CN103336331A - 一种曲折光学波导器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于穿戴显示的光学波导类型器件，包括光波耦合输入棱镜、光波传输曲折衬底、光波耦合输出棱镜、光波展开组件以及光波压束组件。其中光波耦合输入棱镜用于接收来自外界的光信号并将光信号输入至光波传输曲折衬底中，光波传输曲折衬底能够使光波在其中进行全反射传输，光波耦合输出棱镜用于将经过光波传输曲折衬底传输过来的光信号输出，光波展开组件用于对光波耦合输出棱镜输出的光波进行展开，压束组件用于接收来自光波展开组件的光波并使其均匀的分布在压束组件的输出端面上。本发明具有结构紧凑的特点，可用于裸眼显示，成像以及照明等应用领域。

Description

一种曲折光学波导器件

技术领域

本发明涉及一种波导类型的光学器件，特别是一种曲折光学波导器件。

背景技术

可穿戴显示设备及其它紧凑的平板显示、笔记本显示***等通常都依靠光学元件来传输需要显示的图像。例如，显示***利用透镜将放大后的图像信息显示在人眼的前方2米处，同时又不影响人眼对周围景物的观察。从而可以在从事其它活动如驾驶汽车、操作仪器的同时浏览所需的电子信息内容。通常此类显示***的核心组件光学***主要由三部分组成：光波耦合装置、光波传输组件以及光波输出耦合装置，其中的光波传输组件通常为四棱柱的结构，光波输出耦合装置为一个三棱镜，图像的光线通过四棱柱传输到光波输出耦合装置后在三棱镜的表面发生全反射，改变传输方向后进入人眼。虽然采用常规的成像方法可以获得大的视场，但是随着视场的增加，光学***整体的重量和体积随之急剧增加，因此寻求轻巧、紧凑的光学***的设计便成了此类成像***的趋势。

为了解决传统可穿戴设备由于光学成像***重量和体积造成的不足，本发明设计了一种新型的光学波导组件。

发明内容

本发明提价一种曲折光学波导器件，其特征在于，包括：光波耦合输入棱镜、光波传输曲折衬底、光波耦合输出棱镜、图像展开组件以及光波压束组件。其中，光波耦合输入棱镜与光波传输曲折衬底连接，用于接收来自外界的光信号并将其输入至光波传输曲折衬底。光波传输曲折衬底由至少一个重复单元构成，重复单元的形状为大小相同的两个上底相连接的等腰梯形，等腰梯形的形状能够使得光信号在其中进行全反射传输。光波耦合输出棱镜与光波传输曲折衬底连接，将通过光波传输曲折衬底传输过来的光信号输出。图像展开组件与光波耦合输出棱镜连接，图像展开组件的整体形状为等腰梯形，等腰梯形由多个大小和形状相同的平行四边形棱镜以及至少一个多边形棱镜组成，图像展开组件对光波耦合输出棱镜输出的光信号进行展开。光波压束组件接收来自图像展开组件的光信号并使其均匀的分布在压束组件的输出端面上。

另外，在本发明的曲折光学波导器件中，还可以具有这样的特征：

其中，重复单元的光波传输曲折衬底的下表面与曲折衬底的中轴线的夹角在10°～20°之间，并且满足以下列关系：

α_sur=2α_out-β_sur1

其中，β_sur1是曲折衬底下表面与曲折衬底的中轴线的夹角，α_sur是主轴光线与曲折衬底表面法线的夹角，α_sur大于45°，α_out是耦合输出棱镜反射面与输出面的夹角，α_out应小于45°。

另外，在本发明的曲折光学波导器件中，还可以具有这样的特征：

其中，光波耦合输入棱镜的输入面与反射面的夹角小于45°，并且与光波耦合输出棱镜的反射面与输出面的夹角相等。

另外，在本发明的曲折光学波导器件中，还可以具有这样的特征：其中，光波压束组件由大小和形状相同的多个直角梯形棱镜紧密排列组成，多个直角梯形的直角腰排列于一条直线上，并且多个直角梯形棱镜的上底均朝向同一方向。

另外，在本发明的曲折光学波导器件中，还可以具有这样的特征：

其中，平行四边形棱镜的长边与等腰梯形的下底成45°～90°的夹角，并且满足以下关系：

2α_e-β_o-α_out-90°=γ

其中，γ是图像展开组件的出射光线和光波耦合输出棱镜的输出面法线的夹角，α_e是平行四边形棱镜的长边与等腰梯形的下底成的夹角，α_out是耦合输出棱镜的反射面与输出面的夹角。

