增强现实装置及AR眼镜的制作方法

增强现实装置及ar眼镜
技术领域
1.本技术涉及投影设备技术领域，具体而言，涉及一种增强现实装置及ar眼镜。


背景技术：

2.增强现实(augmented reality，ar)设备中的光机系统用于生成投影显示图像，显示器提供照明的光学系统体积普遍较大，由于ar设备对体积和重量有较高的要求，传统照明系统将严重影响ar设备的佩戴舒适度。


技术实现要素：

3.本技术实施例提出了一种增强现实装置及ar眼镜，以至少解决上述技术问题之一。
4.本技术实施例通过以下技术方案来实现上述目的。
5.第一方面，本技术提供一种增强现实装置，可以包括：光源、第一偏振片、光波导、成像模组以及具有反射面的反射器。光源用于出射光线。第一偏振片位于所述光源的一侧。光波导设置有耦入光栅和耦出光栅，所述耦入光栅位于所述第一偏振片远离所述光源的一侧。成像模组位于所述光波导的耦出光栅一侧。反射面位于所述光源与所述耦入光栅之间。所述光源的全部或部分出射光线经过所述反射面反射后依次经过所述第一偏振片和所述耦入光栅，并进入至所述光波导，再通过所述耦出光栅进入所述成像模组。
6.在一种实施方式中，成像模组可以包括：显示器、第二偏振片以及投影镜头，所述显示器设置在所述光波导靠近所述耦出光栅的一侧，所述第二偏振片设置在所述光波导远离所述耦出光栅的一侧，所述投影镜头设置在所述第二偏振片远离所述光波导的一侧，所述光源出射的光线经所述耦出光栅射出后依次经过所述显示器、第二偏振片以及投影镜头。
7.在一种实施方式中，所述反射面可以包括第一开口以及第二开口；所述光源位于所述第一开口处，所述耦入光栅位于所述第二开口处。
8.在一种实施方式中，所述反射面为平面或弧面。
9.在一种实施方式中，所述增强现实装置还可以包括：收集透镜，所述收集透镜位于所述光源与所述第一偏振片之间或者所述第一偏振片与所述耦入光栅之间。
10.在一种实施方式中，所述反射器为全内反射透镜，所述全内反射透镜的反射膜形成所述反射器的反射面。
11.在一种实施方式中，所述光源为微型发光二极管(micro light emitting diode，简称micro led)光源。
12.在一种实施方式中，述收集透镜可以包括第一收集透镜和第二收集透镜，所述第一收集透镜位于所述第一偏振片与所述光源之间所，述第二收集透镜位于所述第一偏振片与所述耦入光栅之间。
13.在一种实施方式中，所述第一偏振片可以为反射型偏振片。
14.第二方面，本技术提供一种增强现实装置，可以包括：镜框、镜腿以及如上述的增强现实装置，所述镜框与所述镜腿连接，所述增强现实装置设置在所述镜框内。
15.本技术提供的增强现实装置及ar眼镜，可以有效减小增强现实装置的体积，并且通过在光源与所述耦入光栅之间设置具有反射面的反射器，使得由光源发出的光能够更多的耦入光波导，提高波导耦入效率。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，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的附图。
17.图1为基于lcos的传统投影方案基本原理示意图。
18.图2为基于srg的前置照明方案原理示意图。
19.图3为传统增强现实装置的结构示意图。
20.图4为本技术一实施例的增强现实装置的结构示意图。
21.图5为本技术实施例中反射面对光线的收集能力示意图。
22.图6为本技术反射面对光线的收集能力示意图反射面沿垂直于所述光波导方向的截面形状为矩形的实施方式的结构示意图。
23.图7为本技术反射面对光线的收集能力示意图反射面沿垂直于所述光波导方向的截面形状为梯形的实施方式的结构示意图。
24.图8为本技术反射面对光线的收集能力示意图反射面沿垂直于所述光波导方向的截面形状为弧形的实施方式的结构示意图。
25.图9为本技术反射面对光线的收集能力示意图反射面沿垂直于所述光波导方向的截面形状为弧形的第一实施方式的结构示意图。
