CN111221128B - 一种扩大视场角的近眼波导显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扩大视场角的近眼波导显示设备。该设备中第一波导片位于第二波导片的上面，且不接触；第二波导片的一个侧面为从上到下向外倾斜的第一斜面；第一波导片具有与第一波导片的下表面连接且与第一斜面平行的第二斜面；第二斜面的外端与第一波导片的上表面的一端连接形成第三斜面；第三斜面为从上到下向外倾斜的面；第一分光膜与第二斜面镜像对称；第二分光膜与第一斜面镜像对称；照射到第一斜面上的光，一部分在第一斜面发生全反射后在第二波导片中传输由第二分光膜反射出去，另一部分在第一斜面发生透射后穿过第二斜面在第三斜面发生全反射，经第一波导片传输由第一分光膜反射出去。本发明能在提高视场角的同时，降低成本。

Description

一种扩大视场角的近眼波导显示设备
技术领域
本发明涉及近眼显示设备领域，特别是涉及一种扩大视场角的近眼波导显示设备。
背景技术
增强现实是将虚拟信息和真实世界相融合的技术，其中近眼显示设备是增强现实技术中的关键环节。近眼显示设备可以让用户看到真实世界的同时看到计算机构建的虚拟图像，人眼能看到虚拟图像的锥形范围叫做视场角，人眼能看全虚拟图像时与显示设备的最远距离称为出瞳距离，人眼在一定的出瞳距离下能看全虚拟图像时人眼可以晃动的范围叫做眼动范围，如何在保证合适出瞳距离和眼动范围的情况下显著提升视场角是增强现实面临的一大挑战。
目前，近眼显示设备有以下几种：1)采用单层波导内添加多个反光膜的方式进行一维扩瞳，可以实现大的出瞳距离和眼动范围，但受材料折射率、分光膜透射率反射率等限制，视场角难以做大，目前市面上采用这种方式的波导显示设备视场角通常都在50°以下。2)采用视场角拼合来扩大视场角的衍射波导近眼显示设备，该设备采用双层波导，每层波导分别负责部分视场的光线全反射传播，在成像区域实现虚拟图像的拼接从而呈现完整虚拟图像。这种方案可以明显提升视场角，但需要多个大面积光栅区域，光栅制作难度较大，成本较高，并且光栅波导存在均匀性较差，彩虹效应明显等缺点。
发明内容
基于此，有必要提供一种扩大视场角的近眼波导显示设备，以在提高视场角的同时，降低成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种扩大视场角的近眼波导显示设备，包括：第一波导片、第二波导片、第一分光膜和第二分光膜；所述第一波导片位于所述第二波导片的上面，且所述第一波导片和所述第二波导片不接触；
所述第二波导片的一个侧面为从上到下向外倾斜的第一斜面；所述第一波导片具有与所述第一波导片的下表面连接且与所述第一斜面平行的第二斜面；所述第二斜面与所述第一斜面正对设置；所述第二斜面的外端与所述第一波导片的上表面的一端连接形成第三斜面；所述第三斜面为从上到下向外倾斜的面；所述第一波导片的上表面、所述第一波导片的下表面、所述第二波导片的上表面和所述第二波导片的下表面相互平行；
所述第一分光膜设置在所述第一波导片的内部且与所述第三斜面镜像对称；所述第二分光膜设置在所述第二波导片的内部且与所述第一斜面镜像对称；所述第一分光膜与所述第二分光膜在水平方向上具有设定间距；由所述第二波导片的下方照射到所述第一斜面上的光，一部分在所述第一斜面发生全反射得到第一反射光，另一部分在所述第一斜面发生透射得到透射光；所述第一反射光在所述第二波导片中传输并由所述第二分光膜反射出去，所述透射光穿过所述第二斜面后在所述第三斜面发生全反射得到第二反射光，所述第二反射光在所述第一波导片中传输并由所述第一分光膜反射至所述第二波导片中，再由所述第二波导片透射出去。
可选的，所述第一分光膜为多个，所述第二分光膜为多个；多个所述第一分光膜平行设置，多个所述第二分光膜平行设置；离所述第三斜面最近的第一分光膜与所述第三斜面之间的距离大于离所述第一斜面最远的第二分光膜与所述第一斜面之间的距离。
可选的，所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角的最小值为
Figure GDA0003185574860000021
其中，A为左边缘线光在第二波导片的下表面的入射角，n为第一波导片的折射率；所述左边缘线光为第二波导片的下方照射到第一斜面上的光中在所述第一斜面发生透射的那一部分光；
所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角的最大值为
Figure GDA0003185574860000022
