CN103513422A - 透视显示器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于楔形平面扩展光学波导的透视显示器件，其依次包含：显示光源，用于发出显示所需的图像光波；柱状透镜，对图像光波进行准直，输出准直光波；平面波导衬底，对准直光波进行反射传播形成全反射光波；楔形衬底，构成楔形光波耦合输出棱镜，对全反射光波进行耦合后输出耦合光波；以及光波扩束组，对耦合光波进行平面展开输出为可被识别的光信号，从而将图像传输到用户的视野范围内。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，制造工艺简单这些优点，大视场；并且具有输出图像画面清晰，具有较高的分辨率，图像显示质量高，能有效规避重影对画面清晰度的影响等突出优点。

Description

透视显示器件

技术领域

本发明涉及一种显示系统，具体涉及一种基于楔形平面扩展光学波导的透视显示器件。 

背景技术

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，但是随着视场的增加，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。 

针对上述问题，本发明提供了一种具有大视场，输出的图像画面清晰、连续的基于楔形平面扩展光学波导的透视显示器件。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有大视场，输出的图像画面清晰、连续的基于楔形平面扩展光学波导的透视显示器件。 

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案： 

一种基于楔形平面扩展光学波导的透视显示器件，具有这样的特征：其依 次包含：显示光源，用于发出显示所需的图像光波；柱状透镜，对图像光波进行准直，输出准直光波；平面波导衬底，对准直光波进行反射传播形成全反射光波；楔形衬底，构成楔形光波耦合输出棱镜，对全反射光波进行耦合后输出耦合光波；以及光波扩束组，对耦合光波进行平面展开输出为可被识别的光信号，其中，柱状透镜设置在显示光源与平面波导衬底之间，柱状透镜将准直光波折射到平面波导衬底内，楔形衬底和光波扩束组嵌合在平面波导衬底的远离显示光源的一端侧面，楔形衬底具有与端侧面相平行的且镀有增透膜的折射面，以及与折射面形成有一定夹角且镀有反射膜的反射面，该夹角朝向远离显示光源的一侧开口，光波扩束组通过折射面连接在楔形衬底上。 

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，柱状透镜具有为平面结构的且对朝向图像光波的光波输入面及为圆弧结构的且朝向平面波导衬底的光波输出面，光波输入面和光波输出面都镀有增透膜，柱状透镜将图像光波进行耦合成准直光波后以一定的角度折射入平面波导衬底内。 

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，全反射光波的一次光学长度大于光波扩束组的长度。 

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，平面波导衬底为具有相互平行的上表面和下表面的平板玻璃，上表面和下表面镀有减少全反射光波能量吸收的反射膜。 

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，光波扩束组具有与折射面贴合的入射平面以及与下表面齐平的展开平面，光波扩束组由若干个规格相同的平行四边形微棱镜单元相互紧密倾斜地纵向排列构成，每个平行四边形微棱镜单元具有用于衔接构成展开平面的底面以及斜侧面。每个平行四边形微棱镜单元均可以单独成像地输出光信号。 

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，斜侧面 与展开平面之间的夹角为第一夹角β_e，斜侧面在展开平面上的投影长度S、光波扩束组的高度H以及第一夹角β_e之间满足下述关系：S=H/tan(β_e)。 

发明的作用与效果 

根据本发明提供的基于楔形平面扩展光学波导的透视显示器件，利用柱状透镜对光波进行准直；平面波导衬底对光波进行全反射传播；楔形衬底构成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平面定位展开。尤其是利用楔形衬底构成耦合输出棱镜将光波耦合输出，效规避重影对画面清晰度的影响，另外，还利用光波扩束组对耦合输出的光波进行平面定位展开。因此，本发明中的透视显示器件在整体上具有大视场的同时，还能保证输出的图像画面清晰、连续。 

附图说明

图1为本发明的实施例中透视显示器件的结构示意图； 

图2为图1中透视显示器件中楔形衬底的结构示意图； 

图3为图1中透视显示器件中光波扩束组的结构示意图； 

图4为图1中透视显示器件中字母A对应的放大图；以及 

图5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。 

图中，1.显示光源，2.图像光波，3.柱状透镜，31.光波输入面，32.光波输出面，4.平面波导衬底，41.上表面，42.下表面，5.楔形衬底，51.反射面，52折射面，6.光波扩束组，61.入射平面，62.展开平面，7.平行四边形微棱镜单元，71.斜侧面，72.底面，9.光源，10.显示组件。 

