CN103424803B - 光学波导器件系统 - Google Patents

Abstract

一种光学波导器件系统，其包括显示光源，提供用于显示的图像光波；准直透镜，对来自光源的光波进行准直；光学传输衬底，准直后的光波进入到光学传输衬底中并按预定路径传输，光学传输衬底的底面上具有横向凹槽，凹槽在衬底纵向上的横截面为三角形并且在凹槽的纵向上保持不变；光波耦合输出元件，具有朝上的三角形凸起部，该凸起部能与所述凹槽相匹配，凸起部的两个侧表面上有膜层，有膜层的两个侧表面经由紫外胶胶合到凹槽的侧表面上，从而通过凸起部的有膜层的侧表面将光耦合出光学传输衬底，通过膜层能够实现大角度入射光线选择性透过，并提高小角度入射光线的透过率。根据本发明的系统与现有技术相比，视场更大，而且结构紧凑、轻便小巧。

Description

光学波导器件系统

技术领域

本发明涉及一种光学波导器件系统，特别是一种可用于微型图像显示的光学波导器件系统。

背景技术

头戴式可视设备及其它紧凑的显示系统、平板显示、笔记本等通常依靠光学元件来传输需要显示的图像。例如，显示系统通过透明的镜片将图像显示在人眼的前方，从而可以在透过镜片观察前方环境的同时浏览镜片中的图像信息。通常此类显示的核心光学系统主要由三部分组成：光波耦合输入装置、光学传输衬底以及光波输出耦合装置。同时，轻巧、紧凑、大视场以及图像的高分辨率一直是此类光学系统的追求。虽然采用常规的成像方法可以获得大的视场，但是随着视场的增加，光学系统整体的重量和体积也随之急剧增加，因此设计轻巧、紧凑的光学系统便成为此类成像器件系统的趋势。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中随着视场增大而产生的重量和体积方面的缺陷。

为了实现这一目的，本发明提供了一种光学波导器件系统，包括：显示光源，提供用于显示的图像光波；准直透镜，对来自显示光源的光波进行准直；光学传输衬底，经准直透镜准直的光波进入到光学传输衬底中，并且在光学传输衬底中按照预定的路径传输，光学传输衬底在其底面上具有横向凹槽，该凹槽在衬底纵向上的横截面为三角形优选为等腰三角形并且三角形横截面在凹槽的纵向上保持不变；以及光波耦合输出元件，其具有朝上的三角形凸起部，并且该三角形凸起部能与光学传输衬底上的凹槽相匹配，三角形凸起部的两个侧表面上设有膜层，设有膜层的两个侧表面经由紫外胶胶合到凹槽的侧表面上，从而通过三角形凸起部的设有膜层的侧表面将在光学传输衬底中传输的光耦合出光学传输衬底，其中通过膜层能够实现入射角大于全反射角的大角度入射光线选择性地透过，并且入射角小于全反射角的小角度入射光线的透过率得以提高。

根据本发明的一优选实施例中，尚未被光波耦合输出元件耦合出光学传输衬底的光波在光学传输衬底的除底面之外的表面上的入射角以及在光波耦合输出元件的底面上的入射角大于全反射角。

根据本发明的一优选实施例中，在光学传输衬底的除底面之外的表面上以及在光波耦合输出元件的底面上设有另一膜层，通过该膜层使得尚未被光波耦合输出元件耦合出光学传输衬底的光波即使在入射角小于全反射角的情况下也能大部分被反射。

根据本发明的一优选实施例中，光学传输衬底在其底面上具有多个横向凹槽，并且相邻凹槽的相邻侧面相交，光波耦合输出元件相应地具有多个三角形凸起部，各个横向凹槽的尺寸相同。

此外，可以在光学传输衬底的一端设置有显示光源和准直透镜，也可以在光学传输衬底的两端都设置有显示光源和准直透镜。

与现有技术相比，根据本发明的技术方案，在不改变视场的情况下能够极大地减轻整个系统的重量、缩小整个系统的体积；而在相同的重量及体积的情况下，能够显著增大视场。换言之，本发明很好地解决了视场增大与系统体积、重量之间的矛盾，能够在实现大视场的同时，具有紧凑的结构、小巧的体积。

