CN220933282U - 一种多光机的特殊光栅波导分布的显示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多光机的特殊光栅波导分布的显示装置,包括波导主体和多组光机，波导主体耦合有光栅结构以在表面形成扩瞳区、出瞳区以及至少两个入瞳区；光机的数量根据入瞳区的数量相适配，多组光机的输出光源依次从适配的入瞳区经过至扩瞳区、出瞳区，且在出瞳区形成数量与光机数量相适配的出射光；通过增加了光机和入瞳区的数量，多个光机和入瞳区相互配合使得出瞳区射出的出射光交叠，以在相同的距离下形成更大的眼盒区域，出瞳区可以不受单光机的功率影响，突破面积尺寸设计的局限性，更具应用前景。

Description

一种多光机的特殊光栅波导分布的显示装置

技术领域

本实用新型涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种多光机的特殊光栅波导分布的显示装置。

背景技术

AR衍射波导显示技术是利用衍射光栅实现光线的入射、转折和出射，再利用全反射原理实现光线的传输，最终将微显示器的图像、文字等虚拟信息传导至人眼，进而使人眼能够看到虚拟画面来增强对真实世界的感知；车载AR HUD（增强显示抬头显示）是基于AR技术所衍生的方案，以汽车挡风玻璃作为光波导结构，配合光机实时显示行车信息，极具科技感，广受年轻用户青睐；但是在实际使用中发现，由于成像光线的出光面积大、出瞳距离长、eye box范围大等原因，其视场角受到较大限制；此外，使用单光机的AR波导显示装置的入眼亮度比较低，在室内环境光线较低下可以正常使用，但是当应用场景变换到室外环境，光线强度较高的情况下使用时，其波导显示画面的亮度是远远不足的；

现有技术中，如专利申请公布号为CN114740619A的中国发明专利，公开了一种双层双面压印光栅、显示模组及车载显示装置，旨在通过特制光栅波导以使得光源从不同角度进入波导，实现成像画面在出瞳区重合以有效的提高画面的显示亮度；但是，上述方案中，需要在拼接的出瞳区的四周围绕设置多个扩瞳区和入瞳区，完成后，还需要进一步在出瞳区进行校准，大幅度的提高了工艺加工难度，且对于成像画面的面积拓展具有较大的局限性，不利于实施；因此，亟需一种结构更为合理的显示装置，兼具大视场、高亮度和出瞳区的实施面积局限性小的特性，以完善现有技术中出现的不足。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种多光机的特殊光栅波导分别的显示装置，旨在波导主体兼具大视场和高亮度的前提下解决出瞳区面积无法拓展，受到局限的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种多光机的特殊光栅波导分布的显示装置，包括波导主体和多组光机，所述波导主体耦合有光栅结构以在表面形成扩瞳区、出瞳区以及至少两个入瞳区；所述光机的数量根据所述入瞳区的数量相适配，多组所述光机的输出光源依次从适配的所述入瞳区经过所述扩瞳区、所述出瞳区，且在所述出瞳区形成有数量与所述光机数量相适配的出射光，多组所述出射光的出射方向相交、重叠以形成眼盒区域；所述显示装置所形成的入瞳光栅波矢与出瞳光栅波矢相同。

作为本申请的一种改进方案，多组所述入瞳区在所述波导主体表面所形成图形的几何中心点在同一直线上。

作为本申请的一种改进方案，所述入瞳区具体为两个，所述出射光包括具有预设间距的第一射线部和第二射线部，所述第一射线部和所述第二射线部往间距中心偏折，相交、重叠以形成所述眼盒区域。

作为本申请的一种改进方案，所述入瞳区具体为三个，所述出射光还包括第三射线部，所述第三射线部位于所述第一射线部和所述第二射线部之间；所述第三射线部垂直于所述出瞳区射出，所述第一射线部和所述第二射线部以所述第三射线部为中心偏折、以相交、折叠形成所述眼盒区域。

作为本申请的一种改进方案，所述第一射线部、所述第二射线部和所述第三射线部在所述出瞳区所形成的光源点在同一直线上；所述第一射线部和所述第二射线部所偏折的角度范围为5-25°。

