CN111812847B - 一种波导器件和ar显示设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了波导器件，包括波导单元，耦入光栅，屈光耦出元件，以及屈光透镜；其中，波导单元和屈光耦出元件共同嵌入屈光透镜内部设置，且和屈光透镜的光轴垂直；屈光透镜为具有屈光度的透光镜片；屈光耦出元件上不同位置对波导单元中的投影光线的偏折方向各不相同，用于和屈光透镜靠近人眼的一侧共同将波导单元中的投影光线转换汇聚光线或扩散光线，使得投影光线在预定位置成像。本申请中波导单元和屈光耦出元件共同嵌入屈光透镜中，在实现中对输入视力不正常的佩戴者眼中画面进行屈光度调节的基础上，减小AR显示设备空间体积，并减小光能损耗。本申请还提供了一种AR显示设备，具有上述有益效果。

Description

一种波导器件和AR显示设备

技术领域

本发明涉及AR显示技术领域，特别是涉及一种波导器件和AR显示设备。

背景技术

随着AR技术的迅速发展，AR眼镜等增强现实显示设备被广泛的应用到各行各业。但是传统的AR显示设备其工作原理是基于人眼的视力为正常视力的基础上进行设计的，人眼接收到的投影光线一般为平行光。

但是在现实使用AR显示设备的群体中，近视眼群体所占比例相对较大，并且还有可能会越来越大。如果存在视力近视的用户佩戴该AR显示设备，就需要同时佩戴自己的近视眼镜，为用户使用AR显示设备带来不便，降低用户的使用体验。

发明内容

本发明的目的是提供一种波导器件和AR显示设备，能够在一定程度上调整输出光线的成像位置，进而满足视力不正常的用户的佩戴需求，并在此基础上，避免波导器件甚至AR显示设备的体积过大的问题，有利于AR显示设备的小型化。

为解决上述技术问题，本发明提供一种波导器件，包括：

波导单元；贴合所述波导单元的端部设置，用于将投影光线耦入所述波导单元的耦入光栅；贴合所述波导单元设置，用于将所述波导单元中的投影光线耦出的屈光耦出元件；以及屈光透镜；

其中，所述波导单元和所述屈光耦出元件共同嵌入所述屈光透镜内部设置，且和所述屈光透镜的光轴垂直；所述屈光透镜为具有屈光度的透光镜片；

所述屈光耦出元件上不同位置对所述波导单元中的投影光线的偏折方向各不相同，用于和所述屈光透镜靠近人眼的一侧共同将所述波导单元中的投影光线转换汇聚光线或扩散光线，使得所述投影光线在预定位置成像。

在一种可选地实施例中，所述屈光耦出元件为HOE反射光栅或HOE透射光栅。

在一种可选地实施例中，所述屈光耦出元件包括耦出光栅和带有光焦度的HOE透镜。

在一种可选地实施例中，所述屈光透镜为塑料透光镜片。

在一种可选地实施例中，所述屈光透镜为凸透镜或凹透镜。

在一种可选地实施例中，所述耦入光栅为透射光栅，所述耦入光栅未嵌入所述屈光透镜内。

在一种可选地实施例中，所述耦入光栅为反射光栅，所述波导单元设置所述耦入光栅的端部未嵌入所述屈光透镜内。

本申请还提供了一种AR显示设备，其特征在于，包括如上任一项所述的波导器件，以及投影光机；

所述投影光机用于向所述波导器件投射投影光线；

所述波导器件用于通过耦入光线将所述投影光线耦入波导单元，并通过所述屈光耦出元件对所述投影光线耦出。

本发明所提供的波导器件，包括波导单元；贴合波导单元的端部设置，用于将投影光线耦入波导单元的耦入光栅；贴合波导单元设置，用于将波导单元中的投影光线的屈光耦出元件；以及屈光透镜；其中，波导单元和屈光耦出元件共同嵌入屈光透镜内部设置，且和屈光透镜的光轴垂直；屈光透镜为具有屈光度的透光镜片；屈光耦出元件上不同位置对波导单元中的投影光线的偏折方向各不相同，用于和屈光透镜靠近人眼的一侧共同将波导单元中的投影光线转换汇聚光线或扩散光线，使得投影光线在预定位置成像。

