CN109656020A - 平板波导 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种平板波导，用于传输并消除被传输图像的镜像图像，形成实际图像，包括：平行平板，级联分光膜；平行平板，用于接收并传输入射波导光，入射波导光承载被传输图像；级联分光膜，设置于平行平板内，并与平行平板的上表面、下表面相交，用于将入射波导光反射出平板波导形成实际图像。本发明的平板波导可有效解决级联分光膜近眼显示系统中的镜像问题，提高了透过光束能量阈值，减小在高能激光应用中出现炸裂的可能性。

Description

平板波导

本申请是申请日为2017年10月11日、申请号为201710939814.5、发明名称为“平板波导”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及显示用光学设备领域，尤其涉及一种平板波导。

背景技术

头盔显示(HMD)在现代各个技术领域具有广泛的应用，无论是要求在现实世界的视场上同时看到需要的数据，还是要体验视觉图像变化时全身心投入的临场感，或者是利用红外、显微镜、电子显微镜来扩展人眼的视觉能力，HMD都得到了应用。基于全反射原理，光束需要在波导的上、下表面不断反射传输，最后传入人眼，但是其波导传输图像过程中，会形成左右相反的镜像，影响图像的清晰度。

发明内容

为了解决上述波导传输图像过程中，形成左右相反的镜像，进而影响图像清晰度的问题，本发明提出了一种平面波导，用于消除镜像。

本发明提出了一种平板波导，包括：

平行平板，平行平板具有相互平行的两个表面，用于传输入射波导光，所述入射波导光承载被传输图像；以及

级联分光膜，设置于平行平板内，与平行平板的上下表面不平行，用于将入射波导光反射出平板波导，

平行平板的折射率、图像显示视角满足以下关系：

全反射传输的条件：

90°-b-ω＞arcsin(1/n)；

镜像不重合，无重像的条件：

|arcsin(n×sin(90°-4a+b))-arcsin(n×sin(90°-2a-b))|＞2ω；

其中，a为级联分光膜与平行平板的下表面之间的夹角；

b为入射波导光的中心图像光与平行平板的下表面之间的夹角；

2ω为被传输图像的图像显示视角；

n为平行平板的折射率。

此外，优选平行平板的折射率大于1.5。

此外，优选入射波导光具有预定的偏振态，并且，平板波导还具有1/4波片，分别设置于平行平板的上下表面，用于全反射入射波导光，并转换入射波导光的偏振态。

此外，优选入射波导光的偏振态为S态或P态，级联分光膜具有偏振选择性，透射全部S态光或全部P态光，反射部分的另一种偏振态的光。

此外，优选当入射波导光的偏振态为P态、并且第一次反射发生在平行平板的下表面时，经过平行平板上下表面的奇数次反射，P态光被转换为S态光，经过上下表面的偶数次反射，S态光被转换为P态光，级联分光膜透射全部P态光且反射部分S态光，或者透射全部S态光且反射部分P态光。

此外，优选当入射波导光的偏振态为P态、并且第一次反射发生在平行平板的上表面时，经过平行平板上下表面的奇数次反射，P态光被转换为S态光，经过上下表面的偶数次反射，S态光被转换为P态光，级联分光膜透射全部S态光且反射部分P态光，或者透射全部P态光且反射部分S态光。

此外，优选当入射波导光的偏振态为S态、并且第一次反射发生在平行平板的下表面时，经过平行平板上下表面的奇数次反射，S态光被转换为P态光，经过上下表面的偶数次反射，P态光被转换为S态光，级联分光膜透射全部P态光且反射部分S态光，或者透射全部S态光且反射部分P态光。

此外，优选当入射波导光的偏振态为S态、并且第一次反射发生在平行平板的上表面时，经过平行平板上下表面的奇数次反射，S态光被转换为P态光，经过上下表面的偶数次反射，P态光被转换为S态光，级联分光膜透射全部P态光且反射部分S态光，或者透射全部S态光且反射部分P态光。

