透視顯示器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于平面擴(kuò)展光學(xué)波導(dǎo)的透視顯示器件，其特征在于，依次包含：顯示光源，用于發(fā)出顯示所需的圖像光波；準(zhǔn)直透鏡，對(duì)圖像光波進(jìn)行準(zhǔn)直后發(fā)出準(zhǔn)直光波；光波耦合輸入棱鏡，對(duì)準(zhǔn)直光波進(jìn)行耦合后發(fā)出耦合光波；平面波導(dǎo)襯底，對(duì)耦合光波進(jìn)行反射傳播形成全反射波；光波耦合輸出棱鏡，對(duì)全反射波進(jìn)行耦合后輸出顯示光波；以及光波擴(kuò)束組，將顯示波進(jìn)行平面展開(kāi)，從而使圖像進(jìn)入用戶的視野中。本發(fā)明中的透視顯示器件整體上具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小重量輕，制造工藝簡(jiǎn)單，大視場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)；以棱鏡作為光波耦合輸入、輸出器件，耦合效率高，光波能量損失少，輸出圖像畫(huà)面清晰，顯示畫(huà)面質(zhì)量高等突出優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】透視顯示器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種顯示系統(tǒng)，具體涉及一種基于平面擴(kuò)展光學(xué)波導(dǎo)的透視顯示器件。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，平板顯示、可穿戴顯示、筆記本顯示等顯示技術(shù)通常依靠光學(xué)器件來(lái)傳輸需要顯示的圖像信息。例如，頭頂穿戴顯示系統(tǒng)依靠光學(xué)透鏡和棱鏡將圖片虛擬顯示在人眼前方一定距離處，在不影響人眼對(duì)周圍景物的可視度前提下，可以邊瀏覽信息邊走路，增強(qiáng)了現(xiàn)實(shí)感。此類系統(tǒng)主要的核心光學(xué)組件由三部分組成:光波輸入耦合裝置、光波傳輸襯底以及光波輸出耦合裝置。雖然采用常規(guī)的成像方法可以獲得大的視場(chǎng)，但是隨著視場(chǎng)的增力口，光學(xué)系統(tǒng)整體的重量和體積隨之急劇增加，導(dǎo)致此類光學(xué)系統(tǒng)在很多情況下的應(yīng)用受到了限制。為此尋求結(jié)構(gòu)輕巧、布局緊湊、擁有大視場(chǎng)以及高分辨率顯示圖像的可視光學(xué)系統(tǒng)逐漸成為此類成像顯示系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種具有大視場(chǎng)、顯示畫(huà)面質(zhì)量高的基于平面擴(kuò)展光學(xué)波導(dǎo)的透視顯示器件。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的透視顯示器件采用以下的技術(shù)方案。
[0005]一種基于平面擴(kuò)展光學(xué)波導(dǎo)的透視顯示器件，具有這樣的特征:依次包含:顯示光源，用于發(fā)出顯示所需的圖像光波；準(zhǔn)直透鏡，對(duì)圖像光波進(jìn)行準(zhǔn)直后發(fā)出準(zhǔn)直光波；光波率禹合輸入棱鏡，對(duì)準(zhǔn)直光波進(jìn)行稱合后發(fā)出稱合光波；平面波導(dǎo)襯底，對(duì)稱合光波進(jìn)行反射傳播形成全反射波；光波I禹合輸出棱鏡，對(duì)全反射波進(jìn)行I禹合后輸出顯不光波；以及光波擴(kuò)束組，對(duì)顯示波進(jìn)行平面展開(kāi)，其中，準(zhǔn)直透鏡設(shè)置在顯示光源與光波耦合輸入棱鏡之間，準(zhǔn)直透鏡對(duì)圖像光波進(jìn)行準(zhǔn)直，并使準(zhǔn)直光波以一定的角度入射到光波耦合輸入棱鏡，光波耦合輸入棱鏡連接在平面波導(dǎo)襯底的一端，將準(zhǔn)直光波耦合到平面波導(dǎo)襯底中，使耦合光波在平面波導(dǎo)襯底中形成全反射波進(jìn)行傳播，光波耦合輸出棱鏡連接在平面波導(dǎo)襯底的另一端，將全反射波耦合出平面波導(dǎo)襯底，從而形成向光波擴(kuò)束組輸出的顯示波，光波擴(kuò)束組連接在光波耦合輸出棱鏡上，利用平面鏡成像原理對(duì)顯示波進(jìn)行展開(kāi)。
