CN208721895U - 一种可调视度波导近眼显示光学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可调视度波导近眼显示光学装置。该装置包括：微显示屏、目镜组、垂直扩展波导装置以及水平扩展波导装置；微显示屏设置于目镜组的焦平面上，目镜组用于将微显示屏发出的光束准直为平行光束并出射；变焦液晶透镜设置于波导组的出射光路上；波导组包括两个及两个以上的分光薄膜斜面，用于将目镜组出射的平行光束进行等效尺寸增大；变焦液晶透镜包括单层或多层液晶透镜单元，每层液晶透镜单元由第一玻璃基板、第一金属驱动电极、第一绝缘层、液晶层、第二绝缘层、第二金属驱动电极以及第二玻璃基板依次设置构成；变焦液晶透镜用于对扩展光束的焦度进行调节。该实用新型能实现波导近眼显示光学装置的视度可调。

Description

一种可调视度波导近眼显示光学装置

技术领域

本实用新型涉及光学显示技术领域，特别是一种可调视度波导近眼显示光学装置。

背景技术

在信息多元化时代，各种需要显示的图像信息日益增多，近眼光学显示系统由于能够方便地将各种信息集中地显示在一副虚拟的图像中而备受关注。为了能够体现增强现实和解放双手的理念，可穿戴显示光学系统利用光学元件将图像信息虚拟的显示在人眼前方的一定距离处，方便穿戴者在浏览信息的同时可以观察周围景物的变化，从而不会对佩戴者正常的行为方式造成影响。

头戴显示器(Head-mounted displays，简称HMD)是指通过各种光学显示装置向眼睛发送光学信号，可以实现虚拟现实(Virtual Reality，VR)、增强现实(AugmentedReality，AR)、混合现实(Mixreality，MR)等不同效果，被广泛应用于虚拟现实系统中，用以增强用户的视觉沉浸感。光学显示装置中，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，投影的虚拟图像可以叠加在用户感知的真实世界上，在军事，工业，娱乐，医疗，交通运输等领域有着重要的意义。

现有技术中，为了能够满足不同佩戴者的视力要求以及观看视度要求，在进行佩戴头戴显示器体验过程中，通常在不同用户体验时需要频繁更换相应的近(远)视镜片，影响了用户体验。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供了一种可调视度波导近眼显示光学装置，解决了现有技术中不同用户体验时因不同视力度数，需要频繁更换相应的度数镜片的缺陷，实现了波导近眼显示光学装置的视度可调。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种可调视度波导近眼显示光学装置，包括：微显示屏、目镜组、波导组以及变焦液晶透镜；

所述微显示屏设置于所述目镜组的焦平面上，所述波导组设置于所述目镜组的出射光路上，所述目镜组用于将所述微显示屏发出的光束准直为平行光束并出射；所述变焦液晶透镜设置于所述波导组的出射光路上；

所述波导组为由至少两个平行四角棱镜和至少一个梯形棱镜按顺序依次胶合而成的梯形棱镜，所述波导组包括两个及两个以上的分光薄膜斜面，所述波导组用于将所述目镜组出射的平行光束进行等效尺寸增大，并从所述分光薄膜斜面反射输出扩展光束；

所述变焦液晶透镜包括单层或多层液晶透镜单元，每层所述液晶透镜单元包括液晶层、第一绝缘层、第二绝缘层、第一金属驱动电极、第二金属驱动电极、第一玻璃基板和第二玻璃基板；所述第一玻璃基板、所述第一金属驱动电极、所述第一绝缘层、所述液晶层、所述第二绝缘层、所述第二金属驱动电极以及所述第二玻璃基板依次设置；所述玻璃基板平行等距排列；所述变焦液晶透镜用于对所述扩展光束的焦度进行调节。

