CN109116556A - 一种成像显示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种成像显示系统，属于增强现实成像技术领域；于光引擎模块的偏振分光器的出射面的外表面上设置一波导结构，波导结构呈管状，波导结构的一端连接于出射面上并与出射面之间形成一预设的夹角，波导结构的另一端为自由端，成像显示系统通过波导结构扩散眼动框；波导结构与出射面之间形成的预设的夹角使得入射至波导结构中的光线于波导结构内形成全内反射；波导结构进一步包括：多个半透射半反射的透镜，依次斜向设置于波导结构的内部，射入波导结构中的光线在每个透镜的表面进行反射以被均匀地释放到观看者的眼睛中。上述技术方案的有益效果是：能够实现更为紧凑的应用于AR光学系统，为使用者提供更大的视场角和眼动框。

Description

一种成像显示系统
技术领域
本发明涉及增强现实成像技术领域，尤其涉及一种成像显示系统。
背景技术
随着增强现实(Augmented Reality，AR)技术的发展，应用于AR技术 的便携式设备和可穿戴设备的市场也在迅速增长。在诸多应用AR技术的硬 件实现方式中，头戴式显示器(Helmet-Mounted Display，HMD)和近眼显 示器(Near-to-Eye Display，NED)是最有效且在现有技术中能够给使用者带 来最佳体验的实现方式。
所谓头戴式显示器(HMD)，因其外形类似眼镜，又可被称为眼镜式显 示器或者视频眼镜，其可以通过各种头戴式显示设备向眼睛发送光学信号， 从而实现AR技术中的不同显示效果。
所谓近眼显示器(NED)，是一种可以将图像直接投射到观看者眼中的 头戴式显示器(HMD)。NED的显示屏距离人的眼球在10厘米以内，这么 近的图像通常来说对于人眼是无法看清的，但是通过NED光学系统中设计 特定的透镜阵列能够将图像聚焦到人眼的视网膜上，再经过视觉神经系统进 行加工，从而能够在用户眼前呈现出虚拟大幅面的图像，由此可以实现AR 技术的各种不同显示效果。
在光学组合器中，波导技术(waveguide technology)由于其可以实现带 有大视场(FOV)的超薄近眼显示器(NED)结构的能力而越来越受欢迎。 除了大的大视场(FOV)和紧凑性之外，波导内部的光栅也用于增加显示器 出射光瞳的尺寸，其通常被称为出射光瞳扩展器(EPE)。EPE元件通常可以 分为反射光栅类型和衍射光栅类型。本发明聚焦于，在其它申请中，用于 HMD和NED的光学系统的设计和制造。大视场(FOV)，大出射光瞳扩展 器(EPE)和紧凑性在本发明中是主要关注点，其通过照明和成像光学器件 的紧凑设计以及反射型波导作为EPE的使用来实现。
现有技术中，以NED的光学系统举例，其中通常包括照明设备(光源)、 用于成像的各光学器件和光学组合器。照明设备中，微显示器可以通过例如 有机发光二极管(OrganicLight-Emitting Diode，OLED)面板的有源显示器 来提供图像，或者通过不同形式的空间光调制器(Spatial Light Modulator， SLM)照明的方式来间接提供图像，其所显示像素可以通过成像的光学器件 被成像到无穷远，随后再通过光学组合器传输到观察者的眼睛。传统的光学 组合器会随着其视场角(Field of View，FOV)的提升而使得其硬件设备变得 更庞大和笨重，并且同时会造成设备的眼动框(Eye Motion Box，EMB)变 得窄小，这样会影响到使用者佩戴和观看的舒适性。现有技术中已经开始就 上述问题进行了诸多研究，但是这些研究中实现的硬件设备均不够紧凑，无 法满足HMD或者NED的要求，并且这些硬件设备的实现均需要非常复杂的 设计和制造过程。
发明内容
根据现有技术中存在的上述问题，现提供一种成像显示系统的技术方案， 旨在实现更为小型紧凑的应用于增强现实的光学系统，为使用者提供更大的 视场角和眼动框。
上述技术方案具体包括：
一种成像显示系统，应用于增强现实技术中；其中，于所述成像显示系 统中设置一包括偏振分光器的光学引擎模块，用于将入射的光源区分为两类 偏振光并同时从所述光学引擎模块的出射面射出；
