CN108508523A - 一种波导型光学元件及其使用其的近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波导型光学元件及其使用其的近眼显示装置，特别是可以实现一种轻型的具有大视场、超轻薄的增强现实用波导型光学元件，包括互相重叠设置的两层或者更多层波导片，其中每层波导片内均包括多个反光表面，多个反光表面具有不同的反射率以确保由波导片传导的光在从波导片内向外出射时在预定区域内具有大致均匀的强度分布，所述波导型光学元件轻薄，可以直接安装于镜框内，配合投影光学组件使用，使佩戴者获得舒适的佩戴体验和对比度良好的增强现实显示效果。

Description

一种波导型光学元件及其使用其的近眼显示装置

技术领域

本发明涉及一种用于透射式近眼显示装置的平板波导型光学元件及使用其的近眼显示装置，具体的，涉及利用透射式近眼显示技术和视场拼接技术实现在较小的厚度下提高透射式近眼显示装置的视场角波导型元件结构。

背景技术

头戴式显示设备通过光学系统将图像源的图像放大并呈现在用户眼前，根据不同的应用呈现不同的视觉效果，如3D显示、增强现实应用等，由于图像只进入使用者个人眼中，相对传统显示方式，头戴式显示设备具有更好的私密性。随着虚拟现实(virtualreality，VR)和增强现实(augment reality，AR)技术的快速发展，头戴式显示设备由于其巨大的市场价值和发展潜力受到越来越多的关注。

透射式近眼显示器(Near Eye Display,NED)是一种佩戴在用户眼前并为佩戴者提供可视虚拟图像同时不影响用户观察外界真实场景的小型光电显示装置。透射式NED通过微显示器产生计算机虚拟图像信号，然后经过投影技术等耦合进入人眼，同时外界真实场景图像通过光学透射式或视频透射式技术进入人眼，实现虚拟信号与真实场景的融合。光学透射式近眼显示系统因其不阻碍视线，使得用户在观察虚拟场景的同时不影响其对外界场景的观测，在军事、科学研究、增强现实、工业装配和维修、模拟训练、医疗、导航、3D显示及娱乐应用等很多领域和方面都有广阔的应用前景，具有极大的社会经济效益。

随着技术的发展，近眼显示光学系统在满足基本光学性能要求的基础上，透射式NED逐步向着大视场角、高分辨率、超薄轻型化等方向发展，而且越来越注重用户体验。为了实现光学系统的大视场角和超薄轻型化，传统旋转对称多片式系统逐渐被自由曲面棱镜、衍射光学元件等技术所取代，但是这些技术仍然不能满足用户对超薄轻型化的要求，厚度一般不小于10mm，而且这些技术普遍存在出瞳直径较小，用户的眼动范围较小的问题，一般不大于8mm，严重影响用户的佩戴体验。

平板波导型光学元件利用光的全内反射传输大幅降低了透射式NED的厚度并且利用耦合出射端实现较大的出瞳直径，但在视场角方面存在一定的限制，例如，有研究者提出，如图1所示的分光面阵列几何平面波导由于其几何结构和鬼像杂光的影响，在保持厚度较薄的情况下，能够达到的最大视场角度约40°。

发明内容

本发明旨在提供一种适用于透射式近眼显示装置的波导型光学元件，以及使用其的近眼显示装置，通过对波导型光学元件的拼接实现超薄、大视场、大出瞳直径和出瞳距离、无杂光的光学技术解决方案。

根据本发明的波导型光学元件，包括至少两波导片，各波导片以预定间隔平行重叠设置，每一波导片均包括彼此平行的两主表面，用以实现全内反射的方式将耦合进所述波导片中的光向预定方向传播；以及，分别位于各波导片内的至少一个部分反射表面，所述部分反射表面被设置在所述主表面之间的空间内作为分光面，与所述主表面呈预定角度；所述各波导片内的部分反射表面在沿所述主表面的方向上分布的区域不同。

