CN111175897A - 光栅波导出瞳扩展器及增强现实显示模组 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光栅波导出瞳扩展器及增强现实显示模组，涉及增强现实显示模组技术领域，所述光栅波导出瞳扩展器包括波导平板，波导平板包括相对的第一板面和第二板面，第一板面上设置有耦入光栅和耦出光栅，且耦入光栅和耦出光栅间隔设置；波导平板上还设置有光反射结构，光反射结构具有反射层，反射层分别与第一板面、第二板面连接，反射层用于将射向耦入光栅方向的衍射光反射向耦出光栅方向。光在光栅波导出瞳扩展器内传播时会发生衍射现象，部分衍射光光会朝耦入光栅方向运动，逐渐远离耦出光栅，而光反射结构能够将这部分衍射光朝耦出光栅方向反射，从而再次利用，避免光能量的浪费，最终人眼视网膜接收到的光能量更多，亮度更高。
Description
技术领域
本发明涉及增强现实显示模组技术领域，尤其是涉及一种光栅波导出瞳扩展器及增强现实显示模组。
背景技术
使用光栅波导方案进行出瞳扩展，将投影模组所产生虚拟图像引导至人眼，在视网膜上成像，从而使使用者可以观察到虚拟图像。同时，光栅波导的高透过率保证环境光可以低损耗地透过进入人眼，保证使用者可以同时观察到虚拟图像及真实景象，从而实现增强现实的应用目的。
对于现有技术中，采用光栅波导方案的出瞳扩展器而言，光线进入波导及在波导里传输时，由于多个衍射级次的存在，会导致部分能量浪费掉，无法有效利用起来，导致最终进入到视网膜内的光强较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光栅波导出瞳扩展器及增强现实显示模组，以缓解现有的出瞳扩展器存在能量浪费的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供的一种光栅波导出瞳扩展器，所述光栅波导出瞳扩展器包括波导平板，所述波导平板包括相对的第一板面和第二板面，所述第一板面上设置有耦入光栅和耦出光栅，且所述耦入光栅和耦出光栅间隔设置；
所述波导平板上还设置有光反射结构，所述光反射结构具有反射层，所述反射层分别与第一板面、第二板面连接，所述反射层用于将射向耦入光栅方向的衍射光反射向耦出光栅方向，其中，所述耦入光栅方向为所述耦出光栅朝向所述耦入光栅方向，所述耦出光栅方向与所述耦入光栅方向相反。
进一步的，所述光反射结构设置在在所述波导平板的侧面上，且所述反射层贴合在所述侧面上；沿所述耦入光栅朝向所述耦出光栅方向，所述耦入光栅位于所述耦出光栅和光反射结构之间。
进一步的，所述耦入光栅和耦出光栅均为一维光栅；
所述反射层的长度方向、耦入光栅的光栅方向和耦出光栅的光栅方向平行。
进一步的，所述耦入光栅为一维光栅，所述耦出光栅为二维光栅。
进一步的，所述光反射结构内嵌在所述波导平板内，沿所述耦入光栅朝向所述耦出光栅方向，所述光反射结构位于所述耦入光栅和耦出光栅之间；
所述光反射结构上设置有缺口，所述缺口用于避让从所述耦入光栅所在端侧朝所述耦出光栅所在端侧传播的光。
进一步的，所述光反射结构的数量为两个，分别为第一光反射结构和第二光反射结构；
所述第一光反射结构设置在在所述波导平板的侧面上，且所述第一光反射结构的反射层贴合在所述侧面上；沿所述耦入光栅朝向所述耦出光栅方向，所述耦入光栅位于所述耦出光栅和第一光反射结构之间；
所述第二光反射结构内嵌在所述波导平板内，沿所述耦入光栅朝向所述耦出光栅方向，所述第二光反射结构位于所述耦入光栅和耦出光栅之间；
所述第二光反射结构上设置有缺口，所述缺口用于避让从所述耦入光栅所在端侧朝所述耦出光栅所在端侧传播的光。