本发明的技术效果在于，本发明的平板波导有效解决级联分光膜近眼显示系统中的镜像问题，将镜像亮度降低到实际图像的5％以下，并且不增加系统的体积和重量，胶层均匀性高，提高了透过光束能量阈值，减小在高能激光应用中出现炸裂的可能性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中平板波导的光路示意图。

图2为现有技术中级联分光膜前表面反射产生镜像的光路分析示意图。

图3为现有技术中级联分光膜后表面反射产生镜像的光路分析示意图。

图4为本发明实施例的级联分光膜透射率曲线示意图。

图5为当a<b时平板波导内光路示意图。

图6为当a>b时平板波导内光路示意图。

图7为本发明另一实施例的平板波导的结构示意图。

图8为本发明另一实施例的平板波导内的光路示意图。

附图标号：

平行平板 100

级联分光膜 200

1/4波片 300

准直光学系统 400

图像源 500

入射波导光 10

镜像光 21

镜像图像中心光 22

实际图像光 31

实际图像中心光 32

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，本领域相关技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。

图1为现有技术中平板波导的光路示意图。如图1所示，传统平板波导在传输图像过程中，入射波导光10需要基于全反射原理在平板波导的上表面、下表面不断反射和传输，平板波导的上表面反射的光束、下表面反射的光束，当入射到级联分光膜200时，都会被反射出平板波导，从而形成左右相反的图像，影响实际图像的清晰度。

根据光束在级联分光膜200所反射的位置的不同，镜像的产生分为两种情况：一种为上表面反射的光线入射级联分光膜200前表面反射后出射，另一种为上表面反射的光线入射阵列膜后表面反射后出射，结合图2、图3，对上述两种镜像产生方式分别说明。

图2为现有技术中级联分光膜前表面反射产生镜像的光路分析示意图，如图2所示，并通过三角关系和反射定律可知：

实际图像光31在平板波导内的全反射角度为90°-b；

镜像光21在平板波导内的全反射角度为90°-2a+b；

实际图像中心光32出射角度为arcsin(n×sin(90°-2a-b))；

镜像图像中心光22出射角度为arcsin(n×sin(90°-4a+b))；

其中，平板波导玻璃折射率为n，级联分光膜200与平板波导的下表面之间夹角为a，入射波导光与平板波导的下表面之间夹角为b，且此时b<a。由于镜像图像中心光22与实际图像中心光32的出射角度不同，上表面反射的光线入射级联分光膜200前表面反射后出射，形成了镜像图像，因此该镜像图像会影响实际图像的清晰度。

图3为现有技术中级联分光膜后表面反射产生镜像的光路分析示意图，如图3所示，并通过三角关系和反射定律可知：

实际图像光31在平板波导内的全反射角度为90°-b；

镜像光21在平板波导内的全反射角度为90°-2a+b；

实际图像中心光32出射角度为-arcsin(n×sin(90°-2a-b))；

镜像图像中心光22出射角度为arcsin(n×sin(90°-4a+b))；

其中，平板波导玻璃折射率为n，级联分光膜200与平板波导的下表面之间夹角为a，入射波导光与平板波导的下表面之间夹角为b，且此时b>a。由于镜像图像中心光22与实际图像中心光32的出射角度不同，上表面反射的光线入射级联分光膜200后表面反射后出射，形成了镜像图像，因此该镜像图像会影响实际图像的清晰度。

为了解决上述波导传输图像过程中，形成左右相反的镜像，进而影响图像清晰度的问题，本发明提出了一种平面波导，用于消除镜像。

图4为本发明实施例的级联分光膜透射率曲线示意图，结合图4所示，本发明实施例的平板波导，用于传输并消除被传输图像的镜像图像，形成实际图像，包括：平行平板100，级联分光膜200；平行平板100，用于接收并传输入射波导光10，入射波导光10承载被传输图像；级联分光膜200，设置于平行平板100内，并与平行平板100的上表面、下表面相交，用于将入射波导光10反射出平板波导形成实际图像，并且，级联分光膜200的半高谱角为90°-0.5×(|a+b|+|a-b|)；级联分光膜200在实际角度入射光线范围[0,90°-a-b+ω]的透射率为1-R，0.1≤R＜0.5；级联分光膜200在镜像角度光线范围[90°-|b-a|-ω,90°]的透射率为96％以上；级联分光膜200在半高谱角的透射率为(2-R)/2，0.1≤R＜0.5；其中，a为级联分光膜200与平行平板100的下表面之间的夹角；b为入射波导光10的中心图像光与平行平板100的下表面之间的夹角；ω为被传输图像的图像显示视角；n为平行平板100的折射率；R为反射率。

