一种光波导光学系统及显示装置的制作方法

本实用新型涉及光学系统技术领域，更具体地说，是涉及一种光波导光学系统及显示装置。

背景技术：

虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)和增强现实技术(Augmented Reality，简称AR)作为由光学、电子学、软件交互等多种领域相结合的新型技术，近年来得到了迅猛的发展。

增强现实技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息集成，从而将虚拟图像和现实场景进行结合展现的新技术，在日常生活中可以为人们的生活带来便利。增强现实技术的基本光学原理为向人眼同时入射携带真实世界景物信息和虚拟图像信息的光线，两个光学路径上传输的图像信息在人眼处融合，使得人眼同时获得真实世界景物信息和虚拟图像的混合图像，从而达到增强现实的效果。而虚拟现实技术则能够为人们带来沉浸式的用户体验，使得用户可以观看到更加震撼的虚拟图像信息。

然而，现有的虚拟现实技术或增强现实技术方案中，由于杂散光的存在，用户看到的虚拟图像也会受到杂散光的影响，因此图像质量不高，影响用户的观看体验。

以上不足，有待改进。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种光波导光学系统，以解决现有技术中存在的无法消除杂散光的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种光波导光学系统，包括沿光路依次设置的：

图像组件，用于提供图像光线；

透镜组件，用于对所述图像光线进行调整；

第一扩展波导，用于对所述图像光线进行扩展，所述第一扩展波导包括第一偏振单元，所述第一偏振单元包括多个排列成阵列的第一波导偏振片，所述第一波导偏振片的偏振化方向与所述图像光线的振动方向呈预设夹角；

所述图像光线经过所述透镜组件后传播至所述第一扩展波导，并经多个所述第一波导偏振片后从所述第一扩展波导中出射。

在一个实施例中，所述第一偏振单元还包括全反射膜，所述全反射膜用于将入射至所述第一扩展波导的图像光线反射至与所述全反射膜相邻的第一波导偏振片上。

在一个实施例中，所述第一扩展波导还包括第一扩展波导本体，所述第一偏振单元设于所述第一扩展波导本体内；

所述第一扩展波导本体包括靠近所述透镜组件的第一上表面以及用于将所述图像光线出射的第一下表面，所述第一上表面和所述第一下表面均设有增透膜。

在一个实施例中，所述全反射膜与所述第一下表面的夹角为20°～30°。

在一个实施例中，经过每个所述第一波导偏振片后出射的所述图像光线的强度相同。

在一个实施例中，所述光波导光学系统还包括：

第二扩展波导，用于对从所述第一扩展波导出射的所述图像光线进行扩展；

所述第二扩展波导包括第二偏振单元，所述第二偏振单元包括多个排列成阵列的第二波导偏振片，所述第二波导偏振片的偏振化方向与所述图像光线的振动方向呈预设夹角。

在一个实施例中，所述第二扩展波导还包括第二扩展波导本体，所述第二偏振单元设于所述第二扩展波导本体中；

所述第二扩展波导本体设有第二上表面，所述第二上表面供所述图像光线出射的位置设有增透膜。

在一个实施例中，经过每个所述第二波导偏振片后从所述第二扩展波导出射的所述图像光线的强度相同。

在一个实施例中，所述第一波导偏振片与所述第二上表面的夹角为20°～30°。

本实用新型的目的还在于提供一种显示装置，包括上述的光波导光学系统。

本实用新型提供的一种光波导光学系统的有益效果在于：

(1)在第一偏振单元中设置多个排列成阵列的第一波导偏振片，从而可以将一份图像光线扩展成多份图像光线从第一扩展波导中出射，实现对图像光线的扩展。

(2)通过设置第一波导偏振片的偏振化方向与图像光线振动方向的夹角，从而可以设置经不同第一波导偏振片透射后的图像光线的强度，使得出射光线的强度可按照预设要求进行分布，满足多样化的使用需求。

(3)由于第一波导偏振片可以对光线的偏振态进行选择，只有满足偏振态要求的光线才可以通过第一波导偏振片，因此杂散光无法透过第一波导偏振片，从而用户看到的虚拟图像不会受到杂散光的影响，提高了成像质量，用户具有更好的观影体验。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的光波导光学系统的结构示意图一；

