CN109521506A - 纳米镜片、近眼显示方法及近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纳米镜片、近眼显示方法及近眼显示装置。所述纳米镜片包括：纳米结构；以及作为所述纳米结构的载体的镜片基底，其中，所述纳米结构呈排布在所述镜片基底上的纳米光栅的形式，所述纳米光栅成夹角分布并且包括用于接收来自微投影系统的图像的入射纳米光栅以及用于向人眼前方出射耦合图像的出射纳米光栅。

Description

纳米镜片、近眼显示方法及近眼显示装置

技术领域

本发明涉及近眼显示技术领域；具体地说，本发明涉及一种纳米镜片，并进一步涉及一种近眼显示方法及一种近眼显示装置。

背景技术

随着虚拟现实和增强现实技术的发展，近眼显示设备得到快速发展，例如谷歌的Google Glass和微软的Hololens。增强现实的近眼显示在一只眼睛或两只眼睛的视野范围内创建虚拟图像，使虚拟图像与现实景象融合、交互。传统的光学波导元件耦合图像光进入人眼，包括使用棱镜、反射镜、半透半反光波导、全息及衍射光栅。波导显示系统是利用全反射原理实现光波传输，结合衍射元件，实现光线的定向传导，进而将图像光导向人眼，使用户可以看到投影的图像。

US008014050B2公开了一种用于三维显示或光开关的光学全息相位板。所描述相位板包含一个体衍射光栅结构和一种光敏材料。通过电极阵列可控制单个像素单元的衍射效率和位相延迟，从而实现光场相位的快速调控。然而这种利用电极阵列实现相位调控的方法遇到了单个像素难以微小化的制约，其显示效果难以满足当前消费者对显示精细度和舒适度的要求。

CN201620173623.3提出一种近眼显示系统及头戴显示设备，光源向导光系统输入照明光束，导光系统将光束进行传输扩展照射到图像显示系统所显示的全息图，以透射方式激活全息图。

WO2016204916提出一种混合显示系统。利用两个投影系统在人眼视窗内形成两个虚拟景象。一个投影系统实现宽视角，但将导致低亮度和低分辨率；另一个投影系统实现窄视角，却可以实现高亮度和高分辨率。通过两个投影系统的组合形成大视场角的增强现实近眼显示。这种混合投影方法实现的宽视场虚拟景象仅在小范围内成清晰图像，无法同时兼顾视场角、清晰度和亮度。

发明内容

本发明的一个方面的目的在于提供一种改进的纳米镜片。

本发明的另一个方面的目的在于提供一种改进的近眼显示方法及近眼显示装置。

为了实现前述目的，本发明的第一方面提供了一种纳米镜片，其中，所述纳米镜片包括：

纳米结构；以及

作为所述纳米结构的的载体的镜片基底，

其中，所述纳米结构呈排布在所述镜片基底上的纳米光栅的形式，所述纳米光栅成夹角分布并且包括用于接收来自微投影系统的图像的入射纳米光栅以及用于向人眼前方出射耦合图像的出射纳米光栅。

