CN113189779A - 一种阵列光波导模组及增强现实显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列光波导模组及增强现实显示设备，包括微显示器、光波导和反射元件，光波导的内部设置有阵列分光膜，微显示器设置在光波导的第一端，用于发射或反射光线，并将光线从第一端耦入光波导；反射元件设置在光波导的第二端，用于将在光波导的内部传播的光线调制成平行光，并反射回光波导的内部继续传播，直至由阵列分光膜耦出。本发明通过舍去透镜而直接将微显示器设置在光波导上具有耦入区域的第一端，并配合设置在光波导的第二端的反射元件，能够在减小光机整体体积的同时，保留更多微显示器发射或反射的光线进入到光波导中，极大地提升了光波导的光效利用率，从而提高了图像显示亮度，具有较高的市场推广价值。

Description

一种阵列光波导模组及增强现实显示设备

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，尤其涉及一种阵列光波导模组及增强现实显示设备。

背景技术

近年来，5G通信技术的出现和成熟，有望扫清当前AR(Augmented Reality，增强现实)显示设备(比如AR眼镜)在数据传输方面的应用障碍，显著提升AR显示设备的用户体验，从而使得在刚问世时引起广泛关注，而后表现却一直不温不火的AR市场迎来新的春天。

AR显示设备是一个在显示虚拟图像信息的同时，还能够融合真实的背景环境，从而实现虚拟与现实的巧妙结合的电子产品。由于通过AR显示设备，人们可以同现实世界进行更多、更深入的信息交互，因此AR显示设备很可能取代智能手机，成为下一代信息交互平台，以将物理世界与信息世界联系得更加紧密。

目前，在AR显示设备的各种光学显示方案中，光波导方案因轻薄和对外界光线的高穿透特性成为了最具市场竞争力的光学显示方案，而其中又以阵列光波导方案的应用最为广泛。现有的阵列光波导方案的技术原理如图1所示，主要由光机和阵列光波导(或称几何光波导)这两部分组成；其中，光机包括微显示器(即面光源)和透镜，而阵列光波导则包括光波导和设置在光波导内部的阵列分光膜。应用时，透镜能够将微显示器发出或反射出的光进行调制，使其变成平行光进入光波导，并在光波导中进行全反射传播，待传播到阵列分光膜后实现分光，然后部分光反射到人眼，其余的光线则继续传播到下一片分光膜并重复上述过程，实现一维扩瞳，以扩大眼动范围。然而不足之处在于，该技术需要的透镜尺寸较大，导致光机的整体体积较大，同时微显示器发出或反射出的的很多光线被浪费掉了，光效利用率较低。

因此，如何对现有的阵列光波导方案进行改进，以克服上述缺陷，或者是研究出一种全新的阵列光波导方案，进而增加其实用性，成为了本领域技术人员重要的研究课题之一。

以上信息作为背景信息给出只是为了辅助理解本公开，并没有确定或者承认任意上述内容是否可用作相对于本公开的现有技术。

发明内容

本发明实施例提供一种阵列光波导模组及增强现实显示设备，解决了现有技术光机整体体积大的缺陷，并能够保留更多的微显示器发出的光线，提高了光线的利用率，从而提高了显示图像的亮度。

本发明实施例第一方面公开一种阵列光波导模组；

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述阵列光波导模组包括：

微显示器、光波导和反射元件，所述光波导的内部设置有阵列分光膜；

所述微显示器设置在所述光波导的第一端，用于发射或反射带有图像信息的光线，并将所述光线从所述第一端耦入所述光波导；

所述反射元件设置在所述光波导的第二端，用于将在所述光波导的内部传播的光线调制成平行光，并反射回所述光波导的内部继续传播，直至由所述阵列分光膜耦出。

作为一种可选的实施方式，所述阵列光波导模组中，所述光波导的第一端的端面为斜面，所述斜面上设置有耦入区域；

所述微显示器设置在所述耦入区域上。

作为一种可选的实施方式，所述阵列光波导模组中，所述光波导的第一端的端面为竖直面，所述竖直面上设置有耦入区域；

所述微显示器设置在所述耦入区域上。

作为一种可选的实施方式，所述阵列光波导模组中，所述光波导的第一端的端面为反射斜面；

所述光波导的第一端设置有耦入区域；

所述微显示器设置在所述耦入区域上。

作为一种可选的实施方式，所述阵列光波导模组还包括棱镜；

所述棱镜设置在所述微显示器与所述光波导的第一端之间。

作为一种可选的实施方式，所述阵列光波导模组中，所述棱镜为三角棱镜或梯形棱镜。

作为一种可选的实施方式，所述阵列光波导模组中，所述反射元件为反射镜。

作为一种可选的实施方式，所述阵列光波导模组中，所述阵列分光膜为反向阵列分光膜；

所述反向阵列分光膜中每一层分光膜的反射率沿调制反射后的光线传播方向依次提高。

作为一种可选的实施方式，所述阵列光波导模组中，所述第一端与所述第二端沿着所述光波导的长度方向相对设置。

本发明实施例第二方面公开一种增强现实显示设备；

作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第二方面中，所述增强现实显示设备包括如上述第一方面所述的阵列光波导模组。

