WO2020042636A1 - 一种近眼显示装置 - Google Patents

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WO2020042636A1
WO2020042636A1 PCT/CN2019/083926 CN2019083926W WO2020042636A1 WO 2020042636 A1 WO2020042636 A1 WO 2020042636A1 CN 2019083926 W CN2019083926 W CN 2019083926W WO 2020042636 A1 WO2020042636 A1 WO 2020042636A1
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waveguide layer
prism
parallelogram
diffraction grating
parallel
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Application number
PCT/CN2019/083926
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English (en)
French (fr)
Inventor
宋强
彭雅珮
苏鹏华
马国斌
许恒深
Original Assignee
深圳珑璟光电技术有限公司
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features

Definitions

  • the present invention relates to the field of optical design, and in particular, to a near-eye display device.
  • Augmented Reality is a new technology that seamlessly integrates real world information and virtual world information. Real environment and virtual objects are superimposed on the same screen or space in real time. presence. Head-mounted displays (HMD for short) are widely used in virtual reality systems to enhance the visual immersion of users.
  • HMD Head-mounted displays
  • a head-mounted display for augmented reality can allow people to project a virtual image to the human eye while viewing the surrounding environment, which is of great significance in the fields of military, industry, entertainment, medical treatment, and transportation.
  • the projected virtual image can be superimposed on the real world perceived by the user.
  • a transmissive head-mounted display used for augmented reality In the prior art, a waveguide sheet is usually used for light transmission. However, the refractive index of the three-color light of the substrate of the waveguide sheet is slightly different and crosstalk between the three primary color light transmissions is prone to occur. Problems such as severe dispersion and ghosting are difficult to eliminate, thus increasing the difficulty of optical design.
  • An object of the present invention is to provide a near-eye display device to solve the problems of dispersion and ghost images of a transmission-type head-mounted display and improve the imaging quality of the head-mounted display.
  • a near-eye display device includes a micro-display screen, an eyepiece group, a first polarizer, a first diffraction grating, a first waveguide layer, a second polarizer, a second diffraction grating, and Second waveguide layer
  • the micro display screen is used to display an image, and light emitted from the display image of the micro display screen is collimated into parallel light beams after passing through the eyepiece group; the parallel light beams sequentially pass through a first polarizer, a first A diffraction grating, a first waveguide layer, a second polarizer, and a second diffraction grating, reaching the second waveguide layer; [0007] the first diffraction grating is configured to separate a first color light beam in the parallel light beams to a coupling entrance of the first waveguide layer; the first waveguide layer includes a plurality of first thin film beam splitting slopes; The first color light beam enters the first waveguide layer through the coupling entrance of the first waveguide layer, and is transmitted in the first waveguide layer in accordance with the law of refracting reflection. The first color light beam is transmitted in a plurality of the first waveguide layers. Reflected by a thin film beam splitting slope to form a plurality of parallel first reflected
  • the second diffraction grating is configured to separate a second color light beam in the parallel light beams to a coupling entrance of the second waveguide layer;
  • the second waveguide layer includes a plurality of second thin-film beam splitting slopes;
  • the second color light beam enters the second waveguide layer through the coupling entrance of the second waveguide layer, and is transmitted in the second waveguide layer in accordance with the law of refracting reflection.
  • the second color light beam is transmitted in a plurality of the first waveguide layers.
  • the two thin-film beam splitting surfaces reflect to form a plurality of parallel second reflected light beams; the incident positions of the plurality of first reflected light beams and the plurality of second reflected light beams are the positions of the pupils of the human eye.
  • the micro display screen is an organic light emitting diode or a silicon-based liquid crystal or a micro display core with a light emitting function.
  • the eyepiece group is composed of a single lens or multiple lenses; the material of the lens is optical glass or optical plastic.
  • the first waveguide layer specifically includes a first trapezoidal prism, a plurality of first parallelogram prisms, and a second trapezoidal prism; the plurality of first parallelogram prisms are sequentially glued through an inclined surface to form a second A parallelogram prism; the slope of the first trapezoidal prism is glued to the first slope of the second parallelogram prism; the slope of the second trapezoidal prism is glued to the second slope of the second parallelogram prism;
  • the first waveguide layer; a top surface of the first trapezoidal prism, a top surface of the second parallelogram prism, and a top surface of the second trapezoid form a top surface of the first waveguide layer; the first The bottom surface of the trapezoidal prism, the bottom surface of the second parallelogram prism, and the bottom surface of the second trapezoid form the base surface of the first waveguide layer; all the glued surfaces of the first waveguide layer are coated with a dielectric base layer to form a base surface.
  • a first thin film beam splitting bevel the bonding surface includes a bonding surface of a first trapezoidal prism and the second parallelogram prism, a bonding surface between a plurality of the first parallelogram prisms, and the second ladder Plywood prism and the second prism is parallel to the four corners.
  • the reflectances of the plurality of first thin-film spectroscopic slopes are sequentially increased according to the direction of light beam transmission in the first light guide layer, and the range of the reflectances of the plurality of first thin-film spectroscopic slopes is 1 ⁇ 50%.
  • the second waveguide layer specifically includes a third trapezoidal prism, a plurality of third parallelogram prisms, and a fourth trapezoidal prism; a plurality of the third parallelogram prisms are sequentially glued through an inclined surface to form a fourth A parallelogram prism; the slope of the third trapezoidal prism is glued with the first slope of the fourth parallelogram prism; the slope of the fourth trapezoidal prism is glued with the second slope of the fourth parallelogram prism;
  • the second waveguide layer; a top surface of the third trapezoidal prism, a top surface of the fourth parallelogram prism, and a top surface of the fourth trapezoid form a top surface of the second waveguide layer; the third surface The bottom surface of the trapezoidal prism, the bottom surface of the fourth parallelogram prism, and the bottom surface of the fourth trapezoid form the base surface of the second waveguide layer; all the glued surfaces of the second waveguide layer are coated with a dielectric base layer to form multiple Two
  • the reflectances of the plurality of second thin-film spectroscopic slopes are sequentially increased according to the light beam transmission direction in the second waveguide layer, and the reflectances of the plurality of second thin-film spectroscopic slopes are in the range of 1 ⁇ 50%.