可选地，在如前所述的纳米镜片中，所述纳米结构位于所述镜片基底的表面或内部。

可选地，在如前所述的纳米镜片中，所述纳米结构为单层结构或多层层叠结构。

可选地，在如前所述的纳米镜片中，所述纳米光栅的表面覆有与所述镜片基底的折射率不同的透明介质层。

可选地，在如前所述的纳米镜片中，所述镜片基底是多弯曲结构、弧形结构、长条结构、梯型结构或者自由曲面结构。

可选地，在如前所述的纳米镜片中，所述纳米结构由多组结构单元构成，每组结构单元包括红色单元像素、绿色单元像素和蓝色单元像素，分别用于对应传输相应的颜色图像光线。

可选地，在如前所述的纳米镜片中，所述镜片基底包括一组或多组纳米结构，其适于与一组或多组微投影系统耦合，实现视场拼接。

可选地，在如前所述的纳米镜片中，所述纳米结构呈离轴菲涅尔透镜结构。

可选地，在如前所述的纳米镜片中，所述纳米结构包括三个区域：

第一区域，其用以耦合来自所述微投影系统的图像光线，耦合光线经波导内全反射左右分别传输至第二区域；

所述第二区域，其用以改变光线走向，将光束导向第三区域；以及

所述第三区域，其为输出区域，将光束分别以一定角度出射至人眼视网膜。

可选地，在如前所述的纳米镜片中，所述第二区域和所述第三区域以所述第一区域为轴，呈现空间上对称分布。

可选地，在如前所述的纳米镜片中，所述第一区域具有倾斜光栅，并且所述倾斜光栅呈菱形结构、三角结构、梯形结构或波浪结构。

可选地，在如前所述的纳米镜片中，所述第一区域为左右对称的形状结构。

为了实现前述目的，本发明的第二方面提供了一种近眼显示方法，一种利用前述第一方面所述的纳米镜片的近眼显示方法，其中，所述方法包括以下步骤：

步骤A：用所述第一区域耦合来自所述微投影系统的图像光线，使耦合光线经波导内全反射左右分别传输至所述第二区域；

步骤B：用所述第二区域改变光线走向，将光束导向第三区域；

步骤C：用所述第三区域作为输出区域，将光束分别以一定角度出射至人眼视网膜。

为了实现前述目的，本发明的第三方面提供了一种近眼显示装置，其中，所述近眼显示装置由如第一方面中任一项所述的纳米镜片与多于一个微投影系统光学耦合而成，每个微投影系统分别实现一个视场图像的输出，所有微投影系统组合获得大视场的虚拟图像耦合。

可选地，在如前所述的近眼显示装置中，所述纳米镜片为光线波导，微投影图像耦合进入纳米镜片，满足全反射条件传播。

可选地，在如前所述的近眼显示装置中，所述近眼显示装置包括位于左侧的所述纳米镜片和位于右侧的所述纳米镜片，并且，左眼图像光在位于左侧的所述纳米镜片内耦合传导，右眼图像光在位于右侧的所述纳米镜片内耦合传导，左右眼同时接收到输出光线使人眼透过镜片观看到三维信息。

可选地，在如前所述的近眼显示装置中，所述纳米镜片的拼接为非对称错落分布，或者，所述纳米镜片的拼接为对称分布。

可选地，在如前所述的近眼显示装置中，所述近眼显示装置具有叠加的三片所述纳米镜片，分别用于传输近、中、远景深图像。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将更加显然。应当了解，这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是本发明的一种拼接式大视场显示的示意图；

图2a和图2b是本发明的一种拼接式大视场纳米镜片的示意图；

图3是所示纳米镜片的结构示意图；

图4是一种纳米镜片的平面结构示意图；

图5是图4所示纳米镜片的立体结构示意图；

图6为图4和图5所示纳米镜片第一区域微观示意图；

图7和图8分别示出了XZ平面和YZ平面的光束传播示意图；

图9示出了XZ平面和XY平面的光栅衍射示意图；

图10为一种由多组纳米结构组成的纳米波导镜片示意图；

图11为图10所示纳米镜片第一区域的微观结构示意图；

图12是图11和图10所示纳米镜片的立体结构示意图；

图13是一种由多组纳米结构组成的纳米镜片平面结构示意图；

图14是图13所示纳米镜片的立体结构示意图；

图15示出了一种拼接大视场纳米镜片示意图；

图16示出了一种非对称拼接式纳米镜片示意图；

图17示出了一种非对称拼接式纳米镜片示意图；

图18 示出了一种视场拼接示意图；

图19为单片彩色纳米镜片的微观区域示意图

图20为一种扩大视场的空间复用组合方式示意图；

图21是实现多景深显示的结构示意图；以及

图22是一种近眼显示装置示意图。

具体实施方式

下面参照附图详细地说明本发明的具体实施方式。在各附图中，相同的附图标记表示相同或相应的技术特征。

图1是本发明的一种拼接式大视场显示的示意图。纳米镜片3与微投影系统2、4通过投影的方式光学耦合。纳米镜片3包含一组功能性纳米结构1。两个或多个微投影系统与纳米镜片组合形成近眼显示装置。微投影系统分别实现一个视场图像的输出，两个或多个微投影系统组合获得大视场的虚拟图像耦合。若单组纳米结构可在距离人眼2米处投影30英寸的虚像，则通过双视场拼接可获得距离人眼2米处60英寸的虚像。图中纳米镜片的左侧的笑脸为虚像6，右侧为人眼5的示例。

