CN216792591U - 光波导组件和近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种光波导组件和近眼显示设备。光波导组件包括：光波导片；微投光机，微投光机用于向光波导片发射光，微投光机发射的光呈锐角或钝角射入光波导片中，微投光机和人眼位于光波导片的同一侧；衍射光栅，衍射光栅设置在光波导片的一侧表面上，衍射光栅用于将微投光机的光耦入光波导片中或者将微投光机的光反射出光波导片；反射元件，反射元件用于接收衍射光栅反射出的光，并将光反射回衍射光栅处。本实用新型解决了现有技术中的光波导组件存在不兼容的问题。

Description

光波导组件和近眼显示设备

技术领域

本实用新型涉及衍射光学成像设备技术领域，具体而言，涉及一种光波导组件和近眼显示设备。

背景技术

随着科技的不断创新，虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合现实(MR)已经逐步进入工业教育等行业，其中，在AR增强现实方面，光波导技术是不可缺少的一步。光波导产品的种类较为丰富，以AR光波导眼镜为例，目前市面上已经发布了一些AR光波导眼镜产品，虽然已经基本实现基础功能，但是外观与传统眼镜还有一定区别，现有技术中的光波导眼镜无法像传统眼镜的外观一样贴合面部进行设计，但是光波导眼镜往传统眼镜的形态趋近是必然发展，但光波导眼镜设计与传统眼镜设计不同，光波导眼镜上一般搭载光波导组件实现图像显示功能，需要将光波导组件的微投光机塞入镜腿实现一体显示，用目前的设计方案会造成微投光机与人头形成干涉，影响佩戴舒适度，同时不满足结构兼容性。

也就是说，现有技术中的光波导组件存在不兼容的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种光波导组件和近眼显示设备，以解决现有技术中的光波导组件存在不兼容的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种光波导组件，包括：光波导片；微投光机，微投光机用于向光波导片发射光，微投光机发射的光呈锐角或钝角射入光波导片中，微投光机和人眼位于光波导片的同一侧；衍射光栅，衍射光栅设置在光波导片的一侧表面上，衍射光栅用于将微投光机的光耦入光波导片中或者将微投光机的光反射出光波导片；反射元件，反射元件用于接收衍射光栅反射出的光，并将光反射回衍射光栅处。

进一步地，微投光机和反射元件位于光波导片的同一侧，且微投光机和反射元件沿垂直于光波导片的方向对称设置。

进一步地，衍射光栅包括：耦入光栅，耦入光栅为反射式耦入光栅，反射式耦入光栅用于将反射元件反射的微投光机的光耦入光波导片中或者将微投光机的光反射出光波导片；耦出光栅，耦出光栅与耦入光栅间隔设置，耦出光栅用于接收耦入光栅的光，并将光耦出至人眼进行成像。

进一步地，光波导片具有耦入光栅的一端朝靠近人眼的方向倾斜。

进一步地，耦入光栅为一维光栅或二维光栅；和/或耦出光栅为一维光栅或二维光栅。

进一步地，一维光栅包括闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和一维多层光栅中的一种；和/或二维光栅包括长方形光栅、平行四边形光栅、菱形光栅和二维多层光栅中的一种。

进一步地，光波导片的材质为高折射率玻璃或高折射光学晶体，高折射率玻璃或高折射光学晶体的折射率均大于等于1.7。

进一步地，光波导片的厚度大于等于400um且小于等于1mm。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种近眼显示设备，包括：头戴式架体，头戴式架体搭载上述的光波导组件，头戴式架体包括头盔、头戴面罩和眼镜镜架中的一种。

进一步地，当头戴式架体为眼镜镜架时，眼镜镜架包括：镜框，光波导组件的光波导片设置在镜框上，且光波导片为两个，两个光波导片之间呈八字形排布，两个光波导片上的两个耦出光栅分别与左右眼对应；镜腿，镜腿为两个，两个镜腿由镜框的两端伸出，且两个镜腿与镜框连接的一端分别与两个光波导片上的耦入光栅对应设置，光波导组件的微投光机和反射元件设置在镜腿中。

应用本实用新型的技术方案，光波导组件包括光波导片、微投光机、衍射光栅和反射元件，微投光机用于向光波导片发射光，微投光机发射的光呈锐角或钝角射入光波导片中，微投光机和人眼位于光波导片的同一侧；衍射光栅设置在光波导片的一侧表面上，衍射光栅用于将微投光机的光耦入光波导片中或者将微投光机的光反射出光波导片；反射元件用于接收衍射光栅反射出的光，并将光反射回衍射光栅处。

