一種用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，所述平面波導(dǎo)光學(xué)裝置包括圖像光源、準(zhǔn)直透鏡組、偏振分光棱鏡、偏振轉(zhuǎn)換波片、第一偏振反射棱鏡、第二偏振反射棱鏡、平面導(dǎo)光襯底、偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底和耦合輸出面。由于采用了通過平面導(dǎo)光襯底和偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底來引導(dǎo)圖像光線的技術(shù)方案，只需要增加偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中的耦合輸出面的面積就能夠增大視場，而無需增加光學(xué)裝置的厚度，所以解決了現(xiàn)有技術(shù)中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備存在因采用基于45°反射式結(jié)構(gòu)或者離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)，而無法調(diào)節(jié)視場和重量之間的矛盾的技術(shù)問題。
【專利說明】
一種用于増強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置及増強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及光學(xué)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(英文:Augmented Reality;簡稱:AR)，是利用虛擬物體或信息對真實(shí)場景進(jìn)行現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)的技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通常基于攝像頭等圖像采集設(shè)備獲得的真實(shí)物理環(huán)境影像，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)識別分析及查詢檢索，將與之存在關(guān)聯(lián)的文本內(nèi)容、圖像內(nèi)容或圖像模型等虛擬生成的擴(kuò)展信息或虛擬場景顯示在真實(shí)物理環(huán)境影像中，從而使用戶能夠獲得身處的現(xiàn)實(shí)物理環(huán)境中的真實(shí)物體的標(biāo)注、說明等相關(guān)擴(kuò)展信息，或者體驗(yàn)到現(xiàn)實(shí)物理環(huán)境中真實(shí)物體的立體的、突出強(qiáng)調(diào)的增強(qiáng)視覺效果。
[0003]目前，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備一般通過基于45°反射式結(jié)構(gòu)或者離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，但這些結(jié)構(gòu)在視場增大和整體重量這兩方面存在矛盾，例如，采用基于45°反射式結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，為了增大視場，只有通過增加45°反射面的面積來實(shí)現(xiàn)，即增加反射式結(jié)構(gòu)的厚度，否則就會由于鬼影的出現(xiàn)而導(dǎo)致原始圖像的對比度降低，而增加了反射式結(jié)構(gòu)的厚度就意味著整體顯示系統(tǒng)重量的增加，給佩戴者帶來了很大的不舒適感。
[0004]因此，現(xiàn)有技術(shù)中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備存在因采用基于45°反射式結(jié)構(gòu)或者離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)，而無法調(diào)節(jié)視場和重量之間的矛盾的技術(shù)問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，以解決增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的視場和重量之間的矛盾。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型提供了一種用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，包括圖像光源、準(zhǔn)直透鏡組、偏振分光棱鏡、偏振轉(zhuǎn)換波片、第一偏振反射棱鏡、第二偏振反射棱鏡、平面導(dǎo)光襯底、偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底和親合輸出面；
