CN114935823A - 一种彩色ar光机、眼镜及色彩均匀性补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种彩色AR光机、眼镜及色彩均匀性补偿方法，该彩色AR光机包括光机机身，光机机身上沿光路方向依次设置有光机发光源、照明准直系统、匀光系统、照明转折系统、显示面板和投影镜头；其中，光机发光源用于生成照明光路，所述照明准直系统用于光路准直处理，照明转折系统用于光路转折，匀光系统用于匀光照明，显示面板用于显示照明光路，投影镜头用于像素单元准直；投影镜头的发光源发光色为RGB三色光，且照明方式为均匀照明；光机机身沿光路方向还设置有一用于补偿波导的不均匀出光的介质膜。本发明通过在AR光机上设置介质膜，来改变不同波长的色光在显示面板上的亮度分布，从而提高波导出光的色彩均匀性，以实现与波导片的色彩互补。

Description

一种彩色AR光机、眼镜及色彩均匀性补偿方法
技术领域
本发明涉及AR显示技术领域，特别涉及一种彩色AR光机、眼镜及色彩均匀性补偿方法。
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eyebox的特点，及其轻薄的特性，明显优于其他光学方案，成为各大公司的主流路径。
目前主流的AR眼镜大多采用衍射光波导技术，例如Microsoft的HoloLens一代和二代，Magic Leap的AR眼镜等。由于光波衍射的低效率及光栅对波长的选择性，AR眼镜大多采用2～3层的波导来实现彩色显示，每层波导传播一种色光，最终在出瞳时合束，这种方法拥有较强的色彩均匀性，但透过率较低，且增加了佩戴重量。为了提高佩戴体验，可采用单层衍射波导实现彩色显示，然而目前单层波导无法很好地兼容三种波段的色光，容易出现成色不均匀的情况。
发明内容
本发明实施例提供了一种彩色AR光机、眼镜及色彩均匀性补偿方法，旨在补偿AR眼镜中的波导的不均匀出光部分，以提高色彩均匀性。
本发明实施例提供了一种彩色AR光机，包括光机机身，所述光机机身上沿光路方向依次设置有光机发光源、照明准直系统、匀光系统、照明转折系统、显示面板和投影镜头；其中，所述光机发光源用于生成照明光路，所述照明准直系统用于对照明光路进行光路准直处理，所述照明转折系统用于对所述照明光路进行光路转折，所述匀光系统用于对所述照明光路进行匀光照明，所述显示面板用于显示照明光路，所述投影镜头用于为所述显示面板进行像素单元准直；
所述光机发光源的发光色为RGB三色光，且照明方式为均匀照明；
所述光机机身沿光路方向还设置有一用于补偿波导的不均匀出光的介质膜。
进一步的，所述介质膜为反射率渐变膜或者透射率渐变膜。
进一步的，所述反射率渐变膜的反射率为50％～99％。
进一步的，所述介质膜对红光波段和蓝光波段的反射率分布与波导进入人眼画面的红光和蓝光亮度分布相反，以达到色彩互补的效果；
和/或，所述介质膜对绿光波段的反射率分布与波导进入人眼画面的绿光亮度分布相反，以达到色彩互补效果。
进一步的，所述介质膜镀设于所述照明转折系统上。
进一步的，所述照明转折系统为反射式系统，所述反射式系统包括一反射面，所述介质膜镀设于所述反射面上；
或者，所述照明转折系统为透射式系统，所述透射式系统包括一透射面，所述介质膜镀设于所述透射面上，且所述透射式系统中的高透部分与所述反射式系统中的高反部分相对，所述透射式系统中的低透部分与所述反射式系统中的低反部分相对。
进一步的，所述照明转折系统设置于所述匀光系统的光路后方。
进一步的，所述光机机身的出瞳位置设置有一用于改变出瞳光光路以优化光机摆放位置的转角棱镜，所述介质膜镀设于所述转角棱镜的反射面上。
