增强现实设备的制作方法

1.本实用新型涉及ar技术领域，尤其涉及一种增强现实设备。

背景技术：

2.增强现实(ar)是一种将真实世界和虚拟信息相融合的技术，ar显示系统通常包括微型投影仪和光学显示屏，微型投影仪为ar显示系统提供虚拟内容，该虚拟内容通过光学显示屏投射到人眼中，光学显示屏通常是透明的光学部件，这样可以使得用户可以透过光学显示屏同时看到真实世界。
3.光波导是光学显示屏的一种实现路径。当传输介质折射率大于周围介质且在波导中的入射角大于全反射临界角时，光即可在波导内无泄漏地传输，发生全反射。来自投影仪的虚拟内容的光束被耦合进入波导后，光束就能在波导内继续无损地传播以传输虚拟内容，直到被后续光学结构耦出。目前市面上光波导通常被分为几何阵列波导和衍射光波导，其中衍射光波导又分为体全息波导和表面浮雕光栅波导，衍射光波导的本质都是通过光栅衍射将入射光束耦入到波导中，表面浮雕光栅波导以其极高的设计自由度和由纳米压印加工带来的可量产性，在众多方案中具有明显的优势。
4.一般来说，衍射光波导通常包括耦入、扩瞳和耦出三部分，在采用侧上投波导架构时，传统一维光栅架构的示意图如图1，为了避免图像缺失，尤其是视场角(fov)较大时，扩瞳区域面积较大，导致所需波导尺寸也较大。而且，为了满足用户佩戴的需求以及增强现实设备的尺寸标准，波导尺寸不可能无限制增大，这就导致尤其在fov较大时，势必会超出波导外形范围，影响增强现实设备外形设计。

技术实现要素：

5.本实用新型提供一种增强现实设备，以解决现有技术中波导扩瞳光栅面积太大、影响增强现实设备外形设计的问题。
6.为解决上述技术问题，本实用新型是通过如下技术方案实现的：
7.本实用新型提供一种增强现实设备，其包括：
8.设备主体；
9.光机，所述光机被设置于所述设备主体，用于投射图像光束；以及
10.光波导结构，所述光波导结构被设置于所述设备主体，且包括：
11.第一层波导、第二层波导；
12.所述第一层波导与所述第二层波导叠加设置；
13.所述第一层波导包括：第一耦入区域、第一耦出区域；所述第一耦入区域用于将光机发出的图像光束耦入所述第一层波导；所述第一耦出区域用于将所述第一层波导中传输的图像光束从所述第一层波导中耦出；
14.所述第二层波导包括：第二耦入区域、第二耦出区域；所述第二耦入区域的位置与所述第一耦出区域的位置相对应，以将所述第一耦出区域耦出的图像光束耦入所述第二层
波导；所述第二耦出区域用于将所述第二层波导中传输的图像光束从所述第二层波导中耦出以进入人眼；
15.其中，所述第一层波导通过反射的方式约束所述图像光束朝向第一方向传播；所述第一方向为从所述第一耦入区域到所述第一耦出区域的方向，所述反射包括在所述第一层波导的与所述第一方向平行的四个表面上的反射。
16.较佳地，所述第一波导包括至少一个条状波导；所述四个表面包括相互平行的第一表面和第二表面，以及相互平行的第三表面和第四表面；
17.所述第一表面和所述第二表面通过对所述图像光束进行全反射，所述第三表面和所述第四表面通过对所述图像光束进行反射，以将所述图像光束约束在所述条状波导中朝向所述第一方向传播，并在所述第一方向上出瞳扩展。
18.较佳地，所述第三表面、所述第四表面的外表面设置有反射膜层。
19.较佳地，所述条状波导的数量为至少两个时，至少两个所述条状波导沿与所述第一方向垂直的第三方向依次分布；其中，相邻两个所述条状波导之间存在空气间隙。
20.较佳地，至少两个所述条状波导的一端连通，另一端分离；或者，
21.至少两个所述条状波导相互独立且互相平行。
22.较佳地，当至少两个所述条状波导的一端连通，另一端分离时，所述条状波导的厚度和/或宽度被调制为使得不同的条状波导耦出的图像光束的密度趋于一致；
23.其中，不同的条状波导传播不同反射角度和/或不同波长的图像光束。
24.较佳地，至少两个所述条状波导中的任意两个条状波导，厚度或者宽度较大者所传播的图像光束的反射角度小于厚度或者宽度较小者所传播的图像光束的反射角度，或者，厚度或者宽度较大者所传播的图像光束的波长小于厚度或者宽度较小者所传播的图像光束的波长。
25.较佳地，当至少两个所述条状波导相互独立且互相平行时，每个所述条状波导对应一个所述第一耦入区域；不同所述条状波导的所述第一耦入区域的光栅参数不同，用于使得不同所述条状波导中耦入不同波长的图像光束。
