CN113050283B - 光线偏转结构和头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光线偏转结构和头戴显示设备，所述光线偏转结构包括：显示面板和偏转部件，所述显示面板发射光线，所述光线具有中心主光线，所述中心主光线垂直于所述显示面板的出光面；所述偏转部件包括偏置全息膜，所述偏置全息膜设于所述显示面板的出光方向，所述偏置全息膜具有光线预设路径，所述光线预设路径的延伸方向偏离所述中心主光线的传播方向，所述光线经过所述偏置全息膜后，所述光线的中心主光线的出射方向发生偏转。本发明的技术方案能够使光学系统利用的光通量不在中心附近，也能使光通量最大的区域得到有效利用。

Description

光线偏转结构和头戴显示设备

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种光线偏转结构和头戴显示设备。

背景技术

显示屏幕上设有行列排布的像素单元，每个像素单元的中心光角度都是固定的，且光强分布在中心位置最强，向两侧角度增大时，光强显著降低，即光通量在中心附近最大。在一些有特殊要求的光学系统中，可利用的光通量并不在中心附近，而是偏转一定的角度，这样会使中心光通量最大的区域无法得到有效利用。

发明内容

基于此，针对现有光学系统，其利用的光通量并不在中心附近，而是偏转一定的角度，导致光通量最大的区域无法得到有效利用的问题，有必要提供一种光线偏转结构和头戴显示设备，旨在使光学系统利用的光通量不在中心附近，也能使光通量最大的区域得到有效利用。

为实现上述目的，本发明提出的一种光线偏转结构，所述光线偏转结构包括：

显示面板，所述显示面板发射光线，所述光线具有中心主光线，所述中心主光线垂直于所述显示面板的出光面；和

偏转部件，所述偏转部件包括偏置全息膜，所述偏置全息膜设于所述显示面板的出光方向，所述偏置全息膜具有光线预设路径，所述光线预设路径的延伸方向偏离所述中心主光线的传播方向，所述光线经过所述偏置全息膜后，所述光线的中心主光线的出射方向发生偏转。

可选地，所述偏置全息膜的光线预设路径的延伸方向向所述光线的中心主光线的出射方向的两侧延伸。

可选地，所述中心主光线的出射角度为0°，所述光线经过所述偏置全息膜后，所述中心主光线的偏转角度为θ，则满足：0°＜θ＜70°。

可选地，所述光线偏转结构包括透明盖板，所述透明盖板设于所述显示面板的出光方向，所述偏置全息膜设于所述透明盖板或所述显示面板的表面。

可选地，所述光线偏转结构还包括增透介质层，所述增透介质层设于所述透明盖板和所述显示面板之间，所述偏置全息膜设于所述增透介质层。

可选地，所述偏置全息膜的材质包括光致聚合物、卤化银或者重铬酸盐至少其中一种。

可选地，所述偏置全息膜中的分子状态包括液晶状态或者聚合物分散液晶状态。

可选地，所述光线偏转结构包括折反射组件，所述折反射组件接收所述光线偏转结构发射的光线，所述光线在所述折反射组件内折反射。

可选地，所述显示面板具有多个侧边，所述光线预设路径的延伸方向自所述显示面板的中间位置向所述显示面板的至少一侧边偏转，且偏转角度逐渐增加

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壳体和如上文所述的光线偏转结构，所述光线偏转结构设于所述壳体。

本发明提出的技术方案中，显示面板发射光线，光线具有中心主光线，中心主光线位置的光强最强。中心主光线遇到偏置全息膜后，中心主光线沿着偏置全息膜的光线预设路径传播，由于光线预设路径的延伸方向偏离中心主光线的传播方向，由此中心主光线在经过偏置全息膜后出射方向发生偏转。由此可知，光强最强位置也发生了偏移。也就是说，通过偏置全息膜可以改变光线的光强最强位置。在光学系统利用的光通量不在显示面板的中心附近时，通过偏置全息膜来改变显示面板的中心主光线的出射位置，使中心主光线的出射位置位于光学系统的使用位置，继而使中心光通量最大的区域得到有效利用。