所述第二反射光在所述第一波导片的上表面发生反射时的入射角为
c＝180°-2·θ+a；
θ为所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角，a为左边缘线光在第二波导片的下表面发生折射时的折射角。
可选的，所述第一反射光在所述第二波导片的下表面发生反射时的入射角为
f＝2·θ1+d；
其中，θ1为所述第二波导片的下表面与所述第一斜面的夹角，d为右边缘线光在第二波导片的下表面发生折射时的折射角；所述右边缘线光为第二波导片的下方照射到第一斜面上的光中在所述第一斜面发生全反射的那一部分光。
一种扩大视场角的近眼波导显示设备，包括：第一波导片、第二波导片、第一分光膜和第二分光膜；所述第一波导片位于所述第二波导片的上面，且所述第一波导片和所述第二波导片不接触；
所述第二波导片的一个侧面为从上到下向外倾斜的第一斜面；所述第一波导片具有与所述第一波导片的下表面连接且与所述第一斜面平行的第二斜面；所述第二斜面与所述第一斜面正对设置；所述第二斜面的外端与所述第一波导片的上表面的一端连接形成第三斜面；所述第三斜面为从上到下向外倾斜的面；所述第一波导片的上表面、所述第一波导片的下表面、所述第二波导片的上表面和所述第二波导片的下表面相互平行；
所述第一分光膜设置在所述第一波导片的内部且与所述第三斜面平行；所述第二分光膜设置在所述第二波导片的内部且与所述第一斜面平行；所述第一分光膜与所述第二分光膜在水平方向上具有设定间距；由所述第二波导片的下方照射到所述第一斜面上的光，一部分在所述第一斜面发生全反射得到第一反射光，另一部分在所述第一斜面发生透射得到透射光；所述第一反射光在所述第二波导片中传输并由所述第二分光膜反射出去，所述透射光穿过所述第二斜面后在所述第三斜面发生全反射得到第二反射光，所述第二反射光在所述第一波导片中传输并由所述第一分光膜反射至所述第二波导片中，再由所述第二波导片透射出去。
可选的，所述第一分光膜为多个，所述第二分光膜为多个；多个所述第一分光膜平行设置，多个所述第二分光膜平行设置；离所述第三斜面最近的第一分光膜与所述第三斜面之间的距离大于离所述第一斜面最远的第二分光膜与所述第一斜面之间的距离。
可选的，所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角的最小值为
Figure GDA0003185574860000041
其中，A为左边缘线光在第二波导片的下表面的入射角，n为第一波导片的折射率；所述左边缘线光为第二波导片的下方照射到第一斜面上的光中在所述第一斜面发生透射的那一部分光；
所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角的最大值为
Figure GDA0003185574860000042
所述第二反射光在所述第一波导片的上表面发生反射时的入射角为
c＝180°-2·θ+a；
θ为所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角，a为左边缘线光在第二波导片的下表面发生折射时的折射角。
可选的，所述第一反射光在所述第二波导片的下表面发生反射时的入射角为
f＝2·θ1+d；
其中，θ1为所述第二波导片的下表面与所述第一斜面的夹角，d为右边缘线光在第二波导片的下表面发生折射时的折射角；所述右边缘线光为第二波导片的下方照射到第一斜面上的光中在所述第一斜面发生全反射的那一部分光。
一种扩大视场角的近眼波导显示设备，包括：第一波导显示设备和第二波导显示设备；所述第一波导显示设备位于所述第二波导显示设备的上方；
所述第一波导显示设备包括第一波导片、第二波导片、第一分光膜和第二分光膜；所述第一波导片位于所述第二波导片的上面，且所述第一波导片和所述第二波导片不接触；
所述第二波导片的一个侧面为从上到下向外倾斜的第一斜面；所述第一波导片具有与所述第一波导片的下表面连接且与所述第一斜面平行的第二斜面；所述第二斜面与所述第一斜面正对设置；所述第二斜面的外端与所述第一波导片的上表面的一端连接形成第三斜面；所述第三斜面为从上到下向外倾斜的面；所述第一波导片的上表面、所述第一波导片的下表面、所述第二波导片的上表面和所述第二波导片的下表面相互平行；
所述第一分光膜设置在所述第一波导片的内部且与所述第三斜面镜像对称；所述第二分光膜设置在所述第二波导片的内部且与所述第一斜面镜像对称；所述第一分光膜与所述第二分光膜在水平方向上具有设定间距；由所述第二波导片的下方照射到所述第一斜面上的光，一部分在所述第一斜面发生全反射得到第一反射光，另一部分在所述第一斜面发生透射得到第一透射光；所述第一反射光在所述第二波导片中传输并由所述第二分光膜反射出去，所述第一透射光穿过所述第二斜面后在所述第三斜面发生全反射得到第二反射光，所述第二反射光在所述第一波导片中传输并由所述第一分光膜反射至所述第二波导片中，再由所述第二波导片透射出去；
