CN110865460A - 一种具有防窃功能的光学模组、显示装置及增强现实设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有防窃功能的光学模组、显示装置及增强现实设备，该光学模组包括：层叠设置的光栅波导和选择性光吸收组件；所述光栅波导设于靠近人眼一侧，用于将入射的图像光线与外界环境光线传输至人眼；所述选择性光吸收组件设于远离人眼一侧，用于吸收所述图像光线经所述光栅波导之后产生的冗余光线且透射外界环境光线。本发明利用带缺陷通道的光子晶体波导作为选择性光吸收组件，将传统波导光栅产生的冗余光线进行吸收，以达到消除冗余光线的效果，使得冗余光线不会外泄至真实环境中，防止用户的隐私被窃看。
Description
技术领域
本发明涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种具有防窃功能的光学模组、显示装置及增强现实设备。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，简称AR)技术，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息、声音、味道、触觉等)通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。即将真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间。
目前的增强现实领域，光栅波导是常见的一种技术方案，如图1所示，利用耦入光栅100将图像源300发出的图像光线耦入光波导结构400中，经过在光波导结构400全反射后由耦出光栅200耦出进入人眼500形成图像，同时外界真实场景的光线进入光波导结构400后经透射后，进入人眼，从而在人眼处实现了图像源300发出的光线与外界真实产经的光线的叠加，从而形成增强现实效果。在实际应用中，耦出光栅200往往会存在多个衍射级，造成信息冗余，如图2所示，假设人眼在光波导结构的上方观察，则光线T1、T2是我们需要的图像信息，而光线R1、R2是冗余的。因光线R1、R2会外泄至外界真实环境中，从而很可能导致用户隐私泄露。因此我们只需要能够进入人眼的光线T1、T2，并且将其他光线R1、R2消除，防止用户信息泄露。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种具有防窃功能的光学模组，以消除图像光线经光栅波导后产生的冗余光线。
本发明的目的还在于提供一种显示装置，以解决现有的显示设备中由于光栅波导存在多个衍射级而造成信息泄露的问题。
本发明的目的还在于提供一种增强现实设备，以解决现有的增强现实设备中由于光栅波导存在多个衍射级而造成信息泄露的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：本发明提供一种具有防窃功能的光学模组，包括：层叠设置的光栅波导和选择性光吸收组件；所述光栅波导设于靠近人眼一侧，用于将入射的图像光线与外界环境光线传输至人眼；所述选择性光吸收组件设于远离人眼一侧，用于吸收所述图像光线经所述光栅波导之后产生的冗余光线且透射所述外界环境光线。
进一步地，所述选择性光吸收组件所吸收的光线的频率与所述图像光线的频率对应。
进一步地，所述选择性光吸收组件包括：光子晶体波导以及设于所述光子晶体波导上的光吸收部；
所述光子晶体波导包括光子禁带，所述光子禁带上设置有连通的缺陷通道；所述光子禁带用于阻止所述图像光线外泄；所述缺陷通道的一端口对应所述光栅波导的耦出元件设置，所述缺陷通道的另一端口对应所述光吸收部设置，以将所述冗余光线传输至所述光吸收部，进而使所述光吸收部吸收所述冗余光线。
进一步地，所述光吸收部设于所述光子晶体波导的一端，且位于与所述光栅波导的耦入元件所在位置相同的一端。
进一步地，所述光吸收部设于所述光子晶体波导一端的截面上。
进一步地，所述缺陷通道包括一横向通道以及与所述横向通道连通的至少一个纵向通道，所述横向通道一端口与所述光吸收部连通，另一端口与所述纵向通道的一端口连通，所述纵向通道另一端口朝向所述光栅波导的耦出元件设置。
进一步地，所述光子晶体波导包括若干二维或三维周期性排布的光子晶体单元。
进一步地，每一所述光子晶体单元的尺寸为波长量级，相邻两所述光子晶体单元之间的空隙为波长量级。
本发明还提供一种具有防窃功能的显示装置，包括发出图像光线的图像源和上述的光学模组。
本发明还提供一种增强现实设备，包括上述的显示装置。
