一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统的制作方法

1.本发明属于光学成像技术领域，尤其涉及一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统。


背景技术：

2.增强现实技术通过将虚拟数字信息和真实环境中的物体进行精确叠加，实现信息的提示和交互，而头戴增强现实应用中，利用光学元件使计算机产生的虚拟图像信息显示在观察者视野前方，便于穿戴者获取叠加信息的同时可以清晰地观察环境目标物，因此，对于头戴增强现实光学显示元件，要求能够提供接近无限景深、色彩明亮、清晰的大视场显示图像。
3.传统用于头戴增强现实的光学元件主要是基于45
°
反射面的光学棱镜。为了增大显示图像的尺寸，通过增加45
°
反射面的面积，即增加光学棱镜的反射式结构厚度来实现，否则导致鬼像出现降低显示图像的对比度，因此随着反射式结构厚度的增加导致显示系统体积的重量急剧增加，给使用者的穿戴带来了极大的不便。
4.为了解决传统穿戴显示光学系统的重量和视场的矛盾，美国micro vision公司的专利：us7736006b2中提出了一种显示技术方案，这种方案利用偏振衬底来实现光波偏振态的转化，让大角度的s光反射成像，小角度的p光完全透过反射面。此种方案的缺点在于采用大角度s光反射，p光透射，导致反射输出面在衬底底面的投影面积过小而不利于视场的扩展，同时加大了设计的难度，进而导致器件的厚度无法轻薄化。美国专利us7021777采用平面光波导的方式实现了大视场图像和显示装置轻薄化的问题，但显示图像视场受限于材料的全反射角以及只能在特定位置保持清晰。


