一种新型出瞳入瞳方式的波导

本发明属于光学器件，尤其涉及一种新型出瞳入瞳方式的波导。

背景技术：

1、随着虚拟现实(virtual reality，vr)和增强现实(augmented reality，ar)的概念提出以来，基于vr或者ar模式的近眼显示装置的市场也取得了长足的发展。在诸多应用ar或者vr技术的硬件实现方式中，近眼显示器(near-to-eye display，ned)是最有效且在现有技术中能够给使用者带来最佳体验的实现方式。

2、近眼显示器是一种可以将图像直接投射到观看者眼中的头戴式显示器。ned的显示屏距离人眼很近，小于明视距离，人眼无法直接分辨其上图像内容。通过ned光学系统能够将图像放大至远处，重新聚焦到人眼的视网膜上，使人眼看到的画面好像在几米之外，从而实现ar、vr技术的显示效果。

3、因为近眼显示器需要佩戴在人头部，所以其轻小型和良好的显示效果就显得尤为重要。波导显示系统是实现近眼显示的解决方案之一，对于传统的二维几何波导而言，根据其内部的全反射传播原理，由于其玻璃折射率的限制，导致几何波导本身存在视场角的限制，无法获得较大的视场角。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种新型出瞳入瞳方式的波导，能够实现超过70°的高透过率、轻薄化显示系统。

2、一种新型出瞳入瞳方式的波导，包括波导主体、耦入模组、耦出模组、转向模组；

3、所述耦入模组用于将光线耦入波导主体；

4、所述波导主体用于将光线通过全反射的方式传播至位于波导主体的内部的转向模组；

5、所述转向模组用于改变接收到的光线的方向，使方向改变后的光线在波导主体中以全反射的方式传播至耦出模组；

6、所述耦出模组在波导主体中位于与转向模组相对的另一侧，且耦出模组包括胶层与锯齿状分光面；其中，胶层位于波导主体的内部，且与波导主体的下表面呈设定夹角，锯齿状分光面通过胶水层粘接于波导主体的下表面，且胶层与锯齿状分光面在波导主体的下表面上的投影重合；

7、从波导主体传播而来的光线入射至胶层后，在胶层与锯齿状分光面之间发生多次全反射，直到由于胶层的楔角作用使得从锯齿状分光面全反射至胶层的光线的入射角不再满足全反射条件，得到视场角变大的光线从胶层透射至波导主体，最后从波导主体出射。

8、进一步地，所述锯齿状分光面一侧为锯齿状结构，另一侧为平面，同时，所述锯齿状结构为具有设定角度的周期性锯齿，其中，每一周期的锯齿分为上升沿分光面208和下降沿分光面207，且上升沿分光面208短于下降沿分光面207；下降沿分光面207的透过率大于反射率，且下降沿分光面207与锯齿状分光面的平面之间的夹角为30°；上升沿分光面208为完全透过的平面，且上升沿分光面208与锯齿状分光面的平面之间的夹角大于60°。

9、进一步地，所述锯齿状分光面的短边长度l满足如下关系：

10、l>d1/tan(θ2)–d1/tan(i4)

11、其中，d1为波导主体的厚度，θ2为下降沿分光面207与锯齿状分光面的平面之间的夹角，i4为锯齿状分光面第一次接收从胶层全反射传播过来的光线的入射角。

12、进一步地，下降沿分光面207的透过率为70％，反射率为30％。

13、进一步地，从波导主体传播而来的光线入射至胶层的入射角i5大于胶层和波导主体的全反射角度之和。

14、进一步地，所述转向模组由一系列具有设定反射比透射比且与波导主体的边缘呈设定夹角的分光面组成。

15、进一步地，所述耦入模组包括位于波导主体表面的楔形棱镜101和位于波导主体内部的耦入胶层102；

16、其中，耦入胶层102的折射率与耦出模组的胶层104的折射率相同，且耦入胶层102的倾斜角度与耦出模组的胶层104的倾斜角度为镜像关系；

17、楔形棱镜101的上表面304镀制了全反射膜；

18、入射角度不大于耦入胶层102全反射角的光线进入波导主体后，从耦入胶层102透射至楔形棱镜101的上表面304，再经由上表面304上的全反射膜反射回波导主体内部，反射光线透过耦入胶层102后入射至波导主体底面进行全反射，全反射的光线再经过耦入胶层102的多次透射和上表面304上的全反射膜的多次全反射后，从波导主体底面全反射至耦入胶层102的入射角将大于耦入胶层102全反射角，此时光线将在耦入胶层102与波导主体底面之间进行全反射传播，完成光线到波导主体的耦入。

