[发明专利]一种波导型光学元件及其使用其的近眼显示装置

说明书

本发明涉及一种波导型光学元件及其使用其的近眼显示装置，特别是可以实现一种轻型的具有大视场、超轻薄的增强现实用波导型光学元件，包括互相重叠设置的两层或者更多层波导片，其中每层波导片内均包括多个反光表面，多个反光表面具有不同的反射率以确保由波导片传导的光在从波导片内向外出射时在预定区域内具有大致均匀的强度分布，所述波导型光学元件轻薄，可以直接安装于镜框内，配合投影光学组件使用，使佩戴者获得舒适的佩戴体验和对比度良好的增强现实显示效果。

技术领域

本发明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使用其的近眼显示装置，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

头戴式显示设备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，如3D显示、增强现实应用等，由于图像只进入使用者个人眼中，相对传统显示方式，头戴式显示设备具有更好的私密性。随着虚拟现实(virtualreality，VR)和增强现实(augment reality，AR)技术的快速发展，头戴式显示设备由于其巨大的市场价值和发展潜力受到越来越多的关注。

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。透射式NED通过微显示器产生计算机虚拟图像信号，然后经过投影技术等耦合进入人眼，同时外界真实场景图像通过光学透射式或视频透射式技术进入人眼，实现虚拟信号与真实场景的融合。光学透射式近眼显示系统因其不阻碍视线，使得用户在观察虚拟场景的同时不影响其对外界场景的观测，在军事、科学研究、增强现实、工业装配和维修、模拟训练、医疗、导航、3D显示及娱乐应用等很多领域和方面都有广阔的应用前景，具有极大的社会经济效益。

随着技术的发展，近眼显示光学系统在满足基本光学性能要求的基础上，透射式NED逐步向着大视场角、高分辨率、超薄轻型化等方向发展，而且越来越注重用户体验。为了实现光学系统的大视场角和超薄轻型化，传统旋转对称多片式系统逐渐被自由曲面棱镜、衍射光学元件等技术所取代，但是这些技术仍然不能满足用户对超薄轻型化的要求，厚度一般不小于10mm，而且这些技术普遍存在出瞳直径较小，用户的眼动范围较小的问题，一般不大于8mm，严重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°。

发明内容

本发明旨在提供一种适用于透射式近眼显示装置的波导型光学元件，以及使用其的近眼显示装置，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。

根据本发明的波导型光学元件，包括至少两波导片，各波导片以预定间隔平行重叠设置，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；以及，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。

其中，各波导片内的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。

优选的，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，还包括与所述波导片一体形成或结合成一体的耦合入射部，耦合入射部用于向波导片折转光线以使进入所述波导片的光满足全内反射的入射条件。

所述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。