CN104536136A - 一种用于显示的折叠准直光学波导器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于显示的折叠准直光学波导器件，包括显示光源、准直透镜、光波耦合输入面、光波扩展传输衬底、光波耦合输出面以及光波准直组件。其中显示光源用于发出显示所需图像的显示光波，准直透镜对光源发出的光波进行准直，光波耦合输入面将准直光波耦合进入到平面波导，光波扩展传输衬底则对耦合进入的光波进行反射传播形成全反射光波；光波耦合输出面用于改变衬底中传输光波的传播方向，使其耦合输出衬底，光波准直组件会将耦合出衬底的光线进行准直，从而扩大观察视场。本发明光学器件拥有大的视场和紧凑的光学设计，不仅能用于可穿戴显示，还可用于汽车导航显示以及裸眼3D显示等领域。

Description

一种用于显示的折叠准直光学波导器件
技术领域
本发明涉及一种光学波导器件，特别是一种可用于图像显示的折叠准直光学波导器件。
背景技术
目前，流行的可穿戴显示设备以及其他结构紧凑的平板显示、笔记本显示***等通常都是依靠光学器件来传输和显示所需要预览的图像信息。例如显示***通过使用光学透镜可以将图片虚拟地显示在人眼前方的一定距离处，从而可以边走路边浏览相关的电子信息的内容，增强了现实感。通常此类光学***主要的核心组件由三部分组成：耦合输入装置、传输衬底以及耦合输出装置。另外结构紧凑、轻巧、视场大以及高的图像分辨率一直是此类光学***追求的目标。虽然常规的成像方式即潜望镜***可以获得较大的视场，但是随着视场的增加，光学***整体的重量和体积也会随之急剧增加，导致在很多情况下，此类光学***的应用受到了限制。为此寻求结构轻巧、紧凑的光学***的设计便成了此类成像器件研究的趋势。
   为了解决传统可穿戴设备由于光学成像***重量和体积造成的缺陷，本发明设计了一种新型的用于显示的折叠准直光学波导器件。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于显示的折叠准直光学波导器件。
为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案：
  一种用于显示的折叠准直光学波导器件，其特征在于：依次包括：显示光源，用于发出显示所需图像的显示光波；准直透镜，对光源发出的光波进行准直；光波耦合输入面，将准直光波耦合进入到平面波导；光波扩展传输衬底，对耦合进入的光波进行反射传播形成全反射光波；光波耦合输出面，改变衬底中传输光波的传播方向，使其耦合输出衬底；光波准直组件，用于将耦合出衬底的光线进行准直，从而扩大观察视场。其中，准直透镜位于显示光源和扩展传输衬底之间，准直透镜和显示光源位于衬底中耦合输入面一侧的上方，光波准直组件则位于衬底中耦合输出面一侧的下方，紧挨着衬底的下表面。本发明主要利用内反射、视角放大以及棱镜改变光波传播方向原理实现的。采用准直透镜将来自显示光源的光波进行准直，并将准直后的光信号直接耦合到衬底中，利用全反射的设计使光波在衬底中能够无损耗地传输到所需的耦合输出位置，利用棱镜在耦合输出位置打破光波在波导内的全反射条件将光波耦合输出衬底，然后利用准直光束组件对耦合输出的光波进行准直，从而达到增大观察视场的效果。
本发明用于显示的折叠准直光学波导器件，还具有这样的特征：准直透镜是由双凸透镜组成。
本发明用于显示的折叠准直光学波导器件，还具有这样的特征：光波扩展传输衬底满足使得在衬底中传输的光线与衬底上下表面法线的夹角大于全反射临界角。
本发明用于显示的折叠准直光学波导器件，还具有这样的特征：光波准直组件是有一系列特殊结构的梯形单元组成的，该梯形单元的反射面使得入射到该反射面的光线发生全反射。
与现有的成像波导***相比，本发明拥有大的视场和紧凑的光学设计。这些优点使得本发明相比于传统的成像***，体积和重量得以减小，在相同的体积下，视场更大，结构也更紧凑、轻巧。本发明光学***不仅能用于可穿戴显示，还可用于汽车导航显示以及裸眼3D显示等领域。
附图说明
图1为本发明用于显示的折叠准直光学波导器件的示意图；
图2为本发明用于显示的折叠准直光学波导器件中光波在衬底传输的示意图；
图3为本发明用于显示的折叠准直光学波导器件的光波准直组件示意图；以及
图4为本发明用于显示的折叠准直光学波导器件的一种应用实例。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体工作过程给予说明。
图1为本发明用于显示的折叠准直光学波导器件的示意图。如图1所示，本发明的***组成包括：显示光源10、准直透镜11、光波耦合输入面12、光波扩展传输衬底13、光波耦合输出面14和光波准直组件15。显示光源10发出的光波经过准直透镜11的准直后，入射到光波耦合输入面12上，经过耦合输入面的反射，光波被耦合进入到光波扩展传输衬底13中，光波在衬底中以全反射的形式进行无损耗地传输，到达光波耦合输出面14上，经过输出面的反射，光波输出衬底，进入到光波准直组件15中，该组件将输出光束进行准直，从而扩大观察视场。
本发明用于显示的折叠准直光学波导器件由六部分组成，对于具体的应用可对本发明波导器件的组成部分进行相应的扩展，从而进一步提升***的应用潜力。下面针对本发明的具体四部分的作用给以相应解释性说明：
 显示光源10在头戴显示应用***中主要提供用来观察的图像信息。而目前主流的显示光源有LCD、OLED等。由于不同的显示光源，其偏振态也不相同，因此在选择光源时需要按照平面齿形波导对不同光源光波传输特性的要求进行选取，否则将导致图像中出现重影，进而降低了图像的显示质量，影响了图像的分变率。
