CN107942430A - 一种复合光学穿戴显示波导器件 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种复合光学穿戴显示波导器件，该复合光学穿戴显示波导器件包括：波导衬底和出光口；波导衬底由凝固的光学胶体构成，用于对耦合进入的光线进行全反射传播；出光口设置于波导衬底上的第一预设位置，用于耦合输出波导衬底内全反射传播的光线。由于光学胶体本身具有较高的抗震能力和防爆能力，本发明实施例中的波导衬底由凝固的光学胶体构成，并且牢牢包裹住出光口，使复合光学穿戴显示波导器件具有较高的抗震能力和防爆能力。

Description

一种复合光学穿戴显示波导器件

技术领域

本发明涉及光学波导技术领域，尤其涉及一种复合光学穿戴显示波导器件。

背景技术

随着智能可穿戴设备与抬头显示的发展，光学波导器件以其重量轻、体积小、结构紧凑以及厚度薄等独特优势，成为实现增强现实技术极好的载体，得到越来越广泛的关注。

光学波导器件主要由三部分构成：波导衬底、出光口和耦合面。其工作原理为：入射光经准直后到达光学波导器件的耦合面，耦合面对入射光进行反射或折射以改变入射光的传播方向，使入射光耦合进入波导衬底中，进入波导衬底的入射光在波导衬底中进行全反射传播并传输至出光口，出光口将入射光耦合传输出波导衬底，达到增强现实的效果。现有光学波导器件的制备方法通常是先将以上三个部分分别设计完成，然后再进行整体加工。

现有的波导衬底、出光口和耦合面的抗震能力和防爆能力都比较低，一旦发生震动或碰撞等，很容易发生破裂。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种复合光学穿戴显示波导器件，该复合光学穿戴显示波导器件具有较高的抗震能力和防爆能力。

本发明实施例提供了一种复合光学穿戴显示波导器件，所述复合光学穿戴显示波导器件包括：波导衬底和出光口；

所述波导衬底由凝固的光学胶体构成，用于对耦合进入的光线进行全反射传播；

所述出光口设置于所述波导衬底上的第一预设位置，用于耦合输出所述波导衬底内全反射传播的光线。

可选的，所述波导衬底包括耦合面，所述耦合面设置于所述波导衬底上的第二预设位置，用于将入射光线耦合进入到所述波导衬底。

可选的，所述出光口由透镜或光栅预先单独制成。

可选的，所述耦合面由透镜或光栅预先单独制成。

可选的，所述出光口包括平面出光口、曲面出光口、齿形出光口或楔形出光口中的一种。

可选的，所述波导衬底包括平面波导衬底或不规则形状波导衬底。

可选的，所述复合光学穿戴显示波导器件通过向波导模型的中空结构中填充光学胶体制备得到，在制备过程中，所述出光口固定在所述中空结构中与所述第一预设位置对应的位置。

可选的，在制备过程中，所述耦合面固定在所述中空结构中与第二预设位置对应的位置。

本发明实施例提供了一种复合光学穿戴显示波导器件，包括波导衬底和出光口，其中，波导衬底由凝固的光学胶体构成，出光口设置于波导衬底的第一预设位置。由于光学胶体本身具有较高的抗震能力和防爆能力，本发明实施例中的波导衬底由凝固的光学胶体构成，并且牢牢包裹住出光口，使复合光学穿戴显示波导器件具有较高的抗震能力和防爆能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图说明所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将变得更明显。

图1a是本发明实施例一中的一种复合光学穿戴显示波导器件的剖面图；

图1b是本发明实施例一中的另一种复合光学穿戴显示波导器件的剖面图；

图2a是本发明实施例二中的一种复合光学穿戴显示波导器件的剖面图；

图2b是本发明实施例二中的一种头戴显示应用系统的结构示意图；

图3是本发明实施例三中的一种波导模型的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1a为本发明实施例一提供的一种复合光学穿戴显示波导器件的剖面图，图1b为本发明实施例一提供的另一种复合光学穿戴显示波导器件的剖面图，参见图1a和图1b，复合光学穿戴显示波导器件100包括波导衬底110和出光口120。

