CN211086808U - 一种光波导近眼显示装置和电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于光学技术领域，提供了一种光波导近眼显示装置和电子设备，该光波导近眼显示装置包括：显示引擎，用于发射虚拟显示图像的信号光；光波导元件，用于传播所述信号光；以及衍射光学元件，用于耦出经所述光波导元件传播的信号光；其中，所述光波导元件具有一斜面；所述斜面将所述信号光折射耦入所述光波导元件；或者所述斜面用于将进入所述光波导元件的所述信号光反射；取消了传统耦入光栅，避免了在耦入光栅处衍射造成的信号光的显著能量损失，该光波导近眼显示装置的信号光能量损失可以降低，有利于提高该光波导近眼显示装置的衍射效率和显示亮度；基于该光波导近眼显示装置的电子设备，其具有高的衍射效率和显示亮度。

Description

一种光波导近眼显示装置和电子设备

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，特别涉及一种光波导近眼显示装置和电子设备。

背景技术

现有的光波导近眼显示技术主要可分为阵列光波导和衍射光波导。阵列光波导技术工艺复杂，量产性差，且易在显示区出现明暗条纹。衍射光波导技术的出瞳范围广，量产性相对较高，且不会出现明暗条纹的问题，被认为是最有前景的光波导近眼显示方案。

但现有的衍射光波导技术的缺点是耦合效率过低，尤其是耦入区。在光束耦入的过程中，由于只用到1级衍射光，其他光大部分能量都损失了，导致整体的光能利用率低，衍射光波导装置的显示亮度不够高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种光波导近眼显示装置，旨在解决现有的衍射光波导的光能利用率低、显示亮度低的技术问题。

本实用新型是这样实现的，一种光波导近眼显示装置，包括：

显示引擎，用于发射虚拟显示图像的信号光；

光波导元件，用于传播所述信号光；以及

衍射光学元件，用于耦出经所述光波导元件传播的信号光；

其中，所述光波导元件具有一斜面；所述斜面将所述信号光折射耦入所述光波导元件；或者所述斜面用于将进入所述光波导元件的所述信号光反射。

在一个实施例中，所述斜面为所述光波导元件的入射面，所述信号光由所述入射面折射耦入所述光波导；所述入射面与所述信号光在所述光波导元件内的传播方向之间的夹角为锐角或钝角。

在一个实施例中，所述入射面上设有增透膜，用于减少杂散光。

在一个实施例中，所述显示引擎包括：

显示屏，用于显示图像；

图像形成器，使用透射投影技术或反射技术实现向外发出虚拟显示图像；以及

透镜，从所述图像形成器接收发射的所述虚拟显示图像，以准直、发射或会聚所述虚拟显示图像，并朝所述光波导元件发射所述信号光。

在一个实施例中，所述衍射光学元件嵌入所述光波导元件中或者设置于所述光波导元件的外侧表面上。

在一个实施例中，所述斜面为所述光波导元件的反射面，所述光波导元件还具有与所述反射面呈锐角相接的入光面，所述信号光由所述入光面耦入所述光波导内并被所述反射面反射。

在一个实施例中，所述反射面镀有反射膜，用于对入射的所述信号光进行反射。

在一个实施例中，所述斜面与所述光波导元件内所述信号光的传播方向之间的角度设置为使所述信号光经反射或折射后的光束角度大于或等于所述信号光能够在所述光波导内进行全反射的光束角度。

本实用新型的另一目的在于提供一种电子设备，包括上述各实施例所说的光波导近眼显示装置。

在一个实施例中，所述电子设备为穿戴式显示设备。

本实用新型实施提供的光波导近眼显示装置及电子设备的有益效果在于：

该光波导近眼显示装置中的光波导元件具有一斜面，该斜面用于将进入光波导元件的信号光反射或者用于将信号光折射耦入光波导元件，取消了传统耦入光栅，避免了在耦入光栅处衍射造成的信号光的显著能量损失，该光波导近眼显示装置的信号光能量损失可以降低，有利于提高该光波导近眼显示装置的衍射效率和显示亮度；基于该光波导近眼显示装置的电子设备，其具有高的衍射效率和显示亮度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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。

