CN112649963A

CN112649963A - 成像模组和增强现实设备

Info

Publication number: CN112649963A
Application number: CN202110016371.9A
Authority: CN
Inventors: 李琨; 饶轶; 刘德安
Original assignee: Goertek Inc
Current assignee: Goertek Inc
Priority date: 2021-01-06
Filing date: 2021-01-06
Publication date: 2021-04-13
Also published as: WO2022148171A1

Abstract

本发明公开一种成像模组和增强现实设备，其中，成像模组包括：光机；光波导，包括透光基底、及设于所述透光基底的入射光栅和出射光栅，所述入射光栅对应所述光机设置；以及，衍射成像元件，位于所述光波导的出光路径上，并与所述出射光栅相对设置。本发明的技术方案能降低产品对透光基底材料高折射率等条件所带来的物理限制，增大产品视场角，提升产品光效，增强产品亮度均匀性。

Description

成像模组和增强现实设备

技术领域

本发明涉及光学设备技术领域，特别涉及一种成像模组和增强现实设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界叠加在现实世界并进行互动。

有的增强现实设备采用包括光机20'和光波导10'的成像模组。参照图1，常见的光波导10'包括透光基底11'、及设于透光基底11'上的入射光栅12'和出射光栅13'；常见的光机20'包括微显示屏21'、及设于微显示屏21'前侧的成像棱镜22'或棱镜组，微显示屏21'上的每个像素都经由成像棱镜22'或者棱镜组汇聚在光机出瞳23'或波导入瞳处，再通过入射光栅12'耦入透光基底11'，最后从出射光栅13'出射，以输入人眼。由最边缘的像素点形成的光束所成的夹角即为视场角(FOV)；可以理解，经过光机出瞳23'或波导入瞳入射到衍射光波导10'上的光线是多个角度的，入射角范围θ_i即为所述FOV。

由于衍射光栅对于入射角度具有敏感性，即为不同角度入射的光经入射光栅12'衍射后出射角度也不同，从而形成衍射角度范围Δθ_d。在光波导10'传播原理中，透光基底11'材料需要有足够大的折射率，才能够支持大衍射角度范围的光线满足全反射条件，即光线能够在光波导10'中传播。因此，透光基底11'材料的发展是光波导10'FOV的限制条件之一。

另外，由于衍射光栅对于入射角度的敏感性，不同入射角度光的衍射效率也不相同，这就造成了显示亮度在FOV内分布不均匀的现象。为了提高亮度均匀性，入射光栅12'通常经过优化选择角度均匀性比较好的设计参数，但如此，会牺牲总体耦入效率，影响产品光效。

以上内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种成像模组，旨在降低其对透光基底材料高折射率等条件所带来的物理限制，增大其视场角，提升其光效，增强其亮度均匀性。