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为本发明光线偏转结构的结构示意图；

图2为本发明光线偏转结构的制作方法其中一实施例的流程示意图；

图3为图2制作方法中点光源的位置示意图；

图4为本发明光线偏转结构的制作方法另一实施例的流程示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	显示面板	30	透明盖板
110	光线	40	记录膜
				111	中心主光线	41	第一点光源
20	偏置全息膜	42	第二点光源

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。

近眼显示设备或者头戴显示设备能够为用户提供身临其境的沉浸式体验，其中的显示原理包括VR(Virtual Reality，虚拟现实)显示、AR(Augmented Reality，增强现实)显示、或者MR(Mixed Reality，混合现实)显示。近眼显示设备或者头戴显示设备中通常设置折反射光路，其中，利用光线的位置并不在显示屏幕的中心，这样会使中心光通量最大的区域无法得到有效利用。

为了解决上述问题，参阅图1所示，本发明提供一种光线偏转结构，光线偏转结构包括：显示面板10和偏转部件，偏转部件设于显示面板10的出光方向，偏转部件用于将显示面板10发射的光线110进行偏转。

显示面板10发射光线110，光线110具有中心主光线111，中心主光线111垂直于显示面板10的出光面；显示面板10的表面排列设置多个像素单元，每个像素单元均能够发射光线110，像素单元发射的光线110包括位于中心位置的中心主光线111，中心主光线111位置的光强最强。显示面板10的发光原理包括LCOS(Liquid Crystal on Silicon，反射式微晶投影显示)，DLP(Digital Light Processing，数字光处理技术)，LED(Light EmittingDiode，发光二极管)等其中一种显示发光原理。

偏转部件包括偏置全息膜20，偏置全息膜20设于显示面板10的出光方向，偏置全息膜具有光线预设路径，光线预设路径的延伸方向偏离中心主光线的传播方向，光线经过所述偏置全息膜后，光线110的中心主光线111的出射方向发生偏转。偏置全息膜20能够改变光线110的传播方向，使经过偏置全息膜20的光线110发生偏转。偏置全息膜20为膜层结构，通过偏置全息膜20能够减小光线110偏转结构的体积。

本实施例提出的技术方案中，显示面板10发射光线110，光线110具有中心主光线111，中心主光线111位置的光强最强。中心主光线111遇到偏置全息膜20后，中心主光线111沿着偏置全息膜20的光线110预设路径传播，由于光线110预设路径的传播方向偏离中心主光线111的传播方向，由此中心主光线111在经过偏置全息膜20后出射方向发生偏转。由此可知，光强最强位置也发生了偏移。也就是说，通过偏置全息膜20可以改变光线110的光强最强位置。在光学系统利用的光通量不在显示面板10的中心附近时，通过偏置全息膜20来改变显示面板10的中心主光线111的出射位置，使中心主光线111的出射位置位于光学系统的使用位置，继而使中心光通量最大的区域得到有效利用。

在本申请的一实施例中，偏置全息膜20的光线预设路径的延伸方向向光线的中心主光线的出射方向的两侧延伸，光线110经过偏置全息膜20后，光线110的中心主光线111的出射方向向两侧偏转。本实施例中，显示面板10分为上端和下端，向两侧偏转可以是指中心主光线111向上端偏转，也可以是指中心主光线111向下端偏转，还可以是指中心主光线111分别向上端和下端偏转。如此，经过偏置全息膜20后，显示面板10的光强最强位置发生了改变。其中，中心主光线111的偏转角度是可以进行调整的，如此，光强最强位置可以依据用户的需要进行调整。