图2a和图2b是本发明的一种拼接式大视场纳米镜片的示意图。在该实施方式中，纳米镜片为光线波导，微投影图像耦合进入纳米镜片，满足全反射条件传播，达到减小近眼显示装置体积的目的。投影系统图像在纳米镜片中延波导传播。图2a是一种纳米波导镜片2'的示意图。每个纳米镜片的弯曲基底上排布着两组或多组纳米光栅，使纳米光栅成夹角分布。镜片基底是纳米结构的载体。多个微投影系统将多幅不同视场的图像分别耦合进入入射纳米光栅。耦合光线通过波导传输，在人眼观察区域通过出射光栅在人眼前方出射。虚拟图像在人眼前方投影形成无缝拼接而成的光场，达到扩大视场角的目的。若单组纳米波导光栅可获得视场角为50°的虚像，则通过弯曲纳米镜片获得的双视场虚像视场角可达100°。除多弯曲基底外（图2a）、弧形基底（图2b）、长条型、梯型，以及自由曲面基底上纳米镜片均可通过纳米波导光栅组的拼接实现宽视角近眼显示。图2b中示出了纳米波导镜片2''。

纳米光栅结构的本质是光学折射率在微纳米尺度空间内周期性变化并可与光作用发生衍射效应。本发明提出的上述纳米结构可以采用紫外连续变空频光刻技术以及纳米压印进行制作，该紫外连续变空频光刻技术参照申请号为CN201310166341.1的中国专利申请记载的光刻设备和光刻方法。其结构可以是浮雕型的，通过上述纳米光刻方法制作纳米结构，再做出能够用于压印的模板，然后通过纳米压印批量压印出纳米光栅构成的像素阵列。亦可是折射率调制型，通过纳米光刻在折射率调制型记录材料（如光致聚合物薄膜、光折变晶体玻璃等）上曝光制备。

附图3是纳米结构32与镜片基底31构成纳米镜片（可视镜片3）或可视镜片单元的结构示意图。可以看出，功能性纳米结构可位于镜片基底表面或内部，可以是一层或多层纳米结构堆叠形成。如图3（a）、图3（b）和图3（c）所示，通过在镜片基底31表面贴合或制作纳米结构32，或在镜片基底31内部嵌入纳米结构32（图3（d）、图3（e））获得纳米镜片。值得指出的是，制作单层和多层紧密叠合的纳米结构时（如图3（b）、图3（e）、图3（f）），可以在光栅结构表面蒸镀或贴合一层与基底折射率不同的透明介质层33，保护纳米光栅结构特性和导光特性。该透明介质层也可以以其它方式覆在纳米光栅的表面上。

参考图4，图4为一种由多组纳米结构的纳米镜片和一组微投影系统构成的近眼显示头盔平面结构示意图，包括三个功能性区域。第一区域7用以耦合来自微投影系统的图像光线，耦合光线经波导内全反射左右分别传输至第二区域8，第二区域8用以改变光线走向，将光束导向第三区域9，第三区域9为输出区域，将光束分别以一定角度出射至人眼视网膜。在可选的实施方式中，第二区域和第三区域以第一区域为轴，呈现空间上对称分布；也可以考虑采用非对称分布。具体的，图5是图4所示的立体结构示意图，详细描述了光线的走向。其中，三个功能性区域为纳米衍射光栅，通过巧妙的设置光栅参数，比如深度、占空比和周期等，调控出光效率及出射角度，进一步实现大角度衍射，达到大视场效果。该方案中，两个可视区域由一个微投影系统生成影像，在扩大视角的同时，可兼顾智能眼镜成本、重量与体积。

