CN113050281A - 一种光学系统及混合现实设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了光学系统及混合现实设备。光学系统包括：投影装置，其用于投射两束图像光；基底层，其具有用于分别接收源自所述投影装置的两束所述图像光的两个侧面以及用于将进入所述基底层的两束所述图像光进行全反射的两个平面；以及衍射光栅层，其至少设置于所述基底层的一个平面上，用于将所述基底层中传播的两束所述图像光反射衍射或透射衍射出去，其中，通过所述衍射光栅层衍射出去的目标图像光的能量均匀分布。本发明实施例的光学系统及混合现实设备，可以提供更紧凑的结构，提供更好的沉浸感。

Description

一种光学系统及混合现实设备
技术领域
本发明属于光电子技术领域，特别涉及一种光学系统及混合现实设备。
背景技术
混合现实设备包括虚拟现实设备和增强现实设备，虚拟现实设备是只给用户呈现虚拟图像信息而外界环境光不能通过虚拟现实设备进入用户眼中，增强现实设备是可以将虚拟图像信息和外界环境光同时呈现到用户眼中。
光波导技术作为混合现实设备中的光学系统中的一种，以其轻薄和外界光线的高穿透性的特点获得越来越高的热度。
发明内容
本申请的实施例首先提供了一种光学系统，包括：投影装置，其用于投射两束图像光；基底层，其具有用于分别接收源自所述投影装置的两束所述图像光的两个侧面以及用于将进入所述基底层的两束所述图像光进行全反射的两个平面；以及衍射光栅层，其至少设置于所述基底层的一个平面上，用于将所述基底层中传播的两束所述图像光反射衍射或透射衍射出去，其中，通过所述衍射光栅层衍射出去的目标图像光的能量均匀分布。
本发明实施例还公开了一种混合现实设备，其包括数据处理模块和上述的光学系统，所述数据处理模块将需要显示的图像信息传输至所述光学系统的投影装置中以显示图像。
本发明的目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
图1是根据本发明实施例的光学系统的结构示意图；
图2是根据本发明另一实施例的光学系统的结构示意图；
图3是图2的另一个角度的视图；
图4是根据本发明实施例的光学系统中的基底层和衍射光栅层的结构示意图；
图5是根据本发明实施例的光学系统中的图像光线的衍射效率图；
图6是根据本发明实施例的光学系统中的图像光线的衍射绝对光强图；
图7是根据本发明实施例的混合现实设备的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
请参考图1，本申请实施例公开了一种光学系统100，其包括投影装置101，102、基底层400和衍射光栅层。
投影装置，其用于投射两束图像光。可以是一个投影装置透射两束图像光，例如通过分光束的方式将一个投影装置投射出的光分为两束图像光。还可以是图1中示出的方式，两个投影装置101，102分别出射一束图像光。两个投影装置101,102可以相对于基底层400的两个平面中心位置的垂线对称设置。
基底层400，其具有用于分别接收源自投影装置101,102的两束图像光的两个侧面以及用于将进入基底层400的两束图像光进行全反射的两个平面。参考图1，基底层400例如其截面可以是梯形，其两个侧面分别用于接收两束图像光，两束图像光分别在相对的两个平面内进行全反射传播。具体地，一束图像光通过一个侧面入射进入基底层400，图像光会在基底层400的两个相对的平面内以全反射的方式朝向另一个侧面传播。
衍射光栅层501,502，其至少设置于基底层400的一个平面上，用于将基底层400中传播的两束图像光反射衍射或透射衍射出去。其中，通过衍射光栅层501,502衍射出去的目标图像光1000的能量均匀分布。两束图像光均可以通过光学系统100出射，可以实现光瞳连续的效果。图像光在基底层400内传播时，当遇到设置在基底层400的平面时，以反射衍射或透射衍射的方式出射，出射的图像光称之为目标图像光1000。例如，衍射光栅层分为两层，一层设置在基底层400的下面的平面上，另一层设置在基底层400的上面的平面上，其中一层对应的图像光是以反射衍射的方式出射，另一层对应的图像光是以透射衍射的方式出射。又例如，参考图1，衍射光栅层501,502为一层，一层衍射光栅层501,502贴合在基底层400的一个平面上，图像光以透射衍射的方式出射，当图像光遇到衍射光栅层时以透射衍射的方式出射，出射的目标图像光1000的能量均匀分布。图1中，衍射光栅层的左部分标记为502，衍射光栅层的右部分标记为501，这两部分实际上是一层整体的衍射光栅层，出射的目标图像光1000的能量在衍射光栅层上均匀分布，也就是说，衍射光栅层的不同位置对应的出射的目标图像光1000的能量相等。衍射光栅层501,502的中心位置可以与基底层400的中心位置重合。
