[發明專利]增強現實的齒形鑲嵌平面波導光學器件

在審

• 申請號: 201510036618.8
• 申請日: 2015-01-25
• 公開（公告）號: CN104597565A
• 公開（公告）日: 2015-05-06
• 發明（設計）人: 張圣軍;張慶
• 申請（專利權）人: 上海理湃光晶技術有限公司
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術領域

本發明涉及一種平面波導光學器件，特別是一種視場大、結構緊湊、重量輕的可用于全眼穿戴穿透顯示的增強現實的齒形鑲嵌平面波導光學器件。

背景技術

對于可穿戴光學器件來說，為了便于穿戴者的觀察，通常要求該類光學系統具有視場大、重量輕、增強顯示的效果。傳統的頭盔穿戴顯示是基于45o反射式結構或離軸光學結構來實現的。這些結構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反射式結構顯示系統，為了增大視場，只有通過增加45o反射面的面積來實現，這意味著整體顯示系統的重量增加，不利于輕便靈活的應用該系統。

為了達到增強現實的效果，頭盔穿戴顯示光學系統通常利用光學元件將圖像信息虛擬的顯示在人眼前方的一定距離處，使得穿戴者在瀏覽信息的同時可以觀察到周圍景物的變化，從而不影響正常的行為方式。此類光學顯示系統的核心組件由三部分組成：圖形信息光波耦合輸入組件、信息光波傳輸襯底以及圖像光波耦合輸出顯示組件。因此，視場大、結構緊湊、重量輕以及高分辨率的圖像顯示一直是此類光學系統亟待解決的關鍵問題。其中光學系統的重量輕和視場大尤為重要。在某些應用領域，圖像的對比度和視場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，同時顯示系統的重量對佩戴者的舒服程度有很大的影響。

為了解決傳統穿戴顯示光學系統中重量和視場的矛盾以及制造工藝帶來的一系列問題，本發明設計了一種增強現實的齒形鑲嵌平面波導光學器件。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供了一種增強現實的齒形鑲嵌平面波導光學器件。

為了達到上述目的，本發明采用了以下的技術方案：

一種增強現實的齒形鑲嵌平面波導光學器件，其特征在于：依次包括：圖像顯示光源，用于發出顯示所需圖像的顯示光波；準直透鏡，對光源發出的光波進行準直；耦合輸入面，將準直光波耦合進入到平面波導；平面波導襯底，對耦合進入的光波進行反射傳播形成全反射光波；鋸齒槽結構，用于視場擴展以及光波耦合輸出襯底；蓋片，用于消除鬼影的出現，提高圖像的清晰度。其中，準直透鏡位于顯示光源和平面波導襯底之間，鋸齒槽結構位于平面波導襯底遠離耦合輸入面一側的上表面，蓋片位于鋸齒槽結構的上方。本發明主要是采用全反射原理、微齒形面一次反射成像原理、鍍膜技術和納米加工技術來實現的。來自圖像顯示光源的光線經過準直透鏡準直后入射到耦合輸入面，經折射進入到平面波導襯底中。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，在平面波導襯底中無損耗地傳輸到需要顯示輸出的位置。由于鋸齒槽結構位于顯示輸出的位置，該結構的存在打破了光線在平面波導中的全反射傳輸條件，經過微形齒面的一次反射成像，使光波耦合輸出到平面波導外，從而進入到觀察者的視野中。而來自周圍景物的光線，經過平面波導襯底上下表面以及鋸齒槽結構的反射直接進入到人眼，從而實現了圖像信息和周圍景物的同時觀察。

本發明提供的平面波導光學器件，還具有這樣的特征：耦合輸入面的有效通光口徑內蒸鍍有相應的多層增透膜，耦合輸入面的外表面旋涂有相應的反射膜。

本發明提供的平面波導光學器件，還具有這樣的特征：鋸齒槽結構的齒形表面需要加工到鏡面（表面粗糙度R_a應小于于成像光的波長尺寸，如10-20nm）的效果，鋸齒槽結構與蓋片的材料相同，且在兩者之間使用適當的光學膠水進行粘結，如折射率匹配的紫外膠。

本發明提供的平面波導光學器件，還具有這樣的特征：鋸齒槽結構的鋸齒單元的兩個斜面與水平面的夾角β_-c1與β_-c2之間滿足下述關系：

β_-c2?=90°－?β_-c1。

本發明提供的平面波導光學器件，還具有這樣的特征：主軸光線在波導上下表面一個回程反射的位移L1與鋸齒結構的總長度L2之間滿足下述關系：

L1?≥?L2。

與現有的成像系統相比，本發明的有益效果是：視場增加靈活、重量輕結構緊湊、加工工藝簡單易實現、成本低廉。這些有益效果使得本發明與傳統45o反射顯示系統相比，圖像的對比度得以提高，成像系統的體積和重量得以減小。在相同的體積下，本發明光學系統的視場更大，光波耦合效率更高、制造工藝更簡單易行、成本更低、結構也更緊湊小巧。本發明光學系統不僅能用于可穿戴顯示，還可用于醫療耳鏡、裸眼3D顯示、移動通信顯示等諸多領域。

附圖說明