CN213457542U - 一种增强现实显示的装置及显示系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种增强现实显示的装置，光信号器，将每一帧图像调制成多个单色图像并将所述多个单色图像依次投射输出；偏振控制器，接收来自所述光信号器投射的所述单色图像的光线，并根据不同的波段控制所述光线的偏振方向；波导镜片组，包括多个波导镜片，一个所述波导镜片衍射传导一个波段通道的单色图像光线并耦出至人眼。本实用新型还公开了一种显示系统，包括上述的增强现实显示的装置。有效地防止其余波段光在非对应波导镜片中传导而导致的光线串扰，提高了体验效果。

Description

一种增强现实显示的装置及显示系统

技术领域

本实用新型涉及增强现实显示技术领域，特别是涉及一种增强现实显示的装置及显示系统。

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。。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。Microsoft采用三层衍射波导镜片叠加，实现AR显示。在多片叠加实现彩色的方法中，理论上，每片镜片需只对特定波段光工作，其余波段光不作用，然而大多数情况，由于结构设计缺陷或者制备工艺误差等问题，存在其余波段光在非对应镜片中传导，导致光线串扰，影响体验效果。

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有效防止光线串扰的增强现实显示的装置及显示系统。

本实用新型提供一种增强现实显示的装置，包括：

光信号器，将每一帧图像调制成多个单色图像并将所述多个单色图像依次投射输出；

偏振控制器，接收来自所述光信号器投射的所述单色图像的光线，并根据不同的波段控制所述光线的偏振方向；

波导镜片组，包括多个波导镜片，一个所述波导镜片衍射传导一个波段通道的单色图像光线并耦出至人眼。

在其中一实施例中，所述波导镜片的数量至少设置3个。

在其中一实施例中，所述波导镜片组包括第一波导镜片、第二波导镜片和第三波导镜片，所述第二波导镜片设置在所述第一波导镜片和所述第三波导镜片之间。

在其中一实施例中，所述波导镜片包括偏振选择衍射元件、耦出元件和波导，所述偏振选择衍射元件、所述耦出元件设置在所述波导同一侧的表面，所述偏振选择衍射元件将所述单色图像的光线衍射至所述波导内，经所述波导全反射至所述耦出元件耦出。

在其中一实施例中，所述偏振选择衍射元件、所述耦出元件均包括多个微纳结构，多个微纳结构按一定的周期排布形成光栅，在同一波导镜片中，所述偏振选择衍射元件的光栅周期与所述耦出元件的光栅周期相同。

在其中一实施例中，所述偏振选择衍射元件的材质包括具备旋光色散的旋光材料和各向同性材料，所述旋光材料与所述各向同性材料周期交替分布形成所述偏振选择衍射元件。

在其中一实施例中，所述旋光材料为胆甾醇相液晶，所述各向同性材料为空气或光刻胶。

在其中一实施例中，所述波导为玻璃或树脂或塑料。

在其中一实施例中，所述波导的透明度为可见光波段透过率不小于80％。

本实用新型还提供一种显示系统，包括上述的增强现实显示的装置。

本实用新型提供的增强现实显示的装置，通过一个所述波导镜片衍射传导一个波段通道的单色图像光线并耦出至人眼，有效地防止其余波段光在非对应波导镜片中传导而导致的光线串扰，提高了体验效果。

附图说明

图1为本实用新型实施例增强现实显示的装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例第一单色光的光路示意图；

图3为本实用新型实施例第二单色光的光路示意图；

图4为本实用新型实施例第三单色光的光路示意图。

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1，本实用新型实施例中提供的增强现实显示的装置，包括：

光信号器1，将每一帧图像调制成多个单色图像并将所述多个单色图像依次投射输出；

偏振控制器2，接收来自所述光信号器1投射的所述单色图像的光线，并根据不同的波段控制所述光线的偏振方向；

波导镜片组3，包括多个波导镜片，一个所述波导镜片衍射传导一个波段通道的单色图像光线并耦出至人眼。

在本实施例中，波导镜片包括偏振选择衍射元件、耦出元件和波导，偏振选择衍射元件、耦出元件设置在波导同一侧的表面；偏振选择衍射元件将单色图像的光线衍射至波导内，经波导全反射至耦出元件耦出。偏振选择衍射元件、耦出元件均由多个微纳结构组成，多个微纳结构按一定周期排布形成光栅；其中，同一波导镜片中的偏振选择衍射元件的光栅周期与耦出元件的光栅周期相同。在本实施例中，单色图像的数量为3个，即红、绿、蓝三个通道的颜色；3个单色图像分别为红色图像、绿色图像和蓝色图像。人类视力所能感知的所有颜色均是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到的。

