CN112462523A - 一种增强现实近眼显示波导装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增强现实近眼显示波导装置，涉及光学显示技术领域。装置包括耦入装置、第一维扩瞳阵列和第二维扩瞳阵列；耦入装置包括第一棱柱，第一维扩瞳阵列包括第二棱柱；第一棱柱与第二棱柱均为四棱柱结构；第一棱柱的侧面和第二棱柱的侧面相贴合构成四棱柱结构，第一棱柱的底面和第二棱柱的底面形成形状为四边形的第一底面；耦入装置包括相对的第一侧面和第二侧面；其中第一侧面镀有第一反射膜，第二侧面与第二棱柱相贴合；第二维扩瞳阵列包括第三棱柱，第三棱柱为四棱柱结构；第三棱柱包括相互平行的第三侧面和第四侧面，以及与第一底面平行的第五侧面。本发明能够缩小光机的尺寸，实现近眼显示波导装置的轻量化和小型化。

Description

一种增强现实近眼显示波导装置
技术领域
本发明涉及光学显示技术领域，尤其涉及增强现实近眼显示波导装置。
背景技术
头戴显示器(Head-mounted displays，简称HMD)是指通过各种头显，向眼睛发送光学信号，可以实现虚拟现实(Virtual Reality，VR)、增强现实(Augmented Reality，AR)、混合现实(Mix reality，MR)等不同效果，被广泛应用于虚拟现实系统中，用以增强用户的视觉沉浸感。光学显示装置中，用于增强现实的头戴显示器可以让人们在查看周围环境的同时，将虚拟的图像投射到人眼，投影的虚拟图像可以叠加在用户感知的真实世界上，在军事，工业，娱乐，医疗，交通运输等领域有着重要的意义。
目前用于增强现实的透射型头戴显示器，如果想要扩大视场角，必然会导致光学显示装置体积的增大，且现有的头戴显示器通常采用离轴非球面构成折反射系统，虽然实现了大视场角观看，但是这种系统一般会产生很大的垂轴像差、场曲和畸变，使虚拟画面变形，影响用户体验。现有的一维扩瞳几何光波导方案因为其只在光线传播方向z轴有一个维度的扩瞳，而在与传播方向垂直的y轴方向没有扩瞳，为了提高y方向的出光尺寸就必须相应的扩大光机y方向的尺寸。这就造成了光机尺寸无法变小的问题。
发明内容
本发明目的在于，提供一种增强现实近眼显示波导装置，以缩小光机的尺寸，实现近眼显示波导装置的轻量化和小型化。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种增强现实近眼显示波导装置，包括耦入装置、第一维扩瞳阵列和第二维扩瞳阵列；所述耦入装置包括第一棱柱，所述第一维扩瞳阵列包括第二棱柱；所述第一棱柱与所述第二棱柱均为四棱柱结构；所述第一棱柱的侧面和所述第二棱柱的侧面相贴合构成四棱柱结构，所述第一棱柱的底面和所述第二棱柱的底面形成形状为四边形的第一底面；所述耦入装置包括相对的第一侧面和第二侧面；其中第一侧面镀有第一反射膜，第二侧面与所述第二棱柱相贴合；所述第二维扩瞳阵列包括第三棱柱，所述第三棱柱为四棱柱结构；所述第三棱柱包括相互平行的第三侧面和第四侧面，以及与所述第一底面平行的第五侧面。
优选地，所述第二棱柱由三块直棱柱结构的棱镜构成，依次为第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜；所述耦入装置与所述第一棱镜之间设置有第一分光阵列膜；所述第一棱镜与所述第二棱镜之间设置有第二分光阵列膜；所述第二棱镜与所述第三棱镜之间设置有第三分光阵列膜；所述第三棱镜包括两个相互平行的第六侧面和第七侧面；其中第六侧面与所述第二棱镜相邻，第七侧面镀有第二反射膜。