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明作具体阐述。 

实施例一 

图1为本发明的实施例中透视显示器件的结构示意图。 

如图1所示，本实施例中的基于楔形平面扩展光学波导的透视显示器件100，其依次包含：显示光源1，用于发出显示所需的图像光波2；柱状透镜3，对图像光波2进行准直，输出准直光波；平面波导衬底4，对准直光波进行反射传播形成全反射光波；楔形衬底5，构成楔形光波耦合输出棱镜，对全反射光波进行耦合后输出耦合光波；以及光波扩束组6，对耦合光波进行平面展开输出为可被识别的光信号，其中，柱状透镜3设置在显示光源1与平面波导衬底4之间，柱状透镜3将准直光波折射到平面波导衬底4内，楔形衬底5和光波扩束组6嵌合在平面波导衬底4的远离显示光源1的一端侧面，楔形衬底5具有与下表面42相平行的且镀有增透膜的折射面52，以及与折射面52形成有一定夹角且镀有反射膜的反射面51，该夹角朝向远离显示光源1的一侧开口，光波扩束组6通过折射面52连接在楔形衬底5上。 

显示光源1，可由OLED、LCD、Lcos等目前主流的显示光源构成，显示光源1主要用于提供显示所需的图像光波2。对于不同的显示光源1，其对比度以及制造工艺的不同，在进行光源选择时需要按照平面波导衬底4以及楔形衬底5对不同图像光波传输特性的要求进行选取，否则降低图像最后的显示质量，影响图像的分辨率。 

柱状透镜3根据系统中光源的大小以及为了使图像光波2能够在平面波导衬底4中利用全反射进行传输而进行相应的设计。柱状透镜3具有为平面结构的且对朝向图像光波的光波输入面31及为圆弧结构的且朝向平面波导衬底的光 波输出面32，光波输入面31和光波输出面32都镀有增透膜，通过利用柱状透镜3对来自显示光源1的图像光波2进行准直，使其可以在平面波导衬底中满足全反射条件传输，从而保证图像信息不会丢失。 

平面波导衬底4为具有相互平行的上表面41和下表面42的平板玻璃，通常作为波导衬底的玻璃材料具有很多种可选类型，如K9、BK7等。每种材料的折射率和阿贝系数不同将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4在传输全反射光波的过程中，需要在满足全反射光波在没有折射出平面波导衬底4的同时，尽可能减少材料本身对全反射光波能量的吸收，否则将导致大量的全反射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4材料本身的特性限制了可在平面波导衬底4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，通常需要在上表面41和下表面42按照需求蒸镀一层反射膜，对全反射角给予一定的扩展。 

图2为图1中透视显示器件中楔形衬底的结构示意图。 

如图1、图2所示，楔形衬底5构成光波耦合输出器件，主要用来将全反射光波耦合出平面波导衬底4。由于全反射光波在平面波导衬底4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4，全反射光波在波导衬底的表面反射以后其反射角应小于全反射角(例如对于BK7玻璃，全反射角为41.8°)。为实现上述条件引入楔形衬底5，使光波通过楔形衬底5的反射以后在反射面51上的反射角小于全反射临界角从而耦合输出平面波导衬底4。为了很好地完成全反射光波的耦合输出，通常需要在楔形衬底5的反射面51上蒸镀一层反射膜，使全反射光波能量尽可能多的耦合出平面波导衬底4，保证图像最终的亮度以及清晰度等。 

对于从楔形衬底5中耦合输出的耦合光波，由于耦合光波空间方位发生了变化以及发散角过大造成直接观察时只有局部耦合光波可以进入观察者瞳孔， 因而导致观察视场太小，故需引入光波扩束组6。 

图3为图1中透视显示器件中光波扩束组的结构示意图。 

如图1、图3所示，光波扩束组6利用平面镜成像原理对耦合光波进行展开，从而扩大观察视场。光波扩束组6具有与折射面52贴合的入射平面61以及与下表面42齐平的展开平面62，光波扩束组6由若干个规格相同的平行四边形微棱镜单元7相互紧密倾斜地纵向排列构成，每个平行四边形微棱镜单元7具有用于衔接构成展开平面62的底面72以及相应的斜侧面71。每个平行四边形微棱镜单元7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，每个平行四边形微棱镜单元7在楔形衬底4的展开平面62上的投影应相互衔接起来。 

