一种近眼显示设备的制作方法

[0001]
本实用新型实施例涉及光学设计技术领域，特别涉及一种近眼显示设备。


背景技术：

[0002]
增强现实是将虚拟信息和真实世界相融合的技术，其中近眼显示设备是一种采用了增强现实技术的成像装置，近眼显示设备可以让用户看到真实世界的同时看到计算机构建的虚拟图像。光波导近眼显示设备具有体积小、重量轻等多种优势，是目前增强现实近眼显示设备中很重要的一个类型。光波导实现增强现实显示的原理比较简单，由微显示屏、照明光源、准直透镜组等器件组成的光机将虚拟图像准直为不同视场的平行光源后耦入到波导片里实现全反射传播，然后在目标区域耦出进入人眼，同时现实世界场景光线可以直接透过波导片进入人眼，从而使得人眼可以看到虚拟图像和真实世界叠加的画面。
[0003]
光波导按照耦入耦出的方式不同可以分为两大类，几何阵列光波导和光栅光波导，几何阵列光波导的耦入耦出根据的是几何光学原理，光线耦入耦出遵循折射光学原理，光栅光波导的耦入耦出根据的是衍射光学原理，光线耦入耦出遵循衍射光学原理。
[0004]
在实现本实用新型实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：目前光波导片上耦入区域和耦出区域通常采用同一类光波导，由于耦入耦出方式是相同的，耦入光线和耦出光线的视场角也是相同的，如果要提升用户所看到的虚拟图像视场角的视场角，就需要提高耦入光线的视场角，也就意味着要增大光机的体积与设计难度，这与用户希望减轻近眼显示设备体积和重量的需求相矛盾。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术的上述缺陷，本实用新型实施例的目的是提供一种光机体积小、设计难度小的近眼显示设备，能够实现图像的小视场耦入和大视场耦出。
[0006]
本实用新型实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
[0007]
为解决上述技术问题，本实用新型实施例中提供了一种近眼显示设备，包括：
[0008]
波导片，其包括耦入光栅和耦出分光膜阵列，用于接收畸变图像并输出虚拟显示图像；
[0009]
微显示器，其出光方向朝向所述耦入光栅的入光面，用于导入源图像，并根据所述源图像经过所述耦入光栅和所述耦出分光膜阵列所造成的畸变状态，对所述源图像进行畸变处理，以得到并输出畸变图像，其中，所述波导片输出的虚拟显示图像为所述源图像按非线性比例放大后的无畸变图像。
[0010]
在一些实施例中，所述耦出分光膜阵列为多片平行排列的分光膜，所述分光膜以预设倾角嵌于所述波导片中。
[0011]
在一些实施例中，所述耦入光栅的数量为1个，用于接收单色光；
[0012]
所述分光膜的数量为至少两个，用于横向扩瞳，各所述分光膜沿远离所述耦入光栅的方向透射率逐个减小，反射率逐个增大。
[0013]
在一些实施例中，所述耦入光栅的数量为三个，其分别用于接收红、绿、蓝三种波长的入射光；
[0014]
所述分光膜包括用于横向扩瞳的至少两个相互平行的分光膜，以及用于纵向扩瞳的至少两个互相平行的分光膜。
[0015]
在一些实施例中，所述耦入光栅为浮雕型直光栅、闪耀光栅、斜光栅、阶梯光栅、二维光栅、体全息光栅、超表面光栅中的一种。
[0016]
在一些实施例中，所述耦入光栅为在所述波导片的基底上刻蚀形成的梯形浮雕光栅，所述梯形浮雕光栅的周期为447nm、直侧边和斜侧边夹角为57.5
°
、光栅高度为277nm、镀膜厚度为107nm。
[0017]
在一些实施例中，还包括：
[0018]
准直透镜组，设于所述微显示器和所述耦入光栅之间，用于将所述畸变图像准直后输入至所述波导片中。
[0019]
在一些实施例中，所述准直透镜组为具有横向视场压缩功能的准直透镜组，或者，
[0020]
所述近眼显示设备的微显示器为具有横向视场压缩功能的微显示屏，或者，所述近眼显示设备的微显示器为具有横向视场压缩功能的微机电系统(mems)激光投影器件。
[0021]
在一些实施例中，所述微显示器为lcd、led、micro-led、oled、 dlp、lcos、mems激光投影中的一种。
[0022]
在一些实施例中，所述对所述源图像进行畸变处理为对所述源图像进行横向压缩处理，以及非线性变形处理。