进一步的，所述所述显示面板为LCOS显示面板或者DMD显示面板。
本发明实施例还提供了一种彩色AR眼镜，包括如上任一项所述的彩色AR光机。
本发明实施例还提供了一种彩色AR眼镜的色彩均匀性补偿方法，采用如上任一项所述的彩色AR光机实现。
本发明实施例提供了一种彩色AR光机、眼镜及色彩均匀性补偿方法，该彩色AR光机包括光机机身，所述光机机身上沿光路方向依次设置有光机发光源、照明准直系统、匀光系统、照明转折系统、显示面板和投影镜头；其中，所述光机发光源用于生成照明光路，所述照明准直系统用于对照明光路进行光路准直处理，所述照明转折系统用于对所述照明光路进行光路转折，所述匀光系统用于对所述照明光路进行匀光照明，所述显示面板用于显示照明光路，所述投影镜头用于为所述显示面板进行像素单元准直；所述光机发光源的发光色为RGB三色光，且照明方式为均匀照明；所述光机机身沿光路方向还设置有一用于补偿波导的不均匀出光的介质膜。本发明实施例通过在AR光机上设置介质膜，来改变不同波长的色光在显示面板上的亮度分布，从而提高波导出光的色彩均匀性，以实现与波导片的色彩互补。
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彩色AR光机中的三种色光的能量密度分布示意图；
图2a为LCOS光机的照明转折系统示意图；
图2b为DLP光机的照明转折系统示意图；
图3为传统投影光机在单层波导上的色彩分布示意图；
图4为本发明实施例提供的一种彩色AR光机中单层波导上的色彩分布以及显示面板上的照明亮度分布示意图；
图5为本发明实施例提供的一种彩色AR光机的不同角度的光在波导内传播示意图。
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，本发明实施例实施例提供了一种彩色AR光机，包括光机机身，所述光机机身上沿光路方向依次设置有光机发光源、照明准直系统、匀光系统、照明转折系统、显示面板和投影镜头；其中，所述光机发光源用于生成照明光路，所述照明准直系统用于对照明光路进行光路准直处理，所述照明转折系统用于对所述照明光路进行光路转折，所述匀光系统用于对所述照明光路进行匀光照明，所述显示面板用于显示照明光路，所述投影镜头用于为所述显示面板进行像素单元准直；
所述光机发光源的发光色为RGB三色光，且照明方式为均匀照明；
所述光机机身沿光路方向还设置有一用于补偿波导的不均匀出光的介质膜。
本实施例所述的彩色AR光机包括光机机身，光机机身上设置有光机发光源、投影镜头、显示面板、匀光系统、照明转折系统和照明准直系统，并通过在光机机身上镀设介质膜，来改变不同波长的色光在显示面板上的亮度分布，从而提高波导出光的色彩均匀性，以实现与波导片的色彩互补。在具体实施例中，所述光机机身镀有多层介质膜，以提高色彩均匀补偿效果。需要说明的是，本实施例所述的彩色AR光机初始的照明方式仍为均匀照明，并在均匀出光后，通过镀膜作非均匀处理。这里如果不做匀光，最终成像的效果会非常差，所以要先保证光束的均匀性，再依颜色进行渐变式的非均匀处理。
现有的AR波导技术基本采用多波导片的设计来实现图像的彩色显示，不同波导片负责不同的色光，以达到更均匀的显示效果。本发明实施例根据衍射光栅对不同波段与角度的衍射效率特性，通过亮度补偿的方法实现单层衍射波导的彩色画面均匀化，减少了不必要的重量增加与透过率降低，提高佩戴体验。
在一实施例中，所述介质膜为反射率渐变膜或者透射率渐变膜。
具体的，所述反射率渐变膜的反射率为50％～99％。
