CN218956925U - 一种曲面光波导及其近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种曲面光波导，通过光波导的曲形设计，相对于传统的平板光波导，更加符合人体构造，增强了舒适性，且更加美观。同时通过耦入元件与耦出元件，校正了光线在曲形波导内传导时所产生的像差，以保证包含所述曲面光波导的近眼显示设备具有良好的成像质量。

Description

一种曲面光波导及其近眼显示设备

技术领域

本申请属于增强现实领域，特别涉及一种曲面光波导及其近眼显示设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种将虚拟信息和现实场景巧妙融合的技术，近年来受到广泛关注。其通过一系列光学元件，将虚拟信息叠加到真实场景中，达到互相补充、互相增强的效果。近眼显示设备是增强现实技术中的关键环节。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。

几何光波导通过反射镜实现图像的输出，反射镜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半透半反表面，可以将需要显示的虚拟信息图像光反射出波导进入人眼，同时外界光也能正常透射进入人眼，以使用户观看到增强现实场景。这种光波导技术使用传统几何光学耦合光线，色彩还原度、亮度等极佳。

目前的光波导大多采用平板波导，但由于平板波导的形状限制了AR设备的结构，不能够贴合人面部构造设计并且也不利于AR设备的小型化，在外观上也不够美观。曲面波导相比传统平板波导更加贴合人的面部结构，舒适性更好，且在AR设备的外观设计上能够提供更大的空间，更加美观。但曲面波导由于曲形的设计，不能够直接传导平行光，使得图像在传播过程中会产生畸变，存在比传统平板波导更大的像差，会严重影响成像质量。

发明内容

针对上述的技术问题，本申请的目的在于提供一种曲面光波导，更加贴合人体面部构造，增强近眼显示设备的舒适性，同时，通过耦入元件和耦出元件，使得光线可以平行光耦入波导，且向人眼耦出平行光，以校正光线在曲面波导内传导所产生的像差，使得近眼显示设备成像具有较好的成像质量。其具体技术方案如下：

一种曲面光波导，包括：曲形波导元件，位于曲形波导元件远离人眼一端的耦入区域，以及位于曲形波导元件靠近人眼一端的耦出区域；所述耦入区域包括位于曲形波导元件靠近人眼一侧的耦入元件；所述耦出区域包括位于曲形波导元件内部的反射元件和位于曲形波导元件靠近人眼一侧的耦出元件；

所述耦入元件，用于将光线耦入曲形波导元件内；

所述曲形波导元件，用于传导光线，光线在其内部发生全反射；

所述反射元件将光线反射至所述耦出元件上；

所述耦出元件将光线耦出。

所述反射元件包括反射片，用于反射通过曲形波导元件的光线。优选地，为使外界光能够进入人眼，不被反射元件阻挡，反射片可以为半透半反镜片。

光线由所述耦入元件耦入所述曲形波导元件内部，以全发射形式传导至所述反射元件，所述反射元件将光线反射至耦出元件上，再由所述耦出元件将光线耦出至人眼。

优选地，所述曲面波导元件厚度均匀，即曲面波导元件的两侧曲面曲率相同，以使外界光能够不屈光透过，人眼能直接观察到外界的真实情况。

优选地，耦出元件对于入射的光线耦出的同时还要进行准直，以使得平行光耦入曲面波导元件并再次以平行光耦出，校正由于曲形波导元件产生的像差，避免人眼观看到的画面存在畸变，提高了所述曲面光波导的成像质量。

优选地，所述耦出元件与曲形波导元件上反射元件的正投影面完全重合，使得反射元件所反射的所有光线都能入射至耦出元件，以提高光的耦出效率。

优选地，所述耦入元件和\或耦出元件为全息光学元件，全息光学元件具有厚度小，衍射效率高等优点，有利于近眼显示设备的轻薄化。

进一步地，耦入区域可以包括多个耦入元件，每个耦入元件响应不同波长的光，例如，耦入区域包括三个耦入元件，分别响应红绿蓝三色光，以实现彩色显示。同理，耦出区域也包括多个耦出元件，且应当与耦入元件呈一一对应关系。

