CN113568178A - 一种波导片模型及ar眼镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波导片模型及AR眼镜，所述波导片模型包括波导片本体，所述波导片本体上设置有入瞳区域、扩瞳区域和出瞳区域；所述入瞳区域和扩瞳区域均设置于所述波导片本体的中轴线上，且所述入瞳区域位于所述扩瞳区域的上方，所述出瞳区域包括第一出瞳区域和第二出瞳区域，所述第一出瞳区域和第二出瞳区域对称设置于所述波导片本体的两侧；入射光耦合进入所述入瞳区域，再通过所述入瞳区域传播至所述扩瞳区域，然后从所述扩瞳区域分别传播至所述第一出瞳区域和第二出瞳区域。本发明提供的波导片模型可使出射光与入射光的方向保持高度的轴对称，如此便于校准双目耦合，简化校准过程，同时利于批量生产，且生产良率高。

Description

一种波导片模型及AR眼镜
技术领域
本发明涉及AR显示技术领域，特别涉及一种波导片模型及AR眼镜。
背景技术
随着成像技术的进步，人们对沉浸式体验的需求越来越高，近年来VR/AR技术的发展，逐渐满足人们对视觉体验的追求。头戴式设备能解放人们的双手，降低对屏幕的依赖，同时营造更好的视觉效果。对于头戴式设备，近眼显示是其技术的关键，成像质量和轻薄性则是主要的考虑因素。近眼显示系统一般由图像远近光传输系统组成，图像源发出的图像画面，通过光学传输系统传递到人眼中。在此，区别于VR对外部环境的阻断，AR则需要有一定透过率，使佩戴者在看到图像画面的同时，可以看到外界的环境。
对于光学传输系统，业界有很多种方案，例如，自由空间光学，自由曲面光学，及显示光波导。其中，光波导技术由于其大eye box的特点，及其轻薄的特性，明显优于其他光学方案，已经成为主流路径。
由于AR眼镜是双目成像，在制作的过程中，需要使两边的图像能基于双目合成一幅图片，此时则需要从波导片出射的光束能以一定倾角进入人眼。基于此需求，以传统的双侧微投影AR设备为例，在组装时需要调试其入射光束的倾角，以使两侧的图像能最终在双目下合成单幅图像。然而该过程的调试步骤极其繁琐，容错率低，不利于批量生产。
另外，AR双眼显示系统在耦合的过程中，需要使两边的图像能基于双目合成一幅图片，调试步骤极其繁琐，精度要求极高，不利于批量生产；额外增加的分光器件用于连接左右光波导，会引入额外的损耗和鬼影，光效率大大降低；不是一体化波导，不适合一体化造型，不美观。
传统双光机AR眼镜系统中，两个投影光机分别位于AR眼镜扩瞳区域两侧，制作时需要校准双目耦合，校准过程复杂，不利于批量生产，且良率低下。
发明内容
本发明实施例提供了一种波导片模型及AR眼镜，旨在简化AR眼镜的校准过程，提高生产良率及生产效率。
本发明实施例提供了一种波导片模型，包括波导片本体，所述波导片本体上设置有入瞳区域、扩瞳区域和出瞳区域；
所述入瞳区域和扩瞳区域均设置于所述波导片本体的中轴线上，且所述入瞳区域位于所述扩瞳区域的上方，所述出瞳区域包括第一出瞳区域和第二出瞳区域，所述第一出瞳区域和第二出瞳区域对称设置于所述波导片本体的两侧；
入射光耦合进入所述入瞳区域，再通过所述入瞳区域传播至所述扩瞳区域，然后从所述扩瞳区域分别传播至所述第一出瞳区域和第二出瞳区域。
进一步的，所述波导片本体为蝶形结构，厚度为1mm～2mm，左右两侧沿中轴线对称，前后表面对称。
进一步的，所述入瞳区域、扩瞳区域和出瞳区域均采用衍射光栅。
进一步的，所述扩瞳区域呈梯形状设置于所述入瞳区域的下方，且靠近入瞳区域的上底边长度小于远离入瞳区域的下底边长度；
所述入瞳区域的衍射光栅水平设置，且衍射方向垂直于水平方向；所述衍射光栅的周期为330nm～450nm；
