CN210401841U - 用于呈现图像的装置和用于实现增强现实显示的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及图像显示技术，特别涉及用于呈现图像的装置和包含该装置的用于实现增强现实显示的系统。用于呈现图像的装置包含：光波导镜片；以及设置于光波导镜片表面的第一～第四光学功能结构，其中，第一和第二光学功能结构位于光波导镜片的中部，并且第三和第四光学功能结构位于光波导镜片的表面的两侧，其中，光线经第一光学功能结构耦合进入光波导镜片内，随后经全反射到达第二光学功能结构，并且在第二光学功能结构的作用下，产生第一和第二衍射光束，第一和第二衍射光束在光波导镜片内经全反射分别到达第三和第四光学功能结构并且从第三和第四光学功能结构出射，其中，第三和第四光学功能结构具有相对于第二光学功能结构的距离逐渐变化的结构参数。

Description

用于呈现图像的装置和用于实现增强现实显示的系统

技术领域

本实用新型涉及图像显示技术，特别涉及用于呈现图像的装置和包含该装置的用于实现增强现实显示的系统。

背景技术

增强现实(AR)技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成在一起的新型显示技术。它不仅展现真实世界的信息，而且还将虚拟信息同时显示出来，从而实现两种信息的相互补充和叠加。在视觉化的增强现实中，利用头盔显示器将真实世界与计算机生成的虚拟图像叠加在一起的混合图像呈现给用户。

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，在典型的增强现实显示设备中，微显示空间光调制器(例如LCOS)上的图像经过三片全息光栅耦合至光波导，随后经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以投影至人眼。为了实现彩色投影，可以采用多层光波导的方式。然而基于上述工作原理的增强现实显示设备存在多个缺点。例如，不能很好地解决视窗内视觉亮度突变的问题。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种用于呈现图像的装置，其能够在出瞳范围内提供良好的效率均衡性，从而避免视觉亮度突变。

按照本实用新型一个方面的用于呈现图像的装置包含：

光波导镜片；以及

设置于所述光波导镜片表面的第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构，

其中，所述第一光学功能结构和第二光学功能结构位于所述光波导镜片的中部，并且所述第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的表面的两侧，

其中，光线经所述第一光学功能结构耦合进入所述光波导镜片内，随后经全反射到达所述第二光学功能结构，并且在所述第二光学功能结构的作用下，产生第一衍射光束和第二衍射光束，所述第一衍射光束和第二衍射光束在所述光波导镜片内经全反射分别到达所述第三光学功能结构和第四光学功能结构并且从所述第三光学功能结构和第四光学功能结构出射。

其中，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构具有相对于所述第二光学功能结构的距离逐渐变化的结构参数。

优选地，在上述装置中，所述第一光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构为一维光栅，所述第二光学功能结构为二维光栅。

优选地，在上述装置中，所述一维光栅为下列中的一种：倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅和体光栅。

优选地，在上述装置中，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构为光栅高度渐变的一维光栅，其中，所述高度随着所述一维光栅相对于所述第二光学功能结构的距离的增大而增大。

优选地，在上述装置中，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构为占空比渐变的一维光栅，其中，所述占空比随着所述一维光栅相对于所述第二光学功能结构的距离的增大而增大。

优选地，在上述装置中，在第一方向上，所述第一光学功能结构相对于第二光学功能结构被间隔设置，以使所述光线在所述光波导镜片内，沿所述第一方向由所述第一光学功能结构到达所述第二光学功能结构，并且在不同于第一方向的第二方向上，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述第二光学功能结构的两侧，以使所述第一衍射光束和第二衍射光束在所述光波导镜片内沿所述第二方向分别到达所述第三光学功能结构和第四光学功能结构。

优选地，在上述装置中，所述第一方向垂直于第二方向。

优选地，在上述装置中，所述第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的同一表面。

本实用新型的还有一个目的是提供一种用于实现增强现实显示的系统，其能够在出瞳范围内提供良好的效率均衡性，从而避免视觉亮度突变。

按照本实用新型另一个方面的用于实现增强现实显示的系统包含：

图像源；以及

至少一个图像呈现装置，每个所述图像呈现装置包括：

光波导镜片；以及

设置于所述光波导镜片表面的第一光学功能结构、第

二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构，

其中，所述第一光学功能结构和第二光学功能结构位于所述光波导镜片的中部，并且所述第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的表面的两侧，

