CN113189704A - 一种光波导及近眼显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种光波导及近眼显示系统。本发明实施例提供一种光波导及近眼显示系统，该光波导包括波导基底和回射结构；波导基底上设有耦入区域和耦出区域，回射结构设于波导基底的第一侧；耦入区域用于耦入图像光线，波导基底用于将图像光线传至回射结构，回射结构用于将图像光线返回至波导基底，波导基底还用于将回射结构返回的图像光线传至耦出区域，耦出区域用于耦出回射结构返回的图像光线。该光波导通过回射结构将图像光线回射至耦出区域、并且降低图像光线的角度，对比普通光波导，不仅可以提高视场角，而且可以减小光机体积。
Description
技术领域
本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种光波导及近眼显示系统。
背景技术
增强现实是将虚拟信息和真实世界相融合的技术，其中近眼显示系统设计是增强现实技术中的关键环节，如何同时提升近眼显示系统的视场角、亮度、均匀性和对比度并减小系统功耗和体积是该研究领域的热点问题。
目前市面上的增强现实近眼显示系统的视场角都较小，且普通波导片要做到大视场角必须受到结构限制，视场角越大将导致光机结构的体积增大。
发明内容
本发明实施例提供一种光波导及近眼显示系统，体积小且视场角大。
第一方面，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种光波导，包括：波导基底和回射结构；
所述波导基底上设有耦入区域和耦出区域，所述回射结构设于所述波导基底的第一侧；
所述耦入区域用于耦入图像光线，所述波导基底用于将所述图像光线传至所述回射结构，所述回射结构用于将所述图像光线返回至所述波导基底，所述波导基底还用于将所述回射结构返回的图像光线传至所述耦出区域，所述耦出区域用于耦出所述回射结构返回的图像光线。
在一些实施例中，所述光波导还包括四分之一波片；
所述四分之一波片设于所述波导基底的第一侧和所述回射结构之间，所述四分之一波片用于改变所述回射结构返回前后的图像光线的偏振态。
在一些实施例中，所述光波导为阵列光波导。
在一些实施例中，所述波导基底包括第一波导层和第二波导层；
所述耦入区域设于所述第一波导层，所述耦出区域设于所述第二波导层。
在一些实施例中，所述光波导为阵列光波导或衍射光波导。
在一些实施例中，所述第二波导层的长度小于所述第一波导层的长度。
在一些实施例中，所述回射结构为全息元件。
在一些实施例中，所述回射结构具有第一表面和第二表面；所述第一表面与所述波导基底的第一侧贴合设置，所述第二表面为曲率反射面。
第二方面，本发明实施例还提供一种近眼显示系统，包括如上述第一方面任意一项所述的光波导。
在一些实施例中，所述近眼显示系统还包括显示源和光机；
所述显示源用于提供图像光线；
所述光机设于所述显示源的出光方向上，所述光机用于对所述图像光线进行整形；
所述光波导设于所述光机的出光方向上，所述光波导用于接收所述图像光线并将所述图像光线耦出至人眼。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例提供一种光波导及近眼显示系统，该光波导包括波导基底和回射结构；波导基底上设有耦入区域和耦出区域，回射结构设于波导基底的第一侧；耦入区域用于耦入图像光线，波导基底用于将图像光线传至回射结构，回射结构用于将图像光线返回至波导基底，波导基底还用于将回射结构返回的图像光线传至耦出区域，耦出区域用于耦出回射结构返回的图像光线。该光波导通过回射结构将图像光线回射至耦出区域、并且降低图像光线的角度，对比普通光波导，不仅可以提高视场角，而且可以减小光机体积。
附图说明
一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的一种光波导的仰视结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种全息元件的相位分布示意图；
图3是本发明实施例提供的一种光波导的正视结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种光波导的仰视结构示意图；
图5是图4的光路示意图；
图6是本发明实施例提供的再一种光波导的仰视结构示意图；
图7是图6的光路示意图；
图8是本发明实施例提供的又一种光波导的仰视结构示意图；
图9是图8的光路示意图；
图10是本发明实施例提供的一种近眼显示系统的正视结构示意图；
图11是现有技术中提供的一种近眼显示系统的正视结构示意图；
图12是本发明实施例提供的一种近眼显示系统侧视光路示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。
第一方面，本发明实施例提供一种光波导，请参阅图1，该光波导100包括：波导基底10和回射结构20；其中，波导基底10上设有耦入区域11和耦出区域12，回射结构20设于波导基底10的第一侧；所述耦入区域11用于耦入图像光线，所述波导基底10用于将图像光线传至所述回射结构20，所述回射结构20用于将所述图像光线返回至波导基底10，所述波导基底10还用于将所述回射结构20返回的图像光线传至所述耦出区域12，所述耦出区域12用于耦出所述回射结构20反射的图像光线。
