CN114167601B - 一种三次扩瞳装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩瞳装置，包括沿第一方向依次设置的第一波导结构和第二波导结构；第一波导结构中增加第二结构分部，第二结构分部包括沿第一方向依次设置的第二甲分光单元和第二乙分光单元，使入射至第二结构分部中的第一部分光线依次经第二甲分光单元反射、第三分光单元反射以及第四分光单元反射形成三次扩瞳后出射；第三部分光线依次经第二乙分光单元反射、第一分光单元反射以及第四分光单元反射形成三次扩瞳后出射；第四部分光线经第二乙分光单元透射以及第四分光单元反射后出射。在保持视场角、眼盒以及出瞳距不变的情况下，可减小二维波导片的尺寸，实现全视场图像显示，更加适合人眼视觉最佳位置，同时降低机加工难度，提高光能量利用率。

Description

一种三次扩瞳装置

技术领域

本发明实施例涉及显示技术领域，尤其涉及一种三次扩瞳装置。

背景技术

增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，可以将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐及视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，补充真实世界中的真实信息，实现对真实世界的“增强”。这种利用增强现实技术的头戴显示器可以让人们在查看周围环境的同时，将虚拟的图像投射到人眼，在军事，工业，娱乐，医疗，交通运输等领域有着重要的意义。

目前用于增强现实的透射型头戴显示器中，主要技术包括：Birdbath、棱镜、自由曲面及光波导技术，相比于其他技术，采用光波导技术的头戴显示器体积更小，更像一幅眼镜。光波导技术中，主要包括阵列光波导、表面浮雕光栅波导以及体全息波导，其中，阵列光波导在色彩表现以及光能利用率都要优于衍射光波导以及体全息波导，特别的，采用二维出瞳扩展技术的阵列光波导还有着耦入光机体积小，出瞳距离大、眼盒大等优点。

随着人们对沉浸式体验以及AR眼镜的外观要求越来越高，技术人员需要在增大显示系统的视场角时，还要求显示系统的形状体积类似于普通眼镜。现有的二维出瞳扩展技术由于本身的非对称性，若采用常见较低折射率材料(例 H-BAK5，n＝1.56)传输较大视场角(例如对角线55°)，二维波导片的体积将会增加，且有效的显示区域中心与人眼最佳位置偏差较大；若采用高折射率的材料，则二维波导片的加工难度以及成本将会大大增加，且并不能改变本身结构的非对称性，在传输更大视场角时，同样面临体积增大的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种扩瞳装置，在现有技术的二维波导片的上波导结构中增加第二结构分部，将入瞳光束水平方向一次扩瞳后分束成左右视场后再一次水平方向扩瞳后到达下波导结构出射，使得光束在上波导结构中实现二次水平方向扩瞳，下波导结构进行竖直方向扩瞳，在采用常见低折射率材料下，可在保持视场角、眼盒以及出瞳距不变，有效减小二维波导片的尺寸，实现全视场的图像显示，更加适合人眼视觉最佳位置，同时降低机加工难度的，提高光能量利用率。

第一方面，本发明实施例提供了一种扩瞳装置，包括平行设置的第一平面、第二平面以及设置于所述第一平面和所述第二平面之间的第一波导结构和第二波导结构，所述第一波导结构和所述第二波导结构沿第一方向依次设置；所述第一波导结构包括沿第二方向依次设置的第一结构分部、第二结构分部和第三结构分部，所述第一方向与所述第一平面平行，所述第二方向与所述第一方向相交；

所述第一结构分部包括第一分光单元，所述第二结构分部包括沿所述第一方向依次设置的第二甲分光单元和第二乙分光单元，所述第三结构分部包括第三分光单元，所述第二波导结构包括第四分光单元；

入射至所述第二结构分部中的光线形成第一部分光线和第二部分光线，所述第一部分光线依次经所述第二甲分光单元反射、所述第三分光单元反射以及所述第四分光单元反射后出射；所述第二部分光线经所述第二甲分光单元透射至所述第二乙分光单元形成第三部分光线和第四部分光线，所述第三部分光线依次经所述第二乙分光单元反射、所述第一分光单元反射以及所述第四分光单元反射后出射；所述第四部分光线经所述第二乙分光单元透射以及所述第四分光单元反射后出射。

