增强现实显示光学器件、光学系统、眼镜及HUD显示系统的制作方法

增强现实显示光学器件、光学系统、眼镜及hud显示系统
技术领域
1.本技术涉及增强现实显示技术领域，具体而言，涉及一种增强现实显示光学器件、光学系统、眼镜及hud显示系统。


背景技术：

2.增强现实显示技术，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，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，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，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同时存在。这种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。现有的增强现实显示系统通常由光学引擎和光学组合器组成，光学组合器反射光学引擎的影像进入人眼，并对环境光线保持一定的透过率，现有的增强现实显示系统无法在低成本的情况下高性能实现对影像的反射以及环境光线的透射，这就导致了现有的低成本ar显示系统无法实现高成像亮度。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于提供一种增强现实显示光学器件、光学系统、眼镜及hud显示系统，以改善上述问题。本技术通过以下技术方案来实现上述目的。
4.第一方面，本技术提供一种增强现实显示光学器件，该增强现实显示光学器件包括基底层和微纳光学反射层，基底层包括第一表面以及与第一表面相背的第二表面，基底层透射环境光，微纳光学反射层设置于基底层的第一表面，微纳光学反射层被配置为将处于预定窄带波长段的虚拟影像的光线反射。
5.在一种实施方式中，微纳光学反射层包括中间层以及纳米光栅层，中间层设置于基底层的第一表面，纳米光栅层设置于中间层远离第一表面的一侧。
6.在一种实施方式中，纳米光栅层由多个呈阵列排布的微纳米光栅结构构成，每个微纳米光栅结构的折射率大于1.6。
7.在一种实施方式中，纳米光栅层的光栅周期为200nm～400nm。
8.在一种实施方式中，纳米光栅层的占空比为0.1～0.9。
9.在一种实施方式中，纳米光栅层由以下方式制备：以树脂为原料，通过压印的方式在中间层上形成纳米光栅层。
10.在一种实施方式中，中间层的折射率大于1.6。
11.第二方面，本技术提供一种增强现实显示系统，增强现实显示系统包括图像投影装置和如上的增强现实显示光学器件；图像投影装置用于向增强现实显示光学器件发出处于预定窄带波长段的图像光；增强现实显示光学器件用于透射环境光；增强现实显示光学器件还用于反射预定窄带波长段的图像光以成像。
12.第三方面，本技术提供一种增强现实显示眼镜，增强现实显示眼镜包括镜架、镜片
和增强现实显示系统，镜架包括相互连接的镜框与镜腿支架，镜片设置于镜框中，图像投影装置设置于镜腿支架；增强现实显示光学器件贴附于镜片内表面，或者镜片作为增强现实显示光学器件的基底层。
13.第四方面，本技术提供一种增强现实hud显示系统，包括挡风玻璃和增强现实显示系统，其特征在于，增强现实显示光学器件贴附于挡风玻璃内表面，或者挡风玻璃作为增强现实显示光学器件的基底层。
14.第五方面，本技术提供一种增强现实hud显示系统，包括独立hud屏幕和增强现实显示系统，其特征在于，增强现实显示光学器件贴附于独立hud屏幕内表面，或者独立hud屏幕作为增强现实显示光学器件的基底层。
15.相较于现有技术，本技术提供的增强现实显示光学器件、光学系统、眼镜及hud显示系统，利用微纳光学反射层对预定窄波长处图像光具有极高反射率、对环境光具有极高透射率的特性，从而实现以低成本、低功耗实现显示系统对预定窄波长处图像光的高亮度、高透光率。
16.本技术的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本技术第一实施例提供的增强现实显示光学器件的结构示意图。
19.图2是本技术第一实施例提供的增强现实显示光学器件通过实验测得的反射率和折射率示意图。
