CN113970846A - 适应不同瞳距的指向性显示片及其制作方法和显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应不同瞳距的指向性显示片，用于将投影设备投影的图像光线耦出至人眼，包括基底，以及具有实现光线引导、汇聚功能的结构层，结构层包括呈像素型分布的微纳结构，结构层直接蚀刻于基底或设置在基底表面，图像光线在结构层中传播，经微纳结构改变方向后在单个人眼处至少形成两个视点。本发明还公开了一种显示系统，包括上述的适应不同瞳距的指向性显示片。本发明还公开了一种适应不同瞳距的指向性显示片的制作方法，用于上述的适应不同瞳距的指向性显示片。通过上述结构，使图像光线无需在基底内全反射传导，从而降低基底的厚度，进而降低了适应不同瞳距的指向性显示片的厚度，提高了显示亮度，可实现适应不同瞳距的指向性显示片的纸片化。

Description

适应不同瞳距的指向性显示片及其制作方法和显示系统

技术领域

本发明涉及显示技术领域，特别是涉及一种适应不同瞳距的指向性显示片及其制作方法和显示系统。

背景技术

增强现实(AR)近眼显示产业是新一代信息技术的重要前沿方向，融合了数字技术、新移动通信技术、云技术、显示技术等技术创新，催生诸多新产品、新业态、新模式，给经济、科技、文化、生活等领域带来深刻变革和影响。随着5G时代的到来，AR应用场景将不断拓展，AR技术将迎来大规模的市场化和商业化，AR产业正处于爆发式成长的战略窗口期，发展潜力巨大。

随着互联网的急速发展，人们生活在了一个信息爆炸的社会，如何方便实时的获得信息就成了当今比较重要的课题。增强现实(AR)近眼显示技术的出现无疑可以解决这个问题，增强现实技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。它使得人们不必再依赖大面积的平板显示器获取信息，只需要一个超便携式的独立的或嵌入到其它产品的微型显示系统，解决了当前互联网个人通信终端硬件体积日益减小和显示信息输出量日益增多的矛盾。最终可以实现现实世界和虚拟世界方便实时的信息流通。

在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。目前主流的近眼式增强现实显示设备大多采用光波导原理。例如，Hololens是将LCOS上的图像经过三片全息光栅耦合至光波导，通过三片光波导分别传输，最后在人眼正前方通过相应的全息光栅耦合输出，投影至人眼，并且以多层光波导的方式，实现彩色投影。Lumus是采用阵列光栅波导设计，对耦入光进行数次半透半反流程，透射光进入人眼，实现增强现实显示。在上述例子中，光波导里的光线传输需符合全反射条件，必须具备一定的厚度，同时对光波导的折射率要求高，即材质也有要求，无法做到足够轻薄；同时现有的光波导受限于扩瞳原理，在波导中传输的光线从耦入区域向耦出区域传输的过程中经过多次光栅衍射，造成光能量损失，即其整体效率被多次分割，带来观看亮度较低的问题。

前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低厚度的适应不同瞳距的指向性显示片及其制作方法和显示系统。

本发明提供一种适应不同瞳距的指向性显示片，用于将投影设备投影的图像光线耦出至人眼以实现增强现实显示，包括基底，以及具有实现光线引导、汇聚功能的结构层，所述结构层包括呈像素型分布的微纳结构，所述结构层直接蚀刻于所述基底与所述基底成一体或所述结构层设置在基底表面，所述投影设备投影的图像光线在所述结构层中传播，经像素型的所述微纳结构改变方向后在单个人眼处至少形成两个视点。

在其中一实施例中，所述结构层的尺度对应于所述投影设备投射在所述适应不同瞳距的适应不同瞳距的指向性显示片的光场面尺寸，所述微纳结构的像素分布与所述光场面的像素一一对应。

在其中一实施例中，所述微纳结构的尺寸、取向的设置取决于所述投影设备的投射角度、投射距离、视点位置、视点数量。

在其中一实施例中，所述微纳结构为光栅或谐衍射透镜或菲涅尔透镜。

在其中一实施例中，当所述微纳结构为光栅时，所述光栅的周期和取向角可以根据下列光栅方程确定：

tanφ₁＝sinφ/(cosφ-nsinθ(Λ/λ))，

sin²(θ₁)＝(λ/Λ)²+(nsinθ)²-2nsinθcosφ(λ/Λ)；

其中，θ₁和φ₁分别表示衍射光的衍射角和方位角，θ和λ分别表示光源的入射角和波长，Λ和φ分别表示纳米衍射光栅的周期和取向角，n表示光波在介质中的折射率。

在其中一实施例中，所述基底在可见光波段的透过率大于80％，所述基底的厚度为不大于1mm。

在其中一实施例中，所述基底的材质为树脂或玻璃。

本发明还提供一种显示系统，包括适应不同瞳距的指向性显示片和微投影设备，所述微投影设备包括图像源和透镜组，所述图像源发出的图像光线经所述透镜组投影至所述适应不同瞳距的指向性显示片，所述适应不同瞳距的指向性显示片为上述的适应不同瞳距的指向性显示片。