通过设置光波导片，使得光波导片为衍射光栅提供了设置位置，有利于提高衍射光栅的使用可靠性，有利于保证衍射光栅能够稳定将外部微投光机的光耦入到光波导片中，保证光在光波导片中的传输效率，进而有利于保证最终能够均匀的显示成像，保证显示效率。微投光机发射的光呈锐角或钝角射入光波导片中，这样设置使得微投光机发射的光不是垂直入射光波导片的，会造成耦出的图像信息不在人眼正前方，因此需要将光波导片进行一定的角度倾斜进行补偿设计，但这样设计会造成微投光机放在镜腿左侧造成头部佩戴干涉影响，故放置反射元件，当微投光机发射的光被衍射光栅反射出光波导片，进而到达反射元件处，然后反射元件将光反射回衍射光栅处，使得该光能够被衍射光栅耦入到光波导片中，进而光在光波导片中扩瞳传输后被衍射光栅耦出至人眼进行成像。

目前的微投光机发射的光通常是垂直入射光波导片的，这样使得佩戴在人体头部时，因为头部立体特征耳朵位置凸出，使得这样的头戴设备通常让佩戴者感受到不舒适，并且整体外观不像传统眼镜那样贴合用户面部。本申请的光波导片与人眼之间是倾斜设置的而不是水平设置的，通过合理规划微投光机的光的入射角度，使得光波导组件的外观更趋近于传统眼镜，更满足用户面部佩戴。通过设置反射元件，使得反射元件能够改变光路方向，有效规划了光的走向，避免了佩戴时微投光机干涉头部的风险，在保证用户佩戴舒适性的同时能够保证光在光波导片内的正常传输，使得本申请的光波导组件既可满足传统眼镜的设计方案，同时能够提升波导性能，减少微投光机与头部的干涉，提升佩戴舒适性，同时增加兼容性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术中的波导眼镜在佩戴时的俯视图；

图2示出了现有技术中的波导眼镜中的光波导组件的光路示意图；

图3示出了传统眼镜在佩戴时的俯视图；

图4示出了采用图3方式的波导眼镜中的光波导组件的光路示意图；

图5示出了采用图3方式的波导眼镜中的光波导组件的光线传输K域图；

图6示出了本实用新型的一个可选实施例的光波导组件的光路示意图；

图7示出了本实用新型的一个可选实施例的近眼显示设备在佩戴时的光路示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、光波导片；20、微投光机；31、耦入光栅；32、耦出光栅；40、反射元件；50、人眼。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本实用新型。

如图1所示，为目前市面上常规波导眼镜在佩戴时的俯视图，光波导片与人眼之间呈水平设置，也就是说波导眼镜与左右眼对应的两片光波导片分别与左右眼平行，且两片光波导片是沿一平面间隔设置，两片光波导片之间的夹角为180度。但是传统眼镜通常会有部分夹角使得眼镜更贴合面部佩戴如图3所示，图中与左右眼对应的两个镜片不是设置在一个平面的而是与同一平面之间具有相同的夹角，两个镜片与镜腿连接的一端均朝靠近人眼的方向进行倾斜。波导眼镜若要向图3中的传统眼镜的设计方向靠近，无论是舒适度还是美观性更容易被大众接受。但考虑到微投光机与光波导片的组合，没有夹角时搭载在波导眼镜中的光波导组件的光路传输示意图如图2所示，由图可知微投光机发射的光是垂直入射光波导片的。当将波导眼镜设计成图3的形式，使得有夹角时波导眼镜中的光波导组件内光路要正常到达眼内需如图4所示进行设置，由于微投光机一般放置于镜腿中，此种设计方案使得微投光机放置在镜腿中的位置会比较靠近头部，会与头部造成干涉，无法满足佩戴舒适性。

波导眼镜趋向于传统眼镜的形态是发展方向，但目前的波导设计会影响用户佩戴，当光波导片有倾斜角，微投光机需要调整放置位置，常规设计会导致微投光机与太阳穴处产生干涉，影响佩戴。

为了解决现有技术中的光波导组件存在不兼容的问题，本实用新型提供了一种光波导组件和近眼显示设备。

如图6所示，光波导组件包括光波导片10、微投光机20、衍射光栅和反射元件40，微投光机20用于向光波导片10发射光，微投光机20发射的光呈锐角或钝角射入光波导片10中，微投光机20和人眼50位于光波导片10的同一侧；衍射光栅设置在光波导片10的一侧表面上，衍射光栅用于将微投光机20的光耦入光波导片10中或者将微投光机20的光反射出光波导片10；反射元件40用于接收衍射光栅反射出的光，并将光反射回衍射光栅处。

