CN205643869U - 一种用于增强现实的平面波导光学装置及增强现实设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于增强现实的平面波导光学装置及增强现实设备，所述平面波导光学装置包括图像光源、准直透镜组、偏振分光棱镜、偏振转换波片、第一偏振反射棱镜、第二偏振反射棱镜、平面导光衬底、偏振转换导光衬底和耦合输出面。由于采用了通过平面导光衬底和偏振转换导光衬底来引导图像光线的技术方案，只需要增加偏振转换导光衬底中的耦合输出面的面积就能够增大视场，而无需增加光学装置的厚度，所以解决了现有技术中的增强现实设备存在因采用基于45°反射式结构或者离轴光学结构，而无法调节视场和重量之间的矛盾的技术问题。

Description

一种用于增强现实的平面波导光学装置及增强现实设备

技术领域

本实用新型涉及光学现实领域，尤其涉及一种用于增强现实的平面波导光学装置及增强现实设备。

背景技术

增强现实(英文：Augmented Reality；简称：AR)，是利用虚拟物体或信息对真实场景进行现实增强的技术。增强现实技术通常基于摄像头等图像采集设备获得的真实物理环境影像，通过计算机系统识别分析及查询检索，将与之存在关联的文本内容、图像内容或图像模型等虚拟生成的扩展信息或虚拟场景显示在真实物理环境影像中，从而使用户能够获得身处的现实物理环境中的真实物体的标注、说明等相关扩展信息，或者体验到现实物理环境中真实物体的立体的、突出强调的增强视觉效果。

目前，增强现实设备一般通过基于45°反射式结构或者离轴光学结构来实现，但这些结构在视场增大和整体重量这两方面存在矛盾，例如，采用基于45°反射式结构的增强现实设备，为了增大视场，只有通过增加45°反射面的面积来实现，即增加反射式结构的厚度，否则就会由于鬼影的出现而导致原始图像的对比度降低，而增加了反射式结构的厚度就意味着整体显示系统重量的增加，给佩戴者带来了很大的不舒适感。

因此，现有技术中的增强现实设备存在因采用基于45°反射式结构或者离轴光学结构，而无法调节视场和重量之间的矛盾的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于增强现实的平面波导光学装置及增强现实设备，以解决增强现实设备的视场和重量之间的矛盾。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了一种用于增强现实的平面波导光学装置，包括图像光源、准直透镜组、偏振分光棱镜、偏振转换波片、第一偏振反射棱镜、第二偏振反射棱镜、平面导光衬底、偏振转换导光衬底和耦合输出面；

其中，所述图像光源用于发出图像光线；所述准直透镜组设置于所述图像光源的出射光路上，用于对所述图像光线进行准直处理，获得准直光线；所述偏振分光棱镜设置于所述准直透镜组的出射光路上，用于对所述准直光线进行分光处理，将所述准直光线中的S光反射，且将所述准直光线中的P光透射；所述偏振转换波片设置于所述偏振分光棱镜的出射光路上，用于将所述准直光线中的P光转换为S光并透射；所述第一偏振反射棱镜设置于所述偏振转换波片的出射光路上，用于反射所述偏振转换波片透射的S光；所述第二偏振反射棱镜设置于所述偏振分光棱镜和所述第一偏振反射棱镜的反射光路上，用于反射所述偏振分光棱镜和所述第一偏振反射棱镜反射的S光；所述平面导光衬底设置于所述第二偏振反射棱镜的反射光路上，用于将所述第二偏振反射棱镜反射的S光进行全反射传播；所述偏振转换导光衬底与所述平面导光衬底相邻，用于对所述平面导光衬底传播的S光进行偏振态的转换；所述耦合输出面设置于所述偏振转换导光衬底中，用于将经过所述偏振转换导光衬底转换后的光线输出至人眼；环境光线依次通过所述偏振转换导光衬底和所述耦合输出面进入人眼。

