[发明专利]棱镜耦合的光折叠波导显示器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种显示光学器件，特别是一种可用于穿戴图像显示的棱镜耦合的光折叠波导显示器件。

背景技术

目前流行的各种显示系统，如穿戴显示、平板显示、笔记本等显示系统通常都采用光学元件来传输和显示所需要的图像信息。例如虚拟显示系统利用光学透镜将图片虚拟显示在人眼前方的一定距离，从而实现了在浏览所需电子信息内容的同时可以方便的观察周围景物的变化，将虚拟和显示结合了起来。通常此类显示系统的核心光学组件主要有三部分组成：光波耦合输入光学组件、光波传输衬底以及光波耦合输出显示组件。因此结构紧凑、重量轻、大视场以及高分辨率的图像显示一直是此类光学系统所需要满足的要求。其中大视场和轻重量尤为重要，在某些应用场合，视场的范围会直接影响到人员的安全和实时信息的观察。虽然采用常规的成像方法可以满足所需的视场，但随着视场角度的增加，会造成光学系统整体的重量和体积也随之增大，因此寻求结构紧凑、重量轻同时又满足视场大的光学系统的设计便成了此类成像显示系统的趋势。

为了解决传统显示光学组件由于光学成像系统重量和体积造成的问题，本发明设计了棱镜耦合的光折叠波导显示器件。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于棱镜耦合的折叠扩展显示光学波导器件。

为了达到上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

棱镜耦合的光折叠波导显示器件，其特征在于：依次包括：显示光源，用于发出显示所需图像的显示光波；准直透镜，对显示光源发出的光波进行准直；耦合棱镜，用于改变准直光波的传播方向；光波耦合输入组件，将外界的光信号耦合输入到衬底中；光波折叠传输衬底，对耦合输入的光波进行反射传播使其到达输出位置；光波耦合输出组件，将来自衬底的光波耦合输出；光波展开组件，对耦合输出的光波进行扩束。其中，准直透镜位于图像光源和耦合棱镜之间，耦合棱镜位于光波耦合输入组件的上方，光波耦合输入组件和光波耦合输出组件分别和光波折叠传输衬底连接，位于传输衬底的两端，光波展开组件与光波耦合输出组件的下表面相连接。本发明主要利用棱镜耦合光波、全反射和视角放大原理实现的。准直透镜将来自显示光源的光波进行准直，达到目视光学仪器的要求，准直后的光信号入射到耦合棱镜表面，利用棱镜转像的原理改变光波的传输方向，使其入射到光波耦合输入组件的表面，从而实现将外界的光信号耦合到衬底中，再利用特殊结构的折叠波导衬底使光波在衬底中以全反射的形式进行无损耗传输到达光波耦合输出组件，利用棱镜反射面破坏光波在衬底中的全反射条件，使其耦合输出到衬底，到达扩展光束组件，对耦合输出的光波进行展开，从而达到增大视场的效果。

本发明提供的光学波导器件中，还具有这样的特征：准直透镜采用单个非球面镜，耦合输入组件的反射面镀有增反膜。

本发明提供的光学波导器件中，还具有这样的特征：光波展开组件由扩束棱镜单元组成，其中扩束棱镜单元的倾斜角θe应具备足够大的角度，如45°，以便将图像扩展到全屏。

本发明提供的光学波导器件中，还具有这样的特征：光波耦合输入组件的反射面与输入面的夹角β'in和光波耦合输出组件的反射面与输出面的夹角βout之间满足以下关系：

β'in=βout。

本发明提供的光学波导器件中，还具有这样的特征：光波折叠传输衬底的下表面与水平面的夹角αsub1和光波折叠传输衬底的上表面与水平面的夹角αsub2之间满足以下关系：

αsub2=αsub1。

与现有成像波导系统相比，本发明的有益效果可以是：采用棱镜耦合，增大了光波耦合输入波导衬底的能量、缩减了光学系统的体积。采用折叠传输衬底，使得在观察方向内的不同角度处都可以观察到图像信息，扩大了观察者的视场。相比于传统的显示系统，在相同的体积下，本发明的成像视场更大，结构也更紧凑、轻巧。本发明成像系统可用于穿戴式显示、照明光路以及移动显示等领域。

附图说明

图1为本发明棱镜耦合的光折叠波导显示器件的示意图；

图2为本发明棱镜耦合的光折叠波导显示器件的光波展开组件示意图；

图3 为本发明棱镜耦合的光折叠波导显示器件采用直接耦合方式时的光线示意图；

图4 为采用45度顶角棱镜作为耦合棱镜时的光线示意图；

图5 为采用60度顶角棱镜作为耦合棱镜时的光线示意图；

图 6 为分别采用直角棱镜作为耦合棱镜和耦合输入组件时的光线示意图；

图 7 为分别采用45度顶角棱镜和60度顶角棱镜作为耦合棱镜和耦合输入组件时的光线示意图；以及