透视显示器件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于平面扩展光学波导的透视显示器件，其特征在于，依次包含：显示光源，用于发出显示所需的图像光波；准直透镜，对图像光波进行准直后发出准直光波；光波耦合输入棱镜，对准直光波进行耦合后发出耦合光波；平面波导衬底，对耦合光波进行反射传播形成全反射波；光波耦合输出棱镜，对全反射波进行耦合后输出显示光波；以及光波扩束组，将显示波进行平面展开，从而使图像进入用户的视野中。本发明中的透视显示器件整体上具有结构紧凑，体积小重量轻，制造工艺简单，大视场的优点；以棱镜作为光波耦合输入、输出器件，耦合效率高，光波能量损失少，输出图像画面清晰，显示画面质量高等突出优点。
【专利说明】透视显示器件
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种显示系统，具体涉及一种基于平面扩展光学波导的透视显示器件。
【背景技术】
[0002]目前，平板显示、可穿戴显示、笔记本显示等显示技术通常依靠光学器件来传输需要显示的图像信息。例如，头顶穿戴显示系统依靠光学透镜和棱镜将图片虚拟显示在人眼前方一定距离处，在不影响人眼对周围景物的可视度前提下，可以边浏览信息边走路，增强了现实感。此类系统主要的核心光学组件由三部分组成:光波输入耦合装置、光波传输衬底以及光波输出耦合装置。虽然采用常规的成像方法可以获得大的视场，但是随着视场的增力口，光学系统整体的重量和体积随之急剧增加，导致此类光学系统在很多情况下的应用受到了限制。为此寻求结构轻巧、布局紧凑、拥有大视场以及高分辨率显示图像的可视光学系统逐渐成为此类成像显示系统的发展趋势。
【发明内容】
[0003]为了解决上述问题，本发明提供了一种具有大视场、显示画面质量高的基于平面扩展光学波导的透视显示器件。
[0004]为了实现上述目的，本发明提供的透视显示器件采用以下的技术方案。
[0005]一种基于平面扩展光学波导的透视显示器件，具有这样的特征:依次包含:显示光源，用于发出显示所需的图像光波；准直透镜，对图像光波进行准直后发出准直光波；光波率禹合输入棱镜，对准直光波进行稱合后发出稱合光波；平面波导衬底，对稱合光波进行反射传播形成全反射波；光波I禹合输出棱镜，对全反射波进行I禹合后输出显不光波；以及光波扩束组，对显示波进行平面展开，其中，准直透镜设置在显示光源与光波耦合输入棱镜之间，准直透镜对图像光波进行准直，并使准直光波以一定的角度入射到光波耦合输入棱镜，光波耦合输入棱镜连接在平面波导衬底的一端，将准直光波耦合到平面波导衬底中，使耦合光波在平面波导衬底中形成全反射波进行传播，光波耦合输出棱镜连接在平面波导衬底的另一端，将全反射波耦合出平面波导衬底，从而形成向光波扩束组输出的显示波，光波扩束组连接在光波耦合输出棱镜上，利用平面镜成像原理对显示波进行展开。
[0006]在本发明提供的透视显示器件中，还可以具有这样的特征:其中，准直透镜采用柱状棱镜，准直透镜具有光波输入面、光波输出面，光波输入面为平面，光波输出面为圆弧面，光波输入面对准图像光波，光波输出面对准光波耦合输入棱镜，准直透镜将接受到的图像光波进行准直，再由光波输出面将准直后的光波倾斜地入射到光波I禹合输入棱镜。
[0007]在本发明提供的透视显示器件中，还可以具有这样的特征:其中，平面波导衬底由相互平行的上玻璃平面和下玻璃平面组成，耦合光波在上玻璃平面和下玻璃平面之间形成全反射波。
[0008]在本发明提供的透视显示器件中，还可以具有这样的特征:其中，光波耦合输入棱镜具有准直光波入射面、I禹合光波输出面、第一反射面，第一反射面和I禹合光波输出面构成第一夹角，并且第一反射面与上玻璃平面齐平，将耦合光波反射到平面波导衬底。