[0006]在本發(fā)明提供的透視顯示器件中，還可以具有這樣的特征:其中，準(zhǔn)直透鏡采用柱狀棱鏡，準(zhǔn)直透鏡具有光波輸入面、光波輸出面，光波輸入面為平面，光波輸出面為圓弧面，光波輸入面對(duì)準(zhǔn)圖像光波，光波輸出面對(duì)準(zhǔn)光波耦合輸入棱鏡，準(zhǔn)直透鏡將接受到的圖像光波進(jìn)行準(zhǔn)直，再由光波輸出面將準(zhǔn)直后的光波傾斜地入射到光波I禹合輸入棱鏡。
[0007]在本發(fā)明提供的透視顯示器件中，還可以具有這樣的特征:其中，平面波導(dǎo)襯底由相互平行的上玻璃平面和下玻璃平面組成，耦合光波在上玻璃平面和下玻璃平面之間形成全反射波。
[0008]在本發(fā)明提供的透視顯示器件中，還可以具有這樣的特征:其中，光波耦合輸入棱鏡具有準(zhǔn)直光波入射面、I禹合光波輸出面、第一反射面，第一反射面和I禹合光波輸出面構(gòu)成第一夾角，并且第一反射面與上玻璃平面齊平，將耦合光波反射到平面波導(dǎo)襯底。
[0009]在本發(fā)明提供的透視顯示器件中，還可以具有這樣的特征:其中，光波耦合輸出棱鏡具有第二反射面和顯示平面，并且第二反射面與顯示平面構(gòu)成第二夾角，顯示平面與下玻璃平面齊平，光波耦合輸出棱鏡將全反射波耦合后由顯示平面輸出顯示波。
[0010]在本發(fā)明提供的透視顯示器件中，還可以具有這樣的特征:其中，光波擴(kuò)束組由一排微棱鏡單元構(gòu)成，且具有入射平面和展開(kāi)平面，入射平面與顯示平面重合，展開(kāi)平面對(duì)顯示波進(jìn)行平面展開(kāi)，擴(kuò)大視場(chǎng)。
[0011]在本發(fā)明提供的透視顯示器件中，還可以具有這樣的特征:其中，準(zhǔn)直光波入射面和耦合光波輸出面鍍有增透膜，第一反射面上鍍有反射膜，上玻璃平面和下玻璃平面相對(duì)應(yīng)的表面鍍有反射膜，第二反射面鍍有反射膜，顯示平面鍍有增透膜。
[0012]在本發(fā)明提供的透視顯示器件中，還可以具有這樣的特征:其中，耦合光波輸出面在下玻璃平面上的投影面積為第一次入射到下玻璃平面上的光波覆蓋區(qū)域面積的一半；耦合光波形成上邊緣光波和下邊緣光波，經(jīng)耦合后的圖像光波位于上邊緣光波和下邊緣光波之間，耦合后的上邊緣光波經(jīng)下玻璃平面反射到上玻璃平面，上邊緣光波在上玻璃平面上形成第一入射點(diǎn)，耦合后的下邊緣光波經(jīng)耦合光波輸出面折射到下玻璃平面，下邊緣光波在光波稱合輸入棱鏡的光波輸出平面上形成第二入射點(diǎn)，第一入射點(diǎn)和第二入射點(diǎn)位置相鄰，
[0013]在本發(fā)明提供的透視顯示器件中，還可以具有這樣的特征:其中，第一夾角和第二夾角的角度相等。
[0014]在本發(fā)明提供的透視顯示器件中，還可以具有這樣的特征:其中，入射平面的長(zhǎng)度S與下玻璃平面的長(zhǎng)度L之間滿足以下的關(guān)系:
[0015]S=NXL其中，N為數(shù)量，且N≥10。
[0016]發(fā)明的作用與效果
