CN110764261B - 一种光波导结构、ar设备光学成像***及ar设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光波导结构、AR设备光学成像***及AR设备,包括光波导主体、将光线信息耦合入波导主体内部的入瞳区、将耦合入波导主体内的光线信息进行扩瞳的扩瞳区、将扩瞳处理后的光线信息耦合进入人眼的出瞳区、以及两条将入瞳区反向传播的光线信息再进一步回收的回收光栅;所述入瞳区、扩瞳区和出瞳区设于所述波导主体的表面;入瞳区为表面浮雕2D光栅,扩瞳区为倾斜光栅,出瞳区为体全息光栅,回收光栅为倾斜光栅。该***提高了入瞳耦合效率、采用最佳的扩瞳方式以及改善波导出瞳区域在环境光照射下的彩色衍射条纹影响。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像***技术领域,特别涉及一种光波导结构、AR设备光学成像***及AR设备。
背景技术
近眼显示技术是当前AR眼镜中必须用到的关键技术之一。近眼显示***一般由图像源及光传输***组成,图像源发出的图像画面,通过光学传输***传递到人眼中。这里的光学传输***是需要有一定透过率的,从而使佩戴者在看到图像画面的同时,可以看到外界的环境。
对于光学传输***,业界有很多种方案,例如,自由空间光学,自由曲面光学,及显示光波导。其中,光波导技术由于其大动眼范围的特点,及其轻薄的特性,明显由于其他光学方案,成为各大公司的主流路径。
但现有的光波导***存在以下问题:1、光波导的***入瞳藕合效率低,并且由于环境的杂光带来了图像的彩色杂光;2、有的光波导***为了扩大视场角而导致引起波导间的串扰;3、有的光波导***无法实现二维扩瞳,并且体积较大。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷,本发明提供一种光波导结构、AR设备光学成像***及AR设备,该***提高了入瞳耦合效率、采用最佳的扩瞳方式以及改善波导出瞳区域在环境光照射下的彩色衍射条纹影响。
本发明解决现有技术中的问题所采用的技术方案为:一种光波导结构,包括光波导主体、将光线信息耦合入波导主体内部的入瞳区、将耦合入波导主体内的光线信息进行扩瞳的扩瞳区、将扩瞳处理后的光线信息耦合进入人眼的出瞳区、以及两条将所述入瞳区反向传播的光线信息再进一步回收的回收光栅;所述入瞳区、扩瞳区和出瞳区设于所述波导主体的表面;所述入瞳区为表面浮雕2D光栅,所述扩瞳区为倾斜光栅,所述出瞳区为体全息光栅,所述回收光栅为倾斜光栅。
其中,所述表面浮雕2D光栅的周期范围是100nm~400nm,高度范围是10nm~300nm。
其中,所述倾斜光栅的倾角范围是0°~50°,顶面与底面的长度差为0nm~100nm。
其中,所述体全息光栅的周期范围是10nm~400nm,高度为5nm~500nm。
其中,所述光波导主体采用折射率为1.5~2.3的材料,厚度范围是0.2mm~1.2mm。
其中,所述表面浮雕2D光栅,所述倾斜光栅以及所述体全息光栅的折射率范围均是1.5~2.3。
其中,所述表面浮雕2D光栅,所述倾斜光栅以及所述体全息光栅的具有表面涂层,所述表面涂层厚度为0nm~80nm,所述表面涂层的折射率为1.5~2.3。
本发明解决现有技术中的问题所采用的技术方案为:一种AR设备光学成像***,包括微显示模组和上述光波导结构。
本发明解决现有技术中的问题所采用的技术方案为:一种AR设备,包括上述AR设备光学成像***。
与现有技术相比,本发明具有以下技术效果:
本发明一种光波导结构、AR设备光学成像***及AR设备,该光波导结构在不影响光栅波导功能的情况下,提升了***效率,在保证图像色彩亮度均匀性的同时消除环境光的彩色条纹影响。
附图说明
图1是本发明一种光波导结构中第一实施例的结构图;
图2是本发明一种光波导中第一实施例的光线传播的示意图;
图3是本发明一种光波导结构中第二实施例的结构图;
图4是本发明一种光波导中第二实施例的光线在K空间传播的示意图;
图5是本发明一种光波导结构中第三实施例的结构图;
图6是本发明一种光波导中第三实施例的光线在K空间传播的示意图;
图7是本发明一种光波导结构中第四实施例的结构图;
图8是本发明一种光波导中第四实施例的光线在K空间传播的示意图;
图9是本发明一种光波导结构中第五实施例的结构图;
图10是本发明一种光波导中第五实施例的光线在K空间传播的示意图;
图11是本发明一种光波导结构中第六实施例的结构图;
图12是本发明一种光波导中第六实施例的光线在K空间传播的示意图;
