屈光度可調(diào)的曲面波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種近眼光學(xué)顯示器件，特別是一種屈光度可調(diào)的曲面波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]在信息多元化時(shí)代，各種需要顯示的圖像信息日益增多，近眼光學(xué)顯示系統(tǒng)由于能夠方便地將各種信息集中地顯示在一副虛擬的圖像中而備受關(guān)注。為了能夠體現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和解放雙手的理念，可穿戴顯示光學(xué)系統(tǒng)利用光學(xué)元件將圖像信息虛擬的顯示在人眼前方的一定距離處，方便穿戴者在瀏覽信息的同時(shí)可以觀察周?chē)拔锏淖兓瑥亩粫?huì)對(duì)佩戴者正常的行為方式造成影響，同時(shí)為了照顧屈光度異常的穿戴者，通常還需要具備一定屈光度補(bǔ)償?shù)哪芰?。因此?duì)于現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)型的可穿戴光學(xué)顯示器件，為了方便穿戴者能夠及時(shí)的獲取來(lái)自顯示源盡可能多的信息，通常要求顯示系統(tǒng)具有大視場(chǎng)、輕薄以及全彩的效果。傳統(tǒng)的顯示技術(shù)，例如自由曲面近眼顯示技術(shù)或者45°反射面近眼顯示技術(shù)，都由于存在著無(wú)法進(jìn)行內(nèi)在屈光度的調(diào)節(jié)、體積過(guò)于龐大、虛擬圖像顯示屏幕過(guò)小以及高昂的制造成本等問(wèn)題，導(dǎo)致近眼顯示系統(tǒng)的具體應(yīng)用受到了極大的限制。例如基于45°反射式結(jié)構(gòu)的顯示系統(tǒng)，為了增加視場(chǎng)只有通過(guò)增加45°反射面的面積即增加反射式結(jié)構(gòu)的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)，否則由于鬼像的出現(xiàn)將導(dǎo)致原始圖像對(duì)比度的降低，這些意味著整體顯示系統(tǒng)重量的增加，從而給佩戴者帶來(lái)了很大的不舒適感。對(duì)于基于自由曲面技術(shù)的近眼顯示系統(tǒng)，雖然集合了顯示和圖像放大為一體，在一定程度上縮減了顯示系統(tǒng)的體積，但是在圖像的大尺寸顯示和顯示系統(tǒng)的整體重量方面無(wú)法達(dá)到很大的平衡。再者傳統(tǒng)的顯示系統(tǒng)往往將虛擬圖像顯示在無(wú)窮遠(yuǎn)處，因此主要針對(duì)的人群是視力在1.2左右的人群，然而一般的(包括經(jīng)過(guò)視力矯正)的人群視力在1.0左右，為此在佩戴此類顯示器件時(shí)，佩戴者通常無(wú)法觀察到清晰、良好的圖像畫(huà)面，給佩戴者帶來(lái)了很大的困惑。為了解決這一問(wèn)題，傳統(tǒng)的顯示器件在屈光度調(diào)節(jié)方面通常采用外部輔助調(diào)節(jié)或者采用一次虛擬成像實(shí)現(xiàn)，這樣的方式導(dǎo)致在顯示系統(tǒng)的體積以及圖像的場(chǎng)面感等方面都達(dá)不到預(yù)期的效果。
[0004]為此，屈光度可調(diào)、輕薄、大視場(chǎng)、緊湊結(jié)構(gòu)以及高分辨率的圖像顯示一直是此類光學(xué)系統(tǒng)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，其中關(guān)鍵顯示光學(xué)元件的厚度、重量和大視場(chǎng)尤為重要。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，圖像的對(duì)比度和觀察視場(chǎng)范圍的大小直接影響到人員的安全以及信息的完整性的判斷，同時(shí)顯示系統(tǒng)的整體重量對(duì)于佩戴人員的舒服程度都有很大的影響。
