CN104536140A - 一种基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学器件，包括显示光源、准直透镜、耦合棱镜、光波耦合输入组件、光波折叠传输波导、光波耦合输出组件以及光波展开组件。其中显示光源用来发出显示所需图像的显示光波，准直透镜用来对光源发出的光波进行准直，耦合棱镜用于改变准直光波的传播方向，耦合输入组件用于将外界的光信号耦合输入到衬底中，折叠传输衬底用于对耦合输入的光波进行反射传播使其到达输出位置，耦合输出组件用于将来自衬底的光波耦合输出，光波展开组件则用于对耦合输出的光波进行扩束。本发明具有结构紧凑、灵活、视场大以及重量轻等特点，可用于穿戴式显示、均匀照明以及移动显示等领域。

Description

一种基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学器件

技术领域

本发明涉及一种显示光学器件，特别是一种可用于穿戴图像显示的基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学器件。

背景技术

目前流行的各种显示系统，如穿戴显示、平板显示、笔记本等显示系统通常都采用光学元件来传输和显示所需要的图像信息。例如虚拟显示系统利用光学透镜将图片虚拟显示在人眼前方的一定距离，从而实现了在浏览所需电子信息内容的同时可以方便的观察周围景物的变化，将虚拟和显示结合了起来。通常此类显示系统的核心光学组件主要有三部分组成：光波耦合输入光学组件、光波传输衬底以及光波耦合输出显示组件。因此结构紧凑、重量轻、大视场以及高分辨率的图像显示一直是此类光学系统所需要满足的要求。其中大视场和轻重量尤为重要，在某些应用场合，视场的范围会直接影响到人员的安全和实时信息的观察。虽然采用常规的成像方法可以满足所需的视场，但随着视场角度的增加，会造成光学系统整体的重量和体积也随之增大，因此寻求结构紧凑、重量轻同时又满足视场大的光学系统的设计便成了此类成像显示系统的趋势。

为了解决传统显示光学组件由于光学成像系统重量和体积造成的问题，本发明设计了一种基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学器件。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学波导器件。

为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学器件，其特征在于：依次包括：显示光源，用于发出显示所需图像的显示光波；准直透镜，对显示光源发出的光波进行准直；耦合棱镜，用于改变准直光波的传播方向；光波耦合输入组件，将外界的光信号耦合输入到衬底中；光波折叠传输衬底，对耦合输入的光波进行反射传播使其到达输出位置；光波耦合输出组件，将来自衬底的光波耦合输出；光波展开组件，对耦合输出的光波进行扩束。其中，准直透镜位于图像光源和耦合棱镜之间，耦合棱镜位于光波耦合输入组件的上方，光波耦合输入组件和光波耦合输出组件分别和光波折叠传输衬底连接，位于传输衬底的两端，光波展开组件与光波耦合输出组件的下表面相连接。本发明主要利用棱镜耦合光波、全反射和视角放大原理实现的。准直透镜将来自显示光源的光波进行准直，达到目视光学仪器的要求，准直后的光信号入射到耦合棱镜表面，利用棱镜转像的原理改变光波的传输方向，使其入射到光波耦合输入组件的表面，从而实现将外界的光信号耦合到衬底中，再利用特殊结构的折叠波导衬底使光波在衬底中以全反射的形式进行无损耗传输到达光波耦合输出组件，利用棱镜反射面破坏光波在衬底中的全反射条件，使其耦合输出到衬底，到达扩展光束组件，对耦合输出的光波进行展开，从而达到增大视场的效果。

本发明提供的光学波导器件中，还具有这样的特征：准直透镜采用单个非球面镜，耦合输入组件的反射面镀有增反膜。

本发明提供的光学波导器件中，还具有这样的特征：光波展开组件由扩束棱镜单元组成，其中扩束棱镜单元的倾斜角θ_e应具备足够大的角度，如45°，以便将图像扩展到全屏。

本发明提供的光学波导器件中，还具有这样的特征：光波耦合输入组件的反射面与输入面的夹角β^' _in和光波耦合输出组件的反射面与输出面的夹角β_out之间满足以下关系：

β^' _in=β_out。

本发明提供的光学波导器件中，还具有这样的特征：光波折叠传输衬底的下表面与水平面的夹角α_sub1和光波折叠传输衬底的上表面与水平面的夹角α_sub2之间满足以下关系：

