CN110058410B - 波导组件和近眼显示设备 - Google Patents

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CN110058410B CN201910212609.8A CN201910212609A CN110058410B CN 110058410 B CN110058410 B CN 110058410B CN 201910212609 A CN201910212609 A CN 201910212609A CN 110058410 B CN110058410 B CN 110058410B
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Abstract

本申请提供一种波导组件以及应用该波导组件的近眼显示设备。该波导组件，包括第一出瞳扩展波导结构710和第二出瞳扩展波导结构720，其中，第一出瞳扩展波导结构710和第二出瞳扩展波导结构720的接触面730相对于坐标系xyz中xz面倾斜。该第一出瞳扩展波导结构710包括多个第一光学薄膜层，该多个第一光学薄膜层的一端均延伸至该接触面730，以使得沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向上，所述多个第一光学薄膜层的长度依次增加，实现光束可以由第一光学薄膜层有效反射进入第二出瞳扩展波导结构，从而减少波导组件中的杂散光。

Description

波导组件和近眼显示设备
技术领域
本申请涉及光学领域，并且更具体的，涉及光学领域中的波导组件和近眼显示设备。
背景技术
视网膜扫描投影显示(retinal scan display，RSD或virtual retinal display，VRD)技术是指通过光束扫描的方式，直接向用户视网膜投射图像的新型显示技术。该显示技术通过高速扫描装置控制光源产生的光束，使得光束按照图像信息，按一定路径时序地进行调制，光学投影系统将扫描装置的出射光投影至人眼，直接在视网膜成像。由于该显示技术无需实体显示面，且只产生和调制所需的像素点，非常适合增强现实(augmentedreality，AR)、混合现实(mixed reality，MR)、虚拟现实(virtual reality，VR)等近眼显示场景。
目前，可以采用波导技术，利用反射阵列波导有效的实现出瞳扩展，使得视网膜扫描投影显示具有较大的出瞳孔径。但是，现有技术中的反射阵列波导具有较强的杂散光。
发明内容
本申请提供一种具有较少杂散光的波导组件。另外，本申请还提供了一种应用该波导组件的近眼显示设备。
第一方面，提供了一种波导组件，包括入瞳结构740，第一出瞳扩展波导结构710和第二出瞳扩展波导结构720，其中，所述第一出瞳扩展波导结构710和所述第二出瞳扩展波导结构720的接触面730相对于空间直角坐标系xyz中xz面倾斜。
这里，所述空间直角坐标系xyz中的x轴所在的方向为所述波导组件的宽度方向，所述空间直角坐标系xyz中的y轴所在的方向为所述波导组件的长度方向，或者所述第一出瞳扩展波导结构710的宽度方向，所述空间直角坐标系xyz中的z轴所在的方向为所述波导组件的厚度方向。
所述入瞳结构740，用于将入射光束耦合至所述第一出瞳扩展波导结构710。
所述第一出瞳扩展波导结构710，包括多个第一光学薄膜层(101-107)，所述多个第一光学薄膜层(101-107)用于依次对所述入瞳结构740出射的光束进行反射，并最终反射至所述第二出瞳扩展波导结构720，其中，所述多个第一光学薄膜层(101-107)沿空间直角坐标系xyz中的x轴依次排布，且所述多个第一光学薄膜层(101-107)的靠近所述第二出瞳扩展波导结构720的一端均延伸至所述接触面730，以使得沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向上，所述多个第一光学薄膜层(101-107)的长度依次增加。
所述第二出瞳扩展波导结构720对所述第一出瞳扩展波导阵列710输出的光束进行反射，并最终反射至用户的瞳孔。
本申请实施例中，通过设置多个第一光学薄膜层(101-107)的靠近所述第二出瞳扩展波导结构720的一端均延伸至所述第一出瞳扩展波导结构710与所述第二出瞳扩展波导结构720的接触面730，以使得沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向上，所述多个第一光学薄膜层(101-107)的长度依次递增，光束可以由第一光学薄膜层有效反射进入第二出瞳扩展波导结构，能够减少波导组件中的杂散光。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述接触面730相对于xz面而言为倾斜的平面。此时，所述接触面730与所述空间直角坐标系xyz中xz面具有锐角夹角，且所述接触面730与所述空间直角坐标系xyz中z轴所在的方向平行。
可选的，第一出瞳扩展波导结构710和第二出瞳扩展波导结构720的接触面730可以为不规则的接触面，例如曲面，或者两个或两个以上的平面组合而成的接触面，本申请实施例对此不作限定。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述接触面730与所述xz面之间的锐角夹角大于或等于所述波导组件的视场角。
可理解，接触面730与xz面的锐角夹角越大，则第一出瞳扩展波导结构中相邻光学薄膜层的长度的差值越大，则光线在经每个光学薄膜层反射(除沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向上设置的第一个光学薄膜层之外)时，能够减小被其之前设置的光学薄膜层反射而形成杂散光的概率。
结合第一方面、第一方面的第一种可能的实现方式或第一方面的第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向上，所述多个第一光学薄膜层(101-107)的反射率依次增大。
