[发明专利]高效率宽角度的耦合光栅

说明书

技术领域

本发明涉及衍射屏显领域，尤其涉及一种在大视场、小体积的衍射屏显系统中，高效率耦合成像光束的耦合光栅。

背景技术

在衍射屏显领域，小体积大视场的系统设计已成为趋势，尤其是头戴式衍射屏显，更要求小巧轻便。如图1所示，传统方式是将各视场的成像光束，经准直后入射带有楔形斜面的波导板内，光束的耦合能量可接近100%。但是要求成像光源倾斜放置，波导板需要较宽的横截面，增加了系统的体积和重量。图2将闪耀光栅作为耦合元件，成像光束可以垂直波导面入射，光束发生衍射后，在波导内全反射传播。这种设计可以减小体积和重量，但是闪耀光栅的耦合效率一般低于70%，当屏显要求的视场较大，即入射角度变化范围较宽时，部分角度的耦合效率可降至30%，损失了较多的入射能量。

发明内容

本发明的目的是解决现有的衍射屏显系统中，小体积的耦合系统，在大视场的成像范围内，无法实现高衍射耦合的问题，提供一种高效率宽角度的耦合光栅，可嵌入波导中，形成小体积的光束耦合系统，并在20°×30°的视场范围内，提供大于93%的耦合效率。

本发明提供的高效率宽角度的耦合光栅，包含闪耀光栅结构的基底，在基底上镀折射率、厚度不完全相同的三层膜，即第一层膜、第二层膜和第三层膜。第一层膜和第三层膜的折射率相同，第二层膜的折射率小于第一层膜和第三层膜。第一层膜和第三层膜的折射率大于2.4，第二层膜的折射率小于1.4。

由基底到出射介质的方向，膜层的厚度按照逐渐变薄的规则变化，第一层膜的厚度大于100nm、第二层膜的厚度大于60nm并小于100nm、第三层膜的厚度小于60nm。

膜层上方即第三层膜与光束出射介质相粘合。光束出射介质一般为波导。出射介质的折射率小于第一层膜和第三层膜。

耦合光栅的基底呈现闪耀光栅的结构形貌。闪耀光栅断面的槽型，可以是单闪耀光栅，闪耀光栅一边的槽线与底面倾斜，一边的槽线与底面垂直；也可以是双闪耀光栅，闪耀光栅一边的槽线与底面倾斜，另一边的槽线也与底面倾斜。基底材料为金属。

耦合光栅的周期由入射光束的波长而定，周期与波长的关系为：周期=波长/（n×sinA），其中n是出射介质的折射率；A是光束垂直入射光栅表面时，一级衍射光束与光栅表面法线的夹角。A大于出射介质在空气中的全反射临界角。

本发明的优点和积极效果：

和现有的技术相比，本发明提供的高效率宽角度耦合光栅，可以形成小体积的耦合系统，在大视场的成像范围内，实现高效率的光束耦合。

附图说明

图1是现有的楔形斜面耦合系统。

图2是现有的闪耀光栅耦合系统。

图3是本发明耦合光栅的单周期结构图。

图4是本发明耦合光栅的耦合光束示意图。

图5是本发明耦合光栅在宽角度入射下，衍射效率的分布图。

图中，1是波导板，2是楔形斜面，3是闪耀光栅，4是闪耀光栅结构的基底、5是第一层膜、6是第二层膜、7是第三层膜、8是出射介质、9是耦合光栅。

具体实施方式

图3是本发明耦合光栅的单周期结构图。该耦合光栅由基底、多层膜、出射介质组成。其中基底4呈现闪耀光栅的槽型结构。在本实施例中，基底4是单闪耀光栅，闪耀光栅一边的槽线与底面倾斜，一边的槽线与底面垂直。闪耀角是30°。基底4的材料是金属银。

在基底4的斜面上，依次镀第一层膜5、第二层膜6、第三层膜7。在本实施例中，第一层膜层5和第三层膜7的折射率是2.5，第二层膜6的介质是1.38。

第一层膜层5、第二层膜层6、第三层膜层7的镀膜均匀，膜层的上、下表面均与基底4的斜面平行。第一层膜的厚度大于第二层膜的厚度，第二层膜的厚度大于第三层膜的厚度。在本实施例中，第一层膜的厚度为120nm，第二层膜的厚度为100nm，第三层膜的厚度为50nm。

出射介质8与第三层膜7相粘合，出射介质8为低折射率透明的材质，出射介质的折射率小于第一层膜和第三层膜。在本实施例中，出射介质的折射率为1.52。

如图4所示，耦合光栅9经过出射介质8与波导板1相粘合，光束由垂直于耦合光栅的方向入射，经衍射后，一级衍射光束在波导板内发生全反射，继续传播。

图4中，光束在说明书的纸面内变化时，变化的角度称之为纵向角b；光束在与纸面垂直的平面内变化的角度称之为横向角a。