CN219657952U - 二维扩瞳模块及光学显示系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种二维扩瞳模块及光学显示系统。二维扩瞳模块包括用于在第一维度对光束进行扩增的分光镜阵列和用于在第二维度对光束进行扩增的光波导片；分光镜阵列包括至少一分光棱镜组，每一分光棱镜组包括多个分光棱镜，其中一个分光棱镜用于将入射光束部分透射出分光镜阵列、部分反射至相邻的分光棱镜，其余分光棱镜用于将来自相邻的分光棱镜的反射光束部分反射出分光镜阵列、部分透射至另一相邻的分光棱镜。如此，通过两个一维扩瞳进行组合实现二维扩瞳，相较于单纯使用衍射光波导进行二维扩瞳，降低了材料加工的工艺要求；分光镜阵列采用多个分光棱镜阵列排布而成，简化了结构，同时也降低了生产成本及加工难度，提高产品市场竞争力。

Description

二维扩瞳模块及光学显示系统

技术领域

本申请涉及光学器件技术领域，尤其是涉及一种二维扩瞳模块及光学显示系统。

背景技术

光波导作为AR设备的重要组成部分，是一种引导光波在其中传播的介质装置，即将屏幕中呈现的画面通过全反射传输到如玻璃等透明的介质中，使人眼既能看到屏幕中的画面，同时也能通过玻璃等透明介质直接看到外界场景，实现了“增强现实”的显示功能。

受限于图像入瞳的大小以及适应眼睛活动的范围，需要对图像的出瞳进行扩增。一维扩瞳光波导虽然结构相对简单，但用户体验不如二维光波导。现有的可实现二维扩瞳的光波导结构，或工艺难度及成本较高，或结构复杂且体积较大，不利于AR设备的推广及应用。

发明内容

为解决现有存在的技术问题，本申请提供一种结构简单、生产成本较低的二维扩瞳模块及光学显示系统。

为达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

一方面，本申请实施例提供一种二维扩瞳模块，包括沿光束传导方向顺次设置的分光镜阵列和光波导片，所述分光镜阵列用于在第一维度上对光束进行扩增，所述光波导片用于在第二维度上对光束进行扩增，所述第一维度与所述第二维度相交；

所述分光镜阵列包括至少一分光棱镜组，每一所述分光棱镜组包括多个沿所述第一维度向一个方向顺次排布的分光棱镜，其中一个所述分光棱镜用于将沿所述光束传导方向的入射光束部分透射出所述分光镜阵列、部分反射至相邻的所述分光棱镜，其余所述分光棱镜用于将来自相邻的所述分光棱镜的反射光束部分沿所述光束传导方向反射出所述分光镜阵列、部分透射至另一相邻的所述分光棱镜。

在其中一个实施例中，所述分光棱镜组中，接收沿所述光束传导方向的入射光束的所述分光棱镜的反射出光面与相邻的所述分光棱镜的入光面贴合，其余所述分光棱镜的透射出光面与下一所述分光棱镜的入光面贴合。

在其中一个实施例中，所述分光镜阵列包括两个在所述第一维度对称设置的所述分光棱镜组，两个所述分光棱镜组中的接收沿所述光束传导方向的入射光束的所述分光棱镜相贴合。

在其中一个实施例中，每一所述分光棱镜的分光面倾斜于所述第一维度设置。

在其中一个实施例中，每个所述分光棱镜组包括沿所述第一维度向一个方向顺次排布的n个分光棱镜，所述n个分光棱镜的透反比顺次为1/n、(n-1)/1、……、1/1。

在其中一个实施例中，所述光波导片为几何光波导或衍射光波导，所述第一维度与所述第二维度垂直。

另一方面，本申请实施例还提供一种光学显示系统，包括沿光束传导方向顺次设置的用于收集目标场景内红外光信号的红外物镜、对所述红外光信号处理并生成对应红外图像的红外信号处理器、对所述红外图像的光束放大并准直的准直镜以及如前文所述的二维扩瞳模块，所述红外图像的光束经所述准直镜准直后沿所述光束传导方向射入所述二维扩瞳模块。

在其中一个实施例中，还包括合光镜以及红点光源，所述合光镜设于所述红外信号处理器的用于显示红外图像的显示屏和所述准直镜之间，所述红点光源用于发射红点光束；

所述合光镜包括相对设置的第一入光面和第二入光面，所述第一入光面面向所述显示屏，所述第二入光面面向所述红点光源，以使所述显示屏上的红外图像的光束经过所述合光镜与所述红点光源发出的红点光束融合后进入所述准直镜。

