CN215297729U - 一种小体积近眼波导显示设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及光学技术领域，公开了一种小体积近眼波导显示设备，包括曲面波导片、耦入结构和耦出结构，所述耦入结构和耦出结构设置在所述曲面波导片上；所述曲面波导片包括第一表面和第二表面，在所述曲面波导片的截面上，所述第一表面和所述第二表面构成同心圆；所述曲面波导片的厚度为所述第一曲率半径和所述第二曲率半径的差值；光从所述耦入结构进入所述曲面波导片内，在所述曲面波导片内全反射传输，并从所述耦出结构耦出。本实用新型采用了具有截面为同心圆的第一表面和第二表面的曲面波导片作为投影光线的全反射传输结构，在相同波导材质下与平面波导相比可以提升视场角；并且可以通过控制曲面波导片的曲率来适配不同屈光程度的人群。
Description
技术领域
本实用新型专利涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种小体积近眼波导显示设备。
背景技术
增强现实(AR，Augmented Reality)是将虚拟信息和真实世界相融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”；其中近眼显示设备是增强现实技术中的关键环节。近眼显示设备可以让用户看到真实世界的同时看到计算机构建的虚拟图像，在消费电子和军事市场中有许多有前景的应用。
目前能够将近眼显示设备做的轻薄的主要是光波导，通过耦入结构将投影光线耦入光波导内进行全反射传播，再通过耦出结构将光线耦出，最终进入人眼实现成像。现有光波导大都采用平板结构，受制于材质折射率和全反射条件的限制，成像画面的视场角(FOV)难以做大，另外采用平板结构的光波导难以直接适配屈光不正的人群。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种小体积近眼波导显示设备，旨在解决现有技术中，平板结构的光波导成像画面的视场角难以做大的问题。
本实用新型是这样实现的，一种小体积近眼波导显示设备，包括曲面波导片、耦入结构和耦出结构，所述耦入结构和耦出结构设置在所述曲面波导片上；
所述曲面波导片包括第一表面和第二表面，在所述曲面波导片的截面上，所述第一表面和所述第二表面构成同心圆；所述第一表面具有第一曲率半径，所述第二表面具有第二曲率半径，所述曲面波导片的厚度为所述第一曲率半径和所述第二曲率半径的差值；
光从所述耦入结构进入所述曲面波导片内，在所述曲面波导片内全反射传输，并从所述耦出结构耦出。
可选的，所述耦入结构设于所述曲面波导片的一端，所述耦入结构具有第一反射面，所述第一反射面在所述第一表面的一侧，经过所述第一反射面反射的光线入射至所述第二表面时的入射角大于所述曲面波导片的临界角。
可选的，所述耦入结构为三角棱镜，所述三角棱镜包括第一侧面、第二侧面和底面，所述第一侧面上形成有所述第一反射面，光从所述第二侧面入射，经所述第一反射面反射后，从所述底面出射。
可选的，所述耦出结构为形成于所述曲面波导片内部的多个分光斜面，多个所述分光斜面依次排列；经所述曲面波导片全反射传输的光入射到所述分光斜面上，部分光线被反射后耦出，部分光线透射后入射到下一组所述分光斜面上。
可选的，所述第一侧面和所述第二侧面的夹角为2θ，每个所述分光斜面与其和所述第一表面交点处曲面切线的夹角均为θ，或者每个所述分光斜面与其和所述第二表面交点处曲面切线的夹角均为θ。
可选的，越远离所述耦入结构的所述分光斜面的反射率越高。
可选的，所述耦入结构为耦入光栅，所述耦出结构为耦出光栅；光从所述耦入光栅进入所述曲面波导片内，在所述曲面波导片内全反射传输，并从所述耦出光栅耦出。
可选的，所述所述耦入光栅设于所述第一表面或所述第二表面；所述耦出光栅设于所述第一表面或第二表面。
可选的，所述耦入光栅和所述耦出光栅为全息光栅、浮雕光栅、超表面结构或共振光栅结构。
可选的，所述曲面波导片的材质为玻璃或树脂。
