CN112987164A - 光波导组件和头戴显示设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光波导组件和头戴显示设备，所述光波导组件包括：第一波导片和角锥棱镜组，第一波导片具有相对设置的第一表面和第二表面，第一波导片包括第一耦入位和第一耦出位，第一耦入位与第一耦出位设于第一波导片的第一表面，或，第一耦入位与第一耦出位分设于第一波导片的第一表面和第二表面；光线耦出结构设于第一耦出位；角锥棱镜组设于朝向第一波导片的第一表面的一侧，光线经第一耦入位入射，透射出第一波导片并射向角锥棱镜组，角锥棱镜组将光线沿原入射方向反射回第一波导片内，光线在第一波导片内传递并经由第一波导片的第一耦出位射出。本发明的技术方案能够保证用户眼动范围的情况下，减少光机尺寸，便于完成光机的安装。
Description
技术领域
本发明涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种光波导组件和头戴显示设备。
背景技术
头戴显示(Head mounted display)是一种能够提供身临其境体验的电子产品，目前头戴显示设备的显示原理包括虚拟现实(Virtual Reality)技术、增强现实(AugmentedReality)技术以及混合现实(Mixed Reality)技术。人眼与所看到图像构成的锥形范围叫做视场角，人眼能看的图像位置与显示设备的距离称为出瞳距离，在一定的出瞳距离下能看全图像时，人眼可以晃动的范围叫做眼动范围，为了提高眼动范围，需要将光机的尺寸做的较大，而安装空间有限，较大尺寸的光机不利于安装。
发明内容
基于此，针对现有头戴显示设备光机的尺寸较大，不利于安装的问题，有必要提供一种波导片、波导片的加工方法和头戴显示设备，旨在保证保证用户眼动范围的情况下，减少光机尺寸，便于完成光机的安装。
为实现上述目的，本发明提出的一种光波导组件，所述光波导组件包括：
第一波导片，所述第一波导片具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一波导片包括第一耦入位和第一耦出位，所述第一耦入位与所述第一耦出位设于所述第一波导片的第一表面，或，所述第一耦入位与所述第一耦出位分设于所述第一波导片的第一表面和第二表面；
光线耦出结构，所述光线耦出结构设于所述第一耦出位；以及
角锥棱镜组，所述角锥棱镜组设于朝向所述第一波导片的第一表面的一侧，光线经所述第一耦入位入射所述第一波导片，光线透射出所述第一波导片并射向所述角锥棱镜组，所述角锥棱镜组将光线反射回所述第一波导片内，光线在所述第一波导片内传递并经由第一波导片的第一耦出位射出。
可选地，所述第一波导片还包括安装位，所述安装位远离所述第一表面的第一耦出位设置，所述角锥棱镜组包括若干角锥棱镜，若干所述角锥棱镜排列于所述安装位。
可选地，所述角锥棱镜包括第一侧面、第二侧面和第三侧面，所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面之间相互垂直，所述角锥棱镜还包括底面，所述底面连接于所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面；
所述角锥棱镜的底面面向所述安装位设置。
可选地，所述第一耦入位与所述第一耦出位设于所述第一波导片的第一表面，所述第一耦入位设于所述第一波导片远离所述角锥棱镜组的一侧；
所述第一波导片还具有第一斜面，所述第一斜面对应所述角锥棱镜组设置，所述光波导组件包括第一反射膜，所述第一反射膜设于所述第一斜面。
可选地，所述光波导组件还包括光线耦入结构，所述光线耦入结构设于所述第一耦入位。
可选地，所述光波导组件还包括第二波导片，所述第二波导片具有相对设置的第三表面和第四表面，所述第一波导片和所述第二波导片叠加设置，所述第一波导片的第二表面朝向所述第二波导片的第三表面。
可选地，所述第一耦入位设于所述第二表面，所述第一耦入位邻近所述角锥棱镜组设置，所述第二波导片包括第二耦入位和第二耦出位，所述第二耦出位面向所述第一耦入位设置，所述第二耦入位远离所述角锥棱镜组的一侧设置。
可选地，所述光波导组件还包括光线耦入结构，所述光线耦入结构设于所述第二耦入位。
可选地，所述光波导组件还包括偏振反射器，所述偏振反射器设于所述第一波导片内，所述偏振反射器具有反射面，所述偏振反射器的反射面朝向所述角锥棱镜组设置，以将所述角锥棱镜组反射的光线射向所述第一耦出位。
可选地，所述光线耦入结构为耦入光栅，所述光线耦出结构为耦出光栅。
