CN116047649B - 一种几何光波导耦合装置和近眼显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种几何光波导耦合装置和近眼显示设备，所述装置包括光波耦入单元、光波导单元和光波耦出单元；光波耦入单元包括光波耦入面和与光波耦入面平行的偏振面；光波导单元包括1/4相位延迟片和反射面；光波耦出单元包括基体和设置于基体的光波耦出面；光波耦入单元耦入的准直光波经过偏振面和光波耦入面后进入至光波耦出单元的基体，经过1/4相位延迟片的相位调制后的光波经反射面的反射再次经过1/4相位延迟片，之后光波经过偏振面的反射再次进入至基体以进行全反射传输，使光波耦出面输出目标光波。可以至少解决相关技术的几何光波导解决方案的结构复杂，加工工艺较为繁琐，存在夹角限制而不利于近眼显示设备的外观设计的技术问题。

Description

一种几何光波导耦合装置和近眼显示设备

技术领域

本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种几何光波导耦合装置和近眼显示设备。

背景技术

增强现实(英文全称Augmented Reality，简称“AR”)便携式和可穿戴设备的市场正在迅速增长。在各种硬件实现形式中，带透明眼镜的近眼显示(英文全称Near-to-eyeDisplay，简称“NED”)可提供有效和身临其境的AR体验。其中的近眼显示，也称头戴显示或可穿戴显示，可在单眼视场或双眼视场中创建虚像，其通过置于人眼非明视距离内的显示设备，向人眼渲染出光场信息，进而在眼前重建虚拟场景的技术。其中的增强现实，是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术。

实际应用中，可采用基于几何光波导的解决方案实现近眼显示。在以几何光波导的基础上形成的头戴显示或可穿戴显示设备中，其外观设计结构类似普通眼镜，更贴合人体工学设计，轻便舒适，可以更好地面向C端市场。具体来说，相关技术中的几何光波导的解决方案包括耦入、波导、耦出三部分，其大致工作流程是：耦入部分将图像源耦入进波导内进行全反射传输，耦出部分将部分光线耦出实现一维扩瞳，使得人眼在眼动范围(EYEBOX)内能够观测到完整的图像，其中，波导部分用于实现光线无损传输。在光机、波导、材料等相关参数均满足相关要求的条件下，光波导就可以在轻薄的光学镜片实现大的视场角。

然而，发明人至少发现：相关技术中的几何光波导解决方案的结构复杂，加工工艺较为繁琐，且光机的光轴与波导所在平面的夹角需要被限制在一定范围内，不利于近眼显示设备的外观设计。

发明内容

本申请的一个目的是提供一种几何光波导耦合装置和近眼显示设备，至少用以解决相关技术中的几何光波导解决方案的结构复杂，加工工艺较为繁琐，且光机的光轴与波导所在平面的夹角需要被限制在一定范围内，不利于近眼显示设备的外观设计的技术问题。

为实现上述目的，本申请的一些实施例提供了一种几何光波导耦合装置，所述装置包括光波耦入单元、光波导单元和光波耦出单元；所述光波耦入单元包括光波耦入面和与所述光波耦入面平行的偏振面；所述光波导单元包括1/4相位延迟片和反射面；所述光波耦出单元包括基体和设置于所述基体的光波耦出面；所述光波耦入单元耦入的准直光波经过所述偏振面和光波耦入面后进入至所述光波耦出单元的基体，经过所述1/4相位延迟片的相位调制后的光波经所述反射面的反射再次经过所述1/4相位延迟片，之后光波经过所述偏振面的反射再次进入至所述基体以进行全反射传输，使所述光波耦出面输出目标光波。

本申请的一些实施例还提供了一种近眼显示设备，所述近眼显示设备包括光学显示装置以及如上所述的几何光波导耦合装置；所述光学显示装置，用于发出显示目标图像的显示光波。

相较于现有技术，本申请实施例提供的方案中，优化了常规几何波导耦合面的结构设计，简化了几何波导结构和加工工艺，使得几何波导模组中光机的光轴与波导所在平面的夹角不被限制，有利于后续近眼显示设备的外观设计。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种几何光波导耦合装置的示例性结构示意图；