26.图10为本技术反射面对光线的收集能力示意图反射面沿垂直于所述光波导方向的截面形状为弧形的第二实施方式的结构示意图。
27.图11为本技术反射面对光线的收集能力示意图反射面沿垂直于所述光波导方向的截面形状为弧形的第三实施方式的结构示意图。
28.图12为本技术实施例的ar眼镜的结构示意。
29.附图标记：ar眼镜1、增强现实装置10、光源100、第一偏振片200、耦入光栅300、光波导400、反射器500、反射面510、匀光系统600、耦出光栅700、收集透镜800、第一收集透镜810、第二收集透镜820、微显示器20、投影镜头30、镜框40、镜腿50、第二偏振片60。
具体实施方式
30.下面详细描述本技术的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
31.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是
本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
32.现代社会以来，个人电脑作为第一代信息交互平台，率先为信息的传输与交互带来了新篇章。近年来发展迅速的智能手机终端，将信息交互平台变得更加轻量化、小型化，并提升了便捷性，进一步改变了人类生活。随着智能手机渗透率的逐渐饱和、用户碎片时间赋能上的逐渐疲软，以及大数据通信和人工智能等新技术的快速发展，对新形态的信息交互平台的需求已经迫在眉睫。
33.增强现实(augmented reality，ar)是一种实时采集现实世界信息，并将虚拟信息、图像等与现实世界相结合的显示技术，有望成为继个人电脑、智能手机后的新一代信息交互终端，具有广阔的市场规模和想象空间。首先在信息显示上，ar将不再受限于实体屏幕，而是可以在整个物理空间中显示，采用虚实结合的方式，在物理实体的基础上实时显示虚拟信息，即为增强现实显示；其次在人机交互上，指令采集可以突破实体的操作界面，使用更加自然便捷的交互方式，如语音、手势、图像等，使得人机交互模式更像是与人的自然交流。基于ar显示全新的形态，ar技术在近年来得到了广泛的关注和投入。自2013年google发布google glass以来，ar行业便受到资本市场的广泛关注；但ar行业在接下来的2015～2017年间发展缓慢，主要瓶颈是ar显示效果、硬件用户体验、产品价格仍然无法满足消费者预期。随着显示技术、通信手段、芯片和算法等先进技术的演进，近年来，ar显示系统已经逐渐在一些专业领域得到了应用，可以包括工业、培训、教育、观影、医疗、游戏等众多领域。
34.相较于通信、大数据、软件算法等方面，现阶段ar硬件显示系统的性能从某种程度上制约了ar领域的快速发展，同时具有小体积、轻质化、高效率、大视场角(field of view，fov)、大动眼框范围性能的ar显示系统仍未获得突破。ar硬件显示系统通常包含微型光机(optical engine)和光学组合器(optical combiner)两部分。其中，ar设备中采用的微型光机是用于生成图像光线的器件，主要技术路线可以包括硅基液晶(liquid crustal on silicon,lcos)、laser beam scanning、微型发光二极管(micro light-emitting diode，micro led)、微型有机发光半导体(micro organic light-emitting diode，micro oled)等。对于ar光机来说，小体积、高效率是至关重要的参数。光学组合器的作用是将实际环境光线和图像光线进行组合，使得人眼同时能够观察到环境和光机产生的图像信息。
35.ar设备中的光机系统用于生成投影显示图像，基于lcos和数字微镜设备(digital micromirror device，dmd)的投影系统是非主动发光芯片投影方案中的主流：
