CN104656258B - 屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件，包括图像显示光源，用于提供用来观察的图像信息；准直透镜组，对光波进行准直；PBS偏振分光组件，对光波进行偏振分光；P&S光转化组件，用于实现P光和S光的转化；P&S分光选择组件，可使光波均匀地覆盖在耦合输入面上；微曲面波导衬底，用于对光波进行全反射传播；微局部曲率耦合输出面，用于使传输光波耦合输出到衬底外且对视场角进行扩展并对屈光度进行调节。本发明具有屈光度可调、轻薄、大视场角、加工设计简单易实现、结构紧凑以及图像源能量利用率高的优点，可用于医疗信息远端教学、虚拟现实模拟训练、消防救援信息定位指导、道路增强显示等诸多领域，同时可用作终端机的显示器。

Description

屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件

技术领域

本发明涉及一种近眼光学显示器件，特别是一种屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件。

背景技术

在信息多元化时代，各种需要显示的图像信息日益增多，近眼光学显示系统由于能够方便地将各种信息集中地显示在一副虚拟的图像中而备受关注。为了能够体现增强现实和解放双手的理念，可穿戴显示光学系统利用光学元件将图像信息虚拟的显示在人眼前方的一定距离处，方便穿戴者在浏览信息的同时可以观察周围景物的变化，从而不会对佩戴者正常的行为方式造成影响，同时为了照顾屈光度异常的穿戴者，通常还需要具备一定屈光度补偿的能力。因此对于现实增强型的可穿戴光学显示器件，为了方便穿戴者能够及时的获取来自显示源尽可能多的信息，通常要求显示系统具有大视场、轻薄以及全彩的效果。传统的显示技术，例如自由曲面近眼显示技术或者45°反射面近眼显示技术，都由于存在着无法进行内在屈光度的调节、体积过于庞大、虚拟图像显示屏幕过小以及高昂的制造成本等问题，导致近眼显示系统的具体应用受到了极大的限制。例如基于45°反射式结构的显示系统，为了增加视场只有通过增加45°反射面的面积即增加反射式结构的厚度来实现，否则由于鬼像的出现将导致原始图像对比度的降低，这些意味着整体显示系统重量的增加，从而给佩戴者带来了很大的不舒适感。对于基于自由曲面技术的近眼显示系统，虽然集合了显示和图像放大为一体，在一定程度上缩减了显示系统的体积，但是在图像的大尺寸显示和显示系统的整体重量方面无法达到很大的平衡。再者传统的显示系统往往将虚拟图像显示在无穷远处，因此主要针对的人群是视力在1.2左右的人群，然而一般的(包括经过视力矫正)的人群视力在1.0左右，为此在佩戴此类显示器件时，佩戴者通常无法观察到清晰、良好的图像画面，给佩戴者带来了很大的困惑。为了解决这一问题，传统的显示器件在屈光度调节方面通常采用外部辅助调节或者采用一次虚拟成像实现，这样的方式导致在显示系统的体积以及图像的场面感等方面都达不到预期的效果。

为此，屈光度可调、轻薄、大视场、紧凑结构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，其中关键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，图像的对比度和观察视场范围的大小直接影响到人员的安全以及信息的完整性的判断，同时显示系统的整体重量对于佩戴人员的舒服程度都有很大的影响。

为了解决传统穿戴显示光学系统重量和视场以及外屈光度调节等带来的一系列问题，美国MicroVision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大角度S光反射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。尤为重要的是，上述专利提到的平面波导近眼光学显示系统虽然在重量、体积以及视场的扩大方面有所改善，但是在屈光度内在的调节上没有实质性的改变。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件。

