CN217443725U - 光机系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种光机系统，包括图像发生器、光波导件、耦入装置以及耦出光栅，光波导件包括相背的入光面和全反射面，耦入装置包括耦入光栅和棱镜，棱镜具有入射面和贴合面，贴合面贴设于光波导件的入光面，耦入光栅设置于入射面。耦出光栅设置于光波导件并与耦入装置间隔设置。图像发生器用于朝向入射面出射图像光，以使图像光馈入光波导件的入光面，并在光波导件的内部发生全反射后向耦出光栅方向行进。入射面与贴合面的夹角小于90°，图像光的光轴与入光面之间的夹角大于90°。由于图像光与入光面的夹角可以大于90°，因此图像发生器在设置时可以位于耦出光栅的侧面，不会对从耦出光栅出射的耦出光束形成干涉，避免影响用户观看。

Description

光机系统

技术领域

本申请涉及投影技术领域，具体涉及一种光机系统。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)是一种实时采集现实世界信息，并将虚拟信息、图像等与现实世界相结合的显示技术，有望成为继个人电脑、智能手机后的新一代信息交互终端，具有广阔的市场规模和想象空间。首先在信息显示上，AR将不再受限于实体屏幕，而是可以在整个物理空间中显示，采用虚实结合的方式，在物理实体的基础上实时显示虚拟信息，即为增强现实显示；其次在人机交互上，指令采集可以突破实体的操作界面，使用更加自然便捷的交互方式，如语音、手势、图像等，使得人机交互模式更像是与人的自然交流。

相关技术中，AR设备中的光机系统主要采用波导结构传导光线，这种波导结构通常采用衍射光栅，衍射光栅造成有效光束扩张以输出由光引擎提供的光束的扩张后图像，实现在更宽的区域上可见，提高观影效果。现有的衍射光栅在设置时通常是直接形成于波导表面的，光线垂直进入波导中，对产品的形态设计造成了很大的限制。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种光机系统，以至少部分改善上述问题。

本申请实施例提供了一种光机系统，包括光波导件、耦入装置、耦出光栅以及图像发生器，光波导件包括相背的入光面和全反射面，耦入装置包括耦入光栅和棱镜，棱镜具有入射面和贴合面，贴合面贴设于光波导件的入光面，耦入光栅设置于入射面。耦出光栅设置于光波导件并与耦入装置间隔设置。图像发生器用于朝向入射面出射图像光，以使图像光馈入光波导件的入光面，并在光波导件的内部发生全反射后向耦出光栅方向行进。其中，入射面与贴合面的夹角小于90°，图像光的光轴与入光面之间的夹角大于90°。

在一些实施方式中，耦入装置和耦出光栅均设置于入光面。

在一些实施方式中，棱镜与光波导件一体成型。

在一些实施方式中，棱镜的折射率与光波导件的折射率相等。

在一些实施方式中，棱镜通过透光胶粘接于入光面，棱镜的折射率、透光胶的折射率以及光波导件的折射率相等。

在一些实施方式中，耦入光栅和耦出光栅满足以下关系：

其中，d_in为耦入光栅的周期，d_out为耦出光栅的周期，α为图像光在透过耦入光栅时的偏折角，β为入射面与贴合面之间的夹角。

在一些实施方式中，光波导装置还包括折转光栅，折转光栅设置于光波导件的表面，耦出光栅为一维光栅，折转光栅用于朝向耦出光栅方向偏折光线。

在一些实施方式中，耦出光栅为二维光栅。

在一些实施方式中，棱镜还包括背面，背面连接入射面和贴合面，背面与入光面相交，且背面设置有光吸收层。

在一些实施方式中，耦入光栅压印形成或蚀刻形成于入射面。

本申请提供的光机系统，棱镜和耦入光栅作为耦入装置，贴合面贴设于光波导件的入光面设置，棱镜的入射面与贴合面之间的夹角小于90°，图像发生器出射的图像光入射于入射面后，进入光波导件内，并朝向耦出光栅方向全反射并从耦出光栅耦出。由于图像发生器出射的图像光与光波导件的入光面的夹角可以大于90°，因此图像发生器在设置时可以位于耦出光栅的侧面，不会对从耦出光栅出射的耦出光束形成干涉，避免影响用户观看，且可以提高图像发生器的设置自由度，使得光机系统更加符合人体工学设计。

本申请的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例示出的一种衍射光栅的衍射原理图。

图2是本申请实施例提供的一种光机系统的结构示意图。

图3是本申请实施例提供的一种光机系统在另一视角下的的结构示意图。

图4是本申请实施例中提供的另一种光机系统的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

下面将结合附图具体描述本申请的各实施例。

图1示出了当图像光入射于衍射光栅时，各级次衍射光线的出射路径，其中d是光栅结构的周期，θ_m为衍射角度，m为衍射级次，λ为光束波长，则其光栅方程可以表示为dsinθ_m＝mλ。