α_sub2=α_sub1。

与现有成像波导系统相比，本发明的有益效果可以是：采用棱镜耦合，增大了光波耦合输入波导衬底的能量、缩减了光学系统的体积。采用折叠传输衬底，使得在观察方向内的不同角度处都可以观察到图像信息，扩大了观察者的视场。相比于传统的显示系统，在相同的体积下，本发明的成像视场更大，结构也更紧凑、轻巧。本发明成像系统可用于穿戴式显示、照明光路以及移动显示等领域。

附图说明

图1为本发明基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学器件的示意图；

图2为本发明基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学器件的光波展开组件示意图；

图3 为本发明基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学器件采用直接耦合方式时的光线示意图；

图4 为采用45^o顶角棱镜作为耦合棱镜时的光线示意图；

图5 为采用60^o顶角棱镜作为耦合棱镜时的光线示意图；

图 6 为分别采用直角棱镜作为耦合棱镜和耦合输入组件时的光线示意图；

图 7 为分别采用45^o顶角棱镜和60^o顶角棱镜作为耦合棱镜和耦合输入组件时的光线示意图；以及

图 8 为本发明基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学器件的一种棱镜耦合应用实例。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体工作工程给予说明。

图1为本发明基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学器件的示意图，如图1所示，本发明光学器件的系统组成包括：显示光源10，准直透镜11，耦合棱镜12，光波耦合输入组件13，光波折叠传输衬底14，光波耦合输出组件15，光波展开组件16。准直透镜11将来自显示光源10的光波进行准直，达到目视光学仪器的要求，准直后的光信号入射到耦合棱镜12的表面，利用棱镜转像的原理改变光波的传输方向，使其入射到光波耦合输入组件13的表面，从而实现将外界的光信号耦合到衬底中，再利用特殊结构的折叠波导衬底14使光波在衬底中以全反射的形式进行无损耗传输到达光波耦合输出组件15，利用棱镜反射面破坏光波在衬底中的全反射条件，使其耦合输出到衬底，到达扩展光束组件16，对耦合输出的光波进行展开，从而达到增大视场的效果。下面针对本发明的各个组成部分的作用给以相应的说明。

显示光源10主要用于发出显示所需图像的显示光波。在微显示领域，常用到的显示光源有LCD、OLED、LCOS等。不同的显示技术对应于不同的要求，为了能够在体积上对系统的整体结构进行优化，同时又考虑到光源各点亮度的均匀性，通常选择体积合适、亮度均匀的光源作为微显示系统的显示光源，如Lcos。但是由于目前用于微显示系统的LCD的分辨率有限，为了提高图像的分辨率，可以考虑性价比高的LCOS。LCOS在光能利用率上远高于LCD，对于显示亮度较高的场合通常采用LCOS。由于不同的显示系统发射出的光波的偏振态不同，为了满足光学设计的要求，通常在显光示源前面加偏光片，用于改变来自显示系统的光波的偏振态。

准直透镜11用于对显示光源发出的光波进行准直。在微显示系统中，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观看的舒适度和清晰度的要求，为此常用透镜对显示光波进行准直。由于透镜本身的像差的存在，图像经过透镜后会发生象散、畸变、场曲等，为此需要按照应用要求对准直透镜进行像差矫正，以期达到最终理想的效果，否则会影响光学系统的分辨率，使图像的显示质量下降。由于普通球面镜在矫正像差时，需要有不同材料和曲率半径的透镜组合而成，这会使整个系统的重量和体积增大。因此对于整体体积要求较高的场合，通常采用非球面镜来完成像差的矫正，由于在矫正像差时，单个非球面镜即可实现，从而给系统的整体结构及重量带来了益处。

耦合棱镜12用于改变准直光波的传播方向,以此将图像信息从一个位置传播到另一个所需的位置，大大缩短了光程，从而减小了系统的整体结构。为了能使准直后的光波可以进入到耦合棱镜中，必须考虑耦合棱镜的视场角，否则来自图像系统的光信息将会发生丢失，导致显示光源的视场发生缩减，造成图像显示系统尺寸的浪费，影响显示系统整体的结构尺寸。

光波耦合输入组件13是由反射面组成的，用于把来自外界的光信号耦合输入到折叠衬底中。由于进入耦合组件中的光线在入射到反射面时，入射角可能小于全反射的临界角。为了能使光波尽可能多的耦合到衬底中去，通常采用镀增反膜的技术来提高耦合输入组件反射面的反射率。由于反射面直接与空气接触，通常通过镀一层氧化膜来实现上述效果，如氧化铝膜。