作为一种可选的实施方式，所述增强现实显示设备为穿戴式显示设备。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

通过舍去透镜而直接将微显示器设置在光波导上具有耦入区域的第一端，并配合设置在光波导的第二端的反射元件，能够在减小光机整体体积的同时，保留更多微显示器发射或反射的光线进入到光波导中，极大地提升了光波导的光效利用率，从而提高了图像显示亮度，具有较高的市场推广价值。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是现有技术中阵列光波导方案的结构俯视示意图；

图2是本发明实施例一提供的一种阵列光波导模组的结构俯视示意图；

图3是本发明实施例一提供的一种阵列光波导模组的结构俯视示意图；

图4是本发明实施例一提供的一种阵列光波导模组的结构俯视示意图；

图5是本发明实施例一提供的一种阵列光波导模组的结构前视立体示意图；

图6是本发明实施例一提供的一种阵列光波导模组的结构俯视示意图。

附图标记：

微显示器1，光波导2，反射元件3，阵列分光膜4，棱镜5。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。

此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

有鉴于上述现有的阵列光波导方案存在的缺陷，本申请人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以希望创设能够解决现有技术中缺陷的技术，使得阵列光波导方案更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

请参考图2～6，本发明实施例提供一种阵列光波导模组，包括微显示器1、光波导2和反射元件3；所述光波导2的内部设置有阵列分光膜4；

所述微显示器1设置在所述光波导2的第一端，用于发射或反射带有图像信息的光线，并将所述光线从所述第一端耦入所述光波导2；

所述反射元件3设置在所述光波导2的第二端，用于将在所述光波导2的内部传播的光线调制成平行光，并反射回所述光波导2的内部继续传播，直至由所述阵列分光膜4耦出。

其中，所述第一端和第二端是人为设定的，在本实施例中，所述第一端为所述光波导2上光线耦入的一端，所述第二端则为远离所述光波导2上光线耦入一端的另一端，即所述第一端与所述第二端是沿着所述光波导2的长度方向相对设置的。

需要说明的是，本实施例创造性地将光机中的透镜舍去，而使其仅由微显示器1组成，并配合设置在光波导2的第二端的反射元件3，这样设计的好处在于光机不再受制于透镜的尺寸，而可以使得整体的体积可控，同时还由于微显示器1发射或反射的光线不再需要经透镜调制后才进入光波导2中，因此可以有更多的微显示器1发射或反射的光线进入到光波导2中，不至于被透镜浪费掉。

当然，为了保证在舍去透镜后，所述阵列光波导模组依然能够正常使用，则本实施例不仅增加了反射元件3，且还对所述微显示器1的设置方式提出了一定要求。具体的，反射元件3起的是将在所述光波导2的内部传播的光线调整成平行光的作用，即替代了原本位于光机处的透镜，只不过是将光线调制平行的时机从耦入前变更到了在所述光波导2中传播的途中。而对所述微显示器1的设置方式提出的要求则是直接贴合设置在光波导2的第一端上。微显示器1作为一个面光源，面上的每一个点都是一个点光源，并以180°的发光角发光。每一个点发出的光线进入光波导2后，满足全反射条件(sinα＞(1/n)，α为光线与竖直面的夹角，n为波导基底材料的折射率)的光线将沿着光波导2的长度方向后传播。

本实施例关于光波导2上光线耦入一端，即第一端的具体设置方式可以有很多种，本实施例接下来以其中的三种进行示例说明；

第一种设置方式是：将所述光波导2的第一端设置为斜面且所述斜面上设置有耦入区域，所述微显示器1设置在所述斜面上的耦入区域上。其中，斜面的倾斜角度不作限定，可以是锐角或钝角，本实施例以锐角为例。所述微显示器1发出的光线通过所述斜面上的耦入区域耦合进入光波导2后，原本散乱不规则的光线会被所述反射元件3调制而能形成平行光反射回所述光波导2的内部继续传播，直至达到所述阵列分光膜4后由所述阵列分光膜4耦出至人眼成像，如图2所示。

