CN107643559A - 基于反射式波导耦合器的光线传导和分离方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于反射式波导耦合器的光线传导和分离方法及装置，所述方法包括：获取设定的所述波导耦合器的入射视场角和入射光线在所述导光板表面的折射角度范围；在所述折射角度范围内调整所述折射角度的大小，同时调整所述波导耦合器中反射单元与导光板表面之间的锐角夹角的大小，使所述锐角夹角和所述折射角度满足预设条件，以使所述入射视场角对应的入射光线从所述波导耦合器的出射端导出，并且从所述波导耦合器的出射光线中分离出用于形成图像的信息光线。这样可以极大的减少进入人眼的杂散光线数量，提高人眼中形成的图像质量，进而提高用户体验。
Description
技术领域
本发明涉及波导耦合器领域，更具体地，涉及基于反射式波导耦合器的光线传导和分离方法及装置。
背景技术
头戴式显示器是佩戴在头上的图像显示器器件，通常以帽子、头盔或者眼镜架等作为支撑放置在使用者的头部。头戴式显示器主要由四部分构成：图像信息显示源，电路控制系统、光学成像系统，固定支撑结构，利用光学系统将微显示器发出的图像投影在人的眼前成放大的虚像。头戴式显示器是现代便携式移动显示装置中的新产品，在增强现实、虚拟现实的图像显示以及立体显示等方面有广泛的应用。
眼镜显示器是一种新型的穿戴式显示设备，是头戴式显示器中最为轻便的一种，不仅能应用在军事方面，更可以应用在工业上、医疗上及日常生活中，扩展了传统头戴式显示器的应用领域。它能将小型的二维显示器所产生的图像经过光学系统，成像于人眼前方。可以分为透过式和视频式眼镜显示器。透过式眼镜显示器作为一种增强显示装置，可以将虚拟的物体或者信息叠加在真实场景上显示，比直视型的更加安全、使用范围更广泛。
反射式波导耦合器是嵌入直线反射光学器件的导光器件。与其他应用在透过式眼镜显示器中的导光器件相比，反射式波导耦合器没有颜色不均匀的问题，而且可以使用塑料衬底，可以大大减轻器件质量，同时降低成本。另外，反射式波导耦合器对投影器件没有特殊要求(比如，偏振式波导耦合器需要使用极化了的微显示器作为微型投影器)。
反射式波导耦合器是眼镜显示器中的关键耦合器件，携带有图像信息的入射光线通过反射式波导耦合器后，出射光线的质量将决定最后在人眼中形成的图像的质量。现有技术中提供的反射式波导耦合器均没有考虑到经反射式波导耦合器后的出射光线的质量问题，将会导致最后在人眼上形成鬼像，进而降低眼镜显示器的用户体验。
发明内容
为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种基于反射式波导耦合器的光线传导和分离方法及装置。
一方面，本发明提供了一种基于反射式波导耦合器的光线传导和分离方法，包括：
获取设定的所述波导耦合器的入射视场角和入射光线在所述导光板表面的折射角度范围；
在所述折射角度范围内调整所述折射角度的大小，同时调整所述波导耦合器中反射单元与导光板表面之间的锐角夹角的大小，使所述锐角夹角和所述折射角度满足预设条件，以使所述入射视场角对应的入射光线从所述波导耦合器的出射端导出，并且从所述波导耦合器的出射光线中分离出用于形成图像的信息光线。
优选地，所述信息光线与所述入射光线关于所述导光板表面的一条法线对称。
优选地，所述预设条件包括：
180-4θ+α>0，
其中，θ为所述锐角夹角，α为所述折射角度。
优选地，所述预设条件还包括：
其中，n为所述导光板的折射率，n0为真空折射率。
优选地，所述方法还包括：
根据所述预设条件，以及所述波导耦合器的出射视场角与所述折射角度的大小关系，确定所述导光板为不同折射率时所述出射视场角与所述锐角夹角之间对应的第一变化曲线。
优选地，所述方法还包括：
根据所述预设条件，以及所述波导耦合器的出瞳直径，确定所述导光板为不同折射率时所述出瞳直径与所述锐角夹角之间对应的第二变化曲线。
优选地，所述导光板的折射率的取值范围为1.3≤n≤1.8，n为所述导光板的折射率。
优选地，所述锐角夹角和所述折射角度满足：
