一種用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件的制作方法
【專利說明】 一種用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件
[0001]
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及一種光學波導器件，特別是一種可用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件。
[0003]
【背景技術】
[0004]目前，可穿戴顯示設備以及其他結(jié)構(gòu)緊湊的平板顯示、筆記本顯示系統(tǒng)等通常都是依靠光學器件來傳輸和顯示所需要預覽的圖像信息。例如顯示系統(tǒng)通過使用光學透鏡可以將圖片虛擬地顯示在人眼前方的一定距離處，從而可以邊走路邊瀏覽相關的電子信息內(nèi)容。一般情況下，此類顯示系統(tǒng)的核心光學組件主要由三部分組成:光波耦合輸入組件、光波傳輸襯底以及光波耦合輸出顯示組件。另外結(jié)構(gòu)輕巧、緊湊、大視場以及圖像的高分辨率一直是此類光學系統(tǒng)的追求，其中大視場尤為重要。雖然傳統(tǒng)的成像方式可以獲得大的視場，但是隨著視場的增加，光學系統(tǒng)整體的重量和體積也會隨之增加。因此結(jié)構(gòu)輕巧、緊湊的光學系統(tǒng)的設計便成了此類成像器件的趨勢。
[0005]為了解決傳統(tǒng)可穿戴設備由于光學成像系統(tǒng)重量和體積造成的問題，本發(fā)明設計了一種新型的用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件。
[0008]為了達到上述目的，本發(fā)明采用了以下的技術方案:
一種用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件，其特征在于:依次包括:光波耦合輸入面，用于改變外界的光信號的方向，使其進入襯底中；光波擴展傳輸襯底，對耦合輸入的光波進行反射傳播使其能夠無損耗地傳輸?shù)竭_輸出位置；光波耦合輸出面，用于使光波耦合輸出襯底；光波展開組件，對親合輸出的光波進行擴束，從而擴大視場。其中，光波親合輸入面和光波耦合輸出面分別和光波擴展傳輸襯底連接，位于傳輸襯底的兩端，光波展開組件與光波耦合輸出襯底的下表面相連接，位于襯底中耦合輸出的位置處。本發(fā)明主要利用內(nèi)反射原理、視角放大以及棱鏡耦合光波原理實現(xiàn)的。經(jīng)過準直透鏡準直后的圖像光波，被耦合輸入面耦合進入到玻璃襯底中，該玻璃襯底是按照耦合進入的光波可以在其內(nèi)部進行全反射傳播的結(jié)構(gòu)來設計的，這樣光波可以無損耗地傳輸?shù)剿璧妮敵鑫恢蒙?，利用棱鏡結(jié)構(gòu)的耦合輸出面，使光波耦合輸出襯底，輸出的光波經(jīng)過擴展光束組件的擴束，從而達到增大觀察視場的效果。
[0009]本發(fā)明用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件，還具有這樣的特征:光波展開組件由一系列的棱鏡單元組成，這些棱鏡單元的表面進行過鈍化處理。
[0010]與現(xiàn)有的成像波導系統(tǒng)相比，本發(fā)明顯著的有益效果是:視場大和結(jié)構(gòu)緊湊。這些優(yōu)點使得本發(fā)明相比于傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)，體積和重量得以減小，在相同的體積下，視場更大，結(jié)構(gòu)也更緊湊、輕巧。本發(fā)明光學系統(tǒng)不僅能用于可穿戴顯示，還可用于擴展照明、汽車導航顯示以及裸眼3D顯示等領域。
[0011]
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件的示意圖；
圖2為本發(fā)明用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件中光波在襯底中傳輸?shù)氖疽鈭D；圖3為本發(fā)明用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件中光波在展開組件中傳輸?shù)氖疽鈭D；以及