[0007]其中，所述圖像光源用于發(fā)出圖像光線；所述準(zhǔn)直透鏡組設(shè)置于所述圖像光源的出射光路上，用于對所述圖像光線進(jìn)行準(zhǔn)直處理，獲得準(zhǔn)直光線;所述偏振分光棱鏡設(shè)置于所述準(zhǔn)直透鏡組的出射光路上，用于對所述準(zhǔn)直光線進(jìn)行分光處理，將所述準(zhǔn)直光線中的S光反射，且將所述準(zhǔn)直光線中的P光透射;所述偏振轉(zhuǎn)換波片設(shè)置于所述偏振分光棱鏡的出射光路上，用于將所述準(zhǔn)直光線中的P光轉(zhuǎn)換為S光并透射;所述第一偏振反射棱鏡設(shè)置于所述偏振轉(zhuǎn)換波片的出射光路上，用于反射所述偏振轉(zhuǎn)換波片透射的S光;所述第二偏振反射棱鏡設(shè)置于所述偏振分光棱鏡和所述第一偏振反射棱鏡的反射光路上，用于反射所述偏振分光棱鏡和所述第一偏振反射棱鏡反射的S光;所述平面導(dǎo)光襯底設(shè)置于所述第二偏振反射棱鏡的反射光路上，用于將所述第二偏振反射棱鏡反射的S光進(jìn)行全反射傳播;所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底與所述平面導(dǎo)光襯底相鄰，用于對所述平面導(dǎo)光襯底傳播的S光進(jìn)行偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換;所述耦合輸出面設(shè)置于所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中，用于將經(jīng)過所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底轉(zhuǎn)換后的光線輸出至人眼;環(huán)境光線依次通過所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底和所述親合輸出面進(jìn)入人眼。
[0008]可選地，所述耦合輸出面包括多個(gè)子輸出面，所述多個(gè)子輸出面按所述圖像光線在所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中的傳播方向，依次平行設(shè)置。
[0009 ]可選地，每個(gè)子輸出面涂覆有透射膜。
[0010]可選地，主軸光線與所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底上下表面法線的夾角β-surf與主軸光線與所述親合輸出面法線的夾角β-ref之間滿足下述關(guān)系:β-ref = 0.δ^β-surf。
[0011]可選地，所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底的厚度，所述平面導(dǎo)光襯底的厚度H-small，所述平面導(dǎo)光襯底的長度C-Length，以及主軸光線與所述平面導(dǎo)光襯底的上下表面法線的夾角β-surf滿足下述關(guān)系:
[0012]C-Length > 6*(H-small*tan(β-surf))。
[0013]可選地，所述偏振轉(zhuǎn)換波片具體為1/4波片。
[0014]可選地，所述偏振分光棱鏡具體為一對直角棱鏡膠合而成，其中一個(gè)直角棱鏡的斜邊上鍍有偏振分光介質(zhì)膜。
[0015]本實(shí)用新型實(shí)施例第二方面還提供一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，包括如第一方面任一所述的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置。
[0016]本實(shí)用新型實(shí)施例中的一個(gè)或者多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或者優(yōu)占.V.
[0017]1、由于采用了通過平面導(dǎo)光襯底和偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底來引導(dǎo)圖像光線的技術(shù)方案，只需要增加偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中的耦合輸出面的面積就能夠增大視場，而無需增加光學(xué)裝置的厚度，所以解決了現(xiàn)有技術(shù)中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備存在因采用基于45°反射式結(jié)構(gòu)或者離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)，而無法調(diào)節(jié)視場和重量之間的矛盾的技術(shù)問題。
[0018]2、由于采用了通過偏振轉(zhuǎn)換波片將圖像光線中的P光轉(zhuǎn)換為S光，并傳輸至平面導(dǎo)光襯底和偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底的技術(shù)方案，所以圖像光線中的能量能夠幾乎全部進(jìn)入平面導(dǎo)光襯底和偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中，從而提高了能量的利用率，與現(xiàn)有技術(shù)中通過基于45°反射式結(jié)構(gòu)或者離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備相比，在向用戶提供同樣亮度的虛擬圖像的情況下，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置的能耗明顯降低。
【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖:
[0020]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的耦合輸出面109中一個(gè)子輸出面的光路示意圖；
[0022]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的子輸出面1091上透射膜的反射率隨角度變化示意圖；
[0023]圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的光線在偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108中的轉(zhuǎn)化示意圖；
