CN115390249A - 一种扩展成像出瞳的方法及扩展显示模组 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学领域，公开了一种扩展成像出瞳的方法，应用于AR波导镜片，能够加大成像出瞳的宽度范围，从而在不增加光学系统的体积的前提下，扩展成像出瞳的尺寸，进而显著小型化AR光学系统，包括：在外部光线的入射光路上设置分光镜，将外部光线在分光镜上的入射面作为分光镜面；在分光镜的近旁设置全反镜，并将全反镜的全反镜面平行且朝向分光镜面设置，外部光线在分光镜面同时形成透射子光线和反射子光线，反射子光线通过全反镜面反射形成反射次生光线，并且反射次生光线与透射子光线平行且方向相同。本发明还公开了一种基于上述扩展成像出瞳的方法的扩展显示模组。

Description

一种扩展成像出瞳的方法及扩展显示模组

技术领域

本发明属于光学领域，具体涉及一种扩展成像出瞳的方法及扩展显示模组。

背景技术

光学系统的出瞳尺寸是决定该光学系统的体积的关键因素之一。具体来说，大的出瞳尺寸意味着更大的成像空间范围更大。

在AR技术的应用中，大的出瞳尺寸意味着使用者拥有更大的视角范围，但由于便携性上的要求，AR的光学系统通常被希望设计的越小越好。

出于使用者的视角范围限制，使得光学系统的出瞳尺寸的缩小被限制，即出瞳尺寸的限制已经成为了AR光学系统的小型化发展的一个“瓶颈”，业内始终在这个矛盾前一筹莫展。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种扩展成像出瞳的方法及扩展显示模组，能够在不增加光学系统的体积的前提下，扩展成像出瞳的尺寸，从而显著小型化AR光学系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案为：

一种扩展成像出瞳的方法，应用于AR波导镜片，其特征在于，包括：在外部光线的入射光路上设置分光镜，将外部光线在分光镜上的入射面作为分光镜面；在分光镜的近旁设置全反镜，并将全反镜的全反镜面平行且朝向分光镜面设置，其中，外部光线对分光镜面具有预定入射角度范围，外部光线在分光镜面同时形成透射子光线和反射子光线，反射子光线通过全反镜面反射形成反射次生光线，并且反射次生光线与透射子光线平行且方向相同。

优选地，分光镜具有两个相邻的分光镜面，并且两个分光镜面呈预定夹角设置，全反镜面的数量为两个，并且全反镜面与分光镜面一一相向对应。

进一步地，分光镜为直角分光镜，两条直角边对应的镜面为分光镜面。

更进一步地，将分光镜的直角对应棱线作为分光棱，分光棱和两个全反镜面的同侧边沿位于同一平面内。

一种用于上述的扩展成像出瞳的方法的扩展成像出瞳的光学结构，外部光线由预设的成像光学组件产生的，其特征在于，包括：相互光学耦合的Y型光学结构、成像组件以及AR波导镜片，Y型光学结构包括直角棱镜、一对全反镜片以及入光镜片，直角棱镜为上述的分光镜，直角棱镜的两条直角边对应的镜面涂覆有入射分光膜；一对全反镜片对称地设置在两个分光镜面的外侧，并且全反镜片具有上述的全反镜面；以及入光镜片，上述的外部光线透过入光镜片；成像组件用于发出上述的外部光线，成像组件设置在入光镜片上，分光棱和两个全反镜面的一侧边沿均胶合设置在入光镜片的外部光线出射面上，并且外部光线垂直入射入光镜片，AR波导镜片的一侧边端面与Y型光学结构波导耦合。

优选地，扩展成像出瞳的光学结构还包括一对出光镜片，贴设在AR波导镜片的侧边端面，全反镜面呈矩形，全反镜面的另一侧边沿对应胶合出光镜片的一侧边沿，将直角棱镜的斜面的两端棱线作为胶合棱，出光镜片的另一侧边沿对应胶合在胶合棱上，并且两个出光镜片所在平面与直角棱镜的斜面同面，入光镜片、两个全反镜片、一对出光镜片以及直角棱镜的斜面构成了等腰梯形。

进一步地，入射分光膜为半透半反分光膜，全反镜面通过镀银形成，并且出光镜片的透光面积为直角棱镜的斜面面积的一半。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.因为本发明的扩展成像出瞳的方法，应用于AR波导镜片，包括：在外部光线的入射光路上设置分光镜，将外部光线在分光镜上的入射面作为分光镜面；在分光镜的近旁设置全反镜，并将全反镜的全反镜面平行且朝向分光镜面设置，外部光线在分光镜面同时形成透射子光线和反射子光线，反射子光线通过全反镜面反射形成反射次生光线，并且反射次生光线与透射子光线平行且方向相同，因此，本发明利用分光镜对入射的外部光线的分光，使得外部光线在分光面进行透射及反射，而反射的外部光线在全反镜上进行全反射，并且由于全反镜面与分光镜面平行，使得反射后的光线与透射的光线相互平行，即反射后的光线与透射的光线大于透射的光线的宽度，即客观地加大了成像出瞳的宽度范围，从而在不增加光学系统的体积的前提下，扩展成像出瞳的尺寸，进而显著小型化AR光学系统。

