CN114415288A - 一种波导类光学模组及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导类光学模组及近眼显示设备，包括：第一波导元件，包括耦入光栅和耦出光栅；图像光进入第一波导元件内，经耦入光栅衍射后在第一波导元件内发生全反射，然后经由耦出光栅衍射后射出；第二波导元件，包括耦入端和耦出元件；耦入端和第一波导元件的耦出光栅相对设置；经耦出光栅衍射后从第一波导元件射出的光线，经耦入端进入第二波导元件后在远离人眼一侧表面发生全反射，然后在第二波导元件内发生至少一次全反射，并经耦出元件反射或衍射后射向人眼。上述波导类光学模组，通过两个波导元件组合，实现图像光的二维扩瞳，减小了耦入端及投影光机的体积，同时简化了波导类光学模组的制造难度，适合增强现实近眼显示设备使用。

Description

一种波导类光学模组及近眼显示设备

技术领域

本发明涉及一种波导类光学模组，同时涉及一种近眼显示设备。

背景技术

随着虚拟现实(virtual reality，VR)和增强现实(augmented reality，AR)的概念提出以来，基于VR或者AR模式的近眼显示装置的市场也取得了长足的发展。在诸多应用AR或者VR技术的硬件实现方式中，近眼显示器(Near-to-Eye Display，NED)是最有效且在现有技术中能够给使用者带来最佳体验的实现方式。

近眼显示器是一种可以将图像直接投射到观看者眼中的头戴式显示器。NED的显示屏距离人眼很近，小于明视距离，人眼无法直接分辨其上图像内容。通过NED光学系统能够将图像放大至远处，重新聚焦到人眼的视网膜上，使人眼看到的画面好像在几米之外，从而实现AR、VR技术的显示效果。

因为近眼显示器需要佩戴在人头部，所以其轻小型和良好的显示效果就显得尤为重要。波导显示系统是实现近眼显示的解决方案之一，对于单个的一维波导而言，其仅具备一维扩瞳的能力，视场角和eyebox都小，同时光机体积较大，并不具备轻小型的特点；为此，现有技术中存在二维扩瞳的波导，然而单片式二维波导的制造工艺比较复杂，成本高。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种波导类光学模组。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种近眼显示设备。

为了实现上述技术目的，本发明采用下述技术方案：

根据本发明实施例第一方面，提供一种波导类光学模组，包括：

第一波导元件，包括耦入光栅和耦出光栅；图像光进入第一波导元件内，经耦入光栅衍射后在第一波导元件内发生全反射，然后经由耦出光栅衍射后射出，实现第一方向的扩展；

第二波导元件，包括耦入端和耦出元件；所述耦入端和所述第一波导元件的所述耦出光栅相对设置；经所述耦出光栅衍射后从所述第一波导元件射出的光线，倾斜射向第二波导元件，经耦入端进入第二波导元件后在所述第二波导元件远离人眼一侧表面发生全反射，然后在所述第二波导元件内发生至少一次全反射，并经所述耦出元件反射或衍射后射向人眼，实现第二方向的扩展。

优选地，所述耦入光栅和耦出光栅分别为体全息光栅。

优选地，所述耦入光栅的全息层厚度大于所述耦出光栅的全息层厚度。

优选地，所述第一波导元件包括远离第二波导元件的第一表面和靠近第二波导元件的第二表面，所述耦入光栅设置在所述第二表面上，所述耦出光栅设置在所述第一表面上。

优选地，所述第二波导元件包括靠近人眼侧的第三表面和远离人眼侧的第四表面，所述耦出元件是设置在第四表面上的第二耦出光栅，

优选地，所述第二耦出光栅是体全息光栅。

优选地，所述第二波导元件包括靠近人眼侧的第三表面和远离人眼侧的第四表面，所述耦出元件是设置在第三表面和第四表面之间的阵列分光面。

优选地，所述第二波导元件还包括耦入面，所述耦入面和所述第二波导元件远离人眼一侧表面之间的夹角大于所述第二波导元件的基体的临界全反射角。

根据本发明实施例第二方面，提供一种近眼显示设备，包括上述波导类光学模组。

本发明提供的波导类光学模组，通过两个波导元件组合，实现图像光的二维扩瞳，可以得到较大的出瞳。通过两个波导元件组合的方式，一方面，减小了耦入端及投影光机的体积；另一方面，简化了波导类光学模组的制造难度。并且，通过将第一波导元件射出的光线倾斜射入第二波导元件，使其在第二波导元件内发生多次全内反射，可以使得整个光学模组的外形更适合眼镜类近眼显示设备使用。

