CN114236852A - 一种光学显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学显示装置，耦合装置将图像产生装置输出的光耦合入光学扩展波导。光学扩展波导至少包括第一反射面阵列和第二反射面阵列，进入光学扩展波导的光依次通过第一反射面阵列、第二反射面阵列，每一反射面阵列用于使得通过光学扩展波导传播的光在一维方向扩展，以实现进入光学扩展波导的光在二维方向扩展，并向光学扩展波导外发射出光以形成像。其中，第一反射面阵列的第一反射面和第二反射面阵列的第二反射面中至少一者的至少局部为曲面，以通过第一反射面或/和第二反射面改变光的出射角度，使得由光学扩展波导发射出的光所成像的像距满足预设要求。因此，本发明能够改变所成像的像距，能够适用于非正常视力的用户，并且结构轻薄。

Description

一种光学显示装置
技术领域
本发明涉及光学器件领域，特别是涉及一种光学显示装置。
背景技术
近眼显示是现今广受关注的科技领域，其光学系统包括微显示器和光学元件。目前，市场上关于近眼显示的光学方案更是百家争鸣。
其中，阵列波导方案采用半透半反光学面实现对光的扩展和出瞳，依据入射角等于反射角的反射定律，对构成全彩显示的三原色入射光无色散作用，从而可以保证所成图像无明显的颜色偏差，能够满足显示装置最基本的要求，且对于优化头戴的设计和美化外观有明显的优势。
然而，由于该方案成像于无穷远处的特性，应用该方案的显示装置适用于视力在1.2左右的人群，而一般人群(包括视力矫正)的视力在1.0左右，为此在使用此类显示装置时，佩戴者无法观看到清晰、良好的图像，给用户造成很大困扰。为了解决这一问题，主流方案是采用外部器件辅助调节，这样不仅增加了显示装置的体积和重量，还会降低用户的舒适度和观感体验。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种光学显示装置，能够改变所成像的像距，能够适用于非正常视力的用户，并且结构轻薄。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种光学显示装置，包括图像产生装置、耦合装置和光学扩展波导，所述耦合装置与所述图像产生装置对应，用于将所述图像产生装置输出的光耦合入所述光学扩展波导；
所述光学扩展波导至少包括第一反射面阵列和第二反射面阵列，进入所述光学扩展波导的光依次通过所述第一反射面阵列、所述第二反射面阵列，所述第一反射面阵列和所述第二反射面阵列的每一反射面阵列用于使得通过所述光学扩展波导传播的光在一维方向扩展，以实现进入所述光学扩展波导的光在二维方向扩展，并向所述光学扩展波导外发射出光以形成像；
所述第一反射面阵列的第一反射面和所述第二反射面阵列的第二反射面中，至少一者的至少局部为曲面，使得由所述光学扩展波导发射出的光所成像的像距满足预设要求。
优选的，所述第一反射面阵列的第一反射面的至少局部为曲面，所述第一反射面使得被所述第一反射面反射的光发散；
或者，所述第二反射面阵列的第二反射面的至少局部为曲面，所述第二反射面使得被所述第二反射面反射的光发散。
优选的，所述第一反射面阵列用于使得通过所述光学扩展波导传播的光在第一维方向扩展，各个所述第一反射面分别相对于所述第一维方向形成倾斜角。
优选的，所述光学扩展波导包括第一波导基体，所述第一反射面阵列设置于所述第一波导基体内，所述第一波导基体至少包括第一组相对表面，进入所述第一波导基体的光在所述第一组相对表面的每一表面发生反射而向前传播。
优选的，所述第一组相对表面的至少一表面的至少局部为曲面，以改变该表面的反射光入射到所述第一反射面的入射角度，以辅助实现由所述光学扩展波导发射出的光所成像的像距满足预设要求。
优选的，所述第一组相对表面的至少一表面使得该表面的反射光发散。
优选的，所述光学扩展波导包括第二波导基体，所述第二反射面阵列设置于所述第二波导基体内，所述第二波导基体至少包括第三组相对表面，进入所述第二波导基体的光在所述第三组相对表面的每一表面发生反射而向前传播。
优选的，各个所述第二反射面分别相对于所述第三组相对表面的任一表面形成倾斜角。
优选的，所述第二反射面相对于所述第三组相对表面中的作为耦出面的一表面形成的倾斜角大于0°小于等于45°，其中，以所述第二反射面相对于一表面沿逆时针方向转动时，所述第二反射面相对于该表面形成的倾斜角为正。
优选的，所述第三组相对表面的至少一表面的至少局部为曲面，以改变该表面的反射光入射到所述第二反射面的入射角度，以辅助实现由所述光学扩展波导发射出的光所成像的像距满足预设要求。
