CN107422474A - 一种光束扩展结构及光学显示模组 - Google Patents

一种光束扩展结构及光学显示模组 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光束扩展结构及光学显示模组，包括：多个按序设置且层叠排列的透明基板，各透明基板分别包括具有反射功能的第一区域和具有反射透射功能的第二区域；通过在前设置的各透明基板的第一区域将入射光束反射至在后设置的各透明基板的第二区域；并通过在后设置的各透明基板的第二区域与在前设置的各透明基板的第二区域相互配合实现对入射光束的扩展，且在实际应用时，可采用MEMS微镜出射的扫描光束作为入射光束，从而有利于实现MEMS微镜与层叠阵列波导结构的结合，进而实现光学显示模组的轻薄化和紧凑化。

Description

一种光束扩展结构及光学显示模组
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种光束扩展结构及光学显示模组。
背景技术
以Lumus为代表的光学显示模组公司开发了基于层叠阵列波导结构的增强现实光学***，其在一维方向上使用层叠阵列波导结构扩展出瞳，在另一维方向上采用口径较大的目镜实现从二维像素化图像源的点光源图像向准平行光束的转化，以保证合理的出瞳尺寸。然而，目镜和图像源的体积使得光学显示模组的轻薄化受到极大的限制。
微机电***MEMS器件(例如MEMS微镜)是一种新型的光束控制器件，可实现光束绕一个定点偏转角度，具有结构紧凑的特点，是一种十分具有应用前景的显示器件。并且，MEMS微镜出射的扫描光束近似为平行光，接近层叠阵列波导结构的要求，将其与层叠阵列波导结构结合，有利于实现光学显示模组的轻薄化。但是MEMS微镜出射的扫描光束偏窄，直接应用于层叠阵列波导结构中存在不利于观察的问题。因此，如何扩展MEMS微镜出射的扫描光束的宽度，以便于与层叠阵列波导结构结合，实现光学显示模组的轻薄化、紧凑化，是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种光束扩展结构及光学显示模组，可扩展MEMS微镜出射的扫描光束的宽度，以便于在将MEMS微镜与层叠阵列波导结构结合时，实现光学显示模组的轻薄化和紧凑化。
因此，本发明实施例提供的一种光束扩展结构，包括：多个按序设置且层叠排列的透明基板，各所述透明基板分别包括具有反射功能的第一区域，以及具有反射透射功能的第二区域；
在前设置的各所述透明基板的第一区域，用于将入射光束反射至在后设置的各所述透明基板的第二区域；
在后设置的各所述透明基板的第二区域，用于将接收到的部分所述入射光束透射至观测基点所在区域，同时将接收到的其余部分所述入射光束反射至在前设置的各所述透明基板的第二区域；
在前设置的各所述透明基板的第二区域，用于将接收到的经在后设置的各所述透明基板的第二区域反射的所述入射光束部分反射至在后设置的各所述透明基板的第二区域。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，所述入射光束的每一部分分别在对应的所述透明基板的第一区域实现反射。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，按序设置的第一个所述透明基板的第一区域在与相邻所述透明基板之间交界线上的投影为第一线段；
所述第一线段的两个端点分别为所述入射光束的产生源的中心和所述观测基点连线的平行线与第一个所述透明基板的第一区域对应的所述入射光束的起止边界光线的交点。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，按序设置的第K个所述透明基板的第一区域在与相邻所述透明基板之间交界线上的投影为第K线段，其中，K为大于或等于2的整数；
所述第K线段的第一端点为前一所述透明基板的第一区域对应所述入射光束起始边界光线的反射光线与第K个所述透明基板的第一区域对应的所述入射光束的终止边界光线的交点，所述第K线段的第二端点为过所述第一端点且与所述第一线段平行的直线与第K个所述透明基板的第一区域对应的所述入射光束的起始边界光线的交点。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，每个所述透明基板的第二区域在与相邻所述透明基板之间交界线上的投影长度至少为第一区域在与相邻所述透明基板之间交界线上投影长度的四倍。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，各所述透明基板面向各所述入射光束一侧的表面上具有第一区域和第二区域；
