CN219609272U - 一种光波导和近眼显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种光波导和近眼显示装置，该光波导用于传导光机出射的光线，其第一面平行于第二面，第一面、第三面、第四面、耦入分光面、第五面、第六面、第七面和第二面依次相接，第三面自第一面朝向远离第二面的方向延伸，第七面自第二面朝向远离第一面的方向延伸，耦出分光面嵌设于光波导内且连接在第一面与第二面之间；光机出射的中心视场光线依次经第六面入射、耦入分光面一次反射后在第一面与第二面之间全反射，再经耦出分光面反射后从第二面出射；耦入分光面与第二面之间的夹角θ小于耦出分光面与第二面之间的夹角Φ。该光波导用于双目近眼显示装置时，配合光机时，可适配正常眼镜的形态，提高佩戴体验，且成像质量好。

Description

一种光波导和近眼显示装置

技术领域

本实用新型实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种光波导和近眼显示装置。

背景技术

增强现实是将虚拟信息和真实世界相融合的技术，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。通过预先设计并调整好双目近眼显示设备中左右眼显示画面的光线偏角，可保证用户在使用时左右眼看到的画面能够融合。光波导器件使得双目近眼显示设备可以做的更轻薄，越来越接近眼镜形态，如何将双目近眼显示设备做的更美观更适合消费者佩戴成为一个关键问题。

为了提高佩戴体验和美观程度，通常使双目近眼显示设备近似眼镜形态，其眼镜镜腿与镜片夹角为略大于90°的钝角。目前，在双目阵列光波导近眼显示设备中，如图1所示，通常采用两个光波导10实现双目合像。该光波导10中，光线经耦入分光面S1反射后、在波导内全反射传输至耦出分光面S2，最后经耦出分光面S2部分反射进入人眼，且耦入分光面S1和耦出分光面S2与光波导10的表面夹角相同且呈镜像对称。且在该结构中，耦入光线垂直光波导10入射时，耦出光线也垂直光波导10耦出，耦入光线与光波导10有夹角时，耦出光线也与光波导10有相同夹角，即耦入光线和耦出光线与光波导10的表面法线呈镜像对称。而当该光波导10应用于双目阵列光波导中，在双目合像时，为使左右眼对应的光波导10的中心耦出光线具有一定夹角且在人眼前方汇聚，需要将提供耦入光线的光机11朝靠近人眼一侧倾斜，如图2所示，或者将左右眼整个模组朝靠近人眼的一侧倾斜，如图3所示，这与正常眼镜形态不匹配，不仅严重影响双目近眼显示设备的外观设计与佩戴体验。

发明内容

本实用新型实施例提供一种光波导和近眼显示装置，该光波导用于双目近眼显示装置时，可将两个光波导平行设置且对应的光机朝远离人眼一侧倾斜设置，以适配正常眼镜的形态，可提高佩戴体验，且成像质量好。

第一方面，本实用新型实施方式采用的一个技术方案是：提供一种光波导，用于传导光机出射的光线，包括：耦入分光面、耦出分光面、第一面、第二面、第三面、第四面、第五面、第六面和第七面；所述第一面平行于所述第二面，所述第一面、所述第三面、所述第四面、所述耦入分光面、所述第五面、所述第六面、所述第七面和所述第二面依次相接，所述第三面自所述第一面朝向远离所述第二面的方向延伸，所述第七面自所述第二面朝向远离所述第一面的方向延伸，所述耦出分光面嵌设于所述光波导内且连接在所述第一面与所述第二面之间；其中，所述光机出射的中心视场光线依次经所述第六面入射、所述耦入分光面一次反射后在所述第一面与所述第二面之间全反射，再经所述耦出分光面反射后从所述第二面出射；所述耦入分光面与所述第二面之间的夹角θ小于所述耦出分光面与所述第二面之间的夹角Φ。

在一些实施例中，所述中心视场光线垂直于所述第六面入射，所述光机出射的中心视场光线与所述第二面的法线的夹角α、所述第二面出射的中心视场光线与所述第二面的法线夹角所述夹角θ和所述夹角Φ之间具有如下关系：