另外，在本发明的曲折光学波导器件中，还可以具有这样的特征：其中，光波压束组件由大小和形状相同的多个直角梯形棱镜紧密排列组成，多个直角梯形的直角腰排列于一条直线上，并且多个直角梯形棱镜的上底均朝向同一方向。

另外，在本发明的曲折光学波导器件中，还可以具有这样的特征：其中，直角梯形棱镜与图像展开组件中的平行四边形棱镜和多边形棱镜为一一对应关系，并且直角梯形棱镜的直角腰的宽度与平行四边形棱镜的短边的宽度相等。

另外，在本发明的曲折光学波导器件中，还可以具有这样的特征：其中，直角梯形棱镜的斜腰和下底的夹角满足公式：

n*sin(90°-α_p)=sinθ

其中，θ是入射光线和光波压束组件表面法线的夹角，n是材料的折射率，α_p是光波压束组件中的直角梯形棱镜的斜腰和下底的夹角。

与现有成像波导***相比，本发明的有益效果是：根据本发明的曲折扩展压束光学波导器件，一方面由于曲折衬底的存在，使光信号在观察方向的不同角度都可以进入到观察者的视野中，从而扩大了观察者的视场，同时由于曲折衬底的存在可以有效地避免由于光线传播方向的改变带来的重影问题。

另一方面，由于本发明使用了曲折衬底的结构，使得光线在其中能够进行曲折传输，因此在不改变视场的前提下在体积上有了明显缩减变得轻巧，并且由于采用曲折的形状，其本身所含有的材料减少，减轻了整个成像***的重量。

附图说明

图1为本发明曲折光学波导器件的原理图；

图2为本发明曲折光学波导器件的光波传播示意图；

图3为本发明曲折光学波导器件的图像扩展组件分解图；

图4为本发明曲折光学波导器件的图像扩展组件组合图；

图5为本发明曲折光学波导器件的压束棱镜组件的单个组成单元图；

图6为本发明曲折光学波导器件的压束棱镜组件整体图；

图7为本发明曲折光学波导器件的一个具体的应用示意图；以及

图8为本发明曲折光学波导器件用于可穿戴眼显示的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体工作过程给予说明。

图1为本发明曲折扩展压束光学波导器件的原理图，如图1所示，本发明曲折扩展压束光学波导器件***组成包括：耦合输入棱镜10，曲折衬底11，耦合输出12，图像展开组件13，压束组件14。

耦合输入棱镜10主要用于将来自外界的光信号耦合到曲折衬底11中，在进行耦合的过程中，主要利用全反射原理改变光线传播方向，光波在曲折衬底11中在满足全反射的条件下进行传输，为了能够尽可能多的把光线耦合到曲折衬底11中，光线在进入耦合输入棱镜10之前，通常需要利用准直透镜给予准直。

曲折衬底11的形状可以看作由多个重复单元111组成，每个重复状元的形状均为两个等腰梯形的上底相连接所形成的形状。曲折衬底11用于传输进入其中的光线，并且将耦合到波导器件中的光信号的视场给于放大，同时保证光线在其中以全反射的形式传输。

耦合输出12，主要用来将衬底中传播的光信号耦合出衬底。由于光线在衬底中传输时满足全反射原理，为使光线从曲折衬底11中输出，光线在曲折衬底11末端的反射面上的反射角应小于全反射角，例如BK7玻璃的全反射角为42°。为实现上述条件引入耦合输出12，使光线通过耦合输出12的反射以后在输出面122上的反射角小于全反射的临界角从而由耦合输出12中输出，为了更好地完成光线的输出，通常需要在耦合输出12的反射面121上进行镀膜处理。

图像展开组件13由多个平行四边形的棱镜131以及至少一个多边形的棱镜组成等腰梯形的形状。对于通过耦合输出12的光线，由于发散角过大造成直接观察时只有局部光线可以进入观察者的瞳孔，因而导致观察视场太小，故需要引入图像展开组件13，对耦合输出12的图像进行展开，从而扩大观察视场。本发明的图像展开组件13将耦合输出12的图像进行扩展，使每个棱镜131类似平面镜，均可以单独成像输出光信号，从而整体扩大观察视场。