另一方面，本文还提供了一种近眼显示设备，包括：图像源、根据上述任一种可能的曲面光波导。

通过以上技术方案的实施，本申请能够获得以下技术效果：

本申请利用曲形波导元件传播光线，由于曲形的设置，打破了传统平板波导的结构和造型限制，更加符合人体面部结构，增加了近眼显示设备的舒适性，且相比传统平板波导，曲形波导元件的体积更小，有利于近眼显示设备的小型化。耦入元件和耦出元件使用全息光学元件，具有厚度小，衍射效率高的优势，有利于近眼显示设备的轻薄化。所述曲形光波导设计为令光线以平行光入射曲形波导元件，并向人眼耦出平行光，校正光线在曲形波导元件内传导所产生的像差，解决了现有技术中，曲面光波导存在的画面畸变问题，使得近眼显示设备具有更好的成像质量和显示效果。

附图说明

为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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，对于本领域普通技术人员来讲，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示出了本申请一个具体实施方案中曲面光波导结构示意图。

图2示出了本申请一个具体实施方案中具有多个耦入元件的曲面光波导结构示意图。

图3示出了本申请一个具体实施方案中基于曲面光波导的近眼显示设备结构示意图。

附图标记说明

1：耦入区域

2：曲形波导元件

3：耦出区域

4：人眼

5：图像源

11：耦入元件

12：第一耦入元件

13：第二耦入元件

14：第三耦入元件

31：反射元件

32：耦出元件

33：第一耦出元件

34：第二耦出元件

35：第三耦出元件

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实用新型一部分实施例，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做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。

图1是本申请一个具体的实施例，光线经由耦入元件11进入曲形波导元件2，并在曲形波导元件2内发生全反射传导。当光线传导至耦出区域3时，其中的反射元件31将光线反射至耦出元件32上，耦出元件32将光线耦出，以实现图像的传导与再现。需要说明的是，耦入元件11和耦出元件32可以为棱镜、透镜、表面浮雕光栅、全息光学元件或其组合，本申请在此并不做限定。优选地，耦入元件11和耦出元件32为全息光学元件，以进一步减小光学系统的厚度，并能提高衍射效率。

光线在曲形波导元件2内全反射传导时，由于曲形波导元件2的形状不能直接传导平行光，使得图像会产生畸变，在传导至耦出区域时具有一定的像差。优选地，耦出元件32在耦出光线时还对光线进行准直，以使得平行光入射曲形波导元件2的光线再次平行出射，校正曲形波导元件2所形成的像差，以得到较高的图像质量。

光线被传导至耦出区域3时，需要先通过反射元件31反射再到达耦出元件32，优选地，耦出元件32能够与曲形波导元件2上反射元件31的正投影面完全重合，以使反射元件31反射的所有光线均能被耦出元件32耦出，以提高光线的利用率。

为了使外界能够直接透过曲形波导元件2进入用户的眼睛，反射元件31为半透半反镜片，且曲形波导元件2各处的厚度均相等，以使外界光能够不屈光透过。

需要说明的是，本申请耦入元件11与耦出元件32优选使用全息光学元件，由于全息光学元件具有厚度小、衍射效率高等的优点，可以提高画面亮度且有利于近眼显示设备的小型化。但由于全息光学元件具有严格的波长选择性，耦入光线的范围较小，而扩大全息光学元件衍射的波长范围会导致衍射效率降低，本申请的第二个实施例使用多个耦入元件对光线进行耦入，以实现彩色显示。