可选的，所述第一分光单元包括多个第一分束镜，多个所述第一分束镜沿所述第二方向依次平行设置；

所述第二甲分光单元包括多个平行设置的第二甲分束镜，所述第二乙分光单元包括多个平行设置的第二乙分束镜，所述第一部分光线经多个所述第二甲分束镜反射后入射至所述第三结构分部，所述第二部分光线经所述第二甲分束镜透射至所述第二乙分束镜形成第三部分光线和第四部分光线，所述第三部分光线经所述第二乙分束镜反射后入射至所述第一结构分部，所述第四部分光线经所述第二乙分束镜透射后入射至所述第二波导结构；

所述第三分光单元包括多个第三分束镜，多个所述第三分束镜沿所述第二方向依次平行设置；

所述第四分光单元包括多个第四分束镜，多个所述第四分束镜沿所述第一方向依次平行设置。

可选的，所述第二甲分束镜和所述第二乙分束镜沿所述第一方向成对称设置。

可选的，多个所述第二甲分束镜平行等间距设置；

多个所述第二乙分束镜平行等间距设置。

可选的，所述第二甲分束镜与所述第一方向的夹角为α，所述第二甲分束镜的法线方向与所述第一平面的法线方向的夹角为γ；所述第二乙分束镜与所述第一方向的夹角为β，所述第二乙分束镜的法线方向与所述第一平面的法线方向的夹角为γ；所述第二甲分束镜和所述第二乙分束镜的夹角为α+β；

所述第四分束镜的法线方向与所述第一平面的法线方向的夹角为θ；

其中，0＜α＜90°，0＜β＜90°，80°<γ<90°，20＜θ＜28°。

可选的，多个所述第一分束镜与所述第二甲分束镜沿所述第二方向依次平行设置；多个所述第三分束镜与所述第二乙分束镜沿所述第二方向依次平行设置。

可选的，多个所述第一分束镜沿所述第二方向依次等间距平行设置；

多个所述第三分束镜沿所述第二方向依次等间距平行设置；

多个所述第四分束镜沿所述第一方向依次等间距平行设置。

可选的，所述扩瞳装置还包括耦入结构；

所述耦入结构包括三棱镜，用于将光机出射的平行光束耦入至所述第二结构分部中。

可选的，所述扩瞳装置还包括第一玻璃片，沿所述第一方向，所述第一玻璃片位于所述第三结构分部和所述第二波导结构之间，所述第一玻璃片的高度和所述第二乙分光单元的高度相等。

可选的，所述扩瞳装置还包括第二玻璃片，沿所述第一方向，所述第二玻璃片位于所述第一结构分部远离所述第二波导结构的一侧，所述第二玻璃片远离所述第二波导结构一侧的表面与所述第三结构分部远离所述第二波导结构一侧的表面齐平。

本发明实施例提供的一种扩瞳装置，包括沿第一方向依次设置的第一波导结构和第二波导结构，在第一波导结构增加第二结构分部，第二结构分部包括沿第一方向依次设置的第二甲分光单元和第二乙分光单元，使入射至第二结构分部中的第一部分光线依次经第二甲分光单元反射、第三分光单元反射以及第四分光单元反射形成三次扩瞳后出射；第二部分光线经第二甲分光单元透射至第二乙分光单元形成的第三部分光线依次经第二乙分光单元反射、第一分光单元反射以及第四分光单元反射形成三次扩瞳后出射；第二部分光线经第二甲分光单元透射至第二乙分光单元形成的第四部分光线经第二乙分光单元透射以及第四分光单元反射后出射。在保持视场角、眼盒以及出瞳距不变的情况下，可有效减小二维波导片的尺寸，实现全视场的图像显示，更加适合人眼视觉最佳位置，同时降低机加工难度，提高了光能量利用率。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术中普通二维波导片结构的三视图；

图2为现有技术中光线在普通二维波导片结构中从点A’传输到点B’的光路图；

图3为现有技术中光线在普通二维波导片结构中的等效光路图；

图4为现有技术中对角线视场角55°的普通二维波导片结构的形状示意图；

图5为本发明实施例提供的一种三次扩瞳装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种第一波导结构的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种第一波导结构的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种三次扩瞳装置的光路示意图；

图9为本发明实施例提供的一种第二结构分部的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的另一种第二结构分部的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的另一种第二结构分部的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的另一种第二结构分部的结构示意图；