所述扩瞳区域采用两个衍射光栅叠加设置，其中一个衍射光栅沿水平方向设置，另外一个衍射光栅沿竖直方向设置，且两个衍射光栅之间的角度为80°～100°，两个衍射光栅设置于所述波导片本体的同一面或者分别设置于所述波导片本体的前后两面；
所述出瞳区域的衍射光栅竖直放置，且衍射方向平行于水平方向，光栅周期为330nm～450nm内。
进一步的，所述扩瞳区域包括第一扩瞳区域和第二扩瞳区域，所述第一扩瞳区域和第二扩瞳区域以八字形设置于所述入瞳区域的下方，且靠近入瞳区域的上边长长度小于远离入瞳区域的下边长长度；
所述入瞳区域采用两个衍射光栅叠加设置，两个衍射光栅的衍射方向分别朝向第一扩瞳区域和第二扩瞳区域设置，且两个衍射光栅的光栅方向夹角为20°～100°，两个衍射光栅设置于所述波导片本体的同一面或者分别设置于所述波导片本体的前后两面，两个衍射光栅的光栅周期为330nm～450nm。
所述第一扩瞳区域和第二扩瞳区域均采用一个衍射光栅设置，且所述第一扩瞳区域衍射光栅的光栅方向与水平方向夹角为110°～130°，所述第二扩瞳区域衍射光栅的光栅方向与水平方向夹角为50°～70°；
所述出瞳区域的衍射光栅竖直放置，且衍射方向平行于水平方向，光栅周期为330nm～450nm内。
进一步的，所述入瞳区域为圆柱形区域，所述圆柱形区域的直径为2.5mm～7mm；
所述扩瞳区域的最大竖直高度为所述入瞳区域直径的3～6倍，且所述扩瞳区域的上底边长度为所述入瞳区域直径的2～3倍，所述扩瞳区域的下底边长度为所述入瞳区域直径的3～5倍，其中，所述扩瞳区域的上底边长度小于所述扩瞳区域的下底边长度。
进一步的，所述入瞳区域为圆柱形区域，所述圆柱形区域的直径为2.5mm～7mm；
所述第一扩瞳区域和第二扩瞳区域的形状沿波导片中轴线对称，所述第一扩瞳区域和第二扩瞳区域的内夹角为15°～30°，外夹角为30°～40°，所述第一扩瞳区域的上边长长度为所述入瞳区域直径的2～3倍，所述第一扩瞳区域的下边长长度为所述入瞳区域直径的2～4倍，所述第一扩瞳区域的最大竖直高度为所述入瞳区域直径的4～7倍，其中，所述内夹角为第一扩瞳区域和第二扩瞳区域内侧边长之间形成的夹角，所述外夹角为第一扩瞳区域和第二扩瞳区域外侧边长之间形成的夹角。
进一步的，所述第一出瞳区域和第二出瞳区域形状的几何结构和坐标位置均呈镜像对称，且所述出瞳区域长度为所述入瞳区域直径的5～10倍，所述出瞳区域宽度为所述扩瞳区域的最大竖直高度的80％～90％；
所述第一出瞳区域的几何中心与第二出瞳区域的几何中心之间的第一距离为60mm～70mm；所述第一出瞳区域的几何中心与扩瞳区域的几何中心之间的第二距离和第二出瞳区域的几何中心与扩瞳区域的几何中心之间的第三距离相等，且第二距离或者第三距离为8mm～25mm。
进一步的，所述第一出瞳区域和第二出瞳区域的衍射光栅的周期相等，所述第一出瞳区域和第二出瞳区域的衍射光栅水平设置且方向相反。
进一步的，所述入瞳区域、扩瞳区域和出瞳区域的衍射光栅的光栅矢量和为0。
本发明实施例还提供了一种AR眼镜，包括如上任一项所述的波导片模型。
本发明实施例提供了一种波导片模型及AR眼镜，所述波导片模型包括波导片本体，所述波导片本体上设置有入瞳区域、扩瞳区域和出瞳区域；所述入瞳区域和扩瞳区域均设置于所述波导片本体的中轴线上，且所述入瞳区域位于所述扩瞳区域的上方，所述出瞳区域包括第一出瞳区域和第二出瞳区域，所述第一出瞳区域和第二出瞳区域对称设置于所述波导片本体的两侧；入射光耦合进入所述入瞳区域，再通过所述入瞳区域传播至所述扩瞳区域，然后从所述扩瞳区域分别传播至所述第一出瞳区域和第二出瞳区域。