CN220323574U - 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，所述照明波导具有第一表面、第二表面和第三表面，所述第二表面部分为弧面，所述照明波导包括：耦入区域和耦出区域，耦入区域用于将所述光源发出的光线耦入所述照明波导形成多束耦入光线，所述耦入光线具有第一传播方向，所述第一传播方向指向所述第二表面，其中，所述第二表面能够将所述第一传播方向更改为指向所述耦出区域的第二传播方向，使所述耦入光线能够继续传播至耦出区域耦出。因此，本申请提供的照明波导在垂直于所述第二传播方向的方向上实现了耦入光线的准直与拓展，避免由于耦入光线的发散导致的耦入光线能量损失问题，提高了波导耦出效率。

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

增强现实(Augmented Reality，AR)设备中的光机系统用于生成投影显示图像，其中，采用非主动发光芯片进行投影是光机投影方案中的主流，出于对光机小体积及轻质量的较高要求，将前置照明应用为轻量化的照明光波导是未来投影系统中的发展趋势，但是，现有照明光波导存在光能量浪费的问题。

实用新型内容

本申请提出了一种照明波导及光机，以改善上述缺陷。

第一方面，本申请实施例提供了一种照明波导，应用于光机，所述光机包括光源所述照明波导具有第一表面、第二表面和第三表面，所述第二表面为弧面，所述照明波导包括：耦入区域，所述耦入区域位于所述第一表面上，用于将所述光源发出的光线耦入所述照明波导，形成多束耦入光线，所述耦入光线具有第一传播方向，所述第一传播方向指向所述第二表面；耦出区域，所述耦出区域位于所述第三表面上；其中，所述第二表面用于将多束所述耦入光线的第一传播方向更改为指向所述耦出区域的第二传播方向，使多束所述耦入光线继续沿所述第二传播方向传播至所述耦出区域耦出所述照明波导。

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传播至所述投影组件，所述投影组件用于基于所述光线形成图像。

本申请提供的照明波导应用于光机，所述光机包括光源，所述照明波导具有第一表面、第二表面和第三表面，所述第二表面部分为弧面，所述照明波导包括：耦入区域，所述耦入区域位于所述第一表面上，用于将光源发出的光线耦入所述照明波导，耦出区域，所述耦出区域位于所述第三表面上。由于光线在耦入所述照明波导的过程中发生发散，可以将经所述耦入区域得到的耦入光线发散后视作扇形光，也就是说所述耦入光线在照明波导中具有的第一传播方向包括多个方向，且所述第一传播方向指向所述第二表面，进一步地，所述第二表面能够将传播至第二表面的耦入光线的第一传播方向更改为指向所述耦出区域的第二传播方向，从而使所述多束耦入光线继续沿第二传播方向传播至所述耦出区域并耦出所述照明波导。因此，本申请提供的照明波导在垂直于所述第二传播方向的方向上实现了耦入光线的准直与拓展，保证耦入光线能够被全部传播至耦出区域耦出，避免由于耦入光线的发散导致的耦入光线能量损失问题，也提高了波导耦出效率。

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示出了现有技术中使用波导作为照明系统的光机原理示意图。

图2示出了本申请实施例提供的一种照明波导结构示意图。

图3a示出了本申请实施例提供的一种照明波导结构正视图。

图3b示出了本申请实施例中耦入光线在照明波导中全反射传播的示意图。

图4示出了本申请实施例提供的一种光机的结构示意图。

图5示出了本申请实施例提供的另一种光机的结构示意图。

图6示出了本申请实施例提供的再一种光机的结构示意图。

图7示出了本申请实施例提供的光纤合束器的结构示意图。

图8示出了本申请实施例提供的合光装置为透镜聚焦器时的光机结构示意图。

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 Crystalon 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。