图2是本申请一个具有多个耦入元件的实施例。如图2所示，耦入区域1包括第一耦入元件12、第二耦入元件13、第三耦入元件14。其中，第一耦入元件12耦入红光，第二耦入元件13耦入绿光，第三耦入元件14耦入蓝光。特定波长的光线经过对应的耦入元件耦入曲形波导元件2后，在曲形波导元件2内传导，并传导至耦出区域3，耦出区域3包括反射元件31和第一耦出元件33、第二耦出元件34、第三耦出元件35。光线被位于曲形波导元件内部的反射元件31反射至耦出元件上，耦出元件与耦入元件一一对应，第一耦出元件33耦入红光，第二耦出元件34耦入绿光，第三耦出元件35耦入蓝光，将对应波长的光线耦出至人眼，以实现彩色显示。

图3是本申请一个基于曲面光波导的近眼显示设备。图像源5发出的图像光通过耦入元件1进入曲形波导元件2内部，光线以全反射的形式传导至耦出区域并向人眼4耦出。耦出区域3包括：

反射元件31，用于将曲形波导元件2内的光线反射至耦出元件32上；

耦出元件32，用于将入射的图像光准直并向人眼4方向耦出，优选地，耦出元件32能够与曲形波导元件2上反射元件31的正投影面完全重合。使得反射元件31所反射的所有光线均能被耦出，以提高图像光的耦出效率；

优选地，反射元件31为半透半反镜片，以使外界光能够正常透过反射元件31进入人眼。

优选地，曲形波导元件2的厚度保持均匀，以使得外界光可以不屈光透过，从而保证用户可以正常接收来自真实世界的信息。

优选地，图像源5所发出的图像光为平行光，在经过曲面波导元件2的传导后，图像存在一定畸变，在耦出区域3被反射元件31反射至其耦出元件32后，耦出元件32在耦出光线时将图像光进行准直，将图像光重新调整为平行光，并向人眼4方向耦出，以使人眼观察到的图像无畸变，从而以提高成像质量。

需要说明的是，本申请中耦出区域3至人眼4之间还可以使用透镜、衍射光学元件等增大近眼显示设备的视场角，本实施例中不进行具体描述。

本实施例中，外界光透过曲形波导元件2到达人眼4，优选地，曲形波导元件2的各处厚度相等，外界光透过曲形波导元件2后不发生屈光改变，以使人眼4所观察到的外界景象与实际场景保持一致。

在本说明书的描述中，需要理解的是，“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征或结构的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征或结构。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种曲面光波导，包括：耦入区域、曲形波导元件、耦出区域；光线在所述曲形波导元件内全反射传播；所述耦入区域包括耦入元件，位于所述曲形波导元件远离人眼的一端；所述耦出区域位于所述曲形波导元件靠近人眼的一端；其特征在于，所述耦出区域包括反射元件和耦出元件，所述反射元件位于曲形波导元件内靠近人眼的一端，所述耦出元件与曲形波导元件上反射元件的正投影面至少部分重合；所述耦入元件和耦出元件位于曲形波导元件内侧。

2.如权利要求1所述的曲面光波导，其特征在于，所述反射元件为半透半反镜片。

3.如权利要求1所述的曲面光波导，其特征在于，所述耦出元件与曲形波导元件上反射元件的正投影面完全重合，以使所述反射元件反射的所有光线均被所述耦出元件耦出至人眼。

4.如权利要求1所述的曲面光波导，其特征在于，所述耦出元件对接收的光线耦出并进行准直，使光线以平行光出射，校正像差。

5.如权利要求1所述的曲面光波导，其特征在于，所述曲形波导元件两侧曲面曲率相同。

6.如权利要求1所述的曲面光波导，其特征在于，所述耦入元件为全息光学元件。

7.如权利要求1所述的曲面光波导，其特征在于，所述耦出元件为全息光学元件。

8.如权利要求1所述的曲面光波导，其特征在于，所述耦入区域包括多个耦入元件，分别响应不同波长的光；所述耦出区域包括多个耦出元件，且与所述耦入元件一一对应。

9.一种近眼显示设备，其特征在于，包括图像源、根据权利要求1-8任一项所述的曲面光波导。

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