本实用新型涉及图像显示技术，特别涉及用于增强现实显示的装置和包含该装置的用于实现增强现实显示的系统。
背景技术：
增强现实(ar)技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成在一起的新型显示技术。它不仅展现真实世界的信息，而且还将虚拟信息同时显示出来，从而实现两种信息的相互补充和叠加。在视觉化的增强现实中，利用头盔显示器将真实世界与计算机生成的虚拟图像叠加在一起的混合图像呈现给用户。
目前主流的近眼式增强现实显示设备大多采用光波导原理。例如，在典型的增强现实显示设备中，微显示空间光调制器(例如lcos)上的图像经过三片全息光栅耦合至光波导，随后经三片光波导分别传输，最后在人眼正前方通过相应的全息光栅耦合输出以投影至人眼。为了实现彩色投影，可以采用多层光波导的方式。然而基于上述工作原理的增强现实显示设备存在多个缺点。例如，视场范围内效率不均衡，造成显示明暗，从而影响体验效果。
技术实现要素：
本实用新型的一个目的是提供一种用于增强现实显示的装置，其具有出瞳范围内光线扩展效率均衡性好等优点。
按照本实用新型一个方面的用于增强现实显示的装置包含：
光波导镜片；以及
设置于所述光波导镜片表面的第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构，
其中，所述第二光学功能结构和第三光学功能结构位于所述第一光学功能结构与第四光学功能结构之间，
其中，包含第一电场分量和第二电场分量的光线经所述第一光学功能结构耦入所述光波导镜片，在所述第一光学功能结构的作用下形成具有所述第一电场分量的第一光束和具有所述第二电场分量的第二光束，所述第一光束和第二光束在所述光波导镜片内分别沿第一方向和第二方向，经全反射到达所述第二光学功能结构和第三光学功能结构，并且在所述第二光学功能结构和第三光学功能结构的作用下，经全反射到达所述第四光学功能结构并从所述第四光学功能结构出射，
其中，所述第一电场分量和第二电场分量分别平行于第一方向和第二方向，所述第一光束和第二光束具有相同的波段范围。
优选地，在上述装置中，所述第一光学功能结构和第四光学功能结构为二维光栅，所述第二光学功能结构和第三光学功能结构为一维光栅。
优选地，在上述装置中，所述一维光栅为下列中的一种：倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅和体光栅。
优选地，在上述装置中，所述第一光学功能结构设置于所述光波导镜片表面的角部区域，所述第二光学功能结构和第三光学功能结构沿所述光波导镜片的、与所述第一光学功能结构相邻的边设置，并且所述第四光学功能结构设置于所述光波导镜片的中央区域。
优选地，在上述装置中，所述第四光学功能结构呈矩形，并且所述第二光学功能结构和第三光学功能结构的纵向长度与所述矩形的尺寸匹配。
优选地，在上述装置中，所述第一方向基本上垂直于第二方向。
优选地，在上述装置中，所述第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的同一表面。
本实用新型的还有一个目的是提供一种用于实现增强现实显示的系统，其具有出瞳范围内光线扩展效率均衡性好等优点。
按照本实用新型另一个方面的用于实现增强现实显示的系统包含：
图像源，配置为提供包含第一电场分量和第二电场分量的光线；以及
至少一个图像呈现装置，每个所述图像呈现装置包括：
光波导镜片；以及
设置于所述光波导镜片表面的第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构，
其中，所述第二光学功能结构和第三光学功能结构位于所述第一光学功能结构与第四光学功能结构之间，
其中，所述光线经所述第一光学功能结构耦入所述光波导镜片，在所述第一光学功能结构的作用下形成具有所述第一电场分量的第一光束和具有所述第二电场分量的第二光束，所述第一光束和第二光束在所述光波导镜片内分别沿第一方向和第二方向，经全反射到达所述第二光学功能结构和第三光学功能结构，并且在所述第二光学功能结构和第三光学功能结构的作用下，经全反射到达所述第四光学功能结构并从所述第四光学功能结构出射，其中，所述第一电场分量和第二电场分量分别平行于第一方向和第二方向，所述第一光束和第二光束具有相同的波段范围。