在其中一实施例中，所述图像源为透射式液晶显示器(LCD)或数字光处理器(DLP)或数字微镜器件(DMD)或硅基液晶(LCOS)或微机电扫描振镜(MEMS)或有机发光二极管(OLED)。

在其中一实施例中，还包括固定架，所述固定架分别固定所述适应不同瞳距的指向性显示片和所述微投影设备。

本发明还提供一种适应不同瞳距的指向性显示片的制作方法，该方法包括如下步骤：

S1:提供基底；

S2：在所述基底制作具有微纳结构的结构层，所述微纳结构呈像素型分布，所述结构层直接蚀刻于所述基底或设置在所述基底表面；

在其中一实施例中，在步骤S2中，还包括如下具体步骤：

S21：在所述基底一侧的表面涂布一层光刻胶；

S22：利用干涉光刻或全息曝光或套刻工艺在所述光刻胶上制作呈像素型分布的微纳结构，多个所述呈像素型分布的微纳结构形成结构层。

在其中一实施例中，在步骤S2中，还包括如下具体步骤：

S21：在所述基底一侧的表面涂布一层光刻胶，形成光刻胶层；

S22：在所述光刻胶层的表面选择一区域，并对区域进行图形化处理，获得图形光刻胶以及裸露所述基底表面的图形凹槽；

S23：对所述裸露的基底表面进行蚀刻；

S24：去除图形光刻胶，得到与所述基底成一体结构层，所述结构层具有呈像素型分布的微纳结构

本发明提供的适应不同瞳距的指向性显示片，通过所述结构层直接蚀刻于所述基底与所述基底成一体或将所述结构层设置在基底表面，所述投影设备投影的图像光线在所述结构层中传播，采用像素型分布的微纳结构，来实现视点汇聚，在单个人眼处至少形成两个视点，以使当人眼球转动或因不同的人佩戴而瞳距变化时，每只眼睛至少能接收到一个视点图像，同时，使图像光线无需在基底内部进行全反射传导，大大减少了光能量损失，提高了显示亮度，并降低了基底的必要厚度，进而降低了适应不同瞳距的指向性显示片的厚度，可实现适应不同瞳距的指向性显示片的纸片化。

附图说明

图1为本发明实施例适应不同瞳距的指向性显示片的结构示意图；

图2为本发明实施例图像光线经适应不同瞳距的指向性显示片的光线传导示意图；

图3为本发明结构功能膜层像素分布实现多视点的示意图；

图4为本发明实施例显示系统的结构示意图；

图5为本发明实施例显示系统中微投影设备设置的位置图；

图6为本发明实施例显示系统中微投影设备设置的另一位置图；

图7为本发明实施例适应不同瞳距的指向性显示片的制作方法的步骤流程图；

图8为图7中步骤S2在其中一实施例中的具体步骤流程图；

图9为图7中步骤S2在另一实施例中的具体步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参图1，本发明实施例中提供适应不同瞳距的指向性显示片，用于将微投影设备投影的图像光线耦出至人眼以实现增强现实显示。包括基底11，以及具有实现光线引导、汇聚功能的结构层12；结构层12包括呈像素型分布的微纳结构121。结构层12直接蚀刻于基底11与基底11成一体或将结构层12设置在基底11表面。投影设备投影的图像光线在结构层12中传播，经像素型的微纳结构121改变方向后在单个人眼处至少形成两个视点。

由于图像光线在结构层12中传播，无需在基底11内部进行全反射传导，因此，基底11无需为高折射率材料，从而降低成本和技术门槛；同时，基底11的作用在于承载结构层12和透过环境光，所以基底11只需满足能够承载结构层12及透过一定量的环境光即可，从而可以尽最大可能地降低基底11的厚度，实现基底11的超薄；进而降低了适应不同瞳距的指向性显示片的厚度，可实现适应不同瞳距的指向性显示片的纸片化；同时，由于无需在基底11中进行多次全反射传播及衍射出射，大大减少了光能量损失，同时基底11的厚度超薄，增加实现适应不同瞳距的指向性显示片的亮度。具体地，基底11为透明基底，基底11在可见光波段的透过率大于80％，厚度不大于1mm；基底11的材质可以为柔性基底或硬质基底，但为了避免在实际使用中发生形变，而导致微投影设备投射在适应不同瞳距的指向性显示片1的光场面的像素与结构层12的像素分布不对应，因此优选基底11为硬质基底，如，基底11的材质为树脂或玻璃。

