CN219737894U - 一种增大视场角的光波导显示装置及ar显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种增大视场角的光波导显示装置及AR显示设备，光波导显示装置包括：光波导、保护层、楔形反射结构和光引擎；光波导上设有入瞳区域和出瞳区域；保护层间隔设置于光波导背侧且与光波导平行；楔形反射结构设置于保护层朝向光波导的一侧，且楔形反射结构的反射斜面对应于入瞳区域；光引擎间隔设置于光波导前侧，且光引擎的光源中心光线斜向于入瞳区域的前侧。本实用新型通过楔形反射结构将光源经过入瞳区域后透射出光波导的光线反射回到入瞳区域背面并进入光波导，这部分反射光与光源直接正面耦合入光波导内全反射的光线在出瞳区域处形成拼接的第一视场角和第二视场角，从而形成增大视场角的双屏显示。

Description

一种增大视场角的光波导显示装置及AR显示设备

技术领域

本实用新型涉及AR技术领域，特别涉及一种增大视场角的光波导显示装置及AR显示设备。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，简称AR)是通过计算机***提供的信息增加用户对现实世界感知的技术，将计算机生成的虚拟物体、场景或***提示信息叠加到真实场景中，从而实现对现实的增强。

AR头戴设备出现了很多把图像投影到人眼的方案，包括棱镜显示技术、半透半反镜片显示技术、自由曲面波导显示技术、镜面阵列波导显示技术、衍射光波导显示技术等方式。其中，衍射光波导显示技术是利用衍射光栅实现对光线的入射、转折和出射，是利用全反射原理实现的光线传输，将微显示器的图像传导至人眼，进而看到虚拟图像。由于采用和光纤技术一样的全反射原理，衍射光波导设备中的显示组件可以做的和普通眼镜镜片一样轻薄透明。

一般的AR衍射光波导设备的视场主要取决于光引擎的发光视场，光波导只是将光引擎显示的图像像元放大，但是不会改变视场角。使用大视场角的光引擎投影到衍射光波导中时，光波导是否能够显示大视场图像取决于波导材料的折射率，折射率越高，光在波导材料内的全反射角越小，波导材料显示的视场角越大。因此波导材料通常采用高折射玻璃，但现有的最大折射率未能达到2.0以上，而视场角提高到60°以上十分困难。

为提高视场角，现有技术采用多层衍射波导叠加的方式或者采用多个光引擎投影的方式，可以拼接任意大小的视场角，然而这会加大AR头戴设备的体积和重量，多层波导和多种光栅模组会增加AR波导制作的难度。因此，要用现有的波导和一个光引擎组合显示的方式，保持小的硬件体积同时加大视场角，需要用其他方案解决。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种增大视场角的光波导显示装置及AR显示设备，旨在解决使用现有的波导和一个光引擎组合显示的方式，保持小的硬件体积同时加大视场角的方案难以实现的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：提供一种增大视场角的光波导显示装置，包括：