于所述光学引擎模块的所述出射面的外表面上设置一波导结构，所述波 导结构呈管状，所述波导结构的一端连接于所述出射面上并与所述出射面之 间形成一预设的夹角，所述波导结构的另一端为自由端，所述成像显示系统 通过所述波导结构扩散所述成像显示系统的眼动框；
所述波导结构与所述出射面之间形成的预设的所述夹角使得入射至所述 波导结构中的光线于所述波导结构内形成全内反射；
所述波导结构进一步包括：
多个半透射半反射的透镜，依次斜向设置于所述波导结构的内部，射入 所述波导结构中的光线在每个所述透镜的表面进行反射以被均匀地释放到观 看者的眼睛中。
优选的，该成像显示系统，其中，两类所述偏振光包括S偏振光和P偏 振光。
优选的，该成像显示系统，其中，所述波导结构与所述出射面之间的夹 角使得从所述出射面出射的光线以大于临界角的角度分别射至所述波导结构 的顶表面和底表面；
于所述波导结构和所述出射面之间设置一三角棱镜，所述三角棱镜的形 状匹配于所述波导结构与所述出射面之间的预设的所述夹角；
于所述三角棱镜的外表面涂覆有吸光性材料。
优选的，该成像显示系统，其中，从所述出射面射出并射入至所述波导 结构中的光线的入射光瞳被完全包括在所述波导结构内。
优选的，该成像显示系统，其中，于所述波导结构和所述出射面之间设 置一三角棱镜，所述三角棱镜的形状匹配于所述波导结构与所述出射面之间 的夹角；
于所述三角棱镜的外表面涂覆有反射性材料；
所述波导结构与所述出射面之间的夹角使得从所述三角棱镜的外表面反 射至所述波导结构的光线以大于临界角的角度分别射至所述波导结构的顶表 面和底表面。
优选的，该成像显示系统，其中，从所述出射面射出并射入至所述波导 结构中的光线的入射光瞳被包括在所述三角棱镜内。
优选的，该成像显示系统，其中，所述光学引擎模块的照明部分包括一 分光面以及一光源阵列，所述分光面相对于所述光源阵列斜向设置；
所述光源阵列发出的偏振光中的一第一类偏振光透射过所述分光面并从 所述光学引擎模块的所述出射面射出；
所述光源阵列发出的偏振光中的一第二类偏振光经过所述分光面呈90 度反射后射出；
所述光源阵列设置的方向平行于被所述分光面反射后的所述第二类偏振 光的光路方向；
所述第一类偏振光为S偏振光，所述第二类偏振光为P偏振光；或者
所述第一类偏振光为P偏振光，所述第二类偏振光为S偏振光。
优选的，该成像显示系统，其中，所述光源阵列为偏振的发光体。
优选的，该成像显示系统，其中，所述光源阵列为非偏振的发光体；
于所述光源阵列和所述分光面之间设置一线性偏振片，以将所述光源阵 列发出的光转换成偏振光。
优选的，该成像显示系统，其中，于所述照明部分中还设置一入射面， 所述入射面设置在所述光源阵列与所述分光面之间并且平行于所述光源阵 列；
通过一机械外壳将所述光源阵列附着于所述入射面上。
优选的，该成像显示系统，其中，所述光学引擎模块的显示部分包括：
微型显示器，垂直于被所述分光面反射的所述第二类偏振光的光路方向 设置，所述光源阵列发出的光源通过所述分光面反射后至所述微型显示器上 成像显示；
所述微型显示器还用于将所述第二类偏振光反射后转换成所述第一类偏 振光，并透射出所述分光面。
优选的，该成像显示系统，其中，所述微型显示器为能够旋转反射光的 偏振的显示器。
优选的，该成像显示系统，其中，所述微型显示器为无法旋转反射光的 偏振的显示器；
于所述微型显示器与所述分光面之间设置一第一四分之一波片，用于旋 转反射光的偏振。
优选的，该成像显示系统，其中，于所述光学引擎模块中设置一第一反 射面，所述第一反射面设置于所述微型显示器与所述分光面之间并且平行于 所述微型显示器；
通过一机械外壳将所述微型显示器附着于所述第一反射面上。
优选的，该成像显示系统，其中，所述光学引擎模块中还包括：
准直透镜，垂直于被所述分光面反射的所述第二类偏振光的光路方向设 置，并与所述微型显示器分别位于所述分光面的两侧，所述准直透镜用于拉 伸所述微型显示器上的像素的成像距离；
第二四分之一波片，设置于所述准直透镜和所述分光面之间，用于旋转 反射光的偏振。
优选的，该成像显示系统，其中，于所述第二四分之一波片和所述分光 面之间设置一第二反射面；
通过一机械外壳将所述准直透镜和所述第二四分之一波片附着于所述第 二反射面上。