  • the center of the second parallelogram prism and the center of the fourth parallelogram prism coincide.
  • the distance between the plurality of first thin-film spectroscopic slopes is 1 to 8 mm; the distance between the plurality of the second thin-film spectroscopic slopes is also 1 to 8 mm.
  • the first diffraction grating and the second diffraction grating are both an inclined grating or a coated diffraction grating
  • the present invention discloses the following technical effects:
  • the diffraction grating-based near-eye display optical device of the present invention is an important device used in the field of augmented reality.
  • a virtual image is emitted from a microdisplay, and after passing through an eyepiece system, it splits light through a polarizer and then passes through two or three diffraction gratings. After color separation, the light is coupled into different waveguide layers.
  • the light of the virtual image after being separated by light is reflected and coupled by the bevels of the parallel prisms containing the light splitting film of the individual waveguide device.
  • the light of the virtual image finally enters the human eye, which can solve the current problem.
  • problems such as dispersion ghosts that cannot be solved by a single waveguide plate, and finally a grating waveguide near-eye display optical device that realizes small aberration imaging and can simplify the optical design.
  • FIG. 1 is a schematic structural diagram of a near-eye display device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic structural diagram of Embodiment 1 of a first diffraction grating of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic structural diagram of Embodiment 2 of a first diffraction grating of the present invention.
  • the near-eye display device includes a micro display screen 001, an eyepiece group 002, a first polarizing plate 003, a first diffraction grating 004, a first waveguide layer 010, a second polarizing plate 005, and a second fixed in order.
  • the micro display screen 001 is used as an image source for displaying an image, that is, an object surface in the imaging optical system, and light emitted from any field point of the object surface passes through the eyepiece group 002 and is collimated into a parallel beam.
  • the parallel beam continues to propagate forward, enters the first polarizer 003, and then enters the first diffraction grating (red light) 0 04, and the red light is separated by the first diffraction grating to the first waveguide layer 010 After the coupling entrance, it is coupled into the first waveguide layer 010, and the remaining incident light continues to split the blue-green light through the second polarizer 005 and the second diffraction grating (blue-green light) 006 to the coupling entrance of the second waveguide layer 020.
  • Second waveguide layer 020 Second waveguide layer 020.
  • the first waveguide layer 0 to 10 includes a plurality of first thin film beam splitting inclined surfaces, and the red light beam is reflected at the plurality of first thin film beam splitting inclined surfaces to form a plurality of parallel first reflected light beams.
  • the second waveguide layer 020 includes a plurality of second thin films. Spectral bevel, the blue-green light beam is reflected at a plurality of second thin-film spectroscopic bevels to form a plurality of parallel second reflected light beams. Multibeam
  • the incident positions of the first reflected light beam and the plurality of second reflected light beams are the positions of the eyes of the human eye.
  • the light follows the law of refraction and is transmitted inside the substrate of the waveguide layer.
  • the equivalent size of the light beam is increased, and then the light is reflected from the beam splitting slope of the waveguide layer. Finally, it enters the human eye.
  • the eye pupil is focused on the retina to form a virtual image of the micro display 001, that is, virtual reality is completed.
  • the micro display screen 001 is an object image of an optical system. Generally, it can be an organic light emitting diode (Orga nicLight-Emitting Diode, OLED), a micro-light emitting diode (Micro-Light-Emitting)
  • OLED organic light emitting diode
  • Micro-Light-Emitting micro-light emitting diode
  • Micro-LED Liquid Crystal on Silicon
  • LCOS Liquid Crystal on Silicon
  • the eyepiece group 002 may be composed of a single lens or multiple lenses, and belongs to a rotationally symmetric optical system.
  • the lens material may be optical glass or optical plastic.
  • the optical glass has a brand such as K 9, BK 7, ZF 5 2 and the like.
  • Polycarbonate (PC) polymethyl methacrylate
  • the eyepiece group 002 has the characteristics of small aberration and small distortion. Full field of view distortion can be less than 1%.
  • the first waveguide layer 010 is formed by successively gluing a first trapezoidal prism, a plurality of first parallelogram prisms and a second trapezoidal prism; a plurality of the first parallelogramm prisms are sequentially glued through an inclined surface to form a second parallelogram.
  • the structure of the second waveguide layer 020 is the same as that of the first waveguide layer 010, except that the size of the trapezoidal prism is different.
  • the first waveguide layer 010 and the second waveguide layer 020 illustrated in FIG. 1 are each composed of two trapezoidal prisms and four parallelogram prisms. Taking the second waveguide layer 020 as an example, the structures of the first waveguide layer 010 and the second waveguide layer 020 are described in detail. [0032]
  • the second waveguide layer includes a third trapezoidal prism (located at a light incident position), a plurality of third parallelogram prisms (in the figure, four parallelogram prisms are used as an example, located at an intermediate position), and a fourth trapezoidal prism (located in an optical fiber) End of transmission).
  • the slopes of the plurality of third parallelogram prisms are exactly the same, and the acute angles of the parallelogram prisms are equal. All the third parallelogram prisms are sequentially glued through the slopes to form a large fourth parallelogram prism.
  • the fourth parallelogram prism includes the first slope 021, glued surface 022, glued surface 023, glued surface 024, and second inclined surface 025.
  • the first inclined surface of the fourth parallelogram prism is glued with the inclined surface of the third trapezoidal prism, and the glued surface is 021; the second inclined surface of the fourth parallelogram prism is glued with the inclined surface of the fourth trapezoidal prism, and the glued surface is 025; a third trapezoidal prism, a plurality of third parallelogram prisms, and a fourth trapezoidal prism are sequentially glued to form a second waveguide layer 020;
  • the top surface of the third trapezoidal prism, the top surface of the fourth parallelogram prism, and the top surface of the fourth trapezoidal prism form the top surface of the second waveguide layer; the bottom surface of the third trapezoidal prism and the The bottom surface of the fourth parallelogram prism and the bottom surface of the fourth trapezoid form the base surface of the second waveguide layer; all glued surfaces of the second waveguide layer are plated with a dielectric base layer to form a plurality of second thin-film beam splitting slopes.
