一种光学扩展波导的制作方法

1.本发明涉及光学器件领域，特别是涉及一种光学扩展波导。


背景技术：

2.近眼显示是现今广受关注的科技领域，其光学系统包括微显示器和光学元件。目前，市场上关于近眼显示的光学方案更是百家争鸣。
3.其中，阵列波导方案采用半透半反光学面实现对光的扩展和出瞳，依据入射角等于反射角的反射定律，对构成全彩显示的三原色入射光无色散作用，从而可以保证所成图像无明显的颜色偏差，能够满足显示装置最基本的要求，且对于优化头戴的设计和美化外观有明显的优势。
4.然而，由于该方案成像于无穷远处的特性，应用该方案的显示装置适用于视力在1.2左右的人群，而一般人群(包括视力矫正)的视力在1.0左右，为此在使用此类显示装置时，佩戴者无法观看到清晰、良好的图像，给用户造成很大困扰。为了解决这一问题，主流方案是采用外部器件辅助调节，这样不仅增加了显示装置的体积和重量，还会降低用户的舒适度和观感体验。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是提供一种光学扩展波导，应用于光学显示装置能够改变所成像的像距，能够适用于非正常视力的用户，并且结构轻薄。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种光学扩展波导，包括第一波导基体和第二波导基体；
8.所述第一波导基体用于使得进入所述第一波导基体的光束沿着第一维方向扩展，所述第一波导基体包括依次布置的多个第一反射面，所述第一反射面用于将入射到所述第一反射面的光至少部分反射，使至少部分光耦合入所述第二波导基体；
9.所述第二波导基体用于使得进入所述第二波导基体的光束沿着第二维方向扩展，所述第二波导基体包括依次布置的多个第二反射面，所述第二反射面用于将入射到所述第二反射面的光至少部分反射，使至少部分光向所述第二波导基体外发射出；
10.所述第一反射面和所述第二反射面中至少一者的至少局部为曲面，使得由所述第二波导基体发射出的光所成像的像距满足预设要求。
11.优选的，所述第一反射面的至少局部为曲面，所述第一反射面使得被所述第一反射面反射的光发散；
12.或者，所述第二反射面的至少局部为曲面，所述第二反射面使得被所述第二反射面反射的光发散。
13.优选的，各个所述第一反射面分别相对于所述第一维方向形成倾斜角。
14.优选的，所述第一波导基体至少还包括第一组相对表面，进入所述第一波导基体的光在所述第一组相对表面的每一表面发生反射而向前传播。
15.优选的，所述第一组相对表面的至少一表面的至少局部为曲面，以改变该表面的反射光入射到所述第一反射面的入射角度，以辅助实现由所述第二波导基体发射出的光所成像的像距满足预设要求。
16.优选的，所述第一组相对表面的至少一表面使得该表面的反射光发散。
17.优选的，所述第二波导基体至少还包括第三组相对表面，进入所述第二波导基体的光在所述第三组相对表面的每一表面发生反射而向前传播。
18.优选的，各个所述第二反射面分别相对于所述第三组相对表面的任一表面形成倾斜角。
19.优选的，所述第二反射面相对于所述第三组相对表面中的作为耦出面的一表面形成的倾斜角大于0
°
小于等于45
°
，其中，以所述第二反射面相对于一表面沿逆时针方向转动时，所述第二反射面相对于该表面形成的倾斜角为正。
20.优选的，所述第三组相对表面的至少一表面的至少局部为曲面，以改变该表面的反射光入射到所述第二反射面的入射角度，以辅助实现由所述第二波导基体发射出的光所成像的像距满足预设要求。
21.优选的，所述第三组相对表面的至少一表面使得被该表面反射的光发散。
22.优选的，所述第一波导基体还包括使所述第一反射面的反射光发射到所述第一波导基体之外的第一耦出面，所述第二波导基体还包括使所述第一波导基体发射出的光进入所述第二波导基体的第二耦入面，所述第一耦出面和所述第二耦入面光学同轴。
23.优选的，所述第一耦出面为平面、斜平面、锯齿面或者曲面，所述第二耦入面为平面、斜平面、锯齿面或者曲面。
24.优选的，所述第一波导基体前置、后置或者上置于所述第二波导基体。
