CN113504606A - 一种光波导装置及ar设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光波导装置及AR设备，属于增强现实技术领域。光波导装置包括：第一结构波导片包括两个第一基片以及嵌设于两个第一基片之间的沿第一方向设置的若干第一分束镜，第一分束镜与第二方向呈第一夹角设置，第一夹角为α，α＝45°‑θ；第二结构波导片包括两个第二基片以及嵌设于两个第二基片之间的沿第二方向设置的若干第二分束镜，第二结构波导片与第一结构波导片沿第二方向设置，第二分束镜与第一方向呈第二夹角设置，第二夹角为β，β＝45°‑θ；耦入光机的出瞳与第二方向呈第三夹角设置，第三夹角为θ。本发明的光波导装置及AR设备压缩了体积，改善人眼观察位置，提高光能利用率，提高了使用效果。

Description

一种光波导装置及AR设备

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，尤其涉及一种光波导装置及AR设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，这种利用增强现实技术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，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中，主要技术包括：Birdbath、棱镜、自由曲面及光波导技术，相比于其他技术，采用光波导技术的头戴显示器体积更小。

现有技术中，如图1所示，二维波导片包括上结构波导片1＇、下结构波导片2＇以及耦入结构3＇三部分，其中，耦入结构3＇的主要作用是将光机出射的平行光耦入到上结构波导片1＇中；上结构波导片1＇包括两个相互平行的第一表面12＇和第二表面13＇，还有一系列平行的第一分束镜11＇嵌入在第一表面12＇和第二表面13＇之间，上结构波导片1＇用于将耦入结构3＇的出瞳进行转折，且每个第一分束镜11＇都会对出瞳成一次像，从而实现水平方向的扩瞳；下结构波导片2＇类似于普通的一维阵列波导，其包括两个相互平行第三表面和第四表面，还有一系列平行的第二分束镜嵌入在第三表面和第四表面之间，下结构波导片2＇用于将被上结构波导片1＇转折后的光束耦出，从而被人眼接收，并实现垂直方向的扩瞳。

图2给出了光线从一端传输到另一端在上结构波导片1＇内光路图，上结构波导片1＇内光线走过的路径长度为2L，当光线从一端传输到另一端在上结构波导片1＇表面光线走过的路径长度为D，光线入射角为A，由图中几何关系可知：D＝2L×sinA，这个公式我们可以理解为宽度为D的波导片对于入射角为A的光线而言，等效长度或称展开长度为D/sinA，因此对于间隔为d的分束镜，对于入射角为A的光线而言，等效间隔或展开间隔为的d/sinA。

以上述结构的普通二维波导片为例，假设反射镜间隔足够小，图3给出了上结构波导片1＇等效光路图，其中，第一分束镜11＇的倾角为45°，二维波导片厚度为1.7mm，玻璃材料为H-BAK5(n＝1.56)，二维波导片内耦入图像的对角线视场角55°(采用16:9屏幕，水平视场×纵向视场为48.8°×28.63°)，耦入光机的出瞳为5.5mm，出瞳距20mm，水平眼盒为10mm。根据上述给定的参数，可得全反射临界角A_c为：A_c＝sin^-1(1/n)，考虑到装配公差以及设计光机的畸变，二维波导片中最小入射角应略大于临界角39.87°，因此光线在二维波导片内全反射传输角度的范围为(40.88°，61.92°)，中心入射角度为50°，光线在下结构波导片2＇中与竖直方向的夹角为15.36°，下结构波导片2＇出射的光线与竖直方向的夹角为24.4°。再根据公式全反射临界角进行估算，光线在下结构波导片2＇中所走的等效长度或展开长度约为21.12mm，结合所得数据，利用光路可逆原理，可以得到上结构波导片1＇等效高度约为28.98mm，等效长度约为65.9mm，根据公式全反射临界角逆推可得上结构波导片实际尺寸约为50.48mm×22.2mm。若下结构波导片2＇中嵌入6片反射镜，则根据普通一维波导片的设计思路，考虑到加工工艺，下结构波导片2＇的高度至少为23mm，如图4下结构波导片2＇高度为23.46mm。

