CN104503087B - 偏振导光的平面波导光学显示器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种偏振导光的平面波导光学显示器件，包括图像显示光源、准直透镜组、PBS偏振分光棱镜组、平面导光传输衬底、偏振转化导光衬底以及小角度耦合输出面。其中图像显示光源用于发出显示所需图像的显示光波，准直透镜组则对光源发出的光波进行准直，PBS偏振分光棱镜组用于对光波进行相应的分光处理，平面导光传输衬底会对耦合进入的光波进行反射传播形成全反射光波，偏振转化导光衬底则用于实现光波偏振态的转化，小角度耦合输出面主要用于使光波耦合输出衬底，且扩大视场。本发明具有结构紧凑、轻薄，视场大，光学设计和加工工艺简单易实现的特点，不仅可用于可穿戴显示，还可用于3D裸眼显示、汽车导航显示以及野外地图指示等领域。

Description

偏振导光的平面波导光学显示器件

技术领域

本发明涉及一种光学显示器件，特别是一种可用于全眼增强现实的偏振导光的平面波导光学显示器件。

背景技术

对于头戴显示光学系统来说，为了体现增强现实的效果，通常是利用光学元件将图像信息虚拟的显示在人眼前方一定的距离处，使穿戴者在浏览信息的同时可以观察到周围景物的变化，从而不影响正常的行为方式。为此增强现实型的可穿戴显示光学系统，为了使穿戴者能够及时的获取来自显示光源的全部信息，通常要求显示系统具有视场大、结构轻薄、视场范围内图像亮度均匀的特点。而传统的头戴显示系统是基于45º反射式结构或离轴光学结构来实现的。这些结构在视场增大和头盔的整体重量方面存在着很大的矛盾。例如基于45º反射式结构显示系统，为了增大视场，只有通过增加45º反射面的面积来实现，即增加反射式结构的厚度，否则就会由于鬼影的出现而导致原始图像的对比度降低。而增加了反射式结构的厚度就意味着整体显示系统重量的增加，给佩戴者带来了很大的不舒适感。为此，轻薄、大视场、结构紧凑以及高分辨率的图像显示一直是此类光学系统亟待解决的关键问题，其中显示光学元件的厚度、重量和大视场尤为重要。在某些应用领域，图像的对比度和视场观察范围的大小直接影响到观察人员的安全以及观看信息的完整性，同时显示系统的整体重量对于佩戴人员的舒服程度也有很大的影响。

为了解决传统穿戴显示光学系统的重量和视场的矛盾以及制造工艺复杂带来的一系列问题，美国Micro Vision公司申请的美国专利US7736006B2中提供了一种显示技术方案，这种方案利用偏振衬底来实现光波偏振态的转化，让大角度的S光反射成像，小角度的P光完全透过反射面。此种方案的缺点是由于采用了大角度S光反射小角度P光透射，导致反射输出面在衬底底面的投影面积过小而不利于视场的扩展，同时加大了设计的难度，进而导致器件的厚度无法轻薄化。美国专利US20100260455采用微锯齿结构，使显示器件的显示视场得到了扩展，但是器件整体的厚度没有降低，再者器件的整体的外观美观性不好，给穿戴者带来的舒适感不足。在美国专利 US7021777中，采用光传导平板的方法实现了显示器件视场的扩展和显示装置的轻薄化，但是此中技术方案在器件的具体设计和工艺加工方面实现起来难度很大，再者对于显示视场的扩展范围有限，这些因素导致器件不利于大规模的生产。

针对上述的技术缺陷，本发明设计了一种偏振导光的平面波导光学显示器件，用以解决传统的光学系统重量和视场带来的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种偏振导光的平面波导光学显示器件。

