CN112213855B

CN112213855B - 显示装置及光波导镜片

Info

Publication number: CN112213855B
Application number: CN201910622759.6A
Authority: CN
Inventors: 罗明辉; 乔文; 熊金艳; 李瑞彬; 李玲; 周振; 陈林森
Original assignee: Suzhou University; SVG Tech Group Co Ltd
Current assignee: Suzhou University; SVG Tech Group Co Ltd
Priority date: 2019-07-11
Filing date: 2019-07-11
Publication date: 2022-07-12
Anticipated expiration: 2039-07-11
Also published as: CN112213855A

Abstract

本申请涉及一种显示装置及光波导镜片，属于显示设备技术领域，该显示装置包括：光波导镜片，包括多个功能性区域，多个功能性区域包括光线耦入区域；透明镜片，与光波导镜片中光线耦入区域对应的基底贴合；光线经透明镜片折射后入射至光波导镜片，并经光线耦入区域耦合入光波导镜片进行全反射传输；可以解决现有的光波导镜片的限制，人眼观看的图像偏离正角度较大，图像显示效果不佳；且大范围入射光的需求导致前端光学***的结构复杂的问题；由于光线只需要在小角度范围内入射，因此，可以降低前端光学***的结构复杂度；同时透明镜片的折射作用还可以改善光波导镜片耦出光线构成的图像偏离人眼观看图像时的正角度较大的情况。

Description

显示装置及光波导镜片

技术领域

本申请涉及一种显示装置及光波导镜片，属于显示设备技术领域。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术，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，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息，声音，味道，触觉等)，通过光电信息技术模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。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，实现高度真实地虚实融合。其中AR***的特点之一：在三维尺度空间增添定位虚拟物体。

目前主流的近眼式增强现实显示设备大多采用光波导原理。公开号为：106338832A公开了一种单片全息衍射光波导镜片，该光波导镜片包括一层光波导介质和设置与光波导上的第一功能性区域、第二功能性区域和第三功能区域；外部图像光束经第一功能性区域入射，耦合进入光波导，在光波导全反射的作用下，向第二功能性区域传播，经第二功能性区域衍射，在光波导全反射的作用下，继续向第三功能性区域传播，最后经第三功能性区域衍射，向外部空间出射图像光束。

然而，为了满足光波导内光线全反射传输要求，入射至第一功能性区域的光线需要以相对于光波导表面法线大范围入射，相应的，出射角度相对于光波导表面法线也为大范围出射。此时，由于现有的光波导镜片的限制，人眼观看的图像偏离正角度较大，图像显示效果不佳；且大范围入射光的需求导致前端光学***的结构复杂。

发明内容

本申请提供了一种显示装置及光波导镜片，可以解决现有的光波导镜片的限制，人眼观看的图像偏离正角度较大，图像显示效果不佳；且大范围入射光的需求导致前端光学***的结构复杂的问题。本申请提供如下技术方案：

第一方面，提供了一种显示装置，所述显示装置包括：

光波导镜片，包括多个功能性区域，所述多个功能性区域包括光线耦入区域；

透明镜片，与所述光波导镜片中所述光线耦入区域对应的基底贴合；光线经所述透明镜片折射后入射至所述光波导镜片，并经所述光线耦入区域耦合入所述光波导镜片进行全反射传输。

可选地，所述光线入射至所述透明镜片的入射角小于发生全反射的临界角。

可选地，所述透明镜片为一面与所述光线耦入区域对应的基底贴合的透明棱镜。

可选地，所述透明棱镜的折射率范围与所述光波导镜片的折射率范围相同。

可选地，所述透明棱镜的折射率范围为[1.4，2]。

可选地，所述透明棱镜为三棱镜。

可选地，所述透明镜片与所述光线耦入区域对应的基底无缝贴合。

可选地，所述多个功能性区域位于所述光波导镜片的上表面；或者，位于所述光波导镜片的下表面；或者，部分位于所述光波导镜片的上表面，且另一部分位于所述光波导镜片的下表面。

可选地，每个功能性区域包括至少一个结构单元像素，所述结构单元像素由周期性纳米光栅组成。

第二方面，提供了一种光波导镜片，所述光波导镜片包括多个功能性区域；所述多个功能性区域包括光线耦入区域；所述光线耦入区域对应的位置具有凸出设置的透明镜片；光线经所述透明镜片折射后入射至所述光线耦入区域，并经所述光线耦入区域耦合入所述光波导镜片进行全反射传输。

