一种增强现实显示光学系统技术方案

本发明专利技术提供一种新型的增强现实显示光学系统。该光学系统主要包括光线偏转器，耦合输入光栅，波导层以及耦合输出光栅。光线偏转器和耦合输入光栅都是利用了偏振光栅的衍射特性而设计，耦合输出光栅为常用的布拉格反射光栅。该AR光学系统与其他的AR方案对比，不仅将所需微型投影仪的数目从2个减少到1个，同时由于其耦合输入结构利用了偏振光栅单级衍射的特性，提高了光线耦合进入光波导中的效率，减少了能量损失。其光线偏转器利用了偏振光栅的偏振选择性以及TN型液晶层来实现光束偏转。整个系统结构简单，厚度可以控制在很薄的范围内，有利于将该光学系统应用于实际。

An Augmented Reality Display Optical System

【技术实现步骤摘要】
一种增强现实显示光学系统
本专利技术属于增强现实显示
，特别是涉及一种增强现实显示的光学系统。
技术介绍
增强现实技术作为目前的一个热点，受到很多研究人员的关注。它是一种利用特殊设计的光学系统，将计算产生的图像输出投向人眼，使得观察者在看到现实事物的同时能看到计算机生成的虚拟影像，从而增强人视觉体验的技术。这种技术通过连接现实世界和虚拟世界，打通了它们之间的壁垒，极大地加强了人与计算机的互动，使得它在医疗，通讯，检修，娱乐很多方面都有着很多显著的应用前景。目前这种技术一般以穿戴式头盔即智能眼镜的形式存在。科学家们想了很多硬件方案，设计出各种光学系统来将这种技术带入实践中。其中包括反射棱镜，自由曲面，全息光栅波导，指向光源，以及光场技术等。但这些方案都有着亮度低，能量利用率低等缺点。因此，如何提供一种增强现实显示系统，以解决现有技术所存在不易集成，且光能利用率低，视野中图像亮度低等缺陷，实已成为本领域从业人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种增强现实显示光学系统，用于解决现有技术中所存在不易集成，且光能利用率低，视野中图像亮度低的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种增强现实显示光学系统，包括左右眼两部分系统，其中左右眼两部分系统共用一个微型投影仪和一个光线偏转器结构，光线偏转器结构包括：第一TN型液晶层、第一消色散四分之一波片、第一偏振光栅板；第一TN型液晶层、第一消色散四分之一波片板、第一偏振光栅板相互平行，且依次贴合；第一TN型液晶层为两侧分别设置有透明电极层的TN型液晶层，第一TN型液晶层设置有透明电极层的第一侧平行于微型投影仪的出光侧，第一TN型液晶层设置有透明电极层的第二侧贴合于第一消色散四分之一波片的第一侧，第一消色散四分之一波片的第二侧贴合于第一偏振光栅板的第一侧；左眼系统另外还包括：第一光波导、第二光波导、第三光波导；其中第一光波导包括第二偏振光栅板，第一平面波导层和第一布拉格光栅板；第二光波导包括第三偏振光栅板，第二平面波导层和第二布拉格光栅板；第三光波导包括第四偏振光栅板，第三平面波导层和第三布拉格光栅板；右眼系统结构与左眼系统结构对称分布，右眼系统另外还包括：第四光波导、第五光波导、第六光波导；其中第四光波导包括第五偏振光栅板、第四平面波导层和第四布拉格光栅板，第五光波导包括第六偏振光栅板、第五平面波导层和第五布拉格光栅板，第六光波导包括第七偏振光栅板、第六平面波导层和第六布拉格光栅板；光波导中的平面波导层包括包层和导波层，其中光波导中的偏振光栅板材料的折射率大于其包层材料的折射率，包层材料的折射率小于其导波层材料的折射率；所有光波导都为三层结构，偏振光栅板和包层相连作为第一层，包层和导波层相连作为第二层，包层作为第三层，布拉格光栅板处于第二层中的导波层中，三层相互平行，且依次贴合；右眼系统和左眼系统采用时分复用的方式一起工作，即通过第一偏振光栅板的第二侧出射的光会周期性地射向第一、第二、第三光波导或第四、第五、第六光波导；其中，第一TN型液晶层与控制电路电性连接，由控制电路控制其两侧透明电极层上的电压；微型投影仪与控制电路电性连接，微型投影仪上加载的左右眼画面的切换频率与第一TN型液晶层两侧透明电极层上加载的电压周期频率一致。