CN111025661A - 一种光纤耦合波导近眼显示光学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤耦合波导近眼显示光学装置，包括依次连接的第一光传导组件、耦合光纤组件和第二光传导组件，第一光传导组件用于发射出图像光线并将图像光线准直进入耦合光纤组件中转，耦合光纤组件用于中转由第一光传导组件射入的图像光线，由多个圆形光纤阵列构成，阵列的长宽比为1：1‑4：1，经耦合光纤组件中转后的图像光线进入第二光传导组件，第二光传导组件设置有多个薄膜分光斜面，经过第二光传导组件转入人眼眼瞳；有益效果是：本发明通过设置的耦合光纤组件，能够达到缩小光机体积，减少透镜数量，减小成像光路与波导镜片的夹角，使近眼显示光学装置设计自由度更高，产品更加符合人体工程学。
Description
技术领域
本发明涉及显示设备技术领域，具体涉及一种光纤耦合波导近眼显示光学装置。
背景技术
用于增强现实的头戴显示器可以让人们在查看周围环境的同时，将虚拟的图像投射到人眼，在军事，工业，娱乐，医疗，交通运输等领域有着重要的意义。投影的虚拟图像可以叠加在用户感知的真实世界上。用于增强现实的透射型头戴显示器，现有技术通常采用离轴非球面构成折反射系统，实现大视场角观看，这种系统一般会产生很大的垂轴像差、场曲和畸变，使虚拟画面变形，影响用户体验。现有技术的装置一般体积会很大，并且难以从原理上克服，便携性大打折扣，与增强现实的使用环境相悖。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤耦合波导近眼显示光学装置，以解决现有的近眼显示装置易产生垂轴像差、场曲和畸变而影响用户体验、以及体积太大的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种光纤耦合波导近眼显示光学装置，包括依次连接的第一光传导组件、耦合光纤组件和第二光传导组件，所述第一光传导组件用于发射出图像光线并将图像光线准直进入所述耦合光纤组件，第一光传导组件包括微显示屏、照明光源、第一照明透镜、第二照明透镜、PBS棱镜、成像棱镜、反射透镜，所述微显示屏设于PBS棱镜的一端，所述照明光源设于PBS棱镜的一侧方，发射出的光线依次经过所述第一照明透镜与第二照明透镜进入PBS棱镜内，所述PBS棱镜的另一端与成像棱镜的一端连接，所述成像棱镜的另一端连接所述反射透镜；所述耦合光纤组件用于中转由第一光传导组件射入的图像光线，由多个圆形光纤阵列构成，所述阵列的长宽比为1：1-4：1；所述第二光传导组件为波导器件，波导器件内设置有多个薄膜分光斜面。
作为本发明的优选方案，所述微显示屏是有机发光二极管、硅基液晶或具有发光功能的微显示芯片。
作为本发明的优选方案，所述反射透镜由一片或多片透镜组成，所述透镜的材质是型号为K9、BK7或ZF52的光学玻璃，或者是PC、PMMA的光学塑料。
作为本发明的优选方案，所述波导器件由两个以上平行四角棱镜和一个或以上梯形棱镜按顺序依次胶合而成。
作为本发明的优选方案，所述波导器件由五个平行四角棱镜和两个梯形棱镜按顺序依次胶合而成。
作为本发明的优选方案，所述平行四角棱镜的锐角角度范围是10°-80°，所述梯形棱镜的锐角角度范围是10°-80°。
作为本发明的优选方案，所述波导器件的厚度在0.5mm-10mm之间。
作为本发明的优选方案，所述耦合光纤组件由多个圆形光纤构成阵列的长宽比为2：1。
作为本发明的优选方案，所述耦合光纤组件的长度为0.5m-2m。
采用上述技术方案的有益效果是：本发明通过设置的耦合光纤组件，能够达到缩小光机体积，减少透镜数量，减小成像光路与波导镜片的夹角，使近眼显示光学装置设计自由度更高，产品更加符合人体工程学。
附图说明
图1为本发明未加耦合光纤组件的光束传播示意图；
图2为本发明第一实施例的结构示意图；
图3为本发明耦合光纤组件的结构示意图；
图4为本发明第二实施例的结构示意图。