图13是本发明一种光波导结构中第七实施例的结构图;
图14是本发明一种光波导中第七实施例的光线在K空间传播的示意图;
图15是本发明一种光波导结构中第八实施例的结构图;
图16是本发明一种光波导中第八实施例的光线在K空间传播的示意图;
图17是本发明一种光波导结构中第九实施例的结构图;
图18是本发明一种光波导中第九实施例的光线在K空间传播的示意图;
图中标号:1-入瞳区;2-扩瞳区;3-出瞳区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是,对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明,但并不构成对本发明的限定。此外,下面所描述的本发明实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参考图1,本发明的第一实施例,一种光波导结构,包括该光波导结构的传输主体,该传输主体上设有将入射光线导入传输主体内部的入瞳区1、将入射光线进行扩瞳的扩瞳区2、以及将该光线耦合入人眼同时具备扩瞳功能的出瞳区3。具体地,入射光线从入瞳区1导入到传输主体内,当光线到达扩瞳区2后,进行扩瞳,经扩瞳后的一部分光线通过出瞳区3耦合进入人眼。
如图2所示:进一步的,该传输主体具有全反射性质,所以导入的光线被束缚在传输主体中传播。
如图3所示本发明的第二实施例中入瞳区1、扩瞳区2和出瞳区3在传输主体上的区域分布,该入瞳区1和扩瞳区2采用表面浮雕光栅,具体地,入瞳区1中表面浮雕光栅为周期固定的倾斜光栅,扩瞳区2中表面浮雕光栅为周期固定、但占空比和高度等参数随位置调制的倾斜光栅或二元光栅;该出瞳区3采用体全息光栅,具体地,该体全息光栅的周期固定,光栅的调制深度随位置渐变。
如图4所示:第二实施例的K空间分布图,在K空间图中可知,光线经入瞳区1向扩瞳区2传播,经扩瞳区2后向出瞳区3传播。
如图5所示本发明的第三实施例中入瞳区1、扩瞳区2和出瞳区3在传输主体上的区域分布,该入瞳区1和扩瞳区2采用表面浮雕光栅,具体地,入瞳区1中表面浮雕光栅为周期固定、但占空比和高度等参数随位置调制的二元光栅,扩瞳区2中表面浮雕光栅为周期固定、但占空比和高度等参数随位置调制的倾斜光栅或二元光栅;该出瞳区3采用体全息光栅,具体地,该体全息光栅的周期固定,光栅的调制深度随位置渐变。
如图6所示:第三实施例的K空间分布图,在K空间图中可知,光线在入瞳区1可以分为左右两边向两个扩瞳区2传播,经两个扩瞳区2后向出瞳区3传播。
如图7所示本发明的第四实施例中入瞳区1、扩瞳区2和出瞳区3在传输主体上的区域分布,该入瞳区1采用表面浮雕光栅,具体地,入瞳区1中表面浮雕光栅为周期固定倾斜光栅二元光栅,扩瞳区2和出瞳区3采用体全息2D光栅。
如图8所示:第四实施例的K空间分布图,在K空间图中可知,光线在入瞳区1向扩瞳区2传播,经扩瞳区2后向两边的出瞳区3传播。
如图9所示本发明的第五实施例中入瞳区1、扩瞳区2和出瞳区3在传输主体上的区域分布,该入瞳区1采用表面浮雕光栅,具体地,入瞳区1中表面浮雕光栅为表面浮雕2D光栅,扩瞳区2和出瞳区3采用体全息2D光栅,具体地,是该将扩瞳区2和出瞳区3交叠形成同时具备扩瞳和出瞳的体全息2D光栅。
如图10所示:第五实施例的K空间分布图,在K空间图中可知,光线经入瞳区1的表面浮雕2D光栅向两边传播到由扩瞳区2和出瞳区3交叠形成体全息2D光栅。
如图11所示本发明的第六实施例中入瞳区1、扩瞳区2和出瞳区3在传输主体上的区域分布,该入瞳区1采用表面浮雕光栅,具体地,入瞳区1中表面浮雕光栅为表面浮雕2D光栅,扩瞳区2和出瞳区3采用体全息2D光栅,具体地,是该将扩瞳区2和出瞳区3交叠形成同时具备扩瞳和出瞳的体全息2D光栅。同时,在入瞳区1处增加两条回收光栅,所述回收光栅为倾斜光栅,进一步地,该回收光栅将一部分经入瞳区1反向传播的光线再次经回收光栅收集回入瞳区1,起到提升整体光效率的作用。
如图12所示:第六实施例的K空间分布图,在K空间图中可知,经入瞳区1表面浮雕2D光栅的一部分光线向两边传播到由扩瞳区2和出瞳区3交叠形成体全息2D光栅,另一部分经入瞳区1反向传播的光线再次经回收光栅收集回入瞳区1。
如图13所示本发明的第七实施例中入瞳区1、扩瞳区2和出瞳区3在传输主体上的区域分布,该入瞳区1采用表面浮雕光栅,具体地,入瞳区1中表面浮雕光栅为表面浮雕2D光栅,扩瞳区2采用倾斜光栅,出瞳区3采用体全息光栅。
如图14所示:第七实施例的K空间分布图,在K空间图中可知,经入瞳区1的表面浮雕2D光栅向两边传播到扩瞳区2,经扩瞳区2后传播到出瞳区3。
