CN206649211U - 一种使用波导型光学元件的近眼显示装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种使用波导型光学元件的近眼显示装置，特别是可以实现一种轻型的具有大视场、超轻薄的增强现实用波导型光学元件，包括互相重叠设置的两层或者更多层波导片，其中每层波导片内均包括多个反光表面，多个反光表面具有不同的反射率以确保由波导片传导的光在从波导片内向外出射时在预定区域内具有大致均匀的强度分布，所述波导型光学元件轻薄，可以直接安装于镜框内，配合投影光学组件使用，使佩戴者获得舒适的佩戴体验和对比度良好的增强现实显示效果。

Description

一种使用波导型光学元件的近眼显示装置
技术领域
本实用新型涉及一种用于透射式近眼显示装置的平板波导型光学元件及，具体的，涉及利用透射式近眼显示技术和视场拼接技术实现在较小的厚度下提高透射式近眼显示装置的视场角波导型元件结构。
背景技术
透射式近眼显示器(Near Eye Display,NED)是一种佩戴在用户眼前并为佩戴者提供可视虚拟图像同时不影响用户观察外界真实场景的小型光电显示装置，通过光学系统将图像源的图像放大并呈现在用户眼前，根据不同的应用呈现不同的视觉效果，在实际应用中，超薄轻型化是主要追求的指标，但传统旋转对称多片式无法实现透射式近眼显示，而自由曲面等新型设计仍然不足以满足用户对超薄化的追求，上述技术还存在出瞳直径较小，用户的眼动范围较小的问题，一般不大于8mm，影响用户的佩戴体验。
平板波导型光学元件利用光的全内反射传输大幅降低了透射式NED的厚度并且利用耦合出射端实现较大的出瞳直径，但在视场角方面存在一定的限制，例如，有研究者提出，如图1所示的分光面阵列几何平面波导型由于其几何结构和鬼像杂光的影响，在保持厚度较薄的情况下，能够达到的最大视场角度约40°左右。
实用新型的内容
本实用新型旨在提供一种使用波导型光学元件的近眼显示装置，通过对波导型光学元件的拼接实现超薄、大视场、大出瞳直径和出瞳距离、无杂光的光学技术解决方案。
根据本实用新型的一种使用波导型光学元件的近眼显示装置，包括：
投影光学组件，用于将像源元件发出的图像光投射至一波导型光学元件，以在该波导型光学元件中传播；该波导型光学元件包括至少两波导片，各波导片之间具有透光性间隔。
在一种具体的实施方式中，投影光学组件包括一自由曲面光学元件。这样的自由曲面光学元件可以为棱镜，其至少包括3个由xy多项式表达的自由曲面。
具体的，近眼显示装置中的各波导片以预定空气间隔平行重叠设置，每一波导片均包括彼此平行的两主表面，用以实现全内反射的方式将耦合进所述波导片中的光向预定方向传播；分别位于各波导片内的至少一个部分反射表面，所述部分反射表面被设置在所述主表面之间的空间内作为分光面，与所述主表面呈预定角度；所述各波导片内的部分反射表面在沿所述主表面的方向上分布的区域不同。
在各波导片内，部分反射表面数量均为多个，各波导片内的部分反射表面数量相同或者不同；不同波导片的所述预定角度不相同。
多个部分反射表面在预定的分布区域内均匀分布。
进一步的，波导型光学元件还包括与各波导片一体形成或结合成一体的耦合入射部，耦合入射部用于向各波导片折转光线以使进入所述各波导片的光满足全内反射的入射条件。这样的耦合入射部位于各片波导片的同一侧，从波导片向同一方向伸出；或者，所述耦合入射部位于各片波导片的不同侧，从波导片向不同方向伸出
根据本发明的近眼显示装置，通过至少两层波导片的重叠布置，各层内的分光面阵列的结构参数具有差异，配合具有自由曲面的投影光学组件，可分别对不同角度范围的视场起作用，能够在保证厚度较单层波导增加有限的情况下，实现更大的视场角，有效视场内的图像光强比较均匀，杂光少，出瞳直径至少达到10mm以上，从而在整体重量较轻的情况下，获得更优越的AR体验。
附图说明
图1为现有技术的分光面阵列几何平面波导结构示意图
图2为根据本实用新型的近眼显示装置结构和光路示意图
图3A和图3B为根据图2的结构中的两波导片分解示意图
