一种波导光场显示装置和头戴式增强现实眼镜的制作方法

本申请涉及图像显示技术领域，具体而言，涉及一种波导光场显示装置和头戴式增强现实眼镜。

背景技术：

波导光场显示装置能够实现增强现实技术，波导光场显示装置中包括波导镜片，在波导光场显示装置工作过程中，波导镜片内部的传播的光线能够导出波导镜片，导出的光线会在人眼的视网膜上成像，从而使使用者观察到立体的虚拟图像。

现有的波导光场显示装置中的波导镜片为平板波导镜片，从这类波导镜片导出的光线都是与波导镜片垂直的，因此在视场角较大的情况下，会使波导镜片的尺寸过大，从而不利于使用者佩戴。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例提供了一种波导光场显示装置和头戴式增强现实眼镜，用于改善视场角较大的情况下，波导镜片的尺寸也过大的情况。

第一方面，本申请实施例提供了一种波导光场显示装置，所述波导光场显示装置包括：

波导镜片、多个耦入单元、耦出单元和多个光机，所述耦入单元的数量和所述光机的数量相等；

所述波导镜片的形状为曲面，所述曲面的焦点位于所述波导镜片的同一侧；

所述耦出单元位于所述波导镜片的一侧；

多个所述耦入单元位于所述波导镜片的一侧，多个所述耦入单元在所述波导镜片上的正投影沿圆周均匀分布，所述耦出单元在所述波导镜片上的正投影被多个所述耦入单元在所述波导镜片上的正投影所形成的圆围绕；

一个所述耦入单元对应一个所述光机，所述光机射出的平行光束能够通过对应的所述耦入单元进入所述波导镜片，所述光机射出的平行光束在进入所述波导镜片时的折射角大于所述波导镜片的全反射临界角。

可选地，所述耦出单元在所述波导镜片上的正投影为圆形。

可选地，所述耦出单元包括多个子耦出单元，每个所述子耦出单元在所述波导镜片上的正投影为圆，多个所述子耦出单元在所述波导镜片上的正投影呈同心圆分布。

可选地，多个所述子耦出单元在所述波导镜片上的正投影形成的同心圆的密度均匀分布。

可选地，多个所述子耦出单元在所述波导镜片上的正投影形成的同心圆的密度沿远离圆心的方向逐渐降低。

可选地，所述耦出单元对应的像素点包括开启状态和关闭状态，所述光机为常开状态，所述光机射出的平行光束的强度为可变平行光束。

可选地，所述耦出单元靠近所述焦点一侧设置有偏振滤光片，所述耦出单元和所述偏振滤光片之间设置有液晶光阀，所述耦出单元对应的每个像素点对应一个液晶光阀，所述光机为常开状态，所述光机射出的平行光束的强度不变。

可选地，所述耦出单元靠近所述焦点一侧设置有液晶光阀，所述光机和所述耦入单元之间设置有偏振滤光片，所述光机为常开状态，所述光机射出的平行光束的强度不变。

可选地，所述耦出单元位于所述波导镜片靠近所述焦点的一侧，多个所述耦入单元和所述耦出单元位于所述波导镜片的同侧。

第二方面，本申请实施例提供了一种头戴式增强现实眼镜，包括如第一方面中任一项所述的波导光场显示装置。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

在本申请中，波导光场显示装置包括：波导镜片、多个耦入单元、耦出单元和多个光机，其中，波导镜片的形状为曲面，且该曲面的焦点位于波导镜片的同一侧，即：波导镜片采用单曲面的形状设计，采用上述设计后，在视场角相等的情况下，相对于平板波导镜片，本申请中的波导镜片的尺寸相对较小，有利于使用者佩戴，并且，为了配合曲面波导镜片的设计，多个耦入单元在波导镜片上的正投影沿圆周均匀分布，耦出单元在波导镜片上的正投影被多个耦入单元在波导镜片上的正投影所形成的圆围绕，并且，一个耦入单元对应一个光机，光机射出的平行光束能够通过对应的耦入单元进入波导镜片，光机射出的平行光束在进入波导镜片时的折射角大于波导镜片的全反射临界角，在采用上述设计后，光机射出的光线能够在波导镜片内传导，且曲面波导镜片能够对从耦出单元射出的光线能够进行聚焦，相对于平板波导镜片，本申请有利于缓解立体视觉中辐辏和聚焦状态的不一致的问题，有利于提高使用者的使用舒适度，降低了由于立体视觉中辐辏和聚焦状态的不一致引起头晕的概率。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1为本申请实施例一提供的一种波导光场显示装置的主视示意图；

