CN112684529A - 光学器件、系统及光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学器件、系统及光学设备，所述光学器件由多个部分部件组成，满足预定特性的光线在所述多个部分部件的交界面上按一种方式传播，不满足所述预定特性的光线在所述交接面上按另一种方式传播。本发明采用至少部分齿面契合的部分部件，环境光等效于透过一块平板介质，并不受部分部件影响而改变光焦度。而图像光经一片部分部件的齿形结构反射后，等效于被具有光焦度的反射镜反射，因而其光焦度被改变。

Description

光学器件、系统及光学设备

技术领域

本发明涉及光学器件领域，具体地，涉及一种光学器件、系统及光学设备。

背景技术

在一些光学应用例如AR显示、透明显示中需要对光线进行合路，相应的被合路的图像光往往需要进行调制(例如压缩或扩展，聚焦等)，往往需要使被光学器件(例如透镜)调制的光线传播一定的距离，从而导致整个光学系统必须占据一定的空间大小。在一些对体积较为敏感的应用中，例如头戴式的AR/VR系统，手机、穿戴式设备的照相镜头等，压缩光学系统的体积、以及提高光效是一个设计难题。

正如专利文献“能扩瞳且出光均匀的衍射波导”(CN111123524A)，波导基体、入射光栅、均光光栅阵列和出射光栅；其中，所述入射光栅、所述均光光栅阵列和所述出射光栅依次间隔排列设置在所述波导基体的表面，所述入射光栅经所述均光光栅阵列至所述出射光栅形成传输光路。通过在入射光栅与出射光栅之间的波导基体上设置均光光栅阵列，使入射光栅的光经均光光栅阵列进入出射光栅。现有技术往往通过波导系统(例如衍射波导，阵列式波导等)来实现，但上述波导本身只具备扩瞳能力，并不能替代透镜/反射镜等光学器件来实现对光线的压缩或扩展等调制功能，且入射的光必须为平行光，存在系统灵活性差，难以实现光场显示等问题，此外由于光线在光栅或阵列面上的多次透射反射(扩瞳)，导致光的利用率低，在明亮环境下往往无法满足使用需求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种光学器件、系统及光学设备。

根据本发明提供的一种光学器件，所述光学器件由多个部分部件组成，满足预定特性的光线在所述多个部分部件的交界面上按一种方式传播，不满足所述预定特性的光线在所述交接面上按另一种方式传播。