本申请的有益效果在于：通过在光波导镜片的光线耦入区域对应的基底贴合透明镜片，光线经透明镜片折射后入射至光波导镜片；此时，该透明镜片可以在光线入射至光线耦入区域之前，以小角度的入射角接收该光线，并将该光线折射为以大角度入射至光线耦入区域，以使该光线经光线耦入区域耦合后能够在光波导镜片中进行全反射传输；可以解决现有的光波导镜片的限制，人眼观看的图像偏离正角度较大，图像显示效果不佳；且大范围入射光的需求导致前端光学***的结构复杂的问题；由于光线只需要在小角度范围内入射，因此，可以降低前端光学***的结构复杂度；同时透明镜片的折射作用还可以改善光波导镜片耦出光线构成的图像偏离人眼观看图像时的正角度较大的情况。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本申请一个实施例提供的波导镜片传输光线的示意图；

图2是本申请另一个实施例提供的波导镜片传输光线的示意图图；

图3是本申请一个实施例提供的显示装置传输光线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

图1是本申请一个实施例提供的光波导镜片的结构示意图，如图1所示，该光波导镜片包括多个功能性区域(11、12和13)。

可选地，多个功能性区域位于光波导镜片的上表面；或者，位于光波导镜片的下表面；或者，部分位于光波导镜片的上表面，且另一部分位于光波导镜片的下表面。

可选地，每个功能性区域包括至少一个结构单元像素，该结构单元像素由周期性纳米光栅组成。

示意性地，多个功能性区域包括光线耦入区域11。光线耦入区域11用于将光线耦入光波导镜片，耦入的光线需要满足在光波导镜片内全反射传输的条件。可选地，光线耦入区域11包括3种结构单元像素，3种结构单元像素分别用于耦合红、绿、蓝三色图像光线。在一个示例中，光线耦入区域11中结构单元像素的周期性纳米光栅的周期为200-600nm、占空比在0.1-0.7之间、深度在100-500nm之间。

可选地，多个功能性区域包括光线耦出区域12。光线耦出区域12用于将光波导镜片中传输的光线耦出光波导镜片。光线耦出区域12包括3种结构单元像素，3种结构单元像素分别用于耦合红、绿、蓝三色图像光线。在一个示例中，光线耦入区域12中结构单元像素的周期性纳米光栅的周期为200-600nm(与光线耦入区域11中结构单元像素的周期性纳米光栅的周期相同)、占空比在0.1-0.7之间、深度在100-500nm之间。

可选地，多个功能性区域包括光线转折区域13。光线转折区域13用于将光线耦入区域11耦合的光线转折至光线耦出区域12。光线转折区域13包括3种结构单元像素，3种结构单元像素分别用于耦合红、绿、蓝三色图像光线。在一个示例中，光线转折区域13中结构单元像素的周期性纳米光栅的周期为150-500nm之间、占空比在0.1-0.7之间、深度在100-500nm之间。

示意性地，光线转折区域13中周期性纳米光栅的取向与光线耦入区域11中周期性纳米光栅取向成45°；光线耦出区域12中周期性纳米光栅的取向与光线耦入区域11中周期性纳米光栅取向成90°。

在图1所示的光波导镜片中，光线耦入区域11具备宽带衍射功能。红、绿、蓝三色图像光线的衍射光线需要满足在光波导镜片内全反射的条件，这样，经光线耦入区域11耦合入光波导镜片的光线可以在光波导镜片内全反射传输，经光线转折区域13衍射至光线耦出区域12；经光线耦出区域12衍射后三色图像光线耦出光波导镜片传输至人眼，经人眼合成实现彩色增强现实显示。

需要补充说明的是，图1仅以光波导镜片包括3个功能性区域为例进行说明，在实际实现时，功能性区域的数量可以为2个或者3个以上，本实施例不对功能性区域的数量作限定。

对于图1所示的光波导镜片，入射光线经光线耦入区域11衍射产生的衍射光需满足波导镜片内全反射要求，光线需以相对于光波导镜片表面法线大角度入射，此时，经光线耦入区域11衍射产生的光线能够在光波导镜片中全反射传输。光线耦入区域11中周期性纳米光栅的周期和视场角及入射光波长需要满足Λ1＝λ/(1+sin FOV/2)。其中，Λ1为光线耦入区域11中周期性纳米光栅的周期、FOV为视场、λ为入射光波长。

