CN113777785B - 衍射光波导ar系统、ar眼镜及其系统的配置方法 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供了一种衍射光波导AR系统、AR眼镜及其系统的配置方法，系统包括：显示单元、准直透镜组、反射镜、耦入光栅、光波导板、耦出光栅；其中，准直透镜组，用于将显示单元射出的光进行光束准直处理，并将处理后的平行光传输至反光镜上；反射镜，用于将入射的平行光反射至耦入光栅；耦入光栅，用于将入射的平行光耦入至光波导板中进行全反射；耦出光栅，用于接收来自光波导板的全反射光，并射出全反射光。本公开实施例将准直透镜组出射的平行光光路折转，最终使光线垂直入射到光波导的耦入光栅区域，可以减小耦入光栅与耦出光栅之间的距离，以增大FOV及Eyebox的大小，增强视觉效果。

Description

衍射光波导AR系统、AR眼镜及其系统的配置方法

技术领域

本公开涉及光学领域，特别涉及一种衍射光波导AR系统、AR眼镜及其系统的配置方法。

背景技术

现有衍射光波导AR系统包括微显示屏幕、准直透镜组、耦入光栅、光波导板、耦出光栅。微显示屏幕用于输出与虚拟图像对应的光束；透镜用于光束准直；耦入光栅用于将平行光耦入至波导中进行全反射；耦出光栅用于将全反射光线出射至人眼。

目前现有的衍射光波导AR眼镜中，为了保证微显示屏幕产生的图像垂直进入光波导片，采用准直透镜必须正对着耦入光栅的方案。AR眼镜的镜腿位置固定，人眼观看时，瞳孔需正对着耦出光栅的中间位置，但由于光机(微显示屏幕和准直透镜组)的尺寸相对较大，为了避免光机与人脸发生干涉，耦入光栅和耦出光栅之间间隔的距离会很大，导致视场区域(FOV)及眼动范围(Eyebox)非常小，系统性能较低。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提出了一种衍射光波导AR系统、AR眼镜及其系统的配置方法，用以解决现有技术的如下问题：现有光机的尺寸相对较大，为了避免光机与人脸发生干涉，耦入光栅和耦出光栅之间间隔的距离会很大，导致视场区域及眼动范围非常小，系统性能较低。

一方面，本公开实施例提出了一种衍射光波导AR系统，包括：显示单元、准直透镜组、反射镜、耦入光栅、光波导板、耦出光栅；其中，准直透镜组，用于将显示单元射出的光进行光束准直处理，并将处理后的平行光传输至反光镜上；所述反射镜，用于将入射的平行光反射至耦入光栅；耦入光栅，用于将入射的平行光耦入至光波导板中进行全反射；耦出光栅，用于接收来自光波导板的全反射光，并射出全反射光。