优选地，所述第二维扩瞳阵列包括若干层分光膜，若干层所述分光膜相互平行。
优选地，所述第五侧面与所述第三侧面形成的角度为2倍θ，所述分光膜与所述第五侧面形成的角度为θ。
优选地，所述第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜其底面均为斜角为θ'的平行四边形，所述第一棱柱的第一侧面与相邻侧面形成的交角为90°-θ'。
优选地，所述耦入装置包括接收并折射光线给所述第一维扩瞳阵列的第一反射膜；所述第一维扩瞳阵列包括沿着所述耦入装置折射的光线的第一光路依次设置的第一分光阵列膜、第一棱镜、第二分光阵列膜、第二棱镜、第三分光阵列膜、第三棱镜和第二反射膜；所述第二反射膜用于接收并折射光线给所述第二维扩瞳阵列；所述第二维扩瞳阵列包括沿着所述第一维扩瞳阵列折射的光线的第二光路依次设置的若干所述分光膜；沿着所述第二光路设置的若干所述分光膜反射率依次增加，透射率依次降低；所述第二光路垂直于所述第五侧面。
本发明的实施例，具有如下有益效果：
本发明提供了一种增强现实近眼显示波导装置，包括耦入装置、第一维扩瞳阵列和第二维扩瞳阵列；耦入装置包括第一棱柱，第一维扩瞳阵列包括第二棱柱；第一棱柱与第二棱柱均为四棱柱结构；第一棱柱的侧面和第二棱柱的侧面相贴合构成四棱柱结构，第一棱柱的底面和第二棱柱的底面形成形状为四边形的第一底面；耦入装置包括相对的第一侧面和第二侧面；其中第一侧面镀有第一反射膜，第二侧面与第二棱柱相贴合；第二维扩瞳阵列包括第三棱柱，第三棱柱为四棱柱结构；第三棱柱包括相互平行的第三侧面和第四侧面，以及与第一底面平行的第五侧面。相较于现有的一维扩瞳几何光波导装置只在光线传播方向z轴有一个维度的扩瞳，而在与传播方向垂直的y轴方向没有扩瞳，为了提高y方向的出光尺寸需要相应的扩大光机y方向的尺寸，出现光机尺寸无法变小的问题。本发明包括耦入装置、第一维扩瞳阵列和第二维扩瞳阵列，能够缩小光机的尺寸，实现近眼显示波导装置的轻量化和小型化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是本发明某一实施例提供的增强现实近眼显示波导装置的结构示意图；
图2是本发明某一实施例提供的增强现实近眼显示波导装置中耦入装置和第一维扩瞳阵列的剖面光路原理示意图；
图3是本发明某一实施例提供的增强现实近眼显示波导装置中第一维扩瞳阵列和第二维扩瞳阵列的剖面光路原理示意图；
图4是本发明某一实施例提供的增强现实近眼显示波导装置中耦入装置的结构示意图；
图5是本发明某一实施例提供的增强现实近眼显示波导装置中第一维扩瞳阵列的结构示意图；
图6是本发明某一实施例提供的增强现实近眼显示波导装置中第二维扩瞳阵列的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
请参阅图1，图1为本发明某一实施例提供的增强现实近眼显示波导装置的结构示意图。本发明实施例提供一种增强现实近眼显示波导装置，包括耦入装置1、第一维扩瞳阵列2和第二维扩瞳阵列3。
本实施例中，耦入装置1包括第一棱柱，第一维扩瞳阵列2包括第二棱柱；第一棱柱与第二棱柱均为四棱柱结构；第一棱柱的侧面和第二棱柱的侧面相贴合构成四棱柱结构，第一棱柱的底面和第二棱柱的底面形成形状为四边形的第一底面；耦入装置1包括相对的第一侧面和第二侧面；其中第一侧面镀有第一反射膜11(如图4所示)，第二侧面与第二棱柱相贴合；第二维扩瞳阵列包括第三棱柱，第三棱柱为四棱柱结构；第三棱柱包括相互平行的第三侧面31和第四侧面32，以及与第一底面平行的第五侧面33。
