CN113900182A - 光学装置及头戴式显示设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种光学装置及头戴式显示设备，光学装置包括微像源、衍射光波导和四分之一波片，衍射光波导包括耦入光栅，微像源与耦入光栅间隔设置，四分之一波片位于微像源与耦入光栅之间；微像源发出的光线在耦入光栅处发生衍射，衍射后的部分光线依次在耦入光栅、微像源处发生反射并两次穿过四分之一波片；耦入光栅具有至少两个平行间隔设置的狭缝，四分之一波片的快轴与耦入光栅的狭缝长度方向成45°或135°夹角。通过上述方式，使得无论什么偏振状态的光线，经耦入光栅的0级反射的光线均能够两次穿过四分之一波片，进而使得光线的第一偏振状态与第二偏振状态的能量能够发生相互转化，进而实现不影响图像光强度的同时降低杂光的强度。

Description

光学装置及头戴式显示设备
技术领域
本申请涉及光学成像技术领域，具体是涉及一种光学装置及头戴式显示设备。
背景技术
AR(Augmented Reality，增强现实)是近年来广受关注的科技领域，而AR眼镜产品是增强现实主要实现方式之一。AR眼镜中的光学装置通常包括微像源和耦入光栅，微像源投射至耦入光栅的光线部分经耦入光栅发生正1级衍射，另一部分经耦入光栅的0级反射后重返微像源，并经微像源的表面再次反射形成杂光，这部分杂光会在用户看到的显示画面中形成二次成像。
发明内容
本申请提供一种能够消除杂光的光学装置及头戴式显示设备。
本申请提供了一种光学装置，包括：
微像源；
衍射光波导，所述衍射光波导包括耦入光栅；以及
四分之一波片，所述四分之一波片位于所述微像源与所述耦入光栅之间；
其中，所述微像源发出的光线在所述耦入光栅处发生衍射，衍射后的部分光线依次在所述耦入光栅、所述微像源处发生反射并两次穿过所述四分之一波片；所述耦入光栅具有至少两个平行间隔设置的狭缝，所述四分之一波片的快轴方向与所述耦入光栅的狭缝长度方向成45°或135°夹角。
本申请实施例提供的光学装置通过使经耦入光栅的0级反射的光线能够两次穿过四分之一波片且四分之一波片的快轴方向与耦入光栅的狭缝长度方向成45°或135°夹角，进而使得使得任意状态的光线，经耦入光栅21的0级反射的光线均能够两次穿过四分之一波片，进而使得光线的第一偏振状态与第二偏振状态的能量能够发生相互转化，进而实现不影响图像光强度的同时降低杂光的强度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的头戴式显示设备的立体图；
图2是相关技术中头戴式显示设备中光学装置的结构示意图；
图3是本申请一实施例中头戴式显示设备中光学装置的结构示意图；
图4是图3所示的光学装置中部分结构的结构示意图；
图5是图4所示的光学装置中部分结构一个变形的结构示意图；
图6是一光耀光栅第一偏振态光线与第二偏振态曲线正1级衍射效率曲线图；
图7是一光耀光栅第一偏振态光线与第二偏振态曲线0级反射效率曲线图；
图8是图4所示的光学装置中四分之一波片与耦入光栅的俯视示意图；
图9是本申请又一实施例中光学装置的结构示意图；
图10是图9所示的光学装置另一个变形的结构示意图；
图11是图9所示的光学装置还一个变形的结构示意图；
图12是图9所示的光学装置中偏振片与耦入光栅的俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本申请作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本申请，但不对本申请的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本申请的部分实施例而非全部实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
请参照图1，图1是本申请实施例提供的头戴式显示设备的立体图。本申请提供一种头戴式显示设备，头戴式显示设备可以为VR(Virtual Reality，虚拟现实)眼镜、AR(Augmented Reality，增强现实)眼镜等。本申请实施例中以AR眼镜为例进行描述。