在一些实施例中，所述反射镜为全反射镜。

在一些实施例中，所述全反射镜至少包括以下之一：平面反射镜、二次反射棱镜、梯形棱镜。

在一些实施例中，所述耦出光栅在人眼平视视场下的宽度和高度根据目标参数确定，其中，所述目标参数至少包括：眼动范围、瞳距、视场区域。

在一些实施例中，所述耦出光栅在人眼平视视场下的宽度W_out和高度H_out满足以下公式：

W_out＝Eyebox_W+2ERF×tan(FOV_W/2)；

H_out＝Eyebox_H+2ERF×tan(FOV_H/2)；

其中，Eyebox_W为眼动范围宽度，Eyebox_H为眼动范围高度，ERF为瞳距，FOV_W为视场区域宽度，FOV_H为视场区域高度。

在一些实施例中，所述耦入光栅的宽度和高度根据所述耦入光栅的出射光的出射方位角、所述耦入光栅和所述耦出光栅之间的预定间距、所述耦出光栅的宽度和高度确定。

在一些实施例中，所述耦入光栅的宽度W_in和高度W_in满足以下公式：

其中，

为耦入光栅的出射光的出射方位角，D为耦入光栅和耦出光栅之间的预定间距。

在一些实施例中，

按照如下公式确定：

其中，θ为耦入光栅的入射光的衍射角，

为所述入射光方位角，j为虚数，Λ为耦入光栅的周期，λ为所述入射光的波长。

另一方面，本公开实施例提出了一种AR眼镜，包括：本公开任一实施例所述的衍射光波导AR系统。

另一方面，本公开实施例提出了一种衍射光波导AR系统的配置方法，用于本公开任一实施例所述的衍射光波导AR系统，包括：确定目标参数，其中，目标参数至少包括：眼动范围、瞳距、视场区域；根据目标参数确定耦出光栅在人眼平视时的宽度和高度；根据耦入光栅的入射光的入射方位角和入射衍射角、耦入光栅的周期、所述入射光的波长确定耦入光栅的出射光的出射方位角；根据耦出光栅的宽度和高度、所述出射方位角、耦入光栅和耦出光栅之间的预定间距，确定耦入光栅的宽度和高度。

本公开实施例在AR系统中加入了反射镜，通过反射镜改变原有光路路径，改变了将现有必须垂直放置的光机的位置，其位置可以任意调节，反射镜的数量也可以任意设置，只要能够满足耦入光栅的入射光为准直的平行光即可；本公开实施例将准直透镜组出射的平行光光路折转，最终使光线垂直入射到光波导的耦入光栅区域，放置在其它位置的光机不会与人脸产生过多干涉，进而可以减小耦入光栅与耦出光栅之间的距离，增大耦出光栅的面积，以增大FOV及Eyebox的大小，增强视觉效果。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的衍射光波导AR系统示意图；

图2为本公开实施例提供的衍射光波导AR系统的示意图；

图3为本公开实施例提供的衍射光栅的结构及入射光的波矢图；

图4为本公开实施例提供的耦入光栅与耦出光栅的关系示意图。

附图标记：

1-显示单元，2-准直透镜组，3-反射镜，4-耦入光栅，5-光波导板，6-耦出光栅。

具体实施方式

为了使得本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例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公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

为了保持本公开实施例的以下说明清楚且简明，本公开省略了已知功能和已知部件的详细说明。

图1为现有技术的衍射光波导AR系统，由图1可以看出，准直透镜正对着耦入光栅，为了避免与人脸发生干涉，耦入光栅和耦出光栅之间间隔的距离D很大，则耦出光栅必然面积较小，进而使得FOV及Eyebox非常小。

为了解决现有问题，本公开第一实施例提供了一种衍射光波导AR系统，其结构示意如图2所示，包括：

显示单元1、准直透镜组2、反射镜3、耦入光栅4、光波导板5、耦出光栅6；其中，准直透镜组2，用于将显示单元1射出的光进行光束准直处理，并将处理后的平行光传输至反光镜3上；所述反射镜3，用于将入射的平行光反射至耦入光栅4；耦入光栅4，用于将入射的平行光耦入至光波导板5中进行全反射；耦出光栅6，用于接收来自光波导板5的全反射光，并射出全反射光。

本公开实施例在AR系统中加入了反射镜，通过反射镜改变原有光路路径，改变了将现有必须垂直放置的光机的位置，其位置可以任意调节，反射镜的数量也可以任意设置，只要能够满足耦入光栅的入射光为准直的平行光即可；本公开实施例将准直透镜组出射的平行光光路折转，最终使光线垂直入射到光波导的耦入光栅区域，放置在其它位置的光机不会与人脸产生过多干涉，进而可以减小耦入光栅与耦出光栅之间的距离，增大耦出光栅的面积，以增大FOV及Eyebox的大小，增强视觉效果。

具体实现时，图2仅为一种示例，通过调整反射镜的数量和位置，可以将显示单元和准直透镜组组成的光机位置进行任意设置；为了保证反射效果最好，所述反射镜优选为全反射镜，例如，平面反射镜、二次反射棱镜、梯形棱镜等。

由于耦入光栅和耦出光栅之间的预定间距只要满足不发生干涉即可，因此，可以将耦出光栅设置的较大，具体的，所述耦出光栅在人眼平视视场下的宽度和高度根据目标参数确定，其中，所述目标参数至少包括：眼动范围Eye Box、瞳距ERF、视场区域FOV。