19、进一步地，一种新型出瞳入瞳方式的波导，还包括显示屏108和投影光机107，其中，显示屏108和投影光机107在波导主体上位于与耦入模组的另一侧，光线从微显示屏108发出，经过投影光机107后进入耦入模组。

20、进一步地，所述锯齿状分光面的下方还粘接有角度与锯齿角度互补的补偿性棱镜阵列。

21、进一步地，波导主体的折射率n1为2.0，耦出模组中胶层的折射率n3为1.31，耦出模组中锯齿状分光面的折射率n2为1.51。

22、有益效果：

23、1、本发明提供一种新型出瞳入瞳方式的波导，包括一个耦入模组，一个耦出模组，一个转向模组，其中耦出模组为一带有特定折射率的胶层以及锯齿状分光面阵列组成，耦入模组为一带有较低折射率的胶层以及棱镜组成；转向模组为一系列具有一定分光比的镀膜表面；光线分别从波导元件对应的投影光机出发，在波导元件内部全反射传播，在转向区域和耦出区域分别反射，最终进入人眼；本发明创新的使用了微齿状的耦出分光面阵列以及高低折射率胶层的耦入耦出模组扩大了波导的视场角，能够实现超过70°的高透过率、轻薄化显示，并应用于近眼显示设备。

24、2、本发明提供一种新型出瞳入瞳方式的波导，所述锯齿状分光面的下方还粘接有角度与锯齿角度互补的补偿性棱镜阵列，以保证在透视光路上不存在光学畸变。

技术特征：

1.一种新型出瞳入瞳方式的波导，其特征在于，包括波导主体、耦入模组、耦出模组、转向模组；

2.如权利要求1所述的一种新型出瞳入瞳方式的波导，其特征在于，所述锯齿状分光面一侧为锯齿状结构，另一侧为平面，同时，所述锯齿状结构为具有设定角度的周期性锯齿，其中，每一周期的锯齿分为上升沿分光面(208)和下降沿分光面(207)，且上升沿分光面(208)短于下降沿分光面(207)；下降沿分光面(207)的透过率大于反射率，且下降沿分光面(207)与锯齿状分光面的平面之间的夹角为30°；上升沿分光面(208)为完全透过的平面，且上升沿分光面(208)与锯齿状分光面的平面之间的夹角大于60°。

3.如权利要求2所述的一种新型出瞳入瞳方式的波导，其特征在于，所述锯齿状分光面的短边长度l满足如下关系：

4.如权利要求2所述的一种新型出瞳入瞳方式的波导，其特征在于，下降沿分光面(207)的透过率为70％，反射率为30％。

5.如权利要求1所述的一种新型出瞳入瞳方式的波导，其特征在于，从波导主体传播而来的光线入射至胶层的入射角i5大于胶层和波导主体的全反射角度之和。

6.如权利要求1所述的一种新型出瞳入瞳方式的波导，其特征在于，所述转向模组由一系列具有设定反射比透射比且与波导主体的边缘呈设定夹角的分光面组成。

7.如权利要求1所述的一种新型出瞳入瞳方式的波导，其特征在于，所述耦入模组包括位于波导主体表面的楔形棱镜(101)和位于波导主体内部的耦入胶层(102)；

8.如权利要求1所述的一种新型出瞳入瞳方式的波导，其特征在于，还包括显示屏(108)和投影光机(107)，其中，显示屏(108)和投影光机(107)在波导主体上位于与耦入模组的另一侧，光线从微显示屏(108)发出，经过投影光机(107)后进入耦入模组。

9.如权利要求1所述的一种新型出瞳入瞳方式的波导，其特征在于，所述锯齿状分光面的下方还粘接有角度与锯齿角度互补的补偿性棱镜阵列。

10.如权利要求1～9任一权利要求所述的一种新型出瞳入瞳方式的波导，其特征在于，波导主体的折射率n1为2.0，耦出模组中胶层的折射率n3为1.31，耦出模组中锯齿状分光面的折射率n2为1.51。

技术总结本发明提供一种新型出瞳入瞳方式的波导，包括一个耦入模组，一个耦出模组，一个转向模组，其中耦出模组为一带有特定折射率的胶层以及锯齿状分光面阵列组成，耦入模组为一带有较低折射率的胶层以及棱镜组成；转向模组为一系列具有一定分光比的镀膜表面；光线分别从波导元件对应的投影光机出发，在波导元件内部全反射传播，在转向区域和耦出区域分别反射，最终进入人眼；本发明创新的使用了微齿状的耦出分光面阵列以及高低折射率胶层的耦入耦出模组扩大了波导的视场角，能够实现超过70°的高透过率、轻薄化显示。技术研发人员：程德文,汪希萌,杨通,王涌天受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27