优选的，所述第三组相对表面的至少一表面使得被该表面反射的光发散。
优选的，所述光学扩展波导包括第一波导基体和第二波导基体，所述第一反射面阵列设置于所述第一波导基体内，所述第二反射面阵列设置于所述第二波导基体内；
所述第一波导基体还包括使所述第一反射面的反射光发射到所述第一波导基体之外的第一耦出面，所述第二波导基体还包括使所述第一波导基体发射出的光进入所述第二波导基体的第二耦入面，所述第一耦出面和所述第二耦入面光学同轴。
优选的，所述耦合装置用于将所述图像产生装置输出的光分成偏振态不同的第一光束和第二光束，并使得第一光束、第二光束分别耦合入所述光学扩展波导。
优选的，所述耦合装置包括偏振分光组件、光转化组件、准直组件和分光选择组件，所述偏振分光组件用于将所述图像产生装置输出的光进行偏振分光，所述光转化组件用于实现两种不同偏振态光相互转化，所述准直组件用于对光进行准直，使光能量分布均匀，所述分光选择组件用于将通过所述分光选择组件的光中对应偏振态的光入射到所述光学扩展波导。
由上述技术方案可知，本发明所提供的一种光学显示装置，其中，耦合装置将图像产生装置输出的光耦合入光学扩展波导。光学扩展波导至少包括第一反射面阵列和第二反射面阵列，进入光学扩展波导的光依次通过第一反射面阵列、第二反射面阵列，每一反射面阵列用于使得通过光学扩展波导传播的光在一维方向扩展，以实现进入光学扩展波导的光在二维方向扩展，并向光学扩展波导外发射出光以形成像。其中，第一反射面阵列的第一反射面和第二反射面阵列的第二反射面中，至少一者的至少局部为曲面，以通过第一反射面或/和第二反射面改变光的出射角度，使得由光学扩展波导发射出的光所成像的像距满足预设要求。因此，本发明的光学显示装置能够改变所成像的像距，能够适用于非正常视力的用户，并且结构轻薄。
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获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的光学显示装置中耦合装置将图像产生装置输出光耦合入光学扩展波导的光线传播示意图；
图2为本发明一实施例中在第一反射面的光线传播示意图；
图3-1为图3-2所示光学扩展波导的左视图；
图3-2为本发明一实施例提供的光学扩展波导的主视图；
图4为本发明一实施例中第一波导基体的光线传播示意图；
图5为本发明一实施例中在第一组相对表面的一表面和第一反射面的光线传播示意图；
图6为本发明一实施例中第二波导基体的光线传播示意图；
图7为本发明一实施例中在第二波导基体中光线传播对应形成有效通光口径的示意图；
图8为本发明一实施例中任一波导基体采用曲面的反射面和表面的结构参数示意图；
图9-1为本发明实施例的任一波导基体相对表面的任一表面采用的一种曲面示意图；
图9-2为本发明实施例的任一波导基体相对表面的任一表面采用的又一种曲面示意图；
图10-1至图10-4分别为本发明实施例的第一波导基体的第一耦出面和第二波导基体的第二耦入面的四种实施方式示意图；
图11-1至图11-3分别为本发明实施例的第一波导基体和第二波导基体布置位置的三种实施方式示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种光学显示装置，包括图像产生装置、耦合装置和光学扩展波导，所述耦合装置与所述图像产生装置对应，用于将所述图像产生装置输出的光耦合入所述光学扩展波导；
所述光学扩展波导至少包括第一反射面阵列和第二反射面阵列，进入所述光学扩展波导的光依次通过所述第一反射面阵列、所述第二反射面阵列，所述第一反射面阵列和所述第二反射面阵列的每一反射面阵列用于使得通过所述光学扩展波导传播的光在一维方向扩展，以实现进入所述光学扩展波导的光在二维方向扩展，并向所述光学扩展波导外发射出光以形成像；
所述第一反射面阵列的第一反射面和所述第二反射面阵列的第二反射面中，至少一者的至少局部为曲面，使得由所述光学扩展波导发射出的光所成像的像距满足预设要求。
进入光学扩展波导的光通过光学扩展波导传播，依次通过第一反射面阵列、第二反射面阵列，实现了进入光学扩展波导的光在二维方向扩展，并向光学扩展波导外发射出光。出射光进入用户眼睛，从而用户能够观看到图像。
由光学扩展波导发射出的光所成像的像距是指由光学扩展波导发射出的光形成的像，对应的虚像到观看位置的距离。
