CN107238928A - 一种阵列波导 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种双层阵列波导结构，包含层叠设置的第一波导结构和第二波导结构。第一波导结构包含第一初步扩展结构和第一主体扩展结构，第一初步扩展结构将光束进行第二方向扩展，第一主体扩展结构将经第一初步扩展结构后的光束进行第一方向扩展并使光束经第二波导结构射出双层阵列波导结构外；第二波导结构包含第二初步扩展结构和第二主体扩展结构，第二初步扩展结构将光束进行第一方向扩展，第二主体扩展结构将经第二初步扩展结构后的光束进行第二方向扩展并使光束射出双层阵列波导结构外；第一方向和第二方向之间的夹角大于0度且小于180度。本发明提供的双层阵列波导可在两个方向出瞳扩展，确保人眼体验增强现实眼镜时有较大的移动空间。

Description

一种阵列波导
技术领域
本发明涉及增强现实领域，尤其涉及一种阵列波导。
背景技术
在现有几何光波导的增强现实(AR)眼镜中，通常只有在一个方向进行反射镜叠层，也就只能在一个方向上，一般是水平方向上有出瞳扩展，能够实现接近40°的视场角(FOV),但是在竖直方向基本上没有扩展，其视场角的大小完全依赖于投影镜头的大小，这样其实对投影镜头的设计也提出了更高的要求，使其必须具备两个不同的出瞳位置，才能保证人眼接收到的图像为正常图像。
发明内容
本发明提供一种双层阵列波导结构，可以实现两个方向的同时出瞳扩展,进而改善光波导结构的AR显示眼镜的体验。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种阵列波导，包含层叠设置的第一波导结构和第二波导结构；所述第一波导结构包含第一初步扩展结构和第一主体扩展结构，所述第一初步扩展结构用于将入射到所述第一初步扩展结构的光束进行第二方向的扩展并从所述第一初步扩展结构面向所述第一主体扩展结构的一侧表面射出，所述第一主体扩展结构用于将从所述第一初步扩展结构射出的光束进行第一方向扩展并从所述第一主体扩展结构面向所述第二波导结构的一侧表面射出；所述第二波导结构包含第二初步扩展结构和第二主体扩展结构，所述第二初步扩展结构用于将入射到所述第二初步扩展结构的光束进行第一方向的扩展并从所述第二初步扩展结构面向所述第二主体扩展结构的一侧表面射出，所述第二主体扩展结构用于将从所述第二初步扩展结构射出的光束进行第二方向扩展并从所述第二主体扩展结构背向所述第一波导结构的一侧表面射出；所述第一方向和第二方向之间的夹角大于0度且小于180度。
可选的，所述第一方向和所述第二方向之间的夹角为90度。
可选的，所述第一初步扩展结构包含第一光机区域，所述第一光机区域设置有第一光学膜层，所述第一初步扩展结构中除第一光机区域之外的区域设置有多个第二光学膜层，所述第一主体扩展结构包含多个第三光学膜层；
所述第二初步扩展结构包含第二光机区域，所述第二光机区域设置有第四光学膜层，所述第二初步扩展结构中除第一光机区域之外的区域设置有多个第五光学膜层，所述第二主体扩展结构包含多个第六光学膜层；
所述第一光学膜层，用于接收入射到第一光机区域的光，将部分光透射到所述第二光机区域，另一部分光反射至所述第二光学膜层；所述多个第二光学膜层用于接收从所述第一光学膜层反射的光，并将光反射到所述第一主体扩展结构；所述多个第三光学膜层用于接收从所述多个第二光学膜层反射的光，并将光反射到所述第二波导结构，且从第二波导结构透射；所述第四光学膜层，用于接收从所述第一光机区域透射的光，并将光反射到所述第五光学膜层；所述第五光学膜层用于接收从所述第四光学膜层反射的光，并将光反射到所述第六光学膜层；所述第六光学膜层，用于接收从第五光学膜层反射的光，并将光从第二主体扩展结构背向第一波导结构的一侧反射出去。
可选的，所述第一光学膜层与第一平面的夹角约为45°且与第二平面的夹角约为45°；所述第二光学膜层与第二平面的夹角约为45°且与第三平面的夹角约为45°；所述第三光学膜层与第一平面的夹角约为45°且与第三平面的夹角约为45°；所述第四光学膜层与第一平面的夹角约为45°且与第三平面的夹角约为45°；所述第五光学膜层与第二平面的夹角约为45°且与第三平面的夹角约为45°；所述第六光学膜层与第一平面的夹角约为45°且与第二平面的夹角约为45°；所述第一平面为所述第一方向与第二方向所在的平面；所述第二平面为所述第一方向与第三方向所在的平面，所述第三平面为所述第二方向与第三方向所在平面。所述第三方向分别垂直于所述第一方向和所述第二方向。