优选地，所述交界面对于满足预定特性的光线具有一定的光焦度。

优选地，所述预定特性包括偏振、角度、光的入射面的任一个或任多个。

优选地，所述按一种方式传播包括：光线被反射或透射，或经历的反射透射次数，或透射反射能量的比例。

优选地，所述交界面上部分或者全部镀膜，所述镀膜对光线的入射角度、偏振方向、波长的至少其中之一进行区分。

优选地，所述多个部分部件采用相同材料制作，或采用折射率的差值在预设范围内的材料制作。

优选地，所述多个部分部件之间使用折射率差值在预设范围内的胶水胶合，或使用键合工艺制作。

优选地，所述多个部分部件的至少部分交界面面型互补。

优选地，所述多个部分部件的局部光学参数不同。

优选地，所述多个部分部件的交界面具有微结构。

优选地，所述光学参数不同是指部分部件局部的面型、材质、折射率、镀膜的至少一项不同造成的对光的调制不同。

优选地，所述微结构为齿状结构。通过微结构或齿状结构来降低器件厚度(例如类似菲涅尔镜的原理)。

优选地，所述多个部分部件的交界面的微结构不同，其中所述多个部分部件的微结构至少部分契合。

优选地，所述部分部件的微结构补偿对应另一部分部件对应微结构造成的像差和/或色差。

优选地，所述多个部分部件的交界面面型和/或微结构等效于球面、非球面、双锥面、自由曲面中的任一个或任多个。

优选地，所述多个部分部件的交界面面型和/或微结构等效的光学模型轴对称。

优选地，所述多个部分部件的交界面面型和/或微结构等效的光学模型非中心对称。

优选地，所述多个部分部件的交界面面型和/或微结构等效的光学模型在相互垂直的两个方向数学表达式不同。

优选地，所述多个部分部件中存在至少一个部分部件与其他部分部件不交界的至少一个表面为平面。

优选地，所述平面的不同区域镀有不同折射率的介质膜和/或增透膜。

优选地，所述多个部分部件中存在至少一个部分部件与其他部分部件不交界的至少一个表面为曲面。

优选地，所述多个部分部件中存在至少一个部分部件与其他部分部件不交界的至少一个表面上设置有微结构。

优选的，所述多个部分部件的交界面的微结构不同，其中所述微结构的至少部分相互契合。从而可以使用微结构差异形成的结构来做光学参数调制，例如补偿像差。

优选地，所述曲面具有光焦度。

优选地，所述光焦度能够补偿使用者眼睛的像差。

优选地，所述部分部件包括菲涅尔镜。

优选地，所述部件(例如菲涅尔镜)的各微结构(例如齿)等高。

根据本发明提供的一种光学系统，包括上述的光学器件。

根据本发明提供的一种光学系统，包括上述的光学器件，系统中还存在至少另一光学器件，另一光学器件具有微结构，所述另一器件的微结构与所述光学器件的微结构分区域对应，并补偿所述光学器件对应区域的像差和/或色。

优选地，还包括空间光调制器，用于动态调节输入所述光学器件的光学参数，所述光学参数也可以用zernike或seidal多项式等数学多项式表达。

优选地，还包括空间光调制器，所述空间光调制器上分区域调制不同光学参数，并补偿所述光学器件对应区域的像差和/或色差。例如，所述调制不同光学参数可以是在空间光调制器上划分多个区域，在不同的区域分别用系数不同的zernike或seidal多项式或其它数学表达式来实现不同波前的调制。

优选地，还包括波导器件，所述波导器件将满足预定特性的光导入所述光学器件。

根据本发明提供的一种光学设备，包括上述的光学系统。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

采用齿面契合的部分部件组合，对环境光等效于透过一块平板介质，环境光不受部分部件影响不改变光焦度。而图像光经一片部分部件的齿形结构反射后，等效于被具有光焦度的反射镜反射，因而其光焦度被改变实现对光的调制。此外，相较于birdbath等光学方案，其体积大大减小。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1a、1b、1c为本发明实施例1的一种实现方式的俯视图、侧视图、爆炸图；

图2为本发明实施例2的实现方式示意图；

图3为本发明实施例1的一种实现方式示意图；

图4a、4b分别本发明实施例1的一种实现方式的爆炸图、侧视图；

图5、图6、图7、图8为光的路径示意图。

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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1a、1b、1c所示，本实施例作为一种增强现实显示系统中的合路器使用，由两片齿面契合的菲涅尔透镜组成(为方便制作时胶合或键合，所述菲涅尔透镜的齿可以是等高的，每个齿的大小可以在10～30微米之间，这里的齿可以是单个的齿，也可以是一维方向上的齿行或列，或者具有相同中心的齿环或带，或上述这些形态的组合)，每个齿对应的光学参数可以是独立设计的(例如每个齿对应的曲率不相同)，其中一片菲涅尔透镜与另一片菲涅尔透镜契合的表面镀有角度选择性的增反膜。其中一片菲涅尔透镜一侧胶合有介质波导，其折射率与菲涅尔透镜的折射率相同或相近，波导接收像元输出的图像光，所述像元输出的图像光经过波导从菲涅透镜一侧入射，如图5所示，其光线传播轨迹与菲涅透镜入射一侧的表面法线的夹角大于特定角度(例如40°)，环境光从另一菲涅尔透镜入射，由于环境光从空气中入射，其进入菲涅尔透镜后，与菲涅尔透镜一个表面法线的夹角必小于全反射角(例如小于45°)。所述图像光由于与菲涅尔透镜一侧表面法线夹角较大，在入射两片菲涅尔透镜交界面时，被所述角度选择性增反膜反射，而所述环境光由于与菲涅尔透镜一侧表面法线夹角较小，在经过两片菲涅尔透镜交界面时不受影响透射而过。由于两片菲涅尔透镜材料相同，且齿面契合，所述环境光等效于透过一块平板介质，并不受菲涅尔镜影响而改变光焦度。而图像光经一片菲涅尔镜的齿形结构反射后，等效于被具有光焦度的反射镜反射，因而其光焦度被改变。此例中可以将像元等效的设置于菲涅尔镜的焦点位置(或者像元经过光学系统成一中间像，中间像可以成像在波导内部，中间像位于菲涅尔镜焦点位置或附近，则图像光经过菲涅尔镜反射后，将被调制为无穷远或特定的图像像距。

