CN216646967U - 增强现实光学机构及近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种增强现实光学机构，包括光学引擎和光学组合器，光学引擎用于发射沿不同角度出射的光线；光学组合器设置于光线的光路上，光学组合器用于反射光线，还用于透射环境光，光学组合器包括曲面反射单元和导模共振组件，曲面反射单元设置于光线的光路上，导模共振组件包括波导层和光栅层，波导层设置于曲面反射单元，光栅层设置于波导层。本实用新型提供的增强现实光学机构，通过在曲面反射单元设置导模共振组件，能够实现对于特定角度、特定波长的光线具有极高的反射率，而对于其他波长的光线具有极高的透过率，从而提高增强现实光学机构的光能利用效率以及透光率。本实用新型提供一种近眼显示装置。

Description

增强现实光学机构及近眼显示装置

技术领域

本实用新型涉及增强现实技术领域，具体而言，涉及一种增强现实光学机构及近眼显示装置。

背景技术

随着增强现实(Augmented Reality，AR)技术的不断发展，诸如AR眼镜等产品被用户广泛接受和应用。

AR眼镜是通过微型显示器或者微型投影仪，将一些特定的虚拟图像直接呈现在人眼前，并且与真实环境结合的近眼显示装置。现有的AR眼镜在制造过程中存在光能利用效率低、透光率低以及制造难度大的问题。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种增强现实光学机构及近眼显示装置，以解决上述问题。本实用新型实施例通过以下技术方案来实现上述目的。

第一方面，本实用新型提供一种增强现实光学机构，包括光学引擎和光学组合器，光学引擎用于发射沿不同角度出射的光线；光学组合器设置于光线的光路上，光学组合器用于反射光线，还用于透射环境光，光学组合器包括曲面反射单元和导模共振组件，曲面反射单元设置于光线的光路上，导模共振组件包括波导层和光栅层，波导层设置于曲面反射单元，光栅层设置于波导层。

在一种实施方式中，曲面反射单元的数量为多个，多个曲面反射单元阵列设置于光线的光路上，多个曲面反射单元的曲率互不相同。

在一种实施方式中，光栅层包括多个光栅单元和多个封装单元，多个光栅单元和多个封装单元彼此交替设置。

在一种实施方式中，导模共振组件还包括基底层，基底层设置于波导层和曲面反射单元之间。

在一种实施方式中，增强现实光学机构还包括透光件，透光件设有收容腔，光学组合器可转动地设置于收容腔内。

在一种实施方式中，光学引擎包括发光光源和MEMS振镜，发光光源用于发出图像光，MEMS振镜可活动地设置于图像光的光路上，用于向不同角度反射图像光，以形成沿不同的角度出射的光线。

在一种实施方式中，增强现实光学机构还包括检测器和控制器，检测器用于获取人眼的位置信息，控制器与检测器电性连接，控制器用于根据人眼的位置信息控制光学组合器转动，以将光线反射至人眼。

在一种实施方式中，增强现实光学机构还包括驱动器，驱动器与光学组合器传动连接，控制器与驱动器电性连接，以根据人眼的位置信息控制驱动器带动光学组合器转动。

在一种实施方式中，增强现实光学机构还包括连接件，连接件与光学组合器连接，驱动器与连接件连接，以带动连接件移动，连接件的移动用于带动光学组合器转动。

第二方面，本实用新型还提供一种近眼显示装置，包括架体以及第一方面的增强现实光学机构，增强现实光学机构设置于架体。

相较于现有技术，本实用新型提供的增强现实光学机构及近眼显示装置，通过在曲面反射单元设置导模共振组件，能够实现对于特定角度、特定波长的光线具有极高的反射率，而对于其他波长的光线具有极高的透过率，从而导模共振组件可以与光学引擎配合，提高增强现实光学机构的光能利用效率以及透光率。另外，导模共振组件可以采用成熟的纳米压印技术进行量产，因此增强现实光学机构具有易加工性。

本实用新型的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是本实用新型提供的增强现实光学机构的结构示意图。

图2是图1在A处的局部放大图。

图3是图1所示的增强现实光学机构的导模共振组件的结构示意图。

图4是图1所示的增强现实光学机构的导模共振组件的透射谱和反射谱(光线0度入射)。

图5是本实用新型提供的另一种增强现实光学机构的结构示意图。

图6是图5所示的增强现实光学机构的光学组合器转动预设角度后的结构示意图。

图7是图5在B处的局部放大图。

图8是本实用新型提供的近眼显示装置的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型实施例，下面将参照相关附图对本实用新型实施例进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。

