TW202235959A - 一種光學系統及混合實境設備 - Google Patents
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Abstract
本發明公開了光學系統及混合實境設備。光學系統包括：投影裝置，設置為投射兩束影像光；基底層，該基底層具有用於分別接收源自該投影裝置的兩束該影像光的兩個側面以及用於將進入該基底層的兩束該影像光進行全反射的兩個平面；以及繞射光柵層，該繞射光柵層至少設置於該基底層的一個平面上，該繞射光柵層設置為將該基底層中傳播的兩束該影像光反射繞射或透射繞射出去，其中，通過該繞射光柵層繞射出去的目標影像光的能量均勻分佈。
Description
本發明屬於光電子技術領域，例如涉及一種光學系統及混合實境設備。
混合實境設備包含虛擬實境設備和擴增實境設備，虛擬實境設備是只給用戶呈現虛擬影像資訊而外界環境光不能通過虛擬實境設備進入用戶眼中，擴增實境設備是可以將虛擬影像資訊和外界環境光同時呈現到用戶眼中。
光波導技術作為混合實境設備中的光學系統中的一種，以其輕薄和外界光線的高穿透性的特點獲得越來越高的熱度。
本發明提供了一種光學系統，包含：投影裝置，設置為投射兩束影像光；基底層，該基底層具有用於分別接收源自該投影裝置的兩束該影像光的兩個側面以及用於將進入該基底層的兩束該影像光進行全反射的兩個平面；以及繞射光柵層，該繞射光柵層至少設置於該基底層的一個平面上，該繞射光柵層設置為將該基底層中傳播的兩束該影像光反射繞射或透射繞射出去，其中，通過該繞射光柵層繞射出去的目標影像光的能量均勻分佈。
本發明實施例還公開了一種混合實境設備，其包含資料處理模組和上述的光學系統，該資料處理模組將需要顯示的影像資訊傳輸至該光學系統的投影裝置中以顯示影像。
以下將結合圖式及實施例來詳細說明本發明的實施方式。
請參考圖1，本發明實施例公開了一種光學系統100，其包含投影裝置101、102、基底層400和繞射光柵層。
投影裝置，其設置為投射兩束影像光。可以是一個投影裝置投射兩束影像光，例如通過分光束的方式將一個投影裝置投射出的光分為兩束影像光。也可以是圖1所示的方式，兩個投影裝置101、102分別出射一束影像光。兩個投影裝置101、102可以相對於基底層400的兩個平面中心位置的垂線對稱設置。
基底層400，其具有用於分別接收源自投影裝置101、102的兩束影像光的兩個側面以及用於將進入基底層400的兩束影像光進行全反射的兩個平面。參考圖1，基底層400例如其截面可以是梯形，其兩個側面分別設置為接收兩束影像光，兩束影像光分別在相對的兩個平面內進行全反射傳播。示例性地，一束影像光通過一個側面入射進入基底層400，影像光會在基底層400的兩個相對的平面內以全反射的方式朝向另一個側面傳播。
繞射光柵層501、502，其至少設置於基底層400的一個平面上，繞射光柵層501、502設置為將基底層400中傳播的兩束影像光反射繞射或透射繞射出去。其中，通過繞射光柵層501、502繞射出去的目標影像光1000的能量均勻分佈。兩束影像光均可以通過光學系統100出射，可以實現光瞳連續的效果。影像光在基底層400內傳播時，當遇到設置在基底層400的平面時，以反射繞射或透射繞射的方式出射，出射的影像光稱之為目標影像光1000。例如，繞射光柵層分為兩層，一層設置在基底層400的下面的平面上，另一層設置在基底層400的上面的平面上，其中一層對應的影像光是以反射繞射的方式出射，另一層對應的影像光是以透射繞射的方式出射。又例如，參考圖1，繞射光柵層501、502為一層，一層繞射光柵層501、502貼合在基底層400的一個平面上，影像光以透射繞射的方式出射，當影像光遇到繞射光柵層時以透射繞射的方式出射，出射的目標影像光1000的能量均勻分佈。圖1中，繞射光柵層的左部分標記為502，繞射光柵層的右部分標記為501，這兩部分實際上是一層整體的繞射光柵層，出射的目標影像光1000的能量在繞射光柵層上均勻分佈，也就是說，繞射光柵層的不同位置對應的出射的目標影像光1000的能量相等。繞射光柵層501、502的中心位置可以與基底層400的中心位置重合。