图13为本发明实施例提供的一种扩瞳装置制的左视场光路意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

实施例

图1给出了普通二维波导片的三视图；图2为现有技术中光线在普通二维波导片结构中从点A’传输到点B’的光路图；图3为现有技术中光线在普通二维波导片结构中的等效光路图；图4为现有技术中对角线视场角55°的普通二维波导片结构的形状示意图。结合图1-图4所示，普通二维波导片的结构包括上结构波导片、下结构波导片；上结构波导片包括两个相互平行表面1和表面2，还有一系列平行的分束镜1嵌入在表面1和表面2内，该结构的主要作用是将耦入结构出射的光束进行转折，且每个分束镜都会对出瞳成一次像，从而实现水平方向的扩瞳；下结构波导片类似于普通的一维阵列波导，其包括两个相互平行表面3和表面4，还有一系列平行的分束镜2嵌入在表面3和表面4内，该结构的主要作用是将被上结构波导片转折后的光束耦出，从而被人眼接收，并实现垂直方向的扩瞳。其中，表面1和表面3、表面2和表面4为同一平面，现有的二维波导片存在体积和重量较大，人眼实际位置和人眼最佳位置偏差较大，光能利用率较低的问题，结合图1-图4，分析如下：

图2(a)示出了光线从点A’传输到点B’在上结构波导片内的光路图，图2(b) 示出了光线从点A’传输到点B’在上结构波导片表面的路线图，其中，波导片内光线走过的路径长度为2L，在波导片表面光线走过的路径长度为D，光线入射角为α，由图中几何关系可知，满足公式1.1：

D＝2L*sinα， (1.1)；

根据公式1.1，可以理解为宽度为D的波导片对于入射角为α的光线而言，等效长度或称展开长度为D/sinα，因此，分束镜的间隔距离为d，光线的入射角为α，其等效间隔或展开间隔为d/sinα。

以图1所示的普通二维波导片为例，假设反射镜间隔d足够小，参考图3 所示，图3给出了等效光路图，其中，分束镜1与X方向(即水平方向)的倾角为45°，二维波导片厚度H为1.7mm，采用玻璃材料为H-BAK5(折射率 n＝1.56)，波导片内耦入图像的对角线视场角55°(采用16∶9屏幕，水平视场×纵向视场为48.8°×28.63°)，耦入光机的出瞳为5.5mm，出瞳距为20mm，水平眼盒为10mm。根据上述给定的参数，可得全反射临界角α_c满足公式1.2：

考虑到装配公差以及设计光机的畸变，二维波导片中最小入射角应略大于临界角39.87°，因此光线在二维波导片内全反射传输角度的范围为(40.88°， 61.92°)，中心入射角度为50°。再结合公式(1.1)，光线在下结构波导片中所走的等效长度或展开长度约为21.12mm，结合所得数据，利用光路可逆原理，可以得到上结构波导片等效高度约为28.98mm，等效长度约为65.9mm，如图3所示，根据公式(1.1)逆推可得上结构波导片实际尺寸约为50.48mm×22.2mm。以下结构波导片中嵌入6片反射镜2为例，则根据普通一维波导片的设计思路，考虑到加工工艺，下结构波导片的高度至少为23mm。

根据以上的分析，参考图4所示，图4给出了对角线视场角55°的普通二维波导片的结构形状。可以看出，这种结构中人眼实际位置和人眼最佳位置偏差较大，人眼实际位置大概处于波导片

位置处，冗余太多，普通二维波导片的结构不仅增大了二维波导片体积和重量，还降低的光能利用率。

基于上述问题，本发明实施例提供了一种扩瞳装置，可在水平方向进行二次扩瞳，在竖直方向上进行一次扩瞳。图5为本发明实施例提供的一种扩瞳装置结构的三视图；图6为本发明实施例提供的一种第一波导结构的结构示意图；图7为本发明实施例提供的另一种第一波导结构的结构示意图；图8为本发明实施例提供的一种三次扩瞳装置的光路示意图；图9本发明实施例提供的一种第二结构分部的结构示意图。结合图5-图9所示，本发明实施例提供的扩瞳装置包括平行设置的第一平面S1、第二平面S2以及设置于第一平面S1和第二平面S2之间的第一波导结构1和第二波导结构2，第一波导结构1和第二波导结构2沿第一方向(如图5中Y方向所示)依次设置；第一波导结构1包括沿第二方向(如图6和图7中X方向所示)依次设置的第一结构分部11、第二结构分部12和第三结构分部13，第一方向与第一平面S1平行，第二方向与第一方向相交；

第一结构分部11包括第一分光单元111，第二结构分部12包括沿第一方向依次设置的第二甲分光单元121和第二乙分光单元122，第三结构分部包括第三分光单元131，第二波导结构2包括第四分光单元21；

