CN115144952B - 光波导器件及近眼显示装置 - Google Patents

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CN115144952B CN202211083311.XA CN202211083311A CN115144952B CN 115144952 B CN115144952 B CN 115144952B CN 202211083311 A CN202211083311 A CN 202211083311A CN 115144952 B CN115144952 B CN 115144952B
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Abstract

本发明公开了一种光波导器件及近眼显示装置，包括基板、楔角形耦入元件和多个耦出反射面。基板具有第一平行表面、第二平行表面以及连接所述第一平行表面和所述第二平行表面的第一斜面。楔角形耦入元件包括入射面、第一反射面和第二反射面，所述第一反射面与所述第一斜面平行，所述第一反射面与所述第二反射面之间的夹角为
Figure 534730DEST_PATH_IMAGE001
。显示单元发出的平行光在楔角形耦入元件内经过两次发射后，会发生角度为
Figure 745263DEST_PATH_IMAGE002
的偏转，此种结构使得显示单元与基板之间的角度为
Figure 146288DEST_PATH_IMAGE003
，即可以通过调节第一反射面与所述第二反射面之间的夹角
Figure 162786DEST_PATH_IMAGE001
，调节显示单元的角度大范围内任意偏转。

Description

光波导器件及近眼显示装置
技术领域
本发明实施例涉及光学技术，尤其涉及一种光波导器件及近眼显示装置。
背景技术
增强现实（Augmented Reality，AR）技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术。近年来，电子图像显示设备的小型化和性能的进步使的紧凑型和高性能近眼显示设备走向消费者成为了可能，如何使这样一个系统真正可穿戴对近眼显示设计提出了挑战。为此，紧凑且能支持大视场角的光波导结构则有着重要的意义。
阵列波导增强现实显示系统，分为成像部分（投影光机）和波导片两部分，成像部分负责把屏幕显示的图像成像到无穷远，即平行光输出，波导片负责把成像部分输出的平行光经过阵列波导的横向传输，从眼睛前方照射到人的瞳孔中，从而在镜片前方的空间中呈现出一个虚拟显示屏的感觉。
对于常见的阵列光波导镜片，耦出光线通常是垂直于镜片，或只与镜片法线方向有很小的夹角；这样就需要耦入光线的方向和阵列膜层之间有如图1的几何关系。因此，成像部分的中心轴和波导片的夹角如图2所示。在对成像部分角度有要求的时候通常只能修改θ角度以适应，但θ角的范围通常在20°到30°之间，因此可调的波导片和成像部分的夹角在130°到150°之间。这种方式调整波导片和成像部分的夹角的可调节范围有限，并且调整θ角度会对反射膜的“反射率-入射角”曲线有新的要求，对于一些角度，存在不太好镀膜的情形（入射角过大时需要较高反射率，或者反射率峰谷之间间隔太小曲线太陡），会使成本增加。
发明内容
本发明实施例提供一种光波导器件及近眼显示装置，该装置在不调整θ角度的同时，可以实现成像部分的角度大范围内任意偏转。
本发明实施例提供一种光波导器件，包括：
基板，具有第一平行表面、第二平行表面以及连接所述第一平行表面和所述第二平行表面的第一斜面；
楔角形耦入元件，包括入射面、第一反射面和第二反射面，所述第一反射面与所述第一斜面平行，所述第一反射面与所述第二反射面之间的夹角为
Figure 893514DEST_PATH_IMAGE001
；
多个耦出反射面，沿所述基板的长度方向以预设间距相互平行倾斜地内嵌于所述第一平行表面和所述第二平行表面之间；
光线经所述入射面进入所述楔角形耦入元件后，经所述第一反射面反射后，传输至所述第二反射面并再次被反射后，传输至所述第一反射面后进入所述基板，并在所述第一平行表面和所述第二平行表面之间通过全反射传输至所述多个耦出反射面，其中，两次传输至所述第一反射面的光线间的夹角为2
Figure 164089DEST_PATH_IMAGE002
。
在其中一个实施例中，所述入射面被定向成垂直于主光线的光轴。
在其中一个实施例中，所述第一反射面和所述第二反射面均为概率分光面，所述第一反射面与所述第一斜面胶合设置。
