本發(fā)明涉及一種平板波導(dǎo)型元件，及其使用其的頭戴式顯示裝置，特別的，涉及一種輕薄且在視場(chǎng)內(nèi)可獲得均勻圖像亮度的平板型波導(dǎo)元件。

背景技術(shù)：

消費(fèi)電子產(chǎn)品在近年來(lái)得到了蓬勃的發(fā)展，在智能手機(jī)之后，消費(fèi)者已普遍地知道虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)的概念，并追逐相關(guān)的各種概念產(chǎn)品作為體驗(yàn)新技術(shù)的嘗試，頭戴式顯示器(HMD)之類的顯示設(shè)備可實(shí)現(xiàn)通過(guò)簡(jiǎn)單的穿戴獲得增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)體驗(yàn)或虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)體驗(yàn)，在航空、工程、科學(xué)、醫(yī)療、游戲、視頻、體育、訓(xùn)練和仿真等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

在通過(guò)HMD來(lái)實(shí)現(xiàn)AR體驗(yàn)的方式中，眼鏡類的模式受到了廣泛的追捧，例如，Microsoft公司推出的Hololens概念型產(chǎn)品，其重量接近600g，必須利用經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的配重方式來(lái)減輕頭部穿戴時(shí)的負(fù)擔(dān)，因而，對(duì)于眼鏡類的AR顯示體驗(yàn)來(lái)說(shuō)，減輕各部分的重量實(shí)現(xiàn)盡量的輕薄化是普及應(yīng)用之必須。

為了實(shí)現(xiàn)超薄光學(xué)透射式的AR顯示方案，引入了自由曲面棱鏡元件的設(shè)計(jì)，利用折反光路加補(bǔ)償棱鏡的方式實(shí)現(xiàn)了光學(xué)透射式的AR，但鑒于自由曲面棱鏡達(dá)成曲率的需要，在達(dá)到良好視覺(jué)體驗(yàn)的情況下，這種方案的光學(xué)系統(tǒng)的厚度不能做到非常輕薄，限制了眼鏡類AR顯示的進(jìn)一步輕薄化；而另外一些設(shè)計(jì)則使用平面光波導(dǎo)方案，利用光線在平面波導(dǎo)元件內(nèi)的全內(nèi)反射有效降低了光學(xué)元件的厚度，但平面波導(dǎo)元件并不能提供光焦度，需要配合投影系統(tǒng)使用才能獲得合理的目視顯示尺寸，如果匹配程度不佳，則佩戴者出瞳位置的光線分布容易出現(xiàn)明顯的不均勻甚至不連續(xù)，影響用戶視覺(jué)體驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種平板波導(dǎo)型元件以及使用它的頭戴式顯示裝置，通過(guò)平板波導(dǎo)型元件非均勻的厚度設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)一步減輕頭戴式顯示裝置的重量，并獲得與小尺寸投影系統(tǒng)的良好匹配，實(shí)現(xiàn)佩戴者視場(chǎng)內(nèi)均勻和出瞳范圍內(nèi)均勻的顯示效果。

根據(jù)本發(fā)明的一種波導(dǎo)型元件，包括：

光入射耦合部，用于將像源元件發(fā)出的光耦合進(jìn)入導(dǎo)光平板部，

導(dǎo)光平板部，用于將從光入射耦合部耦合進(jìn)入的光向光出射端傳播，所述導(dǎo)光平板部的光入射面連接于光入射耦合部，光出射面位于靠近光出射端的導(dǎo)光平板部上；

補(bǔ)償平板部，形成為平板狀導(dǎo)光體，置于導(dǎo)光平板部面向環(huán)境的一側(cè)，覆蓋導(dǎo)光平板部的部分或者全部；

單元反射器，設(shè)置于導(dǎo)光平板部和補(bǔ)償平板部之間，用以破壞光在導(dǎo)光平板部和補(bǔ)償平板部?jī)?nèi)的全反射從而使光通過(guò)所述光出射面出射；

所述導(dǎo)光平板部和補(bǔ)償平板部的厚度之和，在靠近光入射耦合部的第一端大于遠(yuǎn)離光入射耦合部的第二端。

其中，所述補(bǔ)償平板部可以具有均勻厚度；而所述導(dǎo)光平板部具有的厚度變化，厚度變化位置點(diǎn)P位于光出射面?zhèn)群?或?qū)Ч馄桨宀棵嫦颦h(huán)境的一側(cè)。