通过设置光波导片10，使得光波导片10为衍射光栅提供了设置位置，有利于提高衍射光栅的使用可靠性，有利于保证衍射光栅能够稳定将外部微投光机20的光耦入到光波导片10中，保证光在光波导片10中的传输效率，进而有利于保证最终能够均匀的显示成像，保证显示效率。微投光机20发射的光呈锐角或钝角射入光波导片10中，这样设置使得微投光机20发射的光不是垂直入射光波导片10的，会造成耦出的图像信息不在人眼正前方，因此需要将光波导片进行一定的角度倾斜进行补偿设计，但这样设计会造成微投光机放在镜腿左侧造成头部佩戴干涉影响，故放置反射元件，当微投光机20发射的光被衍射光栅反射出光波导片10，进而到达反射元件40处，然后反射元件40将光反射回衍射光栅处，使得该光能够被衍射光栅耦入到光波导片10中，进而光在光波导片10中扩瞳传输后被衍射光栅耦出至人眼50进行成像。

目前的微投光机20发射的光通常是垂直入射光波导片10的，这样使得佩戴在人体头部时，因为头部立体特征耳朵位置凸出，使得这样的头戴设备通常让佩戴者感受到不舒适，并且整体外观不像传统眼镜那样贴合用户面部。本申请的光波导片10与人眼50之间是倾斜设置的而不是水平设置的，通过合理规划微投光机20的光的入射角度，使得光波导组件的外观更趋近于传统眼镜，更满足用户面部佩戴。通过设置反射元件40，使得反射元件40能够改变光路方向，有效规划了光的走向，避免了佩戴时微投光机20干涉头部的风险，在保证用户佩戴舒适性的同时能够保证光在光波导片10内的正常传输，使得本申请的光波导组件既可满足传统眼镜的设计方案，同时能够提升波导性能，减少微投光机20与头部的干涉，提升佩戴舒适性，同时增加兼容性。

需要说明的是，上述反射元件40和微投光机20设置在光波导片10的外部，反射元件40可以是反射镜，微投光机20为一个且用于提供单色或者彩色的图像光信息。微投光机20可以是自发光的有源器件，它可以有一定倾斜角度与光波导片10搭配使用以适配眼镜外形，现在常用的微投光机20比如micro-OLED或micro-LED，也可以是需要外部光源照明的液晶显示屏，包括透射式的LCD和反射式的LCOS，还有基于微机电系统MEMS技术的数字微镜阵列DMD，即DLP的核心和激光束扫描仪LBS等等。对微投光机20的要求是既需要它提供足够强的光亮，又要求其体积够小，在近眼显示设备中尽可能不占体积，但现在多种多样的微投光机20各有优劣，需要通过具体方案选择具体光源，通常在近眼显示设备中放置于镜腿中形成一体机，紧贴镜片并有0-5°的夹角摆放。

具体的，微投光机20和反射元件40位于光波导片10的同一侧，且微投光机20和反射元件40沿垂直于光波导片10的方向对称设置。微投光机20和反射元件40位于光波导片10的同一侧，同时微投光机20和反射元件40与人眼50同侧，这样便于后续将微投光机20和反射元件40设置在波导眼镜中的镜腿中。微投光机20和反射元件40沿垂直于光波导片10的方向对称设置，这样有利于反射元件40顺利接收微投光机20射入耦入光栅31然后经耦入光栅31反射的光，使得反射元件40能够顺利改变光路方向，从而避免后续佩戴时微投光机20干涉头部的风险，并使反射元件40反射的光能被耦入光栅31耦入到波导片中并以全反射形式在光波导片10内正常传输。