于本专利技术的一实施例中，所述光波导中的包层为SiO2材料，导波层为Si材料，偏振光栅板为偶氮液晶聚合物；SiO2的折射率大约为1.5，Si的折射率为3.5，偶氮液晶聚合物的折射率为1.7，满足偏振光栅板材料的折射率大于其包层材料的折射率，包层材料的折射率小于其导波层材料的折射率这个条件。于本专利技术的一实施例中，所述控制器电性连接在所述第一TN型液晶层的透明电极层上，用以周期性地为所述透明电极层上加载电压，以控制所述液晶显示面板出射的偏振光通过所述第一TN型液晶层后的偏振态。于本专利技术的一实施例中，以左眼系统为例，微型投影仪的发出的白光首先经过第一TN型液晶层，当液晶层两侧的透明电极层不加电压时，液晶层内则没有电场，此时光通过它后其线偏态会被旋转90度，即从原来的S线偏态转变成P线偏态。P线偏态的光经过第一消色散的四分之一波片后转变成左旋圆偏态，左旋圆偏态的光线入射到第一偏振光栅上产生-1级衍射。由于偏振光栅的衍射角和波长有关，所以白光入射到偏振光栅上衍射后会发生色散被分成蓝，绿，红三束光线。蓝，绿，红三束光分别射入第一光波导，第二光波导，第三光波导。蓝光入射到第一光波导第一层的偏振光栅板上发生衍射后进入第一光波导第二层的包层，然后光线到达第二层中包层和导波层的接触面后发生折射进入第二层中的导波层，最后光线在第二层的导波层中发生全反射并向着第一布拉格光栅板传播，入射到第一布拉格光栅板上后发生反射从第一光波导中垂直射出；绿光入射到第二光波导第一层的偏振光栅板上发生衍射后进入第二光波导第二层的包层，然后光线到达第二层中包层和导波层的接触面后发生折射进入第二层中的导波层，最后光线在第二层的导波层中发生全反射并向着第二布拉格光栅板传播，入射到第二布拉格光栅板上后发生反射从第二光波导中垂直射出；红光入射到第三光波导第一层的偏振光栅板上发生衍射后进入第三光波导第二层的包层，然后光线到达第二层中包层和导波层的接触面后发生折射进入第二层中的导波层，最后光线在第二层的导波层中发生全反射并向着第三布拉格光栅板传播，入射到第三布拉格光栅板上后发生反射从第三光波导中垂直射出。右眼系统工作原理与左眼系统一致。控制电路周期性地给第一TN型液晶层两侧的透明电极层上加载电压，以控制光线的周期性偏转。于本专利技术的一实施例中，蓝，绿，红三束光从各自的光波导中垂直出射的位置重合。如上所述，本专利技术的增强现实显示光学系统，具有以下有益效果：第一，本专利技术所述增强现实显示光学系统具有高耦合效率、低能量损耗、易集成等特点，可以明显提升视野中图像的亮度和延长系统待机时间；第二，本专利技术本专利技术所述增强现实显示光学系统只需一个微型投影仪，极大地降低了生产成本。第三，本专利技术所述增强现实显示光学系统在增强现实显示领域，特别是应用于头戴式智能眼镜有着很大的优势及应用前景。附图说明图1为本专利技术的增强现实显示光学系统的原理结构示意图。图2为本专利技术的增强现实显示系统中光波导结构示意图。附图标记如下11第一TN型液晶层12第一消色散四分之一波片13第一偏振光栅板14第一光波导15第二光波导16第三光波导17第四光波导18第五光波导19第六光波导21偏振光栅板22包层23导波层24布拉格光栅板具体实施方式以下由特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点及功效。请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本专利技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本专利技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本专利技术所揭示的
