本實用新型涉及光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，具體來說涉及一種擴展出瞳的光波導(dǎo)元件、二維擴展光波導(dǎo)器件、平視顯示裝置及照明裝置。

背景技術(shù)：

平板光波導(dǎo)元件已被用于以平視顯示器(Head Up Display,HUD)和頭戴顯示器(Head-Mounted Display，HMD)為代表的目視顯示現(xiàn)實增強(Augmented Reality,AR)設(shè)備中。其中，平視顯示器已被被廣泛應(yīng)用于飛機、汽車、醫(yī)療設(shè)備等的輔助顯示，其原理是將有像源(如陰極射線管(Cathode Ray Tube，CRT)、液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)、數(shù)字微鏡器件(Digital Micromirror Device,DMD)、有機發(fā)光二極管等(Organic Light-Emitting Diode，OLED))產(chǎn)生的圖像通過中繼光學(xué)透鏡成像于無窮遠，駕駛員或者操作人員通過平視顯示器的組合鏡，可以看到像源產(chǎn)生的圖像與現(xiàn)實場景疊加，使得駕駛員或者操作人員在觀察顯示場景的同時，能夠了解所駕駛交通工具或者所使用儀器輸出的可視化狀態(tài)信息，以及人眼不易分辨或度量的增強現(xiàn)實信息。由于上述作用，平視顯示器在上述領(lǐng)域變得越來越重要。

傳統(tǒng)平視顯示器的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示，像源1產(chǎn)生的圖像經(jīng)過中繼光學(xué)透鏡2、入射耦合面4以及全寬度分光面8成像于人眼M的視網(wǎng)膜上，同時，外部景物6發(fā)出的光61通過全寬度分光面8也可以到達人眼M，使人眼能夠同時看到像源1產(chǎn)生的圖像與外部景物6的疊加圖像。

對于傳統(tǒng)的平視顯示器，其中繼光學(xué)透鏡的焦距、視場、出瞳尺寸和像源1的反光面大小存在著確定的關(guān)系。為了獲得較大的雙眼活動范圍和較大的視場，傳統(tǒng)平顯的中繼光學(xué)透鏡2體積和重量都較大。

現(xiàn)有的平板光波導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)如圖2A所示，由多塊平面玻璃元件膠合而成，這些膠合的元件形成一個入射耦合面11和若干個全寬度分光面20，像源1發(fā)出的光通過中繼光學(xué)透鏡2形成平行光進入平板光波導(dǎo)器件200，經(jīng)過入射耦合面11反射，并利用平板光波導(dǎo)元件200上下表面的全發(fā)射向左傳播，當(dāng)遇到全寬度分光面20時一部分光被反射并出射至波導(dǎo)元件外，另一部分繼續(xù)向前傳播，直到遇到下一個全寬度分光面20。這樣出射光束范圍可以是中繼光學(xué)透鏡2的直徑的若干倍。

請同時參考圖2A、圖2B、圖2C所示，圖2B是對應(yīng)圖2A的0°視場出瞳光照度二維分布圖；圖2C是對應(yīng)圖2A的四個角視場出瞳光照度二維分布圖。

由于現(xiàn)有的類似平板光波導(dǎo)元件的分光面都是首尾相接，因此對于中心視場的光線(如圖2A中帶箭頭實線所示)，左側(cè)分光面所反射的光束(一對粗實線之間的區(qū)域)和右側(cè)分光面所反射的光束(一對細實線之間的區(qū)域)能夠恰好做到無縫連接。然而對于左側(cè)一定角度視場的光線(如圖2A中帶箭頭點劃線所示)，左側(cè)分光面所反射的光束(一對粗點劃線之間的區(qū)域)和右側(cè)分光面所反射的光束(一對細點劃線之間的區(qū)域)中間就存在一定的縫隙H1，進而導(dǎo)致出射光瞳的不連續(xù)，使觀察者在縫隙處看不到左側(cè)視場光線。同樣對于右側(cè)一定角度視場的光線(如圖2A中帶箭頭虛線所示)，則會導(dǎo)致左右兩束反射光的小部分重疊H2，進而導(dǎo)致出射光瞳的局部光亮度跳躍性增強，使觀察者在重疊處看到的右側(cè)視場圖像突然變亮。