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实施例中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。

AR显示系统通常由光学引擎(light engine)和光学组合器(optical combiner)两部分组成。

从AR眼镜的光学引擎方面来看，利用激光作为光源，DLP或者LCoS作为空间光调制器，是一种可以实现窄带光源的光机方案。此外，采用激光光源和MEMS反射式扫描振镜的方案，是最新提出的一种实现窄带图像光的微型AR光机方案，被称为LBS(Laser BeamScanning，激光束扫描)方案。在显示过程中，MEMS振镜在一定角度内来回不断进行翻转，将照射到MEMS振镜上的近似平行的激光光束反射到不同的角度，不同角度的光束光斑代表不同的像素，然后通过调节激光器的驱动来调节不同时刻(即不同光束角度)的光斑亮度，进而形成具有角分布的显示画面。

从光学组合器方面来看，常见的光学组合器技术包括Birdbath(共轴曲面)、单次离轴自由曲面反射、几何光波导(又称阵列光波导)以及衍射光波导技术(包括表面浮雕光栅和全息体光栅)。其中，Birdbath以及自由曲面技术通过对光线的定向反射以及表面的半透半反镀膜实现光学组合的功能，相关技术生产成本较低，并且可以实现很大的视场角，代表产品是Google

等。但是由于此类技术难以在薄片式镜片上实现，基于此技术的产品通常难以具有普通眼镜的轻便形态。并且由于半透半反膜层的存在，在一定程度上会影响周围环境的光线，无法保证不影响用户对周围环境的观察。阵列光波导技术是将自由曲面的反射面做成多层反射阵列膜层，以减小产品体积，但是由于工艺难度极高，成本一直居高不小。

衍射光波导多采用具有表面浮雕结构的光栅或者全息体光栅，但是依然存在一定问题。对于表面浮雕光栅来说，传统的矩形光栅虽然加工工艺成熟，可量产型好，但是会带来光效利用率的问题。这是因为矩形光栅结构在0级衍射方向上通常具有大部分的能量，能够有效利用的-1级光效率较低，会造成较多的能量浪费。对于全息体光栅来说，其材料成本高、难以购买，并且制备工艺也存在成本高、难量产的问题。

此外，即使采用了倾斜光栅或者闪耀光栅，其光效利用率通常依然在70％以下，远小于全息体光栅可以实现的90％以上的效率，并且浮雕光栅还通常具有一定的色散问题。

基于衍射光学技术的光学组合器，由于其对波长衍射角度的高度选择性，极易造成色散现象，对工艺精度要求高，也进一步造成了该技术成本的提高。因此，基于衍射光波导技术的AR眼镜价格较高，例如Magic

微软

等普遍在2000美元以上，居高不下的价格使得这类AR眼镜难以走进普通消费者。小型化、高效率、高透光率、易制造的AR眼镜是未来技术主要追求的方向。

为了解决至少部分上述问题，申请人提出一种增强现实光学机构及近眼显示装置，增强现实光学机构不仅具有小尺寸、轻质化、高效率、高透光率的优点，还具有易制造特性。以下结合具体实施方式和说明书附图对本实用新型提供的增强现实光学机构及近眼显示装置进行详细说明。

请参阅图1至图3，本实用新型提供一种增强现实光学机构10，包括光学引擎11和光学组合器12，光学引擎11用于发射沿不同角度出射的光线；光学组合器12设置于光线的光路上，光学组合器12用于反射光线，还用于透射环境光；光学组合器12包括曲面反射单元121和导模共振组件123，曲面反射单元121设置于光线的光路上，导模共振组件123包括波导层1231和光栅层1232，波导层1231设置于曲面反射单元121，光栅层1232设置于波导层1231。

光学引擎11用于发射沿不同角度出射的光线，不同角度出射的光线可以通过光学组合器12的反射进入人眼，使用户可以观察到虚拟的图像。

在一种实施方式中，光学引擎11包括发光光源112和MEMS振镜114，发光光源112用于发出图像光，MEMS振镜114可活动地设置于图像光的光路上，用于向不同角度反射图像光，以形成沿不同的角度出射的光线。

在本实施例中，发光光源112可以是激光光源，用于发出激光。在其他实施方式中，发光光源112还可以是LED光源，可以用于发出照明光。

在显示过程中，MEMS振镜114在一定角度内来回不断进行翻转，将入射至MEMS振镜114上的近似平行的图像光光束反射到不同的方向，进而照射到光学组合器12上的不同位置，其中，不同角度的图像光光束携带不同的光信号，然后通过调节发光光源112在不同时刻(即不同光束角度)的亮度，进而形成具有角分布的显示画面。

