CN219936206U - 一种阵列波导系统及近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种阵列波导系统及近眼显示设备，包括波导基体和反射棱镜，其中，波导基体包括相互平行且与视轴垂直的第一表面和第二表面，波导基体内至少包括耦出分光面阵列；反射棱镜，设置在第二表面上；反射棱镜包括反射面，反射面与第二表面倾斜相交；反射面用于将光轴垂直于第一表面射入波导基体且透过波导基体后进入反射棱镜的光线反射回波导基体内部，并且，反射后的光线在第一表面的入射角满足全反射条件。上述阵列波导系统及近眼显示设备，通过改变阵列波导的耦入元件的设置方式，改变光线的入射方式，从而改变微型投影系统的设置方式，减小近眼显示设备的体积。

Description

一种阵列波导系统及近眼显示设备

技术领域

本实用新型涉及一种阵列波导系统，同时涉及使用上述阵列波导系统的近眼显示设备。

背景技术

近眼显示器(Near-to-Eye Display，NED)是虚拟现实(virtual reality，VR)和增强现实(augmented reality，AR)中最有效且能够给使用者带来最佳体验的硬件实现方式。因为近眼显示器需要佩戴在人头部，所以其轻小型和良好的显示效果就显得尤为重要。

阵列波导系统利用光在波导元件内的全反射传输，可以大幅降低光学元件的厚度，为光学系统的轻薄化提供了一种可行的解决方案，成为近眼显示系统的主要发展方向之一。

阵列波导系统由微型投影系统和阵列波导组成，其中，阵列波导包括平板状的基体、耦入元件和耦出元件。微型投影系统用于向阵列波导提供图像源光线，波导基体用于实现光线的全反射传输，波导耦入元件用于将微型投影系统发出的图像光线按照一定角度传输进入波导基体，波导耦出元件用于将图像光线从波导基体中导出成像。为了满足光线在阵列波导基体内的全反射传输条件，传统阵列波导的耦入元件与投影系统设置在波导基体的同一侧，图像光从投影系统中射出后经过耦入元件倾斜进入波导基体。耦入元件通常为设置在波导基体表面的耦入棱镜，投影系统出瞳面为了与耦入元件的入射面相匹配，故而只能倾斜放置，这样的结构形态使得近眼显示系统的体积显著增加。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种阵列波导系统，同时提供使用其的近眼显示设备。

为了实现上述技术目的，本实用新型采用下述技术方案：

根据本实用新型实施例，提供一种阵列波导系统，包括：

波导基体，包括相互平行且与视轴垂直的第一表面和第二表面，所述波导基体内至少包括耦出分光面阵列；

反射棱镜，设置在所述第二表面上；

所述反射棱镜包括反射面，所述反射面与所述第二表面倾斜相交；所述反射面用于将光轴垂直于第一表面射入波导基体且透过波导基体后进入反射棱镜的光线反射回所述波导基体内部，并且，反射后的光线在所述第一表面的入射角满足全反射条件。

优选地，所述反射面与所述第二表面的夹角α满足如下条件：

其中，n是波导基体的折射率，θ₁是入射光线中远离人眼一侧的最大视场角光线从第一表面进入波导基体时的入射角。

优选地，所述反射棱镜和所述波导基体的折射率相同。

优选地，所述反射面的表面镀有全反射膜。

优选地，所述反射棱镜还包括入射面和吸收面，其中，所述入射面粘贴到所述波导基体的第二表面上；所述吸收面与所述第二表面倾斜相交。

优选地，所述吸收面和所述第二表面的交点，位于被反射面反射的光线进入波导基体的位置和在波导基体内全反射的光线第一次到达第二表面的位置之间。

优选地，所述反射面被配置为能将进入反射棱镜的全部入射光线反射至波导基体内部。

优选地，所述阵列波导系统是二维波导系统，所述波导基体内还包括转向分光面阵列。

根据本实用新型实施例，提供一种近眼显示设备，包括上述阵列波导系统，还包括微型投影系统，其中，微型投影系统正对波导基体的第一表面设置，用于将图像光线垂直射入波导基体。

