一种偏振分光棱镜和近眼显示系统

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，特别涉及一种偏振分光棱镜和近眼显示系统。

背景技术

近眼显示系统，也称为头盔显示器，它最初起源于空军领域，主要是解决驾驶员面对飞机上日益增多的精密仪器及武器系统所收集的大量信息的困扰，利用近眼显示产品可以将各仪器仪表的所有的信息全部呈现在驾驶员前面的视场内,使驾驶员集中精力操作飞机和进行瞄准。随着人们对于近眼显示产品的学习和认识，近眼显示产品的应用领域也不断扩展。在民用方面主要是结合相关的虚拟技术，应用于教育与训练；商业产品的展览与推销；医学的模拟训练等。

然而在现有的近眼显示系统中，一方面，使用的光学元件数目较多，同时系统较为复杂，不易减轻装置的体积；另一方面，在设计AR眼镜时，光机需与镜腿结合设计，请参阅图1，为了保证画面中心位于镜片3中心，需要将光机2中心与AR眼镜的镜片3中心设计在同一水平面上，这样会导致AR眼镜的镜腿1较粗、整体装置较重。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种可折叠光路的偏振分光棱镜，该偏振分光棱镜应用于近眼显示系统中时，可以使AR眼镜的光机中心与镜片中心无需同一水平面上，降低系统复杂程度并且减轻装置体积和质量。

第一方面，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种偏振分光棱镜，包括：第一三角棱镜和第二三角棱镜；所述第一三角棱镜和所述第二三角棱镜均为等腰三角棱镜；所述偏振分光棱镜具有第一入射面、第二入射面和出射面，所述第一入射面为所述第一三角棱镜的顶角相邻的第一侧面，所述第二入射面为所述第一三角棱镜的顶角相邻的第二侧面，所述出射面为所述第二三角棱镜的顶角所对的第一侧面；所述第一三角棱镜的顶角所对的第三侧面与所述第二三角棱镜的顶角相邻的第二侧面贴合设置形成第一胶合面，所述第一胶合面为偏振分光面，所述第二三角棱镜的顶角相邻的第三侧面为反射面；所述第一胶合面用于将所述第一入射面入射的第一偏振态的光反射至所述第二入射面出射，以及用于将所述第二入射面入射的第二偏振态的光透射至所述反射面；所述反射面用于反射所述第二偏振态的光至所述出射面出射。

在一些实施例中，所述偏振分光棱镜还包括第三三角棱镜；所述第三三角棱镜的第一侧面与所述第二三角棱镜的顶角相邻的第三侧面贴合设置形成第二胶合面；所述第二胶合面为所述反射面。

在一些实施例中，所述第一三角棱镜和所述第二三角棱镜均为等腰直角棱镜。

第二方面，本发明实施例还提供一种近眼显示系统，包括如上述第一方面任意一项所述的偏振分光棱镜。

在一些实施例中，所述近眼显示系统还包括照明单元、显示单元以及光波导；所述照明单元设于所述偏振分光棱镜的第一入射面，所述照明单元用于为所述显示单元提供光源；所述显示单元设于所述偏振分光棱镜的第二入射面，所述显示单元用于提供图像信息；所述光波导设于所述偏振分光棱镜的出射面。

在一些实施例中，所述近眼显示系统还包括至少一个成像透镜，所述成像透镜设于所述显示单元与所述第二入射面之间，和/或，所述成像透镜设于所述出射面与所述光波导之间，所述成像透镜用于对光线进行整形。

在一些实施例中，所述近眼显示系统还包括偏振片，所述偏振片设于所述照明单元与所述第一入射面之间。

在一些实施例中，所述照明单元包括LED光源和至少一个照明透镜；所述LED光源、所述至少一个照明透镜、所述偏振片以及所述第一入射面依次沿第一光轴设置。

在一些实施例中，所述照明单元还包括微透镜阵列，所述微透镜阵列沿所述第一光轴设于所述照明透镜与所述偏振片之间。

在一些实施例中，所述光波导为几何阵列光波导或衍射光波导。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施方式提供一种偏振分光棱镜和近眼显示系统，该偏振分光棱镜包括第一三角棱镜和第二三角棱镜，具有第一入射面、第二入射面和出射面，第一胶合面为偏振分光面，第二三角棱镜的顶角相邻的第三侧面为反射面，该偏振分光棱镜通过偏振分光面可将第一入射面入射的第一偏振态的光反射至第二入射面出射，以及将第二入射面入射的第二偏振态的光透射至反射面，同时通过反射面反射第二偏振态的光至出射面出射，对光路进行折叠，该偏振分光棱镜应用于近眼显示系统中时，可使AR眼镜的光机中心与镜片中心无需处于同一水平面上，降低系统复杂程度并且减轻装置体积和质量。

