CN218068458U - 增强现实装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种增强现实装置，可以包括：光源、光波导、耦入光栅以及耦出光栅。光源用于出射光线。光波导位于所述光源的一侧，所述光波导的表面可以包括：耦入区、耦出区以及反射加强区；所述反射加强区位于所述光波导的表面除所述耦入区以及所述耦出区以外的至少部分区域，所述反射加强区用于增强所述光波导对光线的反射。耦入光栅设置在所述耦入区，用于接收光线。耦出光栅设置在所述耦出区，用于出射光线。通过在光波导的表面除了耦入光栅以及耦出光栅所在区域的其他区域中的部分区域设置反射加强区，以提高光波导的反射能力，进而提高增强现实装置的传播效率。

Description

增强现实装置

技术领域

本申请涉及投影设备技术领域，具体而言，涉及一种增强现实装置。

背景技术

光波导是引导光波在其中传播的介质装置，入射光线照射到耦入光栅产生多个不同方向的透射级次，其中只有部分级次可以向耦出光栅方向传播，其余级次中部分级次透过波导出射，无法在波导内全反射传播，这种装置的传播效率低。

实用新型内容

本申请实施方式提出了一种增强现实装置，以至少解决上述技术问题之一。

本申请实施方式通过以下技术方案来实现上述目的。

第一方面，本申请提供一种增强现实装置，可以包括：光源、光波导、耦入光栅以及耦出光栅。光源用于出射光线。光波导位于所述光源的一侧，所述光波导的表面可以包括：耦入区、耦出区以及反射加强区；所述反射加强区位于所述光波导的表面除所述耦入区以及所述耦出区以外的至少部分区域，所述反射加强区用于增强所述光波导对光线的反射。耦入光栅设置在所述耦入区，用于接收光线。耦出光栅设置在所述耦出区，用于出射光线。

在一种实施方式中，当入射到所述光波导边缘的光线角度满足全反射时，所述反射加强区为所述光波导的表面经过抛光后形成。

在一种实施方式中，所述增强现实装置还可以包括反射层，所述反射层设置在所述反射加强区。

在一种实施方式中，所述反射层为偏振反射层、反射介质膜中的一种。

在一种实施方式中，所述反射加强区反射面设置于所述耦入光栅的对侧。

在一种实施方式中，所述反射加强区设置于所述耦入光栅的同侧。

在一种实施方式中，所述反射加强区设置于所述光波导的垂直于所述耦入光栅的表面上。

在一种实施方式中，所述反射加强区设置于所述耦入光栅的对侧、所述耦入光栅的同侧、所述光波导的垂直于所述耦入光栅的表面上的至少两处。

在一种实施方式中，所述反射加强区覆盖所述光波导表面除所述耦入区和耦出区的其他部分。

第二方面，本申请提供一种增强现实装置，可以包括：如上述的增强现实装置、微显示器以及投影镜头。所述微显示器用于生成图像。所述投影镜头用于接收所述增强现实装置出射的光线，并将所述光线投射至所述微显示器。

本申请实施例提供的增强现实装置，通过在光波导的表面除了耦入光栅以及耦出光栅所在区域的其他区域中的部分区域设置反射加强区，以提高光波导的反射能力，进而提高增强现实装置的传播效率，解决了现有技术中入射光线照射到耦入光栅产生多个不同方向的透射级次，其中只有部分级次可以向耦出光栅方向传播，其余级次中部分级次透过波导出射，无法在波导内全反射传播，这种装置的传播效率低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式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方式，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为基于LCoS的传统投影方案基本原理示意图。

图2为基于SRG的前置照明方案原理示意图。

图3为传统增强现实装置的结构示意图。

图4为本申请的增强现实装置的结构示意图。

图5为入射光线经一次反射后重新入射到耦入光栅的光线路径示意图。

图6为入射光线经多次反射后重新入射到耦入光栅的光线路径示意图。

图7为本申请的增强现实装置的第一实施方式示意图。

图8为本申请的增强现实装置的第二实施方式示意图。

图9为本申请的增强现实装置的第三实施方式示意图。

附图标记：增强现实装置10、光源100、耦入光栅200、光波导300、反射层400、耦出光栅500、匀光系统600、偏振片700、投影镜头20、微显示器30。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