作为本申请的一种改进方案，三个所述入瞳区均包括有两个入瞳区块，六个所述入瞳区块之间的间距相同，且每个所述入瞳区块匹配一个光机；光机工作，光源从位于末端的两个入瞳区块射入以在所述出瞳区共同形成所述第一射线部；光源从位于中间的两个入瞳区块射入以在所述出瞳区共同形成所述第三射线部；光源从位于另一末端的两个入瞳区块射入以在所述出瞳区共同形成所述第二射线部。

作为本申请的一种改进方案，所述第一射线部包括第一分射线和第二分射线，位于末端第一分射线的偏折角度大于所述第二分射线的偏折角度；所述第三射线部包括第三分射线和第四分射线，所述第三分射线和所述第四分射线垂直于所述出瞳区的表面射出；所述第二射线部包括有第五分射线和第六分射线，所述第六分射线位于另一末端，所述第六分射线的偏折角度大于所述第五分射线的偏折角度。

作为本申请的一种改进方案，所述第一分射线和所述第六分射线的偏折角度范围为15-25°，所述第二分射线和所述第五分射线的偏折角度范围为5-15°。

本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本实用新型提供的一种多光机的特殊光栅波导分布的显示装置,包括波导主体和多组光机，波导主体内耦合有光栅结构以在表面形成扩瞳区、出瞳区以及至少两个入瞳区；光机的数量根据入瞳区的数量相适配，多组光机的输出光源依次从适配的入瞳区经过至扩瞳区、出瞳区，且在出瞳区形成有数量与光机数量相适配的出射光；显示装置所形成的入瞳光栅波矢与出瞳光栅波矢相同；通过增加了光机和入瞳区的数量，多个光机和入瞳区相互配合使得出瞳区射出的出射光交叠以形成眼盒区域，出瞳区可以不受单光机的效率影响，突破的面积设计的局限性，更具应用前景。

附图说明

图1为现有技术的光机与波导主体配合图；

图2为本实用新型的第一射线部示意图；

图3为本实用新型的第二射线部示意图；

图4为本实用新型的眼盒区域示意图；

图5为本实用新型的眼盒区域另一示意图；

图6为本实用新型的第三射线部的示意图；

图7为本实用新型的另一实施例的眼盒区域示意图；

图8为本实用新型图另一实施例的眼盒区域的另一示意图；

图9为本实用新型的出光状态示意图；

图10为本实用新型的波导主体示意图；

图11为本实用新型所形成光栅波矢在波矢空间内传导的示意图；

图12为本实用新型所形成光栅波矢在波矢空内传导的另一示意图。

主要元件符号说明如下：

10、入瞳区；20、扩瞳区；30、出瞳区；

A、第一射线部；A1、第一射线；A2、第二射线；

B、第二射线部；B1、第五射线；B2、第六射线；

C、第三射线部；C1、第三射线；C2、第四射线。

具体实施方式

为了更清楚地表述本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步地描述。

在下文描述中，给出了普选实例细节以便提供对本实用新型更为深入的理解。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部实施例。应当理解所述具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件或它们的组合。

为了更好的理解本申请的方案，通过补充以下技术机理作进一步的阐述：

请参阅附图1，基础的方案下，采用单一光机，光机的输出光源对应从一入瞳区经过扩瞳区和出瞳区，并在出瞳区形成出射光，出射光会复制光机的输出光源的角度，即光源如何入射则如何出射，根据图1不难获知，光机的多组入射光在出瞳区形成的多组出射光，多组出射光重叠部分光线亮度最高且形成眼盒区域(Eye-box）；眼盒区域是AR设备的一个重点概念，其指的是AR设备的出瞳区与眼球之间的一块锥形区域，也是显示内容最清晰的区域，该区域作为能看到完整显示画面的立体区域，超出该区域的范围则可能会呈现图像扭曲、显色错误、甚至不显示内容等问题；也可以直观的理解为，眼盒区域的面积越大、亮度越高，给用户带来的视觉体验越佳；而在应用中，则进一步引入出瞳距离（Eye Relief），是指人眼距离波导的距离，和眼盒区域所形成的平面关联。

