CN112731659A - 波导显示镜片及增强现实眼镜 - Google Patents
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Abstract
一种波导显示镜片，包括镜片本体，镜片本体上设有耦入区域、耦出区域、左转折区域和右转折区域，耦入区域、耦出区域、左转折区域和右转折区域内均设有衍射光线的纳米结构，耦入区域和耦出区域设置于左转折区域与右转折区域之间，耦入区域用以接收图像光，图像光经纳米结构对称衍射形成左衍射光和右衍射光，左衍射光经过左转折区域衍射进入耦出区域，右衍射光经过右转折区域衍射进入耦出区域，左衍射光和右衍射光从耦出区域出射。本发明的波导显示镜片具备对称衍射特性，可实现左右视场叠加，进行视场扩展，消除衍射效率不均衡。本发明还涉及一种增强现实眼镜。
Description
技术领域
本发明涉及增强现实显示技术领域，特别涉及一种波导显示镜片及增强现实眼镜。
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。为扩大视场，对其进行了水平或垂直方向的扩展，然而，这种扩展方式会存在多色衍射效率不均衡，产生明显色差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种波导显示镜片，具备对称衍射特性，可实现左右视场叠加，进行视场扩展，消除衍射效率不均衡。
一种波导显示镜片，包括镜片本体，镜片本体上设有耦入区域、耦出区域、左转折区域和右转折区域，耦入区域、耦出区域、左转折区域和右转折区域内均设有衍射光线的纳米结构，耦入区域和耦出区域设置于左转折区域与右转折区域之间，耦入区域用以接收图像光，图像光经纳米结构对称衍射形成左衍射光和右衍射光，左衍射光经过左转折区域衍射进入耦出区域，右衍射光经过右转折区域衍射进入耦出区域，左衍射光和右衍射光从耦出区域出射。
在本发明的实施例中，上述左转折区域包括第一左转折区域和第二左转折区域，所述第一左转折区域与所述第二左转折区域间隔设置，所述第一左转折区域设置于所述耦入区域的一侧，所述第二左转折区域设置于所述耦出区域的一侧；所述右转折区域包括第一右转折区域和第二右转折区域，所述第一右转折区域与所述第二右转折区域间隔设置，所述第一右转折区域设置于所述耦入区域的另一侧，所述第二右转折区域设置于所述耦出区域的另一侧。
在本发明的实施例中，上述纳米结构为倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅、体光栅。
在本发明的实施例中，上述耦入区域的光栅取向与所述第一左转折区域的光栅取向成45°夹角；所述耦入区域的光栅取向与所述第一右转折区域的光栅取向成45°夹角；
所述第一左转折区域的光栅取向与所述第二左转折区域的光栅取向成90°夹角；所述第一右转折区域的光栅取向与所述第二右转折区域的光栅取向成90°夹角；
所述第二左转折区域的光栅取向与所述耦出区域的光栅取向成45°夹角；所述第二右转折区域的光栅取向与所述耦出区域的光栅取向成45°夹角。
在本发明的实施例中，上述耦入区域、所述耦出区域、所述左转折区域和所述右转折区域内的光栅均为一维光栅。
在本发明的实施例中，上述第二左转折区域的宽度大于或等于所述第一左转折区域的宽度；所述第二右转折区域的宽度大于或等于所述第一右转折区域的宽度；
所述耦出区域的宽度大于或等于所述第二左转折区域的长度；所述耦出区域的宽度大于或等于所述第二右转折区域的长度。
在本发明的实施例中，上述耦入区域呈圆形，所述耦出区域、左转折区域和右转折区域均呈矩形。
在本发明的实施例中，上述镜片本体具有相对的第一表面和第二表面，所述耦入区域、所述耦出区域、所述左转折区域和所述右转折区域位于所述第一表面或所述第二表面。
本发明还提供一种增强现实眼镜，包括上述的波导显示镜片。
在本发明的实施例中，上述增强现实眼镜还包括框架和支撑腿，所述支撑腿的一端连接在所述框架上，所述框架上设置有两块所述波导显示镜片，所述支撑腿上设置有微投系统。
本发明的波导显示镜片具备对称衍射特性，可实现左右视场叠加，进行视场扩展，消除衍射效率不均衡。
附图说明
图1是本发明的波导显示镜片结构示意图。
图2是本发明的波导显示镜片光线传导的示意图。
图3是本发明的波导显示镜片视场扩展的示意图。