[0024]圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的平面波導(dǎo)光學(xué)顯示器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0026]本實(shí)用新型實(shí)施例第一方面提供一種用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，請參考圖1，圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，該平面波導(dǎo)光學(xué)裝置包括圖像光源101、準(zhǔn)直透鏡組102、偏振分光棱鏡組103、偏振轉(zhuǎn)換波片104、第一偏振反射棱鏡105、第二偏振反射棱鏡106、平面導(dǎo)光襯底107、偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108和耦合輸出面109;
[0027]請參考圖1，如圖1所示，圖像光源101用于發(fā)出圖像光線;準(zhǔn)直透鏡組102設(shè)置于圖像光源101的出射光路上，用于對圖像光線進(jìn)行準(zhǔn)直處理，獲得準(zhǔn)直光線;偏振分光棱鏡組103設(shè)置于準(zhǔn)直透鏡組102的出射光路上，用于對準(zhǔn)直光線進(jìn)行分光處理，將準(zhǔn)直光線中的S光反射，且將準(zhǔn)直光線中的P光透射;偏振轉(zhuǎn)換波片104設(shè)置于偏振分光棱鏡組103的出射光路上，用于將準(zhǔn)直光線中的P光轉(zhuǎn)換為S光并透射;第一偏振反射棱鏡105設(shè)置于偏振轉(zhuǎn)換波片104的出射光路上，用于反射偏振轉(zhuǎn)換波片104透射的S光;第二偏振反射棱鏡106設(shè)置于偏振分光棱鏡組103和第一偏振反射棱鏡105的反射光路上，用于反射偏振分光棱鏡組103和第一偏振反射棱鏡105反射的S光;平面導(dǎo)光襯底107設(shè)置于第二偏振反射棱鏡106的反射光路上，用于將第二偏振反射棱鏡106反射的S光進(jìn)行全反射傳播;偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108與平面導(dǎo)光襯底107相鄰，用于對平面導(dǎo)光襯底107傳播的S光進(jìn)行偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換;耦合輸出面109設(shè)置于偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108中，用于將經(jīng)過偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108轉(zhuǎn)換后的光線輸出至人眼;環(huán)境光線通過偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108和耦合輸出面109進(jìn)入人眼。
[0028]可以看出，由于采用了通過平面導(dǎo)光襯底和偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底來引導(dǎo)圖像光線的技術(shù)方案，只需要增加偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中的耦合輸出面的面積就能夠增大視場，而無需增加光學(xué)裝置的厚度，所以解決了現(xiàn)有技術(shù)中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備存在因采用基于45°反射式結(jié)構(gòu)或者離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)，而無法調(diào)節(jié)視場和重量之間的矛盾的技術(shù)問題。
[0029]同時(shí)，由于采用了通過偏振轉(zhuǎn)換波片將圖像光線中的P光轉(zhuǎn)換為S光，并傳輸至平面導(dǎo)光襯底和偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底的技術(shù)方案，所以圖像光線中的能量能夠幾乎全部進(jìn)入平面導(dǎo)光襯底和偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中，從而提高了能量的利用率，與現(xiàn)有技術(shù)中通過基于45°反射式結(jié)構(gòu)或者離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備相比，在向用戶提供同樣亮度的虛擬圖像的情況下，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置的能耗明顯降低。
[0030]在接下來的部分中，將結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹上述技術(shù)方案。
[0031]圖像光源101在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備上主要提供用于觀察的虛擬圖像。為了能夠提供豐富的圖像信息，通常利用微型化的顯示芯片來提供相應(yīng)的圖像信息，否則將不利于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的重量降低，目前，微型化的圖像光源101可以采用IXD、0LED、LCOS等，不同的顯示技術(shù)對應(yīng)于不同的顯示要求。