20.图3是本技术第一实施例提供的增强现实显示光学器件中微纳光学反射层的一种实施方式的结构示意图。
21.图4是本技术第二实施例提供的一种增强现实显示系统的结构示意图。
22.图5是本技术第三实施例提供的一种增强现实显示眼镜的第一视角下的结构示意图。
23.图6是本技术第三实施例提供的一种增强现实显示眼镜的第二视角下的结构示意图。
24.图7是本技术第四实施例提供的一种增强现实hud显示系统在第一视角下的结构示意图。
25.图8是本技术第四实施例提供的一种增强现实hud显示系统在第二视角下的结构示意图。
26.图9是本技术第五实施例提供的另一种增强现实hud显示系统在第一视角下的结构示意图。
27.图10是本技术第五实施例提供的另一种增强现实hud显示系统在第二视角下的结构示意图。
具体实施方式
28.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术实施例进行更全面的描述。附图中给出了本技术实施例的较佳实施方式。但是，本技术实施例可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本技术的公开内容理解的更加透彻全面。
29.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术实施例中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本技术。
30.在增强现实显示技术领域中，从光源的方面看，主要包括基于传统显示面板的tft-lcd/am-oled(tft-lcd：薄膜晶体管液晶显示器；am-oled：有源矩阵有机发光二极体或主动矩阵有机发光二极体)显示屏幕、基于dlp(dlp：数字光处理)以及3lcd(3lcd：将光源发出的光分解成r(红)、g(绿)、b(蓝)三种颜色(光的三原色)的光)的led(led：发光二极管)/激光光源投影技术、基于lcos(lcos：液晶附硅)的光源技术以及基于mems(mems：微机电系统)系统的激光扫描方案。从光学组合器方面来看，主要包括birdbath(birdbath：曲面反射镜)、自由曲面、几何光波导(又称阵列光波导)以及衍射光波导技术(包括表面浮雕光栅和全息体光栅)。其中，birdbath、自由曲面、阵列光波导都是基于几何光学的技术。birdbath以及自由曲面技术通过对光线的定向反射以及表面的半透半反镀膜实现光学组合的功能，相关技术生产成本较低，并且可以实现很大的视场角。但是由于此类技术难以在薄片式镜片上实现，基于此技术的产品通常难以具有普通眼镜的轻便形态。并且由于半透半反膜层的存在，在一定程度上会影响周围环境的光线，无法保证不影响用户对周围环境的观察。阵列光波导技术是将自由曲面的反射面做成多层反射阵列膜层，以减小产品体积，但是由于工艺难度极高，成本一直居高不小。
31.目前，市场上也存在基于衍射光波导技术的ar眼镜，衍射光波导技术是基于微纳光学的技术，衍射光波导多采用具有表面浮雕结构的光栅或者全息体光栅。对于表面浮雕光栅来说，传统的矩形光栅虽然加工工艺成熟，可量产型好，但是会带来光效利用率的问题。对于全息体光栅来说，由于材料和结构的限制，能实现的折射率调制比较有限，使其在可视角、光效率和清晰度上依然落后于表面浮雕光栅，并且制备工艺也存在成本高、难量产的问题。另外，基于衍射光学技术的光学组合器，由于其对波长衍射角度的高度选择性，极易造成色散现象，对工艺精度要求极高，也进一步造成了该技术成本的提高。因此，基于衍射光波导技术的ar眼镜价格较高。低成本、低功耗、小型化、高成像亮度、高透光率的ar产品是未来技术主要追求的方向。
32.因此，经过长期研究，发明人提供了一种基于低功耗、小型化，以及低成本、高亮度、高透光率的增强现实显示光学器件、光学系统、眼镜及hud显示系统。
33.第一实施例
34.请参阅图1，本技术实施例提供了一种增强现实显示光学器件10，该增强现实显示光学器件10包括基底层200与微纳光学反射层100。基底层200能透射环境光，且基底层200包括第一表面210以及与第一表面210相背的第二表面220，微纳光学反射层100设置于第一表面210，微纳光学反射层100被配置为将处于预定窄带波长段的图像光反射。此处，预定窄带波长段是指：预定的较窄宽度波长段，例如：预定窄带波长段可以是特定的单色光波长
