CN112859334A - 近眼显示装置和ar眼镜 - Google Patents
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Abstract
本公开是关于一种近眼显示装置和AR眼镜，近眼显示装置，包括：光机和体全息光栅；所述光机，用于出射光线；所述体全息光栅，用于接收所述光机出射的光线，并对所述光线进行衍射后出射至人眼。通过该技术方案，采用衍射光学技术，利用反射式体全息光栅实现视网膜近眼显示，可以大大减小AR眼镜的体积和重量。
Description
技术领域
本公开涉及近眼显示技术领域，尤其涉及一种近眼显示装置和AR眼镜。
背景技术
随着虚拟现实和增强现实技术的发展，近眼式显示设备得到快速发展，增强现实的近眼式显示是一种将光场成像在现实空间的技术，并且可以同时兼顾虚拟和现实的操作。
现有可实现近眼显示技术小型化的几大主流技术方案包含：光波导技术、棱镜技术、自由曲面等技术。
光波导又分为几何光波导和衍射光波导，主要原理是通过光波导将光机中发出的平行光从耦入区域全反射传播到耦出区域，并传播到人眼视网膜成像。
光机的光线在全反射传播过程中需要考虑光机光线的出瞳大小，由于扩瞳的原因容易出现暗条纹的情况。同时衍射光波导光线在全反射过程中又会造成色散，颜色失真的问题。但是做成眼镜可以实现轻量化和小型化。典型厂商有：Hololens，Lumus等等。
棱镜技术是通过偏振分光棱镜将自然光线和光机中的平行光整合到人眼视网膜成像。
棱镜技术成本较低，但是该技术的视场角受限，只有10几度的FOV；同时因为棱镜的原因无法缩小镜片厚度。典型厂商如：Google Glass、ODG等。
自由曲面是光机中的光在棱镜后表面发生一次全反射，然后被自由曲面反射到人眼视网膜成像，同时使用补偿棱镜使外界光可以无偏差的进入人眼。
该设计可以实现大视场角的FOV，达到30～40°，但是典型的厚度接近10mm甚至更大。典型厂商如：奈得佳、Epson。
但是，这几项轻量化近眼显示技术均存在各自的缺点，用户体验不高。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种近眼显示装置和AR眼镜。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种近眼显示装置，包括：光机和体全息光栅；
所述光机，用于出射光线；
所述体全息光栅，用于接收所述光机出射的光线，并对所述光线进行衍射后出射至人眼。
在一个实施例中，优选地，所述体全息光栅包括基底和设置在所述基底第一表面的光敏材料；
采用全息曝光方式对所述光敏材料进行曝光，以得到所述体全息光栅。
在一个实施例中，优选地，所述全息曝光方式包括使用两束相干激光相互干涉曝光。
在一个实施例中，优选地，所述体全息光栅的衍射公式为：
其中，∧表示光栅周期，λ表示激光波长，n表示所述光敏材料的折射率，θ表示光栅方向。
在一个实施例中，优选地，所述光栅方向垂直于光栅矢量。
在一个实施例中，优选地，所述体全息光栅包括多角度复用体全息光栅。
在一个实施例中，优选地，所述多角度复用体全息光栅为分别使用多组不同角度的相干激光对所述光敏材料进行曝光得到。
在一个实施例中，优选地，所述光敏材料为多层光敏材料，所述多角度复用体全息光栅通过单角度或多角度的相干激光对每层光敏材料进行曝光得到。
在一个实施例中，优选地，根据所需视场角计算出射角的范围，并根据所述出射角的范围确定每组相干激光的角度。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种AR眼镜，包括：
如第一方面的实施例中任一项所述的近眼显示装置；
镜框；
其中，近眼显示装置的光机设置在所述镜框的镜腿上，所述体全息光栅作为镜片设置在所述镜框上，且光线接收端和出射端均位于所述眼睛的内表面。
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，采用衍射光学技术，利用反射式体全息光栅实现视网膜近眼显示，可以大大减小AR眼镜的体积和重量。
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示出了衍射光波导近眼显示的原理示意图。
图2示出了几何光波导近眼显示的原理示意图。
图3示出了棱镜近眼显示的原理示意图。
图4示出了自由曲面棱镜近眼显示的原理示意图。
图5是根据一示例性实施例示出的一种近眼显示装置的原理示意图。
图6是根据一示例性实施例示出的体全息光栅的制备方法的示意图。
图7是根据一示例性实施例示出的体全息光栅K矢量圆的分析示意图。
图8是根据一示例性实施例示出的体全息光栅的复现原理图。
图9是根据一示例性实施例示出的单角度满足可视角度原理图。
图10是根据一示例性实施例示出的角度复用曝光体全息光栅的示意图。
图11是根据一示例性实施例示出的角度复用体全息光栅的光路复现图。
图12是根据一示例性实施例示出的角度复用体全息光栅的衍射效率示意图。
图13是根据一示例性实施例示出的AR眼镜的整机示意图。
图14是根据一示例性实施例示出的AR眼镜的局部示意图。
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示出了衍射光波导近眼显示的原理示意图。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示出了几何光波导近眼显示的原理示意图。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。
几何光波导成像质量较好，不易出现色差，但是制造成本高，工艺复杂困难；衍射光波导几次衍射后成像容易出现色差，但是制造成本低，工艺简单。