本发明实施例提供的波导片模型可使出射光与入射光的方向保持高度的轴对称，如此便于校准双目耦合，简化校准过程，同时利于批量生产，且生产良率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例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获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种波导片模型的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种波导片模型的另一结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种波导片模型的光栅分布示意图；
图4为本发明实施例提供的一种波导片模型的另一光栅分布示意图；
图5为本发明实施例提供的一种波导片模型的波导原理示意图；
图6为本发明实施例提供锷一种波导片模型的另一波导原理示意图。
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
下面请参见图1或图2，图1和图2均为本发明实施例提供的一种波导片模型的结构示意图，所述波导片模型包括波导片本体，所述波导片本体上设置有入瞳区域、扩瞳区域和出瞳区域；
所述入瞳区域和扩瞳区域均设置于所述波导片本体的中轴线上，且所述入瞳区域位于所述扩瞳区域的上方，所述出瞳区域包括第一出瞳区域和第二出瞳区域，所述第一出瞳区域和第二出瞳区域对称设置于所述波导片本体的两侧；
入射光耦合进入所述入瞳区域，再通过所述入瞳区域传播至所述扩瞳区域，然后从所述扩瞳区域分别传播至所述第一出瞳区域和第二出瞳区域。
本实施例所述的波导片模型上设置有入瞳区域(图1中的11、图2中的12)、扩瞳区域(图1中的20，图2中的21和22)和出瞳区域(图1、图2中的31和32)，其中，所述入瞳区域和扩瞳区域设置在波导片本体的中轴线上，所述出瞳区域所包含的第一出瞳区域31和第二出瞳区域32分别对称设置在所述扩瞳区域的左右两侧。入射光耦合进入所述入瞳区域，经所述入瞳区域射向所述扩瞳区域，然后经扩瞳区域调节后射向出瞳区域，形成出射光。
本实施例提供的波导片模型可使出射光与入射光的方向保持高度的轴对称，如此便于校准双目耦合，简化校准过程复杂，同时利于批量生产，且生产良率高。
在一实施例中，所述波导片本体为蝶形结构，厚度为1mm～2mm，左右两侧沿中轴线对称，前后表面对称。
本实施例采用一体化的蝶形波导片作为基底，在其上设置特殊的衍射区域来改变光路方向，并配合高折射率的玻璃进行光束的全反射传播。采用单投影光机进行成像，充分利用±1级的衍射像，极大地提高了光能的利用率。同时镜像对称结构提高了色彩补偿效果，AR目镜整体集成度更高。
在一实施例中，所述入瞳区域、扩瞳区域和出瞳区域均采用衍射光栅。具体的，所述衍射光栅为表面浮雕光栅或者是体全息光栅。
在一实施例中，如图1所示，所述扩瞳区域20呈梯形状设置于所述入瞳区域11的下方，且靠近入瞳区域11的上底边长度小于远离入瞳区域11的下底边长度；
所述入瞳区域11的衍射光栅水平设置，且衍射方向垂直于水平方向；所述衍射光栅的周期为330nm～450nm；
所述扩瞳区域20采用两个衍射光栅叠加设置，其中一个衍射光栅沿水平方向设置，另外一个衍射光栅沿竖直方向设置，且两个衍射光栅之间的角度为80°～100°，两个衍射光栅设置于所述波导片本体的同一面或者分别设置于所述波导片本体的前后两面；
所述出瞳区域的衍射光栅竖直放置，且衍射方向平行于水平方向，光栅周期为330nm～450nm内。