进一步的，全息膜具有光焦度，通过全息膜的光焦度可以平衡近眼显示设备或者头戴显示设备中的像差，也就是说，全息膜还具有校正像差的作用。通过全息膜可以保证其显示成像效果更加清晰。其中，全息膜的光焦度可以是正值，也可以是负值。

在本申请的一实施例中，中心主光线111的出射角度为0°，光线110经过偏置全息膜20后，中心主光线111的偏转角度为θ，则满足：0°＜θ＜70°。例如，θ为20°，显示面板10的中心主光线111经过偏置全息膜20后，中心主光线111的出射角度向上偏转20°。中心主光线111的出射角度的偏转大小是通过偏置全息膜20决定的，通过偏置全息膜20可以调整中心主光线111的出射角度。

在本申请的一实施例中，为了保护显示面板10，避免显示面板10受到外力影响，导致破损。光线110偏转结构包括透明盖板30，透明盖板30设于显示面板10的出光方向，偏置全息膜20设于透明盖板30或显示面板10的表面。透明盖板30可以是塑料材质，也可以是玻璃材质。其中塑料材质的透明盖板30易于加工，玻璃材质的透明盖板30具有更好的透过率。透明盖板30设于显示面板10的表面，可以是粘贴固定，也可以是扣设的方式，还可以是螺钉固定。偏置全息膜20设于透明盖板30或显示面板10的表面的方式可以是粘贴设置。

在本申请的一实施例中，光线110偏转结构还包括增透介质层，增透介质层设于透明盖板30和显示面板10之间，偏置全息膜20设于增透介质层。增透介质层可以为增透膜，显示面板10的光线110经过透明介质层后，光线110的透过数量变得更多，从而进一步提高光线110的利用率。

在本申请的一实施例中，偏置全息膜20的材质包括光致聚合物、卤化银或者重铬酸盐至少其中一种。光致聚合物是一种感光聚合导致折射率变化的新型感光材料，可用于光信息处理、全息图记录、全息光学元件制作。卤化银是卤素与银形成的化合物，除氟化银外均为沉淀，氟化银、氯化银为白色，溴化银为淡黄色，碘化银为黄色。从氟化银到碘化银，卤化银的溶解度逐渐降低，氯化银、溴化银和碘化银都是难溶于水的。其中，卤化银感光材料是指以卤化银作为光敏物质所制成的感光材料。由于卤化银感光材料的感光度比非银感光材料的高很多，加以它的感色范围宽，易于得到彩色图像。重铬酸盐包括重铬酸钠、重铬酸钾、重铬酸铵、重铬酸银等。重铬酸盐为无色或红色结晶，大都易溶于水，有毒和腐蚀性。加热时能放出氧，有强氧化作用，与可燃物、有机物、还原剂混合受强热、摩擦会发生燃烧或爆炸。主要用作氧化剂，并用于火柴、制革、颜料等工业。

在本申请的一实施例中，偏置全息膜20中的分子状态包括液晶状态或者聚合物分散液晶状态。液晶状态的偏置全息膜20具有一定的偏振选择性，从而保证偏振方向和偏置全息膜20的透过方向相同的光线110能够有效的通过。聚合物分散液晶，又称为PDLC(polymer dispersed liquid crystal)，是液晶以微米量级的小微滴分散在有机固态聚合物基体内，由于由液晶分子构成的小微滴的光轴处于自由取向，其折射率与基体的折射率不匹配，当光通过基体时被微滴强烈散射而呈不透明的乳白状态或半透明状态。施加电场可调节液晶微滴的光轴取向，当两者折射率相匹配时，呈现透明态。除去电场，液晶微滴又恢复最初的散光状态，从而进行显示。