上述实施例中的两片菲涅尔镜的齿面可以是完全契合的，也可以是部分契合的，如图4a、4b所示，两片菲涅尔镜的齿形不完全相同，中间留有一定空隙(可以是空气或者填充一定折射率的介质或光学胶)，图像光经过第一片菲涅尔镜的界面被调制后进入空隙，然后入射到第二片菲涅尔镜表面，在第二片菲涅尔镜的表面上镀有增反膜，图像光被再次调制并反射。这种做法的好处是在系统中增加了一个面(曲面或平面)，可以用于校正图像的像差或色差，增加系统设计的灵活度。此外，上述空隙可以是很小的一段距离(例如几微米到几毫米)，所以第二片菲涅尔镜的每一个齿对应的光线往往只经过第一片菲涅尔镜对应的一个或几个齿调制，换言之，第二片菲涅尔镜的每个齿可以针对第一片菲涅尔镜对应区域造成的像差进行补偿，即两片菲涅尔镜每个齿的面型(对应光学参数)可以是独立的，对应的齿之间存在相互补偿。

上述实施例中，还可以在波导的表面设置另一片光学器件(例如另一片齿面镀有增反膜的菲涅尔镜，或者也可以使用反射式SLM，SLM上不同区域分别调制出对应不同光学参数的相位分布)，如图6所示。像元的特定像素点发出的光经过一定的光学系统(例如一片或几片透镜或反光镜或其组合，或者也可以单独使用反光镜，此时系统内都是反射面，具有色差较小或没有色差的优点)调制后入射到第一片光学器件的部分区域，此例中为几个对应的齿的区域，被调制后在波导中全反射传播的过程中大致聚成一个粗略的中间像，然后传播到本发明所述的第二片光学器件上的对应区域，被再次调制后出射成像。由于像元上不同视场的每一像素点分别对应第一片光学器件的部分区域以及第二片光学器件上的部分区域(这里的部分区域可以是一个或几个齿/齿带/齿环等)，所以第一片光学器件和第二片光学器件的各个区域的光学参数可以不同，第一光学器件各区域可以分别对第二器件对应区域的面型进行补偿(补偿第二器件对相应图像光调制后产生的像差/色差等)，实现不同区域对应不同视场的光学设计。此外，此变化例中波导与第一片光学器件和/或第二片光学器件交界的表面上还可以分区域镀有不同折射率的介质膜层(例如厚度为1um,折射率约为1.350，1.380，1.400，1.600的几个区域)，从而控制不同角度的光在不同区域出射，最终达到减小波导厚度的目的。

上述实施例中也可以将像元(或中间像)设置于菲涅尔镜焦点之外，使对于观看者来说成像在一定距离处(非无穷远)，当然中间像距离也可以是动态调制(例如通过相位调节的SLM调制，或者是由相位调制的SLM生成的物距可变的全息图/相息图)，例如前一帧图像位于焦点上，后一帧偏离焦点一定距离，从而实现成像距离的实时调节。或者也可以是同一图像中具有多个不同距离的物体，通过中间像或直接分别将其调制到相对于菲涅镜的不同位置上，从而实现同一图像中多个不同距离物体的显示，以及动态调节。时分复用的SLM还可以前后帧光学参数调制分别对应不同波长/颜色，动态使用不同参数校正不同波长造成的像差/色差。