实现时，所述耦出光栅在人眼平视视场下的宽度W_out和高度H_out满足以下公式：

W_out＝Eyebox_W+2ERF×tan(FOV_W/2)；

H_out＝Eyebox_H+2ERF×tan(FOV_H/2)；

其中，Eyebox_W为眼动范围宽度，Eyebox_H为眼动范围高度，ERF为瞳距，FOV_W为视场区域宽度，FOV_H为视场区域高度。

对于耦入光栅，其宽度和高度根据耦入光栅的出射光的出射方位角、耦入光栅和耦出光栅之间的预定间距、耦出光栅的宽度和高度确定。实现时，耦入光栅的宽度W_in和高度W_in满足以下公式：

其中，

为耦入光栅的出射光的出射方位角，D为耦入光栅和耦出光栅之间的预定间距。

对于

可以按照如下公式确定：

其中，θ为耦入光栅的入射光的衍射角，

为所述入射光的方位角，j为虚数，A为耦入光栅的周期，λ为所述入射光的波长。

下面，结合附图对上述实施例的配置进行进一步说明。

Eyebox、FOV、ERF、耦入光栅和耦出光栅之间的预定间距D都是预先可以确定的，其通常是根据用户需求而确定的；耦出光栅的横向及竖向尺寸的计算公式如下，

W_out＝Eyebox_W+2ERF×tan(FOV_W/2)；

H_out＝Eyebox_H+2ERF×tan(FOV_H/2)；

公式中，Eyebox_W为眼动范围宽度，Eyebox_H为眼动范围高度，ERF为瞳距，FOV_W为视场区域宽度，FOV_H为视场区域高度。

光线经过耦入光栅衍射后，在光波导中发生全反射，衍射角θ_j及方位角

计算公式如下：

衍射光栅的结构及入射光的波矢图如图3所示，入射光的波矢公式为：

其中，θ为入射光的入射衍射角，

为入射光的入射方位角。

入射光经过耦入光栅后，xy方向的波矢公式如下：

k_yj＝k_y；

经过推导，得出出射光的出射衍射角及出射方位角的计算公式如下：

其中，为虚数，Λ为耦入光栅的周期，λ为入射光的波长，n₂为光波导板的折射率。

根据以上目标参数及耦入光栅与耦出光栅之间的预定间距D可以确定横向及竖向耦入光栅的尺寸大小，其示意如图4所示，公式如下：

由以上公式可以看出，由于准直透镜组的出瞳口径大小已经确定横向及竖向耦入光栅的尺寸确定；ERF出瞳距一般按照人眼的正常观看距离确定，18mm左右；耦入光栅与耦出光栅之间的距离D值与FOV或Eyebox大小成反比，D值越大，FOV或Eyebox值越小。

因此，本方案中采用减小D的方案，在准直透镜组与耦入光栅之间加入全反射镜，将光路折转，在不影响像质的前提下，既可以满足人体工程学设计，又可以增大FOV及Eyebox大小，增强视觉体验。

本公开实施例还提供了一种AR眼镜，其至少包括本公开上述实施例中的衍射光波导AR系统。当然，其不仅限于AR眼镜，也可以是AR头戴设备等。

本公开实施例还提供了一种衍射光波导AR系统的配置方法，用于上述的衍射光波导AR系统，其可以包括如下过程：

(1)确定目标参数，其中，目标参数至少包括：眼动范围Eye Box、瞳距ERF、视场区域FOV；

(2)根据目标参数确定耦出光栅在人眼平视时的宽度和高度；

(3)根据耦入光栅的入射光的入射方位角和入射衍射角、耦入光栅的周期、所述入射光的波长确定耦入光栅的出射光的出射方位角；

(4)根据耦出光栅的宽度和高度、所述出射方位角、耦入光栅和耦出光栅之间的预定间距，确定耦入光栅的宽度和高度。

实现时，根据目标参数确定耦出光栅在人眼平视时的宽度和高度时，按照如下公式确定宽度W_out和高度H_out：

W_out＝Eyebox_W+2ERF×tan(FOV_W/2)；

H_out＝Eyebox_H+2ERF×tan(FOV_H/2)；

其中，Eyebox_W为眼动范围宽度，Eyebox_H为眼动范围高度，ERF为瞳距，FOV_W为视场区域宽度，FOV_H为视场区域高度。

实现时，根据耦入光栅的入射光的入射方位角和入射衍射角、耦入光栅的周期、所述入射光的波长确定耦入光栅的出射光的出射方位角时，根据耦入光栅的结构及入射光的波矢图确定出入射光的波矢公式，根据入射光的波矢公式和光波导板的折射率确定入射光经过耦入光栅后的出射光的波矢公式，根据出射光的波矢公式确定出射方位角，当然，还可以确定出射衍射角。公式如下：

