一种全息衍射波导镜片及增强现实彩色显示装置

技术领域

本发明属于显示技术领域，更具体涉及一种全息衍射波导镜片和采用该波导镜片的增强现实彩色三维显示装置。

背景技术

增强现实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，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。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。随着虚拟现实和增强现实技术的发展，近眼式显示设备得到快速发展，利用传统光学元件耦合图像光进入人眼的方式已经被采用，包括使用棱镜、反射镜、自由曲面等。例如，谷歌眼镜采用的棱镜普遍厚度在10毫米左右，视场角仅15°——人们戴上眼镜后，往往只能看到一个极为袖珍的图像；爱普生的自由曲面棱镜，以及Meta的半反半透曲面方案，具有较大视场角，但体积和厚度仍然难以缩减，画面效果、透过性也都一般，很难产生好的AR透视视觉效果。目前主流的近眼式增强现实显示设备大多采用光波导原理。例如，Lumus通过阵列光栅设计实现AR显示，其显示具有扩瞳效果，但存在百叶窗效应，影响观看体验。因此，目前主流的显示方案无法做到显示单元轻薄化的同时实现良好的显示效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种全息衍射波导镜片和采用该镜片的增强现实彩色显示装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种全息衍射波导镜片，包括镜片本体、位于所述镜片本体表面上的两个功能性区域，

所述功能性区域为周期性光栅结构，

两个所述功能性区域分别为耦入区域和耦出区域，入射图像光线投射到所述耦入区域，经所述耦入区域的周期性光栅结构衍射，衍射光线沿波导全反射传导耦合至所述耦出区域，再经所述耦出区域的周期性光栅结构衍射后输出。

在一些实施方式中，所述功能性区域的形状为且不局限于圆形、矩形、锥形。

在一些实施方式中，所述功能性区域位于镜片本体的同一表面上。

在一些实施方式中，所述周期性光栅结构包括具有波长选择性及高衍射效率的倾斜光栅、体全息光栅和矩形光栅。

在一些实施方式中，所述周期性光栅结构为纳米衍射光栅，所述纳米衍射光栅的周期及取向由入射光线的波长、入射角、衍射光线的衍射角和衍射方位角决定。

在一些实施方式中，所述纳米衍射光栅采用全息干涉技术、光刻技术或纳米压印技术制备而成。

根据本发明的另一个方面，提供了一种全息衍射波导镜片组，包括两片全息衍射波导镜片，两片所述全息衍射波导镜片在垂直空间紧密贴合，两片所述全息衍射波导镜片分别为单通道衍射波导镜片和双通道衍射波导镜片，

所述单通道衍射波导镜片用于耦合单色图像光线至波导内传导，其余颜色图像光线透过所述单通道衍射波导镜片，进入双通道衍射波导镜片，所述双通道衍射波导镜片用于耦合其余颜色图像光线。

在一些实施方式中，所述单通道衍射波导镜片用于耦合绿色图像光线进入波导内传导，蓝色和红色图像光线透过所述单通道衍射波导镜片，进入所述双通道波导衍射镜片，所述双通道衍射波导镜片用于耦合蓝色图像光线和红色图像光线。

根据本发明的另一方面，提供了另一种全息衍射波导镜片组，包括三片或多片上述的全息衍射波导镜片，三片或多片所述全息衍射波导镜片在垂直空间紧密贴合，

各片所述全息衍射波导镜片对应的纳米衍射光栅的周期、高度、占空比等参数各不相同，每片所述全息衍射波导镜片只对一种颜色图像光线进行耦合传输，其余颜色图像光线不满足传输要求，不会形成光线串扰。

在一些实施方式中，三片所述全息衍射波导镜片分别用于传输红、绿、蓝三色图像光线。

根据本发明的另一个方面，提供了一种增强现实彩色三维显示装置，包括两组上述的全息衍射波导镜片组和图像源，

两组所述全息衍射波导镜片组分别对应左眼和右眼设置，分别用于传输光线至左眼和右眼；

所述图像源包括光源、光学系统及图像信息装置，用于输出图像光。

在一些实施方式中，所述图像源的光源包括红、绿、蓝三基色点光源及其平行光源，或者白光点光源及其平行光源。

在一些实施方式中，所述图像源用以实现三维显示，输出对应于左眼的左眼图像光和对应于有眼的右眼图像光，

所述左眼图像光耦合至左全息衍射波导镜片组，输出耦合光至左眼；所述右眼图像光耦合至右全息衍射波导镜片组，输出耦合光至右眼，左右眼同时接收到输出图像光，在人眼前方空间呈现彩色三维显示。

