本发明涉及光传播领域，特别是涉及一种紧凑型自由曲面波导近眼显示光学装置。
背景技术
用于增强现实的头戴显示器可以让人们在查看周围环境的同时，将虚拟的图像投射到人眼，在军事，工业，娱乐，医疗，交通运输等领域有着重要的意义。投影的虚拟图像可以叠加在用户感知的真实世界上。用于增强现实的透射型头戴显示器，传统的共轴目镜装置无法解决装置对视场角、出瞳距离的要求与小型轻量化之间的矛盾，现有技术波导近眼显示光学装置，使用多片棱镜组构成目镜装置的光学方案造成体积庞大且厚重，影响用户体验。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种紧凑型自由曲面波导近眼显示光学装置，能够大大缩小显示光学装置的体积和减轻重量，实现用户长时间无感佩戴，同时极大地提高了装置的成像质量和能量的传输效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种紧凑型自由曲面波导近眼显示光学装置，所述装置包括：微显示屏、偏振片、自由曲面棱镜和波导组；所述自由曲面棱镜包括入射光平面、第一光学曲面和第二光学曲面，所述微显示屏发出的光线，经过所述偏振片进行偏振后，依次进入所述自由曲面棱镜的入射光平面、第一光学曲面和第二光学曲面，准直成平行光入射至所述波导组，经过所述波导组反射后进入人眼眼瞳。
可选的，所述装置还包括耦合入口模块，所述耦合入口模块位于所述自由曲面棱镜和所述波导组之间，所述耦合入口模块用于将所示自由曲面棱镜发出的光进行耦合，将耦合后的光线传播到所述波导组内。
可选的，所述微显示屏为有机发光二极管或硅基液晶。
可选的，所述自由曲面棱镜的透镜材质为光学玻璃或光学塑料。
可选的，所述波导组由2个或以上平行四角棱镜和1个或以上梯形棱镜依次胶合而成。
可选的，所述平行四角棱镜和所述梯形棱镜的锐角角度相等。
可选的，所述平行四角棱镜和所述梯形棱镜的锐角角度范围为10°～80°。
可选的，所述平行光的入射光线与所述波导组的基底平面的夹角范围为30°～80°。
可选的，所述波导组的基底材质为光学玻璃或光学塑料。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种紧凑型自由曲面波导近眼显示光学装置，采用一个自由曲面棱镜取代目前的共轴目镜装置，使整体体积大大缩小且重量减轻，可以实现用户长时间无感佩戴，另外，自由曲面棱镜具有小像差，小畸变的特点，因此其产生的全视场范围畸变可小于1％，能够极大地提高了装置的成像质量和能量的传输效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例紧凑型波导近眼显示光学装置结构组成图；
图2为本发明实施例自由曲面棱镜组成图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例紧凑型波导近眼显示光学装置结构组成图。如图1所示，一种紧凑型波导近眼显示光学装置包括微显示屏001、偏振片002、自由曲面棱镜003和波导组004。微显示屏001作为图像源，即属于成像光学装置里的物面，由物面任意一视场点发出的光线，经过偏振片002后进入自由曲面棱镜003，被准直成平行光出射，此平行光束继续向前传播，耦合进入波导组004，在波导组004内，光线遵从折反射定律，在波导基底内部进行传输，光束等效尺寸增大，然后从波导的薄膜分光斜面反射，最终，进入人眼眼瞳005，聚焦在视网膜上成微显示屏001的虚拟像，也即完成了虚拟现实。
微显示屏001作为光学装置的物图像，一般地，它可以是oled(organiclight-emittingdiode，有机发光二极管)，可以是lcos(liquidcrystalonsilicon，硅基液晶)，也可以是由其它材料构成的具有发光功能的微显示芯片。
自由曲面棱镜003，是指非对称性，不规则，不适合用统一的光学方程式来描述的光学曲面，属于离轴非球面光学装置，透镜材质可用光学玻璃或光学塑料，光学玻璃有牌号如k9、bk7、zf52等，光学塑料有pc(polycarbonate，聚碳酸酯)、pmma(polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)。自由曲面棱镜003具有小像差，小畸变的特点，全视场范围畸变可小于1％。
典型的二次曲面函数表达式为
式中，h2＝x2+y2，c为曲面顶点的曲率，k为二次曲面系数，a4，a6...等为高次非球面系数。
基于上式的基础上，自由曲面常见表达式主要有以下三种变形方式:
(1)平面对称的复曲面，其方程为：
其中，cx为曲面在x-z平面内的曲率半径，cy是曲面在y-z平面的曲率半径，kx为曲面在弧矢方向的二次曲面系数，ky为曲面在子午方向的二次曲面系数，ai为关于z轴旋转对称的4,6,8,10,12，...阶非球面系数，pi是4,6,8,10,12...阶非旋转对称系数。
(2)xy多项式曲面是在二次曲面的基础上增加了最高幂数不大于p的多个xmyn单项式，其描述方程为：
其中，c是曲率，k是二次曲面系数，c(m,n)是单项式xmyn的系数。
(3)复曲率xy多项式的公式描述如下：
其中，cx和cy分别是弧矢和子午方向的曲率，kx和ky分别是弧矢和子午方向的二次非球面系数。