36.lcos是一种新型的结合了半导体与液晶显示器(liquid crystal display，lcd)技术的新型微显示技术。就技术面来看，它具有高分辨率、高亮度的特性，加上其产品结构简单，亦具有低成本的优点。lcos投影显示技术起源于反射式液晶投影显示。所谓反射式液晶投影显示，就是指所采用的液晶显示芯片为反射式的工作方式，它在液晶层后面设置了一个反射镜，而和液晶驱动相关的薄膜或集成部件均隐藏在反射镜的后面。用于投影显示的反射型液晶器件都采用了扭曲向列液晶或电控双折射，因为这些液晶工作模式的光效率较高，对比度较大。
37.请参阅图1，基于lcos的投影方案基本原理如图所示，在微显示器20(图示为lcos)前放置第二偏振片60(图示为偏振分光棱镜(polarization beam splitter，pbs))，光源100出射光束经匀光系统600后均匀入射到投影镜头30(图示为pbs)，非偏振光进入pbs后，s
偏振光被反射进入lcos，p偏振光透过pbs出射。当lcos上的像素点处于亮态时，s偏振光通过lcos的液晶层以及反射镜的反射后，变成为p偏振光。光线沿原光路反射后，透过pbs棱镜进入镜头。而对于处在暗态的像素点，液晶对入射s偏振光无调制，因此通过显示芯片反射的s光仍被pbs反射，无法进入镜头。这种方案下的pbs厚度与宽度相同，由此导致照明系统的尺寸和重量都比较大，不利于ar设备的小型化和轻型化，影响ar设备的佩戴舒适感。
38.请参阅图2，基于表面浮雕光栅(surface relief grating，srg)的前置照明方案原理如图所示，以dmd器件为核心的投影显示又称为投影显示技术(digital light processing，dlp)。应用dmd芯片可以构成多种投影显示系统。由于dmd芯片工作在脉冲记数模式，不仅在画面的组成即在像素上是一个一个数字的，而且在图像的灰度表上也是一个一个脉冲记数的，因此，它是完全数字式的空间光调制器，可以实现数字式的图像投影显示。dlp投影系统通常采用方棒照明系统，方棒入射端位于椭球灯的一个焦点上，光源100发出的光进入耦入光栅300后在光波导400内的多次反射，在耦出光栅700上形成均匀的矩形分布，进而由照明透镜组将耦出光栅700出射的光线经过显示器20以及第二偏振片60，使像呈现在投影镜头30上，形成合适的照明区域。dlp投影系统主要可以分为远心和非远心两种结构，远心结构系统亮度均匀性好，但是采用的偏心设计会引起投影物镜口径增大，导致整个系统体积的增加；非远心结构比较简单，光学元件少，但是投影物镜的前组镜片口径较大，而且偏心量固定，无法调节。非主动发光的微显示器虽然体积较小，但是为显示器提供照明的光学系统体积普遍较大，由于ar设备对体积和重量有较高的要求，传统照明系统将严重影响ar设备的佩戴舒适度。
39.发明人经过研究发现，如果用轻薄的波导代替厚重的匀光器件和pbs，可以大大降低整个照明光路的重量和体积，但是这种照明光路采用光栅耦入时耦入效率较低。
40.请参照图3，图3为传统增强现实装置的结构示意图。光源100发出的光束经收集透镜800和第一偏振片200入射到耦入光栅300，其部分透射级次向耦出光栅方向传播。上述光束传播过程中有以下能量损失：
41.1.光束经过第一偏振片200起偏时，p光被第一偏振片200吸收或反射。
42.2.光束入射到耦入光栅300时，其反射0级被耦入光栅300反射进入空气。
43.3.波导内传播的光线(可以包括耦出光栅向耦入光栅300传播的光线、透射级次被波导平面反射回的光线等)弹射到耦入光栅300，由于衍射级次具有对称性，其透射级次从耦入光栅300向空气中出射。
44.因此本技术提出了一种增强现实装置及ar眼镜，可以有效减小增强现实装置的体积，并且可以将现有光栅耦入方案中耦入光栅反射的光束和第一偏振片反射或吸收的p光重新收集至耦入光栅，提高耦入效率，使得增强现实装置兼具轻薄与量产型好的优势。