为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件，其特点在于：依次包括：图像显示光源，用于提供用来观察的图像信息；准直透镜组，则对光波进行准直；PBS偏振分光组件，用于对来自图像显示光源的光波进行偏振分光；P&S光转化组件，用于实现P偏振光和S偏振光的转化；P&S分光选择组件，为了使光波均匀地覆盖在耦合输入面上；微曲面波导衬底，用于对光波进行全反射传播；微局部曲率耦合输出面，用于使传输光波耦合输出到衬底外且对视场角进行扩展并对屈光度进行调节。其中，图像显示光源位于微曲面波导衬底的右侧，PBS偏振分光组件位于显示光源的下方，在偏振分光组件的下方和右方各有一个P&S光转化组件，其后各有一个准直透镜组，P&S分光选择组件则位于偏振分光组件的左侧。本发明主要采用偏振分光成像原理、全反射原理以及微曲率反射矫正屈光度的方案来实现的。本发明的基本工作原理为：图像显示光源的光线进入PBS偏振分光组件，首先来自光源的S光通过偏振分光组件的反射和P&S光转化组件的转换，使S光变为P光进入准直透镜组，然后经过准直透镜组的准直反射，再由光转化组件将S光变为P光，然后直接透过PBS偏振分光组件的反射面进入P&S分光选择组件。对于来自光源的P光则直接透过PBS偏振分光组件的反射面进入P&S光转化组件中，经过转化组件的转换使P光变为S光进入准直透镜组，然后经过准直透镜组的准直反射，再由转化组件将P光变为S光，经过PBS偏振分光组件反射面的反射进入到P&S分光选择组件中。通过分光选择组件的半反半透性使来自准直透镜的光线均匀的覆盖在波导耦合输入面的表面。进入耦合输组件的光线与耦合反射面相遇，通过耦合反射面的反射，使其在波导中满足全反射条件开始传播。光线在含球面或自由曲面(局部区域有一定的曲率)的波导(曲面波导)中按照既定的路径传播到具有部分球面或自由曲面(局部区域有一定的曲率)的反射面处，由于耦合输出反射面和含有微局部曲率表面的波导的结合，从而使光线按照反向汇聚的效果输出到空气介质中。由于此效果具有负透镜反向聚合的效果，因此可以将虚像按照一定的距离成像在屈光度异常人眼的远点处，从而在一定程度上可矫正或者降低了对于观察者视力的严格要求。

本发明提供的曲面波导近眼光学显示器件，还具有这样的特征：PBS偏振分光组件可以使S偏振光在反射面处发生发射，而使P偏振光完全透射。

本发明提供的曲面波导近眼光学显示器件，还具有这样的特征：P&S光转化组件可以实现P偏振光和S偏振光的相互转化。

本发明提供的曲面波导近眼光学显示器件，还具有这样的特征：P&S分光选择组件具有半反半透的性质。

本发明提供的曲面波导近眼光学显示器件，还具有这样的特征：微曲面波导衬底的上下两面均由类似于负透镜的凹面组成。

本发明提供的曲面波导近眼光学显示器件，还具有这样的特征：微局部曲率耦合输出面是由一些具有微局部曲率的曲面反射面构成，

与现有的光学显示器件相比，本发明的有益效果是：屈光度可调、轻薄、大视场角、光学设计和加工工艺简单易实现、结构紧凑以及图像源能量利用率高。这些优点使得本发明与现有的显示器件相比：可进行内在屈光度调节、显示视场更大，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减小了很多。在相同的体积下，本发明成像系统视场角更大，制造工艺更简单易行、成本更低廉，同时本发明相比传统的系统结构更加紧凑、小巧。本发明光学显示器件可以被用于医疗信息远端教学、虚拟现实模拟训练、消防救援信息定位指导、道路增强显示等诸多领域，同时可作为终端机的显示器来使用。

附图说明

图1为本发明屈光度可调的屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的结构示意图；

图2为传统潜望式光学显示系统的光线传播示意图；

图3为先前专利的平面导光显示器件示意图；

图4为本发明屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的视场角扩展示意图；

图5为本发明屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的曲面波导示意图；

图6为本发明屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的曲面反射面示意图；

图7为本发明屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的屈光度调节原理示意图；

图8为本发明屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的光波准直扩散示意图；

图9为本发明屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的结构参数示意图；以及

图10为本发明屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的穿戴应用示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施过程给予说明。