段，其中预定窄带波长段可以是蓝光波长段(450nm-480nm)、绿光波长段(500nm-560nm)、红光波长段(605nm-700nm)中的任一者，示例性的，本实施例中，预定窄带波长段是指波长在450nm-480nm的光线。
35.基底层200可以透过环境光，可以作为贴附层贴附于其他显示设备。在一些实施方式中，基底层200可以是平面构型、也可以是自由曲面。本实施例中，第一表面210为自由曲面，第二表面220可以安装贴附于各类显示系统，例如ar眼镜的镜片、hud装置的挡风玻璃以及独立hud屏幕，基底层200也可以直接作为ar眼镜的镜片、hud装置的挡风玻璃以及独立hud屏幕的全部或者一部分。
36.中间层120可为纳米光栅层110提供基础，中间层120可设置于第一表面210，本实施方式中，中间层120的折射率可以大于1.6，折射率大于1.6的中间层120，当环境光从纳米光栅层110一侧入射至中间层120时，由空气(折射率为1.0，光疏介质)射向中间层120(折射率为1.6，光密介质)环境光无论以何种角度入射，都不会发生全反射，从而保证从纳米光栅层110一侧入射至微纳光学反射层100的环境光不会被反射，从而提高成像效果。且，从基底层200入射至微纳光学反射层100环境光(与空气入射至中间层120具有相同的原理)，不会发生全反射，从而提高环境光的透射率。
37.微纳光学反射层100对预定窄带波长段的图像光具有极高的反射率。作为一种方式，微纳光学反射层100包括中间层120以及纳米光栅层110，中间层120设置于基底层200的第一表面210，纳米光栅层110设置于中间层120远离第一表面210的一侧的表面。微纳光学反射层100可接受外部设备(例如激光显示光机)所发出的图像光，并将图像光反射，并具有一定的放大成像功能，将图像光反射并，进入后方光学系统。
38.纳米光栅对窄带波长段的光线具有极高的反射率，对其他波长段具有极高的透射率，能使对图像光高反射的同时，对其他波长段的环境光具有极高的透射率，实现选择性波长的成像。在一些实施方式中，纳米光栅层110可以由多个呈阵列排布的微纳米光栅结构构成，每个纳米光栅之间存在一定的空隙，使得环境光从中间层120进入纳米光栅层110时，可以穿过这些空隙进入人眼或者后方图像接收设备。当图像光从纳米光栅层110的远离中间层120的一侧入射至纳米光栅层110时，每个纳米光栅反射局部的图像光，所有的局部图像光拼接成整个图像光，进入人眼或者后方图像接收设备，以使人眼或者后方图像接收设备能够接收到完整的图像光，且还能接收到环境光。
39.在一些实施方式中，每个微纳米光栅结构的折射率可以大于或等于1.6，并可以与中间层的折射率相同或大致相等，使得从中间层120向纳米光栅层110的环境光不会反射，而可以直接透过纳米光栅层110。同时微纳米光栅结构的折射率大于空气折射率，当图像光入射于微纳米光栅结构后发生衍射，衍射光能发生全反射。
40.在一些实施方式中，纳米光栅层110的光栅周期可以选用200nm～400nm，光栅周期是指从一个折射率改变点到相邻一个折射率改变点的长度。从而使纳米光栅层110具有对特定单色光波长处极高的反射率，以及对环境光有极高的透射率。
41.在一些实施方式中，纳米光栅层110的占空比可以为0.1～0.9，占空比调整为0.1～0.9，一方面可以提高对预定窄带波长处的图像光具有极高的反射率，另一方面，调整每个纳米光栅位于中间层120的分布位置，以提高对环境光的透过率。在一些实施方式中，光栅高度可以选择为10nm～500nm范围，通过调整纳米光栅层110的高度，以调节每个纳米光
栅的成像距离，保证一定范围内对图像光的成像效果。
42.将纳米光栅层110的折射率调整为大于1.6，周期选用200～400nm，占空比为0.1～0.9,高度选择为10nm～500nm。通过实验测得，如图2所示，图中横坐标为光的波长，纵坐标为透射率/反射率，具有该结构的纳米光栅层110(折射率大于1.6、周期200nm～400nm、占空比0.1～0.9、高度10nm～500nm)对特定波长处(如蓝极光455nm、绿激光525nm以及红激光632nm)达到超过60％的反射率，特别是在525nm处的波长实现极高的反射率，约为97％，同时保证半极值宽度在15nm以内，且对环境光有很好的透过率并保证极窄的带宽(为5nm)。