在本实施例中，结构层12直接蚀刻于基底11，即，采用蚀刻技术在基底11一侧的表面进行蚀刻，以在基底11上形成多个微纳结构121，多个微纳结构121呈像素型分布以形成结构层12。该结构层12的尺度对应于微投影设备投射在适应不同瞳距的指向性显示片1的光场面尺寸。微纳结构121对光线具备衍射或折射或折衍混合作用。

在其它实施例中，可以先制备具有像素型分布的微纳结构121的结构层12，再将该结构层12贴合在基底11上；也可以通过在基底11的表面涂布光刻胶，然后在光刻胶上直接制备具有像素型分布的微纳结构121的结构层12。

微纳结构121的像素尺寸对应于微投影设备投射在适应不同瞳距的指向性显示片1的光场面的像素尺寸，即微纳结构121的像素分布须与光场面的像素一一对应。具体地，微纳结构121的尺寸、取向的设置取决于投影设备的投射角度、投射距离、视点位置、视点数量。在本实施例中，像素型分布的微纳结构121具有指向性，在单个人眼处至少形成两个视点，即可实现目标人眼处多视点汇聚，根据视点数目的需求，对其像素内结构进行尺度、取向的调控，人眼在视点处即可实现具备增强现实的光学信息显示。

适应不同瞳距的指向性显示片上的微纳结构呈像素型分布，如图3所示，适应不同瞳距的指向性显示片包含四个体像素，每个体像素包含四个亚像素，同一个体像素中的亚像素对应不同的视点，以目标视点的数量为4个为例进行说明，此时，每个体像素有四个亚像素，亚像素1a、亚像素2a、亚像素3a、亚像素4a共同组成体像素1；亚像素1b、亚像素2b、亚像素3b、亚像素4b共同组成体像素2；亚像素1c、亚像素2c、亚像素3c、亚像素4c共同组成体像素3；亚像素1d、亚像素2d、亚像素3d、亚像素4d共同组成体像素4。每个亚像素内排布不同周期、取向的光栅，可将出射光聚焦至对应的目标视点位置处，经亚像素1a、亚像素1b、亚像素1c、亚像素1d后的光线出射后射向视点1，经亚像素2a、亚像素2b、亚像素2c、亚像素2d后的光线出射后射向视点2，经亚像素3a、亚像素3b、亚像素3c、亚像素3d后的光线出射后射向视点3，经亚像素4a、亚像素4b、亚像素4c、亚像素4d后的光线出射后射向视点4。透过基底的光经过光栅之后被改变方向，对应序号中有1的信息被聚焦至视点1处，其他序号的信息被聚焦至相应序号的视点位置处。适应不同瞳距的指向性显示片上的微纳结构呈像素型分布，因此与单个人眼对应的适应不同瞳距的指向性显示片上包含多个体像素，每个体像素至少包含两个亚像素，以使在单个人眼处至少形成两个视点，当人眼球转动或因不同的人佩戴而瞳距变化时，每只眼睛至少能接收到一个视点图像。

在单个人眼处至少形成两个视点，以使当人眼球转动或因不同的人佩戴而瞳距变化时，每只眼睛至少能接收到一个视点图像。适应不同瞳距的指向性显示片表面采用像素型分布的指向性微纳结构，来实现视点汇聚，相对于现有基于扩瞳原理的近眼显示技术，避免了光波导技术中采用全反射传播，以及多次衍射出射造成能量损失的缺陷。通过增加视点数目来实现出瞳扩展，更能实现能量汇聚，效率提升；同时，由于能量汇聚至视点，可极大提升观察出亮度、效率，继而降低能源消耗，同时有益于缩小体积。