在其中一个实施例中，所述第一反射面为偏振分光面，所述第二反射面为概率分光面，所述偏振分光面与所述第一斜面胶合设置，所述光波导器件还包括：
第一相位延迟片，设置于所述第一反射面的第一次入射方向上；
第二相位延迟片，设置于所述第二反射面的第一次入射方向上；
其中，所述光线为偏振光线，所述偏振光线经所述入射面进入所述楔角形耦入元件后，依次经过所述第二相位延迟片、所述概率分光面、所述第一相位延迟片传输至所述偏振分光面，并被所述偏振分光面反射后，并经过所述第一相位延迟片传输至所述概率分光面，再次被反射后，依次经过所述第一相位延迟片和所述偏振分光面透射进入所述基板。
在其中一个实施例中，所述第一反射面与所述第一斜面之间设有空气间隙，所述第二反射面为概率分光面，所述光线第一次传输至所述第一反射面的反射角大于全反射角，所述光线第二次传输至所述第一反射面的反射角小于所述全反射角。
在其中一个实施例中，所述第一反射面与所述第一斜面之间设有空气间隙，所述第二反射面为偏振分光面，所述光波导器件还包括：
第三相位延迟片，设置于所述第一反射面的第一次入射方向上；
其中，所述光线为偏振光线，所述偏振光线经所述入射面进入所述楔角形耦入元件后，经所述偏振分光面透射，之后透过所述第三相位延迟片传输至所述第一反射面，并被所述第一反射面反射后，并经过所述第三相位延迟片传输至所述偏振分光面，再次被反射后，依次经过所述第三相位延迟片和所述第一反射面透射进入所述基板；
所述偏振光线第一次传输至所述第一反射面的反射角大于全反射角，所述偏振光线第二次传输至所述第一反射面的反射角小于所述全反射角。
在其中一个实施例中，所述光线第二次是垂直传输至所述第一反射面的。
基于相同的发明构思，本发明实施例一种近眼显示装置，包括显示单元和如上述实施例中任一项所述的光波导器件；
所述显示单元发出多条光线，所述多条光线包括限定图像角视场中点的主光线。
在其中一个实施例中，所述显示单元包括微有机发光二极管显示器、微发光二极管显示器或液晶显示器。
在其中一个实施例中，所述近眼显示装置包括虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。
本发明实施例提供的光波导器件及近眼显示装置，包括基板、楔角形耦入元件和多个耦出反射面。基板具有第一平行表面、第二平行表面以及连接所述第一平行表面和所述第二平行表面的第一斜面。楔角形耦入元件包括入射面、第一反射面和第二反射面，所述第一反射面与所述第一斜面平行，所述第一反射面与所述第二反射面之间的夹角为φ。多个耦出反射面沿所述基板的长度方向以预设间距相互平行倾斜地内嵌于所述第一平行表面和所述第二平行表面之间。光线经所述入射面进入所述楔角形耦入元件后，经所述第一反射面反射后，传输至所述第二反射面并再次被反射后，传输至所述第一反射面后进入所述基板，并在所述第一平行表面和所述第二平行表面之间通过全反射传输至所述多个耦出反射面，其中，两次传输至所述第一反射面的光线间的夹角为
Figure 712882DEST_PATH_IMAGE003
。此种结构使得显示单元与基板之间的角度为
Figure 879553DEST_PATH_IMAGE004
，即可以通过调节第一反射面与所述第二反射面之间的夹角
Figure 615428DEST_PATH_IMAGE001
，调节显示单元的角度大范围内任意偏转。
附图说明
图1为一种光波导内光线传输的光路示意图；
图2为一种近眼显示装置俯视视角结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种近眼显示装置俯视视角结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种光线经第一反射面和第二反射面两次反射光线偏转示意图；
图5为本发明实施例提供的一种光波导器件的俯视视角结构示意图；
图6为本发明实施例提供的又一种光波导器件的俯视视角结构示意图；
图7为本发明实施例提供的再一种光波导器件的俯视视角结构示意图。
主要元件附图标号说明
10、光波导器件；101、耦出反射面； 11、基板；111、第一平行表面；113、第二平行表面；115、第一斜面；12、楔角形耦入元件；121、入射面；123、第一反射面；125、第二反射面；13、第一相位延迟片；14、第二相位延迟片；15、第三相位延迟片；20、显示单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。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。