43.纳米光栅层110包括多个呈阵列排布的纳米光栅，例如以矩形阵列的方式排布，以形成纳米光栅层110。在一些实施方式中，请参阅图3，纳米光栅层110可以在矩形阵列中按照彼此垂直的行和列来排列。这样各个纳米光栅层110形成的放大图像光刚好可以拼接成完整图像，同时不会发生重叠，因此每一行中的纳米光栅层110之间的间距可以相等，且每一列中的纳米光栅层110之间的间距也可以相等。
44.除了矩形阵列布置外，纳米光栅层110还可以按照其他方式排列。例如，纳米光栅还可以以环形阵列的形式进行排布，以形成纳米光栅层110。通过适当的排布，每个纳米光栅之间的间隔相同，这样同样可以形成完整的图像光。
45.在一些实施方式中，纳米光栅层110可以树脂为原料，通过压印的方式在中间层120上形成。树脂原料便宜，重量轻，透光性好，保证对环境光极好的透射率。压印，即在中间层120上叠印纳米光栅形成纳米光栅层110，通过压印的方式形成纳米光栅层110，能保证纳米光栅之间的间隔在预定范围内，提高纳米光栅层110对预定窄带图像光极高反射率的同时，对环境光具有极好的透射率，且压印工艺简单，易量产，从而降低成本。
46.综上，本技术实施例提供的增强现实显示光学器件10，利用纳米光栅层110，将纳米光栅层110通过阵列排布设置于中间层120，以使每个纳米光栅所反射的图像光能拼接出完整的图像。将纳米光栅层110的折射率设置为大于1.6，实现对预定窄波长处的图像光几号的反射率；周期选择为200nm～400nm，实现对图像光极高反射率的同时，对环境光具有极高的透过率；采用热压印的方式进行制备，实现低成本。
47.第二实施例
48.请参阅图4，本技术实施例还提供了一种增强现实显示系统20，该增强现实显示系统20包括图像投影装置300以及第一实施例中的增强现实显示光学器件10，图像投影装置300用于向增强现实显示光学器件10发出预定窄带波长段的图像光，增强现实显示光学器件10用于透射环境光，还用于反射预定窄带波长处的图像光以成像。图像投影装置300可以是激光显示光机，激光显示光机所发出的图像光可以是三基色的激光图像，以实现极高的反射率，提高成像效果。
49.为便于说明，请再次参阅图4，图4中实线为图像光的光路，虚线为环境光的光路。由于图像投影装置300可以是激光显示光机，激光光源具有亮度高、发散角小、色域广、能效高等优点，因此可以在功耗较低的情况下，保证较高的发光亮度。此外，此显示系统利用了第一实施例中的增强现实显示光学器件10，对图像投影装置的光线反射率高，且对环境光线透射率高，使其能够在保证高亮度成像效果的情况下，不会影响用户对环境光线的观察。
50.第三实施例
51.请参阅图5，本技术实施例提供了一种增强现实显示眼镜30，增强现实现实眼镜30
包括镜架500、镜片400以及第二实施例中的增强现实显示系统20。镜架500包括相互连接的镜框520与镜腿支架510，镜片400设置于镜框520中，图像投影装置300设置于镜腿支架510；增强现实显示光学器件10贴附于镜片400内表面。
52.请一并参阅图5与图6，镜架500为镜片400以及增强现实显示系统10b提供安装基础。在一些实施方式中，镜架500包括相互连接的镜框520与镜腿支架510，镜框520可以是环状结构，镜框520具有两个，两个镜框520相互连接，且呈环状结构的镜框520内部用于安装镜片400。镜腿支架510转动设置于镜框510，同样，镜腿支架510具有两个，两个镜腿支架510分别设置于两个镜框520。
53.请再次参阅图5，在一些实施方式中，镜片400与镜框520可以具有相同的外形结构，以满足镜片400与镜框520的配合安装。同样，镜片400可以是两个，两个镜片400分别设置于两个镜框520。镜片400可以是采用玻璃或树脂等光学材料制作而成的具有曲面结构的光学器件，对环境光具有极好的透射率。