[0032]在實(shí)際應(yīng)用中，為了能夠使顯示系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)在體積上趨于微型化，且考慮光源各點(diǎn)亮度的均勻性、輸出光效、亮度要求、分辨率與尺寸的限制等因素，通常選擇體積合適、亮度均勾、分辨率高的光源作為微顯示系統(tǒng)的顯示光源，如Lcos(英文:Liquid Crystalon Silicon;中文:液晶附硅)。對于Lcos，不同顯示類型的芯片，其分辨率上存在著顯著差別例如同尺寸的CS(英文:Color Sequential;中文:彩色時(shí)序)-LcoS分辨率通常高于CF英文:Color Filter；中文:彩色濾光膜)_Lcos的，但是CS-Lcos光學(xué)引擎設(shè)計(jì)技術(shù)相比CF-Lcos要復(fù)雜的多，因此必須根據(jù)具體的技術(shù)需要來選擇，在此就不再贅述了。
[0033]請參考圖1，準(zhǔn)直透鏡組102設(shè)置于圖像光線的光路上，主要是對圖像光源發(fā)出的光線進(jìn)行準(zhǔn)直處理。
[0034]在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備中，人眼作為最終的圖像接收器，需要對來自圖像的光線進(jìn)行準(zhǔn)直以達(dá)到人眼自由放松觀看的實(shí)際要求，否則將會對人眼造成傷害，影響正常的視力。為了實(shí)現(xiàn)這一效果，一般采用光學(xué)透鏡對顯示光源發(fā)出的光線進(jìn)行準(zhǔn)直，但是由于光學(xué)系統(tǒng)像差的存在，圖像經(jīng)過單個(gè)透鏡后存在著象散、畸變、場曲、彗差等像差，導(dǎo)致圖像的對比度嚴(yán)重降低，為此對于準(zhǔn)直透鏡組102需要按照應(yīng)用要求進(jìn)行嚴(yán)格的像差矯正，以期達(dá)到理想的成像效果，否則就會影響光學(xué)系統(tǒng)的最終分辨率，使得人眼直接觀察時(shí)的圖像質(zhì)量發(fā)生變化，無法觀看到清晰的虛擬圖像。
[0035]由于普通球面鏡在矯正像差時(shí)，需要采用幾塊折射率不同和曲率半徑不同的透鏡組合而成，這會使整個(gè)系統(tǒng)的重量和體積增大，因此通常采用非球面鏡和球面鏡組合來完成像差的矯正，再者鑒于現(xiàn)代光學(xué)加工技術(shù)的發(fā)展，自由曲面技術(shù)也被應(yīng)用于像差矯正中，因此還可結(jié)合自由曲面技術(shù)來實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)微型化的要求，在此就不再贅述了。
[0036]請參考圖1，偏振分光棱鏡(英文:polarizing beam splitter;簡稱:PBS)組103設(shè)置于準(zhǔn)直透鏡組102的出射光路上，用于對進(jìn)行準(zhǔn)直處理后的圖像光線進(jìn)行分光處理。
[0037]來自圖像光源的光線由P光和S光組成，也即包括P偏振光和S偏振光，為了使本實(shí)用新型器件能夠按照光學(xué)設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行工作，需要對來自圖像光源的光線進(jìn)行相應(yīng)的處理。偏振分光棱鏡組可以使P光線無損失的完全透射，而對S光線進(jìn)行相應(yīng)的反射，使其可以折射進(jìn)入到器件中，因此可以保證進(jìn)入器件的光線的偏振性，使光線按照器件的光學(xué)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行傳播，從而保證了圖像的對比度，否則由于P光的存在將會加大光學(xué)設(shè)計(jì)的難度，降低了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的可能性。
[0038]在本實(shí)施例中，如圖1所示，偏振分光棱鏡組103設(shè)置在準(zhǔn)直透鏡組102的具體為一對直角棱鏡膠合而成，其中一個(gè)直角棱鏡的斜邊上鍍有偏振分光介質(zhì)膜，這樣，即能夠?qū)⒔?jīng)過準(zhǔn)直透鏡組102進(jìn)行準(zhǔn)直后的圖像光線中的S光反射，且將準(zhǔn)直光線中的P光透射。
[0039]請參考圖1，偏振轉(zhuǎn)換波片104設(shè)置于偏振分光棱鏡組103的出射光路上，用于將準(zhǔn)直光線中的P光轉(zhuǎn)換為S光并透射。
[0040]波片(英文=Waveplate)是指能夠使互相垂直的兩光振動(dòng)間產(chǎn)生附加光程差(或相位差)的光學(xué)器件，通常由具有精確厚度的石英、方解石或云母等雙折射晶片做成，其光軸與晶片表面平行。在本實(shí)施例中，偏振轉(zhuǎn)換波片104具體可以由一個(gè)二分之一波片組成，或者由兩個(gè)四分之一波片組成，從而將準(zhǔn)直光線中的P光轉(zhuǎn)換為S光并向后透射，在此就不再贅述了。
[0041 ]請參考圖1，第一偏振反射棱鏡105設(shè)置于偏振轉(zhuǎn)換波片104的出射光路上，用于反射偏振轉(zhuǎn)換波片104透射的S光。
[0042]在本實(shí)施例中，如圖1所不，第一偏振反射棱鏡105具體為一個(gè)直角棱鏡，該直角棱鏡的一條直角邊與偏振轉(zhuǎn)換波片104相鄰，且該直角邊的長度大于或者等于偏振轉(zhuǎn)換波片104的長度，從而能夠?qū)钠褶D(zhuǎn)換波片104透射出的S光，當(dāng)然，為了加強(qiáng)第一偏振反射棱鏡105的反射作用，可以在第一偏振反射棱鏡105的斜邊上鍍上全反射膜，在此就不再贅述了。
[0043]請參考圖1，第二偏振反射棱鏡106設(shè)置于偏振分光棱鏡組103和第一偏振反射棱鏡105的反射光路上，用于反射偏振分光棱鏡組103和第一偏振反射棱鏡105反射的S光。