为了达到上述目的，本发明采用了一下的技术方案：

一种偏振导光的平面波导光学显示器件，其特征在于：依次包括：图像显示光源，用于发出显示所需图像的显示光波；准直透镜组，对光源发出的光波进行准直；PBS偏振分光棱镜组，用于对光波进行相应的处理，使得P光能够无损耗地完全透射，而S光能够进行相应的反射进入到衬底中；平面导光传输衬底，对耦合进入的光波进行反射传播形成全反射光波；偏振转化导光衬底，用于实现光波偏振态的转化；小角度耦合输出面，用于使光波耦合输出衬底，且扩大视场。其中，准直透镜组位于图像显示光源和PBS偏振分光棱镜组之间，平面导光传输衬底和偏振转化导光衬底是连接在一起的，小角度耦合输出面位于平面衬底的尾端。本发明主要是采用偏振选择分光原理、全反射原理和偏振转向原理来实现的。来自图像显示光源的光线经透镜组准直以后进入偏振分光棱镜组。偏振分光棱镜对进入的P光和S光选择性的折反射，使P光尽可能无损耗的全部透射，而S光被全部反射到导光传输衬底中。耦合进入衬底的S光按照既定的设计路径满足全反射条件的传播，传播到P光和S光转化导光衬底处开始转化，S光通过转化为P光，可以避免大角度光线导致的鬼像，P光转化为S光可以形成成像光束。借助于小角度耦合输出面对于小角度光线的反射耦合输出，S可以形成需要的成像光束，由于大角度的P光可以无损耗的通过小角度倾斜面，这样将避免鬼像的出现，从而提高了图像的整体对比度。由于光线可以在多个小角度倾斜面中按照上述过程不停的传播，这样将导致视场的扩展，再者由于小角度倾斜面的存在，可以从很大程度上减小导光衬底的厚度，这样不但实现了视场扩展，同时实现了器件的轻薄化。对于来自周围景物的光线，经过平面导光衬底上下表面的折反射直接进入到人眼，从而实现了图像信息和周围景物信息的相互叠加，体现了增强现实的理念。

本发明提供的偏振导光的平面波导光学显示器件，还具有这样的特征：PBS偏振分光棱镜组使P光波无损失的完全透射，而对S光波进行相应的反射，使其进入衬底中。

本发明提供的偏振导光的平面波导光学显示器件，还具有这样的特征：偏振转化导光衬底使P偏振光经过转化导光衬底的下表面变为S偏振光，S偏振光经过转化导光衬底的上表面转化为P偏振光。

本发明提供的偏振导光的平面波导光学显示器件，还具有这样的特征：小角度耦合输出面具有旋涂层，使得大角度的P偏振光完全透射，小角度的S偏振光部分反射。

本发明提供的偏振导光的平面波导光学显示器件，还具有这样的特征：主轴光线与衬底上下表面法线的夹角β_-surf与主轴光线与小角度耦合输出面法线的夹角β_-ref之间满足下述关系：β_-ref=0.5*β_-surf。

本发明提供的偏振导光的平面波导光学显示器件，还具有这样的特征：导光衬底的厚度H_-small，导光传输衬底的长度C_-Length以及主轴光线与衬底上下表面法线的夹角β_-surf之间满足下述关系：

C_-Length > 6*（H_-small*tan(β_-surf)）。

与现有的成像系统相比，本发明的有益效果是：结构紧凑、轻薄，视场大，光学设计和加工工艺简单易实现。这些优点导致本发明器件观察视场更大，图像的对比度明显提高，同时成像系统在体积和重量方面比普通的成像波导系统有所减轻。在相同的体积下，本发明成像系统视场角更大，光波耦合效率更高，制造工艺更简单易行、成本更低廉，同时本发明相比传统的成像系统结构更加紧凑、小巧。本发明光学系统，不仅可用于可穿戴显示，还可用于3D裸眼显示、汽车导航显示以及野外地图指示等领域。

附图说明

图1为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的示意图；

图2为传统的潜望式光学显示系统的光线传播示意图；

图3为已有的平面导光显示器件示意图；

图4为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的导光衬底结构示意图；

图5为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的小角度耦合输出面示意图；

图6为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的小角度耦合输出面的旋涂层的反射率随角度变化示意图；

图7为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件光波在偏振转化导光衬底中的转化示意图；

图8为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的平面导光传输衬底示意图；

图9为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的偏振转化导光衬底示意图；

图10为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的结构参数示意图；以及

图11为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的集成双目应用示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体工作过程给予说明。