图2为本实用新型实施例提供的光波导光学系统的结构示意图二；

图3为本实用新型实施例提供的光波导光学系统的结构示意图三；

图4为本实用新型实施例提供的光波导光学系统的结构示意图四；

图5为偏振片的工作原理示意图；

图6为本实用新型实施例提供的光波导光学系统的第一偏振单元(或第二偏振单元)的工作原理示意图，其中(a)为图像光线的振动方向；(b)为第一偏振片(或第五偏振片)的偏振化方向；(c)为第二偏振片(或第六偏振片)的偏振化方向；(d)为第三偏振片(或第七偏振片)的偏振化方向；(e)为第四偏振片(或第八偏振片)的偏振化方向。

其中，图中各附图标记：

1-图像组件； 2-透镜组件；

3-第一扩展波导； 31-第一偏振单元；

310-全反射膜； 311-第一偏振片；

312-第二偏振片； 313-第三偏振片；

314-第四偏振片； 32-第一扩展波导本体；

321-第一上表面； 322-第一下表面；

4-第二扩展波导； 41-第二偏振单元；

411-第五偏振片； 412-第六偏振片；

413-第七偏振片； 414-第八偏振片；

42-第二扩展波导本体； 421-第二上表面；

422-第二下表面； 5-眼睛。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，一种光波导光学系统，包括沿光路依次设置的图像组件1、透镜组件2以及第一扩展波导3，其中图像组件1用于提供图像光线，透镜组件2用于对图像光线进行调整，第一扩展波导3用于对图像光线进行扩展。第一扩展波导3包括第一偏振单元31，第一偏振单元31包括多个排列成阵列的第一波导偏振片，第一波导偏振片的偏振化方向与图像光线振动方向呈预设夹角。图像光线经过透镜组件2后传播至第一扩展波导3，并经多个第一波导偏振片后从第一扩展波导3中出射至用户的眼睛5。

本实施例提供的一种光波导光学系统的工作原理如下：

按照电磁波理论，光是横波，光的振动方向与其传播方向垂直。在垂直于光传播方向的平面内，光矢量可能有不同的振动方向，通常把光矢量保持一定振动方向上的状态称为偏振态。请参阅图5和图6，根据马吕斯定律可知，当强度为I0的线偏振光经过偏振片后，透射光的强度I为：I＝I0(cosα)²，其中α为光振动方向与偏振片的偏振化方向之间的夹角。当光振动方向与偏振片的偏振化方向之间的夹角α为0°时，即光振动方向与偏振片的偏振化方向相平行，此时透射光的强度I与光线的初始强度I0相等；当光振动方向与偏振片的偏振化方向之间的夹角α为90°时，即光振动方向与偏振片的偏振化方向相垂直，此时透射光的强度I为0，即光无法通过偏振片；当改变光振动方向与偏振片的偏振化方向之间的夹角α时，透射部分的光线强度I也会发生变化。在本实施例中，α为第一波导偏振片的偏振化方向与图像光线振动方向，通过设置不同第一波导偏振片的偏振化方向与图像光线振动方向的夹角α，即可以设置经不同第一波导偏振片透射后的图像光线的强度。

第一波导偏振片可反射和透射具有第一偏振态的图像光线，同时可吸收或者反射具有其他偏振态(即第二偏振态)的光线。当具有第一偏振态的光线为S偏振光时，具有第二偏振态的光线为P偏振光；当具有第一偏振态的光线为P偏振光时，具有第二偏振态的光线为S偏振光。当图像光线到达第一波导偏振片时，具有第一偏振态的图像光线可以通过第一波导偏振片，而具有第二偏振态的图像光线则无法通过第一波导偏振片；第一波导偏振片的偏振化方向与图像光线振动方向的夹角α，从而一部分具有第一偏振态的图像光线发生反射，发生反射的图像光线从第一扩展波导3中出射；另一部分具有第一偏振态的图像光线发生透射，该部分图像光线透射至与该第一波导偏振片相邻的第一波导偏振片，并重复上述过程。最后，经所有第一波导偏振片反射的图像光线从第一扩展波导3中出射至用户的眼睛5，从而实现对图像光线的扩展。

