CN205787362U - 光波导元件、二维扩展光波导器件、平视显示装置及照明装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是有关一种光波导元件、二维扩展光波导器件、平视显示装置及种照明装置。该光波导元件，包括：波导介质，具有光入射面，入射光由光入射面进入波导介质；入射耦合面，满足入射光在所述波导介质内传播的全反射条件，使入射光在从波导介质内传播；若干个分光面，所述的若干个分光面将入射耦合面反射的一部分入射光反射后垂直于所述的波导介质的表面射出，所述的分光面的水平间隔小于等于单个分光面在水平方向投影长度的一半；以及两个半宽度分光面，分别设置在所述的若干个分光面阵列两端。该二维扩展光波导器件，包括前述的分光面和半宽度分光面。该平视显示装置、照明装置，包括前述的光波导元件。本实用新型的光波导元件，结构紧凑、亮度均匀。

Description

光波导元件、二维扩展光波导器件、平视显示装置及照明装置

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，具体来说涉及一种扩展出瞳的光波导元件、二维扩展光波导器件、平视显示装置及照明装置。

背景技术

平板光波导元件已被用于以平视显示器(Head Up Display,HUD)和头戴显示器(Head-Mounted Display，HMD)为代表的目视显示现实增强(Augmented Reality,AR)设备中。其中，平视显示器已被被广泛应用于飞机、汽车、医疗设备等的辅助显示，其原理是将有像源(如阴极射线管(Cathode Ray Tube，CRT)、液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、数字微镜器件(Digital Micromirror Device,DMD)、有机发光二极管等(OrganicLight-Emitting Diode，OLED))产生的图像通过中继光学透镜成像于无穷远，驾驶员或者操作人员通过平视显示器的组合镜，可以看到像源产生的图像与现实场景叠加，使得驾驶员或者操作人员在观察显示场景的同时，能够了解所驾驶交通工具或者所使用仪器输出的可视化状态信息，以及人眼不易分辨或度量的增强现实信息。由于上述作用，平视显示器在上述领域变得越来越重要。

传统平视显示器的光路结构如图1所示，像源1产生的图像经过中继光学透镜2、入射耦合面4以及全宽度分光面8成像于人眼M的视网膜上，同时，外部景物6发出的光61通过全宽度分光面8也可以到达人眼M，使人眼能够同时看到像源1产生的图像与外部景物6的叠加图像。

对于传统的平视显示器，其中继光学透镜的焦距、视场、出瞳尺寸和像源1的反光面大小存在着确定的关系。为了获得较大的双眼活动范围和较大的视场，传统平显的中继光学透镜2体积和重量都较大。

现有的平板光波导器件的结构如图2A所示，由多块平面玻璃元件胶合而成，这些胶合的元件形成一个入射耦合面11和若干个全宽度分光面20，像源1发出的光通过中继光学透镜2形成平行光进入平板光波导器件200，经过入射耦合面11反射，并利用平板光波导元件200上下表面的全发射向左传播，当遇到全宽度分光面20时一部分光被反射并出射至波导元件外，另一部分继续向前传播，直到遇到下一个全宽度分光面20。这样出射光束范围可以是中继光学透镜2的直径的若干倍。

请同时参考图2A、图2B、图2C所示，图2B是对应图2A的0°视场出瞳光照度二维分布图；图2C是对应图2A的四个角视场出瞳光照度二维分布图。

由于现有的类似平板光波导元件的分光面都是首尾相接，因此对于中心视场的光线(如图2A中带箭头实线所示)，左侧分光面所反射的光束(一对粗实线之间的区域)和右侧分光面所反射的光束(一对细实线之间的区域)能够恰好做到无缝连接。然而对于左侧一定角度视场的光线(如图2A中带箭头点划线所示)，左侧分光面所反射的光束(一对粗点划线之间的区域)和右侧分光面所反射的光束(一对细点划线之间的区域)中间就存在一定的缝隙H1，进而导致出射光瞳的不连续，使观察者在缝隙处看不到左侧视场光线。同样对于右侧一定角度视场的光线(如图2A中带箭头虚线所示)，则会导致左右两束反射光的小部分重叠H2，进而导致出射光瞳的局部光亮度跳跃性增强，使观察者在重叠处看到的右侧视场图像突然变亮。

