微型光机系统及近眼显示设备的制作方法

1.本技术涉及光学成像设备技术领域，特别是涉及微型光机系统及近眼显示设备。


背景技术：

2.随着技术的发展，增强现实(augmented reality，ar)显示装置，比如ar眼镜，既能看到外部真实的世界也需要看到虚拟的图像。真实场景和虚拟信息融合为一体，相互补强，相互“增强”。
3.在ar设备中通常采用微型光机生成图像，图像通过显示波导传入人眼。由于不同角度光线在显示波导内传输的路径不同、光栅对不同角度光线衍射效率不同等多种原因，导致不同角度光线的衍射效率不同，即人眼看到的图像fov(视场角)均匀性变差。


技术实现要素：

4.本技术主要解决的技术问题是提供一种微型光机系统及近眼显示设备，能够提高近眼显示设备图像fov(视场角)均匀性。
5.为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是：提供一种微型光机系统，包括：
6.图像源，用于出射偏振图像光；
7.偏振调制器，设于所述图像源出射偏振图像光的光路上，包括若干个偏振分区；以及
8.光波导组件，用于耦入所述偏振调制器出射的偏振图像光，并将偏振图像光耦出；
9.其中，所述若干个偏振分区分别对入射进各自分区的偏振图像光进行偏振调制，使得以不同角度耦入进所述光波导组件的偏振图像光具有不同偏振态，进而使得偏振图像光在所述光波导组件中的衍射效率一致。
10.为解决上述技术问题，本技术采用的另一个技术方案是：提供一种近眼显示设备，包括佩戴框以及本技术提供的微型光机系统，所述佩戴框具有间隔设置的两个视窗区，所述出光系统向所述两个视窗区的至少一个视窗区出射光线。
11.本技术的有益效果是：区别于现有技术的情况，本技术的微型光机系统包括图像源、偏振调制器以及光波导组件，偏振调制器包括若干个偏振分区。其中，偏振分区能够对入射进其内部的偏振图像光进行偏振调整，使得以不同角度耦入进光波导组件的偏振图像光具有不同偏振态。原本衍射效率高的光调整为衍射效率低的偏振态；原本衍射效率低的光调整为衍射效率高的偏振态。进而使得耦入进光波导组件的偏振图像光衍射效率一致，最终从光波导组件耦出的图像fov均匀性。
附图说明
12.图1是本技术近眼显示设备一实施例的结构示意图；
13.图2是本技术微型光机系统一实施例的结构示意图；
14.图3是本技术微型光机系统一实施例中偏振调制器的偏振分区示意图；
15.图4是经过图3偏振调制器的偏振图像光前后偏振态分布示意图；
16.图5是未经过偏振补偿的光波导组件耦出光线视场亮度分布和经过图3偏振调制器偏振补偿的光波导组件耦出光线视场亮度分布示意图；
17.图6是是本技术微型光机系统另一实施例中偏振调制器的偏振分区示意图；
18.图7是是本技术微型光机系统又一实施例中偏振调制器的偏振分区示意图；
19.图8是本技术微型光机系统又一实施例的结构示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
21.请参阅图1，图1是本技术近眼显示设备一实施例的结构示意图。
22.近眼显示设备10包括佩戴框11、佩戴架12以及微型光机系统100。所述佩戴架12与所述佩戴框11相连。
23.所述佩戴框11具有间隔设置的两个视窗区13，微型光机系统100用于出射光线至视窗区13，人眼通过视窗区13可以观察到图像。
24.微型光机系统100为本技术提供的微型光机系统，微型光机系统100能够提高视窗区13出射图像fov均匀性，关于本技术微型光机系统，请参阅以下微型光机系统实施例的描述。
25.需要说明的是，本技术中的近眼显示设备可以包括智能眼镜、虚拟现实智能眼镜等。需要说明的是，本技术实施例中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或组件。
26.请参阅图2，图2是本技术微型光机系统一实施例的结构示意图。
27.在本实施例中，微型光机系统包括图像源110、偏振调制器120、镜头组件130以及光波导组件140。
28.图像源110用于产生所需要图像的偏振图像光。图像源产生的偏振图像光依次经过偏振调制器120镜头组件130入射至光波导组件140，光波导组件140用于耦入偏振调制器120出射的偏振图像光，偏振图像光在光波导组件140传输后耦出而出射至人眼。外部环境光线(比如，户外太阳光、室内照明灯产生的光线)也可以透过光波导组件140射入人眼，因此，用户可观看到图像源110中的图像以及外部环境中的图像，由此实现虚实结合的增强现实功能。