26.较佳地，所述光机发出的图像光束倾斜入射至所述第一耦入区域。
27.较佳地，从所述第二耦入区域到所述第二耦出区域的方向为第二方向，所述第二方向不同于所述第一方向，所述第二耦出区域还用于在所述第二方向上进行出瞳扩展。
28.较佳地，所述增强现实设备实现为近眼显示设备，所述设备主体实施为眼镜架，所述眼镜架包括横梁部和镜腿部，所述镜腿部从所述横梁部的至少一侧向后延伸，所述光波导结构被对应地设置于所述横梁部。
29.较佳地，还包括：矫正元件，所述矫正元件设置于所述第二耦出区域的光束耦出方向，用于对所述第二耦出区域的耦出光束的方向进行调制以实现耦出光束成像矫正。
30.本实用新型提供的增强现实设备，通过两层波导：第一层波导、第二层波导的设计，且第一层波导通过反射的方式约束所述图像光束朝向第一方向传播，扩瞳区域的面积与现有技术相比大大减小，进而可以减小波导的尺寸，进而不会影响增强现实设备的外形设计。
31.本实用新型的一可选方案中，第一层波导被设计为条状波导来实现图像光束的约束传播，且条状波导被配置为：能够使得与侧面作用奇数次的图像光束无法耦出，即第一层
波导具有单向耦出特性，该特性可以保证耦出的光线方向均为一致的，不会有两个相反的光线耦出，进而保证了耦出图像的方向的一致性。
32.本实用新型的一可选方案中，第一层波导包括：沿与所述第一方向垂直的第三方向依次分布的至少两个条状波导，相比于只包括一个波导的情况，提高了耦出光线的密度，即提高了波导的耦出效率，效率越高，画面亮度越高；另外多个条状波导可以分别传输不同波长的光线，进而可以实现彩耦入。
33.本实用新型的一可选方案中，当第一层波导包括至少两个条状波导时，不同条状波导的厚度和/或宽度可以不同，通过对厚度和/或宽度进行调控可以均衡各条状波导的耦出光线密度，进而可以进一步提高波导的耦出效率，另外可以使得fov的均匀性更好。
34.本实用新型的一可选方案中，对第一耦出区域进行了分区设置，即第一耦出区域为分区第一耦出区域，可以使得第一耦出区域的各个位置处耦出的效率和/或能量相对均匀，提高了第一层波导耦出的图像光束的质量。和/或，对第二耦出区域进行了分区设置，即第二耦出区域为分区第二耦出区域，可以使得第二耦出区域的各个位置处耦出的效率和/或能量相对均匀，提高了第二层波导耦出的图像光束的质量。
35.本实用新型的一可选方案中，还包括矫正元件，通过矫正元件对第二耦出区域的耦出光束的方向进行调制，将其调制为预期方向，即控制耦出光线的方向，便于成像，且进一步提高了光线利用率。
附图说明
36.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1为现有技术中衍射光波导的光栅结构分布示意图；
38.图2为本实用新型的一实施例的光波导结构的立体图；
39.图3为本实用新型的一实施例的第一层波导的示意图；
40.图4为本实用新型的一实施例的第二层波导的示意图；
41.图5为本实用新型的一实施例的光波导结构的正视图；
42.图6为本实用新型的一实施例的光波导结构的光束传播的立体示意图；
43.图7为本实用新型的一实施例的光波导结构的光束传播的一视角下的示意图；
44.图8为本实用新型的一实施例的光波导结构与现有光波导的对比示意图；
45.图9为本实用新型的一实施例的某一视场角(fovi)的图像光束在第一层波导中传播的空间示意图；
46.图10为fovi的图像光束在第一层波导中传播的俯视图；
47.图11为fovi的图像光束在第一层波导中传播的主视图；
48.图12为本实用新型的一实施例的第一层波导的光线传播的波矢图；
49.图13为本实用新型的一实施例的第一层波导的俯视图；
50.图14为本实用新型的一实施例的第一层波导的俯视图；
51.图15为波导内全内反射角与入射角度的关系示意图；
52.图16为本实用新型的一实施例的第一层波导的多个条状波导的耦出的光线密度与全内反射角度θ
dif
的关系示意图；
53.图17为本实用新型的一实施例的第一层波导的多个条状波导的耦出的光线密度与全内反射角度φ
dif
的关系示意图；
54.图18为本实用新型的一实施例的第一层波导的条状波导的宽度调制示意图；
55.图19为本实用新型的一实施例的第一层波导包括一个条状波导时的光线传播示意图；