进一步的，贴合在所述波导平板侧面的光反射结构为反射膜，所述光栅波导出瞳扩展器包括用于保护所述反射膜的保护条，所述保护条连接在所述反射膜的背面，以使所述反射膜被夹持在波导片的侧面和保护条之间。
进一步的，所述耦入光栅为表面浮雕光栅、体全息光栅、矩形光栅、三角光栅或者梯形光栅；
所述耦出光栅为表面浮雕光栅或者体全息光栅。
第二方面，本发明实施例提供的一种增强现实显示模组，所述增强现实显示模组包括图像源、投影系统和上述的光栅波导出瞳扩展器；
所述投影系统用于将所述图像源发出的光转变成平行光束，并将所述平行光束发送至所述耦入光栅。
进一步的，所述图像源为反射式投影显示器、数字光处理器、液晶平面显示器或者微发光二极管。
本发明实施例提供的一种光栅波导出瞳扩展器，所述光栅波导出瞳扩展器包括波导平板，所述波导平板包括相对的第一板面和第二板面，所述第一板面上设置有耦入光栅和耦出光栅，且所述耦入光栅和耦出光栅间隔设置，入射光从耦入光栅进入到波导平板，在波导平板内进行多次全反射后从耦出光栅射出进入人眼。所述波导平板上还设置有光反射结构，所述光反射结构具有反射层，所述反射层分别与第一板面、第二板面连接，所述反射层用于将射向耦入光栅方向的衍射光反射向耦出光栅方向。光在光栅波导出瞳扩展器内传播时会发生衍射现象，部分衍射光会朝耦入光栅方向运动，逐渐远离耦出光栅，而光反射结构能够将这部分衍射光朝耦出光栅方向反射，从而再次利用，避免光能量的浪费，最终人眼视网膜接收到的光能量更多，亮度更高。
本发明实施例提供的一种增强现实显示模组，所述增强现实显示模组包括图像源、投影系统和上述的光栅波导出瞳扩展器；所述投影系统用于将所述图像源发出的光转变成平行光束，并将所述平行光束发送至所述耦入光栅。因为本发明实施例提供的增强现实显示模组引用了上述的光栅波导出瞳扩展器，所以，本发明实施例提供的增强现实显示模组也具备光栅波导出瞳扩展器的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的光栅波导出瞳扩展器的正视图；
图2为本发明实施例1提供的光栅波导出瞳扩展器的仰视图；
图3为本发明实施例1提供的光栅波导出瞳扩展器的原理图；
图4为本发明实施例1提供的光栅波导出瞳扩展器的中耦入光栅为三角光栅的正视图；
图5为本发明实施例1提供的光栅波导出瞳扩展器的中耦入光栅为矩形光栅的正视图；
图6为本发明实施例1提供的光栅波导出瞳扩展器的中耦入光栅为梯形光栅的正视图；
图7为本发明实施例2提供的光栅波导出瞳扩展器的侧视图；
图8为本发明实施例2提供的光栅波导出瞳扩展器的仰视图；
图9为本发明实施例2提供的光栅波导出瞳扩展器的原理图；
图10为本发明实施例2提供的光栅波导出瞳扩展器的耦出光栅的两个维度的夹角为60°的示意图；
图11为本发明实施例3提供的光栅波导出瞳扩展器的仰视图。
图标：110-波导平板；120-耦入光栅；130-耦出光栅；200-光反射结构；300-保护条；410-第一光反射结构；420-第二光反射结构。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-图3所示，本发明实施例提供的一种光栅波导出瞳扩展器，所述光栅波导出瞳扩展器包括波导平板110，所述波导平板110包括相对的第一板面和第二板面，所述第一板面上设置有耦入光栅120和耦出光栅130，且所述耦入光栅120和耦出光栅130间隔设置，入射光从耦入光栅120进入到波导平板110能在波导平板110能进行多次全反射后从耦出光栅130射出进入人眼。所述波导平板110上还设置有光反射结构200，所述光反射结构200具有反射层，所述反射层分别与第一板面、第二板面连接，所述反射层用于将射向耦入光栅120方向的衍射光反射向耦出光栅130方向。光在经由耦入光栅进入出瞳扩展器内传播时会发生衍射现象，部分衍射光光会朝耦入光栅120方向运动，逐渐远离耦出光栅130，而光反射结构200能够将这部分衍射光朝耦出光栅130方向反射，从而再次利用，避免光能量的浪费，最终人眼视网膜接收到的光能量更多，亮度更高。