其中，θ为所述锐角夹角，α为所述折射角度，n为所述导光板的折射率，n0为真空折射率。
另一方面，本发明还提供了一种基于反射式波导耦合器的光线传导和分离装置，包括：角度获取模块和调整模块。其中，
角度获取模块用于获取设定的所述波导耦合器的入射视场角和入射光线在所述导光板表面的折射角度范围；
调整模块用于在所述折射角度范围内调整所述折射角度的大小，同时调整所述波导耦合器中反射单元与导光板表面之间的锐角夹角的大小，使所述锐角夹角和所述折射角度满足预设条件，以使所述入射视场角对应的入射光线从所述波导耦合器的出射端导出，并且从所述波导耦合器的出射光线中分离出用于形成图像的信息光线。
优选地，所述预设条件包括：
180-4θ+α>0，
其中，θ为所述锐角夹角，α为所述折射角度。
本发明提供的基于反射式波导耦合器的光线传导和分离方法及装置，所述方法通过调整反射单元与导光板表面之间的锐角夹角的大小和所述折射角度的大小，使所述锐角夹角和所述折射角度满足预设条件，以使设定的入射视场角对应的入射光线从波导耦合器的出射端导出，并且从所述波导耦合器的出射光线中分离出用于形成图像的信息光线。这样可以极大的减少进入人眼的杂散光线数量，提高人眼中形成的图像质量，进而提高用户体验。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于反射式波导耦合器的光线传导和分离方法流程示意图；
图2为现有技术中的反射式波导耦合器的结构示意图；
图3为现有技术中的反射式波导耦合器的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于反射式波导耦合器的光线传导和分离方法中锐角夹角θ与出射视场角之间的关系示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于反射式波导耦合器的光线传导和分离方法中锐角夹角θ与出瞳直径之间的关系示意图；
图6为本发明实施例提供的一种基于反射式波导耦合器中入射光线由微型投影器入射至导光板的简化结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种基于反射式波导耦合器的光线传导和分离装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明一实施例提供了一种基于反射式波导耦合器的光线传导和分离方法，包括：
S1，获取设定的所述波导耦合器的入射视场角和入射光线在所述导光板表面的折射角度范围；
S2，在所述折射角度范围内调整所述折射角度的大小，同时调整所述波导耦合器中反射单元与导光板表面之间的锐角夹角的大小，使所述锐角夹角和所述折射角度满足预设条件，以使所述入射视场角对应的入射光线从所述波导耦合器的出射端导出，并且从所述波导耦合器的出射光线中分离出用于形成图像的信息光线。
具体地，本发明采用的反射式波导耦合器的结构如图2所示，图2中所示的导光板是一个能透射光线的基板，在侧视图中，导光板由上表面1、下表面2以及两个侧面构成，导光板内部嵌入了多个反射单元，反射单元均为部分反射表面，分别为部分反射表面3、部分反射表面4、部分反射表面5和部分反射表面6。其中，部分反射表面4、部分反射表面5和部分反射表面6互相平行，部分反射表面3与导光板的上表面1的锐角夹角为θ。
在导光板的入射端，携带有入射图像的入射光线从导光板的下表面2入射，入射光线在经过下表面2时会发生折射，产生折射角度α，此折射角度α即为入射光线入射在部分反射表面3时与导光板表面的法线方向的夹角。入射光线进入导光板后，在导光板的上表面1和下表面2之间发生全反射，并向导光板的出射端传播。在导光板的出射端，通过部分反射表面4、部分反射表面5和/或部分反射表面6得到出射光线。其中，光线中包含与入射图像对应的光线，即信息光线，出射光线中的信息光线用于形成图像，出射光线中的其他光线为杂散光线，由于杂散光线的存在，会使在人眼中形成的图像质量降低。