在AR眼镜的示例中，眼镜可被配置成通过信号连接将数据传递到外部处理设备并从外部处理设备接收数据，信号连接可以是有线连接、无线连接或其组合。
然而，在其他情形中，头戴式显示设备可用作独立设备，即在头戴式显示设备自身进行数据处理。信号连接可以被配置成承载任何种类的数据，诸如图像数据(例如，静止图像和/或完全运动视频，包括2D和3D图像)、音频、多媒体、语音和/或任何其他类型的数据。外部处理设备可以是例如游戏控制台、个人计算机、平板计算机、智能电话或其他类型的处理设备。信号连接可以是例如通用串行总线(USB)连接、Wi-Fi连接、蓝牙或蓝牙低能量(BLE)连接、以太网连接、电缆连接、DSL连接、蜂窝连接(例如，3G、LTE/4G或5G)等或其组合。附加地，外部处理设备可以经由网络与一个或多个其他外部处理设备通信，网络可以是或包括例如局域网(LAN)、广域网(WAN)、内联网、城域网(MAN)、全球因特网或其组合。
头戴式显示设备可安装显示组件、光学器件、声学器件、传感器和处理器等。在AR眼镜的示例中，显示组件被设计成，例如，通过将光投影到用户眼睛中，在用户对其现实世界环境的视图上覆盖图像。头戴式显示设备还可包括环境光传感器，并且还可包括电子电路系统以控制上述部件中的至少一些并且执行相关联的数据处理功能。电子电路系统可包括例如一个或多个处理器和一个或多个存储器。
需要理解的是，在本文中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
头戴式显示设备1000可包括光学装置100、镜框200和固定结构300。其中，镜框200用于收容光学装置100，一方面实现对光学装置100的固定，另一方面可实现对光学装置100的定位，使其能够正对用户眼睛。固定结构300可以是镜腿，镜腿可与镜框200转动连接，既可方便用户使用头戴式显示设备1000，又使得头戴式显示设备1000易折叠；固定结构300还可以是弹性丝带，弹性丝带可与镜框200弹性连接，既可使固定结构300适应不同尺寸的头型，并且固定结构300可适应各种环境譬如奔跑、跳跃等，可可靠性好。
请参照图2，图2是相关技术中头戴式显示设备中光学装置的结构示意图。相关技术中，光学装置800可包括依次层叠设置的微像源801、投影物镜802和衍射光波导803。其中微像源801譬如Micro-LED显示屏可产生原始图像，投影物镜802可经微像源801产生的原始图像经过一定的规律(譬如准直)投射至衍射光波导803。衍射光波导803可包括耦入光栅8031、光波导板8032和耦出光栅8033，投影物镜802处理后的光线投射至耦入光栅8031并在耦入光栅8031处发生衍射，经耦入光栅8031衍射的光线在光波导板8032中以全反射的形式传播至耦出光栅8033，而耦出光栅8033本身可透过环境光线，从而实现增强现实的效果。但是，微像源801投射至耦入光栅8031的光线部分经耦入光栅8031正1级衍射进入光波导板8032；另一部分经耦入光栅8031的0级反射后重返微像源801，并经微像源801的表面再次反射后入射至光波导板8032中形成杂光，这部分杂光会在用户看到的显示画面中形成二次成像，也即用户会看到重影图像，影响用户的使用体验。
请参照图3至图5，图3是本申请一实施例中头戴式显示设备中光学装置的结构示意图，图4是图3所示的光学装置中部分结构的结构示意图，图5是图4所示的光学装置中部分结构一个变形的结构示意图。本申请实施例中，光学装置100可包括微像源10、衍射光波导20和四分之一波片30。其中，微像源10、衍射光波导20间隔设置，四分之一波片30位于微像源10与耦入光栅21之间，衍射光波导20可包括耦入光栅21、光波导板22和耦出光栅23，微像源10的光线可穿过四分之一玻片30并投射至耦入光栅21上，部分光线经耦入光栅21衍射后可在光波导板22中以全反射的形式传至耦出光栅23，而耦出光栅23本身可透过环境光线，从而实现增强现实的效果；另外一部分光线在耦入光栅21出发生反射后穿过四分之一波片30后抵达微像源10，并可在微像源10与耦入光栅21之间进行二次或者多次反射。