本申请实施例中，将第一出瞳扩展结构710中的多个第一光学薄膜层的反射率设置为依次增大，由此可以确保第一出瞳扩展结构710反射至第二出瞳扩展结构720的光线的亮度保持一定的均匀性。
可选的，在沿光束在第一出瞳扩展波导结构710的传输方向上设置的最后一个第一光学薄膜层(107)的反射率为1。这样，当光束在入射到第一光学薄膜层(107)时，能够全部被反射，使得光束能够有效反射至第二出瞳扩展波导结构720。
结合第一方面或第一方面的第一种至第第三种可能的实现方式中任一种实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述多个第一光学薄膜层(101-107)与xz平面的夹角为45°，且与所述空间直角坐标系xyz中的z轴平行。这样，能够保证从第二出瞳扩展波导结构出射至人眼的光束的视场的对称。
结合第一方面或第一方面的第一种至第第四种可能的实现方式中任一种实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述x轴所在的方向为人眼所视竖直方向，所述y轴所在的方向为人眼所视水平方向。
第二方面，提供了一种近眼显示设备，包括光引擎910、光引导结构930和波导组件。
所述光引擎910，用于产生光束并将所述光束输入至所述光引导结构930，其中，所述光引擎910产生的所述光束包括具有不同传输方向的光束，所述不同传输方向的光束中的中心光束与空间直角坐标系xyz中的z轴的方向之间具有夹角。
所述光引导结构930，用于将输入至所述光引导结构930的所述光束输出至所述波导组件940，其中从所述光引擎910输出的光束的传输方向与从所述光引导结构930输出的光束的传输方向不同，其中输入所述波导组件的光束包括具有不同传输方向的光束，所述不同传输方向的光束中的中心光束为入射至所述波导组件的0°视场角光束。
其中，所述空间直角坐标系xyz中的z轴所在的方向为所述波导组件的厚度方向。
本申请实施例通过光引导结构930对光引擎910产生的光束进行转折，使得光引擎产生的中心光束能够作为0°视场角光束垂直入射波导组件，使得光引擎910和波导组件中的入瞳面之间的视场匹配，从而实现波导组件出射视场的对称性，实现视场角最大。同时，由于光引擎910产生的光束中的中心视场角光束与z方向具有夹角，因此本申请实施例能够在不影响eyebox的大小的情况下，通过倾斜光引擎910来减小镜腿和人眼瞳孔之间的距离。
结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述光引导结构930包括转折棱镜，所述转折棱镜包括第一面和第二面，
其中，所述光引擎910输出的所述光束经由所述第一面折射至所述转折棱镜中传输，之后经所述第二面射出所述转折棱镜，输出至所述波导组件。
这样，光束经第一面射入转折棱镜，通过第二面射出转折棱镜。本申请实施例中，光引擎910产生的光束中的中心光束与z方向的夹角越大，反射波导入瞳和出瞳之间沿y轴所在方向的距离越短。因此转折棱镜应该选择高折射率的材料制作而成，以减小反射波导入瞳和出瞳之间沿y轴所在方向的距离。
结合第二方面的第一种可能的实现方式，在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述第二面与所述波导组件所在的平面平行，所述第一面与所述第二面的夹角为α，所述光引擎910产生的不同传输方向的光束中的中心光束与所述z轴所在方向的夹角为β，其中，所述夹角α和所述夹角β满足以下公式：
npsinα＝nasin(α+β)
其中，np为所述转折棱镜的折射率，na为空气折射率。
结合第二方面的第一种可能的实现方式，在第二方面的第三种可能的实现方式中，所述第一面与所述波导组件所在的平面的夹角为α1，所述第二面与所述波导组件所在的平面的夹角为α2，所述光引擎910产生的不同传输方向的光束中的中心光束与所述z轴所在方向的夹角为β，其中，所述夹角α1、所述夹角α2和所述夹角β满足以下公式：
nasinα2＝npsinα3
nasin(α1+β)＝npcos(α3-α1-α2)
其中，np为所述转折棱镜的折射率，na为空气折射率，夹角α3为所述中心光束经所述第一面转折之后入射到所述第二面时的入射角。
结合第二方面或第二方面的前述任意一种可能的实现方式，在第二方面的第四种可能的实现方式中，所述光引导结构930与所述波导组件之间具有空气间隙层。
第三方面，提供了一种如第二方面以及第二方面任一种可能的实现方式中所述的近眼显示设备，包括光引擎910、光引导结构930和如第一方面以及第一方面任一种可能的实现方式中所述的波导组件。其中，所述光引擎910，用于产生光束并将所述光束输入至所述光引导结构930，所述光引导结构930，用于将输入至所述光引导结构930的所述光束输出至所述波导组件940，其中从所述光引擎910输出的光束的传输方向与从所述光引导结构930输出的光束的传输方向不同。
附图说明
图1示出了一种视网膜投影显示的场景示意图。
图2示出了一种应用本申请实施例的近眼显示设备的场景的示意图。
图3示出了一个具体的近眼显示场景的示意图。
图4示出了FOV的一个示例。
图5示出了光线在反射阵列波导中的传播路径的一个示例。
图6示出了光线在反射阵列波导中的传播路径的另一个示例。
图7A示出了本申请实施例提供的一种波导组件的一个示意图。
图7B示出了本申请实施例提供的一种波导组件的另一个示意图。
图8A示出了本申请实施例提供的一种波导组件的另一个示意图。
图8B示出了现有技术中的一种波导组件的一个示意图。
图9示出了本申请实施例提供的一种近眼显示设备的示意图。
图10示出了本申请实施例提供的近眼显示设备的一个示例。
图11示出了本申请实施例提供的近眼显示设备的另一个示例。
图12示出了本申请实施例提供的近眼显示设备的另一个示例。
图13示出了本申请实施例提供的近眼显示设备的另一个示例。
图14示出了本申请实施例提供的激光扩束系统的一个示例。
具体实施方式
首先，对本申请实施例涉及的相关术语进行描述。
出瞳距离(eye relief)：指波导表面中心到出瞳中心的距离，此时出瞳位于人眼瞳孔处。