图1为本发明屈光度可调的屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的结构示意图。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偏振分光组件12、P&S光转化组件13、P&S分光选择组件14、微曲面波导衬底15和微局部曲率耦合输出面16。图像显示光源10的光线进入PBS偏振分光组件12，首先来自光源的S光通过偏振分光组件12的反射和P&S光转化组件13的转换，使S光变为P光进入准直透镜组11，然后经过准直透镜组11的准直反射，再由光转化组件13将S光变为P光，然后直接透过PBS偏振分光组件12的反射面进入P&S分光选择组件14。对于来自光源的P光则直接透过PBS偏振分光组件12反射面进入P&S光转化组件13中，经过转化组件13的转换使P光变为S光进入准直透镜组11，然后经过准直透镜组11的准直反射，再由转化组件13将P光变为S光，经过PBS偏振分光组件12反射面的反射进入到P&S分光选择组件14中。通过分光选择组件14的半反半透性使来自准直透镜的光线均匀的覆盖在波导耦合输入面的表面。进入耦合输组件的光线与耦合反射面相遇，通过耦合反射面的反射，使其在波导衬底15中满足全反射条件开始传播。光线在含球面或自由曲面(局部区域有一定的曲率，如0-1m^-1)的波导(曲面波导)中按照既定的路径传播到具有部分球面或自由曲面(局部区域有一定的曲率，如0-10m^-1)的反射面处，由于耦合输出面16反射面和含有微局部曲率表面的波导15的结合，从而使光线按照反向汇聚的效果输出到空气介质中。由于此效果具有负透镜反向聚合的效果，因此可以将虚像按照一定的距离成像在屈光度异常人眼的远点处，从而在一定程度上可矫正或者降低了对于观察者视力的严格要求。

本发明屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的基本结构由七部分组成，对于具体应用可对本发明的各组成部分进行相应的扩展，从而进一步提高该器件在具体应用方面的潜力，下面针对本发明中七部分的作用给以相应的说明性解释：

图像显示光源10主要用于提供用来观察的图像信息。对于近眼光学显示器件，考虑到整体显示系统的重量以及体积，同时为了能够给观察者提供丰富细腻的图像信息，通常采用微型化的显示芯片来提供图像信息。目前主流的微型尺寸图像显示光源有Lcos、LCD、OLED等。由于具体应用场景的不同，为了能够在体积上对整体显示系统的结构进行优化使其趋于微型化，同时考虑到光源各点亮度的均匀性、输出光效、亮度要求以及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，不同类型的显示芯片其分辨率上存在的显著差别，例如同尺寸的CS-Lcos系列的微显示屏其分辨率通常高于CF-Lcos系列的，但是CS-Lcos光学引擎的设计和结构体积相比CF-Lcos要复杂和大的多，因此必须根据具体的应用和技术需要来选择。同时考虑到不同的显示系统发射出的光波的偏振态不同，为了能够满足光学设计和膜系设计等的要求，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主要是对光波进行准直。在头戴显示应用中，由于人眼作为最终的图形信息接受器，因此需要对来自图像显示光源的光波进行处理以达到人眼自由放松观看的实际要求。为了实现这一效果，通常利用光学球面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，如象散、畸变、场曲、慧差等，导致图像经过单个透镜后对比度严重降低，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，以期达到最终理想的成像效果，否则会影响光学器件系统的最终分辨率，导致人眼直接观察时的图像质量发生变化，使人眼无法清楚的观看到良好的图像信息。普通球面镜在像差矫正时，通常采用几块折射率不同和局部曲率不同的透镜组合矫正，这在无形中使系统整体的重量和体积增加，为此通常采用非球面镜和球面镜组合的方法来完成像差的矫正。由于单个非球面镜在矫正像差时就消除像差的某一种，从而给系统的整体构架以及重量带来了很大益处，再者鉴于现代光学加工技术的发展，自由曲面技术也被引入到了像差矫正中，因此可结合自由曲面技术实现传统光学在体积上微型化的要求。