  • the bonding surface of the second waveguide layer includes a bonding surface 021, a bonding surface 022, a bonding surface 023, a bonding surface 024, a fourth trapezoidal prism, and the first trapezoidal prism and the fourth parallelogram prism.
  • the first waveguide layer 010 and the second waveguide layer 020 of the present invention may also be formed by gluing two or more parallelogram prisms and one or more trapezoidal prisms.
  • the trapezoidal prisms are located at the incident section of the optical fiber, and multiple parallelogram prisms are located In the middle of the light transmission, the light is reflected through the glued surface.
  • the acute angle of each parallelogram prism is equal, and the acute angle of each beveled surface of each trapezoidal prism and the parallelogram prism is equal.
  • the acute angle of the parallelogram prism can range from 10. ⁇ 80 °
  • the acute angle of the trapezoidal prism can range from 10 ° to 80 °.
  • each waveguide layer formed by gluing 4 parallelogram prisms and 2 trapezoidal prisms constitutes a rectangular parallelepiped.
  • the two waveguide layers (the first waveguide layer 010 and the second waveguide layer 020) have two large parallel waveguides. flat.
  • the source image light output by the micro display screen 001 is collimated after passing through the eyepiece group 002, and the collimated light is a parallel beam.
  • the collimated light is a parallel beam.
  • one of the parallel beams with zero field of view is selected and named parallel light 100. .
  • the incident light 100 will be described below.
  • the parallel light rays 100 propagate forward, enter the first polarizer 003, and pass through the first diffraction grating (red) after splitting the light.
  • 04 splits the red light 101 to the coupling entrance of the first waveguide layer 010 and couples into the first waveguide layer 010, and the remaining incident light continues to split through the second polarizer 005 and the second diffraction grating (blue-green light) 006
  • the coupling entrance of the blue-green light 201 to the second waveguide layer 020 is coupled into the second waveguide layer 020.
  • nl * sinl n 2 * sin0
  • nl indicates the refractive index of the incident medium
  • n2 indicates the refractive index of the incident medium
  • I is the incident angle, which is the angle between the incident light and the normal of the incident surface
  • 0 is the exit angle
  • the working principle of the diffraction grating is that after incident light passes through the diffraction grating, the separation angle of the grating can be controlled by the depth and period of the grating to achieve the effect of separating light.
  • the incident light with a certain angle A0 enters the grating with the grating period d, and the diffraction angle of the output is
  • the parallel rays 101 and 201 propagate into the first waveguide layer 010 and the second waveguide layer 020, the incident angle is greater than the total reflection angle, that is, the law of total reflection is satisfied, and the parallel rays 101 perform total reflection propagation inside the first waveguide layer 010, The parallel light rays 201 will be totally reflected and propagated inside the second waveguide layer 020.
  • Total reflection angle 0 arcsin (l / n2)
  • the angle of incidence is greater than 34.8 ° on two large parallel planes inside the substrate, the light satisfies the law of total reflection.
  • the base material is optical glass or optical plastic
  • the optical glass has a brand such as K 9, BK 7, ZF 5 2 and the like
  • the optical plastic has PC (P o 1 ycarbonate (polycarbonate), PMMA (polymethylmethacrylate, polymethyl methacrylate), for the sake of example
  • the substrate material can be set to optical glass LaK3, then 0 field of view light (ie, parallel light 100) on the large plane of the substrate The incident angle is 45 °, which is greater than the LaK3 total reflection angle 34
  • the horizontal X vertical angle 35.2 ° * 20.2 °
  • the horizontal half angle is 17.6 °.
  • the light in the full field of view meets the principle of total reflection, and the light can be in the first waveguide layer 010 (the second waveguide layer 020) effective propagation inside the substrate, where n2 is the refractive index of the substrate of the first waveguide layer 010 (second waveguide layer 020).
  • the material of the first diffraction grating 004 and the second diffraction grating 006 may be a polished surface made of optical glass or optical plastic, or may be a relief grating, and the type of the relief grating may be a sub-wavelength blazed grating, or Tilted grating, or asymmetric sub-wavelength grating of any structure, or Ti02 deposited or plated Symmetrical grating for multilayer films.
  • d * (nl * sinl + n2 * sin0) m * X
  • nl refers to the refractive index of the incident medium
  • n2 refers to the refractive index of the incident medium
  • I is the angle of incidence
  • 0 is the exit angle, which indicates the angle between the incident light and the normal of the incident surface
  • d is the corresponding grating constant
  • m is the diffraction order
  • X is the corresponding light wavelength.
  • the parallel ray 101 When the parallel ray 101 propagates to the first glued surface, two rays will be split. Among them, the parallel ray 111 is reflected, and the reflection propagates according to the law of reflection. The other one is still the parallel ray 101, which is only the energy carried. attenuation. In the same way, the parallel rays 101 will split into reflected parallel rays 112, parallel rays 113, parallel rays 114, and parallel rays 115 after passing through multiple glue surfaces.
  • the reflectances of the plurality of first thin-film beam splitting inclined planes are sequentially increased in accordance with the beam transmission direction in the first light guide layer, and the reflectances of the plurality of second thin-film beam splitting inclined planes are sequentially increased in accordance with the beam transmission direction in the second waveguide layer. Achieve even distribution of reflected light.
  • the distance between adjacent glued surfaces can be set between 1 and 8 mm, and more preferably, the distance between adjacent inclined surfaces can be set between 3 and 5 mm.
  • Metal wire grids can also be etched on the glue surface, and the final glue surface reflectivity is 1 ⁇ Between 50% and more preferably, the reflectance can be selected between 10 and 30%.