其中，根据耦出光栅的宽度和高度、衍射角和方位角、预定间距和目标参数，确定耦入光栅的宽度和高度时，可以按照如下公式确定耦入光栅的宽度W_in和高度H_in：

此外，尽管已经在本文中描述了示例性实施例，其范围包括任何和所有基于本公开的具有等同元件、修改、省略、组合(例如，各种实施例交叉的方案)、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释，并不限于在本说明书中或本申请的实施期间所描述的示例，其示例将被解释为非排他性的。因此，本说明书和示例旨在仅被认为是示例，真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。

以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外，在上述具体实施方式中，各种特征可以被分组在一起以简单化本公开。这不应解释为一种不要求保护的公开的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反，本公开的主题可以少于特定的公开的实施例的全部特征。从而，以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求独立地作为单独的实施例，并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本公开的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。

以上对本公开多个实施例进行了详细说明，但本公开不限于这些具体的实施例，本领域技术人员在本公开构思的基础上，能够做出多种变型和修改实施例，这些变型和修改都应落入本公开所要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种衍射光波导AR系统，其特征在于，包括：

显示单元、准直透镜组、反射镜、耦入光栅、光波导板、耦出光栅；其中，

所述准直透镜组，用于将所述显示单元射出的光进行光束准直处理，并将处理后的平行光传输至所述反光镜上；

所述反射镜，用于将入射的平行光反射至所述耦入光栅；

所述耦入光栅，用于将入射的平行光耦入至所述光波导板中进行全反射；

所述耦出光栅，用于接收来自所述光波导板的全反射光，并射出全反射光；

其中，所述耦入光栅的宽度和高度根据所述耦入光栅的出射光的出射方位角、所述耦入光栅和所述耦出光栅之间的预定间距、所述耦出光栅的宽度和高度确定；

所述耦入光栅的宽度W_in和高度W_in满足以下公式：

其中，

为耦入光栅的出射光的出射方位角，D为耦入光栅和耦出光栅之间的预定间距；

按照如下公式确定：

其中，θ为耦入光栅的入射光的衍射角，

为所述入射光方位角，j为虚数，Λ为耦入光栅的周期，λ为所述入射光的波长。

2.如权利要求1所述的衍射光波导AR系统，其特征在于，所述反射镜为全反射镜。

3.如权利要求1所述的衍射光波导AR系统，其特征在于，所述全反射镜至少包括以下之一：平面反射镜、二次反射棱镜、梯形棱镜。

4.如权利要求1至3中任一项所述的衍射光波导AR系统，其特征在于，所述耦出光栅在人眼平视视场下的宽度和高度根据目标参数确定，其中，所述目标参数至少包括：眼动范围Eye Box、瞳距ERF、视场区域FOV。

5.如权利要求4所述的衍射光波导AR系统，其特征在于，所述耦出光栅在人眼平视视场下的宽度W_out和高度H_out满足以下公式：

W_out＝Eyebox_W+2ERF×tan(FOV_W/2)；

H_out＝Eyebox_H+2ERF×tan(FOV_H/2)；

其中，Eyebox_W为眼动范围宽度，Eyebox_H为眼动范围高度，ERF为瞳距，FOV_W为视场区域宽度，FOV_H为视场区域高度。

6.一种AR眼镜，其特征在于，包括：权利要求1至5中任一项所述的衍射光波导AR系统。

7.一种衍射光波导AR系统的配置方法，用于权利要求1至5中任一项所述的衍射光波导AR系统，其特征在于，包括：

确定目标参数，其中，目标参数至少包括：眼动范围Eye Box、瞳距ERF、视场区域FOV；

根据目标参数确定耦出光栅在人眼平视时的宽度和高度；

根据耦入光栅的入射光的入射方位角和入射衍射角、耦入光栅的周期、所述入射光的波长确定耦入光栅的出射光的出射方位角；

根据耦出光栅的宽度和高度、所述出射方位角、耦入光栅和耦出光栅之间的预定间距，确定耦入光栅的宽度和高度。

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