优选地，所述微型投影系统的出瞳平面和所述第一表面重合。

本实用新型所提供的阵列波导系统及近眼显示设备，通过将反射棱镜和微型投影系统摆放在波导基体的异侧，使得微型投影系统发出的入射光线透过波导基体并经过反射棱镜反射后，再次进入波导基体时满足全反射条件，微型投影系统的光轴能够与波导平面相互垂直，微型投影系统的出瞳面能够与波导基体表面平行贴合。上述阵列波导系统，采用反射式耦入原理，通过改变阵列波导的耦入元件的设置方式，改变光线的入射方式，从而，改变微型投影系统的设置方式，减小近眼显示设备的体积。

附图说明

图1是本实用新型所提供的阵列波导系统的结构示意图；

图2是本实用新型所提供的阵列波导系统和微型投影系统的结构示意图；

图2a是图1所示阵列波导的耦入光路原理图；

图3是现有技术中阵列波导系统和微型投影系统的结构示意图；

图3a是现有技术中阵列波导系统的耦入光路原理图；

图4是图2所示阵列波导系统的一种具体设计结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型的技术方案进行进一步地详细描述。

如图1至图2a所示，本实用新型所提供的近眼显示设备，包括阵列波导系统和微型投影系统，其中，阵列波导系统与视轴垂直设置，微型投影系统设置在阵列波导靠近人眼一侧，微型投影系统垂直于阵列波导系统设置，微型投影系统的出瞳平面和阵列波导系统中波导基体的入射表面重合；微型投影系统用于将图像光垂直射入阵列波导系统，阵列波导系统实现图像光的扩瞳。通过将微型投影系统垂直于阵列波导设置，可以减小近眼显示设备的体积。

在下文中，以波导基体100在人眼前方的设置方式，建立笛卡尔直角坐标系，以视轴方向为Z轴，X-Y平面垂直于视轴方向，波导基体100平行于X-Y平面。

以下以二维阵列波导系统为例进行说明。二维阵列波导系统的结构如图1所示，包括波导基体100、反射棱镜101、转向分光面阵列102和耦出分光面阵列103。

其中，波导基体100可以是玻璃、树脂等透光材料制成的平板状光学元件；波导基体100包括：相互平行且与视轴垂直的第一表面和第二表面，以及其他表面；下文以波导基体100面向人眼一侧表面为第一表面，以远离人眼一侧表面为第二表面进行描述。

波导基体100内包括转向分光面阵列102和耦出分光面阵列103；转向分光面阵列102包括多个平行排列的转向分光面，多个转向分光面的透反比不同，用于对在波导基体100内部全反射传输的图像光实现第一方向的扩展，并改变图像光的传输方向，使经过反射的图像光向耦出分光面阵列的方向传输；耦出分光面阵列103包括多个平行排列的耦出分光面，多个耦出分光面的透反比不同，用于对在波导基体100内部全反射传输的图像光实现第二方向的扩展，并改变图像光的传输方向，使经过反射的图像光耦出波导，射向位于出瞳位置的人眼成像。

如图2所示，反射棱镜201，设置在波导基体200的第二表面206上。优选地，反射棱镜201采用和波导基体200相同的材质，折射率相同，从而，光线在反射棱镜201和波导基体200接触的表面不发生折射，光线传播方向不发生改变。反射棱镜201包括入射面、反射面208和吸收面，其中，入射面与第二表面206粘贴，反射面208和吸收面分别与第二表面206倾斜相交；反射面208设置有全反射膜，形成平面反射镜；反射面208用于将光轴垂直于第一表面207射入波导基体200且透过波导基体200进入反射棱镜201的光线反射回波导基体200内部，并且，使反射后的光线在第一表面207的入射角满足全反射条件；吸收面用于对经反射后的入射光线中发散角较大的光线进行吸收，消除杂光。

在该实施例中，波导元件200的微型投影系统205设置在波导基体200靠近人眼209的一侧，正对第一表面设置，反射棱镜201设置在波导基体200远离人眼209的一侧，反射棱镜201粘贴在第二表面上。即，在视轴方向上，微型投影系统205和反射棱镜201设置在波导基体的异侧，并且微型投影系统205光轴方向为Z轴，与人眼视轴方向相同。