45.请参照图4，本技术提供的一种增强现实装置10可以包括：光源100、第一偏振片200、光波导400、成像模组(图未示)以及具有反射面510的反射器500。
46.光源100用于出射光线。光源100优选为led光源，也可以选择其他光源。光源100的颜色不限，可以为单色光源也可以为混合光源，可以根据需要选择，例如光源可以是microled光源。
47.第一偏振片200位于所述光源100靠近光波导400的一侧。第一偏振片200用于对入射光线起偏，本技术中第一偏振片200可以是反射型偏振片也可以是吸收型第一偏振片，由
于吸收型第一偏振片将50％的光线吸收无法重复利用，效率较低，因此本技术中反射型偏振片为优选，如反射式偏光增亮膜(dual brightness enhancement film，dbef)器件。
48.光波导400上设有耦入光栅300和耦出光栅(图未示)，所述耦入光栅300位于所述第一偏振片200远离所述光源100的一侧。耦入光栅300可以与光波导是相同的材料，比如，耦入光栅300可以是通过以下方式得到的：在光波导400上的设定区域刻蚀出相互平行、等距离等宽的狭缝，从而该刻蚀后的设定区域即为耦入光栅300。光波导400中的光由所述耦出光栅出射，耦出光栅用于将所述光波导400中的光耦出至人眼成像。
49.耦入光栅300用于将经过介质的光耦合进所述光波导400，可以理解的是，耦入光栅300可以为二元光栅、闪耀光栅、或多台阶光栅。耦入光栅300对光源射入的光进行衍射，可以衍射出多级衍射光，比如可以衍射出零级衍射光、一级衍射光、二级衍射光、三级衍射光等。其中，零级衍射光的强度较强，但是零级衍射光的传播角度不变，无法在光波导中传播。一级衍射光的强度比二级、三级等的衍射光的强度大，有助于提高光在人眼成像的亮度。
50.反射器500可以是设置在光源100远离光波导400的一侧，也可以设置在光源100与耦入光栅300之间。反射器500的反射面510的形状可以和反射器500本身的形状相同，例如，当反射器500为碗状时，其内表面即可以做为反射面510(如图4所示)。反射面510也可以由反射器500的凹陷面形成，例如反射器500可以为平板状，在反射器500朝向光波导400的一侧形成向下的凹陷，该凹陷的表面可以作为反射面510。为了将光更多的耦合进入耦入光栅300，反射器300的反射面510可以配置为位于所述光源100与所述耦入光栅300之间，用于将光源100发出的出射光线反射至所述耦入光栅300。可以理解的是，反射器500能够将光源100发出的光线反射后使其按照需求的方向传播，这样反射器500可以起到有效利用光能的作用。在光源100和耦入光栅300之间放置反射器500的反射面510，可以将光源100出射的光线、从耦入光栅300出射的光线和第一偏振片200反射的光线反射回耦入光栅300。也就是说，所述光源100的全部或部分出射光线经过所述反射面510反射后依次经过所述第一偏振片200和所述耦入光栅300，并进入至所述光波导400。
51.为提高耦入效率，反射器500的反射面510与耦入光栅300和光源100之间的缝隙应尽量小。在其他可替代实施例中，光源100还可以设置在反射面510内，光源100也可以采用反射式光源，反射式光源发出的光先由反射面510反射再进入第一偏振片200。
52.需要说明的是，光波导400和光源100之间的介质可以填充为塑料、玻璃、空气等各种透明介质，为简化描述，下文中用常见的空气代指这部分填充介质。可以理解的是，这些材料中的任一种或任多种的组合的折射率均大于耦入光栅300的折射率，以提高耦入光栅300的耦合效率。
53.本技术提供的增强现实装置10，通过在光源100与所述耦入光栅300之间设置具有反射面510的反射器500，使耦入光栅300向空气方向反射的光束和第一偏振片200反射或吸收的p光重新收集至耦入光栅300，提高耦入效率。
