CN215867360U - Ar双目显示光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种AR双目显示光学系统，包括一显示屏幕和波导板，其中波导板包括至少一个介质层，每个介质层上形成有耦合输入光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦合输出光栅和第二耦合输出光栅。显示屏幕产生的输入光经过耦合输入光栅衍射成两路光，一路光经过第一转折光栅和第一耦合输出光栅衍射后能够进入人的左眼，另一路光经过第二转折光栅和第二耦合输出光栅衍射后能够进入人的右眼。本实用新型使用一个显示屏幕实现双目显示，既能降低双目显示光学系统的硬件成本，又能降低双目显示光学系统的整体功耗。

Description

AR双目显示光学系统

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AR双目显示光学系统。

背景技术

现有的主流AR双目光学显示系统都是通过两个单目显示模组搭建而成，每个单目模组都需要使用一块微型显示屏幕。两块微型显示屏幕不仅增加了双目光学显示系统的成本，同时也增加了双目显示系统的功耗，导致很多AR眼镜被迫采用单目的显示系统。因此，如何提供一种既能实现双目显示，又能控制硬件成本和功耗的方案是本领域从业人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型实施例所要解决的技术问题在于，提供一种AR双目显示光学系统，用于解决现有技术中双目模组成本高，功耗高的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种AR双目显示光学系统，包括：

一显示屏幕，用于产生输入光；

一波导板，所述波导板包括至少一个介质层，每个介质层上形成有耦合输入光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦合输出光栅和第二耦合输出光栅；所述耦合输入光栅位于所述第一转折光栅和所述第二转折光栅之间，用于将所述输入光衍射形成向所述第一转折光栅传导的第一传导光和向所述第二转折光栅传导的第二传导光；所述第一耦合输出光栅位于所述第一转折光栅的一侧，所述第一转折光栅用于将所述第一传导光衍射形成向所述第一耦合输出光栅传导的第三传导光，所述第一耦合输出光栅用于将所述第三传导光衍射形成第一输出光；所述第二耦合输出光栅位于所述第二转折光栅的一侧，所述第二转折光栅用于将所述第二传导光衍射形成向所述第二耦合输出光栅传导的第四传导光，所述第二耦合输出光栅用于将所述第四传导光衍射形成第二输出光；

其中，所述第一传导光、所述第二传导光、所述第三传导光和所述第四传导光均在所述介质层内传播，并且，所述第三传导光的传导方向与所述第一传导光的传导方向构成夹角，所述第四传导光的传导方向与所述第二传导光的传导方向构成夹角；所述第一输出光、所述第二输出光和所述输入光的传导方向一致。

在一个可行的实现方式中，所述波导板还包括覆盖层，所述覆盖层设置在所述介质层的外表面。

在一个可行的实现方式中，所述波导板包括至少两个介质层的情况下，所述至少两个介质层之间层叠设置，各介质层上的耦合输入光栅、所述第一耦合输出光栅及所述第二耦合输出光栅位置相互对应。

在一个可行的实现方式中，所述波导板包括两个介质层，两个介质层之间通过所述覆盖层隔离，其中一个介质层用于传导所述输入光中的蓝绿光，另一个介质层用于传导所述输入光中的红绿光。

在一个可行的实现方式中，所述波导板包括两个介质层，两个介质层之间通过所述覆盖层隔离，其中一个介质层用于传导所述输入光中的蓝光，另一个介质层用于传导所述输入光中的红绿光。

在一个可行的实现方式中，所述波导板包括三个介质层，三个介质层中相邻两个介质层之间采用所述覆盖层隔离，三个介质层分别对应传导所述输入光中的红光、蓝光和绿光。

在一个可行的实现方式中，所述第一转折光栅的透光狭缝与X轴方向的夹角在5°—20°之间，所述第二转折光栅的透光狭缝与X轴方向的夹角在160°—175°之间。

在一个可行的实现方式中，所述系统还包括光线准直模块，所述光线准直模块设置在所述显示屏幕与所述波导板之间。

在一个可行的实现方式中，所述覆盖层和所述介质层采用透光材料制成。

在一个可行的实现方式中，所述第一转折光栅与所述第二转折光栅以所述耦合输入光栅为轴对称分布，所述第一耦合输出光栅与所述第二耦合输出光栅以所述耦合输入光栅为轴对称分布。