微纳结构121为光栅或谐衍射透镜或菲涅尔透镜。

在本实施例中，当微纳结构121为光栅。微纳结构121的光栅周期和取向角可以根据下列光栅方程确定：

tanφ₁＝sinφ/(cosφ-nsinθ(Λ/λ))，

sin²(θ₁)＝(λ/Λ)²+(nsinθ)²-2nsinθcosφ(λ/Λ)。

如图2所示，A为光源的入射光线，A1为经适应不同瞳距的指向性显示片衍射后的衍射光线。θ₁表示衍射光的衍射角，即衍射光线与Z轴正方向夹角；φ₁表示衍射光的方位角，即衍射光线与X轴正方向夹角；θ表示光源的入射角，即入射光线与Z轴正方向夹角；λ表示光源的波长；Λ表示纳米衍射光栅的周期；φ表示纳米衍射光栅的取向角，即光栅与Y轴正方向夹角；n表示光波在介质中的折射率。基于上述光栅方程可知，当入射光线波长、入射角、衍射光线衍射角和衍射方位角确定之后，即可算出所需的光栅周期和取向角。

请参考图6，本发明还提供一种显示系统，包括适应不同瞳距的指向性显示片1、微投影设备2。微投影设备2包括图像源4和透镜组，图像源4发出的图像光线经透镜组投影至适应不同瞳距的指向性显示片1。适应不同瞳距的的指向性显示片1为上述的适应不同瞳距的指向性显示片。

图像源4为透射式液晶显示器(LCD)或数字光处理器(DLP)或数字微镜器件(DMD)或硅基液晶(LCOS)或微机电扫描振镜(MEMS)或有机发光二极管(OLED)。

微投影设备2的设置方向相对于适应不同瞳距的指向性显示片1可具备多位置选择。具体地，微投影设备2可以在适应不同瞳距的指向性显示片1的上方或下方或左方或右方进行投射，亦可以在相对人眼的内侧或外侧进行投射。如图5为微投影设备2位于人眼外侧，且相对适应不同瞳距的指向性显示片1位于适应不同瞳距的指向性显示片1的上方；图6为微投影设备2位于人眼外侧，且相对适应不同瞳距的指向性显示片1位于适应不同瞳距的指向性显示片1的右方。

显示系统还包括固定架3，固定架3分别固定适应不同瞳距的指向性显示片1、微投影设备2。

进一步，固定架3为眼镜架，固定架3固定左右两个适应不同瞳距的指向性显示片1，通过左右微投影设备2刷新左右眼对应的不同视差图，即左眼和右眼同时接收到对应各自的视差图，经大脑合成，形成三维图像，从而实现3D近眼显示效果。

请参考图1和图7，本发明还提供一种适应不同瞳距的指向性显示片的制作方法，用于制作上述的适应不同瞳距的指向性显示片。该方法的具体步骤如下：

S1：提供基底11；

S2：在基底11制作具有微纳结构121的结构层12，微纳结构121呈像素型分布，结构层12直接蚀刻于基底11或设置在基底11表面；

在步骤S1中，基底11为透明基底，基底11在可见光波段的透过率大于80％，厚度不大于1mm，基底11的材质可以为柔性基底或硬质基底，但为了避免在实际使用中发生形变，而导致微投影设备投射在适应不同瞳距的指向性显示片1的光场面的像素与结构层12的像素分布不对应，因此优选基底11为硬质基底，如，基底11的材质可以为树脂或玻璃。

在本实施例中，在步骤S2中，如图9所示，还包括如下具体步骤。

S21：在基底11一侧的表面涂布一层光刻胶，形成光刻胶层。

S22：在基底的表面选择一区域，并对区域进行图形化处理，获得图形光刻胶以及裸露所述基底表面的图形凹槽。由于基底的表面被光刻胶层覆盖，因此选择的区域为光刻胶层表面的区域。

具体地，按照所需图形对光刻胶层进行曝光显影，在选择的区域内获得具备所需图形形貌的图形光刻胶，以及裸露基底11表面的图形凹槽(即图形凹槽的底部为裸露的基底表面)。为保证露底部分和区域以外部分更为干净，还可以在曝光显影后直接通过等离子去胶机等设备进行氧例子轰击。

S23：对所述裸露的基底表面进行蚀刻。如此便得到了与基底11成一体结构层12，结构层12具有呈像素型分布的微纳结构。

具体地，根据所需呈像素型分布的微纳结构的深度进行蚀刻，在蚀刻时，可以参照覆盖层和基底11的蚀刻的速率差，以及覆盖层的厚度可得知图形光刻胶是否需蚀刻。

S24：去除剩余图形光刻胶。

具体地，图像光刻胶可以通过去除液去除。

通过上述方法制作的适应不同瞳距的指向性显示片具有抗老化、耐用性等特点。

在其中一实施例中，在步骤S2中，如图8所示，还包括如下具体步骤：

S21：在基底11一侧的表面涂布一层光刻胶；

S22：利用干涉光刻或全息曝光或套刻工艺在光刻胶上制作呈像素型分布的微纳结构，多个所述呈像素型分布的微纳结构121形成结构层12。

更进一步，为了批量化制备显示片，可通过压印的方法进行图案转移复制，实现大批量、高保真显示片的生产。具体地，可以采用将制作的适应不同瞳距的指向性显示片作为母版，在空白基底上涂布压印胶，通过压印设备，进行压印，实现图案转移。