56.图20为本实用新型的一实施例的第一层波导包括三个条状波导时的光线传播示意图；
57.图21为本实用新型的一实施例的耦出光束方向调制元件的主视图；
58.附图标记说明：
59.1-第一层波导，
60.11-第一耦入区域，
61.12-第一耦出区域；
62.2-第二层波导，
63.21-第二耦入区域，
64.22-第二耦出区域；
65.3-光机；
66.4-矫正元件。
具体实施方式
67.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
68.在本实用新型说明书的描述中，需要理解的是，术语“上部”、“下部”、“上端”、“下端”、“下表面”、“上表面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
69.在本实用新型说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
70.在本实用新型的描述中，“多个”的含义是多个，例如两个，三个，四个等，除非另有明确具体的限定。
71.在本实用新型说明书的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
72.下面以具体地实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
73.本技术实施例提供一种增强现实设备，其包括：设备主体、光机以及光波导结构。其中，光机被设置于设备主体，用于投射图像光束。光波导结构被设置于设备主体，且包括：第一层波导1、第二层波导2，参考图2、图3、图4、图5、图6、图7。其中，第一层波导1与第二层波导2叠加设置，请参考图2。第一层波导1包括第一耦入区域11和第一耦出区域12，参考图3；第二层波导2包括第二耦入区域21和第二耦出区域22，请参考图4。参考图6、图7，第一耦入区域11用于将光机3发出的图像光束耦入第一层波导1；第一耦出区域12用于将第一层波导1中传输的图像光束从第一层波导1中耦出，并入射至第二层波导2。参考图6，第二耦入区域21的位置与第一耦出区域12的位置相对应，第二耦入区域21用于将第一耦出区域12耦出的图像光束耦入第二层波导2；第二耦出区域22用于将第二层波导2中传播的图像光束从第二层波导2中耦出。需要说明的是，在图2、5中，由于第二层波导2位于第一层波导1的下方，第二耦入区域21与第一耦出区域12的位置相对应，因此第二耦入区域21被第一耦出区域12遮挡住，图中未示出。
74.其中，第一层波导通过反射的方式约束图像光束朝向第一方向传播；第一方向为从第一耦入区域到第一耦出区域的方向，参考图5。需要说明的是，这里的反射包括在第一层波导的与第一方向平行的四个表面上的反射，参考图5，四个表面包括与x-y平面平行的表面和与x-z平面平行的表面。
75.一般来说，衍射光波导通常包括耦入、扩瞳和耦出三部分，现有技术中采用的为单层波导的光栅结构布局，在采用前侧上投波导架构时，现有的一维光栅架构的示意图如图1，为了避免图像缺失，尤其是视场角(fov)较大时，扩瞳区域面积较大，导致所需波导尺寸也较大。当光波导应用于ar眼镜时，为了满足用户佩戴的需求以及眼镜的尺寸标准，波导尺寸不可能无限制增大，这就导致尤其在fov较大时，势必会超出波导外形范围，影响ar眼镜外形设计。另外，单层波导的光栅结构布局，特别是在当视场角很大时，波导所需的出射光瞳扩展器(epe)也很大，如图1中的扩瞳区域，fov越大，扩瞳的张角越大，这对眼镜外观设计带来了很大的挑战。
76.本实用新型的光波导结构通过两层波导设计，大大减小了扩瞳区域的面积。具体请参考图8，现有的单层光栅结构布局为：耦入1+扩瞳(2+3+4)+耦出5。本实用新型提供的双层波导的布局为：第一层波导：耦入1+耦出2，第二层波导：耦入2’(2的正下方)+耦出5’。从图8中可看出，本实用新型与现有技术相比：(1)第一层波导通过反射的方式约束图像光束朝向第一方向传播，侧壁的反射作用将原本在区域3和区域4传播的光线反射到区域2内传播，与区域2内的结构作用耦出第一层波导，也就是说仅将区域2设置为扩瞳区域，就能覆盖全视场，节省了区域3和区域4的位置，使得扩瞳区域的面积得到减小；(2)由于节省了区域4的位置，耦入2’+耦出5’之间的距离缩小，也增加了耦出5’的尺寸与位置的设计自由度。