为实现上述目的，本发明提出的成像模组包括：

包括：

光机；

光波导，包括透光基底、及设于所述透光基底的入射光栅和出射光栅，所述入射光栅对应所述光机设置；以及，

衍射成像元件，位于所述光波导的出光路径上，并与所述出射光栅相对设置。

可选地，所述衍射成像元件配置为成像光栅。

可选地，所述成像光栅配置为表面浮雕光栅或者全息体光栅。

可选地，所述衍射成像元件的材料为有机树脂材料或介质材料或聚合物材料或液晶材料。

可选地，所述透光基底的材质为玻璃材质。

可选地，所述出射光栅设置在所述透光基底的背离所述衍射成像元件的一侧。

可选地，所述光机包括微显示屏及位于所述微显示屏前侧的准直元件，所述微显示屏所发出的光经过所述准直元件后，平行传输至所述光波导。

可选地，所述光机采用平行光源，以使所述光机所发出的光平行传输至所述光波导。

可选地，传输至所述光波导的光垂直入射所述光波导。

本发明还提出一种增强现实设备，包括前述的成像模组。

本发明的技术方案通过在所述光波导的出光路径上设置与所述出射光栅相对的衍射成像元件，而所述光机的微显示屏前侧无需设置成像棱镜或棱镜组等成像元件，也即，将所述成像模组中的成像元件从光波导的入射端移至出射端，如此，通过所述光机向所述光波导输出平行光时，入射到所述入射光栅上的光线角度相同，则衍射角度也相同，不存在由于不同入射角度引起的角度差，因此，只要衍射角度满足透光基底的全反射条件即可，从而能降低该成像模组对透光基底材料高折射率等条件所带来的物理限制，增大其视场角，入射光栅的设计难度也可以得以降低，从而减轻光波导的设计压力；另外，由于入射角度相同，各个像素耦入的效率也相同，在通过出射光栅后耦出效率也相同，使得整个视场角的效率均匀，并可选择在该角度下最高效率的解，从而有利于提高该成像模组的光效，并提高该成像模组的亮度的均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，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示出的结构获得其他的附图。

图1为背景技术中的成像模组的结构示意图；

图2为本发明成像模组一实施例的结构示意图。

背景技术中的附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10’	光波导	11’	透光基底
12’	入射光栅	13’	出射光栅
				20’	光机	21’	微显示屏
22’	成像棱镜	23’	光机出瞳

具体实施方式中的附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	光波导	11	透光基底
12	入射光栅	13	出射光栅
				20	光机	21	微显示屏
22	准直元件	30	衍射成像元件

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”或者“及/或”，其含义包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种成像模组。

参照图2，在本发明一实施例中，该成像模组包括：

光机20；

光波导10，包括透光基底11、及设于所述透光基底11的入射光栅12和出射光栅13，所述入射光栅12对应所述光机20设置；以及，

衍射成像元件30，位于所述光波导10的出光路径上，并与所述出射光栅13相对设置。

本实施例中，所述光波导10具体设置为衍射光波导10，所述入射光栅12和所述出射光栅13均设置为衍射光栅。所述入射光栅12对应所述光机20设置，是指所述光机20朝向所述入射光栅12设置。需要说明的是，如图2所示，所述入射光栅12设于所述透光基底11的背离所述光机20的一侧；然本设计不限于此，于其他实施例中，所述入射光栅12还可设于所述透光基底11的面向所述光机20的一侧。

本实施例中，当光线在所述出射光栅13的衍射作用下出射后，由所述衍射成像元件30完成光线的汇聚和成像任务，从而使得人眼能够看到完整的像。通常地，会对所述衍射成像元件30根据设计需要进行优化，从而使得成像后光线在整个动眼框仍然分布均匀，不会产生亮斑或者暗条纹。

本发明的技术方案通过在所述光波导10的出光路径上设置与所述出射光栅13相对的衍射成像元件30，而所述光机20的微显示屏21前侧无需设置成像棱镜或棱镜组等成像元件，也即，将所述成像模组中的成像元件从光波导10的入射端移至出射端，如此，通过所述光机20向所述光波导10输出平行光时，入射到所述入射光栅12上的光线角度相同，则衍射角度也相同，不存在由于不同入射角度引起的角度差，因此，只要衍射角度满足透光基底11的全反射条件即可，从而能降低该成像模组对透光基底11材料高折射率等条件所带来的物理限制，增大其视场角，入射光栅12的设计难度也可以得以降低，从而减轻光波导10的设计压力；另外，由于入射角度相同，各个像素耦入的效率也相同，在通过出射光栅13后耦出效率也相同，使得整个视场角的效率均匀，并可选择在该角度下最高效率的解，而有利于提高该成像模组的光效，并提高该成像模组的亮度的均匀性。

进一步地，所述衍射成像元件30配置为成像光栅，以通过成像光栅对出射光线进行衍射后，再完成光线的汇聚和成像，从而使得人眼能够看到完整的像。本实施例中，可选地，所述成像光栅可但不限于配置为表面浮雕光栅或者全息体光栅等。另外，可选地，所述衍射成像元件30的材料可但不限于采用有机树脂材料或介质材料或聚合物材料或液晶材料等。

