CN106125194B - 波导型元件及使用其的头戴式显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于头戴式显示的波导型元件，该波导型元件包括两层平板结构，利用嵌入存在于预定位置的单元反射器，并减小波导层与预定位置相应段的厚度，有效提高同一出瞳位置不同视场间图像光照均匀度和同一视场不同出瞳位置的图像光照均匀度，避免在出射图像中出现明显的图像不连续或者亮度不均匀，在大视场下实现无杂光、亮度均匀的图像，具有此波导型元件的头戴式显示装置可以实现极薄的厚度，减轻了佩戴时用户头部需负载的重量。

Description

波导型元件及使用其的头戴式显示装置

技术领域

本发明涉及一种平板波导型元件，及其使用其的头戴式显示装置，特别的，涉及一种轻薄且在视场内可获得均匀图像亮度的平板型波导元件。

背景技术

消费电子产品在近年来得到了蓬勃的发展，在智能手机之后，消费者已普遍地知道虚拟现实(virtual reality，VR)和增强现实(augmented reality，AR)的概念，并追逐相关的各种概念产品作为体验新技术的尝试，头戴式显示器(HMD)之类的显示设备可实现通过简单的穿戴获得增强现实(AR)体验或虚拟现实(VR)体验，在航空、工程、科学、医疗、游戏、视频、体育、训练和仿真等领域有着广泛的应用。

在通过HMD来实现AR体验的方式中，眼镜类的模式受到了广泛的追捧，例如，Microsoft公司推出的Hololens概念型产品，其重量接近600g，必须利用经过设计的配重方式来减轻头部穿戴时的负担，因而，对于眼镜类的AR显示体验来说，减轻各部分的重量实现尽量的轻薄化是普及应用之必须。

为了实现超薄光学透射式的AR显示方案，引入了自由曲面棱镜元件的设计，利用折反光路加补偿棱镜的方式实现了光学透射式的AR，但鉴于自由曲面棱镜达成曲率的需要，在达到良好视觉体验的情况下，这种方案的光学系统的厚度不能做到非常轻薄，限制了眼镜类AR显示的进一步轻薄化；而另外一些设计则使用平面光波导方案，利用光线在平面波导元件内的全内反射有效降低了光学元件的厚度，但平面波导元件并不能提供光焦度，需要配合投影系统使用才能获得合理的目视显示尺寸，如果匹配程度不佳，则佩戴者出瞳位置的光线分布容易出现明显的不均匀甚至不连续，影响用户视觉体验。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种平板波导型元件以及使用它的头戴式显示装置，通过平板波导型元件非均匀的厚度设计，能够进一步减轻头戴式显示装置的重量，并获得与小尺寸投影系统的良好匹配，实现佩戴者视场内均匀和出瞳范围内均匀的显示效果。

根据本发明的一种波导型元件，包括：

光入射耦合部，用于将像源元件发出的光耦合进入导光平板部，

导光平板部，用于将从光入射耦合部耦合进入的光向光出射端传播，所述导光平板部的光入射面连接于光入射耦合部，光出射面位于靠近光出射端的导光平板部上；

补偿平板部，形成为平板状导光体，置于导光平板部面向环境的一侧，覆盖导光平板部的部分或者全部；

单元反射器，设置于导光平板部和补偿平板部之间，用以破坏光在导光平板部和补偿平板部内的全反射从而使光通过所述光出射面出射；

所述导光平板部和补偿平板部的厚度之和，在靠近光入射耦合部的第一端大于远离光入射耦合部的第二端。

其中，所述补偿平板部可以具有均匀厚度；而所述导光平板部具有的厚度变化，厚度变化位置点P位于光出射面侧和/或导光平板部面向环境的一侧。

作为一种实施方式，导光平板部和补偿平板部通过胶合形成为一体；单元反射器可一体形成在补偿平板部朝向导光平板部的表面上，或者导光平板部朝向补偿平板部的表面上。

单元反射器包括多个齿状反射单元，多个齿状反射单元上的反射面上镀有反射膜，靠近光入射端的反射面的反射率低于远离光入射端的反射面的反射率。

导光平板部在光出射面侧的所述厚度变化起始位置点P距光耦合部边缘的距离优选要大于单元反射器起始位置点S距光耦合部边缘的距离。

本发明还涉及一种使用上述波导型元件的头戴式显示装置，包括微型像源元件以及投影光学组件，由微型像源元件发出的光经由投影光学组件准直后入射到所述波导型元件的光入射耦合部，光入射耦合部的截面形成为楔形。

