【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及增强现实装置。更具体地，本公开涉及近眼显示器、具有衍射光学元件的平面波导和基于这种平面波导的显示器，并且涉及增强现实眼镜。
技术介绍
1、增强现实概念是生成虚拟图像叠加在现实世界场景上的图像。用户可使用增强现实观看装置(特别是增强现实眼镜)来观看增强现实场景。
2、可穿戴增强现实(ar)眼镜是可用作附加大屏幕的个人装置(例如用于智能电话或其他电子装置)。普通消费者需要具有宽视场(fov)并且具有低重量、低成本、小尺寸和高分辨率的ar装置，其中，视场(fov)是示出可观察到虚拟图像的角度范围的角度特性。这些类型的可穿戴装置可代替电视(tv)和智能电话。最大相关技术fov在对角线上为60°。
3、增强现实眼镜的系统可满足以下准则：
4、-宽视场，使得人眼可包围由其看到的整个区域(例如，在大区域上叠加虚拟图像的能力)；
5、-高图像质量；
6、-重量轻；
7、-小尺寸；
8、-低成本；以及
9、-高分辨率、高对比度等。
10、当满足准则时，会出现与例如以下事实相关联的问题：宽视场需要提供宽区域，在该宽区域内眼睛可在没有损失的情况下完全观察整个图像。存在满足这些准则的不同方法。一些方法可提供宽视场，但是不能提供眼睛可在没有损失的情况下完全观察整个图像的宽区域。其他方法可提供眼睛可在没有损失的情况下观察整个图像的宽区域，但是不能提供宽视场。增加视场宽度的经典方式是增加增强现实装置中的波导的数量。然而，增加波导的数量导致更大
11、图1示出了根据相关技术的当衍射光学元件用于增强现实装置中时视场的示意性限制。参照图1，x轴代表水平视场(fov)，y轴代表垂直视场。x轴和y轴相交处的正方形示出了要发送给用户以供观看的图像。发送图像与衍射光学元件相互作用，衍射光学元件将发送图像向右移动(矢量kin的箭头)，并且图像落在图1所示的环内。环表示传播光角度分量的区域(传播光波矢量的分量的区域)，该光角度分量在波导中传播但不在波导外部传播。角度分量是具有角坐标(例如，bx、by、bz)的角网格上的点。环的内边界是全内反射(tir)角的区域，即，在这种情况下，存在光传播而不离开波导的临界角。环的外边界是存在于波导内部的光的边界，即，在这种情况下，波导内部的光传播角为90°。因此，在波导内部，存在以从tir角度到90°角范围内的角度传播的光。因此，当图像与内耦合衍射光栅相互作用时，图像的一部分被切断，因为仅保留仅可存在于上述角度范围内的图像部分，即，在这种情况下，图像在右侧和左侧被水平裁剪。此外，当与扩展的衍射元件(其矢量在图1中标记为kexp)相互作用时，角度的一部分也被相同的边界从图像中垂直地切除。保留显示的图像是垂直和水平裁剪的小图像。
12、因此，每个衍射光学元件在视场中引入其限制，因此增强现实装置中包含的衍射光学元件越少越好。
13、为了生成二维图像，需要至少三个衍射光学元件：内耦合衍射元件、扩展衍射元件和诱导衍射元件。这三个衍射光学元件在本文中被称为衍射光学元件组。图1示出了输出视场的特定部分的一个衍射光学元件组。
14、增加视场的标准方式是增加发送图像的波导的数量。然而，增加波导的数量增加了增强现实显示器的厚度、重量，并且降低了增强现实显示器的透明度。如果波导厚度同时被减小，则因为随着波导厚度的减小，多于一个图像被输出到光瞳，由于波导本身的不均匀和不平坦，多于一个输入图像进入眼睛，即，发生重影，分辨率急剧降低，并且图像质量变差，所以眼睛感知的图像将变差。
15、此外，通过增加衍射光学元件的数量来增加视场。然而，波导上的每个附加衍射光栅使得波导生产过程更复杂，增加了波导制造的时间和金融资产，并增加了装置本身的成本。还应当注意，无论生产方法如何，每个光学元件在取向、周期、定位方面都将具有不可恢复的不准确性，并且每个不准确性将导致图像质量恶化。
16、如果内耦合衍射元件由至少两个光学衍射光栅组成，则在第一内耦合光栅处衍射的光束可在第二衍射光栅处衍射。作为双重衍射的结果，光将不会在装置的正确操作所需的方向上传播，在与扩展光栅和外耦合光栅交互之后，光将输出到用户的眼睛并产生重影图像。
17、此外，为了增加视场，增加了波导和衍射光学元件的材料的折射率。增加折射率增加了存在于波导中但不存在于空气中的角度范围。因此，用户看到具有大视场的图像。然而，该解决方案的基本问题是具有高折射率的材料在光谱的蓝色区域中具有吸收，这意味着当用户观察图像时，真实图像的光谱的蓝色部分丢失，此外，不可能发送虚拟叠加图像的光谱的蓝色部分，即，图像的颜色丢失。
18、此外，在相关技术解决方案中，通过改变平面波导的架构，即通过改变衍射光学元件的数量、修改它们的布置和功能来增加视场。最常见的变化是，使用两个衍射光学元件组来代替使用一个衍射光学元件组，每个衍射光学元件组提供其自身的视场部分。应当注意，当使用两个衍射光学元件组时，视场宽度可增加两倍，但是仅垂直视场增加，而偏好增加垂直和水平视场。也就是说，利用这种方法，水平形状因子丢失。术语“形状因子”是指被显示图像的纵横比。水平形状因子是具有大于垂直边缘的水平边缘的图像。垂直形状因子是具有大于水平边缘的垂直边缘的图像。
