光学结构和近眼显示设备的制作方法

1.本实用新型涉及可穿戴电子设备技术领域，尤其涉及一种光学结构和近眼显示设备。


背景技术：

2.头戴显示设备(head mounted display)是一种能够提供身临其境体验的电子产品，头戴显示设备的显示原理包括增强现实(augmented reality)技术，简称ar显示技术。头戴显示设备的显示原理还包括vr(virtual reality)技术，简称vr显示技术。ar显示用于将内部光线和外部光线叠加在一起，从而在外界真实画面的基础上添加虚拟图像。vr显示用于显示电脑模拟的虚拟画面。
3.目前的头戴显示设备中设置单一图像源，单一图像源在波导体内传播，光线在向远端传播时，光线难以在波导体的远端位置出射。由此造成，显示图像画面的尺寸较小，用户能够看到的图像视场范围较小，用户的视场范围受限，不利于用户的沉浸式体验。


技术实现要素：

4.基于此，针对目前的头戴显示设备中显示图像画面的尺寸较小，导致用户的视场范围受限，不利于用户的沉浸式体验的问题，有必要提供一种光学结构和近眼显示设备，能够提高显示图像的画面尺寸，提高用户的视场范围，提高用户的沉浸式体验。
5.为实现上述目的，本实用新型提出一种光学结构，所述光学结构包括：
6.波导体，所述波导体具有相对设置的第一表面和第二表面，所述波导体还具有相对设置的第一入光端面和第二入光端面，所述第一入光端面位于所述波导体的第一表面和第二表面之间，所述第二入光端面位于所述波导体的第一表面和第二表面之间；
7.图像源组，所述图像源组包括第一图像源和第二图像源，所述第一图像源设于所述第一入光端面，所述第二图像源设于所述第二入光端面；
8.第一偏振反射膜，所述第一偏振反射膜设于所述波导体的第二表面；以及
9.偏振转换组件，所述偏振转换组件设于所述波导体的第一表面，所述偏振转换组件用于将所述第一图像源和所述第二图像源的光线射向所述波导体的第二表面。
10.在其中一实施例中，所述波导体包括第一波导部和第二波导部，所述第一波导部和所述第二波导部对接，所述第一入光端面位于所述第一波导部远离所述第二波导体的一端，所述第二入光端面位于所述第二波导部远离所述第一波导部的一端。
11.在其中一实施例中，所述第一波导部和所述第二波导部胶合拼接；
12.或，所述第一波导部和所述第二波导部一体成型。
13.在其中一实施例中，所述第一波导部包括第一子表面，所述第二波导部包括第二子表面，所述第一子表面和所述第二子表面形成所述第二表面，所述第一子表面和所述第二子表面呈夹角设置，所述夹角为钝角。
14.在其中一实施例中，所述第一入光端面和所述第一子表面的夹角为锐角，所述第
二入光端面和所述第二子表面的夹角为锐角。
15.在其中一实施例中，所述光学结构还包括用于矫正相差的矫正补偿件，所述矫正补偿件设于所述波导体的第二表面。
16.在其中一实施例中，所述偏振转换组件包括第一相位延迟片、全息反射膜、第二相位延迟片和第二偏振反射膜，所述第一相位延迟片、所述全息反射膜、所述第二相位延迟片和所述第二偏振反射膜自远离所述波导体的方向依次设置；
17.或，所述偏振转换组件包括第一相位延迟片、全息反射膜、第二相位延迟片和偏光片，所述第一相位延迟片、所述全息反射膜和所述偏光片自远离所述波导体的方向依次设置。
18.在其中一实施例中，所述光学结构还包括抗反射偏振膜，所述抗反射偏振膜设于所述第一偏振反射膜背离所述波导体的一侧。
19.在其中一实施例中，所述第一图像源和第二图像源为激光图像源、led图像源、oled图像源或micro-led图像源中的任一一种。
20.此外，为了实现上述目的，本实用新型还提供一种近眼显示设备，所述近眼显示设备包括壳体和如上文所述的光学结构，所述光学结构设于所述壳体。