而为了获得更大的眼盒区域，出瞳区的面积也需要进一步拓展，现有技术采用多个小出瞳区拼接形成一个大出瞳区，且在大出瞳区域的周边围绕布置多个相适配的扩瞳区，单个光机搭配多个扩瞳区在大出瞳区域内形成亮度叠加的眼盒区域，兼容大眼盒区域和高亮度的特性；但是，由于采用单光机，大出瞳区的面积受到单个光机的效率所约束，对大出瞳区的面积形成较大的设计局限性，难以满足人们日益剧增的眼盒区域面积需求。

为了解决上述出现的技术问题，本申请提供了一种多光机的特殊光栅波导分布的显示装置,请参阅附图2至附图12，包括波导主体和多组光机，波导主体耦合有光栅结构以在表面形成扩瞳区20、出瞳区30以及至少两个入瞳区10；光机的数量根据入瞳区10的数量相适配，多组光机的输出光源依次从适配的入瞳区10经过至扩瞳区20、出瞳区30，且在出瞳区30形成有数量与光机数量相适配的出射光，多组出射光的出射方向相交、重叠以形成眼盒区域；显示装置所形成的入瞳光栅波矢与出瞳光栅波矢相同；

为了进一步解释本申请的实施机理，以光机的数量为两个，以入瞳区20的设置数量为两个作为阐述，第一入瞳区和第二入瞳区设于扩瞳区的一侧两端，为了便于说明该两端表述为左右两端，请参阅图2，第一光机工作形成第一输出光源，且入射至第一入瞳区经过扩瞳区进入至出瞳区，且在出瞳区形成射出光，记作第一射线部A；通过布局第一光机的位置和第一输出光源的入射角度，第一射线部得的出射方向得以控制，第一射线部A向右倾斜；请参阅图3，第二光机和第二入瞳区同理配合以生成第二射线部B，通过布局第二光机的位置和第二输出光源的入射角度，第二射线部B向左倾斜，此时，眼盒区域的形成机理请参阅图4-5，第一射线部A和第二射线部B之间具有预设的间距，第一射线部A和第二射线部B往间距中心相交、重叠以形成眼盒区域；

对于显示装置所形成的入瞳光栅波矢与出瞳光栅波矢相同部分，通过对本方案所形成的波矢空间进一步解释，光栅分布的路径波导模式见附图11；图中，BND1表示用于满足波导板中的全内反射（TIR）标准的第一边界；BND2表示波导板中的最大波矢的第二边界；最大波矢可以由波导板的折射率确定。仅当所述光的波矢在第一边界BND1与第二边界BND2之间的区域ZONE1中时，光才可以在波导板中传播。如果光的波矢在区域ZONE1之外，则光可能会泄漏出波导板或根本不传播。具体的波导过程如下：

入射光IN1从区域BOX0进入波导，其中第一传导光B1朝V1方向传导，其波矢在区域BOX1中；第一输出光OUT1朝V2方向传导，其波矢在区域BOX2中。根据波导理论，该波导中波矢的路径需满足矢量和为0，才可保证波导输入与输出的对称关系；而在实际的操作中，可以选择光学单元（即本申请中的多个入瞳区、扩瞳区和出瞳区）的光栅周期（d）和衍射光栅的取向（θ），使得波矢空间中的区域BOX0，BOX2几乎重合，且进一步的同时针对三个颜色（红色光、绿色光、蓝色光）的波长，使得区域BOX1的波矢在由边界BND1、BND2限定的区域ZONE1内；

另一例子中，该光栅分布的另一路径波导模式见附图12；BND1表示用于满足波导板中的全内反射（TIR）标准的第一边界；BND2表示波导板中的最大波矢的第二边界。最大波矢可以由波导板的折射率确定；仅当所述光的波矢在第一边界BND1与第二边界BND2之间的区域ZONE1中时，光才可以在波导板中传播。如果光的波矢在区域ZONE1之外，则光可能会泄漏出波导板或根本不传播。具体的波导过程如下：

