TWI676047B - 一種成像顯示系統 - Google Patents

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Kun Li
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大陸商芋頭科技(杭州)有限公司
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Abstract

本發明提供一種成像顯示系統，於光引擎模組的偏振分光器的出射面的外表面上設置一波導結構，波導結構呈管狀，波導結構的一端連接於出射面上並與出射面之間形成一預設的夾角，波導結構的另一端為自由端，成像顯示系統通過波導結構擴散眼動框；波導結構與出射面之間形成的預設的夾角使得入射至波導結構中的光線於波導結構內形成全內反射；波導結構進一步包括：多個半透射半反射的透鏡，射入波導結構中的光線在每個透鏡的表面進行反射以被均勻地釋放到觀看者的眼睛中。本發明能夠實現更為緊湊的應用於AR光學系統，為使用者提供更大的視場角和眼動框。

Description

一種成像顯示系統
本發明涉及擴增實境成像技術領域，尤其涉及一種成像顯示系統。
隨著擴增實境(Augmented Reality，AR)技術的發展，應用於AR技術的攜帶式設備和可穿戴設備的市場也在迅速增長。在諸多應用AR技術的硬體實現方式中，頭戴式顯示器(Helmet-Mounted Display，HMD)和近眼顯示器(Near-to-Eye Display，NED)是最有效且在現有技術中能夠給使用者帶來最佳體驗的實現方式。
所謂頭戴式顯示器(HMD)，因其外形類似眼鏡，又可被稱為眼鏡式顯示器或者影像眼鏡，其可以透過各種頭戴式顯示設備向眼睛發送光學信號，從而實現AR技術中的不同顯示效果。
所謂近眼顯示器(NED)，是一種可以將圖像直接投射到觀看者眼中的頭戴式顯示器(HMD)。NED的顯示屏距離人的眼球在10釐米以內，這麼近的圖像通常來說對於人眼是無法看清的，但是透過NED光學系統中設計特定的透鏡陣列能夠將圖像聚焦到人眼的視網膜上，再經過視覺神經系統進行加工，從而能夠在用戶眼前呈現出虛擬大幅面的圖像，由此可以實現AR技術的各種不同顯示效果。
在光學組合器中，波導技術(waveguide technology)由於其可以實現帶有大視野(FOV)的超薄近眼顯示器(NED)結構的能力而越來越受歡迎。除了大的大視野(FOV)和緊湊性之外，波導內部的光柵也用於增加顯示器出射光瞳的尺寸，其通常被稱為出射光瞳擴展器(EPE)。EPE元件通常可以分為反射光柵類型和衍射光柵類型。本發明聚焦於，在其它申請中，用於HMD和NED的光學系統的設計和製造。大視野(FOV)，大出射光瞳擴展器(EPE)和緊湊性在本發明中是主要關注點，其透過照明和成像光學裝置的緊湊設計以及反射型波導作為EPE的使用來實現。
現有技術中，以NED的光學系統舉例，其中通常包括照明設備(光源)、用於成像的各光學裝置和光學組合器。照明設備中，微顯示器可以透過例如有機發光二極管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)面板的有源顯示器來提供圖像，或者透過不同形式的空間光調製器(Spatial Light Modulator，SLM)照明的方式來間接提供圖像，其所顯示像素可以透過成像的光學器件被成像到無窮遠，隨後再透過光學組合器傳輸到觀察者的眼睛。傳統的光學組合器會隨著其視場角(Field of View，FOV)的提升而使得其硬體設備變得更龐大和笨重，並且同時會造成設備的眼動框(Eye Motion Box，EMB)變得窄小，這樣會影響到使用者佩戴和觀看的舒適性。現有技術中已經開始就上述問題進行了諸多研究，但是這些研究中實現的硬體設備均不夠緊湊，無法滿足HMD或者NED的要求，並且這些硬體設備的實現均需要非常複雜的設計和製造過程。
根據現有技術中存在的上述問題，現提供一種成像顯示系統的技術方案，旨在實現更為小型緊湊的應用於擴增實境的光學系統，為使用者提供更大的視場角和眼動框。