54.具体的，增强现实显示光学器件10贴附于镜片400内表面，即镜片400的朝向镜腿支架510的表面。作为一种实施方式，增强现实显示光学器件10的基底层200的远离微纳光学反射层100的表面贴附于镜片400的内表面。
55.在一些实施方式中，增强现实显示光学器件10的基底层200还可以直接作为镜片400，直接安装于镜框520，此外基底层200还可以仅作为镜片400的一部分嵌入镜片400中。
56.同样，为了使增强现实显示眼镜30具有更好的显示效果，增强现实显示系统20同样可以包括两个，两个增强现实显示系统20的增强现实显示光学器件10分别设置于两个镜片400上，两个图像投影装置300分别设置于两个镜框支架510上。且通过合理调节图像投影装置300的投影角度，使增强现实显示光学器件10位于图像光的光路，并且图像光完全投射于增强现实显示光学器件10。
57.在其他的一些实施方式中，图像投影装置300还可以设置于镜框520，满足使增强现实显示光学器件10位于图像光的光路上，且增强现实现实光学器件10a对图像光具有极高的反射率即可。
58.第四实施例
59.请一并参阅图7和图8，本技术实施例还提供了一种增强现实hud显示系统40，该增强现实hud显示系统40包括挡风玻璃500以及第二实施例中的增强现实显示系统20。
60.挡风玻璃500可以是汽车的挡风玻璃，也可以是其他一些设备或建筑等的挡风玻璃。增强现实显示光学器件10贴附于挡风玻璃500的内表面，增强现实显示系统20中的图像投影装置300可以设置于车内的a柱或者其他可以安装图像投影装置300的部件上，且微纳光学反射层100位于图像投影装置300的光路上。
61.在一些实施方式中，如图7所示，增强现实显示光学器件10可以仅贴附于挡风玻璃500的一部分区域，当然，增强现实显示光学器件10也可以贴附于挡风玻璃500的全部区域上。具体的，增强现实显示光学器件10贴附于挡风玻璃500的内表面，可以理解的是，挡风玻璃500的内表面即使指挡风玻璃500位于车内的一侧(此处以汽车为例，在其他的一些设备中具有相同的实施方式)。作为一种实施方式，增强现实显示光学器件10的基底层200的远离微纳光学反射层100的表面贴附于挡风玻璃400的内表面。
62.在一些实施方式中，增强现实显示光学器件10的基底层200还可以直接作为挡风
玻璃500，直接安装于车架或者其他设备的安装挡风玻璃500的框架上，此外基底层200还可以仅作为挡风玻璃500的一部分嵌入挡风玻璃500中。在一些实施方式中，图像投影装置300设置于挡风玻璃400内表面的一侧，具体的，例如可以设置于汽车的a柱以及其他的一些固定装置上，满足使增强现实显示光学器件10位于图像投影装置300所发出图像光的光路上即可。
63.第五实施例
64.请一并参阅图9和图10，本技术实施例还提供了一种增强现实hud显示系统50，该增强现实hud显示系统50包括独立hud屏幕600和以及第二实施例中的增强现实显示系统20，增强现实显示光学器件10贴附于独立hud屏幕600的内表面。
65.其中独立hud屏幕600可以被配置为可以独立携带的形式，并可以以粘贴等方式固定于汽车等的玻璃上，作为一显示屏幕。例如：独立hud屏幕600可以粘贴于汽车前挡风玻璃的内表面，并大致位于方向盘的正前方，作为一种抬头显示器，供司乘人员观看。
66.具体的，增强现实显示光学器件10贴附于独立hud屏幕的内表面，即位于独立hud屏幕靠近后方光学系统的一侧(在运用于汽车领域中时，即位于独立hud屏幕靠600近司乘人员的一侧)。作为一种实施方式，增强现实显示光学器件10的基底层200的远离微纳光学反射层100的表面贴附于独立hud屏幕600的内表面。
67.在一些实施方式中，增强现实显示光学器件10的基底层200还可以直接作为独立hud屏幕600，此外基底层200还可以仅作为独立hud屏幕600的一部分嵌入独立hud屏幕600中。在一些实施方式中，图像投影装置300设置于独立hud屏幕内表面的一侧，具体的，例如可以设置于汽车的a柱以及其他的一些固定装置上，满足使增强现实显示光学器件10位于图像投影装置300所发出图像光的光路上即可。
68.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。