与现有技术相比，本实用新型提供的一种小体积近眼波导显示设备，采用了具有截面为同心圆的第一表面和第二表面的曲面波导片作为投影光线的全反射传输结构，在相同波导材质下与平面波导相比可以提升视场角；并且可以通过控制曲面波导片的曲率来适配不同屈光程度的人群。
附图说明
图1是本实用新型提供的一种小体积近眼波导显示设备的结构示意图；
图2是本实用新型提供的一种小体积近眼波导显示设备采用分光斜面形式的结构示意图；
图3是本实用新型提供的一种小体积近眼波导显示设备采用分光斜面形式的光路示意图；
图4是本实用新型提供的一种小体积近眼波导显示设备采用衍射光栅形式的结构示意图；
图5是本实用新型提供的一种小体积近眼波导显示设备采用衍射光栅形式的光路示意图。
附图标记说明：
10-曲面波导片，11-第一表面，12-第二表面；
20-耦入结构，21-三角棱镜，211-第一反射面，22-耦入光栅；
30-耦出结构，31-分光斜面，32-耦出光栅。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
以下结合具体实施例对本实用新型的实现进行详细的描述。
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。
参照图1-5所示，为本实用新型提供的较佳实施例。
一种小体积近眼波导显示设备，包括曲面波导片10、耦入结构20和耦出结构30，耦入结构20和耦出结构30设置在曲面波导片10上；
曲面波导片10包括第一表面11和第二表面12，在曲面波导片10的截面上，第一表面11和第二表面12构成同心圆；第一表面11具有第一曲率半径，第二表面12具有第二曲率半径，曲面波导片10的厚度为第一曲率半径和第二曲率半径的差值；
光从耦入结构20进入曲面波导片10内，在曲面波导片10内全反射传输，并从耦出结构30耦出。
本实施例提供的一种小体积近眼波导显示设备，采用了具有截面为同心圆的第一表面11和第二表面12的曲面波导片10作为投影光线的全反射传输结构，在相同波导材质下与平面波导相比可以提升视场角；并且可以通过控制曲面波导片10的曲率来适配不同屈光程度的人群。
具体的，曲面波导片10的材质可以是玻璃、树脂等透明材料。通常会选择高折射率的光学玻璃或树脂材料。
投影光线在曲面波导片10内全反射传输，即在传输时，投影光线每次入射至第一表面11或第二表面12的入射角均大于曲面波导片10的临界角。
投影光线在曲面波导片10中临界角可根据全反射的原理进行计算，如：投影光线在曲面波导片10中的折射率为n1，在空气中的折射率为n2，投影光线在曲面波导片10内入射至第一表面11的入射角为θ1，在空气中的折射角为θ2，根据折射定律，n1sinθ1＝n2sinθ2，当θ2＝90°时，临界角θ临＝arcsin(n2/n1)。相对折射率越大，则临界角越小，而全反射时入射角大于临界角，因此，临界角越小，越有利于进行全反射。曲面波导片10采用高折射率的材质，有利于投影光线在曲面波导片10中进行全反射传输。
具体的，曲面波导片10的第一表面11的曲率半径为r，第二表面12的曲率半径为R，则曲面波导片10任意一处的厚度d均为：R-r。
在空间结构上，曲面波导片10可以是同心球面形成的波导片，即第一表面11为半径为r的球面，第二表面12为半径为R的球面，两者的球心重合。
曲面波导片10可以是其他空间结构，例如，截面为同心圆的一段的柱体结构；截面为同心圆的一段，按此截面进行弧形拉伸得到的片状结构；等。曲面波导片10空间结构可根据需要来设计。
具体的，耦入结构20设于曲面波导片10的一端，耦入结构20具有第一反射面211，第一反射面211在第一表面11的一侧，经过第一反射面211反射的光线入射至第二表面12时的入射角大于曲面波导片10的临界角。
耦入结构20可以是反射镜、棱镜等具有反射功能的光学结构，在第一反射面211上可镀有反射膜，以将投影光线尽可能全部反射到曲面波导片10中。
耦入结构20与曲面波导片10可以是一体成型的，使得被第一反射面211反射的光线无损地进入到曲面波导片10中。