其中，四分之一波片30可用于将光学装置100发出的线偏振光转换成圆偏振光或者椭圆偏振光，或者将圆偏振光或者椭圆偏振光转换成线偏振光，以用于削弱入射至光波导板22中的杂光。
其中，本实施例中，耦入光栅21为衍射光栅，耦入光栅21包括至少两个平行间隔设置的狭缝201，以使光线穿过所述狭缝201发生衍射。在其他实施例中，耦入光栅21还可以是全息光栅、棱镜结构、全息反射器阵列等，在此不做具体限制。
本实施例中，微像源10为朗伯光源，以使微像源10各方向的辐射亮度不变。耦出光栅23贴合于光波导固定耦入光栅21的表面。光波导板22的一侧表面与耦入光栅21贴合固定。光波导板22位于耦入光栅21朝向微像源10的表面或者光波导板22位于耦入光栅21背离微像源10的表面。
当光波导板22位于耦入光栅21朝向微像源10的表面时，微像源10透射的光线穿过耦入光线的狭缝201并传递至光波导板22中并能在光波导板22中发生全反射后经耦出光栅23经光线耦出到至空气中，从而射入用户眼中，使人眼看到虚拟影像，而耦出光栅23区域本身又可以透过环境光线，从而实现增强现实的效果。
当光波导板22位于耦入光栅21背离微像源10的表面时，微像源10透射的光线穿过光波导板22后经耦入光线的狭缝201衍射，并能在光波导板22中发生全反射后经耦出光栅23经光线耦出到至空气中，从而射入用户眼中，使人眼看到虚拟影像，而耦出光栅23区域本身又可以透过环境光线，从而实现增强现实的效果。
光学装置100还可包括投影物镜40，投影物镜40位于微像源10与四分之一波片30或者四分之一波片30与耦入光栅21之间，用于准直微像源10发出的光线。
具体地，由于不同类型的微像源10发出的光线的偏振态不一定，因此本申请实施例并不限定微像源10光线的传播状态具体是什么偏振态。无论微像源发出的光线是什么偏振状态，微像源10发出的光线总可正交分解为TE偏振态(第一偏振态)光线和TM偏振态(第二偏振态)光线两种，其中第一偏振态光线与第二偏振态光线的比例大致均衡。第一偏振态光线与第二偏振态光线均平行于耦入光栅21所在的平面，且第一偏振态为电场分量平行于耦入光栅21的狭缝201长度方向的偏振态，第二偏振态为电场分量垂直于耦入光栅21的狭缝201长度方向的的偏振态。
需要说明的是，本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，“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。
请参照图6和图7，图6是一光耀光栅第一偏振态光线与第二偏振态曲线正1级衍射效率曲线图，图7是一光耀光栅第一偏振态光线与第二偏振态曲线0级反射效率曲线图。从图6和图7中可以看出，耦入光栅21对第一偏振态光线的正1级衍射效率远大于第二偏振态光线的衍射效率。也即，相同比例的第一偏振态光线和第二偏振态光线经耦入光栅21的0级反射后的光线中，第一偏振态的光线占据绝大部分。随后，第一偏振态的光线依次穿过四分之一波片30抵达微像源10表面、经微像源10表面反射后再次穿过四分之一波片30后转变为第二偏振态的光线。由上图可知，耦入光栅21对第二偏振态的光线衍射效率较低，如此设置，可在不影响图像光强度的同时降低杂光的强度。
也即，经耦入光栅21的0级反射后的光线中，第一偏振态的光线占据绝大部分，且经经耦入光栅21的0级反射后的第一偏振态的光线经过四分之一波片并由光源表面反射再次经过四分之一波片后(也即经耦入光栅21的0级反射后的光线两次穿过四分之一波片)，第一偏振态的光线转变为第二偏振态的光线，且能量发生互换。由图6和图7可知，耦入光栅21对第二偏振方向的光线衍射效率较低，如此设置，可在不影响图像光强度的同时降低杂光的强度。
具体地，设微像源10发生的光线的光能量为E0，耦入光栅21对第一偏振态的光线的正1级衍射效率分别为TE1，耦入光栅21对第二偏振态的光线的正1级衍射效率为TM1；耦入光栅21对第一偏振态的光线的0级反射效率为TE0，耦入光栅21对第二偏振态的光线的0级反射效率TM0，微像源10表面反射率为R。
可以理解地，相关技术中光学装置100未设置四分之一波片30时，经耦入光栅21耦入到光波导板22中的杂光效率为：