图6为第一区域微观示意图，本实施方式中仅画出菱形结构倾斜光栅，光线通过第一区域7时，耦合光线分别进入左右区域，经过第二区域弯折及波导内全反射过程，从第三区域成一定角度输出，左右区域分别成一定角度输出图像光线，经人眼耦合，扩大观看视场。需要指出的是，除图所示菱形结构的倾斜光栅外，亦可是三角结构、梯形结构、波浪结构等。一些情况下，倾斜光栅是左右对称结构，达到均匀分配视场亮度、视角大小的目的。一些情况下，倾斜光栅是左右非对称结构，以便从设计上实现主视角和辅助视角。实现大视角（显示性能优先）和小视角（节能优先）的切换。

图7和图8分别示出了XZ平面和YZ平面的光束传播示意图。在XZ平面，光线经过第一区域7的左右对称倾斜光栅，光线分别左右耦合至第二区域8，在YZ平面，经过第二区域8弯折的光线传播至第三区域9，经衍射过程成一定角度输出，左右区域分别从各自第三区域输出光线，耦合至人眼，一定程度扩大观看视角。

具体地，多组功能性区域的结构包括纳米衍射光栅，且视场角及传播方向可以通过控制光栅的取向，周期来实现精密调控。图9示出了XZ平面和XY平面的光栅衍射示意图。光线以θ(x)入射光栅，经过衍射，以β(x)衍射角出射，通过入射角、入射方位角、光栅周期及取向的改变，来控制衍射角及衍射方位角的变化，从而控制视场范围。

图10为一种由多组纳米结构组成的纳米波导镜片示意图，包括三个区域，有别于上述纳米镜片结构，本实施方式的第一区域7'为左右对称的圆形结构，但不局限于圆形，可以为方行、菱形等形状。具体地，图11为第一区域7'的微观结构示意图，图中仅画出了具有一定倾斜角度的纳米光栅，光线经过对称的圆形区域，经倾斜光栅衍射及波导内全反射过程，传播至第二区域8'，经过第二区域的光线弯折，改变光线方向，传播至第三区域9'，经过光栅衍射过程，以一定角度衍射输出至人眼，通过拼接的方式，实现视场范围的扩大。该纳米波导镜片与和多组微投影系统组成的近眼显示头盔，在扩大视场角的同时，可兼顾显示亮度和清晰度。

其中，图12为本实施方式的立体结构示意图，光线首先经过两个圆形第一区域，分别传输至第二区域，经第二区域光线弯折作用，结合光波导全反射功能，传播至第三区域，经第三区域光栅衍射功能，以一定衍射角出射。通过控制几个区域的光栅周期及取向，可以直接控制视场大小的变化，实现视场扩大效果。

图13是一种由多组纳米结构组成的纳米镜片平面结构示意图，包括第一区域7''和第二区域8''，其中，图14为该纳米镜片的立体结构示意图，光线首先入射至第一区域，经第一区域光栅耦合弯折，结合波导内全反射，传播至第二区域，第二区域为输出区域，光线经第二区域光栅衍射，出射至人眼。具体地，第一区域和第二区域为纳米衍射光栅，通过调控光栅周期及取向，配合入射角和入射方位角，可以实现衍射角及衍射方位角的控制，进一步实现视场范围的精确控制。第一区域和第二区域在X方向具有同一长度，使光线可以在X方向扩瞳。第二区域在Y方向上具有长的纬度，使光线可以在Y方向扩瞳。通过拼接的方式，能够实现视场角的一定扩大。该纳米波导镜片与和多组微投影系统组成的近眼显示头盔，在扩大视场角的同时，可兼顾显示亮度和清晰度。另外，图15示出了另外一种拼接大视场纳米镜片，通过三组功能性区域的拼接，实现更大视场范围。需要说明的是，本实施方式并不局限于两组或三组功能性区域，可以包括两组及两组以上。