在其中一个实施例中，所述第一入光面或所述第二入光面镀制有半透半反膜；所述半透半反膜用于透射所述红外图像的光束并反射所述红点光束，或，透射所述红点光束并反射所述红外图像的光束。

在其中一个实施例中，所述红点光源与所述显示屏相对所述合光镜处于共轭位置，以使所述红点光束与所述红外图像的光束融合后位于所述红外图像的中心。

本申请的二维扩瞳模块及光学显示系统至少具有以下有益效果：将分光镜阵列进行第一维度上的扩瞳，将光波导片进行第二维度上的扩瞳，通过两个一维扩瞳进行组合实现二维扩瞳，相较于单纯使用衍射光波导进行二维扩瞳，降低了材料加工的工艺要求；分光镜阵列采用多个分光棱镜阵列排布而成，简化了结构，同时也降低了生产成本及加工难度，提高产品市场竞争力。

附图说明

图1为本申请一实施例的光学显示系统的原理示意图；

图2为本申请另一实施例的光学显示系统的原理示意图。

图中各元件标号如下：分光镜阵列10；分光棱镜11；分光面111；光波导片20；红外物镜30；红外信号处理器40；准直镜50；合光镜60；第一入光面61；第二入光面62；红点光源70。

具体实施方式

以下结合说明书附图及具体实施例对本申请技术方案做进一步的详细阐述。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

传统的光学成像系统中，图像通常只有一个“出口”，叫做出瞳，即人眼只能通过出瞳看到完整的图像，偏离出瞳则看不到完整的图像。为了使图像具有更大范围的出瞳，需要对图像进行扩瞳，通过光波导可将出瞳沿一个维度方向复制多份，每个出瞳都会输出相同的图像，这样眼睛在横向移动时可以看到完整图像，这种扩瞳的方式叫做一维扩瞳，与之对应的叫做二维扩瞳，即人眼在横向和纵向移动时都能看到完整的图像。

目前市面常见的光波导可分为几何光波导(也称为阵列光波导)和衍射光波导。根据光栅元件的不同，衍射光波导包括采用光刻技术制造的表面浮雕光栅波导和基于全息技术制造的全息体光栅波导两类。几何光波导通过堆叠阵列反射镜可实现图像的一维扩瞳，衍射光波导通过光栅结构对光束扩展和耦合可实现图像的一维扩瞳和二位扩瞳。

如果单纯使用浮雕光栅波导结构进行二维扩瞳，需要光线进入不同类型的衍射光栅，随着图像光束通过衍射光栅的次数和类型的增加，全反射次数越多的位置所分配得的光能量越低，会存在衍射渐变色散的现象，出瞳能量呈渐变的不均匀分布，加大了颜色的角度分离，色彩还原变差。同时多个分区需要的衍射光栅结构不同，对微纳加工、纳米压印的工艺要求较高。

如果单纯使用全息体光栅波导结构进行二维扩瞳，使用全息光学元件代替浮雕光栅，受限于材料制备复杂，且成本较高，量产困难，材料稳定性及可靠性难以保证。

基于此，本申请实施例提供一种结构简单、生产成本及加工难度较低的二维扩瞳模块及光学显示装置，用于对图像光束传导及投影。请参阅图1，本申请一实施例的光学显示装置包括由分光镜阵列10和光波导片20组成的二维扩瞳模块，图像光束经分光镜阵列10向光波导片20进行传导。分光镜阵列10用于在第一维度上对光束进行扩增，光波导片20用于在第二维度上对光束进行扩增，第一维度和与第二维度相交，以使分光镜阵列10和光波导片20在第一维度与第二维度相交形成的二维平面上对图像光束扩增。通过分光镜阵列10与光波导片20相互搭配组合可分别对图像光束在两个不同的维度上扩瞳，从而实现二维扩瞳。其中，光波导片20为几何光波导或衍射光波导，相较于单纯使用衍射光波导进行二维扩瞳，分光镜阵列10和光波导片20的组合极大降低了材料加工的工艺要求。分光镜阵列10结构简单、易于生产，同时可避免在第一维度上存在较大的色彩偏差，提高成像质量；光波导片20由于仅需实现一维扩瞳，几何光波导结构或衍射光栅结构设计难度较低，降低了材料加工的工艺要求，进而可降低生产成本及加工难度，提高产品市场竞争力。

