CN112444980A - 波导镜片及ar显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种波导镜片，包括波导基底、设置在所述波导基底表面用于将图像光线耦合进入所述波导基底的耦入区域、用于将经所述波导基底传导过来的图像光线投射到波导镜片外部空间中的耦出区域，耦入区域、耦出区域均对应设有多个光栅包，所述光栅包至少设有2种不同取向角的子光栅。本发明还公开一种AR显示系统，包括图像处理装置、投影装置和波导镜片，图像处理装置输出图像光线至投影装置，图像光线经投影装置投影后，入射至所述波导镜片，再经所述波导镜片全反射输出至人眼，波导镜片为上述波导镜片。通过在各区域均设有多个光栅包，所述光栅包至少设有2种不同取向角的子光栅，各个子光栅互补影响，以实现垂直视场角的增大。
Description
技术领域
本发明涉及AR显示技术领域，特别是涉及一种波导镜片及AR显示装置。
背景技术
AR(Augmented Reality，增强现实)技术，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，不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。
对AR技术而言，由于用户大部分视野呈现真实场景，如何识别和理解现实场景和物体，并成为AR感知交互的首要任务。此外，AR技术的分辨率(清晰程度)、视场角(又称视场，指视野范围)也会成为AR显示领域的重大技术挑战。
波导镜片是实现将虚拟物体更为真实可信的叠加到现实场景中关键所在。在现有的波导镜片中，如图1和图2所示，大都采用一种取向角度的光栅形成图形光线耦入和耦出的区域，而相应取向角对应一定的垂直视场角。如此，使得现有的波导镜的垂直视场角较小，不利于用户视觉体验。
前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增大垂直视场角波导镜片及AR显示系统。
本发明提供一种波导镜片，包括波导基底、设置在所述波导基底表面用于将图像光线耦合进入所述波导基底的耦入区域、用于将经所述波导基底传导过来的图像光线投射到波导镜片外部空间中的耦出区域，耦入区域、耦出区域均对应设有多个光栅包，所述光栅包至少设有2种不同取向角的子光栅。
在其中一实施例中，各所述光栅包的取向角的范围一致。
在其中一实施例中，所述光栅包的取向角范围为80°～100°。
在其中一实施例中，各所述光栅包中的相邻两个所述子光栅的取向角之间设有差值。
在其中一实施例中，所述差值为5°。
在其中一实施例中，各所述光栅包中的子光栅的数量及取向角相同，所述子光栅的排布顺序相同或不同。
在其中一实施例中，多个所述光栅包呈周期性阵列排布，所述光栅包的周期为300～550nm。
在其中一实施例中，所述光栅包的高度大于300nm、大小为20～100μm、折射率为1.4～2.0、占空比为0.3～0.6，所述波导基底折射率为1.7～2.0。
本发明还提供一种AR显示系统，包括图像处理装置、投影装置和波导镜片，所述图像处理装置输出图像光线至所述投影装置，所述图像光线经所述投影装置调节后，入射至所述波导镜片，再经所述波导镜片全反射输出至人眼，所述波导镜片为上述波导镜片。
在其中一实施例中，所述投影装置用于调节所述图像光线输出至所述波导镜片的方向角，以提升所述图像光线在所述波导镜片的负1阶衍射效率。
本发明提供的波导镜片，通过在各区域均设有多个光栅包，所述光栅包至少设有2种不同取向角的子光栅，各个所述子光栅互补影响，以实现垂直视场角的增大。
附图说明
图1为现有波导镜片的结构示意图；
图2为图1的垂直视场角示意图；
图3为本发明实施例波导镜片的结构示意图；
图4为图3的垂直视场角示意图；
图5为本发明实施例图像光线入射至波导镜片形成的方位角和取向角的示意图；
图6为本发明实施例具体取向角的各波长与负1阶衍射效率的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参图3至图6，本发明实施例中提供的波导镜片，包括波导基底31、设置在波导基底31表面用于将图像光线耦合进入波导基底31的耦入区域33、用于将经波导基底31传导过来的图像光线投射到波导镜片3外部空间中的耦出区域35，各区域均设有多个光栅包4，光栅包4至少设有2种不同取向角的子光栅41，各个子光栅41互补影响，以实现垂直视场角范围的增大。
图像光线K入射至子光栅41，与z轴正方形夹角为入射角α，该入射光线在xy平面上的投影与x轴夹角为方位角θ，子光栅41与x轴的夹角为取向角φ。
多个光栅包4呈周期性阵列排布，且相邻两个光栅包4之间不存在间隙。光栅包4的周期为300～550nm、高度大于300nm、占空比为0.3～0.6、折射率为1.4～2.0。
光栅包4中子光栅41的数量至少2个。其中，子光栅41大小为20～100μm。
光栅包4中的多个子光栅41中可以出现取向角相同的子光栅41，但相邻两个子光栅41之间的取向角存在差值。
相邻两个子光栅41的取向角之间设有差值。具体地，差值为5°；例如，光栅包4中的子光栅41的取向角分别为85°、90°和95°，或85°、90°、95°和100°。