在本申请的一实施例中，光线偏转结构包括折反射组件，折反射组件接收光线偏转结构发射的光线，光线在折反射组件内折反射。例如，折反射组件包括半反半透膜，四分之一波片、偏振反射膜和偏光片。其中，半反半透膜，四分之一波片、偏振反射膜和偏光片沿显示面板发射光线的传播方向依次设置。显示面板发出的光线经过半反半透膜透射时，一部分光线反射，另一部分光线透射。透射半反半透膜的光线射向四分之一波片，光线的偏振状态由圆偏振转化为线偏振，线偏振状态的显示光线射向偏振反射膜，此时，偏振反射膜的偏振透过方向和线偏振状态的显示光线的偏振方向不同，显示光线无法穿过偏振反射膜，被偏振反射膜反射回四分之一波片。光线穿过四分之一波片后，线偏振状态再次转化为圆偏振状态，并射向半反半透膜。光线在半反半透膜表面再次发生反射和透射，一部分光线再次被反射向四分之一波片，再次产生线偏振状态的光线，经过两次反射，线偏振状态的光线的偏振角度发生转动。此时，光线的偏振方向和偏振反射膜的偏振方向相同，光线穿过偏振反射膜。显示光线在半反半透膜和偏振反射膜之间折反射，从而在可以减小光线偏转结构的体积。偏光片也称为偏振光片，偏光片的作用消除杂散光，从而保证光线的成像更加清晰。另外，折反射组件还可以包括增透膜，以及若干透镜，增透膜、半反半透膜、四分之一波片、偏振反射膜以及偏光片可以设置在透镜的入光面和出光面。

在本申请的一实施例中，显示面板具有多个侧边，光线预设路径的延伸方向自显示面板的中间位置向显示面板的至少一侧边偏转，且偏转角度逐渐增加。例如，对于显示面板上像素点发出的光，由于光学系统的限制，只有部分角度范围内的光可以被利用，从显示面板的中心到显示面板的边缘，像素可以被利用的发光角度范围在不断的向上偏转，即从显示面板的中心像素的中心主光线为0°变为显示面板边缘像素的中心主光线为20°。因此，将偏置全息膜设置在显示面板上，可以实现像素中心主光线的渐变要求。

本发明还提供一种光线偏转结构的制作方法，参阅图2和图3所示，制作方法包括：

步骤S10，将两个相干的点光源照射到记录膜上；相干的点光源包括第一点光源41和第二点光源42。第一点光源41和第二点光源42发射的光线相互干涉，并照射在记录膜40的表面。

步骤S20，记录下两个点光源在记录膜上的干涉图样；其中，第一点光源发射的光线沿着第二点光源的方向继续传递，记录下第二点光源的传播方向。

步骤S30，依据干涉图样加工制作偏置全息膜；通过设置偏置全息膜，在第一点光源发射的光线，通过偏置全息膜后，光线的传播方向转换成第二点光源的方向，由此完成第一点光源光线传播方向的偏转。

步骤S40，将偏置全息膜设于显示面板的出光方向，显示面板的光线经过偏置全息膜后，光线的中心主光线的出射方向发生偏转，其中，两个点光源分设于记录膜的两侧，或，两个点光源设于记录膜的同侧。制作偏置全息膜的光源可以匹配一个或多个发光光源，也可以匹配一条或多条光路，对应一种或多种应用，并且按照一定设计要求偏转角度，设计可以按照一定的空间排布方式，时间排布方式，或者光线的波长排布方式。偏振排布方式可以通过多次曝光复用的方式，在偏置全息膜上记录下多组曝光方式，每一种曝光方式对应一种应用或一路光路，所以多路光或多个功能可以共用一张偏置全息膜。复用可以是时分复用，波长复用，偏振复用，角度复用等。

本实施例提出的技术方案中，先制作完成偏置全息膜，在将偏置全息膜设置在显示面板的出光方向上。显示面板发射光线，光线具有中心主光线，中心主光线位置的光强最强。中心主光线遇到偏置全息膜后，中心主光线沿着偏置全息膜的光线预设路径传播，由于光线预设路径的传播方向偏离中心主光线的传播方向，由此中心主光线在经过偏置全息膜后出射方向发生偏转。由此可知，光强最强位置也发生了偏移。也就是说，通过偏置全息膜可以改变光线的光强最强位置。在光学系统利用的光通量不在显示面板的中心附近时，通过偏置全息膜来改变显示面板的中心主光线的出射位置，使中心主光线的出射位置位于光学系统的使用位置，继而使中心光通量最大的区域得到有效利用。

