具有多转折区域的光波导及显示装置

技术领域

本发明涉及光波导设备领域技术，尤其是指一种具有多转折区域的光波导及显示装置。

背景技术

光学系统是增强现实(AR)设备的一个重要组成部分。系统的考虑因素包括光效率、环境光的透射率、尺寸、重量和视野范围(FOV)等。但目前尚不存在完美的解决方案，必须对不同的参数进行权衡。在设计AR的光学系统时，需要考虑以下几个要素：光效率，即将光线从投影仪导入人眼的过程中传递的比例；环境光透射率；光学系统的尺寸和重量和越大越好的FOV(视场角)。增强现实的关键技术之一是开发超紧凑、轻重量、低功耗的近眼显示解决方案。光波导是当前AR领域最有前途的光学解决方案，现在较多使用的是DLP、LCOS、micro LED光引擎配合光波导显示，其光效较低；而且，此类光引擎出瞳直径大，相应的光波导上入瞳区域配合光引擎的出瞳尺寸也会变大，导致整个显示装置的体积较大。因此，应对现有的AR显示装置进行改进，以解决现有显示装置的光效不佳和体积较大的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种具有多转折区域的光波导及显示装置，其通过采用具有多个转折区域的光波导并结合LBS光源，在横向和纵向上扩展了光斑尺寸，有效提高LBS光源的利用率，实现在利用小体积小出瞳高亮的LBS光源的同时获得大的扩展光源的效果。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种具有多转折区域的光波导，其包括有入瞳区域、至少一个用于横向扩展入瞳区域输出的光斑长度的第一转折区域、至少一个用于纵向扩展第一转折区域输出的光斑宽度的第二转折区域和至少一个出瞳区域，光线由入瞳区域进入，全反射进入第一转折区域，经第一转折区域对光斑长度进行横向扩展后全反射进入到第二转折区域，经第二转折区域对光斑宽度进行纵向扩展后全反射进入出瞳区域，然后由出瞳区域进入人眼。

作为一种优选方案：所述光波导包括有两个第一转折区域、两个第二转折区域和两个出瞳区域，所述两个第一转折区域、两个第二转折区域和两个出瞳区域以入瞳区域左右对称分布。

作为一种优选方案：所述入瞳区域直径为1-2mm。

作为一种优选方案：所述第一转折区域的宽度是入瞳区域直径的1.1-3倍，所述第一转折区域之远离入瞳区域一侧的宽度是靠近入瞳区域一侧的宽度的1.5-3倍，第一转折区域的长度是入瞳区域直径的2-5倍；所述第二转折区域的长度是第一转折区域长度的0.6-0.8倍，第二转折区域的宽度是其长度的3-6倍；所述出瞳区域的宽度是第二转折区域的宽度的0.7-0.9倍，出瞳区域长度是其宽度的1.5-2倍。

作为一种优选方案：所述光波导内各个区域采用衍射光栅，四个区域内的光栅方向不同，光栅矢量的光栅周期和方向可以满足矢量和等于0。

作为一种优选方案：所述光波导的各个区域衍射效率不同，入瞳区域具有1个效率分区；第一转折区域为3-8个效率分区，第二转折区域为4-10个效率分区，出瞳区域为6-15个效率分区。

一种显示装置，其包括所述的光波导以及为所述光波导提供光线的LBS光源，所述LBS光源朝向于光波导之入瞳区域。

作为一种优选方案：所述光波导的入瞳区域直径是LBS光源出瞳直径的1.1倍-1.3倍。

作为一种优选方案：所述LBS光源为590-640nm的红色激光、520-560nm的绿色激光、420-480nm的蓝色激光中的一种或为该三种颜色激光的任意组合。

作为一种优选方案：所述LBS光源的光线视场角范围为20°-60°，LBS光源的光源出瞳与光波导之入瞳区域的中心距离小于1mm。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，通过采用具有多个转折区域的光波导并结合LBS光源使光线经过直径较小的入瞳区域和两个转折区域后分别在横向和纵向上扩展了光斑尺寸，多向扩大入射光光斑的可利用面积，有效提高LBS激光光源的利用率，实现在利用小体积小出瞳高亮的LBS光源的同时获得大的扩展光源的效果，提高了近眼显示装置的使用体验，而且整体体积较小，携带和存放方便。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。