如图2所示，微型投影系统205的出瞳平面与波导基体200的第一表面207重合设置，从显示屏幕202发出的图像光204，经过微投影光学系统203后，从第一表面207垂直入射进入波导基体200；垂直射入波导基体200的图像光，透过波导基体200后进入反射棱镜201，并在反射棱镜201的反射面208发生反射后重新进入波导基体200，然后在波导基体200中按照全反射原理进行传播；图像光在波导基体中经过至少一次全反射后经转向分光面阵列实现一维扩展(沿X方向)并被转向，然后，到达耦出分光面阵列，其中，部分图像光反射后不再满足全反射条件从波导基体200中耦出进入人眼209，其余图像光继续传播，遇到另外的耦出分光面后，部分图像光经反射后不再满足全反射条件被耦出，剩余图像光继续向前传播，以此实现第二维度的扩展(沿Y方向)和出瞳。

上述波导系统的具体设计如图2a所示，从微型投影系统205出射的光线垂直射向波导基体200，透过波导基体200后，在反射棱镜201镀有全反射膜的反射面208发生反射，重新进入波导基体200中进行全反射传播。

在XZ平面内，从微型投影系统205中出射的远离人眼一侧的最大视场角光线211，在波导基体200的第一表面207上的入射角为θ₁(θ₁等于微型投影系统205出射光线的发散角)，在倾斜角为α的反射棱镜201的反射面208上的入射角为θ₂(其中α为反射面208和波导基体第二表面206之间的夹角)，而后在波导基体200的第一表面207表面的入射角为θ₃，角θ₃需要满足波导的全反射条件：

其中，n为波导基体的折射率。反射棱镜的倾斜角α与θ₃之间的关系为：

因此，为了保证从微型投影系统205中出射的光在经过反射面208后均能够满足全反射条件，倾斜角α应当满足如下条件：

反射棱镜反射面208的长度Lab，与靠近人眼一侧的最大视场角光线212有关。反射面被配置为能将进入反射棱镜201的全部入射光线反射至波导基体200内部。从微型投影系统205中出射的光线212经过波导基体200的第一表面207表面发生折射后，与倾斜角为α的反射面208相交于P1点。为了保证从微型投影系统205中出射的光均能在反射面208发生反射，因此反射面208的尺寸长度Lab应当大于Lap，Lap为反射棱镜从A点到P1点的距离，其中，A为反射棱镜反射面208远离人眼侧的端点，P1为靠近人眼一侧的最大视场角光线212与反射面208的交点。

反射棱镜表面209的倾斜程度与光线211、光线212均有关。最大视场光线212经过反射面208后与波导基体200的第二表面206相交于点P2，最大视场光线211经过反射面208并在波导基体200的第一表面207发生一次全反射后与第二表面206相交于点P3。棱镜表面209与波导基体200的第二表面206相交于点C，C点的选取应当在上述P2与P3点之间，如此才能保证所有光线既可以全部经过反射面208进入波导基体200，又能够正常的在第一表面207和第二表面206之间全反射传输。即，吸收面209和第二表面206的交点C，位于被反射面208反射的光线进入波导基体200的位置和在波导基体200内全反射传输的光线第一次到达第二表面206的位置之间。

在本实用新型提供的二维阵列波导系统中，图像光的入射表面为波导基体200的第一表面207，反射棱镜201位于波导基体200的第二表面206；通过把反射棱镜201设置在与图像光的入射表面207相对的一侧表面，利用反射棱镜201的反射面208的反射作用，改变垂直入射的图像光第二次到达波导基体200的第一表面207时的入射角度，使其满足全反射条件，实现微型投影系统的出瞳面与第一表面平行而非偏斜放置，从而减小了整体的结构体积。

图3和图3a展示了现有技术中，微型投影系统与耦入棱镜同时设置在波导基体同侧表面且微型投影系统倾斜向波导系统提供图像光线时的阵列波导系统的整体结构示意图。其中，为了满足入射光线在波导基体300内的全反射条件，微型投影系统305倾斜放置，并在微型投影系统305和波导基体300之间设置耦入棱镜301，此时，微型投影系统305的光轴与Z轴(即人眼视轴方向)不相同。

图3a所示为传统阵列波导系统的具体设计。从显示元件302射出的光线304，经过微投影光学元件303后射出，然后，经过耦入棱镜301进入波导基体300中，而后在波导基体300中全反射传播。为了保证光线能够在波导基体内全反射传播，在XZ平面内，从微型投影系统中出射的远离人眼侧的最大视场角光线311，在倾斜角为α'的耦入棱镜301的入射面313上的入射角为θ₁'，进入波导元件300后与表面314的入射角为θ₃'，角θ₃'需要满足波导的全反射条件,对应的α'应满足：