技术实现思路
得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增强现实显示光学系统，其特征在于，包括：左右眼两部分系统，其中左右眼两部分系统共用一个微型投影仪和一个光线偏转器结构，光线偏转器结构包括：第一TN型液晶层、第一消色散四分之一波片、第一偏振光栅板；第一TN型液晶层、第一消色散四分之一波片板、第一偏振光栅板相互平行，且依次贴合；第一TN型液晶层为两侧分别设置有透明电极层的TN型液晶层，第一TN型液晶层设置有透明电极层的第一侧平行于微型投影仪的出光侧，第一TN型液晶层设置有透明电极层的第二侧贴合于第一消色散四分之一波片的第一侧，第一消色散四分之一波片的第二侧贴合于第一偏振光栅板的第一侧；左眼系统另外还包括：第一光波导、第二光波导、第三光波导；其中第一光波导包括第二偏振光栅板，第一平面波导层和第一布拉格光栅板；第二光波导包括第三偏振光栅板，第二平面波导层和第二布拉格光栅板；第三光波导包括第四偏振光栅板，第三平面波导层和第三布拉格光栅板；右眼系统结构与左眼系统结构对称分布，右眼系统另外还包括：第四光波导、第五光波导、第六光波导；其中第四光波导包括第五偏振光栅板、第四平面波导层和第四布拉格光栅板，第五光波导包括第六偏振光栅板、第五平面波导层和第五布拉格光栅板，第六光波导包括第七偏振光栅板、第六平面波导层和第六布拉格光栅板；光波导中的平面波导层包括包层和导波层，其中光波导中的偏振光栅板材料的折射率大于其包层材料的折射率，包层材料的折射率小于其导波层材料的折射率；所有光波导都为三层结构，偏振光栅板和包层相连作为第一层，包层和导波层相连作为第二层，包层作为第三层，布拉格光栅板处于第二层中的导波层中，三层相互平行，且依次贴合；右眼系统和左眼系统采用时分复用的方式一起工作，即通过第一偏振光栅板的第二侧出射的光会周期性地射向第一、第二、第三光波导或第四、第五、第六光波导；其中，第一TN型液晶层与控制电路电性连接，由控制电路控制其两侧透明电极层上的电压；微型投影仪与控制电路电性连接，微型投影仪上加载的左右眼画面的切换频率与第一TN型液晶层两侧透明电极层上加载的电压周期频率一致。...

【技术特征摘要】
1.一种增强现实显示光学系统，其特征在于，包括：左右眼两部分系统，其中左右眼两部分系统共用一个微型投影仪和一个光线偏转器结构，光线偏转器结构包括：第一TN型液晶层、第一消色散四分之一波片、第一偏振光栅板；第一TN型液晶层、第一消色散四分之一波片板、第一偏振光栅板相互平行，且依次贴合；第一TN型液晶层为两侧分别设置有透明电极层的TN型液晶层，第一TN型液晶层设置有透明电极层的第一侧平行于微型投影仪的出光侧，第一TN型液晶层设置有透明电极层的第二侧贴合于第一消色散四分之一波片的第一侧，第一消色散四分之一波片的第二侧贴合于第一偏振光栅板的第一侧；左眼系统另外还包括：第一光波导、第二光波导、第三光波导；其中第一光波导包括第二偏振光栅板，第一平面波导层和第一布拉格光栅板；第二光波导包括第三偏振光栅板，第二平面波导层和第二布拉格光栅板；第三光波导包括第四偏振光栅板，第三平面波导层和第三布拉格光栅板；右眼系统结构与左眼系统结构对称分布，右眼系统另外还包括：第四光波导、第五光波导、第六光波导；其中第四光波导包括第五偏振光栅板、第四平面波导层和...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏人杰，王长顺，潘雨佳，陈天宇，吕子瑶，孙丽丽，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31