在一些实施方式中，其被应用于交通驾驶、儿童教育、游戏娱乐、军事训练和战争、购物领域和产品展示、医疗、家庭影音娱乐、服饰虚拟试穿、商务会议或远程交互。

其有益效果为：本发明的全息衍射波导镜片，采用超薄的光学镜片，布局纳米尺度的光栅结构，相比传统的几何光学方法，本方案的轻便度更好。

本发明的增强现实彩色三维显示装置采用两层或三层或多层波导镜片制成的全息衍射波导镜片组，三色图像光耦合互不干扰，输出光合并并实现彩色显示，相比阵列光栅等技术，本发明的观看体验更佳。

附图说明

图1为本发明一实施方式的全息衍射波导镜片的剖面结构示意图；

图2为图1的一种实施方式的全息衍射波导镜片的结构示意图；

图3为本发明另一实施方式的全息衍射波导镜片的结构示意图；

图4为本发明一实施方式的全息衍射波导镜片组的结构示意图；

图5为图4的全息衍射波导导镜片组的原理示意图；

图6为图4的全息衍射波导导镜片组的原理示意图；

图7为本发明另一实施方式的全息衍射波导镜片组的结构示意图；

图8为本发明一实施方式的增强现实彩色三维显示装置的结构示意图；

图9是本发明一实施方式的增强现实彩色三维显示装置应用于交通驾驶的示意图；

图10为本发明一实施方式的增强现实彩色三维显示装置应用于儿童教育的示意图；

图11是本发明一实施方式的增强现实彩色三维显示装置应用于游戏娱乐、军事训练、战争等领域的示意图；

图12是本发明一实施方式的增强现实彩色三维显示装置应用于购物领域或产品展示；

图13是本发明一实施方式的增强现实彩色三维显示装置应用于医疗领域的示意图，

图14是本发明一实施方式的增强现实彩色三维显示装置应用于家庭影音娱乐领域的示意图，

图15是本发明一实施方式的增强现实彩色三维显示装置应用于服饰虚拟试穿的示意图，

图16是本发明一实施方式的增强现实彩色三维显示装置应用于商务会议领域的示意图

图17是本发明一实施方式的增强现实彩色三维显示装置应用于远程交互领域的示意图。

具体实施方式

如图1示，全息衍射波导镜片1包括镜片本体10，镜片本体10表面存在两个功能性区域，分别为耦入区域11和耦出区域13。光束先投射到耦入区域11，经光栅衍射和波导全反射作用，耦合光束进耦出区域13，以一定方向输出光束。其中，功能性区域由周期性纳米光栅结构组成，包括倾斜光栅61、体光栅或矩形光栅62中的任一种或多种。入射图像光线通过耦入区域11的光栅衍射及波导内的全反射，在耦出区域13耦合输出至人眼，实现全息衍射波导镜片的增强现实显示。另外，图像光从波导镜片耦入区域11入射，耦出区域13出射，实现水平方向视场扩大。全息衍射波导镜片1的两个功能性区域的形状可以为圆形、矩形、锥形等，且不局限于上述形状。

图2示意性地显示了本发明的一种实施方式的全息衍射波导镜片1。如图2所示，全息衍射波导镜片1的两个功能性区域由倾斜光栅61构成，通过设计倾斜光栅61的周期、深度、占空比及倾斜角度等参数，对特定波长或波段的光进行高效率选择，实现波长选择性功能。单一镜片只对某一颜色图像光进行传导，其余颜色图像光通过该镜片进入下一层全息衍射波导镜片，实现光线之间互不干涉。