[0017]根據(jù)本發(fā)明提供的基于平面擴(kuò)展光學(xué)波導(dǎo)的透視顯示器件，利用準(zhǔn)直透鏡對(duì)光波進(jìn)行準(zhǔn)直；耦合輸出棱鏡將光波耦合到平面波導(dǎo)襯底；平面波導(dǎo)襯底對(duì)光波進(jìn)行全反射傳播；耦合輸出棱鏡將光波折射出平面波導(dǎo)襯底；以及光波擴(kuò)束組對(duì)光波進(jìn)行定位展開(kāi)。尤其是運(yùn)用光波擴(kuò)束組對(duì)光波進(jìn)行定位展開(kāi)，因此，本發(fā)明具有大視場(chǎng)、顯示畫(huà)面質(zhì)量高的突出優(yōu)點(diǎn)。另外，還采用棱鏡作為光波耦合輸入、輸出器件，因此還具有耦合效率高，光波能量損失少，輸出圖像畫(huà)面清晰的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例中透視顯示器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為圖1中透視顯示器件中字母B對(duì)應(yīng)的局部放大圖；
[0020]圖3為圖1中透視顯示器件中字母A對(duì)應(yīng)的局部放大圖；
[0021]圖4為圖1中透視顯示器件中光波擴(kuò)束組的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖5為對(duì)比例中采用凸透鏡作為光波耦合輸入棱鏡的光波傳播示意圖；以及
[0023]圖6為包含有本發(fā)明的實(shí)施例中透視顯示器件的穿戴顯示物品的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖中，1.顯示光源，2.圖像光波，3.準(zhǔn)直透鏡，31.光波輸入面，32.光波輸出面，4.光波稱合輸入棱鏡，41.準(zhǔn)直光波入射面,42.第一反射面,43.稱合光波輸出面,5.平面波導(dǎo)襯底，51.上玻璃平面,52.下玻璃平面,6.光波稱合輸出棱鏡,61.第二反射面，62.顯示平面，7.光波擴(kuò)束組71.入射平面，72.展開(kāi)平面，8.微棱鏡單元，9.光源，10.顯示組件，201.點(diǎn)光源，202.圖像光波，203.雙凸透鏡，204.光波耦合輸入棱鏡，205.平面波導(dǎo)襯底。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作具體闡述。
[0026]實(shí)施例一
[0027]圖1為本發(fā)明的實(shí)施例中透視顯示器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]如圖1所示，這種基于平面擴(kuò)展光學(xué)波導(dǎo)的透視顯示器件100依次包含:顯示光源1，用于發(fā)出顯示所需的圖像光波2 ;準(zhǔn)直透鏡3，對(duì)圖像光波2進(jìn)行準(zhǔn)直后發(fā)出準(zhǔn)直光波；光波稱合輸入棱鏡4,對(duì)準(zhǔn)直光波進(jìn)行稱合后發(fā)出稱合光波；平面波導(dǎo)襯底5,對(duì)稱合光波進(jìn)行反射傳播形成全反射波；光波I禹合輸出棱鏡6,對(duì)全反射波進(jìn)行f禹合后輸出顯不光波；以及光波擴(kuò)束組7，對(duì)顯示波進(jìn)行平面展開(kāi)，其中，準(zhǔn)直透鏡3設(shè)置在顯示光源I與光波耦合輸入棱鏡3之間，準(zhǔn)直透鏡3對(duì)圖像光波2進(jìn)行準(zhǔn)直，并使準(zhǔn)直光波2以一定的角度入射到光波稱合輸入棱鏡4,光波稱合輸入棱鏡4連接在平面波導(dǎo)襯底5的一端,將準(zhǔn)直光波I禹合到平面波導(dǎo)襯底5中，使耦合光波在平面波導(dǎo)襯底5中形成全反射波進(jìn)行傳播，光波耦合輸出棱鏡6連接在平面波導(dǎo)襯底5的另一端，將全反射波耦合出平面波導(dǎo)襯底5，從而形成向光波擴(kuò)束組7輸出的顯不波，光波擴(kuò)束組7連接在光波I禹合輸出棱鏡6上,利用平面鏡成像原理對(duì)顯示波進(jìn)行展開(kāi)。