其中，各波导片内的部分反射表面数量均为多个，各波导片内的部分反射表面数量相同或者不同。

优选的，多个部分反射表面在预定的分布区域内均匀分布。

进一步的，还包括与所述波导片一体形成或结合成一体的耦合入射部，耦合入射部用于向波导片折转光线以使进入所述波导片的光满足全内反射的入射条件。

所述耦合入射部位于各片波导片的同一侧，从波导片向同一方向伸出；或者，所述耦合入射部位于各片波导片的不同侧，从波导片向不同方向伸出。

在一种实施方式中，第一波导片内的部分反射表面与主表面所成的角度与所述第二波导片内的部分反射表面与主表面所成的角度为不同。

本发明还涉及一种使用了上述波导型光学元件的近眼显示装置，近眼显示装置进一步包括，外壳，投影光学组件和微型显示器，其中投影光学组件被置于外壳内，用于将所述微型显示器发出的图像光投射至所述波导型光学元件，以在所述波导型光学中传播。

至少两波导片可以共用同一投影光学组件，或者不同的波导片分别与不同的投影光学组件相匹配。

作为一种典型的示例，投影光学组件至少具有4片透镜，所述至少4片透镜中包括一双胶合透镜和一非球面透镜。或者，在多个波导片的情况下，使用激光扫描型投影光学组件。

根据本发明的波导型光学元件，通过至少两层波导片的重叠布置，各层内的分光面阵列的结构参数具有差异，可分别对不同角度范围的视场起作用，能够在保证厚度较单层波导增加有限的情况下，实现更大的视场角，有效视场内的图像光强比较均匀，杂光少，出瞳直径至少达到10mm以上，从而在整体重量较轻的情况下，获得更优越的AR体验。

附图说明

图1为现有技术的分光面阵列几何平面波导结构示意图

图2为根据具有单层波导片的波导型光学元件光路示意图

图3A和图3B为根据本发明第一实施例的波导型光学元件示意图

图4A和图4B为根据本发明第一实施例的波导型光学元件中两层波导片分解示意图

图5为根据本发明第一实施例的波导型光学元件在外界光透射时的光路图

图6为适配第一实施例的波导型光学元件的典型投影光学组件示意图

图7为本发明第一实施例的波导型光学元件和投影光学组件构成的近眼显示装置整体结构

图8为本发明第二实施例的波导型光学元件的光路示意图

图9为适配本发明第二实施例的一种投影光学组件示意图

图10为本发明第二实施例的波导型光学元件和投影光学组件构成的近眼显示装置整体结构

图11为适配本发明第二实施例的另一种投影光学组件示意图

图12本发明第二实施例的波导型光学元件和另一种投影光学组件构成的近眼显示装置整体结构

图13为本发明第三实施例的波导型光学元件的光路示意图

图14为本发明第四实施例的波导型光学元件的光路示意图

具体实施方式

以下对本发明示例性实施例进行详细的描述以解释本发明，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。除非有明确的表示，本领域技术人员应当理解的，第一、第二，左、右等词汇仅理解为区分位于不同位置的不同部分，而不包含必然的限定性作用。

[对于单层波导中的分光面和耦合入射部]

如图2所示给出了仅由单层波导片构成的波导型光学元件光路示意图，光线从波导型光学元件(即单层波导片)的耦合入射部111耦合进入波导型光学元件，光线在波导型光学元件112内达成全反射条件，经过若干次全反射传输后在出射分光面阵列113上被反射，各出射分光面为部分反射表面，其表面上包括具有一定分光比的光学膜，使部分光被反射从而由波导型光学元件中出射进入人眼成像，为满足光能利用率和扩展出瞳的要求，这样的分光面个数在整个波导型光学元件中保持3～7比较适宜，优选的，5～6个效果更佳。为了生产制造的便利，优选分光面之间彼此平行且等间距。在耦合入射部111的结构中，为了满足耦合功能以及光线在人眼(即出瞳位置)的均匀分布要求，耦合入射部的特征角度θ₀、θ₁和L_T需要满足以下条件：

其中，θ为分光面特征角，ω_t为光线在波导元件内的传输角度。特征角θ需要满足以下两个条件：

A、保证光线在波导内传输满足全反射条件，全反射临界角为θ_c

90°＞ω_t＞θ_c

B、使杂光与正常成像光线分离，将杂光偏离出系统的出瞳。

增大θ和减小θ的方式都可以将杂光偏离出系统的出瞳位置，但相应的，相同厚度和分光面个数的情况下，出瞳直径采用增大θ角度的方式比减小θ角度的方式的小；减小θ角度的方式，会一定程度上限制视场角；采用增大θ角度的方式，满足出瞳范围内光线均匀性的要求时会造成耦合入射部的尺寸较大。