PBS偏振分光组件12用于对来自图像显示光源的光波进行偏振分光。为了使本发明器件在工作时，保证光线的轨迹按照具体的光学设计要求来进行，因此需要对来自图像显示光源的光波进行偏振分光。PBS偏振分光组件12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。通过利用PBS分光组件使来自光源的S光和P光可以分别按照相应的设计要求给予准直，这样可以提高光源能量的利用率。

P&S光转化组件13用于实现P偏振光和S偏振光的相互转化。对于来自PBS组件12的P光或者S光，为了保证经过准直透镜的准直以后可以无阻碍的透过PBS组件的反射面或者被PBS组件的反射面反射，因此需要相应的P光和S光的转换组件如半波片来实现这一功能。因为半波片可以对经过波片的偏振光的振动方向进行相应的改变，从而可以使P光和S光发生相应的转化。

P&S分光选择组件14的用途是为了使光波均匀地覆盖在耦合输入面上。P&S分光选择组件14可由一个PBS组件和一个45°内反射棱镜组成，或者一个45°分光组件和一个内反射棱镜组成，具体的选择需要根据光源的偏振态来决定。如果光源是非线偏振态的光源，由于P光和S光的能量相等，可以采用PBS组件和45°反射棱镜组成，如果光源是线偏振光光源，必须采用45°分光组件和内反射棱镜组成，这样可以始终保持光波能量在耦合输入面均匀的分布，不会造成最终输出图像的像面亮度不均一或者导致显示图像像面暗间隙的出现。

微曲面波导衬底15的加工材料有很多种，如玻璃材料JGS1、JGS2、K9、BK7等，塑料材料有PET、PMMA等。由于每种材料的折射率、色散系数不同，导致全反射临界角、材料的透过率、吸收系数和重量不同。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。光波在衬底中传播时需要满足全反射的条件，以保证光线没有折射出衬底，同时应尽可能减少材料本身对光波能量的吸收，否则会使大量的光波能量在传输过程中损失而影响图像的可见度以及对比度。另外平面衬底材料本身限制了在衬底中传输的图像的范围，为了扩大传输图像的范围，通常在衬底表面按照需求镀上一定反射率的膜层或者选用高折射率的玻璃材料，对材料的全反射角给予一定的扩展。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42.2°，高于一般的K9玻璃(n_d＝1.52)的全反射临界角41.8°，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。

微局部曲率耦合输出面16用于使传输光波耦合输出到衬底外且对视场角进行扩展并对屈光度进行调节。通过一定数量的曲面反射面的反射，可以使光线在不同反射面之间以一定的反射率连续反射和透射，这样会使光线在曲面波导下表面的有效通光孔径面积得到扩展，从而使图像的输出视场角得到扩展。再者由于反射面具有一定的微局部曲率，从而使反射面具有一定的屈光能力，在不改变光线最终的会聚成像的前提下，曲面反射面和曲面波导构成了一组类似于负透镜的可以对来自无穷远物体的光线发散，从而使光线的反向延长线会聚，使无穷远的物体可以成像在一定的距离处，拉近了观察者和图像之间的距离，从而对于屈光度异常的人群可以起到屈光度调节的作用。

本发明屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的工作步骤以及实例应用：

图2为传统潜望式光学显示系统的光线传播示意图。如图2所示，传统的潜望式光学导光显示系统主要由耦合输入面Surf_-input、相互平行的导光衬底上下表面Surf1和Surf2、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和衬底上表面法线的夹角大于全反射临界角，从而继续在衬底中以反射的形式传输。光束在衬底中经过传输到达耦合输出面Surf_-output，经过耦合输出反射面Surf_-output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是来自同一物点的光束折反射之后产生的，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，导致鬼影的出现而影响原始图像的清晰度。再者为了扩大观察视场，需要增加导光衬底的厚度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来替代，以减轻系统的重量。

图3为先前专利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，导致波导衬底的厚度无法做的很薄，进而显示器件整体的重量比较重，在图3中，

Surface＝H_-big/Tan(β_-big)