光信号器1中上载有图像处理软件，利用图像处理软件根据RGB色彩模式将彩色的图像调整成多个单色图像。在调制完成单色图像后，在一定间隔时间内依次将3个单色图像以第一单色光(即红色波段光)、第二单色光(即绿色波段光)和第三单色光(即蓝色波段光)投射输出。其中，一定间隔时间是指利用视觉暂留效应，使多个单色图像在不同的时间段内通过不同的波导镜片传导至人眼后在人脑中形成完整的图像。

偏振控制器2根据不同的波段光进行不同方向的偏振输出。如，第一单色光经偏振控制器2调控形成第一偏振方向偏振光(即第一单色光)；第二单色光经偏振控制器2调控形成第二偏振方向偏振光(即第二单色光)；第三单色光经偏振控制器2调控形成第三偏振方向偏振光(即第三单色光)。

波导镜片组3中的波导镜片的数量至少设置3个。各波导镜片对应不同通道的颜色(即不同波段的颜色)。

具体地，波导镜片的数量与单色图像的数量一致。波导镜片组3包括第一波导镜片31、第二波导镜片32和第三波导镜片33；第二波导镜片32设置在第三波导镜片上，第一波导镜片设置在第二波导镜片32上。其中，第一波导镜片31衍射传导第一偏振方向偏振光，第二波导镜片32衍射传导第二偏振方向偏振光，第三波导镜片33衍射传导第三偏振方向偏振光。

以第一波导镜片31为例：第一波导镜片31包括第一偏振选择衍射元件312、第一耦出元件313和第一波导311。第一偏振选择衍射元件312、第一耦出元件313设置在波导311同一侧的表面。第一偏振选择衍射元件312将单色图像(第一单色光)的光线衍射至第一波导311内，经第一波导311全反射至第一耦出元件313耦出。

第一波导311的透明度为可见光波段透过率不小于80％。具体地，第一波导311为玻璃或树脂或塑料。

第一偏振选择衍射元件312的材质包括具备旋光色散的旋光材料和各向同性材料，其中，旋光材料与各向同性材料周期交替分布。优选地，旋光材料可以为胆甾醇相液晶，各向同性材料可以为空气或光刻胶。

第二波导镜片32和第三波导镜片33与第一波导镜片31的结构类似。其中，将第二波导镜片32中的偏振选择衍射元件视为第二偏振选择衍射元件322，将第三波导镜片33中的偏振选择衍射元件视为第三偏振选择衍射元件332。

需要指出的是，在不同的波导镜片中，旋光材料与各向同性材料周期交替分布不同，以此形成不同的偏振选择衍射元件。如，在第一波导镜片31中，第一偏振选择衍射元件312在满足第一偏振方向偏振光衍射传导时，还满足偏振选择衍射元件透射第二偏振方向偏振光、第三偏振方向偏振光，即，第二偏振方向偏振光、第三偏振方向偏振光入射至偏振选择衍射元件不会产生衍射行为；以此类推，使一个波导镜片对应一个偏振方向偏振光衍射传导，从而实现一个波导镜片衍射传导一个波段通道的单色图像光线。有效地防止了其余波段光在非对应的波导镜片中传导而导致的光线串扰现象的出现，提高了清晰度，增强了视觉体验效果。

下面根据不同的单色图像投射对应的波段光对具体工作原理进行阐述。

红色波段光：如图2所示，光信号器1按照红色图像发射第一单色光，此时第一单色光入射偏振控制器2，偏振控制器2用于控制偏振方向，调控偏振控制器2，使其输出第一偏振方向偏振光；第一偏振方向的偏振光入射至第一波导镜片31中的第一偏振选择衍射元件312，第一偏振选择衍射元件312衍射传导第一偏振方向的波段光，第二偏振选择衍射元件322和第三偏振选择衍射元件332透射第一偏振方向的波段光，即第一偏振方向偏振光入射第二偏振选择衍射元件322和第三偏振选择衍射元件332时，不发生衍射行为；经第一偏振选择衍射元件312衍射的第一偏振方向偏振光，在第一波导镜片31的第一波导311内全反射传导至第一耦出元件313范围，经第一耦出元件313衍射耦出。