入射至第二结构分部12中的光线形成第一部分光线和第二部分光线，第一部分光线依次经第二甲分光单元反射121、第三分光单元131反射以及第四分光单元21反射后出射；第二部分光线经第二甲分光单元121透射至第二乙分光单元122形成第三部分光线和第四部分光线，第三部分光线依次经第二乙分光单元122反射、第一分光单元111反射以及第四分光单元21反射后出射；第四部分光线经第二乙分光单元122透射以及第四分光单元21反射后出射。

示例性的，结合图5-图9所示，在三次扩瞳装置的第一平面S1和第二平面 S2之间设置第一波导结构1和第二波导结构2，第一波导结构1和第二波导结构2沿图5中Y方向上下设置。第一波导结构1和第二波导结构2可以采用常见的较低折射率材料，例如H-BAK5，折射率n＝1.56。第一波导结构1对入射的平行光束进行二次X方向(水平方向)扩瞳，第二波导结构2对经第一波导结构1扩瞳后的光束进行一次Y方向(竖直方向)扩瞳，满足二维波导结构对入射光束扩瞳要求，实现对入射光束三次扩瞳。具体的，第一波导结构1包括沿图5中X方向依次设置的第一结构分部11、第二结构分部12和第三结构分部13。其中，X方向与第一平面S1平行，Y方向与第一方向相交，例如，Y方向与X方向正交。

第一结构分部11包括第一分光单元111，第三结构分部包括第三分光单元 131，在第一波导结构1中间区域增设第二结构分部12，第二结构分部12包括沿X方向依次设置的第二甲分光单元121和第二乙分光单元122，将平行光束分束成左视场光束、中间视场光束和右视场光束，第一分光单元111、第二甲分光单元121和第二乙分光单元122、第三分光单元131和第四分光单元21对光束具有分束、转折，调整光束传播方向的作用。例如，采用在分光单元入射面增镀反射膜和透射膜的方式，实现对入射光束分束。具体的，调整入瞳在第一波导结构1中的中间位置，沿图中Y方向，当光机出射的平行光束由入瞳依次进入第二结构分部12的第二甲分光单元121和第二乙分光单元122，到达第二甲分光单元121的光束被分束成第一部分光线和第二部分光线，第一部分光线经第二甲分光单元121反射实现第一次沿水平方向扩瞳后到达第三分光单元131，经第三分光单元131反射实现第二次沿水平方向扩瞳后到达第四分光单元 21，经第四分光单元21反射后实现第一次沿竖直方向扩瞳后出射到达用户眼睛成像，形成右视场三次扩瞳成像；第二部分光线经第二甲分光单元121透射后形成第三部分光线和第四部分光线，第三部分光线经第二乙分光单元122反射实现第一次沿水平方向扩瞳后到达第一分光单元111，经第一分光单元111反射实现第二次沿水平方向扩瞳后到达第四分光单元21，经第四分光单元21反射实现第一次沿竖直方向扩瞳后出射到达用户眼睛成像，形成左视场三次扩瞳成像；第四部分光线经第二乙分光单元122透射后经第四分光单元21反射后出射到达用户眼睛成像。在保证保持视场角、眼盒以及出瞳距不变，增加第二结构分部 12，可以增加入射光线在水平方向的扩瞳次数，扩大水平方向的扩瞳范围，调整入瞳的位置，可有效减小二维波导片的尺寸，实现全视场的图像显示，更加适合人眼视觉最佳位置，同时降低机加工难度的，提高光能量利用率。

综上，本发明提供的扩瞳装置，通过在第一波导结构增加第二结构分部，第二结构分部包括沿第一方向依次设置的第二甲分光单元和第二乙分光单元，使入射至第二结构分部中的第一部分光线依次经第二甲分光单元反射、第三分光单元反射以及第四分光单元反射形成三次扩瞳后出射；第二部分光线经第二甲分光单元透射至第二乙分光单元形成的第三部分光线依次经第二乙分光单元反射、第一分光单元反射以及第四分光单元反射形成三次扩瞳后出射；第二部分光线经第二甲分光单元透射至第二乙分光单元形成的第四部分光线经第二乙分光单元透射以及第四分光单元反射后出射。在保持视场角、眼盒以及出瞳距不变的情况下，增加入射光线在水平方向的扩瞳次数，扩大水平方向的扩瞳范围，可有效减小二维波导片的尺寸，实现全视场的图像显示，更加适合人眼视觉最佳位置，同时降低机加工难度，提高了光能量利用率。