图4为蓝色光线满足衍射光波导显示镜片的衍射效率图。
图5为绿色光线满足衍射光波导显示镜片的衍射效率图。
图6为红色光线满足衍射光波导显示镜片的衍射效率图。
图7是本发明的增强现实眼镜的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地描述。
第一实施例
图1是本发明的波导显示镜片结构示意图，图2是本发明的波导显示镜片光线传导的示意图，如图1和图2所示，波导显示镜片包括镜片本体10，镜片本体10上设有耦入区域11、耦出区域12、左转折区域13和右转折区域14，耦入区域11、耦出区域12、左转折区域13和右转折区域14内均设有衍射光线的纳米结构15，耦入区域11和耦出区域12设置于左转折区域13与右转折区域14之间，耦入区域11用以接收图像光，图像光经纳米结构15对称衍射形成左衍射光和右衍射光，左衍射光经过左转折区域13衍射进入耦出区域12，右衍射光经过右转折区域14衍射进入耦出区域12，左衍射光和右衍射光从耦出区域12出射。
进一步地，左转折区域13包括第一左转折区域131和第二左转折区域132，第一左转折区域131与第二左转折区域132间隔设置，第一左转折区域131设置于耦入区域11的一侧，第二左转折区域132设置于耦出区域12的一侧；右转折区域14包括第一右转折区域141和第二右转折区域142，第一右转折区域141与第二右转折区域142间隔设置，第一右转折区域141设置于耦入区域11的另一侧，第二右转折区域142设置于耦出区域12的另一侧。在本实施例中，第一左转折区域131与第一右转折区域141对称设置，耦入区域11位于第一左转折区域131与第一右转折区域141之间；第二左转折区域132与第二右转折区域142对称设置，耦出区域12位于第二左转折区域132与第二右转折区域142之间。定义耦入区域11内的纳米结构15为第一纳米结构151；定义耦出区域12内的纳米结构15为第二纳米结构152；定义第一左转折区域131内的纳米结构15为第三纳米结构153；定义第二左转折区域132内的纳米结构15为第四纳米结构153；定义第一右转折区域141内的纳米结构15为第五纳米结构155；定义第二右转折区域142内的纳米结构15为第六纳米结构156。如图2所示，当图像光入射至耦入区域11时，图像光经纳米结构15对称衍射形成左衍射光和右衍射光，即第一纳米结构151对称衍射形成左衍射光和右衍射光，其中：
左衍射光在镜片本体10内全反射至第一左转折区域131，实现横向视场扩展，第一左转折区域131内的纳米结构15改变光线的传播方向，即第三纳米结构153改变光线的传播方向，使衍射光全反射至第二左转折区域132，实现纵向视场扩展，第二左转折区域132内的纳米结构15改变光线的传播方向，即第四纳米结构154改变光线的传播方向，使衍射光全反射至耦出区域12，实现横向视场扩展，最终从耦出区域12出射，此时能看到左半部分视场图像；
同时右衍射光在镜片本体10内全反射至第一右转折区域141，实现横向视场扩展，第一右转折区域141内的纳米结构15改变光线的传播方向，即第五纳米结构155改变光线的传播方向，使衍射光全反射至第二右转折区域142，实现纵向视场扩展，第二右转折区域142内的纳米结构15改变光线的传播方向，即第六纳米结构156改变光线的传播方向，使衍射光全反射至耦出区域12，实现横向视场扩展，最终从耦出区域12出射，此时能看到右半部分视场图像；左衍射光和右衍射光经不同光路最终经同一耦出区域12出射，实现视场融合，扩大视场，且耦出图像光线效率在视场范围内实现对称补偿，消除衍射效率不均衡。
进一步地，纳米结构15为倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅、体光栅，即第一纳米结构151、第二纳米结构152、第三纳米结构153、第四纳米结构153、第五纳米结构155和第六纳米结构156为倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅、体光栅。在本实施例中，纳米结构15可采用全息干涉技术、光刻技术或纳米压印技术制备而成，根据实际需要可自由选择。
进一步地，耦入区域11的光栅取向与第一左转折区域131的光栅取向成45°夹角；耦入区域11的光栅取向与第一右转折区域141的光栅取向成45°夹角；