技术实现要素：

5.针对上述技术存在的缺陷，本发明提供的一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统不但在体积和重量方面有明显缩减，而且在图像景深和大视场角方面有更大的优势。
6.本发明的工作原理为：图像传导光学系统中至少存在一个直径小于人眼瞳孔的微反射单元，微显示器发出的锥形光束经准直透镜准直后变成平行光束，平行光束进入导光衬底之后，由于微反射单元的存在，每个针孔只能反射平行光束中的一部分细光束，被微反射单元反射的细光束进入人眼之后可以在视网膜上成清晰、明锐的显示图像。根据设计需要，可以合理的增加微反射单元的类型、数量、尺寸以及微反射单元的中心间距，从而可以保证人眼在观察远近的外界物体时，微显示器输出的虚拟图像都能在视网膜上成清晰、锐利的显示图像。
7.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明图像传导光学系统的显示图像具有长景深、大视场角以及将屈光度直接融合的能力。图像传导光学系统通过将大直径光束限制为更细、更集中的细光束，让虚拟图像集中
在视网膜上，提高图像锐度和清晰度，保证能够提供接近无限景深的显示图像，并且显示图像尺寸更大，同时能够满足屈光度调节要求。
8.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
9.图1为传统反射式图像传导光学元件示意图；图2为平面光波导图像传导光学元件示意图；图3为平面光波导中光线在人眼视网膜上成像示意图；图4为人眼调节时光线在人眼视网膜上成像示意图；图5为针孔结构改变成像光束后人眼视网膜上成像示意图；图6为平面光波导成像系统中引入针孔结构示意图；图7为本发明的一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统示意图；图8为发明的一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统的微反射单元布局示意图；图9为发明的一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统的人眼方向视图。
10.图中，10-微显示器；11-准直透镜；12-导光衬底；13-上表面；14-微反射单元；15-下表面。
具体实施方式
11.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。
12.参阅图1，传统反射式图像传导光学元件示意图。传统发射式图像传导光学元件主要由耦合输入面input surface-45、相互严格平行的上下表面sur1和sur2组成的导光衬底以及耦合输出面output surface-45组成。为了保证输入和输出光线的空间方向一致，因此传统反射式图像传导光学元件的各项几何参数需满足一定的条件，即βsur-in-45 = βsur-out-45 = 45
°
其中，βsur-in-45为耦合输入面input surface-45和导光衬底下表面sur1的夹角，βsur-out-45为耦合输出面output surface-45和导光衬底上表面sur2的夹角。
13.图像源中心像素点发出的准直光线chief ray和边缘像素点发出的准直光线marginal ray进入导光衬底后遇到耦合输入面input surface-45，经过耦合输入面input surface-45的发射直接和耦合输出面output surface-45相遇，经过耦合输出面的反射最终被输出到导光衬底外。在导光衬底中，准直光线chief ray 和marginal ray之间的夹角βfov-45限制了能够传输的显示图像的大小。图1中，当边缘像素点发出的准直光线和轴上点发出的光线夹角大于角βfov-45时，边缘光线和导光衬底上表面sur2的相遇将导致鬼像出现，使显示图像对比度降低。为了避免鬼像出现同时增大显示图像尺寸，需要增大导光衬底的厚度thickness-45，但是显示元件的重量和体积将变大，给穿戴应用带来极大的不便。
14.参阅图2，平面光波导图像传导光学元件示意图。平面光波导图像传导光学元件主要由耦合输入端 iutput surface-wg、耦合输出端output surface-wg以及相互严格平行
的上表面 wg-surf1和下表面wg-surf1组成。平面光波导图像传导光学元件最大的优点在于导光衬底厚度小于1mm，因此在重量和体积方面相比传统的反射式图像传导光学元件有很大的优势。
15.对于平面光波导图像传导光学元件，光线在导光衬底中以全反射方式传播，因此导光衬底中能够传输的显示图像的大小直接受限于材料的全反射角 β-critical。为了增大显示图像的尺寸，需要提高材料的折射率以保证光线在导光衬底中传输时满足全反射条件。但是随着材料折射率的增加，材料的密度也随之增加，并且可供选择的高折射率材料有限，这些因素导致可以传导的显示图像的尺寸有限。
16.对于平面光波导导光衬底，其上下表面的粗糙度、平行度和平面度等光学参数必须满足严格的光学设计要求，否则由于光线在导光衬底无法按照镜面反射的要求传输，导致来自同一物点的光束在输出导光衬底以后夹角大于人眼的分辨率角，从而降低了图像的清晰度和对比度，导致人眼直接观察时出现重影。另外，在平面波导的导光衬底中，图像光线以全反射条件传输，因此导光衬底的上下表面需要严格平行，因此无法将屈光度要求融合进去。
17.参阅图3，平面光波导中光线在人眼视网膜上成像示意图。图3（a）平面光波导中，传输的光线为准直以后的平行光线，因此除了对导光衬底的平行度、面型有严格要求外，还对观察者本身的视力有严格的要求。平面光波导图像传导光学元件为了保证人眼在一定距离处能够舒适的观察显示图像，因此耦合输出结构具备出瞳扩展功能，即存在光线的延展结构，使细光束变为宽光束。图3（b）为平面光波导中耦合输出的光线进入人眼后的情形，为了保证平面光波导输出的图像能够在人眼视网膜上成清晰、明亮的图像，因此需要观察着的水晶体状态良好，否则输出图像将无法在视网膜上成清晰的图像。
18.参阅图4，人眼调节时光线在人眼视网膜上成像示意图。对于增强现实显示应用，需要将计算机产生的虚拟图像和真实世界的物体叠加，为此要求虚拟图像能够在人眼观察远近的物理世界物体时都能够成清晰的图像。图4（a）为人眼观察远处物体时，准直像源产生的虚拟显示图像在人眼视网膜上的成像情形。由于准直像源产生宽光束虚拟图像位于5米之外，此时虚拟图像可以在视网膜上成清晰良好的图像。图4（b）为观察者观察近距离物体时，准直像源产生宽光束虚拟图像在人眼视网膜上的成像情形。此时近距离物体可以在视网膜上成清晰的图像，而准直像源产生宽光束虚拟图像经过水晶体的聚焦在焦点附近成像，无法被聚焦在视网膜上，因此图像变得模糊。上述原因导致准直像源产生宽光束虚拟图像在增强现实应用中无法和近距离的目标得到精确配准而失去实际应用意义。