参考图2，假设光线分别以能够在光波导镜片中全反射传输的两个临界角度入射(分别以实线所示光路和虚线所示光路所示)，两个临界角度之间的夹角为50°。由于构成图像的光线在入射到光线耦入区域11时会以相同的衍射角耦合入射到光波导镜片内，满足全反射条件传播，在输出时光线以平行于入射光线的角度出射，图像可以完整的显示，因此，光线耦出区域12耦出的光线构成的视场为50°。

光线在从光线耦出区域12输出时，由于全反射入射角一致，且光线耦入区域11和光线耦出区域12的周期性纳米光栅的周期一致，在每个全反射出射点，光线和原来光线平行，这会造成在不同出瞳位置，成像会有一定偏移，在成像面小于1米时，出射光线形成的图像偏离人眼观看图像时的正角度较大。另外，此时两个临界角度之间的夹角较大，此种大范围入射光的需求导致前端光学***的结构复杂。

基于上述技术问题，本申请中在光波导镜片中光线耦入区域11对应的位置引入透明镜片，该透明镜片用于在光线入射至光线耦入区域11之前，以小角度的入射角接收该光线，并将该光线折射为以大角度入射至光线耦入区域11，以使该光线经光线耦入区域11耦合后能够在光波导镜片中进行全反射传输。由于光线只需要在小角度范围内入射，因此，可以降低前端光学***的结构复杂度；同时透明镜片还可以改善光波导镜片耦出光线构成的图像偏离人眼观看图像时的正角度较大的情况。

图3是本申请一个实施例提供的显示装置的结构示意图，如图3所示，该显示装置至少包括：光波导镜片1和透明镜片2。

光波导镜片1包括多个功能性区域，多个功能性区域包括光线耦入区域11，光线耦入区域11用于将光线耦入光波导镜片，并在光波导镜片内进行全反射传输。光波导镜片1可以为图1所示的光波导镜片。

透明镜片2与光波导镜片1中光线耦入区域11对应的基底贴合。光线经透明镜片2折射后入射至光波导镜片1，并经光线耦入区域11耦合入光波导镜片1进行全反射传输。

其中，透明镜片2用于在光线入射至光波导镜片之前，对该光线进行折射，折射后的光线经光线耦入区域11耦合后满足在光波导镜片1中进行全反射传输的要求。可选地，为了使得透明镜片2能够对光线进行折射，光线入射至透明镜片2的入射角小于发生全反射的临界角。

可选地，透明镜片2表面的法线具有多个角度，这样，不同角度的光线可以通过透明镜片2中适配的位置进行折射，以使折射后的光线经光线耦入区域11耦合后满足在光波导镜片1中进行全反射传输的要求。

在一个示例中，透明镜片2为一面与光线耦入区域11对应的基底贴合的透明棱镜。此时，透明棱镜具有至少两个未与光波导镜片贴合的侧面，且每个侧面的法线不同。

可选地，透明棱镜的折射率范围与光波导镜片1的折射率范围相同。这样，经过透明棱镜折射的光线可以直接入射至光波导镜片1，而不会发生弯折，可以降低计算光线入射角度的复杂度。比如：透明棱镜的折射率范围为

[1.4，2]。

可选地，透明镜片与光线耦入区域对应的基底无缝贴合，以保证经过透明棱镜折射的光线可以直接入射至光波导镜片1，而不会发生弯折。

参考图3，假设光线分别以两种可以在光波导镜片1中进行全反射的临界角度入射(分别为图3中实线所示光路和虚线所示光路)，两种临界角度之间的夹角为11.3°。经透明镜片2调节后，调节后的光线入射至光波导镜片的角度变大，该光线耦入光波导镜片2后满足全反射传输的条件。由于入射光波长、光线耦入区域11中周期性纳米光栅的周期不变，因此，光线耦出区域12耦出的光线的视场不变仍然为50°。此时，由于透明镜片的折射作用，光线耦出区域12耦出的光线构成的图像偏离人眼观看图像时的正角度的情况也有所改善。

图3中以透明棱镜为三棱镜为例进行说明，在实际实现时，该透明棱镜还可以是四棱镜、五棱镜等，本实施例不对透明棱镜的具体形状作限定。另外，图3中以三棱镜中未与光波导镜片贴合的两个侧面的夹角为90°为例，在实际实现时，该夹角也可以根据入射光线的角度设置为其它角度，只需满足可以使调节后的光线以入射角大于或等于预设角度耦入光波导镜片的要求即可，本实施例不对该夹角的取值作限定。

