一种光波导出光扩瞳装置

技术领域

本发明属于光学显示技术领域，尤其涉及的是一种光波导出光扩瞳装置。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，简称AR)，是在屏幕上将虚拟世界叠加在现实世界的一种显示技术。要实现AR显示，一般需要微显示屏、微电子系统和激光束扫描仪等提供显示图像，并加上棱镜、反射镜、光波导和自由曲面等光学器件组合而成的光学系统才能构成完整的AR显示系统。AR显示技术最常见的应用是AR眼镜，提供显示内容的光束，也就是入瞳光束直径往往只有几个毫米，不经处理的话人眼只能在很小范围观察到图像，体验度差，解决该问题的办法是出瞳扩展，也就是扩瞳。

传统的AR技术中直接以AR眼镜镜片作为光波导扩瞳装置，镜片包含了入瞳区和出瞳区，光机产生的图像耦合进波导的玻璃基底中，通过多次“全反射”将光传输到眼镜前方再释放出来。常见的光波导有几何光波导和衍射光波导，光线传输至少都包含入光耦合和出光耦合的过程，这些耦入/耦出机构会对光的透视性造成影响，这种影响就像镜片的雾度增加。另外，由于激光束发散角度小导致出瞳尺寸小，这种以AR眼镜镜片直接作为光波导扩瞳装置的方式难以直接应用于采用激光扫描成像方式的AR显示中。

因此，现有技术有待于进一步的改进。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种光波导出光扩瞳装置，克服现有AR技术中以AR眼镜镜片直接作为光波导扩瞳装置，耦入/耦出机构会对光的透视性造成影响，且不适用于采用激光扫描成像方式的AR显示的缺陷。

本发明所公开的第一实施例为一种光波导出光扩瞳装置，其中，包括：微型显示系统、分离的光波导和光学镜片；其中，所述微型显示系统用于产生携带显示图像的光束；所述光波导用于接收携带显示图像的所述光束，并对所述光束进行扩瞳；所述光学镜片用于接收扩瞳后的所述光束，并将所述光束聚焦到人眼成像。

所述的光波导扩瞳装置，其中，所述光学镜片为眼镜镜片。

所述的光波导扩瞳装置，其中，所述微型显示系统包含激光器和微机电显示系统。

所述的光波导扩瞳装置，其中，所述微型显示系统为OLED显示屏，LCOS显示屏，LCD显示屏，MicroLED显示屏中的一种。

所述的光波导出光扩瞳装置，其中，所述光波导包括光波导本体，设置在所述光波导本体上的入光耦合机构和出光耦合机构；

所述入光耦合机构用于接收携带显示图像的光束，并将所述光束耦合入所述光波导本体；

所述光波导本体用于接收所述入光耦合机构耦合入的所述光束，并对所述光束进行多次全反射后出射至所述出光耦合机构；

所述出光耦合机构用于接收由所述光波导本体出射的所述光束，并将所述光束投射至所述光学镜片上。

所述的光波导出光扩瞳装置，其中，所述入光耦合机构由棱镜、反射镜和全息图中的一种或多种组合而成。

所述的光波导出光扩瞳装置，其中，所述出光耦合机构由全息图或倾斜的表面反射镜阵列中的一种或两种组合而成。

所述的光波导出光扩瞳装置，其中，所述光学镜片为曲面反射镜。

所述的光波导出光扩瞳装置，其中，所述光学镜片为具有反射和成像作用的全息结构。

所述的光波导出光扩瞳装置，其中，所述光学镜片为具有反射和成像作用的菲涅尔透镜。

有益效果，本发明提供了一种光波导出光扩瞳装置，微型显示系统产生的携带显示图像的光束通过光波导扩瞳后，由光学镜片聚焦到人眼成像，相比于传统直接以眼镜镜片作为光波导扩瞳装置，本申请的扩瞳装置光瞳扩展效果大大提升，适用于采用激光扫描成像方式的AR显示技术中，并且由于光波导出瞳光束不直接进入人眼，产品设计时可以将光波导扩瞳部分旁置，减少传统扩瞳光波导光束耦合进/出机构及光波导内部器件对视线的阻挡，增加AR显示的透视性。