附图说明

一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是现有技术提供的一种AR眼镜的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种偏振分光棱镜的横截面示意图；

图3是图2的光路示意图；

图4(1)是本发明实施例提供的另一种偏振分光棱镜的横截面示意图；

图4(2)是图4(1)的光路示意图；

图5是本发明实施例提供的一种近眼显示系统的结构示意图；

图6是图5的光路示意图；

图7是本发明实施例提供的一种AR眼镜的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的另一种近眼显示系统的结构示意图；

图9是图8的一种光路示意图；

图10是本发明实施例提供的再一种近眼显示系统的结构示意图；

图11是图10的一种光路示意图；

图12是图10中的光波导俯视光路示意图；

图13是图10的另一种光路示意图；

图14是本发明实施例提供的又一种近眼显示系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例中的各个特征可以相互结合，均在本申请的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。

本发明实施方式提供一种偏振分光棱镜，请参阅图2，该偏振分光棱镜10包括：第一三角棱镜11和第二三角棱镜12；第一三角棱镜11和第二三角棱镜12均为等腰三角棱镜；偏振分光棱镜10具有第一入射面110、第二入射面120和出射面130，第一入射面110为第一三角棱镜11的顶角θ1相邻的第一侧面，第二入射面120为第一三角棱镜11的顶角θ1相邻的第二侧面，出射面130为第二三角棱镜12的顶角θ2所对的第一侧面；第一三角棱镜11的顶角θ1所对的第三侧面与第二三角棱镜12的顶角θ2相邻的第二侧面贴合设置形成第一胶合面，第一胶合面为偏振分光面101，第二三角棱镜的顶角θ2相邻的第三侧面为反射面102；其中，第一胶合面用于将第一入射面110入射的第一偏振态的光反射至第二入射面120出射，以及用于将第二入射面120入射的第二偏振态的光透射至反射面102；反射面102用于反射第二偏振态的光至出射面130出射。

具体地，第一偏振态和第二偏振态的偏振方向互相垂直。偏振分光面101可以为线栅式偏振分光面，或者为镀膜式偏振分光面。例如，可在第一胶合面上镀设有偏振分光膜，或者，在第一胶合面上贴合有金属线栅或者刻蚀有玻璃线栅。反射面可以为Al膜、Ag膜、介质膜、具有保偏振特性的反射膜或者是其他一切合适的反射膜，在此不做限定。

请同时参阅图2和图3，该偏振分光棱镜10通过第一胶合面可将第一入射面110入射的第一偏振态的光反射至第二入射面120出射，以及将第二入射面120入射的第二偏振态的光透射至反射面102；同时，该偏振分光棱镜10可以通过反射面102反射由第二入射面120透射的第二偏振态的光至出射面130出射，其中，实线表示第一偏振态的光路、虚线表示第二偏振态的光路。可见，该偏振分光棱镜10可用于折叠不同偏振态的光路，进而可应用于近眼显示系统中折叠光路，并通过该偏振分光棱镜对AR眼镜进行设计，可以使光机中心与镜片中心无需处于同一水平面上，进一步可降低近眼显示系统的复杂程度，并且有利于减轻装置体积和质量。

在其中一些实施例中，请参阅图4(1)，所述偏振分光棱镜10还包括第三三角棱镜13；第三三角棱镜13的第一侧面与第二三角棱镜12的顶角θ2相邻的第三侧面贴合设置形成第二胶合面，第二胶合面为反射面102。此时，请参阅图4(2)，该偏振分光棱镜10中，通过偏振分光面101将第一入射面110入射的第一偏振态的光反射至第二入射面120出射，以及将第二入射面120入射的第二偏振态的光透射至反射面102；反射面102反射由第二入射面120透射的第二偏振态的光至出射面130出射。

