CN219435081U - 一种折叠式波导片组件及折叠ar目镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种折叠式波导片组件及折叠AR目镜，波导片组件包括相互连接且镜像对称的第一波导片和第二波导片，并以相互连接处为中心朝人眼方向折叠预设角度，第一波导片和第二波导片均包括入瞳区、扩瞳区和出瞳区；波导片组件还包括倾斜棱镜，倾斜棱镜设置于波导片组件背离人眼方向的外侧；波导片组件的输入光由外侧射入至倾斜棱镜，输入光经倾斜棱镜错开成两个子输入光束并分别射入至第一波导片的入瞳区和第二波导片的入瞳区，对应子输入光束经对应扩瞳区后耦合出波导片。本实用新型的倾斜棱镜使入射光延某一方向错开成两个平行的子输入光束，分别耦合进两个入瞳区，使单侧波导片中逐渐衰减的视场亮度得到补偿，提高视场亮度均匀性，消除眩晕。

Description

一种折叠式波导片组件及折叠AR目镜

技术领域

本实用新型涉及波导技术领域，特别涉及一种折叠式波导片组件及折叠AR目镜。

背景技术

随着成像技术的进步，人们对沉浸式体验的需求越来越高，近年来VR/AR技术的发展，逐渐满足人们对视觉体验的追求。头戴式设备能解放人们的双手，降低对屏幕的依赖，同时营造更好的视觉效果。对于头戴式设备，近眼显示是其技术的关键，成像质量和轻薄性则是主要的考虑因素。近眼显示系统一般由图像远近光传输系统组成，图像源发出的图像画面，通过光学传输系统传递到人眼中。在此，区别于VR对外部环境的阻断，AR则需要有一定透过率，使佩戴者在看到图像画面的同时，可以看到外界的环境。

对于光学传输系统，业界有很多种方案，例如，自由空间光学，自由曲面光学，及显示光波导。其中，光波导技术由于其大eyebox的特点，及其轻薄的特性，明显优于其他光学方案，成为各大公司的主流路径。

根据波导透射式耦合的入射出射光平行理论，现有中国专利文献申请号为CN202121309120.1的一种波导片组件及光机前置的折叠AR目镜，提出折叠式波导的方案，该技术中的波导片组件的第一波导片和第二波导片以一定角度拼接，应用在AR眼镜中时能够更加贴合人脸，并且由波导片组件外侧射入的光线经过入瞳区、扩瞳区和出瞳区后可同向射出，保证光线能够直接入射人眼，而不会因为波导片的折叠而产生夹角，保证了AR眼镜的使用效果。

但是，由于波导折叠后，两个入瞳光栅不再位于同一平面，在实际使用上，单侧波导的亮度朝某一水平方向递减，虽然双目合像时能保持相对稳定的亮度，但左右眼对亮度的感知不一样会导致眩晕，影响佩戴体验。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种折叠式波导片组件及折叠AR目镜，旨在解决现有折叠波导中，单侧波导中亮度逐渐衰减导致视场亮度不均匀的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：提供一种折叠式波导片组件，所述波导片组件包括镜像对称设置的第一波导片和第二波导片，所述第一波导片和第二波导片相互连接且以连接处为中心朝人眼方向折叠预设角度，所述第一波导片和所述第二波导片均包括入瞳区、扩瞳区和出瞳区；

所述波导片组件还包括倾斜棱镜，所述倾斜棱镜设置于所述波导片组件背离人眼方向的外侧；所述波导片组件的输入光由外侧射入至所述倾斜棱镜，所述输入光经所述倾斜棱镜错开成两个平行的子输入光束并分别通过所述第一波导片的入瞳区和所述第二波导片的入瞳区耦合进波导片内，所述两个子输入光束在波导片内利用全内反射传播，再经过对应所述扩瞳区后由对应所述出瞳区耦合出波导片，所述出瞳区出射光的方向与所述入瞳区入射光的方向一致。

进一步地，所述倾斜棱镜包括对称胶合设置的两个倾斜平板，两个所述倾斜平板远离所述波导片组件的一侧形成V字形的进光面，两个所述倾斜平板的朝向所述波导片组件的一侧形成出光面，所述出光面与所述进光面平行。