图像源500所发出的入射波导光10，经准直光学系统400准直为各角度平行光后，进入平行平板100，其满足全反射条件并在平板波导内传输，直至传输到级联分光膜200。然后，根据入射波导光10的中心图像光与平行平板100的下表面之间的夹角b，和级联分光膜200与平行平板100的下表面之间的夹角a，二者相比较的结果，传输到级联分光膜200后的光路分可为两种情况：一种为a<b的情况，另一种为a>b的情况。图5为当a<b时平板波导内光路示意图，图6为当a>b时平板波导内光路示意图，下面结合图5、图6，对上述两种情况下，本发明实施例的平板波导，如何传输并消除被传输图像的镜像图像，形成实际图像的过程，进行说明。

如图5所示，入射波导光10的中心图像光与平行平板100的下表面之间的夹角b大于级联分光膜200与平行平板100的上表面、下表面之间的夹角a，通过三角关系和反射定律可知：

镜像光21线在级联分光膜200面入射角为：90°-b+a；

实际图像光31线在级联分光膜200面入射角为：90°-b-a；

水平方向视场角为2ω；

显然，镜像光21线在级联分光膜200面入射角的入射角大于实际光线在级联分光膜200面入射角；

本发明实施例的平板波导的级联分光膜200，其在不同角度的透射率不同：在角度范围[90°-|b-a|-ω,90°](化简为[90°-b+a-ω,90°])的透射率为96％以上；在角度范围[0,90°-a-b+ω]的透射率为1-R。如此一来，使得大部分的镜像光21透过此级联分光膜200向后传输，实际图像光31被级联分光膜200反射出平板波导，进而形成实际图像。

如图6所示，入射波导光10的中心图像光与平行平板100的下表面之间的夹角b小于级联分光膜200与平行平板100的下表面之间的夹角a，通过三角关系和反射定律可知：

镜像光21线在级联分光膜200面入射角为：90°-a+b；

实际图像光31线在级联分光膜200面入射角为：90°-b-a；

水平方向视场角为2ω；

显然，镜像光21线在级联分光膜200面入射角的入射角大于实际光线在级联分光膜200面入射角；

本发明实施例的平板波导的级联分光膜200，其在不同角度的透射率不同：在角度范围[90°-|b-a|-ω,90°](化简为[90°-a+b-ω,90°])的透射率为96％以上；在角度范围[0,90°-a-b+ω]的透射率为1-R。如此一来，使得大部分的镜像光21透过此级联分光膜200向后传输，实际图像光31被级联分光膜200反射出平板波导，进而形成实际图像。

图7为本发明另一实施的平板波导的结构示意图，图8为本发明另一实施例的平板波导内的光路示意图。结合图7、图8所示。本实施例中，平板波导包括：平行平板100、级联分光膜200以及两层1/4波片300；平行平板100，用于接收并传输入射波导光10，入射波导光10承载被传输图像，并且入射波导光10具有设定的偏振态，偏振态包括S态、P态；两层1/4波片300，分别贴合设置于平行平板100的上表面与下表面，用于全反射入射波导光10，并转换入射波导光10的偏振态；级联分光膜200设置于平行平板100、两层1/4波片300内，并与两层1/4波片300相交成锐角，用于将设定的偏振态的入射波导光10反射出平板波导形成实际图像。