本实施例采用反射率渐变膜或者透射率渐变膜作为所述介质膜，通过在照明转折系统上设置所述反射率渐变膜或者透射率渐变膜来调控不同色光的能量分布，即本实施例在照明转折系统上镀设所述反射率渐变膜或者透射率渐变膜，实现与波导片色彩亮度互补，从而通过亮度补偿的方法优化波导片彩色成像的色彩不均匀问题，提高了成像质量。
在一实施例中，所述介质膜对红光波段和蓝光波段的反射率分布与波导进入人眼画面的红光和蓝光亮度分布相反，以达到色彩互补的效果；
和/或，所述介质膜对绿光波段的反射率分布与波导进入人眼画面的绿光亮度分布相反，以达到色彩互补效果。
本实施例中，所述介质膜可以针对红光(R)和蓝光(B)进行设计，特别地，对两个波段的反射率分布应与出瞳画面旋转180°后的亮度分布对应，即所述介质膜对红光波段和蓝光波段的反射率分布与波导进入人眼画面的红光和蓝光亮度分布相反，以达到色彩互补的效果。
同样的，所述介质膜还可以针对绿光(G)进行设计，特别地，对绿光的反射率分布应与出瞳画面旋转180°后的亮度分布对应，即所述介质膜对绿光波段的反射率分布与波导进入人眼画面的绿光亮度分布相反，以达到色彩互补效果。
本实施例通过设置介质膜，以调控红光，蓝光和/或绿光在所述显示面板上的亮度分布，来补偿光在波导内衍射与传播过程中的能量损耗，最终使RGB三色光均能在单层波导上显示亮度均匀画幅。
在一实施例中，所述介质膜镀设于所述照明转折系统上。进一步的，所述照明转折系统为反射式系统，所述反射式系统包括一反射面，所述介质膜镀设于所述反射面上；
或者，所述照明转折系统为透射式系统，所述透射式系统包括一透射面，所述介质膜镀设于所述透射面上，且所述透射式系统中的高透部分与所述反射式系统中的高反部分相对，所述透射式系统中的低透部分与所述反射式系统中的低反部分相对。
本实施例中，当所述照明转折系统为反射式系统时，在反射面上镀反射率渐变膜。而如果所述照明转折系统为透射式系统时，则在其中一个透射面上镀透射率渐变膜，特别地，要求高透部分与高反部分相对，低透部分与低反部分相对。
在一实施例中，所述照明转折系统设置于所述匀光系统的光路后方。以免匀光系统消除反射率渐变膜调控后的能量分布。
在一实施例中，所述光机机身的出瞳位置设置有一用于改变出瞳光光路以优化光机摆放位置的转角棱镜，所述介质膜镀设于所述转角棱镜的反射面。
本实施例中，通过在光机出瞳位置设置转角棱镜，来改变出瞳光光路以优化光机摆放位置。特别地，可以在所述转角棱镜的反射面上设置介质膜，例如反射率渐变膜，改变三种色光的亮度分布，此时侧无需在照明转折系统中设置反射率渐变介质膜。
在一实施例中，所述所述显示面板为LCOS显示面板或者DMD显示面板。
本实施例中，当所述显示面板为LCOS显示面板时，所述照明转折系统可选择90°转折棱镜，或90°转折平面镜。当所述显示面板为DMD显示面板时，所述照明转折系统需根据DMD的两种状态的旋转角选择转折系统的角度。
在一具体实施例中，参考图2a和图2b，鉴于AR眼镜中，投影光机结构的紧凑性，通常都会在光机的照明部分引入转折系统，充分利用可允许的有效体积。一般来说，现有技术会在转折棱镜1001(或者图2b中2001)的反射面1002(或者图2b中2002)上镀银膜来提高反射率。而在本实施例中，为了使LCOS显示屏上的色彩亮度分布与波导显示中的色彩均匀性互补，故选择在反射面1002上镀折射率渐变的介质膜，使原本均匀的照明亮度变得不均匀，呈单向递增或递减的形式。例如通过改变红光在照明转折系统反射面上不同位置的反射率，使得LCOS显示屏上的红光亮度分布为从左到右逐渐增大，经过镜头后的投影图像在单层波导的作用下，右侧的红光逐渐被衰减到与左侧的红光亮度相近，从而提高红光在波导显示上的均匀性。
