一种提高增强现实显示效率的镜片的制作方法

本发明涉及增强现实的，尤其是涉及一种提高增强现实显示效率的镜片。

背景技术：

1、光学系统通常由用于增强现实（ar）和虚拟现实（vr）近眼显示器（ned）的微型显示器和成像光学系统组成。微型显示器可以像micro-oled或micro-led面板一样主动提供图像，也可以通过在液晶显示器（包括透射型lcd和反射型lcos）、数字微镜器件（dmd）和激光上间接照明来间接提供图像，还有基于微机电系统（mems）技术的激光光束扫描仪（lbs）。与vr ned相似，微型显示器的显示像素被成像到一定距离并形成虚拟图像以投射到人眼。与vr ned不同，ar ned需要“透视”功能，以便眼睛能够同时查看现实世界，而成像系统无法阻挡正视图，因此需要一个或几个附加的光学元件来形成“光学组合器”。光学组合器通过反射虚拟图像，同时将外部光传输到人眼，将虚拟内容叠加在真实场景的顶部，以使它们相互补充和“增强”。常见的ar光学组合器有：棱镜、自由曲面、birdbath、光波导等。

2、目前，在增强现实显示方案中，衍射光波导方案由于其轻薄和环境光可透过性被广泛运用于消费级增强现实眼镜中，被认为是最优的可行方案之一。然而，由于需要将微型显示器的光扩大到一定面积，使得进入人眼的光线有足够的覆盖范围，这导致了光源能量的分散，即经过扩大后的光线单点亮度较低。此外，对于使用衍射光波导方案的增强现实显示系统来说，由于从显示光机耦入进镜片的光线在耦出光栅处会产生朝向人眼反方向的衍射光线，无法被人眼获取与接收，会导致光的传播效率较低的问题，同时会导致用户隐私泄露的问题。参照图1，为满足增强现实显示系统对环境光可见的要求，现有较为常见的技术方案是，相对于耦入、耦出光栅，在镜片的另一侧涂覆膜系，该膜系对可见光具有增强透过的效果，由此在进行显示器光波导的同时，实现对环境光的高透过特性，但是上述方案并未对非人眼方向的光线进行再收集和再利用，显示亮度低，光利用率低，对提升增强现实显示系统的显示效率没有帮助。

3、同时，在增强现实显示方案中，birdbath方案由于低成本、轻重量、成像质量好等优势被广泛运用于消费级增强现实眼镜中，是目前市场上最常见的增强现实显示方案之一。来自显示光机的光线经过透镜扩大和变焦后在分束器处发生透射和反射，反射的光线经过曲面镜反射回人眼方向，同时为保证环境光线能顺利到达人眼，曲面镜上涂覆了半透半反膜系，最终从曲面镜处发出的光线再经过分束器透过进入人眼。此方案能够较好地折叠光路，缩小增强现实眼镜的光路尺寸，但经过几次反射和透射，显示光线和环境光线都有较大的损失。参照图2，为解决上述问题，目前主要通过偏振的方法，分别将显示光线和环境光线进行起偏处理，即将上述光线转换为偏振光，再将原来的分束器替换为偏振分束器，从而有选择性地进行光路转折，但也同样存在偏振损耗的问题，来自光机屏幕的光线和来自环境的光线会在光路中丢失，导致增强现实显示系统的显示效率与透光率也较低。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是针对现有技术中所存在的上述不足而提供一种提高增强现实显示效率的镜片，其通过外附超表面结构进行窄带滤波处理，以对来自显示光机的光线进行反射、并减少人眼反方向出射的光线，现有方案中解决了现有的衍射光波导方案和birdbath方案存在的显示效率低、不利于隐私保护的问题，能够在满足环境光可透过的前提下，有效提高光效和显示亮度，并改善用户隐私泄露的问题。

2、本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种提高增强现实显示效率的镜片，包括光学组合器和若干个超表面结构，所述光学组合器包括光波导结构、和/或曲面镜结构，这些超表面结构分别布置于所述光波导结构背离入射光线的一侧、所述光波导结构背离耦出光线的一侧、和/或所述曲面镜结构靠近入射光线的一侧。

4、进一步地，所述光波导结构的耦入光栅为透射式光栅，所述超表面结构布置于所述光波导结构背离耦入光栅一侧。在背离入射光线的方向上，按照显示光机、耦入光栅、光波导片和超表面结构的衍射光波导方案顺次布置，该超表面结构在显示光机的中心波长下具有窄带高反的性质，在对应的增强现实眼镜中，其能够实现将耦入光栅处无法避免朝向非波导路径的光线反射回光波导结构及人眼处。

5、或者，所述光波导结构的耦入光栅为反射式光栅，所述超表面结构布置于所述光波导结构靠近耦入光栅一侧。在背离入射光线的方向上，按照显示光机、光波导片、耦入光栅和超表面结构的衍射光波导方案顺次布置，该超表面结构在显示光机的中心波长下具有窄带高反的性质，在对应的增强现实眼镜中，其能够实现将耦入光栅处无法避免朝向非波导路径的光线反射回光波导结构及人眼处。

6、进一步地，所述光波导结构的耦出光栅为透射式光栅，所述超表面结构布置于所述光波导结构背离耦出光栅一侧。在背离耦出光线的方向上，按照耦出光栅、光波导片和超表面结构的衍射光波导方案顺次布置，该超表面结构在显示光机的中心波长下具有窄带高反的性质，在对应的增强现实眼镜中，其能够实现将耦出光栅处无法避免朝向非波导路径的光线反射回光波导结构及人眼处。