视场范围(field of view，FOV)：也可以称为视场角或视野，指由透镜看到物体的角度，可藉由测量该物体在水平方向的角度及垂直方向的角度得到。FOV的大小决定了光学仪器的视野范围。通常FOV用角度来衡量。
人眼窗口(eyebox)：透镜或视觉显示器形成的有效可视图像的空间，和出瞳尺寸与目镜到眼睛的距离相关。eyebox是指眼珠在不影响显示效果的前提下，可以移动的程度。较大的eyebox用户在转动眼球时越不容易丢失图像，使用感受越好。
下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。
图1示出了一种视网膜投影显示的场景示意图。图1中长度单位均为mm。通常瞳孔的直径是4mm。如图1所示，假设目镜到眼睛的距离(即eye relief)为20mm，FOV为34°，显示光圈(display aperture)为36mm，瞳孔的横向位移约为6mm，则eyebox至少要10mm才能使得用户在眼睛旋转的情况下保证图像不会丢失。图1的场景中，进一步考虑了显示器可能移动的范围，则eyebox要求能够达到12mm。
图2示出了一种应用本申请实施例的近眼显示设备的场景的示意图。近眼显示设备能够用于视网膜扫描投影显示，将图像投射到用户的眼睛内。近眼显示设备通常佩戴在用户的眼部，例如近眼显示器可以以眼镜形式呈现，或者以头戴显示设备(比如头盔)的形式呈现，本申请实施例对此不作限定。通过近眼显示设备，用户可以同时观察到该系统投射出的增强内容和现实世界的真实景物。
本申请实施例中，近眼显示设备包括显示控制器201，光引擎202和光融合器203。显示控制器201用于进行图像解码/渲染，并向光引擎202输出增强内容，由光引擎202将增强内容调制成图像，输出至光融合器203，在由光融合器203对增强内容和现实世界的真实景物进行虚实融合。用户将眼睛置于光融合器203所提供的出瞳范围内，就可以看到带有增强内容的现实世界。
图3示出了一个具体的近眼显示场景的示意图。扫描类投影仪例如包括图2中所述的显示控制器201和光引擎202，光融合器例如可以为图2中的光融合器203。扫描投影仪发出的图像经光融合器投射至人眼的瞳孔，并进一步在视网膜成像。
近眼显示设备的与用户佩戴舒适感息息相关的主要有三个指标：FOV、eye relief和eyebox。图4示出了FOV的一个示例，其中FOV包括水平视角(HFOV)和竖直视角(VFOV)。eyerelief为光融合器203至人眼瞳孔的距离。eyebox为投影系统形成的有效可视图像的空间。当eyebox较大时，用户佩戴舒适度高，在眼球转动时不易丢失图像。
本申请实施例中，光引擎202通过扫描投影的方式，输出扫描图像。光引擎202主要包括光源、扫描装置。作为举例，光源可以为激光光源，硅基液晶(liquid crystal onsilicon,LCOS)、发光二极管(light emitting diode,LED)、有机发光二极管(organiclight-emitting diode,OLED)等，本申请实施例对此不作限定。激光光源例如红绿蓝三原色(red,green,blue,RGB)激光器，或者其他激光光源。
当以激光光束作为显示光源时，可以通过高速扫描装置控制激光光束，使得光束按照图像信息按一定路径时序地进行调制，且每个时刻只显示一个像素点，因此具有大视场、对比度高、功耗低和体积小等特点。为了获得高分辨率的显示图像，并考虑扫描镜的机械惯性等因素，扫描镜的尺寸一般较小。对于视网膜扫描显示系统而言，其出瞳主要由激光光束的参数及扫描镜确定，因此以激光光源作为显示光源的视网膜扫描投影显示设备的主要瓶颈是出瞳较小，容易因眼睛转动丢失图像。本申请实施例中，可以通过光融合器203对光束进行出瞳扩展，以增大视网膜扫描显示系统的出瞳尺寸，提高用户的佩戴舒适性。
光融合器203能够对光引擎的出射光束进行透射或折射进入人眼，同时真实景物发出的光线也会透过光融合器达到人眼。进一步的，光融合器可以对光引擎的出射光束进行出瞳扩展。作为示例，光融合器203例如为波导组件，具体的可以为反射阵列波导。波导组件例如可以包括入瞳结构和出瞳扩展波导结构。其中，入瞳结构用于将光引擎202产生的图像的光束耦合至波导组件，出瞳扩展结构用于实现对光束的出瞳扩展，以实现较大的eyebox。
本申请实施例中，光束从波导组件的某一面入射进入波导组件，可以称该面为入瞳面。在本申请一些描述中，作为示例而非限定，可以称入瞳结构包括入瞳面和反射面。其中，反射面用于对经入瞳面射入波导组件的光束进行反射，从而使得反射之后的光束沿着波导组件传输。
图5示出了光线在反射阵列波导中的传播路径的一个示例。如图5所示，反射阵列波导中包括面S1和S2、反射镜S3，光学薄膜反射阵列(包括光学薄膜层501至504)。其中反射镜和面S1可作为入瞳结构，光学薄膜反射阵列可作为出瞳扩展波导结构。
图5中，以入射光垂直射入面S1为例，描述反射阵列波导中实现出瞳扩展的原理。一种实现方式，光学薄膜层501至503为半透膜层，光学薄膜504为全反射膜层。具体而言，入射光线在面S1面垂直入射，经反射镜S3反射进入波导，并在面S1和S2进行全反射传播，从而使得光线能够沿着该波导组件传输，即图5所示的x轴所在的方向传输。当光线从面S1全反射至半透膜层501时，一部分光线被半透膜层501反射，并垂直入射至面S1并射出反射阵列波导，另一部分光线从半透膜层501透射，透射出的光线经S2面全反射至S1面，由S1面全反射至半透膜层502，之后一部分光线被半透膜层502反射最终射出反射阵列波导，另一部分光线从半透膜层502透射。以此类推，光线在入射至全反射膜层504时，全部被反射，并垂直入射至面S1并射出反射阵列波导。因此，入射光线经过半透膜层501至504的反射和透射，最终能够在x轴所在方向上实现光线的出瞳扩展。
图6示出了光线在反射阵列波导中的传播路径的另一个示例。如图6所示，反射阵列波导中包括面S1和S2、反射镜S3，光学薄膜反射阵列(包括光学薄膜层601至604)。其中，第一光束垂直入射到入瞳面S1，第二光束和第三光束均以特定的视场角入射到入瞳面S1。基于相同或相似的光学原理，反射阵列波导也可以对非垂直入射(如以特定入射角入射到面S1的光束)的光线进行出瞳扩展。
