CN219978635U - 光学装置、近眼显示***及增强显示*** - Google Patents

Abstract

本申请涉及波导技术领域，提供一种光学装置、近眼显示***及增强显示***，该光学装置包括波导基片；所述波导基片的相对两端具有第一耦入结构和第二耦入结构；所述第一耦入结构和所述第二耦入结构处分别设有第一图像源和第二图像源；所述第一图像源和所述第二图像源分别产生第一光束和第二光束；所述第一光束、第二光束投射至所述波导基片出射至所述波导基片外，分别形成第一视场范围、第二视场范围；所述第一视场范围与所述第二视场范围在所述波导基片的同一侧叠加形成所述光学装置的全视场范围。本申请实施例通过在波导两端设置耦入结构及图像源，增大了光学装置FOV。

Description

光学装置、近眼显示***及增强显示***

技术领域

本申请涉及波导技术领域，尤其提供一种光学装置、近眼显示***及增强显示***。

背景技术

现有阵列光波导，由于波导片基底玻璃材料与空气折射率差的问题，存在全反射角度，现有波导往往仅在波导一侧的耦入端布设图像源，将图像源的光线耦入到阵列光波导中，该类波导中心视场与极限视场的夹角较小，只能支持较窄视场范围内的视场角(FOV)。现有一维阵列光波导支持的视场角一般不超过40度。

AR应用中，为了将图像集中于视场中央，“支持视野范围”中，仅极限视场关于中心视场对称的范围能够使用，存在视场范围过小的局限性。

实用新型内容

本申请的目的提供一种光学装置、近眼显示***及增强显示***，旨在解决现有的阵列光波导的FOV过小的问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：

第一方面，本申请实施例提供一种光学装置，该光学装置包括：

波导基片；

所述波导基片的相对两端具有第一耦入结构和第二耦入结构；

所述波导基片内具有第一耦出结构和第二耦出结构；

所述第一耦入结构和所述第二耦入结构处分别设有第一图像源和第二图像源；

所述第一图像源和所述第二图像源分别产生第一光束和第二光束；

所述第一光束投射至所述波导基片经所述第一耦出结构出射至所述波导基片外，形成第一视场范围；所述第二光束投射至所述波导基片经所述第二耦出结构出射至所述波导基片外，形成第二视场范围；

所述第一视场范围与所述第二视场范围在所述波导基片的同一侧叠加形成所述光学装置的全视场范围。

本申请的有益效果：本申请通过设置于两端的耦入结构，增大光学装置的视场角(简称FOV)，相比于传统技术通过使用高折射率的波导基材来扩大FOV范围，本申请大大减少了光学装置的经济成本。

本申请的光学装置，其工作过程如下：通过在所述波导基片的相对两端分别设置第一耦入结构和第二耦入，使各耦入结构耦入的光束经波导基片耦出后，分别形成所述第一视场范围与所述第二视场范围，该第一视场范围与所述第二视场范围在所述波导基片的同一侧叠加，人眼将能收集到近水平180°角度范围内的图像信息，即该波导支持近180度的水平FOV。

在一个实施例中，所述第一耦入结构具有第一耦入面，所述第二耦入结构具有第二耦入面，所述第一光束和所述第二光束分别经所述第一耦入面和所述第二耦入面投射至所述波导基片；

所述第一光束与所述第一耦入面相垂直，所述第二光束与所述第二耦入面相垂直。

在一个实施例中，所述波导基片包括第一表面和第二表面，所述第一表面为所述波导基片在靠近所述全视场范围所在一侧的表面，所述第二表面为所述波导基片在远离所述全视场范围所在一侧的表面；所述第一表面与所述第二表面相对且相互平行。

在一个实施例中，所述第一耦出结构包括多片相间隔设置且并列排布的第一阵列分光膜，所述第二耦出结构包括多片相间隔设置且并列排布的第二阵列分光膜。

在一个实施例中，相邻的所述第一阵列分光膜之间设有第一偏振状态转换结构，相邻的所述第二阵列分光膜之间设有第二偏振状态转换结构；

所述第一偏振状态转换结构用于使所述第一光束具有第一线偏振方向；所述第二偏振状态转换结构用于使所述第二光束具有第二线偏振方向。

在一个实施例中，所述第一偏振状态转换结构和所述第二偏振状态转换结构为二分之一波片。

在一个实施例中，所述第一图像源和所述第二图像源为微型投影仪。

在一个实施例中，所述波导基片包括两个并列排布的子波导，各所述子波导具有相互结合的粘接面，所述粘接面与所述第一表面相垂直。

第二方面，本申请实施例提供一种近眼显示***，该近眼显示***包括如前所述的光学装置。

第三方面，本申请实施例提供一种增强现实显示***，该增强现实显示***包括如前述的近眼显示***。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请一实施例提供的光学装置结构示意图；