这里需要说明的是，部分反射表面上设置有部分反射膜，部分反射膜采用光的干涉原理，可以使入射图像所在波段内的光线按照设定的反射率反射，而使其他波段内的光线在部分反射表面上透射。使得入射图像所在的较窄波段内的光线才能进入导光板内发生全反射传播，进而形成出射光线，进入人眼形成图像；而其他波段的光线在部分反射表面上大部分会被透射出去。此种结构也可以使外部光线中的大部分光线通过部分反射表面4、部分反射表面5和部分反射表面6进入导光板，以形成出射光线，进入人眼形成图像，如图3所示。
入射光线在经过导光板传播后导出时不可避免会存在少量杂散光线出现在出射光线中，导致出射光线中不仅仅存在信息光线，还存在杂散光线，进而使人眼中形成的图像质量降低。
所以本发明中，预先设定入射视场角，获取入射光线在所述导光板表面的折射角度范围，通过在折射角度范围内调整折射角度的大小，同时调整波导耦合器中反射单元与导光板表面之间的锐角角度的大小，使所述锐角夹角和所述折射角度满足预设条件，以从所述波导耦合器的出射光线中分离出用于形成图像的信息光线。这样可以极大的提高人眼中形成的图像质量，进而提高用户体验。
这里需要说明的是，波导耦合器的入射视场角即为入射至下表面2的入射光线的最大入射角度和最小入射角度之差。获取的入射光线在所述导光板表面的折射角度范围，即获取入射光线经下表面2折射的最大折射角度和最小折射角度。得到了最大折射角度和最小折射角度，结合导光板的折射率，即可得到与最大折射角度对应的最大入射角度，以及与最小折射角度对应的最小入射角度，对二者作差即可得到当前的入射视场角。需要将当前的入射视场角调整为设定的入射视场角，就可以通过调整折射角度的大小，以及所述锐角夹角的大小。当折射角度的大小与锐角夹角的大小满足预设条件时，设定入射视场角对应的入射光线可以从波导耦合器的出射端导出，而且还可以从出射光线中分离出信息光线。
在上述实施例的基础上，出射光线中的信息光线与所述入射光线关于所述导光板表面的一条法线对称。
具体地，为保证波导耦合器的入射视场角等于出射视场角，以使人眼观察到的图像与入射图像一致，需要保证信息光线与入射光线关于导光板表面的一条法线对称。也就是，部分反射表面4、5、6与部分反射表面分别关于导光板表面的一条法线对称。
在上述实施例的基础上，为满足入射光线在导光板的上下表面之间可以实现全反射传播，反射单元与导光板表面之间的锐角夹角和所述折射角度需要满足：
其中，n为所述导光板的折射率，n0为真空折射率。
具体地，从图2可以看出，由于入射光线在导光板的下表面2的折射角度为α，部分反射表面3与导光板的下表面2的锐角夹角为θ，入射光线在部分反射表面3的入射角度为θ-α，则入射光线经部分反射表面反射后在下表面2的入射角度为2θ-α，由全反射定律可知，若要在导光板内的上下表面之间可以实现全反射传播，入射光线在下表面2的入射角度需要满足公式(1)。
在上述实施例的基础上，所述预设条件具体包括：
180-4θ+α>0 (2)
其中，θ为反射单元与导光板表面之间的锐角夹角，α为所述折射角度。
具体地，为了从所述波导耦合器的出射光线中分离出用于形成图像的信息光线，一种方法是改变出射光线中的杂散光线的传播方向，使杂散光线与信息光线的传播方向不同，进而达到分离的结果。在此，为了精确区分出射光线的传输方向，设定以出射光线向导光板表面的法线旋转，若旋转方向为顺时针，则出射光线与导光板表面的法线之间的夹角为正，否则为负。从图2中可以看出，为满足信息光线与所述入射光线关于所述导光板表面的一条法线对称，则需要出射光线中的信息光线与导光板表面的法线之间的夹角为正，则可以使杂散光线与导光板表面的法线之间的夹角为负即可实现杂散光线与信息光线分离。
由于出射光线中的信息光线与入射光线关于导光板的一条法线对称，且入射光线在导光板的下表面2上与导光板的法线之间的夹角为α，因此出射方向为正方向。入射光线在部分反射面3上的入射角度为θ-α，由于杂散光线与信息光线的轨迹不同，杂散光线在部分反射面4、5、6上的入射角度为180-3θ+α，杂散光线传播至波导表面2时与导光板的法线之间的夹角为-180+4θ-α。为了保证杂散光线沿负方向传播，则需要-180+4θ-α<0，即可得到公式(2)。