优选的，该成像显示系统，其中，所述光学引擎模块中的所述偏振分光 器用于将入射的光源区分为两类偏振光并从所述光学引擎模块的所述出射面 射出；
所述偏振分光器由一第一直角棱镜和一第二直角棱镜组合形成；
所述第一直角棱镜包括相互垂直的入射面和第一反射面；
所述第二直角棱镜包括相互垂直的第二反射面和所述出射面；
所述第一直角棱镜位于所述第二直角棱镜的下方；
所述第一直角棱镜的斜面和所述第二直角棱镜的斜面贴合形成一分光 面；
所述分光面用于透射所述光源中的一第一类偏振光，并且反射所述光源 中的一第二类偏振光。
优选的，该成像显示系统，其中，所述第一直角棱镜的斜面与所述第二 直角棱镜的斜面胶合形成所述分光面。
上述技术方案的有益效果是：提供一种成像显示系统，能够实现更为紧 凑的应用于增强现实的光学系统，为使用者提供更大的视场角和眼动框。
附图说明
图1是本发明的较佳的实施例中，一种成像显示系统中，波导结构的具 体结构示意图；
图2是本发明的一个较佳的实施例中，一种成像显示系统中光学引擎模 块连接波导结构的结构示意图；
图3是本发明的另一个较佳的实施例中，一种成像显示系统中光学引擎 模块连接波导结构的结构示意图；
图4是本发明的较佳的实施例中，光学引擎模块中照明部分的设置示意 图；
图5是本发明的较佳的实施例中，光学引擎模块中显示部分的设置示意 图；
图6是本发明的较佳的实施例中，光学引擎模块中成像部分的设置示意 图；
图7是本发明的较佳的实施例中，成像显示系统中光学引擎模块的立体 示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作 出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特 征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的 限定。
根据现有技术中存在的上述问题，现提供一种成像显示系统，该成像显 示系统应用于AR技术中，尤其应用于AR技术中的头戴式显示器和近眼显 示器中。
在上述成像显示系统中，设置一光学引擎模块，包括照明部分，显示部 分，和成像部分。偏振分光器用于连接各个部分，将入射的光源区分为两类 偏振光并同时从光学引擎模块的出射面射出；
于光学引擎模块的出射面的外表面上设置一波导结构，波导结构呈管状， 波导结构的一端连接于出射面上并与出射面之间形成一预设的夹角，波导结 构的另一端为自由端，成像显示系统通过波导结构扩散显示系统的眼动框；
波导结构与出射面之间形成的预设的夹角使得入射至波导结构中的光线 于波导结构内形成全内反射；
上述波导结构进一步包括：
多个半透射半反射的透镜，依次斜向设置于波导结构的内部，射入波导 结构中的光线在每个透镜的表面进行反射以被均匀地释放到观看者的眼睛 中。
如图1所示，上述波导结构14呈管状，并且在波导结构14的内部依次 斜向设置多个半透射半反射的透镜18，以控制射入波导结构中的光线22在 每个透镜18的表面被均匀地释放到观看者的眼睛中。
在光学组合器中，波导技术由于其可以实现带有大视场(FOV)的NED 结构的能力而越来越受欢迎。除了大的大视场(FOV)和紧凑性之外，波导 内部的光栅也用于增加显示器出射光瞳的尺寸，其通常被称为出射光瞳扩展 器(EPE)，EPE元件通常可以分为反射光栅类型和衍射光栅类型。本发明 技术方案主要关注于大视场(FOV)、大出射光瞳扩展器和结构的紧凑性， 其通过照明和成像光学器件的紧凑设计以及反射型波导作为EPE元件使用的方式来实现。
具体地，本实施例中，波导结构14的内部依次斜向设置多个半透射半反 射的透镜18。这些透镜18的表面涂覆有膜，以使得每个透镜的表面对于单 偏振光(S偏振光或者P偏振光，在本实施例中可以设定为S偏振光)具有 一定的反射系数。因此，光线22在透镜18的表面的每个位置处均被部分反 射部分透射，能够均匀地释放到观看者的眼中。对于多个反射出口的设计场 景来说，视场角的大小与透镜18的设置数量是成正比的，即透镜18设置得越多，视场角越大。但是透镜18的数量越多，光的损失越大，为了实际制造 成本和产生效果的综合考虑，于波导结构14中设计4-6个透镜18较为现实。 如图1-3所示为包括6个透镜18的波导结构14。并且，需要基于临界角θ 计算和确定每个透镜18与波导结构14的底表面17之间的夹角φ，以使被透 镜18表面反射的光能够垂直于波导结构14的底表面17被释放至观看者的眼 中，被释放的光线在穿过观看者眼中的晶状体后在视网膜上成像。