所述第二波导显示设备包括：第三波导片、第四波导片、第三分光膜和第四分光膜；所述第三波导片位于所述第四波导片的上面，且所述第三波导片和所述第四波导片不接触；
所述第四波导片的一个侧面为从上到下向外倾斜的第四斜面；所述第三波导片具有与所述第三波导片的下表面连接且与所述第四斜面平行的第五斜面；所述第五斜面与所述第四斜面正对设置；所述第五斜面的外端与所述第三波导片的上表面的一端连接形成第六斜面；所述第六斜面为从上到下向外倾斜的面；所述第三波导片的上表面、所述第三波导片的下表面、所述第四波导片的上表面和所述第四波导片的下表面相互平行；
所述第三分光膜设置在所述第三波导片的内部且与所述第六斜面平行；所述第四分光膜设置在所述第四波导片的内部且与所述第四斜面平行；所述第三分光膜与所述第四分光膜在水平方向上具有设定间距；由所述第四波导片的下方照射到所述第四斜面上的光，一部分在所述第四斜面发生全反射得到第三反射光，另一部分在所述第四斜面发生透射得到第二透射光；所述第三反射光在所述第四波导片中传输并由所述第四分光膜反射出去，所述第二透射光穿过所述第五斜面后在所述第六斜面发生全反射得到第四反射光，所述第四反射光在所述第三波导片中传输并由所述第三分光膜反射至所述第四波导片中，再由所述第四波导片透射出去；
经所述第四分光膜反射出去的光和所述第三分光膜反射至所述第四波导片中再由所述第四波导片透射出去的光均由所述第二波导片的下表面入射至所述第一斜面，并在所述第一斜面上一部分发生全反射，另一部分发生透射。
可选的，所述第一分光膜为多个，所述第二分光膜为多个；多个所述第一分光膜平行设置，多个所述第二分光膜平行设置；离所述第三斜面最近的第一分光膜与所述第三斜面之间的距离大于离所述第一斜面最远的第二分光膜与所述第一斜面之间的距离；
所述第三分光膜为多个，所述第四分光膜为多个；多个所述第三分光膜平行设置，多个所述第四分光膜平行设置；离所述第六斜面最近的第三分光膜与所述第六斜面之间的距离大于离所述第四斜面最远的第四分光膜与所述第四斜面之间的距离。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种扩大视场角的近眼波导显示设备。所述近眼波导显示设备包括：第一波导片、第二波导片、第一分光膜和第二分光膜；第一波导片位于第二波导片的上面，且第一波导片和第二波导片不接触；第二波导片的一个侧面为从上到下向外倾斜的第一斜面；第一波导片具有与第一波导片的下表面连接且与第一斜面平行的第二斜面；第二斜面的外端与第一波导片的上表面的一端连接形成第三斜面；第三斜面为从上到下向外倾斜的面；第一分光膜与第二斜面镜像对称；第二分光膜与第一斜面镜像对称；照射到第一斜面上的光，一部分在第一斜面发生全反射后在第二波导片中传输由第二分光膜反射出去，另一部分在第一斜面发生透射后穿过第二斜面在第三斜面发生全反射，经第一波导片传输由第一分光膜反射出去。本发明采用双层波导，使得图像光源通过全反射条件被分割为两部分并各自在两层波导内传输，从而显著扩大视场角，并且采用低折射率材料也可以实现100°以上的视场角，实现了在提高视场角的同时，降低成本。
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。
图1为本发明实施例1一种扩大视场角的近眼波导显示设备的结构示意图；
图2为左边缘视场光线的光路分析示意图；
图3为右边缘视场光线的光路分析示意图；
图4为本发明实施例2一种扩大视场角的近眼波导显示设备的结构示意图；
图5为本发明实施例3一种扩大视场角的近眼波导显示设备的结构示意图；
图6为本发明实施例6一种扩大视场角的近眼波导显示设备的结构示意图。
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。
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。
实施例1
图1为本发明实施例1一种扩大视场角的近眼波导显示设备的结构示意图。参见图1，本实施例的扩大视场角的近眼波导显示设备，包括：第一波导片1、第二波导片2、第一分光膜3和第二分光膜4；所述第一波导片1位于所述第二波导片2的上面，且所述第一波导片1和所述第二波导片2不接触。