可选地，所述耦合输出面包括多个子输出面，所述多个子输出面按所述图像光线在所述偏振转换导光衬底中的传播方向，依次平行设置。

可选地，每个子输出面涂覆有透射膜。

可选地，主轴光线与所述偏振转换导光衬底上下表面法线的夹角β-surf与主轴光线与所述耦合输出面法线的夹角β-ref之间满足下述关系：β-ref＝0.5*β-surf。

可选地，所述偏振转换导光衬底的厚度，所述平面导光衬底的厚度H-small，所述平面导光衬底的长度C-Length，以及主轴光线与所述平面导光衬底的上下表面法线的夹角β-surf满足下述关系：

C-Length＞6*(H-small*tan(β-surf))。

可选地，所述偏振转换波片具体为1/4波片。

可选地，所述偏振分光棱镜具体为一对直角棱镜胶合而成，其中一个直角棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜。

本实用新型实施例第二方面还提供一种增强现实设备，包括如第一方面任一所述的平面波导光学装置。

本实用新型实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

1、由于采用了通过平面导光衬底和偏振转换导光衬底来引导图像光线的技术方案，只需要增加偏振转换导光衬底中的耦合输出面的面积就能够增大视场，而无需增加光学装置的厚度，所以解决了现有技术中的增强现实设备存在因采用基于45°反射式结构或者离轴光学结构，而无法调节视场和重量之间的矛盾的技术问题。

2、由于采用了通过偏振转换波片将图像光线中的P光转换为S光，并传输至平面导光衬底和偏振转换导光衬底的技术方案，所以图像光线中的能量能够几乎全部进入平面导光衬底和偏振转换导光衬底中，从而提高了能量的利用率，与现有技术中通过基于45°反射式结构或者离轴光学结构的增强现实设备相比，在向用户提供同样亮度的虚拟图像的情况下，本实用新型实施例提供的平面波导光学装置的能耗明显降低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例提供的用于增强现实的平面波导光学装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的耦合输出面109中一个子输出面的光路示意图；

图3为本实用新型实施例提供的子输出面1091上透射膜的反射率随角度变化示意图；

图4为本实用新型实施例提供的光线在偏振转化导光衬底108中的转化示意图；

图5为本实用新型实施例提供的平面波导光学显示器件的结构参数示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例第一方面提供一种用于增强现实的平面波导光学装置，请参考图1，图1为本实用新型实施例提供的用于增强现实的平面波导光学装置的结构示意图，如图1所示，该平面波导光学装置包括图像光源101、准直透镜组102、偏振分光棱镜组103、偏振转换波片104、第一偏振反射棱镜105、第二偏振反射棱镜106、平面导光衬底107、偏振转换导光衬底108和耦合输出面109；

请参考图1，如图1所示，图像光源101用于发出图像光线；准直透镜组102设置于图像光源101的出射光路上，用于对图像光线进行准直处理，获得准直光线；偏振分光棱镜组103设置于准直透镜组102的出射光路上，用于对准直光线进行分光处理，将准直光线中的S光反射，且将准直光线中的P光透射；偏振转换波片104设置于偏振分光棱镜组103的出射光路上，用于将准直光线中的P光转换为S光并透射；第一偏振反射棱镜105设置于偏振转换波片104的出射光路上，用于反射偏振转换波片104透射的S光；第二偏振反射棱镜106设置于偏振分光棱镜组103和第一偏振反射棱镜105的反射光路上，用于反射偏振分光棱镜组103和第一偏振反射棱镜105反射的S光；平面导光衬底107设置于第二偏振反射棱镜106的反射光路上，用于将第二偏振反射棱镜106反射的S光进行全反射传播；偏振转换导光衬底108与平面导光衬底107相邻，用于对平面导光衬底107传播的S光进行偏振态的转换；耦合输出面109设置于偏振转换导光衬底108中，用于将经过偏振转换导光衬底108转换后的光线输出至人眼；环境光线通过偏振转换导光衬底108和耦合输出面109进入人眼。

可以看出，由于采用了通过平面导光衬底和偏振转换导光衬底来引导图像光线的技术方案，只需要增加偏振转换导光衬底中的耦合输出面的面积就能够增大视场，而无需增加光学装置的厚度，所以解决了现有技术中的增强现实设备存在因采用基于45°反射式结构或者离轴光学结构，而无法调节视场和重量之间的矛盾的技术问题。