现代社会以来，个人电脑作为第一代信息交互平台，率先为信息的传输与交互带来了新篇章。近年来发展迅速的智能手机终端，将信息交互平台变得更加轻量化、小型化，并提升了便捷性，进一步改变了人类生活。随着智能手机渗透率的逐渐饱和、用户碎片时间赋能上的逐渐疲软，以及大数据通信和人工智能等新技术的快速发展，对新形态的信息交互平台的需求已经迫在眉睫。

增强现实(Augmented Reality，AR)是一种实时采集现实世界信息，并将虚拟信息、图像等与现实世界相结合的显示技术，有望成为继个人电脑、智能手机后的新一代信息交互终端，具有广阔的市场规模和想象空间。首先在信息显示上，AR将不再受限于实体屏幕，而是可以在整个物理空间中显示，采用虚实结合的方式，在物理实体的基础上实时显示虚拟信息，即为增强现实显示；其次在人机交互上，指令采集可以突破实体的操作界面，使用更加自然便捷的交互方式，如语音、手势、图像等，使得人机交互模式更像是与人的自然交流。基于AR显示全新的形态，AR技术在近年来得到了广泛的关注和投入。自2013年google发布Google Glass以来，AR行业便受到资本市场的广泛关注；但AR行业在接下来的2015～2017年间发展缓慢，主要瓶颈是AR显示效果、硬件用户体验、产品价格仍然无法满足消费者预期。随着显示技术、通信手段、芯片和算法等先进技术的演进，近年来，AR显示系统已经逐渐在一些专业领域得到了应用，可以包括工业、培训、教育、观影、医疗、游戏等众多领域。

相较于通信、大数据、软件算法等方面，现阶段AR硬件显示系统的性能从某种程度上制约了AR领域的快速发展，同时具有小体积、轻质化、高效率、大视场角(Field of View，FOV)、大动眼框范围性能的AR显示系统仍未获得突破。AR硬件显示系统通常包含微型光机(optical engine)和光学组合器(optical combiner)两部分。其中，AR设备中采用的微型光机是用于生成图像光线的器件，主要技术路线可以包括硅基液晶(Liquid Crustal OnSilicon,LCoS)、Laser Beam Scanning、微型发光二极管(Micro Light-Emitting Diode，Micro LED)、微型有机发光半导体(Micro Organic Light-Emitting Diode，Micro OLED)等。对于AR光机来说，小体积、高效率是至关重要的参数。光学组合器的作用是将实际环境光线和图像光线进行组合，使得人眼同时能够观察到环境和光机产生的图像信息。

AR设备中的光机系统用于生成投影显示图像，基于LCoS和数字微镜设备(DigitalMicromirror Device，DMD)的投影系统是非主动发光芯片投影方案中的主流：

LCoS是一种新型的结合了半导体与液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)技术的新型微显示技术。就技术面来看，它具有高分辨率、高亮度的特性，加上其产品结构简单，亦具有低成本的优点。LCoS投影显示技术起源于反射式液晶投影显示。所谓反射式液晶投影显示，就是指所采用的液晶显示芯片为反射式的工作方式，它在液晶层后面设置了一个反射镜，而和液晶驱动相关的薄膜或集成部件均隐藏在反射镜的后面。用于投影显示的反射型液晶器件都采用了扭曲向列液晶或电控双折射，因为这些液晶工作模式的光效率较高，对比度较大。