当差值小于5°时，会有同一部分方向角的图像光线分别耦入相邻的两个子光栅，从而使耦出的图像会出现一定重叠，进而使观察到的图像中的某些区域相对于其它地方较亮。当差值大于5°时，会有部分方向角的图像光线无法耦入相邻的两个子光栅中，从而使耦出的图像会出现一定的不连续，进而使观察到的图像中的某些区域缺失，使得观察到的图像不完整。
子光栅41包括多个取向角相同的光栅条，光栅条与x轴的夹角为取向角，光栅条的取向角范围为80°～100°。
实际使用时，各光栅包4中的子光栅41的排布顺序相同或不同。但需要指出的是，所有光栅包4的取向角的范围一致，所有光栅包4中的子光栅41的数量及取向角相同。
例如85°、90°和95°取向角的子光栅41按照如图3所示方式：上层为一90°的子光栅41和95°的子光栅41并排，下层为一90°的光栅和一85°的子光栅41并排，设置4个排列组成一个光栅包4。其中，90°子光栅41作用于入射光中方位角为-3°～3°的图像光线耦入光栅条；85°子光栅41作用于入射光中方位角为-9°～-3°的图像光线耦入光栅条；95°子光栅41作用于入射光中方位角为3°～9°的图像光线耦入光栅条。
由于光栅对入射光方位角的敏感性质，所以在耦出区域各个方位角的光栅只能从对应取向角的光栅耦出，所以各个取向角的子光栅41互补影响，不会造成图像模糊，相对于图2中所能观察到的条形数量，图4中所观察到的条形图案数量明显增加，因此，其垂直视场角也相应的增大，所观察到的图像越清晰度。所以垂直视场角由6°扩展至18°。以此类推，增大光栅包4的取向角范围，垂直视场角的范围相应增大。例如光栅包4中的各子光光栅的取向角分别为80°、85°、90°、95°和100°，垂直视场角可达30°。但光栅包4的取向角范围为80°～100°，超过此范围，图像光线无法耦入光栅条中；或者，使耦入至光栅条中的图像光线因负1阶衍射效率过低而使图像不清晰或无法形成图像。
如图6所示，当光栅周期为525nm、光栅高度为350nm、折射率为1.633、占空比0.25、波导基底31折射率为1.84，入射角为5°，方位角分别为0°、3°、6°和9°时，负1阶衍射效率随方位角的增大而降低；同时，在同一方位角中，负1阶衍射效率随着波长的变化而变化，在波长0.575～0.60um之间负1阶衍射效率达到最大后，随波长的增大，负1阶衍射效率随之逐渐减小。
随着方位角增大，-1级衍射效率迅速降低。同样在耦出区域的光栅的处也存在着方位角，所以耦出区域的光利用率随之降低，使得超过某一特定方位角的入射光在耦出区域无法看到。
本发明还提供一种AR显示系统，包括图像处理装置、投影装置和波导镜片。图像处理装置输出图像光线至投影装置，图像光线经投影装置调节后，入射至波导镜片，再经波导镜片全反射输出至人眼。波导镜片为上述波导镜片。
投影装置用于调节图像光线输出至波导镜片的入射角，以提升图像光线在波导镜片的负阶衍射效率，进而能看到垂直视场角角度的清晰图像。
在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或基板被称作“形成在”、“设置在”或“位于”另一元件上时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。
在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本发明的限制。
在本文中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种波导镜片，其特征在于，包括波导基底、设置在所述波导基底表面用于将图像光线耦合进入所述波导基底的耦入区域、用于将经所述波导基底传导过来的图像光线投射到波导镜片外部空间中的耦出区域，耦入区域、耦出区域均对应设有多个光栅包，所述光栅包至少设有2种不同取向角的子光栅。
2.如权利要求1所述的波导镜片，其特征在于，各所述光栅包的取向角的范围一致。
3.如权利要求2所述的波导镜片，其特征在于，所述光栅包的取向角范围为80°～100°。
4.如权利要求1所述的波导镜片，其特征在于，各所述光栅包中的相邻两个所述子光栅的取向角之间设有差值。
5.如权利要求4所述的波导镜片，其特征在于，所述差值为5°。
6.如权利要求5所述的波导镜片，其特征在于，各所述光栅包中的子光栅的数量及取向角相同，所述子光栅的排布顺序相同或不同。
7.如权利要求1所述的波导镜片，其特征在于，多个所述光栅包呈周期性阵列排布，所述光栅包的周期为300～550nm。
8.如权利要求1所述的波导镜片，其特征在于，所述光栅包的高度大于300nm、大小为20～100μm、折射率为1.4～2.0、占空比为0.3～0.6，所述波导基底折射率为1.7～2.0。
9.一种AR显示系统，其特征在于，包括图像处理装置、投影装置和波导镜片，所述图像处理装置输出图像光线至所述投影装置，所述图像光线经所述投影装置调节后，入射至所述波导镜片，再经所述波导镜片全反射输出至人眼，所述波导镜片为权利要求1至8任一项所述的波导镜片。
10.如权利要求9所述的波导镜片，其特征在于，所述投影装置用于调节所述图像光线输出至所述波导镜片的方向角，以提升所述图像光线在所述波导镜片的负1阶衍射效率。
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