同时，由于采用了通过偏振转换波片将图像光线中的P光转换为S光，并传输至平面导光衬底和偏振转换导光衬底的技术方案，所以图像光线中的能量能够几乎全部进入平面导光衬底和偏振转换导光衬底中，从而提高了能量的利用率，与现有技术中通过基于45°反射式结构或者离轴光学结构的增强现实设备相比，在向用户提供同样亮度的虚拟图像的情况下，本实用新型实施例提供的平面波导光学装置的能耗明显降低。

在接下来的部分中，将结合附图，详细介绍上述技术方案。

图像光源101在增强现实设备上主要提供用于观察的虚拟图像。为了能够提供丰富的图像信息，通常利用微型化的显示芯片来提供相应的图像信息，否则将不利于增强现实设备的重量降低，目前，微型化的图像光源101可以采用LCD、OLED、Lcos等，不同的显示技术对应于不同的显示要求。

在实际应用中，为了能够使显示系统的整体结构在体积上趋于微型化，且考虑光源各点亮度的均匀性、输出光效、亮度要求、分辨率与尺寸的限制等因素，通常选择体积合适、亮度均匀、分辨率高的光源作为微显示系统的显示光源，如Lcos(英文：Liquid Crystal on Silicon；中文：液晶附硅)。对于Lcos，不同显示类型的芯片，其分辨率上存在着显著差别例如同尺寸的CS(英文：Color Sequential；中文：彩色时序)-Lcos分辨率通常高于CF英文：Color Filter；中文：彩色滤光膜)-Lcos的，但是CS-Lcos光学引擎设计技术相比CF-Lcos要复杂的多，因此必须根据具体的技术需要来选择，在此就不再赘述了。

请参考图1，准直透镜组102设置于图像光线的光路上，主要是对图像光源发出的光线进行准直处理。

在增强现实设备中，人眼作为最终的图像接收器，需要对来自图像的光线进行准直以达到人眼自由放松观看的实际要求，否则将会对人眼造成伤害，影响正常的视力。为了实现这一效果，一般采用光学透镜对显示光源发出的光线进行准直，但是由于光学系统像差的存在，图像经过单个透镜后存在着象散、畸变、场曲、彗差等像差，导致图像的对比度严重降低，为此对于准直透镜组102需要按照应用要求进行严格的像差矫正，以期达到理想的成像效果，否则就会影响光学系统的最终分辨率，使得人眼直接观察时的图像质量发生变化，无法观看到清晰的虚拟图像。

由于普通球面镜在矫正像差时，需要采用几块折射率不同和曲率半径不同的透镜组合而成，这会使整个系统的重量和体积增大，因此通常采用非球面镜和球面镜组合来完成像差的矫正，再者鉴于现代光学加工技术的发展，自由曲面技术也被应用于像差矫正中，因此还可结合自由曲面技术来实现光学系统微型化的要求，在此就不再赘述了。

请参考图1，偏振分光棱镜(英文：polarizing beam splitter；简称：PBS)组103设置于准直透镜组102的出射光路上，用于对进行准直处理后的图像光线进行分光处理。

来自图像光源的光线由P光和S光组成，也即包括P偏振光和S偏振光，为了使本实用新型器件能够按照光学设计的要求进行工作，需要对来自图像光源的光线进行相应的处理。偏振分光棱镜组可以使P光线无损失的完全透射，而对S光线进行相应的反射，使其可以折射进入到器件中，因此可以保证进入器件的光线的偏振性，使光线按照器件的光学设计要求进行传播，从而保证了图像的对比度，否则由于P光的存在将会加大光学设计的难度，降低了设计实现的可能性。

在本实施例中，如图1所示，偏振分光棱镜组103设置在准直透镜组102的具体为一对直角棱镜胶合而成，其中一个直角棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜，这样，即能够将经过准直透镜组102进行准直后的图像光线中的S光反射，且将准直光线中的P光透射。