[0029]顯示光源I,由OLED、Lcos、IXD等目前主流的顯示光源構(gòu)成。顯示光源I主要用于發(fā)出提供顯示所需的圖像光波2。由于光源對(duì)比度和分辨率不同，在進(jìn)行光源選擇時(shí)需要按照平面波導(dǎo)襯底5對(duì)不同光源光波傳輸特性的要求以及最終顯示圖像的要求進(jìn)行選取，否則將導(dǎo)致圖像重影的出現(xiàn)，降低圖像最后的顯示質(zhì)量。
[0030]準(zhǔn)直透鏡3，由切割后的柱狀透鏡組成。準(zhǔn)直透鏡3具有光波輸入面31、光波輸出面32，光波輸入面31為平面，光波輸出面32為圓弧面，光波輸入面31對(duì)準(zhǔn)圖像光波，光波輸出面32對(duì)準(zhǔn)光波耦合輸入棱鏡4，準(zhǔn)直透鏡3根據(jù)系統(tǒng)中光源的大小以及為了使光波能夠在平面波導(dǎo)襯底5中利用全反射進(jìn)行傳輸，而進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和加工。利用準(zhǔn)直透鏡3對(duì)來(lái)自顯示光源I的圖像波光2進(jìn)行準(zhǔn)直，使其入射到光波耦合輸入棱鏡4中。
[0031 ] 光波稱合輸入棱鏡4具有準(zhǔn)直光波入射面41、稱合光波輸出面43、第一反射面42,第一反射面42和耦合光波輸出面43構(gòu)成第一夾角，并且第一反射面42與上玻璃平面51齊平，將耦合光波反射到平面波導(dǎo)襯底5。光波耦合輸入棱鏡4作為輸入耦合組件，主要用于將來(lái)自準(zhǔn)直透鏡3的準(zhǔn)直光波耦合到平面波導(dǎo)襯底5中。在進(jìn)行耦合的過(guò)程中，主要利用反射原理改變光波傳播方向，使光波在平面波導(dǎo)襯底5中傳輸時(shí)滿足全反射條件進(jìn)行傳輸。為了能夠盡可能多的把準(zhǔn)直光波能量耦合到平面波導(dǎo)襯底5以及形成虛擬圖像，需要在準(zhǔn)直光波入射面41、耦合光波輸出面上43蒸鍍一層增透膜。
[0032]平面波導(dǎo)襯底5由兩面相互平行的上玻璃平面51和下玻璃平面52組成。目前可作為波導(dǎo)襯底的玻璃材料具有很多種類(如K9、BK7等)，每種材料的折射率和阿貝系數(shù)不同導(dǎo)致全反射角以及材料的透過(guò)率、吸收系數(shù)不同。由于平面波導(dǎo)襯底5在傳輸全反射光波的過(guò)程中，需要在滿足全反射光波沒(méi)有折射出平面波導(dǎo)襯底5的同時(shí)，盡可能減少材料本身對(duì)光波能量的吸收，否則將導(dǎo)致大量的光波能量在傳輸過(guò)程中損失掉，影響圖像最終的可見(jiàn)度。再者平面波導(dǎo)襯底5的材料本身限制了可在平面波導(dǎo)襯底5中傳輸?shù)膱D像的范圍以及圖像的亮度，為了擴(kuò)大傳輸圖像的范圍，通常需要在上玻璃平面51和下玻璃平面52按照需求蒸鍍一定的反射膜層，對(duì)平面波導(dǎo)襯底5材料的全反射角給予一定的擴(kuò)展。
[0033]圖2為圖1中透視顯示器件中字母B對(duì)應(yīng)的局部放大圖。
[0034]如圖1、圖2所不,光波I禹合輸出棱鏡6具有第二反射面61和顯不平面62,并且第二反射面61與顯示平面62構(gòu)成第二夾角，顯示平面62與下玻璃平面52齊平，光波耦合輸出棱鏡6主要用來(lái)將全反射光波耦合出平面波導(dǎo)襯底5。由于全反射光波在平面波導(dǎo)襯底5中傳輸時(shí)滿足全反射原理，為使全反射光波耦合輸出平面波導(dǎo)襯底5，全反射光波與下玻璃平面52法線的夾角應(yīng)小于全反射角(對(duì)于BK7玻璃全反射角為41.8° )。為了實(shí)現(xiàn)上述條件引入光波I禹合輸出棱鏡6,使全反射光波通過(guò)光波f禹合輸出棱鏡6的反射以后在顯示平面上的反射角小于全反射零界角從而耦合輸出平面襯底6。為了使光波能量盡可能多的耦合輸出，通常需要在第二反射面61上蒸鍍一層反射膜，在顯示平面62上蒸鍍一層增透膜。
