CN113568167B - 镜片单元和包括镜片单元的ar设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种镜片单元，包括由光波导材料构成的基底(1)，其具有第一光学平面和与第一光学平面相对的第二光学平面；第一衍射光栅区域(2)和第二衍射光栅区域(3)，设在基底的第一光学平面上的衍射光栅区域构成第一衍射光栅区域，设置在基底的与第一光学平面相对的第二光学平面上的衍射光栅区域构成第二衍射光栅区域。在基底的第一光学平面上设置用于入射光的耦入和转折区域，设在基底的第一光学平面上的耦入和转折区域与设在基底的第一光学平面上的耦出区域具有一致的光栅矢量。本发明显著简化镜片单元和AR设备的设计和加工难度，使波导片结构灵活、可靠地匹配光学性能要求和机械结构需求，提高产品性能和同时降低制造费。

Description

镜片单元和包括镜片单元的AR设备
技术领域
本发明涉及一种镜片单元以及包括镜片单元的AR设备。
背景技术
这里的描述仅提供与本发明有关的背景信息，而不必然地构成现有技术。
增强现实(Augmented Reality，简称AR)技术，是一种将真实世界信息与虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息，通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，从而使人们获得超越现实的感官体验。由于增强现实技术在真实的环境中叠加虚拟的物体或者画面这一特性，使其在众多领域表现出了巨大的应用潜力。
光波导镜片(镜片单元)是新一代增强现实技术中的关键核心部件，它将全反射波导原理和衍射原件相结合，用来在成像系统中复制扩展出射光瞳，同时具有大视场、小体积和小重量等优点。光波导镜片在横向传导图像光线的同时，不妨碍人们观察纵向现实画面的观察，因此波导镜片已经成为AR技术发展的必然趋势。
典型的光波导技术，是将微型显示器出射的图像光源，通过投影镜头投射进入波导片的入射光栅区域。经过波导片的全反射传输和衍射光栅的作用，在两个方向上对入瞳光源进行复制扩展，在耦出光栅区域创造了一个扩展的出射光瞳，增加了人眼的观察范围。目前被较多使用的有代表性的衍射光学元件有二维交叉光栅和蝶翼型光栅，用于对波导片上信号光源的耦入与耦出。交叉光栅是一种在两个维度上具有周期的光栅，蝶翼光栅在耦入光栅的两侧各设置了转折光栅区域。交叉光栅在制备上比较困难，同时其设计的自由度也比蝶翼光栅低(槽深、倾斜、填充因子等)。蝶翼光栅由于具备四个衍射光栅区域，因此制备的公差要求较高，制备同样较为困难。
在波导片的光学设计中，常常要求耦入和转折区域的入射光线和耦出区域的出射光线保持平行，以将图像完整无失真的传递到人眼中，这就需要波导片相关的耦入和转折区域以及耦出区域的光栅矢量和为零，即光线经过衍射的多个光栅其光栅矢量和为零。这对光栅结构的设计制备精度提出非常高的要求，一方面光栅结构的设计要具有较高的衍射效率，另一方面光栅制备时必定有误差，如光栅刻线的方向、角度、深度等无法完全匹配设计，会有一定误差。这就导致的实际生产的波导片其所有相关光栅矢量和不一定为零，波导片入射光线和出射光线无法保持平行，最终输入人眼的图像会有像差和失真。
常规波导片采用三个或者更多的光栅结构，包括耦入光栅、转折光栅、耦出光栅，三个光栅矢量和必须为零才能保证输入光线和输出光线平行，然而实际制造光栅时总会有制造公差，无法保证所制造出来的三个光栅结构都和设计值完全匹配。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种能够提高输入人眼的图像质量的镜片单元和AR设备，尤其能够克服现有技术的缺陷，灵活和有效地满足光学性能和结构设计的要求，并在实现耦入、扩瞳、耦出一体化的同时，相较于传统的波导镜片单元，制造工艺更简单，费用更低廉。
因此，根据本发明的第一方面，提出一种镜片单元，包括：
由光波导材料构成的基底，其具有第一光学平面和与第一光学平面相对的第二光学平面；以及
第一衍射光栅区域和第二衍射光栅区域，其中设在所述基底的第一光学平面上的衍射光栅区域构成第一衍射光栅区域，设置在所述基底的与第一光学平面相对的第二光学平面上的衍射光栅区域构成第二衍射光栅区域；
其中，在所述基底的第一光学平面上设置用于入射光的耦入和转折区域，其中所述设在所述基底的第一光学平面上的耦入和转折区域与设在所述基底的第一光学平面上的耦出区域具有一致的光栅矢量。
通过根据本发明的技术方案，镜片单元，尤其是包含镜片单元的AR设备，能够在提高输入人眼的图像质量的同时，尤其针对图像光线的耦入、转折和耦出过程，灵活地满足不同的结构设计和光学性能要求。在此，微投影仪发出的光线经过两个衍射光栅面衍射耦入后，经过多次全反射与衍射实现扩散与传输，最终在光栅工作部分任意区域均可看见图像。因此，产品设计自由度高，结构简单，易于量产加工，具有较高的工业应用价值。
根据本发明的第一方面的一些实施方式，在所述基底的第二光学平面上设置用于入射光的耦入和转折区域，其中所述设在所述基底的第二光学平面上的耦入和转折区域与设在所述基底的第二光学平面上的耦出区域具有一致的光栅矢量。
根据本发明的第一方面的一些实施方式，在镜片单元所在的平面中，设在所述基底的第一光学平面上的耦入和转折区域与设在所述基底的第二光学平面上的耦入和转折区域彼此具有至少部分重叠的区域。
根据本发明的第一方面的一些实施方式，在镜片单元所在的平面中，设在所述基底的第一光学平面上的耦入和转折区域与设在所述基底的第二光学平面上的耦入和转折区域轴对称。
根据本发明的第一方面的一些实施方式，衍射光栅区域在耦入和转折区域之外的部分构成用于光线从镜片单元耦出的耦出区域。
根据本发明的第一方面的一些实施方式，所述耦入和转折区域与位于其所在光学平面上的耦出区域连接。
根据本发明的第一方面的一些实施方式，所述耦入和转折区域被位于其所在光学平面上的耦出区域完全包围。
根据本发明的第一方面的一些实施方式，所述耦入和转折区域与位于其所在光学平面上的耦出区域完全分离，其中整个衍射光栅区域构成用于光线从镜片单元耦出的耦出区域。
根据本发明的第一方面的一些实施方式，将入射光在镜片单元内经历的第一和第二次衍射的区域设置为耦入和转折区域。
根据本发明的第一方面的一些实施方式，所述耦入和转折区域的光栅槽深与占空比大于对应的耦出区域的光栅槽深与占空比。
根据本发明的第一方面的一些实施方式，所述耦入和转折区域包括耦入区域和转折区域，其中所述耦入区域是圆形、三角形、矩形或者椭圆形。
