CN114779396A - 光波导系统及增强现实设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光波导系统及增强现实设备，光波导系统包括波导，光波导包括相对设置的第一侧面和第二侧面，第一侧面设置有光栅，第二侧面设置有防漏光元件，防漏光元件用于减少光线从第二侧面的方向射出。通过在光波导背离光栅的一侧设置防漏光元件，防漏光元件可以反射、衍射、或者吸收入射至防漏光元件的光线，这样，既可以减少从光波导的第二侧面出射的光线，即减少漏光现象；还可以通过反射或者衍射，将光线反射至光栅，提高光能的利用率，即提高光效。该发明具有能够降低漏光率和提高光能效率的优点。
Description
技术领域
本发明涉及增强现实设备领域，尤其涉及一种光波导系统及增强现实设备。
背景技术
现有基于衍射光栅的光波导系统的AR(Augmented Reality，增强现实设备)设备的镜片都存在向外界环境泄露虚像光的问题，即佩戴者增强现实设备当前所观看的虚拟图像信息会同时泄露给外界人员，造成佩戴者的隐私也同时泄露，这严重影响了增强现实设备的佩戴体验及舒适性。同时当前的增强现实设备为了保证出瞳的均匀性和透过率，通常采用极低衍射效率的光栅，这导致了光波导系统的光效非常低，造成亮度低且功耗高，严重限制了增强现实设备的应用场景和续航能力。
鉴于此，有必要提供一种新型的光波导系统及增强现实设备，以解决或至少缓解上述技术缺陷。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种光波导系统及增强现实设备，旨在解决现有技术中光波导系统漏光率高和光效低的技术问题。
为实现上述目的，根据本发明的一方面，本发明提供一种光波导系统，包括光波导，所述光波导包括相对设置的第一侧面和第二侧面，所述第一侧面设置有光栅，所述第二侧面设置有防漏光元件，所述防漏光元件用于减少光线从所述第二侧面的方向射出。
在一实施例中，所述防漏光元件用于反射从所述光波导入射至所述防漏光元件的光线，所述防漏光元件的工作波段与所述光栅的工作波段一致。
在一实施例中，所述防漏光元件用于反射从所述光波导入射至所述防漏光元件的光线，所述防漏光元件的工作波段被包含在所述光栅的工作波段内，且所述防漏光元件的工作波段的第一中心波长与所述光栅的工作波段的第二中心波长相差小于第一预设值。
在一实施例中，所述防漏光元件的工作波段的宽度相对所述光栅的工作波段的宽度小于预设比例，且所述防漏光元件的工作波段的第一中心波长与所述光栅的工作波段的第二中心波长相同。
在一实施例中，所述光栅包括靠近入射光线的左侧和与所述左侧相对的右侧，所述防漏光元件的反射角带宽的范围包含所述光栅的左侧边缘视场到所述右侧的边缘视场的角度范围。
在一实施例中，在所述反射角带宽的范围内，不同角度的入射光线对应的反射率或衍射率的差值小于第二预设值；或在所述反射角带宽的范围内，不同角度的入射光线对应的反射率或衍射率的差值的波动小于第三预设值。
在一实施例中，所述第二预设值的大小为5％～10％，所述第三预设值的大小为1％～10％。
在一实施例中，所述防漏光元件用于吸收从所述光波导入射至所述防漏光元件的光线，所述防漏光元件的吸收波段与所述光栅的工作波段一致。
在一实施例中，所述防漏光元件用于吸收从所述光波导入射至所述防漏光元件的光线，所述防漏光元件的吸收波段被包含在所述光栅的工作波段内，且所述防漏光元件的吸收波段的第三中心波长与所述光栅的工作波段的第四中心波长的差值小于第四预设值。
在一实施例中，所述防漏光元件的工作波段的宽度相对所述光栅的工作波段的宽度小于预设比例，且所述防漏光元件的吸收波段的第三中心波长与所述光栅的工作波段的第四中心波长相同。
在一实施例中，所述光栅包括靠近入射光线的左侧和与所述左侧相对的右侧，所述防漏光元件的吸收角带宽的范围包含所述光栅的左侧边缘视场到所述右侧的边缘视场的角度范围。
在一实施例中，在所述防漏光元件的吸收角带宽的范围内，不同角度的入射光线对应的透过率的差值小于第五预设值；
或，在所述防漏光元件的吸收角带宽的范围内，不同角度的入射光线对应的透过率的差值的波动小于第六预设值。
在一实施例中，所述第五预设值的大小为5％～10％，所述第六预设值的大小为1％～10％。