图1为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的示意图。如图1所示，本发明的系统组成包括：图像显示光源10、准直透镜组11、PBS偏振分光棱镜组12、平面导光传输衬底13、偏振转化导光衬底14以及小角度耦合输出面15。来自图像显示光源10的光线经透镜组11准直以后进入PBS偏振分光棱镜组12。偏振分光组对进入的P光和S光选择性的折反射，使P光尽可能无损耗的全部透射，而S光被全部反射到平面导光传输衬底13中。耦合进入衬底的S光按照既定的设计路径满足全反射条件的传播，传播到P光和S光偏振转化导光衬底14处开始转化，S光通过转化为P光，可以避免大角度光线导致的鬼像，P光转化为S光可以形成成像光束。借助于小角度耦合输出面15对于小角度光线的反射耦合输出，S可以形成需要的成像光束，由于大角度的P光可以无损耗的通过小角度倾斜面，这样将避免鬼像的出现，从而提高了图像的整体对比度。

本发明提供的光学显示器件的基本结构由六部分组成，对于具体应用可对本发明的组成部分进行相应的扩展，从而进一步提高系统在具体应用方面的潜力。下面针对本发明六个部分的作用给以相应的说明性解释：

图像显示光源10在头戴显示应用系统中主要提供用来观察的图像信息，为了能够提供丰富的图像信息，通常利用微型化的显示芯片来提供相应的图像信息，否则将不利于穿戴者轻便的使用穿戴设备。目前主流的可用于穿戴显示的微尺寸图像显示光源有LCD、OLED、Lcos等。不同的显示技术对应于不同的显示要求。为了能够使显示系统的整体结构在体积上趋于微型化，且考虑光源各点亮度的均匀性、输出光效以及亮度要求和分辨率与尺寸的限制等因素，通常选择体积合适、亮度均匀、分辨率高的光源作为微显示系统的显示光源，如Lcos。对于硅基液晶Lcos，不同显示类型的芯片，其分辨率上存在着显著差别，例如同尺寸的CS-Lcos分辨率通常高于CF-Lcos的，但是CS-Lcos光学引擎设计技术相比CF-Lcos要复杂的多，因此必须根据具体的技术需要来选择。同时考虑到不同的显示系统发射出的光波的偏振态不同，为了能满足光学设计和膜系设计等要求，通常会在显示光源前面加偏光片，用于改变来自显示系统的光波的偏振态。

准直透镜组11主要是对图像显示光源发出的光波进行准直。在头戴显示应用中，人眼作为最终的图像信息接收器，需要对来自图像的光波进行准直以达到人眼自由放松观看的实际要求，否则将会对人眼造成伤害，影响正常的视力。为了实现这一效果，一般采用光学透镜对显示光源发出的光波进行准直，但是由于光学系统像差的存在，图像经过单个透镜后存在着象散、畸变、场曲、彗差等像差，导致图像的对比度严重降低。为此对于准直透镜需要按照应用要求进行严格的像差矫正，以期达到理想的成像效果，否则就会影响光学系统的最终分辨率，使得人眼直接观察时的图像质量发生变化，无法观看到清晰的图像信息。由于普通球面镜在矫正像差时，需要采用几块折射率不同和曲率半径不同的透镜组合而成，这会使整个系统的重量和体积增大。因此通常采用非球面镜和球面镜组合来完成像差的矫正，由于单个非球面镜即可矫正像差中的一些要求，从而给系统的整体结构及重量带来了益处。再者鉴于现代光学加工技术的发展，自由曲面技术也被应用于像差矫正中，因此可结合自由曲面技术来实现光学系统微型化的要求。

PBS偏振分光棱镜组12主要用于对光波进行相应的处理。来自图像显示光源的光波由P光波和S光波组成，既有P偏振光也有S偏振光，为了使本发明器件能够按照光学设计的要求进行工作，需要对来自图像显示光源的光波进行相应的处理。PBS偏振分光棱镜组可以使P光波无损失的完全透射，而对S光波进行相应的反射，使其可以折射进入到器件中，因此可以保证进入器件的光波的偏振性，使光波按照器件的光学设计要求进行传播，从而保证了图像的对比度，否则由于P光的存在将会加大光学设计的难度，降低了设计实现的可能性。