其中，波导衬底110由凝固的光学胶体构成，其用于对耦合进入的光线进行全反射传播；出光口120设置于波导衬底110上的第一预设位置，用于耦合输出波导衬底110内全反射传播的光线。

本实施例中，复合光学穿戴显示波导器件100由波导衬底110和出光口120两部分构成，其中，波导衬底110用于对耦合进入其中的光线进行全反射传播，出光口可以破坏光线的全反射传播，通过透射等方式使光线传播出复合光学穿戴显示波导器件100，以使光线进入到观察者的视野中。出光口120与复合光学穿戴显示波导器件100中进行全反射的区域结构不同，其经过特殊设计，能够使经全反射传播的光线从该结构中部分透射出去，以达到最终成像的目的。

现有的波导衬底的制备材料主要是玻璃和塑料等，本实施例中，波导衬底110的制备材料与现有的材料不同，其为凝固的光学胶体。不同于玻璃和塑料，光学胶体具有一定的缓冲能力，因此，当波导衬底110发生震动时，其具有较高的抗震能力和防爆能力。波导衬底110可以根据实际需要设置成任意形状，其包括现有的波导衬底的所有形状，例如可以是厚度均匀、外形为方形的平板，如图1a所示；也可以是上下表面均为齿状的波导衬底，如图1b所示，其中，波导衬底的上下表面分别与波导衬底的上下全反射面相对应。

本实施例中，出光口120设置于波导衬底110的第一预设位置上，由凝固的光学胶体牢牢包裹住，其中，第一预设位置由待制备的复合光学穿戴显示波导器件中出光口的实际位置确定，其包括现有光学波导器件中出光口的所有固定位置，例如可以是固定在复合光学穿戴显示波导器件上表面的一侧，也可以是固定在复合光学穿戴显示波导器件下表面的一侧，还可以是固定在复合光学穿戴显示波导器件上下表面之间并且与上下表面相连的位置等。由于光学胶体的存在，使得出光口不容易从波导衬底110中滑出，也不容易发生破裂，抗震能力和防碎裂能力都较高。

本实施例提供的复合光学穿戴显示波导器件，包括波导衬底和出光口，其中，波导衬底由凝固的光学胶体构成，出光口设置于波导衬底的第一预设位置。由于光学胶体本身具有较高的抗震能力和防爆能力，本实施例中的波导衬底由凝固的光学胶体构成，并且牢牢包裹住出光口，使复合光学穿戴显示波导器件具有较高的抗震能力和防爆能力。

实施例二

图2a为本发明实施例二提供的一种复合光学穿戴显示波导器件的剖面图，图2b为本发明实施例二提供的一种头戴显示应用系统的结构示意图，本实施例在实施例一的基础上进行优化，参见图2a，复合光学穿戴显示波导器件200除了可以包括波导衬底210和出光口220外，还可以包括耦合面230。其中，耦合面230设置于波导衬底210上的第二预设位置，用于将入射光线耦合进入到波导衬底210中，其中，带箭头的线表示入射光的方向，其他折线表示光线的全反射传播路径。

本实施例中，复合光学穿戴显示波导器件200的耦合面230可以通过反射或折射的方式，改变入射光的传播方向，使入射光进入到复合光学穿戴显示波导器件衬底210中。在本实施例中，复合光学穿戴显示波导器件200的耦合面230可以作为波导衬底210的一部分，直接由光学胶体构成，也可以作为独立的一部分由其他材料制备而成。

本实施例中，耦合面230设置于波导衬底210的第二预设位置上，由凝固的光学胶体牢牢包裹住。其中，第二预设位置异于第一预设位置，第二预设位置由待制备的复合光学穿戴显示波导器件中耦合面的实际位置确定，其包括现有光学波导器件中耦合面的所有固定位置，例如可以是固定在复合光学穿戴显示波导器件的上表面远离出光口的一侧，也可以是固定在复合光学穿戴显示波导器件的下表面远离出光口的一侧，还可以是固定在复合光学穿戴显示波导器件的侧面远离出光口的一侧等。此外，耦合面的具体形状可以根据实际需要进行设定，在此不做限定。