其中，若第一反射面至少局部为曲面，通过曲面能够改变光在第一反射面的反射角度，能够改变光从光学扩展波导发射出的出射角度。若第二反射面至少局部为曲面，通过曲面能够改变光在第二反射面的反射角度，能够改变光从光学扩展波导发射出的出射角度。因此，通过第一反射面和第二反射面中至少一者采用曲面，光学扩展波导能够改变发射出光的出射角度，改变本光学显示装置输出光所成像的像距，使所成像的像距满足预设要求。
因此，本实施例的光学显示装置能够改变所成像的像距，能够适用于非正常视力的用户，使非正常视力的用户能够观看到清晰、良好的图像，并且本实施例的光学显示装置中光学扩展波导结构轻薄。
图像产生装置用于输出携带图像信息的光。本实施例中，对图像产生装置的类型、结构不做具体限定。优选的，考虑光学显示装置整体的重量以及体积，图像产生装置可采用微型化的显示芯片，可采用但不限于硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LOCS)显示屏幕、液晶(Liquid Crystal Display，LCD)显示屏幕、有机电激光(Organic Light-EmittingDiode，OLED)显示屏幕、MicroLED显示屏幕、miniLED显示屏幕或者数字光处理(DigitalLight Processing，DLP)显示屏幕。
在实际应用中，根据不同的应用场景，在考虑头戴显示装置的轻量化和微型化的同时，还需权衡图像源各点亮度的均匀性、输出光效、亮度要求以及分辨率与尺寸的限制等因素，选择体积合适、亮度均匀、分辨率高的图像产生装置。
优选的，耦合装置用于将所述图像产生装置输出的光分成偏振态不同的第一光束和第二光束，并使得第一光束、第二光束分别耦合入所述光学扩展波导。通过耦合装置将图像产生装置输出光进行偏振分光，分别耦合入光学扩展波导内以通过光学扩展波导进行传播和扩展，有助于使得输出的光所形成图像的亮度均匀。
可选的，耦合装置可包括偏振分光组件、光转化组件、准直组件和分光选择组件，所述偏振分光组件用于将所述图像产生装置输出的光进行偏振分光，所述光转化组件用于实现两种不同偏振态光相互转化，所述准直组件用于对光进行准直，使光能量分布均匀，所述分光选择组件用于将通过所述分光选择组件的光中对应偏振态的光入射到所述光学扩展波导。从而，通过耦合装置将图像产生装置输出光进行偏振分光，分别耦合入光学扩展波导内，并且使得分别耦合入光学扩展波导的各部分光能量分布均匀。
本实施例中，对耦合装置的具体光学结构不做限定，能够实现将图像产生装置输出的光耦合入光学扩展波导即可。示例性的可参考图1，图1为一实施例提供的光学显示装置中耦合装置将图像产生装置输出光耦合入光学扩展波导的光线传播示意图。如图所示，耦合装置301包括偏振分光组件401、第一光转化组件402、第一准直组件403、第二光转化组件404、第二准直组件405、第一分光选择组件406和第二分光选择组件407。
偏振分光组件401将图像产生装置300的输出光分成第一偏振态光和第二偏振态光，第一偏振态光被反射而依次通过第一光转化组件402和第一准直组件403，第一准直组件403对光进行准直并反射，使这部分光两次通过第一光转化组件402后转换成第二偏振态光。转换形成的第二偏振态光透射过偏振分光组件401，入射到第一分光选择组件406时被反射进入光学扩展波导302。
偏振分光组件401分出的第二偏振态光透射而依次入射到第二光转化组件404和第二准直组件405，第二准直组件405对光进行准直并反射，使这部分光两次通过第二光转化组件404后转换成第一偏振态光。转换形成的第一偏振态光通过偏振分光组件401时被反射，入射到第二分光选择组件407时被反射进入光学扩展波导302。其中，第一偏振态光和第二偏振态光的振动方向相互垂直，可以分别是P光和S光。
需要说明的是，图1所示的耦合装置仅作为一种实施方式举例说明，在其它实施方式中，耦合装置可以采用其它光学结构，也都在本发明保护范围内。
下面对本光学显示装置的光学扩展波导的实施方式进行说明。
若第一反射面阵列的第一反射面至少局部为曲面，本实施例中，对第一反射面包含的曲面形状、曲面面积大小不做具体限定，只要能够改变由光学扩展波导发射出的光的出射角度，使由光学扩展波导发射出的光所成像的像距满足预设要求即可。第一反射面包含的曲面可以是固定曲率的曲面或者自由曲面。可选的，第一反射面采用曲面，可以使被第一反射面反射的光发散或者可以使被第一反射面反射的光会聚。