平面导光传输衬底13的材料有很多种，如玻璃材料JGS1、JGS2、K9、BK7等，塑料材料有PET、PMMA等。但由于每种材料的折射率、色散系数等参数的不同，导致了其全反射角零界角、材料的透过率、吸收系数、以及重量不同，考虑到实际应用条件以及加工工艺的限制，需要根据具体要求进行选择。光线在衬底传播过程中，必须在保证光线没有折射出衬底的同时，尽可能减少材料本身对光波能量的吸收，否则将导致大量的光波能量在传输过程中损失掉，影响图像最终的可见度以及对比度。再者导光衬底材料本身的特性限制了可在衬底中传输的图像的范围以及图像的亮度，为了进一步扩大传输图像的范围，通常需要在衬底表面按照需求蒸镀一定反射率的膜层或者选用高折射率的玻璃材料，从而对材料的全反射角给予一定的扩展，使图像的传输范围得到扩大。为此，平面波导衬底的材料通常选择具备合适折射率、透过率以及机械性能的光学材料，如塑料亚克力PMMA。且塑料亚克力PMMA（n_d=1.49）的全反射临界角为42.2º，高于一般的K9玻璃（n_d=1.52）的全反射临界角41.8º，另外PMMA的重量较轻，对于同等体积的K9玻璃和PMMA塑料，PMMA的重量是K9玻璃的一半，这种优势可以用来减轻穿戴显示应用设备的重量。

偏振转化导光衬底14用于实现光波偏振态的转化。光波在平面导光衬底中传输一定的距离后，进入偏振转化导光衬底中，偏振转化导光衬底可以使P光经过转化导光衬底的下表面变为S光，S光经过转化导光衬底的上表面转化为P光。光波偏振态的转换可以实现光学设计的要求，同时降低了加工的难易度。

小角度耦合输出面15用于使光波耦合输出衬底，且扩大视场。为了使光线耦合输出衬底以及对视场角进行扩展，需要相应的反射面来实现，通过反射面的反射使光线折射出衬底，同时增大光线输出的有效孔径用于扩大视场角，另外具有特殊旋涂层的小角度反射面可以消除鬼影的影响。由于小角度反射面的存在可以延伸光线的有效输出面积，进而拓展了横向出瞳的面积，扩大了观察图像的范围，即视场角。由于小角度反射面在导光衬底下表面的投影面积易于增加，因此视场角的扩展也易于实现。

本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的工作步骤以及实例应用：

图2为传统的潜望式光学显示系统的光线传播示意图。如图2所示，传统的潜望式光学显示系统主要由耦合输入面Surf-input 、相互平行的波导衬底上下表面Surf1和Surf2以及耦合输出面Surf-output组成。为了保证耦合输入光线的空间方向和耦合输出光线的空间方向相同，显示系统的各参数需满足一定的条件，如下：

β_-145°=45°

其中，β_-145°为耦合输入面Surf-input和衬底下表面Surf2的夹角。

β_-245°=45°

其中，β_-245°为耦合输出面Surf-output和衬底上表面Surf1的夹角。

来自显示光源同一物点的光束20进入衬底以后，经过耦合输入面Surf-input的反射，使光线20与衬底上表面法线的夹角大于全反射临界角，从而继续在衬底中无损耗地传输。光束在衬底中经过传输到达耦合输出面Surf-output，经过耦合输出面的反射，一部分光线按照光学设计的要求折射出衬底形成成像光束 21，一部分光线折射出波导衬底形成成像光束22。虽然光束21和光束22是由来自同一物点的光束经折反射之后产生的，但经过输出面的反射，光束21和22的空间方向以对称形式出现，变成了空间两个物点发出的光线，导致鬼影的出现，影响原始图像的清晰度。再者为了扩大观察视场，需要通过增加衬底的厚度H-45来实现，这将导致显示系统的整体重量增加，为此需要采用新的视场扩展结构方式以减轻系统的重量。