本发明技术方案中设计的波导结构14中，由最靠内的光束23以及最靠 外的光束24来限定整个成像显示系统的眼动框(EMB)的大小，则与现有 技术相比，本发明技术方案中设计的波导结构14能够扩展出射光瞳，从而扩 展成像显示系统的EMB，以使得该成像显示系统更能够抵抗观看者眼球移动 造成的成像效果影响。
本发明的一个较佳的实施例中，波导结构14与光学引擎模块A之间的 连接关系如图2所示(图2中位于波导结构14左边的所有部件均包括在光学 引擎模块A中，下文中亦会详述)，上述波导结构14与光学引擎模块A的 出射面7之间的夹角α使得从出射面7出射的光线以大于临界角θc的角度分 别射至波导结构14的顶表面16和底表面17。
仍然如图2所示，于波导结构14和出射面7之间设置一三角棱镜20， 该三角棱镜20的形状匹配于波导结构14与出射面7之间的夹角α；
于该三角棱镜20的外表面21涂覆有吸光性材料。
具体地，本实施例中，上述波导结构14的一端15被粘合在出射面7上， 且使得波导结构14的管状本体与出射面7之间成一预设夹角α。如图2中所 示，该预设夹角α为锐角。进一步地，该预设夹角α的设置能够使得从出射 面7射出的光线以大于临界角θc的角度抵达波导结构14的顶表面16和底表 面17(上述大于临界角θc的角度可参照图2中所示)，从而使得从出射面7 射出的光线可以经历全内反射(Total Internal Reflection，TIR)并且被捕获在 上述波导结构14内。
进一步地，对于主轴的中心光线而言，上述预设夹角α等于光线的入射 角θ。因此，想要让主轴光线产生全内反射，那么预设夹角α(也即光线的 入射角θ)要大于临界角θc。并且因为入射光是以主轴光线为中心的多束光 线，因此具体的预设夹角α的角度需要通过仿真软件工具进行反复调整和优 化，以尽可能实现光线收集效率的最大化。
则在本实施例中，如图2所示，于上述波导结构14和出射面7之间设置 一三角棱镜20，该三角棱镜20的形状匹配于波导结构14与出射面7之间的 夹角α，设置该三角棱镜20能够减少从出射面7射出的光线的光损失。并且 在该三角棱镜20的外表面21上涂覆吸光性材料，以避免杂散光的弹回。
在本实施例中，在如图6中所示的夹角α的情况下，从出射面7射出并 射入至波导结构14中的光线的入射光瞳19被完全包括在上述波导结构14 内，即该入射光瞳19完全被波导结构14围绕，以便能够收集最大数量的入 射光。这与大部分传统的实现方式完全不同，传统的光学实现方式中，需要 相对于波导结构14垂直地放置光学引擎模块，从而使得从偏振分光器中出射 的光在表面法线方向上入射至波导结构14中。并且，为了实现有效的光耦合， 还需要在光学引擎模块3和波导结构相交的位置上涂覆特殊的涂层，以及在 波导结构的入口内侧设置耦合表面，使得波导结构的制造工艺非常复杂。而 本实施例中独特的安置光学引擎模块和波导结构的方式大大节省了空间并简 化了制造工艺。另外，光学引擎模块对外转向眼睛方向，节省了眼镜腿位置 的空间以容纳其他电子器件。
本发明的另一个较佳的实施例中，如图3所示，上述波导结构14与出射 面7形成一预设夹角α。
具体地，本实施例中，上述波导结构14的一端15同样被粘合在出射面 7上，并且使得波导结构14的管状本体与出射面7之间形成一预设夹角α。 与上述实施例不同的是，本实施例中，上述预设夹角α为钝角(如图3中所 示)。
则本实施例中，仍然如图3所示，于上述波导结构14和出射面7之间设 置一三角棱镜20，三角棱镜20的形状匹配于波导结构14与出射面7之间的 夹角α，并且于三角棱镜20的外表面21涂覆有反射性材料。
则上述预设夹角α的设置能够使得从上述三角棱镜20的外表面21反射 至波导结构14中的光线能够以大于临界角θc的角度抵达波导结构14的顶表 面16和底表面17，从而使得入射至波导结构14的光线可以经历全内反射 (TIR)。
