一种增强现实显示的光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种增强现实显示的光学系统，包括用于以预设角度范围内的角度向光波导发射光线的光机；用于传导光线的光波导；贴合光波导的输入端表面设置的第一衍射光栅；贴合在第一衍射光栅背离光波导表面的第二衍射光栅；其中，光线入射至光波导内发生折射形成折射光线，折射光线对第一衍射光栅的入射角在第一衍射光栅的选择衍射角度范围内；且折射光线经过第一衍射光栅衍射后产生的衍射光线，第一衍射光栅的衍射角度范围在第二衍射光栅的选择衍射角度范围内。本申请中在光波导上设置两层衍射光栅，对光机入射光线进行衍射，避免大量的光线因二次衍射而耦出光波导，降低光线在光波导中传播的不均匀性，提高增强现实显示的图像亮度。

An optical system for augmented reality display

【技术实现步骤摘要】
一种增强现实显示的光学系统
本专利技术涉及增强现实
，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(augmentreality，AR)，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。目前，增强现实显示方案主要包括两种：一种是传统的几何光学系统，受制于几何光学器件的体积，传统几何光学系统无法做到足够轻薄实现增强现实显示系统的眼镜化；另一种是波导显示光学系统。一个单色或者RGB图像被注入波导后，利用光线在平面波导元件内的全反射传输，有效降低了光学元件的厚度，并使用波导上一个或多个光学元件控制图像分步输出，实现出瞳扩展。波导显示光学系统是目前主流的AR方案。基于波导的显示方案大都采用衍射光学器件如面浮雕光栅光波导、全息光栅光波导等。其中衍射光波导显示技术是利用衍射光栅实现光线的入射、转折和出射，基于全反射原理实现光线传输，能够做到结构紧凑和器件轻便，是目前最具竞争力的AR设备核心光学器件。如图1所示，图1为现有技术中实现增强现实显示的光学系统的光路示意图；在该光学系统中，光波导10的表面贴合设置有衍射光栅20，光机30按照特定角度范围入射至光波导10中，入射的光线在光波导10中折射后形成折射光线01和折射光线02，入射至衍射光栅20，折射光线通过衍射光栅20产生一部分衍射光线耦入光波导内，另一部分沿直线耦出光波导。如图1所示，对于折射光线01和折射光线02尽管都可以在衍射光栅20处产生衍射，但产生的衍射光线03和衍射光线04的角度不同，继而使得衍射光线03和衍射光线04经过全反射后，衍射光线03全反射后能够再次入射至衍射光栅20，发生二次衍射，且二次衍射产生的衍射光波射出光波导；而反射光线04却并没有反射至衍射光栅20，而是直接在光波导20内发生全反射而向前传播。由此可见对于光机30按照预设角度范围内入射的光波导30的光线中，在经过衍射光栅20作用部分衍射光线会发生二次衍射，而另一部分衍射光线则不会发生二次衍射，最终使得传导至光波导另一端的光线不均匀。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种增强现实显示的光学系统，降低光波导传输光线的不均匀性的问题，提升增强现实显示的图像亮度，提高增强现实显示的视觉效果。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种增强现实显示的光学系统，包括：用于以预设角度范围内的角度向光波导发射光线的光机；用于传导所述光线的所述光波导；贴合所述光波导的输入端表面设置的第一衍射光栅；贴合在所述第一衍射光栅背离所述光波导表面的第二衍射光栅；其中，所述光线入射至所述光波导内发生折射形成的折射光线，可通过所述光波导入射至所述第一衍射光栅；所述折射光线对所述第一衍射光栅的入射角在所述第一衍射光栅的选择衍射角度范围内；且所述折射光线经过所述第一衍射光栅衍射后产生的衍射光线，在所述光波导和空气的界面可发生全反射；所述第一衍射光栅的衍射角度范围在所述第二衍射光栅的选择衍射角度范围内。在本申请的一种可选地实施例中，还包括：贴合所述光波导的输出端表面设置的第三衍射光栅；贴合在所述第三衍射光栅背离所述光波导表面的第四衍射光栅；其中，所述第一衍射光栅的衍射角度范围在所述第三衍射光栅的选择衍射角度范围内，且不在所述第四衍射光栅的选择衍射角度范围内；所述第二衍射光栅的衍射角度范围不在所述第三衍射光栅的选择衍射角度范围内，且在所述第四衍射光栅的选择衍射角度范围内。在本申请的一种可选地实施例中，所述第一衍射光栅的光栅周期大于所述第二衍射光栅的光栅周期；所述第三衍射光栅的光栅周期大于所述第四衍射光栅的光栅周期。在本申请的一种可选地实施例中，所述第一衍射光栅的光栅周期和所述第三衍射光栅的光栅周期相等；所述第二衍射光栅的光栅周期和所述第四衍射光栅的光栅周期相等。在本申请的一种可选地实施例中，所述第一衍射光栅和所述第三衍射光栅的光栅周期为0.6λ～0.9λ；其中，λ为所述光机发射的入射光的波长。在本申请的一种可选地实施例中，所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述第三衍射光栅以及第四衍射光栅的厚度均为20nm～20um。在本申请的一种可选地实施例中，所述第一衍射光栅、所述第二衍射光栅、所述第三衍射光栅以及第四衍射光栅的衍射效率不低于0.6。在本申请的一种可选地实施例中，所述光波导为厚度为0.5mm～3mm、折射率为1.5～2.0的透明平板。本专利技术所提供的增强现实显示的光学系统，包括用于以预设角度范围内的角度向光波导发射光线的光机；用于传导光线的光波导；贴合光波导的输入端表面设置的第一衍射光栅；贴合在第一衍射光栅背离光波导表面的第二衍射光栅；其中，光线入射至光波导内发生折射形成的折射光线，可通过光波导入射至第一衍射光栅；折射光线对第一衍射光栅的入射角在第一衍射光栅的选择衍射角度范围内；且折射光线经过第一衍射光栅衍射后产生的衍射光线，在光波导和空气的界面可发生全反射；第一衍射光栅的衍射角度范围在第二衍射光栅的选择衍射角度范围内。本申请中针对光源按照预设角度范围入射至光波导的光线设置两层衍射光栅，并且使得经过第一衍射光栅衍射产生的衍射光线，如果能够进而二次衍射，该衍射光线对第二衍射光栅的入射角度刚好为第二衍射光栅的选择衍射角度范围内，也即是说对该衍射光线产生衍射作用，使其大部分的光线再次耦入光波导内，避免大量的光线耦出光波导，也即是减少了光线在进行二次衍射时耦出光线的比例，从而大大降低光线在光波导中传播的不均匀性，提升增强现实显示的图像亮度，使得AR设备具有更好的使用视觉体验。附图说明为了更清楚的说明本专利技术实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为现有技术中实现增强现实显示的光学系统的光路示意图；图2为本申请中提供的增强现实显示的光学系统中光波导输入端的光路示意图；图3为本申请实施例提供的增强现实显示的光学系统中光波导输出端光路示意图。具体实施方式本专利技术的核心是提供一种增强现实显示的光学系统，降低光波导传输光线的不均匀性的问题，提高增强现实显示的图像亮度，提升视觉效果。为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图2所示，图2为本申请中提供的增强现实显示的光学系统中光波导输入端的光路示意图。该光学系统可以包括：用于以预设角度范围内的角度向光波导10发射光线的光机30；用于传导光线的光波导10；贴合光波导1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增强现实显示的光学系统，其特征在于，包括：/n用于以预设角度范围内的角度向光波导发射光线的光机；/n用于传导所述光线的所述光波导；/n贴合所述光波导的输入端表面设置的第一衍射光栅；/n贴合在所述第一衍射光栅背离所述光波导表面的第二衍射光栅；/n其中，所述光线入射至所述光波导内发生折射形成的折射光线，可通过所述光波导入射至所述第一衍射光栅；/n所述折射光线对所述第一衍射光栅的入射角在所述第一衍射光栅的选择衍射角度范围内；且所述折射光线经过所述第一衍射光栅衍射后产生的衍射光线，在所述光波导和空气的界面可发生全反射；/n所述第一衍射光栅的衍射角度范围在所述第二衍射光栅的选择衍射角度范围内。/n