应当注意的是，第一三角棱镜11的各处横截面与第一三角棱镜11的上下底面互相平行且相等，同理，第二三角棱镜12和第三三角棱镜13也应是如此。

在其中一些实施例中，请继续参阅图4(1)，第一三角棱镜11、第二三角棱镜12和第三三角棱镜13均为直角棱镜，即θ1、θ2和θ3均为直角。在其中一些实施例中，第一三角棱镜11和第三三角棱镜13尺寸一致，进一步，第二三角棱镜12的侧棱长和第一三角棱镜11的侧棱长一致，第二三角棱镜12的顶角θ2相邻的第一侧面与第一三角棱镜11的顶角θ1所对的第三侧面完全贴合，即第二三角棱镜12的底面的直角三角形的第一直角边与第一三角棱镜11的底面的直角三角形的斜边相等，同样地，第二三角棱镜12的顶角θ2相邻的第二侧面与第三三角棱镜12的顶角θ3所对的侧面完全贴合，即第二三角棱镜12的底面的直角三角形的第二直角边与第三三角棱镜13的底面的直角三角形的斜边相等，这样，可以使偏振分光棱镜10的结构更为简洁美观，且易装配于近眼显示系统中。应当注意的是，在实际应用中，三个三角棱镜的底面三角形的形状均可根据实际需要进行设置，在此不需拘泥于本实施例中的限定。特别是第三三角棱镜，由于其并不影响实际光路，因此关于其的底面类型可以是任意三角形形状。

第二方面，本发明实施例还提供一种近眼显示系统，包括如上述第一方面任意一项所述的偏振分光棱镜。该偏振分光棱镜应用于近眼显示系统中可将光路进行折叠，并且通过折叠光路可以使AR眼镜的光机中心与镜片中心无需处于同一水平线上，降低近眼显示系统的复杂程度，进一步可减轻近眼显示系统的体积和质量。

在其中一些实施例中，请结合参阅图2和图5，或者，结合参阅图4和图8，近眼显示系统100还包括照明单元20、显示单元30以及光波导40；其中，照明单元20设于偏振分光棱镜10的第一入射面，照明单元20用于为显示单元30提供照明光源；显示单元30设于偏振分光棱镜10的第二入射面120，显示单元30用于提供图像信息；光波导40设于偏振分光棱镜10的出射面130。

具体地，显示单元30为LCOS、DMD或者是其他的反射型显示芯片；显示单元30的中心光线应处于照明单元20的中心光线经第一胶合面反射后的反射光所在直线上，照明单元20产生的中心光线应垂直于第一入射面入射，显示单元30产生的中心光线应垂直于第二入射面入射，此时，请结合参阅图2和图6，或者，结合参阅图4和图9，照明单元20产生的S偏振光经过第一入射面110到达第一胶合面后，反射至第二入射面120、并垂直于第二入射面120出射到达显示单元30，显示单元30被照亮后，投射出包含显示信息的图像光线，由于显示单元30的特性以及显示单元30与偏振分光棱镜10的相对位置，显示单元30投射的图像光线相对于偏振分光棱镜10为P偏振光，此时经过第二入射面120到达第一胶合面后，将透射至反射面102，接着，该P偏振光经过反射面102反射、并垂直于出射面130出射到光波导40，并在光波导40内进行全反射，最后进入至人眼。应当注意的是，照明单元产生的光斑面积应该略大于显示单元的可操作区面积，同时，请参阅图6，照明单元20产生的中心光线与第一三角棱镜11的底边上的垂线的夹角α1应该等于显示单元30产生的中心光线与第一三角棱镜11的底边上的垂线的夹角α2，这样才能保证显示单元上的图像信息完整地照射并呈现至人眼。

可见，通过该偏振分光棱镜并设计光路，可使照明单元的中心、显示单元的中心以及光波导的中心无需处于同一水平面上，这样，请参阅图7，在设计AR眼镜的时候，可以使光机2中心和镜片3中心设计在不同的水平面上，不仅仍然可以保证光机2输出的画面位于镜片3的中心，而且由于AR眼镜的镜腿1通常和光机2结合设置，通过这样的方式也可以使镜腿1上移，使AR眼镜的整体结构更倾向于普通眼镜的结构，更加地轻便美观，提高用户的使用体验感。

