CN115980906B - 一种几何光波导耦合装置和近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种几何光波导耦合装置和近眼显示设备，所述几何光波导耦合装置包括光波耦入面、基体、棱镜和光波耦出面；光波耦入面，用于耦合准直光波，耦合后输出的光波经过基体后进入棱镜；棱镜，用于改变输入至棱镜的光波的传输角度；基体包括相互平行设置的第一衬底和第二衬底，用于对棱镜输出的光波进行全反射传输，以使光波耦出面输出目标光波；棱镜包括第一平面和第二平面，第二平面镀有反射膜；输入至棱镜的光波进入至第一平面后继续传输，直至光波入射至第二平面，经过第二平面的反射后的光波继续经过第一平面后传输，以进入基体，可解决相关技术中存在的角度限制、结构复杂、光波利用率和光效较低的技术问题。

Description

一种几何光波导耦合装置和近眼显示设备

技术领域

本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种几何光波导耦合装置和近眼显示设备。

背景技术

增强现实(英文全称Augmented Reality，简称“AR”)便携式和可穿戴设备的市场正在迅速增长。在各种硬件实现形式中，带透明眼镜的近眼显示(英文全称Near-to-eyeDisplay，简称“NED”)可提供有效和身临其境的AR体验。其中的近眼显示，也称头戴显示或可穿戴显示，可在单眼视场或双眼视场中创建虚像，其通过置于人眼非明视距离内的显示设备，向人眼渲染出光场信息，进而在眼前重建虚拟场景的技术。其中的增强现实，是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术。

实际应用中，可采用基于几何光波导的解决方案实现近眼显示。在以几何光波导的基础上形成的头戴显示或可穿戴显示设备中，其外观设计结构类似普通眼镜，更贴合人体工学设计，轻便舒适，可以更好地面向C端市场。具体来说，相关技术中的几何光波导的解决方案包括耦入、波导、耦出三部分，其大致工作流程是：耦入部分将图像源耦入进波导内进行全反射传输，耦出部分将部分光线耦出实现一维扩瞳，使得人眼在眼动范围(EYEBOX)内能够观测到完整的图像，其中，波导部分用于实现光线无损传输。在光机、波导、材料等相关参数均满足相关要求的条件下，光波导就可以在轻薄的光学镜片实现大的视场角。

然而，发明人发现相关技术中几何光波导的解决方案至少存在如下技术问题：

(1)光机的光轴与波导所在平面的夹角需要被限制在一定范围内，不利于近眼显示设备的外观设计；

(2)结构较为复杂，加工工艺繁琐；

(3)光波利用率和光效较低。

发明内容

本申请的一个目的是提供一种几何光波导耦合装置和近眼显示设备，至少用以解决相关技术中的几何光波导的解决方案存在的上述技术问题。

为实现上述目的，本申请的一些实施例提供了一种几何光波导耦合装置，所述装置包括光波耦入面、基体、棱镜和光波耦出面；

所述光波耦入面，用于耦合准直光波，耦合后输出的光波经过所述基体后进入所述棱镜；

所述棱镜，用于改变输入至所述棱镜的光波的传输角度；

所述基体包括相互平行设置的第一衬底和第二衬底，用于对所述棱镜输出的光波进行全反射传输，以使所述光波耦出面输出目标光波；

其中，所述棱镜包括第一平面和第二平面，所述第二平面镀有反射膜；输入至所述棱镜的光波继续传输，直至所述光波入射至所述第二平面，经过所述第二平面的反射后的光波继续经过所述棱镜传输，以进入所述基体。

本申请的一些实施例还提供了一种近眼显示设备，所述近眼显示设备包括光学显示装置以及如上所述的几何光波导耦合装置；所述光学显示装置，用于发出显示目标图像的显示光波。

相较于相关技术，本申请实施例提供的几何光波导耦合装置，优化了常规几何波导耦合面的结构设计，使得几何波导模组中光机的光轴与波导所在平面的夹角不被限制，有利于后续近眼显示设备的外观设计；由于不需要偏振片，因此简化了几何波导结构和加工工艺，同时由于不需要考虑入射光波中基于偏振态而造成的损失，因此光波利用率和光效较高。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种几何光波导耦合装置示例性结构示意图；

图2为相关技术中的一种几何光波导耦合装置示例性结构示意图；

图3为本申请实施例提供的又一种几何光波导耦合装置示例性结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本文中使用以下术语。