在相同波导片厚度和相同分光面数量的情况下，两波导片都采用较小的θ角度易于实现较高的视场角，同时保证较大的出瞳，但本领域技术人员可以理解，不限于此的，两波导片中的分光面特征角也可以采用大于30°与小于30°配合的方案，或者都采用大于30°的方案也是可行的，相应的，采用不同分光面特征角的方案，能够达到的最大视场角略有不同。并且，采用更高折射率的材料可增大波导型光学元件的视场角度。

[第一实施例]

如图3A所示，根据本发明的波导型光学元件，包括两层波导片11和12叠加的放置，具体在图中所示的XYZ坐标系中，每一波导片11,12均包括彼此平行的两主表面，两主表面沿坐标系的XY面上延伸，第一波导片11中包括5个用于耦合出射分光面，附接有一个耦合入射部13；第二波导片12也附接有一个耦合入射部14，波导片中包括5个耦合出射分光面；第一波导片和第二波导片的各主表面均相互平行，在第一波导片11和第二波导片12相邻的主表面中间有微小空气膜层15。诸如LCD、OLED、LCoS或DLP等微型显示器101和102分别作为第一波导片和第二波导片的像源元件，其发出的图像光经各自的投影光学组件分别进入附接(例如，通过粘合的方式)至第一波导片11一侧主表面的耦合入射部13和附接至第二波导片一侧12主表面的耦合入射部14，耦合入射部13，14在X方向上沿在主表面延伸，并在YZ面上呈现大致三角形的截面，在一种典型的方式中，如图3中所示出的，两耦合入射部的顶角朝向不同方向，即耦合入射部不在两波导片的同一侧，从波导片向不同方向伸出，从而使经由投影光学组件出射的图像光(一般是平行光)可以通过耦合入射部被耦合分别进入第一波导片11和第二波导片12内传播，经过若干次全反射后经由各波导片内的耦合出射分光面11a-11e和12a-12e耦合出射，最终到达出瞳位置EP进入使用者人眼成像。由于需要借由多个耦合出射分光面将光线耦合出射，为了实现出射图像的均匀性，在本实施例中，将分光面在分布区域内均匀间隔分布，如图3B所示，每一个分光面上镀分光膜层、各分光膜层的反射率在随分光面在Y方向上的位置逐步远离耦合入射部而变大的方式，有效提高出瞳范围内光照亮度的均匀性，相邻分光面上的膜层的反射率R关系可以如式(3)所示：

其中N为分光膜顺序编号，如R₁为最靠近耦合入射部的分光面的分光膜反射率。

如图4A和4B所示，为了将波导型光学元件内的光线出射，需要破坏波导片内光线的全反射条件，耦合出射分光面11a-11e分光面和主表面的特征角θ₁较小，θ₁较小可有效将鬼像杂光偏离出瞳，负责坐标系所示Y方向上[-FOV/2，0]视场范围的光线；第二波导片12中耦合出射分光面和主表面的特征角θ₂较大，θ₂较大可有效扩大视场角度，负责坐标系所示Y方向上[0，FOV/2]视场范围的光线。这样的分布方式使第一波导片11中分光面11a-11d构成的阵列较人眼视轴方向偏-Y方向，第二波导片12中分光面12a-12d构成的阵列较人眼视轴方向偏+Y方向，当分光面在不同波导片中的分布区域不一致而错开时，可以保证全视场的出瞳直径足够大，以及杂光少。对于两波导片中的分光面分布，可以从分光面在波导片上的分布边界点之间的距离定义，第一波导片11中的分光面11a-11d其分布上边界点为A(对应于11a分光面)，下边界点为a(对应于11d分光面)，第二波导片12中的分光面12a-12d分布上边界点为b(对应于12a分光面)，下边界点为B(对应于12d分光面)，在本实施例中分光面分布特征下，A、B点之间在Y方向上的距离P_AB满足式(4)。