根据本发明的第一方面的一些实施方式，所述耦入和转折区域包括转折区域，所述转折区域是任意多边型。
根据本发明的第一方面的一些实施方式，所述耦出区域设置为均匀光栅，其具有一致的槽深与占空比。
根据本发明的第一方面的一些实施方式，所述耦出区域设置为变化的光栅，其中所述耦出区域距离对应的耦入和转折区域越远，则光栅的槽深与占空比越大。
根据本发明的第二方面，提出一种AR设备，其包括至少一个前述的镜片单元。
根据本发明的第二方面的一些实施方式，所述AR设备是AR眼镜，其包括：
用于安装镜片单元的镜框；
用于佩戴AR眼镜的镜腿；
安装在镜框中的左镜片单元和右镜片单元；
用于数据处理和产生图像信号的计算单元；
微型投影仪，其根据计算单元产生的图像信号输出图像。
根据本发明的第二方面的一些实施方式，由一个一体的镜片单元构成所述左镜片单元和右镜片单元。
根据本发明的第二方面的一些实施方式，所述AR设备包括导光元件，所述导光元件将微型投影仪的输出图像传输至镜片单元的耦入和转折区域。
根据本发明的第二方面的一些实施方式，所述镜片单元为带切角的形状。
根据本发明的第二方面的一些实施方式，所述镜框具有与所述镜片单元的切角形状相匹配的切角形状。
根据本发明的第二方面的一些实施方式，所述镜框在与所述镜片单元的切角形状对应的部位处形成用于元器件的安装空间。
根据本发明的第二方面的一些实施方式，在镜框或者镜腿中安装计算单元、微型投影仪、相机、位置传感器和/或空间传感器。
根据本发明的第二方面的一些实施方式，在左镜片单元和右镜片单元之间的正中位置在镜框中安装相机、微型投影仪和/或传感器。
通过本发明提出的技术方案，能够显著简化镜片单元和AR设备的设计和加工难度，使得波导片的结构能够灵活、可靠地匹配光学性能要求和机械结构需求，满足产品性能和制造费用的双重要求。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述。在附图中，除非另有说明，相同的附图标记用于表示相同的部件。其中：
图1是根据本发明的一些实施例的镜片单元的结构示意图，其中，微投影仪发出的图像光线通过镜片单元传输到人的眼睛；
图2是入射光线在根据本发明的一些实施例的镜片单元内的衍射传输示意图；
图3(a)-(d)分别示出了在不同衍射传输阶段在光栅界面上的光路示意图；
图4是以四次光栅调制为例在波导片内的衍射传输过程的立体示意图；
图5示出了在波导片内的衍射传输过程的光栅矢量k图；
图6是根据本发明的一些实施例的光栅区域的槽线结构示意图；
图7(a)-(d)是根据本发明的一些实施例的光栅类型示意图；
图8是根据本发明的一些实施例的镜片单元的耦入和转折区域以及耦出区域的结构示意图，这里在其中一个光学平面中设置耦入和转折区域，在此耦入和转折区域被对应的耦出区域完全包围；
图9是根据本发明的一些实施例的镜片单元的耦入和转折区域以及耦出区域的结构示意图，这里在镜片单元的第一和第二光学平面中分别设有一个耦入和转折区域，在此耦入和转折区域分别被对应的耦出区域完全包围；
图10是根据本发明的一些实施例的镜片单元的耦入和转折区域以及耦出区域的结构示意图，在此耦入和转折区域分别与对应的耦出区域部分相连；
图11是根据本发明的一些实施例的镜片单元的耦入和转折区域以及耦出区域的结构示意图，在此耦入和转折区域与对应的耦出区域都不相连；
图12是根据本发明的一些实施例的AR眼镜的示意图；
图13是根据本发明的一些实施例的AR眼镜的示意图，具有改型的镜片单元外形；
图14是根据本发明的一些实施例的AR眼镜的示意图，在此设有单独的导光元件；
图15是根据本发明的另一些实施例的AR眼镜的示意图。
具体实施方式
下面参照具体实施例，对本发明的构思进一步详细说明。需要指出，这里列举的实施例仅仅用于清楚地阐述本发明的发明构思，而不应理解成对本发明的限制。在此涉及的镜片单元以及AR设备的技术特征，只要没有违背自然规律或者技术规范，都可以在本发明构思的框架内任意组合或者替换，都在本发明的构思范围内。
需要指出，附图示出的实施例仅作为示例用于具体和形象地解释和说明本发明的构思，其在尺寸结构方面既不必然按照比例绘制，也不构成对本发明构思的限制。
在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部、竖直、水平等方位用语是相对于各个附图中所示的构造或者产品正常使用状态所进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。
通过给出的公开内容，提供一种镜片单元，包括由光波导材料构成的基底，其具有第一光学平面、与第一光学平面相对的第二光学平面。镜片单元还包括第一衍射光栅区域和第二衍射光栅区域，其中设在所述基底的第一光学平面上的衍射光栅区域构成第一衍射光栅区域，设置在所述基底的与第一光学平面相对的第二光学平面上的衍射光栅区域构成第二衍射光栅区域。在此，第一衍射光栅区域在所述基底的第一光学平面上具有一致的第一光栅矢量，第二衍射光栅区域在所述基底的与第一光学平面相对的第二光学平面上具有一致的第二光栅矢量。
也就是说，根据本发明，在所述基底的第一光学平面上的衍射光栅区域都具有相同的光栅矢量，即第一光栅矢量，而在所述基底的与第一光学平面相对的第二光学平面上的衍射光栅区域都具有相同的光栅矢量，即第二光栅矢量。因此，根据本发明的镜片单元(后文也称为波导片)总共具有两个光栅矢量，不但能够简洁和有效地使得出射光线和入射光线能够保持完全平行，而且使得产品设计自由度高，结构简单，易于量产加工，具有较高的工业应用价值。
图1是根据本发明的一些实施例的镜片单元的结构示意图，其中微投影仪40发出的图像光线通过镜片单元传输到人的眼睛。如图1所示，镜片单元包括由光波导材料构成的基底1，例如具有片状或者说板状的形状，并形成全反射的衍射光波导。基底1具有第一光学平面和与第一光学平面相对的第二光学平面。作为示例，构成基底1的光波导材料可以为光学玻璃或光学树脂。
在所述由光波导材料构成的基底1上分别设置第一衍射光栅区域2和第二衍射光栅区域3，其中第一衍射光栅区域2设在所述基底1的第一光学平面上，第二衍射光栅区域3设置在所述基底1的与第一光学平面相对的第二光学平面上。通过这种布置方式，设在所述基底1的第一光学平面上的第一衍射光栅区域2和设置在所述基底1的与第一光学平面相对的第二光学平面上的第二衍射光栅区域3在所述基底1的两侧彼此相对，并且优选至少部分地重叠，由此在彼此相对重叠的光栅区域范围内，光线在波导片中在两个相对重叠的光栅界面之间衍射传播。