光波导，能够实现一维扩瞳，并且通过全反射无损传输的光系统。

棱镜，是一种由两两相交但彼此均不平行的平面围成的透明物体。

S偏振光和P偏振光，当光线以非垂直角度穿透光学元件的表面时，反射和透射特性均依赖于偏振现象。这种情况下，使用的坐标系是用含有输入和反射光束的那个平面定义的。如果光线的偏振矢量在这个平面内，则称为p-偏振，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为s-偏振。任何一种输入偏振状态都可以表示为s和p分量的矢量和。

视场角，在光学工程中又称视场，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围。

实施例一

本申请实施例提供了一种几何光波导耦合装置，结合图1所示，所述装置包括光波耦入面11、基体12、棱镜13和光波耦出面14；

所述光波耦入面11，用于耦合准直光波，耦合后输出的光波经过所述基体12后进入所述棱镜13；

所述棱镜13，用于改变输入至所述棱镜13的光波的传输角度；

所述基体12包括相互平行设置的第一衬底121和第二衬底122，用于对所述棱镜13输出的光波进行全反射传输，以使所述光波耦出面14输出目标光波；

其中，所述棱镜13包括第一平面131和第二平面132，所述第二平面132镀有反射膜；输入至所述棱镜13的光波继续传输，直至所述光波入射至所述第二平面132，经过所述第二平面132的反射后的光波继续经过所述棱镜13传输，以进入所述基体12。

在一些例子中，所述棱镜13的形状为梯形。

在一些例子中，所述第二平面132镀有的反射膜具体为镀银的反射膜。

在一些例子中，所述准直光波可以是光学显示装置21发出的光波。其中，光学显示装置21，用于发出显示目标图像的显示光波。

在一些例子中，所述光学显示装置21和所述光波耦入面11之间可以设置有准直器件。

在一些例子中，所述光学显示装置21可以包括但不限于OLED显示装置、MicroLED显示装置、LCOS显示装置和DLP显示装置中的其中一个。

具体地说，所述光波耦出面14的数量可以为多个。其数量的具体值可以根据比如视场角、眼动范围等的实际需求进行灵活设置，本申请实施例对此不作具体限定。可以理解，在实际应用中，每个所述光波耦出面14均为镀膜的光波耦出面14。

具体地说，所述光波耦出面14可以倾斜设置于所述第一衬底121和所述第二衬底122之间；所述光波耦出面14的一端和所述第一衬底121连接，所述光波耦出面14的另一端和所述第二衬底122连接。

具体地说，所述第二平面132和所述第一衬底121之间形成第一夹角。在一些例子中，假设所述第一夹角为α。

具体地说，所述光波耦入面11的一端和所述第一衬底121连接，所述光波耦入面11的另一端和所第二衬底122连接；所述光波耦入面11和所述第一衬底121之间形成第二夹角。在一些例子中，假设所述第二夹角为β。

具体地说，通过棱镜13改变输入至所述棱镜13的光波的传输角度，使得进入基体12的光波的传输角满足全反射条件，进而在所述基体12中进行全反射传输，然后再通过光波耦出面14进行视场扩展以及光波耦合，经过基体12的第一衬底121或者第二衬底122输出目标光波，该目标光波可以进入到人眼。在如图1所示的示例中，人眼位于在光学显示装置21的一侧，基体12的第二衬底122输出目标光波。

需要说明的是，上述各光学器件均需要按照光路方向紧密贴合。

本申请实施例提供的几何光波导耦合装置的光路路径大致如下：准直光波经过光波耦入面11耦合后进入基体12的第一衬底121，经过所述第一衬底121的传输进入到棱镜13内，输入至所述棱镜13的光波继续传输，直至所述光波入射至所述第二平面132，经过所述第二平面132的反射后的光波继续经过所述棱镜13传输，以进入所述基体12，所述光波在基体12内进行全反射传输，在光波进行全反射传输过程中遇到光波耦出面14后耦合输出第二衬底122，之后该光波进入到人眼。

本申请实施例提供的几何光波导耦合装置的原理大致如下：

结合图1所示，假设所述第一夹角为α，所述第二夹角为β，基体12包括的第一衬底121和第二衬底122的折射率为n，FOV表示光学显示装置21的视场角，那么第一夹角α和第二夹角β需要满足如下条件：

2θ＝2α+β

本领域技术人员可以理解，上述的第一个公式用于满足角度调整的需求；第二个公式用于满足全反射条件。在实际应用中，可以先通过需要满足的视场角和折射率确定θ的取值范围，之后，可以对α和β进行灵活地联动调节，即可满足实际应用中较大范围的耦合角度的要求。