由公開號為CN101013178B的專利文獻公開的平板光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)利用了光的全反射，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)中繼光學(xué)透鏡的出瞳擴展，但由于其波導(dǎo)反射面排列較為稀疏，在視場一側(cè)會產(chǎn)生出瞳不連續(xù)的情況，這可能會導(dǎo)致部分視場在某些觀察位置時較暗甚至丟失；而在視場的另一側(cè)則會產(chǎn)生出瞳重疊的情況，這會導(dǎo)致部分視場在某些觀察位置時較亮。不管哪種情況，都會導(dǎo)致最終觀察到圖像亮度不均勻甚至視場丟失的情況。

而公開號為CN202975475U的專利文獻公開的平板光波導(dǎo)利用的是光柵衍射，其中衍射光柵制作工藝難度很大，原因主要包括：(1)要考慮在視場角范圍內(nèi)高效率衍射，在外部場景投射角度范圍內(nèi)高透過；(2)要考慮不同衍射光的衍射效率不同所導(dǎo)致的偏色，而且這種情況會隨著觀察角度的變化而變化；(3)要使出瞳光亮度均勻，需要使光柵的衍射效率做到從小到大漸變；(4)同樣存在光瞳不連續(xù)或者光瞳重疊的情況。

此外，如專利US7457040B2、US7643214B2、US7589901B2所提出的光波導(dǎo)元件同樣存在上述光瞳不連續(xù)或者光瞳重疊的情況。而專利US6825987B2給出了一種解決方式，但加工工藝過程復(fù)雜，加工難度較大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷，本實用新型的目的在于提供一種光波導(dǎo)元件，使其結(jié)構(gòu)緊湊、出光亮度均勻。

本實用新型的目的還在于提供一種二維擴展光波導(dǎo)器件，使其二維擴展出瞳、結(jié)構(gòu)緊湊、出光亮度均勻。

本實用新型的目的還在于提供一種平視顯示裝置，使其結(jié)構(gòu)緊湊、出光亮度均勻。

本實用新型的目的還在于提供一種照明裝置，使其結(jié)構(gòu)緊湊、出光亮度均勻。

為了實現(xiàn)上述目的，依據(jù)本實用新型提出的一種光波導(dǎo)元件，其包括：波導(dǎo)介質(zhì)，具有光入射面，入射光由光入射面進入波導(dǎo)介質(zhì)；入射耦合面，滿足入射光在所述波導(dǎo)介質(zhì)內(nèi)傳播的全反射條件，使入射光在從波導(dǎo)介質(zhì)內(nèi)傳播；若干個分光面，所述的若干個分光面將入射耦合面反射的一部分入射光反射后垂直于所述的波導(dǎo)介質(zhì)的表面射出，所述的分光面的水平間隔小于等于單個分光面在水平方向投影長度的一半；以及兩個半寬度分光面，分別設(shè)置在所述的若干個分光面陣列兩端。

前述的光波導(dǎo)元件，其中所述的分光面的反射率小于10％。

本實用新型還提出的一種二維擴展光波導(dǎo)器件，其包括：波導(dǎo)介質(zhì)，具有光入射面，入射光由光入射面進入波導(dǎo)介質(zhì)；一維分光面組，包括若干個分光面及兩個半寬度分光面，所述的若干個分光面將入射耦合面反射的一部分入射光反射后垂直于所述的波導(dǎo)介質(zhì)的表面射出，所述的分光面的水平間隔小于等于單個分光面在水平方向投影長度的一半；所述的兩個半寬度分光面，分別設(shè)置在所述的若干個分光面陣列兩端；以及二維分光面組，包括若干個分光面及兩個半寬度分光面，所述的若干個分光面將入射耦合面反射的一部分入射光反射后垂直于所述的波導(dǎo)介質(zhì)的表面射出，所述的分光面的水平間隔小于等于單個分光面在水平方向投影長度的一半；所述的兩個半寬度分光面，分別設(shè)置在所述的若干個分光面陣列兩端；其中，二維分光面組設(shè)置在所述一維分光面組的出光路徑上。

