一種用于增強現實的平面波導光學裝置及增強現實設備的制造方法

一種用于增強現實的平面波導光學裝置及增強現實設備的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于增強現實的平面波導光學裝置及增強現實設備，所述平面波導光學裝置包括圖像光源、準直透鏡組、偏振分光棱鏡、偏振轉換波片、第一偏振反射棱鏡、第二偏振反射棱鏡、平面導光襯底、偏振轉換導光襯底和耦合輸出面。由于采用了通過平面導光襯底和偏振轉換導光襯底來引導圖像光線的技術方案，只需要增加偏振轉換導光襯底中的耦合輸出面的面積就能夠增大視場，而無需增加光學裝置的厚度，所以解決了現有技術中的增強現實設備存在因采用基于45°反射式結構或者離軸光學結構，而無法調節視場和重量之間的矛盾的技術問題。
【專利說明】
一種用于増強現實的平面波導光學裝置及増強現實設備
技術領域
[0001]本實用新型涉及光學現實領域，尤其涉及一種用于增強現實的平面波導光學裝置及增強現實設備。
【背景技術】
[0002]增強現實(英文:Augmented Reality;簡稱:AR)，是利用虛擬物體或信息對真實場景進行現實增強的技術。增強現實技術通常基于攝像頭等圖像采集設備獲得的真實物理環境影像，通過計算機系統識別分析及查詢檢索，將與之存在關聯的文本內容、圖像內容或圖像模型等虛擬生成的擴展信息或虛擬場景顯示在真實物理環境影像中，從而使用戶能夠獲得身處的現實物理環境中的真實物體的標注、說明等相關擴展信息，或者體驗到現實物理環境中真實物體的立體的、突出強調的增強視覺效果。
[0003]目前，增強現實設備一般通過基于45°反射式結構或者離軸光學結構來實現，但這些結構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°反射式結構的增強現實設備，為了增大視場，只有通過增加45°反射面的面積來實現，即增加反射式結構的厚度，否則就會由于鬼影的出現而導致原始圖像的對比度降低，而增加了反射式結構的厚度就意味著整體顯示系統重量的增加，給佩戴者帶來了很大的不舒適感。
[0004]因此，現有技術中的增強現實設備存在因采用基于45°反射式結構或者離軸光學結構，而無法調節視場和重量之間的矛盾的技術問題。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的是提供一種用于增強現實的平面波導光學裝置及增強現實設備，以解決增強現實設備的視場和重量之間的矛盾。
[0006]為了實現上述實用新型目的，本實用新型提供了一種用于增強現實的平面波導光學裝置，包括圖像光源、準直透鏡組、偏振分光棱鏡、偏振轉換波片、第一偏振反射棱鏡、第二偏振反射棱鏡、平面導光襯底、偏振轉換導光襯底和親合輸出面；
[0007]其中，所述圖像光源用于發出圖像光線；所述準直透鏡組設置于所述圖像光源的出射光路上，用于對所述圖像光線進行準直處理，獲得準直光線;所述偏振分光棱鏡設置于所述準直透鏡組的出射光路上，用于對所述準直光線進行分光處理，將所述準直光線中的S光反射，且將所述準直光線中的P光透射;所述偏振轉換波片設置于所述偏振分光棱鏡的出射光路上，用于將所述準直光線中的P光轉換為S光并透射;所述第一偏振反射棱鏡設置于所述偏振轉換波片的出射光路上，用于反射所述偏振轉換波片透射的S光;所述第二偏振反射棱鏡設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;所述平面導光襯底設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光進行全反射傳播;所述偏振轉換導光襯底與所述平面導光襯底相鄰，用于對所述平面導光襯底傳播的S光進行偏振態的轉換;所述耦合輸出面設置于所述偏振轉換導光襯底中，用于將經過所述偏振轉換導光襯底轉換后的光線輸出至人眼;環境光線依次通過所述偏振轉換導光襯底和所述親合輸出面進入人眼。
[0008]可選地，所述耦合輸出面包括多個子輸出面，所述多個子輸出面按所述圖像光線在所述偏振轉換導光襯底中的傳播方向，依次平行設置。
[0009 ]可選地，每個子輸出面涂覆有透射膜。
[0010]可選地，主軸光線與所述偏振轉換導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之間滿足下述關系:β-ref = 0.δ^β-surf。
[0011]可選地，所述偏振轉換導光襯底的厚度，所述平面導光襯底的厚度H-small，所述平面導光襯底的長度C-Length，以及主軸光線與所述平面導光襯底的上下表面法線的夾角β-surf滿足下述關系:
[0012]C-Length > 6*(H-small*tan(β-surf))。
[0013]可選地，所述偏振轉換波片具體為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，其中一個直角棱鏡的斜邊上鍍有偏振分光介質膜。
[0015]本實用新型實施例第二方面還提供一種增強現實設備，包括如第一方面任一所述的平面波導光學裝置。
[0016]本實用新型實施例中的一個或者多個技術方案，至少具有如下技術效果或者優占.V.