光波折叠传输衬底14主要用于将耦合进入到衬底中的光波的视场放大，且为了保证光波能量传输的无损耗，应当使光波在衬底中传播时，满足全反射的条件。由于折叠传输衬底的存在，在衬底的另一侧一定扩展角度内的不同观察方向处都可以观察到图像信息，从而扩大了观察者的视场。

光波耦合输出组件15是有反射面组成的，主要用于将在衬底中传播的光信号耦合输出衬底。由于光波在衬底中传输时满足全反射的条件，为使光波耦合输出，必须使光线在衬底末端传输时的入射角小于全反射临界角，为此特在衬底的末端引入光波耦合输出组件。使得光线在达到光波耦合输出组件的反射面上时，入射角小于全反射临界角从而耦合输出到衬底外。

光波展开组件16是由扩束棱镜单元组成的。对于耦合输出衬底的光线，由于发散角过小造成直接观察输出图像时视场太小，并且耦合进入接收器的能量很低，故需引入展开组件对耦合输出的光波进行扩束，从而扩大观察视场，并提高耦合进入接收器的光波能量。展开组件对耦合输出的光波进行扩束时，每个棱镜单元会单独成像输出光信号，效果类似平面镜成像，从而整体扩大观察视场。

本发明基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学器件的工作步骤以及实例应用：

图2为本发明基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学器件的光波展开组件示意图。如图2A所示光线20经过光波耦合输出组件的反射后垂直耦合输出衬底，并进入光波展开组件的扩束棱镜单元。光束20进入扩束棱镜后到达棱镜的侧表面22，为了扩展视场，光线达到棱镜侧表面22后能量应尽可能的全部透射，从而一方面避免由于光线传播方向的改变导致的重影现象，另一方面可以使扩展棱镜的每个表面亮度保持均一。如图2B所示光线21经过光波耦合输出组件的反射后倾斜耦合输出衬底，并进入光波展开组件的扩束棱镜单元。光束21进入扩束棱镜后到达棱镜的侧表面22，为了扩展视场和避免反射面对入射光反射带来的重影，需要对棱镜单元的侧表面进行特定的处理，使其对入射到其表面的光线具有钝化作用，从而使入射光线可以无阻碍地穿过棱镜单元，从而对入射光波的空间位置进行扩展。

图3为本发明基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学器件采用直接耦合方式时的光线示意图。由点光源Sour发出的光线30、31被准直透镜准直后垂直入射到光波耦合输入组件的反射面，经反射耦合进入衬底传输。在光学设计时考虑实际误差及工艺等问题，一般将光源放置在准直透镜的焦平面附近。采用直接耦合的方式将光波耦合到衬底中，虽然在光学系统上可以使系统的整体尺寸有所缩减，但耦合效率低以及杂散光带来的一系列问题是直接耦合方式的最大挑战。在进行直接耦合时，考虑到准直后的光波由于反散角过大可能直接进入衬底，为此需要在准直透镜上加以光阑Aper。引入光阑后使得光学系统的长度有所增加，进而影响了系统整体的机械尺寸。为此需要寻找一种新的适合本发明结构的耦合方式。

图4为采用45^o顶角棱镜作为耦合棱镜时的光线示意图。显示光源S₁位于准直透镜的焦平面处。由于光源可看作由无数点光源组成，因此在光源S₁上取三点A、B、C，其中A、B点分别位于光源的上下边缘处，C点位于光轴Axis上。由于采用的是45^o顶角棱镜Prism-45作为耦合棱镜，故有：

α_2s=45o

其中α_2s为棱镜Prism-45的底角。

点A发出的光线经准直透镜准直后以α_fov角入射到耦合棱镜Prism-45的工作面Sur1，点 B发出的光线以α_in角在棱镜工作面 Sur1发生折射，为了能使折射进入棱镜Prism-45的光线可以被棱镜反射面全部反射，必须考虑棱镜Prism-45的视场角，否则部分光波的能量将被折射出反射面。

由于不同材料的棱镜，全反射临界角也不同。为了说明问题，我们选择棱镜Prism-45的材料为K9玻璃（n_d=1.5163）,故此棱镜的全反射临界角I_o=42o。因为

90-α_2s > α_2s-I_o

故棱镜Prism-45的视场角ω_o为

n*sin(α_2s-I_o)=sinω_o

带入相关数据可得：

ω_o=5o53^‘

因此

ω_o=α_in=α_fov=5o53^’

