CN117148594B - 一种显示组件及ar设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种显示组件及AR设备，涉及光学显示技术领域，本申请的显示组件，包括光机以及依次设置于光机出光侧的负折射平板透镜和光波导，光波导上设置有耦入区域和至少一个耦出区域，负折射平板透镜与耦入区域相对设置，负折射平板透镜用于将光机出射的激光束向负折射平板透镜的中线偏折出射，偏折出射的激光束由耦入区域耦入光波导。本申请公开的显示组件及AR设备，能够在较薄的波导基底的前提下，减小光线在入瞳光栅处二次衍射带来的能量损失，提升图像的均匀性和成像亮度。

Description

一种显示组件及AR设备

技术领域

本申请涉及光学显示技术领域，具体而言，涉及一种显示组件及AR设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，这种利用增强现实技术的头戴显示器可以让人们在查看周围环境的同时，将虚拟的图像投射到人眼。其中，衍射光波导是较为主流的AR设备的显示方案，很多AR设备采用的都是这种显示方案，因为衍射光波导具有轻薄、视场角大、眼动范围大、量产成本低的优势，因此被普遍认为是AR行业主流显示技术路线。

衍射光波导如果要将光机发出的光束导入人眼，需要经过耦入和耦出的过程。即光机发出的光束通过耦入区域耦入光波导，并在其中进行全反射传播，最后再由出瞳区域出射进入人眼。当光波导的厚度较薄时，如图2所示，一部分光束经过耦入区域耦入光波导发生一次全反射在光波导表面传播的水平距离小于入瞳光栅的尺寸，如图2中虚线所代表的光束所示，这部分光束再次入射耦入区域，进行二次衍射，这部分光束会随着二次衍射使得出射到光波导外的能量变大，进入光波导的能量变小，最终使得在耦出区域耦出的光束形成的图像亮度不均匀且亮度变小，影响显示效果；当光波导的厚度较厚且耦入区域的尺寸较大时，如图3所示，由于光束一次全反射在光波导表面传播的距离较大，使得由耦出区域复制耦出的光瞳不重叠，造成看到的图像不连续及画面色彩均匀性差。

发明内容

本申请的目的在于提供一种显示组件及AR设备，能够在较薄的波导基底的前提下，减小光线在入瞳光栅处二次衍射带来的能量损失，提升图像的均匀性和成像亮度。

本申请的实施例一方面提供了一种显示组件，包括光机以及依次设置于光机出光侧的负折射平板透镜和光波导，光波导上设置有耦入区域和至少一个耦出区域，负折射平板透镜与耦入区域相对设置，负折射平板透镜用于将光机出射的激光束向负折射平板透镜的中线偏折出射，偏折出射的激光束由耦入区域耦入光波导。

作为一种可实施的方式，负折射平板透镜包括沿垂直于激光束传播方向贴合设置的第一偏折部和第二偏折部，激光束光轴左侧部分入射第一偏折部，第一偏折部用于使得激光束光轴左侧部分向右偏折；激光束光轴右侧部分入射第二偏折部，第二偏折部用于使得激光束光轴右侧部分向左偏折。

作为一种可实施的方式，第一偏折部和第二偏折部均包括沿光路传输方向的下层镜片组和上层镜片组，上层镜片组包括沿第一方向排列设置的多个第一反射条，下层镜片组包括沿第二方向排列设置的多个第二反射条，第一偏折部的上层镜片组和第二偏折部的上层镜片组具有第一预设夹角，第一偏折部的下层镜片组和第二偏折部的下层镜片组具有第二预设夹角，第一预设夹角和第二预设夹角均小于，第一方向与第二方向相互垂直。