其中，Surface是反射面Surf_-Ref在底面的投影长度，H_-big是平面波导衬底的厚度，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，只能增加反射面Surf_-Ref的数量，进而通过增加Surface的总体面积来增加视场角，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，器件的重量也随之增加。

图4为本发明屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的视场角扩展示意图。传统的近眼光学显示器件在视场角的扩展方面存在着体积和视场扩展之间的矛盾，本发明采用多个微局部曲率的反射面实现视场角的扩展。如图4所示，40为一个曲面反射面的微观放大图，曲面反射面在微曲面水平波导表面的投影面积为S。面S作为有效的通光输出口径，决定着最终视场角的大小。通常有效通光面积S必须保证来自光源的图像可以完全得到扩展，即可以在水平方向观察到图像的水平整体结构。传统的45°反射技术由于采用45°平面反射面，因此导致反射面在水平面的投影面积和45°反射面的面积相等，这样将导致器件的厚度很厚，本发明采用小角度曲面反射面实现，即

β_-small<45°

其中，β_-small是曲面反射面和曲面波导的水平面的夹角。

由于β_-small<45°，投影面积S可以得到扩大，同时可以减小曲面波导的厚度。在图4中，经过波导传输的光线41首先和曲面反射面S1相遇，通过曲面反射面S1的折反射，一部分光线被耦合输出到曲面波导外，一部分继续按照原路径传播。按照原路径传播的光线在曲面波导中传播一段距离后与反射面S2相遇，曲面反射面S2对光线41进行折反射使其一部分输出到曲面波导外，一部分继续传播使其分别和曲面反射面S3、S4相遇，曲面反射面S3、S4同样会对光线41进行折反射，这样使光线41分别在四个曲面反射面上分别得到反射，从而使有效的输出通光口径面积得到扩展，即

2S<Area≤4S

其中，Area为曲面反射面在曲面波导表面的有效净投影面积。由于有效输出通光孔径得到了扩展，从而可以在水平视场方向可以看到图像的所有横向信息，即扩展了水平视场角。

图5为本发明屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的曲面波导示意图。通常基于波导的近眼光学显示波导衬底都采用的是平面结构，主要是为了保证准直光线按照既定的路径传播，确保了最终图像的质量。本发明为了能够进行屈光度调节，导光衬底采用了不同于平面波导光衬底的曲面波导结构，如图5所示，50为本发明波导衬底的宏观图，是由具有一定局部曲率的曲面构成。51为波导衬底50的局部微观结构放大图，从图中可以看出衬底的局部放大图中上下表面由曲面52和曲面53构成，局部结构的形状类似于负透镜的结构，上下面均采用凹面结构。本发明采用曲面波导结构主要基于负透镜可以矫正屈光度的原理，图5中左上角为光学中负透镜成像原理图，即来自无穷远物体的光线55，经过负透镜之后光线的反向延长线会聚于透镜焦点处，因此对于屈光度异常的人群在进行屈光度较正时，采用负透镜使无穷远处的物体成像在屈光度异常的人眼54的远点56处，这样便可以看清楚物体的细节。在设计曲面波导的导光衬底时，在满足负透镜结构的前提下，必须考虑光线在曲面波导中传播时，来同一个点光源的光线之间的夹角保证在人眼的最小分辨率之内，否则会影响最终的图像观察效果。

图6为本发明屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的曲面反射面示意图。本发明在光波的耦合输出端处采用了曲面反射面结构，通过曲面反射面的反射可以使一部分光线折射出衬底，一部分继续传播，由于反射面采用了微局部曲率结构，因此对来自光源的准直光线具有一定的反向会聚效果。如图6所示，60为曲面反射面的宏观结构，类似于平面结构。64为曲面反射面的微观结构放大图，由图可以看出，反射面相比平面参考结构62具有一定的局部曲率，从而对于光线具有一定的会聚作用。