根据以上的分析，图4给出了对角线视场角55°的普通二维波导片形状。可以看出，这种结构中，人眼实际位置应位于上结构波导片1＇与下结构波导片2＇之间位置，而人眼最佳位置位于下结构波导片2＇处，人眼实际位置与人眼最佳位置偏差较大，且由图3可以看出，上结构波导片1＇位于边界光线以外的结构均为用于结构，冗余结构太多，增大了二维波导片体积和重量；此外，冗余结构，增加了光线到达眼盒时穿过的第一分束镜11＇的个数，降低了光能利用率，使得系统出射的亮度降低。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种光波导装置，压缩体积，改善人眼观察位置，同时提高光波导装置的光能利用率，提高使用效果。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种光波导装置，包括：

第一结构波导片，包括两个第一基片以及嵌设于两个所述第一基片之间的沿第一方向设置的若干第一分束镜，所述第一分束镜与第二方向呈第一夹角设置，所述第一夹角为α，其中，α＝45°-θ；

第二结构波导片，包括两个第二基片以及嵌设于两个所述第二基片之间的沿第二方向设置的若干第二分束镜，所述第二结构波导片与所述第一结构波导片沿第二方向设置，所述第二分束镜与第一方向呈第二夹角设置，所述第二夹角为β，其中，β＝45°-θ；

耦入光机的出瞳，其与所述第二方向呈第三夹角设置，所述第三夹角为θ。

可选地，若干所述第一分束镜平行间隔设置，若干所述第二分束镜平行间隔设置。

可选地，所述第一结构波导片包括沿所述第一方向依次粘接的若干第一玻璃叠块，相邻两个所述第一玻璃叠块的粘接面形成所述第一分束镜；

所述第二结构波导片包括沿第二方向依次粘接的若干第二玻璃叠块，相邻两个所述第二玻璃叠块的粘接面形成所述第二分束镜。

可选地，若干所述第一玻璃叠块沿所述第一方向的厚度均相同，所述第二玻璃叠块沿所述第二方向的厚度均相同。

可选地，若干所述第一玻璃叠块平行设置，若干所述第二玻璃叠块平行设置。

可选地，位于一侧的所述第一基片与所述第二基片由同一基片制成，位于另一侧的所述第一基片与所述第二基片由同一基片制成。

可选地，所述光波导装置还包括辅助结构，所述辅助结构设置于所述第一结构波导片沿所述第一方向的两侧。

可选地，所述辅助结构包括两个第三基片、以及嵌设于两个所述第三基片之间辅助玻璃叠块，位于一侧的所述第一基片与所述第三基片由同一基片制成，位于另一侧的所述第一基片与所述第三基片由同一基片制成。

本发明的另一个目的在于提供一种AR设备。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种AR设备，包括上述的光波导装置，压缩体积，改善人眼观察位置，同时提高光波导装置的光能利用率，提高使用效果。

可选地，第一方向为水平方向，第二方向为竖直方向，且第二结构波导片位于所述第一结构波导片下侧。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种光波导装置，第一结构波导片和第二结构波导片分别实现了第一方向和第二方向的扩瞳；第一结构波导片与现有技术相比减少了冗余结构，减小了光波导装置的体积，使结构紧凑；同时，减小了光线到达眼盒时穿过第一分束镜的个数，提高了光波导装置的光能利用率；同时，压缩了第一结构波导片的体积，减小了人眼实际位置与人眼最佳位置之间的偏差，改善人眼观察位置。另外，第一夹角与第二夹角的角度关系补偿了第一结构波导片的夹角所带来的图像翻转，使其保持与现有技术相同的图像显示效果。