如图15所示本发明的第八实施例中入瞳区1、扩瞳区2和出瞳区3在传输主体上的区域分布,该入瞳区1采用表面浮雕光栅,具体地,入瞳区1中表面浮雕光栅为表面浮雕2D光栅,扩瞳区2采用倾斜光栅,出瞳区3采用体全息光栅。同时,在入瞳区1处增加两条回收光栅,所述回收光栅为倾斜光栅,进一步地,该回收光栅将一部分经入瞳区1反向传播的光线再次经回收光栅收集回入瞳区1,起到提升整体光效率的作用。
如图16所示:第八实施例的K空间分布图,在K空间图中可知,经入瞳区1表面浮雕2D光栅的一部分光线向两边传播到扩瞳区2,经扩瞳区2后传播到瞳区,另一部分经入瞳区1反向传播的光线再次经回收光栅收集回入瞳区1。
如图17所示本发明的第九实施例,入瞳区1采用棱镜、扩瞳区2采用倾斜光栅、出瞳区3采用体全息光栅。具体地,光线通过棱镜打破全反射约束,入瞳导入到传输主体内,通过全反射向扩瞳区2传播,经扩瞳区2后向出瞳区3传播,经出瞳区3耦合入人眼。
如图18所示:第九实施例的K空间分布图,在K空间图中可知,光线经入瞳区1向扩瞳区2传播,经扩瞳区2后向出瞳区3传播。
进一步地,该传输主体的材料可以是折射率1.5~2.3的材料,厚度范围0.2mm~1.2mm,可以是特殊玻璃,树脂,塑料等。光栅的周期范围是100nm~400nm,表面浮雕光栅的高度范围是10~300nm,体光栅高度为5nm~500nm,光栅可以是二元光栅,2D光栅,倾斜光栅,占空比的范围是80%~10%,针对倾斜光栅的倾角范围是0~50度,顶面与底面的长度差为0~100nm。其中光栅材料的折射率范围是1.5~2.3,可以是胶,金属,金属氧化物TiO2,聚合物材料或参杂聚合物材料。光栅表面coating层厚度为0~80nm,coating的折射率为1.5~2.3的介质或者金属。
另,本发明还提供一种光学成像***,该光学成像***包括微显示模组及光波导结构,该微显示模组还包括照明组件、偏振组件、反射式微显示组件以及透镜组。
另,本发明还提供一种AR设备,所述AR设备包括上述AR设备光学成像***。需要说明的是,本发明中的AR设备为AR眼镜、AR头盔等。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例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。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种光波导结构其特征在于:包括光波导主体、将光线信息耦合入波导主体内部的入瞳区、将耦合入波导主体内的光线信息进行扩瞳的扩瞳区、将扩瞳处理后的光线信息耦合进入人眼的出瞳区、以及两条将所述入瞳区反向传播的光线信息再进一步回收的回收光栅;所述入瞳区、扩瞳区和出瞳区设于所述波导主体的表面;
所述入瞳区为表面浮雕2D光栅,所述扩瞳区为倾斜光栅,所述出瞳区为体全息光栅,所述回收光栅为倾斜光栅。
2.根据权利要求1所述的光波导结构,其特征在于,所述表面浮雕2D光栅的周期范围是100nm~400nm,高度范围是10nm~300nm。
3.根据权利要求1所述的光波导结构,其特征在于,所述倾斜光栅的倾角范围是0°~50°,顶面与底面的长度差为0nm~100nm。
4.根据权利要求1所述的光波导结构,其特征在于,所述体全息光栅的周期范围是10nm~400nm,高度为5nm~500nm。
5.根据权利要求1所述的光波导结构,其特征在于,所述光波导主体采用折射率为1.5~2.3的材料,厚度范围是0.2mm~1.2mm。
6.根据权利要求1所述的光波导结构,其特征在于,所述表面浮雕2D光栅,所述倾斜光栅以及所述体全息光栅的折射率范围均是1.5~2.3。
7.根据权利要求1所述的光波导结构,其特征在于,所述表面浮雕2D光栅,所述倾斜光栅以及所述体全息光栅的具有表面涂层,所述表面涂层厚度为0nm~80nm,所述表面涂层的折射率为1.5~2.3。
8.一种AR设备光学成像***,其特征在于:所述光学成像***包括微显示模组及如权利要求1~7任意一项所述的光波导结构。
9.一种AR设备,其特征在于:所述AR设备包括如权利要求8所述的AR设备光学成像***。
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GR01 | Patent grant | ||
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