CN111474719A - 波导装置和增强现实设备 - Google Patents

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CN111474719A CN202010375162.9A CN202010375162A CN111474719A CN 111474719 A CN111474719 A CN 111474719A CN 202010375162 A CN202010375162 A CN 202010375162A CN 111474719 A CN111474719 A CN 111474719A
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李艳
崔海涛
钱进
雍海波
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    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features

Abstract

本公开是关于一种波导装置和增强现实设备，波导装置包括：波导基底、几何光学输入元件和几何光学输出元件；几何光学输入元件，设置在波导基底的光波输入区域，用于将输入的光波通过几何光学的方式耦合进入波导基底；波导基底，用于将通过几何光学输入元件耦合进入波导基底的光波采用全反射的方式传输至几何光学输出元件，其中，波导基底包括第一基底和第二基底，第一基底的下表面与第二基底的上表面相连接；几何光学输出元件，设置在波导基底的光波输出区域，用于输出传输至几何光学输出元件的光波，其中，几何光学输出元件包括内嵌于第一基底的半透膜阵列，半透膜阵列为平行且倾斜设置的多个半透膜。

Description

波导装置和增强现实设备
技术领域
本公开涉及增强现实显示技术领域，尤其涉及一种波导装置和增强现实设备。
背景技术
随着虚拟现实和增强现实技术的发展，近眼式显示设备得到快速发展，增强现实的近眼式显示是一种将光场成像在现实空间的技术，并且可以同时兼顾虚拟和现实的操作。利用传统光学光波导元件耦合图像光进入人眼的方式已经被采用，包括使用棱镜、反射镜、半透半反光光波导、全息及衍射光栅。光波导显示系统是利用全反射原理实现光波传输，结合衍射元件，实现光线的定向传导，进而将图像光导向人眼，使用户可以看到投影的图像。
目前，有一种光波导为阵列光波导，其利用多个半透半反膜组成半透膜阵列，进而实现出瞳扩展的穿透式显示，并且具有较大的视场和眼动范围，但是，其半透半反膜的结构特性造成了鬼像与正常像无法分离的鬼像问题，从而严重影响成像质量。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种波导装置和增强现实设备，从而实现阵列光波导结构中鬼像与正常像的分离，避免鬼像问题，提高成像质量。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种波导装置，包括：波导基底、几何光学输入元件和几何光学输出元件；
所述几何光学输入元件，设置在所述波导基底的光波输入区域，用于将输入的光波通过几何光学的方式耦合进入波导基底；
所述波导基底，用于将通过所述几何光学输入元件耦合进入所述波导基底的光波采用全反射的方式传输至所述几何光学输出元件，其中，所述波导基底包括第一基底和第二基底，所述第一基底的下表面与所述第二基底的上表面相连接；
所述几何光学输出元件，设置在所述波导基底的光波输出区域，用于输出传输至所述几何光学输出元件的光波，其中，所述几何光学输出元件包括内嵌于所述第一基底的半透膜阵列，所述半透膜阵列为平行且倾斜设置的多个半透膜。
在一个实施例中，优选地，所述几何光学输入元件内嵌在所述波导基底的第一端，所述几何光学输入元件的反射面与所述第二基底之间的夹角为θ，所述半透膜与所述第一基底之间的夹角也为θ。
在一个实施例中，优选地，所述几何光学输入元件包括表面镀有反光膜的斜面或棱镜。
在一个实施例中，优选地，所述半透膜阵列中的半透膜为等距离设置，任意相邻两个半透膜之间的间距均为预设间距。
在一个实施例中，优选地，所述半透膜阵列中任意相邻两个半透膜的后端与前端之间的水平间距满足以下条件：
a≥D1tanθ
其中，a表示任意相邻两个半透膜的后端与前端之间的水平间距，D1表示所述第一基底的厚度，所述θ表示半透膜与所述第一基底之间的夹角。
在一个实施例中，优选地，所述半透膜阵列的起点到所述波导基底的第二端的端面的距离L满足以下条件：
L≤2D2cot(4θ-90°)
其中，L表示所述半透膜阵列的起点到所述波导基底的第二端的端面，D2表示所述第二基底的厚度，所述θ表示半透膜与所述第一基底之间的夹角。
在一个实施例中，优选地，所述第一基底的下表面设置有增透膜。
在一个实施例中，优选地，所述第二基底的侧端面设置有吸收膜。