若第二反射面阵列的第二反射面至少局部为曲面，本实施例中，对第二反射面包含的曲面形状、曲面面积大小不做具体限定，只要能够改变由光学扩展波导发射出的光的出射角度，使由光学扩展波导发射出的光所成像的像距满足预设要求即可。第二反射面包含的曲面可以是固定曲率的曲面或者自由曲面。可选的，第二反射面采用曲面，可以使被第二反射面反射的光发散或者可以使被第二反射面反射的光会聚。
示例性的请参考图2所示，图2为一实施例中在第一反射面的光线传播示意图，如图所示，被波导表面100反射的光线L1和光线L2分别入射到第一反射面101，第一反射面101为曲面。经过第一反射面101形成反射光线L1′和L2′。与光线L1和L2经过第一反射面101的参考平面102反射相比，经过第一反射面101的参考平面102形成反射光线L1″和L2″，反射光线L1′和L2′变得发散。这样使得由光学扩展波导发射出的光所成像的像距减小。对于非正常视力的用户，所成像能够会聚在非正常视力用户的视网膜上。
上述基于图2，以在第一反射面的光线传播为例，说明了第一反射面采用曲面实现改变像距的原理，同理的，第二反射面采用曲面实现改变像距也是依据上述原理。
第一反射面阵列用于使得通过所述光学扩展波导传播的光在第一维方向扩展，各个所述第一反射面分别相对于所述第一维方向形成倾斜角。第一反射面相对于第一维方向形成倾斜角是指第一反射面的弦与第一维方向不平行且不垂直。相应的，第一反射面相对于第一维方向形成的倾斜角是指第一反射面的弦与第一维方向之间的夹角。通过光学扩展波导传播的光入射到第一反射面时，一部分光能量透射过第一反射面继续传播，一部分光能量被反射，从而第一反射面阵列使得通过光学扩展波导传播的光在第一维方向扩展。
本实施例中，对第一反射面分别相对于第一维方向形成倾斜角的角度大小不做限定，能够实现将光学扩展波导传播的光在第一维方向扩展即可。在实际应用中，可以根据光学扩展波导的尺寸、对光在第一维方向的扩展要求进行设置，优选在满足对光的扩展要求下使光学扩展波导结构轻薄。
第一反射面在与第一维方向平行的平面上的投影面，其中该与第一维方向平行的平面位于第一反射面反射出光的一侧，决定了光学扩展波导输出光在第一维方向的通光口径。对于光学显示装置，光学扩展波导输出光在第一维方向的通光口径需要保证来自图像产生装置的图像可以完全得到扩展，即光学扩展波导输出光所成像包含图像在第一维方向的完整信息。
可选的，光学扩展波导可包括第一波导基体，所述第一反射面阵列设置于所述第一波导基体内，所述第一波导基体至少包括第一组相对表面，进入所述第一波导基体的光在所述第一组相对表面的每一表面发生反射而向前传播。具体的，光入射到第一组相对表面的每一表面满足全反射条件。第一组相对表面可以相互平行或者可以不平行，只要能够使得光经过第一组相对表面的每一表面发生反射而向前传播即可。
优选的，第一波导基体还可包括第二组相对表面，第二组相对表面和第一组相对表面形成闭合截面，进入第一波导基体的光在第一组相对表面和第二组相对表面的每一表面发生反射而向前传播。具体的，光入射到第二组相对表面的每一表面满足全反射条件。第二组相对表面可以相互平行或者可以不平行，只要能够使得光经过第二组相对表面的每一表面发生反射而向前传播即可。
示例性的请结合参考图3-1、图3-2和图4，图3-1为图3-2所示光学扩展波导的左视图，图3-2为一实施例提供的光学扩展波导的主视图，图4为一实施例中第一波导基体的光线传播示意图。如图所示，进入第一波导基体1的光在第一波导基体1的四个表面1-A、1-B、1--C和1-D形成的截面内，会在各个表面进行反射而向前传播。在传播过程中遇到第一反射面101时，以一定的能量比例反射一部分光能量，使光耦合入第二波导基体2内。
在图4所示的第一波导基体1中，是以第一组相对表面1-A和1-B相互平行以及第二组相对表面1--C和1-D相互平行为例进行说明的，可以理解的是，图4所示仅是举例说明。在其它实施方式中，第一组相对表面可以不平行，第二组相对表面可以不平行。
在一种优选实施方式中，第一组相对表面的至少一表面的至少局部为曲面，以改变该表面的反射光入射到所述第一反射面的入射角度，以辅助实现由所述光学扩展波导发射出的光所成像的像距满足预设要求。第一组相对表面的至少一表面的至少局部为曲面，能够改变光经过该表面后的反射角度，可以改变该表面的反射光入射到第一反射面的入射角度，从而与采用曲面的第一反射面或者采用曲面的第二反射面相结合，辅助改变本光学扩展波导发射出的光所成像的像距。
本实施例中，对第一组相对表面的任一表面包含的曲面形状、曲面面积大小不做具体限定，只要能够改变由光学扩展波导发射出的光的出射角度，使由光学扩展波导发射出的光所成像的像距满足预设要求即可。第一组相对表面的任一表面包含的曲面可以是固定曲率的曲面或者自由曲面。可选的，第一组相对表面的任一表面包含的曲面可以使该表面的反射光发散或者可以使该表面的反射光会聚。
