[發(fā)明專利]平面鋸齒夾層結(jié)構(gòu)的目視光學(xué)顯示器件

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510036616.9
• 申請日: 2015-01-25
• 公開（公告）號(hào): CN104597603B
• 公開（公告）日: 2018-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張圣軍;張慶
• 申請（專利權(quán)）人: 上海理湃光晶技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): G02B27/01
• 分類號(hào): G02B27/01
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提供了一種平面鋸齒夾層結(jié)構(gòu)的目視光學(xué)顯示器件，包括圖像顯示光源、準(zhǔn)直透鏡組、耦合輸入面、平面波導(dǎo)襯底以及鋸齒槽結(jié)構(gòu)。其中圖像顯示光源用來發(fā)出顯示所需圖像的顯示光波，準(zhǔn)直透鏡組用來對光源發(fā)出的光波進(jìn)行準(zhǔn)直，耦合輸入面將準(zhǔn)直光波耦合進(jìn)入到平面波導(dǎo)，平面波導(dǎo)襯底則對耦合進(jìn)入的光波進(jìn)行反射傳播形成全反射光波，鋸齒槽結(jié)構(gòu)將用于視場擴(kuò)展以及光波耦合輸出襯底。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)輕薄、視場角易于擴(kuò)展、加工工藝簡單易實(shí)現(xiàn)和成本低廉的特點(diǎn)，不僅能用于可穿戴顯示，同時(shí)還可用于實(shí)時(shí)現(xiàn)場操作、裸眼3D顯示、搜尋定位顯示等諸多領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種目視光學(xué)顯示器件，特別是一種可用于全眼穿戴穿透顯示的平面鋸齒夾層結(jié)構(gòu)的目視光學(xué)顯示器件。

背景技術(shù)

對于頭戴顯示光學(xué)系統(tǒng)來說，為了體現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果，通常是利用光學(xué)元件將圖像信息虛擬的顯示在人眼前方一定的距離處，使穿戴者在瀏覽信息的同時(shí)可以觀察到周圍景物的變化，從而不影響正常的行為方式。為此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型的可穿戴顯示光學(xué)系統(tǒng)，為了使穿戴者能夠及時(shí)的獲取來自顯示光源的全部信息，通常要求顯示系統(tǒng)具有視場大、結(jié)構(gòu)輕薄以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)。而傳統(tǒng)的頭戴顯示系統(tǒng)是基于45o反射式結(jié)構(gòu)或離軸光學(xué)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。這些結(jié)構(gòu)在視場增大和頭盔的整體重量方面存在著很大的矛盾。例如基于45o反射式結(jié)構(gòu)顯示系統(tǒng)，為了增大視場，只有通過增加45o反射面的面積來實(shí)現(xiàn)，這意味著整體顯示系統(tǒng)的重量增加，給佩戴者帶來了很大的不舒適感。

為此，視場大，結(jié)構(gòu)緊湊、輕薄，以及高分辨率的圖像顯示一直是此類光學(xué)系統(tǒng)亟待解決的關(guān)鍵問題。其中顯示系統(tǒng)的緊湊、輕薄和大視場尤為重要。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，圖像的對比度和觀察視場范圍的大小直接影響到觀察人員的安全以及獲取信息的完整性，同時(shí)顯示系統(tǒng)的整體重量對佩戴者的舒服程度有很大的影響。

為了解決傳統(tǒng)穿戴顯示光學(xué)系統(tǒng)的重量與視場之間的矛盾以及制造工藝復(fù)雜等帶來的一系列問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種平面鋸齒夾層結(jié)構(gòu)的目視光學(xué)顯示器件。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種平面鋸齒夾層結(jié)構(gòu)的目視光學(xué)顯示器件。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案：

一種平面鋸齒夾層結(jié)構(gòu)的目視光學(xué)顯示器件，其特征在于：依次包括：圖像顯示光源，用于發(fā)出顯示所需圖像的顯示光波；準(zhǔn)直透鏡，對光源發(fā)出的光波進(jìn)行準(zhǔn)直；耦合輸入面，將準(zhǔn)直光波耦合進(jìn)入到平面波導(dǎo)；平面波導(dǎo)襯底，對耦合進(jìn)入的光波進(jìn)行反射傳播形成全反射光波；鋸齒槽結(jié)構(gòu)，用于視場擴(kuò)展以及光波耦合輸出襯底。其中，準(zhǔn)直透鏡組位于圖像顯示光源和平面波導(dǎo)襯底之間，鋸齒槽結(jié)構(gòu)位于平面波導(dǎo)襯底的中間夾層位置。本發(fā)明主要是采用多次內(nèi)分光技術(shù)、微納米加工技術(shù)、全反射原理和微齒形面一次反射成像原理來實(shí)現(xiàn)的。來自圖像顯示光源的光線經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后入射到耦合輸入面，經(jīng)折射進(jìn)入到平面波導(dǎo)襯底中。采用棱鏡改變光線傳播方向的原理，使光線以滿足全反射的條件在平面波導(dǎo)中傳播。光線在平面波導(dǎo)襯底中無損耗地傳輸?shù)叫枰@示輸出的位置后，由于鋸齒槽結(jié)構(gòu)位于顯示輸出的位置，該結(jié)構(gòu)的存在打破了光線在平面波導(dǎo)中的全反射傳輸條件，經(jīng)過齒形結(jié)構(gòu)傾斜齒面的一次反射成像，使光波耦合輸出到平面波導(dǎo)外，從而進(jìn)入到觀察者的視野中。而來自周圍景物的光線，經(jīng)過平面波導(dǎo)襯底上下表面以及鋸齒槽結(jié)構(gòu)的反射直接進(jìn)入到人眼，從而實(shí)現(xiàn)了圖像信息和周圍景物的同時(shí)觀察。

本發(fā)明提供的目視光學(xué)顯示器件，還具有這樣的特征：耦合輸入面的有效通光口徑內(nèi)蒸鍍有相應(yīng)的多層增透膜，耦合輸入面的外表面旋涂有相應(yīng)的反射膜，鋸齒結(jié)構(gòu)的外表面旋涂有反射膜。

本發(fā)明提供的目視光學(xué)顯示器件，還具有這樣的特征：鋸齒夾層結(jié)構(gòu)的平面波導(dǎo)襯底是由帶有凸出鋸齒結(jié)構(gòu)和凹陷鋸齒結(jié)構(gòu)的兩個(gè)平面襯底通過鋸齒黏合嵌套在一起的。

本發(fā)明提供的目視光學(xué)顯示器件，還具有這樣的特征：鋸齒槽結(jié)構(gòu)的齒形表面需要加工到鏡面（表面粗糙度R_a應(yīng)小于成像光的波長尺寸，如10-20nm）的效果，且單個(gè)鋸齒單元的長度應(yīng)大于一個(gè)成像光波長。