参阅图4所示，在本申请的上述实施例的基础上。依据干涉图样加工制作偏置全息膜的步骤，包括：

步骤S310，依据干涉图样，采用全息曝光、电子束曝光、光刻或纳米压印其中一种方式制作偏置全息膜。全息曝光包括全息记录和全息照相。全息照相是将胶片作为记录介质，而全息记录介质则是具有光折射特性的光敏晶体材料。另外，两者所用的物光不同。实现全息记录的激光是蓝绿色氢激光，分成参考光束和物光束。电子束曝光(electron beamlithography)，指使用电子束在表面上制造图样的工艺，是光刻技术的延伸应用。光刻技术的精度受到光子在波长尺度上的散射影响。使用的光波长越短，光刻能够达到的精度越高。根据德布罗意的物质波理论，电子是一种波长极短的波。这样，电子束曝光的精度可以达到纳米量级，从而为制作纳米线提供了很有用的工具。电子束曝光需要的时间长是它的一个主要缺点，为了解决这个问题，纳米压印术应运而生。

本发明还提供一种头戴显示设备，头戴显示设备包括壳体和如上文所述的光线偏转结构，所述光线偏转结构设于所述壳体。

本发明头戴显示设备具体实施方式可以参照上述光线偏转结构各实施例，在此不再赘述。

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 (9)

1.一种光线偏转结构，其特征在于，所述光线偏转结构包括：

显示面板，所述显示面板发射光线，所述光线具有中心主光线，所述中心主光线垂直于所述显示面板的出光面；和

偏转部件，所述偏转部件包括偏置全息膜，所述偏置全息膜设于所述显示面板的出光方向，所述偏置全息膜具有光线预设路径，所述光线预设路径的延伸方向偏离所述中心主光线的传播方向，所述光线经过所述偏置全息膜后，所述光线的中心主光线的出射方向发生偏转；

所述显示面板具有多个侧边，所述光线预设路径的延伸方向自所述显示面板的中间位置向所述显示面板的至少一侧边偏转，且偏转角度逐渐增加。

2.如权利要求1所述的光线偏转结构，其特征在于，所述偏置全息膜的光线预设路径的延伸方向向所述光线的中心主光线的出射方向的两侧延伸。

3.如权利要求1或2所述的光线偏转结构，其特征在于，所述中心主光线的出射角度为0°，所述光线经过所述偏置全息膜后，所述中心主光线的偏转角度为θ，则满足：0°＜θ＜70°。

4.如权利要求1或2所述的光线偏转结构，其特征在于，所述光线偏转结构包括透明盖板，所述透明盖板设于所述显示面板的出光方向，所述偏置全息膜设于所述透明盖板或所述显示面板的表面。

5.如权利要求4所述的光线偏转结构，其特征在于，所述光线偏转结构还包括增透介质层，所述增透介质层设于所述透明盖板和所述显示面板之间，所述偏置全息膜设于所述增透介质层。

6.如权利要求1或2所述的光线偏转结构，其特征在于，所述偏置全息膜的材质包括光致聚合物、卤化银或者重铬酸盐至少其中一种。

7.如权利要求1或2所述的光线偏转结构，其特征在于，所述偏置全息膜中的分子状态包括液晶状态或者聚合物分散液晶状态。

8.如权利要求1或2所述的光线偏转结构，其特征在于，所述光线偏转结构包括折反射组件，所述折反射组件接收所述光线偏转结构发射的光线，所述光线在所述折反射组件内折反射。

9.一种头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括壳体和如权利要求1至8中任一项所述的光线偏转结构，所述光线偏转结构设于所述壳体。

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