作为一种可实施的方式，第一反射条包括镜片以及设置于镜片两侧面的第一反射膜；第二反射条包括镜片以及设置于镜片两侧面的第二反射膜。

作为一种可实施的方式，第一反射膜和第二反射膜之间具有第三预设夹角，第三预设夹角在之间。

作为一种可实施的方式，光机的出光面积小于负折射平板透镜的面积，经过负折射平板透镜出射的激光束投射到光波导上的光斑落入耦入区域内。

作为一种可实施的方式，光波导的折射率在1.5-2.5之间，光波导的厚度H≤1mm。

作为一种可实施的方式，耦入区域和耦出区域设置衍射光栅用于耦入或耦出光束。

作为一种可实施的方式，衍射光栅为表面浮雕光栅或者体全息光栅。

本申请的实施例另一方面提供了一种AR设备，包括上述显示组件。

本申请实施例的有益效果包括：

本申请提供的显示组件，包括光机以及依次设置于光机出光侧的负折射平板透镜和光波导，光波导上设置有耦入区域和至少一个耦出区域，负折射平板透镜与耦入区域相对设置，负折射平板透镜用于将光机出射的激光束向负折射平板透镜的中线偏折出射，偏折出射的激光束由耦入区域耦入光波导。光机出射的激光束为锥形光，负折射平板透镜将激光束向负折射平板透镜的中线偏折，使得照射至负折射平板透镜中线左侧的激光束向右偏折以锐角出射并照射至耦入区域，照射至负折射折射率透镜中线右侧的激光束向左偏折以钝角出射并照射至耦入区域，从而使得衍射角较小的左侧光线变成衍射角较大的光线进行耦入区域，较大的衍射角可以使得激光束一次全反射在波导表面传播的水平距离较大，避免了激光束再次入射耦入区域，从而避免了二次衍射造成的能量损失，提升图像的均匀性和成像亮度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种显示组件的结构示意图；

图2为现有技术中较薄的光波导的光路图；

图3为现有技术中较厚的光波导的光路图；

图4为本申请实施例提供的一种显示组件的光路图；

图5为本申请实施例提供的一种负折射平板透镜的结构示意图；

图6为本申请实施例提供显示组件的；

图7为本申请实施例提供的第一偏折部的光路示意图；

图8为本申请实施例提供的第二偏折部的光路示意图；

图9为本申请的实施例提供的显示组件的原理图；

图10为本申请提供的实施例一的光路示意图；

图11为本申请提供的实施例二的光路示意图。

图标：100-显示组件；500-光机；1000-负折射平板透镜；1100-第一偏折部；1200-第二偏折部；1300-上层镜片组；1400-下层镜片组；1500-第一反射条；1600-第二反射条；1700-第一反射膜；1800-第二反射膜；10-光波导；101-耦入区域；102-耦出区域。

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。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

光线在光波导内全反射向前传播，其中，光线一次全反射在光波导表面传播的水平距离与波导厚度以及衍射角度有关，当波导的厚度较小时，由于光线一次全反射在光波导表面传播的距离较小，当耦入区域较大时，光线由耦入区域耦入并进行一次全反射后会再次入射耦入区域，使得部分光线由耦入区域发生二次衍射而耦出，造成这部分光线损失，使得图像亮度下降，且不均匀，影响成像质量。现有技术中为了提高图像亮度的均匀性，针对耦入区域未发生二次衍射的光线，在这部分光线后面增加一个特殊设计的光栅，让这部分光线损失掉一部分能量，从而使其与在入瞳区域发生二次衍射的光线能量变得均匀。这样虽然可以提升图像均匀性，但没有解决能量损失的问题，反而加重了能量损失，使得图像亮度进一步降低，影响使用体验。

本申请提供了一种显示组件100，如图1和图4所示，包括光机500以及依次设置于光机500出光侧的负折射平板透镜1000和光波导10，光波导10上设置有耦入区域101和至少一个耦出区域102，负折射平板透镜1000与耦入区域101相对设置，负折射平板透镜1000用于将光机500出射的激光束向负折射平板透镜1000的中线偏折出射，偏折出射的激光束由耦入区域101耦入光波导10。

光机500出射激光束，激光束为锥形光，锥形光投射至负折射平板透镜1000上，负折射平板透镜1000因为其对光线具有负折射的效果，使得入射光和出射光位于法线的同一侧，即将激光束关于负折射平板透镜1000所在的平面镜像后出射，具体的，本申请实施例的负折射平板透镜1000将光机500出射的激光束向负折射平板透镜1000的中线偏折出射，如图4所示，使得两侧的激光束向内靠拢出射后入射耦入区域101，具体的，使得照射至负折射平板透镜1000中线左侧的激光束向右偏折以锐角出射并照射至耦入区域101，照射至负折射折射率透镜中线右侧的激光束向左偏折以钝角出射并照射至耦入区域101，从而使得衍射角较小的左侧光线变成衍射角较大的光线进行耦入区域101。较大的衍射角可以使得激光束在光波导10内进行一次全反射在波导表面传播的水平距离较大，避免了激光束再次入射耦入区域101，从而避免了二次衍射造成的能量损失，提升图像的均匀性和成像亮度。