在一实施例中，所述防漏光元件包括层叠设置的吸收型元件和反射型元件，所述吸收型元件在工作波段的透光率大于所述反射型元件在工作波段的透光率，且所述吸收型元件在非工作波段的透光率小于所述反射型元件在非工作波段的透光率。
在一实施例中，所述反射型元件设置于靠近所述光波导的一侧。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种增强现实设备，所述增强现实设备包括上述所述的光波导系统。
上述方案中，光波导系统包括光波导，光波导包括相对设置的第一侧面和第二侧面，第一侧面设置有光栅，第二侧面设置有防漏光元件，防漏光元件用于减少光线从第二侧面的方向射出。通过在光波导背离光栅的一侧设置防漏光元件，防漏光元件可以反射、衍射、或者吸收入射至防漏光元件的光线，这样，既可以减少从光波导的第二侧面出射的光线，即减少漏光现象；另一方面，还可以通过反射或者衍射，将光线反射至光栅，提高光能的利用率，即提高光效。该发明具有能够降低漏光率和提高光能效率的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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方式，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为现有技术中光波导系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例光波导系统和光路的示意图；
图3为图2中衍射效率与防漏光元件和光栅的波长与关系的曲线图；
图4为本发明另一实施例光波导系统和光路的示意图；
图5为图4中防漏光元件的反射率或衍射率与角度关系的曲线图；
图6为本发明又一实施例光波导系统和光路的示意图；
图7为图6中衍射效率、透光率与防漏光元件和光栅的波长与关系的曲线图；
图8为本发明还一实施例光波导系统和光路的示意图；
图9为图8中防漏光元件的透过率与视场关系的曲线图；
图10为本发明再一实施例光波导系统和光路的示意图；
图11为图10中防漏光元件的环境光透过率与波长关系的曲线图；
图12为本发明另外一实施例光波导系统和光路的示意图；
图13为图12中组合防漏光元件、吸收型元件、反射型元件的环境光透过率与波长关系的曲线图。
附图标号说明：
1、光波导；11、第一侧面；12、第二侧面；2、光栅；21、左侧；22、右侧；3、防漏光元件；4、人眼；5、组合防漏光元件。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，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方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如上、下……)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。
并且，本发明各个实施方式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。
参见图2-图11，根据本发明的一个方面，本发明提供一种光波导系统，包括光波导1，光波导1包括相对设置的第一侧面11和第二侧面12，第一侧面11设置有光栅2，第二侧面12设置有防漏光元件3，防漏光元件3用于减少光线从第二侧面12的方向射出。
参照图1，图1中A光线代表成像光，B光线代表泄露光。现有的光波导系统中，光栅2设置于光波导1上，入射至光波导1的光线在光波导1内发生反射后从光栅2的一侧射出，人眼4在光栅2的一侧接收到成像光。然而同时，会有部分光线从光波导1背离光栅2的一侧(即第二侧面12)射出，这部分光可以称之为泄露光，这样佩戴者当前所观看的虚拟图像信息同时会泄露给外界人员，造成隐私泄露，这严重影响了AR眼镜的佩戴体验及舒适性。同时为了保证出瞳的均匀性和透过率，只能采用极低衍射效率的光栅2，这导致了光波导系统的光效非常低，存在亮度低且功耗高的缺陷。上述实施例中，通过在光波导1背离光栅2的一侧设置防漏光元件3，防漏光元件3可以反射、衍射、或者吸收入射至防漏光元件3的光线，这样，既可以减少从光波导1的第二侧面12出射的光线，即减少漏光现象；还可以通过反射或者衍射，将光线反射至光栅2，提高光能的利用率，即提高光效。该实施例具有能够降低漏光率和提高光能效率的优点。