本实施例中，所述入瞳区域11在波导片本体的中轴线上，靠近波导片本体上边缘位置。所述扩瞳区域20在入瞳区域11正下方，呈梯形状，并且靠近入瞳区域11的上底边较短，远离入瞳区域11的下底边较长；进一步的，所述第一出瞳区域31和第二出瞳区域32分别位于所述扩瞳区域20的两侧，也就是说，所述入瞳区域11、扩瞳区域20和出瞳区域以波导片中轴线对称。
本实施例所述的扩瞳区域20由两组周期相同、方向不同的衍射光栅叠加而成，在一具体实施例中，扩瞳区域20的两个衍射光栅方向的夹角为90°。
进一步的，在一实施例中，结合图3，所述入瞳区域11为圆柱形区域，所述圆柱形区域的直径为2.5mm～7mm；
所述扩瞳区域20的最大竖直高度为所述入瞳区域11直径的3～6倍，且所述扩瞳区域20的上底边长度为所述入瞳区域11直径的2～3倍，所述扩瞳区域20的下底边长度为所述入瞳区域11直径的3～5倍，其中，所述扩瞳区域20的上底边长度小于所述扩瞳区域20的下底边长度。
本实施例中，设置入瞳区域11的直径为D1，取值在2.5mm～7mm之间；所述扩瞳区域20的高度为H1，取值可以是D1的3～6倍，上底边L1可以是D1的2～3倍，下底边L2可以是D1的3～5倍，并且L2>L1；所述第一出瞳区域31和第二出瞳区域32尺寸一致，长度为L3，宽度为W3，且L3>W3，其中长度L3取值可以是D1的5～10倍，宽度W3取值可以是H1的80％～90％；所述第一出瞳区域31的几何中心和第二出瞳区域32的几何中心之间的第一距离为人眼的瞳距(IPD)，在60mm～70mm之间；同时，所述第一出瞳区域31的几何中心至扩瞳区域20的几何中心之间的第二距离X1与所述第一出瞳区域31的几何中心至扩瞳区域20的几何中心之间的第三距离X2相等，即X1＝X2，并且X1或X2在8mm～25mm之间。镜片两侧参数严格呈镜像对称。另外，在一实施例中，所述第一出瞳区域31和第二出瞳区域32的衍射光栅的周期相等，所述第一出瞳区域31和第二出瞳区32域的衍射光栅水平设置且方向相反。
在一具体实施例中，如图5所示，所述入瞳区域11设有衍射光栅DOE11，DOE11的周期(即条纹间隔)为d11，光栅方向V11与x轴夹角θ11为-90°(以x轴方向逆时针180°为正，顺时针180°为负)；所述扩瞳区域20设有衍射光栅DOE21和DOE22，其光栅周期分别为d21和d22，DOE21的光栅方向V21与x轴的夹角θ21为135°，DOE22的光栅方向V22与x轴的夹角θ22为45°，两个光栅同时设置在扩瞳区域20中，使所述扩瞳区域20能同时朝左右两个出瞳区域(即所述第一出瞳区域31和第二出瞳区域32)的方向衍射光波；所述第一出瞳区域31和第二出瞳区域32分别设有衍射光栅DOE31和DOE32，其光栅周期分别为d31和d32，DOE31的光栅方向与x轴的夹角为0，DOE32的光栅方向与x轴的夹角为180°。
需要说明的是，特定波长的光可以沿着左路径和右路径在波导板内传播。输入光IN1的波矢可以存在于以初始波矢kx和ky定义的波矢空间的一个区域BOX0中。区域BOX0的每个角落都可以代表一个输入图像IMG0的角落点的光的波矢。
在一实施例中，所述入瞳区域、扩瞳区域和出瞳区域的衍射光栅的光栅矢量和为0。结合图5，即是所述入瞳区域11、扩瞳区域20和第一出瞳区域31的衍射光栅的光栅矢量和为0，以及所述入瞳区域11、扩瞳区域20和第二出瞳区域32的衍射光栅的光栅矢量和为0。具体来说，对于预定整数mij时(i＝1,2,3j＝1,2)，光栅矢量的光栅周期(d)和方向(θ)可以满足矢量和ΣmijVij＝0，即波矢的传导形成闭合路径。其中i为区域位置标识，如1＝入瞳，2＝扩瞳，3＝出瞳；j为路径标识，如1＝左路径，2＝右路径(例如左侧路径波矢和为m11V11+m21V21+m31V31＝0)。这些预定整数的值通常为+1或-1。例如整数m11，m12，m21，m22，m31，m32的值可以是+1或-1。