本實用新型另外還提出一種平視顯示裝置，其包括：像源，提供圖像；中繼光學(xué)透鏡，設(shè)置在像源的出光路徑上，將所述的像源提供的圖像成像于無窮遠處；以及前述的光波導(dǎo)元件，將所述的中繼光學(xué)透鏡出射的平行光擴展出瞳。

前述的平視顯示裝置，其中所述的光波導(dǎo)元件的透光率大于等于80％。

前述的平視顯示裝置，其還包括組合鏡，將所述的光波導(dǎo)元件出射的光進行反射。

本實用新型還提出一種平視顯示裝置，其特征在于包括：像源，提供圖像；

中繼光學(xué)透鏡，設(shè)置在像源的出光路徑上，將所述的像源提供的圖像成像于無窮遠處；以及前述的二維擴展光波導(dǎo)器件，將所述的中繼光學(xué)透鏡出射的平行光擴展出瞳。

本實用新型還提出一種照明裝置，其包括前述的光波導(dǎo)元件，或者前述的二維擴展光波導(dǎo)器件。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。借由上述技 術(shù)方案,本實用新型的，至少具有下列優(yōu)點：

一、本實用新型的光波導(dǎo)元件和二維擴展光波導(dǎo)器件，分光面水平間隔小于等于單個分光表面在水平方向投影長度的一半，能夠有效避免出瞳不連續(xù)，使得出光亮度均勻。

二、本實用新型的光波導(dǎo)元件和二維擴展光波導(dǎo)器件，設(shè)置了分光面和半寬度分光面，解決了出瞳亮度的跳躍性變化導(dǎo)致的出光亮度不均勻性。

三、本實用新型的光波導(dǎo)元件和二維擴展光波導(dǎo)器件，結(jié)構(gòu)緊湊，無需嚴(yán)格保證分光面之間相互平行度，使得波導(dǎo)元件加工容易。

四、本實用新型的平視顯示裝置及照明裝置，包含本實用新型的光波導(dǎo)元件或二維擴展光波導(dǎo)器件，能夠有效減少像源及中繼透鏡的尺寸，使得整體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。而且，平視顯示裝置及照明裝置，具有出光亮度均勻的效果。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)平視顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2A現(xiàn)有平板光波導(dǎo)元件存在擴展后出瞳不連續(xù)或者出瞳重疊導(dǎo)致亮度不均勻情況示意圖。

圖2B是對應(yīng)圖2A的0°視場出瞳光照度二維分布圖。

圖2C是對應(yīng)圖2A的四個角視場出瞳光照度二維分布圖。

圖3A是本實用新型平板光波導(dǎo)元件一實施例的示意圖。

圖3B是對應(yīng)圖3A的0°視場出瞳光照度分布圖。

圖3C是對應(yīng)圖3A的四個角視場出瞳光照度分布圖。

圖4是本實用新型平板光波導(dǎo)元件擴展出瞳后兩邊緣亮度均勻的情況示意圖。

圖5是本實用新型平視顯示裝置一實施例的示意圖。

圖6是本實用新型平視顯示裝置另一實施例的示意圖。

圖7是本實用新型二維擴展光波導(dǎo)器件一實施例的示意圖。

圖8A是本實用新型二維擴展光波導(dǎo)器件另一實施例的前視示意圖。

圖8B是本實用新型二維擴展光波導(dǎo)器件另一實施例的俯視示意圖。

具體實施方式

為更進一步闡述本實用新型為達成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效,以下結(jié)合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本實用新型提出的光波導(dǎo)元件、二維擴展光波導(dǎo)器件、平視顯示裝置及照明裝置，其具體實施方式、步驟、結(jié)構(gòu)、特征及其功效詳細說明。