在具体实施过程中，入射波导光10承载了被传输图像，其偏振态为P态，其第一次反射发生在上层的1/4波片300的上表面，由此可知，奇数次反射时，光线被上层的1/4波片300的上表面反射，偶数次反射时，光线被下层的1/4波片300的下表面反射。在入射波导光10的全反射传输过程中，由于上层1/4波片300的作用，其反射后入射波导光10的偏振态(P态)被转换为S态；由于下层1/4波片300的作用，其反射后入射波导光10的偏振态(S态)再被转换为P态。入射波导光10的偏振态在全反射传输过程中被多次转换，直至传输至级联分光膜200。级联分光膜200具有偏振选择性，透射全部P态光，反射部分S态光，因此只有同一出射角度的S态的入射波导光10，被级联分光膜200反射出平板波导，从而消除了被传输图像的镜像图像。

在具体实施过程中，入射波导光10承载了被传输图像，其偏振态为P态，其第一次反射发生在下层的1/4波片300的下表面，由此可知，奇数次反射时，光线被下层的1/4波片300的下表面反射，偶数次反射时，光线被上层的1/4波片300的上表面反射。在入射波导光10的全反射传输过程中，由于下层1/4波片300的作用，其反射后入射波导光10的偏振态(P态)被转换为S态；由于上层1/4波片300的作用，其反射后入射波导光10的偏振态(S态)再被转换为P态。入射波导光10的偏振态在全反射传输过程中被多次转换，直至传输至级联分光膜200。级联分光膜200具有偏振选择性，透射全部P态光，反射部分S态光，因此只有同一出射角度的S态的入射波导光10，被级联分光膜200反射出平板波导，从而消除了被传输图像的镜像图像。

在具体实施过程中，入射波导光10承载了被传输图像，其偏振态为P态，其第一次反射发生在上层的1/4波片300的上表面，由此可知，奇数次反射时，光线被上层的1/4波片300的上表面反射，偶数次反射时，光线被下层的1/4波片300的下表面反射。在入射波导光10的全反射传输过程中，由于上层1/4波片300的作用，其反射后入射波导光10的偏振态(P态)被转换为S态；由于下层1/4波片300的作用，其反射后入射波导光10的偏振态(S态)再被转换为P态。入射波导光10的偏振态在全反射传输过程中被多次转换，直至传输至级联分光膜200。级联分光膜200具有偏振选择性，透射全部S态光，反射部分P态光，因此只有同一出射角度的P态的入射波导光10，被级联分光膜200反射出平板波导，从而消除了被传输图像的镜像图像。

在具体实施过程中，入射波导光10承载了被传输图像，其偏振态为P态，其第一次反射发生在下层的1/4波片300的下表面，由此可知，奇数次反射时，光线被下层的1/4波片300的下表面反射，偶数次反射时，光线被上层的1/4波片300的上表面反射。在入射波导光10的全反射传输过程中，由于下层1/4波片300的作用，其反射后入射波导光10的偏振态(P态)被转换为S态；由于上层1/4波片300的作用，其反射后入射波导光10的偏振态(S态)再被转换为P态。入射波导光10的偏振态在全反射传输过程中被多次转换，直至传输至级联分光膜200。级联分光膜200具有偏振选择性，透射全部S态光，反射部分P态光，因此只有同一出射角度的P态的入射波导光10，被级联分光膜200反射出平板波导，从而消除了被传输图像的镜像图像。

在具体实施过程中，入射波导光10承载了被传输图像，其偏振态为S态，其第一次反射发生在上层的1/4波片300的上表面，由此可知，奇数次反射时，光线被上层的1/4波片300的上表面反射，偶数次反射时，光线被下层的1/4波片300的下表面反射。在入射波导光10的全反射传输过程中，由于上层1/4波片300的作用，其反射后入射波导光10的偏振态(S态)被转换为P态；由于下层1/4波片300的作用，其反射后入射波导光10的偏振态(P态)再被转换为S态。入射波导光10的偏振态在全反射传输过程中被多次转换，直至传输至级联分光膜200。级联分光膜200具有偏振选择性，透射全部P态光，反射部分S态光，因此只有同一出射角度的S态的入射波导光10，被级联分光膜200反射出平板波导，从而消除了被传输图像的镜像图像。