圖4為本發(fā)明用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件的一種應用實例。
【具體實施方式】
[0013]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體工作過程給予說明。
[0014]圖1為本發(fā)明用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件的示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的系統(tǒng)組成包括:光波親合輸入面10，光波擴展傳輸襯底11，光波親合輸出面12，光波展開組件13。經(jīng)過準直后的光波信號入射到耦合輸入面10上，利用棱鏡轉(zhuǎn)像的原理改變光波的傳輸方向，使其耦合進入到襯底中，再利用特殊結(jié)構(gòu)的擴展傳輸襯底11，使光波在襯底中以全反射的形式進行無損耗傳輸?shù)竭_光波耦合輸出面12，利用棱鏡反射面破壞光波在襯底中傳輸?shù)娜瓷錀l件，使光波被耦合輸出襯底，到達光波展開組件13，對耦合輸出的光波進行擴束，從而實現(xiàn)增大視場。
[0015]本發(fā)明用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件由四部分組成，對于具體的應用可對本發(fā)明波導器件的組成部分進行相應的擴展，從而進一步提升系統(tǒng)的應用潛力。下面針對本發(fā)明的具體四部分的作用給以相應解釋性說明:
本發(fā)明折疊擴展光學波導器件的光波耦合輸入面10主要用于將外界的準直光波耦合進入襯底。對于光信號的耦合，輸入面10可由棱鏡等方式來代替，這些組件都能夠滿足把需要的光波耦合到襯底中。
[0016]本發(fā)明折疊擴展光學波導器件的光波擴展傳輸襯底11主要用于將耦合進入到襯底中的光波的視場進行擴大，且為了保證光波能夠無損耗地傳輸，應使光波在襯底中傳輸時，滿足全反射的條件。另外。由于光波擴展傳輸襯底的存在，在襯底的另一側(cè)一定擴展角度內(nèi)的不同觀察方向處都可以觀察到圖像信息，從而擴大了觀察者的視場。
[0017]本發(fā)明折疊擴展光學波導器件的光波耦合輸出面12主要用于將光波信號耦合輸出襯底。由于光波在襯底中傳輸時滿足全反射的條件，為了能夠使光波耦合輸出襯底，需要使光波在襯底表面的入射角小于襯底的全反射臨界角，所以耦合輸出面12就是依據(jù)此條件進行設計的。
[0018]本發(fā)明折疊擴展光學波導器件的光波展開組件13主要用于對耦合輸出襯底的光波進行擴束，從而擴大觀察視場。耦合輸出襯底11的光線，由于其發(fā)散角較大就造成了直接觀察輸出圖像時的視場太小，故需要引入擴束組件對耦合輸出的光波進行展開，從而擴大觀察視場。本發(fā)明的光波展開組件13由棱鏡單元組成，棱鏡組將耦合輸出的光波進行擴展，使每個棱鏡單獨輸出光信號的一部分，其效果等同于平面鏡成像，從而整體上擴大觀察視場。
[0019]本發(fā)明光學波導器件的工作步驟以及實例應用:
圖2為本發(fā)明用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件中光波在襯底中傳輸?shù)氖疽鈭D。如圖2所示，來自光源同一光波的光線20、21垂直入射到耦合輸入面上，經(jīng)過輸入面的反射光波被耦合進入到擴展傳輸襯底中，以全反射的形式進行傳播，到達耦合輸出面，進而被反射出襯底外。為了使光波在襯底中能夠滿足全反射的條件，襯底應由一系列能夠?qū)饩€的傳播方向進行準確定位的折疊展開組件構(gòu)成。經(jīng)過該過程光波的傳播，一方面可以對光線的傳播方向進行擴展，起到視場擴大的作用，另一方面可以有效地避免由于光線傳播方向的變化帶來的重影效果。
[0020]圖3為本發(fā)明用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件中光波在展開組件中傳輸?shù)氖疽鈭D。如圖3A所示，光線30經(jīng)過耦合輸出面的反射后垂直輸出襯底進入到光波擴展組件中。由于該光波擴展組件由一系列的擴束棱鏡單元組成，因此當光線30進入擴展組件后，首先與棱鏡單元表面32相碰，為了達到擴展視場的目的，光線到達面32后應盡可能地全部透射出去，這樣一方面可以避免由于光線傳播方向的改變導致的重影，另一方面也可以使擴展棱鏡每個表面的亮度保持均一。圖3B為光線31經(jīng)過耦合輸出面的反射后傾斜進入到光波擴展組件中，當光線傾斜入射到棱鏡單元表面32時，為了擴展光波和避免由于反射面對入射光線的反射帶來的重影，從而對棱鏡表面做特定的處理，使對入射到其表面的光線具有鈍化作用，從而可以使入射光線無阻礙地透過反射面，從而對入射光波進行擴展。
