[发明专利]一种增强现实的光学叠加器和相关设备

说明书

本发明实施例提供了一种增强现实的光学叠加器和相关设备。其中，光学叠加器包括透明衬底和超表面层，超表面层设置于所述透明衬底的表面。超表面层包括二维排列的多个超表面单元；其中，多个超表面单元中相邻的两个超表面单元之间的间隔沿着一个或两个维度逐渐变化，且任意相邻的两个超表面单元之间的相对角度不为零。本发明实施例提供的光学叠加器能够提高环境光的透过率，提高图像的均匀度和视场角。

技术领域

本申请涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种增强现实的光学叠加器和相关设备。

背景技术

近年来，增强现实(Augmented Reality，AR)显示技术被应用到越来越多的电子设备中，例如，出现了AR眼镜、车载抬头显示等应用AR显示技术的新产品。使用AR显示技术的产品中，通过光学叠加器(optical combiner)将虚拟图像和现实场景相互叠加，形成增加现实的现实效果。因此，光学叠加器是AR显示技术的核心器件。

目前，光学叠加器的一种实现原理是是通过光的反射和透射实现。利用非衍射的光学元件(如分束器等)对光学引擎发出的虚拟图像的光信号进行反射，同时对现实场景中的可见光进行透射。反射光和透射光一起进入人眼，从而形成叠加画面。这种方式结构比较简单，但人眼中虚拟图像画面的视场角不大，并且可见光透过率不高。光学叠加器的另一种实现原理是通过光的衍射和透射实现。利用两块具有衍射功能的光学元件(如光栅或浮雕)，其中一块衍射元件用于将光学引擎发出的虚拟图像的光信号耦合进入光波导，另一块衍射元件用于将耦合至光波导的光信号耦合输出。输出的光信号和经过透射的现实场景的自然光一起进入人眼，从而形成叠加画面。由于光栅对波长非常敏感，所以容易出现颜色串扰，导致图像均匀度较低。

因此，需要解决现有技术中光学叠加器的虚拟图像画面的视场角小、环境光透过率低、图像均匀度低等问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种增强显示的光学叠加器和相关设备。

第一方面，本申请提供一种光学叠加器，包括透明衬底和超表面层，该超表面层设置于透明衬底的表面，超表面层包括二维排列的多个超表面单元。其中，多个超表面单元中相邻的两个超表面单元之间的间隔沿着一个或两个维度逐渐变化，且任意相邻的两个超表面单元之间的相对角度不为零。

相邻的两个超表面单元之间的间隔沿着一个或两个方向逐渐变化，并且任意相邻的两个超表面单元之间的相对角度不为零，使得光学叠加器能够增大虚拟图像画面的视场角，提升对环境光的透射率和图像的均匀度。

一种可能的实现方式中，超表面层包括多个区域，不同区域对应的光信号的入射角度不同，使得不同角度入射的光信号汇聚到一点。例如，超表面层的不同区域上，相邻的两个超表面单元之间的间隔不同，汇聚点会偏向间隔较小的区域。超表面层的多个区域可以是物理上划分，也可以是逻辑上划分的。不同区域对应的光信号的入射角和出射角度可以不同，从而增大虚拟画面的视场角。

一种可能的实现方式中，超表面层用于对窄线宽波段的光信号进行反射，对宽线宽波段的光信号进行透射，其中，窄线宽波段指的是光谱范围较窄的波段，窄线宽波段的光信号包括至少三种波长，例如红、绿、蓝三种波长。

窄线宽波段的光信号可以包括红、绿、蓝三种波长光信号，用于承载虚拟图像。宽线宽波段的光信号可以是环境光或可见光，用于承载现实图像。超表面层中通过超表面单元的排列设计可以使光学叠加器对承载虚拟图像的光信号进行全反射，提高光学叠加器对环境光的透过率，从而提高图像的均匀度。

一种可能的实现方式中，相邻的两个超表面单元之间的间隔沿着一个或两个维度逐渐增大或逐渐减小。

相邻两个超表面单元之间的间距可以沿着超表面单元的水平方向或垂直方向逐渐变化，可以是线性变化的，也可以是非线性变化的。

一种可能的实现方式中，相邻的两个超表面单元之间的相对角度沿着一个或两个维度逐渐变化。