CN210720887U - 一种波导镜片及ar显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种波导镜片，包括波导基底、设置在波导基底上表面或由光栅组成的功能区域，功能区域包括用于将图像光线耦合进入波导基底的耦入区域、用于将经耦入区域传导过来的图像光线改变方向的中继区域，以及用于将中继区域传导过来的图像光线投射到外部空间中的耦出区域，中继区域包括用于将图像光线向两侧传递以实现水平视野增大的中间转折区和分布在中间转折区两侧用于将中间转折区传递过来的图像光线向所述耦出区域传导的边部转折区。本实用新型还公开了一种AR显示装置，包括上述波导镜片。通过上述结构，实现对称式视场扩展，弥补单向视场扩展不足，达到出瞳范围多色衍射效率均衡。

Description

一种波导镜片及AR显示装置

技术领域

本实用新型涉及AR显示技术领域，特别是涉及一种波导镜片及AR显示装置。

背景技术

AR(Augmented Reality，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。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。

对AR技术而言，由于用户大部分视野呈现真实场景，如何识别和理解现实场景和物体，并成为AR感知交互的首要任务。此外，AR技术的分辨率(清晰程度)、视场角(又称视场，指视野范围)也会成为AR显示领域的重大技术挑战。

波导镜片是实现将虚拟物体更为真实可信的叠加到现实场景中关键所在。现有技术中，为扩大视场，对其进行了水平或垂直方向的扩展，如图1所示，耦入区域传导至转折区域，形成x方向视场扩大，转折区域传导至耦出区域，形成y方向视场扩大，即实现两次扩瞳。然而，从耦入区域传导至转折区域和从转折区域传导至耦出区域过程中，只利用了一级衍射，多色衍射情况下，存在视场范围衍射不均衡现象，导致产生明显色差，影响视觉体验。

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。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种降低色差的波导镜片及AR显示装置。

本实用新型提供一种波导镜片，包括波导基底、设置在所述波导基底表面由光栅组成的功能区域，所述功能区域包括用于将图像光线耦合进入所述波导基底的耦入区域、用于将经所述耦入区域及所述波导基底传导过来的图像光线改变方向的中继区域，以及用于将所述中继区域经所述波导基底传导过来的图像光线投射到波导镜片外部空间中的耦出区域，所述中继区域包括用于将经所述耦入区域及所述波导基底传导过来的图像光线向两侧传递的中间转折区和分布在所述中间转折区两侧用于将所述中间转折区传递过来的所述图像光线向所述耦出区域传导的边部转折区。

在其中一实施例中，所述中间转折区的光栅为二维阵列光栅，使从所述耦入区域及所述波导基底传导过来的图像光线向两侧的边部转折区传递。

在其中一实施例中，所述两边部转折区为对称分布的一维光栅，使从所述中间转折区传递过来的所述图像光线向所述耦出区域传导。

在其中一实施例中，所述耦入区域和所述耦出区域的光栅均为一维光栅，且二者的光栅取向角相同，所述边部转折区光栅的取向角与所述耦入区域光栅的取向角不同，所述边部转折区的光栅取向与所述耦入区域的光栅取向的夹角为45度。

在其中一实施例中，所述边部转折区对称分布在所述中间转折区的两侧。

在其中一实施例中，所述耦入区域和所述耦出区域的光栅包括倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅、体光栅。

在其中一实施例中，所述耦入区域、所述中继区域和所述耦出区域三者在同一方向依次设置。

本实用新型还提供一种AR显示装置，包括上述波导镜片。

在其中一实施例中，还包括镜框，所述镜框用于固定左右对称的波导镜片，左右对称的所述波导镜片分别用以匹配左眼和右眼。

在其中一实施例中，还包括设置在所述镜框上的2个微投影装置和2个图像装置，2个所述图像装置分别连接2个所述微投影装置，2个所述微投影装置分别连接左右对称的所述波导镜片，所述图像装置将所述图像光线输出至所述微投影装置，所述微投影装置将所述图像光线输出至所述波导镜片的所述耦入区域。

本实用新型提供的波导镜片，通过用于将图像光线向两侧传递以实现水平视野增大的中间转折区和分布在所述中间转折区两侧用于将所述中间转折区传递过来的所述图像光线向所述耦出区域传导的边部转折区，实现对称式视场扩展，弥补单向视场扩展不足，达到出瞳范围多色衍射效率均衡，消除色差效应。

附图说明

图1为现有一种波导镜片图像光线传导的示意图；

图2为本实用新型波导镜片的结构示意图；

图3为本实用新型实施例图像光线入射至波导镜片形成的方位角和取向角的示意图；

图4为本实用新型实施例图像光线在波导镜片中的传导示意图；

图5为本实用新型实施例图像光线经中间区域在波导基底中的传导示意图；

图6为本实用新型实施例波导镜片对称衍射的显示示意图；

图7为本实用新型实施例AR显示装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型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实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

请参图2至图6，本实用新型实施例中提供的波导镜片，包括波导基底17、设置在波导基底17表面由光栅组成的功能区域。功能区域包括用于将图像光线耦合进入波导基底17的耦入区域11、用于将经耦入区域11及波导基底17传导过来的图像光线改变方向的中继区域13，以及用于将中继区域13经波导基底17传导过来的图像光线投射到波导镜片外部空间中的耦出区域15。中继区域13包括用于将图像光线向两侧传递以实现水平视野增大的中间转折区131和分布在中间转折区131两侧用于将中间转折区131传递过来的图像光线向耦出区域15传导的边部转折区132。