可选的，所述微显示屏为有机发光二极管、硅基液晶屏或具有发光功能的微显示芯片。

可选的，所述目镜组由单片或多片透镜组成，所述透镜材质为光学玻璃或光学塑料，全视场范围畸变小于1％。

可选的，所述波导组的耦合入射面为一抛光平面或浮雕光栅，所述抛光平面材质为光学玻璃或光学塑料。

可选的，所述波导组中的每个平行四角棱镜的锐角相等，所述波导组中的每个梯形棱镜的锐角相等且所述平行四角棱镜的锐角与所述梯形棱镜的锐角相等。

可选的，所述波导组的斜面为平行四角棱镜的斜面，镀有不同反射率的介质膜层金属线栅，所述斜面反射率为1％-50％，多个所述斜面的相邻斜面之间的斜面间距为1-8mm，所述波导组的斜面用于将接收到的光线分裂为两条光线，一条为按照反射定律进行反射传播的平行光线，一条为携带能量增减的平行光线。

可选的，所述第一玻璃基板和第二玻璃基板的厚度均为0.5mm，所述液晶层为正单光轴的光电材料，厚度为100μm。

可选的，所述第一金属驱动电极和第二金属驱动电极的厚度均为200nm。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型提供了一种可调视度波导近眼显示光学装置，在波导组出瞳位置外加可调视度的变焦液晶透镜，使其通过电压调制变焦液晶透镜表面曲率，产生不用光焦度，实现波导近眼显示光学设备的视度可调；变焦液晶透镜中使用金属驱动电极，以电压来独立调控各液晶透镜单元中液晶分子的排向及折射率等光学性质，能提升成像品质、改善变焦切换速度。

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一可调视度波导近眼显示光学装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例一可调视度波导近眼显示光学装置的俯视图；

图3为本实用新型实施例一可调视度波导近眼显示光学装置中变焦液晶透镜的液晶透镜单元结构示意图；

图4为本实用新型实施例三可调视度波导近眼显示光学装置中变焦液晶透镜的液晶透镜单元结构示意图。

其中，图中标号为：微显示屏1、目镜组2、波导组3、变焦液晶透镜4、人眼眼瞳5、波导组耦合入射面301、波导组斜面302、入射光线6、平行光线601、第一玻璃基板401、第一金属驱动电极402、第一绝缘层403、液晶层404、第二绝缘层405、第二金属驱动电极406、第二玻璃基板407、平行玻璃408、凸透镜409、凹透镜410。

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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供了一种可调视度波导近眼显示光学装置，解决了现有技术中不同用户体验时因不同视力度数，需要频繁更换相应的度数镜片的缺陷，实现了波导近眼显示光学装置的视度可调。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例一

图1为本实用新型可调视度波导近眼显示光学装置的结构示意图；图2为本实用新型可调视度波导近眼显示光学装置的俯视图。

如图1-2所示，一种可调视度波导近眼显示光学装置，包括：微显示屏1、目镜组2、波导组3以及变焦液晶透镜4；

所述微显示屏1设置于所述目镜组2的焦平面上，所述波导组3设置于所述目镜组2的出射光路上，所述目镜组2用于将所述微显示屏1发出的光束准直为平行光束并出射；所述变焦液晶透镜4设置于所述波导组3的出射光路上；

所述波导组3为由至少两个平行四角棱镜和至少一个梯形棱镜按顺序依次胶合而成的梯形棱镜，所述波导组3包括两个及两个以上的分光薄膜斜面，所述波导组3用于将所述目镜组2出射的平行光束进行等效尺寸增大，并从所述分光薄膜斜面反射输出扩展光束。

图3为本实用新型实施例一可调视度波导近眼显示光学装置中变焦液晶透镜的液晶透镜单元结构示意图。

如图3所示，所述变焦液晶透镜4包括单层或多层液晶透镜单元，每层所述液晶透镜单元包括液晶层404、第一绝缘层403、第二绝缘层405、第一金属驱动电极402、第二金属驱动电极406、第一玻璃基板401和第二玻璃基板407；所述第一玻璃基板401、所述第一金属驱动电极402、所述第一绝缘层403、所述液晶层404、所述第二绝缘层405、所述第二金属驱动电极406以及所述第二玻璃基板407依次设置；所述玻璃基板平行等距排列；所述变焦液晶透镜4用于对所述扩展光束的焦度进行调节。

通过特定形状的驱动电极使其在液晶层中产生对称抛物线状分布的电场，液晶层404在电场驱动下，不同地方的分子转向角不一致，故当光束通过液晶层404时，经历的光程不一致，达到聚焦或发散效果。