在现有技术中，照明波导往往被设置为轻薄的玻璃平板，请参见图1，图1示出了使用波导作为照明系统的光机原理示意图，光源110向波导100发射光源光线，光源光线由耦入区域101被耦入波导100后形成耦入光线，耦入光线在波导100中传播并经耦出区域102耦出射向微显示器。然而，发明人在应用中发现，由于耦入光线存在发散角，光线在耦入照明波导100后会具有多个传播方向，如图1所示，耦入光线部分会沿光路L1向耦出区域102传播，在耦入区域102耦出波导100并射向微显示器，同时，耦入光线还有部分会沿光路L2传播，而此部分光线无法到达耦出区域102，也就是说，光源光线耦入波导存在的发散问题，使得耦入光线只有部分能够进入耦出区域被耦出，部分无法进入耦出区域，造成了光源光线能量的浪费。

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及光机。

请参阅图2，图2示出了照明波导200的一种结构示意图，且图2为俯视图，所述照明波导200应用于光机，所述光机包括光源，所述照明波导200具有第一表面S1、第二表面S2和第三表面S3，所述第二表面S2部分为弧面，所述照明波导200包括：耦入区域201，所述耦入区域201位于所述第一表面S1上，用于将所述光源发出的光线耦入所述照明波导200，形成多束耦入光线，所述耦入光线具有第一传播方向L3，所述第一传播方向L3指向所述第二表面S2；耦出区域202，所述耦出区域202位于所述第三表面S3上；其中，所述曲面用于将多束所述耦入光线的第一传播方向L3更改为指向所述耦出区域202的第二传播方向L4，使多束所述耦入光线均沿所述第二传播方向L4传播至所述耦出区域202耦出所述照明波导200。

作为一种实施方式，所述耦入区域201和所述耦出区域202可以通过耦入装置和耦出装置实现光线的耦入与耦出，耦入装置用于使光线满足波导的全反射条件，使光线可以在波导内以全反射的形式进行传播，耦出装置用于打破光线的全反射条件使光线可以从波导内出射。进一步地，所述耦入装置和所述耦出装置均可以采用棱镜、楔角、阵列光波导、表面浮雕光栅、全息光栅等方案，进一步地，所述照明波导作为所述耦入装置和所述耦出装置的基底，使装置能够设于其上，所述耦入区域即为波导上设有耦入装置的区域，所述耦出区域即为波导上设有耦出装置的区域。

为助于理解，可参见图3，图3a示出了照明波导200的结构正视图，图3b示出了耦入光线在照明波导200中全反射传播的示意图，如图3所示，耦入光线通过在照明波导200内部的z方向上发生全反射来实现传播，在光线传播至耦出区域202处时，由于耦出装置具有一定的耦出效率，打在耦出区域202上的光线只有部分能够被耦出装置耦出波导，剩余部分光线继续在波导中全反射传播，至下一次打到耦出区域202上被耦出，由此形成多次耦出，进一步地，当光线截面宽度l_b与光线全反射一次前进的长度l相等时，耦出区域202上的多个耦出光束之间不存在间隙，能够得到完整的耦出光斑，其中，l＝2d·tana，a为光线耦入照明波导200时的衍射角，d为照明波导200的厚度。

在本实施例中，光源发出的光线经所述耦入区域201耦入所述照明波导200后，得到的耦入光线具有第一传播方向L3，由于光线在经耦入区域201耦入照明波导200时发生发散，因此，所述第一传播方向L3包括多个方向，即所述耦入光线可以被视为扇形光，所述扇形光具有一定的发散角度，在发散角θ范围内朝向所述第二表面S2传播，进一步地，所述第二表面S2可以通过反射来改变所述耦入光线的传播方向，使其由最初的第一传播方向L3改变为第二传播方向L4，最终由耦出区域202耦出,其中，所述第二传播方向L4指向所述耦出区域202，也可以是图2示出的x方向。

作为一种实施方式，所述第三表面为弧面，所述第二表面连接所述第三表面并形成类圆柱体，可以理解的是，在本实施例中所述第二表面近似于光纤具有的弯折面，因此，所述耦入光线在所述照明波导中的传播过程可近似于光线在弯折光纤中的传播过程，使所述耦入光线在所述第二表面发生反射后能够继续沿着既定轨迹向所述耦出区域传播，最终耦出所述照明波导。