可选的，参考图5所示，三次扩瞳装置还包括耦入结构R；耦入结构R包括三棱镜，用于将光机出射的平行光束耦入至第二结构分部中。可以对提高光的能力利用率，提高视场成像效果等。

图9为本发明实施例提供的一种第二结构分部的结构示意图；图10为本发明实施例提供的另一种第二结构分部的结构示意图；图11为本发明实施例提供的另一种第二结构分部的结构示意图；图12为本发明实施例提供的另一种第二结构分部的结构示意图。在上述实施例的基础上，继续结合图5-图12所示，可选的，第一分光单元111包括多个第一分束镜1111，多个第一分束镜1111沿第二方向(图中X方向所示)依次平行设置；第二甲分光单元121包括多个平行设置的第二甲分束镜1211，第二乙分光单元122包括多个平行设置的第二乙分束镜1221，第一部分光线经多个第二甲分束镜1211反射后入射至第三结构分部 13，第二部分光线经第二甲分束镜1211透射至第二乙分束镜1221形成第三部分光线和第四部分光线，第三部分光线经第二乙分束镜1221反射后入射至第一结构分部11，第四部分光线经第二乙分束镜1221透射后入射至第二波导结构2；

第三分光单元13包括多个第三分束镜1311，多个第三分束镜1311沿第二方向依次平行设置；第四分光单元21包括多个第四分束镜211，多个第四分束镜211沿第一方向(如图中Y方向所示)依次平行设置。

示例性的，结合图5-图12所示，第二甲分光单元121包括多个平行设置的第二甲分束镜1211，第二乙分光单元122包括多个平行设置的第二乙分束镜 1221，图9和图10中以2个第二甲分束镜1211和2个第二乙分束镜1221为例，图11和图12中以3个第二甲分束镜1211和3个第二乙分束镜1221为例进行说明，以及图5和图7中以8个第一分束镜1111、8个第三分束镜1311、6个第四分束镜211为例，更多的分数镜组合，这里不再做一一列举。

结合图6-图9和图12所示，在这种结构中，光机出射的携带虚拟图像信息的平行光束经入瞳入射到达第二甲分束镜1211表面后被分束成第一部分光线和第二部分光线，虚拟图像的整个视场被第二甲分束镜1211和第二乙分束镜1212 分成左右视场两部分。其中，如图6所示，在右视场方向上，第一部分光线经第二甲分束镜1211反射后依次到达多个平行设置的第三分束镜1311，光束被进行多次转折后沿Y方向到达第二波导结构2后进入用户眼睛，每个第二甲分束镜1211和每个第三分束镜1311均对出瞳成一次像，即沿水平方向第二甲分束镜1211进行第一次扩瞳，第三分束镜1311进行第二次水平方向扩瞳，从而实现右视场在水平方向上二次扩瞳；在左视场方向上，第二部分光线透过第二甲分束镜1211后到达第二乙分光单元122后被分束成第三部分光线和第四部分光线，第三部分光线经第二乙分束镜1212反射后依次到达多个平行设置的第一分束镜1111，光束被进行多次转折后到达第二波导结构2后进入用户眼睛，每个第二乙分束镜1212和每个第一分束镜1111均对出瞳成一次像，即沿水平方向第二乙分束镜1212进行第一次扩瞳，第一分束镜1111进行第二次水平方向扩瞳，从而实现左视场在水平方向上二次扩瞳；到达第二波导结构2的光束，依次经多个第四分束镜211转折耦出到用户眼睛，从而被人眼接收，且每个第四分束镜211都会对出瞳成一次像，并实现垂直方向的扩瞳，从而实现虚拟图像信息在用户眼睛中的全视场成像。

再结合图10和图11所示，第一部分光线经第二甲分光单元121反射实现第一次沿水平方向扩瞳后也可以到达第一分光单元111，形成左视场光束；第三部分光线经第二乙分光单元122反射实现第一次沿水平方向扩瞳后到达第三分光单元131，形成右边视场光束，设置第二甲分光单元121和第二乙分光单元 122的排布结构，实现在水平方向分束和第一次扩瞳的目的即可。