需要注明的是，拼接式纳米镜片可以为非对称式拼接方式，图16示出了一种非对称拼接式纳米镜片3'示意图，可以看出，拼接部分为非对称结构，这种方式有助于减小光场串扰，实现无缝拼接。因此，拼接方式可以对称，也可以非对称错落排布。另外，图17示出了另外一种非对称拼接方式纳米镜片示意图，包括三个区域，有别于上述纳米镜片结构，本实施方式的第一区域为非对称的圆形结构，但不局限于圆形，可以为方行、菱形等形状。其中，第三区域上下错落排布，在Y方向上具有长的纬度，使光线在Y方向扩瞳，结合拼接方式，进一步获取更大视场。另外，图18给出了一种视场拼接示意图，透过包含纳米结构的纳米镜片3，实现虚拟景象的无缝拼接，增大视场范围，减小视觉串扰 。

通过以上示例可以看出，镜片基底可包括一组或多组功能性纳米结构。镜片基底上一组纳米结构与不止一组微投影系统，或镜片基底上不止一组纳米结构和一组微投影系统，或镜片基底上不止一组纳米结构和不止一组微投影系统耦合，实现视场拼接，达到扩大视角的目的。

图19为单片彩色纳米镜片的微观区域示意图，该纳米镜片可由上述多种拼接方式构成，包括一组或多组功能性纳米结构。具体的，该功能性纳米结构由多组结构单元10构成，每组结构单元10包括红色单元像素11、绿色单元像素12和蓝色单元像素13，用于对应传输不同颜色图像光线，其中，红色图像光线耦入红色单元像素，绿色图像光线耦入绿色单元像素，蓝色图像光线耦入蓝色单元像素。图中以附图标记9表示第三功能性区域。该功能性纳米结构基于空间复用方式，实现单片彩色显示，优化了制备工艺，节约了工艺成本，且亮度及视场分辨率得到保证。另外，图20为一种扩大视场的空间复用组合方式，在可选的实施方式中，其纳米结构相当与单个离轴菲涅尔透镜结构，可以使图像光线汇聚于人眼。其中，通过设计单个像素单元复杂纳米结构，可优化透过纳米镜片的光场分布。适当设计像素间距，可使之满足照明空隙要求。此外，通过调节图上各像素的像素大小、结构或槽深等结构参数依空间分布变化，可使各像素点获得理想的衍射效率，达到均匀照明的目的。单个子像素的纳米光栅周期在100nm-1000nm范围内。另外，对应不同的红绿蓝颜色的纳米子像素具有不同的衍射角度和焦距，以满足放大成像和彩色合成的要求。

图21是实现多景深显示的结构示意图，通过叠加三片纳米镜片即近景深波导镜片3'、中景深波导镜片3''及远景深波导镜片3'''的方式，分别用于传输近景深图像14'、中景深图像14''、远景深图像14'''。其中，三片纳米镜片的像素单元的周期及取向分布不同，图像光线耦合纳米镜片时，不同景深图像源聚焦于不同虚像面，人眼观察时，可实时切换不同景深图像，实现无视觉疲劳显示。

图22为采用上述多种拼接式纳米镜片3的近眼显示装置，包括左眼图像光在左纳米镜片内耦合传导；右眼图像光在右纳米镜片内耦合传导，左右眼同时接收到输出光线，人眼5透过镜片观看到三维信息。

综上所述，本发明公开了一种利用视场拼接方法实现的宽视角佩戴式3D显示装置。在提高视场角的同时，保证了虚拟景象的清晰度和亮度。该设计可实现宽、窄视角切换，兼顾便携、能耗、性能等智能眼镜不同应用场合的要求。

本发明基于视场拼接和全息光学原理，结合微投影系统，在实现大视场增强现实三维显示的同时，能保证虚拟图像的清晰度和亮度。可见，本发明的大视场纳米镜片及近眼显示装置通过视场拼接，扩大视场范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：（1）本发明提出了多种大视场纳米镜片，通过视场拼接的方式，扩大输出视角，增大虚拟景象视场范围，同时保证虚拟景象清晰度和亮度；（2）本发明提出的近眼显示装置，采用上述设计的纳米镜片，可实现大视场观看，增强视觉效果；（3）本发明提出的视场拼接方法，可实现宽/窄视角切换，兼顾显示性能、能源消耗等因素，可满足不同场景的应用需求。