所述增反膜可以镀在任意一片菲涅尔镜的齿面上。

所述菲涅镜可以通过机加工设备加工成型(例如金刚石机床，高精度的数控中心等)，也可以是制作模具后注塑或模压后得到。其材料可以是玻璃，也可以是塑料。两片菲涅尔镜的贴合可以使用折射率相近的光学胶胶合而成，也可以使用静电键合，热键合或复合键合等键合工艺制作。

所述波导和所述合路器件之间的交界面上还可以镀有增透膜，以增加波导中的图像光入射所述器件的透过率。此外，波导和所述合路器件的交界面上还可以分区域镀有不同折射率的膜层，从而控制能够从对应区域出射光的角度。

所述一片菲涅尔镜与波导贴合的表面还可以具有微结构，如图3所示，例如具有一定角度的周期重复的斜面，从而减少图像光相对于交界面的倾角，降低交界面光学设计的难度(大离轴情况下较难光学设计出好的像质)。

实施例2

如图7所示，另一种增强现实显示系统中的合路器，由两片各一侧表面制备有相契合结构(可以是离轴设计的具有一定屈光度的结构，也可以是周期性重复的微结构)的光学器件组成，其中一片器件与另一片器件契合的表面镀有偏振选择性的增反膜。图像光为线偏振光(例如，像元使用LCOS器件，图像光相对与菲涅尔透镜的齿表面为P光)，从一片器件的一侧入射，入射到两片器件交界面时，被全部反射(或者一些实施例中也可以部分反射，例如50％反射)。环境光从另一片器件的一侧入射，入射到两片器件的交界面时其中偏振方向为S分量全部透射(或者也可以是大部分透射，例如95％)，偏振方向为P的分量全部反射(或者部分反射部分透射，例如50％反射，50％透射)，环境光的总能量大于50％透射(某些实施例中大于75％透射)。通过控制偏振部分的透射率，可以较好的平衡环境光的透射与图像光反射的比率，从而在满足图像亮度及光效的前提下，尽可能多的增加环境光的透射率，增加器件的透明度。

上述实施例中，由于图像光往往从一个特定方向入射交界面，也可以选择将对应图像光方向的交界面微结构上镀上所述偏振增反膜，而与图像光方向相反的交界面微结构上不镀膜(也可镀增透膜)从而使经过此面的环境光全部透过，而由于图像光不会接触到微结的此表面所以并不会对图像产生影响。这样做可以增加环境光的透射率，增加透明度。

上述实施例中，接收环境光入射的那一部分器件的对应表面也可以做成一定的非平面面型(例如带一定曲率)，从而补偿佩戴者眼睛本身存在的像差(近视，远视，散光等)，如图2所示。

上述实施例也可以如实施例1中所述，结合波导来实现像元图像的导入。

实施例3

如图8所示，另一种增强现实显示系统中的合路器，由两片各一侧表面制备有相契合的齿形结构的光学器件组成。图像光线从一片结构的一个表面以一定的角度范围入射，经过该结构后到达其齿形表面，其中齿形结构对应图像光线入射的方向表面镀有增反膜，将图像光线全部反射，对于图像光线，这些齿形结构相当于具有一定光学参数的反射镜(曲率半径，圆锥系数，非球面的高阶项等)。而与图像光线入射的方向相对的表面则镀有增透膜(若两片器件的材质的折射率接近或相同也可以不镀增透膜)，外部环境光从另一片器件入射，透过另一片器件到达交界面时，入射到镀有增反膜的表面的光线将被反射，反射后或从原入射表面出射无法进入观看者眼睛，或者被反射后经过镀有增透膜的表面后再次入射到下一个镀有反射膜的表面从而被反射后与图像光合路出射(由于相临齿的表面曲率可以设计的非常接近或相同，齿的尺寸也控制在一定大小内，例如10～30微米，从而上述光线的出射时的角度与位置和入射时的角度与位置几乎相同，从而不会严重影响观看者看清外界景物)。而入射到镀有增透膜的环境光则将直接透过界面，并出射进入观看者眼睛。

