CN111323920B - 一种ar显示的衍射光波导 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学成像***技术领域，特别涉及一种新型的AR显示的衍射光波导，包括波导主体，所述波导主体上设有用于将包含有图像信息的光线进行扩瞳和出瞳的扩瞳出瞳区域，在所述扩瞳出瞳区域的中心靠上的位置设有入瞳区域，图像信息经入瞳区域导入到扩瞳出瞳区内部，所述扩瞳出瞳区域的四周设有用于回收从扩瞳出瞳区向四周发射出去光线的上下回收区域和左右回收区域。该光波导可以将能量进行回收提升光波导整体效率，同时可以极大弥补了图像均匀性问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像***技术领域，特别涉及一种AR显示的衍射光波导。
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，明显优于其他光学方案，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***光学效率低；2、有的光波导***在扩大eyebox的时候降低的图像的亮度均匀性，导致图像色彩不均匀；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AR显示的衍射光波导，以解决上述背景技术中提出的问题。
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显示的衍射光波导，包括波导主体，所述波导主体上设有用于将包含有图像信息的光线进行扩瞳和出瞳的扩瞳出瞳区域，在所述扩瞳出瞳区域的中心靠上的位置设有入瞳区域，图像信息经入瞳区域导入到扩瞳出瞳区内部，所述扩瞳出瞳区域的四周设有用于回收从扩瞳出瞳区向四周发射出去光线的上下回收区域和左右回收区域。
作为本发明的优选方案，所述波导主体为平板玻璃作为波导的传输主体。
作为本发明的优选方案，所述上下回收区域包括设于扩瞳出瞳区域上部上下排列的第一上回收区域、第二上回收区域以及设于扩瞳出瞳区域上部下部上下排列的第一下回收区域和第二下回收区域，所述第一上回收区域和第一下回收区域设于靠近扩瞳出瞳区域位置处。
作为本发明的优选方案，所述左右回收区域包括设于扩瞳出瞳区域左侧的左回收区域以及设于扩瞳出瞳区域右侧的右回收区域。
作为本发明的优选方案，所述入瞳区域、扩瞳出瞳区域、上下回收区域和左右回收区域在k空间的分布中，入瞳区域和扩瞳出瞳区域的全反射波矢直接穿过圆心到达圆对称的位置，所述上下回收区域和左右回收区域可采用垂直反射或者分立斜反射的方式。
作为本发明的优选方案，所述第一上回收区域、第二上回收区域采用左右分立反射方式使其绕过入瞳区域，所述第一下回收区域和第二下回收区域可采用垂直向上反射方式或者采用左右分立斜反射的方式，所述左右回收区域可采用直接向中心反射的方式或者采用斜上方反射的方式，所述左右回收区域向上反射的全反射矢量直接穿过圆心到达圆对称的位置。
作为本发明的优选方案，所述入瞳区域采用倾斜光栅或者二元光栅。
作为本发明的优选方案，所述扩瞳出瞳区域采用两维光栅。
作为本发明的优选方案，所述上下回收区域和左右回收区域采用倾斜光栅或二元光栅。
作为本发明的优选方案，所述波导主体采用折射率1.4～2.45的、厚度范围是0.1mm～1.5mm的特殊玻璃，树脂，塑料等，并且该波导主体采用光栅周期为10nm～1000nm、高度范围是10～3000nm、占空比的范围是90％～5％的二元光栅，闪耀光栅，二维光栅，倾斜光栅。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明中一种AR显示的衍射光波导，该光波导通过设置上下回收区域和左右回收区域，将能量进行回收提升光波导整体效率，同时回收区域反射回来的光也是逐步衰减的并且衰减方向相反，和原来的出射光线叠加在一起，极大弥补了图像均匀性问题。
附图说明
图1是本发明一种AR显示的衍射光波导的结构图；
图2是本发明一种AR显示的衍射光波导中实施例一的结构示意图；
图3是本发明一种AR显示的衍射光波导中实施例一的k空间传播方式图；
图4是本发明一种AR显示的衍射光波导中实施例二的结构示意图；
图5是本发明一种AR显示的衍射光波导中实施例二的k空间传播方式图。
图中标号：100、图像源；101、入瞳区域；102、扩瞳出瞳区域；103、第一上回收区域；104、第二上回收区域；105、左右回收区域；106、第一下回收区域；107、第二下回收区域；108、波导主体；109、人眼。
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。