第二种设置方式是：将所述光波导2的第一端设置为竖直面，即呈直角，且所述竖直面上设置有耦入区域；所述微显示器1设置在所述竖直面上的耦入区域上。所述微显示器1发出的光线通过所述竖直面上的耦入区域耦合进入光波导2后，原本散乱不规则的光线会被所述反射元件3调制而能形成平行光反射回所述光波导2的内部继续传播，直至达到所述阵列分光膜4后由所述阵列分光膜4实现分光，耦出至人眼成像，如图3所示。

第三种设置方式是：将所述光波导2的第一端设置为反射斜面，即表面镀有反光膜的斜面，且所述光波导2的第一端还设置有耦入区域；所述微显示器设置在所述耦入区域上。所述微显示器1发出的光线从所述光波导2的第一端上的耦入区域耦合进入光波导2后经过所述反射斜面反射再在光波导2中传播，然后原本散乱不规则的光线会接着被所述反射元件3调制而能形成平行光反射回所述光波导2的内部继续传播，直至达到所述阵列分光膜4后由所述阵列分光膜4实现分光，耦出至人眼成像，如图4所示。

以上三种设置方式均可达到本发明所需要的效果，因此本发明对此不进行限制，但示例性的，以第一种设置方式为优选方式。

在本实施例中，所述阵列光波导模组还包括棱镜5；

所述棱镜5设置在所述微显示器1与所述光波导2的第一端之间，所起的作用是增大光线的耦入面积。因为光波导2的第一端的端面面积决定着微显示器1的体积能做多大，而体积越大的微显示器1能发射或发射出的光线就越多，耦入到光波导2中的光线也就越多，但由于成品中光波导2的第一端的端面是有尺寸限制的，没办法做的很大，因此通过在所述微显示器1与所述光波导2的第一端之间设置所述棱镜5，然后将所述棱镜5做大，或者是仅仅将微显示器1贴合设置在所述棱镜5上面积大于所述光波导2的第一端的端面面积的一面，可参考图6，就能让微显示器1的体积做得大一些。

优选的，所述棱镜5选型为三角棱镜或梯形棱镜。

在本实施例中，所述反射元件3为反射镜，反射镜的类型选择可以有很多种，比如可以是自由曲面反射镜、或者是超表面反射镜，亦或是全息反射镜，当然也还可以是其它能起调制和反射作用的元件，本实施例不作限定。另外，关于反射元件3的设置角度也可以是任意，只要能将光线反射回所述光波导2的内部继续传播即可。

由于本实施例需要阵列分光膜4对正向传播(即沿第一端到第二端的方向传播)时的光线不进行或尽量少进行分光耦出，而对反向传播(即沿第二端到第一端方向的传播，由所述反射元件3反射形成)时的光线进行分光耦出，因此所述阵列分光膜4为反向阵列分光膜。另外，出于对所述反向阵列分光膜中每一层分光膜透光均匀的考虑，所述反向阵列分光膜中每一层分光膜的反射率沿调制反射后的光线传播方向(即沿光波导2的第二端到第一端的方向)依次提高。示例性的，比如沿调制反射后的光线传播方向开始算的第一层分光膜的反射率为25％，第二层分光膜的反射率为50％，第三层分光膜的反射率为75％，第四层分光膜的反射率为100％，依次类推。

尽管本文中较多的使用了微显示器，光波导，反射元件，阵列分光膜等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

本发明实施例提供的一种阵列光波导模组，通过舍去透镜而直接将微显示器设置在光波导上具有耦入区域的第一端，并配合设置在光波导的第二端的反射元件，能够在减小光机整体体积的同时，保留更多微显示器发射或反射的光线进入到光波导中，极大地提升了光波导的光效利用率，从而提高了图像显示亮度，具有较高的市场推广价值。

实施例二

本发明实施例提供一种增强现实显示设备，包括如上述实施例一所述的阵列光波导模组。

优选的，所述增强现实显示设备为穿戴式显示设备，比如AR眼镜、AR头盔等。

本发明实施例提供的一种增强现实显示设备，通过舍去透镜而直接将微显示器设置在光波导上具有耦入区域的第一端，并配合设置在光波导的第二端的反射元件，能够在减小光机整体体积的同时，保留更多微显示器发射或反射的光线进入到光波导中，极大地提升了光波导的光效利用率，从而提高了图像显示亮度，具有较高的市场推广价值。

至此，以说明和描述的目的提供上述实施例的描述。不意指穷举或者限制本公开。特定的实施例的单独元件或者特征通常不受到特定的实施例的限制，但是在适用时，即使没有具体地示出或者描述，其可以互换和用于选定的实施例。在许多方面，相同的元件或者特征也可以改变。这种变化不被认为是偏离本公开，并且所有的这种修改意指为包括在本公开的范围内。