其中，n为所述光波导的折射率。

在一些实施例中，所述第三面与所述第四面之间的夹角为80°-110°。

在一些实施例中，所述第二面与所述第七面之间的夹角为80°-110°。

在一些实施例中，第一交线与第二交线的垂直距离小于第三交线与第二交线的垂直距离，其中，所述第一交线为所述第一面与所述第三面的交线在所述第二面上的投影线，所述第二交线为所述耦出分光面与所述第二面的交线，所述第三交线为所述第二面与所述第七面的交线。

在一些实施例中，所述第三面、所述第四面、所述第五面和所述第七面为磨砂面或光滑面。

在一些实施例中，所述光波导还包括三角棱镜；所述耦入分光面为所述三角棱镜的第一侧面，所述第四面与所述三角棱镜的第二侧面相接，所述第五面与所述三角棱镜的第三侧面相接。

在一些实施例中，所述耦入分光面贴设有金属膜、介质膜、偏振片或线栅。

在一些实施例中，所述光波导包括多个互相平行的所述耦出分光面。

第二方面，本实用新型实施例提供一种近眼显示装置，该近眼显示装置包括如第一方面任意一项所述的光波导。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例中提供了一种光波导和近眼显示装置，该光波导用于传导光机出射的光线，包括：耦入分光面、耦出分光面、第一面、第二面、第三面、第四面、第五面、第六面和第七面；第一面平行于第二面，第一面、第三面、第四面、耦入分光面、第五面、第六面、第七面和第二面依次相接，第三面自第一面朝向远离第二面的方向延伸，第七面自第二面朝向远离第一面的方向延伸，耦出分光面嵌设于光波导内且连接在第一面与第二面之间；耦入分光面与第二面之间的夹角θ小于耦出分光面与第二面之间的夹角Φ；光机出射的中心视场的光线会依次经第六面入射、耦入分光面一次反射后在第一面与第二面之间全反射，再经耦出分光面反射后从第二面出射，其余未进入光波导全反射传输的光线可经第三面、第四面和第七面输出，避免形成重影，因此，该光波导用于双目近眼显示装置时，可将两光波导平行设置且对应的光机朝远离人眼一侧倾斜设置，以适配正常眼镜的形态，可提高佩戴体验，且成像质量好。

附图说明

一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是现有技术中提供的一种光波导的结构示意图；

图2是现有技术中提供的一种双目近眼显示装置的结构示意图；

图3是现有技术中提供的另一种双目近眼显示装置的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种光波导的结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的图4的三种光路示意图；

图6是本实用新型实施例提供的一种双目近眼显示装置的结构示意图；

图7是图4的一种光路分析示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

第一方面，本实用新型实施例提供一种光波导，用于传导光机出射的光线，请参阅图4至图6，该光波导20包括：耦入分光面S1、耦出分光面S2、第一面P1、第二面P2、第三面P3、第四面P4、第五面P5、第六面P6和第七面P7。第一面P1平行于第二面P2，第一面P1、第三面P3、第四面P4、耦入分光面S1、第五面P5、第六面P6、第七面P7和第二面P2依次相接。第三面P3自第一面P1朝向远离第二面P2的方向延伸，也即第三面P3与第四面P4呈现为在光波导20的第一面P1上的一个凸起台阶面。第七面P7自第二面P2朝向远离第一面P1的方向延伸，也即第二面P2与第七面P7呈现为在光波导20的第二面P2上的一个凸起面。耦出分光面S2嵌设于光波导20内且连接在第一面P1与第二面P2之间。其中，光机11出射的中心视场光线依次经第六面P6入射、耦入分光面S1一次反射后在第一面P1与第二面P2之间全反射，再经耦出分光面S2反射后从第二面P2出射；耦入分光面S1与第二面P2之间的夹角θ小于耦出分光面S2与第二面P2之间的夹角Φ。

具体的，光波导20可采用玻璃或树脂等透明材料制成。第一面P1和第二面P2可为光滑的平面，夹角θ的设计范围可参照现有技术中对于阵列光波导20的耦入分光面倾斜角度，夹角Φ的设计范围可参照现有技术中对于阵列光波导20的耦出分光面倾斜角度。第三面P3、第四面P4、第五面P5、第七面P7可以是平面也可以是曲面，第一面P1与第三面P3之间的角度、第三面P3和第四面P4之间的角度、第二面P2与第七面P7之间的角度可以根据实际情况进行调整，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。

