一种光波导元件及近眼显示设备的制作方法

1.本实用新型实施例涉及近眼显示技术领域，特别涉及一种光波导元件及近眼显示设备。


背景技术：

2.增强现实(augmented reality，ar)技术是将虚拟信息和真实世界相融合的一种技术，其中，近眼显示设备是利用增强现实技术实现光学成像的一种设备。近眼显示设备可以让用户看到真实世界的同时看到计算机构建的虚拟图像，并且，人眼与所看到虚拟图像构成的锥形范围叫做视场角，人眼能看全虚拟图像时与显示设备的距离称为出瞳距离，人眼在一定的出瞳距离下能看全虚拟图像时人眼可以晃动的范围叫做眼动范围。
3.在实现本实用新型实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：目前，市面上的近眼显示设备通常为眼镜、头盔等形式，其为了减少对用户头部的负担，需要减少光机的大小，通常为通过二维扩瞳的方式在保证原有眼动范围的情况下缩小光机的体积，然而这种二维扩瞳的近眼显示设备在需要更大的眼动范围时，还是需要增加光机的出光面大小，从而导致光机体积增大，且还存在眼动范围不在波导片中心的问题。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种具有较大的眼动范围的光波导元件及近眼显示设备。
5.本实用新型实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
6.为解决上述技术问题，第一方面，本实用新型实施例中提供了一种光波导元件，包括：
7.耦入分光面，用于接收入射光线，并将所述入射光线部分透射出射、部分反射出射或全部反射；
8.纵向扩瞳分光面阵列，其设置在所述耦入分光面的反射出光侧，用于将所述部分反射出射的光线纵向扩瞳后出射；
9.横向扩瞳分光面阵列，其设置在所述耦入分光面的透射出光侧，且设置在所述纵向扩瞳分光面阵列的反射出光侧，用于将所述部分透射出射的光线和所述纵向扩瞳后出射的光线横向扩瞳后出射。
10.在一些实施例中，所述耦入分光面的反射率：90％≤r1≤100％，其中，
11.当所述耦入分光面的反射率r1＜100％时，所述耦入分光面用于将所述入射光线部分透射出射、部分反射出射。
12.当所述耦入分光面的反射率r1＝100％时，所述耦入分光面用于将所述入射光线全部反射。
13.在一些实施例中，还包括：
14.耦入结构，其设于所述耦入分光面的入光侧，用于将所述入射光线耦入到所述光波导元件中；
15.在一些实施例中，所述耦入结构为具有特定倾角的三角棱镜，其贴合设置于所述光波导元件表面上，且设置在所述耦入分光面的入光侧。
16.在一些实施例中，所述纵向扩瞳分光面阵列包括至少两个纵向扩瞳分光面，各所述纵向扩瞳分光面的反射率随着与所述耦入结构的距离的增加而增大，
17.所述纵向扩瞳分光面的反射率：5％≤r2≤100％。
18.在一些实施例中，所述横向扩瞳分光面阵列包括至少两个横向扩瞳分光面，各所述横向扩瞳分光面的反射率随着与所述耦入结构的距离的增加而增大，
19.所述横向扩瞳分光面的反射率：5％≤r3≤50％。
20.为解决上述技术问题，第二方面，本实用新型实施例中提供了一种光波导元件，包括：
21.对称设置的耦入分光面，用于接收入射光线，并将所述入射光线部分透射出射、部分反射出射；
22.对称设置的纵向扩瞳分光面阵列，其分别对应设置在所述对称设置的耦入分光面的反射出光侧，用于将所述反射出射的光线纵向扩瞳后出射；
23.横向扩瞳分光面阵列，其设置在所述对称设置的耦入分光面的透射出光侧，且设置在所述对称设置的纵向扩瞳分光面阵列的反射出光侧，用于将所述纵向扩瞳后出射的光线横向扩瞳后出射。
24.在一些实施例中，还包括：
25.所述对称设置的耦入分光面的反射率：90％≤r1＜100％。
26.在一些实施例中，还包括：
27.耦入结构，其设于所述对称设置的耦入分光面的入光侧，用于将所述入射光线耦入到所述光波导元件中；
28.在一些实施例中，所述耦入结构为具有特定倾角的三角棱镜，其贴合设置于所述光波导元件表面上，且设置在所述对称设置的耦入分光面的入光侧。
29.在一些实施例中，所述对称设置的纵向扩瞳分光面阵列包括至少两个对称设置的纵向扩瞳分光面，各所述对称设置的纵向扩瞳分光面的反射率随着与所述耦入结构的距离的增加而增大，
30.所述对称设置的纵向扩瞳分光面的反射率：5％≤r2≤100％。
31.在一些实施例中，所述横向扩瞳分光面阵列包括至少两个横向扩瞳分光面，各所述横向扩瞳分光面的反射率随着与所述耦入结构的距离的增加而增大，
32.所述横向扩瞳分光面的反射率：5％≤r3≤50％。
33.为解决上述技术问题，第三方面，本实用新型实施例中提供了一种近眼显示设备，包括：
34.光机，以及，如上述第一方面或第二方面所述的光波导元件，所述光波导元件的入光侧设置在所述光机的出光侧，