作為一種實(shí)施方式，導(dǎo)光平板部和補(bǔ)償平板部通過(guò)膠合形成為一體；單元反射器可一體形成在補(bǔ)償平板部朝向?qū)Ч馄桨宀康谋砻嫔?，或者?dǎo)光平板部朝向補(bǔ)償平板部的表面上。

單元反射器包括多個(gè)齒狀反射單元，多個(gè)齒狀反射單元上的反射面上鍍有反射膜，靠近光入射端的反射面的反射率低于遠(yuǎn)離光入射端的反射面的反射率。

導(dǎo)光平板部在光出射面?zhèn)鹊乃龊穸茸兓鹗嘉恢命c(diǎn)P距光耦合部邊緣的距離優(yōu)選要大于單元反射器起始位置點(diǎn)S距光耦合部邊緣的距離。

本發(fā)明還涉及一種使用上述波導(dǎo)型元件的頭戴式顯示裝置，包括微型像源元件以及投影光學(xué)組件，由微型像源元件發(fā)出的光經(jīng)由投影光學(xué)組件準(zhǔn)直后入射到所述波導(dǎo)型元件的光入射耦合部，光入射耦合部的截面形成為楔形。

在一種典型的實(shí)施方式中，所述楔形的傾斜角θ的范圍為23-27度，以避免入射時(shí)雜散光的影響。

根據(jù)本發(fā)明的平板波導(dǎo)型元件，能夠保證強(qiáng)度的情況下實(shí)現(xiàn)更加輕薄的設(shè)計(jì)，有效提高同一出瞳位置不同視場(chǎng)間圖像光照均勻度和同一視場(chǎng)不同出瞳位置的圖像光照均勻度，使用其的頭戴式顯示設(shè)備可以適應(yīng)更小尺寸的投影系統(tǒng)，從而整體重量進(jìn)一步減輕，能夠具有更舒適的AR體驗(yàn)。

附圖說(shuō)明

圖1為根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)型元件的立體圖

圖2為根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)型元件的橫截面圖

圖3為根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)型元件的光入射耦合部出現(xiàn)二次反射時(shí)的示意圖

圖4(a)和(b)為根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)型元件的出射光束均勻性在等厚度情況和不等厚度情況下的對(duì)比

圖5為根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)型元件齒狀反射面采用分區(qū)域鍍膜時(shí)出瞳位置的垂直視場(chǎng)照度圖

具體實(shí)施例

以下內(nèi)容將參考附圖等來(lái)詳細(xì)討論具體實(shí)施本發(fā)明的實(shí)際示例，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，下述各描述中使用的具體名稱、用語(yǔ)等不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限定，并且在下文的描述中，為便于描述，相同的部件將使用相同的附圖標(biāo)記。

在本公開(kāi)中可使用的諸如“包含”、“包括”、“可以包含”或“可以包括”的表述指示存在公開(kāi)的對(duì)應(yīng)功能、操作和組成元件等，且不限制另外的一個(gè)或更多個(gè)功能、操作或組成元件等。此外，在本公開(kāi)中，應(yīng)該理解的是，術(shù)語(yǔ)“包含”、“包括”、“具有”等用于表示存在說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的特征、數(shù)量、步驟、操作、組成元件、部件或其組合，且不預(yù)先排除存在或補(bǔ)充一個(gè)或更多個(gè)其他特征、數(shù)量、步驟、操作、組成元件、部件或其組合的可能性。

在本公開(kāi)中，表述“第一”和“第二”等可以修飾本公開(kāi)的多種組成元件，但是不限制對(duì)應(yīng)的組成元件。例如，表述不限制對(duì)應(yīng)的組成元件的順序和/或重要性等。表述可以用于將一個(gè)組成元件與另一組成元件區(qū)分開(kāi)來(lái)。例如，第一用戶裝置和第二用戶裝置全部為用戶裝置，且代表不同的用戶裝置。例如，第一組成元件可以被命名為第二組成元件而不脫離本公開(kāi)的精神和范圍。相同地，即使第二組成元件也可以被命名為第一組成元件。