请参考图1，偏振转换波片104设置于偏振分光棱镜组103的出射光路上，用于将准直光线中的P光转换为S光并透射。

波片(英文：waveplate)是指能够使互相垂直的两光振动间产生附加光程差(或相位差)的光学器件，通常由具有精确厚度的石英、方解石或云母等双折射晶片做成，其光轴与晶片表面平行。在本实施例中，偏振转换波片104具体可以由一个二分之一波片组成，或者由两个四分之一波片组成，从而将准直光线中的P光转换为S光并向后透射，在此就不再赘述了。

请参考图1，第一偏振反射棱镜105设置于偏振转换波片104的出射光路上，用于反射偏振转换波片104透射的S光。

在本实施例中，如图1所示，第一偏振反射棱镜105具体为一个直角棱镜，该直角棱镜的一条直角边与偏振转换波片104相邻，且该直角边的长度大于或者等于偏振转换波片104的长度，从而能够将从偏振转换波片104透射出的S光，当然，为了加强第一偏振反射棱镜105的反射作用，可以在第一偏振反射棱镜105的斜边上镀上全反射膜，在此就不再赘述了。

请参考图1，第二偏振反射棱镜106设置于偏振分光棱镜组103和第一偏振反射棱镜105的反射光路上，用于反射偏振分光棱镜组103和第一偏振反射棱镜105反射的S光。

在本实施例中，如图1所示，第二偏振反射棱镜106的一条直角边与第一偏振反射棱镜105、偏振转换波片104和偏振分光棱镜组103均相邻，且该直角边的长度大于或者等于第一偏振反射棱镜105、偏振转换波片104和偏振分光棱镜组103这3者组合的长度，当然了，与第一偏振反射棱镜105类似的，为了加强第二偏振反射棱镜106的反射作用，可以在第二偏振反射棱镜106的斜边上镀上全反射膜，在此就不再赘述了。

请参考图1，如图1所示，平面导光衬底107设置于第二偏振反射棱镜106的反射光路上，用于将第二偏振反射棱镜106反射的S光进行全反射传播。在本实施例中，平面导光衬底107具有一导光面1071，第二偏振反射棱镜106反射的S光从导光面1071进入平面导光衬底107中。

平面导光衬底107的材料有很多种，如玻璃材料JGSI、JGSZ、K9、BK7等，塑料材料有PET、PMMA等，但由于每种材料的折射率、色散系数等参数的不同，导致了其全反射角零界角、材料的透过率、吸收系数、以及重量的不同，考虑到实际应用条件以及加工工艺的限制，需要根据具体要求进行选择。光线在衬底传播过程中，必须在保证光线没有折射出衬底的同时，尽可能减少材料本身对光波能量的吸收，否则将导致大量的光波能量在传输过程中损失掉，影响图像最终的可见度以及对比度，再者导光衬底材料本身的特性限制了可在衬底中传输的图像的范围以及图像的亮度，为了进一步扩大传输图像的范围，通常需要在衬底表面按照需求蒸镀一定反射率的膜层或者选用高折射率的材料，从而对材料的全反射角给予一定的扩展，使图像的传输范围得到扩大。

为此，平面波导衬底的材料通常选择具备合适折射率、透过率以及机械性能的光学材料，如塑料亚克力PMMA，且塑料亚克力PMMA(Nd＝l.49)的全反射临界角为42.20，高于一般的K9玻璃(Nd＝1.52)的全反射临界角41.80，另外PMMA的重量较轻，对于同等体积的K9玻璃和PMMA塑料，PMMA的重量是K9玻璃的一半，属于较为优质的材料。

请参考图1，偏振转换导光衬底108与平面导光衬底107相邻，用于对平面导光衬底107传播的S光进行偏振态的转换。在本实施例中，偏振转换导光衬底108的材料可以和平面导光衬底107相同，在此就不再赘述了。偏振转换导光衬底108与平面导光衬底107可以通过光透过率较高的、光吸收率较低的黏合剂或粘着剂固定在一起，也可以两者一体制成，然后在偏振转换导光衬底108对应的位置制作相应的结构即可，在此就不再赘述了。