77.一实施例中，第一层波导1与第二层波导2平行叠加设置。具体地，第一层波导1与第二层波导2平行叠加设置可以为：第一耦出区域所在的平面与第二耦入区域所在的平面平行，第一层波导与第二层波导相对的面不存在夹角，参考图5，第一耦出区域所在的平面与第二耦入区域所在的平面为x-y平面。当然，在另外的实施例中，第一层波导1与第二层波导相对的面也可以存在夹角。相对于两层波导存在夹角的设计，两层波导相互平行的设计
所占用的体积更小，尤其是在第一层波导在夹角边方向的尺寸较大时，体积的缩减更明显。
78.一实施例中，光机发出的图像光束倾斜入射至第一耦入区域。需要说明的是，第一层波导在与第一方向平行的四个表面对图像光束的传播会导致镜像光束产生，通过设置光机的光束出射方向，使得光机发出的图像光束倾斜入射至第一耦入区域，可以防止镜像光束从第一层波导耦出。光机发出的图像光束倾斜入射至第一耦入区域还可以避免图像光束反射回光机而造成的鬼像。
79.本技术提供的实施例中，第一耦出区域还用于在第一方向上进行出瞳扩展；第二耦出区域还用于在与第一方向不同的第二方向上进行出瞳扩展。即第一层波导与第二层波导的出瞳扩展方向不同，可以实现二维扩瞳。参考图5，第一耦入区域指向第一耦出区域的方向为第一方向，实现在第一方向上的出瞳扩展，第二耦入方向指向第二耦出区域的方向为第二方向，实现在第二方向的出瞳扩展。
80.另外，本技术提供的光波导结构的第一层波导和第二层波导直接叠合即可，工艺成熟稳定，参考图7。示例性地，可以采用叠合胶进行叠合。
81.下面对第一层波导进行详细描述。
82.一实施例中，第一层波导实现为条状波导。比如，条状波导可以实现为方形条状波导。其中，沿着图像光束的传播方向，方形条状波导的四个面为：相互平行的第一表面和第二表面，相互平行的第三表面和第四表面。该四个面均为工作面。第一表面和第二表面通过对图像光束进行全反射，第三表面和第四表面通过对图像光束进行反射，以将图像光束约束在条状波导中朝向第一方向传播。
83.具体地，图像光束耦入第一层光波导后，沿光束传播方向在第一层波导的第一表面和第二表面全反射传播，第一层波导的第一表面和/或第二表面设置有第一耦出区域，这样图像光束随着在第一表面和第二表面之间的全反射传播不断从第一耦出区域耦出，将光机发出的圆形或矩形耦入光斑扩展为条形光斑。同时，在图像光束传播至第一层波导的第三表面和第四表面时，第一层波导的第三表面、第四表面通过对图像光束进行反射，以将图像光束约束在第一层波导中继续传播，增加了图像光束在第一耦出区域的作用次数，进而增加了从第一耦出区域耦出的光束的光线密度。
84.需要说明的是，本技术中通过提供实现为条状波导的第一层波导，通过第一层波导的第三表面和第四表面对图像光束的反射作用，将图像光束约束在第一层波导中传输。然而，图像光束在第三表面或第四表面反射前后互为镜像，若互为镜像的光束均从第一层波导中耦出，则会出现两个方向相反的图像。为了保证耦出图像的方向的一致性，不会出现两个方向相反的图像，本技术通过设计使得第一层波导具有单向耦出特性，只有特定的光线才可以被耦出，也就是说在第三表面、第四表面反射总次数为偶数次的图像光束才可以从第一耦出区域耦出。
85.具体地，本技术在第一耦入区域设置耦入光栅将图像光束耦入第一层波导，在第一耦出区域设置耦出光栅将图像光束耦出第一层波导。继而，通过设计光机朝向第一耦入区域出射图像光束的出光方向和/或耦入光栅、耦出光栅的周期和方向，防止镜像光束从第一层波导耦出。
86.下面对具有单向耦出特性的第一层波导的工作原理进行详细描述。
87.如图9、10、11和12所示，图9为某一视场角(fovi)的图像光束在第一层波导中传播
的空间示意图。图10为fovi的图像光束在第一层波导中传播的俯视图，图11为fovi的图像光束在第一层波导中传播的主视图，按照图9中定义的光束传播方向，沿光束传播方向的四个面为：第一表面s1、第二表面s2、第三表面s3和第四表面s4，垂直于光束传播方向的两个面为：第五表面s5和第六表面s6。图12为图像光束传播的k域图。