图2为本申请实施例一提供的另一种波导光场显示装置的主视示意图；

图3为本申请实施例一提供的一种波导光场显示装置的俯视形状示意图；

图4为图2中沿aa’方向上的一种部分截面示意图；

图5为本申请实施例一提供的另一种波导光场显示装置的主视示意图；

图6为图5中沿bb’方向上的一种光线射出密度的示意图；

图7为图2中沿aa’方向上的另一种部分截面示意图；

图8为图2中沿aa’方向上的另一种部分截面示意图；

图9为本申请实施例二提供的一种头戴式增强现实眼镜。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

增强现实技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后进行成像，从而实现对真实世界的“增强”。

增强现实技术中的成像器件包括波导光场显示装置，波导光场显示装置通常包括光机、波导镜片、耦入单元和耦出单元，其中，光机能够射出各个角度的平行光，耦入单元将各角度平行光衍射至特定角度，以满足在波导镜片中进行全反射条件，使得光线能在波导镜片中按照全反射原理传播。波导镜片中对应出瞳位置(光线射出位置)，布置耦出单元，来将波导镜片中传输的光耦合出波导镜片，同时实现出瞳扩展，即将较小的入瞳扩展为较大的出瞳，方便使用者观察。从耦出单元输出的平行光进入人咽喉经由人眼的聚焦，在视网膜上成像，从而使使用者观察到虚拟图像。

在现有技术中，波导光场显示装置中的波导镜片为平板波导镜片，从这类波导镜片导出的光线都是与波导镜片垂直的，因此在视场角较大的情况下，会使波导镜片的尺寸过大，从而不利于使用者佩戴，并且，对于平板波导镜片还存在立体视觉中辐辏和聚焦状态的不一致的问题，使用者使用平板波导镜片构成的波导光场显示装置时，会有较大概率引起头晕的发生，从而降低了使用者的舒适度。

为了解决上述问题，本申请实施例提供的了一种波导光场显示装置和头戴式增强现实眼镜，用以改善视场角较大的情况下，波导镜片的尺寸也过大的情况，同时降低引起使用者发生头晕的概率。

实施例一

图1为本申请实施例一提供的一种波导光场显示装置的主视示意图(示意了耦出单元为整面结构)，图2为本申请实施例一提供的另一种波导光场显示装置的主视示意图(示意了耦出单元为密度均匀分布的同心圆结构)，图3为本申请实施例一提供的一种波导光场显示装置的俯视形状示意图(仅示意了波导镜片的形状，以及光线的射出方向，光线的射出方向如图3中的箭头所示)，如图1、图2和图3所示，波导镜片、多个耦入单元、耦出单元和多个光机(图中未示出)，所述耦入单元的数量和所述光机的数量相等；所述波导镜片的形状为曲面，所述曲面的焦点(位于图3所示的人眼一侧)位于所述波导镜片的同一侧；所述耦出单元位于所述波导镜片的一侧；多个所述耦入单元位于所述波导镜片的一侧，多个所述耦入单元在所述波导镜片上的正投影沿圆周均匀分布，所述耦出单元在所述波导镜片上的正投影被多个所述耦入单元在所述波导镜片上的正投影所形成的圆围绕；一个所述耦入单元对应一个所述光机，所述光机射出的平行光束能够通过对应的所述耦入单元进入所述波导镜片，所述光机射出的平行光束在进入所述波导镜片时的折射角大于所述波导镜片的全反射临界角。

