大视场近眼显示目镜系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种大视场近眼显示目镜系统，该系统包括光瞳、扫描式点光源和平板透明波导；所述平板透明波导包括具有预设倾斜角度的侧面，该侧面作为光源入口适于将所述扫描式点光源发出的图像信号耦合进所述平板透明波导内部，并在所述平板透明波导内发生全反射；所述系统还包括设置在所述平板透明波导的顶面或底面上的反射式光耦出元件，所述反射式光耦出元件用于将所述平板透明波导内的图像信号耦合输出并汇聚在所述光瞳内。本发明提供的目镜系统仅采用扫描式点光源、平板透明波导和反射式光耦出元件即可实现增强现实显示技术，具有结构简单、制作难度小、体积小、便于佩戴的优点。
【专利说明】
大视场近眼显示目镜系统
技术领域
[0001 ]本发明设及增强现实显示技术领域，尤其设及一种大视场近眼显示目镜系统。
【背景技术】
[0002] 增强现实(Augmented reality,简称AR)显示技术将人工生成的数字辅助信号与 人眼实时观察到的真实=维场景进行结合，极大地丰富了人类与真实环境之间的交互能 力，在医学、军工和工业制造等领域中存在巨大的应用潜力。但是，目前实现的增强现实显 示的系统体积大、结构复杂，不便于佩戴。
【发明内容】
[0003] 针对W上缺陷，本发明提供一种大视场近眼显示目镜系统。
[0004] 本发明提供的大视场近眼显示目镜系统包括光瞳，所述系统还包括扫描式点光源 和平板透明波导，其中：
[0005] 所述平板透明波导包括具有预设倾斜角度的侧面，该侧面作为光源入口适于将所 述扫描式点光源发出的图像信号禪合进所述平板透明波导内部，并在所述平板透明波导内 发生全反射；
[0006] 所述系统还包括设置在所述平板透明波导的顶面或底面上的反射式光禪出元件， 所述反射式光禪出元件用于将所述平板透明波导内的图像信号禪合输出并汇聚在所述光 瞳内。
[0007] 可选的，所述反射式光禪出元件位于所述平板透明波导远离所述扫描式点光源的 一端，且与所述光瞳相对设置。
[000引可选的，所述反射式光禪出元件为自由曲面光学元件。
[0009] 可选的，所述反射式光禪出元件为体全息光栅。
[0010] 可选的，所述体全息光栅的厚度在1皿~100皿。
[0011] 可选的，所述体全息光栅的材质为透光率大于50%的面化银、重铭酸盐明胶、光致 聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折晶体。
[0012] 可选的，所述平板透明波导的厚度在Imm~1 Omm。
[0013] 可选的，所述平板透明波导的材质为光学玻璃或光学塑料。
[0014] 本发明提供的大视场近眼显示目镜系统中，扫描式点光源发出的图像信号在具有 预设倾斜角度的侧面禪合进平板透明波导，并通过在平板透明波导的顶面和底面发生全反 射的方式进行传导，并在反射式光禪出元件位置处禪出平板透明波导，并在光瞳位置处聚 合。运样的话，人眼便可W在光瞳位置处看到图像，同时由于平板透明波导为透明介质，因 此人眼还可W观看到外界场景，从而实现将虚拟图像叠加在真实场景中的目的，即实现了 增强现实显示技术。可见，本发明提供的目镜系统仅采用扫描式点光源、平板透明波导和反 射式光禪出元件即可实现增强现实显示技术，因此具有结构简单、制作难度小、体积小、便 于佩戴的优点。
【附图说明】
[0015] 为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术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 公开的一些实施例，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W 根据运些图获得其他的附图。
[0016] 图1示出了本发明一实施例中光线的传播示意图；
[0017] 图2示出了本发明另一实施例中光线的传播示意图；
[0018] 图3示出了图2中光线在体全息光栅处的反射示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本公开中的实施例，本领域普通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，都属于本公开保护的范围。
[0020] 本发明提供一种大视场近眼显示目镜系统，该系统包括光瞳，系统还包括扫描式 点光源和平板透明波导，其中：