所述第二波导片2的一个侧面为从上到下向外倾斜的第一斜面8；所述第一波导片1具有与所述第一波导片1的下表面连接且与所述第一斜面8平行的第二斜面9；所述第二斜面9与所述第一斜面8正对设置；所述第二斜面9的外端与所述第一波导片1的上表面的一端连接形成第三斜面10；所述第三斜面10为从上到下向外倾斜的面；所述第一波导片1的上表面、所述第一波导片1的下表面、所述第二波导片2的上表面和所述第二波导片2的下表面相互平行。
所述第一分光膜3设置在所述第一波导片1的内部且与所述第二斜面9镜像对称；所述第二分光膜4设置在所述第二波导片2的内部且与所述第一斜面8镜像对称；所述第一分光膜3与所述第二分光膜4在水平方向上具有设定间距；由所述第二波导片2的下方照射到所述第一斜面8上的光，一部分(右边缘光线)在所述第一斜面8发生全反射得到第一反射光，另一部分(左边缘光线)在所述第一斜面8发生透射得到透射光；所述第一反射光在所述第二波导片2中传输并由所述第二分光膜4反射出去，所述透射光穿过所述第二斜面9后在所述第三斜面10发生全反射得到第二反射光，所述第二反射光在所述第一波导片1中传输并由所述第一分光膜3反射至所述第二波导片2中，再由所述第二波导片2透射出去。
参见图1，左边缘光线5、右边缘光线7和临界光线6代表微显示屏或激光投影的光线经准直透镜组准直后的三个不同视场光线，临界光线6打到第一斜面8上刚好满足全反射角，左、右边缘光线之间的夹角决定了虚拟图像视场角的大小。临界光线6和右边缘光线7夹角视场范围内的光线(深色阴影区域内)打到下斜面上满足全反射条件时，光线在第二波导片2内全反射传播。
临界光线6和左边缘光线5夹角视场范围内的光线(浅色色阴影区域内)打到第一斜面8上不满足全反射条件，从而透射进入第一波导片1，调节第三斜面10的倾角使左边缘光线5打到第三斜面10时满足全反射条件，则临界光线6和左边缘光线5夹角视场范围内的光线(浅色色阴影区域内)打到第三斜面10均满足全反射条件时，从而在第一波导片1内传播。
图2为左边缘视场光线的光路分析示意图，图3为右边缘视场光线的光路分析示意图，其中，点划线是所在平面的法线。如图2所示，要保证左边缘光线在第一波导片全反射传播，需保证角b和角c满足全反射条件，根据几何光学可知，保证角b满足全反射时θ最小值为：
Figure GDA0003185574860000081
角c具有一下关系：c＝180°-2·θ+a，假设临界光线为垂直入射第二波导片的下界面即角a为0，则角c满足全反射时θ最大值为：
Figure GDA0003185574860000091
如图3所示，要保证临界光线和右边缘光线夹角视场范围内的光线在第二波导片内全反射传播，只需使角θ1大于第一波导片的波导材料全反射角，角f具有以下关系：f＝2·θ1+d，假设临界光线为垂直入射即角d为0，则角f必然满足全反射条件。
假设第一波导片和第二波导片均采用折射率为1.79的SF11材料，入射角A为90°，角b满足全反射角34°时计算可得θ角最小为67.93°，设定角θ为68°，可以看出角c随角a增大而增大，因此从左侧0-90°入射的光线对应角c最小值为44°，满足波导全反射角34°，即从左侧0-90°入射的未被第一层波导片阻拦的光线均可以在第二波导片中全反射传播。对于第一波导片，只要底角大于波导全反射角34°，则从右侧0-90°入射的光线打到第一斜面上均满足全反射条件。可以看出角f随角d增大而增大，设底角为35°，则角f最小值为70°，满足全反射条件，即从右侧0-90°入射的光线均可以在第一波导片中全反射传播。即当θ1＝35°，θ2＝33°时，可以实现180°视场的耦入光线在双层波导内全反射传播。当第一波导片和第二波导片均采用较低的折射率1.6时，计算可得当θ1＝39°，θ2＝29°时，可以实现100°视场的耦入光线在双层波导内全反射传播。
根据上述分析，本实施例中所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角的最小值为
Figure GDA0003185574860000092
其中，A为左边缘线光在第二波导片的下表面的入射角，n为第一波导片的折射率；所述左边缘线光为第二波导片的下方照射到第一斜面上的光中在所述第一斜面发生透射的那一部分光。
所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角的最大值为
Figure GDA0003185574860000093
所述第二反射光在所述第一波导片的上表面发生反射时的入射角为
c＝180°-2·θ+a；