本实施例提供的复合光学穿戴显示波导器件，包括波导衬底、出光口和耦合面，其中，波导衬底由凝固的光学胶体构成，出光口设置于波导衬底的第一预设位置，耦合面设置于波导衬底的第二预设位置。由于光学胶体本身具有较好的抗震能力和防爆能力，本实施例中的波导衬底由凝固的光学胶体构成，并且牢牢包裹住出光口和耦合面，使复合光学穿戴显示波导器件具有较高的抗震能力和防爆能力。

以应用于头戴显示应用系统中的复合光学穿戴显示波导器件为例，对复合光学穿戴显示波导器件的工作原理进行具体说明。示例性的，如图2b所示，波导衬底210为平面波导衬底，出光口220为平面出光口，耦合面230与波导衬底210为一个整体，且倾斜设置。

头戴显示应用系统中的光学器件可以包括显示光源240，准直透镜250，耦合面230，波导衬底210，出光口220五部分。其中，显示光源240用于提供需要展示的图像信息，准直透镜250用于对显示光源240发出的光线进行准直，耦合面230用于通过反射的原理来改变光线的传播方向，波导衬底210用于对光线进行全反射传播，出光口220用于破坏光线的全反射条件，使光线能够耦合输出到平面出光口外。

在实际应用过程中，准直透镜250接收到显示光源240发出的光线，并进行准直。经准直后的光线继续传播到达复合光学穿戴显示波导器件的耦合面230，耦合面230对光线进行反射，使其进入到波导衬底210中，光线进入波导衬底210后，在波导衬底210中进行全反射传播，当光线传播到出光口220处时，由于出光口220的反射作用，破坏了光线的全反射条件，使光线最终能够耦合进入到人眼中，使人眼能够顺利的观察到显示光源发出的图像。

在上述各实施例的基础上，进一步的，出光口由透镜或光栅预先单独制成。

本实施例中，复合光学穿戴显示波导器件的出光口是在制备波导衬底之前，预先单独加工的，通过使用预先单独加工的出光口，打破了光学波导器件需整体加工的常规制备手段，使得在光学波导器件制备过程中，当出光口出现问题时，无需更换其他部件，只需更换出光口即可，降低了光学波导器件的生产成本。复合光学穿戴显示波导器件的出光口的结构、材料以及加工方法等与现有的光学波导器件中的结构、材料以及加工方法均相同。其中，出光口的制作材料优选可以是透镜或者光栅。

进一步的，耦合面由透镜或光栅预先单独制成。

本实施例中，复合光学穿戴显示波导器件的耦合面是在制备波导衬底之前，预先单独加工，通过使用预先单独加工的耦合面，打破了光学波导器件需整体加工的常规制备手段，使得在光学波导器件制备过程中，当耦合面出现问题时，无需更换其他部件，只需更换耦合面即可，降低了光学波导器件的生产成本。复合光学穿戴显示波导器件的耦合面的结构、材料以及加工方法等与现有的光学波导器件中的结构、材料以及加工方法均相同。其中，耦合面的制作材料优选可以是透镜或者光栅。

本实施例提供的复合光学穿戴显示波导器件，由预先单独制备的出光口、耦合面以及由凝固的光学胶体构成的波导衬底共同构成，本实施例提供的复合光学穿戴显示波导器件，在具有较高的抗震能力和防爆能力的同时，还降低了生产成本。

在上述各实施例的基础上，进一步的，出光口包括平面出光口、曲面出光口、齿形出光口或楔形出光口中的一种。

本实施例中，复合光学穿戴显示波导器件的出光口可以根据实际需要设置成任意形状。例如可以包括平面出光口、曲面出光口、齿形出光口或楔形出光口等。进一步的，波导衬底包括平面波导衬底或不规则形状波导衬底。

本实施例中，复合光学穿戴显示波导器件的波导衬底可以根据实际需要设置成任意形状。波导衬底可以是平面波导衬底，也可以是不规则形状的波导衬底，例如可以是齿状波导衬底。对于齿状波导衬底而言，其上下全反射面均不再是平面。