[0021] 平板透明波导包括具有预设倾斜角度的侧面，该侧面作为光源入口适于将扫描式 点光源发出的图像信号禪合进平板透明波导内部，并在平板透明波导内发生全反射；
[0022] 系统还包括设置在平板透明波导的顶面或底面上的反射式光禪出元件，反射式光 禪出元件用于将平板透明波导内的图像信号禪合输出并汇聚在光瞳内。
[0023] 本发明提供的大视场近眼显示目镜系统，扫描式点光源发出的图像信号在具有预 设倾斜角度的侧面禪合进平板透明波导，并通过在平板透明波导的顶面和底面发生全反射 的方式进行传导，并在反射式光禪出元件位置处禪出平板透明波导，并在光瞳位置处聚合。 运样的话，人眼便可W在光瞳位置处看到图像，同时由于平板透明波导为透明介质，因此人 眼还可W观看到外界场景，从而实现将虚拟图像叠加在真实场景中的目的，即实现了增强 现实显示技术。可见，本发明提供的目镜系统仅采用扫描式点光源、平板透明波导和反射式 光禪出元件即可实现增强现实显示技术，因此具有结构简单、制作难度小、体积小、便于佩 戴的优点。
[0024] 可理解的是，光瞳是指对通过光束起限制作用的光学元件，它可W是光学元件(如 透镜、反射镜等)本身的边框，也可W是另外设置的带圆孔的不透光屏。
[0025] 可理解的是，扫描式点光源是指W预设时间间隔发出图像信号的点光源。在实际 应用时，只要前后两次发出的图像信号之间的时间间隔小于预设值，即扫描频率足够高，就 能使人眼看到连续的图像。
[0026] 可理解的是，扫描式点光源发出的图像信号应当在W-定的入射角禪合进平板透 明波导中，W使图像信号能够通过在顶面和底面发生全反射的方式进行传导。
[0027] 在具体实施时，反射式光禪出元件位于平板透明波导远离扫描式点光源的一端， 且与光瞳相对设置。
[002引在具体实施时，平板透明波导的厚度可在Imm~IOmm之内。
[0029] 在具体实施时，平板透明波导的材质可W为光学玻璃或光学塑料，当然还可W采 用其他材质，在实际应用时可W根据需要自行选择，本发明不做限定。
[0030] 在具体实施时，反射式光禪出元件可W为自由曲面光学元件，也可W为体全息光 栅，当然还可W是其他光学元件，在实际应用时可W根据需要自行选择，本发明不做限定。 [0031 ]下面W自由曲面光学元件作为反射式光禪出元件进行说明：
[0032] 如图1所示，扫描式点光源A在不同时刻发出光线L7、L8,光线L7、L8为在XOy平面上 的平面波，运两束光线均通过具有预设倾斜角度a的侧面rl进入平板透明波导G中，并在G的 顶面r2和底面r3发生全反射。当图像信号传导至自由曲面光学元件F的自由曲面r5处时被 其反射，最终被聚到光瞳P中，被人眼观察到。两束光线的时间间隔小于预设值，由于视觉暂 留原理，人眼可W观察到连续的二维图像。同时，人眼在光瞳处还可W观察到外界的真实场 景。其中，图1中的S表示图像的虚拟显示平面。
[0033] 下面W体全息光栅作为反射式光禪出元件进行说明：
[0034] 如图2所示，扫描式点光源A在不同时刻发出光线L7、L8,光线L7、L8为在XOy平面上 的平面波，运两束光线均通过具有预设倾斜角度a的侧面rl进入平板透明波导G中，并在G的 顶面r2和底面r3发生全反射。当图像信号传导至体全息光栅H的反射面r4时被反射，最终被 聚到光瞳P中，被人眼观察到。两束光线的时间间隔小于预设值，由于视觉暂留原理，人眼可 W观察到连续的二维图像。同时，人眼在光瞳处还可W观察到外界的真实场景。其中，图2中 的S表示图像的虚拟显示平面。
[0035] 由于本例中采用的是体全息光栅，相当于一个衍射元件，不同于上述的自由曲面 光学元件、平面镜等中的几何反射，体全息光栅可W实现衍射式反射。参考图3,当光LS入射 到体全息光栅H的反射表面r4时，若为几何反射，则反射光线为虚线La，但是体全息光栅为 衍射式反射，因此光线LS与光栅矢量L2之间的夹角小于入射角丫，而反射光线化与光栅矢 量L2之间的夹角等于入射光线LS与光栅矢量L2之间的夹角，因此反射光线化与光栅矢量L2 之间的夹角小于入射角丫，反射光线化与反射表面矢量Ll之间的夹角4更小于入射角丫。
[0036] 相对于上例中的自由曲面光学元件，体全息光栅能够将W不同角度传播的光线汇 聚到光瞳处，有助于系统的尺寸和质量的减少。而且体全息光栅对外界光线没有影响，可W 自然的观察外界景物。
[0037] 可理解的是，体全息光栅作为一种禪合输出全息光学元件，能够将两束平面波按 照一定角度干设叠加，两束干设平面波的相干叠加为：
[00；3 引
[0039] 其中，Ie为生成的体全息光栅、尽分别为两束干设平面波的波失，^为光栅波 矢，F表示干设条纹峰值强度面的法线方向。