[0005]為了解決傳統(tǒng)穿戴顯示光學(xué)系統(tǒng)重量和視場(chǎng)以及外屈光度調(diào)節(jié)等帶來(lái)的一系列問(wèn)題，美國(guó)Micro Vis1n公司申請(qǐng)的美國(guó)專利US7736006B2中提供了一種顯示技術(shù)方案，這種方案利用偏振襯底來(lái)實(shí)現(xiàn)光波偏振態(tài)的轉(zhuǎn)化，讓大角度的S光反射成像，小角度的P光完全透過(guò)反射面，此種方案的缺點(diǎn)是由于采用大角度S光反射P光透射，導(dǎo)致反射輸出面在襯底底面的投影面積過(guò)小而不利于視場(chǎng)的擴(kuò)展，同時(shí)加大了設(shè)計(jì)的難度，進(jìn)而導(dǎo)致器件的厚度無(wú)法輕薄化。美國(guó)專利US20100260455采用微鋸齒結(jié)構(gòu)，使顯示器件的顯示視場(chǎng)得到了擴(kuò)展，但是器件整體的厚度沒(méi)有降低，再者器件的整體的外觀美觀性不好，給穿戴者帶來(lái)的舒適感不足。在美國(guó)專利US7021777中，采用光傳導(dǎo)平板的方法實(shí)現(xiàn)了顯示器件視場(chǎng)的擴(kuò)展和顯示裝置的輕薄化，但是此中技術(shù)方案在器件的具體設(shè)計(jì)和工藝加工方面實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度很大，再者對(duì)于顯示視場(chǎng)的擴(kuò)展范圍有限，這些因素導(dǎo)致器件不利于大規(guī)模的生產(chǎn)。尤為重要的是，上述專利提到的平面波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示系統(tǒng)雖然在重量、體積以及視場(chǎng)的擴(kuò)大方面有所改善，但是在屈光度內(nèi)在的調(diào)節(jié)上沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的改變。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種屈光度可調(diào)的曲面波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件。
[0008]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案:
一種屈光度可調(diào)的曲面波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件，其特點(diǎn)在于:依次包括:圖像顯示光源，用于提供用來(lái)觀察的圖像信息；準(zhǔn)直透鏡組，則對(duì)光波進(jìn)行準(zhǔn)直；PBS偏振分光組件，用于對(duì)來(lái)自圖像顯示光源的光波進(jìn)行偏振分光；P&S光轉(zhuǎn)化組件，用于實(shí)現(xiàn)P偏振光和S偏振光的轉(zhuǎn)化；P&S分光選擇組件，為了使光波均勻地覆蓋在耦合輸入面上；微曲面波導(dǎo)襯底，用于對(duì)光波進(jìn)行全反射傳播；微局部曲率耦合輸出面，用于使傳輸光波耦合輸出到襯底外且對(duì)視場(chǎng)角進(jìn)行擴(kuò)展并對(duì)屈光度進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，圖像顯示光源位于微曲面波導(dǎo)襯底的右側(cè)，PBS偏振分光組件位于顯不光源的下方，在偏振分光組件的下方和右方各有一個(gè)P&S光轉(zhuǎn)化組件，其后各有一個(gè)準(zhǔn)直透鏡組，P&S分光選擇組件則位于偏振分光組件的左側(cè)。本發(fā)明主要采用偏振分光成像原理、全反射原理以及微曲率反射矯正屈光度的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的基本工作原理為:圖像顯示光源的光線進(jìn)入PBS偏振分光組件，首先來(lái)自光源的S光通過(guò)偏振分光組件的反射和P&S光轉(zhuǎn)化組件的轉(zhuǎn)換，使S光變?yōu)镻光進(jìn)入準(zhǔn)直透鏡組，然后經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡組的準(zhǔn)直反射，再由光轉(zhuǎn)化組件將S光變?yōu)镻光，然后直接透過(guò)PBS偏振分光組件的反射面進(jìn)入P&S分光選擇組件。對(duì)于來(lái)自光源的P光則直接透過(guò)PBS偏振分光組件的反射面進(jìn)入P&S光轉(zhuǎn)化組件中，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化組件的轉(zhuǎn)換使P光變?yōu)镾光進(jìn)入準(zhǔn)直透鏡組，然后經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡組的準(zhǔn)直反射，再由轉(zhuǎn)化組件將P光變?yōu)镾光，經(jīng)過(guò)PBS偏振分光組件反射面的反射進(jìn)入到P&S分光選擇組件中。