CN110456512A - 一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***。所述***包括：激光光源；扩散片，设置在激光光源的出射光路上；MEMS扫描镜，设置在扩散片的出射光路上；衍射光学元件，设置在MEMS扫描镜的出射光路上；准直透镜模组，设置在衍射光学元件的出射光路上；反光镜，设置在准直透镜模组的出射光路上；反射式光栅结构，设置在反光镜的反射光路上，以使得人眼看到真实世界和虚拟世界的叠加影像。本发明能够在简化制作工艺，降低加工难度和制作成本的同时，扩大视场角。

Description

一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***
技术领域
本发明涉及增强现实技术领域，特别是涉及一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***。
背景技术
增强现实是将虚拟信息和真实世界相融合的技术，其中近眼显示***设计是增强现实技术中的关键环节，如何同时提升近眼显示***的视场角、眼动范围、亮度、均匀性和对比度并减小***功耗和体积是该研究领域的热点问题。
目前，近眼显示***常采用LCD(液晶显示)、LED(发光二极管显示)、DLP(数字光处理)和LCOS(硅基液晶)等微显示屏，这些不同类型的微显示器各有各的优缺点，但它们都存在一个共同的缺陷，即视场角受限，要想获得更大的视场角就需要增大这些微显示屏的面积，这会增加***的体积和重量。眼动范围是指近眼显示光学模组与眼球之间的一块锥形区域，眼睛在该区域内看到的图像最清晰，该区域大小至少要和人眼瞳孔一样大，即4mm左右。由于人眼与近眼显示光学模组间会发生相对移动，要想获取较好的视野就需要扩大眼动范围，扩大眼动范围又叫扩瞳。
目前，常用的扩瞳手段有：在波导片内嵌入多个平行分布的分光膜，光线在波导内传播过程中每遇到一次分光膜耦出一部分光线，通过调节不同位置分光膜的反射透射率来保证耦出图像的均匀性，从而在横向方向实现扩瞳。这种扩瞳方式依赖于传统光学，分光膜的波长和角度敏感性以及贴合平整度需要精确控制，使得加工难度较大，量产良品率较低，另外该方案只实现了单向扩瞳也是一个缺陷。另一种扩瞳方法为在波导片上分布三个光栅区域，分别为耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，其中转折光栅负责横向扩瞳，耦出光栅负责纵向扩瞳。转折光栅和耦出光栅都会划分成多个子分区，光线遇到一个分区后部分光线衍射转向或耦出，剩余部分光线继续沿波导片传播，通过调节每个子分区光栅的高度控制衍射效率来保证耦出图像的均匀性，从而实现双向扩瞳。这种扩瞳方式依赖于衍射光学，光栅区域位置以及不同分区光栅的高度都需要精确调控，加工难度和成本极高，另外基于这种扩瞳方式的光学模组图像亮度及均匀性也较低。
发明内容
基于此，有必要提供一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***，以简化制作工艺，降低加工难度和制作成本的同时，扩大视场角。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***，包括：
激光光源，用于发出三基色波长激光；
扩散片，设置在所述激光光源的出射光路上，用于对所述三基色波长激光进行整形和匀光，得到设定形状的激光；
MEMS扫描镜，设置在所述扩散片的出射光路上，用于对所述设定形状的激光进行多角度扫描，得到扫描光束；
衍射光学元件，设置在所述MEMS扫描镜的出射光路上，用于将所述扫描光束分为多束扫描光；
准直透镜模组，设置在所述衍射光学元件的出射光路上，用于将多束所述扫描光转换为多束平行光；
反光镜，设置在所述准直透镜模组的出射光路上，用于对多束所述平行光进行反射；
反射式光栅结构，设置在所述反光镜的反射光路上，用于将多束反射光衍射至人眼，以使得所述人眼看到真实世界和虚拟世界的叠加影像。
可选的，所述反射式光栅结构包括基板和设置在所述基板上的反射式光栅层；所述反射式光栅层用于对多束所述反射光进行衍射。
可选的，所述衍射光学元件为点阵式衍射光学元件。