对于该光波导20，其不同视场下的光路示意图如图5所示，在本实施例提供的光波导20中，可令任意视场的耦入光线经耦入分光面S1反射后，进入光波导20内全反射传输的有效光束均能保证首尾相连，其余未进入光波导20内全反射传输的光线会经第三面P3、第四面P4和第七面P7输出到光波导20外从而避免形成重影，同时，夹角θ小于夹角Φ可以使得经耦出分光面S2反射后光线是向两眼之间的位置出射。这样，该光波导20用于双目近眼显示装置时，可将两个光波导20平行设置且对应的光机11朝远离人眼一侧倾斜设置，如图6所示，以适配正常眼镜的形态，可提高佩戴体验，并且成像质量好、保证双目合像效果。

在其中一些实施例中，请参阅图7，中心视场光线垂直于第六面P6入射，光机11出射的中心视场光线与第二面P2的法线的夹角α、第二面P2出射的中心视场光线与第二面P2的法线夹角夹角θ和夹角Φ之间具有如下关系：

其中，n为光波导20的折射率。另外，由图6可知，夹角β刚好为两光波导20耦出的中心视场光线的夹角，也即为双目的会聚角，这样，按照上式，可以根据双目近眼显示装置中所需会聚角计算得到适配的夹角θ和夹角Φ，从而令光波导20和对应的光机11在应用于双目近眼显示装置时，不仅可保证双目合像效果，且可适配正常眼镜形态。并且，第六面P6相对于第二面P2的倾斜角度可以根据光机11朝远离人眼的一侧倾斜的程度进行设置，也即是根据夹角α设置，从而在提高用户佩戴的舒适性的同时，使得中心视场光线能够垂直第六面P6入射，避免色散，以提高成像质量。

通常，为了获得更好的合像效果，β取值范围一般在0.3°-1.8°之间，例如可选取夹角β为0.6°，夹角Φ为25.7°，n为1.52，当夹角α为15°时，根据上式可计算出夹角θ为18.1°。在按照上述关系得到的参数，可在近眼显示装置实现双目合像的同时，使两个光波导20对应的光机11能分别朝远离人眼的一侧倾斜设置，且不会有重影，从而可提高双目近眼显示装置的美观程度，以及提高佩戴的舒适性。

在其中一些实施例中，请参阅图4，第三面P3与第四面P4基本垂直。即第三面P3与第四面P4之间的夹角接近于90°，如为80°-110°之间，例如可以为85°、90°、105°等。

在其中一些实施例中，请参阅图4，第一面P1与第三面P3基本垂直。即第一面P1与第三面P3之间的夹角接近于90°，如为80°-110°之间，例如可以为85°、90°、105°等。第一面P1与第三面P3基本垂直，能够降低加工难度，方便加工。

在其中一些实施例中，请参阅图4，第二面P2与第七面P7基本垂直。即第二面P2与第七面P7之间的夹角接近于90°，如为80°-110°之间，例如可以为85°、90°、105°等。

在其中一些实施例中，请参阅图4，第一交线与第二交线的垂直距离小于第三交线与第二交线的垂直距离，其中，第一交线为第一面P1与第三面P3的交线在第二面P2上的投影线，第二交线为耦出分光面S2与第二面P2的交线，第三交线为第二面P2与第七面P7的交线。上述设置能令经耦入分光面S1反射后的中心视场光线都可以顺利在第二面P2进行全反射，从而使中心视场光线在第二面P2与第一面P1之间全反射传播。

在其中一些实施例中，第三面P3、第四面P4、第五面P5和第七面P7为磨砂面或光滑面。在本实施例中，上述设置有利于杂光透出光波导20，避免成像出现重影。

在其中一些实施例中，第三面P3、第四面P4、第五面P5和第七面P7可以为平面，这样，可降低实际应用过程中的加工难度。

在其中一些实施例中，请参阅图4，光波导20还包括三角棱镜21。耦入分光面S1为三角棱镜21的第一侧面，第四面P4与三角棱镜21的第二侧面相接，第五面P5与三角棱镜21的第三侧面相接。在本实施例中，设置三角棱镜21有利于加工耦入分光面S1，从而降低该光波导20的加工难度，提高量产的可能性，且设置该三角棱镜21有利于保护耦入分光面S1，避免其在应用过程中的损坏。