[0040] 假设干设条纹的空间周期为A，则根据光栅方程有：
[0041]
[0042] 其中，A为两记录光束的波长，例)为两平面波的夹角。
[0043] 体全息光栅与平面光栅的不同之处在于:两个干设光波位于记录干设面的两侧， 因此当体令烏化*伸用时还需满足布拉格条件：
[0044]
[0045] 其中，傑为布拉格角。
[0046] 在该例中，经扫描式点光源发出的图像信号W-定的角度入射至平板透明波导 中，为满足信号在掘导内令反射，因此传播角度应满足：
[0047]
[004引式中，巧为复振幅信号传播角，從为全反射角，n为波导的折射率。
[0049]根据简单的几何关系可得出传播角与布拉格角之间的关系为：
[(K)加]
[0051] 在具体实施时，体全息光栅的厚度可W在1皿~100皿。
[0052] 在具体实施时，体全息光栅的材质为透光率大于50%的面化银、重铭酸盐明胶、光 致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折晶体。
[0053] 本领域普通技术人员可W理解:实现上述方法实施例的全部或者部分步骤可W通 过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可W存储在计算机可读取的存储介质中，该程 序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤。
[0054] 本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可W 在没有运些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技 术，W便不模糊对本说明书的理解。
[0055] W上实施例仅用W说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例 对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解;其依然可W对前述各实施 例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;而运些修改或者 替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【主权项】
1. 一种大视场近眼显示目镜系统，包括光瞳，其特征在于，所述系统还包括扫描式点光 源和平板透明波导，其中： 所述平板透明波导包括具有预设倾斜角度的侧面，该侧面作为光源入口适于将所述扫 描式点光源发出的图像信号耦合进所述平板透明波导内部，并在所述平板透明波导内发生 全反射； 所述系统还包括设置在所述平板透明波导的顶面或底面上的反射式光耦出元件，所述 反射式光耦出元件用于将所述平板透明波导内的图像信号耦合输出并汇聚在所述光瞳内。2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反射式光耦出元件位于所述平板透明 波导远离所述扫描式点光源的一端，且与所述光瞳相对设置。3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反射式光耦出元件为自由曲面光学元 件。4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反射式光耦出元件为体全息光栅。5. 根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述体全息光栅的厚度在Ium~lOOum。6. 根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述体全息光栅的材质为透光率大于50% 的卤化银、重铬酸盐明胶、光致聚合物、光致抗蚀剂、光导热塑或光折晶体。7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述平板透明波导的厚度在Imm~I Omm。8. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述平板透明波导的材质为光学玻璃或光 学塑料。
【文档编号】G02B27/01GK105954876SQ201610519812
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】刘娟, 刘佩琳
【申请人】北京理工大学