可选地，所述光线耦出结构包括若干分光膜，所述分光膜设于所述第一波导片，所述分光膜的反射面朝向所述角锥棱镜组；
所述光波导组件包括第二斜面，所述光线耦入结构包括第二反射膜，所述第二反射膜设于所述第二斜面，以使入射所述光波导组件的光线全反射；
或者，所述光波导组件包括第二斜面，所述光线耦入结构包括三棱柱透镜，所述三棱柱透镜包括相互连接的第四侧面、第五侧面和第六侧面，所述第四侧面、所述第五侧面和所述第六侧面其中一个设于所述第二斜面。
可选地，所述光波导组件还包括偏振转换器，所述偏振转换器设于所述角锥棱镜组和所述第一波导片之间。
此外，为了实现上述目的，本发明还提供一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括外壳和如上文所述光波导组件，所述光波导组件设于所述外壳。
本发明提出的技术方案中，光线经第一耦入位入射第一波导片，光线透射出第一波导片的第一表面并射向角锥棱镜组。光线射向角锥棱镜组后，角锥棱镜组反射光线，光线被反射回第一波导片内，光线在第一波导片内传递并经由第一波导片的第一耦出位射出。其中，角锥棱镜组能够反射光线，光线经光线耦出结构在第一耦出位射出至人眼位置显示成像，从而实现保证大眼动范围。如此可知，在光机尺寸较小的情况下，通过角锥棱镜组和光线耦出结构的结合作用，可以完成光线的显示成像。本发明的技术方案能够保证用户眼动范围的情况下，减少光机尺寸。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明光波导组件其中一个实施例的俯视视角的结构示意图；
图2为图1中光波导组件的主视视角的结构示意图；
图3为图1中光波导组件的立体结构的示意图；
图4为图1中角锥棱镜的结构示意图；
图5为本发明光波导组件另一个实施例的俯视视角的结构示意图；
图6为本发明光波导组件设置耦入光栅和耦出光栅的俯视视角的结构示意图；
图7为本发明光波导组件另一实施例中设置耦入光栅和耦出光栅的俯视视角的结构示意图；
图8为图7中光波导组件的主视视角的结构示意图；
图9为本发明光波导组件中光线耦入位置未设置三棱柱透镜的结构示意图；
图10为本发明光波导组件中光线耦入位置设置三棱柱透镜的结构示意图；
图11为图10中三棱柱透镜的结构示意图；
图12为图1中光波导组件的尺寸标注的结构示意图；
图13为图2中光波导组件的尺寸标注的结构示意图。
附图标号说明：
| 标号 | 名称 | 标号 | 名称 |
| 10 | 第一波导片 | 302 | 耦入光栅 |
| 110 | 第一表面 | 310 | 三棱柱透镜 |
| 120 | 第二表面 | 311 | 第四侧面 |
| 101 | 第一耦入位 | 312 | 第五侧面 |
| 102 | 第一耦出位 | 313 | 第六侧面 |
| 103 | 第一斜面 | 40 | 光线耦出结构 |
| 104 | 安装位 | 410 | 分光膜 |
| 20 | 角锥棱镜组 | 420 | 耦出光栅 |
| 210 | 角锥棱镜 | 50 | 第二波导片 |
| 211 | 第一侧面 | 510 | 第三表面 |
| 212 | 第二侧面 | 520 | 第四表面 |
| 213 | 第三侧面 | 501 | 第二耦入位 |
| 214 | 底面 | 502 | 第二耦出位 |
| 30 | 光线耦入结构 | 60 | 偏振转换器 |
| 301 | 第二斜面 | 70 | 偏振反射器 |
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
相关技术中，头戴显示设备的应用领域逐渐扩展，除了用于军事训练和游戏之外，在医疗领域和工业制造的应用也越来越广。眼动范围是头戴显示设备的一项重要参数，眼动范围越大，用户在佩戴头戴显示设备时，人眼具有较大的活动空间，如此佩戴的舒适性更佳。而目前的头戴显示设备为了提高眼动范围，需要将光机的尺寸做的较大，而头戴显示设备的镜腿位置安装空间有限，较大尺寸的光机不利于安装。
为了解决上述问题，参阅图1和图2所示，本发明提供一种光波导组件，光波导组件包括：第一波导片10、光线耦出结构40和角锥棱镜组20。通过光线耦出结构40来将光线耦射出。第一波导片10能够使入射的光线在其内部进行全反射传输，第一波导片10具有相互平行的第一表面110和第二表面120，其中一个包括光线耦出位置，角锥棱镜组20与光线耦出位置设置在第一波导片10的同一表面。第一波导片10和角锥棱镜组20的材料可以是透明的玻璃材料，也可以是透明的树脂材料。玻璃材料具有更好的光学特性，例如，更好的透射性能，保证光线的传递数量。树脂材料易于加工，通过热塑成型的方式就可以获得第一波导片10和角锥棱镜组20。角锥棱镜组20还可以用表面凹陷的中空角锥阵列来替代，这样可以使用更多易于加工的非透明材料，如金属合金。
