一种光学元件及近眼显示系统的制作方法

1.本实用新型涉及显示技术领域，具体而言，涉及一种光学元件及近眼显示系统。


背景技术：

2.在增强现实技术中近眼显示系统都包括一个置于用户眼睛前的透明光波导，光线通过内部反射在光波导内传递，然后通过合适的输出机制将图像耦合到用户的眼睛上，实现将虚拟图像叠加到现实场景上，向用户提供具有沉浸式和交互式的体验，因此，增强现实技术在娱乐、工业、医学等领域都有重要的意义。
3.现有的光波导两个维度扩展光线的方法都是以平行列阵的形式实现，在平行列阵部分反射面技术中，光线以不同角度在光波导中全反射的情况下，对于某些角度全反射的光线会与部分反射面未发生反射现象，导致出射的光线缺失，使得光波导出光均匀性较差，且视场角不易扩大。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种光学元件及近眼显示系统，提高出光均匀性并扩大视场角。
5.本实用新型的实施例是这样实现的：
6.一种光学元件，其包括设置在相互平行的第一主外表面和第二主外表面之间的多个第一部分反射面和多个第二部分反射面，第一主外表面和第二主外表面之间沿第一方向划分有相互连接的第一区域和第二区域，多个第一部分反射面在第一区域内沿垂直于第一方向的第二方向对称分布且相邻两个第一部分反射面所在的平面能够相交，多个第二部分反射面在第二区域内沿第一方向平行分布，第一部分反射面用于将耦入光线反射至第二部分反射面，第二部分反射面用于使耦入光线由第一主外表面平行出射。
7.可选的，作为一种可实施的方式，相邻两个第一部分反射面的相邻边缘相互连接。
8.可选的，作为一种可实施的方式，相邻两个第一部分反射面的相邻边缘相互分离。
9.可选的，作为一种可实施的方式，第一部分反射面上设有线偏振膜，多个第一部分反射面的偏振方向相互垂直交替。
10.可选的，作为一种可实施的方式，沿第二方向分布的多个第一部分反射面的反射率依次增大，沿第一方向分布的多个第二部分反射面的反射率依次增大。
11.可选的，作为一种可实施的方式，相邻两个第一部分反射面之间的夹角α满足70
°
≤α≤160
°
。
12.可选的，作为一种可实施的方式，第一部分反射面和第一主外表面之间的交线与耦入光线之间的夹角α1满足25
°
≤α1≤75
°
。
13.可选的，作为一种可实施的方式，第二部分反射面与第一主外表面之间的夹角β满足20
°
≤β≤45
°
。
14.可选的，作为一种可实施的方式，第一部分反射面和第一主外表面之间的交线与
第二部分反射面和第一主外表面之间的交线之间的夹角β1满足20
°
≤β1≤65
°
。
15.一种近眼显示系统，其包括如上任意一项的光学元件。
16.本实用新型实施例的有益效果包括：
17.本实用新型提供的光学元件，包括设置在相互平行的第一主外表面和第二主外表面之间的多个第一部分反射面和多个第二部分反射面，第一主外表面和第二主外表面之间沿第一方向划分有相互连接的第一区域和第二区域，多个第一部分反射面在第一区域内沿垂直于第一方向的第二方向对称分布且相邻两个第一部分反射面所在的平面能够相交，多个第二部分反射面在第二区域内沿第一方向平行分布，第一部分反射面用于将耦入光线反射至第二部分反射面，第二部分反射面用于使耦入光线由第一主外表面平行出射。上述光学元件在第一区域内设置相互对称且不平行的第一部分反射面，在第二区域内设置相互平行的第二部分反射面。耦入光线进入光学元件后，在第一主外表面和第二主外表面之间发生全反射，在每次全反射之间，耦入光线都会依次在相互对称的第一部分反射面发生部分反射作为第一维度扩展。待被反射的耦入光线传导至第二区域后，继续依次在第二区域内相互平行的第二部分反射面内传导发生部分反射，作为第二维度扩展，最终将耦入光线反射至使用者的眼睛。因此，上述光学元件在提高出光亮度、均匀性的同时，还能扩大使用者的视场范围，且结构轻薄，利于系统集成，具有较高的可穿戴性。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
19.图1为本实用新型实施例提供的光学元件的结构示意图之一；
20.图2为本实用新型实施例提供的光学元件中第一部分反射面的结构示意图之一；
21.图3为本实用新型实施例提供的光学元件中第一部分反射面的结构示意图之二；
22.图4为本实用新型实施例提供的光学元件中第一部分反射面的结构示意图之三；
23.图5为本实用新型实施例提供的光学元件的结构示意图之二；
24.图6为本实用新型实施例提供的光学元件的结构示意图之三。
25.图标：100-光学元件；110-第一主外表面；120-第二主外表面；130-反射区域；131-第一区域；132-第二区域；140-第一部分反射面；141-第一部分反射面的边缘；150-第二部分反射面；200-耦入光线。
具体实施方式
26.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
27.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的
实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
29.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