[0044]在本實(shí)施例中，如圖1所不，第二偏振反射棱鏡106的一條直角邊與第一偏振反射棱鏡105、偏振轉(zhuǎn)換波片104和偏振分光棱鏡組103均相鄰，且該直角邊的長度大于或者等于第一偏振反射棱鏡105、偏振轉(zhuǎn)換波片104和偏振分光棱鏡組103這3者組合的長度，當(dāng)然了，與第一偏振反射棱鏡105類似的，為了加強(qiáng)第二偏振反射棱鏡106的反射作用，可以在第二偏振反射棱鏡106的斜邊上鍍上全反射膜，在此就不再贅述了。
[0045]請參考圖1，如圖1所示，平面導(dǎo)光襯底107設(shè)置于第二偏振反射棱鏡106的反射光路上，用于將第二偏振反射棱鏡106反射的S光進(jìn)行全反射傳播。在本實(shí)施例中，平面導(dǎo)光襯底107具有一導(dǎo)光面1071，第二偏振反射棱鏡106反射的S光從導(dǎo)光面1071進(jìn)入平面導(dǎo)光襯底107中。
[0046]平面導(dǎo)光襯底107的材料有很多種，如玻璃材料幾31、幾32、1(9、81(7等，塑料材料有PET、PMMA等，但由于每種材料的折射率、色散系數(shù)等參數(shù)的不同，導(dǎo)致了其全反射角零界角、材料的透過率、吸收系數(shù)、以及重量的不同，考慮到實(shí)際應(yīng)用條件以及加工工藝的限制，需要根據(jù)具體要求進(jìn)行選擇。光線在襯底傳播過程中，必須在保證光線沒有折射出襯底的同時(shí)，盡可能減少材料本身對光波能量的吸收，否則將導(dǎo)致大量的光波能量在傳輸過程中損失掉，影響圖像最終的可見度以及對比度，再者導(dǎo)光襯底材料本身的特性限制了可在襯底中傳輸?shù)膱D像的范圍以及圖像的亮度，為了進(jìn)一步擴(kuò)大傳輸圖像的范圍，通常需要在襯底表面按照需求蒸鍍一定反射率的膜層或者選用高折射率的材料，從而對材料的全反射角給予一定的擴(kuò)展，使圖像的傳輸范圍得到擴(kuò)大。
[0047]為此，平面波導(dǎo)襯底的材料通常選擇具備合適折射率、透過率以及機(jī)械性能的光學(xué)材料，如塑料亞克力PMMA，且塑料亞克力PMMA(Nd = 1.49)的全反射臨界角為42.20，高于一般的K9玻璃(Nd = 1.52)的全反射臨界角41.80，另外PMMA的重量較輕，對于同等體積的K9玻璃和PMMA塑料，PMMA的重量是K9玻璃的一半，屬于較為優(yōu)質(zhì)的材料。
[0048]請參考圖1，偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108與平面導(dǎo)光襯底107相鄰，用于對平面導(dǎo)光襯底107傳播的S光進(jìn)行偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換。在本實(shí)施例中，偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108的材料可以和平面導(dǎo)光襯底107相同，在此就不再贅述了。偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108與平面導(dǎo)光襯底107可以通過光透過率較高的、光吸收率較低的黏合劑或粘著劑固定在一起，也可以兩者一體制成，然后在偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108對應(yīng)的位置制作相應(yīng)的結(jié)構(gòu)即可，在此就不再贅述了。
[0049]請繼續(xù)參考圖1，光線在平面導(dǎo)光襯底107中傳輸一定的距離后，進(jìn)入偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108中，偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108可以使P光經(jīng)過偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108的下表面變?yōu)镾光，S光經(jīng)過偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底1 8的上表面轉(zhuǎn)化為P光，偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底1 8的上下表面的具體結(jié)構(gòu)可以由根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，以滿足實(shí)際情況的需要，在此就不再贅述了。
[0050]當(dāng)然，本領(lǐng)域所屬的技術(shù)人員能夠根據(jù)實(shí)際情況，分別為偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108與平面導(dǎo)光襯底107選擇合適的材料，以滿足實(shí)際情況的需要，在此就不再贅述了。
[0051]請參考圖1，耦合輸出面109設(shè)置于偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108中，用于將經(jīng)過偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108轉(zhuǎn)換后的光線輸出至人眼。
[0052]在本實(shí)施例中，如圖1所示，耦合輸出面109包括多個(gè)子輸出面，多個(gè)子輸出面按圖像光線在偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中的傳播方向，依次平行設(shè)置，其中，每個(gè)子輸出面涂覆有透射膜。
