一种零级复用双耦入双目AR显示装置的制作方法

本发明属于ar显示，具体涉及一种零级复用双耦入双目ar显示装置。

背景技术：

1、ar眼镜由微光引擎和衍射光波导两部分组成，其中，微光引擎具有多种显示技术，其能够为光波导提供偏振或者非偏振，高亮度、高均匀性以及高成像质量的图像；而衍射光波导由于具有轻薄、透光度高、大的眼动范围、大的眼距以及大的视场角，且能够基于半导体加工工艺进行母版制作和纳米压印技术进行大批量复制，从而能够有效的降低成本，是目前ar眼镜中主流的方案。

2、在整个ar眼镜中，相比于衍射光波导，微光引擎的成本占比较大，且其功耗也会影响ar眼镜使用时长，因此相比传统的ar眼镜中需要使用两个微光引擎，公布号为cn113219671a的专利提出一种光学装置和显示设备，使用了一种单光机双目的ar眼镜，其能够实现在使用一个微光引擎的情况下，实现双目成像的效果，可有效的降低了整个ar眼镜的使用成本。但为了实现单微光引擎双目成像的效果，该专利仅使用了一个入瞳光栅单元，通过使用其+1级次和-1级次，从而将微光引擎的光分别耦入到左扩瞳光栅单元和右扩瞳光栅单元，完成扩展后再分别经左出瞳光栅单元和右出瞳光栅单元耦出。为了保证左右眼成像质量一致，需要保证入瞳光栅单元产生的+1级次和-1级次的效率一致，因此，在入瞳光栅单元处必须使用具有对称结构但效率较低的二元光栅；同时，由于入瞳光栅单元必须使用具有对称结构的二元光栅，因此，其t0衍射级次直接透过光波导被浪费掉，一般情况下，t0衍射级次约占整个微光机引擎能量的60％以上，如图1所示；此外，入瞳光栅单元、扩瞳光栅单元以及耦出光栅单元的光栅矢量必须进行严格限制，如入瞳光栅单元的光栅矢量一般为0°附近(-1°～1°)，出瞳光栅单元光栅矢量为90°附近(88°～92°)，针对光栅矢量的约束，其也限制了衍射光波导的布局以及外形设计，即各区域光栅线角度排布受限，不利于实现更加紧凑灵活的布局设计。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述问题，提出一种零级复用双耦入双目ar显示装置，该装置能够回收利用零级衍射能量不会产生浪费，大大提高衍射效率，并可使各区域光栅线具有更大范围的角度，有利于更加紧凑灵活的布局设计。

2、为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

3、本发明提出的一种零级复用双耦入双目ar显示装置，包括微光引擎、第一转折棱镜、第二转折棱镜和衍射光波导单元，其中：

4、微光引擎，用于提供虚拟成像光线；

5、第一转折棱镜，用于将微光引擎提供的虚拟成像光线偏转预设角度后入射至衍射光波导单元；

6、衍射光波导单元，包括波导板、以及均贴附于波导板设置的第一耦入单元、第二耦入单元、第一扩展耦出单元和第二扩展耦出单元，第一扩展耦出单元和第二扩展耦出单元与人眼一一对应，第一耦入单元用于将偏转后的虚拟成像光线衍射为t-1衍射级次、t0衍射级次和t+1衍射级次，t-1衍射级次在波导板内进行全反射后由第一扩展耦出单元进行扩展耦出至人眼，t+1衍射级次在波导板内进行全反射后由第二扩展耦出单元进行扩展耦出至人眼，t0衍射级次透过波导板进入第二转折棱镜；

7、第二转折棱镜，与第一转折棱镜分别位于波导板的异侧，用于将t0衍射级次进行多次全反射后以相反方向入射至波导板，再由第二耦入单元衍射为r+1衍射级次或t+1衍射级次，并在波导板内进行全反射后由第二扩展耦出单元进行扩展耦出至人眼。