图4为根据图2的近眼显示装置的投影光学元件示意图
具体实施方式
以下对本发明示例性实施例进行详细的描述以解释本发明，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。除非有明确的表示，本领域技术人员应当理解的，第一、第二，左、右等词汇仅理解为区分位于不同位置的不同部分，而不包含必然的限定性作用。
如图2-4所示，本实用新型的近眼显示装置1，包括了投影光学组件100，用于将像源元件发出的图像光投射至一波导型光学元件，以在该波导型光学元件中传播。具体的，两层波导片11和12叠加的放置而成的波导型光学元件，每一波导片11,12均包括彼此平行的两主表面11s，12s；第一波导片11中包括6个用于耦合出射分光面，附接有一个耦合入射部13；第二波导片12也附接有一个耦合入射部14，也包括6个耦合出射分光面；第一波导片和第二波导片的各主表面均相互平行，在第一波导片11和第二波导片12相邻的主表面中间有微小空气层15作为透光性间隔，本领域技术人员可以理解的，其他能满足使光在各波导片内达成全反射的其他透光性介质或者真空同样也可以作为间隔置于两波导片之间。诸如LCD、OLED、LCoS或DLP等的微型显示器16作为第一波导片和第二波导片的像源元件，其发出的图像光经投影光学组件进入附接(例如，通过粘合的方式)至第一波导片11一侧主表面的耦合入射部13和附接至第二波导片一侧12主表面的耦合入射部14，耦合入射部13,14呈现大致三角形的截面，在一种典型的方式中，耦合入射部的顶角朝向相同的方式，即耦合入射部在两波导片的同一侧，从波导片向相同方向伸出，从而使经由投影光学组件出射的图像光(一般是平行光)可以通过耦合入射部被耦合分别进入第一波导片11和第二波导片12内传播，经过若干次全反射后到达分光面，分光面为部分反射表面，与主表面程预定角度(即分光面特征角)，图像光可以经由各波导片内的耦合出射分光面11a-11f和12a-12f(部分标号未在图中示出)耦合出射，最终到达出瞳位置EP进入使用者人眼成像。由于需要借由多个耦合出射分光面将光线耦合出射，为了实现出射图像的均匀性，在本实施例中，将分光面在分布区域内均匀间隔分布，每一个分光面上镀分光膜层、各分光膜层的反射率随分光面的位置逐步远离耦合入射部而变大的方式，有效提高出瞳范围内光照亮度的均匀性，相邻分光面上的膜层的反射率R关系可以如式(1)所示：
其中N为分光膜顺序编号，如R1为最靠近耦合入射部的分光面的分光膜反射率。
对于两波导片中的分光面分布，可以从分光面在波导片上的分布边界点之间的距离定义，第一波导片11中的分光面其分布上边界点为A(对应于11a分光面)，第二波导片12中的下边界点为B(对应于12f分光面)，在本实施例中分光面分布特征下，A、B点之间的距离PAB满足式(2)。
其中，EPD为出瞳直径，ERF为出瞳距离，FOV为波导型光学元件可以达到的视场角，n为波导片的折射率，d为波导型光学元件的厚度。
由于两波导片中的分光面在各自波导片中的分布区域沿主表面的方向上(也即光传播方向)不重合，使来自微型显示器的图像光被分别被耦合出射，至不同的视场区域，从而实现出射自不同波导片中的图像光在出瞳处完成拼接显示，可以大幅提高有效视场角及图像显示分辨率。
在本实施例中，第一波导片中的分光面特角θ1较大，负责[0，FOV/2]视场范围的光线；第二波导片中的分光面特角θ2较小，负责[-FOV/2，0]视场范围的光线，此时两层波导片的厚度依次为1.92mm和1.25mm，参考图3A所示；或者，可替换的，两层波导片的厚度变为1.30mm和1.88mm，参考图3B所示，此时第一波导片中的分光面特角θ1较小，负责[-FOV/2，0]视场范围的光线，第二波导片中的分光面特角θ2较大，负责[0，FOV/2]视场范围的光线。如图3A和3B中所示的，波导型光学元件的耦合入射部均置于波导片同一侧，但朝向相反。
根据本实施例的双波导型元件的结构参数如表1-1所示。
表1-1