根据几何光学，S1面、S2面和S3面之间光线传输满足以下推导关系：
nwsin(2γ-θ1)＝nasin(θ/2)
其中，nw为反射阵列波导折射率，γ为S3面与S1面的夹角，θ1为光线到面S1和S2上的入射角，θHFOV/2为垂直视场角的一半。
另外，光束在波导面S1和S2之间的传播满足全反射条件，则根据以下公式可以获得γ角的取值范围：
θ1≥的取值sin(na/nw)
作为示例，当波导基底材料选择BK7(BK7的折射率n＝1.517,阿贝数vd＝64.167)，则根据上述推导，可选择γ＝60°。
作为一个可选的实施例，出瞳扩展波导结构可以包括第一出瞳扩展波导结构和第二出瞳扩展波导结构，其中，第一出瞳扩展波导结构可以实现对输出图像在人眼所视竖直(或垂直)方向上的扩展，第二出瞳扩展波导结构可以实现对输出图像在人眼所视水平方向上的扩展，以实现二维方向上的出瞳扩展，得到较大的eyebox。
图7A和图7B分别示出了本申请实施例提供的波导组件的示意图。其中，图7A示出了该波导组件的立体示意图，图7B示出了该波导组件的平面示意图。该波导组件包括入瞳结构740、第一出瞳扩展波导结构710和第二出瞳扩展波导结构720。
图7A和图7B示出了直角坐标系xyz，该直角坐标系xyz中x轴所在方向为该波导组件的宽度方向，或者为第一出瞳扩展波导结构710的长度方向，y轴所在方向为该波导组件的长度方向，或者为第一出瞳扩展波导结构710的宽度方向，z轴坐在方向为该波导组件的厚度方向。
本申请实施例中，第一出瞳扩展波导结构710和第二出瞳扩展波导结构720的接触面730相对于空间直角坐标系xyz中x轴和z轴形成的平面(简称为“xz面”)倾斜，使得沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向上，第一出瞳扩展波导结构710的宽度增加。这里，xz面垂直于该波导组件的长度方向，或者，xz面垂直于第二出瞳扩展波导结构720的表面所在的平面。
作为示例而非限定，在本申请一个可选的实施例中，如图7A和图7B所示，该接触面730相对于xz面而言为倾斜的平面。此时，该接触面与xz面之间具有锐角夹角。并且，所述接触面730与空间直角坐标系xyz中z轴所在的方向平行。
在其他可能的实现方式中，第一出瞳扩展波导结构710和第二出瞳扩展波导结构720的接触面730可以为不规则的接触面，例如曲面，或者两个或两个以上的平面组合而成的接触面，或者其他，本申请实施例对此不作限定。
本申请实施例中，所述第一出瞳扩展波导结构710，包括多个第一光学薄膜层(101-107)，用于依次对所述入瞳结构740出射的光束进行反射，并最终反射至所述第二出瞳扩展波导结构720。这里，该多个第一光学薄膜层(101-107)还可以被称为第一反射阵列。一种实现方式，该多个第一光学薄膜层(101-107)可以平行设置。其中，本领域技术人员可以理解的是，多个是指两个或两个以上。
应理解，图7A和图7B中所示的波导组件作为示例而非限定，第一出瞳扩展波导结构710中包括7个第一光学薄膜层，分别为101、102、103、104、105、106、107，但是本申请实施例中第一光学薄膜层的数量并不限于此。
可选的，这里该多个第一光学薄膜层(101-107)中依次设置的第一光学薄膜层(101-106)为半透膜层，最后一个第一光学薄膜层(107)为反射膜层，即反射率为1。这样，当光束在入射到第一光学薄膜层(107)时，能够全部被反射，使得光束能够有效反射至第二出瞳扩展波导结构720。
其中，上述多个第一光学薄膜层(101-107)沿空间直角坐标系xyz中的x轴所在方向依次设置，且所述至少两个第一光学薄膜层(101-107)中的第一光学薄膜层的靠近所述第二出瞳扩展波导结构720的一端均延伸至所述接触面730。具体而言，假设沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向上，第一出瞳扩展波导结构710的宽度越来越大，则沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向上，所述多个第一光学薄膜层(101-107)的长度也依次增加。
本申请实施例中，所述第二出瞳扩展波导结构720，包括多个第二光学薄膜层(201-206)，用于将所述第一出瞳扩展波导结构710输出的光束进行反射，并最终反射至用户的瞳孔。这里，该多个第二光学薄膜层(201-206)也可以被称为第二反射阵列。一种可能的实现方式，该多个第二光学薄膜层(201-206)可以平行设置。
应理解，图7A和图7B中所示的波导组件作为示例而非限定，第二反射阵列中包括6个第二光学薄膜层，分别为201、202、203、204、205、206，但是本申请实施例中第二光学薄膜层的数量并不限于此。
可选的，这里该多个第二光学薄膜层(201-206)中依次设置的第二光学薄膜层(201-205)为半透膜层，最后一个第二光学薄膜层(206)为反射膜，即反射率为1。这样，当光束在入射到第二光学薄膜层(206)时，能够全部被反射，使得光束能够有效反射至人眼瞳孔。
其中，所述至少两个第二光学薄膜层(201-206)沿图7中空间直角坐标系xyz中的y轴所在方向依次设置，且每一个第二光学薄膜层均与所述y轴相交叉。
本申请实施例中，入瞳结构740用于将入射光束耦合至波导组件中，具体的，用于将入射光束耦合至第一出瞳扩展波导结构710。作为示例，入瞳结构可以包括入瞳面和反射面。示例性的，反射面可以通过反射镜实现。
当光束沿空间直角坐标系xyz中z轴所在方向入射到波导组件，或与z轴呈一定夹角的方向入射波导组件时，入瞳结构740将入射光束反射到第一出瞳扩展波导结构710中传播。这里，当光束沿z轴所在的方向入射到波导组件中时，可以称该光束为0°视场角的入射光束。当光束与z轴呈一定夹角θ1的方向入射波导组件时，可以称该光束为θ1°视场角的入射光束。作为示例，θ1可以小于或等于该波导组件的最大视场角。示例性的，该波导组件的最大视场角可以为20°，但本申请实施例并不限制于此。