其中，来自所述图像源的光线经所述第一光学功能结构耦合进入所述光波导镜片内，随后经全反射到达所述第二光学功能结构，并且在所述第二光学功能结构的作用下，产生第一衍射光束和第二衍射光束，所述第一衍射光束和第二衍射光束在所述光波导镜片内经全反射分别到达所述第三光学功能结构和第四光学功能结构并且从所述第三光学功能结构和第四光学功能结构出射，

其中，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构具有相对于所述第二光学功能结构的距离逐渐变化的结构参数。

在按照本实用新型上述实施例的图像呈现装置中，第三光学功能结构和第四光学功能结构被设计为其结构参数相对于第二光学功能结构的距离而逐渐变化，特别是设计为使第三光学功能结构和第四光学功能结构相距第二光学功能结构越远的区域，其衍射效率越高，由此实现出瞳范围内效率的均衡。此外，在本实用新型的实施例中，第三光学功能结构和第四光学功能结构设置于光波导镜片的表面的两侧，并且将第一光学功能结构和第二光学功能结构设置于第三光学功能结构与第四光学功能结构之间或者光波导镜片的中央。通常情况下，光波导镜片的水平方向的尺寸大于垂直方向的尺寸，因此上述设置方式可以明显增加第三光学功能结构和第四光学功能结构所占的面积，从而增大出瞳视窗。再者，按照本实用新型上述实施例的图像呈现装置结构简单、紧凑，这对于装置总体尺寸的缩小是有利的。

附图说明

图1A和1B分别为按照本实用新型一个实施例的用于呈现图像的装置的俯视图和立体图。

图2A-2C示出了可应用于图1A和1B所示实施例的一维光栅的光学衍射示意图。

图3示出了可应用于图1A和1B所示实施例的全息衍射元件的示例。

图4为图1A和1B所示的用于呈现图像的装置的剖面示意图，所示剖面位于图1B的Y-Z平面内。

图5为图1A和1B所示的用于呈现图像的装置的剖面示意图，所示剖面位于图1B的X-Z平面内。

图6示出了倾斜光栅的-1级衍射效率相对于光栅高度的变化趋势。

图7为可应用于本实用新型上述实施例的高度渐变的倾斜光栅的示意图。

图8示出了倾斜光栅的-1级衍射效率相对于光栅占空比的变化趋势。

图9为可应用于本实用新型上述实施例的占空比渐变的倾斜光栅的示意图。

图10为按照本实用新型另一个实施例的用于实现增强现实显示的系统的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细的描述。

图1A和1B分别为按照本实用新型一个实施例的用于呈现图像的装置的俯视图和立体图。示例性地，本实施例的用于呈现图像的装置可以采用眼镜镜片的形式。

参见图1A和1B，本实施例的用于呈现图像的装置10包括光波导镜片110和设置于光波导镜片表面的第一光学功能结构121、第二光学功能结构122、第三光学功能结构123和第四光学功能结构124。

可选地，第一光学功能结构121、第二光学功能结构122、第三光学功能结构123和第四光学功能结构124为纳米结构以形成衍射光线。此外，可选地，这些光学功能结构位于光波导镜片110的同一表面或不同表面。

在图1A和1B所示的实施例中，第一光学功能结构121配置为将来自图像源(未示出)的入射光线耦合进入光波导镜片110并沿Y方向传播，因此又可称为耦入区域；第二光学功能结构122被配置为将光线分离为两束光线(以下称为第一衍射光束和第二衍射光束)并且分别沿左右两个方向(也即沿图1A和1B中的X轴的反向和正向)引导至第三光学功能结构123和第四光学功能结构124，因此又可称为转折区域；第三光学功能结构123和第四光学功能结构124被配置为分别将第一衍射光束和第二衍射光束沿Z方向引出光波导镜片110，从而向用户呈现增强现实的图像，因此光学功能结构123和124又可称为耦出区域。

如图1A和1B所示，示例性地，第三光学功能结构123和第四光学功能结构124位于光波导镜片110的表面的两侧。与此同时，第一光学功能结构121和第二光学功能结构122则位于光波导镜片110的中部，也即第三光学功能结构123与第四光学功能结构124之间。

在本实施例中，第三光学功能结构123和第四光学功能结构124可以被设计为其结构参数相对于第二光学功能结构122的距离而逐渐变化，以使第三光学功能结构123和第四光学功能结构124相距第二光学功能结构122越远的区域，其衍射效率越高，从而实现出瞳范围内效率的均衡。这里所述的结构参数例如包括但不限于光栅的高度和占空比。

在本实施例中，示例性地，第一光学功能结构121、第三光学功能结构123和第三光学功能结构124以一维光栅的形式实现，而第二光学功能结构122采用全息衍射元件的形式实现。可选地，一维光栅可选自下列组中的一种或多种：倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅和体光栅。

