CN112099239A - 一种紧凑型波导显示光学系统及ar眼镜 - Google Patents

一种紧凑型波导显示光学系统及ar眼镜 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种紧凑型波导显示光学系统及AR眼镜，包括：图像源发出的光线通过入射面进入偏振分光棱镜内，经过偏振分光膜后，S光反射、P光透过；S光反射后，经过四分之一波片一被反射镜一反射，再次通过四分之一波片一，由S光变为P光后透过偏振分光膜，入射到四分之一波片二，经反射镜二反射，再次通过四分之一波片二，由P光变为S光，再次经偏振分光膜反射后通过出射面射出通过转折光学系统，以满足全反射角的入射角度入射到光波导中，经过光波导中的阵列分光膜，部分光线反射后破坏全反射条件，出射光波导。原本在光波导内朝一个方向传播的光线经多次反射，在满足传播光程的基础上，进一步缩短了光学系统的长度并减小了体积。

Description

一种紧凑型波导显示光学系统及AR眼镜
技术领域
本发明涉及光波导显示技术领域，具体涉及一种紧凑型波导显示光学系统及AR眼镜。
背景技术
光波导技术被公认为是AR行业最终极的近眼光学解决方案。同光纤一样，光波导利用的也是全反射原理，使得图像可以在玻璃内无损传输。相较于棱镜、曲面反射等光学方案，它可以在极薄的镜片上投射出大视场角画面，具有轻薄、透光度高、视线阻挡少等优点。这些优点让光波导AR眼镜在形态上最接近传统眼镜，能够做到像普通眼镜一样可移动、长时间佩戴。
目前的光波导显示系统，光线在光波导内朝着一个方向传播，使得为了满足传播光程，光机结构尺寸偏大，镜片前侧有妥余结构，导致光波导的投影光机在一定程度上会遮挡用户视线和增大偏重感，并且导致眼镜体积庞大。
发明内容
由于现有方法存在上述问题，本发明实施例提供一种紧凑型波导显示光学系统及AR眼镜。
本发明实施例提供一种紧凑型波导显示光学系统，包括：含有偏振分光膜的偏振分光棱镜、四分之一波片一、四分之一波片二、反射镜一、反射镜二、转折光学系统和光波导；其中，所述光波导中设置有阵列分光膜；所述转折光学系统位于所述偏振分光棱镜与所述光波导之间；
其中，所述偏振分光棱镜包括入射面、出射面、第一反射面和第二反射面；其中，所述入射面与所述出射面相对设置，所述第一反射面与所述第二反射面相对设置；
其中，所述四分之一波片一和所述反射镜一按照依次远离所述第一反射面的方向设置在所述第一反射面侧；所述四分之一波片二和所述反射镜二按照依次远离所述第二反射面的方向设置在所述第二反射面侧；
其中，所述入射面用于接收图像源发出光线，所述图像源发出的光线通过所述入射面进入所述偏振分光棱镜内，经过所述偏振分光膜后，S偏振光反射、P偏振光透过；S偏振光反射后，经过所述四分之一波片一被所述反射镜一反射，再次通过所述四分之一波片一，由S偏振光变为P偏振光后透过所述偏振分光膜，入射到所述四分之一波片二，经所述反射镜二反射，再次通过所述四分之一波片二，由P偏振光变为S偏振光，再次经所述偏振分光膜反射后通过所述出射面射出，并通过所述转折光学系统，以满足全反射角的入射角度入射到所述光波导中，经过所述光波导中的阵列分光膜，部分光线反射后破坏全反射条件，出射所述光波导。
进一步地，所述光波导与所述出射面的夹角大于90°-arcsin(1/n)，其中，n表示光波导材料的折射率。
进一步地，所述入射面靠近所述图像源的一侧设置有偏振选择光学元件。
进一步地，所述光波导中的阵列分光膜的设置间隔为3~5mm。
进一步地，所述反射镜一和/或所述反射镜二的反射面为曲面。
进一步地，所述反射镜一和所述反射镜二的尺寸为0.5~2mm。
进一步地，所述光波导为采用高透过率的光学玻璃制成，包括多层玻璃基底以及夹在相邻两个基底中间的阵列分光膜；每片阵列分光膜结构均分别各自独立为：α1Hβ1L/α2Hβ2L/…αn-1Hβn-1L/αnHβnL，其中H为高折射率材料膜层，L为低折射率材料膜层厚度，αn、βn为各高折射率材料膜层和低折射率材料膜层的膜层厚度。