进一步地，所述倾斜棱镜的胶合面之间，所述倾斜棱镜的胶合位置靠近所述第一波导片和第二波导片的折叠处的一侧，均设有吸光材料。

进一步地，所述倾斜棱镜的长度范围为2～6mm，所述倾斜棱镜的宽度范围为3～7mm；所述倾斜平板的进光面与所述胶合面的法线的夹角范围为5～30°。

进一步地，所述第一波导片和第二波导片的两个所述入瞳区并排紧挨设置，两个所述入瞳区的入瞳中心位于同一高度。

进一步地，所述扩瞳区设置于所述入瞳区在水平方向上远离所述连接处的一侧，所述出瞳区设置于所述扩瞳区的下方。

进一步地，所述预设角度为5°～40°。

进一步地，所述入瞳区、扩瞳区和出瞳区均为表面浮雕光栅，或体全息光栅。

本实用新型实施例还提供一种折叠AR目镜，包括如上所述的折叠式波导片组件。

进一步地，所述的折叠AR目镜还包括光机，所述光机设置于所述波导片组件的外侧，所述倾斜棱镜位于所述光机和所述波导片组件之间。

本实用新型实施例提供一种折叠式波导片组件及折叠AR目镜，波导片组件包括镜像相互连接且对称设置的第一波导片和第二波导片，并以相互连接处为中心朝人眼方向折叠预设角度，第一波导片和第二波导片均包括入瞳区、扩瞳区和出瞳区；波导片组件还包括倾斜棱镜，倾斜棱镜设置于波导片组件背离人眼方向的外侧；波导片组件的输入光由外侧射入至倾斜棱镜，输入光经倾斜棱镜错开成平行的两个子输入光束并分别射入至第一波导片的入瞳区和第二波导片的入瞳区，对应子输入光束经过对应扩瞳区后由对应出瞳区耦合出波导片，出瞳区出射光的方向与入瞳区入射光的方向一致。本实用新型增设倾斜棱镜使得入射光延某一方向错开成两个平行的子输入光束，分别耦合进两个入瞳区，使原本单侧波导中逐渐衰减的视场亮度得到补偿，以提高视场亮度均匀性，消除眩晕。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例提供的折叠式波导片组件的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的折叠式波导片组件的俯视结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的倾斜棱镜的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的倾斜棱镜的俯视结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的倾斜棱镜的前视结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的正入射光线的模拟结果；

图7为本实用新型实施例提供的为最大FOV下的入射光线模拟结果。

图中标识说明：

1000、波导片组件；1100、第一波导片；1110、第一入瞳区；1120、第一扩瞳区；1130、第一出瞳区；1200、第二波导片；1210、第二入瞳区；1220、第二扩瞳区；1230、第二出瞳区；

2000、倾斜棱镜；2100、吸光材料；

3000、光机。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本实用新型说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本实用新型。如在本实用新型说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本实用新型说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

结合图1和图2，本实用新型实施例提供一种折叠式波导片组件，波导片组件1000包括镜像对称设置的第一波导片1100和第二波导片1200，第一波导片1100和第二波导片1200相互连接且以连接处为中心朝人眼方向折叠预设角度，第一波导片1100包括第一入瞳区1110、第一扩瞳区1120和第一出瞳区1130，第二波导片1200包括第二入瞳区1210、第二扩瞳区1220和第二出瞳区1230；

其中，波导片组件1000还包括倾斜棱镜2000，倾斜棱镜2000设置于波导片组件1000背离人眼方向的外侧；波导片组件1000的输入光由外侧射入至倾斜棱镜2000，输入光经倾斜棱镜2000错开成平行的第一子输入光束IN1和第二子输入光束IN2，再分别射入至第一入瞳区1110和第二入瞳区1210；第一子输入光束IN1和第二子输入光束IN2在波导片组件1000内利用全内反射传播，第一子输入光束IN1经第一扩瞳区1120后由第一出瞳区1130耦合出第一波导片1100；第二子输入光束IN2经第二扩瞳区1220后由第二出瞳区1230耦合出第二波导片1200；第一出瞳区1130出射光和第二出瞳区1230出射光的方向分别与第一入瞳区1110入射光和第二入瞳区1210入射光的方向一致。

本实施例中，通过将原单光机3000双目波导延入瞳中轴线切开，分成两半并形成第一波导片1100和第二波导片1200，第一波导片1100和第二波导片1200以预设角度折叠后使用；或压印两片单光机3000单目波导以形成第一波导片1100和第二波导片1200；入射光由光机3000发射，光机3000设置在波导片组件1000外侧，远离人眼的方向，以投射的方式将图像信号耦合进波导片组件1000，基于导波光学的原理，出射光将与入射光保持相同的传播方向，如此波导光路便不会受波导片组件1000的折叠角度的影响。