本实施例中，基于如图3中所示的结构设置，入射光瞳19此时会位于三 角棱镜20内壁，而不是由波导结构14包围。
采用上述设置的成像显示系统(如图2-3中所示)实现了视场角大于 40°，眼动框大于10mm x 10mm，从而提升使用者的观看效果和舒适体验。 本发明的较佳的实施例中，光学引擎的照明部分包括一分光面以及一光源阵 列，分光面相对于光源阵列斜向设置；
光源阵列发出的偏振光中的一第一类偏振光透射过分光面并从光学引擎 模块的出射面射出；
光源阵列发出的偏振光中的一第二类偏振光经过分光面呈90度反射后 射出；
光源阵列设置的方向平行于被分光面反射后的第二类偏振光的光路方 向；
第一类偏振光为S偏振光，第二类偏振光为P偏振光；或者
第一类偏振光为P偏振光，第二类偏振光为S偏振光。
具体地，本发明的较佳的实施例中，如图4中所示，于上述光学引擎模 块A上设置一分光面5，以及一光源阵列1，上述部件均包括在光学引擎模 块A的照明部分中。该光源阵列1发出的偏振光经过分光面5被分为被透射 至出射面7的第一类偏振光，以及被反射转向90度垂直向下的第二类偏振光。 上述光源阵列1设置的方向平行于被分光面反射后的第二类偏振光的光路方 向。
上述第一类偏振光可以为S偏振光，第二类偏振光为P偏振光，此时分 光面5用于透射S偏振光，并反射P偏振光。
上述第一类偏振光也可以为P偏振光，此时第二类偏振光为S偏振光， 即分光面5用于透射P偏振光，并反射S偏振光。
为了便于理解，下文中统一列举第一类偏振光为P偏振光，第二类偏振 光为S偏振光，即分光面能够透射P偏振光并反射S偏振光。
本发明的一个较佳的实施例中，上述光源阵列1为能够发出偏振光的光 源(例如激光光源或者LED光源)。
本发明的另一个实施例中，如图4所示，上述光源阵列1为非偏振的发 光体(即该光源阵列1发出的为自然光)；
则于光源阵列1和分光面5之间设置一线性偏振片2，以将光源阵列1 发出的光转换成偏振光。
进一步地，仍然如图4所示，于上述光学引擎模块A中设置一入射面4 (同样包括在照明部分中)，该入射面4设置在光源阵列1与分光面5之间 并且平行于光源阵列1。
上述光源阵列1与入射面4之间可以留有一空气间隙。
本发明的一个较佳的实施例中，当上述光源阵列1为偏振的光源阵列(例 如激光光源或者部分LED光源)，则在该空气间隙内可以不设置任何光学元 件。
本发明的另一个较佳的实施例中，当上述光源阵列1中为非偏振的光源 时(即该光源阵列1发出的为自然光)，则在该空气间隙内需要设置一个线 性偏振片2(LinearPolarizer，LP)，以将非偏振光转换成偏振光再射至上 述分光面5。
进一步地，本发明的较佳的实施例中，可以通过一机械外壳(图中未示 出)将上述光源阵列1(包括可能设置的线性偏振片2)附着于入射面4上， 以实现整个光学引擎模块A的紧凑设置，并且提升了整个系统的稳定性。该 机械外壳的尺寸可以匹配光源阵列1的尺寸，在此不再赘述。
图4中示出光学引擎模块A中设置有线性偏振片2的示例。
本发明的较佳的实施例中，如图5中所示，上述光学引擎模块A还包括：
微型显示器8，垂直于被分光面5反射的第二类偏振光(本实施例中为S 偏振光)的光路方向设置，上述光源阵列1发出的光源通过分光面5反射后 至微型显示器8上成像显示；
微型显示器8还用于将第二类偏振光反射后转换成第一类偏振光(本实 施例中为P偏振光)，并透射出分光面5。
上述部分均包括在光学引擎模块A的显示部分中。
本实施例中，上述微型显示器8可以选取液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)显示器、数 字微镜器件(DigitalMicromirror Device，DMD)、微机电系统 (Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)扫描仪以及触动光学纤维束等 光学显示形式。以LCOS显示器为例，其是在硅背板的顶部采用液晶层而形 成的小型的反射型主动矩阵液晶显示器，是LCD与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)集成电路有机结合的 一种新型显示技术。在LCOS显示器中，采用一个CMOS控制芯片来控制位 于该芯片表面下方的正方形反射铝电极上的电压，每个COMS控制芯片分别 用来控制一个像素。