具体的，如图1、图2和图3所示，波导光场显示装置包括：波导镜片、多个耦入单元、耦出单元和多个光机，其中，波导镜片的形状为曲面，且该曲面的焦点位于波导镜片的同一侧，即：波导镜片采用单曲面的形状设计，采用上述设计后，在视场角相等的情况下，相对于平板波导镜片，本申请中的波导镜片的尺寸相对较小，有利于使用者佩戴，并且，为了配合曲面波导镜片的设计，多个耦入单元在波导镜片上的正投影沿圆周均匀分布，耦出单元在波导镜片上的正投影被多个耦入单元在波导镜片上的正投影所形成的圆围绕，并且，一个耦入单元对应一个光机，光机射出的平行光束能够通过对应的耦入单元进入波导镜片，光机射出的平行光束在进入波导镜片时的折射角大于波导镜片的全反射临界角，在采用上述设计后，光机射出的光线能够在波导镜片内传导，且曲面波导镜片能够对从耦出单元射出的光线能够进行聚焦，相对于平板波导镜片，本申请有利于缓解立体视觉中辐辏和聚焦状态的不一致的问题，有利于提高使用者的使用舒适度，降低了由于立体视觉中辐辏和聚焦状态的不一致引起头晕的概率。

如图3所示，波导镜片包括靠近焦点的一侧和远离焦点的一侧，耦出单元和耦入单元可以位于波导镜片的同一侧，也可以位于波导镜片的不同侧，例如：耦出单元和耦入单元可以均位于波导镜片靠近焦点的一侧，或者，耦出单元和耦入单元均位于波导镜片远离焦点的一侧，或者，耦出单元位于波导镜片靠近焦点的一侧，耦入单元位于波导镜片远离焦点的一侧，再或者，耦入单元位于波导镜片靠近焦点的一侧，耦出单元位于波导镜片远离焦点的一侧等，但是无论采用何种设计，光线在波导镜片内发生全反射，如果发生全反射的位置处设置有耦出单元，则光线的部分能量会被耦出单元导出波导镜片，并射到人眼所在的位置处，然后在人眼中成像。

需要说明的是，光机的具体位置可以根据实际需要进行设定，在此不做具体限定，光机为显示系统的一部分，显示系统的主要功能包括对输出的图像进行控制、对各个光机射出光线的调制等，当然还可以包括反馈系统(如：瞳孔追踪装置等)。光机包括光源(包括：激光光源或二极管光源等显示元件，以及必要的光束调整光源元件，如：透镜或棱镜等)，光机的主要功能时产生一束细平行光束，并受显示系统的调制，且光机可以产生红绿蓝全彩光束或者单色光束。

需要再次说明的是，波导镜片可以由玻璃或者树脂材料构成，关于波导镜片的材料在此不做具体限定。

图4为图2中沿aa’方向上的一种部分截面示意图(示意了耦出单元和耦入单元均位于波导镜片靠近焦点的一侧)，如图4所示，耦入单元和耦出单元可以是通过微纳加工中的刻蚀等技术直接在波导镜片靠近焦点的一侧加工出来的，也可以是单独加工出来后附着在波导镜片靠近焦点的一侧上的。从光机出射的平行光束(如图4中的箭头所示)由耦入单元耦入波导镜片，平行光束可以垂直波导镜片入射或者以一定角度入射，具体的入射角度取决于设计，为了保证光线能够在波导镜片中全反射传播，需要经由耦入单元进入波导镜片的光线与波导镜片的夹角θ1大于波导镜片的全反射临界角θ2，即：

θ1≥θ2＝asin(n1/n2)；

其中，n1为波导镜片所处的环境介质的折射率，一般为空气，值为1，n2为波导镜片的折射率，根据波导镜片材料的不同，波导镜片的折射率在1-3之间，光线在波导镜片内传播时，每次与波导镜片靠近焦点(即：靠近人员)一侧的耦出单元相遇时，耦出单元会将部分能量耦出波导镜片，且耦出光线朝向人眼瞳孔处。由于光线每次入射到耦出单元时的入射角度是一致的，而不同的耦出单元的耦出角度是不一样的。最终，多个耦出单元的耦出光线会在人眼瞳孔中心汇聚，并且经由人眼成像在视网膜上，从而使使用者观察到虚拟图像。