另一方面，本发明实施例还提供了一种AR眼镜，包括：如第一方面所述的紧凑型波导显示光学系统。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的紧凑型波导显示光学系统及AR眼镜，由图像源发出的光线在偏振分光棱镜中经偏振分光膜、反光镜一和反光镜二共四次反射后再通过转折光学系统，以满足全反射角的入射角度最终入射到光波导中，从而实现将原本在光波导内朝着一个方向传播的光线折叠成四段，从而可以有效缩小波导显示光学系统的体积。由此可见，本发明实施例通过特殊的光学系统结构，使得光路在光学系统内进行折叠往返，从而可以在一定程度上缩短光学系统长度，减小体积，避免镜片前侧产生的妥余结构给用户造成视线的遮挡。
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的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种紧凑型波导显示光学系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种紧凑型波导显示光学系统的偏振分光棱镜与光波导的夹角示意图；
图3是本发明一实施例提供的另一种紧凑型波导显示光学系统的结构示意图；
图4是现有的光波导显示系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
图1示出了本发明一实施例提供的一种紧凑型波导显示光学系统的结构示意图，图2是本发明一实施例提供的一种紧凑型波导显示光学系统的偏振分光棱镜与光波导的夹角示意图，图3是本发明一实施例提供的另一种紧凑型波导显示光学系统的结构示意图。下面结合图1、图2和图3对本发明实施例提供的紧凑型波导显示系统进行详细解释和说明。
如图1所示，本发明实施例提供的一种紧凑型波导显示光学系统，包括：含有偏振分光膜7的偏振分光棱镜2、四分之一波片一4、四分之一波片二3、反射镜一5、反射镜二6、转折光学系统8和光波导9；其中，所述光波导中9设置有阵列分光膜10；所述转折光学系统8位于所述偏振分光棱镜2与所述光波导9之间；
其中，所述偏振分光棱镜2包括入射面、出射面、第一反射面和第二反射面；其中，所述入射面与所述出射面相对设置，所述第一反射面与所述第二反射面相对设置；
其中，所述四分之一波片一4和所述反射镜一5按照依次远离所述第一反射面的方向设置在所述第一反射面侧；所述四分之一波片二3和所述反射镜二6按照依次远离所述第二反射面的方向设置在所述第二反射面侧；
其中，所述入射面用于接收图像源1发出光线，所述图像源1发出的光线通过所述入射面进入所述偏振分光棱镜2内，经过所述偏振分光膜7后，S偏振光反射、P偏振光透过；S偏振光反射后，经过所述四分之一波片一4被所述反射镜一5反射，再次通过所述四分之一波片一4，由S偏振光变为P偏振光后透过所述偏振分光膜7，入射到所述四分之一波片二3，经所述反射镜二6反射，再次通过所述四分之一波片二3，由P偏振光变为S偏振光，再次经所述偏振分光膜7反射后通过所述出射面射出，并通过所述转折光学系统8，以满足全反射角的入射角度入射到所述光波导9中，经过所述光波导中的阵列分光膜10，部分光线反射后破坏全反射条件，出射所述光波导。
在本实施例中，偏振分光棱镜2与光波导9相连，在偏振分光棱镜2内含有一偏振分光膜7，所述偏振分光膜7可以使图像源发出的S偏振光反射，P偏振光透过，从而可以避免图像源发出的光未经过透镜直接进入波导入射人眼。在光波导9内设置阵列分光膜10，用于光线在光波导内经过阵列分光膜10，部分反射后破坏全反射条件，出射光波导9，进入人眼。在光波导9与偏振分光棱镜2中间还包括一转折光学系统8，光线在偏振分光棱镜2中经过四次反射后入射到转折光学系统8，以满足全反射角的入射角度入射到光波导9中。