图3为已有的平面导光显示器件示意图。专利US7736006B2中提到了一种大角度显示器件方案，此种方案虽然可以增大视场角，但是由于输出反射面的角度过大，导致导光衬底的厚度无法做的很薄，进而使得显示器件整体的重量较重，如图3所示，

Surface =H_-big / Tan(β_-big)

其中，Surface是反射面Surf-Ref在底面的投影，H_-big是平面导光衬底的厚度，β_-big是反射面Surf-Ref和衬底底面的夹角，由于β_-big大于45°，导致Surface 很小，H_-big 很大。为了扩大观察视场角，需要增加反射面Surf-Ref的数量，即增加Surface的总体面积，这必然导致器件的加工工艺变得很复杂，同时由于厚度的增加，导致器件的重量很难降低。

图4为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的导光衬底结构示意图。来自图像显示光源的S光S-40通过耦合输入面被耦合进入到导光传输衬底中进行传播，传播一定光程后与Adhesive面相遇。Adhesive面为导光传输衬底和偏振转化导光衬底的连接面，光线S-40通过Adhesive面由导光传输衬底进入到偏振转化导光衬底中进行传输，光线S-40通过偏振转化导光衬底上表面的反射由S-40光变为P-40光，通过偏振转化导光衬底下表面的反射由P-40光变为S-41光，如此往复的在衬底中满足全反射条件的进行传播直到遇到小角度耦合输出面。

对于平面导光衬底的上下表面，其粗糙度、平行度以及平面度等方面必须满足基本光学加工的要求，否则光线在衬底中无法按照镜面反射的要求传输，导致来自同一物点的光束在经过输出衬底后夹角大于人眼的分辨率角，从而降低了图像的清晰度和对比度，导致人眼直接观察时出现重影。

图5为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的小角度耦合输出面示意图。本发明中，小角度耦合输出面主要实现光波的耦合输出、P光的完全透射以及视场角的扩展，如图5所示，来自偏振转化导光衬底的光线 X-ray为S光波，光线S-beam1首先和小角度倾斜面Small-ref相碰，一部分S光波被耦合输出到S偏振转化衬底外形成图像信息，一部分透过小角度倾斜面和偏振转化导光衬底的上表面相碰，通过上表面的反射，光波的偏振态由S光波变为P光波，变为P偏振态的光波光线P-beam1首先和小角度反射面Small-ref相碰，由于小角度反射面旋涂了相应的投射膜，对P光完全透射，因此光线P-beam1可以完全投射，这样将避免光线P-beam1在小角度反射面的二次反射，进而避免了二次成像对原始图像对比度造成的影响。光线P-beam1透过小角度反射面以后和偏振转化衬底的下表面相碰，经过下表面的反射，光波由P偏振态转化为S偏振态，光线如此往复在小角度反射面之间进行传播，可以使光线均匀的并以较大输出面积覆盖输出通光口径，进而完成光线输出有效孔径的扩展，最终实现视场角的扩展。

图6为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的小角度耦合输出面的旋涂层的反射率随角度变化示意图。对于小角度耦合输出面，为了避免大角度光线的二次成像，需要使P光完全透射，而对S光具有一定的反射使其可以成像。如图6所示为当入射光波波长为550nm的P光和S光时，小角度耦合输出面的旋涂层的反射率随角度变化的曲线，图中在0-45^o范围内S光和P光都有一定的反射率，而在45^o-85^o范围内，P光全部透射，S光具有一定的反射率。由于本发明器件中P光是以大角度入射到耦合输出面，S光以小角度入射到耦合输出面，因此上述反射率曲线满足了相应的要求，可以避免P光的二次成像，提高了图像的对比度。由于平面导光衬底是采用PMMA材料加工而成的，在蒸镀膜层时必须考虑到加热带来的对材料本身的影响，因此不宜采用传统的热蒸发镀膜工艺，需要采用冷镀的方式进行。对于新兴的镀膜技术离子镀可以很好地解决这个问题。这样虽然膜层牢固度不如加热蒸发，但是由于膜层位于材料之间，牢固度不会受到周围环境的影响。