在图5中，BND1表示用于满足波导板SUB1(即所述波导片本体)中的全内反射(TIR)标准的第一边界。BND2表示波导板SUB1中的最大波矢的第二边界。最大波矢可以由波导板的折射率确定。仅当所述光的波矢在第一边界BND1与第二边界BND2之间的区域ZONE1中时，光才可以在板中波导。如果光的波矢在区域ZONE1之外，则光可能会泄漏出波导板或根本不传播。具体的波导过程如下：
入射光IN1从区域BOX0进入波导，其中第一左传导光B1a朝V11方向传导，其波矢在区域BOX1a中，第一右传导光B1b朝V12方向传导，其波矢在区域BOX1b中；第二左传导光B2a朝V21方向传导，其波矢在区域BOX2a中，第二右传导光B2b朝V22方向传导，其波矢在区域BOX2b中；第一左输出光OUT1朝V31方向传导，其波矢在区域BOX3a中，第一右输出光OUT2朝V32方向传导，其波矢在区域BOX3b中。根据波导理论，该波导中两条波矢的路径需均为闭环，才可保证波导输入与输出的对称关系。
可以选择光学单元DOE11，DOE21，DOE31，DOE22，DOE32的光栅周期(d)和衍射光栅的取向(θ),使得波矢空间中的区域BOX0，BOX3a，BOX3b几乎重合。同时针对三个颜色RGB的波长，区域BOX1a和BOX1b，区域BOX2a和BOX2b的波矢都在由边界BND1、BND2限定的区域ZONE1内。同时波矢空间中的区域BOX1a和区域BOX2a在所述扩瞳区域20中几乎重合。
在一实施例中，如图2所示，所述扩瞳区域包括第一扩瞳区域21和第二扩瞳区域22，所述第一扩瞳区域21和第二扩瞳区域22以八字形设置于所述入瞳区域12的下方，且靠近入瞳区域12的上边长长度小于远离入瞳区域的下边长长度；
所述入瞳区域12采用两个衍射光栅叠加设置，且两个衍射光栅的衍射方向分别朝向第一扩瞳区域21和第二扩瞳区域22设置，且两个衍射光栅的光栅方向夹角为20°～100°，两个衍射光栅设置于所述波导片本体的同一面或者分别设置于所述波导片本体的前后两面，两个衍射光栅的光栅周期为330nm～450nm。
所述第一扩瞳区域和第二扩瞳区域均采用一个衍射光栅设置，且所述第一扩瞳区域衍射光栅的光栅方向与水平方向夹角为110°～130°，所述第二扩瞳区域衍射光栅的光栅方向与水平方向夹角为50°～70°；
所述出瞳区域的衍射光栅竖直放置，且衍射方向平行于水平方向，光栅周期为330nm～450nm内。
本实施例中，所述入瞳区域12由两组周期相同、方向不同的衍射光栅叠加而成，两个衍射光栅方向的夹角在10°～100°之间。所述第一扩瞳区域21和第二扩瞳区域22在所述入瞳区域12正下方以“八”字型分开，且靠近入瞳方向的区域间隔最近，远离入瞳方向的区域间隔最远。所述第一出瞳区域31和第二出瞳区域32分别位于所述扩瞳区域(即所述第一扩瞳区域21和第二扩瞳区域22)两侧。整体结构严格以波导片本体的中轴线对称。
进一步的，结合图4，所述入瞳区域12为圆柱形区域，所述圆柱形区域的直径为2.5mm～7mm；
所述第一扩瞳区域21和第二扩瞳区域22的形状沿波导片中轴线对称，所述第一扩瞳区域21和第二扩瞳区域22的内夹角为15°～30°，外夹角为30°～40°，所述第一扩瞳区域21的上边长长度为所述入瞳区域12直径的2～3倍，所述第一扩瞳区域21的下边长长度为所述入瞳区域12直径的2～4倍，所述第一扩瞳区域21的最大竖直高度为所述入瞳区域12直径的4～7倍，其中，所述内夹角为第一扩瞳区域21和第二扩瞳区域22内侧边长之间形成的夹角，如图2中的α，所述外夹角为第一扩瞳区域21和第二扩瞳区域22外侧边长之间形成的夹角，如图2中的β。可以理解的是，这里所说的内侧是指靠近波导片本体中轴线，外侧是指远离波导片本体中轴线，另外，可以理解的是，虽然第一扩瞳区域21和第二扩瞳区域22外侧边长未相近，但是第一扩瞳区域21和第二扩瞳区域22外侧边长的延长线相交后形成的角即为外夹角。