由公开号为CN101013178B的专利文献公开的平板光波导结构利用了光的全反射，虽然能够实现中继光学透镜的出瞳扩展，但由于其波导反射面排列较为稀疏，在视场一侧会产生出瞳不连续的情况，这可能会导致部分视场在某些观察位置时较暗甚至丢失；而在视场的另一侧则会产生出瞳重叠的情况，这会导致部分视场在某些观察位置时较亮。不管哪种情况，都会导致最终观察到图像亮度不均匀甚至视场丢失的情况。

而公开号为CN202975475U的专利文献公开的平板光波导利用的是光栅衍射，其中衍射光栅制作工艺难度很大，原因主要包括：(1)要考虑在视场角范围内高效率衍射，在外部场景投射角度范围内高透过；(2)要考虑不同衍射光的衍射效率不同所导致的偏色，而且这种情况会随着观察角度的变化而变化；(3)要使出瞳光亮度均匀，需要使光栅的衍射效率做到从小到大渐变；(4)同样存在光瞳不连续或者光瞳重叠的情况。

此外，如专利US7457040B2、US7643214B2、US7589901B2所提出的光波导元件同样存在上述光瞳不连续或者光瞳重叠的情况。而专利US6825987B2给出了一种解决方式，但加工工艺过程复杂，加工难度较大。

发明内容

有鉴于上述现有技术所存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种光波导元件，使其结构紧凑、出光亮度均匀。

本实用新型的目的还在于提供一种二维扩展光波导器件，使其二维扩展出瞳、结构紧凑、出光亮度均匀。

本实用新型的目的还在于提供一种平视显示装置，使其结构紧凑、出光亮度均匀。

本实用新型的目的还在于提供一种照明装置，使其结构紧凑、出光亮度均匀。

为了实现上述目的，依据本实用新型提出的一种光波导元件，其包括：波导介质，具有光入射面，入射光由光入射面进入波导介质；入射耦合面，满足入射光在所述波导介质内传播的全反射条件，使入射光在从波导介质内传播；若干个分光面，所述的若干个分光面将入射耦合面反射的一部分入射光反射后垂直于所述的波导介质的表面射出，所述的分光面的水平间隔小于等于单个分光面在水平方向投影长度的一半；以及两个半宽度分光面，分别设置在所述的若干个分光面阵列两端。

前述的光波导元件，其中所述的分光面的反射率小于10％。

本实用新型还提出的一种二维扩展光波导器件，其包括：波导介质，具有光入射面，入射光由光入射面进入波导介质；一维分光面组，包括若干个分光面及两个半宽度分光面，所述的若干个分光面将入射耦合面反射的一部分入射光反射后垂直于所述的波导介质的表面射出，所述的分光面的水平间隔小于等于单个分光面在水平方向投影长度的一半；所述的两个半宽度分光面，分别设置在所述的若干个分光面阵列两端；以及二维分光面组，包括若干个分光面及两个半宽度分光面，所述的若干个分光面将入射耦合面反射的一部分入射光反射后垂直于所述的波导介质的表面射出，所述的分光面的水平间隔小于等于单个分光面在水平方向投影长度的一半；所述的两个半宽度分光面，分别设置在所述的若干个分光面阵列两端；其中，二维分光面组设置在所述一维分光面组的出光路径上。

本实用新型另外还提出一种平视显示装置，其包括：像源，提供图像；中继光学透镜，设置在像源的出光路径上，将所述的像源提供的图像成像于无穷远处；以及前述的光波导元件，将所述的中继光学透镜出射的平行光扩展出瞳。

前述的平视显示装置，其中所述的光波导元件的透光率大于等于80％。

前述的平视显示装置，其还包括组合镜，将所述的光波导元件出射的光进行反射。

本实用新型还提出一种平视显示装置，其特征在于包括：像源，提供图像；

中继光学透镜，设置在像源的出光路径上，将所述的像源提供的图像成像于无穷远处；以及前述的二维扩展光波导器件，将所述的中继光学透镜出射的平行光扩展出瞳。

本实用新型还提出一种照明装置，其包括前述的光波导元件，或者前述的二维扩展光波导器件。

本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技 术方案,本实用新型的，至少具有下列优点：

一、本实用新型的光波导元件和二维扩展光波导器件，分光面水平间隔小于等于单个分光表面在水平方向投影长度的一半，能够有效避免出瞳不连续，使得出光亮度均匀。

二、本实用新型的光波导元件和二维扩展光波导器件，设置了分光面和半宽度分光面，解决了出瞳亮度的跳跃性变化导致的出光亮度不均匀性。

三、本实用新型的光波导元件和二维扩展光波导器件，结构紧凑，无需严格保证分光面之间相互平行度，使得波导元件加工容易。

四、本实用新型的平视显示装置及照明装置，包含本实用新型的光波导元件或二维扩展光波导器件，能够有效减少像源及中继透镜的尺寸，使得整体结构紧凑、体积小、重量轻。而且，平视显示装置及照明装置，具有出光亮度均匀的效果。