采用上述方案，本发明提供一种具有防窃功能的光学模组、显示装置及增强现实设备，利用带缺陷通道的光子晶体波导作为选择性光吸收组件，将传统光栅波导产生的冗余光线进行吸收，以达到消除冗余光线的效果，使得冗余光线不会外泄至真实环境中，防止用户的隐私被窃看；还可以防止漏光现象，避免图像源发出的光线散射至真实环境中。
附图说明
图1为现有技术中光栅波导的结构示意图。
图2为现有技术中光栅存在多个衍射级的示意图。
图3为本发明具有防窃功能的光学模组的结构示意图。
图4为本发明中一维光子晶体的结构示意图。
图5为本发明中二维光子晶体的结构示意图。
图6为本发明中三维光子晶体的结构示意图。
图7为本发明中光子晶体波导一实施例的结构示意图。
图8为本发明中光子晶体波导另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，对本发明进行详细说明。
本发明提供一种具有防窃功能的显示装置，如图3所示，包括图像源1和光学模组，该光学模组利用带缺陷的光子晶体波导，将传统光栅波导产生的冗余光线进行吸收，以达到消除冗余光线的效果，该技术方案既可以应用至AR眼镜等增强现实设备，还可以应用于抬头显示装置(HUD)等设备中。请参阅图3，该光学模组包括：层叠设置的光栅波导和选择性光吸收组件6。
其中，光栅波导设于靠近人眼一侧，用于将入射的图像光线与外界环境光线传输至人眼，具体包括：波导衬底3、耦入元件2、及耦出元件4。所述耦入元件2设于所述波导衬底3的一端，所述耦出元件4设于所述波导衬底3的另一端。优选的，所述耦入元件2与所述耦出元件6设于所述波导衬底3同一侧的表面上，且靠近人眼5这一侧设置，以便于用户使用。选择性光吸收组件6设于远离人眼5一侧，用于吸收一特定频率的光线。因光栅波导存在多个衍射级而产生冗余光线，因此本发明实施例通过增加选择性光吸收组件6，其目的是用于吸收图像光线经光栅波导之后产生的冗余光线。另外，选择性光吸收组件6还具有透射外界环境光线的作用，外界环境光线透过所述选择性光吸收组件6之后，进入至所述波导衬底3中，经波导衬底3透射后进而入射至人眼。其中，所述选择性光吸收组件6吸收的光线的频率与图像源1发出的图像光线的频率相对应，即相同。
本发明中的图像源1为能够提供图像信息的显示装置，可以为LCD、OLED、micro-LED、LCoS等显示模组。所述耦入元件2与耦出元件4用于图像光线的耦入耦出，可以选用线性光栅或者二维光栅，既能透过环境光，又具有一定的光瞳扩展功能。所述波导衬底3通常采用折射率较高、损耗较小的材料(玻璃、树脂等)。
该具有防窃功能的光学模组的工作原理为：图像源1发出的图像光线经所述耦入元件2耦入进所述波导衬底3中，图像光线在所述波导衬底3内发生全反射，并经耦出元件4耦出入射至人眼5。同时，在该过程中因光栅波导存在多个衍射级而产生的冗余光线进入所述选择性光吸收组件6中，并往选择性吸收组件6另一端传播，最后被所述选择性光吸收组件6吸收，从而避免该些冗余光线发散至真实环境中，从而达到防窃看效果，达到保护用户隐私的目的。由于选择性光吸收组件6由于只针对特定频率的光线设置，且其优选呈透明状。因此，来自真实场景的外界环境光线由于具有非常宽的频率范围，因此该显示装置在人眼观察区域仍具有较高的综合透过率，外界环境光线穿过所述选择性光吸收组件6后，透过所述波导衬底3出射至人眼5，从而实现实景与虚景的叠加，实现增强现实效果，进而能够保证AR显示的质量。
另外一个方面，在确定选择性光吸收组件时，拟使用光子晶体。光子晶体是由不同折射率的介质按照特定的周期性排列而成的人工电磁介质，如图4、图5及图6所示，按照空间中的周期性变化可以分为三类：一维光子晶体、二维光子晶体以及三维光子晶体，其中A、B为不同折射率的材料，a为晶格常数。当材料A与材料B两者的介电常数变化足够大，且晶格常数a与光波波长相当时，光子晶体会形成“光子禁带”，使得频率在禁带范围中的光波无法通过。因此，可以利用光子晶体对特定频率的光波进行阻断。当光子晶体中具有缺陷时，被阻断的光波可以在该缺陷中传播，只要控制光子晶体内部的缺陷排列，就能控制光波的传播轨迹。
基于光子晶体拥有以上特性，所述选择性光吸收组件6可通过光子晶体来实现。具体地，如图3和图7所示，选择性光吸收组件6包括光子晶体波导61以及设于所述光子晶体波导61上的光吸收部62，所述光吸收部62设于所述光子晶体波导61的一端，且位于与所述光栅波导的耦入元件2所在位置相同的一端，所述光吸收部62具体设于所述光子晶体波导61一端的截面上，如图3所示。