请继续参阅图1，在一个实施例中，分光镜阵列10包括多个分光棱镜11，多个沿第一维度向一个方向顺次排布分光棱镜11形成一个分光棱镜组。分光棱镜11可以是两个直角棱镜胶合形成的立方体结构，通过在胶合的斜面镀制多层膜结构形成分光面111，使得分光面111具有部分透射部分反射的作用，即光束经过分光面111时一部分进行反射，一部分进行透射。如此，图像光束进入分光镜阵列10后依次经过分光棱镜11，经过前一个分光棱镜11反射一部分光线射出分光镜阵列10，再透射一部分光线到后一个分光棱镜11继续进行反射和透射，最终从分光镜阵列10射出的光束在第一维度上得以扩增，也即图像在第一维度的出瞳面积得以扩增。

多个分光棱镜11之间可以紧邻接触设置，也可以等间隔排布，使得分光镜阵列10射出的多道光束间距相等，实现均匀扩瞳。图1所示实施例中，分光棱镜组的多个分光棱镜11相互贴合。分光棱镜11具有一入光面、一反射出光面以及一透射出光面，沿光束传导方向，接受入射光束的分光棱镜11的入光面朝向光束射入方向，反射出光面与相邻的分光棱镜11的入光面贴合，其余分光棱镜11的透射出光面与下一分光棱镜11的入光面贴合。

请参阅图2，在另一实施例中，分光镜阵列10还可以包括两个分光棱镜组，两个分光棱镜组在第一维度对称设置。一个分光棱镜组包括多个沿第一维度向一个方向顺次排布的分光棱镜11，另一分光棱镜组包括多个沿第一维度向另一个方向顺次排布的分光棱镜11，且两个分光棱镜组中的接收沿光束传导方向的入射光束的分光棱镜11相贴合。如此，图像光束沿垂直于第一维度的光束传导方向可同时射入两个分光棱镜组的第一个分光棱镜11且向对应的分光棱镜组末端的分光棱镜11传导，分光棱镜11进行反射和透射，使得图像光束可沿第一维度的两个方向同时传播，光束将会以更大的扩瞳尺寸射出，增大第一维度的扩瞳范围，增强扩瞳效果。

分光镜阵列10中，多个分光棱镜11的分光面111均倾斜于第一维度设置。图1所示实施例中，分光棱镜11的分光面111第一维度之间的夹角优选为45°。图2所示实施例中，一个分光棱镜组的分光棱镜11的分光面111与第一维度之间的夹角优选为45°，另一分光棱镜组的分光棱镜11的分光面111与第一维度之间的夹角优选为135°，使得两个分光棱镜组在光束的入射方向两侧对称设置。但本申请并不对分光面111与第一维度之间形成的夹角角度进行限制，能够实现分光镜阵列10内传导的光束至少部分光耦合入光波导片20即可。在实际应用中，可以根据分光镜阵列10的尺寸、光波导片20的尺寸以及对第一维度的方向要求进行设置，优选在满足对光束扩增要求下使整体结构更轻薄。

为使分光镜阵列10射出的多道出射光束的光强相同，使得扩增的各个出瞳画面的强度均匀，在第一维度上，多个分光棱镜11的透反比T/R(T为透过率，R为反射率)可设置为不同。具体地，各个分光棱镜11的透反比可以根据分光棱镜11的数量及出光要求进行设定，例如分光棱镜11设有2个时，按分光镜阵列10中的分光棱镜11接收到光束的次序，第1个分光棱镜11的透反比T/R可以为1/2，第2个分光棱镜11的透反比T/R可以为1/1；若分光棱镜11设有3个时，第1个分光棱镜11的透反比T/R可以为1/3，第2个分光棱镜11的透反比T/R可以为2/1，第3个分光棱镜11的透反比可以为1/1；以此类推。即，当一个分光棱镜组中包括n个分光棱镜11时，接收来自光束传导方向的入射光的第1个分光棱镜11的透反比T/R为1/n，第2个分光棱镜11的透反比T/R为(n-1)/1，……，第n个分光棱镜11的透反比为1/1。

在图2所示的实施例中，分光棱镜11在第一维度上对称设置，位于上方的分光棱镜组的3个分光棱镜11由下至上透反比依次为1/3、2/1、1/1，位于下方的分光棱镜组的三个分光棱镜11由上至下透反比依次为1/3、2/1、1/1。

光波导片20为几何光波导时，其结构与单个分光棱镜组的分光镜阵列10类似，在此不再赘述。光波导片20为衍射光波导时，其内部可以嵌有耦入光栅和耦出光栅，进入光波导片20的光束依次经耦入光栅耦入并从耦出光栅耦出，通过光线耦合入和耦合出的作用实现在第二维度上扩瞳。第一维度与第二维度优选为垂直，使得扩瞳更具有方向针对性。耦入光栅和耦出光栅可以均为表面浮雕光栅或全息体光栅。