图2为本申请另一实施例提供的光学装置结构示意图。

其中，图中各附图标记：

1、波导基片；11、第一耦入结构；12、第二耦入结构；13、第一表面；14、第二表面；15、第一耦出结构；16、第二耦出结构；17、第一偏振状态转换结构；18、第二偏振状态转换结构；19、粘接面；21、第一图像源；22、第二图像源；111、第一耦入面；121、第二耦入面；M、第一视场范围；N、第二视场范围；A1、第一图像源极限视场；B1、第一图像源中心视场；A2、第二图像源极限视场；B2、第二图像源中心视场。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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申请中的具体含义。

第一方面，本申请实施例提供一种近眼显示***，该近眼显示***包括光学装置。

第二方面，本申请实施例提供一种增强现实显示***，该增强现实显示***包括如前述的近眼显示***。

在一个实施例中，该增强现实显示***还包括镜架、鼻托和两个镜腿，其中，光学装置中的第一图像源21和第二图像源22设置于鼻托上方。

请参考图1，第三方面，本申请实施例提供一种光学装置，该光学装置包括：

波导基片1；

波导基片1的相对两端具有第一耦入结构11和第二耦入结构12；

波导基片1内具有第一耦出结构15和第二耦出结构16；

第一耦入结构11和第二耦入结构12处分别设有第一图像源21和第二图像源22；

第一图像源21和第二图像源22分别产生第一光束和第二光束；

第一光束投射至波导基片1经第一耦出结构15出射至波导基片1外，形成第一视场范围M；第二光束投射至波导基片1经第二耦出结构16出射至波导基片1外，形成第二视场范围N；

第一视场范围M与第二视场范围N在波导基片1的同一侧叠加形成光学装置的全视场范围。

在一个实施例中，如图1所示，波导基片1一端的第一图像源21发出第一光束，定义其支持的有效视野角度范围为α，定义α支持的视场范围为极限视场A，该极限视场A内投射的光束角度能全反射传播并耦出。波导基片1另一端的第二图像源22发出第二光束，定义其支持的有效视野角度范围为β,定义β支持的视场范围为极限视场B，该极限视场B内投射的光束角度能全反射传播并耦出。

极限视场A、极限视场B的图像的角度信息相互叠加，人眼将能收集到近水平180°角度范围内的图像信息，即该波导支持近180度的水平FOV。

本申请实施例通过在波导基片1的相对两端分别设置第一耦入结构11和第二耦入，使各耦入结构耦入的光束经波导基片1耦出后，分别形成第一视场范围M与第二视场范围N，该第一视场范围M与第二视场范围N在波导基片1的同一侧叠加，组合形成较大光学装置的全视场范围。

本实施例有益效果：通过设置于两端的耦入结构，增大光学装置的全视场角支持的范围(简称FOV)，相比于传统技术通过使用高折射率的波导基材来扩大FOV范围，本实施例大大减少了光学装置的经济成本。

可选地，第一耦入结构11具有第一耦入面111，第二耦入结构12具有第二耦入面121，第一光束和第二光束分别经第一耦入面111和第二耦入面121投射至波导基片1；

第一光束与第一耦入面111相垂直，第二光束与第二耦入面121相垂直。

在一个实施例中，如图1所示的波导结构，第一耦出结构15与第一表面13的夹角，等于第一耦入面111与第二表面14的夹角的二分之一；第二耦出结构16与第一表面13的夹角，等于第二耦入面121与第二表面14的夹角的二分之一。本实施例中，第一光束与第一耦入面111相垂直，第二光束与第二耦入面121相垂直，即各图像源处中心视场的入射光束与相应耦入面垂直，出射的光线与波导基片1的第一表面13垂直，从而本实施例波导正前方的人眼范围，能接收增大FOV视场角度范围的图像。

可选地，波导基片1包括第一表面13和第二表面14，第一表面13为波导基片1在靠近全视场范围所在一侧的表面，第二表面14为波导基片1在远离全视场范围所在一侧的表面；第一表面13与第二表面14相对且相互平行。

本实施例中，通过设计波导的相对表面相互平行，从而确保每一个像点发出的光，投射至耦入结构经并波导耦出时的光束为平行光，避免图像源图像经波导耦出后被变窄或扩宽。

可选地，第一耦出结构15包括多片相间隔设置且并列排布的第一阵列分光膜，第二耦出结构16包括多片相间隔设置且并列排布的第二阵列分光膜。

本实施例中，第一阵列分光膜与第二阵列分光膜的排列方向相反。根据常规波导基片1的厚度规格，可设计各阵列分光膜包括但不限于为2～10片膜层。

请参阅图2，可选地，相邻的第一阵列分光膜之间设有第一偏振状态转换结构17，相邻的第二阵列分光膜之间设有第二偏振状态转换结构18；

第一偏振状态转换结构17用于使第一光束具有第一线偏振方向；第二偏振状态转换结构18用于使第二光束具有第二线偏振方向。

本实施例通过在各阵列分光膜的相邻的膜层之间增设偏振状态转换结构，以改变入射至置于偏振状态转换结构后的膜层的第一线偏振光线的振动方向及第二线偏振光线的振动方向，此时，部分第一线偏振光线的振动方向转变为与第二线偏振光线的原振动方向相同，部分第二线偏振光线的振动方向转变为与第一线偏振光线的原振动方向相同，从而改变经偏振状态转换结构后的膜层的第一线偏振光线的入射量，因而改变入射至偏振状态转换结构后的膜层的第一线偏振光线的出射量，由此改变整体阵列分光膜对入射的线偏振光线的透过率。