实施本实用新型，具有如下有益效果：

本方案由显示屏幕产生图像，图像的输入光入射到波导板内的介质层，介质层的耦合输入光栅将输入光衍射成两部分，分别沿着介质层向左右两侧传播，两束光分别遇到左右两侧的转折光栅后，再次发生衍射而向一侧传播，经耦合输出光栅衍射后从介质层出射并分别进入人的左右眼。本实用新型提供的AR双目显示光学系统只需使用一个显示屏幕就能实现双目显示，既能降低双目显示光学系统的硬件成本，又能降低双目显示光学系统的整体功耗。此外，在设置多个介质层的情况下，各介质层传播不同波长的光，并在出射后叠加混合，能够实现彩色显示。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的AR双目显示光学系统中介质层的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的AR双目显示光学系统的一种结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的AR双目显示光学系统的另一种结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的AR双目显示光学系统的另一种结构示意图。

图中的附图标记：1-显示屏幕，2-光线准直模块，3-波导板，31-覆盖层，32-介质层，321-耦合输入光栅，322-第一转折光栅，323-第二转折光栅，324-第一耦合输出光栅，325-第二耦合输出光栅。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型提供一种AR双目显示光学系统，包括一显示屏幕和一波导板，其中，显示屏幕为微型显示屏幕，用于产生输入光，输入光通过波导板分化成两路光出射，一路光对应人的左眼，一路光对应人的右眼，实现通过一块显示屏幕实现双目显示。

以下将结合图示对本实施例所提供的AR双目显示光学系统进行详细描述。本实用新型的AR双目显示光学系统中，波导板为层状结构，包括至少一个介质层和与介质层数量适配的覆盖层；当介质层数量为1时，介质层的两侧外表面分别设置覆盖层；当介质层数量为多个时，多个介质层之间层叠设置，相邻两个介质层之间通过覆盖层隔离，并且在介质层暴露在外的区域处设置覆盖层。覆盖层和介质层采用透光材料制成，介质层的材料例如可以是硅、砷化镓或玻璃。

图1为AR双目显示光学系统中介质层32的结构示意图。请参见图1，介质层32上形成有耦合输入光栅321、第一转折光栅322、第二转折光栅 323、第一耦合输出光栅324和第二耦合输出光栅325，耦合输入光栅321 位于第一转折光栅322和第二转折光栅323之间，第一耦合输出光栅324 位于第一转折光栅322的一侧，第二耦合输出光栅325位于第二转折光栅 323的一侧。在一种可行的实现方式中，第一转折光栅322与第二转折光栅 323以耦合输入光栅321为轴对称设置，第一耦合输出光栅324与第二耦合输出光栅325以耦合输入光栅321为轴对称设置，并且，第一耦合输出光栅324和第二耦合输出光栅325处于第一转折光栅322或第二转折光栅323 的同侧。具体可以将第一转折光栅设置在耦合输入光栅的左侧，将第二转折光栅设置在耦合输入光栅的右侧，将第一耦合输出光栅设置在第一转折光栅的下方，将第二耦合输出光栅设置在第二转折光栅的下方；或者，将第一耦合输出光栅设置在第一转折光栅的上方，将第二耦合输出光栅设置在第二转折光栅的上方。耦合输入光栅321可以设计为平面状，也可以设计为适配面部的曲面状。

其中，波导板包括至少两个介质层的情况下，各介质层上的耦合输入光栅、所述第一耦合输出光栅及所述第二耦合输出光栅位置相互对应。

在一种可行的实现方式中，耦合输入光栅321的透光狭缝与Y轴方向一致，第一耦合输出光栅324和第二耦合输出光栅325的透光狭缝与X轴方向一致，第一转折光栅322的透光狭缝与X轴方向的夹角在5°—20°之间，第二转折光栅323的透光狭缝与X轴方向的夹角在160°—175°之间。