21.本技术方案中，通过在波导体的两端分别设置图像源，相比现有的单一图像源，扩大了图像光线的来源，发射光线的角度可以更大。在波导体中一个图像源的远端，就是另一图像源的近端，由此两个图像源的设置能够弥补单一图像源的远端没有光线出射的情况，进而提高整个显示图像画面的尺寸，增加用户的视场角，提高用户的沉浸式体验。其中，为了保证图像源组发射的光线能够准确的射向用户。第一偏振反射膜具有透射方向，当光线的偏振方向和第一偏振反射膜的透射方向相同时，光线透射第一偏振反射膜，在与其方向不同时，光线则被第一偏振反射膜反射。并且，通过偏振转换组件的作用，经过第一偏振反射膜反射的光线再次射向波导体的第二表面，直到光线的偏振状态和第一偏振反射膜的透射方向相同。
附图说明
22.图1是本实用新型的光学结构一实施例的结构示意图；
23.图2是图1中光线传播路径的结构示意图；
24.图3是图1中部分结构的结构示意图。
25.附图标号说明：
[0026][0027][0028]
本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0029]
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，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
[0030]
需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0031]
另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0032]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0033]
另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
[0034]
参阅图1-图3所示，本实施例提供一种光学结构，光学结构包括：波导体10、图像源组、第一偏振反射膜310和偏振转换组件。图像源组靠近波导体10设置，可以和波导体10间隔一定距离，也可以抵接在波导体10的表面。第一偏振反射膜310和偏振转换组件分别设置在波导体10相对的两个表面上。第一偏振反射膜310和偏振转换组件可以为独立的光学器件，也可以是依附于波导体10的膜层结构。
[0035]
波导体10具有相对设置的第一表面101和第二表面102，波导体10还具有相对设置的第一入光端面103和第二入光端面104，第一入光端面103位于波导体10的第一表面101和第二表面102之间，第二入光端面104位于波导体10的第一表面101和第二表面102之间；其中，第一表面101面向外界环境，第二表面102面向用户。第一表面101也是一个平整的表面。
[0036]
图像源组包括第一图像源210和第二图像源220，第一图像源210设于第一入光端面103，第二图像源220设于第二入光端面104；第一偏振反射膜310设于波导体10的第二表面102；
[0037]
偏振转换组件设于波导体10的第一表面101，偏振转换组件用于将第一图像源210和第二图像源220的光线射向波导体10的第二表面102。该光学结构可以应用于ar显示技术，也可以应用于vr显示技术。当光学结构应用于ar显示技术时，需要外界环境的光线射入第二表面102，为此，偏振转换组件还能够透射外界射向波导体10的光线。将图像源组发射的光学和外界环境光线叠加到一起。
[0038]
本实施例的技术方案中，通过在波导体10的两端分别设置图像源，相比现有的单一图像源，扩大了图像光线的来源，发射光线的角度可以更大。在波导体10中一个图像源的远端，就是另一图像源的近端，由此两个图像源的设置能够弥补单一图像源的远端没有光线出射的情况，进而提高整个显示图像画面的尺寸，增加用户的视场角，提高用户的沉浸式体验。其中，为了保证图像源组发射的光线能够准确的射向用户。第一偏振反射膜310具有透射方向，当光线的偏振方向和第一偏振反射膜310的透射方向相同时，光线透射第一偏振反射膜310，在与其方向不同时，光线则被第一偏振反射膜310反射。并且，通过偏振转换组件的作用，经过第一偏振反射膜310反射的光线再次射向波导体10的第二表面102，直到光线的偏振状态和第一偏振反射膜310的透射方向相同。