附图说明

图1为本发明之双目一体化的多转折区域光波导示意图；

图2为本发明之单目一体化的多转折区域光波导示意图；

图3为本发明之光波导与LBS光源结合即显示装置示意图；

图4为本发明之光波导光效率分区示意图；

图5为本发明之双目光波导的光波导波矢示意图；

图6为本发明之单目光波导的光波导波矢示意图；

图7为本发明之显示装置光线传播示意图。

附图标识说明：

10、光波导；11、入瞳区域；21、22、第一转折区域；31、32、第二转折区域；41、42、出瞳区域；50、LBS光源。

具体实施方式

本发明如图1至图7所示，一种具有多转折区域的光波导及显示装置，其中：

所述光波导10，包括入瞳区域、至少一个用于横向扩展入瞳区域输出的光斑长度的第一转折区域、至少一个用于纵向扩展第一转折区域输出的光斑宽度的第二转折区域和至少一个出瞳区域；波导的入瞳区域直径为1-2mm，适用于如LBS光源小出瞳直径光源。

本实施例中的光波导10可以为双目或单目形式，具体描述如下；

如图1所示，为一种双目一体化的多转折区域光波导10，其包括位于长轴中心的入瞳区域11，左部分的第一转折区域21、第二转折区域31、出瞳区域41；右部分的第一转折区域22、第二转折区域32、出瞳区域42；并且，左部分的第一转折区域21、第二转折区域31、出瞳区域41与右部分的第一转折区域22、第二转折区域32、出瞳区域42以入瞳区域11左右对称分布。

如图2所示，为一种单目的多转折区域光波导10，其包括位于横向中心的入瞳区域11，第一转折区域21、第二转折区域31和出瞳区域41。

所述第一转折区域的宽度是入瞳区域直径的1.1-3倍，所述第一转折区域21、22之远离入瞳区域11一侧的宽度W22是靠近入瞳区域11一侧的宽度W21的1.5-3倍，第一转折区域21、22的长度L21是入瞳区域11直径的2-5倍；所述第二转折区域31、32的长度L31是第一转折区域21、22长度L21的0.6-0.8倍，第二转折区域31、32的宽度W31是其长度L31的3-6倍。

所述出瞳区域41、42的宽度W41是第二转折区域31、32宽度W31的0.7-0.9倍，出瞳区域41、42的长度L41是其宽度W41的1.5-2倍。

所述光波导10内各个区域采用衍射光栅，四个区域(入瞳区域、第一转折区域、第二转折区域和出瞳区域)内的光栅方向不同，光栅矢量的光栅周期和方向可以满足矢量和等于0。

所述光波导10的各个区域衍射效率不同，入瞳区域11面积较小，其具有1个衍射效率分区；其它区域沿着波矢方向衍射效率由小变大，可提高最终显示图像的亮度均匀性。其中，第一转折区域21、22可以设置3-8个衍射效率分区，第二转折区域31、32可以设置4-10个效率分区，出瞳区域41、42可以设置6-15个效率分区；并且，也可以将所有区域都沿着各自的波矢方向设置成效率连续渐变的形式，以在外观上不显示明显的分区界线。

所述显示装置为AR近眼显示装置，其包括如上所述的光波导10以及LBS光源50，所述光波导10的入瞳区域11直径为LBS光源50出瞳直径的1.1倍-1.3倍，能让光源全部耦合到入瞳区域中；需要说明的是，LBS光源50出瞳直径取值为1-2mm，虽然其取值范围与入瞳区域11直径取值范围相同，但LBS光源50出瞳直径在入瞳区域11直径已定的情况下，其出瞳直径取值一定小于入瞳区域直径。并且，第一转折区域21、22的宽度W21(靠近入瞳区域)可以是LBS光源50出瞳直径的1.1-1.3倍，可以让入瞳区域11的光全部进入到第一转折区域21、22。

所述LBS光源50为590-640nm的红色激光、520-560nm的绿色激光、420-480nm的蓝色激光中的一种或为该三种颜色激光的任意组合。LBS光源50发出的光线视场角范围为20°-60°，LBS光源50出瞳与光波导10之入瞳区域11的中心距离小于1mm，能够使LBS光源50发出的各个角度的光线都能进入到光波导10内。

所述LBS光源50的光线由入瞳区域11进入，全反射进入第一转折区域21、22，经第一转折区域21、22对光斑长度进行横向扩展后全反射进入到第二转折区域31、32，经第二转折区域31、32对光斑宽度进行纵向扩展后全反射进入出瞳区域41、42，然后由出瞳区域41、42进入人眼。