图中，1、微显示屏；2、照明光源；3、第一照明透镜；4、第二照明透镜；5、PBS棱镜；6、成像棱镜；7、反射透镜；8、波导器件；9、人眼眼瞳；10、耦合光纤组件；11、圆形光纤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
根据图1所示，本实施例提出一种光纤耦合波导近眼显示光学装置，包括依次连接的第一光传导组件、耦合光纤组件10和第二光传导组件，第一光传导组件用于发射出图像光线并将图像光线准直进入耦合光纤组件10，第一光传导组件包括微显示屏1、照明光源2、第一照明透镜3、第二照明透镜4、PBS棱镜5、成像棱镜6、反射透镜7，微显示屏1设于PBS棱镜5的一端，照明光源2设于PBS棱镜5的一侧方，发射出的光线依次经过第一照明透镜3与第二照明透镜4进入PBS棱镜5内，PBS棱镜5的另一端与成像棱镜6的一端连接，成像棱镜6的另一端连接反射透镜7；耦合光纤组件10用于中转由第一光传导组件射入的图像光线，由多个圆形光纤11阵列构成，阵列的长宽比为1：1-4：1；第二光传导组件为波导器件8，波导器件8内设置有多个薄膜分光斜面。人眼眼瞳9处于波导器件8的光出口位置，由照明光源2发射的光线经过第一照明透镜3、第二照明透镜4进入PBS棱镜5内，与微显示屏1发出的图像光线共同依次经过PBS棱镜5、成像棱镜6、反射透镜7进入耦合光纤组件10内，经过耦合光纤组件10内设置的多个圆形光纤11的不断折射与反射，从末端射出进入波导器件8内，再经过波导器件8内设置的多个薄膜分光斜面的折射与反射，最终从波导器件8的光出口射出进入人眼眼瞳9，在人眼眼瞳9呈现出微显示屏1的图像。具体的是，微显示屏1作为图像源，即属于成像光学系统里的物面，由物面任意一视场点发出的光线，经过成像光路(PBS棱镜5，成像棱镜6，反射透镜7)后，被准直成平行光出射，此平行光束继续向前传播，耦合进入波导器件8。在波导器件8内，光线遵从折反射定律，在波导器件8基底内部进行传输，光束从波导器件8内的薄膜分光斜面(图1显示有六个薄膜分光面，本发明可采用两个以上薄膜分光面)反射，反射出来的平行光束在水平方向尺寸增大，然后传播进入人眼眼瞳9，最终在视网膜上成微显示屏1的虚拟像，也即完成了增强现实成像显示。
说明书附图的带箭头的线条为传播平行光线，微显示屏1输出的图像光线通过反射透镜7后被准直，准直后的光线为平行光，为方便分析，选择零视场的平行光束的其中1根，命名为平行光线010。平行光线010往前传播进入波导器件8，根据折射定律n1*sinI＝n2*sinθ，n1指入射介质的折射率；n2指出射介质的折射率；I是入射角，即入射光与入射面法线的夹角；θ是出射角，即出射光与入射面法线的夹角。平行光线010在波导器件8的基底内部进行全反射传播。
通过设置的耦合光纤组件10，能够达到缩小光机体积，减少透镜数量，减小成像光路与波导镜片的夹角，使近眼显示光学装置设计自由度更高，产品更加符合人体工程学。
为了显示良好的图像质量，优选微显示屏1为有机发光二极管(OLED)、硅基液晶(LCOS)或具有发光功能的微显示芯片。
反射透镜7由一片或多片透镜组成，透镜的材质是型号为K9、BK7或ZF52的光学玻璃，或者是PC、PMMA的光学塑料。反射透镜7具有像差小，畸变小的优点；全视场范围畸变可小于1％。
波导器件8由两个以上平行四角棱镜和一个或以上梯形棱镜按顺序依次胶合而成。为了提高光线的传播质量和稳定性，优选波导器件8由五个平行四角棱镜和两个梯形棱镜按顺序依次胶合而成。每个平行四角棱镜的锐角角度可相等或不等，每个梯形棱镜的锐角角度可相等可不相等。一般地，平行四角棱镜的锐角角度范围可在10°-80°，梯形棱镜的锐角角度范围可在10°-80°。更一般地，每个平行四角棱镜的其中一个锐角角度确定后，其它平行四角棱镜的锐角角度取值可与它相等，而梯形棱镜的锐角也与平行四角棱镜锐角角度相等。这样由五个平行四角棱镜和两个梯形棱镜按顺序依次胶合而成波导器件8构成一个大的梯形棱镜，即波导器件8具有两个相互平行的大平面。平行光线010传播到这两个大平面上，入射角大于全反射角即满足全反射定律，平行光线010将在波导器件8内部波导进行全反射传播。全反射角θ＝arcsin(1/n2)，假如入射基底材质为LaK3，则n2＝1.75，θ＝34.8°，只要在基底内部两个相互平行的大平面上入射角大于34.8°，则光线满足全反射定律。