[0035]圖4為圖1中透視顯示器件中光波擴(kuò)束組的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]如圖1、圖4所示，光波擴(kuò)束組7由微棱鏡單元8組成，其具有入射平面71和展開(kāi)平面72，入射平面與顯示平面重合，對(duì)于耦合輸出的顯示光波，由于空間方向的變化以及發(fā)散角過(guò)大造成直接觀察時(shí)只有局部光波可以進(jìn)入觀察者瞳孔，因而導(dǎo)致觀察視場(chǎng)太小，故需要引入光波擴(kuò)束組7。利用平面鏡成像原理對(duì)耦合輸出的光波進(jìn)行展開(kāi)，從而擴(kuò)大觀察視場(chǎng)。本實(shí)施例中的光波擴(kuò)束組7，利用棱鏡組將耦合輸出的光波進(jìn)行擴(kuò)展，使其每個(gè)微棱鏡單元8均可以單獨(dú)成像地輸出光信號(hào)，從而整體擴(kuò)大觀察視場(chǎng)。為了避免輸出圖像有間隙或者存在重疊部分，每個(gè)微棱鏡單元在展開(kāi)平面72上的投影應(yīng)相互銜接，組成光波擴(kuò)束組7的微棱鏡單元8的數(shù)目可根據(jù)具體要求進(jìn)行增減，為了達(dá)到擴(kuò)束的效果，光波擴(kuò)束組7上入射平面71的長(zhǎng)度和下玻璃平面52的長(zhǎng)度之間滿足下述關(guān)系:
[0037]S=nXL
[0038]其中，S為入射平面71的長(zhǎng)度，L為下玻璃平面52的長(zhǎng)度，η為兩者之間的比例，通常η大于10。
[0039]本發(fā)明波導(dǎo)器件的工作步驟以及實(shí)例應(yīng)用:
[0040]圖3為圖1中透視顯示器件中字母A對(duì)應(yīng)的局部放大圖。
[0041]如圖1至圖4所示，來(lái)自顯示光源I的圖像光波2經(jīng)準(zhǔn)直透鏡3準(zhǔn)之后，傾斜入射到到耦合輸入棱鏡4內(nèi)部。準(zhǔn)直光波進(jìn)入耦合輸入棱鏡4后，為了保證準(zhǔn)直光波能量盡可能的減小損失，必須保證準(zhǔn)直光波與第一反射面42的法線之間的夾角大于全反射臨界角。通過(guò)稱合輸入棱鏡4的第一反射面42進(jìn)行反射，與稱合輸入棱鏡4的稱合光波輸出面43相遇發(fā)生折射進(jìn)入平面波導(dǎo)襯底5內(nèi)。在平面波導(dǎo)襯底5中，由于耦合光波與上玻璃平面51和下玻璃平面52之間的法線的夾角大于全反射臨界角，從而保證全反射光波沒(méi)有因折射泄露出平面波導(dǎo)襯底5而造成能量損失，從而保證了圖像最終的亮度以及視場(chǎng)。對(duì)于部分光波由于無(wú)法保證完全可以使其約束在平面波導(dǎo)襯底5中進(jìn)行全反射傳輸，為此可在上玻璃平面51和下玻璃平面52上鍍反射膜減少反射面光波能量的損失。全反射光波經(jīng)過(guò)在平面波導(dǎo)襯底5中的傳輸進(jìn)入耦合輸出棱鏡6，與耦合輸出棱鏡6的第二反射面61相遇，經(jīng)過(guò)第二反射面61的反射，全反射光波與顯示平面62的法線之間的夾角小于全反射臨界角，從而全反射光波折射出平面波導(dǎo)襯底5，進(jìn)入光波擴(kuò)束組7，通過(guò)光波擴(kuò)束組7的重定位和擴(kuò)束，對(duì)傳輸?shù)膱D像經(jīng)行展開(kāi)，已達(dá)到擴(kuò)大視場(chǎng)的效果。
[0042]為了避免光波擴(kuò)束組7輸出的圖像之間存在暗間隙以及可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入圖像的展開(kāi)，必須有兩個(gè)條件得以滿足:
[0043]一、耦合光波輸出面43在下玻璃平面52上的投影面積為第一次入射到下玻璃平面52上的光波覆蓋區(qū)域面積的一半，即滿足條件:
[0044]2XS2=S1
[0045]其中，S2為稱合光波輸出面43在下玻璃平面52上的投影面積，SI為第一次入射到下玻璃平面52上的光波覆蓋區(qū)域面積。