本实施例中，在光机3000与波导片组件1000之间增设了一块倾斜棱镜2000，倾斜棱镜2000能使入射光延某一方向错开成平行的第一子输入光束IN1和第二子输入光束IN2，第一子输入光束IN1和第二子输入光束IN2分别耦合进第一入瞳区1110和第二入瞳区1210，这样能使原本单侧的第一波导片1100和第二波导片1200中亮度逐渐衰减的视场的亮度得到补偿，以提高视场亮度均匀性，消除眩晕，提升佩戴体验。

一些实施例中，第一波导片1100和第二波导片1200在连接处构成钝角，使得波导片组件1000在应用于眼镜中时，能够更加贴合人脸，提高佩戴的舒适度；本实施例中的钝角大于等于度，更适于人脸。

一些实施例中，第一入瞳区1110和第二入瞳区1210并排紧挨设置，第一入瞳区1110和第二入瞳区1210的入瞳中心位于同一高度；由此可便于第一入瞳区1110和第二入瞳区1210与两个倾斜平板的出光面对应，确保第一子输入光束IN1和第二子输入光束IN2能够均匀的耦合进第一入瞳区1110和第二入瞳区1210，便于提高视场亮度均匀性。

一些实施例中，第一扩瞳区1120设置于第一入瞳区1110在水平方向上远离连接处的一侧，第一出瞳区1130分别设置于第一扩瞳区1120的下方；第二扩瞳区1220设置于第二入瞳区1210在水平方向上远离连接处的一侧，第二出瞳区1230分别设置于第二扩瞳区1220的下方。

一些实施例中，第一入瞳区1110、第一扩瞳区1120和第一出瞳区1130均为表面浮雕光栅，或体全息光栅；第二入瞳区1210、第二扩瞳区1220和第二出瞳区1230均为表面浮雕光栅，或体全息光栅。

下面更具体的介绍本实施例的倾斜棱镜2000；

结合图3所示，本申请的核心装置为倾斜棱镜2000，倾斜棱镜2000包括对称胶合设置的两个倾斜平板，两个倾斜平板远离波导片组件1000的一侧形成V字形的进光面，两个倾斜平板的朝向波导片组件1000的一侧形成出光面，出光面与进光面平行；倾斜棱镜2000的长度范围为2～6mm，倾斜棱镜2000的宽度范围为3～7mm；倾斜平板的进光面与胶合面的法线的夹角范围为5～30°；第一波导片1100和第二波导片1200折叠的预设角度优选为5°～40°。

当入射光从进光面入射至两个倾斜平板，因为两个倾斜平板的进光面为斜边，入射光会在两个倾斜平板上产生不同方向的折射，最终出光时原光束会分成第一子输入光束IN1和第二子输入光束IN2，并在两个倾斜平板的胶合面的法向方向上产生一定程度的错位，错位情况由长度L、倾斜平板进光面与胶合面的法线的夹角(倾角)以及材料的折射率决定。

结合图3所示，由于波导片组件1000是由分开的第一波导片1100和第二波导片1200组合而成，折叠位置会有一个缝隙，入射光有可能会从缝隙中的侧面进入波导片组件1000，从而产生杂散光；因此在倾斜棱镜2000上涂有一定厚度的吸光材料2100，具体的，吸光材料2100设置有两个，一个是设置在倾斜棱镜2000的胶合面上的吸光层，布满整个胶合面，可以防止形成杂散光和鬼影；另一个是倾斜棱镜2000的胶合位置靠近波导片组件1000的入瞳一侧的吸光层，第二个吸光层的宽度th为0.5～2mm，该吸光材料涂在外表面(即图3中出光面的尖端部分)，第二个吸光层是为了避免光束从第一波导片1100和第二波导片1200的折叠处进入；优选的，本实施例的吸光材料2100可以采用石墨层，通过石墨层可以隔绝杂散光从波导片组件1000侧面耦合，避免影响观看体验。