并且，当光束在第一出瞳扩展波导结构710中传播时，0°视场角的光束在所述第一出瞳扩展波导结构710中传输的方向为所述x轴所在方向。θ1°视场角的光束在所述第一出瞳扩展波导结构710中传输的方向与所述x轴所在方向的夹角为θ1°。
当光束在第二出瞳扩展波导结构720中传播时，0°视场角的光束在所述第二出瞳扩展波导结构720中传输的方向为所述y轴所在方向。θ1°视场角的光束在所述第二出瞳扩展波导结构720中传输的方向与所述y轴所在方向的夹角为θ1°。
具体的，光束在第一出瞳扩展波导结构710的传输可以参考图5以及图6中的描述。其中，图5或图6中的反射阵列波导即为第一出瞳扩展波导结构710的一个具体示例，光学薄膜反射阵列即为第一光学薄膜(101-107)的一个具体示例，入瞳面S1和反射镜即为入瞳结构的一个具体示例。
因此，当光束从第一出瞳扩展波导结构710中出射后，实现了对光束在x轴所在方向的出瞳扩展。之后，光束射入第二出瞳扩展波导结构720，然后可以在第二出瞳扩展波导结构720中传播。
具体的，光束在第二出瞳扩展波导结构720的传输可以参考图5或图6中的描述。其中，图5或图6中的反射阵列波导即为第二出瞳扩展波导结构720的一个具体示例，光学薄膜反射阵列即为第二光学薄膜(201-206)的一个具体示例。
因此，当光束从第二出瞳扩展波导结构720中出射后，实现了对光束在y轴所在方向的出瞳扩展。本申请实施例中，光束从第二出瞳扩展波导结构720出射后，沿z轴所在方向，或与z轴所在方向具有一定夹角，射入人眼并在视网膜成像。
本申请实施例中，通过设置多个第一光学薄膜层(101-107)的靠近所述第二出瞳扩展波导结构720的一端均延伸至所述第一出瞳扩展波导结构710与所述第二出瞳扩展波导结构720的接触面730，以使得沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向上，所述多个第一光学薄膜层(101-107)的长度依次增加，能够减少波导组件中的杂散光。
图8A示出了本申请实施例提供的波导组件的另一个示意图。图8B示出了现有技术中的波导组件的一个示意图。下面结合图8A和图8B详细描述减小杂散光的原理。作为示例，图8A和图8B中的波导组件中的第一出瞳扩展波导结构包括沿x轴所在方向依次设置的6个半透膜层和一个全反膜层，第二出瞳扩展波导结构包括沿y轴所在方向依次设置的5个半透膜层和一个全反膜层。
具体的，如图8A所示，光束入射第一出瞳扩展波导结构之后，首先经沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向上设置的第一个半透膜层的反射和透射，被反射的光束射入第二出瞳扩展波导结构720，被透射的光束射入沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向上设置的第二个半透膜层，被该第二个半透膜层反射和透射，被反射的光束射入第二出瞳扩展波导结构720，被透射的光束射入沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向上设置的第三个半透膜层。依次类推，光束入射至第一出瞳扩展波导结构中的反射膜层。
本申请实施例中，第一出瞳扩展波导结构中的7个光学薄膜层均延伸至所述接触面730。因此，沿着光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向，随着第一出瞳扩展波导结构710的宽度越来越大，则沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向排列的该7个光学薄膜层的长度也是依次递增的。这样，如图8A所示，沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向，光束先经过长度较短的光学薄膜层，然后再经过长度较长的光学薄膜层。对于除长度最短的光学薄膜层来说，由于其他每一光学薄膜层前面的光学薄膜层的长度均较短，因此从其他每一光学薄膜层的靠近接触面处反射出的光束将不会落在其之前设置的光学薄膜层上。另外，如果从该光学薄膜层中反射的光束落在其之前设置的光学薄膜层上，比如图8A中的用箭头标示的光束，当其被在沿x方向上的第4个光学薄膜层反射，并投射到第3个光学薄膜层上时，会有一部分光线被第3个光学薄膜层反射，由于第4个光学薄膜层在y方向上的长度大于第3个光学薄膜层，因此被第3个光学薄膜层反射的光线能够被第四个光学薄膜层再一次反射，并出射至第二出瞳扩展波导结构720，且与其他投射至第二出瞳扩展结构的光束方向一致。
而对于第一出瞳扩展波导结构710和第二出瞳扩展波导结构720的接触面730设置为与xz面平行的波导组件而言，沿y轴所在的方向，其第一出瞳扩展波导结构710中的每个光学薄膜层的长度相同，从第一出瞳扩展波导结构710的光学薄膜层的靠近接触面处反射出的光束将有可能会落在其之前设置的光学薄膜称上，并被该光学薄膜层反射出去。由于每个光学薄膜层长度相同，被该光学薄膜层反射出去的光线中至少部分将不能被后面设置的光学薄膜层反射，在波导组件中形成杂散光。
如图8B所示，当入射光束被沿x方向上的第2个光学薄膜层反射的光线投射到第1个光学薄膜层上时，会有一部分光线被第1个光学薄膜层反射，由于每个光学薄膜层在y方向上的长度相等，因此被第1个光学薄膜层反射的光线中存在部分不能被其后设置的光学薄膜层反射，在波导组件中形成杂散光。杂散光将在第二出瞳扩展波导结构720中震荡，对波导组件输出的显示图像造成影响。
因此，本申请实施例中，通过将沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向上的该多个第一光学薄膜层(101-107)的长度设置为依次递增，光束可以由该多个第一光学薄膜层有效反射进入第二出瞳扩展波导结构，这样能够有助于减少波导组件中的杂散光。