上述技術方案具體包括：一種成像顯示系統，應用於擴增實境技術中；其中，於成像顯示系統中設置一包括偏振分光器的光學引擎模組，用於將入射的光源區分為兩類偏振光並同時從光學引擎模組的出射面射出；於光學引擎模組的出射面的外表面上設置一波導結構，波導結構呈管狀，波導結構的一端連接於出射面上並與出射面之間形成一預設的夾角，波導結構的另一端為自由端，成像顯示系統透過波導結構擴散成像顯示系統的眼動框；波導結構與出射面之間形成的預設的夾角使得入射至波導結構中的光線於波導結構內形成全內反射；波導結構進一步包括：多個半透射半反射的透鏡，依次斜向設置於波導結構的內部，射入波導結構中的光線在每個透鏡的表面進行反射以被均勻地釋放到觀看者的眼睛中。
優選的，該成像顯示系統，其中，兩類偏振光包括S偏振光和P偏振光。
優選的，該成像顯示系統，其中，波導結構與出射面之間的夾角使得從出射面出射的光線以大於臨界角的角度分別射至波導結構的頂表面和底表面； 於波導結構和出射面之間設置一三稜鏡，三稜鏡的形狀匹配於波導結構與出射面之間的預設的夾角；於三稜鏡的外表面塗覆有吸光性材料。
優選的，該成像顯示系統，其中，從出射面射出並射入至波導結構中的光線的入射光瞳被完全包括在波導結構內。
優選的，該成像顯示系統，其中，於波導結構和出射面之間設置一三稜鏡，三稜鏡的形狀匹配於波導結構與出射面之間的夾角；於三稜鏡的外表面塗覆有反射性材料；波導結構與出射面之間的夾角使得從三稜鏡的外表面反射至波導結構的光線以大於臨界角的角度分別射至波導結構的頂表面和底表面。
優選的，該成像顯示系統，其中，從出射面射出並射入至波導結構中的光線的入射光瞳被包括在三稜鏡內。
優選的，該成像顯示系統，其中，光學引擎模組的照明部分包括一分光面以及一光源陣列，分光面相對於光源陣列斜向設置；光源陣列發出的偏振光中的一第一類偏振光透射過分光面並從光學引擎模組的出射面射出；光源陣列發出的偏振光中的一第二類偏振光經過分光面呈90度反射後射出；光源陣列設置的方向平行於被分光面反射後的第二類偏振光的光路方向；第一類偏振光為S偏振光，第二類偏振光為P偏振光；或者第一類偏振光為P偏振光，第二類偏振光為S偏振光。
優選的，該成像顯示系統，其中，光源陣列為偏振的發光體。
優選的，該成像顯示系統，其中，光源陣列為非偏振的發光體； 於光源陣列和分光面之間設置一線性偏振片，以將光源陣列發出的光轉換成偏振光。
優選的，該成像顯示系統，其中，於照明部分中還設置一入射面，入射面設置在光源陣列與分光面之間並且平行於光源陣列；透過一機械外殼將光源陣列附著於入射面上。
優選的，該成像顯示系統，其中，光學引擎模組的顯示部分包括：微型顯示器，垂直於被分光面反射的第二類偏振光的光路方向設置，光源陣列發出的光源通過分光面反射後至微型顯示器上成像顯示；微型顯示器還用於將第二類偏振光反射後轉換成第一類偏振光，並透射出分光面。
優選的，該成像顯示系統，其中，微型顯示器為能夠旋轉反射光的偏振的顯示器。
優選的，該成像顯示系統，其中，微型顯示器為無法旋轉反射光的偏振的顯示器；於微型顯示器與分光面之間設置一第一四分之一波片，用於旋轉反射光的偏振。
優選的，該成像顯示系統，其中，於光學引擎模組中設置一第一反射面，第一反射面設置於微型顯示器與分光面之間並且平行於微型顯示器；透過一機械外殼將微型顯示器附著於第一反射面上。
優選的，該成像顯示系統，其中，光學引擎模組中還包括： 準直透鏡，垂直於被分光面反射的第二類偏振光的光路方向設置，並與微型顯示器分別位於分光面的兩側，準直透鏡用於拉伸微型顯示器上的像素的成像距離；第二四分之一波片，設置於準直透鏡和分光面之間，用於旋轉反射光的偏振。
優選的，該成像顯示系統，其中，於第二四分之一波片和分光面之間設置一第二反射面；透過一機械外殼將準直透鏡和第二四分之一波片附著於第二反射面上。