这里需要说明的是，只要与入射光线关于导光板的一条法线对称的光线均为信息光线，对应地，只要不能与入射光线关于导光板的一条法线对称的光线均为杂散光线。所以，由于上述原因，使得信息光线与杂散光线在导光板的上、下表面之间进行全反射传播时的光程不相同，进而导致杂散光线与信息光线的轨迹不相同。
在上述实施例的基础上，所述预设条件还包括：
其中，n为所述导光板的折射率，n0为真空折射率。
为保证杂散光线能够导出导光板，需要让杂散光线不能在导光板的下表面发生全反射传播，则需要杂散光线在导光板的下表面2上的入射角的绝对值180-4θ+α满足公式(3)。
由于现有技术中并没有考虑到如何通过波导耦合器的结构更改，入射光线的方向调整或者材料折射率变化来满足不同的出射视场角和出瞳直径需求的问题。以下本发明将根据公式(2)和公式(3)进行具体说明，以设计出满足不同出射视场角和出瞳直径需求的波导耦合器。
在上述实施例的基础上，基于反射式波导耦合器的光线传导和分离方法还包括：
根据所述预设条件，以及所述波导耦合器的出射视场角与所述折射角度的大小关系，确定所述导光板为不同折射率时所述出射视场角与所述锐角夹角之间对应的第一变化曲线。
具体地，由于波导耦合器的出射视场角在数值上等于入射光线在导光板下表面上的入射角的最大值与最小值之差，即公式(4)所示。
ω＝α0max-α0min (4)
其中，ω为波导耦合器的出射视场角，α0max为入射光线在导光板下表面上的入射角的最大值，α0min为入射光线在导光板下表面上的入射角的最小值。由于入射光线在导光板下表面会发生折射，α0max则对应着入射光线的最大折射角度αmax，α0min则对应着入射光线的最小折射角度αmin。
根据公式(2)和公式(3)的预设条件描述的θ、α与n之间的关系，以及波导耦合器的出射视场角与α的大小关系，对于给定的导光板的折射率，分别选定不同数值的出射视场角，以确定部分反射表面3与导光板表面之间的锐角夹角的具体数值。最终确定导光板为不同折射率时出射视场角与θ之间对应的第一变化曲线。
如图4所示，分别给定导光板的折射率为n＝1.44，n＝1.55，n＝1.62和n＝1.73。当n＝1.44时，分别选定不同数值的出射视场角，根据公式(2)、(3)、(4)以及折射定律，确定每一个出射视场角对应的θ。根据出射视场角与θ之间的大小关系，绘制第一变化曲线，如图4中实线所示。根据同样的方法绘制导光板的折射率取其他值时对应的第一变化曲线。图4中，横坐标为θ，单位为度(°)，纵坐标为出射视场角，单位为度(°)。
得到如图4所示的出射视场角与锐角夹角θ之间的第一变化曲线后，即可根据需要对反射式波导耦合器的参数进行选取。从图4中可以看出，θ取值为34°至45°，以及45°至59°时，θ的取值与出射视场角呈正相关。因此，在折射率n不变的情况下，可以通过增大θ使出射视场角增大；在θ不变的情况下，可选用折射率小的导光板材料使出射视场角增大。例如，目前波导耦合器的出射视场角为22°，采用折射率为n＝1.73的材料作为导光板，θ为39.5°。若需要设计出出射视场角为32°的波导耦合器，则根据图4可以得到，如果依然选择折射率为n＝1.73的材料作为导光板，可直接将θ增大至41°。另外一种方法，就是保持θ不变，选择折射率为n＝1.44的材料作为导光板，即可实现波导耦合器具有32°的视场角。
本实施例中，通过确定导光板为不同折射率时出射视场角与θ之间对应的第一变化曲线，可以直接根据该第一变化曲线确定波导耦合器的设计参数，不需要进行复杂的计算，节约了成本。
在上述实施例的基础上，基于反射式波导耦合器的光线传导和分离方法还包括：
根据所述预设条件，以及所述波导耦合器的出瞳直径，确定所述导光板为不同折射率时所述出瞳直径与所述锐角夹角之间对应的第二变化曲线。
具体地，根据公式(2)和公式(3)的预设条件描述的θ、α与n之间的关系，以及波导耦合器的出瞳直径，分别选定不同数值的出瞳直径，以确定部分反射表面3与导光板表面之间的锐角夹角的具体数值。最终确定导光板为不同折射率时出瞳直径与θ之间对应的第二变化曲线。