  • Glue surface 021, Glue surface 022, Glue surface 023, Glue surface 024 and Glue surface 025 The distance between two adjacent inclined surfaces can be set between 1 ⁇ 8mm, more preferably, the interval between adjacent inclined surfaces can be set between 3 ⁇ 5mm .
  • the glue planes in the two waveguide layers are staggered by the distance AL.
  • AL can be set between 0.01 and 1 mm to meet a large field of view. Extension.
  • the emitted parallel light 215 enters the pupil of the human eye and becomes a virtual image.
  • the first diffraction grating (blue light) 004 and the second diffraction grating (red-green light) 006 may be used to perform the color separation, or the first diffraction grating (green light) 004 and the second diffraction grating ( Red-blue light) 006 for color separation, and three diffraction gratings (red / blue / green) and three waveguide layers can be used for color separation and light transmission to achieve small aberration imaging.
  • FIG. 2 is a schematic structural diagram of Embodiment 1 of a first diffraction grating of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic structural diagram of Embodiment 2 of a first diffraction grating of the present invention.
  • FIG. 2 is a conventional diffraction grating
  • FIG. 3 is a tilted grating, or a coated diffraction grating.
  • the figure shows that incident light 10 and 11 having two wavelengths enter the diffraction grating from below, and The maximum angle of incidence and the grating normal are 01 and 02, respectively.
  • the duty ratio of the diffraction grating is set to w / d, where w is the step width, d is the grating period, the step height is h, and the angle of the inclined grating is 03. After being separated by the diffraction grating, the emitted light 21 and 22 are emitted.
  • the incident angle range can be set between -10 ° ⁇ + 10 °

Abstract

一种近眼显示装置，包括依次固定的微显示屏（001）、目镜组（002）、第一偏振片（003）、第一衍射光栅（004）、第一波导层（010）、第二偏振片（005）、第二衍射光栅（006）和第二波导层（020）；微显示屏（001）用于显示图像，微显示屏（001）出射的光线经过目镜组（002）准直为平行光束（100）；第一衍射光栅（004）用于将平行光束（100）中的第一色光束（101）分离；第一色光束（101）在多个第一薄膜分光斜面处反射，形成多束平行的第一反射光束（111，112，113，114，115）；第二衍射光栅（006）用于将平行光束（100）中的第二色光束（201）分离；第二色光束（201）在多个第二薄膜分光斜面（021，022，023，024，025）处反射，形成多束平行的第二反射光束（211，212，213，214，215）；多束第一反射光束（111，112，113，114，115）和多束第二反射光束（211，212，213，214，215）的入射位置均为人眼眼瞳位置。该近眼显示装置，可以实现小像差成像，提高成像质量，且能使光学设计简单化。

Description

说明书 发明名称： 一种近眼显示装置 技术领域
[0001] 本发明涉及光学设计领域， 特别是涉及一种近眼显示装置。
背景技术
[0002] 增强现实（AugmentedReality， 简称 AR）， 它是一种将真实世界信息和虚拟世界 信息“无缝”集成的新技术， 真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面 或空间同时存在。 头戴显示器（Head-mounted displays， 简称 HMD）被广泛应用于 虚拟现实系统中， 用以增强用户的视觉沉浸感。