[0039]
进一步地，通过在波导体10的两端分别设置图像源可以将增加视场角，如果图像源增加在头戴显示设备的上下两端，增加的上下方向视角，如果图像源增加在头戴显示设备的左右两端，增加左右方向的视角。
[0040]
在其中一实施例中，波导体10包括第一波导部110和第二波导部120，第一波导部110和第二波导部120对接，第一入光端面103位于第一波导部110远离第二波导体10的一端，第二入光端面104位于第二波导部120远离第一波导部110的一端。
[0041]
其中，波导体10的设置方式至少有两种。其中一种情况时，第一波导部110和第二波导部120胶合拼接；此时第一波导部110和第二波导部120之间的折射率可以相同，也可以不同。具体地，在第一波导部110和第二波导部120之间设置光学胶，将第一波导部110和第二波导部120对接，进行光学图像的校准拼接，从而完成波导体10的设置。通过，第一波导部110和第二波导部120的分开设置，易于光学器件的加工。光学图像的校准拼接，也可以保证叠加的图像不会出现重影。
[0042]
第二种情况是，第一波导部110和第二波导部120一体成型。此时，第一波导部110
和第二波导部120的材质折射率相同。一体成型设置的波导体10作为一个整体器件减少了图像校准的步骤，易于安装。
[0043]
另外，第一波导部110和第二波导部120的结构外形可以相同。即第一波导部110和第二波导部120以对接位置的平面为对称面，第一波导部110和第二波导部120对称设置。
[0044]
在其中一实施例中，第一波导部110包括第一子表面102a，第二波导部120包括第二子表面102b，第一子表面102a和第二子表面102b形成第二表面102，第一子表面102a和第二子表面102b呈夹角设置，夹角为钝角。第一子表面102a和第二子表面102b在面向用户的一侧呈现钝角设置。由此，可以形成一个v形空间，用户的双眼可以位于该v形空间内。通过v形空间的包裹，还可以提高用户的沉浸式体验。
[0045]
在上述实施例中，第一入光端面103和第一子表面102a的夹角为锐角，第二入光端面104和第二子表面102b的夹角为锐角。两个锐角的角度相同，保证光线传播的路径对称，减少重影。另外，通过锐角设置，第一图像源210射向第一子表面102a的入射角，以及第二图像源220射向第二子表面102b的入射角均满足全反射时的临界角。此时，第一图像源210的出光面朝向第一子表面102a，第二图像源220的出光面朝向第二子表面102b。
[0046]
除此之外，第一入光端面103和第一子表面102a的夹角为钝角，第二入光端面104和第二子表面102b的夹角为钝角。两个钝角的角度相同。此时，第一图像源210的出光面朝向第二表面102，第二图像源220的出光面朝向第二表面102。
[0047]
在其中一实施例中，光学结构在应用于ar显示技术时，外界环境光线射向波导体10，在经过偏振转换组件和波导体10的传播后，光线的传播路径发生变化，难以成像的同一个表面上。由此会形成相差，例如光学畸变等。为了减少光学畸变。光学结构还包括用于矫正相差的矫正补偿件50，矫正补偿件50设于波导体10的第二表面102。矫正补偿件50的材质可以和波导体10的材质相同，也可以不同。矫正补偿件50用于矫正经过的光线路径，使其经过光学结构，成像的同一表面，进而减少畸变。
[0048]
