CN104536137A - 一种用于图像显示的折叠扩展光学波导器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可用于图像显示的折叠扩展光学波导器件，包括光波耦合输入面、光波扩展传输衬底、光波耦合输出面以及光波展开组件。其中，光波耦合输入面用于改变外界光信号的方向使其进入衬底中，光波扩展传输衬底则对耦合输入的光波进行反射传播使其能够无损耗地传输到达输出位置，光波耦合输出面用于使光波耦合输出衬底，光波展开组件将对耦合输出的光波进行扩束，从而扩大视场。本发明具有视场大、结构紧凑的特点，不仅能用于可穿戴显示，还可用于扩展照明、汽车导航显示以及裸眼3D显示等领域。

Description

一种用于图像显示的折叠扩展光学波导器件
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扩展光学波导器件。
背景技术
目前，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内容。一般情况下，此类显示***的核心光学组件主要由三部分组成：光波耦合输入组件、光波传输衬底以及光波耦合输出显示组件。另外结构轻巧、紧凑、大视场以及图像的高分辨率一直是此类光学***的追求，其中大视场尤为重要。虽然传统的成像方式可以获得大的视场，但是随着视场的增加，光学***整体的重量和体积也会随之增加。因此结构轻巧、紧凑的光学***的设计便成了此类成像器件的趋势。
为了解决传统可穿戴设备由于光学成像***重量和体积造成的问题，本发明设计了一种新型的用于图像显示的折叠扩展光学波导器件。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于图像显示的折叠扩展光学波导器件。
为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种用于图像显示的折叠扩展光学波导器件，其特征在于：依次包括：光波耦合输入面，用于改变外界的光信号的方向，使其进入衬底中；光波扩展传输衬底，对耦合输入的光波进行反射传播使其能够无损耗地传输到达输出位置；光波耦合输出面，用于使光波耦合输出衬底；光波展开组件，对耦合输出的光波进行扩束，从而扩大视场。其中，光波耦合输入面和光波耦合输出面分别和光波扩展传输衬底连接，位于传输衬底的两端，光波展开组件与光波耦合输出衬底的下表面相连接，位于衬底中耦合输出的位置处。本发明主要利用内反射原理、视角放大以及棱镜耦合光波原理实现的。经过准直透镜准直后的图像光波，被耦合输入面耦合进入到玻璃衬底中，该玻璃衬底是按照耦合进入的光波可以在其内部进行全反射传播的结构来设计的，这样光波可以无损耗地传输到所需的输出位置上，利用棱镜结构的耦合输出面，使光波耦合输出衬底，输出的光波经过扩展光束组件的扩束，从而达到增大观察视场的效果。
本发明用于图像显示的折叠扩展光学波导器件，还具有这样的特征：光波展开组件由一系列的棱镜单元组成，这些棱镜单元的表面进行过钝化处理。
与现有的成像波导***相比，本发明显著的有益效果是：视场大和结构紧凑。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，还可用于扩展照明、汽车导航显示以及裸眼3D显示等领域。
附图说明
图1为本发明用于图像显示的折叠扩展光学波导器件的示意图；
图2为本发明用于图像显示的折叠扩展光学波导器件中光波在衬底中传输的示意图；
图3为本发明用于图像显示的折叠扩展光学波导器件中光波在展开组件中传输的示意图；以及
图4为本发明用于图像显示的折叠扩展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为本发明用于图像显示的折叠扩展光学波导器件的示意图。如图1所示，本发明的***组成包括：光波耦合输入面10，光波扩展传输衬底11，光波耦合输出面12，光波展开组件13。经过准直后的光波信号入射到耦合输入面10上，利用棱镜转像的原理改变光波的传输方向，使其耦合进入到衬底中，再利用特殊结构的扩展传输衬底11，使光波在衬底中以全反射的形式进行无损耗传输到达光波耦合输出面12，利用棱镜反射面破坏光波在衬底中传输的全反射条件，使光波被耦合输出衬底，到达光波展开组件13，对耦合输出的光波进行扩束，从而实现增大视场。
本发明用于图像显示的折叠扩展光学波导器件由四部分组成，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：
本发明折叠扩展光学波导器件的光波耦合输入面10主要用于将外界的准直光波耦合进入衬底。对于光信号的耦合，输入面10可由棱镜等方式来代替，这些组件都能够满足把需要的光波耦合到衬底中。