图4为图1中透视显示器件中字母A对应的放大图。 

如图1至图4所示，来自显示光源1的图像光波21、22经过柱状透镜3准直后，形成准直光波，并倾斜入射到平面波导衬底4的左端面，折射进入平面波导衬底4内。为了可以使准直光波折射进入平面波导衬底4，必须对准直透镜3的结构进行相应的设计，否则将导致耦合进入平面波导衬底4的图像信息将大量丢失。在平面波导衬底4中，由于全反射光波的入射光波与上表面41、下表面42的法线之间夹角大于全反射零界角，保证了全反射光波没有因折射泄露出平面波导衬底4造成能量的损失，从而保证了图像最终的亮度以及视场。对于部分全反射光波由于无法保证完全可以使其局限在平面波导衬底4中传输，为此可在上表面41、下表面42蒸镀反射膜减少反射面光能的损失。全反射光波经过在平面波导衬底4中的传输与楔形衬底5相碰，由于全反射光波与反射面51的法线之间夹角小于全反射临界角，从而使全反射光波折射出平面波导衬底4。耦合光波与入射平面61接触折射进入光波扩束组6，通过光波扩束组6的定位扩展，再由展开平面62展开进入到空气介质。从而对传输的图像经行展开，达 到扩大观察视场的效果。 

为了保证全反射光波在平面波导衬底4中的传输以及在预定位置耦合输出平面波导衬底4，需要在保证传输光波满足全反射的条件下，耦合位置需要破坏全反射条件使光波输出平面波导衬底4。为此，采用楔形衬底5作为耦合输出器件，全反射光波在平面波导衬底4中传播时，光波与上表面41、下表面42的夹角大于全反射角，由于楔形衬底5的存在，当全反射光波与楔形衬底5的反射面51接触时，入射角小于全反射零界角，此时全反射光波在平面波导衬底4中的传输平衡被打破，部分能量传输出平面波导衬底4，实现了耦合输出的效果。在进行楔形衬底5的设计时，应以主轴光波为参考进行设计，并且楔角β_f不宜过大，否则将导致光波扩束组6和楔形衬底5之间的间隔过大影响最终的图像清晰度。 

光波扩束组6利用平面镜成像原理以及全反射原理对来自楔形衬底5输出的耦合光波进行扩展。来自楔形衬底5的耦合光波折射进入光波扩束组6时，由光波扩束组6的入射平面61折射进入光波扩束组6。光波扩束组6是由平行四边形微棱镜单元7组合而成，通过平行四边形微棱镜单元7上的斜侧面71进行全反射，光波在此通过光波扩束组6的展开平面62进入到空气介质中。为了保证输出以后的图像被观察时没有暗间隙或者重叠部分，斜侧面71在展开平面上62上的投影相互衔接，这样不但保证了图像的清晰度，同时避免了重影，既满足条件： 

S=L/tan(β_e) 

其中，S是斜侧面71在展开平面62上的投影，L是平行四边形微棱镜单元7的垂直高度，β_e是斜侧面71与展开平面62之间的夹角。 

再者为了保证耦合光波尽可能多的进入到光波扩束组6，可采用相应的镀膜技术改变这一状况。在设计光波扩束组6的入射平面61和展开平面62时，可 根据需求进行相应的改变并不一定保证平行。 

平面波导衬底4中传输的全反射光波直接与光波扩束组6的右端面相接处。此时全反射光波将发生折反射，导致部分光波进入到了楔形衬底5和光波扩束组6之间的空气介质中，光波传播方向将发生改变，最终导致输出图像出现重影或者不可预期的结果。为了避免上述影响的出现，在准直光波进入平面波导衬底4中全反射传输时： 

L>S 

其中，L是光波在平面波导衬底4中传输的一次光学长度，S光波扩束组6的长度。 

这样将保证全反射光波直接与楔形衬底5的反射面51接触，不会与楔形衬底5产生二次接触 

在进行光学设计时，器件参数的选取通过主轴光波来确定，因此对于主轴光波，为了能够满足上述光波传输条件，器件各参数满足关系式为： 

α_sur1=α_sur2+α_f

其中，α_sur1主轴光波和上表面41、下表面42法线的夹角，α_sur2主轴光波与反射面51的法线之间的夹角，α_f为楔角。 

n×sin(α_sur2)=sin(β_sur2′) 

其中，n是平面波导衬底4材料的折射率，β_sur2′是主轴光波从折射面52折射进入空气的折射角。 

β_e″=α_f+β_sur2＇ 

其中，β_e″是主轴光波和入射平面61法线的夹角。 

n′×sin(β_e′)=sin(β_e″) 