在其他实施例中，还可以采用三区域式或多区域式，参照附图3，具体的，该全息衍射波导镜片1包括镜片本体10，设置在镜片本体10上的耦入区域11、转折区域12以及耦出区域13。入射图像光线耦合至衍射波导镜片1，首先进入耦入区域11，经纳米结构衍射，衍射光线角度满足波导全反射，光线沿全反射方向传导，耦合至转折区域12，经纳米结构衍射使光线转折，传导至耦出区域13，经纳米结构衍射，光线输出至人眼。其中，图像光从波导镜片耦入区域11入射，经转折区域12传导至耦出区域13，从耦出区域13出射，实现水平和竖直方向视场扩大。

如图4所示，图像光从显示屏3发出，具备一定扩散角，经过透镜4聚焦耦合光束，耦合光束包括红绿蓝三色图像光，包含彩色图像信息。彩色全息衍射波导由两层全息衍射波导镜片构成。两层全息衍射波导镜片分别为第一衍射波导镜片101和第二衍射波导镜片102。第一衍射波导镜片101为单通道衍射波导镜片，第二衍射波导镜片102为双通道衍射波导镜片。单通道衍射波导镜片用于耦合单色图像光线至波导内传导，其余颜色图像光线透过单通道衍射波导镜片进入双通道衍射波导镜片。优选地，单通道衍射波导镜片用于耦合绿色图像光线进入波导内传导，蓝色和红色图像光线透过单通道衍射波导镜片进入双通道衍射波导镜片。双通道衍射波导镜片用于耦合其余颜色图像光线，优选地，双通道衍射波导镜片用于耦合蓝色图像光线和红色图像光线。第一衍射波导镜片101和第二衍射波导镜片102垂直空间紧密贴合，分别用于传输绿图像光线和红蓝图像光线。其中，两片全息衍射波导镜片的功能性区域由纳米衍射光栅构成，不同镜片对应的纳米衍射光栅的周期、高度、占空比等参数各不相同，且单通道衍射波导镜片只对一种颜色图像光线进行耦合传输，其余颜色图像光线不满足传导要求，不会形成光线串扰。光束以一定扩散角耦合至波导，波导上表面或下表面(图未画出)具有功能性结构区域，光束耦合至波导，通过全反射及衍射作用，定向输出图像光至人眼。

如图5所示，两片全息衍射波导镜片分别为第一衍射波导镜片101和第二衍射波导镜片102。第一衍射波导镜片101为单通道衍射波导镜片，第二衍射波导镜片102为双通道衍射波导镜片。单通道衍射波导镜片用于耦合单色图像光线至波导内传导，其余颜色图像光线透过单通道衍射波导镜片进入双通道波导衍射镜片。优选地，单通道衍射波导镜片用于耦合绿色图像光线进入波导内传导，蓝色和红色图像光线透过单通道衍射波导镜片，进入双通道波导衍射镜片。双通道衍射波导镜片用于耦合其余颜色图像光线，优选地，双通道衍射波导镜片用于耦合蓝色图像光线和红色图像光线。

如图6所示，单通道衍射波导镜片的两个功能性区域由倾斜光栅61构成，通过设计倾斜光栅61的周期、深度、占空比及倾斜角度等参数，对特定波长或波段的光进行高效率选择，实现波长选择性功能。优选地，对绿色图像光线进行耦合，继而在波导内弯折传导，对蓝色和红色图像光线不作用，蓝色和红色图像光线透过单通道衍射波导镜片，传输至双通道衍射波导镜片。双通道衍射波导镜片的两个功能性区域由矩形光栅62构成，通过设计矩形光栅62的周期、深度、占空比等参数，对蓝色和红色波段的光进行高效率选择，实现双通道光线衍射。单通道衍射波导镜片只对某一颜色图像光进行传导，其余颜色图像光通过该镜片进入下一层双通道衍射波导镜片，实现光线之间互不干涉。

在第二实施例中，如图7所示，彩色全息衍射波导由三层全息衍射波导镜片构成，三层全息衍射波导镜片分别为第一衍射波导镜片101、第二衍射波导镜片102和第三衍射波导镜片103。第一衍射波导镜片101、第二衍射波导镜片102和第三衍射波导镜片103垂直空间紧密贴合，分别用于传输红、绿、蓝三色图像光线。如图7所示，图像光从显示屏3发出，具备一定扩散角，经过透镜4聚焦耦合光束，光束包括红绿蓝三色图像光，包含彩色图像信息。其中，三片全息衍射波导镜片的功能性区域由纳米衍射光栅构成，不同镜片对应的纳米衍射光栅的周期、高度、占空比等参数各不相同，且不同镜片只对一种颜色图像光线进行耦合传输，其余颜色图像光线不满足传输要求，不会形成光线串扰。光束以一定扩散角耦合至波导，波导上表面或下表面(图未画出)具有功能性结构区域，光束耦合至波导，通过全反射及衍射作用，定向输出图像光至人眼。