優選的，該成像顯示系統，其中，光學引擎模組中的偏振分光器用於將入射的光源區分為兩類偏振光並從光學引擎模組的出射面射出；偏振分光器由一第一直角棱鏡和一第二直角棱鏡組合形成；第一直角棱鏡包括相互垂直的入射面和第一反射面；第二直角棱鏡包括相互垂直的第二反射面和出射面；第一直角棱鏡位於第二直角棱鏡的下方；第一直角棱鏡的斜面和第二直角棱鏡的斜面貼合形成一分光面；分光面用於透射光源中的一第一類偏振光，並且反射光源中的一第二類偏振光。
優選的，該成像顯示系統，其中，第一直角棱鏡的斜面與第二直角棱鏡的斜面膠合形成分光面。
上述技術方案的有益效果是：提供一種成像顯示系統，能夠實現更為緊湊的應用於擴增實境的光學系統，為使用者提供更大的視場角和眼動框。
(1)‧‧‧光源陣列
(2)‧‧‧線性偏振片
(3)‧‧‧偏振分光器
(4)‧‧‧入射面
(5)‧‧‧分光面
(6)‧‧‧第一反射面
(7)‧‧‧出射面
(8)‧‧‧微型顯示器
(9)‧‧‧第一四分之一波片
(10)‧‧‧第二反射面
(11)‧‧‧準直透鏡
(12)‧‧‧反射鏡面
(13)‧‧‧第二四分之一波片
(14)‧‧‧波導結構
(15)‧‧‧波導結構14的一端
(16)‧‧‧頂表面
(17)‧‧‧底表面
(18)‧‧‧透鏡
(19)‧‧‧入射光瞳
(20)‧‧‧三稜鏡
(21)‧‧‧外表面
(22)‧‧‧光線
(23)‧‧‧最靠內的光束
(24)‧‧‧最靠外的光束
(A)‧‧‧光學引擎模組
(P)‧‧‧P偏振光
(S)‧‧‧S偏振光
(α)‧‧‧波導結構14與光學引擎模組A的出射面7之間的夾角
圖1是本發明的較佳的實施例中，一種成像顯示系統中，波導結構的具體結構示意圖；圖2是本發明的一個較佳的實施例中，一種成像顯示系統中光學引擎模組連接波導結構的結構示意圖；圖3是本發明的另一個較佳的實施例中，一種成像顯示系統中光學引擎模組連接波導結構的結構示意圖；圖4是本發明的較佳的實施例中，光學引擎模組中照明部分的設置示意圖；圖5是本發明的較佳的實施例中，光學引擎模組中顯示部分的設置示意圖；圖6是本發明的較佳的實施例中，光學引擎模組中成像部分的設置示意圖；圖7是本發明的較佳的實施例中，成像顯示系統中光學引擎模組的立體示意圖。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
需要說明的是，在不衝突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，但不作為本發明的限定。
根據現有技術中存在的上述問題，現提供一種成像顯示系統，該成像顯示系統應用於AR技術中，尤其應用於AR技術中的頭戴式顯示器和近眼顯示器中。
在上述成像顯示系統中，設置一光學引擎模組，包括照明部分，顯示部分，和成像部分。偏振分光器用於連接各個部分，將入射的光源區分為兩類偏振光並同時從光學引擎模組的出射面射出；於光學引擎模組的出射面的外表面上設置一波導結構，波導結構呈管狀，波導結構的一端連接於出射面上並與出射面之間形成一預設的夾角，波導結構的另一端為自由端，成像顯示系統透過波導結構擴散顯示系統的眼動框；波導結構與出射面之間形成的預設的夾角使得入射至波導結構中的光線於波導結構內形成全內反射；上述波導結構進一步包括：多個半透射半反射的透鏡，依次斜向設置於波導結構的內部，射入波導結構中的光線在每個透鏡的表面進行反射以被均勻地釋放到觀看者的眼睛中。
如圖1所示，上述波導結構14呈管狀，並且在波導結構14的內部依次斜向設置多個半透射半反射的透鏡18，以控制射入波導結構中的光線22在每個透鏡18的表面被均勻地釋放到觀看者的眼睛中。
在光學組合器中，波導技術由於其可以實現帶有大視野(FOV)的NED結構的能力而越來越受歡迎。除了大的大視野(FOV)和緊湊性之外，波導內部的光柵也用於增加顯示器出射光瞳的尺寸，其通常被稱為出射光瞳擴展器(EPE)，EPE元件通常可以分為反射光柵類型和衍射光柵類型。本發明技術方案主要關注於大視野(FOV)、大出射光瞳擴展器和結構的緊湊性，其透過 照明和成像光學器件的緊湊設計以及反射型波導作為EPE元件使用的方式來實現。