第一波导片10具有相对设置的第一表面110和第二表面120，第一波导片10包括第一耦入位101和第一耦出位102，第一耦入位101与第一耦出位102设于第一波导片10的第一表面110，或，第一耦入位101与第一耦出位102分设于第一波导片10的第一表面110和第二表面120；第一耦入位101用于光线耦入，第一耦出位102用于光线耦出。上述可知，第一耦出位102和第一耦入位101可以设置在同一表面，也可以分设在不同的表面。光线由第一耦入位101射入第一波导片10内，光线在第一波导片10内发生全反射，并由第一耦出位102射出。第一耦入位101与第一耦出位102的设置，可以依据不同的需要而设置，例如耦入光源的不同位置，就需要第一耦入位101设置在第一表面110或者是第二表面120。
角锥棱镜组20设于朝向第一波导片10的第一表面110的一侧，光线经第一耦入位101入射第一波导片10，光线透射出第一波导片10并射向角锥棱镜组20，角锥棱镜组20将光线沿原入射方向反射回第一波导片10内，光线在第一波导片10内传递并经由第一波导片10的第一耦出位102射出。角锥棱镜由三个互相垂直的直角三角形面和一个底面构成，三个直角三角形面镀反射膜来反射光线，底面为通光面。本实施例中，角锥棱镜组20的作用在于完成光线的反射，任何朝向第一波导片10的第一表面110的一侧设置的反射器件均在本申请的保护范围之内。
本实施例的技术方案中，光线经第一耦入位101入射第一波导片10，光线透射出第一波导片10的第一表面110并射向角锥棱镜组20。光线射向角锥棱镜组20后，角锥棱镜组20反射光线，光线被反射回第一波导片10内，光线在第一波导片10内传递并经由第一波导片10的第一耦出位102射出。其中，角锥棱镜组能够反射光线，光线经光线耦出结构在第一耦出位射出至人眼位置显示成像，从而实现保证大眼动范围。如此可知，在光机尺寸较小的情况下，通过角锥棱镜组和光线耦出结构的结合作用，可以完成光线的显示成像。本发明的技术方案能够保证用户眼动范围的情况下，减少光机尺寸。
进一步地，在相关技术中，光机的尺寸较小，通过实现水平方向的视场角的扩展后，在垂直方向上限制了视场角的范围。本实施中，通过角锥棱镜组20和光线耦出结构的结合，可以在水平方向和垂直方向均实现扩瞳，光机的尺寸可以做到10mm以下。其中，本申请所指的光机尺寸是指光机的出光面的尺寸。
参阅图3所示，在本申请的一个实施例中，为了完成角锥棱镜组20的安装，第一波导片10还包括安装位104，安装位104远离第一表面110的第一耦出位102设置，角锥棱镜组20包括若干角锥棱镜210，若干角锥棱镜210紧密排列于安装位104。安装位104和第一耦出位102均设于第一波导片10的第一表面110，角锥棱镜组20还包括安装基板，安装基板对应安装位104设置，安装基板和安装位104之间间隔有缝隙，角锥棱镜210排列于安装基板背离第一波导片10的一侧，安装基板为透明基板，光线在第一波导片10内传输后，在安装位104的位置射出。在经过角锥棱镜210后，光线被反射回第一波导片10内。
参阅图4所示，在本申请的一个实施例中，角锥棱镜210包括第一侧面211、第二侧面212和第三侧面213，第一侧面211、第二侧面212和第三侧面213之间相互垂直，角锥棱镜210还包括底面214，底面214连接于第一侧面211、第二侧面212和第三侧面213，角锥棱镜210的底面214面向安装位设置。光线在射向角锥棱镜210时，光线首先经过底面214，再依次经过第一侧面211、第二侧面212和第三侧面213的反射，并再次通过底面214射向第一波导片10。通过第一侧面211、第二侧面212和第三侧面213的反射作用，将光线顺利的导入第一波导片10内。进一步地，为了提高反射效率，还可以在第一侧面211、第二侧面212和第三侧面213设置反射膜，反射膜可以是镀制在侧面，也可以贴覆在侧面。