实施例三

图3为本实施例三提供的一种波导模型的剖面图，本实施例提供了一种制备上述各实施例中复合光学穿戴显示波导器件的优选实施例，具体的，

本实施例中的复合光学穿戴显示波导器件，通过向波导模型300的中空结构310中填充光学胶体制备得到，在制备过程中，出光口320固定在中空结构310中与第一预设位置对应的位置。

本实施例中，利用光学胶体填充波导模型的方法制备复合光学穿戴显示波导器件。其中，波导模型300具有中空结构310，该中空结构310与复合光学穿戴显示波导器件的波导衬底相对应。该中空结构310可以根据实际需要设计成任意形状，在此不做具体限定。优选的，所述中空结构310的形状与待制备复合光学穿戴显示波导器件的波导衬底的形状相匹配。其剖视图优选可以是，等腰梯形、直角梯形等。

本实施例中，对波导模型300的外部形状，在不影响内部中空结构310的前提下，可以是任意形状，优选可以是，立方体、球体等。本实施例中，对波导模型300的加工材料，在不影响复合光学穿戴显示波导器件的制备材料的前提下，可以是任意的材料，优选可以是，金属材料、陶瓷材料或塑料材料等。

本实施例中，在制作复合光学穿戴显示波导器件时，将预先单独制备好的出光口320固定在波导模型300的中空结构310中与第一预设位置对应的位置，该中空结构310与待制备的复合光学穿戴显示波导器件的结构相同。其中，第一预设位置可以由待制备的复合光学穿戴显示波导器件中出光口320的实际位置确定，根据该第一预设位置即可将出光口320固定在中空结构310中相应的位置上。具体的，复合光学穿戴显示波导器件中出光口的实际位置包括现有光学波导中出光口的所有固定位置，例如可以是固定在复合光学穿戴显示波导器件上表面的一侧，也可以是固定在复合光学穿戴显示波导器件下表面的一侧，还可以是固定在复合光学穿戴显示波导器件上下表面之间并且与上下表面相连等。

本实施例中，对复合光学穿戴显示波导器件的出光口320的固定方式不做特殊限定，只要不影响复合光学穿戴显示波导器件的制作并且能够使出光口固定在波导模型的中空结构中即可。优选的，复合光学穿戴显示波导器件的出光口320的固定方式可以是在中空结构310中的第一预设位置设置一个凹槽。本实施例中，凹槽的形状与出光口320的形状相匹配，凹槽的深度不做限定，以能够恰好固定出光口320不被流动的光学胶体带离凹槽为最佳。优选还可以是在中空结构310的第一预设位置，不采用额外的辅助固定工具，仅利用待灌注的光学胶体对出光口320进行喷涂，待光学胶体凝固后便将出光口320固定于波导模型300中。

本实施例中，波导模型300的中空结构310被完全填充后，光学胶体将出光口320包裹住。待光学胶体凝固，便可与出光口320共同构成目标复合光学穿戴显示波导器件。为了加快光学胶体凝固，优选的，可以使用紫外线照射光学胶体。

本实施例中，用于填充的光学胶体的折射率与出光口制备材料的折射率相近，其差值在预设范围内，该预设范围优选可以是±0.001。光学胶体和出光口材料的折射率相近，可以保证在复合光学穿戴显示波导器件内全反射传播的光线能够从出光口320中部分透射出去。

本实施例提供的复合光学穿戴显示波导器件制备方法，通过预先单独制备复合光学穿戴显示波导器件的出光口，并将出光口固定在预先设计好的波导模型的中空结构中，并向波导模型的中空结构填充光学胶体，使中空结构被光学胶体完全填充，待光学胶体凝固后形成复合光学穿戴显示波导器件。这种采用将出光口和复合光学穿戴显示波导器件衬底分别制备，并使用光学胶体填充波导模型以生成复合光学穿戴显示波导器件衬底的方法，在保证复合光学穿戴显示波导器件性能的同时，降低了复合光学穿戴显示波导器件的生产成本，增强了波导的抗震能力和防爆能力。此外，由于采用的是使用光学胶体填充波导模型的方法，可以根据不同需要设计不同的波导模型，因此，还增加了产品外形的多样性。