[0023]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例中提供了一种近眼显示设备，该近眼显示设备包括波导片和微显示器，该波导片包括耦入光栅和耦出分光膜阵列，用于接收畸变图像并输出虚拟显示图像，该微显示器的出光方向朝向所述耦入光栅的入光面，用于导入源图像，并根据所述源图像经过所述耦入光栅和所述耦出分光膜阵列所造成的畸变状态，对所述源图像进行畸变处理，以得到并输出畸变图像，其中，所述波导片输出的虚拟显示图像为所述源图像按非线性比例放大后的无畸变图像，本实用新型实施例提供的近眼显示设备中的波导片采用光栅耦入、几何分光膜阵列耦出相组合的方式，能够实现图像光线的小视场耦入和大视场耦出，有效减小光机体积和设计难度，且出射的虚拟显示图像没有畸变。
附图说明
[0024]
一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
[0025]
图1是本实用新型实施例提供的一种波导片实现小视场耦入和大视场耦出的原理图；
[0026]
图2是图1提供的波导片在耦出光线横向视场角为35
°
时耦入光线的入射角和耦出光线的出射角的关系图；
[0027]
图3是本实用新型实施例提供的一种近眼显示设备的结构示意图；
[0028]
图4(a)是近眼显示设备中从波导片输出的一种虚拟显示图像；
[0029]
图4(b)是与图4(a)对应的近眼显示设备中输入至波导片的一种畸变图像；
[0030]
图5(a)是本实用新型实施例提供的第一种波导片的结构示意图；
[0031]
图5(b)是图5(a)所示波导片的俯视图；
[0032]
图6(a)是本实用新型实施例提供的第二种波导片的结构示意图；
[0033]
图6(b)是本实用新型实施例提供的第三种波导片的结构示意图；
[0034]
图6(c)是本实用新型实施例提供的第四种波导片的结构示意图；
[0035]
图7是本实用新型实施例提供的一种耦入光栅的结构示意图；
[0036]
图8是图7所示耦入光栅的一级透射衍射效率图。
具体实施方式
[0037]
下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
[0038]
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0039]
需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”、“第三”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。
[0040]
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0041]
此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0042]
目前，传统的近眼显示设备中，光波导的耦入区域和耦出区域通常采用相同的结构，如均采用几何光学结构或均采用衍射光学结构，使耦出虚拟画面与耦入画面保持一致来避免畸变，但这种对称式的设计在近眼显示设备想要获取更大视场角的虚拟显示画面时，对应的光机的体积和设计难度均会明显增大，从而增大耦入区域的结构尺寸，不利于近眼显示设备的小型化。
[0043]
为了解决目前能够实现大视场输出的近眼显示设备设计难度高、光机体积大等问题，本实用新型采用光栅耦入、几何分光膜阵列耦出相组合的方式提供一种近眼显示设备，以实现图像光线的小视场耦入和大视场耦出，且出射的虚拟显示图像没有畸变。其原理请参见图1所示的包含耦入光栅和耦出分光膜阵列的波导片，根据光栅公式和折射定理可得到以下关系：
[0044]
[0045]
n
·
sin(2b-a)＝sinθ2[0046]
其中，n表示波导片的折射率，a表示衍射角，θ1表示耦入光线的入射角，λ表示入射光的波长，d表示光栅周期，b表示耦出分光膜阵列的斜面夹角，θ2表示耦出光线的出射角。
[0047]
进一步地，结合上述两式可得到以下关系：
[0048][0049]
示例性地假设波导片的折射率n为1.52，耦出分光膜阵列的斜面夹角b为25.7
°
，入射光的波长λ为532nm，光栅周期d为447nm，耦出光线横向视场角选取为35
°
，则可以得到耦入光线的入射角θ1与耦出光线的出射角θ2的关系如图2所示，不难看出，在耦出光线需要的横向视场为35
°