图7为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件光波在偏振转化导光衬底中的转化示意图。如图7所示，S偏振态的光波S-70首先和偏振转化导光衬底的上表面Up-surface相碰，由于上表面Up-surface具有偏振转化特性，可以使入射光的偏振方向发生转变，可以使S偏振光转化为P偏振光，因此光线S-70经过上表面的反射，变为偏振方向为P偏振光的光线P-70。对于P偏振态的光线P-71，和衬底下表面Down-surface相碰，由于下表面Down-surface同样具有偏振转化特性，可以使入射光的偏振方向发生转化，从而使P偏振光转化为S偏振光，因此光线P-71经过下表面的反射，变为偏振方向为S偏振态的光线S-71。通过上述转化，大角度P光可以完全透射穿过小角度输出面，小角度入射的S光可以被小角度输出面以一定的反射率耦合出衬底形成图像显示信息。

图8为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的平面导光传输衬底示意图。如图8所示，来自图像光源的光波S&P-beam中包含P偏振光波和S偏振光波，为了满足设计要求，需要消除掉光波S&P-beam中的P光波，为此采用PBS偏振分光棱镜组，其基本原理为：光波S&P-beam经过PBS偏振棱镜组的第一个反射面以后，部分S光反射形成光线S-beam，P光波全部透射形成光线P-beam，透过的光波经过PBS偏振组件的第二个反射面的反射，S光波被全部反射进入导光衬底，P光全部透射被过滤掉。通过上述方式，进入导光传输衬底传输的光波为S偏振态的光波。进入衬底的光波在导光传输衬底Substrate1中满足全反射条件的不断地传播，直至和过渡连接面Connect-surf相碰。

图9为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的偏振转化导光衬底示意图。如图9所示，转化导光衬底上表面Rotate-A可以使S偏振光方向发生变化成为P偏振光，而转化导光衬底的下表面Rotate-B可以使P偏振光方向发生变化成为S偏振光，通过上述光波偏振方向的转化，降低了设计的要求。小角度输出面Small-surface主要用于光线的输出以及视场角的扩展，使得光线的空间输出方位得到有效的扩展，从而可以在有效的观察范围内观察到来自图像显示光源的全部图像信息。

图10为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的结构参数示意图。为了实现本发明所述的效果，在光学设计时，衬底的结构参数之间应该满足一定的条件，否则将导致最终图像的分辨率、对比度、清晰度失去实际的意义。如图10中，以轴上物点发出的主轴光线为参考光线设计，主轴光线垂直入射进入耦合输入面，各参数的相应关系为：

β_-surf=β_-big

β_-ref=0.5*β_-surf

其中，β_-big是耦合输入面与导光衬底下表面的夹角， β_-surf是主轴光线与衬底上下表面法线的夹角，β_-ref是主轴光线与小角度耦合输出面法线的夹角。为了避免色散引起的图像对比度降低，β_-big应该满足主轴光线垂直入射的条件，同时主轴光线进入衬底以后能够满足全反射条件进行传播。

β_-small=β_-surf

β_-con ≥ 90°

其中，β_-small是小角度耦合输出面与导光衬底下表面的夹角，β_-con 是耦合输入面与导光衬底上表面连接面的夹角，为了保证设计范围内的视场都能够进入到衬底中传输，β_-con 必须按照设计要求来设定。

C_-Length> 6*（H_-small*tan(β_-surf)）

其中，H_-small是导光衬底的厚度，C_-Length是导光传输衬底的长度。为了加工和设计的方便，将导光衬底和偏振转化衬底分开设计，但是导光衬底的长度不宜过短，否则无法使光线按照既定的路径传播，同时不利于器件最终的应用。