[0053]請繼續(xù)參考圖2，圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的耦合輸出面109中一個(gè)子輸出面的光路示意圖，如圖2所示，來自偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108的光線X-ray為S光，光線S_beaml首先和子輸出面1091相碰，一部分S光被該子輸出面1091輸出到偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108外進(jìn)入人眼形成虛擬圖像，一部分透過該子輸出面1091和偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108的上表面相碰，通過上表面的反射，光波的偏振態(tài)由S光變?yōu)镻光，變?yōu)镻偏振態(tài)的光線P-beaml首先和子輸出面1091相碰，由于子輸出面1091旋涂了相應(yīng)的透射膜，對P光完全透射，因此光線P-beaml可以完全透射，這樣能夠避免光線P-beaml在子輸出面1091上的二次反射，進(jìn)而避免了二次成像對原始圖像對比度造成的影響。光線P-beaml透過子輸出面1091以后和偏振轉(zhuǎn)化襯底的下表面相碰，經(jīng)過下表面的反射，光波由P偏振態(tài)轉(zhuǎn)化為S偏振態(tài)，光線如此往復(fù)在親合輸出面109之間進(jìn)行傳播，可以使光線均勻地并以較大輸出面積覆蓋輸出通光口徑，進(jìn)而完成光線輸出有效孔徑的擴(kuò)展，最終實(shí)現(xiàn)視場角的擴(kuò)展。
[0054]請繼續(xù)參考圖3，圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的子輸出面1091上透射膜的反射率隨角度變化示意圖。為了避免大角度光線的二次成像，需要使P光完全透射，而對S光具有一定的反射使其可以在人眼好成像。如圖3所示為當(dāng)入射光波波長為550nm的P光和S光時(shí)，小角度禍合輸出面的旋涂層的反射率隨角度變化的曲線，圖中在0-450范圍內(nèi)S光和P光都有一定的反射率，而在450-850范圍內(nèi)，P光全部透射，S光具有一定的反射率。由于本實(shí)用新型器件中P光是以大角度入射到子輸出面1091，S光以小角度入射到子輸出面1091，因此上述反射率曲線滿足了相應(yīng)的要求，可以避免P光的二次成像，提高了圖像的對比度。
[0055]當(dāng)然，由于偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108是采用PMMA材料加工而成的，在蒸鍍膜層時(shí)必須考慮到加熱帶來的對材料本身的影響，所以不宜采用傳統(tǒng)的熱蒸發(fā)鍍膜工藝，需要采用冷鍍的方式進(jìn)行，例如通過新興的鍍膜技術(shù)離子鍍可以很好地解決這個(gè)問題。這樣雖然膜層牢固度不如加熱蒸發(fā)，但是由于膜層位于材料之間，牢固度不會受到周圍環(huán)境的影響。
[0056]請繼續(xù)參考圖4，圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的光線在偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108中的轉(zhuǎn)化示意圖。如圖4所示，S偏振態(tài)的光線S-70首先和偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108的上表面Up-surface相碰，由于上表面Up-surf ace具有偏振轉(zhuǎn)化特性，可以使入射光的偏振方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，可以使S偏振光轉(zhuǎn)化為P偏振光，因此光線S-70經(jīng)過上表面的反射，變?yōu)槠穹较驗(yàn)镻偏振光的光線P-70。對于P偏振態(tài)的光線P-71，和襯底下表面Down-SurfaCe相碰，由于下表面Down-SurfaCe同樣具有偏振轉(zhuǎn)化特性，可以使入射光的偏振方向發(fā)生轉(zhuǎn)化，從而使P偏振光轉(zhuǎn)化為S偏振光，因此光線P-71經(jīng)過下表面的反射，變?yōu)槠穹较驗(yàn)镾偏振態(tài)的光線S-71 ο通過上述轉(zhuǎn)化，大角度P光可以完全透射穿過小角度輸出面，小角度入射的S光可以被子輸出面以一定的反射率從偏振轉(zhuǎn)化導(dǎo)光襯底108出射到人眼，形成圖像信息。
[0057]請繼續(xù)參考圖5，圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的平面波導(dǎo)光學(xué)顯示器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖，為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的效果，在光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，襯底的結(jié)構(gòu)參數(shù)之間應(yīng)該滿足一定的條件，否則將導(dǎo)致最終圖像的分辨率、對比度、清晰度失去實(shí)際的意義。如圖5所示，以軸上物點(diǎn)發(fā)出的主軸光線為參考光線設(shè)計(jì)，主軸光線垂直入射進(jìn)入禍合輸入面，各參數(shù)的相應(yīng)關(guān)系為:
[0058]β-surf = β—big，β—ref = 0.5*β—surf，其中，如圖5所示，β-big是導(dǎo)光面1071與平面導(dǎo)光襯底107下表面的夾角，β-surf是主軸光線與襯底上下表面法線的夾角,β-ref是主軸光線與子輸出面1091法線的夾角。為了避免色散引起的圖像對比度降低，|^18應(yīng)該滿足主軸光線垂直入射的條件，同時(shí)主軸光線進(jìn)入襯底以后能夠滿足平面導(dǎo)光襯底107的全反射條件進(jìn)行傳播；