图7为本发明屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的屈光度调节原理示意图。为了能够对屈光度进行调节而又不至于对像质造成破坏，因此本发明采用了曲面反射面和曲面波导结构相结合的方式来实现屈光度的调节。如图7所示，曲面反射面Cur_-Ref和波导衬底曲面Cur_-Ref构成了本发明的屈光度调节结构，而曲面反射面参考平面Plan_-Ref和微曲面衬底的参考平面Plan_-sub构成了传统的平面波导反射式输出结构。本发明的屈光度具体调节过程为：来自图像显示光源上同一物点的准直平行光线Ray-1和Ray-2首先和曲面反射面Cur-Ref相遇，由于曲面反射面对光线的Ray-1和Ray-2有反射和会聚作用，使光线的方向发生变化，从而使反射光线Cur-Ray-1和Cur-Ray-2与曲面波导衬底Cur-Sub相遇，由于曲面波导衬底对光线具有发散作用，从而使反射光线Cur-Ray-1和Cur-Ray-2的反向延长线具有会聚效果，等同于对无穷远物体的光线进行了反向会聚，拉近了物体和观察者之间的距离，从而使屈光度异常的人能够清晰的观察到输出的虚拟图像。而对于传统的平面波导结构，准直平行光线Ray-1和Ray-2在与平面反射面Plan-Ref相遇发生反射后，反射光线Plan-Ray-1和Plan-Ray-1依旧保持平行，在和平面衬底Plan-sub相遇之后也不会会聚，依旧保持平行的输出，这样最终的效果依然使物体成像于无穷远处，因此无法实现屈光度的调节。

图8为本发明屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的光波准直扩散示意图。为了提高显示源的光效利用率以及保证输出图像像面亮度的均一性，本发明采用了一种光波准直扩散结构，如图8所示，其具体工作过程为：来自光源Source的光线首先进入PBS偏振分光组件中，P光直接透过反射面和半波片81相遇，由于半波片81可以使偏振光的振动方向发生改变，从而使P光变为S光。S光经过准直透镜的准直和反射变为P光被反射进入半波片中，再由P光变为S光和PBS的反射面相遇，由于PBS可以保证S光被有效反射，因此被准直的S光直接进入到分光组件中。同样来自光源的S光波被PBS直接反射后和半波片80相遇，由于半波片80可以使偏振光的振动方向发生改变，从而使S光变为P光，P光经过准直透镜的准直和反射后变为S光被反射进入半波片中，再由S光变为P光和PBS的反射面相遇，由于PBS可以保证P光被头射，因此被准直的P光直接进入到分光组件中，通过上述方式使P光和S光都可以进入显示系统，从而提高了显示源能量的利用率。进入到分光组件的光波不但具有P光波也有S光波，为了保证光线可以均匀的覆盖在耦合输入面表面，可以采用不同的反射方式组合实现。考虑到方便以及简易的效果，常采用PBS组件和内反射镜构成，即准直以后的光线首先进入PBS分光组件82中，PBS分光组件82保证S光全部被反射到耦合输入面表面，P光全部投射进入内反射镜组件83中，通过内反射镜的反射，被全部反射到耦合输入面表面，由于来自光源的光波中，P光波和S光波拥有相等的能量，因此可以保证耦合输入面被光线均匀的覆盖。

图9为本发明屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的结构参数示意图。为了实现本发明上述的效果，在进行光学设计时，曲面波导衬底以及曲面反射面的结构参数之间应该满足一定的关系，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。在图9中，以轴上物点发出的经过准直的主轴光线为参考进行光学设计，当主轴光线垂直入射进入耦合输入面时，各参数的相应关系为：

β_-REF1＝2*β_-IPUT

β_-OPUT＝β_-IPUT

β_-REF2＝β_-OPUT

其中，β_-IPUT是耦合输入面和微曲面导光传输衬底水平参考底面的夹角，β_-REF1是主轴光线和微曲面导光传输衬底上下水平参考面法线的夹角，β_-REF2是主轴光线和微局部曲率耦合输出面的参考面法线的夹角。为了避免色散引起的图像对比度降低，β_-IPUT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。