可选的，所述第一出瞳扩展波导结构和第二出瞳扩展波导结构的接触面730与xz面的锐角夹角大于或等于所述波导组件的视场角。
本申请实施例中，当光束以最大视场角入射时，如果第一出瞳扩展结构710和第二出瞳扩展结构720的接触面730与xz面的锐角夹角等于该波导组件的视场角，则光线从第一出瞳扩展波导结构710的光学薄膜层的靠近接触面730处反射出(比如被光学薄膜层#1反射)的光线的传输方向与其入射至光学薄膜层的方向相同，因此其可以被第一出瞳扩展波导结构710的光学薄膜层中沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向上靠后设置(比如设置于光学薄膜层#1之后)的光学薄膜层反射至第二出瞳扩展结构720，而不会形成杂散光。
可理解，接触面730与xz面的锐角夹角越大，则第一出瞳扩展波导结构中相邻光学薄膜层的长度的差值越大，则光线在经每个光学薄膜层反射(除沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向上设置的第一个光学薄膜层之外)时，能够减小被其之前设置的光学薄膜层反射而形成杂散光的概率。
在一些可选的实施例中，沿所述光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向，所述多个第一光学薄膜层(101-107)的反射率依次增大，沿所述光束在所述第二出瞳扩展波导结构720的传输方向，所述多个第二光学薄膜层(201-206)的反射率依次增大。作为示例，最后一个第一光学薄膜层(107)和最后一个光学薄膜层(206)的反射率为1。
本申请实施例中，将第一出瞳扩展结构710中的多个第一光学薄膜层的反射率设置为依次增大，由此可以确保第一出瞳扩展结构710反射至第二出瞳扩展结构720的光线的亮度保持一定的均匀性。将第二出瞳扩展结构720中的多个第二光学薄膜的反射率设置为依次增大，由此可以确保第二出瞳扩展结构720反射至人眼的光线的亮度保持一定的均匀性。
一些可能的实现方式中，第一出瞳扩展波导结构710中，当第一光学薄膜层的数量为N个时，沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构710的传输方向，该N个第一光学薄膜层的反射率依次为1/N,1/(N-1),…,1。值得注意的是，N为大于或等于2的整数。第二出瞳扩展波导结构720中，当第二光学薄膜层的数量为M个时，该M个第二光学薄膜层的反射率沿y方向依次为1/M,1/(M-1),…,1。应当知道的，M为大于或等于2的整数。作为示例，图7A和图7B中第一光学薄膜层101、102、103、104、105、106、107的反射率依次为1/7,1/6,1/5,1/4,1/3,1/2,1，第二光学薄膜层201、202、203、204、205、206的反射率依次为1/6,1/5,1/4,1/3,1/2,1。
在一些可选的实施例中，所述多个第一光学薄膜层(101-107)中每一第一光学薄膜层与xz平面的夹角为45°且与z方向平行。
本申请实施例通过将每一第一光学薄膜层(101-107)与xz平面的夹角设置为45°，且与z轴所在方向平行，能够保证从第一出瞳扩展波导结构出射的光束的视场的对称性。具体而言，当光束以一个确定的视场角入射到第一出瞳扩展波导结构时，其从第一出瞳扩展结构出射，并仍然以该视场角入射到第二出瞳扩展波导结构。
在一些可选的实施例中，所述多个第二光学薄膜层(201-206)中每一第二光学薄膜层与所述xz平面的夹角为45°，与x轴所在方向平行。这样，能够保证从第二出瞳扩展波导结构出射至人眼的光束的视场的对称。具体而言，当光束以某一视场角入射到第二出瞳扩展波导结构时，其从第二出瞳扩展结构出射，并仍然以该视场角入射到人眼。
一个实施例，当前述的波导组件作为近眼显示设备中的光融合器时，x轴所在的方向可以为人眼所视竖直方向，y轴所在方向可以为人眼所视水平方向。
图9示出了本申请实施例提供的一种近眼显示设备的示意图，其中该近眼显示设备的产品形态为眼镜。如图9所示，眼镜中包括两个近眼显示设备，左侧近眼显示设备和右侧近眼显示设备，该两个近眼显示设备分别对应于用户的左眼和右眼，这样用户的双眼都可以看到采用视网膜扫描投影显示技术的增强实景图像。但本申请对此并不限定，近眼显示系统还可以只包括一个近眼显示设备，该近眼显示设备对应于用户的左眼或右眼，这样用户对应于近眼显示器的眼睛可以看到采用视网膜扫描投影显示技术的增强实景图像。
如图9所示，该近眼显示设备至少包括光引擎910，光引导结构930和波导组件940。一种实现方式中，波导组件940即为眼镜镜片。该近眼显示设备还包括镜腿950。
所述光引擎910，用于产生光束并将所述光束输入至所述光引导结构930，其中，所述光引擎910产生的所述光束包括具有不同传输方向的光束，所述不同传输方向的光束内的中心光束与图9中空间直角坐标系xyz中的z轴所在方向之间具有夹角，其中，所述z轴所在方向与所述波导组件940所在的平面(即xy面)垂直。
这里，该不同传输方向的光束为从光引擎910中的光源射出的多束出射光束，该多束出射光束与光源产生的中心出射光束(即上述中心光束)之间的夹角小于或等于某一角度(比如θ2)。作为示例，光引擎910产生的中心光束的传输方向与光引擎自身的方向一致。一种实现方式，可以通过倾斜放置光引擎910来使得光引擎出射的中心光束与z轴所在方向具有一定的偏转角(即上述夹角)。
所述光引导结构930，用于将输入至所述光引导结构930的所述光束输出至所述波导组件940，其中从所述光引擎910输出的光束的传输方向与从所述光引导结构930输出的光束的传输方向不同。其中，输出至所述波导组件940的光束包括具有不同传输方向的光束，所述不同传输方向的光束中的中心光束为入射至所述波导组件的0°视场角光束。也就是说，输出至波导组件940的光束中的中心光束的传输方向为所述空间直角坐标系xyz中的z轴的反方向。这里，0°视场角也可以称为中心视场角，本申请实施例对此不作限定。
