CN210776045U - 一种光波导结构及增强现实设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种光波导结构及增强现实设备，该光波导结构包括：波导衬底、耦入元件、耦出元件以及变色元件，耦入元件设于波导衬底的一端，耦出元件设于波导衬底的另一端，变色元件设于波导衬底上且与耦出元件位于波导衬底的相同端，并贴附于波导衬底远离人眼这一侧的表面，变色元件为颜色或/和透过率可调的变色元件。本实用新型通过在波导衬底上设置一变色元件，通过控制变色元件的加电状态来控制变色元件的颜色及透过率等光学属性，可以在不同强度的环境光存在的情况下，有效提升显示画面对比度，保证增强现实设备虚拟画面和外界真实画面的亮度比，增强临场感，并且镜片外观颜色可调，增加镜片美观和实用性，保护用户隐私。
Description
技术领域
本实用新型涉及AR显示技术领域，尤其涉及一种光波导结构及增强现实设备。
背景技术
基于增强现实技术(Augmented Reality)的智能眼镜作为可穿戴智能设备，近年来备受关注。在AR眼镜的光学***中，图像源的信息经中继光学***放大后，投射在AR镜片上并进入人眼，同时前方外部景象也可以透过镜片进入人眼，即人眼通过镜片可以同时看到图像源和外部景象信息，它是一种半浸入式显示，信息是双通道的。AR眼镜通过显示与真实世界匹配的虚拟信息，来增强用户对世界的感知。
而其中，AR镜片作为光学显示元件是关键的技术点，其中，光栅与光波导的组合结构是受推崇的AR镜片光学显示方案。Akonia，Dispelix，waveoptics，magic leap，微软等公司和研究机构均在开发此方案。此方案的光学原理：图像源光线经准直透镜后变成平行光到达第一个光栅(耦合输入光栅)，由该光栅的衍射效应使平行光改变传输方向，因衍射光束满足全反射条件，光线沿着光栅衬底(即波导衬底)传输，当平行光传输到第二个光栅(耦合输出光栅)时，耦合输出光栅对分散的光线重新组合，使其按照耦合输入的方向重新输出到光波导结构外。
因光栅的衍射光学特性，光波导结构在显示亮度和对比度方面存在较大挑战，为了提高显示图像亮度和对比度，一般采用增加遮光罩或高亮显示源的方式。常见方案为在显示镜片外附加一个透过率恒定的遮光镜片。如微软的HoloLens，Magic leap one等设备。
但，常见的附加遮光罩方案由于遮光罩的透光度恒定，外界环境光部分被遮光罩吸收，在强光环境及特殊环境光应用场景中，用户无法看清外界画面，影响眼镜的实用性和用户体验。同时，作为可穿戴设备的元件，通常要求AR眼镜结构紧凑、美观的特点，但附加遮光罩方案不利于AR眼睛结构紧凑，并影响美观。另外，作为信息显示元件，显示信息的亮度高低影响到观察者的舒适度及获取信息的完整性，附加遮光罩方案使得显示信息偏暗，用户观看体验不好，并难于获取信息的完整性。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种控制环境光光强的光波导结构，以解决现有光波导结构中遮光罩透光度恒定而导致环境光强度不可控的问题。
本实用新型的目的还在于提供一种增强现实设备，以解决现有的AR设备用户体验感不好的问题。
为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：本实用新型提供一种光波导结构，包括：波导衬底、耦入元件、耦出元件以及变色元件，所述耦入元件设于所述波导衬底的一端，所述耦出元件设于所述波导衬底的另一端，所述变色元件设于所述波导衬底上且与所述耦出元件位于所述波导衬底的相同端，并贴附于所述波导衬底远离人眼这一侧的表面，所述变色元件为颜色或/和透过率可调的变色元件。
进一步地，所述变色元件为电致变色膜层结构。
进一步地，所述变色元件采用低折射率光学胶水或隔离膜全贴合于所述波导衬底上；或者，
所述变色元件采用非全贴合方式贴附于所述波导衬底上，所述变色元件采用胶带贴附于所述波导衬底上，所述变色元件设置的胶带区域与所述波导衬底之间存在空气间隙。
进一步地，所述光波导结构还包括一保护基材，所述保护基材盖合于所述波导衬底和所述变色元件上，所述保护基材为玻璃衬底。
进一步地，当所述变色元件采用非全贴合方式贴附于所述波导衬底上时，还在所述变色元件的两端部贴附有贴合胶层，所述贴合胶层将变色元件的端部与波导衬底连接起来。
进一步地，所述变色元件的面积等于或小于所述波导衬底表面的面积。
进一步地，所述变色元件包括若干第一子变色元件，若干第一子变色元件设于所述波导衬底上，且，该些第一子变色元件处于同一平面。