图4示出了适配上述波导型光学元件的投影光学组件100，具体的该投影光学组件由自由曲面棱镜构成，自由曲面棱镜包括102、103、104三个光学面，均为xy多项式自由曲面，微型显示器16作为像源元件，其显示的图像经面104后入射在面102上并发生全反射，之后入射在面103上，光线在面103上反射后再次经过面102，出射进入该投影光学组件的出瞳位置101。
各光学面参数可由下表1-2和表1-3所示，
表面标记 表面类型 半径 材料 X偏心 Y偏心 Z偏心 Alpha倾斜
102 XY多项式 284.480 PMMA 0.000 60.612 1.500 0.000
103 XY多项式 -74.545 PMMA 0.000 -14.082 5.937 -22.855
104 XY多项式 27.342 0.000 20.975 4.147 38.922
像面 球面 ∞ 0.000 22.362 9.231 57.233
表1-2
其中xy多项式自由曲面方程如式(3)所示，各项系数如表1-3所示：
表1-3
根据本实用新型上述实施例的近眼显示装置，虽然使用了两片波导片，但每一波导片的厚度比只使用一片波导片的结构进一步减小，其总厚度增加有限但视场角大幅提高，两层波导片共用同一投影光学组件可以简化整体结构，将两层波导片的耦合入射部置于同一侧。此时投影光学组件在视场[0，FOV]范围的光线需经楔形偏转元件偏转后进入第一波导片11，从而满足第一波导片11的耦合入射部13对光耦合角度的要求。楔形偏转元件会引入一定的楔板色差。
但不限于此的，波导型光学元件也可以配合传统的球面/非球面透境构成的投影光学组件形成近眼显示装置，或者不同的波导片对应于单独的投影光学组件和像源元件，此时，需要对各投影光学组件进行匹配性的设计调整，以达到实现最大视场角的要求，可以不使用楔形偏转元件。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，上述内容并不用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种使用波导型光学元件的近眼显示装置，包括：
投影光学组件，用于将像源元件发出的图像光投射至一波导型光学元件，以在该波导型光学元件中传播；其特征在于，
该波导型光学元件包括至少两波导片，各波导片之间具有透光性间隔。
2.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述投影光学组件包括一自由曲面光学元件。
3.如权利要求2所述的近眼显示装置，其特征在于，所述自由曲面光学元件为棱镜，该棱镜至少包括3个由xy多项式表达的自由曲面。
4.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，
所述各波导片以预定空气间隔平行重叠设置，每一波导片均包括彼此平行的两主表面，用以实现全内反射的方式将耦合进所述波导片中的光向预定方向传播；以及，
分别位于各波导片内的至少一个部分反射表面，所述部分反射表面被设置在所述主表面之间的空间内作为分光面，与所述主表面呈预定角度；
所述各波导片内的部分反射表面在沿所述主表面的方向上分布的区域不同。
5.如权利要求4所述的近眼显示装置，其特征在于，所述各波导片内的部分反射表面数量均为多个，各波导片内的部分反射表面数量相同或者不同。
6.如权利要求4所述的近眼显示装置，其特征在于，不同波导片的所述预定角度不相同。
7.如权利要求4-6任一所述的近眼显示装置，其特征在于，所述多个部分反射表面在预定的分布区域内均匀分布。
8.如权利要求1所述的近眼显示装置，其特征在于，所述波导型光学元件还包括与所述各波导片一体形成或结合成一体的耦合入射部，耦合入射部用于向各波导片折转光线以使进入所述各波导片的光满足全内反射的入射条件。
9.如权利要求7所述的近眼显示装置，其特征在于，所述耦合入射部位于各片波导片的同一侧，从波导片向同一方向伸出；或者，所述耦合入射部位于各片波导片的不同侧，从波导片向不同方向伸出。
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