本实施例提供的一种光波导光学系统的有益效果在于：

(1)在第一偏振单元31中设置多个排列成阵列的第一波导偏振片，从而可以将一份图像光线扩展成多份图像光线从第一扩展波导3中出射，实现对图像光线的扩展。

(2)通过设置第一波导偏振片的偏振化方向与图像光线振动方向的夹角α，从而可以设置经不同第一波导偏振片透射后的图像光线的强度，使得出射光线的强度可按照预设要求进行分布，满足多样化的使用需求。

(3)由于第一波导偏振片可以对图像光线的偏振态进行选择，只有满足偏振态要求的图像光线才可以通过第一波导偏振片，因此杂散光无法透过第一波导偏振片，从而用户看到的虚拟图像不会受到杂散光的影响，提高了成像质量，用户具有更好的观影体验。

在一个实施例中，图像组件1为微显示器，图像组件1产生的图像光线为具有第一偏振态的图像光线，此时第一波导偏振片可透射具有第一偏振态的图像光线，同时吸收或者反射具有第二偏振态的图像光线。由于图像光线只具有第一偏振态，因此经第一波导偏振片后反射的部分图像光线中只包含具有第一偏振态的图像光线。

在一个实施例中，图像组件1产生的图像光线包含具有第一偏振态和第二偏振态的图像光线，此时第一波导偏振片可透射具有第一偏振态的图像光线，同时吸收具有第二偏振态的图像光线，从而确保经第一波导偏振片后反射的部分图像光线中只包含具有第一偏振态的图像光线。

请参阅图2，进一步地，第一偏振单元31还包括全反射膜310，全反射膜310用于将图像光线入射至第一扩展波导3的图像光线反射至与该全反射膜310相邻的一个第一波导偏振片上。设置全反射膜310，一方面确保入射至第一扩展波导3的图像光线能够在第一扩展波导3内全反射至第一波导偏振片上，避免了光线的损失，提高了光线利用率；另一方面也可以对入射图像光线的方向进行调整，从而使得图像组件1的位置设置更加灵活。

请参阅图1和图2，进一步地，第一扩展波导3还包括第一扩展波导本体32，第一偏振单元31设于第一扩展波导本体32内，第一扩展波导本体32包括靠近透镜组件2的第一上表面321以及用于将图像光线出射的第一下表面322。第一上表面321设有增透膜，优选地，增透膜设在第一上表面321供图像光线入射到第一扩展波导3的入射处，从而使得经过透镜组件2后的图像光线能更好地入射到第一扩展波导3中，减少图像光线的损失，提高了图像光线的利用率。第一下表面322设有增透膜，优选地，增透膜设在第一下表面322供图像光线从第一扩展波导3中出射的出射处，从而使得经过第一扩展波导3扩展的图像光线能更好地从第一扩展波导3中出射，增加了图像光线的出射率，从而可以减少图像光线的损失，提高了图像光线的利用率。

在一个实施例中，全反射膜310与第一下表面322的夹角θ为20°～30°，从而保证了图像光线在第一扩展波导3中可以发生全内反射，避免了图像光线的损失。

为了进行进一步说明，在本实施例中，选择第一波导偏振片的数量为四个，四个第一波导偏振片分别记为第一偏振片311、第二偏振片312、第三偏振片313以及第四偏振片314，第一偏振片311、第二偏振片312、第三偏振片313以及第四偏振片314按顺序排成阵列，且满足入射到第一扩展波导3的图像光线经过全反射膜310反射后首先到达第一偏振片311；经第一偏振片311透射的图像光线到达第二偏振片312，经第一偏振片311反射的图像光线从第一扩展波导3中出射。同理，经第二偏振片312透射的图像光线到达第三偏振片313，经第二偏振片312反射的图像光线从第一扩展波导3中出射；经第三偏振片313透射的图像光线到达第四偏振片314，经第三偏振片313反射的图像光线从第一扩展波导3中出射；经第四偏振片314透射的图像光线为零或者被第一扩展波导本体32的侧壁吸收，经第四偏振片313反射的图像光线从第一扩展波导3中出射。此时，入射至第一扩展波导3的一份图像光线经第一偏振单元31后出射时扩展为四份，从而实现了对图像光线的扩展。

请参阅图2和图6，进一步地，经过每个第一波导偏振片后出射的图像光线的强度相同。通过调整每一个第一波导偏振片的偏振化方向与图像光线振动方向的夹角，从而可以调整经每一个第一波导偏振片反射后出射的图像光线的强度，确保经过每个第一波导偏振片后出射的图像光线的强度相同，经过第一扩展波导3扩展的图像光线分布更加均匀，有效改善图像效果，确保用户具有良好的观看体验。