按照本实用新型的实施例，通过在光波导镜片表面设置两个光学功能结构分别用于在两个方向上扩展光线的两个电场分量，可以实现视场范围内光线扩展的均衡性。此外，当将第四光学功能结构设置于光波导镜片的中央时，可以通过增加第四光学功能结构所占的面积来增大出瞳视窗。再者，按照本实用新型上述实施例的图像呈现装置结构简单、紧凑，这对于装置总体尺寸的缩小是有利的。
附图说明
图1a和1b分别为按照本实用新型一个实施例的用于增强现实显示的装置的平面图和立体图。
图2a-2c示出了可应用于图1a和1b所示实施例的一维光栅的的光学衍射示意图，其中，图2a所示为矩形光栅的光学衍射示意图，图2b所示为倾斜光栅的光学衍射示意图，图2c所示为闪耀光栅的光学衍射示意图。
图3示出了可应用于图1a和1b所示实施例的二维光栅的示例。
图4为图1a和1b所示的用于增强现实显示的装置的剖面示意图，所示剖面位于图1b的x-z平面内。
图5为图1a和1b所示的用于呈现图像的装置的剖面示意图，所示剖面位于图1b的y-z平面内。
图6为图1a和1b所示的用于增强现实显示的装置的剖面示意图，所示剖面位于图1b的y-z平面内。
图7为图1a和1b所示的用于呈现图像的装置的剖面示意图，所示剖面位于图1b的x-z平面内。
图8为按照本实用新型另一个实施例的用于实现增强现实显示的系统的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细的描述。
按照本实用新型的一个方面，通过在光波导镜片表面设置两个光学功能结构(例如一维光栅)分别用于在两个方向(例如两个相互垂直的方向)上扩展光线的两个电场分量，可以实现视场范围内光线扩展的均衡性。
图1a和1b分别为按照本实用新型一个实施例的用于增强现实显示的装置的平面图和立体图。示例性地，本实施例的用于增强现实显示的装置可以采用眼镜镜片的形式。
参见图1a和1b，本实施例的用于增强现实显示的装置10包括光波导镜片110和设置于光波导镜片表面的第一光学功能结构121、第二光学功能结构122、第三光学功能结构123和第四光学功能结构124。
可选地，第一光学功能结构121、第二光学功能结构122、第三光学功能结构123和第四光学功能结构124为纳米结构，该纳米结构可以与入射光线的各个波段的分量(例如红光分量、蓝光分量和绿光分量)发生作用，以形成衍射光线。
示例性地，第一光学功能结构121、第四光学功能结构124的纳米结构为二维光栅；第三光学功能结构123、第四光学功能结构124为一维光栅。该二维光栅的周期与一维光栅的周期一致，例如可以为350nm～450nm。通过调节各光学功能结构的光栅取向以使光线沿预期方向传播。此外，通过调节各光学功能结构的光栅深度、占空比等参数来调整所传播的各波段光线的衍射效率，从而促进或确保从第四光学功能结构124出射的不同波段的光线在叠加后，所提供的彩色图像具有感知良好的视觉质量。
此外，可选地，这些光学功能结构位于光波导镜片110的同一表面或位于光波导镜片110的不同表面。
在图1a和1b所示的实施例中，第一光学功能结构121设置在光波导镜片表面的左上角，其配置为将包含第一电场分量和第二电场分量的入射光线耦合进入光波导镜片110，因此又可称为耦入区域。入射光线以某一入射角进入第一光学功能结构121，经第一光学功能结构121衍射形成具有第一电场分量的第一光束和具有第二电场分量的第二光束，其中，第一光束和第二光束分别沿第一方向(图1b中所示的x方向)和第二方向(图1b中所示的y方向)在光波导镜片110内传播。通过使光线以合适的角度入射光波导镜片，第一光束和第二光束可以全反射的方式传播。
在本实施例中，示例性地，入射到第一光学功能结构121的光线包含多个波段(例如红光分量、蓝光分量和绿光分量)。该包含多个波段的光线经第一光学功能结构121的衍射作用之后，形成传播方向相互正交并且电场分量相互正交的两束光线，每束光线的电场分量平行于其行进方向。此外，该相互正交的两束光线具有相同的波段范围或频谱，例如这两束光线包含相同的红光分量、蓝光分量和绿光分量。