具體地，本實施例中，波導結構14的內部依次斜向設置多個半透射半反射的透鏡18。這些透鏡18的表面塗覆有膜，以使得每個透鏡的表面對於單偏振光(S偏振光或者P偏振光，在本實施例中可以設定為S偏振光)具有一定的反射係數。因此，光線22在透鏡18的表面的每個位置處均被部分反射部分透射，能夠均勻地釋放到觀看者的眼中。對於多個反射出口的設計場景來說，視場角的大小與透鏡18的設置數量是成正比的，即透鏡18設置得越多，視場角越大。但是透鏡18的數量越多，光的損失越大，為了實際製造成本和產生效果的綜合考慮，於波導結構14中設計4-6個透鏡18較為現實。如圖1-3所示為包括6個透鏡18的波導結構14。並且，需要基於臨界角θ計算和確定每個透鏡18與波導結構14的底表面17之間的夾角φ，以使被透鏡18表面反射的光能夠垂直於波導結構14的底表面17被釋放至觀看者的眼中，被釋放的光線在穿過觀看者眼中的晶狀體後在視網膜上成像。
本發明技術方案中設計的波導結構14中，由最靠內的光束23以及最靠外的光束24來限定整個成像顯示系統的眼動框(EMB)的大小，則與現有技術相比，本發明技術方案中設計的波導結構14能夠擴展出射光瞳，從而擴展成像顯示系統的EMB，以使得該成像顯示系統更能夠抵抗觀看者眼球移動造成的成像效果影響。
本發明的一個較佳的實施例中，波導結構14與光學引擎模組A之間的連接關係如圖2所示(圖2中位於波導結構14左邊的所有部件均包括在光學引擎模組A中，下文中亦會詳述)，上述波導結構14與光學引擎模組A的出射面7 之間的夾角α使得從出射面7出射的光線以大於臨界角θc的角度分別射至波導結構14的頂表面16和底表面17。
仍然如圖2所示，於波導結構14和出射面7之間設置一三稜鏡20，該三稜鏡20的形狀匹配於波導結構14與出射面7之間的夾角α；於該三稜鏡20的外表面21塗覆有吸光性材料。
具體地，本實施例中，上述波導結構14的一端15被粘合在出射面7上，且使得波導結構14的管狀本體與出射面7之間成一預設夾角α。如圖2中所示，該預設夾角α為銳角。進一步地，該預設夾角α的設置能夠使得從出射面7射出的光線以大於臨界角θc的角度抵達波導結構14的頂表面16和底表面17(上述大於臨界角θc的角度可參照圖2中所示)，從而使得從出射面7射出的光線可以經歷全內反射(Total Internal Reflection，TIR)並且被捕獲在上述波導結構14內。
進一步地，對於主軸的中心光線而言，上述預設夾角α等於光線的入射角θ。因此，想要讓主軸光線產生全內反射，那麼預設夾角α(也即光線的入射角θ)要大於臨界角θc。並且因為入射光是以主軸光線為中心的多束光線，因此具體的預設夾角α的角度需要透過模擬軟體工具進行反復調整和優化，以盡可能實現光線收集效率的最大化。
則在本實施例中，如圖2所示，於上述波導結構14和出射面7之間設置一三稜鏡20，該三稜鏡20的形狀匹配於波導結構14與出射面7之間的夾角α，設置該三稜鏡20能夠減少從出射面7射出的光線的光損失。並且在該三稜鏡20的外表面21上塗覆吸光性材料，以避免雜散光的彈回。
在本實施例中，在如圖2中所示的夾角α的情況下，從出射面7射出並射入至波導結構14中的光線的入射光瞳19被完全包括在上述波導結構14內， 即該入射光瞳19完全被波導結構14圍繞，以便能夠收集最大數量的入射光。這與大部分傳統的實現方式完全不同，傳統的光學實現方式中，需要相對於波導結構14垂直地放置光學引擎模組，從而使得從偏振分光器中出射的光在表面法線方向上入射至波導結構14中。並且，為了實現有效的光耦合，還需要在光學引擎模組3和波導結構相交的位置上塗覆特殊的塗層，以及在波導結構的入口內側設置耦合表面，使得波導結構的製造工藝非常複雜。而本實施例中獨特的安置光學引擎模組和波導結構的方式大大節省了空間並簡化了製造工藝。另外，光學引擎模組對外轉向眼睛方向，節省了眼鏡腿位置的空間以容納其他電子器件。
本發明的另一個較佳的實施例中，如圖3所示，上述波導結構14與出射面7形成一預設夾角α。
具體地，本實施例中，上述波導結構14的一端15同樣被粘合在出射面7上，並且使得波導結構14的管狀本體與出射面7之間形成一預設夾角α。與上述實施例不同的是，本實施例中，上述預設夾角α為鈍角(如圖3中所示)。