[°°59] β-surf = Ksmall，β-small是子輸出面1091與偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底108下表面的夾角，β—con是導(dǎo)光面1071輸入面與導(dǎo)光襯底上表面連接面的夾角，為了保證設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的視場都能夠進(jìn)入到襯底中傳輸，需要按照設(shè)計(jì)要求來進(jìn)行設(shè)置，在此不做限制；
[0060]C-Length> 6* ( H-small*tan (β-surf ) )，H—small是導(dǎo)光襯底的厚度，C—Length是平面導(dǎo)光襯底107的長度。為了加工和設(shè)計(jì)的方便，將導(dǎo)光襯底和偏振轉(zhuǎn)化襯底分開設(shè)計(jì)，但是導(dǎo)光襯底的長度不宜過短，否則無法使光線按照既定的路徑傳播，同時(shí)不利于裝置最終的應(yīng)用。
[0061]為了進(jìn)一步說明本實(shí)用新型器件的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)際意義，下面以具體的參數(shù)對本實(shí)用新型給予定性的解釋說明，取iUlg = 4，子輸出面1091的數(shù)量為4，則:
[0062]β-surf = 54，β-ref = 27，β-small = 54。，β-con=80。，H-small = 3mm。
[0063]通過上述參數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的平面導(dǎo)光襯底顯示結(jié)構(gòu)，可以獲得水平30°的視場角，極大地?cái)U(kuò)展了用戶觀察的視場范圍，而對于采用基于45°反射式結(jié)構(gòu)或者離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)而言，如果需要獲得同樣大小的觀察視場反射式結(jié)構(gòu)的厚度至少需要6mm厚左右，由此可以看出本實(shí)用新型器件在輕薄、以及視場角擴(kuò)展方面有很大的優(yōu)勢。
[0064]當(dāng)然，為了保證每個(gè)子輸出面1091輸出的圖像光線的光強(qiáng)度的均勻性，可以通過設(shè)置每個(gè)子輸出面1091的反射效率來實(shí)現(xiàn)，具體地，例如，按照圖像光線在偏振轉(zhuǎn)換襯底108中的傳播方向，第一個(gè)子輸出面1091的反射效率可以設(shè)置為25%，第二個(gè)子輸出面1091的反射效率可以設(shè)置為33.3%，第三個(gè)子輸出面1091的反射效率可以設(shè)置為50%，第四個(gè)子輸出面1091的反射效率可以設(shè)置為100 %，這樣，按照圖像光線在偏振轉(zhuǎn)換襯底108中的傳播方向，每個(gè)子輸出面1091的反射效率按預(yù)設(shè)情況依次提高，從而能夠保證每個(gè)子輸出面1091輸出的圖像光線的光強(qiáng)度的均勻性。
[0065]并且，由于采用了通過偏振轉(zhuǎn)換波片將圖像光線中的P光轉(zhuǎn)換為S光，并傳輸至平面導(dǎo)光襯底和偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底的技術(shù)方案，所以圖像光線中的能量能夠幾乎全部進(jìn)入平面導(dǎo)光襯底和偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中，從而提高了能量的利用率。
[0066]本實(shí)用新型實(shí)施例第二方面還提供一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，該增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備包括第一方面介紹的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，在前述部分中已經(jīng)詳細(xì)介紹了平面波導(dǎo)光學(xué)裝置的具體過程，當(dāng)然，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備還可以包括外殼、穿戴裝置等等，在此就不再贅述了。
[0067]需要說明的是，在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備可以包括多個(gè)第一方面介紹的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，例如，可以為用戶的雙眼分別設(shè)置對應(yīng)的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，并且通過3D的方式，可以讓用戶看到立體的圖像；或者，可以為每個(gè)眼睛設(shè)置多個(gè)平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，例如可以為每個(gè)眼睛在水平方向或者垂直方向并列設(shè)置3個(gè)平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，這樣就能夠使得虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備能夠提供更大的視場，在此就不再贅述了。
[0068]本實(shí)用新型實(shí)施例中的一個(gè)或者多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或者優(yōu)占.V.
