一种倍增视场角且最大化镜片有效成像区域的光波导镜片的制作方法

1.本发明涉及一种倍增视场角且最大化镜片有效成像区域的光波导镜片，主要应用于增强现实（augmented reality，以下简称ar）和混和现实(mix reality，以下简称mr)设备技术领域。


背景技术：

2.近年来，随着计算能力、微显示光学、传感技术以及人工智能技术的发展进步，头戴显示设备发展迅速，尤其是ar和mr眼镜。ar和mr眼镜既通过光学显示系统呈现现实世界，又通过计算产生与之匹配的虚拟信息或者图像，从而增强了用户对现实世界的感知。
3.光学系统是ar和mr眼镜的核心技术之一，目前近眼视光学的视场、透光度，以及体积重量、佩戴舒适性等方面都面临较大挑战。
4.在现行的光学技术中，波导光学因其轻薄特性备受大家关注。如何在波导光学基础之上，获得更大的成像可视角度，形成了众多的技术分支流派。其中之一是以以色列lumus为代表的阵列反射技术，利用了反射光学带宽大、效率高的优点，保障了光学的轻薄特性，但其缺点是制造工艺繁复难以保障良品率，而且视场角越大，结构和制造工艺的难度越大。另一种技术是以nokia、sony等公司为代表的光栅衍射技术，利用了光栅可复制易于大批量制造且色彩表现较好的优点，当前像微软、waveoptics等公司均采用了该方案，该方案虽然克服了阵列反射的缺点，但是仍不能解决视场角小的痛点问题。
5.同时，目前光波导镜片面积受传输扩瞳方案影响较大，视场角越大镜片面积也会越大，从而使得视场角与镜片面积无法达到俱佳状态。
6.综上可知，当前光波导镜片普遍存在视场角小问题，即使出现小幅度增大视场角的方案仍不能达到较佳体验，且小幅度的增大视场角带来的是镜片面积的大幅增大，视场角和镜片面积成为制约光波导镜片，尤其是ar和mr眼镜发展的关键难题。


技术实现要素：

7.本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种倍增视场角且最大化镜片有效成像区域的光波导镜片，解决当前ar和mr眼镜视场角小且镜片面积大的痛点问题，大幅提升ar和mr眼镜的佩戴体验且使其外观更加简洁美观。
8.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种倍增视场角且最大化镜片有效成像区域的光波导镜片，包括：波导衬底、至少n（n2，下同）个聚集在一处的耦入元件、n个转折元件和n个耦出元件，所述耦入元件、转折元件和耦出元件数量相同且设置于所述波导衬底；光束通过所述耦入元件输入并实现一维扩瞳，然后通过所述转折元件将一维扩瞳后的光束转折方向输入至耦出元件，最后通过所述耦出元件实现二维扩瞳并最终输出。
9.进一步地，所述n个聚集在一处的耦入元件、n个转折元件和n个耦出元件共同组成了n个光传输组合，每个耦入元件都有其对应的转折元件和耦出元件。
10.进一步地，所述光束为向该镜片传输图像的唯一一束光束，所述光束被分割成n个
部分并分别输入至n个耦入元件，所述n个耦入元件共同聚集在上述光束的投射区域内，此时的光束传输方向为第一方向；然后被分割的光束分别通过对应的耦入元件扩瞳并传输至对应的转折元件，此时光束传输方向为第二方向；然后每组光束分别通过对应的转折元件传输至对应的耦出元件，此时光束传输方向为第三方向；最后每组光束通过其对应的耦出元件扩瞳并传输出来，假设此时的光束传输方向为第四方向。
11.进一步地，各光传输组合光线传输方向存在如下关系：各组的第一方向相互平行；各组的第四方向相互平行；同时各组第一方向和第四方向光束夹角为180
°
；各组的第二方向和第三方向因方案设计不同而异。
12.进一步地，假设镜片所在平面为xy平面，镜片上与双眼瞳距的直线平行的方向为x方向，镜片上与沿鼻梁的直线平行的方向为y方向，垂直于xy平面的方向为z方向。则本发明分别通过每组耦入元件实现了xy平面上某一方向上的一个维度的图像扩瞳，该扩瞳图像显现在对应转折元件上，该转折元件将扩瞳后的图像进行一定角度的方向转折后输入对应耦出元件，耦出元件将图像在xy平面上另一方向上进行一个维度的扩瞳，即每组光传输组合均对输入图像进行了二维扩瞳。
13.进一步地，所述光束被分割成的n个部分共同组成了完整输入图像，被分割的n份图像分别通过n组光传输组合实现了二维扩瞳，n个耦出元件输出的图像共同组成了完整的输出图像，完整的输出图像相较于完整的输入图像实现了n次二维扩瞳，视场角倍增。