光波导，设有入瞳区域和出瞳区域；

保护层，间隔设置于所述光波导背侧且与所述光波导平行；

楔形反射结构，设置于所述保护层朝向所述光波导的一侧，且所述楔形反射结构的反射斜面对应于所述入瞳区域；

光引擎，间隔设置于所述光波导前侧，且所述光引擎的光源中心光线斜向于所述入瞳区域的前侧。

进一步地，所述楔形反射结构与所述光波导的背侧留有间隙。

进一步地，所述楔形反射结构包括反射镜和闪耀光栅中的一种。

进一步地，所述入瞳区域和出瞳区域内均包括衍射光栅、表面浮雕光栅和体全息光栅中的一种。

进一步地，所述光引擎的光源中心光线斜入射于所述入瞳区域，所述光引擎的光源中心光线与所述楔形反射结构的反射斜面垂直。

进一步地，所述入瞳区域的入瞳直径大于所述光引擎的出瞳直径。

进一步地，所述入瞳区域的入瞳直径为所述光引擎的出瞳直径的1.5～3倍。

进一步地，所述楔形反射结构的反射斜面大于所述入瞳区域的入瞳直径。

进一步地，所述反射斜面的长度为所述光引擎的出瞳直径的1～3倍；所述反射斜面的宽度为所述光引擎的出瞳直径的1～2倍。

本实用新型实施例还提供一种AR显示设备，其中：包括如上所述的增大视场角的光波导显示装置。

本实用新型实施例提供一种增大视场角的光波导显示装置及AR显示设备，光波导显示装置包括：光波导、保护层、楔形反射结构和光引擎；光波导上设有入瞳区域和出瞳区域；保护层间隔设置于光波导背侧且与光波导平行；楔形反射结构设置于保护层朝向光波导的一侧，且楔形反射结构的反射斜面对应于入瞳区域；光引擎间隔设置于光波导前侧；其中，光引擎的光源中心光线斜入射于入瞳区域，光引擎的光源中心光线与楔形反射结构的反射斜面垂直。本实用新型实施例通过楔形反射结构将光源经过入瞳区域后透射出光波导的光线反射回到入瞳区域背面并进入光波导，这部分反射光与光源直接正面耦合入光波导内全反射的光线在出瞳区域处形成拼接的第一视场角和第二视场角，从而形成增大视场角的双屏显示，解决了光波导的单光源输入的显示装置能够实现的视场角有限的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的光波导显示装置的俯视结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的光波导显示装置的整体结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的光波导显示装置的光线波导示意图；

图4为本实用新型实施例提供的光波导显示装置的波矢图。

图中标识说明：

10、光波导；110、入瞳区域；120、出瞳区域；130、扩瞳区域；

20、空气间隙；

30、保护层；

40、楔形反射结构；

50、光引擎。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本实用新型说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本实用新型。如在本实用新型说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本实用新型说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

结合图1和图2，本实用新型实施例提供一种增大视场角的光波导显示装置，包括：

光波导10，设有入瞳区域110和出瞳区域120；

保护层30，间隔设置于光波导10背侧且与光波导10平行；

楔形反射结构40，设置于保护层30朝向光波导10的一侧，且楔形反射结构40的反射斜面对应于入瞳区域110；

光引擎50，间隔设置于光波导10前侧，且光引擎50的光源中心光线斜向入瞳区域110的前侧。

本实施例的工作过程为：通过光引擎50发出有一定视场角的单色或彩色的光源，光源斜入射至光波导10的入瞳区域110，光源从入瞳区域110前侧直接正面耦合入光波导10内进行全反射，全反射至扩瞳区域130，再通过扩瞳区域130到达出瞳区域120，并在出瞳区域120处形成第一视场角；另外，光源斜入射至光波导10的入瞳区域110后，光源还经过入瞳区域110的背侧透射到空气中，即朝向保护层30上的楔形反射结构40进行透射，通过楔形反射结构40的反射斜面反射回来后从入瞳区域110的背侧进入光波导10，然后全反射至扩瞳区域130再到达出瞳区域120，并在出瞳区域120处形成第二视场角；通过第一视场角和第二视场角叠加形成视场角大于光源视场角的双屏图像。

本实施例通过设置的楔形反射结构40使单个光引擎50的光源形成两路光线，无需增加额外的光源，使得现有的光波导10和一个光引擎50组合显示的方式实现即保持小的硬件体积的同时加大视场角，增加了AR设备的新体验。

在一实施例中，楔形反射结构40与光波导10的背侧留有空气间隙20，即楔形反射结构40不会与光波导10直接接触，不影响光线在光波导10内的全反射；其中楔形反射结构40可以包括反射镜和闪耀光栅中的一种。

在一实施例中，入瞳区域110和出瞳区域120内均包括衍射光栅、表面浮雕光栅和体全息光栅中的一种，均具有很好的光学导波效果；本实施例优选为衍射光栅，通过衍射光栅可以很好的将光引擎50斜入射的一部分光源直接耦合到光波导10内，另一部分直接透射到空气中以用于楔形反射结构40的反射。

在一实施例中，光引擎50的光源中心光线斜入射于入瞳区域110，光引擎50的光源中心光线与楔形反射结构40的反射斜面垂直，即反射斜面与光波导10表面的夹角等于光源中心光线与波导表面垂线的夹角，如此，光源中心光线经反射斜面反射后可原路返回进入入瞳区域110的背面；

在一实施例中，入瞳区域110的入瞳直径大于光引擎50的出瞳直径，具体的，入瞳区域110的入瞳直径可以为光引擎50的出瞳直径的1.5～3倍，这样能够让光源直接发出的光线和经过楔形反射结构40反射回来的光线都进入到入瞳区域110的光栅内。

在一实施例中，楔形反射结构40的反射斜面大于入瞳区域110的入瞳直径；具体的，反射斜面的长度为入瞳区域110的入瞳直径的1～3倍；所射斜面的宽度为入瞳区域110的入瞳直径的1～2倍；这样能够将光源经过入瞳区域110透射的光线反射回到入瞳区域110中，应理解的，上述直径倍数作为一种优选的实施方式，具体的直径倍数可以根据实际情况进行调整。