在一个实施例中，全反射膜310的反射率为1；第一偏振片311的反射率为1/4，透射率为3/4；第二偏振片312的反射率为1/3，透射率为2/3；第三偏振片313的反射率为1/2，透射率为1/2；第四偏振片314的反射率为1，透射率为0。此时经第一偏振片311、第二偏振片312、第三偏振片313以及第四偏振片314反射后出射的图像光线的强度均为入射图像光线强度的1/4，从而使得光强分布均匀。应当理解的是，第一波导偏振片的反射率也可以为其他值，只要满足经过每个第一波导偏振片后出射的图像光线的强度相同即可，此处不做限制。

当第一波导偏振片的数量为N个时，将第一波导偏振片按照靠近全反射膜310向远离全反射膜310的顺序依次记为第一个第一波导偏振片，第二个第一波导偏振片、。。。第N个第一波导偏振片，其反射率依次为1/N，1/(N-1)，。。。1，从而使得光强分布均匀。

请参阅图3和图4，进一步地，本实施例提供的光波导光学系统还包括第二扩展波导4，用于对从第一扩展波导3出射的图像光线进行扩展，第二扩展波导4包括第二偏振单元41，第二偏振单元41包括多个排列成阵列的第二波导偏振片，所述第二波导偏振片的偏振化方向与图像光线振动方向呈预设夹角。图像光线经过第一扩展波导3后传播至第二扩展波导4，并经多个第二波导偏振片后从第二扩展波导4中出射至用户的眼睛5，从而用户可以观看图像组件1的图像信息。由于第二偏振单元41设有多个第二波导偏振片，因此当图像光线入射至第二扩展波导4后，第二偏振单元41会对其进行扩展，从而进一步对图像光线进行扩展。

在一个实施例中，第一波导偏振片可反射和透射具有第一偏振态的图像光线，此时第二波导偏振片也可反射和透射具有第一偏振态的图像光线，同时吸收或者反射具有第二偏振态的图像光线。由于从第一扩展波导出射的图像光线只具有第一偏振态，因此经第二波导偏振片后反射的部分图像光线中只包含具有第一偏振态的图像光线。

在一个实施例中，第一扩展波导3可为垂直扩展波导，第二扩展波导4可为水平扩展波导，从而第一扩展波导3和第二扩展波导4在两个相互垂直的方向上对图像光线进行扩展，用户能够观看到更好的图像效果，从而改善用户体验。应当理解的是，第一扩展波导3也可以和第二扩展波导4的方向不互相垂直，只要可以实现第一扩展波导3和第二扩展波导4在两个不同的方向上对图像光线进行扩展即可，此处不做限制。为了进行进一步说明，在本实施例中，选择第一扩展波导3可为垂直扩展波导，第二扩展波导4可为水平扩展波导，其余情况与此种情况类似。

进一步地，第二扩展波导4还包括第二扩展波导本体42，第二偏振单元41设于第二扩展波导本体42中。第二扩展波导本体42设有第二上表面421以及与第二上表面421相对的第二下表面422，第二上表面421设有增透膜。优选地，第二上表面421供图像光线从第二扩展波导4中出射的出射处设有增透膜，使得经第二扩展波导4扩展的图像光线能更好地从第二扩展波导4中出射，增加了图像光线的出射率，减少图像光线的损失，提高了图像光线的利用率。

在一个实施例中，第一波导偏振片与第二上表面421的夹角为20°～30°，从而保证了图像光线在第二扩展波导4中可以发生全内反射，避免了图像光线的损失。

为了进行进一步说明，在本实施例中，选择第二波导偏振片的数量为四个，四个第二波导偏振片分别记为第五偏振片411、第六偏振片412、第七偏振片413以及第八偏振片414，第五偏振片411、第六偏振片412、第七偏振片413以及第八偏振片414按顺序排成阵列，且满足入射到第二扩展波导4的图像光线首先到达第五偏振片411；经第五偏振片411透射的图像光线到达第六偏振片412，经第五偏振片411反射的图像光线从第二扩展波导4中出射。同理，经第六偏振片412透射的图像光线到达第七偏振片413，经第六偏振片412反射的图像光线从第二扩展波导4中出射；经第七偏振片413透射的图像光线到达第八偏振片414，经第七偏振片413反射的图像光线从第二扩展波导4中出射；经第八偏振片414透射的图像光线为零或者被第二扩展波导本体42的侧壁吸收，经第八偏振片414反射的图像光线从第二扩展波导4中出射。此时，入射至第二扩展波导4的一份图像光线经第二偏振单元41后出射时扩展为四份，从而进一步实现了对图像光线的扩展。