图1为现有一种光波导近眼显示装置的结构示意图；

图2为本实用新型提供的一种光波导近眼显示装置的结构示意图；

图3为本实用新型提供的又一种光波导近眼显示装置的结构示意图。

图中标记的含义为：

100-衍射光波导装置，101-耦入元件，102-光波导元件，103-耦出元件；

200-光波导近眼显示装置，201-显示引擎，21-显示屏，22-图像形成器，23-透镜，203-光波导元件，202-斜面，204-衍射光学元件；

300-光波导近眼显示装置，301-显示引擎，31-显示屏，32-图像形成器，33-透镜，303-光波导元件，302-斜面，304-衍射光学元件。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

还需要说明的是，下述实施例中所提供的图仅以示意方式说明本实用新型的基本构思，附图中仅显示本实用新型中有相关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

如图1所示，衍射光波导装置100包括耦入元件101、光波导元件102和耦出元件103。耦入元件101用于接收与输入图像相关联的光束，耦出元件103是光束输出端，光波导元件102设置在耦入元件101和耦出元件102之间的光路上，用于将耦入元件101接收到的光束传递到耦出元件102并输出光束。图1中，耦入元件101设置于光波导元件102的左端内侧，耦出元件103设置于光波导元件102的右端内侧。光束通过左端的耦入元件101耦入光波导元件102，光束在光波导元件102中进行传递至右端的耦出元件103。在光束耦入的过程中，由于只用到1级衍射光，其他光大部分能量都损失了，导致整体的光能利用率低，衍射光波导装置100的显示亮度较低。

本实用新型为解决现有技术中存在的传统衍射光波导光能利用率低、显示亮度不够的问题，提供一种光波导近眼显示装置。

图2为本实用新型实施例提供的一种光波导近眼显示装置200的结构示意图。该光波导近眼显示装置200包括显示引擎201、光波导元件203和衍射光学元件204。其中，显示引擎201用于发出虚拟图像的信号光，光波导元件203上设置有一斜面202，该斜面202用于接收来自显示引擎201的信号光并使信号光以折射的方式耦入光波导元件203内，信号光进一步在光波导元件203内传播直至到达衍射光学元件204，衍射光学元件204用于耦出经由光波导元件203传播的信号光，如此，人眼可从衍射光学元件204的出光侧接收到虚拟图像。

在一个实施例中，光波导元件203设置有相互平行的两侧表面，在该光波导元件203内，信号光在两侧表面上进行全反射，信号光整体沿着与侧表面平行的方向传播，直至到达衍射光学元件204。衍射光学元件204设于该光波导元件203的一侧表面。光波导元件203的斜面202为光波导元件203的光束入射面，该入射面与信号光在光波导元件203内的传播方向之间的夹角α可呈锐角，也可呈钝角，也即，该斜面202可以设置为使得显示引擎201的信号光可以由与衍射光学元件204相同的一侧折射耦入，也可以由与衍射光学元件204不同的一侧折射耦入。

具体地，在一个实施例中，显示引擎201发出具有一定视场角的虚拟图像的信号光，如图2中所示的光束24。光波导元件203的斜面202相对于信号光的传播方向的夹角α由入射至该斜面202的信号光的视场角决定。通过已知光束24的视场角，可以确定光波导元件203的斜面202的夹角α，斜面202使得光束24耦入光波导元件203后的光束角度大于或等于其能够在光波导元件203里进行全反射的光束角度，从而该信号光的视场角范围内的光线都能通过光波导元件203的斜面202耦入，并在光波导元件203内进行全反射。光束24从光波导元件203的斜面202入射后，在光波导元件203里通过全反射进行传播至衍射光学元件204，光束24经衍射光学元件204耦出。光束24直接通过斜面202折射耦入光波导元件203，取消了耦入光栅的设置，提高了信号光在该斜面202处的耦入效率，使信号光的能量损失仅发生在光波导元件203内反射和吸收的过程中，从而可进一步降低信号光的能量损失。