2.因为本发明的扩展成像出瞳的方法中，分光镜具有两个相邻的分光镜面，并且两个分光镜面呈预定夹角设置，全反镜面的数量为两个，并且全反镜面与分光镜面一一相向对应，因此，对称的分光镜面使得放射发射后的光线的数量为两个，从而更进一步地加大了成像出瞳的宽度范围。

3.因为本发明的扩展显示模组包括相互光学耦合的Y型光学结构、成像组件以及AR波导镜片，Y型光学结构包括直角棱镜、一对全反镜片以及入光镜片，直角棱镜为上述的分光镜，直角棱镜的两条直角边对应的镜面涂覆有入射分光膜；一对全反镜片对称地设置在两个分光镜面的外侧，并且全反镜片具有上述的全反镜面；以及入光镜片，上述的外部光线透过入光镜片；成像组件用于发出上述的外部光线，成像组件设置在入光镜片上，分光棱和两个全反镜面的一侧边沿均胶合设置在入光镜片的外部光线出射面上，并且外部光线垂直入射入光镜片，AR波导镜片的一侧边端面与Y型光学结构波导耦合，因此，通过扩展成像出瞳的光学结构能够更好地实施扩展成像出瞳的方法，通过显著小型化成像组件使得AR系统小型化。

附图说明

图1为本发明的实施例的扩展成像出瞳的方法的实施步骤图；

图2为本发明的实施例的扩展显示模组的示意图；

图3为本发明的实施例的扩展成像出瞳的光学结构的示意图；

图4为本发明的实施例的扩展成像出瞳的光学结构的实施图。

图中：S100、扩展成像出瞳的方法，100、扩展显示模组，10、成像组件，20、Y型光学结构，21、直角棱镜，21a、分光镜面，21b、分光棱，21c、胶合棱，22、全反镜片，23、入光镜片，24、出光镜片,30、AR波导镜片，A1、外部光线，A2、透射子光线，A3、反射子光线，A4、反射次生光线。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的一种扩展成像出瞳的方法及扩展显示模组作具体阐述，需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

如图1所示，本实施例中的扩展成像出瞳的方法S100，应用于AR波导镜片，包括：

在外部光线的入射光路上设置分光镜，将外部光线在分光镜上的入射面作为分光镜面。

具体地，分光镜为直角分光镜，具有两个相邻的分光镜面，并且两个分光镜面分别对应该分光镜的两条直角边。

在分光镜的近旁设置全反镜，并将全反镜的全反镜面平行且朝向分光镜面设置。

具体地，全反镜面的数量为两个，并且全反镜面与分光镜面一一相向对应，即两个全反镜面关于分光镜的直角角平分线对称分布，且将分光镜的直角对应棱线作为分光棱，分光棱和两个全反镜面的同侧边沿位于同一平面内。

外部光线对分光镜面具有预定入射角度范围，从而外部光线在分光镜面同时形成透射子光线和反射子光线，反射子光线通过全反镜面反射形成反射次生光线，并且反射次生光线与透射子光线平行且方向相同，进而使得系统的出瞳尺寸等于外部光线的宽度，即透射子光线的宽度加上两个反射次生光线的总宽度。

如图2至图4所示，本实施例中的扩展显示模组100，基于实施上述的扩展成像出瞳的方法S100，包括相互光学耦合的Y型光学结构20、成像组件10以及AR波导镜片30。

Y型光学结构20呈底角为45°的等腰梯形构造，由入光镜片23、两个全反镜片22、一对出光镜片24以及直角棱镜21构成。

具体地，入光镜片23、全反镜片22以及出光镜片24均为长方形镜片，且入光镜片23和出光镜片24的短边长度与直角棱镜21的厚度均相等，入光镜片23的长边对应等腰梯形较短的上底，一对全反镜片22的长边分别对应等腰梯形的两腰，一对出光镜片24和直角棱镜21的斜边连续布设，对应等腰梯形较长的下底，且直角棱镜21位于一对出光镜片24的中间，直角棱镜21的直角对应的棱线胶合设置在入镜镜片23的中部。

外部光线透过入光镜片23进入Y型光学结构20内，将入光镜片23朝向内部的镜片表面作为外部光线出射面。

直角棱镜21为上述扩展成像出瞳的方法S100的分光镜，将其直角对应的棱线即为分光棱21b，将其直角斜面的两端棱线作为胶合棱21c，直角棱镜21的两条直角边对应的镜面即为分光镜面21a，分光镜面21a涂覆有入射分光膜，具体地，入射分光膜为半透半反分光膜，该半透半反分光膜对于45°入射可见光波长透过率和反射率相等。

全反镜片22具有上述扩展成像出瞳的方法S100的全反镜面，全反镜面通过镀银形成，具体地，镜面镀银后的光反射率大于99％，分光棱21b和两个全反镜面的一侧边沿，即全反镜片22的一侧短边均胶合设置在入光镜片23的外部光线出射面上；全反镜面22的另一侧边沿，即全反镜片22的一侧短边对应胶合出光镜片24的一侧边沿，即出光镜片24的一侧短边。