压束组件14由多个直角梯形棱镜组成。经过图像展开组件13扩展后的光波虽然有助于扩大观察者的视场，但是由于扩展后的光波并不能完全覆盖图像展开组件13的输出面，从而导致图像之间存在暗间隙，使图像之间不能很好地衔接起来，为此引入压束组件14使光线均匀的分布。经过图像展开组件13后的光线直接出射到空气介质中，进入空气介质的光线在进入压束组件14时由于折射角度的变化，从而可以起到压束效果，使出射压束组件14的光线均匀的分布在整个***的光学输出端面。

本发明波导器件的工作步骤以及实例应用：

图2为本发明曲折扩展压束光学波导器件的光波传播示意图，如图2所示，来自同一光源的光线22和光线23垂直入射到耦合输入棱镜10的下表面折射进入到耦合输入棱镜10。通过耦合输入棱镜10的反射面20将光线耦合到曲折衬底11中，光线以全反射在曲折衬底11中传输。曲折衬底11可看作由一系列可对光线传播方向进行准确定位的等腰梯形棱镜组成，耦合到曲折衬底11中的光线22首先与曲折衬底11曲折表面29接触，经过曲折衬底11的衬底面29的反射与曲折衬底11表面24相碰，如此反复循环传输到耦合输出12。同样，耦合到曲折衬底11中的光线23首先与衬底表面26接触，经过衬底表面26的反射与衬底表面28相碰，经衬底表面28再次与衬底表面相碰，如此反复循环传输到耦合输出12。在耦合输出12中，光线22和光线23与耦合输出12的反射面121相遇，被反射到耦合输出12的输出面122，从而输出到图像展开组件13和压束组件14中，最后输出到观察者的视野中。

图3为本发明波导器件的图像扩展组件分解图，图4为本发明波导器件的图像扩展组件组合图。

如图3和图4所示，图像展开组件13由多个平行四边形的棱镜131以及至少一个多边形的棱镜组成等腰梯形的形状。此等腰梯形的上底宽度与耦合输出的输出面122的宽度相同，图像展开组件13的组件单元棱镜131主要对来自曲折衬底的光线经行扩束，从而使每个组件单元棱镜131都可以单独成像，组件单元棱镜131的反射面42在扩束中主要完成反射扩束的作用。利用全反射原理，入射光线在反射面42发生全反射从而覆盖组件单元下表面44。为了使入射光线在表面42发生全反射，组件单元相互之间的界面直接接触，不需要特殊的胶合。图4为棱镜单元相互直接排列以后的图像展开组件13，由于在实际应用中，实际所需的视场大小或者设备大小会有所不同，因此耦合输出的下表面大小也会相应的变化，通常根据耦合输出下表面的宽度对图像展开组件13的单元数量进行相应的增减，以达到最佳增强视场的效果。

图5为本发明曲折扩展压束光学波导器件的压束棱镜组件的单个组成单元图，图6为本发明曲折扩展压束光学波导器件的压束棱镜组件整体图。如图5、6所示，压束组件14主要由多个棱镜单元50构成，通过棱镜单元50可以完成扩束后的光线均匀分布。棱镜单元50的上表面52与空气介质相接触，当光线与上表面52接触时发生折射，由于光线是从光疏进入到光密介质，光线与界面法线的夹角θ将减小，利用这一原理即可达到对入射光线的强度在空间内的重新分配，使光线出射棱镜单元50的下表面54时，可以均匀的覆盖下表面54。从而有效地避免图像之间的暗间隙。图6中棱镜单元50的数量与图4中平行四边形棱镜131和多边形棱镜之各的数量相同，并且棱镜单元50的直角腰的宽度等于平行四边形短边的宽度，两者以一一对应的关系排列。图6为棱镜单元胶合以后组成的压束组件14，为了达到更好的压束效果，需要采用紫外胶对各个棱镜单元50的梯形的上下底之间进行胶合以避免空气缝隙的存在。

图7为本发明波导器件的一个具体的应用示意图，如图7所示，为了详细说明波导器件的工作过程，下面以具体参数来说明实例：

以主轴光线经行光学设计，为了满足图7中光线的传输方向，各参数满足关系为：

α_sur=2α_out-β_sur1

其中，β_sur1是曲折衬底下表面与图中虚线113的夹角，此虚线113与曲折衬底中轴112平行，因此在此使用β_sur1与定义角度关系与使用曲折衬底下表面与曲折衬底中轴112的夹角的作用相同，由于曲折衬底是由至少一个重复结构所构成，因此曲折衬底各个相应的下表面与中轴112所成角度相同。α_sur是主轴光线与曲折衬底表面法线的夹角，为了能够保证光线可以在曲折衬底中传输，要求α_sur应大于45°。α_out是耦合输出棱镜的底角，为了满足波导传输条件以及波导厚度的最小化条件，α_out应小于45°。

