一种边缘显示的衍射光波导及其设计方法和应用与流程

本发明涉及衍射光波导的，尤其是涉及一种边缘显示的衍射光波导及其设计方法和应用。

背景技术：

1、增强现实（augmented reality，ar）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，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。ar眼镜就使用到了ar技术，ar眼镜是由谷歌率先打造的一款带有科幻色彩的产品，也是一项拥有前卫技术的产品，戴上它可以体验到在科幻电影里帅气的男、女主角所使用的未来功能。同时，ar眼镜可以实现诸多功能，可以看作是一台微型的手机，通过跟踪眼球视线轨迹判断用户处于的状态，并且可以开启相应功能，例如需要打电话或者发短信时，只需要开启语音输入信息即可。

2、由于阵列光波导难以解决的生产良率问题、以及多个半透半反镜面外观上影响美观的条纹问题，衍射光波导成为了消费级ar眼镜实际应用的主流，而衍射光波导同样也存在着不同波长可见光衍射角度不一致、有彩虹纹、难以减重减薄、光传输效率低、眼镜前向漏光等一系列问题。2024年09月，西湖大学国强讲席教授、副校长以及本技术人的首席科学家仇旻在浙江省科协大楼展示了一副超轻薄的碳化硅ar眼镜，实现了单片全彩显示、无彩虹纹、镜片极轻（2.7g）、极薄（0.55mm），双目重量仅5.4g。这不仅是该眼镜的首次亮相，更是“极致轻薄无彩虹纹碳化硅ar衍射光波导”这项科技成果的全球首发，其可以把光学影像“投射”在透明镜片上，在看到电子影像的同时，也不会屏蔽真实世界。

3、现有的消费级ar眼镜，分为单绿显示和全彩显示两种。单绿色波导可以实现较大fov的需求；而彩色波导受限于图像源器件和镜片材料折射率的制约，通常fov较小。两者具有各自的成像特点，但难以融合。除了光引擎和光传输组件的种种技术困难，难有完美的解决方案，更大的fov（虚拟图像显示视野），更大的eyebox（适应绝大多数人的双眼瞳距），更高的入眼亮度，对于ar眼镜的实际体验也至关重要。例如，授权公告号为cn113777785b的中国专利公开了一种衍射光波导ar系统，包括：显示单元、准直透镜组、反射镜、耦入光栅、光波导板、耦出光栅；所述耦出光栅在人眼平视视场下的宽度wout和高度hout满足以下公式：wout＝eyeboxw+2erf×tan(fovw/2)； hout＝eyeboxh+2erf×tan(fovh/2)；其中，eyeboxw为眼动范围宽度，eyeboxh为眼动范围高度，erf为瞳距，fovw为视场区域宽度，fovh为视场区域高度。上述衍射光波导将准直透镜组出射的平行光光路折转，最终使光线垂直入射到光波导的耦入光栅区域，可以减小耦入光栅与耦出光栅之间的距离，以增大fov及eyebox的大小，增强视觉效果。

4、而目前ar眼镜的虚拟画面通常呈现在人眼正前方，随着衍射光波导亮度的提升、以及用户视场角（fov）需求的提升，虚拟画面会在一定程度上阻挡观察现实环境的视线，特别是在室外环境使用时，会带来不便、甚至出现危险。因此，行业内一直围绕着不同微显示屏光引擎设计、光波导基底材料、衍射光波导在持续改进和努力突破。同时，申请人结合用户的实际佩戴体验发现，当在室外场景使用ar眼镜时，用户更需要的是信息提示功能，比如短信、天气、心率等简要信息，而这些信息本身不需要占据人眼前完整的视野，只需要在视线的边缘位置处成像，而人眼前的中心视场区域可以空出来，方便眼镜佩戴者进行现实环境的观察以及与人进行交互。在此基础上，为实现大fov、全彩色、边缘信息提示的需求，其中，大fov的目的是在保证人眼可以轻松接收信息的前提下，尽可能将有用的信息边缘化显示，从而能够将更多的中心视场用于现实场景的观察，而全彩色则是为了确保信息提示的丰富性，更加符合当下的消费需求，基于此研发一款用于边缘信息提示的衍射光波导，并搭配特定角度输出的图像源器件，可以实现大fov范围内的全彩色信息提示的显示功能，是目前亟需解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种边缘显示的衍射光波导，这种大fov的全彩衍射光波导通过将虚拟图像呈现在边缘视场区域、而不遮挡中心视场区域，不仅能实现良好的虚实场景结合，而且还能够很好地规避彩虹纹、漏光等问题。