其中，所述耦入光栅120方向为所述耦出光栅130朝向所述耦入光栅120方向，即图1中自左向右的方向；所述耦出光栅130方向与所述耦入光栅120方向相反，即图1中自右向左的方向。
本实施例中，所述光反射结构200设置在在所述波导平板110的侧面上，且所述反射层贴合在所述侧面上；沿所述耦入光栅120朝向所述耦出光栅130方向，所述耦入光栅120位于所述耦出光栅130和光反射结构200之间。
具体的，本实施例中，波导平板110可以为矩形的板状结构，光反射结构200贴合在波导平板110上靠近耦入光栅120一端的侧面上。由投影系统垂直照射到耦入光栅120的入射光，会在耦入光栅120与波导平板110的连接处发生衍射，如图3所示，入射光会产生三个衍射级次，分别为T-1级、T0级、T+1级，其中T-1级次的衍射光导向耦出光栅130，并由耦出光栅130耦出，T+1级次的衍射光会传播到波导平板110的侧面，在光反射结构200的反射作用下改变传播方向，向耦出光栅130一端传播，避免了由波导平板110产生的衍射光从波导平板110的侧面传出，造成能量浪费，提高耦入光栅120整体光能利用率。
本实施例中，所述耦入光栅120和耦出光栅130均可以为一维光栅；且所述反射层的长度方向、耦入光栅120的光栅方向和耦出光栅130的光栅方向平行，光反射结构200的反射层覆盖波导平板110的整个侧面。
本实施例中，耦出光栅130也可以为二维光栅。
贴合在所述波导平板110侧面的光反射结构200为反射膜，反射膜可以为金属反射膜或者全电介质反射膜，所述光栅波导出瞳扩展器包括用于保护所述反射膜的保护条300，保护条300的材质可以与波导平板110的材质相同，所述保护条300连接在所述反射膜的背面，以使所述反射膜被夹持在波导片的侧面和保护条300之间，被夹持在中间的反射膜可以得到良好的保护，减少损坏几率。
如图4-图6所示，所述耦入光栅120可以为表面浮雕光栅、体全息光栅、矩形光栅、三角光栅或者梯形光栅；所述耦出光栅130可以为表面浮雕光栅或者体全息光栅。
实施例2
如图7-图9所示，与实施例1不同之处在于，本实施例中，所述耦入光栅120为一维光栅，所述耦出光栅130为二维光栅。所述光反射结构200内嵌在所述波导平板110内，沿所述耦入光栅120朝向所述耦出光栅130方向，所述光反射结构200位于所述耦入光栅120和耦出光栅130之间；所述光反射结构200上设置有缺口，所述缺口用于避让从所述耦入光栅120所在端侧朝所述耦出光栅130所在端侧传播的光。
本实施例中，由投影系统垂直照射到耦入光栅120的入射光，会在波导平板110内发生多次反射，朝耦出光栅130方向传播。当光线与耦出光栅130接触时，由于耦出光栅130为二维光栅，因而会产生多个衍射级次的衍射光，部分衍射光朝耦入光栅120方向传播，在耦入光栅120和耦出光栅130之间设置光反射结构200，可以将这部分衍射光反射回朝耦出光栅130方向传播，最后进入到耦出光栅130内，从而提高系统的光效。避免部分衍射级次对能量的浪费，提高出瞳扩展器的整体光效。
内嵌光反射结构200的波导平板110的制作过程如下：