[0003] 用于增强现实的头戴显示器可以让人们在查看周围环境的同时， 将虚拟的图像 投射到人眼， 在军事， 工业， 娱乐， 医疗， 交通运输等领域有着重要的意义。 投影的虚拟图像可以叠加在用户感知的真实世界上。 用于增强现实的透射型头 戴显示器， 5见有技术中通常使用一片波导片进行光传输， 但由于波导片基材对 三色光的折射率略有不同且三原色光传输间容易发生串扰， 造成严重的色散和 鬼像等问题难以消除， 因此增加了光学设计的困难性。
发明概述
技术问题
[0004] 本发明的目的是提供一种近眼显示装置， 以解决透射型头戴显示器的色散和鬼 像的问题， 提高头戴显示器的成像质量。
问题的解决方案
技术解决方案
[0005] 一种近眼显示装置， 所述近眼显示装置包括依次固定的微显示屏、 目镜组、 第 一偏振片、 第一衍射光栅、 第一波导层、 第二偏振片、 第二衍射光栅和第二波 导层；
[0006] 所述微显示屏用于显示图像， 所述微显示屏的显示图像出射的光线经过所述目 镜组后， 被准直为平行光束； 所述平行光束依次通过第一偏振片、 第一衍射光 栅、 第一波导层、 第二偏振片和第二衍射光栅， 到达第二波导层； [0007] 所述第一衍射光栅用于将所述平行光束中的第一色光束分离至所述第一波导层 的耦合入口； 所述第一波导层包括多个第一薄膜分光斜面； 所述第一色光束通 过所述第一波导层的耦合入口进入所述第一波导层， 并遵从折反射定律在所述 第一波导层中传输， 所述第一色光束在多个所述第一薄膜分光斜面处反射， 形 成多束平行的第一反射光束；
[0008] 所述第二衍射光栅用于将所述平行光束中的第二色光束分离至所述第二波导层 的耦合入口； 所述第二波导层包括多个第二薄膜分光斜面； 所述第二色光束通 过所述第二波导层的耦合入口进入所述第二波导层， 并遵从折反射定律在所述 第二波导层中传输， 所述第二色光束在多个所述第二薄膜分光斜面处反射， 形 成多束平行的第二反射光束； 多束所述第一反射光束和多束所述第二反射光束 的入射位置均为人眼眼瞳位置。
[0009] 可选的， 所述微显示屏为有机发光二极管或硅基液晶或具有发光功能的微显示 心斤。
[0010] 可选的， 所述目镜组由单片或多片透镜组成； 所述透镜的材质为光学玻璃或光 学塑料。
[0011] 可选的， 所述第一波导层具体包括第一梯形棱镜、 多个第一平行四角棱镜和第 二梯形棱镜； 多个所述第一平行四角棱镜通过斜面依次胶合， 形成第二平行四 角棱镜； 所述第一梯形棱镜的斜面与所述第二平行四角棱镜的第一斜面胶合， 所述第二梯形棱镜的斜面与所述第二平行四角棱镜的第二斜面胶合， 形成所述 第一波导层； 所述第一梯形棱镜的顶面与所述第二平行四角棱镜的顶面和所述 第二梯形的顶面形成所述第一波导层的顶面； 所述第一梯形棱镜的底面与所述 第二平行四角棱镜的底面和所述第二梯形的底面形成所述第一波导层的基面； 所述第一波导层的所有胶合面上镀有介质基层形成多个第一薄膜分光斜面， 所 述胶合面包括第一梯形棱镜与所述第二平行四角棱镜的胶合面、 多个所述第一 平行四角棱镜之间的胶合面和所述第二梯形棱镜与所述第二平行四角棱镜的胶 合面。
[0012] 可选的， 多个所述第一薄膜分光斜面的反射率按照所述第一光导层内光束传输 方向依次递增， 且多个所述第一薄膜分光斜面的反射率的范围为 1〜 50%。 [0013] 可选的， 所述第二波导层具体包括第三梯形棱镜、 多个第三平行四角棱镜和第 四梯形棱镜； 多个所述第三平行四角棱镜通过斜面依次胶合， 形成第四平行四 角棱镜； 所述第三梯形棱镜的斜面与所述第四平行四角棱镜的第一斜面胶合， 所述第四梯形棱镜的斜面与所述第四平行四角棱镜的第二斜面胶合， 形成所述 第二波导层； 所述第三梯形棱镜的顶面与所述第四平行四角棱镜的顶面和所述 第四梯形的顶面形成所述第二波导层的顶面； 所述第三梯形棱镜的底面与所述 第四平行四角棱镜的底面和所述第四梯形的底面形成所述第二波导层的基面； 所述第二波导层的所有胶合面上镀有介质基层形成多个第二薄膜分光斜面， 所 述第二波导层的胶合面包括第三梯形棱镜与所述第四平行四角棱镜的胶合面、 多个所述第三平行四角棱镜之间的胶合面、 所述第四梯形棱镜与所述第四平行 四角棱镜的胶合面。
[0014] 可选的， 多个所述第二薄膜分光斜面的反射率按照所述第二波导层内光束传输 方向依次递增， 且多个所述第二薄膜分光斜面的反射率的范围为 1〜 50%。
[0015] 可选的， 所述第二平行四角棱镜的中心与所述第四平行四角棱镜的中心重合。
[0016] 可选的， 多个所述第一薄膜分光斜面之间的距离均为 1〜 8mm; 多个所述第二 薄膜分光斜面之间的距离也均为 1〜 8mm。
[0017] 可选的， 所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅均为倾斜光栅或镀膜衍射光栅
[0018] 根据本发明提供的具体实施例， 本发明公开了以下技术效果：
[0019] 本发明的基于衍射光栅的近眼显示光学装置是应用于增强现实领域中的一个重 要器件， 虚拟图像从微显示器发出， 经过目镜系统后经由偏振片分光再经由二 个或三个衍射光栅分色后耦合进入不同的波导层， 虚拟图像经分光分色后的光 线在个别波导器件的多个含分光薄膜的平行四角棱镜斜面反射后输出耦合， 虚 拟图像光线最终进入人眼， 可以解决目前技术方案中单片波导片无法解决的色 散鬼像等问题， 最终实现小像差成像且能使光学设计简单化的光栅波导近眼显 示光学装置。
发明的有益效果
对附图的简要说明 附图说明
[0020] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例中 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发 明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动性的前 提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021] 图 1为本发明近眼显示装置的结构示意图；
[0022] 图 2为本发明第一衍射光栅实施例 1的结构示意图；
[0023] 图 3为本发明第一衍射光栅实施例 2的结构示意图。
实施该发明的最佳实施例
本发明的最佳实施方式
[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明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发明一部分实施例， 而不是全部 的实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳 动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
