一种用于增强现实的光栅波导制造技术

本实用新型专利技术公开一种用于增强现实的光栅波导，包括包括：显示光源、与所述显示光源相对设置的波导元件、以及位于所述波导元件上的耦合元件；所述耦合元件包括第一耦入光栅和第一耦出光栅，所述波导元件的内表面和/或外表面为自由曲面结构，所述第一耦入光栅和第一耦出光栅均与所述波导元件具有相同的曲率，所述显示光源发出的光线经所述波导元件和所述第一耦入光栅作用后在所述波导元件中实现全反射，经所述第一耦出光栅和所述波导元件作用后入射到观察者的视野中。本实用新型专利技术采用曲面光栅波导，利用曲面波导结构达到扩大光波导可视区域的目的，有效提升画面边缘的清晰度，增强临场感，并且适配屈光度调节镜片的效果。

A grating waveguide for augmented reality

【技术实现步骤摘要】
一种用于增强现实的光栅波导
本技术涉及增强现实
，尤其涉及一种用于增强现实的光栅波导。
技术介绍
基于增强现实技术(AugmentedReality)的智能眼镜作为可穿戴智能设备，近年来备受关注。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。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。目前适于批量复制生产的光栅波导结构为表面浮雕光栅与玻璃光波导的组合结构，Akonia，Dispelix，waveoptics，微软等公司和研究机构在开发此方案。传统方案的结构如图1所示，可成像AR镜片包括耦入光栅a、耦出光栅c及衬底光波导b三部分，耦出和耦入光栅的光栅周期常数一样。此光学显示方案的原理：窄带图像源光线经准直透镜后变成平行光到达耦入光栅a，由耦入光栅a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，光线沿着光栅的衬底，即衬底光波导b传输，当平行光传输到耦出光栅c时，耦出光栅c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衬底光波导b外。因光栅的窄带光学特性，光栅波导结构在全彩色显示和色彩还原度方面存在较大挑战，为了达到多色显示的目的，一般采用多个光栅波导结构叠加的方式。常见方案为两到三层光栅波导结构粘合叠加的方式。一般采用光学胶水或双面胶粘合。如微软的HoloLens，Magicleapone等设备。作为可穿戴设备的元件，对普通消费者，通常要求AR镜片具有视场角大，结构紧凑，美观的特点。作为信息显示元件，观察视场范围的大小直接影响到观察者获取信息的完整性甚至人员的安全。常见的光栅波导平板结构由于受限于波导材料折射率，这种结构的AR镜片视场角有待提高。另外由于是平板结构，图像平面上各像素点与人眼距离不等，显示效果的保真度和沉浸感较差。因此，现有技术存在不足，需要改进。
技术实现思路
本技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种用于增强现实的光栅波导。本技术的技术方案如下：提供一种用于增强现实的光栅波导，包括：显示光源、与所述显示光源相对设置的波导元件、以及位于所述波导元件上的耦合元件；所述耦合元件包括第一耦入光栅和第一耦出光栅，所述波导元件的内表面和/或外表面为自由曲面结构，所述第一耦入光栅和第一耦出光栅均与所述波导元件具有相同的曲率。所述显示光源发出的光线经所述波导元件和所述第一耦入光栅作用后在所述波导元件中实现全反射，经所述第一耦出光栅和所述波导元件作用后入射到观察者的视野中。进一步地，所述波导元件、所述第一耦入光栅和第一耦出光栅的曲率中心均位于所述观察者这一侧。进一步地，所述第一耦入光栅和第一耦出光栅位于所述波导元件且远离所述观察者一侧的表面上；或，所述第一耦入光栅和第一耦出光栅位于所述波导元件且靠近所述观察者一侧的表面上。进一步地，所述耦合元件还包括：第二耦入光栅和第二耦出光栅；所述第二耦入光栅和第二耦出光栅位于所述波导元件，且与所述第一耦入光栅和第一耦出光栅在所述波导元件不同侧的表面上；所述第二耦入光栅和第二耦出光栅均与所述波导元件具有相同的曲率。所述显示光源发出的光线经所述第二耦入光栅、所述波导元件以及所述第一耦入光栅作用后，在所述波导元件中实现全反射，最后经所述第一耦出光栅、所述波导元件和所述第二耦出光栅作用后入射到观察者的视野中。进一步地，所述光栅波导还包括：设置于所述显示光源与所述波导元件之间的准直透镜；所述显示光源发出的光线经所述准直透镜准直后进入所述波导元件。进一步地，所述光栅波导还包括：用于矫正屈光度的负透镜；所述负透镜设置于所述波导元件上且靠近所述观察者一侧；从所述波导元件出射的光线最终经所述负透镜后入射至所述观察者的视野中。进一步地，所述耦合元件为体相位光栅或表面浮雕光栅，且所述耦合元件与所述波导元件为一体结构。进一步地，所述体相位光栅直接制备于所述波导元件的表面；或，先在聚合物薄膜上制备出所述体相位光栅，再将所述聚合物薄膜复制或贴合在所述波导元件的表面。所述表面浮雕光栅采用微纳制造技术直接制备于所述波导元件的表面；或，先将所述表面浮雕光栅制备于聚合物薄膜上，再将具有所述表面浮雕光栅的聚合物薄膜复制或贴合到所述波导元件的表面。进一步地，所述耦合元件包括三片层叠设置的所述体相位光栅或所述表面浮雕光栅，每片所述体相位光栅或所述表面浮雕光栅对应一种颜色的波长，进而实现RGB全彩显示。或，所述耦合元件采用角度复用的方式制备单片所述体相位光栅或所述表面浮雕光栅，进而实现单片光栅RGB三色传输。进一步地，所述波导元件的表面设有镀膜层，所述镀膜层用于对所述波导元件的全反射进行扩展。采用上述方案，本技术的有益效果如下：1、在光栅元件长度相同的情况的，与传统结构相比，本技术曲面结构的光栅的视野大；作为AR眼镜镜片组件，在曲率设计合适时，图像面上每一点到达眼睛的距离相等，无论是像面中央区域还是边缘区域，佩戴者即使从屏幕边缘处也可以获得最佳观看效果，图像边缘显示效果更好，视角更为宽广，增强现场感和内容沉浸感。2、曲面的波导元件更易与屈光镜片适配，只需在曲面的波导元件上贴合一片负透镜，即可实现屈光度调节的目的，同时能够使整个光学系统的体积减小、重量减轻，成本更低，屈光度矫正简单易行，解决了屈光度异常人眼观察带来的不便。附图说明图1位现有技术中平面光栅波导的结构示意图；图2为本技术光栅波导一实施例的结构示意图；图3为本技术的光栅波导与传统平面光栅波导视角对比图；图4为本技术光栅波导另一实施例的结构示意图；图5为本技术光栅波导又一实施例的结构示意图；图6位本技术光栅波导中耦合元件一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，对本技术进行详细说明。本技术实施例提供的用于增强现实的光栅波导，包括：显示光源、与显示光源相对设置的波导元件、以及位于波导元件上的耦合元件；该耦合元件包括第一耦入光栅和第一耦出光栅。其中，该波导元件、第一耦入光栅和第一耦出光栅均为曲面结构且具有相同的曲率。耦合元件与波导元件可以为一体结构，也可以是耦合元件紧密贴合在波导元件的表面上。本技术实施例的光栅波导工作时，显示光源发出的光线经波导元件和第一耦入光栅共同作用后在波导元件中实现全反射，经第一耦出光栅和波导元件共同作用后入射到观察者的视野中。由于第一耦入光栅、第一耦出光栅和波导元件均为曲面结构且具有相同的曲率，因此相比传统的平面波导光栅具有更大的视野。并且在曲率设计合适时，图像面上每一点到达眼睛的距离相等，无论是像面中央区域还是边缘区域，佩戴者即使从屏幕边缘处也可以获得最佳观看效果，图像边缘显示效果更好，视角更为宽广，增强现场感和内容沉浸感。可以理解的是，本技术实施例的光栅波导，其第一耦入光栅和第一耦出光栅可以位于波导元件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于增强现实的光栅波导，其特征在于，包括：显示光源、与所述显示光源相对设置的波导元件、以及位于所述波导元件上的耦合元件；所述耦合元件包括第一耦入光栅和第一耦出光栅，所述波导元件的内表面和/或外表面为自由曲面结构，所述第一耦入光栅和第一耦出光栅均与所述波导元件具有相同的曲率；/n所述显示光源发出的光线经所述波导元件和所述第一耦入光栅作用后在所述波导元件中实现全反射，经所述第一耦出光栅和所述波导元件作用后入射到观察者的视野中。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于增强现实的光栅波导，其特征在于，包括：显示光源、与所述显示光源相对设置的波导元件、以及位于所述波导元件上的耦合元件；所述耦合元件包括第一耦入光栅和第一耦出光栅，所述波导元件的内表面和/或外表面为自由曲面结构，所述第一耦入光栅和第一耦出光栅均与所述波导元件具有相同的曲率；
所述显示光源发出的光线经所述波导元件和所述第一耦入光栅作用后在所述波导元件中实现全反射，经所述第一耦出光栅和所述波导元件作用后入射到观察者的视野中。