本发明提供的一种AR设备，通过采用上述的光波导装置，压缩了结构体积，改善了人眼观察位置，同时提高了光波导装置的光能利用率，提高了使用效果。

附图说明

图1现有技术的二维波导片的结构示意图；

图2是现有技术的上结构波导片内部光路图；

图3是现有技术的二维波导片的等效光路图；

图4现有技术的二维波导片的尺寸图；

图5是本发明的具体实施方式提供的二维波导片的结构示意图。

图中：

1＇、上结构波导片；11＇、第一分束镜；12＇、第一表面；13＇、第二表面；2＇、下结构波导片；3＇、耦入结构；

1、第一结构波导片；11、第一分束镜；12、第一玻璃叠块；13、第一基片；

2、第二结构波导片；21、第二分束镜；22、第二玻璃叠块；23、第二基片；

3、耦入光机的出瞳；

4、辅助结构。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，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，本领域技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本实施例提供了一种光波导装置，如图5所示，包括第一结构波导片1、第二结构波导片2和耦入光机的出瞳3，具体地，第一结构波导片1包括两个第一基片13以及嵌设于两个第一基片13之间的沿第一方向设置的若干第一分束镜11，第一分束镜11与第二方向呈第一夹角设置，第一夹角为α，其中，α＝45°-θ；第二结构波导片2包括两个第二基片23以及嵌设于两个第二基片23之间的沿第二方向设置的若干第二分束镜21，第二结构波导片2与第一结构波导片1沿第二方向设置，第二分束镜21与第一方向呈第二夹角设置，第二夹角为β，其中，β＝45°-θ；耦入光机的出瞳3与第二方向呈第三夹角设置，第三夹角为θ。本实施例中，第一方向为x向，第二方向为y向，且第一方向垂直于第二方向。

第一结构波导片1和第二结构波导片2分别实现了第一方向和第二方向的扩瞳；通过设置耦入光机的出瞳3与第二方向呈第三夹角设置，使第一结构波导片1相当于现有技术中如图3所示位于边界光线以内的结构，从而实现光线传输，其与现有技术相比减少了图3所示的边界光线以外的冗余结构，从而减小了光波导装置的体积，使结构更紧凑；同时，减小了光线到达眼盒时穿过第一分束镜11的个数，提高了光波导装置的光能利用率；同时，压缩了第一结构波导片1的体积，减小了人眼实际位置与人眼最佳位置之间的偏差，改善人眼观察位置。另外，第一夹角与第二夹角的角度关系补偿了第一结构波导片1的夹角所带来的图像翻转，使其保持与现有技术相同的图像显示效果。

具体地，第三夹角可根据现有技术进行确定，当光波导装置用于AR眼镜时，其可根据镜腿的形状及位置进行设置，可选地，0≤θ≤45°。

本实施例中，θ＝15.36°，第一结构波导片的等效尺寸为L1＝75.54mm；L2＝17.95mm，根据全反射临界角公式可得第一结构波导片的实际尺寸为57.86mm×13.74mm；第二结构波导片的等效尺寸L3＝34.83mm。

如图5所示，第一分束镜11与第二分束镜21的倾斜方向不同，第一分束镜11垂直于第一基片13，且与第二方向呈夹角设置，第二分束镜21与第二基片23呈夹角，且与第二方向呈夹角设置。可选地，第二分束镜21与第二基片23之间的夹角为20°-30°，夹角越小形成鬼像与主像之间的距离越远，显示图像效果越好，夹角越大传输的视场角越大。

可选地，如图5所示，若干第一分束镜11平行设置，避免显示图像中产生鬼像，若干第一分束镜11间隔设置，能够增大出瞳距；同理，若干第二分束镜21平行间隔设置，避免显示图像中产生鬼像，同时能够增大出瞳距。

可选地，如图5所示，第一结构波导片1包括沿第一方向依次粘接的若干第一玻璃叠块12，相邻两个第一玻璃叠块12的粘接面形成第一分束镜11，结构简单制作方便。同理，可选地，如图5所示，第二结构波导片2包括沿第二方向依次粘接的若干第二玻璃叠块22，相邻两个第二玻璃叠块22的粘接面形成第二分束镜21，结构简单制作方便。

进一步具体地，若干第一玻璃叠块12平行设置，以保证用于胶合的两个表面平行设置，以保证不同第一分束镜11相互平行，避免显示图像中产生鬼像；同理，若干第二玻璃叠块22平行设置，以保证用于胶合的两个表面平行设置，以保证不同第二分束镜21相互平行，避免显示图像中产生鬼像。

可选地，若干第一玻璃叠块12沿第一方向的厚度均相同，制作时不同第一玻璃叠块12之间可以通用，更加方便。第二玻璃叠块22沿第二方向的厚度均相同，制作时不同第二玻璃叠块22之间可以通用，更加方便。

可选地，位于一侧的第一基片13与第二基片23由同一基片制成，位于另一侧的第一基片13与第二基片23由同一基片制成，方便加工，且保证位于同一侧的第一基片13与第二基片23在同一平面，另一侧的第一基片13与第二基片23在同一平面。

可选地，光波导装置还包括辅助结构4，辅助结构4设置于第一结构波导片1沿第一方向的两侧，用于第一结构波导片1形成相应的造型，提高美观性，且能够包括第一结构波导片1结构，提高了结构稳定性。