在本实施例中，需要说明的是，偏振分光棱镜2包括入射面、出射面、第一反射面和第二反射面。其中，入射面与所述出射面相对设置，第一反射面与所述第二反射面相对设置。其中，四分之一波片一4和反射镜一5按照依次远离第一反射面的方向设置在第一反射面侧，四分之一波片二3和反射镜二6按照依次远离第二反射面的方向设置在第二反射面侧。当图像源1发出光线通过入射面进入偏振分光棱镜2内，经过偏振分光膜7后，S偏振光反射、P偏振光透过。S偏振光反射后，首先经过四分之一波片一4被后面的反射镜一5反射，再次通过四分之一波片一4，由S偏振光变为P偏振光后透过偏振分光膜7，入射到四分之一波片二3，经后面的反射镜二6反射，再次通过四分之一波片二3，由P偏振光变为S偏振光，再次经偏振分光膜7反射后通过所述出射面射出，并通过转折光学系统8，以满足全反射角的入射角度入射到光波导9中，经过光波导9中的阵列分光膜10，部分光线反射后破坏全反射条件，出射光波导9。本发明实施例基于晶体材料的各向异性特性实现光学器件的复用，将原本在光波导内朝一个方向传播的光线折叠成4段，使得投影光机单元体积可以缩小75%，水平开放视角达到120°，而现有的光波导显示系统，如图4现有的光波导显示系统的结构示意图所示，光线在光波导内朝着一个方向传播，使得为了满足传播光程，光机结构尺寸偏大，镜片前侧有妥余结构，导致光波导的投影光机在一定程度上会遮挡用户视线和增大偏重感，并且导致眼镜体积庞大。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的紧凑型波导显示光学系统，由图像源发出的光线在偏振分光棱镜中经偏振分光膜、反光镜一和反光镜二共四次反射后再通过转折光学系统，以满足全反射角的入射角度最终入射到光波导中，从而实现将原本在光波导内朝着一个方向传播的光线折叠成四段，本发明实施例通过折叠光学系统内光路的方式，可以在一定程度上缩短光学系统长度，减小体积，避免镜片前侧产生的妥余结构给用户造成视线的遮挡。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光波导与所述出射面的夹角大于90°-arcsin(1/n)，其中，n表示光波导材料的折射率。
在本实施例中，如图2所示，本发明一实施例提供的一种紧凑型波导显示光学系统的偏振分光棱镜与光波导的夹角示意图，光波导与出射面的夹角大于90°-arcsin(1/n)，其中n表示光波导材料的折射率，可以使光线满足全反射条件在光波导内进行传输。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述入射面靠近所述图像源的一侧设置有偏振选择光学元件。
在本实施例中，如图3所示，在偏振分光棱镜的入射面靠近图像源的一侧设置偏振选择光学元件。所述偏振选择光学元件可以为线性偏振片，其透光轴反向与偏振分光棱镜S光方向重合，避免图像源发出的P偏振光直接进入光波导，形成杂散光。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光波导中的阵列分光膜的设置间隔为3~5mm。
在本实施例中，光波导中的阵列分光膜的设置间隔为3~5mm。需要说明的是，光波导中的阵列分光膜的设置间隔的取值范围为[3，5]，也即：既包括3和5两个端点的值，也包括两个端点之间的值。例如，光波导中的阵列分光膜的设置间隔为4mm。
需要说明的是，本实施例提供的紧凑型波导显示光学系统中的阵列分光膜间隔预定设置距离，将光波导中的多个阵列分光膜按照一定的规律以及按照预设的预定距离间隔排布设置，使得入射进光波导的S光依次经过阵列分光膜，部分反射后破坏全反射条件，出射光波导进入人眼。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述反射镜一和/或所述反射镜二的反射面为曲面。
在本实施例中，反射镜一和反射镜二的反射面可以都设置为曲面，也可以选择两者其一设置为曲面，此处不作具体限制。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述反射镜一和反射镜二的尺寸为0.5~2mm。
在本实施例中，反射镜一和反射镜二的尺寸为0.5~2mm。需要说明的是，反射镜一和反射镜二的尺寸取值范围为[0.5，2]，也即：既包括0.5和2两个端点的值，也包括两个端点之间的值。例如，反射镜一和反射镜二的尺寸为1mm。采用尺寸在0.5~2mm范围内的反射镜能够更好地将光线进行反射至偏振分光膜。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光波导为采用高透过率的光学玻璃制成，包括多层玻璃基底以及夹在相邻两个基底中间的阵列分光膜；每片阵列分光膜结构均分别各自独立为：α1Hβ1L/α2Hβ2L/…αn-1Hβn-1L/αnHβnL，其中H为高折射率材料膜层，L为低折射率材料膜层厚度，αn、βn为各高折射率材料膜层和低折射率材料膜层的膜层厚度。