[0046]二、經(jīng)耦合后的圖像光波位于上邊緣光波和下邊緣光波之間，耦合后的上邊緣光波經(jīng)下玻璃平面52反射到上玻璃平面51，上邊緣光波在上玻璃平面51上形成第一入射點(diǎn)，率禹合后的下邊緣光波經(jīng)稱合光波輸出面43折射到下玻璃平面52,下邊緣光波在稱合光波輸出面43上形成第二入射點(diǎn)，第一入射點(diǎn)和第二入射點(diǎn)位置相鄰。
[0047]光波經(jīng)準(zhǔn)直透鏡3的準(zhǔn)直之后,傾斜地折射進(jìn)入光波稱合輸入棱鏡4,光波稱合輸入棱鏡4保證光波在全反射進(jìn)入平面波導(dǎo)襯底5。由于準(zhǔn)直透鏡3的存在，使準(zhǔn)直光波的傾斜入射到光波耦合輸入棱鏡4的準(zhǔn)直光波入射面41。
[0048]圖5為對(duì)比例中采用凸透鏡作為光波耦合輸入棱鏡的光波傳播示意圖。
[0049]如圖5所示，對(duì)比例中的透視顯示裝置200僅采用普通的雙凸透鏡203將點(diǎn)光源201發(fā)出的圖像光波202準(zhǔn)直后折射入耦合輸入棱鏡204，光波在光波耦合輸入棱鏡204中發(fā)生全反射，光波無(wú)法進(jìn)入平面波導(dǎo)襯底205進(jìn)行全反射傳輸，因而不具有本實(shí)施例中準(zhǔn)直透鏡的作用和效果，因此準(zhǔn)直透鏡3的存在極大的方便了準(zhǔn)直光波直接入射到平面波導(dǎo)襯底5內(nèi)。
[0050]如圖2、圖3所示，通常在光學(xué)設(shè)計(jì)中，以主軸光波為參考光波進(jìn)行參數(shù)的確定，為使主軸光波滿足上述傳輸條件，各參數(shù)關(guān)系滿足:
[0051]Qsurl= Qin <45。
[0052]其中，a in是耦合光波輸出面43與第一反射面42之間的夾角，a surl是耦合光波輸出面43與下玻璃平面52之間的夾角。對(duì)于不同的耦合要求，光波耦合輸入棱鏡可做相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，此時(shí)頂角變?yōu)?
[0053]a，in= a in+ a rotate
[0054]其中，α ’ in是旋轉(zhuǎn)以后I禹合光波輸出面43與第一反射面42之間的夾角，a Mtate為光波稱合輸入棱鏡4旋轉(zhuǎn)的角度。
[0055]在光路設(shè)計(jì)時(shí)，為了保持主光波的方向在波導(dǎo)成輸入和輸出時(shí)沒(méi)有被改變，因此
[0056]a out= a in
[0057]其中，a out是第二反射面61與顯示平面62之間的夾角。
[0058]為了使光波擴(kuò)束組7起到擴(kuò)束的效果，同時(shí)避免重影的出現(xiàn)以及顯示圖像之間有暗間隙，對(duì)于光波擴(kuò)束組的傾斜角a sur2應(yīng)滿足:
[0059]asur2>45°[0060]在滿足上述關(guān)系的前提下，當(dāng)asml=30°時(shí)，
[0061]ain=30°
[0062]a out=30°
[0063]asur2=60°
[0064]以上述參數(shù)設(shè)計(jì)波導(dǎo)器件，準(zhǔn)直光波折射進(jìn)入耦合輸入棱鏡4，經(jīng)過(guò)耦合輸入棱鏡4的耦合進(jìn)入平面波導(dǎo)襯底5傳輸?shù)今詈陷敵隼忡R6，由耦合輸出棱鏡6反射耦合直接進(jìn)入光波擴(kuò)束組7。由于光波擴(kuò)束組7利用平面鏡成像原理，每個(gè)微棱鏡單元8又可以單獨(dú)地輸出來(lái)自光源的光信號(hào)。對(duì)于觀察者，由于不同的角度觀察者收集到的圖像的光波不同，導(dǎo)致觀察者可以之間看到整個(gè)圖像畫(huà)面，從而增大了像面觀察視場(chǎng)。