在其他实施方式中，光学引擎11还可以采用基于LED/激光光源的DLP或者LCoS光机技术，即，使用DLP或者LCoS作为空间光调制器代替MEMS振镜114，空间光调制器设置激光的光路上，也可以向不同角度反射激光，从而形成沿不同的角度出射的光线。

光学组合器12设置于光线的光路上，光学组合器12用于反射光线，还用于透射环境光，从而在不影响用户观察周围环境的情况下，用户还可以清晰地看到光学引擎11显示的图像，因此可以实现增强现实的功能。

在本实施例中，光学组合器12包括曲面反射单元121，曲面反射单元121设置于光线的光路上，以向不同角度反射光学引擎11发出的光线。曲面反射单元121还可以透光，使得环境光能够透过曲面反射单元121进入人眼。曲面反射单元121可以采用压印或者注塑的方法制备。

在一种实施方式中，可在曲面反射单元121与朝向人眼一侧的表面上镀功能膜，其中，功能膜可以是可见光增透膜或者紫外反射膜等，具体可以根据实际情况设定。例如，可以在曲面反射单元121远离人眼的表面镀有透射率为60-70％的可见光增透膜，可见光增透膜起到遮光、减光的作用，防止过强的环境光进入人眼。可见光增透膜一方面可以防止外界强光刺激人眼，另一方面也可避免由于环境光过强而影响用户观看光学引擎11提供的图像，从而提升用户的使用体验。再例如，可以在曲面反射单元121朝向人眼的表面镀有高反膜，以将光学引擎11发出的光线中的绝大部分光线反射至人眼，提高成像质量。

在一种实施方式中，曲面反射单元121的数量为多个，多个曲面反射单元121阵列设置于光线的光路上，以向不同角度反射光学引擎11发出的光线。每个曲面反射单元121相当于一个自由曲面反射面，多个曲面反射单元121的曲率互不相同，即，不同的曲面反射单元121之间具有不同的曲面结构，使得照射到曲面反射单元121的图像光光束被曲面反射后以不同的角度进入人眼瞳孔。在保证进入人眼的图像是完整的基础上，多个曲面反射单元121可以呈离散式的圆形阵列设置，还可以呈离散式的矩形阵列设置，具体可以根据实际情况设定。

在一种实施方式中，光学组合器12还包括导模共振组件123，其中，导模共振通常表现为介质光栅的异常反射或透射，即当入射光波长、入射角或光栅结构参数微小变化时，透射率或反射率发生异常变化。导模共振的发生，是由于光栅结构可以看作周期调制的平面波导，当高级次衍射波的横向传播波矢与光栅波导所支持的导模传播常数相同时，衍射波耦合成传导波，导波在传输过程中，进一步受到光栅调制，产生泄漏模，进而引起能量重新分布。当光栅周期小于入射波波长时，在空气中只有0级传播波。因此对于亚波长光栅，导模共振只影响反射波和0级透射波。在共振条件下，波导光栅产生全反射，光波不能透过光栅，但是只要略微偏离共振条件，光波的反射率迅速减少，下降到零。利用导模共振效应，可以实现窄带反射/透射滤光器件。

本申请的导模共振组件123正是利用了导模共振效应，实现对于特定角度、特定波长的光线具有极高的反射率，而对于其他波长的光线具有极高的透过率。而特定角度、特定波长的光线可以调节光学引擎11的参数设置实现，因此，导模共振组件123可以与光学引擎11配合，以提高增强现实光学机构10的光能利用效率以及透光率。

导模共振组件123设置于曲面反射单元121朝向人眼的表面。曲面反射单元121上的导模共振组件123，可以采用纳米压印(热压印或者紫外压印)的方法先制备导模共振膜层，然后将导模共振模层贴附在曲面反射单元121上；也可以先在曲面反射单元121上涂覆胶水层，然后直接在曲面反射单元121上完成纳米压印过程。导模共振组件123可以采用成熟的纳米压印技术进行量产，因此增强现实光学机构10具有易加工性。

导模共振组件123包括波导层1231和光栅层1232，波导层1231设置于曲面反射单元121，光栅层1232设置于波导层1231。波导层1231的波导作用和光栅层1232的衍射作用共同起作用，最终实现进对于特定波长、特定角度的0级衍射具有极高的反射率，而对其他的波长或者角度具有极高的透射率，以提高增强现实光学机构10的光能利用效率以及透光率。