附图说明

图1为根据本发明一优选实施例的光学波导器件系统的结构示意图；

图2为根据本发明一优选实施例的光学波导器件系统右边耦合光波时的光路示意图；

图3为根据本发明一优选实施例的光学波导器件系统左边耦合光波时的光路示意图；

图4为根据本发明一优选实施例的光学波导器件系统左、右两边耦合光波时的光路示意图；

图5示出了根据本发明一优选实施例的光学波导器件系统的一具体应用；以及

图6A和图6B分别示意性示出了根据本发明一优选实施例的光学波导器件系统中的光学传输衬底和光波耦合输出元件。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明优选实施例的光学波导器件系统。本领域技术人员应当理解，下面描述的实施例仅是对本发明的示例性说明，而非用于对其作出任何限制。

如图1所示，根据本发明一优选实施例的光学波导器件系统包括：光学传输衬底10，光波耦合输出元件12，显示光源22，准直透镜20。

显示光源22可由CRT、OLED、LCD等目前主流的显示光源构成。显示光源主要提供用于显示的图像光波。由于不同的光源偏振态不一样，为了避免光波在光学传输衬底10中传输时引起重影等不理想的现象，可根据具体采用的光源对光学传输衬底10进行相应的镀膜，以改变这些不理想的光线传输方向。

准直透镜20可由切割后的平凸透镜组成。此种类型的准直透镜根据系统中所需光源的大小以及为了使光波能够在系统中根据全反射原理进行传输，而进行相应的设计和切割。通过利用准直透镜对来自显示光源22的光波进行准直，使其耦合到光学传输衬底10中。

光学传输衬底10可由如冕牌或者火石材料的光学玻璃构成。利用全反射原理，尽量将源自显示光源22的光波局限在波传输衬底10中按照设计的预定光线传输路径传输。为了能使耦合进入波传输衬底10的光波都能全部传输而不至于使图像信息丢失，光波在波传输衬底10表面的入射角应大于波传输衬底10的全反射角，例如K9玻璃的全反射角为41.8°。通常为了使图像信息尽可能在波传输衬底10中传输，可以采用相应的镀膜技术，使得即使是小于全反射角入射的光波也能大部分局限在波传输衬底10中传输。

光波耦合输出元件12由采用了相应镀膜技术镀膜的三角形结构玻璃衬底组成，利用此种结构可以将在波传输衬底10中传输的光波耦合出波传输衬底10，为了避免重影或者造成图像中存在间隔、条纹，需要对光波耦合输出元件12的耦合表面进行相应的旋涂，使对于大角度入射(入射角大于全反射角)的光线可以选择性透过，而对于小角度入射(入射角小于全反射角)的光线透过率很大(也就是相应提高小角度入射的光线的透过率)。为了达到这种效果，具体设计时结合膜系技术来考虑两种角度的差别。

更具体地，在根据本发明一优选实施例的光学波导器件系统中，为长方体形的光学传输衬底10在其底面上具有横向凹槽(横向指的是光学传输衬底10底面宽度方向)，该凹槽在衬底纵向上的横截面为三角形(纵向指的是光学传输衬底10底面长度方向)，优选为等腰三角形，并且三角形横截面在凹槽的纵向上保持不变。光波耦合输出元件12相应地具有朝上的三角形凸起部，该三角形凸起部能与光学传输衬底10上的凹槽相匹配，三角形凸起部的两个侧表面上设有膜层，通过三角形凸起部的设有膜层的侧表面将在光学传输衬底10中传输的光耦合出光学传输衬底10，其中通过所述膜层能够实现大角度入射光线选择性地透过，并且小角度入射光线的透过率得以提高。

需指出的是，虽然图中示意性示出光学传输衬底10的底面上具有两条这样的凹槽，光波耦合输出元件12相应地具有两个三角形凸起部，但是本领域普通技术人员能够根据具体的应用来适当地选择凹槽及相应凸起部的具体数目。另外，虽然图中示出了在光学传输衬底10和光波耦合输出元件12的两端均设有显示光源22和准直透镜20，但明显的是，根据实际需要，也可仅在一端设有显示光源22和准直透镜20。