本申请中的波导器件中在波导单元上贴合设置有屈光耦出元件，该屈光耦出元件能够将在波导单元内的投影光线耦出并对耦出的投影光线的屈光度进行调节，使得投影光线在预定位置成像；同时还设置有屈光透镜，能够对环境中的光线成像屈光度进行调节，也在一定程度上对环境光线的成像位置进行调节。通过屈光耦出元件和屈光透镜之间的配合作用，即可使得经过该波导器件输出的投影光线和环境光线均具有一定的屈光度，能够满足视力不正常的佩戴者观看。

进一步地，该波导单元和屈光耦出元件整体是共同嵌入屈光透镜内部设置，避免屈光透镜和波导单元之间存在缝隙的问题，既能够减小波导器件所占的空间体积，又能够减小光线经过波导器件需要经过的介质层数量，减小光能损耗，将该波导器件应用于AR显示设备中，能够减小AR显示设备的体积，并提高输出光线的亮度。

本申请还提供了一种AR显示设备，具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本申请实施例提供的波导器件的光路结构示意图；

图2为本申请实施例提供的波导器件的另一光路结构示意图；

图3为本申请实施例提供的波导器件的另一光路结构示意图；

图4为本申请实施例提供的波导器件的另一光路结构示意图。

具体实施方式

在波导器件中，波导单元一般为平板状结构。在常规的波导单元中，波导单元的端部贴合设置有将投影光线耦入波导单元的耦入波导单元，并使得投影光线在波导单元内发生全反射，在波导单元的一侧表面设置有将投影光线平行耦出的耦出元件。

对于输出投影光线为平行光的波导单元而言，其投影光线的成像位置在无穷远处，适合视力正常的用户观看。但是对于近视或者远视的用户而言，则只能够观察到模糊的画面。

为了便于近视或远视等视力不正常的用户也能够直接观看投影光线显示的图像，可以将该波导单元配合对用户视力进行校正的屈光透镜使用，该屈光透镜一般为凸透镜或凹透镜，显然该屈光透镜和波导单元的外表面一个是曲面一个是凹面，使得二者之间并不能够直接贴合连接，必然到这二者之间留有间隙。

而目前的AR显示设备要求越来越小型化的发展，在波导单元的基础上增加屈光透镜本身就会增加波导器件的整体体积，且屈光透镜和波导单元之间还留有间隙更进一步地增加了波导器件整体体积，不利于AR显示设备的小型化。

为此，本申请中提供了一种能够实现对投影光线的屈光度进行调节，又能够在一定程度上减小波导以及AR显示设备的空间结构的技术方案。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图4所示，图1至图4为本申请实施例提供的波导器件的四种不同光路结构示意图，该波导器件可以包括：

波导单元1；贴合波导单元1的端部设置，用于将投影光线耦入波导单元1的耦入光栅2；贴合波导单元1设置，用于将波导单元1中的投影光线的屈光耦出元件3；以及屈光透镜4；

其中，波导单元1和屈光耦出元件3共同嵌入屈光透镜4内部设置，且和屈光透镜4的光轴垂直；屈光透镜4为具有屈光度的透光镜片；

屈光耦出元件3上不同位置对波导单元1中的投影光线的偏折方向各不相同，用于和屈光透镜4靠近人眼的一侧共同将波导单元1中的投影光线转换汇聚光线或扩散光线，使得投影光线在预定位置成像。

如图1至图4所示，投影光机5从屈光透镜4的端部入射至波导单元1中，并基于耦入光栅2对光线的偏折效果使得在波导单元1内传输的投影光线的反射角满足全反射条件，也即是投影光线在波导单元1的内部全反射传输。

