AR眼镜的制作方法

ar眼镜
技术领域
1.本技术属于光学技术领域，特别涉及一种ar眼镜。


背景技术：

2.随着成像技术的进步，人们对沉浸式体验的需求越来越高，近年来vr/ar技术的发展，逐渐满足人们对视觉体验的追求。头戴式设备能解放人们的双手，降低对屏幕的依赖，同时营造更好的视觉效果。对于头戴式设备，近眼显示是其技术的关键，成像质量和轻薄性则是主要的考虑因素。近眼显示系统一般由图像远近光传输系统组成，图像源发出的图像画面，通过光学传输系统传递到人眼中。在此，区别于vr对外部环境的阻断，ar则需要有一定透过率，使佩戴者在看到图像画面的同时，可以看到外界的环境。
3.对于光学传输系统，业界有很多种方案，例如，自由空间光学，自由曲面光学，及显示光波导。其中，光波导技术由于其大eye box的特点，及其轻薄的特性，明显优于其他光学方案，成为各大公司的主流路径。
4.目前，对于投影光机显示面版的选择上，micro led是更有竞争力的选择，其亮度高、功耗低、体积小都是其竞争优势，但由于是较为新颖的技术，成本尚未降下来。若采用成本较低的oled，则会存在亮度不足的问题。


技术实现要素：

5.本技术提供一种ar眼镜，以解决ar眼镜中光源成本较高或亮度不足的问题。
6.为解决上述技术问题，本技术提出一种ar眼镜，所述ar眼镜包括：波导片，所述波导片上设置有入瞳光栅、位于所述入瞳光栅左侧的左扩瞳光栅、位于所述入瞳光栅右侧的右扩瞳光栅、位于所述左扩瞳光栅下侧的左出瞳光栅和位于所述右扩瞳光栅下侧的右出瞳光栅；第一光组件，所述第一光组件对应所述入瞳光栅设置，所述第一光组件形成的第一光线进入所述入瞳光栅，衍射形成第一左衍射光和第一右衍射光；所述第一左衍射光依次经过所述左扩瞳光栅和左出瞳光栅传导输出，所述第一右衍射光依次经过所述右扩瞳光栅和右出瞳光栅传导输出；第二光组件，所述第二光组件对应所述入瞳光栅设置，所述第二光组件形成的第二光线进入所述入瞳光栅，衍射形成第二左衍射光和第二右衍射光；所述第二左衍射光依次经过所述左扩瞳光栅和左出瞳光栅传导输出，并与所述第一左衍射光耦合；所述第二右衍射光依次经过所述右扩瞳光栅和右出瞳光栅传导输出，并与所述第二右衍射光耦合。
7.在一个实施例中，所述第一光组件为投影光机，设置于所述波导片的一侧，所述第一光线由所述投影光机发出；所述第二光组件为设置于所述波导片另一侧的反光板，所述第二光线为所述第一光线的反射光线。
8.在一个实施例中，所述波导片上设置有两个入瞳光栅；所述第一光组件包括两个投影光机，分别对应两个入瞳光栅设置；所述第二光组件包括两个反光板，分别对应所述两个入瞳光栅设置。
9.在一个实施例中，所述入瞳光栅设置于所述波导片的一侧；所述第一光组件为第一投影光机，设置于所述波导片的一侧，所述第一光线由所述第一投影光机发出；所述第二光组件为第二投影光机，设置于所述波导片的另一侧，所述第二光线由所述第二投影光机发出。
10.在一个实施例中，所述波导片上设置有两个入瞳光栅；所述第一光组件包括两个第一投影光机，分别对应两个入瞳光栅设置；所述第二光组件包括两个第二投影光机，分别对应两个入瞳光栅设置。
11.在一个实施例中，所述波导片上设置有两个入瞳光栅；所述第一光组件为第一投影光机，对应一个所述入瞳光栅设置，所述第一光线由所述第一投影光机发出；所述第二光组件为第二投影光机，对应另一个所述入瞳光栅设置，所述第二光线由所述第二投影光机发出。
12.在一个实施例中，所述投影光机和所述波导片之间设置有转角棱镜，所述投影光机发出的光线经过所述转角棱镜后进入所述入瞳光栅。
13.在一个实施例中，所述投影光机发出的光线为oled光线。
14.在一个实施例中，所述入瞳光栅为直径2.5mm～7mm的圆形，所述反光板为反射膜或反射镜，所述反射板的边长为所述入瞳光栅直径的1.5～3倍。
15.在一个实施例中，以右到左的方向为x轴方向，所述入瞳光栅的衍射方向与所述x轴方向平行，所述左扩瞳光栅的衍射方向与所述x轴方向的夹角为135
°
，所述右扩瞳光栅的衍射方向与所述x轴方向的夹角为45
°
，所述左出瞳光栅和所述右出瞳光栅的衍射方向均垂直于所述x轴方向。