可选的，所述扩散片为衍射光学元件结构或微型镜头阵列结构。
可选的，所述反射式光栅层为闪耀光栅。
可选的，所述反射式光栅层为斜光栅。
可选的，所述基板为透明镜片。
可选的，所述MEMS扫描镜为二维MEMS扫描镜。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***。所述***中设置衍射光学元件用于分光，只需要一个衍射光学元件就可以实现扩瞳，制作工艺简单，***光损失小；成像部分采用MEMS扫描镜，显示部分采用反射式光栅结构，MEMS扫描镜可以通过改变扫瞄镜的扫描角度来扩大视场角，光波导成像需要光线在波导片中全反射传播，要想获得更大的视场角需要采用更高折射率的波导材料，而本发明采用反射式光栅结构衍射成像则摆脱了这种限制。本发明制作工艺简单、加工难度和制作成本低，并且还实现了在提升视场角、眼动范围、亮度、均匀性和对比度的同时，减小***的功耗和体积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***的结构图；
图2为入射光经扩散片后的光强分布示意图；
图3为9×9点阵式衍射光学元件的结构示意图；
图4为9×9点阵式衍射光学元件成像点阵示意图；
图5为9×9束光扫描成像图案阵列示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***的结构图。
参见图1，实施例的基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***，包括：
激光光源1，用于发出三基色波长激光。所述三基色波长激光为RGB(红绿蓝)三基色波长激光，红色激光波长为λR、绿色激光波长为λG、蓝色激光波长为λB。
扩散片2，设置在所述激光光源1的出射光路上，用于对所述三基色波长激光进行整形和匀光，得到设定形状的激光。
MEMS扫描镜3，设置在所述扩散片2的出射光路上，用于对所述设定形状的激光进行多角度扫描，得到扫描光束。在实际应用时，可以通过控制MEMS扫描镜3的双轴运动实现入射光线的多角度扫描。
衍射光学元件4，设置在所述MEMS扫描镜3的出射光路上，用于将所述扫描光束分为多束扫描光。在实际应用时，可通过更换不同结构的衍射光学元件来改变光束数目和形式。
准直透镜模组5，设置在所述衍射光学元件4的出射光路上，用于将多束所述扫描光转换为多束平行光。
反光镜6，设置在所述准直透镜模组5的出射光路上，用于对多束所述平行光进行反射。
反射式光栅结构，设置在所述反光镜6的反射光路上，用于将多束反射光衍射至人眼9，以使得所述人眼看到真实世界和虚拟世界的叠加影像。
作为一种可选的实施方式，所述反射式光栅结构包括基板7和设置在所述基板7上的反射式光栅层8。利用反光镜6将多束平行光反射到反射式光栅结构上，光线和反射式光栅结构上的反射式光栅层8作用发生衍射，衍射光线进入人眼实现近眼显示。
作为一种可选的实施方式，所述衍射光学元件4为点阵式衍射光学元件。
作为一种可选的实施方式，所述扩散片2为衍射光学元件结构或微型镜头阵列结构。
作为一种可选的实施方式，所述反射式光栅层8为闪耀光栅或斜光栅。在实际应用时，通过对光栅占空比、槽深和镀膜厚度等参数的调整来控制其衍射效率和均匀性。
作为一种可选的实施方式，所述基板7为透明镜片。
作为一种可选的实施方式，所述MEMS扫描镜3为二维MEMS扫描镜。
下面给出了一个具体的示例对上述基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***进行了说明。
激光光源打出的光线依次通过扩散片、MEMS扫瞄镜、9×9点阵式衍射光学元件、准直透镜模组、反光镜，遇到反射式光栅结构中的反射式光栅层进入人眼。扩散片的作用是将激光光源发出的光线进行整形和匀光，使入射光整形为目标形状，并使得目标区域内的光线强度分布更加均匀。图2为入射光经扩散片后的光强分布示意图，其中，图2中的(a)部分为理想结果图，图2中的(b)部分采用扩散片的仿真结果图。MEMS扫瞄镜通过改变入射光反射角度进行扫描成像，9×9点阵式衍射光学元件将单束入射光转换成9×9束光线，准直透镜模组将9×9束光线转换成平行光，反光镜将入射平行光反射到反射式光栅层，反射式光栅层将9×9束平行光衍射至瞳孔10进入人眼9，透明镜片作为基板使得人眼可以看到真实世界和虚拟投影的叠加影像。点阵式衍射光学元件的结构可以基于标量衍射理论用相关软件进行设计，图3为9×9点阵式衍射光学元件的结构示意图，它可以将单束光转换成9×9束光，图4为9×9点阵式衍射光学元件成像点阵示意图，图5为9×9束光扫描成像图案阵列示意图。