[0065]圖6為包含有本發(fā)明的實(shí)施例中透視顯示器件的穿戴顯示物品的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0066]如圖6所示，通過(guò)將本發(fā)明的透視顯示器件用于穿戴顯示物品300，一方面將來(lái)自顯示光源9的顯示信息傳輸?shù)斤@示組件10給予實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)由于本實(shí)施例中的組件沒(méi)有采用特殊的光闌來(lái)完全阻擋外界自然光的進(jìn)入，因此還可以觀察外面景物的變化。
[0067]實(shí)施例的作用與效果
[0068]根據(jù)本實(shí)施例涉及的基于平面擴(kuò)展光學(xué)波導(dǎo)的透視顯示器件，以棱鏡作為光波耦合輸入、輸出器件，耦合效率高，光波能量損失少，輸出圖像畫(huà)面清晰的優(yōu)點(diǎn)；本實(shí)施例中采用光波擴(kuò)束組對(duì)光波進(jìn)行定位展開(kāi)，因此具有大視場(chǎng)、顯示畫(huà)面質(zhì)量高這些突出優(yōu)點(diǎn)。
[0069]由于本實(shí)施例涉及的基于平面擴(kuò)展光學(xué)波導(dǎo)的透視顯示器件中，其組件沒(méi)有采用特殊的光闌來(lái)完全阻擋外界自然光的進(jìn)入將本實(shí)施例涉及的透視顯示器件運(yùn)用于可穿戴顯示物品，既可以觀看來(lái)自顯示光源的實(shí)時(shí)圖像畫(huà)面，還可以觀察外界景物。
[0070]本實(shí)施例涉及的基于平面擴(kuò)展光學(xué)波導(dǎo)的透視顯示器件僅采用準(zhǔn)直透鏡，耦合輸入棱鏡，波導(dǎo)襯底，耦合輸出棱鏡以及光波擴(kuò)束組，因此，本實(shí)施例中基于平面擴(kuò)展光學(xué)波導(dǎo)的透視顯示器件整體上還具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小重量輕，制造工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
[0071]當(dāng)然本發(fā)明所涉及的基于平面擴(kuò)展光學(xué)波導(dǎo)的透視顯示器件并不僅僅限定于在本實(shí)施例中所述的結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于平面擴(kuò)展光學(xué)波導(dǎo)的透視顯示器件，其特征在于，依次包含: 顯示光源，用于發(fā)出顯示所需的圖像光波； 準(zhǔn)直透鏡，對(duì)所述圖像光波進(jìn)行準(zhǔn)直后發(fā)出準(zhǔn)直光波； 光波稱合輸入棱鏡，對(duì)所述準(zhǔn)直光波進(jìn)行稱合后發(fā)出稱合光波； 平面波導(dǎo)襯底，對(duì)所述耦合光波進(jìn)行反射傳播形成全反射波； 光波I禹合輸出棱鏡，對(duì)所述全反射波進(jìn)行I禹合后輸出顯不波； 光波擴(kuò)束組，對(duì)所述顯示波進(jìn)行平面展開(kāi)， 其中，所述準(zhǔn)直透鏡設(shè)置在所述顯示光源與所述光波耦合輸入棱鏡之間，所述準(zhǔn)直透鏡對(duì)所述圖像光波進(jìn)行準(zhǔn)直，并使所述準(zhǔn)直光波以一定的角度入射到所述光波耦合輸入棱鏡， 所述光波耦合輸入棱鏡連接在所述平面波導(dǎo)襯底的一端，將所述準(zhǔn)直光波耦合到所述平面波導(dǎo)襯底中，使所述耦合光波在所述平面波導(dǎo)襯底中形成所述全反射波進(jìn)行傳播， 所述光波耦合輸出棱鏡連接在所述平面波導(dǎo)襯底的另一端，將所述全反射波耦合出所述平面波導(dǎo)襯底，從而形成向所述光波擴(kuò)束組輸出的所述顯示波， 所述光波擴(kuò)束組連接在所述光波耦合輸出棱鏡上，利用平面鏡成像原理對(duì)所述顯示波進(jìn)行展開(kāi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透視顯示器件，其特征在于: 