此外，设在所述基底1的第一光学平面上的第一衍射光栅区域2具有第一光栅矢量，设置在所述基底1的与第一光学平面相对的第二光学平面上的第二衍射光栅区域3具有第二光栅矢量，其中入射光在镜片单元内经过至少四次光栅调制后耦出。通过这种镜片单元或者说波导片，全反射光线可以在每次遇到基底1表面的光栅的时候就有一部分光通过衍射释放出来进入眼睛，剩下的一部分光继续在波导中传播直到下一次打到波导表面的光栅上。
在示出的实施例中，在两个相对的光学表面上分别设置一个衍射光栅工作区，即第一衍射光栅区域2和第二衍射光栅区域3。由此，微投影仪40发出的图像光线耦入镜片单元后，在镜片单元的基底1中经过多次全反射与衍射后实现扩散、传输和耦出，最终在衍射光栅工作区内均可看见图像。
图2是在根据本发明的一些实施例的镜片单元内入射光线的衍射传输光路示意图。随后结合图2的示意图，对入射光线在根据本发明的一些实施例的镜片单元内的衍射传输光路进行描述。在此，图像光线与波导片表面呈一定角度，尤其是基本垂直于波导片表面，耦入镜片单元中，其中一个衍射光栅区域所在平面被称为上表面，另一个衍射光栅区域所在平面被称为下表面。需要指出，这里假设的方位关系仅仅用于方面描述衍射传输光路，其原理和过程也同样适用于其他方位关系，并且也在本发明的记载和公开范围内。
如图2所示，微投影仪40的图像光线a与波导片表面呈一定角度，尤其是基本垂直于波导片表面，耦入镜片单元中。例如，从上表面照射到衍射光栅重叠区域后，光经过下表面光栅的衍射，产生朝b方向的衍射级次。同时，经过上表面光栅的衍射，还产生朝c方向的衍射级次。由于b、c两衍射光后续传输存在高度对称性，这里以b衍射光为例展开后续传输说明。
如图所示，b方向衍射级次经过上表面光栅的衍射，产生d方向的衍射级次，而零级衍射光继续向b方向传输。d方向衍射光经过下表面衍射后产生e方向衍射光，零级衍射光继续向d方向传输。e方向衍射级次光经过上表面衍射后耦出部分光线f，零级衍射光继续向e方向传输。光线f部分朝上表面耦出，其传输方向与入射光线a关于波导片法线对称。光线f另一部分朝下表面耦出，其传输方向与入射光线a一致。
因此，在本发明的一些实施例中，入射光经历至少四次光栅调制后耦出波导片，在这个传播过程中，衍射级次b、d、e的光传输方向与波导片表面法线的夹角大于全反射所需的临界角，从而确保了在波导片内部传输时的无损耗。在传播过程中，零级衍射光会继续全内反射传输，例如朝b、d、e这3个方向扩散，扩散的同时伴随着衍射耦出，例如d方向的零级衍射光经过g、h两次衍射之后再次衍射耦出，如此扩散下去，最终可以在整个光栅工作区耦出光线，从而人眼可以在镜片任意位置观察到完整、连续的清晰图像。
为了清楚说明根据本发明的镜片单元的光衍射传输过程，图3(a)-(d)分别示出了在不同衍射传输阶段在光栅界面上的光路示意图。
图3(a)-(b)示出了在图像光线分别在第一衍射光栅区域和第二衍射光栅区域上发生第一次衍射的示意图。如图3(a)所示，入射光I正入射在波导片上表面光栅工作区时，在波导片中产生了透射衍射级次T-1、T0、T1，其中T1即为朝c方向的衍射级次。在图3(a)中，d表示光栅的节距，即邻槽之间的距离，h表示槽深，W表示凸起宽度。
图3(b)为透射衍射级次T0入射在下表面光栅工作区时，产生了R-1、R0、R1三个反射衍射级次，其中R-1即为朝b方向的衍射级次。
图3(c)示出了在波导片中进行中间衍射过程的示意图。在图3(c)中，上方区域为介质波导层，下方表示空气。b方向衍射光在该图中即为入射光I，其以球角
Figure BDA0002473594970000081
入射在上表面衍射光栅工作区，产生反射衍射级R-1、R0，其中R-1即为朝d方向的衍射级。d方向的衍射光入射在下表面衍射光栅工作区，该过程同样可以用图3(c)表示，此时R-1为朝e方向的衍射级。对于图像光线在光栅界面上进行例如四次调制的情况，图3(c)的图示表示第二和第三次衍射过程。
图3(d)示出了图像光线从波导片耦出的示意图。例如，图2中的e方向衍射级入射上表面衍射光栅工作区，该衍射过程可以用图3(d)表示。此时产生了透射衍射级T-1与反射衍射级R-1、R0。对于图像光线在光栅界面上进行例如四次调制的情况，图3(d)的图示表示第四次衍射过程。
以四次光栅调制为例，图4示出了在波导片内的衍射传输过程的立体示意图。如图所示，图像光线沿着例如基本垂直于光栅平面的z轴耦入波导片，在经过波导片的上表面和下表面的光栅区域分别第一次衍射后，即第一次光栅调制，继续在波导片内经过上下光栅界面的衍射和/或全反射进行第二和第三次调制，最终利用在光栅界面上的第四次衍射从波导片耦出。显然，耦入和转折区域的入射光线以及耦出区域的出射光线关于波导片表面法线对称，实现将图像完整无失真的传递到人眼中。
在此需要指出，当耦入波导片的入射光线与耦出波导片的出射光线在波导片同侧时，入射光线与出射光线关于波导片表面法线对称。当耦入波导片的入射光线与耦出波导片的出射光线在波导片异侧时，入射光线与出射光线方向保持一致。在图4的实施例中，入射光线a垂直于波导片表面入射，并且入射光线a与出射光线f在波导片同侧。需要注意的是，在图4中，由于耦入和转折区域的入射光线a垂直于波导片表面入射，因此与入射光线a关于波导片表面法线对称的出射光线f也与波导片表面保持垂直，即出射光线f与入射光线a保持平行，方向相反。
由于衍射过程包含多个衍射级次，光栅经过设计可以仅保留所需要的衍射级次，其他衍射级次能量较低可以忽略，上述说明仅以零级和一级衍射为例，但其原理和过程同样适用于其他衍射级次和空间方向过程，在此不再赘述。
因此，在根据本发明的一些实施例中，入射光在镜片单元内经过至少四次光栅调制后耦出，其中设在所述基底1的第一光学平面上的第一衍射光栅区域2和设置在所述基底1的与第一光学平面相对的第二光学平面上的第二衍射光栅区域3分别进行至少两次调制。关于光线被光栅调制下面进行详细的说明，光线被光栅衍射成零级衍射光与一级衍射光，其中零级衍射光线不改变其光波矢量在波导片平面内的分量，而一级衍射光线会改变光线的光波矢量，并且其在波导片平面内的分量也被改变，也就是说光线的每一次衍射中，一级衍射光线视为被光栅进行调制，而零级光线继续传播，进行下一次衍射，并且零级衍射光线与一级衍射光线都在波导片两个光栅区域中交替入射两个光栅区域进行衍射，从而实现耦入光线的二维扩散。可以理解的是，第一光栅区域与第二光栅区域还可以被设计为保留零级衍射光线与正负一级衍射光线，或者保留其他衍射级次光线，这是本领域技术人员可以根据需要而进行改变的，但都在本发明的技术方案框架内。