需要说明的是，光引导结构930能够改变光引擎910输出的光束的传输方向，使得光引擎910输出的不同传输方向的光束中的中心光束能够垂直入射波导组件940的入瞳面。应当理解的是，光引擎910产生的某一出射光束与中心光束之间的夹角与该光束经光引导结构930之后射入波导组件940时的视场角一致。作为示例，当光引擎910产生的某一光束与该光引擎910产生的中心光束的夹角为θ2时，该光束经光引导结构930之后，射入波导组件940时的视场角也为θ2。
本申请实施例通过光引导结构930对光引擎910产生的光束进行转折，使得光引擎产生的中心光束能够作为0°视场角光束垂直入射波导组件，使得光引擎910和波导组件中的入瞳面之间的视场匹配，从而实现波导组件出射视场的对称性，实现视场角最大。同时，由于光引擎910产生的光束中的中心视场角光束与z方向具有夹角，因此本申请实施例能够在不影响eyebox的大小的情况下，通过倾斜光引擎910来减小镜腿和人眼瞳孔之间的距离。
本申请实施例中，视场对称，指的是正负视场角大小相等。反之，如果波导组件的出射视场不对称，会造成视场角的浪费，导致视场角减小。
可选的，本申请实施例中，所述波导组件940可以如图7A所示，包括入瞳结构740，第一出瞳扩展波导结构710和第二出瞳扩展波导结构720，但是本申请实施例并不限制于此。具体的，波导组件可以参见上文中的描述，为了简洁，这里不再赘述。
作为示例，当使用激光光源，将近眼显示设备做成眼镜形态时，考虑到矫正视力眼镜的佩戴，波导组件940的eye relief需要满足20mm，此时不同视场之间的重叠(overlap)非常小(比如在视场角为±10°的情况下overlap约为1mm)，远小于人眼对eyebox的需求。现有技术仅能通过大量增加波导组件中反射阵列的层数来增大eyebox，这会极大地增加加工难度和加工成本，并且反射阵列层数较大也会加重眼镜的重量，影响佩戴者的舒适性。而本申请实施例，可以通过倾斜光引擎，并设置光引导架构930来改变倾斜的光引擎910产生的光束的传输方向，使得中心视场角光束仍然能够垂直入射波导组件940的入瞳面，从而能够在反射阵列层数不增加的情况下，实现较大的eyebox，并通过倾斜光引擎910来减小镜腿和人眼瞳孔之间的距离。
一种实现方式，本申请实施例中，当近眼显示设备作为眼镜使用时，上述x轴所在方向为人眼所视竖直方向，所述y轴所在方向为人眼所视水平方向，z方向为垂直于波导组件并指向人眼的方向。
可选的，本申请实施例中，所述光引导结构930包括转折棱镜。图10示出了近眼显示设备的一个具体的例子。如图10所示，转折棱镜可以设置于靠近该波导组件的入瞳结构740，使得从光引擎产生的光束经转折棱镜之后，射入该波导组件的入瞳面，然后经过反射面的反射在波导组件中传输。
一种实现方式中，该转折棱镜包括第一面和第二面，其中，所述光引擎输出的不同传输方向的光束经由所述第一面折射至所述转折棱镜中传输，之后经所述第二面射出所述转折棱镜，输出至所述波导组件940。
也就是说，光束经第一面射入转折棱镜，通过第二面射出转折棱镜。本申请实施例中，光引擎910产生的光束中的中心光束与z方向的夹角越大，反射波导入瞳和出瞳之间沿y轴所在方向的距离越短。因此转折棱镜应该选择高折射率的材料制作而成，以减小反射波导入瞳和出瞳之间沿y轴所在方向的距离。
一些可选的实施例，所述光引导结构930与所述波导组件940之间具有空气间隙层。因为光引导结构930中设置有高折射率材料，因此通过设置空气间隙层，能够防止破坏波导中光线传输的全反射条件。
图11示例性地示出了波导组件和转折棱镜的示意图。如图11所示，转折棱镜和波导组件之间具有空气间隙层。波导组件包括波导入瞳和波导出瞳。光束经转折棱镜和空气层之后，从波导入瞳进入第一出瞳扩展波导结构。经第一出瞳扩展波导结构的反射进入第二出瞳扩展波导结构。然后，经第二出瞳扩展波导结构的反射进入人眼。示例性地，波导入瞳包括波导入瞳面和反射面，波导出瞳包括第一出瞳扩展波导结构和第二出瞳扩展波导结构。本申请实施例中，波导组件所在的平面，可以认为与波导组件的反射阵列波导的入瞳面相同。
一种实现方式，第一面例如为图12中S5面，第二面例如为图12中S4面。如图12所示，S4面所述波导组件940所在的平面平行，S5面与所述S4面的夹角为α，所述光引擎910产生的不同传输方向的光束中的中心光束与图9中空间直角坐标系xyz中z轴所在方向的夹角为β。其中，夹角α和夹角β满足以下公式：
npsinα＝nasin(α+β)
其中，np为所述转折棱镜的折射率，na为空气折射率，取值约等于1。
作为示例，转折棱镜所用材料可以为H-ZLAF52A，其折射率n＝1.806,阿贝数Vd＝41.023。当S4面与波导组件的反射阵列波导入瞳面平行时，对于转折材料为H-ZLAF52A，β＝20°的情况，可以推导出倾斜角α＝21.5°。
另一种实现方式，第一面例如为图13中S5面，第二面例如为图13中S4面。如图13所示，所述S5面与所述波导组件940所在的平面的夹角为α1，所述S4面与所述波导组件940所在的平面的夹角为α2，所述光引擎910产生的不同传输方向的光束中的中心光束与图9中空间直角坐标系xyz中z轴所在方向的夹角为β。其中，夹角α1、夹角α2和夹角β满足以下公式：
nasinα2＝npsinα3
nasin(α1+β)＝npcos(α3-α1-α2)
其中，np为所述转折棱镜的折射率，na为空气折射率，取值约等于1，夹角α3为所述不同传输方向的光束中的中心光束经S5面之后入射到所述S4面时的入射角。
需要说明的是，本申请实施例中，图7A、图7B、图8A、图8B、图9、图12以及图13中的空间直角坐标系xyz为同一个直角坐标系。
可选的，本申请实施例中，当光引擎所输出的单个扫描视场的扫描光束过小时，为了保证系统最终输出图像的拼接连续性，需要利用激光扩束系统对扫描光束进行扩束。如图9所示，本申请实施例中，近眼显示设备还可以包括激光扩束系统920。如图14所示，当细光束经过激光扩束系统920时，激光扩束系统920会对细光束进行扩束。作为示例，激光扩束系统920可为透镜组或二元光学元件组。
一些可能的实现方式中，波导组件940可以为上文所示的波导组件，本申请实施例对此不作限定。具体的，波导组件940可以参见上文中描述，为了简洁，这里不再赘述。