[0009]在本发明提供的透视显示器件中，还可以具有这样的特征:其中，光波耦合输出棱镜具有第二反射面和显示平面，并且第二反射面与显示平面构成第二夹角，显示平面与下玻璃平面齐平，光波耦合输出棱镜将全反射波耦合后由显示平面输出显示波。
[0010]在本发明提供的透视显示器件中，还可以具有这样的特征:其中，光波扩束组由一排微棱镜单元构成，且具有入射平面和展开平面，入射平面与显示平面重合，展开平面对显示波进行平面展开，扩大视场。
[0011]在本发明提供的透视显示器件中，还可以具有这样的特征:其中，准直光波入射面和耦合光波输出面镀有增透膜，第一反射面上镀有反射膜，上玻璃平面和下玻璃平面相对应的表面镀有反射膜，第二反射面镀有反射膜，显示平面镀有增透膜。
[0012]在本发明提供的透视显示器件中，还可以具有这样的特征:其中，耦合光波输出面在下玻璃平面上的投影面积为第一次入射到下玻璃平面上的光波覆盖区域面积的一半；耦合光波形成上边缘光波和下边缘光波，经耦合后的图像光波位于上边缘光波和下边缘光波之间，耦合后的上边缘光波经下玻璃平面反射到上玻璃平面，上边缘光波在上玻璃平面上形成第一入射点，耦合后的下边缘光波经耦合光波输出面折射到下玻璃平面，下边缘光波在光波稱合输入棱镜的光波输出平面上形成第二入射点，第一入射点和第二入射点位置相邻，
[0013]在本发明提供的透视显示器件中，还可以具有这样的特征:其中，第一夹角和第二夹角的角度相等。
[0014]在本发明提供的透视显示器件中，还可以具有这样的特征:其中，入射平面的长度S与下玻璃平面的长度L之间满足以下的关系:
[0015]S=NXL其中，N为数量，且N≥10。
[0016]发明的作用与效果
[0017]根据本发明提供的基于平面扩展光学波导的透视显示器件，利用准直透镜对光波进行准直；耦合输出棱镜将光波耦合到平面波导衬底；平面波导衬底对光波进行全反射传播；耦合输出棱镜将光波折射出平面波导衬底；以及光波扩束组对光波进行定位展开。尤其是运用光波扩束组对光波进行定位展开，因此，本发明具有大视场、显示画面质量高的突出优点。另外，还采用棱镜作为光波耦合输入、输出器件，因此还具有耦合效率高，光波能量损失少，输出图像画面清晰的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明的实施例中透视显示器件的结构示意图；
[0019]图2为图1中透视显示器件中字母B对应的局部放大图；
[0020]图3为图1中透视显示器件中字母A对应的局部放大图；
[0021]图4为图1中透视显示器件中光波扩束组的结构示意图；
[0022]图5为对比例中采用凸透镜作为光波耦合输入棱镜的光波传播示意图；以及
[0023]图6为包含有本发明的实施例中透视显示器件的穿戴显示物品的结构示意图。
[0024]图中，1.显示光源，2.图像光波，3.准直透镜，31.光波输入面，32.光波输出面，4.光波稱合输入棱镜，41.准直光波入射面,42.第一反射面,43.稱合光波输出面,5.平面波导衬底，51.上玻璃平面,52.下玻璃平面,6.光波稱合输出棱镜,61.第二反射面，62.显示平面，7.光波扩束组71.入射平面，72.展开平面，8.微棱镜单元，9.光源，10.显示组件，201.点光源，202.图像光波，203.双凸透镜，204.光波耦合输入棱镜，205.平面波导衬底。
【具体实施方式】
[0025]以下实施例结合附图对本发明作具体阐述。
[0026]实施例一
[0027]图1为本发明的实施例中透视显示器件的结构示意图。