88.参考图9、10和11，fovi的图像光束入射至第一层波导的耦入区域后，在s2上第一耦入区域11的102位置处发生衍射耦入第一层波导中，并在s1与s2间向x轴负方向全反射传播。在s1的103位置处发生第一次全反射后继续传播至s2，在s2上第一耦出区域12的104位置处发生衍射，此时的图像光束并未产生镜像，允许一部分光束耦出第一层波导(图中未示出)，一部分光束继续全反射传播至s3，在s3的105位置发生反射后继续传播至s1，在s1的106位置处发生全反射后继续传播至s2，在s2上第一耦出区域12的107位置处发生衍射，此时图像光束为光机出射图像光束的镜像，不允许光束耦出第一层波导，光束继续全反射传播至s1，在s1的108位置处发生全反射后继续传播至s2，在s2上第一耦出区域12的109位置处发生衍射，此时也不会有光束耦出，且一部分光束继续全反射传播至s4，在s4的110位置发生反射后继续传播至s1，在s1的111位置处发生全反射后继续传播至s2，在s2上第一耦出区域12的112位置处发生衍射。由于此时的光束在左右侧面经过2次反射，2次镜像后与光机出射的图像光束一致，允许光束耦出，则一部分光束耦出第一层波导(图中未示出)，一部分光束继续全反射传播至s1，在s1的113位置发生反射后继续传播至s2，在s2上第一耦出区域12的114位置处再次发生衍射，一部分光束耦出第一层波导(图中未示出)，部分光束继续全反射传播至s3，在s3的115位置发生反射后继续传播直至s2上第一耦出区域12的117位置处发生衍射，此时图像光束为光机出射图像光束的镜像，不允许光束耦出第一层波导，光束继续全反射传播至s6。
89.可以理解，图像光束在s3和s4平面反射耦数次后与第一耦出区域作用时，光束与光机出射图像光束一致，图像光束在s3和s4平面反射奇数次后与第一耦出区域作用时，光束与光机出射图像光束的镜像，为了避免出现两个方向相反的图像，应防止镜像耦出第一层波导。本技术通过设计光机朝向第一耦入区域出射图像光束的出光方向和耦入光栅、耦出光栅的周期和方向，防止镜像光束从第一层波导耦出。参考图12，光机出射的图像光束的波矢可以存在于以初始波矢kx和ky定义的波矢空间的一个区域box0中，光机垂直出射时，box0位于波矢图的中心位置，当光机倾斜设置时，图像光束的波矢的方向发生了变化，则box0在波矢图中的位置相对于中心位置发生了偏移。经过耦入光栅的作用后，进入波导中进行全反射传播，耦入光栅的作用表示为箭头kin；光束在第一次到达波导侧面(第三表面或第四表面)前，如果已经进入了耦出区域，那么必然会和耦出光栅作用从而耦出，此时的耦出光栅的作用表示为箭头kout。而当光束第一次达到波导侧面时，沿着y方向的光矢量反向，该反射过程表示为箭头kre；在经过一次侧面反射后，光束继续全反射传播，再次入射至耦出光栅，耦出光栅的作用表示为kout，由k域图可知此时不存在耦出级次，即经过一次侧面反射的光线不会在耦出区域耦出；进一步地，光束若再一次经过侧面的反射作用，此时沿着y方向的光矢量再次反向，反射作用可以表示为kre，这时光束再继续传播入射至耦出光栅，便可以被耦出光栅耦出。由此可见跟波导侧面作用奇数次的光束无法耦出，而作用偶数次的光束可以从第二层波导中耦出以进入人眼；该特性保证了耦出的光线方向均为一致的，不会有两个相反的光线耦出。
90.其中，源图像由中心虚线变到右上角实线位置的偏移程度与方向与光机倾斜角相关，耦入光栅作用kin与耦入光栅周期相关，耦出光栅作用kout的大小与耦出光栅周期相关，耦入光栅作用kin的方向与耦入光栅方向相关，耦出光栅作用kout的方向与耦出光栅方向相关，通过对光机倾角和光栅周期、方向等参数进行选择，即可实现波导侧面作用奇数次的光束无法耦出，而作用偶数次的光束可以耦出，以保障耦出图像的方向的一致性。
91.不同实施例中，第一层波导中的条状波导的数量可以为一条，参考图10、11；第一层波导中的条状波导的数量也可以为至少两条，请参考图2中为两条，图13中为四条。当第一层波导实现为至少两条条状波导时，这至少两条条状波导沿与第一方向垂直的第三方向依次分布，请参考图2、3、5、6、13。优选地，相邻条状波导之间具有一定的空气间隙。多条条状波导可以互相平行。条状波导的数量可以根据实际需要进行调制。
92.另外，第一耦入区域可以是矩形区域也可以是圆形区域。
