CN110989172B - 一种超大视场角的波导显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超大视场角的波导显示装置，该装置包括波导模块，波导模块包括两个反射型线偏振片、以及位于两个反射型线偏振片内侧的两个λ/4波片，λ/4波片的快轴与反射型线偏振片的偏振方向呈45°夹角，两个λ/4波片之间设置渐变反射率的耦出结构，反射率从靠近耦入一侧到另一侧依次递增；进入波导模块的圆偏振光到达一侧的λ/4波片，变成线偏振光，该线偏振光与该侧的反射型线偏振片的偏振方向垂直，光线发生反射，再次经过该侧的λ/4波片成为圆偏振光，并进入另一侧的λ/4波片，同理发生反射，从而进行多次波导。该波导显示装置的视场角可达60～90度，且成像质量高。
Description
技术领域
本发明属于增强现实显示装置(AR)或头戴显示装置领域，具体涉及一种超大视场角的波导显示装置。
背景技术
如今增强现实类头戴显示技术正在快速发展中，以适应人们对信息获取途径日益多元化的需求。人们的任何可穿戴设备都会朝着轻薄、续航时间长的方向发展，在头戴显示设备与增强现实领域，能满足这一要求的只有光波导技术。在现阶段各种增强现实类头戴设备中，阵列光波导技术是一项相对成熟的技术。该技术拥有薄如眼镜片的厚度，相比其他方案，更容易被人们所接受。相比于全反射棱镜方案的小视场角，自由曲面方案较差的成像质量，光波导技术是最接近眼镜尺寸的，体积轻薄，并且成像质量也较好。但是现有的波导显示装置，均利用全反射的原理实现光在波导模块中的传输，使得波导模块对光的耦入、传输和耦出都受到波导介质全反射角的限制，最终限制了波导显示的单眼视场角在40 度，最大不超过60度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种超大视场角的波导显示装置，利用了光的偏振特性，打破了光波导全反射角的限制，使得光线能在理论上以任意角度在波导片内波导，以提高光波导方案出光的视场角。该波导显示装置的视场角可达60～90度，且成像质量高。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
一种超大视场角的波导显示装置，该装置包括波导模块，其特征在于，
所述的波导模块包括两个反射型线偏振片、以及位于两个反射型线偏振片内侧的两个λ/4波片，所述的λ/4波片的快轴与所述的反射型线偏振片的偏振方向呈45°夹角，
两个所述的λ/4波片之间设置渐变反射率的耦出结构，所述的反射率从靠近耦入一侧到另一侧依次递增；
进入所述的波导模块的圆偏振光到达一侧的λ/4波片，变成线偏振光，该线偏振光与该侧的反射型线偏振片的偏振方向垂直，光线发生反射，再次经过该侧的λ/4波片成为圆偏振光，并进入另一侧的λ/4波片，同理发生反射，从而进行多次波导。
进一步地，所述的耦出结构为阵列反射镜，从耦入一侧到另一侧，每个反射镜的反射率依次递增。
进一步地，所述的耦出结构为反射膜。
进一步地，还包括设置在光出射一侧的反射型线偏振片外侧的光线偏转结构。
进一步地，所述的耦出结构为微阵列反射结构。
进一步地，所述的光线偏转结构为耦出光栅、微阵列折射棱镜。
进一步地，所述的耦出光栅为表面浮雕型光栅或体全息光栅。
进一步地，所述的两个λ/4波片之间为波导介质，该波导介质为空气。
本发明的有益效果如下：
本发明的超大视场角的波导显示装置，利用光的偏振态原理，用偏振反射代替全反射，从而使光能够以任意角度在波导模块中反射和传输进行。相比现有的波导显示装置，本发明的波导显示装置不受全反射角条件的限制：(1)从光密介质入射到光疏介质(2)入射角大于材料全反射角。第一个条件限制了波导显示装置的材料选择，第二个条件限制了光在波导层中传输的角度，最终限制了视场角。因此本发明在两个反射界面之间可以直接以空气为介质减轻了波导显示装置的重量，而入射角不受限制，使本发明的视场角可以比现有的波导显示装置更大，从现有的40度视场角，可以突破到60-90度的大视场角范围。
附图说明
图1为本发明的超大视场角的波导显示装置的结构示意图；
图2为本发明的超大视场角的波导显示装置的实施例一的结构示意图；
图3为本发明的超大视场角的波导显示装置的实施例二的结构示意图；
图4为本发明的超大视场角的波导显示装置的实施例三的结构示意图；
图5为本发明的超大视场角的波导显示装置的实施例四的结构示意图；
图中，1-反射型偏振片，2-λ/4波片，3-耦出结构，4-光机模块，5-成像模块，6-起偏模块，7-耦出光线偏转结构，8-耦入光栅。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明超大视场角的波导显示装置，该装置包括波导模块，所述的波导模块包括两个反射型线偏振片1、以及位于两个反射型线偏振片内侧的两个λ/4波片2，所述的λ/4波片的快轴与所述的反射型线偏振片的偏振方向呈45°夹角，两个所述的λ/4 波片之间设置渐变反射率的耦出结构，所述的反射率从靠近耦入一侧到另一侧依次递增；
