CN220105333U - 照明波导及光机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种照明波导及光机，所述照明波导包括：至少两个波导层，所述波导层包括耦入区域和至少一个耦出区域，其中，多个所述波导层沿第一方向依次设置，所述第一方向垂直于所述波导层所在平面，多个所述波导层的多个所述耦入区域设置在所述第一方向上对齐分布，多个所述波导层的多个所述耦出区域在所述第一方向上相互错开分布。因此，光源发出的光线经过多层波导的耦出后能够拼凑出一个完整的耦出光斑，通过调整每层波导层的耦入效率及耦出效率，使每一层波导的耦出光束能量基本一致，进而在实现光斑扩展的同时使均匀性大大提升。

Description

照明波导及光机

技术领域

本申请涉及光学成像技术领域，更具体地，涉及一种照明波导及光机。

背景技术

目前，AR硬件显示系统通常包含微型光机(optical engine)和光学组合器(optical combiner)两部分，其中，微型光机是用于生成图像光线的器件。出于AR设备的小型化和轻型化考虑，利用照明波导作为投影方案中的照明系统是未来的趋势。

发明内容

基于以上技术背景，本申请提出了一种照明波导及光机。

第一方面，本申请实施例提供了一种照明波导，包括：至少两个波导层，多个所述波导层沿第一方向依次设置，所述第一方向垂直于所述波导层所在平面；所述波导层包括耦入区域和至少一个耦出区域，所述光线经每层波导层的所述耦入区域后形成反射光线和透射光线，所述反射光线经所述波导层传播后经所述耦出区域耦出，所述透射光线透射穿过所述波导层后射向下一层波导层；其中，多个所述波导层的多个所述耦入区域设置在所述第一方向上对齐分布，多个所述波导层的多个所述耦出区域在所述第一方向上相互错开分布。

第二方面，本申请实施例还提供了一种光机，包括光源、上述的照明波导和投影组件，所述光源用于发出光线，所述照明波导用于将所述光线引导至所述投影组件，所述投影组件用于基于所述光线形成图像。

本申请提供的一种照明波导及光机，所述照明波导包括：至少两个波导层，所述波导层包括耦入区域和至少一个耦出区域，其中，多个所述波导层沿第一方向依次设置，所述第一方向垂直于所述波导层所在平面，多个所述波导层的多个所述耦入区域设置在所述第一方向上对齐分布，多个所述波导层的多个所述耦出区域在所述第一方向上相互错开分布。因此，光源发出的光线经过每个波导层的耦入区域后，由于耦入区域也具有恒定的光线耦入效率，部分光线被耦入波导发生全反射并传播，余下光线可以穿过该层波导层进入下一层波导层，在下一层波导层中重复上述过程，并且，由于不同波导层的耦出区域在第一方向上相互错开分布，每一层波导的耦出光束的出射位置各不相同，从而能够拼凑出范围更大的耦出光斑，实现光斑扩展，进一步地，由于每一层波导层的耦入效率及耦出效率可以单独设置，通过调整每层波导层的耦入效率及耦出效率使每一层波导的耦出光束能量基本一致，大大提升了出射光斑的均匀性。

本申请实施例的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请实施例的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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示出了现有技术中的一种照明波导的结构示意图。

图2示出了本申请实施例提供的一种照明波导的一种结构示意图。

图3a、图3b示出了本申请实施例中提供的一种多个耦出区域在照明波导上的分布示意图。

图4示出了本申请实施例提供的另一种照明波导的结构示意图。

图5示出了本申请实施例提供的一种光机的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中附图，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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

增强现实(Augmented Reality，AR)是一种实时采集现实世界信息，并将虚拟信息、图像等与现实世界相结合的显示技术。AR硬件显示系统通常包含微型光机(opticalengine)和光学组合器(optical combiner)两部分，其中，微型光机用于生成虚拟图像光线，光学组合器用于将微型光机产生的虚拟图像传输到人眼。目前，微型光机通常采用非主动发光芯片来生成虚拟图像光线，对于如硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)和空间光调制器(Digital Micro-mirror Device，DMD)等非主动发光的微显示器而言，需要照明系统为显示器提供照明。然而，非主动发光的微显示器虽然体积较小，但是为显示器提供照明的光学系统体积普遍较大，不利于AR设备的小型化和轻型化。因此利用照明波导作为投影方案中的照明系统是未来的趋势。

