CN103513423B - 透视显示器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于齿形平面扩展光学波导的透视显示器件，依次包含：显示光源，用于发出显示所需图像的准直显示光波；柱状透镜，改变准直显示光波的经行角度，输出耦合光波；平面波导衬底，对耦合光波进行反射传播形成全反射光波；齿形槽单元，构成耦合输出单元，对全反射光波进行耦合后输出显示光波；以及光波扩束组，对显示光波进行平面展开输出为可被客户识别的光信号。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，大视场这些优点；还具有输出图像画面清晰，显示质量高，有效保证显示的图像画面逼真等突出优点。

Description

透视显示器件

技术领域

本发明涉及一种显示器件，具体涉及一种基于齿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。

中国发明专利CN102495470A公开了一种基于波导的透视显示装置及眼镜式微投影系统，该装置包括具有入射面的玻璃片，该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，入射反射面的倾斜角度以使入射面射入的光波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。由于该透视显示装置是基于玻璃片的反射原理，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，该发明专利同样也存在视场狭小，耦合效率不高，画面显示质量还有待提高的问题。

针对上述问题，本发明提供了一种具有大视场、逼真显示图像画面的基于齿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、逼真显示图像画面的基于齿形平面扩展光学波导的透视显示器件

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种基于齿形平面扩展光学波导的透视显示器件，具有这样的技术特征：依次包含：显示光源，用于发出显示所需图像的准直显示光波；柱状透镜，改变准直显示光波的经行角度，输出耦合光波；平面波导衬底，对耦合光波进行反射传播形成全反射光波；齿形槽单元，构成耦合输出单元，对全反射光波进行耦合后输出显示光波；以及光波扩束组，对显示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，柱状透镜将耦合光波入射到平面波导衬底内，齿形槽单元设置在平面波导衬底远离显示光源的一端侧面上，齿形槽单元由若干个规格相同的齿形槽衔接组成，每个齿形槽具有一个垂直于端侧面的平面以及与端侧面构成一定夹角的倾斜面，该夹角朝向所述端侧面开口，光波扩束组连接在齿形槽单元上，对显示光波进行准直后再进行展开输出。

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形状的且对朝向述显示光源的光波输入面以及为圆弧形状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镀有增透膜，柱状透镜将准直图像光波耦合形成以一定的角度折射入平面波导衬底内的耦合光波。

在本发明提供的透视显示器件中，还可以具有这样的特征，平面波导衬底由具有相互平行的且镀有反射膜的上表面和下表面的平板玻璃构成。

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，全反射光波与上表面法线的夹角为第一夹角α_critical，倾斜面与下表面之间的夹角为第二夹角α_p，第一夹角α_critical和第二夹角α_p满足下述关系：α_p=α_critical。

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，光波扩束组的长度不小于用户瞳孔的直径，光波扩束组具有连接在齿形槽单元上的入射平面以及平行于下表面的显示平面，光波扩束组由规格相同的平行四边形微棱镜单元倾斜地紧密纵向排列组成，平行四边形微棱镜单元具有排列组合构成显示平面的底面以及相对应的斜侧面，斜侧面与底面之间构成的夹角为第三夹角α_e，每个平行四边形微棱镜单元均可以单独成像地输出用于衔接形成光信号的独立信号。

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，显示光波与入射平面的法线构成第四夹角β_e，第三夹角α_e与第四夹角β_e之间满足下述关系：2α_e=180°-β_e。

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，底面的长度W与光波扩束组的高度L以及第三夹角α_e之间满足下述关系：L=W*tan(α_e)。

发明的作用与效果

根据本发明提供的基于齿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；以齿形槽单元作为耦合输出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。尤其是利用光波扩束组对光波进行平面定位展开。因此，本发明中的透视显示器件具有大视场、图像显示质量高的优点；另外，还采用齿形槽单元作为光波耦合输出器件，由于齿形结构的空间距离相等，同一方向从齿形结构到扩束组表面的光波距离相等，减少光波能量损失以及其它物理效果造成的图像显示质量的降低，输出图像画面清晰，从而保证显示的图像画面逼真。