29.可选地，图像源110可以包括lcos(liquid crustal on silicon,硅基液晶)或3lcd(3liquid crystal display,三片式lcd)等液晶投影系统，也可以是dmd投影系统(digital mirror device,数字微镜器件)。在图像源110包括lcos投影系统的情况下，lcos自身可以出射偏振图像光。而在图像源110包括dmd投影系统等出射非偏振的图像光的情况
下，图像源110还可以包括起偏器，起偏器设置在非偏振的图像光光路上，用于将非偏振的图像光转换为射偏振图像光。
30.在本技术的实施例中以lcos投影系统为例。
31.具体地，图像源110包括光源111、匀光系统112、lcos113、偏振分光棱镜114以及检偏器115。
32.其中，光源111设于匀光系统112的一侧，光源111向匀光系统112出射偏振光，匀光系统112接收光源111出射的偏振光后并对偏振光匀光后出射均匀的偏振光。偏振分光棱镜114设于匀光系统112的出光侧。偏振分光棱镜114设置在偏振光的光路上，光源111的出射的偏振光经匀光系统112匀光后，均匀地入射进入偏振分光棱镜114。
33.偏振分光棱镜114用于反射偏振光，并透射偏振图像光，其中偏振光与偏振图像光的方向垂直。
34.lcos113设置于偏振分光棱镜114反射的偏振光光路上，偏振光入射至lcos113后，被lcos113调制后转换为偏振图像光并入射进入偏振分光棱镜114中，偏振图像光透射偏振分光棱镜114。
35.例如在本实施例中，偏振光进入偏振分光棱镜114后分成两束垂直的线偏振光-p偏振光和s偏振光。其中p偏振光完全通过，而s偏振光以45度角被反射，出射方向与p偏振光成90度角。
36.lcos113设于偏振分光棱镜114中的s偏振光出光处，接收偏振分光棱镜114出射的s偏振光。当lcos113的像素点处于亮态时，s偏振光经lcos113的调制和反射变为p偏振的偏振图像光并按原路入射进入偏振分光棱镜114，偏振图像光透过偏振分光棱镜114，从偏振分光棱镜114的另一侧出射。而lcos113的像素点处于暗态时，s偏振光不会转变为偏振图像光，经过lcos113反射后无法仍被偏振分光棱镜114反射。
37.检偏器115设于偏振分光棱镜114出射来自lcos113的p偏振光的一侧，用于对该光线进行检偏，经偏振分光棱镜114透射的偏振图像光透射检偏器115后射出。
38.在本实施例中，光波导组件140具体可以包括耦入光栅141和波导基底142，耦入光栅141承载于波导基底142，用于将光线耦入波导基底142。波导基底142是引导光在其内部传播的介质，光在波导基底142内部发射全反射，用于将光源的光传播至人眼，波导基底142可以是平面光波导。可选地，波导基底142为高折射率玻璃，波导基底142的折射率大于等于1.7且小于等于2.3，这样设置有利于保证波导基底142的高折射率特性，高折射率可提高视场角的大小，以实现超大视场角的光波导片。当然，也可根据实际需求选择不同的材料。
39.进一步地，光波导组件140还可以包括用于扩瞳的折转光栅(图未示出)以及用于将光耦出波导基底142的耦出光栅(图未示出)，都在本领域技术人员理解范围内，在此不作赘述。
40.偏振调制器120设置在图像源110出射光的光路上，用于接收图像源110的出射光，对光线进行偏振调制。
41.具体而言，偏振调制器120设于上述检偏器115的一侧，偏振分光棱镜114出射的光线经过检偏器115后，入射进入偏振调制器120，其中入射进入偏振调制器120具有均匀的偏振状态。
42.镜头组件130可以包括多个透镜组，用于成像。镜头组件130将画面的面分布转换
成角分布，然后将所成图像上不同位置的光线按照不同角度从镜头组件130出射。
43.在本实施例中，镜头组件130设置在偏振调制器120与光波导组件140之间。经偏振调制器120进行偏振调制过后的偏振图像光入射进入镜头组件130，偏振图像光在镜头组件130内部成像，经镜头组件130成像的偏振图像光以不同的角度入射进入光波导组件140的耦入光栅141。