Figure BDA0003303976170000071
请一并参照图8，图8是图4所示的光学装置中四分之一波片与耦入光栅的俯视示意图。本实施例中，光学装置100包括四分之一波片30且四分之一波片30的快轴a1方向与耦入光栅21的狭缝201长度方向呈45°或者135°。可以理解地，四分之一波片30的快轴a1方向与耦入光栅21的狭缝201长度方向呈45°或者135°，线偏振光可转换为圆偏振光或者圆偏振光可转化为线偏振光。
具体地，微像源10发出的光线可正交分解为TE偏振态(第一偏振态)光线和TM偏振态(第二偏振态)光线两种。第一偏振态光线与第二偏振态光线首先穿过投影物镜40和四分之一波片30后分别转化为第一圆偏振态光线和第二圆偏振态光线。耦入光栅21对第一圆偏振态光线的正1级衍射效率远大于第二圆偏振态光线的衍射效率。也即，相同比例的第一圆偏振态光线和第二圆偏振态光线经耦入光栅21的0级反射后的光线中，第一圆偏振态的光线占据绝大部分。随后，第一圆偏振态的光线依次穿过四分之一波片30抵达微像源10表面(也即光线第二次穿过四分之一波片30)、经微像源10表面反射后再次穿过四分之一波片30(也即微像源发出的光线第三次穿过四分之一波片30，经耦入光栅21的0级反射后的光线第二次穿过四分之一波片)后转变为第二圆偏振态的光线。由上图可知，耦入光栅21对第二偏振态的正1级光线衍射效率较低，如此设置，可在不影响图像光强度的同时降低杂光的强度。具体地，经耦入光栅21耦入到光波导板22中的杂光效率为：
Figure BDA0003303976170000081
那么加入四分之一波片30前后效率比为：
Figure BDA0003303976170000082
拿图5中的数据进行计算，
Figure BDA0003303976170000083
这也就是说，在加入四分之一波片30后，杂光强度降低了约30％。
本申请实施例提供的光学装置100通过使经耦入光栅21的0级反射的光线能够两次穿过四分之一波片30且四分之一波片30的快轴a1方向与耦入光栅21的狭缝201长度方向成45°或135°夹角，进而使得无论什么偏振状态的光线，经耦入光栅21的0级反射的光线均能够两次穿过四分之一波片，进而使得光线的第一偏振状态与第二偏振状态的能量能够发生相互转化，由于耦入光栅对第一偏振态光线的正1级衍射效率远大于第二偏振态光线的衍射效率，进而实现不影响图像光强度的同时降低杂光的强度。
请参照图9至图11，图9是本申请又一实施例中光学装置的结构示意图，图10是图9所示的光学装置另一个变形的结构示意图，图11是图9所示的光学装置还一个变形的结构示意图。在另一个实施例中，光学装置100可包括微像源10、衍射光波导20、四分之一波片30和偏振片50。其中，微像源10和衍射光波导20间隔设置，衍射光波导20可包括耦入光栅21、光波导板22和耦出光栅23，微像源10的光线投射至耦入光栅21并在耦入光栅21处发生衍射，经耦入光栅21衍射的光线在光波导板22中以全反射的形式传播至耦出光栅23，而耦出光栅23本身可透过环境光线，从而实现增强现实的效果；另外一部分光线在耦入光栅21出发生反射后抵达微像源10，并可在微像源10与耦入光栅21之间进行二次或者多次反射。
其中，四分之一波片30位于微像源10与耦入光栅21之间，四分之一波片30可用于将光学装置100发出的线偏振光转换成圆偏振光或者椭圆偏振光，或者将圆偏振光或者椭圆偏振光转换成线偏振光，以用于削弱入射至光波导板22中的杂光。其中，耦入光栅21包括至少两个平行间隔设置的狭缝201。
偏振片50可位于四分之一波片30与耦入光栅21之间任一位置，用于过滤沿偏振片50偏振方向的光线(也即第二偏振态光线)。其中，所述偏振片50可为偏振玻璃、偏振分光棱镜或者粘贴在四分之一波片30与耦入光栅21之间任意光学表面的偏振膜。譬如，当偏振片50为偏振膜时，偏振片50可贴合于四分之一波片30朝向衍射光波导20的表面或者耦入光栅21朝向微像源10的表面，以使偏振片50总位于四分之一波片30与耦入光栅21之间。
