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CN111562678B - 一种视场角的调整方法及近眼显示设备 - Google Patents

一种视场角的调整方法及近眼显示设备 Download PDF

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CN111562678B CN202010672861.XA CN202010672861A CN111562678B CN 111562678 B CN111562678 B CN 111562678B CN 202010672861 A CN202010672861 A CN 202010672861A CN 111562678 B CN111562678 B CN 111562678B
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Abstract

本发明实施例涉及光学设计技术领域，公开了一种视场角的调整方法，应用于近眼显示设备中的波导片，波导片与相对于人体面部水平方向呈一倾斜夹角，该方法首先获取波导片的折射率和底角，然后确定所需要的视场角，接着根据波导片的折射率和底角、视场角，计算该波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角，最后通过调整该倾斜夹角，使得近眼显示设备具有所述视场角，本发明实施例提供的调整方法能够使得波导片同时实现低折射率和大视场角，且成像较好、成本较低、稳定性较好。

Description

一种视场角的调整方法及近眼显示设备
技术领域
本发明实施例涉及光学设计技术领域，特别涉及一种视场角的调整方法及近眼显示设备。
背景技术
近眼显示是目前的研究热点内容，如头盔形态的虚拟现实显示及智能眼镜形态的增强现实显示等。近眼显示能够给人们提供前所未有的交互感，在远程医疗、工业设计、教育、军事虚拟训练、娱乐等众多领域具有重要的应用价值。目前在近眼显示领域中，通常采用光波导片传输光线，一方面，光波导能够带来较好的成像效果，另一方面，有利于近眼显示设备的小型化。
在实现本发明实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：目前市面上的近眼显示设备要调整设备的视场角时，会受到波导片的材料折射率的限制，在需要增大设备的视场角时，需要替换近眼显示设备中的波导片，采用更高折射率的波导片实现更大的视场角，而采用高折射率的波导片通过会带来成像质量降低、成本增加、稳定性差等问题。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例的目的是提供一种成像较好、成本较低、稳定性较好的视场角的调整方法及近眼显示设备。
本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例中提供了一种视场角的调整方法，应用于近眼显示设备中的波导片，所述波导片与相对于人体面部水平方向呈一倾斜夹角，所述方法包括：
获取所述波导片的折射率和底角；
确定所需要的视场角；
根据所述波导片的折射率和底角、所述视场角，计算所述波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角；
调整所述倾斜夹角，以使所述近眼显示设备具有所述视场角。
在一些实施例中，所述计算所述波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角的计算公式如下：
Figure 661321DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 499964DEST_PATH_IMAGE002
表示波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角，
Figure 347DEST_PATH_IMAGE004
表示波导片的折射率，
Figure 266243DEST_PATH_IMAGE006
表示波导片的底角，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示视场角。
在一些实施例中，所述近眼显示设备还包括用于出射投影成像光线的微显示器和投影模组，所述方法还包括：
根据所述波导片的折射率和底角、所述视场角和所述倾斜夹角，计算投影成像光线在所述波导片中全反射传输的入射角；
调整所述微显示器和投影模组的朝向，以调整所述投影成像光线在所述波导片中全反射传输的入射角，以使所述近眼显示设备具有所述视场角。
在一些实施例中，所述计算投影成像光线在所述波导片中全反射传输的入射角的计算公式如下：
Figure 734134DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示投影成像光线在所述波导片中全反射传输的入射角，
Figure 455096DEST_PATH_IMAGE006
表示波导片的底角，
Figure 669040DEST_PATH_IMAGE007
表示视场角，
Figure 230471DEST_PATH_IMAGE002
表示波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角，
Figure 795445DEST_PATH_IMAGE004
表示波导片的折射率。
在一些实施例中，所述方法还包括：