其中，EPD为出瞳直径，ERF为出瞳距离，FOV为波导型光学元件可以达到的视场角，n为波导片的折射率，D为波导型光学元件的厚度，P_Aa P_bB<P_AB。

由于两波导片中的分光面在各自波导片中的分布区域在Y方向不重合，使来自微型显示器的图像光被分别耦合出射，至不同的视场区域，从而实现两个微显示器101和102所显示图像的在出瞳处完成拼接显示，可以大幅提高有效视场角及图像显示分辨率。

表1-1示出了根据上述实施方式的一种具体波导片结构参数，在波导扩展方向(Y方向)视场角可以达到±32°，此时，第一波导片的内部杂光不会进入出瞳位置，而第二波导片在视场角度为0°时的内部杂光的角度最接近正常视场角度区域，由于第二波导片内的分光面构成的阵列分布位置偏下，杂光被偏转离开视场，不会进入出瞳位置，因此整个视场内无杂光，有效的视场角可以达到64度。

表1-1

图5为上述实施例在外界光透射时的光路图，由于两波导片的非相邻的外侧表面为平面且相互平行，不会对透射方向的光线进入用户眼睛造成影响，外界光可透过波导片进行正常的成像。

图6为一种适配第一实施例双层波导型光学元件的典型投影光学组件16示意图，根据图6中示出的投影光学组件16的整体光路，包括第一至第四透镜161-164，其中第二透镜162为双胶合透镜，第四透镜164为10阶非球面透镜，第一透镜161的光焦度为负，第三透镜163的光焦度为正，像面位置(即微型显示器的位置)167。投影光学组件各光学面参数可由表1-2和表1-3所示，从第一透镜到第四透镜，表面依次被标记为依次为3,4,5……

表面标记	表面类型	半径	厚度
				光阑XOZ	球面	∞	40
光阑YOZ	球面	∞	0.1
				3	球面	17.299	1.782
4	球面	47.383	0.01
				5	球面	11.900	4.97
6	球面	-28.790	2.6
				7	球面	-32.791	0.01
8	球面	-34.714	1.602
				9	球面	12.356	3.342
10	非球面	6.986	2.594
				11	非球面	2612.337	4.621
Image	球面	∞	-0.100

表1-2

其中表面10和表面11为第四透镜164的非球面表面，非球面方程如式(5)所示，各项系数如表1-3所示：

表面	K	A	B	C	D
						10	0.000E+00	-8.214e-004	1.801e-005	-8.047e-007	0.000E+00
11	0.000E+00	-1.221e-004	-4.714e-006	-8.930e-008	0.000E+00

表1-3

图7为本发明第一实施例中的波导型光学元件和投影光学组件配合后，使用两个0.39″OLED作为微型显示元件而构成的近眼显示装置整体结构图，在第一实施例的近眼显示装置中，采用两个分离的投影光学组件16分别适配第一波导片和第二波导片的方式，投影光学组件在YOZ方向视场角度分别为±16°，投影光学组件的光轴与耦合入射部入射面的夹角Δθ＝16°，Δθ使得由投影光学组件出射的、视场为[-16°，16°]的光线进入第一、二波导片件后变为[-32°,0]和[0，32°]，实现在YOZ方向的视场角达到64°，出瞳距离20mm，出瞳直径10mm，两层波导总厚度小于等于4mm，实现了大视场轻薄高分辨率的透射式近眼显示。

本领域人员容易理解的，也可以设计视场角度在YOZ方向为±32°(或±16°～±32°之间的)投影光学组件，并在如图7中适当偏移微型显示器的中心离开投影光学组件光轴的方式实现视场角度的拼接。

[第二实施例]

图8为本发明第二实施例的波导型光学元件的光路图，与第一实施例相同的，第二实施例也采用双层波导片21和22叠加放置的方案，中间有微小空气膜层25，每一波导片中也包括5个耦合出射分光面，其中第一波导片21中耦合出射分光面和主表面的特征角θ₁较大，负责[0，FOV/2]视场范围的光线；第二波导片22中耦合出射分光面和主表面的特征角θ₂较小，负责[-FOV/2，0]视场范围的光线。