附图说明

图1是本发明实施例一中提供的光波导出光扩瞳装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中提供的光波导出光扩瞳装置中微型显示系统以及光波导两部分集成设计的结构示意图；

图3是本发明实施例中提供的光波导出光扩瞳装置中微机电显示系统(光源采用独立设计)和光波导两部分集成设计的结构示意图；

图4是本发明实施例中提供的光波导出光扩瞳装置中在图像显示系统和光波导之间设置反射镜的结构示意图；

图5是本发明实施例二中提供的光波导出光扩瞳装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

AR显示技术最常见的应用是AR眼镜，现有各种AR显示方案各有优缺点，光波导方案由于基本可以做到无损传输被认为是比较有潜力的方案。光波导的基本原理是全反射，由于入射光束经过光波导传输后方向发生了改变，所以在产品设计上有机会将成像系统远离眼镜片移动到额头顶部或侧面，这样可以极大降低光学系统对外界视线的阻挡。AR技术中提供显示内容的光束，也就是入瞳光束直径往往只有几个毫米，不经处理的话人眼只能在很小范围观察到图像，体验度差，解决该问题的办法是出瞳扩展，也就是扩瞳。

传统的AR技术中直接以AR眼镜镜片作为光波导扩瞳装置，镜片包含了入瞳区和出瞳区，光机产生的图像耦合进波导的玻璃基底中，通过多次“全反射”将光传输到眼镜前方再释放出来。常见的光波导有几何光波导和衍射光波导，不管是哪种，光线传输至少都包含入光耦合和出光耦合的过程，这些耦入/耦出机构会对光的透视性造成影响，这种影响就像镜片的雾度增加。例如，几何光波导入光耦合、光线在波导内的传输和出光耦合过程一般是由棱镜和“半透半反”镜面阵列等光学器件组合完成，这些光学器件会减少光的透视性。衍射光波导耦入和耦出光波导过程是由具有周期结构的光学元件如折射率周期性变化的衍射光栅完成，这种结构同样会对光线透视性造成影响。

另外，采用激光扫描成像(如激光扫描视网膜成像)方式的AR显示中，由于激光束发散角小导致出瞳尺寸小，利用AR眼镜镜片直接作为光波导扩瞳装置，眼睛一动就可能看不到图像，虽然有些产品通过增加衍射光学元件、微透镜阵列或毛玻璃等具有光束发散功能的光学器件来实现扩瞳，可以增加一定视角范围，但这种设计实际上也牺牲了透视性，不适合AR应用。

实施例一

为了解决上述问题，本发明实施例一提供了一种采用激光扫描显示的光波导出光扩瞳装置，如图1所示，所述装置包括：光源101、微机电显示系统102、光波导及光学镜片106。其中光源101和微机电显示系统102组成微型显示系统，所述光源101为激光器，用于产生激光光束；所述微机电显示系统102为微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)，用于接收所述光源101产生的激光光束，并通过快速震动使所述激光光束发生偏转，产生携带图像信息的光束；所述光波导用于接收携带图像信息的所述光束，并对所述光束进行扩瞳；所述光学镜片106用于接收扩瞳后的所述光束，并将所述光束反射并进行放大后，聚焦到人眼107中成像。具体应用中，光源101产生的激光光束经过微机电系统102产生携带图像信息的光束，随后携带图像信息的光束经过光波导扩瞳后，由光学镜片106聚焦到人眼107，使人眼107能够看到清晰的图像。相比于传统的扩瞳方法，本实施例中的扩瞳装置可以大大增加光瞳扩展效果，容易实现激光扫描成像方式的AR显示，并且由于光波导出瞳光束不直接进入人眼，产品设计时可以将光波导扩瞳部分旁置，使光波导扩瞳部分独立于眼镜镜片之外，这样可以减少传统扩瞳光波导光束耦合进/出机构及光波导内部器件对视线的阻挡，增加AR显示的透视性。