附图说明

图1是本发明所提供第一实施例中，近眼显示设备的光路原理示意图；

图2是第一实施例中，波导类光学模组的结构示意图；

图3是图1中第一波导元件的结构示意图；

图4是图1中第二波导元件的结构示意图；

图5是第一实施例中，波导类光学模组的光路原理示意图；

图6是本发明所提供第二实施例中，波导类光学模组的结构示意图；

图7是图6中，第一波导元件的结构示意图；

图8是第二实施例中，波导类光学模组的光路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下文中，以波导元件在人眼前方的设置方式，建立笛卡尔直角坐标系，以视轴方向为Z轴，以垂直于视轴的竖直方向为X轴，以垂直于视轴的水平方向为Y轴，X-Y平面垂直于视轴方向。

第一实施例

如图1所示，本发明提供一种近眼显示装置，包括第一波导元件10、第二波导元件20和投影系统；第一波导元件10，包括具有两个平行的表面的第一基体，以及设置在第一基体上的耦入光栅和耦出光栅；第二波导元件20，包括具有两个平行的表面的第二基体，以及设置在第二基体一端的耦入端和设置在第二基体另一端的耦出元件。投影系统与第一波导元件10的耦入光栅耦合，第一波导元件10的耦出光栅和第二波导元件20的耦入端相对设置。投影系统发出的图像光进入第一波导元件10内，经耦入光栅衍射后在第一波导元件10内发生全反射，然后经由耦出光栅衍射后射出，实现第一方向的扩展(图1示为X向的扩展)；经耦出光栅衍射后射出的光线，倾斜射向第二波导元件20，经耦入端进入第二波导元件20后在远离人眼一侧表面发生全反射，然后在第二波导元件20内发生多次全反射(包括进入耦入端后发生的第一次全反射)后，经耦出元件射向人眼，实现第二方向的扩展(图1示为Y向的扩展)。上述近眼显示装置，通过两片波导组合实现二维扩瞳，投影系统的体积较小，投影系统可以隐藏在镜架的位置，适用于眼镜类增强现实设备使用。

具体来说，如图1所示，在该近眼显示设备中，投影系统可以包括显示屏30和透镜31，用于向第一波导元件10射出图像光。透镜31可以是单透镜、正-负胶合透镜或透镜组，上述投影系统仅为示例性说明，并不对本申请方案构成限制。

如图1至图3所示，第一波导元件10包括耦入光栅11和耦出光栅12，第一波导元件10的基体(即第一基体)包括远离第二光学元件的第一表面10A和靠近第二光学元件的第二表面10B，第一表面10A和第二表面10B平行，耦入光栅11设置在第二表面10B上，耦出光栅12设置在第一表面10A上(参见图1)。第一波导元件10的基体可以是玻璃基体，也可以是树脂基体。

耦入光栅11和耦出光栅12分别是衍射光栅或体全息光栅。

在此，以耦入光栅11和耦出光栅12分别为体全息光栅为例进行说明。如图2所示，耦入光栅11的面积小于耦出光栅12的面积，耦入光栅11的宽度等于或小于耦出光栅12的宽度，耦入光栅11的长度小于耦出光栅12的长度，由此实现图像光一维方向的扩展。参照波导元件在人眼前的设置方式，耦入光栅11和耦出光栅12的长度方向即人眼前方的高度方向。

耦入光栅11和耦出光栅12均为倾斜式的体全息光栅，光栅倾斜角取决于成像光线在第一波导元件10内部的全反射角度以及光线从第一波导元件10中的出射或入射角度。耦入光栅11和耦出光栅12采用类似的加工方式，区别仅在于光栅区域尺寸不同，针对每个光栅区域曝光的时间存在差异。

为了提高耦入光栅11对成像光束的衍射效率，耦入光栅11使用较厚的全息层；为实现一维波导10对成像光束在X方向的扩展均匀性，耦出光栅12使用较薄的全息层；耦入光栅11的全息层厚度大于耦出光栅12的全息层厚度，例如耦入光栅的全息层厚度约为17-18um，耦出光栅12的全息层厚度约为5um。

耦入光栅11和耦出光栅12均采用波长复用的反射式体全息光栅，即在单层全息层上实现红绿蓝三种波长的光栅常数叠加，复用波长为457nm、532nm、639nm；同时为实现红绿蓝三种波长的色彩均匀性，需根据全息层材料对红绿蓝三种波长的感光灵敏度不同调整红绿蓝三色光的曝光时间，以保证体全息光栅对红绿蓝三种波长具有均匀的衍射效率。