出光镜片24的另一侧边沿，即出光镜片24的另一侧短边对应胶合在胶合棱21c上，具体地，两个出光镜片24所在平面与直角棱镜21的斜面同面，并且两个出光镜片24的透光面积均为直角棱镜21的斜面面积的一半，即一对出光镜片24的长边长度与直角棱镜21的斜面的长边长度在等腰梯形的底边的长度占比为：1：1：2。

成像组件10用于发出上述扩展成像出瞳的方法S100中的外部光线，成像组件10设置在入光镜片23上，并且所述成像组件10发出的外部光线垂直入射入光镜片23。

AR波导镜片30的一侧边端面与所述Y型光学结构20波导耦合，具体地，AR波导镜片30的一侧边端面贴设在出光镜片24上，从而外部光线经Y型光学结构20扩展后通过AR波导镜片30实现扩展成像出瞳。

以下结合实施例的外部光线A1在Y型光学结构20的光路传播过程：

过程T1：成像组件10发出的外部光线A1垂直入射入光镜片23；

过程T2：外部光线A1在经过分光镜面21a时，同时形成透射子光线A2和反射子光线A3，具体地，由于Y型光学结构20的对称构造，使得透射子光线A2和反射子光线A3均为外部光线A1能量的50％传递。

过程T3：反射子光线A3在经过全反镜面发生全反射形成反射次生光线A4，并且反射次生光线A4与透射子光线A2平行且方向相同，具体地，由于分光镜面21a与全反镜面平行，因此，反射次生光线A4与透射子光线A2平行，从而，经过分光镜面21a和全反镜面后，光路的传输方向没有改变，而使得系统的成像出瞳得到了扩展，并且本实施例的成像组件10相比现有技术缩小的比例与Y型光学结构20的等腰梯形高度成正比，优选缩小比例为现有技术的45％至60％。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围，本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种扩展成像出瞳的方法，应用于AR波导镜片，其特征在于，包括：

在外部光线的入射光路上设置分光镜，将外部光线在所述分光镜上的入射面作为分光镜面；

在所述分光镜的近旁设置全反镜，并将该全反镜的全反镜面平行且朝向所述分光镜面设置，

其中，外部光线对所述分光镜面具有预定入射角度范围，外部光线在所述分光镜面同时形成透射子光线和反射子光线，该反射子光线通过所述全反镜面反射形成反射次生光线，并且该反射次生光线与所述透射子光线平行且方向相同。

2.根据权利要求1所述的扩展成像出瞳的方法，其特征在于：

其中，所述分光镜具有两个相邻的所述分光镜面，并且两个所述分光镜面呈预定夹角设置，

所述全反镜面的数量为两个，并且该全反镜面与所述分光镜面一一相向对应。

3.根据权利要求2所述的扩展成像出瞳的方法，其特征在于：

其中，所述分光镜为直角分光镜，两条直角边对应的镜面为所述分光镜面。

4.根据权利要求3所述的扩展成像出瞳的方法，其特征在于：

其中，将所述分光镜的直角对应棱线作为分光棱，该分光棱和两个所述全反镜面的同侧边沿位于同一平面内。

5.一种基于权利要求1-4任意一项所述的扩展成像出瞳的方法的扩展显示模组，所述外部光线由预设的成像光学组件产生的，其特征在于，包括：

相互光学耦合的Y型光学结构、成像组件以及AR波导镜片，

所述Y型光学结构包括直角棱镜、一对全反镜片以及入光镜片，

所述直角棱镜为权利要求1-4任意一项所述的分光镜，所述直角棱镜的两条直角边对应的镜面涂覆有入射分光膜；

所述一对全反镜片对称地设置在两个所述分光镜面的外侧，并且所述全反镜片具有权利要求1-4任意一项所述的全反镜面；以及

所述入光镜片，权利要求1-4任意一项所述的外部光线透过该入光镜片；

所述成像组件用于发出权利要求1-4任意一项所述的外部光线，所述成像组件设置在入光镜片上，

所述分光棱和两个所述全反镜面的一侧边沿均胶合设置在所述入光镜片的外部光线出射面上，并且外部光线垂直入射所述入光镜片，

所述AR波导镜片的一侧边端面与所述Y型光学结构波导耦合。

6.根据权利要求5所述的扩展显示模组，其特征在于，还包括：

一对出光镜片，贴设在所述AR波导镜片的侧边端面，

所述全反镜面呈矩形，所述全反镜面的另一侧边沿对应胶合所述出光镜片的一侧边沿，

将所述直角棱镜的斜面的两端棱线作为胶合棱，

所述出光镜片的另一侧边沿对应胶合在所述胶合棱上，并且两个所述出光镜片所在平面与所述直角棱镜的斜面同面，

所述入光镜片、两个所述全反镜片、一对所述出光镜片以及所述所述直角棱镜的斜面构成了等腰梯形。

7.根据权利要求6所述的扩展显示模组，其特征在于：

其中，所述入射分光膜为半透半反分光膜，所述全反镜面通过镀银形成，并且所述出光镜片的透光面积为所述直角棱镜的斜面面积的一半。

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