根据所述投影成像光线进入所述波导片的入射角及所述波导片的折射率和底角，计算杂散光在所述波导片的入射角；
根据所述波导片的长度、所述波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角和所述近眼显示设备的视场角，计算所述近眼显示设备的眼盒横向大小；
调整所述波导片的底角，以调整杂散光在所述波导片的出射角，使得所述杂散光偏出所述近眼显示设备的眼盒。
在一些实施例中，所述计算杂散光在所述波导片的入射角的计算公式如下：
Figure 851257DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示杂散光在所述波导片的入射角，
Figure 716444DEST_PATH_IMAGE006
表示波导片的底角，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示投影成像光线进入所述波导片的入射角，
Figure 652039DEST_PATH_IMAGE004
表示波导片的折射率。
在一些实施例中，所述计算所述近眼显示设备的眼盒横向大小的计算公式如下：
Figure 311166DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示近眼显示设备的眼盒横向大小，
Figure 560882DEST_PATH_IMAGE016
表示波导片的长度，
Figure 874052DEST_PATH_IMAGE002
表示波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角，
Figure 652652DEST_PATH_IMAGE007
表示视场角。
为解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例中提供了一种近眼显示设备，包括：
波导片，所述波导片与相对于人体面部水平方向呈一倾斜夹角；
控制器，其与所述波导片连接，所述控制器包括至少一个处理器，以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述第一方面所述的视场角的调整方法。
在一些实施例中，所述近眼显示设备还包括：用于出射投影成像光线的微显示器和投影模组，所述微显示器和投影模组分别与所述控制器连接，所述控制器用于控制调整所述微显示器和投影模组的朝向，以调整投影成像光线在所述波导片中全反射传输的入射角。
在一些实施例中，所述近眼显示设备还包括：
棱镜，所述投影成像光线通过所述棱镜折射入射至所述波导片；或者，
衍射元件，所述投影成像光线通过所述衍射元件衍射入射至所述波导片。
为解决上述技术问题，第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如上第一方面所述的方法。
为解决上述技术问题，第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行如上第一方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例中提供了一种视场角的调整方法，应用于近眼显示设备中的波导片，波导片与相对于人体面部水平方向呈一倾斜夹角，该方法首先获取波导片的折射率和底角，然后确定所需要的视场角，接着根据波导片的折射率和底角、视场角，计算该波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角，最后通过调整该倾斜夹角，使得近眼显示设备具有所述视场角，本发明实施例提供的调整方法能够使得波导片同时实现低折射率和大视场角，且成像较好、成本较低、稳定性较好。
附图说明
一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1为本发明实施例提供的视场角的调整方法的其中一种应用环境的示意图；
图2为一种微透镜阵列的参数示意图；
图3（a）为投影成像光线从光波导的一侧折射入射的光路结构示意图；
图3（b）为投影成像光线从光波导的另一侧折射入射的光路结构示意图；
图4为本发明实施例一提供的一种视场角的调整方法的流程示意图；
图5为光线在波导片中的传播原理示意图；
图6为波导片的不同底角和不同倾斜夹角与投影成像光线在波导片中全反射传输的入射角的关系图；
图7为本发明实施例一提供的另一种视场角的调整方法的流程示意图；
图8为本发明实施例一提供的一种规避杂散光的方法的流程示意图；
图9（a）为杂散光从波导片的一表面入射的光路结构示意图；
图9（b）为杂散光从波导片的另一表面入射的光路结构示意图；
图10为从波导片出射的出瞳光线的光路原理示意图；
图11为波导片的倾斜夹角与眼盒横向大小的关系图；
图12为波导片中杂散光的消除原理示意图；
图13为底角为25°波导片在不同折射率和不同倾斜夹角的情况下的最大视场角的示意图；
图14为本发明实施例二提供的一种近眼显示设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
普通近眼显示设备要实现较大的视场角，通常会受到近眼显示设备中波导片的材料折射率的方法，现有波导片想要增大视场角，通常只能通过增加波导片的底角和/或增加波导片的折射率的方式来实现，然而，前者通常会引入杂散光，大幅度降低成像画质，而后者虽然对成像画质影响不大，但采用高折射率的波导片有会带来更多材料的问题以及更高的成本，例如，高折射率材料的色散、镀膜性能改变、胶水的折射率匹配程度、粘合力、稳定性等新的问题。