如图5所示，分别给定导光板的折射率为n＝1.44，n＝1.55，n＝1.62和n＝1.73。当n＝1.44时，分别选定不同数值的出瞳直径，根据公式(2)、(3)，确定每一个出瞳直径对应的θ。根据出瞳直径与θ之间的大小关系，绘制第二变化曲线，如图5中实线所示。根据同样的方法绘制导光板的折射率取其他值时对应的第二变化曲线。图5中，横坐标为θ，单位为度(°)，纵坐标为出瞳直径，单位为毫米(mm)。
得到如图5所示的出瞳直径与锐角夹角θ之间的第二变化曲线后，即可根据需要对反射式波导耦合器的参数进行选取。从图5中可以看出，θ取值为34°至59°时，θ的取值与出瞳直径呈负相关。因此，在折射率n不变的情况下，可以通过减小θ使出瞳直径增大；在θ不变的情况下，可选用折射率小的导光板材料使出瞳直径增大。
在上述实施例的基础上，可以根据图4和图5的变化曲线，选取合适的设计参数，使波导耦合器的出瞳直径和出射视场角共同达到最优。
例如，目前波导耦合器的出射视场角为22°，采用折射率为n＝1.73的材料作为导光板，θ为39.5°。若需要设计出出射视场角为32°的波导耦合器，同时保证出瞳直径不受损，则根据图4中的第一变化曲线可知，增大出射视场角，将θ设置为39.5°至53.5°之间的任意角度均可实现，但是根据图5中的第二变化曲线可知，当θ增大时，会导致出瞳直径变小，所以综合考虑，选择θ＝39.5°。
在上述实施例的基础上，所述导光板的折射率的取值范围为1.3≤n≤1.8，n为所述导光板的折射率。
如图6所示，并结合图2。在上述实施例的基础上，本反射式波导耦合器的工作原理为：入射光线从微型投影器7发出，经过孔径光阑8约束，再经准直透镜9后，入射到波导耦合器的导光板的下表面上，先发生折射，然后到达部分反射表面。经过部分反射表面后，有大部分光线反射，小部分光线透射出去。反射光线到达导光板的下表面，并在导光板的上、下表面之间全反射向前传播；经过部分反射表面4、5、6的反射，再经过导光板的折射后出射到达人眼。
如图7所示，在上述实施例的基础上，本发明还提供了一种基于反射式波导耦合器的光线传导和分离装置，包括：角度获取模块71和调整模块72。
其中，角度获取模块71用于获取设定的所述波导耦合器的入射视场角和入射光线在所述导光板表面的折射角度范围；
调整模块72用于在所述折射角度范围内调整所述折射角度的大小，同时调整所述波导耦合器中反射单元与导光板表面之间的锐角夹角的大小，使所述锐角夹角和所述折射角度满足预设条件，以使所述入射视场角对应的入射光线从所述波导耦合器的出射端导出，并且从所述波导耦合器的出射光线中分离出用于形成图像的信息光线。
在上述实施例的基础上，所述预设条件包括公式(2)。
在上述实施例的基础上，所述预设条件还包括公式(3)。
具体地，本发明提供的基于反射式波导耦合器的光线分离装置中各模块的作用及处理过程，与上述方法类实施例是一一对应的，本实施例在此不再赘述。
本发明提供的基于反射式波导耦合器的光线传导和分离装置，通过角度获取模块获取预先设定的所述波导耦合器的入射视场角和所述折射角度范围，并通过调整模块调整所述锐角夹角和所述折射角度，使所述锐角夹角和所述折射角度满足预设条件，以使所述入射视场角对应的入射光线从所述波导耦合器的出射端导出，并且从所述波导耦合器的出射光线中分离出用于形成图像的信息光线。这样可以极大的提高人眼中形成的图像质量。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于反射式波导耦合器的光线传导和分离方法，其特征在于，包括：
获取设定的所述波导耦合器的入射视场角和入射光线在所述导光板表面的折射角度范围；
在所述折射角度范围内调整所述折射角度的大小，同时调整所述波导耦合器中反射单元与导光板表面之间的锐角夹角的大小，使所述锐角夹角和所述折射角度满足预设条件，以使所述入射视场角对应的入射光线从所述波导耦合器的出射端导出，并且从所述波导耦合器的出射光线中分离出用于形成图像的信息光线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信息光线与所述入射光线关于所述导光板表面的一条法线对称。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设条件包括：