进一步地，所述变色元件包括若干第二子变色元件，若干第二子变色元件层叠式贴合在一起，每一所述第二子变色元件对应一种颜色波长设置。
本实用新型还提供一种光波导结构，包括层叠设置的若干光波导结构，该若干光波导结构为前述的光波导结构。
本实用新型还提供一种光波导结构，包括第一光波导结构和若干第二光波导结构，所述第一光波导结构和若干所述第二光波导结构层叠设置且所述第一光波导结构靠近人眼这一侧；所述第一光波导结构为前述的光波导结构；所述第二光波导结构包括：波导衬底，设于波导衬底一端的耦出元件和变色元件，所述变色元件设于所述波导衬底远离人眼一侧的表面上，经所述第一光波导结构的耦入元件将来自图像源的光线耦入所述第一光波导结构的波导衬底并经所述第一光波导结构的耦出元件耦出至人眼。
本实用新型还提供一种增强现实设备，包括上述的光波导结构。
采用上述方案，本实用新型提供一种光波导结构以及增强现实设备，通过在波导衬底上设置一变色元件，通过控制变色元件的加电状态来控制变色元件的颜色及透过率等光学属性，可以在不同强度的环境光存在的情况下，有效提升显示画面对比度，弥补增强现实设备显示图像对比度不足及显示效果较差的缺点，在室外或强光线情况下，最大程度吸收紫外光等光线，保证增强现实设备虚拟画面和外界真实画面的亮度比，增强临场感，并且镜片外观颜色可调，增加镜片美观和实用性，保护用户隐私。
附图说明
图1为本实用新型光波导结构一实施例的结构示意图。
图2为本实用新型光波导结构环境光线入口***设置贴合胶层的结构示意图。
图3为本实用新型光波导结构另一实施例的结构示意图。
图4为本实用新型光波导结构又一实施例的结构示意图。
图5为本实用新型光波导结构第四实施例的结构示意图。
图6为本实用新型光波导结构第五实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明。
基于背景技术中阐述的现有AR镜片中存在显示效果与实用性方面的问题，本实用新型提供一种环境光光强可控的光波导结构，通过设置变色元件，并控制变色元件的加电状态来控制变色元件的颜色及透过率从而控制进来的环境光光强，从而有效提升显示画面对比度，增强临场感。请参阅图1，该光波导结构具体包括：波导衬底8、耦入元件4、耦出元件6以及变色元件2，所述耦入元件4设于所述光波导结构8的一端，用于将图像源3发出的并经准直透镜变成平行光的光线耦合进波导衬底8中，该耦入元件4为一光栅，该光栅的光栅结构可以是全息光学元件—体相位光栅，或也可以是衍射光学元件-表面浮雕光栅。所述耦出元件6设于所述波导衬底8的另一端，用于将波导衬底8中传播的全反射光波进行耦合输出，该耦合元件6为一光栅，可以是可以是全息光学元件—体相位光栅，或也可以是衍射光学元件-表面浮雕光栅。所述变色元件2设于所述波导衬底8上且与所述耦出元件位于所述波导衬底8的相同端，具体为设置在所述波导衬底8远离人眼5这一侧，所述变色元件2的面积等于或小于所述波导衬底8表面的面积，当所述变色元件2的面积等于或大于所述波导衬底8的成像区域的面积时，用户的整个视野范围均可以变色；当所述变色元件2的面积小于所述波导衬底8的成像区域的面积时，此时，只有部分视野范围内可以变色。所述变色元件2为颜色、透过率等光学属性可以的变色元件。通过调节变色元件2的颜色和透过率，可以增加整个增强现实设备(AR镜片)的美观和实用性，还可以保护用户隐私。
具体的，所述变色元件2选用电致变色膜层结构，控制加电状态来控制变色元件2的颜色深度来削弱环境光的原理，通过调节变色元件2的附加电压与AR眼镜显示内容的亮度相匹配，从而起到削弱环境光对增强现实设备显示效果带来的负面影响。为使虚拟画面亮度与外界真实画面对比度满足较好的视觉效果，图像源3输出光线的亮度需为外界真实画面亮度的3-4倍。本实用新型提供的光波导结构可调节进入的环境光的亮度，因而，图像源3无需发出高亮度的光线，其发出低亮度的图像光线也可以得到很好的视觉效果，可以降低整个光学***功耗。因此，本实用新型提供的增强现实设备通过调节外界环境光可以达到降低整体***的功耗同时达到更好的显示对比度的目的。
电致变色膜层结构是利用电致变色材料制成的一种薄膜结构，厚度为50-200um，材质柔软。电致变色膜的结构从上到下分别为透明基底材料、透明导电层、电致变色层、电解质层、离子存储层、透明导电层，电致变色层选用的材料可以包括各种有机材料、无机材料的组合，诸如二氧化钛(TiO2)、主要用作透明电极材料的铟锡氧化物(ITO)、镁或钙的合金，还可以使用能够替代ITO的银纳米线、银盐或银纳米颗粒来实现ITO导电层。该电致变色层结构工作时，在两个透明导电层之间加电压，通过从电致变色层电荷或离子的注入或抽取，从而在低透过率的着色状态和高透射率的消色状态之间产生可逆变化，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化，从而实现变色元件显示颜色的可调以及光线透过率的可调。