在某一个实施例中，还有如下技术特征：第一棱柱的第一侧面与相邻侧面形成的交角为90°-θ'。可以理解地，以耦入装置1和第一维扩瞳阵列2贴合形成的四棱柱结构的底面为视图(如图2所示)，耦入装置1的第一反射膜11在空间中与第一底面所形成的夹角为90°-θ'，第一分光阵列膜212、第二分光阵列膜222、第三分光阵列膜232和第二反射膜233与第一底面所形成的夹角为θ'。在某一个实施例中(如图6所示)，还有如下技术特征：第二维扩瞳阵列3包括若干层分光膜34，若干层分光膜34相互平行。在某一个实施例中(以第三棱柱的底面为视图，如图3所示)，还有如下技术特征：第五侧面33与第三侧面31形成的角度为2倍θ，分光膜34与第五侧面33形成的角度为θ。
请参阅图2和图5，图2是本发明某一实施例提供的增强现实近眼显示波导装置中耦入装置和第一维扩瞳阵列的剖面光路原理示意图；图5是本发明某一实施例提供的增强现实近眼显示波导装置中第一维扩瞳阵列的结构示意图。在本实施例中，第二棱柱由三块直棱柱结构的棱镜构成，依次为第一棱镜211、第二棱镜221和第三棱镜231；耦入装置1与第一棱镜211之间设置有第一分光阵列膜212；第一棱镜211与第二棱镜221之间设置有第二分光阵列膜222；第二棱镜221与第三棱镜231之间设置有第三分光阵列膜232；第三棱镜231包括两个相互平行的第六侧面和第七侧面；其中第六侧面与第二棱镜221相邻，第七侧面镀有第二反射膜233。
在某一实施例中，第一分光阵列膜212的可见光反射与透射比在不考虑吸收的情况下为1：3，第二分光阵列膜222的可见光反射与透射比在不考虑吸收的情况下为1：2，第三分光阵列膜232的可见光反射与透射比在不考虑吸收的情况下为1：1，第二反射膜233在不考虑吸收的情况下全反射。这样能够使得第一次扩瞳的光强度大大得到提高且强度一致。为满足一维扩瞳阵列中的全反射条件，θ'需满足2θ'＞arcsin(n0/n1)。
如图2所示，光机的光从图示耦入装置1处入射到耦入装置的第一反射面11发生反射往右侧第一维扩瞳阵列2传播，每经过一次阵列膜将发生一次分光，将视场在y维度扩展。假设总光强为I，不考虑吸收损耗的情况下，经过每一层阵列膜反射的光均为0.25I。
如图3所示，最左侧为耦入装置1和第一维扩瞳阵列2。耦入装置1和第一维扩瞳阵列2与第二维扩瞳阵列3相分离，留有空气隙，第二维扩瞳阵列3的胶合位置斜面角度为2θ，阵列分光膜34与波导基底(第三侧面31)的角度为θ。本实施例中，第二维扩瞳阵列3拥有4层分光膜，从左往右反射率依次增加，透射率依次降低，这样设计的目的是为了保证第二位扩瞳阵列处出光均匀性。例如，第二维扩瞳阵列的第一分光膜反射率为η，则第二分光膜的反射率为
Figure BDA0002824800350000061
第三分光膜反射率为
Figure BDA0002824800350000062
第四分光膜反射率为
Figure BDA0002824800350000063
以此类推。
请参阅图3-图6。在某一个实施例中，耦入装置1包括接收并折射光线给第一维扩瞳阵列2的第一反射膜11；第一维扩瞳阵列2包括沿着耦入装置1折射的光线的第一光路依次设置的第一分光阵列膜212、第一棱镜211、第二分光阵列膜222、第二棱镜221、第三分光阵列膜232、第三棱镜231和第二反射膜233；第二反射膜233用于接收并折射光线给第二维扩瞳阵列3；第二维扩瞳阵列3包括沿着第一维扩瞳阵列2折射的光线的第二光路依次设置的若干分光膜34；沿着第二光路设置的若干分光膜34反射率依次增加，透射率依次降低；第二光路垂直于第五侧面33入射。