本发明实施例提供一种光波导器件10，包括基板11、楔角形耦入元件12和多个耦出反射面101。基板11具有第一平行表面111、第二平行表面113以及连接所述第一平行表面111和所述第二平行表面113的第一斜面115。楔角形耦入元件12包括入射面121、第一反射面123和第二反射面125，所述第一反射面123与所述第一斜面115平行，所述第一反射面123与所述第二反射面125之间的夹角为
Figure 483502DEST_PATH_IMAGE001
。多个耦出反射面101沿所述基板11的长度方向以预设间距相互平行倾斜地内嵌于所述第一平行表面111和所述第二平行表面113之间。光线经所述入射面121进入所述楔角形耦入元件12后，经所述第一反射面123反射后，传输至所述第二反射面125并再次被反射后，传输至所述第一反射面123后进入所述基板11，并在所述第一平行表面111和所述第二平行表面113之间通过全反射传输至所述多个耦出反射面101，其中，两次传输至所述第一反射面123的光线间的夹角为
Figure 496588DEST_PATH_IMAGE005
。
基板11和楔角形耦入元件12的材料可以是透明玻璃材料或者透明树脂材料。楔角形耦入元件12的具体结构不做限定，只要可以提供一个楔角，确保入射光线在其内部进行两次反射后，实现角度偏转即可。一种可以实施的方式是，楔角形耦入元件12为楔角棱镜。
可以理解的是，显示单元20发射出不同角度的平行光，为了便于说明光的传播，图3中的仅示出了主光线在光波导器件10中的光路传播示意图。主光线可以理解为是限定图像视场角的中点处的光线。可选地，为了减少色散，楔角形耦入元件12的入射面121被定向成垂直于主光线的光轴。
多个耦出反射面101与第二平行表面113的夹角为θ。多个第二反射面1253用于将图像光线扩瞳后耦出基板11，并输出至人眼。
光线经过两次反射通过楔角形耦入元件12的楔角的时候，会发生角度为
Figure 365318DEST_PATH_IMAGE006
的偏转，如图4所示，根据几何关系可知
Figure 198276DEST_PATH_IMAGE007
因此，最终可以使得显示单元20和基板11之间的角度成为
Figure 5128DEST_PATH_IMAGE004
。
本实施例中，光线经所述入射面121进入所述楔角形耦入元件12后，经所述第一反射面123反射后，传输至所述第二反射面125并再次被反射后，传输至所述第一反射面123后进入所述基板11，并在所述第一平行表面111和所述第二平行表面113之间通过全反射传输至所述多个耦出反射面101，其中，两次传输至所述第一反射面123的光线间的夹角为
Figure 216928DEST_PATH_IMAGE003
。此种结构使得显示单元20与基板11之间的角度为
Figure 784788DEST_PATH_IMAGE004
，即可以通过调节第一反射面123与所述第二反射面125之间的夹角
Figure 42726DEST_PATH_IMAGE001
，调节显示单元20的角度大范围内任意偏转。
在其中一个实施例中，楔角形耦入元件12的第一反射面123和第二反射面125均为概率分光面（部分反射面），所述第一反射面123与所述第一斜面115胶合设置。第一反射面123和第二反射面125的分光比可以根据需要任意设计。
请参见图5，在另一个实施例中，楔角形耦入元件12的第一反射面123为偏振分光面。楔角形耦入元件12的第二反射面125为概率分光面（部分反射面，镀概率分光膜）。所述偏振分光面与所述第一斜面115胶合设置，所述光波导器件10还包括第一相位延迟片13和第二相位延迟片14。第一相位延迟片13设置于所述第一反射面123的第一次入射方向上。第二相位延迟片14设置于所述第二反射面125的第一次入射方向上。第一相位延迟片13和第二相位延迟片14可以为1/4波片。
其中，显示单元20发出的光线为偏振光线。所述偏振光线经所述入射面121进入所述楔角形耦入元件12后，依次经过所述第二相位延迟片14、所述概率分光面、所述第一相位延迟片13传输至所述偏振分光面，并被所述偏振分光面反射后，并经过所述第一相位延迟片13传输至所述概率分光面，再次被反射后，依次经过所述第一相位延迟片13和所述偏振分光面透射进入所述基板11。下面将以显示单元20发出的光线为S偏振光，偏振分光面为透S反P偏振分光面为例进行说明：