β_sur2=β_sur1

其中，β_sur2是曲折衬底上表面与图中虚线114的夹角，此虚线114与曲折衬底中轴112平行，因此在此使用β_sur1与定义角度关系与使用曲折衬底下表面与曲折衬底中轴112的夹角的作用相同，由于曲折衬底是由至少一个重复结构所构成，因此曲折衬底各个相应的上表面与中轴112所成角度相同。在进行光学设计时为了使光轴上点物发出两圆锥光线在衬底中具有相同的扩展效果，必须保证夹角β_sur1和β_sur2相等。

α_out=α_in

其中，α_out是耦合输出棱镜反射面与输出面的夹角。为了实现波导传输的目的以及保持光线传输方向的不变，通常α_out和α_in取相同的角度，并且避免选取45°角。

β_o=β_sur2+α_out+α_sur-90

其中，β_o是主轴光线与耦合输出反射面的夹角。

2α_e-β_o-α_out-90°=γ

其中，γ是扩束组件出射光线和出射组件底面法线的夹角。α_e是扩束组件单元的倾斜角。为了实现光波在扩束单元表面的全反射，α_e不能太小，否则将导致部分光波能量漏出扩束组件单元。

n*sin(90°-α_p)=sinθ

其中，如图5所示，θ是入射光线和压束组件表面法线的夹角，α_p是压束组件的倾角。n是材料的折射率。选择α_p是由于要保证光线出射方向不改变并且满足光路可逆定律，为此α_p的角度不能过于大。

sin(θ-α_p)=n*sin(γ)

满足上述关系的前提下，当αout=32°，αsur=45°，αe=75°，时：

βsur1=βsur2=19°

αout=αin=32°

βo=6°

γ=22°

θ-α_p=30°

由于α_p的角度不能过于大，可取

α_p=30°

以上述参数设计波导器件，来自光源30的同一光波的光线51和光线52经过准直透镜53的准直，垂直入射到耦合输入10的下表面，由于光线51、52经过准直透镜的准直，可很好地折射进入到耦合输入12。经过耦合输入10反射面的反射，光线51、52被耦合输入到曲折衬底11中，为了使光线51、52在衬底11中无损耗传播，必须满足入射角大于全反射角的条件，否则随着光线在衬底中的传输由于折射能量发生损失，最终导致耦合输出衬底的能量太小。耦合进入衬底11的光线经过曲折衬底波导的传输最终到达耦合输出面12。为了使光波输出衬底，必须使光线与衬底表面的夹角小于全反射临界角，为此采用棱镜可以改变光线传播方向的原理来改变光线与衬底表面的夹角。光线51、52与耦输出面12相碰撞以后，反射到耦合输出12的下表面，破坏光波的全反射从而入射到扩展棱镜组件中。扩束棱镜组件将对入射的光束51、52经行扩展，是每个扩束棱镜单元都可以单独成像，从而达到扩大视场的目的，但由于扩束后光束无法均匀分布在扩束组件的下表面，故引入了压束组件。光线51和光线52经过扩束组件的扩束后进入空气介质，由于光线从光疏介质进入光密介质时，折射角小于入射角，故可设计相应的棱镜来完成压束效果，从而使光束均匀的分布在压束组件出射表面。最后，光线51和光线52从压束组件的下表面出射进入观察者视野54。

如图8所示，为本发明曲折扩展压束光学波导器件用于可穿戴眼镜显示的示意图。通过将本发明的组件用于可穿戴显示，一方面可以实时观看需要显示的显示图片信息，再者由于本发面的组件没有采用特殊的光阑来完全阻挡外界景物光线的进入，因此换可以同时观察外面景物的变化。

实施例作用与效果：

根据本发明实施例的曲折扩展压束光学波导器件，一方面由于曲折衬底的存在，使光信号在观察方向的不同角度都可以进入到观察者的视野中，从而扩大了观察者的视场，同时由于曲折衬底的存在可以有效地避免由于光线传播方向的改变带来的重影问题。