由于不同类型的微像源10发出的光线的偏振态不一定，因此本申请实施例并不限定微像源10光线的传播状态具体是什么偏振态。无论微像源发出的光线是什么偏振状态，微像源10发出的光线总可正交分解为TE偏振态(第一偏振态)光线和TM偏振态(第二偏振态)光线两种，其中第一偏振态光线与第二偏振态光线的比例大致均衡。偏振片50的偏振方向与耦入光栅21的狭缝201长度方向成90°夹角，以使偏振片50能够完全过滤第二偏振态光线，仅使第一偏振态光线通过。
具体地，第一偏振态光线与第二偏振态光线首先依次穿过四分之一波片30和偏振片50(第一次穿过偏振片50)后，第一偏振态光光线可直接穿过，第二偏振态光线被完全过滤吸收。第一偏振态光线经耦入光栅21的0级反射后可先穿过偏振片50(第二次穿过偏振片50)，然后依次穿过四分之一波片30抵达微像源10表面、经微像源10表面反射后再次穿过四分之一波片30后转变为第二偏振态的光线，第二偏振态的光线被偏振片50(也即微像源发出的光线第三次穿过四分之一波片30，经耦入光栅21的0级反射后的光线第二次穿过四分之一波片)过滤吸收，进而达到完全消除杂光的目的。
可选地，光学装置100还可包括投影物镜40，投影物镜40可位于偏振片50与耦入光栅21之间(如图9所示)、四分之一波片30与偏振片50之间(如图10所示)或者微像源10与四分之一波片30之间(如图11所示)，用于准直微像源10发出的光线。
本实施例中，通过偏振片50与波片平行间隔设置且偏振片50的透光轴a2方向与耦入光栅21的狭缝201长度方向成90°夹角、四分之一波片30的快轴a1方向与耦入光栅21的狭缝201长度方向成45°或135°夹角，使得偏振片50能够直接过滤吸收微像源10中的第二偏振态光线以及两次经四分之一波片30的第一偏振态光线转化形成的第二偏振态光线，进而达到完全消除杂光的目的。
以上仅为本申请的部分实施例，并非因此限制本申请的保护范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学装置，其特征在于，包括：
微像源；
衍射光波导，所述衍射光波导包括耦入光栅；以及
四分之一波片，所述四分之一波片位于所述微像源与所述耦入光栅之间；
其中，所述微像源发出的光线在所述耦入光栅处发生衍射，衍射后的部分光线依次在所述耦入光栅、所述微像源处发生反射并两次穿过所述四分之一波片；
所述耦入光栅具有至少两个平行设置的狭缝，所述四分之一波片的快轴方向与所述耦入光栅的狭缝长度方向成45°或135°夹角。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置还包括偏振片，所述偏振片位于四分之一波片与耦入光栅之间。
3.根据权利要求2所述的光学装置，其特征在于，所述偏振片的透光轴方向与所述耦入光栅的狭缝长度方向成90°夹角。
4.根据权利要求2-3任一项所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置还包括投影物镜，所述投影物镜位于所述微像源与所述耦入光栅之间任一位置。
5.根据权利要求2-3任一项所述的光学装置，其特征在于，所述四分之一波片、所述偏振片与所述耦入光栅平行设置。
6.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置还包括光波导板，所述光波导板位于所述耦入光栅朝向所述微像源的表面。
7.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置还包括光波导板，所述光波导板位于所述耦入光栅背离所述微像源的表面。
8.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述微像源为朗伯光源。
9.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述耦入光栅是衍射光栅。
10.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括根据权利要求1-9任一项所述的光学装置。
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