取两块玻璃板，沿玻璃板的宽度方向，在其中一块玻璃板的侧面上镀上两块反射膜，且两块反射膜间隔设置，二者的间隙形成所述缺口；
将玻璃板上镀有反射膜的侧面与另一块玻璃板的侧面对接，胶合在一起，在经过切割、抛光后得到内嵌有光反射结构200的波导平板110。
其中，缺口的宽度与耦入光栅120宽度、及拓展器的视场角等参数有关，计算公式为：
D＝D0+2*L*tanθ
其中，D0为耦入光栅120的宽度，L为耦入光栅120距离光反射结构200最远的一级光栅单元距离所述光反射结构200之间的距离，θ为耦入光栅120衍射光最大的偏角。
如图10所示，耦出光栅130的两个维度的夹角可以为45°、60°、或者90°等。
实施例3
如图11所示，与实施例1和实施例2不同之处在于，本实施例中，耦出光栅130为二维光栅，且兼顾了实施例1和实施例2的优点。
具体的，本实施例中，所述光反射结构200的数量为两个，分别为第一光反射结构410和第二光反射结构420；所述第一光反射结构410设置在在所述波导平板110的侧面上，且所述第一光反射结构410的反射层贴合在所述侧面上；沿所述耦入光栅120朝向所述耦出光栅130方向，所述耦入光栅120位于所述耦出光栅130和第一光反射结构410之间；所述第二光反射结构420内嵌在所述波导平板110内，沿所述耦入光栅120朝向所述耦出光栅130方向，所述第二光反射结构420位于所述耦入光栅120和耦出光栅130之间；所述第二光反射结构420上设置有缺口，所述缺口用于避让从所述耦入光栅120所在端侧朝所述耦出光栅130所在端侧传播的光。
波导平板110可以为矩形的板状结构，第一光反射结构410贴合在波导平板110上靠近耦入光栅120一端的侧面上。由投影系统垂直照射到耦入光栅120的入射光，会在耦入光栅120与波导平板110的连接处发生衍射，部分级次的衍射光会传播到波导平板110的侧面，在第一光反射结构410的反射作用下改变传播方向，向耦出光栅130一端传播，避免了由波导平板110产生的衍射光从波导平板110的侧面传出，造成能量浪费。当光线与耦出光栅130接触时，由于耦出光栅130为二维光栅，因而会产生的多个衍射级次的衍射光，部分衍射光朝耦入光栅120方向传播，在耦入光栅120和耦出光栅130之间设置第二光反射结构420，可以将这部分衍射光反射回朝耦出光栅130方向传播，最后进入到耦出光栅130内，从而提高系统的光效。
综上所述，现有的技术方案中，由于多个衍射级次的存在，会有部分能量浪费掉，无法有效利用。本发明通过在平板波导的侧面和/或内部设置光反射结构200，将现有方案中无法利用的衍射级次利用起来，从而提高出瞳扩展器的整体光效。有助于提高增强现实显示装置的光能利用率，提高系统显示亮度。
本发明实施例提供的一种增强现实显示模组，所述增强现实显示模组包括图像源、投影系统和上述的光栅波导出瞳扩展器；所述投影系统用于将所述图像源发出的光转变成平行光束，并将所述平行光束发送至所述耦入光栅120。因为本发明实施例提供的增强现实显示模组引用了上述的光栅波导出瞳扩展器，所以，本发明实施例提供的增强现实显示模组也具备光栅波导出瞳扩展器的优点。
所述图像源可以为反射式投影显示器、数字光处理器、液晶平面显示器或者微发光二极管。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种光栅波导出瞳扩展器，其特征在于，所述光栅波导出瞳扩展器包括波导平板(110)，所述波导平板(110)包括相对的第一板面和第二板面，所述第一板面上设置有耦入光栅(120)和耦出光栅(130)，且所述耦入光栅(120)和耦出光栅(130)间隔设置；
