CN210136366U - 用于呈现图像的装置和用于实现增强现实显示的*** - Google Patents

用于呈现图像的装置和用于实现增强现实显示的*** Download PDF

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罗明辉
乔文
成堂东
李玲
李瑞彬
周振
陈林森
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Abstract

本实用新型涉及图像显示技术，特别涉及用于呈现图像的装置和包含该装置的用于实现增强现实显示的***。按照本实用新型一个方面的用于呈现图像的装置包含：光波导镜片；以及设置于光波导镜片表面的第一～第四光学功能结构，其中，第三和第四光学功能结构位于光波导镜片的表面的两侧，第一和第二光学功能结构位于第三和第四光学功能结构之间，其中，包含左眼图像和右眼图像的光线经第一光学功能结构耦合进入光波导镜片内，经全反射到达第二光学功能结构，并且在第二光学功能结构的作用下，光线的左眼图像和右眼图像在光波导镜片内经全反射分别到达第三和第四光学功能结构并在所述第三光学功能结构和第四光学功能结构的作用下从所述光波导镜片出射。

Description

用于呈现图像的装置和用于实现增强现实显示的***
技术领域
本实用新型涉及图像显示技术，特别涉及用于呈现图像的装置和包含该装置的用于实现增强现实显示的***。
背景技术
增强现实(AR)技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成在一起的新型显示技术。它不仅展现真实世界的信息，而且还将虚拟信息同时显示出来，从而实现两种信息的相互补充和叠加。在视觉化的增强现实中，利用头盔显示器将真实世界与计算机生成的虚拟图像叠加在一起的混合图像呈现给用户。
目前主流的近眼式增强现实显示设备大多采用光波导原理。例如，在典型的增强现实显示设备中，微显示空间光调制器(例如LCOS)上的图像经过三片全息光栅耦合至光波导，随后经三片光波导分别传输，最后在人眼正前方通过相应的全息光栅耦合输出以投影至人眼。为了实现彩色投影，可以采用多层光波导的方式。然而基于上述工作原理的增强现实显示设备存在多个缺点。例如，镜片表面的空间利用率不高，因而出瞳视窗被压缩(即人眼可观看区域较小)。又如，对于佩戴者的晃动、移动等动作容忍度低。
实用新型内容
本实用新型的一个目的是提供一种用于呈现图像的装置，其具有增大的出瞳视窗，从而能够提高镜片表面的利用率。
按照本实用新型一个方面的用于呈现图像的装置包含：
光波导镜片；以及
设置于所述光波导镜片表面的第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构，
其中，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的表面的两侧，所述第一光学功能结构和第二光学功能结构位于所述第三光学功能结构与第四光学功能结构之间，
其中，包含左眼图像和右眼图像的光线经所述第一光学功能结构耦合进入所述光波导镜片内，随后经全反射到达所述第二光学功能结构，并且在所述第二光学功能结构的作用下，光线的左眼图像和右眼图像在所述光波导镜片内经全反射分别到达所述第三光学功能结构和第四光学功能结构并并在所述第三光学功能结构和第四光学功能结构的作用下从所述光波导镜片出射。
优选地，在上述装置中，所述第一光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构为一维光栅，所述第二光学功能结构为全息衍射元件。
优选地，在上述装置中，所述一维光栅为下列中的一种：倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅和体光栅。
优选地，在上述装置中，在第一方向上，所述第一光学功能结构相对于第二光学功能结构被间隔设置，并且在不同于第一方向的第二方向上，所述第一光学功能结构和第二光学功能结构相对于第三光学功能结构和第四光学功能结构被间隔设置。
优选地，在上述装置中，所述第一方向垂直于第二方向。
优选地，在上述装置中，所述第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的同一表面。
本实用新型的还有一个目的是提供一种用于实现增强现实显示的***，其具有增大的出瞳视窗，从而能够提高镜片表面的利用率。