准直透镜11主要是对显示光源发出的光波进行准直，它由双凸透镜组成。为了实现图像的虚拟显示以及使光波尽可能地耦合进入衬底中，通常根据具体的需求，应设计相应的消色差透镜来对光波进行准直。
光波耦合输入面12主要是用于将外界的光信号耦合到折叠衬底中去。对于此输入面可以有棱镜等方式来代替。
光波扩展传输衬底13用于将耦合到衬底中的光波的视场给予放大。由于该扩展传输衬底的存在，使光信号在观察方向内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。
光波耦合输出面14主要用于将在衬底中传输的光信号耦合出衬底。由于光波在衬底中传输时，要满足全反射原理，为使光波耦合输出衬底，光波在衬底表面的入射角应小于全反射临界角，为此引入了耦合输出面，使得光线在经过输出面的反射后在衬底表面的入射角小于全反射临界角，从而被耦合输出衬底。
光波准直组件15是由棱镜组成。从衬底中输出的光线由于发散角过大造成直接观察时视场太小，故需要引入准直组件，使尽可能多的出射光波能够进入到观察者的视野中，从而扩大了观察视场。
本发明光学波导器件的工作步骤以及实例应用：
图2为本发明用于显示的折叠准直光学波导器件中光波在衬底传输的示意图。如图2所示，来自光源同一光波的光线20、21垂直入射到耦合输入面上，经过输入面的反射光波被耦合进入到扩展传输衬底中，以全反射的形式进行传播，到达耦合输出面，进而被反射出衬底外。为了使光波在衬底中能够满足全反射的条件，衬底应由一系列能够对光线的传播方向进行准确定位的折叠展开组件构成。耦合进入到衬底中的光线首先与衬底的上表面相碰，经过上表面的反射，入射到衬底下表面，接着循环传输到耦合输出面。经过该过程光波的传播，一方面可以对光线的传播方向进行扩展，起到视场扩大的作用，另一方面可以有效地避免由于光线传播方向的变化带来的重影效果。
图3为本发明用于显示的折叠准直光学波导器件的光波准直组件示意图。如图3所示，光波准直组件是由特殊结构的梯形单元30构成的。被耦合出衬底的光线31进入到光波准直组件中后，与准直组件的反射面32相遇，在该反射面上发生全反射被输出到准直组件外。为了保证进入准直组件的光线能够满足全反射条件，需要对反射面32进行相应的结构设计，使得准直梯形结构的反射面足以把耦合进来的光波尽可能多的进行准直。
图4为本发明用于显示的折叠准直光学波导器件的一种应用实例。本发明的光学波导器件可用于照明、成像以及3D投影等方面，下面结合具体的应用实例对本发明的工作原理作进一步的说明性解释：如图4所示，来自光源 40的同一光波的光线 47、48经过准直透镜 41的准直，入射到耦合输入面 42，由于光线 47、48经过准直透镜的准直，可以很好地进入到耦合输入面。经过耦合输入面42的反射，光线 47、48被耦合输入到扩展传输衬底43中，同时应保证光线 47、48在衬底中传播时，与衬底上下表面法线的夹角必须大于材料的全反射临界角，否则光线在衬底中传输时会由于发生折射，造成能量的大幅度损失，最终导致耦合输出衬底的能量太小，降低图像的亮度。耦合进入衬底的光线经过衬底的传输最终到达耦合输出面44上，此时光线与输出面法线的夹角小于材料的全反射临界角，从而打破光波的全反射条件，使光波入射到扩展准直组件45中。在准直组件的各个梯形单元的反射下，改变了耦合输出衬底光的传播方向，从而使得再次被准直的光能够更多的进入到人的视野46中。由于人眼瞳孔的直径约为2-8mm,因此人眼能够观察到整个光源的图像。对于不同的应用，构成准直组件的梯形单元的数量可以相应的设计，但必须能够将光源的像完全展开。
本实施例的作用和效果
 本实施例提供的用于显示的折叠准直光学波导器件中由于采用了扩展传输衬底，一方面可以对光线的传播方向进行扩展，起到视场扩大的作用，另一方面可以有效地避免由于光线传播方向的变化带来的重影效果。另外由于光波准直组件是有一系列特殊结构的梯形单元组成，每个梯形单元的表面都可以对耦合输出衬底的光线进行准直，从而可以使更多的光线进入人眼，从而扩大了视场，提高了图像的亮度。

Claims (4)

1.一种用于显示的折叠准直光学波导器件，依次包括：
显示光源，用于发出显示所需图像的显示光波；
准直透镜，对显示光源发出的光波进行准直；
光波耦合输入面，将准直光波耦合进入到平面波导；
光波扩展传输衬底，对耦合进入的光波进行反射传播形成全反射光波；
光波耦合输出面，改变衬底中传输光波的传播方向，使其耦合输出衬底；
光波准直组件，用于将耦合出衬底的光线进行准直，从而扩大观察视场，
其中，准直透镜位于显示光源和扩展传输衬底之间，准直透镜和显示光源位于衬底中耦合输入面一侧的上方，光波准直组件则位于衬底中耦合输出面一侧的下方，紧挨着衬底的下表面。
2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于：
准直透镜是由双凸透镜组成。
3.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于：
光波扩展传输衬底满足使得在衬底中传输的光线与衬底上下表面法线的夹角大于全反射临界角。
4.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于：
光波准直组件是有一系列特殊结构的梯形单元组成的，该梯形单元的反射面使得入射到该反射面的光线发生全反射。
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