具体地，光波导40可以为几何阵列光波导或者是光栅光波导。在其中一些实施例中，光波导40为几何阵列光波导，其包括入射棱镜，入射棱镜设于偏振分光棱镜10的反射面的出光方向上，此时，偏振分光棱镜10出射的P偏振光能通过入射棱镜耦入到几何阵列光波导中，最后经过光波导内部的选择性透过反射膜反射至人眼。或者，在其中一些实施例中，光波导40为光栅光波导，其包括耦入光栅和耦出光栅，耦入光栅设于偏振分光棱镜10的反射面的出光方向上，可将P偏振光耦入至光波导40中，并经过耦出光栅的扩展和耦出，最终能在耦出光栅的工作区域内耦出至人眼。进一步，所述光栅光波导还可以包括折转光栅，用于将光线折转至耦出光栅以提高光线利用率。

当照明单元20不能直接输出S偏振光时，在其中一些实施例中，请结合参阅图4和图10，近眼显示系统100还包括偏振片60，偏振片60设于照明单元20与偏振分光棱镜10的第一入射面110之间。其中，偏振片60的方向为S偏振光的方向，其能够过滤照明单元20出射的杂散光线，将照明单元20出射的光线转变成S偏振光。

为了进一步对近眼显示系统100的光线进行整形，在其中一些实施例中，请结合参阅图4和图14，近眼显示系统100还包括至少一个成像透镜70，成像透镜70设于显示单元30与偏振分光棱镜10的第二入射面120之间，和/或，成像透镜70设于偏振分光棱镜10的出射面130与光波导40之间。通过对成像透镜70进行曲率设计，可以对图像光线进行整形。具体地，成像透镜70的材料可以为玻璃材料、石英材料、树脂材料、液体材料或者是其他一切合适的透镜材料，同时，成像透镜70的类型可以为球面透镜、非球面透镜、胶合透镜、自由曲面或者是其他一切合适的透镜类型。在实际应用中，成像透镜70的数量及位置可根据实际需要进行设置，在此不做限定。

在其中一些实施例中，请再次参阅图4和图10，照明单元20包括LED光源21和至少一个照明透镜22；其中，LED光源21、至少一个照明透镜22、偏振片60以及偏振分光棱镜10的第一入射面110依次沿第一光轴设置。其中，LED光源21用于产生LED照明光，照明透镜22可用于扩散LED光源21产生的照明光，利于提高照明的均匀性。在实际应用中，LED光源21可以为三色集成光源、四色集成光源或者是其他一切合适的照明光源，同时，照明透镜22可以为常规透镜、胶合透镜、菲涅尔透镜或者是其他一切合适的透镜，在此不做限定。

进一步，为了进一步提高照明的均匀性，在其中一些实施例中，请继续参阅图10，照明单元20还包括微透镜阵列23，微透镜阵列23沿第一光轴设于照明透镜22与偏振片60之间。具体地，微透镜阵列23可以为复眼透镜、或者为柱面阵列透镜。在实际应用中，扩散器件还可以使用反光杯、导光管、扩散片、散射片或者是其他一切合适的扩散器件，在此不做限定。

下面，结合具体的实施例详细阐述本发明提供的近眼显示系统100的工作过程。

实施例一：

请结合参阅图4和图10，在本实施例中近眼显示系统100包括LED光源21、第一照明透镜221、第二照明透镜222、复眼透镜23、偏振片60、偏振分光棱镜10、显示单元30、第一成像透镜71、第二成像透镜72、第三成像透镜73和光波导40；其中，的LED光源21、第一照明透镜221、第二照明透镜222、复眼透镜23、偏振片60和偏振分光棱镜10的第一入射面110沿第一光轴依次设置，显示单元30和偏振分光棱镜10的第二入射面120沿第二光轴依次设置，偏振分光棱镜10的出射面130、第一成像透镜71、第二成像透镜72、第三成像透镜73和光波导40沿第三光轴依次设置。其中，第一照明透镜221为球面透镜，第二照明透镜222为非球面透镜。偏振分光棱镜10中的第一三角棱镜、第二三角棱镜和第三三角棱镜均为等腰直角棱镜，应注意此时第三三角棱镜可以省略。