則本實施例中，仍然如圖3所示，於上述波導結構14和出射面7之間設置一三稜鏡20，三稜鏡20的形狀匹配於波導結構14與出射面7之間的夾角α，並且於三稜鏡20的外表面21塗覆有反射性材料。
則上述預設夾角α的設置能夠使得從上述三稜鏡20的外表面21反射至波導結構14中的光線能夠以大於臨界角θc的角度抵達波導結構14的頂表面16和底表面17，從而使得入射至波導結構14的光線可以經歷全內反射(TIR)。
本實施例中，基於如圖3中所示的結構設置，入射光瞳19此時會位於三稜鏡20內壁，而不是由波導結構14包圍。
採用上述設置的成像顯示系統(如圖2-3中所示)實現了視場角大於40°，眼動框大於10mm x 10mm，從而提升使用者的觀看效果和舒適體驗。本發明的較佳的實施例中，光學引擎的照明部分包括一分光面以及一光源陣列，分光面相對於光源陣列斜向設置；光源陣列發出的偏振光中的一第一類偏振光透射過分光面並從光學引擎模組的出射面射出；光源陣列發出的偏振光中的一第二類偏振光經過分光面呈90度反射後射出；光源陣列設置的方向平行於被分光面反射後的第二類偏振光的光路方向；第一類偏振光為S偏振光，第二類偏振光為P偏振光；或者第一類偏振光為P偏振光，第二類偏振光為S偏振光。
具體地，本發明的較佳的實施例中，如圖4中所示，於上述光學引擎模組A上設置一分光面5，以及一光源陣列1，上述部件均包括在光學引擎模組A的照明部分中。該光源陣列1發出的偏振光經過分光面5被分為被透射至出射面7的第一類偏振光，以及被反射轉向90度垂直向下的第二類偏振光。上述光源陣列1設置的方向平行於被分光面反射後的第二類偏振光的光路方向。
上述第一類偏振光可以為S偏振光，第二類偏振光為P偏振光，此時分光面5用於透射S偏振光，並反射P偏振光。
上述第一類偏振光也可以為P偏振光，此時第二類偏振光為S偏振光，即分光面5用於透射P偏振光，並反射S偏振光。
為了便於理解，下文中統一列舉第一類偏振光為P偏振光，第二類偏振光為S偏振光，即分光面能夠透射P偏振光並反射S偏振光。
本發明的一個較佳的實施例中，上述光源陣列1為能夠發出偏振光的光源(例如鐳射光源或者LED光源)。
本發明的另一個實施例中，如圖4所示，上述光源陣列1為非偏振的發光體(即該光源陣列1發出的為自然光)；則於光源陣列1和分光面5之間設置一線性偏振片2，以將光源陣列1發出的光轉換成偏振光。
進一步地，仍然如圖4所示，於上述光學引擎模組A中設置一入射面4(同樣包括在照明部分中)，該入射面4設置在光源陣列1與分光面5之間並且平行於光源陣列1。
上述光源陣列1與入射面4之間可以留有一空氣間隙。
本發明的一個較佳的實施例中，當上述光源陣列1為偏振的光源陣列(例如鐳射光源或者部分LED光源)，則在該空氣間隙內可以不設置任何光學元件。
本發明的另一個較佳的實施例中，當上述光源陣列1中為非偏振的光源時(即該光源陣列1發出的為自然光)，則在該空氣間隙內需要設置一個線性偏振片2(Linear Polarizer，LP)，以將非偏振光轉換成偏振光再射至上述分光面5。
進一步地，本發明的較佳的實施例中，可以透過一機械外殼(圖中未示出)將上述光源陣列1(包括可能設置的線性偏振片2)附著於入射面4上，以實現整個光學引擎模組A的緊湊設置，並且提升了整個系統的穩定性。該機械外殼的尺寸可以匹配光源陣列1的尺寸，在此不再贅述。
圖4中示出光學引擎模組A中設置有線性偏振片2的示例。
本發明的較佳的實施例中，如圖5中所示，上述光學引擎模組A還包括：微型顯示器8，垂直於被分光面5反射的第二類偏振光(本實施例中為S偏振光)的光路方向設置，上述光源陣列1發出的光源通過分光面5反射後至微型顯示器8上成像顯示；微型顯示器8還用於將第二類偏振光反射後轉換成第一類偏振光(本實施例中為P偏振光)，並透射出分光面5。
上述部分均包括在光學引擎模組A的顯示部分中。