在一种典型的实施方式中，所述楔形的倾斜角θ的范围为23-27度，以避免入射时杂散光的影响。

根据本发明的平板波导型元件，能够保证强度的情况下实现更加轻薄的设计，有效提高同一出瞳位置不同视场间图像光照均匀度和同一视场不同出瞳位置的图像光照均匀度，使用其的头戴式显示设备可以适应更小尺寸的投影系统，从而整体重量进一步减轻，能够具有更舒适的AR体验。

附图说明

图1为根据本发明的波导型元件的立体图

图2为根据本发明的波导型元件的横截面图

图3为根据本发明的波导型元件的光入射耦合部出现二次反射时的示意图

图4(a)和(b)为根据本发明的波导型元件的出射光束均匀性在等厚度情况和不等厚度情况下的对比

图5为根据本发明的波导型元件齿状反射面采用分区域镀膜时出瞳位置的垂直视场照度图

具体实施例

以下内容将参考附图等来详细讨论具体实施本发明的实际示例，本领域技术人员应当了解，下述各描述中使用的具体名称、用语等不构成对本发明技术方案的限定，并且在下文的描述中，为便于描述，相同的部件将使用相同的附图标记。

在本公开中可使用的诸如“包含”、“包括”、“可以包含”或“可以包括”的表述指示存在公开的对应功能、操作和组成元件等，且不限制另外的一个或更多个功能、操作或组成元件等。此外，在本公开中，应该理解的是，术语“包含”、“包括”、“具有”等用于表示存在说明书中公开的特征、数量、步骤、操作、组成元件、部件或其组合，且不预先排除存在或补充一个或更多个其他特征、数量、步骤、操作、组成元件、部件或其组合的可能性。

在本公开中，表述“第一”和“第二”等可以修饰本公开的多种组成元件，但是不限制对应的组成元件。例如，表述不限制对应的组成元件的顺序和/或重要性等。表述可以用于将一个组成元件与另一组成元件区分开来。例如，第一用户装置和第二用户装置全部为用户装置，且代表不同的用户装置。例如，第一组成元件可以被命名为第二组成元件而不脱离本公开的精神和范围。相同地，即使第二组成元件也可以被命名为第一组成元件。

如图1所示，根据本发明的一种波导型元件，包括了光入射耦合部11，导光平板部12，单元反射器13和补偿平板部14，其中补偿平板部14位于导光平板部12上方，覆盖导光平板部的部分或者全部，单元反射器13位于两平板部之间；补偿平板部用以补偿环境光进入波导型元件透射光路的光程，并优选的，和导光平板部面向环境一侧的表面形成为一致的平面，以保证波导形元件在外观面的统一，在其用作AR近眼显示装置的导光部件时，一种示例性的光入射方式可参考图2所示，由微型像源元件1发出的光经由投影光学组件2准直后入射到光入射耦合部11，为了将光顺利耦合进导光平板部12和补偿平板部14，光入射耦合部的截面形成为楔形，具有倾斜角θ，考虑到杂散光的影响，θ可以被限定在一定的范围，例如，选自23-27度，优选的，θ大约25度，以降低杂散光的影响，以及满足匹配导光平板部12和补偿平板部14在光入射方向上的厚度和视场角需要，能够有效缩小入射耦合部11所需占据的空间，本领域技术人员也应该理解，虽然本发明各附图所示的光入射耦合部均作为与导光平板部呈相同厚度的楔形截面，但本发明所示的光入射耦合部的形态和尺寸不限于此，任何能使置于导光平板部一侧，能将光有效耦合进入本发明的导光平板部的光入射耦合部均可用作本发明。