54.在一些实施方式中，成像模组可以为如图2所示的结构，即成像模组可以包括：显示器20、第二偏振片60以及投影镜头30，所述显示器10设置在所述光波导300靠近所述耦出光栅700的一侧，所述第二偏振片60设置在所述光波导300远离所述耦出光栅700的一侧，所述投影镜头30设置在所述第二偏振片60远离所述光波导300的一侧，所述光源100出射的光
线经所述耦出光栅700射出后依次经过所述显示器20、第二偏振片60以及投影镜头30。在本实施方式中，显示器20采用lcos。
55.请参照图5，如下对本实施例中的反射器500的反射面510对三类光线的收集能力进行详细说明。光路中存在以下几类光线：
56.1、led光源100出射的非偏振光；
57.2、第一偏振片200反射回的p偏振光；
58.3、被耦入光栅300反射回空气的s偏振光，以及光波导400内经耦入光栅300出射的s偏振光。
59.为提高耦入效率，通过反射器500的反射面510可以对上述三类光线都进行收集和汇聚，三类光线的收集路径如下：
60.假设光源100发出的光线为原始角度120
°
的非偏振光，反射器500的反射面510将光源100发出的大角度光线经一次或多次反射引导至第一偏振片200，如图5中的(a)所示，其中s偏振光透过第一偏振片200入射到耦入光栅300，产生透射进入光波导400的衍射级次和反射回空气的衍射级次，p偏振光被第一偏振片200反射。
61.第一偏振片200反射回的p偏振光传播路径如图5中的(b)所示：反射回的p光被反射器500的反射面510反射回光源100，在光源100的荧光粉上再次激发出非偏振光，并按照如图5中的(c)的路径传播，最终有部分s光耦入光波导400。
62.光波导400向空气传播的光线(光波导400内传播的光线弹射到耦入光栅300时，由于衍射级次具有对称性，会产生透射级次从光波导400进入空气)和耦入光栅300反射的光线传播路径如图5中的(c)所示：耦入光栅300向空气方向出射的光线在反射器500的反射面510经1次或多次反射入射到耦入光栅300，其部分光线经光栅耦入光波导400，其余光线反射回发射面重复上述步骤。
63.综上所述，光源100发出的光线在耦入光栅300、反射器500的反射面510和光源100围成的空间内反复弹射，直至从耦入光栅300透射进入光波导400。其中光线损耗主要在以下两部分：
64.1、被反射器500的反射面510或第一偏振片200吸收；
65.2、从反射器500的反射面510和光源100、耦入光栅300的缝隙内出射。
66.因此，为减少能量损耗、提高耦入效率，反射器500的反射面510可以选择光滑、反射率高的面型和材质，并尽量减小耦入光栅、反射器和光源之间的缝隙，例如反射面510的材质可以为金属面，具体材质可以包括但不限于铜合金或铜基复合材料。
67.在一种实施方式中，如图6所示，反射器500的反射面510沿垂直于所述光波导方向的截面形状为矩形。在另一种实施方式中，如图7所示，反射器500的反射面510沿垂直于所述光波导方向的截面形状为梯形。在上述的两种实施方式中反射器500的反射面510沿垂直于所述光波导方向的截面均为直线组成的图形，上述两种实施例中的反射器500可以包括但不限于方棒、锥棒等导光器件。
68.在另一种实施方式中，如图8所示，反射器500的反射面510沿垂直于所述光波导方向的截面形状为弧形，在本实施方式中，反射器500可以包括但不限于各种对称、不对称的曲面型反光碗、反光杯等器件。由于光波导内传播的光线角度范围越小对照明越有利，因此可以将光源100可以为出射光束准直成小角度光束的结构，例如具有准直功能自由曲面反
射灯杯。
69.为了能有较大范围的光耦出，以使人眼可以在较大范围内移动时仍可看到图像，可对耦入光栅耦合进光波导的光进行扩展。此时，需要满足的基本原则是：耦出的光和耦入的光需要相互平行。这样，在扩展后的光耦出至人眼成像时，图像不会产生畸变。在一种可选的实施方式中，在增强现实装置中，将耦入光栅与耦出光栅的光路对准，耦出光栅可将光波导中传输的光进行扩展、并耦出人眼成像。也可以理解为，需要将耦入光栅的周期和耦出光栅的周期设置为相同，且透射式耦入光栅的取向和耦出光栅的取向设置为一致。比如耦入光栅的周期和耦出光栅的周期均设置为392nm，耦入光栅和耦出光栅的凸起的结构的倾斜方向一致。