为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种视场角的调整方法，应用于近眼显示设备中的波导片，该方法通过调整波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角来调整设备的视场角，且优选地，近眼显示设备中的波导片可采用低折射率的材料，其工艺更为成熟，本发明实施例提供的调整方法能够同时实现近眼显示设备中波导片的大视场角和低折射率，设备成本更低、稳定性更佳。
图1为本发明实施例提供的视场角的调整方法的其中一种应用环境的示意图，其中，该应用环境为一近眼显示设备，该近眼显示设备包括：微显示器1、投影模组2、耦入光栅3、波导片4和耦出光栅5，其中，微显示器1出射的投影成像光线经过投影模组2准直后，通过耦入光栅3衍射后出射的目标衍射级的光线以入射角i斜入射耦入到波导片4中，满足全反射条件的光纤在波导片4内进行功率无损耗传播，直至遇到耦出光栅5后再次发生衍射耦出至人眼成像。其中，所述波导片4的底角为
Figure 802005DEST_PATH_IMAGE006
。可选地，所述波导片4与相对于人体面部水平方向呈一倾斜夹角
Figure 324253DEST_PATH_IMAGE002
。
在一些实施例中，所述耦入光栅3也可以替换为其他衍射元件，例如，微透镜阵列或者超表面等衍射元件。其中，当选用微透镜阵列时，请一并参见图2，其示出了一种微透镜阵列的参数示意图，所述微透镜阵列可选用周期为447.1nm，槽深为276nm，K9折射率为1.52，TiO2折射率为2.443245，TiO2膜厚为106nm（共形镀膜）的微透镜阵列，以实现85%以上的衍射效率。
在一些实施例中，除了上述通过衍射元件衍射入射的方式，所述投影成像光线也可以是通过棱镜等折射元件折射入射至所述波导片4中，具体地，请一并参见图3（a）和图3（b），其分别示出了投影成像光线分别从光波导的两侧通过棱镜折射入射至所述波导片的光路结构示意图。可选地，所述投影成像光线可以是如图1、图3（a）和图3（b）所示的斜面入射，也可以是平面垂直入射。
具体地，下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
实施例一
本发明实施例提供了一种视场角的调整方法，应用于近眼显示设备中的波导片，所述近眼显示设备可以是上述应用场景所述的近眼显示设备，所述波导片与相对于人体面部水平方向呈一倾斜夹角
Figure 429612DEST_PATH_IMAGE002
，请一并参见图4，其示出了本发明实施例提供的一种视场角的调整方法的流程图，所述视场角的调整方法包括但不限于以下步骤：
步骤10：获取所述波导片的折射率和底角。
在本发明实施例中，所述波导片的折射率可根据所述波导片的型号进行确定，优选地，采用低折射率材料制成的光波导片，以降低原材料的获取难度、降低工艺和器件成本。所述波导片的底角可根据所述波导片与所述近眼显示设备中投影组件的相对位置来确认，具体地，可通过角度测量仪器检测所述波导片的底角。进一步地，在一些实施例中，也可结合调整所述波导片的底角来调整所述近眼显示设备中波导片的视场角。
步骤20：确定所需要的视场角。
在本发明实施例中，进一步地，为确定波导片的调整方向和范围，确认用户使用该近眼显示设备所需要的视场角，所述所需要的视场角可以是一个定值，也可以是一个范围，具体地，可根据实际需要进行选择和确定。
步骤30：根据所述波导片的折射率和底角、所述视场角，计算所述波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角。
优选地，在本发明实施例中，所述倾斜夹角不为零。请一并结合图5，其示出了光线在波导片中的传播原理，其中，虚拟像为上述应用场景中所述的投影成像光线全反射进入波导片的传播光线，外界环境的背景光能够透射所述波导片传递至人眼，以使用户能够合成得到虚拟像叠加在外界环境的图像，实现增强现实显示（AR）。在一些实施例中，所述波导片也可以在远离人眼的一侧镀设反射膜，以使外界环境的背景光无法进入人眼，实现虚拟现实显示（VR）。由于光线在光波导中全反射传播满足折射定律：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 972589DEST_PATH_IMAGE004
表示波导片的折射率，
Figure 609238DEST_PATH_IMAGE013
表示投影成像光线进入所述波导片的入射角，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
表示投影成像光线进入波导片入射角
Figure 935177DEST_PATH_IMAGE013
对应的光线折射出射的角度，
Figure 488518DEST_PATH_IMAGE009
表示投影成像光线在所述波导片中全反射传输（即图5中的虚拟像）的入射角。
且有，投影成像光纤在波导片中传输时，在波导片中上下主表面的入射角度（即投影光纤在波导片中全反射传输的入射角）需要大于全反射临界角，基于图1所示近眼显示设备，所述投影成像光线在所述波导片中全反射传输满足：
Figure 608921DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 467286DEST_PATH_IMAGE009
表示投影成像光线在所述波导片中全反射传输的入射角，
Figure 331337DEST_PATH_IMAGE006
表示波导片的底角，
Figure 739185DEST_PATH_IMAGE019