时(由图2中横坐标耦出光线出射角最大值和最小值做差得到：15
°-
(-20
°
)＝35
°
)，耦入光线横向视场只需要20.84
°
(由图2中纵坐标耦入光线入射角最大值和最小值做差得到：10.42
°-
(-10.42
°
) ＝20.84
°
)就能满足，也即是说，本实用新型实施例采用光栅耦入、几何分光膜阵列耦出的方式确实可以实现小视场角耦入大视场角耦出。
[0050]
具体地，下面结合附图，对本实用新型实施例作进一步阐述。
[0051]
本实用新型实施例提供了一种近眼显示设备，请参见图3，其示出了本实用新型实施例提供的一种近眼显示设备的结构，所述近眼显示设备包括：波导片100和微显示器200。
[0052]
所述波导片100包括耦入光栅110和耦出分光膜阵列120，用于接收畸变图像并输出虚拟显示图像。在一些实施例中，所述耦入光栅110 可以为浮雕型直光栅、闪耀光栅、斜光栅、阶梯光栅、二维光栅、体全息光栅、超表面光栅中的一种。在一些实施例中，所述耦出分光膜阵列 120为多片平行排布的分光膜，所述分光膜以预设倾角嵌于所述波导片中。在一些实施例中，所述波导片100可以是玻璃、树脂等材质。
[0053]
所述微显示器200的出光方向朝向所述耦入光栅110的入光面，用于导入源图像，并根据所述源图像经过所述耦入光栅110和所述耦出分光膜阵列120所造成的畸变状态，对所述源图像进行畸变处理，以得到并输出畸变图像，其中，所述波导片输出的虚拟显示图像为所述源图像按非线性比例放大后的无畸变图像。在一些实施例中，所述微显示器200 为lcd(液晶显示)、micro-led(微米级半导体发光二极管显示)、led (发光二极管显示)、oled(有机发光二极管显示)、dlp(数字光处理)、lcos(硅基液晶)、mems(微机电系统)激光投影中的一种。
[0054]
在一些实施例中，所述近眼显示设备还可以包括：准直透镜组300，所述准直透镜组300设于所述微显示器200和所述耦入光栅110之间，用于将所述畸变图像准直后输入至所述波导片100中。
[0055]
具体地，请一并参加图4(a)和图4(b)，图4(a)示出了从波导片输出的一种虚拟显示图像，图4(b)示出了与该虚拟显示图像对应的输入至波导片的一种畸变图像，其中将显示屏的比例假设为16:9，因此将图像划分为16x9的网格图。如图所示，为得到源图像按非线性比例放大后的如图4(a)所示的虚拟显示图像，需要根据波导片带来的图像畸变，将源图像进行畸变处理，以得到如图4(b)所示的畸变图像，其中，假设在耦入的畸变图像上取一像素点坐标(x1,y)，其在耦出的虚拟显示图像上的相应像素点坐标为(x2,y)，则可以得到如下关系：
[0056][0057][0058][0059]
其中，β2表示像素点坐标为(x2,y)的像素点对应的横向视场角，l表示近眼显示设备的微显示屏的屏长，fov
x
表示近眼显示设备的微显示屏的横向视场角，β1表示像素点坐标为(x1,y)的像素点对应的横向视场角，n表示波导片的折射率，b表示耦出分光膜阵列的斜面夹角，λ表示入射光的波长，d表示光栅周期。
[0060]
不难看出，在确定最终需要输出的虚拟显示图像的尺寸后，可以根据需要输出的虚拟显示图像上各个像素点的坐标信息，经上述公式计算得到畸变图像上相应像素点的坐标信息，以实现对所述源图像的畸变处理。
[0061]
进一步地，从图4(b)所示的畸变图像不难看出，需要对源图像进行的畸变处理为对所述源图像进行横向压缩处理，以及非线性变形处理。对于所述横向压缩处理，可以采用具有横向视场压缩功能的准直透镜组300，或者，采用具有横向视场压缩功能的微显示屏来实现。对于所述非线性变形处理，可以通过软件控制的方法对微显示器200的显示画面进行调节。
[0062]
本实用新型实施例提供的近眼显示设备中，微显示器输出的是具有一定畸变的畸变图像，其在经过光波导的耦入和耦出区域时再次发生畸变，相当于进行了一次矫正，这使得最终进入人眼的虚拟显示图像是一个正常的、无畸变的图像，可供人眼正常观看图像，且采用光栅耦入、几何分光膜阵列耦出相组合的方式能够在不增大近眼显示设备的体积的前提下，实现视场角的放大。
[0063]
在一些实施例中，所述耦入光栅110的数量为1个，用于接收单色光，所述分光膜(耦出分光膜阵列)120的数量为至少两个，用于横向扩瞳，各所述分光膜120沿远离所述耦入光栅110的方向透射率逐个减小，反射率逐个增大。