本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施方式进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的范围内。

Claims (18)

1.一种纳米镜片，其特征在于，所述纳米镜片包括：

纳米结构；以及

作为所述纳米结构的载体的镜片基底，

其中，所述纳米结构呈排布在所述镜片基底上的纳米光栅的形式，所述纳米光栅成夹角分布并且包括用于接收来自微投影系统的图像的入射纳米光栅以及用于向人眼前方出射耦合图像的出射纳米光栅。

2.如权利要求1所述的纳米镜片，其中，所述纳米结构位于所述镜片基底的表面或内部。

3.如权利要求2所述的纳米镜片，其中，所述纳米结构为单层结构或多层层叠结构。

4.如权利要求1所述的纳米镜片，其中，所述纳米光栅的表面覆有与所述镜片基底的折射率不同的透明介质层。

5.如权利要求1所述的纳米镜片，其中，所述镜片基底是多弯曲结构、弧形结构、长条结构、梯型结构或者自由曲面结构。

6.如权利要求1所述的纳米镜片，其中，所述纳米结构由多组结构单元构成，每组结构单元包括红色单元像素、绿色单元像素和蓝色单元像素，分别用于对应传输相应的颜色图像光线。

7.如权利要求1所述的纳米镜片，其中，所述镜片基底包括一组或多组纳米结构，其适于与一组或多组微投影系统耦合，实现视场拼接。

8.如权利要求1所述的纳米镜片，其中，所述纳米结构呈离轴菲涅尔透镜结构。

9.如前述权利要求1至8中任一项所述的纳米镜片，其中，所述纳米结构包括三个区域：

第一区域，其用以耦合来自所述微投影系统的图像光线，耦合光线经波导内全反射左右分别传输至第二区域；

所述第二区域，其用以改变光线走向，将光束导向第三区域；以及

所述第三区域，其为输出区域，将光束分别以一定角度出射至人眼视网膜。

10.如权利要求9所述的纳米镜片，其中，所述第二区域和所述第三区域以所述第一区域为轴，呈现空间上对称分布。

11.如权利要求9所述的纳米镜片，其中，所述第一区域具有倾斜光栅，并且所述倾斜光栅呈菱形结构、三角结构、梯形结构或波浪结构。

12.如权利要求9所述的纳米镜片，其中，所述第一区域为左右对称的形状结构。

13.一种利用如权利要求9至12中任一项所述的纳米镜片的近眼显示方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤A：用所述第一区域耦合来自所述微投影系统的图像光线，使耦合光线经波导内全反射左右分别传输至所述第二区域；

步骤B：用所述第二区域改变光线走向，将光束导向第三区域；

步骤C：用所述第三区域作为输出区域，将光束分别以一定角度出射至人眼视网膜。

14.一种近眼显示装置，其特征在于，所述近眼显示装置由如前述权利要求1至12中任一项所述的纳米镜片与多于一个微投影系统光学耦合而成，每个微投影系统分别实现一个视场图像的输出，所有微投影系统组合获得大视场的虚拟图像耦合。

15.如权利要求14所述的近眼显示装置，其中，所述纳米镜片为光线波导，微投影图像耦合进入纳米镜片，满足全反射条件传播。

16.如权利要求14所述的近眼显示装置，其中，所述近眼显示装置包括位于左侧的所述纳米镜片和位于右侧的所述纳米镜片，并且，左眼图像光在位于左侧的所述纳米镜片内耦合传导，右眼图像光在位于右侧的所述纳米镜片内耦合传导，左右眼同时接收到输出光线使人眼透过镜片观看到三维信息。

17.如权利要求14所述的近眼显示装置，其中，所述纳米镜片的拼接为非对称错落分布，或者，所述纳米镜片的拼接为对称分布。

18.如权利要求14所述的近眼显示装置，其中，所述近眼显示装置具有叠加的三片所述纳米镜片，分别用于传输近、中、远景深图像。