通过设置投影装置101,102、基底层400和衍射光栅层501,502，光学系统100的出射的目标图像光1000的能量均匀分布，光学系统100更加紧凑，光学系统100出射的目标图像光1000可以分别对应至用户的两眼，不用分别针对用户的每只眼睛设置不同的两个光学系统，利用此光学系统100的混合现实设备的沉浸感更好。
在一些实施例中，投影装置101,102具体可以包括投影镜头和显示屏幕，显示屏幕用于加载待显示的图像信息，进而将待显示的图像信息以光的形式发射到投影镜头，投影镜头可以用于对光形式的图像信息(图像光)进行准直并传输至光路的下游。投影装置101,102可以分别贴合在基底层400的两个侧面上。
在一些实施例中，参考图1，光学系统100还可以包括两个耦合棱镜301,302，其分别设置于基底层400的两个侧面上，分别用于将源自投影装置101,102的两束图像光通过两个侧面耦合进入基底层400。投影装置101出射的图像光可以经过耦合棱镜301通过基底层400的一个侧面入射基底层400，投影装置102出射的图像光可以经过耦合棱镜302通过基底层400的另一个侧面入射基底层400。其中，两个耦合棱镜301,302可以分别胶合在基底层400的两个侧面上，投影装置101,102分别贴合在两个耦合棱镜301,302上。两个投影装置101,102可以相对于基底层400的两个平面中心位置的垂线对称设置，两个耦合棱镜301,302也可以相对于基底层400的两个平面中心位置的垂线对称设置。
在一些实施例中，光学系统100还可以包括两个反射元件201,202，其分别设置于投影装置101,102的两束图像光对应入射至耦合棱镜301,302的光路上，用于分别将源自投影装置101,102两束图像光反射至对应的耦合棱镜301,302。投影装置101,102出射的图像光经过反射元件201,202反射后进入耦合棱镜301,302，耦合棱镜301,302再将图像光耦合入射至基底层400。其中，两个耦合棱镜301,302可以分别贴合在基底层400的两个侧面上，投影装置101,102可以与基底层400的平面平行设置。如果投影装置101,102设置的位置靠近基底层400的边缘或者基底层400的外侧，不影响环境光通过基底层400和衍射光栅层501,502射入人眼，光学系统100可以实现图像光线和外界环境光都射入人眼的效果。基底层400和衍射光栅层501,502例如可以采用透明材质的光学玻璃和光学塑料制成。高透过率的基底层400和衍射光栅层501,502可以减小光线被基底层400和衍射光栅层501,502吸收。参考图1，如果投影装置101,102设置的位置靠近基底层400的中心位置，会影响环境光通过基底层400和衍射光栅层501,502射入人眼，光学系统100只能实现图像光线射入人眼的效果。两个反射元件201，202分别相对于两个投影装置101,102和两个耦合棱镜301,302呈一定角度，以将投影装置101,102出射的图像光线反射到耦合棱镜301,302中。两个投影装置101,102可以相对于基底层400的两个平面中心位置的垂线对称设置，两个耦合棱镜301,302也可以相对于基底层400的两个平面中心位置的垂线对称设置，两个反射元件201,202也可以相对于基底层400的两个平面中心位置的垂线对称设置。两个投影装置101,102、两个反射元件201,202、两个耦合棱镜301,302共用共同的基底层400和衍射光栅层501,502，光学系统100更紧凑，体积更小。
在一些实施例中，参考图2和图3，光学系统200还可以包括：半反半透元件600，其设置于通过衍射光栅层501,502衍射出去的目标图像光1000至人眼700的光路上，用于将衍射光栅层501,502衍射出的目标图像光1000反射入人眼中，并且用于供环境光通过半反半透元件600透射入人眼700中。当光学系统100只能实现图像光线射入人眼的效果时，可以通过在光学系统100的基础上增加半反半透元件600，光学系统100出射的目标图像光1000经过半反半透元件600的反射得到图像光1001，图像光1001可以射入人眼700，环境光透射半反半透元件600可以射入人眼700。光学系统200可以实现图像光线和外界环境光都入射到人眼700的效果。人眼700处具有矩形的出瞳。