S偏振光经过1/4波片后变为圆偏光，经过无偏的部分反射面后不影响偏振，再经过1/4波片后转换为P光，紧接着被透S反P偏振分光面反射，然后经过1/4波片转换为圆偏光，经过部分反射面后，透射光作为杂散光照出系统之外，反射光再次经过1/4波片，转换为S光，然后经过透S反P偏振分光膜透射进入基板11。
请参见图6，在又一个实施例中，楔角形耦入元件12的第一反射面123与所述第一斜面115之间设有空气间隙。楔角形耦入元件12的第二反射面125为概率分光面（部分反射面，镀概率分光膜），所述光线第一次传输至所述第一反射面123的反射角大于全反射角，所述光线第二次传输至所述第一反射面123的反射角小于所述全反射角。
显示单元20发出的光线经过部分反射面后，反射光作为杂散光照出系统之外，透射光以大角度入射至第一反射面123形成全反射，然后经过部分反射面的再次反射后，以一个小角度第二次传输至所述第一反射面123，透射经过空气间隙（此时不满足全反射条件）进入基板11。可选地，所述光线第二次是垂直传输至所述第一反射面123的，此时，传输至第一反射面123的光不发生反射而全部透射进入基板11，减少光损耗。
请参见图7，在再一个实施例中，楔角形耦入元件12的第一反射面123与所述第一斜面115之间设有空气间隙。楔角形耦入元件12的第二反射面125为偏振分光面，所述光波导器件10还包括第三相位延迟片15。第三相位延迟片15设置于所述第一反射面123的第一次入射方向上。第三相位延迟片15可以为1/4波片。
其中，显示单元20发出的光线为偏振光线。所述偏振光线经所述入射面121进入所述楔角形耦入元件12后，经所述偏振分光面透射，之后透过所述第三相位延迟片15传输至所述第一反射面123，并被所述第一反射面123反射后，并经过所述第三相位延迟片15传输至所述偏振分光面，再次被反射后，依次经过所述第三相位延迟片15和所述第一反射面123透射进入所述基板11。所述偏振光线第一次传输至所述第一反射面123的反射角大于全反射角，所述偏振光线第二次传输至所述第一反射面123的反射角小于所述全反射角。下面将以显示单元20发出的光线为S偏振光，偏振分光面为透S反P偏振分光面为例进行说明：
S偏振光透射经过透S反P偏振分光面，经过1/4波片后变为圆偏光，透射光以大角度入射至第一反射面123形成全反射，然后再次经过1/4波片转换为P光，经过透S反P偏振分光面时被反射回来，第三次经过1/4波片变为圆偏光。圆偏光以一个小角度第二次传输至所述第一反射面123，透射经过空气间隙（此时不满足全反射条件）进入基板11。可选地，所述光线第二次是垂直传输至所述第一反射面123的，此时，传输至第一反射面123的光不发生反射而全部透射进入基板11，减少光损耗。
需要说明的是，附图中示出的耦出反射面101（分束镜）仅是示意性的，并不是对本发明实施例的限定，具体实施时可以根据实际情况设计分束镜的数量，也不对多个耦出反射面101的形成工艺作限定，例如可以先制作多个平行四边形结构，在平行四边形的两个侧面镀半透半返膜形成分束镜，再贴合在一起形成多个耦出反射面101。
基于相同的发明构思，本发明实施例一种近眼显示装置。近眼显示装置包括显示单元20和如上述实施例中任一项所述的光波导器件10。
所述显示单元20发出多条光线，所述多条光线包括限定图像角视场中点的主光线。多条光线经楔角形耦入元件12的入射面121进入所述楔角形耦入元件12后，经楔角形耦入元件12的第一反射面123反射后，传输至楔角形耦入元件12的第二反射面125并再次被反射后，传输至所述第一反射面123后进入所述基板11，并在所述第一平行表面111和所述第二平行表面113之间通过全反射传输至所述多个耦出反射面101，其中，两次传输至所述第一反射面123的光线间的夹角为
Figure 458795DEST_PATH_IMAGE005
。
所述显示单元20可以包括显示器和成像系统。当显示器为被动显示源时，所述显示单元20还可以包括照明系统。当所述显示单元20发出多条光线需要为偏振光时，所述显示单元20还可以包括偏光片。
其中，本发明实施例中的近眼显示装置可以为虚拟现实VR显示装置或增强现实AR显示装置。具体的，当基板11不能透过外界光线或者设置有遮光器件时，人眼不能观察到外界环境光线，该近眼显示装置即为VR显示装置，当基板11对外界光线具有一定的透过性时，人眼能同时观察到外界环境光线和显示单元20出射的光线，该近眼显示装置即为AR显示装置，具体实施时可以根据实际情况设计，本发明实施例对此不作限定。