具体地，本发明的一个较佳的实施例中，上述微型显示器8可以为一些 能够旋转反射光的偏振的微型显示器(例如将S偏振光转换成P偏振光)， 例如某些LCOS显示器。
本发明的另一个较佳的实施例中，上述微型显示器8也可以为一些无法 旋转反射光的偏振的微型显示器；
则在该实施例中，于微型显示器8与分光面5之间设置一第一四分之一 波片9。该第一四分之一波片为一四分之一波片(Quarter-Wave Plate，QWP)， 该第一四分之一波片9的作用在于弥补微型显示器8无法旋转反射光的偏振 的缺陷，起到旋转反射光偏振的功能。
图5中示出在光学引擎模块A中设置有第一四分之一波片9的示例。
本发明的较佳的实施例中，仍然如图5中所示，于上述光学引擎模块A 中还设置一第一反射面6，第一反射面6设置于微型显示器8与分光面5之 间并且平行于微型显示器8；
则可以通过一机械外壳(图中未示出)将微型显示器8(包括可能设置 的第一四分之一波片9)附着于第一反射面6上。
具体地，可以通过契合于微型显示器8尺寸的机械外壳，将微型显示器 8(包括其间可能设置的第一四分之一波片9)与第一反射面6包裹在一起， 进一步增强成像显示系统的紧凑性和稳定性。
本发明的较佳的实施例中，上述光学引擎模块A中还包括：
准直透镜11，垂直于被分光面5反射的第二类偏振光(本实施例中为S 偏振光)的光路方向设置，并与上述微型显示器8分别位于分光面5的两侧， 准直透镜11用于拉伸微型显示器8上的像素的成像距离；
第二四分之一波片13，设置于准直透镜11和分光面5之间，用于旋转 反射光的偏振。
上述部件均包括在光学引擎模块A的成像部分中。
具体地，本实施例中，上述第二四分之一波片13(QWP)的作用与上述 第一四分之一波片9的作用相同，均为旋转反射光的偏振，即将S偏振光转 换成P偏振光，或者将P偏振光转换成S偏振光。本实施例中，由于透射过 分光面5的为P偏振光，因此第二四分之一波片13将其转换成S偏振光并 射至分光面5。
本实施例中，于上述第二四分之一波片13和分光面5之间设置一第二反 射面10。
上述准直透镜11的背面可以用金属或者介电材料涂覆，以创建一个反射 镜面12，该反射镜面12的曲率与上述第二反射面10和第一反射面6之间的 距离相关，以使得该反射镜面12的焦距等于距离上述微型显示器8的光路距 离。
进一步地，本发明的较佳的实施例中，通过一机械外壳将上述准直透镜 11(包括其间设置的第二四分之一波片13)附着于上述第二反射面10上， 以增强成像显示系统的紧凑性和稳定性。
本发明的较佳的实施例中，上述偏振分光模块A中偏振分光器3的作用 主要在于将入射的光源区分为两类偏振光并从光学引擎模块的出射面射出。
则如图4-7所示，上述偏振分光器3具体可以由一第一直角棱镜和一第 二直角棱镜组合形成；
其中，第一直角棱镜包括相互垂直的入射面4和第一反射面6；
第二直角棱镜包括相互垂直的第二反射面10和出射面7；
第一直角棱镜位于第二直角棱镜的下方；
第一直角棱镜的斜面和第二直角棱镜的斜面贴合形成上述分光面5；
分光面5用于透射光源中的一第一类偏振光，并且反射光源中的一第二 类偏振光。具体地，上述第一类偏振光可以为S偏振光，则第二类偏振光为 P偏振光；或者第一类偏振光为P偏振光，此时第二类偏振光就为S偏振光。 本实施例中以第一类偏振光为P偏振光，第二类偏振光为S偏振光作为示例 进行描述。
具体地，如图4-7所示，上述偏振分光器3中包括由分光面5、入射面3 和第一反射面6组成的第一直角棱镜以及由分光面5、第二反射面10和出射 面7组成的第二直角棱镜。该偏振分光器3可以被设置成一类似于现有技术 中的偏振分光棱镜(Polarization BeamSplitter，PBS)的形状。所谓偏振分光 棱镜，其能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光。