在一具体实施方式中，所述微机电系统102包括微反射镜和微电机，所述微反射镜在所述微电机的驱动下可以围绕水平方向和垂直方向两个轴摆动，具体成像过程中，激光控制系统根据获取的图像控制激光器发射激光至微反射镜，微反射镜通过微电机高速震荡将激光器产生的激光光束反射至光波导上，形成扫描图像，即携带图像信息的光束。

在一具体实施方式中，所述光波导包括光波导本体103，设置在所述光波导本体103上的入光耦合机构104和出光耦合机构105，其中，所述出光耦合机构105尺寸大于所述入光耦合机构104尺寸，所述入光耦合机构104用于接收携带图像信息的所述光束，并将所述光束耦合入所述光波导本体103；所述光波导本体103用于接收所述入光耦合机构104耦合入的所述光束，并对所述光束进行多次全反射后出射至所述出光耦合机构105；所述出光耦合机构105用于接收所述光波导本体103多次全反射后的所述光束，并将所述光束投射至所述光学镜片106。具体应用中，微型显示系统产生的携带图像信息的光束经入光耦合机构104耦合进入光波导本体103中，携带图像信息的光束在光波导本体103内经过多次全反射后，由出光耦合机构105出射至光学镜片106，这个过程中由于出射光瞳大于入射光瞳，实际上是将光束的光瞳进行扩展，也就是完成了扩瞳。

在一具体实施方式中，所述入光耦合机构104由棱镜、反射镜和全息图中的一种或多种组合而成。所述出光耦合机构105由全息图或倾斜的表面反射镜阵列中的一种或两种组合而成。

所述光学镜片106将携带显示图像的光束重新定向到人眼107，也就是将扩瞳后的光束反射到人眼107，因此，本实施例中所述光学镜片106需要具备将从出光耦合机构105出来的光聚焦到眼睛视网膜的功能。在一具体实施方式中，所述光学镜片106为曲面反射镜，所述曲面反射镜为凹曲面反射镜或凸曲面反射镜，在成像过程中，所述曲面反射镜将携带显示图像的光束反射并进行放大后，聚焦到人眼107成像。

在另一具体实施方式中，所述光学镜片106为具有反射和成像作用的全息结构，所述具有反射和成像作用的全息结构可以为贴有全息膜的透明曲面镜，具有反射和成像作用的全息结构会比半透半反镜面具有更高的透光率，当无光反射时，会很清晰的看到现实物体，当有光反射时，又有较高的反射率，呈现出清晰的画面，更有利于虚拟画面与现实的融合。

在另一具体实施方式中，所述光学镜片106为具有反射和成像作用的菲涅尔透镜，在成像过程中，具有反射和成像作用的菲涅尔透镜将携带图像信息的光束反射并进行放大后，聚焦到人眼107成像。

具体地，微显示系统包含的激光器、微机电系统(MEMS)和光波导、光学镜片四部分可以设计成四个独立器件的产品形式，也可以将激光器、微机电系统(MEMS)和光波导三部分集成设计。在一具体实施例中，如图2所示，虚线框内所示为集成了激光器201、微机电系统(MEMS)202和光波导(包括光波导本体203、入光耦合机构204和出光耦合机构205)三部分的光学引擎，携带显示图像的光束由集成光学引擎内出射后，由光学镜片206聚焦到人眼207成像，这种集成设计方式不仅能够降低装置成本，减小装置重量及体积，而且可以将集成部分完全旁置于眼镜镜片之外，减少传统扩瞳光波导光束耦合进/出机构及光波导内部器件对视线的阻挡，增加AR显示的透视性。