31.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
32.请参照图1，本实施例提供一种光学元件100，其包括设置在相互平行的第一主外表面110和第二主外表面120之间的多个第一部分反射面140和多个第二部分反射面150，第一主外表面110和第二主外表面120之间沿第一方向划分有相互连接的第一区域131和第二区域132，多个第一部分反射面140在第一区域131内沿垂直于第一方向的第二方向对称分布且相邻两个第一部分反射面140所在的平面能够相交，多个第二部分反射面150在第二区域132内沿第一方向平行分布，第一部分反射面140用于将耦入光线200反射至第二部分反射面150，第二部分反射面150用于使耦入光线200由第一主外表面110平行出射。
33.光学元件100包括在相互平行的第一主外表面110和第二主外表面120之间的多个第一部分反射面140和多个第二部分反射面150。第一主外表面110和第二主外表面120之间形成反射区域130，反射区域130分别沿第一方向(图1中的a方向)和第二方向(图1中的b方向)延伸，其中，第一方向与第二方向相互垂直。反射区域130沿第一方向划分有相互连接的第一区域131和第二区域132，多个第一部分反射面140在第一区域131内沿第二方向对称分布，多个第一部分反射面140分别与第一主外表面110和第二主外表面120相交，相邻两个第一部分反射面140所在平面具有交线(即相邻两个第一部分反射面140彼此不平行)，相邻两个第一部分反射面140相对于过该交线且垂直于第一主外表面110的平面对称。多个第二部分反射面150在第二区域132内沿第一方向平行分布，多个第二部分反射面150分别与第一主外表面110和第二主外表面120相交。
34.第一部分反射面140位于耦入光线200的第一次传播路径上，作为使耦入光线200在第一个维度上的扩展结构。耦入光线200在进入第一区域131后，在平行的第一主外表面110和第二主外表面120之间发生全反射，同时，在第一区域131相互对称的第一部分反射面140发生部分反射。第二部分反射面150位于耦入光线200的第二次传播路径上，作为使耦入
光线200在第二个维度上的扩展结构。被反射的耦入光线200传导至第二区域132后，在相互平行的部分反射面内传导继续发生部分反射，最后由第一主外表面110平行出射，平行出射的耦入光线200将被使用者的眼睛接收。
35.如上所述，该光学元件100包括设置在相互平行的第一主外表面110和第二主外表面120之间的多个第一部分反射面140和多个第二部分反射面150，第一主外表面110和第二主外表面120之间沿第一方向划分有相互连接的第一区域131和第二区域132，多个第一部分反射面140在第一区域131内沿垂直于第一方向的第二方向对称分布且相邻两个第一部分反射面140所在的平面能够相交，多个第二部分反射面150在第二区域132内沿第一方向平行分布，第一部分反射面140用于将耦入光线200反射至第二部分反射面150，第二部分反射面150用于使耦入光线200由第一主外表面110平行出射。上述光学元件100在第一区域131内设置相互对称且不平行的第一部分反射面140，在第二区域132内设置相互平行的第二部分反射面150。耦入光线200进入光学元件100后，在第一主外表面110和第二主外表面120之间发生全反射，在每次全反射之间，耦入光线200都会依次在相互对称的第一部分反射面140发生部分反射作为第一维度扩展。待被反射的耦入光线200传导至第二区域132后，继续依次在第二区域132内相互平行的第二部分反射面150内传导发生部分反射，作为第二维度扩展，最终将耦入光线200反射至使用者的眼睛。因此，上述光学元件100在提高出光亮度、均匀性的同时，还能扩大使用者的视场范围，且结构轻薄，利于系统集成，具有较高的可穿戴性。
36.可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，第一部分反射面140和第二部分反射面150均包括至少四个。
37.第一部分反射面140和第二部分反射面150的数量均大于或等于四个，能够更好地提高出光亮度、均匀性，扩大使用者的视场范围。
38.请参照图1，可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，多个第一部分反射面140与多个第二部分反射面150之间彼此不重叠。
39.多个第一部分反射面140与多个第二部分反射面150之间不重叠，以保证耦入光线200的由第一区域131顺利进入第二区域132并从第一主外表面110平行出射，减少耦入光线200的损失，提高出光亮度。
40.请结合参照图2，可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，相邻两个第一部分反射面140的相邻边缘相互连接。
41.多个第一部分反射面140在第一区域131内沿第二方向上依次分布，第一部分反射面140与第一主外表面110和第二主外表面120的交线即为第一部分反射面的边缘141，每个第一部分反射面140在第二方向上均包括两个边缘，相邻的两个第一部分反射面140的相邻边缘相互连接，多个第一部分反射面140相互连接成一体。