为了提升AR镜片的紧凑度以及美观，所述耦入元件4与耦出元件6贴附于所述波导衬底8的同一侧，且设于所述光波导结构8的靠近人眼5这一侧，所述变色元件2贴附于与所述耦出元件6相对的另一侧(远离人眼5这一侧)上。
所述变色元件2的与波导衬底的组合方式有以下两种方式：
第一种：所述变色元件2采用低折射率光学胶水或隔离膜全贴合于所述波导衬底8上。在所述变色元件2与波导衬底8相互贴合时，用低折射率光学胶水或隔离膜可消减其对波导衬底8内的光路产生影响。
第二种：所述变色元件2采用非全贴合方式贴附于所述波导衬底8上，所述变色元件2***采用胶带(如硬质环形胶带)贴附于所述波导衬底8上，所述变色元件2没有设置胶带区域与所述波导衬底8之间形成有空气层，如图2中所示的空气层9。请继续参阅图2，在采用此种非全贴合方式连接时，还在所述变色元件2的两端部贴附有贴合胶层12，所述贴合胶层12将变色元件的端部与波导衬底连接起来，以隔绝空气层的流动。
然变色元件2的设计方式不仅限于上述两种方式，只要能够将变色元件2固定于所述波导衬底8上，且不会挡住环境光线进入增强现实设备均可满足本实用新型的需求。
当然，可以理解的是，光波导结构还可以包括一保护基材13在采用上述方式将变色元件2与波导衬底8连接之后，将所述保护基材13盖合于所述波导衬底8和所述变色元件2上，以保护所述光波导结构，所述保护基材为玻璃衬底，如超薄玻璃等。
所述波导衬底8可用无机玻璃材料，如光学石英玻璃(JGS1、JGS2、BK7等)；或有机热塑性塑料，如聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；又或者透明的热固性材料，例如基于丙烯酸酯、聚氨酯、聚脲、聚硫胺甲酸酯和烯丙基二甘醇碳酸酯(ADC)等的有机玻璃。
作为可供选择的另一实施例，请参阅图3，所述变色元件2”包括若干第一子变色元件22，若干第一子变色元件22设于所述波导衬底8上，且，该些第一子变色元件22处于同一平面，该些第一子变色元件22均选用前述的电致变色膜层结构，可以实现不同区域背景色的改变。更具体的，第一子变色元件22的数量为4，4块第一子变色元件22呈矩阵式排布。
作为可供选择的又一实施例，请参阅图4，所述变色元件2’包括若干第二子变色元件21，该些第二子变色元件21均选用前述的电致变色膜层结构。若干第二子变色元件21层叠式贴合在一起，每一所述第二子变色元件21对应一种颜色波长设置。更具体的，第二子变色元件21的数量为3，3层第二子变色元件21层叠在一起，且分别对应红色、绿色和蓝色设置，实现了光栅3色传输、背景透过率和颜色的可调。
作为的可供选择的第四实施例，可将若干个上述的光波导结构层叠式设置在一起，如图5所示。
为了节省成本，可以将除了靠近人眼这一侧的光波导结构的耦入元件去掉，下面将通过图6进行详细描述。
作为可供选择的第五实施例，请参阅图6，本实用新型提供的光波导结构包括第一光波导结构81和若干第二光波导结构82，所述第一光波导结构81和若干所述第二光波导结构82层叠设置且所述第一光波导结构81靠近人眼5这一侧。所述第一光波导结构81为上述第一至第三实施例的光波导结构。所述第二光波导结构82包括：波导衬底91，设于波导衬底91一端的耦出元件92和变色元件93，所述变色元件93设于所述波导衬底91远离人眼5一侧的表面上，经所述第一光波导结构81的耦入元件4将来自图像源3的光线耦入所述第一光波导结构81的波导衬底8并经所述第一光波导结构81的耦出元件6耦出至人眼5。环境光线经过若干第二光波导结构82入射至所述第一光波导结构81的波导衬底8中，并与图像源3的光线相叠加后，经所述第一光波导结构81的耦出元件6耦出至人眼5。每一所述第二光波导结构82优选对应一种颜色设置。更具体的，所述第二光波导结构82的数量为3，且分别对应红色、绿色和蓝色设置，实现了光栅3色传输、背景透过率和颜色的可调。
本实用新型还提供一种增强现实设备，其包括上述的光波导结构。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光波导结构，其特征在于，包括：波导衬底、耦入元件、耦出元件以及变色元件，所述耦入元件设于所述波导衬底的一端，所述耦出元件设于所述波导衬底的另一端，所述变色元件设于所述波导衬底上且与所述耦出元件位于所述波导衬底的相同端，并贴附于所述波导衬底远离人眼这一侧的表面，所述变色元件为颜色或/和透过率可调的变色元件。