請參閱圖3A所示，是本實用新型一實施例的光波導(dǎo)元件的示意圖。本 實施例的光波導(dǎo)元件100，包括：波導(dǎo)介質(zhì)10、入射耦合面11、若干全寬度分光面20、兩個半寬度分光面30。

所述的波導(dǎo)介質(zhì)10的一面(如下表面)為光入射面，入射光由光入射面進入波導(dǎo)介質(zhì)10。

所述的入射耦合面11滿足入射光在波導(dǎo)介質(zhì)10內(nèi)傳播的全反射條件，使入射光從右向左傳播。入射耦合面11是其兩側(cè)的波導(dǎo)介質(zhì)10(或稱為入射耦合基片)的膠合面。

所述的分光面20，將由入射耦合面11全反射的入射光，一部分反射后垂直于波導(dǎo)介質(zhì)10的表面射出，而另一部分穿過分光面20繼續(xù)傳播直至遇到下一個分光面。所述的分光面20的水平間隔小于等于單個分光面20在水平方向投影長度的一半。

所述的兩個半寬度分光面30分別設(shè)置在分光面20陣列的兩端。

所述的分光面20和半寬度分光面30是由其左右兩側(cè)的波導(dǎo)介質(zhì)10(或稱為分光基片)膠合而成。也就是說，多個橫截面為平行四邊形的波導(dǎo)介質(zhì)10(即分光基片)兩兩膠合的膠合面構(gòu)成分光面20和半寬度分光面30。本實施例的光波導(dǎo)元件，每個分光面的透過率較高，使得在人眼主要活動區(qū)域內(nèi)，外景的透過率大于80％。

如圖3A所示，上述實施例的光波導(dǎo)元件100，用于平視顯示裝置。平視顯示裝置的像源1產(chǎn)生圖像，中繼光學(xué)透鏡2將像源1產(chǎn)生的圖像成像于無窮遠處，即像源1發(fā)出的光線經(jīng)過中繼光學(xué)透鏡2生成不同視場角度的平行光，這些平行光通過波導(dǎo)介質(zhì)10的入射面進入波導(dǎo)介質(zhì)10，通過入射耦合面11將光線在波導(dǎo)介質(zhì)10內(nèi)傳播，使光線從右向左傳播，當(dāng)遇到分光面20、30時，一部分能量的光線被反射后垂直于波導(dǎo)介質(zhì)10表面射出，而另一部分則繼續(xù)以原方向向前傳播，直至遇到下一個分光面20，或者遇到波導(dǎo)介質(zhì)10左側(cè)末端。在上述過程中，中繼光學(xué)透鏡20的出瞳通過平板光波導(dǎo)元件100得到了擴展，其擴展寬度約等于平板光波導(dǎo)元件100中所有分光面10在平板波導(dǎo)元件下表面的總的投影寬度。這樣，使用者眼睛的活動范圍即眼盒較大的提升。

請同時參閱圖3B、圖3C所示，圖3B是對應(yīng)圖3A的0°視場出瞳光照度分布圖；圖3C對應(yīng)圖3A的四個角視場出瞳光照度分布圖。

從圖3B和圖2B的對比可以看出，由于本實施例的光波導(dǎo)元件，分光面20的水平間隔小于等于單個分光面20在水平方向投影長度的一半(即分光面20密度增加)，相對于圖2A所示的現(xiàn)有的光波導(dǎo)元件，在0°視場的出瞳照度均勻性顯著提升。