通過(guò)分光選擇組件的半反半透性使來(lái)自準(zhǔn)直透鏡的光線均勻的覆蓋在波導(dǎo)耦合輸入面的表面。進(jìn)入耦合輸組件的光線與耦合反射面相遇，通過(guò)耦合反射面的反射，使其在波導(dǎo)中滿足全反射條件開(kāi)始傳播。光線在含球面或自由曲面(局部區(qū)域有一定的曲率)的波導(dǎo)(曲面波導(dǎo))中按照既定的路徑傳播到具有部分球面或自由曲面(局部區(qū)域有一定的曲率)的反射面處，由于耦合輸出反射面和含有微局部曲率表面的波導(dǎo)的結(jié)合，從而使光線按照反向匯聚的效果輸出到空氣介質(zhì)中。由于此效果具有負(fù)透鏡反向聚合的效果，因此可以將虛像按照一定的距離成像在屈光度異常人眼的遠(yuǎn)點(diǎn)處，從而在一定程度上可矯正或者降低了對(duì)于觀察者視力的嚴(yán)格要求。
[0009]本發(fā)明提供的曲面波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件，還具有這樣的特征:PBS偏振分光組件可以使S偏振光在反射面處發(fā)生發(fā)射，而使P偏振光完全透射。
[0010]本發(fā)明提供的曲面波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件，還具有這樣的特征:P&S光轉(zhuǎn)化組件可以實(shí)現(xiàn)P偏振光和S偏振光的相互轉(zhuǎn)化。
[0011]本發(fā)明提供的曲面波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件，還具有這樣的特征:P&S分光選擇組件具有半反半透的性質(zhì)。
[0012]本發(fā)明提供的曲面波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件，還具有這樣的特征:微曲面波導(dǎo)襯底的上下兩面均由類似于負(fù)透鏡的凹面組成。
[0013]本發(fā)明提供的曲面波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件，還具有這樣的特征:微局部曲率耦合輸出面是由一些具有微局部曲率的曲面反射面構(gòu)成，
與現(xiàn)有的光學(xué)顯示器件相比，本發(fā)明的有益效果是:屈光度可調(diào)、輕薄、大視場(chǎng)角、光學(xué)設(shè)計(jì)和加工工藝簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)緊湊以及圖像源能量利用率高。這些優(yōu)點(diǎn)使得本發(fā)明與現(xiàn)有的顯示器件相比:可進(jìn)行內(nèi)在屈光度調(diào)節(jié)、顯示視場(chǎng)更大，圖像的對(duì)比度明顯提高，同時(shí)成像系統(tǒng)在體積和重量方面比普通的成像波導(dǎo)系統(tǒng)減小了很多。在相同的體積下，本發(fā)明成像系統(tǒng)視場(chǎng)角更大，制造工藝更簡(jiǎn)單易行、成本更低廉，同時(shí)本發(fā)明相比傳統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊、小巧。本發(fā)明光學(xué)顯示器件可以被用于醫(yī)療信息遠(yuǎn)端教學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)模擬訓(xùn)練、消防救援信息定位指導(dǎo)、道路增強(qiáng)顯示等諸多領(lǐng)域，同時(shí)可作為終端機(jī)的顯示器來(lái)使用。
[0014]
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明屈光度可調(diào)的屈光度可調(diào)的曲面波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為傳統(tǒng)潛望式光學(xué)顯示系統(tǒng)的光線傳播示意圖；
圖3為先前專利的平面導(dǎo)光顯示器件示意圖；
圖4為本發(fā)明屈光度可調(diào)的曲面波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件的視場(chǎng)角擴(kuò)展示意圖；
圖5為本發(fā)明屈光度可調(diào)的曲面波導(dǎo)近眼光學(xué)顯示器件的曲面波導(dǎo)示意圖；