通過設置投影裝置101、102、基底層400和繞射光柵層501、502，光學系統100的出射的目標影像光1000的能量均勻分佈，光學系統100更加緊湊，光學系統100出射的目標影像光1000可以分別對應至用戶的兩眼，不用分別針對用戶的每只眼睛設置不同的兩個光學系統，利用此光學系統100的混合實境設備的沉浸感更好。
在一些實施例中，投影裝置101、102可以包含投影鏡頭和顯示螢幕，顯示螢幕設置為加載待顯示的影像資訊，進而將待顯示的影像資訊以光的形式發射到投影鏡頭，投影鏡頭可以設置為對光形式的影像資訊（影像光）進行準直並傳輸至光路的下游。投影裝置101、102可以分別貼合在基底層400的兩個側面上。
在一些實施例中，參考圖1，光學系統100還可以包含兩個耦合稜鏡301、302，其分別設置於基底層400的兩個側面上，分別設置為將源自投影裝置101、102的兩束影像光通過兩個側面耦合進入基底層400。投影裝置101出射的影像光可以經過耦合稜鏡301通過基底層400的一個側面入射基底層400，投影裝置102出射的影像光可以經過耦合稜鏡302通過基底層400的另一個側面入射基底層400。其中，兩個耦合稜鏡301、302可以分別膠合在基底層400的兩個側面上，投影裝置101、102分別貼合在兩個耦合稜鏡301、302上。兩個投影裝置101、102可以相對於基底層400的兩個平面中心位置的垂線對稱設置，兩個耦合稜鏡301、302也可以相對於基底層400的兩個平面中心位置的垂線對稱設置。
在一些實施例中，光學系統100還可以包含兩個反射元件201、202，其分別設置於投影裝置101、102的兩束影像光入射至對應的耦合稜鏡301、302的光路上，設置為分別將源自投影裝置101、102兩束影像光反射至對應的耦合稜鏡301、302。投影裝置101出射的影像光經過反射元件201反射後進入耦合稜鏡301，耦合稜鏡301再將影像光耦合入射至基底層400；投影裝置102出射的影像光經過反射元件202反射後進入耦合稜鏡302，耦合稜鏡302再將影像光耦合入射至基底層400。其中，兩個耦合稜鏡301、302可以分別貼合在基底層400的兩個側面上，投影裝置101、102可以與基底層400的平面平行設置。如果投影裝置101、102設置的位置靠近基底層400的邊緣或者基底層400的外側，不影響環境光通過基底層400和繞射光柵層501、502射入人眼，光學系統100可以實現影像光線和外界環境光都射入人眼的效果。基底層400和繞射光柵層501、502可以採用例如透明材質的光學玻璃和光學塑料製成。高透過率的基底層400和繞射光柵層501、502可以減小光線被基底層400和繞射光柵層501、502吸收。參考圖1，如果投影裝置101、102設置的位置靠近基底層400的中心位置，會影響環境光通過基底層400和繞射光柵層501、502射入人眼，光學系統100只能實現影像光線射入人眼的效果。兩個反射元件201，202分別相對於兩個投影裝置101、102和兩個耦合稜鏡301、302呈一定角度，以將投影裝置101、102出射的影像光線反射到耦合稜鏡301、302中。兩個投影裝置101、102可以相對於基底層400的兩個平面中心位置的垂線對稱設置，兩個耦合稜鏡301、302也可以相對於基底層400的兩個平面中心位置的垂線對稱設置，兩個反射元件201、202也可以相對於基底層400的兩個平面中心位置的垂線對稱設置。兩個投影裝置101、102、兩個反射元件201、202、兩個耦合稜鏡301、302共用共同的基底層400和繞射光柵層501、502，光學系統100更緊湊，體積更小。