[0017]1、由于采用了通過平面導光襯底和偏振轉換導光襯底來引導圖像光線的技術方案，只需要增加偏振轉換導光襯底中的耦合輸出面的面積就能夠增大視場，而無需增加光學裝置的厚度，所以解決了現有技術中的增強現實設備存在因采用基于45°反射式結構或者離軸光學結構，而無法調節視場和重量之間的矛盾的技術問題。
[0018]2、由于采用了通過偏振轉換波片將圖像光線中的P光轉換為S光，并傳輸至平面導光襯底和偏振轉換導光襯底的技術方案，所以圖像光線中的能量能夠幾乎全部進入平面導光襯底和偏振轉換導光襯底中，從而提高了能量的利用率，與現有技術中通過基于45°反射式結構或者離軸光學結構的增強現實設備相比，在向用戶提供同樣亮度的虛擬圖像的情況下，本實用新型實施例提供的平面波導光學裝置的能耗明顯降低。
【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術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用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖:
[0020]圖1為本實用新型實施例提供的用于增強現實的平面波導光學裝置的結構示意圖；
[0021]圖2為本實用新型實施例提供的耦合輸出面109中一個子輸出面的光路示意圖；
[0022]圖3為本實用新型實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為本實用新型實施例提供的光線在偏振轉化導光襯底108中的轉化示意圖；
[0024]圖5為本實用新型實施例提供的平面波導光學顯示器件的結構參數示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0026]本實用新型實施例第一方面提供一種用于增強現實的平面波導光學裝置，請參考圖1，圖1為本實用新型實施例提供的用于增強現實的平面波導光學裝置的結構示意圖，如圖1所示，該平面波導光學裝置包括圖像光源101、準直透鏡組102、偏振分光棱鏡組103、偏振轉換波片104、第一偏振反射棱鏡105、第二偏振反射棱鏡106、平面導光襯底107、偏振轉換導光襯底108和耦合輸出面109;
[0027]請參考圖1，如圖1所示，圖像光源101用于發出圖像光線;準直透鏡組102設置于圖像光源101的出射光路上，用于對圖像光線進行準直處理，獲得準直光線;偏振分光棱鏡組103設置于準直透鏡組102的出射光路上，用于對準直光線進行分光處理，將準直光線中的S光反射，且將準直光線中的P光透射;偏振轉換波片104設置于偏振分光棱鏡組103的出射光路上，用于將準直光線中的P光轉換為S光并透射;第一偏振反射棱鏡105設置于偏振轉換波片104的出射光路上，用于反射偏振轉換波片104透射的S光;第二偏振反射棱鏡106設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;平面導光襯底107設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光進行全反射傳播;偏振轉換導光襯底108與平面導光襯底107相鄰，用于對平面導光襯底107傳播的S光進行偏振態的轉換;耦合輸出面109設置于偏振轉換導光襯底108中，用于將經過偏振轉換導光襯底108轉換后的光線輸出至人眼;環境光線通過偏振轉換導光襯底108和耦合輸出面109進入人眼。
[0028]可以看出，由于采用了通過平面導光襯底和偏振轉換導光襯底來引導圖像光線的技術方案，只需要增加偏振轉換導光襯底中的耦合輸出面的面積就能夠增大視場，而無需增加光學裝置的厚度，所以解決了現有技術中的增強現實設備存在因采用基于45°反射式結構或者離軸光學結構，而無法調節視場和重量之間的矛盾的技術問題。
[0029]同時，由于采用了通過偏振轉換波片將圖像光線中的P光轉換為S光，并傳輸至平面導光襯底和偏振轉換導光襯底的技術方案，所以圖像光線中的能量能夠幾乎全部進入平面導光襯底和偏振轉換導光襯底中，從而提高了能量的利用率，與現有技術中通過基于45°反射式結構或者離軸光學結構的增強現實設備相比，在向用戶提供同樣亮度的虛擬圖像的情況下，本實用新型實施例提供的平面波導光學裝置的能耗明顯降低。
[0030]在接下來的部分中，將結合附圖，詳細介紹上述技術方案。
[0031]圖像光源101在增強現實設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的圖像信息，否則將不利于增強現實設備的重量降低，目前，微型化的圖像光源101可以采用IXD、0LED、LCOS等，不同的顯示技術對應于不同的顯示要求。