25.由上述技术方案可知，本发明所提供的一种光学扩展波导包括第一波导基体和第二波导基体，第一波导基体使得进入第一波导基体的光束沿着第一维方向扩展，第一波导基体包括依次布置的多个第一反射面，第一反射面将入射到第一反射面的光至少部分反射，使至少部分光耦合入第二波导基体；第二波导基体使得进入第二波导基体的光束沿着第二维方向扩展，第二波导基体包括依次布置的多个第二反射面，第二反射面将入射到第二反射面的光至少部分反射，使至少部分光向第二波导基体外发射出。其中，第一反射面和第二反射面中至少一者的至少局部为曲面，以通过第一反射面或/和第二反射面改变光的出射角度，使得由第二波导基体发射出的光所成像的像距满足预设要求。因此，本发明的光学扩展波导应用于光学显示装置，能够改变所成像的像距，能够适用于非正常视力的用户，并且结构轻薄。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一些实施例，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。
27.图1为本发明一实施例中在第一反射面的光线传播示意图；
28.图2-1为图2-2所示光学扩展波导的左视图；
29.图2-2为本发明一实施例提供的光学扩展波导的主视图；
30.图3为本发明一实施例中第一波导基体的光线传播示意图；
31.图4为本发明一实施例中在第一组相对表面的一表面和第一反射面的光线传播示意图；
32.图5为本发明一实施例中第二波导基体的光线传播示意图；
33.图6为本发明一实施例中在第二波导基体中光线传播对应形成有效通光口径的示意图；
34.图7为本发明一实施例中任一波导基体采用曲面的反射面和表面的结构参数示意图；
35.图8-1为本发明实施例的任一波导基体相对表面的任一表面采用的一种曲面示意图；
36.图8-2为本发明实施例的任一波导基体相对表面的任一表面采用的又一种曲面示意图；
37.图9-1至图9-4分别为本发明实施例的第一波导基体的第一耦出面和第二波导基体的第二耦入面的四种实施方式示意图；
38.图10-1至图10-3分别为本发明实施例的第一波导基体和第二波导基体布置位置的三种实施方式示意图。
具体实施方式
39.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
40.本实施例提供一种光学扩展波导，包括第一波导基体和第二波导基体；
41.所述第一波导基体用于使得进入所述第一波导基体的光束沿着第一维方向扩展，所述第一波导基体包括依次布置的多个第一反射面，所述第一反射面用于将入射到所述第一反射面的光至少部分反射，使至少部分光耦合入所述第二波导基体；
42.所述第二波导基体用于使得进入所述第二波导基体的光束沿着第二维方向扩展，所述第二波导基体包括依次布置的多个第二反射面，所述第二反射面用于将入射到所述第二反射面的光至少部分反射，使至少部分光向所述第二波导基体外发射出；
43.所述第一反射面和所述第二反射面中至少一者的至少局部为曲面，使得由所述第二波导基体发射出的光所成像的像距满足预设要求。
44.进入第一波导基体的光束通过第一波导基体传播，光束的各部分光分别入射到各个第一反射面，第一反射面使入射到自身的光至少部分反射，使至少部分光耦合入第二波导基体，实现了进入第一波导基体的光束在第一维方向扩展。
45.进入第二波导基体的光束通过第二波导基体传播，光束的各部分光分别入射到各个第二反射面，第二反射面使入射到自身的光至少部分反射，使至少部分光向第二波导基体外发射出，实现了进入第二波导基体的光束在第二维方向扩展。
46.由第二波导基体发射出的光所成像的像距是指由第二波导基体发射出的光形成的像，对应的虚像到观看位置的距离。
47.其中，若第一波导基体的第一反射面至少局部为曲面，通过曲面能够改变光在第一反射面的反射角度，改变光耦合入第二波导基体的入射角度，能够改变光从第二波导基体发射出的出射角度。若第二波导基体的第二反射面至少局部为曲面，通过曲面能够改变光在第二反射面的反射角度，改变光从第二波导基体发射出的出射角度。因此，通过第一反射面和第二反射面中至少一者采用曲面，本光学扩展波导能够改变输出光的出射角度，改变本光学扩展波导输出光所成像的像距，使所成像的像距满足预设要求。
48.因此，本实施例的光学扩展波导应用于光学显示装置，能够改变所成像的像距，能够适用于非正常视力的用户，使非正常视力的用户能够观看到清晰、良好的图像，并且本实施例的光学扩展波导结构轻薄。