具体的，衍射光栅包括耦入光栅31和耦出光栅32，以及转折光栅(图示未画出)，耦入光栅31和耦出光栅32间隔设置在在光波导片10远离人眼50的一侧表面上，转折光栅与耦入光栅31和耦出光栅32位于光波导片10的同一侧或不同侧表面，耦入光栅31为一个，耦入光栅31为反射式耦入光栅31，反射式耦入光栅31用于将反射元件40反射的微投光机20的光耦入光波导片10中或者将微投光机20的光反射出光波导片10；转折光栅用于接收耦入光栅31的光并将光进行扩瞳传输，耦出光栅32与耦入光栅31间隔设置，耦出光栅32用于接收耦入光栅31与转折光栅的光，并将光耦出至人眼50进行成像。转折光栅和耦出光栅32可分别设置也可设计为一体的，可根据实际情况进行选择。耦入光栅31以将入射光衍射成不同角度在光波导片10中进行传输，其目的是将微投光机20的光最大效率的导入光波导片10内，耦入光栅31的周期被设计使得光线发生衍射并满足全反射条件将图像光传入光波导片10内，转折光栅可以将光波导片10内的光进行一维或者二维方向上的传输，其目的是将内部光沿着特定方向进行传输，其作用是可将微投光机20的光图像信息进行扩瞳；耦出光栅32可接受转折光栅传输过来的光，将其进一步的扩瞳并耦出，其目的是将微投光机20的信息均匀高效的耦出到人眼50。不同的光栅设计可以满足不同的应用要求，可调节具体参数，最终调整耦出光场的均匀性以满足的应用。，耦入光栅31和耦出光栅32、转折光栅的周期可以在300nm至600nm的范围内。

本申请的光波导组件在不影响眼睛观察的情况下，通过反射元件40将光路改变，微投光机20射入耦入光栅31时，在该耦入光栅31处反射出光波导片10，抵达反射元件40，反射元件40将其返回进光波导片10中，其中，图5为该方案光线在光波导片10内传输的K域图，加入反射元件40后依旧满足传输条件，确保方案的可行性，这样可实现将微投光机20放置在镜腿另一侧同时不改变原光波导片10内的传输，保证光的传输效率，同时避免与头部产生干涉。

如图5所示，本申请的光波导片10上的耦入光栅31、转折光栅和耦出光栅32满足图中光线传输K域图，这样通过合理规划光栅位置，有利于保证光被耦入光栅31耦入至光波导片10后能够顺利到达转折光栅处，进而光经转折光栅扩瞳传输至耦出光栅32，进而被耦出光栅32耦出至人眼50，满足K域传输能确保图像信息能完整传输到人眼，确保该方案的实施性。

如图6所示，光波导片10具有耦入光栅31的一端朝靠近人眼50的方向倾斜。同时光波导片10具有耦出光栅32的一侧向远离人眼50的方向倾斜，也就是说，光波导片10不是像图2中所示水平放置在人眼50前的，而是具有一定倾斜角度，这种倾斜角度使得后续在波导眼镜中光波导片10更贴合人的面部，当然倾斜角度可根据具体要求进行调整，在此处不做限定。

具体的，耦入光栅31为一维光栅或二维光栅；转折光栅为一维光栅或二维光栅；耦出光栅32为一维光栅或二维光栅。一维光栅包括闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和一维多层光栅中的一种；二维光栅包括长方形光栅、平行四边形光栅、菱形光栅和二维多层光栅中的一种。耦入光栅31、转折光栅和耦出光栅32的具体选型可根据实际情况进行设置。

需要说明的是，上述闪耀光栅为一种刻槽面与光栅法线不平行，即在两者之间存在一个小夹角，具有闪耀特性的光栅。锯齿型光栅为最理想的闪耀光栅，锯齿型光栅的横截面上为锯齿形的结构来进行衍射。上述倾斜光栅是一种光栅的平面与光栅切向呈一定倾角的光栅。上述矩形光栅是一种横截面上为矩形的结构来进行衍射的光栅。

具体的，光波导片10的材质为高折射率玻璃或高折射光学晶体，高折射率玻璃或高折射光学晶体的折射率均大于等于1.7。高折射率玻璃或高折射光学晶体的折射率均大于等于1.7。光波导片10的折射率大于等于1.7且小于等于2.3。这样设置有利于保证光波导片10的高折射率特性，高折射率可提高视场角的大小，根据实际需求选择不同的材料，以实现超大视场角的光波导片10。

具体的，光波导片10的厚度大于等于400um且小于等于1mm。若光波导片10的厚度小于400um，使得光波导片10不易制作，增强了光波导片10的加工难度，同时使得光波导片10在使用过程中易发生折断，降低了光波导片10的结构强度。若光波导片10的厚度大于1mm，使得光波导片10的厚度过大，不利于光波导片10的轻薄化。将光波导片10的厚度限制在400um到1mm的范围内，保证了光波导片10的轻薄化的同时保证了光波导片10的结构强度。