按照本实用新型另一个方面的用于实现增强现实显示的***包含：
图像源，配置为提供包含左眼图像和右眼图像的光线；以及
图像呈现装置，包括：
光波导镜片；以及
设置于所述光波导镜片表面的第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构，其中，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的表面的两侧，所述第一光学功能结构和第二光学功能结构位于所述第三光学功能结构与第四光学功能结构之间，
其中，所述光线经所述第一光学功能结构耦合进入所述光波导镜片内，随后经全反射到达所述第二光学功能结构，并且在所述第二光学功能结构的作用下，光线的左眼图像和右眼图像在所述光波导镜片内经全反射分别到达所述第三光学功能结构和第四光学功能结构并并在所述第三光学功能结构和第四光学功能结构的作用下从所述光波导镜片出射。
在按照本实用新型上述实施例的图像呈现装置中，第三光学功能结构和第四光学功能结构设置于光波导镜片的表面的两侧，并且将第一光学功能结构和第二光学功能结构设置于第三光学功能结构与第四光学功能结构之间或者光波导镜片的中央。通常情况下，光波导镜片的水平方向的尺寸大于垂直方向的尺寸，因此上述设置方式可以明显增加第三光学功能结构和第四光学功能结构所占的面积，从而增大出瞳视窗。此外，按照本实用新型上述实施例的图像呈现装置结构简单、紧凑，这对于装置总体尺寸的缩小是有利的。
附图说明
图1A和1B分别为按照本实用新型一个实施例的用于呈现图像的装置的俯视图和立体图。
图2A-2C示出了可应用于图1A和1B所示实施例的一维光栅的示例。
图3示出了可应用于图1A和1B所示实施例的全息衍射元件的示例。
图4为图1A和1B所示的用于呈现图像的装置的剖面示意图，所示剖面位于图1B的Y-Z平面内。
图5为图1A和1B所示的用于呈现图像的装置的剖面示意图，所示剖面位于图1B的X-Z平面内。
图6为按照本实用新型另一个实施例的用于实现增强现实显示的***的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细的描述。
图1A和1B分别为按照本实用新型一个实施例的用于呈现图像的装置的俯视图和立体图。示例性地，本实施例的用于呈现图像的装置可以采用眼镜的形式(为突出重点，图1A和1B未示出眼镜的其它部件(例如镜腿))。
参见图1A和1B，本实施例的用于呈现图像的装置10包括光波导镜片110和设置于光波导镜片表面的第一光学功能结构121、第二光学功能结构122、第三光学功能结构123和第四光学功能结构124。
可选地，第一光学功能结构121、第二光学功能结构122、第三光学功能结构123和第四光学功能结构124为纳米结构以形成衍射光线。此外，可选地，这些光学功能结构位于光波导镜片110的同一表面。
在图1A和1B所示的实施例中，第一光学功能结构121配置为将包含左眼图像和右眼图像的入射光线耦合进入光波导镜片110，因此又可称为耦入区域；第二光学功能结构122被配置为将光线的左眼图像和右眼图像分别引导至第三光学功能结构123和第四光学功能结构124，因此又可称为转折区域；第三光学功能结构123和第四光学功能结构124被配置为分别将光线的左眼图像和右眼图像引出光波导镜片110，从而向用户呈现增强现实的图像，因此功能结构123和124又可称为耦出区域。
如图1A和1B所示，示例性地，第三光学功能结构123和第四光学功能结构124位于光波导镜片110的表面的两侧，它们所在位置与佩戴者的双眼位置相对应。与此同时，第一光学功能结构121和第二光学功能结构122则位于第三光学功能结构123与第四光学功能结构124之间。
由图1B可见，光波导镜片110在第一光学功能结构121所在的表面区域形成***的平台，并且第一光学功能结构121和第二光学功能结构122在图中所示的Y方向上具有一定的间隔。
通常情况下，光波导镜片110的水平方向(图1B中的X轴方向)的尺寸大于垂直方向((图1B中的Y轴方向))的尺寸，当将第三光学功能结构123和第四光学功能结构124沿X轴方向设置在光波导镜片110的两侧时，可以通过增加第三光学功能结构和第四光学功能结构所占的面积来增大出瞳视窗。
在本实施例中，示例性地，第一光学功能结构121、第三光学功能结构123和第三光学功能结构124以一维光栅的形式实现，而第二光学功能结构122采用全息衍射元件的形式实现。可选地，一维光栅可选自下列组中的一种或多种：倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅和体光栅。