同样，为了保证所有光线能够正常的在第一表面207和第二表面206之间全反射传输，棱镜表面315应选择适当的倾斜角度。

对比图2a与图3a，以使用折射率为1.51的树脂材料作为波导基体构建两个波导系统为例，图2a中利用光线在反射棱镜201的反射面208发生反射，改变光线在波导基体内的传播方向，令所有光线满足全反射条件并且保证出瞳连续性，此时α角可以设置为26°；图3a中光线在耦入棱镜301的两个表面均发生折射，当同为视场角θ₁的光线在波导基体300的第二表面314发生全反射且入射角α'与图3所示系统光线全反射角相同时，耦入棱镜入射面的倾斜角度α'应设计为52°，并且由于微型投影系统311的出瞳面需要和耦入棱镜301的入射面312平行放置，若微型投影系统光轴方向的尺寸为Lp，那么图3a所示的传统光耦入波导系统在x方向上的尺寸会增加0.79Lp。由此可见，通过改变波导系统和微型投影系统的的设置方式，可以减小近眼显示设备在与视轴垂直的水平方向的整体尺寸。

图4展示了图2所提供的二维阵列波导系统的一种具体设计，由波导基体400、反射式耦入棱镜401、转向分光面阵列402和耦出分光面阵列403四个部分组成，波导的具体设计参数可以见表1。其中，反射棱镜的特征角度是指图2中反射面208和波导基体第二表面206之间的夹角α。图中区域404展示的是波导耦出的有效区域，保证区域404的完整性才能保证波导人眼出瞳eyebox的完整性。

表1实施例所示波导系统的参数表

综上所述，根据本实用新型实施例所提供的近眼显示设备，将反射棱镜与微型投影系统放置在波导基体异侧，改变光线的入射方式，从而使得微型投影系统的出瞳面与波导基体的表面平行，微型投影系统的光轴与视轴平行，为眼镜形态的近眼显示提供提供体积更小、更紧凑的形态结构。

以上对本实用新型所提供的阵列波导系统及近眼显示设备进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本实用新型实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本实用新型专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种阵列波导系统，其特征在于包括：

波导基体，包括相互平行且与视轴垂直的第一表面和第二表面，所述波导基体内至少包括耦出分光面阵列；

反射棱镜，设置在所述第二表面上；

所述反射棱镜包括反射面，所述反射面与所述第二表面倾斜相交；所述反射面用于将光轴垂直于第一表面射入波导基体且透过波导基体后进入反射棱镜的光线反射回所述波导基体内部，并且，反射后的光线在所述第一表面的入射角满足全反射条件。

2.如权利要求1所述的阵列波导系统，其特征在于：

所述反射面与所述第二表面的夹角α满足如下条件：

其中，n是波导基体的折射率，θ₁是入射光线远离人眼一侧的最大视场角光线从第一表面进入波导基体时的入射角。

3.如权利要求1所述的阵列波导系统，其特征在于：

所述反射棱镜和所述波导基体的折射率相同。

4.如权利要求1所述的阵列波导系统，其特征在于：

所述反射面的表面镀有全反射膜。

5.如权利要求1所述的阵列波导系统，其特征在于：

所述反射棱镜还包括入射面和吸收面，其中，所述入射面粘贴到所述波导基体的第二表面上；所述吸收面与所述第二表面倾斜相交。

6.如权利要求5所述的阵列波导系统，其特征在于：

所述吸收面和所述第二表面的交点，位于被反射面反射的光线进入波导基体的位置和在波导基体内全反射的光线第一次到达第二表面的位置之间。

7.如权利要求6所述的阵列波导系统，其特征在于：

所述反射面被配置为能将进入反射棱镜的全部入射光线反射至波导基体内部。

8.如权利要求1所述的阵列波导系统，其特征在于：

所述阵列波导系统是二维波导系统，所述波导基体内还包括转向分光面阵列。

9.一种近眼显示设备，其特征在于包括如权利要求1至8任一项所述的阵列波导系统，还包括微型投影系统，其中，微型投影系统正对波导基体的第一表面设置，用于将图像光线垂直射入波导基体。

10.如权利要求9所述的近眼显示设备，其特征在于：

所述微型投影系统的出瞳平面和所述第一表面重合。