在另一个示例中，透明镜片2为一面与光线耦入区域11对应的基底贴合的透明曲面镜，比如：圆柱的一半构成的透镜。当然，透明镜片2还可以实现为其它形状，比如：不规则形状等，本实施例不对透明镜片2的实现方式作限定。

可选地，为了进一步改善光线耦出区域12耦出的光线构成的图像偏离人眼观看图像时的正角度的情况，在光线耦出区域12对应的基底处还可以贴合另一透明镜片。

综上所述，本实施例提供的显示装置，通过在光波导镜片的光线耦入区域对应的基底贴合透明镜片，光线经透明镜片折射后入射至光波导镜片；此时，该透明镜片可以在光线入射至光线耦入区域之前，以小角度的入射角接收该光线，并将该光线折射为以大角度入射至光线耦入区域，以使该光线经光线耦入区域耦合后能够在光波导镜片中进行全反射传输；可以解决现有的光波导镜片的限制，人眼观看的图像偏离正角度较大，图像显示效果不佳；且大范围入射光的需求导致前端光学***的结构复杂的问题；由于光线只需要在小角度范围内入射，因此，可以降低前端光学***的结构复杂度；同时透明镜片的折射作用还可以改善光波导镜片耦出光线构成的图像偏离人眼观看图像时的正角度较大的情况。

可选地，在另一种实现方式中，透明镜片一体化集成在光波导镜片中，此时，光波导镜片包括多个功能性区域；该多个功能性区域包括光线耦入区域；光线耦入区域对应的位置具有凸出设置的透明镜片；光线经透明镜片折射后入射至光线耦入区域，并经光线耦入区域耦合入光波导镜片进行全反射传输。

此时，透明镜片的相关说明参考上述实施例，本实施例在此不再赘述。

可选地，本申请还提供有一种三维显示***，该三维显示***安装有上述实施例所述的显示装置；或者，上述实施例所述的透明镜片。当然，三维显示***还可以包括其它组件，比如：前端光学***(如投影***)、电源组件、通信组件等，本实施例在此不再一一赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种显示装置，其特征在于，所述显示装置包括：

光波导镜片，包括多个功能性区域，所述多个功能性区域包括光线耦入区域和光线耦出区域；构成图像的光线在输出时光线以平行于入射光线的角度出射所述光线耦出区域；所述光线耦入区域和所述光线耦出区域的周期性纳米光栅的周期一致，在每个全反射出射点，光线和原来光线平行；

透明镜片，与所述光波导镜片中所述光线耦入区域对应的基底贴合，以削弱耦出的光线构成的图像偏离人眼观看图像时的正角度的情况；光线经所述透明镜片折射后入射至所述光波导镜片，并经所述光线耦入区域耦合入所述光波导镜片进行全反射传输。

2.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述光线入射至所述透明镜片的入射角小于发生全反射的临界角。

3.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，所述透明镜片为一面与所述光线耦入区域对应的基底贴合的透明棱镜。

4.根据权利要求3所述的显示装置，其特征在于，所述透明棱镜的折射率范围与所述光波导镜片的折射率范围相同。

5.根据权利要求4所述的显示装置，其特征在于，所述透明棱镜的折射率范围为[1.4，2]。

6.根据权利要求3所述的显示装置，其特征在于，所述透明棱镜为三棱镜。

7.根据权利要求1至6任一所述的显示装置，其特征在于，所述透明镜片与所述光线耦入区域对应的基底无缝贴合。

8.根据权利要求1至6任一所述的显示装置，其特征在于，所述多个功能性区域位于所述光波导镜片的上表面；或者，位于所述光波导镜片的下表面；或者，部分位于所述光波导镜片的上表面，且另一部分位于所述光波导镜片的下表面。

9.根据权利要求1至6任一所述的显示装置，其特征在于，每个功能性区域包括至少一个结构单元像素，所述结构单元像素由周期性纳米光栅组成。

10.一种光波导镜片，其特征在于，所述光波导镜片包括多个功能性区域；所述多个功能性区域包括光线耦入区域和光线耦出区域；构成图像的光线在输出时光线以平行于入射光线的角度出射所述光线耦出区域；所述光线耦入区域和所述光线耦出区域的周期性纳米光栅的周期一致，在每个全反射出射点，光线和原来光线平行；所述光线耦入区域对应的位置具有凸出设置的透明镜片；光线经所述透明镜片折射后入射至所述光线耦入区域，并经所述光线耦入区域耦合入所述光波导镜片进行全反射传输，以削弱耦出的光线构成的图像偏离人眼观看图像时的正角度的情况。