在上面的光学系统中，参考图4，当衍射光栅层501,502设置在基底层400的一个平面上时，例如设置在基底层400的上表面，衍射光栅层501,502(其整体是一层衍射光栅层)相对于沿预设位置点到垂直于衍射光栅层501,502的方向(图4中示出的Z轴)的光栅条纹呈轴对称分布，其中，预设位置点(图4中示出的0点)位于衍射光栅层501,502上。图4中的X轴位于基底层400和衍射光栅层501,502之间，0点位于衍射光栅层501,502的中心位置(0点位于衍射光栅层501部分和衍射光栅层502部分的分界处)，Z轴为0点沿垂直于衍射光栅层501,502的方向。其中，衍射光栅层501,502可以是全息光栅，可以是表面浮雕光栅。
参考图5，在通过衍射光栅层501,502透射衍射出去的情况下，在基底层400中传输的图像光从衍射光栅层501,502的边缘到预设位置点的方向上，图像光的透射衍射效率逐渐增加；在基底层400中传输的图像光从预设位置点到衍射光栅层501,502的另一边缘的方向上，图像光的反射衍射效率逐渐减少。图4中示出的入射光线1(其-1级次的透射衍射和反射衍射的光线均垂直于基底层400平面面)沿着衍射光栅层502部分到衍射光栅层501部分的方向传播，其在图5中的衍射光栅层502部分的透射衍射效率T和衍射光栅层501部分的反射衍射效率R的分布可以看出，衍射效率在0点处最高，越离0点远，衍射效率越低，从边缘到0点，衍射光栅层502部分的透射衍射效率T和衍射光栅层501部分的反射衍射效率R逐渐增加。衍射效率也可以是梯级增加，例如，从边缘到0点，衍射光栅层502部分的透射衍射效率T和衍射光栅层501部分的反射衍射效率R呈梯级增加。图4中示出的入射光线2沿着衍射光栅层501部分到衍射光栅层502部分的方向传播，其与入射光线1是类似的，在此不再赘述。
在一些实施例中，图像光的透射衍射效率和图像光的反射衍射效率相对于沿预设位置点到垂直于衍射光栅层501,502的方向呈轴对称。从图5可以看出，衍射光栅层502部分的透射衍射效率T和衍射光栅层501部分的反射衍射效率R是相对于Z轴对称分布的。当然，在一些情况下，衍射光栅层502部分的透射衍射效率T和衍射光栅层501部分的反射衍射效率R也可以相对于Z轴不对称分布。衍射光栅层502部分的透射衍射效率T和衍射光栅层501部分的反射衍射效率R从边缘到0点可以逐渐增加，但是增加的曲线可以是不同的。
参考图6，在基底层400中传输的图像光从衍射光栅层501,502的边缘到预设位置点的方向上，图像光的透射衍射光强值为恒值；在基底层400中传输的图像光从预设位置点到衍射光栅层501,502的另一边缘的方向上，图像光的反射衍射光强值小于透射衍射光强值。图6中示出了入射光线1在衍射光栅层502部分和衍射光栅层501部分的的衍射绝对光强分布，即衍射绝对光强值在衍射光栅层502部分和衍射光栅层501部分的分布。衍射光栅层502部分具有近乎平坦的透射能量t，即恒值的透射衍射光强值。类似地，入射光线2从衍射光栅层501部分朝向衍射光栅层502部分传播时，入射光线2在衍射光栅层501部分同样具有恒值的透射衍射光强值。入射光线1从衍射光栅层502部分朝向衍射光栅层501传播时，入射光线1被衍射光栅层502多次提取透射衍射能量，当传播到衍射光栅层501部分时剩余的光线能量非常弱，并且衍射光栅层501部分对入射光线1的透射衍射效率为1-R，衍射光栅层501部分对入射光线1的透射衍射微不足道，同理，衍射光散层502部分对入射光线2的透射衍射也微不足道，衍射光栅层501,502的整个区域具有均匀的透射衍射能量分布。
在一些实施例中，在基底层400中传输的图像光从预设位置点到衍射光栅层501,502的另一边缘的方向上，图像光的反射衍射光强值逐渐减少。图像光的反射衍射光强值越小，对衍射光栅层501,502的透射衍射效果越好。
衍射光栅层501,502的制作工艺可以是通过全息曝光调整不同位置处的曝光时间获得需要的衍射效率。