表示投影成像光线进入波导片入射角
Figure 827227DEST_PATH_IMAGE013
对应的光线折射出射的角度。
进而，结合上述两个公式，以及视场角与倾斜夹角的关系可以得到，所述计算所述波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 904379DEST_PATH_IMAGE002
表示波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角，
Figure 306542DEST_PATH_IMAGE004
表示波导片的折射率，
Figure 568896DEST_PATH_IMAGE006
表示波导片的底角，
Figure 827839DEST_PATH_IMAGE007
表示视场角。
步骤40：调整所述倾斜夹角，以使所述近眼显示设备具有所述视场角。
请一并参见图6，其示出了波导片的不同底角和不同倾斜夹角与投影成像光线在波导片中全反射传输的入射角的关系图，在图6中，所述视场角
Figure 51010DEST_PATH_IMAGE007
设定为±20°，波导片的折射率
Figure 397809DEST_PATH_IMAGE004
为1.5168，S1至S5五条曲线分别出示了波导片呈从小到大的五种底角时倾斜夹角
Figure 124456DEST_PATH_IMAGE002
（横坐标）与投影成像光线在波导片中全反射传输的入射角
Figure 882197DEST_PATH_IMAGE009
（纵坐标）的关系，有图6可知，增加所述波导片的倾斜夹角
Figure 592664DEST_PATH_IMAGE002
能够显著增加投影成像光线在波导片中全反射传输的入射角
Figure 398946DEST_PATH_IMAGE009
，同时降低波导片的底角
Figure 121045DEST_PATH_IMAGE006
。进一步地，同样对于H-K9L玻璃材料的波导片，若不倾斜所述波导片，要得到40°的视场角
Figure 190632DEST_PATH_IMAGE007
，需要27°以上的底角
Figure 981871DEST_PATH_IMAGE006
。
在一些实施例中，如上述应用场景所示，所述近眼显示设备还可以包括用于出射投影成像光线的微显示器和投影模组，请一并参见图7，基于图4及其实施例所示的方法，所述调整方法还可以包括以下步骤：
步骤50：根据所述波导片的折射率和底角、所述视场角和所述倾斜夹角，计算投影成像光线在所述波导片中全反射传输的入射角。
结合步骤30可知，投影成像光线在波导片中传播需要满足全反射条件，由上述步骤30中的公式可推导得到，所述计算投影成像光线在所述波导片中全反射传输的入射角的计算公式如下：
Figure 795106DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure 371712DEST_PATH_IMAGE009
表示投影成像光线在所述波导片中全反射传输的入射角，
Figure 408938DEST_PATH_IMAGE006
表示波导片的底角，
Figure 828418DEST_PATH_IMAGE007
表示视场角，
Figure 304399DEST_PATH_IMAGE002
表示波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角，
Figure 860145DEST_PATH_IMAGE004
表示波导片的折射率。
步骤60：调整所述微显示器和投影模组的朝向，以调整所述投影成像光线在所述波导片中全反射传输的入射角，以使所述近眼显示设备具有所述视场角。
如应用场景和图1所示，可通过调整所述微显示器和投影模组的朝向，调整投影成像光线入射到波导片中的入射角
Figure 143972DEST_PATH_IMAGE013
和底角
Figure 50748DEST_PATH_IMAGE006
，从而调整投影成像光线在波导片中的出射角度
Figure 2523DEST_PATH_IMAGE019
，进而调整投影成像光线在所述波导片中全反射传输的入射角
Figure 802989DEST_PATH_IMAGE009
，以使所述近眼显示设备具有所述视场角
Figure 385280DEST_PATH_IMAGE007
。
在一些实施例中，解决大视场角下波导片底角过大可能会产生的杂散光问题，本发明实施例还提供了一种规避杂散光的方法，请一并参见图8，基于图4和图7及其实施例所示的方法，所述调整方法还可以包括以下步骤：
步骤70：根据所述投影成像光线进入所述波导片的入射角及所述波导片的折射率和底角，计算杂散光在所述波导片的入射角。
通常情况下，入射角越大，反射率越强，当大角度光线入射到半透半反射面上时会产生杂散光，具体地，分为从波导片的两个表面入射两种情况，请一并参见图9（a）和图9（b），其示出了杂散光分别从波导片的两个表面入射的两种情况，其中，在图9（a）中，投影成像光线以
Figure 389139DEST_PATH_IMAGE023
角从上表面入射后与波导片的半反半透面相交后到达下表面相交于
Figure 82289DEST_PATH_IMAGE024
点，
Figure 2840DEST_PATH_IMAGE024
点位于半反半透面边界
Figure 287191DEST_PATH_IMAGE025
点的左侧，杂散光以
Figure 981609DEST_PATH_IMAGE009