参见图1a和1b，第二光学功能结构122和第三光学功能结构123沿光波导镜片110的两条与左上角相邻的边设置，第四光学功能结构124则设置于光波导镜片110的中央区域。如图1b所示，在第二光学功能结构122的作用下，第一光束沿平行于y方向在光波导镜片110内传播，经全反射到达第四光学功能结构124。另一方面，在第三光学功能结构123的作用下，第二光束沿平行于x方向在光波导镜片110内传播，经全反射到达第四光学功能结构124。因此第二光学功能结构122和第三光学功能结构123又可称为转折区域。第四光学功能结构124被配置为将第一光束和第二光束引出光波导镜片110，从而向用户呈现增强现实的图像，因此光学功能结构124又可称为耦出区域。
在图1a和1b所示的用于增强现实显示的装置3中，视场范围内效率非均衡性的问题得以克服。具体而言，如图1b所示，入射光线到达第一光学功能结构121之后，在衍射作用下形成沿第二光学功能结构122的延伸方向(图中从左向右)传播的第一光束和沿第三光学功能结构123的延伸方向(图中从上向下)传播的第二光束。第一光束进入第二光学功能结构122之后，经转折后沿平行于y方向进入第四光学功能结构124。如果不存在经第三光学功能结构123转折而沿x方向进入第四光学功能结构124的第二光束，则对于从第四光学功能结构124出射的图像，其在x方向上，中心区域会明显较亮而两侧区域明显较暗，即，光线在视场范围内的扩展是不均衡的。反之，在本实施例中，由于引入第三光学功能结构123以形成沿x方向进入第四光学功能结构124的第二光束，因而可以对x方向上两侧较暗的区域进行补偿，由此降低图像的整体明暗对比度。
需要指出的是，图1a和1b所示的第一～第四光学功能结构在光波导镜片上的位置仅仅是示例性的。实际上，其它能够使光线的第一电场分量和第二电场分量在不同的方向上扩展的布置方式也是可行的。例如，可以将第一光学功能结构121设置在光波导镜片110的上部中央，将第二光学功能结构122和第三光学功能结构123沿光波导镜片110的两条平行边设置(例如图1b中的左右两边)，并将第四光学功能结构124设置于光波导镜片110的中央区域。
在本实施例中，第四光学功能结构124呈矩形或梯形，并且第二光学功能结构122和第三光学功能结构123的纵向长度与矩形或梯形的尺寸匹配，从而尽可能提高光线的扩展效率。
在本实施例中，由于将第四光学功能结构124设置在光波导镜片的中央，因此可以通过增加其所占的面积来增大出瞳视窗。
在本实施例中，示例性地，第一光学功能结构121和第四光学功能结构124以二维光栅的形式实现，而第二光学功能结构122和第三光学功能结构123以一维光栅的形式实现，二维光栅的周期与一维光栅的周期一致，其例如为350nm～450nm。通过调节各光学功能结构的光栅取向以使光线沿预期方向传播。此外，通过调节各光学功能结构的光栅深度、占空比等参数来调整所传播的各波段光线的衍射效率，从而促进或确保从第四光学功能结构124出射的不同波段的光线叠加后，所提供的彩色图像具有感知良好的视觉质量。可选地，一维光栅可选自下列组中的一种或多种：倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅和体光栅。
图2a-2c示出了可应用于图1a和1b所示实施例的一维光栅的示例，其中，图2a所示为矩形光栅的光学衍射示意图，图2b所示为倾斜光栅的光学衍射示意图，图2c所示为闪耀光栅的光学衍射示意图。
在本实施例中，一维光栅的取向取决于用作第一光学功能结构的二维光栅阵列的取向，周期取决于第一光学功能结构和第四光学功能结构的二维光栅阵列的周期。可选地，第一～第四光学功能结构的总位相和为零以满足位相匹配。