其中α_fov为光源 S₁上方的视场角。α_in为B点发出的入射光线与棱镜的第一工作面Sur1法线的夹角。

所以，当光源S₁上各点发出的光线经准直透镜准直后与光轴的夹角小于ω_o时，这些光线都可以被棱镜的反射面全反射。

进入棱镜Prism-45的光线经过棱镜反射面的全反射后被耦合出棱镜的工作面Sur2。由于α_2s为45o，因此可得

 α_out=α_in=5o53^’

 其中α_out为出射光线与工作面Sur2法线的夹角。

由于上述条件的存在，保证了出射光线和出射光线在空间方位的一致性，从而保证了图像信息的完整性。

图5为采用60^o顶角棱镜作为耦合棱镜时的光线示意图。不同角度的耦合棱镜，其出射光线的空间位置也会随之不同。如果光线的空间位置发生错乱，就会导致最终图像显示的时候出现重影，从而无法清晰的显现出需要的图像信息。如图5所示，60^o顶角棱镜Prism-60的底角α_3s满足下面条件：

α_3s=30o。

图像光源S_our2位于准直透镜的焦点处，其表面点光源M发出两条光线，经准直透镜准直后垂直入射到棱镜Prism-60的第一工作面S₁表面上，后在棱镜的反射面S_ref上发生反射，满足：

α=α_dev1+α_cent                                     ①

sin(α_dev2)=n*sin(α_dev1)                            ②

α=90o-α_3s                                        ③

其中α_cent 为棱镜Prism-60内光轴与反射面 S_ref法线的夹角，α_dev1为棱镜Prism-60中的反射光线与内光轴的夹角，α为入射光线和反射面 S_ref法线的夹角，α_dev2为出射光线和第二工作面S₂法线的夹角。将α_3s=30o带入①②③式，可得：

α_cent=30o

α_dev1=30o

α_dev2=48.59o

因此平行于光轴入射的光线经过棱镜Prism-60的反射以后，不在平行于光轴出射。这将导致光线的空间位置发生整体偏移，从而影响耦合系统的整体尺寸。而对于偏离光轴入射的光线有可能无法按入射的空间位置出射，将导致图像整体发生错位，无法辨别最终的显示图像。

图6为分别采用直角棱镜作为耦合棱镜和耦合输入组件时的光线示意图。为了使准直入射的光线能够全部进入耦合棱镜 Prism-s1，必须保证棱镜 Prism-s1的第一工作面的高度H₁大于准直透镜的直径，否则将影响光波能量的耦合效率。对于棱镜Prism-s1和Prism-s2，为了保证光线空间位置的不变形，对于底角α_6in和α^' _6in，通常保证：

α_6in=α^' _6in。

由光源表面点光源 Q发出的光线经过准直透镜的准直以后平行光轴入射到棱镜棱镜 Prism-s1的第一工作面，后经棱镜反射面的反射，最后折射出棱镜Prism-s1的第二工作面。由于出射光线的空间位置发生了错位，为保证能够耦合进入棱镜Prism-s2，棱镜Prism-s2应相对Prism-s1发生相对位移，否则偏离光轴入射的光线将无法进入棱镜Prism-s2。相对位移的产生将影响系统的横向尺寸L1，导致系统的尺寸整体增加。再者，由于耦合进入棱镜Prism-s2的光线保持了入射光线的空间位置，将无法在衬底中以满足光学设计的光线传输方向传输。

图7为分别采用45^o顶角棱镜和60^o顶角棱镜作为耦合棱镜和耦合输入组件时的光线示意图。其中耦合棱镜P-45的底角满足：

α_7in=45o

耦合输入组件棱镜P-60的底角满足：

α^' _7in=30o

由光源表面点光源 S发出的光线经过准直透镜的准直后以平行于光轴的方向入射到棱镜P-45的第一工作面，然后经棱镜反射面的反射垂直射出棱镜P-45的第二工作面。出射光线并没有发生空间错位，因此保持了图像信息的空间信息量。

耦合出棱镜P-45的光线垂直入射到棱镜P-60中，由于α^' _7in=30o，反射光线将偏离光轴传播，满足波导传输要求。入射光线经反射面的反射以后，其入射角

Γ = 30o < I。= 42o

因此，部分光波能量将折射出耦合组件，为此可通过蒸镀相应的反射膜来提高反射的光波能量。由于采用棱镜P-45耦合光波时，入射光线和出射光线的空间位置没有错位，耦合输出面和耦合组件的输入面保持相同的尺寸L₂即可实现高效率的耦合，这在很大程度上减小了系统的整体尺寸。

图8为本发明基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学器件的一种棱镜耦合应用实例。为了能够详细地说明器件的工作过程，下面将通过具体的参数来说明实例。其中