本实施例中，设置所述入瞳区域12的直径为D1，取值在2.5～7mm之间。所述第一扩瞳区域21和第二扩瞳区域22的内夹角在15°～30°之间，外夹角在30°～40°之间，所述第一扩瞳区域21和第二扩瞳区域22形状相同，故尺寸也相同，其中，所述第一扩瞳区域21(或者第二扩瞳区域22)上底边长度L4可以是D1的2～3倍，下底边长度L5可以是D1的2～4倍，最大竖直高度H2可以是D1的4～7倍。所述第一出瞳区域31和第二出瞳区域32尺寸一致，长度为L6，宽度为W6，且L6>W6，其中长度L6取值可以是D1的5～10倍，宽度W6取值可以是H5的80％～90％；所述第一出瞳区域31的几何中心和第二出瞳区域32的几何中心之间的第一距离为人眼的瞳距(IPD)，在60mm～70mm之间；同时，所述第一出瞳区域31的几何中心至扩瞳区域的几何中心(即所述第一扩瞳区域21和第二扩瞳区域22的中心)之间的第二距离X1与所述第一出瞳区域31的几何中心至扩瞳区域的几何中心之间的第三距离X2相等，即X1＝X2，并且X1或X2在8mm～25mm之间。镜片两侧参数严格呈镜像对称。另外，在一实施例中，所述第一出瞳区域31和第二出瞳区域32的衍射光栅的周期相等，所述第一出瞳区域31和第二出瞳区域32的衍射光栅水平设置且方向相反。
在一具体实施例中，如图6所示，所述入瞳区域12设有衍射光栅DOE11和DOE12，其光栅周期(即条纹间隔)分别为d11和d12，光栅方向取决于扩瞳区域的位置，一般来说，DOE11的光栅方向在-100°～-140°(以x轴方向逆时针180°为正，顺时针180°为负)之间，DOE12的光栅方向在-40°～-80°之间，两个光栅同时设置在所述入瞳区域12中，使入射光的两个有效衍射(在波导内的衍射为有效衍射，溢出波导的衍射为无效衍射)方向对准扩瞳区域的位置。所述第一扩瞳区域21和第二扩瞳区域22内分别设有衍射光栅DOE21和DOE22，其光栅周期分别为d21和d22，光栅方向与其位置有关，一般来说，DOE21的光栅方向在110°～130°之间，DOE22的光栅方向在50°～70°之间。所述第一出瞳区域31和第二出瞳区域32分别设有衍射光栅DOE31和DOE32，其光栅周期分别为d31和d32，DOE31的光栅方向与x轴的夹角为0，DOE32的光栅方向与x轴的夹角为180°。
需要说明的是，特定波长的光可以沿着左路径和右路径在波导板内传播。输入光IN1的波矢可以存在于以初始波矢kx和ky定义的波矢空间的一个区域BOX0中。区域BOX0的每个角落都可以代表一个输入图像IMG0的角落点的光的波矢。
在图6中，所述入瞳区域12、第一扩瞳区域21和第一出瞳区域31的光栅矢量和为0，所述入瞳区域12、第二扩瞳区域22和第二出瞳区域32的光栅矢量和为0。具体的，对于预定整数mij时(i＝1,2,3j＝1,2)，光栅矢量的光栅周期(d)和方向(θ)可以满足矢量和ΣmijVij＝0，即波矢的传导形成闭合路径。其中i为区域位置标识，如1＝入瞳，2＝扩瞳，3＝出瞳；j为路径标识，如1＝左路径，2＝右路径(例如左侧路径波矢和为m11V11+m21V21+m31V31＝0)。这些预定整数的值通常为+1或-1。例如整数m11，m12，m21，m22，m31，m32的值可以是+1或-1。