16.区别于现有技术，本技术ar眼镜包括波导片、第一光组件和第二光组件，波导片上设置有入瞳光栅、左扩瞳光栅、右扩瞳光栅、左出瞳光栅和右出瞳光栅，第一光组件和第二光组件发出的光线均能够进入入瞳光栅，并经过扩瞳光栅由出瞳光栅输出，且两光组件发出的光线相互耦合，因而能够提高ar眼镜的显示亮度。
附图说明
17.通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
18.图1是本技术ar眼镜第一实施例的结构示意图；
19.图2是图1所示ar眼镜第一实施例的三视图；
20.图3是图1所示ar眼镜第一实施例的光路图；
21.图4是本技术ar眼镜第二实施例的结构示意图；
22.图5是本技术ar眼镜第三实施例的结构示意图；
23.图6是图5所示ar眼镜第三实施例的三视图；
24.图7是图本技术ar眼镜第四实施例的结构示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
26.目前的ar眼镜光源选择大多是采用micro led，其拥有300000nit(1nit＝1cd/m2)的亮度，在ar波导中，由于各区域的衍射效应，最终出光亮度一般不超过500nit。oled则只有30000nit的亮度，按效率等比转换，最终出光只有50nit，无法达到人眼舒适的显示要求，但oled成熟的制作工艺和大量的市场资源，让其制作成本变得十分低廉。且随着oled技术的发展，后续有望生产达100000nit亮度的oled光源。因此，若能以oled替代micro led作为ar显示的光源，能大幅降低ar眼镜的生产成本。
27.基于上述背景，本发明提出采用双向耦合的方法来提高出光亮度，利用第一光组件和第二光组件来实现光耦合，从而提高亮度，具体通过反光板或多光机的组合来进提高显示亮度，同时也可辅以多入瞳通道来进一步提高显示亮度。
28.下面结合附图来详细描述本技术公开的具体实施方式。其中，图1
‑
3为ar眼镜第一实施例，为单光机 反光板；图4为ar眼镜第二实施例，为单光机 反光板 多入瞳通道；图5
‑
6为ar眼镜第三实施例，为多光机；图7为ar眼镜第四实施例，为多光机 多入瞳通道。这四个实施例为表示本发明的示例，其他基于该四个实施例，且未超出本发明思路做出的变形均在本发明的保护范围内。
29.四个实施例中波导片的结构基本相同，为双边衍射蝶式波导，波导片为一蝶式结构，左右两侧对称，投影光机的光束耦合进波导内，其左侧衍射光沿左方光路传导，右侧衍射光沿右方光路传导。
30.波导片中第一入瞳光栅101位于波导片鼻桥上方，对于多入瞳通道，波导片中还可设置第二入瞳光栅102，与第一入瞳光栅101在竖直方向排布。左扩瞳光栅201位于入瞳光栅101左侧，右扩瞳光栅202位于入瞳光栅101右侧，左出瞳光栅301位于左扩瞳光栅201下侧，右出瞳光栅302位于右扩瞳光栅202下侧。波导片中的光栅均采用衍射光栅，具体为表面浮雕光栅或体全息光栅。
31.入瞳光栅的衍射方向平行于x轴；左扩瞳光栅的衍射方向与x轴夹角135
°
；右扩瞳光栅的衍射方向与x轴夹角45
°
；左出瞳光栅和右出瞳光栅的衍射方向垂直于x轴。
32.四个实施例ar眼镜包括第一光组件和第二光组件，第一光组件对应入瞳光栅设置，形成的第一光线进入入瞳光栅，衍射形成第一左衍射光和第一右衍射光，第一左衍射光依次经过左扩瞳光栅201和左出瞳光栅301传导输出，进入左眼；第一右衍射光依次经过右扩瞳光栅202和右出瞳光栅302传导输出，进入右眼。
33.第二光组件也对应入瞳光栅设置，形成的第二光线进入入瞳光栅，衍射形成第二左衍射光和第二右衍射光；第二左衍射光依次经过左扩瞳光栅201和左出瞳光栅301传导输出，进入左眼；第二右衍射光依次经过右扩瞳光栅202和右出瞳光栅302传导输出，进入右眼。
34.其中，第一左衍射光与第二左衍射光耦合，第一右衍射光与第二右衍射光耦合，从而可提高ar眼镜的显示亮度。
35.如图1
‑
3所示的第一实施例，第一光组件为第一投影光机401，耦合第一入瞳光栅，位于波导片正面靠近人眼位置，采用oled显示面板。第二光组件为第一反光板500，用于反