在一种可行的实现方式中，AR双目显示光学系统还包括光线准直模块 2，光线准直模块2设置在显示屏幕1与波导板3之间，用于将显示屏幕1 产生的输入光处理成准直的光。

图1为AR双目显示光学系统的一种结构示意图。请参见图1，AR双目显示光学系统包括显示屏幕1、光线准直模块2和波导板3，波导板3包括一个介质层32和设置在介质层32两侧的覆盖层31，介质层32上形成有耦合输入光栅321、第一转折光栅322、第二转折光栅323、第一耦合输出光栅324和第二耦合输出光栅325，耦合输入光栅321位于第一转折光栅322 和第二转折光栅323之间，第一耦合输出光栅324位于第一转折光栅322 的一侧，第二耦合输出光栅325位于第二转折光栅323的一侧。

显示屏幕产生图像，图像的输入光经过光线准直模块，入射到波导板的耦合输入光栅，耦合输入光栅将输入光衍射形成向第一转折光栅传导的第一传导光和向第二转折光栅传导的第二传导光，第一转折光栅将第一传导光衍射形成向第一耦合输出光栅传导的第三传导光，第二转折光栅将第二传导光衍射形成向第二耦合输出光栅传导的第四传导光，第一耦合输出光栅将第三传导光衍射形成第一输出光，第二耦合输出光栅将第四传导光衍射形成第二输出光。其中，第一传导光、第二传导光、第三传导光和第四传导光均在介质层内传播，并且，第三传导光的传导方向与第一传导光的传导方向构成夹角，第四传导光的传导方向与第二传导光的传导方向构成夹角；第一输出光、第二输出光和输入光的传导方向一致。图1所示系统结构可用于单色双目显示。

图2是AR双目显示光学系统的另一种结构示意图。请参见图2，AR双目显示光学系统包括显示屏幕1、光线准直模块2和波导板3，波导板3包括两个介质层32和三个覆盖层31，两个介质层32之间设有一覆盖层31，两个介质层32的外表面分别设有一覆盖层31。两个介质层32的结构相同，均形成有耦合输入光栅321、第一转折光栅322、第二转折光栅323、第一耦合输出光栅324和第二耦合输出光栅325，耦合输入光栅321位于第一转折光栅322和第二转折光栅323之间，第一耦合输出光栅324位于第一转折光栅322的一侧，第二耦合输出光栅325位于第二转折光栅323的一侧。

在一种可行的实现方式中，波导板的两个介质层中，一个介质层用于传播蓝绿光，设为第一介质层，另一个介质层用于传播红绿光，设为第二介质层，第一介质层的耦合输入光栅与第二介质层的耦合输入光栅位置对应，第一介质层的第一耦合输出光栅与第二介质层的第一耦合输出光栅位置对应，第一介质层的第二耦合输出光栅与第二介质层的第二耦合输出光栅位置对应。显示屏幕产生的输入光经过光线准直模块，入射到波导板中第一介质层和第二介质层。其中，第一介质层的耦合输入光栅将输入光中的蓝绿光衍射成向第一转折光栅传导的第一传导光和向第二转折光栅传导的第二传导光，第一转折光栅将第一传导光衍射形成向第一耦合输出光栅传导的第三传导光，第二转折光栅将第二传导光衍射形成向第二耦合输出光栅传导的第四传导光，第一耦合输出光栅将第三传导光衍射形成第一输出光，第二耦合输出光栅将第四传导光衍射形成第二输出光；从第一介质层出射的第一输出光和第二输出光均为蓝绿光。第二介质层的耦合输入光栅将输入光中的红绿光衍射成向第一转折光栅传导的第一传导光和向第二转折光栅传导的第二传导光，第一转折光栅将第一传导光衍射形成向第一耦合输出光栅传导的第三传导光，第二转折光栅将第二传导光衍射形成向第二耦合输出光栅传导的第四传导光，第一耦合输出光栅将第三传导光衍射形成第一输出光，第二耦合输出光栅将第四传导光衍射形成第二输出光；从第二介质层出射的第一输出光和第二输出光均为红绿光。从第一介质层出射的蓝绿光与从第二介质层出射的红绿光叠加进入人眼，形成彩色图像，实现彩色双目显示。