在图6中，BND1表示用于满足波导板SUB1中的全内反射(TIR)标准的第一边界。BND2表示波导板SUB1中的最大波矢的第二边界。最大波矢可以由波导板的折射率确定。仅当所述光的波矢在第一边界BND1与第二边界BND2之间的区域ZONE1中时，光才可以在板中波导。如果光的波矢在区域ZONE1之外，则光可能会泄漏出波导板或根本不传播。具体的波导过程如下：
入射光IN1从区域BOX0进入波导，其中第一左传导光B1a朝V11方向传导，其波矢在区域BOX1a中，第一右传导光B1b朝V12方向传导，其波矢在区域BOX1b中；第二左传导光B2a朝V21方向传导，其波矢在区域BOX2a中，第二右传导光B2b朝V22方向传导，其波矢在区域BOX2b中；第一左输出光OUT1朝V31方向传导，其波矢在区域BOX3a中，第一右输出光OUT2朝V32方向传导，其波矢在区域BOX3b中。根据波导理论，该波导中两条波矢的路径需均为闭环，才可保证波导输入与输出的对称关系。
可以选择光学单元DOE11，DOE21，DOE31，DOE12，DOE22，DOE32的光栅周期(d)和衍射光栅的取向(θ),使得波矢空间中的区域BOX0，BOX3a，BOX3b几乎重合。同时针对三个颜色RGB的波长，区域BOX1a和BOX1b，区域BOX2a和BOX2b的波矢都在由边界BND1、BND2限定的区域ZONE1内。
本发明实施例还提供了一种AR眼镜，包括如上任一项所述的波导片模型。
本发明实施例采用一体化的蝶形波导片作为基底，在其上设置特殊的衍射区域来改变光路方向，并配合高折射率的玻璃进行光束的全反射传播。采用单投影光机进行成像，充分利用±1级的衍射像，极大地提高了光能的利用率。同时镜像对称结构提高了色彩补偿效果，AR目镜整体集成度更高，利于生产和校准。
现有技术中，AR双眼显示，需要两套光波导和光引擎分别用于左眼成像和右眼成像，硬件成本高，功耗高。而本发明实施例采用单光引擎入瞳后通过波导分左右眼，只需一个光引擎，从而可以提升衍射波导整体效率。同时，现有技术中的AR双眼显示系统在耦合的过程中，需要使两边的图像能基于双目合成一幅图片，调试步骤极其繁琐，精度要求极高，不利于批量生产。本发明实施例通过玻璃wafer(玻璃晶圆)的精度来控制双目耦合，双目会自然耦合，如此可以大幅降低双目耦合生产的难度，利于批量生产。另外，传统方案中，单眼显示存在色差，会影响体验。本发明实施例提供的AR眼镜具备左右眼的光学对称，可以相互补偿，使色彩均匀性的感受更好。对于现有技术中的AR眼镜不适合一体化造型，存在不美观的缺陷，本发明实施例采用一体化波导设计，配合弧度造型，可以使AR眼镜更显时尚、美观。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (11)

1.一种波导片模型，其特征在于，包括波导片本体，所述波导片本体上设置有入瞳区域、扩瞳区域和出瞳区域；
所述入瞳区域和扩瞳区域均设置于所述波导片本体的中轴线上，且所述入瞳区域位于所述扩瞳区域的上方，所述出瞳区域包括第一出瞳区域和第二出瞳区域，所述第一出瞳区域和第二出瞳区域对称设置于所述波导片本体的两侧；
入射光耦合进入所述入瞳区域，再通过所述入瞳区域传播至所述扩瞳区域，然后从所述扩瞳区域分别传播至所述第一出瞳区域和第二出瞳区域。
2.根据权利要求1所述的波导片模型，其特征在于，所述波导片本体为蝶形结构，厚度为1mm～2mm，左右两侧沿中轴线对称，前后表面对称。
3.根据权利要求1所述的波导片模型，其特征在于，所述入瞳区域、扩瞳区域和出瞳区域均采用衍射光栅。