另一方面，由于本发明使用了曲折衬底的结构，使得光线在其中能够进行曲折传输，因此在不改变视场的前提下在体积上有了明显缩减变得轻巧，并且由于采用曲折的形状，其本身所含有的材料减少，减轻了整个成像***的重量。

此外由于本发明的组件没有采用特殊的光阑来完全阻挡外界景物光线的进入，因此可以在实时观看显示信息的同时观察外面景物的变化。

本发明的光学波导器件基本组件由五部分组成，对于具体的应用可对本发明的波导器件的组成部分进行相应的扩展，从而进一步提升***在应用方面的潜力。此种光学***不但可以用于可穿戴显示，同时在扩展照明、汽车导航显示以及移动电话显示方面均有很好的应用潜力。

当然，本发明中的Sur1和Sur2两个角的角度不仅限于19°，只要满足入射光线在其中能够进行全反射传输即可。

本发明中的α_e的大小也不仅限于实施例中的75°，其范围是45°～90°，只要能保证光线在图像扩展组件中能够实现全反射即可。

Claims (7)

1.一种曲折光学波导器件，其特征在于，包括：

光波耦合输入棱镜、光波传输曲折衬底、光波耦合输出棱镜、图像展开组件以及光波压束组件，

其中，所述光波耦合输入棱镜与所述光波传输曲折衬底连接，用于接收来自外界的光信号并将其输入至所述光波传输曲折衬底，

所述光波传输曲折衬底由至少一个重复单元构成，所述重复单元的形状为两个大小相同并且上底相连接的等腰梯形，所述等腰梯形的形状能够使得光信号在其中进行全反射传输，

所述光波耦合输出棱镜与所述光波传输曲折衬底连接，将通过光波传输曲折衬底传输过来的所述光信号输出，

所述图像展开组件与所述光波耦合输出棱镜连接，所述图像展开组件的整体形状为等腰梯形，所述等腰梯形由多个大小和形状相同的平行四边形棱镜以及至少一个多边形棱镜组成，所述图像展开组件对所述光波耦合输出棱镜输出的所述光信号进行展开，

所述光波压束组件接收来自所述图像展开组件的所述光信号并使其均匀的分布在所述压束组件的输出端面上。

2.根据权利要求1所述的曲折光学波导器件，其特征在于：

其中，所述重复单元的所述光波传输曲折衬底的下表面与所述曲折衬底的中轴线的夹角在10°～20°之间，并且满足以下列关系：

α_sur=2α_out-β_sur1

其中，β_sur1是曲折衬底下表面与所述曲折衬底的中轴线的夹角，α_sur是主轴光线与曲折衬底表面法线的夹角，α_sur大于45°，α_out是耦合输出棱镜反射面与输出面的夹角，α_out应小于45°。

3.根据权利要求1所述的曲折光学波导器件，其特征在于：

其中，光波耦合输入棱镜的输入面与反射面的夹角小于45o，并且与光波耦合输出棱镜的反射面与输出面的夹角相等。

4.根据权利要求1所述的曲折光学波导器件，其特征在于：

其中，所述平行四边形棱镜的长边与所述等腰梯形的下底成45°～90°的夹角，并且满足以下关系：

2α_e-β_o-α_out-90°=γ

其中，γ是图像展开组件的出射光线和光波耦合输出棱镜的输出面法线的夹角，α_e是所述平行四边形棱镜的长边与所述等腰梯形的下底成的夹角，α_out是耦合输出棱镜的反射面与输出面的夹角。

5.根据权利要求1所述的曲折光学波导器件，其特征在于：

其中，所述光波压束组件由大小和形状相同的多个直角梯形棱镜紧密排列组成，所述多个直角梯形的直角腰排列于一条直线上，并且所述多个直角梯形棱镜的上底均朝向同一方向。

6.根据权利要求4所述的曲折光学波导器件，其特征在于：

其中，所述直角梯形棱镜与所述图像展开组件中的所述平行四边形棱镜和多边形棱镜为一一对应关系，并且所述直角梯形棱镜的直角腰的宽度与所述平行四边形棱镜的短边的宽度相等。

7.根据权利要求4所述的曲折光学波导器件，其特征在于：

其中，所述直角梯形棱镜的斜腰和下底的夹角满足公式：

n*sin(90°-α_p)=sinθ

其中，θ是入射光线和所述光波压束组件表面法线的夹角，n是材料的折射率，α_p是所述光波压束组件中的所述直角梯形棱镜的斜腰和下底的夹角。

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