[实用新型]一种使用波导型光学元件的近眼显示装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种用于透射式近眼显示装置的平板波导型光学元件及，具体的，涉及利用透射式近眼显示技术和视场拼接技术实现在较小的厚度下提高透射式近眼显示装置的视场角波导型元件结构。

背景技术

透射式近眼显示器(Near Eye Display,NED)是一种佩戴在用户眼前并为佩戴者提供可视虚拟图像同时不影响用户观察外界真实场景的小型光电显示装置，通过光学系统将图像源的图像放大并呈现在用户眼前，根据不同的应用呈现不同的视觉效果，在实际应用中，超薄轻型化是主要追求的指标，但传统旋转对称多片式无法实现透射式近眼显示，而自由曲面等新型设计仍然不足以满足用户对超薄化的追求，上述技术还存在出瞳直径较小，用户的眼动范围较小的问题，一般不大于8mm，影响用户的佩戴体验。

平板波导型光学元件利用光的全内反射传输大幅降低了透射式NED的厚度并且利用耦合出射端实现较大的出瞳直径，但在视场角方面存在一定的限制，例如，有研究者提出，如图1所示的分光面阵列几何平面波导型由于其几何结构和鬼像杂光的影响，在保持厚度较薄的情况下，能够达到的最大视场角度约40°左右。

实用新型的内容

本实用新型旨在提供一种使用波导型光学元件的近眼显示装置，通过对波导型光学元件的拼接实现超薄、大视场、大出瞳直径和出瞳距离、无杂光的光学技术解决方案。

根据本实用新型的一种使用波导型光学元件的近眼显示装置，包括：

投影光学组件，用于将像源元件发出的图像光投射至一波导型光学元件，以在该波导型光学元件中传播；该波导型光学元件包括至少两波导片，各波导片之间具有透光性间隔。

在一种具体的实施方式中，投影光学组件包括一自由曲面光学元件。这样的自由曲面光学元件可以为棱镜，其至少包括3个由xy多项式表达的自由曲面。

具体的，近眼显示装置中的各波导片以预定空气间隔平行重叠设置，每一波导片均包括彼此平行的两主表面，用以实现全内反射的方式将耦合进所述波导片中的光向预定方向传播；分别位于各波导片内的至少一个部分反射表面，所述部分反射表面被设置在所述主表面之间的空间内作为分光面，与所述主表面呈预定角度；所述各波导片内的部分反射表面在沿所述主表面的方向上分布的区域不同。

在各波导片内，部分反射表面数量均为多个，各波导片内的部分反射表面数量相同或者不同；不同波导片的所述预定角度不相同。

多个部分反射表面在预定的分布区域内均匀分布。

进一步的，波导型光学元件还包括与各波导片一体形成或结合成一体的耦合入射部，耦合入射部用于向各波导片折转光线以使进入所述各波导片的光满足全内反射的入射条件。这样的耦合入射部位于各片波导片的同一侧，从波导片向同一方向伸出；或者，所述耦合入射部位于各片波导片的不同侧，从波导片向不同方向伸出

根据本发明的近眼显示装置，通过至少两层波导片的重叠布置，各层内的分光面阵列的结构参数具有差异，配合具有自由曲面的投影光学组件，可分别对不同角度范围的视场起作用，能够在保证厚度较单层波导增加有限的情况下，实现更大的视场角，有效视场内的图像光强比较均匀，杂光少，出瞳直径至少达到10mm以上，从而在整体重量较轻的情况下，获得更优越的AR体验。

附图说明

图1为现有技术的分光面阵列几何平面波导结构示意图

图2为根据本实用新型的近眼显示装置结构和光路示意图

图3A和图3B为根据图2的结构中的两波导片分解示意图

图4为根据图2的近眼显示装置的投影光学元件示意图

具体实施方式

以下对本发明示例性实施例进行详细的描述以解释本发明，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。除非有明确的表示，本领域技术人员应当理解的，第一、第二，左、右等词汇仅理解为区分位于不同位置的不同部分，而不包含必然的限定性作用。