在本实施例中，光波导可以采用高透过率光学玻璃制成，包括多层玻璃基底以及夹在相邻两个基底中间的分光膜系阵列。每片分光膜系阵列结构均分别各自独立为：α1Hβ1L/α2Hβ2L/…αn-1Hβn-1L/αnHβnL，其中H为高折射率材料膜层，L为低折射率材料膜层厚度，αn、βn为各高折射率材料膜层和低折射率材料膜层的膜层厚度。
基于相同的发明构思，本发明另一实施例还提供了一种AR眼镜，包括上述任一实施例所述的紧凑型波导显示光学系统。由于本实施例的AR眼镜包含上述实施例所述的紧凑型波导显示光学系统，因此，本实施例具备和上述实施例类似的技术效果，此处不再赘述，此外，具体原理描述也可参见上述实施例的介绍，此处不再赘述。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的AR眼镜，由图像源发出的光线在偏振分光棱镜中经偏振分光膜、反光镜一和反光镜二共四次反射后再通过转折光学系统，以满足全反射角的入射角度最终入射到光波导中，从而实现将原本在光波导内朝着一个方向传播的光线折叠成四段，本发明实施例通过折叠光学系统内光路的方式，可以在一定程度上缩短光学系统长度，减小体积，避免镜片前侧产生的妥余结构给用户造成视线的遮挡。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种紧凑型波导显示光学系统，其特征在于，包括：含有偏振分光膜的偏振分光棱镜、四分之一波片一、四分之一波片二、反射镜一、反射镜二、转折光学系统和光波导；其中，所述光波导中设置有阵列分光膜；所述转折光学系统位于所述偏振分光棱镜与所述光波导之间；
其中，所述偏振分光棱镜至少包括入射面、出射面、第一反射面和第二反射面；其中，所述入射面与所述出射面相对设置，所述第一反射面与所述第二反射面相对设置；
其中，所述四分之一波片一和所述反射镜一按照依次远离所述第一反射面的方向设置在所述第一反射面侧；所述四分之一波片二和所述反射镜二按照依次远离所述第二反射面的方向设置在所述第二反射面侧；
其中，所述入射面用于接收图像源发出光线，所述图像源发出的光线通过所述入射面进入所述偏振分光棱镜内，经过所述偏振分光膜后，S偏振光反射、P偏振光透过；S偏振光反射后，经过所述四分之一波片一被所述反射镜一反射，再次通过所述四分之一波片一，由S偏振光变为P偏振光后透过所述偏振分光膜，入射到所述四分之一波片二，经所述反射镜二反射，再次通过所述四分之一波片二，由P偏振光变为S偏振光，再次经所述偏振分光膜反射后通过所述出射面射出，并通过所述转折光学系统，以满足全反射角的入射角度入射到所述光波导中，经过所述光波导中的阵列分光膜，部分光线反射后破坏全反射条件，出射所述光波导。
2.根据权利要求1所述的紧凑型波导显示光学系统，其特征在于，所述光波导与所述出射面的夹角大于90°-arcsin(1/n)，其中，n表示光波导材料的折射率。
3.根据权利要求1所述的紧凑型波导显示光学系统，其特征在于，所述入射面靠近所述图像源的一侧设置有偏振选择光学元件。
4.根据权利要求1所述的紧凑型波导显示光学系统，其特征在于，所述光波导中的阵列分光膜的设置间隔为3~5mm。
5.根据权利要求1所述的紧凑型波导显示光学系统，其特征在于，所述反射镜一和/或所述反射镜二的反射面为曲面。
6.根据权利要求1所述的紧凑型波导显示光学系统，其特征在于，所述反射镜一和所述反射镜二的尺寸为0.5~2mm。
7.根据权利要求1所述的紧凑型波导显示光学系统，其特征在于，所述光波导为采用高透过率的光学玻璃制成，包括多层玻璃基底以及夹在相邻两个基底中间的阵列分光膜；每片阵列分光膜结构均分别各自独立为：α1Hβ1L/α2Hβ2L/…αn-1Hβn-1L/αnHβnL，其中H为高折射率材料膜层，L为低折射率材料膜层厚度，αn、βn为各高折射率材料膜层和低折射率材料膜层的膜层厚度。
8.一种AR眼镜，其特征在于，包括：如权利要求1-7任一项所述的紧凑型波导显示光学系统。
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