示例性的请参考图5所示，图5为一实施例中在第一组相对表面的一表面和第一反射面的光线传播示意图，如图所示，表面100为第一波导基体1的第一组相对表面的任一表面，表面100为曲面(其参考平面为表面103)，使得入射光线L3和L4在表面100的反射光线变得发散，使得光线经过第一反射面101反射后的反射光线L3′和L4′变得发散，使得最终由光学扩展波导发射出的光所成像的像距减小。
可选的，光学扩展波导可包括第二波导基体，所述第二反射面阵列设置于所述第二波导基体内，所述第二波导基体至少包括第三组相对表面，进入所述第二波导基体的光在所述第三组相对表面的每一表面发生反射而向前传播。具体的，光入射到第三组相对表面的每一表面满足全反射条件。第三组相对表面可以相互平行或者可以不平行，只要能够使得光经过第三组相对表面的每一表面发生反射而向前传播即可。
可选的，各个第二反射面分别相对于第三组相对表面的任一表面形成倾斜角。第二反射面相对于一表面形成倾斜角是指第二反射面的弦与该表面不平行且不垂直。相应的，第二反射面相对于一表面形成的倾斜角是指第二反射面的弦与该表面之间的夹角；若一表面为曲面，则第二反射面相对于该表面形成的倾斜角是指第二反射面的弦与该表面的炫之间的夹角。通过第二波导基体传播的光入射到第二反射面时，一部分光能量透射过第二反射面继续传播，一部分光能量被反射，向第二波导基体外发射出，从而形成光学扩展波导的出射光。
示例性的请结合参考图3-1、图3-2和图6，图6为一实施例中第二波导基体的光线传播示意图。如图所示，由第一波导基体1耦合进入第二波导基体2的光可以在第二波导基体2的表面2-A和2-B进行反射而向前传播，在传播过程中遇到第二反射面201时，以一定的能量比例反射一部分光能量，使一部分光向第二波导基体2外发射出。
本实施例中，对各个第二反射面分别相对于第三组相对表面的任一表面形成倾斜角的角度大小不做限定，能够实现第二波导基体内传播的光入射到第二反射面时使至少部分光反射向第二波导基体外发射出即可。在实际应用中，可以根据第一波导基体的尺寸、第二波导基体的尺寸、对光在第二维方向的扩展要求进行设置。
示例性的参考图7所示，图7为一实施例中在第二波导基体中光线传播对应形成有效通光口径的示意图，通过第二波导基体2传播的光分别遇到各个第二反射面S1、S2、S3、S4和S5会发生反射，使至少部分光向第二波导基体2外发射出。各个第二反射面S1、S2、S3、S4和S5在表面2-A的总投影面S，决定了本光学扩展波导的有效通光口径。对于光学显示装置，光学扩展波导的有效通光口径需要保证来自图像源的图像可以完全得到扩展，即光学扩展波导输出光所成像包含图像在第一维方向以及第二维方向的完整信息。
优选的，第二反射面相对于第三组相对表面中的作为耦出面的一表面形成的倾斜角大于0°小于等于45°，可表示为0°<β≤45°其中，以所述第二反射面相对于一表面沿逆时针方向转动时，所述第二反射面相对于该表面形成的倾斜角为正。第三组相对表面中的作为耦出面的一表面是指被第二反射面反射的光通过该表面向第二波导基体外发射出。这样通过第二反射面使光得到扩展，同时可以减小第二波导基体的厚度，可以使整个波导轻薄。
在一种优选实施方式中，第三组相对表面的至少一表面的至少局部为曲面，以改变该表面的反射光入射到所述第二反射面的入射角度，以辅助实现由所述光学扩展波导发射出的光所成像的像距满足预设要求。第三组相对表面的至少一表面的至少局部为曲面，能够改变光经过该表面后的反射角度，可以改变该表面的反射光入射到第二反射面的入射角度，从而与采用曲面的第一反射面或者采用曲面的第二反射面相结合，实现改变本光学扩展波导发射出的光所成像的像距。
本实施例中，对第三组相对表面的任一表面包含的曲面形状、曲面面积大小不做具体限定，只要能够改变由光学扩展波导发射出的光的出射角度，使由光学扩展波导发射出的光所成像的像距满足预设要求即可。第三组相对表面的任一表面包含的曲面可以是固定曲率的曲面或者自由曲面。可选的，第三组相对表面的任一表面包含的曲面可以使该表面的反射光发散或者可以使该表面的反射光会聚。