在另一种可行的实现方式中，波导板的两个介质层中，一个介质层用于传播蓝光，设为第三介质层，另一个介质层用于传播红绿光，设为第四介质层。显示屏幕产生的输入光经过光线准直模块，入射到波导板中第三介质层和第四介质层。输入光中的蓝光通过第三介质层的耦合输入光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦合输出光栅和第二耦合输出光栅衍射后，从第三介质层出射；输入光中的红绿光通过第四介质层的耦合输入光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦合输出光栅和第二耦合输出光栅衍射后，从第四介质层出射；第三介质层出射的蓝光与第四介质层出射的红绿光叠加进入人眼，形成彩色图像，实现彩色双目显示。第三介质层和第四介质层传导光的过程和原理与上述介质层传导光的原理和过程相同，在此不赘述。

图4是AR双目显示光学系统的另一种结构示意图。请参见图4，AR双目显示光学系统包括显示屏幕1、光线准直模块2和波导板3，波导板3包括三个介质层32和多个覆盖层31，三个介质层32成层状排列，每个介质层32的两侧均设有覆盖层31。三个介质层32的结构相同，均形成有耦合输入光栅321、第一转折光栅322、第二转折光栅323、第一耦合输出光栅324和第二耦合输出光栅325，耦合输入光栅321位于第一转折光栅322和第二转折光栅323之间，第一耦合输出光栅324位于第一转折光栅322的一侧，第二耦合输出光栅325位于第二转折光栅323的一侧。

三个介质层分别对应传导输入光中的红光、蓝光和绿光，将传导红光的介质层设为第五介质层，将传导蓝光的介质层设为第六介质层，将传导绿光的介质层设为第七介质层；第一介质层的耦合输入光栅、第二介质层的耦合输入光栅以及第三介质层的耦合输入光栅位置对应，第一介质层的第一耦合输出光栅、第二介质层的第一耦合输出光栅及第三介质层的第一耦合输出光栅位置对应，第一介质层的第二耦合输出光栅、第二介质层的第二耦合输出光栅及第三介质层的第二耦合输出光栅位置对应。则有：显示屏幕产生的输入光经过光线准直模块，分别入射到波导板中的第五介质层、第六介质层和第七介质层。第五介质层的耦合输入光栅将输入光中的红光衍射成第一传导光和第二传导光，第一转折光栅将第一传导光衍射形成第三传导光，第二转折光栅将第二传导光衍射形成第四传导光，第一耦合输出光栅将第三传导光衍射形成第一输出光，第二耦合输出光栅将第四传导光衍射形成第二输出光；从第五介质层出射的第一输出光和第二输出光均为红光。第六介质层的耦合输入光栅将输入光中的蓝光衍射成第一传导光和第二传导光，第一转折光栅将第一传导光衍射形成第三传导光，第二转折光栅将第二传导光衍射形成第四传导光，第一耦合输出光栅将第三传导光衍射形成第一输出光，第二耦合输出光栅将第四传导光衍射形成第二输出光；从第六介质层出射的第一输出光和第二输出光均为蓝光。第七介质层的耦合输入光栅将输入光中的绿光衍射成第一传导光和第二传导光，第一转折光栅将第一传导光衍射形成第三传导光，第二转折光栅将第二传导光衍射形成第四传导光，第一耦合输出光栅将第三传导光衍射形成第一输出光，第二耦合输出光栅将第四传导光衍射形成第二输出光；从第七介质层出射的第一输出光和第二输出光均为绿光。从第五介质层出射的红光、从第六介质层出射的蓝光与从第七介质层出射的绿光叠加进入人眼，形成彩色图像，实现彩色双目显示。