2、本发明的第二个目的在于提供一种边缘显示的衍射光波导的设计方法，其具有设计灵活、便于得到边缘显示的衍射光波导的优点。

3、本发明的第二个目的在于提供一种边缘显示的衍射光波导的应用，其实现了大fov、全彩色、边缘信息提示的目的。

4、为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：

5、一种边缘显示的衍射光波导，包括沿着光束传输路径依次布置的耦入区（ic）、转折区（epe）和耦出区（oc）；其中，

6、所述光束传输路径要满足光栅矢量闭合关系，以使耦入区入射的光束在衍射光波导内进行全反射后、通过耦出区出射并在衍射光波导的边缘视场区域成像；

7、所述耦出区在人眼平视视场下的宽度和高度根据眼动范围（eyebox）、出瞳距离（erf）和视场区域（fov）确定；

8、所述耦入区的范围根据所述耦入区和耦出区之间的预定距离确定；

9、所述转折区的范围根据由所述耦入区到耦出区的k矢量范围、以及由所述耦入区到转折区的k矢量范围确定；

10、所述k矢量范围根据所述光束传输路径、以及在k域边界内的耦出视场区域确定。

11、具体地，在本发明的“衍射光波导”中，

12、所述“光束传输路径”的具体含义是指光束由光源出发，依次经过下述光波导片、耦入区、转折区和耦出区衍射和全反射后，在人眼前形成虚拟画面图像（即边缘视场区域成像，形成信息提示内容）的路径；其中，光源位于耦入区的正上方，耦入区、转折区和耦出区在基底面上，可以位于同一侧，也可以分布于基底片的两侧；

13、所述“耦入区”通常设置为圆形或矩形区域，大小由图像源器件（光机）的出光口径决定（用于把所有来自光机的光线收集起来），因此在确定耦入区中心位置后，即耦入区和耦出区的相对位置，即可确定耦入区在下述光波导片上的范围；

14、所述“转折区”同理，在确定好耦入区和耦出区的范围后，基于两个k矢量范围的最大值和最小值，参照图2，确定转折区的四周边界，进而确定转折区在下述光波导片上的范围。

15、进一步地，所述边缘视场区域为竖直视场角范围在±5°以外、和/或水平视场角范围在±5°以外的视场区域中的一种或几种的组合区域。

16、非限定地例如可为，所述边缘视场区域为竖直视场角范围在-35~35°、以及水平视场角范围在-35~-5°的视场区域；

17、和/或，所述边缘视场区域为竖直视场角范围在5~35°、以及水平视场角范围在5~35°的视场区域；

18、和/或，所述边缘视场区域为竖直视场角范围在5~35°、以及水平视场角范围在-35~35°的视场区域；

19、和/或，所述边缘视场区域为竖直视场角范围在-35~-5°、以及水平视场角范围在-35~-5°的视场区域。

20、进一步地，所述衍射光波导还包括光波导片，所述耦入区、转折区和耦出区布置于所述光波导片上，所述光波导片设置为高折玻璃（n≥2.0@632nm）、铌酸锂（n=2.2@632nm）、碳化硅（n=2.6@632nm）、或者低折光学基片（n=1.7~1.9@632nm）中的至少两种的组合基片。

21、从镜片的角度，可以选择折射率较高的透明材料作为镜片基底，也可以相应降低镜片基底的折射率，通过两片或者三片镜片叠合的方式，也可以实现大fov的全彩需求。

22、进一步地，所述衍射光波导还包括耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，所述耦入光栅、转折光栅和耦出光栅分别设置于所述耦入区、转折区和耦出区上，且所述耦入光栅、转折光栅和耦出光栅分别设置为高折玻璃（n≥2.0@632nm）、铌酸锂（n=2.2@632nm）、碳化硅（n=2.6@632nm）、光学树脂（n=1.7~3.0@632nm）、陶瓷镀膜材料（tio2、si3n4等）、或者液晶材料。

23、从光栅的角度，光栅类型可以为表面浮雕光栅、体全息光栅等，可选的材质折射率可以从n=1.7~3.0范围内进行任意设置，以满足加高的耦出效率，材料可以为压印胶等有机材料，也可以为树脂材料、或者为光波导片的材料本身、或者为陶瓷镀膜材料如tio2、si3n4等、或者为液晶材料等。

24、更进一步地，所述转折区设置有1~2个，所述耦出区对应设置有1~2个，且所述耦入光栅、转折光栅和耦出光栅分别与所述耦入区、转折区和耦出区一一对应布置。

25、从光波导设计的角度，衍射光波导不再需要保证全fov范围的光线耦出，只需要保证部分边缘区域光线的耦出即可，这样可以对k-space和layout进行重新优化设计，仅保证成像区内的视场满足波导内的全反射条件，并耦出至人眼，相应layout可以进一步压缩，特别为转折光栅，这样镜片面积可以进一步压缩，提升美观度。