在进行光学设计时，为了使所成图像的分辨率、对比度或者清晰度等满足要求，若第一波导基体的第一反射面采用曲面以及第一组相对表面的至少一表面采用曲面，第一波导基体的第一反射面和第一组相对表面的任一表面的曲面参数应满足一定关系。若第二波导基体的第二反射面采用曲面以及第三组相对表面的至少一表面采用曲面，第二波导基体的第二反射面和第三组相对表面的任一表面的曲面参数应满足一定关系。请结合参考图8，图8为一实施例中任一波导基体的采用曲面的反射面和表面的结构参数示意图，以轴上物点发出的经过准直的主轴光束为参考进行光学设计，当主轴光束垂直入射到波导基体的耦合输入面时，各参数的相应关系为：
αR2＝αR1-βo；
αR1＝π/2-βi；
其中，βi表示耦合输入面和波导基体表面的水平参考面的夹角，βo表示曲面反射面的弦所在平面和波导基体表面的水平参考面的夹角，αR1表示主轴光线和波导基体表面的水平参考面法线的夹角，αR2表示主轴光线和耦合输出面的参考面法线的夹角。
hs＝hr＝N*(λ/2)；
Hr＝H/(sin(βo))；
Hs＝H/(tan(βo))；
其中，hs表示单个反射面对应的曲面波导的局部曲面矢高，Hs表示单个反射面对应的曲面波导的局部弦长，hr表示曲面反射面本身对应的局部曲面矢高，Hr表示曲面反射面本身对应的局部弦长。N是按照像距调节需要的光圈数，λ是光学设计时选取的参考波长。根据具体像距的调节需求，可以通过对应的矢高以及弦长进行计算，从而可以求得所需得曲面反射面的局部曲率以及波导基体曲面表面的局部曲率半径。
示例性的可参考图9-1和图9-2，图9-1和图9-2分别为本实施例的任一波导基体相对表面的任一表面采用曲面的示意图，如图所示波导基体相对表面的任一表面可以是自由曲面、凹面或者凸面。
进一步的，第一波导基体还包括使所述第一反射面的反射光发射到所述第一波导基体之外的第一耦出面，所述第二波导基体还包括使所述第一波导基体发射出的光进入所述第二波导基体的第二耦入面，所述第一耦出面和所述第二耦入面光学同轴。第一耦出面和第二耦入面光学同轴是指第一耦出面与第二耦入面对应局部的光轴平行。
本实施例中，对第一波导基体的第一耦出面的形状不做限定，对第二波导基体的第二耦入面的形状不做限定，只要满足第一耦出面和第二耦入面光学同轴即可。第一耦出面可以是但不限于平面、斜平面、锯齿面或者曲面，第二耦入面可以是但不限于平面、斜平面、锯齿面或者曲面。示例性的可参考图10-1至图10-4，图10-1至图10-4分别为本实施例的第一波导基体的第一耦出面和第二波导基体的第二耦入面的四种实施方式。
本实施例中，对第一波导基体与第二波导基体的相对位置不做限定，只要能够使得第一波导基体耦合出的光进入第二波导基体即可。示例性的可参考图11-1至图11-3，图11-1至图11-3分别为本实施例的第一波导基体和第二波导基体的布置位置的三种实施方式，如图所示，第一波导基体1可以是前置、后置或者上置于第二波导基体2。
本实施例的光学显示装置可以是近眼显示装置，比如可以是头戴式设备，能够改变所成像的像距，能够适用于非正常视力的用户，并且结构轻薄，提升了用户使用的舒适度和观感体验。
以上对本发明所提供的一种光学显示装置行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (14)

1.一种光学显示装置，其特征在于，包括图像产生装置、耦合装置和光学扩展波导，所述耦合装置与所述图像产生装置对应，用于将所述图像产生装置输出的光耦合入所述光学扩展波导；
所述光学扩展波导至少包括第一反射面阵列和第二反射面阵列，进入所述光学扩展波导的光依次通过所述第一反射面阵列、所述第二反射面阵列，所述第一反射面阵列和所述第二反射面阵列的每一反射面阵列用于使得通过所述光学扩展波导传播的光在一维方向扩展，以实现进入所述光学扩展波导的光在二维方向扩展，并向所述光学扩展波导外发射出光以形成像；
所述第一反射面阵列的第一反射面和所述第二反射面阵列的第二反射面中，至少一者的至少局部为曲面，使得由所述光学扩展波导发射出的光所成像的像距满足预设要求。
2.根据权利要求1所述的光学显示装置，其特征在于，所述第一反射面阵列的第一反射面的至少局部为曲面，所述第一反射面使得被所述第一反射面反射的光发散；
或者，所述第二反射面阵列的第二反射面的至少局部为曲面，所述第二反射面使得被所述第二反射面反射的光发散。
3.根据权利要求1所述的光学显示装置，其特征在于，所述第一反射面阵列用于使得通过所述光学扩展波导传播的光在第一维方向扩展，各个所述第一反射面分别相对于所述第一维方向形成倾斜角。
4.根据权利要求1所述的光学显示装置，其特征在于，所述光学扩展波导包括第一波导基体，所述第一反射面阵列设置于所述第一波导基体内，所述第一波导基体至少包括第一组相对表面，进入所述第一波导基体的光在所述第一组相对表面的每一表面发生反射而向前传播。