從圖3C和圖2C的對比可以看出，由于本實施例的光波導(dǎo)元件的分光面20的水平間隔小于等于單個分光面20在水平方向投影長度的一半(即 分光面20密度增加)，相對于圖2A所示的光波導(dǎo)元件，四個角視場的出瞳縫隙得以填補。

此外，由于本實施例的在兩端設(shè)置兩個半寬度分光面30，與圖2A所示的現(xiàn)有光波導(dǎo)元件相比，能夠解決出瞳兩端照度降低導(dǎo)致實際可用出瞳橫向尺寸縮小的問題，使波導(dǎo)元件的利用效率更高。

請同時參閱圖4所示，是本實用新型所涉及的平板光波導(dǎo)元件的出瞳擴展示意圖。

本實施例的光波導(dǎo)元件100，由于分光面20的水平間隔小于等于單個分光表面在水平方向投影長度的一半，能夠避免出瞳不連續(xù)。另外，解決了出瞳亮度的跳躍性變化導(dǎo)致的不均勻性。

本實施例的光波導(dǎo)元件100，通過設(shè)置半寬度分光面30，解決了出瞳邊緣亮度較暗的問題，增大出瞳的有效利用面積。如圖4所示，本實用新型所涉及的平板光波導(dǎo)元件100，兩端區(qū)域由半寬度分光面30反射的光束(帶箭頭短實線)，使得擴展出瞳的兩端光亮度同擴展出瞳的中間區(qū)域一致，增加了擴展出瞳的有效利用率。

請參閱圖5所示，是本實用新型平視顯示裝置一實施例的示意圖。本實施例的平視顯示裝置，包括像源1、中繼光學(xué)透鏡2、光波導(dǎo)元件100及組合鏡8。

所述的像源1提供圖像。

所述的中繼光學(xué)透鏡2將像源1產(chǎn)生的圖像成像于無窮遠處，即像源1發(fā)出的光線經(jīng)過中繼光學(xué)透鏡2生成不同視場角度的平行光。

所述的光波導(dǎo)元件100將中繼光學(xué)透鏡2平行光擴展出瞳后出射到組合鏡8，圖像光線101經(jīng)過傾斜放置的組合鏡8反射進入人眼70，同時組合鏡8還能部分投射外部景物6所發(fā)出的光線61，因此使用者70可以看到像源1所產(chǎn)生的圖像與外部景物6的疊加，從而達到顯示增強的目的。

請參閱圖6所示，是本實用新型平視顯示裝置另一實施例的示意圖。本實施例的平視顯示裝置，包括像源1、中繼光學(xué)透鏡2、光波導(dǎo)元件100。

所述的像源1提供圖像。

所述的中繼光學(xué)透鏡2將像源1產(chǎn)生的圖像成像于無窮遠處，即像源1發(fā)出的光線經(jīng)過中繼光學(xué)透鏡2生成不同視場角度的平行光。

所述的平板光波導(dǎo)元件100的分光面11的反射率均小于10％，而人眼觀察方向同時看到最多兩個分光面，因此外景透過率大于80％。

此時，人眼70可以看到像源1所產(chǎn)生的圖像與外部景物6的疊加，從而達到顯示增強的目的。

前述的平視顯示裝置可以應(yīng)用于頭戴顯示器或者眼鏡類顯示增強設(shè)備。

前述的平視顯示裝置的平板光波導(dǎo)元件的出瞳擴展作用，中繼光學(xué)透鏡的出瞳可以比傳統(tǒng)平顯裝置小很多，因此其中繼光學(xué)透鏡以及像源的體積同樣可以比傳統(tǒng)平顯裝置小很多。本實用新型的平視顯示裝置整體結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、加工容易、成本少。