在该光波导中，回射结构20在反射图像光线时、可以降低图像光线沿光波导传播时竖直方向的角度，应注意的是，该竖直方向为用户佩戴光波导时所定的视角，下面便不再赘述。在该光波导中，图像光线通过耦入区域11耦至波导基底10中，在波导基底10发生全反射传播至回射结构20，然后被回射结构20反射至耦出区域12，再被耦出区域12耦出被回射结构20反射后的图像光线。相比于普通光波导，在图1所示的光波导中，耦出的图像光线经过了回射结构20，使图像光线的光程增加、并且降低了图像光线沿光波导传播时的竖直方向角度，从而可以使光波导在不增加光机体积的同时增加视场角，甚至为了达到相同的视场角的情况下，可以减小竖直方向的光机体积。这样，当该光波导应用在近眼显示设备时，可以使得近眼显示设备无需增加光机结构而满足更大的视场角。另外，通过回射结构可以增大波导片的长度，后续应用在近眼显示设备时，可以在不增加光机体积的情况下、增大镜腿到人眼距离，提高用户的佩戴体验。
在其中一些实施例中，所述回射结构20为全息元件。请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种全息元件的相位示意图，通过设计好全息元件的相位，可以利用该全息元件在反射图像光线的同时、改变光线的传播角度。
在其他一些实施例中，请参阅图3，所述回射结构20具有第一表面21和第二表面22；所述第一表面21与所述波导基底10的第一侧贴合设置，所述第二表面22为曲率反射面。所述第一表面21为透射面，当图像光线经过透射面21透射至曲率反射面22后，被曲率反射面22反射，并且，由于曲率反射面22具有一定的曲率，通过设计第二表面的曲率，能够让曲率反射面在反射光线的同时、降低图像光线沿光波导传播时竖直方向的角度。
具体的，该光波导可以为单层波导结构，也可以为双层波导结构，下面对本发明实施例提供的不同波导结构进行分类阐述。
第一种，当该光波导为单层波导结构时：
在其中一些实施例中，请参阅图4，光波导100还包括四分之一波片30；其中，所述四分之一波片30设于所述波导基底10的第一侧和所述回射结构20之间，所述四分之一波片30用于改变所述回射结构20反射前后的图像光线的偏振态。
进一步地，在其中一些实施例中，所述光波导为阵列光波导。例如，请继续参阅图4，耦入区域11为入射棱镜，耦入区域11用于耦入第一偏振态的图像光线，耦出区域12为选择性透反膜，该选择性透反膜被设置为能透射第一偏振态的光线，反射第二偏振态的光线，其中，第一偏振态和第二偏振态的偏振方向互相垂直。请参阅图5，在图5中带箭头实线代表到达回射结构前的第一偏振态的图像光线光路、带箭头虚线代表经回射结构反射后的第二偏振态的图像光线光路，第一偏振态的图像光线经过入射棱镜11耦入至波导基底10，在波导基底10中发生全反射传播；当到达选择性透反膜12时，第一偏振态的图像光线能够继续在波导基底10中进行全反射传播至四分之一波片30，此时经过四分之一波片30后到达回射结构20，图像光线的偏振态旋转90°、并且被回射结构20回射至四分之一波片30；图像光线再次透过四分之一波片30后，图像光线的偏振态再次旋转90°，此时图像光线的偏振态为第二偏振态；当第二偏振态的图像光线经过选择性透反膜12后，将会被选择性反射耦出至人眼，从而实现偏振复用一层波导片。
第二种，当该光波导为双层波导结构时：
在其中一些实施例中，请参阅图6或图8，所述波导基底10包括第一波导层10A和第二波导层10B；其中，所述耦入区域11设于所述第一波导层10A，所述耦出区域12设于所述第二波导层10B。
具体的，在其中一些实施例中，请参阅图6，光波导为衍射光波导，耦入区域11为耦入光栅、耦出区域12为耦出光栅。请参阅图7，图像光线通过第一波导层10A的耦入光栅11耦至第一波导层10A中，在波导基底10发生全反射传播至回射结构20，然后被回射结构20反射至耦出光栅12，再被耦出光栅12耦出被回射结构20反射后的图像光线。应当注意的是，在图7中，带箭头实线代表到达回射结构前的图像光线光路、带箭头虚线代表经回射结构反射后的图像光线光路，图像光线在光波导传播时的竖直方向为垂直纸面方向。
或者，在其他一些实施例中，所述光波导为阵列光波导，请参阅图8，耦入区域11为入射棱镜，耦出区域12为选择性透反膜。请参阅图9，图像光线通过第一波导层10A的入射棱镜11耦至第一波导层10A中，在波导基底10发生全反射传播至回射结构20，然后被回射结构20反射至选择性透反膜12，再被选择性透反膜12耦出被回射结构20反射后的图像光线。应当注意的是，在图9中，带箭头实线代表到达回射结构前的图像光线光路、带箭头虚线代表经回射结构反射后的图像光线光路，图像光线在光波导传播时的竖直方向为垂直纸面方向。实际应用中，耦入区域和耦出区域的具体结构可根据实际需要进行设置，在此不做限定。
为了节约空间，在其中一些实施例中，请继续参阅图6或图8，所述第二波导层10B的长度小于所述第一波导层10A的长度。这样后续可将光机设于第二波导层10B相对于第一波导层10A的空缺处，节约整体设备的空间。
第二方面，本发明实施例还提供一种近眼显示系统，包括如上述第一方面任意一项所述的光波导。在该近眼显示系统中，回射结构在反射图像光线时、可以降低图像光线沿光波导传播时竖直方向的角度，此时，图像光线通过耦入区域耦至光波导中，在波导基底发生全反射传播至回射结构，被回射结构反射至耦出区域，相比于使用普通光波导，当应用本发明提供的光波导时，图像光线在光波导传播的光程增加、并且回射结构能降低图像光线在光波导传播时的竖直方向角度，那么可以使近眼显示系统在保持整体体积不变的情况下、增加视场角，甚至为了达到相同的视场角的情况下，可以减小竖直方向的光机体积。
