CN115629438A - 光波导器件及近眼显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了光波导器件及近眼显示装置，包括两个子波导。两个子波导的结构相似，均包括基板和耦出反面。两个子波导在厚度界面处重叠设置。耦出反面沿其基板的长度方向以预设间距相互平行地以第一倾角θ内嵌于相应的基板内。并且，所述预设间距等于所述第一基板的厚度和所述第二基板的厚度的和与cotθ的乘积。当光线经过两个部分反射镜的间断处时，此种结构可以有效减少同一路光线多次穿透同一耦出反射面的现象，从而提高均匀性。并且，通过两层波导的拼合，也避免了出瞳不连续的问题。

Description

光波导器件及近眼显示装置
技术领域
本发明实施例涉及光学技术，尤其涉及一种光波导器件及近眼显示装置。
背景技术
用于增强现实的头戴式显示器采用近眼显示技术，可以让人们在查看周围环境的同时，观看正在放映的虚拟图像，虚拟图像叠加在用户感知的真实世界上，能够营造更逼真的体验，用户沉浸感更强。
阵列波导增强现实显示***，分为成像部分(投影光机)和波导片两部分，成像部分负责把屏幕显示的图像成像到无穷远，即平行光输出，波导片负责把成像部分输出的平行光经过阵列波导的横向传输，从眼睛前方照射到人的瞳孔中，从而在镜片前方的空间中呈现出一个虚拟显示屏的感觉。
然而，由于在阵列光波导中主要利用阵列部分反射镜作为耦出结构，因此当光线经过两个部分反射镜的间断处时，就会存在多次透射和多次反射的现象，从而造成显示虚拟图像亮度均匀性的下降。
发明内容
本发明实施例提供一种光波导器件及近眼显示装置，以提高显示虚拟图像的亮度均匀性。
本发明实施例提供一种光波导器件，包括：
第一子波导，包括具有第一平行表面和第二平行表面的第一基板和多个第一耦出反射面，多个第一耦出反射面沿所述第一基板的长度方向以预设间距相互平行地以第一倾角θ内嵌于所述第一平行表面和所述第二平行表面之间；
第二子波导，包括具有第三平行表面和第四平行表面的第二基板和多个第二耦出反射面，多个第二耦出反射面沿所述第二基板的长度方向以所述预设间距相互平行地以所述第一倾角θ内嵌于所述第三平行表面和所述第四平行表面之间；
其中，所述第二平行表面与所述第三平行表面重叠设置；
多个所述第一耦出反射面与多个所述第二耦出反射面一一对应，并且，所述预设间距等于所述第一基板的厚度和所述第二基板的厚度的和与cotθ的乘积。
在其中一个实施例中，所述第二平行表面与所述第三平行表面通过空气分离。
在其中一个实施例中，所述第二平行表面与所述第三平行表面之间胶合设置，并且，在其胶合面上设置全反射膜。
在其中一个实施例中，所述第一基板的厚度和所述第二基板的厚度相同。
在其中一个实施例中，还包括：
棱镜，包括入射面和出射面，所述出射面定位成临近所述第一子波导和所述第二子波导的一端设置，所述入射面垂直于主光线的光轴。
在其中一个实施例中，所述第一倾角θ为45度。
在其中一个实施例中，多个所述第一耦出反射面和多个所述第二耦出反射面的数量均为5-8片。
基于相同的发明构思，本发明实施例一种近眼显示装置，包括显示单元和如上述实施例中任一项所述的光波导器件；
所述显示单元发出的图像光分别进入所述第一子波导和所述第二子波导中进行扩瞳并耦出至人眼。
在其中一个实施例中，所述显示单元包括微有机发光二极管显示器、微发光二极管显示器或液晶显示器。
在其中一个实施例中，所述近眼显示装置包括虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。
本发明实施例提供的光波导器件及近眼显示装置，包括两个子波导。两个子波导的结构相似，均包括基板和耦出反面。两个子波导在厚度界面处重叠设置。耦出反面沿其基板的长度方向以预设间距相互平行地以第一倾角θ内嵌于相应的基板内。并且，所述预设间距等于所述第一基板的厚度和所述第二基板的厚度的和与cotθ的乘积。当光线经过两个部分反射镜的间断处时，此种结构可以有效减少同一路光线多次穿透同一耦出反射面的现象，从而提高均匀性。并且，通过两层波导的拼合，也避免了出瞳不连续的问题。
附图说明