微显示屏001输出的源图像光线通过偏振片002进入自由曲面棱镜003后被准直，准直后的光线为平行光，为方便分析，选择零视场的平行光束其中1根，命名为平行光线100。
所述装置还包括耦合入口模块010，所述耦合入口模块010位于所述自由曲面棱镜003和所述波导组004之间，所述耦合入口模块010用于将所示自由曲面棱镜003发出的光进行耦合，将耦合后的光线传播到所述波导组004内。
平行光线100往前传播进入耦合入口模块010，根据折射定律n1*sini＝n2*sinθ，n1指入射介质的折射率，n2指出射介质的折射率，i是入射角，指入射光与入射面法线的夹角，θ是出射角，指出射光与入射面法线的夹角。
耦合入口010可以是材质为光学玻璃或光学塑料的抛光平面，也可以是一种浮雕光栅，浮雕光栅的种类可以是亚波长的闪耀光栅，或者倾斜光栅，或者沉积tio2对称光栅，或镀多层膜对称光栅，或者任意结构的非对称亚波长光栅。当耦合入口为光学玻璃或光学塑料的抛光平面时，光线传播规律按照折射定律n1*sini＝n2*sinθ。当耦合入口为浮雕光栅时，光线传播规律按照光栅方程：d*(n1*sini+n2*sinθ)＝m*λ，n1指入射介质的折射率，n2指出射介质的折射率，i是入射角，指入射光与入射面法线的夹角，θ是出射角，指出射光与入射面法线的夹角，d是指对应的光栅常数，m指衍射级次，λ指对应光线波长。
波导组004也可由2个或以上平行四角棱镜和1个或以上梯形棱镜按顺序依次胶合而成。图1波导组004由5个平行四角棱镜和1个梯形棱镜按顺序依次胶合而成，每个平行四角棱镜的锐角角度相等，每个梯形棱镜的锐角角度相等。一般地，平行四角棱镜的锐角角度范围可在10°～80°，梯形棱镜的锐角角度范围可在10°～80°。更一般地，每个平行四角棱镜的其中一个锐角角度确定后，其它平行四角棱镜的锐角角度取值可与它相等，而梯形棱镜的锐角也与平行四角棱镜锐角角度相等。这样由5个平行四角棱镜和1个梯形棱镜按顺序依次胶合而成的波导构成一个大的梯形棱镜，即波导组004具有2个相互平行的大平面。平行光线100传播到这2个大平面上，入射角大于全反射角即满足全反射定律，平行光线100将在波导003内部进行全反射传播。
全反射角θ＝arcsin(1/n2)，假如入射基底材质为lak3，则n2＝1.75，θ＝34.8°，只要在基底内部2个相互平行的大平面上入射角大于34.8°，则光线满足全反射定律。
在波导组004中，耦合入口模块010与波导组004基底大平面夹角(锐角)a为30°～80°之间，优选地，设置夹角a为45°，基底材质为光学玻璃或光学塑料，光学玻璃有牌号如k9、bk7、zf52等，光学塑料有pc(polycarbonate，聚碳酸酯)、pmma(polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)，为方便举例，可设置基底材质为光学玻璃lak3，则0视场光线(即平行光线100)在基底大平面的入射角为45°，大于lak3全反射角34.8°，满足全反射原理，平行光线100在波导004基底内进行全反射传播。以全视场角对角线40°为例，则水平x垂直角度＝35.2°*20.2°，则水平半角为17.6°。只要a-arcsin(sin(17.6°)/n2)＞arcsin(sin(1/n2))，则全视场光线均满足全反射原理，光线可在波导004基底内部进行有效传播，其中n2为波导004基底折射率。平行光线100传播到斜面011时，会分裂出两根光线，其中反射的是平行光线101，按照反射定律进行反射传播，另一根仍为平行光线100，只是携带的能量衰减。同理，平行光线100经过斜面012、斜面013、斜面014、斜面015、会分别分裂出反射的平行光线102、平行光线103、平行光线104、平行光线105。斜面011、斜面012、斜面013、斜面014、斜面015上镀有不同反射率的介质膜层，也可在斜面上刻蚀金属线栅，最终斜面反射率在1～50％之间，更优选地可选择使反射率在10～30％之间。斜面011、斜面012、斜面013、斜面014、斜面015相邻斜面间距可设置在1～8mm之间，更优选地可设置相邻斜面间隔在3～5mm。
图2为本发明实施例自由曲面棱镜组成图。如图2所示，所述自由曲面棱镜包括位于底面的入射光平面303、位于左侧的第一自由光学曲面301、位于右侧的第二自由光学曲面302，其自由曲面结构的形状根据光源与自由曲面棱镜的入射光平面的距离d，以同一点的入射光入射到自由曲面棱镜的出射光线的反向延长线汇聚到同一点为约束条件，通过对自由曲面棱镜的自由光学曲面位置进行迭代确定，使从微显示器001输入的物相光线能在自由曲面棱镜中进行全反射后准直成平行光线100耦合入射到波导组004中传输。所述自由曲面棱镜的基底材质为光学玻璃或光学塑料。本发明还可以将自由曲面棱镜设置多个自由曲面的棱镜，不限定于只包含两个自由光学曲面。
本发明提供一种紧凑型自由曲面波导近眼显示光学装置，采用一个自由曲面棱镜取代目前的共轴目镜装置，使整体体积大大缩小且重量减轻，可以实现用户长时间无感佩戴，另外，自由曲面棱镜具有小像差，小畸变的特点，因此其产生的全视场范围畸变可小于1％，能够极大地提高了装置的成像质量和能量的传输效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。