射第一投影光机401的零级衍射像，重新耦合进波导。
36.第一实施例为通过第一反射面进行双向耦合的单入瞳通道ar目镜，第一反射面500通过反射第一投影光机401的零级衍射像进行二次耦合，重新利用溢出的零级衍射光，提高出瞳光栅的出光亮度。
37.第一投影光机401安装在入瞳区101的正面，靠近人眼方向；第一反射面500安装在入瞳区背面，远离人眼方向，且能覆盖第一投影光机401的零级衍射光。第一反射面500通过将第一投影光机401的零级衍射光反射回入瞳区，并利用反射式(或透射式)衍射耦合进波导内，重新利用零级衍射光包含的图像信息及亮度，以此来提高整体显示亮度。其中，入瞳光栅101的直径d1，取值在2.5～7mm之间；第一反射面500是一正方形薄膜，也可是厚度在1mm以内的反射镜，其边长l为d1的1.5～3倍。
38.本实施例中采用的双向耦合方法，主要基于同一衍射光栅的透射式和反射式衍射光路不变性。具体如图3中的反射式衍射光路和透射式衍射光路。可见，当光束垂直于衍射光栅时，其两种衍射的
±
1级衍射光的传播方向是一致的。这是由于衍射方程sinθ1 sinθ2＝mλ/t的解对于同一个衍射光栅透射和反射都是一样的。因此，只要保证入瞳区域波导平面的高平整度，即可使双向耦合的图像出瞳时完全重叠，不会产生鬼像。
39.第一投影光机401发出的图像光源经入瞳区101利用透射式衍射耦合进波导内，第一投影光机401的﹣1级衍射光在波导内经全反射传播到左侧扩瞳光栅201，并经扩瞳光栅，朝出瞳光栅301方向衍射，在接触出瞳光栅后耦合出波导，进入左眼，此为第一光路；第一投影光机401的﹢1级衍射光在波导内经全反射传播到右侧扩瞳光栅202，并经扩瞳光栅，朝出瞳光栅302方向衍射，在接触出瞳光栅后耦合出波导，进入右眼，此为第二光路。
40.第一投影光机401的零级衍射光透过入瞳光栅，经反光板500反射，重新接触入瞳光栅，并产生反射式衍射，重新耦合进波导，反射光的﹢1级衍射光在波导内经全反射传播到左侧扩瞳光栅201，并经扩瞳光栅，朝出瞳区301方向衍射，在接触出瞳光栅后耦合出波导，进入左眼，此为第三光路；反射光的﹣1级衍射光在波导内经全反射传播到右侧扩瞳光栅202，并经扩瞳光栅，朝出瞳光栅302方向衍射，在接触出瞳光栅后耦合出波导，进入右眼，此为第四光路。
41.上述过程中，当第一投影光机401利用反射式衍射耦合进波导时，反射光则以透射式衍射再次将光束耦合进波导。在波导的制作工艺上，当入瞳区拥有较高平整度时，第一光路将与第三光路重合，第二光路将与第四光路重合，从而提高出瞳图像的亮度，且不会产生鬼像。
42.由于零级衍射光占据了80％以上的能量，一级衍射光一般占5％的能量，当零级衍射光重新利用起来时，两次衍射的能量叠加，可将出光亮度提高85％以上。
43.如图4所示的第二实施例，在第一实施例的基础上增加了多个入瞳通道，本实施例以两个入瞳通道为例。波导片上设置有两个入瞳光栅，相应的第一光组件包括第一投影光机401和第二投影光机402，第二投影光机402耦合第二入瞳区域102，位于波导片正面靠近人眼位置，采用oled显示面板。第二光组件包括第二反光板501，用于反射第一投影光机401和第二投影光机402的零级衍射像，重新耦合进波导。
44.第二实施例为通过第二反射面进行双向耦合的双入瞳通道ar目镜，第二反光板501通过反射第一投影光机401和第二投影光机402的零级衍射像进行二次耦合，重新利用
溢出的零级衍射光，提高出瞳光栅出光亮度。其中，入瞳光栅101和入瞳光栅102纵向排列，第一投影光机401和第二投影光机402也纵向排列并朝向同一个方向。其中，入瞳光栅101的直径d1，取值在2.5～7mm之间；第二反光板501是一长方形薄膜，也可是厚度在1mm以内的反射镜，边长为d的3～5倍，边宽为d的1.5～3倍。
45.本方案采用双入瞳通道的反射面双向耦合。第一投影光机401和第二投影光机402发出的图像光源分别经入瞳区101和入瞳区102利用透射式衍射耦合进波导内，第一投影光机和第二投影光机的﹣1级衍射光在波导内经全反射传播到左侧扩瞳区201，并经扩瞳光栅，朝出瞳区301方向衍射，在接触出瞳光栅后耦合出波导，进入左眼，此为第一光路；所述第一投影光机和第二投影光机的﹢1级衍射光在波导内经全反射传播到右侧扩瞳区202，并经扩瞳光栅，朝出瞳区302方向衍射，在接触出瞳光栅后耦合出波导，进入右眼，此为第二光路。