波导器件8的厚度在0.5mm-10mm之间。更优选地，可设置为0.5-3mm。
优选耦合光纤组件10由多个圆形光纤11构成阵列的长宽比为2：1。由于耦合光纤组可弯曲转折，我们控制耦合光纤组件10的宽度更小，则可使设计的眼镜镜腿更薄，更美观。耦合光纤组件10有足够的柔韧性，使光纤耦合波导近眼显示光学装置的成像模块分离，通过耦合光纤组件10，第一光传导组件可移动至本发明装置配套眼镜的镜腿末端。甚至，可设计成分体式，即耦合光纤组件10设计得足够长，例如0.5m-2m，将第一光传导组件单独设计成一个分离盒子，使用时装于裤兜或衣服口袋里。这样可使本发明装置眼镜佩戴的重量更轻，体积更小，更符合人体工程学。耦合光纤组件10，可用单模、可见光波长光纤，模芯尺寸2-5μm。
如图4所示，为本发明的另一实施方式，其中器件1、2、3、4、5、6、8、9与图1、图2对应器件一致。不同在于本实施方案耦合入口采用衍射光栅，即耦入光栅，耦合光纤组件10出射光线通过耦入光栅后，光线遵从光栅方程出射，本方案采用1级光传输。1级光线在波导基底进行全反射传输，全反射光线进去到耦出光栅后，1级光根据光栅方程出射，最终进入人眼。波导基底材质可用光学玻璃或光学塑料，光学玻璃有牌号如K9、BK7、ZF52等，光学塑料有PC(Polycarbonate，聚碳酸酯)、PMMA(polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)。光栅方程：d(nsinI+n'sinθ)＝mλ，d为光栅周期常数，n为入射界面折射率，n'为出射界面折射率，I为入射角，θ为衍射角，m为衍射级次，λ为入射光波长。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种光纤耦合波导近眼显示光学装置，其特征在于，包括依次连接的第一光传导组件、耦合光纤组件和第二光传导组件，所述第一光传导组件用于发射出图像光线并将图像光线准直进入所述耦合光纤组件，第一光传导组件包括微显示屏、照明光源、第一照明透镜、第二照明透镜、PBS棱镜、成像棱镜、反射透镜，所述微显示屏设于PBS棱镜的一端，所述照明光源设于PBS棱镜的一侧方，发射出的光线依次经过所述第一照明透镜与第二照明透镜进入PBS棱镜内，所述PBS棱镜的另一端与成像棱镜的一端连接，所述成像棱镜的另一端连接所述反射透镜；所述耦合光纤组件用于中转由第一光传导组件射入的图像光线，由多个圆形光纤阵列构成，所述阵列的长宽比为1：1-4：1；所述第二光传导组件为波导器件，波导器件内设置有多个薄膜分光斜面。
2.根据权利要求1所述的光纤耦合波导近眼显示光学装置，其特征在于，所述微显示屏是有机发光二极管、硅基液晶或具有发光功能的微显示芯片。
3.根据权利要求1所述的光纤耦合波导近眼显示光学装置，其特征在于，所述反射透镜由一片或多片透镜组成，所述透镜的材质是型号为K9、BK7或ZF52的光学玻璃，或者是PC、PMMA的光学塑料。
4.根据权利要求1所述的光纤耦合波导近眼显示光学装置，其特征在于，所述波导器件由两个以上平行四角棱镜和一个或以上梯形棱镜按顺序依次胶合而成。
5.根据权利要求4所述的光纤耦合波导近眼显示光学装置，其特征在于，所述波导器件由五个平行四角棱镜和两个梯形棱镜按顺序依次胶合而成。
6.根据权利要求5所述的光纤耦合波导近眼显示光学装置，其特征在于，所述平行四角棱镜的锐角角度范围是10°-80°，所述梯形棱镜的锐角角度范围是10°-80°。
7.根据权利要求1所述的光纤耦合波导近眼显示光学装置，其特征在于，所述波导器件的厚度在0.5mm-10mm之间。
8.根据权利要求1所述的光纤耦合波导近眼显示光学装置，其特征在于，所述耦合光纤组件由多个圆形光纤构成阵列的长宽比为2：1。
9.根据权利要求1所述的光纤耦合波导近眼显示光学装置，其特征在于，所述耦合光纤组件的长度为0.5m-2m。
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