在一些實施例中，參考圖2和圖3，光學系統200還可以包含：半反半透元件600，其設置於通過繞射光柵層501、502繞射出去的目標影像光1000至人眼700的光路上，半反半透元件600設置為將繞射光柵層501、502繞射出的目標影像光1000反射入人眼中，並且設置為將環境光通過半反半透元件600透射入人眼700中。當光學系統100只能實現影像光線射入人眼的效果時，可以通過在光學系統100中增加半反半透元件600，繞射光柵層501、502繞射出去的目標影像光1000經過半反半透元件600的反射得到影像光1001，影像光1001可以射入人眼700，環境光經半反半透元件600透射射入人眼700。增加了半反半透元件600的光學系統200可以實現影像光線和外界環境光都入射到人眼700的效果。人眼700處具有矩形的出射瞳。
在上面的光學系統中，參考圖4，當繞射光柵層501、502設置在基底層400的一個平面上時，例如設置在基底層400的上表面，繞射光柵層501、502（其整體是一層繞射光柵層）的光柵條紋相對於沿預設位置點到垂直於繞射光柵層501、502的方向（圖4所示的Z軸）呈軸對稱分佈，其中，預設位置點（圖4所示的0點）位於繞射光柵層501、502上。圖4中的X軸位於基底層400和繞射光柵層501、502之間，0點位於繞射光柵層501、502的中心位置（0點位於繞射光柵層501部分和繞射光柵層502部分的分界處），Z軸為0點沿垂直於繞射光柵層501、502的方向。其中，繞射光柵層501、502可以是全像光柵，可以是表面浮雕光柵。
參考圖5，在通過繞射光柵層501、502透射繞射出去的情況下，在基底層400中傳輸的影像光從繞射光柵層501、502的第一邊緣到預設位置點的方向上，影像光的透射繞射效率逐漸增加；在基底層400中傳輸的影像光從預設位置點到繞射光柵層501、502的第二邊緣的方向上，影像光的反射繞射效率逐漸減少。需要說明的是，圖5和圖6均以入射光線1為例進行說明，即圖5為光學系統中的繞射光柵層作用於入射光線1的繞射效率圖，圖6為光學系統中的繞射光柵層作用於入射光線1的繞射絕對光強圖。參見圖1和圖4，本發明實施例中，對於入射光線1來說，上述繞射光柵層501、502的第一邊緣指的是繞射光柵層502靠近入射光線1在基底層400中的入射面的邊緣（即圖1中繞射光柵層502的左側邊緣），上述繞射光柵層501、502的第二邊緣指的是繞射光柵層501遠離入射光線1在基底層400中的入射面的邊緣（即圖1中繞射光柵層501的右側邊緣）；對於入射光線2來說，上述繞射光柵層501、502的第一邊緣指的是繞射光柵層501靠近入射光線2在基底層400中的入射面的邊緣（即圖1中繞射光柵層501的右側邊緣），上述繞射光柵層501、502的第二邊緣指的是繞射光柵層502遠離入射光線2在基底層400中的入射面的邊緣（即圖1中繞射光柵層502的左側邊緣）。圖4所示的入射光線1（其-1級次的透射繞射和反射繞射的光線均垂直於基底層400平面）沿著繞射光柵層502部分到繞射光柵層501部分的方向傳播，入射光線1在圖5中的繞射光柵層502部分的透射繞射效率T和繞射光柵層501部分的反射繞射效率R的分佈可以看出，繞射效率在0點處最高，越離0點遠，繞射效率越低，從邊緣到0點，繞射光柵層502部分的透射繞射效率T和繞射光柵層501部分的反射繞射效率R逐漸增加。繞射效率也可以是梯級增加，例如，從邊緣到0點，繞射光柵層502部分的透射繞射效率T和繞射光柵層501部分的反射繞射效率R呈梯級增加。圖4所示之入射光線2沿著繞射光柵層501部分到繞射光柵層502部分的方向傳播，其與入射光線1是類似的，在此不再贅述。