微投影仪40发出的图像光线耦入镜片单元后，在镜片单元的基底1中经过至少四次全反射与衍射后实现在空间方向的扩展和耦出。也就是说，通过相应的光传输过程，同时实现了在至少两个方向上的二维扩瞳，从而例如在整个衍射光栅工作区内均可耦出图像光线。
需要指出，光栅矢量是衍射光栅的一个表征参数，其取决于光栅的取向和光栅的空间周期。具体地，光栅矢量的取向为垂直光栅槽线的正负方向，而光栅矢量的幅值表示为k＝2π/d，其中d为光栅周期。
镜片单元或者说波导片的第一光学平面的第一衍射光栅区域的光栅矢量可以被标记为两个分量k1＝(±D1x,±D1y)，第二光学平面的第二衍射光栅区域的光栅矢量可以被标记为k2＝(±D2x,±D2y)。
根据本发明，光栅周期可以设置为适当大小，使图像光线在波导片传输扩散的过程中仅能产生0级和1级衍射光。
入射光波矢的幅值可以用波数表示：kr＝2π/λ，其中λ表示衍射光波长。其在波导片平面内具有两个方向的分量krx和kry。在空气中的波数可以被标记为kr0，当其进入介质中时，波数可以表示为krn＝k0*n，其中n为材料折射率。
入射光kr0经过波导片的第一光学平面的第一衍射光栅区域衍射的1级衍射光，其光波矢可以表示为kr1，光栅对其衍射转折作用可以用衍射方程描述，其在波导片平面内的矢量形式可以表示为：
(kr1x，kr1y)＝(kr0x+D1x，kr0y+D1y)
衍射光kr1被第二光学平面的第二衍射光栅区域接收产生1级衍射，产生的光波矢可以表示为kr2，同理有：
(kr2x，kr2y)＝(kr1x+D2x，kr1y+D2y)
第一光学平面的第一衍射光栅区域再次接收衍射光kr2，产生的衍射1级光波矢可以表示为kr3，同理有：
(kr3x，kr3y)＝(kr2x+D1’x，kr2y+D1’y)
第二光学平面的第二衍射光栅区域接收衍射光kr3，产生的衍射1级光波矢可以表示为kr4，同理有：
(kr4x，kr4y)＝(kr3x+D2’x，kr3y+D2’y)
＝(kr0x+D1x+D2x+D1’x+D2’x，kr0y+D1y+D2y+D1’y+D2’y)
波导片必须满足消色差成像条件，即不同波长图像光被波导片扩散传输最终耦出后，出射光的方向与入射光的方向一致。换句话讲，入射光波数(kr0x，kr0y)与出射光波数(kr4x，kr4y)有：
(kr0x，kr0y)＝(kr4x，kr4y)
因此，波导片的光栅矢量必须满足：
D1x+D2x+D1’x+D2’x＝D1y+D2y+D1’y+D2’y＝0
由于波导片的第一光学平面区域的光栅存在关系：
D1x＝-D1’x，D1y＝-D1’y
第二光学平面区域的光栅存在关系：
D2x＝-D2’x，D2y＝-D2’y
因此必然能满足消色差成像条件(kr0x，kr0y)＝(kr4x，kr4y)。由于光栅矢量k1与k2取决于光栅周期而与光波长无关，因此，根据本发明提出的技术方案，光栅矢量满足该条件，任意波长也都满足了消色差成像条件。
图5示出了衍射传输过程的光栅矢量k图。微投影仪40发出的图像光线例如在光栅重叠区域经过两次衍射耦入波导片，该两次衍射产生的光线转折效果可以用两个耦入光栅矢量的叠加表示：kincouple1与kincouple2。耦入后的光线经过若干次全反射以及两次(或者两次以上)的解耦合衍射耦出波导片，这种光栅解耦合使光线转折的作用可以用两个解耦合光栅矢量的叠加表示：kdecouple1与kdecouple2。上述四个光栅矢量之和等于零或者接近零，即低于特定的阈值，因此最终波导片耦出光线的角度得以基本不变，即与耦入光线相互一致(或互为负值)，从而图像得以扩散传输。
在示出的实施例中，由于两个光栅面上的周期保持恒定，故存在关系：|kincouple1|＝|kdecouple1|，|kincouple2|＝|kdecouple2|，即每个光栅面上对应的耦入光栅矢量与解耦合光栅矢量大小相等，方向相反。因此，其矢量迭加图刚好围成一个平行四边形，尤其是菱形，光栅矢量回到原点，确保了矢量和为零。通过这些措施，避免了传统工艺和波导片结构中矢量和不为零所产生的图像质量下降问题，降低了对镜片单元设计和制造的要求。
在其他一些实施例中，光栅矢量k图也可以不为菱形，而是常规的平行四边形，在这些方案中，仍然能保证其四个光栅矢量和为零，因为光线在波导片中四次衍射中会被同一个光栅衍射两次，即光栅矢量k图中的对边是始终平行且大小相等的(即耦入光栅矢量与解耦合光栅矢量)，所以其矢量和必定为零。进而保证了该波导片入射光线与出射光线的平行，保证了输入人眼的图像质量。
在一些实施例中，衍射光栅被设计作为耦合元件，必须保证产生的目标衍射光的衍射角被限制在全反射角与最大传输角度(θmax)之间，这种限制可以用下面的物理关系式表示：
Figure BDA0002473594970000121
其中，|kr|表示目标光波矢的幅值，n是光学材料折射率，λ0是图像光源的中心波长。该不等式左侧表示全反射角度对光波矢限制产生的下限值，右侧表示波导片最大传输角度对光波矢产生的上限值。在一些实施例中，最大传输角度θmax可以高达75°。
具体而言，光波矢|kr|需要小于图5中的外圆半径，即所述上限值，且大于内圆半径，即所述下限值，才能确保有效传输。因此，在传输过程中光波矢的末端需要处在环形阴影区域内，当且仅当耦出时返回原点。外圆半径是波导材料折射率n、中心波长λ0和最大角度θmax的函数。
作为示例，镜片单元的基底1的厚度可以在0.3～2.5mm的范围内，光学材料折射率可以为1.4～2.2，其中材料可以为光学玻璃或光学树脂。光栅例如可以是表面浮雕光栅，尤其是一维表面浮雕光栅，周期例如可以为200～600nm。
其中，所述一维表面浮雕光栅可以为正光栅、闪耀光栅、倾斜光栅或正弦光栅。所述光栅槽深可以为40～500nm。
在本发明的一些实施例中，在波导片的第一衍射光栅区域2和第二衍射光栅区域3分别设置一种光栅结构，光线在波导片内经过至少四次光栅调制后被输出到人眼，其中两个光栅结构分别对光线进行了至少两次调制，例如图5所示的光波k图中呈平行四边形的矢量叠加。在图5示出的矢量叠加图中，平行四边形的对边为同一个光栅结构，故能保证对边始终平行且大小相等，从而四个光栅矢量叠加必定为零，保证了波导片输入光线和输出光线平行，提高了输入人眼的图像质量。换句话说，本发明中光线经过上下表面的第一衍射光栅区域2和第二衍射光栅区域3的至少四次光栅调制，其输出光线与输入光线方向能保持一致，从而保证输入人眼的图像质量。
图6是根据本发明的一些实施例的光栅区域6的槽线结构示意图。在图6的示意图中，竖直方向作为直角平面坐标系的y轴，水平方向作为直角平面坐标系的x轴。在此，在波导片的平面内，波导片的第一衍射光栅区域2的光栅矢量与第二衍射光栅区域3的光栅矢量可以设置成轴对称，尤其是关于竖直方向或者说y轴是轴对称的。