可选的，耦入结构20为三角棱镜21，三角棱镜21包括第一侧面、第二侧面和底面，第一侧面上形成有第一反射面211，光从第二侧面入射，经第一反射面211反射后，从底面出射。
三角棱镜21与曲面波导片10可以一体成型，如三角棱镜21的底面与曲面波导片10一体连接，经第一反射面211反射后的光直接入射到曲面波导片10的第二表面12上，减少了能量损耗。
耦出结构30为形成于曲面波导片10内部的多个分光斜面31，多个分光斜面31依次排列；经曲面波导片10全反射传输的光入射到分光斜面31上，部分光线被反射后耦出，部分光线透射后入射到下一组分光斜面31上。投影光线从耦入结构20进入曲面波导片10全反射传播，遇到耦出分光斜面31后，被多个分光斜面31依次耦出进入人眼。
分光斜面31可以是“半透半反”(确切说是“部分透部分反”)的镜面，是嵌入到玻璃基底里面并且与传输光线形成一个特定角度的表面，每一个镜面会将部分光线反射出波导进入人眼，剩下的光线透射过去继续在波导中前进。然后这部分前进的光又遇到另一个“半透半反”镜面，从而重复上面的“反射-透射”过程，直到镜面阵列里的最后一个镜面将剩下的全部光反射出波导进入人眼。
优选的，每个分光斜面31与其和第一表面11交点处曲面切线的夹角均为θ，或者每个分光斜面31与其和第二表面12交点处曲面切线的夹角均为θ；而三角棱镜21的第一侧面和第二侧面的夹角为2θ。对于光线的耦入及光线在曲面波导片10的全反射传输最为有利。
优选的，越远离耦入结构20的分光斜面31的反射率越高，使得在光线耦出的范围内的出光量尽可能均匀。例如，多个分光斜面31的阵列中，每一个分光斜面31具有不同的反射透射比，越远离耦入结构20的分光斜面31的反射率越高，透射率越小，反射透射比越大，从而整个耦出范围内的出光量是均匀的，使得成像质量得到提高。
在一具体实施例中，如图2所示，曲面光波导总体是上下表面构成同心圆的一片曲面波导片10，上下表面曲率半径的差值为曲面波导片10的厚度。波导片可以是玻璃、树脂等透明材料，波导片由一个耦入结构20、多个转折分光面组成。耦入结构20是一个具有特定倾角的三角棱镜21，边角角度为2θ，使得耦入光线从耦入结构20进入波导片内全反射传输。每个分光斜面31与其和波导片上表面交接点处曲面切线的夹角相同均为θ，越远离耦入结构20的分光斜面31反射率越高。该近眼显示设备光路示意图如图3所示，投影光机发出的光线从耦入结构20进入波导片全反射传播，遇到耦出分光斜面31后依次耦出进入人眼，由于耦出光线带有光焦度，可以通过控制曲面波导的曲率来适配不同屈光程度的人群。波导片弯曲方向可以朝向人眼也可以背向人眼，分光斜面31取向也可以按照需求进行变换。
在另一实施例中，耦入结构20为耦入光栅22，耦出结构30为耦出光栅32；光从耦入光栅22进入曲面波导片10内，在曲面波导片10内全反射传输，并从耦出光栅32耦出。
耦入光栅22设于第一表面11或第二表面12；耦出光栅32设于第一表面11或第二表面12。
耦入光栅22和耦出光栅32为全息光栅、浮雕光栅、超表面结构或共振光栅结构等衍射光栅。
简单来说，以上衍射光栅是一个具有周期结构的光学元件，这个周期可以是材料表面浮雕出来的高峰和低谷，也可以是全息技术在材料内部曝光形成的“明暗干涉条纹”，都是在材料中引起了一个折射率的周期性变化。这个周期一般是微纳米级别的，与可见光波长(～450-700nm)一个量级，才能对光线产生有效的操控。
在原理上，衍射光栅可实现“分光”，例如，假设入射光是单一波长的绿光，它会被衍射光栅分成若干个衍射级(diffraction order)，每一个衍射级沿着不同的方向继续传播下去，包括反射式衍射(R0,R±1,R±2,…)和透射式衍射(T0,T±1,T±2,…)的光线，每一个衍射级对应的衍射角度(θm，m＝±1,±2,…)由光线的入射角(θ)和光栅的周期(Λ)决定，通过设计光栅的其他参数(材料折射率n、光栅形状、厚度、占空比等)可以将某一衍射级(即某一方向)的衍射效率优化到最高，从而使大部分光在衍射后主要沿这一方向传播。