从光栅方程中，可以看出，波长λ不变时，周期d越大，各级次衍射光线的衍射角度θ_m越小。

参阅图2，本实施例提供一种光机系统10，该光机系统10可以被配置成AR眼镜、AR头戴式显示设备等，或者还可以是MR或者VR等设备，在此不做具体限定。

光机系统10包括图像发生器30、光波导件100、耦入装置200以及耦出光栅300。

其中图像发生器30用于生成图像光，需要说明的是，图像发生器30可以是基于LCoS或DMD的光机，以形成图像光。硅基液晶(Liquid Crustal On Silicon,LCoS)是一种新型的结合了半导体与LCD技术的新型微显示技术。DLP投影显示技术是以DMD器件为核心的投影显示技术。当然，图像发生器30也可以采用其他的成像显示技术生成图像光，在此不做具体限定。其中图像光可以是偏振光，例如S偏振态光，当然也可以是P偏振光，在一些实施方式中，图像光可以是由红、绿、蓝三色光进行时序组合后形成的合光。

请继续参阅图2，耦入装置200以及耦出光栅300均设置于光波导件100。耦入装置200用于接收图像光，并耦入光波导件100，而后图像光经过光波导件100传导后，从耦出光栅300耦出形成耦出光束并进入人眼。

光波导件100可以是一平板状结构透光器件，光波导件100包括相背的入光面110以及全反射面120，入光面110与全反射面120均可以是平面，入光面110与全反射面120可以大致相互平行，光波导件100可以供传播光线，具体的，当图像光进入光波导件100后，以全反射的形式在光波导件100内进行传播，更为具体的，当图像光进入光波导件100后，图像光光线可以在光波导件内部发生全反射，进而朝向耦出光栅300行进。

作为另外的一种实施方式，入光面110与全反射面120可以被配置至曲面，且两者的曲率在各处大致相同，使得入光面110与全反射面120之间的间距在各点大致相等。这种实施方式的光波导件100可以很方便的附加于普通眼镜的镜片上。

耦入装置200用于接收图像光，并将图像光耦入光波导件100，以使图像光在光波导件100内发生全反射，发生全反射的图像光向耦出光栅300方向传播。通过改变图像光入射于光波导件100时的入射角度，使得图像光满足全反射条件，进而可以在光波导件100内实现全反射。本实施例中，图像发生器30出射的图像光的光轴与光波导件100的入光面110之间的夹角θ大于90°，这样，图像光在进入光波导件100后的行进方向可以朝向耦出光栅300方向，进而可以从耦出光栅300耦出形成耦出光束。

作为一种实施方式，本实施例中，如图2所示，耦入装置200包括棱镜210和耦入光栅220，棱镜210可以是三棱镜，棱镜210的折射率可以大于1，棱镜210设置于耦入区的入光面110，棱镜210具有入射面211、贴合面212和背面213，背面213连接于入射面211以及贴合面212，贴合面212贴设于入光面110并大致与入光面110相互平行。入射面211相对于贴合面212是倾斜设置的，并且入射面211和贴合面212之间的夹角β小于90°。入射面211用于接收图像光，并馈入光波导件100，以使图像光在光波导件100的全反射面120上至少发生一次全反射。背面213与入光面110相交，且在一些实施方式中，背面213可以大致与入光面110相互垂直。进一步地，背面213还可以设置光吸收层，光吸收层可以吸收光线，避免图像光光线从背面213逸出形成热效应。具体的，光吸收层可以是吸光胶，通过粘接的方式形成于背面213。

耦入光栅220设置于入射面211，使得耦入光栅220所在平面(即入射面211)与光波导件100的表面(即全反射面120)之间的夹角小于90°。这样当图像光以垂直于入射面211的方式入射于耦入光栅220时，图像光相对于光波导件100的表面(即入光面110)也是倾斜设置的，且图像光与入光面110的夹角大于90°。示例性地，耦入光栅220例如可以是压印光栅，通过压印的方式加工于耦入棱镜210的入射面211，耦入光栅220例如还可以是蚀刻光栅，通过蚀刻的方式加工于耦入棱镜210的入射面211。耦入光栅220也可以通过粘接的方式设置入射面211，耦入光栅220可以是直光栅、斜光栅、闪耀光栅等，在此不做限定。

由于图像光与入光面110的夹角大于90°，因此图像发生器30在设置时可以位于耦出光栅300的侧面，即图像发生器30位于从耦出光栅300出射的耦出光束的光路之外，不会对从耦出光栅300出射的光线形成遮挡，产生干涉，避免影响用户观看。且可以提高图像发生器30的设置自由度，使得光机系统10更加符合人体工学设计。例如当光机系统10被配置成一AR眼镜时，光波导装置20可以设置于眼镜的镜片处，图像发生器30可以设置于眼镜的镜架的镜腿上，并朝向镜片方向出射图像光。