其中，所述準(zhǔn)直透鏡采用柱狀棱鏡，所述準(zhǔn)直透鏡具有光波輸入面、光波輸出面，所述光波輸入面為平面，所述光波輸出面為圓弧面，所述光波輸入面對(duì)準(zhǔn)所述圖像光波，所述光波輸出面對(duì)準(zhǔn)所述光波耦合輸入棱鏡,并且耦合光波在所述光波輸出面上的入射角小于全反射臨界角，所述準(zhǔn)直透鏡將接受到的圖像光波進(jìn)行準(zhǔn)直，再由所述光波輸出面將準(zhǔn)直后的光波傾斜地入射到所述光波稱合輸入棱鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的透視顯示器件，其特征在于: 其中，所述平面波導(dǎo)襯底由相互平行的上玻璃平面和下玻璃平面組成，所述耦合光波在所述上玻璃平面和所述下玻璃平面之間形成所述全反射波。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的透視顯示器件，其特征在于: 其中，所述光波耦合輸入棱鏡具有準(zhǔn)直光波入射面、耦合光波輸出面、第一反射面，所述第一反射面和耦合光波輸出面構(gòu)成第一夾角，并且所述第一反射面與所述上玻璃平面齊平，將所述耦合光波反射到所述平面波導(dǎo)襯底。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的透視顯示器件，其特征在于: 其中，所述光波耦合輸出棱鏡具有第二反射面和顯示平面，并且第二反射面與所述顯示平面構(gòu)成第二夾角，所述顯示平面與所述下玻璃平面齊平，所述光波耦合輸出棱鏡將所述全反射波耦合后由所述顯示平面輸出顯示波。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的透視顯示器件，其特征在于: 其中，所述光波擴(kuò)束組由一排棱鏡單元構(gòu)成，且具有入射平面和展開(kāi)平面，所述入射平面與所述顯示平面重合，所述展開(kāi)平面對(duì)顯示波進(jìn)行平面展開(kāi)，擴(kuò)大視場(chǎng)。
7.跟據(jù)權(quán)利要求6所述的透視顯示系統(tǒng)，其特征在于: 其中，所述準(zhǔn)直光波入射面和耦合光波輸出面鍍有增透膜，第一反射面上鍍有反射膜， 所述上玻璃平面和所述下玻璃平面相對(duì)應(yīng)的表面鍍有反射膜，所述第二反射面鍍有反射膜，所述顯示平面鍍有增透膜。
8.跟據(jù)權(quán)利要求6所述的透視顯示系統(tǒng)，其特征在于: 其中，所述耦合光波輸出面在所述下玻璃平面上的投影面積為第一次入射到所述下玻璃平面上的光線覆蓋區(qū)域面積的一半； 所述耦合光波形成上邊緣光波和下邊緣光波，經(jīng)耦合后的所述圖像光波位于所述上邊緣光波和所述下邊緣光波之間， 耦合后的所述上邊緣光波經(jīng)所述下玻璃平面反射到所述上玻璃平面，所述上邊緣光波在所述上玻璃平面上形成第一入射點(diǎn)， 耦合后的所述下邊緣光波經(jīng)所述耦合光波輸出面折射到所述下玻璃平面，所述下邊緣光波在所述光波稱合輸入棱鏡的光波輸出平面上形成第二入射點(diǎn)， 所述第一入射點(diǎn)和所述第二入射點(diǎn)位置相鄰。
9.跟據(jù)權(quán)利要求5所述的透視顯示系統(tǒng)，其特征在于: 其中，所述第一夾角和所述第二夾角的角度相等。
10.跟據(jù)權(quán)利要求6所述的透視顯示系統(tǒng)，其特征在于: 其中，所述入射平面的長(zhǎng)度L與所述下玻璃平面的長(zhǎng)度S之間滿足以下的關(guān)系: S=NXL 其中，數(shù)量N≥10。
【文檔編號(hào)】G02B27/01GK103513424SQ201310454506
【公開(kāi)日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】張文君 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)