再次参阅图1所示，在本申请的一个实施例中，第一耦入位101与第一耦出位102设于第一波导片10的第一表面110，第一耦入位101设于第一波导片10远离角锥棱镜组20的一侧；第一波导片10还具有第一斜面103，第一斜面103对应角锥棱镜组20设置，光波导组件包括第一反射膜，第一反射膜设于第一斜面103。光线经过第一耦入位101进入到第一波导片10内，通过在第一波导片10内完成光线的全反射，使光线从一端进入，另一端射出。为了能够保证光线顺利的射出，第一波导片10在对应角锥棱镜组20的位置设置第一斜面103，第一斜面103与第一表面110之间呈夹角设置，夹角范围在0°到90°之间。光线在第一波导片10内传递，光线在射入到第一斜面103上后，经过第一斜面103的反射作用，光线再射向第一表面110时，光线的入射角度小于临界角，如此光线可以透射出第一波导片10。进一步地，为了提高第一斜面103的反射效率，在第一斜面103上设置第一反射膜，在第一反射膜的反射作用下，提高光线在第一波导片10的反射效率。
在本申请的一个实施例中，为了顺利的将光线耦入第一波导片10，或者将光线耦出第一波导片10，光波导组件还包括光线耦入结构30和光线耦出结构40，光线耦入结构30设于第一耦入位101，光线耦出结构40设于第一耦出位102。通过光线耦入结构30可以将光线耦入到第一波导片10内，通过光线耦出结构40可以将光线耦出第一波导片10。其中，光线耦入结构30和光线耦出结构40可以是光栅，也可以是带有反射膜的斜面，通过改变入射角度，使光线耦入或者耦出第一波导片10。
参阅图5所示，在本申请的一个实施例中，光波导组件还包括第二波导片50，第二波导片50具有相对设置的第三表面510和第四表面520，第一波导片10和第二波导片50叠加设置，第一波导片10的第二表面120朝向第二波导片50的第三表面510。光线先经过第二波导片50，光线在第二波导片50内传输后射出，光线再射向第一波导片10。如此可知，第一耦入位101设置在第一波导片10的第二表面120。光线先在第二波导片50内传输后，光线透射出第二波导片50的第三表面510，光线射向第一波导片10，并再次透过第一波导片10的第一表面110后，光线在角锥棱镜组20的反射作用下，光线再次反射回第一波导片10内，并在第一波导片10内传输。光线在第一波导片10内全反射，并经过第一波导片10的第一耦出位102射出。
在本申请的一个实施例中，第一耦入位101设于第二表面120，第一耦入位101邻近角锥棱镜组20设置，第二波导片50包括第二耦入位501和第二耦出位502，第二耦出位502面向第一耦入位101设置，第二耦入位501远离角锥棱镜组20的一侧设置。如此，本实施例中，光线经过的路径依次是，第二耦入位501、第二波导片50、第二耦出位502，第一耦入位101，第一波导片10和角锥棱镜组20，角锥棱镜组20在将入射的光线反射回第一波导片10。光线在经过上述路径时，光线很少被分光，因此通过本实施例中的方案，光线的利用效率较高。
在本申请的一个实施例中，光波导组件还包括光线耦入结构30，光线耦入结构30设于第二耦入位501，光线耦出结构40设于第一耦出位102。也就是说，在第一波导片10和第二波导片50叠加的技术方案中，光线的耦入位置和耦出设置在两个不同的波导片上。通过设置两个波导片，光线在由第二波导片50射向第一波导片10时，光线的较少出现分光的情况，因此光线的利用率较高。另外，光线由于没有分光，如此也不会产生重影等现象。
在本申请的一个实施例中，为了使光线能够在第一波导片10内顺利传导出第一波导片10，光波导组件还包括偏振反射器70，偏振反射器70设于第一波导片10内，偏振反射器70具有反射面，偏振反射器70的反射面朝向角锥棱镜组20设置，以将角锥棱镜组20反射的光线射向第一耦出位102。偏振反射器70件能够保证一种偏振态的光线透射，另一种偏振态的光线反射，例如线栅偏振片。耦入光源发射的光线是线偏振光，线偏振光具有S偏振态和P偏振态。例如，线栅偏振片可以保证S偏振态的光线透射，P偏振态的光线反射。也可以线栅偏振片使S偏振态的光线反射，P偏振态的光线透射。
参阅图6-图8所示，光线耦入结构30为耦入光栅302，光线耦出结构40为耦出光栅420。耦入光栅302用来将耦入光源发射的光线耦入到波导片内，耦出光栅420用来将光线耦出波导片。其中，耦入光栅302和耦出光栅420可以是全息光栅、浮雕光栅、二维光栅、超表面等微纳结构的其中一种。
在本申请的一个实施例中，光线耦出结构40包括若干分光膜410，分光膜410设于第一波导片10，分光膜410的反射面朝向角锥棱镜组20；偏振反射器70可以包括分光膜410，分光膜410具有选择反射性，对同一种偏振态的光线反射，对应另一种偏振态的光线透射。分光膜410能够对S偏振态光反射，并透射P偏振态光透射。经过在第二波导片50和第一波导片10内传递后，S偏振态的光线在分光膜410的作用下，光线耦出第一波导片10，并在人眼位置显示成像。分光膜410也可以对P偏振态的光线完成反射。进一步地，为了实现出瞳扩展，分光膜410设置有若干个，通过分光膜410对光线的层层反射，使更多的光线耦出第一波导片10。