附图说明

图1为本发明的实施例中透视显示器件结构示意图；

图2为图1中透视显示器件中齿形槽单元的结构示意图；

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中透视显示器件字母A对应的局部放大图；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，4.平面波导衬底，41.上表面，42.下表面，5.齿形槽单元，51.倾斜面，52.平面，6.光波扩束组61.入射平面，62.显示平面，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

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结构示意图。

图2为图1中透视显示器件中齿形槽单元的结构示意图。

图4为图1中透视显示器件字母A对应的局部放大图。

如图1、图2及图4所示，本发明提供的基于齿形平面扩展光学波导的透视显示器件100，依次包含：显示光源1，用于发出显示所需图像的准直显示光波2；柱状透镜3，改变准直显示光波2的经行角度，输出耦合光波；平面波导衬底4，对耦合光波进行反射传播形成全反射光波；齿形槽单元5，构成耦合输出单元，对全反射光波进行耦合后输出显示光波；以及光波扩束组6，对显示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将耦合光波入射到平面波导衬底4内，齿形槽单元5设置在平面波导衬底4远离显示光源1的一端侧面上，齿形槽单元5由若干个规格相同的齿形槽面衔接组成，每个齿形槽面具有一个垂直于端侧面的平面52以及与端侧面构成一定夹角的倾斜面51，光波扩束组6连接在齿形槽单元5上，对显示光波进行准直后再进行展开输出。

显示光源1发出显示所需图像的准直显示光波2，可由Lcos、CRT、LCD、OLED等目前主流的图像显示源构成，同时由于不同显示光源1的偏振态不同，在进行光源选择时需要按照平面波导以及齿形波导对不同光源光波传输特性的要求进行选取，否则将导致图像重影的出现，降低图像的显示质量，影响图像的最终分辨率。

柱状透镜3具有为平面形状的且对朝向述显示光源的光波输入面31以及为圆弧形状的且朝向平面波导衬底的光波输出面32，主要用于改变来自显示光源1的准直显示光波2的传播方向，尽可能的使准直显示光波2高效的耦合进入平面波导衬底4。此类型的透镜根据系统中显示光源1的大小以及为使耦合光波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。通过利用柱状透镜3对来自显示光源1的准直显示光波2进行角度调节，使其在平面波导衬底4中满足全反射条件传输，保证图像信息不会丢失。

平面波导衬底4由具有相互平行的上表面41和下表面42的平板玻璃构成。通常作为波导衬底的玻璃材料有冕牌玻璃和火石玻璃，如K9、BK7等。每种材料的折射率和阿贝系数不同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没有折射出平面波导衬底4的同时，尽可能减少波导衬底材料本身对全反射光波能量的吸收，否则将导致全反射光波能量在传输过程中大量被损失掉，影响图像最终的可见度。再者平面波导衬底4的材料本身限制了可在衬底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按照需求镀有一层反射膜，对平面波导衬底4的材料的全反射角给予一定的扩展。

齿形槽单元5构成光波耦合输出单元，主要用来将全反射光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，全反射光波能量无法泄露出平面波导衬底4，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4表面的反射角应小于全反射角(例如对于K9玻璃全反射角为42°)。为了满足上述条件特引入齿形槽单元5，齿形槽单元5由若干个规格相同的齿形槽衔接组成，每个齿形槽具有一个垂直于端侧面的平面52以及与下表面42构成一定夹角的倾斜面51，使光波通过齿形槽单元5上的倾斜面51反射以后在衬底表面的反射角小于零界角从而耦合出平面波导衬底4，为了很好地完成全反射光波的耦合输出，通常需要在齿形槽单元5的倾斜面镀有一层反射膜，使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。

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3所示，光波扩束组6由平行四边形微棱镜单元7组成。光波扩束组6具有连接在齿形槽单元5上的入射平面61以及平行于下表面的显示平面62对于耦合输出齿形槽单元5的显示光波，由于显示光波的传播方向发生了空间变化，故需要引入扩束组6对耦合输出的显示光波进行准直，同时利用平面镜成像原理对耦合输出的显示光波进行展开，从而扩大观察视场。光波扩束组6利用平行四边形微棱镜单元7将耦合输出的显示光波进行扩展，使其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的，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在显示平面62上的投影应相互衔接起来。