作为一种实施方式，所述照明波导200包括曲面反射器，所述曲面反射器设置在所述第二表面S2上，用于反射接收到的耦入光线。进一步地，所述曲面将多束所述耦入光线的第一传播方向L3更改为指向所述耦出区域202的第二传播方向L4的实施方式，可以为通过设置曲面反射器的面型参数与扇形光的发散角θ相匹配，使扇形光在曲面反射器的任意位置均能够发生反射形成传播方向准直的平行光线，从而沿第二传播方向传播至耦出区域202被耦出照明波导200。因此，可以理解的是，由于第二表面S2部分为弧面，使光源光线在耦入时由于发散形成的扇形耦入光线能够在弧面上发生反射为传播方向彼此平行的光线，也就是在第一方向y上实现了耦入光线的准直与拓展，从而保证耦入光线能够被全部传播至耦出区域耦出，避免耦入光线的发散导致的能量损失问题，提高了波导耦出效率。

作为一种实施方式，多束所述平行光线具有第一方向y上的覆盖区域宽度D1,所述耦出区域202具有第一方向y上的宽度D2，所述照明波导200满足D2大于或等于D1；其中，所述第一方向y平行于所述耦出区域202且垂直于所述第二传播方向L4，通过设置耦出区域202尺寸与平行光束宽度相一致，使到达耦出区域的平行光束能够最大程度被耦出，也能够提升波导照明系统的耦出效率，进一步地，考虑到光机小型化和轻型化的目的，为控制照明波导自身尺寸，可以令耦出区域y方向上宽度D2大于平行光线y方向上的覆盖区域宽度的范围不超过5％。

因此，本申请提供的照明波导具有第一表面、第二表面和第三表面，所述第二表面部分为弧面，所述照明波导包括：耦入区域，所述耦入区域位于所述第一表面上，用于将光源发出的光线耦入所述照明波导，耦出区域，所述耦出区域位于所述第三表面上。由于光线在耦入所述照明波导的过程中会发散，经所述耦入区域得到的耦入光线发散后可以被视作扇形光，也就是所述耦入光线具有的第一传播方向包括多个方向，所述第一传播方向指向所述第二表面，进一步地，所述第二表面能够将传播至弧面的耦入光线的第一传播方向更改为指向所述耦出区域的第二传播方向，从而使多束所述耦入光线沿第二传播方向传播至所述耦出区域并耦出所述照明波导，进一步地，通过设置耦出区域在第一方向上的宽度与平行光束在第一方向上的宽度相一致，所述第一方向平行于所述耦出区域且垂直于所述第二传播方向，使到达耦出区域的平行光束能够最大程度被耦出。因此，本申请提供的照明波导在所述第二方向上实现了耦入光线的准直与拓展，保证耦入光线能够被全部传播至耦出区域耦出，避免由于耦入光线的发散导致的能量损失问题，提高了波导耦出效率，同时所述照明波导使耦出光线与入射光线之间呈垂直关系，使应用该照明波导的光机光源可设置的位置更加多变，结构更加紧凑灵活。

请参阅图4，图4示出了光机300的一种结构示意图，所述光机300包括光源301，上述实施例所述的照明波导302和投影组件303。其中，所述光源301用于发出光线，所述照明波导302用于将所述光线引导至所述投影组件303，所述投影组件303用于基于所述光线形成图像。

示例性地，所述光源301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302的耦入区域。

示例性地，所述投影组件303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。

然而，对于光机而言，当使用的光源为RGB单色光源时，容易出现不同波长光线耦出能量不一致，造成最终图像色彩不均匀的问题。

作为一种实施方式，请参阅图5，图5示出了光机300的一种结构示意图，所述光机300还包括导光装置304，所述导光装置304连接所述光源301和所述照明波导302，用于将多束所述单色光引导至所述照明波导302，进一步地，所述导光装置304可以为光纤，可以使用三根光纤分别将三色光引入照明波导302，进一步地，所述光源可以为RGB激光光源，因激光光源的扩展量比较小，发射出的RGB单色光的发散角也比较小，较为容易使得三色激光由三根光纤引导并汇聚到照明波导上的同一点，使三色光从相同的位置耦入照明波导，避免了由于多个单色光源从不同位置入射照明波导使得不同波长的耦入光线经过照明波导后达到耦出区域发生的全反射次数不同而导致不同波长光线耦出能量不一致，会造成最终图像色彩不均匀的问题。