基于上述介绍的倾斜棱镜2000的具体结构，结合图5继续对倾斜棱镜2000的光路进行几何解释：

假设倾斜棱镜2000落于正交坐标系ZOX中，胶合面与Z轴重合，胶合面的法线平行于X轴；BB’为倾斜棱镜2000的第一倾斜面，CC’为倾斜棱镜2000的第二倾斜面，两个倾斜面在Z轴上的距离为L，与Z轴的夹角均为θ。

EE’为第一入瞳区1110和第二入瞳区1210的入瞳直径，E’Ez为EE’在X方向上的分量，点E与Z轴不相交，其间隔可根据折叠角度和波导尺寸决定。

直线AB为从光机3000发出的X轴正方向最大角度的入射光线，AO等于光机3000口径的半径，与Z轴的夹角为FOV/2(FOV为光机3000的最大视场角)，直线AB与第一倾斜面BB’交于B点，与BB’法线的夹角为α(即光线的入射角)；直线BC为折射光线，与BB’法线的夹角为α’(即光线的折射角)，直线BC与第二倾斜面CC’交于C点；直线CD为出射光线，由于BB’平行于CC’，根据折射定律，直线CD平行于直线AB；显然，随着A点往下移动，可看出D点也会逐渐往下移动，直到与Ez重合，因此DEz为X轴正方向最大视场下的有效耦合范围。

直线A’B’为从光机3000发出的X轴负方向最大角度的入射光线，与Z轴的夹角为FOV/2(FOV为光机3000的最大视场角)，直线A’B’与第一倾斜面BB’交于B’点，其中点B’与胶合面的距离为dB，dB0，与BB’法线的夹角为β(即光线的入射角)。直线B’C’为折射光线，与BB’法线的夹角为β’(即光线的折射角)，直线B’C’与第二倾斜面CC’交于C’点；直线C’D’为出射光线，由于BB’平行于CC’，根据折射定律，直线C’D’平行于直线A’B’；显然，当点A’往下移动时，直线A’B’将交于另一倾斜面，其光路将于直线AB有一定的对称关系，其出射光线无法再与E’Ez相交，因此点A’只能往上移动，那么E’D’即为X轴负方向最大视场下的有效耦合范围。

容易看出，若舍去倾斜棱镜2000，直线AB几乎无法与E’Ez相交，只有当角度变小时才有相交的机会，而X轴负方向角度下的直线A’B’，在一定距离内都能与E’Ez完美相交，这就是入瞳离轴情况下出现的视场亮度衰减问题。

继续结合图6和图7给出的倾斜棱镜2000的模拟结果；图6为正入射光线的模拟结果，在倾斜棱镜2000的作用下，入射光线被分成第一子输入光束IN1和第二子输入光束IN2，错开幅度由倾角、棱镜长度和材料折射率决定。图7为最大FOV下的入射光线模拟结果，当倾斜棱镜2000的倾角、长度和折射率都选择恰当后，能使每一侧入瞳区对两侧最大视场的光通量接收保持一致。

一些实施例中，也可以缩短直线AO与E’Ez的间隔，使直线AB也能与E’Ez相交，但这样镜头内的各种杂散光都会耦合进波导，存在严重影响成像质量的问题，由此经过多次实验设计，设计了上述倾斜棱镜2000的长度范围为2～6mm、倾斜棱镜2000的宽度范围为3～7mm、倾斜平板的进光面与胶合面的法线的夹角范围为5～30°等等尺寸。

在具体设计过程中，通过的几何运算使DEz与E’D’尽量相等，即可保持单侧波导中左右视场的亮度一致。

该设计的本质，是将原本应该耦合进另一个入瞳区的光束，通过倾斜棱镜2000的结构，分出一部分光耦合进第一个入瞳区，以此来平行两个波导片的亮度及单片波导的视场均匀性。

基于上述倾斜棱镜2000的几何原理继续介绍光路线路：

将图像信号加载到光机3000中，并转换成光信号输出，形成入射光IN。入射光IN1在倾斜棱镜2000的作用下，右侧倾斜平板对X正方向视场的部分入射光IN_+X有一个大角度的偏折，使其往X正方向做一个位移，对X负方向视场的部分入射光IN_-X的影响较小，使入射光IN_+X和IN_-X在第一入瞳区1110前汇合，形成第一子输入光束IN1；同时，左侧平行平板对X负方向视场的部分入射光IN_-X有一个大角度的偏折，使其往X负方向做一个位移，对X正方向视场的部分入射光IN_+X的影响较小，使入射光IN_-X和IN_+X在第二入瞳区1210前汇合，形成第二子输入光束IN2。