[0025] 为使本发明的上述目的、 特征和优点能够更加明显易懂， 下面结合附图和具体 实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0026] 图 1为本发明近眼显示装置的结构示意图。 如图 1所示， 所述近眼显示装置包括 依次固定的微显示屏 001、 目镜组 002、 第一偏振片 003、 第一衍射光栅 004、 第 一波导层 010、 第二偏振片 005、 第二衍射光栅 006和第二波导层 020。
[0027] 微显示屏 001作为图像源用于显示图像， 即属于成像光学系统里的物面， 由物 面任意一视场点出射的光线经过所述目镜组 002后， 被准直为平行光束； 所述平 行光束继续向前传播， 进入第一偏振片 003分光后， 再进入第一衍射光栅（红光）0 04, 经第一衍射光栅分出红光至所述第一波导层 010的耦合入口后耦合进入第一 波导层 010， 剩下入射光继续经由第二偏振片 005和第二衍射光栅（蓝绿光）006分 出蓝绿光至第二波导层 020的耦合入口后耦合进入第二波导层 020。 第一波导层 0 10包括多个第一薄膜分光斜面， 红光光束在多个第一薄膜分光斜面处反射， 形 成多束平行的第一反射光束； 第二波导层 020包括多个第二薄膜分光斜面， 蓝绿 光光束在多个第二薄膜分光斜面处反射， 形成多束平行的第二反射光束。 多束 第一反射光束和多束第二反射光束的入射位置均为人眼眼瞳位置。 在第一波导 层 010和第二波导层 020内， 光线遵从折反射定律， 在波导层基底内部进行传输 ， 光束等效尺寸增大， 然后从波导层的薄膜分光斜面反射， 最终， 进入人眼眼 瞳， 聚焦在视网膜上成微显示屏 001的虚拟像， 也即完成了虚拟现实。
[0028] 微显示屏 001作为光学系统的物图像， 一般地， 它可以是有机发光二极管 (Orga nicLight-Emitting Diode , OLED) , 微发光二极管 (Micro-Light- Emitting
Diode , Micro-LED) , 也可以是桂基液晶 (Liquid Crystal on Silicon, LCOS) , 还可 以是由其它材料构成的具有发光功能的微显示芯片。
[0029] 目镜组 002可由单片或多片透镜组成， 属于旋转对称光学系统， 透镜材质可用 光学玻璃或光学塑料， 光学玻璃有牌号如 K 9、 B K 7、 Z F 5 2等， 光学塑料有 聚碳酸醋 (Polycarbonate， PC)、 聚甲基丙稀酸甲醋 (polymethyl
methacrylate , PMMA)。 目镜组 002具有小像差， 小畸变的特点。 全视场范围畸 变可小于 1%。
[0030] 第一波导层 010由第一梯形棱镜、 多个第一平行四角棱镜和第二梯形棱镜依次 胶合而成； 多个所述第一平行四角棱镜通过斜面依次胶合， 形成第二平行四角 棱镜； 所述第一梯形棱镜的斜面与所述第二平行四角棱镜的第一斜面胶合， 所 述第二梯形棱镜的斜面与所述第二平行四角棱镜的第二斜面胶合， 形成所述第 一波导层； 所述第一梯形棱镜的顶面与所述第二平行四角棱镜的顶面和所述第 二梯形的顶面形成所述第一波导层的顶面； 所述第一梯形棱镜的底面与所述第 二平行四角棱镜的底面和所述第二梯形的底面形成所述第一波导层的基面； 所 述第一波导层的所有胶合面上镀有介质基层形成多个第一薄膜分光斜面， 所述 胶合面包括第一梯形棱镜与所述第二平行四角棱镜的胶合面、 多个所述第一平 行四角棱镜之间的胶合面和所述第二梯形棱镜与所述第二平行四角棱镜的胶合 面。
[0031] 第二波导层 020与第一波导层 010的结构构成相同， 所不同的是梯形棱镜的大小
、 梯形棱镜和平行四角棱镜的角度， 以及平行四角棱镜的个数。 图 1中示例的第 一波导层 010和第二波导层 020均由两个梯形棱镜和四个平行四角棱镜组成。 以 第二波导层 020为例， 对第一波导层 010和第二波导层 020的结构进行详细说明。 [0032] 第二波导层包括第三梯形棱镜（位于光线入射位置）、 多个第三平行四角棱镜（图 中以 4个平行四角棱镜为例， 位于中间位置）和第四梯形棱镜（位于光纤传输的末 端位置）。 多个第三平行四角棱镜的斜面完全相同， 且平行四角棱镜的锐角相等 ， 所有的第三平行四角棱镜通过斜面依次胶合， 形成大的第四平行四角棱镜， 第四平行四角棱镜包括第一斜面 021、 胶合面 022、 胶合面 023、 胶合面 024和第 二斜面 025。 所述第四平行四角棱镜的第一斜面与第三梯形棱镜的斜面胶合， 胶 合面为 021 ; 所述第四平行四角棱镜的第二斜面与所述第四梯形棱镜的斜面胶合 ， 胶合面为 025 ; 第三梯形棱镜、 多个第三平行四角棱镜、 第四梯形棱镜依次胶 合后形成第二波导层 020。 所述第三梯形棱镜的顶面与所述第四平行四角棱镜的 顶面和所述第四梯形的顶面形成所述第二波导层的顶面； 所述第三梯形棱镜的 底面与所述第四平行四角棱镜的底面和所述第四梯形的底面形成所述第二波导 层的基面； 所述第二波导层的所有胶合面上镀有介质基层形成多个第二薄膜分 光斜面， 所述第二波导层的胶合面包括第三梯形棱镜与所述第四平行四角棱镜 的胶合面 021、 胶合面 022、 胶合面 023、 胶合面 024、 所述第四梯形棱镜与所述 第四平行四角棱镜的胶合面 025。
[0033] 本发明的第一波导层 010和第二波导层 020也可由 2个或以上平行四角棱镜和 1个 或以上梯形棱镜胶合而成， 梯形棱镜位于光纤入射段， 多个平行四角棱镜位于 光线传输中段位置， 通过胶合面将光线反射。 每个平行四角棱镜的锐角角度相 等， 每个梯形棱镜与平行四角棱镜胶合的斜面的锐角角度相等。 一般地， 平行 四角棱镜的锐角角度范围可在 10。〜 80°， 梯形棱镜的锐角角度范围可在 10°〜 80° 。 当每个平行四角棱镜的其中一个锐角角度确定后， 其它平行四角棱镜的锐角 角度取值与它相等， 梯形棱镜的锐角也与平行四角棱镜锐角角度相等。 这样由 4 个平行四角棱镜和 2个梯形棱镜胶合而成的每个波导层构成一个长方体， 此时两 个波导层（第一波导层 010和第二波导层 020）具有两个相互平行的大平面。