[0032]在實際應用中，為了能夠使顯示系統的整體結構在體積上趨于微型化，且考慮光源各點亮度的均勻性、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光學引擎設計技術相比CF-Lcos要復雜的多，因此必須根據具體的技術需要來選擇，在此就不再贅述了。
[0033]請參考圖1，準直透鏡組102設置于圖像光線的光路上，主要是對圖像光源發出的光線進行準直處理。
[0034]在增強現實設備中，人眼作為最終的圖像接收器，需要對來自圖像的光線進行準直以達到人眼自由放松觀看的實際要求，否則將會對人眼造成傷害，影響正常的視力。為了實現這一效果，一般采用光學透鏡對顯示光源發出的光線進行準直，但是由于光學系統像差的存在，圖像經過單個透鏡后存在著象散、畸變、場曲、彗差等像差，導致圖像的對比度嚴重降低，為此對于準直透鏡組102需要按照應用要求進行嚴格的像差矯正，以期達到理想的成像效果，否則就會影響光學系統的最終分辨率，使得人眼直接觀察時的圖像質量發生變化，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，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，這會使整個系統的重量和體積增大，因此通常采用非球面鏡和球面鏡組合來完成像差的矯正，再者鑒于現代光學加工技術的發展，自由曲面技術也被應用于像差矯正中，因此還可結合自由曲面技術來實現光學系統微型化的要求，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設置于準直透鏡組102的出射光路上，用于對進行準直處理后的圖像光線進行分光處理。
[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，為了使本實用新型器件能夠按照光學設計的要求進行工作，需要對來自圖像光源的光線進行相應的處理。偏振分光棱鏡組可以使P光線無損失的完全透射，而對S光線進行相應的反射，使其可以折射進入到器件中，因此可以保證進入器件的光線的偏振性，使光線按照器件的光學設計要求進行傳播，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設計的難度，降低了設計實現的可能性。
[0038]在本實施例中，如圖1所示，偏振分光棱鏡組103設置在準直透鏡組102的具體為一對直角棱鏡膠合而成，其中一個直角棱鏡的斜邊上鍍有偏振分光介質膜，這樣，即能夠將經過準直透鏡組102進行準直后的圖像光線中的S光反射，且將準直光線中的P光透射。
[0039]請參考圖1，偏振轉換波片104設置于偏振分光棱鏡組103的出射光路上，用于將準直光線中的P光轉換為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間產生附加光程差(或相位差)的光學器件，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。在本實施例中，偏振轉換波片104具體可以由一個二分之一波片組成，或者由兩個四分之一波片組成，從而將準直光線中的P光轉換為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設置于偏振轉換波片104的出射光路上，用于反射偏振轉換波片104透射的S光。
[0042]在本實施例中，如圖1所不，第一偏振反射棱鏡105具體為一個直角棱鏡，該直角棱鏡的一條直角邊與偏振轉換波片104相鄰，且該直角邊的長度大于或者等于偏振轉換波片104的長度，從而能夠將從偏振轉換波片104透射出的S光，當然，為了加強第一偏振反射棱鏡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、偏振轉換波片104和偏振分光棱鏡組103這3者組合的長度，當然了，與第一偏振反射棱鏡105類似的，為了加強第二偏振反射棱鏡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，平面導光襯底107設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光進行全反射傳播。在本實施例中，平面導光襯底107具有一導光面1071，第二偏振反射棱鏡106反射的S光從導光面1071進入平面導光襯底107中。