图2A-2C示出了可应用于图1A和1B所示实施例的一维光栅的示例，其中，图2A所示一维光栅为矩形光栅，图2B所示一维光栅为倾斜光栅，图2C所示一维光栅为闪耀光栅。
参考图2A，矩形光栅221A形成于光波导镜片210表面，通过选择光栅高度、宽度、周期等结构参数，使得以一定角度入射至光栅表面的光线经过矩形光栅形成衍射。衍射光线包括零级衍射光T0、-1级衍射光T-1和1级衍射光T1。在图2A所示的情形中，0级衍射效率最高，-1级衍射次之，1级衍射效率最低。可选地，可利用图2A所示矩形光栅221A形成-1级衍射光，继而完成其在光波导镜片210内的传播。
参考图2B，倾斜光栅221B形成于光波导镜片210表面，通过选择光栅高度、宽度、周期和倾斜角度等结构参数，使得以一定角度入射至光栅表面的光线经过倾斜光栅形成衍射。类似地，衍射光线包括零级衍射光T0、-1级衍射光T-1和1级衍射光T1。在图2B所示的情形中，-1级衍射效率最高，零级衍射次之，1级衍射效率最低。可选地，可利用图2B所示倾斜光栅形成-1级衍射光，继而完成其在光波导镜片210内的传播。此外，通过对光栅高度、宽度、周期和倾斜角度等结构参数中的一个或多个的优化，可实现波长选择功能，即，可以使某一波长范围内的光的衍射效率较高，而其余波长范围内的光的衍射效率较低。
参考图2C，闪耀光栅221C形成于光波导镜片210表面，通过选择光栅高度、周期和闪耀角度等结构参数，使得以一定角度入射至光栅表面的光线经过闪耀光栅形成衍射。类似地，衍射光线包括零级衍射光T0、-1级衍射光T-1和1级衍射光T1。在图2C所示的情形中，-1级衍射效率最高，零级衍射和1级衍射效率最低。可选地，可利用图2C所示倾斜光栅形成-1级衍射光，继而完成其在光波导镜片210内的传播。此外，通过对光栅高度、周期和闪耀角度等结构参数中的一个或多个的优化，可实现波长选择功能。
图3示出了可应用于图1A和1B所示实施例的全息衍射元件的示例。如图3所示，全息衍射元件322采用二维阵列形式。光线经第一光学功能结构耦合进入光波导镜片并且在光波导镜片传播，当传播的光线入射至全息衍射元件322时，将以某一角度衍射偏折。可选地，全息衍射元件322被设计为可以选择性地使衍射光线弯折传导至第三光学功能结构123或者第四光学功能结构124。
以下描述图1A和1B所示的用于呈现图像的装置的工作原理。
图4为图1A和1B所示的用于呈现图像的装置的剖面示意图，所示剖面位于图1B的Y-Z平面内。
参见图4，从图像源20射出的包含左眼图像和右眼图像的光线到达第一光学功能结构121。经过第一光学功能结构121的衍射，光线被引入光波导镜片110。通过为第一光学功能结构121选择合适的结构参数，可以使衍射效率最高的光线在光波导镜片110内部发生全反射。如图4所示，第一光学功能结构121与第二光学功能结构122在Y方向上相隔一定的间隔，发生全反射的光线从第一光学功能结构121处，借助全反射而到达第二光学功能结构122。
图5为图1A和1B所示的用于呈现图像的装置的剖面示意图，所示剖面位于图1B的X-Z平面内。
参考图5并结合图4可见，到达第二光学功能结构122在光波导镜片110内继续发生全反射，但是传播方向由沿Y方向变为沿X方向。如图5所示，第二光学功能结构122(例如采用全息衍射元件的形式)将光线的左眼图像和右眼图像分别引导至第三光学功能结构123和第四光学功能结构124。在第三光学功能结构123和第四光学功能结构124的衍射作用下，左眼图像和右眼图像随后从光波导镜片110出射，从而向用户呈现增强现实的图像。
与现有技术相比，图1A和1B所示的用于呈现图像的装置增加了出瞳视窗，从而提高镜片表面的利用率。
图6为按照本实用新型另一个实施例的用于实现增强现实显示的***的示意图。
如图6所示的***1包括图像呈现装置10和图像源20。图像源20配置为向图像呈现装置10提供包含左眼图像和右眼图像的光线。图像呈现装置10配置为向用户呈现增强现实图像。在本实施例中，示例性地，图像呈现装置10可以采用如上借助图1A、图1B、图2A-2C和图3-5所述的实施例来实现。
上文描述了本实用新型的原理和较佳实施例。然而，本实用新型不应被解释为限于所讨论的具体实施例。上述较佳实施例应该被认为是说明性的，而不是限制性的，并且应当理解的时，本领域的技术人员在不偏离下面的权利要求书所限定的本实用新型的范围的前提下，可以在这些实施例中作出变化。