[0034] 微显示屏 001输出的源图像光线通过目镜组 002后被准直， 准直后的光线为平行 光束， 为方便分析， 选择零视场的平行光束其中 1根， 命名为平行光线 100。 以 下以入射光线 100进行示意说明。
[0035] 平行光线 100向前传播， 进入第一偏振片 003分光后， 通过第一衍射光栅（红色）0 04分出红光 101至所述第一波导层 010的耦合入口后耦合进入第一波导层 010, 剩 下入射光继续经由第二偏振片 005和第二衍射光栅（蓝绿光）006分出蓝绿光 201至 第二波导层 020的耦合入口后耦合进入第二波导层 020。 根据折射定律 nl*sinl = n 2*sin0， nl指入射介质的折射率； n2指出射介质的折射率； I是入射角， 指入射 光与入射面法线的夹角； 0是出射角， 指出射光与入射面法线的夹角。 衍射光栅 工作原理为入射光经过衍射光栅后可由光栅的刻画深度和周期进行分离角度的 控制以达到分离光线的效果。 存在一定角度 A0的入射光入射进光栅周期为 d的光 栅， 则出射的衍射角度为
Figure imgf000009_0001
[0036] 平行光线 101和 201传播到第一波导层 010和第二波导层 020内， 入射角大于全反 射角即满足全反射定律， 平行光线 101在第一波导层 010内部进行全反射传播， 平行光线 201将在第二波导层 020内部进行全反射传播。 全反射角0 = arcsin（l/n2）
， 假如入射基底材质为 LaK3， 则 n2 = 1 .75， 0 = 34 .8°， 只要在基底内部 2个相互 平行的大平面上入射角大于 34 .8°， 则光线满足全反射定律。
[0037] 在第一波导层 010和第二波导层 020中， 基底材质为光学玻璃或光学塑料， 光学 玻璃有牌号如 K 9、 B K 7、 Z F 5 2等， 光学塑料有 P C（ P o 1 y c a r b o n a t e， 聚碳酸醋）、 P M M A（polymethylmethacrylate， 聚甲基丙稀酸甲醋）， 为方便举例 ， 可设置基底材质为光学玻璃 LaK3 , 则 0视场光线（即平行光线 100）在基底大平面 的入射角为 45 °， 大于 LaK3全反射角 34
.8°， 满足全反射原理， 平行光线 101（201）在第一波导层 010（第二波导层 020）基底 内进行全反射传播。 以全视场角对角线 40°为例， 则水平 X垂直角度 = 35 .2°*20 .2° , 则水平半角为 17 .6°。 只要 a-arcsin（sin（17 .6°）/n2）＞arcsin（sin（l/n2））， 则全视 场光线均满足全反射原理， 光线可在第一波导层 010（第二波导层 020）基底内部进 行有效传播， 其中 n2为第一波导层 010（第二波导层 020）基底折射率。
[0038] 第一衍射光栅 004和第二衍射光栅 006的材质可以是材质为光学玻璃或光学塑料 的抛光平面， 也可以是一种浮雕光栅， 浮雕光栅的种类可以是亚波长的闪耀光 栅， 或者倾斜光栅， 或者任意结构的非对称亚波长光栅， 或者沉积 Ti02的或镀 多层膜的对称光栅。 当为光学玻璃或光学塑料的抛光平面时， 光线传播规律按 照折射定律 nl*sinl = n2*sin0。 当为浮雕光栅时， 光线传播规律按照光栅方程 d*( nl*sinl+n2*sin0) = m*X, nl指入射介质的折射率， n2指出射介质的折射率， I是 入射角， 指入射光与入射面法线的夹角， 0是出射角， 指出射光与入射面法线的 夹角， d是指对应的光栅常数， m指衍射级次， X指对应光线波长。
[0039] 平行光线 101传播到第一个胶合面时， 会分裂出两根光线， 其中反射的是平行 光线 111， 按照反射定律进行反射传播， 另一根仍为平行光线 101， 只是携带的 能量衰减。 同理， 平行光线 101经过多个胶合面后会分别分裂出反射的平行光线 112、 平行光线 113、 平行光线 114和平行光线 115。
[0040] 多个胶合面上镀有不同反射率的介质膜层， 也可在斜面上刻蚀金属线栅， 最终 斜面反射率在 1〜 50%之间， 更优选地可选择使反射率在 10〜 30%之间。 多个第 一薄膜分光斜面的反射率按照所述第一光导层内光束传输方向依次递增， 多个 第二薄膜分光斜面的反射率也按照所述第二波导层内光束传输方向依次递增， 以实现反射光线的均匀分布。 相邻胶合面间距可设置在 1〜 8mm之间， 更优选地 可设置相邻斜面间隔在 3〜 5mm。
[0041] 同理， 平行光线 201传播到胶合面 021时， 会分裂出两根光线， 其中反射的是平 行光线 211， 按照反射定律进行反射传播， 另一根仍为平行光线 201， 只是携带 的能量衰减， 经过胶合面 022、 胶合面 023、 胶合面 024和胶合面 025会分别分裂 出反射的平行光线 212、 平行光线 213、 平行光线 214和平行光线 215。 胶合面 021 、 胶合面 022、 胶合面 023、 胶合面 024和胶合面 025上镀有不同反射率的介质膜 层， 也可在胶合面上刻蚀金属线栅， 最终胶合面反射率在 1〜 50%之间， 更优选 地可选择使反射率在 10〜 30%之间。 胶合面 021、 胶合面 022、 胶合面 023、 胶合 面 024和胶合面 025相邻两个斜面之间的间距可设置在 1〜 8mm之间， 更优选地可 设置相邻斜面间隔在 3〜 5mm。
[0042] 当两个波导层的结构不同时， 需要满足第二平行四角棱镜的中心与所述第四平 行四角棱镜的中心重合， 以实现反射光线的重合； 当两个波导层的结构完全相 同时， 两个波导层内的胶合面均匀错开 AL的距离， 如图所示， 上下对应的两个 胶合面错开距离为 AL， AL可设置在 0 .01至 1mm之间， 满足大视场角的扩展。 [0043] 最终， 出射平行光线 111、 出射平行光线 112、 出射平行光线 113、 出射平行光 线 114、 出射平行光线 115、 出射平行光线 211、 出射平行光线 212、 出射平行光 线 213、 出射平行光线 214、 出射平行光线 215， 进入人眼瞳孔， 成虚拟像。
[0044] 同理， 也可使用第一衍射光栅（蓝光）004和第二衍射光栅（红绿光）006进行上述 分色， 或者使用第一衍射光栅（绿光）004和第二衍射光栅（红蓝光）006进行分色， 更可使用三个衍射光栅（红 /蓝 /绿）和三个波导层进行分色和光传输， 实现小像差 成像。