第K个所述透明基板的厚度等于所述第K线段的第一端点与前一所述透明基板的第一区域之间的距离。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，各所述透明基板的第一区域具有反射功能膜。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，相邻两个所述反射功能膜之间的距离与位于相邻两个所述反射功能膜之间的所述透明基板的厚度相等。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，各所述透明基板的第二区域具有反射透射功能膜。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，相邻两个所述反射透射功能膜之间的距离与位于相邻两个所述反射透射功能膜之间的所述透明基板的厚度相等。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，每个所述透明基板的第一区域和第二区域相互接触。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，所述透明基板为玻璃基板。
本发明实施例还提供了一种光学显示模组，包括上述光束扩展结构，激光光源，微机电***MEMS微镜，以及层叠阵列波导结构；其中，
所述MEMS微镜，用于将所述激光光源发出的光线转化为具有图像信息的扫描光束，并将所述扫描光束出射至所述光束扩展结构；
所述光束扩展结构，用于在第一维方向上扩展接收到的所述扫描光束，并将扩展后的所述扫描光束汇聚至所述层叠阵列波导结构；
所述层叠阵列波导结构，用于将接收到的所述扫描光束在第二维方向上扩展出瞳。
在一种可能的实现方式中，在本发明实施例提供的上述光学显示模组中，还包括：位于所述MEMS微镜与所述光束扩展结构之间光路上的反射镜；
所述反射镜，用于将所述扫描光束反射至所述光束扩展结构。
本发明有益效果如下：
本发明实施例提供的光束扩展结构及光学显示模组，包括：多个按序设置且层叠排列的透明基板，各透明基板分别包括具有反射功能的第一区域和具有反射透射功能的第二区域；通过在前设置的各透明基板的第一区域将入射光束反射至在后设置的各透明基板的第二区域；并通过在后设置的各透明基板的第二区域与在前设置的各透明基板的第二区域相互配合实现对入射光束的扩展，且在实际应用时，可采用MEMS微镜出射的扫描光束作为入射光束，从而有利于实现MEMS微镜与层叠阵列波导结构的结合，进而实现光学显示模组的轻薄化和紧凑化。
附图说明
图1a和图1b分别为本发明实施例提供的光束扩展结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的光束扩展结构的设计原理示意图；
图3为MEMS微镜出射扫描光束的示意图；
图4为本发明实施例提供的光学显示模组的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例提供的光束扩展结构及光学显示模组的具体实施方式进行详细的说明。需要说明的是，本文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。
具体地，本发明实施例提供的光束扩展结构，如图1a和图1b所示，包括：多个按序设置且层叠排列的透明基板001，各透明基板001分别包括具有反射功能的第一区域101，以及具有反射透射功能的第二区域102；
并且，如图2所示，在前设置的各透明基板001的第一区域101，用于将入射光束反射至在后设置的各透明基板001的第二区域102；
在后设置的各透明基板001的第二区域102，用于将接收到的部分入射光束透射至观测基点B所在区域，以及将接收到的其余部分入射光束反射至在前设置的各透明基板001的第二区域102；
在前设置的各透明基板001的第二区域102，用于将接收到的经在后设置的各所述透明基板的第二区域反射的入射光束部分反射至在后设置的各透明基板001的第二区域102。
值得注意的是，本发明实施例中的在前设置和在后设置是指各透明基板001之间的相对位置，例如按序设置的第一个透明基板001相对于按序设置的第二个透明基板001则为在前设置，而按序设置的第二个透明基板001相对于按序设置的第一个透明基板001则为在后设置。
并且，由于各透明基板001的第二区域102同时具有反射功能和透射功能，因此，只要入射光线照射至各透明基板001的第二区域102，即可在其上发生透射和反射。