对于本发明第二实施例的双层波导型光学元件，具体的参数可以如表2-1所示。与第一实施例相比，波导片的排列顺序发生了变化，但可以保持了一致的出瞳直径和视场角。

表2-1

在第二实施例中，双层波导片可以共用同一投影光学组件26，图9为本发明第二实施例的投影光学组件26示意图，投影光学组件26按视场角度被分成了两路以分别对应两层波导片21，22。投影光学组件26在YOZ方向的出瞳位置为261，即波导型光学元件在耦合入射部通光孔径的位置，YOZ方向的光线需要保证每个视场角度的光线在水平方向都能够充满通光孔径的宽度。投影光学组件26包括透镜262、透镜263、透镜264、透镜265和透镜266，其中透镜264为双胶合透镜，透镜265为非球面透镜，非球面阶数为10，透镜262的光焦度为正，像面位置为267，这样的投影光学组件26的有效焦距可以达到16.35mm。

根据本发明第二实施例的投影光学组件各光学面参数可由下表2-2和表2-3所示，从透镜262到像面，各透镜表面依次被标记为依次为3,4,5……

表面标记	表面类型	半径	厚度
				光阑XOZ	球面	∞	40.000
光阑YOZ	球面	∞	0.100
				3	球面	21.740	4.836
4	球面	122.300	4.811
				5	球面	-29.676	6.598
6	球面	-33.579	0.100
				7	球面	25.917	10.055
8	球面	-26.272	3.000
				9	球面	55.771	1.000
10	非球面	13.245	4.860
				11	非球面	-15.977	2.800
12	球面	710.994	3.000
				13	球面	212.114	1.399
Image	球面	无限	0.000

表2-2

其中表面10和表面11为非球面，非球面系数如表2-3所示，

表面	K	A	B	C	D
						10	0.000E+00	-2.533e-004	6.552e-006	-4.214e-008	1.790e-011
11	0.000E+00	1.371e-003	-1.070e-005	2.513e-008	-4.504e-012

表2-3

图10为本发明第二实施例中的波导型光学元件和投影光学组件配合后，使用两个0.7″OLED(或其他合适的大尺寸微显示器)作为微型显示器而构成的近眼显示装置整体结构图，双层波导片的耦合入射部23和24偏向一致以共用同一投影光学组件，双层波导片的耦合入射部由于匹配出射分光面的要求，两层波导片耦合入射部的入射面间存在一定的角度，在共用投影光学组件的情况下，投影光学组件在YOZ方向出瞳261与第二波导片22耦合入射部24的耦合面重合，视场[-32°，0]范围的光线进入第二波导片22；将偏光片27加入第一波导片21的耦合入射部23与投影光学组件26的出瞳之间，投影光学组件在视场[0，32°]范围的光线经偏光片27偏转后进入第一波导片21，从而满足第一波导片21的耦合入射部23对光耦合角度的要求。偏光片27会引入一定的楔板色差。

作为一种变形方式，第二实施例中的波导型光学元件在构成近眼显示装置时也可以采用两个LCoS微型显示器替代上述OLED微型显示器，由于LCoS的工作原理要求，需要在像面前加入PBS分光棱镜，相应的，投影光学组件需要有所调整。

图11为本发明第二实施例中使用LCoS微型显示器匹配波导型光学元件的投影光学组件26a光路图，投影光学组件包括六片透镜262a、263a、264a、265a、266a、267a，其中透镜264a为双胶合透镜，透镜265a为非球面透镜，非球面阶数为10，LCoS模块中具有PBS分光棱镜267a，光源268a及匀光结构，为LCoS提供照明，像面位置为269a、260a。

使用LCoS微型显示器时的投影光学组件26a各光学面参数可由下表3-1和表3-2所示，从透镜262a到像面，各透镜表面依次被标记为依次为3,4,5……

表面标记	表面类型	半径	厚度
				光阑XOZ	球面	无限	40.000
光阑YOZ	球面	无限	0.100
				3	球面	46.082	2.576
4	球面	-255.910	0.100
				5	球面	514.121	2.407
6	球面	-50.154	3.146
				7	球面	-20.869	2.500
8	球面	39.424	9.513
				9	球面	-24.813	1.000
10	非球面	734.655	4.033
				11	非球面	-19.180	1.800
12	球面	26.625	5.760
				13	球面	-146.889	0.100
14	球面	∞	10.000
				15	球面	∞	0.500
Image	球面	∞	0.000