第一子输入光束IN1通过第一入瞳区1110耦合进第一波导片1100，形成波导光GL1，波导光GL1在全内反射条件下耦合到第一扩瞳区1120，转向第一出瞳区1130并耦合出第一波导片1100，形成出射光OUT1。

第二子输入光束IN2通过第二入瞳区1210耦合进第二波导片1200，形成波导光GL2，波导光GL2在全内反射条件下耦合到第二扩瞳区1220，转向第二出瞳区1230并耦合出第二波导片1200，形成出射光OUT2。

出射光OUT1和出射光OUT2的光矢量方向与第一子输入光束IN1和第二子输入光束IN2一致，同时也和入射光IN一致，合理设置的倾斜棱镜2000和波导片组件1000的折叠角度均不会对出射光的光矢量产生影响。

本实用新型实施例还提供一种折叠AR目镜，包括如上的折叠式波导片组件1000。

在一实施例中，折叠AR目镜还包括光机3000，光机3000设置于波导片组件1000的外侧，倾斜棱镜2000位于光机3000和波导片组件1000之间。

本实施例中，光机3000为波导片组件1000的光信号生成器，可以将图像信号转换为光信号并输出，通过光机3000朝向倾斜棱镜2000的进光面输出入射光，入射光在进光面处分别进入两个倾斜平板的进光面，并通过两个倾斜平板错开形成第一子输入光束IN1和第二子输入光束IN2，分别进入第一入瞳区1110和第二入瞳区1210，以补偿原低亮度视场的入眼强度。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种折叠式波导片组件，所述波导片组件包括镜像对称设置的第一波导片和第二波导片，所述第一波导片和第二波导片相互连接且以连接处为中心朝人眼方向折叠预设角度，所述第一波导片和所述第二波导片均包括入瞳区、扩瞳区和出瞳区，其特征在于：

所述波导片组件还包括倾斜棱镜，所述倾斜棱镜设置于所述波导片组件背离人眼方向的外侧；所述波导片组件的输入光由外侧射入至所述倾斜棱镜，所述输入光经所述倾斜棱镜错开成两个平行的子输入光束并分别通过所述第一波导片的入瞳区和所述第二波导片的入瞳区耦合进波导片内，所述两个子输入光束在波导片内利用全内反射传播，再经过对应所述扩瞳区后由对应所述出瞳区耦合出波导片，所述出瞳区出射光的方向与所述入瞳区入射光的方向一致。

2.根据权利要求1所述的折叠式波导片组件，其特征在于：所述倾斜棱镜包括对称胶合设置的两个倾斜平板，两个所述倾斜平板远离所述波导片组件的一侧形成V字形的进光面，两个所述倾斜平板的朝向所述波导片组件的一侧形成出光面，所述出光面与所述进光面平行。

3.根据权利要求2所述的折叠式波导片组件，其特征在于：所述倾斜棱镜的胶合面之间，所述倾斜棱镜的胶合位置靠近所述第一波导片和第二波导片的折叠处的一侧，均设有吸光材料。

4.根据权利要求3所述的折叠式波导片组件，其特征在于：所述倾斜棱镜的长度范围为2～6mm，所述倾斜棱镜的宽度范围为3～7mm；所述倾斜平板的进光面与所述胶合面的法线的夹角范围为5～30°。

5.根据权利要求1所述的折叠式波导片组件，其特征在于：所述第一波导片和第二波导片的两个所述入瞳区并排紧挨设置，两个所述入瞳区的入瞳中心位于同一高度。

6.根据权利要求1所述的折叠式波导片组件，其特征在于：所述扩瞳区设置于所述入瞳区在水平方向上远离所述连接处的一侧，所述出瞳区设置于所述扩瞳区的下方。

7.根据权利要求1所述的折叠式波导片组件，其特征在于：所述预设角度为5°～40°。

8.根据权利要求1所述的折叠式波导片组件，其特征在于：所述入瞳区、扩瞳区和出瞳区均为表面浮雕光栅，或体全息光栅。

9.一种折叠AR目镜，其特征在于：包括权利要求1-8中任一项所述的折叠式波导片组件。

10.根据权利要求9所述的折叠AR目镜，其特征在于：还包括光机，所述光机设置于所述波导片组件的外侧，所述倾斜棱镜位于所述光机和所述波导片组件之间。