所述微显示屏1为有机发光二极管、硅基液晶屏或具有发光功能的微显示芯片。

所述目镜组2由单片或多片透镜组成，所述透镜材质为光学玻璃或光学塑料，全视场范围畸变小于1％。

所述波导组3的耦合入射面301材质为光学玻璃、光学塑料或浮雕光栅，平行光线往前传播进入波导组3的耦合入射面301，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，指入射光与入射面法线的夹角，θ是出射角，指出射光与入射面法线的夹角。

当耦合入射面301为光学玻璃或光学塑料的抛光平面时，光线传播规律按照折射定律n1*sinI＝n2*sinθ。当耦合入射面301为浮雕光栅时，光线传播规律按照光栅方程：

d*(n1*sinI+n2*sinθ)＝m*λ，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，指入射光与入射面法线的夹角，θ是出射角，指出射光与入射面法线的夹角，d是指对应的光栅常数，m指衍射级次，λ指对应光线波长。

所述波导组3的耦合入射面为一抛光平面或浮雕光栅，所述抛光平面材质为光学玻璃或光学塑料。

所述波导组3中的每个平行四角棱镜的锐角相等，所述波导组中的每个梯形棱镜的锐角相等且所述平行四角棱镜的锐角与所述梯形棱镜的锐角相等。

所述波导组的斜面302为平行四角棱镜的斜面，镀有不同反射率的介质膜层金属线栅，所述斜面302反射率为1％-50％，多个所述斜面的相邻斜面之间的斜面间距为1-8mm，所述波导组的斜面302用于将接收到的光线分裂为两条光线，一条为按照反射定律进行反射传播的平行光线，一条为携带能量增减的平行光线。

所述第一玻璃基板401和第二玻璃基板407的厚度均为0.5mm，所述液晶层为正单光轴的光电材料厚度为100μm。

可选的，所述第一金属驱动电极402和第二金属驱动电极406的厚度均为200nm。

本实用新型可调视度波导近眼显示光学装置的具体工作过程为：

微显示屏发出光线6，通过目镜组2准直为平行光线601；

所述平行光线601照射到所述波导组3的斜面302，光线遵从折反射定律，在波导基底内部进行传输，光束等效尺寸增大；

光线继续传播，照射到所述变焦液晶透镜上，通过电压调制液晶透镜表面曲率，产生不同光焦度，从而进入人眼眼瞳。

在水平扩展波导装置4中，水平耦合入射面401与波导组3基底大平面夹角(锐角)a为30～80°之间，优选地，我们设置夹角a为45°，则0视场光线(即平行光线106)在基底大平面的入射角为45°，满足全反射原理，平行光线106在水平扩展波导4基底内进行全反射传播。

所述第一金属驱动电极与第二金属驱动电极均为金属电极膜(例如：IndiumTinOxide，ITO，掺锡氧化铟薄膜)，所述绝缘层为聚酰亚胺。

所述液晶层为正单光轴的光电材料，具有分子的势能向最低状态变化，和外加电场强迫取向排列的特性。液晶分子势能最低的时候是当液晶分子的指向与外加电场场强方向一致的时候。在未加电场的情况，由于对液晶样品中聚酰亚胺进行过水平摩擦，使得样品中液晶分子都沿着x轴以角度2.3°排列，此时称为Homogeneous(均质)状态，在液晶样品中心圆孔区域，电场在圆孔区域内，较弱电场场线分布较稀疏，此时的液晶分子仍然保持原本的homogeneous状态，表现出折射率为ne(入射光沿Z轴入射，折射率椭球长轴折射率)。在液晶样品圆孔边缘区域，此区域的电场分布为非均匀分布，此时液晶分子在电场和分子之间弹性力作用下发生转动，表现出折射率为neff(θ)(入射光与Z轴夹角θ时入射，折射率椭球长轴折射率)。在液晶样品外围区域，此区域电场基本上是均匀分布，电场场线分布较密集，液晶分子逐渐向势能最小的状态转换，直至当液晶分子垂直于玻璃基板、势能最小时为止，表现出折射率为no(入射光沿Z轴入射，折射率椭球短轴折射率)。