在一个实施例中，光波导元件203的斜面202还可以镀有增透膜(未图示)，用于减少该光波导近眼显示装置200的杂散光，进一步减弱信号光在该斜面202上的能量损失，提高信号光的能量利用率。

在一个实施例中，显示引擎201可包括显示屏21和图像形成器22。显示屏21用于形成图像，图像形成器22设置在显示屏21的出光侧，其可以使用透射投影技术或反射技术而实现向外发出虚拟显示图像。

显示屏21可以包括发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、等离子体单元、电容显示元件、电润显示元件、液晶显示元件(LCD)，或其他合适的由显示像素结构形成的显示像素，对此不作特别限制。

请继续参阅图2，在一个实施例中，该显示引擎201还可以包括透镜23，透镜23设置于图像形成器22的出光侧，其被设置为从图像形成器22接收虚拟显示图像，并对该虚拟显示图像的信号光进行准直、发散或会聚，以使信号光以准直、发散或会聚的方式入射至光波导元件203的斜面202上。

在一个实施例中，该显示引擎201还可以包括照明器(未图示)，用于提供背光，例如，照明器可包括红色LED、绿色LED以及蓝色LED，以分别产生图像的红色分量、绿色分量，以及蓝色分量。

在一个实施例中，衍射光学元件204可以是光栅周期为一定周期的衍射光栅，如平面光栅、闪耀光栅或体全息光栅等，用于使来自光波导元件202的信号光分离并改变方向。信号光的分离(称为光学衍射级次)和角度变化取决于衍射光学元件204的特性。此外，衍射光学元件204的尺寸可根据该光波导近眼显示装置200的出瞳尺寸和特性决定，此处不作限制。

需要说明的是，衍射光学元件204可以至少部分嵌入光波导元件203中，也可以设置在光波导元件203的外侧面上。图2中示出显示引擎201和衍射光学元件204位于光波导元件203的不同端，在本实用新型其他实施例中，显示引擎201和衍射光学元件204还可以位于光波导元件203的相同端，即只需要该光波导近眼显示装置200的输出光能够朝着观看者的眼睛即可。本实用新型不具体限定该光波导近眼显示装置200中显示引擎201和衍射光学元件204的具体位置，也不具体限定该光波导近眼显示装置200的出射光的角度等。

需要说明的是，光波导元件203可以包括一层或多层波导层。本实用新型仅以一层波导层进行说明，在其他可选实施例中，该光波导元件203可以包括二层、三层或四层等波导层，不限于此。

图3为本实用新型实施例提供的又一种光波导近眼显示装置300的结构示意图。该光波导近眼显示装置300包括显示引擎301、光波导元件303和衍射光学元件304。其中，显示引擎301用于发出虚拟图像的信号光，光波导元件303设置有一斜面302，该斜面302可通过镀反射膜的方式形成反射面，用于对入射的信号光进行反射。该光波导元件303上还设有与该斜面302相接的入光面，显示引擎301的信号光经由入光面耦入光波导元件303内，然后被斜面302反射，信号光进一步在光波导元件303内传播直至到达衍射光学元件304，衍射光学元件304用于耦出经由光波导元件303传播的信号光。

在一个实施例中，光波导元件303同样具有相互平行的两侧表面，在该光波导元件303内，信号光在两个侧表面上发生全反射，信号光整体沿着与侧表面平行的方向传播，直至到达衍射光学元件304。衍射光学元件304设于该光波导元件303的一侧表面。该光波导元件303的入光面可以为任意一侧表面的至少一部分。光波导元件303的斜面302与该光波导元件303的入光面之间的夹角θ为锐角。