光栅层1232包括多个光栅单元1233和多个封装单元1234，多个光栅单元1233和多个封装单元1234彼此交替设置，其中，封装单元1234的材料可以为空气或者与光栅单元1233材料的折射率不同的其他材料。在本实施例中，封装单元1234的材料可以为空气，即，封装单元1234可以是凹槽结构，相对于另外设置其他材料，成本更低。

在一种实施方式中，导模共振组件123还包括基底层1235，基底层1235设置于波导层1231和曲面反射单元121之间。基底层1235可以采用激光直写或者精密车床加工等方式直接制备。基底层1235的材料可以是PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)或者PMMA(poly methylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)等透明的有机材料，还可以是石英或者玻璃等材料。

在实际工作中，经过对封装单元1234、光栅单元1233、波导层1231和基底层1235的材料折射率、结构高度、结构宽度等的特殊设计，可以实现导模共振组件123对于某特定角度、特定波长的光线具有极高的反射率，而对于其他波长的光线具有极高的透过率。

请参阅图4，图4中展示了在对于图3的结构经过一些特殊的设计，可以实现的极窄带反射的作用，从图4可以看出，导模共振组件123仅对于0度入射的525nm波长的光线具有极高的反射率，半波全宽仅为10nm左右，而导模共振组件123对于0度入射的其他波段的光线都具有极高的透射率。

作为一种示例，为实现极窄带反射纳米结构，封装单元1234可取折射率为1的材料，例如空气，光栅单元1233和波导层1231可取折射率大于或等于1.5的材料，其中，光栅单元1233的材料可选用树脂，可以采用紫外压印或者热压印的方法制备。光栅单元1233的周期可选200nm-400nm，占空比可选用0.1-0.9之间，高度为10nm-500nm范围，实现可见光波段的极窄带反射层，其中，占空比指的是光栅单元1233的宽度除以光栅单元1233和封装单元1234的宽度之和得到的数值。上述参数是为了举例说明导模共振组件123的一些特征参数，具体参数可以超出上述提到的范围。

请继续参阅图5至图7，在一种实施方式中，增强现实光学机构10还包括检测器13，检测器13用于获取人眼的位置信息，其中，人眼的位置信息指的是人眼可接收光的区域轮廓。在一种实施方式中，检测器13可以为立体成像结构。例如，检测器13可以包括一个广角摄像头和一个长焦摄像头，分别通过广角摄像头和长焦摄像头对人眼进行拍摄，生成人眼的立体图形，从而获得人眼的在三维空间中的位置信息。在另一种实施方式中，检测器13还可以包括多种传感器，满足能够获取人眼的位置信息的目的即可。

在一种实施方式中，增强现实光学机构10还包括控制器15，控制器15与检测器13电性连接，控制器15用于根据人眼的位置信息控制光学组合器12转动，以将光线反射至人眼，使得增强现实光学机构10能够根据人眼位置适应性调整光学组合器12的位置，从而光学引擎11发射的光线能够准确射入人眼，在人眼中形成高质量的增强现实图像。

在一种实施方式中，增强现实光学机构10还包括驱动器16，驱动器16与光学组合器12传动连接，控制器15与驱动器16电性连接，以根据人眼的位置信息控制驱动器16带动光学组合器12转动。控制器15可以向驱动器16发射电信号，控制驱动器16带动光学组合器12转动。在一种实施方式中，驱动器16可以是驱动电机，例如，步进电机。

在一种实施方式中，增强现实光学机构10还包括连接件17，连接件17与光学组合器12连接，驱动器16与连接件17连接，以带动连接件17移动，连接件17的移动用于带动光学组合器12转动。连接件17可以包括杆体172和连接部174，其中，杆体172可以与驱动器16连接，连接部174的数量可以是多个，多个连接部174连接于杆体172，每个连接部174可以连接于一个曲面反射单元121。通过驱动器16带动杆体172平移，可使多个曲面反射单元121的转动，从而光学引擎11发射的光线能够准确射入人眼。在其他实施方式中，为了避免杆体172的移动出现偏差，还可以设置轨道，以对杆体172的移动进行导向。