在其中一些实施例中，耦入分光面S1贴设有金属膜、介质膜、偏振片或线栅。上述设置可令耦入分光面S1具有反射特性或分光特性，从而能令光机11出射的光线经耦入分光面S1反射至第二面P2。实际应用中，耦入分光面S1也可以贴设其他具有反射或分光特性的材料。

同样的，在其中一些实施例中，该耦出分光面S2贴设有金属膜、介质膜、偏振片或线栅。这样可令耦出分光面S2具有反射特性或分光特性，从而进入光波导全反射传播的光线在经耦出分光面S2反射后，经第二面P2出射。实际应用中，耦出分光面S2也可以贴设其他具有反射或分光特性的材料。

在其中一些实施例中，请参阅图4，光波导20包括多个互相平行的耦出分光面S2。通过设置多个耦出分光面S2，可令光线扩瞳耦出，增大显示面积。

第二方面，本实用新型实施例提供一种近眼显示装置，该近眼显示装置包括如第一方面任意一项的光波导。在本实施例中，光波导具有如与第一方面任意一项所述的光波导相同的结构与功能，在此不再赘述。其中，该近眼显示装置可以是双目近眼显示装置，如AR眼镜、VR眼镜、AR头盔等，如图6所示，双目近眼显示装置可包括两个光波导20，两个光波导20的第二面P2的光出射面分别位于两个人眼前部。

在其中一些实施例中，请参阅图6，该近眼显示装置还包括光机11，光机11邻近对应的光波导20的第六面P6设置。光机11基本垂直于第六面P6，以使从光机11发出的中心光线垂直于第六面P6入射。其中，光机11可以包括硅基液晶(liquid crystal onsilicon，LCOS)、数字微镜器件(Digtial Micromirror Devices,DMD)、有机发光二极管(OrganicLight-Emitting Diode，OLED)和微机电系统(Micro Electro MechanicalSystems，MEMS)中的一种图像源，其可用于出射带有图像信息的光线至对应的光波导20。

需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光波导，用于传导光机出射的光线，其特征在于，包括：耦入分光面、耦出分光面、第一面、第二面、第三面、第四面、第五面、第六面和第七面；

所述第一面平行于所述第二面，所述第一面、所述第三面、所述第四面、所述耦入分光面、所述第五面、所述第六面、所述第七面和所述第二面依次相接，所述第三面自所述第一面朝向远离所述第二面的方向延伸，所述第七面自所述第二面朝向远离所述第一面的方向延伸，所述耦出分光面嵌设于所述光波导内且连接在所述第一面与所述第二面之间；

其中，所述光机出射的中心视场光线依次经所述第六面入射、所述耦入分光面一次反射后在所述第一面与所述第二面之间全反射，再经所述耦出分光面反射后从所述第二面出射；

所述耦入分光面与所述第二面之间的夹角θ小于所述耦出分光面与所述第二面之间的夹角Φ。

2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述中心视场光线垂直于所述第六面入射，所述光机出射的中心视场光线与所述第二面的法线的夹角α、所述第二面出射的中心视场光线与所述第二面的法线夹角所述夹角θ和所述夹角Φ之间具有如下关系：

其中，n为所述光波导的折射率。

3.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述第三面与所述第四面之间的夹角为80°-110°。

4.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述第二面与所述第七面之间的夹角为80°-110°。

5.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，第一交线与第二交线的垂直距离小于第三交线与第二交线的垂直距离，其中，所述第一交线为所述第一面与所述第三面的交线在所述第二面上的投影线，所述第二交线为所述耦出分光面与所述第二面的交线，所述第三交线为所述第二面与所述第七面的交线。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的光波导，其特征在于，所述第三面、所述第四面、所述第五面和所述第七面为磨砂面或光滑面。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的光波导，其特征在于，所述光波导还包括三角棱镜；

所述耦入分光面为所述三角棱镜的第一侧面，所述第四面与所述三角棱镜的第二侧面相接，所述第五面与所述三角棱镜的第三侧面相接。

8.根据权利要求1-5任意一项所述的光波导，其特征在于，所述耦入分光面贴设有金属膜、介质膜、偏振片或线栅。

9.根据权利要求1-5任意一项所述的光波导，其特征在于，所述光波导包括多个互相平行的所述耦出分光面。

10.一种近眼显示装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任意一项所述的光波导。