其中，光波导10的具体材料本申请实施例不做限制，可以采用现有技术中的光波导10的材料，如树脂或者玻璃，只要能够使得光束在其内全反射即可。

本申请提供的显示组件100，包括光机500以及依次设置于光机500出光侧的负折射平板透镜1000和光波导10，光机500出射的激光束为锥形光，负折射平板透镜1000将激光束向负折射平板透镜1000的中线偏折，使得照射至负折射平板透镜1000中线左侧的激光束向右偏折以锐角出射并照射至耦入区域101，照射至负折射折射率透镜中线右侧的激光束向左偏折以钝角出射并照射至耦入区域101，从而使得衍射角较小的左侧光线变成衍射角较大的光线进行耦入区域101，较大的衍射角可以使得激光束在光波导10内进行一次全反射在波导表面传播的水平距离较大，避免了激光束再次入射耦入区域101，从而避免了二次衍射造成的能量损失，提升图像的均匀性和成像亮度。

具体的，负折射平板透镜1000包括沿垂直于激光束传播方向贴合设置的第一偏折部1100和第二偏折部1200，激光束光轴左侧部分入射第一偏折部1100，第一偏折部1100用于使得激光束光轴左侧部分向右偏折；激光束光轴右侧部分入射第二偏折部1200，第二偏折部1200用于使得激光束光轴右侧部分向左偏折。

由于负折射平板透镜1000需要将光机500出射的激光束向负折射平板透镜1000的中线偏折出射，为了方便设置，将负折射平板透镜1000设置为沿垂直于激光束传播方向贴合设置的第一偏折部1100和第二偏折部1200，第一偏折部1100和第二偏折部1200分别将两侧的光束向内偏折。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图5所示，第一偏折部1100和第二偏折部1200均包括沿光路传输方向的下层镜片组1400和上层镜片组1300，上层镜片组1300包括沿第一方向排列设置的多个第一反射条1500，下层镜片组1400包括沿第二方向排列设置的多个第二反射条1600，第一偏折部1100的上层镜片组1300和第二偏折部1200的上层镜片组1300具有第一预设夹角，第一偏折部1100的下层镜片组1400和第二偏折部1200的下层镜片组1400具有第二预设夹角，第一预设夹角和第二预设夹角均小于，第一方向与第二方向相互垂直。

具体的，如图5所示，第一偏折部1100包括下层镜片组1400和上层镜片组1300，上层镜片组1300包括沿第一方向排列设置的多个第一反射条1500，下层镜片组1400包括沿第二方向排列设置的多个第二反射条1600，如图7所示，当光线以α角入射第二反射条1600的表面后，经过第二反射条1600表面的反射后以β角入射第一反射条1500的表面，并由第二反射条1600的表面反射出射，即第一偏折部1100将左侧光束向右偏折后出射，其中，第一反射条1500的表面和第二反射条1600的表面具有夹角γ。

如图5所示，第二偏折部1200包括下层镜片组1400和上层镜片组1300，上层镜片组1300包括沿第一方向排列设置的多个第一反射条1500，下层镜片组1400包括沿第二方向排列设置的多个第二反射条1600，如图8所示，当光线以α角入射第二反射条1600的表面后，经过第二反射条1600表面的反射后以β角入射第一反射条1500的表面，并由第二反射条1600的表面反射出射，即第二偏折部1200将右侧光束向左偏折后出射，其中，第一反射条1500的表面和第二反射条1600的表面具有夹角γ。

由于第一反射条1500的排列方向与第二反射条1600的排列方向相互垂直，即第一方向与第二方向垂直，当第一反射条1500的表面和第二反射条1600的表面具有夹角γ时，第一反射条1500的表面与第一方向具有预设夹角，第二反射条1600的表面与第二方向也具有预设夹角。