如图7所示，近眼显示设备包括头戴式架体，头戴式架体搭载上述的光波导组件，头戴式架体包括头盔、头戴面罩和眼镜镜架中的一种。当头戴式架体为眼镜镜架时，眼镜镜架包括镜框和镜腿，光波导组件的光波导片10设置在镜框上，且光波导片10为两个，两个光波导片10之间呈八字形排布，也就是说，光波导片10具有耦入光栅31的一端朝靠近人眼50的方向进行倾斜，两个光波导片10上的两个耦出光栅32分别与左右眼对应；镜腿为两个，两个镜腿由镜框的两端伸出，且两个镜腿与镜框连接的一端分别与两个光波导片10上的耦入光栅31对应设置，光波导组件的微投光机20和反射元件40设置在镜腿中。这样设置使得本申请的近眼显示设备更贴合用户面部，同时能够避免结构与用户头部产生干涉，在不影响光波导组件性能的情况下，增加兼容性，同时增加佩戴舒适性。

需要说明的是，近眼显示设备可以是一种头戴式设备，比如AR眼镜，也就是上述的波导眼镜。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光波导组件，其特征在于，包括：

光波导片(10)；

微投光机(20)，所述微投光机(20)用于向所述光波导片(10)发射光，所述微投光机(20)发射的光呈锐角或钝角射入所述光波导片(10)中，所述微投光机(20)和人眼(50)位于所述光波导片(10)的同一侧；

衍射光栅，所述衍射光栅设置在所述光波导片(10)的一侧表面上，所述衍射光栅用于将所述微投光机(20)的光耦入所述光波导片(10)中或者将所述微投光机(20)的光反射出所述光波导片(10)；

反射元件(40)，所述反射元件(40)用于接收所述衍射光栅反射出的光，并将所述光反射回所述衍射光栅处。

2.根据权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，所述微投光机(20)和所述反射元件(40)位于所述光波导片(10)的同一侧，且所述微投光机(20)和所述反射元件(40)沿垂直于所述光波导片(10)的方向对称设置。

3.根据权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，所述衍射光栅包括：

耦入光栅(31)，所述耦入光栅(31)为反射式耦入光栅(31)，所述反射式耦入光栅(31)用于将所述反射元件(40)反射的所述微投光机(20)的光耦入所述光波导片(10)中或者将所述微投光机(20)的光反射出所述光波导片(10)；

耦出光栅(32)，所述耦出光栅(32)与所述耦入光栅(31)间隔设置，所述耦出光栅(32)用于接收所述耦入光栅(31)的光，并将所述光耦出至所述人眼(50)进行成像。

4.根据权利要求3所述的光波导组件，其特征在于，所述光波导片(10)具有所述耦入光栅(31)的一端朝靠近所述人眼(50)的方向倾斜。

5.根据权利要求3所述的光波导组件，其特征在于，

所述耦入光栅(31)为一维光栅或二维光栅；和/或

所述耦出光栅(32)为一维光栅或二维光栅。

6.根据权利要求5所述的光波导组件，其特征在于，

所述一维光栅包括闪耀光栅、倾斜光栅、矩形光栅、双脊光栅和一维多层光栅中的一种；和/或

所述二维光栅包括长方形光栅、平行四边形光栅、菱形光栅和二维多层光栅中的一种。

7.根据权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，所述光波导片(10)的材质为高折射率玻璃或高折射光学晶体，所述高折射率玻璃或所述高折射光学晶体的折射率均大于等于1.7。

8.根据权利要求1所述的光波导组件，其特征在于，所述光波导片(10)的厚度大于等于400um且小于等于1mm。

9.一种近眼显示设备，其特征在于，包括：

头戴式架体，所述头戴式架体搭载权利要求1至8中任一项所述的光波导组件，所述头戴式架体包括头盔、头戴面罩和眼镜镜架中的一种。

10.根据权利要求9所述的近眼显示设备，其特征在于，当所述头戴式架体为眼镜镜架时，所述眼镜镜架包括：

镜框，所述光波导组件的光波导片(10)设置在所述镜框上，且所述光波导片(10)为两个，两个所述光波导片(10)之间呈八字形排布，两个所述光波导片(10)上的两个耦出光栅(32)分别与左右眼对应；

镜腿，所述镜腿为两个，两个所述镜腿由所述镜框的两端伸出，且两个所述镜腿与所述镜框连接的一端分别与两个所述光波导片(10)上的耦入光栅(31)对应设置，所述光波导组件的微投光机(20)和反射元件(40)设置在所述镜腿中。

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