请继续参考图1，光线在平面导光衬底107中传输一定的距离后，进入偏振转化导光衬底108中，偏振转化导光衬底108可以使P光经过偏振转化导光衬底108的下表面变为S光，S光经过偏振转化导光衬底108的上表面转化为P光，偏振转化导光衬底108的上下表面的具体结构可以由根据需要进行设置，以满足实际情况的需要，在此就不再赘述了。

当然，本领域所属的技术人员能够根据实际情况，分别为偏振转换导光衬底108与平面导光衬底107选择合适的材料，以满足实际情况的需要，在此就不再赘述了。

请参考图1，耦合输出面109设置于偏振转换导光衬底108中，用于将经过偏振转换导光衬底108转换后的光线输出至人眼。

在本实施例中，如图1所示，耦合输出面109包括多个子输出面，多个子输出面按图像光线在偏振转换导光衬底中的传播方向，依次平行设置，其中，每个子输出面涂覆有透射膜。

请继续参考图2，图2为本实用新型实施例提供的耦合输出面109中一个子输出面的光路示意图，如图2所示，来自偏振转化导光衬底108的光线X-ray为S光，光线S-beaml首先和子输出面1091相碰，一部分S光被该子输出面1091输出到偏振转化导光衬底108外进入人眼形成虚拟图像，一部分透过该子输出面1091和偏振转化导光衬底108的上表面相碰，通过上表面的反射，光波的偏振态由S光变为P光，变为P偏振态的光线P-beaml首先和子输出面1091相碰，由于子输出面1091旋涂了相应的透射膜，对P光完全透射，因此光线P-beaml可以完全透射，这样能够避免光线P-beaml在子输出面1091上的二次反射，进而避免了二次成像对原始图像对比度造成的影响。光线P-beaml透过子输出面1091以后和偏振转化衬底的下表面相碰，经过下表面的反射，光波由P偏振态转化为S偏振态，光线如此往复在耦合输出面109之间进行传播，可以使光线均匀地并以较大输出面积覆盖输出通光口径，进而完成光线输出有效孔径的扩展，最终实现视场角的扩展。

请继续参考图3，图3为本实用新型实施例提供的子输出面1091上透射膜的反射率随角度变化示意图。为了避免大角度光线的二次成像，需要使P光完全透射，而对S光具有一定的反射使其可以在人眼好成像。如图3所示为当入射光波波长为550nm的P光和S光时，小角度祸合输出面的旋涂层的反射率随角度变化的曲线，图中在0-450范围内S光和P光都有一定的反射率，而在450-850范围内，P光全部透射，S光具有一定的反射率。由于本实用新型器件中P光是以大角度入射到子输出面1091，S光以小角度入射到子输出面1091，因此上述反射率曲线满足了相应的要求，可以避免P光的二次成像，提高了图像的对比度。

当然，由于偏振转化导光衬底108是采用PMMA材料加工而成的，在蒸镀膜层时必须考虑到加热带来的对材料本身的影响，所以不宜采用传统的热蒸发镀膜工艺，需要采用冷镀的方式进行，例如通过新兴的镀膜技术离子镀可以很好地解决这个问题。这样虽然膜层牢固度不如加热蒸发，但是由于膜层位于材料之间，牢固度不会受到周围环境的影响。

请继续参考图4，图4为本实用新型实施例提供的光线在偏振转化导光衬底108中的转化示意图。如图4所示，S偏振态的光线S-70首先和偏振转化导光衬底108的上表面Up-surface相碰，由于上表面Up-surface具有偏振转化特性，可以使入射光的偏振方向发生转变，可以使S偏振光转化为P偏振光，因此光线S-70经过上表面的反射，变为偏振方向为P偏振光的光线P-70。对于P偏振态的光线P-71，和衬底下表面Down-SurfaCe相碰，由于下表面Down-SurfaCe同样具有偏振转化特性，可以使入射光的偏振方向发生转化，从而使P偏振光转化为S偏振光，因此光线P-71经过下表面的反射，变为偏振方向为S偏振态的光线S-71。通过上述转化，大角度P光可以完全透射穿过小角度输出面，小角度入射的S光可以被子输出面以一定的反射率从偏振转化导光衬底108出射到人眼，形成图像信息。

