[发明专利]可用于增强现实眼镜的多层结构光栅

说明书

本发明公开了一种可用于增强现实眼镜的多层结构光栅，该多层结构光栅由不同折射率材料的光栅直接叠加而成，每层光栅折射率由靠近基底层至靠近空气层依次降低。双层矩形光栅在光源正入射时正一级次衍射效率为20.4％至75.7％，视场角7°至27°；双层三角形光栅在光源正入射时正一级次衍射效率为48.4％至95.7％，视场角13°至15°；三层矩形光栅在光源正入射时正一级次衍射效率为19.4％至74.4％，视场角16°至20°。本发明的多层结构光栅结构简单，制作方便，易于与现有的光刻、刻蚀技术相结合，在使用纳米压印技术进行翻刻时不会存在难以脱模的问题，批量生产的可行性高。

技术领域

本发明属于增强现实技术领域，尤其涉及一种多层结构的全波长段可用于增强现实眼镜的光栅。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术作为热门科技，无论是在科研机构还是产品公司如今都备受关注。与虚拟现实(Virtual Reality，VR)相比，AR眼镜显示的画面可以与真实世界相互融合，实现难度比VR大得多。而其中，AR镜片便是最重要的关键技术点。

AR镜片现有4种常见的光学方案：

1、直接投影或离轴反射：直接投影类似于投影仪，比如在一侧镜腿安装微型投影仪，将镜片作为反射镜，通过反射形成平行光进入人眼成像；离轴反射与其相似，只是运用了离轴抛物反射镜，其可在特定角度下直射并聚焦入射平行光，且支持无限远焦点。可将小型投影仪设置在两侧镜框内，由LED光源将半透式LCD上的影像投射至分光镜片上成像，从而提供了立体视觉。此法简单但成像效果一般，亮度低，像差大。

2、棱镜反射：运用普通角棱镜将显示器发出的光从镜片反射进人眼，同时也让现实世界的光透射进来。此法简单便捷，但由于技术限制视场角仅能做到20°左右，想提高视场角只能通过增厚镜片实现。光线先后两次经过半透半反膜层导致光能利用率低(约为20％)，画面较暗；自由曲面棱镜可改善上述问题，光线经过非旋转对称的XY多项式自由曲面棱镜的变换，形成虚拟放大的图像，其全反射的出射面和反射面能消除色差、畸变等像差，因此成像质量更加清晰，视角可以达54°，采用双自由曲面棱镜视场角可以进一步提高。缺点就是体积较大，厚度约在7至10mm，并且表面形状不能被连续加工，设计难度较大。

3、多层反射镜与光波导结合：以色列公司Lumus提出了一种多反射层结构LOE(Light-guide Optical Element)器件，由一系列倾斜的反射片组成。LOE器件原理和潜望镜类似，不同的是使用了多个反射片扩展出瞳，每个反射片反射的都是平行光，形成同一个像。Lumus公司使用这种器件的代表性产品PD-18分辨率800×600，视场角26°×20°，出瞳10mm，出瞳距23mm，器件厚度2.3mm，重量小于70g，显示区透过率70％。此方法技术壁垒低，但工艺上采用多片胶合，其量产成本较高。

4、衍射光栅与光波导结合：此光学方案主要由微显示器、光栅和平板波导组成。微显示器的图像经过微型准直透镜后变成平行光进入光波导到达第一个光栅，由于光栅的衍射效应使平行光改变传输方向，因满足全反射条件将沿着光波导无损传输。当平行光传输到第二个光栅时，全反射条件被破坏从而使平行光从光栅出射并进入人眼成像。由于光栅和波导的存在，光学图像可以垂直偏转传播。这不但减小了传播距离，还可保持光学系统的重心在头部以内。同时，光波导能够在3mm以内的玻璃上实现30°至40°的视场角，可以附加在普通眼镜上，从而有利于AR光学系统的简洁化和轻小型设计。