[發明專利]一種增強現實的光學疊加器和相關設備

有效

• 申請號: 201910810425.1
• 申請日: 2019-08-29
• 公開（公告）號: CN112444968B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 郭睿;李根;李淑杰;耿東玉;涂敏海
• 申請（專利權）人: 華為技術有限公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 熊永強;李稷芳

本發明實施例提供了一種增強現實的光學疊加器和相關設備。其中，光學疊加器包括透明襯底和超表面層，超表面層設置于所述透明襯底的表面。超表面層包括二維排列的多個超表面單元；其中，多個超表面單元中相鄰的兩個超表面單元之間的間隔沿著一個或兩個維度逐漸變化，且任意相鄰的兩個超表面單元之間的相對角度不為零。本發明實施例提供的光學疊加器能夠提高環境光的透過率，提高圖像的均勻度和視場角。

技術領域

本申請涉及增強現實技術領域，尤其涉及一種增強現實的光學疊加器和相關設備。

背景技術

近年來，增強現實(Augmented Reality，AR)顯示技術被應用到越來越多的電子設備中，例如，出現了AR眼鏡、車載抬頭顯示等應用AR顯示技術的新產品。使用AR顯示技術的產品中，通過光學疊加器(optical combiner)將虛擬圖像和現實場景相互疊加，形成增加現實的現實效果。因此，光學疊加器是AR顯示技術的核心器件。

目前，光學疊加器的一種實現原理是是通過光的反射和透射實現。利用非衍射的光學元件(如分束器等)對光學引擎發出的虛擬圖像的光信號進行反射，同時對現實場景中的可見光進行透射。反射光和透射光一起進入人眼，從而形成疊加畫面。這種方式結構比較簡單，但人眼中虛擬圖像畫面的視場角不大，并且可見光透過率不高。光學疊加器的另一種實現原理是通過光的衍射和透射實現。利用兩塊具有衍射功能的光學元件(如光柵或浮雕)，其中一塊衍射元件用于將光學引擎發出的虛擬圖像的光信號耦合進入光波導，另一塊衍射元件用于將耦合至光波導的光信號耦合輸出。輸出的光信號和經過透射的現實場景的自然光一起進入人眼，從而形成疊加畫面。由于光柵對波長非常敏感，所以容易出現顏色串擾，導致圖像均勻度較低。

因此，需要解決現有技術中光學疊加器的虛擬圖像畫面的視場角小、環境光透過率低、圖像均勻度低等問題。

發明內容

有鑒于此，本申請提供一種增強顯示的光學疊加器和相關設備。

第一方面，本申請提供一種光學疊加器，包括透明襯底和超表面層，該超表面層設置于透明襯底的表面，超表面層包括二維排列的多個超表面單元。其中，多個超表面單元中相鄰的兩個超表面單元之間的間隔沿著一個或兩個維度逐漸變化，且任意相鄰的兩個超表面單元之間的相對角度不為零。

相鄰的兩個超表面單元之間的間隔沿著一個或兩個方向逐漸變化，并且任意相鄰的兩個超表面單元之間的相對角度不為零，使得光學疊加器能夠增大虛擬圖像畫面的視場角，提升對環境光的透射率和圖像的均勻度。

一種可能的實現方式中，超表面層包括多個區域，不同區域對應的光信號的入射角度不同，使得不同角度入射的光信號匯聚到一點。例如，超表面層的不同區域上，相鄰的兩個超表面單元之間的間隔不同，匯聚點會偏向間隔較小的區域。超表面層的多個區域可以是物理上劃分，也可以是邏輯上劃分的。不同區域對應的光信號的入射角和出射角度可以不同，從而增大虛擬畫面的視場角。

一種可能的實現方式中，超表面層用于對窄線寬波段的光信號進行反射，對寬線寬波段的光信號進行透射，其中，窄線寬波段指的是光譜范圍較窄的波段，窄線寬波段的光信號包括至少三種波長，例如紅、綠、藍三種波長。

窄線寬波段的光信號可以包括紅、綠、藍三種波長光信號，用于承載虛擬圖像。寬線寬波段的光信號可以是環境光或可見光，用于承載現實圖像。超表面層中通過超表面單元的排列設計可以使光學疊加器對承載虛擬圖像的光信號進行全反射，提高光學疊加器對環境光的透過率，從而提高圖像的均勻度。

一種可能的實現方式中，相鄰的兩個超表面單元之間的間隔沿著一個或兩個維度逐漸增大或逐漸減小。

相鄰兩個超表面單元之間的間距可以沿著超表面單元的水平方向或垂直方向逐漸變化，可以是線性變化的，也可以是非線性變化的。

一種可能的實現方式中，相鄰的兩個超表面單元之間的相對角度沿著一個或兩個維度逐漸變化。