本实施例基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***，成像部分采用MEMS扫瞄镜，显示部分采用反射式光栅结构，用衍射光学元件进行扩瞳，从而实现了同时提升近眼显示***的视场角、眼动范围、亮度、均匀性和对比度并减小***功耗和体积。具体的：
1)扩瞳方式简便且效果好。衍射光学元件可以将单光束分成N×M束的等强度光束，N和M均为正整数。一束激光打到衍射光学元件上后，其衍射图样为规则分布的矩形点阵，点阵形式可调控，衍射光学元件制作简便且具有较高的衍射效率。因此采用衍射光学元件进行双向扩瞳具有很大优势，不仅可以提高成像均匀性还可以降低加工难度和成本，并且可以批量生产。
2)设置MEMS扫瞄镜和反射式光栅结构衍射成像，使得视场角可调节，不受材料折射率限制。将MEMS扫瞄镜应用于近眼显示***的成像部分可以减小***体积、重量及功耗，并且具有更高的亮度和对比度，另外通过改变二维扫瞄镜的扫描角度可以扩大视场角；光波导成像需要光线在波导片中全反射传播，要想获得更大的视场角需要采用更高折射率的波导材料，而采用反射式光栅衍射成像则摆脱了这种限制。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***，其特征在于，包括：
激光光源，用于发出三基色波长激光；
扩散片，设置在所述激光光源的出射光路上，用于对所述三基色波长激光进行整形和匀光，得到设定形状的激光；
MEMS扫描镜，设置在所述扩散片的出射光路上，用于对所述设定形状的激光进行多角度扫描，得到扫描光束；
衍射光学元件，设置在所述MEMS扫描镜的出射光路上，用于将所述扫描光束分为多束扫描光；
准直透镜模组，设置在所述衍射光学元件的出射光路上，用于将多束所述扫描光转换为多束平行光；
反光镜，设置在所述准直透镜模组的出射光路上，用于对多束所述平行光进行反射；
反射式光栅结构，设置在所述反光镜的反射光路上，用于将多束反射光衍射至人眼，以使得所述人眼看到真实世界和虚拟世界的叠加影像。
2.根据权利要求1所述的一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***，其特征在于，所述反射式光栅结构包括基板和设置在所述基板上的反射式光栅层；所述反射式光栅层用于对多束所述反射光进行衍射。
3.根据权利要求1所述的一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***，其特征在于，所述衍射光学元件为点阵式衍射光学元件。
4.根据权利要求1所述的一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***，其特征在于，所述扩散片为衍射光学元件结构或微型镜头阵列结构。
5.根据权利要求2所述的一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***，其特征在于，所述反射式光栅层为闪耀光栅。
6.根据权利要求2所述的一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***，其特征在于，所述反射式光栅层为斜光栅。
7.根据权利要求2所述的一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***，其特征在于，所述基板为透明镜片。
8.根据权利要求1所述的一种基于衍射光学元件扩瞳的近眼显示***，其特征在于，所述MEMS扫描镜为二维MEMS扫描镜。
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