可选的，所述第一光学膜层的透射反射比为1：1，所述第四光学膜层的透射反射比为零。
可选的，所述多个第二光学膜层对第一偏振光的透射反射比沿第二方向依次递减。
可选的，所述沿第二方向排布的最后一个第二光学膜层对第一偏振光的透射反射比为零。
可选的，所述多个第五光学膜层对第二偏振光的透射反射比沿第一方向依次递减，且完全透射第一偏振光；所述第二偏振光与第一偏振光偏振方向互相垂直。
可选的，所述沿第一方向排布的最后一个第五光学膜层对第二偏振光的透射反射比为零。
可选的，在第一光机区域和第二光机区域之间设置有第七光学膜层，用于改变透过第七光学膜层的光的偏振状态。
可选的，所述第七光学膜层为半波片。
进一步的，本发明提供一种显示装置，包含光机以及上述任意一种阵列波导结构；所述光机用于投射光线到所述第一波导结构的第一光机区域。
进一步的，本发明提供一种智能眼镜***，包含镜片，所述镜片包含上述任意一种阵列波导结构。
附图说明
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，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种阵列波导的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种阵列波导的第一波导结构的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种阵列波导的第二波导结构的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种阵列波导的光路示意图。
具体实施方式
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。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本领域技术人员所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。
本发明所述第一方向对应实施例中的X方向，第二方向对应实施例中的Y方向，第三方向对应实施例中的Z方向。
本发明所述第一平面对应实施例中的XY平面，即X方向与Y方向共同所在的平面；第二平面对应实施例中的XZ平面，即X方向与Z方向共同所在的平面；第三平面对应实施例中的YZ平面，即Y方向与Z方向共同所在的平面。
本发明中所提及的透射反射比，是指当光线射入光学膜层时，透射光的强度与反射光的强度的比值。
本发明所述第一偏振光和第二偏振光可为任何形式的偏振方向互相垂直的线偏振光，实施例中以P光和S光为例：当第一偏振光为S光时，第二偏振光为P光；当第一偏振光为P光时，第二偏振光为S光。
本发明中对P光与S光的解释如下：当光线以非垂直角度穿透光学元件(如分光镜)的表面时，反射和透射特性均依赖于偏振现象。这种情况下，使用的坐标系是用含有输入和反射光束的那个平面定义的。如果光线的偏振矢量在这个平面内，则称为P偏振光，简称为P光，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为S偏振光，简称为S光。任何一种输入偏振状态都可以表示为S和P分量的矢量和。
在本发明中，采用的具体实施例如下：
一种波导结构，参考图1-图3所示，包括：层叠设置的第一波导结构100和第二波导结构200；所述第一波导结构100包含第一初步扩展结构110和第一主体扩展结构120，所述第一初步扩展结构110用于将入射到第一初步扩展结构的光束进行Y方向的扩展并从所述第一初步扩展结构110面向所述第一主体扩展结构120的一侧表面射出，所述第一主体扩展结构120用于将从第一初步扩展结构110射出的光束进行X方向扩展并从所述第一主体扩展结构120面向所述第二波导结构200的一侧表面射出；所述第二波导结构200包含第二初步扩展结构210和第二主体扩展结构220，所述第二初步扩展结构210用于将光束入射到第二初步扩展结构的进行X方向的扩展并从所述第二初步扩展结构210面向所述第二主体扩展结构220的一侧表面射出，所述第二主体扩展结构220用于将光束从第二初步扩展结构射出的进行Y方向扩展并从所述第二主体扩展结构220背向所述第一波导结构100的一侧表面射出。