在本实施例中，该波导镜片1为包含红绿蓝三色图像光线入射的单片波导镜片1。

耦入区域11、中继区域13和耦出区域15三者在同一方向依次设置。其中，耦入区域11和耦出区域15的光栅均为一维光栅，且二者的光栅取向角(如图3所示，图像光线K入射至光栅41，与z轴正方形夹角为入射角α，该入射光线在xy平面上的投影与x轴夹角为方位角θ，光栅栅条与x轴的夹角为取向角φ)相同。

具体地，耦入区域11和耦出区域15的光栅包括倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅、体光栅。

边部转折区132对称分布在中间转折区131的两侧。其中，中间转折区131的光栅为二维阵列光栅，边部转折区132的光栅为一维光栅。利用中间转折区131的二微阵列光栅，实现传导至中间转折区131的图像光线向两侧传递；同时也增大水平视场角。

在本实施例中，边部转折区132光栅的取向角与耦入区域11光栅的取向角不同。通过不同的取向角，实现垂直范围视场角的增大。

具体地，边部转折区132的光栅取向与耦入区域11的光栅取向呈夹角，其夹角度数为45度。

由于单向传导方式只利用正一级衍射光或负一级衍射光，对称传导方式同时利用了产生的正一级衍射光和负一级衍射光，其中正一级衍射光和负一级衍射光各自承担整个视场的部分传导。例如，传导蓝色的正一级衍射光只占整个视场的部分，无法全部覆盖整个视场，造成整个视场蓝色显示的不均衡，通过同步传导蓝色的负一级衍射光，弥补整个视场缺失的蓝色图像部分。实现了整个视场的蓝色均衡显示。红色和绿色传导原理如蓝色。

因此，光栅在不同入射角度的衍射效率不同，每一边部转折区132可实现整个视场的大部分区域显示，而采用对称边部转折区132的设计，在达到复合视场，实现整个视场的全部显示效果的同时，弥补单向视场扩展不足，增强出瞳范围多色衍射效率的均衡效果，从而降低色差，达到消除色差效应。例如，边部转折区132光栅周期为420nm，高度为250nm，占空比为0.3，通过衍射角度计算，得出入射波长450nm情况下，满足波导镜片1一级衍射传导的入射角度为-6.6°到20°，满足负一级衍射传导的入射角度为-20°-6.6°。通过对称衍射，可实现视场角-20°-20°的全覆盖。

请参考图7，本实用新型还提供一种AR显示装置，包括上述波导镜片1和镜框3。镜框3用于固定左右对称的波导镜片1。左右对称的波导镜片1分别用以匹配左眼和右眼。

在本实施例中，AR显示装置还包括设置在镜框上的2个微投影装置(图7中未画出)和2个图像装置(图7中未画出)。2个图像装置分别连接2个微投影装置，2个微投影装置分别连接左右对称的波导镜片1。图像装置将图像光线输出至微投影装置，微投影装置将图像光线输出至波导镜片1的耦入区域11，再经耦出区域15衍射出射，出射光线经人眼汇聚成像，实现显示。

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实用新型的限制。

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，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种波导镜片，其特征在于，包括波导基底、设置在所述波导基底表面由光栅组成的功能区域，所述功能区域包括用于将图像光线耦合进入所述波导基底的耦入区域、用于将经所述耦入区域及所述波导基底传导过来的图像光线改变方向的中继区域，以及用于将所述中继区域经所述波导基底传导过来的图像光线投射到波导镜片外部空间中的耦出区域，所述中继区域包括用于将经所述耦入区域及所述波导基底传导过来的图像光线向两侧传递的中间转折区和分布在所述中间转折区两侧用于将所述中间转折区传递过来的所述图像光线向所述耦出区域传导的边部转折区。

2.如权利要求1所述的波导镜片，其特征在于，所述中间转折区的光栅为二维阵列光栅，使从所述耦入区域及所述波导基底传导过来的图像光线向两侧的边部转折区传递。

3.如权利要求2所述的波导镜片，其特征在于，所述两边部转折区为对称分布的一维光栅，使从所述中间转折区传递过来的所述图像光线向所述耦出区域传导。

4.如权利要求3所述的波导镜片，其特征在于，所述耦入区域和所述耦出区域的光栅均为一维光栅，且二者的光栅取向角相同，所述边部转折区光栅的取向角与所述耦入区域光栅的取向角不同，所述边部转折区的光栅取向与所述耦入区域的光栅取向的夹角为45度。

5.如权利要求1所述的波导镜片，其特征在于，所述边部转折区对称分布在所述中间转折区的两侧。

6.如权利要求1所述的波导镜片，其特征在于，所述耦入区域和所述耦出区域的光栅包括倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅、体光栅。

7.如权利要求1所述的波导镜片，其特征在于，所述耦入区域、所述中继区域和所述耦出区域三者在同一方向依次设置。

8.一种AR显示装置，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的波导镜片。

9.如权利要求8所述的AR显示装置，其特征在于，还包括镜框，所述镜框用于固定左右对称的波导镜片，左右对称的所述波导镜片分别用以匹配左眼和右眼。

10.如权利要求9所述的AR显示装置，其特征在于，还包括2个微投影装置和2个图像装置，2个所述图像装置分别连接2个所述微投影装置，2个所述微投影装置分别连接左右对称的所述波导镜片，所述图像装置将所述图像光线输出至所述微投影装置，所述微投影装置将所述图像光线输出至所述波导镜片的所述耦入区域。

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