4.根据权利要求3所述的波导片模型，其特征在于，所述扩瞳区域呈梯形状设置于所述入瞳区域的下方，且靠近入瞳区域的上底边长度小于远离入瞳区域的下底边长度；
所述入瞳区域的衍射光栅水平设置，且衍射方向垂直于水平方向；所述衍射光栅的周期为330nm～450nm；
所述扩瞳区域采用两个衍射光栅叠加设置，其中一个衍射光栅沿水平方向设置，另外一个衍射光栅沿竖直方向设置，且两个衍射光栅之间的角度为80°～100°，两个衍射光栅设置于所述波导片本体的同一面或者分别设置于所述波导片本体的前后两面；
所述出瞳区域的衍射光栅竖直放置，且衍射方向平行于水平方向，光栅周期为330nm～450nm内。
5.根据权利要求3所述的波导片模型，其特征在于，所述扩瞳区域包括第一扩瞳区域和第二扩瞳区域，所述第一扩瞳区域和第二扩瞳区域以八字形设置于所述入瞳区域的下方，且靠近入瞳区域的上边长长度小于远离入瞳区域的下边长长度；
所述入瞳区域采用两个衍射光栅叠加设置，两个衍射光栅的衍射方向分别朝向第一扩瞳区域和第二扩瞳区域设置，且两个衍射光栅的光栅方向夹角为20°～100°，两个衍射光栅设置于所述波导片本体的同一面或者分别设置于所述波导片本体的前后两面，两个衍射光栅的光栅周期为330nm～450nm。
所述第一扩瞳区域和第二扩瞳区域均采用一个衍射光栅设置，且所述第一扩瞳区域衍射光栅的光栅方向与水平方向夹角为110°～130°，所述第二扩瞳区域衍射光栅的光栅方向与水平方向夹角为50°～70°；
所述出瞳区域的衍射光栅竖直放置，且衍射方向平行于水平方向，光栅周期为330nm～450nm内。
6.根据权利要求4所述的波导片模型，其特征在于，所述入瞳区域为圆柱形区域，所述圆柱形区域的直径为2.5mm～7mm；
所述扩瞳区域的最大竖直高度为所述入瞳区域直径的3～6倍，且所述扩瞳区域的上底边长度为所述入瞳区域直径的2～3倍，所述扩瞳区域的下底边长度为所述入瞳区域直径的3～5倍，其中，所述扩瞳区域的上底边长度小于所述扩瞳区域的下底边长度。
7.根据权利要求5所述的波导片模型，其特征在于，所述入瞳区域为圆柱形区域，所述圆柱形区域的直径为2.5mm～7mm；
所述第一扩瞳区域和第二扩瞳区域的形状沿波导片中轴线对称，所述第一扩瞳区域和第二扩瞳区域的内夹角为15°～30°，外夹角为30°～40°，所述第一扩瞳区域的上边长长度为所述入瞳区域直径的2～3倍，所述第一扩瞳区域的下边长长度为所述入瞳区域直径的2～4倍，所述第一扩瞳区域的最大竖直高度为所述入瞳区域直径的4～7倍，其中，所述内夹角为第一扩瞳区域和第二扩瞳区域内侧边长之间形成的夹角，所述外夹角为第一扩瞳区域和第二扩瞳区域外侧边长之间形成的夹角。
8.根据权利要求4或5所述的波导片模型，其特征在于，所述第一出瞳区域和第二出瞳区域的几何结构和坐标位置均呈镜像对称，且所述出瞳区域长度为所述入瞳区域直径的5～10倍，所述出瞳区域宽度为所述扩瞳区域的最大竖直高度的80％～90％；
所述第一出瞳区域的几何中心与第二出瞳区域的几何中心之间的第一距离为60mm～70mm；所述第一出瞳区域的几何中心与扩瞳区域的几何中心之间的第二距离和第二出瞳区域的几何中心与扩瞳区域的几何中心之间的第三距离相等，且第二距离或者第三距离为8mm～25mm。
9.根据权利要求8所述的波导片模型，其特征在于，所述第一出瞳区域和第二出瞳区域的衍射光栅的周期相等，所述第一出瞳区域和第二出瞳区域的衍射方向镜像对称。
10.根据权利要求3所述的波导片模型，其特征在于，所述入瞳区域、扩瞳区域和出瞳区域的衍射光栅的光栅矢量和为0。
11.一种AR眼镜，其特征在于，包括如权利要求1～10任一项所述的波导片模型。
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