本實施例中，上述微型顯示器8可以選取液晶顯示器(Liquid Crystal Display，LCD)、矽基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)顯示器、數位微鏡裝置(Digital Micromirror Device，DMD)、微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)掃描儀以及觸動光學纖維束等光學顯示形式。以LCOS顯示器為例，其是在矽背板的頂部採用液晶層而形成的小型的反射型主動矩陣液晶顯示器，是LCD與互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)集成電路有機結合的一種新型顯示技術。在LCOS顯示器中，採用一個CMOS控制晶片來控制位於該晶片表面下方的正方形反射鋁電極上的電壓，每個COMS控制晶片分別用來控制一個像素。
具體地，本發明的一個較佳的實施例中，上述微型顯示器8可以為一些能夠旋轉反射光的偏振的微型顯示器(例如將S偏振光轉換成P偏振光)，例如某些LCOS顯示器。
本發明的另一個較佳的實施例中，上述微型顯示器8也可以為一些無法旋轉反射光的偏振的微型顯示器；則在該實施例中，於微型顯示器8與分光面5之間設置一第一四分之一波片9。該第一四分之一波片為一四分之一波片(Quarter-Wave Plate，QWP)，該第一四分之一波片9的作用在於彌補微型顯示器8無法旋轉反射光的偏振的缺陷，起到旋轉反射光偏振的功能。
圖5中示出在光學引擎模組A中設置有第一四分之一波片9的示例。
本發明的較佳的實施例中，仍然如圖5中所示，於上述光學引擎模組A中還設置一第一反射面6，第一反射面6設置於微型顯示器8與分光面5之間並且平行於微型顯示器8；則可以透過一機械外殼(圖中未示出)將微型顯示器8(包括可能設置的第一四分之一波片9)附著於第一反射面6上。
具體地，可以透過契合於微型顯示器8尺寸的機械外殼，將微型顯示器8(包括其間可能設置的第一四分之一波片9)與第一反射面6包裹在一起，進一步增強成像顯示系統的緊湊性和穩定性。
本發明的較佳的實施例中，上述光學引擎模組A中還包括：準直透鏡11，垂直於被分光面5反射的第二類偏振光(本實施例中為S偏振光)的光路方向設置，並與上述微型顯示器8分別位於分光面5的兩側，準直透鏡11用於拉伸微型顯示器8上的像素的成像距離；第二四分之一波片13，設置於準直透鏡11和分光面5之間，用於旋轉反射光的偏振。
上述部件均包括在光學引擎模組A的成像部分中。
具體地，本實施例中，上述第二四分之一波片13(QWP)的作用與上述第一四分之一波片9的作用相同，均為旋轉反射光的偏振，即將S偏振光轉換成P偏振光，或者將P偏振光轉換成S偏振光。本實施例中，由於透射過分光面5的為P偏振光，因此第二四分之一波片13將其轉換成S偏振光並射至分光面5。
本實施例中，於上述第二四分之一波片13和分光面5之間設置一第二反射面10。
上述準直透鏡11的背面可以用金屬或者介電材料塗覆，以創建一個反射鏡面12，該反射鏡面12的曲率與上述第二反射面10和第一反射面6之間的距離相關，以使得該反射鏡面12的焦距等於距離上述微型顯示器8的光路距離。
進一步地，本發明的較佳的實施例中，透過一機械外殼將上述準直透鏡11(包括其間設置的第二四分之一波片13)附著於上述第二反射面10上，以增強成像顯示系統的緊湊性和穩定性。
本發明的較佳的實施例中，上述偏振分光模組A中偏振分光器3的作用主要在於將入射的光源區分為兩類偏振光並從光學引擎模組的出射面射出。
則如圖4-7所示，上述偏振分光器3具體可以由一第一直角棱鏡和一第二直角棱鏡組合形成；其中，第一直角稜鏡包括相互垂直的入射面4和第一反射面6；第二直角稜鏡包括相互垂直的第二反射面10和出射面7；第一直角稜鏡位於第二直角稜鏡的下方；第一直角稜鏡的斜面和第二直角稜鏡的斜面貼合形成上述分光面5； 分光面5用於透射光源中的一第一類偏振光，並且反射光源中的一第二類偏振光。具體地，上述第一類偏振光可以為S偏振光，則第二類偏振光為P偏振光；或者第一類偏振光為P偏振光，此時第二類偏振光就為S偏振光。本實施例中以第一類偏振光為P偏振光，第二類偏振光為S偏振光作為示例進行描述。