在一些实施例中，第一衍射光栅区域2与第二衍射光栅区域3可以具有相同的光栅周期T1和T2，和/或第一衍射光栅区域2与第二衍射光栅区域3具有相同的光栅结构。但是，第一衍射光栅区域2的第一光栅矢量可以与第二衍射光栅区域3的第二光栅矢量不同。
如图6所示，实线表示第一衍射光栅区域2的光栅槽线，虚线表示第二衍射光栅区域3的光栅槽线。例如，两个线性的衍射光栅区域的光栅槽线可以形成锐角夹角θ，尤其夹角θ可以在40°～90°的范围内，特别是60°。因此，假设将其中一个衍射光栅区域围绕x轴或者y轴翻转180°，则这个翻转的衍射光栅区域的光栅结构应该与另一个衍射光栅区域的光栅结构重叠或者至少部分重叠。
通过使衍射光栅区域的光栅结构关于xy平面完全对称重叠或至少部分对称重叠，使得可以使用相同的模具或者工艺在第一衍射光栅区域2和第二衍射光栅区域3制作光栅结构，简化了制成光栅的压印模具，在简化工艺、降低生产费用的同时，容易实现质量稳定的量产。同时，由于本发明可以只设置两个光栅矢量，因此工艺设计自由度更高，结构简单，易于稳定的量产加工，由此具有较高的工业应用价值。
需要指出，根据本发明的一些实施方式，设在所述基底1的第一光学平面上的第一衍射光栅区域2可以是连续区域，和/或设在所述基底1的与第一光学平面相对的第二光学平面上的第二衍射光栅区域3也可以是连续区域。也就是说，在每个光学平面上的衍射光栅区域形成一个整体区域，没有中断区域。
在此，例如也可以选择使衍射光栅区域在所在的整个光学平面上是连续的，即连续地覆盖整个光学平面，并在同一光学平面上的光栅区域都具有一致的光栅矢量。例如，第一衍射光栅区域2在所述基底1的整个第一光学平面上具有一致的第一光栅矢量并且是连续的，即连续地覆盖整个第一光学平面，和/或第二衍射光栅区域3在所述基底1的整个第二光学平面上具有一致的第二光栅矢量并且是连续的，即连续地覆盖整个第二光学平面。
根据本发明的另一些实施方式，设在所述基底1的第一光学平面上的第一衍射光栅区域2也可以是非连续区域的，和/或设在所述基底1的与第一光学平面相对的第二光学平面上的第二衍射光栅区域3是非连续区域。也就是说，在特定光学平面上的衍射光栅区域可以构造成多个分离的光栅区域，在这些分离的光栅区域之间存在没有设置光栅结构的基底区域。根据本发明，处于第一光学平面上的多个分离的光栅区域都具有一致的第一光栅矢量，而处于第二光学平面上的多个分离的光栅区域都具有一致的第二光栅矢量。
当然，根据产品设计要求和光电性能需要，在基底1的第一光学平面上的第一衍射光栅区域2和在基底1的与第一光学平面相对的第二光学平面上的第二衍射光栅区域3可以分别构造成连续和/或不连续的，即在基底两侧的光学平面上，衍射光栅区域可以以连续或者不连续的结构形式任意组合。
图7(a)-(d)是根据本发明的一些实施例的光栅类型示意图。根据本发明的衍射光栅是一种具有周期结构的光学元件，其周期结构可以是材料表面浮雕出来的高峰和低谷，即表面浮雕光栅(SRG)，也可以是全息技术在材料内部曝光形成的“明暗干涉条纹”，即全息体光栅(VHG)，两者最终都引起折射率n的周期性变化。
根据本发明的一些实施例，具体的光栅结构例如可以是表面浮雕光栅，包括但不限于正光栅、闪耀光栅、倾斜光栅或正弦光栅，分别如图7(a)-(d)所示。例如倾斜光栅或者三角形的闪耀光栅，可以使往眼睛方向衍射的光耦合效率达到最高。
需要指出，每一个衍射级对应的衍射角度由光线的入射角和光栅的周期和刻线方向凹槽角度等决定，通过设计光栅的其他参数，包括但不限于材料折射率n、光栅形状、厚度、占空比等，可以将某一衍射级(即某一方向)的衍射效率优化到最高，从而使大部分光在衍射后主要沿这一方向传播。因此通过适当设计光栅结构和光路，可以利用本发明提出的技术方案同时实现最优的FOV、光效率和图像清晰度等。
此外，可以对波导片的单面耦出光栅进行槽深、占空比或者形状的调制，也可以对波导片的的双面耦出光栅都进行调制，使每个区域内光耦出强度均匀性较好。
通过给出的公开内容，还提供一种镜片单元，包括由光波导材料构成的基底，其具有第一光学平面、与第一光学平面相对的第二光学平面。镜片单元还包括第一衍射光栅区域和第二衍射光栅区域，其中设在所述基底的第一光学平面上的衍射光栅区域构成第一衍射光栅区域，设置在所述基底的与第一光学平面相对的第二光学平面上的衍射光栅区域构成第二衍射光栅区域。在此，在所述基底的第一光学平面上设置用于入射光的耦入和转折区域，其中所述设在所述基底的第一光学平面上的耦入和转折区域与设在所述基底的第一光学平面上的耦出区域具有一致的光栅矢量。在一些变型方案中，也可以附加地或者替代地在所述基底的第二光学平面上设置用于入射光的耦入和转折区域，其中所述设在所述基底的第二光学平面上的耦入和转折区域与设在所述基底的第二光学平面上的耦出区域具有一致的光栅矢量。
在一些变型方案中，衍射光栅区域在耦入和转折区域之外的部分构成用于光线从镜片单元耦出的耦出区域。由此，在所述基底的第一光学平面上的第一衍射光栅区域由处在第一光学平面上的耦入和转折区域以及耦出区域组成，和/或在所述基底的与第一光学平面相对的第二光学平面上的第二衍射光栅区域由处在第二光学平面上的耦入和转折区域以及耦出区域组成。
由此，可以任意在镜片单元或者说波导片的基底1中设置用于耦入并转折图像光线的耦入和转折区域以及用于耦出图像光线的耦出区域，其中对于提出的镜片单元，可以根据光学设计和结构设计需求，以任意的方式和形状设置耦入和转折区域，并在耦入和转折区域以外，将第一衍射光栅区域2和第二衍射光栅区域3的剩余部分用作耦出区域。
换句话说，可以在镜片单元的基底1上设置固定的耦入和转折区域，而剩余的衍射光栅区域则用作耦出区域。在此，耦入和转折区域的作用在于，一方面可以将图像光线耦入镜片单元或者说波导片，另一方面可以使图像光线在经过耦入和转折区域的调制作用后转折到期望的设计传播方向。
图8是根据本发明的一些实施例的镜片单元的耦入和转折区域以及耦出区域的结构示意图，这里仅在其中一个光学平面中设置耦入和转折区域a。在图8的实施例中，例如镜片单元的第一衍射光栅区域包括耦入和转折区域，如实线围成的区域a所示，并且这个唯一的耦入和转折区域a四周与所在光学平面的耦出区域b紧密相连并被耦出区域b完全包围。事实上，在耦入和转折区域a之外，剩余的衍射光栅工作区可以全部用作出射光线的耦出区域，用于在衍射过程中将图像光线逐步射出波导片进入人眼。在此实施例中，由于仅在镜片单元的第一衍射光栅区域设置耦入和转折区域a，耦出区域可以包括第一衍射光栅区域在耦入和转折区域a之外的部分以及处于对面的整个第二衍射光栅区域。