44.经上述描述可知，耦入进光波导组件140的耦入光栅141的偏振图像光具有不同的入射角度，而不同角度的偏振图像光在波导基底142内的传输路径不同等原因，导致这些偏振图像光在光波导组件140衍射效率不同，最终人眼观察到的到图像亮度不均匀。在本技术中，偏振图像光衍射效率指的是耦入进光波导组件140偏振图像光的的能量和从光波导组件140耦出偏振图像光的能量比值。
45.为了解决上述问题，本实施例中微型光机系统设置了偏振调制器120，偏振调制器120设于图像源110出射偏振图像光的光路上。
46.在本实施例中，偏振调制器120包括若干个偏振分区。其中，偏振分区对经过其的偏振光进行偏振调制，改变它们的偏振态。镜头组件130成的像的偏振图像光入射偏振调制器120后，所述若干个偏振分区分别对入射进各自分区的偏振图像光进行偏振调制，经偏振调制器120的偏振图像光以不同角度耦入进光波导组件140。
47.偏振图像光在光波导组件140的衍射效率除了受到入射角度影响外，还会受到其偏振态的影响。对于受到入射角度影响而衍射效率低的光线，可以改变其偏振态，使其的偏振态变为衍射效率更高的偏振态。对于受到入射角度影响而衍射效率高的光线，也可以改变其偏振态，使其的偏振态变为衍射效率更低的偏振态。如此经过偏振调制，原本衍射效率低的光线的衍射效率变高，原本衍射效率高的光线的衍射效率变低，使得不同角度入射的偏振图像衍射效率趋于一致。
48.因此，本实施例中偏振调制器120的若干个偏振分区分别对入射进各自分区的偏振图像光进行偏振调制，使偏振图像光得到了偏振补偿，提升原本衍射效率低的偏振图像光，降低原本衍射效率高的偏振图像光，使得以不同角度耦入进光波导组件140的偏振图像光耦出时的衍射效率一致，耦出光波导组件140的光亮度均匀。
49.可选地，偏振调制器120可以是双折射晶体光学元件，双折射晶体光学元件能够对光线起到偏振调制的作用。对于起到不同偏振调制效果的偏振分区，可以透过改变双折射晶体光学元件的光轴方向和/或厚度，使得不同的偏振分区可以具有不同的调制效果。
50.具体可参阅图3，图3是本技术微型光机系统一实施例中偏振调制器的偏振分区示意图。
51.在此实施例中，偏振调制器120是具有所述若干个偏振分区的波片，若干个所述偏振分区的晶体光轴方向和/或厚度不同，使得不同的偏振分区可以具有不同的调制效果。
52.具体地，在偏振调制器120的入光一侧平面中，偏振调制器120被分为m行
×
n列个象限，其中每个象限为偏振分区。每个偏振分区可以是封闭的二维形状，例如，矩形、多边形或自由形状区域。
53.在此实施例中，偏振调制器120被分为2行
×
3列个偏振分区。在其他的实施例中，偏振调制器120也可以被分为3行
×
2列、4行
×
4列、4行
×
5列、5行
×
4列等个偏振分区。
54.可选地，在偏振调制器120的偏振分区为矩形分区时，矩形分区的长宽尺寸为10um
～10mm，每个偏振分区尺寸越大加工难度越低，可控制的偏振分区越少。本领域技术人员可以依据实际情况调整。
55.在此实施例中，有4个分区起到1/2波片的偏振调制效果，经过该偏振分区的偏振图像光改变了原始偏振光偏振方向。而另外2个分区不对经过其的偏振图像光起到偏振调制的效果。
56.请参阅图4，图4是经过图3偏振调制器的偏振图像光前后偏振态分布示意图。
57.由图3可知，偏振调制器120被分为2行
×
3列个偏振分区，其中4个起到1/2波片的偏振调制效果，经过该分区的偏振态发生改变。另外2个分区不对经过其的光线起到偏振调制的效果，经过该分区的偏振态未发生改变。
58.图3所示仅为一种实施例，本领域技术人员还可以基于此实施例改变偏振分区的位置和数量。
59.请参阅图5，图5是未经过偏振补偿的光波导组件耦出光线视场亮度分布和经过图3偏振调制器偏振补偿的光波导组件耦出光线视场亮度分布示意图。
60.在光线未经过偏振补偿时，由于不同入射角度的光线的衍射效率不同，最后在光波导组件140耦出光线视场亮度分布不均匀，部分区域的亮度较大。而经过偏振调制器120的偏振补偿作用后，原本区域的亮度较大的光线衍射效率降低，该区域在光波导组件140耦出光线视场亮度降低，最终使得光波导组件140耦出光线视场亮度分布均匀。
61.在另一个实施例中，其参阅图6，图6是本技术微型光机系统另一实施例中偏振调制器的偏振分区示意图。
