CN114488538A - Ar光机和头戴显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AR光机和头戴显示设备，所述AR光机包括光源、波导组件、偏振元件及硅基显示面板，所述波导组件包括基底和设于所述基底且间隔的耦入区和耦出区，所述耦入区对应于所述光源的出光侧，以接收所述光源的光线，并将光线传输至所述耦出区；所述偏振元件设于所述耦出区的出光侧，以将耦出的光线转换为偏振态；所述硅基显示面板设于所述偏振元件背离所述波导组件的一侧，以成像并反射对应的偏振态光线。本发明的技术方案的AR光机可实现小型化。

Description

AR光机和头戴显示设备

技术领域

本发明涉及衍射光学器件技术领域，尤其涉及一种AR光机和头戴显示设备。

背景技术

AR(Augmented Reality，增强现实)显示是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应的图像、视频、3d模型的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。

其中，AR光机是为AR显示设备提供图像源的结构，其主流架构一般使用硅基液晶面板(LCOS的panel)作为成像基础，当然还包括有提供光源的照明部分，该类型的AR光机价格低，技术成熟，但是由于其中的照明部分的体积较大，占用光机体积的一半，从而使得AR光机的整体体型较大，难以实现小型化结构。

发明内容

基于此，有必要提供一种AR光机，通过使用波导结构代替照明部分，旨在有效降低照明组件的体积，进而实现小型化的AR光机。

为实现上述目的，本发明提出的AR光机包括：

光源；

波导组件，所述波导组件包括基底和设于所述基底且间隔的耦入区和耦出区，所述耦入区对应于所述光源的出光侧，以接收所述光源的光线，并将光线传输至所述耦出区；

偏振元件，所述偏振元件设于所述耦出区的出光侧，以将耦出的光线转换为偏振态；及

硅基显示面板，所述硅基显示面板设于所述偏振元件背离所述波导组件的一侧，以成像并反射对应的偏振态光线。

可选地，所述AR光机还包括准直镜，所述准直镜设于所述光源与所述耦入区之间，以接收所述光源的光线并传递至所述耦入区内。

可选地，所述准直镜朝向所述光源的一侧为平面，背向所述光源的一侧为凸面，所述平面的面积大于所述光源的发光面积。

可选地，所述光源设有三个，所述耦入区设有三个，三个所述耦入区在所述基底沿垂直于衍射的方向上间隔排布，所述光源与所述耦入区一一对应。

可选地，所述耦入区的面积为所述光源的发光面积的5倍及以上。

可选地，所述偏振元件的面积大于所述耦出区的面积；

和/或，所述硅基显示面板的面积小于所述偏振元件的面积，且小于所述耦出区的面积。

可选地，所述波导组件的视场角范围为大于等于18度小于等于22度。

可选地，所述AR光机还包括透镜，所述透镜位于所述波导组件背离所述偏振元件的一侧。

可选地，所述透镜设有多个，多个所述透镜在所述硅基显示面板至所述波导组件的方向上依次间隔设置。

为了实现上述目的，本发明又提出一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括主体和如上所述的AR光机，所述AR光机安装于所述主体。

本发明提出的技术方案中，AR光机包括光源和位于光源出光侧的波导组件，波导组件以较小的耦入区接收光线，并经过全反射和衍射，使得光线从较大面积的耦出区射出，从而增大光源出光面积，偏振元件接收耦出区的光线可以将其转换为偏振光线，继而通过硅基显示面板，选择性对每一像素点的偏振光线是否反射，从而形成所需的图像源。该结构中，为板状或片状的波导组件与偏振元件以及硅基显示面板可以平行设置，波导组件代替并简化了照明部分的光学部件，大大减小了光源至硅基显示面板之间的空间占用，从而减小了AR光机的体积，有利于产品小型化。

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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明AR光机一实施例的结构示意图；

图2为图1所示AR光机另一视角的结构示意图；

图3为图1所示AR光机的正视图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	AR光机	30	偏振元件
10	光源	40	硅基显示面板
				20	波导组件	50	准直镜
21	基底	51	平面
				22	耦入区	52	凸面
23	耦出区	60	透镜

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“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。

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

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种AR光机。

请参照图1和图2，在本发明的一实施例中，本发明提出的AR光机100包括：光源10、波导组件20、偏振元件30及硅基显示面板40，所述波导组件20包括基底21和设于所述基底21且间隔的耦入区22和耦出区23，所述耦入区22对应于所述光源10的出光侧，以接收所述光源10的光线，并将光线传输至所述耦出区23；

所述偏振元件30设于所述耦出区23的出光侧，以将耦出的光线转换为偏振态；所述硅基显示面板40设于所述偏振元件30背离所述波导组件20的一侧，以成像并反射对应的偏振态光线。

本实施例中，AR光机100为一图像源，可以为各种AR显示领域提供图像源头，例如，AR眼镜或MR眼镜等，在此并不限定。AR光机100一般包括光源10和显示面板，光源10可选的为LED发光芯片，发光效率高且成本低，为显示面板提供所需光线，经显示面板后成像。当然，光源10还可以是LED灯珠或灯条等。显示面板此处为硅基液晶显示模块(LiquidCrystal on Silicon，LCOS)，LCOS面板属于新型的反射式micro-LCD投影技术，它采用涂有液晶硅的CMOS集成电路芯片作为反射式LCD的基片，经磨平后镀上铝当作反射镜，形成CMOS基板，然后将CMOS基板与含有透明电极的玻璃基板相贴合，向内注入液晶封装而成。当接收到光线后，硅基显示面板40的每一像素点的反射状态均可以被控制，从而实现不同位置处的光线反射，进而形成所需要呈现的图像。

而为了使得光线更好地射入硅基显示面板40，在光源10与硅基显示面板40之间设置有波导组件20和偏振元件30，波导组件20包括基底21和设于基底21的耦入区22和耦出区23，基底21的横截面形状可以是矩形、正方形或多边形或不规则形状等，在此不做限定。其一般为平面51板状，具有接收入射光线的耦入区22和将光线投影出射的耦出区23，入射光线经过耦入区22射入，在基底21内传输，并从耦出区23射出。基底21的材料可以是环氧树脂或其他有机材料，也可以是重火石玻璃等无机材料，在此不做限定。此处，耦入区22可以是在基底21的表面直接形成耦入结构，也可以是将单独的耦入光栅连接在基底21上，形成耦入区22；当然，耦出区23也可以是在基底21的表面上直接成型耦出结构，或是将单独的耦出光栅连接在基底21上形成耦出区23。以基底21的形状为长方体板状为例，耦入区22和耦出区23可以均为长方形，且分别位于基底21的同一表面。

可知的，入射光线在基底21内传输需要满足两个条件，一是光线由光密介质射向光疏介质，基底21内部的介质折射率大于外部介质的折射率，也即，基底21的折射率需大于1(空气的折射率为1)；另一个是光线的入射角度要大于临界角度。为此，光波导组件20还包括耦入光栅和耦出光栅，耦入光栅设于耦入区22，在耦入光栅的表面会设有用于改变光线入射角度的微观结构，用于将光线耦合进入基底21内。耦入光栅能够改变入射光线射入基底21内部的入射角度，从而使得入射角度大于或等于临界角度，进而使得光线能够在基底21内发生全反射，完成光线的传输。

经过波导组件20的光线仍为自然光，偏振元件30为二向色元件，可选择性透过自然光中的P光和S光中的一者，偏振元件30可以是偏光片或二分之一波片等，将耦出区23的自然光线转换为偏振光线，并传向硅基显示面板40，以透过P光为例，P光射入硅基显示面板40，硅基显示面板40上有很多个像素点，每个像素点可以单独控制，其作用为转换偏振光的S状态与P状态，被转换为S偏振态的P光，无法经过偏振片透射，未被转换的P光，可以通过偏振片透射到达波导组件20，然后再穿过波导组件20进行成像。此处，波导组件20、偏振元件30及硅基显示面板40以其表面所在的平面51相平行设置，为了较大的光线密度，波导组件20的厚度不宜过大，从而以最薄的尺寸在一方向上设置，能够显著降低AR光机100的体积。

本发明提出的技术方案中，AR光机100包括光源10和位于光源10出光侧的波导组件20，波导组件20以较小的耦入区22接收光线，并经过全反射和衍射，使得光线从较大面积的耦出区23射出，从而增大光源10出光面积，偏振元件30接收耦出区23的光线可以将其转换为偏振光线，继而通过硅基显示面板40，选择性对每一像素点的偏振光线是否反射，从而形成所需的图像源。该结构中，为板状或片状的波导组件20与偏振元件30以及硅基显示面板40可以平行设置，波导组件20代替并简化了照明部分的光学部件，大大减小了光源10至硅基显示面板40之间的空间占用，从而减小了AR光机100的体积，有利于产品小型化。

请继续参照图2，可选地，所述AR光机100还包括准直镜50，所述准直镜50设于所述光源10与所述耦入区22之间，以接收所述光源10的光线并传递至所述耦入区22内。

本实施例中，因光源10出射的光一般为自然光，光线为扩散光，具有一定的发射角，故而为了保证出光效率，在光源10与耦入区22之间设置准直镜50，能够将光源10发散的光线进行调整，使其尽量以平行光射向耦入区22，或者将光线较大的发散角度调整为较小的发散角度，从而保证光源10的光线均进入波导组件20内，提升了光源10的效率，节约能效。

可选地，所述准直镜50朝向所述光源10的一侧为平面51，背向所述光源10的一侧为凸面53，所述平面51的面积大于所述光源10的发光面积。

可以理解的，准直镜50一般为凸透镜60，其一侧表面为平面51，另一侧为凸面53，将平面51朝向光源10，且平面51的面积大于光源10的发光面积，例如，光源10为LED芯片时，平面51的面积要大于LED芯片的面积，从而能够完全接收LED芯片的光线，从而将其转换为平行光或发散角较小的光线。当然，此处，准直镜50距离光源10的距离不宜过大，可以根据实际的准直镜50与光源10的尺寸进行适应性设计，在此不做赘述。

请结合图1和图3，可选地，所述光源10设有三个，所述耦入区22设有三个，三个所述耦入区22在所述基底21沿垂直于衍射的方向上间隔排布，所述光源10与所述耦入区22一一对应。

本实施例中，为了呈现较好显示效果的图像，该光源10设置有三个，例如，当光源10为LED芯片时，可以将三个LED芯片设置为R-G-B三种颜色的发光芯片，从而在耦出区23出射的光线经过偏振元件30进入硅基显示面板40后可以形成彩色的图像，提升显示效果。当然，为了提升亮度或显示区域的增大，可以进一步增多光源10的数量。于其他实施例中，还可以只设置RGB中的任意两种发光芯片。

请再次参照图1，可选地，所述耦入区22的面积为所述光源10的发光面积的5倍及以上。

本实施例中，为了进一步保证波导组件20能够完全接收光源10发出的光线，在有或没有准直镜50的基础上，将耦入区22的面积设置为光源10的发光面积的5倍以上，也即，耦入区22的面积为LED芯片的面积的5倍及以上，例如，5倍、6倍或7倍，从而提升对光线的利用率，以提升AR光机100的使用性能。

可选地，所述偏振元件30的面积大于所述耦出区23的面积；

和/或，所述硅基显示面板40的面积小于所述偏振元件30的面积，且小于所述耦出区23的面积。

本实施例中，在耦出区23出射的范围远大于耦入区22的光线范围，为了使得所出射的光线均经过偏振元件30，形成偏振光线，故设定偏振元件30的面积大于耦出区23的面积，从而保证光线均得以转换，提升成像效果。

当然，在偏振元件30的面积大于耦出区23的面积的基础上，因经过偏振元件30后的光线会得到一定程度的过滤和筛选，因此，无需将硅基显示面板40的面积设置过大，此处，将其面积设置小于偏振元件30的面积，并小于耦出区23的面积，在不影响光线成像的基础上，能够降低硅基显示面板40的体积，减少材料成本。

当然，在不限定偏振元件30与耦出区23的面积大小的基础上，也可以设置硅基显示面板40的面积均小于偏振元件30和耦出区23的面积。

可选地，所述波导组件20的视场角范围为大于等于18度小于等于22度。

本实施例中，波导组件20的视场角不宜过小，否则一些大角度的光线进入耦入区22也不能从耦出区23传出来，使得LED芯片发出的光线可能有一部分无法通过波导组件20进行传播，影响光的利用率。而波导组件20的视场角也不宜过大，否则在加工上的难度会大大提升，造成成本的增加。因此，设定波导组件20的视场角范围为大于等于18度小于等于22度，例如，19度、20度或21度等。此外，在波导组件20上设置有耦入光栅和耦出光栅时，两者的结构形式不限定，例如可以为表面浮雕光栅、偏振体光栅或全息体光栅。

请结合图2和图3，可选地，所述AR光机100还包括透镜60，所述透镜60位于所述波导组件20背离所述偏振元件30的一侧。

本实施例中，在由硅基显示面板40选择性反射偏振光时，可以对应形成特定的图像，并穿过偏振元件30和波导组件20，为了更好地提供成像的出射光，AR光机100还包括透镜60，透镜60设在波导组件20背离偏振元件30的一侧，从而接收从硅基显示面板40反射回来的图像源，通过透镜60的调整，使得图像源的显示效果更好，例如，透镜60的作用可以是聚焦、增透、准直或校正等，在此不做限定。

可选地，所述透镜60设有多个，多个所述透镜60在所述硅基显示面板40至所述波导组件20的方向上依次间隔设置。

本实施例中，为了更进一步的提升显示效果，将透镜60设有多个，例如，两个、三个或三个以上，多个透镜60硅基显示面板40至波导组件20的方向上依次间隔设置，也即沿各自的轴线方向上间隔设置，如此，可以结合多种调整效果，保证出射的图像源的显示效果。当然，还可以设置两个透镜60，将功能膜层贴设在透镜60的表面，从而实现相应的调整功能，进一步减小透镜60的占用空间，有利于AR光机100的小型化。

为了实现上述目的，本发明又提出一种头戴显示设备，所述头戴显示设备包括主体和如上所述的AR光机100，所述AR光机100安装于所述主体。由于本发明的头戴显示设备的AR光机100的结构参照了上述实施例的AR光机100的结构，因此，由上述实施例所带来的有益效果再次不做赘述。

本实施例中，头戴显示设备可以是AR眼镜或MR眼镜，其包括主体和AR光机100，主体主要为框架结构和设于框架结构上的光传输结构，AR光机100也安装在框架结构上，为光传输结构提供入射光，当入射光由空气介质入射至光传输结构时，先经过衍射，再通过全反射传输后出射入人眼中。当然，头戴显示设备还可以是近眼显示器(NEd)、头戴显示器(HMd)或抬头显示器(HUd)等。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种AR光机，其特征在于，所述AR光机包括：

光源；

波导组件，所述波导组件包括基底和设于所述基底且间隔的耦入区和耦出区，所述耦入区对应于所述光源的出光侧，以接收所述光源的光线，并将光线传输至所述耦出区；

偏振元件，所述偏振元件设于所述耦出区的出光侧，以将耦出的光线转换为偏振态；及

硅基显示面板，所述硅基显示面板设于所述偏振元件背离所述波导组件的一侧，以成像并反射对应的偏振态光线。

2.如权利要求1所述的AR光机，其特征在于，所述AR光机还包括准直镜，所述准直镜设于所述光源与所述耦入区之间，以接收所述光源的光线并传递至所述耦入区内。

3.如权利要求2所述的AR光机，其特征在于，所述准直镜朝向所述光源的一侧为平面，背向所述光源的一侧为凸面，所述平面的面积大于所述光源的发光面积。

4.如权利要求1至3中任一项所述的AR光机，其特征在于，所述光源设有三个，所述耦入区设有三个，三个所述耦入区在所述基底沿垂直于衍射的方向上间隔排布，所述光源与所述耦入区一一对应。

5.如权利要求1至3中任一项所述的AR光机，其特征在于，所述耦入区的面积为所述光源的发光面积的5倍及以上。

6.如权利要求1至3中任一项所述的AR光机，其特征在于，所述偏振元件的面积大于所述耦出区的面积；

和/或，所述硅基显示面板的面积小于所述偏振元件的面积，且小于所述耦出区的面积。

7.如权利要求1所述的AR光机，其特征在于，所述波导组件的视场角范围为大于等于18度小于等于22度。

8.如权利要求1所述的AR光机，其特征在于，所述AR光机还包括透镜，所述透镜位于所述波导组件背离所述偏振元件的一侧。

9.如权利要求8所述的AR光机，其特征在于，所述透镜设有多个，多个所述透镜在所述硅基显示面板至所述波导组件的方向上依次间隔设置。

10.一种头戴显示设备，其特征在于，所述头戴显示设备包括主体和如权利要求1至9中任意一项所述的AR光机，所述AR光机安装于所述主体。

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