由于衍射光栅区域在耦入和转折区域a之外的部分都可以用作耦出区域，并且耦入和转折区域a被所在光学平面上的耦出区域b完全包围，因此该实施例中的衍射光栅区域所包含的耦入和转折区域与耦出区域之间不存在全反射面，可以避免由于光束撞击光栅结构和全反射面之间的边界带来的相移，因此该实施例中的光在传播过程中不产生相位突变，相比传统的波导片具有图像清晰度更高的优势。
在示出的实施例中，在基底1的第一光学平面上设置用于入射光的耦入和转折区域，其中这个设在所述基底1的第一光学平面上的耦入和转折区域与处在基底1的第一光学平面上的耦出区域具有一致的或者说相同的光栅矢量。附加地或者替代地，也可以在基底1的第二光学平面上设置用于入射光的耦入和转折区域，其中设在基底1的第二光学平面上的耦入和转折区域与处在基底1的第二光学平面上的耦出区域具有一致的光栅矢量。
可以考虑的是，将入射光经历的第一和第二次衍射区域设置为耦入和转折区域，如图8中的区域a所示，而处在同一光学平面中的耦出区域部分如图8中的区域b所示(不包括区域a)。
在一些实施方式中，耦入和转折区域与所在光学平面中的耦出区域部分的光栅可以具有相同的槽深和占空比，因此可以在光栅制造过程中简化工艺，但仍能实现满足要求的光学性能。此外，在一些变型方案中，所述耦入和转折区域的光栅槽深与占空比可以大于位于其周边的耦出区域的光栅槽深与占空比，由此，可以增加光源的耦入效率和视场角等。光栅槽深与占空比的变化设置可以有效增加光源的耦入效率，增加光能利用率，扩大耦入视场角。需要指出，光栅槽深与占空比的调整不会改变光栅矢量，但会影响衍射效率。这里描述的耦入和转折区域与所在光学平面中的耦出区域的光栅的槽深和占空比关系也同样适用于本申请给出的下列实施方式。
通过本发明提出的方案，可以将任意衍射光栅区域设置为耦入和转折区域，而衍射光栅区域的剩余部分则可以用作耦出区域。例如，耦入和转折区域的光栅槽深可以为150～600nm，而光栅周期和光栅取向可以与所在光学平面中的耦出区域一致。
图9是根据本发明的一些实施例的镜片单元的耦入和转折区域以及耦出区域的结构示意图，这里在镜片单元的第一和第二衍射光栅区域中分别设有一个耦入和转折区域。在此实施例中，由于衍射光栅区域6在耦入和转折区域之外的部分都可以用作耦出区域，因此在波导片两侧的耦入和转折区域分别被对应的耦出区域b完全包围。与图8的实施例相比的主要区别在于，在基底1的第二光学平面上额外设置用于入射光的耦入和转折区域，其中这个设在基底1的第二光学平面上的耦入和转折区域与处在基底1的第二光学平面上的耦出区域具有一致的光栅矢量。
所述耦入和转折区域可以同时存在于第一和第二衍射光栅区域中。两个面的耦入和转折区域存在可以叠加的交集，即在镜片单元所在的平面中，设在基底1的第一光学平面上的耦入和转折区域与设在所述基底1的第二光学平面上的耦入和转折区域具有至少部分重叠的区域，如图9所示。在图9中，阴影区域c表示叠加区域，区域d表示第一光学平面的耦入和转折区域去除叠加区域后的剩余区域，区域e表示第二光学平面的耦入和转折区域去除叠加区域后的剩余区域。
在此，例如叠加区域c可以作为入射光线的耦入区域，而区域d、e可以作为光线的转折区域。也就是说，耦入和转折区域包括耦入区域c和转折区域d、e。其中，耦入区域c可以是图示的圆形，也可以是三角形、矩形、椭圆形等。转折区域d、e可以是图示的形状，也可以是任意多边型。在一些变型方案中，波导片在两个面上的耦入和转折区域轮廓可以存在镜像对称关系，即当波导片围绕x轴或者y轴翻转180°上下翻转后，其两个面上的光栅区域6的结构完全重合，由此可以节省制造模具，便于制备加工。当然，也可以根据设计和性能要求，使波导片在两个面上的耦入和转折区域轮廓和/或位置完全对应一致。
在此实施例中，由于衍射光栅区域在耦入和转折区域之外的部分都可以用作耦出区域，并且耦入和转折区域被所在光学平面中的耦出区域完全包围，因此衍射光栅区域所包含的耦入和转折区域与耦出区域之间不存在全反射面，可以避免由于光束撞击光栅结构和全反射面之间的边界带来的相移，因此该实施例中的光在传播过程中不产生相位突变，相比传统的波导片具有图像清晰度更高的优势。
图10是根据本发明的一些实施例的镜片单元的耦入和转折区域以及耦出区域的结构示意图，这里，在此耦入和转折区域分别与对应的耦出区域部分相连。在此实施例中，如图所示，在波导片两侧的耦入和转折区域仅部分连接于所在光学平面中的对应耦出区域b，而不是被耦出区域b完全包围。
图11是根据本发明的一些实施例的镜片单元的耦入和转折区域以及耦出区域的结构示意图，这里耦入和转折区域完全位于所在光学平面中的耦出区域之外，即与对应的耦出区域都不相连。在此实施例中，由于耦入和转折区域与对应的耦出区域完全分离，因此波导片两侧的整个衍射光栅区域都可以用作耦出区域b。在此情况下，设在所述基底的第一光学平面上的第一衍射光栅区域以及设置在所述基底的与第一光学平面相对的第二光学平面上的第二衍射光栅区域都构造成非连续的或者说断续的，并分别划分成耦入和转折区域以及耦出区域。
如图11所示，耦入和转折区域与所在光学平面的耦出区域没有直接相连或者毗邻，而是彼此分隔开来。虽然耦入和转折区域的光栅结构与所在光学平面中的耦出区域的光栅结构形成彼此分离的区域，但在同一光学平面上的所有光栅结构仍具有一致或者说相同的光栅矢量。
根据本发明的一些实施方式，如果对耦出光瞳均匀性不高，耦出区域b可设置为均匀光栅，即例如具有一致的槽深与占空比。如果对耦出光瞳有较高的均匀性要求，则耦出区域可以设置为变化的光栅，即例如耦出区域b距离耦入区域c越远，其光栅槽深与占空比越大。进一步地，可以对单面耦出光栅进行槽深、占空比或者齿型的调制，也可以对两个耦出光栅面都进行调制，使每个区域内光耦出强度均匀性较好。
在图8至图11示出的实施例的基础上，例如也可以在每个光学平面上分别设置一个或者多个耦入和转折区域，在此也可以选择使波导片两侧的耦入和转折区域呈镜像对称或者在波导片所在平面中呈轴对称布置。在一些改型方案中，也可将一个或者多个、尤其是两个耦入和转折区域都设置在一个光学平面上，而另一个光学平面不设置耦入和转折区域。
根据本发明，耦入和转折区域与所在光学平面上的耦出区域的相对位置关系也可以采用不同的变型方案，例如耦入和转折区域可以完全位于耦出区域中、部分与耦出区域连接或者与耦出区域完全分离。换句话说，由于衍射光栅区域在耦入和转折区域之外的部分都可以用作耦出区域，所以耦入和转折区域c、d、e可以被包含于、半包含于或者分离于所述光栅耦出区域b。