如图8所示，彩色三维显示装置5包括包括左全息衍射波导镜片组51、右全息衍射波导镜片组52和图像源。左全息衍射波导镜片组51和右全息衍射波导镜片组52分别对应左眼和右眼，用于分别传输光线至左右眼。图像源包括光源、光学系统及图像信息装置，用于输出图像光。其中，图像源的光源包括红、绿、蓝三基色点光源或者平行光源，或者白光点光源或平行光源。优选的，图像源用以实现三维显示，包括左眼图像光耦合至左全息衍射波导镜片组51，输出耦合光至左眼；右眼图像光耦合至右全息衍射波导镜片组52，输出耦合光至右眼，左右眼同时接收到输出图像光，在人眼前方空间呈现彩色三维显示。

本专利所涉及的虚拟现实与增强现实显示技术，可应用到诸如视频游戏、事件直播、视频娱乐、医疗保健、房地产、零售、教育、工程和军事等社会活动中。

如图9所示，图中的虚拟图像示例的是“600米后文星路”的图文提示和实际路面上的右转行驶标识，该虚拟图像通过焦距的调整，准确的投影到与实景匹配的位置，使虚拟图像和现实景物有机的融合到一起，自然且准确，实现现实增强显示，可有效避免现有车载导航系统中，视觉场景切换导致的交通事故。

如图10所示，本发明应用于儿童教育，当然可以是其他任何多媒体信息展示领域及电影、电视等领域，两位小朋友通过本发明的装置，一起观看或分享关于恐龙的咨询，包括文字显示和恐龙的立体显示。

如图11所示，其中的建筑、人物可以是全虚拟的，也可以是虚拟和现实事物融合的现实增强模式。应用于游戏娱乐和军事训练，可以大大提高游戏及军事训练的拟真度，提高游戏的乐趣和可玩性，提高军事训练的实战效果。应用于军事作战，通过云端信息采集与信息交互，使士兵快速获得战场上敌军、我军的位置、运动、作战特性等信息，以及战场形貌信息，大大提高士兵的信息采集能力、实时判断准确性、以及统一作战协调性，提高军队整体战斗力。

如图12所示，本发明可以拟真的全面了解产品的外观信息，并结合文字、声音信息，实现全新的购物体验或展示效果。

如图13所示，本发明可实现医生与病患的更加丰富的资讯交流，如图中，医生可以让病患直观的看到自己病牙的立体信息，了解病况，视窗中还同步显示诊断结果等文字信息。

如图14所示，本发明可获得近乎于身临其境的视觉体验，又大大减轻视觉疲劳的症状。

如图15所示，通过对试穿者的三维扫描或多角度拍照进行三维合成，然后再将服装与试穿者的三维虚像融合，得到穿上新服饰的三维影像，试穿者可以实时的观察自己的试穿效果，通过本发明的头戴式三维显示装置，可以获得近乎于照镜子的真实视觉体验。

如图16所示，本发明可真实而生动的展示需要讨论的产品或文案，相比于传统的ppt，更具直观的优势。对于大型设备展示来说，更是如此。

如图17所示，在图中，以父女两人通过本发明进行远程互动下国际象棋的例子，在本方案中，每一方只需要摆放己方的棋子，然后通过本发明上增设的数码摄像机将己方的棋子动态、甚至是连同下棋人本人全貌一同拍摄(可以是三维扫描、多角度录像或拍照等方式)，并进行三维转换，最终通过本发明投射到对方眼前，使得相互之间如同面对面在一起，具有高度的拟真感，如果再加上现实增强技术，几乎察觉不到彼此本来遥远的距离了，这对于远程交互来说，可以是一次革命性的飞跃。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制与本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。