图3示出了棱镜近眼显示的原理示意图。如图3所示，棱镜技术是通过偏振分光棱镜将自然光线和光机中的平行光整合到人眼视网膜成像。棱镜技术成本较低，但是该技术的视场角受限，只有10几度的FOV；同时因为棱镜的原因无法缩小镜片厚度。
图4示出了自由曲面棱镜近眼显示的原理示意图。如图4所示，自由曲面是光机中的光在棱镜后表面发生一次全反射，然后被自由曲面反射到人眼视网膜成像，同时使用补偿棱镜使外界光可以无偏差的进入人眼。该设计可以实现大视场角的FOV，达到30～40°，但是典型的厚度接近10mm甚至更大。
上述几项轻量化近眼显示技术均存在各自的缺点，用户体验不高。因此，提出了本发明的近眼显示装置。
图5是根据一示例性实施例示出的一种近眼显示装置的原理示意图，如图5所示，近眼显示装置，包括：光机51和体全息光栅52；
所述光机51，用于出射光线；
所述体全息光栅52，用于接收所述光机出射的光线，并对所述光线进行衍射后出射至人眼。
在一个实施例中，优选地，所述体全息光栅52包括基底521和设置在所述基底第一表面的光敏材料522；
采用全息曝光方式对所述光敏材料进行曝光，以得到所述体全息光栅。
如图6所示，在一个实施例中，优选地，所述全息曝光方式包括使用两束相干激光相互干涉曝光。
如图7所示，在一个实施例中，优选地，所述体全息光栅的衍射公式为：
其中，∧表示光栅周期，λ表示激光波长，n表示所述光敏材料的折射率，θ表示光栅方向。其中，光栅方向即图7中K1和K2的角平分线的角度。其中，所述光栅方向垂直于光栅矢量。
如图8所示，在光栅光路复现的过程中，体全息光栅既要满足衍射定律又要满足反射定律，即入射光与出射光的角平分线为光栅矢量K的方向。
体全息光栅的角度选择性和波长选择性很好，从而限制了该全息波导显示系统的视场角，仅能达到10度-20度。假设当以角度选择性18°来模拟：用K2±9°的平行光入射，如图9所示，那衍射光将沿K1±9°出射，因此该组光栅能满足18°的可视角。
为了进一步扩大体全息光栅能支持的FOV，所述体全息光栅可以包括多角度复用体全息光栅。即在曝光时，先后分别用多组不同角度的激光进行曝光，产生多组光栅。例如，如图10所示，先后分别用两组不同角度K1’，K2’和K1”，K2”的激光进行曝光，将产生两组光栅。角度复用体全息光栅光路复现如图11所示。假设每组光栅的角度选择性均为18°左右。且每组光栅只对自己的角度选择范围内有调制作用。在复用光栅光路复现时，体全息光栅同样既要满足衍射定律又要满足反射定律。因此这两组光栅将分别能满足K2’±9°和K2”±9°的角度选择性，即表现为该复用体全息光栅同时能支持K2’±9°和K2”±9°的角度选择性，且两组光栅互不影响，这样将大大增加了体全息光栅的角度选择性。角度复用体全息光栅衍射效率如图12所示。
在一个实施例中，优选地，所述多角度复用体全息光栅为分别使用多组不同角度的相干激光对所述光敏材料进行曝光得到。
在一个实施例中，优选地，所述光敏材料为多层光敏材料，所述多角度复用体全息光栅通过单角度或多角度的相干激光对每层光敏材料进行曝光得到。例如，两组光栅可以为同一片光敏材料，亦可是两层或多层单角度或多层多角度曝光光敏材料；两次曝光角度不局限于两次，可以是多次。
在一个实施例中，优选地，根据所需视场角计算出射角的范围，并根据所述出射角的范围确定每组相干激光的角度。
如图13和14所示，根据本公开实施例的第二方面，提供一种AR眼镜，包括：
如第一方面的实施例中任一项所述的近眼显示装置；
镜框；
其中，近眼显示装置的光机设置在所述镜框的镜腿上，所述体全息光栅作为镜片设置在所述镜框上，且光线接收端和出射端均位于所述眼睛的内表面。
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)
1.一种近眼显示装置，其特征在于，包括：光机和体全息光栅；
所述光机，用于出射光线；
所述体全息光栅，用于接收所述光机出射的光线，并对所述光线进行衍射后出射至人眼。
2.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述体全息光栅包括基底和设置在所述基底第一表面的光敏材料；
采用全息曝光方式对所述光敏材料进行曝光，以得到所述体全息光栅。
3.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述全息曝光方式包括使用两束相干激光相互干涉曝光。
4.根据权利要求2所述的近眼显示装置，其特征在于，所述体全息光栅的衍射公式为：
其中，∧表示光栅周期，λ表示激光波长，n表示所述光敏材料的折射率，θ表示光栅方向。
5.根据权利要求4所述的近眼显示装置，其特征在于，所述光栅方向垂直于光栅矢量。
6.根据权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述体全息光栅包括多角度复用体全息光栅。
7.根据权利要求6所述的近眼显示装置，其特征在于，所述多角度复用体全息光栅为分别使用多组不同角度的相干激光对所述光敏材料进行曝光得到。
8.根据权利要求6所述的近眼显示装置，其特征在于，所述光敏材料为多层光敏材料，所述多角度复用体全息光栅通过单角度或多角度的相干激光对每层光敏材料进行曝光得到。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的近眼显示装置，其特征在于，根据所需视场角计算出射角的范围，并根据所述出射角的范围确定每组相干激光的角度。
10.一种AR眼镜，其特征在于，包括：
如权利要求1至9中任一项所述的近眼显示装置；
镜框；
其中，近眼显示装置的光机设置在所述镜框的镜腿上，所述体全息光栅作为镜片设置在所述镜框上，且光线接收端和出射端均位于所述眼睛的内表面。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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