图2为本申请实施例提供的另一种几何光波导耦合装置的示例性结构示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种几何光波导耦合装置的示例性结构示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种几何光波导耦合装置的示例性结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种几何光波导耦合装置的光波传输路径的示例性结构示意图；

图6为相关技术中的一种几何光波导耦合装置的示例性结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本文中使用以下术语。

光波导，能够实现一维扩瞳，并且通过全反射无损传输的光***。

S偏振光和P偏振光，当光线以非垂直角度穿透光学元件的表面时，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，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为s-偏振。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。

视场角，在光学工程中又称视场，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围。

实施例一

本申请实施例提供了一种几何光波导耦合装置，结合图1至4所示，所述装置包括光波耦入单元、光波导单元和光波耦出单元；

所述光波耦入单元包括光波耦入面11和与所述光波耦入面11平行的偏振面12；

所述光波导单元包括1/4相位延迟片21和反射面22；

所述光波耦出单元包括基体31和设置于所述基体31的光波耦出面32；

所述光波耦入单元耦入的准直光波经过所述偏振面12和光波耦入面11后进入至所述光波耦出单元的基体31，经过所述1/4相位延迟片的相位调制后的光波经所述反射面的反射再次经过所述1/4相位延迟片，这样，光波两次经过所述1/4相位延迟片21，之后光波经过所述偏振面12的反射再次进入至所述基体31以进行全反射传输，使所述光波耦出面32输出目标光波，该目标光波可以进入到人眼。

在本申请一些实施例中，所述光波耦出面32的数量可以为多个。所述光波耦入面11，用于将所述准直光波耦合进入所述基体31后，改变耦入光波的传输角度，使得进入所述基体31的光波的传输角能满足全反射条件，在所述基体31中进行全反射传输，之后，通过光波耦出面32进行扩瞳后输出目标光波。其中，所述光波耦出面32的外表面镀有相应的反射膜。

进一步地，在本申请一些实施例中，所述基体31可以包括第一衬底311和第二衬底312，所述第一衬底311和所述第二衬底312平行，所述光波耦出面32倾斜设置于所述第一衬底311和所述第二衬底312之间；所述光波耦出面32的一端和所述第一衬底311连接，所述光波耦出面32的另一端和所述第二衬底312连接。其中，相互平行设置的第一衬底311和第二衬底312，用于对所述光波耦入面11耦入的光波进行全反射传输，以使所述光波耦出面32输出目标光波。

在一些例子中，所述准直光波的光波来源可以是光学显示装置41，光学显示装置41具体可以发出显示所需图像的显示光波，该显示光波可以是无偏振态的光波，也可以是有偏振态的光波。其中，该光学显示装置41可以包括OLED显示装置、MicroLED显示装置、LCOS显示装置和DLP显示装置中的其中之一。

在本申请一些实施例中，所述偏振面12具体为偏振片或者偏振膜，也就是说，可以由偏振片或者偏振膜提供偏振面12，其用于透射其中一种偏振态的光波，反射另一种偏振态的光波。在实际应用中，如果使用偏振片，则需要使用胶水去胶合，而偏振膜本身自带一层胶，直接贴合使用即可，因此加工工艺上更为简单，相关人员可以根据实际条件进行选用。

其中，所述1/4相位延迟片21，用于对光波进行偏振态的转换。

在本申请一些实施例中，所述反射面22具体为反射镜的反射面22。所述反射面22设置于所述基体31的预定位置，用于改变光波的传输方向。

需要说明的是，上述各光学器件均需要按照光路方向紧密贴合。

实施例二

本申请实施例是在实施例一的基础上提供的一种几何光波导耦合装置的具体实现方式。

在本申请一些实施例中，具体参见图1所示，所述1/4相位延迟片21平行设置于所述光波耦入面11和所述偏振面12之间；

所述反射面22设置于所述基体31的预定位置；具体地，所述反射面22设置于所述基体31的第二衬底312的第一位置上，该第一位置为可以对光波进行反射以使光波可以两次经过所述1/4相位延迟片21的第一位置。