通过在水平方向上设置多个平行排列的第二甲分束镜1211和多个平行排列的第二乙分束镜1212结构，将视场改到中间区域，光束由入瞳进入第一波导结构1的中间区域，可以实现将左右视场分开传输，第一波导结构1(上结构波导片)的高度只需要满足一半视场的传输就可以实现全视场的显示，优选的如图7 所示，而在普通二维波导片中，上结构波导片的高度需要满足全部视场的传输才能显示完整图像，因此这种结构可以大大减小二维波导片的体积，同时使得人眼位置更加靠近观看图像的最佳位置，不仅如此，左右结构中，也可以减少分束镜数量，从而降低加工难度，提高光能利用率。另外，由于第二结构分部 12(中部结构)还起到了在水平方向第一次扩瞳的作用，可以增大第一波导结构1(上结构)中两个分束镜的间距，间接的减小上结构的加工难度，在采用常见低折射率材料下，可保持视场角、眼盒以及出瞳距不变，达到合理调整三次扩瞳装置的成像视野范围，提高用户视觉体验的目的。

可选的，第二甲分束镜1211和第二乙分束镜1221沿第一方向(图中X方向所示)成对称设置。采用该对称结构，控制光机出射的携带虚拟图像信息的平行光束经入瞳入射依次到达第二甲分束镜1211和第二乙分束镜1212，控制分束形成的左右视场范围，实现全视场虚拟图像显示。

可选的，多个第二甲分束镜平行等间距设置；多个第二乙分束镜平行等间距设置。采用等间距设置，控制光机出射的携带虚拟图像信息的平行光束经入瞳入射依次到达第二甲分束镜1211和第二乙分束镜1212，分别在水平方向进行一次成像，提高虚拟图像的成像均匀度，提高视觉成像效果。

在上述实施例的基础上，结合图5-图12所示，可选的，第二甲分束镜与第一方向的夹角为α，第二甲分束镜的法线方向与第一平面的法线方向的夹角为γ；第二乙分束镜与第一方向的夹角为β，第二乙分束镜的法线方向与第一平面的法线方向的夹角为γ；第二甲分束镜和第二乙分束镜的夹角为α+β；第四分束镜的法线方向与第一平面的法线方向的夹角为θ；

其中，0＜α＜90°，0＜β＜90°，80°<γ<90°，20＜θ＜28°。

示例性的，结合图5中扩瞳装置的正视图、左视图所示，设置第二甲分束镜1211与第一方向(图中X方向)的夹角为α，0＜α＜90°，优选的，α＝45°，第二甲分束镜的法线方向与第一平面的法线方向的夹角为γ(图中未示出)， 80°<γ<90°，起到将光线向用户眼睛方向反射的作用，入瞳入射的光束到达第二甲分束镜1211被反射到第一分光单元111，形成左视场光束；设置第二乙分束镜1212与第一方向的夹角为β，0＜β＜90°，优选的，β＝45°，第二乙分束镜1212 的法线方向与第一平面的法线方向的夹角为γ(图中未示出)，入瞳入射的光束到达第二乙分束镜1212被反射到第三分光单元131，形成右视场光束，同时设置第二甲分束镜1211和第二乙分束镜1212的夹角为α+β，使得入瞳光束完全照射在第二甲分束镜1211和第二乙分束镜1212的表面，提高入瞳光束的能量利用率。

进一步，结合图5中扩瞳装置的左视图所示，考虑到人眼最舒适的视场范围，设置第四分束镜211的法线方向与第一平面S1的法线方向的夹角为θ，20 ＜θ＜28°，调整经第四分束镜211反射耦出的出瞳光束以最佳视角偶入用户眼睛，视觉成效效果最佳。

进一步，结合图9-图12所示，第二甲分束镜1211和第二乙分束镜1212具有多种结构设置方式，理论上，第二甲分束镜1211和第二乙分束镜1212的数量越多，对入瞳光束的在水平方向第一次扩瞳的宽度越大，具体的数量需结合实际需要设置。需要说明的是，通过调整第二甲分束镜1211和第二乙分束镜1221 分别与水平方向的夹角，可以使第一部分光线经第二甲分束镜1211反射后到达第三分光单元1311，第三部分光线经第二乙分束镜1221反射后到达第一分光单元1111，如图9和图12所示；或者，使第一部分光线经第二甲分束镜1211反射后到达第一分光单元1111，第三部分光线经第二乙分束镜1221反射后到达第三分光单元1311，如图10和图11所示，这两种结构均可以实现左右视场分束。上述实施例仅仅列举了一些可行的排列结构，更多满足分光的结构设置这里不再所一一列举。通过此结构设置，第一波导结构1的高度只需要满足一半视场的传输就可以实现全视场的显示，减小了三次扩瞳装置的体积，降低了加工难度，同时具有较高的视觉成像体验。