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的一種波導(dǎo)型元件，包括了光入射耦合部11，導(dǎo)光平板部12，單元反射器13和補(bǔ)償平板部14，其中補(bǔ)償平板部14位于導(dǎo)光平板部12上方，覆蓋導(dǎo)光平板部的部分或者全部，單元反射器13位于兩平板部之間；補(bǔ)償平板部用以補(bǔ)償環(huán)境光進(jìn)入波導(dǎo)型元件透射光路的光程，并優(yōu)選的，和導(dǎo)光平板部面向環(huán)境一側(cè)的表面形成為一致的平面，以保證波導(dǎo)形元件在外觀面的統(tǒng)一，在其用作AR近眼顯示裝置的導(dǎo)光部件時(shí)，一種示例性的光入射方式可參考圖2所示，由微型像源元件1發(fā)出的光經(jīng)由投影光學(xué)組件2準(zhǔn)直后入射到光入射耦合部11，為了將光順利耦合進(jìn)導(dǎo)光平板部12和補(bǔ)償平板部14，光入射耦合部的截面形成為楔形，具有傾斜角θ，考慮到雜散光的影響，θ可以被限定在一定的范圍，例如，選自23-27度，優(yōu)選的，θ大約25度，以降低雜散光的影響，以及滿足匹配導(dǎo)光平板部12和補(bǔ)償平板部14在光入射方向上的厚度和視場(chǎng)角需要，能夠有效縮小入射耦合部11所需占據(jù)的空間，本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)該理解，雖然本發(fā)明各附圖所示的光入射耦合部均作為與導(dǎo)光平板部呈相同厚度的楔形截面，但本發(fā)明所示的光入射耦合部的形態(tài)和尺寸不限于此，任何能使置于導(dǎo)光平板部一側(cè)，能將光有效耦合進(jìn)入本發(fā)明的導(dǎo)光平板部的光入射耦合部均可用作本發(fā)明。

當(dāng)光入射耦合部將光耦合進(jìn)導(dǎo)光平板部之后，能夠在導(dǎo)光平板部和后續(xù)的補(bǔ)償平板部?jī)?nèi)以全反射的方式向遠(yuǎn)離光入射耦合部的方向傳播。相應(yīng)的光出射面ES在導(dǎo)光平板部12上，與面向環(huán)境的一面相對(duì)。以光能利用率的角度和制造成本考慮，單元反射器13僅部分的設(shè)置于導(dǎo)光平板部12和補(bǔ)償平板部14之間，單元反射器13的起始位置和齒狀反射單元的反射面RS的特征角與光入射耦合部的傾角θ以及導(dǎo)光平板部的結(jié)構(gòu)有關(guān)，如圖1所示，可以僅在佩戴者觀察視線范圍內(nèi)設(shè)置單元反射器13，單元反射器13的作用為利用齒狀反射面對(duì)入射的光反射而導(dǎo)致全反射光在導(dǎo)光平板部?jī)?nèi)不再滿足全反射條件，從而從導(dǎo)光平板部12上的光出射面ES出射而到達(dá)觀察者的眼睛。由于光在傳輸過(guò)程中會(huì)逐漸損失，為提高遠(yuǎn)離光入射端的光照度均勻性，單元反射器13上的多個(gè)齒狀反射單元的相應(yīng)反射面可以采用分段鍍膜的方式，使單元反射器13的各齒狀反射單元具有不同反射率，例如，靠近光入射端的部分鍍有具有相對(duì)低的反射率的反射膜層，而在遠(yuǎn)離光入射端的部分鍍有高反射率的反射膜層。單元反射器13可以直接形成在補(bǔ)償平板部14的下表面，或者導(dǎo)光平板部12的上表面，相應(yīng)的，導(dǎo)光平板部的上表面或補(bǔ)償平板部的下表面具有配合單元反射器13齒狀反射單元面型的表面，使反射面RS實(shí)際上嵌入在補(bǔ)償平板部和導(dǎo)光平板部之間。在一種具體的實(shí)施方式中，齒狀反射面RS的長(zhǎng)度L_rs不大于0.8mm，以使導(dǎo)光平板部12和補(bǔ)償平板部14的厚度和可以控制在2mm以內(nèi)，并且不小于0.8mm，以滿足強(qiáng)度需要。