本领域技术人员可以理解，在相关技术中，常见的几何光波导耦合的设计方案可以参照图2所示，其通常遵循耦合角，也就是入光面与底面的夹角(2θ)等于两倍的反射阵列面与底面的夹角(θ)的关系，这样，耦出光线才能垂直于波导镜片出射，或与波导镜片的法线方向夹角非常小。当几何光波导模组中光机的光轴与波导所在平面有夹角限制的时候通常是调整θ去适应，但由于θ角受全反射角、膜层设计、波导厚度、耦出面积等因素的限制，导致几何波导模组中光机的光轴与波导所在平面的夹角被限制在有限的调节范围内，比如如果θ的角度过大，一方面会使得光波耦出面的设置数量增多，一方面会存在不容易镀膜的情形，不利于后续近眼显示设备的外观设计；由于光波进入的几何光波导模组往往需要通过偏振片，这样S偏振光和P偏振光中只有一种偏振态的光波被保留，也就是说必然会损失掉一部分的光波(50％左右)，因此光波的利用率和光效较低。这里，所述的光机可以理解为光学显示装置。

与相关技术相比，本申请实施例提供的几何光波导耦合装置，优化了常规几何波导耦合面的结构设计，使得几何波导模组中光机的光轴与波导所在平面的夹角不被限制，有利于后续近眼显示设备的外观设计；由于不需要偏振片，因此简化了几何波导结构和加工工艺，同时由于不需要考虑入射光波中基于偏振态而造成的损失，因此光波利用率和光效较高。

实施例二

在本申请一些实施例中，提供了一种应用实例中的几何光波导耦合装置。如图3所示。在本申请实施例中，改变了光波耦出面14的设置方向和角度，此时，人眼位于棱镜13的一侧。

可见，在本申请实施例提供的几何光波导耦合装置，可以根据用户的实际需要进行灵活性设置，本申请实施例对此不作具体限定。

实施例三

申请实施例提供了一种近眼显示设备，所述近眼显示设备包括光学显示装置21以及如上述任一实施例所述的几何光波导耦合装置。

在本申请一些实施例中，所述光学显示装置21可以包括OLED显示装置、MicroLED显示装置、LCOS显示装置和DLP显示装置中的其中之一。

在本申请一些实施例中，所述近眼显示设备包括虚拟现实显示设备或者增强现实显示设备。

附图中的流程图或框图示出了按照本申请各种实施例的设备、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的针对硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (6)

1.一种几何光波导耦合装置，其特征在于，所述装置包括光波耦入面、基体、棱镜和光波耦出面；

所述光波耦入面，用于耦合准直光波，耦合后输出的光波经过所述基体后进入所述棱镜；

所述棱镜，用于改变输入至所述棱镜的光波的传输角度；

所述基体包括相互平行设置的第一衬底和第二衬底，用于对所述棱镜输出的光波进行全反射传输，以使所述光波耦出面输出目标光波；

其中，所述棱镜至少包括第一平面和第二平面，所述第二平面镀有反射膜；输入至所述棱镜的光波继续传输，直至所述光波入射至所述第二平面，经过所述第二平面的反射后的光波继续经过所述棱镜传输，以进入所述基体；

所述第二平面和所述第一衬底之间形成第一夹角；

所述光波耦入面的一端和所述第一衬底连接，所述光波耦入面的另一端和所述第二衬底连接；所述光波耦入面和所述第一衬底之间形成第二夹角；

所述第一夹角和所述第二夹角满足如下条件：

2θ＝2α+β；

其中，所述α表示所述第一夹角，所述β表示所述第二夹角，所述n表示第一衬底和第二衬底的折射率，所述FOV表示光学显示装置的视场角。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光波耦出面倾斜设置于所述第一衬底和所述第二衬底之间；

所述光波耦出面的一端和所述第一衬底连接，所述光波耦出面的另一端和所述第二衬底连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光波耦出面的数量为多个。

4.一种近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备包括光学显示装置以及如权利要求1至3中任意一项所述的几何光波导耦合装置；

所述光学显示装置，用于发出显示目标图像的显示光波。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述光学显示装置包括OLED显示装置、MicroLED显示装置、LCOS显示装置和DLP显示装置中的其中之一。

6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述近眼显示设备包括虚拟现实显示设备或者增强现实显示设备。