CN109343222A - 增强现实光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学装置，包括光学介质、光源、硅基液晶、偏振分光棱镜、多层相位延迟片，其中，光学介质，包括一个入射面、一个出射面和多个外表面；光源，用于发射光束，光束通过光学介质的入射面传播进入光学介质；多层相位延迟片，位于光学介质的一个外表面和硅基液晶之间，且与偏振分光棱镜的反射光束的偏振方向呈特定角度。硅基液晶，用于显示图像；偏振分光棱镜，与光学介质的入射面和出射面呈特定角度。本发明公开的技术方案，通过在偏振分光棱镜和硅基液晶之间使用多层相位延迟片堆叠的方式，可以有效提高图像显示的对比度。

Description

增强现实光学装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及增强现实光学装置。

背景技术

头戴式增强现实显示装置是将微显示器与成像目镜相结合，能够满足特定情况下人眼对光学现实信息的实时获取，并可将虚拟图像与现实场景相结合，为使用者带来诸多便利。现有技术中，可以将硅基液晶显示技术应用于头戴式增强现实显示装置。

现有技术中，硅基液晶与偏振分光棱镜的应由会使图像源的对比度明显下降。

发明内容

本发明实施例提供了一种增强现实光学装置。旨在解决现有技术中图像对比度较低的问题。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

根据本发明实施例，提供了一种光学装置，包括光学介质、光源、硅基液晶、偏振分光棱镜、多层相位延迟片，其中，

光学介质，包括一个入射面、一个出射面和多个外表面；

光源，用于发射光束，光束通过光学介质的入射面传播进入光学介质；

多层相位延迟片，位于光学介质的一个外表面和硅基液晶之间，且与偏振分光棱镜的反射光束的偏振方向呈特定角度；

硅基液晶，用于显示图像；

偏振分光棱镜，与光学介质的入射面和出射面呈特定角度。

可选的，多层相位延迟片，包括两层四分之一波片。

可选的，多层相位延迟片，包括一层四分之一波片和一层二分之一波片。

可选的，多层相位延迟片中的每层相位延迟片具有相同的色散特性。

可选的，装置还包括：

准直装置，位于光学介质的出射面后方，用于将光学介质的出射光束聚焦在无穷远处。

可选的，准直装置包括多片镜片构成的镜片组。

可选的，准直装置包括衍射光学元件。

可选的，装置还包括：

波导，用于传播光束；

位于波导表面的耦入光栅和耦出光栅，其中：

耦入光栅用于将准直系统的出射光束耦入波导；

耦出光栅用于将波导内传播的光束耦出。

可选的，装置还包括：

波导，用于传播光束；

位于波导内的耦入反射器和耦出反射器，其中：

耦入反射器用于将准直系统的出射光束耦入波导；

耦出反射器用于将波导内传播的光束耦出。

可选的，装置还包括：

位于波导内的出瞳扩展器，用于进行出瞳扩展。

本发明实施例公开的技术方案，可以用于增强现实光学装置，通过在偏振分光棱镜和硅基液晶之间使用多层相位延迟片堆叠的方式，具有更平坦测色散曲线，能够获得更好的消色差的作用，可以有效提高图像显示的对比度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明实施例公开的一种光学装置的示意图；

图2是本发明实施例公开的另一种光学装置的示意图；

图3是本发明实施例公开的另一种光学装置的示意图；

图4是本发明实施例公开的另一种光学装置的示意图；

图5是本发明实施例公开的另一种光学装置的示意图；

图6是本发明实施例公开的另一种光学装置的示意图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的结构、产品等而言，由于其与实施例公开的部分相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本发明实施例公开了一种光学装置10，如图1所示，包括光学介质101、光源102、硅基液晶103、偏振分光棱镜104、多层相位延迟片105，其中，

光学介质101，包括一个入射面、一个出射面和多个外表面；

光源102，用于发射光束，光束通过光学介质101的入射面传播进入光学介质；

多层相位延迟片105，位于光学介质101的一个外表面和硅基液晶103之间，且与偏振分光棱镜104的反射光束的偏振方向呈特定角度；

硅基液晶103，用于显示图像；

偏振分光棱镜104，与光学介质101的入射面和出射面呈特定角度。

光学介质101由光学材料制成，以便光束可以在其内部进行传播。光学介质101可以为多面体，典型的，如六面体等，其中包括一个入射面和一个出射面，光源102发出的光束可以从入射面射入，经光学介质101内部传播后，从出射面射出。