以下將結(jié)合附圖，具體說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)際光傳播路徑。如圖2所示，以主光線為示例，從微型像源元件1發(fā)出，經(jīng)投影光學(xué)組件2準(zhǔn)直后，以平行光垂直射向光入射耦合部的光入射面，從而進(jìn)入光入射耦合部，并因傾斜角θ而在光入射耦合部的反射面上被全反射。反射光進(jìn)入導(dǎo)光平板部以及補(bǔ)償平板部，導(dǎo)光平板部和補(bǔ)償平板部均具有大于空氣的材料折射率，例如，由PMMA或者玻璃構(gòu)成，通過(guò)膠合粘結(jié)在一起，對(duì)于光線而言，膠合在一起的兩平板部可視為完整的一塊平板波導(dǎo)，光在此平板波導(dǎo)中以全反射方式向遠(yuǎn)離光入射耦合部的方向傳播，直至單元反射器13的某一齒狀反射單元的反射面。

齒狀反射單元的反射面上鍍有預(yù)定反射率的反射膜，如前述提到的，在相對(duì)靠近光入射耦合部的齒狀反射單元上，反射膜的反射率稍低，因此，一部分光被單元反射器13的某一齒狀反射單元反射，從而達(dá)成破壞全反射的條件，反射后的光不再沿兩平板部組成的平板波導(dǎo)傳播，而是在導(dǎo)光平板部的光出射面上ES出射；沒(méi)有被單元反射器的這個(gè)齒狀反射單元反射的光則繼續(xù)向上方的補(bǔ)償平板部傳播，以全反射的狀態(tài)繼續(xù)在平板波導(dǎo)內(nèi)傳播，直至第二次遇到單元反射器13的另一齒狀反射單元的反射面，然后從光出射面出射導(dǎo)光平板部。根據(jù)導(dǎo)光和補(bǔ)償平板部的總厚度H，以及光入射耦合部的傾斜角θ，可以約束單元反射器13能夠在光傳播路徑上進(jìn)行反射的次數(shù)，雖然圖2中以主光線為例說(shuō)明，在其傳播路徑上兩次通過(guò)單元反射器，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解這樣的次數(shù)僅僅是示意性的，實(shí)際上單元反射器13的齒狀反射單元的密度、導(dǎo)光和補(bǔ)償平板部的長(zhǎng)度和厚度，都將影響反射次數(shù)。

[減小出射光不均勻]

參照?qǐng)D2示出的光路傳播原理，H為導(dǎo)光平板部12和補(bǔ)償平板部14在光入射方向上的厚度和，以有效值計(jì)算，光入射耦合部可接受的最大光束直徑為D_max，以主光線計(jì)算，在入射耦合部的反射面上的出射角度也為θ，它在第一和導(dǎo)光平板部組成的平板波導(dǎo)內(nèi)的全反射傳輸角度：ω＝90-2θ。

單根光線(例如，主光線)在一個(gè)全反射周期走過(guò)將向前傳播長(zhǎng)度L₁，則：

$L_1=\frac{2H}{tan\mathrm{\ω}}$

由于厚度和H和傾斜角θ的影響，最大光束直徑為D_max的入射光束并不能夠全部有效的被耦合進(jìn)入平板波導(dǎo)，例如，對(duì)于靠近傾角端的光線，存在諸如圖3所示的二次反射現(xiàn)象，造成邊緣光線從光束中溢出，形成不均勻的雜散光，同時(shí)降低了進(jìn)入平板波導(dǎo)的光束孔徑。能夠最終進(jìn)入平板波導(dǎo)進(jìn)行全反射傳播的光束直徑D_e為：

$D_e=\frac{H}{tan\mathrm{\θ}}-\frac{tan\mathrm{\ω}}{tan\mathrm{\θ}+tan\mathrm{\ω}}\×(\frac{1}{tan\mathrm{\θ}}-\frac{1}{tan\mathrm{\ω}})\×H$

這樣的光束D_e根據(jù)如圖4(a)所示，經(jīng)入射耦合部耦合進(jìn)厚度為H的平板波導(dǎo)內(nèi)傳播時(shí)，由于D_e的影響，經(jīng)入射耦合部的反射面反射之后投射在導(dǎo)光平板部上長(zhǎng)度為L(zhǎng)₂：