在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，通过在前设置的各透明基板001的第一区域101将入射光束反射至在后设置的各透明基板001的第二区域102；并通过在后设置的各透明基板001的第二区域102与在前设置的各透明基板001的第二区域102相互配合实现对入射光束的扩展。且在实际应用时可采用MEMS微镜出射的扫描光束作为入射光束；具体地，如图3所示为MEMS微镜出射的扫描光束；MEMS微镜将入射光线s转换成扫描光束，令MEMS微镜的轴心A位于坐标原点o的位置，MEMS微镜在xoy平面内的扫描光束位于y轴两侧α度范围内。基于上述光束扩展结构，将扩展光束后的MEMS微镜与层叠阵列波导结构结合，有利于实现光学显示模组的轻薄化和紧凑化。
需要说明的是，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，每个透明基板001上的第一区域101和第二区域102不仅可以同时位于透明基板001的同一侧，还可以分别设置在透明基板001相对的两侧，在此不做限定。
另外，为便于描述每个透明基板001上的第一区域101和第二区域102，图1b所示为光束扩展结构中各透明基板001贴合前的示意图。在实际应用时，各透明基板001之间紧密贴合。
在具体实施时，为最大化地实现对入射光束的扩展，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，入射光束的每一部分分别在对应的透明基板001的第一区域101上实现反射，即入射光束的每一部分分别与各透明基板001的第一区域101一一对应，并在对应的透明基板001的第一区域101上发生反射。较佳地，为了便于设计光束扩展结构，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，各透明基板001的第一区域101分别对应入射光束的各部分的起止边界光线之间的夹角度数相等。当然，在具体实施时，各透明基板001的第一区域101对应的入射光束的各部分的起止边界光线之间的夹角度数也可以不相等，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，按序设置的第一个透明基板001的第一区域101在与相邻透明基板001之间交界线上的投影为第一线段；
第一线段的两个端点分别为入射光束的产生源的中心和观测基点B连线的平行线与第一个透明基板001的第一区域101对应的入射光束的起止边界光线的交点。具体地，若由MEMS微镜出射的扫描光束作为入射光束，则入射光束的产生源的中心为MEMS微镜的轴心A。
并且，按序设置的第K个透明基板001的第一区域101在与相邻透明基板001之间交界线上的投影为第K线段，其中，K为大于或等于2的整数；
第K线段的第一端点为前一透明基板001的第一区域101对应入射光束起始边界光线的反射光线与第K个透明基板001的第一区域101对应的入射光束的终止边界光线的交点，第K线段的第二端点为过第一端点且与第一线段平行的直线与第K个透明基板001的第一区域101对应的入射光束的起始边界光线的交点。
有鉴于此，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，若各透明基板001面向入射光束一侧的表面上具有第一区域101和第二区域102；
则第K个透明基板的厚度等于第K线段的第一端点与前一透明基板001的第一区域101之间的距离；具体地，第K个透明基板的厚度等于第K线段的第一端点与第K-1个透明基板001的第一区域101对应的第K-1线段之间的垂直距离。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，可以在各透明基板001的第一区域101设置反射功能膜；在各透明基板001的第二区域102设置反射透射功能膜，以实现各透明基板001的第一区域101和第二区域102相应的功能。
相应地，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，相邻两个反射功能膜之间的距离与位于相邻两个反射功能膜之间的透明基板001的厚度相等；相邻两个反射透射功能膜之间的距离与位于相邻两个反射透射功能膜之间的透明基板001的厚度相等。
在具体实施时，为了使入射光束在各透明基板001的第二区域102上至少发生两次反射，以实现对入射光束的扩展，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，每个透明基板001的第二区域102在与相邻透明基板001之间交界线上的投影长度至少为第一区域101在与相邻透明基板001之间交界线上投影长度的四倍。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，每个透明基板001的第一区域101和第二区域102相互接触，这样设置，使得入射光束的全部光线均可以通过透明基板001的第二区域102进行扩展。
