[發(fā)明專利]棱鏡耦合的光折疊波導(dǎo)顯示器件

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• 申請日: 2017-10-23
• 公開（公告）號: CN107703632A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張國珍;成冬冬;孫川
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理湃光電技術(shù)有限公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01;G02B27/09;G02B5/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種顯示光學(xué)器件，特別是一種可用于穿戴圖像顯示的棱鏡耦合的光折疊波導(dǎo)顯示器件。

背景技術(shù)

目前流行的各種顯示系統(tǒng)，如穿戴顯示、平板顯示、筆記本等顯示系統(tǒng)通常都采用光學(xué)元件來傳輸和顯示所需要的圖像信息。例如虛擬顯示系統(tǒng)利用光學(xué)透鏡將圖片虛擬顯示在人眼前方的一定距離，從而實(shí)現(xiàn)了在瀏覽所需電子信息內(nèi)容的同時可以方便的觀察周圍景物的變化，將虛擬和顯示結(jié)合了起來。通常此類顯示系統(tǒng)的核心光學(xué)組件主要有三部分組成：光波耦合輸入光學(xué)組件、光波傳輸襯底以及光波耦合輸出顯示組件。因此結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、大視場以及高分辨率的圖像顯示一直是此類光學(xué)系統(tǒng)所需要滿足的要求。其中大視場和輕重量尤為重要，在某些應(yīng)用場合，視場的范圍會直接影響到人員的安全和實(shí)時信息的觀察。雖然采用常規(guī)的成像方法可以滿足所需的視場，但隨著視場角度的增加，會造成光學(xué)系統(tǒng)整體的重量和體積也隨之增大，因此尋求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕同時又滿足視場大的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計便成了此類成像顯示系統(tǒng)的趨勢。

為了解決傳統(tǒng)顯示光學(xué)組件由于光學(xué)成像系統(tǒng)重量和體積造成的問題，本發(fā)明設(shè)計了棱鏡耦合的光折疊波導(dǎo)顯示器件。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于棱鏡耦合的折疊擴(kuò)展顯示光學(xué)波導(dǎo)器件。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案：

棱鏡耦合的光折疊波導(dǎo)顯示器件，其特征在于：依次包括：顯示光源，用于發(fā)出顯示所需圖像的顯示光波；準(zhǔn)直透鏡，對顯示光源發(fā)出的光波進(jìn)行準(zhǔn)直；耦合棱鏡，用于改變準(zhǔn)直光波的傳播方向；光波耦合輸入組件，將外界的光信號耦合輸入到襯底中；光波折疊傳輸襯底，對耦合輸入的光波進(jìn)行反射傳播使其到達(dá)輸出位置；光波耦合輸出組件，將來自襯底的光波耦合輸出；光波展開組件，對耦合輸出的光波進(jìn)行擴(kuò)束。其中，準(zhǔn)直透鏡位于圖像光源和耦合棱鏡之間，耦合棱鏡位于光波耦合輸入組件的上方，光波耦合輸入組件和光波耦合輸出組件分別和光波折疊傳輸襯底連接，位于傳輸襯底的兩端，光波展開組件與光波耦合輸出組件的下表面相連接。本發(fā)明主要利用棱鏡耦合光波、全反射和視角放大原理實(shí)現(xiàn)的。準(zhǔn)直透鏡將來自顯示光源的光波進(jìn)行準(zhǔn)直，達(dá)到目視光學(xué)儀器的要求，準(zhǔn)直后的光信號入射到耦合棱鏡表面，利用棱鏡轉(zhuǎn)像的原理改變光波的傳輸方向，使其入射到光波耦合輸入組件的表面，從而實(shí)現(xiàn)將外界的光信號耦合到襯底中，再利用特殊結(jié)構(gòu)的折疊波導(dǎo)襯底使光波在襯底中以全反射的形式進(jìn)行無損耗傳輸?shù)竭_(dá)光波耦合輸出組件，利用棱鏡反射面破壞光波在襯底中的全反射條件，使其耦合輸出到襯底，到達(dá)擴(kuò)展光束組件，對耦合輸出的光波進(jìn)行展開，從而達(dá)到增大視場的效果。

本發(fā)明提供的光學(xué)波導(dǎo)器件中，還具有這樣的特征：準(zhǔn)直透鏡采用單個非球面鏡，耦合輸入組件的反射面鍍有增反膜。

本發(fā)明提供的光學(xué)波導(dǎo)器件中，還具有這樣的特征：光波展開組件由擴(kuò)束棱鏡單元組成，其中擴(kuò)束棱鏡單元的傾斜角θe應(yīng)具備足夠大的角度，如45°，以便將圖像擴(kuò)展到全屏。

本發(fā)明提供的光學(xué)波導(dǎo)器件中，還具有這樣的特征：光波耦合輸入組件的反射面與輸入面的夾角β'in和光波耦合輸出組件的反射面與輸出面的夾角βout之間滿足以下關(guān)系：

β'in=βout。

本發(fā)明提供的光學(xué)波導(dǎo)器件中，還具有這樣的特征：光波折疊傳輸襯底的下表面與水平面的夾角αsub1和光波折疊傳輸襯底的上表面與水平面的夾角αsub2之間滿足以下關(guān)系：

αsub2=αsub1。

與現(xiàn)有成像波導(dǎo)系統(tǒng)相比，本發(fā)明的有益效果可以是：采用棱鏡耦合，增大了光波耦合輸入波導(dǎo)襯底的能量、縮減了光學(xué)系統(tǒng)的體積。采用折疊傳輸襯底，使得在觀察方向內(nèi)的不同角度處都可以觀察到圖像信息，擴(kuò)大了觀察者的視場。相比于傳統(tǒng)的顯示系統(tǒng)，在相同的體積下，本發(fā)明的成像視場更大，結(jié)構(gòu)也更緊湊、輕巧。本發(fā)明成像系統(tǒng)可用于穿戴式顯示、照明光路以及移動顯示等領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明棱鏡耦合的光折疊波導(dǎo)顯示器件的示意圖；

圖2為本發(fā)明棱鏡耦合的光折疊波導(dǎo)顯示器件的光波展開組件示意圖；

圖3 為本發(fā)明棱鏡耦合的光折疊波導(dǎo)顯示器件采用直接耦合方式時的光線示意圖；

圖4 為采用45度頂角棱鏡作為耦合棱鏡時的光線示意圖；

圖5 為采用60度頂角棱鏡作為耦合棱鏡時的光線示意圖；

圖 6 為分別采用直角棱鏡作為耦合棱鏡和耦合輸入組件時的光線示意圖；

圖 7 為分別采用45度頂角棱鏡和60度頂角棱鏡作為耦合棱鏡和耦合輸入組件時的光線示意圖；以及