在一个实施例中，优选地，所述第二基底的厚度大于所述第一基底的厚度。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种增强现实设备，包括：
上述第一方面任一项所述的波导装置。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明实施例中，波导基底采用双层基底结构，上层基底中平行、倾斜且等间距的设置多个半透膜，并且，限定半透膜阵列的起点到所述波导基底的第二端的端面的距离与下层基底的厚度之间的关系，从而实现鬼像与正常像的分离，提高成像质量。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1示出了现有阵列光波导的原理示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种波导装置的结构示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种波导装置中夹角角度示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的一种波导装置中长度L和基底厚度示意图。
图5是根据一示例性实施例示出的一种波导装置中光线传播示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
目前，有一种光波导为阵列光波导，其利用多个半透半反膜组成半透膜阵列，进而实现出瞳扩展的穿透式显示，并且具有较大的视场和眼动范围。图1示出了现有阵列光波导的原理示意图，如图1所示，假设图像源中心视场处发出一条光线1在耦入波导基底后，由内嵌于波导基底内的全反射镜反射后在波导上下表面以全反射的方式在波导基底中传播(其中，全反射镜与波导基底的夹角为θ)，然后在入射到第一个半透半反膜时光线有透有反，透射光线为T1(如实线所示)，反射光线为R1(如虚线所示)。T1继续向前传播经由波导基底下表面全反射后，在第二个半透半反射膜反射耦出光波导片，且其耦出光线依然为中心视场；R1也经由波导基底下表面全反射后经由第二半透半反射膜反射耦出波导基底，但其耦出光线与中心视场呈一定夹角θ，经人眼成像后形成鬼像。
为了解决上述技术问题，提出了本申请的技术方案。
图2是根据一示例性实施例示出的一种波导装置的结构示意图。
如图2所示，波导装置，包括：波导基底21、几何光学输入元件22和几何光学输出元件23；
所述几何光学输入元件22，设置在所述波导基底21的光波输入区域，用于将输入的光波通过几何光学的方式耦合进入波导基底。在一个实施例中，优选地，所述几何光学输入元件包括表面镀有反光膜的斜面或棱镜。其中，几个光学输入元件可以内嵌在整个波导基底的一端中，也可以设置在波导基底的外侧，本申请以内嵌在波导基底中为例进行说明。
所述波导基底21，用于将通过所述几何光学输入元件22耦合进入所述波导基底的光波采用全反射的方式传输至所述几何光学输出元件23，其中，所述波导基底21包括第一基底211和第二基底212，所述第一基底211的下表面与所述第二基底212的上表面相连接。其中，第一基底和第二基底的材料和长度等均相同，两个基底层叠设置。
所述几何光学输出元件23，设置在所述波导基底21的光波输出区域，用于输出传输至所述几何光学输出元件的光波，其中，所述几何光学输出元件包括内嵌于所述第一基底211的半透膜阵列，所述半透膜阵列为平行且倾斜设置的多个半透膜。
在一个实施例中，优选地，如图3所示，所述几何光学输入元件22内嵌在所述波导基底21的第一端，所述几何光学输入元件的反射面与所述第二基底之间的夹角为θ，所述半透膜与所述第一基底之间的夹角也为θ。
在该实施例中，为方便设计，使内嵌于波导片内的全反射镜与波导基底下表面的夹角均为θ，而且半透半反射膜面与波导片下表面的夹角也为θ。
在一个实施例中，优选地，所述半透膜阵列中的半透膜为等距离设置，任意相邻两个半透膜之间的间距均为预设间距。其中，相邻两个半透膜之间的间距为位置在前的半透膜的后端与位置在后的半透膜的前端之间的水平距离，即为图3中的a。
如图4和图5所示，假设相邻两个半透膜的后端与前端的连线，与竖直方向的夹角为γ，则要使透射光线T1在透射入下层波导基底并在下层波导基底下表面发生全反射，且反射后重新入射进入上层波导基底后经由第二个半透半反射膜反射耦出波导基底，则θ需要满足θ≤γ，而tanγ＝a/D1，所以间距a应满足：
a≥D1tanθ
因此，在一个实施例中，优选地，所述半透膜阵列中任意相邻两个半透膜之间的间距a满足以下条件：
a≥D1tanθ
其中，a表示任意相邻两个半透膜的后端与前端之间的水平间距，D1表示所述第一基底的厚度，所述θ表示半透膜与所述第一基底之间的夹角。
进一步地，假设光线R1与波导基底的下表面的夹角为α，而R1在第一个半透半反膜的反射角为β，则要使反射光线R1在透射到下层波导基底，并在下层波导基底下表面发生全反射后，其反射光线从下层波导基底的侧面射出，则需要满足：
L≤2D2cotα
而从图中的几何关系可知：
α＝θ-(90°-β)