根据本发明，在垂直于波导片平面的方向上观察，设在基底1的第一光学平面上的耦入和转折区域与设在基底1的第二光学平面上的耦入和转折区域优选具有彼此对应重叠的部分区域。也就是说，尽管耦入和转折区域分别处在波导片两侧，但这些耦入和转折区域在波导片平面中的投影可以具有重叠区域。
此外，设在基底1的第一光学平面上的第一衍射光栅区域2可以构成为连续区域，和/或设在基底1的与第一光学平面相对的第二光学平面上的第二衍射光栅区域3也可以构成为连续区域。在此情况下，对应的耦入和转折区域可以完全包含或者半包含在对应的耦出区域中，即成为整体光栅结构的一部分。
还需要指出，设在基底1的第一光学平面上的第一衍射光栅区域2和设在基底1的与第一光学平面相对的第二光学平面上的第二衍射光栅区域3可以具有相同或者不同的结构和形状，同样设在基底1的两侧的耦入和转折区域以及耦出区域也可以具有相同或者不同的结构和形状，其具体的设置方式、结构、形状和光学参数等，可以根据具体的设计和性能需要进行调整并采用不同的组合方式，这些都在本发明公开的范围内。
通过本发明提出的技术方案，能够显著简化镜片单元和AR设备的设计和加工难度，使得波导片的结构能够灵活、可靠地匹配光学性能要求和机械结构需求，满足产品性能和制造费用的双重要求。
本发明提出的镜片单元可以灵活地应用于各种不同的现实增强设备(AR设备)中，例如AR眼镜、抬头显示器以及其他可穿戴电子设备等。
根据本发明，还提出一种AR设备，尤其是AR眼镜，其例如包括用于安装镜片单元的镜框、用于佩戴AR眼镜的镜腿、安装在镜框中的左镜片单元和右镜片单元、用于数据处理和产生图像信号的计算单元以及微型投影仪，其中微型投影仪根据计算单元产生的图像信号输出图像。
借助本发明提出的技术方案，可以实现在镜片单元的基底的光学平面上任意地设置耦入和转折区域。下面以AR眼镜为例，对应用所述镜片单元的AR设备进行示例性的详细说明。
图12是根据本发明的一些实施例的AR眼镜的示意图，在此所述AR设备是AR眼镜。
如图所示，AR眼镜包括用于安装镜片单元的镜框60、用于佩戴AR眼镜的镜腿90以及安装在镜框60中的左镜片单元10和右镜片单元20。在此，镜腿90可以以任意的方式与镜框60连接，例如以柔性的方式，或者以折页的形式，从而形成AR眼镜的主体部分。AR眼镜的电子元器件和光学元器件可以选择性地安装在镜腿90和/或镜框60上，或者嵌入/埋入其材料中。所述的电子元器件和光学元器件包括但不限于用于数据处理和产生图像信号的计算单元50、相机30、根据计算单元50产生的图像信号输出图像的微投影仪40、微显示器、空间传感器和位置传感器等。
所述镜片单元(光波导片)是AR设备中的显示部件。在图12示出的实施例中，AR眼镜包含左镜片单元10(左眼光波导显示系统)和右镜片单元20(右眼光波导显示系统)，其中相机30可以设在左镜片单元10和右镜片单元20之间的正中位置，也就是大致位于鼻梁上方的正中位置。微投影仪40和计算单元50例如设在镜腿90中。
需要指出，AR眼镜包括的光学元器件和电子元器件可以根据设计需求灵活选择，以及根据结构条件任意布置，而不局限于示例给出的形式。例如，左镜片单元10和右镜片单元20既可以构造成两个单独的镜片单元，也可以是一个整体镜片单元的两个组成部分。在图12的示例中，在左镜片单元10和右镜片单元20之间的正中位置设置相机30，但也可以考虑在此位置设置其他合适的光学元器件和电子元器件，在后面的实施例中对此还有详细描述。
在工作时，微投影仪40中的微显示器显示图像，经过投影镜头输入到光波导镜片的耦入和转折区域，然后经过系列光传输进入人眼。计算单元50不仅可以为微显示器提供图像信号，还可以与系统中的其他元器件通信，例如与相机30、空间传感器、位置传感器、微投影仪40等通信。
在此，可以使用的微显示器包括但不限于数字光处理器(DLP)、硅基液晶(LCoS)、有机发光二极管(OLED)和微发光二极管(Micro LED)。光波导镜片具有较高的透射率让用户清楚观察真实世界。
相机30和空间传感器可以是RGB相机、单色相机、眼球追踪传感器和深度相机或者它们的组合。RGB或单色相机可以获取真实场景中的环境画面，眼球追踪传感器可以实现眼球追踪的功能，深度相机可以获取场景的深度信息，实现人脸与手势识别等功能。
位置传感器可以是加速度计、陀螺仪、磁力计和全球定位系统接收器的组合。计算单元50处理来自位置传感器的信号后，可以更准确地将虚拟画面叠加在真实环境中。
图13是根据本发明的一些实施例的AR眼镜的示意图，具有改型的眼镜外形。如图13所示，AR眼镜包括用于安装镜片单元的镜框60以及用于佩戴AR眼镜的镜腿90以及安装在镜框60中的左镜片单元10和右镜片单元20。在此，作为示例，左镜片单元10和右镜片单元20构造成两个单独的镜片单元，分别安装在镜框60中。
与图12所示实施例的区别在于，在图13示出的实施例中，安装在镜框60中的镜片单元采用了切角处理。也就是说，例如在矩形基本形状的基础上，镜片单元在其至少一个直角处具有切角形状。相应地，AR眼镜的镜框60也可以采用与镜片单元的切角形状相匹配的切角形状。例如，波导片构造为带缺角的方形，由此匹配波导片转折区的形状，不但可以减小AR眼镜的体积，同时可以匹配不同元器件的结构空间需求，并能采用更加灵活多变的产品设计造型。当然，波导片也可以构造为带缺角或者说切角的其他任意形状，例如矩形和多边形。
在一些改型方案中，镜框60也可以不设置切角形状，而是所述镜框60可以在与所述镜片单元的切角形状对应的部位处留有用于元器件的安装空间，由此在镜框的镜片单元切角处可设置电子元件或者其他装置。
图14是根据本发明的一些实施例的AR眼镜的示意图。如图14所示，AR眼镜的整体结构与之前实施例中类似，AR眼镜包括用于安装镜片单元的镜框60、用于佩戴AR眼镜的镜腿90以及安装在镜框60中的左镜片单元10和右镜片单元20。在此实施例中，安装在镜框60中的左镜片单元10和右镜片单元20构造成一个整体镜片单元。换句话说，由一个唯一的镜片单元的不同组成部分分别形成左镜片单元10和右镜片单元20。因此，左镜片单元10和右镜片单元20的由光波导材料构成的基底1是连续且一体的。
为此，可以设置单独的导光元件70，其将微投影仪40或者说微显示器的图像光线引导至镜片单元的耦入和转折区域35。通过设置的导光元件70，左镜片单元10和右镜片单元20可以共用一个唯一的微投影仪40或者微显示器。也可以选择将耦入和转折区域35设置在波导片的几何中心位置处，例如在对称轴上。导光元件70一端连接微投影仪40，另一端连接镜片单元的耦入和转折区域35，从而将图像光线从微投影仪40或者微显示器传递到镜片单元。