在另一具体实施例中，如图3所示，虚线框内所示为集成了微机电系统(MEMS)302和光波导(包括光波导本体303、入光耦合机构304和出光耦合机构305)两部分的光学引擎，激光器301作为独立器件设计，其产生的激光光束经过集成光学引擎产生扩瞳后的携带显示图像的光束，扩瞳后的携带显示图像的光束由光学镜片306聚焦到人眼307成像，这种集成设计方式同样可以降低装置成本，减小装置重量及体积，将集成部分完全旁置于眼镜镜片之外，减少传统扩瞳光波导光束耦合进/出机构及光波导内部器件对视线的阻挡，增加AR设备的透视性。

光波导最常见的应用是AR眼镜，因为眼镜的特殊结构，要在眼镜腿上集成激光器、微机电系统和光波导三部分不是一件容易的事情，为了更合理地安放这几个部件，如图4所示，可以在微机电系统402和光波导403之间设置第一反射镜404和第二反射镜405。具体AR成像过程中，激光器401产生的激光光束经过微机电系统402产生携带显示图像的激光光束，携带显示图像的激光光束经过第一反射镜404和第二反射镜405反射到光波导403中进行扩瞳，扩瞳后的激光光束由光学镜片406聚焦到人眼407成像。

实施例二

本发明实施例二提供了一种采用OLED显示屏，LCOS显示屏，LCD屏，MicroLED显示屏之一的微显示屏的光波导出光扩瞳装置，当所述微型显示系统为OLED显示屏，LCOS显示屏，LCD显示屏中的一种时，如图5所示，所述装置包括：光源501、微型显示系统502、光波导及光学镜片506。其中，所述光源501为RGB三色光源，用于产生RGB三色光束；所述微型显示系统502为OLED显示屏，LCOS显示屏，LCD显示屏之一的微显示屏，也即可以为硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)，液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、有机发光二极管显示(Organic Light-Emitting Diode，OLED)等现有不同类型的显示器件，所述微型显示系统502用于提供显示图像并接收所述光源产生的RGB三色光束，产生携带显示图像的光束；所述光波导用于接收携带显示图像的所述光束，并对所述光束进行扩瞳；所述光学镜片506用于接收扩瞳后的所述光束，并将所述光束反射并进行放大后，聚焦到人眼507成像。具体应用中，光源501产生的RGB三色光束经过微显示屏产生携带显示图像的光束，随后携带显示图像的光束经过光波导扩瞳后，由光学镜片506聚焦到人眼507成像。相比于传统的扩瞳方法，本实施例中的扩瞳装置可以大大增加光瞳扩展效果，并且由于光波导出瞳光束不直接进入人眼，产品设计时可以将光波导扩瞳部分旁置，使光波导扩瞳部分独立于眼镜镜片之外，这样可以减少传统扩瞳光波导光束耦合进/出机构及光波导内部器件对视线的阻挡，增加AR设备的透视性。

在一具体实施方式中，当所述微型显示系统为MicroLED显示屏时，所述MicroLED显示屏中的LED可以直接通过电压驱动发光，所述装置包括：微型显示系统502、光波导及光学镜片506。其中，所述微型显示系统502用于产生携带显示图像的光束；所述光波导用于接收携带显示图像的所述光束，并对所述光束进行扩瞳；所述光学镜片506用于接收扩瞳后的所述光束，并将所述光束反射并进行放大后，聚焦到人眼507成像。相比于传统的扩瞳方法，本实施例中的扩瞳装置可以大大增加光瞳扩展效果，并且由于光波导出瞳光束不直接进入人眼，产品设计时可以将光波导扩瞳部分旁置，使光波导扩瞳部分独立于眼镜镜片之外，这样可以减少传统扩瞳光波导光束耦合进/出机构及光波导内部器件对视线的阻挡，增加AR设备的透视性。