在一些實施例中，影像光的透射繞射效率和影像光的反射繞射效率相對於沿預設位置點到垂直於繞射光柵層501、502的方向呈軸對稱。從圖5可以看出，繞射光柵層502部分的透射繞射效率T和繞射光柵層501部分的反射繞射效率R是相對於Z軸對稱分佈的。當然，在一些情況下，繞射光柵層502部分的透射繞射效率T和繞射光柵層501部分的反射繞射效率R也可以相對於Z軸不對稱分佈。繞射光柵層502部分的透射繞射效率T和繞射光柵層501部分的反射繞射效率R從邊緣到0點可以逐漸增加，但是增加的曲線可以是不同的。
參考圖6，在基底層400中傳輸的影像光從繞射光柵層501、502的第一邊緣到預設位置點的方向上，影像光的透射繞射光強值為恆定值；在基底層400中傳輸的影像光從預設位置點到繞射光柵層501、502的第二邊緣的方向上，影像光的反射繞射光強值小於影像光從繞射光柵層501、502的第一邊緣到預設位置點的方向上的透射繞射光強值。圖6所示入射光線1在繞射光柵層502部分和繞射光柵層501部分的繞射絕對光強分佈，即繞射絕對光強值在繞射光柵層502部分和繞射光柵層501部分的分佈，即繞射光柵層502部分的透射繞射絕對光強值分佈和繞射光柵層501部分的反射繞射絕對光強值分佈。繞射光柵層502部分具有近乎平坦的透射能量t，即恆定值的透射繞射光強值。類似地，入射光線2從繞射光柵層501部分朝向繞射光柵層502部分傳播時，入射光線2在繞射光柵層501部分同樣具有恆定值的透射繞射光強值。入射光線1從繞射光柵層502部分朝向繞射光柵層501傳播時，入射光線1被繞射光柵層502多次提取透射繞射能量，當傳播到繞射光柵層501部分時剩餘的光線能量非常弱，並且繞射光柵層501部分對入射光線1的透射繞射效率為1-R，繞射光柵層501部分對入射光線1的透射繞射微不足道，同理，繞射光柵層502部分對入射光線2的透射繞射也微不足道，繞射光柵層501、502的整個區域具有均勻的透射繞射能量分佈。
在一些實施例中，在基底層400中傳輸的影像光從預設位置點到繞射光柵層501、502的第二邊緣的方向上，影像光的反射繞射光強值逐漸減少。影像光的反射繞射光強值越小，對繞射光柵層501、502的透射繞射效果越好。
繞射光柵層501、502的製作工藝可以是通過全像曝光調整不同位置處的曝光時間獲得需要的繞射效率。
參考圖7，本發明還提供了一種混合實境設備，其包含資料處理模組和上面描述的光學系統100、200，資料處理模組將需要顯示的影像資訊傳輸至光學系統100、200的投影裝置101、102中以顯示影像。混合實境設備中的資料處理模組設置為提供需要顯示的影像資訊，並將其傳輸至投影裝置101、102以供光學系統100、200傳導至人眼中。混合實境設備作為虛擬實境設備時，只顯示影像資訊，混合實境設備作為擴增實境設備時，顯示影像資訊和外界環境資訊。混合實境設備，例如可以是眼鏡式設備，其包含眼鏡支架300和連接在眼鏡支架300上的光學系統100，資料處理模組可以設置在眼鏡支架300內。光學系統100可以提供具有一體的全視透鏡片，使得用戶在佩戴時，鼻樑處無任何遮擋，可以使擴增實境眼鏡具有更輕薄、更簡單的結構以及更高的沉浸視覺體驗。其中，繞射光柵層501部分可以為左眼提供影像，繞射光柵層502部分為右眼提供影像，繞射光柵層501部分和502部分均對應有基底層400，基底層400可以為透明波導。整個光學系統100充滿虛擬影像，相比較目前的擴增實境眼鏡，可以提供更大的眼盒。
本發明要求在2021年2月28日提交中國專利局、申請號為202110222101.3的中國專利申請的優先權，該申請的全部內容通過引用結合在本發明中。