在本实施例中，增强现实光学机构10还包括透光件18，透光件18设有收容腔(图未示)，光学组合器12可转动地设置于收容腔内。在本实施例中，检测器13、控制器15、驱动器16和连接件17均可以设置于收容腔内。在其他实施方式中，在连接件17设置于收容腔内的基础上，检测器13、控制器15和驱动器16还可以设置于近眼显示装置的架体内，满足驱动器16能够通过连接件17带动多个曲面反射单元121转动即可。透光件18大致为平板状结构，透光件18的材料可以为树脂，以实现增强现实光学机构10的轻质化。透光件18可以是AR眼镜的镜片。

在本实施例中，增强现实光学机构10还包括引擎安装架19，引擎安装架19用于安装光学引擎11。在一种实施方式中，引擎安装架19可以与透光件18连接，例如，引擎安装架19与透光件18垂直相连。引擎安装架19的材料可以为树脂或其他轻质材料，以实现增强现实光学机构10的轻质化。

综上，本实用新型提供的增强现实光学机构10，通过在曲面反射单元121设置导模共振组件123，能够实现对于特定角度、特定波长的光线具有极高的反射率，而对于其他波长的光线具有极高的透过率，从而导模共振组件123可以与光学引擎11配合，提高增强现实光学机构10的光能利用效率以及透光率。另外，导模共振组件123可以采用成熟的纳米压印技术进行量产，因此增强现实光学机构10具有易加工性。即，本实用新型提供的增强现实光学机构10不仅具有小尺寸、轻质化、高效率、高透光率的优点，还具有易制造特性。

请参阅图8，本实用新型还提供一种近眼显示装置1，包括架体30以及增强现实光学机构10，增强现实光学机构10设置于架体30。

综上，本实用新型提供的近眼显示装置1，包括增强现实光学机构10，增强现实光学机构10不仅具有小尺寸、轻质化、高效率、高透光率、易制造的优点，因此，近眼显示装置1也具有小尺寸、轻质化、高效率、高透光率、易制造的优点。

以上所述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本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)

1.一种增强现实光学机构，其特征在于，包括：

光学引擎，所述光学引擎用于发射沿不同角度出射的光线；以及

光学组合器，所述光学组合器设置于所述光线的光路上，所述光学组合器用于反射所述光线，还用于透射环境光，所述光学组合器包括曲面反射单元和导模共振组件，所述曲面反射单元设置于所述光线的光路上，所述导模共振组件包括波导层和光栅层，所述波导层设置于所述曲面反射单元，所述光栅层设置于所述波导层。

2.根据权利要求1所述的增强现实光学机构，其特征在于，所述曲面反射单元的数量为多个，多个所述曲面反射单元阵列设置于所述光线的光路上，多个所述曲面反射单元的曲率互不相同。

3.根据权利要求1所述的增强现实光学机构，其特征在于，所述光栅层包括多个光栅单元和多个封装单元，多个所述光栅单元和多个所述封装单元彼此交替设置。

4.根据权利要求1所述的增强现实光学机构，其特征在于，所述导模共振组件还包括基底层，所述基底层设置于所述波导层和所述曲面反射单元之间。

5.根据权利要求1所述的增强现实光学机构，其特征在于，所述增强现实光学机构还包括透光件，所述透光件设有收容腔，所述光学组合器可转动地设置于所述收容腔内。

6.根据权利要求1所述的增强现实光学机构，其特征在于，所述光学引擎包括发光光源和MEMS振镜，所述发光光源用于发出图像光，所述MEMS振镜可活动地设置于所述图像光的光路上，用于向不同角度反射所述图像光，以形成沿不同的方向出射的所述光线。

7.根据权利要求1所述的增强现实光学机构，其特征在于，所述增强现实光学机构还包括检测器和控制器，所述检测器用于获取人眼的位置信息，所述控制器与所述检测器电性连接，所述控制器用于根据所述人眼的位置信息控制所述光学组合器转动，以将所述光线反射至所述人眼。

8.根据权利要求7所述的增强现实光学机构，其特征在于，所述增强现实光学机构还包括驱动器，所述驱动器与所述光学组合器传动连接，所述控制器与所述驱动器电性连接，以根据所述人眼的位置信息控制所述驱动器带动所述光学组合器转动。

9.根据权利要求8所述的增强现实光学机构，其特征在于，所述增强现实光学机构还包括连接件，所述连接件与所述光学组合器连接，所述驱动器与所述连接件连接，以带动所述连接件移动，所述连接件的移动用于带动所述光学组合器转动。

10.一种近眼显示装置，其特征在于，包括架体以及如权利要求1-9任一项所述的增强现实光学机构，所述增强现实光学机构设置于所述架体。

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