[0069]由于采用了通過平面導(dǎo)光襯底和偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底來引導(dǎo)圖像光線的技術(shù)方案，只需要增加偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中的耦合輸出面的面積就能夠增大視場，而無需增加光學(xué)裝置的厚度，所以解決了現(xiàn)有技術(shù)中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備存在因采用基于45°反射式結(jié)構(gòu)或者離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)，而無法調(diào)節(jié)視場和重量之間的矛盾的技術(shù)問題。
[0070]同時(shí)，由于采用了通過偏振轉(zhuǎn)換波片將圖像光線中的P光轉(zhuǎn)換為S光，并傳輸至平面導(dǎo)光襯底和偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底的技術(shù)方案，所以圖像光線中的能量能夠幾乎全部進(jìn)入平面導(dǎo)光襯底和偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中，從而提高了能量的利用率，與現(xiàn)有技術(shù)中通過基于45°反射式結(jié)構(gòu)或者離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備相比，在向用戶提供同樣亮度的虛擬圖像的情況下，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置的能耗明顯降低。
[0071]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0072]本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。
[0073]本實(shí)用新型并不局限于前述的【具體實(shí)施方式】。本實(shí)用新型擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組入口 ο
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，其特征在于，包括圖像光源、準(zhǔn)直透鏡組、偏振分光棱鏡、偏振轉(zhuǎn)換波片、第一偏振反射棱鏡、第二偏振反射棱鏡、平面導(dǎo)光襯底、偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底和耦合輸出面； 其中，所述圖像光源用于發(fā)出圖像光線;所述準(zhǔn)直透鏡組設(shè)置于所述圖像光源的出射光路上，用于對所述圖像光線進(jìn)行準(zhǔn)直處理，獲得準(zhǔn)直光線;所述偏振分光棱鏡設(shè)置于所述準(zhǔn)直透鏡組的出射光路上，用于對所述準(zhǔn)直光線進(jìn)行分光處理，將所述準(zhǔn)直光線中的S光反射，且將所述準(zhǔn)直光線中的P光透射;所述偏振轉(zhuǎn)換波片設(shè)置于所述偏振分光棱鏡的出射光路上，用于將所述準(zhǔn)直光線中的P光轉(zhuǎn)換為S光并透射;所述第一偏振反射棱鏡設(shè)置于所述偏振轉(zhuǎn)換波片的出射光路上，用于反射所述偏振轉(zhuǎn)換波片透射的S光;所述第二偏振反射棱鏡設(shè)置于所述偏振分光棱鏡和所述第一偏振反射棱鏡的反射光路上，用于反射所述偏振分光棱鏡和所述第一偏振反射棱鏡反射的S光;所述平面導(dǎo)光襯底設(shè)置于所述第二偏振反射棱鏡的反射光路上，用于將所述第二偏振反射棱鏡反射的S光進(jìn)行全反射傳播;所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底與所述平面導(dǎo)光襯底相鄰，用于對所述平面導(dǎo)光襯底傳播的S光進(jìn)行偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換;所述耦合輸出面設(shè)置于所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中，用于將經(jīng)過所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底轉(zhuǎn)換后的光線輸出至人眼;環(huán)境光線依次通過所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底和所述耦合輸出面進(jìn)入人眼。2.如權(quán)利要求1所述的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，其特征在于，所述耦合輸出面包括多個(gè)子輸出面，所述多個(gè)子輸出面按所述圖像光線在所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底中的傳播方向，依次平行設(shè)置。3.如權(quán)利要求2所述的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，其特征在于，每個(gè)子輸出面涂覆有透射膜。4.如權(quán)利要求1所述的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，其特征在于，主軸光線與所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底上下表面法線的夾角β-surf與主軸光線與所述耦合輸出面法線的夾角β-ref之間滿足下述關(guān)系:β-ref = 0.5*β—surf。5.如權(quán)利要求1所述的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，其特征在于，所述偏振轉(zhuǎn)換導(dǎo)光襯底的厚度，所述平面導(dǎo)光襯底的厚度H--U，所述平面導(dǎo)光襯底的長度C-Length，以及主軸光線與所述平面導(dǎo)光襯底的上下表面法線的夾角β-surf滿足下述關(guān)系:C-Length〉6*(H-small*t￡in(β-surf ))。6.如權(quán)利要求1所述的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，其特征在于，所述偏振轉(zhuǎn)換波片具體為1/4波片。7.如權(quán)利要求1所述的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置，其特征在于，所述偏振分光棱鏡具體為一對直角棱鏡膠合而成，其中一個(gè)直角棱鏡的斜邊上鍍有偏振分光介質(zhì)膜。8.一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，其特征在于，包括如權(quán)利要求1-7中任一權(quán)項(xiàng)所述的平面波導(dǎo)光學(xué)裝置。
【文檔編號】G02B27/01GK205643869SQ201620440854
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】黃琴華, 周旭東, 喻秀英
【申請人】成都理想境界科技有限公司