另外，本申请实施例还提供一种光学显示系统，可应用于光学显示装置，如眼镜、头戴式眼罩上。请参阅图1或图2，图示实施例的光学显示系统包括用于收集目标场景内红外光信号的红外物镜30、对红外光信号处理并生成对应红外图像的红外信号处理器40、对红外图像的光束放大并准直的准直镜50以及前述实施例的二维扩瞳模块。红外信号处理器40生成的红外图像经准直镜50准直匀光后进入二维扩瞳模块，再依次经分光镜阵列10和光波导片20二次扩瞳后耦出至人眼。由于光波导片20由透光介质形成，且可嵌设于光学显示装置的透明材料基底上，人眼在查看周围环境时，二维扩瞳模块将红外光信号处理得到的红外图像投射到人眼成像，同时人眼可通过透光介质接受外部可见光信号观察真实的外部世界，使得红外图像和真实场景融为一体，实现红外光与白光的融合。人眼可观察到红外光与白光的融合图像，从而在复杂环境下对目标区域进行有效的观测。同时，由于该光学显示系统采用了前述实施例的全部技术方案，因此至少具有前述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

具体地，红外物镜30用于对视场中目标的热辐射中红外波段的光线收集并成像，红外物镜30的焦距可使视场大小对应设计，材质可由锗、硅等材料构成。红外信号处理器40包括红外传感器、信号处理系统和显示屏，其中，红外传感器用于接收红外物镜30所成的像，信号处理系统用于将红外传感器接收到的红外光信号转换为电信号并发送给显示屏，显示屏根据电信号显示对应的红外图像，并将所显示的红外图像以光束的形式射出。准直镜50由可透过可见光的玻璃或塑料材料组成，用于将红外图像的光束进行放大及准直，随后以平行光的形式射入分光镜阵列10。如此，红外光信号从光信号到电信号、再从电信号到光信号的处理过程中，可通过信号处理系统对红外图像提供独立的图像增强模式，图像增强处理后的红外图像通过显示屏显示，使得输出的红外图像亮度均匀、分辨率高。

本申请实施例的光学显示系统还包括合光镜60以及红点光源70，合光镜60设于红外信号处理器40的显示屏和准直镜50之间，红点光源70用于发射红点光束。具体地，合光镜60可以是玻璃或其他透明材质的平板状结构，包括相对设置的第一入光面61和第二入光面62，第一入光面61面向显示屏生成的红外图像的光束入射方向，第二入光面62面向红点光源70发射的红点光束的入射方向，红外图像的光束经过合光镜60与红点光束融合后进入准直镜50。如此，通过设置合光镜60将红点光束与红外图像光束融合，可实现红外光、白光与红点的融合，人眼通过光波导片20观察外界时，外界真实图像、红外图像及红点均显示于近眼处，人眼可观察到红外光、白光以及红点的融合图像，便于用户对真实环境进行观察以及对热成像生物进行捕捉、定位。人眼显示的红点相对于红外图像整体的位置始终保持不变，红点可起到瞄准及定位作用，便于用户在移动红外物镜30观察不同区域的红外图像时通过红点对移动距离进行参照及把控。如，本申请实施例的光学显示系统可应用于瞄具领域，红外物镜30用作瞄准镜设于射击装置上，射击装置的枪口指向红外物镜30视场的中心；光学显示系统的其余部件设于近眼显示装置上，人眼可观察红外光、白光以及红点的融合图像，且红点与红外图像的相对位置保持不变。即，红点对应红外图像的位置与射击装置的枪口对应真实环境的位置一致。在射击目标时，用户可调整射击装置的角度，通过红点瞄准目标形成的红外图像进而调整射击装置的枪口瞄准目标。

更具体地，合光镜60的第一入光面61或第二入光面62镀制有半透半反膜，半透半反膜用于透射红外图像的光束并反射红点光束，或，透射红点光束并反射红外图像的光束。所示实施例中，半透半反膜设于第二入光面62上，红外信号处理器40发出的红外图像光束沿垂直于第一维度的方向射出，且透过半透半反膜射至准直镜50；红点光源70发射的红点光束沿平行于第一维度的方向射出，合光镜60所在的平面可与第一维度呈45°夹角，使得红点光束经半透半反膜反射后，沿平行于红外图像光束射出的方向射至准直镜50，实现红外图像光束与红点光束的融合。当然，在其他实施例中，还可以将红点光源70与显示屏的位置互换，使得红点光束透过半透半反膜射出，红外图像光束被半透半反膜反射。根据红外信号处理器40与红点光源70的设置位置，合光镜60的设置角度还可以对应变化，只需满足红外图像光束与红点光束经过合光镜60后沿同一方向射出即可。