35.经所述光波导元件二维扩瞳后出射的光线的眼动范围的中心与波导片中心一致。
36.在一些实施例中，所述光机包括按照出光方向依次设置的：光源、准直透镜组、分光结构、mems振镜和中继镜头，
37.所述光波导元件的入光侧设置在所述中继镜头的出光侧。
38.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例中提供了一种光波导元件，该元件设置有纵向扩瞳分光面阵列和横向扩瞳分光面阵列，用于实现二维扩瞳，且通过在纵向扩瞳分光面阵列和横向扩瞳分光面阵列的入光侧设置耦入分光面的方式将入射到光波导元件的光线部分透射到横向扩瞳分光面阵列上，或者，通过设置对称设置的耦入分光面和对称设置的纵向扩瞳分光面阵列的方式，实现对眼动范围在纵向上的进一步增加，且应用于近眼显示设备中时，能够将扩瞳出射的光线的眼动范围的中心与波导片中心的高度基本保持一致。
附图说明
39.一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块表示为类似的元件/模块，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
40.图1是本实用新型实施例一提供的一种光波导元件的结构及光路示意图；
41.图2是图1所示光波导元件的三视图；
42.图3是本实用新型实施例二提供的一种光波导元件的结构及光路示意图；
43.图4是图3所示光波导元件的主视图及光路示意图；
44.图5是本实用新型实施例三提供的一种近眼显示设备的结构示意图；
45.图6是图5所示近眼显示设备中光机的结构示意图。
具体实施方式
46.下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
47.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
48.需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本技术的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。需要说明的是，本说明书所使用的术语“纵向”、“横向”、“前”、“后”以及类似的表述只是为了说明的目的，为了便于连接结构限定，本实用新型以光线在光波导元件和近眼显示设备中的传播方向为参考进行部件的位置限定。
49.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
50.此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
51.具体地，下面结合附图，对本实用新型实施例作进一步阐述。
52.实施例一
53.本实用新型实施例提供了一种光波导元件，图1和图2，图1示出了本实用新型实施例提供的一种光波导元件的结构及光路，图2是图1所示光波导元件的主视图，所述光波导元件10包括：耦入分光面11、纵向扩瞳分光面阵列12和横向扩瞳分光面阵列13。进一步地，所述光波导元件10还可以包括：耦入结构14。
54.所述耦入分光面11，用于接收入射光线，并将所述入射光线部分透射出射、部分反射出射或全部反射。优选地，所述耦入分光面11的反射率：90％≤r1≤100％，其中，当所述耦入分光面11的反射率r1＜100％时，所述耦入分光面11用于将所述入射光线部分透射出射、部分反射出射。在其他的一些实施例中，所述耦入分光面11还可以是设置成反射率为100％的结构，当所述耦入分光面11的反射率r1＝100％时，所述耦入分光面11用于将所述入射光线全部反射。
55.在本实用新型实施例中，由于所述纵向扩瞳分光面阵列12通常如图1所示设置有多个分光面，各个分光面都需要反射出射一部分光线，所述耦入分光面11透射出射的光线强度应与所述纵向扩瞳分光面阵列12的各个分光面出射的光线强度接近，使得出射的图像光线在纵向上能够均匀输出，让最终出射的图像光线呈现均匀的亮度。具体地，对于所述耦入分光面11的反射能力和透射能力的设置，可根据实际需要进行设计，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
56.在本实用新型实施例中，通过将所述耦入分光面11设置为具有一定透射能力的结构，使得从光机20出射的光进入到所述光波导元件10中后，能够将一部分光透射直接出射到所述横向扩瞳分光面阵列13上，从而在纵向上直接增加能够出光的范围，即图1所示的，区域a为本实用新型实施例提供的光波导元件10最能够呈现的最大眼动范围，本实用新型实施例提供的光波导元件11能够将梯形a上边缘“向上拉”，从而将眼动范围a“向上拉大”，从而使得耦出的光线能够尽量在近眼显示设备的中间区域，且具有较大的眼动范围。