在其中一实施例中，偏振转换组件包括第一相位延迟片410、全息反射膜420、第二相位延迟片430和第二偏振反射膜440，第一相位延迟片410、全息反射膜420、第二相位延迟片430和第二偏振反射膜440自远离波导体10的方向依次设置。其中，第一相位延迟片410为四分之波导，第二相位延迟片430为四分之一波片或四分之三波片，第一相位延迟片410和第二相位延迟片430相位延迟相差四分之一个波长。全息反射膜420是根据全息术原理制成的衍射光学膜层。其中，可以通过设计全息反射膜420的衍射图案设计光线的入射、反射和透射关系，使得全息反射膜420具有角度选择性，即，使得全息反射膜420能够反射预设角度的光线，透射其他角度的光线。需要说明的是，在制作全息反射膜420时，通常采用点光源发出的物光和参考光对全息反射膜420进行曝光。本发明一些实施例中，可以采用具有rgb三色波长的光对全息反射膜420进行整体曝光，使得全息反射膜420能够反射以预设角度入射的光线中的红光、绿光和蓝光，使得全息反射膜420反射的红光、绿光和蓝光能够混合形成显示图像所需的各种灰度的光。第二偏振反射膜440具有偏振透射方向，与其偏振透射方向相同的光线透射，与其偏振透射方向相反的光线被反射。
[0049]
具体说明本实施例中，光线的传播过程。第一图像源210和第二图像源220发射的光线均为线偏振光，线偏振光具有第一偏振态和第二偏振态，即p光和s光。第一图像源210发射出第一光线211，第一光线211具有第一偏振态，第一偏振态的光线射向波导体10的第
二表面102，此时，第一光线211经过第一偏振反射膜310时，第一光线211的振动方向与第一偏振反射膜的透射方向不同，第一光线211被第一次反射向波导体10的第一表面101。第一光线211射向第一四分之波片后，转化为圆偏振光。此时，第一光线211以预设角度以外射向全息反射膜420，第一光线211透射全息反射膜420。第一光线211经过第二四分之一波片，圆偏振光转化为线偏振。此时的线偏振态的偏振方向和第二偏振反射膜440的透射方向不同。第一光线211被第二偏振反射膜440反射。被反射的第一光线211，依次穿过第二四分之一波片、全息反射膜420和第一四分之一波片。第一光线211依次经过第二四分之一波和第一四分之一波片后，偏振态不变。此时，第一光线211射向第一偏振反射膜320，第一光线211的偏振方向和第一偏振反射膜320的透射方向不同，第一光线211第二次被反射向第一表面。第一光线211经过第一四分之波片后，第一光线211以预设角度入射的第一偏振态的圆偏振光射向全息反射膜420，全息反射膜420将第一光线211反射。第一光线211再次经过第一四分之一波片后，转化为线偏振光，此时，第一光线211的偏振状态和第一偏振反射膜310的透射方向相同。第一光线211穿过第一偏振反射膜310。其中，全息反射膜420能够反射以预设角度的光线，反射以其他预设角度以外的光线。经过光线在波导体10内的折反射，可以有效的减少光线传播空间，减少头戴显示设备的体积。
[0050]
另外，偏振转换组件包括第一相位延迟片410、全息反射膜420和偏光片，第一相位延迟片410、全息反射膜420片和偏光片自远离波导体的方向依次设置。如此，第一光线211在第一次射向第一表面101时，在第一表面101的入射角大于或等于全反射临界角，第一光线211由光密介质射向光疏介质。第一光线211发生全反射，第一光线211被反射向第二表面102。偏光片的作用在于将外界光线转化为线偏振态的光线。
[0051]
同样地，第二图像源220发射第二光线221，第二光线221的传播过程也参考上述第一光线211的传播过程，在此，不再赘述。
[0052]
此外，为了保证第一图像源210和第二图像源220发射的光线为线偏振光，还可以在第一图像源210和第二图像源220的出光面设置偏振片，通过偏振片将自然光、圆偏振光或椭圆偏振光转化为线偏振光。
[0053]
本实施例还可以用在ar显示技术中，此时需要外界光线610进入到头戴显示设备的内部。为了保证光线能够顺利进入到头戴显示设备的内部。偏振转换组件还用于将外界光线610中的第二偏振光透射至第一偏振反射膜310，以使外界光线610中的第二偏振光透过波导体10。其中，外界光线610是光波导器件所处环境中的环境光。也就是说，采用该波导体10的头戴显示设备可以透射背景光。第二偏振反射膜440具有偏振透射方向，第二偏振反射膜440的偏振透射方向和第二偏振光的振动方向相同。外界光线610中的第二偏振光可以穿过第二偏振反射膜440，其它偏振态的光线被反射，阻挡在波导体10的外部。第二偏振态的光线，依次经过第二四分之一波片、全息反射膜420和第一四分之一波片。第二偏振态的光线保持偏振状态不变，在第二偏振态的光线射向第一偏振反射膜310后，第二偏振态的偏振方向和第一偏振反射膜310的透射方向相同，由此，外界光线610可以顺利的透射波导体10。可以实现虚实结合的显示方式。