耦出光栅300位于耦入装置200的一侧，并可以与耦入装置200具有间隔，具体而言，耦出光栅300位于棱镜210的背面213的远离入射面211的一侧。本实施例中，耦出光栅300设置于入光面110，即耦出光栅300与耦入装置200位于光波导件100的同侧表面，这样，光线在进入光波导件100之后可以仅在全反射面120经过一次全反射就可以从耦出光栅300耦出形成耦出光束，因此，耦出光栅300的设置区域可以更大，使得耦出光束的光学扩展量更大，实现更好的扩瞳效果。当然，可以理解的是，在其他的一些实施方式中，根据设计需要，耦出光栅300与耦入装置200也可以位于光波导件100的相背的表面。

在一种实施方式中，请一并结合图2和图3，耦出光栅300可以是二维耦出光栅300，实现在二维光栅扩瞳架构下的扩瞳。具体地，耦出光栅300的栅结构参数、尺寸、排布位置和形状设计等参数可以根据不同的需求来设计，且设计方式是本领域技术人员熟知的，在此不再赘述。

耦出光栅300可以采用表面浮雕光栅，表面浮雕光栅可以利用纳米压印工艺批量生产，其量产型与可靠性相比于其他诸如布拉格光栅相比，具有明显优势，并且表面浮雕光栅的响应光谱不受加工材料所限，具备更宽的光谱响应范围，更利于形成稳定、均匀的耦出光束。需要说明的是，耦出光栅300可以是直光栅、斜光栅、闪耀光栅等，在此不做限定。较佳的，耦出光栅300可以是直光栅，直光栅具有加工方便，且对于各级次的衍射光线而言，能更为精确的控制衍射光线的衍射角，因此可以精确的调控衍射光线的出射路径。

当图像光进入耦入光栅220后，发生衍射现象，此时图像光在透过耦入光栅220后，图像光发生偏折，偏折角为(即图像光在耦入光栅220上发生衍射的衍射角)α，偏折后的光线进入光波导件100中，并在全反射面120发生至少一次全反射后继续行进。在一种实施方式中，光线进入光波导件100之后，经过一次全反射后即达到光波导件100的设置耦出光栅300的区域；在另一些实施方式中，光线进入光波导件100之后，也可以在全反射面120和入光面110经过多次全反射后达到光波导件100的设置耦出光栅300的区域，在此不做具体限定。

在一些实施方式中，棱镜210可以是与光波导件100通过一体方式连接的，为了避免图像光在透过耦入光栅220进入棱镜210后，从棱镜210进入光波导件100内时，出现折射现象，较佳的，棱镜210的折射率与光波导件100的折射率可以相等。这样，在棱镜210与光波导件100的入光面110的界面上，图像光不会发生折射现象。使得光线能够沿耦入光栅220衍射后的路径进入光波导件100，这样利于后续在设计耦入光栅220和耦出光栅300的参数，实现更好的扩瞳效果。

在另一种实施方式中，棱镜210通过透光胶粘接于光波导件100的表面，为了避免图像光在透过耦入光栅220进入棱镜210后，从棱镜210进入光波导件100内时，出现折射现象，较佳的，棱镜210的折射率、透光胶的折射率与光波导件100的折射率可以相等。这样，在棱镜210与光波导件100的表面的界面上，图像光不会发生折射现象。同样可以使得光线能够沿耦入光栅220衍射后的路径进入光波导件100，利于后续在设计耦入光栅220和耦出光栅300的参数，实现更好的扩瞳效果。

为了实现图像发生器30出射的图像光在经过光波导装置20的传导后，能从耦出光栅300耦出形成耦出光束，图像发生器30产生的中心视场角的光线(与耦入光栅220相互垂直，根据几何关系可知，中心视场角的光线与光波导件100平面法线(即全反射面120的法线)所成的角与入射面211与贴合面212之间的夹角β相等。中心视场角的光线经过耦入光栅220后发生衍射，偏折角度为α，根据光栅方程可知

nd_insinα＝λ

其中，d_in为耦入光栅220的周期，n为耦入棱镜210以及光波导件100的的折射率，λ为图像光的波长。

光线经过棱镜210进入光波导件100，因为棱镜210与光波导件100的折射率相同，因此经过这两者交界面时，光线不会发生偏转；光线经过光波导件100的入光面110发生一次全反射后，打到耦出光栅300上，并从耦出光栅300耦出。光线入射于耦出光栅300的入射角为γ，根据几何关系可知，γ＝α+β。