最终，调节焦度后的光束会进入人眼眼瞳5，成虚拟像。

实施例2

图4为本实用新型实施例三可调视度波导近眼显示光学装置中变焦液晶透镜的液晶透镜单元结构示意图

实施例2与实施例一的不同之处在于所述变焦液晶透镜中的液晶透镜单元的组成不同，其他均相同。

不同之处在于：如图4所示，所述变焦液晶透镜中的液晶透镜单元包括平面玻璃408、凸透镜409或凹透镜410，所述平面玻璃408与所述凸透镜409或凹透镜408构成一个中心对称球状的凹腔或凸腔，所述液晶层404设置在所述凹腔或凸腔中，所述第一金属驱动电极402设置在所述凸透镜409或凹透镜408的上方，所述第二金属驱动电极406设置在所述平行玻璃408的下方，液晶层中从中心到边缘厚度是渐变的，故光束在通过液晶层时经历光程不一致，则会被聚焦或发散。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (8)

1.一种可调视度波导近眼显示光学装置，其特征在于，包括：微显示屏、目镜组、波导组以及变焦液晶透镜；

所述微显示屏设置于所述目镜组的焦平面上，所述波导组设置于所述目镜组的出射光路上，所述目镜组用于将所述微显示屏发出的光束准直为平行光束并出射；所述变焦液晶透镜设置于所述波导组的出射光路上；

所述波导组为由至少两个平行四角棱镜和至少一个梯形棱镜按顺序依次胶合而成的梯形棱镜，所述波导组包括两个及两个以上的分光薄膜斜面，所述波导组用于将所述目镜组出射的平行光束进行等效尺寸增大，并从所述分光薄膜斜面反射输出扩展光束；

所述变焦液晶透镜包括单层或多层液晶透镜单元，每层所述液晶透镜单元包括液晶层、第一绝缘层、第二绝缘层、第一金属驱动电极、第二金属驱动电极、第一玻璃基板和第二玻璃基板；所述第一玻璃基板、所述第一金属驱动电极、所述第一绝缘层、所述液晶层、所述第二绝缘层、所述第二金属驱动电极以及所述第二玻璃基板依次设置；所述玻璃基板平行等距排列；所述变焦液晶透镜用于对所述扩展光束的焦度进行调节。

2.根据权利要求1所述的一种可调视度波导近眼显示光学装置，其特征在于，所述微显示屏为有机发光二极管、硅基液晶屏或具有发光功能的微显示芯片。

3.根据权利要求1所述的一种可调视度波导近眼显示光学装置，其特征在于，所述目镜组由单片或多片透镜组成，所述透镜材质为光学玻璃或光学塑料，全视场范围畸变小于1％。

4.根据权利要求1所述的一种可调视度波导近眼显示光学装置，其特征在于，所述波导组的耦合入射面为一抛光平面或浮雕光栅，所述抛光平面材质为光学玻璃或光学塑料。

5.根据权利要求1所述的一种可调视度波导近眼显示光学装置，其特征在于，所述波导组中的每个平行四角棱镜的锐角相等，所述波导组中的每个梯形棱镜的锐角相等且所述平行四角棱镜的锐角与所述梯形棱镜的锐角相等。

6.根据权利要求1所述的一种可调视度波导近眼显示光学装置，其特征在于，所述波导组的斜面为平行四角棱镜的斜面，镀有不同反射率的介质膜层金属线栅，所述斜面反射率为1％-50％，多个所述斜面的相邻斜面之间的斜面间距为1-8mm，所述波导组的斜面用于将接收到的光线分裂为两条光线，一条为按照反射定律进行反射传播的平行光线，一条为携带能量增减的平行光线。

7.根据权利要求1所述的一种可调视度波导近眼显示光学装置，其特征在于，所述第一玻璃基板和第二玻璃基板的厚度均为0.5mm，所述液晶层为正单光轴的光电材料，厚度为100μm。

8.根据权利要求1所述的一种可调视度波导近眼显示光学装置，其特征在于，所述第一金属驱动电极和第二金属驱动电极的厚度均为200nm。