其中，照明转折系统需要放在复眼透镜的后面，即从LED发出的光需先经过准直系统和复眼透镜，再经过转折系统的反射率调制，才能改变LCOS显示屏上的亮度。若先经过反射率调制再经过复眼透镜，会因复眼透镜的匀光效果而无效反射率调制。
本发明实施例主要针对单层衍射波导的色彩不均匀问题，由于光栅对波长的选择性，同一个光栅对不同波长的衍射效率是不一样的；同时，光栅对不同入射角的衍射效率也是不一样，因此容易造成图像边角的亮度比中间亮度要低不少的现象。通常单层波导以520nm的绿光为设计基准，同时调和635nm的红光和450nm的蓝光，如此便会出现图3所示的色光分离现象。
图3为传统均匀照明光机在波导显示上的示意图，其中，图3右侧为出瞳白画面横轴的RGB亮度示意图，容易看出，绿光的亮度峰值位于画面中心，而两侧亮度较低；红光的亮度峰值位于画面左侧，画面右侧亮度较低；蓝光的亮度峰值位于画面的右侧，画面左侧亮度较低。
光栅的衍射效率受波长和角度的影响，同时高反射次数也会影响光束的传播效率。例如，右眼光机的输入图像与波导耦合时，图像向左侧传导，参考图3。对于绿光，是因为角度选择性问题，较大角度的入射光其衍射效率较低，所以出现中间高两边低的情况；对于红光，是因为左侧视场的衍射角太大，导致效率过低，出现左侧亮度较低的情况；对于蓝光，是因为右侧视场的衍射角太小，在波导内的反射次数太多，从而降低了整体传播效率，出现右侧画面亮度较低的情况。同时，受波导特性影响，输入画面会旋转180°后输出，因此输出画面的整体均匀性变成：红光右侧亮度较低，绿光两侧亮度较低，蓝光左侧亮度较低的情况，参考图3右侧的亮度分布图。
基于上述条件，本实施例在照明光路的照明转折系统中，通过镀反射率渐变的介质膜，形成与输出画面互补的照明亮度分布，即可在一定程度上优化输出画面的色彩均匀性问题。例如，参考图4，以右眼光机为例，输入图像在波导的作用下，红光左侧，绿光两侧，蓝光右侧都会降低亮度(绿光两侧亮度降低幅度较小，可以考虑也可以不考虑)，在照明转折系统的反射面上镀针对不同色光的反射率渐变介质膜，使光机的显示面板上左侧红光亮度提高，右侧蓝光亮度提高，补偿低衍射效率带来的能量损失，最终使得输出画面的色彩均匀性大幅提高。
以右侧LCOS投影光机为例，在一实施例中，输入图像在波导的作用下，红光左侧，绿光两侧，蓝光右侧都会降低亮度(绿光两侧亮度降低幅度较小，可以考虑也可以不考虑)，在LCOS光机的照明转折系统1001的反射面1002上镀针对RGB三色光的反射率渐变介质膜，使光机的显示面板上左侧红光亮度提高，右侧蓝光亮度提高，参考图4右侧。使原本RGB三色光亮度均匀分布的LCOS显示面板颜色分离，这样出来的输入图像左侧红光亮度较高，右侧蓝光亮度较高。
参考图5，图5为不同角度与波段的光在波导内传播的示意图，其中，Ain表示某一束入射角度为(α1,β1)的红光，α为入射角在x轴的分量，β为入射角在y轴的分量。光束Ain从光机4000的出光面准直入射波导3000的入瞳区3001，其中入瞳区3001设有衍射光栅，光束Ain在衍射光栅的作用下，产生+1级衍射光A1，并朝出瞳区3002的方向传导，零级衍射光A0直接透过波导。衍射光A1的光束角度为(α1’,β1’)，其合角度应大于波导材料允许的全反射角。衍射光A1分别经过扩瞳与出瞳的扩展后，在出瞳区3002通过衍射耦合出波导形成出射光Aout。出射光Aout的光束角度为(-α1,-β1)，显然，出射光Aout与入射光Ain为旋转对称关系，即输入画面会在波导内放大并旋转180°后输出。同理，Bin表示某一束入射角度的绿光，光束Bin从光机4000的出光面准直入射波导3000的入瞳区3001，其中入瞳区3001设有衍射光栅，光束Bin在衍射光栅的作用下，产生+1级衍射光B1，并朝出瞳区3002的方向传导，零级衍射光B0直接透过波导。衍射光B1分别经过扩瞳与出瞳的扩展后，在出瞳区3002通过衍射耦合出波导形成出射光Bout。