在一个可行的实施方案中，如图1所示，所述耦出单元在所述波导镜片上的正投影为圆形。

具体的，如图1所示，耦出单元为圆形的整面结构，采用如图1所示的设计后，有利于提高提高波导光场显示装置的像素密度，从而提高成像画面的清晰度，并且上述耦出单元的设计方式相对简单，有利于降低工艺的复杂度。

在一个可行的实施方案中，如图2所示，所述耦出单元包括多个子耦出单元，每个所述子耦出单元在所述波导镜片上的正投影为圆，多个所述子耦出单元在所述波导镜片上的正投影呈同心圆分布。

具体的，在光机数量一定时，子耦出单元的数量与波导光场显示装置的分辨率正相关，因此，可以根据波导光场显示装置的分辨率需求和人眼的分辨率需求对图2中所示的子耦出单元的数量和排布方式进行调节，因此，子耦出单元在采用如图2所示的排布方式后，有利于通过工艺对子耦出单元的数量和排布方式进行调节，从而实现对波导光场显示装置的分辨率进行微调的目的。

需要说明的是，关于子耦出单元的数量和子耦出单元的具体排布方式可以根据实际需要进行设定，图2仅是对本申请实施例一的示意性说明，并不对本申请实施例一形成限定。

在一个可行的实施方案中，如图2和图4所示，多个所述子耦出单元在所述波导镜片上的正投影形成的同心圆的密度均匀分布。

具体的，如图2所示，任意两个相邻的子耦出单元之间的半径之差是相等的，即：如图4所示，任意两个相邻的子耦出单元之间的间距是相等的，在采用上述设计方式后，可以使视场角的角度分辨率在圆周上是均匀的，并且，可以根据需要的分辨率来对子耦出单元的密度进行调整，且调整方式相对简单，同时，有利于降低耦出单元的制作工艺。

需要说明的是，波导光场显示装置的分辨率与耦出如单元和耦入单元的密度正相关，即：耦出如单元和耦入单元的密度都相对较高时，波导光场显示装置的分辨率也相对较高，耦出如单元和耦入单元的密度都相对较低时，波导光场显示装置的分辨率也相对较低，关于耦出如单元和耦入单元的密度可以根据实际需要的分辨率进行设置，在此不做具体限定。

在一个可行的实施方案中，图5为本申请实施例一提供的另一种波导光场显示装置的主视示意图(示意了耦出单元为密度不均匀分布的同心圆结构)，图6为图5中沿bb’方向上的一种光线射出密度的示意图，如图5和图6所示，多个所述子耦出单元在所述波导镜片上的正投影形成的同心圆的密度沿远离圆心的方向逐渐降低。

具体的，由于人眼中心凹出的分辨率较高，边缘视场分辨率较低，因此可以将耦出单元的分布方式设计成如图5所示的形状，即：采用渐变分辨率的设置方式，如图5所示，同心圆的密度沿远离圆心的方向逐渐降低，在采用图5所示的设计后，图5中沿bb’方向上的光线射出密度如图6所示，图6中每一条光线对应一个子耦合单元，根据图6中光线的射出密度可以反映出图5中各子耦合单元的密度情况，如图6所示，在图5所示的同心圆中，半径小于第一半径的第一同心圆的密度相等，半径大于第一半径且小于第二半径的第二同心圆的密度相等，半径大于第二半径且小于第三半径的第三同心圆的密度相等，其中，第一同心圆的密度大于第二同心圆的密度，第二同心圆的密度大于第三同心圆的密度，最终形成如图5所示的同心圆密度渐变的样式。在采用上述设计方式后，符合人眼成像的原理，有利于提高使用者的舒适度。