Claims (12)

1.一种用于呈现图像的装置，其特征在于，包含：
光波导镜片；以及
设置于所述光波导镜片表面的第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构，
其中，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的表面的两侧，所述第一光学功能结构和第二光学功能结构位于所述第三光学功能结构与第四光学功能结构之间，
其中，包含左眼图像和右眼图像的光线经所述第一光学功能结构耦合进入所述光波导镜片内，随后经全反射到达所述第二光学功能结构，并且在所述第二光学功能结构的作用下，光线的左眼图像和右眼图像在所述光波导镜片内经全反射分别到达所述第三光学功能结构和第四光学功能结构并在所述第三光学功能结构和第四光学功能结构的作用下从所述光波导镜片出射。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构为一维光栅，所述第二光学功能结构为全息衍射元件。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述一维光栅为下列中的一种：倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅和体光栅。
4.如权利要求1所述的装置，其中，在第一方向上，所述第一光学功能结构相对于第二光学功能结构被间隔设置，并且在不同于第一方向的第二方向上，所述第一光学功能结构和第二光学功能结构相对于第三光学功能结构和第四光学功能结构被间隔设置。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述第一方向垂直于第二方向。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的同一表面。
7.一种用于实现增强现实显示的***，其特征在于，包含：
图像源，配置为提供包含左眼图像和右眼图像的光线；以及
图像呈现装置，包括：
光波导镜片；以及
设置于所述光波导镜片表面的第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构，
其中，所述第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的表面的两侧，所述第一光学功能结构和第二光学功能结构位于所述第三光学功能结构与第四光学功能结构之间，
其中，所述光线经所述第一光学功能结构耦合进入所述光波导镜片内，随后经全反射到达所述第二光学功能结构，并且在所述第二光学功能结构的作用下，光线的左眼图像和右眼图像在所述光波导镜片内经全反射分别到达所述第三光学功能结构和第四光学功能结构并在所述第三光学功能结构和第四光学功能结构的作用下从所述光波导镜片出射。
8.如权利要求7所述的***，其中，所述第一光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构为一维光栅，所述第二光学功能结构为全息衍射元件。
9.如权利要求8所述的***，其中，所述一维光栅为下列中的一种：倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅和体光栅。
10.如权利要求7所述的***，其中，在第一方向上，所述第一光学功能结构相对于第二光学功能结构被间隔设置，并且在不同于第一方向的第二方向上，所述第一光学功能结构和第二光学功能结构相对于第三光学功能结构和第四光学功能结构被间隔设置。
11.如权利要求10所述的***，其中，所述第一方向垂直于第二方向。
12.如权利要求7所述的***，其中，所述第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的同一表面。
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