参照图2和图3，图2中A光线代表成像光，C光线代表环境光，图3中D曲线代表光栅2的工作波段，E曲线代表防漏光元件3的工作波段，F代表中心波长。
在一具体的实施例中，防漏光元件3用于反射从光波导1入射至防漏光元件3的光线，防漏光元件3的工作波段与光栅2的工作波段一致。这样防漏光元件3可以最大限度地将入射至防漏光元件3上的光线反射至光波导1内，最大程度上的减小光线的泄露，并且反射回的光线可以从光栅2反射至人眼4出变为成像光，能够有效的利用光能。该实施例不仅能最大效用的减少光泄露，减轻、避免佩戴者泄露隐私的风险，而且将泄露光重新利用，可以增加光波导系统的光效。
请继续参照图2和图3，在一实施例中，防漏光元件3用于反射从光波导1入射至防漏光元件3的光线，防漏光元件3的工作波段被包含在光栅2的工作波段内，且防漏光元件3的工作波段的第一中心波长与光栅2的工作波段的第二中心波长相差小于第一预设值，即防漏光元件3的工作波段的第一中心波长与光栅2的工作波段的第二中心波长十分接近或者波长一致，中心波长对应的波段强度最大，该实施例可以将强波段范围内的光线反射，起到防止防止光线泄露的作用；同时，防漏光元件3的工作波段被光栅2的工作波段包含，即相比于上一实施例防漏光元件3的工作波段设置的较窄，还能减小防漏光元件3对环境光线的干扰。这里的第一预设值可以是5％-10％，本领域技术人员可以根据实际需要设置。
请继续参照图2和图3，在一实施例中，防漏光元件3的工作波段的宽度相对光栅2的工作波段的宽度小于预设比例，且防漏光元件3的工作波段的第一中心波长与光栅2的工作波段的第二中心波长相同。该实施例将防漏光元件3的工作波段的第一中心波长与光栅2的工作波段的第二中心波长相同，可以在较窄的波段内反射强度最强的范围内的光线，且防漏光元件3的工作波段设计的很窄，相对于光栅2的工作波段在一个很小的范围内，相对于上一实施例而言，可以进一步减小防漏光元件3对环境光线的干扰。
参照图4和图5，图4中A光线代表成像光，N光线代表左侧边缘视场光线，G光线代表右侧边缘视场光线，图5中H点表示中心视场，J点表示边缘视场，图5中两条曲线代表两种不同反射率或衍射率的防漏光元件3。在一实施例中，光栅2包括靠近入射光线的左侧21和与左侧21相对的右侧22，防漏光元件3的反射角带宽的范围包含光栅2的左侧边缘视场到右侧的边缘视场的角度范围。在反射角带宽的范围内，不同角度的入射光线对应的反射率或衍射率的差值小于第二预设值；或在反射角带宽的范围内，不同角度的入射光线对应的反射率或衍射率的差值的波动小于第三预设值。在反射角带宽范围内，防漏光元件3的反射率或衍射效率是均一的或近似均一的。参照图5，反应在角度相关的谱线上为，在反射角带宽范围内不同的入射角都有相同的反射率或衍射效率，或在该范围内不同角度对应的反射率或衍射效率相互之间的数值差别不大。反射率或衍射率的均一性既能够保证防漏光元件3在整个视场内都可以有效的防止信息图像泄露，同时也保证了图像光的均匀分布和佩戴者透过该系统观察外界时的均一性。
在一实施例中，第二预设值的大小为5％～10％，第三预设值的大小为1％～10％。本领域技术人员可以根据实际需要设置数值范围。
参照图6和图7，图6中A光线代表成像光，B光线代表泄露光，图7中F1代表中心波长。在一实施例中，防漏光元件3用于吸收从光波导1入射至防漏光元件3的光线，防漏光元件3的吸收波段与光栅2的工作波段一致。这样防漏光元件3可以最大限度地将入射至防漏光元件3上的光线吸收，最大程度上的减小光线的泄露。
请继续参照图6和图7，在一实施例中，防漏光元件3用于吸收从光波导1入射至防漏光元件3的光线，防漏光元件3的吸收波段被包含在光栅2的工作波段内，且防漏光元件3的吸收波段的第三中心波长与光栅2的工作波段的第四中心波长的差值小于第四预设值。即防漏光元件3的工作波段的第三中心波长与光栅2的工作波段的第四中心波长十分接近或者波长一致，中心波长对应的波段强度最大，该实施例可以将强波段范围内的光线吸收，在防止光线泄露；同时，防漏光元件3的工作波段被光栅2的工作波段包含，即相比于上一实施例防漏光元件3的吸收波段设置的较窄，还能减小防漏光元件3对环境光线的干扰。