所述X方向和所述Y方向之间的夹角大于0度且小于180度。本实施例中X方向和所述Y方向之间的夹角为90度。
参考图2所示，第一初步扩展结构110包含第一光机区域130，第一光机区域130设置有第一光学膜层111。第一光学膜层111与XY平面的夹角约为45°，且与XZ平面的夹角约为45°。第一光学膜层111用于将光机发射出的光线反射50％到第一初步扩展结构110中，同时透射50％到第二波导结构200中的第二光机区域230中。第一初步拓展结构110包含多个等距排列的第二光学膜层112。第二光学膜层112用于将第一光学膜层111反射的光依次反射到第一主体扩展结构120。第二光学膜层112垂直于XY平面，与YZ平面夹角约为45°且与XZ轴屏幕夹角约为45°。为了保证第一初步扩展结构射出的光线均匀性，可使多个第二光学膜层112沿Y方向的透射反射比依次递减，最后一个第二光学膜层的透射反射比例为0。
第一主体扩展结构120包含多个等距排列的第三光学膜层121。第三光学膜层121用于将从第二光学膜层112反射来的光进行再次反射。最终反射的光穿过第二波导结构200射出。多个第三光学膜层121分别垂直与XZ平面，且与XY平面和YZ平面夹角分别约为45°。为了保证第一主体扩展结构120射出的光线均匀性，可使多个第三光学膜层121沿X方向的透射反射比例依次递减，最后一个第三光学膜层的透射反射比为0。
参考图3所示，第二初步扩展结构210包含第二光机区域230，第二光机区域230设置有第四光学膜层211。所述第四光学膜层211与XY平面的夹角约为45°且与YZ平面的夹角约为45°。第四光学膜层211用于将第一光机区域130透射出的光线全部反射到第二初步扩展结构210中，即透射反射比为零。第二初步扩展结构210包含多个等距排列的第五光学膜层212，用于将从第四光学膜层211反射的光线依次反射入第二主体扩展结构220。多个第五光学膜层212分别垂直于XY平面，与XZ平面夹角约为45°且与YZ平面夹角约为45°。为了保证第二初步扩展结构射出的光线均匀性，可使第五光学膜层212沿X轴的透射反射比依次递减，最后一个第五光学膜层的透射反射比为0。
第二主体扩展结构220包含多个等距排列的第六光学膜层221，用于将从第二初步扩展结构210反射来的光进行再次反射。多个第六光学膜层221分别垂直与YZ平面，与XY平面夹角约为45°且与XZ平面夹角约为45°。为了保证第二主体扩展结构射出的光线均匀性，可使第六光学膜层221沿Y方向的透射反射比依次递减，最后一个第六光学膜层的透射反射比为0。
参考图4所示，在第一光机区域130和第二光机区域230之间设置有半波片300，用于改变透过半波片300的光线的偏振状态。光机发射的光为S光，射入第一光机区域130，经过第一光学膜层111，透射50％的S光，射入半波片300，半波片300将S光转换为P光，射入第二光机区域230，第二波导结构200中的第四光学膜层、第无光学膜层以及第六光学膜层，具有透射S光，部分反射P光的性质，因此第二波导结构200全部透射第一波导结构100射出的S光，对第一波导结构100的光机区域130之外的出射光无影响。
需要说明的是，光机发射的光可为P光，此时，第一光学膜层、第二光学膜层以及第三光学膜层具有部分反射P光的性质，第四光学膜层、第五光学膜层以及第六光学膜层具有透射P光，部分反射S光的性质。此时，半波片将P光转换为S光。这样也能够实现本发明的技术效果。
本发明的另一实施例提供一种显示装置，包含光机(图中未示出)，设置于第一光机区域130的上方，投射光线进入第一光机区域；同时包含上述任意阵列波导。所述显示装置可以为微型显示装置如LCOS(Liquid Crystal on Silicon)反射式投影显示等任何具有显示功能的产品或者部件。
本发明的第三个实施例提供一种智能眼镜***，包含镜片，所述镜片包含上述任意阵列波导。所述镜片可增大智能眼镜***的视场角，提供更为舒适的增强现实体验。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种阵列波导，其特征在于，
包含层叠设置的第一波导结构和第二波导结构；