附图说明

图1是传统平视显示系统的结构示意图。

图2A现有平板光波导元件存在扩展后出瞳不连续或者出瞳重叠导致亮度不均匀情况示意图。

图2B是对应图2A的0°视场出瞳光照度二维分布图。

图2C是对应图2A的四个角视场出瞳光照度二维分布图。

图3A是本实用新型平板光波导元件一实施例的示意图。

图3B是对应图3A的0°视场出瞳光照度分布图。

图3C是对应图3A的四个角视场出瞳光照度分布图。

图4是本实用新型平板光波导元件扩展出瞳后两边缘亮度均匀的情况示意图。

图5是本实用新型平视显示装置一实施例的示意图。

图6是本实用新型平视显示装置另一实施例的示意图。

图7是本实用新型二维扩展光波导器件一实施例的示意图。

图8A是本实用新型二维扩展光波导器件另一实施例的前视示意图。

图8B是本实用新型二维扩展光波导器件另一实施例的俯视示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的光波导元件、二维扩展光波导器件、平视显示装置及照明装置，其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效详细说明。

请参阅图3A所示，是本实用新型一实施例的光波导元件的示意图。本 实施例的光波导元件100，包括：波导介质10、入射耦合面11、若干全宽度分光面20、两个半宽度分光面30。

所述的波导介质10的一面(如下表面)为光入射面，入射光由光入射面进入波导介质10。

所述的入射耦合面11满足入射光在波导介质10内传播的全反射条件，使入射光从右向左传播。入射耦合面11是其两侧的波导介质10(或称为入射耦合基片)的胶合面。

所述的分光面20，将由入射耦合面11全反射的入射光，一部分反射后垂直于波导介质10的表面射出，而另一部分穿过分光面20继续传播直至遇到下一个分光面。所述的分光面20的水平间隔小于等于单个分光面20在水平方向投影长度的一半。

所述的两个半宽度分光面30分别设置在分光面20阵列的两端。

所述的分光面20和半宽度分光面30是由其左右两侧的波导介质10(或称为分光基片)胶合而成。也就是说，多个横截面为平行四边形的波导介质10(即分光基片)两两胶合的胶合面构成分光面20和半宽度分光面30。本实施例的光波导元件，每个分光面的透过率较高，使得在人眼主要活动区域内，外景的透过率大于80％。

如图3A所示，上述实施例的光波导元件100，用于平视显示装置。平视显示装置的像源1产生图像，中继光学透镜2将像源1产生的图像成像于无穷远处，即像源1发出的光线经过中继光学透镜2生成不同视场角度的平行光，这些平行光通过波导介质10的入射面进入波导介质10，通过入射耦合面11将光线在波导介质10内传播，使光线从右向左传播，当遇到分光面20、30时，一部分能量的光线被反射后垂直于波导介质10表面射出，而另一部分则继续以原方向向前传播，直至遇到下一个分光面20，或者遇到波导介质10左侧末端。在上述过程中，中继光学透镜20的出瞳通过平板光波导元件100得到了扩展，其扩展宽度约等于平板光波导元件100中所有分光面10在平板波导元件下表面的总的投影宽度。这样，使用者眼睛的活动范围即眼盒较大的提升。

请同时参阅图3B、图3C所示，图3B是对应图3A的0°视场出瞳光照度分布图；图3C对应图3A的四个角视场出瞳光照度分布图。

从图3B和图2B的对比可以看出，由于本实施例的光波导元件，分光面20的水平间隔小于等于单个分光面20在水平方向投影长度的一半(即分光面20密度增加)，相对于图2A所示的现有的光波导元件，在0°视场的出瞳照度均匀性显著提升。

