CN102495470A - 一种基于波导的透视显示装置及眼镜式微投影系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于波导的透视显示装置及眼镜式微投影系统，属于光学显示设施技术领域。该装置包括具有入射面的玻璃片，所述玻璃片内部具有相对反向倾斜设置的入射反射面和射出反射面，所述入射反射面的倾斜角度以使所述入射面射入的光线反射后与玻璃片表面形成的内入射角大于等于布鲁斯特角设置。由于本发明是基于玻璃片反射原理的全光学装置，因此配置空间很小，可以使微投影装置十分小巧、轻便，并且图像直接反射进入人眼，不会产生质量上的影响，对投影仪光亮度的损失非常小。

Description

一种基于波导的透视显示装置及眼镜式微投影系统

技术领域

本发明涉及一种显示装置，尤其是一种基于波导的透视显示装置，同时还涉及采用该装置的眼镜式微投影系统，属于光学显示设施技术领域。

背景技术

随着微投影仪技术(如1cos技术)不断发展，以及手持终端成为主要的信息终端产品，抬头式显示装置(HUD)的迅速普及，其应用领域上至军事、下至日常生活，非常广泛。

但目前的HUD系统具有非常明显的缺点。几乎所有的HUD系统中图像源与显示板之间都需要配置有效的距离，因此系统体积大，质量重，需要较大的配置空间，从而给使用带来诸多不便。

检索发现，申请号为CN00104591.1的中国专利申请公开了一种投影显示单元的偏振光变换装置，包括具有预定厚度的介质，将以布鲁斯特角入射的光变换成具有λ/2的相差的光；偏振光分离膜，通过介质的涂覆的前侧和涂覆的后侧从以布鲁斯特角进入的入射光中透射P偏振光波而反射S偏振光波。从以布鲁斯特角进入的入射光中，一偏振光分离膜的涂覆表面反射S偏振光波而透射P偏振光波。透射的P偏振光波透射通过具有预定厚度的介质时具有λ/2的相差，沿着通过偏振光分离膜反射的S偏振光波的方向前进。然而，该装置并不能直接用于解决上述微投影的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于：针对上述现有技术存在的缺点，提出一种在保证影像配质量前提下，置空间十分紧凑的基于波导的透视显示装置。

为了达到以上目的，本发明基于波导的透视显示装置基本技术方案包括具有入射面的玻璃片，所述玻璃片内部具有相对反向倾斜设置的入射反射面和射出反射面，所述入射反射面的倾斜角度以使所述入射面射入的光线反射后与玻璃片表面形成的内入射角大于等于布鲁斯特角设置。

由光学理论可知，当玻璃片内光线的入射角大于布鲁斯特角时，将发生全反射，而布鲁斯特角的大小与玻璃片的折射率关系为：

$I_m={\sin }^{-1}\frac{n^{\′}}{n}---\left(1\right)$

(1)式子中：n为空气的折射率，n为玻璃的折射率，I_m为布鲁斯特角。对于n′＝1，光学玻璃的折射率一般为1.5--1.6，所以I_m一般为42度和38度。只要璃片内光线的入射角大于I_m的，将会产生全反射。采用本发明后，可以将投影图像耦合进入一片眼镜玻璃片内，借助玻璃片内的反射面，产生全反射，将投影图像投射到人眼中。由于本发明是基于玻璃片反射原理的全光学装置，因此配置空间很小，可以使微投影装置十分小巧、轻便，并且图像直接反射进入人眼，不会产生质量上的影响，对投影仪光亮度的损失非常小。

但是，如果如图1所示，直接将微型投影仪投出的图像耦合到一片玻璃片中，通过玻璃片的内部全反射将图像反射进入人眼，存在视角受限的问题。因为此时图像的最大视角由以下(2)式确定：

${\mathrm{FOV}}_{\max }=\frac{T\tan {\mathrm{\α}}_{\mathrm{sur}}-d_{\mathrm{eye}}}{R_{\mathrm{eye}}}---\left(2\right)$

(2)式中：T为玻璃片的厚度，α_sur为第二个反射面与玻璃片法线之间的夹角，d_eye为眼睛出瞳直径(一般为8-10mm)，R_eye为人眼与玻璃片之间的距离，一般为(30-40mm)。对于10°的FOV，玻璃片的厚度至少为10mm；而对于20°、30°的FOV来说，T至少为15mm、20mm，不适合实际使用。

既要控制玻璃片厚度，又要适当扩大FOV，申请人想到了借助半透射膜增加射出反射面数量的解决方案。

因为半透射膜可以将一部分光线反射到玻璃片外进入人眼中，一部分透射过去再进入内部全反射，到达另一反射面后，反射出玻璃片进入人眼，这样就扩大了视角(FOV)。而两个射出反射膜的投影相互重叠后FOV按下式计算：

${\mathrm{FOV}}_{\max }=\frac{2T\tan {\mathrm{\α}}_{\mathrm{sur}}-d_{\mathrm{eye}}}{R_{\mathrm{eye}}}---\left(3\right)$

在与前述类同条件下，FOV为20°和30°时，T只需原先的一半——7mm和10mm，从而大大降低了T的厚度。

但是，增加反射面可能产生的缺陷是会形成严重重影。申请人经分析后找到引起重影的原因是投射光(参见图2中虚线光线)在透过本板透射镀膜面后，经全反射又投射到该半透射膜的另一面，如果此时不能全部透射而引起反射，将引起图像的混乱，出现重影，严重影响图像质量。