[0028]如图1所示，这种基于平面扩展光学波导的透视显示器件100依次包含:显示光源1，用于发出显示所需的图像光波2 ;准直透镜3，对图像光波2进行准直后发出准直光波；光波稱合输入棱镜4,对准直光波进行稱合后发出稱合光波；平面波导衬底5,对稱合光波进行反射传播形成全反射波；光波I禹合输出棱镜6,对全反射波进行f禹合后输出显不光波；以及光波扩束组7，对显示波进行平面展开，其中，准直透镜3设置在显示光源I与光波耦合输入棱镜3之间，准直透镜3对图像光波2进行准直，并使准直光波2以一定的角度入射到光波稱合输入棱镜4,光波稱合输入棱镜4连接在平面波导衬底5的一端,将准直光波I禹合到平面波导衬底5中，使耦合光波在平面波导衬底5中形成全反射波进行传播，光波耦合输出棱镜6连接在平面波导衬底5的另一端，将全反射波耦合出平面波导衬底5，从而形成向光波扩束组7输出的显不波，光波扩束组7连接在光波I禹合输出棱镜6上,利用平面镜成像原理对显示波进行展开。
[0029]显示光源I,由OLED、Lcos、IXD等目前主流的显示光源构成。显示光源I主要用于发出提供显示所需的图像光波2。由于光源对比度和分辨率不同，在进行光源选择时需要按照平面波导衬底5对不同光源光波传输特性的要求以及最终显示图像的要求进行选取，否则将导致图像重影的出现，降低图像最后的显示质量。
[0030]准直透镜3，由切割后的柱状透镜组成。准直透镜3具有光波输入面31、光波输出面32，光波输入面31为平面，光波输出面32为圆弧面，光波输入面31对准图像光波，光波输出面32对准光波耦合输入棱镜4，准直透镜3根据系统中光源的大小以及为了使光波能够在平面波导衬底5中利用全反射进行传输，而进行相应的设计和加工。利用准直透镜3对来自显示光源I的图像波光2进行准直，使其入射到光波耦合输入棱镜4中。
[0031 ] 光波稱合输入棱镜4具有准直光波入射面41、稱合光波输出面43、第一反射面42,第一反射面42和耦合光波输出面43构成第一夹角，并且第一反射面42与上玻璃平面51齐平，将耦合光波反射到平面波导衬底5。光波耦合输入棱镜4作为输入耦合组件，主要用于将来自准直透镜3的准直光波耦合到平面波导衬底5中。在进行耦合的过程中，主要利用反射原理改变光波传播方向，使光波在平面波导衬底5中传输时满足全反射条件进行传输。为了能够尽可能多的把准直光波能量耦合到平面波导衬底5以及形成虚拟图像，需要在准直光波入射面41、耦合光波输出面上43蒸镀一层增透膜。
[0032]平面波导衬底5由两面相互平行的上玻璃平面51和下玻璃平面52组成。目前可作为波导衬底的玻璃材料具有很多种类(如K9、BK7等)，每种材料的折射率和阿贝系数不同导致全反射角以及材料的透过率、吸收系数不同。由于平面波导衬底5在传输全反射光波的过程中，需要在满足全反射光波没有折射出平面波导衬底5的同时，尽可能减少材料本身对光波能量的吸收，否则将导致大量的光波能量在传输过程中损失掉，影响图像最终的可见度。再者平面波导衬底5的材料本身限制了可在平面波导衬底5中传输的图像的范围以及图像的亮度，为了扩大传输图像的范围，通常需要在上玻璃平面51和下玻璃平面52按照需求蒸镀一定的反射膜层，对平面波导衬底5材料的全反射角给予一定的扩展。
[0033]图2为图1中透视显示器件中字母B对应的局部放大图。
[0034]如图1、图2所不,光波I禹合输出棱镜6具有第二反射面61和显不平面62,并且第二反射面61与显示平面62构成第二夹角，显示平面62与下玻璃平面52齐平，光波耦合输出棱镜6主要用来将全反射光波耦合出平面波导衬底5。由于全反射光波在平面波导衬底5中传输时满足全反射原理，为使全反射光波耦合输出平面波导衬底5，全反射光波与下玻璃平面52法线的夹角应小于全反射角(对于BK7玻璃全反射角为41.8° )。为了实现上述条件引入光波I禹合输出棱镜6,使全反射光波通过光波f禹合输出棱镜6的反射以后在显示平面上的反射角小于全反射零界角从而耦合输出平面衬底6。为了使光波能量尽可能多的耦合输出，通常需要在第二反射面61上蒸镀一层反射膜，在显示平面62上蒸镀一层增透膜。