但是，发明人在应用中发现，当使用照明波导为非主动发光的微显示器提供照明时，为了使得光线均匀覆盖微显示器表面，照明波导上用于使光线耦出的耦出区域一般范围较大，请参阅图1，图1示出了现有技术中的一种照明波导100的结构示意图，包括耦入区域110和耦出区域120，光源光线经准直系统后由耦入区域110耦入照明波导100，在照明波导100内被引导至耦出区域120耦出，进一步地，耦出区域120可以采取光栅结构、棱镜等方案将光线从波导内部耦出至外部。当耦入光束在波导表面的截面宽度L与光线在波导内全反射一次前进的长度相同时，即L＝2d·tanθ时，其中，θ为光线耦入照明波导时的衍射角，d为波导的厚度，此时，耦出区域的多个出射光束之间不存在缝隙，从而形成能够覆盖整个微显示器表面的耦出光斑，然而，由于耦出区域120的光线耦出效率恒定，导致光线在射到耦出区域上时，只能部分耦出波导，余下的部分继续发生全反射在波导内传播，继续传播的分量在下一次抵达耦出区域时，再次分作两部分分量，部分耦出的同时部分继续传播，如此往复，使从耦出区域上的不同区域出射的光束能量不均匀，最终导致出射光斑不均匀性增加。

因此，为了克服上述缺陷，本申请实施例提供了一种照明波导和光机。

请参阅图2，图2示出了照明波导200的一种结构示意图，所述照明波导200包括至少两个波导层210，所述波导层210包括耦入区域201和至少一个耦出区域202，其中，多个所述波导层210沿第一方向y依次设置，多个所述波导层210的多个所述耦入区域201设置在所述第一方向y上对齐分布，多个所述波导层210的多个所述耦出区域202在所述第一方向y上相互错开分布，进一步地，所述第一方向y垂直于所述波导层所在平面。

作为一种实施方式，所述耦入区域201可以通过耦入装置将光线耦合进入波导层210，所述耦入装置可以采用棱镜、楔角、阵列光波导、表面浮雕光栅、全息光栅等方案；所述耦出区域202可以通过耦出装置将光线耦合射出波导层210，所述耦出装置同样可以采用棱镜、楔角、阵列光波导、表面浮雕光栅、全息光栅等方案。

作为一种实施方式，所述波导层210用于限制光束在空间的传播路径，当传播角度满足全反射条件的光束只能在波导内传播，同时波导层210还可以作为耦入装置及耦出装置的基底，使耦入装置及耦出装置能够附着在波导之上。示例性地，所述波导层210可以被制作为非常轻薄的玻璃平板，从而实现光机的小型化和轻型化。

示例性地，所述多个所述波导层210的多个所述耦入区域201设置在所述第一方向y上对齐分布，可以是每个耦入区域在波导层所在平面上的投影相互完全重合；多个所述波导层210的多个所述耦出区域201在所述第一方向y上相互错开分布，可以是每个耦出区域在波导层所在平面上的投影彼此错开且完全不重合。

可以理解的是，由于照明波导由多层波导层构成，并且每一层波导层的耦出区域在第一方向上相互错开分布，因此，光源发出的光线一部分被耦入第一层波导层发生全反射，传播至第一层波导层的耦出区域被耦出，余下光线中穿过第一层波导层，其中的再一部分光线进入第二层波导层，再传播至第二层波导层的耦出区域被耦出，如此，光源光线经过一层层的波导层，从错开分布的不同耦出区域被耦出相应的波导层并出射，最终形成一个完整的耦出光斑，由于每层照明波导的耦入区域具有固定不变的耦入效率，耦出区域具有固定不变的耦出效率，因此，就可以通过改变各层照明波导的耦入效率和耦出效率之间具有的数量关系，来保证每一层波导层出射的耦出光线具有近似相等的能量大小。进而，不仅充分利用了全部的光源光线，还在在实现光斑扩展的同时使得到的光斑的均匀性大大提升。