5.根据权利要求4所述的光学显示装置，其特征在于，所述第一组相对表面的至少一表面的至少局部为曲面，以改变该表面的反射光入射到所述第一反射面的入射角度，以辅助实现由所述光学扩展波导发射出的光所成像的像距满足预设要求。
6.根据权利要求5所述的光学显示装置，其特征在于，所述第一组相对表面的至少一表面使得该表面的反射光发散。
7.根据权利要求1所述的光学显示装置，其特征在于，所述光学扩展波导包括第二波导基体，所述第二反射面阵列设置于所述第二波导基体内，所述第二波导基体至少包括第三组相对表面，进入所述第二波导基体的光在所述第三组相对表面的每一表面发生反射而向前传播。
8.根据权利要求7所述的光学显示装置，其特征在于，各个所述第二反射面分别相对于所述第三组相对表面的任一表面形成倾斜角。
9.根据权利要求8所述的光学显示装置，其特征在于，所述第二反射面相对于所述第三组相对表面中的作为耦出面的一表面形成的倾斜角大于0°小于等于45°，其中，以所述第二反射面相对于一表面沿逆时针方向转动时，所述第二反射面相对于该表面形成的倾斜角为正。
10.根据权利要求7所述的光学显示装置，其特征在于，所述第三组相对表面的至少一表面的至少局部为曲面，以改变该表面的反射光入射到所述第二反射面的入射角度，以辅助实现由所述光学扩展波导发射出的光所成像的像距满足预设要求。
11.根据权利要求10所述的光学显示装置，其特征在于，所述第三组相对表面的至少一表面使得被该表面反射的光发散。
12.根据权利要求1所述的光学显示装置，其特征在于，所述光学扩展波导包括第一波导基体和第二波导基体，所述第一反射面阵列设置于所述第一波导基体内，所述第二反射面阵列设置于所述第二波导基体内；
所述第一波导基体还包括使所述第一反射面的反射光发射到所述第一波导基体之外的第一耦出面，所述第二波导基体还包括使所述第一波导基体发射出的光进入所述第二波导基体的第二耦入面，所述第一耦出面和所述第二耦入面光学同轴。
13.根据权利要求1-12任一项所述的光学显示装置，其特征在于，所述耦合装置用于将所述图像产生装置输出的光分成偏振态不同的第一光束和第二光束，并使得第一光束、第二光束分别耦合入所述光学扩展波导。
14.根据权利要求13所述的光学显示装置，其特征在于，所述耦合装置包括偏振分光组件、光转化组件、准直组件和分光选择组件，所述偏振分光组件用于将所述图像产生装置输出的光进行偏振分光，所述光转化组件用于实现两种不同偏振态光相互转化，所述准直组件用于对光进行准直，使光能量分布均匀，所述分光选择组件用于将通过所述分光选择组件的光中对应偏振态的光入射到所述光学扩展波导。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023137960A1 (zh) * 2022-01-20 2023-07-27 上海理湃光晶技术有限公司 一种光学扩展波导
WO2023137959A1 (zh) * 2022-01-20 2023-07-27 上海理湃光晶技术有限公司 一种光学显示装置

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB8601761D0 (en) * 1983-06-17 1986-02-26 Nat Res Dev Natural-light illumination enhancement assembly
JP2001042805A (ja) * 1999-08-02 2001-02-16 Comoc:Kk マイクロレンズアレイおよびマイクロレンズアレイを用いた表示装置
CN104656258A (zh) * 2015-02-05 2015-05-27 上海理湃光晶技术有限公司 屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件
CN105929534A (zh) * 2015-10-26 2016-09-07 北京蚁视科技有限公司 一种屈光度自适应头戴式显示装置
CN108983425A (zh) * 2018-08-29 2018-12-11 深圳珑璟光电技术有限公司 一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置
CN110058410A (zh) * 2019-03-20 2019-07-26 华为技术有限公司 波导组件和近眼显示设备
WO2020045916A1 (ko) * 2018-08-27 2020-03-05 주식회사 파노비젼 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 hmd 광학시스템
CN111487776A (zh) * 2020-05-20 2020-08-04 宁波鸿蚁光电科技有限公司 一种复用光源双目光学显示系统及可穿戴设备
US20210149199A1 (en) * 2017-06-23 2021-05-20 Yutou Technology (Hangzhou) Co., Ltd. Imaging display system
KR20210075363A (ko) * 2019-12-13 2021-06-23 한국전자기술연구원 비평면 부분 반사면 어레이를 활용한 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체
CN213780421U (zh) * 2020-11-04 2021-07-23 歌尔股份有限公司 用于非正常视力的衍射光波导及头戴显示设备

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2138886A3 (en) * 2008-06-25 2011-10-05 Samsung Electronics Co., Ltd. Compact virtual display
CN114236852B (zh) * 2022-01-20 2022-12-09 上海理湃光晶技术有限公司 一种光学显示装置

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB8601761D0 (en) * 1983-06-17 1986-02-26 Nat Res Dev Natural-light illumination enhancement assembly
JP2001042805A (ja) * 1999-08-02 2001-02-16 Comoc:Kk マイクロレンズアレイおよびマイクロレンズアレイを用いた表示装置
CN104656258A (zh) * 2015-02-05 2015-05-27 上海理湃光晶技术有限公司 屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件
CN105929534A (zh) * 2015-10-26 2016-09-07 北京蚁视科技有限公司 一种屈光度自适应头戴式显示装置
US20210149199A1 (en) * 2017-06-23 2021-05-20 Yutou Technology (Hangzhou) Co., Ltd. Imaging display system
WO2020045916A1 (ko) * 2018-08-27 2020-03-05 주식회사 파노비젼 잠망경 방식의 전방 주시 수단을 갖는 투과형 hmd 광학시스템
CN108983425A (zh) * 2018-08-29 2018-12-11 深圳珑璟光电技术有限公司 一种二维出瞳扩展波导近眼光学显示装置
CN110058410A (zh) * 2019-03-20 2019-07-26 华为技术有限公司 波导组件和近眼显示设备
KR20210075363A (ko) * 2019-12-13 2021-06-23 한국전자기술연구원 비평면 부분 반사면 어레이를 활용한 시역 확장형 도파관 디스플레이 구조체
CN111487776A (zh) * 2020-05-20 2020-08-04 宁波鸿蚁光电科技有限公司 一种复用光源双目光学显示系统及可穿戴设备
CN213780421U (zh) * 2020-11-04 2021-07-23 歌尔股份有限公司 用于非正常视力的衍射光波导及头戴显示设备

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023137960A1 (zh) * 2022-01-20 2023-07-27 上海理湃光晶技术有限公司 一种光学扩展波导
WO2023137959A1 (zh) * 2022-01-20 2023-07-27 上海理湃光晶技术有限公司 一种光学显示装置

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