为了进一步说明本发明器件的优点和实际意义，下面以具体的参数对本发明给予定性的解释说明，取β_-big=54°，小角度输出面的数量为:N=4则：

β_-surf=54°

β_-ref=27°

β_-small=27°

β_-con=80°

H_-small=3mm

通过上述参数设计相应的平面导光衬底显示结构，可以获得水平30^o的视场角，极大地扩展了观察的视场范围，而对于先前的平面导光传输显示器件，如果需要获得同样的观察视场，导光传输衬底的厚度至少需要6mm厚左右，由此可以看出本发明器件在轻薄、以及视场角扩展方面有很大的优势。

图11为本发明偏振导光的平面波导光学显示器件的集成双目应用示意图。如图11所示，112为小角度耦合输出面在底面的投影连接线，当连接线位于人眼的近点内时，由于无法成像，因此不会对图像的观察造成影响。通过将本发明的组件用于可穿戴显示，一方面可以实时观看需要显示的显示图片，同时由于本发明的组件没有采用特殊的光阑来完全阻挡外界景物光的进入，因此还可以观察外面景物的变化。再者根据具体的要求可在普通眼镜框的两面分别加入波导器件，用于双眼3D显示。由于本发明选取的材质偏向于密度较小的PMMA光学塑料，因此用于双眼穿戴显示时，不会在重量上给佩戴者带来不舒服的感受。

实施例的作用和效果：

本实施例提供的偏振导光的平面波导光学显示器件中由于PBS偏振分光棱镜组和偏振转化导光衬底的存在可以使P偏振光完全透射，而S偏振光在衬底中传输转化，从而保证了图像的对比度，也降低了系统的设计难度。

本实施例提供的偏振导光的平面波导光学显示器件由于在小角度耦合输出面外有旋涂层，可以使得大角度的P偏振光完全透射，从而避免出现由于大角度光线的二次反射而造成的重影问题，提高了最终图像的清晰度。另外由于小角度耦合输出面的存在，可以使光线均匀的并以较大的输出面积输出通光口径，进而完成光线输出有效孔径的扩展，最终实现视场角的扩展。

本实施例提供的偏振导光的平面波导光学显示器件没有采用特殊的光阑来完全阻挡外界景物光的进入，因此可以一方面实时观看需要显示的显示图片，另一方面还可以观察外面景物的变化。

Claims (4)

1.一种偏振导光的平面波导光学显示器件，依次包括：

图像显示光源，用于发出显示所需图像的显示光波；

准直透镜组，对显示光源发出的光波进行准直；

PBS偏振分光棱镜组，用于对光波进行相应的处理，使得P光能够无损耗地完全透射，而S光能够进行相应的反射进入到衬底中；

平面导光传输衬底，对耦合进入的光波进行反射传播形成全反射光波；

偏振转化导光衬底，用于实现光波偏振态的转化；

小角度耦合输出面，用于使光波耦合输出衬底，且扩大视场，

其中，准直透镜组位于图像显示光源和PBS偏振分光棱镜组之间，平面导光传输衬底和偏振转化导光衬底是连接在一起的，小角度耦合输出面位于平面衬底的尾端，

小角度耦合输出面具有旋涂层，使得大角度的P偏振光完全透射，小角度的S偏振光部分反射。

2.根据权利要求1所述的偏振导光的平面波导光学显示器件，其特征在于：

偏振转化导光衬底使P偏振光经过偏振转化导光衬底的下表面变为S偏振光，S偏振光经过偏振转化导光衬底的上表面转化为P偏振光。

3.根据权利要求1所述的偏振导光的平面波导光学显示器件，其特征在于：

主轴光线与偏振转化导光衬底上下表面法线的夹角β_-surf与主轴光线与小角度耦合输出面法线的夹角β_-ref之间满足下述关系：

β_-ref＝0.5*β_-surf。

4.根据权利要求1所述的偏振导光的平面波导光学显示器件，其特征在于：偏振转化导光衬底与平面导光传输衬底的厚度H_-small，平面导光传输衬底的长度C-Length以及主轴光线与偏振转化导光衬底上下表面法线的夹角β_-surf之间满足下述关系：

C_-Length>6*(H_-small*tan(β_-surf))。