本发明折叠扩展光学波导器件的光波扩展传输衬底11主要用于将耦合进入到衬底中的光波的视场进行扩大，且为了保证光波能够无损耗地传输，应使光波在衬底中传输时，满足全反射的条件。另外。由于光波扩展传输衬底的存在，在衬底的另一侧一定扩展角度内的不同观察方向处都可以观察到图像信息，从而扩大了观察者的视场。
本发明折叠扩展光学波导器件的光波耦合输出面12主要用于将光波信号耦合输出衬底。由于光波在衬底中传输时满足全反射的条件，为了能够使光波耦合输出衬底，需要使光波在衬底表面的入射角小于衬底的全反射临界角，所以耦合输出面12就是依据此条件进行设计的。
本发明折叠扩展光学波导器件的光波展开组件13主要用于对耦合输出衬底的光波进行扩束，从而扩大观察视场。耦合输出衬底11的光线，由于其发散角较大就造成了直接观察输出图像时的视场太小，故需要引入扩束组件对耦合输出的光波进行展开，从而扩大观察视场。本发明的光波展开组件13由棱镜单元组成，棱镜组将耦合输出的光波进行扩展，使每个棱镜单独输出光信号的一部分，其效果等同于平面镜成像，从而整体上扩大观察视场。
本发明光学波导器件的工作步骤以及实例应用：
图2为本发明用于图像显示的折叠扩展光学波导器件中光波在衬底中传输的示意图。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。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为本发明用于图像显示的折叠扩展光学波导器件中光波在展开组件中传输的示意图。如图3A所示，光线30经过耦合输出面的反射后垂直输出衬底进入到光波扩展组件中。由于该光波扩展组件由一系列的扩束棱镜单元组成，因此当光线30进入扩展组件后，首先与棱镜单元表面32相碰，为了达到扩展视场的目的，光线到达面32后应尽可能地全部透射出去，这样一方面可以避免由于光线传播方向的改变导致的重影，另一方面也可以使扩展棱镜每个表面的亮度保持均一。图3B为光线31经过耦合输出面的反射后倾斜进入到光波扩展组件中，当光线倾斜入射到棱镜单元表面32时，为了扩展光波和避免由于反射面对入射光线的反射带来的重影，从而对棱镜表面做特定的处理，使对入射到其表面的光线具有钝化作用，从而可以使入射光线无阻碍地透过反射面，从而对入射光波进行扩展。
图4为本发明用于图像显示的折叠扩展光学波导器件的一种应用实例。由于本发明折叠扩展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来对本发明的工作原理作进一步的说明性解释：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12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了材料的全反射临界角，从而打破光波的全反射条件，使光波入射到扩展棱镜组件中。棱镜组件由于可以对光线具有选择透过性，在保持光线方向不变的情况下，每个棱镜都可以单独成像，从而使光波在棱镜组件中均匀分布。通过棱镜组件对光线的扩展传输，最终光线进入到到人眼46中。由于人眼瞳孔直径约为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，扩展棱镜组件的数量可以做相应的设计，但必须能够将显示光源的图像完全展开，否则将失去视场扩展的效果。
本实施例的作用和效果
本实施例提供的用于图像显示的折叠扩展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。另外由于光波展开组件的存在，使得展开组件中的每个棱镜单元都可以单独成像，从而使得光波能够均匀分布，提高了图像的亮度均匀性，且棱镜组件能够对光线进行扩展传输，从而进一步扩大了视场。

Claims (2)

1.一种用于图像显示的折叠扩展光学波导器件，依次包括：
光波耦合输入面，用于改变外界光信号的方向，使其进入衬底中；
光波扩展传输衬底，对耦合输入的光波进行反射传播使其能够无损耗地传输到达输出位置；
光波耦合输出面，用于使光波耦合输出衬底；
光波展开组件，对耦合输出的光波进行扩束，从而扩大视场，
其中，光波耦合输入面和光波耦合输出面分别和光波扩展传输衬底连接，位于传输衬底的两端，光波展开组件与光波耦合输出衬底的下表面相连接，位于衬底中耦合输出的位置处。
2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于：光波展开组件由一系列的棱镜单元组成，这些棱镜单元的表面进行过钝化处理。
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