请参阅图1，基于LCoS的投影方案基本原理如图所示，在微显示器30(图示为LCoS)前放置偏振片700(图示为偏振分光棱镜(Polarization Beam Splitter，PBS))，光源100出射光束经匀光系统600后均匀入射到投影镜头20(图示为PBS)，非偏振光进入PBS后，s偏振光被反射进入LCoS，p偏振光透过PBS出射。当LCoS上的像素点处于亮态时，s偏振光通过LCoS的液晶层以及反射镜的反射后，变成为p偏振光。光线沿原光路反射后，透过PBS棱镜进入镜头。而对于处在暗态的像素点，液晶对入射s偏振光无调制，因此通过显示芯片反射的s光仍被PBS反射，无法进入镜头。这种方案下的PBS厚度与宽度相同，由此导致照明系统的尺寸和重量都比较大，不利于AR设备的小型化和轻型化，影响AR设备的佩戴舒适感。

请参阅图2，基于表面浮雕光栅(Surface Relief Grating，SRG)的前置照明方案原理如图所示，以DMD器件为核心的投影显示又称为投影显示技术(Digital LightProcessing，DLP)。应用DMD芯片可以构成多种投影显示系统。由于DMD芯片工作在脉冲记数模式，不仅在画面的组成即在像素上是一个一个数字的，而且在图像的灰度表上也是一个一个脉冲记数的，因此，它是完全数字式的空间光调制器，可以实现数字式的图像投影显示。DLP投影系统通常采用方棒照明系统，方棒入射端位于椭球灯的一个焦点上，光源100发出的光进入耦入光栅200后在光波导300内的多次反射，在耦出光栅500上形成均匀的矩形分布，进而由照明透镜组将耦出光栅500出射的像呈现在投影镜头上，形成合适的照明区域。DLP投影系统主要可以分为远心和非远心两种结构，远心结构系统亮度均匀性好，但是采用的偏心设计会引起投影物镜口径增大，导致整个系统体积的增加；非远心结构比较简单，光学元件少，但是投影物镜的前组镜片口径较大，而且偏心量固定，无法调节。非主动发光的微显示器虽然体积较小，但是为显示器提供照明的光学系统体积普遍较大，由于AR设备对体积和重量有较高的要求，传统照明系统将严重影响AR设备的佩戴舒适度。

发明人经过研究发现，如果用轻薄的波导代替厚重的匀光器件和PBS，可以大大降低整个照明光路的重量和体积，但是这种照明光路采用光栅耦入时耦入效率较低。

请参照图3，现有的光栅耦入的光线传播示意图如图所示，光源100发出光线入射到耦入光栅200，可以包括但不限于垂直入射。入射光线照射到耦入光栅200产生多个不同方向的透射级次，可以包括但不限于图3所示的三个透射级次，其中只有部分级次可以向耦出光栅500方向传播，其余级次中部分级次透过波导出射，无法在波导内全反射传播，部分级次向背离耦出光栅500的方向传播，由于波导边缘被切割成磨砂面或被吸光材料包裹，这部分光线最终被波导吸收或散射。

综上所述，入射光线经耦入光栅200进入波导后只有部分衍射级次被有效利用，因此需要改善光栅耦入设计，以减少上述能量损失。

请参照图4，本申请提供一种增强现实装置10，可以包括：光源100、光波导300、耦入光栅200、耦出光栅(图未示)以及成像模组(图未示)。

光源100用于出射光线。光源100优选为LED光源100，也可以选择其他光源100。光源100的颜色不限，可以为单色光源100也可以为混合光源100，可以根据需要选择。

光波导300位于所述光源100的一侧，所述光波导300的表面可以包括：耦入区、耦出区以及反射加强区；所述反射加强区位于所述光波导的表面除所述耦入区以及所述耦出区以外的至少部分区域，所述反射加强区用于增强所述光波导300对光线的反射。

耦入光栅200设置在所述耦入区，用于接收光线。可以理解的是，耦入光栅200可以为二元光栅、闪耀光栅、或多台阶光栅。耦入光栅200对光源100射入的光进行衍射，可以衍射出多级衍射光，比如可以衍射出零级衍射光、一级衍射光、二级衍射光、三级衍射光等。其中，零级衍射光的强度较强，但是零级衍射光的传播角度不变，无法在光波导300中传播。一级衍射光的强度比二级、三级等的衍射光的强度大，有助于提高光在人眼成像的亮度。耦入光栅200可以与光波导300是相同的材料，比如，耦入光栅200可以是通过以下方式得到的：在光波导300上的设定区域刻蚀出相互平行、等距离等宽的狭缝，从而该刻蚀后的设定区域即为耦入光栅200。