表3-1

其中表面10和表面11为非球面，非球面系数如表3-2所示，

表面	K	A	B	C	D
						10	0.000E+00	5.110e-005	-7.201e-008	-1.805e-010	0.000E+00
11	0.000E+00	1.730e-004	-4.288e-007	5.091e-010	0.000E+00

表3-2

图12为本发明第二实施例的波导型光学元件和投影光学组件配合后，采用两个0.44″LCoS作为微型显示器而构成的近眼显示装置整体结构图。其中双层波导片偏向一致以共用同一投影光学组件，同使用OLED作为微型显示器一致，利用偏光片27a加入第一波导片的耦合入射部与投影光学组件之间，投影光学组件在视场[0，32°]范围的光线偏转后进入第一波导片21内。由于波导型光学元件的结构并不受投影光学元件的影响，使用LCoS微型显示器的近眼显示装置同样可以达到视场角64°。

[第三实施例]

图13为本发明第三实施例的波导型光学元件结构示意图，其中也包括两层波导片元件，每个波导片中的分光面数量为6个。而与第一、二实施例中有所不同的是，第一波导片31的分光面特征角θ₁较小，优选的小于30度，负责[-36°，0]视场范围的光线；第二波导片32的分光面特征角较大，优选的大于30度，负责[0，36°]视场范围的光线。由于分光面特征角的差异较大，相应的，第一和第二波导片的厚度以及相应的耦合入射部的尺寸需要与特征角相适应。具体的，参考图13所示，第一和第二波导片的耦合入射部分布于不同的方向，并具有显著不同的外形尺寸，第二波导片32的耦合入射部的尺寸大于第一波导片31的耦合入射部的尺寸，相应的双层波导型光学元件的结构参数可以如表4-1所示，此时配合相应的投影光学组件，例如，包括至少4片透境的投影光学组件，可以在波导扩展方向(Y方向)实现视场角达到±36°。

表4-1

[第四实施例]

图14示出了根据本发明的第四实施例的波导型光学元件，其中包括相互叠加放置的三层波导片，与前述各实施例一致的，每一波导片均包括彼此平行的两主表面，各主表面相互平行，且各波导片均附接有一个耦合入射部。在本实施例中，各耦合入射部均位于波导片的同一侧，从波导片向同一方向伸出，以便于布置，各波导片的主表面相互平行，且相邻的主表面之间有预定间隔的微小空气层，例如0.01mm，各波导片内均具有多个耦合出射分光面，并且优选的，同一波导内的各分光面等距均匀分布，以利于加工制造，降低成本。

在第四实施例中，各波导片内的耦合出射分光面数量为6个，且各波导片层的厚度不相同，在图14示出的示例性方式中，远离出瞳一侧的波导片41厚度最低，靠近出瞳一侧的波导片43厚度最大，相应的，上述各分光面的特征角也具有与各波导层厚度相匹配的分布，即，远离出瞳一侧的波导片41内的分光面特征角最小，靠近出瞳一侧的波导片43厚度最大，中间层波导片42的分光面特征角居中。中间层波导片可使分光面特征角的取值范围得到扩展，从而实现波导型光学元件能够达到的视场角度更大。

与前述各实施例一致的，由于需要借由多个耦合出射分光面将光线耦合出射，为了实现出射图像的均匀性，依然采用每一个分光面上镀分光膜、分光膜的反射率逐步增加的方案，有效提高出瞳范围内光照亮度的均匀性。一种示例性的三层波导片结构参数如下表所示，在波导扩展方向(Y方向)视场角度达到±45°。

其中，波导在远离出瞳一侧的波导片41内的分光面沿Y方向分布在据耦合入射部的最远端，负责[-45°，-16°]视场范围的光线；靠近出瞳一侧的波导片43内的分光面沿Y方向分布在据耦合入射部的最近端，负责[16°，45°]视场范围的光线；中间层波导片42的分光面分布于上述两分光面分布区域的中间，负责[-16°，16°]视场范围的光线。