此时，请结合参阅图4和图11，LED光源21产生的照明光经过第一照明透镜221、第二照明透镜222、微透镜阵列23后被整形成均匀的光斑，穿过偏振片60后光线变成S偏振光，接着S偏振光垂直偏振分光棱镜10的第一入射面110到达第一胶合面101后被反射，并且垂直第二入射面120出射到达显示单元30，由于空间光调制器的特性以及显示单元30与偏振分光棱镜10的相对位置原因，经过显示单元30反射出的图像光线相对于偏振分光棱镜10的第一胶合面为P偏振光，该P偏振光经过第二入射面120入射至第一胶合面101后将透射至反射面102，接着，图像光线被反射面102反射、并垂直于出射面130出射，接着，经过第一成像透镜71、第二成像透镜72和第三成像透镜73整形后将变成平行光进入到光波导40中。

请继续结合参阅图11和图12，当光波导40为几何阵列光波导时，整形后的平行光将在光波导40中遵循折反射定理继续向前传播，最终以平行光从波导片内部反射出，并进入用户的眼镜中，实现增强现实显示，此处应注意图12的视角为图10竖直向下的视角。请参阅图13，当光波导40为衍射波导时，其包括衍射耦入区41和衍射耦出区42，则整形后的平行光经过衍射波导的衍射耦入区41进入衍射波导，并在其中遵循衍射光学原理继续向前传播，最后经过衍射耦出区42射出，并进入用户的眼镜中，实现增强现实显示。

实施例二：

请结合参阅图4和参阅图14，在本实施例中近眼显示系统100包括LED光源21、第一照明透镜221、第二照明透镜222、偏振片60、偏振分光棱镜10、显示单元30、第一胶合透镜74、第二胶合透镜75和光波导40；LED光源21、第一照明透镜221、第二照明透镜222、偏振片60和偏振分光棱镜10的第一入射面110沿第一光轴依次设置，沿第二光轴依次设置的显示单元30、第一胶合透镜和偏振分光棱镜10的第二入射面120，以及沿第三光轴依次设置的偏振分光棱镜10的出射面130、第二胶合透镜和光波导40。其中，第一照明透镜221和第二照明透镜222均为球面透镜，第一胶合透镜74和第二胶合透镜75用于对图像光线进行整形。偏振分光棱镜10中的第一三角棱镜、第二三角棱镜和第三三角棱镜均为等腰直角棱镜，应注意此时第三三角棱镜可以省略。该近眼显示系统100的光路具体可参见实施一中的阐述，在此不再赘述。

在本实施例中，由于照明光线被偏振分光棱镜10的第一胶合面反射经过第一胶合透镜74到达显示单元30，以及，显示单元30接收照明光线后投射出的图像光线也经过了第一胶合透镜74至偏振分光棱镜10的第二入射面120，可见，第一胶合透镜74不仅可以对照明光线进行进一步地匀光、提高光线的扩散角度，而且，还可以对图像光线进行整形。从而得知，在近眼显示系统100中可以通过设计，使对照明光线进行扩散的匀光系统和对图像光线进行整形的整形系统可以共用光学器件，这样，可以提高光学器件的利用率，后续有利于减小整体体积。

综上可见，第一方面，通过本发明提供的偏振分光棱镜，可以提供较长的折叠光路，这样有利于缩小整体装置的体积，并且后续在设计AR眼镜时，可通过该偏振分光棱镜拉开光机中心水平面与镜片中心水平面的位置，使AR眼镜的光机中心与镜片中心不在同一水平面上；第二方面，通过该偏振分光棱镜，为近眼显示系统的整体光路排布提供多种可能的设计，提高了近眼显示系统的设计自由度，为后续设计整体的装置结构提供了极大的方便；第三方面，由于该偏振分光棱镜将光路进行折叠，那么进一步可以通过设计照明透镜、成像透镜的曲率以及位置，可提高光学器件的利用率，减小整体体积、质量、成本，更有利于实际生产及应用。

本发明实施方式提供一种偏振分光棱镜和近眼显示系统，该偏振分光棱镜包括第一三角棱镜和第二三角棱镜，具有第一入射面、第二入射面和出射面，第一胶合面为偏振分光面，第二三角棱镜的顶角相邻的第三侧面为反射面，该偏振分光棱镜通过偏振分光面可将第一入射面入射的第一偏振态的光反射至第二入射面出射，以及将第二入射面入射的第二偏振态的光透射至反射面，同时通过反射面反射第二偏振态的光至出射面出射，对光路进行折叠，该偏振分光棱镜应用于近眼显示系统中时，可使AR眼镜的光机中心与镜片中心无需处于同一水平面上，降低系统复杂程度并且减轻装置体积和质量。

需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。