本實施例的平視顯示裝置，將像源所產(chǎn)生的圖像成像于無窮遠，因此使用者在觀看時，睫狀肌始終處于松弛狀態(tài)，可以再一定程度上緩解長期近距離觀察所產(chǎn)生的視疲勞。此外由于平板光波導(dǎo)元件對于外景的透過率為80％，因此可以實現(xiàn)透明顯示器的效果，使用者可以透過顯示器看到后面的人或物。類似的，本實用新型也可應(yīng)用于手機、平板電腦、顯示儀表等需要小型顯示設(shè)備的領(lǐng)域，其特點除了上面所描述的之外，可以使設(shè)備體積特別緊湊。

請參閱圖7所示，是本實用新型二維擴展光波導(dǎo)器件一實施例的示意圖。本實用新型一實施例的二維擴展光波導(dǎo)器件，包括:波導(dǎo)介質(zhì)10、入射耦合面11、一維分光面組25及二維分光面組35。

所述的波導(dǎo)介質(zhì)10的一面(如下表面)為光入射面，入射光由光入射面進入波導(dǎo)介質(zhì)10。

所述的入射耦合面11滿足入射光在波導(dǎo)介質(zhì)10內(nèi)傳播的全反射條件，使入射光在波導(dǎo)介質(zhì)10內(nèi)傳播。入射耦合面11是其兩側(cè)的波導(dǎo)介質(zhì)10(或稱為入射耦合基片)膠合面。

所述的一維分光面組25包括若干個全寬度分光面和兩個半寬度分光面，全寬度分光面和半寬度分光面設(shè)置方式與前述的光波導(dǎo)元件中設(shè)置方式相同，即：全寬度分光面的水平間隔小于等于單個分光面在水平方向投影長度的一半；兩個半寬度分光面分別設(shè)置在分光面陣列的兩端。此實施例中，該一維分光面組25在Y軸方向上擴展出瞳。

所述的二維分光面組35包括若干個全寬度分光面和兩個半寬度分光面，該分光面的水平間隔小于等于單個分光面在水平方向投影長度的一半。所述的二維分光面組35設(shè)置在一維分光面組25出光路徑上。此實施例中，二維分光面組35在X軸方向擴展出瞳。優(yōu)選的，X周與Y軸相互垂直。

所述的二維擴展光波導(dǎo)器件300使用時，影像光線進入二維平板光波導(dǎo)器件300內(nèi)，由入射耦合面11將影像光線傳遞到一維分光面組25，一維分光面組25使得影像光線在Y軸方向擴展出瞳，擴展后的影像光線向二維分光面組35傳遞，二維分光面組35使得影像光線在X軸方向擴展出瞳，光線最后經(jīng)由二維光波導(dǎo)器件300的上表面(垂直紙面向外為上表面)射出。所述的二維擴展光波導(dǎo)器件300，將影像光線進行二維擴展，可以使得像源和中繼透鏡等光學(xué)元件尺寸進一步縮小，使得光學(xué)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，重量更輕。

請參閱圖8A、8B所示，分別是本實用新型二維擴展光波導(dǎo)器件另一實施例的前視示意圖、俯視示意圖。

本實施例的二維擴展光波導(dǎo)器件與圖7所示的二維擴展光波導(dǎo)器件相比，不同之處在于本實施例中(圖8A、8B所示)二維擴展光波導(dǎo)器件是分體式結(jié)構(gòu)，入射耦合面11與一維分光面組25為一體，而二維分光面組35為另一結(jié)構(gòu)體。

或者說，本實施例的二維擴展光波導(dǎo)器件是兩個前述的光波導(dǎo)元件100(如圖3)的疊加。

本實用新型所涉及的平板波導(dǎo)元件也可以應(yīng)用于照明領(lǐng)域，如將圖3、圖4中的像源換為光源，將人眼換為需要照明的區(qū)域，則該器件可以實現(xiàn)使用小光源對于較大的照明區(qū)域進行均勻照明，如燈箱廣告照明、掃描儀照明、復(fù)印機照明等。

雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然并非用以限定本實用新型實施的范圍，依據(jù)本實用新型的權(quán)利要求書及說明內(nèi)容所作的簡單的等效變化與修飾，仍屬于本實用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。