[0035]图4为图1中透视显示器件中光波扩束组的结构示意图。
[0036]如图1、图4所示，光波扩束组7由微棱镜单元8组成，其具有入射平面71和展开平面72，入射平面与显示平面重合，对于耦合输出的显示光波，由于空间方向的变化以及发散角过大造成直接观察时只有局部光波可以进入观察者瞳孔，因而导致观察视场太小，故需要引入光波扩束组7。利用平面镜成像原理对耦合输出的光波进行展开，从而扩大观察视场。本实施例中的光波扩束组7，利用棱镜组将耦合输出的光波进行扩展，使其每个微棱镜单元8均可以单独成像地输出光信号，从而整体扩大观察视场。为了避免输出图像有间隙或者存在重叠部分，每个微棱镜单元在展开平面72上的投影应相互衔接，组成光波扩束组7的微棱镜单元8的数目可根据具体要求进行增减，为了达到扩束的效果，光波扩束组7上入射平面71的长度和下玻璃平面52的长度之间满足下述关系:
[0037]S=nXL
[0038]其中，S为入射平面71的长度，L为下玻璃平面52的长度，η为两者之间的比例，通常η大于10。
[0039]本发明波导器件的工作步骤以及实例应用:
[0040]图3为图1中透视显示器件中字母A对应的局部放大图。
[0041]如图1至图4所示，来自显示光源I的图像光波2经准直透镜3准之后，倾斜入射到到耦合输入棱镜4内部。准直光波进入耦合输入棱镜4后，为了保证准直光波能量尽可能的减小损失，必须保证准直光波与第一反射面42的法线之间的夹角大于全反射临界角。通过稱合输入棱镜4的第一反射面42进行反射，与稱合输入棱镜4的稱合光波输出面43相遇发生折射进入平面波导衬底5内。在平面波导衬底5中，由于耦合光波与上玻璃平面51和下玻璃平面52之间的法线的夹角大于全反射临界角，从而保证全反射光波没有因折射泄露出平面波导衬底5而造成能量损失，从而保证了图像最终的亮度以及视场。对于部分光波由于无法保证完全可以使其约束在平面波导衬底5中进行全反射传输，为此可在上玻璃平面51和下玻璃平面52上镀反射膜减少反射面光波能量的损失。全反射光波经过在平面波导衬底5中的传输进入耦合输出棱镜6，与耦合输出棱镜6的第二反射面61相遇，经过第二反射面61的反射，全反射光波与显示平面62的法线之间的夹角小于全反射临界角，从而全反射光波折射出平面波导衬底5，进入光波扩束组7，通过光波扩束组7的重定位和扩束，对传输的图像经行展开，已达到扩大视场的效果。
[0042]为了避免光波扩束组7输出的图像之间存在暗间隙以及可以实现对输入图像的展开，必须有两个条件得以满足:
[0043]一、耦合光波输出面43在下玻璃平面52上的投影面积为第一次入射到下玻璃平面52上的光波覆盖区域面积的一半，即满足条件:
[0044]2XS2=S1
[0045]其中，S2为稱合光波输出面43在下玻璃平面52上的投影面积，SI为第一次入射到下玻璃平面52上的光波覆盖区域面积。
[0046]二、经耦合后的图像光波位于上边缘光波和下边缘光波之间，耦合后的上边缘光波经下玻璃平面52反射到上玻璃平面51，上边缘光波在上玻璃平面51上形成第一入射点，率禹合后的下边缘光波经稱合光波输出面43折射到下玻璃平面52,下边缘光波在稱合光波输出面43上形成第二入射点，第一入射点和第二入射点位置相邻。
[0047]光波经准直透镜3的准直之后,倾斜地折射进入光波稱合输入棱镜4,光波稱合输入棱镜4保证光波在全反射进入平面波导衬底5。由于准直透镜3的存在，使准直光波的倾斜入射到光波耦合输入棱镜4的准直光波入射面41。
[0048]图5为对比例中采用凸透镜作为光波耦合输入棱镜的光波传播示意图。