如图2至图4所示，平行四边形微棱镜单元7的数量与齿形槽的数量相同，并且齿形槽开口处的宽度S等于平行四边形微棱镜单元7的底面长度W。

本发明波导器件的工作步骤以及实例应用：

如图1至图4所示，来自显示光源1的准直显示光波2经过柱状透镜3转向后，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，为了使光波可以折射进入平面波导衬底4，必须对柱状透镜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，入射光波与上表面41和下表面42的法线之间的夹角大于全反射零界角，全反射光波没有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。如果需要保证更多的光波在平面波导衬底4中传输，可在上表面41和下表面42蒸镀一层反射膜来减少反射面光能的损失。全反射光波经过传输与齿形齿形槽单元5的倾斜面51相碰，由于全反射光波与倾斜面51的法线之间的夹角小于全反射零界角，从而使全反射光波耦合出平面波导衬底4形成显示光波进入空气介质。进入空气介质的显示光波与光波扩束组6的入射平面61接触折射进入光波扩束组6，通过光波扩束组6的扩束定位，展开输出到空气介质，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，需要在保证平面波到衬底4满足全反射的条件下，在预定耦合位置破坏全反射光波的传输条件，从而将全反射光波耦合出平面波导衬底4。为此，齿形槽单元5构成耦合输出单元，光波在平面波导衬底中4传播时，光波与平面波导衬底4表面法线的夹角大于全反射角。由于齿形槽单元5的存在，当全反射光波与齿形槽单元5上的倾斜面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，部分能量传输到空气介质中，实现了耦合输出的效果。

在进行光学设计时，选择近轴光波进行设计。在近轴光路中通常选择平行于光轴的主轴光波来选择相应的光学参数，为了满足上述光波传输条件，器件相关参数应满足：

α_critical≥α_critical'

其中，α_critical是主轴光波和上表面41的法线之间的夹角，α_critical'是平面波导衬底4的材料的零界角。为了避免光波在平面波导衬底4中传输时能量泄露出平面波导衬底4，α_critical应大于全反射角，对于BK7材料，α_critical'=42°。

为了保证主轴光波入射到倾斜面时垂直入射到齿形结构内,

α_p=α_critical

α_h=90°-α_p

其中，α_p为倾斜面51与下表面42的夹角，α_h是倾斜面51与平面52的夹角。

N·sin(β_e)=sin(α_critical)

2α_e=180°-β_e

其中，β_e是耦合输出光波与入射平面61的法线之间的折射夹角。α_e是斜侧面71与显示平面62的夹角。在经行光路设计时，以主轴光波为参考光波进行设计，必须保证光波在平行四边形微棱镜单元7的斜侧面71发生全反射并保持出射方向不变。

光波扩束组利用平面镜成像原理以及全反射原理对来自齿形槽单元5的显示光波进行重定位扩束。来自齿形槽单元5的显示光波由光波扩束组6上的入射平面61折射进入光波扩束组6。通过平行四边形微棱镜单元7的斜侧面71的全反射，光波在此被输出光波扩束组6的显示平面62进入到空气介质中。为了保证输出以后的图像观察时没有暗间隙或者重叠部分，平行四边形微棱镜单元7的斜侧面71在显示平面62上的投影应该相互衔接起来，这样不但保证了图像的清晰度，同时避免了重影，因此满足条件：

L=W*tan(α_e)

其中，L是光波扩束组6的高度，W是底面72的长度。

再者为了保证显示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。在具体的设计中应保持光波扩束组6的长度大于人眼的的瞳孔直径，即

M>10mm

其中，M是光波扩束组6的长度。

否则将导致人眼观看时视场过小，无法起到扩展视场的效果。

为了说明本实施例的工作过程，在满足上述参数关系的前提下，当α_critical=42°时：

α_p=42°

α_h=48°

β_e=26°

α_e=77°

通过上述参数设计波导器件，使观察者人眼位于显示平面62的输出位置，显示光源1发出的光波经过平面波导衬底4的传输，到达齿形槽单元5。被齿形槽单元5耦合进入光波扩束组6，经过光波扩束组6的定位展开，直接进入人眼瞳孔。由于光波扩束组6对于虚拟现实图片的展开，人眼可以接受到整体来自光源的信号。