结合图下面列举一个具体实施例，图13为本发明实施例提供的一种扩瞳装置制的左视场光路意图。结合图5-图13所示，采用上述实施例提供的三次扩瞳装置，以8个第一分束镜1111、8个第三分束镜1311和6个第四分束镜211为例，采用本发明实施例提供的三次扩瞳装置，参考图9，结合公式1.3和公式1.4，其中，图5-图13中的长度单位为mm(毫米)：

n*sinα_h-in＝sinα_h， (1.3)；

h≈L/2*tanα_h-in， (1.4)；

其中，n为分束镜的折射率，h为第一波导结构1在第一方向上减小后的高度，α_h为出瞳光束的纵向视场角，α_h-in为出瞳光束在第二波导结构2中的纵向视场角，2L为光束在第一波导结构1内光线走过的路径长度。

如图13所示，由于增加多个平行设置的第二甲分束镜1211和多个平行设置的第二乙分束镜1212结构，将入射光束的入瞳由第一波导结构1的中间区域入射，将视场改到中间区域，在保持视场角55°、眼盒10mm以及出瞳距20mm 不变的情况下，可有效减小二维波导片的尺寸，即第一波导结构1的高度h约为14.18mm，相对于现有普通二位波导结构上结构波导片的高度22.2mm，高度降低，尺寸减小，降低加工难度和成本，使得结构更紧凑，提高了光能利用率；扩瞳装置不仅在水平方向进行2次扩瞳，竖直方向进行一次扩瞳，扩大了全视场范围，使得人眼位置更加靠近观看图像的最佳位置，提高了视觉体验效果。

在上述实施例的基础上，结合图5-图12所示，可选的，多个第一分束镜1111 与第二甲分束镜1211沿第二方向(图中X方向)依次平行设置；多个第三分束镜1311与第二乙分束镜1212沿第二方向依次平行设置。通过此结构设置，使得多个第一分束镜1111与第一方向的夹角也为α，0＜α＜90°，优选的，α＝45°多个第三分束镜1311与第一方向的夹角也为β，0＜β＜90°，优选的，β＝45°，形成左右视场光束对称的结构，减少分束镜的数量，降低加工难度，提高光能利用率。

在上述实施例的基础上，结合图5-图8所示，可选的，多个第一分束镜1111 沿第二方向(图中X方向所示)依次等间距平行设置；多个第三分束镜1311沿第二方向依次等间距平行设置；多个第四分束镜211沿第一方向依次等间距平行设置。

示例性的，结合图5-图8所示，沿图中X方向，分别设置多个第一分束镜 1111、多个第三分束镜1311等间距设置，入瞳入射的光束经第二结构分部12 分束后分别经多个第一分束镜1111和多个第三分束镜1311转折后对出瞳成等间距的一次像，从而实现水平方向的等间距扩瞳，当光束到达间距平行设置的多个第四分束镜211时分束、转折后形成等间距的一次像，进入用户眼睛(眼盒)，实现在竖直方向上等间距扩瞳，通过等间距平行设置一方面可减小加工难度，另一方面增大视场角以及提高用户视觉成像效果。

可选的，继续参考图7所示，扩瞳装置还包括第一玻璃片14，沿第一方向(图中X方向所示)，第一玻璃片14位于第三结构分部13和第二波导结构2之间，第一玻璃片14的高度和第二乙分光单元1212的高度相等。在实际加工制备的工艺中，通常一同制备第一结构分部11和第三结构分部13，即第一结构分部 11和第三结构分部13具有完全相同的结构，由于第二甲分束镜1211和第二乙分光单元1212沿竖直方向排列，使得左右视场光束在竖直方向上存在第二乙分光单元1212的厚度差，在第三结构分部13和第二波导结构2之间设置第一玻璃片14，起到垫高和平衡左右视场的作用。

可选的，继续参考图7所示，扩瞳装置还包括第二玻璃片15，沿第一方向，第二玻璃片15位于第一结构分部11远离第二波导结构2的一侧，第二玻璃片 15远离第二波导结构2一侧的表面与第三结构分部13远离第二波导结构2一侧的表面齐平。通过增加第二玻璃片15起到填充第一波导结构1，便于扩瞳装置的封装。

需要说明的是，也可以增加第一分束镜1111和第三分束镜1311在竖直方向上的高度，替代第一玻璃片14和第二玻璃片15，如图6所示，采用该结构均可实现水平方向扩瞳。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，本发明的各个实施方式的特征可以部分地或者全部地彼此耦合或组合，并且可以以各种方式彼此协作并在技术上被驱动。对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新选择、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种扩瞳装置，其特征在于，包括平行设置的第一平面、第二平面以及设置于所述第一平面和所述第二平面之间的第一波导结构和第二波导结构，所述第一波导结构和所述第二波导结构沿第一方向依次设置；所述第一波导结构包括沿第二方向依次设置的第一结构分部、第二结构分部和第三结构分部，所述第一方向与所述第一平面平行，所述第二方向与所述第一方向相交；