57.所述纵向扩瞳分光面阵列12，其设置在所述耦入分光面11的反射出光侧，用于将所述部分反射出射的光线纵向扩瞳后出射；优选地，所述纵向扩瞳分光面阵列12包括至少两个纵向扩瞳分光面，各所述纵向扩瞳分光面的反射率随着与所述耦入结构14的距离的增加而增大，所述纵向扩瞳分光面的反射率：5％≤r2≤100％，具体地，各分光面的反射率可以呈阶梯状排列。进一步地，各所述纵向扩瞳分光面阵列12的分光面互相平行且与所述耦入分光面11平行，且与所述光波导元件10的前后表面垂直。
58.所述横向扩瞳分光面阵列13，其设置在所述耦入分光面11的透射出光侧，且设置在所述纵向扩瞳分光面阵列12的反射出光侧，用于将所述部分透射出射的光线和所述纵向扩瞳后出射的光线横向扩瞳后出射。优选地，所述横向扩瞳分光面阵列13包括至少两个横向扩瞳分光面，各所述横向扩瞳分光面的反射率随着与所述耦入结构14的距离的增加而增大，所述横向扩瞳分光面的反射率：5％≤r3≤50％，具体地，各分光面的反射率可以呈阶梯状排列；所述反射率最大限制为50％，能够避免无法看清楚现实场景的情况，实现较好的增强现实显示效果。进一步地，各所述横向扩瞳分光面阵列13的分光面互相平行且与所述光波导元件10的前后表面呈一定夹角设置。
59.在本实用新型实施例中，所述耦入分光面11、所述纵向扩瞳分光面阵列12和所述横向扩瞳分光面阵列13的反射率可通过不同的镀膜设计来实现，或者，也可以是通过通过
旋转偏振片或线栅的光轴的方式来实现；且有，所述光波导元件10可以是采用玻璃、树脂等透明材料制成，具体地，所述光波导元件10的制作工艺及工艺材料等可根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
60.所述耦入结构14，其设于所述耦入分光面11的入光侧，用于将所述入射光线耦入到所述光波导元件10中；优选地，所述耦入结构14为具有特定倾角的三角棱镜，其贴合设置于所述光波导元件表面上，且设置在所述耦入分光面11的入光侧，具体地，所述耦入结构14可根据实际需要进行选择，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
61.实施例二
62.本实用新型实施例提供了一种光波导元件，图3和图4，图3示出了本实用新型实施例提供的一种光波导元件的结构及光路，图4是图3所示光波导元件的主视图，所述光波导元件10包括：对称设置的耦入分光面11a和11b、对称设置的纵向扩瞳分光面阵列12a和12b，以及横向扩瞳分光面阵列13。进一步地，所述光波导元件10还可以包括：耦入结构14。
63.所述对称设置的耦入分光面11a和11b，用于接收入射光线，并将所述入射光线部分透射出射、部分反射出射。具体地，所述对称设置的耦入分光面11a和11b的反射率：90％≤r1＜100％，其中，所述对称设置的耦入分光面11a和11b用于将所述入射光线部分透射出射、部分反射出射。需要说明的是，本实用新型实施例所述的耦入分光面11a和11b的反射率不可设置为100％，以避免耦出区域的眼动范围a里的中心地带可能会出现暗带，或者亮度低的情况。
64.所述对称设置的纵向扩瞳分光面阵列12a和12b，其分别对应设置在所述对称设置的耦入分光面11a和11b的反射出光侧，用于将所述反射出射的光线纵向扩瞳后出射；优选地，所述对称设置的纵向扩瞳分光面阵列12a和12b包括至少两个纵向扩瞳分光面，各所述纵向扩瞳分光面的反射率随着与所述耦入结构11的距离的增加而增大，所述对称设置的纵向扩瞳分光面的反射率：5％≤r2≤100％，具体地，各分光面的反射率可以呈阶梯状排列。进一步地，各所述纵向扩瞳分光面阵列12a的分光面互相平行且与所述耦入分光面11a平行，各所述纵向扩瞳分光面阵列12b的分光面互相平行且与所述耦入分光面11b平行，且与所述光波导元件10的前后表面垂直。
65.在本实用新型实施例中，通过对称设置的耦入分光面和对称设置的纵向扩瞳分光面阵列的组合(11a和12a，11b和12b)，使得从光机20出射的光进入到所述光波导元件10中通过对称设置的耦入分光面11a和11b将光线分别部分透射和部分向“上”和向“下”反射后，通过对称设置的纵向扩瞳分光面阵列12a和12b在纵向上增加光线的出光范围，即图3所示的，将梯形a上边缘“向上拉”，将梯形a下边缘“向下拉”，从而在纵向上增加眼动范围a，使得耦出的光线能够尽量在近眼显示设备的中间区域，且具有较大的眼动范围。
66.所述横向扩瞳分光面阵列13，其设置在所述对称设置的耦入分光面11a和11b的透射出光侧，且设置在对称设置的纵向扩瞳分光面阵列12a和12b的反射出光侧，用于将所述纵向扩瞳后出射的光线横向扩瞳后出射。优选地，所述横向扩瞳分光面阵列13包括至少两个横向扩瞳分光面，各所述横向扩瞳分光面的反射率随着与所述耦入结构11的距离的增加而增大，所述横向扩瞳分光面的反射率：5％≤r3≤50％，具体地，各分光面的反射率可以呈阶梯状排列；所述反射率最大限制为50％，能够避免无法看清楚现实场景的情况，实现较好的增强现实显示效果。进一步地，各所述横向扩瞳分光面阵列13的分光面互相平行且与所