作为一种实施方式，所述多个耦出区域202沿第二方向x相邻设置，所述第二方向x平行于所述波导层210所在平面。具体地，可以是每个耦出区域在波导层所在平面上的投影彼此相邻，进而，确保每一层波导层的耦出光斑之间没有缝隙也没有重叠，从而能够在微显示器表面覆盖上完整光斑。

作为一种实施方式，所述多个耦出区域202的尺寸一致，且与耦入光斑的大小相同。光源光线自耦入区域耦入波导层后，传播过程中不会改变光斑大小，也就是说，耦出光斑的大小与耦入光斑大小相同，那么，当耦入光线在某次反射路径中被反射到耦出区域时，由于耦出区域与耦入光斑的大小相同，能够保证光线被一次性耦出，因耦出效率限制而未能在一层波导层的耦出区域被耦出的剩余光线无法在后续的传播路径中被耦出波导层，从而保证了同一层波导层出射的耦出光斑能量是均匀的。进一步地，令不同波导层的耦出区域尺寸一致，而使最终从不同波导层出射的耦出光斑大小一致，每层波导层出射的能量均匀的耦出光斑组合成为照明波导的耦出光斑，那么只需通过设置每层波导层的耦出效率，使每一层波导的耦出光束能量基本一致，就能在实现光斑扩展的同时使均匀性大大提升。

示例性地，以照明波导包括两层波导层为例，设第一层波导层的耦入区域具有耦入效率，耦出区域具有耦出效率，第二层波导层的耦入区域具有耦入效率，耦出区域具有耦出效率，那么，只要第一层入射光线能量与第一层耦入效率及第一层耦出效率的乘积，与第二层入射光线能量与第二层耦入效率及第二层耦出效率的乘积相等，就可以保证两层波导的耦出光束能量基本一致。进一步地，照明波导包括多层波导层的情况可以以此类推，在此不再赘述。

在本实施例中，光线入射所述照明波导200的角度可以为任意角度，进一步地，在理论上所述波导层的数量没有限制，在实际应用中，出于对照明波导小体积的需求，以及光源光线在经过各层波导层时存在的能量衰减问题，设置波导层的数量一般不超过四层。

在本实施例中，每一层所述波导层210还可以具有不止一个所述耦出区域201，请参阅图3，具体地，如图3a所示，所述波导层210的多个所述耦出区域201可以位于波导层的同一侧并在第一方向y上相互错开分布，使多个耦出区域在波导层所在平面上的投影彼此相邻，如图3b所示，所述波导层210的多个所述耦出区域201也可以位于波导层的不同侧并在第一方向y上对齐分布，使多个耦出区域在波导层所在平面上的投影相互重合。进一步地，当多个耦出区域位于波导层的不同侧时，在靠近光源侧的耦出区域上设置的耦出装置可以为反射式全息光学器件，另一侧耦出区域上设置的耦出装置可以为透射式全息光学器件。

因此，本申请提供的照明波导包括：至少两个波导层，所述波导层包括耦入区域和至少一个耦出区域，其中，多个所述波导层沿第一方向依次设置，所述第一方向垂直于所述波导层所在平面，多个所述波导层的多个所述耦入区域设置在所述第一方向上对齐分布，多个所述波导层的多个所述耦出区域在所述第一方向上相互错开分布。因此，光源发出的光线经过每个波导层的耦入区域后，由于耦入区域也具有恒定的光线耦入效率，部分光线被耦入波导发生全反射并传播，余下光线可以穿过该层波导层进入下一层波导层，在下一层波导层中重复上述过程，并且，由于不同波导层的耦出区域在第一方向上相互错开分布，当令多个耦出区域沿第二方向相邻设置，所述第二方向垂直于所述第一方向。且所述多个耦出区域的尺寸一致并与耦入光斑的大小相同时，就能使每一层波导的耦出光束能够拼凑出一个完整的耦出光斑，再通过设置每层波导层的耦入效率及耦出效率，使每一层波导的耦出光束能量基本一致，进而在实现光斑扩展的同时使均匀性大大提升。