角在波导片中传播；图9（b）所示光路与图9（a）所示光路情况相反，图9（a）和图9（b）均能产生一束杂散光，且图9（a）中的投影成像光线在图9（b）中为杂散光，图9（a）中的杂散光在图9（b）中为投影成像光线；在图9（b）中，投影成像光线从下表面入射后到达波导片的上表面相交于
Figure 337504DEST_PATH_IMAGE024
点，
Figure 987928DEST_PATH_IMAGE024
点位于半反半透面边界
Figure 787388DEST_PATH_IMAGE025
点的右侧，然后投影成像光线从与半反半透面相交，则图9（b）中杂散光在下表面的入射角满足：
Figure 483948DEST_PATH_IMAGE026
其中，
Figure 518900DEST_PATH_IMAGE011
表示杂散光在所述波导片的入射角，
Figure 427426DEST_PATH_IMAGE006
表示波导片的底角，
Figure 850317DEST_PATH_IMAGE019
表示投影成像光线进入波导片入射角
Figure 440698DEST_PATH_IMAGE013
对应的光线折射出射的角度，基于折射定律可知，所述计算杂散光在所述波导片的入射角的计算公式如下：
Figure 154708DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 576462DEST_PATH_IMAGE011
表示杂散光在所述波导片的入射角，
Figure 842358DEST_PATH_IMAGE006
表示波导片的底角，
Figure 779090DEST_PATH_IMAGE013
表示投影成像光线进入所述波导片的入射角，
Figure 952582DEST_PATH_IMAGE004
表示波导片的折射率。
步骤80：根据所述波导片的长度、所述波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角和所述近眼显示设备的视场角，计算所述近眼显示设备的眼盒横向大小。
在本发明实施例中，为了消除杂散光对成像的影响，优选地，只需将杂散光移除近眼显示设备的眼盒（Eyebox）即可，所述眼盒为近眼显示设备中眼睛所能观察图像、接收投影成像光线的区域。请一并参见图10，其示出了从波导片出射的出瞳光线的光路原理，
Figure 432105DEST_PATH_IMAGE015
为近眼显示设备的眼盒横向大小，
Figure 478690DEST_PATH_IMAGE028
为通孔到波导片下表面的距离（即瞳距），
Figure 840401DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 755267DEST_PATH_IMAGE030
分别为
Figure 213931DEST_PATH_IMAGE031
两个视场角出射的投影成像光线到出瞳表面的距离，
Figure 618367DEST_PATH_IMAGE016
表示波导片的折射面的长度，
Figure 670637DEST_PATH_IMAGE002
为波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角由图10可知，上述各参数存在下述关系：
Figure 264560DEST_PATH_IMAGE032
联合上述两公式可得到，所述计算所述近眼显示设备的眼盒横向大小的计算公式如下：
Figure 453096DEST_PATH_IMAGE033
其中，
Figure 28434DEST_PATH_IMAGE015
表示近眼显示设备的眼盒横向大小，
Figure 692633DEST_PATH_IMAGE016
表示波导片的长度，
Figure 949302DEST_PATH_IMAGE002
表示波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角，
Figure 54662DEST_PATH_IMAGE007
表示视场角。不难得出，若要增加近眼显示设备中眼盒的尺寸，则需要相应增加波导片的长度，且在视场角
Figure 876600DEST_PATH_IMAGE007
和倾斜角度
Figure 637882DEST_PATH_IMAGE002
确定时，眼盒横向大小
Figure 494980DEST_PATH_IMAGE015
还与瞳距
Figure 517163DEST_PATH_IMAGE028
成反比。请一并参见图11，其示出了眼盒横向大小
Figure 903144DEST_PATH_IMAGE015
与波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角
Figure 27089DEST_PATH_IMAGE002
的关系图，在图11中，横坐标表示倾斜夹角
Figure 687878DEST_PATH_IMAGE002
，纵坐标表示眼盒横向大小
Figure 705512DEST_PATH_IMAGE015
，视场角
Figure 121450DEST_PATH_IMAGE007
为17.3°，波导片的长度
Figure 654063DEST_PATH_IMAGE016
为22.1mm，瞳距
Figure 56225DEST_PATH_IMAGE028
为22mm，不难得出，在视场角
Figure 990683DEST_PATH_IMAGE007
、瞳距
Figure 328255DEST_PATH_IMAGE028
和波导片的长度
Figure 285847DEST_PATH_IMAGE016