49.若第一波导基体的第一反射面至少局部为曲面，本实施例中，对第一反射面包含的曲面形状、曲面面积大小不做具体限定，只要能够改变由第二波导基体发射出的光的出射角度，使由第二波导基体发射出的光所成像的像距满足预设要求即可。第一反射面包含的曲面可以是固定曲率的曲面或者自由曲面。可选的，第一反射面采用曲面，可以使被第一反射面反射的光发散或者可以使被第一反射面反射的光会聚。
50.若第二波导基体的第二反射面至少局部为曲面，本实施例中，对第二反射面包含的曲面形状、曲面面积大小不做具体限定，只要能够改变由第二波导基体发射出的光的出射角度，使由第二波导基体发射出的光所成像的像距满足预设要求即可。第二反射面包含的曲面可以是固定曲率的曲面或者自由曲面。可选的，第二反射面采用曲面，可以使被第二反射面反射的光发散或者可以使被第二反射面反射的光会聚。
51.示例性的请参考图1所示，图1为一实施例中在第一反射面的光线传播示意图，如图所示，被第一波导基体的表面100反射的光线l1和光线l2分别入射到第一反射面101，第一反射面101为曲面。经过第一反射面101形成反射光线l1
′
和l2
′
。与光线l1和l2经过第一反射面101的参考平面102反射相比，经过第一反射面101的参考平面102形成反射光线l1
″
和l2
″
，反射光线l1
′
和l2
′
变得发散。这样使得由第二波导基体发射出的光所成像的像距减小。对于非正常视力的用户，所成像能够会聚在非正常视力用户的视网膜上。
52.上述基于图1，以在第一波导基体的第一反射面光线传播为例，说明了第一反射面采用曲面实现改变像距的原理，同理的，对于第二波导基体，其第二反射面采用曲面实现改变像距也是依据上述原理。
53.在第一波导基体中，各个第一反射面分别相对于第一维方向形成倾斜角。第一反射面相对于第一维方向形成倾斜角是指第一反射面的弦与第一维方向不平行且不垂直。相应的，第一反射面相对于第一维方向形成的倾斜角是指第一反射面的弦与第一维方向之间的夹角。通过第一波导基体传播的光入射到第一反射面时，一部分光能量透射过第一反射面继续传播，一部分光能量被反射，耦合入第二波导基体。
54.本实施例中，对第一反射面分别相对于第一维方向形成倾斜角的角度大小不做限定，能够实现第一波导基体内传播的光入射到第一反射面时使至少部分光反射而耦合入第二波导基体即可。在实际应用中，可以根据第一波导基体的尺寸、第二波导基体的尺寸、对光在第一维方向的扩展要求进行设置，优选在满足对光的扩展要求下使光学扩展波导结构
轻薄。
55.第一反射面在与第一维方向平行的平面上的投影面，其中该与第一维方向平行的平面位于第一反射面反射出光的一侧，决定了光学扩展波导输出光在第一维方向的通光口径。应用于光学显示装置中，光学扩展波导输出光在第一维方向的通光口径需要保证来自图像源的图像可以完全得到扩展，即光学扩展波导输出光所成像包含图像在第一维方向的完整信息。
56.第一波导基体至少还包括第一组相对表面，进入第一波导基体的光在所述第一组相对表面的每一表面发生反射而向前传播。具体的，光入射到第一组相对表面的每一表面满足全反射条件。第一组相对表面可以相互平行或者可以不平行，只要能够使得光经过第一组相对表面的每一表面发生反射而向前传播即可。
57.优选的，第一波导基体还可包括第二组相对表面，第二组相对表面和第一组相对表面形成闭合截面，进入第一波导基体的光在第一组相对表面和第二组相对表面的每一表面发生反射而向前传播。具体的，光入射到第二组相对表面的每一表面满足全反射条件。第二组相对表面可以相互平行或者可以不平行，只要能够使得光经过第二组相对表面的每一表面发生反射而向前传播即可。
58.示例性的请结合参考图2-1、图2-2和图3，图2-1为图2-2所示光学扩展波导的左视图，图2-2为一实施例提供的光学扩展波导的主视图，图3为一实施例中第一波导基体的光线传播示意图。如图所示，进入第一波导基体1的光在第一波导基体1的四个表面1-a、1-b、1
‑‑
c和1-d形成的截面内，会在各个表面进行反射而向前传播。在传播过程中遇到第一反射面101时，以一定的能量比例反射一部分光能量，使光耦合入第二波导基体2内。
59.在图3所示的第一波导基体1中，是以第一组相对表面1-a和1-b相互平行以及第二组相对表面1