93.可实施地，当第一层波导实现为多个条状波导时，多个条状波导可共享一个耦出区域，也可以各自对应单独的耦出区域；另外，多个条状波导可共享一个耦入区域，也可以各自对应单独的耦入区域。优选地，当多个条状波导分别对应单独的耦入区域时，不同条状波导的第一耦入区域的光栅参数可以不同，用于使得不同条状波导中耦入不同波长的图像光束。
94.参考图2、3、5和6，以第一层波导包括两个条状波导为例，且两个条状波导的一端相连通，另一端分离。优选地，两个条状波导互相平行。
95.图14所示为另一种情况下的第一层波导的俯视图，以第一层波导包括两个条状波导为例，且两个条状波导相互独立，两个条状波导互相平行。
96.一实施例中，由于条状波导的侧面可以反射增加耦出光线密度，因此，为了避免或减少条状波导的侧面(第三表面、第四表面)对光线的传输方向或效率的影响，可以对条状波导的侧面进行优化，以使得其反射率更高。具体地，可以使条状波导的两侧的侧面(第三表面、第四表面)之间具有一定的平行度，即平行度要小于预设平行度值；也可以使条状波导的侧面具有较小的粗糙度，即粗糙度要小于预设粗糙度值；还可以通过在条状波导的第三表面、第四表面的外表面设置反射膜层(可以贴、镀等)，第三表面、第四表面的外表面为侧面的位于条状波导外的表面，反光层可以为铝、银等，反光层可以包括一层，也可以包括多层。更优地，可以上述三种措施都使用。
97.一实施例中，为了使得第一层波导的耦出能量更均匀，提高图像质量，可以通过对条状波导的厚度和/或宽度进行调制，也可以通过对第一耦出区域进行分区设置。更优地，可以上述两种方法相结合。
98.下面对上述两种调节方法进行详细描述。
99.一实施例中，可以通过对条状波导的厚度和/或宽度进行调制来实现耦出能量更均匀，具体地，厚度或者宽度较大的条状波导所传播的图像光束的反射角度小于厚度或者宽度较小的条状波导所传播的图像光束的反射角度，或者，厚度或者宽度较大的条状波导所传播的图像光束的波长小于厚度或者宽度较小的条状波导所传播的图像光束的波长，这样可以使得耦出光束的密度更均匀，即耦出能量更均匀。
100.单个条状波导的耦出光束的密度主要受全反射角度、波长的影响，下面对这两种主要因素进行详细描述。
101.首先，对全反射角度进行描述：
102.光机发出的图像光束在不同波导中的反射角度不同，也即入射光束角度不同，请参考图15，因此在不同条状波导耦出的光线密度也不同，请参考图16、17。请参考图15，光线在三维空间中传播需要两个角度来定义(θ、φ)。不同视场角的光线在入射面的入射角度(θ
in
、φ
in
)不同，进入波导后的衍射角度(θ
dif
、φ
dif
)也就不同，光线在波导内全内反射的角度即为衍射角度，不同衍射角度的光线的全内反射角度不同。
103.在波导中，全内反射角度θ
dif
越大，一次全内反射在x方向上的所走的光程越长，光密度越低，那么对比传输较小θ
dif
光线的条状波导，传输较大θ
dif
光线的条状波导便要减小波导的厚度d以增大光线密度，以使得各条状波导之间的光线密度相对均匀，即耦出能量相对均匀，请参考图16。
104.在波导中，全内反射角度φ
dif
越小，一次往返两侧面在x方向上的跨度越长，光密度越低，那么对比传输较大φ
dif
光线的条状波导，传输较小φ
dif
光线的条状波导便要减小波导的宽度w以增大光线密度，以使得各条状波导之间的光线密度相对均匀，即耦出能量相对均匀，请参考图17。
105.如图18为一示例下的三个条状波导的宽度分布示意图。
106.其次，对波长进行描述：
107.衍射角度不仅与入射角度相关，还与波长和光栅周期相关：
108.d(n1sinθ
dif
+n2sinθ
in
)＝mλ
109.其中，d为光栅周期，n1为波导基底的折射率，n2为波导基底外部介质的折射率(波导基底外部介质通常为空气，即n2＝1)，λ为图像光束波长，m＝0，1，2...。
110.一实施例中，至少两个条状波导分别对应至少两个第一耦入区域；至少两个第一耦入区域的光栅参数不同，用于使得不同条状波导中耦入不同波长的光束。
111.举例说明，两个条形波导的光栅周期(深度、占空比、斜齿角度等)不同，一个为360nm，一个为460nm，由于衍射波导的波长选择性，因此，不同波长的光线分散在两块条形波导中传播，并在耦出位置耦出，二者互不干扰。