[0064]
具体地，请一并参见图5(a)和图5(b)，图5(a)示出了本实用新型实施例提供的第一种波导片的结构，图5(b)是图5(a)所示波导片的俯视图，其中，所述波导片100上下表面平行，所述波导片100 包括一用于接收单色光的耦入光栅110，以及，用于耦出虚拟显示图像的六个互相平行的分光膜120(第一分光膜121、第二分光膜122、第三分光膜123、第四分光膜124、第五分光膜125和第六分光膜126)，六个分光膜120均以特定的倾角嵌入在波导片100内，六个分光膜120对不同入射角度的光线的透射率和反射率具有差异性，从第一分光膜121 到第六分光膜126透射率逐渐减小，反射率逐渐增加。耦入光线打到耦入光栅110上后衍射至波导片100内以全反射方式朝各个分光膜120传播，每碰到一次分光膜120就会有部分光线反射出来，剩余部分继续向前传播。需要说明的是，所述耦入光栅110可以分布在
波导片100的任意一侧或是嵌入其内部。
[0065]
在一些实施例中，请参见图6(a)，其示出了本实用新型实施例提供的第二种波导片的结构，区别于图5(a)和图5(b)所示的针对单色入射光设计、且仅能够进行横向扩瞳的波导片100结构，图6(a)所示的波导片100能够实现全彩显示和二维扩瞳，从而进一步减小光机体积。其中，所述耦入光栅110的数量为三个，其分别用于接收红、绿、蓝三种波长的入射光；所述分光膜120包括用于横向扩瞳的至少两个相互平行的分光膜，以及用于纵向扩瞳的至少两个互相平行的分光膜。
[0066]
具体地，所述耦入光栅110由三个光栅构成：第一耦入光栅111用于接收红光入射光，第二耦入光栅112用于接收绿光入射光，第三耦入光栅113用于接收蓝光入射光。第一分光膜121、第二分光膜122、第三分光膜123、第四分光膜124和第五分光膜125互相平行，起横向扩瞳的作用，第六分光膜126、第七分光膜127、第八分光膜128、第九分光膜129和第十分光膜1210互相平行，起横向扩瞳作用。各个分光膜 120均以特定角度嵌入波导片100中，入射光线由耦入光栅110衍射至波导片100内，靠全反射朝第一分光膜121到第五分光膜125的方向传播，光线每次碰到一个分光膜120就会有部分光发生透射、另一部分反射，透射光线沿原方向传播，反射光线改变传播方向向第六分光膜126 到第十分光膜1210的方向传播，最终光线耦出波导片100进入人眼。
[0067]
进一步地，类似的结构也可以采用如图6(b)所示的第三种波导片 100的结构，或者，类似的也可以采用如图6(c)所示的分体式的二维扩瞳方式的第四种波导片100的结构。
[0068]
在一些实施例中，请参见图7，其示出了本实用新型实施例提供的一种耦入光栅的结构，所述耦入光栅为在所述波导片的基底上刻蚀形成的梯形浮雕光栅，该耦入光栅110在波导片基底101上进行刻蚀，耦入光栅110的表面镀tio2膜102，光栅外形为梯形结构，所述梯形浮雕光栅的周期为447nm、直侧边和斜侧边夹角为57.5
°
、光栅高度为277nm、镀膜厚度为107nm。且请一并参见图8，其示出了图7所示耦入光栅的一级透射衍射效率图，图7所示耦入光栅110的1级透射衍射效率最高可达到90％以上，且衍射效率对光线入射角的变化不敏感。
[0069]
本实用新型实施例中提供了一种近眼显示设备，该近眼显示设备包括波导片和微显示器，该波导片包括耦入光栅和耦出分光膜阵列，用于接收畸变图像并输出虚拟显示图像，该微显示器的出光方向朝向所述耦入光栅的入光面，用于导入源图像，并根据所述源图像经过所述耦入光栅和所述耦出光膜所造成的畸变状态，对所述源图像进行畸变处理，以得到并输出畸变图像，其中，所述波导片输出的虚拟显示图像为所述源图像按非线性比例放大后的无畸变图像，本实用新型实施例提供的近眼显示设备中的波导片采用光栅耦入、几何分光膜阵列耦出相组合的方式，能够实现图像光线的小视场耦入和大视场耦出，有效减小光机体积和设计难度，且出射的虚拟显示图像没有畸变。
[0070]
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
[0071]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，
步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。