[發明專利]高效率寬角度的耦合光柵

無效

• 申請號: 201210163678.2
• 申請日: 2012-05-23
• 公開（公告）號: CN102681066A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 黃戰華;尤勐;蔡懷宇
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G02B5/18
• 分類號: G02B5/18
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 李益書

技術領域

本發明涉及衍射屏顯領域，尤其涉及一種在大視場、小體積的衍射屏顯系統中，高效率耦合成像光束的耦合光柵。

背景技術

在衍射屏顯領域，小體積大視場的系統設計已成為趨勢，尤其是頭戴式衍射屏顯，更要求小巧輕便。如圖1所示，傳統方式是將各視場的成像光束，經準直后入射帶有楔形斜面的波導板內，光束的耦合能量可接近100%。但是要求成像光源傾斜放置，波導板需要較寬的橫截面，增加了系統的體積和重量。圖2將閃耀光柵作為耦合元件，成像光束可以垂直波導面入射，光束發生衍射后，在波導內全反射傳播。這種設計可以減小體積和重量，但是閃耀光柵的耦合效率一般低于70%，當屏顯要求的視場較大，即入射角度變化范圍較寬時，部分角度的耦合效率可降至30%，損失了較多的入射能量。

發明內容

本發明的目的是解決現有的衍射屏顯系統中，小體積的耦合系統，在大視場的成像范圍內，無法實現高衍射耦合的問題，提供一種高效率寬角度的耦合光柵，可嵌入波導中，形成小體積的光束耦合系統，并在20°×30°的視場范圍內，提供大于93%的耦合效率。

本發明提供的高效率寬角度的耦合光柵，包含閃耀光柵結構的基底，在基底上鍍折射率、厚度不完全相同的三層膜，即第一層膜、第二層膜和第三層膜。第一層膜和第三層膜的折射率相同，第二層膜的折射率小于第一層膜和第三層膜。第一層膜和第三層膜的折射率大于2.4，第二層膜的折射率小于1.4。

由基底到出射介質的方向，膜層的厚度按照逐漸變薄的規則變化，第一層膜的厚度大于100nm、第二層膜的厚度大于60nm并小于100nm、第三層膜的厚度小于60nm。

膜層上方即第三層膜與光束出射介質相粘合。光束出射介質一般為波導。出射介質的折射率小于第一層膜和第三層膜。

耦合光柵的基底呈現閃耀光柵的結構形貌。閃耀光柵斷面的槽型，可以是單閃耀光柵，閃耀光柵一邊的槽線與底面傾斜，一邊的槽線與底面垂直；也可以是雙閃耀光柵，閃耀光柵一邊的槽線與底面傾斜，另一邊的槽線也與底面傾斜。基底材料為金屬。

耦合光柵的周期由入射光束的波長而定，周期與波長的關系為：周期=波長/（n×sinA），其中n是出射介質的折射率；A是光束垂直入射光柵表面時，一級衍射光束與光柵表面法線的夾角。A大于出射介質在空氣中的全反射臨界角。

本發明的優點和積極效果：

和現有的技術相比，本發明提供的高效率寬角度耦合光柵，可以形成小體積的耦合系統，在大視場的成像范圍內，實現高效率的光束耦合。

附圖說明

圖1是現有的楔形斜面耦合系統。

圖2是現有的閃耀光柵耦合系統。

圖3是本發明耦合光柵的單周期結構圖。

圖4是本發明耦合光柵的耦合光束示意圖。

圖5是本發明耦合光柵在寬角度入射下，衍射效率的分布圖。

圖中，1是波導板，2是楔形斜面，3是閃耀光柵，4是閃耀光柵結構的基底、5是第一層膜、6是第二層膜、7是第三層膜、8是出射介質、9是耦合光柵。

具體實施方式

圖3是本發明耦合光柵的單周期結構圖。該耦合光柵由基底、多層膜、出射介質組成。其中基底4呈現閃耀光柵的槽型結構。在本實施例中，基底4是單閃耀光柵，閃耀光柵一邊的槽線與底面傾斜，一邊的槽線與底面垂直。閃耀角是30°。基底4的材料是金屬銀。

在基底4的斜面上，依次鍍第一層膜5、第二層膜6、第三層膜7。在本實施例中，第一層膜層5和第三層膜7的折射率是2.5，第二層膜6的介質是1.38。

第一層膜層5、第二層膜層6、第三層膜層7的鍍膜均勻，膜層的上、下表面均與基底4的斜面平行。第一層膜的厚度大于第二層膜的厚度，第二層膜的厚度大于第三層膜的厚度。在本實施例中，第一層膜的厚度為120nm，第二層膜的厚度為100nm，第三層膜的厚度為50nm。

出射介質8與第三層膜7相粘合，出射介質8為低折射率透明的材質，出射介質的折射率小于第一層膜和第三層膜。在本實施例中，出射介質的折射率為1.52。

如圖4所示，耦合光柵9經過出射介質8與波導板1相粘合，光束由垂直于耦合光柵的方向入射，經衍射后，一級衍射光束在波導板內發生全反射，繼續傳播。

圖4中，光束在說明書的紙面內變化時，變化的角度稱之為縱向角b；光束在與紙面垂直的平面內變化的角度稱之為橫向角a。