本申请实施例提供的几何光波导耦合装置的光路路径大致如下：光波耦入单元耦入的准直光波依次经过所述偏振面12、所述1/4相位延迟片21和所述光波耦入面11后进入至所述光波耦出单元的基体31，于所述反射面22的反射后依次经过所述基体31和所述光波耦入面11后再次进入所述1/4相位延迟片21，之后光波经过所述偏振面12的反射再次进入至所述基体31以进行全反射传输，使所述光波耦出面32输出目标光波。

在如图1所示的示例中，人眼位于第二衬底312的一侧，基体31的第二衬底312输出目标光波。

在一些例子中，若光学显示装置41输出的光波为无偏振态的光波，则光路路径大致如下：所述无偏振态的光波经过偏振面12后，透射准直光波中的其中一种偏振光波，即S偏振光或者P偏振光(下文简称p/s)，透射的其中一种偏振光波p/s穿过1/4相位延迟片21，之后经过光波耦入面11耦合进入基体31的第二衬底312，经过第二衬底312的传输后入射到反射面22上，经过反射面22的反射后继续经过所述基体31的第二衬底312的传输，再次进入到1/4相位延迟片21中，其中一种偏振态的光波p/s两次经过1/4相位延迟片21后被调制为另一种偏振态s/p的光波到达偏振面12上，经过偏振面12的反射进入到基体31的第二衬底312中进行全反射传输，在光波进行全反射传输过程中遇到光波耦出面32后耦合，经过所述第二衬底312输出目标光波。

在一些例子中，若光学显示装置41输出的光波为有偏振态的光波，则光路路径大致如下：所述有偏振态的光波p/s被偏振面12透射，透射的偏振光波p/s穿过1/4相位延迟片21，之后经过光波耦入面11耦合进入基体31的第二衬底312，经过第二衬底312的传输后入射到反射面22上，经过反射面22的反射后继续经过所述基体31的第二衬底312的传输，再次进入到1/4相位延迟片21中，其中一种偏振态的光波p/s两次经过1/4相位延迟片21后被调制为另一种偏振态s/p的光波到达偏振面12上，经过偏振面12的反射进入到基体31的第二衬底312中进行全反射传输，在光波进行全反射传输过程中遇到光波耦出面32后耦合，经过所述第二衬底312输出目标光波。

实施例三

本申请实施例是在实施例二的基础上提出的一种几何光波导耦合装置的变型结构。

在本申请一些实施例中，改变了所述光波耦出面32的设置方向，具体可以参见图2所示的设置方式，此时，人眼位于光学显示装置41的一侧，基体31的第一衬底311输出目标光波。

另外，在实际应用中，也可以根据实际需求调整光波耦出面32的角度，本申请实施例对此不作具体限定。

可见，在本申请实施例提供的几何光波导耦合装置，可以根据用户的实际需要进行灵活性设置。

实施例四

本申请实施例是与实施例二并列的实施例。

在本申请一些实施例中，具体参见图3所示，所述1/4相位延迟片21平行设置于所述基体31的底部；

所述反射面22平行于所述1/4相位延迟片21的底部；

本申请实施例提供的几何光波导耦合装置的光路路径大致如下：所述光波耦入单元耦入的准直光波依次经过所述偏振面12和所述光波耦入面11后进入至所述光波耦出单元的基体31，经过所述基体31的传输后依次进入所述1/4相位延迟片21和所述反射面22，经过所述反射面22的反射后所述光波再次进入1/4相位延迟片21，之后光波先后经过所述光波耦入面11和所述偏振面12的反射后再次进入至所述基体31以进行全反射传输，使所述光波耦出面32输出目标光波。