26、为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：

27、一种边缘显示的衍射光波导的设计方法，包括以下步骤，

28、s1根据目标参数，确定所述耦出区在人眼平视视场下的宽度和高度，并结合光源位置，依次确定所述耦入区和耦出区之间的预定距离、以及所述转折区相对所述耦入区和耦出区的位置，进而确定光束传输路径；

29、s2根据所述光束传输路径，建立在边缘视场区域成像的光束在衍射光波导内传播的k域图，并使耦出视场区域在k域边界内，且所述耦入区、转折区和耦出区满足光栅矢量闭合关系，进而确定由所述耦入区到耦出区的k矢量范围、以及由所述耦入区到转折区的k矢量范围，最终确定耦入区和转折区的范围；

30、s3基于所述s1和s2确定的耦入区、转折区和耦出区，并根据衍射光波导的预设材料参数，确定耦入光栅、转折光栅和耦出光栅的光栅参数，得到衍射光波导。

31、进一步地，在所述s1中，目标参数为眼动范围（eyebox）、出瞳距离（erf）和视场区域（fov），具体计算方法为，

32、ocx=ebx+2*er*tan（fovh/2），ocy=eby+2*er*tan（fovv/2）；

33、其中，ocx、ocy分别为耦出区的宽度和高度，ebx、eby分别为眼动范围的宽度和高度，er为出瞳间距，fovh、fovv分别为视场区域的竖直视场角范围和水平视场角范围。

34、更进一步地，在所述s1中，ebx、eby分别为12~15mm、10mm，er为16~18mm，视场区域为70~75°，fovh、fovv分别为58.4~63.0°、45.6~49.4°.

35、进一步地，在所述s1中，所述耦入区和耦出区之间的预定距离为水平方向上-40~50mm、竖直方向上-10~30mm。

36、进一步地，在所述s2中，由所述耦入区到耦出区的k矢量范围k1为-2.00~2.00，由所述耦入区到转折区的k矢量范围k2为-4.00~4.00。

37、进一步地，在所述s3中，所述耦入光栅的周期p1为270~320nm、光栅矢量方向x1为-40~60°，所述转折光栅p2为175~220nm、光栅矢量方向x2为-45~85°，所述耦出光栅p2为79~257nm、光栅矢量方向x2为-24~90°。

38、为实现上述第三个目的，本发明提供了如下技术方案：

39、一种边缘显示的衍射光波导在显示设备中的应用。

40、进一步地，所述显示设备包括手机、平板电脑、笔记本电脑、台式电脑显、智能手表、裸眼3d显示屏、vr眼镜、ar眼镜、智能手环、智能指环、摄像机、智能眼镜、智能结算台显示器、货架电子标签、智能购物车显示器、门禁显示器、车载中控台、试妆镜、投影仪、冰箱显示器、抬头显示器、车载显示器、投影屏、或者电视显示器。

41、更进一步地，所述ar眼镜包括图像源器件和上述衍射光波导，所述图像源器件沿着所述光束传输路径布置于所述耦入区的入光侧、并向所述耦入区入射光束。

42、从搭配图像源器件（光机）的角度，可以考虑左、右眼分别呈现部分信息提示的画面，然后通过合像使画面完整；也可以左右眼呈现相同的信息；甚至为了满足边缘成像的需求，也可以搭配多组光机，在不同的视场边缘位置呈现不同的画面，光机的位置可以位于眼镜腿附近，即远离鼻翼位置，也可以位于鼻翼附近。

43、综上所述，本发明的有益技术效果为：ar眼镜中的衍射光波导可以将来自图像源器件的虚拟画面投射到人眼前，实现虚拟画面和现实场景的叠加，户外佩戴的ar眼镜，信息提示为最重要的功能之一，与常规ar眼镜的全fov展示虚拟画面的需求不同，信息提示往往不需要占据太多显示空间，仅在人眼视野的边缘位置提供信息内容即可，这样，中心的视野范围，可以更好的进行显示场景的观察，以实现更好的虚实融合；但为当前ar眼镜中的衍射光波导都为全画幅显示，这导致在人眼的正前方，总会叠加一个虚拟画面，从而对用户观察外部环境产生阻挡；基于这样的实际需求和现存问题，本发明提出一种可以实现边缘显示的大fov的全彩光波导，虚拟彩色画面仅呈现在视场的边缘位置，不会阻挡中心视野，这样的衍射光波导不仅可以实现良好的虚实场景结合，而且还能够很好地规避彩虹纹、漏光等波导中经常出现的问题，具有实际的使用价值。