图1为一种传统的阵列光波导结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种光波导器件结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种近眼显示装置俯视视角结构示意图；
图4为本发明实施例提供的出瞳扩展原理示意图；
图5为本发明实施例提供的阵列反射波导在出瞳扩展时位于不同位置的出瞳示意图；
图6为本发明实施例提供的三种出瞳在波导内的传播路线示意图；
图7为本发明实施例提供的一种光波导器件的俯视视角结构示意图。
主要元件附图标号说明
10、光波导器件；11、第一子波导；111、第一平行表面；113、第二平行表面；115、第一耦出反射面；12、第二子波导；121、第三平行表面；123、第四平行表面；125、第二耦出反射面；13、棱镜；131、入射面；133、出射面；20、显示单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参见图1，为传统技术方案提供的阵列光波导结构示意图，包括耦入结构及耦出结构。耦入结构通常为棱镜，主要用来将光引擎出射的光线耦入到波导内进行全反射传输。耦出结构通常为阵列部分反射镜，主要用来将光线耦出光波导并完成扩瞳。
该结构在显示虚拟图像时，由于结构本身的问题，会存在亮度不均的问题，在扩瞳方向上，会有较为明显的明暗明暗变化。
请参见图2，为了提升亮度均匀性，本发明实施例提供一种光波导器件10。光波导器件10包括第一子波导11和第二子波导12。第一子波导11包括具有第一平行表面111和第二平行表面113的第一基板和多个第一耦出反射面115。多个第一耦出反射面115沿所述第一基板的长度方向以预设间距相互平行地以第一倾角θ内嵌于所述第一平行表面111和所述第二平行表面113之间。第二子波导12包括具有第三平行表面121和第四平行表面123的第二基板和多个第二耦出反射面125。多个第二耦出反射面125沿所述第二基板的长度方向以所述预设间距相互平行地以所述第一倾角θ内嵌于所述第三平行表面121和所述第四平行表面123之间。其中，所述第二平行表面113与所述第三平行表面121重叠设置。多个所述第一耦出反射面115与多个所述第二耦出反射面125一一对应，并且，所述预设间距等于所述第一基板的厚度和所述第二基板的厚度的和与cotθ的乘积。
本实施例中的第一子波导11和第二子波导12的基板材料可以是透明玻璃材料或者透明树脂材料。
需要说明的是，附图中示出的耦出反射面(分束镜)仅是示意性的，并不是对本发明实施例的限定，具体实施时可以根据实际情况设计分束镜的数量，在其中一个实施例中，多个所述第一耦出反射面115和多个所述第二耦出反射面125的数量均为5-8片。此外，也不对多个耦出反射面的形成工艺作限定，例如可以先制作多个平行四边形结构，在平行四边形的两个侧面镀半透半返膜形成分束镜，再贴合在一起形成多个耦出反射面。
本实施例中的光波导器件10的结构由两层子波导叠合形成。可以理解为传统波导在其厚度界面处一分为二。第一耦出反射面115和第二耦出反射面125可以是部分反射镜。多个第一耦出反射面115与第二平行表面113的夹角为θ。多个第二耦出反射面125与第四平行表面123的夹角为θ。可以理解的是，第一倾角θ的角度范围不做限定，可选地，所述第一倾角θ为45度。进一步地，所述第一倾角θ和全反射临界角之和在60°～120°范围内。此种设置可以进一步避免杂散光的产生。
预设间距等于所述第一基板的厚度和所述第二基板的厚度的和与cotθ的乘积，使得单个子波导的耦出反射面之间不是无缝拼接，但叠合形成的耦出反射面之间无缝拼接。在其中一个实施例中，所述第一基板的厚度和所述第二基板的厚度不同。在另一个实施例中，所述第一基板的厚度和所述第二基板的厚度相同。
本实施例提供的光波导器件10的工作原理如下：
使用时，将本实施例提供的光波导器件10放置于近眼显示装置中，如图3所示，该近眼显示装置除上述光波导器件10外，还包括显示单元20。
显示单元20可以包括图像源和准直光学***。图像源发出的图像光经准直光学***准直输出，进入上下两层子波导中，在其中分别进行全反射，之后通过阵列部分反射镜实现出瞳扩展，出瞳扩展原理如图4所示。图4(a)给出了入射光线进入波导片后入瞳的变化。入射光线在进入波导时，其入射角度必须满足全反射条件，且入射光线的孔径大小需要充满波导入瞳。