请参阅图3、图4和图6，进一步地，经过每个第二波导偏振片后出射的图像光线的强度相同。通过调整每一个第二波导偏振片的偏振化方向与图像光线振动方向的夹角，从而可以调整经每一个第二波导偏振片反射后出射的图像光线的强度，确保经过每个第二波导偏振片后出射的图像光线的强度相同，经过第二扩展波导4扩展的图像光线分布更加均匀，有效改善图像效果，确保用户具有良好的观看体验。

在一个实施例中，第五偏振片411的反射率为1/4，透射率为3/4；第六偏振片412的反射率为1/3，透射率为2/3；第七偏振片413的反射率为1/2，透射率为1/2；第八偏振片414的反射率为1，透射率为0。此时经第五偏振片411、第六偏振片412、第七偏振片413以及第八偏振片414反射后出射的图像光线的强度均为入射图像光线强度的1/4，从而使得光强分布均匀。应当理解的是，第二波导偏振片的反射率也可以为其他值，只要满足经过每个第二波导偏振片后出射的图像光线的强度相同即可，此处不做限制。第二波导偏振片的数量可以根据需要进行设置，并不仅限于上述的情形。

因此，一份图像光线经第一扩展波导3和第二扩展波导4的扩展后，从第二扩展波导4出射时，形成了一个4x4的出瞳点阵，极大地对图像光线进行了扩展，从而增大了显示窗口，用户可以获得更好的观影体验。

当第二波导偏振片的数量为N个时，将第二波导偏振片按照靠近第一扩展波导3向远离第一扩展波导3的顺序依次记为第一个第二波导偏振片，第二个第二波导偏振片、。。。第N个第二波导偏振片，其反射率依次为1/N，1/(N-1)，。。。1，从而使得光强分布均匀。当第一波导偏振片的数量也为N个时，一份图像光线经第一扩展波导3和第二扩展波导4的扩展后，从第二扩展波导4出射时，形成了一个NxN的出瞳点阵，极大地对图像光线进行了扩展，从而增大了显示窗口，用户可以获得更好地观影体验。应当理解的是，第二波导偏振片的数量可以和第一波导偏振片的数量相同，也可以不同，可以根据需要进行设置。

本实施例的目的还在于提供一种显示装置，包括上述的光波导光学系统。显示装置可以是虚拟现实装置，例如虚拟现实头盔；显示装置也可以是增强现实装置，例如增强现实眼镜等，此处不做限制。

本实施例提供的一种显示装置的有益效果在于：

(1)在第一偏振单元31中设置多个排列成阵列的第一波导偏振片，从而可以将一份图像光线扩展成多份图像光线从第一扩展波导3中出射至第二扩展波导4中，实现对图像光线的扩展；

在第二偏振单元41中设置多个排列成阵列的第二波导偏振片，从而可以将一份图像光线分成多份图像光线从第二扩展波导4中出射，进一步对图像光线的扩展。

(2)通过设置第一波导偏振片的偏振化方向与图像光线振动方向的夹角α，从而可以设置经不同第一波导偏振片透射后的图像光线的强度，使得从第一扩展波导3出射光线的强度可按照预设要求进行分布；

通过设置第二波导偏振片的偏振化方向与图像光线振动方向的夹角α，从而可以设置经不同第二波导偏振片透射后的图像光线的强度，使得从第二扩展波导3出射光线的强度可按照预设要求进行分布，满足多样化的使用需求。

(3)由于第一波导偏振片和第二波导偏振片可以对图像光线的偏振态进行选择，只有满足偏振态要求的图像光线才可以通过第一波导偏振片和第二波导偏振片，因此杂散光无法透过第一波导偏振片，从而用户看到的虚拟图像不会受到杂散光的影响，提高了成像质量，用户具有更好的观影体验。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。