180-4θ+α>0，
其中，θ为所述锐角夹角，α为所述折射角度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设条件还包括：
<mrow>
<mn>180</mn>
<mo>-</mo>
<mn>4</mn>
<mi>&theta;</mi>
<mo>+</mo>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>&le;</mo>
<msup>
<mi>sin</mi>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msup>
<mfrac>
<msub>
<mi>n</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mi>n</mi>
</mfrac>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中，n为所述导光板的折射率，n0为真空折射率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：
根据所述预设条件，以及所述波导耦合器的出射视场角与所述折射角度的大小关系，确定所述导光板为不同折射率时所述出射视场角与所述锐角夹角之间对应的第一变化曲线。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：
根据所述预设条件，以及所述波导耦合器的出瞳直径，确定所述导光板为不同折射率时所述出瞳直径与所述锐角夹角之间对应的第二变化曲线。
7.根据权利要1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述导光板的折射率的取值范围为1.3≤n≤1.8，n为所述导光板的折射率。
8.根据权利要1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述锐角夹角和所述折射角度满足：
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>&theta;</mi>
<mo>-</mo>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>&GreaterEqual;</mo>
<mi>a</mi>
<mi>r</mi>
<mi>c</mi>
<mi>s</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mfrac>
<msub>
<mi>n</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mi>n</mi>
</mfrac>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中，θ为所述锐角夹角，α为所述折射角度，n为所述导光板的折射率，n0为真空折射率。
9.一种基于反射式波导耦合器的光线传导和分离装置，其特征在于，包括：
角度获取模块，用于获取设定的所述波导耦合器的入射视场角和入射光线在所述导光板表面的折射角度范围；
调整模块，用于在所述折射角度范围内调整所述折射角度的大小，同时调整所述波导耦合器中反射单元与导光板表面之间的锐角夹角的大小，使所述锐角夹角和所述折射角度满足预设条件，以使所述入射视场角对应的入射光线从所述波导耦合器的出射端导出，并且从所述波导耦合器的出射光线中分离出用于形成图像的信息光线。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述预设条件包括：
180-4θ+α>0，
其中，θ为所述锐角夹角，α为所述折射角度。
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