θ为所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角，a为左边缘线光在第二波导片的下表面发生折射时的折射角。
所述第一反射光在所述第二波导片的下表面发生反射时的入射角为
f＝2·θ1+d；
其中，θ1为所述第二波导片的下表面与所述第一斜面的夹角，d为右边缘线光在第二波导片的下表面发生折射时的折射角；所述右边缘线光为第二波导片的下方照射到第一斜面上的光中在所述第一斜面发生全反射的那一部分光。
本实施例的扩大视场角的近眼波导显示设备，设置第一波导片和第二波导片的平板部分互相平行，中间由空气隔开，第二波导片中第一斜面和第二斜面互相平行，第一分光膜和第三斜面水平方向镜像对称，第二分光膜和第一斜面水平方向镜像对称。通过采用双层波导，使得图像光源通过全反射条件被分割为两部分并各自在两层波导内传输，从而显著扩大视场角，并且采用低折射率材料也可以实现100°以上的视场角，实现了在提高视场角的同时，降低成本。
实施例2
为保证足够的出瞳距离和眼动范围，需要通过增加两层波导内分光膜的数目来实现两层波导不同视场的重叠拼接使图像为一个完整的图像，如图4所示。另外还可以对第一斜面倾角、第二斜面倾角、第三斜面倾角、第一波导片的厚度、第二波导片的厚度、第一分光膜的透射率、第一分光膜的反射率、第二分光膜的透射率以及第二分光膜的反射率进行调节，来获取所需要的视场角并调节均匀性。
如图4所示，本实施例与上述实施例1不同之处在于，所述第一分光膜为多个，所述第二分光膜为多个；多个所述第一分光膜平行设置，多个所述第二分光膜平行设置；离所述第三斜面最近的第一分光膜与所述第三斜面之间的距离大于离所述第一斜面最远的第二分光膜与所述第一斜面之间的距离。其他结构与实施例1相同，在此不做赘述。
实施例3
图5为本发明实施例3一种扩大视场角的近眼波导显示设备的结构示意图。参见图5，本实施例一种扩大视场角的近眼波导显示设备与上述实施例1不同之处在于，所述第一分光膜设置在所述第一波导片的内部且与所述第三斜面平行；所述第二分光膜设置在所述第二波导片的内部且与所述第一斜面平行，这样可以改变虚拟图像的入眼方向。其他结构与实施例1相同，在此不做赘述。
实施例4
为保证足够的出瞳距离和眼动范围，需要通过增加两层波导内分光膜的数目来实现两层波导不同视场的重叠拼接使图像为一个完整的图像。本实施例与上述实施例3不同之处在于，所述第一分光膜为多个，所述第二分光膜为多个；多个所述第一分光膜平行设置，多个所述第二分光膜平行设置；离所述第三斜面最近的第一分光膜与所述第三斜面之间的距离大于离所述第一斜面最远的第二分光膜与所述第一斜面之间的距离。其他结构与实施例3相同，在此不做赘述。
实施例5
上述实施例1-4中的近眼波导显示设备，都只是在水平方向实现了扩瞳，即人眼在看全虚拟图像的情况下在水平方向可以移动较大范围，但沿垂直方向可移动范围会很窄，为了扩大人眼的垂直方向移动范围，本实施例将实施例1和实施例3中的双层波导结合来实现双向扩瞳，从而同时扩大水平和垂直视场角以及眼动范围。
本实施例的扩大视场角的近眼波导显示设备，包括：第一波导显示设备和第二波导显示设备；所述第一波导显示设备位于所述第二波导显示设备的上方。
所述第一波导显示设备包括第一波导片、第二波导片、第一分光膜和第二分光膜；所述第一波导片位于所述第二波导片的上面，且所述第一波导片和所述第二波导片不接触。
所述第二波导片的一个侧面为从上到下向外倾斜的第一斜面；所述第一波导片具有与所述第一波导片的下表面连接且与所述第一斜面平行的第二斜面；所述第二斜面与所述第一斜面正对设置；所述第二斜面的外端与所述第一波导片的上表面的一端连接形成第三斜面；所述第三斜面为从上到下向外倾斜的面；所述第一波导片的上表面、所述第一波导片的下表面、所述第二波导片的上表面和所述第二波导片的下表面相互平行。
所述第一分光膜设置在所述第一波导片的内部且与所述第三斜面镜像对称；所述第二分光膜设置在所述第二波导片的内部且与所述第一斜面镜像对称；所述第一分光膜与所述第二分光膜在水平方向上具有设定间距；由所述第二波导片的下方照射到所述第一斜面上的光，一部分在所述第一斜面发生全反射得到第一反射光，另一部分在所述第一斜面发生透射得到第一透射光；所述第一反射光在所述第二波导片中传输并由所述第二分光膜反射出去，所述第一透射光穿过所述第二斜面后在所述第三斜面发生全反射得到第二反射光，所述第二反射光在所述第一波导片中传输并由所述第一分光膜反射至所述第二波导片中，再由所述第二波导片透射出去。
所述第二波导显示设备包括：第三波导片、第四波导片、第三分光膜和第四分光膜；所述第三波导片位于所述第四波导片的上面，且所述第三波导片和所述第四波导片不接触。