参考图2a，矩形光栅221a形成于光波导镜片210表面，通过选择光栅高度、宽度、周期等结构参数，使得以一定角度入射至光栅表面的光线经过矩形光栅形成衍射。衍射光线包括零级衍射光t0、-1级衍射光t-1和1级衍射光t1。在图2a所示的情形中，0级衍射效率最高，-1级衍射次之，1级衍射效率最低。可选地，可利用图2a所示矩形光栅221a形成-1级衍射光，继而完成其在光波导镜片210内的传播。
参考图2b，倾斜光栅221b形成于光波导镜片210表面，通过选择光栅高度、宽度、周期和倾斜角度等结构参数，使得以一定角度入射至光栅表面的光线经过倾斜光栅形成衍射。类似地，衍射光线包括零级衍射光t0、-1级衍射光t-1和1级衍射光t1。在图2b所示的情形中，-1级衍射效率最高，零级衍射次之，1级衍射效率最低。可选地，可利用图2b所示倾斜光栅形成-1级衍射光，继而完成其在光波导镜片210内的传播。此外，通过对光栅高度、宽度、周期和倾斜角度等结构参数中的一个或多个的优化，可实现波长选择功能，即，可以使某一波长范围内的光的衍射效率较高，而其余波长范围内的光的衍射效率较低。
参考图2c，闪耀光栅221c形成于光波导镜片210表面，通过选择光栅高度、周期和闪耀角度等结构参数，使得以一定角度入射至光栅表面的光线经过闪耀光栅形成衍射。类似地，衍射光线包括零级衍射光t0、-1级衍射光t-1和1级衍射光t1。在图2c所示的情形中，-1级衍射效率最高，零级衍射和1级衍射效率最低。可选地，可利用图2c所示倾斜光栅形成-1级衍射光，继而完成其在光波导镜片210内的传播。此外，通过对光栅高度、周期和闪耀角度等结构参数中的一个或多个的优化，可实现波长选择功能。
图3示出了可应用于图1a和1b所示实施例的二维光栅的示例。如图3所示，二维光栅为二维阵列。以用于第一光学功能结构的情形为例，入射光以一定角度入射第一光学功能结构，通过设计二维阵列的取向角及周期等参数，可以实现双向角度衍射，两束衍射光分别传导至第二光学功能结构122和第三光学功能结构123，实现双向光线传导功能。
以下描述图1a和1b所示的用于增强现实显示的装置的工作原理。
图4为图1a和1b所示的用于增强现实显示的装置的剖面示意图，所示剖面位于图1b的x-z平面内。
参见图4，从图像源20射出的包含第一电场分量和第二电场分量的光线到达第一光学功能结构121。经过第一光学功能结构121的衍射而形成具有第一电场分量的第一光束和具有第二分量的第二光束。参见图4，第一光束被引入光波导镜片110并且沿平行于x方向传播。通过为第一光学功能结构121选择合适的结构参数，可以使光线在光波导镜片110内部发生全反射，并促进或确保从第四光学功能结构124出射的不同波段的光线叠加后，所提供的彩色图像具有感知良好的视觉质量。如图4所示，第一光学功能结构121与第二光学功能结构122在平行于x方向上相隔一定的间隔，发生全反射的光线从第一光学功能结构121处，借助全反射而到达第二光学功能结构122。
图5为图1a和1b所示的用于呈现图像的装置的剖面示意图，所示剖面位于图1b的y-z平面内。
参考图5并结合图4可见，第一光束到达第二光学功能结构122后在光波导镜片110内继续发生全反射，但是传播方向由沿平行于x方向变为沿平行于y方向。如图5所示，第二光学功能结构122将光线的第一光束引导至第四光学功能结构124。在第四光学功能结构124的衍射作用下，第一光束随后从光波导镜片110出射。
图6为图1a和1b所示的用于增强现实显示的装置的剖面示意图，所示剖面位于图1b的y-z平面内。
参见图6，从图像源20射出的包含第一电场分量和第二电场分量的光线到达第一光学功能结构121。经过第一光学功能结构121的衍射而形成具有第一电场分量的第一光束和具有第二电场分量的第二光束。参见图6，第二光束被引入光波导镜片110并且沿平行于y方向传播。通过为第一光学功能结构121选择合适的结构参数，可以使光线在光波导镜片110内部发生全反射，并促进或确保从第四光学功能结构124出射的不同波段的光线叠加后，所提供的彩色图像具有感知良好的视觉质量。如图6所示，第一光学功能结构121与第三光学功能结构123在平行于y方向上相隔一定的间隔，发生全反射的光线从第一光学功能结构121处，借助全反射而到达第三光学功能结构123。
