本發(fā)明涉及一種近眼顯示設(shè)備，尤其涉及基于光波導(dǎo)和體全息液晶光柵的vr/ar顯示設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual?reality，vr)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmentedreality，ar)，及衍生的混合現(xiàn)實(shí)(mixedreality，mr)與拓展現(xiàn)實(shí)(extended?reality，xr)，正在迅猛地發(fā)展，成為“元宇宙”生態(tài)不可或缺的一環(huán)。上述vr、ar、mr與xr中，均是將數(shù)字信息呈現(xiàn)在觀察者的視野內(nèi)，在觀察者眼前形成一個(gè)虛擬的畫(huà)面。

2、近期，蘋(píng)果公司的vision?pro正式發(fā)布并開(kāi)售，雖然售價(jià)高昂，仍引得一眾科技愛(ài)好者購(gòu)買(mǎi)。然而，許多購(gòu)買(mǎi)者在使用一段時(shí)間后，因其沉重的佩戴壓力與對(duì)近視不友好，等興趣褪去后，使用頻率變得很低。

3、究其原因，是這些近眼顯示設(shè)備為了適應(yīng)近視或遠(yuǎn)視的眼睛，需要一定的體積進(jìn)行屈光，且效果并不好。

4、基于光波導(dǎo)和體全息液晶偏振的vr/ar顯示設(shè)備具備體積小、重量輕、視場(chǎng)角大，是理想的眼鏡式vr/ar近眼顯示設(shè)備。通常情況下，這種vr/ar顯示設(shè)備以平行光射入人眼，這對(duì)于近視的人而言非常不友好，因此，小體積的具備屈光能力的vr/ar近眼顯示設(shè)備亟待開(kāi)發(fā)。

5、自由曲面因其對(duì)光線(xiàn)多自由度的調(diào)整而受到關(guān)注，在本發(fā)明中使用自由形式液晶偏振成像光學(xué)器件，體積極小，厚度僅亞微米級(jí)，通過(guò)優(yōu)化其表面相位，能具備一定屈光度以適配特定的近視人群，可面向不同近視度數(shù)進(jìn)行定制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種輕巧、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)具備一定屈光度的眼鏡式vr/ar近眼顯示設(shè)備。

2、技術(shù)路徑：本發(fā)明所述的一種基于光波導(dǎo)和體全息液晶光柵的vr/ar顯示設(shè)備，包括微像源、光波導(dǎo)介質(zhì)、耦入光柵、自由形式耦出光柵。

3、耦入光柵與自由形式耦出光柵貼在光波導(dǎo)同側(cè)，微像源與觀察者的眼睛位于光波導(dǎo)另一側(cè)，位置分別與耦入光柵、自由形式耦出光柵對(duì)應(yīng)。

4、已準(zhǔn)直的圖像光線(xiàn)自微像源發(fā)出，為圓偏振光，正入射穿過(guò)光波導(dǎo)，經(jīng)由耦入光柵衍射，衍射后的光線(xiàn)滿(mǎn)足θd＞θc，其中θd為衍射光線(xiàn)與光波導(dǎo)法線(xiàn)夾角，θc為光波導(dǎo)的全反射角，即滿(mǎn)足全反射條件，光線(xiàn)將在光波導(dǎo)中橫向傳播，在經(jīng)過(guò)多次全反射后，光線(xiàn)到達(dá)自由形式耦出光柵區(qū)域，入射到自由形式耦出光柵上的光線(xiàn)被衍射耦出，自由形式耦出光柵的表面相位特殊設(shè)計(jì)，衍射光線(xiàn)以適配人眼近視程度的發(fā)散光進(jìn)入人眼，使近視者觀察到清晰的像。

5、優(yōu)選地，微像源使用基于激光束掃描的lbs光機(jī)，以獲得更好的單色性；優(yōu)選地，在微像源發(fā)出光線(xiàn)后添加1/4玻片，以獲得圓偏光。

6、優(yōu)選地，光波導(dǎo)介質(zhì)為折射率1.3～2.2的光學(xué)玻璃或樹(shù)脂，形狀為類(lèi)矩形體。

7、進(jìn)一步地，耦入光柵為體全息光柵(vhg)、pb相位光柵或偏振體全息光柵(pvg)，優(yōu)選地，為偏振體全息光柵；優(yōu)選地，其形狀為圓形或矩形。厚度為微米級(jí)。

8、優(yōu)選地，自由形式耦出光柵為液晶偏振體全息光柵，厚度為微米級(jí)；其表面相位為自由形式，以獲得更好屈光與矯正像差的能力；優(yōu)選地，其形狀為1.8cm×1.8cm的矩形，在優(yōu)選出瞳距離(eye?relief)為2cm的情況下，其視場(chǎng)角(fov)可逾40°。

9、優(yōu)選地，所述自由形式耦出光柵包括：激光源、分束鏡、擴(kuò)束鏡a、擴(kuò)束鏡b、反射鏡a、反射鏡b、起偏器a、起偏器b、四分之一玻片a、四分之一玻片b、自由曲面透鏡；由激光源發(fā)出光線(xiàn)，由分束鏡分為透射光路與反射光路，在兩束光路上依次經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡、反射鏡、起偏器與四分之一玻片，透射光路的光線(xiàn)再經(jīng)自由曲面透鏡后與反射光路的光線(xiàn)于光對(duì)準(zhǔn)層上干涉曝光，記錄了干涉相位的光對(duì)準(zhǔn)層作為模板，在其上旋涂液晶分子層固化為自由形式耦出光柵。