所述第四波导片的一个侧面为从上到下向外倾斜的第四斜面；所述第三波导片具有与所述第三波导片的下表面连接且与所述第四斜面平行的第五斜面；所述第五斜面与所述第四斜面正对设置；所述第五斜面的外端与所述第三波导片的上表面的一端连接形成第六斜面；所述第六斜面为从上到下向外倾斜的面；所述第三波导片的上表面、所述第三波导片的下表面、所述第四波导片的上表面和所述第四波导片的下表面相互平行。
所述第三分光膜设置在所述第三波导片的内部且与所述第六斜面平行；所述第四分光膜设置在所述第四波导片的内部且与所述第四斜面平行；所述第三分光膜与所述第四分光膜在水平方向上具有设定间距；由所述第四波导片的下方照射到所述第四斜面上的光，一部分在所述第四斜面发生全反射得到第三反射光，另一部分在所述第四斜面发生透射得到第二透射光；所述第三反射光在所述第四波导片中传输并由所述第四分光膜反射出去，所述第二透射光穿过所述第五斜面后在所述第六斜面发生全反射得到第四反射光，所述第四反射光在所述第三波导片中传输并由所述第三分光膜反射至所述第四波导片中，再由所述第四波导片透射出去。
经所述第四分光膜反射出去的光和所述第三分光膜反射至所述第四波导片中再由所述第四波导片透射出去的光均由所述第二波导片的下表面入射至所述第一斜面，并在所述第一斜面上一部分发生全反射，另一部分发生透射。
本实施例的近眼波导显示设备，图像光源从右上角耦入波导内，光线在波导内会分别沿垂直方向和水平方向传播，最终到达人眼，使得人眼在较大的水平和垂直方向范围内移动时均可以看到虚拟图像。
实施例6
图6为本发明实施例6一种扩大视场角的近眼波导显示设备的结构示意图。参见图6，为保证足够的出瞳距离和眼动范围，需要通过增加两层波导内分光膜的数目来实现两层波导不同视场的重叠拼接使图像为一个完整的图像。本实施例与上述实施例5不同之处在于，所述第一分光膜为多个，所述第二分光膜为多个；多个所述第一分光膜平行设置，多个所述第二分光膜平行设置；离所述第三斜面最近的第一分光膜与所述第三斜面之间的距离大于离所述第一斜面最远的第二分光膜与所述第一斜面之间的距离。
所述第三分光膜为多个，所述第四分光膜为多个；多个所述第三分光膜平行设置，多个所述第四分光膜平行设置；离所述第六斜面最近的第三分光膜与所述第六斜面之间的距离大于离所述第四斜面最远的第四分光膜与所述第四斜面之间的距离。
其他结构与实施例3相同，在此不做赘述。
本实施例的近眼波导显示设备，图像光源从右上角耦入波导内，光线在波导内会分别沿垂直方向和水平方向传播，最终到达人眼，使得人眼在较大的水平和垂直方向范围内移动时均可以看到完整的虚拟图像。
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。
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 (6)

1.一种扩大视场角的近眼波导显示设备，其特征在于，包括：第一波导片、第二波导片、第一分光膜和第二分光膜；所述第一波导片位于所述第二波导片的上面，且所述第一波导片和所述第二波导片不接触；
所述第二波导片的一个侧面为从上到下向外倾斜的第一斜面；所述第一波导片具有与所述第一波导片的下表面连接且与所述第一斜面平行的第二斜面；所述第二斜面与所述第一斜面正对设置；所述第二斜面的外端与所述第一波导片的上表面的一端连接形成第三斜面；所述第三斜面为从上到下向外倾斜的面；所述第一波导片的上表面、所述第一波导片的下表面、所述第二波导片的上表面和所述第二波导片的下表面相互平行；
所述第一分光膜设置在所述第一波导片的内部且与所述第三斜面镜像对称；所述第二分光膜设置在所述第二波导片的内部且与所述第一斜面镜像对称；所述第一分光膜与所述第二分光膜在水平方向上具有设定间距；由所述第二波导片的下方照射到所述第一斜面上的光，一部分在所述第一斜面发生全反射得到第一反射光，另一部分在所述第一斜面发生透射得到透射光；所述第一反射光在所述第二波导片中传输并由所述第二分光膜反射出去，所述透射光穿过所述第二斜面后在所述第三斜面发生全反射得到第二反射光，所述第二反射光在所述第一波导片中传输并由所述第一分光膜反射至所述第二波导片中，再由所述第二波导片透射出去；
所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角的最小值为
Figure FDA0003185574850000011
其中，A为左边缘线光在第二波导片的下表面的入射角，n为第一波导片的折射率；所述左边缘线光为第二波导片的下方照射到第一斜面上的光中在所述第一斜面发生透射的那一部分光；