[0049]如图5所示，对比例中的透视显示装置200仅采用普通的双凸透镜203将点光源201发出的图像光波202准直后折射入耦合输入棱镜204，光波在光波耦合输入棱镜204中发生全反射，光波无法进入平面波导衬底205进行全反射传输，因而不具有本实施例中准直透镜的作用和效果，因此准直透镜3的存在极大的方便了准直光波直接入射到平面波导衬底5内。
[0050]如图2、图3所示，通常在光学设计中，以主轴光波为参考光波进行参数的确定，为使主轴光波满足上述传输条件，各参数关系满足:
[0051]Qsurl= Qin <45。
[0052]其中，a in是耦合光波输出面43与第一反射面42之间的夹角，a surl是耦合光波输出面43与下玻璃平面52之间的夹角。对于不同的耦合要求，光波耦合输入棱镜可做相应的旋转，此时顶角变为:
[0053]a，in= a in+ a rotate
[0054]其中，α ’ in是旋转以后I禹合光波输出面43与第一反射面42之间的夹角，a Mtate为光波稱合输入棱镜4旋转的角度。
[0055]在光路设计时，为了保持主光波的方向在波导成输入和输出时没有被改变，因此
[0056]a out= a in
[0057]其中，a out是第二反射面61与显示平面62之间的夹角。
[0058]为了使光波扩束组7起到扩束的效果，同时避免重影的出现以及显示图像之间有暗间隙，对于光波扩束组的倾斜角a sur2应满足:
[0059]asur2>45°[0060]在满足上述关系的前提下，当asml=30°时，
[0061]ain=30°
[0062]a out=30°
[0063]asur2=60°
[0064]以上述参数设计波导器件，准直光波折射进入耦合输入棱镜4，经过耦合输入棱镜4的耦合进入平面波导衬底5传输到耦合输出棱镜6，由耦合输出棱镜6反射耦合直接进入光波扩束组7。由于光波扩束组7利用平面镜成像原理，每个微棱镜单元8又可以单独地输出来自光源的光信号。对于观察者，由于不同的角度观察者收集到的图像的光波不同，导致观察者可以之间看到整个图像画面，从而增大了像面观察视场。
[0065]图6为包含有本发明的实施例中透视显示器件的穿戴显示物品的结构示意图。
[0066]如图6所示，通过将本发明的透视显示器件用于穿戴显示物品300，一方面将来自显示光源9的显示信息传输到显示组件10给予实时显示，同时由于本实施例中的组件没有采用特殊的光阑来完全阻挡外界自然光的进入，因此还可以观察外面景物的变化。
[0067]实施例的作用与效果
[0068]根据本实施例涉及的基于平面扩展光学波导的透视显示器件，以棱镜作为光波耦合输入、输出器件，耦合效率高，光波能量损失少，输出图像画面清晰的优点；本实施例中采用光波扩束组对光波进行定位展开，因此具有大视场、显示画面质量高这些突出优点。
[0069]由于本实施例涉及的基于平面扩展光学波导的透视显示器件中，其组件没有采用特殊的光阑来完全阻挡外界自然光的进入将本实施例涉及的透视显示器件运用于可穿戴显示物品，既可以观看来自显示光源的实时图像画面，还可以观察外界景物。
[0070]本实施例涉及的基于平面扩展光学波导的透视显示器件仅采用准直透镜，耦合输入棱镜，波导衬底，耦合输出棱镜以及光波扩束组，因此，本实施例中基于平面扩展光学波导的透视显示器件整体上还具有结构紧凑，体积小重量轻，制造工艺简单的优点。
[0071]当然本发明所涉及的基于平面扩展光学波导的透视显示器件并不仅仅限定于在本实施例中所述的结构。
【权利要求】