在具体实施过程中，入射波导光10承载了被传输图像，其偏振态为S态，其第一次反射发生在上层的1/4波片300的上表面，由此可知，奇数次反射时，光线被上层的1/4波片300的上表面反射，偶数次反射时，光线被下层的1/4波片300的下表面反射。在入射波导光10的全反射传输过程中，由于上层1/4波片300的作用，其反射后入射波导光10的偏振态(S态)被转换为P态；由于下层1/4波片300的作用，其反射后入射波导光10的偏振态(P态)再被转换为S态。入射波导光10的偏振态在全反射传输过程中被多次转换，直至传输至级联分光膜200。级联分光膜200具有偏振选择性，透射全部S态光，反射部分P态光，因此只有同一出射角度的P态的入射波导光10，被级联分光膜200反射出平板波导，从而消除了被传输图像的镜像图像。

在具体实施过程中，入射波导光10承载了被传输图像，其偏振态为S态，其第一次反射发生在下层的1/4波片300的下表面，由此可知，奇数次反射时，光线被下层的1/4波片300的下表面反射，偶数次反射时，光线被上层的1/4波片300的上表面反射。在入射波导光10的全反射传输过程中，由于下层1/4波片300的作用，其反射后入射波导光10的偏振态(S态)被转换为P态；由于上层1/4波片300的作用，其反射后入射波导光10的偏振态(P态)再被转换为S态。入射波导光10的偏振态在全反射传输过程中被多次转换，直至传输至级联分光膜200。级联分光膜200具有偏振选择性，透射全部P态光，反射部分S态光，因此只有同一出射角度的S态的入射波导光10，被级联分光膜200反射出平板波导，从而消除了被传输图像的镜像图像。

在具体实施过程中，入射波导光10承载了被传输图像，其偏振态为S态，其第一次反射发生在下层的1/4波片300的下表面，由此可知，奇数次反射时，光线被下层的1/4波片300的下表面反射，偶数次反射时，光线被上层的1/4波片300的上表面反射。在入射波导光10的全反射传输过程中，由于下层1/4波片300的作用，其反射后入射波导光10的偏振态(S态)被转换为P态；由于上层1/4波片300的作用，其反射后入射波导光10的偏振态(P态)再被转换为S态。入射波导光10的偏振态在全反射传输过程中被多次转换，直至传输至级联分光膜200。级联分光膜200具有偏振选择性，透射全部S态光，反射部分P态光，因此只有同一出射角度的P态的入射波导光10，被级联分光膜200反射出平板波导，从而消除了被传输图像的镜像图像。

需要说明的是，图7实施例的技术方案可以单独实施，针对偏振图像源500，技术人员直接将偏振图像源500耦接至该平板波导，就可以消除镜像。同时，图7实施例的技术方案也可以在图4实施例方案的基础上实施，入射波导光10的偏振态与级联分光膜200偏振选择性共同作用，可以提高镜像角度光线范围的透过率，以及实际角度入射光线范围的反射率，更加有利于消除镜像。

本发明再一实施例的平板波导，平板波导包括：平行平板100、级联分光膜200；平行平板100，用于接收并传输入射波导光10，入射波导光10承载被传输图像；级联分光膜200设置于平行平板100内，用于将入射波导光10反射出平板波导形成实际图像。

当级联分光膜200与平行平板100的上表面、下表面之间的夹角小于入射波导光10的中心图像光与平行平板100的上表面、下表面之间的夹角时，平行平板100折射率、图像显示视角满足以下关系：

arcsin(n×sin(90°-4a+b))-arcsin(n×sin(90°-2a-b))＞2ω；

90°-b-ω＞arcsin(1/n)；

90°-2a+b-ω＞arcsin(1/n)。

当级联分光膜200与平行平板100的上表面、下表面之间的夹角大于入射波导光10的中心图像光与平行平板100的上表面、下表面之间的夹角时，平行平板100折射率、图像显示视角满足以下关系：