所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角的最大值为
Figure FDA0003185574850000021
所述第二反射光在所述第一波导片的上表面发生反射时的入射角为
c＝180°-2·θ+a；
θ为所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角，a为左边缘线光在第二波导片的下表面发生折射时的折射角；
所述第一反射光在所述第二波导片的下表面发生反射时的入射角为
f＝2·θ1+d；
其中，θ1为所述第二波导片的下表面与所述第一斜面的夹角，d为右边缘线光在第二波导片的下表面发生折射时的折射角；所述右边缘线光为第二波导片的下方照射到第一斜面上的光中在所述第一斜面发生全反射的那一部分光。
2.根据权利要求1所述的一种扩大视场角的近眼波导显示设备，其特征在于，所述第一分光膜为多个，所述第二分光膜为多个；多个所述第一分光膜平行设置，多个所述第二分光膜平行设置；离所述第三斜面最近的第一分光膜与所述第三斜面之间的距离大于离所述第一斜面最远的第二分光膜与所述第一斜面之间的距离。
3.一种扩大视场角的近眼波导显示设备，其特征在于，包括：第一波导片、第二波导片、第一分光膜和第二分光膜；所述第一波导片位于所述第二波导片的上面，且所述第一波导片和所述第二波导片不接触；
所述第二波导片的一个侧面为从上到下向外倾斜的第一斜面；所述第一波导片具有与所述第一波导片的下表面连接且与所述第一斜面平行的第二斜面；所述第二斜面与所述第一斜面正对设置；所述第二斜面的外端与所述第一波导片的上表面的一端连接形成第三斜面；所述第三斜面为从上到下向外倾斜的面；所述第一波导片的上表面、所述第一波导片的下表面、所述第二波导片的上表面和所述第二波导片的下表面相互平行；
所述第一分光膜设置在所述第一波导片的内部且与所述第三斜面平行；所述第二分光膜设置在所述第二波导片的内部且与所述第一斜面平行；所述第一分光膜与所述第二分光膜在水平方向上具有设定间距；由所述第二波导片的下方照射到所述第一斜面上的光，一部分在所述第一斜面发生全反射得到第一反射光，另一部分在所述第一斜面发生透射得到透射光；所述第一反射光在所述第二波导片中传输并由所述第二分光膜反射出去，所述透射光穿过所述第二斜面后在所述第三斜面发生全反射得到第二反射光，所述第二反射光在所述第一波导片中传输并由所述第一分光膜反射至所述第二波导片中，再由所述第二波导片透射出去；
所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角的最小值为
Figure FDA0003185574850000031
其中，A为左边缘线光在第二波导片的下表面的入射角，n为第一波导片的折射率；所述左边缘线光为第二波导片的下方照射到第一斜面上的光中在所述第一斜面发生透射的那一部分光；
所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角的最大值为
Figure FDA0003185574850000032
所述第二反射光在所述第一波导片的上表面发生反射时的入射角为
c＝180°-2·θ+a；
θ为所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角，a为左边缘线光在第二波导片的下表面发生折射时的折射角；
所述第一反射光在所述第二波导片的下表面发生反射时的入射角为
f＝2·θ1+d；
其中，θ1为所述第二波导片的下表面与所述第一斜面的夹角，d为右边缘线光在第二波导片的下表面发生折射时的折射角；所述右边缘线光为第二波导片的下方照射到第一斜面上的光中在所述第一斜面发生全反射的那一部分光。
4.根据权利要求3所述的一种扩大视场角的近眼波导显示设备，其特征在于，所述第一分光膜为多个，所述第二分光膜为多个；多个所述第一分光膜平行设置，多个所述第二分光膜平行设置；离所述第三斜面最近的第一分光膜与所述第三斜面之间的距离大于离所述第一斜面最远的第二分光膜与所述第一斜面之间的距离。
5.一种扩大视场角的近眼波导显示设备，其特征在于，包括：第一波导显示设备和第二波导显示设备；所述第一波导显示设备位于所述第二波导显示设备的上方；
所述第一波导显示设备包括第一波导片、第二波导片、第一分光膜和第二分光膜；所述第一波导片位于所述第二波导片的上面，且所述第一波导片和所述第二波导片不接触；