绿色波段光：如图3所示，光信号器1按照绿色图像发射第二单色光，此时第二单色光入射偏振控制器2，偏振控制器2用于控制偏振方向，调控偏振控制器2，使其输出第二偏振方向偏振光；第二偏振方向的偏振光入射至第二波导镜片32中的第二偏振选择衍射元件322，第二偏振选择衍射元件322配置为衍射传导第二偏振方向的波段光，第一偏振选择衍射元件312和第三偏振选择衍射元件332配置为透射第二偏振方向的波段光，即第二偏振方向偏振光入射第一偏振选择衍射元件312和第三偏振选择衍射元件332时，不发生衍射行为；经第二偏振选择衍射元件322衍射的第二偏振方向偏振光，在第二波导镜片32的波导内全反射传导至耦出元件范围，经耦出元件衍射耦出。

蓝色波段光：如图4所示，光信号器1按照蓝色图像发射第三单色光，此时第三单色光入射偏振控制器2，偏振控制器2用于控制偏振方向，调控偏振控制器2，使其输出第三偏振方向偏振光；第三偏振方向的偏振光入射至第三波导镜片33中的第三偏振选择衍射元件332，第三偏振选择衍射元件332衍射传导第三偏振方向的波段光，第一偏振选择衍射元件312和第二偏振选择衍射元件322配置为透射第三偏振方向的波段光，即第三偏振方向偏振光入射第一偏振选择衍射元件312和第二偏振选择衍射元件322时，不发生衍射行为；经第三偏振选择衍射元件332衍射的第三偏振方向偏振光，在第三波导镜片33的波导内全反射传导至耦出元件范围，经耦出元件衍射耦出。

本实用新型还提供一种显示系统，包括上述的增强现实显示的装置。

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，用于描述元件的序列形容词“第一”、“第二”等仅仅是为了区别属性类似的元件，并不意味着这样描述的元件必须依照给定的顺序，或者时间、空间、等级或其它的限制。

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。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤。前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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)

1.一种增强现实显示的装置，其特征在于，包括：

光信号器，将每一帧图像调制成多个单色图像并将所述多个单色图像依次投射输出；

偏振控制器，接收来自所述光信号器投射的所述单色图像的光线，并根据不同的波段控制所述光线的偏振方向；

波导镜片组，包括多个波导镜片，一个所述波导镜片衍射传导一个波段通道的单色图像光线并耦出至人眼。

2.如权利要求1所述的增强现实显示的装置，其特征在于，所述波导镜片的数量至少设置3个。

3.如权利要求2所述的增强现实显示的装置，其特征在于，所述波导镜片组包括第一波导镜片、第二波导镜片和第三波导镜片，所述第二波导镜片设置在所述第一波导镜片和所述第三波导镜片之间。

4.如权利要求1所述的增强现实显示的装置，其特征在于，所述波导镜片包括偏振选择衍射元件、耦出元件和波导，所述偏振选择衍射元件、所述耦出元件设置在所述波导同一侧的表面，所述偏振选择衍射元件将所述单色图像的光线衍射至所述波导内，经所述波导全反射至所述耦出元件耦出。

5.如权利要求4所述的增强现实显示的装置，其特征在于，所述偏振选择衍射元件、所述耦出元件均包括多个微纳结构，多个微纳结构按一定的周期排布形成光栅，在同一波导镜片中，所述偏振选择衍射元件的光栅周期与所述耦出元件的光栅周期相同。

6.如权利要求4所述的增强现实显示的装置，其特征在于，所述偏振选择衍射元件的材质包括具备旋光色散的旋光材料和各向同性材料，所述旋光材料与所述各向同性材料周期交替分布形成所述偏振选择衍射元件。

7.如权利要求6所述的增强现实显示的装置，其特征在于，所述旋光材料为胆甾醇相液晶，所述各向同性材料为空气或光刻胶。

8.如权利要求4所述的增强现实显示的装置，其特征在于，所述波导为玻璃或树脂或塑料。

9.如权利要求4或8所述的增强现实显示的装置，其特征在于，所述波导的透明度为可见光波段透过率不小于80％。

10.一种显示系统，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的增强现实显示的装置。

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