19、水平形状因子或垂直形状因子意味着被显示图像的宽高比。然而，如果垂直形状因子和内耦合衍射光栅相对于外耦合衍射光栅位于例如左侧，则随着波导旋转90°，内耦合衍射光栅将在顶部，并且形状因子将从垂直形状因子改变为水平形状因子。如果内耦合衍射元件在顶部，则光也必须从上方输入到其中，也就是说，图像投影仪也必须从上方附接。因此，眼镜变得笨重并且更像头盔。
20、因此，为了减小尺寸，图像投影仪应适当地定位在保持水平形状因子的侧面上。
21、us2019/0212557a1(公开日期2019年7月11日)公开了一种波导架构。
22、相关技术提供了一种用于使用结合布拉格光栅的波导来生成抬头显示器(hud)的系统和方法。相关技术的缺点是装置的小视场宽度和大尺寸。
23、us2019/004321a1(公开日期2019年1月3日)公开了一种用于在增强现实显示器中在二维上扩展输入光的光学装置。该装置包括波导和三个线性衍射光栅。来自投影仪的入射光束用多色光照射输入光栅，并且光被耦合到波导中。另外两个光栅彼此重叠。光可由一个光栅衍射成第一衍射级并朝向另一个光栅衍射，另一个光栅可将波导中的光朝向观看者耦合。该装置的缺点是小视场宽度和大尺寸。
24、us9,927,614b2(公开日期2018年3月27日)公开了一种近眼光学显示系统，其可在增强现实应用和装置中使用。该系统包括衍射波导，该衍射波导具有被配置用于内耦合、出射光瞳扩展和外耦合的衍射光学元件(doe)。电调制可调谐液晶(lc)透镜位于衍射光栅和用户的眼睛之间。偏振滤光器位于衍射光栅的另一侧，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于增强现实装置的具有基于衍射光学元件的架构的波导，所述波导包括：
2.根据权利要求1所述的波导，其中，所述光内耦合区被配置为在所述增强现实装置的操作中将来自投影仪的图像划分为红色图像分量、绿色图像分量和蓝色图像分量，并且引导所述图像分量的光束路径通过相应的衍射光学元件组，并且
3.根据权利要求2所述的波导，其中，每组中的所有衍射光学元件的矢量之和为零。
4.根据权利要求3所述的波导，其中，每个衍射光学元件是线性的。
5.根据权利要求2所述的波导，
6.根据权利要求1所述的波导，其中，所述衍射光学元件被应用于所述波导的一侧。
7.根据权利要求1所述的波导，其中，所述衍射光学元件包括分段结构，在所述分段结构中，线被形成为不同形状、不同大小并且以不同距离彼此间隔开的宏段。
8.根据权利要求1所述的波导，其中，所述衍射光学元件包括腔体，在所述腔体中，线位于所述波导的腔体内部或与所述波导相邻的层内部。
9.根据权利要求1所述的波导，其中，所述衍射光学元件包括表面结构、浮雕结构或具有所述
10.根据权利要求1所述的波导，其中，所述衍射光学元件被形成在波导腔体中、波导表面上、或者在所述波导腔体中和所述波导表面上两者。
11.根据权利要求1所述的波导，其中，所述衍射光学元件形成在所述波导的单独层中，所述单独层在层的内部、在所述层的表面上、或者部分在所述层的内部并且部分在所述层的表面上的混合。
12.根据权利要求1所述的波导，其中，所述衍射光学元件是全息的。
13.一种操作用于增强现实装置的具有基于衍射光学元件的架构的波导的方法，所述方法包括：
14.一种增强现实显示装置，包括：
15.一种增强现实眼镜，包括左眼元件和右眼元件，所述左眼元件和所述右眼元件中的每个包括根据权利要求14所述的增强现实显示装置，
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于增强现实装置的具有基于衍射光学元件的架构的波导，所述波导包括：
2.根据权利要求1所述的波导，其中，所述光内耦合区被配置为在所述增强现实装置的操作中将来自投影仪的图像划分为红色图像分量、绿色图像分量和蓝色图像分量，并且引导所述图像分量的光束路径通过相应的衍射光学元件组，并且
3.根据权利要求2所述的波导，其中，每组中的所有衍射光学元件的矢量之和为零。
4.根据权利要求3所述的波导，其中，每个衍射光学元件是线性的。
5.根据权利要求2所述的波导，
6.根据权利要求1所述的波导，其中，所述衍射光学元件被应用于所述波导的一侧。
7.根据权利要求1所述的波导，其中，所述衍射光学元件包括分段结构，在所述分段结构中，线被形成为不同形状、不同大小并且以不同距离彼此间隔开的宏段。
8.根据权利要求1所述的波导，其中，所述衍射光学元件包括腔体，在所述腔体中，线位于所述波导的腔...
【专利技术属性】
技术研发人员：弗拉基米尔·尼古拉耶维奇·鲍里索夫，亚历山大·叶夫根尼耶维奇·安格瓦克斯，尼古拉·维克托罗维奇·穆拉维夫，罗曼·亚历山德罗维奇·奥昆，加夫里尔·尼古拉耶维奇·沃斯特里科夫，米哈伊尔·维亚切斯拉沃维奇·波波夫，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：
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