从图3C和图2C的对比可以看出，由于本实施例的光波导元件的分光面20的水平间隔小于等于单个分光面20在水平方向投影长度的一半(即 分光面20密度增加)，相对于图2A所示的光波导元件，四个角视场的出瞳缝隙得以填补。

此外，由于本实施例的在两端设置两个半宽度分光面30，与图2A所示的现有光波导元件相比，能够解决出瞳两端照度降低导致实际可用出瞳横向尺寸缩小的问题，使波导元件的利用效率更高。

请同时参阅图4所示，是本实用新型所涉及的平板光波导元件的出瞳扩展示意图。

本实施例的光波导元件100，由于分光面20的水平间隔小于等于单个分光表面在水平方向投影长度的一半，能够避免出瞳不连续。另外，解决了出瞳亮度的跳跃性变化导致的不均匀性。

本实施例的光波导元件100，通过设置半宽度分光面30，解决了出瞳边缘亮度较暗的问题，增大出瞳的有效利用面积。如图4所示，本实用新型所涉及的平板光波导元件100，两端区域由半宽度分光面30反射的光束(带箭头短实线)，使得扩展出瞳的两端光亮度同扩展出瞳的中间区域一致，增加了扩展出瞳的有效利用率。

请参阅图5所示，是本实用新型平视显示装置一实施例的示意图。本实施例的平视显示装置，包括像源1、中继光学透镜2、光波导元件100及组合镜8。

所述的像源1提供图像。

所述的中继光学透镜2将像源1产生的图像成像于无穷远处，即像源1发出的光线经过中继光学透镜2生成不同视场角度的平行光。

所述的光波导元件100将中继光学透镜2平行光扩展出瞳后出射到组合镜8，图像光线101经过倾斜放置的组合镜8反射进入人眼70，同时组合镜8还能部分投射外部景物6所发出的光线61，因此使用者70可以看到像源1所产生的图像与外部景物6的叠加，从而达到显示增强的目的。

请参阅图6所示，是本实用新型平视显示装置另一实施例的示意图。本实施例的平视显示装置，包括像源1、中继光学透镜2、光波导元件100。

所述的像源1提供图像。

所述的中继光学透镜2将像源1产生的图像成像于无穷远处，即像源1发出的光线经过中继光学透镜2生成不同视场角度的平行光。

所述的平板光波导元件100的分光面11的反射率均小于10％，而人眼观察方向同时看到最多两个分光面，因此外景透过率大于80％。

此时，人眼70可以看到像源1所产生的图像与外部景物6的叠加，从而达到显示增强的目的。

前述的平视显示装置可以应用于头戴显示器或者眼镜类显示增强设备。

前述的平视显示装置的平板光波导元件的出瞳扩展作用，中继光学透镜的出瞳可以比传统平显装置小很多，因此其中继光学透镜以及像源的体积同样可以比传统平显装置小很多。本实用新型的平视显示装置整体结构紧凑、尺寸小、加工容易、成本少。

本实施例的平视显示装置，将像源所产生的图像成像于无穷远，因此使用者在观看时，睫状肌始终处于松弛状态，可以再一定程度上缓解长期近距离观察所产生的视疲劳。此外由于平板光波导元件对于外景的透过率为80％，因此可以实现透明显示器的效果，使用者可以透过显示器看到后面的人或物。类似的，本实用新型也可应用于手机、平板电脑、显示仪表等需要小型显示设备的领域，其特点除了上面所描述的之外，可以使设备体积特别紧凑。

请参阅图7所示，是本实用新型二维扩展光波导器件一实施例的示意图。本实用新型一实施例的二维扩展光波导器件，包括:波导介质10、入射耦合面11、一维分光面组25及二维分光面组35。

所述的波导介质10的一面(如下表面)为光入射面，入射光由光入射面进入波导介质10。

所述的入射耦合面11满足入射光在波导介质10内传播的全反射条件，使入射光在波导介质10内传播。入射耦合面11是其两侧的波导介质10(或称为入射耦合基片)胶合面。

所述的一维分光面组25包括若干个全宽度分光面和两个半宽度分光面，全宽度分光面和半宽度分光面设置方式与前述的光波导元件中设置方式相同，即：全宽度分光面的水平间隔小于等于单个分光面在水平方向投影长度的一半；两个半宽度分光面分别设置在分光面阵列的两端。此实施例中，该一维分光面组25在Y轴方向上扩展出瞳。