入射光线进入波导后开始进行全反射传输，每全反射两次，入瞳就会复制一份，如图4(a)中的复制瞳1和复制瞳2所示，分别是全反射两次和四次后入瞳的复制的瞳，全反射后的光线可以等效看作是位置变化后的复制瞳发出的光线。这样，当波导内设置有部分反射镜时，所有复制瞳发出的光线都会被反射耦出波导，被耦出的瞳我们称为出瞳，如图4(b)所示。当部分反射镜设置有多个时，即阵列排布时，反射镜可以将更多复制瞳的光线进行反射，即完成了出瞳扩展。
根据以上的分析，阵列反射波导虽然可以通过薄薄的基板和阵列部分反射镜实现出瞳扩展，但是在此过程中也存在一些问题，其中一个即为在每两个部分反射镜的交界处，会存在亮度不均匀的问题，这会使得人眼在观看时会有明暗的条纹，影响体验效果。
图5给出了阵列反射波导在出瞳扩展时位于不同位置的出瞳。出瞳部分R0-1表示为入瞳第0部分发出的光线被部分反射镜1反射，R2-2表示入瞳第2部分发出的光线被部分反射镜2反射，R4-3表示入瞳第4部分发出的光线被部分反射镜3反射。出瞳R1-1表示为入瞳第1部分发出的光线被部分反射镜1反射，R3-2表示入瞳第2部分发出的光线被部分反射镜3反射。蓝出瞳R1-2表示为入瞳第1部分发出的光线被部分反射镜2反射，R3-3表示入瞳第3部分发出的光线被部分反射镜3反射。
图6分别给出瞳在波导内的传播路线。出瞳R0-1和R2-2是出瞳第0和第2部分直接入射到反射镜上然后被反射耦出波导，而出瞳R1-1相对于R0-1而言，多透过了一次反射镜1，然后再被反射镜1反射，而且出瞳第1部分所包含的能量等于出瞳第0部分被反射镜1反射后所剩余的能量，因此R1-1能量要小于R0-1，就产生了明暗分界，同样的，出瞳R3-2能量小于出瞳R2-2。同理，出瞳R1-2、R3-3的能量分别弱于出瞳R2-2、R4-3。更直观的，出瞳R0-1、R2-2以及R4-3相对于其他出瞳而言，相当于入瞳和复制瞳只穿过一个反射面，而其他出瞳穿过了两个反射面，因此能量会有差异。
根据以上的分析，如果出瞳和复制瞳仅穿过一个反射面，就可以解决所述亮度不均匀的问题。图7给出了对应的方式，在这种结构中，不存在出瞳和复制瞳穿过两个反射面的情况，但是，由于这种结构中阵列反射镜之间不是无缝拼接，因此扩展的出瞳是非连续的，人眼在扩展后的出瞳观察时，就存在看不到图像的位置。因此我们提出了图2所示的结构，通过两层波导的拼合，即解决了出瞳和复制瞳穿过两个反射面造成了亮度不均匀的问题，也避免了图7所示的出瞳不连续问题。
本实施例中包括两个子波导。两个子波导的结构相似，均包括基板和耦出反面。两个子波导在厚度界面处重叠设置。耦出反面沿其基板的长度方向以预设间距相互平行地以第一倾角θ内嵌于相应的基板内。并且，所述预设间距等于所述第一基板的厚度和所述第二基板的厚度的和与cotθ的乘积。当光线经过两个部分反射镜的间断处时，此种结构可以有效减少同一路光线多次穿透同一耦出反射面的现象，从而提高均匀性。并且，通过两层波导的拼合，也避免了出瞳不连续的问题。
在其中一个实施例中，所述第二平行表面113与所述第三平行表面121通过空气分离。即，可以理解为所述第二平行表面113与所述第三平行表面121抵接但不胶合，此种结构可以保证，进入两个子波导的光只在其相应的基本内进行传输。
在其中一个实施例中，所述第二平行表面113与所述第三平行表面121之间胶合设置，并且，在其胶合面上设置全反射膜。此种结构可以保证，进入两个子波导的光只在其相应的基本内进行传输。
在其中一个实施例中，光波导器件10还包括棱镜13。棱镜13包括入射面131和出射面133，所述出射面133定位成临近所述第一子波导11和所述第二子波导12的一端设置，所述入射面131垂直于主光线的光轴。主光线可以理解为是限定图像视场角的中点处的光线。
在一个可选的实施例中，如图2及图3所示，第一基板和第二基板远离耦出反射面的侧面上凸设有相应锥形部。两个相应的锥形部平滑过渡。锥形部具有一个斜面，斜面为入光面。具体的，锥形部可以与相应的基板的主体采用一体成型结构，也可以为独立的部件，贴设于相应的基板的主体的相应侧壁上，具体可根据设计需要灵活选择。
棱镜13为三角棱镜，三角棱镜的出射面贴设于锥形部的入光面上，两者组成三角形结构。