14.进一步地，所述每组耦入元件、对应转折元件和对应耦出元件均设置在所述波导衬底的同一层面上，所述每组转折元件设置在对应耦入元件和对应耦出元件之间，在满足上述条件的情况下，不同组耦入元件、转折元件和耦出元件的某些元件可以平行于上文所述xy平面重叠置于所述波导衬底上。不同组光传输组合元件重叠置于波导衬底上节约了镜片面积，使得镜片成像区域最大化。
15.为达到上述目的，本发明还提供了一种显示装置，包括至少一片上述所述光波导镜片。
16.进一步地，所述显示装置还包括一个光引擎，所述光引擎包括成像元件，所述成像元件具有出瞳，所述耦入元件与所述出瞳对接。
17.进一步地，所述出瞳的尺寸与所述耦入元件的尺寸相匹配。
18.本发明的有益效果在于：本发明的光波导镜片和显示装置通过重叠设计的多组光传输组合元件，实现了倍增视场角和最大化镜片有效成像区域的效果。
19.首先，被分割成n份的光束分别通过n组光传输组合进行了二维扩瞳传输，被分割成n份的图像经过扩瞳传输后共同拼接成了完整的输出图像，此时完整的输出图像相较于完整的输入图像就实现了n次二维扩瞳传输，即实现了倍增镜片的视场角效果；其次，本发明的多组耦入元件、转折元件和耦出元件的某些元件可以平行于上文所述xy平面重叠置于所述波导衬底上，与以往各元件单层平铺于波导衬底的设计不同，该方案将原本镜片内的中转部分由人眼观测方向的无效成像区域转化为有效成像区域；最后，本发明的n个耦入元件共同聚集在所述光束的投射区域内使得光源投射装置得到最大效率的利用。
20.上述所述视场角和镜片面积问题均是制约ar和mr眼镜发展的关键问题，本发明既显著增大了ar和mr眼镜的视场角，又通过最大化镜片有效成像区域解决了镜片面积大的问题，大幅提升了ar和mr眼镜的佩戴体验且使其外观更加简洁美观，我们相信本发明带来的
技术进步将促进ar和mr眼镜走向一个新的繁荣发展阶段。
21.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
22.图1为本发明一实施例所示的光波导镜片的结构示意图；图2 为本发明一实施例的应用光传输示意图；图3为本发明另一实施例所示的光波导镜片的结构示意图；图4为本发明另一实施例的应用光传输示意图。
具体实施方式
23.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。
24.请参见图1，本发明一实施例所示的光波导镜片包括波导衬底30，两个聚集在一处的耦入元件11、21，两个转折元件12、22，两个耦出元件13、23。在本实施例中，含有两组耦入元件、转折元件和耦出元件组合，分别为组合11、12、13和组合21、22、23，诚然，本发明的具体实施方式中可以有超过两种的更多组合，组合数越多，视场角越大。
25.在本实施例中，两个聚集在一处的耦入元件11和21、两个转折元件12和22以及两个耦出元件13和23共同组成了两个光传输组合，耦入元件11、转折元件12和耦出元件13为一组，耦入元件21、转折元件22和耦出元件23为一组。
26.在本实施例中，通过唯一一束光束向该镜片传输图像，所述光束被分割成两个部分并分别输入耦入元件11和21，所述两个耦入元件共同聚集在上述光束的投射区域内，假设此时的光束传输方向为第一方向；然后光束分别通过两个耦入元件11和21扩瞳并传输至两个转折元件12和22，假设此时光束传输方向为第二方向；然后光束分别通过两个转折元件12和22传输至所述两个耦出元件31和32，假设此时光束传输方向为第三方向；最后光束分别经过两个耦出元件31和32扩瞳且传输出来，假设此时的光束传输方向为第四方向。
27.进一步地，两组光传输组合光线传输方向存在如下关系：两组的第一方向相互平行；两组的第四方向相互平行；同时各组第一方向和第四方向光束夹角为180
°
；两组的第二方向和第三方向不同。优选的，第一方向为垂直射入镜片的方向，第四方向为垂直射出镜片的方向，即光束垂直射入镜片，并垂直从镜片射出至人眼中。如图2所示。
28.具体地，在ar和mr光波导镜片对光束进行传输，并对其出瞳进行扩大时，需要满足的基本原则是：输出的光束和输入的光束需要满足平行条件，这样在整个扩大出瞳的范围内，看到的图像不会产生畸变。
29.进一步地，假设镜片所在平面为xy平面，镜片上与双眼瞳距的直线平行的方向为x方向，镜片上与沿鼻梁的直线平行的方向为y方向，垂直于xy平面的方向为z方向。则本方案分别通过耦入元件11实现了xy平面上某一方向上的一个维度的图像扩瞳，该扩瞳图像显现在对应转折元件上，该转折元件将扩瞳后的图像进行90度转折后输入对应耦出元件13，耦出元件13将图像在xy平面上另一方向上进行一个维度的扩瞳，即耦入元件11、转折元件12和耦出元件13对被分割的输入图像进行了二维扩瞳。同理组合21、22、23也对被分割的输入