所述的二维分光面组35包括若干个全宽度分光面和两个半宽度分光面，该分光面的水平间隔小于等于单个分光面在水平方向投影长度的一半。所述的二维分光面组35设置在一维分光面组25出光路径上。此实施例中，二维分光面组35在X轴方向扩展出瞳。优选的，X周与Y轴相互垂直。

所述的二维扩展光波导器件300使用时，影像光线进入二维平板光波导器件300内，由入射耦合面11将影像光线传递到一维分光面组25，一维分光面组25使得影像光线在Y轴方向扩展出瞳，扩展后的影像光线向二维分光面组35传递，二维分光面组35使得影像光线在X轴方向扩展出瞳，光线最后经由二维光波导器件300的上表面(垂直纸面向外为上表面)射出。所述的二维扩展光波导器件300，将影像光线进行二维扩展，可以使得像源和中继透镜等光学元件尺寸进一步缩小，使得光学成像系统结构更加紧凑，重量更轻。

请参阅图8A、8B所示，分别是本实用新型二维扩展光波导器件另一实施例的前视示意图、俯视示意图。

本实施例的二维扩展光波导器件与图7所示的二维扩展光波导器件相比，不同之处在于本实施例中(图8A、8B所示)二维扩展光波导器件是分体式结构，入射耦合面11与一维分光面组25为一体，而二维分光面组35为另一结构体。

或者说，本实施例的二维扩展光波导器件是两个前述的光波导元件100(如图3)的叠加。

本实用新型所涉及的平板波导元件也可以应用于照明领域，如将图3、图4中的像源换为光源，将人眼换为需要照明的区域，则该器件可以实现使用小光源对于较大的照明区域进行均匀照明，如灯箱广告照明、扫描仪照明、复印机照明等。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然并非用以限定本实用新型实施的范围，依据本实用新型的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种光波导元件，其特征在于包括：

波导介质，具有光入射面，入射光由光入射面进入波导介质；

入射耦合面，满足入射光在所述波导介质内传播的全反射条件，使入射光在从波导介质内传播；

若干个分光面，所述的若干个分光面将入射耦合面反射的一部分入射光反射后垂直于所述的波导介质的表面射出，所述的分光面的水平间隔小于等于单个分光面在水平方向投影长度的一半；以及

两个半宽度分光面，分别设置在所述的若干个分光面阵列两端。

2.如权利要求1所述的光波导元件，其特征在于其中所述的分光面的反射率小于10％。

3.一种二维扩展光波导器件，其特征在于包括：

波导介质，具有光入射面，入射光由光入射面进入波导介质；

一维分光面组，包括若干个分光面及两个半宽度分光面，所述的若干个分光面将入射耦合面反射的一部分入射光反射后垂直于所述的波导介质的表面射出，所述的分光面的水平间隔小于等于单个分光面在水平方向投影长度的一半；所述的两个半宽度分光面，分别设置在所述的若干个分光面阵列两端；以及

二维分光面组，包括若干个分光面及两个半宽度分光面，所述的若干个分光面将入射耦合面反射的一部分入射光反射后垂直于所述的波导介质的表面射出，所述的分光面的水平间隔小于等于单个分光面在水平方向投影长度的一半；所述的两个半宽度分光面，分别设置在所述的若干个分光面阵列两端；

其中，二维分光面组设置在所述一维分光面组的出光路径上。

4.一种平视显示装置，其特征在于包括：

像源，提供图像；

中继光学透镜，设置在像源的出光路径上，将所述的像源提供的图像成像于无穷远处；以及

如权利要求1或2所述的光波导元件，将所述的中继光学透镜出射的平行光扩展出瞳。

5.如权利要求4所述的平视显示装置，其特征在于其中所述的光波导元件的透光率大于等于80％。

6.如权利要求4所述的平视显示装置，其特征在于其还包括组合镜，将所述的光波导元件出射的光进行反射。

7.一种平视显示装置，其特征在于包括：

像源，提供图像；

中继光学透镜，设置在像源的出光路径上，将所述的像源提供的图像成像于无穷远处；以及

如权利要求3所述的二维扩展光波导器件，将所述的中继光学透镜出射的平行光扩展出瞳。

8.一种照明装置，其特征在于包括如权利要求1或2所述的光波导元件。

9.一种照明装置，其特征在于包括如权利要求3所述的二维扩展光波导器件。