2*PBS_-W＝H/(tan(β_-IPUT))

其中，H是曲面波导的厚度，PBS_-W是分光组件单个组件的宽度，为了设计的方便，通常选取两个分光组件的长度PBS_-W相等。

h_-sub＝h_-ref＝N*(λ/2)

h_-ref-w＝H/(sin(β_-OPUT))

h_-sub-w＝H/(tan(β_-OPUT))

其中，h_-sub是单个曲面反射面对应的曲面波导的局部曲面失高，h_-sub-w是单个曲面反射面对应的曲面波导的局部弦长。h_-ref是曲面反射面本身对应的局部失高，h_-ref-w是曲面反射面本身对应的局部弦长。N为按照屈光度调节需要的光圈数，λ是光学设计时选取的参考波长。根据具体屈光度的调节需要，可以通过对相应的失高以及弦长进行计算，从而可以求的所需的曲面反射面的局部曲率以及曲面波导的局部曲率半径。

为了进一步说明本发明器件的优点以及实际意义，下面以具体的参数给予定性的解释说明，选取曲面反射面的数量为:M＝4，β_-IPUT＝27°，波导的厚度H＝3mm，光圈数N＝10，λ为589.3nm则：各参数的值为：

β_-REF1＝54°

PBS_-W＝2.94

h_-sub＝h_-ref＝2.945um

β_-OPUT＝27°

β_-REF2＝27°

h_-ref-w＝6.6mm

h_-sub-w＝5.89mm

通过上述参数设计相应的微曲面导光衬底显示结构，可以实现屈光度100度的调节、水平30°视场角的光学器件，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7mm厚左右，并且无法实现屈光度的调节，由此可以看出本发明器件不但在轻薄、以及视场角扩展方面具有很大的优势，同时具备了屈光度的调节能力。

图10为本发明屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件的穿戴应用示意图。如图10所示，图像显示光源以及PBS分光组件101都被安装在镜架103中，通过在曲面波导耦合输入端将图像光波耦合进入波导，最终在耦合输出位置102处可以观察到被放大的图像信息。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。

实施例的作用与效果：

本发明实施例中由于没有采用特殊的光阑，因此一方面可以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。

本发明实施例中由于采用了P&S分光选择组件，可以保持光波能量在耦合输入面均匀的分布，不会造成最终输出图像的像面亮度不均一或者导致显示图像像面暗间隙的出现。

本实施中由于采用了微曲面波导衬底和微局部曲率耦合输出面的结合，可以对来自无穷远物体的光线发散，从而使光线的反向延长线会聚，使无穷远的物体可以成像在一定的距离处，拉近了观察者和图像之间的距离，从而对于屈光度异常的人群可以起到屈光度调节的作用。

Claims (5)

1.一种屈光度可调的曲面波导近眼光学显示器件，依次包括：

图像显示光源，用于提供用来观察的图像信息；

准直透镜组，则对光波进行准直；

PBS偏振分光组件，用于对来自图像显示光源的光波进行偏振分光；

P&S光转化组件，用于实现P偏振光和S偏振光的转化；

P&S分光选择组件，为了使光波均匀地覆盖在耦合输入面上；

微曲面波导衬底，用于对光波进行全反射传播；

微局部曲率耦合输出面，用于使传输光波耦合输出到衬底外且对视场角进行扩展并对屈光度进行调节；

其中，图像显示光源位于微曲面波导衬底的右侧，PBS偏振分光组件位于显示光源的下方，在偏振分光组件的下方和右方各有一个P&S光转化组件，其后各有一个准直透镜组，P&S分光选择组件则位于偏振分光组件的左侧。

2.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：

PBS偏振分光组件使S偏振光在反射面处发生发射，而使P偏振光完全透射。

3.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：

P&S分光选择组件具有半反半透的性质。

4.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：

微曲面波导衬底的上下两面均由凹面组成。

5.根据权利要求1所述的光学显示器件，其特征在于：

微局部曲率耦合输出面是由一些具有微局部曲率的曲面反射面构成。