[0046]平面導光襯底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、色散系數等參數的不同，導致了其全反射角零界角、材料的透過率、吸收系數、以及重量的不同，考慮到實際應用條件以及加工工藝的限制，需要根據具體要求進行選擇。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，盡可能減少材料本身對光波能量的吸收，否則將導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，再者導光襯底材料本身的特性限制了可在襯底中傳輸的圖像的范圍以及圖像的亮度，為了進一步擴大傳輸圖像的范圍，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展，使圖像的傳輸范圍得到擴大。
[0047]為此，平面波導襯底的材料通常選擇具備合適折射率、透過率以及機械性能的光學材料，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，屬于較為優質的材料。
[0048]請參考圖1，偏振轉換導光襯底108與平面導光襯底107相鄰，用于對平面導光襯底107傳播的S光進行偏振態的轉換。在本實施例中，偏振轉換導光襯底108的材料可以和平面導光襯底107相同，在此就不再贅述了。偏振轉換導光襯底108與平面導光襯底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，然后在偏振轉換導光襯底108對應的位置制作相應的結構即可，在此就不再贅述了。
[0049]請繼續參考圖1，光線在平面導光襯底107中傳輸一定的距離后，進入偏振轉化導光襯底108中，偏振轉化導光襯底108可以使P光經過偏振轉化導光襯底108的下表面變為S光，S光經過偏振轉化導光襯底1 8的上表面轉化為P光，偏振轉化導光襯底1 8的上下表面的具體結構可以由根據需要進行設置，以滿足實際情況的需要，在此就不再贅述了。
[0050]當然，本領域所屬的技術人員能夠根據實際情況，分別為偏振轉換導光襯底108與平面導光襯底107選擇合適的材料，以滿足實際情況的需要，在此就不再贅述了。
[0051]請參考圖1，耦合輸出面109設置于偏振轉換導光襯底108中，用于將經過偏振轉換導光襯底108轉換后的光線輸出至人眼。
[0052]在本實施例中，如圖1所示，耦合輸出面109包括多個子輸出面，多個子輸出面按圖像光線在偏振轉換導光襯底中的傳播方向，依次平行設置，其中，每個子輸出面涂覆有透射膜。
[0053]請繼續參考圖2，圖2為本實用新型實施例提供的耦合輸出面109中一個子輸出面的光路示意圖，如圖2所示，來自偏振轉化導光襯底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輸出到偏振轉化導光襯底108外進入人眼形成虛擬圖像，一部分透過該子輸出面1091和偏振轉化導光襯底108的上表面相碰，通過上表面的反射，光波的偏振態由S光變為P光，變為P偏振態的光線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以后和偏振轉化襯底的下表面相碰，經過下表面的反射，光波由P偏振態轉化為S偏振態，光線如此往復在親合輸出面109之間進行傳播，可以使光線均勻地并以較大輸出面積覆蓋輸出通光口徑，進而完成光線輸出有效孔徑的擴展，最終實現視場角的擴展。
[0054]請繼續參考圖3，圖3為本實用新型實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所示為當入射光波波長為550nm的P光和S光時，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S光和P光都有一定的反射率，而在450-850范圍內，P光全部透射，S光具有一定的反射率。由于本實用新型器件中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]當然，由于偏振轉化導光襯底108是采用PMMA材料加工而成的，在蒸鍍膜層時必須考慮到加熱帶來的對材料本身的影響，所以不宜采用傳統的熱蒸發鍍膜工藝，需要采用冷鍍的方式進行，例如通過新興的鍍膜技術離子鍍可以很好地解決這個問題。這樣雖然膜層牢固度不如加熱蒸發，但是由于膜層位于材料之間，牢固度不會受到周圍環境的影響。