图2A-2C示出了可应用于图1A和1B所示实施例的一维光栅的光学衍射示意图，其中，图2A所示为矩形光栅的光学衍射示意图，图2B所示为倾斜光栅的光学衍射示意图，图2C所示为闪耀光栅的光学衍射示意图。

参考图2A，矩形光栅221A形成于光波导镜片210表面，通过选择光栅高度、宽度、周期等结构参数，使得以一定角度入射至光栅表面的光线经过矩形光栅形成衍射。衍射光线包括零级衍射光T₀、-1级衍射光T_-1和1级衍射光T₁。在图2A所示的情形中，0级衍射效率最高，-1级衍射次之，1级衍射效率最低。可选地，可利用图2A所示矩形光栅221A形成-1级衍射光，继而完成其在光波导镜片210内的传播。

参考图2B，倾斜光栅221B形成于光波导镜片210表面，通过选择光栅高度、宽度、周期和倾斜角度等结构参数，使得以一定角度入射至光栅表面的光线经过倾斜光栅形成衍射。类似地，衍射光线包括零级衍射光T₀、-1级衍射光T_-1和1级衍射光T₁。在图2B所示的情形中，-1级衍射效率最高，零级衍射次之，1级衍射效率最低。可选地，可利用图2B所示倾斜光栅形成-1级衍射光，继而完成其在光波导镜片210内的传播。此外，通过对光栅高度、宽度、周期和倾斜角度等结构参数中的一个或多个的优化，可实现波长选择功能，即，可以使某一波长范围内的光的衍射效率较高，而其余波长范围内的光的衍射效率较低。

参考图2C，闪耀光栅221C形成于光波导镜片210表面，通过选择光栅高度、周期和闪耀角度等结构参数，使得以一定角度入射至光栅表面的光线经过闪耀光栅形成衍射。类似地，衍射光线包括零级衍射光T₀、-1级衍射光T_-1和1级衍射光T₁。在图2C所示的情形中，-1级衍射效率最高，零级衍射和1级衍射效率最低。可选地，可利用图2C所示倾斜光栅形成-1级衍射光，继而完成其在光波导镜片210内的传播。此外，通过对光栅高度、周期和闪耀角度等结构参数中的一个或多个的优化，可实现波长选择功能。

图3示出了可应用于图1A和1B所示实施例的全息衍射元件或第二光学功能结构的示例。如图3所示，全息衍射元件322采用二维阵列形式。光线经第一光学功能结构耦合进入光波导镜片并且在光波导镜片传播，当传播的光线入射至全息衍射元件322时，将以某一角度衍射偏折。可选地，全息衍射元件322被设计为可以形成两条衍射光线，这两条衍射光线沿左右两个方向分别传导至第三光学功能结构123和第四光学功能结构124。

以下描述图1A和1B所示的用于呈现图像的装置的工作原理。

图4为图1A和1B所示的用于呈现图像的装置的剖面示意图，所示剖面位于图1B的Y-Z平面内。

参见图4，从图像源20射出的光线到达第一光学功能结构121。经过第一光学功能结构121的衍射，光线被引入光波导镜片110。通过为第一光学功能结构121选择合适的结构参数，可以使衍射效率最高的光线在光波导镜片110内部发生全反射。如图4所示，第一光学功能结构121与第二光学功能结构122在Y方向上相隔一定的间隔，发生全反射的光线从第一光学功能结构121处，借助全反射而到达第二光学功能结构122。

图5为图1A和1B所示的用于呈现图像的装置的剖面示意图，所示剖面位于图1B的X-Z平面内。

参考图5并结合图4可见，到达第二光学功能结构122在光波导镜片110内继续发生全反射，但是传播方向由沿Y方向变为沿X方向。如图5所示，第二光学功能结构122(例如采用全息衍射元件的形式)将光线分离为分别沿X轴的反向和正向传播至第三光学功能结构123和第四光学功能结构124的第一衍射光束和第二衍射光束。在第三光学功能结构123和第四光学功能结构124的衍射作用下，第一衍射光束和第二衍射光束随后沿Z方向从光波导镜片110出射，从而向用户呈现增强现实的图像。