优选地，红点光源70与红外信号处理器40相对合光镜60处于共轭位置，以使红外图像的光束与红点光束融合后红点光束位于红外图像的中心。当人眼对光波导片20形成的红外图像进行观察时，红点始终位于图像的中心位置，更有利于瞄准及定位。

综上所述，本申请实施例的二维扩瞳模块，将分光镜阵列10进行第一维度上的扩瞳，将光波导片20进行第二维度上的扩瞳，通过两个一维扩瞳进行组合实现二维扩瞳，相较于单纯使用衍射光波导进行二维扩瞳，降低了材料加工的工艺要求；分光镜阵列10采用多个分光棱镜11阵列排布而成，简化了结构，同时也降低了生产成本及加工难度。设有该二维扩瞳模块的光学显示系统制造成本低、体积小，且可实现红外光与白光的融合，应用领域广，产品市场竞争力高。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围之内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种二维扩瞳模块，其特征在于，包括沿光束传导方向顺次设置的分光镜阵列(10)和光波导片(20)，所述分光镜阵列(10)用于在第一维度上对光束进行扩增，所述光波导片(20)用于在第二维度上对光束进行扩增，所述第一维度与所述第二维度相交；

所述分光镜阵列(10)包括至少一分光棱镜组，每一所述分光棱镜组包括多个沿所述第一维度向一个方向顺次排布的分光棱镜(11)，其中一个所述分光棱镜(11)用于将沿所述光束传导方向的入射光束部分透射出所述分光镜阵列(10)、部分反射至相邻的所述分光棱镜(11)，其余所述分光棱镜(11)用于将来自相邻的所述分光棱镜(11)的反射光束部分沿所述光束传导方向反射出所述分光镜阵列(10)、部分透射至另一相邻的所述分光棱镜(11)。

2.根据权利要求1所述的二维扩瞳模块，其特征在于，所述分光棱镜组中，接收沿所述光束传导方向的入射光束的所述分光棱镜(11)的反射出光面与相邻的所述分光棱镜(11)的入光面贴合，其余所述分光棱镜(11)的透射出光面与下一所述分光棱镜(11)的入光面贴合。

3.根据权利要求1所述的二维扩瞳模块，其特征在于，所述分光镜阵列(10)包括两个在所述第一维度对称设置的所述分光棱镜组，两个所述分光棱镜组中的接收沿所述光束传导方向的入射光束的所述分光棱镜(11)相贴合。

4.根据权利要求1所述的二维扩瞳模块，其特征在于，每一所述分光棱镜(11)的分光面(111)倾斜于所述第一维度设置。

5.根据权利要求1所述的二维扩瞳模块，其特征在于，每个所述分光棱镜组包括沿所述第一维度向一个方向顺次排布的n个分光棱镜(11)，所述n个分光棱镜(11)的透反比顺次为1/n、(n-1)/1、……、1/1。

6.根据权利要求1所述的二维扩瞳模块，其特征在于，所述光波导片(20)为几何光波导或衍射光波导，所述第一维度与所述第二维度垂直。

7.一种光学显示系统，其特征在于，包括沿光束传导方向顺次设置的用于收集目标场景内红外光信号的红外物镜(30)、对所述红外光信号处理并生成对应红外图像的红外信号处理器(40)、对所述红外图像的光束放大并准直的准直镜(50)以及如权利要求1-6任一项所述的二维扩瞳模块，所述红外图像的光束经所述准直镜(50)准直后沿所述光束传导方向射入所述二维扩瞳模块。

8.根据权利要求7所述的光学显示系统，其特征在于，还包括合光镜(60)以及红点光源(70)，所述合光镜(60)设于所述红外信号处理器(40)的用于显示红外图像的显示屏和所述准直镜(50)之间，所述红点光源(70)用于发射红点光束；

所述合光镜(60)包括相对设置的第一入光面(61)和第二入光面(62)，所述第一入光面(61)面向所述显示屏，所述第二入光面(62)面向所述红点光源(70)，以使所述显示屏上的红外图像的光束经过所述合光镜(60)与所述红点光源(70)发出的红点光束融合后进入所述准直镜(50)。

9.根据权利要求8所述的光学显示系统，其特征在于，所述第一入光面(61)或所述第二入光面(62)镀制有半透半反膜；所述半透半反膜用于透射所述红外图像的光束并反射所述红点光束，或，透射所述红点光束并反射所述红外图像的光束。

10.根据权利要求8所述的光学显示系统，其特征在于，所述红点光源(70)与所述显示屏相对所述合光镜(60)处于共轭位置，以使所述红点光束与所述红外图像的光束融合后位于所述红外图像的中心。