在一个可行的实施方案中，如图2和图5所示，所述耦出单元对应的像素点包括开启状态和关闭状态，所述光机为常开状态，所述光机射出的平行光束的强度为可变平行光束。

具体的，如图2和图5所示，为了实现各视场角对应光线的逐一显示，需要对各子耦合单元进行单独控制，即：对各子耦合单元对应的像素点进行单独控制，例如：各子耦合单元可以为全息聚合物分散液晶、液晶光栅或者其他光调制器，各子耦合单元在电信号控制下实现对像素点的开启和闭合的控制，如：当控制信号为高电平时，产生光栅结构(此时像素点为开启状态)，将波导镜片中传输的光耦出波导镜片，当控制电信号为低电平时，子耦出单元不动作(此时像素点为闭合状态)，为无功能状态，不影响波导中传输的光线。然后控制光机出射光强度，实现不同视场处的亮度调制，即：通过控制信号的占空比调制来实现对像素点的控制。

需要说明的是，上述实施例仅是以呈同心圆分布的多个子耦出单元为例进行的说明，并不对本申请形成限定。

在一个可行的实施方案中，图7为图2中沿aa’方向上的另一种部分截面示意图，如图7所示，所述耦出单元靠近所述焦点一侧设置有偏振滤光片，所述耦出单元和所述偏振滤光片之间设置有液晶光阀，所述耦出单元对应的每个像素点对应一个液晶光阀，所述光机为常开状态，所述光机射出的平行光束的强度不变。

具体的，如图7所示，耦出单元可以是被动的光栅结构，此时耦出单元靠近人眼的一侧设置有偏振滤光片，且耦出单元和偏振滤光片之间有液晶光阀，通过控制液晶光阀的开关来控制各视场角出射光强度，偏振滤光片来控制像素点的开启和关闭，通过上述设计方式，在光机为常开状态，且光机射出的平行光束的强度不变的情况下，通过对偏振滤光片和液晶光阀来实现对像素点的开启和闭合进行控制，以及对各像素点出射光强度的控制。

需要说明的是，上述实施例仅是以呈同心圆分布的多个子耦出单元为例进行的说明，并不对本申请形成限定，对于整面结构的耦出单元而言，可以根据分辨率的需求对液晶光阀的分布进行设置，即：整面结构的耦出单元对应的分辨率可以通过调节液晶光阀的密度来进行控制。

在一个可行的实施方案中，图8为图2中沿aa’方向上的另一种部分截面示意图，如图8所示，所述耦出单元靠近所述焦点一侧设置有液晶光阀，所述光机和所述耦入单元之间设置有偏振滤光片，所述光机为常开状态，所述光机射出的平行光束的强度不变。

具体的，如图8所示，光机射出的平行光束经由偏振滤光片后，射入耦入单元，然后由耦入单元将平行光束耦入波导镜片，通过控制液晶光阀的开关来控制各视场角出射光强度，通过偏振滤光片对波导镜片内有无光线传导进行控制，通过上述设计方式，在光机为常开状态，且光机射出的平行光束的强度不变的情况下，实现对各像素点出射光强度的控制。

需要说明的是，上述实施例仅是以呈同心圆分布的多个子耦出单元为例进行的说明，并不对本申请形成限定，对于整面结构的耦出单元而言，可以根据分辨率的需求对液晶光阀的分布进行设置，即：整面结构的耦出单元对应的分辨率可以通过调节液晶光阀的密度来进行控制。

在一个可行的实施方案中，如图4所示，所述耦出单元位于所述波导镜片靠近所述焦点的一侧，多个所述耦入单元和所述耦出单元位于所述波导镜片的同侧。

具体的，如图4所示，在采用上述设计后，有利于降低耦入单元和耦出单元划伤的概率。

实施例二

图9为本申请实施例二提供的一种头戴式增强现实眼镜，如图9所示，该头戴式增强现实眼镜包括实施例一种所示的波导光场显示装置6，波导光场显示装置6中包括光机61，该头戴式增强现实眼镜还包括镜架7和镜腿8，光机的设置位置如图9所示。

关于实施例二中的波导光场显示装置的结构可参考实施例一的相关说明，在此不再详细说明。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。