光源102发出的光可以为偏振光，示例性的，光源102发出的S偏振光从光学介质101的入射面射入。从入射面射入的S偏振光会被偏振分光棱镜104反射，并反射向多层相位延迟片105。

偏振分光棱镜104可以用于分离光束中的水平偏振光和垂直偏振光。示例性的，在本实施例中，偏振分光棱镜104可以用于反射S偏振光，透射P偏振光。

偏振分光棱镜104可以由偏振反射平板构成，也可以由有线栅偏振反射器构成，还可以有其他多种形式的结构。

偏振分光棱镜104与光学介质101的入射面和出射面呈特定角度，特别的，偏振分光棱镜104与光学介质101的入射面和出射面可以分辨呈不同的角度。具体的，偏振分光棱镜104与光学介质101的入射面所呈角度，应使从光学介质101的入射面射入的光束在偏振分光棱镜104上进行分光，使相应的光束进行反射或透射。应说明的是，偏振分光棱镜104与光学介质101的出射面可以相互平行。

多层相位延迟片105，可以包括两层或更多层的相位延迟片，每层相位延迟片可以具有不同的相位延迟量。可选的，多层相位延迟片105可以包括两层四分之一波片，或也可以包括一层四分之一波片和一层二分之一波片。当多层相位延迟片105包括至少三层相位延迟片时，多层相位延迟片105可以包括三层四分之一波片等。其中，各层相位延迟片，可以具有相同的参数,也可以具有不同的参数，如色散特性等。

多层相位延迟片105与偏振分光棱镜104的反射光束的偏振方向呈特定角度。本领域技术人员在具体实施过程中，可以根据多层相位延迟片105与偏振分光棱镜104的光学特性，以及光源102发出的光束的特性，确定角度的具体值。

一般的，由偏振分光棱镜104反射进入多层相位延迟片105的光为S偏振光。由于偏振分光棱镜104的反射会导致偏振串扰，当使用四分之一波片来消除偏振串扰时，无法满足各色波长下均能完善消除偏振串扰的目的，即单层四分之一波片难以满足消除色差的需求。本实施例公开的技术方案，将多层相位延迟片堆叠，可以有效消除色散。进一步的，各层相位延迟片之间可以存在相应的角度，以实现堆叠滤波器的功能。

硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCOS)，也可以被称为液晶附硅，是一种基于反射模式，尺寸非常小的矩阵液晶显示装置。由偏振分光棱镜105反射并穿过多层相位延迟片的光束照射在LCOS上，经LCOS反射可以形成单色或彩色图像。LCOS反射出的光束在光学介质101中传播，并透射穿过偏振分光棱镜104后，从光学介质101的出射面射出。

可选的，图1所示的光束在光学介质101中的传播过程仅为示例，本领域技术人员在具体实施过程中，可以根据需要确定光学介质101的形状，并设计光路，如在图1所示的技术方案的基础上，改变入射光束和出射光束的方向。示例性的，可以在光学介质101的多个外表面中的部分或全部区域设置反光镜或反光涂层，以改变光束在光学介质101中的传播路径，确定出射光束的方向。

本领域技术人员还可以灵活选择光源102的类型，以及光源102所发出光束的类型，示例性的，光源102可以发射S偏振光或P偏振光，进一步的，可以确定偏振分光棱镜104的位置，使其与光源102和多层相位延迟片105相配合，实现本发明的目的，本发明对具体光路设计并不限定。

在光学装置10的基础上，本发明实施例还公开了一种光学装置20，如图2所示，包括光学介质101、光源102、硅基液晶103、偏振分光棱镜104、多层相位延迟片105、准直装置106，其中，

准直装置201，位于光学介质101的出射面后方，用于将光学介质101的出射光束聚焦在无穷远处。

可选的，准直装置106可以由单片镜片构成，或由多片镜片构成的镜片组构成，或由衍射光学元件构成。从光学介质101的出射面射出的发散光束经过准直装置106后，变为平行光束。

在光学装置10或光学装置20的基础上，本发明实施例还公开了一种光学装置30，如图3所示，包括光学介质101、光源102、硅基液晶103、偏振分光棱镜104、多层相位延迟片105、准直装置106、波导107，其中，波导107用于传播光束。