最终的输出图像与输入图像呈180°旋转对称关系，同时在反射率渐变介质膜的作用下，RGB三种颜色均能均匀显示，整体的色彩均匀性大幅提高。
可选的，由于彩色单层波导一般是针对绿光波段设置衍射光栅，因此绿光的均匀性影响较小，主要在大角度入射光的情况下，衍射效率会略微降低。可选择是否针对绿光设置反射率渐变介质膜，以进一步提高色彩均匀性。
本发明实施例还提供了一种彩色AR眼镜，包括如上所述的彩色AR光机。
本发明实施例还提供了一种彩色AR眼镜的色彩均匀性补偿方法，采用如上所述的彩色AR光机实现。
由于方法部分的实施例与装置部分的实施例相互对应，因此方法部分的实施例请参见装置部分的实施例的描述，这里暂不赘述。
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)

1.一种彩色AR光机，其特征在于，包括光机机身，所述光机机身上沿光路方向依次设置有光机发光源、照明准直系统、匀光系统、照明转折系统、显示面板和投影镜头；其中，所述光机发光源用于生成照明光路，所述照明准直系统用于对照明光路进行光路准直处理，所述照明转折系统用于对所述照明光路进行光路转折，所述匀光系统用于对所述照明光路进行匀光照明，所述显示面板用于显示照明光路，所述投影镜头用于为所述显示面板进行像素单元准直；
所述光机发光源的发光色为RGB三色光，且照明方式为均匀照明；
所述光机机身沿光路方向还设置有一用于补偿波导的不均匀出光的介质膜。
2.根据权利要求1所述的彩色AR光机，其特征在于，所述介质膜为反射率渐变膜或者透射率渐变膜。
3.根据权利要求2所述的彩色AR光机，其特征在于，所述反射率渐变膜的反射率为50％～99％。
4.根据权利要求1所述的彩色AR光机，其特征在于，所述介质膜对红光波段和蓝光波段的反射率分布与波导进入人眼画面的红光和蓝光亮度分布相反，以达到色彩互补的效果；
和/或，所述介质膜对绿光波段的反射率分布与波导进入人眼画面的绿光亮度分布相反，以达到色彩互补效果。
5.根据权利要求1所述的彩色AR光机，其特征在于，所述介质膜镀设于所述照明转折系统上。
6.根据权利要求5所述的彩色AR光机，其特征在于，所述照明转折系统为反射式系统，所述反射式系统包括一反射面，所述介质膜镀设于所述反射面上；
或者，所述照明转折系统为透射式系统，所述透射式系统包括一透射面，所述介质膜镀设于所述透射面上，且所述透射式系统中的高透部分与所述反射式系统中的高反部分相对，所述透射式系统中的低透部分与所述反射式系统中的低反部分相对。
7.根据权利要求1所述的彩色AR光机，其特征在于，所述照明转折系统设置于所述匀光系统的光路后方。
8.根据权利要求1所述的彩色AR光机，其特征在于，所述光机机身的出瞳位置设置有一用于改变出瞳光光路以优化光机摆放位置的转角棱镜，所述介质膜镀设于所述转角棱镜的反射面上。
9.根据权利要求1所述的彩色AR光机，其特征在于，所述显示面板为LCOS显示面板或者DMD显示面板。
10.一种彩色AR眼镜，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的彩色AR光机。
11.一种彩色AR眼镜的色彩均匀性补偿方法，其特征在于，采用如权利要求1～9任一项所述的彩色AR光机实现。
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