‑‑
c和1-d相互平行为例进行说明的，可以理解的是，图3所示仅是举例说明。在其它实施方式中，第一组相对表面可以不平行，第二组相对表面可以不平行。
60.在一种优选实施方式中，第一组相对表面的至少一表面的至少局部为曲面，以改变该表面的反射光入射到所述第一反射面的入射角度，以辅助实现由所述第二波导基体发射出的光所成像的像距满足预设要求。第一组相对表面的至少一表面的至少局部为曲面，能够改变光经过该表面后的反射角度，可以改变该表面的反射光入射到第一反射面的入射角度，从而辅助实现改变本光学扩展波导发射出的光所成像的像距。
61.本实施例中，对第一组相对表面的任一表面包含的曲面形状、曲面面积大小不做具体限定，只要能够改变由第二波导基体发射出的光的出射角度，使由第二波导基体发射出的光所成像的像距满足预设要求即可。第一组相对表面的任一表面包含的曲面可以是固定曲率的曲面或者自由曲面。可选的，第一组相对表面的任一表面包含的曲面可以使该表面的反射光发散或者可以使该表面的反射光会聚。
62.示例性的请参考图4所示，图4为一实施例中在第一组相对表面的一表面和第一反射面的光线传播示意图，如图所示，表面100为第一波导基体1的第一组相对表面的任一表面，表面100为曲面(其参考平面为表面103)，使得入射光线l3和l4在表面100的反射光线变得发散，使得光线经过第一反射面101反射后的反射光线l3
′
和l4
′
变得发散，使得最终由第二波导基体2发射出的光所成像的像距减小。
63.第二波导基体至少还包括第三组相对表面，进入第二波导基体的光在所述第三组
相对表面的每一表面发生反射而向前传播。具体的，光入射到第三组相对表面的每一表面满足全反射条件。第三组相对表面可以相互平行或者可以不平行，只要能够使得光经过第三组相对表面的每一表面发生反射而向前传播即可。
64.可选的，各个第二反射面分别相对于第三组相对表面的任一表面形成倾斜角。第二反射面相对于一表面形成倾斜角是指第二反射面的弦与该表面不平行且不垂直。相应的，第二反射面相对于一表面形成的倾斜角是指第二反射面的弦与该表面之间的夹角；若一表面为曲面，则第二反射面相对于该表面形成的倾斜角是指第二反射面的弦与该表面的炫之间的夹角。通过第二波导基体传播的光入射到第二反射面时，一部分光能量透射过第二反射面继续传播，一部分光能量被反射，向第二波导基体外发射出。
65.示例性的请结合参考图2-1、图2-2和图5，图5为一实施例中第二波导基体的光线传播示意图。如图所示，由第一波导基体1耦合进入第二波导基体2的光可以在第二波导基体2的表面2-a和2-b进行反射而向前传播，在传播过程中遇到第二反射面201时，以一定的能量比例反射一部分光能量，使一部分光向第二波导基体2外发射出。
66.本实施例中，对各个第二反射面分别相对于第三组相对表面的任一表面形成倾斜角的角度大小不做限定，能够实现第二波导基体内传播的光入射到第二反射面时使至少部分光反射向第二波导基体外发射出即可。在实际应用中，可以根据第一波导基体的尺寸、第二波导基体的尺寸、对光在第二维方向的扩展要求进行设置。
67.示例性的参考图6所示，图6为一实施例中在第二波导基体中光线传播对应形成有效通光口径的示意图，通过第二波导基体2传播的光分别遇到各个第二反射面s1、s2、s3、s4和s5会发生反射，使至少部分光向第二波导基体2外发射出。各个第二反射面s1、s2、s3、s4和s5在表面2-a的总投影面s，决定了本光学扩展波导的有效通光口径。应用于光学显示装置中，光学扩展波导的有效通光口径需要保证来自图像源的图像可以完全得到扩展，即光学扩展波导输出光所成像包含图像在第一维方向以及第二维方向的完整信息。
68.优选的，第二反射面相对于第三组相对表面中的作为耦出面的一表面形成的倾斜角大于0
°
小于等于45
°
，可表示为0
°
《β≤45
°
，其中，以所述第二反射面相对于一表面沿逆时针方向转动时，所述第二反射面相对于该表面形成的倾斜角为正。第三组相对表面中的作为耦出面的一表面是指被第二反射面反射的光通过该表面向第二波导基体外发射出。这样通过第二反射面使光得到扩展，同时可以减小第二波导基体的厚度，可以使整个波导轻薄。
