一种基于衍射整合器的增强现实显示系统及其制造方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于衍射整合器的增强现实显示系统及其制造方法，属于增强现实显示技术领域。本发明专利技术包括衍射整合器，由具有表面浮雕衍射光栅的紫外光固化/热固化树脂层构成，用于将虚拟图像反射至人眼；衍射整合器承载基底，用于承载衍射整合器；所述衍射整合器承载基底透明或者部分透明；光机投影器，与衍射整合器的中心相距5~60mm，作为图像显示源，用于将虚拟图像投射至衍射整合器。本发明专利技术具备日常眼镜的轻薄形态，可以与日常眼镜完全兼容，制作成本低、灵活性高，可大规模复制，适于工业生产。

【技术实现步骤摘要】
一种基于衍射整合器的增强现实显示系统及其制造方法
本专利技术涉及增强现实显示
，特别涉及一种基于衍射整合器的增强现实显示系统及其制造方法。
技术介绍
增强现实，是将真实世界信息和虚拟世界信息实时叠加到同一个画面或空间的新技术。通过计算机生成的提示信息、虚拟物体或虚拟场景叠加到真实世界中，实现超越现实的感官体验。由于具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，增强现实在数据模型的可视化、军事武器研发与制造、飞行导航、医疗培训、远程控制、娱乐与艺术等领域均有广泛的应用。增强现实技术中的显示装置，根据显示原理分为光学透射式和视频透射式两大类。光学透射式增强现实显示系统在允许用户接收虚拟现实信息的同时，不切断用户接收真实世界信息的显示通路。由于分辨率高、无视觉偏差、无时延以及更符合社交习惯等优势，光学透射式增强现实显示系统已成为主流。此类显示系统或采用透明器件，或将显示器件放置在用户的边缘视野。目前已上市的能够实现增强现实的光学透射式近眼显示设备有EpsonMoverio,GoogleGlass,MicrosoftHoloLens,MagicLeapOne。增强现实显示系统的光学性能是综合性能评价的重要指标。然而，作为穿戴式的近眼显示设备，人体工学和美学也是决定产品能否被大众消费者广为接受的重要原因。眼镜的全球化普及说明了若穿戴式设备具备眼镜的轻薄形态，则可满足消费者对近眼设备在人体工学和美学方面的要求。以上提及的以及目前市场上已有的其它增强现实显示设备，与眼镜相比，均过于厚重并缺乏时尚感。例如，EpsonMoverio和GoogleGlass采用的近眼成像部件比日常眼镜厚得多，并且有限的横向尺寸使得设备不符合对穿戴式设备的美学要求。MicrosoftHoloLens采用光波导作为显示部件，光波导的形态虽然与眼镜相接近，但日常佩戴眼镜的用户在使用HoloLens时需要继续佩戴自己的眼镜，因而系统的整体仍旧笨重。MagicLeapOne也采用光波导作为显示部件，然而为满足其功能性的设计，设备无法与用户佩戴的眼镜兼容，使得戴眼镜的用户无法获得正常的视觉体验。在人体工学和美学上的缺陷已成为当前市场上所有增强现实显示设备均未在消费领域产生足够的用户粘性的重要原因。目前的增强现实近眼显示器均过于笨重，形态与理想的眼镜形态相差甚远。以光波导为显示核心的增强现实近眼显示器虽与眼镜形态相似，但对于佩戴眼镜的用户无法离开眼镜独立使用。
技术实现思路
为了弥补现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于衍射整合器的增强现实显示系统。本专利技术的技术方案为：一种基于衍射整合器的增强现实显示系统，包括：衍射整合器，由具有表面浮雕衍射光栅的紫外光固化/热固化树脂层构成，用于将虚拟图像反射至人眼；衍射整合器承载基底，用于承载衍射整合器；所述衍射整合器承载基底透明或者部分透明；光机投影器，与衍射整合器的中心相距5～60mm，作为图像显示源，用于将虚拟图像投射至衍射整合器。作为优选方案，所述衍射整合器具有非恒定周期的弧形光栅。作为优选方案，光机投影器和衍射整合器的中心连接线与光机投影器的零视场主光线重合。作为优选方案，所述衍射整合器承载基底为两表面互相平行、无光焦度的平行光学平板或两表面互相平行、无光焦度的平行曲面板或自身具备光焦度的矫正近视所用的凹透镜型眼镜镜片或自身具备光焦度的矫正远视所用的凸透镜型眼镜镜片。作为优选方案，所述衍射整合器承载基底为眼镜镜片，所述眼镜镜片包括左眼镜片和右眼镜片，所述眼镜镜片固定于眼镜架的镜框。进一步地，所述衍射整合器包括左眼衍射整合器和右眼衍射整合器；所述左眼衍射整合器固定在左眼镜片；所述右眼衍射整合器固定在右眼镜片；所述光机投影器包括左眼光机投影器和右眼光机投影器；左眼光机投影器固定在左眼镜框或左镜腿，用于将虚拟图像反射至用户的左眼；右眼光机投影器固定在右眼镜框或右镜腿，用于将虚拟图像反射至用户的右眼。作为优选方案，所述光机投影器为微显示器或微显示器与透镜/透镜组的组合。所述基于衍射整合器的增强现实显示系统的制造方法，包括步骤：1)利用刻蚀加工方法制作衍射整合器母版；2)将弹性子模的化学前体置于衍射整合器母版中，聚合成型后，从衍射整合器母版中脱离，得到弹性子模，得到的弹性子模上包含有需转印衍射整合器结构的阴模；3)将紫外光固化树脂或热固化树脂滴在衍射整合整合器承载基底上，涂抹均匀；4)用压力将弹性子模压到衍射整合整合器承载基底上，使树脂充分散开并填充弹性子模的空腔，通过紫外光照或加热使得压印区域的聚合物发生聚合和固化成型；5)将弹性子模从衍射整合整合器承载基底上移除，实现衍射整合器固定在衍射整合整合器承载基底上；6)配置用于将虚拟图像投射至衍射整合器的光机投影器。作为优选方案，所述弹性子模为PDMS弹性子模。当然也可以为其他树脂材料。作为优选方案，衍射整合器母版的刻蚀加工方法包括电子束刻蚀、反应离子束刻蚀、磁增强反应离子刻蚀、高密度等离子体刻蚀、感应耦合式等离子体刻蚀、变压耦合式等离子体刻蚀或电子回旋共振式刻蚀。作为优选方案，所述基于衍射整合器的增强现实显示系统，还包括：外部空间采集器，用于获取外界环境真实场景；位置传感器，用于获取外界环境三维空间位置信息；计算单元，与外部空间采集器和位置传感器均通信连接，用以接收外部空间采集器采集的外界环境真实场景信息和位置传感器采集的外界环境三维空间位置信息；计算单元还与光机投影器连接，用于产生提供给左右眼的虚拟图像信号并将虚拟图像信号传输至光机投影器。进一步地，所述外部空间采集器由单个或多个相机构成，固定设置在镜框或镜腿上；所述位置传感器由加速度计、陀螺仪、磁力计和全球定位系统接收器构成，固定在镜框或镜腿上；所述计算单元包括中央处理器、图形处理器、缓存、随机存取存储器、相机接口、显示器驱动、网络接口，设置在镜框或镜腿或作为与眼镜相互独立的单元；所述计算单元通过相机接口连接外部空间采集器；所述计算单元的中央处理器通过电路与位置传感器的加速度计、陀螺仪、磁力计和全球定位系统接收器连接。进一步地，所述基于衍射整合器的增强现实显示系统，还包括：远程计算系统，由一个或多个处理器构成，通过网络接口与计算单元有线或无线连接；用以接收并处理计算单元采集的外界环境真实场景信息和三维空间位置信息，并为计算单元发生图像信号处理。本专利技术的有益效果为：1、本专利技术的基于衍射整合器的增强现实显示系统具备日常眼镜的轻薄形态，可以与日常眼镜完全兼容。2、本专利技术的基于衍射整合器的增强现实显示系统便于制作，制作成本低灵活性高，可大规模复制，适于工业生产。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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专利技术的一些实施例，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为本专利技术基于衍射整合器的增强现实显示系统一种实施例的组成结构示意图；图2为计算单元与外部空间采集器、位置传感器、微显示器、眼部追踪相机的硬件连接框图；图3为计算单元与外部空间采集器、位置传感器、微显示器、眼部追踪相机、麦克风等的硬件连接框图；图4为基于衍射整合器的增强现实眼镜第一示例的侧边框本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于衍射整合器的增强现实显示系统，其特征在于，包括：衍射整合器，由具有表面浮雕衍射光栅的紫外光固化/热固化树脂层构成，用于将虚拟图像反射至人眼；衍射整合器承载基底，用于承载衍射整合器；所述衍射整合器承载基底透明或者部分透明；光机投影器，与衍射整合器的中心相距5~60mm，作为图像显示源，用于将虚拟图像投射至衍射整合器。