作为示例，当波导组件940为上文中所述的波导组件时，可得到的eyebox为10mm(水平方向)*8mm(竖直方向)。
应理解，本申请实施例中，第一、第二、第三以及各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请实施例的范围。例如，区分不同的出瞳扩展波导结构、不同的半透膜等。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种波导组件，其特征在于，包括：入瞳结构(740)，第一出瞳扩展波导结构(710)和第二出瞳扩展波导结构(720)，其中，所述第一出瞳扩展波导结构(710)和所述第二出瞳扩展波导结构(720)的接触面(730)相对于空间直角坐标系xyz中xz面倾斜，其中，所述空间直角坐标系xyz中的x轴所在的方向为所述波导组件的宽度方向，所述空间直角坐标系xyz中的y轴所在的方向为所述波导组件的长度方向，或者所述第一出瞳扩展波导结构(710)的宽度方向，所述空间直角坐标系xyz中的z轴所在的方向为所述波导组件的厚度方向；
所述入瞳结构(740)，用于将入射光束耦合至所述第一出瞳扩展波导结构(710)；
所述第一出瞳扩展波导结构(710)，包括多个第一光学薄膜层(101-107)，所述多个第一光学薄膜层(101-107)用于依次对所述入瞳结构(740)出射的光束进行反射，并最终反射至所述第二出瞳扩展波导结构(720)，其中，所述多个第一光学薄膜层(101-107)沿空间直角坐标系xyz中的x轴依次排布，且所述多个第一光学薄膜层(101-107)的靠近所述第二出瞳扩展波导结构(720)的一端均延伸至所述接触面(730)，以使得沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构(710)的传输方向上，所述多个第一光学薄膜层(101-107)的长度依次增加；
所述第二出瞳扩展波导结构(720)对所述第一出瞳扩展波导结构(710)输出的光束进行反射，并最终反射至用户的瞳孔。
2.根据权利要求1所述的波导组件，其特征在于，所述接触面(730)与所述空间直角坐标系xyz中xz面具有锐角夹角，且所述接触面(730)与所述空间直角坐标系xyz中z轴所在的方向平行。
3.根据权利要求2所述的波导组件，其特征在于，所述接触面(730)与所述xz面之间的锐角夹角大于或等于所述波导组件的视场角。
4.根据权利要求1-3任一项所述的波导组件，其特征在于，沿光束在所述第一出瞳扩展波导结构(710)的传输方向上，所述多个第一光学薄膜层(101-107)的反射率依次增大。
5.根据权利要求1-3任一项所述的波导组件，其特征在于，所述多个第一光学薄膜层(101-107)与xz平面的夹角为45°，且与所述空间直角坐标系xyz中的z轴平行。
6.根据权利要求1-3任一项所述的波导组件，其特征在于，所述x轴所在的方向为人眼所视竖直方向，所述y轴所在的方向为人眼所视水平方向。
7.一种近眼显示设备，其特征在于，包括光引擎(910)、光引导结构(930)和波导组件(940)，其中，
所述光引擎(910)，用于产生光束并将所述光束输入至所述光引导结构(930)，其中，所述光引擎(910)产生的所述光束包括具有不同传输方向的光束，所述不同传输方向的光束中的中心光束与空间直角坐标系xyz中的z轴的方向之间具有夹角；
所述光引导结构(930)，用于将输入至所述光引导结构(930)的所述光束输出至所述波导组件(940)，其中从所述光引擎(910)输出的光束的传输方向与从所述光引导结构(930)输出的光束的传输方向不同，其中输入所述波导组件(940)的光束包括具有不同传输方向的光束，所述不同传输方向的光束中的中心光束为入射至所述波导组件(940)的0°视场角光束；
其中，所述空间直角坐标系xyz中的z轴所在的方向为所述波导组件(940)的厚度方向。
8.根据权利要求7所述的近眼显示设备，其特征在于，所述光引导结构(930)包括转折棱镜，所述转折棱镜包括第一面和第二面，
其中，所述光引擎(910)输出的所述光束经由所述第一面折射至所述转折棱镜中传输，之后经所述第二面射出所述转折棱镜，输出至所述波导组件(940)。
9.根据权利要求8所述的近眼显示设备，其特征在于，所述第二面与所述波导组件(940)所在的平面平行，所述第一面与所述第二面的夹角为α，所述光引擎(910)产生的不同传输方向的光束中的中心光束与所述z轴所在方向的夹角为β，其中，所述夹角α和所述夹角β满足以下公式：
npsinα＝nasin(α+β)
其中，np为所述转折棱镜的折射率，na为空气折射率。
10.根据权利要求8所述的近眼显示设备，其特征在于，所述第一面与所述波导组件(940)所在的平面的夹角为α1，所述第二面与所述波导组件(940)所在的平面的夹角为α2，所述光引擎(910)产生的不同传输方向的光束中的中心光束与所述z轴所在方向的夹角为β，其中，所述夹角α1、所述夹角α2和所述夹角β满足以下公式：
nasinα2＝npsinα3
nasin(α1+β)＝npcos(α3-α1-α2)
其中，np为所述转折棱镜的折射率，na为空气折射率，夹角α3为所述中心光束经所述第一面转折之后入射到所述第二面时的入射角。
11.根据权利要求7-10任一项所述的近眼显示设备，其特征在于，所述光引导结构(930)与所述波导组件(940)之间具有空气间隙层。
12.一种如权利要求7至11任一项所述的近眼显示设备，其特征在于，包括光引擎(910)、光引导结构(930)和如权利要求1至6任一项所述的波导组件，其中，所述光引擎(910)，用于产生光束并将所述光束输入至所述光引导结构(930)，所述光引导结构(930)，用于将输入至所述光引导结构(930)的所述光束输出至所述波导组件(940)，其中从所述光引擎(910)输出的光束的传输方向与从所述光引导结构(930)输出的光束的传输方向不同。
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