下面结合图3更具体的进行介绍：

光引擎50提供视场角为A的光源IN1，以光源中心光线L0与光波导10表面垂线夹角B的方向斜入射进入光波导10的入瞳区域110；入瞳区域110的光栅将一部分光源衍射进入光波导10，在光波导10内全反射至扩瞳区域130再到达出瞳区域120后输出视场角也为A的图像OUT1；另一部分光源的光线经过入瞳区域110后透射到与光源中心光线垂直的反射斜面上，反射斜面将透射的光线反射回到入瞳区域110中，反射的光源IN2经入瞳区域110衍射后在光波导10内全反射至扩瞳区域130再到达出瞳区域120，并输出视场角也为A的图像OUT2；图像OUT1与图像OUT2的光线方向关于光波导10表面垂线对称且不重合，在此情况下能够拼接出无缝且不重合的双屏大视场图像，图像OUT1与图像OUT2叠加形成的视场角C大于输入光源IN1的视场角，即A＜C≤2A。

下面结合图4更具体的进行介绍：

光引擎50所生成的某种颜色的光源IN1包含一定角度范围内的所有传播光线，角度范围即为光引擎50的视场角(FOV)，楔形反射结构40反射的光源IN2与IN1有同样大小的视场角；BND1表示用于满足光波导10中的全内反射(TIR)标准的第一边界；BND2表示光波导10中的最大波矢的第二边界；最大波矢可以由光波导10的折射率确定；仅当光的波矢在第一边界BND1与第二边界BND2之间的区域ZONE1中时，光才可以在光波导10中波导。如果光的波矢在区域ZONE1之外，则光可能会泄漏出波导板或根本不传播。

光源IN1从区域BOX0a进入光波导10，朝光波导10内的光矢量方向V11右侧ky正方向传导，其中传导光B1a的波矢在区域BOX1a中，传导光B1a朝V21方向传导，其波矢在区域BOX2a中，传导光B2a朝V31方向传导，其波矢在区域BOX3a中，最终输出图像OUT1；根据波导理论，该波导中三条波矢V11、V21、V31的路径需均为闭环，才可保证波导输入与输出的对称关系。

光源IN2从区域BOX0b进入波导，朝光波导10内的光矢量方向V12右侧ky正方向传导，其中传导光B1b的波矢在区域BOX1b中，传导光B1b朝V22方向传导，其波矢在区域BOX2b中，传导光B2b朝V32方向传导，其波矢在区域BOX3b中，最终输出图像OUT2；该波导中三条波矢V12、V22、V32的路径也需均为闭环。最终输出图像，图像OUT1在总画面第一区域显示，图像OUT2在总画面第二区域显示，图像OUT1和图像OUT2画面无缝拼接且不完全重合，形成增大视场角的双屏显示。

本实用新型实施例还提供一种AR显示设备，其中：包括如上所述的增大视场角的光波导显示装置。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种增大视场角的光波导显示装置，其特征在于，包括：

光波导，设有入瞳区域和出瞳区域；

保护层，间隔设置于所述光波导背侧且与所述光波导平行；

楔形反射结构，设置于所述保护层朝向所述光波导的一侧，且所述楔形反射结构的反射斜面对应于所述入瞳区域；

光引擎，间隔设置于所述光波导前侧，且所述光引擎的光源中心光线斜向于所述入瞳区域的前侧。

2.根据权利要求1所述的增大视场角的光波导显示装置，其特征在于：所述楔形反射结构与所述光波导的背侧留有间隙。

3.根据权利要求1所述的增大视场角的光波导显示装置，其特征在于：所述楔形反射结构包括反射镜和闪耀光栅中的一种。

4.根据权利要求3所述的增大视场角的光波导显示装置，其特征在于：所述入瞳区域和出瞳区域内均包括衍射光栅、表面浮雕光栅和体全息光栅中的一种。

5.根据权利要求1所述的增大视场角的光波导显示装置，其特征在于：所述光引擎的光源中心光线斜入射于所述入瞳区域，所述光引擎的光源中心光线与所述楔形反射结构的反射斜面垂直。

6.根据权利要求1所述的增大视场角的光波导显示装置，其特征在于：所述入瞳区域的入瞳直径大于所述光引擎的出瞳直径。

7.根据权利要求6所述的增大视场角的光波导显示装置，其特征在于：所述入瞳区域的入瞳直径为所述光引擎的出瞳直径的1.5～3倍。

8.根据权利要求1所述的增大视场角的光波导显示装置，其特征在于：所述楔形反射结构的反射斜面大于所述入瞳区域的入瞳直径。

9.根据权利要求8所述的增大视场角的光波导显示装置，其特征在于：所述反射斜面的长度为所述入瞳区域的入瞳直径的1～3倍；所述反射斜面的宽度为所述入瞳区域的入瞳直径的1～2倍。

10.一种AR显示设备，其特征在于：包括如权利要求1～9任一项所述的增大视场角的光波导显示装置。