在另一具体实施例中，一种小体积近眼波导显示设备也可以采用光栅的形式，其结构和光路图如图4-5所示，主要由曲面波导片10和曲面上的光栅层构成，耦入光栅22将投影光机的光线衍射后朝耦出光栅32全反射传播，遇到耦出光栅32衍射出波导进入人眼。光栅可以是全息光栅、浮雕光栅、超表面等光栅结构。光栅位置排布不受限制，可以排布在曲面波导两侧。
采用衍射光栅的主要优势在于光栅在设计和生产上的灵活性，不论是利用传统半导体微纳米制造生产工艺的表面浮雕光栅，还是利用全息干涉技术制成的体光栅，都是在玻璃基底平面上加镀一层薄膜然后加工，不需要像几何光波导中的玻璃切片和粘合工艺，可量产性和良率要高很多。
另外，利用转折光栅或者二维光栅可以实现二维扩瞳，使得光线耦出方向上能覆盖更多不同脸型的人群，给人体工程学设计和优化用户体验留了更大的容差空间。
对于衍射光栅来说，只需要改变光栅的设计参数例如占空比、光栅形状等，将最终结构编辑到光刻机、电子束曝光机、或者全息干涉的掩膜里，便可一步“写”到光栅薄膜上，来实现多个出瞳的出光均匀。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种小体积近眼波导显示设备，其特征在于，包括曲面波导片、耦入结构和耦出结构，所述耦入结构和耦出结构设置在所述曲面波导片上；
所述曲面波导片包括第一表面和第二表面，在所述曲面波导片的截面上，所述第一表面和所述第二表面构成同心圆；所述第一表面具有第一曲率半径，所述第二表面具有第二曲率半径，所述曲面波导片的厚度为所述第一曲率半径和所述第二曲率半径的差值；
光从所述耦入结构进入所述曲面波导片内，在所述曲面波导片内全反射传输，并从所述耦出结构耦出。
2.如权利要求1所述的一种小体积近眼波导显示设备，其特征在于，所述耦入结构设于所述曲面波导片的一端，所述耦入结构具有第一反射面，所述第一反射面在所述第一表面的一侧，经过所述第一反射面反射的光线入射至所述第二表面时的入射角大于所述曲面波导片的临界角。
3.如权利要求2所述的一种小体积近眼波导显示设备，其特征在于，所述耦入结构为三角棱镜，所述三角棱镜包括第一侧面、第二侧面和底面，所述第一侧面上形成有所述第一反射面，光从所述第二侧面入射，经所述第一反射面反射后，从所述底面出射。
4.如权利要求3所述的一种小体积近眼波导显示设备，其特征在于，所述耦出结构为形成于所述曲面波导片内部的多个分光斜面，多个所述分光斜面依次排列；经所述曲面波导片全反射传输的光入射到所述分光斜面上，部分光线被反射后耦出，部分光线透射后入射到下一组所述分光斜面上。
5.如权利要求4所述的一种小体积近眼波导显示设备，其特征在于，所述第一侧面和所述第二侧面的夹角为2θ；每个所述分光斜面与其和所述第一表面交点处曲面切线的夹角均为θ，或者每个所述分光斜面与其和所述第二表面交点处曲面切线的夹角均为θ。
6.如权利要求5所述的一种小体积近眼波导显示设备，其特征在于，越远离所述耦入结构的所述分光斜面的反射率越高。
7.如权利要求1所述的一种小体积近眼波导显示设备，其特征在于，所述耦入结构为耦入光栅，所述耦出结构为耦出光栅；光从所述耦入光栅进入所述曲面波导片内，在所述曲面波导片内全反射传输，并从所述耦出光栅耦出。
8.如权利要求7所述的一种小体积近眼波导显示设备，其特征在于，所述耦入光栅设于所述第一表面或所述第二表面；所述耦出光栅设于所述第一表面或第二表面。
9.如权利要求8所述的一种小体积近眼波导显示设备，其特征在于，所述耦入光栅和所述耦出光栅为全息光栅、浮雕光栅、超表面结构或共振光栅结构。
10.如权利要求1-9任一项所述的一种小体积近眼波导显示设备，其特征在于，所述曲面波导片的材质为玻璃或树脂。
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| CN114527533A (zh) * | 2022-02-22 | 2022-05-24 | 珠海莫界科技有限公司 | 一种轻便的改变虚像距的光波导及头戴显示器 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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