图像进行了二维扩瞳。
30.本实施例中光束被分割成的两个部分共同组成了完整的输入图像，被分割的两份图像分别通过组合11、12、13和组合21、22、23实现了二维扩瞳，两个耦出元件输出的图像共同组成了完整的输出图像，完整的输出图像相较于完整的输入图像实现了两次二维扩瞳，视场角倍增。
31.进一步地，耦入元件11、转折元件12和耦出元件13设置在所述波导衬底的同一层面上，耦入元件21、转折元件22和耦出元件23设置在所述波导衬底的同一层面上；转折元件12设置在耦入元件11和耦出元件13之间，转折元件22设置在耦入元件21和耦出元件23之间；转折元件12和耦出元件23平行于上文所述xy平面重叠置于波导衬底上，转折元件22和耦出元件13平行于上文所述xy平面重叠置于波导衬底上。上述耦入元件和耦出元件的重叠设计节约了镜片面积，使得镜片成像区域最大化。
32.进一步地，耦入元件11和21共同聚集在上述光束的投射区域内使得光源投射装置得到最大效率的利用，同时也提升了镜片整体的简洁美观。
33.在本实施例中，耦入元件11、21和耦出元件13、23为半圆形，转折元件12、22为扇形的一部分，诚然，在其他实施例中，根据实际需要，耦入元件、耦出元件以及转折元件还可为其他形状。
34.在本实施例中，波导衬底30所采用的材料为环硫树脂。诚然，在其他实施例中，该波导衬底30所采用的材料还可为其他有机材料，或者无机材料，如重火石玻璃。
35.在本实施例中，光波导镜片为圆形。诚然，在其他实施例中，该光波导镜片还可以为其他适合人眼观察的形状。
36.本发明还提供了一种显示装置，该显示装置包括至少一片本实施例所述的光波导镜片以及一个光引擎，光引擎中包括光源，图像输出元件和成像元件，在成像元件中设置有出瞳，为保证光束通过耦入元件11和21完全耦合至波导衬底30中，出瞳的位置必须与耦入元件11和21对接，优选的，出瞳的形状和尺寸与耦入元件11和21的形状和尺寸一致。
37.请参见图3，本发明另一实施例所示的光波导镜片采用的正方形输入元件和长方形输出元件， 该光波导镜片包括波导衬底80、四个聚集在一处的耦入元件41、51、61和71、四个转折元件42、52、62和72、四个耦出元件43、53、63和73。在本实施例中，含有四组耦入元件、转折元件和耦出元件组合，分别为组合41、42、43；组合51、52、53，组合61、62、63；组合71、72、73。诚然，本发明的具体实施方式中可以有超过两种的其他组合，组合数越多，视场角越大。
38.在本实施例中，四个聚集在一处的耦入元件41、51、61和71、四个转折元件42、52、62和72以及四个耦出元件43、53、63和73共同组成了四个光传输组合，耦入元件41、转折元件42和耦出元件43为一组，耦入元件51、转折元件52和耦出元件53为一组，耦入元件61、转折元件62和耦出元件63为一组，耦入元件71、转折元件72和耦出元件73为一组。
39.在本实施例中，通过唯一一束光束向该镜片传输图像，所述光束被分割成四个部分并分别输入四个耦入元件41、51、61和71，所述四个耦入元件共同聚集在上述光束的投射区域内，假设此时的光束传输方向为第一方向；然后光束分别通过所述四个耦入元件41、51、61、71扩瞳并传输至所述四个转折元件42、52、62、72，假设此时光束传输方向为第二方向；然后光束分别通过四个转折元件42、52、62、72传输至所述四个耦出元件43、53、63、73，
假设此时光束传输方向为第三方向；最后光束分别经过四个耦出元件43、53、63、73扩瞳且传输出来，假设此时的光束传输方向为第四方向。
40.进一步地，四组光传输组合光线传输方向存在如下关系：四组的第一方向相互平行；四组的第四方向相互平行；同时各组第一方向和第四方向光束夹角为180
°
；四组的第二方向和第三方向不同。优选的，第一方向为垂直射入镜片的方向，第四方向为垂直射出镜片的方向，即，光束垂直于镜片射入镜片，并垂直于镜片射出至人眼中。如图4所示。
41.具体地，在ar和mr光波导镜片对光束进行传输，并对其出瞳进行扩大时，需要满足的基本原则是：输出的光束和输入的光束需要满足平行条件，这样在整个扩大出瞳的范围内，看到的图像不会产生畸变。