当光入射耦合部将光耦合进导光平板部之后，能够在导光平板部和后续的补偿平板部内以全反射的方式向远离光入射耦合部的方向传播。相应的光出射面ES在导光平板部12上，与面向环境的一面相对。以光能利用率的角度和制造成本考虑，单元反射器13仅部分的设置于导光平板部12和补偿平板部14之间，单元反射器13的起始位置和齿状反射单元的反射面RS的特征角与光入射耦合部的倾角θ以及导光平板部的结构有关，如图1所示，可以仅在佩戴者观察视线范围内设置单元反射器13，单元反射器13的作用为利用齿状反射面对入射的光反射而导致全反射光在导光平板部内不再满足全反射条件，从而从导光平板部12上的光出射面ES出射而到达观察者的眼睛。由于光在传输过程中会逐渐损失，为提高远离光入射端的光照度均匀性，单元反射器13上的多个齿状反射单元的相应反射面可以采用分段镀膜的方式，使单元反射器13的各齿状反射单元具有不同反射率，例如，靠近光入射端的部分镀有具有相对低的反射率的反射膜层，而在远离光入射端的部分镀有高反射率的反射膜层。单元反射器13可以直接形成在补偿平板部14的下表面，或者导光平板部12的上表面，相应的，导光平板部的上表面或补偿平板部的下表面具有配合单元反射器13齿状反射单元面型的表面，使反射面RS实际上嵌入在补偿平板部和导光平板部之间。在一种具体的实施方式中，齿状反射面RS的长度L_rs不大于0.8mm，以使导光平板部12和补偿平板部14的厚度和可以控制在2mm以内，并且不小于0.8mm，以满足强度需要。

以下将结合附图，具体说明本发明的实际光传播路径。如图2所示，以主光线为示例，从微型像源元件1发出，经投影光学组件2准直后，以平行光垂直射向光入射耦合部的光入射面，从而进入光入射耦合部，并因倾斜角θ而在光入射耦合部的反射面上被全反射。反射光进入导光平板部以及补偿平板部，导光平板部和补偿平板部均具有大于空气的材料折射率，例如，由PMMA或者玻璃构成，通过胶合粘结在一起，对于光线而言，胶合在一起的两平板部可视为完整的一块平板波导，光在此平板波导中以全反射方式向远离光入射耦合部的方向传播，直至单元反射器13的某一齿状反射单元的反射面。

齿状反射单元的反射面上镀有预定反射率的反射膜，如前述提到的，在相对靠近光入射耦合部的齿状反射单元上，反射膜的反射率稍低，因此，一部分光被单元反射器13的某一齿状反射单元反射，从而达成破坏全反射的条件，反射后的光不再沿两平板部组成的平板波导传播，而是在导光平板部的光出射面上ES出射；没有被单元反射器的这个齿状反射单元反射的光则继续向上方的补偿平板部传播，以全反射的状态继续在平板波导内传播，直至第二次遇到单元反射器13的另一齿状反射单元的反射面，然后从光出射面出射导光平板部。根据导光和补偿平板部的总厚度H，以及光入射耦合部的倾斜角θ，可以约束单元反射器13能够在光传播路径上进行反射的次数，虽然图2中以主光线为例说明，在其传播路径上两次通过单元反射器，但本领域技术人员应当理解这样的次数仅仅是示意性的，实际上单元反射器13的齿状反射单元的密度、导光和补偿平板部的长度和厚度，都将影响反射次数。

[减小出射光不均匀]

参照图2示出的光路传播原理，H为导光平板部12和补偿平板部14在光入射方向上的厚度和，以有效值计算，光入射耦合部可接受的最大光束直径为D_max，以主光线计算，在入射耦合部的反射面上的出射角度也为θ，它在第一和导光平板部组成的平板波导内的全反射传输角度：ω＝90-2θ。

单根光线(例如，主光线)在一个全反射周期走过将向前传播长度L₁，则：

由于厚度和H和倾斜角θ的影响，最大光束直径为D_max的入射光束并不能够全部有效的被耦合进入平板波导，例如，对于靠近倾角端的光线，存在诸如图3所示的二次反射现象，造成边缘光线从光束中溢出，形成不均匀的杂散光，同时降低了进入平板波导的光束孔径。能够最终进入平板波导进行全反射传播的光束直径D_e为：

这样的光束D_e根据如图4(a)所示，经入射耦合部耦合进厚度为H的平板波导内传播时，由于D_e的影响，经入射耦合部的反射面反射之后投射在导光平板部上长度为L₂：

如果L₁>L₂，则传播过程中出现大于0的间隙D_L＝L₁-L₂，此时，如果导光平板部12和补偿平板部14的厚度和H始终不变，则被单元反射器13破坏的全反射在导光平板部12的光出射面上出射时会发生不均匀的分布，如图4(a)所示，这样的不均匀分布在图像上表现为暗纹或者缺失，影响图像的质量。而通过减少光出射区域内的导光平板部12的厚度，可以避免这种不均匀出现，如图4(b)所示，厚度减少的值H2可以通过：