此外，对于具体的应用，还可对根据本发明优选实施例的光学波导器件系统的各部分/部件进行相应的扩展。

下面结合图2-4进一步说明根据本发明优选实施例的光学波导器件系统中的示意性光路，以更好地理解本发明。

参照图2，其示出了根据本发明一优选实施例的波导器件系统右边耦合光波时的示意性光路。光线24、25来自于显示光源22，经过准直透镜20的准直后被耦合到光学传输衬底10中。光线24进入光学传输衬底10后首先与光波耦合输出元件12的第一反射面13相遇并发生反射，然后光线24再次与光波耦合输出元件12的第三反射面15相遇并发生反射，光线41为相应的反射光线。光线25进入光学传输衬底10后，首先以大角度的方式与光波耦合输出元件12的第一反射面13相遇并发生反射，然后光线25再次与光波耦合输出元件12的第三反射面15相遇并发生反射，光线40为相应的反射光线。上述光线的传输方向的实现，通常依赖于采用相应的膜层，例如通过旋涂技术，来打破全反射的限制，同时对不同的角度的反射率进行相应的限制。

具体而言，为了避免图像信息丢失，尚未被光波耦合输出元件12耦合出光学传输衬底10的光波在光学传输衬底10的除底面之外的表面上的入射角以及在光波耦合输出元件12的底面上的入射角大于全反射角。或者，在光学传输衬底10的除底面之外的表面上以及在光波耦合输出元件12的底面上有膜层，通过该膜层使得尚未被光波耦合输出元件12耦合出光学传输衬底10的光波即使在小入射角的情况下也能大部分被反射。

参照图3，其示出了根据本发明一优选实施例的波导器件系统左边耦合光波时的示意性光路。光线33、34来自于显示光源32，经过准直透镜20的准直后被耦合到光学传输衬底10中。光线33进入光学传输衬底10后首先与光波耦合输出元件12的第四反射面16相遇并发生反射，然后光线33再次与光波耦合输出元件12的第二反射面14相遇并发生反射，光线51为相应的反射光线。光线34进入光学传输衬底10后首先与光波耦合输出元件12的第四反射面16相遇并发生反射，然后光线34再次与光波耦合输出元件12的第二反射面14相遇并发生反射，光线50为相应的反射光线。为了实现上述光线的传输方向，需采用相应的旋涂技术打破全反射的限制，同时对不同的角度的反射率进行相应的设计，例如通过镀膜来使得光线在大角度入射时有一定的透过率，小角度入射时反射率很低。

参照图4，其示出了根据本发明一优选实施例的波导器件系统左、右两边耦合光波时的示意性光路。来自显示光源22的光线24、25、33、34经准直透镜20准直后进入光学传输衬底10，在光学传输衬底10中基于全反射原理进行传输，遇到耦合输出元件12，被耦合出光学传输衬底10。光线40、41、50、51为耦合出光学传输衬底10的光线。通常为了避免重影或者单像，输入的平面光波经波导器件系统的传输后，输出的光波也应为平面波，否则将导致光线沿不可预期的方向传输。相比传统的显示方式，通过此种方式极大地扩大了显示视场，同时简化了显示系统的构造。

现在，结合图5来说明根据本发明一优选实施例的光学波导器件系统的一具体应用。如图5所示，其中的凹槽为等腰三角形构造，并且

Sur1+Sur2＝90°      ①

Sur3＝180°-2Sur2     ②

其中，Sur1为三角形结构的底角，也就是光波耦合输出元件12的侧表面与底表面的夹角，Sur2为三角形结构的侧面与光学传输衬底10的竖直端面的夹角，Sur3为三角形结构的顶角，也就是耦合输出元件12的两侧面之间的夹角。为了满足光线大角度入射时透过率具有选择性，小角度入射时透过率较大，例如取Sur1为75°，带入①式可知Sur2为15°，将Sur2带入②可知Sur3为150°，进行膜层设计时，满足光线75°角入射耦合输出侧面时，光波的透过率在30％左右，15°角入射时，透过率在80％左右，将导致重影的出现以及图像不同部分亮度不均的情况。