[0021]圖4為本發(fā)明用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件的一種應用實例。由于本發(fā)明折疊擴展光學波導器件可用于照明、成像以及3D投影等方面，下面結(jié)合具體的應用實例來對本發(fā)明的工作原理作進一步的說明性解釋:來自光源40的同一光波的光線47、48經(jīng)過準直透鏡41的準直，入射到耦合輸入面42，由于光線47、48經(jīng)過準直透鏡的準直，可以很好地進入到耦合輸入面。經(jīng)過耦合輸入面12的反射，光線47、48被耦合輸入到擴展傳輸襯底43中，同時應保證光線47、48在襯底中傳播時，與襯底上下表面法線的夾角必須大于材料的全反射臨界角，否則光線在襯底中傳輸時會由于發(fā)生折射，造成能量的大幅度損失，最終導致耦合輸出襯底的能量太小，降低圖像的亮度。耦合進入襯底的光線經(jīng)過襯底的傳輸最終到達耦合輸出面44上，此時光線與輸出面法線的夾角小于了材料的全反射臨界角，從而打破光波的全反射條件，使光波入射到擴展棱鏡組件中。棱鏡組件由于可以對光線具有選擇透過性，在保持光線方向不變的情況下，每個棱鏡都可以單獨成像，從而使光波在棱鏡組件中均勻分布。通過棱鏡組件對光線的擴展傳輸，最終光線進入到到人眼46中。由于人眼瞳孔直徑約為2-8_，因此人眼能夠觀察到整個光源的圖像。對于不同的應用，擴展棱鏡組件的數(shù)量可以做相應的設計，但必須能夠?qū)@示光源的圖像完全展開，否則將失去視場擴展的效果。
[0022]本實施例的作用和效果
本實施例提供的用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件中由于采用了擴展傳輸襯底，一方面可以對光線的傳播方向進行擴展，起到視場擴大的作用，另一方面可以有效地避免由于光線傳播方向的變化帶來的重影效果。另外由于光波展開組件的存在，使得展開組件中的每個棱鏡單元都可以單獨成像，從而使得光波能夠均勻分布，提高了圖像的亮度均勻性，且棱鏡組件能夠?qū)饩€進行擴展傳輸，從而進一步擴大了視場。
【主權(quán)項】
1.一種用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件，依次包括: 光波耦合輸入面，用于改變外界光信號的方向，使其進入襯底中； 光波擴展傳輸襯底，對耦合輸入的光波進行反射傳播使其能夠無損耗地傳輸?shù)竭_輸出位置； 光波親合輸出面，用于使光波親合輸出襯底； 光波展開組件，對耦合輸出的光波進行擴束，從而擴大視場， 其中，光波耦合輸入面和光波耦合輸出面分別和光波擴展傳輸襯底連接，位于傳輸襯底的兩端，光波展開組件與光波耦合輸出襯底的下表面相連接，位于襯底中耦合輸出的位置處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學器件，其特征在于:光波展開組件由一系列的棱鏡單元組成，這些棱鏡單元的表面進行過鈍化處理。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種可用于圖像顯示的折疊擴展光學波導器件，包括光波耦合輸入面、光波擴展傳輸襯底、光波耦合輸出面以及光波展開組件。其中，光波耦合輸入面用于改變外界光信號的方向使其進入襯底中，光波擴展傳輸襯底則對耦合輸入的光波進行反射傳播使其能夠無損耗地傳輸?shù)竭_輸出位置，光波耦合輸出面用于使光波耦合輸出襯底，光波展開組件將對耦合輸出的光波進行擴束，從而擴大視場。本發(fā)明具有視場大、結(jié)構(gòu)緊湊的特點，不僅能用于可穿戴顯示，還可用于擴展照明、汽車導航顯示以及裸眼3D顯示等領域。
【IPC分類】G02B27-01, G02B6-26
【公開號】CN104536137
【申請?zhí)枴緾N201510036542
【發(fā)明人】張圣軍, 張慶
【申請人】上海理湃光晶技術有限公司
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月25日