在一个实施例中，显示引擎301发出一定视场角的虚拟图像信号光，如图3中所示的光束30。通过光束30的已知视场角，可以确定光波导元件303的斜面302相对于信号光的传播方向的夹角θ。该夹角θ的设置使得光束30由该斜面302反射后的光束角度大于或等于其能够在光波导元件303内进行全反射的光束角度，从而该信号光的视场角范围内的光线都能通过光波导元件303的斜面302耦入，并在光波导元件303里进行全反射。光束30入射进入光波导元件303后，经过光波导元件303的斜面302的反射，在光波导元件303通过全反射进行传播至衍射光学元件304，光束30经衍射光学元件304耦出。光束30直接入射光波导元件303，取消了耦入光栅的设置，通过斜面302的反射在光波导元件303进行全反射，提高了信号光该斜面302处的耦入效率，使信号光的能量损失仅发生在光波导元件303内反射和吸收的过程中，从而可进一步降低信号光的能量损失。

在一个实施例中，显示引擎301可包括显示屏31、图像形成器32和透镜33。显示引擎301可参考上述实施例中显示引擎201的设置，这里不再赘述。

在一个实施例中，衍射光学元件304可参考上述实施例中衍射光学元件204的设置，这里不再赘述。

本实用新型实施例还提供一种电子设备(未图示)，其包括前述实施例所说的光波导近眼显示装置200或者光波导近眼显示装置300。

该电子设备包括但不限于可穿戴式设备，例如头戴式显示设备。头戴式显示包括但不限于增强显示(Augmented Reality，AR)设备或抬头显示器等。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光波导近眼显示装置，其特征在于，包括：

显示引擎，用于发射虚拟显示图像的信号光；

光波导元件，用于传播所述信号光；以及

衍射光学元件，用于耦出经所述光波导元件传播的信号光；

其中，所述光波导元件具有斜面；所述斜面将所述信号光折射耦入所述光波导元件；或者所述斜面用于将进入所述光波导元件的所述信号光反射。

2.如权利要求1所述的光波导近眼显示装置，其特征在于，所述斜面为所述光波导元件的入射面，所述信号光由所述入射面折射耦入所述光波导；所述入射面与所述信号光在所述光波导元件内的传播方向之间的夹角为锐角或钝角。

3.如权利要求2所述的光波导近眼显示装置，其特征在于，所述入射面上设有增透膜，用于减少杂散光。

4.如权利要求1所述的光波导近眼显示装置，其特征在于，所述显示引擎包括：

显示屏，用于显示图像；

图像形成器，使用透射投影技术或反射技术实现向外发出虚拟显示图像；以及

透镜，从所述图像形成器接收发散的所述虚拟显示图像，以准直、发射或会聚所述虚拟显示图像，并朝向所述光波导元件发射所述信号光。

5.如权利要求1所述的光波导近眼显示装置，其特征在于，所述衍射光学元件嵌入所述光波导元件中或者设置于所述光波导元件的外侧表面上。

6.如权利要求1所述的光波导近眼显示装置，其特征在于，所述斜面为所述光波导元件的反射面，所述光波导元件还具有与所述反射面呈锐角相接的入光面，所述信号光由所述入光面耦入所述光波导内并被所述反射面反射。

7.如权利要求6所述的光波导近眼显示装置，其特征在于，所述反射面镀有反射膜，用于对入射的所述信号光进行反射。

8.如权利要求1至7中任一项所述的光波导近眼显示装置，其特征在于，所述斜面与所述光波导元件内所述信号光的传播方向之间的角度设置为使所述信号光经反射或折射后的光束角度大于或等于所述信号光能够在所述光波导内进行全反射的光束角度。

9.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的光波导近眼显示装置。

10.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备为穿戴式显示设备。

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