H₂＝0.5×D_L×tanω

计算得出。

作为本发明的一种实施方式，补偿平板部和导光平板部的厚度之和H＝1.5mm，θ＝25°，则导光平板部的厚度减小值H₂＝0.24mm，此时采用分段镀膜的本发明波导元件可以实现如图5所示的，在光出射面上不存在杂光和不连续的图像光。但不限于此实施方式的，补偿平板部和导光平板部的厚度之和H可以增大到1.8mm～2mm，导光平板部的厚度减小值H₂也相应的增加，但H₂的数值不宜超过厚度之和H的20％，进一步减小厚度并不会提高出射光的均匀性，但影响波导的整体强度。

在波导延伸方向上，导光平板部发生厚度发生减小的变化位置P自平板波导与光入射耦合部的连接点计算，可以选自：

优选的，厚度发生减小变化的位置距离光入射耦合部，相比较单元反射器距离光入射耦合部更远，即导光平板部发生厚度减小的变化位置点P在沿光出射面的方向上，比单元反射器的起始位置点S更远离光入射端。这样的错位设置可以确保在光出射面ES上的均匀度和连续性，也可以减轻制造难度。

进一步的，虽然如图2中所示的，厚度变化位置点P所在的切面与补偿平板部和导光平板部的表面平面呈大约90度，即导光平板部的厚度减小以非连续变化实现，而在一点实现突变，但不限于此的，也可以通过倾斜表面逐步实现厚度的减小，厚度变化位置点P的切面与导光平板部的光出射表面呈不超过ω的倾角，以确保光的有效利用不受厚度变化影响。

根据本发明的上述波导型元件，通过部分减小厚度实现均匀的图像光出射，作为头戴式显示设备的光传导部件，有效提高光照均匀度，避免在出射视场中图像出现明显的不连续或者亮度不均匀，能够在大视场下实现无杂光、亮度均匀的图像。

本发明可以以许多不同的形式实现且不应解释为限于这里所阐述的各实施例。而是，提供这些实施例使得本公开充分和完整，且向那些本领域的技术人员全面地传达本发明的构思。另外，各个实施例中的特征也可以按照下述实施例之外的方式组合，组合后的技术方案仍落在本申请的范围之内。

Claims (10)

1.一种波导型元件，包括：

光入射耦合部，用于将像源元件发出的光耦合进入导光平板部，

导光平板部，用于将从光入射耦合部耦合进入的光向光出射端传播，所述导光平板部的光入射面连接于光入射耦合部，光出射面位于靠近光出射端的导光平板部上；

补偿平板部，形成为平板状导光体，置于导光平板部面向环境的一侧，覆盖导光平板部的部分或者全部；

单元反射器，设置于导光平板部和补偿平板部之间，用以破坏光在导光平板部和补偿平板部内的全反射从而使光通过所述光出射面出射；

所述导光平板部和补偿平板部的厚度之和，在靠近光入射耦合部的第一端大于远离光入射耦合部的第二端。

2.如权利要求1所述的波导型元件，其特征在于，所述补偿平板部具有均匀厚度；所述导光平板部具有的厚度变化，厚度变化位置点P位于光出射面侧和/或导光平板部面向环境的一侧。

3.如权利要求1所述的波导型元件，其特征在于所述导光平板部和补偿平板部通过胶合形成为一体。

4.如权利要求1所述的波导型元件，其特征在于所述单元反射器可一体形成在补偿平板部朝向导光平板部的表面上，或者导光平板部朝向补偿平板部的表面上。

5.如权利要求1所述的波导型元件，其特征在于，所述单元反射器包括多个齿状反射单元，多个齿状反射单元上的反射面上镀有反射膜，靠近光入射端的反射面的反射率低于远离光入射端的反射面的反射率。

6.如权利要求2所述的波导型元件，其特征在于，所述导光平板部的厚度变化位点P在所述光出射面侧，所述第二端的厚度之和不小于所述第一端厚度之和的80％。

7.如权利要求2所述的波导型元件，其特征在于，所述厚度变化为连续变化实现或者非连续变化实现。

8.如权利要求2所述的波导型元件，其特征在于，所述导光平板部在光出射面侧的所述厚度变化起始位置点P距光入射耦合部边缘的距离大于单元反射器起始位置点S距光入射耦合部边缘的距离。

9.一种使用权利要求1-8所述任一波导型元件的头戴式显示装置，进一步包括微型像源元件以及投影光学组件，所述微型像源元件发出的光经由投影光学组件准直后入射到所述波导型元件的光入射耦合部，所述光入射耦合部的截面形成为楔形。

10.如权利要求9所述的头戴式显示装置，所述楔形的倾斜角θ范围为23-27度。