所述第二波导片的一个侧面为从上到下向外倾斜的第一斜面；所述第一波导片具有与所述第一波导片的下表面连接且与所述第一斜面平行的第二斜面；所述第二斜面与所述第一斜面正对设置；所述第二斜面的外端与所述第一波导片的上表面的一端连接形成第三斜面；所述第三斜面为从上到下向外倾斜的面；所述第一波导片的上表面、所述第一波导片的下表面、所述第二波导片的上表面和所述第二波导片的下表面相互平行；
所述第一分光膜设置在所述第一波导片的内部且与所述第三斜面镜像对称；所述第二分光膜设置在所述第二波导片的内部且与所述第一斜面镜像对称；所述第一分光膜与所述第二分光膜在水平方向上具有设定间距；由所述第二波导片的下方照射到所述第一斜面上的光，一部分在所述第一斜面发生全反射得到第一反射光，另一部分在所述第一斜面发生透射得到第一透射光；所述第一反射光在所述第二波导片中传输并由所述第二分光膜反射出去，所述第一透射光穿过所述第二斜面后在所述第三斜面发生全反射得到第二反射光，所述第二反射光在所述第一波导片中传输并由所述第一分光膜反射至所述第二波导片中，再由所述第二波导片透射出去；
所述第二波导显示设备包括：第三波导片、第四波导片、第三分光膜和第四分光膜；所述第三波导片位于所述第四波导片的上面，且所述第三波导片和所述第四波导片不接触；
所述第四波导片的一个侧面为从上到下向外倾斜的第四斜面；所述第三波导片具有与所述第三波导片的下表面连接且与所述第四斜面平行的第五斜面；所述第五斜面与所述第四斜面正对设置；所述第五斜面的外端与所述第三波导片的上表面的一端连接形成第六斜面；所述第六斜面为从上到下向外倾斜的面；所述第三波导片的上表面、所述第三波导片的下表面、所述第四波导片的上表面和所述第四波导片的下表面相互平行；
所述第三分光膜设置在所述第三波导片的内部且与所述第六斜面平行；所述第四分光膜设置在所述第四波导片的内部且与所述第四斜面平行；所述第三分光膜与所述第四分光膜在水平方向上具有设定间距；由所述第四波导片的下方照射到所述第四斜面上的光，一部分在所述第四斜面发生全反射得到第三反射光，另一部分在所述第四斜面发生透射得到第二透射光；所述第三反射光在所述第四波导片中传输并由所述第四分光膜反射出去，所述第二透射光穿过所述第五斜面后在所述第六斜面发生全反射得到第四反射光，所述第四反射光在所述第三波导片中传输并由所述第三分光膜反射至所述第四波导片中，再由所述第四波导片透射出去；
经所述第四分光膜反射出去的光和所述第三分光膜反射至所述第四波导片中再由所述第四波导片透射出去的光均由所述第二波导片的下表面入射至所述第一斜面，并在所述第一斜面上一部分发生全反射，另一部分发生透射；
所述第一波导显示设备和所述第二波导显示设备相互垂直设置，所述第一波导显示设备位于所述第二波导显示设备的一侧；
所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角的最小值为
Figure FDA0003185574850000061
其中，A为左边缘线光在第二波导片的下表面的入射角，n为第一波导片的折射率；所述左边缘线光为第二波导片的下方照射到第一斜面上的光中在所述第一斜面发生透射的那一部分光；
所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角的最大值为
Figure FDA0003185574850000062
所述第二反射光在所述第一波导片的上表面发生反射时的入射角为
c＝180°-2·θ+a；
θ为所述第二波导片的下表面与所述第三斜面的夹角，a为左边缘线光在第二波导片的下表面发生折射时的折射角；
所述第一反射光在所述第二波导片的下表面发生反射时的入射角为
f＝2·θ1+d；
其中，θ1为所述第二波导片的下表面与所述第一斜面的夹角，d为右边缘线光在第二波导片的下表面发生折射时的折射角；所述右边缘线光为第二波导片的下方照射到第一斜面上的光中在所述第一斜面发生全反射的那一部分光。
6.根据权利要求5所述的一种扩大视场角的近眼波导显示设备，其特征在于，所述第一分光膜为多个，所述第二分光膜为多个；多个所述第一分光膜平行设置，多个所述第二分光膜平行设置；离所述第三斜面最近的第一分光膜与所述第三斜面之间的距离大于离所述第一斜面最远的第二分光膜与所述第一斜面之间的距离；
所述第三分光膜为多个，所述第四分光膜为多个；多个所述第三分光膜平行设置，多个所述第四分光膜平行设置；离所述第六斜面最近的第三分光膜与所述第六斜面之间的距离大于离所述第四斜面最远的第四分光膜与所述第四斜面之间的距离。
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