在如图3所示的示例中，人眼位于第二衬底312的一侧，基体31的第二衬底312输出目标光波。

具体地说，所述反射面22具体为反射镜的反射面22。

在一些例子中，若光学显示装置41输出的光波为无偏振态的光波，则光路路径大致如下：所述无偏振态的光波经过偏振面12后，透射准直光波中的其中一种偏振光波p/s经过光波耦入面11后进入所述光波耦出单元的基体31的第二衬底312中，经过所述基体31的第二衬底312的传输后依次进入所述1/4相位延迟片21和所述反射面22，经过所述反射面22的反射后所述光波再次进入1/4相位延迟片21中，其中一种偏振态的光波两次经过1/4相位延迟片21后被调制为另一种偏振态s/p的光波到达偏振面12上，经过偏振面12的反射进入到所述基体31的第二衬底312以进行全反射传输，在光波进行全反射传输过程中遇到光波耦出面32后耦合，经过所述第二衬底312输出目标光波。

在一些例子中，若光学显示装置41输出的光波为有偏振态的光波，则光路路径大致如下：所述有偏振态的光波p/s被偏振面12透射并经过光波耦入面11后进入所述光波耦出单元的基体31的第二衬底312，经过所述基体31的第二衬底312的传输后依次进入所述1/4相位延迟片21和所述反射面22，经过所述反射面22的反射后所述光波再次进入1/4相位延迟片21中，其中p/s偏振态的光波两次经过1/4相位延迟片214后被调制为另一种偏振态s/p的光波到达偏振面12上，经过偏振面12的反射进入到所述基体31的第二衬底312以进行全反射传输，在光波进行全反射传输过程中遇到光波耦出面32后耦合，经过所述第二衬底312输出目标光波。

实施例五

本申请实施例是在实施例四的基础上提出的一种几何光波导耦合装置的变型结构。

在本申请一些实施例中，改变了所述光波耦出面32的设置方向，具体可以参见图4所示的设置方式，此时，人眼位于光学显示装置41的一侧，基体31的第一衬底311输出目标光波。

另外，在实际应用中，也可以根据实际需求调整光波耦出面32的角度，本申请实施例对此不作具体限定。

可见，在本申请实施例提供的几何光波导耦合装置，可以根据用户的实际需要进行灵活性设置。

上述实施例一至实施例五提供的几何光波导耦合装置的原理大致如下：

结合图5所示，假设所述光波耦入面11和所述第二衬底312底面的夹角为α，入射光波与所述第二衬底312底面的夹角为β，基体31包括的第一衬底311和第二衬底312的折射率为n，FOV表示光学显示装置41的视场角，那么α和β需要满足如下条件：

本领域技术人员可以理解，上述的第一个公式用于满足角度调整的需求；第二个公式用于满足全反射条件。在实际应用中，可以先通过需要满足的视场角和折射率确定θ的取值范围，之后，可以对α和β进行灵活地联动调节，即可满足实际应用中较大范围的耦合角度的要求。

本领域技术人员可以理解，在相关技术中，常见的几何光波导耦合的设计方案可以参照图6所示，其通常遵循耦合角，也就是入光面与底面的夹角(2θ)等于两倍的反射阵列面与底面的夹角(θ)的关系，这样，耦出光线才能垂直于波导镜片出射，或与波导镜片的法线方向夹角非常小。当几何光波导模组中光机的光轴与波导所在平面有夹角限制的时候通常是调整θ去适应，但由于θ角受全反射角、膜层设计、波导厚度、耦出面积等因素的限制，导致几何波导模组中光机的光轴与波导所在平面的夹角被限制在有限的调节范围内，比如如果θ的角度过大，一方面会使得光波耦出面的设置数量增多，一方面会存在膜系设计难度较大的情形，不利于后续近眼显示设备的外观设计。这里，所述的光机可以理解为光学显示装置。