述光波导元件10的前后表面呈一定夹角设置。
67.在本实用新型实施例中，所述对称设置的耦入分光面11a和11b、所述对称设置的纵向扩瞳分光面阵列12a和12b，以及所述横向扩瞳分光面阵列13的反射率可通过不同的镀膜设计来实现，或者，也可以是通过通过旋转偏振片或线栅的光轴的方式来实现；且有，所述光波导元件10可以是采用玻璃、树脂等透明材料制成，具体地，所述光波导元件10的制作工艺及工艺材料等可根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
68.所述耦入结构14，其设于所述对称设置的耦入分光面11a和11b的入光侧，用于将所述入射光线耦入到所述光波导元件10中；优选地，所述耦入结构14为具有特定倾角的三角棱镜，其贴合设置于所述光波导元件表面上，且设置在所述对称设置的耦入分光面11的入光侧，具体地，所述耦入结构14可根据实际需要进行选择，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
69.实施例三
70.本实用新型实施例提供了一种近眼显示设备，请参见图5，其示出了本实用新型实施例提供的一种近眼显示设备的结构，所述近眼显示设备100包括：光机20，以及，如上述实施例一或实施例二所述的光波导元件10，所述光波导元件10的入光侧设置在所述光机20的出光侧，经所述光波导元件10二维扩瞳后出射的光线的眼动范围的中心与波导片中心一致。
71.需要说明的是，本实用新型实施例中，所述近眼显示设备100以ar眼镜为例，在实际应用中，所述近眼显示设备100还可以是其他形式，如头盔等，具体地，可根据实际应用进行设计，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
72.区别于市面上眼动范围a通常位于近眼显示设备如ar眼镜的镜片下方的区域，采用本实用新型实施例的近眼显示设备100由于光波导元件10能够将梯形a上边缘“向上拉”，因此，从光波导元件10耦出的光线能够从ar眼镜的镜片的大部分区域出射，从而厂家在设计光机20及光机20中的程序时，可以将图像的中心按照人眼平视的视觉效果来设计，减少了眼镜的设计难度，且光线能够从与人眼瞳孔相同的高度耦入人眼，整个近眼显示设备100更加符合人体工学设计。因此，本实用新型如上述实施例一或实施例二提供的光波导元件10应用于近眼显示设备100时，能够在显著提升视场角和眼动范围的同时，有效缩小光机20的体积。
73.在一些实施例中，请参见图6，其示出了图5所示近眼显示设备中光机的结构，所述光机20包括按照出光方向依次设置的：光源21、准直透镜组22、分光结构23、mems振镜24和中继镜头25，所述光波导元件10的入光侧设置在所述中继镜头25的出光侧。
74.具体地，所述光源21为rgb激光光源，所述准直透镜组22和分光结构23皆包括三个，分别依次设置在r、g、b三个激光光源的出光方向上。所述分光结构23可以是针对rgb光源具有波长选择透过性的分光平片或分光棱镜。所述mems振镜24可以是一个二维振镜，也可以是由两个一维振镜组合而成。所述中继镜头25是由两个对称透镜或多个透镜组构成。
75.工作时，所述光源21发出的发散光经过准直透镜组22后被准直为平行光，三束rgb平行光分别打到对应的分光结构23上，从而合成一束平行光，该平行光打到快速震动的mems振镜24上来实现成像扫描，最终成像光线通过中继镜头25将呈发散状的不同视场平行光束镜像转变成汇聚状从而全部打入离得较远的所述光波导元件10的耦入结构14中。
76.在其他的一些实施例中，所述光机20也可以是其他光源或者图像源，具体地，其结构和类型等可根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
77.本实用新型实施例中提供了一种光波导元件，该元件设置有纵向扩瞳分光面阵列和横向扩瞳分光面阵列，用于实现二维扩瞳，且通过在纵向扩瞳分光面阵列和横向扩瞳分光面阵列的入光侧设置耦入分光面的方式，或者，通过设置对称设置的耦入分光面和对称设置的纵向扩瞳分光面阵列的方式，实现对眼动范围在纵向上的进一步增加，且应用于近眼显示设备中时，能够将扩瞳出射的光线的眼动范围的中心与波导片中心的高度基本保持一致。
78.需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
79.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。