提供示例实施例，从而本公开将变得透彻，并且将会完全地将该范围传达至本领域内技术人员。为了透彻理解本公开的实施例，阐明了众多细节，诸如特定零件、装置和方法的示例。显然，对于本领域内技术人员，不需要使用特定的细节，示例实施例可以以许多不同的形式实施，而且两者都不应当解释为限制本公开的范围。在某些示例实施例中，不对公知的工序、公知的装置结构和公知的技术进行详细地描述。

在此，仅为了描述特定的示例实施例的目的使用专业词汇，并且不是意指为限制的目的。除非上下文清楚地作出相反的表示，在此使用的单数形式“一个”和“该”可以意指为也包括复数形式。术语“包括”和“具有”是包括在内的意思，并且因此指定存在所声明的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或额外地具有一个或以上的其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。除非明确地指示了执行的次序，在此描述的该方法步骤、处理和操作不解释为一定需要按照所论述和示出的特定的次序执行。还应当理解的是，可以采用附加的或者可选择的步骤。

当元件或者层称为是“在……上”、“与……接合”、“连接到”或者“联接到”另一个元件或层，其可以是直接在另一个元件或者层上、与另一个元件或层接合、连接到或者联接到另一个元件或层，也可以存在介于其间的元件或者层。与此相反，当元件或层称为是“直接在……上”、“与……直接接合”、“直接连接到”或者“直接联接到”另一个元件或层，则可能不存在介于其间的元件或者层。其他用于描述元件关系的词应当以类似的方式解释(例如，“在……之间”和“直接在……之间”、“相邻”和“直接相邻”等)。在此使用的术语“和/或”包括该相关联的所罗列的项目的一个或以上的任一和所有的组合。虽然此处可能使用了术语第一、第二、第三等以描述各种的元件、组件、区域、层和/或部分，这些元件、组件、区域、层和/或部分不受到这些术语的限制。这些术语可以只用于将一个元件、组件、区域或部分与另一个元件、组件、区域或部分区分。除非由上下文清楚地表示，在此使用诸如术语“第一”、“第二”及其他数值的术语不意味序列或者次序。因此，在下方论述的第一元件、组件、区域、层或者部分可以采用第二元件、组件、区域、层或者部分的术语而不脱离该示例实施例的教导。

空间的相对术语，诸如“内”、“外”、“在下面”、“在……的下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，在此可出于便于描述的目的使用，以描述如图中所示的一个元件或者特征和另外一个或多个元件或者特征之间的关系。空间的相对术语可以意指包含除该图描绘的取向之外该装置的不同的取向。例如如果翻转该图中的装置，则描述为“在其他元件或者特征的下方”或者“在元件或者特征的下面”的元件将取向为“在其他元件或者特征的上方”。因此，示例术语“在……的下方”可以包含朝上和朝下的两种取向。该装置可以以其他方式取向(旋转90度或者其他取向)并且以此处的空间的相对描述解释。

Claims (10)

1.一种阵列光波导模组，包括微显示器和光波导，所述光波导的内部设置有阵列分光膜，其特征在于，还包括反射元件；

所述微显示器设置在所述光波导的第一端，用于发射或反射带有图像信息的光线，并将所述光线从所述第一端耦入所述光波导；

所述反射元件设置在所述光波导的第二端，用于将在所述光波导的内部传播的光线调制成平行光，并反射回所述光波导的内部继续传播，直至由所述阵列分光膜耦出。

2.根据权利要求1所述的阵列光波导模组，其特征在于，所述光波导的第一端的端面为斜面，所述斜面上设置有耦入区域；

所述微显示器设置在所述耦入区域上。

3.根据权利要求1所述的阵列光波导模组，其特征在于，所述光波导的第一端的端面为竖直面，所述竖直面上设置有耦入区域；

所述微显示器设置在所述耦入区域上。

4.根据权利要求1所述的阵列光波导模组，其特征在于，所述光波导的第一端的端面为反射斜面；

所述光波导的第一端设置有耦入区域；

所述微显示器设置在所述耦入区域上。

5.根据权利要求1所述的阵列光波导耦入装置，其特征在于，还包括棱镜；

所述棱镜设置在所述微显示器与所述光波导的第一端之间。

6.根据权利要求5所述的阵列光波导耦入装置，其特征在于，所述棱镜为三角棱镜或梯形棱镜。

7.根据权利要求1所述的阵列光波导模组，其特征在于，所述反射元件为反射镜。

8.根据权利要求1所述的阵列光波导模组，其特征在于，所述阵列分光膜为反向阵列分光膜；

所述反向阵列分光膜中每一层分光膜的反射率沿调制反射后的光线传播方向依次提高。

9.根据权利要求1所述的阵列光波导模组，其特征在于，所述第一端与所述第二端沿着所述光波导的长度方向相对设置。

10.一种增强现实显示设备，其特征在于，包括如权利要求1～9中任一项所述的阵列光波导模组。

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