与相关技术相比，本申请实施例提供的几何光波导耦合装置，优化了常规几何波导耦合面的结构设计，简化了几何波导结构和加工工艺，使得几何波导模组中光机的光轴与波导所在平面的夹角不被限制，有利于后续近眼显示设备的外观设计。

实施例六

本申请实施例提供了一种近眼显示设备，所述近眼显示设备包括光学显示装置41以及如上述任一实施例所述的几何光波导耦合装置；

所述光学显示装置41，用于发出显示目标图像的显示光波。

在本申请一些实施例中，所述光学显示装置41可以包括OLED显示装置、MicroLED显示装置、LCOS显示装置和DLP显示装置中的其中之一。

在本申请一些实施例中，所述近眼显示设备包括虚拟现实显示设备或者增强现实显示设备。

附图中的流程图或框图示出了按照本申请各种实施例的设备、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的针对硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (9)

1.一种几何光波导耦合装置，其特征在于，所述装置包括光波耦入单元、光波导单元和光波耦出单元；

所述光波耦入单元包括光波耦入面和与所述光波耦入面平行的偏振面；

所述光波导单元包括1/4相位延迟片和反射面；

所述光波耦出单元包括基体和设置于所述基体的光波耦出面；

所述光波耦入单元耦入的准直光波经过所述偏振面和光波耦入面后进入至所述光波耦出单元的基体，经过所述1/4相位延迟片的相位调制后的光波经所述反射面的反射再次经过所述1/4相位延迟片，之后光波经过所述偏振面的反射再次进入至所述基体以进行全反射传输，使所述光波耦出面输出目标光波；

其中，所述基体包括第一衬底和第二衬底，所述第一衬底和所述第二衬底平行，所述光波耦出面倾斜设置于所述第一衬底和所述第二衬底之间；所述光波耦出面的一端和所述第一衬底连接，所述光波耦出面的另一端和所述第二衬底连接；

所述光波耦入面和所述第二衬底的底面形成夹角α，入射光波与所述第二衬底的底面的夹角为β；所述α和β满足如下条件：

其中，所述n表示所述第一衬底和第二衬底的折射率，所述FOV表示光学显示装置的视场角。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述1/4相位延迟片平行设置于所述光波耦入面和所述偏振面之间；

所述反射面设置于所述基体的预定位置；

所述光波耦入单元耦入的准直光波依次经过所述偏振面、所述1/4相位延迟片和所述光波耦入面后进入至所述光波耦出单元的基体，于所述反射面的反射后依次经过所述基体和所述光波耦入面后再次进入所述1/4相位延迟片，之后光波经过所述偏振面的反射再次进入至所述基体以进行全反射传输，使所述光波耦出面输出目标光波。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述1/4相位延迟片平行设置于所述基体的底部；

所述反射面平行设置于所述1/4相位延迟片的底部；

所述光波耦入单元耦入的准直光波依次经过所述偏振面和所述光波耦入面后进入至所述光波耦出单元的基体，经过所述基体的传输后依次进入所述1/4相位延迟片和所述反射面，经过所述反射面的反射后所述光波再次进入1/4相位延迟片，之后光波先后经过所述光波耦入面和所述偏振面的反射后再次进入至所述基体以进行全反射传输，使所述光波耦出面输出目标光波。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述反射面具体为反射镜的反射面。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏振面具体为偏振片或者偏振膜。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光波耦出面的数量为多个。

7.一种近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备包括光学显示装置以及如权利要求1至6中任意一项所述的几何光波导耦合装置；

所述光学显示装置，用于发出显示目标图像的显示光波。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述光学显示装置包括OLED显示装置、MicroLED显示装置、LCOS显示装置和DLP显示装置中的其中之一。

9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述近眼显示设备包括虚拟现实显示设备或者增强现实显示设备。