耦出光栅设置在所述耦出区，光波导300中的光由所述耦出光栅出射，耦出光栅用于将所述光波导300中的光耦出至人眼成像。可以理解的是，耦出光栅可以设置在光波导300除耦入光栅以外的任意位置上。

成像模组位于所述耦出光栅一侧。在本实施方式中，成像模组可以采用如图2所示的结构，也就是说成像模组可以包括：显示器、偏振片700以及投影镜头30，所述显示器设置在所述光波导300靠近所述耦出光栅500的一侧，所述偏振片700设置在所述光波导300远离所述耦出光栅500的一侧，所述投影镜头30设置在所述偏振片700远离所述光波导300的一侧，所述光源出射的光线经所述耦出光栅500射出后依次经过所述显示器、偏振片700以及投影镜头30。在本实施方式中，显示器可以采用微显示器20，例如LCoS。

本申请实施例提供的增强现实装置10，通过在光波导300的表面除了耦入光栅200以及耦出光栅所在区域的其他区域中的部分区域设置反射加强区，以提高光波导300的反射能力，进而提高增强现实装置10的传播效率，解决了现有技术中入射光线照射到耦入光栅200产生多个不同方向的透射级次，其中只有部分级次可以向耦出光栅方向传播，其余级次中部分级次透过波导出射，无法在波导内全反射传播，这种装置的传播效率低的问题。

在一些实施方式中，投影镜头30用于接收所述增强现实装置10出射的光线，并将所述光线投射至所述微显示器20。投影镜头可以为一组透镜，镜片可以采用非球面镜片或者自由曲面镜片，用于校正各像差及色差，也可以采用衍射光学元件来进一步优化图像质量。

在本实施例中，当入射到所述光波导边缘的光线角度满足全反射时，反射加强区可以为光波导300的表面经过抛光后形成。也可在光波导300的表面设置反射层400，做为反射加强区。后续以设置反射层400为例，对反射加强区进行详细阐述：

反射层400的材质包括但不限于偏振反射面，反射式偏光增亮膜(DualBrightness Enhancement Film，DBEF)DBEF、反射介质膜如金属膜层、金属涂层等具有较高反射能力的膜层，反射层400的主要作用是将不满足全反射条件的光线反射回波导。

请同时参阅图5、图6，如下对反射面对能量的回收进行详细阐述，其中，

图5为入射光线经一次反射后重新入射到耦入光栅200的光线路径示意图。

图6为入射光线经多次反射后重新入射到耦入光栅200的光线路径示意图。图5以及图6中实线箭头表示入射光线以及上文所述现有方案不能充分利用的衍射级次，虚线箭头表示该级次经反射后的传播路径和再一次入射到耦入光栅200产生的衍射级次。图5表示经一次反射后重新入射到耦入光栅200的光线路径，图6表示经多次反射后重新入射到耦入光栅200的光线路径。可见现有方案中不能充分利用的衍射级次(包括不满足全反射条件的光线和传播方向与耦出光栅500方向相反的光线)经反射层400重新反射到耦入光栅200，并产生新的衍射级次，其中部分级次向耦出光栅(图未示)方向传播，其他级次重复上述步骤。本申请可不断对不满足全反射条件的光线和传播方向与耦出光栅方向相反的光线重新收集，并产生向耦出光栅方向传播的级次，以提高耦入效率。需要说明的是，图5对现有方案中未利用衍射级次的反射光路仅作示意，衍射光线方向和数量包括但不限于图中示例。

请参阅图7，作为一种可选的实施方式，光波导300的截面为矩形截面，耦入光栅200位于光波导300外表面且位于光波导300的其中一个角落处，反射面可设置在与耦入光栅200相邻的光波导300的外表面上，也可设置在光波导300与耦入光栅200相对的外表面上，以提高光波导300的反射能力，进而提高增强现实装置10的传播效率。