请继续参照图6和图7，在一实施例中，防漏光元件3的工作波段的宽度相对光栅2的工作波段的宽度小于预设比例，且防漏光元件3的吸收波段的第三中心波长与光栅2的工作波段的第四中心波长相同。该实施例将防漏光元件3的吸收波段的第三中心波长与光栅2的工作波段的第四中心波长相同，可以在较窄的波段内吸收强度最强的范围内的光线，且防漏光元件3的工作波段设计的很窄，相对于光栅2的工作波段在一个很小的范围内，相对于上一实施例而言，可以进一步减小防漏光元件3对环境光线的干扰。
参照图8和图9，图8中A光线代表成像光，N1光线代表左侧边缘视场光线，G1光线代表右侧边缘视场光线，图9中H1点表示中心视场，J1点表示边缘视场，图9中两条曲线代表两种不同透过率的防漏光元件3。在一实施例中，光栅2包括靠近入射光线的左侧21和与左侧21相对的右侧22，防漏光元件3的吸收角带宽的范围包含光栅2的左侧21边缘视场到右侧22的边缘视场的角度范围。在防漏光元件3的吸收角带宽的范围内，不同角度的入射光线对应的透过率的差值小于第五预设值；或，在防漏光元件3的吸收角带宽的范围内，不同角度的入射光线对应的透过率的差值的波动小于第六预设值。在吸收角带宽范围内，防漏光元件3的透过率是均一的或近似均一的，参照图9，反应在角度相关的谱线上为，在吸收角带宽范围内不同的入射角都有相同的透过率，或在该范围内不同角度对应的透过率相互之间的数值差别不大。透过率的均一性既能够保证防漏光元件3在整个视场内都可以有效的防止信息图像泄露，同时也保证了图像光的均匀分布和佩戴者透过该系统观察外界时的均一性。
在一实施例中，第五预设值的大小为5％～10％，第六预设值的大小为1％～10％。本领域技术人员可以根据实际需要设置数值范围。
参照图10和图11，图11中A光线代表成像光，C光线代表环境光，图11中F2代表中心波长。当防漏光元件3处于反射态或衍射态时，除了对光栅2的漏光有响应，在外界环境光通过防漏光元件3时也会被反射或衍射掉一部分，所以当佩戴者通过其观察外界时，将会看到亮度不均匀和颜色偏色的现象，尤其是当需要防漏光元件3的反射率或衍射效率做的较高来提升防漏效果时，这样的现象会更加明显。
参照图12和图13，图12为采用组合防漏光元件的示意图，其中，A光线代表成像光，C光线代表环境光，图13中F3代表中心波长，K曲线代表反射型元件环境透光率与波长关系的曲线图，L曲线代表吸收型元件环境透光率与波长关系的曲线图，M曲线代表组合防漏光元件的环境透光率与波长关系的曲线图。在本实施例中，防漏光元件3包括层叠设置的吸收型元件和反射型元件，吸收型元件在工作波段的透光率大于反射型元件在工作波段的透光率，且吸收型元件在非工作波段的透光率小于反射型元件在非工作波段的透光率。该实施例通过设置一个组合防漏光元件5，包括层叠设置的吸收型元件和反射型元件，吸收型元件对于环境光在工作波段的透过率更高一些，在其他波段的透过低一些；反射或衍射型元件在工作波段在的反射或衍射率更高一些，所以他对环境光的透过率更低一些，在其他波段的反射率或衍射率更低一些，对环境光的透过率会更高一些。两者组合使用后，工作波段和非工作波段的通过率互补，他们的组合在工作波段和非工作波段，或者说整个可见光波段的环境光透过率会变成是均一的。这样既减少了漏光现象和提高了光能的利用率，同时佩戴者观察外界也将看到正常且均匀的景象。
在一实施例中，反射型元件设置于靠近光波导1的一侧，将吸收型元件设置在远离光波导1的一侧，可以通过靠近光波导1的一侧将更多的光线反射至光栅2，进一步减少提高光能的利用率。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种增强现实设备，增强现实设备包括上述的光波导系统。由于增强现实设备包括了上述所有光波导系统的全部实施例的所有技术方案，因此，至少具有上述所有技术方案带来的一切有益效果，在此不再一一赘述。
以上仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的技术构思下，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。