46.第一投影光机401和第二投影光机402的零级衍射光透过入瞳光栅，经反射面或反射镜501反射，分别产生第一反射光和第二反射光，两者重新接触入瞳光栅，并产生反射式衍射，重新耦合进波导，所述第一反射光和第二反射光的﹢1级衍射光在波导内经全反射传播到左侧扩瞳区201，并经扩瞳光栅，朝出瞳区301方向衍射，在接触出瞳光栅后耦合出波导，进入左眼，此为第三光路；所述第一反射光和第二反射光的﹣1级衍射光在波导内经全反射传播到右侧扩瞳区202，并经扩瞳光栅，朝出瞳区302方向衍射，在接触出瞳光栅后耦合出波导，进入右眼，此为第四光路。
47.上述过程中，当第一投影光机和第二投影光机利用反射式衍射耦合进波导时，第一反射光和第二反射光则以透射式衍射再次将光束耦合进波导。
48.在波导的制作工艺上，当入瞳区拥有较高平整度时，所述第一光路将与所述第三光路重合，所述第二光路将与所述第四光路重合，从而提高出瞳图像的亮度，且不会产生鬼像。
49.双入瞳通道能把原出光亮度提高1倍左右，配合反射面(反射镜)对零级衍射光的再利用，最终出光亮度能提高2.7倍。
50.相比原来的单入瞳通道，双入瞳通道能搭配双光机显示，大幅提高出光亮度，同时配合反射面(反射镜)，能进一步提高出光亮度。
51.如图5
‑
6所示的第三实施例，第一光组件为第一投影光机401，第二光组件为第三投影光机403，耦合第一入瞳区域101，位于波导片背面远离人眼位置，采用oled显示面板。
52.第三实施例为双投影光机的单入瞳通道ar眼镜，第一投影光机401在入瞳光栅101的正面，靠近人眼位置，通过透射式(或反射式)衍射将投影图像耦合进波导片；第三投影光机403在入瞳光栅101的背面，远离人眼位置，通过反射式(或透射式)衍射将投影图像耦合进波导片。两个光机，一前一后，同时作用在一个入瞳的正反面，能将出光亮度提高1倍左右。
53.第一投影光机401安装在入瞳光栅101的正面，靠近人眼方向；第三投影光机403安装在入瞳光栅背面，远离人眼方向。两个光机相对安装，均朝向同一个方向。其中，第一投影光机利用透射式(反射式)衍射耦合进波导，第三投影光机利用反射式(透射式)衍射耦合进波导，两台光机同时工作，能使最终出光亮度提高约1倍。
54.本方案采用单入瞳通道的双光机双向耦合。第一投影光机401发出的图像光源经入瞳光栅101利用透射式衍射耦合进波导内，第一投影光机401的﹣1级衍射光在波导内经全
反射传播到左侧扩瞳光栅201，并经扩瞳光栅，朝出瞳光栅301方向衍射，在接触出瞳光栅后耦合出波导，进入左眼，此为第一光路；第一投影光机401的﹢1级衍射光在波导内经全反射传播到右侧扩瞳光栅202，并经扩瞳光栅，朝出瞳光栅302方向衍射，在接触出瞳光栅后耦合出波导，进入右眼，此为第二光路。
55.第三投影光机403发出的图像光源经入瞳光栅101利用透射式衍射耦合进波导内，第三投影光机的﹢1级衍射光在波导内经全反射传播到左侧扩瞳光栅201，并经扩瞳光栅，朝出瞳光栅301方向衍射，在接触出瞳光栅后耦合出波导，进入左眼，此为第三光路；第三投影光机403的﹣1级衍射光在波导内经全反射传播到右侧扩瞳光栅202，并经扩瞳光栅，朝出瞳光栅302方向衍射，在接触出瞳光栅后耦合出波导，进入右眼，此为第四光路。
56.上述过程中，当第一投影光机401利用反射式衍射耦合进波导时，第三投影光机403则以透射式衍射再次将光束耦合进波导。
57.在波导的制作工艺上，当入瞳区拥有较高平整度时，所述第一光路将与所述第三光路重合，所述第二光路将与所述第四光路重合，从而提高出瞳图像的亮度，且不会产生鬼像。
58.双光机的前后搭配，在双向耦合后能把出光亮度提高1倍左右，从而满足用户使用需求。
59.如图7所示的第四实施例，在第三实施例的基础上增加了多个入瞳通道，同样本实施例以两个入瞳通道为例。波导片上设置有两个入瞳光栅，相应的第一光组件包括第一投影光机401和第二投影光机402，第二光组件包括第三投影光机403和第四投影光机404，第四投影光机404耦合第二入瞳区域102，位于波导片背面远离人眼位置，采用oled显示面板。
60.第四实施例为四投影光机的双入瞳通道ar眼镜，第一投影光机401在入瞳光栅101的正面，第二投影光机402在入瞳光栅102的正面，两者均靠近人眼位置，通过透射式(或反射式)衍射将投影图像耦合进波导片；第三投影光机403在入瞳光栅101的背面，第四投影光机404在入瞳光栅102的背面，两者均远离人眼位置，通过反射式(或透射式)衍射将投影图像耦合进波导片。四个光机，两前两后，分别作用于两个入瞳的正反面，能将出光亮度提高3倍左右。
61.本方案采用双入瞳通道的四光机双向耦合。第一投影光机401和第二投影光机402发出的图像光源分别经入瞳区101和入瞳区102利用透射式衍射耦合进波导内，所述第一投影光机和第二投影光机的﹣1级衍射光在波导内经全反射传播到左侧扩瞳区201，并经扩瞳光栅，朝出瞳区301方向衍射，在接触出瞳光栅后耦合出波导，进入左眼，此为第一光路；所述第一投影光机和第二投影光机的﹢1级衍射光在波导内经全反射传播到右侧扩瞳区202，并经扩瞳光栅，朝出瞳区302方向衍射，在接触出瞳光栅后耦合出波导，进入右眼，此为第二光路。
62.第三投影光机403和第四投影光机404发出的图像光源分别经入瞳区101和入瞳区102利用反射式衍射耦合进波导内，所述第三投影光机和第四投影光机的﹢1级衍射光在波导内经全反射传播到左侧扩瞳区201，并经扩瞳光栅，朝出瞳区301方向衍射，在接触出瞳光栅后耦合出波导，进入左眼，此为第三光路；所述第三投影光机和第四投影光机的﹣1级衍射光在波导内经全反射传播到右侧扩瞳区202，并经扩瞳光栅，朝出瞳区302方向衍射，在接触出瞳光栅后耦合出波导，进入右眼，此为第四光路。
63.上述过程中，当所述第一投影光机和第二投影光机利用反射式衍射耦合进波导时，第三投影光机和第四投影光机则以透射式衍射再次将光束耦合进波导。
64.在波导的制作工艺上，当入瞳区拥有较高平整度时，所述第一光路将与所述第三光路重合，所述第二光路将与所述第四光路重合，从而提高出瞳图像的亮度，且不会产生鬼像。
65.双入瞳通道能把原出光亮度提高1倍左右，双向四光机的耦合能把出光亮度提高3倍。相比原来的单入瞳通道，双入瞳通道能搭配双光机显示，大幅提高出光亮度，同时配合入瞳区背面的双光机反向耦合，四光机同时运作，能把出光亮度提升到更高的水平，给予更逼真的色彩效果。
66.以上实施例中投影光机均可通过转角棱镜将光束耦合进波导内，因而投影光机可平行于波导片设置，使ar眼镜更加扁平化，利于ar眼镜的使用。
67.在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
68.根据本说明书的上述描述，本领域技术人员还可以理解如下使用的术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”、“中心”、“纵向”、“横向”、“顺时针”或“逆时针”等指示方位或位置关系的术语是基于本说明书的附图所示的方位或位置关系的，其仅是为了便于阐述本技术的方案和简化描述的目的，而不是明示或暗示所涉及的装置或元件必须要具有所述特定的方位、以特定的方位来构造和进行操作，因此上述的方位或位置关系术语不能被理解或解释为对本技术方案的限制。
69.另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。
70.虽然本说明书已经示出和描述了本技术的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本技术思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本技术的过程中，可以采用对本文所描述的本技术实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本技术的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。