图7为图1a和1b所示的用于呈现图像的装置的剖面示意图，所示剖面位于图1b的x-z平面内。
参考图7并结合图6可见，第二光束到达第三光学功能结构123后在光波导镜片110内继续发生全反射，但是传播方向由沿平行于y方向变为沿平行于x方向。如图6所示，第三光学功能结构123将第二光束引导至第四光学功能结构124。在第四光学功能结构124的衍射作用下，第二光束连同来自第二光学功能结构122的光束随后从光波导镜片110一起出射。
图8为按照本实用新型另一个实施例的用于实现增强现实显示的系统的示意图。
如图8所示的系统1包括图像呈现装置10a和10b和图像源20。图像源20配置为向图像呈现装置10a和10b提供包含第一电场分量和第二电场分量的光线。图像呈现装置10a和10b配置为向用户呈现增强现实图像。在本实施例中，示例性地，图像呈现装置10a和10b可以采用如上借助图1a、图1b、图2a-2c和图3-7所述的实施例来实现。
以图像呈现装置10a为例，其包括光波导镜片110a和设置于光波导镜片表面的第一光学功能结构121a、第二光学功能结构122a、第三光学功能结构123a和第四光学功能结构124a。第一光学功能结构121a、第二光学功能结构122a、第三光学功能结构123a和第四光学功能结构124a位于光波导镜片110的同一表面，其中，第一光学功能结构121a，其设置在光波导镜片表面的右上角，第二光学功能结构122a和第三光学功能结构123a沿光波导镜片110a的两条与右上角相邻的边设置，第四光学功能结构124a则设置于光波导镜片110a的中央区域。
在图8所示的系统中，第一光学功能结构121a配置为将包含第一电场分量和第二电场分量的入射光线耦合进入光波导镜片110，并且使具有第一电场分量的第一光束和具有第二电场分量的第二光束分别沿第一方向(图中第一光学功能结构122a的纵向延伸方向)和第二方向(图中第一光学功能结构123a的纵向延伸方向，该方向与第一方向基本上垂直)在光波导镜片110a内传播。通过使光线以合适的角度入射光波导镜片，第一光束和第二光束可以全反射的方式传播。
第一光束在到达第二光学功能结构122a后，在第二光学功能结构122a的作用下，将沿第二方向在光波导镜片110a内传播，经全反射到达第四光学功能结构124a。另一方面，第二光束在到达第三光学功能结构123a后，在第三光学功能结构123a的作用下，将沿第一方向在光波导镜片110a内传播，经全反射到达第四光学功能结构124a。第四光学功能结构124a被配置为将第一光束和第二光束引出光波导镜片110，从而向用户呈现增强现实的图像。
示例性地，第一光学功能结构121a和第四光学功能结构124a以二维光栅的形式实现，而第二光学功能结构122a和第三光学功能结构123a以一维光栅的形式实现。可选地，一维光栅可选自下列组中的一种或多种：倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅和体光栅。
图像呈现装置10b包括光波导镜片110b和设置于光波导镜片表面的第一光学功能结构121b、第二光学功能结构122b、第三光学功能结构123b和第四光学功能结构124b，其结构和工作原理与图像呈现装置10a类似，此处不再赘述。
参见图8，用于实现增强现实显示的系统1还包含连接部件10c，其将光波导镜片110a和110b连接在一起。
上文描述了本实用新型的原理和较佳实施例。然而，本实用新型不应被解释为限于所讨论的具体实施例。上述较佳实施例应该被认为是说明性的，而不是限制性的，并且应当理解的时，本领域的技术人员在不偏离下面的权利要求书所限定的本实用新型的范围的前提下，可以在这些实施例中作出变化。
1.一种用于增强现实显示的装置，其特征在于，包含：
光波导镜片；以及
设置于所述光波导镜片表面的第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构，
其中，所述第四光学功能结构设置于所述光波导镜片的中央区域，所述第一光学功能结构、第二光学功能结构和第三光学功能结构设置于所述第四光学功能结构的周围，