在一具体实施方式中，所述光波导包括光波导本体503，设置在所述光波导本体503上的入光耦合机构504和出光耦合机构505，其中，所述出光耦合机构505尺寸大于所述入光耦合机构504尺寸，所述入光耦合机构504用于接收携带显示图像的所述光束，并将所述光束耦合入所述光波导本体503；所述光波导本体503用于接收所述入光耦合机构504耦合入的所述光束，并对所述光束进行多次全反射后出射至所述出光耦合机构505；所述出光耦合机构505用于接收由所述光波导本体503出射的所述光束，并将所述光束投射至所述光学镜片506上。具体应用中，微显示屏产生的携带显示图像的光束经入光耦合机构504耦合进入光波导本体503中，携带显示图像的光束在光波导本体503内经过多次全反射后，由出光耦合机构505出射至光学镜片506，这个过程中由于出射光瞳大于入射光瞳，实际上是将光束的光瞳进行扩展，也就是完成了扩瞳。

在一具体实施方式中，所述入光耦合机构504由棱镜、反射镜和全息图中的一种或多种组合而成。所述出光耦合机构505由全息图或倾斜的表面反射镜阵列中的一种或两种组合而成。

所述光学镜片506将携带显示图像的光束重新定向到人眼507，也就是将扩瞳后的光束反射到人眼507，因此，本实施例中所述光学镜片506需要具备将从出光耦合机构505出来的光聚焦到眼睛视网膜的功能。在一具体实施方式中，所述光学镜片506为曲面反射镜，所述曲面反射镜为凹曲面反射镜或凸曲面反射镜，在成像过程中，所述曲面反射镜将携带图像信息的光束反射并进行放大后，聚焦到人眼507成像。

在另一具体实施方式中，所述光学镜片506为具有反射和成像作用的全息结构，所述具有反射和成像作用的全息结构可以为贴有全息膜的透明曲面镜，具有反射和成像作用的全息结构会比半透半反镜面具有更高的透光率，当无光反射时，会很清晰的看到现实物体，当有光时，又有较高的反射率，呈现出清晰的画面，更有利于虚拟画面与现实的融合。

在另一具体实施方式中，所述光学镜片506为具有反射和成像作用的菲涅尔透镜，在成像过程中，具有反射和成像作用的菲涅尔透镜将携带图像信息的光束反射并进行放大后，聚焦到人眼507成像。

具体地，与实施例一中类似，本实施例中光源501、微显示屏502、光波导和光学镜片506四部分可以设计成四个独立器件的产品形式，也可以将光源、微显示屏和光波导三部分集成设计，具体可参照实施例一所述，这种集成设计方式不仅能够降低装置成本，减小装置重量及体积，而且可以将集成部分完全旁置于眼镜镜片之外，减少传统扩瞳光波导光束耦合进/出机构及光波导内部器件对视线的阻挡，增加AR显示的透视性。

与实施例一中类似，由于眼镜的特殊结构，为了更合理的在眼镜腿上集成光源501、微显示屏502和光波导，本实施例中也可以在微显示屏502和光波导之间增加反射镜，具体设置方式与实施例一中相同，本实施例中在此不作赘述。

综上所述，本发明提供了一种光波导出光扩瞳装置，包括：微显示系统、分离的光波导及光学镜片；所述微显示系统用于产生携带显示图像的光束；所述光波导用于接收携带显示图像的所述光束，并对所述光束进行扩瞳；所述光学镜片用于接收扩瞳后的所述光束，并将所述光束聚焦到人眼成像。本申请微显示系统产生的携带图像信息的光束通过光波导扩瞳后，由光学镜片聚焦到人眼成像，相比于传统直接以眼镜镜片作为光波导扩瞳装置，本申请的扩瞳装置光瞳扩展效果大大提升，适用于采用激光扫描成像方式的AR显示技术中，并且由于光波导出瞳光束不直接进入人眼，产品设计时可以将光波导扩瞳部分旁置，减少传统扩瞳光波导光束耦合进/出机构及光波导内部器件对视线的阻挡，增加AR显示的透视性。

应当理解的是，本发明的系统应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。