具體地，如圖4-7所示，上述偏振分光器3中包括由分光面5、入射面3和第一反射面6組成的第一直角稜鏡以及由分光面5、第二反射面10和出射面7組成的第二直角稜鏡。該偏振分光器3可以被設置成一類似於現有技術中的偏振分光稜鏡(Polarization Beam Splitter，PBS)的形狀。所謂偏振分光稜鏡，其能把入射的非偏振光分成兩束垂直的線偏光。
其中第一直角稜鏡位於第二直角稜鏡的下方。該偏振分光器位於整個光學引擎模組A的中心，其入射面3上貼合設置有光源陣列1(以及可能設置的線性偏振片2)，第一反射面6上貼合設置有微型顯示器8(以及可能設置的第一四分之一波片9)，第二反射面10上貼合設置有準準直透鏡11以及其間設置的第二四分之一波片13，出射面7上連接有管狀的波導結構14，從而構成整個緊湊型的成像顯示系統。
則如圖4-7所示，光源陣列1出射的光線經過偏振分光器3的分光面5，其中S偏振光被反射至下方的第一反射面6，P偏振光通過分光面5被透射至出射面7。
隨後被反射的S偏振光經過微型顯示器8(或者經過第一四分之一波片9)的旋轉而改變其偏振，變為P偏振光，隨後通過分光面5被透射至第二反射面10。
上述被透射至第二反射面10的P偏振光經過上述準直透鏡11和第二四分之一波片13的旋轉而改變其偏振，變為S偏振光，隨後通過分光面5被反射至出射面7。
最終經過出射面7的光線就變成了兩束偏振光分量，分別為微弱的P偏振光(如圖4所示)以及主導的S偏振光(如圖6所示)。隨後兩束偏振光分量通過出射面7被射至與其連接的波導結構14中並經歷全內反射，從而提升整個成像顯示系統的視場角(FOV)和眼動框(EMB)。
綜上，本發明技術方案中，上述光學引擎模組A中分別設置有光源陣列1、微型顯示器8、準直透鏡11以及相應的光學配件，並將這些光學元器件用機械外殼緊湊地封裝在偏振器3周圍，該光學引擎模組一起與波導結構一起形成一個緊湊的成像顯示系統，並且提高該成像顯示系統的穩定性，使其更容易適用在HMD或者NED中，為使用者呈現更佳的AR顯示效果。
圖7中為光學引擎模組A的立體示意圖，於圖7中可以更清晰地看到中央的偏振分光器3與周圍的光學元器件之間的連接關係。
圖4-7中示出的上述偏振分光器3為類似偏振分光稜鏡的立方體結構，但其僅為本發明的其中一個實施例。在本發明的其他實施例中，上述偏振分光器3的外觀結構並不僅限於立方體結構，任何能夠滿足上述光路傳輸要求的偏振分光結構均可以作為上述偏振分光器3使用，在此不再贅述。
綜上，應用本發明技術方案中的帶有波導結構的成像顯示系統，能夠將HMD和NED的視場角擴展到超過40°，並且將微型顯示器的眼動框擴展到大於10mm，從而使得觀看者的觀感更舒適，更利於實現AR技術中不同的顯示效果。
並且，本發明技術方案中，所有光學元器件均被粘接和層壓在中央的偏振分光器上，使得整個成像顯示系統更容易進行機械包裝，相對於其他HMD和NED的顯示系統更適於大規模生產。
以上僅為本發明較佳的實施例，並非因此限制本發明的實施方式及保護範圍，對於本領域技術人員而言，應當能夠意識到凡運用本發明說明書及圖示內容所作出的等同替換和顯而易見的變化所得到的方案，均應當包含在本發明的保護範圍內。

Claims (16)

  1. 一種成像顯示系統，應用於擴增實境技術中；其中，於該成像顯示系統中設置一包括偏振分光器的光學引擎模組，用於將入射的光源區分為兩類偏振光並同時從該光學引擎模組的出射面射出；於該光學引擎模組的該出射面的外表面上設置一波導結構，該波導結構呈管狀，該波導結構的一端連接於該出射面上並與該出射面之間形成一預設的夾角，該波導結構的另一端為自由端，該成像顯示系統透過該波導結構擴散該成像顯示系統的眼動框；該波導結構與該出射面之間形成的預設的該夾角使得入射至該波導結構中的光線於該波導結構內形成全內反射；該波導結構進一步包括：多個半透射半反射的透鏡，依次斜向設置於該波導結構的內部，射入該波導結構中的光線在每個該透鏡的表面進行反射以被均勻地釋放到觀看者的眼睛中；該光學引擎模組的照明部分包括一分光面以及一光源陣列，該分光面相對於該光源陣列斜向設置；該光源陣列發出的偏振光中的一第一類偏振光透射過該分光面並從該光學引擎模組的該出射面射出；該光源陣列發出的偏振光中的一第二類偏振光經過該分光面呈90度反射後射出；該光源陣列設置的方向平行於被該分光面反射後的該第二類偏振光的光路方向；該第一類偏振光為S偏振光，該第二類偏振光為P偏振光；或者該第一類偏振光為P偏振光，該第二類偏振光為S偏振光；該光學引擎模組的顯示部分包括：微型顯示器，垂直於被該分光面反射的該第二類偏振光的光路方向設置，該光源陣列發出的光源通過該分光面反射後至該微型顯示器上成像顯示；該微型顯示器還用於將該第二類偏振光反射後轉換成該第一類偏振光，並透射出該分光面。