其中，包含第一电场分量和第二电场分量的光线经所述第一光学功能结构耦入所述光波导镜片，在所述第一光学功能结构的作用下形成具有第一电场分量的第一光束和具有第二电场分量的第二光束，所述第一光束和第二光束在所述光波导镜片内分别沿第一方向和第二方向，经全反射到达所述第二光学功能结构和第三光学功能结构，并且在所述第二光学功能结构和第三光学功能结构的作用下，经全反射到达所述第四光学功能结构并从所述第四光学功能结构出射，
其中，所述第一电场分量和第二电场分量分别平行于第一方向和第二方向，所述第一光束和第二光束具有相同的波段范围。
2.如权利要求1所述的用于增强现实显示的装置，其中，所述第一光学功能结构和第四光学功能结构为二维光栅，所述第二光学功能结构和第三光学功能结构为一维光栅。
3.如权利要求2所述的用于增强现实显示的装置，其中，所述一维光栅为下列中的一种：倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅和体光栅。
4.如权利要求2所述的用于增强现实显示的装置，其中，所述光波导镜片呈矩形或梯形，所述第一光学功能结构设置于所述光波导镜片表面的角部区域，并且所述第二光学功能结构和第三光学功能结构沿所述光波导镜片的、与所述第一光学功能结构相邻的两边设置。
5.如权利要求4所述的用于增强现实显示的装置，其中，所述第二光学功能结构和第三光学功能结构的纵向长度与所述矩形或梯形的尺寸匹配。
6.如权利要求1所述的用于增强现实显示的装置，其中，所述第一方向基本上垂直于第二方向。
7.如权利要求1所述的用于增强现实显示的装置，其中，所述第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的同一表面。
8.一种用于实现增强现实显示的系统，其特征在于，包含：
图像源，配置为提供包含第一电场分量和第二电场分量的光线；以及
至少一个图像呈现装置，每个所述图像呈现装置包括：
光波导镜片；以及
设置于所述光波导镜片表面的第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构，
其中，所述第四光学功能结构设置于所述光波导镜片的中央区域，所述第一光学功能结构、第二光学功能结构和第三光学功能结构设置于所述第四光学功能结构的周围，
其中，所述光线经所述第一光学功能结构耦入所述光波导镜片，在所述第一光学功能结构的作用下形成具有所述第一电场分量的第一光束和具有第二电场分量的点儿光束，所述第一光束和第二光束在所述光波导镜片内分别沿第一方向和第二方向，经全反射到达所述第二光学功能结构和第三光学功能结构，并且在所述第二光学功能结构和第三光学功能结构的作用下，经全反射到达所述第四光学功能结构并从所述第四光学功能结构出射，
其中，所述第一电场分量和第二电场分量分别平行于第一方向和第二方向，所述第一光束和第二光束具有相同的波段范围。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述第一光学功能结构和第四光学功能结构为二维光栅，所述第二光学功能结构和第三光学功能结构为一维光栅。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述一维光栅为下列中的一种：倾斜光栅、矩形光栅、闪耀光栅和体光栅。
11.如权利要求9所述的系统，其中，所述光波导镜片呈矩形或梯形，所述第一光学功能结构设置于所述光波导镜片表面的角部区域，并且所述第二光学功能结构和第三光学功能结构沿所述光波导镜片的、与所述第一光学功能结构相邻的边设置。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述第二光学功能结构和第三光学功能结构的纵向长度与所述矩形或提醒的尺寸匹配。
13.如权利要求8所述的系统，其中，所述第一方向基本上垂直于第二方向。
14.如权利要求8所述的系统，其中，所述第一光学功能结构、第二光学功能结构、第三光学功能结构和第四光学功能结构位于所述光波导镜片的同一表面。
技术总结