[0054]
在其中一实施例中，光学结构还包括抗反射偏振膜320，抗反射偏振膜320设于第一偏振反射膜310背离波导体10的一侧。抗反射偏振膜320在于进一步过滤掉第一偏振态的光线，保证第二偏振态的光线顺利透射。另外，用户方向也会存在射向第二表面的光线，这
部分光线的存在用户能够看到自身这一侧的图像，这部分光线的存在会影响用户观看的效果。通过抗反射偏振膜320的设置也能够减少这部分光线的反射。
[0055]
在其中一实施例中，第一图像源210和第二图像源220为激光图像源、led图像源、oled图像源或micro-led图像源中的任一一种。图像源优选为激光图像源，该激光图像源显示的图像为激光光源图像包括激光照明的lcd图像或者激光照明的微型投影仪投射在扩散膜上的投影实像。
[0056]
本实用新型还提供一种近眼显示设备，所述近眼显示设备包括壳体和光学结构，光学结构设于壳体。光学结构包括波导体10、图像源组、第一偏振反射膜310和偏振转换组件。图像源组靠近波导体10设置，可以和波导体10间隔一定距离，也可以抵接在波导体10的表面。第一偏振反射膜310和偏振转换组件分别设置在波导体10相对的两个表面上。第一偏振反射膜310和偏振转换组件可以为独立的光学器件，也可以是依附于波导体10的膜层结构。
[0057]
波导体10具有相对设置的第一表面101和第二表面102，波导体10还具有相对设置的第一入光端面103和第二入光端面104，第一入光端面103位于波导体10的第一表面101和第二表面102之间，第二入光端面104位于波导体10的第一表面101和第二表面102之间；其中，第一表面101面向外界环境，第二表面102面向用户。第一表面101也是一个平整的表面。
[0058]
图像源组包括第一图像源210和第二图像源220，第一图像源210设于第一入光端面103，第二图像源220设于第二入光端面104；第一偏振反射膜310设于波导体10的第二表面102；
[0059]
偏振转换组件设于波导体10的第一表面101，偏振转换组件用于将第一图像源210和第二图像源220的光线射向波导体10的第二表面102。该光学结构可以应用于ar显示技术，也可以应用于vr显示技术。当光学结构应用于ar显示技术时，需要外界环境的光线射入第二表面102，为此，偏振转换组件还能够透射外界射向波导体10的光线。将图像源组发射的光学和外界环境光线叠加到一起。
[0060]
本实施例的技术方案中，通过在近眼显示设备的波导体10的两端分别设置图像源，相比现有的单一图像源，扩大了图像光线的来源，发射光线的角度可以更大。在波导体10中一个图像源的远端，就是另一图像源的近端，由此两个图像源的设置能够弥补单一图像源的远端没有光线出射的情况，进而提高整个显示图像画面的尺寸，增加用户的视场角，提高用户的沉浸式体验。其中，为了保证图像源组发射的光线能够准确的射向用户。第一偏振反射膜310具有透射方向，当光线的偏振方向和第一偏振反射膜310的透射方向相同时，光线透射第一偏振反射膜310，在与其方向不同时，光线则被第一偏振反射膜310反射。并且，通过偏振转换组件的作用，经过第一偏振反射膜310反射的光线再次射向波导体10的第二表面102，直到光线的偏振状态和第一偏振反射膜310的透射方向相同。
[0061]
其中，近眼显示设备的其他实施方式参考上述光学结构的设计，在此不再赘述。
[0062]
以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。