所述第一波导结构包含第一初步扩展结构和第一主体扩展结构，所述第一初步扩展结构用于将入射到所述第一初步扩展结构的光束进行第二方向的扩展并从所述第一初步扩展结构面向所述第一主体扩展结构的一侧表面射出，所述第一主体扩展结构用于将从所述第一初步扩展结构射出的光束进行第一方向扩展并从所述第一主体扩展结构面向所述第二波导结构的一侧表面射出；所述第二波导结构包含第二初步扩展结构和第二主体扩展结构，所述第二初步扩展结构用于将入射到所述第二初步扩展结构的光束进行第一方向的扩展并从所述第二初步扩展结构面向所述第二主体扩展结构的一侧表面射出，所述第二主体扩展结构用于将从所述第二初步扩展结构射出的光束进行第二方向扩展并从所述第二主体扩展结构背向所述第一波导结构的一侧表面射出；所述第一方向和第二方向之间的夹角大于0度且小于180度。
2.根据权利要求1所述的阵列波导，其特征在于，所述第一方向和所述第二方向之间的夹角为90度。
3.根据权利要求1所述的阵列波导，其特征在于，
所述第一初步扩展结构包含第一光机区域，所述第一光机区域设置有第一光学膜层，所述第一初步扩展结构中除第一光机区域之外的区域设置有多个第二光学膜层，所述第一主体扩展结构包含多个第三光学膜层；
所述第二初步扩展结构包含第二光机区域，所述第二光机区域设置有第四光学膜层，所述第二初步扩展结构中除第一光机区域之外的区域设置有多个第五光学膜层，所述第二主体扩展结构包含多个第六光学膜层；
所述第一光学膜层，用于接收入射到第一光机区域的光，将部分光透射到所述第二光机区域，另一部分光反射至所述第二光学膜层；所述多个第二光学膜层用于接收从所述第一光学膜层反射的光，并将光反射到所述第一主体扩展结构；所述多个第三光学膜层用于接收从所述多个第二光学膜层反射的光，并将光反射到所述第二波导结构，且从第二波导结构透射；所述第四光学膜层，用于接收从所述第一光机区域透射的光，并将光反射到所述第五光学膜层；所述第五光学膜层用于接收从所述第四光学膜层反射的光，并将光反射到所述第六光学膜层；所述第六光学膜层，用于接收从第五光学膜层反射的光，并将光从第二主体扩展结构背向第一波导结构的一侧反射出去。
4.根据权利要求3所述的阵列波导，其特征在于，所述第一光学膜层与第一平面的夹角约为45°且与第二平面的夹角约为45°；所述第二光学膜层与第二平面的夹角约为45°且与第三平面的夹角约为45°；所述第三光学膜层与第一平面的夹角约为45°且与第三平面的夹角约为45°；所述第四光学膜层与第一平面的夹角约为45°且与第三平面的夹角约为45°；所述第五光学膜层与第二平面的夹角约为45°且与第三平面的夹角约为45°；所述第六光学膜层与第一平面的夹角约为45°且与第二平面的夹角约为45°；所述第一平面为所述第一方向与第二方向所在的平面；所述第二平面为所述第一方向与第三方向所在的平面，所述第三平面为所述第二方向与第三方向所在平面；所述第三方向分别垂直于所述第一方向和所述第二方向。
5.根据权利要求3所述的阵列波导，其特征在于，所述第一光学膜层的透射反射比为1：1，所述第四光学膜层的透射反射比为零。
6.根据权利要求3所述的阵列波导，其特征在于，所述多个第二光学膜层对第一偏振光的透射反射比沿第二方向依次递减。
7.根据权利要求6所述的阵列波导，其特征在于，所述沿第二方向排布的最后一个第二光学膜层对第一偏振光的透射反射比为零。
8.根据权利要求6所述的阵列波导，其特征在于，所述多个第五光学膜层对第二偏振光的透射反射比沿第一方向依次递减，且完全透射第一偏振光；所述第二偏振光与第一偏振光偏振方向互相垂直。
9.根据权利要求8所述的阵列波导，其特征在于，所述沿第一方向排布的最后一个第五光学膜层对第二偏振光的透射反射比为零。
10.根据权利要求3所述的阵列波导，其特征在于，在第一光机区域和第二光机区域之间设置有第七光学膜层，用于改变透过第七光学膜层的光的偏振状态。
11.根据权利要求10所述的阵列波导，其特征在于，所述第七光学膜层为半波片。
12.一种显示装置，其特征在于，包含光机以及权利要求1-11任一所述的阵列波导结构；所述光机用于投射光线到所述第一波导结构的第一光机区域。
13.一种智能眼镜***，其特征在于，包含镜片，所述镜片包含权利要求1-11任一所述的阵列波导结构。
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