请继续参考图5，图5为本实用新型实施例提供的平面波导光学显示器件的结构参数示意图，为了实现本实用新型的效果，在光学设计时，衬底的结构参数之间应该满足一定的条件，否则将导致最终图像的分辨率、对比度、清晰度失去实际的意义。如图5所示，以轴上物点发出的主轴光线为参考光线设计，主轴光线垂直入射进入祸合输入面，各参数的相应关系为：

β_-surf＝β_-big，β_-ref＝0.5*β_-surf，其中，如图5所示，β_-big是导光面1071与平面导光衬底107下表面的夹角，β_-surf是主轴光线与衬底上下表面法线的夹角，β_-ref是主轴光线与子输出面1091法线的夹角。为了避免色散引起的图像对比度降低，β_-big应该满足主轴光线垂直入射的条件，同时主轴光线进入衬底以后能够满足平面导光衬底107的全反射条件进行传播；

β_-surf＝β_-small，β_-small是子输出面1091与偏振转换导光衬底108下表面的夹角，β_-con是导光面1071输入面与导光衬底上表面连接面的夹角，为了保证设计范围内的视场都能够进入到衬底中传输，β_-con需要按照设计要求来进行设置，在此不做限制；

C_-Length＞6*(H_-small*tan(β_-surf))，H_-small是导光衬底的厚度，C_-Length是平面导光衬底107的长度。为了加工和设计的方便，将导光衬底和偏振转化衬底分开设计，但是导光衬底的长度不宜过短，否则无法使光线按照既定的路径传播，同时不利于装置最终的应用。

为了进一步说明本实用新型器件的优点和实际意义，下面以具体的参数对本实用新型给予定性的解释说明，取β_-big＝4，子输出面1091的数量为4，则：

β_-surf＝54，β_-ref＝27，β_-small＝54°，β_-con＝80°，H_-small＝3mm。

通过上述参数设计相应的平面导光衬底显示结构，可以获得水平30°的视场角，极大地扩展了用户观察的视场范围，而对于采用基于45°反射式结构或者离轴光学结构而言，如果需要获得同样大小的观察视场反射式结构的厚度至少需要6mm厚左右，由此可以看出本实用新型器件在轻薄、以及视场角扩展方面有很大的优势。

当然，为了保证每个子输出面1091输出的图像光线的光强度的均匀性，可以通过设置每个子输出面1091的反射效率来实现，具体地，例如，按照图像光线在偏振转换衬底108中的传播方向，第一个子输出面1091的反射效率可以设置为25％，第二个子输出面1091的反射效率可以设置为33.3％，第三个子输出面1091的反射效率可以设置为50％，第四个子输出面1091的反射效率可以设置为100％，这样，按照图像光线在偏振转换衬底108中的传播方向，每个子输出面1091的反射效率按预设情况依次提高，从而能够保证每个子输出面1091输出的图像光线的光强度的均匀性。

并且，由于采用了通过偏振转换波片将图像光线中的P光转换为S光，并传输至平面导光衬底和偏振转换导光衬底的技术方案，所以图像光线中的能量能够几乎全部进入平面导光衬底和偏振转换导光衬底中，从而提高了能量的利用率。

本实用新型实施例第二方面还提供一种增强现实设备，该增强现实设备包括第一方面介绍的平面波导光学装置，在前述部分中已经详细介绍了平面波导光学装置的具体过程，当然，增强现实设备还可以包括外壳、穿戴装置等等，在此就不再赘述了。

需要说明的是，在实际应用中，一个增强现实设备可以包括多个第一方面介绍的平面波导光学装置，例如，可以为用户的双眼分别设置对应的平面波导光学装置，并且通过3D的方式，可以让用户看到立体的图像；或者，可以为每个眼睛设置多个平面波导光学装置，例如可以为每个眼睛在水平方向或者垂直方向并列设置3个平面波导光学装置，这样就能够使得虚拟现实设备能够提供更大的视场，在此就不再赘述了。