  2. 如請求項第1項所述之成像顯示系統，其中，兩類該偏振光包括S偏振光和P偏振光。
  3. 如請求項第1項所述之成像顯示系統，其中，該波導結構與該出射面之間的夾角使得從該出射面出射的光線以大於臨界角的角度分別射至該波導結構的頂表面和底表面；於該波導結構和該出射面之間設置一三稜鏡，該三稜鏡的形狀匹配於該波導結構與該出射面之間的預設的該夾角；於該三稜鏡的外表面塗覆有吸光性材料。
  4. 如請求項第3項所述之成像顯示系統，其中，從該出射面射出並射入至該波導結構中的光線的入射光瞳被完全包括在該波導結構內。
  5. 如請求項第1項所述之成像顯示系統，其中，於該波導結構和該出射面之間設置一三稜鏡，該三稜鏡的形狀匹配於該波導結構與該出射面之間的夾角；於該三稜鏡的外表面塗覆有反射性材料；該波導結構與該出射面之間的夾角使得從該三稜鏡的外表面反射至該波導結構的光線以大於臨界角的角度分別射至該波導結構的頂表面和底表面。
  6. 如請求項第5項所述之成像顯示系統，其中，從該出射面射出並射入至該波導結構中的光線的入射光瞳被包括在該三稜鏡內。
  7. 如請求項第6項所述之成像顯示系統，其中，該光源陣列為偏振的發光體。
  8. 如請求項第1項所述之成像顯示系統，其中，該光源陣列為非偏振的發光體；於該光源陣列和該分光面之間設置一線性偏振片，以將該光源陣列發出的光轉換成偏振光。
  9. 如請求項第1項所述之成像顯示系統，其中，於該照明部分中還設置一入射面，該入射面設置在該光源陣列與該分光面之間並且平行於該光源陣列；透過一機械外殼將該光源陣列附著於該入射面上。
  10. 如請求項第1項所述之成像顯示系統，其中，該微型顯示器為能夠旋轉反射光的偏振的顯示器。
  11. 如請求項第1項所述之成像顯示系統，其中，該微型顯示器為無法旋轉反射光的偏振的顯示器；於該微型顯示器與該分光面之間設置一第一四分之一波片，用於旋轉反射光的偏振。
  12. 如請求項第1項所述之成像顯示系統，其中，於該光學引擎模組中設置一第一反射面，該第一反射面設置於該微型顯示器與該分光面之間並且平行於該微型顯示器；透過一機械外殼將該微型顯示器附著於該第一反射面上。
  13. 如請求項第1項所述之成像顯示系統，其中，該光學引擎模組中還包括：準直透鏡，垂直於被該分光面反射的該第二類偏振光的光路方向設置，並與該微型顯示器分別位於該分光面的兩側，該準直透鏡用於拉伸該微型顯示器上的像素的成像距離；第二四分之一波片，設置於該準直透鏡和該分光面之間，用於旋轉反射光的偏振。
  14. 如請求項第13項所述之成像顯示系統，其中，於該第二四分之一波片和該分光面之間設置一第二反射面；透過一機械外殼將該準直透鏡和該第二四分之一波片附著於該第二反射面上。
  15. 如請求項第1項所述之成像顯示系統，其中，該光學引擎模組中的該偏振分光器用於將入射的光源區分為兩類偏振光並從該光學引擎模組的該出射面射出；該偏振分光器由一第一直角稜鏡和一第二直角稜鏡組合形成；該第一直角稜鏡包括相互垂直的入射面和第一反射面；該第二直角稜鏡包括相互垂直的第二反射面和該出射面；該第一直角稜鏡位於該第二直角稜鏡的下方；該第一直角稜鏡的斜面和該第二直角稜鏡的斜面貼合形成一分光面；該分光面用於透射該光源中的一第一類偏振光，並且反射該光源中的一第二類偏振光。
  16. 如請求項第15項所述之成像顯示系統，其中，該第一直角稜鏡的斜面與該第二直角稜鏡的斜面膠合形成該分光面。
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