请参阅图8，作为另一种可选的实施方式，光波导300的截面为矩形截面，耦入光栅200位于光波导300外表面但不位于光波导300的其中一个角落处，反射面可设置在与耦入光栅200相邻的光波导300的外表面上，也可设置在光波导300与耦入光栅200相对的外表面上，以提高光波导300的反射能力，进而提高增强现实装置10的传播效率。

请参阅图9，作为另一种可选的实施方式，光波导300的截面为矩形截面，耦入光栅200位于光波导300外表面但不位于光波导300的其中一个角落处，反射面可设置在与耦入光栅200相邻的光波导300的外表面上，也可设置在光波导300与耦入光栅200相对的外表面上，同时，反射面的宽度大于耦入光栅200的宽度，以提高光波导300的反射能力，进而提高增强现实装置10的传播效率。

可以理解的是，在上述的实施方式中，反射面可以设置光波导300的外表面除了耦入光栅200和耦出光栅以外的其他所有区域，以达到最佳的光线回收效果，提高增强现实装置10的传播效率。

本申请实施例提供的增强现实装置1，通过在光波导300的表面除了耦入光栅200以及耦出光栅所在区域的其他区域中的部分区域设置反射加强区，以提高光波导300的反射能力，进而提高增强现实装置10的传播效率，解决了现有技术中入射光线照射到耦入光栅200产生多个不同方向的透射级次，其中只有部分级次可以向耦出光栅方向传播，其余级次中部分级次透过波导出射，无法在波导内全反射传播，这种装置的传播效率低的问题。

术语“一些实施方式”、“其他实施方式”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本申请中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本申请中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。

以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施方式技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种增强现实装置，其特征在于，包括：

光源，用于出射光线；

光波导，位于所述光源的一侧，所述光波导的表面包括：耦入区、耦出区以及反射加强区；所述反射加强区位于所述光波导的表面除所述耦入区以及所述耦出区以外的至少部分区域，所述反射加强区用于增强所述光波导对光线的反射；

耦入光栅，设置在所述耦入区，用于接收光线；

耦出光栅，设置在所述耦出区，用于出射光线；以及

成像模组，位于所述耦出光栅一侧。

2.如权利要求1所述的增强现实装置，其特征在于，所述成像模组包括：显示器、偏振片以及投影镜头，所述显示器设置在所述光波导靠近所述耦出光栅的一侧，所述偏振片设置在所述光波导远离所述耦出光栅的一侧，所述投影镜头设置在所述偏振片远离所述光波导的一侧，所述光源出射的光线经所述耦出光栅射出后依次经过所述显示器、偏振片以及投影镜头。

3.如权利要求1所述的增强现实装置，其特征在于，当入射到所述光波导边缘的光线角度满足全反射时，所述反射加强区为所述光波导的表面经过抛光后形成。

4.如权利要求1所述的增强现实装置，其特征在于，所述增强现实装置还包括反射层，所述反射层设置在所述反射加强区。

5.如权利要求4所述的增强现实装置，其特征在于，所述反射层为偏振反射层、反射介质膜中的一种。

6.如权利要求1-5任一项所述的增强现实装置，其特征在于，所述反射加强区反射面设置于所述耦入光栅的对侧。

7.如权利要求1-5任一项所述的增强现实装置，其特征在于，所述反射加强区设置于所述耦入光栅的同侧。

8.如权利要求1-5任一项所述的增强现实装置，其特征在于，所述反射加强区设置于所述光波导的垂直于所述耦入光栅的表面上。

9.如权利要求1-5任一项所述的增强现实装置，其特征在于，所述反射加强区设置于所述耦入光栅的对侧、所述耦入光栅的同侧、所述光波导的垂直于所述耦入光栅的表面上的至少两处。

10.如权利要求1-5任一项所述的增强现实装置，其特征在于，所述反射加强区覆盖所述光波导表面除所述耦入区和耦出区的其他部分。

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