确定时，眼盒横向大小
Figure 288438DEST_PATH_IMAGE015
与波导片的倾斜夹角
Figure 139719DEST_PATH_IMAGE002
成反比关系。
步骤90：调整所述波导片的底角，以调整杂散光在所述波导片的出射角，使得所述杂散光偏出所述近眼显示设备的眼盒。
基于图11，请一并参见图12，其示出了杂散光的消除原理示意图，不难看出，为了消除杂散光，将杂散光出射到眼盒之外，需要满足以下关系：
Figure 38405DEST_PATH_IMAGE034
其中，
Figure 545610DEST_PATH_IMAGE035
表示杂散光在波导片中的出射角度，
Figure 899362DEST_PATH_IMAGE028
表示瞳距，
Figure 11674DEST_PATH_IMAGE002
表示波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角，
Figure 612420DEST_PATH_IMAGE015
表示近眼显示设备的眼盒横向大小，
Figure 669237DEST_PATH_IMAGE007
表示视场角，
Figure 216893DEST_PATH_IMAGE029
为视场角
Figure 980450DEST_PATH_IMAGE007
出射的投影成像光线到出瞳表面的距离，不难得出，为了消除杂散光，使得杂散光偏出眼盒，需要波导片中的出射角度
Figure 827796DEST_PATH_IMAGE035
足够大才行，而由步骤70可知，出射角度
Figure 247276DEST_PATH_IMAGE036
与波导片的底角
Figure 395360DEST_PATH_IMAGE006
相关，因而，通过调整所述底角
Figure 341320DEST_PATH_IMAGE006
，以调整杂散光在所述波导片的出射角
Figure 487130DEST_PATH_IMAGE035
，使得所述杂散光偏出所述近眼显示设备的眼盒。
进一步地，本发明实施例还提供了两种波导片的优化方式及两组波导片的优化参数：
第一种优化方式及第一组优化参数：
在本优化实施例中，请一并参见图1及应用场景所示实施例，当微显示器和投影模组出射的投影成像光线通过耦入光栅衍射入射至波导片时，进入波导片的目标衍射级的光纤在平板波导中全反射传播需要同时满足两个条件：1）衍射角需要大于光波导的全内反射角；2）光波导的入瞳间距不能与人眼光瞳差异太大。基于上述两个条件，本实施例提供的光波导的参数计算可以参考以下二维光栅方程：
Figure 190644DEST_PATH_IMAGE037
Figure 955469DEST_PATH_IMAGE038
其中，
Figure 631301DEST_PATH_IMAGE039
为衍射级次，
Figure 10330DEST_PATH_IMAGE040
为衍射级
Figure 529036DEST_PATH_IMAGE039
的方位角，
Figure 956606DEST_PATH_IMAGE041
为衍射级为
Figure 283682DEST_PATH_IMAGE042
的极化角，
Figure 646661DEST_PATH_IMAGE013
为耦入光栅入射光线的入射极化角，
Figure 528030DEST_PATH_IMAGE044
为入射光线方位角，
Figure 821608DEST_PATH_IMAGE004
为折射率，
Figure 596666DEST_PATH_IMAGE045
分别是二维光栅横向周期和纵向周期，
Figure 989601DEST_PATH_IMAGE046
为入射光波长。
在本优化实施例中，控制投影成像光线的倾斜方向为一维方向（沿x方向）倾斜，根据目标衍射级在平板波导传播的两个条件和二维光栅方程，设计一个对应入射视场光线倾斜角度为6°的光栅波导元器件。如下表所示：
倾斜角度 0° 6°
H_FOV 18° 18°
V_FOV 32° 32°
h 1mm 1mm
λ 525nm 525nm
n 1.7964 1.5659
duty ratio 50% 50%
d 454nm 454nm
其中，H_FOV为横向视场角，V_FOV为纵向视场角，h为平板波导/波导片的厚度，λ为入射光波长，n为平板波导折射率，duty ratio为光栅占空比，d为光栅周期。
第二种优化方式及第二组优化参数：
本优化实施例对波导片的倾斜夹角
Figure 155003DEST_PATH_IMAGE002
和底角
Figure 65321DEST_PATH_IMAGE006
进行了进一步地优化，结合上述实施例可知，为消除杂散光，底角
Figure 570252DEST_PATH_IMAGE006
需要尽量取较小的值，为了得到较大的视场角，底角
Figure 196406DEST_PATH_IMAGE006
又需要取较大的值，请一并参见下表和图13，其示出了底角确定时（为25°）波导片在不同折射率和不同倾斜夹角的情况下的最大视场角。
Figure 177000DEST_PATH_IMAGE047
图13具体绘制了三个不同倾斜角度和按个不同折射率的情况下最大视场角的示意图，其中，绘制了左右边界视场的光线图，由上表和图13可知，若不倾斜波导片，则需要增加折射率来增大视场角，例如，在波导片不进行倾斜的情况下，需要设计视场角为30°左右的视场角时需要采用折射率为1.8左右的波导片材质才能完成，而在本申请中，将波导片倾斜4°到8°之间，采用折射率为1.7左右的波导片材质即可实现30°的视场角。优选地，本发明实施例对波导片的各数据进行优化后，可得到一组设计参数以满足低折射率大市场的光场成像，且能够满足其他光学指标：底角