进一步的，在制备过程中，耦合面固定在中空结构中与第二预设位置对应的位置。

本实施例中，将预先单独制备的耦合面固定在中空结构中与第二预设位置对应的位置，当中空结构中的光学胶体凝固后，与出光口、耦合面形成复合光学穿戴显示波导器件。

在本实施例中，复合光学穿戴显示波导器件的耦合面除了可以作为波导衬底的一部分，直接由光学胶体填充而成外，还可以预先单独制备。在进行光学胶体填充之前，可以将预先制成的耦合面固定在中空结构中与第二预设位置对应的位置，待填充完成后，光学胶体便能够将耦合面包裹住，在遇到强烈碰撞时，能够保证耦合面不会碎裂崩出，具有一定防爆能力。待光学胶体凝固后，便可与出光口和耦合面共同构成复合光学穿戴显示波导器件。

本实施例中，第二预设位置异于第一预设位置，第二预设位置由待制备的复合光学穿戴显示波导器件中耦合面的实际位置确定，其包括现有复合光学穿戴显示波导器件中耦合面的所有固定位置，例如可以是固定在复合光学穿戴显示波导器件上表面远离出光口的一侧，也可以是固定在复合光学穿戴显示波导器件下表面远离出光口的一侧，还可以是固定在复合光学穿戴显示波导器件侧面远离出光口的一侧等。

本实施例提供的复合光学穿戴显示波导器件制备方法，通过单独加工复合光学穿戴显示波导器件的出光口和耦合面，并将复合光学穿戴显示波导器件的出光口和耦合面固定在预先设计好的波导模型的中空结构中，向波导模型的中空结构填充光学胶体，使中空结构被光学胶体完全填充，待光学胶体凝固后形成复合光学穿戴显示波导器件。这种采用将出光口、耦合面和复合光学穿戴显示波导器件衬底分别制备，并使用光学胶体填充波导模型以生成复合光学穿戴显示波导器件衬底的方法，在保证复合光学穿戴显示波导器件性能的同时，降低了复合光学穿戴显示波导器件的生产成本，增加了产品外形的多样性，增强了波导的抗震能力和防爆能力。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种复合光学穿戴显示波导器件，其特征在于，所述复合光学穿戴显示波导器件包括：波导衬底和出光口；

所述波导衬底由凝固的光学胶体构成，用于对耦合进入的光线进行全反射传播；

所述出光口设置于所述波导衬底上的第一预设位置，用于耦合输出所述波导衬底内全反射传播的光线。

2.根据权利要求1所述的复合光学穿戴显示波导器件，其特征在于，所述波导衬底包括耦合面，所述耦合面设置于所述波导衬底上的第二预设位置，用于将入射光线耦合进入到所述波导衬底。

3.根据权利要求1所述的复合光学穿戴显示波导器件，其特征在于，所述出光口由透镜或光栅预先单独制成。

4.根据权利要求2所述的复合光学穿戴显示波导器件，其特征在于，所述耦合面由透镜或光栅预先单独制成。

5.根据权利要求1-4任一项所述的复合光学穿戴显示波导器件，其特征在于，所述出光口包括平面出光口、曲面出光口、齿形出光口或楔形出光口中的一种。

6.根据权利要求1-4任一项所述的复合光学穿戴显示波导器件，其特征在于，所述波导衬底包括平面波导衬底或不规则形状波导衬底。

7.根据权利要求1-4任一项所述的复合光学穿戴显示波导器件，其特征在于，所述复合光学穿戴显示波导器件通过向波导模型的中空结构中填充光学胶体制备得到，在制备过程中，所述出光口固定在所述中空结构中与所述第一预设位置对应的位置。

8.根据权利要求7所述的复合光学穿戴显示波导器件，其特征在于，在制备过程中，所述耦合面固定在所述中空结构中与第二预设位置对应的位置。