所述波导平板(110)上还设置有光反射结构(200)，所述光反射结构(200)具有反射层，所述反射层分别与第一板面、第二板面连接，所述反射层用于将射向耦入光栅(120)方向的衍射光反射向耦出光栅(130)方向，其中，所述耦入光栅(120)方向为所述耦出光栅(130)朝向所述耦入光栅(120)方向，所述耦出光栅(130)方向与所述耦入光栅(120)方向相反。
2.根据权利要求1所述的光栅波导出瞳扩展器，其特征在于，所述光反射结构(200)设置在在所述波导平板(110)的侧面上，且所述反射层贴合在所述侧面上；沿所述耦入光栅(120)朝向所述耦出光栅(130)方向，所述耦入光栅(120)位于所述耦出光栅(130)和光反射结构(200)之间。
3.根据权利要求1所述的光栅波导出瞳扩展器，其特征在于，所述耦入光栅(120)和耦出光栅(130)均为一维光栅；
所述反射层的长度方向、耦入光栅(120)的光栅方向和耦出光栅(130)的光栅方向平行。
4.根据权利要求1所述的光栅波导出瞳扩展器，其特征在于，所述耦入光栅(120)为一维光栅，所述耦出光栅(130)为二维光栅。
5.根据权利要求4所述的光栅波导出瞳扩展器，其特征在于，所述光反射结构(200)内嵌在所述波导平板(110)内，沿所述耦入光栅(120)朝向所述耦出光栅(130)方向，所述光反射结构(200)位于所述耦入光栅(120)和耦出光栅(130)之间；
所述光反射结构(200)上设置有缺口，所述缺口用于避让从所述耦入光栅(120)所在端侧朝所述耦出光栅(130)所在端侧传播的光。
6.根据权利要求4所述的光栅波导出瞳扩展器，其特征在于，所述光反射结构(200)的数量为两个，分别为第一光反射结构(410)和第二光反射结构(420)；
所述第一光反射结构(410)设置在在所述波导平板(110)的侧面上，且所述第一光反射结构(410)的反射层贴合在所述侧面上；沿所述耦入光栅(120)朝向所述耦出光栅(130)方向，所述耦入光栅(120)位于所述耦出光栅(130)和第一光反射结构(410)之间；
所述第二光反射结构(420)内嵌在所述波导平板(110)内，沿所述耦入光栅(120)朝向所述耦出光栅(130)方向，所述第二光反射结构(420)位于所述耦入光栅(120)和耦出光栅(130)之间；
所述第二光反射结构(420)上设置有缺口，所述缺口用于避让从所述耦入光栅(120)所在端侧朝所述耦出光栅(130)所在端侧传播的光。
7.根据权利要求2或6所述的光栅波导出瞳扩展器，其特征在于，贴合在所述波导平板(110)侧面的光反射结构(200)为反射膜，所述光栅波导出瞳扩展器包括用于保护所述反射膜的保护条(300)，所述保护条(300)连接在所述反射膜的背面，以使所述反射膜被夹持在波导片的侧面和保护条(300)之间。
8.根据权利要求1所述的光栅波导出瞳扩展器，其特征在于，所述耦入光栅(120)为表面浮雕光栅、体全息光栅、矩形光栅、三角光栅或者梯形光栅；
所述耦出光栅(130)为表面浮雕光栅或者体全息光栅。
9.一种增强现实显示模组，其特征在于，所述增强现实显示模组包括图像源、投影系统和权利要求1-8任意一项所述的光栅波导出瞳扩展器；
所述投影系统用于将所述图像源发出的光转变成平行光束，并将所述平行光束发送至所述耦入光栅(120)。
10.根据权利要求9所述的增强现实显示模组，其特征在于，所述图像源为反射式投影显示器、数字光处理器、液晶平面显示器或者微发光二极管。
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