如图1和图4所示，第二波导元件20的基体(即第二基体)包括靠近人眼侧的第三表面20A和远离人眼侧的第四表面20B，第三表面20A和第四表面20B平行，并分别与视轴垂直。其中，在第三表面20A的一端设置有楔形棱镜21，构成耦入端；第一波导元件10的耦出光栅12和第二波导元件20的耦入端相对设置，楔形棱镜21的两个面分别与第二表面10B和第三表面20A贴合，其中楔形棱镜21与第二表面10B相邻的面可以看作耦入面S，楔形棱镜21的第三面(辅助面S’)面向人脸侧，从而可以将投影光机的入射光线倾斜引导至人脸侧面贴近镜腿的位置。

楔形棱镜21作为第二波导元件20的耦入端，与第二波导元件20的基体胶合，楔形棱镜21的耦入面S与基体中第四表面20B的夹角大于基体与空气界面的临界全反射角，即，第一波导元件10的第一表面10A(第二表面10B)与第二波导元件20的第三表面20A(第四表面20B)的延长线的夹角大于第二波导元件20的基体与空气界面的临界全反射角，从而，从第一波导元件10倾斜射入第二波导元件20的光线可以在第四表面20B发生全反射。

第一波导元件10的耦出光栅的尺寸略小于楔形棱镜21的耦入面S的尺寸，耦入面S全面覆盖从耦出光栅12射出的光线。

楔形棱镜21的高度与第二波导元件20的高度相同，第一波导元件10的高度(图2中耦入光栅11和耦出光栅12的长度方向)大于第二波导元件20的高度，第二波导元件20的高度大于耦出光栅12的高度(即耦出光栅12的长度)。

在该实施例中，第二波导元件20还设置有耦出元件，如图2所示，耦出元件是与耦出光栅12相应的第二耦出光栅22。第二耦出光栅22可以是衍射光栅或体全息光栅，并具有和耦出光栅12相同的参数，第二耦出光栅22可以使用与耦入光栅11、耦出光栅12类似的加工工艺。

第二耦出光栅22设置在第四表面20B上，基体材料可以使用玻璃，也可以使用树脂。

第一波导元件10、楔形棱镜21、第二波导元件20采用相同折射率和色散系数的玻璃或树脂材质。

同样地，为了实现第二波导元件20对成像光束在Y方向的扩展均匀性，第二耦出光栅22采用全息层厚度较小的体全息光栅，例如可以为5um。

第二耦出光栅22为波长复用的反射式体全息光栅，即在单层全息膜上实现红绿蓝三种波长的光栅常数叠加，复用波长为457nm、532nm、639nm；同时为实现红绿蓝三种波长的色彩均匀性，需根据全息层材料对红绿蓝三种波长的感光灵敏度不同调整红绿蓝三色光的曝光时间，以保证体全息光栅对红绿蓝三种波长具有均匀的衍射效率。

在该波导式光学模组中，第一波导元件10和第二波导元件20胶合拼接，可实现二维扩瞳的波导显示方案，其中胶合面位于楔形棱镜21的耦入面和耦出光栅12的相对面之间。

如图1和图5所示，在该近眼显示设备中，图像源30发出的光线经光学系统31准直扩束后，成像光束经空气直接耦合进入第一波导元件10，入射至耦入光栅11，再经耦入光栅11衍射，成像光线在第一波导元件10内部以全反射的形式沿+X方向传播；当光线传播至耦出光栅12区域，部分光线被耦出光栅12衍射出第一波导元件10，经楔形棱镜21的耦入面，直接耦合进入第二波导元件20内部；另一部分光线仍以全反射形式在第一波导元件10内部传播，每传播至耦出光栅12区域，部分能量的光线被衍射出第一波导元件10，经楔形棱镜21的耦入面，直接耦合进入第二波导元件20，剩余部分的光线仍以全反射形式在第一波导元件10内部传播；重复上述过程，第一波导元件10实现成像光束在X方向的扩展。

经第一波导元件10耦出的X方向扩展光束，经楔形棱镜21的耦入面，直接耦合进入第二波导元件20内部，且以全反射的形式沿+Y方向传播；当成像光线传播至第二耦出光栅22区域，部分光线被第二耦出光栅22沿+Z方向衍射出第二波导元件20，进入人眼，另一部分光线仍以全反射形式在第二波导元件20内部传播，每传播至第二耦出光栅22区域，部分能量的光线被衍射出第二波导元件20，进入人眼，剩余部分光线仍以全反射形式在第二波导元件20内部传播；重复上述过程，第二波导元件20实现成像光束在Y方向的扩展。

第一波导元件10和第二波导元件20的胶合拼接可实现成像光束在X方向和Y方向的同时扩展，实现成像光束二维扩展的目的。

在上述波导类光学模组中，通过两个波导元件组合实现二维扩瞳。相对于一维波导，减小了耦入端及投影光机的体积。相对于传统二维衍射波导在同一波导片上同时设置耦入光栅、转折光栅和耦出光栅，具有如下优点：1)设置于人眼前方的第二波导元件仅用于实现人眼前方成像，扩大了人眼前方成像的区域；2)该设计方案中，两片全息波导的加工可以使用类似的加工工艺，仅需移动两片全息波导的位置，并对加工参数进行调节，即可实现两片波导元件的制造，简化了波导类光学模组的制造难度。

此外，上述波导类光学模组，通过使第一波导元件射出的光线倾斜射入第二波导元件，可以使得投影光机(及第一波导元件)隐藏在镜框中，整个光学模组的外形更适合眼镜类近眼显示设备使用。

在该实施例中，以在第二波导元件20的第三表面20A上设置耦合棱镜21实现耦入端为例进行了说明。棱镜21是楔形棱镜，棱镜21的两侧表面分别与第二表面10B和第三表面20A贴合，用以使得射入第二波导元件20的光线在第四表面20B的入射角大于全反射角，光线在第四表面20B发生多次全反射。

可以理解，耦入端21可以和第二波导元件20的基体一体成型。第二波导元件20还包括与第二表面贴合的耦入面S，以及用于连接耦入面S和第三表面20A的辅助面S’，辅助面面向人脸侧面。耦入面S和辅助面S’之间的部分起到楔形棱镜21的作用，通过控制耦入面S和第四表面20B之间的夹角，用以使得射入第二波导元件的光线在第四表面20B的入射角大于全反射角。

第二实施例

如图6-8所示，本发明还提供一种波导类光学模组，包括第一波导元件101和第二波导元件102；第一波导元件101，包括设置在第一基体上的耦入光栅103和耦出光栅104；第二波导元件102，包括设置在第二基体一端的耦入端106和设置在第二基体另一端的耦出元件105。第一波导元件101设置在第二波导元件102的耦入端，从第一波导元件101射出的光线倾斜射入第二波导元件102内发生全反射，并经耦出元件射入人眼。上述近眼显示装置，投影系统的体积较小，投影系统可以隐藏在镜架的位置，适用于眼镜类增强现实设备使用。

该实施例中波导类光学模组的结构和第一实施例类似，区别仅在于第二波导元件102的耦出元件105是设置在第二基体两个平行的表面之间的阵列分光面。

具体来说，如图6和图7所示，第一波导元件101包括第一基体、耦入光栅103和耦出光栅104，第一基体包括远离第二光学元件的第一表面和靠近第二光学元件的第二表面，第一表面和第二表面平行，耦入光栅103设置在第二表面上，耦出光栅104设置在第一表面上。耦入光栅103和耦出光栅104分别是衍射光栅或体全息光栅。第一波导元件101的结构特征与第一波导元件10的结构特征相同，在此不再赘述。

如图6所示，第二波导元件102包括第二基体，第二基体包括靠近人眼侧的第三表面201和远离人眼侧的第四表面202，第三表面201和第四表面202平行。其中，在第二波导元件102的一端设置有耦入端106；第二波导元件102包括与第三表面201和第四表面202倾斜相交的耦入面203，以及用于连接耦入面203和第三表面201的辅助面204，耦入面203和辅助面204构成耦入端106。第一波导元件101的耦出光栅104和第二波导元件102的耦入端相对设置。

图8所示为图6所示结构的替换实施例，其中，耦入端106通过独立的楔形棱镜300实现。在第三表面201和第四表面202之间设置有倾斜面205，楔形棱镜300设置在倾斜面205和第一波导元件101之间。楔形棱镜300的两个面301和302分别与第一波导元件101和倾斜面205贴合，楔形棱镜300的第三面303面向人脸侧，从而引导投影光机的入射光线从人脸侧面贴近镜腿的位置射出。

在上述结构中，第一波导元件101的第二表面与第二波导元件102中第四表面202的夹角大于基体与空气界面的临界全反射角，从而，从第一波导元件101倾斜射入第二波导元件102的光线可以在第四表面202发生全反射。

在该实施例中，第二波导元件102还设置有耦出元件，耦出元件是设置在第二波导元件102的两个表面201和202之间的阵列分光面105，阵列分光面105包括多个倾斜设置的分光面，每个分光面具有预定的透反比，其中，多个分光面的透反比从靠近第一波导元件101一侧向远离第一波导元件101一侧依次减少，从而形成均匀的出瞳。

在该波导式光学模组中，第一波导元件101和第二波导元件102胶合拼接，可实现二维扩瞳的波导显示方案，其中胶合面位于楔形棱镜300和第二表面之间。第一波导元件10和第二波导元件20的胶合拼接可实现成像光束在X方向和Y方向的同时扩展，实现成像光束二维扩展的目的。

在上述结构中，第一波导元件101为长方体玻璃块，尺寸设置为30mm*6mm*1mm，耦入光栅103为该波导元件的耦入部分，该耦入元件为全息曝光元件，用于将微型投影系统的光导入波导元件中，耦出光栅104为该波导元件的耦出部分，用于将波导内部的光线导出，其中耦出光栅104的曝光参数与耦入光栅103的曝光参数需有一定配合以保证光线出射的可靠性。

第二波导元件102为长方体玻璃块，尺寸设置为30mm*40mm*1.5mm，阵列分光面105为镀制一定反射比分光膜的反射阵列，整个阵列至少包括一个反射面，光线由第一波导元件101进入第二波导元件102中，通过反射阵列的作用形成扩瞳。

相比较于传统的一维波导而言，传统的一维波导的光机的出瞳较大，这导致与波导配合的整个投影系统的体积较大，这和AR系统轻量化，小型化的产品诉求是相违背的。在该实施例中，通过第一波导元件和投影系统结合，实现了一维波导中投影光机的作用，使得投影系统的体积较小，体积相较于一维波导光机的体积可以减少至1/5到1/6。

并且，相比较于单片二维几何波导而言，二维几何波导中，用于转向扩瞳部分的转向分光层的层数较多，其工艺相比较于一维几何波导而言更加复杂，良率较低，而该实施例中的波导类光学模组，将转向扩瞳部分由全息波导代替，简化了其加工过程。

综上所述，本发明所提供的波导类光学模组，通过两个波导元件组合，实现图像光的二维扩瞳，减小了耦入端及投影光机的体积，同时简化了波导类光学模组的制造难度，适合增强现实近眼显示设备使用。

以上对本发明所提供的一种波导类光学模组及近眼显示设备进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种波导类光学模组，其特征在于，包括：

第一波导元件，包括耦入光栅和耦出光栅；图像光进入第一波导元件内，经耦入光栅衍射后在第一波导元件内发生全反射，然后经由耦出光栅衍射后射出，实现第一方向的扩展；

第二波导元件，包括耦入端和耦出元件；所述耦入端和所述第一波导元件的耦出光栅相对设置；经所述耦出光栅衍射后从所述第一波导元件射出的光线，倾斜射向所述第二波导元件，经所述耦入端进入所述第二波导元件后在所述第二波导元件远离人眼一侧表面发生全反射，然后在所述第二波导元件内发生至少一次全反射，并经所述耦出元件反射或衍射后射向人眼，实现第二方向的扩展。

2.如权利要求1所述的波导类光学模组，其特征在于：

所述耦入光栅和耦出光栅分别为体全息光栅。

3.如权利要求2所述的波导类光学模组，其特征在于：

所述耦入光栅的全息层厚度大于所述耦出光栅的全息层厚度。

4.如权利要求2所述的波导类光学模组，其特征在于：

所述体全息光栅为波长复用的反射式体全息光栅。

5.如权利要求1所述的波导类光学模组，其特征在于：

所述第一波导元件包括远离第二波导元件的第一表面和靠近第二波导元件的第二表面，所述耦入光栅设置在所述第二表面上，所述耦出光栅设置在所述第一表面上。

6.如权利要求5所述的波导类光学模组，其特征在于：

所述第二波导元件包括靠近人眼侧的第三表面和远离人眼侧的第四表面，所述耦出元件是设置在第四表面上的第二耦出光栅。

7.如权利要求6所述的波导类光学模组，其特征在于：

所述第二耦出光栅是体全息光栅。

8.如权利要求5所述的波导类光学模组，其特征在于：

所述第二波导元件包括靠近人眼侧的第三表面和远离人眼侧的第四表面，所述耦出元件是设置在第三表面和第四表面之间的阵列分光面。

9.如权利要求1所述的波导类光学模组，其特征在于：

所述第二波导元件还包括耦入面，所述耦入面和所述第二波导元件的所述远离人眼一侧表面之间的夹角大于所述第二波导元件的基体的临界全反射角。

10.一种近眼显示设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述波导类光学模组。

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