42.进一步地，假设镜片所在平面为xy平面，镜片上与双眼瞳距的直线平行的方向为x方向，镜片上与沿鼻梁的直线平行的方向为y方向，垂直于xy平面的方向为z方向。则本方案分别通过耦入元件41实现了xy平面上某一方向上的一个维度的图像扩瞳，该扩瞳图像显现在对应转折元件42上，该转折元件将扩瞳后的图像进行90度转折后输入对应耦出元件43，耦出元件43将图像在xy平面上另一方向上进行一个维度的扩瞳，即耦入元件41、转折元件42和耦出元件43对被分割的输入图像进行了二维扩瞳。同理其他组合51、52、53；组合61、62、63；组合71、72、73分别对被分割的输入图像进行了二维扩瞳。
43.本实施例中光束被分割成的四个部分共同组成了完整输入图像，被分割的四份图像分别通过组合41、42、43；组合51、52、53；组合61、62、63；组合71、72、73实现了二维扩瞳，四个耦出元件共同组成了完整的输出图像，输出图像相较于输入图像实现了四次二维扩瞳，视场角倍增。
44.进一步地，耦入元件41、转折元件42和耦出元件43设置在所述波导衬底的同一层面上，耦入元件51、转折元件52和耦出元件53设置在所述波导衬底的同一层面上，耦入元件61、转折元件62和耦出元件63设置在所述波导衬底的同一层面上，耦入元件71、转折元件72和耦出元件73设置在所述波导衬底的同一层面上；转折元件42设置在耦入元件41和耦出元件43之间，转折元件52设置在耦入元件51和耦出元件53之间，转折元件62设置在耦入元件61和耦出元件63之间，转折元件72设置在耦入元件71和耦出元件73之间；转折元件42和耦出元件63平行于上文所述xy平面重叠置于波导衬底上，转折元件52和耦出元件73平行于上文所述xy平面重叠置于波导衬底上，转折元件62和耦出元件43重叠置于波导衬底上，转折元件72和耦出元件53平行于上文所述xy平面重叠置于波导衬底上。上述耦入元件和耦出元件的重叠设计节约了镜片面积，使得镜片成像区域最大化。
45.进一步地，耦入元件41、51、61和71共同聚集在上述光束的投射区域内使得光源投射装置得到最大效率的利用，同时也提升了镜片整体的简洁美观。
46.在本实施例中，耦入元件41、51、61、71为正方形，耦出元件43、53、63、73为矩形，转折元件42、52、62、72为矩形的一部分，诚然，在其他实施例中，根据实际需要，耦入元件、耦出元件以及转折元件还可为其他形状。
47.在本实施例中，波导衬底80所采用的材料为环硫树脂，诚然，在其他实施例中，该波导衬底80所采用的材料还可为其他有机材料，或者无机材料，如重火石玻璃。
48.在本实施例中，光波导镜片为矩形，诚然，在其他实施例中，该光波导镜片还可以为其他适合人眼观察的形状。
49.本发明还提供了一种显示装置，该显示装置包括至少一片本实施例的光波导镜片以及一个光引擎，光引擎中包括光源，图像输出元件和成像元件，在成像元件中设置有出瞳，为保证光束通过耦入元件41、51、61和71完全耦合至波导衬底80中，出瞳的位置必须与耦入元件41、51、61和71对接，优选的，出瞳的形状和尺寸与耦入元件件41、51、61和71的形状和尺寸一致。
50.综上所述：本发明的光波导镜片和显示装置通过重叠设计多组光传输组合元件，实现了倍增视场角和最大化镜片有效成像区域的效果。
51.首先，被分割成n份的光束分别通过n组光传输组合进行了二维扩瞳传输，被分割成n份的图像经过扩瞳传输后共同拼接成了完整的输出图像，此时完整的输出图像相较于完整的输入图像就实现了n次二维扩瞳传输，即实现了倍增镜片的视场角效果；其次，本发明的多组输入元件、中转元件和输出元件某些元件可以平行于上文所述xy平面重叠置于所述波导衬底上，与以往各元件单层平铺于波导衬底的设计不同，该方案将原本镜片内的中转部分由人眼观测方向的无效成像区域转化为有效成像区域；最后，本发明的n个耦入元件共同聚集在所述光束的投射区域内使得光源投射装置得到最大效率的利用。
52.上述所述视场角和镜片面积问题均是制约ar和mr眼镜发展的关键问题，本发明既显著增大了ar和mr眼镜的视场角，又通过最大化镜片有效成像区域解决了镜片面积大的问题，大幅提升了ar和mr眼镜的佩戴体验且使其外观更加简洁美观，我们相信本发明带来的技术进步将促进ar和mr眼镜走向一个新的繁荣发展阶段。
53.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
54.以上所述实施例仅表达了本发明的两种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。