可选的，第一反射条1500包括镜片以及设置于镜片两侧面的第一反射膜1700；第二反射条1600包括镜片以及设置于镜片两侧面的第二反射膜1800。

本申请实施例的一种可实现的方式中，如图7和图8所示，第一反射膜1700和第二反射膜1800之间具有第三预设夹角，第三预设夹角在之间。

当第三预设夹角小于时，第一反射膜1700和第二反射膜1800之间较为靠近，这样，光束经过第二反射膜1800和第一反射膜1700反射后，偏折的角度过大，使得出射后不能入射至耦入区域101，使得光束损失。当第三预设夹角过大时，由第二反射膜1800出射的光束不能入射第一反射膜1700，使得光束损失。基于上述两个方面的考虑，本申请实施例的第三预设夹角在/>之间。

其中，第三预设夹角的具体角度本申请实施例不做具体限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行具体设置，示例的，可以是、/>、/>。

可选的，如图6所示，光机500的出光面积小于负折射平板透镜1000的面积，经过负折射平板透镜1000出射的激光束投射到光波导10上的光斑落入耦入区域101内。

为了进一步降低显示组件100的能量损失，可以将光机500出射的激光束的光轴，负折射平板透镜1000的中心以及耦入区域101的中心共线设置，这样，激光束的能够更有效的耦入光波导10。

另外，将光机500的出光面积小于负折射平板透镜1000的面积，经过负折射平板透镜1000出射的激光束投射到光波导10上的光斑落入耦入区域101内，能够避免在耦入光波导10之前光能量的损失。

本申请实施例的一种可实现的方式中，光波导10的折射率在1.5-2.5之间，光波导10的厚度H≤1mm。

光波导10内发生全反射需要满足的条件是，光波导10的折射率大于光波导外部空间的折射率，且入射角超过临界角，光波导10通常设置于空气中，折射率为1，将光波导10的折射率设置在1.5-2.5之间，能够使得光波导10的折射率与空间折射率差距较大，使得临界角较小，能够使得更多的光线在光波导10内部发生全反射。

光波导10的厚度H≤1mm，使得光波导10的厚度较薄，当光波导10应用于AR设备中时，能够减小光波导10占用的体积和重量，便于AR设备上各个部件的布局。

可选的，耦入区域101和耦出区域102设置衍射光栅用于耦入或耦出光束。

衍射光栅具有性能稳定，分辨率高等等优点，能够提高耦入区域101和耦出区域102的效率。

本申请实施例的一种可实现的方式中，衍射光栅为表面浮雕光栅或者体全息光栅。

体全息光栅具有良好的入射光波长选择性和入射角度选择性，当入射光角度和波长满足布拉格条件时，体全息光栅的衍射效率很高。此外，体全息光栅厚度一般为十几至几十微米，可使结构又轻又薄，可以实现轻薄化设计。具体的，体全息光栅的材料可以是重铬酸盐明胶，银盐，聚合物或者其他已知可以用于体全息光栅的材料。表面浮雕光栅具有较大的折射率差，能够衍射更大波长范围的光束，将表面浮雕光栅设置在耦出区，保证出射光束获得较大出射角度，进而获得较大视场角度，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。

具体的，本申请实施例的光波导10的厚度、各部件之间的设置位置均不作限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行设置，具体的，根据光波导10方程及光栅方程进行设置。

光栅方程，其中，公式中的d为光栅常数，n1为入射光线所在空间的折射率，n2为衍射光线所在空间，即光波导10的折射率，θ和φ分别是入射角和衍射角，λ是光的波长，m是衍射级次。对于光栅方程中的第一个±号，其取值与入射光线和衍射光线之间的具体光程差有关，第二个±号则表示衍射的级次，对于右侧光束右边的光线来说，其第一个±号应该取正号。由此可知，当除了θ和φ的值都确定时，入射角越大，衍射角越小。

本领域技术人员应当知晓，光波导10发生全反射需要满足一定的条件，具体的，光波导必须满足方程。

如图9所示，假设波导厚度为E，入瞳区域直径为L,光机500投射到负折射平板透镜1000两边边缘的水平距离为L2，光机500与负折射平板透镜1000的距离为S，光束在波导表面传播的水平距离为LP，经过负折射平板透镜1000前后的光关于该结构对称，光引擎到负折射平板透镜1000，负折射平板透镜1000到入瞳区域的长度相等，由此，若要使得右边缘射入入瞳中心的光线不与入瞳发生二次衍射，其应该满足的条件为(以下只考虑一级衍射)：。由光栅方程可得到/>，其中，/>。即本领域技术人员在满足/>和/>的条件下对各个参数进行具体设置。