请参阅图4，图4示出了照明波导300的一种结构示意图，所述照明波导包括至少两个波导层，所述至少两个波导层包括第一波导层310和第二波导层320，所述第一波导层310包括第一耦入区域301和第一耦出区域302，所述第二波导层320包括第二耦入区域303和第二耦出区域304，其中，第一波导层310和第二波导层320沿第一方向y依次设置，所述第一方向y垂直于所述波导层所在平面。

在一些实施方式中，所述第一耦入区域301和第一耦出区域302通过耦入装置将光线耦合进入第一波导层310，所述耦入装置为反射式全息光学元件(holographic opticalelements；HOE)，如反射式全息光栅。具体地，第一耦入区域301设置在第一波导层310靠近第二波导层320的一侧上，光源光线先透射过第一波导层310射向第一耦入区域301，部分光线被反射式HOE改变入射角，从而满足在第一波导层310中发生全反射的条件，传播至第一耦出区域302并被耦出第一波导层310，余下光线继续穿过第一波导层310射向第二波导层320。进一步地，所述第一耦入区域301具有反射效率，所述第一耦出区域302具有耦出效率。

在一些实施方式中，所述第二耦入区域303和第二耦出区域304通过耦入装置将光线耦合进入第二波导层320，所述耦入装置为透射式全息光学元件，如透射式全息光栅。具体地，第二耦入区域303设置在第二波导层320靠近第一波导层310的一侧上，未被耦入第一波导层310的余下光线先透经过第二耦入区域303被透射式HOE改变入射角，从而耦入第二波导层320，满足在第二波导层310中发生全反射的条件，传播至第二耦出区域304并被耦出第二波导层320。进一步地，所述第二耦入区域303具有透射效率，所述第二耦出区域304具有耦出效率。

示例性地，所述第一耦入区域301与所述第二耦入区域302在第一方向y上对齐分布，即第一耦入区域和第二耦入区域在第一波导层或第二波导层所在平面上的投影相互重合；第一耦出区域303和第二耦出区域304在第一方向y上相互错开分布，即第一耦出区域和第二耦出区域在第一波导层或第二波导层所在平面上的投影彼此错开。

示例性地，所述第一耦出区域303和所述第二耦出区域304沿第二方向x相邻设置，所述第二方向x平行于第一波导层或第二波导层所在平面。示例性地，第一耦出区域303和第二耦出区域304的尺寸一致，且与耦入光斑的大小相同。

在一些实施方式中，所述波导层可以被制作为非常轻薄的玻璃平板，从而实现光机的小型化和轻型化，同时波导层还可以作为耦入装置及耦出装置的基底，使耦入装置及耦出装置能够附着在波导之上。进一步地，所述第一波导层310和第二波导层320具有折射率n₀，设空气折射率为n₀，由于全反射临界角θ₀＝arcsin(n_α/n₀)，可见当折射率n₀越大，全反射临界角就越小θ₀，光线在波导层内可发生全反射的角度范围相应增加。

在一些实施方式中，所述照明波导满足：n*s＝(1-n)*m*t，其中，n为所述第一耦入区域的反射效率，m为所述第二耦入区域的透射效率，s为所述第一耦出区域的耦出效率，t为所述第二耦出区域的耦出效率。当照明波导的相关参数满足上述公式时，第一波导层和第二波导层耦出的光斑能量一致，从而保证照明波导最终出射的光斑具有较好的均匀性。

应说明的是，本实施例示例性地说明了所述至少两个波导层包括第一波导层和第二波导层，即只包括两层波导层的情况，但并非将上述实施方式仅限制于两层波导层的情况。例如，若所述至少两个波导层包括超过两个波导层时，即增加第三波导层，同样可以得出，第三波导层具有第三耦入区域和第三耦出区域，此时，第二耦入区域和第二耦出区域上设置的耦入耦出装置可以更换为反射式全息光学器件，而第三耦入区域和第三耦出区域上设置的耦入耦出装置则可以使用透射式全息光学器件，概括来说，为了保证光源光线能够正常进入后续波导层，除在光线入射光路上的最后一层波导层以外，都可以使用反射式全息光学器件来实现光线的耦入耦出。进一步地，为实现照明波导最终出射的光斑具有较好的均匀性，每一层波导层的耦入效率、耦出效率等参数也可以使用相关公式对其进行限制。