69.在一种优选实施方式中，第三组相对表面的至少一表面的至少局部为曲面，以改变该表面的反射光入射到所述第二反射面的入射角度，以辅助实现由所述第二波导基体发射出的光所成像的像距满足预设要求。第三组相对表面的至少一表面的至少局部为曲面，能够改变光经过该表面后的反射角度，可以改变该表面的反射光入射到第二反射面的入射角度，从而与采用曲面的第一反射面或者采用曲面的第二反射面相结合，实现改变本光学扩展波导发射出的光所成像的像距。
70.本实施例中，对第三组相对表面的任一表面包含的曲面形状、曲面面积大小不做具体限定，只要能够改变由第二波导基体发射出的光的出射角度，使由第二波导基体发射出的光所成像的像距满足预设要求即可。第三组相对表面的任一表面包含的曲面可以是固定曲率的曲面或者自由曲面。可选的，第三组相对表面的任一表面包含的曲面可以使该表面的反射光发散或者可以使该表面的反射光会聚。
71.在进行光学设计时，本光学扩展波导应用于光学显示装置中时，为了使所成图像的分辨率、对比度或者清晰度等满足要求，若第一波导基体的第一反射面采用曲面以及第一组相对表面的至少一表面采用曲面，第一波导基体的第一反射面和第一组相对表面的任一表面的曲面参数应满足一定关系。若第二波导基体的第二反射面采用曲面以及第三组相对表面的至少一表面采用曲面，第二波导基体的第二反射面和第三组相对表面的任一表面的曲面参数应满足一定关系。请结合参考图7，图7为一实施例中任一波导基体的采用曲面的反射面和表面的结构参数示意图，以轴上物点发出的经过准直的主轴光束为参考进行光学设计，当主轴光束垂直入射到波导基体的耦合输入面时，各参数的相应关系为：
72.α
r2
＝α
r1-βo；
73.α
r1
＝π/2-βi；
74.其中，βi表示耦合输入面和波导基体表面的水平参考面的夹角，βo表示曲面反射面的弦所在平面和波导基体表面的水平参考面的夹角，α
r1
表示主轴光线和波导基体表面的水平参考面法线的夹角，α
r2
表示主轴光线和耦合输出面的参考面法线的夹角。
75.hs＝hr＝n*(λ/2)；
76.hr＝h/(sin(βo))；
77.hs＝h/(tan(βo))；
78.其中，hs表示单个反射面对应的曲面波导的局部曲面矢高，hs表示单个反射面对应的曲面波导的局部弦长，hr表示曲面反射面本身对应的局部曲面矢高，hr表示曲面反射面本身对应的局部弦长。n是按照像距调节需要的光圈数，λ是光学设计时选取的参考波长。根据具体像距的调节需求，可以通过对应的矢高以及弦长进行计算，从而可以求得所需得曲面反射面的局部曲率以及波导基体曲面表面的局部曲率半径。
79.示例性的可参考图8-1和图8-2，图8-1和图8-2分别为本实施例的任一波导基体相对表面的任一表面采用曲面的示意图，如图所示波导基体相对表面的任一表面可以是自由曲面、凹面或者凸面。
80.进一步的，第一波导基体还包括使所述第一反射面的反射光发射到所述第一波导基体之外的第一耦出面，所述第二波导基体还包括使所述第一波导基体发射出的光进入所述第二波导基体的第二耦入面，所述第一耦出面和所述第二耦入面光学同轴。第一耦出面和第二耦入面光学同轴是指第一耦出面与第二耦入面对应局部的光轴平行。
81.本实施例中，对第一波导基体的第一耦出面的形状不做限定，对第二波导基体的第二耦入面的形状不做限定，只要满足第一耦出面和第二耦入面光学同轴即可。第一耦出面可以是但不限于平面、斜平面、锯齿面或者曲面，第二耦入面可以是但不限于平面、斜平面、锯齿面或者曲面。示例性的可参考图9-1至图9-4，图9-1至图9-4分别为本实施例的第一波导基体的第一耦出面和第二波导基体的第二耦入面的四种实施方式。
82.本实施例中，对第一波导基体与第二波导基体的相对位置不做限定，只要能够使得第一波导基体耦合出的光进入第二波导基体即可。示例性的可参考图10-1至图10-3，图10-1至图10-3分别为本实施例的第一波导基体和第二波导基体的布置位置的三种实施方式，如图所示，第一波导基体1可以是前置、后置或者上置于第二波导基体2。
83.本实施例的光学扩展波导可以应用于近眼显示装置，比如头戴式设备，能够改变所成像的像距，能够适用于非正常视力的用户，并且结构轻薄，提升了用户使用的舒适度和
观感体验。
84.以上对本发明所提供的一种光学扩展波导进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。