在具体实施时，在本发明实施例提供的上述光束扩展结构中，透明基板001可以为玻璃基板。当然，透明基板001还可以为本领域技术人员公知的其他具有透光效果良好的基板。例如塑料基板，在此不做限定。
为了更好地说明本发明的技术方案，下面以MEMS微镜出射的扫描光束作为入射光束为例，对本发明实施例提供的上述光束扩展结构的设计原理及具体实现方式进行详细说明。
具体地，本发明实施例提供的上述光束扩展结构的设计原理如图2所示。以将MEMS微镜的扫描光束依次划分为5个子扫描光束，每个子扫描光束的扫描范围相等均为β度，并设定各子扫描光束的边界分别为光线i1、i2、i3、i4、i5和i6为例。
具体地，如图2所示，首先确定光线i1和光线i2围合形成的子扫描光束对应的第一线段M1的位置，具体如下：
确定MEMS微镜的轴心A与观察基点B所在位置；
构造MEMS微镜的轴心A与观察基点B连线L1的垂直平分线L2；
确定垂直平分线L2与光线i2的交点t1；
以交点t1为垂足，作垂直于垂直平分线L2的直线，使直线与光线i1相交于点b1；
交点b1与交点t1即为第一线段M1的两个端点。
进一步地，确定光线i2和光线i3围合形成的子扫描光束对应的第二线段M2的位置：
确定光线i1经主反射区M1反射的光线r1与光线i3的交点t2；
过交点t2作垂直平分线L2的垂线，使垂线与光线i2相交于点b2；
交点b2与交点t2即为第二线段M2的两个端点。可以看出第二线段M2与第一线段M1平行。
之后，采用确定第二线段M2位置的类似方法，确定光线i2和光线i3、光线i3和光线i4、光线i4和光线i5分别围合形成的子扫描光束对应的各线段的位置。
将与上述5个子扫描光束一一对应的透明基板001分别标记为G1、G2、G3、G4和G5，如图1a所示，则确定第一线段M1为G1的第一区域101在与G2的交界线j1上的正投影；第二线段M2为G2的第一区域101在与G3的交界线j2上的正投影；类似可确定G3的第一区域101、G4的第一区域101和G5的第一区域101分别在与相邻透明基板001的交界线上的正投影。
自各子扫描光束分别对应的各线段邻近垂直平分线L1的一端至少延伸各线段长度的四倍，以使各子扫描光束可以在各透明基板001的第二区域上至少发生两次反射，并且所得延伸部分的延伸线段即为各透明基板001的第二区域102在与相邻透明基板001的交界线上的正投影。例如，自端点t1延伸第一线段M1至延伸部分长度至少为第一线段M1长度的四倍，并且延伸部分的延伸线段m1即为G1的第二区域102与G2的交界线j1上的正投影；图2示出了光线i2在延伸线段m1上发生两次反射的光路图。
在第一线段M1对应G1的第一区域101上设置反射功能膜，并在延伸线段m1对应G1的第二区域102上设置反射透射功能膜。
选择厚度h等于第一线段M1与第二线段M2之间距离的G2，如图1b所示；并基于实现G1的反射功能膜与反射透射功能膜的类似方法，分别实现G2、G3、G4和G5的反射功能膜与反射透射功能膜。
将各透明基板001按照G1、G2、G3、G4、G5的顺序依次黏贴在一起，并使各透明基板001具有功能膜的表面朝向同一侧。此时，相邻两个反射功能膜之间的距离就等于二者之间透明基板001的厚度，例如，第一线段M1对应的反射功能膜与第二线段M2对应的反射功能膜之间的距离等于G2的厚度h；同样，相邻两个反射透射功能膜之间的距离也等于二者之间透明基板001的厚度，例如，第一线段M1的延伸线段m1对应的反射透射功能膜与第二线段M2的延伸线段m2对应的反射透射功能膜之间的距离等于G2的厚度h。
基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种光学显示模组，如图4所示，包括上述光束扩展结构401，激光光源(图中未示出)，微机电***MEMS微镜402，以及层叠阵列波导结构403；其中，
MEMS微镜402，用于将激光光源发出的光线转化为具有图像信息的扫描光束，并将扫描光束出射至光束扩展结构；
光束扩展结构401，用于在第一维方向上扩展接收到的扫描光束，并将扩展后的扫描光束汇聚至层叠阵列波导结构403；具体地，光束扩展结构401在x-y平面内扩展扫描光束；
层叠阵列波导结构403，用于将接收到的扫描光束在第二维方向上扩展出瞳；具体地，层叠阵列波导结构403在x-z平面内扩展扫描光束。
由上述描述可知，采用光束扩展结构401与层叠阵列波导结构403可共同完成扫描光束在二维方向上的扩展，达到对MEMS微镜出射细光束扩展的目的，从而利于观察者观察。