Figure 750064DEST_PATH_IMAGE006
选取27°，波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角
Figure 981937DEST_PATH_IMAGE002
选取4°，瞳距
Figure 247834DEST_PATH_IMAGE028
选择22mm，近眼显示设备的眼盒横向大小
Figure 450145DEST_PATH_IMAGE015
选取8mm，波导片选用H-K9L玻璃，可达到17.3°的视场角
Figure 889216DEST_PATH_IMAGE007
，且视场角全角为40°。
实施例二
本发明实施例提供了一种近眼显示设备，请一并参见图14，其示出了本发明实施例提供了一种近眼显示设备，所述近眼显示设备包括：波导片4和控制器6，所述波导片4与相对于人体面部水平方向呈一倾斜夹角，所述控制器6与所述波导片4连接。
所述近眼显示设备还包括：用于出射投影成像光线的微显示器1和投影模组2，所述微显示器1和投影模组2分别与所述控制器6连接，所述控制器6用于控制调整所述微显示器1和投影模组2的朝向，以调整投影成像光线在所述波导片4中全反射传输的入射角。
所述近眼显示设备还包括：棱镜3a，所述投影成像光线通过所述棱镜3a折射入射至所述波导片4；或者，衍射元件3b，所述投影成像光线通过所述衍射元件3b衍射入射至所述波导片4。
所述近眼显示设备可以是上述应用场景及图1所示的近眼显示设备，同样的，所述微显示器1、所述投影模组2、所述棱镜3a/衍射元件3b、所述波导片4可以是如上述应用场景及图1所示的近眼显示设备，具体请参见上述实施例，此处不再详述。
所述控制器6包括：至少一个处理器6a；以及，与所述至少一个处理器6a通信连接的存储器6b，图14中以其以一个处理器6a为例。所述存储器6b存储有可被所述至少一个处理器6a执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器6a执行，以使所述至少一个处理器6a能够执行上述图4、图7和图8所述的视场角的调整方法。所述处理器6a和所述存储器6b可以通过总线或者其他方式连接，图14中以通过总线连接为例。
存储器6b作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的视场角的调整方法对应的程序指令/模块。处理器6a通过运行存储在存储器6b中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例视场角的调整方法。
存储器6b可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据视场角的调整装置的使用所创建的数据等。此外，存储器6b可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器6b可选包括相对于处理器6a远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至视场角的调整装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
所述一个或者多个模块存储在所述存储器6b中，当被所述一个或者多个处理器6a执行时，执行上述任意方法实施例中的视场角的调整方法，例如，执行以上描述的图4、图7和图8的方法步骤。
上述产品可执行本申请实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本申请实施例所提供的方法。
本申请实施例还提供了一种非易失性计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行，例如，执行以上描述的图4、图7和图8的方法步骤。
本申请实施例还提供了一种计算机程序产品，包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时时，使所述计算机执行上述任意方法实施例中的视场角的调整方法，例如，执行以上描述的图4、图7和图8的方法步骤。
本发明实施例中提供了一种视场角的调整方法，应用于近眼显示设备中的波导片，波导片与相对于人体面部水平方向呈一倾斜夹角，该方法首先获取波导片的折射率和底角，然后确定所需要的视场角，接着根据波导片的折射率和底角、视场角，计算该波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角，最后通过调整该倾斜夹角，使得近眼显示设备具有所述视场角，本发明实施例提供的调整方法能够使得波导片同时实现低折射率和大视场角，且成像较好、成本较低、稳定性较好。
需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施方式的描述，本领域普通技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory, ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory, RAM)等。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种视场角的调整方法，其特征在于，应用于近眼显示设备中的波导片，所述波导片与相对于人体面部水平方向呈一倾斜夹角，所述方法包括：