1.一种基于平面扩展光学波导的透视显示器件，其特征在于，依次包含: 显示光源，用于发出显示所需的图像光波； 准直透镜，对所述图像光波进行准直后发出准直光波； 光波稱合输入棱镜，对所述准直光波进行稱合后发出稱合光波； 平面波导衬底，对所述耦合光波进行反射传播形成全反射波； 光波I禹合输出棱镜，对所述全反射波进行I禹合后输出显不波； 光波扩束组，对所述显示波进行平面展开， 其中，所述准直透镜设置在所述显示光源与所述光波耦合输入棱镜之间，所述准直透镜对所述图像光波进行准直，并使所述准直光波以一定的角度入射到所述光波耦合输入棱镜， 所述光波耦合输入棱镜连接在所述平面波导衬底的一端，将所述准直光波耦合到所述平面波导衬底中，使所述耦合光波在所述平面波导衬底中形成所述全反射波进行传播， 所述光波耦合输出棱镜连接在所述平面波导衬底的另一端，将所述全反射波耦合出所述平面波导衬底，从而形成向所述光波扩束组输出的所述显示波， 所述光波扩束组连接在所述光波耦合输出棱镜上，利用平面镜成像原理对所述显示波进行展开。
2.根据权利要求1所述的透视显示器件，其特征在于: 其中，所述准直透镜采用柱状棱镜，所述准直透镜具有光波输入面、光波输出面，所述光波输入面为平面，所述光波输出面为圆弧面，所述光波输入面对准所述图像光波，所述光波输出面对准所述光波耦合输入棱镜,并且耦合光波在所述光波输出面上的入射角小于全反射临界角，所述准直透镜将接受到的图像光波进行准直，再由所述光波输出面将准直后的光波倾斜地入射到所述光波稱合输入棱镜。
3.根据权利要求1所述的透视显示器件，其特征在于: 其中，所述平面波导衬底由相互平行的上玻璃平面和下玻璃平面组成，所述耦合光波在所述上玻璃平面和所述下玻璃平面之间形成所述全反射波。
4.根据权利要求3所述的透视显示器件，其特征在于: 其中，所述光波耦合输入棱镜具有准直光波入射面、耦合光波输出面、第一反射面，所述第一反射面和耦合光波输出面构成第一夹角，并且所述第一反射面与所述上玻璃平面齐平，将所述耦合光波反射到所述平面波导衬底。
5.根据权利要求4所述的透视显示器件，其特征在于: 其中，所述光波耦合输出棱镜具有第二反射面和显示平面，并且第二反射面与所述显示平面构成第二夹角，所述显示平面与所述下玻璃平面齐平，所述光波耦合输出棱镜将所述全反射波耦合后由所述显示平面输出显示波。
6.根据权利要求5所述的透视显示器件，其特征在于: 其中，所述光波扩束组由一排棱镜单元构成，且具有入射平面和展开平面，所述入射平面与所述显示平面重合，所述展开平面对显示波进行平面展开，扩大视场。
7.跟据权利要求6所述的透视显示系统，其特征在于: 其中，所述准直光波入射面和耦合光波输出面镀有增透膜，第一反射面上镀有反射膜， 所述上玻璃平面和所述下玻璃平面相对应的表面镀有反射膜，所述第二反射面镀有反射膜，所述显示平面镀有增透膜。
8.跟据权利要求6所述的透视显示系统，其特征在于: 其中，所述耦合光波输出面在所述下玻璃平面上的投影面积为第一次入射到所述下玻璃平面上的光线覆盖区域面积的一半； 所述耦合光波形成上边缘光波和下边缘光波，经耦合后的所述图像光波位于所述上边缘光波和所述下边缘光波之间， 耦合后的所述上边缘光波经所述下玻璃平面反射到所述上玻璃平面，所述上边缘光波在所述上玻璃平面上形成第一入射点， 耦合后的所述下边缘光波经所述耦合光波输出面折射到所述下玻璃平面，所述下边缘光波在所述光波稱合输入棱镜的光波输出平面上形成第二入射点， 所述第一入射点和所述第二入射点位置相邻。
9.跟据权利要求5所述的透视显示系统，其特征在于: 其中，所述第一夹角和所述第二夹角的角度相等。
10.跟据权利要求6所述的透视显示系统，其特征在于: 其中，所述入射平面的长度L与所述下玻璃平面的长度S之间满足以下的关系: S=NXL 其中，数量N≥10。
【文档编号】G02B27/01GK103513424SQ201310454506
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月27日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】张文君 申请人:上海理工大学