[0056]請繼續參考圖4，圖4為本實用新型實施例提供的光線在偏振轉化導光襯底108中的轉化示意圖。如圖4所示，S偏振態的光線S-70首先和偏振轉化導光襯底108的上表面Up-surface相碰，由于上表面Up-surf ace具有偏振轉化特性，可以使入射光的偏振方向發生轉變，可以使S偏振光轉化為P偏振光，因此光線S-70經過上表面的反射，變為偏振方向為P偏振光的光線P-70。對于P偏振態的光線P-71，和襯底下表面Down-SurfaCe相碰，由于下表面Down-SurfaCe同樣具有偏振轉化特性，可以使入射光的偏振方向發生轉化，從而使P偏振光轉化為S偏振光，因此光線P-71經過下表面的反射，變為偏振方向為S偏振態的光線S-71 ο通過上述轉化，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化導光襯底108出射到人眼，形成圖像信息。
[0057]請繼續參考圖5，圖5為本實用新型實施例提供的平面波導光學顯示器件的結構參數示意圖，為了實現本實用新型的效果，在光學設計時，襯底的結構參數之間應該滿足一定的條件，否則將導致最終圖像的分辨率、對比度、清晰度失去實際的意義。如圖5所示，以軸上物點發出的主軸光線為參考光線設計，主軸光線垂直入射進入禍合輸入面，各參數的相應關系為:
[0058]β-surf = β—big，β—ref = 0.5*β—surf，其中，如圖5所示，β-big是導光面1071與平面導光襯底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應該滿足主軸光線垂直入射的條件，同時主軸光線進入襯底以后能夠滿足平面導光襯底107的全反射條件進行傳播；
[°°59] β-surf = Ksmall，β-small是子輸出面1091與偏振轉換導光襯底108下表面的夾角，β—con是導光面1071輸入面與導光襯底上表面連接面的夾角，為了保證設計范圍內的視場都能夠進入到襯底中傳輸，需要按照設計要求來進行設置，在此不做限制；
[0060]C-Length> 6* ( H-small*tan (β-surf ) )，H—small是導光襯底的厚度，C—Length是平面導光襯底107的長度。為了加工和設計的方便，將導光襯底和偏振轉化襯底分開設計，但是導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，同時不利于裝置最終的應用。
[0061]為了進一步說明本實用新型器件的優點和實際意義，下面以具體的參數對本實用新型給予定性的解釋說明，取iUlg = 4，子輸出面1091的數量為4，則:
[0062]β-surf = 54，β-ref = 27，β-small = 54。，β-con=80。，H-small = 3mm。
[0063]通過上述參數設計相應的平面導光襯底顯示結構，可以獲得水平30°的視場角，極大地擴展了用戶觀察的視場范圍，而對于采用基于45°反射式結構或者離軸光學結構而言，如果需要獲得同樣大小的觀察視場反射式結構的厚度至少需要6mm厚左右，由此可以看出本實用新型器件在輕薄、以及視場角擴展方面有很大的優勢。
[0064]當然，為了保證每個子輸出面1091輸出的圖像光線的光強度的均勻性，可以通過設置每個子輸出面1091的反射效率來實現，具體地，例如，按照圖像光線在偏振轉換襯底108中的傳播方向，第一個子輸出面1091的反射效率可以設置為25%，第二個子輸出面1091的反射效率可以設置為33.3%，第三個子輸出面1091的反射效率可以設置為50%，第四個子輸出面1091的反射效率可以設置為100 %，這樣，按照圖像光線在偏振轉換襯底108中的傳播方向，每個子輸出面1091的反射效率按預設情況依次提高，從而能夠保證每個子輸出面1091輸出的圖像光線的光強度的均勻性。
[0065]并且，由于采用了通過偏振轉換波片將圖像光線中的P光轉換為S光，并傳輸至平面導光襯底和偏振轉換導光襯底的技術方案，所以圖像光線中的能量能夠幾乎全部進入平面導光襯底和偏振轉換導光襯底中，從而提高了能量的利用率。
[0066]本實用新型實施例第二方面還提供一種增強現實設備，該增強現實設備包括第一方面介紹的平面波導光學裝置，在前述部分中已經詳細介紹了平面波導光學裝置的具體過程，當然，增強現實設備還可以包括外殼、穿戴裝置等等，在此就不再贅述了。
[0067]需要說明的是，在實際應用中，一個增強現實設備可以包括多個第一方面介紹的平面波導光學裝置，例如，可以為用戶的雙眼分別設置對應的平面波導光學裝置，并且通過3D的方式，可以讓用戶看到立體的圖像；或者，可以為每個眼睛設置多個平面波導光學裝置，例如可以為每個眼睛在水平方向或者垂直方向并列設置3個平面波導光學裝置，這樣就能夠使得虛擬現實設備能夠提供更大的視場，在此就不再贅述了。
[0068]本實用新型實施例中的一個或者多個技術方案，至少具有如下技術效果或者優占.V.