19.参阅图5，针孔结构改变成像光束后人眼视网膜上成像示意图。图5（a）为人眼观察近距离的目标物时，位于5米之外的虚拟图像在人眼视网膜上的成像，此时虚拟图像无法在视网膜上成清晰明锐的图像，导致增强现实应用的范围降低。图5（b）为人眼观察近距离目标时，在人眼前方一定距离出放置一个特定尺寸的小圆孔，此时，除了近距离目标在视网膜上成清晰的图像以外，位于5米之外的虚拟图像在人眼视网膜也可以清晰、明锐的图像。
20.参阅图6，平面光波导成像系统中引入针孔结构示意图。图7中在平面光波导在输出面和人眼之间引入多孔的屏障 block。屏障block上面拥有一个以上的针孔 pin-hole，人眼此时观察平面光波导的显示图像时，相比没有屏障 block图像更清晰、明锐的图像，同时由于屏障 block的引入，在一定范围内的屈光度异常观察着可以直接观察到清晰的图像
不需要额外的屈光度辅助设备。
21.参阅图7，本发明的一种应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统，包括微显示器10、准直透镜11、导光衬底12和微反射单元14，微反射单元14的直径小于人眼瞳孔，微显示器10发出的光束经准直透镜11准直后变成平行光束，平行光束进入导光衬底12，遇到至少一个微反射单元14，微反射单元14反射的光束以平行光的形式进入人眼，透射的光束传播至下一个微反射单元14。
22.本发明应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统的导光衬底12 。根据穿戴显示需要，为了保证图像信息能够传输的人眼所在的位置，因此需要导光衬底导引图像光线到设计的位置。根据具体应用需求，目前可作为导光衬底的光学材料有很多种，光学玻璃材料例如jgs1、jgs2、k9、bk7等，光学塑料材料有pc、pmma等。由于每种材料的折射率、色散系数、透过率、吸收系数、和密度等不同，考虑到实际应用条件和加工工艺的限制，需要根据具体应用要求进行选择。对于本发明图像传导光学系统的导光衬底，图像光线在其中的工作方式不依靠全反射条件进行传输，因此其上表面 13和下表面 15不限于平面或者曲面，可以根据使用要求将屈光度直接融合，即利用近视镜片作为本发明的导光衬底，从而避免额外引入其它屈光度调节元件导致光学系统的重量和成本的增加。
23.本发明应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学元件微反射单元 14。对于增强现实应用，计算机产生的虚拟图像信息在导光衬底 12中直接传输一定光程后，本发明光学系统的微反射单元 14能够将图像信息反射到人眼中。本发明的微反射单元 14的直径小于人眼瞳孔，根据设计需要合理的改变微反射单元的形状、类型和尺寸，可以保证人眼在观察远处或近处的外界物体时，一方面显示像源产生的虚拟图像都能在视网膜上成清晰、锐利的图像；另一方面通过增加微反射单元的数量和改变微反射单元中心间距可以获得大视场的舒适的体验图像。为了保证微反射单元14对光线的反射，可采用镀膜工艺实现，具体根据应用场景需要可以镀金属膜和/或介质膜实现。
24.本发明中微反射单元的布局情况包括：当微反射单元的数量为一个时，微反射单元反射近轴的细光束以平行光的形式进入人眼，微反射单元可以不透光，也可以透光，透射的光束可以输出导光衬底外，避免干扰微反射单元反射光束的成像；当微反射单元的数量不止一个时，一个或者两个以上微反射单元布置在第一斜面上，还可以存在第二斜面、第三斜面以及第四斜面，各斜面之间的倾斜角度是一致的，但斜面的数量不作限制。各斜面可以是因为描述微反射单元布局的需要而虚构的，也可以是根据实际加工需要而确实存在的。第二斜面上的微反射单元的数量与第一斜面上的微反射单元的数量可以相同或者不同，第二斜面上的微反射单元的位置与第一斜面上的微反射单元的位置可以对应，也可以不对应，当第二斜面上的其中一个微反射单元与第一斜面上的另一个微反射单元位置对应时，则进入导光衬底的部分细光束在经过第一斜面上的微反射单元部分反射后，部分透射部分输送至第二斜面上的微反射单元上，第三斜面以及第四斜面同理。各斜面之间保持一定的间距，使得各斜面之间的微反射单元反射发出的平行光不会相互干扰或者发生重叠现象。
25.为了便于理解，微反射单元的布局可以换另一种方式陈述，如下：当微反射单元的数量不止一个时，所述微反射单元一字排布在所述导光衬底上或者多
行排布在所述导光衬底上，且每行的所述微反射单元的数量可以不同。
26.参阅图7和图8，本发明应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统的微反射单元布局示意图。第一斜面上布置有一个微反射单元，第二斜面上布置有三个微反射单元，第三斜面上布置有一个微反射单元，并且第一斜面的微反射单元、第三斜面的微反射单元以及第二斜面的其中一个微反射单元的位置是对应的。进入导光衬底的平行光束依次经过第一斜面、第二斜面以及第三斜面，若微反射单元的位置对应，则平行光束依次经过对应的微反射单元。
27.本发明的微反射单元主要提供清晰、明锐的长景深显示图像，为了保证人眼舒适的观察足够大的显示图像，因此需要调整微反射单元之间的间距、尺寸和大小。图像传导光学系统没有显示图像输出时，为了避免微反射单元的存在影响人眼对外界景物的观看，每个微反射单元的尺寸 hole-size约为1mm，因为微反射单元尺寸过小或者过大都将影响图像的清晰度，而微反射单元之间的间距space保持在3mm左右。再者，为了能够将图像光线反射到人眼中成像，因此微反射单元 micro-mirror需要保持一定的倾角，例如45
°
，具体需要根据镀膜工艺、透光度要求以及图像导光结构的布局确定。人眼的瞳孔 pupil 直径大约4~8mm，为了保证人眼能够舒适的观察大视场显示图像，人眼瞳孔距离微反射单元的距离，即镜目距大约在18mm左右，因此每个微反射单元可以提供的视场角为：θ
fov = 13
°
由此，通过适当合理的增加微反射单元的数量可以容易的得到需要的大视场角图像，例如选区水平方向排布的的微反射单元的数量为6个时，可以观察到的水平方向的图像的视场角为78
°
。当然为了保证竖直方向也可以观察到舒适的显示图像，竖直方向的微反射单元的数量需要相应的增加，具体数量根据选用的微显示器的尺寸以及准直系统提供的需要的显示图像的大小来决定参阅图9，本发明应用于增强现实的长景深大视场角图像传导光学系统的人眼方向视图。图中的微反射单元的布局与图7和图8的不同，五个微反射单元14全部布置在一个斜面上。在本实施例中，先把五个微反射单元固定在一个斜面上，然后再采用另外一个匹配的斜面结构用胶水胶合在一起，图中的阴影区则为胶合界面。当然，导光衬底12的尺寸大小可以根据具体应用进行调整。根据应用需要，微反射单元14呈40.5
°
角放置，微反射单元14表面采用离子源辅助镀膜工艺形成。导光衬底选用e48r光学塑料加工，这样不但可以保证良好的透光性、还可以减轻光学元件重量和降低成本。
28.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。