 β_in=45o

 β^' _in=β_out=30o

其中 β_in是耦合棱镜P-E的底角，β^' _in是耦合输入棱镜反射面与输入面的夹角，β_out是耦合输出棱镜反射面与输出面的夹角。

 α_sub2=α_sub1=15o

 其中α_sub1是折叠衬底下表面与水平面的夹角，α_sub2是折叠衬底上表面与水平面的夹角。

 θ_e=60o

 其中θ_e是扩束棱镜单元的倾斜角。为了实现光波在扩束棱镜表面的全反射，θ_e不能太小，否则将导致部分光波能量漏出扩束组件单元。

以上述参数设计光学器件，来自光源表面点光源P的同一光波的光线 80、82经过准直透镜 P-N的准直，垂直入射到耦合棱镜P-E的第一工作面，后由棱镜反射面的反射垂直输出棱镜P-E的第二工作面，入射到光波耦合输入组件的上表面。由于光线 80、82经过准直透镜的准直，可以高效率地进入到耦合输入组件。经过耦合输入组件反射面的反射，光线被耦合输入到折叠波导衬底中，并且必须保证在衬底中传播时光线与折叠表面法线的夹角大于全反射临界角，否则随着光线在衬底中的传输由于折射，能量会发生大幅度的损失，最终导致耦合输出衬底的能量太小，降低图像的整体亮度。耦合进入衬底的光线经过传输最终到达光波耦合输出组件的反射面，进而被反射到耦合输出组件的下表面。此时的光线由于不满足全反射的条件，将会被耦合输出到扩展棱镜组件中。由于棱镜组件对入射光线方向具有选择透过性，并且在保持光线方向不变的情况下，每个棱镜都可以单独成像，从而使光波在棱镜组件中均匀分布，得以对光线扩展传输。对于不同的应用，扩展棱镜组件的数量可以相应增减，但必须能够将显示光源的图像能够完全展开，否则将失去视场扩展的效果。

实施例作用与效果

本发明实施例中的光学器件，由于折叠传输衬底的存在，使得在观察方向内的不同角度处都可以观察到图像信息，从而扩大了观察者的视场。

本发明实施例中的光学器件，由于对光波展开组件中扩束棱镜的反射面做了特定的处理，一方面可以避免反射面对入射光波反射时带来的重影问题，另一方面可以对入射到反射面的光线进行钝化，从而可以使入射光线无障碍地穿过反射面，对入射光波的空间位置进行扩展。

本发明实施例中的光学器件由七部分组成，对于具体应用可对各组成部分进行相应的扩展，从而进一步提升系统的应用范围。此种光学系统不仅可用于可穿戴显示，也可用于均匀照明以及移动显示等领域。

本发明实施例中的光学器件，α_sub1和α_sub2的角度并不仅限于15o，只要满足入射光线在其反射面上满足全反射的条件即可。

本发明实施例中的光学器件，θ_e的大小也不仅限与60o，只要满足光线在扩展组件中的扩束棱镜表面传播时能够实现全反射即可。

Claims (5)

1.一种基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学器件，依次包括：

   显示光源，用于发出显示所需图像的显示光波；

   准直透镜，对显示光源发出的光波进行准直；

   耦合棱镜，用于改变准直光波的传播方向；

   光波耦合输入组件，将外界的光信号耦合输入到衬底中；

   光波折叠传输衬底，对耦合输入的光波进行反射传播使其到达输出位置；

   光波耦合输出组件，将来自衬底的光波耦合输出；

   光波展开组件，对耦合输出的光波进行扩束，

   其中，准直透镜位于图像光源和耦合棱镜之间，耦合棱镜位于光波耦合输入组件的上方，光波耦合输入组件和光波耦合输出组件分别和光波折叠传输衬底连接，位于传输衬底的两端，光波展开组件与光波耦合输出组件的下表面相连接。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于：

   准直透镜采用单个非球面镜，耦合输入组件的反射面镀有增反膜。

3.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于：

   光波展开组件由扩束棱镜单元组成，其中扩束棱镜单元的倾斜角θ_e应具备足够大的角度，以便将图像扩展到全屏。

4.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于：

    光波耦合输入组件的反射面与输入面的夹角β^' _in和光波耦合输出组件的反射面与输出面的夹角β_out之间满足以下关系：

β^' _in=β_out。

5.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于：

   光波折叠传输衬底的下表面与水平面的夹角α_sub1和光波折叠传输衬底的上表面与水平面的夹角α_sub2之间满足以下关系：

α_sub2=α_sub1。