arcsin(n×sin(90°-4a+b))+arcsin(n×sin(90°-2a-b))＞2ω；

90°-b-ω＞arcsin(1/n)；

90°-2a+b-ω＞arcsin(1/n)。

结合图2、图3所示，当平行平板100折射率、图像显示视角满足上述关系时，级联分光膜200所反射出的镜像与实际图像角度不同，二者图像分离，并且仅有实际图像存在于图像显示视角中，由此可以消除镜像。需要说明的是，该实施例的技术方案可以单独实施，无需调整现有技术中平板波导的结构或增加其他硬件，仅需调整平行平板100折射率以及图像显示视角就可以实现消除镜像；该实施例的技术方案也可以在图4实施例的基础上实施，通过调整调整平行平板100折射率以及图像显示视角，可以进一步加强镜像光21在级联分光膜200上透射效率，以及实际图像光31在级联分光膜200上反射效率。

本发明的技术效果在于，有效解决级联分光膜近眼显示系统中的镜像问题，将镜像亮度降低到实际图像的5％以下，并且不增加系统的体积和重量，胶层均匀性高，提高了透过光束能量阈值，减小在高能激光应用中出现炸裂的可能性。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种平板波导，包括：

平行平板，所述平行平板具有相互平行的两个表面，用于传输入射波导光，所述入射波导光承载被传输图像；以及

级联分光膜，设置于所述平行平板内，与所述平行平板的上下表面不平行，用于将入射波导光反射出平板波导，

所述平行平板的折射率、图像显示视角、分光膜角度、入射波导光角度需满足以下关系：

全反射传输的条件：

90°-b-ω＞arcsin(1/n)；

镜像不重合，无重像的条件：

|arcsin(n×sin(90°-4a+b))-arcsin(n×sin(90°-2a-b))|＞2ω；

其中，a为所述级联分光膜与所述平行平板的下表面之间的夹角；

b为所述入射波导光的中心图像光与所述平行平板的下表面之间的夹角；

2ω为所述被传输图像的图像显示视角；

n为所述平行平板的折射率。

2.根据权利要求1所述的平板波导，其中，

所述平行平板的折射率大于1.5。

3.根据权利要求1所述的平板波导，其中：

所述入射波导光具有预定的偏振态，并且，所述平板波导还具有1/4波片，分别设置于所述平行平板的上下表面，用于全反射所述入射波导光，并转换所述入射波导光的偏振态。

4.根据权利要求3所述的平板波导，其中：

所述入射波导光的偏振态为S态或P态，所述级联分光膜具有偏振选择性，透射全部S态光或全部P态光，反射部分的另一种偏振态的光。

5.根据权利要求4所述的平板波导，其中：

当所述入射波导光的偏振态为P态、并且第一次反射发生在所述平行平板的下表面时，经过所述平行平板上下表面的奇数次反射，P态光被转换为S态光，经过所述上下表面的偶数次反射，S态光被转换为P态光，所述级联分光膜透射全部P态光且反射部分S态光，或者透射全部S态光且反射部分P态光。

6.根据权利要求4所述的平板波导，其中，

当所述入射波导光的偏振态为P态、并且第一次反射发生在所述平行平板的上表面时，经过所述平行平板上下表面的奇数次反射，P态光被转换为S态光，经过所述上下表面的偶数次反射，S态光被转换为P态光，所述级联分光膜透射全部S态光且反射部分P态光，或者透射全部P态光且反射部分S态光。

7.根据权利要求4所述的平板波导，其中，

当所述入射波导光的偏振态为S态、并且第一次反射发生在所述平行平板的下表面时，经过所述平行平板上下表面的奇数次反射，S态光被转换为P态光，经过所述上下表面的偶数次反射，P态光被转换为S态光，所述级联分光膜透射全部P态光且反射部分S态光，或者透射全部S态光且反射部分P态光。

8.根据权利要求4所述的平板波导，其中，

当所述入射波导光的偏振态为S态、并且第一次反射发生在所述平行平板的上表面时，经过所述平行平板上下表面的奇数次反射，S态光被转换为P态光，经过所述上下表面的偶数次反射，P态光被转换为S态光，所述级联分光膜透射全部P态光且反射部分S态光，或者透射全部S态光且反射部分P态光。