2.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述变色元件采用低折射率光学胶水或隔离膜全贴合于所述波导衬底上；或者，
所述变色元件采用非全贴合方式贴附于所述波导衬底上，所述变色元件采用胶带贴附于所述波导衬底上，所述变色元件设置的胶带区域与所述波导衬底之间存在空气间隙。
3.如权利要求2所述的光波导结构，其特征在于，所述光波导结构还包括一保护基材，所述保护基材盖合于所述波导衬底和所述变色元件上，所述保护基材为玻璃衬底。
4.根据权利要求2所述的光波导结构，其特征在于，当所述变色元件采用非全贴合方式贴附于所述波导衬底上时，还在所述变色元件的两端部贴附有贴合胶层，所述贴合胶层将变色元件的端部与波导衬底连接起来。
5.根据权利要求1-4任一项所述的光波导结构，其特征在于，所述变色元件的面积等于或小于所述波导衬底表面的面积。
6.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述变色元件包括若干第一子变色元件，若干第一子变色元件设于所述波导衬底上，且，该些第一子变色元件处于同一平面。
7.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述变色元件包括若干第二子变色元件，若干第二子变色元件层叠式贴合在一起，每一所述第二子变色元件对应一种颜色波长设置。
8.一种光波导结构，其特征在于，包括层叠设置的若干光波导结构，所述光波导结构为权利要求1-6中任一项所述的光波导结构。
9.一种光波导结构，其特征在于，包括第一光波导结构和若干第二光波导结构，所述第一光波导结构和若干所述第二光波导结构层叠设置且所述第一光波导结构靠近人眼这一侧；所述第一光波导结构为权利要求1-6任一项所述的光波导结构；所述第二光波导结构包括：波导衬底，设于波导衬底一端的耦出元件和变色元件，所述变色元件设于所述波导衬底远离人眼一侧的表面上，经所述第一光波导结构的耦入元件将来自图像源的光线耦入所述第一光波导结构的波导衬底并经所述第一光波导结构的耦出元件耦出至人眼。
10.一种增强现实设备，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的光波导结构。
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| CN201922234192.3U Active CN210776045U (zh) | 2019-12-12 | 2019-12-12 | 一种光波导结构及增强现实设备 |
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| CN (1) | CN210776045U (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112925117A (zh) * | 2021-01-28 | 2021-06-08 | 艾普偏光科技(厦门)有限公司 | 一种rgb三色导膜可见光变色的眼镜镜片及制备方法 |
| CN113126300A (zh) * | 2021-04-13 | 2021-07-16 | 维沃移动通信有限公司 | 增强现实眼镜及其显示画面的调节方法 |
| CN114252996A (zh) * | 2020-09-25 | 2022-03-29 | 宏达国际电子股份有限公司 | 近眼式显示器装置及其颜色辨识度的增强方法 |
| CN114384698A (zh) * | 2020-10-19 | 2022-04-22 | 宏碁股份有限公司 | 拓展眼盒的智能眼镜 |
| WO2024034150A1 (ja) * | 2022-08-08 | 2024-02-15 | Ｃｅｌｌｉｄ株式会社 | 投影光学系及び眼鏡型端末 |
| WO2024033969A1 (ja) * | 2022-08-08 | 2024-02-15 | Ｃｅｌｌｉｄ株式会社 | 投影光学系及び眼鏡型端末 |
-
2019
- 2019-12-12 CN CN201922234192.3U patent/CN210776045U/zh active Active
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |