一种轻便的改变虚像距的光波导及头戴显示器的制作方法

1.本发明涉及增强现实领域，尤其涉及一种轻便的改变虚像距的光波导及头戴显示器。


背景技术：

2.在增强现实(augmented reality,ar)、混合现实(mixed reality,mr)领域，相比bird bath(bb,半反半透式)、虫眼(离轴反射式)、自由曲面棱镜等显示方案，光波导方案更轻薄、眼盒更大，因此有更广阔的应用前景。在光波导方案中，相比使用部分透反膜的阵列光波导，衍射光波导生产制备工艺难度更低，在实现二维扩瞳(两个维度的出瞳拓展)时不存在栅格状暗条纹，因此更受关注。
3.衍射光波导通常设置耦入区、耦出区，也有可能存在一或多个中间分区或称转折区。衍射光波导方案中耦入区的元件将自由空间光束(由光引擎投影至光波导)转换成在光波导基底中以全反射形式传输的光束，耦出区的元件执行逆过程，将以全反射形式传输的光束转换为自由空间光束为人眼所接收。转折区(若存在)的元件将全反射形式传输的光束部分改变传输方向，以新的方向继续全反射形式的传输。
4.衍射光波导显示模组目前需要解决改变虚像距时的调节辐辏冲突问题。人眼系统在观察实际的近处物体时，通常需要移动/转动眼球以接收来自物体的光，即辐辏(vergence)，如图1所示。通过双眼各自的屈光调节(accommodation)，双眼各自均能看清物体，不过此时两只眼所观察到的图像存在差异，即视差。观察真实物体时，调节与辐辏匹配，不会产生眩晕感。然而如果利用远处(头戴显示设备设计虚像距)有视差的虚拟图像让大脑认为观察到了近处的物体，此时调节与辐辏即产生冲突，观察者可能出现模糊、眩晕等感觉，影响体验。衍射光波导显示模组一般设计虚像距在无穷远，但又需要显示近处的像，此时便容易产生调节辐辏冲突，如图2所示，调节距离为d，辐辏距离为d，利用视差在大脑中形成近处物体的像时存在调节-辐辏冲突。若能将设计虚像距与辐辏距离d吻合，即能改善体验。
5.在现有的设计方案中，目前改变虚像距的两类方案均降低了使用体验。一类是在波导前后加光焦度抵消的透镜组以调节虚像距，但这不可避免带来整个头戴设备体积和重量的增加；另一类则是使用可调节的液晶透镜或类似组件对虚像距进行调节，不过如此将导致设备的复杂性增加、耗电量增加，并可能影响最终成像质量，因此将影响使用体验。
6.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

7.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种轻便的改变虚像距的光波导及头戴显示器，旨在解决现有的衍射光波导在改变虚像距时需要增大设备体积，或者需要增加设备复杂度，并且虚像的成像质量可能下降的问题。
8.本发明的技术方案如下：
9.一种轻便的改变虚像距的光波导，其中，包括：
10.光波导基底结构，所述光波导基底结构的一面或两面具有曲率；
11.光栅结构，贴合设置于所述光波导基底结构。
12.所述轻便的改变虚像距的光波导，其中，所述光栅结构包括耦出光栅；同一入射方向的耦入光线在所述光波导基底结构中按全反射规律传播，在所述耦出光栅不同位置耦出为方向不同的耦出光线，所述耦出光线的反向或正向延长线相交于交点；所述光波导基底结构的曲率分布根据所述交点距离所述光波导基底结构的虚像距确定；所述光波导基底结构凸向人眼或凹向人眼。
13.所述轻便的改变虚像距的光波导，其中，所述光波导基底结构两面曲率的综合光焦度用于使人眼经过所述光波导基底结构和所述光栅结构能够清晰地观察外界环境，并清晰地观察在虚像距处的虚拟图像；
14.所述光波导基底结构的光焦度满足：
[0015]-10屈光度≤光波导基底结构光焦度≤10屈光度。
[0016]
所述轻便的改变虚像距的光波导，其中，所述光波导基底结构远离人眼一侧贴合设置有调焦结构，配合所述调焦结构，所述光波导基底结构两面曲率的综合光焦度使整体的光焦度接近抵消，或能够对近视或远视用户进行屈光校正，使人眼能清楚地观察外界环境，并清楚地观察在虚像距处的虚拟图像；
[0017]
所述光波导基底结构与所述调焦结构整体的光焦度满足：
[0018]-10屈光度≤光波导基底结构光焦度 调焦结构光焦度≤10屈光度。
[0019]
所述轻便的改变虚像距的光波导，其中，所述光波导基底结构远离人眼的一侧设置有带光焦度的附加结构，所述附加结构配合所述光波导基底结构能够对近视人眼或远视人眼进行屈光矫正；或用于抵消光波导基底结构光焦度以便正常人眼观看；人眼能清楚地观察外界环境，并清楚地观察在虚像距处的虚拟图像；
[0020]
所述附加结构与所述光波导基底结构的光焦度满足：
[0021]-10屈光度≤光波导基底结构光焦度 附加结构光焦度≤10屈光度。
[0022]
所述轻便的改变虚像距的光波导，其中，所述光栅结构为表面浮雕光栅或体全息光栅；和/或，所述光栅结构靠近或远离所述光波导基底结构的一侧有镀膜层。
[0023]
所述轻便的改变虚像距的光波导，其中，所述光栅结构还包括耦入光栅，所述耦入光栅和所述耦出光栅位于所述光波导基底结构的一侧或两侧，或位于所述光波导基底结构的内部。
[0024]
所述轻便的改变虚像距的光波导，其中，所述光波导基底结构为一体成型；
[0025]
或所述光波导基底结构由多个平板基底和/或曲面基底拼接而成；
[0026]
所述光波导基底结构包括玻璃、树脂、光学塑料和透明陶瓷材料中的至少一种。
[0027]
所述轻便的改变虚像距的光波导，其中，所述光栅结构靠近所述光波导基底结构的一侧设有柔性介质层。
[0028]
一种轻便的改变虚像距的头戴显示器，其中，所述头戴显示器包括上述所述的轻便的改变虚像距的光波导，所述头戴显示器还包括：
[0029]
光引擎，用于提供射入所述耦入光栅的耦入光线。
[0030]
有益效果：本发明提供了一种轻便的改变虚像距的光波导及头戴显示器，其中，所
述光波导包括：光波导基底结构，所述光波导基底结构的一面或两面具有曲率；光栅结构，贴合设置于所述光波导基底结构。在本发明中，光波导基底结构的曲率分布可改变各视场角耦入光线在不同位置耦出时的耦出光线的传输方向，从而改变虚像距，实现减少设备体积与降低设备复杂性的目的，进一步提高虚像成像的质量。
附图说明
[0031]
图1为人眼系统正常观察近处物体的示意图。
[0032]
图2为现有技术中利用视差在大脑中形成近处物体的像时存在的调节辐辏冲突的示意图。
[0033]
图3为本发明的轻便的改变虚像距的光波导用于近视人眼时的示意图。
[0034]
图4为本发明的带有调焦结构的轻便的改变虚像距的光波导用于正常人眼时的示意图。
[0035]
图5为本发明的带有附加结构的轻便的改变虚像距的光波导用于近视人眼时的示意图。
[0036]
图6为本发明的不同包络的表面浮雕光栅的侧视图，以及体全息光栅的折射率变化示意图。
[0037]
附图标记说明：
[0038]
100、光波导基底结构；110、调焦结构；200、光栅结构；210、耦入光栅；220、耦出光栅；310、耦入光线；320、耦出光线；330、交点；600、附加结构；800、外界光线；910、正常人眼；920、近视人眼。
具体实施方式
[0039]
本发明提供一种轻便的改变虚像距的光波导及头戴显示器，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0040]
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。
[0041]
还需说明的是，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0042]
在现有的设计方案中，目前改变虚像距的两类方案均降低了使用体验。一类是在波导前后加光焦度抵消的透镜组以调节虚像距，但这不可避免带来整个头戴设备体积和重量的增加；另一类则是使用可调节的液晶透镜或类似组件对虚像距进行调节，不过如此将导致设备的复杂性增加、耗电量增加，并可能影响最终成像质量，从而影响使用体验。
[0043]
为了解决上述问题，本发明提供了一种轻便的改变虚像距的光波导，利用曲面波
导的曲率分布改变虚像距，无需增加额外的透镜组或其他主动调节装置，从而减小设备体积并降低设备复杂性，如图3所示，包括：光波导基底结构100，所述光波导基底结构100的一面或两面具有曲率；光栅结构200，贴合设置于所述光波导基底结构100。
[0044]
在本发明的一个实施例中，所述光波导基底结构100至少有一面带有曲率，若两面均带曲率，则两面的曲率可以不同，两面曲率的综合效果可使得正常人眼(即正常视力人眼)或屈光不正人眼(即近视人眼或远视人眼)透过光栅结构和光波导基底能清晰的观察外界环境，以达到近视或远视用户的屈光矫正的综合效果，或正常人眼的观看效果，与此同时，在此光波导基底分布曲率下，由所述光栅结构200耦出的虚拟显示图像的光线反向或正向延长线汇聚到特定像平面(即交点所在面)，从而同时也能清楚观察虚拟显示图像。
[0045]
具体地，如图3所示，所述光波导基底结构100两面均具有曲率分布，一体成型凸向人眼；光栅结构200包括耦入光栅210和耦出光栅220；所述耦入光栅210与所述耦出光栅220位于所述光波导基底100的同侧；耦入光线310与耦出光线320位于所述光波导基底100靠近近视人眼920一侧；光引擎(led、microled、lcos、dlp或lbs中的任意一种光引擎)产生的所述耦入光线310通过所述耦入光栅210耦入所述光波导基底100并在所述光波导基底100内传输，从所述耦出光栅220耦出为所述耦出光线320，同一入射方向的所述耦入光线310在所述耦出光栅220耦出，在所述耦出光栅220不同位置耦出的所述耦出光线320的反向(或正向)延长线汇聚成交点330，所述光波导基底100的曲率分布根据所述交点330距离所述光波导基底100的虚像距l确定，通过人眼成像后，虚像位于有限远处。
[0046]
值得说明的是，虚像距严格意义上是“虚像到人眼的距离”，而非“虚像到波导的距离”，因两者差别较小可忽略(两者均在米量级，差距在2厘米左右)，在本实施例中虚像距为交点距离光波导基底的距离。
[0047]
所述光波导基底结构100的光焦度满足：
[0048]-10d≤φ
光波导基底结构
≤10d
[0049]
需要说明的是，φ表示物理量光焦度；d表示光焦度的单位屈光度；所述光栅结构200、所述光波导基底结构100的厚度经夸大，光栅结构的厚度实际在亚微米或微米量级，而光波导基底结构的厚度在亚毫米或毫米量级；所述光栅结构200可通过压印、刻蚀或曝光制备于带有曲率的所述光波导基底100上(或内部)；图3中人眼为近视人眼920，在其他情形下，也可对应正常人眼910或远视人眼(图中未示)；所述交点330可为从所述耦出光栅220耦出的部分或全部所述耦出光线320反向延长相交而成，在其他情形下，也可由正向延长线相交而成。
[0050]
在本实施例中，所述光波导基底结构100的两面曲率(两面曲率可相同或不相同)的综合光焦度用于使近视人眼经过所述光波导基底结构和所述光栅结构清晰地观察外界环境，以达到近视用户的屈光矫正的综合效果(例如图3中外界光线800能通过近视人眼正常成像)，与此同时清晰地观察在虚像距处的虚拟图像(例如图3中耦出光线320也能通过近视人眼正常成像)；正常视力用户或远视用户可依此类推。
[0051]
在本发明的另一个实施例中，如图4所示，所述光波导基底结构100远离人眼一侧贴合设置有调焦结构110，配合所述调焦结构110，所述光波导基底结构100的两面曲率(可相同或不相同)的综合光焦度使整体的光焦度接近抵消或能够对近视或远视用户进行屈光校正，使人眼能清楚地观察外界环境，并清楚地观察在虚像距处的虚拟图像。
[0052]
所述光波导基底结构与所述调焦结构整体的光焦度满足：
[0053]-10d≤φ
光波导基底结构
φ
调焦结构
≤10d。
[0054]
需要说明的是，φ表示物理量光焦度；d表示光焦度的单位屈光度；如图4中所述调焦结构110为特定的微结构，具体可以设置为微环、微腔、微纳波导、菲涅尔透镜或菲涅尔波带片等；所述调焦结构110与所述光栅结构200可位于所述光波导基底的同侧或异侧或同时位于所述光波导基底的内部；所述光栅结构200、所述光波导基底结构100的厚度经夸大，所述光栅结构200的厚度实际在亚微米或微米量级，而所述光波导基底结构100的厚度在亚毫米或毫米量级；人眼为正常人眼910，在其他情形下，也可对应近视人眼920或远视人眼(图中未示)；所述交点330可为从所述耦出光栅220耦出的部分或全部所述耦出光线320反向延长相交而成，在其他情形下，也可由正向延长线相交而成。
[0055]
在本实施例中，所述耦入光线与所述耦出光线位于所述光波导基底100靠近正常人眼910(即正常视力的人眼)一侧。所述光波导基底100一体成型凸向人眼，通过人眼成像后，虚像位于有限远处。所述光波导基底100两面均带有曲率分布，具有光焦度，但是由于在光波导基底100远离人眼处有抵消光焦度的所述调焦结构110，因此外界光线(无穷远处物体)通过波导时等效为平光镜，也可在人眼处正常成像；近视用户或远视用户可依此类推。
[0056]
在本发明的又一实施例中，如图5所示，所述光波导基底结构100远离人眼的一侧设置有带光焦度的附加结构600，所述附加结构600能够对近视人眼或远视人眼进行光焦度矫正，增加波导设计的自由度；所述附加结构600也可用于抵消所述光波导基底100的光焦度，用于正常人眼成像；
[0057]
所述附加结构600与所述光波导基底结构100的光焦度满足：
[0058]-10d≤φ
附加结构
φ
光波导基底结构
≤10d
[0059]
需要说明的是，φ表示物理量光焦度；d表示光焦度的单位屈光度；图5中人眼为近视人眼920，在其他情形下，也可对应正常人眼910或远视人眼(图中未示)；所述交点330可为从所述耦出光栅220耦出的部分或全部所述耦出光线320反向延长相交而成，在其他情形下，也可由正向延长线相交而成。
[0060]
在本实施例中，所述附加结构600可设置为透镜、菲涅尔透镜、液晶透镜、透射式空间光调制器中的一种，本实施例中所述附加结构600设置为透镜。
[0061]
需要说明的是，现有技术通常是在光波导的两侧设置一对透镜，本实施例仅在光波导基底100远离人眼的一侧设置透镜。
[0062]
在另一个实施例中，所述光栅结构200还包括一个或多个过渡区元件，如转折光栅。
[0063]
在本发明的较佳实施例中，正因为采用了上述技术方案，利用曲面波导的曲率分布改变各视场角耦入光线在不同位置耦出时的耦出光线的传输方向，从而改变虚像距，因此本实施例的调节方法无需增加额外的被动式透镜组或液晶等主动调节装置，因此减小了设备的体积，并降低了设备的复杂性，提升人眼观看舒适度和佩戴舒适度。
[0064]
在本发明的较佳实施例中，所述光栅结构为表面浮雕光栅或体全息光栅；和/或，所述光栅结构靠近或远离所述光波导基底结构的一侧有镀膜层；和/或，所述光栅结构靠近所述光波导基底结构的一侧设有柔性介质层。
[0065]
具体地，如图6所示，所述光栅结构200可为表面浮雕光栅或体全息光栅，表面浮雕
光栅包括的类型有直槽包络(a)、斜齿包络(b)、闪耀包络(c)、台阶包络(d)、曲面包络(e)；体全息光栅(f)使用液晶相关材料或无机盐相关材料制备，折射率分布如图6(f)所示；所述光栅结构200靠近或远离所述光波导基底结构100的一侧可以有单层或多层介质膜或金属膜；所述光栅结构200可以首先在柔性介质上制备，后转移至硬质平板波导或曲面波导上，即光栅和波导间存在柔性介质层。
[0066]
进一步，表面浮雕光栅可以采用直槽包络。
[0067]
需要说明的是，所述耦入光栅210和所述耦出光栅220位于所述光波导基底结构100的一侧或两侧，也可以位于所述光波导基底结构100的内部，根据实际人眼情况对耦入光栅与耦出光栅的位置进行设置。
[0068]
在本发明的较佳实施例中，所述光波导基底结构100为一体成型；或所述光波导基底结构100由多个平板基底和/或曲面基底拼接而成；所述光波导基底结构100为至少一层的光波导基底；所述光波导基底结构由玻璃、树脂、光学塑料、透明陶瓷材料中的至少一种制备。
[0069]
具体地，所述光波导基底结构100可以设置为单层基底、一体成型、玻璃基底。
[0070]
需要说明的是，光波导基底也可设置为非一体成型，也就是由多个平板基底或曲面基底拼接而成。
[0071]
基于上述实施例，本发明还提供了一种轻便的改变虚像距的头戴显示器，其中，所述头戴显示器包括上述的轻便的改变虚像距的光波导，所述头戴显示器还包括：
[0072]
光引擎，用于提供射入所述耦入光栅的耦入光线，即用于显示人眼观看的信息。
[0073]
本实施例中，光引擎设置在靠近人眼的一侧，此时头戴设备整体体积较小。
[0074]
综上所述，本发明提供了一种轻便的改变虚像距的光波导及头戴显示器，其中，所述光波导包括：光波导基底结构，所述光波导基底结构的一面或两面具有曲率；光栅结构，贴合设置于所述光波导基底结构。在本发明中，光波导基底结构的曲率分布可改变各视场角耦入光线在不同位置耦出时的耦出光线的传输方向，从而改变虚像距，实现减少设备体积与降低设备复杂性的目的，进一步提高虚像成像的质量。
[0075]
应当理解的是，本发明的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。