
WO2015154643A1 (zh) 透过式眼镜显示器
CN210720888U (zh) 一种ar显示装置及ar显示系统
US20240027670A1 (en) Photonic Crystals and Methods for Fabricating the Same
CN116149065B (zh) 光学模组以及可穿戴设备
EP3757658B1 (en) Optical lens and head-mounted display device
TWI824355B (zh) 一種光學系統及混合實境設備
CN210166573U (zh) 增强现实显示系统
CN112415744A (zh) 增强现实显示系统
CN112415745A (zh) 增强现实显示系统
CN113960799A (zh) 用于ar近眼显示设备的高光效衍射波导元件
CN115373062A (zh) 衍射光波导装置及其方法
CN114779397B (zh) 实现彩色显示的单层光栅波导器件及近眼显示装置
CN215728934U (zh) 一种波导片模型及ar眼镜

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination