CN114779391A - 分区域镀膜阵列光波导和头戴式设备 - Google Patents

分区域镀膜阵列光波导和头戴式设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种分区域镀膜阵列光波导和头戴式设备。其中，在所述光波导的光线耦出区域设有分光面阵列，所述分光面阵列包括至少二层分光面，所述分光面阵列中的各层分光面平行且按一定间距设置，并与所述光波导呈一定的倾斜角度；所述分光面阵列中的每一层分光面被划分为至少一个区域，在每一层分光面所划分的各区域中镀有的分光膜层的反射率，使得从同一层分光面的各区域反射出的光线的功率一致。本发明通过对阵列光波导的分光面阵列中的每一层分光面进行分区域镀膜，可以降低同一层分光面的不同位置反射出的光线的光强存在差异，减少亮暗条纹对阵列光波导显示的图像的显示效果的干扰，提高图像的亮度均匀性、清晰度，提升用户的使用体验。

Description

分区域镀膜阵列光波导和头戴式设备
技术领域
本发明涉及光波导技术领域，尤其涉及一种分区域镀膜阵列光波导和头戴式设备。
背景技术
增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术是一种将虚拟信息与真实世界融合的技术，在工业和消费类电子产品等领域有着非常广阔的应用前景。光波导将光线耦入基底通过全反射传输再将光线耦出，具有轻薄、外界光线高穿透性的特点，比较符合消费级AR设备的需求，近年来被广阔应用于AR设备中。
阵列光波导是一种通过分光面阵列实现光线耦出和扩瞳的应用于AR设备的光学组件。阵列光波导是通过将多个分光棱镜依次胶合，在各分光棱镜的分光面镀有具有一定反射率的分光膜层，来形成分光面阵列。为了保证整幅输出图像的亮度均匀性，每一层分光面的反射率需要按照一定规律设计，以使分光面阵列中不同层分光面反射出的光线的光强一致。
目前，阵列光波导的分光面阵列中各层分光面的反射率普遍是按照等比规律设计，即沿着光线传播方向各分光面的反射率依次增大，例如，第一层分光面的反射率为20%，第二层分光面的反射率为25%，第三层分光面的反射率为33.3%，第四层分光面的反射率为50%。
然而，实际上耦入光线在光波导内的传输规律不同，导致同一层分光面的不同位置反射出的光线的光强存在差异，因此简单按照等比规律设计的分光面的反射率，所观测到的图像仍然会存在明显的亮暗条纹，亮暗条纹的存在会降低显示的图像的亮度均匀性、清晰度，影响用户的使用体验。
发明内容
本发明提供一种分区域镀膜阵列光波导和头戴式设备，用以解决现有技术中阵列光波导简单按照等比规律设计分光面的反射率，使得显示的图像存在明显的亮暗条纹，降低了显示的图像的亮度均匀性和清晰度的问题，可以降低同一层分光面的不同位置反射出的光线的光强存在差异，减少亮暗条纹对阵列光波导显示的图像的显示效果的干扰，提高图像的亮度均匀性、清晰度，提升用户的使用体验。
第一方面，本发明提供了一种分区域镀膜阵列光波导，在所述光波导的光线耦出区域设有分光面阵列，所述分光面阵列包括至少二层分光面，所述分光面阵列中的各层分光面平行且按一定间距设置，并与所述光波导呈一定的倾斜角度；
所述分光面阵列中的每一层分光面被划分为至少一个区域，在每一层分光面所划分的各区域中镀有的分光膜层的反射率，使得从同一层分光面的各区域反射出的光线的功率一致。
根据本发明提供的分区域镀膜阵列光波导，对所述分光面阵列中的每一层分光面，根据光线在被其反射前透射所述分光面阵列中其它层分光面的次数进行区域划分。
根据本发明提供的分区域镀膜阵列光波导，所述分光面阵列中沿着光线传播方向的第一层分光面，被划分为一个区域，在所划分的一个区域中镀有的分光膜层具有一种反射率。
根据本发明提供的分区域镀膜阵列光波导，所述分光面阵列中沿着光线传播方向除所述第一层分光面外的其它每一层分光面，被划分为至少二个区域，在所划分的各区域中至少二个区域镀有的分光膜层的反射率不同。
根据本发明提供的分区域镀膜阵列光波导，对所述分光面阵列中沿着光线传播方向除所述第一层分光面外的其它每一层分光面，根据光线在被其反射前透射前一层分光面的次数进行区域划分。
根据本发明提供的分区域镀膜阵列光波导，所述分光面阵列中沿着光线传播方向除所述第一层分光面外的其它每一层分光面，所划分的各区域镀有的分光膜层反射出的光线的功率，根据所述分光膜层的反射率、光线透射其它层分光面的次数和所透射的其它层分光面的透射率确定。
根据本发明提供的分区域镀膜阵列光波导，所述分光面阵列中每一层分光面所划分的各区域的面积，根据所述光波导的厚度、所述光波导的材料、所述分光面的倾斜角度和所述分光面的间距确定。
第二方面，本发明提供了一种头戴式设备，包括根据第一方面所述的分区域镀膜阵列光波导制作的镜片。
根据本发明提供的头戴式设备，所述头戴式设备为增强现实眼镜。
根据本发明提供的头戴式设备，所述头戴式设备为增强现实头盔。
本发明实施例提供的分区域镀膜阵列光波导和头戴式设备，通过对阵列光波导的分光面阵列中的每一层分光面进行分区域镀膜，可以降低同一层分光面的不同位置反射出的光线的光强存在差异，减少亮暗条纹对阵列光波导显示的图像的显示效果的干扰，提高图像的亮度均匀性、清晰度，提升用户的使用体验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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是本发明提供的分区域镀膜阵列光波导中第一层分光面的光路示意图；
图2是本发明提供的分区域镀膜阵列光波导中第二层分光面的区域a1的光路示意图；
图3是本发明提供的分区域镀膜阵列光波导中第二层分光面的区域a2的光路示意图；
图4是本发明提供的分区域镀膜阵列光波导中第二层分光面的区域a3的光路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、图2、图3和图4，图1是本发明提供的分区域镀膜阵列光波导中第一层分光面的光路示意图，图2是本发明提供的分区域镀膜阵列光波导中第二层分光面的区域a1的光路示意图，图3是本发明提供的分区域镀膜阵列光波导中第二层分光面的区域a2的光路示意图，图4是本发明提供的分区域镀膜阵列光波导中第二层分光面的区域a3的光路示意图。
如图1、图2、图3和图4所示，本发明提供了一种分区域镀膜阵列光波导，在光波导100的光线耦出区域设有分光面阵列110，分光面阵列110包括至少二层分光面。其中，分光面阵列110中分光面的层数可以根据阵列光波导100实际光线耦出和扩瞳的需求确定，本发明实施例对分光面阵列110中分光面的层数不作限定。例如，分光面阵列110可以包括m层分光面S1、S2、……、Sm，其中m≥2，图中只示出了S1~S4。分光面阵列110中的各层分光面平行且按一定间距设置，并与光波导100呈一定的倾斜角度，即分光倾斜角度。其中，分光面阵列110中各层分光面的间距和与光波导100的倾斜角度，可以根据阵列光波导100实际光线耦出和扩瞳的需求确定，本发明实施例对分光面阵列110中分光面的间距和的倾斜角度不作限定。例如，分光面阵列110中的m层分光面S1、S2、……、Sm以间距d，倾斜角度β平行设置。
分光面阵列110中的每一层分光面被划分为至少一个区域，在每一层分光面所划分的各区域中镀有的分光膜层的反射率，使得从同一层分光面的各区域反射出的光线的功率一致。由于光线在被分光面反射出前不同的光路情况对光强产生的影响不同，因此分光面阵列110中的每一层分光面被划分的区域的数量，可以根据光线在被分光面反射出前光路情况的种类确定，本发明实施例对分光面阵列110中每一层分光面被划分的区域的数量不作限定。例如，分光面阵列110中的分光面S1，光线在被分光面S1反射出前仅存在1种光路情况，分光面S1被划分为一个区域，分光面阵列110中的分光面S2，光线在被分光面S2反射出前存在n种光路情况，分光面S2被划分为n个区域a1、a2、……、an，其中n≥2，图中只示出了a1~a3。
在分光面阵列110中各层分光面的反射率按照等比规律设计的基础上，为了使同一层分光面的不同位置反射出的光线的光强一致，分光面阵列110中每一层分光面的各区域中镀有的分光膜层的反射率，可以根据使同一层分光面的各区域反射出的光线的功率一致确定。其中，同一层分光面的各区域中所有区域镀有的分光膜层的反射率可以均不相同；或者同一层分光面的各区域中一部分区域镀有的分光膜层的反射率可以不相同，另一部分区域镀有的分光膜层的反射率可以相同，本发明实施例对分光面阵列110中每一层分光面的各区域中镀有的分光膜层的反射率不作限定。例如，分光面阵列110中的分光面S2所划分的n个区域镀有的分光膜层的反射率分别为R21、R22、……、R2n，分光面S2所划分的n个区域镀有的分光膜层反射出的光线的功率分别为Ia1、Ia2、……、Ian，根据Ia1 = Ia2 = ……=Ia3、反射出的光线的功率与分光膜层的反射率之间的关系、以及分光面S2按照等比规律设计的反射率，可以确定出分光面S2所划分的n个区域镀有的分光膜层的反射率R21、R22、……、R2n。
由于光线在被分光面阵列110中的分光面反射出前的光路情况主要与光波导100的厚度、光波导100的材料、分光面的倾斜角度和分光面的间距有关，因此可以根据光波导100的厚度、光波导100的材料、分光面的倾斜角度和分光面的间距，确定分光面阵列110中每一层分光面所划分的各区域的面积。例如，可以根据光波导100的厚度h、光波导100为熔融石英、分光面的倾斜角度β和分光面的间距d，确定分光面S2所划分的n个区域a1、a2、……、an的面积。
本发明实施例提供的分区域镀膜阵列光波导，通过对阵列光波导的分光面阵列中的每一层分光面进行分区域镀膜，可以降低同一层分光面的不同位置反射出的光线的光强存在差异，减少亮暗条纹对阵列光波导显示的图像的显示效果的干扰，提高图像的亮度均匀性、清晰度，提升用户的使用体验。
在一些可选的例子中，对分光面阵列110中的每一层分光面，可以根据光线在被其反射前透射分光面阵列110中其它层分光面的次数进行区域划分。此时，分光面阵列110中沿着光线传播方向的第一层分光面，被划分为一个区域，在所划分的一个区域中镀有的分光膜层具有一种反射率。分光面阵列110中沿着光线传播方向除第一层分光面外的其它每一层分光面，被划分为至少二个区域，在所划分的各区域中至少二个区域镀有的分光膜层的反射率不同。其中，分光面阵列110中沿着光线传播方向除第一层分光面外的其它每一层分光面，所划分的各区域镀有的分光膜层反射出的光线的功率，可以根据分光膜层的反射率、光线透射其它层分光面的次数和所透射的其它层分光面的透射率确定。
如图1所示，分光面阵列110可以包括四层分光面S1、S2、S3、S4，分光面S1为第一层分光面，对于任意角度α入射的全反射光线，在被分光面S1反射出前仅存在1种光路情况，因此整个分光面S1被作为一个区域，仅镀有一种分光膜层，分光面S1镀有的分光膜层的反射率为R1，则经分光面S1反射出的光线的功率均为R1。分光面S2为第二层分光面，光线在被分光面S2反射出前存在3种光路情况，因此整个分光面S2被划分为三个区域a1、a2、a3。如图2所示，光线在被分光面S2的a1区域反射出前，仅透射分光面S1一次；如图3所示，光线在被分光面S2的a2区域反射出前，透射分光面S1三次；如图4所示，光线在被分光面S2的a3区域反射出前，透射分光面S1一次。在分光面S2所划分的三个区域a1、a2、a3中镀有的分光膜层的反射率分别为R21、R22、R23，分光面S2所划分的三个区域a1、a2、a3反射出的光线的功率分别为Ia1、Ia2、Ia3，则Ia1= T1R21，Ia2 = T13R22，Ia3 = T1R23，其中T1为分光面S1的透射率，根据Ia1 = Ia2 = Ia3可以确定出分光面S2所划分的三个区域a1、a2、a3中镀有的分光膜层的反射率满足R21= R23 = T12R22，此时a1区域与a3区域中镀有的分光膜层的反射率相同，a1区域、a3区域与a2区域中镀有的分光膜层的反射率不同， a1区域、a3区域中镀有的分光膜层的反射率小于a2区域中镀有的分光膜层的反射率。若不对分光面S2进行分区域镀膜，即对分光面S2仅镀有一种分光膜层，则a2区域反射出的光线的功率将远小于a1区域和a3区域反射出的光线的功率，从而使显示的图像形成明显的暗条纹。
在另一些可选的例子中，对分光面阵列110中沿着光线传播方向除第一层分光面外的其它每一层分光面，可以根据光线在被其反射前透射前一层分光面的次数进行区域划分。也就是说，沿着光线传播的方向，对分光面阵列110中的第二层分光面，可以根据光线在被第二层分光面反射前透射第一层分光面的次数进行区域划分；对分光面阵列110中的第三层分光面，可以仅根据光线在被第三层分光面反射前透射第二层分光面的次数进行区域划分，而不考虑光线透射第一层分光面的次数；对分光面阵列110中的其余层分光面依此类推。
在另一些可选的例子中，对分光面阵列110中沿着光线传播方向除第一层分光面外的其它每一层分光面，可以根据光线在被其反射前透射前两层或者前三层分光面的次数进行区域划分，本发明实施例在根据光线透射分光面的次数对分光面进行区域划分时，对光线透射的分光面的数量不作限定。
在另一些可选的例子中，对分光面阵列110中沿着光线传播方向除第一层分光面外的其它每一层分光面，可以根据光线在被其反射前透射前面指定的某一层或者某几层分光面的次数进行区域划分，例如，沿着光线传播的方向，对分光面阵列110中的第三层分光面，可以根据光线在被第三层分光面反射前透射第一层分光面的次数进行区域划分，而不考虑光线透射第二层分光面的次数，对分光面阵列110中的其余层分光面依此类推，本发明实施例在根据光线透射分光面的次数对分光面进行区域划分时，对光线透射的分光面的位置不作限定。
上述各实施例，通过在根据光线透射分光面的次数对分光面进行区域划分时，指定光线透射的分光面的位置和数量，可以简化对分光面阵列110中的分光面进行分区域镀膜的复杂度。
本发明还提供了一种头戴式设备，包括上述任一实施例的分区域镀膜阵列光波导制作的镜片。将图1至图4所示的分区域镀膜阵列光波导应用于头戴式设备的镜片。以图1至图4所示的分区域镀膜阵列光波导应用于右眼镜片为例，光波导100的光线耦入区域可以位于人体右侧太阳穴的位置，用于接收光机发出的携带有图像信息的光线；光波导100的光线耦出区域可以位于右眼处，用于使光波导100反射出的携带有图像信息的光线进入人眼，在人眼形成虚拟图像。
将图1至图4所示的分区域镀膜阵列光波导应用于左眼镜片，光波导100的光线耦入区域可以位于人体左侧太阳穴的位置，光波导100的光线耦出区域可以位于左眼处，将图1至图4所示的分区域镀膜阵列光波导应用于左眼镜片的原理与应用于右眼镜片的原理相同，故在此不作赘述。
可选地，头戴式设备可以为增强现实眼镜，或者也可以为增强现实头盔。增强现实眼镜和增强现实头盔可以被应用于医学领域、商业活动和影视领域等。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种分区域镀膜阵列光波导，其特征在于，在所述光波导的光线耦出区域设有分光面阵列，所述分光面阵列包括至少二层分光面，所述分光面阵列中的各层分光面平行且按一定间距设置，并与所述光波导呈一定的倾斜角度；
所述分光面阵列中的每一层分光面被划分为至少一个区域，在每一层分光面所划分的各区域中镀有的分光膜层的反射率，使得从同一层分光面的各区域反射出的光线的功率一致。
2.根据权利要求1所述的分区域镀膜阵列光波导，其特征在于，对所述分光面阵列中的每一层分光面，根据光线在被其反射前透射所述分光面阵列中其它层分光面的次数进行区域划分。
3.根据权利要求2所述的分区域镀膜阵列光波导，其特征在于，所述分光面阵列中沿着光线传播方向的第一层分光面，被划分为一个区域，在所划分的一个区域中镀有的分光膜层具有一种反射率。
4.根据权利要求3所述的分区域镀膜阵列光波导，其特征在于，所述分光面阵列中沿着光线传播方向除所述第一层分光面外的其它每一层分光面，被划分为至少二个区域，在所划分的各区域中至少二个区域镀有的分光膜层的反射率不同。
5.根据权利要求4所述的分区域镀膜阵列光波导，其特征在于，对所述分光面阵列中沿着光线传播方向除所述第一层分光面外的其它每一层分光面，根据光线在被其反射前透射前一层分光面的次数进行区域划分。
6.根据权利要求4所述的分区域镀膜阵列光波导，其特征在于，所述分光面阵列中沿着光线传播方向除所述第一层分光面外的其它每一层分光面，所划分的各区域镀有的分光膜层反射出的光线的功率，根据所述分光膜层的反射率、光线透射其它层分光面的次数和所透射的其它层分光面的透射率确定。
7.根据权利要求1至6任一项所述的分区域镀膜阵列光波导，其特征在于，所述分光面阵列中每一层分光面所划分的各区域的面积，根据所述光波导的厚度、所述光波导的材料、所述分光面的倾斜角度和所述分光面的间距确定。
8.一种头戴式设备，其特征在于，包括根据权利要求1至7任一项所述的分区域镀膜阵列光波导制作的镜片。
9.根据权利要求8所述的头戴式设备，其特征在于，所述头戴式设备为增强现实眼镜。
10.根据权利要求8所述的头戴式设备，其特征在于，所述头戴式设备为增强现实头盔。
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