如附图1所示：一种AR显示的衍射光波导，包括波导主体108，所述波导主体108上设有用于将包含有图像信息的光线进行扩瞳和出瞳的扩瞳出瞳区域102，在所述扩瞳出瞳区域102的中心靠上的位置设有入瞳区域101，入瞳区域101镶嵌在扩瞳出瞳区域102内，具体地该波导主体108采用平板玻璃作为波导的传输主体，图像源100所发射出的包括图像信息的光线从入瞳区域101导入到波导主体108内部，由于玻璃的全反射原理，光线被束缚在玻璃中传播，当光线到达扩瞳出瞳区域102后，进行扩瞳和出瞳，进行扩瞳和出瞳之后一部分光线继续向上下和左右扩散，而另一部分则直接出瞳进入人眼109。
进一步地，为了将波导主体108由于全反射浪费到四周的光线能量进行回收，在所述扩瞳出瞳区域102的四周设有用于回收从扩瞳出瞳区域102向四周发射出去光线的上下回收区域和左右回收区域105，具体地，所述上下回收区域包括设于扩瞳出瞳区域102上部上下排列的第一上回收区域103、第二上回收区域104以及设于扩瞳出瞳区域102上部下部上下排列的第一下回收区域106和第二下回收区域107，所述第一上回收区域103和第一下回收区域106设于靠近扩瞳出瞳区域102位置处，所述左右回收区域105包括设于扩瞳出瞳区域102左侧的左回收区域以及设于扩瞳出瞳区域102右侧的右回收区域，从四周全反射出去的光线，被第一上回收区域103、第二上回收区域104、第一下回收区域106、第二下回收区域107、左回收区域和右回收区域所反弹到扩瞳出瞳区域102内中，再次进行扩瞳和出瞳。
进一步地，所述上下回收区域和左右回收区域可采用垂直反射或者分立斜反射的方式。具体地，所述第一上回收区域、第二上回收区域采用左右分立反射方式使其绕过入瞳区域，所述第一回收区域和第二下回收区域可采用垂直向上反射方式或者采用左右分立斜反射的方式，所述左右回收区域可采用直接向中心反射的方式或者采用斜上方反射的方式。
优选地，所述入瞳区域101采用倾斜光栅或者二元光栅。
优选地，所述扩瞳出瞳区域102采用两维光栅。
优选地，所述上下回收区域和左右回收区域105采用倾斜光栅或二元光栅。
优选地，所述波导主体108采用折射率1.4～2.45的、厚度范围是0.1mm～1.5mm的特殊玻璃，树脂，塑料等，并且该波导主体108采用光栅周期为10nm～1000nm、高度范围是10～3000nm、占空比的范围是90％～5％的二元光栅，闪耀光栅，二维光栅，倾斜光栅。
在本实施例中，定义入射光线的入射波长为λ，第一上回收区域103、第二上回收区域104采用倾斜光栅或二元光栅，光栅的波矢分别为k3和k4,光栅周期分别为λ/k3，λ/k4，左回收区域和右回收区域采用倾斜光栅或二元光栅，光栅的波矢为k5,光栅周期为λ/k5，第一下回收区域106、第二下回收区域107采用倾斜光栅或者二元光栅，光栅的波矢分别为k6和k7,光栅周期分别为λ/k6，λ/k7。
在实施例1中，衍射光波导是一种表面浮雕光栅，该光栅的不同功能区域在k空间的行径方式如附图所示，附图2为光栅的分布图，附图3为k空间的传播方式图。在k空间的传播方式图中定义入射光在k空间的表达为矩形框0，经附图2的入瞳区域101的光栅衍射后，分布为矩形框1和矩形框1’，矩形框1和矩形框1’分别代表+1和-1级的衍射。+1级的衍射进入到扩瞳出瞳区域102，扩瞳出瞳区域102采用二维光栅，将矩形框0衍射为扩瞳出瞳区域102的两个矩形框2，但同时也会衍射回到矩形框0中，因此在扩瞳出瞳区域102的光栅的波矢方向在附图3中是矩形框1和矩形框2方向，实现一边传输一边出瞳的功能，同时矩形框0、矩形框1、和矩形框2组成一个等边三角形。
第一上回收区域103、第二上回收区域104的功能是通过光栅将能量衍射回到扩瞳出瞳区域102中，并通过左右分立的方式绕过入瞳区域101，从附图3的k空间的分布发现，为了将上方的矩形框1’的能量进行回收，设计第一上回收区域103、第二上回收区域104，矩形框1’的能量向下反射到两个矩形框2中，为了不直接反射回到矩形框0中，需要按照k3和k4的方向，所以第一上回收区域103、第二上回收区域104的光栅波矢方向是k3和k4的方向，k3和k4的大小为矩形1’到矩形2中心的线段的长度。
左回收区域和右回收区域的功能是通过光栅将能量衍射回到扩瞳出瞳区域102中，从附图3的k空间的分布发现，在扩瞳出瞳区域102的两侧设计左回收区域和右回收区域，矩形框2中的能量从一边反射到另一边的矩形框2中，左回收区域和右回收区域的光栅波矢方向为k5和k5’，k5和k5’的大小为两个矩形2中心之间的线段的长度。