【技术特征摘要】
1.一种基于衍射整合器的增强现实显示系统，其特征在于，包括：衍射整合器，由具有表面浮雕衍射光栅的紫外光固化/热固化树脂层构成，用于将虚拟图像反射至人眼；衍射整合器承载基底，用于承载衍射整合器；所述衍射整合器承载基底透明或者部分透明；光机投影器，与衍射整合器的中心相距5~60mm，作为图像显示源，用于将虚拟图像投射至衍射整合器。2.如权利要求1所述基于衍射整合器的增强现实显示系统，其特征在于：所述衍射整合器具有非恒定周期的弧形光栅。3.如权利要求1所述基于衍射整合器的增强现实显示系统，其特征在于：光机投影器和衍射整合器的中心连接线与光机投影器的零视场主光线重合。4.如权利要求1所述基于衍射整合器的增强现实显示系统，其特征在于：所述衍射整合器承载基底为两表面互相平行、无光焦度的平行光学平板或两表面互相平行、无光焦度的平行曲面板或自身具备光焦度的矫正近视所用的凹透镜型眼镜镜片或自身具备光焦度的矫正远视所用的凸透镜型眼镜镜片。5.如权利要求1所述基于衍射整合器的增强现实显示系统，其特征在于：所述衍射整合器承载基底为眼镜镜片，所述眼镜镜片包括左眼镜片和右眼镜片，所述眼镜镜片固定于眼镜架的镜框。6.如权利要求5所述基于衍射整合器的增强现实显示系统，其特征在于：所述衍射整合器包括左眼衍射整合器和右眼衍射整合器；所述左眼衍射整合器固定在左眼镜片；所述右眼衍射整合器固定在右眼镜片；所述光机投影器包括左眼光机投影器和右眼光机投影器；左眼光机...

【专利技术属性】
技术研发人员：楼歆晔，吴兴坤，黄河，林涛，李晴，
申请(专利权)人：上海鲲游光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31