10、優(yōu)選地，自由曲面透鏡一面為平面，另一面的矢高由xy多項(xiàng)式表達(dá)。

11、優(yōu)選地，所旋涂的液晶分子為膽甾相液晶，每次旋涂少量液晶分子，多次旋涂固化。

12、有益效果：相比于常見(jiàn)的不具備視力矯正功能的vr/ar近眼顯示設(shè)備，本發(fā)明之設(shè)計(jì)可以為近視與遠(yuǎn)視使用人群提供匹配其視力的vr/ar近眼顯示設(shè)備，故而近視或遠(yuǎn)視者無(wú)需額外佩戴眼鏡。值得注意的是，本發(fā)明并未犧牲體積與重量，非常輕巧便利，是理想的眼鏡式vr/ar近眼顯示設(shè)備。

技術(shù)特征：

1.一種基于光波導(dǎo)和體全息液晶光柵的vr/ar顯示設(shè)備，其特征在于，包括：微像源(201)、光波導(dǎo)介質(zhì)(202)、耦入光柵(203)、自由形式耦出光柵(304)；其中，所述微像源(201)與耦入光柵(203)共光軸，自由形式耦出光柵(304)與觀察者眼睛共光軸，微像源(201)與觀察者眼睛同處于光波導(dǎo)介質(zhì)(202)的第一表面(205)，耦入光柵(203)與自由形式耦出光柵(304)同貼合于光波導(dǎo)介質(zhì)(202)的第二表面(206)；所述微像源(201)發(fā)出準(zhǔn)直光線(xiàn)，由耦入光柵(203)衍射耦合進(jìn)入光波導(dǎo)介質(zhì)(202)中，經(jīng)多次全反射，由自由形式耦出光柵(304)衍射入觀察者眼睛。

2.如權(quán)利要求1所述的基于光波導(dǎo)和體全息液晶光柵的vr/ar顯示設(shè)備，其特征在于：微像源(201)使用lbs光源，發(fā)射準(zhǔn)直的圓偏光。

3.如權(quán)利要求1所述的基于光波導(dǎo)和體全息液晶光柵的vr/ar顯示設(shè)備，其特征在于：光波導(dǎo)介質(zhì)為折射率1.3～2.2的光學(xué)玻璃或樹(shù)脂，形狀為類(lèi)矩形體。

4.如權(quán)利要求1所述的基于光波導(dǎo)和體全息液晶光柵的vr/ar顯示設(shè)備，其特征在于：耦入光柵(203)使用體全息光柵、pb相位光柵或偏振體全息光柵，厚度為微米級(jí)。

5.如權(quán)利要求1所述的基于光波導(dǎo)和體全息液晶光柵的vr/ar顯示設(shè)備，其特征在于：自由形式耦出光柵(304)使用液晶偏振體全息光柵，厚度為微米級(jí)，其表面相位具備自由度，由xy多項(xiàng)式表達(dá)，其可實(shí)現(xiàn)將準(zhǔn)直光線(xiàn)衍射發(fā)散或匯聚的作用。

6.如權(quán)利要求5所述的基于光波導(dǎo)和體全息液晶光柵的vr/ar顯示設(shè)備，其特征在于：其特征在于，所述自由形式耦出光柵(304)包括：激光源、分束鏡、擴(kuò)束鏡a、擴(kuò)束鏡b、反射鏡a、反射鏡b、起偏器a、起偏器b、四分之一玻片a、四分之一玻片b、自由曲面透鏡；由激光源發(fā)出光線(xiàn)，由分束鏡分為透射光路與反射光路，在兩束光路上依次經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡、反射鏡、起偏器與四分之一玻片，透射光路的光線(xiàn)再經(jīng)自由曲面透鏡后與反射光路的光線(xiàn)于光對(duì)準(zhǔn)層上干涉曝光，記錄了干涉相位的光對(duì)準(zhǔn)層作為模板，在其上旋涂液晶分子層固化為自由形式耦出光柵。

7.如權(quán)利要求6所述的基于光波導(dǎo)和體全息液晶光柵的vr/ar顯示設(shè)備，其特征在于：自由曲面透鏡一面為平面，另一面的矢高由xy多項(xiàng)式表達(dá)。

8.如權(quán)利要求6所述的基于光波導(dǎo)和體全息液晶光柵的vr/ar顯示設(shè)備，其特征在于：所旋涂的液晶分子為膽甾相液晶，分多次旋涂固化。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于光波導(dǎo)和體全息液晶光柵的VR/AR顯示設(shè)備，其結(jié)構(gòu)包括微像源、光波導(dǎo)介質(zhì)、耦入光柵、自由形式耦出光柵。微像源提供準(zhǔn)直的圖像光線(xiàn)，光線(xiàn)由耦入光柵衍射入光波導(dǎo)介質(zhì)中，經(jīng)多次全反射后，由自由形式耦出光柵向人眼方向射出匹配近視或遠(yuǎn)視度數(shù)的發(fā)散光或匯聚光。自由形式耦出光柵的制備由自由曲面透鏡輸出的自由球面波光線(xiàn)干涉得到，制備方式簡(jiǎn)單。本發(fā)明可用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或虛擬現(xiàn)實(shí)成像設(shè)備，通過(guò)將準(zhǔn)直光以匹配人眼度數(shù)的發(fā)散程度射出，可一定程度上緩解使用者佩戴VR/AR顯示設(shè)備時(shí)因看不清引起的暈眩感。

技術(shù)研發(fā)人員：劉大偉,季明,王闖,張宇寧,李曉華,周瑋琦,吳梅
受保護(hù)的技術(shù)使用者：新型顯示與視覺(jué)感知石城實(shí)驗(yàn)室
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10