本实用新型提供的AR双目显示光学系统通过使用光波导，将系统中的显示屏幕减少到1个，既能在降低双目显示光学系统硬件成本，又能降低双目显示光学系统的整体功耗，具有高度产业利用价值。进一步通过调整波导片中介质层，可以实现单色或彩色显示。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种AR双目显示光学系统，其特征在于，包括：

一显示屏幕，用于产生输入光；

一波导板，所述波导板包括至少一个介质层，每个介质层上形成有耦合输入光栅、第一转折光栅、第二转折光栅、第一耦合输出光栅和第二耦合输出光栅；所述耦合输入光栅位于所述第一转折光栅和所述第二转折光栅之间，用于将所述输入光衍射形成向所述第一转折光栅传导的第一传导光和向所述第二转折光栅传导的第二传导光；所述第一耦合输出光栅位于所述第一转折光栅的一侧，所述第一转折光栅用于将所述第一传导光衍射形成向所述第一耦合输出光栅传导的第三传导光，所述第一耦合输出光栅用于将所述第三传导光衍射形成第一输出光；所述第二耦合输出光栅位于所述第二转折光栅的一侧，所述第二转折光栅用于将所述第二传导光衍射形成向所述第二耦合输出光栅传导的第四传导光，所述第二耦合输出光栅用于将所述第四传导光衍射形成第二输出光；

其中，所述第一传导光、所述第二传导光、所述第三传导光和所述第四传导光均在所述介质层内传播，并且，所述第三传导光的传导方向与所述第一传导光的传导方向构成夹角，所述第四传导光的传导方向与所述第二传导光的传导方向构成夹角；所述第一输出光、所述第二输出光和所述输入光的传导方向一致。

2.根据权利要求1所述的AR双目显示光学系统，其特征在于，所述波导板还包括覆盖层，所述覆盖层设置在所述介质层的外表面。

3.根据权利要求2所述的AR双目显示光学系统，其特征在于，所述波导板包括至少两个介质层的情况下，所述至少两个介质层之间层叠设置，各介质层上的耦合输入光栅、所述第一耦合输出光栅及所述第二耦合输出光栅位置相互对应。

4.根据权利要求3所述的AR双目显示光学系统，其特征在于，所述波导板包括两个介质层，两个介质层之间通过所述覆盖层隔离，其中一个介质层用于传导所述输入光中的蓝绿光，另一个介质层用于传导所述输入光中的红绿光。

5.根据权利要求3所述的AR双目显示光学系统，其特征在于，所述波导板包括两个介质层，两个介质层之间通过所述覆盖层隔离，其中一个介质层用于传导所述输入光中的蓝光，另一个介质层用于传导所述输入光中的红绿光。

6.根据权利要求3所述的AR双目显示光学系统，其特征在于，所述波导板包括三个介质层，三个介质层中相邻两个介质层之间采用所述覆盖层隔离，三个介质层分别对应传导所述输入光中的红光、蓝光和绿光。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的AR双目显示光学系统，其特征在于，所述第一转折光栅的透光狭缝与X轴方向的夹角在5°—20°之间，所述第二转折光栅的透光狭缝与X轴方向的夹角在160°—175°之间。

8.根据权利要求1-6中任意一项所述的AR双目显示光学系统，其特征在于，所述系统还包括光线准直模块，所述光线准直模块设置在所述显示屏幕与所述波导板之间。

9.根据权利要求2所述的AR双目显示光学系统，其特征在于，所述覆盖层和所述介质层采用透光材料制成。

10.根据权利要求1-6中任意一项所述的AR双目显示光学系统，其特征在于，所述第一转折光栅与所述第二转折光栅以所述耦合输入光栅为轴对称分布，所述第一耦合输出光栅与所述第二耦合输出光栅以所述耦合输入光栅为轴对称分布。

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