由耦合输出元件12耦合出光学传输衬底10的光线40、41、50、51代表了显示光源22的相应信息。人眼和显示光源位于光学传输衬底10和耦合输出元件12的不同侧，耦合出的光线40、41、50、51进入人眼，人眼便可以看到所显示的图像。这种光学波导器件系统极大地提高了人眼的移动范围。传统的波导器件，人眼只能在很小角度的范围内看到来自光源的图像，而本发明可以使人眼在大范围内看到来自显示光源的图像，极大地提高了人眼观看视场。另一方面，在相同的视场下，根据本发明的系统在体积、重量方面具有显著的优势。另外，根据本发明的系统可以用于可穿戴式显示应用中，来自外界的景物图像光线可直接通过根据本发明的系统进入人眼。

最后，参照图6A和图6B，图6A中所示的光学传输衬底具有两个凹槽，图6B中所示的光波耦合输出元件相应地具有两个三角形凸起部。光波耦合输出元件的三角形凸起部的侧表面13、14、15、16用作耦合表面，这些侧表面分别按照不同角度对反射率要求的不同而蒸镀了所需的膜层。在完成蒸镀之后，一般可对其进行抛光处理，以达到所需的光洁度要求。另外，可采用紫外胶将光学传输衬底和光波耦合输出元件胶合起来。还需指出的是，在胶合过程中，对于胶合的处理是非常重要的，因为这直接影响到最终成像的质量以及光线的传输方向。

Claims (10)

1.一种光学波导器件系统，其特征在于，包括：

显示光源，提供用于显示的图像光波；

准直透镜，对来自所述显示光源的光波进行准直；

光学传输衬底，经所述准直透镜准直的光波进入到所述光学传输衬底中，并且在所述光学传输衬底中按照预定的路径传输，所述光学传输衬底在其底面上具有横向凹槽，该横向凹槽在衬底纵向上的横截面为三角形并且三角形横截面在所述凹槽的纵向上保持不变；以及

光波耦合输出元件，其具有朝上的三角形凸起部，并且该三角形凸起部能与所述光学传输衬底上的所述凹槽相匹配，所述三角形凸起部的两个侧表面上有膜层，有膜层的两个侧表面经由紫外胶胶合到所述凹槽的侧表面上，从而通过所述三角形凸起部的有膜层的侧表面将在所述光学传输衬底中传输的光耦合出所述光学传输衬底，其中通过所述膜层能够实现入射角大于全反射角的大角度入射光线选择性地透过，并且入射角小于全反射角的小角度入射光线的透过率得以提高。

2.根据权利要求1所述的光学波导器件系统，其中尚未被所述光波耦合输出元件耦合出所述光学传输衬底的光波在所述光学传输衬底的除底面之外的表面上的入射角以及在所述光波耦合输出元件的底面上的入射角大于全反射角。

3.根据权利要求1所述的光学波导器件系统，其中在所述光学传输衬底的除底面之外的表面上以及在所述光波耦合输出元件的底面上有另一膜层，通过该膜层使得尚未被所述光波耦合输出元件耦合出所述光学传输衬底的光波即使在入射角小于全反射角的情况下也能大部分被反射。

4.根据权利要求1所述的光学波导器件系统，其中所述光学传输衬底在其底面上具有多个所述凹槽，并且相邻凹槽的相邻侧面相交，所述光波耦合输出元件相应地具有多个所述三角形凸起部，各个所述凹槽的尺寸相同。

5.根据权利要求1所述的光学波导器件系统，其中所述凹槽在衬底纵向上的横截面为等腰三角形。

6.根据权利要求1所述的光学波导器件系统，其中在所述光学传输衬底的一端设置有所述显示光源和所述准直透镜。

7.根据权利要求1所述的光学波导器件系统，其中在所述光学传输衬底的两端都设置有所述显示光源和所述准直透镜。

8.根据权利要求1所述的光学波导器件系统，其中所述显示光源由CRT、OLED或LCD构成。

9.根据权利要求1所述的光学波导器件系统，其中所述准直透镜由平凸透镜构成。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的光学波导器件系统，其中所述三角形凸起部侧表面上的膜层通过蒸镀来形成，并对其进行抛光处理，以达到所需的光洁度。