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，通过将本实施例的组件和具体的电子元件进行结合，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

根据本实施例提供的基于齿形平面扩展光学波导的透视显示器件，利用光波扩束组对光波进行平面定位展开，因此具有大视场、图像显示质量高的突出优点。

本实施例提供的基于齿形平面扩展光学波导的透视显示器件，以齿形槽单元作为光波耦合输出器件，由于齿形结构的空间距离相等，同一方向从齿形结构到扩束组表面的光波距离相等，减少光波能量损失以及其它物理效果造成的图像显示质量的降低，因此，输出图像画面清晰，显示质量高，显示的图像画面逼真。

本实施例提供的基于齿形平面扩展光学波导的透视显示器件仅仅采用准直透镜、平面波导衬底、齿形槽单元以及广播扩束组对光波进行传播和扩展，整体上还具有结构紧凑，体积小重量轻，制造工艺简单等优点。

本实施例采用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，将本实施例提供的基于齿形平面扩展光学波导的透视显示器件运用于可穿戴显示物品，可以实时观看需要显示的显示图片，还可以观察外界景物。

当然本发明所涉及的基于齿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 (7)

1.一种基于齿形平面扩展光学波导的透视显示器件，依次包含：

显示光源，用于发出显示所需图像的准直显示光波；

柱状透镜，改变准直显示光波的经行角度，输出耦合光波；

平面波导衬底，对所述耦合光波进行反射传播形成全反射光波；

齿形槽单元，构成耦合输出单元，对所述全反射光波进行耦合后输出显示光波；以及

光波扩束组，对所述显示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，所述柱状透镜将耦合光波入射到所述平面波导衬底内，

所述齿形槽单元设置在所述平面波导衬底远离所述显示光源的一端侧面上，所述齿形槽单元由若干个规格相同的齿形槽衔接组成，每个所述齿形槽具有一个垂直于所述端侧面的平面以及与所述平面构成一定夹角的倾斜面，所述夹角朝向所述端侧面开口，

所述光波扩束组连接在所述齿形槽单元上，对所述显示光波进行准直后再进行展开输出。

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形状的且对朝向述显示光源的光波输入面以及为圆弧形状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镀有增透膜，所述柱状透镜将准直显示光波耦合形成以一定的角度折射入所述平面波导衬底内的耦合光波。

3.根据权利要求1所述的透视显示器件，其特征在于：

其中，所述平面波导衬底由具有相互平行的且镀有反射膜的上表面和下表面的平板玻璃构成。

4.根据权利要求3所述的透视显示器件，其特征在于：

其中，所述全反射光波与所述上表面法线的夹角为第一夹角α_critical，

所述倾斜面与所述下表面之间的夹角为第二夹角α_p，所述第一夹角α_critical和第二夹角α_p满足下述关系：

α_p＝α_critical。

5.根据权利要求3所述的透视显示器件，其特征在于：

其中，所述光波扩束组的长度不小于用户瞳孔的直径，所述光波扩束组具有连接在所述齿形槽单元上的入射平面以及平行于所述下表面的显示平面，所述光波扩束组由规格相同的平行四边形微棱镜单元倾斜地紧密纵向排列组成，

所述平行四边形微棱镜单元具有排列组合构成所述显示平面的底面以及相对应的斜侧面，所述显示平面与所述斜侧面之间构成的夹角为第三夹角α_e，

每个所述平行四边形微棱镜单元均可以单独成像地输出用于衔接形成所述光信号的独立信号。

6.根据权利要求5所述的透视显示器件，其特征在于：

其中，所述显示光波与所述入射平面的法线构成第四夹角β_e，所述第三夹角α_e与所述第四夹角β_e之间满足下述关系：

2α_e＝180°-β_e。

7.根据权利要求6所述的透视显示器件，其特征在于：

其中，所述底面的长度W与所述光波扩束组的高度L以及所述第三夹角α_e之间满足下述关系：

L＝W*tan(α_e)。