第一左转折区域131的光栅取向与第二左转折区域132的光栅取向成90°夹角；第一右转折区域141的光栅取向与第二右转折区域142的光栅取向成90°夹角；
第二左转折区域132的光栅取向与耦出区域12的光栅取向成45°夹角；第二右转折区域142的光栅取向与耦出区域12的光栅取向成45°夹角。
进一步地，耦入区域11、耦出区域12、左转折区域13和右转折区域14内的光栅均为一维光栅。
进一步地，第二左转折区域132的宽度大于或等于第一左转折区域131的宽度；第二右转折区域142的宽度大于或等于第一右转折区域141的宽度；
耦出区域12的宽度大于或等于第二左转折区域132的长度；耦出区域12的宽度大于或等于第二右转折区域142的长度。
进一步地，耦入区域11呈圆形，耦出区域12、左转折区域13和右转折区域14均呈矩形，但并不以此为限，例如耦入区域11还可呈矩形或锥形；耦出区域12、左转折区域13和右转折区域14还可呈圆形或锥形。
进一步地，镜片本体10具有相对的第一表面101和第二表面102，耦入区域11、耦出区域12、左转折区域13和右转折区域14位于第一表面101或第二表面102。
在本实施例中，纳米结构15的周期和取向角满足光栅方程，具体满足方程式(1)和(2)：
tanψ＝sinφ/(cosφ-nsinθ1(Λ/λ)) (1)
其中，ψ表示衍射光的方位角；φ表示衍射光栅的取向角；θ1表示入射光的入射角；Λ表示衍射光栅的周期；λ表示入射光的波长；n表示衍射光栅的折射率；
sin2(θ2)＝(λ/Λ)2+(nsinθ1)2+2nsinθ1cosφ(λ/Λ) (2)
其中，θ2表示衍射光的衍射角。
当规定好入射光线波长、入射角以及衍射光线衍射角和衍射方位角之后，就可以通过上述两个公式计算出所需的纳米结构15的周期和取向角，具体计算过程请参照现有技术，此处不再赘述。
图3是本发明的波导显示镜片视场扩展的示意图，如图2和图3所示，对于右半部分，实线代表耦入区域11能够往右转折区域14传导的光线，由于耦入区域11的纳米结构15(第一纳米结构151)的设计，对于部分波长的光线，仅能够实现非对称入射情况下的，产生的1级衍射光在镜片本体10内全反射至右转折区域14，最终出射时，仅能看到右半部分视场图像；
对于左半部分，虚线代表耦入域区能够往右转折区域14传导的光线，由于耦入区域11的纳米结构15(第一纳米结构151)的设计，对于部分波长的光线，仅能够实现非对称入射情况下的，产生的-1级衍射光在镜片本体10内全反射至左转折区域13，最终出射时，仅能看到左半部分视场图像；左衍射光和右衍射光经不同光路最终经同一耦出区域12出射，实现视场融合，扩大视场。
图4为蓝色光线满足衍射光波导显示镜片的衍射效率图，如图4所示，右传导+1级的透射衍射效率在-30°～0°期间，具有较高平均的透射衍射效率，而在0°～30°时，其满足右传导的+1级衍射效率几乎没有；对应地，左传导-1级的透射衍射效率在0°～30°期间，具有较高平均的透射衍射效率，而在-30°～0°时，其满足右传导的+1级衍射效率几乎没有。本发明的波导显示镜片具备对称衍射特性，可实现左右视场叠加，进行视场扩展，其对称传导的透射衍射率在-30°～30°均具有较高、较平均的衍射特性。
图5为绿色光线满足衍射光波导显示镜片的衍射效率图，如图5所示，右传导+1级的透射衍射效率在-30°～-5°期间，具有较高平均的透射衍射效率，而在5°～30°时，其满足右传导的+1级衍射效率几乎没有；对应地，左传导-1级的透射衍射效率在5°～30°期间，具有较高平均的透射衍射效率，而在-30°～-5°时，其满足左传导的+1级衍射效率几乎没有。本发明的波导显示镜片具备对称衍射特性，可实现左右视场和效率叠加，进行视场扩展。
图6为红色光线满足衍射光波导显示镜片的衍射效率图，如图6所示，右传导+1级的透射衍射效率在-30°～0°期间，具有较高平均的透射衍射效率，而在0°～30°时，其满足右传导的+1级衍射效率几乎没有；对应地，左传导-1级的透射衍射效率在0°～30°期间，具有较高平均的透射衍射效率，而在-30°～0°时，其满足左传导的+1级衍射效率几乎没有。本发明的波导显示镜片，具备对称衍射特性，可实现左右视场和效率叠加，进行视场扩展。
第二实施例
本发明还涉及一种增强现实眼镜20，增强现实眼镜20包括上述的波导显示镜片。