所述光子晶体波导61采用金刚石、半导体材料(如SIO2)等材料形成，其包括光子禁带(未标示)，所述光子禁带用于阻止图像光线外泄，所述光子禁带上设置有连通的缺陷通道67，用于将冗余光线传输至光吸收部62；请结合参阅图7，所述缺陷通道67的一端口对应所述光栅波导的耦出元件4设置，所述缺陷通道67的另一端口对应所述光吸收部62设置，以将冗余光线传输至所述光吸收部62，由于光子禁带的存在，冗余光线(无效图像光线)只能沿着缺陷通道67向光吸收部62传输，最后被所述光吸收部62吸收掉。所述光吸收部62可选用常见的吸光材料，如黑色泡棉等。
具体实现时，所述光子晶体波导61的结构可以包括：若干二维或三维周期性排布的光子晶体单元，光子晶体单元的尺寸和周期根据图像源的波长进行优化，使图像源发出的光线处于光子禁带之中，并只能在缺陷通道67中传播。每一所述光子晶体单元的尺寸为波长量级，相邻两所述光子晶体单元之间的空隙为波长量级。
请继续参阅图3、图7，所述缺陷通道67包括一横向通道64以及与所述横向通道64连通的至少一个纵向通道63，所述横向通道64一端口与所述光吸收部62连通，另一端口与所述纵向通道63的一端口连通，所述纵向通道63另一端口朝向所述光栅波导的耦出元件4设置。光子晶体波导61中的缺陷通道67可以有不同排列，一般情况下，在目视区域(耦出元件4附近)呈现的图像具有一定尺寸，因此缺陷通道67的开口数量(纵向通道63的数量)可以适当增加，即在图像耦出方向上具有多个缺陷通道开口，这样进一步可以防止无效的冗余光线反射回光波导结构3中进而进入人眼5，影响显示效果。当然，缺陷通道67的开口尺寸、开口数量是根据图像光源光线的波长以及反射情况进行调整，以保证更好的图像观看效果。如图7所示，所述缺陷通道67呈“L”型，其包括一横向通道64及与该横向通道连通的一纵向通道63，横向通道64与纵向通道63可以相互垂直；如图8所示，所述缺陷通道68呈梳子状，其包括一横向通道66及与该横向通道连通的三条纵向通道65。
本发明还提供一种增强现实设备，包括上述的显示装置。
综上所述，本发明提供一种具有防窃功能的光学模组、显示装置及增强现实设备，利用带缺陷通道的光子晶体波导作为选择性光吸收组件，将传统光栅波导产生的冗余光线进行吸收，以达到消除冗余光线的效果，使得冗余光线不会外泄至环境中，防止用户的隐私被窃看；还可以防止漏光现象，避免图像源发出的光线散射至真实环境中，提升产品体验效果。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有防窃功能的光学模组，其特征在于，包括：层叠设置的光栅波导和选择性光吸收组件；所述光栅波导设于靠近人眼一侧，用于将入射的图像光线与外界环境光线传输至人眼；所述选择性光吸收组件设于远离人眼一侧，用于吸收所述图像光线经所述光栅波导之后产生的冗余光线且透射所述外界环境光线。
2.根据权利要求1所述的具有防窃功能的光学模组，其特征在于，所述选择性光吸收组件所吸收的光线的频率与所述图像光线的频率对应。
3.根据权利要求1或2所述的具有防窃功能的光学模组，其特征在于，所述选择性光吸收组件包括：光子晶体波导以及设于所述光子晶体波导上的光吸收部；
所述光子晶体波导包括光子禁带，所述光子禁带上设置有连通的缺陷通道；所述光子禁带用于阻止所述图像光线外泄；所述缺陷通道的一端口对应所述光栅波导的耦出元件设置，所述缺陷通道的另一端口对应所述光吸收部设置，以将所述冗余光线传输至所述光吸收部，进而使所述光吸收部吸收所述冗余光线。
4.根据权利要求3所述的具有防窃功能的光学模组，其特征在于，所述光吸收部设于所述光子晶体波导的一端，且位于与所述光栅波导的耦入元件所在位置相同的一端。
5.根据权利要求4所述的具有防窃功能的光学模组，其特征在于，所述光吸收部设于所述光子晶体波导一端的截面上。
6.根据权利要求3所述的具有防窃功能的光学模组，其特征在于，所述缺陷通道包括一横向通道以及与所述横向通道连通的至少一个纵向通道，所述横向通道一端口与所述光吸收部连通，另一端口与所述纵向通道的一端口连通，所述纵向通道另一端口朝向所述光栅波导的耦出元件设置。
7.根据权利要求3所述的具有防窃功能的光学模组，其特征在于，所述光子晶体波导包括若干二维或三维周期性排布的光子晶体单元。
8.根据权利要求7所述的具有防窃功能的光学模组，其特征在于，每一所述光子晶体单元的尺寸为波长量级，相邻两所述光子晶体单元之间的空隙为波长量级。
9.一种显示装置，其特征在于，包括发出图像光线的图像源和权利要求1至8中任一项所述的光学模组。
10.一种增强现实设备，其特征在于，包括权利要求9所述的显示装置。
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