显示单元20用于出射成像光束，本实施例提供的近眼显示装置可以匹配多种显示单元20使用。可选的，显示单元20包括微有机发光二极管（Micro OLED）显示器、微发光二极管（Micro LED）显示器或液晶（LC）显示器。进一步的，微有机发光二极管显示器、微发光二极管显示器或液晶显示器可以均为硅基显示器。硅基显示器以单晶硅片为基底，像素尺寸约为传统显示器的1/10，具有功耗低、体积小、分辨率高等优点，非常适用于近距离观察的近眼显示装置。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种光波导器件，其特征在于，包括：
基板，具有第一平行表面、第二平行表面以及连接所述第一平行表面和所述第二平行表面的第一斜面；
楔角形耦入元件，包括入射面、第一反射面和第二反射面，所述第一反射面与所述第一斜面平行，所述第一反射面与所述第二反射面之间的夹角为
Figure 580029DEST_PATH_IMAGE001
；
多个耦出反射面，沿所述基板的长度方向以预设间距相互平行倾斜地内嵌于所述第一平行表面和所述第二平行表面之间；
光线经所述入射面进入所述楔角形耦入元件后，经所述第一反射面反射后，传输至所述第二反射面并再次被反射后，传输至所述第一反射面后进入所述基板，并在所述第一平行表面和所述第二平行表面之间通过全反射传输至所述多个耦出反射面，其中，两次传输至所述第一反射面的光线间的夹角为
Figure 638115DEST_PATH_IMAGE002
。
2.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述入射面被定向成垂直于主光线的光轴。
3.根据权利要求2所述的光波导器件，其特征在于，所述第一反射面和所述第二反射面均为概率分光面，所述第一反射面与所述第一斜面胶合设置。
4.根据权利要求2所述的光波导器件，其特征在于，所述第一反射面为偏振分光面，所述第二反射面为概率分光面，所述偏振分光面与所述第一斜面胶合设置，所述光波导器件还包括：
第一相位延迟片，设置于所述第一反射面的第一次入射方向上；
第二相位延迟片，设置于所述第二反射面的第一次入射方向上；
其中，所述光线为偏振光线，所述偏振光线经所述入射面进入所述楔角形耦入元件后，依次经过所述第二相位延迟片、所述概率分光面、所述第一相位延迟片传输至所述偏振分光面，并被所述偏振分光面反射后，并经过所述第一相位延迟片传输至所述概率分光面，再次被反射后，依次经过所述第一相位延迟片和所述偏振分光面透射进入所述基板。
5.根据权利要求2所述的光波导器件，其特征在于，所述第一反射面与所述第一斜面之间设有空气间隙，所述第二反射面为概率分光面，所述光线第一次传输至所述第一反射面的反射角大于全反射角，所述光线第二次传输至所述第一反射面的反射角小于所述全反射角。
6.根据权利要求2所述的光波导器件，其特征在于，所述第一反射面与所述第一斜面之间设有空气间隙，所述第二反射面为偏振分光面，所述光波导器件还包括：
第三相位延迟片，设置于所述第一反射面的第一次入射方向上；
其中，所述光线为偏振光线，所述偏振光线经所述入射面进入所述楔角形耦入元件后，经所述偏振分光面透射，之后透过所述第三相位延迟片传输至所述第一反射面，并被所述第一反射面反射后，并经过所述第三相位延迟片传输至所述偏振分光面，再次被反射后，依次经过所述第三相位延迟片和所述第一反射面透射进入所述基板；
所述偏振光线第一次传输至所述第一反射面的反射角大于全反射角，所述偏振光线第二次传输至所述第一反射面的反射角小于所述全反射角。
7.根据权利要求5或者6任一项所述的光波导器件，其特征在于，所述光线第二次是垂直传输至所述第一反射面的。
8.一种近眼显示装置，其特征在于，包括显示单元和如权利要求1-7中任一项所述的光波导器件；
所述显示单元发出多条光线，所述多条光线包括限定图像角视场中点的主光线。
9.根据权利要求8所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示单元包括微有机发光二极管显示器、微发光二极管显示器或液晶显示器。
10.根据权利要求8所述的近眼显示装置，其特征在于，所述近眼显示装置包括虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。
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