所述第一结构分部包括第一分光单元，所述第二结构分部包括沿所述第一方向依次设置的第二甲分光单元和第二乙分光单元，所述第三结构分部包括第三分光单元，所述第二波导结构包括第四分光单元；

入射至所述第二结构分部中的光线形成第一部分光线和第二部分光线，所述第一部分光线依次经所述第二甲分光单元反射、所述第三分光单元反射以及所述第四分光单元反射后出射；所述第二部分光线经所述第二甲分光单元透射至所述第二乙分光单元形成第三部分光线和第四部分光线，所述第三部分光线依次经所述第二乙分光单元反射、所述第一分光单元反射以及所述第四分光单元反射后出射；所述第四部分光线经所述第二乙分光单元透射以及所述第四分光单元反射后出射；

所述第一分光单元包括多个第一分束镜，多个所述第一分束镜沿所述第二方向依次平行设置；

所述第二甲分光单元包括多个平行设置的第二甲分束镜，所述第二乙分光单元包括多个平行设置的第二乙分束镜，所述第一部分光线经多个所述第二甲分束镜反射后入射至所述第三结构分部，所述第二部分光线经所述第二甲分束镜透射至所述第二乙分束镜形成第三部分光线和第四部分光线，所述第三部分光线经所述第二乙分束镜反射后入射至所述第一结构分部，所述第四部分光线经所述第二乙分束镜透射后入射至所述第二波导结构；

所述第三分光单元包括多个第三分束镜，多个所述第三分束镜沿所述第二方向依次平行设置；

所述第四分光单元包括多个第四分束镜，多个所述第四分束镜沿所述第一方向依次平行设置；

多个所述第一分束镜与所述第二甲分束镜沿所述第二方向依次平行设置；

多个所述第三分束镜与所述第二乙分束镜沿所述第二方向依次平行设置；

所述第二甲分束镜与所述第一方向的夹角为α，所述第二甲分束镜的法线方向与所述第一平面的法线方向的夹角为γ；所述第二乙分束镜与所述第一方向的夹角为β，所述第二乙分束镜的法线方向与所述第一平面的法线方向的夹角为γ；所述第二甲分束镜和所述第二乙分束镜的夹角为α+β；

所述第四分束镜的法线方向与所述第一平面的法线方向的夹角为θ；

其中，0＜α＜90°，0＜β＜90°，80°<γ<90°，20＜θ＜28°。

2.根据权利要求1所述的扩瞳装置，其特征在于，所述第二甲分束镜和所述第二乙分束镜沿所述第一方向成对称设置。

3.根据权利要求1所述的扩瞳装置，其特征在于，多个所述第二甲分束镜平行等间距设置；

多个所述第二乙分束镜平行等间距设置。

4.根据权利要求1所述的扩瞳装置，其特征在于，多个所述第一分束镜与所述第二甲分束镜沿所述第二方向依次平行设置；多个所述第三分束镜与所述第二乙分束镜沿所述第二方向依次平行设置。

5.根据权利要求1所述的扩瞳装置，其特征在于，多个所述第一分束镜沿所述第二方向依次等间距平行设置；

多个所述第三分束镜沿所述第二方向依次等间距平行设置；

多个所述第四分束镜沿所述第一方向依次等间距平行设置。

6.根据权利要求1所述的扩瞳装置，其特征在于，所述扩瞳装置还包括耦入结构；

所述耦入结构包括三棱镜，用于将光机出射的平行光束耦入至所述第二结构分部中。

7.根据权利要求1所述的扩瞳装置，其特征在于，所述扩瞳装置还包括第一玻璃片，沿所述第一方向，所述第一玻璃片位于所述第三结构分部和所述第二波导结构之间，所述第一玻璃片的高度和所述第二乙分光单元的高度相等。

8.根据权利要求1所述的扩瞳装置，其特征在于，所述扩瞳装置还包括第二玻璃片，沿所述第一方向，所述第二玻璃片位于所述第一结构分部远离所述第二波导结构的一侧，所述第二玻璃片远离所述第二波导结构一侧的表面与所述第三结构分部远离所述第二波导结构一侧的表面齐平。

Images