可选地，辅助结构4包括两个第三基片、以及嵌设于两个第三基片之间辅助玻璃叠块，位于一侧的第一基片13与第三基片由同一基片制成，位于另一侧的第一基片13与第三基片由同一基片制成，方便加工，具体地光波导装置包括两个基片以及嵌设于两个基片之间的第一玻璃叠块12、第二玻璃叠块22和辅助玻璃叠块。

本实施例还提供了一种AR设备，其包括上述的光波导装置，通过第一结构波导片1和第二结构波导片2分别实现了第一方向和第二方向的扩瞳；通过设置耦入光机的出瞳与第二方向呈第三夹角设置，使第一结构波导片1相当于现有技术中如图3所示位于边界光线以内的结构，从而实现光线传输，其与现有技术相比减少了图3所示的边界光线以外的冗余结构，从而减小了光波导装置的体积；同时，减小了光线到达眼盒时穿过第一分束镜11的个数，提高了光波导装置的光能利用率；同时，压缩了第一结构波导片1的体积，减小了人眼实际位置与人眼最佳位置之间的偏差，改善人眼观察位置。另外，第一夹角与第二夹角的角度关系补偿了第一结构波导片1的夹角所带来的图像翻转，使其保持与现有技术相同的图像显示效果。

对于AR眼镜等AR设备，水平眼盒距离增大，能够满足更多用户需求，而竖直眼盒距离采用通用标准时即可满足用户需求，可选地，第一方向为水平方向，第二方向为竖直方向，且第二结构波导片2位于第一结构波导片1下侧，相对于现有技术减小了第一结构波导片1的结构体积，使光波导装置更紧凑，在能够得到较多的复制瞳，以满足不同用户需求，第二结构波导片2采用现有技术中的结构即可满足需求，即较少数量的第二分束镜21，能够满足用户对于复制瞳个数的需求。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光波导装置，其特征在于，包括：

第一结构波导片(1)，包括两个第一基片(13)以及嵌设于两个所述第一基片(13)之间的沿第一方向设置的若干第一分束镜(11)，所述第一分束镜(11)与第二方向呈第一夹角设置，所述第一夹角为α，其中，α＝45°-θ；

第二结构波导片(2)，包括两个第二基片(23)以及嵌设于两个所述第二基片(23)之间的沿第二方向设置的若干第二分束镜(21)，所述第二结构波导片(2)与所述第一结构波导片(1)沿第二方向设置，所述第二分束镜(21)与第一方向呈第二夹角设置，所述第二夹角为β，其中，β＝45°-θ；

耦入光机的出瞳(3)，其与所述第二方向呈第三夹角设置，所述第三夹角为θ。

2.根据权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，若干所述第一分束镜(11)平行间隔设置，若干所述第二分束镜(21)平行间隔设置。

3.根据权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，

所述第一结构波导片(1)包括沿所述第一方向依次粘接的若干第一玻璃叠块(12)，相邻两个所述第一玻璃叠块(12)的粘接面形成所述第一分束镜(11)；

所述第二结构波导片(2)包括沿第二方向依次粘接的若干第二玻璃叠块(22)，相邻两个所述第二玻璃叠块(22)的粘接面形成所述第二分束镜(21)。

4.根据权利要求3所述的光波导装置，其特征在于，若干所述第一玻璃叠块(12)沿所述第一方向的厚度均相同，所述第二玻璃叠块(22)沿所述第二方向的厚度均相同。

5.根据权利要求3所述的光波导装置，其特征在于，若干所述第一玻璃叠块(12)平行设置，若干所述第二玻璃叠块(22)平行设置。

6.根据权利要求1所述的光波导装置，其特征在于，位于一侧的所述第一基片(13)与所述第二基片(23)由同一基片制成，位于另一侧的所述第一基片(13)与所述第二基片(23)由同一基片制成。

7.根据权利要求6所述的光波导装置，其特征在于，所述光波导装置还包括辅助结构(4)，所述辅助结构(4)设置于所述第一结构波导片(1)沿所述第一方向的两侧。

8.根据权利要求7所述的光波导装置，其特征在于，所述辅助结构(4)包括两个第三基片、以及嵌设于两个所述第三基片之间辅助玻璃叠块，位于一侧的所述第一基片(13)与所述第三基片由同一基片制成，位于另一侧的所述第一基片(13)与所述第三基片由同一基片制成。

9.一种AR设备，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的光波导装置。

10.根据权利要求9所述的AR设备，其特征在于，第一方向为水平方向，第二方向为竖直方向，且第二结构波导片(2)位于所述第一结构波导片(1)下侧。

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