在其中一些实施例中，请参阅图10，所述近眼显示系统还包括显示源30和光机40；其中，所述显示源30用于提供图像光线；所述光机0设于所述显示源30的出光方向上，所述光机40用于对所述图像光线进行整形；所述光波导100设于所述光机40的出光方向上，所述光波导100用于接收所述图像光线并将所述图像光线耦出至人眼。
具体的，所述显示图像源30包括但不限于：LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)、micro-OLED(microOrganic Light-Emitting Diode，微有机发光二极管)、micro-LED(micro Light-EmittingDiode，微发光二极管)、LCoS(Liquid Crystal onSilicon，液晶附硅)。光机40可以为棱镜组、透镜组或者其他一切可以用于对图像光线进行整形的光学系统。
请参阅图11，假设在传统波导片300中，人眼中心到结构边缘距离为L1，光机40竖直方向最小尺寸为Dmax1，在图11中312表示传统波导片300的耦出区域。请参阅图10，在本发明实施例提供的波导片200中，人眼中心到回射结构边缘距离为L2，光机40竖直方向最小尺寸为Dmax2，如图12所示，假设二者最终在竖直方向上的视场角均为Yv,出瞳距均为Lrelief，竖直方向上的eyebox均为D，波导片折射率为n，则有
从眼镜的人体工学结构上来说，人眼与镜腿距离大于50mm佩戴效果最佳，那么使用传统统波导片则需要满足：L1>50mm，本发明则无此限制，可通过设计令L2≈20mm，那么本发明能减小最大高度：
可见，对比普通光波导，本发明提供的光波导不仅可以提高视场角，而且可以减小光机体积，并且减小的结果与视场角直接相关，尤其是在大视场角情况下，使用本发明的光波导减少光机尺寸效果更明显。并且可以通过回射结构增加光波导的长度，使镜腿到人眼的距离增大并且不增加光机体积，这样有利于适配不同人群的头型和瞳距，增强用户佩戴体验。
本发明实施例提供一种光波导及近眼显示系统，该光波导包括波导基底和回射结构；波导基底上设有耦入区域和耦出区域，回射结构设于波导基底的第一侧；耦入区域用于耦入图像光线，波导基底用于将图像光线传至回射结构，回射结构用于将图像光线返回至波导基底，波导基底还用于将回射结构返回的图像光线传耦出区域，耦出区域用于耦出回射结构返回的图像光线。该光波导通过回射结构将图像光线回射至耦出区域、并且降低图像光线的角度，对比普通光波导，不仅可以提高视场角，而且可以减小光机体积。
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述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)
1.一种光波导，其特征在于，包括：波导基底和回射结构；
所述波导基底上设有耦入区域和耦出区域，所述回射结构设于所述波导基底的第一侧；
所述耦入区域用于耦入图像光线，所述波导基底用于将所述图像光线传至所述回射结构，所述回射结构用于将所述图像光线返回至所述波导基底，所述波导基底还用于将所述回射结构返回的图像光线传至所述耦出区域，所述耦出区域用于耦出所述回射结构返回的图像光线。
2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述光波导还包括四分之一波片；
所述四分之一波片设于所述波导基底的第一侧和所述回射结构之间，所述四分之一波片用于改变所述回射结构返回前后的图像光线的偏振态。
3.根据权利要求2所述的光波导，其特征在于，所述光波导为阵列光波导。
4.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述波导基底包括第一波导层和第二波导层；
所述耦入区域设于所述第一波导层，所述耦出区域设于所述第二波导层。
5.根据权利要求4所述的光波导，其特征在于，所述光波导为阵列光波导或衍射光波导。
6.根据权利要求5所述的光波导，其特征在于，所述第二波导层的长度小于所述第一波导层的长度。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的光波导，其特征在于，所述回射结构为全息元件。
8.根据权利要求1-6任意一项所述的光波导，其特征在于，所述回射结构具有第一表面和第二表面；所述第一表面与所述波导基底的第一侧贴合设置，所述第二表面为曲率反射面。
9.一种近眼显示系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述的光波导。
10.根据权利要求9所述的近眼显示系统，其特征在于，所述近眼显示系统还包括显示源和光机；
所述显示源用于提供图像光线；
所述光机设于所述显示源的出光方向上，所述光机用于对所述图像光线进行整形；
所述光波导设于所述光机的出光方向上，所述光波导用于接收所述图像光线并将所述图像光线耦出至人眼。
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