其中第一直角棱镜位于第二直角棱镜的下方。该偏振分光器位于整个光 学引擎模块A的中心，其入射面3上贴合设置有光源阵列1(以及可能设置 的线性偏振片2)，第一反射面6上贴合设置有微型显示器8(以及可能设置 的第一四分之一波片9)，第二反射面10上贴合设置有准直透镜11以及其 间设置的第二四分之一波片13，出射面7上连接有管状的波导结构14，从而 构成整个紧凑型的成像显示系统。
则如图4-7所示，光源阵列1出射的光线经过偏振分光器3的分光面5， 其中S偏振光被反射至下方的第一反射面6，P偏振光通过分光面5被透射 至出射面7。
随后被反射的S偏振光经过微型显示器8(或者经过第一四分之一波片 9)的旋转而改变其偏振，变为P偏振光，随后通过分光面5被透射至第二 反射面10。
上述被透射至第二反射面10的P偏振光经过上述准直透镜11和第二四 分之一波片13的旋转而改变其偏振，变为S偏振光，随后通过分光面5被 反射至出射面7。
最终经过出射面7的光线就变成了两束偏振光分量，分别为微弱的P偏 振光(如图4所示)以及主导的S偏振光(如图6所示)。随后两束偏振光 分量通过出射面7被射至与其连接的波导结构14中并经历全内反射，从而提 升整个成像显示系统的视场角(FOV)和眼动框(EMB)。
综上所述，本发明技术方案中，上述光学引擎模块A中分别设置有光源 阵列1、微型显示器8、准直透镜11以及相应的光学配件，并将这些光学元 器件用机械外壳紧凑地封装在偏振器3周围，该光学引擎模块一起与波导结 构一起形成一个紧凑的成像显示系统，并且提高该成像显示系统的稳定性， 使其更容易适用在HMD或者NED中，为使用者呈现更佳的AR显示效果。
图7中为光学引擎模块A的立体示意图，于图7中可以更清晰地看到中 央的偏振分光器3与周围的光学元器件之间的连接关系。
图4-7中示出的上述偏振分光器3为类似偏振分光棱镜的立方体结构， 但其仅为本发明的其中一个实施例。在本发明的其他实施例中，上述偏振分 光器3的外观结构并不仅限于立方体结构，任何能够满足上述光路传输要求 的偏振分光结构均可以作为上述偏振分光器3使用，在此不再赘述。
综上，应用本发明技术方案中的带有波导结构的成像显示系统，能够将 HMD和NED的视场角扩展到超过40°，并且将微型显示器的眼动框扩展到 大于10mm，从而使得观看者的观感更舒适，更利于实现AR技术中不同的 显示效果。
并且，本发明技术方案中，所有光学元器件均被粘接和层压在中央的偏 振分光器上，使得整个成像显示系统更容易进行机械包装，相对于其他HMD 和NED的显示系统更适于大规模生产。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及 保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书 及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含 在本发明的保护范围内。

Claims (18)

1.一种成像显示系统，应用于增强现实技术中；其特征在于，于所述成像显示系统中设置一包括偏振分光器的光学引擎模块，用于将入射的光源区分为两类偏振光并同时从所述光学引擎模块的出射面射出；
于所述光学引擎模块的所述出射面的外表面上设置一波导结构，所述波导结构呈管状，所述波导结构的一端连接于所述出射面上并与所述出射面之间形成一预设的夹角，所述波导结构的另一端为自由端，所述成像显示系统通过所述波导结构扩散所述成像显示系统的眼动框；
所述波导结构与所述出射面之间形成的预设的所述夹角使得入射至所述波导结构中的光线于所述波导结构内形成全内反射；
所述波导结构进一步包括：
多个半透射半反射的透镜，依次斜向设置于所述波导结构的内部，射入所述波导结构中的光线在每个所述透镜的表面进行反射以被均匀地释放到观看者的眼睛中。
2.如权利要求1所述的成像显示系统，其特征在于，两类所述偏振光包括S偏振光和P偏振光。
3.如权利要求1所述的成像显示系统，其特征在于，所述波导结构与所述出射面之间的夹角使得从所述出射面出射的光线以大于临界角的角度分别射至所述波导结构的顶表面和底表面；
于所述波导结构和所述出射面之间设置一三角棱镜，所述三角棱镜的形状匹配于所述波导结构与所述出射面之间的预设的所述夹角；
于所述三角棱镜的外表面涂覆有吸光性材料。