相比于现有技术，本实施例通过在各膜层之间增设偏振状态转换结构，可明显提升阵列波导中特定线偏振光线的出射量，起到了调节多片分光膜层的反射率规格的作用，使得阵列分光膜整体结构可以重复使用相同反射率的某一类膜层。其中，偏振状态转换结构在波导基底内的位置可根据实际所需实现的效果及实际应用而灵活设计，例如，可以放置于任意相邻的膜层之间。

其中，根据不同需求，偏振状态转换结构的数量可以根据膜层的数量而适应性设计。

本申请实施例尤其需说明的是，偏振状态转换结构的位置不能置于第一膜层之前，这是由于该位置处偏振状态转换结构对本实施例欲改变阵列分光膜对某一线偏振光线的反射率不起改变作用。

例如，一实施例中，由于设定各膜层出射光线的强度一致，经偏振状态转换结构改变出射光线，使得第四膜层、第五膜层对S光的反射率分别为α、α/(1-α)。可见，本实施例起到了减少阵列波导膜层反射率规格的效果。

可选地，第一偏振状态转换结构17和第二偏振状态转换结构18为二分之一波片。

在一个实施例中，偏振状态转换结构包括至少一个二分之一波片。当偏振状态转换结构为多个排列设置的二分之一波片时，各二分之一波片的轴向角度叠合，光束从波导的耦入区进入，经过波片前的膜层及波片，经波片后偏振方向被改变，最后从波导的耦出区射出。此外，每一偏振状态转换结构还可以由两片四分之一波片组合而得。

可选地，第一图像源21和第二图像源22为微型投影仪。

在一个实施例中，微型投影仪包括微像源设备和准直设备。

在一个实施例中，波导基片1可以为一体式波导基体，也可以为两个独立的子波导组合而成。

可选地，所述波导基片1包括两个并列排布的子波导，各所述子波导具有相互结合的粘接面19，所述粘接面19与所述第一表面13相垂直。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学装置，其特征在于，包括：

波导基片；

所述波导基片的相对两端具有第一耦入结构和第二耦入结构；

所述波导基片内具有第一耦出结构和第二耦出结构；

所述第一耦入结构和所述第二耦入结构处分别设有第一图像源和第二图像源；

所述第一图像源和所述第二图像源分别产生第一光束和第二光束；

所述第一光束投射至所述波导基片经所述第一耦出结构出射至所述波导基片外，形成第一视场范围；所述第二光束投射至所述波导基片经所述第二耦出结构出射至所述波导基片外，形成第二视场范围；

所述第一视场范围与所述第二视场范围在所述波导基片的同一侧叠加形成所述光学装置的全视场范围。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于：

所述第一耦入结构具有第一耦入面，所述第二耦入结构具有第二耦入面，所述第一光束和所述第二光束分别经所述第一耦入面和所述第二耦入面投射至所述波导基片；

所述第一光束与所述第一耦入面相垂直，所述第二光束与所述第二耦入面相垂直。

3.根据权利要求1或2所述的光学装置，其特征在于：

所述波导基片包括第一表面和第二表面，所述第一表面为所述波导基片在靠近所述全视场范围所在一侧的表面，所述第二表面为所述波导基片在远离所述全视场范围所在一侧的表面；所述第一表面与所述第二表面相对且相互平行。

4.根据权利要求1或2所述的光学装置，其特征在于：

所述第一耦出结构包括多片相间隔设置且并列排布的第一阵列分光膜，所述第二耦出结构包括多片相间隔设置且并列排布的第二阵列分光膜。

5.根据权利要求4所述的光学装置，其特征在于：

相邻的所述第一阵列分光膜之间设有第一偏振状态转换结构，相邻的所述第二阵列分光膜之间设有第二偏振状态转换结构；

所述第一偏振状态转换结构用于使所述第一光束具有第一线偏振方向；所述第二偏振状态转换结构用于使所述第二光束具有第二线偏振方向。

6.根据权利要求5所述的光学装置，其特征在于：

所述第一偏振状态转换结构和所述第二偏振状态转换结构为二分之一波片。

7.根据权利要求1或2所述的光学装置，其特征在于：

所述第一图像源和所述第二图像源为微型投影仪。

8.根据权利要求3所述的光学装置，其特征在于：

所述波导基片包括两个并列排布的子波导，各所述子波导具有相互结合的粘接面，所述粘接面与所述第一表面相垂直。

9.一种近眼显示***，其特征在于，包括：

如权利要求1-8任意一项所述的光学装置。

10.一种增强显示***，其特征在于，包括：

如权利要求9所述的近眼显示***。