进入所述的波导模块的圆偏振光到达一侧的λ/4波片，变成线偏振光，该线偏振光与该侧的反射型线偏振片的偏振方向垂直，光线发生反射，再次经过该侧的λ/4波片成为圆偏振光，并进入另一侧的λ/4波片，同理发生反射，从而进行多次波导。
因本发明的波导显示装置不受全反射角的限制，因此为了降低适配VR设备的波导显示装置的重量，优选波导层为空气介质。
如图2所示，作为其中一种实施方式，反射型偏振片1为S方向反射型偏振片，耦出结构3为阵列反射镜。该波导显示装置还包括设置在波导模块左侧的光机模块4、成像模块5、起偏模块6 ，左侧的光机模块4发出的视场的光经过成像模块5成像后，再经过起偏模块6变成右旋的圆偏振光。以主光线为例，圆偏振光到达波导模块远离人眼端的λ/4波片，重新变成P方向的线偏振光，此时与波导模块上的反射型S光偏振片方向垂直，光线发生反射，再次经过λ/4波片成为圆偏振光，并进入波导模块的另一侧，同理发生反射，从而进行多次波导。当光线遇到反射镜时会有一小部分光发生反射，由右旋偏振光变成左旋偏振光，并到达λ/4波片变成S光，与波导模块上偏振片方向一致，出射。余下的光线透过反射镜继续波导，到达下一个反射镜，依然部分光出射，部分透过。同时，波导片不参与成像的边缘部分全部涂黑，防止杂散光的反射，造成重影问题。
因为阵列反射镜的反射率变化较为平缓，且反射率低，所以不影响人们透过波导片观察现实场景，以此达到了增强现实的目的。
作为其中一种实施方式，如图3所示，耦出结构为渐变反射率反射膜。此时为了使出射的光线垂直射出，在靠近人眼一侧的反射型偏振片的外侧设置耦出光线偏转结构7。所述的光线偏转结构为耦出光栅、微阵列折射棱镜。图3中的光线偏转结构为微阵列折射棱镜。
作为另外一种实施方式，如图4所示，耦出结构3为微阵列反射结构。
现有的阵列反射镜工艺是将多片玻璃交界面镀膜后粘合并进行切割的，镀膜、粘合的精准度要求较高，产生废料多，材料利用率低，导致量产存在一定难度。但是将阵列反射镜进行微结构化至百微米级别，可以大幅度降低现有的阵列波导工艺的成本。微齿结构十分细小以至可以直接近似为平面去镀如上文所述渐变反射膜，且材料利用率更高。
作为另外一种实施方式，如图5所示，当光线从垂直于波导模块入射时，波导显示装置还包括设置在靠近人眼一侧的耦入光栅8，且在该实施例中，耦出结构3为渐变反射率反射膜，耦出光线偏转结构7为耦出光栅，耦入光栅8和耦出光栅包括但不限于衍射光栅、体全息光栅等具有偏转光线能力的微型光学结构。起偏模块6具体为由透射型偏振片9和λ/4波片2组成。该实施例中，起偏模块中的λ/4波片和波导模块的λ/4波片2由同一个λ/4波片表示。
在本实施例中，以中心光线为例，光线由光机模块4出发，经成像模块5成像后，到达耦入光栅8后发生偏转，并经由包括P光偏振片和λ/4波片的起偏模块后变成右旋圆偏光，到达渐变反射率的反射膜后，部分反射成左旋圆偏光从波导层出射，到达耦出光栅并偏转后出射。透射部分经过λ/4波片变成P光，到达S光偏振片后反射，重新进入波导层波导，并在下一次接触反射膜时部分出射或继续波导。
为了提高波导显示装置的便携性，上述实施例中的光机优选LCOS、DLP和MEMS。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超大视场角的波导显示装置，该装置包括波导模块，其特征在于，
所述的波导模块包括两个反射型线偏振片、以及位于两个反射型线偏振片内侧的两个λ/4波片，所述的λ/4波片的快轴与所述的反射型线偏振片的偏振方向呈45°夹角，
两个所述的λ/4波片之间设置渐变反射率的耦出结构，所述的反射率从靠近耦入一侧到另一侧依次递增,
进入所述的波导模块的圆偏振光到达一侧的λ/4波片，变成线偏振光，该线偏振光与该侧的反射型线偏振片的偏振方向垂直，光线发生反射，再次经过该侧的λ/4波片成为圆偏振光，并进入另一侧的λ/4波片，同理发生反射，从而进行多次波导。
2.根据权利要求1所述的超大视场角的波导显示装置，其特征在于，所述的耦出结构为阵列反射镜，从耦入一侧到另一侧，每个反射镜的反射率依次递增。
3.根据权利要求1所述的超大视场角的波导显示装置，其特征在于，所述的耦出结构为反射膜。
4.根据权利要求3所述的超大视场角的波导显示装置，其特征在于，还包括设置在光出射一侧的反射型线偏振片外侧的光线偏转结构。
5.根据权利要求1所述的超大视场角的波导显示装置，其特征在于，所述的耦出结构为微阵列反射结构。
6.根据权利要求4所述的超大视场角的波导显示装置，其特征在于，所述的光线偏转结构为耦出光栅、微阵列折射棱镜。
7.根据权利要求6所述的超大视场角的波导显示装置，其特征在于，所述的耦出光栅为表面浮雕型光栅或体全息光栅。
8.根据权利要求1所述的超大视场角的波导显示装置，其特征在于，所述的两个λ/4波片之间为波导介质，该波导介质为空气。
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