Claims (16)
1.一种光波导系统，其特征在于，包括光波导，所述光波导包括相对设置的第一侧面和第二侧面，所述第一侧面设置有光栅，所述第二侧面设置有防漏光元件，所述防漏光元件用于减少光线从所述第二侧面的方向射出。
2.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述防漏光元件用于反射从所述光波导入射至所述防漏光元件的光线，所述防漏光元件的工作波段与所述光栅的工作波段一致。
3.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述防漏光元件用于反射从所述光波导入射至所述防漏光元件的光线，所述防漏光元件的工作波段被包含在所述光栅的工作波段内，且所述防漏光元件的工作波段的第一中心波长与所述光栅的工作波段的第二中心波长相差小于第一预设值。
4.根据权利要求3所述的光波导系统，其特征在于，所述防漏光元件的工作波段的宽度相对所述光栅的工作波段的宽度小于预设比例，且所述防漏光元件的工作波段的第一中心波长与所述光栅的工作波段的第二中心波长相同。
5.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述光栅包括靠近入射光线的左侧和与所述左侧相对的右侧，所述防漏光元件的反射角带宽的范围包含所述光栅的左侧边缘视场到所述右侧的边缘视场的角度范围。
6.根据权利要求5所述的光波导系统，其特征在于，在所述反射角带宽的范围内，不同角度的入射光线对应的反射率或衍射率的差值小于第二预设值；或在所述反射角带宽的范围内，不同角度的入射光线对应的反射率或衍射率的差值的波动小于第三预设值。
7.根据权利要求6所述的光波导系统，其特征在于，所述第二预设值的大小为5％～10％，所述第三预设值的大小为1％～10％。
8.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述防漏光元件用于吸收从所述光波导入射至所述防漏光元件的光线，所述防漏光元件的吸收波段与所述光栅的工作波段一致。
9.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述防漏光元件用于吸收从所述光波导入射至所述防漏光元件的光线，所述防漏光元件的吸收波段被包含在所述光栅的工作波段内，且所述防漏光元件的吸收波段的第三中心波长与所述光栅的工作波段的第四中心波长的差值小于第四预设值。
10.根据权利要求9所述的光波导系统，其特征在于，所述防漏光元件的工作波段的宽度相对所述光栅的工作波段的宽度小于预设比例，且所述防漏光元件的吸收波段的第三中心波长与所述光栅的工作波段的第四中心波长相同。
11.根据权利要求1所述的光波导系统，其特征在于，所述光栅包括靠近入射光线的左侧和与所述左侧相对的右侧，所述防漏光元件的吸收角带宽的范围包含所述光栅的左侧边缘视场到所述右侧的边缘视场的角度范围。
12.根据权利要求11所述的光波导系统，其特征在于，在所述防漏光元件的吸收角带宽的范围内，不同角度的入射光线对应的透过率的差值小于第五预设值；
或，在所述防漏光元件的吸收角带宽的范围内，不同角度的入射光线对应的透过率的差值的波动小于第六预设值。
13.根据权利要求12所述的光波导系统，其特征在于，所述第五预设值的大小为5％～10％，所述第六预设值的大小为1％～10％。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的光波导系统，其特征在于，所述防漏光元件包括层叠设置的吸收型元件和反射型元件，所述吸收型元件在工作波段的透光率大于所述反射型元件在工作波段的透光率，且所述吸收型元件在非工作波段的透光率小于所述反射型元件在非工作波段的透光率。
15.根据权利要求14所述的光波导系统，其特征在于，所述反射型元件设置于靠近所述光波导的一侧。
16.一种增强现实设备，其特征在于，所述增强现实设备包括权利要求1-15中任一项所述的光波导系统。
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