70.由于单反射面很难将光源100发出的光线准直到非常小的范围，因此在上述实施方式的基础上，可以将收集透镜800与反射器500结合，使其兼具小角度出光和能量收集的作用。请结合图9，在一种实施方式中，反射器500内可放置收集透镜800，收集透镜800可以是一个或多个几何光学透镜、微透镜、微透镜阵列、超透镜等任意具有光学汇聚、发散能力的光学器件，也可以是以上任意一种或多种器件的组合。收集透镜800和反射器500配合将发出的光线准直入射到耦入光栅300，从耦入光栅300和第一偏振片200向反射器500的反射面510出射的光线被反射器500的反射面510收集并重新入射到耦入光栅300。在本实施方式中，反射器500与耦入光栅300抵靠，上述的反射器500与收集透镜800的结构能够提高增强现实装置对光线的吸收。
71.在另一种实施方式中，如图10所示，反射器500无法抵靠耦入光栅300时，可在反射器500和耦入光栅300之间放置仿真透镜或透镜组，在本实施方式中以第一收集透镜810和第二收集透镜820为例，本实施方式中的第一收集透镜810和第二收集透镜820与图9中的收集透镜800对出光的准直作用相同，区别在于本实施方式中的第一收集透镜810和第二收集透镜820可以将耦入光栅300发出的光线汇聚到反射器500的反射面510内，使反射器500和耦入光栅300存在一定距离时仍然有较高的收集效率。需要说明的是，耦入光栅300和反射器500的反射面510有距离是放置收集透镜800非必需项，只是一种增加收集效率的优选项。
72.在另一种实施方式中，如图11所示，收集透镜800可以使用tir透镜，tir透镜对光源100出光的准直作用与图9以及图10中的收集透镜800相同，tir透镜的全内反射面510可以作为本技术所提出的反射器500，为了提高收集效率可以将全内反射面510涂一层反射膜，以便提高对不满足全反射条件光线的收集能力。可以理解的是，在图9的实施方式中，反射器500内需要设置用于固定收集透镜800的固定件，在图10的实施方式中，反射器500内需要设置用于固定第一收集透镜810的固定件，且增强现实装置10需要设置用于固定第二收集透镜820的固定件。本实施方式不需要在反射器500内放置用于收集透镜800固定的结构，结构更简单。光波导400通过对耦合进光波导400的光进行全反射，有助于避免光在传输中因折射造成的浪费，因而可以提高光波导400中传输的光的利用率。
73.请参照图12，本技术还提供一种ar眼镜，本技术实施例提供的ar眼镜可以包括：镜框40、镜腿50以及如上述的增强现实装置10，所述镜框40与所述镜腿50连接，所述增强现实装置10设置在所述镜框40内。
74.本技术提供的增强现实装置1，通过在光源100与所述耦入光栅300之间设置具有反射面510的反射器500，使耦入光栅300向空气方向出射的光束和第一偏振片200反射或吸
收的p光重新收集至耦入光栅300，提高耦入效率。
75.术语“一些实施方式”、“其他实施方式”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施方式或示例中。在本技术中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本技术中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。
76.以上实施方式仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施方式技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。