其中，n′是光波扩束组6材料的折射率，β_e′是主轴光波在光波扩束组6中的折射角。 

2β_e=180°-β_e′ 

其中，β_e是斜侧面71与展开平面62的夹角。 

为了详细的说明本实施例波导器件的工作过程，下面以具体参数来说明实例，对于不同的光路设计，参数的具体值可进行改变以满足要求。为使光波可以在平面波导波导衬底4中传输以及耦合出平面波导衬底4，取α_sur1的值为45°，楔角α_f值为15°，平面波导衬底4和光波扩束组6的材料都为BK7玻璃，即 

n=n′=1.5 

α_sur2=30°<42°(BK7玻璃的全反射临界角)，此时光波被耦合出平面波导衬底4进入空气间隙。 

β_sur2＇=48.5° 

β_e″=63.5° 

β_e′=36.6° 

β_e=71° 

为了能使耦合光波可以在平行四边形微棱镜单元7的斜侧面71上实现全反射输出光波扩束组6，斜侧面71与展开平面62的夹角β_e不能太小，否则耦合光波的部分能量将折射出斜侧面71。 

图5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。 

如图5所示，来自光源的图像光波经过平面波导衬底的传输和光波扩束组的扩展进入到观察者视野中。通过将本实施例中的透视显示器件用于可穿戴显示物品200，将来自光源9的显示信息传输到显示组件10给予实时显示，一方面可以实时观看需要显示的显示图片，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。 

实施例的作用与效果 

本实施例中涉及的基于楔形平面扩展光学波导的透视显示器件，利用楔形衬底构成耦合输出棱镜将光波折射出平面波导衬底；再利用输出图像画面清晰光波扩束组对光波进行平面定位展开，具有较高的分辨率，图像显示质量高，能有效规避重影对画面清晰度的影响。因此，本实施例中的透视显示器件整体上具有大视场，输出图像画面清晰、连续等优点， 

本实施例中仅采用准直透镜、平面波导衬底、楔形衬底以及光波扩束组对光波进行传输、扩展，因此，本实施例中涉及的基于楔形平面扩展光学波导的透视显示器件具有结构紧凑，体积小重量轻，制造工艺简单的优点。 

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，将本实施例中涉及的基于楔形平面扩展光学波导的透视显示器件可运用于穿戴显示物品，可以实时观看需要显示的显示图片，因此还可以观察外面景物。 

当然本发明所涉及的基于楔形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。 

Claims (6)

1.一种基于楔形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；

柱状透镜，对所述图像光波进行准直，输出准直光波；

平面波导衬底，对所述准直光波进行反射传播形成全反射光波；

楔形衬底，所述楔形衬底构成楔形光波耦合输出棱镜，对所述全反射光波

进行耦合后输出耦合光波；以及，

光波扩束组，对所述耦合光波进行平面展开输出为可被识别的光信号，

其中，所述柱状透镜设置在所述显示光源与所述平面波导衬底之间，所述柱状透镜将所述准直光波折射到所述平面波导衬底内，

所述楔形衬底和所述光波扩束组嵌合在所述平面波导衬底的远离所述显示光源的一端侧面，

所述楔形衬底具有与所述端侧面相平行的且镀有增透膜的折射面，以及与所述折射面形成有一定夹角且镀有反射膜的反射面，所述夹角朝向远离所述显示光源的一侧开口，

所述光波扩束组通过所述折射面连接在所述楔形衬底上。

2.根据权利要求1所述的透视显示器件，其特征在于：

其中，所述柱状透镜具有为平面结构的且对朝向述图像光波的光波输入面及为圆弧结构的且朝向所述平面波导衬底的光波输出面，

所述光波输入面和所述光波输出面都镀有增透膜，所述柱状透镜将所述图像光波进行准直且以一定的角度折射入所述平面波导衬底内的准直光波。

3.根据权利要求1所述的透视显示器件，其特征在于：

其中，所述全反射光波的一次光学长度大于所述光波扩束组的长度。

4.根据权利要求1所述的透视显示器件，其特征在于：

其中，所述平面波导衬底为具有相互平行的上表面和下表面的平板玻璃，所述上表面和所述下表面镀有减少所述全反射光波能量吸收的反射膜。

5.根据权利要求4所述的透视显示器件，其特征在于：

其中，所述光波扩束组具有与所述折射面贴合的入射平面以及与所述下表面齐平的展开平面，

所述光波扩束组由若干个规格相同的平行四边形微棱镜单元相互紧密倾斜地纵向排列构成，

每个所述平行四边形微棱镜单元具有用于衔接构成所述展开平面的底面以及斜侧面，

每个所述平行四边形微棱镜单元均可以单独成像地输出光信号。

6.跟据权利要求5所述的透视显示系统，其特征在于：

其中，所述斜侧面与所述展开平面之间的夹角为第一夹角β_e，

所述斜侧面在所述展开平面上的投影长度S、所述光波扩束组的高度H以及所述第一夹角β_e之间满足下述关系：

S=H/tan(β_e)。

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