图6示出了倾斜光栅的-1级衍射效率相对于光栅高度的变化趋势，其中，横轴表示光栅高度，纵轴表示衍射效率。在图6所示的情形中，倾斜光栅的倾斜角度30°，光栅周期为400nm，占空比为0.5。如图6所示，当光栅高度在200-400nm的范围内变化时，衍射效率从43％增大至95％。因此，为了实现出瞳范围内的效率均衡化，从而避免亮度渐变或突变带来的明暗视窗，第三光学功能结构123和第四光学功能结构124可以设计为高度渐变的倾斜光栅。图7为可应用于本实用新型上述实施例的高度渐变的倾斜光栅的示意图。如图7所示，倾斜光栅的高度随着倾斜光栅相对于第二光学功能结构122的距离(也即光栅沿X方向上相对于第二光学功能结构的距离)的增大而增大。

图8示出了倾斜光栅的-1级衍射效率相对于光栅占空比的变化趋势，其中，横轴表示占空比，纵轴表示衍射效率。在图8所示的情形中，倾斜光栅的倾斜角度30°，光栅周期为400nm，光栅高度为300nm，占空比的变化范围为0.2-0.55。如图8所示，当占空比在0.2-0.55的范围内变化时，衍射效率从20％增大至96％。因此，为了实现出瞳范围内的效率均衡化，从而避免亮度渐变或突变带来的明暗视窗，第三光学功能结构123和第四光学功能结构124可以设计为占空比渐变的倾斜光栅。图9为可应用于本实用新型上述实施例的占空比渐变的倾斜光栅的示意图。如图9所示，倾斜光栅的占空比随着倾斜光栅相对于第二光学功能结构122的距离的增大而增大。

需要指出的是，上述高度或占空比渐变的倾斜光栅仅仅是示例性的。可选地，也可以使高度和占空比同时渐变，而且光栅也不局限于倾斜光栅，对于其它的一维光栅(例如前述的矩形光栅、闪耀光栅和体光栅)而言，也可以通过使结构参数随距离渐变而实现出瞳范围内效率的均衡化。

图10为按照本实用新型另一个实施例的用于实现增强现实显示的系统的示意图。

如图10所示的系统1包括图像呈现装置10A和10B和图像源20。图像源20配置为向图像呈现装置10A和10B提供包含第一分量和第二分量的光线。图像呈现装置10A和10B配置为向用户呈现增强现实图像。在本实施例中，示例性地，图像呈现装置10A和10B可以采用如上借助图1A、图1B、图2A-2C和图3-9所述的实施例来实现。

以图像呈现装置10A为例，其包括光波导镜片110A和设置于光波导镜片表面的第一光学功能结构121A、第二光学功能结构122A、第三光学功能结构123A和第四光学功能结构124A。第一光学功能结构121A、第二光学功能结构122A、第三光学功能结构123A和第四光学功能结构124A位于光波导镜片110的同一表面，其中，第一光学功能结构121A和第二光学功能结构122A设置在光波导镜片表面的中部，第三光学功能结构123A和第四光学功能结构124A则设置于光波导镜片110A的两侧。

在图10所示的系统中，第一光学功能结构121A配置为将来自图像源20的入射光线耦合进入光波导镜片110，并且使光线沿第一方向(图1A和1B中的Y方向)在光波导镜片110A内传播。通过使光线以合适的角度入射光波导镜片，可以全反射的方式到达第二光学功能结构122A。

光线在到达第二光学功能结构122A后，在第二光学功能结构122A的作用下，将分离为第一衍射光束和第二衍射光束。第一衍射光束沿X轴的反向在光波导镜片110A内传播，经全反射到达第四光学功能结构124A。另一方面，第二衍射光束沿X轴的正向在光波导镜片110A内传播，经全反射到达第四光学功能结构124A。第三光学功能结构123A和第四光学功能结构124A被配置为将第一衍射光束和第二衍射光束引出光波导镜片110，从而向用户呈现增强现实的图像。

示例性地，第一光学功能结构121A、第三光学功能结构123A和第四光学功能结构124A以一维光栅的形式实现，而第二光学功能结构122A以二维光栅的形式实现。可选地，一维光栅可选自下列组中的一种或多种：倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅和体光栅。

图像呈现装置10B包括光波导镜片110B和设置于光波导镜片表面的第一光学功能结构121B、第二光学功能结构122B、第三光学功能结构123B和第四光学功能结构124B，其结构和工作原理与图像呈现装置10A类似，此处不再赘述。

参见图10，用于实现增强现实显示的系统1还包含连接部件10C，其将光波导镜片110A和110B连接在一起。

上文描述了本实用新型的原理和较佳实施例。然而，本实用新型不应被解释为限于所讨论的具体实施例。上述较佳实施例应该被认为是说明性的，而不是限制性的，并且应当理解的时，本领域的技术人员在不偏离下面的权利要求书所限定的本实用新型的范围的前提下，可以在这些实施例中作出变化。