上述实施例中，所述增反膜是按照一定方向异性制作的，器件的齿形结构两个表面成一定角度(例如接近或小于直角)，可在镀膜设备中按照一定方向放置器件(例如在溅射设备中，将要镀膜器件表面与溅射源成一定角度摆放，使所述齿结构需要镀膜的面正对溅射源，面垂直与溅射离子的来向，而齿上不要镀膜的面则被遮挡或与溅射离子的来向平行)。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (32)

1.一种光学器件，其特征在于，所述光学器件由多个部分部件组成，满足预定特性的光线在所述多个部分部件的交界面上按一种方式传播，不满足所述预定特性的光线在所述交接面上按另一种方式传播。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述交界面对于满足预定特性的光线具有一定的光焦度。

3.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述预定特性包括偏振、角度、光的入射面的任一个或任多个。

4.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述按一种方式传播包括：光线被反射或透射，和/或经历的反射透射次数，和/或透射反射能量的比例。

5.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述交界面上部分或者全部镀膜，所述镀膜对光线的入射角度、偏振方向、波长的至少其中之一进行区分。

6.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述多个部分部件采用相同材料制作，或采用折射率的差值在预设范围内的材料制作。

7.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述多个部分部件之间使用胶水胶合，或使用键合工艺制作。

8.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述多个部分部件的至少部分交界面面型互补。

9.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述部分部件的局部光学参数不同。

10.根据权利要求9所述的光学器件，其特征在于，所述光学参数不同是指部分部件局部的面型、材质、折射率、镀膜的至少一项不同造成的对光的调制不同。

11.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述多个部分部件的交界面具有微结构。

12.根据权利要求11所述的光学器件，其特征在于，所述多个部分部件的交界面的微结构不同，其中所述多个部分部件的微结构至少部分契合。

13.根据权利要求11所述的光学器件，其特征在于，所述部分部件的微结构补偿对应另一部分部件对应微结构造成的像差和/或色差。

14.根据权利要求11所述的光学器件，其特征在于，所述微结构为齿状结构。

15.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述多个部分部件的交界面面型和/或微结构等效于球面、非球面、双锥面、自由曲面中的任一个或任多个。

16.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述多个部分部件的交界面面型和/或微结构等效的光学模型轴对称。

17.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述多个部分部件的交界面面型和/或微结构等效的光学模型非中心对称。

18.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述多个部分部件的交界面面型和/或微结构等效的光学模型在相互垂直的两个方向数学表达式不同。

19.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述多个部分部件中存在至少一个部分部件与其他部分部件不交界的至少一个表面为平面。

20.根据权利要求19所述的光学器件，其特征在于，所述平面的不同区域镀有不同折射率的介质膜和/或增透膜。

21.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述多个部分部件中存在至少一个部分部件与其他部分部件不交界的至少一个表面为曲面。

22.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述多个部分部件中存在至少一个部分部件与其他部分部件不交界的至少一个表面上设置有微结构。

23.根据权利要求21所述的光学器件，其特征在于，所述曲面具有光焦度。

24.根据权利要求23所述的光学器件，其特征在于，所述光焦度能够补偿使用者眼睛的像差。

25.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述部分部件包括菲涅尔镜。

26.根据权利要求11所述的光学器件，其特征在于，所述各微结构等高。

27.一种光学系统，其特征在于，包括权利要求1至26任一项所述的光学器件。

28.一种光学系统，包括权利要求11至14任一项所述的光学器件，其特征在于，系统中还存在至少另一光学器件，另一光学器件具有微结构，所述另一器件的微结构与所述光学器件的微结构分区域对应，并补偿所述光学器件对应区域的像差和/或色差。

29.根据权利27所述的一种光学系统，其特征在于，还包括空间光调制器，用于动态调节输入所述光学器件的光的参数。

30.根据权利28所述的一种光学系统，其特征在于，还包括空间光调制器，所述空间光调制器上分区域调制不同光学参数，并补偿所述光学器件对应区域的像差和/或色差。

31.根据权利27所述的一种光学系统，其特征在于，还包括波导器件，所述波导器件将满足预定特性的光导入所述光学器件。

32.一种光学设备，其特征在于，包括权利要求27至31所述的任一项光学系统。

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