如图5所示，对应的是图1的光波导波矢图，特定波长的光可以沿着左路径和右路径在波导板内传播。输入光(入射光)IN0的波矢分别可以存在于以初始波矢kx和ky定义的波矢空间的一个区域BOX0中。区域BOX0的每个角落分别都可以代表输入图像IMG0的角落点的光的波矢。

BND1表示用于满足光波导10之波导板中的全内反射(TIR)标准的第一边界。BND2表示波导板中的最大波矢的第二边界。最大波矢可以由波导板的折射率确定。仅当所述光的波矢在第一边界BND1与第二边界BND2之间的区域ZONE1中时，光才可以在波导板中以波导形式传播。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。

对于预定整数mij时(i＝1,2,3,4j＝1,2,3,4)，光栅矢量的光栅周期(d)和方向(θ)可以满足矢量和ΣmijVij＝0，即波矢的传导形成闭合路径。其中i为区域位置标识，如1＝入瞳区域，2＝第一转折区域，3＝第二转折区域，4＝出瞳区域；j为路径标识，如1＝第1路径，2＝第2路径(例如第1侧路径波矢和为m11V11+m21V21+m31V31+m41V41＝0)。衍射光栅的光栅周期(d)和光栅方向(θ)可以由所述衍射光栅的光栅矢量V确定。光栅矢量V可以定义为具有垂直于衍射光栅的衍射线的方向和由2π/d给出的幅度的矢量，其中d是光栅周期(即条纹间隔)。

入射光IN0从区域BOX0进入光波导10，朝光栅方向V11左侧ky负方向传导。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，传导光B3a朝V41方向传导，其波矢在区域BOX4a中，最终输出图像OUT1；入射光IN0从区域BOX0进入波导，朝光栅方向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，传导光B3b朝V42方向传导，其波矢在区域BOX4b中，最终输出图像OUT2。

如图6所示，对应的是图2的光波导波矢图，入射光IN0从区域BOX0进入光波导10，朝光栅方向V11左侧ky负方向传导。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(与BOX1a重合)，传导光B3a朝V41方向传导，其波矢在区域BOX4a中，最终输出图像OUT1。

如图7所示，显示装置光线传播原理如下：

LBS光源50出瞳正对于光波导入瞳区域11，LBS光源50出瞳中心和光波导10入瞳区域11中心之间的距离小于1mm，LBS光源50发出的1mm直径的入射光IN0传播到入瞳区域11上的光栅，衍射的±1级光线在光波导10内左右两侧全反射传播到第一转折区域21、22，在第一转折区域21、22横向扩展了光斑长度；到达第一转折区域21、22的光线又分别经过光栅衍射后在波导内全反射分别传播到第二转折区域31、32，在第二转折区域31、32纵向扩展了光斑宽度；从第二转折区域31、32全反射出的光斑尺寸，具有第一转折区域21、22的长度和第二转折区域31、32的宽度；从第二转折区域31、32上衍射的光线分别在波导内全反射传播到出瞳区域41、42，最终从出瞳区域41、42衍射的光线进入到使用者视线中。

显示装置之小入瞳光波导有两个转折区域，光源传播经过两个转折区域后分别在横向和纵向上扩展了光斑尺寸，在利用小体积小出瞳高亮的光源的同时还能获得大的扩展光源。

激光束扫描(Laser Beam Scanning；LBS)技术可以增强光效，提高显示装置的入眼亮度，LBS在极短的时间内扫描成有一定视场的光源，单点光源激光光斑较小，配合直径一样小的光波导入瞳区域，并结合多转折区域实现光源扩展。从而，使全天候可穿戴的AR智能眼镜具备小体积、轻重量、高亮度的特点，并能让其显示高分辨率，大FOV，全彩画面。

本发明的设计重点在于，通过采用具有多个转折区域的光波导并结合LBS光源使光线经过直径较小的入瞳区域和两个转折区域后分别在横向和纵向上扩展了光斑尺寸，多向扩大入射光光斑的可利用面积，有效提高LBS激光光源的利用率，实现在利用小体积小出瞳高亮的LBS光源的同时获得大的扩展光源的效果，提高了近眼显示装置的使用体验，而且整体体积较小，携带和存放方便。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。