参考图7，本申请还提供了一种混合现实设备，其包括数据处理模块和上面描述的光学系统100,200，数据处理模块将需要显示的图像信息传输至光学系统100,200的投影装置101,102中以显示图像。混合现实设备中的数据处理模块用于提供需要显示的图像信息，并将其传输至投影装置101,102以供光学系统100,200传导至人眼中。混合现实设备作为虚拟现实设备时，只显示图像信息，混合现实设备作为增强现实设备时，现实图像信息和外界环境信息。混合现实设备例如可以是眼镜式设备，其包括眼镜支架300和连接在眼镜支架300上的光学系统100，数据处理模块可以设置在眼镜支架300内。光学系统100可以提供具有一体的全视透镜片，使得用户在佩戴时，鼻梁处无任何遮挡，可以提供增强现实眼镜更轻薄的结构，更简单的结构以及更高的沉浸视觉体验。其中，衍射光栅层501部分可以为左眼提供图像，衍射光栅层502部分为右眼提供图像，衍射光栅层501部分和502部分均对应有基底层400，基底层400可以为透明波导。整个光学系统100充满虚拟图像，相比较目前的增强现实眼镜，可以提供更大的眼盒。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，包括：
投影装置，其用于投射两束图像光；
基底层，其具有用于分别接收源自所述投影装置的两束所述图像光的两个侧面以及用于将进入所述基底层的两束所述图像光进行全反射的两个平面；以及
衍射光栅层，其至少设置于所述基底层的一个平面上，用于将所述基底层中传播的两束所述图像光反射衍射或透射衍射出去，其中，通过所述衍射光栅层衍射出去的目标图像光的能量均匀分布。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，当所述衍射光栅层设置在所述基底层的一个平面上时，所述衍射光栅层相对于沿预设位置点到垂直于所述衍射光栅层的方向的光栅条纹呈轴对称分布，其中，所述预设位置点位于所述衍射光栅层上。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，在通过所述衍射光栅层透射衍射出去的情况下，在所述基底层中传输的所述图像光从所述衍射光栅层的边缘到所述预设位置点的方向上，所述图像光的透射衍射效率逐渐增加；在所述基底层中传输的所述图像光从所述预设位置点到所述衍射光栅层的另一边缘的方向上，所述图像光的反射衍射效率逐渐减少。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述图像光的透射衍射效率和所述图像光的反射衍射效率相对于沿所述预设位置点到垂直于所述衍射光栅层的方向呈轴对称。
5.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，在所述基底层中传输的所述图像光从所述衍射光栅层的边缘到所述预设位置点的方向上，所述图像光的透射衍射光强值为恒值；在所述基底层中传输的所述图像光从所述预设位置点到所述衍射光栅层的另一边缘的方向上，所述图像光的反射衍射光强值小于所述透射衍射光强值。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其特征在于，在所述基底层中传输的所述图像光从所述预设位置点到所述衍射光栅层的另一边缘的方向上，所述图像光的反射衍射光强值逐渐减少。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括：
两个耦合棱镜，其分别设置于所述基底层的两个侧面上，分别用于将源自所述投影装置的两束所述图像光通过两个所述侧面耦合进入所述基底层。
8.根据权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括：
两个反射元件，其分别设置于所述投影装置的两束所述图像光对应入射至所述耦合棱镜的光路上，用于分别将源自所述投影装置两束所述图像光反射至对应的所述耦合棱镜。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括：
半反半透元件，其设置于通过所述衍射光栅层衍射出去的目标图像光至人眼的光路上，用于将所述衍射光栅层衍射出的所述目标图像光反射入人眼中，并且用于供环境光通过所述半反半透元件透射入人眼中。
10.一种混合现实设备，其特征在于，包括数据处理模块和权利要求1-9中任一项所述的光学系统，所述数据处理模块将需要显示的图像信息传输至所述光学系统的投影装置中以显示图像。
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