62.在本实施例中，偏振调制器120是电控液晶片。电控液晶片中包括了若干个液晶像素121。其中，经过像素121的偏振图像光的偏振态能够发生改变，使得该偏振图像光的衍射效率发生改变。因此，每个像素在偏振调制器120起到一个单独的偏振分区的作用。
63.像素121被配置为在接入电压后可控制液晶偏振角度，使得像素121在电压的作用下可以动态调整偏振调制效果，以确保最终波导组件140出射的光线视场亮度均匀。
64.可选地，像素121可以是封闭的二维形状，例如，矩形、圆形或多边形，每个像素的尺寸为0.5um～1mm。
65.相对于上一实施例，本实施例下的偏振调制器120提高了偏振调制的精细度，能够更为精确地对光线进行偏振调制，还可以动态调制每个偏振分区的调制效果，提高了光波导组件140耦出的图像fov均匀性。
66.除了上述的双折射晶体，偏振调制器120还可以是具有所述若干个偏振分区的微结构器件。
67.请参阅图7，图7是本技术微型光机系统又一实施例中偏振调制器的偏振分区示意图。
68.偏振调制器120中包括若干个微结构分区，每个微结构分区为单独的偏振分区。
69.由衍射公式可知：
70.d(sinα sinβ)＝mλ
71.其中d为偏振分区周期，α为入射角，β为衍射角，m为衍射级次，λ为介质中的波长。则当d《λ/2时，
72.|mλ|＝d|(sinα sinβ)|＜2
×
a/2＝λ
73.当偏振分区周期d小于二分之一波长时，偏振分区的出射光中只会存在零级光，不会存在其他级次的衍射光。因此，本实施例下的微结构器件的偏振分区周期应小于二分之一偏振图像光的波长，其中偏振图像光是入射进偏振调制器120的偏振图像光。
74.可选地，微结构器件可以是光栅、超表面或衍射光学元件中的一种或多种，即偏振调制器120可以是光栅、超表面或衍射光学元件。
75.可选地，微结构分区的尺寸为0.1um～10mm。
76.不同的微结构分区对入射进入该分区的偏振图像光具有不同的偏振调制效果。受到入射角度影响而衍射效率低的偏振图像光，微结构分区使其的偏振态变为衍射效率更高的偏振态；受到入射角度影响而衍射效率高的偏振图像光，微结构分区使其的偏振态变为衍射效率更低的偏振态，使得不同角度入射的偏振图像衍射效率趋于一致，提高了波导组件140耦出图像fov均匀性。
77.可选地，关于微结构分区的偏振调制效果可以通过改变每个微结构分区的形状、折射率、排布方向、深度、占空比中的一项或多项来实现，本领域技术人员可根据实际情况来设置。
78.因此，在本实施例中，偏振调制器采用微结构器件，同样也能达到对光线偏振补偿的效果，提高了人眼最终观察到的图像fov均匀性。
79.请参阅图8，图8是本技术微型光机系统又一实施例的结构示意图。
80.在本实施例中，微型光机系统包括图像源110、偏振调制器120、镜头组件130以及光波导组件140。
81.图像源110用于产生所需要图像的偏振图像光，图像源产生的偏振图像光依次经过偏振调制器120镜头组件130入射至光波导组件140，光波导组件140将偏振图像光耦出而出射至人眼。外部环境光线(比如，户外太阳光、室内照明灯产生的光线)也可以透过光波导组件140射入人眼，因此，用户可观看到图像源110中的图像以及外部环境中的图像，由此实现虚实结合的增强现实功能。图像源110可以是lcos等液晶投影系统，也可以dmd投影系统。在本实施例中，图像源110出射偏振光线。
82.具体地，图像源110包括光源111、匀光系统112、lcos113、偏振分光棱镜114以及检偏器115。
83.其中，光源111设于匀光系统112的一侧，光源111向匀光系统112出射偏振光，匀光系统112接收光源111出射的偏振光后并对偏振光匀光后出射均匀的偏振光。偏振分光棱镜114设于匀光系统112的出光侧。偏振分光棱镜114设置在偏振光的光路上，光源111的出射的偏振光经匀光系统112匀光后，均匀地入射进入偏振分光棱镜114。
84.偏振分光棱镜114用于反射偏振光，并透射偏振图像光，其中偏振光与偏振图像光的方向垂直。
85.lcos113设置于偏振分光棱镜114反射的偏振光光路上，偏振光入射至lcos113后，被lcos113调制后转换为偏振图像光并入射进入偏振分光棱镜114中，偏振图像光透射偏振分光棱镜114。