实施例1：

如图10所示，本实施例展示了显示组件100的具体结构，具体的，光栅常数为380nm,入射空间折射率为1，波导折射率为1.9，波导厚度为1mm，光栅直径为1mm，入射角设定为10°且设定右边缘光线入射到入瞳区域中心这种情况，设定方式可通过调整负折射平板透镜1000和光机500的位置实现。入射光波长选取RGB的***波长：650nm（如图10中点划线所示）,520nm（如图10中实线所示）,450nm（如图10中虚线所示），其中，根据光栅方成计算的到蓝光的衍射角为32.13°，且满足全反射条件，一次全反射在波导表面传播的水平距离约为0.628mm大于光栅直径的一半，避免了二次衍射能量损失的问题。同样的计算可以得到，绿光的衍射角为38.96°，红光的衍射角为53.98°，显然它们的一次全反射在波导表面传播的水平距离都大于光栅直径的一半，避免了二次衍射。

实施例2：

如图11所示，本实施例展示了显示组件100的具体结构，具体的，光栅常数为380nm,入射空间折射率为1，波导折射率为1.9，波导厚度为1mm，入瞳区域的衍射光栅直径为1mm，入射角设定为10°，通过调整光机500，负折射平板透镜1000的位置使得光机500的边缘光线刚好进入入瞳区域的边缘，入射波长选用450nm的蓝光。计算可得左边缘光线的衍射角为45.61°，且满足全反射条件，一次全反射在波导表面传播的水平距离约为1.02mm大于光栅直径，避免了二次衍射。

本申请实施例还公开了一种AR设备，包括上述任一项的显示组件100。该AR设备包含与前述实施例中的显示组件100相同的结构和有益效果。显示组件100的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种显示组件，其特征在于，包括光机以及依次设置于所述光机出光侧的负折射平板透镜和光波导，所述光波导上设置有耦入区域和至少一个耦出区域，所述负折射平板透镜与所述耦入区域相对设置，所述负折射平板透镜用于将所述光机出射的激光束向所述负折射平板透镜的中线偏折出射，偏折出射的激光束由所述耦入区域耦入所述光波导；

所述负折射平板透镜包括沿垂直于激光束传播方向贴合设置的第一偏折部和第二偏折部，激光束光轴左侧部分入射所述第一偏折部，所述第一偏折部用于使得激光束光轴左侧部分向右偏折；激光束光轴右侧部分入射所述第二偏折部，所述第二偏折部用于使得激光束光轴右侧部分向左偏折；

所述第一偏折部和所述第二偏折部均包括沿光路传输方向的下层镜片组和上层镜片组，所述上层镜片组包括沿第一方向排列设置的多个第一反射条，所述下层镜片组包括沿第二方向排列设置的多个第二反射条，所述第一偏折部的上层镜片组和所述第二偏折部的上层镜片组具有第一预设夹角，所述第一偏折部的下层镜片组和所述第二偏折部的下层镜片组具有第二预设夹角，所述第一预设夹角和所述第二预设夹角均小于，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。

2.根据权利要求1所述的显示组件，其特征在于，所述第一反射条包括镜片以及设置于所述镜片两侧面的第一反射膜；所述第二反射条包括镜片以及设置于所述镜片两侧面的第二反射膜。

3.根据权利要求2所述的显示组件，其特征在于，所述第一反射膜和所述第二反射膜之间具有第三预设夹角，所述第三预设夹角在之间。

4.根据权利要求1所述的显示组件，其特征在于，所述光机的出光面积小于所述负折射平板透镜的面积，经过所述负折射平板透镜出射的激光束投射到所述光波导上的光斑落入所述耦入区域内。

5.根据权利要求1所述的显示组件，其特征在于，所述光波导的折射率在1.5-2.5之间，所述光波导的厚度H≤1mm。

6.根据权利要求1所述的显示组件，其特征在于，耦入区域和耦出区域设置衍射光栅用于耦入或耦出光束。

7.根据权利要求6所述的显示组件，其特征在于，所述衍射光栅为表面浮雕光栅或者体全息光栅。

8.一种AR设备，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的显示组件。