[發明專利]一種高耦合效率的齒形平面波導光學器件

在審

• 申請號: 201710989786.8
• 申請日: 2017-10-23
• 公開（公告）號: CN107561633A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 成冬冬;張國珍;孫川
• 申請（專利權）人: 南京理湃光電技術有限公司
• 主分類號: G02B6/00
• 分類號: G02B6/00;G02B27/01
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種平面波導光學器件，特別是一種可用于全眼穿戴穿透顯示的一種高耦合效率的齒形平面波導光學器件。

背景技術

傳統的頭盔穿戴顯示采用45o反射式的結構來實現。這種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。為了增加視場，只有通過增加45o反射面的面積來實現，這意味著整體反射系統的重量增加。通常，頭盔穿戴顯示設備為了方便穿戴者在瀏覽信息的同時不影響正常的行為方式，利用光學元件將圖像信息虛擬地顯示在人眼前方的一定距離處。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，高效耦合、結構緊湊、輕重量、大視場以及高分辨率的圖像顯示技術一直是此類光學顯示系統亟待解決的關鍵問題。其中，高效耦合、輕重量和大視場尤為重要。在某些應用領域，圖像的對比度和觀察視場范圍直接影響到人員的安全以及觀察者獲取信息的完整性，同時顯示系統的整體重量對于佩戴者的舒服程度也有很大的影響。

為了解決傳統穿戴顯示光學系統中由于光學成像系統光波耦合效率低、重量和視場矛盾以及制造工藝帶來的一系列問題，本發明設計了一種高耦合效率的齒形平面波導光學器件。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供了一種高耦合效率的齒形平面波導光學器件。

為了達到上述目的，本發明采用了以下的技術方案：

一種高耦合效率的齒形平面波導光學器件，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；微齒形結構，對全反射光波進行耦合輸出。其中，準直透鏡設置在顯示圖像光源與平面波導襯底之間，微齒形結構設置在平面波導襯底遠離顯示圖像光源的一端側面上，微齒形結構由一定數量的微型小齒銜接組成，這些微型小齒對在平面波導襯底中傳播的全反射光波進行耦合輸出。本發明主要采用鏡面反射、全反射、微齒形面反射原理以及鍍膜技術和納米加工技術實現的。來自顯示圖像光源的光線經準直透鏡準直后入射到耦合輸入面，經反射進入到平面波導襯底。采用棱鏡改變光線傳播方向的原理，使光線滿足全反射的條件，在平面波導襯底中無損耗地傳輸到需要顯示輸出的位置。由于鑲嵌微齒形結構的存在，打破了光線在平面波導襯底中全反射傳播的條件，經過微齒形齒面的反射，使光線耦合輸出到微齒形結構外而進入到觀察者的視野中。對于周圍環境中的光線，經過波導上下表面的反射直接進入到人眼中，從而完成圖像信息和周圍環境信息的同時觀察。

本發明提供的平面波導光學器件中，還具有這樣的特征：準直透鏡采用單個非球面鏡，耦合輸入面鍍有增透膜，微齒形結構的各個微型小齒的表面加工到鏡面（表面粗糙度Ra應小于成像光的波長尺寸，如10-20nm）的效果，微齒形結構和平面波導襯底采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中，還具有這樣的特征：準直透鏡和顯示光源位于耦合輸入面的前方，即采用側面耦合的方式對準直透鏡發出的準直光波進行耦合進入到平面波導內，同時平面波導光學器件的縱向尺寸Height與平面波導的厚度Hw之間滿足下述關系：Height = Hw。

本發明提供的平面波導光學器件中，還具有這樣的特征：平面波導襯底由具有相互平行的且鍍有反射膜的上表面和下表面的光學材料構成，該材料具備有合適的折射率、透過率及機械性能，如PMMA。

本發明提供的平面波導光學器件中，還具有這樣的特征：其中，耦合輸入面頂角到微齒形結構靠近耦合輸入面所在位置的物理長度Lray與平面波導襯底的厚度Hp以及全反射光波與襯底下表面的夾角αSur之間滿足下述關系：Lray >3 Hp*tan(αSur )。

本發明提供的平面波導光學器件中，還具有這樣的特征：其中，微齒形結構的整體長度Lt與平面波導襯底的厚度Hp以及全反射光波與襯底下表面的夾角αSur之間滿足下述關系：Lt > 2 Hp*tan(αSur )。

本發明提供的平面波導光學器件中，還具有這樣的特征：其中，微齒形結構中單個微齒的寬度Tw應大于成像光波長的長度，如600um，以避免由于微齒形結構造成強烈衍射效應，而影響成像效果。