[0069]由于采用了通過平面導光襯底和偏振轉換導光襯底來引導圖像光線的技術方案，只需要增加偏振轉換導光襯底中的耦合輸出面的面積就能夠增大視場，而無需增加光學裝置的厚度，所以解決了現有技術中的增強現實設備存在因采用基于45°反射式結構或者離軸光學結構，而無法調節視場和重量之間的矛盾的技術問題。
[0070]同時，由于采用了通過偏振轉換波片將圖像光線中的P光轉換為S光，并傳輸至平面導光襯底和偏振轉換導光襯底的技術方案，所以圖像光線中的能量能夠幾乎全部進入平面導光襯底和偏振轉換導光襯底中，從而提高了能量的利用率，與現有技術中通過基于45°反射式結構或者離軸光學結構的增強現實設備相比，在向用戶提供同樣亮度的虛擬圖像的情況下，本實用新型實施例提供的平面波導光學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，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
[0073]本實用新型并不局限于前述的【具體實施方式】。本實用新型擴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
【主權項】
1.一種用于增強現實的平面波導光學裝置，其特征在于，包括圖像光源、準直透鏡組、偏振分光棱鏡、偏振轉換波片、第一偏振反射棱鏡、第二偏振反射棱鏡、平面導光襯底、偏振轉換導光襯底和耦合輸出面； 其中，所述圖像光源用于發出圖像光線;所述準直透鏡組設置于所述圖像光源的出射光路上，用于對所述圖像光線進行準直處理，獲得準直光線;所述偏振分光棱鏡設置于所述準直透鏡組的出射光路上，用于對所述準直光線進行分光處理，將所述準直光線中的S光反射，且將所述準直光線中的P光透射;所述偏振轉換波片設置于所述偏振分光棱鏡的出射光路上，用于將所述準直光線中的P光轉換為S光并透射;所述第一偏振反射棱鏡設置于所述偏振轉換波片的出射光路上，用于反射所述偏振轉換波片透射的S光;所述第二偏振反射棱鏡設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;所述平面導光襯底設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光進行全反射傳播;所述偏振轉換導光襯底與所述平面導光襯底相鄰，用于對所述平面導光襯底傳播的S光進行偏振態的轉換;所述耦合輸出面設置于所述偏振轉換導光襯底中，用于將經過所述偏振轉換導光襯底轉換后的光線輸出至人眼;環境光線依次通過所述偏振轉換導光襯底和所述耦合輸出面進入人眼。2.如權利要求1所述的平面波導光學裝置，其特征在于，所述耦合輸出面包括多個子輸出面，所述多個子輸出面按所述圖像光線在所述偏振轉換導光襯底中的傳播方向，依次平行設置。3.如權利要求2所述的平面波導光學裝置，其特征在于，每個子輸出面涂覆有透射膜。4.如權利要求1所述的平面波導光學裝置，其特征在于，主軸光線與所述偏振轉換導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之間滿足下述關系:β-ref = 0.5*β—surf。5.如權利要求1所述的平面波導光學裝置，其特征在于，所述偏振轉換導光襯底的厚度，所述平面導光襯底的厚度H--U，所述平面導光襯底的長度C-Length，以及主軸光線與所述平面導光襯底的上下表面法線的夾角β-surf滿足下述關系:C-Length〉6*(H-small*t￡in(β-surf ))。6.如權利要求1所述的平面波導光學裝置，其特征在于，所述偏振轉換波片具體為1/4波片。7.如權利要求1所述的平面波導光學裝置，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，其中一個直角棱鏡的斜邊上鍍有偏振分光介質膜。8.一種增強現實設備，其特征在于，包括如權利要求1-7中任一權項所述的平面波導光學裝置。
【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