另外，在波导单元1的表面还贴合设置有屈光耦出元件3。当波导单元1内部的投影光线入射至波导单元1和屈光耦出元件3之间的交界面时，投影光线可以一部分耦出并通过屈光透镜透射出射至人眼，另一部分继续在波导单元1内全反射，直到下一次再次入射至波导单元1和屈光耦出元件3。

在常规的波导器件中从波导单元1中耦出的光线一般都是平行入射至人眼中的。本实施例中的屈光耦出元件3对耦出的投影光线的屈光度进行调整，使得波导单元1内部的投影光线从靠近耦入光栅2的一端到远离耦入光栅2的一端，从不同位置耦出的投影光线的角度各部相同，使得各个波导单元上各个不同位置耦出的投影光线呈汇聚光线或扩散光线，相应地投影光线的成像位置也就调整至非无穷远处。对于眼睛近视的用户而言，该屈光耦出元件3能够将投影光线调制成扩散光线入射至人眼中，相反对于远视的用户，该屈光耦出元件3能够将投影光线调制成汇聚光线入射至人眼中，进而实现对投影光线成像的屈光度进行调节。

但在波导器件应用于AR显示设备中时，不仅仅有投影光线通过波导单元1入射至人眼中，还有环境中实体物景的光线经过波导单元1透射入射至人眼中的光线。显然对于视力不正常的用户而言，透过平板结构的波导单元1显然也不能看清现实环境中的物景，为此，本实施例中采用带有屈光度的屈光透镜4实现对环境中物景光线的成像屈光度进行调节。该屈光透镜4基于用户的视力情况可以设置成凸透镜或凹透镜。

本实施例中通过屈光透镜4和带有屈光耦出元件3的波导单元1之间配合作用，分别对入射至人眼中的环境光线和投影光线进行屈光度，使得视力不正常的用户也能够透过该波导器件观看到清晰的增强现实图像。

如前所述，屈光透镜4一般为凸透镜镜片或者凹透镜镜片，也就是说屈光透镜4的表面为曲面表面，那么屈光透镜4和波导单元1之间无法直接贴合，为此，本申请中考虑到屈光透镜4具有一定的厚度，可以将波导单元1以及屈光耦出元件3共同嵌入屈光透镜4内部，实现屈光透镜4和波导单元1之间无间隙的一体化设置，在同时实现对入射至人眼中的光线的屈光度调节的基础上，避免波导器件的结构过大的问题，有利于AR显示设备小型化的发展。另外，因为屈光透镜4和波导单元1之间无间隙设置因此，屈光透镜4和波导单元1之间无空气介质，那么投影光线在波导器件传播过程中即可减少一个介质层，进而减少投影光线在不同介质层之间传输的光能损失。

对于本实施例中的屈光透镜4可以采用塑料材质的镜片，在形成屈光透镜4时，可以先将部分液态镜片材料倒入磨具再将波导单元放入磨具中，最后将剩余的液态镜片材料倒入磨具中，液态镜片材料凝固之后，即可实现波导单元1和屈光透镜4之间的镶嵌连接。

当然，需要说明的是，本实施例中的屈光耦出元件3对耦出的投影光线耦出的屈光度的调节进而实现投影光线的投影位置的调整，也不仅仅用于视力不正常的用户，对于视力正常的用户同样可以依据本实施例中的技术方案将投影光线的成像位置进行设定，实现虚拟图像立体显示的效果。

另外，由图1至图4可知，在波导单元1输出投影光线的一层还具有一层厚度不均匀的屈光透镜4，显然也会对投影光线的屈光度进行调节，为此在实际对屈光耦出元件3耦出的投影光线的成像位置进行设定是，应当考虑屈光耦出元件3和屈光透镜4共同对投影光线的作用。