经研究，申请人找到了解决方案。由于目前的微投影仪采用的是1cos技术，其投射出的光线是P型偏振光，而图2中虚线投射到半透射膜另一面的光线相对该面的入射角比较大，利用二向色镀膜面(dichroic coating)的特性反射率随入射角迅速衰减(参见图的特性即可。

由此得到本发明进一步的技术方案：所述入射反射面和射出反射面之间还设有至少一个与所述射出反射面平行的二向色半透射镀膜面。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一个实施例基本技术方案的结构示意图。

图2为本发明一个实施例的结构示意图。

图3为二向色镀膜面入射角与发射率关系表。

图4为二向色半透膜正面光路示意图。

图5为二向色半透膜反面光路示意图。

图6为本发明图2实施例实际应用的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例基于波导的透视显示装置基本技术方案如图1所示，包括具有入射面A的玻璃片1，该玻璃片内部具有相对反向倾斜设置的入射反射膜形成的入射反射面F1和射出反射膜形成的射出反射面F2，入射反射面F1的倾斜角度按以下要求设置：当微投影仪2的LCD发出的偏振光光线经准直镜从玻璃片入射面A射入，经入射反射面F1反射后，与玻璃片表面A的内入射夹角a大于等于布鲁斯特角。这样，入射光线将在玻璃片内全反射直到由射出反射面F2发射到人眼E。

本实施例实际制作时如图2所示，入射反射面F1的倾斜角为25°，因此经入射反射面F1反射后与玻璃片表面A的内入射夹角a为50°，大于布鲁斯特角°(本实施例的玻璃折射率为1.5)，因此可以保证全反射。射出反射面F2以与入射反射面F1对称的倾斜角反向设置。在入射反射面F1和射出反射面F2之间还设有一个与射出反射面F2平行的二向色半透射镀膜面F 3，因此可以有效扩大视角。该半透射镀膜面的反射率与透过率分别为50％。射出反射面F2与半透射镀膜面F 3在玻璃片入射面A上的投影相接。此时，如图2中虚线所示(参见图4、图5)，投射到半透射膜F3另一面的光线相对该面的入射角为75°，而二向色镀膜面(dichroic coating)对于偏振光的反射率如图3中的L波长、反射率V表所示，不到1％，因此重影可以忽略不计。

本实施例可以实际应用于图6所示的眼镜式微投影系统，包括具有入射面的眼镜玻璃片1，其内部具有相对反向倾斜设置的入射反射面和射出反射面(分别由反射膜形成)，入射反射面的倾斜角度以使入射面射入的光线反射后与玻璃片表面形成的内入射角大于等于布鲁斯特角设置。入射反射面和射出反射面之间还设有一组与射出反射面平行的二向色半透射镀膜面F3。射出反射面与各半透射镀膜面F3在玻璃片入射面上的投影相接。眼镜玻璃片的一侧安置微投影仪2，眼镜架内安置信号处理单元3，图像信号处理后，传输给微投影仪2，微投影仪通过准直镜照到玻璃片的入射反射面上，从而将光线导入到眼镜玻璃片内，通过全反射导出玻璃片，从而将投影的影像投射到人眼中，便可看到投影仪投射的图像。

实验证明，以上实施例可使HUD系统非常轻便、简洁、成像质量好，并可提供较大图像。目前的3D显示装置需要用户佩戴特殊眼镜将3D左右眼的图像分离出来，而应用本实施例的技术可以得到真实的3D图像而不需要其他的辅助系统。

除上述实施例外，本发明还可以应用于诸如手机、PDA等小型显示终端。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于波导的透视显示装置，包括具有入射面的玻璃片，其特征在于：所述玻璃片内部具有相对反向倾斜设置的入射反射面和射出反射面，所述入射反射面的倾斜角度以使所述入射面射入的光线反射后与玻璃片表面形成的内入射角大于等于布鲁斯特角设置。

2.根据权利要求1所述基于波导的透视显示装置，其特征在于：所述入射反射面和射出反射面之间还设有至少一个与所述射出反射面平行的二向色半透射镀膜面。

3.根据权利要求2所述基于波导的透视显示装置，其特征在于：所述射出反射面以与所述入射反射面对称的倾斜角度反向设置。

4.根据权利要求3所述基于波导的透视显示装置，其特征在于：所述半透射镀膜面为一个，其反射率与透过率分别为50％。

5.根据权利要求1所述基于波导的透视显示装置，其特征在于：所述射出反射面与半透射镀膜面在玻璃片入射面上的投影相接。

6.一种基于波导的眼镜式微投影系统，包括具有入射面的眼镜玻璃片，其特征在于：所述眼镜玻璃片内部具有相对反向倾斜设置的入射反射面和射出反射面，所述入射反射面的倾斜角度以使入射面射入的光线反射后与玻璃片表面形成的内入射角大于等于布鲁斯特角设置。

7.根据权利要求6所述基于波导的眼镜式微投影系统，其特征在于：所述入射反射面和射出反射面之间设有一组与射出反射面平行的二向色半透射镀膜面，所述射出反射面与各半透射镀膜面在玻璃片入射面上的投影相接。

8.根据权利要求7所述基于波导的眼镜式微投影系统，其特征在于：所述眼镜玻璃片的一侧安置微投影仪，眼镜架内安置信号处理单元。

9.根据权利要求8所述基于波导的眼镜式微投影系统，其特征在于：所述入射反射面和射出反射分别由反射膜形成。

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