在图14的三层波导片重叠放置形成的波导型光学元件中，由于波导片的数量为三层，中间层波导片的两主表面被包含在波导片层中，耦合入射部不便于分侧设置，因此，优选的，耦合入射部可以附接于波导片非主表面的一端面上，或者更为简单的实现方式，各层波导片对应的耦合入射部与相应的波导片层一体形成。与前述各示出的示例不同的，合成为一体的三耦合入射部在一侧，其外形尺寸形成为类楔形，入光面连续，可以适用一套投影光学组件的出射孔径要求，相应的，一个微型显示器的图像光可以被耦合进入各层波导片。考虑到三耦合入射部的相互位置关系和入光面特点，适用三层波导片重叠放置的投影光学组件难以适用传统多片透镜的方式，而优选的，可以适用扫描投影的方式，例如激光扫描型投影光学组件构成适用本实施例的耦合入射部形式。

虽然在上述实施方式中，通过相同分光面数量的不同厚度波导片实现对应于不同视场角的三层波导，但本领域技术人员可以理解的，具有不同分光面数量的相同厚度波导片同样可实现对应于不同视场角的三层波导，分光面的数量与该波导片需要负责的视场角相匹配。但是，受波导片厚度的影响，达成均匀出射的光分布时，分光面的数量不宜过少，目视范围内也无法承载更多的分光面，因此，总体上每层波导片内分光面数量优选的为5-7个。

在上述各实施方式中示出了多种投影光学组件与波导型光学元件配合以构成近眼显示装置的示例，但不限定于各示例中的配合方式的，例如，第一实施例中的投影光学组件同样可以适用于其他示例的波导型光学元件，而仅仅需要对各透镜参数进行相应的调整，以及，第二实施例中被各双层波导片共用的投影光学组件也可以被适用于第五实施例的三层波导片，而仅仅需要对投影光学组件中的部分透镜的面型和口径进行相应的调整。即波导型光学元件并不对投影光学组件的形态予以限定，任何可以实现将光投射进入波导型光学元件，以满足光在波导型光学元件实现全内反射条件的器件均可以构成本发明中的投影光学组件。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，上述内容并不用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波导型光学元件，包括至少两波导片，各波导片以预定间隔平行重叠设置，每一波导片均包括彼此平行的两主表面，用以实现全内反射的方式将耦合进所述波导片中的光向预定方向传播；以及，

分别位于各波导片内的至少一个部分反射表面，所述部分反射表面被设置在所述主表面之间的空间内作为分光面，与所述主表面呈预定角度；其特征在于：

所述各波导片内的部分反射表面在沿所述主表面的方向上分布的区域不同。

2.如权利要求1所述的波导型光学元件，其特征在于，所述各波导片内的部分反射表面数量均为多个，各波导片内的部分反射表面数量相同或者不同。

3.如权利要求2所述的波导型光学元件，其特征在于，所述多个部分反射表面在预定的分布区域内均匀分布。

4.如权利要求3所述的波导型光学元件，其特征在于，还包括与所述波导片一体形成或结合成一体的耦合入射部，耦合入射部用于向波导片折转光线以使进入所述波导片的光满足全内反射的入射条件。

5.如权利要求4所述的波导型光学元件，其特征在于，所述耦合入射部位于各片波导片的同一侧，从波导片向同一方向伸出；或者，所述耦合入射部位于各片波导片的不同侧，从波导片向不同方向伸出。

6.如权利要求1所述的波导型光学元件，其特征在于，所述第一波导片内的部分反射表面与主表面所成的角度为θ₁，所述第二波导片内的部分反射表面与主表面所成的角度为θ₂，θ₁≠θ₂。

7.一种使用如权利要求1-6任一所述波导型光学元件的近眼显示装置，进一步包括，外壳，投影光学组件和微型显示器，所述投影光学组件被置于外壳内，用于将所述微型显示器发出的图像光投射至所述波导型光学元件，以在所述波导型光学元件中传播。

8.一种如权利要求7所述波导型光学元件的近眼显示装置，其特征在于，所述至少两波导片共用同一投影光学组件，或者不同的波导片分别与不同的投影光学组件相匹配。

9.一种如权利要求8所述波导型光学元件的近眼显示装置，其特征在于，所述投影光学组件至少具有4片透镜，所述至少4片透镜中包括一双胶合透镜和一非球面透镜。

10.一种如权利要求8所述波导型光学元件的近眼显示装置，其特征在于，所述投影光学组件为激光扫描型投影光学组件。