为了保证光束能够在波导107中传播，在波导107上还可以设置输入耦合器和输出耦合器，输入耦合器用于偏转光束传播方向，使其能够在波导107中进行全反射传播。全反射传播的光束在波导107中传播到达输出耦合器后，由输出耦合器将光束耦出。示例性的，输入耦合器与输出耦合器可以分别设置在波导107的表面，也可以分别设置在波导107内部，或采用其他的组合设置方式。

当输入耦合器包括耦入光栅，输出耦合器包括耦出光栅时，可选的，波导107表面可以设置耦入光栅和耦出光栅，如图4所示，其中，耦入光栅可以用于将准直系统106的出射光束耦入波导107，耦出光栅用于将波导107内传播的光束耦出。

进一步的，耦入光栅和耦出光栅可以为表面浮雕光栅、体全息光栅、液晶光栅等。

耦入光栅可以将准直系统106出射的光束耦入波导107，耦出光栅设置在出瞳位置，可以用于进行出瞳扩展。

当输入耦合器包括耦入反射器，输出耦合器包括耦出反射器时，可选的，波导107内还可以设置耦入反射器和耦出反射器，如图5所示，其中，耦入反射器可以用于将准直系统106的出射光束耦入波导107，耦出反射器可以用于将波导107内传播的光束耦出。可选的，耦入反射器也可以被替换为耦入透射器，如图6所示，耦入反射器与耦入透射器的作用相似，不再赘述。

进一步的，耦出反射器可以包括耦出反射器阵列，全反射传播的光束每次入射到耦出反射器时均会有部分光耦出，剩余的部分光会继续在波导107内传播，再次入射到耦出反射器时又会有部分光耦出。由于耦出反射器每次只会将部分能量耦出波导107，大部分的能量会在波导107中继续传播，从而实现出瞳扩展。通过设计耦出反射器的尺寸和耦出效率，可以保证出瞳直径满足使用者的需求。

可选的，光学装置30还可以包括位于波导107内的出瞳扩展器108，用于进行出瞳扩展。

出瞳扩展器108可以用于一维出瞳扩展，也可以用于二维出瞳扩展。根据实际需求的不同，出瞳扩展器108可以具有不同的结构。

本发明实施例公开的技术方案，可以用于增强现实光学装置，通过在偏振分光棱镜和硅基液晶之间使用多层相位延迟片堆叠的方式，具有更平坦测色散曲线，能够获得更好的消色差的作用，可以有效提高图像显示的对比度。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种光学装置，包括光学介质、光源、硅基液晶、偏振分光棱镜、多层相位延迟片，其中，

所述光学介质，包括一个入射面、一个出射面和多个外表面；

所述光源，用于发射光束，所述光束通过所述光学介质的入射面传播进入所述光学介质；

所述多层相位延迟片，位于所述光学介质的一个外表面和所述硅基液晶之间，且与所述偏振分光棱镜的反射光束的偏振方向呈特定角度；

所述硅基液晶，用于显示图像；

所述偏振分光棱镜，与所述光学介质的入射面和出射面呈特定角度。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述多层相位延迟片，包括两层四分之一波片。

3.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述多层相位延迟片，包括一层四分之一波片和一层二分之一波片。

4.根据权利要去1所述的光学装置，其特征在于，所述多层相位延迟片中的每层相位延迟片具有相同的色散特性。

5.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述装置还包括：

准直装置，位于所述光学介质的出射面后方，用于将所述光学介质的出射光束聚焦在无穷远处。

6.根据权利要求5所述的光学装置，其特征在于，所述准直装置包括多片镜片构成的镜片组。

7.根据权利要求5所述的光学装置，其特征在于，所述准直装置包括衍射光学元件。

8.根据权利要求5所述的光学装置，其特征在于，所述装置还包括：

波导，用于传播光束；

位于所述波导表面的耦入光栅和耦出光栅，其中：

所述耦入光栅用于将所述准直系统的出射光束耦入所述波导；

所述耦出光栅用于将所述波导内传播的光束耦出。

9.根据权利要求5所述的光学装置，其特征在于，所述装置还包括：

波导，用于传播光束；

位于所述波导内的耦入反射器和耦出反射器，其中：

所述耦入反射器用于将所述准直系统的出射光束耦入所述波导；

所述耦出反射器用于将所述波导内传播的光束耦出。

10.根据权利要求8或9所述的光学装置，其特征在于，所述装置还包括：

位于所述波导内的出瞳扩展器，用于进行出瞳扩展。