参阅图9所示，光波导组件包括第二斜面301，光线耦入结构30包括第二反射膜，第二反射膜设于第二斜面301，以使入射光波导组件的光线全反射；第二斜面301与第一波导片10的第一表面110之间具有夹角，夹角范围在0°～90°之间。例如，在光波组件只包括第一波导片10的情况下，第二斜面301设于第一波导片10上，耦入光源的出光方向正对第一波导片10。在光波导组件包括第一波导片10和第二波导片50的情况下，第二斜面301设置在第二波导片50上，耦入光源的出光方向正对第二波导片50。
参阅图10和图11所示，光波导组件包括第二斜面301，光线耦入结构30包括三棱柱透镜310，三棱柱透镜310包括相互连接的第四侧面311、第五侧面312和第六侧面313，第四侧面311、第五侧面312和第六侧面313其中一个设于第二斜面301。本方实施例中，第二斜面301与第一波导片10的第一表面110之间具有夹角，夹角范围在90°～180°之间。例如，第四侧面311抵接在第二斜面301上，第六侧面313面向耦入光源设置，此时，耦入光源的出光方向可以倾斜于第一表面110，如此，耦入光源能够获得灵活的摆放位置。
在本申请的一个实施例中，光波导组件还包括偏振转换器60，偏振转换器60设于角锥棱镜组20和第一波导片10之间。光线入射光波导组件时具有第一偏振态，光线经过偏振转换器60后，第一偏振态的光线转换为第二偏振态。光波导组件还包括若干平行的分光膜410，分光膜410透射第一偏振态的光线，反射第二偏振态的光线，以使第二偏振态的光线射出光波导组件。例如偏振转换器60包括四分之一波片，具体地，射入光线的偏振状态为线偏振光，第一偏振态可以为P光，则第二偏振态为S光。如果，第一偏振态为S光，则第二偏振态为P光。分光膜410能够保证第一偏振态的光线透射，而能够反射第二偏振态的光线。在光波导组件只包括第一光波导的情况下，第一偏振态的光线，先透过分光膜410，经过偏振转换器60光线的偏振状态发生改变，射向角锥棱镜组20后，在角锥棱镜组20的作用下，光线再次反射向偏振转换器60，光线的偏振状态再次发生改变，形成第二偏振状态的光线，第二偏振状态的光线射向分光膜410时，发生反射现象，第二偏振状态的光线在分光膜410反射的作用下经第一耦出位102反射出。如此可知，通过角锥棱镜组20和偏振转换器60的结合作用使光线在第一偏振态和第二偏振态之间改变，从而顺利的使分光膜410产生作用。
另外，在光波导组件包括第一波导片10和第二波导片50的情况下，不但能够使分光膜410发生反射分光作用，还能够充分提高光线利用率。
在其中一实施例中，参阅图12和图13所示，光波导组件中波导片的折射率为n，光线耦入端的中心到光线耦出端的中心之间的距离为L1，光波导组件的垂直视场角为α，出瞳距离为D，则满足：
通过公式(1)可知，出瞳距离D与L1的大小相关，可以通过调整L1的尺寸来完成出瞳距离D调整，如此，使出瞳距离的D的设计更加灵活。
水平视场角为β，光线耦出区宽度为L2，则满足：
光机的耦入光源长度为S1，眼动范围的中心平分线上长为E1，宽为E2，则满足：
E2＝S1+4 (3)
光机的出光面的尺寸决定了光线耦入窗口的尺寸。在相关技术中，，想要获得较大的E2，那么光机的尺寸S1需要设计的较大，也就是说要获得较大的垂直方向的视场角，就需要增加光机的尺寸，一般S1大于E2。公式(3)是上述实施例推导得出的公式，通过公式(3)可知，E2和S1相差常数4，4代表人瞳孔直径，一般人眼瞳孔直径为4mm。也就是说，较小的光机尺寸就可以获得较大的视场角度。其中，常数是通过计算得出，不同的波导片，常数的大小可以不同。
光波导组件长为L3，角锥棱镜组20的有效长度为L4，则满足：
光波导组件采用K9玻璃材质，分光膜410与光波导组件第一表面夹角为25.7°，光波导组件折射率为1.52，光机的耦入光源垂直方向的长度为4mm，水平方向视场角为35°，垂直视场角为20°，光波导组件长50mm，光线耦出端210宽度为18.7mm，光线耦入端到光线耦出端中心的距离为28mm，则根据公式(1)-(4)可计算出出瞳距离为18.3mm，眼动范围的中心平分线上长为11.2mm，宽为8mm。
本发明还提供一种头戴显示设备，头戴显示设备包括外壳和如上文光波导组件，光波导组件设于外壳。光波导组件可以设于外壳内，也可以采用半包的方式保护光波导组件。外壳还能够起到防灰防水的作用。