因此，本申请提供的照明波导包括：至少两个波导层，所述至少两个波导层包括第一波导层和第二波导层，所述第一波导层包括第一耦入区域和第一耦出区域，所述第二波导层包括第二耦入区域和第二耦出区域，所述第一波导层与所述第二波导层沿所述第一方向依次设置，且所述照明波导满足：：n*s＝(1-n)*m*t，其中，n为所述第一耦入区域的反射效率，m为所述第二耦入区域的透射效率，s为所述第一耦出区域的耦出效率，t为所述第二耦出区域的耦出效率，从而第一波导层和第二波导层耦出的光斑能量一致，从而保证照明波导最终出射的光斑具有较好的均匀性。

请参阅图5，图5示出了光机400的结构示意图，所述光机400包括光源401，上述实施例所述的照明波导402和投影组件403。其中，所述光源401用于发出光线，所述照明波导402用于将所述光线引导至所述投影组件403，所述投影组件403用于基于所述光线形成图像。

示例性地，所述光源401可以为激光器、LED等光源，对光源波长和光谱宽度无使用限制。进一步地，可以为线偏振激光器，或替代为LED光源或其他类型激光器和偏振片的组合，经过透镜组出射光束准直并匀化成均匀光斑入射到照明波导402的耦入区域。

示例性地，所述投影组件包括非主动发光的微显示器，还可以包括投影镜头，其中，所述微显示器对光源光线进行调制并将调制后光线反射至所述投影镜头，所述投影镜头将调制后的光线投影成为图像画面。具体地，所述微显示器可以使用包括但不限于LCoS(Liquid Crystal on Silicon)硅基液晶、DMD空间光调制器(Digital Micro-mirrorDevice)等器件，所述投影镜头为透镜。

因此，本申请实施例提供的一种光机，根据前述实施例可知，由于照明波导在实现光斑扩展的同时大大提升了均匀性，从而使出射光斑均匀地覆盖在投影组件上，进而提高了光机投影效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：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，并不驱使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种照明波导，其特征在于，包括：

至少两个波导层，多个所述波导层沿第一方向依次设置，所述第一方向垂直于所述波导层所在平面；

所述波导层包括耦入区域和至少一个耦出区域，光线经每层波导层的所述耦入区域后形成反射光线和透射光线，所述反射光线经所述波导层传播后经所述耦出区域耦出，所述透射光线透射穿过所述波导层后射向下一层波导层；

其中，多个所述波导层的多个所述耦入区域在所述第一方向上对齐分布，多个所述波导层的多个所述耦出区域在所述第一方向上相互错开分布。

2.根据权利要求1所述的照明波导，其特征在于：所述多个耦出区域沿第二方向相邻设置，所述第二方向平行于所述波导层所在平面。

3.根据权利要求2所述的照明波导，其特征在于：所述多个耦出区域的尺寸一致，且与耦入光斑的大小相同。

4.根据权利要求1所述的照明波导，其特征在于：所述波导层为玻璃平板。

5.根据权利要求3所述的照明波导，其特征在于，所述至少两个波导层包括第一波导层和第二波导层，所述第一波导层包括第一耦入区域和第一耦出区域，所述第二波导层包括第二耦入区域和第二耦出区域，所述第一波导层与所述第二波导层沿所述第一方向依次设置。

6.根据权利要求5所述的照明波导，其特征在于，所述第一耦入区域和所述第一耦出区域上设有反射式全息光学元件。

7.根据权利要求6所述的照明波导，其特征在于，所述第二耦入区域和所述第二耦出区域上设有透射式全息光学元件。

8.根据权利要求7所述的照明波导，其特征在于，所述照明波导满足：n*s＝(1-n)*m*t，其中，n为所述第一耦入区域的反射效率，m为所述第二耦入区域的透射效率，s为所述第一耦出区域的耦出效率，t为所述第二耦出区域的耦出效率。

9.一种光机，其特征在于，所述光机包括光源、权利要求1-8任一项所述的照明波导和投影组件，所述光源用于发出光线，所述照明波导用于将所述光线引导至所述投影组件，所述投影组件用于基于所述光线形成图像。

10.根据权利要求9所述的光机，其特征在于：所述投影组件为非主动发光的微显示器。