根据光栅方程：nd_outsinγ＝λ，其中，d_out为耦出光栅300的周期。

因此，可以得到以下关系式：

通过上述演示可知，通过对耦入光栅220和耦出光栅300的周期按照上述方式进行设计，就可以保证图像发生器30产生的中心视场角的光线能从耦出光栅300耦出并显示于用户。当然，也可以固定耦入光栅220和耦出光栅300的周期，通过对图像光在透过耦入光栅220时的偏折角α以及入射面211与贴合面212之间的夹角β进行合理的设计，同样可以实现上述效果。

作为一种较佳的实施方式，当耦出光束从耦出光栅300出射时，耦出光束可以垂直于光波导件100的表面，也即是耦出光束垂直于全反射面120，这样，能够尽可能的保证耦出光束能够全部进入人眼，且耦出光束会更为均匀，避免较多的散光现象，利于用户进行观看。当然，耦出光束与光波导件100的表面间的夹角也可以是其他数值，在此不做具体限定。

本实施例提供的光机系统10以及光波导装置20，可以实现图像发生器30的图像光相对于光波导件100以倾斜的方式耦入的效果，在结构设计时，图像发生器30的位置有更多的选择，使得光机系统10在设计时能更符合人体工学。

除应用于二维光栅扩瞳结构以外，前述的光波导装置20也可以应用于一维光栅扩瞳结构。如图4所示，在另一种实施例中，光波导装置20还包括折转光栅400，折转光栅400设置于光波导件100的表面，且折转光栅400与耦入装置200位于光波导件100的同侧表面，具体而言，本实施例中，耦出光栅300为一维扩瞳光栅，折转光栅400与耦入装置200位于光波导件100的入光面110。折转光栅400用于朝向耦出光栅300方向偏折光线，在一些实施方式中，折转光栅400可以使得光线偏折90°，当然折转光栅400也可以使光线偏折其他角度，在此不做具体限定。此时，耦出光栅300可以相对于耦入装置200错开设置，耦入装置200耦入光波导件100的光线在光波导件100内经全反射行进后，进入折转光栅400，被折转光栅400偏折后，进入耦出光栅300出射形成耦出光束。

上述实施方式，同样可以实现图像发生器30的图像光相对于光波导件100的入光面110的夹角大于90°的方式耦入的效果。使得图像发生器30可以位于从耦出光栅300出射的耦出光束的光路之外，不会对从耦出光栅300出射的光线形成遮挡，产生干涉，避免影响用户观看。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光机系统，其特征在于，包括：

光波导件，所述光波导件包括相背的入光面和全反射面；

耦入装置，所述耦入装置包括耦入光栅和棱镜，所述棱镜具有入射面和贴合面，所述贴合面贴设于所述光波导件的入光面，所述耦入光栅设置于所述入射面；

耦出光栅，所述耦出光栅设置于所述光波导件并与所述耦入装置间隔设置；

图像发生器，用于朝向所述入射面出射图像光，以使所述图像光馈入光波导件的所述入光面，并在所述光波导件的内部发生全反射后向所述耦出光栅方向行进；

其中，所述入射面与所述贴合面的夹角小于90°，所述图像光的光轴与所述入光面之间的夹角大于90°。

2.根据权利要求1所述的光机系统，其特征在于，所述耦入装置和所述耦出光栅均设置于所述入光面。

3.根据权利要求1所述的光机系统，其特征在于，所述棱镜的折射率与所述光波导件的折射率相等。

4.根据权利要求3所述的光机系统，其特征在于，所述棱镜与所述光波导件一体成型。

5.根据权利要求3所述的光机系统，其特征在于，所述棱镜通过透光胶粘接于所述入光面，所述棱镜的折射率、所述透光胶的折射率以及所述光波导件的折射率相等。

6.根据权利要求3-5任一项所述的光机系统，其特征在于，所述耦入光栅和所述耦出光栅满足以下关系：

其中，d_in为所述耦入光栅的周期，d_out为所述耦出光栅的周期，α为图像光在透过所述耦入光栅时的偏折角，β为所述入射面与所述贴合面之间的夹角。

7.根据权利要求1所述的光机系统，其特征在于，所述光波导装置还包括折转光栅，所述折转光栅设置于所述光波导件的表面，所述耦出光栅为一维光栅，所述折转光栅用于朝向所述耦出光栅方向偏折光线。

8.根据权利要求1所述的光机系统，其特征在于，所述耦出光栅为二维光栅。

9.根据权利要求1所述的光机系统，其特征在于，所述棱镜还包括背面，所述背面连接所述入射面和所述贴合面，所述背面与所述入光面相交，且所述背面设置有光吸收层。

10.根据权利要求1所述的光机系统，其特征在于，所述耦入光栅压印形成或蚀刻形成于所述入射面。

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