2.根据权利要求1所述的用于增强现实的光栅波导，其特征在于，所述波导元件、所述第一耦入光栅和第一耦出光栅的曲率中心均位于所述观察者这一侧。


3.根据权利要求2所述的用于增强现实的光栅波导，其特征在于，所述第一耦入光栅和第一耦出光栅位于所述波导元件且远离所述观察者一侧的表面上；或，所述第一耦入光栅和第一耦出光栅位于所述波导元件且靠近所述观察者一侧的表面上。


4.根据权利要求3所述的用于增强现实的光栅波导，其特征在于，所述耦合元件还包括：第二耦入光栅和第二耦出光栅；所述第二耦入光栅和第二耦出光栅位于所述波导元件，且与所述第一耦入光栅和所述第一耦出光栅在所述波导元件不同侧的表面上；所述第二耦入光栅和第二耦出光栅均与所述波导元件具有相同的曲率；
所述显示光源发出的光线经所述第二耦入光栅、所述波导元件以及所述第一耦入光栅作用后，在所述波导元件中实现全反射，最后经所述第一耦出光栅、所述波导元件和所述第二耦出光栅作用后入射到观察者的视野中。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于增强现实的光栅波导，其特征在于，所述光栅波导还...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜亮，朱耀明，周知星，
申请(专利权)人：深圳惠牛科技有限公司，
类型：新型
国别省市：广东;44