本实用新型实施例中的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

由于采用了通过平面导光衬底和偏振转换导光衬底来引导图像光线的技术方案，只需要增加偏振转换导光衬底中的耦合输出面的面积就能够增大视场，而无需增加光学装置的厚度，所以解决了现有技术中的增强现实设备存在因采用基于45°反射式结构或者离轴光学结构，而无法调节视场和重量之间的矛盾的技术问题。

同时，由于采用了通过偏振转换波片将图像光线中的P光转换为S光，并传输至平面导光衬底和偏振转换导光衬底的技术方案，所以图像光线中的能量能够几乎全部进入平面导光衬底和偏振转换导光衬底中，从而提高了能量的利用率，与现有技术中通过基于45°反射式结构或者离轴光学结构的增强现实设备相比，在向用户提供同样亮度的虚拟图像的情况下，本实用新型实施例提供的平面波导光学装置的能耗明显降低。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种用于增强现实的平面波导光学装置，其特征在于，包括图像光源、准直透镜组、偏振分光棱镜、偏振转换波片、第一偏振反射棱镜、第二偏振反射棱镜、平面导光衬底、偏振转换导光衬底和耦合输出面；

其中，所述图像光源用于发出图像光线；所述准直透镜组设置于所述图像光源的出射光路上，用于对所述图像光线进行准直处理，获得准直光线；所述偏振分光棱镜设置于所述准直透镜组的出射光路上，用于对所述准直光线进行分光处理，将所述准直光线中的S光反射，且将所述准直光线中的P光透射；所述偏振转换波片设置于所述偏振分光棱镜的出射光路上，用于将所述准直光线中的P光转换为S光并透射；所述第一偏振反射棱镜设置于所述偏振转换波片的出射光路上，用于反射所述偏振转换波片透射的S光；所述第二偏振反射棱镜设置于所述偏振分光棱镜和所述第一偏振反射棱镜的反射光路上，用于反射所述偏振分光棱镜和所述第一偏振反射棱镜反射的S光；所述平面导光衬底设置于所述第二偏振反射棱镜的反射光路上，用于将所述第二偏振反射棱镜反射的S光进行全反射传播；所述偏振转换导光衬底与所述平面导光衬底相邻，用于对所述平面导光衬底传播的S光进行偏振态的转换；所述耦合输出面设置于所述偏振转换导光衬底中，用于将经过所述偏振转换导光衬底转换后的光线输出至人眼；环境光线依次通过所述偏振转换导光衬底和所述耦合输出面进入人眼。

2.如权利要求1所述的平面波导光学装置，其特征在于，所述耦合输出面包括多个子输出面，所述多个子输出面按所述图像光线在所述偏振转换导光衬底中的传播方向，依次平行设置。

3.如权利要求2所述的平面波导光学装置，其特征在于，每个子输出面涂覆有透射膜。

4.如权利要求1所述的平面波导光学装置，其特征在于，主轴光线与所述偏振转换导光衬底上下表面法线的夹角β_-surf与主轴光线与所述耦合输出面法线的夹角β_-ref之间满足下述关系：β_-ref＝0.5*β_-surf。

5.如权利要求1所述的平面波导光学装置，其特征在于，所述偏振转换导光衬底的厚度，所述平面导光衬底的厚度H_-small，所述平面导光衬底的长度C_-Length，以及主轴光线与所述平面导光衬底的上下表面法线的夹角β_-surf满足下述关系：

C_-Length＞6*(H_-small*tan(β_-surf))。

6.如权利要求1所述的平面波导光学装置，其特征在于，所述偏振转换波片具体为1/4波片。

7.如权利要求1所述的平面波导光学装置，其特征在于，所述偏振分光棱镜具体为一对直角棱镜胶合而成，其中一个直角棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜。

8.一种增强现实设备，其特征在于，包括如权利要求1-7中任一权项所述的平面波导光学装置。