在本实施例中，第一维扩瞳阵列2处反射的光往第二维扩瞳阵列3方向传播，第一维扩瞳阵列2入射到第二维扩瞳阵列3的方向与第二维扩瞳阵列3的斜面垂直，光线入射到波导基底后的角度满足全反射条件(2θ＞arcsin(n0/n1)，其中2θ为入射角和反射角的角度，n1为所述波导基底的折射率，n0为空气的折射率)。光线往第二维扩瞳阵列处传播的时候，每经过一次分光膜将发生一次透射和反射，将视场在x维度扩展。由于该二维扩瞳方案将视场在x和y方向上均进行了一次扩瞳，因此可以大大缩小光机的尺寸，实现眼镜的轻量化和小型化。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种增强现实近眼显示波导装置，其特征在于，包括耦入装置、第一维扩瞳阵列和第二维扩瞳阵列；
所述耦入装置包括第一棱柱，所述第一维扩瞳阵列包括第二棱柱；所述第一棱柱与所述第二棱柱均为四棱柱结构；所述第一棱柱的侧面和所述第二棱柱的侧面相贴合构成四棱柱结构，所述第一棱柱的底面和所述第二棱柱的底面形成形状为四边形的第一底面；
所述耦入装置包括相对的第一侧面和第二侧面；其中第一侧面镀有第一反射膜，第二侧面与所述第二棱柱相贴合；
所述第二维扩瞳阵列包括第三棱柱，所述第三棱柱为四棱柱结构；
所述第三棱柱包括相互平行的第三侧面和第四侧面，以及与所述第一底面平行的第五侧面。
2.根据权利要求1所述的增强现实近眼显示波导装置，其特征在于，所述第二棱柱由三块直棱柱结构的棱镜构成，依次为第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜；
所述耦入装置与所述第一棱镜之间设置有第一分光阵列膜；
所述第一棱镜与所述第二棱镜之间设置有第二分光阵列膜；
所述第二棱镜与所述第三棱镜之间设置有第三分光阵列膜；
所述第三棱镜包括两个相互平行的第六侧面和第七侧面；其中第六侧面与所述第二棱镜相邻，第七侧面镀有第二反射膜。
3.根据权利要求1所述的增强现实近眼显示波导装置，其特征在于，所述第二维扩瞳阵列包括若干层分光膜，若干层所述分光膜相互平行。
4.根据权利要求1所述的增强现实近眼显示波导装置，其特征在于，所述第五侧面与所述第三侧面形成的角度为2倍θ，所述分光膜与所述第五侧面形成的角度为θ。
5.根据权利要求1所述的增强现实近眼显示波导装置，其特征在于，所述第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜其底面均为斜角为θ'的平行四边形，所述第一棱柱的第一侧面与相邻侧面形成的交角为90°-θ'。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的增强现实近眼显示波导装置，其特征在于，所述耦入装置包括接收并折射光线给所述第一维扩瞳阵列的第一反射膜；
所述第一维扩瞳阵列包括沿着所述耦入装置折射的光线的第一光路依次设置的第一分光阵列膜、第一棱镜、第二分光阵列膜、第二棱镜、第三分光阵列膜、第三棱镜和第二反射膜；所述第二反射膜用于接收并折射光线给所述第二维扩瞳阵列；
所述第二维扩瞳阵列包括沿着所述第一维扩瞳阵列折射的光线的第二光路依次设置的若干所述分光膜；沿着所述第二光路设置的若干所述分光膜反射率依次增加，透射率依次降低；所述第二光路垂直于所述第五侧面。
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