获取所述波导片的折射率和底角；
确定所需要的视场角；
根据所述波导片的折射率和底角、所述视场角，计算所述波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角；
调整所述倾斜夹角，以使所述近眼显示设备具有所述视场角；其中，
所述计算所述波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角的计算公式如下：
Figure 111040DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 455434DEST_PATH_IMAGE002
表示波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角，
Figure 218991DEST_PATH_IMAGE004
表示波导片的折射率，
Figure 256217DEST_PATH_IMAGE006
表示波导片的底角，
Figure 472435DEST_PATH_IMAGE007
表示视场角。
2.根据权利要求1所述的调整方法，其特征在于，所述近眼显示设备还包括用于出射投影成像光线的微显示器和投影模组，所述方法还包括：
根据所述波导片的折射率和底角、所述视场角和所述倾斜夹角，计算投影成像光线在所述波导片中全反射传输的入射角；
调整所述微显示器和投影模组的朝向，以调整所述投影成像光线在所述波导片中全反射传输的入射角，以使所述近眼显示设备具有所述视场角。
3.根据权利要求2所述的调整方法，其特征在于，
所述计算投影成像光线在所述波导片中全反射传输的入射角的计算公式如下：
Figure 354940DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 973003DEST_PATH_IMAGE009
表示投影成像光线在所述波导片中全反射传输的入射角，
Figure 181131DEST_PATH_IMAGE006
表示波导片的底角，
Figure 884644DEST_PATH_IMAGE007
表示视场角，
Figure 337885DEST_PATH_IMAGE002
表示波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角，
Figure 810454DEST_PATH_IMAGE004
表示波导片的折射率。
4.根据权利要求2所述的调整方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述投影成像光线进入所述波导片的入射角及所述波导片的折射率和底角，计算杂散光在所述波导片的入射角；
根据所述波导片的长度、所述波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角和所述近眼显示设备的视场角，计算所述近眼显示设备的眼盒横向大小；
调整所述波导片的底角，以调整杂散光在所述波导片的出射角，使得所述杂散光偏出所述近眼显示设备的眼盒。
5.根据权利要求4所述的调整方法，其特征在于，
所述计算杂散光在所述波导片的入射角的计算公式如下：
Figure 189483DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 380293DEST_PATH_IMAGE011
表示杂散光在所述波导片的入射角，
Figure 135759DEST_PATH_IMAGE006
表示波导片的底角，
Figure 197256DEST_PATH_IMAGE013
表示投影成像光线进入所述波导片的入射角，
Figure 747186DEST_PATH_IMAGE004
表示波导片的折射率。
6.根据权利要求4所述的调整方法，其特征在于，
所述计算所述近眼显示设备的眼盒横向大小的计算公式如下：
Figure 425292DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 718870DEST_PATH_IMAGE015
表示近眼显示设备的眼盒横向大小，
Figure 166032DEST_PATH_IMAGE016
表示波导片的长度，
Figure 621284DEST_PATH_IMAGE002
表示波导片相对于人体面部水平方向的倾斜夹角，
Figure 786686DEST_PATH_IMAGE007
表示视场角。
7.一种近眼显示设备，其特征在于，包括：
波导片，所述波导片与相对于人体面部水平方向呈一倾斜夹角；
控制器，其与所述波导片连接，所述控制器包括至少一个处理器，以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1-6任一项所述的视场角的调整方法。
8.根据权利要求7所述的近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备还包括：用于出射投影成像光线的微显示器和投影模组，所述微显示器和投影模组分别与所述控制器连接，所述控制器用于控制调整所述微显示器和投影模组的朝向，以调整投影成像光线在所述波导片中全反射传输的入射角。
9.根据权利要求8所述的近眼显示设备，其特征在于，所述近眼显示设备还包括：
棱镜，所述投影成像光线通过所述棱镜折射入射至所述波导片；或者，
衍射元件，所述投影成像光线通过所述衍射元件衍射入射至所述波导片。
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