112.能量与波长有关系，不同波长的光束在第一层波导中的反射角度不同，因此在第一层波导耦出的光线密度也不同，宽度和/或厚度的调制同样适用于不同波长光束的优化，例如：对于光线密度小的可以调大波导宽度和/或厚度，使得各波导的出射光线密度相当，即能量相当。
113.一实施例中，也可以通过对第一耦出区域进行分区设置来实现耦出能量更均匀。光线的能量随不断耦出而衰减，假设初始能量为e0，每次耦出效率为ηi，则每次耦出的能量为：ei＝e0(1-η1)...(1-η
i-1
)ηi；要使得耦出能量均匀，那么ηi应当是随着不断耦出而增大，前期能量高，较小的ηi，后期能量低则需要较大的ηi。
114.具体地，不同的分区可以具有不同的光栅参数，光栅参数可以为：深度、占空比、斜齿倾斜角等中的一种或多种。例如：可以沿着远离耦入的方向使得耦出光栅深度逐渐增加。当然，还可以采用其他的光栅参数的改变，只要能够使得ηi随着不断耦出而增大即可。
115.一实施例中，通过调整条状波导的数量可以对第一层波导耦出光线的密度进行调控。请参考图19为第一层波导包括一个条状波导时的耦出光线的密度示意图，图20为第一层波导包括三个条状波导时的耦出光线的密度示意图。从图19、图20中可以看出，条状波导
的数量越多，耦出光线的密度越高，因此，可以根据耦出光线的密度要求，选择合适数量的条状波导。
116.下面对第二层波导进行详细描述。
117.一实施例中，第二层波导包括：镜片形态波导。
118.如图4所示为第二层波导的俯视图，上边的条状区域是与第一层波导的耦出区域对应的第二耦入区域21，下边的矩形区域为第二耦出区域22。第一层波导在一个方向扩展得到的条形光斑从第二耦入区域21耦入第二层波导，并在第二层波导中传播到达第二耦出区域后边全反射传播边衍射耦出，在另一方向扩瞳，从而与第一层波导协同实现二维扩瞳。
119.一实施例中，第二耦入区域的耦入光学元件可以是棱镜，对应的第二耦出区域的耦出光线元件可以是棱镜或者陈列发射面。第二耦入区域的耦入光学元件与第二耦出区域的耦出光学元件可均为光栅。
120.第二耦入区域与第一耦出区域对应，第二耦出区域的尺寸可以大于第一耦出区域的尺寸，这样可以保证所有光线均能被接受。
121.一实施例中，第二耦出区域可以是一维光栅或者二维光栅，优选为一维光栅。
122.一实施例中，第二层波导的耦入耦出光栅可以做成同一块大面积的光栅。
123.一实施例中，第二耦出区域可以进行分区设置，可以实现耦出能量更均匀。
124.具体地，不同的分区可以具有不同的光栅参数，光栅参数可以为：深度、占空比、斜齿倾斜角等中的一种或多种。例如：可以沿着远离耦入的方向使得耦出光栅深度逐渐增加。当然，还可以采用其他的光栅参数的改变，只要能够使得ηi随着不断耦出而增大即可。
125.一实施例中，增强显示设备还可以包括：矫正元件4，请参考图21。矫正元件4设置于第二耦出区域的光束耦出方向，用于对第二耦出区域的耦出光束的方向进行调制。图像光束经过光波导结构传输后，第二耦出区域的耦出光束方向可能会偏离预期方向，矫正元件可以将其调制为预期方向。
126.一实施例中，矫正元件4可以为棱镜。
127.此外，矫正元件4还可以具有屈光度，以实现视力矫正的作用。
128.一实施例中，矫正元件也可以通过对光波导结构的角度进行调节来实现对光波导结构的耦出光束的方向进行调节，进而实现耦出光束成像矫正。
129.一实施例中，增强现实设备可以实现为近眼显示设备，设备主体实施为眼镜架，眼镜架包括横梁部和镜腿部，镜腿部从横梁部的至少一侧向后延伸，光波导结构被对应地设置于横梁部。
130.不同实施例中，增强现实显示设备具体还可实现为ar头盔，还可实现为车载抬头显示设备，如ar-hud等。
131.在本说明书的描述中，参考术语“一种实施方式”、“一种实施例”、“具体实施过程”、“一种举例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
132.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当
理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

技术特征：