在具体实施时，为了减小MEMS微镜402与光束扩展结构401之间的距离，在本发明实施例提供的上述光学显示模组中，如图4所示，还可以包括：位于MEMS微镜402与光束扩展结构401之间光路上的反射镜404；
反射镜404，用于将扫描光束反射至光束扩展结构401。
本发明实施例提供的上述光束扩展结构及光学显示模组，包括：多个按序设置且层叠排列的透明基板，各透明基板分别包括具有反射功能的第一区域和具有反射透射功能的第二区域；通过在前设置的各透明基板的第一区域将入射光束反射至在后设置的各透明基板的第二区域；并通过在后设置的各透明基板的第二区域与在前设置的各透明基板的第二区域相互配合实现对入射光束的扩展，且在实际应用时，可采用MEMS微镜出射的扫描光束作为入射光束，从而有利于实现MEMS微镜与层叠阵列波导结构的结合，进而实现光学显示模组的轻薄化和紧凑化。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种光束扩展结构，其特征在于，包括：多个按序设置且层叠排列的透明基板，各所述透明基板分别包括具有反射功能的第一区域，以及具有反射透射功能的第二区域；
在前设置的各所述透明基板的第一区域，用于将入射光束反射至在后设置的各所述透明基板的第二区域；
在后设置的各所述透明基板的第二区域，用于将接收到的部分所述入射光束透射至观测基点所在区域，同时将接收到的其余部分所述入射光束反射至在前设置的各所述透明基板的第二区域；
在前设置的各所述透明基板的第二区域，用于将接收到的经在后设置的各所述透明基板的第二区域反射的所述反射光束部分反射至在后设置的各所述透明基板的第二区域。
2.如权利要求1所述的光束扩展结构，其特征在于，所述入射光束的每一部分分别在对应的所述透明基板的第一区域实现反射。
3.如权利要求2所述的光束扩展结构，其特征在于，按序设置的第一个所述透明基板的第一区域在与相邻所述透明基板之间交界线上的投影为第一线段；
所述第一线段的两个端点分别为所述入射光束的产生源的中心和所述观测基点连线的平行线与第一个所述透明基板的第一区域对应的所述入射光束的起止边界光线的交点。
4.如权利要求3所述的光束扩展结构，其特征在于，按序设置的第K个所述透明基板的第一区域在与相邻所述透明基板之间交界线上的投影为第K线段，其中，K为大于或等于2的整数；
所述第K线段的第一端点为前一所述透明基板的第一区域对应所述入射光束起始边界光线的反射光线与第K个所述透明基板的第一区域对应的所述入射光束的终止边界光线的交点，所述第K线段的第二端点为过所述第一端点且与所述第一线段平行的直线与第K个所述透明基板的第一区域对应的所述入射光束的起始边界光线的交点。
5.如权利要求4所述的光束扩展结构，其特征在于，每个所述透明基板的第二区域在与相邻所述透明基板之间交界线上的投影长度至少为第一区域在与相邻所述透明基板之间交界线上投影长度的四倍。
6.如权利要求4所述的光束扩展结构，其特征在于，各所述透明基板面向所述入射光束一侧的表面上具有第一区域和第二区域；
第K个所述透明基板的厚度等于所述第K线段的第一端点与前一所述透明基板的第一区域之间的距离。
7.如权利要求6所述的光束扩展结构，其特征在于，各所述透明基板的第一区域具有反射功能膜。
8.如权利要求7所述的光束扩展结构，其特征在于，相邻两个所述反射功能膜之间的距离与位于相邻两个所述反射功能膜之间的所述透明基板的厚度相等。
9.如权利要求6所述的光束扩展结构，其特征在于，各所述透明基板的第二区域具有反射透射功能膜。
10.如权利要求9所述的光束扩展结构，其特征在于，相邻两个所述反射透射功能膜之间的距离与位于相邻两个所述反射透射功能膜之间的所述透明基板的厚度相等。
11.如权利要求1-10任一项所述的光束扩展结构，其特征在于，每个所述透明基板的第一区域和第二区域相互接触。
12.如权利要求1-10任一项所述的光束扩展结构，其特征在于，所述透明基板为玻璃基板。
13.一种光学显示模组，其特征在于，包括：如权利要求1-12任一项所述的光束扩展结构，激光光源，微机电***MEMS微镜，以及层叠阵列波导结构；其中，
所述MEMS微镜，用于将所述激光光源发出的光线转化为具有图像信息的扫描光束，并将所述扫描光束出射至所述光束扩展结构；
所述光束扩展结构，用于在第一维方向上扩展接收到的所述扫描光束，并将扩展后的所述扫描光束汇聚至所述层叠阵列波导结构；
所述层叠阵列波导结构，用于将接收到的所述扫描光束在第二维方向上扩展出瞳。
14.如权利要求13所述的光学显示模组，其特征在于，还包括：位于所述MEMS微镜与所述光束扩展结构之间光路上的反射镜；
所述反射镜，用于将所述扫描光束反射至所述光束扩展结构。
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