在示出的实施例中，将耦入和转折区域35设置在左镜片单元10和右镜片单元20之间的正中位置，也就是大致位于鼻梁上方的正中位置，由此能够容易实现左镜片单元10和右镜片单元20均匀和协调的图像传输效果。同时，利用合适造型的导光元件70，例如光纤形式，可以将显示系统的计算单元50、微投影仪40或者微显示器等元器件布置在AR设备的合适位置处，从而一方面合理利用结构空间，灵活设计，另一方面保证图像传输和显示质量。在图14的实施例中，微投影仪40和计算单元50设置在其中一个镜腿90上，图像光线由微投影仪40经过导光元件70传递至镜片单元的耦入和转折区域35，通过耦入和转折区域35进入镜片单元，并最终借助全反射和衍射传播通过耦出区域射入人眼。
图15是根据本发明的另一些实施例的AR眼镜的示意图。在此实施例中，作为示例给出了以不同的方式设置光学元器件和电子元器件的可能性。在图12-11所示的实施例中，相机30设在左镜片单元10和右镜片单元20之间的正中位置，也就是大致位于鼻梁上方的正中位置。与此不同，在图15的实施例中，替代相机30，可以将微投影仪40或者微显示器直接设置在在左镜片单元10和右镜片单元20之间的正中位置，也就是大致位于鼻梁上方的正中位置。因此，微投影仪40或者微显示器发出的图像光线可以直接通过耦入和转折区域进入镜片单元，而省略中间附加的导光元件70。
类似地，结合AR设备的具体外形和空间结构，也可以考虑改变其他光学元器件和电子元器件的布置位置和方式。例如，在图15的示例中，可以将传感器80，包括位置传感器和/或空间传感器等，布置在其中一个或者两个镜腿90中。显然，在满足AR设备的光学元器件和电子元器件的结构和工作要求的前提下，可以改变构造镜片单元的形状，灵活设置不同元器件的位置。
需要指出，在此提出的技术方案不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明的发明思想的前提下，对上述实施例进行多种变型和修改，而这些变型和修改均属于本发明的保护范围。

Claims (21)

1.一种镜片单元，其特征在于，包括：
由光波导材料构成的基底（1），其具有第一光学平面和与第一光学平面相对的第二光学平面；以及
第一衍射光栅区域（2）和第二衍射光栅区域（3），其中设在所述基底（1）的第一光学平面上的衍射光栅区域构成第一衍射光栅区域（2），设置在所述基底（1）的与第一光学平面相对的第二光学平面上的衍射光栅区域构成第二衍射光栅区域（3）；
其中，在所述基底（1）的第一光学平面上设置用于入射光的耦入和转折区域，其中所述设在所述基底（1）的第一光学平面上的耦入和转折区域与设在所述基底（1）的第一光学平面上的耦出区域具有一致的光栅矢量；
其中，将入射光在镜片单元内经历的第一和第二次衍射的区域设置为耦入和转折区域。
2.根据权利要求1所述的镜片单元，其中，在所述基底（1）的第二光学平面上设置用于入射光的耦入和转折区域，其中所述设在所述基底（1）的第二光学平面上的耦入和转折区域与设在所述基底（1）的第二光学平面上的耦出区域具有一致的光栅矢量。
3.根据权利要求2所述的镜片单元，其中，在镜片单元所在的平面中，设在所述基底（1）的第一光学平面上的耦入和转折区域与设在所述基底（1）的第二光学平面上的耦入和转折区域具有至少部分重叠的区域。
4.根据权利要求3所述的镜片单元，其中，在镜片单元所在的平面中，设在所述基底（1）的第一光学平面上的耦入和转折区域与设在所述基底（1）的第二光学平面上的耦入和转折区域轴对称。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的镜片单元，其中，衍射光栅区域在耦入和转折区域之外的部分构成用于光线从镜片单元耦出的耦出区域。
6.根据权利要求5所述的镜片单元，其中，所述耦入和转折区域与位于其所在光学平面上的耦出区域连接。
7.根据权利要求6所述的镜片单元，其中，所述耦入和转折区域被位于其所在光学平面上的耦出区域完全包围。
8.根据权利要求5所述的镜片单元，其中，所述耦入和转折区域与位于其所在光学平面上的耦出区域完全分离，其中整个衍射光栅区域构成用于光线从镜片单元耦出的耦出区域。
9.根据权利要求5所述的镜片单元，其中，所述耦入和转折区域的光栅槽深与占空比大于对应的耦出区域的光栅槽深与占空比。
10.根据权利要求1到4中任一项所述的镜片单元，其中，所述耦入和转折区域包括耦入区域和转折区域，其中所述耦入区域是圆形、三角形、矩形或者椭圆形。
11.根据权利要求5所述的镜片单元，其中，所述耦出区域设置为均匀光栅，其具有一致的槽深与占空比。
12.根据权利要求5所述的镜片单元，其中，所述耦出区域设置为变化的光栅，其中所述耦出区域距离对应的耦入和转折区域越远，则光栅的槽深与占空比越大。
13.一种AR设备，其包括至少一个根据权利要求1到12中任一项所述的镜片单元。
14.根据权利要求13所述的AR设备，其中，所述AR设备是AR眼镜，其包括：
用于安装镜片单元的镜框（60）；
用于佩戴AR眼镜的镜腿（90）；
安装在镜框（60）中的左镜片单元（10）和右镜片单元（20）；
用于数据处理和产生图像信号的计算单元（50）；
微型投影仪（4），其根据计算单元（50）产生的图像信号输出图像。
15.根据权利要求14所述的AR设备，其中，由一个一体的镜片单元构成所述左镜片单元（10）和右镜片单元（20）。
16.根据权利要求13到15中任一项所述的AR设备，其中，所述AR设备包括导光元件（70），所述导光元件（70）将微型投影仪（4）的输出图像传输至镜片单元的耦入和转折区域。
17.根据权利要求14或15所述的AR设备，其中，所述镜片单元为带切角的形状。
18.根据权利要求17所述的AR设备，其中，所述镜框（60）具有与所述镜片单元的切角形状相匹配的切角形状。
19.根据权利要求17所述的AR设备，其中，所述镜框（60）在与所述镜片单元的切角形状对应的部位处形成用于元器件的安装空间。
20.根据权利要求14或15所述的AR设备，其中，在镜框（60）或者镜腿（90）中安装计算单元（50）、微型投影仪（4）、相机（30）、位置传感器和/或空间传感器。
21.根据权利要求14或15所述的AR设备，其中，在左镜片单元（10）和右镜片单元（20）之间的正中位置在镜框（60）中安装相机（30）、微型投影仪（4）和/或传感器（80）。
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