1.一种增强现实设备，其特征在于，包括：设备主体；光机，所述光机被设置于所述设备主体，用于投射图像光束；以及光波导结构，所述光波导结构被设置于所述设备主体，且包括：第一层波导、第二层波导；所述第一层波导与所述第二层波导叠加设置；所述第一层波导包括：第一耦入区域、第一耦出区域；所述第一耦入区域用于将光机发出的图像光束耦入所述第一层波导；所述第一耦出区域用于将所述第一层波导中传输的图像光束从所述第一层波导中耦出；所述第二层波导包括：第二耦入区域、第二耦出区域；所述第二耦入区域的位置与所述第一耦出区域的位置相对应，以将所述第一耦出区域耦出的图像光束耦入所述第二层波导；所述第二耦出区域用于将所述第二层波导中传输的图像光束从所述第二层波导中耦出以进入人眼；其中，所述第一层波导通过反射的方式约束所述图像光束朝向第一方向传播；所述第一方向为从所述第一耦入区域到所述第一耦出区域的方向，所述反射包括在所述第一层波导的与所述第一方向平行的四个表面上的反射。2.根据权利要求1所述的增强现实设备，其特征在于，所述第一层波导包括至少一个条状波导；所述四个表面包括相互平行的第一表面和第二表面，以及相互平行的第三表面和第四表面；所述第一表面和所述第二表面通过对所述图像光束进行全反射，所述第三表面和所述第四表面通过对所述图像光束进行反射，以将所述图像光束约束在所述条状波导中朝向所述第一方向传播，并在所述第一方向上出瞳扩展。3.根据权利要求2所述的增强现实设备，其特征在于，所述第三表面、所述第四表面的外表面设置有反射膜层。4.根据权利要求2所述的增强现实设备，其特征在于，所述条状波导的数量为至少两个时，至少两个所述条状波导沿与所述第一方向垂直的第三方向依次分布；其中，相邻两个所述条状波导之间存在空气间隙。5.根据权利要求4所述的增强现实设备，其特征在于，至少两个所述条状波导的一端连通，另一端分离；或者，至少两个所述条状波导相互独立且互相平行。6.根据权利要求5所述的增强现实设备，其特征在于，当至少两个所述条状波导的一端连通，另一端分离时，所述条状波导的厚度和/或宽度被调制为使得不同的条状波导耦出的图像光束的密度趋于一致；其中，不同的条状波导传播不同反射角度和/或不同波长的图像光束。7.根据权利要求6所述的增强现实设备，其特征在于，至少两个所述条状波导中的任意两个条状波导，厚度或者宽度较大者所传播的图像光束的反射角度小于厚度或者宽度较小者所传播的图像光束的反射角度，或者，厚度或者宽度较大者所传播的图像光束的波长小于厚度或者宽度较小者所传播的图像光束的波长。8.根据权利要求5所述的增强现实设备，其特征在于，当至少两个所述条状波导相互独
立且互相平行时，每个所述条状波导对应一个所述第一耦入区域；不同所述条状波导的所述第一耦入区域的光栅参数不同，用于使得不同所述条状波导中耦入不同波长的图像光束。9.根据权利要求1所述的增强现实设备，其特征在于，所述光机发出的图像光束倾斜入射至所述第一耦入区域。10.根据权利要求1所述的增强现实设备，其特征在于，从所述第二耦入区域到所述第二耦出区域的方向为第二方向，所述第二方向不同于所述第一方向，所述第二耦出区域还用于在所述第二方向上进行出瞳扩展。11.根据权利要求1所述的增强现实设备，其特征在于，所述增强现实设备实现为近眼显示设备，所述设备主体实施为眼镜架，所述眼镜架包括横梁部和镜腿部，所述镜腿部从所述横梁部的至少一侧向后延伸，所述光波导结构被对应地设置于所述横梁部。12.根据权利要求1所述的增强现实设备，其特征在于，还包括：矫正元件，所述矫正元件设置于所述第二耦出区域的光束耦出方向，用于对所述第二耦出区域的耦出光束的方向进行调制以实现耦出光束成像矫正。

技术总结

本实用新型提供了一种增强现实设备，包括：设备主体、光机、光波导结构，光波导结构包括叠加设置的第一层波导、第二层波导；第一层波导包括：第一耦入、耦出区域；第二层波导包括：第二耦入、耦出区域；第一耦入区域用于将光机发出的图像光束耦入第一层波导；第一耦出区域用于将第一层波导中传输的图像光束从第一层波导中耦出；第二耦入区域用于将第一耦出区域耦出的图像光束耦入第二层波导；第二耦出区域用于将第二层波导中传输的图像光束从第二层波导中耦出以进入人眼；第一层波导通过反射约束图像光束朝向第一方向传播。本实用新型通过叠加的两层波导、且第一层波导通过反射约束光束传播的设计，减小了扩瞳区域的面积，进而可减小波导的尺寸。可减小波导的尺寸。可减小波导的尺寸。