[0045] 图 2为本发明第一衍射光栅实施例 1的结构示意图， 图 3为本发明第一衍射光栅 实施例 2的结构示意图。 如图 2和图 3所示， 图 2为常规衍射光栅， 图 3为倾斜光栅 ， 也可以是镀膜衍射光栅， 图中表示具有两个波长的入射光 10和 11由下方入射 进入衍射光栅， 其入射方向的最大角度与光栅法线分别为 01和 02。 衍射光栅的 占空比设置为 w/d， 其中 w为台阶宽度， d为光栅周期， 台阶高度为 h， 倾斜光栅 夹角 03。 经衍射光栅分色后， 发射出射光 21和 22。 在光栅设计时必需保证在一 定的入射角度范围内衍射效率是均匀的， 可以设置入射角范围在 -10°〜 +10°之间
[0046] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述， 每个实施例重点说明的都是与其 他实施例的不同之处， 各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0047] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述， 以上实施例的 说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想； 同时， 对于本领域的一般 技术人员， 依据本发明的思想， 在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处 。 综上所述， 本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

权利要求书
[权利要求 1] 一种近眼显示装置， 其特征在于， 所述近眼显示装置包括依次固定的 微显示屏、 目镜组、 第一偏振片、 第一衍射光栅、 第一波导层、 第二 偏振片、 第二衍射光栅和第二波导层；
所述微显示屏用于显示图像， 所述微显示屏的显示图像出射的光线经 过所述目镜组后， 被准直为平行光束； 所述平行光束依次通过第一偏 振片、 第一衍射光栅、 第一波导层、 第二偏振片和第二衍射光栅， 到 达第二波导层；
所述第一衍射光栅用于将所述平行光束中的第一色光束分离至所述第 一波导层的耦合入口； 所述第一波导层包括多个第一薄膜分光斜面； 所述第一色光束通过所述第一波导层的耦合入口进入所述第一波导层 ， 并遵从折反射定律在所述第一波导层中传输， 所述第一色光束在多 个所述第一薄膜分光斜面处反射， 形成多束平行的第一反射光束； 所述第二衍射光栅用于将所述平行光束中的第二色光束分离至所述第 二波导层的耦合入口； 所述第二波导层包括多个第二薄膜分光斜面； 所述第二色光束通过所述第二波导层的耦合入口进入所述第二波导层 ， 并遵从折反射定律在所述第二波导层中传输， 所述第二色光束在多 个所述第二薄膜分光斜面处反射， 形成多束平行的第二反射光束； 多 束所述第一反射光束和多束所述第二反射光束的入射位置均为人眼眼 瞳位置。
[权利要求 2] 根据权利要求 1所述的近眼显示装置， 其特征在于， 所述微显示屏为 有机发光二极管或硅基液晶或具有发光功能的微显示芯片。
[权利要求 3] 根据权利要求 1所述的近眼显示装置， 其特征在于， 所述目镜组由单 片或多片透镜组成； 所述透镜的材质为光学玻璃或光学塑料。
[权利要求 4] 根据权利要求 1所述的近眼显示装置， 其特征在于， 所述第一波导层 具体包括第一梯形棱镜、 多个第一平行四角棱镜和第二梯形棱镜； 多 个所述第一平行四角棱镜通过斜面依次胶合， 形成第二平行四角棱镜 ; 所述第一梯形棱镜的斜面与所述第二平行四角棱镜的第一斜面胶合 ， 所述第二梯形棱镜的斜面与所述第二平行四角棱镜的第二斜面胶合 ， 形成所述第一波导层； 所述第一梯形棱镜的顶面与所述第二平行四 角棱镜的顶面和所述第二梯形的顶面形成所述第一波导层的顶面； 所 述第一梯形棱镜的底面与所述第二平行四角棱镜的底面和所述第二梯 形的底面形成所述第一波导层的基面； 所述第一波导层的所有胶合面 上镀有介质基层形成多个第一薄膜分光斜面， 所述胶合面包括第一梯 形棱镜与所述第二平行四角棱镜的胶合面、 多个所述第一平行四角棱 镜之间的胶合面和所述第二梯形棱镜与所述第二平行四角棱镜的胶合 面。
[权利要求 5] 根据权利要求 4所述的近眼显示装置， 其特征在于， 多个所述第一薄 膜分光斜面的反射率按照所述第一光导层内光束传输方向依次递增， 且多个所述第一薄膜分光斜面的反射率的范围为 1〜 50%。
[权利要求 6] 根据权利要求 4所述的近眼显示装置， 其特征在于， 所述第二波导层 具体包括第三梯形棱镜、 多个第三平行四角棱镜和第四梯形棱镜； 多 个所述第三平行四角棱镜通过斜面依次胶合， 形成第四平行四角棱镜 ; 所述第三梯形棱镜的斜面与所述第四平行四角棱镜的第一斜面胶合 ， 所述第四梯形棱镜的斜面与所述第四平行四角棱镜的第二斜面胶合 ， 形成所述第二波导层； 所述第三梯形棱镜的顶面与所述第四平行四 角棱镜的顶面和所述第四梯形的顶面形成所述第二波导层的顶面； 所 述第三梯形棱镜的底面与所述第四平行四角棱镜的底面和所述第四梯 形的底面形成所述第二波导层的基面； 所述第二波导层的所有胶合面 上镀有介质基层形成多个第二薄膜分光斜面， 所述第二波导层的胶合 面包括第三梯形棱镜与所述第四平行四角棱镜的胶合面、 多个所述第 三平行四角棱镜之间的胶合面、 所述第四梯形棱镜与所述第四平行四 角棱镜的胶合面。
[权利要求 7] 根据权利要求 5所述的近眼显示装置， 其特征在于， 多个所述第二薄 膜分光斜面的反射率按照所述第二波导层内光束传输方向依次递增， 且多个所述第二薄膜分光斜面的反射率的范围为 1〜 50%。
[权利要求 8] 根据权利要求 6所述的近眼显示装置， 其特征在于， 所述第二平行四 角棱镜的中心与所述第四平行四角棱镜的中心重合。
[权利要求 9] 根据权利要求 1所述的近眼显示装置， 其特征在于， 多个所述第一薄 膜分光斜面之间的距离均为 1〜 8mm; 多个所述第二薄膜分光斜面之 间的距离也均为 1〜 8mm。
[权利要求 10] 根据权利要求 1所述的近眼显示装置， 其特征在于， 所述第一衍射光 栅和所述第二衍射光栅均为倾斜光栅或镀膜衍射光栅。
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