【技术特征摘要】
1.一种增强现实显示的光学系统，其特征在于，包括：
用于以预设角度范围内的角度向光波导发射光线的光机；
用于传导所述光线的所述光波导；
贴合所述光波导的输入端表面设置的第一衍射光栅；
贴合在所述第一衍射光栅背离所述光波导表面的第二衍射光栅；
其中，所述光线入射至所述光波导内发生折射形成的折射光线，可通过所述光波导入射至所述第一衍射光栅；
所述折射光线对所述第一衍射光栅的入射角在所述第一衍射光栅的选择衍射角度范围内；且所述折射光线经过所述第一衍射光栅衍射后产生的衍射光线，在所述光波导和空气的界面可发生全反射；
所述第一衍射光栅的衍射角度范围在所述第二衍射光栅的选择衍射角度范围内。


2.如权利要求1所述的增强现实显示的光学系统，其特征在于，还包括：
贴合所述光波导的输出端表面设置的第三衍射光栅；
贴合在所述第三衍射光栅背离所述光波导表面的第四衍射光栅；
其中，所述第一衍射光栅的衍射角度范围在所述第三衍射光栅的选择衍射角度范围内，且不在所述第四衍射光栅的选择衍射角度范围内；
所述第二衍射光栅的衍射角度范围不在所述第三衍射光栅的选择衍射角度范围内，且在所述第四衍射光栅的选择衍射角度范...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏海明，魏一振，张卓鹏，
申请(专利权)人：杭州光粒科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33