对于屈光耦出元件3可以采用面光栅，例如HOE光栅，而对于屈光耦出元件3而言，可以是反射耦出也可以是透射耦出，如图1和图3所示，当屈光耦出元件3设置在波导单元1背离出射投影光线的一侧时，该屈光耦出元件3为HOE反射光栅，对投影光线反射耦出；当屈光耦出元件3设置在波导单元1出射投影光线的一侧时，该屈光耦出元件3为HOE透光光栅。

另外，以上所述的屈光耦出元件3均为集屈光和耦出功能为一体的部件，在实际应用过程中，屈光耦出元件3也可以是包含屈光单元和耦出单元两个部分。如图4所示，该屈光耦出元件3包括耦出光栅31和带有光焦度的HOE透镜32，HOE透镜可以是HOE透光镜或HOE反射镜。

如前所述，波导单元1中的投影光线是通过耦入光栅2耦入的，该耦入光栅2同样可以采用反射耦入光栅和透射耦入光栅，具体地可以根据耦入光栅2设置在波导单元1两个表面的位置确定。另外，为了进一步地减少投影光线入射到波导单元1中时光线的损失量，可以将波导单元1设置耦入光栅2的一端露出在屈光透镜4之外，也即是波导单元1设置耦入光栅2的端部未嵌入屈光透镜4内。

如图2和图3所示，因为波导单元1设置耦入光栅2的端部，入射投影光线的部位并未嵌入曲工镜片内部，那么投影光线可以直接射至从投影光机5入射至波导单元1中，而无需经过一层屈光透镜4透射再入射至波导单元1中，进而减少投影光线在经过屈光透镜4中透射的光能量损失。

本申请还提供了一种AR显示设备的实施例，该AR显示设备中包括如上任一项所述的波导器件和投影光机。

投影光机用于向波导器件投射投影光线；

波导器件用于通过耦入光线将投影光线耦入波导单元，并通过屈光耦出元件对投影光线耦出。

本申请中的AR显示设备中，采用能够对投影光线耦出屈光度和环境光线屈光度进行调节的波导器件，进而实现投影光线和环境光线成像位置的调节，并且波导器件中的屈光透镜和波导单元镶嵌设置，避免波导器件体积过大，有利于AR显示设备的小型化。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

Claims (8)

1.一种波导器件，其特征在于，包括：

波导单元；贴合所述波导单元的端部设置，用于将投影光线耦入所述波导单元的耦入光栅；贴合所述波导单元设置，用于将所述波导单元中的投影光线耦出的屈光耦出元件；以及屈光透镜；

其中，所述波导单元和所述屈光耦出元件共同嵌入所述屈光透镜内部设置，且和所述屈光透镜的光轴垂直；所述屈光透镜为具有屈光度的透光镜片；

所述屈光耦出元件上不同位置对所述波导单元中的投影光线的偏折方向各不相同，用于和所述屈光透镜靠近人眼的一侧共同将所述波导单元中的投影光线转换汇聚光线或扩散光线，使得所述投影光线在预定位置成像。

2.如权利要求1所述的波导器件，其特征在于，所述屈光耦出元件为HOE反射光栅或HOE透射光栅。

3.如权利要求1所述的波导器件，其特征在于，所述屈光耦出元件包括耦出光栅和带有光焦度的HOE透镜。

4.如权利要求1所述的波导器件，其特征在于，所述屈光透镜为塑料透光镜片。

5.如权利要求4所述的波导器件，其特征在于，所述屈光透镜为凸透镜或凹透镜。

6.如权利要求1所述的波导器件，其特征在于，所述耦入光栅为透射光栅，所述耦入光栅未嵌入所述屈光透镜内。

7.如权利要求1所述的波导器件，其特征在于，所述耦入光栅为反射光栅，所述波导单元设置所述耦入光栅的端部未嵌入所述屈光透镜内。

8.一种AR显示设备，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的波导器件，以及投影光机；

所述投影光机用于向所述波导器件投射投影光线；

所述波导器件用于通过耦入光线将所述投影光线耦入波导单元，并通过所述屈光耦出元件对所述投影光线耦出。