图7是本发明的增强现实眼镜的结构示意图，如图7所示，增强现实眼镜20还包括框架21和两个支撑腿22，两个支撑腿22对称设置，支撑腿22的一端连接在框架21上，框架21上设置有两块波导显示镜片，支撑腿22上设置有微投系统23。在本实施例中，左、右两个独立的微投系统23输出不同视差图像，可实现立体三维显示。
进一步地，微投系统23包括光源和功能薄膜，功能薄膜上设有聚焦成像的纳米结构15,光源发出的光经过功能薄膜后聚焦成像，并将图像光射入耦入区域11，图像光由波导显示镜片的耦出区域14输出。在本实施例中，功能薄膜可热变形，也可由光刻胶制成，在其他实施例中，功能薄膜的纳米结构15是通过复制转印形成的结构。
进一步地，微投系统23的光源可选自液晶投影机(Liquid Crystal on Silicon；LCOS)、投影仪(Digital Light Procession；DLP)、液晶显示器(Liquid Crystal Display；LCD)、发光二极管(LED)其中之一。
本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (10)
1.一种波导显示镜片，其特征在于，包括镜片本体，所述镜片本体上设有耦入区域、耦出区域、左转折区域和右转折区域，所述耦入区域、所述耦出区域、所述左转折区域和所述右转折区域内均设有衍射光线的纳米结构，所述耦入区域和所述耦出区域设置于所述左转折区域与所述右转折区域之间，所述耦入区域用以接收图像光，图像光经所述纳米结构对称衍射形成左衍射光和右衍射光，所述左衍射光经过所述左转折区域衍射进入所述耦出区域，所述右衍射光经过所述右转折区域衍射进入所述耦出区域，所述左衍射光和所述右衍射光从所述耦出区域出射。
2.如权利要求1所述的波导显示镜片，其特征在于，所述左转折区域包括第一左转折区域和第二左转折区域，所述第一左转折区域与所述第二左转折区域间隔设置，所述第一左转折区域设置于所述耦入区域的一侧，所述第二左转折区域设置于所述耦出区域的一侧；所述右转折区域包括第一右转折区域和第二右转折区域，所述第一右转折区域与所述第二右转折区域间隔设置，所述第一右转折区域设置于所述耦入区域的另一侧，所述第二右转折区域设置于所述耦出区域的另一侧。
3.如权利要求2所述的波导显示镜片，其特征在于，所述纳米结构为倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅、体光栅。
4.如权利要求3所述的波导显示镜片，其特征在于，所述耦入区域的光栅取向与所述第一左转折区域的光栅取向成45°夹角；所述耦入区域的光栅取向与所述第一右转折区域的光栅取向成45°夹角；
所述第一左转折区域的光栅取向与所述第二左转折区域的光栅取向成90°夹角；所述第一右转折区域的光栅取向与所述第二右转折区域的光栅取向成90°夹角；
所述第二左转折区域的光栅取向与所述耦出区域的光栅取向成45°夹角；所述第二右转折区域的光栅取向与所述耦出区域的光栅取向成45°夹角。
5.如权利要求3所述的波导显示镜片，其特征在于，所述耦入区域、所述耦出区域、所述左转折区域和所述右转折区域内的光栅均为一维光栅。
6.如权利要求2所述的波导显示镜片，其特征在于，所述第二左转折区域的宽度大于或等于所述第一左转折区域的宽度；所述第二右转折区域的宽度大于或等于所述第一右转折区域的宽度；
所述耦出区域的宽度大于或等于所述第二左转折区域的长度；所述耦出区域的宽度大于或等于所述第二右转折区域的长度。
7.如权利要求2所述的波导显示镜片，其特征在于，所述耦入区域呈圆形，所述耦出区域、左转折区域和右转折区域均呈矩形。
8.如权利要求1所述的波导显示镜片，其特征在于，所述镜片本体具有相对的第一表面和第二表面，所述耦入区域、所述耦出区域、所述左转折区域和所述右转折区域位于所述第一表面或所述第二表面。
9.一种增强现实眼镜，其特征在于，包括权利要求1至8任意一项所述的波导显示镜片。
10.如权利要求9所述的增强现实眼镜，其特征在于，所述增强现实眼镜还包括框架和支撑腿，所述支撑腿的一端连接在所述框架上，所述框架上设置有两块所述波导显示镜片，所述支撑腿上设置有微投系统。
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