其中，头戴显示设备的具体实施方式，可以参照光波导组件的实施例，在此不在赘述。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (13)
1.一种光波导组件，其特征在于，所述光波导组件包括：
第一波导片，所述第一波导片具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一波导片包括第一耦入位和第一耦出位，所述第一耦入位与所述第一耦出位设于所述第一波导片的第一表面，或，所述第一耦入位与所述第一耦出位分设于所述第一波导片的第一表面和第二表面；
光线耦出结构，所述光线耦出结构设于所述第一耦出位；以及
角锥棱镜组，所述角锥棱镜组设于朝向所述第一波导片的第一表面的一侧，光线经所述第一耦入位入射所述第一波导片，光线透射出所述第一波导片并射向所述角锥棱镜组，所述角锥棱镜组将光线沿原入射方向反射回所述第一波导片内，光线在所述第一波导片内传递并经由第一波导片的第一耦出位射出。
2.如权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，所述第一波导片还包括安装位，所述安装位远离所述第一表面的第一耦出位设置，所述角锥棱镜组包括若干角锥棱镜，若干所述角锥棱镜排列于所述安装位。
3.如权利要求2所述的光波导组件，其特征在于，所述角锥棱镜包括第一侧面、第二侧面和第三侧面，所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面之间相互垂直，所述角锥棱镜还包括底面，所述底面连接于所述第一侧面、所述第二侧面和所述第三侧面；
所述角锥棱镜的底面面向所述安装位设置。
4.如权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，所述第一耦入位与所述第一耦出位设于所述第一波导片的第一表面，所述第一耦入位设于所述第一波导片远离所述角锥棱镜组的一侧；
所述第一波导片还具有第一斜面，所述第一斜面对应所述角锥棱镜组设置，所述光波导组件包括第一反射膜，所述第一反射膜设于所述第一斜面。
5.如权利要求4所述的光波导组件，其特征在于，所述光波导组件还包括光线耦入结构，所述光线耦入结构设于所述第一耦入位。
6.如权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，所述光波导组件还包括第二波导片，所述第二波导片具有相对设置的第三表面和第四表面，所述第一波导片和所述第二波导片叠加设置，所述第一波导片的第二表面朝向所述第二波导片的第三表面。
7.如权利要求6所述的光波导组件，其特征在于，所述第一耦入位设于所述第二表面，所述第一耦入位邻近所述角锥棱镜组设置，所述第二波导片包括第二耦入位和第二耦出位，所述第二耦出位面向所述第一耦入位设置，所述第二耦入位远离所述角锥棱镜组的一侧设置。
8.如权利要求7所述的光波导组件，其特征在于，所述光波导组件还包括光线耦入结构，所述光线耦入结构设于所述第二耦入位。
9.如权利要求6所述的光波导组件，其特征在于，所述光波导组件还包括偏振反射器，所述偏振反射器设于所述第一波导片内，所述偏振反射器具有反射面，所述偏振反射器的反射面朝向所述角锥棱镜组设置，以将所述角锥棱镜组反射的光线射向所述第一耦出位。
10.如权利要求5或8所述的光波导组件，其特征在于，所述光线耦入结构为耦入光栅，所述光线耦出结构为耦出光栅。
11.如权利要求5或8所述的光波导组件，其特征在于，所述光线耦出结构包括若干分光膜，所述分光膜设于所述第一波导片，所述分光膜的反射面朝向所述角锥棱镜组；
所述光波导组件包括第二斜面，所述光线耦入结构包括第二反射膜，所述第二反射膜设于所述第二斜面，以使入射所述光波导组件的光线全反射；
或者，所述光波导组件包括耦入三棱柱透镜，所述光线耦入结构包括三棱柱透镜，所述三棱柱透镜包括相互连接的第四侧面、第五侧面和第六侧面，所述第四侧面、所述第五侧面和所述第六侧面其中一个设于所述第二斜面。
12.如权利要求1至10中任一项所述的光波导组件，其特征在于，所述光波导组件还包括偏振转换器，所述偏振转换器设于所述角锥棱镜组和所述第一波导片之间。
13.一种头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括外壳和如权利要求1至12中任一项所述光波导组件，所述光波导组件设于所述外壳。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN113189704A (zh) * | 2021-06-18 | 2021-07-30 | 深圳珑璟光电科技有限公司 | 一种光波导及近眼显示系统 |