β＝3θ
于是可知：
L≤2D2cot(4θ-90°)
因此，在一个实施例中，优选地，所述半透膜阵列的起点到所述波导基底的第二端的端面的距离L满足以下条件：
L≤2D2cot(4θ-90°)
其中，L表示所述半透膜阵列的起点到所述波导基底的第二端的端面，D2表示所述第二基底的厚度，所述θ表示半透膜与所述第一基底之间的夹角。
在一个实施例中，优选地，所述第一基底的下表面设置有增透膜。
在一个实施例中，优选地，所述第二基底的侧端面设置有吸收膜。这样，设置吸收膜可以有效吸收杂散光，以降低杂散光对现实图像的影响。
在一个实施例中，优选地，所述第二基底的厚度大于所述第一基底的厚度。
这样，通过上述技术方案，图像源中心视场处发出一条光线1在耦入波导基底后，由内嵌于波导基底内的全反射镜反射后在波导上下表面以全反射的方式在波导基底中传播，然后在入射到第一个半透半反膜时光线有透有反，透射光线为T1(如实线所示)，反射光线为R1(如虚线所示)，T1光线继续向前传播到第一基底的下表面时，由于在第一基底和第二间基底中有增透膜，因此，T1光线全部透射入第二基底，并在第二基底下表面发生全反射，由于第一基底和第二基底相互平行，所以不改变光线方向，在经由第二基底的下表面反射后重新入射进入第一基底，并且在第二个半透半反射面反射耦出波导基底，且其耦出光线依然为中心视场。另一方面，由于在第一基底和第二间基底中有增透膜，因此，R1向前传播到第一基底下表面时不发生反射，而透射到第二基底，并在第二基底下表面发生全反射，由于上下两层基底厚度(D1,D2)以及半透半反膜起始点(即图中波导最右端膜层)到波导基底左端面的距离L满足条件：L≤2D2cot(4θ-90°)，而且第一基底中相邻半透半反膜层的后端与前段的水平间距a也满足条件：a≥D1tanθ，所以R1光线在经由第二基底的下表面反射后由第二基底的侧面射出，而不再进入第一基底，从而消除鬼像的产生。同时，由于在第二基底的侧面端面涂有吸收膜层，可以有效吸收散光，以降低杂散光对显示图像的影响。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种增强现实设备，包括：
上述第一方面任一项所述的波导装置。
在一个实施例中，优选地，所述增强现实设备还包括：微显示屏、照明系统和目镜系统；
所述微显示屏、所述照明系统和所述目镜系统沿光波进入所述波导装置的方向依次排列设置。
具体的，增强现实设备可以是AR眼镜，AR头盔等。
进一步可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种波导装置，其特征在于，包括：波导基底、几何光学输入元件和几何光学输出元件；
所述几何光学输入元件，设置在所述波导基底的光波输入区域，用于将输入的光波通过几何光学的方式耦合进入波导基底；
所述波导基底，用于将通过所述几何光学输入元件耦合进入所述波导基底的光波采用全反射的方式传输至所述几何光学输出元件，其中，所述波导基底包括第一基底和第二基底，所述第一基底的下表面与所述第二基底的上表面相连接；
所述几何光学输出元件，设置在所述波导基底的光波输出区域，用于输出传输至所述几何光学输出元件的光波，其中，所述几何光学输出元件包括内嵌于所述第一基底的半透膜阵列，所述半透膜阵列为平行且倾斜设置的多个半透膜。
2.根据权利要求1所述的波导装置，其特征在于，所述几何光学输入元件内嵌在所述波导基底的第一端，所述几何光学输入元件的反射面与所述第二基底之间的夹角为θ，所述半透膜与所述第一基底之间的夹角也为θ。
3.根据权利要求1或2所述的波导装置，其特征在于，所述几何光学输入元件包括表面镀有反光膜的斜面或棱镜。
4.根据权利要求1所述的波导装置，其特征在于，所述半透膜阵列中的半透膜为等距离设置，任意相邻两个半透膜之间的间距均为预设间距。
5.根据权利要求1所述的波导装置，其特征在于，所述半透膜阵列中任意相邻两个半透膜的后端与前端之间的水平间距满足以下条件：
a≥D1 tanθ
其中，a表示任意相邻两个半透膜的后端与前端之间的水平间距，D1表示所述第一基底的厚度，所述θ表示半透膜与所述第一基底之间的夹角。
6.根据权利要求2所述的波导装置，其特征在于，所述半透膜阵列的起点到所述波导基底的第二端的端面的距离L满足以下条件：
L≤2D2 cot(4θ-90°)
其中，L表示所述半透膜阵列的起点到所述波导基底的第二端的端面的距离，D2表示所述第二基底的厚度，所述θ表示半透膜与所述第一基底之间的夹角。
7.根据权利要求1所述的波导装置，其特征在于，所述第一基底的下表面设置有增透膜。
8.根据权利要求1所述的波导装置，其特征在于，所述第二基底的侧端面设置有吸收膜。
9.根据权利要求1所述的波导装置，其特征在于，所述第二基底的厚度大于所述第一基底的厚度。
10.一种增强现实设备，其特征在于，包括：
如权利要求1至9中任一项所述的波导装置。
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