在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或基板被称作“形成在”、“设置在”或“位于”另一元件上时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。

在本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语的具体含义。

在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本发明的限制。

在本文中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。

在本文中，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，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种适应不同瞳距的指向性显示片，用于将投影设备投影的图像光线耦出至人眼，其特征在于，包括基底，以及具有实现光线引导、汇聚功能的结构层，所述结构层包括呈像素型分布的微纳结构，所述结构层直接蚀刻于所述基底与所述基底成一体或所述结构层设置在基底表面，所述投影设备投影的图像光线在所述结构层中传播，经像素型的所述微纳结构改变方向后在单个人眼处至少形成两个视点。

2.如权利要求1所述的适应不同瞳距的指向性显示片，其特征在于，所述结构层的尺度对应于所述投影设备投射在所述适应不同瞳距的指向性显示片的光场面尺寸，所述微纳结构的像素分布与所述光场面的像素一一对应。

3.如权利要求1所述的适应不同瞳距的指向性显示片，其特征在于，所述微纳结构的尺寸、取向的设置取决于所述投影设备的投射角度、投射距离、视点位置、视点数量。

4.如权利要求1所述的适应不同瞳距的指向性显示片，其特征在于，所述微纳结构为光栅或谐衍射透镜或菲涅尔透镜。

5.如权利要求4所述的适应不同瞳距的指向性显示片，其特征在于，当所述微纳结构为光栅时，所述光栅的周期和取向角可以根据下列光栅方程确定：

tanφ₁＝sinφ/(cosφ-nsinθ(Λ/λ))，

sin²(θ₁)＝(λ/Λ)²+(nsinθ)²-2nsinθcosφ(λ/Λ)；

其中，θ₁和φ₁分别表示衍射光的衍射角和方位角，θ和λ分别表示光源的入射角和波长，Λ和φ分别表示纳米衍射光栅的周期和取向角，n表示光波在介质中的折射率。

6.如权利要求1所述的适应不同瞳距的指向性显示片，其特征在于，所述基底在可见光波段的透过率大于80％，所述基底的厚度为不大于1mm。

7.如权利要求1或6所述的适应不同瞳距的指向性显示片，其特征在于，所述基底的材质为树脂或玻璃。

8.一种显示系统，其特征在于，包括适应不同瞳距的指向性显示片和微投影设备，所述微投影设备包括图像源和透镜组，所述图像源发出的图像光线经所述透镜组投影至所述适应不同瞳距的指向性显示片，所述适应不同瞳距的指向性显示片为权利要求1至7任一项所述的适应不同瞳距的指向性显示片。

9.如权利要求8所述的显示系统，其特征在于，所述图像源为透射式液晶显示器(LCD)或数字光处理器(DLP)或数字微镜器件(DMD)或硅基液晶(LCOS)或微机电扫描振镜(MEMS)或有机发光二极管(OLED)。

10.如权利要求8所述的显示系统，其特征在于，还包括固定架，所述固定架分别固定所述适应不同瞳距的指向性显示片和所述微投影设备。

11.一种适应不同瞳距的指向性显示片的制作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1:提供基底；

S2：在所述基底制作具有微纳结构的结构层，所述微纳结构呈像素型分布，所述结构层直接蚀刻于所述基底或设置在所述基底表面。

12.如权利要求11所述的适应不同瞳距的指向性显示片的制作方法，其特征在于，在步骤S2中，还包括如下具体步骤：

S21：在所述基底一侧的表面涂布一层光刻胶；

S22：利用干涉光刻或全息曝光或套刻工艺在所述光刻胶上制作呈像素型分布的微纳结构，多个所述呈像素型分布的微纳结构形成结构层。

13.如权利要求11所述的适应不同瞳距的指向性显示片的制作方法，其特征在于，在步骤S2中，还包括如下具体步骤：

S21：在所述基底一侧的表面涂布一层光刻胶，形成光刻胶层；

S22：在所述光刻胶层的表面选择一区域，并对区域进行图形化处理，获得图形光刻胶以及裸露所述基底表面的图形凹槽；

S23：对所述裸露的基底表面进行蚀刻；

S24：去除所述图形光刻胶，得到与所述基底成一体结构层，所述结构层具有呈像素型分布的微纳结构。

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