Claims (16)

1.一种用于呈现图像的装置，其特征在于，包含：

光波导镜片；以及

设置于所述光波导镜片表面的第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构，

其中，所述第一光学功能结构和第二光学功能结构位于所述光波导镜片的中部，并且所述第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的表面的两侧，

其中，光线经所述第一光学功能结构耦合进入所述光波导镜片内，随后经全反射到达所述第二光学功能结构，并且在所述第二光学功能结构的作用下，产生第一衍射光束和第二衍射光束，所述第一衍射光束和第二衍射光束在所述光波导镜片内经全反射分别到达所述第三光学功能结构和第四光学功能结构并且从所述第三光学功能结构和第四光学功能结构出射，

其中，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构具有相对于所述第二光学功能结构的距离逐渐变化的结构参数。

2.如权利要求1所述的用于呈现图像的装置，其中，所述第一光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构为一维光栅，所述第二光学功能结构为二维光栅。

3.如权利要求2所述的用于呈现图像的装置，其中，所述一维光栅为下列中的一种：倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅和体光栅。

4.如权利要求2所述的用于呈现图像的装置，其中，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构为光栅高度渐变的一维光栅，其中，所述高度随着所述一维光栅相对于所述第二光学功能结构的距离的增大而增大。

5.如权利要求2所述的用于呈现图像的装置，其中，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构为占空比渐变的一维光栅，其中，所述占空比随着所述一维光栅相对于所述第二光学功能结构的距离的增大而增大。

6.如权利要求1所述的用于呈现图像的装置，其中，在第一方向上，所述第一光学功能结构相对于第二光学功能结构被间隔设置，以使所述光线在所述光波导镜片内，沿所述第一方向由所述第一光学功能结构到达所述第二光学功能结构，并且在不同于第一方向的第二方向上，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述第二光学功能结构的两侧，以使所述第一衍射光束和第二衍射光束在所述光波导镜片内沿所述第二方向分别到达所述第三光学功能结构和第四光学功能结构。

7.如权利要求6所述的用于呈现图像的装置，其中，所述第一方向垂直于第二方向。

8.如权利要求1所述的用于呈现图像的装置，其中，所述第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的同一表面。

9.一种用于实现增强现实显示的系统，其特征在于，包含：

图像源；以及

至少一个图像呈现装置，每个所述图像呈现装置包括：

光波导镜片；以及

设置于所述光波导镜片表面的第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构，

其中，所述第一光学功能结构和第二光学功能结构位于所述光波导镜片的中部，并且所述第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的表面的两侧，

其中，来自所述图像源的光线经所述第一光学功能结构耦合进入所述光波导镜片内，随后经全反射到达所述第二光学功能结构，并且在所述第二光学功能结构的作用下，产生第一衍射光束和第二衍射光束，所述第一衍射光束和第二衍射光束在所述光波导镜片内经全反射分别到达所述第三光学功能结构和第四光学功能结构并且从所述第三光学功能结构和第四光学功能结构出射，

其中，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构具有相对于所述第二光学功能结构的距离逐渐变化的结构参数。

10.如权利要求9所述的用于实现增强现实显示的系统，其中，所述第一光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构为一维光栅，所述第二光学功能结构为二维光栅。

11.如权利要求10所述的用于实现增强现实显示的系统，其中，所述一维光栅为下列中的一种：倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅和体光栅。

12.如权利要求10所述的用于实现增强现实显示的系统，其中，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构为光栅高度渐变的一维光栅，其中，所述高度随着所述一维光栅相对于所述第二光学功能结构的距离的增大而增大。

13.如权利要求10所述的用于实现增强现实显示的系统，其中，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构为占空比渐变的一维光栅，其中，所述占空比随着所述一维光栅相对于所述第二光学功能结构的距离的增大而增大。

14.如权利要求9所述的用于实现增强现实显示的系统，其中，在第一方向上，所述第一光学功能结构相对于第二光学功能结构被间隔设置，以使所述光线在所述光波导镜片内，沿所述第一方向由所述第一光学功能结构到达所述第二光学功能结构，并且在不同于第一方向的第二方向上，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述第二光学功能结构的两侧，以使所述第一衍射光束和第二衍射光束在所述光波导镜片内沿所述第二方向分别到达所述第三光学功能结构和第四光学功能结构。

15.如权利要求14所述的用于实现增强现实显示的系统，其中，所述第一方向垂直于第二方向。

16.如权利要求9所述的用于实现增强现实显示的系统，其中，所述第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的同一表面。

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