第一下回收区域106、第二下回收区域107的功能是通过光栅将能量衍射回到扩瞳出瞳区域102中，从附图3的k空间的分布发现，在扩瞳出瞳区域102的下方设计第一下回收区域106、第二下回收区域107，第一下回收区域106的功能是将矩形框1中的能量反射到矩形框1’中，第一下回收区域106的光栅波矢方向为k6，k6的大小为矩形框1到矩形框1’中心的线段的长度。第二下回收区域107的功能是将矩形框2中的能量反射到矩形框2’中，第二下回收区域107的光栅波矢方向为k7，k7的大小为矩形框2到矩形框2’中心的线段的长度。需要注意的是，如果第一下回收区域106、第二下回收区域107的位置颠倒，会影响能量回收的效率。
在实施例2中，为了进一步提升***效率，和亮度均匀性，可对左回收区域、右回收区域、第一下回收区域106和第二下回收区域107做一些改进，需要说明的是改进可以单独进行，互不影响。具体是，如附图4所示，左回收区域、右回收区域的功能是通过光栅将能量衍射回到扩瞳出瞳区域102中，同时方向具有了向上的分量，对均匀性和效率都有提升。从附图5的k空间的分布发现，可以在扩瞳出瞳区域102侧边设计左回收区域、右回收区域，矩形框2中的能量从一边反射到另一边的矩形框2’中，矩形框2和矩形框2’中心连线穿过圆心，左回收区域、右回收区域的光栅波矢方向为k5和k5’，k5和k5’的大小为矩形框2和矩形框2’中心之间的线段的长度。左右两边的k5和k5’相对圆心是轴对称的。
如附图4所示，第一下回收区域106、第二下回收区域107的功能是通过光栅将能量衍射回到扩瞳出瞳区域102中，通过左右分立的方式绕，同时具备向左右两边扩散的分量，对均匀性和效率都有提升，从附图5的k空间的分布发现，可以在扩瞳出瞳区域102侧边设计第一下回收区域106、第二下回收区域107，第一下回收区域106的功能是将矩形框1中的能量反射到两个矩形框2’中，第一下回收区域106、第二下回收区域107的光栅波矢方向为k6，两个k6的方向如图5所示，有矩形框1指向两个矩形框2’。大小为矩形框1到矩形框2’中心的线段的长度。需要说明的是在此处第一下回收区域106、第二下回收区域107的位置可以颠倒。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明中一种AR显示的衍射光波导，该光波导通过设置上下回收区域和左右回收区域105，将能量进行回收提升光波导整体效率，同时回收区域反射回来的光也是逐步衰减的并且衰减方向相反，和原来的出射光线叠加在一起，极大弥补了图像均匀性问题。
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 (7)
1.一种AR显示的衍射光波导，其特征在于：包括波导主体，所述波导主体上设有用于将包含有图像信息的光线进行扩瞳和出瞳的扩瞳出瞳区域，在所述扩瞳出瞳区域的中心靠上的位置设有入瞳区域，图像信息经入瞳区域导入到扩瞳出瞳区内部，所述扩瞳出瞳区域的四周设有用于回收从扩瞳出瞳区向四周发射出去光线的上下回收区域和左右回收区域；
所述上下回收区域包括设于扩瞳出瞳区域上部上下排列的第一上回收区域、第二上回收区域以及设于扩瞳出瞳区域上部下部上下排列的第一下回收区域和第二下回收区域，所述第一上回收区域和第一下回收区域设于靠近扩瞳出瞳区域位置处；
所述入瞳区域、扩瞳出瞳区域、上下回收区域和左右回收区域在k空间的分布中，入瞳区域和扩瞳出瞳区域的全反射波矢直接穿过圆心到达圆对称的位置，所述上下回收区域和左右回收区域可采用垂直反射或者分立斜反射的方式；
所述第一上回收区域、第二上回收区域采用左右分立反射方式使其绕过入瞳区域，所述第一下回收区域和第二下回收区域可采用垂直向上反射方式或者采用左右分立斜反射的方式，所述左右回收区域可采用直接向中心反射的方式或者采用斜上方反射的方式，所述左右回收区域向上反射的全反射矢量直接穿过圆心到达圆对称的位置。
2.根据权利要求1所述的一种AR显示的衍射光波导，其特征在于：所述波导主体为平板玻璃作为波导的传输主体。
3.根据权利要求1所述的一种AR显示的衍射光波导，其特征在于：所述左右回收区域包括设于扩瞳出瞳区域左侧的左回收区域以及设于扩瞳出瞳区域右侧的右回收区域。
4.根据权利要求1所述的一种AR显示的衍射光波导，其特征在于：所述入瞳区域采用倾斜光栅或者二元光栅。
5.根据权利要求1所述的一种AR显示的衍射光波导，其特征在于：所述扩瞳出瞳区域采用两维光栅。
6.根据权利要求1所述的一种AR显示的衍射光波导，其特征在于：所述上下回收区域和左右回收区域采用倾斜光栅或二元光栅。
7.根据权利要求2所述的一种AR显示的衍射光波导，其特征在于：所述波导主体采用折射率1.4～2.45的、厚度范围是0.1mm～1.5mm的特殊玻璃，树脂或塑料，并且该波导主体采用光栅周期为10nm～1000nm、高度范围是10～3000nm、占空比的范围是90％～5％的二元光栅，闪耀光栅，二维光栅或倾斜光栅。
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