42.请参照图1和图3，可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，相邻两个第一部分反射面140的相邻边缘相互分离。
43.多个第一部分反射面140在第一区域131内沿第二方向上依次分布，第一部分反射面140与第一主外表面110和第二主外表面120的交线即为第一部分反射面的边缘141，每个第一部分反射面140在第二方向上均包括两个边缘，相邻的两个第一部分反射面140的相邻边缘相互分离，有效地反射更多角度的耦入光线200。
44.请参照图1和图4，可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，第一部分反射面140上设有线偏振膜，多个第一部分反射面140的偏振方向相互垂直交替。
45.采用混合面系统组成相互对称的第一部分反射面140，通过在第一部分反射面140上设置线偏振膜，使每个第一部分反射面140仅能反射一个方向的偏振光，多个第一部分反射面140的偏振方向相互垂直交替，即沿第二方向多个第一部分反射面140依次反射s偏振光-p偏振光-s偏振光，依次类推，或者，沿第二方向多个第一部分反射面140依次反射p偏振光-s偏振光-p偏振光，依次类推。为了方便描述，图4中用实线表示的第一部分反射面140反射一个方向的偏振光，用虚线表示的第一部分反射面140反射另一个方向的偏振光。若用实线表示的第一部分反射面140反射s偏振光，则用虚线表示的第一部分反射面140反射p偏振光；若用实线表示的第一部分反射面140反射p偏振光，则用虚线表示的第一部分反射面140反射s偏振光。采用混合面系统组成的第一部分反射面140能够提高出光的均匀性和能量透射率。
46.可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，沿第二方向分布的多个第一部分反射面140的反射率依次增大，沿第一方向分布的多个第二部分反射面150的反射率依次增大。
47.在耦入光线200的传播路径上，沿第二方向分布的多个第一部分反射面140的反射率依次增大，沿第一方向分布的多个第二部分反射面150的反射率依次增大，有效降低了光损失，提高了出光均匀性。优选的，在耦入光线200的传播路径上，最后一个第一部分反射面140和最后一个第二部分反射面150的反射率大于90％。
48.可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，相邻两个第一部分反射面140之间的夹角α满足70
°
≤α≤160
°
。
49.当相邻两个第一部分反射面140之间的夹角α满足70
°
≤α≤160
°
时，能够保证耦入光线200顺利进入第二区域132，并使由第一区域131射出的偶入光线更加均匀，减少条纹的产生。具体的，可以根据耦入光线200与第一主外表面110(或第二主外表面120)的夹角进行计算，对相邻的两个第一部分反射面140之间的夹角α进行调节。
50.请参照图1和图5，可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，第一部分反射面140和第一主外表面110之间的交线与耦入光线200之间的夹角α1满足25
°
≤α1≤75
°
。
51.当第一部分反射面140和第一主外表面110之间的交线与耦入光线200之间的夹角α1满足25
°
≤α1≤75
°
时，能够将更多的耦入光线200反射进第二区域132内，提高由第一区域131射出的偶入光线的亮度，并使出射光线更加均匀，减少条纹的产生。
52.请参照图1和图6，可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，第二部分反射面150与第一主外表面110之间的夹角β满足20
°
≤β≤45
°
。
53.当第二部分反射面150与第一主外表面110之间的夹角β满足20
°
≤β≤45
°
时，能够保证耦入光线200由第一主外表面110平行出射，还能够扩大视场角。
54.请参照图1和图5，可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，第一部分反射面140和第一主外表面110之间的交线与第二部分反射面150和第一主外表面110之间的交线之间的夹角β1满足20
°
≤β1≤65
°
。
55.当第一部分反射面140和第一主外表面110之间的交线与第二部分反射面150和第一主外表面110之间的交线之间的夹角β1满足20
°
≤β1≤65
°
时，能够使更多的耦入光线200
由第一主外表面110射出，扩大视场角。
56.可选的，本实用新型实施例的一种可实现的方式中，使用者视场角θ满足-40
°
≤θ≤40
°
。
57.当使用者视场角θ满足-40
°
≤θ≤40
°
时，使用者能够在较大视场范围内接收到清晰的完整的图像，有利于提高光学元件100的可穿戴性。
58.本实用新型实施例还公开了一种近眼显示系统，其包括如上任意一项的光学元件100。
59.该近眼显示系统包含与前述实施例中的光学元件100相同的结构和有益效果。光学元件100的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。
60.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。