1,2:入射光線
100,200:光學系統
101,102:投影裝置
201,202:反射元件
300:眼鏡支架
301,302:耦合稜鏡
400:基底層
501,502:繞射光柵層
600:半反半透元件
700:人眼
1000:目標影像光
1001:影像光
〔圖1〕是本發明一實施例的光學系統的結構示意圖。
〔圖2〕是本發明另一實施例的光學系統的結構示意圖。
〔圖3〕是圖2的另一個角度的視圖。
〔圖4〕是本發明一實施例的光學系統中的基底層和繞射光柵層的結構示意圖。
〔圖5〕是本發明一實施例的光學系統中的影像光線的繞射效率圖。
〔圖6〕是本發明一實施例的光學系統中的影像光線的繞射絕對光強圖。
〔圖7〕是本發明一實施例的混合實境設備的結構示意圖。
100:光學系統
101,102:投影裝置
201,202:反射元件
301,302:耦合稜鏡
400:基底層
501,502:繞射光柵層
1000:目標影像光
Claims (10)
- 一種光學系統，其特徵係包含： 投影裝置，該投影裝置設置為投射兩束影像光； 基底層，該基底層具有用於分別接收源自該投影裝置的兩束該影像光的兩個側面以及分別用於將進入該基底層的兩束該影像光進行全反射的兩個平面；以及 繞射光柵層，該繞射光柵層至少設置於該基底層的一個平面上，設置為將該基底層中傳播的兩束該影像光反射繞射或透射繞射出去，其中，通過該繞射光柵層繞射出去的目標影像光的能量均勻分佈。
- 如請求項1所述之光學系統，其中，在該繞射光柵層設置在該基底層的一個平面上的情況下，該繞射光柵層的光柵條紋相對於沿預設位置點到垂直於該繞射光柵層的方向呈軸對稱分佈，其中，該預設位置點位於該繞射光柵層上。
- 如請求項2所述之光學系統，其中，在通過該繞射光柵層透射繞射出去的情況下，在該基底層中傳輸的該影像光從該繞射光柵層的第一邊緣到該預設位置點的方向上，該影像光的透射繞射效率逐漸增加；在該基底層中傳輸的該影像光從該預設位置點到該繞射光柵層的第二邊緣的方向上，該影像光的反射繞射效率逐漸減少。
- 如請求項3所述之光學系統，其中，該影像光的透射繞射效率和該影像光的反射繞射效率相對於沿該預設位置點到垂直於該繞射光柵層的方向呈軸對稱。
- 如請求項3所述之光學系統，其中，在該基底層中傳輸的該影像光從該繞射光柵層的第一邊緣到該預設位置點的方向上，該影像光的透射繞射光強值為恆定值；在該基底層中傳輸的該影像光從該預設位置點到該繞射光柵層的第二邊緣的方向上，該影像光的反射繞射光強值小於該透射繞射光強值。
- 如請求項5所述之光學系統，其中，在該基底層中傳輸的該影像光從該預設位置點到該繞射光柵層的第二邊緣的方向上，該影像光的反射繞射光強值逐漸減少。
- 如請求項1所述之光學系統，其中，還包含： 兩個耦合稜鏡，分別設置於該基底層的兩個側面上，分別設置為將源自該投影裝置的兩束該影像光通過兩個該側面耦合進入該基底層。
- 如請求項7所述之光學系統，其中，還包含： 兩個反射元件，分別設置於該投影裝置的兩束該影像光入射至對應的該耦合稜鏡的光路上，該兩個反射元件設置為分別將源自該投影裝置兩束該影像光反射至對應的該耦合稜鏡。
- 如請求項8所述之光學系統，其中，還包含： 半反半透元件，設置於通過該繞射光柵層繞射出去的目標影像光至人眼的光路上，該半反半透元件設置為將該繞射光柵層繞射出的該目標影像光反射入人眼中，並且設置為將環境光通過該半反半透元件透射入人眼中。
- 一種混合實境設備，其特徵係包含資料處理模組和請求項1至9中任一項所述之光學系統，該資料處理模組將需要顯示的影像資訊傳輸至該光學系統的投影裝置中以顯示影像。
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