7、或者，所述光波导结构的耦出光栅为反射式光栅，所述超表面结构布置于所述光波导结构靠近耦出光栅一侧。在背离耦出光线的方向上，按照光波导片、耦出光栅和超表面结构的衍射光波导方案顺次布置，该超表面结构在显示光机的中心波长下具有窄带高反的性质，在对应的增强现实眼镜中，其能够实现将耦出光栅处无法避免朝向非波导路径的光线反射回光波导结构及人眼处。

8、进一步地，所述曲面镜结构为凹面玻璃制件，所述超表面结构布置于所述曲面镜结构的凹面上。在入射光路径上，按照显示光机、透镜、分束器、超表面结构和曲面镜结构的birdbath方案顺次布置，该超表面结构在显示光机的中心波长下具有窄带高反的性质，在对应的增强现实眼镜中，够将曲面镜结构来自显示光机的光线全部反射至人眼方向，同时使环境光线在曲面镜结构完全透射至人眼方向。

9、进一步地，所述超表面结构包括透光基底层、以及多个设置于所述透光基底层上的纳米柱，这些纳米柱呈二维阵列布置，以完成超表面结构对若干个狭窄波段（显示光机的中心波长、带宽不超过60nm）的可见光的反射、以及对其他波段的可见光的透射。

10、其中，二维阵列布置的含义是指这些纳米柱沿着第一方向排列布置、并沿着第二方向排列布置，由此形成的阵列布置形式，第一方向和第二方向相对透光基底层的表面平行，且第一方向和第二方向之间的夹角为-90~90°，具体可为-90°、-75°、-60°、-45°、-30°、-15°、0°（第一方向和第二方向重合）、15°、30°、45°、60°、75°或90°.另外，这些纳米柱优选可为圆柱形、圆锥形、圆台形、棱柱形、棱锥形、棱台形、不规则旋转体形和不规则多面体形中的一种或几种的组合结构。

11、另外，这些纳米柱与光学组合器之间的相对位置，取决于纳米柱所在基面处于增强现实镜片的哪一侧，即这些纳米柱可以按照朝向光波导结构和/或曲面镜结构的方式设置于透光基底层上，也可以按照背离光波导结构和/或曲面镜结构的方式设置于透光基底层上。

12、更进一步地，所述透光基底层为光学镜片、和/或光学薄膜。其中，透光基底层可以为硬性材质、或柔性材质等，其采用的光学镜片和光学薄膜的材料为包含元素周期表的ⅲa族元素、ⅳa族元素、ⅴa族元素和ⅱb族元素中的至少一种元素的材料。

13、最进一步地，所述透光基底层由氧化硅组成。采用氧化硅作为透光基底层的材料，能使超表面结构在显示光机的中心波长下具有窄带高反的性质，反射率高达95%，并在其他波长下具有高透过率的性质，透过率基本在95%以上。

14、更进一步地，所述纳米柱由氮化硅组成。采用氮化硅作为纳米柱的材料，能使超表面结构在显示光机的中心波长下具有窄带高反的性质，反射率高达95%，并在其他波长下具有高透过率的性质，透过率基本在95%以上。

15、更进一步地，所述纳米柱呈正四棱柱形，这些纳米柱分别沿着第一方向和第二方向呈二维阵列布置，所述第一方向和第二方向相对透光基底层的表面平行设置，且所述第一方向和第二方向分别相对所述纳米柱的侧边倾斜设置。通过优化纳米柱的布置形式，能进一步提高超表面结构在显示光机的中心波长下的反射率、以及在其他波长下的透射率。

16、最进一步地，所述纳米柱的高度h为150~200nm，所述纳米柱的侧边宽度w为200~300nm，并且沿着所述纳米柱的侧边方向，相邻两个纳米柱之间的周期p为300~400nm，相邻两个纳米柱的侧边之间的距离差d为50~100nm。通过优化纳米柱的结构参数，能进一步提高超表面结构在显示光机的中心波长下的反射率、以及在其他波长下的透射率。

17、综上所述，本发明的有益技术效果为：

18、1.由于现有的衍射光波导方案的显示亮度低、光利用率低的缺陷，又由于部分显示光线朝向人眼反方向出射，导致外部能够看见镜片显示内容、不利于隐私保护的问题，本发明通过在光波导结构的耦入区域和耦出区域外附超表面结构，不仅能对显示光机发出的光线具有高反射率的效果，而在其他波段均具有高透过率的作用，还在满足环境光可视性的同时，收集并利用被传输到人眼反方向的光线，提高镜片的显示效率，同时保护隐私；

19、2.由于现有的birdbath方案显示效率低的缺陷，显示光线从光机出射后需经过三次半透半反的损耗，导致最终到达人眼的光效仅为50%×50%×50%=12.5%，同时环境光透过率低，环境光线通过增强现实眼镜进入人眼需经过两次半透半反的损耗，隔绝了大部分真实环境中的光线，又由于birdbath方案的漏光问题，即部分显示光线会传输到人眼反方向，使得非用户也能看到增强现实眼镜的显示内容，不利于隐私保护，本发明提出在增强现实birdbath方案中，在曲面镜结构上外附超表面结构，仅对显示光机发出的光线具有高反射率的效果，而在其他波段均具有高透过率的作用，在满足环境光可视性的同时，将来自光机的光线全部返回至人眼方向，提高镜片的显示效率，同时保护隐私。