4.如权利要求3所述的成像显示系统，其特征在于，从所述出射面射出并射入至所述波导结构中的光线的入射光瞳被完全包括在所述波导结构内。
5.如权利要求1所述的成像显示系统，其特征在于，于所述波导结构和所述出射面之间设置一三角棱镜，所述三角棱镜的形状匹配于所述波导结构与所述出射面之间的夹角；
于所述三角棱镜的外表面涂覆有反射性材料；
所述波导结构与所述出射面之间的夹角使得从所述三角棱镜的外表面反射至所述波导结构的光线以大于临界角的角度分别射至所述波导结构的顶表面和底表面。
6.如权利要求5所述的成像显示系统，其特征在于，从所述出射面射出并射入至所述波导结构中的光线的入射光瞳被包括在所述三角棱镜内。
7.如权利要求1所述的成像显示系统，其特征在于，所述光学引擎模块的照明部分包括一分光面以及一光源阵列，所述分光面相对于所述光源阵列斜向设置；
所述光源阵列发出的偏振光中的一第一类偏振光透射过所述分光面并从所述光学引擎模块的所述出射面射出；
所述光源阵列发出的偏振光中的一第二类偏振光经过所述分光面呈90度反射后射出；
所述光源阵列设置的方向平行于被所述分光面反射后的所述第二类偏振光的光路方向；
所述第一类偏振光为S偏振光，所述第二类偏振光为P偏振光；或者
所述第一类偏振光为P偏振光，所述第二类偏振光为S偏振光。
8.如权利要求7所述的成像显示系统，其特征在于，所述光源阵列为偏振的发光体。
9.如权利要求7所述的成像显示系统，其特征在于，所述光源阵列为非偏振的发光体；
于所述光源阵列和所述分光面之间设置一线性偏振片，以将所述光源阵列发出的光转换成偏振光。
10.如权利要求7所述的成像显示系统，其特征在于，于所述照明部分中还设置一入射面，所述入射面设置在所述光源阵列与所述分光面之间并且平行于所述光源阵列；
通过一机械外壳将所述光源阵列附着于所述入射面上。
11.如权利要求7所述的成像显示系统，其特征在于，所述光学引擎模块的显示部分包括：
微型显示器，垂直于被所述分光面反射的所述第二类偏振光的光路方向设置，所述光源阵列发出的光源通过所述分光面反射后至所述微型显示器上成像显示；
所述微型显示器还用于将所述第二类偏振光反射后转换成所述第一类偏振光，并透射出所述分光面。
12.如权利要求11所述的成像显示系统，其特征在于，所述微型显示器为能够旋转反射光的偏振的显示器。
13.如权利要求11所述的成像显示系统，其特征在于，所述微型显示器为无法旋转反射光的偏振的显示器；
于所述微型显示器与所述分光面之间设置一第一四分之一波片，用于旋转反射光的偏振。
14.如权利要求11所述的成像显示系统，其特征在于，于所述光学引擎模块中设置一第一反射面，所述第一反射面设置于所述微型显示器与所述分光面之间并且平行于所述微型显示器；
通过一机械外壳将所述微型显示器附着于所述第一反射面上。
15.如权利要求11所述的成像显示系统，其特征在于，所述光学引擎模块中还包括：
准直透镜，垂直于被所述分光面反射的所述第二类偏振光的光路方向设置，并与所述微型显示器分别位于所述分光面的两侧，所述准直透镜用于拉伸所述微型显示器上的像素的成像距离；
第二四分之一波片，设置于所述准直透镜和所述分光面之间，用于旋转反射光的偏振。
16.如权利要求15所述的成像显示系统，其特征在于，于所述第二四分之一波片和所述分光面之间设置一第二反射面；
通过一机械外壳将所述准直透镜和所述第二四分之一波片附着于所述第二反射面上。
17.如权利要求1所述的成像显示系统，其特征在于，所述光学引擎模块中的所述偏振分光器用于将入射的光源区分为两类偏振光并从所述光学引擎模块的所述出射面射出；
所述偏振分光器由一第一直角棱镜和一第二直角棱镜组合形成；
所述第一直角棱镜包括相互垂直的入射面和第一反射面；
所述第二直角棱镜包括相互垂直的第二反射面和所述出射面；
所述第一直角棱镜位于所述第二直角棱镜的下方；
所述第一直角棱镜的斜面和所述第二直角棱镜的斜面贴合形成一分光面；
所述分光面用于透射所述光源中的一第一类偏振光，并且反射所述光源中的一第二类偏振光。
18.如权利要求17所述的成像显示系统，其特征在于，所述第一直角棱镜的斜面与所述第二直角棱镜的斜面胶合形成所述分光面。
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