进一步地，所述透光基底11的材质为玻璃材质，玻璃材质的折射率较高，有利于实现内部光线的全反射，从而有利于将入射的光搬运至出射光栅13。然本设计不限于此，于其他实施例中，透光基底11的材质还可采用其他折射率较高且在可见光波段透明的透光材质。

进一步地，所述出射光栅13设置在所述透光基底11的背离所述衍射成像元件30的一侧。也即，本实施例中，所述出射光栅13和所述衍射成像元件30分设于所述透光基底11的相对两侧，如此，可便于将所述衍射成像元件30靠近所述透光基底11设置，以使得所述成像模组的结构更为紧凑。然本设计不限于此，于其他实施例中，所述出射光栅13也可设置在所述透光基底11的面向所述衍射成像元件30的一侧，也即，所述出射光栅13和所述衍射成像元件30可以位于所述透光基底11的同一侧。

本实施例中，可选地，所述衍射成像元件30分体设置于所述透光基底11(见图2)。然本设计不限于此，于其他实施例中，所述衍射成像元件30也可以依附设置在所述透光基底11，或者直接成型在所述透光基底11的背离所述出射光栅13的侧面上，如此，可以提高产品的模块化程度，减少所需装配的部件，提高产品装配效率。

进一步地，所述光机20包括微显示屏21及位于所述微显示屏21前侧的准直元件22，所述微显示屏21所发出的光经过所述准直元件22后，平行传输至所述光波导10；可以理解，所述准直元件22用以使所述微显示屏21的每一像素准直成多束平行光线，以使得入射到所述光波导10上的各像素所对应的光线为平行光，也即，能使得入射到所述入射光栅12上的光线角度相同，进而使各光线衍射角度相同，而不存在由于不同入射角度引起的角度差。然本设计不限于此，于其他实施例中，所述光机20还可采用平行光源，以使所述光机20所发出的光平行传输至所述光波导10，如此，亦可使得入射到所述光波导10上的各像素所对应的光线为平行光，进而使各光线在经过入射光栅12的衍射后，衍射角度相同，而不存在由于不同入射角度引起的角度差。另外，在本发明中，可选地，传输至所述光波导10的光垂直入射所述光波导10，也即，所有光的入射角均为零，如此，可在使得在入射角度相同的同时，使所有光线都能进入所述光波导10，减少光线在进入所述光波导10时的光损失，从而有利于提高所述成像模组的光效。

本发明还提出一种增强现实设备，该成像模组包括成像模组，该成像模组的具体结构参照上述实施例，由于本增强现实设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种成像模组，其特征在于，包括：

光机；

2.如权利要求1所述的成像模组，其特征在于，所述衍射成像元件配置为成像光栅。

3.如权利要求2所述的成像模组，其特征在于，所述成像光栅配置为表面浮雕光栅或者全息体光栅。

4.如权利要求1所述的成像模组，其特征在于，所述衍射成像元件的材料为有机树脂材料或介质材料或聚合物材料或液晶材料。

5.如权利要求1所述的成像模组，其特征在于，所述透光基底的材质为玻璃材质。

6.如权利要求1所述的成像模组，其特征在于，所述出射光栅设置在所述透光基底的背离所述衍射成像元件的一侧。

7.如权利要求1所述的成像模组，其特征在于，所述光机包括微显示屏及位于所述微显示屏前侧的准直元件，所述微显示屏所发出的光经过所述准直元件后，平行传输至所述光波导。

8.如权利要求1所述的成像模组，其特征在于，所述光机采用平行光源，以使所述光机所发出的光平行传输至所述光波导。

9.如权利要求7或8所述的成像模组，其特征在于，传输至所述光波导的光垂直入射所述光波导。

10.一种增强现实设备，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的成像模组。