| WO2022105871A1 (zh) * | 2020-11-19 | 2022-05-27 | 维沃移动通信有限公司 | 光学系统和可穿戴设备 |
| WO2023273991A1 (zh) * | 2021-06-28 | 2023-01-05 | 维沃移动通信有限公司 | 光学系统和可穿戴设备 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103827729A (zh) * | 2011-07-20 | 2014-05-28 | 谷歌公司 | 紧凑型透视显示系统 |
| CN104062769A (zh) * | 2014-06-30 | 2014-09-24 | 张鹏 | 一种光学装置 |
| CN106257319A (zh) * | 2015-06-18 | 2016-12-28 | 中强光电股份有限公司 | 显示装置 |
| US20190285939A1 (en) * | 2016-12-09 | 2019-09-19 | University Of Central Florida Research Foundation, Inc. | Optical display system, method, and applications |
| CN112230435A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-01-15 | 维沃移动通信有限公司 | 光学系统和可穿戴设备 |
| CN112269266A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-01-26 | 维沃移动通信有限公司 | 光学系统和可穿戴设备 |
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2021
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103827729A (zh) * | 2011-07-20 | 2014-05-28 | 谷歌公司 | 紧凑型透视显示系统 |
| CN104062769A (zh) * | 2014-06-30 | 2014-09-24 | 张鹏 | 一种光学装置 |
| CN106257319A (zh) * | 2015-06-18 | 2016-12-28 | 中强光电股份有限公司 | 显示装置 |
| US20190285939A1 (en) * | 2016-12-09 | 2019-09-19 | University Of Central Florida Research Foundation, Inc. | Optical display system, method, and applications |
| CN112230435A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-01-15 | 维沃移动通信有限公司 | 光学系统和可穿戴设备 |
| CN112269266A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-01-26 | 维沃移动通信有限公司 | 光学系统和可穿戴设备 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022105871A1 (zh) * | 2020-11-19 | 2022-05-27 | 维沃移动通信有限公司 | 光学系统和可穿戴设备 |
| CN113189704A (zh) * | 2021-06-18 | 2021-07-30 | 深圳珑璟光电科技有限公司 | 一种光波导及近眼显示系统 |
| WO2023273991A1 (zh) * | 2021-06-28 | 2023-01-05 | 维沃移动通信有限公司 | 光学系统和可穿戴设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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