$L_2=\frac{H}{tan\mathrm{\ω}/cos\mathrm{\ω}}$

如果L₁>L₂，則傳播過(guò)程中出現(xiàn)大于0的間隙D_L＝L₁-L₂，此時(shí)，如果導(dǎo)光平板部12和補(bǔ)償平板部14的厚度和H始終不變，則被單元反射器13破壞的全反射在導(dǎo)光平板部12的光出射面上出射時(shí)會(huì)發(fā)生不均勻的分布，如圖4(a)所示，這樣的不均勻分布在圖像上表現(xiàn)為暗紋或者缺失，影響圖像的質(zhì)量。而通過(guò)減少光出射區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)光平板部12的厚度，可以避免這種不均勻出現(xiàn)，如圖4(b)所示，厚度減少的值H2可以通過(guò)：

H₂＝0.5×D_L×tanω

計(jì)算得出。

作為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，補(bǔ)償平板部和導(dǎo)光平板部的厚度之和H＝1.5mm，θ＝25°，則導(dǎo)光平板部的厚度減小值H₂＝0.24mm，此時(shí)采用分段鍍膜的本發(fā)明波導(dǎo)元件可以實(shí)現(xiàn)如圖5所示的，在光出射面上不存在雜光和不連續(xù)的圖像光。但不限于此實(shí)施方式的，補(bǔ)償平板部和導(dǎo)光平板部的厚度之和H可以增大到1.8mm～2mm，導(dǎo)光平板部的厚度減小值H₂也相應(yīng)的增加，但H₂的數(shù)值不宜超過(guò)厚度之和H的20％，進(jìn)一步減小厚度并不會(huì)提高出射光的均勻性，但影響波導(dǎo)的整體強(qiáng)度。

在波導(dǎo)延伸方向上，導(dǎo)光平板部發(fā)生厚度發(fā)生減小的變化位置P自平板波導(dǎo)與光入射耦合部的連接點(diǎn)計(jì)算，可以選自：

$\frac{H}{tan\mathrm{\ω}}+0.5\×D_L+m(L_2+0.5D_L),(m=0,1,2,3)$

優(yōu)選的，厚度發(fā)生減小變化的位置距離光入射耦合部，相比較單元反射器距離光入射耦合部更遠(yuǎn)，即導(dǎo)光平板部發(fā)生厚度減小的變化位置點(diǎn)P在沿光出射面的方向上，比單元反射器的起始位置點(diǎn)S更遠(yuǎn)離光入射端。這樣的錯(cuò)位設(shè)置可以確保在光出射面ES上的均勻度和連續(xù)性，也可以減輕制造難度。

進(jìn)一步的，雖然如圖2中所示的，厚度變化位置點(diǎn)P所在的切面與補(bǔ)償平板部和導(dǎo)光平板部的表面平面呈大約90度，即導(dǎo)光平板部的厚度減小以非連續(xù)變化實(shí)現(xiàn)，而在一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)突變，但不限于此的，也可以通過(guò)傾斜表面逐步實(shí)現(xiàn)厚度的減小，厚度變化位置點(diǎn)P的切面與導(dǎo)光平板部的光出射表面呈不超過(guò)ω的傾角，以確保光的有效利用不受厚度變化影響。

根據(jù)本發(fā)明的上述波導(dǎo)型元件，通過(guò)部分減小厚度實(shí)現(xiàn)均勻的圖像光出射，作為頭戴式顯示設(shè)備的光傳導(dǎo)部件，有效提高光照均勻度，避免在出射視場(chǎng)中圖像出現(xiàn)明顯的不連續(xù)或者亮度不均勻，能夠在大視場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)無(wú)雜光、亮度均勻的圖像。

本發(fā)明可以以許多不同的形式實(shí)現(xiàn)且不應(yīng)解釋為限于這里所闡述的各實(shí)施例。而是，提供這些實(shí)施例使得本公開(kāi)充分和完整，且向那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員全面地傳達(dá)本發(fā)明的構(gòu)思。另外，各個(gè)實(shí)施例中的特征也可以按照下述實(shí)施例之外的方式組合，組合后的技術(shù)方案仍落在本申請(qǐng)的范圍之內(nèi)。