具体的，三角棱镜具有一个入射面和一个出射面，其他面可为反射面，以保证经入光面进入三角棱镜的光线，可经三角棱镜全部进入上下两层子波导中。
基于相同的发明构思，本发明实施例一种近眼显示装置，包括显示单元20和如上述实施例中任一项所述的光波导器件10。
所述显示单元20发出的图像光分别进入所述第一子波导11和所述第二子波导12中进行扩瞳并耦出至人眼。
所述显示单元20可以包括显示器和成像***。当显示器为被动显示源时，所述显示单元20还可以包括照明***。当所述显示单元20发出多条光线需要为偏振光时，所述显示单元20还可以包括偏光片。
其中，本发明实施例中的近眼显示装置可以为虚拟现实VR显示装置或增强现实AR显示装置。具体的，当基板不能透过外界光线或者设置有遮光器件时，人眼不能观察到外界环境光线，该近眼显示装置即为VR显示装置，当基板对外界光线具有一定的透过性时，人眼能同时观察到外界环境光线和显示单元20出射的光线，该近眼显示装置即为AR显示装置，具体实施时可以根据实际情况设计，本发明实施例对此不作限定。
显示单元20用于出射成像光束，本实施例提供的近眼显示装置可以匹配多种显示单元20使用。可选的，显示单元20包括微有机发光二极管(Micro OLED)显示器、微发光二极管(Micro LED)显示器或液晶(LC)显示器。进一步的，微有机发光二极管显示器、微发光二极管显示器或液晶显示器可以均为硅基显示器。硅基显示器以单晶硅片为基底，像素尺寸约为传统显示器的1/10，具有功耗低、体积小、分辨率高等优点，非常适用于近距离观察的近眼显示装置。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种光波导器件，其特征在于，包括：
第一子波导，包括具有第一平行表面和第二平行表面的第一基板和多个第一耦出反射面，多个第一耦出反射面沿所述第一基板的长度方向以预设间距相互平行地以第一倾角θ内嵌于所述第一平行表面和所述第二平行表面之间；
第二子波导，包括具有第三平行表面和第四平行表面的第二基板和多个第二耦出反射面，多个第二耦出反射面沿所述第二基板的长度方向以所述预设间距相互平行地以所述第一倾角θ内嵌于所述第三平行表面和所述第四平行表面之间；
其中，所述第二平行表面与所述第三平行表面重叠设置；
多个所述第一耦出反射面与多个所述第二耦出反射面一一对应，并且，所述预设间距等于所述第一基板的厚度和所述第二基板的厚度的和与cotθ的乘积。
2.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述第二平行表面与所述第三平行表面通过空气分离。
3.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述第二平行表面与所述第三平行表面之间胶合设置，并且，在其胶合面上设置全反射膜。
4.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述第一基板的厚度和所述第二基板的厚度相同。
5.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，还包括：
棱镜，包括入射面和出射面，所述出射面定位成临近所述第一子波导和所述第二子波导的一端设置，所述入射面垂直于主光线的光轴。
6.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，所述第一倾角θ为45度。
7.根据权利要求1所述的光波导器件，其特征在于，多个所述第一耦出反射面和多个所述第二耦出反射面的数量均为5-8片。
8.一种近眼显示装置，其特征在于，包括显示单元和如权利要求1-7中任一项所述的光波导器件；
所述显示单元发出的图像光分别进入所述第一子波导和所述第二子波导中进行扩瞳并耦出至人眼。
9.根据权利要求8所述的近眼显示装置，其特征在于，所述显示单元包括微有机发光二极管显示器、微发光二极管显示器或液晶显示器。
10.根据权利要求8所述的近眼显示装置，其特征在于，所述近眼显示装置包括虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。
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