86.例如在本实施例中，偏振光进入偏振分光棱镜114后分成两束垂直的线偏振光-p偏振光和s偏振光。其中p偏振光完全通过，而s偏振光以45度角被反射，出射方向与p偏振光成90度角。
87.lcos113设于偏振分光棱镜114中的s偏振光出光处，接收偏振分光棱镜114出射的s偏振光。当lcos113的像素点处于亮态时，s偏振光经lcos113的调制和反射变为p偏振的偏振图像光并按原路入射进入偏振分光棱镜114，偏振图像光透过偏振分光棱镜114，从偏振分光棱镜114的另一侧出射。而lcos113的像素点处于暗态时，s偏振光不会转变为偏振图像光，经过lcos113反射后无法仍被偏振分光棱镜114反射。
88.检偏器115设于偏振分光棱镜114出射来自lcos113的偏振图像光的一侧，用于对偏振图像光进行检偏，经偏振分光棱镜114透射的偏振图像光透射检偏器115后射出。
89.镜头组件130设置在检偏器115出光端，用于接收经检偏器115检偏后的偏振图像光。
90.镜头组件130可以包括多个透镜组，用于成像，图像源出射的偏振图像光入射镜头组件130并经镜头组件130成像。镜头组件130接收经检偏器115出射的偏振图像光后，将偏振图像光的画面的面分布转换成角分布，然后将偏振图像光按照不同角度从镜头组件130出射。
91.偏振调制器120设置的镜头组件130的出光端，入射进入镜头组件130的偏振图像光以不同角度出射，然后入射进入偏振调制器120中。
92.镜头组件130设于偏振调制器120与光波导组件140之间。偏振调制器120对不同入射角度的偏振图像光进行偏振调制，使不同入射角度的偏振图像光具有不同的偏振态，然后不同入射角度的偏振图像光透过偏振调制器120，再次以不同的入射角度入射进入光波导组件140中。
93.光波导组件140具体可以包括耦入光栅141和波导基底142，耦入光栅141承载于波导基底142，用于将偏振图像光耦入波导基底142。波导基底142是引导光在其内部传播的介质。
94.进一步地，光波导组件140还可以包括用于扩瞳的折转光栅(图未示出)以及用于将光耦出波导基底142的耦出光栅(图未示出)，都在本领域技术人员理解范围内，在此不作赘述。
95.在本实施例中，偏振调制器120包括若干个偏振分区。偏振分区对经过其的偏振图像光进行偏振调制，改变它们的偏振态。其中，偏振分区对经过其的偏振图像光进行偏振调制的效果基于入射进入偏振调制器120的光线入射角度而定。
96.以不同角度入射进入偏振调制器120的偏振图像光受到的偏振调制不同，使得以不同角度入射进入耦入光栅141的偏振图像光具有不同的偏振态。对于受到入射角度影响而衍射效率低的偏振图像光，偏振调制器120可以改变其偏振态，使其的偏振态变为衍射效率更高的偏振态。对于受到入射角度影响而衍射效率高的偏振图像光，偏振调制器120也可以改变其偏振态，使其的偏振态变为衍射效率更低的偏振态。如此经过偏振调制，原本衍射效率低的偏振图像光的衍射效率变高，原本衍射效率高的偏振图像光的衍射效率变低，最终所有的偏振图像光衍射效率一致。
97.可选地，偏振调制器120可以是双折射晶体，例如波片、电控液晶，也可以是微结构器件，例如光栅、超表面或衍射光学元件。
98.如此，本实施例中偏振调制器120的若干个偏振分区分别对入射进各自分区的偏振图像光进行偏振调制，偏振图像光得到了偏振补偿，以不同角度入射进入耦入光栅141的
偏振图像光具有不同的偏振态，原本衍射效率低的偏振图像光得到了提升，原本衍射效率高的偏振图像光降低了衍射效率，使得耦入进光波导组件140的光耦出时的衍射效率一致，耦出光波导组件140的图像fov均匀。提升人眼观看的舒适度。
99.在本技术的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、机构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、机构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
100.以上所述仅为本技术的实施例，并非因此限制本技术的专利范围，凡是利用本技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本技术的专利保护范围内。