8、优选地，第一扩展耦出单元包括第一转折单元和第一耦出单元，第二扩展耦出单元包括第二转折单元和第二耦出单元，第一耦入单元、第一转折单元和第一耦出单元的光栅矢量和为零，第二耦入单元、第二转折单元和第二耦出单元的光栅矢量和为零，各耦入单元、转折单元和耦出单元均为亚波长光栅且光栅周期为250nm～500nm。

9、优选地，零级复用双耦入双目ar显示装置还满足如下条件：

10、-30°≤α≤30°；-60°≤β≤60°；-30°≤γ≤30°；

11、其中，α为第一耦入单元的光栅线方向或第二耦入单元的光栅线方向与y轴的夹角，β为第一转折单元的光栅线方向或第二转折单元的光栅线方向与y轴的夹角，γ为第一耦出单元的光栅线方向或第二耦出单元的光栅线方向与x轴的夹角，y轴为人体佩戴时的上下方向，x轴为人体佩戴时的左右方向。

12、优选地，第一耦入单元和第二耦入单元的中心间距d1满足12mm≥d1≥6mm，第一扩展耦出单元和第二扩展耦出单元的中心间距d2满足70mm≥d2≥58mm。

13、优选地，各耦入单元和扩展耦出单元均为亚波长光栅，且扩展耦出单元还为2d光栅，并满足如下条件：

14、-45°≤ε≤45°，w＝ε，δ＝30°或60°，p11＝p21＝p14＝p24；

15、其中，ε为第一耦入单元的光栅线方向或第二耦入单元的光栅线方向与y轴的夹角，w为对应扩展耦出单元的旋转角度，δ为扩展耦出单元的任意一边与y轴的夹角，p11为第一耦入单元的光栅周期，p21为第二耦入单元的光栅周期，p14为各扩展耦出单元的第一光栅周期，p24为各扩展耦出单元的第二光栅周期。

16、优选地，第二转折棱镜为等腰三角棱镜，且底面设有ar膜层，两腰侧面设有hr膜层，第二转折棱镜的底角θ还满足如下条件：

17、

18、其中，n为第二转折棱镜的折射率。

19、优选地，第一转折棱镜为直角转折棱镜，预设角度为90°。

20、优选地，波导板的厚度为0.3mm～1.5mm，折射率为1.6～2.5。

21、优选地，第一耦入单元和第二耦入单元均为表面浮雕光栅或体全息光栅，且第一耦入单元与第二耦入单元位于波导板的同侧或异侧，第一耦入单元上远离波导板的表面设有第一高折膜层，第二耦入单元上远离波导板的表面设有第二高折膜层和第二金属膜层，且第二高折膜层位于第二耦入单元和第二金属膜层之间。

22、优选地，微光引擎为micro-led光机、dlp光机、lcos光机、lbs光机其中一种。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

24、本技术主要解决现有技术中的单微光引擎双目ar眼镜，应用单个入瞳光栅单元必须使用二元光栅导致的效率偏低、零级衍射能量被浪费以及由于对光栅矢量的约束导致衍射光波导整体布局受限的问题。具体地，相比于现有技术，该装置包括微光引擎、第一转折棱镜、第二转折棱镜和衍射光波导单元，既能够在第一耦入单元使用更具优势的光栅，如倾斜光栅或者闪耀光栅，从而使t-1衍射级次具有更高的耦入效率，还可通过使用第二转折棱镜将第一耦入单元的t0衍射级次完全回收，并通过第二耦入单元将t0衍射级次衍射为r+1衍射级次或t+1衍射级次，第二耦入单元亦可采用更具优势的光栅，如闪耀光栅或者倾斜光栅，使其具有更高的衍射效率，大大提高衍射光波导单元对微光引擎能量的利用率，可将微光引擎的利用率由30％～40％提高至70％～90％；且由于具有两个独立的耦入单元，因此可以使各区域光栅线具有更大范围的角度，有利于更加紧凑灵活的布局设计。