作为一种实施方式，请参阅图6，图6示出了光机300的一种结构示意图所述光机300还包括合光装置305，所述合光装置305设置在所述照明波导302的耦入区域上并与所述导光装置304连接，用于将多束所述单色光进行合光，得到单束多色光。示例性地，所述合光装置可以为3*1的光纤合束器，光纤合束器的结构示意图可参见图7，使用光纤合束器将RGB三路激光合成到一个端口输出到波导，光纤与光纤之间导通，以保证发射光线输出的能量能够最大程度的耦合到照明波导中；示例性地，参考示意图8，所述合光装置还可以为透镜聚焦器，通过透镜聚焦器来实现RGB三色光束被透镜聚焦并且从一点耦入到照明波导内。因此，通过设置合光装置，进一步保证使RGB三色光能够在同一个位置耦入波导，有助于使不同波长的耦入光线在波导内以相同或近似的全反射角传播，使RGB三色光经过耦出区域时能够达到相同的耦出次数，提升了耦出光束的全彩均匀性，提升最终图像的显示效果。

因此，本申请实施例提供的一种光机，包括光源、上述实施例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传播至所述投影组件，所述投影组件用于基于所述光线形成图像，进一步地，所述光源为RGB激光光源，进一步地，所述光机还可以包括导光装置和合光装置。因此，RGB三路激光经导光装置和合光装置合束后汇聚为一点被耦入至照明波导，保证了不同波长的耦入光线能够在照明波导内以相同或近似的全反射角传播，进一步地，所述照明波导能够将传播至波导曲面的耦入光线的第一传播方向更改为指向耦出区域的第二传播方向，从而得到多束平行光线并由耦出区域耦出所述照明波导，从而实现了耦入光线的准直与拓展，保证耦入光线能够被全部传播至耦出区域耦出，避免由于耦入光线的发散导致的能量损失问题，并且由于不同波长的耦入光线经过耦出区域时能够达到相同的耦出次数，在提高了波导耦出效率的同时也提升了耦出光束的全彩均匀性。

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，应用于光机，所述光机包括光源，所述照明波导具有第一表面、第二表面和第三表面，所述第二表面为弧面，所述照明波导包括：

耦入区域，所述耦入区域位于所述第一表面上，用于将所述光源发出的光线耦入所述照明波导，形成多束耦入光线，所述耦入光线具有第一传播方向，所述第一传播方向指向所述第二表面；

耦出区域，所述耦出区域位于所述第三表面上；

其中，所述第二表面用于将多束所述耦入光线的第一传播方向更改为指向所述耦出区域的第二传播方向，使多束所述耦入光线继续沿所述第二传播方向传播至所述耦出区域耦出所述照明波导。

2.根据权利要求1所述的一种照明波导，其特征在于，所述照明波导还包括曲面反射器，所述曲面反射器设置在所述第二表面上。

3.根据权利要求1所述的一种照明波导，其特征在于：多束所述耦入光线具有第一方向上的覆盖区域宽度D1,所述耦出区域具有第一方向上的宽度D2，所述照明波导满足D2大于或等于D1；

其中，所述第一方向平行于所述耦出区域且垂直于所述第二传播方向。

4.一种光机，其特征在于，包括光源、权利要求1-3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传播至所述投影组件，所述投影组件用于基于所述光线形成图像。

5.根据权利要求4所述的一种光机，其特征在于，所述光源为RGB激光光源，用于发出多束单色光。

6.根据权利要求5所述的一种光机，其特征在于，所述光机还包括导光装置，所述导光装置连接所述光源和所述照明波导，用于将多束所述单色光引导至所述照明波导。

7.根据权利要求6所述的一种光机，其特征在于，所述导光装置为光纤。

8.根据权利要求6所述的一种光机，其特征在于，所述光机还包括合光装置，所述合光装置设置在所述耦入区域上并与所述导光装置连接，用于将多束所述单色光进行合光，得到单束多色光。

9.根据权利要求8所述的一种光机，其特征在于，所述导光装置为光纤，所述合光装置为光纤合束器。

10.根据权利要求8所述的一种光机，其特征在于，所述导光装置为光纤，所述合光装置为透镜聚焦器。