入射光IN1从区域BOX0进入波导，其中第一传导光B1朝V1方向传导，其波矢在区域BOX1中；第二传导光B2朝V2方向传导，其波矢在区域BOX2中；第三传导光B3朝V3方向传导，其波矢在区域BOX3中；第一输出光OUT1朝V4方向传导，其波矢在区域BOX4中。根据波导理论，该波导中两条波矢的路径需满足矢量和为0，才可保证波导输入与输出的对称关系。

可以选择光学单元（即本申请中的多个入瞳区、扩瞳区和出瞳区）的光栅周期（d）和衍射光栅的取向（θ），使得波矢空间中的区域BOX0，BOX4几乎重合，区域BOX1，BOX2几乎重合，且进一步的同时针对三个颜色（红色光、绿色光、蓝色光）的波长，区域BOX1和BOX3，区域BOX2的波矢都在由边界BND1、BND2限定的区域ZONE1内。

上述方案不难理解的，多组出射光的出射角度往出瞳区30的中心收拢，出射光得以形成相交、重叠形成高亮度、面积参数更大的眼盒区域，保证了眼盒区域的亮度；对于出瞳区30的尺寸方面，通过多个光机和入瞳区相互配合使得出瞳区30射出的出射光交叠以在相同的目视距离时形成更大的眼盒区域，且出瞳区30的面积可以不受光机的约束造成的面积限制，更具应用前景。

本实施例中，多组入瞳区10在波导主体表面所形成图形的几何中心点在同一直线上；不难理解的，多组入瞳区10位于同一平面线上，能够降低后续眼盒区域调节难度，仅需改变光机位置，即可完成对眼盒区域的调配。

可以认为的，本申请所指的特殊光栅波导分布即为：多个光机的光源对应通过多个入瞳区10入射至同一扩瞳区20，且在同一出瞳区30出射形成眼盒区域的方案；可以理解的，光机和入瞳区10的预设数量越多，眼盒区域所叠加能量则越高，则亮度越大；由于增加了光机的数量，在保证亮度不变的情况下可以压缩单个光引擎的尺寸大小，最终设备成品厚度较薄，具有推广优势；在此基础上，可以通过缩小单个光引擎的尺寸的方式，在手持式显示装置的应用中，压缩手持式显示装置的厚度，增加用户使用的舒适度；

下面结合多个光机和多个入瞳区的实施例对本申请作进一步解释；

请参阅附图6-8，本实施例中，入瞳区10具体为三个，出射光还包括第三射线部C，第三射线部C位于第一射线部A和第二射线部B之间；第三射线部A垂直于出瞳区30射出，第一射线部A和第二射线部B以第三射线部C为中心偏折、形成交叠区域，该区域即为眼盒区域；不难理解的，第一射线部A、第二射线部B和第三射线部C共同形成交叠的眼盒区域，光强度进一步叠加提升，使得眼盒区域的亮度更高，图像更为清晰；

具体的一个实施例中，第一射线部A、第二射线部B和第三射线部C在出瞳区30所形成的光源点在同一直线上；第一射线部A和第二射线部B所偏折的角度范围为5-25°；通过改变第一射线部A和第二射线部B的偏折角度，以对出瞳距离进行控制；

请参阅附图9-10，本实施例中，三个入瞳区均包括有两个入瞳区块，六个入瞳区块之间的间距相同，且每个入瞳区块匹配一个光机；光机工作，光源从位于末端的两个入瞳区块射入以在出瞳区30共同形成第一射线部A，位于中间的两个入瞳区块射入以在出瞳区30共同形成第三射线部C，位于另一末端的两个入瞳区块射入以在出瞳区30共同形成第二射线部B；该实施例中，所揭示的六个入瞳区块则可以理解为六个入瞳区，能够搭配光机实现光源入射接口；而进一步增加光机、和可入瞳区域的数量，进一步提高了所形成的眼盒区域的亮度，便于户外在光照强度较高的情况下使用。

具体的方案中，第一射线部A、第二射线部B和第三射线部C的出光情况列举为：第一射线部A包括第一分射线A1和第二分射线A2，位于末端第一分射线A1的偏折角度大于第二分射线A2的偏折角度；第三射线部C包括第三分射线C1和第四分射线C2，第三分射线C1和第四分射线C2垂直于出瞳区30的表面射出；第二射线部B包括有第五分射线B1和第六分射线B2，第六分射线B2位于另一末端，第六分射线B2的偏折角度大于第五分射线B1的偏折角度；更为具体的，第一分射线A1和第六分射线B2的偏折角度范围为15-25°，第二分射线A2和第五分射线B1的偏折角度范围为5-15°；通过合理的配备分射线射出角度，可以使使用者在更大的视场角度内观察到完整的图像。

本实用新型的优势在于：

通过增加了光机和入瞳区的数量，多个光机和入瞳区相互配合使得出瞳区射出的出射光交叠以形成眼盒区域，出瞳区可以不受单光机的效率影响，突破的面积设计的局限性，更具应用前景。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种多光机的特殊光栅波导分布的显示装置，其特征在于，包括波导主体和多组光机，所述波导主体耦合有光栅结构以在表面形成扩瞳区、出瞳区以及至少两个入瞳区；所述光机的数量根据所述入瞳区的数量相适配，多组所述光机的输出光源依次从适配的所述入瞳区经过所述扩瞳区、所述出瞳区，且在所述出瞳区形成有数量与所述光机数量相适配的出射光，多组所述出射光的出射方向相交、重叠以形成眼盒区域；所述显示装置所形成的入瞳光栅波矢与出瞳光栅波矢相同。

2.根据权利要求1所述的一种多光机的特殊光栅波导分布的显示装置，其特征在于，多组所述入瞳区在所述波导主体表面所形成图形的几何中心点在同一直线上。

3.根据权利要求1所述的一种多光机的特殊光栅波导分布的显示装置，其特征在于，所述入瞳区具体为两个，所述出射光包括具有预设间距的第一射线部和第二射线部，所述第一射线部和所述第二射线部往间距中心偏折，以相交、重叠形成所述眼盒区域。

4.根据权利要求3所述的一种多光机的特殊光栅波导分布的显示装置，其特征在于，所述入瞳区具体为三个，所述出射光还包括第三射线部，所述第三射线部位于所述第一射线部和所述第二射线部之间；所述第三射线部垂直于所述出瞳区射出，所述第一射线部和所述第二射线部以所述第三射线部为中心偏折，以相交、重叠形成所述眼盒区域。

5.根据权利要求4所述的一种多光机的特殊光栅波导分布的显示装置，其特征在于，所述第一射线部、所述第二射线部和所述第三射线部在所述出瞳区所形成的光源点在同一直线上；所述第一射线部和所述第二射线部所偏折的角度范围为5-25°。

6.根据权利要求5所述的一种多光机的特殊光栅波导分布的显示装置，其特征在于，三个所述入瞳区均包括有两个入瞳区块，六个所述入瞳区块之间的间距相同，且每个所述入瞳区块匹配一个光机；

光机工作，光源从位于末端的两个入瞳区块射入以在所述出瞳区共同形成所述第一射线部；光源从位于中间的两个入瞳区块射入以在所述出瞳区共同形成所述第三射线部；光源从位于另一末端的两个入瞳区块射入以在所述出瞳区共同形成所述第二射线部。

7.根据权利要求6所述的一种多光机的特殊光栅波导分布的显示装置，其特征在于，所述第一射线部包括第一分射线和第二分射线，位于末端第一分射线的偏折角度大于所述第二分射线的偏折角度；所述第三射线部包括第三分射线和第四分射线，所述第三分射线和所述第四分射线垂直于所述出瞳区表面射出；所述第二射线部包括有第五分射线和第六分射线，所述第六分射线位于另一末端，所述第六分射线的偏折角度大于所述第五分射线的偏折角度。

8.根据权利要求7所述的一种多光机的特殊光栅波导分布的显示装置，其特征在于，所述第一分射线和所述第六分射线的偏折角度范围为15-25°，所述第二分射线和所述第五分射线的偏折角度范围为5-15°。